プリンテッドエレクトロニクス徹底解剖

2013年5月20日「プリンテッドエレクトロニクスと材料技術」

大阪大学 産業科学研究所 教授 菅沼 克昭 氏

　プリンテッドエレクトロニクス技術が、早くもビジネスとして動き始めた。プリンテッドエレクトロニクス技術の成功の鍵となる要素は、そのインク材料にある。 　必要な印刷インク材料や、金属ナノワイヤなどを用いたITO代替材料の低温プロセスが可能になり、さらに、これらに光エネルギーを利用した低温焼成技術に進展も加わり、プリンテッドエレクトロニクス配線技術が展開している。 　本講演では、プリンテッドエレクトロニクスに関する最近の動向について紹介する。

1. プリンテッド・エレクトロニクスとは?
   1. プリンテッド・エレクトロニクスの世界の動き
   2. 印刷技術で実現する新たな電子デバイスの世界
      • 電子ペーパー
      • 半導体
      • メモリ・受動部品
      • フレキシブルディスプレイと照明
      • LCD・PDP
      • OLEDディスプレイ (有機発光ダイオード:Organic Light-Emitting Diode)
      • OLED照明
      • RFIDタグとアンテナ
      • バッテリー
      • 微細配線・SiP
      • ストレッチャブル配線
   3. プリンテッド・エレクトロニクス市場形成に必要な要素技術
2. プリンテッド・エレクトロニクスのための印刷技術
   1. インクジェット印刷:基礎パラメータ
      • インクジェット吐出と着弾
      • 溶媒の乾燥
   2. シミュレーション/インクジェット印刷
   3. その他の印刷
      • μCP
      • ナノインプリント
      • スクリーン印刷
3. プリンテッド・エレクトロニクスのための材料技術と低温化プロセス技術
   1. 導電性インク:金属ナノ粒子インク
   2. 有機エレクトロニクス材料
   3. 無機材料
   4. その他の材料:セラミックス材料
      • 透明導電膜材料
      • カーボン・ナノチューブ
4. プリンテッド・エレクトロニクスのこれから
• 質疑応答・名刺交換

2013年6月7日「プリンテッドエレクトロニクスにおけるスクリーン印刷の優位点とその技術動向」

　本格的な実用化を迎えつつあるプリンテッドエレクトロニクスは現在、大きな注目を浴びております。種々の印刷技術が検討されていますが、中でもスクリーン印刷は他に比べ、装置が安価、積層印刷に向くなどといった優位点を持ち、また近年、技術進展が著しいことから、プリンテッドエレクトロニクスを担う中核技術として期待されています。 　そうした状況を踏まえ、本セミナーでは、スクリーン印刷の原理から関連材料の開発動向や製品開発への応用例まで、3名の講師がそれぞれの立場から徹底解説。プリンテッドエレクトロニクスにおけるスクリーン印刷技術の役割や現況の技術レベル、今後の見通しなどを考察します。

第1部 スクリーン印刷のメカニズムとPEにおける優位性

(2013年6月7日 11:00〜12:30)

ニューロング精密工業 (株) 開発部 技師 浅野 靖文 氏

　スクリーン印刷法は孔版印刷の一種である。スクリーン印刷法は、多種のインクに対応する事が可能であり、特に高粘度インクに対応出来る事が特徴だ。また、スクリーン印刷法は比較的簡易的な装置で高精度なパターン形成可能な手法でもある。 　ここでは、スクリーン印刷法のメカニズムに付いて解説し、プリンタブルエレクトロニクスにスクリーン印刷法を応用した場合の優位性に付いて説明する。

1. スクリーン印刷法について
   1. スクリーン印刷法の原理
   2. スクリーン印刷法の応用例
   3. スクリーン印刷法の特徴、優位性
2. スクリーン印刷法のメカニズム
   1. スクリーン印刷法における各種条件
      1. 製版条件
      2. 印圧
      3. 印刷条件
   2. スキージ
      1. 材質と形状
      2. アタック角度
      3. 印刷性に与える要因
3. 最近のスクリーン印刷機の動向
   1. 実験、試作用スクリーン印刷機
   2. 小型スクリーン印刷機
   3. 大勝スクリーン印刷機
   4. ロールtoロールスクリーン印刷機
      1. 平版スクリーン印刷機
      2. ロータリースクリーン印刷機
• 質疑応答・名刺交換

