KR100728910B1 - 금속성 잉크, 그리고 이를 이용한 전극형성방법 및 기판 - Google Patents

금속성 잉크, 그리고 이를 이용한 전극형성방법 및 기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속성 잉크, 그리고 이를 이용한 전극형성방법 및 기판에 관한 것이다. 본 발명은 100 나노미터 크기 이하의 금속산화물 나노 미립자와 금속 부분 축중합 산화물 중에서 선택된 적어도 하나의 산화물과, 100 나노미터 크기 이하의 금속 나노 미립자가 용매 내에 독립된 형태로 분산된 금속성 잉크, 그리고 상기 잉크를 잉크젯 프린터기로 패터닝하여 도전 배선을 형성하는 전극형성방법 및 이로부터 형성된 기판을 제공한다. 본 발명은 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 가능하면서 기재에 대한 부착력이 증대되는 효과를 갖는다. 본 발명에 따른 금속성 잉크는 PDP 등의 각종 패널의 전극 제조에 유용하게 사용된다.
금속, 잉크, 은, 잉크젯, 금속산화물, 부착력

Description

금속성 잉크, 그리고 이를 이용한 전극형성방법 및 기판 {METALLIC INK, AND METHOD FOR FORMING OF ELECTRODE USING THE SAME AND SUBSTRATE}
도 1은 Ag/Pd 나노 미립자 분산액의 입도분포 그래프이다.
도 2는 Ag/Pd 나노 미립자 분산액의 TEM 사진이다.
도 3은 잉크젯 패터닝을 통해 형성된 Ag/Pd 금속 배선의 사진이다.
도 4는 250℃에서 열처리된 금속 배선의 SEM 사진이다.
도 5는 560℃에서 열처리된 금속 배선의 SEM 사진이다.
본 발명은 금속성 잉크, 그리고 이 잉크를 이용한 전극형성방법 및 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노(nano) 크기의 금속 초미립자가 분산된 금속성 잉크를 조성함에 있어서, 금속산화물 및/또는 금속 부분 축중합 산화물을 금속 초미립자와 함께 독립된 형태로 분산, 함유시킴으로써, 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 가능하고, 특히 기재에 대한 부착력이 획기적으로 증대된 금속성 잉크, 그리 고 상기 잉크를 잉크젯 프린터기로 패터닝하는 전극형성방법 및 이 방법에 의해 전극이 형성된 기판에 관한 것이다.
금속은 전자공업의 발달과 더불어 그 사용 범위가 점차 넓어지고 있다. 특히 미세 분말화된 금속은 금속성 질감을 표현하거나 도전 배선을 형성할 목적으로 많이 사용되고 있다.
예를 들어, 이동통신 단말기, 가전제품 등의 각종 플라스틱 전자제품에는 금속색(metallic color)이 제품의 외관에 적합한 것으로 광범위하게 인식됨에 따라 금속 분말이 도료에 함유되어 코팅되고 있다. 특히 은빛 계통의 금속색은 제품에 세련되고 깔끔한 인상을 부여하며 고급스러운 외관을 표현함에 따라 은(Ag)이 많이 사용되고 있다.
또한, 금속은 우수한 전도성을 가짐으로 인하여 플라스틱이나 유리 기판 등의 기재에 도전 배선용으로 인쇄되어 PDP(플라즈마 디스플레이 패널) 등에 적용되는 각종 전극 기판의 제조에 사용되고 있다. 이때, 금속은 수 마이크로미터 내지 수십 마이크로미터(㎛) 이상의 크기로 분말화되어 사용된다. 이와 같은 금속 분말은 감광성 에폭시 수지 등의 유기 바인더와 혼합되어 페이스트화된 다음 실크스크린법 및 리쏘그래피법 등을 통하여 기재에 인쇄되고 있다. 이러한 인쇄과정을 예를 들어 설명하면, 먼저 유리 기판(기재)의 표면에 금속 페이스트 조성물을 스크린 프린팅하여 막을 형성시킨다. 그리고 형성된 막을 리쏘그래피 공정을 통하여 미세 패터닝(patterning)하여 기재 상에 미세 도전성 배선을 형성시킨다. 다음으로 유기물을 500℃의 고온에서 태워 제거함으로써 전도성의 배선이 패터닝된 전극용 기 판을 제조하고 있다.
그러나 위와 같은 방법은 장치도 크고 공정도 복잡함으로 인하여 최근에는 잉크젯 프린터기에 의한 인쇄기법이 시도되고 있다. 잉크젯을 이용한 인쇄기법은 인쇄 속도가 빠르고, 장치가 비교적 간단하며, 인쇄하고자 하는 패턴의 형태에 구애받지 않는다. 또한 미세한 선부터 굵은 선까지 인쇄선의 굵기를 자유롭게 구현할 수 있고, 공정도 단순하여 제조 단가의 절감과 제조 공정의 혁신을 이룰 수 있다. 이러한 장점으로 인하여 잉크젯 인쇄기법은 스크린인쇄나 리쏘그래피를 대체할 것으로 예상된다.
이때, 잉크젯 프린터기에 사용되는 금속성 잉크는 노즐에 막힘 현상이 없도록 잉크젯용 잉크특성을 만족하여야 한다. 구체적으로 금속이 나노 크기로 초미립자화되고 응집 현상이 없도록 우수한 분산성을 가져야 한다.
