JP7659376B2 - Conductive composition, and conductor, laminate structure, and electronic component using the same - Google Patents
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Description
本発明は、導電性組成物、および導電性組成物を固化させた導電体、該導電体の層を有する積層構造体、並びに該導電体または積層構造体を備えた電子部品に関する。 The present invention relates to a conductive composition, a conductor formed by solidifying the conductive composition, a laminated structure having a layer of the conductor, and an electronic component having the conductor or laminated structure.
プリント配線板等の電極等のパターン状の導電体を形成する材料として、有機バインダーに金属粉末を混合したペースト状の導電性組成物が用いられている。従来の導電性組成物によれば、パターン状に塗布した後に固化させることにより所望の導電体を形成することができるが、得られる導電体は一般的に高い硬度を有する。そのため、フレキシブルプリント配線板においては、固化した導電体が耐屈曲性を有するような導電性組成物が求められている。 A paste-like conductive composition in which metal powder is mixed with an organic binder is used as a material for forming patterned conductors such as electrodes on printed wiring boards. Conventional conductive compositions can be applied in a pattern and then solidified to form the desired conductor, but the resulting conductor generally has high hardness. For this reason, there is a demand for conductive compositions in which the solidified conductor has bending resistance for flexible printed wiring boards.
また、近年のウェアラブルデバイス分野の成長に伴い、導電体に伸縮性を付与することも求められている。特に、体との密着度が高いウェアラブルデバイスほど、高度な伸縮性が要求される。このような要求に対して、例えば、金属粉末を含有させる有機バインダーとしてエラストマーを用い、導電体に屈曲性だけでなく伸縮性を持たせた導電性組成物が提案されている(特許文献1等)。 In addition, with the recent growth of the wearable device field, there is a demand for imparting elasticity to conductors. In particular, the closer the wearable device is to the body, the higher the degree of elasticity required. In response to such demands, for example, a conductive composition has been proposed that uses an elastomer as an organic binder containing metal powder, giving the conductor not only flexibility but also elasticity (Patent Document 1, etc.).
一方、ウェアラブルデバイスにおいては、配線や電極部分に使われる部材が高価であるため再利用することも試みられており、導電体を下地基材から簡易的に剥離し、回収する技術が求められている。導電体を下地基材から剥離する方法はコストや環境負荷の観点から水での洗浄が最も望ましいと考えられるが、特許文献1等において提案されている導電性組成物は水への溶解性を持たず、水による洗浄では下地基材から剥離することが困難であった。 On the other hand, in wearable devices, the materials used in the wiring and electrodes are expensive, so attempts are being made to reuse them, and there is a demand for technology to easily peel and recover conductors from the base substrate. From the standpoint of cost and environmental impact, washing with water is considered to be the most desirable method for peeling conductors from the base substrate, but the conductive composition proposed in Patent Document 1 and elsewhere is not soluble in water, making it difficult to peel the conductors from the base substrate by washing with water.
ところで、特許文献2には、スクリーン印刷にて電極を形成し得る導電性組成物において、導電性組成物が付着した印刷器具や容器等を水洗にて除去できるようにするため、バインダー樹脂として水溶性の熱硬化性樹脂を使用し、当該樹脂を溶解する水と二価のアルコール溶媒を併用することが提案されている。 Incidentally, Patent Document 2 proposes that, in a conductive composition capable of forming electrodes by screen printing, a water-soluble thermosetting resin is used as a binder resin, and that water and a dihydric alcohol solvent are used in combination to dissolve the resin, so that printing tools, containers, etc. to which the conductive composition is attached can be removed by washing with water.
しかしながら、特許文献2に記載の水溶性熱硬化性樹脂をバインダーとした導電性組成物では、得られる導電体の伸縮性が十分ではなく、ウェアラブルデバイスが伸縮した際に導電体が追従できず、クラックや抵抗値の著しい上昇が発生してしまう。また、水溶性熱硬化性樹脂をバインダーとした導電性組成物は、固化する前は水溶性であるものの、固化した状態(溶剤が揮発した状態)では水に溶解せず、導電体を下地基材から剥離することは困難であると考えられる。さらに、引用文献2に記載の導電性組成物では、水溶性熱硬化性樹脂を溶解させるための水が含まれているため、デバイス作製工程において組成物中の水が蒸発することで流動性が悪化し、連続印刷性や加工性が著しく低下してしまう。 However, in the conductive composition using the water-soluble thermosetting resin as a binder described in Patent Document 2, the resulting conductor does not have sufficient elasticity, and the conductor cannot follow when the wearable device expands and contracts, resulting in cracks and a significant increase in resistance. In addition, although the conductive composition using the water-soluble thermosetting resin as a binder is water-soluble before solidification, it does not dissolve in water in the solidified state (when the solvent has evaporated), and it is considered difficult to peel the conductor from the base substrate. Furthermore, the conductive composition described in Patent Document 2 contains water to dissolve the water-soluble thermosetting resin, and the water in the composition evaporates during the device production process, causing a deterioration in fluidity, and continuous printability and processability are significantly reduced.
そのため、導電体(導電性組成物が固化したもの)であっても水に溶解し、水洗浄により導電体を下地基材から容易に剥離可能であり、ウェアラブルデバイスに求められる導電性や伸縮性を兼ね備えた導電体を得ることができ、デバイス作製工程に求められる連続印刷性や加工性に優れた導電性組成物が求められている。 Therefore, there is a demand for conductive compositions that are soluble in water even when they are conductors (solidified conductive compositions), can be easily peeled off from the base substrate by washing with water, and have the conductivity and elasticity required for wearable devices, and have excellent continuous printability and processability required for device manufacturing processes.
したがって、本発明の目的は、導電性組成物を固化させて導電体とした場合であっても水に溶解し、水洗浄により下地基材から容易に剥離可能であり、ウェアラブルデバイスに求められる導電性や伸縮性を兼ね備えた導電体を得ることができ、デバイス作製工程に求められる連続印刷性や加工性に優れた導電性組成物を提供することである。 The object of the present invention is therefore to provide a conductive composition that, even when solidified into a conductor, dissolves in water and can be easily peeled off from the base substrate by washing with water, can produce a conductor that combines the conductivity and elasticity required for wearable devices, and has excellent continuous printability and processability required for device manufacturing processes.
また、本発明の他の目的は、このような導電性組成物を固化させた導電体、該導電体の層を有する積層構造体、並びに該導電体または積層構造体を備えた電子部品を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a conductor formed by solidifying such a conductive composition, a laminated structure having a layer of the conductor, and an electronic component having the conductor or laminated structure.
本発明者らは、導電性組成物中のバインダー成分として、水溶性熱可塑性樹脂とブロック共重合体とを併用することにより、導電性組成物を固化させて導電体とした場合であっても水に溶解し、水洗浄により下地基材から容易に剥離可能であり、ウェアラブルデバイスに求められる導電性や伸縮性を兼ね備えた導電体を得ることができ、デバイス作製工程に求められる印刷性や加工性に優れた導電性組成物を実現できるとの知見を得た。本発明は係る知見に基づくものである。即ち、本発明の要旨は以下のとおりである。 The present inventors have found that by using a water-soluble thermoplastic resin and a block copolymer in combination as binder components in a conductive composition, even if the conductive composition is solidified to form a conductor, it dissolves in water and can be easily peeled off from the base substrate by washing with water, and a conductor having both the conductivity and elasticity required for wearable devices can be obtained, and a conductive composition with excellent printability and processability required for device manufacturing processes can be realized. The present invention is based on such findings. That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] (A)水溶性熱可塑性樹脂、(B)ブロック共重合体、および(C)導電性粒子を少なくとも含んでなり、
前記ブロック共重合体は、前記水溶性熱可塑性樹脂のSP値に対して±5(J/cm3)1/2のSP値を有することを特徴とする、導電性組成物。
[2] 前記(B)ブロック共重合体が、ハードセグメントブロックとソフトセグメントブロックとを有する、[1]に記載の導電性組成物。
[3]前記(A)水溶性熱可塑性樹脂と(B)ブロック共重合体との割合が、質量基準において15:85~95:5の範囲である、[1]または[2]に記載の導電性組成物。
[4]前記(A)水溶性熱可塑性樹脂が、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアセタール、ポリエチレンオキシド、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール、ポリオキサゾリン、およびポリアミドからなる群より選択される少なくとも1種の樹脂であって、SP値が12(J/cm3)1/2以上、15(J/cm3)1/2以下である、[1]~[3]のいずれか一項に記載の導電性組成物。
[5] 導電体の形成に使用される、[1]~[4]のいずれか一項に記載の導電性組成物。
[6] [1]~[5]のいずれか一項に記載の導電性組成物を固化させてなる、導電体。
[7] 基材上に、[6]に記載の導電体からなる層を設けてなる、積層構造体。
[8] [6]に記載の導電体からなる層、または[7]に記載の積層構造体を備えてなる、電子部品。
[1] An electrochemical device comprising at least (A) a water-soluble thermoplastic resin, (B) a block copolymer, and (C) conductive particles;
The conductive composition, wherein the block copolymer has an SP value within ±5 (J/cm 3 ) 1/2 of the SP value of the water-soluble thermoplastic resin.
[2] The conductive composition according to [1], wherein the block copolymer (B) has a hard segment block and a soft segment block.
[3] The conductive composition according to [1] or [2], wherein the ratio of the water-soluble thermoplastic resin (A) to the block copolymer (B) is in the range of 15:85 to 95:5 on a mass basis.
[4] The conductive composition according to any one of [1] to [3], wherein the water-soluble thermoplastic resin (A) is at least one resin selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl acetal, polyethylene oxide, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polybutylene glycol, polyoxazoline, and polyamide, and has an SP value of 12 (J/cm 3 ) 1/2 or more and 15 (J/cm 3 ) 1/2 or less.
[5] The conductive composition according to any one of [1] to [4], which is used to form a conductor.
[6] A conductor obtained by solidifying the conductive composition according to any one of [1] to [5].
[7] A laminated structure comprising a substrate and a layer made of the conductor according to [6] provided on the substrate.
[8] An electronic component comprising a layer made of the conductor according to [6] or the laminated structure according to [7].
本発明の導電性組成物によれば、バインダー成分として、(B)ブロック共重合体と(A)水溶性熱可塑性樹脂とを併用することにより、導電性組成物を固化させて導電体とした場合であっても水に溶解し、水洗浄により下地基材から容易に剥離可能であり、ウェアラブルデバイスに求められる導電性や伸縮性を兼ね備えた導電体を得ることができ、デバイス作製工程に求められる印刷性や加工性に優れた導電性組成物を実現できる。 According to the conductive composition of the present invention, by using a combination of (B) the block copolymer and (A) the water-soluble thermoplastic resin as the binder components, even if the conductive composition is solidified to form a conductor, it dissolves in water and can be easily peeled off from the base substrate by washing with water, and a conductor having both the conductivity and elasticity required for wearable devices can be obtained, and a conductive composition with excellent printability and processability required for the device manufacturing process can be realized.
