JP2010534280A - 銅粒子組成物の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
【解決手段】本発明による銅粒子組成物の製造方法は、銅カルボキシル化合物またはカルボキシル基含有化合物と銅塩とを溶媒に溶解させて銅(II)前駆体溶液を用意する段階と、前記銅(II)前駆体溶液に標準還元電位が−0.2ないし−0.05Vである弱還元剤を投入して、平均粒径が1ないし100nmであって粒径の標準偏差が0ないし10%である複数のCu2O超微粒子が相互凝集して形成され、その平均粒径が0.1ないし10μmであって粒径の標準偏差が0ないし40%である球形のCu2O凝集体粒子を形成する段階と、前記球形のCu2O凝集体粒子を還元剤を用いて銅粒子に還元させる段階と、前段階の結果物から前記銅粒子を分離する段階と、を含む。本発明の製造方法によれば、空気雰囲気の常温でも比較的速く銅粒子を製造できるため経済的であり、製造された銅粒子は結晶性と耐酸化性が良好である。
【選択図】 図11

Description

本発明は、銅配線の形成材料、銅接合材料などの電子材料に用いられる銅粒子組成物の製造方法に関し、より詳しくは、銅(II)前駆体溶液から簡単に銅粒子組成物を製造する方法に関する。
銅粒子は電気伝導性が良く安価であるため、銅配線の形成材料、銅接合材料など電子材料に幅広く使用されている。具体的には、実装回路基板の配線及びビア埋立材料、実装回路基板の部品接合材料、フラットパネルディスプレイの電極材料、樹脂製品などの電子シールド材料などが挙げられる。
このような銅粒子は粒径が小さいため、スクリーン印刷法、ディスペンス法、インクジェット法、スプレー法などの多様な方法を用いて微細な配線を形成することができるという長所がある。
銅粒子を製造する方法としては、メカニカルグラインディング法、共沈法、噴霧法、ゾルーゲル法、電気分解法など多様な方法が提案されている。しかし、大半の銅粒子製造方法は製造工程が複雑であったり経済性が低いという問題点がある。
特許文献1は、ヒドラジン系還元剤を用いて銅(II)前駆体を還元させることでCu2O粒子を製造し、それを還元させて銅粒子組成物を製造する方法を開示している。しかし、このような強還元剤を用いてCu2O粒子を製造する場合、急激な還元反応によって生成されたCu2O粒子の大きさが急に大きくなり、Cu2O凝集体粒子の形状と大きさを制御し難いという短所がある。
一方、銅粒子は空気中でCuOに酸化される傾向が強く、それにより電気伝導度が低下する。また、銅粒子の結晶性が不良な場合にも、電子の円滑な流れを妨害して伝導度が低下するという問題点がある。
韓国公開特許10−2005−84099号公報
本発明は、空気雰囲気の常温でも比較的速く銅粒子を製造することができ、経済的な銅粒子組成物の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、結晶性と耐酸化性が良好な銅粒子組成物の製造方法を提供することを他の目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明の銅粒子組成物の製造方法は、
(ステップ1)下記化学式1で表される銅カルボキシル化合物または下記化学式2で表されるカルボキシル基含有化合物と銅塩とを溶媒に溶解させて銅(II)前駆体溶液を用意する段階;
[化学式1]
(R1‐COO)2Cu
化学式1において、R1は炭素数が1ないし18のアルキル基である。
[化学式2]
1‐COOH
化学式2において、R1は炭素数が1ないし18のアルキル基である。
(ステップ2)前記銅(II)前駆体溶液に標準還元電位が−0.2ないし−0.05Vである弱還元剤を投入して、平均粒径が1ないし100nmであって粒径の標準偏差が0ないし10%である複数のCu2O超微粒子が相互凝集して形成され、その平均粒径が0.1ないし10μmであって粒径の標準偏差が0ないし40%である球形のCu2O凝集体粒子を形成する段階;
(ステップ3)前記球形のCu2O凝集体粒子を還元剤を用いて銅粒子に還元させる段階;及び
(ステップ4)ステップ3の結果物から前記銅粒子を分離する段階を含む。
本発明の銅粒子組成物の製造方法において、前記弱還元剤としてはアスコルビン酸、ジオール化合物、クエン酸、フルクトース(fructose)、アミン化合物、α‐ヒドロキシケトン(α‐hydroxy ketone)化合物、コハク酸、マルトース(maltose)などを使用することができる。
