KR101105348B1 - 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화에 대한 저항력이 높은 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 기판 상에 회로 패턴을 인쇄하기 위한 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물에 있어서, 세라믹 이동체에 의해 캡핑된 금속 나노 입자; 상기 캡핑된 금속 나노 입자가 안정적으로 분산 배치될 수 있도록 하는 분산제; 및 상기 캡핑된 금속 나노 입자 및 상기 분산제가 혼합되는 용제를 포함한다.

Description

잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물 및 그 제조 방법{CONDUCTIVE INK COMPOSITION FOR INK-JET PRINTER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 전도성 잉크 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 주로 전자 산업 분야에서 사용되는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자 산업 분야에서 기판 상에 회로 패턴을 형성하기 위한 방법으로서 포토리쏘그래피(Photolithography) 공정이 주로 사용되고 있다.
포토리쏘그래피 공정이란 소재 증착, 식각, 노광 등의 공정을 거쳐 기판 상에 도전 패턴을 형성하는 광학적인 패터닝 방법으로서, 하나의 소자를 완성하기 위해서는 여러 번의 포토리쏘그래피 공정을 거쳐야만 한다.
즉, 포토리쏘그래피 공정을 이용하는 경우, 패터닝을 위하여 여러 단계를 반드시 거쳐야하기 때문에, 그 과정이 복잡할 뿐만 아니라, 비용도 많이 드는 단점이 있다. 또한, 포토리쏘그래피 공정을 사용하여 회로 패턴을 형성하는 경우, 식각이 나 노광 등의 과정에서 유해한 가스나 폐수 등과 같은 오염 물질이 배출되는 문제점이 있다.
이러한 종래 포토리쏘그래피 공정의 문제점을 해결하고자 전도성 잉크를 이용한 인쇄 기법이 도입되었다.
전도성 잉크는 전도성을 가지는 물질을 주입하여 제조된 잉크로서, 이러한 전도성 잉크를 이용한 인쇄 기법은 전도성 잉크를 패턴에 따라 기판 상에 프린팅하는 기법이기 때문에, 포토리쏘그래피 공정에서와 같은 증착, 식각, 노광 등의 복잡한 절차들이 불필요하여 차세대 패터닝 기법으로 주목받고 있다.
전도성 잉크를 이용한 인쇄 기법으로는 그라비아 인쇄 기법과 잉크젯 프린터를 이용한 인쇄 기법이 가장 많이 사용되고 있다.
그라비아 인쇄 기법은 사진 기술을 응용한 오목판 인쇄 기법의 일종으로, 그라비아(Gravure, 사진 오목판)의 오목한 부분에 전도성 잉크를 채우고, 닥터 블레이드(Doctor Blade)를 이용하여 그 외의 부분에 도포된 잉크를 제거한 후 오목판 부분에 채워진 잉크를 기판 상에 전사하는 방법이다.
하지만, 이러한 그라비아 인쇄 기법은 원하는 패턴을 오목판 형태로 제조하여 전사하는 방식이기 때문에 미세한 패턴을 구현하기 어렵고, 이로 인해 갈수록 초소형화되고 있는 전자 제품들의 회로 등을 구성하는데 있어서 많은 제약이 따르는 단점이 있다. 또한, 사진 오목판을 제조하기 위하여 포토리쏘그래피에 버금가는 과정들을 거쳐야 하는 문제점이 있다.
반면, 잉크젯 프린터를 이용한 인쇄 기법은 일반적인 문서 인쇄용 잉크젯 프 린터와 동일한 원리의 잉크젯 프린터를 이용하여 기판 상에 직접적으로 패턴을 인쇄하는 비접촉 인쇄 방식으로서, 규칙적으로 배열되는 점 형태로 패턴을 형성하기 때문에, 미세한 패턴의 구현이 용이하며, 종이, 폴리머, 직물 등 다양한 재질의 기판에 인쇄가 가능한 장점이 있다.
이러한 장점으로 인하여, 최근에는 전도성 잉크를 이용한 인쇄 기법으로서 잉크젯 프린터를 이용한 인쇄 기법이 각광받고 있는 추세에 있다.
보통, 잉크젯 프린터용 전도성 잉크는 질산과 은을 혼합한 용액 또는 은 페이스트(Silver paste)를 이용하여 제조된다.
이 중 질산과 은을 혼합한 용액 방법은 용액 자체를 도막하는 방법이기 때문에 그라비아 인쇄 기법과 마찬가지로 원하는 두께나 폭으로 패턴을 구현하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 전도도를 높이기 위해 은의 함량을 높여 고농도를 구현하고자 하더라도 은이 침전됨으로써 결국에는 전도도가 높은 고농도 전도성 잉크를 제조할 수 없다.