[導電性組成物]
本発明の導電性組成物は、(A)水溶性熱可塑性樹脂、(B)ブロック共重合体、(C)導電性粒子を含むことにより、水に溶解し下地基材から水での洗浄で容易に剥離可能で、導電性や伸縮性を兼ね備えた導電体等を得ることができる。(A)水溶性熱可塑性樹脂のSP値と近いSP値を有する(B)ブロック共重合体を併用することで、特に印刷性や加工性に優れた導電性組成物を得ることができるのは必ずしも明らかではないが、(A)水溶性熱可塑性樹脂と(B)ブロック共重合体の相溶性が良好であることによるものと推測される。
[Conductive composition]
The conductive composition of the present invention contains (A) a water-soluble thermoplastic resin, (B) a block copolymer, and (C) conductive particles, and thus dissolves in water and can be easily peeled off from the base substrate by washing with water, and can provide a conductor or the like that combines conductivity and elasticity. It is not necessarily clear that a conductive composition that is particularly excellent in printability and processability can be obtained by using (B) a block copolymer having an SP value close to that of (A) the water-soluble thermoplastic resin in combination, but it is presumed that this is due to the good compatibility between (A) the water-soluble thermoplastic resin and (B) the block copolymer.
本発明の導電性組成物によれば、上記のような特性を利用して、体外デバイス、体表デバイス、電子皮膚デバイス、体内デバイス等のウェアラブルデバイス用の導電体の形成に好適に用いることができ、デバイスを廃棄する際に配線や電極に使われる高価な導電体が水に溶解し下地基材から簡易的に剥離・回収することができる。以下、本発明の導電性組成物が含有する各成分について詳述する。 The conductive composition of the present invention can be used to form conductors for wearable devices such as external devices, surface devices, electronic skin devices, and internal devices by utilizing the above-mentioned properties, and when the device is disposed of, expensive conductors used in wiring and electrodes can be dissolved in water and easily peeled off and recovered from the base substrate. Each component contained in the conductive composition of the present invention is described in detail below.
<(A)水溶性熱可塑性樹脂>
本発明による導電性組成物に含まれる(A)水溶性熱可塑性樹脂は、室温において水溶性と熱可塑性を有する材料であれば特に制限なく使用することができ、例えば水溶性の熱可塑性樹脂、水溶性タンパク質、水溶性ブロック共重合体等を好適に使用することができる。
<(A) Water-soluble thermoplastic resin>
The water-soluble thermoplastic resin (A) contained in the conductive composition according to the present invention can be any material that has water solubility and thermoplasticity at room temperature without any particular limitation. For example, a water-soluble thermoplastic resin, a water-soluble protein, a water-soluble block copolymer, etc. can be suitably used.
(A)水溶性熱可塑性樹脂としては、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアセタール、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール、ポリオキサゾリン、ポリアミド、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、セルロースエーテル、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、およびこれらの共重合体の何れでもよく、公知慣用のものを単独または二種以上を混合して用いることができる。 (A) The water-soluble thermoplastic resin may be any of polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl acetal, polyethylene oxide, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polybutylene glycol, polyoxazoline, polyamide, polyacrylamide, polyacrylic acid, cellulose ether, carboxymethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and copolymers thereof, and any of the well-known and commonly used resins may be used alone or in combination of two or more.
上述した(A)水溶性熱可塑性樹脂のなかでも、ポリビニルピロリドンは、後記する(B)ブロック共重合体との相溶性や有機溶剤への溶解性が特に良いため、得られる導電性組成物の印刷性や加工性に優れ、また得られる導電体が伸縮性や水への溶解性に優れるため、好ましい。 Among the above-mentioned (A) water-soluble thermoplastic resins, polyvinylpyrrolidone is preferred because it has particularly good compatibility with the (B) block copolymer described below and good solubility in organic solvents, and therefore the resulting conductive composition has excellent printability and processability, and the resulting conductor has excellent elasticity and solubility in water.
(A)水溶性熱可塑性樹脂は、市販品であってよい。市販品の例は、三菱ケミカル株式会社製ゴーセノール、株式会社クラレ製クラレポバール、エルバノール、住友精化株式会社製PEO(ポリエチレンオキサイド)、積水化学工業株式会社製エスレック、株式会社日本触媒製ポリビニルピロリドン(粉体製品)、ダイセルファインケム株式会社製CMC(カルボキシメチルセルロース)、HEC(ヒドロキシエチルセルロース)、東レ株式会社製AQナイロン(ペレット)などである。 (A) The water-soluble thermoplastic resin may be a commercially available product. Examples of commercially available products include Gohsenol manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, Kuraray Poval and Elvanol manufactured by Kuraray Co., Ltd., PEO (polyethylene oxide) manufactured by Sumitomo Seika Chemical Co., Ltd., S-LEC manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd., polyvinylpyrrolidone (powder product) manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., CMC (carboxymethyl cellulose) and HEC (hydroxyethyl cellulose) manufactured by Daicel FineChem Ltd., and AQ nylon (pellets) manufactured by Toray Industries, Inc.
(A)水溶性熱可塑性樹脂の重量平均分子量は、好ましくは20,000~400,000であり、より好ましくは50,000~300,000である。重量平均分子量が20,000以上であることで、目的とする強靭性および柔軟性の効果が得られる。また、重量平均分子量が400,000以下であることで、導電性組成物が良好な粘度を有し、より高い印刷性および加工性を達成できる。また、重量平均分子量が50,000以上である場合には、外部からの衝撃に対する緩和性において優れた効果が得られる。なお、重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法により測定された標準ポリスチレン換算値を意味する。 The weight-average molecular weight of the water-soluble thermoplastic resin (A) is preferably 20,000 to 400,000, and more preferably 50,000 to 300,000. When the weight-average molecular weight is 20,000 or more, the desired effects of toughness and flexibility can be obtained. When the weight-average molecular weight is 400,000 or less, the conductive composition has good viscosity and can achieve higher printability and processability. When the weight-average molecular weight is 50,000 or more, an excellent effect in terms of mitigation against external impacts can be obtained. The weight-average molecular weight means a standard polystyrene equivalent value measured by gel permeation chromatography (GPC).
(A)水溶性熱可塑性樹脂のSP値は12(J/cm3)1/2以上、15(J/cm3)1/2以下であることが好ましい。(A)水溶性熱可塑性樹脂のSP値が12(J/cm3)1/2以上であることで導電体の水への溶解性が向上し、導電体が水洗浄で水に溶解し下地基材から剥離しやすくなる。また、(A)水溶性熱可塑性樹脂のSP値が15(J/cm3)1/2以下であることで有機溶剤への溶解性と(B)ブロック共重合体との相溶性が向上し、導電性組成物がデバイス作製プロセスへの適用が容易な印刷性と加工性を得ることができる。なお、SP値は、Polymer Engineeringand Science,Feburuary,1974,Vol.14,No.2,147~154Pに記載のFedors法によって計算される値であり、次式により算出することができる。
SP値=(△H/V)1/2
(式中、ΔHはモル蒸発熱(cal)を、Vはモル体積(cm3)を表す。)
The SP value of the (A) water-soluble thermoplastic resin is preferably 12 (J/cm 3 ) 1/2 or more and 15 (J/cm 3 ) 1/2 or less. When the (A) water-soluble thermoplastic resin has an SP value of 12 (J/cm 3 ) 1/2 or more, the solubility of the conductor in water is improved, and the conductor is dissolved in water by water washing and easily peeled off from the base substrate. In addition, when the (A) water-soluble thermoplastic resin has an SP value of 15 (J/cm 3 ) 1/2 or less, the solubility in organic solvents and the compatibility with the (B) block copolymer are improved, and the conductive composition can obtain printability and processability that are easy to apply to device manufacturing processes. The SP value is a value calculated by the Fedors method described in Polymer Engineering and Science, February, 1974, Vol. 14, No. 2, 147-154P, and can be calculated by the following formula.
SP value = (△H/V) 1/2
(In the formula, ΔH represents the molar heat of vaporization (cal), and V represents the molar volume (cm 3 ).)
<(B)ブロック共重合体>
本発明による導電性組成物に含まれる(B)ブロック共重合体は、室温(25℃)においてゴム弾性を有するものをいう。なお、ゴム弾性とは、ゴム状物質に見られるような外力により変形を生じ外力を取り除くと元の形に戻る可逆的な変形が可能な性質を意味し、例えば、室温において伸張度20%で破断や塑性変形を生じないような性質をいうものとする。導電性組成物がこのような(B)ブロック共重合体を含むことにより、導電性組成物の固化物に伸縮性を付与することができる。ブロック共重合体として、室温においてゴム弾性を有するものであれば特に制限なく公知慣用のものを使用することができるが、ハードセグメントとソフトセグメントとのブロック共重合体を好適に使用することができる。ブロック共重合体は単独または二種以上を混合して用いることができる。
<(B) Block Copolymer>
The (B) block copolymer contained in the conductive composition according to the present invention has rubber elasticity at room temperature (25°C). Rubber elasticity means a property that can undergo reversible deformation, such as that seen in rubber-like substances, where the deformation occurs due to an external force and returns to the original shape when the external force is removed, and for example, refers to a property that does not cause breakage or plastic deformation at an elongation of 20% at room temperature. By including such a (B) block copolymer in the conductive composition, it is possible to impart elasticity to the solidified product of the conductive composition. As the block copolymer, any known and commonly used one can be used without any particular restriction as long as it has rubber elasticity at room temperature, but a block copolymer of a hard segment and a soft segment can be preferably used. The block copolymer can be used alone or in a mixture of two or more types.
