KR100602811B1 - 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물, 잉크젯 프린팅에의한 금속패턴 형성 방법 및 이에 의해 제조된 인쇄회로기판 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은, 금속 나노입자; 공용매; 금속 나노입자를 잉크내에서 안정하게 분산된 상태로 유지하기 위한 분산제; 잉크젯 프린터의 노즐부분에서의 클로깅을 방지하기 위한 습윤제를 포함하여, 점도가 0.5 내지 40 mPa·s 범위 조건, 뉴토니안 흐름거동 조건, 표면장력이 20 내지 70mN/m의 범위 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 기존의 에너지 집약적이고 고비용의 광학적 패터닝 방법에 의한 생산 기술을 대체할 수 있는 친환경적이고 공정이 간단한 잉크젯 프린팅 기술에 의하여 직접묘화방식으로 전도성 금속패턴을 형성할 수 있다.

또한 본 발명의 잉크 조성물은 고농도의 안정하게 분산된 금속 나노 입자를 포함하고, 저온 열처리에 의하여 낮은 비저항을 얻을 수 있으므로, 전기/전자 소재 산업분야 뿐만 아니라, 바이오 산업 등 다양한 산업분야로의 응용이 기대된다.

Description

잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물, 잉크젯 프린팅에 의한 금속패턴 형성 방법 및 이에 의해 제조된 인쇄회로기판{Conductive ink composition for inkjet printer, method for forming metal pattern by inkjet printing and printed cirsuit board using the method}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 제조예에 의해 제조된 은 나노입자의 형상을 투과 전자현미경으로 촬영한 사진이다.

도 2는 본 발명의 일 제조예에 의해 제조된 은 나노입자를 포함하는 전도성 잉크 조성물의 점도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 금속패턴 형성방법 의하여 슬라이드 글라스 기판에 형성된 금속 패턴의 면저항과 두께를 측정하여 열처리 온도에 따른 비저항을 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 금속패턴 형성방법에 의하여 기판 표면에 형성된 금속 코팅막의 열처리 전과 후의 미세구조를 촬영한 주사 전자현미경 사진이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 인쇄회로 기판의 사진으로서, 제조예 2에 의해 제조된 은 나노입자를 포함하는 전도성 잉크 조성물을 사용하여 문서 인쇄용 잉크젯 프린터로 프린팅을 실시한 금속 패턴의 사진이다.

본 발명은 전도성 잉크 조성물에 관한 것으로서, 특히 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물 및 이에 의해 제조된 인쇄회로기판에 관한 것이다.

현재 전기/전자 부품 산업분야에서 미세구조 제작 공정에서는 노광과 식각공정을 기반으로 한 광학적 패터닝(photolithography) 방법이 주로 사용된다. 이 광학적 패터닝 방법은 여러 단계의 복잡한 제조 공정을 거치는 에너지 집약적이고 고비용의 생산기술일 뿐만 아니라 노광과 식각 공정 중에 배출되는 가스, 폐수 등 환경오염 발생 등의 문제점이 있다.

따라서 종래의 노광/식각에 의한 광학적 패터닝 공정을 대체하기 위한 간단하고 저비용이며 친환경적인 공정 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물, 상기 잉크 조성물을 사용한 잉크젯 프린팅에 의한 금속패턴 형성 방법 및 이에 의해 제조된 인쇄회로기판을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은, 금속 나노입자; 공용매; 상기 금속 나노입자를 잉크내에서 안정하게 분산된 상태로 유지하기 위한 분산제; 및 잉크젯 프린터의 노즐부분에서의 클로 깅을 방지하기 위한 습윤제를 포함하여, 점도가 0.5 내지 40 mPa·s 범위 조건, 뉴토니안 흐름거동 조건, 표면장력이 20 내지 70 mN/m의 범위 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.