한편, 은 페이스트는 보통 30 내지 50나노 단위의 입자로 구성되어, 입자를 보다 미세하게 하기 위해 분산 과정을 거친다 하더라도, 입자의 크기가 일정치 않아, 각 입자가 가지는 저항값이 일정하지 않다. 따라서, 이러한 은 페이스트를 가지고 전도성 잉크를 제조하게 되면, 전도성 잉크의 비저항이 일정치 않게 되어 원하는 전도도를 가지는 전도성 잉크를 제조하기 어려운 문제가 발생한다. 은 페이스트로 제조된 전도성 잉크를 이용하여 기판을 인쇄하는 경우, 인쇄된 패턴의 비저 항이 10~50×10-6Ω/㎠ 수준으로서, 순수 은에 비해 비저항이 6~30배에 달하게 된다.
또한, 은은 전도도가 높은 금속임에도 불구하고 산화가 잘되는 특성이 있기 때문에, 이를 이용하여 회로 패턴을 형성하는 경우, 기판 인쇄 후 불필요한 물질을 소성하는 과정에서 열에 의해 은이 산화될 가능성이 있고, 이후 제품 사용 과정에서 발생하는 공기와의 접촉으로 인해서도 은이 산화되어 회로의 사용 수명이 매우 짧을 수밖에 없는 심각한 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 산화에 대한 저항력이 높은 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 금속 나노 입자 각각의 저항값이 일정하여 안정적인 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 기판 상에 회로 패턴을 인쇄하기 위한 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물에 있어서, 세라믹 이동체에 의해 캡핑된 금속 나노 입자; 상기 캡핑된 금속 나노 입자가 안정적으로 분산 배치될 수 있도록 하는 분산제; 및 상기 캡핑된 금속 나노 입자 및 상기 분산제가 혼합되는 용제를 포함한다.
상기 전도성 잉크 조성물은 상기 기판 상에 상기 전도성 잉크 조성물을 인쇄한 후 상기 캡핑된 금속 나노 입자만을 남기고 상기 분산제 및 상기 용제를 제거하기 위하여 상기 기판을 소성하는 과정에서, 상기 분산제 및 상기 용제가 상기 캡핑된 금속 나노 입자로부터 완전히 분리되게 하는 불소계 물질을 더 포함한다.
상기 불소계 물질은 양쪽성 계면 활성제이다.
상기 금속 나노 입자는 상기 금속 나노 입자와 동일한 단위의 세라믹 이동체와 1:1 매칭되어 캡핑된다.
상기 금속 나노 입자는 1나노 단위의 세라믹 이동체에 의해 1나노 단위로 캡핑된다.
본 발명의 실시 예에 따른 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물의 제조 방법은 기판 상에 회로 패턴을 인쇄하기 위한 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물을 제조함에 있어서, 고압 분산기를 이용하여 금속 나노 입자를 분산시키는 단계; 중합 반응기를 이용하여 분산된 상기 금속 나노 입자를 세라믹 이동체로 캡핑하는 단계; 및 캡핑된 상기 금속 나노 입자, 분산제 및 용제를 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 제조 방법은 불소계 물질을 혼합하는 단계를 더 포함하고, 상기 불소계 물질은 상기 기판 상에 상기 전도성 잉크 조성물을 인쇄한 후 캡핑된 상기 금속 나노 입자만을 남기고 상기 분산제 및 상기 용제를 제거하기 위하여 상기 기판을 소성하는 과정에서, 상기 분산제 및 상기 용제가 캡핑된 상기 금속 나노 입자로부터 완전히 분리되게 한다.
상기 캡핑 단계에서, 상기 금속 나노 입자와 상기 세라믹 이동체는 1나노 단위끼리 1:1 매칭되어 캡핑이 이루어진다.
본 발명에 따르면, 세라믹 이동체에 의해 캡핑된 금속 나노 입자를 사용하여 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물을 제조하기 때문에, 금속 나노 입자의 노출이 방지되어, 산화에 대한 저항력이 매우 높아 전도도의 손실이 최소화되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 금속 나노 입자를 동일 나노 단위로 분산시켜 사용하기 때문에, 입자마다 저항값이 일정하여 안정적인 전도도를 얻을 수 있는 효과가 있다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물의 제조 과정을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 금속 나노 입자를 세라믹 입자로 캡핑(capping)하여, 소성 시 또는 공기와의 접촉시에도 금속 나노 입자의 산화를 방지하여 비저항을 일정하게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 금속 나노 입자 각각의 저항값을 동일하게 할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하여, 이러한 전도성 잉크 조성물의 제조 방법을 설명하면, 먼저, 전도성 잉크의 조성 전에 금속 나노 입자를 캡핑하는 과정을 거친다.
금속 나노 입자로는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt) 등 다양한 전도성 금속 물질들이 단일 구성 또는 합금 형태로 사용될 수 있다.
