JP7645117B2 - Conductive thin film, its manufacturing method, and conductive sheet - Google Patents
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Description
本発明は、導電性薄膜及びその製造方法、並びに、導電性シートに関する。 The present invention relates to a conductive thin film, a manufacturing method thereof, and a conductive sheet.
遷移金属及び/又は遷移金属化合物から構成される導電性薄膜は、様々な電子デバイスに利用され工業的に有用である。特に、前駆体を塗布する工程を含む方法により製造される遷移金属及び/又は遷移金属化合物の導電性薄膜は、大規模な製造が可能である観点から望ましい。 Conductive thin films composed of transition metals and/or transition metal compounds are used in various electronic devices and are industrially useful. In particular, conductive thin films of transition metals and/or transition metal compounds produced by a method including a precursor coating step are desirable from the viewpoint of large-scale production.
例えば、特許文献1には、基材上に金属又は金属化合物の微粒子の分散液を印刷し、焼成することによって少なくとも最表面の金属微粒子を融着させた導電性薄膜を含む導電性基板の製造方法が開示されており、焼成は還元性気体を含む気体のプラズマに晒すことによって行うことが開示されている。このように、焼成にプラズマ処理を用いることで、比較的融点の高い銅であっても焼結することができ、また大気中で比較的安定な酸化銅をも還元しつつ焼結させることができる。 For example, Patent Document 1 discloses a method for producing a conductive substrate including a conductive thin film in which a dispersion of metal or metal compound particles is printed on a substrate and then fired to fuse at least the outermost metal particles, and discloses that the firing is performed by exposing the substrate to plasma of a gas containing a reducing gas. In this way, by using plasma treatment for firing, even copper, which has a relatively high melting point, can be sintered, and copper oxide, which is relatively stable in air, can be sintered while being reduced.
特許文献1には、このようにして形成される導電性薄膜と基板との密着性について、焼成過程で還元されずに残存する酸化物が寄与すると記載されている。しかしながら、導電性薄膜中の酸化物層は、導電性が金属に比べて低いため、薄膜のシート抵抗を高くする。そのため、導電性薄膜の低シート抵抗化と密着性の両立は困難であり、薄膜中の酸化物層が少ない場合でも薄膜が基材に密着性を有する薄膜の製造が望まれていた。 Patent Document 1 describes that oxides that remain unreduced during the firing process contribute to the adhesion between the conductive thin film formed in this manner and the substrate. However, the oxide layer in the conductive thin film has lower conductivity than metals, and therefore increases the sheet resistance of the thin film. For this reason, it is difficult to achieve both low sheet resistance and adhesion in a conductive thin film, and there has been a demand for the production of a thin film that has adhesion to a substrate even when the oxide layer in the thin film is small.
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、導電性に優れ、かつ基材への密着性に優れる薄膜を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a thin film that has excellent electrical conductivity and excellent adhesion to a substrate.
本発明者らは、上記問題点を解決するために鋭意検討した。その結果、導電性薄膜の厚さ方向で特定のリン原子の濃度勾配を形成することにより上記課題を解決し得ることを見出して、本発明を完成するに至った。 The inventors conducted extensive research to solve the above problems. As a result, they discovered that the above problems could be solved by forming a concentration gradient of specific phosphorus atoms in the thickness direction of the conductive thin film, and thus completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
〔1〕
基材に積層される、遷移金属を含む導電性薄膜であり、
前記導電性薄膜の膜厚において厚さ方向にリン原子の濃度勾配を有し、
該リン原子の濃度勾配が、前記導電性薄膜中の前記膜厚の半分よりも前記基材側の範囲に、前記リン原子の原子濃度の最大値Pmを有する、
導電性薄膜。
〔2〕
前記リン原子の濃度勾配における、前記リンの原子濃度の平均値Paが、0.1%以上19%以下である、
〔1〕に記載の導電性薄膜。
〔3〕
前記平均値Paに対する前記最大値Pmの比(Pm/Pa)が、2.0倍以上200倍以下である、
〔2〕に記載の導電性薄膜。
〔4〕
前記最大値Pmが、1.0%以上20%以下である、
〔1〕~〔3〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔5〕
前記リン原子の濃度勾配において、前記基材に近い側から30nmの範囲における、前記リン原子の原子濃度の平均値Pa30が、0.2%以上20%以下である、
〔1〕~〔4〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔6〕
前記導電性薄膜の厚さ方向における、酸素の原子濃度の平均値Oaが、20%以下である、
〔1〕~〔5〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔7〕
前記導電性薄膜の厚さ方向において、前記遷移金属の原子濃度に対する酸素の原子濃度が25%以上である範囲の膜厚が、200nm以下である、
〔1〕~〔6〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔8〕
前記導電性薄膜の厚さ方向において、酸素の原子濃度が25%以上である範囲の膜厚が、前記導電性薄膜の膜厚に対して、35%以下である、
〔1〕~〔7〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔9〕
前記導電性薄膜の厚さ方向において、前記遷移金属の原子濃度の平均値Maが、40%以上99%以下である、
〔1〕~〔8〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔10〕
前記膜厚が30nm以上1000μm以下である、
〔1〕~〔9〕いずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔11〕
前記遷移金属が、IUPACの周期表における第11族元素の金属を含む、
〔1〕~〔10〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔12〕
前記遷移金属が、銅を含む、
〔11〕に記載の導電性薄膜。
〔13〕
前記導電性薄膜の厚さ方向において、前記遷移金属の原子濃度Mに対する前記リンの原子濃度Pの比率(P/M)の最大値PMmが、1.9%以上100%以下である、
〔1〕~〔12〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔14〕
前記導電性薄膜の厚さ方向において、酸素の原子濃度Oに対する前記リンの原子濃度Pの比率(P/O)の最大値POmが、60%以上500%以下である、
〔1〕~〔13〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔15〕
前記導電性薄膜の厚さ方向において、前記遷移金属の原子濃度Mと酸素の原子濃度Oの和に対する前記リンの原子濃度Pの比率(P/(M+O))の最大値PMOmが、1.9%以上20%以下である、
〔1〕~〔14〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔16〕
前記導電性薄膜が、前記遷移金属を含む粒子が結合した粒子層を含む、
〔1〕~〔15〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔17〕
前記導電性薄膜が、開口を有する連続したパターンを含む、
〔1〕~〔16〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔18〕
前記パターンが、複数の細線が交差して構成されるパターンである、
〔17〕に記載の導電性薄膜。
〔19〕
前記細線の線幅が、100nm以上1000μm以下である、
〔18〕に記載の導電性薄膜。
〔20〕
前記細線のピッチが、1.0μm以上1000μm以下である、
〔18〕又は〔19〕に記載の導電性薄膜。
〔21〕
可視光透過率が、70%以上99%以下である、
〔1〕~〔20〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔22〕
シート抵抗が、0.001Ωcm-2以上20Ωcm-2以下である、
〔1〕~〔21〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜。
〔23〕
基材と、〔1〕~〔22〕いずれか一項に記載の導電性薄膜と、を備える、
導電性シート。
〔24〕
前記基材が複数の層を有する、
〔23〕に記載の導電性シート。
〔25〕
前記基材が、ケイ素化合物を含む表面層を有する、
〔23〕又は〔24〕に記載の導電性シート。
〔26〕
前記基材が、プラスチックである、
〔23〕~〔25〕のいずれか一項に記載の導電性シート。
〔27〕
前記プラスチックが、ポリエチレンテレフタレートである、
〔26〕に記載の導電性シート。
〔28〕
〔1〕~〔22〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜を備える、
タッチパネル。
〔29〕
〔1〕~〔22〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜を備える、
ディスプレイ。
〔30〕
〔1〕~〔22〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜を備える、
ヒーター。
〔31〕
〔1〕~〔22〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜を備える、
電磁波シールド。
〔32〕
〔1〕~〔22〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜を備える、
アンテナ。
〔33〕
基材に、リンの重量面積密度が6.0mg・m-2以上1000mg・m-2以下である前駆体薄膜を形成する膜形成工程と、
前記前駆体薄膜を、150秒以上60分以下、プラズマと反応させて、導電性薄膜を得るプラズマ反応工程と、を含む、
導電性薄膜の製造方法。
〔34〕
前記前駆体薄膜が、リン酸及び/又はリン酸エステルを含む、
〔33〕に記載の導電性薄膜の製造方法。
〔35〕
前記前駆体薄膜の遷移金属の重量面積密度が、1.0g・m-2以上10g・m-2以下である、
〔33〕又は〔34〕に記載の導電性薄膜の製造方法。
〔36〕
前記プラズマ反応工程の雰囲気が、水素原子を含む分子である気体を含む、
〔33〕~〔35〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜の製造方法。
〔37〕
前記プラズマ反応工程の雰囲気が、希ガスを含む、
〔33〕~〔36〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜の製造方法。
〔38〕
前記プラズマ反応工程において、マイクロ波プラズマを用いる、
〔33〕~〔37〕のいずれか一項に記載の導電性薄膜の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A conductive thin film containing a transition metal is laminated on a substrate,
the conductive thin film has a concentration gradient of phosphorus atoms in a thickness direction;
the concentration gradient of the phosphorus atoms has a maximum value Pm of the atomic concentration of the phosphorus atoms in a range closer to the substrate than the halfway point of the film thickness in the conductive thin film;
Conductive thin film.
[2]
The average value Pa of the phosphorus atomic concentration in the phosphorus atom concentration gradient is 0.1% or more and 19% or less.
The conductive thin film according to [1].
[3]
The ratio (P m /P a ) of the maximum value P m to the average value P a is 2.0 times or more and 200 times or less.
The conductive thin film according to [2].
[4]
The maximum value Pm is 1.0% or more and 20% or less.
The conductive thin film according to any one of [1] to [3].
[5]
In the concentration gradient of the phosphorus atoms, an average value P of the atomic concentration of the phosphorus atoms in a range of 30 nm from the side closer to the substrate is 0.2% or more and 20% or less.
The conductive thin film according to any one of [1] to [4].
[6]
the average oxygen atomic concentration O a in the thickness direction of the conductive thin film is 20% or less;
The conductive thin film according to any one of [1] to [5].
[7]
a thickness of the conductive thin film in a range in which the atomic concentration of oxygen relative to the atomic concentration of the transition metal is 25% or more in a thickness direction of the conductive thin film is 200 nm or less;
The conductive thin film according to any one of [1] to [6].
[8]
a thickness of the conductive thin film in a range in a thickness direction thereof where the atomic concentration of oxygen is 25% or more is 35% or less of the thickness of the conductive thin film;
The conductive thin film according to any one of [1] to [7].
[9]
an average atomic concentration Ma of the transition metal in a thickness direction of the conductive thin film is 40% or more and 99% or less;
The conductive thin film according to any one of [1] to [8].
[10]
The film thickness is 30 nm or more and 1000 μm or less.
[1] The conductive thin film according to any one of [1] to [9].
[11]
The transition metal comprises a metal of Group 11 of the IUPAC Periodic Table;
The conductive thin film according to any one of [1] to [10].
[12]
The transition metal comprises copper.
The conductive thin film according to [11].
[13]
a maximum value PMm of a ratio (P/M) of an atomic concentration P of the phosphorus to an atomic concentration M of the transition metal in a thickness direction of the conductive thin film is 1.9% or more and 100% or less;
The conductive thin film according to any one of [1] to [12].
[14]
a maximum value POm of a ratio (P/O) of the atomic concentration P of phosphorus to the atomic concentration O of oxygen in a thickness direction of the conductive thin film is 60% or more and 500% or less;
The conductive thin film according to any one of [1] to [13].
[15]
a maximum value PMOm of a ratio (P/(M+O)) of the atomic concentration P of the phosphorus to the sum of the atomic concentration M of the transition metal and the atomic concentration O of oxygen in a thickness direction of the conductive thin film is 1.9% or more and 20% or less;
The conductive thin film according to any one of [1] to [14].
[16]
the conductive thin film includes a particle layer to which particles containing the transition metal are bonded;
The conductive thin film according to any one of [1] to [15].
[17]
the conductive film includes a continuous pattern having openings;
The conductive thin film according to any one of [1] to [16].
[18]
The pattern is a pattern formed by intersecting a plurality of thin lines.
The conductive thin film according to [17].
[19]
The line width of the thin line is 100 nm or more and 1000 μm or less.
The conductive thin film according to [18].
[20]
The pitch of the thin lines is 1.0 μm or more and 1000 μm or less.
The conductive thin film according to [18] or [19].
[21]
The visible light transmittance is 70% or more and 99% or less.
The conductive thin film according to any one of [1] to [20].
[22]
The sheet resistance is 0.001 Ωcm to 20 Ωcm .
The conductive thin film according to any one of [1] to [21].
[23]
A substrate and the conductive thin film according to any one of [1] to [22],
Conductive sheet.
[24]
The substrate has a plurality of layers.
The conductive sheet according to [23].
[25]
The substrate has a surface layer containing a silicon compound.
The conductive sheet according to [23] or [24].
[26]
The substrate is a plastic.
[23] The conductive sheet according to any one of [25] to [26].
[27]
The plastic is polyethylene terephthalate.
The conductive sheet according to [26].
[28]
[1] to [22], comprising the conductive thin film according to any one of [1] to [22];
Touch panel.
[29]
[1] to [22], comprising the conductive thin film according to any one of [1] to [22];
display.
[30]
[1] to [22], comprising the conductive thin film according to any one of [1] to [22];
Heater.
[31]
[1] to [22], comprising the conductive thin film according to any one of [1] to [22];
Electromagnetic wave shielding.
[32]
[1] to [22], comprising the conductive thin film according to any one of [1] to [22];
antenna.
[33]
a film-forming step of forming a precursor thin film on a substrate, the precursor thin film having a phosphorus weight area density of 6.0 mg m -2 or more and 1000 mg m -2 or less;
and a plasma reaction step of reacting the precursor thin film with plasma for 150 seconds to 60 minutes to obtain a conductive thin film.
A method for producing a conductive thin film.
[34]
The precursor thin film comprises phosphoric acid and/or a phosphoric acid ester;
The method for producing a conductive thin film according to [33].
[35]
The weight area density of the transition metal in the precursor thin film is 1.0 g m to 10 g m.
The method for producing a conductive thin film according to [33] or [34].
[36]
The atmosphere of the plasma reaction process contains a gas that is a molecule containing a hydrogen atom.
The method for producing a conductive thin film according to any one of [33] to [35].
[37]
The atmosphere of the plasma reaction step includes a rare gas.
The method for producing a conductive thin film according to any one of [33] to [36].
[38]
In the plasma reaction step, microwave plasma is used.
The method for producing a conductive thin film according to any one of [33] to [37].
本発明によれば、導電性に優れ、かつ基材への密着性に優れる薄膜を提供することができる。 The present invention provides a thin film that has excellent electrical conductivity and excellent adhesion to the substrate.
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の実施の形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。又上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。 Below, an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "the present embodiment") will be described in detail with reference to the drawings as necessary, but the present invention is not limited to this, and various modifications are possible without departing from the gist of the invention. In the drawings, the same elements are given the same reference numerals, and duplicated explanations will be omitted. Furthermore, unless otherwise specified, positional relationships such as up, down, left, and right will be based on the positional relationships shown in the drawings. Furthermore, the dimensional ratios of the drawings are not limited to those shown in the drawings.
1.導電性薄膜
本実施形態の導電性薄膜は、基材に積層される、遷移金属を含む導電性薄膜であり、導電性薄膜の膜厚において厚さ方向にリン原子の濃度勾配を有し、該リン原子の濃度勾配が、導電性薄膜中の膜厚の半分よりも基材側の範囲に、リンの原子濃度の最大値Pmを有する。このようなリン原子の濃度勾配を有することにより、導電性がより向上し、かつ導電性薄膜と基材の密着性がより向上する。
1. Conductive thin film The conductive thin film of this embodiment is a conductive thin film containing a transition metal that is laminated on a substrate, and has a phosphorus atom concentration gradient in the thickness direction of the conductive thin film, and the phosphorus atom concentration gradient has a maximum phosphorus atomic concentration Pm in a range closer to the substrate than half the thickness of the conductive thin film. By having such a phosphorus atom concentration gradient, the conductivity is further improved, and the adhesion between the conductive thin film and the substrate is further improved.
導電性薄膜は、遷移金属原子とリン原子とを含み、必要に応じて酸素原子やその他の原子を含んでいてもよい。また、遷移金属は、金属単体の状態の他、酸化物などの金属化合物の状態で存在していてもよい。以下、導電性薄膜における各原子の組成について詳説する。 The conductive thin film contains transition metal atoms and phosphorus atoms, and may contain oxygen atoms and other atoms as necessary. The transition metal may exist in the form of a metal element or in the form of a metal compound such as an oxide. The composition of each atom in the conductive thin film is described in detail below.
1.1.リン原子の濃度
本実施形態の導電性薄膜は、膜厚の厚さ方向にリン原子の濃度勾配を有する。そのリン原子の濃度勾配は、導電性薄膜中の膜厚の半分よりも基材側の範囲に、リンの原子濃度の最大値Pmを有する。
The conductive thin film of the present embodiment has a phosphorus atom concentration gradient in the thickness direction of the film thickness. The phosphorus atom concentration gradient has a maximum value Pm of the phosphorus atom concentration in the range closer to the substrate than the halfway point of the film thickness in the conductive thin film.
