JP6165063B2 - 導電性粒子およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、導電性粒子およびその製造方法に関するものである。より詳細には、金属基材粒子の表面にナノメートルサイズの微小突起を有していて、焼結時、優れた比抵抗特性を有する導電性粒子およびその製造方法に関するものである。
本出願は、2011年11月24日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10−2011−0123675号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。
現在、電気/電子素子の製作において、微細構造物、例えば、金属パターン、絶縁層、分離膜などの製作工程には、露光とエッチング工程に基づいた光学的パターニング(photolithography)方法が主に利用されている。しかし、光学的パターニングは、様々なステップの複雑な製造工程を経るエネルギー集約的、高費用の生産技術である。それだけでなく、露光とエッチング工程中にガス、廃水などが排出され、環境汚染の問題がある。したがって、露光/エッチングによる光学的パターニング工程を代替するための、簡単かつ低費用で、環境に優しい工程技術の開発の必要性が台頭している。
これにより、ポリスチレンスルホン酸(poly(styrene sulfonic acid))がドーピングされたポリエチレンジオキシチオフェン(Poly(ethylenedioxythiophene))のような伝導性高分子に金属被覆層を形成することにより、電極材料として活用するための工程が開発されている。例えば、特開第2003−197028号、特開第2004−238730号などには、樹脂で構成される球状の芯材粉体の表面にめっき層が形成されている導電性微粒子が開示されている。伝導性高分子は、スクリーンプリンティングなどの溶液工程によりパターンの形成が可能で、工程が容易であるという利点がある。しかし、伝導性高分子は、金属素材に比べて伝導度が大きく低下し、信頼性のある電気抵抗を得にくいという欠点がある。
したがって、優れた伝導度を示す金属素材を使用しながら、同時にパターンの形成が容易な溶液工程に適用可能な素材に関する研究の必要性が台頭している。一例として、金属素材をナノ粒子で形成させた後、溶媒に金属粒子を分散させる工程が最も注目されている。金属粒子をナノスケールに形成する場合、金属素材の融点を画期的に低下させることができ、これにより、低温熱処理を通じて電極用伝導性被膜を形成可能な基盤を提供する。
しかし、低価格で多く使用される電極材料の、銅(Cu)、ニッケル(Ni)などの金属は、ナノサイズに粒子が小さくなる場合、熱力学的に酸化される性質により、熱処理時、焼結挙動への障害要因となり、その結果、高伝導性の被膜を形成することが容易でない。また、従来電極物質として使用されている銀(Ag)や金(Au)の場合、このような酸化の問題はないものの、高価な物質と高価な製造費用によりその使用に制限があるため、低価格でありながら、高伝導性を付与可能な新たな電極材料への開発が必要である。
上記の従来技術の問題を解決するために、本発明は、低価格の電極材料を使用しながら、高伝導性を付与可能な導電性粒子を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記導電性粒子を製造する方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、金属を含む基材粒子と、前記基材粒子の表面上に形成された核(seed)粒子と、前記基材粒子上に形成された第1金属層とを含み、前記第1金属層は、前記核粒子を囲んで突出している突起(bump)を含む導電性粒子を提供する。
また、本発明は、金属を含む基材粒子と、前記基材粒子上に形成された第2金属層と、前記第2金属層の表面上に形成された核(seed)粒子と、前記第2金属層上に形成された第1金属層とを含み、前記第1金属層は、前記核粒子を囲んで突出している突起(bump)を含む導電性粒子を提供する。
本発明の一実施形態によれば、前記基材粒子は、平均粒径が0.01〜1,000μmの球状であり得る。
本発明の一実施形態によれば、前記基材粒子および第1金属層は、それぞれ独立して異なるか、同一でAu、Ag、Co、Ni、Co、Cu、Ni、Pd、Snおよびこれらの2以上の合金からなる群より選択される金属を含むことができる。
本発明の一実施形態によれば、前記核粒子は、Pd、Cu、Ru、Pt、Ag、Coおよびこれらの2以上の合金からなる群より選択される遷移金属を含むことができる。
また、本発明は、金属を含む基材粒子と、遷移金属化合物溶液とを反応させることにより、前記基材粒子の表面に核粒子を形成させるステップと、第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させることにより、前記基材粒子上に、核粒子を囲む突起を含む第1金属層を形成するステップとを含む導電性粒子の製造方法を提供する。
これに加え、本発明は、金属を含む基材粒子と、第2金属化合物溶液とを反応させることにより、前記基材粒子の表面に第2金属層を形成するステップと、遷移金属化合物溶液を前記第2金属層の形成された基材粒子と反応させることにより、前記第2金属層の表面に核粒子を形成させるステップと、第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させることにより、前記第2金属層上に、前記核粒子を囲む突起を含む第1金属層を形成するステップとを含む導電性粒子の製造方法を提供する。
本発明によれば、導電性粒子は、芯材として導電性金属を含む微粒子を使用することにより、高伝導性および低い融点を有し、これにより、低温熱処理を通じて電極用伝導性被膜を形成可能な基板を提供する。