최근 잉크젯 기술을 통한 인쇄기법의 도입 일환으로 100나노미터 미만의 은 입자가 분산된 용액이 개발되어 PDP의 제조에 응용되고 있으며, 그 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 분산성이 우수한 금속 초미립자의 제조방법에 대한 연구는 1980년대 이 후 Langmuir, 1996, 12, 4723; Chem. Rev. 2004, 104, 3893; J. Phys. Chem. B., 1988, 102, 8378; J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 882; J. Phys. Chem. B., 1999, 103, 5488, 그리고 대한민국 공개특허 제10-2002-7007534호 등의 많은 문헌과 특허들에서 꾸준히 발표되고 있다. 제조방법으로는 크게 환원제에 의한 화학적 환원방법과 기상 중에서 금속을 증발시킨 후 응축시켜 얻는 가스 증발법으로 나눌 수 있다. 이렇게 제조된 금속 초미립자는 용제，수지，분산제 등과 함께 교 반된 다음，초음파의 인가，그리고 볼밀, 샌드밀 등에 의해 분산, 처리되어 금속 초미립자 분산액으로 제조된다.
위와 같이 얻어진 고농도, 저점도의 금속성 잉크(금속 초미립자 분산액) 중에서 은 잉크의 경우는 우수한 전도성을 갖는 이유로 인하여 PDP나 기타 디스플레이의 잉크젯 패터닝을 통한 전극 형성에 가장 유용하게 사용되고 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2002-0074167호에는 잉크젯용 잉크특성을 만족시키는 것으로서 금속 초미립자 분산액으로 이루어진 잉크 및 그 제법에 제시되어 있다. 그리고 대한민국 공개특허 제10-2002-0080393호에는 상기 공개특허에 제시된 잉크를 사용하고, 잉크젯 프린터기로 형성하는 플랫 패널 디스플레이의 전극형성방법이 제시되어 있다.
그러나 종래 기술에 따른 금속 초미립자 분산액(금속성 잉크)은 기재에 대한 부착력이 현저히 떨어지는 문제점이 있다. 금속 나노 크기 입자의 표면은 화학적으로 불안정하여 공기 중에서 쉽게 변성된다. 이에 따라 페터닝된 도전 배선은 시간이 지남에 따라 색변화가 일어나고, 특히 급격한 부착력 저하를 나타낸다. 이와 같이 부착력이 저하되면, 금속 도전 배선의 탈착이 발생하여 전극으로서 치명적인 결함을 가지며, 이는 궁극적으로는 금속성 잉크의 PDP 공정에 대한 적용이 불가능하게 되는 요인이 된다.
또한, 금속성 잉크는 일반적으로 고온에서 열처리되는 경우 부착력이 향상됨과 동시에 전도도가 향상되는데, 종래 기술에 따른 금속성 잉크는 고온 처리 시 증발 현상이 발생하는 문제점이 있다.
따라서 경비 절감과 생산성 향상에 유리한 잉크젯 프린터로 인쇄가 가능한 것으로서, 나노 크기의 금속이 분산된 금속성 잉크가 개발되었으나 잉크젯 패터닝 후 부착력 문제를 개선하지 않고서는 실용화하는 것이 불가능하므로 부착력을 개선한 새로운 잉크젯용 금속성 잉크가 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로, 기재와 밀착력을 향상시키는 수단을 갖게 함으로써 부착력이 향상된 금속성 잉크, 그리고 이를 이용한 전극형성방법 및 기판을 제공하는 데에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고온에서의 열처리 시 증발이 없으며 부착력 및 전도도가 향상된 금속성 잉크, 그리고 이를 이용한 전극형성방법 및 기판을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 100 나노미터 크기 이하의 금속산화물 나노 미립자와 금속 부분 축중합 산화물 중에서 선택된 적어도 하나의 산화물과, 100 나노미터 크기 이하의 금속 나노 미립자가 용매 내에 독립된 형태로 분산된 금속성 잉크를 제공한다.
또한, 본 발명은 100 나노미터 크기 이하의 금속 나노 미립자가 용매 내에 독립된 형태로 분산되고, 상기 금속 나노 미립자는 제2금속보다 전도도가 높은 제1 금속과, 이 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성된 합금이거나, 상기 제1금속 및 제2금속 미립자의 혼합으로 이루어진 금속성 잉크를 제공한다.
아울러, 본 발명은 100 나노미터 크기 이하의 금속산화물 나노 미립자와 금속 부분 축중합 산화물 중에서 선택된 적어도 하나의 산화물과, 100 나노미터 크기 이하의 금속 나노 미립자가 용매 내에 독립된 형태로 분산된 금속성 잉크를 제조하는 단계와;
기재에 상기 금속성 잉크를 잉크젯 프린터기로 패터닝하는 단계와;
상기 패터닝된 금속성 잉크를 열처리하는 단계;를 포함하는 전극형성방법을 제공한다.
이에 더하여, 본 발명은 100 나노미터 크기 이하의 금속 나노 미립자가 용매 내에 독립된 형태로 분산되고, 상기 금속 나노 미립자는 제2금속보다 전도도가 높은 제1금속과, 이 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성된 합금이거나, 상기 제1금속 및 제2금속 미립자의 혼합으로 이루어진 금속성 잉크를 제조하는 단계와;
기재에 상기 금속성 잉크를 잉크젯 프린터기로 패터닝하는 단계와;
상기 패터닝된 금속성 잉크를 열처리하는 단계;를 포함하는 전극형성방법을 제공한다.
이때, 상기 열처리 단계에서는 60℃ 이상에서 수행되는 것이 바람직하며, 우수한 전도도 및 부착력과 강도를 얻기 위해 더욱 바람직하게는 450℃ 이상의 고온 에서 열처리하는 것이 좋다.
또한, 본 발명은 위와 같은 전극형성방법에 의해 전극이 형성된 기판을 제공한다.
