KR101248447B1

KR101248447B1 - 스크린 인쇄용 도전성 페이스트

Info

Publication number: KR101248447B1
Application number: KR1020117022506A
Authority: KR
Inventors: 쇼우 이나가키; 히데키 에토리; 히로시 이소즈미; 마사노리 가사이
Original assignee: 디아이씨 가부시끼가이샤
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2013-04-02
Also published as: KR20110122203A; CN102549675B; WO2011078141A1; JP4835810B2; US9039941B2; US20130048920A1; TWI476255B; DE112010004960T5; TW201130930A; CN102549675A; JPWO2011078141A1

Abstract

150℃ 이하에서의 저온 소성이 가능하며, 고온에서는 인쇄 불능한 플라스틱제 기판에의 인쇄도 가능하게 한 스크린 인쇄용 도전성 페이스트를 제공한다. 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 평균 입자경 1∼50㎚의 금속 나노 입자(Y)와, 평균 입자경 100㎚를 초과하여 5μm의 금속 입자(Z)와, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)와, 유기 용제(B)를 함유하는 스크린 인쇄용 도전성 페이스트에 있어서, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)로서, 탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산을 사용하고, 또한 유기 용제(B)로서, 폴리알킬렌글리콜을 사용하는 것을 특징으로 하는 스크린 인쇄용 도전성 페이스트.

Description

스크린 인쇄용 도전성 페이스트{CONDUCTIVE PASTE FOR SCREEN PRINTING}

본 발명은 150℃ 이하에서의 저온 소성이 가능하며, 고온에서는 인쇄 불능한 플라스틱제 기판에의 인쇄도 가능하게 한 스크린 인쇄용 도전성 페이스트에 관한 것이다.

근래, 전자 기기에는 유비쿼터스 시대에 대응하기 위해, 당해 전자 기기의 회로 배선의 제조에 있어서 저렴하게 고밀도 실장(미세 회로 형성)을 실현할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이와 같은 기술로서, 나노미터 사이즈의 은 입자(이하, 나노은)를 구성 성분으로 하는 은 페이스트를 스크린 방식에 의해 미세 패터닝 인쇄하고, 그 후에 150℃ 이하의 저온에서 소성함으로써 도전 배선을 형성하는 방법이 알려져 있다.

인쇄법은, 프로세스수의 삭감과 고(高)쓰루풋성에 의해 저렴한 회로 배선의 제공을 가능하게 한다. 또한, 150℃ 이하라는 저온 소성을 할 수 있으면, 기판 재료로서, 종래의 고가인 폴리이미드를 대신하는, 저렴하고 내열성이 낮지만 박막화가 용이하여 플렉서블하게 성형하기 쉬운 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)나 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)와 같은 범용 플라스틱의 사용이 가능해진다. 또한, 나노은을 사용한 은 페이스트의 사용은, 고정세(高精細)한 패터닝을 가능하게 하고, 고밀도 실장의 실현에 기여한다. 왜냐하면, 종래의 마이크로미터 사이즈의 은을 사용한 은 페이스트는, 고정세한 인쇄에 필요한 파인(fine) 피치의 스크린판을 막히게 할 우려가 있는 것에 대하여, 나노은을 사용한 은 페이스트에는, 이와 같은 결점이 없기 때문이다.

이와 같은 상황 하에서 각종 인쇄용 도전성 페이스트가 제안되고 있다. 스크린 인쇄용 도전성 페이스트로서는, 염기성 질소 원자를 함유하는 고분자 화합물로 보호된 금속 나노 입자와, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제와, 상기 금속 나노 입자보다도 큰 금속 입자와, 유기 용제를 함유하는 각종의 스크린 인쇄용 도전성 페이스트가 알려져 있다.

예를 들면 특허문헌 1에는, 평균 입경이 0.1μm 이하의 나노은 입자와 1∼20μm의 은 입자를 은 성분으로서 사용한 은 페이스트가 개시되어 있다. 또한 특허문헌 2에는, 평균 입경이 0.001∼0.1μm의 나노은 입자와, 0.01∼0.5μm의 은 입자를 은 성분으로서 사용한 저온 소성이 가능한 은 페이스트가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에도, 평균 입경이 1∼100㎚의 나노은 입자와, 0.1∼10μm의 은 입자를 은 성분으로서 사용한 저온 소성이 가능한 은 페이스트가 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 1에 기재된 은 페이스트는 체적 저항 10^-5Ω㎝를 얻기 위해 200℃ 이상에서 소성할 필요가 있기 때문에, 내열성이 불충분한 플라스틱 기판상에 인쇄하는 것이 곤란하다. 또한, 특허문헌 2∼3의 은 페이스트는, 종래에 비하면 저온 소성이 가능하게는 되어 있어 내열성이 불충분한 플라스틱 기판상에 인쇄할 수 있게는 되어 있지만, 저온 소성 후의 체적 저항은 약간 높아 불만족한 것이었다.

즉, 보다 낮은 체적 저항치를 가진 회로 배선을, 내열성이 보다 낮은 플라스틱 기판상에 저온 소성으로 마련하는 것이 가능한 도전성 페이스트는 아직 알려져 있지 않다.

