(57)【要約】ローラーボールペンのための導電性インクは、水性溶媒と、少なくとも約３０ｗｔ％の濃度でその水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子とを含む。導電性粒子は、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む。分散剤が、少なくとも約０．１ｍｇ／ｍ２から、約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで、導電性粒子を被覆する。ローラーボールペンから基材上に堆積される導電性トレースは、１種または複数の金属を含む導電性粒子のパーコレーションネットワークを含む。導電性粒子は、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む。導電性トレースは、バルク金属導電率の少なくとも約１％の導電率、および４０％を超える反射率を有する。
2017523251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローラーボールペンのための導電性インクであって、
水性溶媒；
少なくとも約３０ｗｔ％の濃度で前記水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子であって、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む導電性粒子；および
約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで前記導電性粒子を被覆する分散剤；
を含む、導電性インク。
【請求項２】
前記導電性フレークと前記導電性ナノ粒子の重量比が、少なくとも約３：１である、請求項１に記載の導電性インク。
【請求項３】
前記重量比が、少なくとも約９：１である、請求項２に記載の導電性インク。
【請求項４】
前記導電性粒子の濃度が、少なくとも約５０ｗｔ％である、請求項１から３のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項５】
前記分散剤の担持レベルが、約０．５ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２である、請求項１から４のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項６】
前記１種または複数の金属が、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄからなる群から選択される、請求項１から５のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項７】
前記導電性フレークが、約１ミクロンから約４ミクロンの平均横寸法、および約１０ｎｍから約１００ｎｍの平均厚さを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項８】
前記導電性ナノ粒子が、実質的に球状の形状を有する導電性ナノスフィアを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項９】
前記導電性ナノ粒子が、約５００ｎｍまたはそれ未満の平均直線寸法を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項１０】
少なくとも約８カ月の貯蔵寿命を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項１１】
少なくとも約１２カ月の貯蔵寿命を備える、請求項１０に記載の導電性インク。
【請求項１２】
約４０００センチポアズから約６０００センチポアズの粘度を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項１３】
前記水性溶媒に増粘剤をさらに含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項１４】
前記増粘剤が、ヒドロキシエチルセルロール（ＨＥＣ）、キサンタンガムおよびグアルガムからなる群から選択される、請求項１３に記載の導電性インク。
【請求項１５】
表面張力を下げるために、前記水性溶媒に界面活性剤をさらに含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の導電性インク。
【請求項１６】
前記界面活性剤が、ポリマーのフッ素系界面活性剤を含む、請求項１５に記載の導電性インク。
【請求項１７】
ローラーボールペンから基材上に形成される導電性トレースであって、
１種または複数の金属を含む導電性粒子のパーコレーションネットワークであって、前記導電性粒子が導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含むパーコレーションネットワーク；
を含み、
バルク金属導電率の少なくとも約１％の導電率、および４０％を超える反射率を有する、
導電性トレース。
【請求項１８】
前記１種または複数の金属が、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄからなる群から選択される、請求項１７に記載の導電性トレース。