図1に、本実施形態の導電性薄膜の一例を示す概略断面図を示す。図1には、基材20上に導電性薄膜10が配された導電性シート100の概略断面図が示されている。図1に示す導電性薄膜10は、遷移金属の粒子がプラズマにより焼結して形成された粒子層として表現されており、その断面は空孔11を有する。しかしながら、導電性薄膜10はこれに限定されるものはなく空孔11を有しないものであってもよい。 Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of a conductive thin film of this embodiment. Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of a conductive sheet 100 in which a conductive thin film 10 is disposed on a substrate 20. The conductive thin film 10 shown in Figure 1 is expressed as a particle layer formed by sintering transition metal particles with plasma, and has voids 11 in its cross-section. However, the conductive thin film 10 is not limited to this, and may not have voids 11.
本実施形態において、「導電性薄膜の膜厚において厚さ方向にリン原子の濃度勾配を有し、該リン原子の濃度勾配が、導電性薄膜中の膜厚の半分よりも基材側の範囲に、リンの原子濃度の最大値Pmを有する」とは、図1に示す厚さ方向とリン原子濃度のグラフに例示されるように、基材側に近いほどリン原子の濃度が増加するという傾向を有し、膜厚の半分(厚さ0.5T)よりも基材側に、リン原子の最大値Pmが存在することをいう。 In this embodiment, "the conductive thin film has a concentration gradient of phosphorus atoms in the thickness direction, and the concentration gradient of phosphorus atoms has a maximum value Pm of the phosphorus atomic concentration in a range closer to the substrate than half the film thickness in the conductive thin film" means that, as exemplified in the graph of the thickness direction and phosphorus atomic concentration in Figure 1, the concentration of phosphorus atoms tends to increase closer to the substrate side, and the maximum value Pm of phosphorus atoms exists closer to the substrate than half the film thickness (thickness 0.5T).
ここで、図1に示す厚さ方向とリン原子濃度のグラフは、ある厚さ位置tで、導電性薄膜の断面を取得したときに、その断面に含まれるリン原子の濃度P(t)をプロットしたものである。具体的には、図1に示す厚さ方向とリン原子濃度のグラフは、厚さ0.1T、0.2T、0.3T・・・、及びTの各厚さ位置において、導電性薄膜の断面に含まれるリン原子の濃度を測定し、それをプロットしたグラフである。なお、プロットの測定精度は例示であり、十分に高精度に設定することができる。 The graph of thickness direction and phosphorus atom concentration shown in FIG. 1 is a plot of the concentration P(t) of phosphorus atoms contained in a cross section of a conductive thin film when the cross section is obtained at a certain thickness position t. Specifically, the graph of thickness direction and phosphorus atom concentration shown in FIG. 1 is a graph in which the concentration of phosphorus atoms contained in a cross section of a conductive thin film is measured and plotted at each thickness position of 0.1T, 0.2T, 0.3T, ..., and T. Note that the measurement accuracy of the plot is an example, and can be set to a sufficiently high accuracy.
したがって、最大値Pmとは、このようにプロットしたグラフにおける最大値を意味し、後述する平均値Paとは、すべての厚さ方向におけるリン原子濃度の平均値を意味する。また、本実施形態においては最大値については添え字「m」(Max)を付し、平均値については添え字「a」(average)を付すものとする。また、これについては、後述する遷移金属原子、酸素原子、炭素原子においても同様とする。 Therefore, the maximum value Pm means the maximum value in the graph plotted in this way, and the average value Pa, which will be described later, means the average value of the phosphorus atom concentration in all thickness directions. In this embodiment, the maximum value is given the subscript "m" (Max), and the average value is given the subscript "a" (average). The same applies to the transition metal atoms, oxygen atoms, and carbon atoms, which will be described later.
このようにリンの原子濃度の最大値が基材側に存在するようなリン原子の濃度勾配を有することにより、導電性薄膜と基材との密着性が向上するものと考えられる。このような密着性の向上がみられるメカニズムは以下に限定されるものではないが、リンが基材側に集中することにより、導電性薄膜中の基材側に存在する遷移金属同士との結合力や、基材と遷移金属との結合力より向上し、凝縮破壊や界面剥離がより生じにくくなるためと考えられる。なお、ここで、凝縮破壊と界面剥離はいずれか一方が抑制されてもよいし、両方が抑制されてもよい。また、結合力の向上は遷移金属自体に限らず、結合力の向上は、遷移金属と遷移金属化合物や、遷移金属化合物同士、あるいは、遷移金属化合物と基材の間で生じていてもよい。 It is believed that the adhesion between the conductive thin film and the substrate is improved by having a phosphorus atom concentration gradient such that the maximum value of the phosphorus atomic concentration is present on the substrate side. Although the mechanism by which such improved adhesion is observed is not limited to the following, it is believed that the concentration of phosphorus on the substrate side improves the bonding strength between the transition metals present on the substrate side in the conductive thin film and between the substrate and the transition metal, making it more difficult for condensation breakdown and interfacial peeling to occur. Note that either condensation breakdown or interfacial peeling may be suppressed, or both may be suppressed. In addition, the improvement in bonding strength is not limited to the transition metal itself, and may occur between the transition metal and the transition metal compound, between the transition metal compounds, or between the transition metal compound and the substrate.
また、このようにリンの原子濃度の最大値が基材側に存在するようなリン原子の濃度勾配を有することにより、導電性が向上するものと考えられる。このような導電性の向上がみられるメカニズムは以下に限定されるものではないが、上記のようにリンの原子濃度勾配を有することにより、導電性薄膜に含まれる酸素量が減少したり、基材側に偏在するリンによって遷移金属の粒界抵抗が減少したり、又は、金属酸化物などの導電性の低い金属化合物にリンがドープされることによって導電性が向上したりすることが考えられる。これら理由は複合的に作用してもよい。 It is also believed that the conductivity is improved by having a phosphorus atom concentration gradient such that the maximum value of the phosphorus atomic concentration is present on the substrate side. The mechanism by which such improved conductivity is observed is not limited to the following, but it is believed that the amount of oxygen contained in the conductive thin film is reduced by having a phosphorus atomic concentration gradient as described above, the grain boundary resistance of the transition metal is reduced by phosphorus unevenly distributed on the substrate side, or the conductivity is improved by doping phosphorus into metal compounds with low conductivity such as metal oxides. These reasons may act in combination.
上記のようなリン原子の濃度勾配は、リン系化合物を含む前駆体薄膜を形成する膜形成工程と所定のプラズマ反応工程により形成することができる。これら工程を有する導電性薄膜の製造方法の詳細については後述するが、一般的に、前駆体薄膜とプラズマとの反応において膜内でのリンの異方的な移動制御は困難であり、後述する方法によって上記のようにリンが基材側で高濃度化するようなリン原子の濃度勾配が得られることは大変驚くべきことである。 The above-mentioned concentration gradient of phosphorus atoms can be formed by a film formation process in which a precursor thin film containing a phosphorus-based compound is formed, and a specified plasma reaction process. Details of the method for manufacturing a conductive thin film having these processes will be described later, but in general, it is difficult to control the anisotropic movement of phosphorus within the film in the reaction between the precursor thin film and plasma, and it is very surprising that the method described below can be used to obtain a concentration gradient of phosphorus atoms in which phosphorus is highly concentrated on the substrate side as described above.
リンの原子濃度の最大値Pmは、基材側に位置する膜厚の1/2の厚さ範囲(0T~0.5T)にあり、基材側に位置する膜厚の1/4の厚さ範囲(0T~0.25T)にあることが好ましく、基材側に位置する膜厚の1/10の厚さ範囲(0T~0.1T)にあることがより好ましい。リンの原子濃度の最大値Pmが上記範囲内に存在することにより、導電性薄膜のシート抵抗がより低下し、また、上記リンの濃度分布において基材側に最大値Pmが存在するように調整しやすくなる傾向にある。 The maximum value Pm of the phosphorus atomic concentration is in a thickness range of 1/2 the film thickness located on the substrate side (0T to 0.5T), preferably in a thickness range of 1/4 the film thickness located on the substrate side (0T to 0.25T), and more preferably in a thickness range of 1/10 the film thickness located on the substrate side (0T to 0.1T). When the maximum value Pm of the phosphorus atomic concentration is within the above range, the sheet resistance of the conductive thin film is further reduced, and the phosphorus concentration distribution tends to be easily adjusted so that the maximum value Pm exists on the substrate side.
ここで、「0T~0.25T」とは、導電性薄膜の厚さ方向の範囲を示すものであり、例えば、導電性薄膜の厚さをTが100nmとすると、基材側から「0×100nm~0.25×100nm」、すなわち基材側から0~25nmの厚さ範囲を意味するものである。 Here, "0T to 0.25T" indicates the range in the thickness direction of the conductive thin film. For example, if the thickness of the conductive thin film is T 100 nm, this means "0 x 100 nm to 0.25 x 100 nm" from the substrate side, that is, a thickness range of 0 to 25 nm from the substrate side.
また、同様の観点から、リンの原子濃度の最大値Pmは、導電性薄膜の厚さ方向において、基材に近い側から100nmの範囲にあることが好ましく、基材に近い側から50nmの範囲にあることがより好ましく、基材に近い側から30nmの範囲にあることがさらに好ましい。 From the same viewpoint, the maximum value Pm of the phosphorus atomic concentration is preferably in a range of 100 nm from the side closer to the substrate in the thickness direction of the conductive thin film, more preferably in a range of 50 nm from the side closer to the substrate, and even more preferably in a range of 30 nm from the side closer to the substrate.
最大値Pmは、好ましくは0.2~20%であり、より好ましくは1.0~15%であり、さらに好ましくは1.5~10%であり、よりさらに好ましくは2.0~5.0%である。最大値Pmが0.2%以上であることにより、導電性薄膜のシート抵抗がより低下し、また、導電性薄膜と基材の密着性がより向上する傾向にある。また、最大値Pmが20%以下であることにより、上記リンの濃度分布において基材側に最大値Pmが存在するように調整しやすくなる傾向にある他、相対的に導電性薄膜中の遷移金属の濃度が向上するため、導電性薄膜のシート抵抗がより低下する傾向にある。 The maximum value Pm is preferably 0.2 to 20%, more preferably 1.0 to 15%, even more preferably 1.5 to 10%, and even more preferably 2.0 to 5.0%. When the maximum value Pm is 0.2% or more, the sheet resistance of the conductive thin film is further reduced, and the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved. In addition, when the maximum value Pm is 20% or less, it tends to be easier to adjust the concentration distribution of phosphorus so that the maximum value Pm exists on the substrate side, and the concentration of the transition metal in the conductive thin film is relatively improved, so that the sheet resistance of the conductive thin film tends to be further reduced.
リン原子の濃度勾配におけるリンの原子濃度の平均値Paは、好ましくは0.1~19%であり、より好ましくは0.1~10%であり、さらに好ましくは0.1~5.0%であり、よりさらに好ましくは0.1~1.0%である。リンの原子濃度の平均値Paが上記範囲内であることにより、導電性薄膜のシート抵抗がより低下し、また、導電性薄膜と基材の密着性がより向上する傾向にある。 The average value P a of the phosphorus atomic concentration in the phosphorus atom concentration gradient is preferably 0.1 to 19%, more preferably 0.1 to 10%, even more preferably 0.1 to 5.0%, and still more preferably 0.1 to 1.0%. When the average value P a of the phosphorus atomic concentration is within the above range, the sheet resistance of the conductive thin film tends to be further reduced, and the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved.
導電性薄膜の厚さ方向におけるリンの偏在度は、平均値Paに対する最大値Pmの比(Pm/Pa)を指標にして表すことができる。このような比(Pm/Pa)は、好ましくは2.0~200倍であり、より好ましくは2.5~100倍であり、さらに好ましくは5.0~50倍であり、よりさらに好ましくは5.0~25倍である。比(Pm/Pa)が2.0倍以上であることにより、基材側へのリンの偏在度が大きくなるため、導電性薄膜のシート抵抗がより低下し、また、導電性薄膜と基材の密着性がより向上する傾向にある。また、比(Pm/Pa)が2.0倍以上であることにより、相対的に導電性薄膜の基材とは反対側における遷移金属の濃度が向上するため、導電性薄膜のシート抵抗がより低下する傾向にある。また、比(Pm/Pa)が200倍以下であることにより、上記リンの濃度分布において基材側に比(Pm/Pa)を満たす最大値Pmが存在するように調整しやすくなる傾向にある。 The degree of uneven distribution of phosphorus in the thickness direction of the conductive thin film can be expressed by the ratio (P m /P a ) of the maximum value P m to the average value P a as an index. Such a ratio (P m /P a ) is preferably 2.0 to 200 times, more preferably 2.5 to 100 times, even more preferably 5.0 to 50 times, and even more preferably 5.0 to 25 times. When the ratio (P m /P a ) is 2.0 times or more, the degree of uneven distribution of phosphorus toward the substrate side increases, so that the sheet resistance of the conductive thin film is further reduced, and the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved. In addition, when the ratio (P m /P a ) is 2.0 times or more, the concentration of the transition metal on the opposite side of the conductive thin film from the substrate is relatively improved, so that the sheet resistance of the conductive thin film tends to be further reduced. Furthermore, by having the ratio ( Pm / Pa ) be 200 times or less, it tends to be easier to adjust the phosphorus concentration distribution so that the maximum value Pm that satisfies the ratio ( Pm / Pa ) exists on the substrate side.
導電性薄膜の厚さ方向において基材に近い側から30nmの範囲は、導電性薄膜と基材の密着性の向上により寄与する部分となり、当該部分のリン原子の濃度を調整することにより界面剥離を抑制できる傾向にある。このような観点から、リン原子の濃度勾配において、基材に近い側から30nmの範囲における、リンの原子濃度の平均値Pa30は、好ましくは0.2~20%であり、より好ましくは1.0~15%であり、さらに好ましくは1.0~10%であり、よりさらに好ましくは1.5~5.0%である。平均値Pa30が上記範囲内にあることにより、界面剥離がより抑制される傾向にある。 The range of 30 nm from the side closer to the substrate in the thickness direction of the conductive thin film contributes more to improving the adhesion between the conductive thin film and the substrate, and there is a tendency that interfacial peeling can be suppressed by adjusting the concentration of phosphorus atoms in this portion. From this viewpoint, in the concentration gradient of phosphorus atoms, the average value P a30 of the phosphorus atomic concentration in the range of 30 nm from the side closer to the substrate is preferably 0.2 to 20%, more preferably 1.0 to 15%, even more preferably 1.0 to 10%, and even more preferably 1.5 to 5.0%. By having the average value P a30 within the above range, there is a tendency that interfacial peeling is further suppressed.
1.2.遷移金属原子の濃度
本実施形態の導電性薄膜は、遷移金属を有する。上述のとおり、導電性薄膜において、遷移金属は、金属単体の状態の他、酸化物などの金属化合物の状態で存在していてもよい。
1.2. Concentration of Transition Metal Atoms The conductive thin film of the present embodiment contains a transition metal. As described above, in the conductive thin film, the transition metal may be present in the form of a metal element or a metal compound such as an oxide.
遷移金属原子は、IUPACの周期表における、第3族元素から第11族元素の金属であれば特に限定されないが、第11族元素の金属を含むことが好ましく、銀又は銅を含むことがより好ましく、銅を含むことがさらに好ましい。このような遷移金属を用いることにより、導電性薄膜の導電性がより向上する傾向にある。また、第3族元素から第11族元素の金属である遷移金属はd軌道が閉殻となっていないため、d軌道の電子がリンとの結合に寄与し、ひいては、導電性薄膜と基材の密着性が向上すると考えられる。しかしながら、密着性向上の理由は上記に限定されない。 The transition metal atom is not particularly limited as long as it is a metal of Group 3 to Group 11 in the IUPAC periodic table, but preferably contains a metal of Group 11, more preferably contains silver or copper, and even more preferably contains copper. By using such a transition metal, the conductivity of the conductive thin film tends to be further improved. In addition, since the d-orbital of transition metals that are metals of Groups 3 to 11 is not a closed shell, it is thought that the electrons in the d-orbital contribute to bonding with phosphorus, which in turn improves the adhesion between the conductive thin film and the substrate. However, the reason for the improved adhesion is not limited to the above.
また、遷移金属を含む金属化合物の種類としては、特に限定されないが、例えば、硫化物、セレン化物、テルル化物、窒化物、リン化物、酸化物などが挙げられる。このなかでも、人体への害が少なく、製造が比較的容易であるため、酸化物であることが好ましい。 The type of metal compound containing a transition metal is not particularly limited, but examples include sulfides, selenides, tellurides, nitrides, phosphides, and oxides. Among these, oxides are preferred because they are less harmful to the human body and relatively easy to manufacture.