上記したような(B)ブロック共重合体は、結晶性が低く分子間力が弱いため、他のゴムと比較してガラス転移温度(Tg)が低く、導電性粒子と混合した場合には柔軟で伸びがよく、(A)水溶性熱可塑性樹脂やアルコール等の高極性溶媒との相溶性がよく、好ましいといえる。そのため、(B)ブロック共重合体はウェアラブルデバイス用の導電体の形成に好適であり、導電性組成物を固化させて導電体とした場合であっても水に溶解し、水洗浄により下地基材から容易に剥離可能であり、ウェアラブルデバイスに求められる導電性や伸縮性を兼ね備えた導電体を得ることができる。特に、ハードセグメントとソフトセグメントとのブロック共重合体がより好適である。なお、本明細書において、「ハードセグメント」とはガラス転移温度(Tg)が30℃以上のものをいい、「ソフトセグメント」とはTgが0℃以下のものをいう。Tgは、JIS K7121の規定に準拠して始点法により測定された値とする。
但し、昇温速度や温度については、40℃以上で観測されるTgは、具体的には、示差走査熱量計(DSC-6100、株式会社日立ハイテクサイエンス製)を用い、窒素ガス雰囲気下、約10mgのサンプルを25℃から毎分10℃の昇温速度で200℃まで昇温を複数回繰り返すことで安定させたDSC曲線から得られる。なお、リファレンスにはα-アルミナを用いる。
また、40℃未満で観測されるTgは、示差走査熱量計(DSC-6100、株式会社日立ハイテクサイエンス製)を用い、窒素ガス雰囲気下、約10mgのサンプルを-100℃から毎分20℃の昇温速度で100℃まで昇温を複数回繰り返すことで安定させたDSC曲線から得られる。なお、リファレンスは上記と同様にα-アルミナを用いる。
The above-mentioned (B) block copolymer has low crystallinity and weak intermolecular forces, and therefore has a lower glass transition temperature (Tg) than other rubbers, is flexible and stretchable when mixed with conductive particles, and has good compatibility with (A) water-soluble thermoplastic resins and highly polar solvents such as alcohol, making it preferable. Therefore, the (B) block copolymer is suitable for forming a conductor for wearable devices, and even if the conductive composition is solidified to form a conductor, it dissolves in water and can be easily peeled off from the base substrate by washing with water, and a conductor having both the conductivity and elasticity required for wearable devices can be obtained. In particular, a block copolymer of a hard segment and a soft segment is more suitable. In this specification, the term "hard segment" refers to a segment having a glass transition temperature (Tg) of 30° C. or more, and the term "soft segment" refers to a segment having a Tg of 0° C. or less. The Tg is a value measured by the starting point method in accordance with the provisions of JIS K7121.
However, regarding the heating rate and temperature, the Tg observed at 40° C. or higher is specifically obtained from a stabilized DSC curve obtained by repeatedly heating about 10 mg of a sample from 25° C. to 200° C. at a heating rate of 10° C. per minute in a nitrogen gas atmosphere using a differential scanning calorimeter (DSC-6100, manufactured by Hitachi High-Tech Science Corporation). α-alumina is used as a reference.
The Tg observed at less than 40° C. is obtained from a stabilized DSC curve obtained by repeatedly heating about 10 mg of a sample from −100° C. to 100° C. at a heating rate of 20° C. per minute in a nitrogen gas atmosphere using a differential scanning calorimeter (DSC-6100, manufactured by Hitachi High-Tech Science Corporation). As a reference, α-alumina is used as above.
このような(B)ブロック共重合体におけるハードセグメントとソフトセグメントとの比率は10:90~70:30の範囲であることが好ましい。この範囲内にあれば、導電性組成物を固化した導電体の伸縮時に断線が生じにくくなるため好ましい。より好ましくは、10:90~40:60である。 The ratio of hard segments to soft segments in such block copolymer (B) is preferably in the range of 10:90 to 70:30. If it is within this range, disconnection is less likely to occur when the conductor formed by solidifying the conductive composition expands and contracts, which is preferable. More preferably, it is 10:90 to 40:60.
上記した(B)ブロック共重合体は、ハードセグメントをXブロック、X´ブロック、ソフトセグメントをYブロック、Y´ブロックと表記すると、Xブロック-Yブロック型のジブロック共重合体や、Xブロック-Yブロック-Xブロック型、Xブロック-Yブロック-X´ブロック型、Yブロック-Xブロック-Yブロック型、Yブロック-Xブロック-Y´ブロック型のトリブロック共重合体などが挙げられるが、他の成分との相溶性や柔軟性に優れるといった観点からXブロック-Yブロック-Xブロック型のトリブロック共重合体であることが好ましい。 The above-mentioned block copolymer (B), where the hard segment is represented as X block and X' block, and the soft segment is represented as Y block and Y' block, may be a diblock copolymer of X block-Y block type, a triblock copolymer of X block-Y block-X block type, X block-Y block-X' block type, Y block-X block-Y block type, or a triblock copolymer of Y block-X block-Y' block type, among others. However, from the viewpoint of excellent compatibility with other components and flexibility, a triblock copolymer of X block-Y block-X block type is preferable.
ここで、(B)ブロック共重合体におけるハードセグメントとしては、メチル(メタ)アクリレート単位やスチレン単位などが挙げられる。また、ソフトセグメント単位としては、n-ブチルアクリレートやブタジエン単位などが挙げられる。(B)ブロック共重合体は、ポリメチル(メタ)アクリレート/ポリn-ブチル(メタ)アクリレート/ポリメチル(メタ)アクリレートのトリブロック共重合体であることが好ましい。このような(B)ブロック共重合体は(A)水溶性熱可塑性樹脂や高極性溶媒との相溶性に優れるため、得られる導電性組成物の流動性が良好で連続印刷性や加工性に優れる。(B)ブロック共重合体は1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、本願明細書において(メタ)アクリレートとは、アクリレートおよびメタクリレートを総称する用語であり、他の類似の表現についても同様である。 Here, examples of the hard segment in the (B) block copolymer include methyl (meth)acrylate units and styrene units. Examples of the soft segment unit include n-butyl acrylate and butadiene units. The (B) block copolymer is preferably a triblock copolymer of polymethyl (meth)acrylate/poly n-butyl (meth)acrylate/polymethyl (meth)acrylate. Such a (B) block copolymer has excellent compatibility with the (A) water-soluble thermoplastic resin and high polarity solvent, so that the obtained conductive composition has good fluidity and excellent continuous printability and processability. The (B) block copolymer may be used alone or in combination of two or more types. In this specification, (meth)acrylate is a general term for acrylate and methacrylate, and the same applies to other similar expressions.
(B)ブロック共重合体は、市販品であってよい。市販品の例は、アルケマ社製のリビング重合を用いて製造されるアクリル系トリブロックコポリマーである。具体的には、ポリスチレン-ポリブタジエン-ポリメチルメタアクリレートに代表されるSBMタイプ、ポリメチルメタアクリレート-ポリブチルアクリレート-ポリメチルメタアクリレートに代表されるMAMタイプ、およびカルボン酸変性処理または親水基変性処理されたMAM NタイプまたはMAM Aタイプを使用することができる。SBMタイプの例は、アルケマ社製E41、E40、E21およびE20である。MAMタイプの例は、アルケマ社製M51、M52、M53およびM22である。MAM Nタイプの例は、52Nおよび22Nである。MAM Aタイプの例は、SM4032XM10である。市販品の別の例は、クラレ社製のクラリティである。このクラリティは、メタクリル酸メチルおよびアクリル酸ブチルから誘導されるブロック共重合体である。 (B) The block copolymer may be a commercially available product. An example of a commercially available product is an acrylic triblock copolymer produced by living polymerization manufactured by Arkema. Specifically, SBM type represented by polystyrene-polybutadiene-polymethyl methacrylate, MAM type represented by polymethyl methacrylate-polybutyl acrylate-polymethyl methacrylate, and MAM N type or MAM A type modified with carboxylic acid or hydrophilic group can be used. Examples of SBM type are E41, E40, E21, and E20 manufactured by Arkema. Examples of MAM type are M51, M52, M53, and M22 manufactured by Arkema. Examples of MAM N type are 52N and 22N. An example of MAM A type is SM4032XM10. Another example of a commercially available product is Kuraly manufactured by Kuraray. This Kuraly is a block copolymer derived from methyl methacrylate and butyl acrylate.
上記のような(メタ)アクリレートポリマーブロックを含むブロック共重合体は、例えば、特表2007-516326号公報または特表2005-515281号公報に記載される方法により得ることができる。 A block copolymer containing the above-mentioned (meth)acrylate polymer block can be obtained, for example, by the method described in JP-T-2007-516326 or JP-T-2005-515281.
(B)ブロック共重合体の重量平均分子量は、好ましくは20,000~400,000であり、より好ましくは50,000~300,000である。重量平均分子量が20,000以上であることで、目的とする強靭性および柔軟性の効果が得られる。また、重量平均分子量が400,000以下であることで、導電性組成物が良好な粘度を有し、より高い印刷性および加工性を達成できる。また、重量平均分子量が50,000以上である場合には、外部からの衝撃に対する緩和性において優れた効果が得られる。 The weight-average molecular weight of the (B) block copolymer is preferably 20,000 to 400,000, and more preferably 50,000 to 300,000. When the weight-average molecular weight is 20,000 or more, the desired effects of toughness and flexibility can be obtained. Furthermore, when the weight-average molecular weight is 400,000 or less, the conductive composition has good viscosity, and higher printability and processability can be achieved. Furthermore, when the weight-average molecular weight is 50,000 or more, excellent effects in terms of mitigation against external impacts can be obtained.
(B)ブロック共重合体の、国際標準化機構の国際規格ISO 37:2017の測定方法による引っ張り破断伸び率は、好ましくは100~600%である。引っ張り破断伸び率が100~600%だと、導電体の伸縮性および電気抵抗の安定性により優れる。より好ましくは300~600%である。
引っ張り破断伸び率(%)=(破断点伸び(mm)-初期寸法mm)/(初期寸法mm)×100
The tensile elongation at break of the block copolymer (B) is preferably 100 to 600% as measured by the International Organization for Standardization's international standard ISO 37:2017. When the tensile elongation at break is 100 to 600%, the conductor has better elasticity and better stability of electrical resistance. More preferably, it is 300 to 600%.
