KR100729211B1 - 금속입자 함유 조성물, 도전 페이스트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

도전 페이스트 형성용 조성물은 도전 페이스트에 포함된 유기 성분과 상용(相溶)될 수 있는 용제, 및 그 용제에 의해 습윤된 금속입자를 포함한다. 도전 페이스트는 유기 바인더를 포함하고, 조성물 및 유기 용제는 유기 바인더 및 조성물과 혼합된다. 조성물 제조방법은 수세정된 미건조 금속입자에 용제를 첨가하는 단계를 포함하고, 그 용제는 도전 페이스트에 포함된 유기 바인더와 상용될 수 있고 물과는 상용될 수 없어서 물이 용제에 의해 치환된다. 도전 페이스트 제조방법은 유기 바인더 및 유기 용제를 조성물과 혼합하는 단계를 포함한다.

Description

금속입자 함유 조성물, 도전 페이스트 및 그 제조방법{COMPOSITE SUBSTANCE CONTAINING METAL PARTICLES, CONDUCTIVE PASTE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 수세정된 미건조 금속입자에 용제가 부착된 상태를 나타내는 개략도;

도 2는 본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 계면활성제를 가한 경우의 금속입자의 상태를 나타내는 개략도;

도 3은 본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 제 2의 용제를 가한 후의 금속입자 상태를 나타내는 개략도;

도 4는 종래기술의 문제점을 나타낸 도면이다.

본 발명은 도전 페이스트를 형성하는 데 사용하는 금속입자 함유 조성물, 도전 페이스트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 전자 장치의 소형화가 더욱 활발하게 추구되어감에 따라, 그러한 전자 장치에 사용하는 전자 부품을 더욱 소형화하는데 어려움을 겪고 있다. 특히, 인덕 터, 콘덴서 및 세라믹으로 구성된 필터와 같은 전자 부품을 다층적층구조로 하여 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 더 소형화하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

이러한 적층 부품은 세라믹 분말을 유기 비이클(organic vehicle)과 혼합하고, 시트법 또는 인쇄법 등의 수단으로 제작한 그린 시트에 전극이 되는 도전 페이스트를 인쇄하고, 적층, 크림핑 및 절단 등의 단계를 거친 그린 시트 조립체를 소성(baking)한 후, 외부 전극을 형성하여 제조된다. 도전 페이스트는 특정 형태의 금속 분말을 유기 비이클(유기 바인더) 및 유기 용제에 분산시켜 얻는다.

종래 기술에 있어서 도전 페이스트에 사용되는 금속 분말 제조방법은, 기상화학반응법, 침전환원법, 환원석출법 및 열환원법 등의 다양한 방법이 알려져 있다. 이들 제조방법중 어떠한 방법도, 금속 분말을 먼저 수세정한 후에 건조시킨다. 도전 페이스트는 건조된 금속 분말을 유기 비이클 및 유기 용제에 분산시켜 얻는다.

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그러나, 건조된 금속 분말은 쉽게 응집하는 경향이 있어서, 금속 분말의 본래 입자 크기보다 더 큰 입자를 가진 응집 금속입자를 생성하게 된다. 특히, 최근에는 전극막 두께의 박막화를 위해 더욱 더 미세한 금속 분말이 사용되기 때문에, 그러한 금속 분말의 응집이 더욱 빈번하게 발생하기 쉽다.

응집 금속 분말을 유기 비이클 및 유기 용제에 분산시켜 얻은 도전 페이스트는, 커다란 응집 금속입자를 포함한다. 응집 금속입자들을 포함하는 도전 페이스트를 사용하여 전자 부품의 전극을 성형한다면, 신뢰성 및 전자 부품의 양품률이 크게 떨어질 것이다. 예를들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 응집 금속입자(11)들은 세라믹 적층 성분에 형성된 내부 전극(1)에 나타날 수도 있다. 응집 금속입자(11)의 입자 크기가 내부 전극(1)의 막 두께보다 커지면, 세라믹(2)은 내부 전극(1)들 사이의 면에서 큰 응력을 받게 되어, 신뢰성이 현저하게 감소하고 세라믹 적층 성분의 양품률이 낮아지게 된다.
응집 금속입자는 단지 도전 페이스트 제조 공정에서 수행되는 긴 혼합/분산 단계 만으로 본래 입자 크기를 가지는 금속입자로 분리될 수 있기 때문에, 필연적으로 공정 효율의 저하 및 생산 비용의 증가를 초래한다.