また、最外郭表面に形成されたナノサイズの突起により、焼結時、優れた比抵抗特性を有し、突起のない部分は滑らかな金属層が形成されていて、基材粒子との密着性に優れる。さらに、スクリーンプリンティングなどの溶液工程によりパターンの形成が可能で、電極形成工程に容易に適用することができる。
本発明の一実施形態にかかる導電性粒子の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる導電性粒子の構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる導電性粒子の製造方法を簡略に示す工程図である。 本発明の他の実施形態にかかる導電性粒子の製造方法を簡略に示す工程図である。 本発明の実施例1で突起を形成する前の基材粒子を、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて30万倍に拡大した写真である。 本発明の実施例1で製造された導電性粒子を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて30万倍に拡大した写真である。 本発明の実施例1で製造された導電性粒子を、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて30万倍に拡大した写真である。 図7のTEM分析結果を拡大して示す写真である。 EDX分析方法を用い、本発明の実施例1で製造された単一粒子の位置に応じた元素分析結果を示すグラフである。 本発明の実施例1で製造された導電性粒子のドットマッピング(dot mapping)結果を示す写真である。 本発明の実施例2で突起を形成する前の基材粒子を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてそれぞれ3万および10万倍に拡大した写真である。 本発明の実施例2により製造された導電性粒子を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてそれぞれ3万および10万倍に拡大した写真である。 本発明の実施例3で製造された導電性粒子を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて30万倍に拡大した写真である。 本発明の実施例3で製造された導電性粒子を、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて30万倍に拡大した写真である。 図14のTEM分析結果を拡大して示す写真である。 比較例1で製造された導電性粒子のドットマッピング(dot mapping)結果を示す写真である。 実験例3および比較実験例2の結果を示すグラフである。
本発明の一実施形態にかかる導電性粒子は、金属を含む基材粒子と、前記基材粒子の表面上に形成された核(seed)粒子と、前記基材粒子上に形成された第1金属層とを含み、前記第1金属層は、前記核粒子を囲んで突出している突起(bump)を含む。
また、本発明の他の実施形態にかかる導電性粒子は、金属を含む基材粒子と、前記基材粒子上に形成された第2金属層と、前記第2金属層の表面上に形成された核(seed)粒子と、前記第2金属層上に形成された第1金属層とを含み、前記第1金属層は、前記核粒子を囲んで突出している突起(bump)を含む導電性粒子を提供する。
さらに、本発明の一実施形態にかかる導電性粒子の製造方法は、金属を含む基材粒子と、遷移金属化合物溶液とを反応させることにより、前記基材粒子の表面に核粒子を形成させるステップと、第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させることにより、前記基材粒子上に、核粒子を囲む突起を含む第1金属層を形成するステップとを含む。
また、本発明の他の実施形態にかかる導電性粒子の製造方法は、金属を含む基材粒子と、第2金属化合物溶液とを反応させることにより、前記基材粒子の表面に第2金属層を形成するステップと、遷移金属化合物溶液を前記第2金属層の形成された基材粒子と反応させることにより、前記第2金属層の表面に核粒子を形成させるステップと、第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させることにより、前記第2金属層上に、前記核粒子を囲む突起を含む第1金属層を形成するステップとを含む。
本発明の導電性粒子は、粒子の最外郭表面にナノメートルサイズの微小突起を有し、突起のない部分は滑らかなめっき層が形成されている。本発明によれば、表面の突起により、焼結時、優れた比抵抗特性を有し、突起のない部分は滑らかなめっき層によって金属粒子との高い密着性を有する。
また、本発明の導電性粒子の製造方法によれば、基材粒子の表面に核粒子を形成することにより、置換反応によって核粒子を囲む突起を容易かつ均一に形成することができ、同時に核粒子のない基材粒子の表面上に滑らかな表面を有する金属層を形成することができ、簡単かつ効率的に導電性粒子を生産することができる。
本発明において、第1、第2などの用語は、多様な構成要素を説明する上で使われ、前記用語は、1つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。
また、本発明において、各層または要素が各層または要素の「上に」または「の上に」形成されると言及された場合には、各層または要素が直接各層または要素の上に形成されることを意味するか、他の層または要素が各層の間、対象物、基材上に追加的に形成され得ることを意味する。
