KR101680138B1

KR101680138B1 - 탄소 코팅된 구리 나노입자의 저온소결을 통해 제조되는 고전도성 금속 막 또는 패턴의 제조방법

Info

Publication number: KR101680138B1
Application number: KR1020150007578A
Authority: KR
Inventors: 이경자; 이민구; 김창규; 박진주; 이정구; 이창규
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2016-11-29
Also published as: KR20160088172A

Abstract

본 발명은 탄소 코팅된 구리 나노입자를 이용한 이중 저온-소결에 의한 고전도성 금속 막 또는 패턴 형성의 신규한 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 저온-소결 과정은 산화 과정과 환원 과정의 이중 단계로 실시되며, 보다 구체적으로는 5분 내지 30분 동안의 산화 과정과 5분 내지 30분 동안의 환원 과정으로 이루어진다. 상기 이중 저온-소결 과정을 통해 제조된 본 발명의 금속 막 또는 패턴은 상기 구리 나노입자의 넥 형성과 성장을 통해 낮은 전기저항 값을 가짐에 따라 고전도성 특징을 나타낸다. 따라서, 본 발명은 구리 나노입자 잉크/페이스트를 이용하여 기판, 보다 구체적으로는 유연기판에 고전도성 금속 막 또는 패턴을 형성시킬 수 있을 뿐 아니라, 종래에 이용되는 폴리머 물질에 비해 훨씬 좋은 전기적 특성을 나타내기 때문에 산업적으로 유용하게 적용될 수 있다.

Description

탄소 코팅된 구리 나노입자의 저온소결을 통해 제조되는 고전도성 금속 막 또는 패턴의 제조방법{Preparation Methods of Metallic Films or Patterns Using Low Temperature Sintering of Carbon-Coated Copper Nanoparticle}

본 발명은 탄소 코팅된 구리 나노입자를 이용한 고전도성 금속 막 또는 패턴의 제조방법에 관한 것이다.

지금까지 인쇄전자용 전도성 잉크 및 페이스트 제조를 위해 전기전도도 및 내산화성이 높고 취급이 용이하며 접촉 저항성이 낮은 은 나노입자를 이용한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 하지만, 은은 이온 마이그레이션 현상에 의한 전기적 단락 문제 및 고가의 금속으로써 상업적으로 많은 걸림돌이 되고 있다.

한편, 구리는 은 대비 1/80의 가격을 가지면서도 은과 유사한 전기적 특성을 가지고 있어 대체 물질로써 많은 관심을 갖게 되었다. 하지만, 구리는 대기 중에서 매우 쉽게 산화되는 문제를 특히 입자 크기가 나노 크기가 되었을 때는 표면의 활성에너지가 더욱 커져서 산화가 가속화되는 치명적인 문제점을 나타낸다. 이러한 산화막은 높은 전기저항을 가지기 때문에 전기전도도를 저하시키는 주원인이 될 뿐 아니라 증가된 융점으로 인해 소결 온도를 상승시키는 문제를 일으킨다. 이러한 산화막을 제거하고 고전도성을 구현하기 위해서는 400℃ 이상의 높은 온도에서의 환원 분위기를 요구하므로 일반적인 유연기판(통상적으로, 250℃ 이하에서 사용)에 적용이 어려운 문제가 있다.

현재까지 이러한 구리 나노입자의 산화 방지를 위한 해결책으로 폴리머를 코팅하는 방법이 제시되었으나, 이 역시 폴리머의 높은 열분해 온도로 인해 고전도성을 구현하기 위해선 300℃ 이상의 높은 소결온도가 요구되어 유연기판에 적용하기 힘든 문제점이 발생한다. 또한, 다른 방법으로 은이나 금과 같은 내산화성이 강한 금속을 구리 나노입자 위에 코팅하는 법이 있으나 제조 과정이 복잡하여 구리 표면의 산화를 완벽히 막기가 힘들고, 다양한 환원제 및 유기물질 등의 함유로 전기전도도가 저하되는 문제점이 있다.

