JP2010512010A - 導電性回路を印刷する方法 - Google Patents

Abstract

導電性回路を印刷する方法が開示されている。この方法は、基板を提供する段階と、基板上に回路デザインを印刷する段階と、導電層を具備するフィルムを提供する段階と、フィルムの導電層の一部を基板上の印刷された回路デザインに選択的に転写する段階と、任意選択により、残存するリリースコートを除去する段階と、任意選択により、保護オーバーコートを適用する段階と、を有する。本発明の方法は、フレキシブル回路を生成するのに特に有用である。
【選択図】図５

Description

本発明は、導電性回路を印刷する方法に関する。更に詳しくは、本発明は基板上に回路デザインを印刷し、且つ、印刷された回路デザインにホットラミネーションプロセスを使用してフィルムの導電層の一部を選択的に転写する方法に関する。本発明の方法は、フレキシブル回路を生成するのに特に有用である。

回路を製造するために多数の既知のプロセスが存在する。このようなフレキシブル又は曲げることが可能な回路の製造において特に有用であるプロセスの１つが、シルクスクリーン法である。このような回路は、例えば、自動車のダッシュボード、装置制御パネル、航空機のバックリットパネル、コンピュータ、及びこれらに類似したものにおいて見出される。回路は、ポリエステルフィルムなどのフレキシブル基板上に印刷される。

しかしながら、シルクスクリーンプロセスは、非常に複雑である。まず、回路の写真ネガを製造することにより、ある所望の回路に対応するスクリーンを製造する。フレームを製造し、このフレーム上にシルクを広げる。シルクにフォトレジスト（ネガティブ）を貼付し、スクリーンをネガに露光させる。次いで、スクリーンを現像し、スクリーン上に回路の「写真」を生成する。

次いで、スクリーン印刷インクを受容可能なポリエステルなどの基板を使用し、且つ、導電性インクを混合し貼り付けることにより、パネルを製造する。通常、インクは、積層される。インクを貼付した後に、スクリーンを硬化させて基板上のインクを硬化及び乾燥させる。

シルクスクリーンプロセスは、フレキシブル回路を提供するのに有用ではあるが、欠点が存在する。例えば、シルクスクリーンプロセスから生成される化学廃棄物は、処分を必要とする。インク及び／又は化学薬品のタイプに応じて、処分のために特殊な処理が必要となろう。又、シルクスクリーンプロセスは、相対的に高価でもある。更には、シルクスクリーンプロセスを使用した場合には、（デザインにおいて）柔軟性に限界がある。プロトタイプの製造が困難であり、スクリーンの製造が完了した後には、可能であったとしても、その変更は容易ではない。

導電性回路を製造するための代替方法は、インクジェット印刷技術を使用している。しかしながらこのような技術では、インクを導電性ナノ粒子によって製造し、その後、改造型のインクジェットプリンタによって印刷している。印刷された回路を焼結（熱処理）してインク中の導電性粒子を完全に溶解させ、連続的な導電性通路を実現して回路を生成する。この方法の欠点は、高コストの導電性ナノ粒子、所望の最終特性を有する噴射可能なインクの製造に伴う難しさ、インクジェットプリンタに導電性インクを取り扱わせるべく必要とされる特殊なデザイン機能、及び「印刷」された回路に所望の導電性を実現させるべく必要とされる追加の焼結段階である。

導電性回路を製造する別の代替方法は、熱によって印刷可能な導電性リボンを使用する。このようなリボンは、第１及び第２面を具備するキャリアウェブと、キャリアウェブの第１面上に配設された導電層と、を具備する。導電層の一部は、関連する物体上に導電性回路を形成するべく、熱転写プリンタを使用して物体に転写可能である。このような熱によって印刷可能な導電性リボンの使用は、従来技術と比べて多数の利点を提供するが、熱転写プリンタの分解能が相対的に低いことにより、高度で複雑且つ詳細な回路の生成には限界があろう。更には、熱転写プリンタは、相対的に低速であるため、この方法を使用してこのような回路を印刷する速度にも限界がある。