Tensile elongation at break (%) = (elongation at break (mm) - initial dimension (mm)) / (initial dimension (mm)) x 100
上記した(B)ブロック共重合体は、(A)水溶性熱可塑性樹脂のSP値に対して±5(J/cm3)1/2のSP値を有する必要がある。本発明においては、(B)ブロック共重合体が、(A)水溶性熱可塑性樹脂のSP値に対して±5(J/cm3)1/2のSP値を有していることで、導電性組成物を固化させて導電体とした場合であっても水に溶解し、水洗浄により下地基材から容易に剥離可能であり、ウェアラブルデバイスに求められる導電性や伸縮性を兼ね備えた導電体を得ることができ、デバイス作製工程に求められる印刷性や加工性に優れた導電性組成物とすることができる。(B)ブロック共重合体のSP値は、(A)水溶性熱可塑性樹脂のSP値に対して±3(J/cm3)1/2の範囲内であることが好ましい。より好ましいブロック共重合体のSP値は9(J/cm3)1/2以上、12(J/cm3)1/2未満である。ブロック共重合体のSP値が9(J/cm3)1/2以上、12(J/cm3)1/2未満であることで(B)ブロック共重合体と(A)水溶性熱可塑性樹脂および高極性有機溶剤との相溶性がより一層向上し、導電性組成物がデバイス作製プロセスへの適用が容易な流動性を得ることができる。なお、SP値は上記と同様にして算出することができる。 The above-mentioned (B) block copolymer must have an SP value of ±5 (J/cm 3 ) 1/2 relative to the SP value of the (A) water-soluble thermoplastic resin. In the present invention, the (B) block copolymer has an SP value of ±5 (J/cm 3 ) 1/2 relative to the SP value of the (A) water-soluble thermoplastic resin, so that even if the conductive composition is solidified to form a conductor, it dissolves in water and can be easily peeled off from the base substrate by washing with water, and a conductor having both the conductivity and elasticity required for a wearable device can be obtained, and a conductive composition having excellent printability and processability required for the device manufacturing process can be obtained. The SP value of the (B) block copolymer is preferably within the range of ±3 (J/cm 3 ) 1/2 relative to the SP value of the (A) water-soluble thermoplastic resin. More preferably, the SP value of the block copolymer is 9 (J/cm 3 ) 1/2 or more and less than 12 (J/cm 3 ) 1/2 . When the SP value of the block copolymer is 9 (J/ cm3 ) 1/2 or more and less than 12 (J/ cm3 ) 1/2 , the compatibility of the block copolymer (B) with the water-soluble thermoplastic resin (A) and the highly polar organic solvent is further improved, and the conductive composition can obtain flowability that makes it easy to apply to device fabrication processes. The SP value can be calculated in the same manner as above.
なお、本発明の導電性組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で、(A)水溶性熱可塑性樹脂、(B)ブロック共重合体以外の非水溶性の熱可塑性樹脂等の他の有機バインダーを併用してもよい。 The conductive composition of the present invention may be used in combination with other organic binders, such as (A) a water-soluble thermoplastic resin and (B) a water-insoluble thermoplastic resin other than a block copolymer, as long as the effects of the present invention are not impaired.
また、(A)水溶性熱可塑性樹脂と(B)ブロック共重合体の質量比を15:85~95:5の割合とすることで、連続印刷性に優れる点において好ましい。より好ましくは、30:70~80:20である。 In addition, a mass ratio of (A) water-soluble thermoplastic resin to (B) block copolymer of 15:85 to 95:5 is preferable in terms of excellent continuous printability. A mass ratio of 30:70 to 80:20 is more preferable.
また、(A)水溶性熱可塑性樹脂、(B)ブロック共重合体には、軟化剤、可塑剤等の公知の添加剤が含まれていてもよい。軟化剤としては、鉱物油系軟化剤と植物油系軟化剤が挙げられ、例えば、鉱物油系軟化剤として、パラフィン系プロセスオイル、ナフテン系プロセスオイル、芳香族系プロセスオイルなどの各種オイルである。植物油系軟化剤としては、ひまし油、錦実油、あまに油、なたね油、大豆油、パーム油、やし油、落花生油、パイン油、トール油等が挙げられる。可塑剤としてはカルボン酸エステル、リン酸エステル、アクリルポリマー、イオン液体などが挙げられ、これら軟化剤、可塑剤は単独あるいは二種以上を併用してもよい。軟化剤、可塑剤の添加量により、所望のゴム弾性や伸張性を調整することができる。 The water-soluble thermoplastic resin (A) and the block copolymer (B) may contain known additives such as softeners and plasticizers. Examples of the softeners include mineral oil-based softeners and vegetable oil-based softeners. For example, the mineral oil-based softeners include various oils such as paraffin-based process oils, naphthene-based process oils, and aromatic process oils. Examples of the vegetable oil-based softeners include castor oil, linseed oil, rapeseed oil, soybean oil, palm oil, coconut oil, peanut oil, pine oil, and tall oil. Examples of the plasticizers include carboxylate esters, phosphate esters, acrylic polymers, and ionic liquids. These softeners and plasticizers may be used alone or in combination. The desired rubber elasticity and extensibility can be adjusted by the amount of the softener or plasticizer added.
<(C)導電性粒子>
本発明の導電性組成物に使用される(C)導電性粒子としては、導電性組成物に使用される従来公知の材料を使用することができ、例えば、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等の炭素粒子、銅粒子、ニッケル粒子、銀粒子等の金属粒子、WC、B4C、ZrC、NbC、MoC、TiC、TaC等の金属炭化物、TiN、ZrN、TaN等の金属窒化物、WSi2、MoSi2等の金属ケイ化物などが挙げられる。これらは1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。上記した(C)導電性粒子のなかでも、銀粒子やケッチェンブラックを好適に使用することができる。
<(C) Conductive particles>
The conductive particles (C) used in the conductive composition of the present invention can be any conventional material used in conductive compositions, such as carbon particles such as graphite, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black, metal particles such as copper particles, nickel particles, and silver particles, metal carbides such as WC, B 4 C, ZrC, NbC, MoC, TiC, and TaC, metal nitrides such as TiN, ZrN, and TaN, and metal silicides such as WSi 2 and MoSi 2. These may be used alone or in combination of two or more. Among the above-mentioned conductive particles (C), silver particles and ketjen black can be preferably used.
(C)導電性粒子における粒子の形状は、例えば球状、針状、楕円球状、フレーク状、鱗片状、不定形状等挙げられ、特に限定はされない。 (C) The particle shape of the conductive particles is not particularly limited, and examples of such shapes include spherical, needle-like, oval-spherical, flake-like, scale-like, and irregular shapes.
(C)導電性粒子として銀粉を使用する場合は、その平均一次粒子径が1.0μm以下、好ましくは0.1~1.0μmであり、みかけ空隙率が50~95%、好ましくは60~95%の銀粒子を使用することが好ましい。なお、銀粉の平均一次粒子径とは、粉体状態にある銀粉を走査型電子顕微鏡にて10,000倍の倍率で観察し、ランダムに10個の一次粒子を抽出し、その粒子径を測定した際のそれらの粒子径の平均値を意味する。また、銀粉のみかけ空隙率は、銀粉の一次粒子が連結して適度な空隙が存在する凝集構造(二次粒子)の状態を表す指標となるものであり、以下のようにして測定することができる。
すなわち、
銀の密度をρ0(g/cm3)とし、
質量M(g)の銀粉に、1kg重の荷重をかけたときの銀粉体積をV(cm3)とした場合に、みかけ密度ρ(g/cm3)は、
ρ=M/V
と定義され、みかけ密度から、下記式によりみかけ空隙率(P)を算出することができる。
P=(1-ρ/ρ0)×100
なお、銀の密度ρ0は10.49g/cm3であり、1kg重荷重時の銀粉体積Vは、荷重を付加してから1時間経過した後の銀粉体積とする。
(C) When silver powder is used as the conductive particles, it is preferable to use silver particles having an average primary particle size of 1.0 μm or less, preferably 0.1 to 1.0 μm, and an apparent porosity of 50 to 95%, preferably 60 to 95%. The average primary particle size of silver powder means the average particle size of the silver powder observed in powder form at a magnification of 10,000 times with a scanning electron microscope, randomly extracting 10 primary particles, and measuring their particle size. The apparent porosity of silver powder is an index representing the state of an aggregate structure (secondary particles) in which the primary particles of silver powder are connected to each other to have an appropriate amount of voids, and can be measured as follows.
That is,
The density of silver is ρ 0 (g/cm 3 ),
When a load of 1 kg is applied to a silver powder having a mass M (g), and the volume of the silver powder is V (cm 3 ), the apparent density ρ (g/cm 3 ) is given by
ρ = M/V
From the apparent density, the apparent porosity (P) can be calculated by the following formula.
P=(1-ρ/ρ 0 )×100
The density ρ 0 of silver is 10.49 g/cm 3 , and the silver powder volume V under a 1 kg heavy load is the silver powder volume one hour after the load was applied.
また、本発明において、銀粉の一次粒子の形状は略球状であることが好ましい。銀粉の一次粒子の形状は、略球状であるものに限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で略球状以外の形状の銀粉が含まれていてもよいことは言うまでもない。 In addition, in the present invention, the shape of the primary particles of the silver powder is preferably approximately spherical. The shape of the primary particles of the silver powder is not limited to being approximately spherical, and it goes without saying that silver powder having a shape other than approximately spherical may be included as long as it does not impair the effects of the present invention.
また、本発明において好適に使用できる銀粉は、JIS K 6217-4:2017に準拠して測定されたDBP吸油量が30~200ml/100gであることが好ましい。 The silver powder that can be suitably used in the present invention preferably has a DBP oil absorption of 30 to 200 ml/100 g as measured in accordance with JIS K 6217-4:2017.
本発明において、(C)導電性粒子としてケッチェンブラックを使用する場合は、造膜性や、導電性、流動性、伸縮変形に対する電気抵抗値の安定性の観点から、みかけ空隙率が50~95%、好ましくは60~95%であり、DBP吸油量が300~600ml/100gであるものを好適に使用することができる。なお、ケッチェンブラックにおけるみかけ空隙率やDBP吸油量は、上述した銀粉における測定と同様の方法にて測定することができる。 In the present invention, when Ketjen black is used as the conductive particles (C), from the viewpoints of film-forming properties, conductivity, fluidity, and stability of electrical resistance against expansion and contraction deformation, it is preferable to use particles having an apparent porosity of 50 to 95%, preferably 60 to 95%, and a DBP oil absorption of 300 to 600 ml/100 g. The apparent porosity and DBP oil absorption of Ketjen black can be measured in the same manner as for silver powder described above.
導電性組成物中における(C)導電性粒子の配合量は、導電性組成物の不揮発成分を基準として、5~90質量%の範囲とすることができる。より具体的には、(C)導電性粒子として銀粉を用いる場合の(C)導電性粒子の配合量は、導電性組成物の不揮発成分を基準として50~90質量%であることが好ましく、より好ましくは60~85質量%である。また、(C)導電性粒子としてケッチェンブラックを用いる場合の(C)導電性粒子の配合量は、導電性組成物の不揮発成分を基準として5~40質量%であることが好ましく、より好ましくは20~30質量%である。 The amount of the (C) conductive particles in the conductive composition can be in the range of 5 to 90% by mass based on the non-volatile components of the conductive composition. More specifically, when silver powder is used as the (C) conductive particles, the amount of the (C) conductive particles is preferably 50 to 90% by mass, more preferably 60 to 85% by mass, based on the non-volatile components of the conductive composition. Furthermore, when Ketjen black is used as the (C) conductive particles, the amount of the (C) conductive particles is preferably 5 to 40% by mass, more preferably 20 to 30% by mass, based on the non-volatile components of the conductive composition.
上記のような特徴の(C)導電性粒子を上記範囲の配合量とすることで、伸張前の初期電気抵抗値が低く、且つ伸張時にも電気抵抗値の安定性に優れた導電性を有し、容易に水洗浄で剥離可能な導電体を得ることができる。 By mixing the conductive particles (C) with the above characteristics in the above range, it is possible to obtain a conductor that has a low initial electrical resistance before stretching, has excellent electrical conductivity with stable electrical resistance even when stretched, and can be easily peeled off by washing with water.