導電性薄膜の深さ方向において、遷移金属の原子濃度の平均値Maは、好ましくは40~99%であり、より好ましくは60~98%であり、さらに好ましくは70~97%であり、よりさらに好ましくは80~95%である。平均値Maが40%以上であることにより、導電性薄膜のシート抵抗がより低下する傾向にある。また、平均値Maが99%以下であることにより、導電性薄膜と基材との密着性がより向上する傾向にある。 In the depth direction of the conductive thin film, the average value Ma of the atomic concentration of the transition metal is preferably 40 to 99%, more preferably 60 to 98%, even more preferably 70 to 97%, and even more preferably 80 to 95%. When the average value Ma is 40% or more, the sheet resistance of the conductive thin film tends to be further reduced. Also, when the average value Ma is 99% or less, the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved.
導電性薄膜の深さ方向において、遷移金属の原子濃度Mに対するリンの原子濃度Pの比率(P/M)の最大値PMmは、好ましくは1.9~100%であり、より好ましくは2.0~60%であり、さらに好ましくは5.0~40%であり、よりさらに好ましくは7.5~20%である。最大値PMmが1.9%以上であることにより、導電性薄膜と基材との密着性がより向上する傾向にある。また、最大値PMmが100%以下であることにより、導電性薄膜のシート抵抗がより低下する傾向にある。 In the depth direction of the conductive thin film, the maximum value PM m of the ratio (P/M) of the atomic concentration P of phosphorus to the atomic concentration M of the transition metal is preferably 1.9 to 100%, more preferably 2.0 to 60%, even more preferably 5.0 to 40%, and even more preferably 7.5 to 20%. When the maximum value PM m is 1.9% or more, the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved. Furthermore, when the maximum value PM m is 100% or less, the sheet resistance of the conductive thin film tends to be further reduced.
導電性薄膜の深さ方向において、遷移金属の原子濃度Mと酸素の原子濃度Oの和に対するリンの原子濃度Pの比率(P/(M+O))の最大値PMOmは、好ましくは1.9~20%であり、より好ましくは2.5~15%であり、さらに好ましくは3.0~10%であり、よりさらに好ましくは3.5~7.5%である。最大値PMOmが1.9%以上であることにより、導電性薄膜と基材との密着性がより向上する傾向にある。また、最大値PMOmが20%以下であることにより、導電性薄膜のシート抵抗がより低下する傾向にある。 In the depth direction of the conductive thin film, the maximum value PMO m of the ratio of the atomic concentration P of phosphorus to the sum of the atomic concentration M of the transition metal and the atomic concentration O of oxygen (P/(M+O)) is preferably 1.9 to 20%, more preferably 2.5 to 15%, even more preferably 3.0 to 10%, and still more preferably 3.5 to 7.5%. When the maximum value PMO m is 1.9% or more, the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved. Furthermore, when the maximum value PMO m is 20% or less, the sheet resistance of the conductive thin film tends to be further reduced.
なお、上記比率(P/M)及び比率(P/(M+O))は、同じ厚さ位置の導電性薄膜の断面における、遷移金属の原子濃度M(t)と、酸素の原子濃度O(t)と、リンの原子濃度P(t)をそれぞれ測定して算出した値である。また、最大値PMm及び最大値PMOmは、このようにして求めた、厚さ位置ごとの比率(P/M)及び比率(P/(M+O))のなかで、最大となる値を意味する。 The above ratios (P/M) and ratios (P/(M+O)) are values calculated by measuring the atomic concentration M(t) of the transition metal, the atomic concentration O(t) of oxygen, and the atomic concentration P(t) of phosphorus in the cross section of the conductive thin film at the same thickness position. The maximum values PMm and PMOm refer to the maximum values among the ratios (P/M) and ratios (P/(M+O)) thus obtained for each thickness position.
1.3.酸素原子の濃度
本実施形態の導電性薄膜は、酸素原子を含んでいてもよい。本実施形態の導電性薄膜は、膜厚の深さ方向に酸素原子の濃度勾配を有していてもよいし、酸素原子が略均一に分布していてもよい。
1.3. Concentration of oxygen atoms The conductive thin film of the present embodiment may contain oxygen atoms. The conductive thin film of the present embodiment may have a concentration gradient of oxygen atoms in the depth direction of the film thickness, or the oxygen atoms may be distributed approximately uniformly.
導電性薄膜の深さ方向における、酸素原子の濃度の平均値Oaは、好ましくは20%以下であり、より好ましくは1.0~15%であり、さらに好ましくは2.0~12.5%であり、よりさらに好ましくは3.0~7.5%である。平均値Oaが20%以下であることにより、非導電性の遷移金属酸化物の量が減少し、相対的に導電性の遷移金属の量が増加するため、導電性薄膜のシート抵抗がより低下する傾向にある。また、平均値Oaが20%以下であることにより、相対的に上記リンの原子濃度が増加するため、導電性薄膜と基材の密着性等がより向上する傾向にある。 The average value Oa of the concentration of oxygen atoms in the depth direction of the conductive thin film is preferably 20% or less, more preferably 1.0 to 15%, even more preferably 2.0 to 12.5%, and even more preferably 3.0 to 7.5%. When the average value Oa is 20% or less, the amount of non-conductive transition metal oxide decreases and the amount of conductive transition metal increases relatively, so that the sheet resistance of the conductive thin film tends to be further reduced. In addition, when the average value Oa is 20% or less, the atomic concentration of phosphorus increases relatively, so that the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved.
導電性薄膜のうち、酸素濃度が高く導電性への寄与が小さい酸化物層を遷移金属に対する酸素原子の比を指標にして表すことができる。具体的には、本実施形態においては、遷移金属の原子濃度に対する酸素の原子濃度が25%以上である範囲を酸化物層とする。25%という値は、例えば、遷移金属が銅の場合には、酸化第一銅と金属銅が1:1で存在する境界値に相当する。導電性薄膜におけるこの酸化物層の膜厚は、好ましくは200nm以下であり、より好ましくは1.0~150nmであり、さらに好ましくは2.0~100nmであり、よりさらに好ましくは3.0~50nmであり、さらにより好ましくは3.0~20nmである。酸化物層の膜厚が上記範囲内であることにより、相対的に導電性への寄与が大きい金属層が増加するため、導電性薄膜のシート抵抗がより低下する傾向にある。なお、金属層とは、酸化物層に対する概念として、遷移金属の原子濃度に対する酸素の原子濃度が25%未満である範囲をいうものとする。 Among the conductive thin films, the oxide layer with a high oxygen concentration and a small contribution to conductivity can be expressed by using the ratio of oxygen atoms to the transition metal as an index. Specifically, in this embodiment, the oxide layer is defined as a range in which the atomic concentration of oxygen relative to the atomic concentration of the transition metal is 25% or more. For example, when the transition metal is copper, the value of 25% corresponds to the boundary value at which cuprous oxide and metallic copper exist in a 1:1 ratio. The film thickness of this oxide layer in the conductive thin film is preferably 200 nm or less, more preferably 1.0 to 150 nm, even more preferably 2.0 to 100 nm, even more preferably 3.0 to 50 nm, and even more preferably 3.0 to 20 nm. By having the film thickness of the oxide layer within the above range, the metal layer that relatively contributes to conductivity increases, and the sheet resistance of the conductive thin film tends to decrease further. Note that the metal layer is defined as a range in which the atomic concentration of oxygen relative to the atomic concentration of the transition metal is less than 25% as a concept for the oxide layer.
酸化物層の膜厚は、導電性薄膜の膜厚に対して、好ましくは35%以下であり、より好ましくは0.5~20%であり、さらに好ましくは0.5~10%であり、よりさらに好ましくは0.5~5.0%である。酸化物層の膜厚が上記範囲内であることにより、導電性薄膜のシート抵抗がより低下する傾向にある。 The thickness of the oxide layer is preferably 35% or less of the thickness of the conductive thin film, more preferably 0.5 to 20%, even more preferably 0.5 to 10%, and even more preferably 0.5 to 5.0%. By having the thickness of the oxide layer within the above range, the sheet resistance of the conductive thin film tends to be further reduced.
導電性薄膜の深さ方向において、酸素の原子濃度Oに対するリンの原子濃度Pの比率(P/O)の最大値POmは、好ましくは60~500%であり、より好ましくは70~400%であり、さらに好ましくは80~300%であり、よりさらに好ましくは100~200%である。最大値POmが60%以上であることにより、導電性薄膜と基材の密着性がより向上する傾向にある。また、最大値POmが500%以下であると、比較的安定性に優れる金属酸化物を前駆体した場合においても調整しやすい範囲となる。 In the depth direction of the conductive thin film, the maximum value PO m of the ratio (P/O) of the atomic concentration P of phosphorus to the atomic concentration O of oxygen is preferably 60 to 500%, more preferably 70 to 400%, even more preferably 80 to 300%, and even more preferably 100 to 200%. When the maximum value PO m is 60% or more, the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved. In addition, when the maximum value PO m is 500% or less, it falls within a range that is easy to adjust even when a metal oxide with relatively excellent stability is used as a precursor.
1.4.炭素原子の濃度
本実施形態の導電性薄膜は、炭素原子を含んでいてもよい。本実施形態の導電性薄膜は、膜厚の深さ方向に炭素原子の濃度勾配を有していてもよいし、炭素原子が略均一に分布していてもよい。
1.4. Concentration of Carbon Atoms The conductive thin film of the present embodiment may contain carbon atoms. The conductive thin film of the present embodiment may have a concentration gradient of carbon atoms in the depth direction of the film thickness, or the carbon atoms may be distributed approximately uniformly.
導電性薄膜の深さ方向における、酸素原子の濃度の平均値Caは、好ましくは20%以下であり、より好ましくは1.0~15%であり、さらに好ましくは2.0~12.5%であり、よりさらに好ましくは3.0~8.0%である。平均値Caが上記範囲内であることにより、導電性薄膜のシート抵抗がより低下し、導電性薄膜と基材の密着性等がより向上する傾向にある。 The average value C a of the concentration of oxygen atoms in the depth direction of the conductive thin film is preferably 20% or less, more preferably 1.0 to 15%, even more preferably 2.0 to 12.5%, and still more preferably 3.0 to 8.0%. When the average value C a is within the above range, the sheet resistance of the conductive thin film tends to be further reduced, and the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved.
1.5.原子濃度の測定方法
上記各原子の濃度は、導電性薄膜の断面をSTEM-EDX分析により、厚さ位置毎に原子濃度を算出して求めることができる。例えば、平均値とは、このように厚さ位置毎に原子濃度(基材側から1nmの位置の原子濃度、基材から2nmの位置の原子濃度・・・)を算出したときの、平均値である。また、最大値とは、このような厚さ位置毎の原子濃度が最大となる値である。なお、本実施形態において各原子の濃度は、特に断りがない限り、元素濃度(atom%)で示す。
1.5. Method for measuring atomic concentration The concentration of each of the above atoms can be determined by calculating the atomic concentration at each thickness position by STEM-EDX analysis of a cross section of the conductive thin film. For example, the average value is the average value when the atomic concentration at each thickness position (atomic concentration at a position 1 nm from the substrate side, atomic concentration at a position 2 nm from the substrate, etc.) is calculated in this way. Furthermore, the maximum value is the value at which the atomic concentration at each thickness position is maximum. In this embodiment, the concentration of each atom is indicated as the element concentration (atom %) unless otherwise specified.
STEM-EDX分析においては導電性薄膜の断面を測定するが、例えば導電性薄膜が後述する金属細線パターンである場合には、その測定サンプルは金属細線の延伸方向に直交する金属細線の断面を含む薄切片とすることが好ましい。測定サンプルの作製においては、必要に応じて、エポキシ樹脂等の支持体に導電性薄膜を包埋してから薄切片を形成してもよい。 In STEM-EDX analysis, a cross section of a conductive thin film is measured. For example, when the conductive thin film is a thin metal wire pattern described below, the measurement sample is preferably a thin slice including a cross section of the thin metal wire perpendicular to the extension direction of the thin metal wire. When preparing the measurement sample, if necessary, the conductive thin film may be embedded in a support such as an epoxy resin before forming a thin slice.
薄切片の形成方法は、断面の形成・加工による金属細線断面へのダメージを抑制できる方法であれば特に限定されないが、好ましくはイオンビームを用いた加工法(例えば、BIB(Broad Ion Beam)加工法やFIB(Focused Ion Beam)加工法)や精密機械研磨、ウルトラミクロトーム等を用いることができる。 The method for forming the thin sections is not particularly limited as long as it is a method that can suppress damage to the cross section of the metal thin wire due to the formation and processing of the cross section, but preferably, a processing method using an ion beam (for example, BIB (Broad Ion Beam) processing method or FIB (Focused Ion Beam) processing method), precision mechanical polishing, ultramicrotome, etc. can be used.
次いで、形成した金属細線の断面を走査型透過電子顕微鏡(STEM)により観察し、金属細線の断面のSTEM像を得る。同時に、エネルギー分散型X線分析(EDX)により金属細線の断面の元素マッピングを測定することで、STEM-EDX分析を実施できる。 Next, the cross section of the formed thin metal wire is observed using a scanning transmission electron microscope (STEM) to obtain a STEM image of the cross section of the thin metal wire. At the same time, elemental mapping of the cross section of the thin metal wire is measured using energy dispersive X-ray analysis (EDX), allowing STEM-EDX analysis to be performed.
なお、本実施形態の薄膜における、厚さ方向に原子濃度分布を有することは、薄膜断面のSTEM-EDX分析のほか、ドライエッチングを介するX線光電子分光(XPS)によっても評価することができる。また、原子濃度の定量値は、STEM-EDX分析により測定することができる。 The fact that the thin film of this embodiment has an atomic concentration distribution in the thickness direction can be evaluated not only by STEM-EDX analysis of the cross section of the thin film, but also by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) via dry etching. Quantitative values of atomic concentration can be measured by STEM-EDX analysis.
なお、後述する金属細線の断面の形成やSTEM-EDX分析は、金属細線断面の酸化やコンタミを防止する観点から、アルゴン等の不活性雰囲気下や真空中で行うことが好ましい。 The formation of the cross section of the thin metal wire and the STEM-EDX analysis described below are preferably performed in an inert atmosphere such as argon or in a vacuum in order to prevent oxidation and contamination of the cross section of the thin metal wire.
1.6.膜厚
導電性薄膜の膜厚は、好ましくは30nm~1000μmであり、より好ましくは50nm~100μmであり、さらに好ましくは100nm~10μmであり、よりさらに好ましくは200~1000nmであり、さらにより好ましくは300~500nmである。膜厚が30nm以上であることにより、導電性薄膜のシート抵抗がより低下する傾向にある。また、膜厚が厚いほど、上記リンの濃度分布において基材側に最大値Pmが存在するように調整しやすくなる傾向にある。また、膜厚が1000μm以下であることにより、導電性薄膜の基材に対する密着性が向上する傾向にある。また、膜厚が1000μm以下であると、導電性薄膜のパターンがより形成しやすくなる傾向にある。
1.6. Film Thickness The film thickness of the conductive thin film is preferably 30 nm to 1000 μm, more preferably 50 nm to 100 μm, even more preferably 100 nm to 10 μm, even more preferably 200 to 1000 nm, and even more preferably 300 to 500 nm. When the film thickness is 30 nm or more, the sheet resistance of the conductive thin film tends to be lowered. In addition, the thicker the film thickness, the easier it is to adjust the concentration distribution of phosphorus so that the maximum value Pm is present on the substrate side. In addition, when the film thickness is 1000 μm or less, the adhesion of the conductive thin film to the substrate tends to be improved. In addition, when the film thickness is 1000 μm or less, the pattern of the conductive thin film tends to be formed more easily.
導電性薄膜の膜厚は、後述の導電性薄膜の断面STEM―EDX評価により、求めることができる。より具体的には、導電性薄膜中の遷移金属の原子濃度が20%以上となる領域を該導電性薄膜の膜厚と定義し、任意の3か所において測定したその膜厚の平均値を導電性薄膜の膜厚とすることができる。なお、本実施形態の導電性薄膜は、一様な厚さを有する薄膜の他、表面に凹凸が存在したり、導電性薄膜の位置によって部分的に薄い部分があったりする薄膜であってもよい。 The thickness of the conductive thin film can be determined by the cross-sectional STEM-EDX evaluation of the conductive thin film described below. More specifically, the region in which the atomic concentration of the transition metal in the conductive thin film is 20% or more is defined as the thickness of the conductive thin film, and the average value of the thickness measured at any three locations can be taken as the thickness of the conductive thin film. Note that the conductive thin film of this embodiment may be a thin film having a uniform thickness, or may be a thin film having an uneven surface or having thin portions depending on the position of the conductive thin film.
導電性薄膜は、膜内に空隙を有しないものであっても、膜内に空隙を有するものであってもよい。このなかでも、導電性薄膜は膜内に空隙を有するものが好ましい。このような態様の導電性薄膜としては、例えば、遷移金属を含む粒子が結合した粒子層を含むものが挙げられる。粒子層であることにより、基材の曲げなどの応力がかけられた場合であってもより断線し難いものとなる。このような粒子層から構成される導電性薄膜は、後述する遷移金属の粒子を含むインクを用いた薄膜の製造方法によって得ることができる。また、粒子層の存在はSTEM分析などから評価することができる。 The conductive thin film may have no voids in the film or may have voids in the film. Of these, the conductive thin film is preferably one having voids in the film. An example of such a conductive thin film is one that includes a particle layer in which particles containing a transition metal are bonded. The particle layer makes the thin film less susceptible to breakage even when stress such as bending of the substrate is applied. A conductive thin film composed of such a particle layer can be obtained by a thin film manufacturing method using an ink containing transition metal particles, which will be described later. The presence of the particle layer can also be evaluated by STEM analysis, etc.