本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な形態を有することができるので、特定の実施形態を例示し、下記に詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の開示形態に対して限定しようとするのではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むと理解されなければならない。
以下、図面を参照して、本発明の導電性粒子およびその製造方法を詳細に説明する。
(導電性粒子)
図1は、本発明の一実施形態にかかる導電性粒子の構造を示す断面図である。
図1を参照すれば、本発明にかかる導電性粒子は、金属を含む基材粒子1と、基材粒子1の表面上に形成された核粒子3と、基材粒子1上に形成された第1金属層5とを含み、第1金属層5は、核粒子3を囲んで突出している突起4を含む。
本発明の一実施形態によれば、基材粒子1は、実質的に球状(sphere)の形態であり得る。つまり、球状およびその他楕円のように球状に近い形状も含み、好ましくは球状であり得る。
基材粒子1は、導電性の金属を含むが、例えば、Au、Ag、Co、Cu、Ni、Pd、Pt、Snなどから選択される1種以上を含むことができ、これらの合金または2種以上の金属を含むことができる。本発明の一実施形態によれば、基材粒子1は、低価格の電極材料でありながら、伝導性が良好な金属を使用することが好ましく、例えば、CuまたはNiからなり得る。
本発明の一実施形態によれば、基材粒子1は、約0.01〜約1,000μmの平均粒径を有することができる。平均粒径が0.001μm未満の場合、接合すべき電極面に導電性粒子が接触しないことがあり、電極の間に間隔がある場合、接触不良を生じさせる場合があり、1,000μmを超える場合には、微細な電極の形成が困難である。より好ましい平均粒径は、約0.02〜約100μmであり、より好ましくは約0.02〜約20μmであり、最も好ましくは約0.02〜約5μmである。
核粒子3は、基材粒子1の表面に形成されている。核粒子3は、後述する突起4を形成するための触媒核(seed)の役割を果たす。
本発明の一実施形態によれば、核粒子3は、遷移金属、例えば、Pd、Cu、Ru、Pt、Ag、Coなどからなる遷移金属より選択される1種以上を含むことができ、これらの合金または2種以上の金属を含むことができる。
第1金属層5は、基材粒子1上に位置し、核粒子3を囲んで突出している突起4を含む。また、第1金属層5において突起4が形成されていない他の部分は、基材粒子1に連続しており、滑らかな表面を有する金属層の形態を有する。
本発明の一実施形態によれば、第1金属層5は、Au、Ag、Co、Cu、Ni、Pd、Pt、Snなどからなる金属より選択される1種以上を含むことができ、これらの合金または2種以上の金属を含むことができる。好ましくは、酸化の問題がないAgまたはAuからなり得る。
本発明の一実施形態によれば、核粒子3および第1金属層5は、互いに異なる種類の金属を含むことができる。
突起4は、基材粒子1の表面に核粒子3を囲む形態で形成され得る。突起4の形態は特に制限されないが、本発明の一実施形態によれば、球状またはこれと類似の形態を有することができ、平均高さが約5〜約100nm、好ましくは約5〜約20nmとなり得る。
図2は、本発明の他の実施形態にかかる導電性粒子の構造を示す断面図である。
図2を参照すれば、本発明にかかる導電性粒子は、金属を含む基材粒子1と、基材粒子1上に形成された第2金属層2と、第2金属層2の表面上に形成された核粒子3と、第2金属層2上に形成された第1金属層5とを含み、第1金属層5は、核粒子3を囲んで突出している突起4を含む。
基材粒子1、核粒子3、突起4および第1金属層5に関する説明は、図1を参照した導電性粒子で説明したとおりである。
本発明の他の実施形態によれば、前記導電性粒子は、基材粒子1と第1金属層5との間に形成された第2金属層2をさらに含む。
第2金属層2は、導電性の金属を含むが、Au、Ag、Co、Cu、Ni、Pd、Pt、Snなどからなる金属より選択される1種以上を含むことができ、これらの合金または2種以上の金属を含むことができる。好ましくは、酸化の問題がないAgまたはAuからなり得る。
また、第2金属層2の厚さは特に限定されないが、約10〜約100nmの範囲であり得る。
本発明の一実施形態によれば、第2金属層2は、置換めっき方法によって基材粒子1の表面にめっきする方法で形成可能である。
本発明の一実施形態によれば、第1金属層5および第2金属層2は、同一種類の金属を含むことができる。本発明の他の実施形態によれば、第1金属層5および第2金属層2は、互いに異なる種類の金属を含むことができる。
図1および図2から明らかなように、突起4は、本発明の導電性粒子の最外郭表面に位置する。これにより、表面に突出した突起4によって従来の導電性粒子より優れた比抵抗特性を有し、突起のない部分は滑らかな金属層が形成され、密着性に優れた導電性粒子を得ることができる。
本発明の導電性粒子は、前記のように優れた比抵抗特性、高伝導性、低費用の利点を有していて、電子/電気素子の多様な素材として使用できる。例えば、本発明の導電性粒子を含んで形成された電極パターンは、太陽電池、回路(Printed circuit)または印刷回路基板(PCB、Printed circuit board)、軟性回路基板(Flexible printed circuit board)の電極、タッチスクリーンパネル(TSP、Touch screen panel)の電極、PDP(plasma display panel)およびTFT−LCD(Thin film transistor liquid crystal display)のようなディスプレイのゲート(gate)およびソース(source)電極の形成、RFID(Radio−Frequency Identification)の電極などのように、高伝導性および信頼性が要求される多様な電子素子に適用可能である。
