KR101104123B1 - 은 나노 젤을 이용한 전도성 잉크 제조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 은 나노 젤을 습식방법으로 제조하여 다양한 용제에 손쉽게 분산되도록 하여 잉크젯 또는 그라비아용 잉크로 사용되도록 하는 전도성 잉크를 제공 한다.

은 나노 젤, 전도성 잉크, 저온 속성 건조, 그라비아 잉크, 잉크젯 잉크

Description

은 나노 젤을 이용한 전도성 잉크 제조{Silver Nanogels for Conductive Inks}

본 발명은 전자잉크 제조 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 (i) 은 나노 젤 (ii) 수용액 또는 유기용제 및 (iii) 유기 첨가물을 포함하는 전도성 전자 잉크젯용 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이며, 특히 이를 통하여 150℃ 이하 10초 건조 조건이내에 배선, 회로 및 전극을 Roll to Roll 인쇄 공정으로 생산 할 수 있을 정도로 낮은 비저항을 보이며 사용하는 종이 또는 플라스틱 기판에 전혀 화학적 영향을 주지 않는 수용액 또는 유기용제 전도성 전자잉크에 관한 것이다.

종래, 60nm 이하의 금속 나노입자를 이용한 전자 잉크는 금속 산화물 AgNO₃, AuCl_4, PdCl₂, Cu₂O, 유기금속 착체물, 폴리에스테르, 폴리 에틸렌 글리콜, 폴리 우레탄, 폴리에스테르 아미드 등의 고분자 분산제 또는 안정제를 용매에 녹인후 환원제인 NaBH₄, 포름알데이히드, 아민 등의 환원제를 첨가하여 금속 산화물들이 나노크 기의 금속 입자로 성장하여 안정화된 콜로이드 분산물이 되도록 하거나, 유기 금속 착체물이 100℃ 이상의 열 에너지를 받아 환원되어 금속 입자로 성장하여 필름화 되는 기술이 일반적이다.

그러나, 이렇게 제조되는 전도성 전자잉크는 일정한 건조 온도 하에서 10초 이상의 건조시간을 요구하여 고속의 Roll to Roll 인쇄 공정에는 적합하지 않으며, 또한 환원제를 이용하여 금속산화물로부터 제조된 은 나노 입자는 다시 용매에 분산시키는데 많은 시간과 비용이 소모되는 문제점을 지니고 있었다.

본 발명은 은 나노 입자 제조 시 사용되던 고분자 분산제를 이용하여 은 나노 젤을 제조하여, 제조된 은 나노 젤을 수용액을 포함한 다양한 용매에 간단하게 분산시켜, 은 나노 젤의 함량을 쉽게 조절하면서 저점도의 잉크젯용에서 중간점도의 그라비아 잉크까지 손쉽게 제조하여 은 나노 젤의 특성상 150℃에서 10초 이하의 건조조건에서도 충분히 낮은 비저항 값을 보일 뿐만 아니라 종이에서부터 다양한 플라스틱 기판에 이르기까지 화학적인 영향을 주지 않는 수용액 또는 용제형 실버 나노 젤 전자잉크를 제조할 수 있다는 사실을 확인함으로써 완성된 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 은 나노 젤, 고분자 바인더, 수용액 또는 유기용제 를 포함하는 전자 잉크 제조용 조성물을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 도체 잉크제조용 조성물의 제조 방법을 제공 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 전자 잉크 제조용 조성물을 이용하여 제조된 전자 잉크를 제공하는데 있다.

본 발명의 기타의 목적이나 구체적인 양태 등은 이하에서 제시 될 것이다.

일 측면에 있어서, 본 발명은 은 나노 젤, 고분자 바인더, 수용액 또는 유기용제를 포함하는 전자 잉크 제조용 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 은 나노 젤이란 은 산화물 (AgNO₃ 또는 CH₃COOAg) 수용액에 고분자 바인더 Poly(vinylpyrrolidone) 을 첨가 한후 10% 하이드라진 수용액을 첨가하여 환원시킨 후 Poly(vinylpyrrolidone) 을 완전히 제거하지 않고 남겨둔 후 Diethanol,2,2 azobis 를 첨가하여 생성된 은 나노 입자를 서로 연결하여 젤 화한 조성물을 말한다.