第2部 スクリーン印刷用ナノ粒子ペーストの開発と配線パターン形成

(2013年6月7日 13:30〜14:40)

(地独) 大阪市立工業研究所 有機材料研究部ナノマテリアル研究室 研究員 山本 真理 氏

　プリンテッド・エレクトロニクスのためのナノ粒子ペーストとスクリーン印刷による配線・電極形成技術について、私らが開発したナノ粒子ペーストを中心に紹介する。 本セミナーでは、ナノ粒子製造法やスクリーン印刷用ナノ粒子ペーストの作製法や求められる特性について解説し、スクリーン印刷による配線の微細化がどこまで進んでいるかの実例を挙げる。
また、配線の線幅/線間隔の微細化により、電子機器の故障の原因となるイオンマイグレーションが起こりやすくなり、その防止が課題となっている。そこで、イオンマイグレーションの原理、防止方法について説明し、合金化によるマイグレーション防止例として、銀‐パラジウム合金ナノ粒子ペースト、銀‐銅複合ナノ粒子ペーストおよび銅ナノ粒子ペーストについて述べる。 　最後に、スズドープ酸化インジウム (Indium Tin Oxide (ITO) ) ナノ粒子ペーストに
よる透明導電膜形成について述べる。

1. ナノ粒子の製造法
2. スクリーン印刷用ナノ粒子ペーストの作製
3. 銀ナノ粒子ペーストによる微細配線形成
4. イオンマイグレーションの防止方法
5. イオンマイグレーション耐性を有するナノ粒子ペースト
   1. 銀-パラジウム合金ナノ粒子ペースト
   2. 銀-銅複合ナノ粒子ペースト
   3. 耐酸化性銅ナノ粒子ペースト
6. ITOナノ粒子ペーストによる透明導電膜形成
• 質疑応答・名刺交換

第3部 スクリーン印刷を用いたフレキシブルデバイスの開発と今後の見通し

(2013年6月7日 14:50〜16:20)

(独)産業技術総合研究所 フレキシブルエレクトロニクス研究センター
印刷エレクトロニクスデバイスチーム 主任研究員 植村 聖 氏

　スクリーン印刷は数ある印刷技術の中でデバイスの製造に実際に適応されている数少ない印刷法である。近年の印刷技術の進歩により、国内外多くの企業や研究所、大学で様々なスクリーン印刷を用いたデバイスの開発が行われている。 　本講演ではスクリーン印刷用いたデバイス開発の現状と今後の見通しについて、最近の技術動向と産総研での開発事例を中心に紹介する。

1. 背景
   1. フレキシブルデバイスとは
   2. フレキシブルデバイス開発の技術動向
   3. 低温焼成技術
2. スクリーン印刷を用いたデバイス作製
   1. デバイス作製におけるスクリーン印刷技術の適応例
   2. スクリーン印刷によるデバイス作製の長所と短所
   3. スクリーン印刷を用いたフレキシブルデバイスの開発
   4. 現状と課題
3. 今後の展望
• 質疑応答・名刺交換

2013年6月11日「プリンテッドエレクトロニクスのインク・ペースト材料技術」

第1部 100℃以下、低温焼結可能な銀ナノ粒子の開発・量産と応用

(2013年6月11日 10:30〜11:40)

山形大学 理学部 物質生命化学科 教授 博士 (理学) 栗原 正人 氏

　電極材料である銀ナノ微粒子を用いたプリンテッドエレクトロニクスの産業化がいよいよ現実味を帯びてきた中、高性能・高純度な銀ナノ微粒子を如何に安価で、且つ、大量合成するか?また、そのユーザーサイド個々の要望に応じたカスタマイズの容易さが求められている。 　ここでは、室温～100℃以下の低温で焼成できる (低温融着する) 銀ナノ微粒子の特徴を紹介する。また、「多様性に富んだ銀ナノ微粒子」の安価・大量合成、その塗布膜構造による差別化、その実用化・産業化に向けた山形大学の取り組みも紹介する。時間があれば、耐空気酸化性を有する金属光沢を放つ銅ナノ微粒子や銀銅合金系ナノ微粒子の特徴についても紹介したい。