WO2002／035554 공보 일본국 특개2005-248061 공보 일본국 특개2008-91250 공보

본 발명의 목적은, 금속 나노 입자와 그보다 사이즈가 큰 금속 입자를 금속 성분으로서 사용함으로써 미세 회로 형성이 가능한 파인 피치의 스크린판을 사용하여 스크린 인쇄할 수 있고 게다가, 저온 소성으로 보다 저항이 낮은 회로 배선을 형성할 수 있는 금속 페이스트를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은, 상기 실상을 감안하여 예의 검토한 결과, 종래의, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 평균 입자경 1∼50㎚의 금속 나노 입자(Y)와, 평균 입자경 100㎚를 초과하여 5μm의 금속 입자(Z)와, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)와, 유기 용제(B)를 함유하는 스크린 인쇄용 도전성 페이스트에 있어서, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)로서, 탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산을 사용하고, 또한, 유기 용제(B)로서, 폴리알킬렌글리콜을 사용함으로써 얻어진 도전성 페이스트는, 범용 플라스틱을 용해하거나 팽윤시키지 않고(저활성이고), 악취나 독성도 보다 작아 작업 환경을 악화시키지 않으며, 스크린 인쇄법으로 인쇄할 수 있고, 게다가 종래보다 저온에서 유기 용제가 휘발하고, 종래보다 저온에서의 소성으로도 보다 저(低)저항을 나타내는 회로 배선을 형성할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉 본 발명은 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 평균 입자경 1∼50㎚의 금속 나노 입자(Y)와, 평균 입자경 100㎚를 초과하여 5μm의 금속 입자(Z)와, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)와, 유기 용제(B)를 함유하는 스크린 인쇄용 도전성 페이스트에 있어서, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)로서, 탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산을 사용하고, 또한 유기 용제(B)로서, 폴리알킬렌글리콜을 사용하는 것을 특징으로 하는 스크린 인쇄용 도전성 페이스트를 제공한다.

본 발명의 스크린 인쇄용 도전성 페이스트는, 종래의 탈보호제로부터, 보다 낮은 온도에서도, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물을 금속 나노 입자 표면으로부터 탈리할 수 있는 최적의 모노카르복시산이나 디카르복시산 무수물을 선택하고, 또한, 종래의 유기 용제로부터, 종래보다도 저온에서 휘발하고, 스크린 인쇄법에도 적용할 수 있고, 기판의 플라스틱을 침범하지 않는 최적의 유기 용제를 선택하여, 이들을 조합하여 조제한 도전성 페이스트이므로, 범용 플라스틱을 용해하거나 팽윤시키지 않고(저활성이고), 악취나 독성도 보다 작아 작업 환경을 악화시키지 않으며, 스크린 인쇄법으로 인쇄할 수 있고, 게다가 종래보다 저온에서 유기 용제가 휘발하고, 종래보다 저온에서의 소성으로도 보다 저저항을 나타내는 회로 배선을 형성할 수 있다는 각별히 현저한 기술적 효과를 가져온다.

이하, 본 발명의 상세에 대해서 설명한다.

본 발명은 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 평균 입자경 1∼50㎚의 금속 나노 입자(Y)와, 평균 입자경 100㎚를 초과하여 5μm의 금속 입자(Z)와, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)와, 유기 용제(B)를 함유하는 스크린 인쇄용 도전성 페이스트에 있어서, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)로서, 탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산을 사용하고, 또한 유기 용제(B)로서, 폴리알킬렌글리콜을 사용하는 것을 특징으로 하는 스크린 인쇄용 도전성 페이스트이다.

또한, 여기에서 말하는 「평균 입자경」이란, 입자를 분산 양용매(良溶媒)로 희석하고, 동적 광산란법에 의해 측정된 체적 평균치로 대표되는 것이다. 예를 들면 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물로 보호된 평균 입자경 1∼50㎚의 은 나노 입자의 경우의 분산 양용매는 물이다. 이 측정에는, 마이크로트랙사제 나노 트랙 UPA-150을 사용할 수 있다.

염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 평균 입자경 1∼50㎚의 금속 나노 입자(Y)는, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)과, 평균 입자경 1∼50㎚의 금속 나노 입자(Y)로 구성되는 것이며, 금속 나노 입자(Y)의 표면은, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 피복되어 보호된 상태로 되어 있다.

이 상태에서는, 금속 나노 입자(Y)가 노출해 있지 않고, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)이 절연층을 형성하고 있기 때문에, 당해 페이스트를 상온에서 도포한 것만으로는 연속 피막은 형성되나 도전성은 발현되지 않는다. 그러나, 소정 온도에서, 금속 나노 입자(Y)를 피복하고 있는 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)이 후기하는 탈보호제(A)와 반응하고, 이에 따라 금속 나노 입자(Y)가 노출 후 융착함으로써 도전성이 발현된다.

이와 같은 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y)로서는, 공지 관용의 것을 모두 사용할 수 있다. 금속 나노 입자(Y)로서는, 예를 들면 금, 은, 구리, 백금 등의 금속 입자를 들 수 있는데, 보다 미세한 패턴을 형성할 수 있어, 소성 후의 저항치를 보다 저감할 수 있고, 표면 평활성이 우수한 회로 배선의 형성이 가능해지므로, 평균 입자경 1∼50㎚의 금속 나노 입자가 바람직하다. 그 중에서도 은 나노 입자는, 그 금속 이온이 후기하는 최적의 염기성 질소 원자를 함유하는 고분자 화합물인 폴리에틸렌이민에 배위(配位)한 후, 적당한 환원제의 존재 하에서, 실온 또는 가열 상태에서 용이하게 환원되기 때문에 특히 바람직하다.

한편, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)로서는, 예를 들면 도데실아민과 같은 제1급 아미노기를 갖는 모노알킬아민, 폴리옥시알킬렌아민 등의 저분자의 유기 화합물을 사용할 수도 있지만, 확실하게 금속 나노 입자(Y)를 보호하는 관점에서, 고분자의 유기 화합물(이하, 고분자 화합물이라고 함)을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 염기성 질소 원자를 함유하는 고분자 화합물로서는, 예를 들면 WO2008／143061 공보에 기재되어 있는 바와 같은 폴리알킬렌이민쇄(a)와, 친수성 세그먼트(b)를 갖는 고분자 화합물이 최적이다.