1.7.パターン
導電性薄膜は、開口を有する連続したパターンを有してもよいし、開口を有しないベタパターンを有してもよい。導電性薄膜が有するパターンは、目的とする電子デバイスの用途に応じて設計することができ、規則的なパターンであっても不規則なパターンであってもよい。ここで、開口とは、導電性薄膜が存在しない部分をいい、開口部分では光が透過できる。また、連続したパターンとは、光学顕微鏡にて接続(接触)していることが確認されることをいい、このようなパターンは電気的に接続されたものとなる。
1.7. Pattern The conductive thin film may have a continuous pattern with openings, or a solid pattern without openings. The pattern of the conductive thin film can be designed according to the intended use of the electronic device, and may be a regular pattern or an irregular pattern. Here, the opening refers to a portion where the conductive thin film is not present, and light can pass through the opening portion. In addition, the continuous pattern refers to a connection (contact) confirmed by an optical microscope, and such a pattern is electrically connected.
このなかでも、導電性薄膜は、開口を有する連続したパターンを有することが好ましい。このように開口を設けることで、光透過性の導電性薄膜とすることができる。また、開口を有する連続したパターンとしては、特に限定されないが、例えば、複数の細線が交差して構成されるパターンが好ましい。この場合、細線が導電性薄膜に相当し、細線間の間隙が開口となる。 Among these, it is preferable that the conductive thin film has a continuous pattern with openings. By providing openings in this way, it is possible to make the conductive thin film light-transmitting. In addition, the continuous pattern with openings is not particularly limited, but for example, a pattern formed by a plurality of crossing thin lines is preferable. In this case, the thin lines correspond to the conductive thin film, and the gaps between the thin lines become the openings.
以下、複数の細線により形成されるパターンの具体的態様について説明するが、本実施形態におけるパターンは以下に限定されるものではない。なお、以下において、金属細線とは細線状の導電性薄膜を意味し、金属細線パターンとは複数の金属細線により形成されるパターンをいう。 Specific examples of patterns formed from multiple thin wires are described below, but the patterns in this embodiment are not limited to the following. In the following, thin metal wires refer to thin conductive thin films, and thin metal wire patterns refer to patterns formed from multiple thin metal wires.
図2に、本実施形態の導電性薄膜の一例を示す概略上面図を示す。図2は、基材20上に導電性薄膜10が配された導電性シート100を、導電性薄膜10の形成面側から見た上面図である。図2において、導電性薄膜10は、細線状になっており、その細線がグリッド上に交差した状態として表されている。ここで、細線状である導電性薄膜10を金属細線10’という。前述の図1の断面は、この金属細線10’をA-A’の断面で表したものである。 Figure 2 shows a schematic top view of an example of a conductive thin film of this embodiment. Figure 2 is a top view of a conductive sheet 100 in which a conductive thin film 10 is disposed on a substrate 20, viewed from the side on which the conductive thin film 10 is formed. In Figure 2, the conductive thin film 10 is in the form of thin lines, and is shown as a state in which the thin lines cross on a grid. Here, the conductive thin film 10 in the form of thin lines is called a thin metal wire 10'. The cross section of Figure 1 mentioned above shows the A-A' cross section of this thin metal wire 10'.
図2に示すように、連続したパターンとは、例えば、複数の金属細線10’が互いに交差して連続層を形成することで、平面方向に広がる導電性薄膜10上の任意の2点において通電できるように構成されるものをいう。また、開口を有するとは、例えば、複数の金属細線10’の間に不連続な開口30を有することをいう。そして、このように金属細線10’によって形成される導電性の連続層と開口とからなるものを、本実施形態においては金属細線パターン40という。 As shown in FIG. 2, a continuous pattern refers to, for example, a configuration in which a plurality of fine metal wires 10' cross each other to form a continuous layer, allowing current to flow between any two points on the conductive thin film 10 extending in the planar direction. Also, having an opening refers to, for example, having a discontinuous opening 30 between a plurality of fine metal wires 10'. In this embodiment, the conductive continuous layer and opening formed by the fine metal wires 10' is referred to as a fine metal wire pattern 40.
ここで、金属細線パターン40を構成する金属細線10’の線幅Wとは、基材20の金属細線パターン40が配された面側から、金属細線10’を基材20の表面上に投影したときの金属細線10’の線幅をいう。「投影したときの線幅」とは、例えば、図1に示すように、導電性薄膜10の基材と接する界面が最も太くなるような場合には、その太さを線幅と定義する。また、ピッチPは、線幅Wと金属細線間の距離Lの和として定義する。 Here, the line width W of the thin metal wires 10' constituting the thin metal wire pattern 40 refers to the line width of the thin metal wires 10' when projected onto the surface of the substrate 20 from the side of the substrate 20 on which the thin metal wire pattern 40 is arranged. The "line width when projected" is defined as the width of the thin metal wires when the interface between the conductive thin film 10 and the substrate is the widest, for example, as shown in FIG. 1. The pitch P is defined as the sum of the line width W and the distance L between the thin metal wires.
上記のような金属細線パターンとしては、具体的には、複数の金属細線が網目状に交差して形成されるメッシュパターンや、複数の略平行な金属細線が形成されたラインパターンが挙げられる。また、金属細線パターンは、メッシュパターンとラインパターンとが組み合わされたものであってもよい。メッシュパターンの網目は、正方形又は長方形であっても、ひし形等の多角形であってもよい。また、ラインパターンを構成する金属細線は、直線であっても、曲線であってもよい。さらに、メッシュパターンを構成する金属細線においても、金属細線を曲線とすることができる。 Specific examples of the above-mentioned fine metal wire pattern include a mesh pattern formed by a plurality of fine metal wires crossing each other in a mesh pattern, and a line pattern formed with a plurality of approximately parallel fine metal wires. The fine metal wire pattern may also be a combination of a mesh pattern and a line pattern. The mesh of the mesh pattern may be a square or rectangle, or a polygon such as a diamond. The fine metal wires that make up the line pattern may be straight or curved. Furthermore, the fine metal wires that make up the mesh pattern may also be curved.
1.8.1.線幅
線幅Wは、好ましくは100nm~1000μmであり、より好ましくは200nm~500μmであり、さらに好ましくは300nm~100μmであり、よりさらに好ましくは400nm~50μmであり、さらにより好ましくは500nm~5.0μmである。図1記載されるような、側面がなだらかな傾斜を有する金属細線における線幅Wは、基材に対し垂直上に配された金属細線の幅であり、金属細線と接する基材が曲面である場合は、基材に対して金属細線の断面が接する周の長さである。
The line width W is preferably 100 nm to 1000 μm, more preferably 200 nm to 500 μm, even more preferably 300 nm to 100 μm, still more preferably 400 nm to 50 μm, and even more preferably 500 nm to 5.0 μm. The line width W of a thin metal wire having gently sloping sides as shown in FIG. 1 is the width of the thin metal wire disposed perpendicularly to the substrate, and when the substrate in contact with the thin metal wire is a curved surface, it is the perimeter of the area where the cross section of the thin metal wire contacts the substrate.
金属細線の線幅Wが100nm以上であることにより、金属細線の導電性を十分に確保でき、シート抵抗がより低下する傾向にある。また、金属細線表面の酸化や腐食等による導電性の低下を十分に抑制できる。さらに開口率を同じとした場合、金属細線の線幅が細いほど、金属細線の本数を増やすことが可能となる。これにより、導電性シートの電界分布がより均一となり、より高解像度の電子デバイスを作製することが可能となる。また、一部の金属細線で断線が生じたとしても、それによる影響を他の金属細線が補うことができる。 By making the line width W of the thin metal wire 100 nm or more, the conductivity of the thin metal wire can be sufficiently ensured, and the sheet resistance tends to be further reduced. In addition, the decrease in conductivity due to oxidation or corrosion of the surface of the thin metal wire can be sufficiently suppressed. Furthermore, for the same aperture ratio, the thinner the line width of the thin metal wire, the more the number of thin metal wires can be increased. This makes the electric field distribution of the conductive sheet more uniform, making it possible to fabricate electronic devices with higher resolution. Furthermore, even if some of the thin metal wires are broken, the other thin metal wires can compensate for the resulting effect.
他方、金属細線の線幅Wが5.0μm以下であることにより、金属細線の視認性がより低下し、導電性薄膜及びそれを備える導電性シートの透明性がより向上する傾向にある。 On the other hand, by having the line width W of the thin metal wires be 5.0 μm or less, the visibility of the thin metal wires tends to be reduced, and the transparency of the conductive thin film and the conductive sheet comprising the same tends to be improved.
1.8.2.アスペクト比
金属細線の線幅Wに対する金属細線の厚さTで表されるアスペクト比は、好ましくは0.05~1.00であり、より好ましくは0.08~0.90であり、さらに好ましくは0.10~0.80である。線幅Wが一定である場合にはアスペクト比が大きいほど、透過率を低下させることなく導電性がより向上する傾向にある。また、アスペクト比が1.00以下であることにより、膜厚が厚すぎることによって、かえって透過率が低下することが抑制される傾向にある。
1.8.2. Aspect ratio The aspect ratio, which is expressed by the thickness T of the metal thin wire relative to the line width W of the metal thin wire, is preferably 0.05 to 1.00, more preferably 0.08 to 0.90, and even more preferably 0.10 to 0.80. When the line width W is constant, the larger the aspect ratio, the more the conductivity tends to improve without decreasing the transmittance. In addition, by having an aspect ratio of 1.00 or less, the decrease in transmittance due to an excessively thick film thickness tends to be suppressed.
1.8.3.ピッチ
ピッチPは、好ましくは1.0~1000μmであり、より好ましくは5.0~500μmであり、さらに好ましくは50~250μmであり、よりさらに好ましくは100~250μmである。ピッチPが1.0μm以上であることにより、導電性薄膜及びそれを備える導電性シートの透明性がより向上する傾向にある。また、ピッチPが1000μm以下であることにより、導電性がより向上する傾向にある。なお、金属細線パターンの形状がメッシュパターンである場合には、線幅1μmの金属細線パターンのピッチを200μmとすることにより、開口率99%とすることができる。
1.8.3. Pitch The pitch P is preferably 1.0 to 1000 μm, more preferably 5.0 to 500 μm, even more preferably 50 to 250 μm, and even more preferably 100 to 250 μm. When the pitch P is 1.0 μm or more, the transparency of the conductive thin film and the conductive sheet including the same tends to be improved. When the pitch P is 1000 μm or less, the conductivity tends to be improved. In addition, when the shape of the thin metal line pattern is a mesh pattern, the pitch of the thin metal line pattern with a line width of 1 μm is set to 200 μm, so that the aperture ratio can be 99%.
1.8.4.開口率
金属細線パターンの開口率は、好ましくは60%以上であり、より好ましくは70%以上であり、さらに好ましくは80%以上であり、特に好ましくは90%以上である。金属細線パターンの開口率が60%以上であることにより、導電性シートの透過率がより向上する傾向にある。
The aperture ratio of the thin metal line pattern is preferably 60% or more, more preferably 70% or more, even more preferably 80% or more, and particularly preferably 90% or more. When the aperture ratio of the thin metal line pattern is 60% or more, the transmittance of the conductive sheet tends to be further improved.
また、金属細線パターンの開口率は、好ましくは100%未満であり、より好ましくは95%以下であり、さらに好ましくは90%以下であり、よりさらに好ましくは80%以下であり、さらにより好ましくは70%以下であり、特に好ましくは60%以下である。金属細線パターンの開口率が100%未満であることにより、導電性シートの導電性がより向上する傾向にある。 The aperture ratio of the thin metal line pattern is preferably less than 100%, more preferably 95% or less, even more preferably 90% or less, even more preferably 80% or less, even more preferably 70% or less, and particularly preferably 60% or less. When the aperture ratio of the thin metal line pattern is less than 100%, the conductivity of the conductive sheet tends to be further improved.
金属細線パターンの開口率は、金属細線パターンの形状によっても適正な値が異なる。また、金属細線パターンの開口率は、目的とする電子デバイスの要求性能(透過率及びシート抵抗)に応じて、上記上限値と下限値を適宜組み合わせることができる。 The appropriate aperture ratio of the thin metal line pattern varies depending on the shape of the thin metal line pattern. In addition, the aperture ratio of the thin metal line pattern can be appropriately combined with the above upper and lower limits depending on the required performance (transmittance and sheet resistance) of the target electronic device.
なお、「金属細線パターンの開口率」とは、基材上の金属細線パターンが形成されている領域について以下の式で算出することができる。基材上の金属細線パターンが形成されている領域とは、金属細線パターンが形成されていない縁部等は除かれる。
金属細線パターンの開口率=(1-金属細線パターンの占める面積/透明基材の面積)×100
The "aperture ratio of the thin metal line pattern" can be calculated for the region on the substrate where the thin metal line pattern is formed by the following formula. The region on the substrate where the thin metal line pattern is formed excludes edges and the like where the thin metal line pattern is not formed.
Aperture ratio of thin metal line pattern=(1−area occupied by thin metal line pattern/area of transparent substrate)×100
なお、金属細線パターンの線幅W、アスペクト比、及びピッチPは、導電性シート断面を電子顕微鏡等で見ることにより確認することができる。また、金属細線パターンの線幅とピッチはレーザー顕微鏡や光学顕微鏡でも観察できる。また、ピッチPと開口率は後述する関係式を有するため、一方が分かればもう一方を算出することもできる。また、金属細線パターンの線幅W、アスペクト比、及びピッチPを所望の範囲に調整する方法としては、後述する導電性シートの製造方法において用いる版の溝を調整する方法、インク中の金属粒子の平均粒径を調整する方法等が挙げられる。 The line width W, aspect ratio, and pitch P of the thin metal line pattern can be confirmed by observing the cross section of the conductive sheet with an electron microscope or the like. The line width and pitch of the thin metal line pattern can also be observed with a laser microscope or optical microscope. Since the pitch P and the aperture ratio have a relationship as described below, if one is known, it is possible to calculate the other. Methods for adjusting the line width W, aspect ratio, and pitch P of the thin metal line pattern to the desired range include adjusting the grooves of the plate used in the manufacturing method of the conductive sheet as described below, and adjusting the average particle size of the metal particles in the ink.
1.8.5.可視光透過率
導電性薄膜の可視光透過率は、好ましくは70~99%であり、より好ましくは75~95%であり、さらに好ましくは80~90%である。ここで、可視光透過率は、JIS K 7361-1:1997の全光線透過率に準拠して、その可視光(360~830nm)の範囲の平均透過率を算出することで測定することができる。パターン付き薄膜の可視光透過率は、金属細線パターンの線幅を小さくしたり、開口率を向上させたりすることにより、向上する傾向にある。
1.8.5 Visible Light Transmittance The visible light transmittance of the conductive thin film is preferably 70 to 99%, more preferably 75 to 95%, and even more preferably 80 to 90%. The visible light transmittance can be measured by calculating the average transmittance in the visible light range (360 to 830 nm) in accordance with the total light transmittance of JIS K 7361-1:1997. The visible light transmittance of the patterned thin film tends to be improved by reducing the line width of the thin metal line pattern or improving the aperture ratio.
1.8.6.シート抵抗
導電性薄膜のシート抵抗は、好ましくは0.001~20Ωcm-2であり、より好ましくは0.01~17.5Ωcm-2であり、さらに好ましくは0.01~15Ωcm-2であり、好ましくは0.1~10Ωcm-2である。シート抵抗が低いほど導電性がより向上する傾向にある。
The sheet resistance of the conductive thin film is preferably 0.001 to 20 Ωcm −2 , more preferably 0.01 to 17.5 Ωcm −2 , still more preferably 0.01 to 15 Ωcm −2 , and preferably 0.1 to 10 Ωcm −2 . The lower the sheet resistance, the more improved the conductivity tends to be.
導電性シートのシート抵抗は、金属細線のアスペクト比(高さ)を向上させることにより、低下する傾向にある。また、金属細線を構成する金属材料種の選択によっても調整することが可能である。 The sheet resistance of a conductive sheet tends to decrease by improving the aspect ratio (height) of the thin metal wires. It can also be adjusted by selecting the type of metal material that makes up the thin metal wires.
1.8.7.ヘイズ
導電性薄膜のヘイズは、好ましくは0.01~5.00%であり、より好ましくは0.01~3.00%であり、さらに好ましくは0.01~1.00%である。ヘイズが5.00%以下であることにより、可視光に対する導電性シートの曇りがより抑制される傾向にある。本明細書におけるヘイズは、JIS K 7136:2000のヘイズに準拠して測定することができる。
1.8.7. Haze The haze of the conductive thin film is preferably 0.01 to 5.00%, more preferably 0.01 to 3.00%, and even more preferably 0.01 to 1.00%. When the haze is 5.00% or less, the clouding of the conductive sheet with respect to visible light tends to be further suppressed. The haze in this specification can be measured in accordance with the haze of JIS K 7136:2000.