한편 탄소 코팅된 나노입자는 내산화성이 우수하고, 유기용매에 분산성이 우수하며 특히 기존 폴리머 물질에 비해 훨씬 좋은 전기적 특성을 갖고 있다. 현재까지 탄소 코팅된 구리 나노입자를 이용한 전도성 잉크 또는 페이스트에 대해서는 아주 적은 보고가 있을 뿐, 저온-소결을 통한 고전도성 금속 막/패턴에 대한 결과는 전혀 없어 이에 대한 효율적인 방법에 대한 요구가 당업계에 존재한다.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.

본 발명자들은 고전도성 금속 막 및 패턴 형성용 금속 나노입자를 포함하는 잉크/페이스트의 신규한 제조방법을 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 탄소 코팅된 금속 나노입자(예컨대, 구리 나노입자)를 포함하는 조성물(예컨대, 잉크/페이스트)을 산화 분위기에서 짧은 시간(예를 들어, 5분 내지 10분) 동안 저온(예컨대, 200℃ 또는 250℃)으로 소결시킨 후 환원 분위기에서 짧은 시간(예를 들어, 5분 내지 10분) 동안 저온으로 소결시켜 금속 막을 제조하는 신규한 방법을 발견하였고, 상기 방법을 통해 제조된 금속 막은 장-기간 동안 대기 중에서 금속 산화(예컨대, Cu, Ni, Fe, Au 또는 Ag)가 발생하지 않을 뿐 아니라 짧은 반응 시간에도 고전도성(구체적으로, 200℃ 및 250℃에서 각각 2.58 X 10^-5 Ω·cm 및 1.40 X 10^-5 Ω·cm 같은 낮은 전기저항 값)을 구현할 수 있다는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 고전도성 금속 막 또는 패턴의 저온-소결 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 고전도성 금속 막(metallic films) 또는 패턴(patterns)의 저온-소결 제조방법을 제공한다:

(a) 탄소 코팅된 금속 나노입자와 용매를 혼합시키는 단계;

(b) 상기 혼합물을 이용하여 기판 위에 전도성 막을 도포시키는 단계;

(c) 산화 분위기에서 5분 내지 10분 동안 200℃ 이상 250℃ 이하의 온도에서 상기 단계 (b)의 탄소 코팅된 금속 나노입자를 소결시키는 단계; 및

(d) 환원 분위기에서 5분 내지 10분 동안 200℃ 이상 250℃ 이하의 온도에서 상기 단계 (c)의 탄소 코팅된 금속 나노입자를 소결시키는 단계.

본 발명자들은 고전도성 금속 막 및 패턴 형성용 금속 나노입자를 포함하는 잉크/페이스트의 신규한 제조방법을 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 탄소 코팅된 금속 나노입자(예컨대, 구리 나노입자)를 포함하는 조성물(예컨대, 잉크/페이스트)을 산화 분위기에서 짧은 시간(예를 들어, 5분 내지 10분) 동안 저온(예컨대, 200℃ 또는 250℃)으로 소결시킨 후 환원 분위기에서 짧은 시간(예를 들어, 5분 내지 10분) 동안 저온으로 소결시켜 금속 막을 제조하는 신규한 방법을 발견하였고, 상기 방법을 통해 제조된 금속 막은 장-기간 동안 대기 중에서 금속 산화(예컨대, Cu, Ni, Fe, Au 또는 Ag)가 발생하지 않을 뿐 아니라 짧은 반응 시간에도 고전도성(구체적으로, 200℃ 및 250℃에서 각각 2.58 X 10^-5 Ω·cm 및 1.40 X 10^-5 Ω·cm 같은 낮은 전기저항 값)을 구현할 수 있다는 것을 확인하였다.

주변 환경(예컨대, 산소 및 수소 대기) 하에서 구리 나노입자는 빠르게 산화 과정(Cu -> CuO_0.67) 및 느린 산화 과정(CuO₀ _.67-> CuO)을 겪으면서 구리 나노입자의 표면 상에 구리 산화물을 형성하는데, 이는 전도성 프린팅 적용의 측면에서 매우 해롭다. 보다 상세하게는, 상기 구리 산화물의 존재는 소결 온도의 증가 및 전기전도성의 감소를 유발하여 산업적으로 적용시키기 용이하지 않다. 상기 문제점을 해결하기 위해 다양한 방법들이 시도되어 왔다: a) 탄소-기반된 물질(탄소 및 그라핀(graphene)); (b) 계면활성제 및 폴리머; (c) 실리카; (d) 금속(Magdassi, S. et al ., Materials, 3: 4626-4638(2010)).