【請求項１９】
前記導電性フレークと前記導電性粒子の重量比が、少なくとも約３：１である、請求項１７または１８に記載の導電性トレース。
【請求項２０】
前記重量比が、少なくとも約９：１である、請求項１９に記載の導電性トレース。
【請求項２１】
前記導電性フレークが、約１ミクロンから約４ミクロンの平均横寸法、および約１０ｎｍから約１００ｎｍの平均厚さを備える、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の導電性トレース。
【請求項２２】
前記導電性ナノ粒子が、実質的に球状の形状を有する導電性ナノスフィアを含む、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の導電性トレース。
【請求項２３】
前記導電性ナノ粒子が、約５００ｎｍまたはそれ未満の平均直線寸法を備える、請求項１７から２２のいずれか一項に記載の導電性トレース。
【請求項２４】
前記導電性粒子が、それらを被覆する分散剤を含み、前記分散剤が、約０．５ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の量で存在する、請求項１７から２３のいずれか一項に記載の導電性トレース。
【請求項２５】
約１０−５ｏｈｍ−ｃｍまたはそれ未満の電気抵抗率を備える、請求項１７から２４のいずれか一項に記載の導電性トレース。
【請求項２６】
水性溶媒；少なくとも約３０ｗｔ％の濃度で前記水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子であって、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む導電性粒子；および、約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで前記導電性粒子を被覆する分散剤；を含む導電性インクをローラーボールペンに供給すること；
表面上で前記ローラーボールペンを動かすことであって、前記表面に前記導電性インクを堆積させること；
前記導電性インクを室温で乾燥することであって、これによって前記１種または複数の金属を含む導電性トレースを形成すること；
によって形成される導電性トレース。
【請求項２７】
バルク金属導電率の少なくとも１％の導電率を備える、請求項２６に記載の導電性トレース。
【請求項２８】
前記導電率が前記バルク金属導電率の少なくとも約５％である、請求項２６または２７に記載の導電性トレース。
【請求項２９】
前記１種または複数の金属が、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＰｔおよびＰｄからなる群から選択される、請求項２６から２８のいずれか一項に記載の導電性トレース。
【請求項３０】
少なくとも約４０％の反射率を備える、請求項２６から２９のいずれか一項に記載の導電性トレース。
【請求項３１】
導電性トレースを形成する方法であって、
水性溶媒；少なくとも約３０ｗｔ％の濃度で前記水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子であって、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む導電性粒子；および、約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで前記導電性粒子を被覆する分散剤；を含む導電性インクをローラーボールペンに供給すること；
表面上で前記ローラーボールペンを動かすことであって、前記表面に前記導電性インクを堆積させること；
前記導電性インクを室温で乾燥することであって、これによって前記導電性トレースを形成すること；
を含む、方法。
【請求項３２】
前記乾燥の時間が、約３０秒またはそれ未満である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記乾燥の時間が、約１０秒またはそれ未満である、請求項３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本特許書類は、２０１４年５月３０日に出願された米国仮特許出願番号第６２／００５，３０５号に対し、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下で優先権の利益を主張しており、この仮特許出願は、その全体が参考として本明細書によって援用される。
【０００２】
(技術分野)
本開示は、広くは、インク配合物に、より詳細には、紙および他の基材に書かれて導電性トレースを形成し得る導電性インクに関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
プリンテッドエレクトロニクスは、光起電力技術、トランジスタ、ディスプレイ、バッテリー、アンテナ、およびセンサに潜在的な用途を有する、新興の材料類を成す。最近の注目は、フレキシブルで、軽量で、使い捨てにできるデバイスを可能にする、低コストの基盤材料として、紙基材に集中している。このようなデバイスは導電性電極を必要とし、これらは、今日まで、スパッタコーティング、インクジョット印刷、およびエアーブラシスプレー法によって堆積されている。しかし、これらの堆積法は、多大の費用を要するか、または、紙基材に浸透し易い希薄なインクを使用する可能性がある。