본 발명에 따르면, 금속산화물과 금속 부분 축중합 산화물에 의해 기재에 대한 부착력이 증대되는 효과를 갖는다. 또한, 금속 나노 미립자가 합금으로 구성된 경우 증발 현상이 개선되어 고온에서의 열처리가 가능하고, 이에 의해 부착력 및 전도도가 향상된다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명자들은 종래의 금속성 잉크가 가지는 부착력 저하 문제와 고온 열처리 시 금속이 증발하여 패터닝된 금속 배선에 치명적인 결함을 주는 문제를 해결하기 위해 계속적인 연구를 거듭해 왔다. 이러한 연구과정에서 금속 나노 미립자가 독립적으로 분산된 경우 응집을 발생시키지 않고 잉크젯에 필수적인 유동성도 유지하며 잉크 특성이 우수함을 알 수 있었으며, 여기에 금속산화물 나노 입자 및/또는 금속 부분 축중합 산화물(즉, 금속산화물의 부분 축합물)이 금속 나노 미립자와 함께 독립적으로 분산된 경우 패터닝 후의 부착력이 획기적으로 증대됨을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다. 또한, 금속 나노 미립자의 금속을 합금으로 구성하되, 전도성을 만족시킬 수 있는 제1금속과, 이 제1금속보다 전도성은 떨어지나 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성하는 경우 고온 처 리 시 증발 현상이 해결되고, 이와 같이 고온 처리되면 부착력과 함께 전도도가 향상됨을 알 수 있었다.
본 발명의 제1형태에 따른 금속성 잉크는, 금속산화물 나노 미립자와 금속 부분 축중합 산화물 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 산화물과, 금속 나노 미립자가 용매 내에 독립적으로 분산된 형태로서, A)금속산화물 나노 미립자 및/또는 B)금속 부분 축중합 산화물과, C)금속 나노 미립자 그리고 D)분산액를 적어도 포함한다.
또한, 본 발명의 제2형태에 따른 금속성 잉크는, 금속 나노 미립자가 용매 내에 독립적으로 분산되어 있고, 상기 금속 나노 미립자는 합금이거나 단일 금속의 혼합으로 이루어진 형태로서, C)금속 나노 미립자 및 D)분산액를 적어도 포함하고, 상기 합금은 전도도가 높은 제1금속과, 이 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성되거나, 상기 제1금속 및 제2금속 미립자의 혼합으로 구성된다.
상기 제1형태 및 제2형태 모두 본 발명에서 목적하는 우수한 부착력을 갖는다. 구체적으로 제1형태의 경우는 금속산화물 나노 미립자(A)나 금속 부분 축중합 산화물(B)에 의해 기재와의 밀착성이 향상되어 부착력이 증대된다. 또한, 제2형태의 경우는 제1금속에 의해 도전 배선에서 요구되는 기본적인 전도성을 만족시키며, 제2금속에 의해 패터닝 후의 고온 처리를 가능케 하여 부착력이 증대된다.
상기 금속산화물 나노 미립자(A)는 100㎚(나노미터) 이하, 구체적으로는 1㎚ 내지 100㎚의 크기를 갖는다. 바람직하게는 잉크젯 토출이 원활히 수행될 수 있는 크기로서 50㎚ 이하의 크기를 갖는다. 이때, 금속산화물 나노 미립자(A)의 크기가 100㎚을 초과하여 너무 큰 경우에는 잉크젯 프린터기의 노즐이 막힐 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기 금속산화물 나노 미립자(A)는 기재에 밀착성을 갖게 할 수 있는 것이면 본 발명에 포함한다. 이러한 금속산화물 나노 미립자(A)는 예를 들어 규소(Si), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 세리움(Ce), 티타늄(Ti), 지르코니움(Zr), 바나디움(V), 크로미움(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 갈리움(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 및 안티몬(Sb) 등의 산화물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 산화규소(SiO2, 실리카), 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO2), 산화안티몬(Sb2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO) 및 산화철(FeO2) 등으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합을 사용할 수 있다. 그리고 100 나노미터 이하의 크기로 용제에 분산된 형태로 사용한다.
상기 금속 부분 축중합 산화물(B)은 기재에 밀착성을 갖게 할 수 있는 것이면 사용 가능하며, 예를 들어 아래의 [일반식 1] 등으로 나타내어지는 금속 알콕사이드 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용하거나, 상기 금속 알콕사이드 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 가수분해와 축합반응을 진행시켜 얻은 축중합물을 사용할 수 있다.
[일반식 1]
M(OR)n
(상기 식에서 M은 Si, Sn, In, Ti, Zn, Mg, Ca, Sb 중에서 선택된 어느 하나이고, R은 수소 또는 다양한 관능기를 가진 탄화수소(알킬 그룹, 아릴 그룹 등)이며, n은 1 ~ 10의 정수이다.)
또한, 상기 금속 부분 축중합 산화물(B)은 아래의 [일반식 2]로 나타내어지는 무기계 축중합 폴리머를 유용하게 사용할 수 있다.
[일반식 2]
MxOy(OR)z
(위 식에서, M은 Si, Mg, Y, Ce, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nd, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Sn, Sb 중에서 선택된 어느 하나이고, R은 수소 또는 다양한 관능기를 가진 탄화수소(알킬 그룹, 아릴 그룹 등)이며, x, y, z 는 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)
본 발명에 따른 금속성 잉크 내에는 이상에서 설명한 금속산화물 나노 미립자(A) 및/또는 금속 부분 축중합 산화물(B)이 고형분 전체 중량기준으로 0.01% ~ 30%로 함유된 것이 좋다. 구체적으로, 금속산화물 나노 미립자(A)를 포함한 전체 고형분(A+B+C, A+C 또는 B+C) 중에서 A 및/또는 B(A, B, 또는 A+B)가 0.01중량% ~ 30중량%로 조성되는 것이 좋다. 바람직하게는 0.1% ~ 10%가 좋다. 이때, 금속 나노 미립자(C) 대비 금속산화물 나노 미립자(A) 및/또는 금속 부분 축중합 산화물(B)의 중량비가 너무 높으면 부착력은 증대되나 잉크젯 패터닝된 도전 배선의 전도도가 감소되며, 너무 작으면 양호한 부착력을 도모하기 어렵다.