상기 잉크 조성물은 열전사 방식의 잉크젯 프린터용으로서, 점도는 1.5 mPa·s 이고, 표면장력은 35 내지 45 mN/m의 범위 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

또한 상기 잉크 조성물은 연속 분사 방식의 잉크젯 프린터용으로서, 점도는 2.8 내지 6 mPa·s 이고, 표면장력은 25 내지 40 mN/m의 범위 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 금속 나노입자는 잉크젯 프린터의 오리피스 크기의 5% 이하의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 여기서 상기 금속 나노입자는 1 내지 100 nm 크기를 갖는 것이 더 바람직하다. 상기 금속 나노입자는 50 nm 이하의 크기를 갖는 것이 더 바람직하다.

상기 금속 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 원소로 구성된 군에서 선택된 금속의 나노입자인 것이 바람직하다.

상기 금속 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 원소로 구성된 군에서 선택된 둘 이상의 금속들의 함금 형태의 나노입자인 것이 바람직하다.

상기 공용매는 증발속도가 상대적으로 큰 하나 이상의 제1용매; 및 증발속도가 상대적으로 작은 하나 이상의 제2용매의 혼합용매인 것이 바람직하다.

상기 제1용매는 30℃ 미만에서 증발되는 것이 바람직한다. 이러한 상기 제1 용매는 물(water), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 아세톤(acetone), 이소프로필 알코올(isopropanol), 톨루엔(toluene), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 에틸 락테이트(ethyl lactate)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매일 수 있다.

상기 제2용매는 30 내지 100 ℃에서 증발되는 것이 바람직하다. 이러한 상기 제2용매는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol), 글리세린(glycerine)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매일 수 있다.

상기 제1용매와 상기 제2용매의 비율은 10:90 내지 90:10 인 것이 바람직하다. 이 때 상기 제1용매와 상기 제2용매의 비율은 70:30 내지 90:10 인 것이 더욱 바람직하다.

상기 금속 나노입자의 함량은 상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 60 중량부인 것이 바람직하다. 이 때 상기 금속 나노입자의 함량은, 상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 30 내지 50 중량부인 것이 더욱 바람직하다.

상기 공용매의 함량은 상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 40 내지 90 중량부인 것이 바람직하다.

상기 분산제의 함량은 상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 10 중량부인 것이 바람직하다.

상기 습윤제의 함량은 상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 20 중량부인 것이 바람직하다.

또한 상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 잉크젯 프린팅에 의한 금속패턴 형성방법은, 상기 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물을 기판 표면에 잉크젯 프린팅하는 단계; 및 상기 기판 표면에 프린팅된 잉크 조성물을 열처리하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 열처리 온도는 100 내지 600℃ 인 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도는 300 내지 500℃ 인 것이 더욱 바람직하다.

또한 상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 인쇄회로기판은 상기 금속패턴 형성방법에 의하여 제조된 것을 특징으로 한다. 상기 열처리 온도는 100 내지 600℃ 인 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도는 300 내지 500℃ 인 것이 더욱 바람직하다. 상기 기판은 폴리머 재질일 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 기본적인 목표는 패턴 구조체 형성을 위한 나노입자를 합성하고, 이를 적절한 물리화학적 특성을 갖도록 분산성과 점도특성을 제어하여, 안정적 잉크젯 분사가 가능한 금속 나노입자 잉크를 제조하여 잉크젯 프린팅을 통한 금속 패턴을 구현하는데 있다.

이러한 목표를 달성하기 위한 본 발명의 특징들은 다음과 같다.

첫째, 본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 금속 나노입자, 공 용매(co-solvent), 금속 나노입자를 잉크내에서 안정하게 분산된 상태로 유지하기 위한 분산제, 잉크젯 프린터의 노즐부분에서의 클로깅을 방지하기 위한 습윤제를 포함하여, 점도가 0.5 내지 40 mPa·s 범위 조건, 뉴토니안 흐름거동 조건, 표면장력이 20 내지 70mN/m의 범위 조건을 만족한다.

둘째, 본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 고농도의 안정하게 분산된 금속 나노입자를 포함한다.

셋째, 본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물에 포함된 공용매는 증발 속도가 큰 용매와 증발 속도가 작은 용매를 포함한다.