本発明においては、(C)導電性粒子と(A)水溶性熱可塑性樹脂や(B)ブロック共重合体との親和性を調整するため、表面処理された(C)導電性粒子や分散剤を使用してもよい。(C)導電性粒子の表面処理としては、分散剤を含む溶液中に(C)導電性粒子を投入して撹拌する湿式法や、(C)導電性粒子を撹拌しながら分散剤を含む溶液噴霧する乾式法などの方法が挙げられる。さらに、界面活性剤を併用して表面処理をしてもよい。また、分散剤を配合する方法としては、配合量や配合順序に特に制限はないが、配合量としては(C)導電性粒子に対して0.01~30質量%、配合順序としては(B)ブロック共重合体と分散剤とを混合した後に(C)導電性粒子を配合する方法が挙げられる。 In the present invention, in order to adjust the affinity between the (C) conductive particles and the (A) water-soluble thermoplastic resin or (B) block copolymer, surface-treated (C) conductive particles or a dispersant may be used. Examples of surface treatment of the (C) conductive particles include a wet method in which the (C) conductive particles are put into a solution containing a dispersant and stirred, and a dry method in which a solution containing a dispersant is sprayed onto the (C) conductive particles while stirring them. Furthermore, a surfactant may be used in combination for surface treatment. There are no particular restrictions on the amount or order of blending the dispersant, but the amount of blending may be 0.01 to 30 mass% relative to the (C) conductive particles, and the order of blending may be a method in which the (B) block copolymer and the dispersant are mixed and then the (C) conductive particles are blended.
上記した表面処理や配合に使用する分散剤としては、従来公知のものを使用することができ、例えば、(C)導電性粒子が銀粉である場合は、脂肪酸、有機金属、ゼラチン等の保護コロイドを用いることができるが、不純物混入のおそれや疎水基との吸着性の向上を考慮すると、脂肪酸またはその塩であることが好ましい。また、この分散剤としては、脂肪酸またはその塩を界面活性剤でエマルション化したものを用いてもよい。具体的には、炭素原子数6~24の脂肪酸であり、ステアリン酸、オレイン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、リノール酸、ラウリン酸、リノレン酸等をより好ましく使用することができる。これらの脂肪酸は、導電性組成物を用いた配線層や電極への悪影響が少ないと考えられる。上記した脂肪酸は、単独で使用してもよくまた複数を組み合わせて使用してもよい。 As the dispersant used in the above-mentioned surface treatment and blending, a conventionally known dispersant can be used. For example, when the conductive particles (C) are silver powder, protective colloids such as fatty acids, organic metals, and gelatin can be used. However, in consideration of the risk of impurities being mixed in and the improvement of the adsorption to the hydrophobic group, fatty acids or their salts are preferable. In addition, as the dispersant, fatty acids or their salts emulsified with a surfactant can be used. Specifically, fatty acids having 6 to 24 carbon atoms, such as stearic acid, oleic acid, myristic acid, palmitic acid, linoleic acid, lauric acid, and linolenic acid, can be more preferably used. These fatty acids are considered to have little adverse effect on the wiring layer and electrodes using the conductive composition. The above-mentioned fatty acids may be used alone or in combination.
また、(C)導電性粒子がケッチェンブラックである場合は、分散剤として、酸性基または塩基性基またはその両方を有するリン酸エステルやアクリルコポリマー、ポリアミン、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアクリレートおよびそれらのリン酸塩、アルキルアンモニウム塩等を好適に使用することができる。上記した分散剤は、単独で使用してもよくまた複数を組み合わせて使用してもよい。 When the (C) conductive particles are Ketjen black, the dispersant may be a phosphoric acid ester having an acidic group or a basic group or both, an acrylic copolymer, a polyamine, a polyurethane, a polyester, a polyacrylate, or a phosphate salt or an alkyl ammonium salt thereof. The above-mentioned dispersants may be used alone or in combination.
<その他の成分>
本発明の導電性組成物は、組成物の調整のため、または基板に塗布するための粘度調整のため、有機溶剤を使用することができる。
<Other ingredients>
The conductive composition of the present invention may contain an organic solvent for adjusting the composition or for adjusting the viscosity for application to a substrate.
このような有機溶剤としては、ケトン類、芳香族炭化水素類、グリコールエーテル類、グリコールエーテルアセテート類、エステル類、アルコール類、脂肪族炭化水素、石油系溶剤などが挙げることができる。より具体的には、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;トルエン、キシレン、テトラメチルベンゼン等の芳香族炭化水素類;セロソルブ、メチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、カルビトール、メチルカルビトール、ブチルカルビトール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル等のグリコールエーテル類;酢酸エチル、酢酸ブチル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールブチルエーテルアセテートなどのエステル類;エタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、テルピネオール等のアルコール類;オクタン、デカン等の脂肪族炭化水素;石油エーテル、石油ナフサ、水添石油ナフサ、ソルベントナフサ等の石油系溶剤などである。このような有機溶剤は、単独でまたは2種以上の混合物として用いられる。この中でも、バインダー樹脂の溶解性や塗布性、連続印刷性の観点より、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテートやテルピネオールが好ましい。 Such organic solvents include ketones, aromatic hydrocarbons, glycol ethers, glycol ether acetates, esters, alcohols, aliphatic hydrocarbons, and petroleum-based solvents. More specifically, the organic solvents include ketones such as methyl ethyl ketone and cyclohexanone; aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and tetramethylbenzene; glycol ethers such as cellosolve, methyl cellosolve, butyl cellosolve, carbitol, methyl carbitol, butyl carbitol, propylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol diethyl ether, and triethylene glycol monoethyl ether; esters such as ethyl acetate, butyl acetate, diethylene glycol monoethyl ether acetate, dipropylene glycol methyl ether acetate, propylene glycol methyl ether acetate, propylene glycol ethyl ether acetate, and propylene glycol butyl ether acetate; alcohols such as ethanol, propanol, ethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, and terpineol; aliphatic hydrocarbons such as octane and decane; and petroleum-based solvents such as petroleum ether, petroleum naphtha, hydrogenated petroleum naphtha, and solvent naphtha. These organic solvents are used alone or as a mixture of two or more kinds. Among these, diethylene glycol monoethyl ether acetate and terpineol are preferred from the viewpoints of the solubility, coatability, and continuous printability of the binder resin.
本発明に用いられる有機溶剤の沸点は150℃以上であることが好ましく、200℃以上であることがより好ましい。上記沸点の有機溶剤を用いることで、デバイス作製工程において、有機溶剤が揮発して導電性組成物の連続印刷性や加工性が低下することを防ぐことができる。 The boiling point of the organic solvent used in the present invention is preferably 150°C or higher, and more preferably 200°C or higher. By using an organic solvent with the above boiling point, it is possible to prevent the organic solvent from volatilizing during the device fabrication process, which would otherwise cause a decrease in the continuous printability and processability of the conductive composition.
本発明の導電性組成物は、熱硬化成分をさらに含んでよい。熱硬化成分の例は、硬化反応による分子量増加、架橋形成によりフィルム形成可能なポリエステル樹脂(ウレタン変性体、エポキシ変性体、アクリル変性体等)、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ビニル系樹脂、シリコーン樹脂およびブロックイソシアネートである。 The conductive composition of the present invention may further contain a thermosetting component. Examples of thermosetting components include polyester resins (urethane-modified, epoxy-modified, acrylic-modified, etc.) that can form a film by increasing the molecular weight through a curing reaction and by forming crosslinks, epoxy resins, urethane resins, phenolic resins, melamine resins, vinyl resins, silicone resins, and blocked isocyanates.
本発明の導電性組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で、その他の成分を含んでいてもよい。例えば、カップリング剤、光重合開始剤等の添加剤を含んでいてよい。 The conductive composition of the present invention may contain other components as long as the effects of the present invention are not impaired. For example, it may contain additives such as a coupling agent and a photopolymerization initiator.
本発明の導電性組成物は、例えば、溶剤に溶解した樹脂成分と上記した(C)導電性粒子とを混練することで製造することができる。混練方法としては、例えばロールミルといった撹拌混合装置を使用する方法が挙げられる。具体的には、樹脂成分を有機溶剤に溶解した固形分50質量%の樹脂溶液を調製し、この樹脂溶液に(C)導電性粒子を配合し、攪拌機にて予備撹拌混合した後、3本ロールミルにて混練することで、導電性組成物を得ることができる。使用する樹脂成分の種類や有機溶剤の配合割合によって、液状の導電性組成物としたり、ペースト状(半固形状)の導電性組成物としたりすることができる。 The conductive composition of the present invention can be produced, for example, by kneading the resin component dissolved in a solvent with the conductive particles (C) described above. Examples of the kneading method include a method using a stirring and mixing device such as a roll mill. Specifically, a resin solution with a solid content of 50% by mass is prepared by dissolving the resin component in an organic solvent, and the conductive particles (C) are mixed into this resin solution, pre-mixed with a stirrer, and then kneaded with a three-roll mill to obtain a conductive composition. Depending on the type of resin component used and the mixing ratio of the organic solvent, a liquid conductive composition or a paste-like (semi-solid) conductive composition can be produced.
本発明の導電性組成物は、粘度は特に制限はないが、100~5000dPa・sであることが好ましく、200~1000dPa・sであることがより好ましい。この粘度範囲にすることでデバイス作製プロセスに求められる印刷性や加工性に優れた導電性組成物とすることができる。 The conductive composition of the present invention has no particular limit to its viscosity, but it is preferably 100 to 5000 dPa·s, and more preferably 200 to 1000 dPa·s. By setting the viscosity within this range, a conductive composition with excellent printability and processability required for device manufacturing processes can be obtained.
本発明において、上述したような導電性組成物は、例えば基材上にパターン塗布し、熱処理を行うことで、導電体を形成することができる。この熱処理としては、乾燥処理や熱硬化処理などが挙げられる。 In the present invention, the conductive composition as described above can be applied in a pattern onto a substrate and then heat-treated to form a conductor. Examples of the heat treatment include drying and heat-curing.
このように、本発明の導電性組成物によれば、水に溶解し水洗浄で下地基材から剥離可能で伸縮性および電気抵抗の安定性に優れた導電体を得ることができる。 In this way, the conductive composition of the present invention can provide a conductor that is soluble in water, can be peeled off from the base substrate by washing with water, and has excellent elasticity and electrical resistance stability.