상기 금속 나노 미립자(C)는 100㎚(나노미터) 이하, 구체적으로는 1㎚ 내지 100㎚의 크기를 갖는다. 금속 나노 미립자(C)는 예를 들어 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 2종 이상의 금속으로 구성된 합금이거나, 2종 이상의 혼합인 것이 좋다.
또한, 상기 금속 나노 미립자(C)가 합금일 경우에는, 여러 종류의 금속들 중에서 다른 금속들에 비하여 비교적 전도도가 높은 금속(제1금속)과, 이 제1금속보다 전도도는 떨어지나 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 금속(제2금속)으로 구성된 것이 바람직하다. 아울러, 2종 이상의 혼합일 경우에도 다른 금속들에 비하여 비교적 전도도가 높은 제1금속과, 이 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속의 혼합으로 이루어지는 바람직하다. 이때, 상기 제1금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 구리(Cu) 등으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있으며, 상기 제2금속은 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni) 등으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 아울러, 상기 제2금속은 가능한 한 450℃ 이상의 온도에서 도 증발 현상이 없는 금속이 더욱 좋다.
상기 금속 나노 미립자(C)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 전도도가 우수하며 가격 면에서도 유리한 특성을 가지는 은(Ag)을 적어도 포함하는 합금이 유용하게 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 은(Ag)과 팔라듐(Pd)으로 구성된 합금(Ag/Pd 합금)을 사용하는 것이 좋다. 이와 같이 금속 나노 미립자(C)가 합금으로 구성된 경우, 나노 크기의 합금 미립자로 직접 제조된 후 잉크 내에 분산되게 한다. 또한, 각각의 단일 금속 나노 미립자가 잉크 내에 적정의 비율로 혼합 분산되는 경우에는, 각각의 단일 금속 나노 미립자가 혼합 분산된 잉크는 잉크젯 패터닝된 후 열처리 과정에서 합금으로 변화된다.
위와 같이 금속 나노 미립자(C)가 합금으로 구성되어지되, 상기 합금이 전도도가 높은 제1금속, 그리고 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성되는 경우 450℃ 이상, 구체적으로는 650℃의 고온에서도 증발 현상이 없이 열처리를 가능케 한다. 즉, 제2금속이 고온 처리 시 발생되는 증발 현상을 방지하여 고온 처리를 가능케 하며, 이러한 고온 처리에 의해 기재와의 부착력이 증대된다. 이러한 고온 처리는 또한 더욱 향상된 전도도를 갖게 한다.
상기 금속 나노 미립자(C)는 예를 들어 Ag/Pd 합금 나노 미립자인 경우 금속 전체 중량 기준(Ag+Pd)으로 Pd(제2금속)의 함유량은 0.05% ~ 50%가 좋다. 바람직하게는 0.1% ~ 50%가 좋다. Pd의 함유량이 0.1% 미만일 경우 도전성 배선이 450℃ 이상에서 열처리될 때 증발 현상이 나타나서 부착력 및 배선의 전도성이 현격히 떨어질 수 있다. Pd의 함유량이 0.1% 이상일 경우에 증발 현상은 없어지며 팔라듐 이 증대됨에 따라 도전 배선의 열적 안정성과 기재에 대한 부착력은 현저히 좋아진다. 아울러, Pd의 함유량이 50%를 초과하면 Pd의 낮은 전도도로 인하여 은 배선의 전도도가 현저히 감소할 수 있다. 따라서 450℃ 이상의 고온 처리 시에는 Pd는 0.1% ~ 50%로 함유되는 것이 열적 안정성 및 전도도 측면에서 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기와 같이 Pd의 함유량 즉, 제2금속의 함유량을 범위 내에서 조절하여 적용 제품의 요구되는 전도도와 열적 안정성을 조절할 수 있다. 즉, 전도도보다는 열적 안정성이 더 요구되는 제품의 경우에는 Pd의 함유량을 높이면 된다.
상기 분산액(D)은 이상에서 설명한 금속산화물 나노 미립자(A), 금속 부분 축중합 산화물(B), 및 금속 나노 미립자(C)가 용매 내에 독립적으로 분산되어 있도록 하는 것으로서, 이는 분산제와 용매로 이루어진다.
상기 분산액(D)의 분산제로는 금속 표면에 착체(錯體)를 형성할 수 있는 관능기를 가지는 유기물로부터 선택되며, 예를 들어 알킬 아민, 카르복실산아미드, 아미노카르복실산염, 시트르산 나트륨 염 등을 사용할 수 있다. 이때, 상기 알킬 아민의 알킬 그룹은 탄소수가 4 ~ 20, 바람직하게는 4 ~ 12를 사용하여 금속 나노 미립자(C)를 비극성 용매에 충분히 분산될 수 있도록 한다. 또한, 분자량(Mw)이 1,000 ~ 40,000, 바람직하게는 10,000 ~ 20,000의 폴리비닐피롤리돈(PVP), 또는 분자량(Mw)이 1,000 ~ 40,000, 바람직하게는 10,000 ~ 20,000의 폴리비닐알콜 등을 사용할 수 있다. 그리고 상용 제품으로는 독일 BYK사의 BYK-108, BYK-1000 또는 BYK-antiterra-U 등의 분산제를 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 분산액(D)의 용매로는 제조된 금속 나노 미립자(C)의 표면을 개질한 계면활성제의 특성에 따라 탄소수 6 ~ 20의 비극성 탄화수소, 물 그리고 셀로솔브계나 극성 알콜계 등의 용제로부터 선택된 적어도 1 종을 사용할 수 있다.