具体的には、本発明の導電性粒子は、溶媒に分散させ、スピンコーティング、ディップコーティング、液滴キャスティング(drop−casting)、インクジェットプリンティング、スクリーンプリンティング、グラビア(Gravure)プリンティング、オフセット(Off−set)プリンティングのような多様な工程により、基板に電極パターンを形成するのに適用することができる。
(導電性粒子の製造方法)
図3は、本発明の一実施形態にかかる導電性粒子の製造方法を簡略に示す工程図である。
本発明の一実施形態にかかる導電性粒子の製造方法は、金属を含む基材粒子と、遷移金属化合物溶液とを反応させることにより、前記基材粒子の表面に核粒子を形成させるステップと、第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させることにより、前記基材粒子の表面に、核粒子を囲む突起を含む第1金属層を形成するステップとを含む。
図3を参照すれば、まず、金属を含む基材粒子1と、遷移金属化合物溶液とを反応させることにより、基材粒子1の表面に核粒子3を形成させる(Step S1)。
基材粒子1は、Au、Ag、Co、Cu、Ni、Pd、Pt、Snなどから選択される1種以上を含むことができ、これらの合金または2種以上の金属を含む金属粒子を使用することができ、商業的に購入可能なものを使用することができる。好ましくは、基材粒子1は、CuまたはNiを含む金属粒子であり得る。
本発明の一実施形態によれば、基材粒子1は、約0.01〜約1,000μmの平均粒径を有する球状の金属粒子であり得る。
遷移金属化合物溶液を前記基材粒子1と反応させることにより、基材粒子1の表面に核粒子3を形成させる。
核粒子3は、後述する突起4を形成するための触媒核(seed)の役割を果たす。本発明の一実施形態によれば、核粒子3は、触媒核として使用が可能な遷移金属、例えば、Pd、Cu、Ru、Pt、Ag、Coなどからなる遷移金属より選択される1種以上を含むことができ、これらの合金または2種以上の金属を含むことができる。
核粒子3は、基材粒子1または基材粒子1が分散している分散液に対して、遷移金属を含む遷移金属化合物溶液を投入して反応させることにより形成することができる。
基材粒子1と前記遷移金属化合物溶液との反応時の温度は、約80〜約150℃の範囲であり得るが、これに制限されるものではない。
前記遷移金属化合物溶液は、遷移金属化合物を溶媒に溶かして使用されるが、前記遷移金属化合物の濃度は、次のステップで形成する突起4の大きさおよび個数に関係がある。本発明の一実施形態によれば、前記遷移金属化合物の濃度は、約0.01〜約50g/L、好ましくは約0.01〜約30g/L、より好ましくは約0.01〜約20g/Lで使用することができる。前記遷移金属化合物溶液の濃度が低すぎると、遷移金属の析出が困難になり、突起4の大きさが過度に小さくなり得る。濃度が50g/Lを超えると、突起4の大きさは増加するものの、費用が増加する。
前記遷移金属化合物を溶かす溶媒としては、炭素数6〜22の、線状または分枝構造を有する脂肪酸アミン化合物、あるいは炭素数6〜22の、線状または分枝構造を有する不飽和アミン化合物を使用することができる。前記アミン化合物は、例えば、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、オレイルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、2−エチルヘキシルアミン、1,3−ジメチル−n−ブチルアミン、1−アミノトリデカンおよびこれらの混合物からなる群より1種以上を選択することができる。
次に、第1金属化合物溶液を核粒子3の形成された基材粒子1と反応させることにより、基材粒子1の表面に、核粒子3を囲む突起4を含む第1金属層5を形成する(Step S2)。
本発明の一実施形態によれば、第1金属層5は、Au、Ag、Co、Cu、Ni、Pd、Pt、Snなどからなる金属より選択される1種以上を含むことができ、これらの合金または2種以上の金属を含むことができる。好ましくは、酸化の問題がないAgまたはAuからなり得る。
第1金属層5は、金属を含む第1金属化合物溶液を核粒子3の形成された基材粒子1と反応させることにより形成される。
第1金属化合物溶液は、第1金属化合物を溶媒に溶かして使用され、熱還元反応または還元剤による還元反応によって金属が核粒子3の表面から還元され、核粒子3を囲む形態で成長することにより突起4が形成される。また、核粒子3が形成されていない基材粒子1上には、還元反応によって滑らかな表面の第1金属層5が形成される。
第1金属化合物の含有量は、前記第1金属化合物溶液中の約0.1〜約30重量%を使用することが好ましい。0.1重量%未満で使用する場合は、第1金属層5が均一に形成されず、30重量%を超える場合は、塩の溶解度を超えて析出し、きちんと溶解しないことがある。
前記第1金属化合物は、以降電極の形成時に短絡などの問題を起こし得る硫黄(S)、塩素(Cl)などの陰イオンを含まない化合物を使用することが好ましい。例えば、第1金属化合物として銀(Ag)化合物を使用する場合に、銀ジアセテート(silver diacetate)、銀シクロヘキサンブチレート(silver cyclohexanebutyrate)、銀2−エチルヘキサノエート(silver2−ethylheanoate)、銀ネオデカノエート(silver neodecanoate)および銀アセチルアセトネート(silver acetylacetonate)などからなる群より選択された1種以上を使用することができる。