従って、シルクスクリーンプロセス、改造型のインクジェットプロセス、又は熱転写プリンタプロセスを使用しない方法によって形成されたフレキシブル導電性回路に対するニーズが存在する。望ましいことに、この方法によれば、一般的なコンピュータ支援型の回路デザインツールを使用し、非常に複雑な回路デザインを簡単且つ迅速に生成可能である。更に望ましいことには、本方法は、様々で一般的なインクを使用し、ロートグラビア又はフレキソグラフィックオフセット印刷などの高速且つ高分解能の印刷法を使用して回路デザインを印刷可能である。更に望ましくは、本方法は、様々な標準的インク及びトナーを使用し、容易に入手可能な高分解能のレーザー又はインクジェットプリンタを使用して回路デザインを印刷可能である。最も望ましくは、本方法は、ホットラミネーションプロセスを使用し、印刷された回路デザインにフィルムの導電層の一部を選択的に転写する。

導電性回路を印刷する方法は、基板を提供する段階と、基板上に回路デザインを印刷する段階と、導電層を具備するフィルムを提供する段階と、基板上の印刷された回路デザインにフィルムの導電層の一部を選択的に転写する段階と、任意選択により、残存するリリースコートを除去する段階と、任意選択により、保護オーバーコートを適用する段階と、を有する。

本方法は、驚くべきレベルの印刷解像度を具備する導電性回路を簡単なプロセスにおいて製造する。本方法を使用することにより、電気回路が、コンピュータ支援型の回路デザインツールによって容易にデザインされ、且つ、回路デザインが、標準的なインク及びトナーを使用し、インクジェットプリンタ、レーザープリンタ、ロートグラビア印刷、又はフレキソグラフィックオフセット印刷などの一般的な高分解能の印刷装置及び技法を使用して、有利には、且つ、好ましくは、フレキシブル物体である物体に転写される。本方法は、回路を生成するべく、ホットラミネーションプロセスを使用し、印刷された回路デザインにフィルムの導電層の一部を選択的に転写する。

本発明のこれらの及びその他の特徴及び利点は、添付の請求項との関連において以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。

本発明の利益及び利点は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより、当業者に更に容易に明らかとなろう。

本発明の方法に従って形成された例示用のフレキシブル回路の平面図である。 図１のライン２−２に沿って採取された図１の回路の一部の断面図である。 本発明の方法において使用される好適なフィルムの斜視図である。 ライン４−４に沿って採取された図３のフィルムの断面図である。 図１のフレキシブル回路を製造するための好適な方法を示すフローチャートである。 本発明の方法を使用する例示的な装置の正面図である。

本発明は、様々な形態の実施例が可能であるが、本開示が、本発明の例示として見なされ、且つ、示された特定の実施例に本発明を限定することを意図したものではないという理解の下に、現時点において好適な実施例が添付図面に示されており、以下、これについて説明することとする。

本明細書の本節のタイトル、即ち、「発明の詳細な説明」は、米国特許商標庁の要件に関係したものであり、本明細書に開示された主題を意味するものではなく、或いは、これを限定するものと推定されるべきでないことを更に理解されたい。

図１を参照すれば、本発明の方法に従って形成された例示用のフレキシブル回路１０が示されている。回路１０は、マイラー、アクリル、ポリエステルフィルム、ビニルフィルム、紙、板紙、又は大部分の任意の印刷可能な基板などのフレキシブルベースフィルム又は基板１２上の、導電性材料１４から形成されている。基板１２は、フレキシブル媒体である必要はないことを理解されたい。即ち、これは、硬い媒体であってもよい。但し、本発明の利点は、フレキシブル基板１２場合に十分に発揮される。このようなフレキシブル回路は、例えば、自動車のダッシュボード、装置制御パネル、航空機のバックリットパネル、コンピュータ、及びこれらに類似したものにおいて使用可能である。