【０００４】
紙基材は、プリンテッドエレクトロニクスデバイスに多くの利点を提供する。紙は、広範囲から入手可能で、高価でないだけでなく、それは、軽量で、生分解性であり、３次元（３Ｄ）形状に巻く、または折ることができる。サーモクロミックディスプレイ、使い捨て無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグ、およびセルロース系バッテリーを含めて、最近、機能性エレクトロニクスコンポーネントが紙基材に製造されている。入手可能な紙のテクスチャー、組成、およびコーティングの多様さは、特定のデバイス構造を可能にするために、利用できる。雰囲気条件下で、「オンザフライ」のデバイスを作り出すための容易な手段により、紙をベースにしたプリンテッドエレクトロニクスの可能性を十分に利用することが可能になるであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（簡単な要旨）
ローラーボール（ｒｏｌｌｅｒｂａｌｌ）ペンのための導電性インクは、水性溶媒と、少なくとも約３０ｗｔ％の濃度でその水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子とを含む。導電性粒子は、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む。分散剤が、少なくとも約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで、導電性粒子を被覆する。
【０００６】
ローラーボールペンから基材上に堆積される導電性トレースは、１種または複数の金属を含む導電性粒子のパーコレーションネットワークを含む。導電性粒子は、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む。導電性トレースは、バルク金属導電率の少なくとも約１％の導電率、および４０％を超える反射率を有する。
【０００７】
導電性トレースは、ローラーボールペンに導電性インクを供給すること；表面上でローラーボールペンを動かして、表面に導電性インクを堆積させること；および、室温で導電性インクを乾燥し、こうして導電性トレースを形成すること；によって形成される。導電性インクは、水性溶媒と、少なくとも約３０ｗｔ％の濃度でその水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子とを含む。導電性粒子は、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む。分散剤が、約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで、導電性粒子を被覆する。
【０００８】
導電性トレースを形成する方法は、導電性インクをローラーボールペンに供給すること、表面上でローラーボールペンを動かして、表面に導電性インクを堆積すること、および、室温で導電性インクを乾燥し、こうして導電性トレースを形成すること、を含む。導電性インクは、水性溶媒と、少なくとも約３０ｗｔ％の濃度でその水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子とを含む。導電性粒子は、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含み、分散剤が、約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで、導電性粒子を被覆する。
【０００９】
用語「含む」、「備える」、「包含する」および「有する」は、挙げられていない要素（またはステップ）を排除することなく、挙げられた要素（またはステップ）を指示する非制限的用語として、本開示の全体を通して、交換可能であるように使用されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、エレクトロニクスデバイスの間の連結を提供するために、紙上に形成された、いくつかの導電性トレースを示す。
【００１１】
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、コピー用紙上に形成された例示的導電性トレースの、異なる２つの倍率での走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【００１２】
【図３】図３Ａおよび３Ｂは、写真用紙上に形成された例示的導電性トレースの、異なる２つの倍率でのＳＥＭ画像を示す。
【００１３】
【図４】図４は、所定の位置に保持され、プロッターによって動かされるローラーボールペンからの、紙基材への導電性インクの堆積を示す。
【００１４】
【図５】図５は、コピー用紙および写真用紙に、異なるプロッター走査速度（１ｍｍ／秒、１０ｍｍ／秒、および１００ｍｍ／秒）で形成された導電性トレースのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（詳細な説明）