또한, 금속 분말은 먼저 유기 비이클 및 유기 용제와 혼합되고나서, 종래 기술의 트리플 롤러를 이용하여 도전 페이스트로 혼합 및 분산되지만, 트리플 롤러를 이용하여 수행되는 분산 공정은 트리플 롤러의 기계적 구조와 공정 자체가 작업자로 하여금 고도의 경험과 기술을 요하기 때문에 다양한 형태의 잠재적인 문제점을 포함한다. 그러므로, 엄격한 생산 관리를 요하는 매우 복잡한 공정이다. 또한, 분산 단계는 긴 공정이기 때문에, 생산 비용이 필연적으로 증가한다.

본 발명의 목적은 금속입자의 응집을 일으키지 않는 조성물 및 도전 페이스트를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전자 부품의 신뢰성과 양품률을 크게 향상시킨 조성물 및 도전 페이스트를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물 및 도전 페이스트를 저비용으로 생산하는 방법을 제공하는데 있다.

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상기 목적을 달성하기 위하여, 도전 페이스트를 형성하는 조성물은 도전 페이스트에 포함된 유기 성분과 상용할 수 있는 용제와, 그 용제에 습윤된 금속입자 또는 금속 화합물 입자를 포함한다.
상기 설명한 바와 같이, 조성물이 도전 페이스트에 포함된 유기 성분과 상용할 수 있는 용제와, 그 용제에 습윤된 금속입자 또는 금속 화합물 입자를 포함하기 때문에, 입자 크기가 1㎛ 이하, 예를들면 0.2㎛ 이하의 입자 크기를 가지는 금속입자 또는 금속 화합물 입자(이후 "금속입자"로 약칭)는 응집되지 않고, 종래 기술에서 드러난 건조 금속입자와 다르게 된다. 그러므로, 금속입자의 응집으로 인한 다양한 문제점이 해결되고, 인덕터, 콘덴서 및 세라믹으로 구성된 필터와 같은 전자 부품의 신뢰성 및 양품률이 크게 향상될 수 있다.
또한, 금속입자의 응집이 발생하지 않는 것에 더해, 조성물의 용제가 도전 페이스트를 만드는 데 사용되는 유기 바인더와 상용될 수 있기 때문에, 도전 페이스트를 얻기 위해, 조성물이 유기 비이클 및 유기 용제내에 매우 원활하고 일관되며 신속한 거동으로 분산될 수 있다.
결국, 조성물을 혼합 및 분산하는 데 걸리는 시간을 크게 줄일 수 있고, 그로인해 공정 효율의 향상 및 생산 비용의 절감을 이룰 수 있다.
금속입자를 습윤하는데 쓰이는 용제의 함유량은 금속입자 100중량부(weight unit) 당 2∼100중량부이다. 이 용제는 유기 비이클을 함유할 수도 있다.
본 발명에 의한 도전 페이스트를 만드는 데 쓰이는 조성물 제조방법은, 도전 페이스트에 포함된 유기 성분과 상용될 수 있고 물과는 상용될 수 없는 용제를 수세정된 미건조 금속입자에 첨가하여 물을 용제로 치환하는 단계를 포함한다.
상기 조성물의 제조방법은 금속입자를 건조하는 단계를 포함하지 않는다. 그러므로, 금속입자의 응집이 발생하지 않는다.
수세정된 미건조 금속입자에 첨가되는 용제는 물과 상용될 수 있기 때문에, 용제는 물과 분리되면서 금속입자에 석출된다. 도 1은 이러한 상태를 개략적으로 나타낸 것으로서, 용제(13)는 금속입자(12)의 둘레에 부착한다. 도 1에 도시된 상태에서, 용제(13)가 부착된 금속입자(12)가 침전하고 물과 분리된다.
물과 상용될 수 없다고 알려진 어떠한 용제도 본 발명에 따른 금속입자 함유 조성물 제조 공정에서 용제로 사용될 수 있다. 테르피네올은 이러한 적용에 사용될 수 있는 용제의 일례이다. 상기 용제는 금속입자의 전량을 나타내는 금속입자 100중량부 당 3∼30중량부의 비율로 첨가된다.