回路１０の断面が図２に示されている。基板１２は、導電性材料１４を支持し、且つ、このための構造体を提供している。導電性材料１４は、更に後述するように、回路デザインとして基板１２上に印刷されたインク又はトナーから構成された接着剤１６により、基板１２に対して保持されている。任意選択の保護コート１８を導電性材料１４上に適用可能である。

導電性材料１４を基板１２に転写する際に使用されるフィルム２０の断面が図４に示されている。好適な形態においては、フィルム２０は、図３に示されているように、リボンＲとして形成される。

図３及び図４を参照すれば、リボンとして形成されたフィルム２０は、キャリアウェブ２２と、キャリアウェブ２２上に形成されたリリースコート２４と、を含む。リリースコート２４に導電層２６が適用されている。リリースコート２４は、転写の後にフィルム２０上に（即ち、キャリア２２と共に）残存可能であり、或いは、導電層２６と共に基板１２に転写することも可能である。

キャリアウェブ２２は、様々な材料の中のいずれかから形成可能である。１つの既知の材料はポリエステルフィルムである。好ましくは、厚さが約４〜約２０ミクロンのポリエステルフィルムがキャリアウェブ２２に使用されるが、その他の規格のものも可能である。当業者は、キャリアウェブ２２に使用可能なその他のタイプ及び厚さの材料を認識するであろう。

リリースコート２４は、ホットラミネーションプロセスにおいてキャリアウェブ２２に印加された熱及び圧力に応答して、キャリアウェブ２２から導電層２６を「リリース」するべく製造されている。導電層２６と共にリリースされる（導電層２６と共に基板１２に転写される）リリースコート２４の１つのタイプが、アルカリ溶解可能な熱可塑性ポリマーであり、これは、導電層２６が基板１２に選択的に転写されて導電性材料１４を形成した後に導電層２６から除去される。

リリースコート２４を除去することにより、導電層２６との干渉の可能性が低減される。リリースコート２４は、アンモニアと水の混合物などのアルカリ溶液によって除去可能である。導電層２６と共に転写されるリリースコート２４用のその他の材料は、パラフィン、微晶質又はポリエチレングリコールなどの様々なワックスを含む。架橋剤又はカップリング剤などの変性剤をリリースコート２４に追加し、性能を改善可能である。

この代わりに、リリースコート２４は、キャリアウェブ２２上に留まり、且つ、導電層２６と共に基板１２に転写されないタイプのものであってもよい。このタイプのコーティングは、例えば、架橋結合したシリコーンに基づいた材料及びこれらに類似したものを含む。導電層２６のリリースを円滑に実行するべく、変性剤を包含可能である。

導電層２６は、リリースコート２４上においてキャリアウェブ２２に適用される。層２６は、アルミニウム、銅、銀、金、プラチナ、モリブデン、タングステン、チタニウム、タンタリウム、ゲルマニウム、シリコン及びシリコン含有材料、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウムすず酸化物（ＡＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、カーボン、ニッケル、及びこれらに類似した様々な金属から形成可能である。導電層２６は、噴霧、コーティング、イオン蒸着、真空金属被覆、スパッタコーティング、及びこれらに類似したプロセスを使用して適用可能である。当業者は、導電層２６をフィルム２０に適用可能な又はこの内部に組み込み可能な様々な方法を認識するであろう。

この代わりに、キャリアウェブ２２に適用される樹脂などのコーティングによって、導電層２６を置換することも可能であると考えられる。このようなコーティングは、導電性材料２６中に見出される同一のタイプの導電性材料を含むことになろう。このような場合には、コーティングは、（リリース層２４などの）リリース層の必要性を伴うことなしに、ホットロールラミネーションプロセスにおいてキャリアウェブ２２からリリースされて基板１２に転写されるように、製造可能である。