본 발명에 있어서 고분자 바인더는 종래에 일반적으로 알려진 고분자바인더 는 모두 사용 될 수 있으며, 또한 카르보닐기, 아민기가 포함된 유기 고분자면 더욱 좋고, 더욱 좋게는 카바마이드, 아마이드 와 같은 기능기가 포함된 고분자가 안정된 실버 나노 젤을 얻는데 유리하다.

본 발명에 있어서 고분자 바인더로서 Poly(vinylpyrrolidone) 를 사용한 경우에는 그 원하는 최종 은 나노 젤을 얻기 위해서 그 분자량을 조절 할 수 있으며, 이는 알려져 있는 통상의 방법에 의해서 가능하다.

본 발명에 있어서 환원제 역시 종래에 사용되던 환원제는 종류에 상관없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 소디움보로하이드라이드( NaBH₄ ), 포름 알데이히드, 아민, 하이드라진 등이 사용될 수 있다.

본 발명에 있어서 은 나노 젤은 수용액 또는 극성 유기 용제에 첨가하는 즉시 쉽게 분산되며 잉크로 사용가능하여 첨가 하는 은 나노 젤의 양에 따라 점도를 4cP에서 300cP 까지 제어가 가능하며 인쇄후 150℃에서 5~10초 건조에서 5mΩ/sq/mil 의 면저항을 보임을 알 수 있다.

이에 따른 구체적인 일 구현 예에 따르면, 본 발명은 첫째 은 나노 젤을 제조하는 방법, (i) 은 이온 수용액 (ii)고분자바인더, PVP, 고분자우레탄, 고분자아마이드에서 선택되는 하나,(iii) 반응후 원심 분리한 후 첨가하는 Diethanol,2,2 azobis, (iv) 환원제를 포함하는 은 나노 젤 제조용 조성물을 제공하며, 또한 본 발명은 둘째, 제조된 은 나노 젤을 이용하여 전자잉크를 제조하는 발명으로서 (i) 은 나노 젤 (ii) 고분자 바인더 (iii) 수용액 또는 유기용제 및 (iv) 유기 첨가물 을 포함하는 전자 잉크 제조용 조성물을 제공한다.

또한 본 발명은 은 나노젤 제조를 위해 은이온 수용액에 고분자 바인더 0.1~0.01g/ml , 바람직하게는 0.1~0.05 g/ml, 가장 바람직하게는 0.1~0.08g/ml 의 고분자바인더(ii) , 첨가하는 환원제는 0.01~0.05g/ml, 바람직하게는 0.03~0.05 g/ml 를 첨가 후 30분~3시간 교반한 후 아세톤 10g/ml 를 첨가 한 후 원심 분리기를 통해 6000rpm 으로 2시간 처리한 후 얻어지는 침전물에 Diehtnanol,2,2 azobis 0.01~0.001g/ml 를 첨가하여 얻어지는 은 나노 젤로서, 나노 젤을 이루고 있는 고분자 바인더 함량이 0.01~0.03중량%의 비율을 갖도록 조절하는 것이 은 나노 젤을 제조하는데 적합하다. 여기서 고분자 바인더 함량이 0.01~0.03중량%를 넘어서거나 작아지면 나노 젤이 형성되지 않고 분산되지 않은 상분리 된 은 나노 입자를 얻게 된다.

또한 본 발명은 전자잉크제조를 위해 (i) 은 나노 젤 1~0.01g/ml, 바람직하게는 0.5~0.03g/ml (ii) 수용액 또는 극성유기용매, 및 (iii) 유기물 첨가제, 헥실알콜, 도데실알콜, 다이에틸렌알콜아민, 에틸렌글라이콜 중에서 선택하여 0.01~0.06g/ml로 첨가 하는게 전자 잉크 제조 하는데 적합하다.