또한, 금속입자는 기상 화학 반응법, 침전 환원법, 환원 석출법 및 열환원법 등 종래 기술의 어떠한 제조방법으로도 제조될 수도 있다.
금속입자에 대한 용제의 습윤성을 높이기 위해 계면활성제를 용제와 함께 첨가하는 것이 바람직하다. 양이온 계면활성제, 비이온 계면활성제 및 음이온 계면활성제를 포함하는 종래 기술의 어떠한 계면활성제도 이러한 목적에 사용될 수도 있다. 계면활성제는 금속입자의 전량을 나타내는 금속입자 100중량부 당 0.05∼10.0중량부의 비율로 첨가될 수 있다. 도 2는 계면활성제를 첨가하여 얻어진 금속입자 상태를 개략적으로 나타낸 것으로서, 계면활성제(14)는 계면활성제(14)의 둘레에 부착된 용제(13)와 함께 금속입자(12) 둘레에 부착된다.
상기 용제 외에, 물과 상용성이 있는 제 2 용제를 첨가하는 것은 더욱 바람직하다. 도 3은 제 2 용제를 첨가한 금속입자의 상태를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 용제(16)를 첨가함으로써, 금속입자(12)에 남아있는 매우 소량의 물(15)은 제 2 용제(16)과 함께 금속입자로부터 완전하고 신속하게 제거될 수 있다.
제 2 용제는 금속입자의 전량을 나타내는 금속입자 100중량부 당 0.3∼30중량부의 비율로 첨가될 수 있다. 아세톤은 제 2 용제로 사용할 수 있는 용제의 구체적인 예이다. 휘발성이 강한 아세톤은 물과 반응하여 물이 휘발되게 한다.
금속입자는 기상 화학 반응법, 침전 환원법, 환원 석출법 및 열환원법 등 종래 기술의 어떠한 제조방법으로도 제조될 수도 있다. 그러나, 이러한 제조방법에 상관없이, 정상적으로 반드시 실시되어야 하는 건조 단계는 수행하지 않는다. 즉, 수세정 후에 건조시키지 않고 용제를 첨가하여 금속입자를 습윤시킨다. 본 발명에 적용되는 금속입자는 거의 어떠한 재료상의 제한도 없다. 본 발명은 Ni, Cu, Ag 및 Fe 또는 이들 금속의 합금으로 형성된 금속입자로 넓게 적용할 수도 있다.
도전 페이스트는 유기 바인더, 상기 조성물, 및 유기 바인더 및 조성물과 혼합되는 유기 용제를 포함한다.
본 발명에 따른 도전 페이스트의 제조방법은 유기 바인더와 유기 용제를 상기 조성물, 즉 유기 바인더와 상용될 수 있는 용제를 포함하는 조성물과 혼합하는 단계를 포함하고, 금속입자는 용제에 의해 습윤된다.
이후 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명은 이후 실시예에 제한 되지 않는다.

실시예 1

조성물 제조방법

기상 화학 반응법으로 얻은 Ni 금속입자를 수세정하여 평균 입경이 0.35㎛인 Ni 금속입자를 포함하는 슬러리와 물을 얻는다. 이 슬러리는 Ni 금속입자 100중량부 당 80중량부 비율의 물을 함유한다.

용제로서 작용하는 테르피네올과 양이온 계면활성제를 슬러리에 각각 3∼30중량부 및 0.05∼10.0중량부의 비율로 혼합한 후, Ni 금속입자가 물에서 분리되어 응집 및 침전되도록 혼합물을 교반한다. 이 때 아세톤을 0.3∼30중량부의 비율로 첨가하여, Ni 금속입자의 응집 및 침전 속도를 증가시키고, 그로인해 슬러리에서 물을 효과적으로 제거하여, 테르피네올로 대체되도록 한다.

결국 금속입자를 포함하는 조성물은 평균 입경이 0.35㎛인 Ni 금속입자 100중량부 당 43중량부의 유기 성분을 포함한다.