본 발명에 있어서 상기한 최적의 고분자 화합물로서는, 폴리알킬렌이민쇄(a)를 갖는 고분자 화합물을 들 수 있다. 이미노 구조는, 염기성 질소 원자를 갖고, 폴리알킬렌이민쇄(a) 중의 알킬렌이민 단위는 금속 또는 금속 이온과 배위 결합 가능하므로, 금속을 나노 입자로서 고정화할 수 있는 고분자쇄이다. 그 구조는 제2급 아민의 알킬렌이민 단위를 주된 반복 단위로 하는 폴리머이며, 직쇄 구조, 분기 구조 중 어느 것이어도 된다.

도전성 페이스트의 분산 안정성을 향상시키기 위해, 당해 고분자 화합물을 소입경화할 경우, 분기 구조가 바람직하다.

폴리알킬렌이민쇄(a)의 중합도로서는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 금속 나노 입자의 고정화 능력이나 분산시의 입자경의 거대화를 방지하는 관점에서, 상기 폴리알킬렌이민쇄(a)의 중합도로서는 통상 1∼10,000의 범위이며, 3∼3,000의 범위인 것이 바람직하고, 5∼1,000의 범위인 것이 보다 바람직하다.

상기 폴리알킬렌이민쇄(a)는 일반적으로 시판, 또는 합성 가능한 것이면, 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있지만, 공업적인 입수의 용이성 등에서, 폴리에틸렌이민쇄, 폴리프로필렌이민쇄인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 사용하는 고분자 화합물을 구성하는 친수성 세그먼트(b)는, 당해 고분자 화합물을 물 등의 친수성 용매 중에 분산했을 경우에는 용매와의 높은 친화성을 갖고, 분산체를 형성했을 때에 분산 안정성을 유지하는 세그먼트이다. 또한 소수성 용매 중에 분산했을 경우에는, 당해 친수성 세그먼트(b)의 분자 내 또는 분자간 상호의 강한 회합력(會合力)에 의해, 분산체의 코어를 형성하는 역할을 갖는다. 친수성 세그먼트(b)의 중합도는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 친수성 용매 중에 분산시킬 경우의 분산 안정성의 확보와 응집 방지, 소수성 용매 중에 분산시킬 경우의 높은 회합력과 용매와의 친화성의 확보의 관점에서, 통상 1∼10,000이며, 3∼3,000인 것이 바람직하고, 제조 방법의 용이성 등의 관점에서 5∼1,000인 것이 보다 바람직하다. 또한 폴리옥시알킬렌쇄일 경우의 중합도로서는 5∼500인 것이 특히 바람직하다.

친수성 세그먼트(b)는 일반적으로 시판, 또는 합성 가능한 친수성의 폴리머쇄로 이루어지는 것이면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있다. 특히 친수성 용매 중에서는, 안정성이 우수한 분산체를 얻을 수 있는 점에서, 비이온성의 폴리머로 이루어지는 것임이 바람직하다.

친수성 세그먼트(b)로서는, 예를 들면 폴리옥시에틸렌쇄, 폴리옥시프로필렌쇄 등의 폴리옥시알킬렌쇄, 폴리비닐알코올, 부분 비누화 폴리비닐알코올 등의 폴리비닐알코올류로 이루어지는 폴리머쇄, 폴리히드록시에틸아크릴레이트, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트, 디메틸아미노에틸아크릴레이트, 디메틸아미노에틸메타크릴레이트 등의 수용성의 폴리(메타)아크릴산에스테르류로 이루어지는 폴리머쇄, 폴리아세틸에틸렌이민, 폴리아세틸프로필렌이민, 폴리프로피오닐에틸렌이민, 폴리프로피오닐프로필렌이민 등의 친수성 치환기를 갖는 폴리아실알킬렌이민쇄, 폴리아크릴아미드, 폴리이소프로필아크릴아미드, 폴리비닐피롤리돈 등의 폴리아크릴아미드류로 이루어지는 폴리머쇄 등을 들 수 있고, 이들 중에서도, 안정성이 특히 우수한 분산체를 얻을 수 있으며, 또한 공업적 입수가 용이한 점에서, 폴리옥시알킬렌쇄인 것이 바람직하다.

상기한 염기성 질소 원자를 함유하는 고분자 화합물로 보호된 금속 나노 입자는, 폴리알킬렌이민쇄(a), 친수성 세그먼트(b)에, 또한 소수성 세그먼트(c)를 갖는 고분자 화합물로 보호된 금속 나노 입자(Y)여도 된다.

본 발명에 있어서 호적(好適)하게 사용되는 고분자 화합물을 구성하는 소수성 세그먼트(c)는, 당해 고분자 화합물을 물 등의 친수성 용매 중에 분산했을 경우에는, 분자 내 또는 분자간 상호의 강한 회합력에 의해, 분산체의 코어를 형성하고, 안정된 분산체를 형성하는 역할을 갖는다. 또한 소수성 용매 중에 분산했을 경우에는, 용매와의 높은 친화성을 갖고, 분산체를 형성했을 때의 분산 안정성을 유지하는 세그먼트이다.