넷째, 본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 기판에 인쇄된 후 저온 열처리에 의하여 금속 입자간 융착을 일으키며, 낮은 비저항을 나타낸다.

잉크젯 프린팅은 저소음, 저비용의 비접촉식 프린팅 방식으로 분사 방식에 따라 크게 연속 분사(continuous jet: CJ) 방식과 드롭-온-디맨드(drop-on-demand: DOD) 방식으로 구분 가능하다. 여기서 연속 분사 방식은 펌프를 이용하여 잉크를 연속적으로 분사하는 동안 전자기장을 변화시켜 잉크의 방향을 조절함으로써 프린팅하는 방식이며, 드롭-온-디맨드 방식은 전기적 신호를 통하여 필요한 순간에만 잉크를 분사시키는 방식으로, 전기에 의하여 역학적으로 변형을 일으키는 압전판을 사용하여 압력을 발생시키는 압전(piezoelectric ink jet) 방식과 열에 의하여 발생하는 버블의 팽창에서 발생하는 압력을 이용하는 열전사(thermal ink jet) 방식으로 나뉠 수 있다.

잉크젯 프린팅 기술의 폭넓은 응용성의 기반은 잉크로 만들 수 있는 모든 매 체(금속, 세라믹, 폴리머)를 선택적으로 신속하게 미세패턴으로 인쇄할 수 있는 점에 있다. 또한 잉크젯 프린팅 기술은 목표로 하는 위치에 잉크를 비 접촉 방식으로 분사하기 때문에 종이를 비롯하여 직물, 금속, 세라믹, 폴리머 등 다양한 매질(기판)에 자유로운 형상을 인쇄할 수 있으며 수 평방미터 이상의 대형포스터, 배너 등 대면적 인쇄가 가능한 프린팅 기술이다.

일반적으로 문서 인쇄용 상용 잉크 조성물은 기본적으로 색을 나타내는 색소체(chromophore)와 이를 포함하는 유동체(vehicle)로 구성된다. 이에 비하여 본 발명의 잉크 조성물은 색소체를 대체하는 기능성 재료로써 금속 나노입자를 포함하여 전도성 금속패턴을 형성할 수 있다. 이러한 기능성 재료에 맞는 유동체의 조성과 제조된 잉크 조성물이 적절한 성능을 나타내기 위하여는 여러 가지 물성을 만족시켜야 한다.

즉 본 발명의 전도성 잉크 조성물은, 잉크젯 프린터의 노즐로부터 분사되기 위한 유체의 물성과, 전도성 금속패턴을 형성하기 위한 전도성 금속입자의 물성을 만족한다.

먼저 잉크가 잉크젯 프린터의 노즐로부터 분사되기 위하여 만족되어야 하는 유체의 물성은 적절한 점도, 적절한 표면장력(surface tension)이다. 이러한 유체의 물성은 액적 형성 기구 및 액적의 크기, 일정 압력 펄스에서의 속도에 영향을 미친다.

여기서 점도는 압전 방식의 잉크젯 프린터의 경우에 약 0.5 ~ 40 mPa·s 의 점도를 유지해야 한다. 또한 잉크가 분사되는 노즐부분에서 높은 전단율(shear rate)에 의하여 점도가 증가하지 않도록 뉴토니안(Newtonian) 거동이 요구된다. 또한 표면장력은 압전 방식의 잉크젯 프린터의 경우에 약 20 ~ 70 mN/m 의 범위 이내이어야 한다.

이러한 유체의 물성을 만족시키지 못할 경우 잉크의 분사 상태가 불안정하거나 분사가 되지 않을 수 있다.

한편, 열전사 방식의 잉크젯 프린터의 경우에 약 1.5 mPa·s 정도의 점도를 유지해야 하며, 역시 뉴토니안(Newtonian) 거동이 요구된다. 또한 표면장력은 약 35 ~ 45 mN/m 의 범위가 요구된다.