본 발명의 금속성 잉크는, 먼저 금속 나노 미립자 분산액을 제조한 다음, 여기에 금속산화물 나노 미립자(A) 및/또는 금속 부분 축중합 산화물(B)의 분말 또는 이들의 분산액을 혼합 분산하여 제조할 수 있으며, 상기 금속 나노 미립자 분산액의 제조는 공지된 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 바람직하게는 액상 환원법을 이용하여 제조한다. 이때, 제조과정에서 점도는 1 ~ 100 mPa·s, 바람직하게는 1 ~ 50mPa·s, 표면장력은 25 ~ 80mN/m, 바람직하게는 30 ~ 60mN/m이 되도록 고형분의 함량이 잉크의 전체 중량 기준으로 1 ~ 70%, 바람직하게는 10 ~ 55%가 되도록 제조한다. 이에 따라 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 가능한 잉크특성을 만족시킨다.
이상에서 설명한 본 발명의 금속성 잉크는 PDP 등의 각종 패널의 전극 제조용 기판(플라스틱 또는 유리)은 물론 이동통신 단말기, 가전제품 등의 각종 플라스틱 전자제품을 구성하는 케이스 등의 기재에 다양한 인쇄기법으로 도전 배선용 또는 금속성 질감을 위해 사용되는 것을 포함한다. 특히 PDP 등의 전극 제조에 유용하게 사용된다.
한편, 본 발명에 따른 전극형성방법은 플라스틱 또는 유리 기판으로부터 선택된 기재의 표면(기재의 어느 한 면 또는 양면)에 이상에서 설명한 금속성 잉크가 적어도 1회 이상 인쇄되어 도전 배선이 형성되는 공정을 갖는다. 이때, 잉크젯 인 쇄기법으로 도전 배선이 패터닝되며, 이후 열이 조사되어 열처리되는 공정을 갖는다. 열처리 공정은 60℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 120℃이상, 구체적으로는 120℃ ~ 650℃의 온도에서 열처리가 수행되며, 더욱 바람직하게는 450℃ 이상의 고온, 구체적으로는 450℃ ~ 650℃의 고온에서 수행된다. 전술한 바와 같이, 고온에서 열처리된 경우 부착력은 물론 전도도가 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 기판은, 기재에 상기 전극형성방법에 의해 전극(도전 배선)이 형성된 것으로서, 이는 PDP, 반도체 소자 등의 각종 전자제품의 전극으로 유용하게 사용된다.
이하, 본 발명의 구체적인 시험 실시예 및 비교예를 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
(1) Ag 나노 미립자 분산액 제조
AgNO3 236.247g를 3차 증류수에 용해하여 금속의 농도가 30%(용액 중의 금속 중량비)가 되도록 금속화합물 수용액을 제조하였다. 다음으로, 질소 분위기 유지 하에 폴리비닐피롤리돈(PVP, Mw=40,000)을 금속 중량의 10%(Ag:PVP=0.1:1)가 되도록 첨가하여 완전히 용해될 때까지 교반한 후 용액의 온도를 60℃로 유지하였다. 이와 같이 준비된 용액에 에탄올과 데칸의 혼합용액(2:8비율) 4L를 가하여 혼합한 후 환원제로 포타슘보로하이드라드를 2mole배를 가하여 금속 환원반응을 진행시켜 Ag 초미립자 분산액을 제조하였다. 그리고 이 분산액에 BYK-108(독일 BYK사 제품) 및 PVP를 추가적으로 가하였다. 이와 같이 환원반응이 진행된 후 형성된 분산액은 약 6L로서 Ag 나노 미립자가 균일하게 분산된 상태를 유지하였다. 다음으로 분산액으로부터 Ag 나노 미립자 분말을 분리하기 위해 에탄올을 첨가하여 극성도를 변화시켜 분리하였다. 그리고 증류수 및 아세톤을 이용하여 수회 세척하여 불순물을 제거하였다. 세척과정을 통해 회수된 미립자를 하이드로 카본계열의 헥산, 데칸, 톨루엔이 혼합된 혼합용매를 이용하여 분산을 진행하였다. 이때, Ag 나노 미립자는 약 3~7nm의 입경을 가지며, 입자끼리 완전하게 고립된 상태로 용매 중에 균일하게 분산되었다. 이 분산액은 Ag 나노 미립자가 분산액 전체 중량 기준으로 53.4중량% 함유하였으며, 점도는 25℃에서 잉크젯 패터닝이 가능한 8.7mPa.S였다. 또한, 이와 같이 제조된 Ag 초미립자 분산액은 상온에서 30일 경과 후에도 침전현상 없이 안정한 상태를 보임을 확인하였다.
(2) Pd 나노 미립자 분산액 제조
Pd(NO3)을 이용하여 앞서 기술한 Ag 나노 미립자 분산액의 제조방법과 동일하게 실시하여 Pd 초미립자 분산액을 제조하였다. Pd 초미립자는 약 5~10nm의 입경을 가지며, 입자끼리 완전하게 고립된 상태로 용매 중에 균일하게 분산이 되었 다. 이 분산액은 Pd 나노 미립자가 분산액 전체 중량 기준으로 45중량% 함유하였으며, 점도는 25℃에서 13.4mPa.S였다. 또한, 제조된 Ag 초미립자 분산액은 상온에서 30일 경과 후에도 침전현상 없이 안정한 상태를 보임을 확인하였다.
