[发明专利]用于基于溶剂和水的金属导电油墨的添加剂和改性剂

说明书

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)(1)，本申请要求2008年3月5日提交的序列号为61/034087的美国临时申请和2008年11月12日提交的序列号为61/113913的美国临时申请的优先权，这两份文件均通过参考并入本文。

技术领域

本发明涉及导电油墨。

背景技术

对于微电子和大面积电子器件来说，印刷导电膜具有降低制造成本的潜力。近来，人们开发出了具有一致尺寸和形状的金属纳米颗粒。发明人发现，这些纳米颗粒可用于制备分散良好的油墨。这些金属油墨分散体可用于印刷导体，从而使直写电子电路成为可能。基于银和金纳米颗粒的油墨已开始用于印刷电子器件。之所以可以采用这些金属，是因为它们对分子氧的氧化具有较高的稳定性。电阻率为1.7μΩ·cm的铜已广泛用于电子器件和微电子芯片。此外，铜没有银或金那么贵，这就使它在用于印刷导体方面成为更有吸引力的材料。不过，在印刷和固化过程中难以避免铜纳米颗粒的氧化。

为使金属纳米颗粒达到稳定分布，将分散剂吸附到纳米颗粒表面上。这些分散剂的作用是使各纳米颗粒保持分离，防止它们聚集成团。分散剂可以是有机聚合物或长链分子。这种化合物具有高沸点或分解温度，在固化过程中难以除去。这些分散剂在固化金属膜中的任何残留物都将使形成的金属导体获得更高的电阻率，因为这些分散剂及其分解产物是非导电性有机化合物，即绝缘体。

发明概述

一方面，导电油墨包含金属纳米颗粒、聚合物分散剂和溶剂。在一些实施方式中，聚合物分散剂可以是离子型聚合物分散剂、非离子型聚合物分散剂或者离子型和非离子型聚合物分散剂的任意组合。聚合物分散剂的沸点可低于约150℃。在一些实施方式中，溶剂包括水、有机溶剂或其任意组合。有机溶剂的沸点可低于约150℃。在特定的实施方式中，导电油墨包含稳定剂、附着力促进剂(adhesion promoter)、表面张力改性剂、消泡剂、流平添加剂(leveling additive)、流变改性剂、湿润剂、离子强度改性剂或其任意组合。在一些实施方式中，金属纳米颗粒占油墨的约10重量％至约60重量％。在特定的实施方式中，聚合物分散剂占油墨的约0.5重量％至约20重量％。

另一方面，导电油墨包含约15重量％至约65重量％的铜纳米颗粒、含约10重量％至约50重量％的醇和约50重量％至约80重量％的水的载剂，以及分散剂。醇可以是异丙醇、异丁醇、乙醇、聚乙烯醇、乙二醇或其组合。在一些情况中，分散剂可以是聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、异硬脂基乙基咪唑啉鎓乙基硫酸盐(isostearyl ethylimidazolinium ethosulfate)、油烯基乙基咪唑啉鎓乙基硫酸盐或其组合。在一些情况中，分散剂可以是磷酸改性的磷酸酯聚酯共聚物(phosphate polyester copolymer)、磺化苯乙烯马来酐酯或其组合。

在一些实施方式中，载剂包含约10重量％至约50重量％的水、约40重量％至约60重量％的环己醇以及一定量的异丙醇，水与异丙醇之比在约1∶1与约1∶2之间。在其他实施方式中，载剂包含约10重量％至约30重量％的水、约20重量％至约80重量％的异丁醇以及一定量的异丙醇，水与异丙醇之比在约1∶1与约1∶2之间。

在一些实施方式中，导电油墨可固化成膜，其电阻率小于约10μΩ·cm，小于约20μΩ·cm，或小于约200μΩ·cm。所述膜可基本上没有缺陷，如针孔。

附图简要说明

图1显示了用于金属颗粒的同时具有阳离子和阴离子聚合物基团的分散剂。

图2显示了3，4-聚亚乙基二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT:PSS)的化学结构。

图3显示了取代聚噻吩的酸碱平衡。

图4显示了金属纳米颗粒上的双层聚合物分散剂。

图5显示了选定的非离子型表面活性剂的化学结构。

图6显示了通过水解苯乙烯-马来酐共聚物树脂得到的颜料湿润剂的化学结构。

图7显示了利用由导电聚合物制备的铜油墨进行喷墨印刷得到的图案。

图8显示了在光子固化之前和之后，铜油墨中铜氧化物和铜纳米颗粒的X射线衍射图样。

图9是显示由金属油墨形成金属膜的工艺中各步骤的流程图。

发明详述