前記第1金属化合物を溶かす溶媒として、炭素数6〜22の、線状または分枝構造を有する脂肪酸アミン化合物、あるいは炭素数6〜22の、線状または分枝構造を有する不飽和アミン化合物を使用することができる。前記アミン化合物は、例えば、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、オレイルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、2−エチルヘキシルアミン、1,3−ジメチル−n−ブチルアミン、1−アミノトリデカンおよびこれらの混合物からなる群より1種以上を選択することができる。
第1金属層5を熱還元反応によって形成する場合、反応温度は、金属化合物前駆体の前記第1金属化合物が熱分解する温度以上とすることができる。例えば、前記第1金属化合物として銀化合物を使用する場合、約120〜約220℃の温度で熱還元反応を行うことができる。
また、還元剤を用いた還元反応によって第1金属層5を形成する場合、前記還元剤としては、第1金属化合物を還元させることが可能な還元剤であれば特に限定されない。例えば、エリソルビン酸(erythorbic acid)系化合物、ヒドラジン(hydrazine)系化合物、ヒドロキノン(hydroquinone)系化合物、ホウ素(boron)系化合物、またはリン酸(phosphoric acid)系化合物から選択される1種以上の化合物またはこれらの塩を使用することができる。より具体的には、エリソルビン酸(erythorbic acid)系化合物としては、アスコルビン酸(L−ascorbic acid)およびその塩が挙げられ、ヒドラジン(hydrazine)系としては、P−ヒドラジンベンゼンスルホン酸 (benzenesulfonic acid)、硫酸ヒドラジンなどの誘導体が挙げられる。ヒドロキノン(hydroquinone)系化合物としては、メチルヒドロキノン(Methyl hydroquinone)、クロロヒドロキノン(chloro hydroquinone)、メトキシヒドロキノン(methoxy hydroquinone)が挙げられ、ホウ素系化合物としては、水素化ホウ素ナトリウム(sodium borohydride)、ホウ化ジメチルアミン(dimethyl amine borane)が挙げられ、リン酸系化合物としては、次亜リン酸ナトリウム(sodiu m hyperphosphite)、ピロ亜リン酸(pyrophosphite)、アンモニウムジハイドロジェンホスフェート(ammonium dihydrogen phosphate((NH)HPO))、次亜リン酸ナトリウム(NaHPO.HO)、ナトリウムヘキサメタホスフェート(Sodium Hexameta Phosphate、(NaPO)、および亜リン酸塩(NaHPO)などのいずれか1つであり得るが、必ずしもこれらに限定されるものではない。前記還元剤は、単独または2種以上を混合して使用することができる。
また、前記還元剤の濃度は特に制限されないが、還元剤の濃度が低すぎると、金属の析出が困難になり、多すぎる場合、費用が増加し得る。したがって、前記還元剤の濃度は、約0.01〜約50g/L、好ましくは約0.1〜約20g/Lで使用することができる。
このような還元剤を投入したり、熱還元反応を実施することにより、突起4を含む第1金属層5が形成可能である。
図4は、本発明の他の実施形態にかかる導電性粒子の製造方法を簡略に示す工程図である。
本発明の他の実施形態にかかる導電性粒子の製造方法は、金属を含む基材粒子と、第2金属化合物溶液とを反応させることにより、前記基材粒子の表面に第2金属層を形成するステップと、遷移金属化合物溶液を前記第2金属層の形成された基材粒子と反応させることにより、前記第2金属層の表面に核粒子を形成させるステップと、第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させることにより、前記核粒子を囲む突起を含む第1金属層を形成するステップとを含む。
図4を参照すれば、まず、金属を含む基材粒子1と、第2金属化合物溶液とを反応させることにより、基材粒子1の表面に第2金属層2を形成する(Step S10)。
基材粒子1に関する詳細な説明は、図3を参照した導電性粒子の製造方法で説明したとおりである。
本発明の一実施形態によれば、第2金属層2は、Au、Ag、Co、Cu、Ni、Pd、Pt、Snなどから選択される1種以上を含むことができ、これらの合金または2種以上の金属を含むことができる。好ましくは、酸化の問題がないAgまたはAuを含むことができる。
第2金属層2は、金属を含む第2金属化合物溶液を用いて形成することができ、前記第2金属化合物溶液は、第2金属化合物を溶媒に溶かして使用する。
より具体的には、第2金属化合物、溶媒および基材粒子1を添加して混合し、一定温度に維持しながら撹拌する。この時、第2金属化合物溶液の濃度および反応温度を調節することにより、第2金属層2の厚さを適切に調節することができる。本発明の一実施形態によれば、第2金属層2は、約10〜約100nmの厚さとなるように形成することができる。
前記第2金属化合物を溶かす溶媒としては、炭素数6〜22の、線状または分枝構造を有する脂肪酸アミン化合物、あるいは炭素数6〜22の、線状または分枝構造を有する不飽和アミン化合物を使用することができる。前記アミン化合物は、例えば、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、オレイルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、2−エチルヘキシルアミン、1,3−ジメチル−n−ブチルアミン、1−アミノトリデカンおよびこれらの混合物からなる群より1種以上を選択することができる。
第2金属化合物の含有量は、前記第2金属化合物溶液中の約0.1〜約30重量%を使用することが好ましい。0.1重量%未満で使用する場合は、第2金属層2が均一に形成されず、30重量%を超える場合は、塩の溶解度を超えて析出し、きちんと溶解しないことがある。