本発明の銅粒子組成物の製造方法において、ステップ1、ステップ2、またはこれら両方に界面活性剤がさらに添加でき、この界面活性剤は、−OH、−COOH、−SH及び−NHからなる群より選択された少なくとも1つの官能基を持つ低分子、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン及びポリビニルアルコールからなる群より選択された高分子界面活性剤、並びにこれらの混合物が挙げられる。最も望ましい界面活性剤としてはポリアクリルアミドが挙げられる。
本発明の銅粒子組成物の製造方法において、ステップ2及びステップ3は5ないし40℃で行うことができる。
本発明のCu2O凝集体粒子の模式図である。 製造例1によって製造されたCu2O粒子のSEM(Scanning Electron Microscope)写真である。 製造例1によって製造されたCu2O粒子のTEM(Transmission Electron Microscope)写真である。 製造例1によって製造されたCu2O粒子のXRD(X−Ray Diffraction)分析グラフである。 HRTEM(High Resolution Transmission Electron Microscope)を用いて製造例1によって製造されたCu2O粒子の構造を分析した写真である。 製造例1によって製造されたCu2O粒子の端部のTEM写真である。 製造例1によって製造されたCu2O粒子をFIB(Focused Ion Beam)で切断して撮影したCu2O粒子の断面SEM写真である。 製造例2によって製造されたCu2O粒子のSEM写真である。 対照群によって製造された沈殿物の光学顕微鏡写真である。 対照群によって製造された沈殿物の一部を拡大した光学顕微鏡写真である。 製造例1で得たCu2O凝集体粒子から実施例の銅粒子に変化する過程をそれぞれ撮影したSEM写真及びXRDパターンである。 実施例の還元過程でCu2O凝集体粒子と銅粒子とが混在された状態を撮影したTEM写真である。
以下、本発明について詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に即して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
本発明の球形のCu2O凝集体粒子組成物は、次のような方法で製造することができる。
まず、下記化学式1で表される銅カルボキシル化合物または下記化学式2で表されるカルボキシル基含有化合物と銅塩とを溶媒に溶解させてCu2O前駆体溶液を用意する(ステップ1)。
[化学式1]
(R1‐COO)2Cu
化学式1において、R1は炭素数が1ないし18のアルキル基である。
[化学式2]
1‐COOH
化学式2において、R1は炭素数が1ないし18のアルキル基である。
化学式1の銅カルボキシル化合物としては(CH3COO)2Cuが挙げられ、化学式2のカルボキシル基含有化合物としてはCH3COOHが挙げられる。また、銅塩としては硝酸銅、ハロゲン化銅、水酸化銅、硫酸銅などが挙げられ、これらをそれぞれ単独でまたはこれらのうち2種以上を混合して使用することができる。
また、溶媒としては、前述した銅カルボキシル化合物またはカルボキシル基含有化合物と銅塩とを溶解できる溶媒であって、弱還元剤を添加するとき、本発明によってCu2O凝集体粒子を形成できる溶媒であれば全て使用可能であるが、例えば水、C1‐C6の低級アルコール、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、アセトニトリルなどをそれぞれ単独でまたはこれらを2種以上混合して使用することができる。望ましくは、水を含む溶媒を使用することができる。
次いで、用意したCu2O前駆体溶液に標準還元電位が−0.2ないし−0.05Vである弱還元剤を投入して、平均粒径が1ないし100nmであって粒径の標準偏差が0ないし10%である複数のCu2O超微粒子が相互凝集して形成され、その平均粒径が0.1ないし10μmであって粒径の標準偏差が0ないし40%である球形のCu2O凝集体粒子を形成する(ステップ2)。
弱還元剤はステップ1で銅(II)前駆体を溶媒に溶解させる前に先に投入することもでき、別の溶媒に弱還元剤を溶解させた後Cu2O前駆体溶液に投入することもできる。弱還元剤としては標準還元電位が−0.2ないし−0.05Vである弱還元剤を使用する。標準還元電位が−0.2V未満であれば、還元速度が速過ぎて得られるCu2O超微粒子の大きさがばらつくため、凝集体粒子を得ることができない。一方、標準還元電位が−0.05Vを超過すれば、Cu2O超微粒子が形成されないか、あるいは、非常に形成が遅く、経済性が低下する。このような弱還元剤としては、アスコルビン酸、ジオール化合物、クエン酸、フルクトース(fructose)、アミン化合物、α‐ヒドロキシケトン(α‐hydroxy ketone)化合物、コハク酸、マルトース(maltose)などをそれぞれ単独でまたはこれらのうち2種以上を混合して使用することができる。凝集体粒子及びCu2O超微粒子の大きさは、溶媒の種類、界面活性剤の添加などの反応条件を変化させて調節することができる。