(3) 잉크 제조
상기 제조된 Ag 나노 미립자 분산액과 Pd 나노 미립자 분산액을 혼합하되, 금속 중량기준(Ag+Pd의 합)으로 Pd가 0.3%가 되도록 혼합하였다. 도 1은 이와 같이 혼합된 Ag/Pd 나노 미립자 분산액을 입도분석기(일본 microtrek 제품, 모델 UPA-150)를 이용하여 분석한 입도분포 그래프이고, 도 2는 상기 Ag/Pd 나노 미립자 분산액의 TEM 사진이다. 도 1 및 도 2에 보인 바와 같이, 금속 입자들은 상호간 응집됨이 없이 완전하게 고립된 상태로 균일하게 분산되어 있음을 알 수 있었다.
다음으로, 상기 혼합액에 직경 50nm 미만의 실리카가 혼합된 실리카 졸(일본, 닛산화학 제품, 상품명:스노우텍스)을 고형분 Ag 및 Pd 금속(Ag+Pd의 합) 중량 대비 3%가 되도록 첨가하여 잉크젯용 잉크를 제조하였다.
(4) 시편 제조
상기 제조된 잉크를 미국 Litrex 사의 잉크젯 모델 70 system에 미국 스펙트라사의 spectra SE 헤드를 장착하여 PDP용 Glass 기판에 패터닝하였다. 잉크젯 패터닝을 통해 배선을 형성함에 있어 총 길이 1160mm, 굵기 70~90㎛ 범위 내의 일정한 두께를 얻기 위해 2회 중복 프린팅하였다. 잉크는 노즐의 막힘 현상 없이 효과 적으로 토출되어 패터닝됨을 알 수 있었다. 위와 같이 잉크젯 패터닝을 통해 형성된 Ag/Pd 금속 배선의 사진을 도 3에 나타내었다.
다음으로, 위와 같이 패터닝된 금속 배선에 대하여 250℃와 560℃에서 열처리하여 본 실시예에 따른 시편을 완성하였다. 이때, 250℃에서는 30분 동안 열을 조사하였으며, 560℃에서는 20분 동안 열을 조사하였다. 도 4는 250℃에서 열처리된 금속 배선의 SEM 사진이고, 도 5는 560℃에서 열처리된 금속 배선의 SEM 사진이다.
(5) 부착력, 전도도, 열적 안정성 평가
상기와 같이 제조된 시편에 대하여 부착력, 전도도 및 화학 안정성을 평가하였다. 부착력은 패터닝/열처리한 후 형성된 금속 배선에 3M 테이프(미국 3M사 제품, presure sensitive tape)를 접착시킨 후, 벗겼을 때 배선의 손상정도를 육안 관찰하여 판단하였으며, 전도도는 일본 미쓰비시사의 4-Point probe 테스터기를 이용하여 측정하였다. 그리고 열적 안정성은 패터닝/열처리 전후 시편의 광투과도를 측정 비교하고 고온에서의 금속 증발 현상 발생 여부 확인하여 평가하였다.
이상의 결과를 하기 [표 1] 및 [표 2]에 나타내었다.
[실시예 2 내지 5]
잉크 제조 시 Ag 나노 미립자 분산액과 Pd 나노 미립자 분산액을 혼합함에 있어 Pd의 함량이 1%(실시예 2), 5%(실시예 3), 10%(실시예 4), 30%(실시예 5)가 되도록 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 그 결과는 하기 [표 1] 및 [표 2]와 같다.
[실시예 6]
잉크 제조 시 Pd 나노 미립자 분산액을 혼합하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 본 실시예들의 잉크는 Ag 나노 미립자 분산액과 실리카 졸이 혼합되어 이루어졌으며, 잉크젯 패터닝시 노즐 막힘 현상 없이 효과적으로 토출하여 금속 배선을 형성함을 알 수 있었다. 그러나 560℃의 고온에서 열처리 시 금속 입자의 증발 현상이 발생하였으며, 이 경우에는 전도도 또한 구현되지 않아 고온 열처리는 적용이 어려움을 알 수 있었다. 그 결과는 하기 [표 1] 및 [표 2]와 같다.
[실시예 7 내지 9]
잉크 제조 시 실리카 졸을 혼합하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 즉, 본 실시예들의 잉크는 Ag 나노 미립자 분산액과 Pd 나노 미립자 분산액의 혼합으로 이루어진 것이다. 이때 금속(Ag+Pd) 중의 Pd의 함량을 0.3%(실시예 7), 5%(실시예 8), 30%(실시예 9)로 변경해가며 잉크를 제조하였다. 제조된 잉크는 잉크젯 패터닝시 노즐 막힘 현상 없이 효과적으로 토출하여 금속 배선을 형성함을 알 수 있었다. 그리고 250℃는 물론 560℃의 열처리에서도 증발 현상이 없음을 알 수 있었다. 그 결과는 하기 [표 1] 및 [표 2]와 같다.
[실시예 10]
먼저, 상기 실시예 1에서와 같이 Ag 나노 미립자를 제조하였다.
그리고 테라에톡시실란[TEOS ; Teraethoxysilane (일본, 도시바 화학, 상품명:TSL8124)] 20g에 헥실트리메톡시실란[Hexyltrimethoxysilane (일본, 도시바 화학, 상품명:TSL8241)] 20g을 가하여 충분히 교반하고, 도데칸 20g을 더 첨가한 후 수산화 나트륨 수용액 10g(20wt%수용액)을 가하고, 상온에서 볼밀링을 통해 실리카 부분 축합물을 제조하였으며, 물 층을 제거 후 유기물 층에 존재하는 실리카 부분 축합물은 건조 중량으로 30중량%가 되도록 농축 제조 하였다. 제조된 실리카 부분 축합물은 용매에 균일하게 분산됨을 알 수 있었다.