일반적인 금속 나노 입자는 미세하다 하더라도 30nm 내지 50nm 범위의 크기를 가지며, 크게는 100nm 이상에 이른다. 그런데, 이와 같은 다양한 크기의 금속 나노 입자는 종래의 문제점에서도 설명한 바와 같이 불균일한 저항값의 원인이 된다.
따라서, 본 발명에서는 고압 분산기를 사용하여 금속 나노 입자를 분산시킨다(S1).
이때, 고압 분산기는 20,000psi 내지 50,000psi의 압력 범위에서 금속 나노 입자를 분산시킬 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 각각 분산 전과 분산 후의 입자 크기를 나타내는 그래프로, 가로축이 입자 크기, 세로축이 입자량을 나타낸다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 분산 전에는 금속 나노 입자들의 크기가 주로 100nm 내지 200nm 사이에 분포한다. 이러한 금속 나노 입자들이 분산 과정을 거치 면, 도 2b에서 나타나는 바와 같이, 0.5nm 내지 5nm의 크기로 분산된다.
도 3a는 5000배 현미경으로 분산 전의 금속 나노 입자를 촬영한 화면이고, 도 3b는 분산 후의 금속 나노 입자를 촬영한 화면이다. 도 3a에서는 금속 나노 입자의 크기가 크고 불균일하지만, 도 3b에서는 금속 나노 입자의 크기가 미세하고, 균일함을 알 수 있다.
본 발명에서는, 금속 나노 입자의 분산 효과를 높이기 위하여, 고압 분산기에 금속 나노 입자와 함께 분산제를 투입할 수 있다.
이후, 분산 과정을 거친 금속 나노 입자를 세라믹으로 캡핑한다(S2).
이때, 사용되는 세라믹은 1나노 세라믹 이동체로서, 분산된 금속 나노 입자와 함께 중합 반응기에 투입되고, 진공 상태에서 금속 나노 입자를 캡핑하게 된다.
상세히 하면, 진공 상태에서 1나노 세라믹 이동체의 흡인량이 커져, 분산된 금속 나노 입자들 중 1나노 단위의 금속 나노 입자만을 끌어들이게 된다. 이에 따라, 금속 나노 입자는 1나노 세라믹 이동체 내부로 삽입되게 된다. 이때, 1나노 크기의 금속 나노 입자와 1나노 세라믹 이동체는 1:1로 매칭되어 합착된다.
이러한 과정을 통해 도 4에 도시된 바와 같이 금속 나노 입자(10)는 세라믹 이동체(20)에 의해 캡핑되고, 세라믹 이동체(20)는 기판 소성 시나 공기 접촉 시에 금속 나노 입자(10)를 산화로부터 보호하며, 금속 나노 입자(10)가 잉크 조성물 내에서 침전되지 않도록 한다.
캡핑 과정에서 세라믹 이동체에 의해 캡핑되지 않은 금속 나노 입자들, 즉 1나노 단위 이외의 금속 나노 입자들은 원심 분리기 등을 통해 걸러져 수거된 후 재 활용될 수 있다.
한편, 상술한 설명에서는 1나노 크기의 금속 나노 입자와 1나노 세라믹 이동체가 합착되어, 금속 나노 입자가 세라믹 캡핑되는 것으로 설명하였으나, 본 발명에서는 금속 나노 입자 및 금속 나노 입자와 동일한 단위의 세라믹 이동체를 1:1 매칭시켜 합착시킴으로써, 금속 나노 입자가 세라믹 캡핑되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 이와 같이 세라믹에 의해 캡핑된 금속 나노 입자들, 분산제 및 용제 등이 혼합되어 조성된다(S3). 분산제는 캡핑된 금속 나노 입자들이 잉크 조성물 내에 안정적으로 분산되어 배치될 수 있도록 하며, 용제는 전도성 잉크 조성물이 유동성 및 점성을 가질 수 있도록 한다. 이외에도, 잉크젯 프린터의 노즐 부분에 발생할 수 있는 클로깅(clogging)을 방지할 수 있도록 습윤제가 첨가될 수 있다.
본 발명에서는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물을 제조함에 있어서, 불소계 물질을 첨가하는 것을 특징으로 한다.
불소계 물질은 다른 물질을 분리하는 자체 성질을 가지고 있기 때문에, 전도성 잉크가 기판에 인쇄된 후 캡핑된 금속 나노 입자만을 기판상에 남겨두기 위하여, 기판을 소성시키는 과정에서, 조성물에 포함된 불필요한 용제나 분산제 등을 캡핑된 금속 나노 입자로부터 완전히 분리시키는 역할을 한다.
예컨대, 불소계 물질로서 양쪽성 계면 활성제(Amphoteric Fluorosurfactant) 등이 사용될 수 있으며, 이 외에도 불소계를 포함하는 물질이면 어떠한 물질이든 사용 가능하다.