뿐만 아니라, 실시 예에서도 확인 할 수 있는 바와 같이 은 나노 젤의 함량 및 사용하는 용제의 함량에 따라 점도와 인쇄 후 면저항을 조절할 수 있다. 따라서 잉크젯에서 그라비아 인쇄까지 간단하게 잉크를 제조 할 수 있다.

본 발명의 중요한 측면은 고분자 바인더의 함량을 조절하여 은 나노 젤을 제조하는 것으로서, 은 나노 젤에서 고분자 바인더의 함량을 기준치보다 높이면 면저 항이 1000배 이상 높아짐을 알 수 있다.

또한, 특히 그라비아 인쇄기로 인쇄하는 경우 제판으로부터 인쇄 롤에 잉크 전이를 원활하게 하기위해 헥실알콜또는 도데실알콜류를 첨가하여 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 잉크젯 프린터로 사용하는 경우에는 해상도를 향상시키기 위해서는 150~250Hz 의 인쇄속도, 40~50℃의 온도, 35~55V의 인쇄전압에 잉크의 표면장력 30dyne/cm², 점도 10cP로 맞추는 것이 바람직하다.

위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 은 나노 젤을 이용한 전자잉크제조는 기판에 화학적인 영향을 주지 않는 수분산 또는 유기용매 잉크로서 잉크젯 또는 그라비아 인쇄전용으로 사용될 수 있는 150℃에서 건조시간 10초 이하에 면저항 5mΩ/sq/mil 을 얻을 수 있으며, 잉크 점도 조절을 간단하게 은 나노 젤 첨가량을 제어하여 가능하다는 점에 본 발명의 우수성이 있다.

이하 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위함이며, 본 발명은 이에 한정 되지 않는다.

(실시예 1)

증류수 10ml에 AgNO₃ 0.3g을 녹여 은 이온 수용액을 제조하였다. 이 용액에 고분자 피롤리돈( 수평균 분자량 5만 ) 0.02g을 첨가하고 균일하게 분산되도록 호모제나이저로 교반 하였다. 분산된 용액에 10% 하이드라진 수용액 0.5g을 천천히 첨가하고 추가적으로 3시간 교반하여 어두운 녹색을 띄는 용액을 제조 하였다. 수득된 용액에 아세톤 20ml를 첨가한 후 추가로 1분 교반 후 , 원심분리기를 이용하여 6000rpm에서 30분간 분리하여 얻은 은 침전물에 0.1g의 Diethanol,2,2 azobis를 첨가하여 은 나노젤 0.2g을 제조하였으며 수득된 나노 젤을 150℃에서 1분간 건조한 후 얻어지는 면저항은 3mΩ/sq/mil 이였다.

(실시예 2)

증류수 10ml에 은 나노 젤 2g 을 넣은 후 호모제나이저로 10초간 혼합한 후 점도 및 표면장력을 조정하기 위해서 헥실알콜 0.5ml 와 에틸렌 글라이콜 0.5ml 를 첨가하여 점도 10cP에 표면장력 36 dyne/cm² 의 잉크젯 잉크를 제조하여 인쇄 후 150℃에서 1분 건조 후 면저항은 5mΩ/sq/mil 이였다.

(실시예 3)

증류수 10ml에 은 나노 젤 6g 을 넣은 후 호모제나이저로 30초간 혼합한 후 점도 및 표면장력을 조정하기 위해서 헥실알콜 0.7ml 와 에틸렌 도데실알콜 0.3ml 그리고 에틸렌 글라이콜 0.3ml를 첨가하여 점도 300cP에 표면장력 38 dyne/cm² 의 그라비아 잉크를 제조하여 인쇄 후 150℃에서 8초간 건조 후 면저항은 6mΩ/sq/mil 이였다.