<導電体および導電体層を備えた積層構造体ならびにその用途>
上述した導電性組成物は、固化させて導電体とすることができる。例えば、導電性組成物からなる塗布膜を形成し、乾燥、固化させることにより導電体の層とすることができる。導電性組成物の固化は、導電性組成物を乾燥または熱処理することで行われる。熱処理の例は、熱風乾燥または熱硬化である。熱処理に先立ち、成形を行ってもよい。例えば、導電体の層は、基材上に上記の導電性組成物を所望の形状となるように塗布した後、固化させることにより導電体の層を得ることができる。導電体の層は、使用される用途に応じた種々の形状であってよい。例えば、導体回路および配線などに好適に適用できる。
<Laminated structure having a conductor and a conductor layer, and uses thereof>
The conductive composition described above can be solidified to form a conductor. For example, a coating film made of the conductive composition can be formed, dried, and solidified to form a conductor layer. The conductive composition is solidified by drying or heat treating the conductive composition. Examples of heat treatment include hot air drying or heat curing. Prior to the heat treatment, molding may be performed. For example, the conductive layer can be obtained by applying the conductive composition to a substrate so as to have a desired shape, and then solidifying the composition. The conductive layer may have various shapes depending on the application. For example, the conductive layer can be suitably applied to conductor circuits and wiring.
導体回路を製造する場合、上記の導電性組成物を基材上に印刷または塗布して塗膜パターンを形成するパターン形成工程と、パターニングされた塗膜を固化させる工程とを含む。塗膜パターンの形成には、マスキング法またはレジストを用いる方法等を使用できる。 When manufacturing a conductor circuit, the process includes a pattern formation step of printing or applying the conductive composition onto a substrate to form a coating pattern, and a step of solidifying the patterned coating. A masking method or a method using a resist can be used to form the coating pattern.
パターン形成工程としては、印刷方法およびディスペンス方法が挙げられる。印刷方法としては、例えば、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷等が挙げられ、微細な回路を形成する場合、スクリーン印刷が好ましい。また、大面積の塗布方法としては、グラビア印刷およびオフセット印刷が適している。ディスペンス方法とは、導電性組成物の塗布量をコントロールしてニードルから押し出しパターンを形成する方法であり、アース配線等の部分的なパターン形成や凹凸のある部分へのパターン形成に適している。 Examples of pattern formation processes include printing methods and dispensing methods. Examples of printing methods include gravure printing, offset printing, and screen printing. When forming fine circuits, screen printing is preferred. Gravure printing and offset printing are suitable as large-area coating methods. The dispensing method is a method in which the amount of conductive composition applied is controlled and an extrusion pattern is formed from a needle, and is suitable for forming partial patterns such as earth wiring, and for forming patterns on uneven areas.
導電性組成物を塗布する基材としては、電気絶縁性のものであれば特に制限なく使用することができ、紙-フェノール樹脂、紙-エポキシ樹脂、ガラス布-エポキシ樹脂、ガラス-ポリイミド、ガラス布/不織布-エポキシ樹脂、ガラス布/紙-エポキシ樹脂、合成繊維-エポキシ樹脂、フッ素樹脂・ポリエチレン・ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンオキシド・シアネートエステル等の複合材を用いた全てのグレード(FR-4等)の銅張積層板、ポリエチレンテレフタレート(PET)、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などのポリエステル、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミドなどのプラスチックからなるシートまたはフィルム、ウレタン、シリコンゴム、アクリルゴム、ブタジエンゴムなどの架橋ゴムからなるシートまたはフィルム、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリオレフィン系、スチレン系ブロックコポリマー系などの熱可塑性エラストマーからなるシートまたはフィルムなどが挙げられる。これらの中でも、屈曲性がある材料だけでなく、伸縮性を有する材料(例えば、ゴム、熱可塑性エラストマー、ウレタン等)を基材として用いることにより、後記するような用途に導電体を適用できるようになる。伸縮性を有する材料としては、上記した(B)ブロック共重合体と同様のものを使用することができる。 The substrate to which the conductive composition is applied can be any electrically insulating material, without any particular limitations. Examples of such substrates include paper-phenolic resin, paper-epoxy resin, glass cloth-epoxy resin, glass-polyimide, glass cloth/nonwoven cloth-epoxy resin, glass cloth/paper-epoxy resin, synthetic fiber-epoxy resin, copper-clad laminates of all grades (such as FR-4) using composites such as fluororesin, polyethylene, polyphenylene ether, and polyphenylene oxide-cyanate ester, sheets or films made of plastics such as polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate, and polyethylene naphthalate, polyimide, polyphenylene sulfide, and polyamide, sheets or films made of crosslinked rubbers such as urethane, silicone rubber, acrylic rubber, and butadiene rubber, and sheets or films made of thermoplastic elastomers such as polyesters, polyurethanes, polyolefins, and styrene block copolymers. Among these, not only flexible materials but also elastic materials (e.g., rubber, thermoplastic elastomers, urethane, etc.) can be used as substrates to make it possible to apply the conductor to applications such as those described below. As a material having elasticity, the same material as the block copolymer (B) described above can be used.
<積層構造体>
上述した導電体は、複数の層を形成することで積層構造体とすることができる。積層構造体の形成方法に特に制限はないが、例えば導電性組成物を固化して得られる導電体を熱や圧力またはその両方によって張り合わせても良いし、導電体の上に導電性組成物を塗布したのち固化させても良い。積層構造体は金属層、絶縁層、保護層、接着層、粘着層、空隙層など上述した導電体以外の層を備えても良い。
<Laminated structure>
The above-mentioned conductor can be made into a laminated structure by forming a plurality of layers. There is no particular limitation on the method of forming the laminated structure, but for example, a conductor obtained by solidifying a conductive composition may be bonded by heat, pressure, or both, or a conductive composition may be applied onto a conductor and then solidified. The laminated structure may include layers other than the above-mentioned conductor, such as a metal layer, an insulating layer, a protective layer, an adhesive layer, an adhesive layer, and a gap layer.
<電子部品>
上述した導電体や積層構造体を構成要素として電子部品を形成することができる。上述した導電体や積層構造体を構成要素とする電子部品であれば構造、形成方法、用途などに特に制限はないが、あえて用途を例示するとすればセンサー、アクチュエータ、コンデンサー、インダクター、トランジスタ、コンバータ、サーミスタ、コネクター、トランス、キャパシタ、ダイオード、レギュレーター、モーター、アンテナ、スイッチ等であり、これら複数の用途を併せ持つものでも良い。
<Electronic Components>
An electronic component can be formed using the above-mentioned conductor or laminate structure as a component. There are no particular limitations on the structure, formation method, or use of the electronic component as long as the electronic component has the above-mentioned conductor or laminate structure as a component, but examples of uses include sensors, actuators, capacitors, inductors, transistors, converters, thermistors, connectors, transformers, capacitors, diodes, regulators, motors, antennas, switches, etc., and electronic components that combine a plurality of these uses are also acceptable.
本発明による導電性組成物を固化させた導電体は、上記したように伸縮の繰り返しや伸ばした場合であっても、電気抵抗の安定性に優れているため、導体回路および配線以外にも、体外デバイス、体表デバイス、電子皮膚デバイス、体内デバイス等のウェアラブルデバイス用の導電体の形成に好適に用いることができる。また、導電体の層をフレキシブルプリント基板の電極に適用することもできる。さらに、本発明の導電性組成物は、アクチュエータ電極等の導電体の層を形成するのにも適している。また、形成した導電体は水に溶解し得るため、水洗浄により下地基材から剥離することができる。そのためデバイスを廃棄する際は高価な(C)導電性粒子を容易に回収することができ、経済合理的かつ環境負荷が少ない。また、従来は伸縮性や電気抵抗の安定性が足りずに実現が困難であったデザインの導電体の形成にも適している。例えば、以下のようなものが挙げられる。 The conductor obtained by solidifying the conductive composition according to the present invention has excellent stability of electrical resistance even when repeatedly stretched or stretched as described above, and therefore can be suitably used for forming conductors for wearable devices such as external devices, surface devices, electronic skin devices, and internal devices, in addition to conductor circuits and wiring. The conductor layer can also be applied to the electrodes of flexible printed circuit boards. Furthermore, the conductive composition of the present invention is also suitable for forming conductor layers such as actuator electrodes. In addition, since the formed conductor can be dissolved in water, it can be peeled off from the base substrate by washing with water. Therefore, when disposing of the device, the expensive (C) conductive particles can be easily recovered, which is economically rational and has a small environmental impact. It is also suitable for forming conductors with designs that were previously difficult to realize due to insufficient stretchability and stability of electrical resistance. For example, the following can be mentioned.
<ウェアラブル生体センサー>
人間を含めた動植物から発生する活動電位/生体情報を取得/伝達する為に身に着けるウェアラブル生体センサー用配線材料として、本発明の導電体を適用することができる。センサーの装着箇所は、人間を含めた動植物の表層組織に密着ないしは近接する場所であることが必須となるが、表層組織は伸び縮みが発生する。従来の硬質基板やフレキシブル基板では、伸び縮みする装着箇所への追従性が無く、センサーの装着箇所も限定的となり、結果として得られる生体情報も限られていた。本発明の導電体によれば、人間を含めた動植物の表層組織にもセンサー用配線材料を適用できるため、伸び縮みが発生する箇所にも装着可能なウェアラブル生体センサーとすることができる。
<Wearable biosensor>
The conductor of the present invention can be applied as a wiring material for a wearable biosensor that is worn to acquire and transmit action potentials/biological information generated by animals and plants, including humans. The sensor must be attached to a location that is in close contact with or close to the surface tissue of animals and plants, including humans, but the surface tissue expands and contracts. Conventional hard and flexible substrates cannot follow the expanding and contracting attachment location, and the location where the sensor can be attached is limited, resulting in limited biological information. According to the conductor of the present invention, the sensor wiring material can be applied to the surface tissue of animals and plants, including humans, so that a wearable biosensor can be made that can be attached to a location where expansion and contraction occurs.
ウェアラブル生体センサーに使う配線は、スクリーン印刷或いはディスペンス工法によって配線形成が可能であることから、信号配線の微細化も可能となり、センサーデバイスの小型化に寄与すると考えられる。 The wiring used in wearable biosensors can be formed by screen printing or dispensing methods, which allows for fine signal wiring, which is thought to contribute to the miniaturization of sensor devices.