図1は、ステップ2により得られたCu2O凝集体粒子の模式図である。図1を参照すれば、Cu2O凝集体粒子10は複数のCu2O超微粒子1が相互凝集して形成される。
Cu2O超微粒子1は平均粒径が1ないし100nmである。Cu2O超微粒子1の平均粒径が1nm未満であれば、粒子を形成すること自体が困難であり、100nmを超過すれば超微粒子特有の物性を発現させ難くなる。望ましい超微粒子1の平均粒径は1ないし10nmである。また、Cu2O超微粒子1の粒径の標準偏差は0ないし10%であって、標準偏差が10%を超過すれば均一な大きさと形状のCu2O凝集体粒子を形成し難い。
一方、Cu2O凝集体粒子10は球形であって、その平均粒径は0.1ないし10μm、望ましくは0.3ないし2μmである。また、Cu2O凝集体粒子10の粒径の標準偏差は0ないし40%、望ましくは0ないし20%である。このような範囲内で銅粒子への還元容易性を確保すると共に適切な大きさの銅粒子を持つ組成物を製造することができる。
本明細書において、球形とは各断面の縦横比が1である真の球体の外に、各断面の縦横比が2以下の楕円形球体も含む意味で定義される。
前述したステップ1及びステップ2を通じて凝集体粒子であるCu2O球体が形成される過程を説明すれば、次のようである。
銅(II)前駆体溶液内で、前記化学式1の銅カルボキシル化合物または前記化学式2で表されるカルボキシル基含有化合物と銅塩とは、銅イオンとR1‐COO-イオンを形成する。弱還元剤の添加により、銅イオンは所定速度で還元してCu2O超微粒子に成長し、形成したCu2O超微粒子の表面にはR1‐COO-イオンが配位結合する。このとき、Cu2O超微粒子の表面にはCOO-が位置し、疎水性部分であるR1は超微粒子の外部に配向される。これによってCu2O超微粒子の外郭部は疎水性を呈し、親水性環境でこれらが相互凝集して球形のCu2O凝集体粒子が形成される。
すなわち、球形のCu2O凝集体粒子は、所定の標準還元電位を持つ弱還元剤を用いて銅(II)前駆体溶液内の銅イオンを適切な速度で還元させて形成されたCu2O超微粒子がR1‐COO-イオンによって凝集して形成される。
反面、特許文献1に開示されたように強還元剤であるヒドラジン系還元剤を用いてCu2O前駆体を還元させる場合、還元反応が急速に起きて大きいCu2O粒子が形成されるため、相互凝集が起きる前に沈殿されるなど凝集体ではない単なるCu2O粒子で得られ、その形状と大きさもばらつくようになる。
また、特開2006−96655号公報に開示されたように、硫酸銅を弱還元剤で還元させてCu2O粒子を製造する場合にも、形成されたCu2O超微粒子を相互凝集させるR1‐COO-イオンがないので、単なるCu2O粒子として得られる。
ステップ2において、溶液内の銅(II)前駆体及び弱還元剤それぞれの濃度は1mMないし500mMであることが望ましい。
その後、ステップ2で得られた球形のCu2O凝集体粒子を還元剤を用いて銅粒子に還元させる(ステップ3)。
すなわち、球形のCu2O凝集体粒子を前述したステップ1の溶媒に投入した後、そこに還元剤を添加して還元反応を行う。
還元剤としては、前述したCu2O凝集体粒子を銅粒子に還元できるものであれば全て使用することができる。例えば、NaBH4、ヒドラジン、アスコルビン酸、グルコース、エチレングリコールなどをそれぞれ単独でまたはこれらを2種以上混合して使用することができる。
一方、ステップ2で形成されるCu2O凝集体粒子の大きさの均一性を向上させるため、または、ステップ3でCu2O凝集体粒子を銅粒子に還元させることを補助するため、ステップ1またはステップ3を行うとき、それぞれ界面活性剤をさらに添加することができる。界面活性剤の種類及び使用量などによって凝集体粒子の大きさが調節でき、添加された界面活性剤は球形のCu2O凝集体粒子の表面に被覆される形態で存在する。
界面活性剤としては、1つの分子内に親水性基と親油性基を共に持つ両親媒性物質であって、Cu2O粒子の製造に使用される通常の界面活性剤を使用することができる。例えば、−OH、−COOH、−SH、−NHなどの官能基を1つ以上持つ低分子界面活性剤、または、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコールのような高分子界面活性剤を使用でき、これらをそれぞれ単独でまたはこれらのうち2種以上を混合して使用することができる。特に、界面活性剤としてポリアクリルアミドを使用すれば、得られるCu2O凝集体粒子の形状と大きさが一層均一になり、粒径の標準偏差が0ないし20%である球形のCu2O凝集体粒子を得ることができる。界面活性剤の濃度は、10mMないし1Mであることが望ましい。