또한, 연속 분사 방식의 잉크젯 프린터의 경우에는 약 2.8 ~ 6 mPa·s 정도의 점도, 25 ~ 40 mN/m 의 표면장력이 요구된다. 연속 분사 방식의 경우 잉크에 전도성을 부여하기 위하여 염(salt)이 첨가되어야 한다.

젯팅에 크게 영향을 미치는 점도, 표면장력, 전도도 등의 물리적인 유체의 물성 뿐만 아니라, 잉크의 안정성과 관계되는 화학적 안정성, 분산성, 시간에 따른 물성의 변화 등을 고려하여 잉크를 제조하게 된다. 이러한 유체의 물성을 만족시키지 못할 경우 잉크의 분사 상태가 불안정하거나 분사가 되지 않을 수 있다. 예컨대, 요구되는 표면장력 이상의 범위에서는 펄스에 의한 압력으로 노즐 말단부에 형성된 잉크의 메니스커스(meniscus)로부터 표면장력을 극복하지 못하여 젯팅되지 않게 된다.

다음으로 전도성 금속패턴을 형성하기 위하여 잉크 조성물이 만족해야 할 전도성의 금속입자의 물성은, 금속 입자의 높은 전도성 및 내산화성, 적절한 금속 나노입자의 크기, 잉크 내에서 안정한 분산상태의 유지, 고농도의 금속 나노입자 포함 등이다.

여기서 전도성 및 내산화성을 갖는 금속 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 원소로 구성된 군에서 선택된 금속의 나노입자 일 수 있다. 또한 전도성 및 내산화성을 갖는 금속 나노 입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 원소로 구성된 군에서 선택된 둘 이상의 금속들의 함금 형태의 나노입자일 수 있다.

또한, 금속 입자의 크기는 우선 제조된 잉크의 분사에 영향을 주지 않고 안정하게 분사되기 위하여 잉크젯 프린터 노즐의 오리피스(orifice) 크기의 5% 이하가 될 것이 요구된다.

잉크젯 프린팅 방법에 의하면, 목표로 하는 위치에 잉크를 비 접촉 방식으로 분사하기 때문에 다양한 재질의 기판에 패턴을 인쇄할 수 있다. 특히 일반적인 기판 재료로 사용되는 경성 폴리머 기판과, 전자태그(Radio Frequency Identification : RFID), TCP(Tape Carrier Package), COF(Chip On Film) 등의 기판 재료로 사용되는 연성 폴리머 기판에 금속패턴을 형성하기 위하여는 인쇄 후 저온 열처리에 의하여 전도도를 얻을 수 있어야 한다.

금속 나노입자는 그 크기가 감소함에 따라 녹는점이 낮아진다(P. Buffat and J. P. Borel, Physic. Rev. A, vol. 13, pp. 2287-2298, 1976). 따라서 저온 열처 리에 의하여 전도도를 얻기 위하여는 소정 크기 이하의 금속 나노입자가 요구된다. 특히 폴리머 기판에 금속 패턴을 형성하기 위하여는 600℃ 이하의 저온 열처리에 의하여 전도도를 얻을 수 있어야 한다. 이를 위하여 잉크 조성물에 함유된 금속 나노입자의 크기는 1 ~ 100 nm 크기 범위내인 것이 바람직한다. 보다 바람직하게는 300 ~ 500 ℃의 온도로 저온 열처리 하여 높은 전도도를 얻기 위하여 50 nm 크기 이하의 금속 나노입자를 필요로 한다.

또한 기판에 패턴 형성 후 건조 및 열처리 과정에서 수축에 의한 결함이 없이 우수한 전도도를 나타내기 위하여 고농도의 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물이 요구된다.

또한, 잉크 내에서 고농도의 금속 나노 입자가 안정하게 분산되어야 하며, 이를 위하여 잉크 조성물에 포함되는 것이 분산제이다.

이하에서는 공용매의 구성 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.