フレキシブル回路１０を製造する好適な方法１１０が図５のフローチャートに示されている。方法１１０は、基板（１２）を提供する段階１１２と、基板（１２）上に回路デザインを印刷する段階１１４と、導電層（２６）を具備するフィルム２０を提供する段階１１６と、フィルム２０の導電層２６の一部を基板（１２）上の印刷された回路デザインに選択的に転写する段階１１８と、任意選択により、導電層（２６）の転写された部分から残存するリリースコート（２４）を除去する段階１２０と、任意選択により、保護オーバーコートを回路（１０）に適用する段階１２２と、を有する。

好適な方法１１０の第１段階は、基板１２を提供するというものである。前述のように、基板１２は、マイラー、アクリル、ポリエステルフィルム、ビニルフィルム、紙、板紙、又は大部分の任意の印刷可能な基板などの様々な材料から構成可能である。好ましくは、基板１２は、フレキシブル材料であるが、基板１２は、本発明の範囲を逸脱することなしに、柔軟である必要はなく、硬いものであってもよいことを理解されたい。

次に、回路デザインを基板１２上に印刷する（１１４）。好適な実施例においては、回路デザインは、標準的なインク及びトナーにより、インクジェットプリンタ、レーザープリンタ、ロートグラビア印刷、又はフレキソグラフィックオフセット印刷などの一般的な高分解能の印刷装置及び技法を使用して、基板１２上に印刷される。このような装置及び技法と共に使用される大部分のインク及びトナーは、その組成中に、熱によって活性化可能なバインダ材料を含む。当業者には知られているように、このようなバインダ材料は、熱を印加した際に印刷対象の表面に接着し、これにより、望ましい印刷されたデザインを生成するべくデザインされる。このようなインク及びトナーは、印刷された際に基板１２に接着するのみならず、更に後述するように、ホットロールラミネーションプロセスにおいてフィルム２０の導電層２６にも接着するため、本発明において好ましい。

次の段階において、導電層２６を具備するフィルム２０を提供する（１１６）。前述のように、フィルム２０は、好ましくは、リボン（Ｒ）として形成されており、且つ、キャリアウェブ２２、キャリアウェブ２２上に形成されたリリースコート２４、及びリリースコート２４上に形成された導電層２６から構成されている。

次に、導電層２６の一部を、フィルム２０から基板（１２）上に印刷された回路デザインに選択的に転写する（１１８）。好適な実施例においては、これは、当業者には知られているように、ホットラミネーティングロールプロセスを使用して実現される。このようなプロセスにおいては、その上部に印刷された回路デザインを有する基板１２は、フィルム２０の導電層２６と接触した状態において、ホットラミネーティングローラー上を（又は、実施例に応じて、この下を）通過する。好ましくは、基板１２がフィルム２０と共にホットラミネーティングローラー上を通過する際に、ホットラミネーティングローラーは、フィルム２０のキャリアウェブ２２の下面と接触した状態にあり、且つ、フィルム２０の導電層２６は、基板１２上に印刷された回路デザインと接触した状態にある。

この段階において、ホットラミネーティングローラーは、熱及び圧力をフィルム２０のキャリアウェブ２２に印加し、この結果、このような熱及び圧力は、フィルム２０を通じて、回路デザインを構成する基板１２上に印刷されたインク又はトナーに伝達される。ホットラミネーティングローラーからの熱は、インク又はトナー中に含まれた熱によって活性化可能なバインダを活性化させて、インク又はトナーに接着特性を付与し、且つ、フィルム２０のリリース層２４をキャリアウェブ２２からリリースさせるか又は導電層２６をリリースさせる。好適な実施例においては、ホットラミネーティングローラーの温度は、華氏２００〜４００度の範囲、更に好ましくは、華氏２５０〜３００度の範囲内に設定される。