실시예 1

도전 페이스트 제조방법

도전 페이스트는 상기 공정으로 얻은 금속입자를 포함하는 조성물을 사용하고 유기 바인더 및 유기 용제에 첨가 및 혼합하여, Ni금속입자 함유량 50wt.% 및 소정의 점도가 되도록 제조한다. 닥터-블레이드 법으로 이 도전 페이스트를 시트로 성형한 후 도전 페이스트 시트를 건조시킨다. 이 도전 페이스트 시트를 시료 1로 칭한다.

비교예 1

금속 분말 제조방법

기상 화학 반응법으로 얻은 Ni 금속입자를 수세정 후 건조시켜, 평균 입경이 0.35㎛인 Ni 금속입자(건조된 Ni 금속입자)를 얻는다.

비교예 1

도전 페이스트 제조방법

도전 페이스트는 상기 공정으로 얻은 Ni 금속 분말을 사용하고 유기 바인더 및 유기 용제에 첨가 및 혼합하여, Ni 금속입자 함유량 50wt.% 및 소정의 점도가 되도록 제조한다. 닥터-블레이드 법으로 이 도전 페이스트를 시트로 성형한 후 도전 페이스트 시트를 건조시킨다. 이 도전 페이스트 시트를 시료 2로 칭한다.

평가 방법 및 평가 결과

시료 1 및 시료 2에 대해 건조된 시트의 밀도 및 표면 조도를 평가한다. 건조된 시트의 밀도는 건조된 시트를 소정의 크기로 절단하여 얻은 값을 이용하고 절단부의 체적과 중량에 적합한 밀도를 계산하여 평가한다.

건조된 시트의 표면 조도는 표면 조도계(SURF-MU570 루비 단자 0.8㎜R, 도쿄 세이미츠 주식회사 제조)를 이용하여 측정한다. 평가 결과는 표 1에 나타내었다. 표 1의 각 수치는 표본 시료 10개의 평균을 나타낸다.

시료 번호	Ni 금속 재료 상태	건조 시트 밀도(g/㎤)	건조 시트 표면 조도(㎛)
			Ra(평균 조도)	Rmax(최대 조도)
1	습윤	5.8	0.03	0.28
2	건조 분말	5.3	0.06	0.54

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1로 얻은 시료 1의 건조 시트 표면 조도 Ra 및 Rmax는 비교예 1에 나타낸 시료 2 표면 조도의 대략 절반이고, 그러므로, 시료 1을 사용하여 매우 부드러운 표면을 가진 전극막을 얻을 수 있다고 결론 내릴 수 있다.

실시예 2

조성물 제조방법

기상 화학 반응법으로 얻은 Ag 금속입자를 수세정하여 평균 입경이 0.15㎛인 Ag 금속입자를 포함하는 슬러리와 물을 얻는다. 이 슬러리는 Ag 금속입자 100중량부 당 80중량부 비율의 물을 함유한다.

용제로서 작용하는 테르피네올과 양이온 계면활성제를 슬러리에 각각 3∼30중량부 및 0.05∼10.0중량부의 비율로 혼합한 후, Ag 금속입자가 물에서 분리되어 응집 및 침전되도록 혼합물을 교반한다. 이 때 아세톤을 0.3∼30중량부의 비율로 첨가하여, Ag 금속입자의 응집 및 침전 속도를 증가시키고, 그로인해 슬러리에서 물을 효과적으로 제거하여, 테르피네올로 대체되도록 한다.

결국, 금속입자를 포함하는 조성물은 평균 입경이 0.15㎛인 Ag 금속입자 100중량부 당 43중량부의 유기 성분을 포함한다.

실시예 2

도전 페이스트 제조방법

도전 페이스트는 상기 공정으로 얻은 금속입자를 포함하는 조성물을 사용하고 유기 바인더 및 유기 용제에 첨가 및 혼합하여, Ag 금속입자 함유량 80wt.% 및 소정의 점도가 되도록 제조한다. 닥터-블레이드 법으로 이 도전 페이스트를 시트로 성형한 후 도전 페이스트 시트를 건조시킨다. 이 도전 페이스트 시트를 시료 3으로 칭한다.