1.9.用途
本実施形態の導電性薄膜は、様々な用途に適用できる。具体的には、導電シート、ヒーター、電磁波シールド、アンテナなどが挙げられる。また、パターン付き薄膜とすることで、電子ペーパー、タッチパネル、フラットパネル、透明性が求められる用途にも好適に適用できるようになる。
1.9. Applications The conductive thin film of the present embodiment can be applied to various applications. Specific examples include conductive sheets, heaters, electromagnetic wave shields, and antennas. In addition, by forming the conductive thin film into a patterned thin film, it can be suitably applied to applications requiring transparency, such as electronic paper, touch panels, and flat panels.
2.導電性シート
本実施形態の導電性シートは、基材と、基材上に形成される上記導電性薄膜と、を備える。このような導電性シートは、導電性を有するフィルム材となり、特に導電性薄膜が上記のような金属細線パターンを有することで、可視光透過性を有する者である場合には、導電性を有する透明なフィルム材となる。このような導電性シートは、タッチパネルやディスプレイといった透明性が求められる用途の他、従来は透明性が必須とはされないヒーターや電磁波シールド、アンテナなど、透明性を付与することで新たな価値を提供することができる。
2. Conductive sheet The conductive sheet of the present embodiment includes a substrate and the conductive thin film formed on the substrate. Such a conductive sheet becomes a conductive film material, and in particular, when the conductive thin film has the above-mentioned metal thin line pattern and has visible light transparency, it becomes a conductive transparent film material. Such a conductive sheet can provide new value by imparting transparency to heaters, electromagnetic shields, antennas, etc., which have not been required to be transparent in the past, in addition to applications requiring transparency such as touch panels and displays.
2.1.基材
基材としては、導電性シートの用途に応じて適宜選択することができ、特に限定されないが、例えば、ガラス等の透明無機基材、金属板等の不透明無機基材、プラスチックフィルムなどの透明又は不透明の有機基材が挙げられる。このなかでも、柔軟かつ透明な導電性シートを得る観点から、プラスチックが好ましい。また、これら基材は、表面に任意の層を有していたり、コロナ処理など任意の表面処理がされていたりするものであってもよい。
2.1. Substrate The substrate can be appropriately selected according to the application of the conductive sheet, and is not particularly limited. For example, transparent inorganic substrates such as glass, opaque inorganic substrates such as metal plates, transparent or opaque organic substrates such as plastic films can be mentioned. Among these, plastic is preferable from the viewpoint of obtaining a flexible and transparent conductive sheet. In addition, these substrates may have an arbitrary layer on the surface or may be subjected to an arbitrary surface treatment such as corona treatment.
基材の形態は、板状のものや、フィルム状のものが利用でき、形態自由度に優れる観点から、フィルム状のものが好ましい。 The substrate can be in the form of a plate or a film, with a film being preferred from the viewpoint of excellent freedom in form.
プラスチックとしては、特に限定されないが、例えば、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ナイロン、芳香族ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等の透明有機基材が挙げられる。 The plastics are not particularly limited, but examples thereof include transparent organic substrates such as acrylic acid esters, methacrylic acid esters, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polyarylate, polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polystyrene, nylon, aromatic polyamide, polyether ether ketone, polysulfone, polyethersulfone, polyimide, and polyetherimide.
このなかでも、ポリエチレンテレフタレート(PET)を用いることが、導電性シートを製造するためのコスト削減効果を包括する生産性が高い観点から好ましい。また、導電性シートの耐熱性に優れる観点から、ポリイミドを用いることが好ましい。さらに、薄膜と基材の密着に有利である観点から、ポリエチレンテレフタレート及び/又はポリエチレンナフタレートを用いることが好ましい。 Among these, the use of polyethylene terephthalate (PET) is preferred from the viewpoint of high productivity, including the cost reduction effect for manufacturing the conductive sheet. In addition, the use of polyimide is preferred from the viewpoint of excellent heat resistance of the conductive sheet. Furthermore, the use of polyethylene terephthalate and/or polyethylene naphthalate is preferred from the viewpoint of advantageous adhesion between the thin film and the substrate.
本実施形態に使用される薄膜の基材は、1種の材料からなるものであっても、2種以上の材料が積層されたものであってもよい。また、透明基材が、2種以上の材料が積層された多層体である場合、透明基材は、有機基材又は無機基材同士が積層されたものであっても、有機基材及び無機基材が積層されたものであってもよい。 The substrate of the thin film used in this embodiment may be made of one material or may be a laminate of two or more materials. In addition, when the transparent substrate is a multilayer body in which two or more materials are laminated, the transparent substrate may be a laminate of organic substrates or inorganic substrates, or a laminate of an organic substrate and an inorganic substrate.
基材の厚さは、形態自由度に優れる、及び/又は透明性に優れる観点から、好ましくは5μm以上500μm以下であり、より好ましくは10μm以上100μm以下である。 The thickness of the substrate is preferably 5 μm or more and 500 μm or less, more preferably 10 μm or more and 100 μm or less, from the viewpoint of excellent freedom of shape and/or excellent transparency.
2.1.1.表面層
基材は、複数の層を有していてもよく、導電性薄膜との接触部に表面層を有していてもよい。表面層を基材上に積層することで、プラズマ等の焼成手段でインク中の金属成分を焼結させる際に、プラズマ等によって金属細線パターン部で被覆されていない箇所の基材のエッチングを防ぐことができる。
The substrate may have multiple layers, and may have a surface layer in the contact area with the conductive thin film. By laminating the surface layer on the substrate, it is possible to prevent etching of the substrate in areas that are not covered with the thin metal line pattern by plasma or the like when the metal components in the ink are sintered by a baking means such as plasma.
表面層に含まれる成分としては、特に限定されないが、例えば、ケイ素化合物(例えば、(ポリ)シラン類、(ポリ)シラザン類、(ポリ)シルチアン類、(ポリ)シロキサン類、ケイ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、塩化ケイ素、ケイ素酸塩、ゼオライト、シリサイド等)、アルミニウム化合物(例えば、酸化アルミニウム等)、マグネシウム化合物(例えばフッ化マグネシウム)等が挙げられる。なお、上記ポリシラン類、ポリシラザン類、ポリシルチアン類、ポリシロキサン類は、直鎖若しくは分岐状、環状、網目状の形態を有してもよい。これら成分は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The components contained in the surface layer are not particularly limited, but examples thereof include silicon compounds (e.g., (poly)silanes, (poly)silazanes, (poly)silthians, (poly)siloxanes, silicon, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, silicon chloride, silicate salts, zeolites, silicides, etc.), aluminum compounds (e.g., aluminum oxide, etc.), magnesium compounds (e.g., magnesium fluoride), etc. The polysilanes, polysilazanes, polysilthians, and polysiloxanes may have a linear or branched, cyclic, or mesh-like shape. These components may be used alone or in combination of two or more.
このなかでも、ケイ素化合物、酸化アルミニウム、及びフッ化マグネシウムが好ましく、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、及びフッ化マグネシウムがより好ましい。このような成分を用いることにより、プラズマに対する耐久性がより向上し、また、導電性薄膜と基材との密着性がより向上する傾向にある。また、このような成分を用いることにより、導電性シートの透明性及び耐久性がより向上する傾向にあり、導電性シートを製造するためのコスト削減効果などに寄与する生産性がより優れる傾向にある。 Among these, silicon compounds, aluminum oxide, and magnesium fluoride are preferred, and silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, and magnesium fluoride are more preferred. By using such components, the durability against plasma is improved, and the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be improved. In addition, by using such components, the transparency and durability of the conductive sheet tend to be improved, and the productivity, which contributes to the cost reduction effect for manufacturing the conductive sheet, tends to be superior.
表面層は、物理蒸着法(PVD)、化学蒸着法(CVD)などの気相成膜法や、上記表面層に含まれる成分が分散媒に分散した組成物を塗布、乾燥する方法により成膜することができる。この組成物は、必要に応じて、分散剤、界面活性剤、結着剤等を含有してもよい。 The surface layer can be formed by a gas phase deposition method such as physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD), or by applying and drying a composition in which the components contained in the surface layer are dispersed in a dispersion medium. This composition may contain a dispersant, a surfactant, a binder, etc., as necessary.
なお、表面層を含む場合、ケイ素は、プラズマ反応を経て導電性薄膜中に取り込まれてもよい。金属細線中に含まれるケイ素原子Siは、ケイ素原子やケイ素化合物の形態で存在していてもよく、ケイ素原子やケイ素化合物と金属原子とが結合した形態(例えば、Si-M、Si-O-M等)で存在していてもよい。 When a surface layer is included, silicon may be incorporated into the conductive thin film via a plasma reaction. The silicon atoms Si contained in the metal fine wires may exist in the form of silicon atoms or silicon compounds, or in the form of silicon atoms or silicon compounds bonded to metal atoms (e.g., Si-M, Si-O-M, etc.).
2.1.2.厚さ
表面層の厚さは、好ましくは0.01~500μmであり、より好ましくは0.05~300μmであり、さらに好ましくは0.10~200μmである。表面層の厚みが0.01μm以上であることにより、導電性薄膜と基材の密着性がより向上する傾向にある。また、表面層の厚みが500μm以下であることにより、基材の可撓性が担保できる。
2.1.2. Thickness The thickness of the surface layer is preferably 0.01 to 500 μm, more preferably 0.05 to 300 μm, and even more preferably 0.10 to 200 μm. When the thickness of the surface layer is 0.01 μm or more, the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved. In addition, when the thickness of the surface layer is 500 μm or less, the flexibility of the substrate can be ensured.
2.1.3.体積抵抗率
表面層は静電気による金属細線パターンの断線を防ぐための、帯電防止機能を持っていることが好ましい。帯電防止機能を有する観点から、表面層は導電性無機酸化物及び導電性有機化合物の少なくともいずれかを含むことが好ましい。
The surface layer preferably has an antistatic function to prevent disconnection of the thin metal line pattern due to static electricity. From the viewpoint of having the antistatic function, the surface layer preferably contains at least one of a conductive inorganic oxide and a conductive organic compound.
帯電防止機能の観点から表面層の体積抵抗率は、好ましくは100~100000Ωcmであり、好ましくは1000~10000Ωcmであり、好ましくは2000~8000Ωcmである。表面層の体積抵抗率が100000Ωcm以下であることにより、帯電防止機能がより向上する傾向にある。また、表面層の体積抵抗率が100Ωcm以上であることにより、金属細線パターン間の電気伝導性がより低下し、タッチパネル等の用途に好適に用いることができる。 From the viewpoint of antistatic function, the volume resistivity of the surface layer is preferably 100 to 100,000 Ωcm, preferably 1,000 to 10,000 Ωcm, and preferably 2,000 to 8,000 Ωcm. When the volume resistivity of the surface layer is 100,000 Ωcm or less, the antistatic function tends to be further improved. Furthermore, when the volume resistivity of the surface layer is 100 Ωcm or more, the electrical conductivity between the metal fine line patterns is further reduced, making it suitable for use in applications such as touch panels.
体積抵抗率は、表面層内の導電性無機酸化物や導電性有機化合物等の含有量により調整することができる。例えば、プラズマ耐性の高い酸化ケイ素(体積比抵抗1014Ω・cm以上)と導電性有機化合物である有機シラン化合物を表面層に含む場合、有機シラン化合物の含有量を増やすことで体積抵抗率を低下することができる。一方で、酸化ケイ素の含有量を増やすことで体積抵抗率は増加するが高いプラズマ耐性を有するため薄膜にすることができ、光学的特性を損なうことがない。 The volume resistivity can be adjusted by the content of conductive inorganic oxides, conductive organic compounds, etc. in the surface layer. For example, if the surface layer contains silicon oxide (volume resistivity 1014 Ω·cm or more) which has high plasma resistance and an organosilane compound which is a conductive organic compound, the volume resistivity can be reduced by increasing the content of the organosilane compound. On the other hand, although the volume resistivity increases by increasing the content of silicon oxide, the film can be made into a thin film due to its high plasma resistance, and the optical properties are not impaired.
2.2.保護層
本実施形態の導電性シートは導電性薄膜の上に、保護層を有していてもよい。保護層は基材とともに導電性薄膜を挟むように形成することができる。
2.2 Protective Layer The conductive sheet of the present embodiment may have a protective layer on the conductive thin film. The protective layer can be formed so as to sandwich the conductive thin film together with the substrate.
保護層としては、特に限定されないが、例えば、透明性を有し、導電性薄膜や基材と良好な密着性が発現できるものであれば、特に限定されないが、例えば、フェノール樹脂、熱硬化型エポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂や、ウレタンアクリレート、アクリル樹脂アクリレート、エポキシアクリレート、シリコーンアクリレート、UV硬化型エポキシ樹脂などのUV硬化性樹脂、市販のコーティング剤などを用いることができる。 The protective layer is not particularly limited, but may be any material that is transparent and exhibits good adhesion to the conductive thin film or substrate. Examples of the protective layer include thermosetting resins such as phenolic resin, thermosetting epoxy resin, thermosetting polyimide, melamine resin, urea resin, unsaturated polyester resin, alkyd resin, polyurethane, diallyl phthalate resin, and silicone resin; UV-curable resins such as urethane acrylate, acrylic resin acrylate, epoxy acrylate, silicone acrylate, and UV-curable epoxy resin; and commercially available coating agents.
3.導電性薄膜の製造方法
本実施形態の導電性薄膜の製造方法は、基材に、リンの重量面積密度が6.0mg・m-2以上1000mg・m-2以下である前駆体薄膜を形成する膜形成工程と、前駆体薄膜を、150秒以上60分以下、プラズマと反応させて、導電性薄膜を得るプラズマ反応工程と、を含み、必要に応じて、膜形成工程前に、基材上に表面層を形成する表面層形成工程を有していてもよい。
3. Method for Producing a Conductive Thin Film The method for producing a conductive thin film of the present embodiment includes a film formation step of forming a precursor thin film having a phosphorus weight areal density of 6.0 mg m -2 or more and 1000 mg m -2 or less on a substrate, and a plasma reaction step of reacting the precursor thin film with plasma for 150 seconds or more and 60 minutes or less to obtain a conductive thin film, and may include a surface layer formation step of forming a surface layer on the substrate before the film formation step, as necessary.
3.1.表面層形成工程
表面層形成工程は、基材上に上述した表面層を形成する工程である。表面層を形成することにより、例えば、プラスチックの基材を用いる場合、表面層によってプラズマ反応によるプラスチックの変性やエッチングを防ぐことができる。
3.1. Surface layer forming step The surface layer forming step is a step of forming the above-mentioned surface layer on the substrate. For example, when a plastic substrate is used, the surface layer can prevent the plastic from being denatured or etched by the plasma reaction.
表面層形成方法の具体例としては、物理蒸着法(PVD)、化学蒸着法(CVD)等の気相成膜法を用いて表面層を形成する成分を透明基材の表面に成膜させることにより表面層を形成する方法が挙げられる。表面層形成工程の別の具体例としては、表面層を形成する成分が分散媒に分散してなる組成物を透明基材の表面に塗布し、乾燥させることにより表面層を形成する方法が挙げられる。また、表面層形成組成物は、必要に応じて、分散剤、界面活性剤、結着剤等を含んでもよい。 A specific example of a surface layer forming method is a method in which a component that forms the surface layer is formed on the surface of a transparent substrate using a gas phase film forming method such as physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD). Another specific example of a surface layer forming step is a method in which a composition in which the component that forms the surface layer is dispersed in a dispersion medium is applied to the surface of a transparent substrate and dried to form a surface layer. In addition, the surface layer forming composition may contain a dispersant, a surfactant, a binder, etc., as necessary.
表面層形成工程において、表面層を形成する成分としては上述したケイ素化合物を用いることが好ましい。 In the surface layer forming process, it is preferable to use the silicon compound described above as the component that forms the surface layer.
3.2.膜形成工程
膜形成工程は、基材に、リンの重量面積密度が6.0mg・m-2以上1000mg・m-2以下である前駆体薄膜を形成する工程である。リンの重量面積密度は、前駆体薄膜に含めるリン系化合物の量によって調整することができる。
The film formation step is a step of forming a precursor thin film having a phosphorus weight areal density of 6.0 mg m -2 or more and 1000 mg m -2 or less on a substrate. The phosphorus weight areal density can be adjusted by the amount of a phosphorus-based compound contained in the precursor thin film.
3.2.1.前駆体薄膜
前駆体薄膜は、遷移金属及び/又は遷移金属化合物と、所定量のリンとを、含むものであり、これに対して後述のプラズマ反応工程を施すことで本実施形態の導電性薄膜となるものである。既に述べたように、このようにリンを含む前駆体薄膜に対して、プラズマ処理を施すことにより、得られる導電性薄膜は、基材側にリンの原子濃度の最大値を有するようなリン勾配を有するものとなり、このリン勾配によって、導電性に優れ、基材に優れた密着性を有するようになる。
3.2.1 Precursor thin film The precursor thin film contains a transition metal and/or a transition metal compound and a predetermined amount of phosphorus, and is turned into the conductive thin film of this embodiment by performing a plasma reaction process described below. As already described, by performing a plasma treatment on such a precursor thin film containing phosphorus, the resulting conductive thin film has a phosphorus gradient with the maximum value of the phosphorus atomic concentration on the substrate side, and this phosphorus gradient gives the conductive thin film excellent conductivity and excellent adhesion to the substrate.