공용매는 두 가지 용매의 혼합에 의하여 제조될 수 있다. 특히 공용매는 증발속도가 상대적으로 큰 하나 이상의 제1용매와 증발속도가 상대적으로 작은 하나 이상의 제2용매의 혼합용매로 이루어질 수 있다.

여기서 표면이 치밀한 기판 상에 전도성 잉크가 금속 패턴을 형성할 때는, 일반 용지 위에 프린팅하는 것과는 달리, 용매가 기판에 흡수되지 않는다.

증발속도가 상대적으로 큰 제1용매는 잉크가 기판에 분사된 후 빠르게 증발하여 용매가 기판 상에서 퍼지기 전에 고정시켜서 정확한 패턴을 구현하기 위한 기 능을 한다. 이러한 제1용매는 30℃ 미만에서 증발되는 것이 바람직하며, 이러한 것으로서 예컨대 물(water), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 아세톤(acetone), 이소프로필 알코올(isopropanol), 톨루엔(toluene), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 에틸 락테이트(ethyl lactate)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매로 이루어질 수 있다.

증발속도가 상대적으로 작은 제2용매는 잉크젯 프린터의 노즐 부분에서 클로깅을 방지하기 위하여 습윤성을 유지하는 기능을 한다. 제2용매는 잉크가 기판에 패턴이 형성된 후 제1용매가 먼저 증발 된 후에, 30 내지 100 ℃에서 증발되는 것이 바람직하다. 이러한 제2용매는 예컨대 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol), 글리세린(glycerine)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매로 이루어질 수 있다.

여기서 제1용매와 상기 제2용매의 비율은 10:90 내지 90:10 인 것이 바람직하다. 제1용매의 비율이 10:90 미만이면, 잉크의 건조 속도가 너무 빨라져서 노즐 부분에서 막힘 현상이 일어나기 쉬우며, 제1용매의 비율이 90:10을 초과하면, 프린팅하여 패턴을 형성시 건조 시간이 길어지게 되어 용매의 퍼짐에 따라 원하는 미세패터닝이 어려운 문제가 있다. 여기서 안정된 잉크 분사 및 프린팅 후 최적화된 미세 패터닝을 위하여 제1용매와 상기 제2용매의 비율은 70:30 내지 90:10 인 것이 더욱 바람직하다.

공용매의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 40 내지 90 중량부인 것이 바람직하다. 나노입자의 공용매의 함량이 90중량부를 초과하면 프린팅하여 전도성 패턴을 형성시 금속 나노입자의 밀도가 감소하여 우수한 전도도를 나타내지 못한다. 또한 나노입자의 공용매의 함량이 40 중량부 미만이면 점도가 너무 커져 젯팅이 불안정해지는 문제점이 있다. 여기서 선택되어진 하나 이상의 용매는 기계적 교반에 의하여 간단히 혼합되어지는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 잉크 조성물에 포함된 물질들의 함량에 대하여 상세히 설명한다.

금속 나노입자의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 60 중량부인 것이 바람직하다. 금속 나노입자의 함량이 10 중량부 미만이면 프린팅하여 전도성 패턴을 형성시 금속 나노입자의 밀도가 감소하여 우수한 전도도를 나타내지 못한다. 또한 60 중량부를 초과하면 점도가 너무 커져 젯팅이 불안정해지는 문제점이 있다. 여기서 최적화된 전도도와 점도를 얻기 위한 금속 나노입자의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 30 내지 50 중량부인 것이 더욱 바람직하다. 또한 본 발명의 잉크 조성물은 증발이 빠른 용매를 사용하므로써 가열되지 않은 기판 위에 프린팅할 수 있을 뿐만 아니라, 고농도의 금속 나노입자 함량으로 인하여 약 2μΩ·㎝ 이하의 낮은 비저항을 얻을 수 있다.