(실시예 4)

실시예 2 와 동일 방법과 조건을 이용하고 용제만 N-methyl pryyolidone 을 이용하여 유기용제 형의 잉크젯 잉크를 제조하여 인쇄 후 150℃에서 1분 건조 후 면저항은 6mΩ/sq/mil 이었다.

(실시예 5)

실시예 3 과 동일한 방법과 조건을 이용하고 용제만 Ethylene glycol 을 이용하여 그라비아 잉크를 제조하여 인쇄 후 150℃에서 8초 건조 후 면저항이 8mΩ/sq/mil 이었다

(실험예 1)

실시예 2 에서 제조한 잉크젯 잉크를 이용하여 곧바로 유니젯2100 을 이용하여 인쇄한 후 150℃에서 10초간 건조한 패턴의 모양을 [도2]에 도시하였다.

(실험예 2)

실시예 4 에서 제조한 잉크젯 잉크를 이용하여 곧바로 유니젯 2100을 이용하여 인쇄한 후 150℃에서 10초간 건조한 패턴의 모양을 [도3]에 도시하였다.

(실험예 3)

실시예 3 에서 제조한 잉크를 이용하여 곧바로 그라비아 인쇄기를 이용하여 50m/min 의 속도로 150℃ 열풍건조 조건에서 8초간 건조 한 후의 인쇄 패턴의 모양을 [도4]에 도시하였다.

(실험예 4)

실시예 5에서 제조한 잉크를 이용하여 곧바로 그라비아 인쇄기를 이용하여 50m/min 의 속도로 150℃의 열풍건조 조건에서 8초간 건조한 후의 인쇄 패턴 모양을 [도5]에 도시하였다.

도 1은 본 발명에 따른 은 나노 젤의 제조 예를 나타낸 사진이고,

도 2는 본 발명에 따른 수용성잉크를 제조하여 잉크젯 인쇄 후 건조된 패턴 사진이고,

도 3은 본 발명에 따른 유기용제잉크를 이용하여 잉크젯 인쇄 후 건조된 패턴 사진이고,

도 4는 본 발명에 따른 수용성 그라비아 잉크를 이용하여 Roll to Roll 인쇄 후 건조된 패턴 사진이며,

도 5는 본 발명에 따른 유기용제 그라비아 잉크를 이용하여 Roll to Roll 인쇄 후 건조된 패턴 사진이다.

Claims (6)

1. (i) 은 이온 수용액 , (ii) 고분자 바인더, (iii) 환원제, 및 (iv) 디에탄올,2,2 아조비스(Diethanol,2,2 azobis)를 함유하는 은 나노젤 제조용 조성물.
2. 제 1항에 있어서,

   (i) 은 이온 수용액 , (ii) 고분자 바인더, 및 (iii) 환원제를 혼합하여 반응시켜 원심분리한 후 (iv) 디에탄올,2,2 아조비스(Diethanol,2,2 azobis)를 첨가하여 제조된 것을 특징으로 하는 은 나노젤 제조용 조성물.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 고분자 바인더는 고분자 피롤리돈, 고분자 우레탄, 또는 고분자아마이드로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 은 나노젤 제조용 조성물.
4. 제 2항에 있어서,

   원심 분리 시 고분자 바인더를 은 나노입자 대비 0.001~0.0001중량%로 남기고 제거하는 것을 특징으로 하는 은 나노젤 제조용 조성물.
5. (i) 은 이온 수용액, 고분자 바인더, 및 환원제를 혼합하여 반응시켜 원심분리한 후 디에탄올,2,2 아조비스를 첨가하여 제조된 은나노젤, (ii) 수용액 또는 유기용매, 및 (iii) 헥실알콜, 도데실알콜, 다이에틸렌알콜아민, 에틸렌글라이콜로부터 선택되는 유기첨가제를 포함하는 잉크 조성물.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 잉크 조성물은 잉크젯 프린팅 또는 그라비아 프린팅 용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 잉크 조성물.

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