非常に安定で、速乾性の導電性インク配合物が、広範な基材に導電性トレースを形成するために、ローラーボールペンで使用されるように開発された。導電性トレースは、銀のような金属を含み、金属のバルク導電率の約２０％に達する導電率を示し得る。導電性インクは、例えば図１に示されるように、エレクトロニクスデバイスのための配線として使えるトレースを形成するために、紙、プラスチック、および他のフレキシブルまたは堅い基材上に堆積され得る。
【００１６】
図２Ａおよび２Ｂは、コピー用紙上に形成された例示的導電性トレースの、２つの異なる倍率での走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示し、図３Ａおよび３Ｂは、写真用紙上に形成された例示的導電性トレースの、２つの異なる倍率でのＳＥＭ画像を示す。導電性トレースは、銀を含む導電性粒子のパーコレーションネットワークを含む。図２Ｂおよび３Ｂに示されるように、導電性粒子は、フレークおよびナノ粒子を含む、異なるサイズおよび形態の導電性粒子を含み得る。
【００１７】
トレースを形成するために使用される導電性インクは、水性溶媒と、少なくとも約３０ｗｔ％の濃度でその水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子とを含む。分散剤が、約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで、導電性粒子を被覆する。導電性粒子は、堆積後の例えば図２Ｂに示されるように、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む。
【００１８】
導電性インク配合物における導電性粒子の高い担持レベルに起因して、インクが紙（または別の基材）上に堆積されたとき、低抵抗の導電性トレースが形成され得る。また、双峰性のサイズ分布および／または異なる形態を有する導電性粒子の使用は、導電性トレースにおける粒子パッキングを向上させ得るので、パーコレーションを促進し得る（導電性粒子を通る電気的に連続な経路の形成）。
【００１９】
好ましくは、導電性インクは、長い貯蔵寿命または分散安定性を有し、これは、当業者によって認められるであろうように、高い固体（粒子）担持量を達成することと両立しないかもしれない。インクの安定性を高めるための分散剤の添加は、また、基材に書かれるトレースの導電度に悪影響を及ぼし得る。しかし、本発明者らは、以下で論じられるように、導電性フレークと導電性ナノ粒子の適切な比と組み合わせて、０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の範囲における分散剤の量を使用することによって、高い固体担持レベルでさえ、安定で、かつ速乾性の導電性インクを生成できることを見出した。ローラーボールペンを使用し、紙のような基材に塗布されるとき、導電性インクは、乾燥して、高い反射率および基材への良好な接着もまた特徴とする高導電性トレースを形成する。
【００２０】
理想的には、所望の導電率を有するトレースを形成するために、インクにおける導電性粒子の濃度は、少なくとも約４０ｗｔ％、少なくとも約５０ｗｔ％、少なくとも約６０ｗｔ％、少なくとも約７０ｗｔ％、または少なくとも約８０ｗｔ％である。この濃度は、また、約８５ｗｔ％のように高い、または約９０ｗｔ％のように高いこともあり得る。
【００２１】
分散剤の量は、少なくとも約０．２ｍｇ／ｍ２、少なくとも約０．３ｍｇ／ｍ２、少なくとも約０．４ｍｇ／ｍ２、または、少なくとも約０．５ｍｇ／ｍ２であり得るが、ここで、この単位は、導電性粒子の１ｍ２の表面積あたりの分散剤の質量（ｍｇ）を表す。代表的には、分散剤の量は、約０．７ｍｇ／ｍ２、または約０．８ｍｇ／ｍ２を超えない。導電性粒子（フレークおよび／またはナノ粒子）の表面に吸着されたとき、分散剤は、凝集を防ぐか、または最少限度にし、こうして、インク組成物の安定性を向上させる。しかし、０．８ｍｇ／ｍ２を超える量が使用された場合、それは、導電性フレークと粒子との間の電気的接触を妨げ、導電性トレースの導電率を低下させ得る。
【００２２】
分散剤には、ポリマー、例えば、約１０００ｇ／ｍｏｌを超える分子量を有する高分子電解質（例えば、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）および／またはヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ））が含まれ得る。一般的に言えば、前記ポリマーは、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）、ポリビニルメチルエーテル（ＰＶＭＥ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリオキシエチレングリコールソルビタンアルキルエステル、ポリオキシプロピレングリコールアルキルエーテル、ポリオキシエチレングリコールアルキルエーテル、および、ポリオキシエチレングリコールオクチルフェノールエーテルからなる群から選択され得る。代わりに、分散剤がポリマーを含まないこともあり得る。例えば、分散剤は、パーフルオロオクタンスルホネート（ＰＦＯＳ）、またはパーフルオロノナン酸（ＰＦＮＡ）であってもよい。