분산제는 고농도의 금속 나노 입자를 잉크 내에서 안정하게 분산된 상태로 유지시키는 역할을 한다. 이를 위하여 분산제는 잉크 조성물 중 적정한 함량비를 차지해야 한다. 분산제의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내 지 10 중량부인 것이 바람직하다. 분산제의 함량이 10 중량부를 초과하면 분산제의 폴리머 상호간의 영향으로 점도가 증가하여 잉크젯 프린터에 적합하지 못하게 된다. 또한 분산제의 함량이 0.1 중량부 미만이면 분산제의 역할이 미미하여 고농도의 금속 나노 입자를 포함할 경우 분산 안정성이 떨어져 바람직하지 못하다.

습윤제는 잉크젯 프린터의 노즐 부분에서 클로깅을 방지하기 위하여 습윤성을 유지하도록 용매의 특성을 조절하는 역할을 한다. 이를 위하여 습윤제는 잉크 조성물 중 적정한 함량비를 차지해야 한다. 습윤제의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 20 중량부인 것이 바람직하다. 습윤제의 함량이 20 중량부를 초과하면 점도가 크게 증가하여 잉크젯 프린터용으로 적합지 못하게 된다 또한 습윤제의 함량이 0.1 중량부 미만이면 노즐 막힘 현상(클로깅)이 일어나기 쉬워 제팅 안정성에 문제가 된다.

상기 조성에 의하여 제조된 잉크로 금속패턴을 형성하여 전도성을 나타내기 위한 열처리 온도로는 100 ~ 600 ℃, 보다 바람직하게는 300 ~ 500 ℃의 온도로 저온 열처리 하는 것을 특징으로 한다. 열처리 온도가 100℃ 미만이면, 금속 나노입자간의 융착이 일어나지 않으며, 잔류하는 폴리머들에 의한 영향으로 전도도를 나타내지 못하게 되며, 열처리 온도가 600℃를 초과하면, 폴리머 기판 등에서 저온 열처리에 의한 전도성 패턴 형성에 바람직하지 못하다. 특히 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 잉크 조성물에 의하면(도 3 참조), 300 ~ 500 ℃에서 매우 높은 전도도를 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 본 발명의 설명하기 위한 것이지 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

제조예 1 : 은(Ag) 나노입자의 제조

폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP) 40g 을 에틸렌글리콜 150㎖ 에 상온에서 기계적 교반에 의하여 완전히 용해한 후, 질산은(AgNO₃) 6.4g을 첨가하여 교반하며 120℃ 까지 가열하여 1시간 동안 유지시키며 반응을 시키고 Ag 나노 입자가 형성되도록 하였다.

도 1은 전술한 제조예 1에 의해 제조된 Ag 나노입자의 형상을 투과 전자현미경(Transmission electron microscope, TEM)으로 촬영한 사진이다. 입자의 크기는 평균입도 50㎚ 정도로 확인되었다. 50㎚의 입자는 500℃ 이하의 온도에서 융착이 일어나게 된다. 이는 폴리머 기판 등에서 저온 열처리에 의하여 전도도를 얻기 위하여 요구되는 1 ~ 100 nm 이내의 금속 나노 입자의 크기 조건을 만족한다.

실시예 1 : 은 나노입자를 포함하는 잉크의 제조

공용매로 에탄올과 디에틸렌글리콜을 70 : 30 내지 90 : 10 으로 기계적 교 반에 의하여 혼합한다. 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 공용매는 40 ~ 90 중량부, 에틸하이드록시프로판다이올(ethylhydroxy-propanediol) 0.1 ~ 20 중량부, 2-피롤리돈(2-pyrrolidone) 0.1 ~ 20 중량부를 기계적 교반에 의하여 혼합 후, 분산제 0.1 ~ 10 중량부로 공용매에 완전히 용해시킨다. 준비된 제조예 1에 의해 제조된 Ag 나노 입자를 30 ~ 50 중량비로 볼밀링(ball-milling)에 의하여 완전히 혼합하여 Ag 나노입자를 포함하는 고농도의 안정한 잉크 조성물을 수득하였다.