소수성 세그먼트(c)는 일반적으로 시판, 또는 합성 가능한 소수성의 화합물의 잔기(殘基)로 이루어지는 것이면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들면 폴리스티렌, 폴리메틸스틸렌, 폴리클로로메틸스티렌, 폴리브로모메틸스티렌 등의 폴리스티렌류, 폴리아크릴산메틸에스테르, 폴리메타크릴산메틸에스테르, 폴리아크릴산2-에틸헥실에스테르, 폴리메타크릴산2-에틸헥실에스테르 등의 비수용성의 폴리(메타)아크릴산에스테르류, 폴리벤조일에틸렌이민, 폴리벤조일프로필렌이민, 폴리(메타)아크릴로일에틸렌이민, 폴리(메타)아크릴로일프로필렌이민, 폴리〔N-{3-(퍼플루오로옥틸)프로피오닐}에틸렌이민〕, 폴리〔N-{3-(퍼플루오로옥틸)프로피오닐}프로필렌이민〕 등의 소수성 치환기를 갖는 폴리아실알킬렌이민류의 폴리머의 잔기나, 에폭시 수지, 폴리우레탄, 폴리카보네이트 등의 수지의 잔기 등을 들 수 있고, 단독의 화합물의 잔기여도, 2종 이상의 다른 화합물을 미리 반응시켜 얻어지는 화합물의 잔기여도 된다.

이상에 든 소수성 세그먼트(c) 중에서도, 에폭시 수지의 잔기는, 원료로서 사용하는 화합물의 공업적 입수 용이성, 취급의 용이성뿐만 아니라, 고분자 화합물(X)로 했을 때의 소수성 회합력의 높이 등, 종합적으로 판단하여, 최적의 소수성 세그먼트이다.

또한, 소수성 세그먼트(c)의 중합도로서는 특별히 한정되는 것이 아니지만, 친수성 용매 중에 분산시킬 경우에는, 높은 분산 안정성의 확보와 분산시의 응집의 방지의 관점에서, 또한 소수성 용매 중에 분산시킬 경우에는, 높은 분산성과, 용매와의 친화성의 유지의 관점에서, 통상 1∼10,000이며, 폴리스티렌류, 폴리(메타)아크릴산에스테르류, 소수성 치환기를 갖는 폴리아실알킬렌이민류 등의 경우에는 3∼3,000인 것이 바람직하고, 10∼1,000인 것이 보다 바람직하다. 또한 에폭시 수지류, 폴리우레탄류, 폴리카보네이트류 등의 수지의 잔기로 이루어지는 경우에는, 그 중합도로서는 통상 1∼50이며, 1∼30인 것이 바람직하고, 특히 1∼20인 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 상기 최적의 고분자 화합물의 제조 방법은, 특별히 한정되는 것이 아니다.

분기상 폴리알킬렌이민쇄는 상술한 대로, 시판 또는 합성한 것을 사용할 수 있다.

고분자 화합물의 대표적인 합성예를 기재한다. (Ⅰ) 분기상 폴리알킬렌이민은 시판품을 사용하고, 친수성 폴리머로서는 폴리에틸렌글리콜모노메틸에테르의 토실체를 사용한다. 당해 친수성 폴리머는 예를 들면 폴리에틸렌글리콜모노메틸에테르와 토실클로라이드를 극성 용매 중, 피리딘의 존재 하에서 반응시킴으로써 얻을 수 있다. 또한 소수성 폴리머를 사용할 경우에는, 소수성 폴리머로서는 말단에 에폭시기를 갖는 에폭시 수지를 사용한다. 이 조합의 경우에는, 처음에 폴리에틸렌이민을 극성 용매에 용해하고, 탄산칼륨 등의 염기 존재 하에서, 폴리에틸렌글리콜모노메틸에테르의 토실체와 100℃에서 반응시켜, 폴리에틸렌글리콜과 폴리에틸렌이민 구조를 갖는 화합물을 합성하고, 이후, 아세톤과 메탄올과의 혼합 용매 중, 에폭시 수지를 가하여, 60℃에서 반응시킴으로써, 폴리에틸렌글리콜-폴리에틸렌이민-에폭시 수지의 구조를 갖는 고분자 화합물을 얻을 수 있다.

상기 고분자 화합물 중의 각 성분의 비율은, 예를 들면 폴리알킬렌이민쇄의 경우에서, 또한, 삼원계의 경우, 폴리알킬렌이민쇄(a), 친수성 세그먼트(b), 소수성 세그먼트(c)의 각 성분의 쇄를 구성하는 폴리머의 중합도의 비 (a):(b):(c)로서는, 특별히 한정되는 것이 아니지만, 얻어지는 금속 나노 입자 분산체의 회합력, 분산 안정성 및 보존 안정성이 우수한 점에서, 통상 5,000:5∼5,000,000:1∼5,000,000의 범위이다.

염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y)는, 불휘발분의 질량 환산으로, 상기 유기 화합물(X)의 함유량이, 상기 금속 나노 입자(Y)에 대하여, 1∼5％의 범위가 되도록 조제하는 것이, 금속 나노 입자 표면이 습기나 산소에 접촉하지 않고, 또한, 금속 나노 입자가 자기(自己) 융착하지 않으며, 과부족 없이 충분한 보호를 행할 수 있음과 함께, 후기하는 탈보호제(A)의 사용량을 적게 할 수 있는 점에서 바람직하다.

본 발명에 있어서 최적인 염기성 질소 원자를 함유하는 고분자 화합물로 보호된 금속 나노 입자는, 폴리알킬렌이민쇄와, 친수성 세그먼트를 갖는 화합물을 분산한 매체 중에, 금속의 산화물 또는 금속의 이온 용액을 가하고, 당해 금속의 산화물 또는 이온을 환원하여, 금속 나노 입자로서 안정화함으로써 용이하게 얻을 수 있다. 이와 같이 하여 제조한 금속 나노 입자 분산체는, 분산 안정성, 보존 특성이 우수하고, 금속 나노 입자가 갖는 전기적 기능을 잠재적으로 갖고 있다.

염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y)는, 도전성 페이스트 중에 함유시키는 폴리알킬렌글리콜이나, 그 이외의 유기 용제를 함유하는 액매체 중에서 임의의 불휘발분으로 제조할 수 있다.