1. 銀ナノ微粒子について
   1. その表面構造からの分類?
   2. 低温焼成に最適な構造とは?
2. ナノ粒子製造の課題
   1. 安価・大量合成と低炭素化合成の獲得に向けて
   2. 山形大学の銀ナノ微粒子のオリジナル製造技術とその差別化
3. 銀ナノ微粒子の特徴
   1. 緻密構造膜
   2. 微細配線の実施例
   3. 高光反射と高導電性の両立
4. 実用化・産業化に向けた山形大学の取り組みについて
5. 銅ナノ微粒子について
   1. 表面酸化抑制された銅ナノ微粒子の特徴
   2. ナノ微粒子の形状
   3. ナノ微粒子の導体化と課題
6. 銀銅合金ナノ微粒子について
   1. 銅シェル銀コアナノ微粒子の構造と特徴
   2. ナノ微粒子の導体化と課題
• 質疑応答・名刺交換

第2部 フォトシンタリングプロセスによる導電性銅ナノインクの大気下・室温・短時間焼成の実現

(2013年6月11日 12:20〜13:30)

石原薬品 (株) 第三研究部 開発1課 課長 博士 (理学) 有村 英俊 氏 【講師紹介】

　プリンテッドエレクトロニクス (PE) 分野は、製造プロセスの大幅な簡略化、製造の短期化、コストの削減、低環境負荷であることから注目されている。近年、PE分野において、EM耐性が高く、原料の安価な銅ナノ粒子を含む導電性銅ナノインクによる回路形成が注目されている。しかし、銅ナノ粒子は表面の活性が大きく、容易に酸化するため、印刷後に高温で不活性下もしくは還元雰囲気において、長時間焼成する必要があり、実用化には多くの課題がある。これらの課題を克服した焼成方法の一つとして、紫外から赤外領域までの幅広い波長を有するフラッシュ光を利用したフォトシンタリングが提案されている。 　本稿では、プリンテッドエレクトロ二クスにおける導電性銅ナノインクの適用が検討されている分野と、フォトシンタリングプロセスについて解説し、その焼成メカニズ
ム、各種印刷法による回路形成技術についても取り上げる。

1. プリンテッドエレクトロニクスについて
   1. アプリケーション
   2. 従来法との比較
   3. 各種印刷技術
2. 導電性銅ナノインクとフォトシンタリングプロセスについて
   1. 導電性銅ナノインクにおける課題
   2. 各種焼成方法
   3. フォトシンタリングプロセスの特長
3. 導電性銅ナノインクとフォトシンタリングプロセスメカニズム
   1. 導電性銅ナノインクの特長
   2. 焼結銅皮膜の特性
   3. 基材との密着性
   4. フォトシンタリングメカニズム
4. 各種印刷方法による回路形成
   1. インクジェット印刷法
   2. そのほか吐出方式
   3. 有版印刷
   4. めっき法による増膜
• 質疑応答・名刺交換

第3部 銅ナノ粒子,銅錯体インクによる導電性銅薄膜の低温合成

(2013年6月11日 13:40〜14:50)

広島大学 工学研究院 物質化学工学部門 化学工学講座 教授 矢吹 彰広 氏

　電子回路基板の回路パターンを形成する方法として金属粒子と樹脂バインダを用いた導電性ペーストがある。電子機器の高性能化に伴いフレキシブル基板への回路パターンには低温で焼成が可能な金属ナノペーストが有望であり,銅ナノ粒子の利用が注目されているが,銅は空気中では酸化しやすくハンドリングの問題がある。 　ここでは,銅ナノ粒子を用いたペーストの酸化および還元処理による導電性薄膜の低温焼成について述べる。さらに,銅ナノ粒子の酸化挙動、特に粒子表面における酸化プロセスについて述べる。導電性薄膜合成の別のアプローチとして,銅錯体の低温熱分解により得られる銅薄膜の特性について述べる。