비교예 2

금속 분말 제조방법

기상 화학 반응법으로 얻은 Ag 금속입자를 수세정 후 건조시켜, 평균 입경이 0.15㎛인 Ag 금속입자(건조된 Ag 금속분말)를 얻는다.

비교예 2

도전 페이스트 제조방법

도전 페이스트는 상기 공정으로 얻은 Ag 금속 분말을 사용하고 유기 바인더 및 유기 용제에 첨가 및 혼합하여, Ag 금속입자 함유량 80wt.% 및 소정의 점도가 되도록 제조한다. 닥터-블레이드 법으로 이 도전 페이스트를 시트로 성형한 후 도전 페이스트 시트를 건조시킨다. 이 도전 페이스트 시트를 시료 4로 칭한다.

평가 방법 및 평가 결과

시료 3 및 시료 4에 대해 건조된 시트의 밀도 및 표면 조도를 평가한다. 건조된 시트의 밀도는 건조된 시트를 소정의 크기로 절단하여 얻은 값을 이용하고 절단부의 체적과 중량에 적합한 밀도를 계산하여 평가한다. 건조된 시트의 표면 조도는 표면 조도계(SURF-MU550 루비 단자 0.8㎜R, 도쿄 세이미츠 주식회사 제조)를 이용하여 측정한다. 평가 결과는 표 2에 나타내었다. 표 2의 각 수치는 표본 시료 10개의 평균을 나타낸다.

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시료 번호	Ag 금속 재료 상태	건조 시트 밀도(g/㎤)	건조 시트 표면 조도(㎛)
			Ra(평균 조도)	Rmax(최대 조도)
3	습윤	6.6	0.02	0.19
4	건조 분말	5.8	0.04	0.43

표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2로 얻은 시료 3의 건조 시트 표면 조도 값 Ra 및 Rmax는 비교예 2에 나타낸 시료 4 표면 조도의 대략 절반이고, 그러므로, 시료 3을 사용하여 매우 부드러운 표면을 가진 전극막을 얻을 수 있다고 결론 내릴 수 있다.

본 발명은 다음의 이점을 얻는다.

(a) 금속입자의 응집을 일으키지 않는 조성물 및 도전 페이스트를 얻을 수 있다.

(b) 크게 향상된 전자 부품의 신뢰성 및 양품률을 가진 조성물 및 도전 페이스트를 얻을 수 있다.

(c) 낮은 비용으로 조성물 및 도전 페이스트를 제조하는 방법을 얻을 수 있다.

Claims (42)

1. 도전 페이스트에 사용되는 용제 부착 입자의 제조 방법으로서:

   금속 입자를 준비하는 공정;

   상기 금속 입자를 수세정하고, 금속 입자 및 물을 포함하는 슬러리를 얻는 공정;

   상기 슬러리에 물과 상용성이 없는 제 1 용제를 첨가하는 공정;

   상기 슬러리를 교반하고, 이 때 물과 상용성이 있는 제 2 용제를 첨가하여, 상기 제 1 용제가 부착된 용제 부착 입자를 침강시키는 공정;

   이어서, 물을 분리하여 상기 용제 부착 입자를 얻는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 용제는 상기 금속 입자의 전량을 100중량부로 해서 3 ~ 30중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 용제는 테르피네올이며, 상기 금속 입자의 전량을 100중량부로 해서 3 ~ 30중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 용제와 함께 계면 활성제를 첨가하고, 상기 계면 활성제는 상기 금속 입자의 전량을 100중량부로 해서 0.05 ~ 10.0중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 계면 활성제는 양이온계 계면 활성제인 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 2 용제는 상기 금속 입자의 전량을 100중량부로 해서 0.3 ~ 30중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제 2 용제는 아세톤인 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 금속 입자는 평균 입경이 1㎛이하인 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 금속 입자는 평균 입경이 0.35㎛이하인 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 금속 입자는 Ni입자인 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
11. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 금속 입자는 Ag입자인 것을 특징으로 하는 용제 부착 입자의 제조 방법.
12. 용제 부착 입자와 유기 성분을 포함하는 도전 페이스트의 제조 방법으로서:

    상기 용제 부착 입자는 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 얻어진 것이며;

    상기 용제 부착 입자와 상기 유기 성분을 혼합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 도전 페이스트의 제조 방법.
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