염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y)는, 상기한 액매체에 분산한 분산체로서 사용할 수도 있지만, 상기한 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y)를 저불휘발분으로 함유하는 분산체를 농축하는 것이 아니고, 그 분산체를 분무 건조나 동결 건조 등으로 액매체를 제거한 불휘발분을 사용하는 것이 바람직하다. 미리 액매체로 분산된 분산체는, 예를 들면 농축함으로써 불휘발분을 높일 수는 있지만 안정되지 않게 되어, 도전성 페이스트로 했을 때에 분리나 응집을 일으킬 경우가 있지만, 액매체를 함유하지 않는 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y)에서는, 임의의 불휘발분이 되도록 희석할 뿐이어서, 높은 불휘발분으로도 안정성을 손상시키지 않고, 우수한 도전성 페이스트를 얻을 수 있다.

금속 나노 입자(Y)는, 후기하는, 그에 병용되는 금속 입자(Z)간의 틈을 채우도록, 치밀한 충전 상태를 취할 수 있다. 가열 소성 전에는, 치밀한 충전 상태를 취하는 금속 나노 입자(Y)의 표면은, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호되고 있기 때문에, 금속 나노 입자(Y)의 금속 표면이 직접 접하는 것이 회피되어 있지만, 그 상태에서 가열 소성이 진행되어, 탈보호제(A)의 작용으로 금속 나노 입자(Y)가 노출하면, 그 금속 표면이 직접 접촉한 상태가 되어, 비교적으로 저온에서도 금속 나노 입자(Y)는 서로 소결을 일으킨다. 피막 중의 금속 나노 입자(Y)는, 병용되어 있는 금속 입자(Z)간의 틈을 채우도록 치밀한 충전 상태를 유지하면서, 금속 입자(Z)간을 금속 나노 입자(Y)가 연결하는 형태로 일체화한 치밀한 소결체가 되어, 보다 양호한 도전성이 달성된다. 상기한 일체화에 관여하지 않는 금속 나노 입자(Y)로 해도, 도포되는 기판면의 미세한 요철부에 침입한 상태로 소성되기 때문에, 표면 평활성이 우수한 피막도 형성 가능해진다.

본 발명에서는, 평균 입자경 100㎚를 초과하여 5μm의 금속 입자(Z)가, 상기한 금속 나노 입자(Y)와 함께 사용된다. 금속 입자(Z)는 상기한 대로, 금속 나노 입자(Y)에 비하면 입자경이 크기 때문에, 표면 에너지도 보다 작아, 금속 나노 입자(Y)와 같이 표면을 정밀하게 보호할 필요없이 안정된 금속 입자이다. 금속 입자(Z)로서는, 공지 관용의 건조 분체(粉體)를 모두 사용할 수 있다. 금속 입자(Z)로서는, 예를 들면 금, 은, 구리, 백금 등의 금속 입자를 들 수 있지만, 스크린 인쇄의 메시(mesh)에 막힐 염려가 적어, 미세한 패턴을 형성할 수 있고, 소성 후의 저항치를 보다 저감할 수 있어, 표면 평활성이 우수한 회로 배선의 형성이 가능해지므로, 평균 입자경 200∼600㎚의 금속 입자, 그 중에서도 인편상(燐片狀)의 은 입자가 바람직하다.

본 발명에 있어서, 금속 나노 입자(Y)와 금속 입자(Z)의 사용 비율은 특별히 제한되는 것이 아니라, 질량 기준으로, 금속 나노 입자(Y)／금속 입자(Z)＝10／90∼90／10, 그 중에서도 금속 나노 입자(Y)와 금속 입자(Z)의 합계를 보다 적게 해도, 보다 낮은 체적 저항을 갖는 피막을 얻을 수 있는 점에서, 질량 기준으로, 금속 나노 입자(Y)／금속 입자(Z)＝15／85∼30／70으로 하는 것이 바람직하다.

스크린 인쇄법에 적합한 도전성 페이스트를 조제함에 있어서는, 불휘발분의 질량 기준으로, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y)와 금속 입자(Z)와의 합계를 65％ 이상이 되도록 함유시키는 것이 바람직하고, 그 중에서도 70∼95％가 되도록 함유시키는 것이 특히 바람직하다. 스크린 인쇄 특성을 향상시킴에 있어서는, 도전성 페이스트 중의 불휘발분을 높이는 것은 유효하기는 하지만, 그 때문에, 별도의 바인더 수지를 병용하면, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y)와 금속 입자(Z)와의 합계의 도전성 페이스트 중의 불휘발분이 저하할 뿐만 아니라, 첨가된 당해 바인더 수지가 피막 중에 잔류하게 되어, 모처럼의 도전성이 저하하므로, 그와 같은 제3 성분으로서의 바인더 수지의 병용은, 도전성의 저하를 허용할 수 있는 범위의 최소량에 그치는 것이 바람직하다.

탈보호제(A)는, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y) 중에서, 금속 나노 입자 자체를 보호하고 있는 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)과 반응하여, 금속 나노 입자(Y)를 노출시키는 기능을 갖는 것이다.

염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y)는, 적성 온도 이상에서 소성할 때, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)이 탈보호제(A)와 반응을 일으킴으로써 그 반응물은 피막에 잔류하고 있지만, 금속 나노 입자(Y) 자체가 노출 후 융착하여, 금속의 연속 피막을 형성하고, 그에 의거하는 회로 배선은 도전성을 나타낸다.

본 발명에 있어서는, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)로서, 탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산이 사용된다. 탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산으로서는, 예를 들면 카프로산, 에난트산, 카프릴산, 펠라르곤산, 카프르산 등을 들 수 있다. 이들은, 단독으로 사용해도 이종 이상을 병용해도 된다.