1. 銅材料を用いたプリンタブルエレクトロニクス
   1. 銅ナノ粒子によるアプローチ
   2. 銅錯体インクによるアプローチ
2. 銅ナノ粒子を用いた導電性薄膜の低温焼結
   1. 銅ナノ粒子の特性
   2. 焼結環境の影響
   3. 焼結温度の影響
   4. 導電性薄膜の構造
3. 銅ナノ粒子の表面酸化挙動
   1. 銅ナノ粒子の表面酸化制御
   2. 酸化温度の影響
   3. 銅ナノ粒子の表面酸化プロセス
4. 銅アミン錯体による導電性薄膜の低温合成
   1. アミン錯体化の効果
   2. 温度の影響
   3. 導電性薄膜の構造
• 質疑応答・名刺交換

第4部 銅ナノ粒子の合成技術と長期分散安定性・耐酸化性を有する銅ナノインクの開発

(2013年6月11日 15:00〜16:10)

(独) 産業技術総合研究所 コンパクト化学システム研究センター・上級主任研究員 林 拓道 氏

　金属銅ナノ粒子は、銅の優れた電気伝導性及びナノ粒子化による融点降下を利用した低温焼成化の特徴から、銅ナノ粒子インクを用いた電子回路基板の直接印刷技術への適用が期待されている。一方、銅ナノ粒子は酸化されやすいという欠点があり、長期間分散安定性・耐酸化性の高い銅ナノ粒子インクが求められている。 　銅ナノ粒子は主に有機溶媒を用いたポリオール法などにより合成されているが、我々は、超臨界水熱合成法に着目した。本法は、水の超臨界状態をナノ粒子の反応晶析場として利用する合成法であり、これまでに種々の金属酸化物ナノ粒子の合成が多数報告されてきたが、金属ナノ粒子合成に関する報告は僅少であった。 　本稿では、既往の銅ナノ粒子合成法を概説した上で、ナノ粒子の連続合成が可能な流通式超臨界水熱合成法による金属銅ナノ粒子の合成及び合成銅ナノ粒子の溶媒中での分散安定性及び耐酸化性の評価さらにナノ粒子インク化への試みについて講演を行う。

1. 金属ナノ粒子インクの応用
   1. プリンテッドエレクトロニクスへの応用
   2. 印刷プロセスの分類
   3. フレキシブル基板の特性
   4. 金属ナノ粒子インクの特性
2. 金属銅ナノ粒子の合成法
   1. ポリオール法
   2. ソルボサーマル法
   3. 熱分解法
3. 超臨界水熱法による金属銅ナノ粒子の合成
   1. 超臨界水とは
   2. 超臨界水熱合成法
   3. 流通式水熱合成システム
   4. 金属銅ナノ粒子の連続合成
4. 金属銅ナノ粒子の分散安定化とインク化
   1. 金属銅ナノ粒子の分散安定性及び耐酸化性の評価
   2. 金属銅ナノインクの特性
   3. おわりに
• 質疑応答・名刺交換

2013年6月26日「プリンテッドエレクトロニクスにおけるインクジェット技術の動向と課題」

　更なるフレキシブル化、軽量化を目指すプリンテッドエレクトロニクス製造において重要な要素技術の一つであるインクジェット技術にフォーカスします。現実的に微細、高精細の配線形成、パターニングを実現していくためには?という観点から経験豊富な講師、開発の第一線で活躍されている講師にお話しいただきます。

第1部 インクジェット技術のプリンテッド・エレクトロニクス製造工程への応用の必須知識、課題と対策

(2013年6月26日 10:30〜12:00)

インクジェット・ジェーピー 代表 小藤 治彦 氏

　オンデマンド型インクジェットを使用する場合に知っておくべき必須知識として、インクジェットの基本特性および不具合の発生理由について述べる。またプリンテッド・エレクトロニクスに応用する場合問題となる均一面の塗布および細線の形成に関して述べる。