【００２３】
導電性フレークは、フレークの平均横寸法より、ずっと小さい平均厚さを有する板状形態を有し得るが、ここで、「横寸法」は、フレークの厚さに垂直に測定される直線寸法（例えば、幅、長さおよび／または直径）を表す。代表的には、導電性フレークの平均厚さは、平均幅（または他の横寸法）より１〜２桁小さい。例えば、導電性フレークは、数ミクロン（例えば、約１〜５ミクロン）の平均幅を有し得るが、一方、導電性フレークの平均厚さは、数十から数百ナノメートルであり得る。通例、導電性フレークの平均横寸法は、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約７５０ｎｍ、少なくとも約１ミクロン、または少なくとも約２ミクロンの大きさであり得るし、代表的には、約５ミクロン以下、約４ミクロン以下、または約３ミクロン以下である。導電性フレークの平均厚さは、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、または少なくとも約１００ｎｍであり得るし、代表的には、約３００ｎｍ以下、約２００ｎｍ以下、または約１００ｎｍ以下である。本明細書において「平均」値として表される値、例えば平均厚さまたは平均幅は、複数の粒子またはフレークに対する公称値を表す。当業者によって認められるであろうように、複数の中の個々の粒子またはフレークは、平均値からのばらつきを示し得る。
【００２４】
導電性ナノ粒子は、実質的に球状の形状を有し、このため、導電性ナノスフィアと呼ばれ得る。代わりに、導電性ナノ粒子は、不規則なまたは他の形態を、例えば小平面を有する形状または針状の形を有し得る。導電性ナノ粒子は、代表的には、約５００ｎｍまたはそれ未満、約２００ｎｍまたはそれ未満、あるいは、約１００ｎｍまたはそれ未満の平均直線寸法（長さ、幅および／または直径）を有する。平均直線寸法は、また、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、または少なくとも約１００ｎｍであり得る。例えば、導電性ナノ粒子の平均直線寸法は、約１０ｎｍから約２００ｎｍ、または約１００ｎｍから約５００ｎｍの範囲であり得る。
【００２５】
適切な重量比の導電性フレークと導電性ナノ粒子を含めることによって、導電性粒子のパーコレーションネットワークが、堆積された導電性トレースに形成され得るように、良好な粒子パッキングが導電性インクにおいて実現され得る。例えば、重量比は、少なくとも約０．１：１、少なくとも約１：１、少なくとも約３：１、少なくとも約６：１、または少なくとも約９：１であり得る。代表的には、重量比は、約２０：１以下、または約１５：１以下である。
【００２６】
導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含む導電性粒子は、遷移金属、半金属、および／または希土類金属から選択される１種または複数の金属を含み得る。例えば、１種または複数の金属は、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群から選択され得る。好ましい金属には、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、および／またはＰｄが含まれ得る。導電性粒子は、不可避不純物だけを含む実質的に純粋な金属、金属合金、および／または金属酸化物（例えば、酸化スズまたは酸化インジウム−スズ）を含み得る。導電性粒子が、個々のフレークおよび／または粒子にコーティング（例えば、導電性コーティングまたは不動態化層）を含み得ることもまた想定されている。コーティングは、上記の１種または複数の金属を含み得る。
【００２７】
導電性インクは、インクの流動挙動を調節するための増粘剤をさらに含み得る。例えば、増粘剤は、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、キサンタンガム、およびグアルガムの中から選択され得る。一例として、増粘剤は、導電性粒子に対して約２ｗｔ％から約３ｗｔ％の濃度のＨＥＣである。導電性インクの粘度は、剪断応力ゼロの条件下で約４０００センチポアズから約６０００センチポアズの範囲であり得る。
【００２８】
界面活性剤が、表面張力を下げ、また、紙または他の基材の良好な濡れ性を高めるために、導電性インクに添加されてもよい。使用される場合、界面活性剤には、ＢＹＫ（登録商標）３４０（ＢＹＫ−Ｃｈｅｍｉｅ  ＧｍｂＨ、Ｗｅｓｅｌ、ドイツ）のような、ポリマーのフッ素系界面活性剤が含まれ得る。
【００２９】
導電性インクは、導電性フレークおよびナノ粒子を、分散剤（例えば、ＰＡＡ）と共に、水性溶媒（例えば、水）中に含む混合物を生成することによって調製され得る。前記混合物は、フレークおよびナノ粒子が十分に分散されることを保証するために、超音波処理され得る。増粘剤が、混合物の粘度を増すために添加され、少量の表面張力調節剤（界面活性剤）が、さらに、または代わりに、紙または他の基材に投液されたインクの平滑性を向上させるために添加され得る。導電性インクに望まれる全ての成分の添加および混合の後、インクは、書くために、ローラーボールペンに充填され得る。当技術分野において公知のローラーボールペンは、代表的には、２５０ミクロンから１ミリメートル近傍までの範囲に渡るボール直径を有する。導電性インクとともに使用されるローラーボールペンの直径の好ましい範囲は、約８００ミクロンから約１０００ミクロンである。