본 발명에서는, 금속 나노 입자(Y)가 금속 입자(Z)와 병용됨으로써, 금속 나노 입자(Y)만을 사용했을 경우에 비하여, 보다 낮은 체적 저항을 갖는 피막이 얻기 쉬워지지만, 이 유리한 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, 탈보호제(A)는 피막에 잔류했다고 해도 체적 저항이 보다 높아지지 않는 것을 선택하는 것이 바람직하다. 이와 같은 관점에서, 본 발명에서는 그 자체의 체적 저항이 보다 작은, 탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산이 선택적으로 사용된다.

이들의, 탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산은, 실온에서 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)과 반응하지 않고, 소성시의 가열 온도에서 휘발하기 어렵고, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)이나 금속 나노 입자(Y)나 금속 입자(Z)와의 혼화성도 우수하며, 분리, 응집, 침강 등이 없는 분산 안정성이 우수한 도전성 페이스트를 얻을 수 있고, 또한 만일 피막에 잔류했다고 해도 건조한 체적 저항이 보다 낮은 피막을 얻을 수 있는 등의 점에서, 종래에 없는 우수한 특징을 갖는 탈보호제(A)이다.

본 발명의 도전성 페이스트를 조제함에 있어서는, 질량 환산으로, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X) 중의 염기성 질소 원자 1몰당, 탈보호제(A)가 0.2∼40몰이 되도록 사용하는 것이 바람직하다. 염기성 질소 원자와 산기와의 반응에 의거하는 탈보호에 있어서의 최대의 효과와, 탈보호제(A) 자체의 피막에의 잔류에 의한 도전성 저하의 최대한의 방지의 관점에서, 탈보호제(A)와 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)을 적확한 비율로 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 관점에서, 그 중에서도 질량 환산으로, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X) 중의 염기성 질소 원자 1몰당, 탈보호제(A)가 0.5∼5몰이 되도록 사용하는 것이 바람직하다.

유기 용제(B)는, 염기성 질소 원자를 함유하는 고분자 화합물(X)로 보호된 금속 나노 입자(Y) 및 탈보호제(A)를, 각종 소재에 의거하는 기판상에 도포하기 위해 액상(液狀)으로 조제하는 기능을 갖는 것이다. 본 발명에 있어서는, 기판 소재로서, 유리, 세라믹스, 폴리이미드 등의 내열성이 높고 또한 강성(剛性)이 큰 무기 소재나 유기 플라스틱 소재뿐만 아니라, 보다 내열성이나 에너지선 내구성이 낮은 및／또는 박막화나 플렉서블화가 용이한 열가소성 플라스틱을 사용하는 것을 상정하고 있다. 그 때문에 이들 기판 소재를 용해시키거나 팽윤시키지 않고, 보다 저온에서 휘발하고, 보다 낮은 온도에서의 소성이 가능하며, 악취나 독성도 보다 작아 작업 환경을 악화시키는 것이 적은 유기 용제가 선택되어 사용된다.

본 발명에 있어서는, 이와 같은 유기 용제(B)로서 폴리알킬렌글리콜이 사용된다. 이와 같은 폴리알킬렌글리콜로서는, 예를 들면 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 트리프로필렌글리콜 등의 상온 액체의 폴리알킬렌글리콜이 바람직하고, 그 중에서도, 트리에틸렌글리콜 등의 150℃ 근방에서 휘발을 개시하는 폴리알킬렌글리콜이, 실온에서의 증기압이 낮아 휘발하기 어렵기 때문에, 스크린 인쇄용 도전성 페이스트의 조제에 우수하며, 염기성 질소 원자를 함유하는 고분자 화합물로 보호된 은 나노 입자와의 혼화성이 우수하여 분리 등을 일으키기 어렵고, 게다가 상기한 각종 열가소성 플라스틱을 용해시키거나 팽윤시키지 않고, 보다 낮은 온도에서의 소성이 가능하며, 악취나 독성도 보다 작아 작업 환경을 악화시키는 것이 적은 점에서 보다 바람직하다.

유기 용제(B)는, 질량 기준으로 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y) 및 금속 입자(Z)의 합계의 불휘발분 100부당 2∼9부, 스크린 인쇄 적성을 높이는 점에서, 바람직하게는 3∼6부가 되도록 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 스크린 인쇄용 도전성 페이스트는, 상기한 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y), 금속 입자(Z), 탈보호제(A) 및 유기 용제(B)를, 예를 들면 필요에 따라 예비 혼합한 후에, 전단력 하에서 교반 분산시킴으로써 조제할 수 있다.

본 발명의 도전성 페이스트는, 상기한 바와 같이, 불휘발분의 질량 기준으로, 염기성 질소 원자를 함유하는 유기 화합물(X)에 의해 보호된 금속 나노 입자(Y) 및 금속 입자(Z)의 합계를 페이스트 중 65％ 이상, 그 중에서도 70∼95％ 함유하도록 조제하는 것이, 스크린 인쇄 적성이 우수한 점에서 바람직하다.

본 발명의 스크린 인쇄용 도전성 페이스트에는, 페이스트의 분산 안정성이나 소성 후의 피막의 성능에 악영향을 주지 않는 범위 내의 사용량으로, 필요에 따라, 소포제, 계면(界面) 활성제, 레올로지 조정제 등의 인쇄 특성이나 피막 특성을 개선하는 공지 관용의 첨가제를 함유시킬 수 있다.