前述したステップ2及びステップ3は、5ないし40℃の穏やかな反応条件でも可能であり、空気中の常圧で比較的短時間で完了することができる。
ステップ3が終われば、遠心分離などの方法で溶液から銅粒子を分離し、銅粒子組成物を得る(ステップ4)。
以下、本発明を具体的に説明するために実施例を挙げて詳しく説明する。しかし、本発明による実施例は多くの他の形態で変形でき、本発明の範囲が後述する実施例に限定されると解釈されてはならない。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
[Cu2O凝集体粒子の製造]
[製造例1]
(CH3COO)2Cu・H2O 50mgとポリアクリルアミド200mgを蒸留水4.5mlに溶解して第1溶液を用意し、アスコルビン酸22mgを蒸留水0.5mlに溶解して第2溶液を用意した。室温、常圧、及び空気中で、用意した2つの溶液を混合して10分間静置をした。次いで、2000rpmで3分間遠心分離した後、上層の上澄み液を捨てて残った沈殿物を水20mlに再分散した後、遠心分離過程をさらに一回行ってCu2O粒子を得た。
前記Cu2O粒子に対するSEM写真(図2)、TEM写真(図3)、XRD分析グラフ(図4)、HRTEMを用いてCu2O粒子の構造を分析した写真(図5)、Cu2O粒子の端部のTEM写真(図6)、及びFIBで切断して撮影したCu2O粒子の断面SEM写真(図7)を図面に示した。
図4のXRDパターンに対するScherrer equation計算法によって得た結晶の大きさは4.4nmであり、これは図6でTEMを通じて確認できる〜5nmの粒子大きさとも一致する。
形成された凝集体の大きさは、SEMイメージ(図2)を基にグラフィックソフトウェア(MAC−View)を使用して200個以上の粒子に対して測定し、得られた統計分布から平均大きさは504.7nm、標準偏差は91.8(18%)と計算された。
[製造例2]
ポリアクリルアミドを添加しないことを除き、製造例1と同様の方法でCu2O粒子を製造した。図8のSEM写真を参照すれば、大きい凝集体が一部形成されているものの、比較的均一な大きさのCu2O凝集体粒子である球体から形成されていることが分かる。平均大きさは777.2nm、標準偏差は300.6(39%)と計算された。
[対照群]
特許文献1の実施例1に記載された方法と同様に、下記のようにしてCu2O粒子を製造した。
無水酢酸銅(copper acetic anhydride)8gに蒸留水70mlを添加した。25℃で撹拌しながらヒドラジンと酢酸銅とのモル比が1:2になるように64重量%のヒドラジン水化物2.6mlを添加して反応させることでCu2O粒子沈殿物を得た。
得られたCu2O粒子沈殿物を光学顕微鏡で観察した結果、不規則な形状と大きさの混合物が観察された(図9及び図10参照)。
[銅粒子組成物の製造]
[実施例]
製造例1で得られたCu2O凝集体粒子35mgとポリアクリルアミド75mgを水4.5mlに投入して第1溶液を用意し、アスコルビン酸30mgを蒸留水0.5mlに溶解して第2溶液を用意した。室温、常圧、及び空気中で、用意した2つの溶液を混合して2時間静置した。次いで、2000rpmで3分間遠心分離した後、上層の上澄み液を捨てて残った沈殿物を水20mlに再分散した後、遠心分離過程をさらに一回行ってCu粒子を得た。
図11は製造例1で得たCu2O凝集体粒子から実施例の銅粒子に変化する過程をそれぞれ撮影したSEM写真及びX線回折パターンであり、図12は還元過程でCu2O凝集体粒子と銅粒子とが混在された状態(図11の(b)状態)を撮影したTEM写真である。図11を参照すれば、本発明の製造方法によってCu2O凝集体粒子(a)を還元させることでCu2O凝集体粒子から銅粒子が徐々に形成され(b)、還元反応が終われば銅粒子のみからなる組成物(c)が製造されることが分かる。形成された銅粒子組成物に対するX線回折パターン(c)を見ると、ピークがシャープであり、このことから形成された銅粒子の結晶性が良好であることが分かる。
一方、実施例で製造した銅粒子組成物を常温で25日間空気中に放置した後、X線回折分析を行った結果、銅の回折ピークが変化していないことが確認された。このことから、本発明の製造方法によって形成された銅粒子の耐酸化性が良好であることが分かる。
本発明の製造方法によれば、均一性の優れた球形のCu2O凝集体粒子を使用するため、比較的速く銅粒子を製造することができて経済的であり、このような製造工程は空気雰囲気及び常温でも可能である。