1. インクジェットの種類
2. インクジェットの応用
3. インクの種類
4. インク種類とヘッド適応性
5. インクの必要特性
6. インクジェットヘッドのモデル化
7. 「押し打ち」の式
8. パラメータのばらつきとそれによる吐出特性変化
   1. (ア) ノズル直径小
   2. (イ) 圧力室幅小
   3. (ウ) インク粘度小
   4. (エ) インク密度小
   5. (オ) 気泡の存在 (30μm)
9. 吐出量変動のまとめ/なにが吐出量変動に効くか
10. 速度変動のまとめ/なにが速度変動に効くか
11. 引き打ち波形
12. 押打ちと引打ちの比較/同じヘッドでも駆動波形で吐出特性が変わる
13. 集中定数モデルの注意点
14. 微小液滴と平均飛翔速度
    1. (ア) インク表面張力による速度低下
    2. (イ) 空気抵抗による速度低下
15. 速度と吐出量の関係
16. 吐出量は何で決まるか
17. 最適吐出量の決め方
18. 最適速度の決め方
19. 記録ドット面積の不均一
20. 記録ドット形状の不均一
21. 細線印刷の工夫例
• 質疑応答・名刺交換

第2部 小液滴・高精度吐出インクジェットヘッドの開発とプリンテッドエレクトロニクスのへの活用

(2013年6月26日 12:40〜13:30)

コニカミノルタ (株) インクジェット事業部 第2開発部 MEMSプロジェクトリーダー 西 泰男 氏

1. MEMS1plヘッド開発背景
   • プリンテッドエレクトロニクス市場
   • プリンテッドエレクトロニクスとインクジェット
   • 高精細インクジェットの現状とMEMS1plヘッド
2. MEMS1plヘッド概要
   • ヘッド仕様
   • ヘッド構造
   • ヘッドインク流路
   • ヘッド駆動方式
3. MEMS1plヘッド重要技術
   • 流路設計
   • 構造クロストーク設計
   • 高精度ノズルプレート
4. MEMS1plヘッド射出特性
   • 射出吐出状態
   • 射出感度
   • 液滴精度
   • 液滴着弾精度
   • 射出周波数特性
   • 液滴粘度と射出特性
   • DPNシステムによる液滴補正
5. MEMS1plヘッドの応用
   • プリンテッドエレクトロニクスとインクジェット応用
   • プリンテッドエレクトロニクスとMEMS1plヘッド応用
• 質疑応答・名刺交換

第3部 プリンテッドエレクトロニクスにおけるインクジェットのインク材料、印刷条件、生産性、コスト

(2013年6月26日 13:40〜15:10)

(株) アルバック 超材料研究所 顧問 /
次世代プリンテッドエレクトロニクス技術研究組合 (JAPERA) 国際標準化担当部長
小田 正明 氏

　プリンテッドエレクトロニクスでは各種の印刷技術が使用されようとしている。この中で、インクジェット印刷に使用される金属ナノ粒子分散導電性インクについて紹介する。インクジェット印刷技術は非接触であり、凹凸のある基材上にも適用出来、版が不要であるために、オンディマンド印刷に適しているが、処理速度が遅いとの指摘がある。しかしながら、適用対象、使用条件によっては処理速度の問題が無く、生産性が高く、その特徴が生かせることについても解説する。

1. プリンテッドエレクトロニクスの動向
   • シートエレクトロニクス
   • ラージエレクトロニクス
   • アンビエントエレクトロニクス (非接触給電、ヘルスケア等応用)
2. ガス中蒸発法による独立ナノ粒子の生成
   • 導電性ナノ粒子インクの種類
   • 導電性ナノ粒子インクの焼成条件
   • 低温焼成用インクによる描画
   • デスクトップファクトリー
3. 工業用インクジェット装置の紹介
   • 基材の表面処理
   • インクジェット印刷工程
   • CADデータからBMPデータへの変換
   • 解像度の変更
   • 着弾径の変更
   • その他のオプション機能
4. 印刷パターン例
   • 撥液表面上での多層膜形成
   • パット電極形成
   • 親液基板上での膜形成
   • ITO膜形成
   • 銀配線のマイグレーション評価
5. インクジェット印刷生産性
   • ヘッド配置
   • コスト試算
   • スパッタ法とのコスト比較
6. インクジェットによる導電配線用途
   • インクジェット印刷の課題
7. プリンテッドエレクトロニクスの製造工程とビジネス
8. アルバック工業用インクジェット装置の紹介 (各種機能について)
• 質疑応答・名刺交換