前記第2金属化合物は、以降電極の形成時に短絡などの問題を起こし得る硫黄(S)、塩素(Cl)などの陰イオンを含まない化合物を使用することが好ましい。例えば、第2金属化合物として銀(Ag)化合物を使用する場合に、銀ジアセテート、銀シクロヘキサンブチレート、銀2−エチルヘキサノエート、銀ネオデカノエートおよび銀アセチルアセトネートなどからなる群より選択された1種以上を使用することができる。
また、反応温度は、使用する第2金属化合物に応じて変化可能であり、例えば、前記第2金属化合物として銀化合物を使用する場合、反応温度は、約120〜約220℃、好ましくは約130〜約210℃の温度とすることができる。
次に、遷移金属化合物溶液を第2金属層2の形成された基材粒子1と反応させることにより、第2金属層2の表面に核粒子3を形成させる(Step S20)。
核粒子3は、後述する突起4を形成するための触媒核の役割を果たし、核粒子3およびその製造工程に関する詳細な説明は、図3を参照した導電性粒子の製造方法で説明したとおりである。
次に、第1金属化合物溶液を核粒子3の形成された基材粒子1と反応させることにより、核粒子1を囲む突起4を含む第1金属層5を形成する(Step S30)。
第1金属層5およびその製造工程に関する詳細な説明は、図3を参照した導電性粒子の製造方法で説明したとおりである。
本発明の一実施形態によれば、第1金属層5および第2金属層2は、同一種類の金属化合物を用いて形成することができる。本発明の他の実施形態によれば、第1金属層5および第2金属層2は、互いに異なる種類の金属化合物を用いて形成することができる。
以下、本発明にかかる実施例を参照して、本発明をより詳細に説明する。ただし、これらの実施例は発明の例として示されたものであって、これによって発明の権利範囲が定められるのではない。
<実施例>
(実施例1)
基材粒子は、液相還元法によって製造された平均粒径が0.04マイクロメートルのCu粒子を使用した。第1金属層形成のための金属化合物としては銀ジアセテート(Ag(CHCOO)・2HO、Ag含有量68%、Junsei)を使用し、核粒子形成用金属化合物としてはPdアセテート(palladium acetate、Pd(OCCH、Aldrich社)を使用した。
0.04マイクロメートルの大きさのCu粒子10gをオレイルアミン(oleylamine、C1837N)80gに、超音波および均質器(homogenizer)を用いて均一に分散させ、Cu粒子分散液を製造した。
銀ジアセテート10gをオレイルアミン(oleylamine、C1837N)80gに溶かし、銀化合物溶液を製造した。Pdアセテート1gをオクチルアミン(octylamine、CH(CHNH、Aldrich社)10gに溶かし、Pd化合物溶液を製造した。
半連続式反応器にCu粒子分散液を投入した。80℃の温度に維持して撹拌しながら、Pdアセテート溶液を、定量ポンプを用いて10ml/minと一定の投入速度で投入した。5分後、5℃/minで徐々に温度を増加させて130℃となった時、10分程度温度を維持した。
次に、溶解した銀化合物溶液を、定量ポンプを用いて10ml/minと一定の投入速度で投入した。投入が完了した時点で、5℃/minで徐々に温度を増加させて210℃まで増加させた後、10分間温度を維持して完全に反応させた。
反応完了後、常温まで温度を低下させた後、500mlのエタノール(ethanol、95%)を投入し、遠心分離機(centrifuge)を用いて製造された粒子を回収した。
回収された粒子を真空オーブンで24時間完全に乾燥した。
(実施例2)
基材粒子として、平均粒径が2マイクロメートルのCu粒子を使用したことを除いては、実施例1と同様の方法で導電性粒子を製造した。
(実施例3)
基材粒子は、液相還元法によって製造された平均粒径が0.04マイクロメートルのCu粒子を使用した。第1金属層および第2金属層形成のための化合物としては銀ジアセテート(Ag(CHCOO)・2HO、Ag含有量68%、Junsei)を使用し、核粒子形成用金属化合物としてはPdアセテート(palladium acetate、Pd(OCCH、Aldrich社)を使用した。
0.04マイクロメートルの大きさのCu粒子10gをオレイルアミン(oleylamine、C1837N)80gに、超音波および均質器(homogenizer)を用いて均一に分散させ、Cu粒子分散液を製造した。
銀ジアセテート3gをオレイルアミン(oleylamine、C1837N)80gに溶かし、銀化合物溶液を製造した。Pdアセテート1gをオクチルアミン(octylamine、CH(CHNH、Aldrich社)10gに溶かし、Pd化合物溶液を製造した。
半連続式反応器にCu粒子分散液を投入した。80℃の温度に維持して撹拌しながら、溶解した銀化合物溶液を、定量ポンプを用いて10ml/minと一定の投入速度で投入した。投入が完了した時点で、5℃/minで徐々に温度を増加させて210℃まで増加させた後、10分間温度を維持して完全に反応させた。
反応完了後、温度を低下させて130℃となった時、Pdアセテート溶液を、定量ポンプを用いて10ml/minと一定の投入速度で投入した。10分後、5℃/minで徐々に温度を増加させて190℃となった時、銀ジアセテート10gをオレイルアミン(oleylamine、C1837N)80gに溶かした銀化合物溶液を、定量ポンプを用いて10ml/minと一定の投入速度で投入した。投入が完了した時点で、5℃/minで徐々に温度を増加させて210℃まで増加させた後、10分間温度を維持して完全に反応させた。
反応完了後、常温まで温度を低下させた後、500mlのエタノール(ethanol、95%)を投入し、遠心分離機(centrifuge)を用いて製造された粒子を回収した。