ホットラミネーティングローラーの（好適な実施例においては、０〜２５ｐｓｉである）圧力により、インク又はトナーと接触した状態にあるフィルム２０の導電層２６の部分が、インク又はトナーに接着すると共にフィルム２０からリリースされる。インク又はトナーと接触した状態にはないフィルム２０の導電層２６の部分は、基板１２に転写されない。従って、（回路１０の導電性材料１４を形成するための）基板１２への導電層２６の選択的な転写は、回路デザインが印刷された場所にのみ発生し、この結果、望ましい回路デザインを有する回路を生成する。

必要に応じて、この段階で形成された電気回路又は電気回路１０の一部から、残存するリリースコート材料を除去する（１２０）。転写された電気回路１０に任意選択の（例えば、オーバーコーティングなどの）保護コーティングを適用可能である（１２２）。

本発明の好適な方法を利用するシステムの一実施例が図６に示されている。このシステムにおいては、基板１２は、方向Ｘにおいて移動する。プリンタ６０が基板１２の移動経路に隣接して配設されており、このプリンタ６０は、本発明の好適な方法による熱によって活性化可能なインク又はトナーを使用する、インクジェットプリンタ又はレーザープリンタであってよい。基板１２がプリンタ６０に隣接して移動するのに伴って、プリンタ６０は、基板１２上に所望の回路デザインを印刷する。

ホットラミネーションローラー６２も、基板１２の移動経路に隣接して配設されている。リボンとして形成されたフィルム２０は、供給リール６６上に保存されており、ホットラミネーションローラー６２と基板１２の間において、供給リール６６から経路に沿って移動し、リール６８によって巻き取られる。

基板１２上に印刷された回路デザインがフィルム２０及びホットラミネーションローラー６２の下を移動する際に、ホットラミネーションローラー６２の熱が、印刷された回路デザインを構成する、熱によって活性化可能なインク又はトナーを活性化し、これにより、インク又はトナーに接着特性を付与する。更には、ホットラミネーションローラー６２の熱により、フィルム２０のリリース層２４がキャリアウェブ２２からリリースされるか又は導電層２６がリリースされる。ホットラミネーションローラー６２によって印加された圧力により、インク又はトナーと接触した状態にあるフィルム２０の導電層２６の部分が、インク又はトナーに接着すると共にフィルム２０からリリースされる。インク又はトナーと接触した状態にはない導電層２６の部分は、基板１２に転写されない。

従って、（回路１０の導電性材料１４を形成するための）基板１２に対する導電層２６の選択的な転写は、回路デザインが印刷されている場所においてのみ発生し、この結果、所望の回路デザインを有する回路を生成する。

本発明の利点の１つは、簡単且つ迅速なプロセスを使用した様々な基板上における回路の生成を許容するという点にある。更には、オリジナル画像をレーザー又はインクジェットプリンタを使用して生成した際には、可変情報能力などのコンピュータによって生成されたデジタル印刷の利点のすべてが実現される。単一の製造ラインを使用し、複数の多様な回路デザインを連続的に印刷可能であり、且つ、様々な回路を形成可能である。

ロートグラビア印刷又はフレキソグラフィックオフセット印刷などのその他の印刷法を使用した際には、多様な回路デザインを容易に印刷する能力が更に制限される可能性があるが、回路デザインを印刷する速度を増大可能であるという点が有利である。本明細書において引用されたすべての特許は、本開示の本文において具体的に引用されたかどうかとは無関係に、引用により、本明細書に包含される。

本開示においては、「１つ（ａ又はａｎ）」という用語は、単数及び複数の両方を含むものと解釈されたい。逆に、複数の物品に対する参照も、適宜、単数形を含むことになる。

上記の内容から、本発明の新規の概念の真の精神及び範囲を逸脱することなしに、多数の変更及び変形を実施可能であることが理解されるであろう。示された特定の実施例との関係における制限は、意図されておらず、或いは、推定されるべきでないことを理解されたい。本開示は、請求項の範囲に含まれるこのようなすべての変更を含むものと解釈されたい。