도 2는 실시예 1에 의해 제조된 은 나노입자를 포함하는 전도성 잉크 조성물의 점도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 점도가 3.0 ~ 3.5 mPa·s인 것을 알 수 있다. 이것은 압전 방식의 잉크젯 프린터의 점도 요구 조건인 약 0.5 ~ 40 mPa·s 의 범위를 만족한다. 또한 도 2를 참조하면 전단율 변화에 대한 점도 변화가 매우 작은 것을 알 수 있다. 이것은 잉크가 분사되는 노즐부분에서 전단율이 높아지더라도 점도가 증가하지 않는 뉴토니안 거동 조건을 만족하는 결과이다. 또한 도면에 도시되지는 않았지만 실시예 1에 의해 제조된 전도성 잉크 조성물의 표면장력을 측정한 결과 24.2 mN/m인 것을 확인되었다. 이로써 실시예 1에 의해 제조된 전도성 잉크 조성물은 잉크젯 프린터용 잉크 유체의 필요 물성을 만족시키는 것으로 확인되었다.

실시예 2 : 은 나노입자를 포함하는 잉크를 사용하여 금속패턴 형성

실시예 1로부터 제조된 최종 잉크 조성물을 잉크젯 프린터로 슬라이드 글라스(slide glass)를 기판에 분사하여 얇은 코팅막을 형성하고, 300 ~ 500 ℃의 온도에서 열처리를 실시하여 금속 패턴을 형성하였다.

도 3은 실시예 2에 의하여 슬라이드 글라스 기판에 형성된 금속 패턴의 면저항과 두께를 측정하여 열처리 온도에 따른 비저항을 계산한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면 400℃ 이상의 온도에서 상기 금속 패턴의 비저항은 1.995 μΩ·㎝ 이하임을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 본 발명에 의해 기판 표면에 형성된 금속 패턴의 비저항은 벌크(bulk) 상태의 은의 비저항 1.62 μΩ·㎝ 에 버금가는 매우 우수한 전도도를 띠는 것을 알 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 기판 표면에 형성된 금속 코팅막의 열처리 전과 후의 미세구조를 촬영한 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진이다.

도 4a의 열처리 전의 금속 코팅막에는 도 1과 같이 평균입도 50㎚ 정도의 은 나노입자를 포함된다.

도 4b를 참조하면, 금속 코팅막에 포함되어 있는 열처리 전 50㎚ 정도의 은 나노입자가, 열처리 후에 수 마이크로 미터 크기로 커져서 서로 융착하여, 매우 우수한 전도도를 나타낼 수 있음을 알 수 있다.

실시예 3 : 은 나노입자를 포함하는 잉크로 금속패턴이 형성된 인쇄회로기판

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 인쇄회로 기판의 사진으로서, 실시예 1에 의해 제조된 은 나노입자를 포함하는 전도성 잉크 조성물을 사용하여 문서 인쇄용 잉크젯 프린터로 프린팅을 실시한 금속 패턴의 사진이다.

본 발명에 따르면 금속 나노입자, 공용매, 분산제 및 습윤제를 포함하는 잉크 조성물로써 안정하게 분산된 고농도의 금속 나노입자를 포함하며, 저온 열처리에 의하여 낮은 비저항을 나타내는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물을 제조할 수 있다.

본 발명에 의하면 도 5의 실시예와 같이 잉크젯 프린팅에 의하여 우수한 전도도를 갖는 금속패턴을 신속하고 자유롭게 형성할 수 있으므로, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel) 등의 차세대 평판 디스플레이 분야, 전자태그 분야, 수동 부품, 전자회로기판, 센서 등 다양한 전기/전자 부품 산업 분야에 응용 가능하다.

이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 사용된 특정한 용어나 수치들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기 술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은, 잉크젯 프린터의 노즐로부터 분사되기 위한 유체의 물성을 만족하고, 전도성 금속패턴을 형성하기 위한 물성을 동시에 만족하므로, 잉크젯 프린팅 기술에 의하여 직접묘화방식(direct-writing)으로 다양한 재료의 기판상에 자유롭게 전도성 패턴을 형성할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 종래의 노광/식각에 의한 에너지 집약적이고, 고비용의 반도체 제조 공정 기술을 대체하여, 공정이 간단하고 저비용의 친환경적으로 인쇄회로기판을 제조할 수 있다.