(比較例1)
基材粒子は、液相還元法によって製造された平均粒径が0.04マイクロメートルのCu粒子を使用した。第1金属層形成のための化合物としては銀ジアセテート(Ag(CHCOO)・2HO、Ag含有量68%、Junsei)を使用した。
0.04マイクロメートルの大きさのCu粒子10gをオレイルアミン(oleylamine、C1837N)80gに、超音波および均質器(homogenizer)を用いて均一に分散させ、Cu粒子分散液を製造した。
銀ジアセテート10gをオレイルアミン(oleylamine、C1837N)80gに溶かし、銀化合物溶液を製造した。
半連続式反応器にCu粒子分散液を投入した。80℃の温度に維持して撹拌しながら、溶解した銀化合物溶液を、定量ポンプを用いて10ml/minと一定の投入速度で投入した。投入が完了した時点で、5℃/minで徐々に温度を増加させて210℃まで増加させた後、10分間温度を維持して完全に反応させた。反応完了後、常温まで温度を低下させた後、500mlのエタノール(ethanol、95%)を投入し、遠心分離機(centrifuge)を用いて製造された粒子を回収した。
<実験例>
(粒子の表面および成分の分析)
(実験例1)
実施例1により製造された導電性粒子を、透過顕微鏡(TEM)および走査顕微鏡(SEM)を用いて拡大して表面分析を実施した。
本発明の実施例1で突起を形成する前のCu粒子の、透過顕微鏡(TEM)を用いて30万倍に拡大した写真を図5に示した。実施例1で製造された導電性粒子の表面を、走査顕微鏡(SEM)を用いて30万倍に拡大した写真を図6に、透過顕微鏡(TEM)を用いて30万倍に拡大した写真を図7にそれぞれ示した。図8は、図7のTEM分析結果を拡大して示した。
図5ないし図8を参照すれば、表面分析の結果、本発明の実施例1により製造された導電性粒子には、表面に5〜10nmの大きさを有する突起が形成されることを確認することができた。
また、EDX分析方法を用い、本発明の実施例1で製造された単一粒子の位置に応じた元素分析結果を示すグラフを図9に示した。図9を参照すれば、Cuからなる基材粒子に対して、表面にAg、Pdがすべて存在することを確認することができる。前記EDX分析方法は、Hitachi社の走査顕微鏡(S−4800FEG SEM)に、Horiba社のEDS DetectorsおよびEMAX Energy Softwareを用い、line scanningを通じて単一粒子の位置に応じた金属成分を分析する方法で行った。
本発明の実施例1で製造された導電性粒子のドットマッピング(dot mapping)結果を示す写真を図10に示した。図10を参照すれば、Cuからなる基材粒子に対して、表面にAg、Pdがすべて存在することを同様に確認することができる。
図5ないし図10の結果をまとめると、Cu粒子の表面にPd核粒子およびAgを含み、ナノメートルの大きさを有する突起が形成されることを確認することができた。また、単一粒子において位置に応じたAgおよびCu含有量分析の結果、粒子の表面から中央にいくほど、Agの含有量が減少し、Cuの含有量が増加する傾向を観察することができた。これは、Cu粒子の表面にAg層が形成されたことを意味すると考えられる。
(実験例2)
実施例2により製造された導電性粒子を、走査顕微鏡(SEM)を用いて拡大して表面分析を実施した。
本発明の実施例2で突起を形成する前の基材粒子を、走査顕微鏡(SEM)を用いてそれぞれ3万倍および10万倍に拡大した写真を図11に示し、実施例2により製造された導電性粒子を、走査顕微鏡(SEM)を用いてそれぞれ3万倍および10万倍に拡大した写真を図12に示した。
図12を参照すれば、実施例2により製造された導電性粒子の表面には、10〜100ナノメートルの大きさを有する突起が形成されることを確認することができた。
(実験例3)
実施例3により製造された導電性粒子を、透過顕微鏡(TEM)および走査顕微鏡(SEM)を用いて拡大して表面分析を実施した。
本発明の実施例3で製造された導電性粒子の表面を、走査顕微鏡(SEM)を用いて30万倍に拡大した写真を図13に、透過顕微鏡(TEM)を用いて30万倍に拡大した写真を図14にそれぞれ示した。図15は、図14のTEM分析結果を拡大して示した。
図15を参照すれば、実施例3により製造された導電性粒子の表面には、10〜15ナノメートルの大きさを有する突起が形成されることを確認することができた。
(比較実験例1)
比較例1で製造された導電性粒子のドットマッピング(dot mapping)結果を示す写真を図16に示した。
図16を参照すれば、核粒子形成工程なしに製造された比較例1の導電性粒子には表面に突起が形成されず、Cu粒子の表面にAgが均一にめっきされた形態で得られたことを確認することができた。
(比抵抗(電気伝導性)の測定)
(実験例3)
前記実施例1で製造された導電性粒子を用いて比抵抗(電気伝導性)を測定するためにペーストを製造した。
実施例1の導電性粒子85重量%、ブチルカルビトールアセテート10重量%、バインダー(ethyl cellulose樹脂、商品名Ethocel、Dow社、Standard100)3重量%と、分散剤(BYK−180)2重量%を3−roll millingして混合し、ペーストを製造した。製造されたペーストを用いてスクリーンプリンティングを実施し、焼結温度に応じた比抵抗を測定した。
(比較実験例2)
前記比較例1で得られた導電性粒子を用いて前記実験例3と同様の方法でペーストを製造し、スクリーンプリンティングし、焼結温度に応じた比抵抗を測定した。
実験例3および比較実験例2の結果を下記表1に示した。また、その結果グラフを図17に示した。