前駆体薄膜のリンの重量面積密度は、6.0~1000mg・m-2であり、好ましくは8.0~500mg・m-2であり、より好ましくは10~100mg・m-2であり、さらに好ましくは10~50mg・m-2である。前駆体薄膜のリンの重量面積密度が6.0mg・m-2以上であることにより、得られる導電性薄膜の導電性がより向上し、また、導電性薄膜と基材との密着性がより向上する。また、前駆体薄膜のリンの重量面積密度が1000mg・m-2以下であることにより、相対的に遷移金属が多くなるため、得られる導電性薄膜の導電性がより向上する。 The phosphorus weight areal density of the precursor thin film is 6.0 to 1000 mg m -2 , preferably 8.0 to 500 mg m -2 , more preferably 10 to 100 mg m -2 , and even more preferably 10 to 50 mg m -2 . When the phosphorus weight areal density of the precursor thin film is 6.0 mg m -2 or more, the conductivity of the obtained conductive thin film is further improved, and the adhesion between the conductive thin film and the substrate is further improved. Furthermore, when the phosphorus weight areal density of the precursor thin film is 1000 mg m -2 or less, the transition metal is relatively increased, and therefore the conductivity of the obtained conductive thin film is further improved.
また、前駆体薄膜の遷移金属の重量面積密度は、好ましくは1.0~10g・m-2であり、より好ましくは1.0~8.0g・m-2であり、さらに好ましくは1.0~6.0g・m-2である。前駆体薄膜の遷移金属の重量面積密度が上記範囲内であることにより、得られる導電性薄膜の導電性がより向上し、また、導電性薄膜と基材との密着性がより向上する傾向にある。 The weight areal density of the transition metal in the precursor thin film is preferably 1.0 to 10 g m -2 , more preferably 1.0 to 8.0 g m -2 , and even more preferably 1.0 to 6.0 g m -2 . When the weight areal density of the transition metal in the precursor thin film is within the above range, the conductivity of the obtained conductive thin film is further improved, and the adhesion between the conductive thin film and the substrate tends to be further improved.
なお、本実施形態における、前駆体薄膜のリン又は遷移金属の重量密度とは、前駆体薄膜が存在する領域でのリン又は遷移金属の重量密度であり、パターンが開口を有する場合にはその開口部分はリン又は遷移金属の重量面積密度の算出においては含まれない。 In this embodiment, the weight density of phosphorus or transition metal in the precursor thin film refers to the weight density of phosphorus or transition metal in the region where the precursor thin film is present, and if the pattern has openings, the openings are not included in the calculation of the weight area density of phosphorus or transition metal.
前駆体薄膜が含むリン系化合物としては、特に限定されないが、例えば、リン酸及び/又はリン酸エステルが挙げられる。このようなリン系化合物を用いることにより、後述するプラズマ反応工程において、基材側にリンの原子濃度の最大値を有するようなリン勾配がより形成されやすい傾向にある。 The phosphorus-based compound contained in the precursor thin film is not particularly limited, but examples include phosphoric acid and/or phosphoric acid esters. By using such phosphorus-based compounds, a phosphorus gradient with a maximum phosphorus atomic concentration on the substrate side tends to be formed more easily in the plasma reaction process described below.
このような前駆体薄膜は、真空装置などを用いた乾式法、インクなどを用いた湿式法など様々な手法を用いて成膜することができる。このうち、大規模製造に適するという観点や、前駆体薄膜に含ませるリンの量を調製しやすいという観点から、インクを基材上に印刷して前駆体薄膜を成膜する方法が好ましい。 Such a precursor thin film can be formed using various methods, such as a dry method using a vacuum device, or a wet method using ink. Of these, the method of forming the precursor thin film by printing ink on a substrate is preferred from the viewpoints of suitability for large-scale production and ease of adjusting the amount of phosphorus contained in the precursor thin film.
用いることのできる印刷方法としては、特に限定されないが、例えば、凸版印刷、グラビア印刷、バーコート印刷、スプレーコート、スピンコート、反転転写印刷などが挙げられる。このなかでも、比較的精密なパターンを印刷できる観点から、有版印刷方法による前駆体薄膜の成膜が好ましい。 Printing methods that can be used are not particularly limited, but examples include letterpress printing, gravure printing, bar coating, spray coating, spin coating, and reverse transfer printing. Among these, deposition of the precursor thin film by a plate printing method is preferred from the viewpoint of being able to print relatively precise patterns.
有版印刷方法とは、例えば、転写媒体表面にインクをコーティングする工程と、インクをコーティングした転写媒体表面と、凸版の凸部表面とを接触して、凸版の凸部表面に転写媒体表面上のインクの一部を転移させる工程と、一部のインクが転移した後の転写媒体表面と基材の表面とを接触して、転写媒体表面に残ったインクを基材の表面に転写する工程が挙げられる。 The plate printing method includes, for example, a step of coating the surface of a transfer medium with ink, a step of contacting the ink-coated surface of the transfer medium with the convex surface of a letterpress printing plate to transfer a portion of the ink on the surface of the transfer medium to the convex surface of the letterpress printing plate, and a step of contacting the surface of the transfer medium after some of the ink has been transferred with the surface of a substrate to transfer the ink remaining on the surface of the transfer medium to the surface of the substrate.
例えば、このような印刷方法において、印刷条件やインクを調製することで、前駆体薄膜の厚さ、幅、ピッチ等の各種形状や、前駆体薄膜に含まれる各原子の濃度を制御できる。 For example, in such a printing method, various shapes of the precursor thin film, such as its thickness, width, and pitch, as well as the concentration of each atom contained in the precursor thin film, can be controlled by adjusting the printing conditions and ink.
3.2.2.インク
上記印刷方法に用いられるインクは、金属成分、溶剤、リン成分を含み、必要に応じて、界面活性剤、分散剤、還元剤等を含んでもよい。
3.2.2 Ink The ink used in the above printing method contains a metal component, a solvent, and a phosphorus component, and may contain a surfactant, a dispersant, a reducing agent, and the like, as necessary.
3.2.2.1.金属粒子
金属成分は、金属粒子としてインクに含まれていてもよいし、金属錯体としてインクに含まれていてもよい。このなかでも金属粒子としてインクに含まれることが好ましい。金属粒子としては、上述した遷移金属原子を含むものであれば、酸化銅等の金属酸化物やその他の金属化合物、コア部が銅でありシェル部が酸化銅であるようなコア/シェル粒子の態様であってもよい。このなかでも、取扱性の観点からは、酸化銅等の金属酸化物が好ましい。
3.2.2.1 Metal Particles The metal component may be contained in the ink as metal particles or as a metal complex. Of these, it is preferable that the metal component is contained in the ink as metal particles. As the metal particles, as long as they contain the above-mentioned transition metal atoms, they may be metal oxides such as copper oxide or other metal compounds, or core/shell particles in which the core part is copper and the shell part is copper oxide. Of these, metal oxides such as copper oxide are preferable from the viewpoint of handling.
金属粒子の平均一次粒径は、好ましくは100nm以下であり、より好ましくは50nm以下であり、さらに好ましくは30nm以下である。また、金属粒子の平均一次粒径の下限は特に限定されないが、1nm以上が挙げられる。得られる金属細線の線幅Wをより細くすることができる観点から、金属粒子の平均一次粒径が100nm以下であることが好ましい。 The average primary particle size of the metal particles is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, and even more preferably 30 nm or less. The lower limit of the average primary particle size of the metal particles is not particularly limited, but may be 1 nm or more. From the viewpoint of making the line width W of the resulting metal thin wire thinner, it is preferable that the average primary particle size of the metal particles is 100 nm or less.
金属粒子の平均二次粒径は、好ましくは100nm以下であり、より好ましくは50nm以下であり、さらに好ましくは30nm以下である。薄膜成膜時の塗布性に優れる観点から、各粒子が単分散しており、平均二次粒径は平均一次粒径に近いことが好ましい。 The average secondary particle size of the metal particles is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, and even more preferably 30 nm or less. From the viewpoint of excellent coatability during thin film formation, it is preferable that each particle is monodispersed and that the average secondary particle size is close to the average primary particle size.
なお、本実施形態において「平均一次粒径」とは、金属粒子1つ1つ(所謂一次粒子)の粒径をいい、金属粒子が複数個集まって形成される凝集体(所謂二次粒子)の粒径である平均二次粒径とは区別される。 In this embodiment, the "average primary particle size" refers to the particle size of each individual metal particle (a so-called primary particle), and is to be distinguished from the average secondary particle size, which is the particle size of an aggregate (a so-called secondary particle) formed by gathering together multiple metal particles.
3.2.2.2.リン成分
リン成分としては、特に限定されないが、例えば、黒リン、赤リン、リン酸、リン酸エステルが挙げられる。このなかでも、リン酸及び/又はリン酸エステルが好ましい。このようなリン系化合物を用いることにより、後述するプラズマ反応工程において、基材側にリンの原子濃度の最大値を有するようなリン勾配がより形成されやすい傾向にある。なお、リン酸及び/又はリン酸エステルには、リン酸基及び/又はリン酸エステル基を有する高分子、低分子、リン酸アニオン、リン酸エステルアニオン、リン酸アニオンを含む塩、又はリン酸エステルアニオンを含む塩、が含まれる。
3.2.2.2. Phosphorus component The phosphorus component is not particularly limited, but examples thereof include black phosphorus, red phosphorus, phosphoric acid, and phosphoric acid esters. Among these, phosphoric acid and/or phosphoric acid esters are preferred. By using such phosphorus-based compounds, a phosphorus gradient having a maximum phosphorus atomic concentration on the substrate side tends to be more easily formed in the plasma reaction process described below. The phosphoric acid and/or phosphoric acid ester includes a polymer or low molecule having a phosphoric acid group and/or a phosphoric acid ester group, a phosphate anion, a phosphate ester anion, a salt containing a phosphate anion, or a salt containing a phosphate ester anion.
また、例えば、リン原子を含む、界面活性剤、pH調整剤、粘性調整剤、乾燥速度調整剤、金属粒子の分散剤、安定剤などをリン成分として用いてもよい。このようなリン成分としては、リン酸エステル基を有する分散剤などが挙げられる。 For example, surfactants, pH adjusters, viscosity adjusters, drying speed adjusters, metal particle dispersants, stabilizers, etc., which contain phosphorus atoms, may be used as phosphorus components. Examples of such phosphorus components include dispersants having a phosphate ester group.
3.2.2.3.界面活性剤
界面活性剤としては、特に限定されないが、例えば、フッ素系界面活性剤やシリコーン系界面活性剤などが挙げられる。このような界面活性剤を用いることにより、転写媒体(ブランケット)へのインクのコーティング性、コーティングされたインクの平滑性が向上し、より均一な塗膜が得られる傾向にある。なお、界面活性剤は、金属成分を分散可能であり、かつ焼成の際に残留しにくいよう構成されていることが好ましい。
3.2.2.3. Surfactant The surfactant is not particularly limited, but examples thereof include fluorine-based surfactants and silicone-based surfactants. By using such surfactants, the coatability of the ink on the transfer medium (blanket) and the smoothness of the coated ink tend to be improved, resulting in a more uniform coating film. It is preferable that the surfactant is configured to be capable of dispersing metal components and to be unlikely to remain after baking.
3.2.2.4.溶媒
インクの溶媒は、保存安定性に優れる点、及び光損失が少ない点から、有機溶媒であることが好ましい。上記観点から、有機溶媒は、アルコールであることが好ましい。上記観点から、有機溶媒の炭素数は1以上7以下であることが好ましく、より好ましくは2以上、またより好ましくは5以下、又は4以下であり、2が最も好ましい。溶媒としては、水、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、3-メトキシ-3-メチル-ブチルアセテート、エトキシエチルプロピオネート、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールターシャリーブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールエチルエーテル、エチレングリコールメチルエーテル、エチレングリコール、1,2-プロピレングリコール、1,3-ブチレングリコール、2-ペンタンジオール、2-メチルペンタン-2,4-ジオール、2,5-ヘキサンジオール、2,4-ヘプタンジオール、2-エチルヘキサン-1,3-ジオール、ジエチレングリコール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、トリエチレングリコール、トリ-1,2-プロピレングリコール、グリセロール、エチレングリコールモノヘキシルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノブチルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、メタノール、エタノール、n-プロパノール、i-プロパノール、n-ブタノール、i-ブタノール、2-ブタノール、t-ブタノール、n-ペンタノール、i-ペンタノール、2-メチルブタノール、2-ペンタノール、t-ペンタノール、3-メトキシブタノール、n-ヘキサノール、2-メチルペンタノール、1-ヘキサノール、2-ヘキサノール、2-エチルブタノール、1-ヘプタノール、2-ヘプタノール、3-ヘプタノール、n-オクタノール、2-エチルヘキサノール、2-オクタノール、n-ノニルアルコール、2、6ジメチル-4-ヘプタノール、n-デカノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、3、3、5-トリメチルシクロヘキサノール、ベンジルアルコール、ジアセトンアルコールなどが挙げられ、保存安定性に優れる点、及び光損失が少ない点から、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、及びこれらの異性体であることがより好ましく、エタノール、プロパノール、ブタノール及びこれらの異性体であることがさらに好ましく、エタノールが最も好ましい。
3.2.2.4. Solvent The ink solvent is preferably an organic solvent from the viewpoints of excellent storage stability and small light loss. From the above viewpoints, the organic solvent is preferably an alcohol. From the above viewpoints, the number of carbon atoms in the organic solvent is preferably 1 to 7, more preferably 2 or more, more preferably 5 or less, or 4 or less, and most preferably 2. Examples of the solvent include water, propylene glycol monomethyl ether acetate, 3-methoxy-3-methyl-butyl acetate, ethoxyethyl propionate, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, propylene glycol monopropyl ether, propylene glycol tertiary butyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol butyl ether, ethylene glycol ethyl ether, ethylene glycol methyl ether, ethylene glycol, 1,2-propylene glycol, 1,3-butylene glycol, 2-pentanediol, 2-methylpentane-2,4-diol, 2,5-hexanediol, 2,4-heptanediol, 2-ethylhexane-1,3-diol, diethylene glycol, hexanediol, octanediol, triethylene glycol, tri-1,2-propylene glycol, glycerol, ethylene glycol monohexyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol monobutyl acetate, diethylene glycol, monoethyl ether acetate, methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, n-butanol, i-butanol, 2-butanol, t-butanol, n-pentanol, i-pentanol, 2-methylbutanol, 2-pentanol, t-pentanol, 3-methoxybutanol, n-hexanol, 2-methylpentanol, 1-hexanol, 2-hexanol, 2-ethylbutanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 3-heptanol, n-octanol, 2-ethylhexanol, 2-octanol, n-nonyl Examples of the alcohol include alcohol, 2,6-dimethyl-4-heptanol, n-decanol, cyclohexanol, methylcyclohexanol, 3,3,5-trimethylcyclohexanol, benzyl alcohol, and diacetone alcohol. From the viewpoints of excellent storage stability and small light loss, methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, and isomers thereof are more preferable, ethanol, propanol, butanol, and isomers thereof are even more preferable, and ethanol is the most preferable.
3.2.2.5.分散剤
分散剤としては、特に制限されないが、例えば、金属成分に非共有結合又は相互作用をする分散剤、金属成分に共有結合をする分散剤が挙げられる。非共有結合又は相互作用をする官能基としてはリン酸基を有する分散剤が挙げられる。このような分散剤を用いることにより、金属成分の分散性がより向上する傾向にある。
3.2.2.5. Dispersant The dispersant is not particularly limited, but examples thereof include dispersants that form a non-covalent bond or interact with the metal component, and dispersants that form a covalent bond with the metal component. Examples of functional groups that form a non-covalent bond or interact with the metal component include dispersants having a phosphate group. By using such a dispersant, the dispersibility of the metal component tends to be further improved.
3.3.プラズマ反応工程
プラズマ反応工程は、上記のようにして形成した前駆体薄膜を、150秒以上60分以下、プラズマと反応させて、導電性薄膜を得る工程である。これにより前駆体薄膜が焼成され、インク中の金属粒子同士が焼結することで粒子層(導電性薄膜)が形成されるほか、前駆体薄膜に含まれるリンが基材側に移行し、所定の濃度勾配が形成される。そしてこれにより、導電性と基材との密着性に優れる導電性薄膜を得ることができる。なお、プラズマ反応中の雰囲気を還元型とすることで、導電性薄膜に含まれる酸素濃度も調整することができる。
3.3. Plasma reaction process The plasma reaction process is a process in which the precursor thin film formed as described above is reacted with plasma for 150 seconds to 60 minutes to obtain a conductive thin film. As a result, the precursor thin film is baked, and the metal particles in the ink are sintered to form a particle layer (conductive thin film), and the phosphorus contained in the precursor thin film migrates to the substrate side, forming a predetermined concentration gradient. This makes it possible to obtain a conductive thin film that is excellent in conductivity and adhesion to the substrate. In addition, by making the atmosphere during the plasma reaction a reducing type, the oxygen concentration contained in the conductive thin film can also be adjusted.