또한 본 발명의 잉크 조성물은 고농도의 안정하게 분산된 금속 나노 입자를 포함하고, 저온 열처리에 의하여 낮은 비저항을 얻을 수 있으므로, 다양한 재료의 기판에 금속패턴을 형성할 수 있다. 따라서 전기/전자 소재 산업분야에서 차세대 기술로써 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 잉크젯 프린팅 기반 기술로부터 단백질 생체 칩 제조 등의 바이오 산업과 같은 다양한 산업분야로의 응용이 기대된다.

Claims (27)

1. 금속 나노입자;

   30℃ 미만에서 증발되는 제1용매와 30 내지 100 ℃에서 증발되는 제2용매가 혼합된 공용매;

   상기 금속 나노입자를 잉크내에서 안정하게 분산된 상태로 유지하기 위한 분산제; 및

   잉크젯 프린터의 노즐부분에서의 클로깅을 방지하기 위한 습윤제

   를 포함하여,

   점도가 0.5 내지 40 mPa·s 범위 조건, 뉴토니안 흐름거동(Newtonian flow) 조건, 표면장력이 20 내지 70 mN/m의 범위 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
2. 제1항에 있어서,

   열전사 방식의 잉크젯 프린터용으로서,

   점도는 1.5 mPa·s 이고, 표면장력은 35 내지 45 mN/m의 범위 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
3. 제1항에 있어서,

   연속 분사 방식의 잉크젯 프린터용으로서,

   점도는 2.8 내지 6 mPa·s 이고, 표면장력은 25 내지 40 mN/m의 범위 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는

   1 내지 100 nm 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
6. 제5항에 있어서, 상기 금속 나노입자는

   50 nm 이하의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
7. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는

   금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 원소로 구성된 군에서 선택된 금속의 나노입자인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
8. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는

   금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 원소로 구성된 군에서 선택된 둘 이상의 금속들의 함금 형태의 나노입자인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서, 상기 제1용매는

    물(water), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 아세톤(acetone), 이소프로필 알코올(isopropanol), 톨루엔(toluene), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 에틸 락테이트(ethyl lactate)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
12. 삭제
13. 제1항에 있어서, 상기 제2용매는

    에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol), 글리세린(glycerine)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
14. 제1항에 있어서,

    상기 제1용매와 상기 제2용매의 비율은 10:90 내지 90:10 인것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
15. 제14항에 있어서,

    상기 제1용매와 상기 제2용매의 비율은 70:30 내지 90:10 인것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
16. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자의 함량이

    상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 60 중량부인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
17. 제16항에 있어서, 상기 금속 나노입자의 함량이

    상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 30 내지 50 중량부인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
18. 제1항에 있어서, 상기 공용매의 함량이

    상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 40 내지 90 중량부인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
19. 제1항에 있어서, 상기 분산제의 함량이

    상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 10 중량부인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
20. 제1항에 있어서, 상기 습윤제의 함량이

    상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
21. 제1항 내지 제8항, 제11항, 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물을 기판 표면에 잉크젯 프린팅하는 단계; 및

    상기 기판 표면에 프린팅된 잉크 조성물을 열처리하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅에 의한 금속패턴 형성방법.
22. 제21항에 있어서,

    상기 열처리 온도는 100 내지 600℃ 인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅에 의한 금속패턴 형성방법.
23. 제22항에 있어서,

    상기 열처리 온도는 300 내지 500℃ 인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅에 의한 금속패턴 형성방법.
24. 제21항의 금속패턴 형성방법에 의하여 제조된 인쇄회로기판.
25. 제24항에 있어서,

    상기 열처리 온도는 100 내지 600℃ 인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.
26. 제25항에 있어서,

    상기 열처리 온도는 300 내지 500℃ 인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.
27. 제24항에 있어서,

    상기 기판은 폴리머 재질인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.

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