Claims (21)

1. 導電性回路を生成する方法において、
   基板を提供し、
   前記基板上に前記回路のデザインを印刷し、
   導電層を具備するフィルムを提供し、
   前記導電層を前記基板に選択的に転写して前記回路を形成する、
   各段階を有する方法。
2. 前記フィルムは、その上部に前記導電層が形成されるキャリアウェブを更に有する、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
3. 前記フィルムは、前記キャリアウェブと前記導電層の間にリリース層を更に有する、請求項２記載の導電性回路を生成する方法。
4. 前記選択的に転写された導電層からリリースコートを除去する段階を更に有する、請求項３記載の導電性回路を生成する方法。
5. 任意選択により、保護オーバーコートを前記回路に適用する段階を更に有する、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
6. 前記基板はフレキシブルである、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
7. 前記基板は、マイラー、アクリル、ポリエステルフィルム、ビニルフィルム、紙、及び板紙から構成された群から選択された材料から構成される、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
8. 前記回路の前記デザインは、インクジェットプリンタを使用して印刷される、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
9. 前記回路の前記デザインは、レーザープリンタを使用して印刷される、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
10. 前記回路の前記デザインは、ロートグラビア印刷によって印刷される、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
11. 前記回路の前記デザインは、フレキソグラフィックオフセット印刷によって印刷される、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
12. 前記回路の前記デザインは、トナーを使用して印刷される、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
13. 前記トナーは、熱によって活性化可能なバインダを有する、請求項１２記載の導電性回路を生成する方法。
14. 前記回路の前記デザインは、インクを使用して印刷される、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
15. 前記インクは、熱によって活性化可能なバインダを有する、請求項１４記載の導電性回路を生成する方法。
16. 前記導電層は、アルミニウム、銅、銀、金、プラチナ、モリブデン、タングステン、チタニウム、タンタリウム、ゲルマニウム、シリコン及びシリコン含有材料、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウムすず酸化物（ＡＴＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、カーボン、並びに、ニッケルから構成された群から選択された少なくとも１つの導電性材料を有する、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
17. 前記導電層を基板に選択的に転写して前記回路を形成する前記段階は、ホットロールラミネーションプロセスを有する、請求項１記載の導電性回路を生成する方法。
18. 前記ホットロールラミネーションプロセスは、
    ホットラミネーティングローラーを提供し、
    トナーを使用して、前記基板上に前記回路の前記デザインを印刷し、
    前記フィルムを前記ホットラミネーティングローラーに搬送し、
    前記基板を前記ホットラミネーティングローラーに搬送し、
    前記フィルムを前記ホットラミネーティングローラーと前記基板の間に配置し、
    前記ホットラミネーティングローラーを使用して、熱及び圧力を前記フィルム及び前記基板に印加する、各段階を備え、前記フィルムの前記導電層は、前記トナーに接着することによって前記フィルムから前記基板に選択的に転写される、請求項１７記載の導電性回路を生成する方法。
19. 前記トナーは、熱によって活性化可能なバインダを有する、請求項１８記載の方法。
20. 前記ホットロールラミネーションプロセスは、
    ホットラミネーティングローラーを提供し、
    インクを使用して、前記基板上に前記回路の前記デザインを印刷し、
    前記フィルムを前記ホットラミネーティングローラーに搬送し、
    前記基板を前記ホットラミネーティングローラーに搬送し、
    前記フィルムを前記ホットラミネーティングローラーと前記基板の間に配置し、
    前記ホットラミネーティングローラーを使用して、熱及び圧力を前記フィルム及び前記基板に印加する、各段階を備え、前記フィルムの前記導電層は、前記インクに接着することによって前記フィルムから前記基板に選択的に転写される、請求項１７記載の導電性回路を生成する方法。
21. 前記インクは、熱によって活性化可能なバインダを有する、請求項２０記載の方法。

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