また、製造された銅粒子は結晶性と耐酸化性が良好であり、電子材料として非常に有用である。

Claims (12)

  1. (ステップ1)下記化学式1で表される銅カルボキシル化合物または下記化学式2で表されるカルボキシル基含有化合物と銅塩とを溶媒に溶解させて銅(II)前駆体溶液を用意する段階;
    [化学式1]
    (R1‐COO)2Cu
    化学式1において、R1は炭素数が1ないし18のアルキル基である。
    [化学式2]
    1‐COOH
    化学式2において、R1は炭素数が1ないし18のアルキル基である。
    (ステップ2)前記銅(II)前駆体溶液に標準還元電位が−0.2ないし−0.05Vである弱還元剤を投入して、平均粒径が1ないし100nmであって粒径の標準偏差が0ないし10%である複数のCu2O超微粒子が相互凝集して形成され、その平均粒径が0.1ないし10μmであって粒径の標準偏差が0ないし40%である球形のCu2O凝集体粒子を形成する段階;
    (ステップ3)前記球形のCu2O凝集体粒子を還元剤を用いて銅粒子に還元させる段階;
    (ステップ4)ステップ3の結果物から前記銅粒子を分離する段階を含む銅粒子組成物の製造方法。
  2. 前記銅カルボキシル化合物は(CH3COO)2Cuであり、前記カルボキシル基含有化合物はCH3COOHであることを特徴とする請求項1に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  3. 前記銅塩は、硝酸銅、ハロゲン化銅、水酸化銅、硫酸銅からなる群より選択されたいずれか1つまたはこれらのうち2種以上の混合物であることを特徴とする請求項1に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  4. 前記溶媒は、水、C1‐C6の低級アルコール、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン及びアセトニトリルからなる群より選択されたいずれか1つまたはこれらのうち2種以上の混合物であることを特徴とする請求項1に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  5. 前記溶媒は水を含むことを特徴とする請求項4に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  6. 前記弱還元剤は、アスコルビン酸、ジオール化合物、クエン酸、フルクトース、アミン化合物、α‐ヒドロキシケトン化合物、コハク酸、マルトースからなる群より選択されたいずれか1つまたはこれらのうち2種以上の混合物であることを特徴とする請求項1に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  7. 前記弱還元剤はアスコルビン酸であることを特徴とする請求項6に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  8. 前記ステップ1、ステップ2、またはこれら両方に界面活性剤をさらに添加することを特徴とする請求項1に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  9. 前記界面活性剤は、−OH、−COOH、−SH及び−NHからなる群より選択された少なくとも1つの官能基を持つ低分子界面活性剤、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン及びポリビニルアルコールからなる群より選択されたいずれか1つの高分子界面活性剤、並びにこれらの混合物からなる群より選択されることを特徴とする請求項8に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  10. 前記界面活性剤はポリアクリルアミドであり、前記球形のCu2O凝集体粒子の粒径の標準偏差が0ないし20%であることを特徴とする請求項9に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  11. 前記還元剤はNaBH4、ヒドラジン、アスコルビン酸、グルコース及びエチレングリコールからなる群より選択されたいずれか1つまたはこれらのうち2種以上の混合物であることを特徴とする請求項1に記載の銅粒子組成物の製造方法。
  12. 前記ステップ2及びステップ3は、5ないし40℃で行われることを特徴とする請求項1に記載の銅粒子組成物の製造方法。
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