이러한 불소계 물질은 잉크 조성물에 0.1% 내지 5%가 포함될 수 있으며, 캡핑된 금속 나노 입자로부터 용제와 분산제의 분리를 촉진하는 불소계 물질의 역할로 인해, 100℃ 내지 250℃의 낮은 온도에서도 불필요한 용제와 분산제가 완전히 제거되는 효과가 있다.
종래에는 금속 나노 입자의 크기가 일정하지 않아 입자 각각의 저항값이 불안정하기 때문에, 이를 조성물로 제조하였을 때, 잉크 조성물의 전도도 또한 일정하지 않은 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 세라믹 이동체에 의해 일정한 단위로 캡핑된 금속 나노 입자를 사용하여 전도성 잉크 조성물을 제조하기 때문에, 금속 나노 입자의 함유율 등을 조절하여 전도성 잉크의 전도도를 원하는 대로 구현할 수 있는 효과가 있다.
특히, 비저항이 낮아 전도성 잉크의 금속 나노 입자로 많이 사용되는 은(Ag, silver)을 본 발명에 적용하여 전도성 잉크로 조성하는 경우, 인쇄된 패턴의 비저항이 3~10×10-6Ω/㎠ 수준으로 종래에 비해 비저항이 5분의 1 이하로 감소하기 때문에, 전도도가 매우 우수한 장점이 있다.
또한, 종래에는 기판에 인쇄된 금속 나노 입자의 산화 문제가 매우 심각하여, 잉크젯 프린터를 이용한 인쇄 기법의 장점에도 불구하고, 그 수명이 짧을 수밖에 없는 문제점을 해결할 수 없었지만, 본 발명에서는 금속 나노 입자 하나하나를 세라믹 이동체로 캡핑하여 캡슐화시킴으로써, 기판 소성 시나 공기 접촉 시 금속 나노 입자에 발생하는 산화를 방지할 수 있기 때문에, 종래와 동일한 물질을 사용하여 전도성 잉크를 조성한다 하더라도 결과적으로 종래에 비해 향상된 전도도를 얻을 수 있어 효과적이다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물의 제조 과정을 나타내는 흐름도,
도 2a 및 도 2b는 각각 분산 전과 분산 후의 입자 크기를 나타내는 그래프,
도 3a 및 도 3b는 각각 분산 전과 분산 후의 입자 크기를 나타내는 사진, 및
도 4는 1나노 세라믹 이동체에 의해 캡핑된 금속 나노 입자를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10 : 1나노 금속 나노 입자 20 : 1나노 세라믹 이동체

Claims (8)

  1. 기판 상에 회로 패턴을 인쇄하기 위한 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물에 있어서,
    나노 세라믹 이동체에 의해 캡핑된 금속 나노 입자;
    상기 캡핑된 금속 나노 입자가 안정적으로 분산 배치될 수 있도록 하는 분산제; 및
    상기 캡핑된 금속 나노 입자 및 상기 분산제가 혼합되는 용제
    를 포함하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 상기 전도성 잉크 조성물을 인쇄한 후 상기 캡핑된 금속 나노 입자만을 남기고 상기 분산제 및 상기 용제를 제거하기 위하여 상기 기판을 소성하는 과정에서, 상기 분산제 및 상기 용제가 상기 캡핑된 금속 나노 입자로부터 완전히 분리되게 하는 불소계 물질을 더 포함하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 불소계 물질은 양쪽성 계면 활성제인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 상기 금속 나노 입자와 동일한 단위의 상기 나노 세라믹 이동체와 1:1 매칭되어 캡핑되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 1나노 단위의 상기 나노 세라믹 이동체에 의해 1나노 단위로 캡핑되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물.
  6. 기판 상에 회로 패턴을 인쇄하기 위한 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물을 제조함에 있어서,
    고압 분산기를 이용하여 금속 나노 입자를 분산시키는 단계;
    중합 반응기를 이용하여 분산된 상기 금속 나노 입자를 나노 세라믹 이동체로 캡핑하는 단계; 및
    캡핑된 상기 금속 나노 입자, 분산제 및 용제를 혼합하는 단계
    를 포함하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    불소계 물질을 혼합하는 단계를 더 포함하고,
    상기 불소계 물질은 상기 기판 상에 상기 전도성 잉크 조성물을 인쇄한 후 캡핑된 상기 금속 나노 입자만을 남기고 상기 분산제 및 상기 용제를 제거하기 위하여 상기 기판을 소성하는 과정에서, 상기 분산제 및 상기 용제가 캡핑된 상기 금속 나노 입자로부터 완전히 분리되게 하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 캡핑 단계에서,
    상기 금속 나노 입자와 상기 나노 세라믹 이동체는 1나노 단위끼리 1:1 매칭되어 캡핑이 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물의 제조 방법.
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