【００３０】
前記のように設計された導電性インクは、少なくとも約８カ月、または少なくとも約１２カ月の分散安定性または貯蔵寿命を示し得る。貯蔵寿命は、また、約２４カ月またはそれを超え得る。代表的には、分散安定性／貯蔵寿命は、約８カ月から約１２カ月である。
【００３１】
導電性トレースは、導電性インクから、最初に、ローラーボールペンに導電性インクを供給することによって形成され得るが、ここで、前記のように、導電性インクは、水性溶媒と、少なくとも約３０ｗｔ％の濃度でその水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子とを含み、導電性粒子は、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含み、分散剤が、約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで導電性粒子を被覆する。次いで、ローラーボールペンは、表面上を動かされて、表面に導電性インクを堆積させる。導電性インクは室温で乾燥されて、導電性トレースを形成する。
【００３２】
導電性インクは、素早く乾燥するように設計される。乾燥時間は、４０秒以下、３０秒以下であり、約２０秒またはそれ未満、約１０秒またはそれ未満、あるいは約５秒またはそれ未満であり得る。乾燥時間は、表面に導電性インクを堆積させた後、導電性トレースの抵抗率が安定するのに要する時間を測定することによって求めることができ、ここで、抵抗率（ρ）は、ρ＝（Ａ／Ｌ）Ｒとして定義され、Ａは断面積であり、Ｌは長さであり、Ｒは電気抵抗である。２点プローブが、抵抗率測定を行うために使用され得るが、この測定は、試験体に電流（Ｉ）を流すこと、および電圧降下（Ｖ）を測定することを伴い、ここで、Ｒは、オームの法則、Ｖ＝ＩＲから求められ得る。表面形状測定装置（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）が、断面積Ａを測定するために使用され得る。
【００３３】
乾燥で形成された導電性トレースは、例えば図２Ｂに示されるように、１種または複数の金属を含む導電性粒子のパーコレーションネットワークを含み得る。導電性粒子は、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含み、導電性トレースは、以下で説明されるように、バルク金属導電率の少なくとも約１％の導電率、および約４０％を超える反射率を有し得る。
【００３４】
導電性インクの説明において上で記載されたように、導電性トレースの１種または複数の金属は、遷移金属、半金属、および／または希土類金属から選択され得る。例えば、１種または複数の金属は、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群から選択され得る。好ましい金属には、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、および／またはＰｄが含まれ得る。導電性粒子は、不可避不純物だけを含む実質的に純粋な金属、金属合金、および／または金属酸化物（例えば、酸化スズまたは酸化インジウム−スズ）を含み得る。導電性粒子が、個々のフレークおよび／または粒子にコーティング（例えば、導電性コーティングまたは不動態化層）を含み得ることもまた想定されている。コーティングは、上記１種または複数の金属を含み得る。
【００３５】
導電性トレースの導電性フレークおよび導電性ナノ粒子は、導電性インクの説明において上記に記載された形態およびサイズのいずれかを有し得る。インクは、室温で堆積され、乾燥されるので、過度の焼成は避けられ、導電性トレースのフレークおよびナノ粒子は、形態／サイズにおいて、堆積されたときの導電性インクのものと似ているか、または同じであり得る。
【００３６】
また、上で説明されたように、導電性フレークと導電性ナノ粒子の適切な重量比が、堆積された導電性トレースにおける良好な粒子パッキングと導電性粒子のパーコレーションネットワークの形成とを実現するように選択され得る。例えば、重量比は、少なくとも約０．１：１、少なくとも約１：１、少なくとも約３：１、少なくとも約６：１、または少なくとも約９：１であり得る。代表的には、重量比は、約２０：１以下、または約１５：１以下である。
【００３７】
インク配合物における導電性粒子の担体としての役目を果たす水性溶媒は、インクが乾燥されるときに除去される；しかし、分散剤は乾燥後も残る。したがって、導電性粒子のパーコレーションネットワークは、それらを被覆する分散剤を含み得るし、分散剤は、約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２、または、約０．５ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の範囲の量で存在し得る。
【００３８】