プラズマは様々な方法により生じさせることができる。なかでも、マイクロ波プラズマや高周波プラズマが比較的制御が容易なため好ましく、特に装置内のプラズマ発生のための電極などによる汚染が少なくできる観点から、マイクロ波プラズマがより好ましい。 Plasma can be generated by a variety of methods. Among these, microwave plasma and high-frequency plasma are preferred because they are relatively easy to control, and microwave plasma is particularly preferred from the viewpoint of reducing contamination caused by electrodes for generating plasma within the device.
マイクロ波プラズマにおけるマイクロ波出力は、好ましくは0.5~10kWであり、より好ましくは1.0~5.0kWである。マイクロ波出力が0.5kW以上であることにより、得られる導電性薄膜と基材の密着性がより向上し、プラズマの反応時間を短縮することができる。また、マイクロ波出力が10kW以下であることにより、プラズマによって基材がエッチングされたり変性したりすることが抑制される傾向にある。 The microwave output of the microwave plasma is preferably 0.5 to 10 kW, and more preferably 1.0 to 5.0 kW. By using a microwave output of 0.5 kW or more, the adhesion between the resulting conductive thin film and the substrate is improved, and the plasma reaction time can be shortened. In addition, by using a microwave output of 10 kW or less, etching or modification of the substrate by the plasma tends to be suppressed.
プラズマ反応の処理時間は、150秒~60分であり、好ましくは180~600秒であり、より好ましくは240~360秒である。処理時間が150秒以上であることにより、導電性薄膜中においてリンが基材側に偏在しやすくなり、また、基材側に偏在したリン濃度の最大値がより大きくなり、それによって導電性薄膜と基材の密着性がより向上する傾向にある。また、処理時間が60分以下であることにより、導電性薄膜の生産性がより向上する傾向にある。 The processing time for the plasma reaction is 150 seconds to 60 minutes, preferably 180 to 600 seconds, and more preferably 240 to 360 seconds. By setting the processing time to 150 seconds or more, phosphorus tends to be unevenly distributed toward the substrate side in the conductive thin film, and the maximum value of the phosphorus concentration unevenly distributed toward the substrate side becomes larger, which tends to further improve the adhesion between the conductive thin film and the substrate. In addition, by setting the processing time to 60 minutes or less, the productivity of the conductive thin film tends to further improve.
プラズマ反応の雰囲気は、水素原子を含む分子である気体や希ガスを含むことが好ましい。特に、水素分子及び/又は水分子を含む気体がより好ましく、水素分子を含む気体がさらに好ましい。水素原子を含む分子である気体としては、特に限定されないが、例えば、水素分子を含む気体が好ましい。水素原子を含む分子である気体は一種類又は複数種類の分子を用いてもよい。このような水素原子を含む分子である気体を用いることにより、製造する導電性薄膜の導電性がより向上する傾向にある。 The atmosphere for the plasma reaction preferably contains a gas containing molecules containing hydrogen atoms or a rare gas. In particular, a gas containing hydrogen molecules and/or water molecules is more preferable, and a gas containing hydrogen molecules is even more preferable. The gas containing molecules containing hydrogen atoms is not particularly limited, but is preferably, for example, a gas containing hydrogen molecules. The gas containing molecules containing hydrogen atoms may be one or more types of molecules. By using such a gas containing molecules containing hydrogen atoms, the conductivity of the conductive thin film produced tends to be further improved.
希ガスとしては、特に限定されないが、例えば、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンが挙げられる。このなかでも、これらのプラズマによるサンプルエッチングが少ない観点から、分子量の比較的小さい、ヘリウムまたはアルゴンが好ましく、ヘリウムが最も好ましい。このような希ガスを用いることにより、プラズマ反応をより制御しやすくなる。 The rare gas is not particularly limited, but examples include helium, argon, xenon, and krypton. Of these, helium or argon, which have a relatively small molecular weight, are preferred, with helium being the most preferred, from the viewpoint of reducing sample etching by these plasmas. By using such a rare gas, it becomes easier to control the plasma reaction.
水素原子を含む分子である気体と希ガスは混合して用いてもよく、これにさらにその他の気体を混合して用いてもよい。プラズマ反応中に還元性を有し、かつその還元反応の制御が比較的容易にできる観点から、水素原子を含む分子である気体と希ガスを共に含むことが好ましい。具体体には、水素分子とヘリウムを共に含む気体であることが好ましい。 The gas containing hydrogen atoms and the rare gas may be mixed and used, and other gases may also be mixed therewith. From the viewpoint of having reducing properties during the plasma reaction and being able to control the reduction reaction relatively easily, it is preferable to use a gas containing hydrogen atoms and a rare gas together. Specifically, it is preferable to use a gas containing both hydrogen molecules and helium.
プラズマ反応の圧力は、加圧下、減圧下、大気圧下のいずれでもよい。このなかでもプラズマの平均自由行程を長くできる観点から、減圧下であることが好ましい。具体的には、圧力は、好ましくは0.1~1000Paであり、より好ましくは1.0~500Paであり、さらに好ましくは10~300Paである。圧力が0.1Pa以上であることにより、プラズマの平均自由行程がより長くなる傾向にある。また、圧力が1000Paであることにより、水素原子を含む分子である気体や希ガスをより多く用いることができる。 The pressure of the plasma reaction may be under pressure, reduced pressure, or atmospheric pressure. Of these, reduced pressure is preferable from the viewpoint of lengthening the mean free path of the plasma. Specifically, the pressure is preferably 0.1 to 1000 Pa, more preferably 1.0 to 500 Pa, and even more preferably 10 to 300 Pa. A pressure of 0.1 Pa or more tends to lengthen the mean free path of the plasma. Furthermore, a pressure of 1000 Pa makes it possible to use more gases that are molecules containing hydrogen atoms, or rare gases.
4.タッチパネル
本実施形態のタッチパネルは、上記導電性薄膜を備えるものであれば特に制限されない。例えば、静電容量方式のタッチパネルにおいては、絶縁体の表裏面に2枚の導電性シート(導電性薄膜)が存在し、2枚の導電性シートは、例えば金属細線のラインパターンが交差するように対向する。導電性シートは、取り出し電極に接続されており、取り出し電極32は、金属細線と、金属細線への通電切り替えを行うためのコントローラー(CPU等)とを接続する。
4. Touch Panel The touch panel of the present embodiment is not particularly limited as long as it includes the conductive thin film. For example, in a capacitive touch panel, two conductive sheets (conductive thin films) are present on the front and back surfaces of an insulator, and the two conductive sheets face each other so that, for example, the line patterns of thin metal wires cross. The conductive sheets are connected to an extraction electrode, and the extraction electrode 32 connects the thin metal wires to a controller (such as a CPU) for switching the current flow to the thin metal wires.
なお、本実施形態のタッチパネルは、静電容量方式に限定されず、抵抗膜方式、投影型静電容量方式、及び表面型静電容量方式等としてもよい。 Note that the touch panel of this embodiment is not limited to a capacitive type, and may be a resistive film type, a projected capacitive type, a surface capacitive type, etc.
5.ディスプレイ
本実施形態のディスプレイは、上記導電性薄膜を備えるものであれば特に制限されない。例えば、有機エレクトロルミネッセンス(EL)ディスプレイにおいては、有機EL膜を電極で挟んだ構造を有し、その電極の一つとして上記導電性薄膜を用いることができる。また、液晶ディスプレイにおいては、液晶層を電極で挟んだ構造を有し、その電極の一つとして上記導電性薄膜を用いることができる。
5. Display The display of the present embodiment is not particularly limited as long as it includes the conductive thin film. For example, an organic electroluminescence (EL) display has a structure in which an organic EL film is sandwiched between electrodes, and the conductive thin film can be used as one of the electrodes. Also, a liquid crystal display has a structure in which a liquid crystal layer is sandwiched between electrodes, and the conductive thin film can be used as one of the electrodes.
6.ヒーター
本実施形態のヒーターは、上記導電性薄膜を備えるものであれば特に制限されない。例えば、電熱ヒーターにおいては、電気を供給することでジュール熱を発する電熱部と、電熱部に対して電力を供給する給電装置とを有し、その電熱部として導電性シート(導電性薄膜)を用いることができる。導電性シート(導電性薄膜)を透明に構成すれば、透明ヒーターとなり、また、導電性シートの抵抗が高くなるように設計することで、発熱量の高いヒーターとなる。
6. Heater The heater of the present embodiment is not particularly limited as long as it includes the conductive thin film. For example, an electric heater has an electric heating part that generates Joule heat when electricity is supplied thereto, and a power supply device that supplies power to the electric heating part, and a conductive sheet (conductive thin film) can be used as the electric heating part. If the conductive sheet (conductive thin film) is made transparent, it becomes a transparent heater, and if the conductive sheet is designed to have a high resistance, it becomes a heater that generates a large amount of heat.
例えば、透明ヒーターは、その用途は特に限定されないが、例えば、自動車のヘッドランプ、テールランプ等に用いられるLED照明器具の防曇又凍結防止用ヒーター、街灯等に用いられる屋外用LED照明器具の防曇又凍結防止用ヒーターが挙げられる。 For example, the transparent heater is not particularly limited in its use, but examples include anti-fogging and anti-freezing heaters for LED lighting fixtures used in automobile headlamps, taillamps, etc., and anti-fogging and anti-freezing heaters for outdoor LED lighting fixtures used in street lamps, etc.
7.電磁波シールド
本実施形態の電磁波シールドは、上記導電性薄膜を備えるものであれば特に制限されない。例えば、電磁波シールドにおいては、入射する電磁波を電磁波の反射や吸収するシールド材を有するが、そのシールド材として、上記導電性薄膜を用いることができる。
7. Electromagnetic Wave Shielding The electromagnetic wave shielding of the present embodiment is not particularly limited as long as it includes the conductive thin film. For example, the electromagnetic wave shielding includes a shielding material that reflects or absorbs incident electromagnetic waves, and the conductive thin film can be used as the shielding material.
8.アンテナ
本実施形態のアンテナは、上記導電性薄膜を備えるものであれば特に制限されない。例えば、RFタグにおいては、半導体素子とそれに接続されたアンテナを有することにより特定の周波数の送受信が可能となっており、そのアンテナとして導電性シート(導電性薄膜)を用いることができる。導電性シート(導電性薄膜)を透明に構成すれば、透明アンテナとなる。
8. Antenna The antenna of this embodiment is not particularly limited as long as it is equipped with the conductive thin film. For example, an RF tag has a semiconductor element and an antenna connected thereto, which enables transmission and reception of a specific frequency, and a conductive sheet (conductive thin film) can be used as the antenna. If the conductive sheet (conductive thin film) is made transparent, it becomes a transparent antenna.
以下、具体的な実施例及び比較例を挙げて本実施形態をさらに具体的に説明するが、本実施形態はその要旨を超えない限り、これらの実施例と比較例によって何ら限定されるものではない。 The present embodiment will be explained in more detail below with specific examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited in any way by these examples and comparative examples as long as they do not exceed the gist of the present embodiment.
(金属細線断面の元素濃度分布の評価)
得られた導電性薄膜付き基材をカミソリで切り出し、蒸着したカーボン層により包埋し、焦点イオン線で厚さ約100nmの薄切片を形成した。得られた薄切片を測定サンプルとして、下記条件にて電子線を照射し、評価サンプルを準備することで、STEM-EDX分析を行った。この分析により、導電性薄膜の2.8nmごと又は3.4nmごとの厚さ方向における遷移金属、リン、酸素、及び炭素の濃度分布を得た。また、得られた濃度分布に基づいて表1に記載のパラメータを算出した。
[装置条件]
STEM:日立ハイテクノロジーズ社製、走査型透過電子顕微鏡 HD―2300A
EDX :EDAX社製、エネルギー分散型X線分析装置 Octane T Plus(ソフトウェア:GENESIS)
加速電圧 :200kV
測定倍率 :100,000倍
マッピング元素:Cu、O、P、Si、C
(Evaluation of element concentration distribution in cross section of thin metal wire)
The obtained substrate with the conductive thin film was cut with a razor, embedded in a vapor-deposited carbon layer, and thin slices with a thickness of about 100 nm were formed with a focused ion beam. The obtained thin slices were used as measurement samples, and irradiated with an electron beam under the following conditions to prepare evaluation samples, and STEM-EDX analysis was performed. This analysis obtained the concentration distributions of transition metals, phosphorus, oxygen, and carbon in the thickness direction of the conductive thin film every 2.8 nm or 3.4 nm. In addition, the parameters listed in Table 1 were calculated based on the obtained concentration distributions.
[Apparatus conditions]
STEM: Hitachi High-Technologies Corporation, scanning transmission electron microscope HD-2300A
EDX: Energy dispersive X-ray analyzer Octane T Plus (software: GENESIS) manufactured by EDAX
Acceleration voltage: 200 kV
Measurement magnification: 100,000 times Mapping elements: Cu, O, P, Si, C
(リンの元素濃度最大値の薄膜内位置)
金属細線断面の元素濃度分布の評価で求めたリンの原子濃度の分布に基づいて、リンの原子濃度の最大値の位置を評価した。リンの原子濃度の最大値が導電性薄膜の厚さ方向に対し、基材に近い方から1割以内の範囲にあるものを「基材近傍」、1/4より大きく1/2以内の範囲にあるものを「基材側」、1/2より大きく3/4以内にあるものを「薄膜表面側」、3/4より大きく薄膜表面までの範囲を「薄膜表面近傍」とした。
(Position of maximum phosphorus concentration in thin film)
Based on the distribution of phosphorus atomic concentration obtained by evaluating the element concentration distribution in the cross section of the metal thin wire, the position of the maximum phosphorus atomic concentration was evaluated. The maximum phosphorus atomic concentration in the conductive thin film was defined as "near the substrate" when it was within 10% of the thickness direction from the side closer to the substrate, as "on the substrate side" when it was within 1/4 to 1/2, as "on the thin film surface side" when it was within 1/2 to 3/4, and as "near the thin film surface" when it was within 3/4 to the surface of the thin film.
(薄膜―基材界面P原子濃度の平均値)
導電性薄膜の膜厚のうち、基材界面に近い方から30nmまでの領域について、金属細線断面の元素濃度分布の評価で求めたリンの原子濃度の分布を用いて、この領域のリンの原子濃度密度の平均値を求めた。
(Average value of P atom concentration at the thin film-substrate interface)
For a region of the conductive thin film thickness from the side closest to the substrate interface up to 30 nm, the average phosphorus atomic concentration density in this region was calculated using the distribution of phosphorus atomic concentration obtained by evaluating the element concentration distribution in the cross section of the metal thin wire.
(酸化物層の厚み)
金属細線断面の元素濃度分布の評価で求めた酸素の原子濃度の分布に基づいて、遷移金属の原子濃度に対する酸素の原子濃度が25%以上である範囲の膜厚を、酸化物層の膜厚として特定した。また、その酸化物層の膜厚が、導電性薄膜の膜厚に占める割合を算出した。
(Thickness of oxide layer)
Based on the distribution of the atomic concentration of oxygen obtained by evaluating the element concentration distribution in the cross section of the metal thin wire, the thickness of the oxide layer was determined to be the thickness within the range in which the atomic concentration of oxygen relative to the atomic concentration of the transition metal was 25% or more. In addition, the ratio of the thickness of the oxide layer to the thickness of the conductive thin film was calculated.
(薄膜の形態評価)
導電性薄膜の膜厚、及び導電性薄膜について金属粒子同士が焼結して形成された粒子層であることは、上記断面STEM-EDX分析のSTEM像より求めた。さらに導電性薄膜のパターン形状、線幅、ピッチは、レーザー顕微鏡(OLYMPUS社製、OLS-4500)により評価した。
(Evaluation of thin film morphology)
The thickness of the conductive thin film and the fact that the conductive thin film is a particle layer formed by sintering metal particles together were determined from the STEM image of the cross-sectional STEM-EDX analysis. Furthermore, the pattern shape, line width, and pitch of the conductive thin film were evaluated using a laser microscope (OLYMPUS, OLS-4500).
(シート抵抗評価)
シート抵抗は、NAPSON社製の渦電流を用いた非接触型抵抗計(NC-700)を用いて測定した。
(Sheet resistance evaluation)
The sheet resistance was measured using a non-contact resistance meter (NC-700) using eddy current manufactured by NAPSON.
(可視光透過率)
可視光透過率は、下記による方法により算出した。
(可視光透過率)=(細線パターンの開口率)×(基材の可視光透過率)
(Visible Light Transmittance)
The visible light transmittance was calculated by the following method.