다음으로, Ag 초미립자 분말에 실리카 부분 축합물을 금속 대비 3% 첨가한 후, 테트라 데칸 용매를 이용하여 교반 분산하였다. 분산된 용액은 Ag 금속은 52.3중량%를 함유하였고, 점도는 25℃에서 11.4mPa.S였다. 그리고 상기 분산된 용액을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 잉크젯 패터닝한 후, 250℃와 560℃에서 열처리하여 금속 배선을 형성하였다. 이때, 560℃의 고온에서 열처리 시 금속 입자의 증발 현상이 발생하였으며, 이 경우에는 전도도 또한 구현되지 않아 고온 열처리는 적용이 어려움을 알 수 있었다. 그 결과는 하기 [표 1] 및 [표 2]와 같다.
[실시예 11]
상기 실시예 10에서와 같이 동일한 방법으로 실리카 부분 축합물을 제조한 후 실시예 1에서와 같이 동일한 방법으로 제조된 Ag 나노 미립자 분말과 Pd 나노 미립자 분말에 중량비로 3%가 되도록 첨가하고, 분산 용매로서 테트라 데칸을 이용하여 교반 분산하였다. 분산된 용액의 Ag/Pd금속은 51.8중량%를 함유하였고, 점도는 25℃에서 13.4mPa.S 였다. 그리고 Pd는 전체 금속의 0.5% 중량비로 포함되었다. 이 분산된 용액을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 잉크젯 패터닝한 후, 250℃와 560℃에서 열처리하여 금속 배선을 형성하였다. 그 결과는 하기 [표 1] 및 [표 2]와 같다.
[비교예 1]
실시예 1에서와 같은 방법으로 Ag 초미립자 분말을 제조한 후, 테트라 데칸 용매에 균일하게 교반 분산하여 Ag 금속 잉크를 제조하였다. 제조한 Ag 잉크는 54중량%를 함유하였고, 25℃에서 9.3mPa.S의 점도를 나타내었다. 그리고 이 잉크에 대하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 잉크젯 패터닝한 후, 250℃와 560℃에서 열처리하여 금속 배선을 형성한 후, 상기 실시예들과 물성을 비교하였다. 본 비교예에 따른 시편은 패터닝 시 노즐 막힘 현상 없이 유리 기판 상에 균일한 금속 배선을 형성하였으나, 560℃의 고온에서 열처리시 증발 현상으로 인하여 전도도가 구현되지 않았으며, 부착력 또한 테이프 테스트 결과 80%이상 탈착됨을 알 수 있었다. 그 결과는 하기 [표 1] 및 [표 2]와 같다.
< 금속 배선의 부착력 및 전도도 평가 결과 >
구 분 metal 비율 250℃ * 30min 560℃ * 20min
비저항 (1×10-6 Ωㆍcm) 부착력 비저항 (1×10-6 Ωㆍcm) 부착력
실시예 1 Ag/Pd (99.7/0.3)S 8.98 △ 3.54 ◎
실시예 2 Ag/Pd (99/1)S 10.4 ○ 3.87 ◎
실시예 3 Ag/Pd (95/5)S 17.6 ○ 5.08 ◎
실시예 4 Ag/Pd (90/10)S 28.6 ○ 8.5 ◎
실시예 5 Ag/Pd (70/30)S 86.5 ○ 40.3 ◎
실시예 6 Ag 100% S 4.85 ○ 측정불가 X
실시예 7 Ag/Pd (99.7/0.3) 4.98 X 3.64 △
실시예 8 Ag/Pd (95/5) 9.75 X 4.97 △
실시예 9 Ag/Pd (70/30) 60.3 X 42.5 ◎
실시예 10 Ag 100% 축S 4.9 △ 측정불가 ◎
실시예 11 Ag/Pd (99.5/0.5)축S 5.56 △ 4.01 ◎
비교예 1 Ag 100% 4.5 X 측정불가 X
위 [표 1]의 부착력 평가에서, 80%이상 탈착은 X, 10 ~ 20% 탈착은 △, 10%미만 탈착은 ○, 미 탈착은 ◎로 나타내었다.
< 금속 배선의 투과율 및 열적 안정성 평가 결과 >
구 분 metal 비율 250℃ * 30min 560℃ * 20min
투과율(%) 열적 안정성 투과율(%) 열적 안정성
실시예 1 Ag/Pd (99.7/0.3)S 9.5 양호 11.8 양호
실시예 2 Ag/Pd (99/1)S 9.3 양호 11.7 양호
실시예 3 Ag/Pd (95/5)S 8.5 양호 11.4 양호
실시예 4 Ag/Pd (90/10)S 8.6 양호 10.8 양호
실시예 5 Ag/Pd (70/30)S 7.9 양호 9.7 양호
실시예 6 Ag 100% S 9.6 양호 44.5 증발 발생
실시예 7 Ag/Pd (99.7/0.3) 9.4 양호 11.5 양호
실시예 8 Ag/Pd (95/5) 8.7 양호 11.3 양호
실시예 9 Ag/Pd (70/30) 7.6 양호 9.6 양호
실시예 10 Ag 100% 축S 9.4 양호 45.4 증발 발생
실시예 11 Ag/Pd (99.5/0.5)축S 9.4 양호 11.3 양호
비교예 1 Ag 100% 9.3 양호 50.2 증발 발생
위 [표 1] 및 [표 2]에서, "S"는 실리카, "축S"는 실리카 부분 축합물이다.