導電性トレースは、バルク金属導電率の少なくとも０．１％の導電率を示し、ここで、バルク金属導電率は、導電性トレースの主要部分、またはその全体を成す金属のバルク導電率を表す。導電率は、また、バルク金属導電率の少なくとも約１％、バルク金属導電率の少なくとも約５％、バルク金属導電率の少なくとも約１０％、または、バルク金属導電率の少なくとも約１５％であり得る。導電率は抵抗率の逆数であるので、導電性トレース（またはバルク金属）の導電率は、上記で呈示された抵抗率（ρ）を測定することによって求められ得る。２点プローブまたは４点プローブ法が、表面形状測定装置と共に使用され得る。有利には、導電性トレースの電気抵抗率は、約１０−５ｏｈｍ−ｃｍまたはそれ未満である。導電率は、バルク金属導電率の約２０％のように高いこともあり得る。
【００３９】
良好な導電率以外に、導電性トレースは、また、高反射性の表面を有し得る。ＵＶ−Ｖｉｓ反射率分光光度計が、導電性トレースから反射される光の強度（Ｉ）を測定するために使用され得る。標準材料、例えば、ＷＳ−１、テフロン（登録商標）拡散反射率標準から反射される光の強度（Ｉ０）と比較されたとき、Ｉ／Ｉ０比（反射率）が求められ得る。反射率は、通常、１００倍され、パーセントで表される（反射率％）。こうして、ＵＶ−Ｖｉｓ反射率測定によって求められたとき、導電性トレースは、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、または、少なくとも約８０％の反射率値を示し得る。導電性トレースの反射率は、約９０％のように大きいか、または、約９９％のように大きいこともあり得る。
【００４０】
導電性トレースが基材に強く接着することが有利である。基材へのトレースの接着は、ＡＳＴＭ  ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｄ３３５９に従って測定され得る。この試験法は、導電性トレースに網目状カットを入れること、および網目状領域にテープを張り付けることを伴う。テープが引き剥がされた後、カット領域が精査され、採点される。本明細書に記載されたようにして生成された導電性トレースは、以下で表に示されるように、試験に合格するのに十分な、基材への接着性を有することが分かる。
【００４１】
導電性トレースを形成する方法は、ローラーボールペンに導電性インクを供給すること、表面上でローラーボールペンを動かして、表面に導電性インクを堆積すること、および、室温で導電性インクを乾燥して、導電性トレースを形成すること、を含む。導電性インクは、上記のように、水性溶媒と、少なくとも約３０ｗｔ％の濃度でその水性溶媒に分散された、１種または複数の金属を含む導電性粒子とを含み、ここで、導電性粒子は、導電性フレークおよび導電性ナノ粒子を含み、分散剤が、約０．１ｍｇ／ｍ２から約０．８ｍｇ／ｍ２の担持レベルで導電性粒子を被覆する。
【００４２】
乾燥時間は、上記のように、極めて迅速であり、約３０秒またはそれ未満である。前記の方法によって形成された導電性トレースは、先に記載された特徴のいずれも有し得る。
【００４３】
ローラーボールペンは、基材上を、手で、または自動的に（例えば、図４に示されるように、プロッターにより）動かされ得る。こうして、導電性インクは、望まれる任意の速度で、基材上に堆積され得る。少なくとも約１ｍｍ／ｓ、少なくとも約１０ｍｍ／ｓ、または、少なくとも約１００ｍｍ／ｓの堆積速度が容易に実現可能であり、これらの速度で形成された例示的トレースが、図５に、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像により示されている。代表的なトレースは、幅および厚さが約５００ミクロンから約１２００ミクロンの範囲にある。
【００４４】
室温加工条件を考えると、基材には、ポリマーおよび紙（例えば、写真用紙、コピー用紙、カード用紙など）のような熱に感受性の材料、さらには、セラミック、金属および／または半導体を含めて、いくつかの材料のいずれも含まれ得る。
【表１】
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【実施例】
【００４５】
（実施例１）
導電性インク配合物が、９０重量％の銀フレーク（平均サイズ１〜３ミクロン）および１０重量％の銀ナノ粒子（平均サイズ５０〜５００ｎｍ）を、０．２ｍｇ／ｍ２の担持レベルでポリ（アクリル酸）分散剤を用い、分散させることによって製造される。ナノ粒子の形態は実質的に球状である。溶液における銀の重量パーセント（固形分担持量）は、２０ｗｔ％であるように調節され、粘度は、増粘剤としてヒドロキシエチルセルロースを、銀の３重量％の濃度で添加することによって増加させられる。導電性銀インクは十分に混合され、最終の粘度は４０００ｃＰであると測定される。インクは、基材（紙）上に堆積され、室温で迅速に乾燥して、銀のトレースを形成する。乾燥後、銀トレースの抵抗率は、≦１０−４ｏｈｍ−ｃｍであると測定され、これは、室温でバルク銀導電率（Ａｇの抵抗率は、１．５９×−６ｏｈｍ−ｃｍである）の約１％の導電率に相当し、銀トレースは、金属様外観を有することが認められる。
【００４６】
（実施例２）