이렇게 하여 얻어진 본 발명의 스크린 인쇄용 도전성 페이스트를, 예를 들면 PET, PEN, 폴리카보네이트 등의, 종래보다 내열성이나 에너지선 내구성이 낮은 및／또는 박막화나 플렉서블화가 용이한 열가소성 플라스틱 기판상에, 회로 배선에 대응하도록 도포하고, 150℃ 이하에서 소성함으로써, 금속 나노 입자에 의거하는 회로 배선 패턴이 당해 기판상에 묘화(描畵)할 수 있다.

유리, 세라믹스, 폴리이미드 등은 강성이 높고, 기판의 박막화나 플렉서블화에 수고가 들 뿐만 아니라, 소재 자체가 고가이지만, 상기한 열가소성 플라스틱은 성형이 용이하며 기판의 박막화나 플렉서블화가 용이할 뿐만 아니라, 소재도 저렴하므로, 기판의 경량화나 소형화에는 적합하다. 따라서, 에너지선을 별도로 조사(照射)하지 않고, 종래보다 낮은 150℃ 이하에서 소성이 가능하며, 종래보다 표면 평활성이 우수하여 미세한 패턴을 묘화 가능한, 본 발명의 스크린 인쇄용 도전성 페이스트를 사용하여, 회로 배선을 상기 내열성이나 에너지선 내구성이 낮은 및／또는 박막화나 플렉서블화가 용이한 열가소성 플라스틱 기판상에 마련함으로써, 경량화된 혹은 소형화된 전기 전자 부품을 제공할 수 있다.

〔실시예〕

이하, 실시예 및 비교예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이하의 실시예 및 비교예에 있어서, 「부」 및 「％」는 모두 질량 기준이다.

제조예 1

질소 분위기 하에서, 메톡시폴리에틸렌글리콜[Mn＝2,000] 20.0g(10.0m㏖), 피리딘 8.0g(100.0m㏖), 클로로포름 20㎖의 혼합 용액에, p-톨루엔설폰산클로라이드 9.6g(50.0m㏖)을 함유하는 클로로포름(30㎖) 용액을, 빙냉(氷冷) 교반하면서 30분간 적하했다. 적하 종료 후, 욕조 온도 40℃에서 4시간 더 교반했다. 반응 종료 후, 클로로포름 50㎖를 가하여 반응액을 희석했다. 계속해서 5％ 염산 수용액 100㎖, 포화 탄산수소나트륨 수용액 100㎖, 그리고 포화 식염 수용액 100㎖로 순서대로 세정한 후, 황산마그네슘으로 건조하고, 여과, 감압 농축했다. 얻어진 고형물을 헥산으로 몇 번 세정한 후, 여과, 80℃에서 감압 건조하여, 토실화된 생성물 22.0g을 얻었다. 이 화합물 5.39g(2.5m㏖), 분기상 폴리에틸렌이민(알드리치사제, 분자량 25,000)을 20.0g(0.8m㏖), 탄산칼륨 0.07g 및 N,N-디메틸아세트아미드 100㎖를, 질소 분위기 하에서, 100℃에서 6시간 교반했다. 얻어진 반응 혼합물에 아세트산에틸과 헥산의 혼합 용액(V／V＝1／2) 300㎖를 가하고, 실온에서 강력 교반한 후, 생성물의 고형물을 여과했다. 그 고형물을 아세트산에틸과 헥산의 혼합 용액(V／V＝1／2) 100㎖를 사용하여 2회 반복하여 세정한 후, 감압 건조하여, 폴리알킬렌이민쇄(a)와, 친수성 세그먼트(b)를 갖는 고분자 화합물(X)로서, 분기상 폴리에틸렌이민에 폴리옥시에틸렌쇄가 결합한 폴리머 1의 고체를 24.4g 얻었다.

이 폴리머 1의 0.296g의 수용액 58.8g을 산화은 5.0g에 가하여 25℃에서 30분간 교반했다. 계속해서, 에틸렌디아민 33.6g을 교반하면서 서서히 가한 바, 반응 용액은 흑갈색으로 변하고, 약간 발열했지만, 그대로 방치하여 25℃에서 30분간 교반했다. 그 후에 10％ 아스코르브산 수용액 7.6g을 교반하면서 서서히 가했다. 그 온도를 유지하면서 20시간 교반을 더 계속하여, 흑갈색의 은 함유 나노 구조체의 분산체를 얻었다. 이 분산체를 마이너스 30℃ 정도에서 급속하게 동결하고, 더 감압하여 진공 상태에서 용제분을 승화시켜 건조하고, 분기상 폴리에틸렌이민에 폴리옥시에틸렌쇄가 결합한 폴리머 1에 의해 보호된 은 나노 입자의 동결 건조품을 얻었다(불휘발분 92％). 이는, 물을 분산 양용매로서 측정한 평균 입자경 1∼50㎚의 범위에 있는 은 나노 입자를 함유한 것이었다.

실시예 1

상기 제조예 1에서 얻은 분기상 폴리알킬이민쇄에 폴리옥시에틸렌쇄가 결합한 폴리머 1에 의해 보호된 은 나노 입자의 동결 건조품 85g과, 도쿠센고교(주)제 은 나노 플레이크 N300(평균 입자경 430㎚의 인편상 은 입자의 건조 분체) 300g, 트리에틸렌글리콜(이하, TEG라고 약기함) 15g, 카프릴산 32g을 미리 유발(乳鉢)에 담아 예비 혼합한 후, 후버 멀러(hoover muller)에 의해 분산 혼합하여, 도전성 은 페이스트를 조제했다.

이 은 페이스트를, 유리 기판상에 400메시 스크린판을 사용하여 1㎝×3㎝의 단책상(短冊狀)으로 스크린 인쇄하고, 그 후에 오븐에서 150℃, 30분간 소성했다.