<スマートテキスタイル用配線材料>
近年、布帛生地をセンサーとして用いるいわゆる「スマートテキスタイル」という分野広がりを見せつつある。本発明の導電体を用いて伸縮性があり熱圧着等が可能な基材上に配線形成を行なった配線板ないしセンサーは、伸縮時での電気抵抗の安定性に優れているため、伸縮性を持つ布帛生地の表面に貼りつけることで、エレクトロニクス・デバイスの機能を持った布帛生地、すなわちスマートテキスタイルの開発が可能となる。スマートテキスタイルとしては、感圧センサーやタッチセンサー、アンテナ配線等の機能を布帛生地に付与することができる。
<Wiring materials for smart textiles>
In recent years, the field of so-called "smart textiles" using woven fabrics as sensors is expanding. A wiring board or sensor in which wiring is formed on a stretchable substrate that can be thermocompressed using the conductor of the present invention has excellent stability of electrical resistance when stretched, so that by attaching it to the surface of a stretchable woven fabric, it becomes possible to develop a woven fabric with electronic device functions, i.e., a smart textile. As a smart textile, functions such as a pressure-sensitive sensor, a touch sensor, and an antenna wiring can be imparted to the woven fabric.
<3D造形成形品用配線>
従来のFIM(フィルム・インサート・モールド成型)工法による電子機器の筐体等向けのプラスチック成型品では、ポリカーボネート等のプラスチックフィルムをベース基材とし、意匠印刷の後、熱プレス加工したものが採用されている。本発明の導電体を伸縮性の基材上に設けた積層構造体からなる導体配線は伸長時の断線が無く、抵抗値変化が抑制されている特性を持つため、プラスチック成型品の意匠印刷時に導体配線を形成し、その後の熱プレス(部分的に伸びが発生)による成型加工を行なうことで3D形状の配線を内蔵したエレクトロニクス・デバイスを実現することができる。
<Wiring for 3D molded products>
In conventional plastic molded products for electronic device housings and the like using the FIM (film insert molding) method, a plastic film such as polycarbonate is used as a base substrate, which is printed with a design and then heat-pressed. The conductor wiring of the present invention, which is made of a laminated structure having a conductor provided on an elastic substrate, has the characteristics of being free from disconnection during stretching and suppressing changes in resistance value, so that the conductor wiring can be formed during design printing of the plastic molded product, and then molded by heat pressing (which causes partial stretching) to realize an electronics device with built-in 3D wiring.
また、上記したような(B)ブロック共重合体等のような伸縮性の基材を用いて熱プレス加工を行なうことで、柔らかい筐体内に柔らかい配線を備えた伸縮変形可能なエレクトロニクス・デバイスを実現することができる。感圧センサーやタッチセンサー、またはアンテナ配線用等として好適に利用することができる。 In addition, by performing heat pressing using a stretchable base material such as the block copolymer (B) described above, it is possible to realize a stretchable electronic device with soft wiring inside a soft housing. This device can be suitably used as a pressure sensor, touch sensor, or antenna wiring, etc.
<伸縮変形可能な配線シートないし配線基板>
本発明の導電体の層を伸縮性の基材上に設けた積層構造体からなる導体配線は、伸縮変形可能な配線板シートとして利用することができる。例えば、このような導体配線を成型加工品などの立体的形状を持つ対象物の表面へ、配線の断線を発生させること無く、伸張ないし変形させながら対象物に貼りつけることが可能となる。したがって、本発明の導電体の層を伸縮性の基材上に設けた積層構造体は、感圧センサーやタッチセンサー、またはアンテナ配線用として好適に利用することができる。
<Stretchable and Deformable Wiring Sheet or Wiring Board>
The conductor wiring made of a laminated structure having a conductor layer of the present invention provided on an elastic substrate can be used as a wiring board sheet that can be stretched and deformed. For example, such a conductor wiring can be attached to the surface of an object having a three-dimensional shape such as a molded product while being stretched or deformed without causing disconnection of the wiring. Therefore, the laminated structure having a conductor layer of the present invention provided on an elastic substrate can be suitably used for pressure-sensitive sensors, touch sensors, or antenna wiring.
<フレキシブル配線シートないし配線基板>
従来の導電性ペーストを使ったフレキシブル配線シートないし配線基板では、爪折りという極端な折り曲げを行なった際、配線の断線が発生するという事象が発生する。この点本発明の導電体を使用した場合、伸び特性を持たせた導電材料であることから、これまでの導電ペーストでは対応仕切れなかった領域の折り曲げ性にも対応することができ、爪折り時でも、配線の断線は発生しないフレキシブル配線シートないし配線基板を実現することができる。
<Flexible Wiring Sheet or Wiring Board>
In flexible wiring sheets or wiring boards using conventional conductive pastes, when extreme bending such as bending with a fingernail occurs, the wiring breaks. In this respect, when the conductor of the present invention is used, since it is a conductive material with elongation properties, it can accommodate bending in areas that could not be handled with conventional conductive pastes, and it is possible to realize a flexible wiring sheet or wiring board in which the wiring does not break even when bending with a fingernail.
次に実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。 The present invention will now be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
<(A)水溶性熱可塑性樹脂の準備>
導電性組成物を調製するための(A)水溶性熱可塑性樹脂として、以下の2種を準備した。
・樹脂A:ポリビニルピロリドン(株式会社日本触媒製 ポリビニルピロリドンK-30、SP値13(J/cm3)1/2、重量平均分子量100,000)
・樹脂B:ポリエチレンオキサイド(住友精化株式会社製 PEO-1、SP値13(J/cm3)1/2、重量平均分子量200,000)
各樹脂を日本テルペン株式会社製テルピネオールCまたは水に溶解させて、固形分33質量%となるように樹脂溶液を調製した。なお、各樹脂の重量平均分子量は、GPC法(ポリスチレン標準)により測定した。
また、比較のため水溶性熱硬化性樹脂(アイカ工業株式会社製 ショーノールBRL-149、SP値12(J/cm3)1/2)を準備した。
<(A) Preparation of Water-Soluble Thermoplastic Resin>
The following two types of water-soluble thermoplastic resin (A) for preparing the conductive composition were prepared.
Resin A: Polyvinylpyrrolidone (Polyvinylpyrrolidone K-30, manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., SP value 13 (J/cm 3 ) 1/2 , weight average molecular weight 100,000)
Resin B: Polyethylene oxide (PEO-1, manufactured by Sumitomo Seika Chemicals Co., Ltd., SP value 13 (J/cm 3 ) 1/2 , weight average molecular weight 200,000)
Each resin was dissolved in Terpineol C manufactured by Nippon Terpene Co., Ltd. or water to prepare a resin solution having a solid content of 33% by mass. The weight average molecular weight of each resin was measured by a GPC method (polystyrene standard).
For comparison, a water-soluble thermosetting resin (Shonol BRL-149, manufactured by Aica Kogyo Co., Ltd., SP value 12 (J/cm 3 ) 1/2 ) was also prepared.
<(B)ブロック共重合体の準備>
導電性組成物を調製するための(B)ブロック共重合体として、以下のものを準備した。
ブロック共重合体:アクリルブロック共重合体(アルケマ社製 M52、SP値10(J/cm3)1/2、重量平均分子量50,000)
上記ブロック共重合体をジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテートに溶解させて、固形分50質量%となるように樹脂溶液を調製した。
また、比較のため、室温において非ブロック共重合体である非晶性ポリエステルポリオール(東洋紡株式会社製 バイロン-290、SP値11(J/cm3)1/2、重量平均分子量50,000、Tg=72℃)を準備した。なお、ブロック共重合体および非ブロック共重合体の重量平均分子量は、GPC法(ポリスチレン標準)により測定した。
<(B) Preparation of Block Copolymer>
As the block copolymer (B) for preparing the conductive composition, the following was prepared.
Block copolymer: acrylic block copolymer (M52 manufactured by Arkema, SP value 10 (J/cm 3 ) 1/2 , weight average molecular weight 50,000)
The above block copolymer was dissolved in diethylene glycol monoethyl ether acetate to prepare a resin solution having a solid content of 50% by mass.
For comparison, an amorphous polyester polyol (Vylon-290, manufactured by Toyobo Co., Ltd., SP value 11 (J/cm 3 ) 1/2 , weight average molecular weight 50,000, Tg = 72°C), which is a non-block copolymer at room temperature, was prepared. The weight average molecular weights of the block copolymer and non-block copolymer were measured by the GPC method (polystyrene standard).
<SP値の算出>
なお、上記した樹脂A、B、水溶性熱硬化性樹脂、ブロック共重合体、および非晶性ポリエステルポリオールの各SP値は、Polymer Engineeringand Science,Feburuary,1974,Vol.14,No.2,147~154Pに記載のFedors法によって計算される値であり、次式により算出した。
SP値=(△H/V)1/2
(式中、ΔHはモル蒸発熱(cal)を、Vはモル体積(cm3)を表す。)
上記した(A)水溶性熱可塑性樹脂と(B)ブロック共重合体とのSP値の差の絶対値(ΔSP値)は、下記表1に示されるとおりであった。
<Calculation of SP value>
The SP values of the above-mentioned resins A and B, the water-soluble thermosetting resin, the block copolymer, and the amorphous polyester polyol are values calculated by the Fedors method described in Polymer Engineering and Science, February, 1974, Vol. 14, No. 2, pp. 147-154, and were calculated according to the following formula.
SP value = (△H/V) 1/2
(In the formula, ΔH represents the molar heat of vaporization (cal), and V represents the molar volume (cm 3 ).)
The absolute value of the difference in SP value (ΔSP value) between the water-soluble thermoplastic resin (A) and the block copolymer (B) is as shown in Table 1 below.
<(C)導電性粒子の準備>
導電性組成物を調製するための(C)導電性粒子として、以下の2種の導電性粒子を準備した。
導電性粒子A:銀粉(福田金属箔粉工業株式会社製 シルベストAgC-G、平均一次粒子径0.5μm、みかけ空隙率83%、DBP吸油量90ml/100g)
導電性粒子B:カーボンブラック(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製 EC300J、平均一次粒子径39.5μm、みかけ空隙率91%、DBP吸油量360ml/100g)
<(C) Preparation of Conductive Particles>
As the conductive particles (C) for preparing the conductive composition, the following two types of conductive particles were prepared.
Conductive particle A: Silver powder (Sylvest AgC-G, manufactured by Fukuda Metal Foil and Powder Co., Ltd., average primary particle size 0.5 μm, apparent porosity 83%, DBP oil absorption 90 ml/100 g)
Conductive particles B: Carbon black (EC300J, manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd., average primary particle diameter 39.5 μm, apparent porosity 91%, DBP oil absorption 360 ml/100 g)
なお、導電性粒子AおよびBの各平均一次粒子径は、を走査型電子顕微鏡にて10,000倍の倍率で観察し、ランダムに10個の一次粒子を抽出し、その粒子径を測定して得られた平均値を算出することにより求めた。また、みかけ空隙率は、導電性粒子Aの密度ρ0を10.49g/cm3、導電性粒子Bの密度を2.2g/cm3として、上記の式:P=(1-ρ/ρ0)×100から算出した。さらに、DBP吸油量は、JIS K 6217-4:2017に準拠して測定した。 The average primary particle diameter of each of the conductive particles A and B was obtained by observing the conductive particles A and B with a scanning electron microscope at a magnification of 10,000 times, randomly extracting 10 primary particles, measuring their particle diameters, and calculating the average value. The apparent porosity was calculated from the above formula: P = (1 - ρ/ρ 0 ) x 100, assuming that the density ρ 0 of the conductive particles A was 10.49 g/cm 3 and the density of the conductive particles B was 2.2 g/cm 3. Furthermore, the DBP oil absorption was measured in accordance with JIS K 6217-4:2017.