導電性インク配合物が、９０重量％の銀フレーク（平均サイズ１〜３ミクロン）および１０重量％の銀ナノ粒子（平均サイズ５０〜５００ｎｍ）を、０．２ｍｇ／ｍ２の担持レベルでポリ（アクリル酸）分散剤を用い、分散させることによって製造される。ナノ粒子の形態は実質的に球状である。溶液における銀の重量パーセント（固形分担持量）は、５０ｗｔ％であるように調節され、粘度は、増粘剤としてヒドロキシエチルセルロースを、銀の３重量％の濃度で添加することによって増加させられる。導電性銀インクは十分に混合され、最終の粘度は４０００ｃＰであると測定される。インクは、基材上に堆積され、室温で迅速に乾燥して、銀のトレースを形成する。乾燥後、銀トレースの抵抗率は、≦５×１０−５ｏｈｍ−ｃｍであると測定され、これは、室温でバルク銀導電率の約２％の導電率に相当し、銀トレースは、金属様外観を有することが認められる。
【００４７】
（実施例３）
導電性インク配合物が、９０重量％の銀フレーク（平均のサイズ１〜３ミクロン）および１０重量％の銀ナノ粒子（平均サイズ５０〜５００ｎｍ）を、０．２ｍｇ／ｍ２の担持レベルでポリ（アクリル酸）分散剤を用い、分散させることによって製造される。ナノ粒子の形態は実質的に球状である。溶液における銀の重量パーセント（固形分担持量）は、８０ｗｔ％であるように調節され、粘度は、増粘剤としてヒドロキシエチルセルロースを、銀の３重量％の濃度で添加することによって増加させられる。導電性銀インクは十分に混合され、最終の粘度は４０００ｃＰであると測定される。インクは、基材上に堆積され、室温で迅速に乾燥して、銀のトレースを形成する。乾燥後、銀トレースの抵抗率は、≦１０−５ｏｈｍ−ｃｍであると測定され、これは、室温でバルク銀導電率の約１０％の導電率に相当し、銀トレースは、金属様外観を有することが認められる。
【００４８】
（実施例４）
導電性インク配合物が、９０重量％の銀フレーク（平均サイズ１〜３ミクロン）および１０重量％の銀ナノ粒子（平均サイズ５０〜５００ｎｍ）を、０．２ｍｇ／ｍ２の担持レベルでポリ（アクリル酸）分散剤を用い、分散させることによって製造される。ナノ粒子の形態は実質的に球状である。溶液における銀の重量パーセント（固形分担持量）は、５０ｗｔ％であるように調節され、粘度は、増粘剤としてヒドロキシエチルセルロースを、銀の３重量％の濃度で添加することによって増加させられる。導電性銀インクは十分に混合され、最終の粘度は４０００ｃＰであると測定される。インクは、基材上に堆積され、室温で迅速に乾燥して、銀のトレースを形成する。乾燥後、銀トレースの抵抗率は、≦１０−５ｏｈｍ−ｃｍであると測定され、これは、室温でバルク銀導電率の約４％の導電率に相当し、銀トレースは、金属様外観を有することが認められる。
【００４９】
（実施例５）
導電性インク配合物が、５０重量％の銀フレーク（平均サイズ１〜３ミクロン）および５０重量％の銀ナノ粒子（平均サイズ５０〜５００ｎｍ）を、０．２ｍｇ／ｍ２の担持レベルでポリ（アクリル酸）分散剤を用い、分散させることによって製造される。ナノ粒子の形態は実質的に球状である。溶液における銀の重量パーセント（固形分担持量）は、５０ｗｔ％であるように調節され、粘度は、増粘剤としてヒドロキシエチルセルロースを、銀の３重量％の濃度で添加することによって増加させられる。導電性銀インクは十分に混合され、最終の粘度は４０００ｃＰであると測定される。インクは、基材上に堆積され、室温で迅速に乾燥して、銀のトレースを形成する。乾燥後、銀トレースの抵抗率は、≦１０−５ｏｈｍ−ｃｍであると測定され、これは、室温でバルク銀導電率の約５％の導電率に相当し、銀トレースは、金属様外観を有することが認められる。
【００５０】
（実施例６）
導電性インク配合物が、１０重量％の銀フレーク（平均サイズ１〜３ミクロン）および９０重量％の銀ナノ粒子（平均サイズ５０〜５００ｎｍ）を、０．２ｍｇ／ｍ２の担持レベルでポリ（アクリル酸）分散剤を用い、分散させることによって製造される。ナノ粒子の形態は実質的に球状である。溶液における銀の重量パーセント（固形分担持量）は、５０ｗｔ％であるように調節され、粘度は、増粘剤としてヒドロキシエチルセルロースを、銀の３重量％の濃度で添加することによって増加させられる。導電性銀インクは十分に混合され、最終の粘度は４０００ｃＰであると測定される。インクは、基材上に堆積され、室温で迅速に乾燥して、銀のトレースを形成する。乾燥後、銀トレースの抵抗率は、≦１０−４ｏｈｍ−ｃｍであると測定され、これは、室温でバルク銀導電率の約５％の導電率に相当し、銀トレースは、金属様外観を有することが認められる。
【００５１】
本発明が、その特定の実施形態を参照して、かなり詳細に説明されたが、他の実施形態が、本発明から逸脱することなく、可能である。したがって、添付の請求項の精神および範囲は、本明細書に含まれる好ましい実施形態の説明に、限定されるべきでない。請求項の含意の範囲内に入る全ての実施形態は、文字通りにか、または均等物によるかのいずれかで、その範囲内に包含されるものとする。
【００５２】
さらに、前記の利点だけが、必ずしも本発明の利点であるとは限らず、記載された利点の全てが、本発明の全ての実施形態により実現されることは、必ずしも予想されていない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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