주사형 전자 현미경(SEM)을 사용하여, 배율 30,000배로, 소성 후의 기판상의 피막이 연속막이 되어 있는지를 관찰하고, 스크린 인쇄 적성을 평가했다. 당해 소성 후의 기판상의 피막의 도전성에 대해서는, 4탐침법으로 저항치를 측정함으로써 평가했다.

비교예 1

트리에틸렌글리콜을 물로 한 이외는 실시예 1과 같이 하여 은 페이스트를 조제했다. 이 은 페이스트를, 실시예 1과 같이 스크린 인쇄한 바, 인쇄물에 번짐이 발생하여, 당해 페이스트에 스크린 인쇄 적성이 없음이 판명됐다.

비교예 2

카프릴산을 가하지 않은 것 이외는 실시예 1과 같이 하여, 은 페이스트를 조제했다. 이 은 페이스트를, 실시예 1과 같이 스크린 인쇄하고, 그 후에 실시예 1과 같이 소성했다. 당해 인쇄물이 연속막인 것을 마찬가지로 전자 현미경으로 확인하고, 당해 은 페이스트가 스크린 인쇄로 묘화할 수 있음을 확인했다.

비교예 3

카프릴산 32g을 무수 숙신산 22g으로 한 것 이외는 실시예 1과 같이 하여 은 페이스트를 조제했다. 이 은 페이스트를, 실시예 1과 같이 스크린 인쇄하고, 그 후에 실시예 1과 같이 소성했다. 당해 인쇄물이 연속막인 것을 마찬가지로 전자 현미경으로 확인하고, 당해 은 페이스트가 스크린 인쇄로 묘화할 수 있음을 확인했다.

이들 실시예 1 및 비교예 1∼3의 평가 결과를 표 1에 나타냈다.

[표 1]

주 *1) 폴리알킬이민쇄와 친수 세그먼트를 갖는 고분자 화합물로 보호된 은 나노 입자／은 입자의 불휘발분의 질량 비율.

실시예 1과, 비교예 1∼3의 대비로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 도전성 페이스트는, 스크린 인쇄 적성을 갖고, 보다 저온에서의 소성을 행할 수 있으며, 결과적으로, 얻어지는 소성 후의 피막은 저항치도 한 자릿수 더 낮은, 도전성이 우수한 회로 배선 패턴을 묘화할 수 있음이 분명하다.

또한, 상기 실시예에서는 유리 기판을 사용하여 행한 실험 결과를 나타냈지만, 시판의 PEN 필름을 사용해도, 필름이 손상되지 않고, 같은 회로 배선 패턴을 묘화할 수 있음을 확인할 수 있었다.

상기한 실시예의 도전성 페이스트는, 범용 플라스틱을 용해하거나 팽윤시키지 않고(저활성이고), 악취나 독성도 보다 작아 작업 환경을 악화시키지 않으며, 스크린 인쇄법으로 인쇄할 수 있고, 게다가 종래보다 저온에서 유기 용제가 휘발하고, 종래보다 저온에서의 소성으로도 보다 저저항을 나타내는 회로 배선을 형성할 수 있었다.

본 발명의 도전성 페이스트는, 금속 나노 입자와 금속 입자를 금속 성분으로서 사용하고, 특정의 탈보호제와 특정의 유기 용제를 조합하여 조제되어 있으므로, 미세 회로 형성이 가능한 파인 피치의 스크린판을 사용하여 스크린 인쇄할 수 있고, 내열성이 낮은 범용 플라스틱 기판상에도, 저온 소성으로 보다 저항이 낮은 회로 배선을 형성할 수 있다.

Claims

분기상 폴리알킬레이민쇄와 폴리옥시알킬렌쇄, 폴리비닐알코올로 이루어지는 폴리머쇄, 수용성 폴리(메타)아크릴산으로 이루어지는 폴리머쇄, 친수성 치환기를 갖는 폴리아실알킬렌이민쇄, 및 폴리아크릴아미드로 이루어지는 폴리머쇄로 이루어지는 군에서 선택되는 폴리머쇄를 갖는 고분자 화합물로 보호된 평균 입자경 1∼50㎚의 금속 나노 입자(Y)와, 평균 입자경 200∼600㎚의 금속 입자(Z)와, 상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)와, 유기 용제(B)를 함유하는 스크린 인쇄용 도전성 페이스트에 있어서,
상기 금속 나노 입자의 탈보호제(A)로서, 탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산을 사용하고, 또한 유기 용제(B)로서, 폴리알킬렌글리콜을 사용하는 것을 특징으로 하는 스크린 인쇄용 도전성 페이스트.
제1항에 있어서,
탄소 원자수 6∼10의 지방족 모노카르복시산이 카프릴산인 스크린 인쇄용 도전성 페이스트.
제1항에 있어서,
폴리알킬렌글리콜이, 트리에틸렌글리콜인 스크린 인쇄용 도전성 페이스트.
제1항에 있어서,
분기상 폴리알킬렌이민쇄와, 폴리옥시알킬렌쇄, 폴리비닐알코올로 이루어지는 폴리머쇄, 수용성 폴리(메타)아크릴산으로 이루어지는 폴리머쇄, 친수성 치환기를 갖는 폴리아실알킬렌이민쇄, 및 폴리아크릴아미드로 이루어지는 폴리머쇄로 이루어지는 군에서 선택되는 폴리머쇄를 갖는 고분자 화합물로 보호된 평균 입자경 1∼50㎚의 금속 나노 입자(Y)와, 평균 입자경 200∼600㎚의 금속 입자(Z)와의 합계의 불휘발분이, 질량 기준으로 70％∼95％인 스크린 인쇄용 도전성 페이스트.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 스크린 인쇄용 도전성 페이스트를 소성하여 얻어지는 저(低)저항 회로 배선.