(Visible light transmittance)=(opening ratio of thin line pattern)×(visible light transmittance of substrate)
(密着性)
導電性薄膜の基材への密着性は、以下のテープ剥離試験及びレーザー顕微鏡観察によって評価した。テープ剥離試験の前に、サンプルをレーザー顕微鏡(OLYMPUS社製、OLS-4500)で観察し、得られた画像を記録した。導電性薄膜の上に、粘着性テープ(スリーエム社製610番)の粘着面を接触させ、このテープの上から2N(ニュートン)のローラーで2往復させることで、テープを固定した。この固定したテープを90°剥離試験機(島津製作所社製、EZ-S)にて、100mm/minの速度でテープをはがし、テープ剥離試験を実施した。このテープ剥離後の基材表面をレーザー顕微鏡でテープ剥離試験前に測定したものと同様に観察し、得られた画像を記録した。得られたテープ剥離試験前後の画像について、大津の方法で境界を決める二値化処理を施した後、金属細線部分の面積を比較し、テープ剥離試験により失われた金属細線部の面積比率を求めることでテープ剥離試験による金属細線の剥離面積率を求めた。この剥離面積率が小さいほど薄膜が基材への密着性に優れることを意味する。
(Adhesion)
The adhesion of the conductive thin film to the substrate was evaluated by the following tape peeling test and laser microscope observation. Before the tape peeling test, the sample was observed with a laser microscope (OLYMPUS, OLS-4500), and the obtained image was recorded. The adhesive surface of an adhesive tape (3M No. 610) was brought into contact with the conductive thin film, and the tape was fixed by rolling it back and forth twice with a 2N (Newton) roller from above the tape. The fixed tape was peeled off at a speed of 100 mm/min using a 90° peel tester (Shimadzu Corporation, EZ-S), and a tape peeling test was performed. The substrate surface after the tape peeling was observed with a laser microscope in the same manner as that measured before the tape peeling test, and the obtained image was recorded. The obtained images before and after the tape peeling test were subjected to a binarization process to determine the boundary by Otsu's method, and then the areas of the thin metal wire parts were compared, and the area ratio of the thin metal wire parts lost by the tape peeling test was obtained to obtain the peeled area ratio of the thin metal wires by the tape peeling test. The smaller this peeled area ratio, the better the adhesion of the thin film to the substrate.
<実施例1>
(透明基材の調製)
ポリエチレンテレフタレート(PET)を透明基材として用いて、その上に酸化ケイ素ナノ粒子と導電性の有機シラン化合物を含む表面層形成組成物を塗布し、乾燥して、帯電防止機能を有する厚み150nm、体積抵抗率5000Ωcmの酸化ケイ素を含有した表面層を形成することにより基材を得た。なお、この基材は、基材であるPET上に表面層が積層した形態である。
Example 1
(Preparation of Transparent Substrate)
A surface layer-forming composition containing silicon oxide nanoparticles and a conductive organosilane compound was applied onto a transparent substrate made of polyethylene terephthalate (PET), and then dried to form a surface layer containing silicon oxide having an antistatic function, a thickness of 150 nm, and a volume resistivity of 5000 Ωcm, thereby obtaining a substrate. Note that this substrate has a form in which the surface layer is laminated on the substrate, PET.
(インクの調製)
一次粒径21nmの酸化第一銅ナノ粒子20質量部と、リン酸エステル基を有する高分子である分散剤(ビッグケミー社製、製品名:Disperbyk-145)4質量部と、界面活性剤(セイミケミカル社製、製品名:S-611)1質量部と、エタノール75質量部とを混合し、酸化第一銅ナノ粒子の含有割合が20質量%のインクを調製した。
(Preparation of Ink)
20 parts by mass of cuprous oxide nanoparticles having a primary particle size of 21 nm, 4 parts by mass of a dispersant which is a polymer having a phosphate ester group (manufactured by BYK-Chemie, product name: Disperbyk-145), 1 part by mass of a surfactant (manufactured by Seimi Chemical, product name: S-611), and 75 parts by mass of ethanol were mixed to prepare an ink containing 20% by mass of cuprous oxide nanoparticles.
(前駆体薄膜の製造)
先ず転写媒体表面にインクを塗布し、次いでインクが塗布された転写媒体表面と金属細線パターンの溝を有する版を接触して、版の凸部表面に転写媒体表面上の一部のインクを転移させた。その後、残ったインクがコーティングされた転写媒体表面と基材とを接触させ、基材の上に金属細線パターン状のインクを転写させた。この工程により、前駆体薄膜を製造した。この前駆体薄膜の膜厚は680nmであり、リンの堆積濃度は10mg・m-2、銅の堆積濃度は1.6g・m-2であった。また、前駆体のリン種は、リン酸およびリン酸エステルであった。表1にこれらの結果を記す。
(Preparation of precursor thin film)
First, ink was applied to the surface of the transfer medium, and then the ink-applied surface of the transfer medium was brought into contact with a plate having grooves of a thin metal line pattern, and a part of the ink on the surface of the transfer medium was transferred to the convex surface of the plate. After that, the surface of the transfer medium coated with the remaining ink was brought into contact with a substrate, and the ink in the form of a thin metal line pattern was transferred onto the substrate. Through this process, a precursor thin film was produced. The thickness of this precursor thin film was 680 nm, the deposition concentration of phosphorus was 10 mg m -2 , and the deposition concentration of copper was 1.6 g m -2 . The phosphorus species of the precursor were phosphoric acid and phosphate ester. These results are shown in Table 1.
(プラズマ反応工程)
前述の工程にて製造された前駆体薄膜にプラズマ反応を施した。具体的には、減圧下で水素3体積%、ヘリウム97体積%の気体を導入した雰囲気に、1.5kWの出力で発生させたマイクロ波によりプラズマを発生させ、このプラズマと前駆体薄膜を5分間反応させた。
(Plasma reaction process)
The precursor thin film produced in the above-mentioned process was subjected to a plasma reaction. Specifically, plasma was generated by microwaves generated at an output of 1.5 kW in an atmosphere containing 3 vol% hydrogen and 97 vol% helium gas under reduced pressure, and the plasma was reacted with the precursor thin film for 5 minutes.
実施例1の薄膜について、薄膜断面の原子濃度分析、形態評価、シート抵抗測定、透過率見積もり、密着性評価を行った。これらの結果を表1に示す。 For the thin film of Example 1, atomic concentration analysis of the thin film cross section, morphology evaluation, sheet resistance measurement, transmittance estimation, and adhesion evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
<実施例2>
実施例1と同様に得た前駆体薄膜にプラズマ反応工程を施し、このプラズマ反応処理時間を3分とした以外は、実施例1と同様に操作を行った。結果を表1に示す。
Example 2
The precursor thin film obtained in the same manner as in Example 1 was subjected to a plasma reaction step, and the procedure was the same as in Example 1, except that the plasma reaction treatment time was 3 minutes. The results are shown in Table 1.
<比較例1>
実施例1と同様に得た前駆体薄膜にプラズマ反応工程を施し、このプラズマ反応処理時間を1分とした以外は、実施例1と同様に操作を行った。結果を表1に示す。
<Comparative Example 1>
The precursor thin film obtained in the same manner as in Example 1 was subjected to a plasma reaction process, and the procedure was the same as in Example 1, except that the plasma reaction treatment time was 1 minute. The results are shown in Table 1.
<比較例2>
実施例1と同様に得た前駆体薄膜にプラズマ反応工程を施し、このプラズマ反応処理時間を2分とした以外は、実施例1と同様に操作を行った。結果を表1に示す。
<Comparative Example 2>
The precursor thin film obtained in the same manner as in Example 1 was subjected to a plasma reaction step, and the procedure was the same as in Example 1, except that the plasma reaction treatment time was set to 2 minutes. The results are shown in Table 1.
実施例1と2は、リンの原子濃度に分布を有し、かつ薄膜膜厚の半分よりも基材に近い側にリンの最大値を有し、本実施形態を満たした。一方、比較例1、2は、リンの最大値を薄膜膜厚の半分よりも薄膜表面に近い側に有し、本実施形態を満たさなかった。また、実施例1と2は密着性試験後の剥離面積率が4%以下と小さかったが、比較例1、2は、剥離面積率が14%以上と大きかった。よって、本実施形態を満たすことで、該薄膜の基材への密着性に優れることが示された。 Examples 1 and 2 had a distribution in the atomic concentration of phosphorus and had a maximum phosphorus value closer to the substrate than half the thickness of the thin film, and thus satisfied this embodiment. On the other hand, Comparative Examples 1 and 2 had a maximum phosphorus value closer to the surface of the thin film than half the thickness of the thin film, and thus did not satisfy this embodiment. Furthermore, Examples 1 and 2 had a small peeled area ratio of 4% or less after the adhesion test, whereas Comparative Examples 1 and 2 had a large peeled area ratio of 14% or more. Therefore, by satisfying this embodiment, it was shown that the thin film has excellent adhesion to the substrate.
加えて、実施例1と2は、比較例1と2に比べ、より低いシート抵抗を示した。よって、本実施形態を満たすことで、シート抵抗が小さくなり、導電性に優れた薄膜とできることが示された。 In addition, Examples 1 and 2 showed lower sheet resistance than Comparative Examples 1 and 2. This shows that by satisfying the present embodiment, it is possible to obtain a thin film with low sheet resistance and excellent conductivity.
リンの重量面積密度が6mg・m-2以上1000mg・m-2以下である前駆体薄膜に対して、150秒以上60分以内のプラズマ処理を施すことで、本実施形態を満たす実施例1、2の導電性薄膜が得られた。製造方法におけるこの工程を含むことによって、好適に本実施形態の導電性薄膜が得られることが示された。 The conductive thin films of Examples 1 and 2, which satisfy the present embodiment, were obtained by performing plasma treatment for 150 seconds to 60 minutes on a precursor thin film having a phosphorus weight areal density of 6 mg m -2 to 1000 mg m - 2. It was shown that the conductive thin films of the present embodiment can be preferably obtained by including this step in the manufacturing method.
なお、薄膜中の酸素量について、実施例1と2は、比較例1と2に比べ、薄膜の酸素の原子濃度の平均値、酸化層厚み、及び酸化物層厚み比率が小さくなった。しかし、驚くべきことに実施例1と2の方が、比較例1と2よりも密着性に優れるものとなっていた。これは、リンが基材側に偏在することによる効果であると推察される。 Regarding the amount of oxygen in the thin film, the average oxygen atomic concentration in the thin film, the oxide layer thickness, and the oxide layer thickness ratio were smaller in Examples 1 and 2 than in Comparative Examples 1 and 2. However, surprisingly, Examples 1 and 2 had better adhesion than Comparative Examples 1 and 2. This is presumably due to the effect of phosphorus being unevenly distributed on the substrate side.
本発明の導電性薄膜は、透明または非透明な導電性シートを構成する要素として産業上の利用可能性を有する。 The conductive thin film of the present invention has industrial applicability as an element constituting a transparent or non-transparent conductive sheet.
10…導電性薄膜、10’…金属細線、11…空孔、20…基材、30…開口、40…金属細線パターン、100…導電性シート 10...conductive thin film, 10'...metallic thin wire, 11...hole, 20...substrate, 30...opening, 40...metallic thin wire pattern, 100...conductive sheet
Claims (38)
前記導電性薄膜の膜厚において厚さ方向にリン原子の濃度勾配を有し、
該リン原子の濃度勾配が、前記導電性薄膜中の前記膜厚の半分よりも前記基材側の範囲に、前記リン原子の原子濃度の最大値Pmを有する、
導電性薄膜。 A conductive thin film containing a transition metal is laminated on a substrate,
the conductive thin film has a concentration gradient of phosphorus atoms in a thickness direction;
the concentration gradient of the phosphorus atoms has a maximum value Pm of the atomic concentration of the phosphorus atoms in a range closer to the substrate than the halfway point of the film thickness in the conductive thin film;
Conductive thin film.
請求項1に記載の導電性薄膜。 The average value Pa of the phosphorus atomic concentration in the phosphorus atom concentration gradient is 0.1% or more and 19% or less.
The conductive thin film according to claim 1 .
請求項2に記載の導電性薄膜。 The ratio (P m /P a ) of the maximum value P m to the average value P a is 2.0 times or more and 200 times or less.
The conductive thin film according to claim 2 .
請求項1~3のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 The maximum value Pm is 1.0% or more and 20% or less.
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 3.
請求項1~4のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 In the concentration gradient of the phosphorus atoms, an average value P of the atomic concentration of the phosphorus atoms in a range of 30 nm from the side closer to the substrate is 0.2% or more and 20% or less.
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 4.
請求項1~5のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 the average oxygen atomic concentration O a in the thickness direction of the conductive thin film is 20% or less;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 5.
請求項1~6のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 a thickness of the conductive thin film in a range in which the atomic concentration of oxygen relative to the atomic concentration of the transition metal is 25% or more in a thickness direction of the conductive thin film is 200 nm or less;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 6.
請求項1~7のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 a thickness of the conductive thin film in a range in which the atomic concentration of oxygen is 25% or more in a thickness direction of the conductive thin film is 35% or less with respect to the thickness of the conductive thin film;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 7.
請求項1~8のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 an average atomic concentration Ma of the transition metal in a thickness direction of the conductive thin film is 40% or more and 99% or less;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 8.
請求項1~9いずれか一項に記載の導電性薄膜。 The film thickness is 30 nm or more and 1000 μm or less.
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 9.
請求項1~10のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 The transition metal comprises a metal of Group 11 of the IUPAC Periodic Table;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 10.
請求項11に記載の導電性薄膜。 The transition metal comprises copper.
The conductive thin film according to claim 11.
請求項1~12のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 a maximum value PMm of a ratio (P/M) of an atomic concentration P of the phosphorus to an atomic concentration M of the transition metal in a thickness direction of the conductive thin film is 1.9% or more and 100% or less;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 12.
請求項1~13のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 a maximum value POm of a ratio (P/O) of the atomic concentration P of phosphorus to the atomic concentration O of oxygen in a thickness direction of the conductive thin film is 60% or more and 500% or less;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 13.
請求項1~14のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 a maximum value PMOm of a ratio (P/(M+O)) of the atomic concentration P of the phosphorus to the sum of the atomic concentration M of the transition metal and the atomic concentration O of oxygen in a thickness direction of the conductive thin film is 1.9% or more and 20% or less;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 14.
請求項1~15のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 the conductive thin film includes a particle layer to which particles containing the transition metal are bonded;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 15.
請求項1~16のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 the conductive film includes a continuous pattern having openings;
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 16.
請求項17に記載の導電性薄膜。 The pattern is a pattern formed by intersecting a plurality of thin lines.
The conductive thin film according to claim 17.
請求項18に記載の導電性薄膜。 The line width of the thin line is 100 nm or more and 1000 μm or less.
The conductive thin film according to claim 18.
請求項18又は19に記載の導電性薄膜。 The pitch of the thin lines is 1.0 μm or more and 1000 μm or less.
20. The conductive thin film according to claim 18 or 19.
請求項1~20のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 The visible light transmittance is 70% or more and 99% or less.
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 20.
請求項1~21のいずれか一項に記載の導電性薄膜。 The sheet resistance is 0.001 Ωcm to 20 Ωcm .
The conductive thin film according to any one of claims 1 to 21.
導電性シート。 A substrate and the conductive thin film according to any one of claims 1 to 22.
Conductive sheet.
請求項23に記載の導電性シート。 The substrate has a plurality of layers.
The conductive sheet according to claim 23.
請求項23又は24に記載の導電性シート。 The substrate has a surface layer containing a silicon compound.
The conductive sheet according to claim 23 or 24.
請求項23~25のいずれか一項に記載の導電性シート。 The substrate is a plastic.
The conductive sheet according to any one of claims 23 to 25.
請求項26に記載の導電性シート。 The plastic is polyethylene terephthalate.
The conductive sheet according to claim 26.
タッチパネル。 The conductive thin film according to any one of claims 1 to 22 is provided.
Touch panel.
ディスプレイ。 The conductive thin film according to any one of claims 1 to 22 is provided.
display.
ヒーター。 The conductive thin film according to any one of claims 1 to 22 is provided.
Heater.
電磁波シールド。 The conductive thin film according to any one of claims 1 to 22 is provided.
Electromagnetic wave shielding.
アンテナ。 The conductive thin film according to any one of claims 1 to 22 is provided.
antenna.
前記前駆体薄膜を、150秒以上60分以下、プラズマと反応させて、導電性薄膜を得るプラズマ反応工程と、を含む、
導電性薄膜の製造方法。 a film-forming step of forming a precursor thin film on a substrate, the precursor thin film having a phosphorus weight area density of 6.0 mg m -2 or more and 1000 mg m -2 or less;
and a plasma reaction step of reacting the precursor thin film with plasma for 150 seconds to 60 minutes to obtain a conductive thin film.
A method for producing a conductive thin film.
請求項33に記載の導電性薄膜の製造方法。 The precursor thin film comprises phosphoric acid and/or a phosphoric acid ester;
The method for producing the conductive thin film according to claim 33.
請求項33又は34に記載の導電性薄膜の製造方法。 The weight area density of the transition metal in the precursor thin film is 1.0 g m to 10 g m.
The method for producing a conductive thin film according to claim 33 or 34.
請求項33~35のいずれか一項に記載の導電性薄膜の製造方法。 The atmosphere of the plasma reaction process contains a gas that is a molecule containing a hydrogen atom.
The method for producing a conductive thin film according to any one of claims 33 to 35.
請求項33~36のいずれか一項に記載の導電性薄膜の製造方法。 The atmosphere of the plasma reaction step includes a rare gas.
The method for producing a conductive thin film according to any one of claims 33 to 36.
請求項33~37のいずれか一項に記載の導電性薄膜の製造方法。 In the plasma reaction step, microwave plasma is used.
The method for producing a conductive thin film according to any one of claims 33 to 37.
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