상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예들이 종래의 비교예보다 부착력이 획기적으로 증대되었음을 알 수 있다. 그리고, 실시예 1 내지 5와, 실시예 7 내지 9의 비교 결과로부터 금속산화물 나노 입자나 금속 부분 축합 산화물이 첨가된 경우(실시예 1 내지 5)가 첨가되지 않은 경우(실시예 7 내지 9)보다 250℃의 낮은 온도에서도 향상된 부착력을 보임을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 5의 결과로부터 고온에서 열처리되면 부착력과 전도도가 동시에 향상됨을 알 수 있다. 아울러, 실시예 9 및 비교예 1의 비교 결과로부터 금속산화물 나노 입자나 금속 부분 축합 산화물이 첨가되지 않은 경우에도 실시예 9에서와 같이 Pd가 높은 비율로 함유되면서 고온에서 열처리되면 우수한 부착력을 가짐을 알 수 있다.
또한, 상기 [표 2]에 나타난 바와 같이, 금속 나노 미립자가 합금(Ag/Pd)으로 된 경우(실시예 1 내지 5, 실시예 7 내지 9, 실시예 11)가 단일 금속으로 된 경우(실시예 6, 실시예 10, 비교예 1)와 비교하여 열적 안정성이 우수하여 560℃의 고온에서 증발이 발생하지 않음을 알 수 있다.
본 발명은 전자 산업분야에 유용하게 사용된다. 특히 PDP 등의 각종 패널의 전극, 이동통신 단말기 등의 각종 전자부품을 제조함에 있어 도전 배선 또는 금속성 질감을 위해 유용하게 사용된다.
본 발명은 잉크젯 프린터기에 의한 패터닝이 가능하면서 금속산화물 나노 입자와 금속 부분 축중합 산화물에 의해 기재에 대한 부착력이 증대되는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명은 증발 현상이 개선되어 고온에서의 열처리가 가능하고, 이에 의해 부착력 및 전도도가 더욱 향상되는 효과를 갖는다.

Claims (13)

1 ~ 100 나노미터(㎚) 크기의 금속산화물 나노 미립자와, 1 ~ 100 나노미터(㎚) 크기의 금속 나노 미립자가 용매 내에 독립된 형태로 분산되고,
상기 금속산화물 나노 미립자는 규소(Si), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 세리움(Ce), 티타늄(Ti), 지르코니움(Zr), 바나디움(V), 크로미움(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 갈리움(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 및 안티몬(Sb)의 산화물로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합이며,
상기 금속 나노 미립자는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군 중에서 선택된 1종이거나 2종 이상의 혼합 또는 합금인 것을 특징으로 하는 금속성 잉크.
삭제
제1항에 있어서,
상기 금속성 잉크는, 1 ~ 100 나노미터(㎚) 크기의 금속 부분 축중합 산화물이 더 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 금속성 잉크.
제3항에 있어서,
상기 금속 부분 축중합 산화물은 아래의 일반식 1로 나타내어지는 금속 알콕사이드이거나, 아래의 일반식 2로 나타내어지는 무기계 축중합 폴리머인 것을 특징으로 하는 금속성 잉크.
[일반식 1]
M(OR)n
(위 식에서, M은 Si, Sn, In, Ti, Zn, Mg, Ca, Sb 중에서 선택된 어느 하나이고, R은 수소 또는 탄화수소이며, n은 1 ~ 10의 정수이다.)
[일반식 2]
MxOy(OR)z
(위 식에서, M은 Si, Mg, Y, Ce, Ti, Zr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nd, Cu, Ag, Zn, Al, Ga, In, Sn, Sb 중에서 선택된 어느 하나이고, R은 수소 또는 탄화수소이며, x, y, z 는 0보다 큰 정수 또는 소수이다.)
제1항에 있어서,
상기 금속 나노 미립자는 전도도가 높은 제1금속과, 이 제1금속과 합금을 이 루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성된 합금이거나, 상기 제1금속과 제2금속 미립자의 혼합인 것을 특징으로 하는 금속성 잉크.
제5항에 있어서,
상기 금속 나노 미립자는 금속 중량기준으로 상기 제2금속이 0.05% ~ 50% 함유된 것을 특징으로 하는 금속성 잉크.
제5항에 있어서,
상기 제1금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 구리(Cu)로부터 선택된 어느 하나이고, 상기 제2금속은 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속성 잉크.
1 ~ 100 나노미터(㎚) 크기의 금속 나노 미립자가 용매 내에 독립된 형태로 분산되고, 상기 금속 나노 미립자는 전도도가 높은 제1금속과, 이 제1금속과 합금을 이루어 열적 안정성을 부여하는 제2금속으로 구성된 합금이거나, 상기 제1금속과 제2금속 미립자의 혼합인 것을 특징으로 하는 금속성 잉크.
제8항에 있어서,
상기 금속 나노 미립자는 금속 중량기준으로 상기 제2금속이 0.1% ~ 50% 함유된 것을 특징으로 하는 금속성 잉크.
제8항에 있어서,
상기 제1금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 구리(Cu)로부터 선택된 어느 하나이고, 상기 제2금속은 팔라듐(Pd) 및 니켈(Ni)로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속성 잉크.
전극형성방법에 있어서,
제1항, 제3항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 기재된 금속성 잉크를 제조하는 단계와;
기재에 상기 금속성 잉크를 잉크젯 프린터기로 패터닝하는 단계와;
상기 패터닝된 금속성 잉크를 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극형성방법.
제11항에 있어서,
상기 열처리 단계에서는 60℃ ~ 650℃에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 전극형성방법.
전극이 형성된 기판에 있어서,
상기 전극은 제11항에 기재된 전극형성방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 기판.
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