表1および図17を参照すれば、実施例1により製造された導電性粒子を含むペーストは、すべての焼結温度に対して、比較例1で製造された導電性粒子を含むペーストより比抵抗に優れていると分析された。
また、焼結温度が増加するにつれ、比抵抗の減少幅がより大きくなり、特に、150℃および200℃の焼結温度で急激な比抵抗の減少、つまり、伝導度が向上することが分かる。
1 基材粒子
2 第2金属層
3 核粒子
4 突起
5 第1金属層

Claims (18)

  1. 金属を含む基材粒子と、
    前記基材粒子の表面上に形成された核粒子と、
    前記基材粒子上に形成された第1金属層と、を含み、
    前記第1金属層は、前記核粒子を囲んで突出していて、高さが5〜10nmである突起を含み、
    前記基材粒子はCuを含み、
    前記第1金属層はAgを含み、
    前記核粒子は、Pdを含むことを特徴とする導電性粒子。
  2. 前記基材粒子は、平均粒径が0.01〜1,000μmの球状であることを特徴とする請求項1に記載の導電性粒子。
  3. 金属を含む基材粒子と、
    前記基材粒子上に形成された第2金属層と、
    前記第2金属層の表面上に形成された核粒子と、
    前記第2金属層上に形成された第1金属層と、を含み、
    前記第1金属層は、前記核粒子を囲んで突出している突起を含み、
    前記基材粒子はCuを含み、
    前記第1金属層及び前記第2金属層はAgを含み、
    前記核粒子は、Pdを含むことを特徴とする導電性粒子。
  4. 前記基材粒子は、平均粒径が0.01〜1,000μmの球状であることを特徴とする請求項に記載の導電性粒子。
  5. 前記突起は、高さが5〜10nmであることを特徴とする請求項に記載の導電性粒子。
  6. 請求項1ないしのいずれか1項に記載の導電性粒子を含む導電性パターンを含むことを特徴とする電子素子。
  7. 前記導電性パターンは、太陽電池、回路、軟性回路基板、タッチスクリーンパネル、ディスプレイまたはRFIDの電極パターンであることを特徴とする請求項に記載の電子素子。
  8. 金属を含む基材粒子と、遷移金属化合物溶液とを反応させることにより、前記基材粒子の表面に核粒子を形成させるステップと、
    第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させることにより、前記基材粒子上に、前記核粒子を囲み、高さが5〜10nmである突起を含む第1金属層を形成するステップと、
    を含み、
    前記基材粒子は、Cuを含み、
    前記遷移金属化合物溶液は、Pdおよび溶媒を含み、
    前記第1金属化合物溶液は、Agを含む第1金属化合物、および溶媒を含むことを特徴とする導電性粒子の製造方法。
  9. 前記基材粒子は、平均粒径が0.01〜1,000μmの球状であることを特徴とする請求項に記載の導電性粒子の製造方法。
  10. 前記溶媒は、炭素数6〜22の、線状または分枝構造を有する脂肪酸アミン、あるいは炭素数6〜22の、線状または分枝構造を有する不飽和アミンであることを特徴とする請求項に記載の導電性粒子の製造方法。
  11. 第1金属化合物は、銀ジアセテート、銀シクロヘキサンブチレート、銀2−エチルヘキサノエート、銀ネオデカノエートおよび銀アセチルアセトネートからなる群より選択される1種以上の銀化合物を含むことを特徴とする請求項に記載の導電性粒子の製造方法。
  12. 前記第1金属化合物溶液の銀化合物の含有量は、0.1〜30重量%であることを特徴とする請求項に記載の導電性粒子の製造方法。
  13. 前記第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させるステップは、前記第1金属化合物が熱分解する温度以上で行われることを特徴とする請求項に記載の導電性粒子の製造方法。
  14. 前記第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させるステップは、アスコルビン酸系化合物、ヒドラジン系化合物、ヒドロキノン系化合物、ホウ素系化合物またはリン酸系化合物からなる群より選択される1種以上の還元剤を用いて行われることを特徴とする請求項に記載の導電性粒子の製造方法。
  15. 金属を含む基材粒子と、第2金属化合物溶液とを反応させることにより、前記基材粒子の表面に第2金属層を形成するステップと、
    遷移金属化合物溶液を前記第2金属層の形成された基材粒子と反応させることにより、前記第2金属層の表面に核粒子を形成させるステップと、
    第1金属化合物溶液を前記核粒子の形成された基材粒子と反応させることにより、前記第2金属層上に、前記核粒子を囲む突起を含む第1金属層を形成するステップと、
    を含み、
    前記基材粒子は、Cuを含み、
    前記遷移金属化合物溶液は、Pdおよび溶媒を含み、
    前記第1金属化合物溶液は、Agを含む第1金属化合物、および溶媒を含み、
    前記第2金属化合物溶液は、Agを含む第2金属化合物、および溶媒を含むことを特徴とする導電性粒子の製造方法。
  16. 第2金属化合物溶液は、銀ジアセテート、銀シクロヘキサンブチレート、銀2−エチルヘキサノエート、銀ネオデカノエートおよび銀アセチルアセトネートからなる群より選択される1種以上の銀化合物を含むことを特徴とする請求項15に記載の導電性粒子の製造方法。
  17. 前記第2金属化合物溶液の銀化合物の含有量は、0.1〜30重量%であることを特徴とする請求項15に記載の導電性粒子の製造方法。
  18. 第2金属化合物溶液を前記基材粒子と反応させるステップは、前記第金属化合物が熱分解する温度以上で行われることを特徴とする請求項15に記載の導電性粒子の製造方法。
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