<導電性組成物の調製>
上記した(C)導電性粒子と各樹脂溶液とを、下記表1に示した組成に従って配合し、攪拌機にて予備撹拌混合した後、3本ロールミル(EXAKT社製、EXAKT50)を用いて、3本ロールミルの混練回数、回転速度、ロール間隔等の条件を変えて混練することで、実施形態に係る導電性組成物を得た。なお、表1中の配合量の数値は固形分換算での質量部を表す。
<Preparation of Conductive Composition>
The conductive particles (C) and each resin solution were mixed according to the composition shown in Table 1 below, pre-mixed with a mixer, and then mixed with a three-roll mill (EXAKT50, manufactured by EXAKT) while varying the conditions such as the number of times of mixing, the rotation speed, and the roll spacing of the three-roll mill, to obtain a conductive composition according to the embodiment. The numerical values of the amounts mixed in Table 1 represent parts by mass converted into solid content.
<導電性組成物の評価>
(1)連続印刷性の測定
各導電性組成物を、PETフィルム基材(東レ株式会社製ルミラー)にスクリーン印刷で塗布した際、連続で印刷可能であった枚数を測定した。以下の評価基準に基づいて連続印刷性の評価を行った。
◎:100枚以上の連続印刷が可能
○:10枚以上、100枚未満の連続印刷が可能
×:樹脂成分の分離、版詰まり、導電性組成物はじきなどが起きて印刷不可
評価結果は表1に示されるとおりであった。
<Evaluation of Conductive Composition>
(1) Measurement of Continuous Printability When each conductive composition was applied to a PET film substrate (Lumirror manufactured by Toray Industries, Inc.) by screen printing, the number of sheets that could be continuously printed was measured. The continuous printability was evaluated based on the following evaluation criteria.
⊚: Continuous printing of 100 sheets or more was possible. ◯: Continuous printing of 10 sheets or more but less than 100 sheets was possible. ×: Printing was impossible due to separation of the resin component, clogging of the plate, or bleed-through of the conductive composition. The evaluation results are shown in Table 1.
(2)比抵抗の測定
各導電性組成物を、基材にスクリーン印刷で塗布し、80℃で30分間熱処理して導電体を得た。基材としては、PETフィルム(東レ株式会社製ルミラー)を使用した。得られた導電体の両端の抵抗値を4端子法で測定し、さらに線幅、線長および厚さを測定し、比抵抗(体積抵抗率)を求めた。測定結果は表1に示されるとおりであった。なお、導電性組成物がスクリーン版に弾かれる、印刷中に導電性組成物が乾燥スクリーン版の目詰まりを起こすなどの理由で導電体を形成できず測定できなかった場合は、※と記入した。
(2) Measurement of specific resistance Each conductive composition was applied to a substrate by screen printing and heat-treated at 80°C for 30 minutes to obtain a conductor. A PET film (Lumirror, manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the substrate. The resistance value at both ends of the obtained conductor was measured by a four-terminal method, and the line width, line length and thickness were also measured to obtain the specific resistance (volume resistivity). The measurement results were as shown in Table 1. In addition, when a conductor could not be formed and measurement could not be performed due to the conductive composition being repelled by the screen plate or the conductive composition causing clogging of the drying screen plate during printing, etc., * was entered.
(3)伸縮性の測定
各導電性組成物を、基材にスクリーン印刷で塗布し、80℃で30分間熱処理して、線幅1mm、厚さ20μm、長さ40mmの導電体を基材上に形成した。基材としては、弾性率が30MPaのウレタン基材(大倉工業株式会社製、ES85、厚さ100μm)を使用した。
導電体を形成した基材を5mm/秒の速度で20%の伸張度となるまで伸張した後、その状態で15秒保持し導電体の比抵抗(体積抵抗率)を測定し、以下の評価基準に基づいて、導電体の伸張時の導電性を評価した。
◎:20%伸張時の比抵抗が、初期値(非伸張時)に対して10倍以下
○:20%伸張時の比抵抗が、初期値(非伸張時)に対して10倍超100倍以下
×:20%伸張時の比抵抗が、初期値(非伸張時)に対して100倍超(断線を含む)
評価結果は表1に示されるとおりであった。なお、導電性組成物がスクリーン版に弾かれる、印刷中に導電性組成物が乾燥スクリーン版の目詰まりを起こすなどの理由で導電体を形成できず測定できなかった場合は、※と記入した。
(3) Measurement of Elasticity Each conductive composition was applied to a substrate by screen printing and heat-treated at 80° C. for 30 minutes to form a conductor having a line width of 1 mm, a thickness of 20 μm, and a length of 40 mm on the substrate. A urethane substrate (manufactured by Okura Kogyo Co., Ltd., ES85, thickness 100 μm) with an elastic modulus of 30 MPa was used as the substrate.
The substrate on which the conductor was formed was stretched at a speed of 5 mm/sec to an elongation degree of 20%, and then held in that state for 15 seconds to measure the resistivity (volume resistivity) of the conductor. The conductivity of the conductor when stretched was evaluated based on the following evaluation criteria.
◎: The resistivity at 20% elongation is 10 times or less than the initial value (when not elongated). ○: The resistivity at 20% elongation is more than 10 times and less than 100 times the initial value (when not elongated). ×: The resistivity at 20% elongation is more than 100 times the initial value (when not elongated) (including breakage).
The evaluation results are shown in Table 1. In addition, when a conductor could not be formed and measurement was not possible due to reasons such as the conductive composition being repelled by the screen or the conductive composition causing clogging of the drying screen during printing, the result is marked with *.
(4)水への溶解性の測定
各導電性組成物を、基材にスクリーン印刷で塗布し、80℃で30分間熱処理して導電体を得た。基材としては、PETフィルム(東レ株式会社製ルミラー)を使用した。得られた導電体を40℃水に30秒間浸漬し、変化の様子を目視にて観察した。以下の評価基準に基づいて、導電体の水への溶解性を評価した。
◎:導電体が自然に崩壊
○:試験後、指で触れると導電体が崩壊
×:試験後、指で触れても導電体保持
評価結果は表1に示されるとおりであった。なお、導電性組成物がスクリーン版に弾かれる、印刷中に導電性組成物が乾燥スクリーン版の目詰まりを起こすなどの理由で導電体を形成できず測定できなかった場合は、※と記入した。
(4) Measurement of solubility in water Each conductive composition was applied to a substrate by screen printing and heat-treated at 80°C for 30 minutes to obtain a conductor. A PET film (Lumirror, manufactured by Toray Industries, Inc.) was used as the substrate. The obtained conductor was immersed in 40°C water for 30 seconds, and the state of change was visually observed. The solubility of the conductor in water was evaluated based on the following evaluation criteria.
: Conductor collapsed naturally : Conductor collapsed when touched with a finger after the test × : Conductor remained even when touched with a finger after the test The evaluation results are as shown in Table 1. Note that in cases where a conductor could not be formed and measurement was not possible due to reasons such as the conductive composition being repelled by the screen or the conductive composition drying during printing causing clogging of the screen, the mark * was entered.
表1に示す結果からも明らかなように、(A)水溶性熱可塑性樹脂と(B)ブロック共重合体と(C)導電性粒子とを含む導電性組成物(実施例1~6)は、水に溶解し下地基材から水での洗浄で容易に剥離可能で、ウェアラブルデバイスに求められる導電性や伸縮性を兼ね備える導電体を得ることができ、導電性組成物中の成分同士の相溶性が良好なため製造工程に求められる連続印刷性に優れることが分かる。 As is clear from the results shown in Table 1, the conductive compositions (Examples 1 to 6) containing (A) a water-soluble thermoplastic resin, (B) a block copolymer, and (C) conductive particles are soluble in water and can be easily peeled off from the base substrate by washing with water, and can produce conductors that combine the conductivity and elasticity required for wearable devices.The conductive compositions have good compatibility with each other, and therefore have excellent continuous printability, which is required for the manufacturing process.
一方、(B)ブロック共重合体に代えて非ブロック共重合体を使用した導電性組成物(比較例1)では、(A)水溶性熱可塑性樹脂と非ブロック共重合体との相溶性が低いと推測され、導電性組成物の調製に適さないことが分かる。また、バインダーとして(A)水溶性熱可塑性樹脂または(B)ブロック共重合体のいずれか一方のみを含む導電性組成物(比較例2および3)では、導電体の伸縮性と溶解性を両立させることができないことが分かる。また、(A)水溶性熱可塑性樹脂ではなく、水溶性熱硬化性樹脂を含む導電性組成物(比較例4)は、導電体の伸縮性と溶解性を得られないことが分かる。 On the other hand, in the conductive composition using a non-block copolymer instead of the (B) block copolymer (Comparative Example 1), it is presumed that the compatibility between the (A) water-soluble thermoplastic resin and the non-block copolymer is low, and it is understood that this is not suitable for preparing a conductive composition. In addition, it is understood that the conductive compositions containing only either the (A) water-soluble thermoplastic resin or the (B) block copolymer as a binder (Comparative Examples 2 and 3) cannot achieve both the elasticity and solubility of the conductor. In addition, it is understood that the conductive composition containing a water-soluble thermosetting resin instead of the (A) water-soluble thermoplastic resin (Comparative Example 4) cannot obtain the elasticity and solubility of the conductor.
Claims (2)
前記(B)ブロック共重合体は、前記(A)水溶性熱可塑性樹脂のSP値に対して±5(J/cm3)1/2のSP値を有し、
前記(A)水溶性熱可塑性樹脂と(B)ブロック共重合体との割合が、質量基準において15:85~95:5の範囲であり、
前記(C)導電性粒子の配合量が、導電性組成物の不揮発成分を基準として、5~90質量%の範囲である、ことを特徴とする、導電性組成物。 (A) a water-soluble thermoplastic resin (excluding (B) a block copolymer), (B) a block copolymer, and (C) a conductive particle;
the block copolymer (B) has an SP value of ±5 (J/cm 3 ) 1/2 of the SP value of the water-soluble thermoplastic resin (A);
the ratio of the water-soluble thermoplastic resin (A) to the block copolymer (B) is in the range of 15:85 to 95:5 on a mass basis,
The conductive composition, wherein the blending amount of the conductive particles (C) is in the range of 5 to 90 mass % based on the non-volatile components of the conductive composition.
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