캡핑제(capping agent)로서 계면활성제 및 폴리머를 이용한 구리 표면 코팅은 산화 억제의 측면에서 우수한 효과를 나타내지만, 산소의 나노입자의 표면으로의 투과를 억제하기 위해 항상 캡핑제의 밀집된 구조를 유지해야 하는 단점을 가진다. 또한, 실리카를 이용하는 경우도 구리 산화가 어느 정도 억제되지만 전도성 프린팅의 측면에서 상기 실리카 코팅 층이 큰 장벽으로 작용한다. 더욱이, 금속을 이용하는 경우는 코어-쉘 구조의 이금속성 나노입자의 형성에 연속적인 환원과정을 거치기 때문에, 다단계를 거쳐야 하고 이차 금속의 새로운 핵 형성을 유도할 수 있어 적용 상에 큰 난점이 있다.

한편, 탄소-기반된 물질(탄소 및 그라핀)을 이용하는 종래의 방법은 전도성 패턴을 감소시키지 않으면서 프린팅에 적합하게 이용될 수 있지만, 고온에서 소결되어야 한다는 것이 해결되어야 할 큰 난제였다. 이와 관련하여, 상기 탄소 코팅에 따른 고온-소결의 난점을 해결하기 위해, 본 발명자들은 저온-소결을 통한 고전도성 금속 막 또는 패턴의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 방법은 매우 짧은 시간 동안의 이중 저온-소결(산화 단계 및 환원 단계)을 거쳐서 매우 간편하고 효과적으로 고전도성 금속 막 또는 패턴을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법에 따라 제조되는 고전도성 금속 막 또는 패턴은 탄소 코팅 층에 많은 결점(defects)을 가지는 형태의 금속 나노입자였다(참고: 표 1 및 도 2b).

보다 상세하게는, 먼저 탄소 코팅된 금속 나노입자와 용매를 혼합시킨 잉크/페이스트 조성물을 제조한다. 본 발명에서 이용될 수 있는 탄소 코팅된 금속 나노입자는 저온, 구체적으로는 300℃ 이하, 보다 구체적으로 180-280℃, 및 보다 더 구체적으로는 200-250℃에서 서로 넥킹될 수 금속이라면 어떠한 금속도 가능하다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 상기 금속은 Cu, Ni, Fe, Al, Zn, Co, Au, Ag, Pt 및 이의 조합물을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 가장 구체적으로는 Cu이다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 탄소 코팅된 금속 나노입자는 전기폭발법에 의해 제조된다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명에서 이용될 수 있는 탄소 코팅된 금속 나노입자는 비정질 탄소 층(amorphorous carbon layer)으로 코팅된 금속 나노입자이다.

본 발명의 잉크/페이스트 조성물에 사용되는 용매는 본 발명의 이중 저온-소결 조건에 적합한 용매(예컨대, 증발 온도는 180℃ 이상이고 고점도인 용매)라면 특별히 제한되지 않으며, 당업계에 공지된 어떠한 용매도 사용가능하고, 예를 들어 알코올류, 글리콜류, 알킬류, 등을 포함한다. 보다 구체적으로는, 상기 용매는 에틸 알코올(ethyl alcohol), 메틸 알코올(methyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 2-메톡시 에탄올(2-methoxy ethanol), 프로필 알코올(propyl alcohol), 펜틸 알코올(pentyl alcohol), 헥실 알코올(hexyl alcohol), 부틸 알코올(butyl alcohol), 옥틸 알코올(octyl alcohol) 등의 알코올류; 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol), 트라이 글리콜 모노메틸 에테르(triethylene glycol monomethyl ether: TGME), 프로필렌 글리콜 메틸에테르 아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate) 등의 글리콜류; 메탄(methane), 에탄(ethane), 프로판(propane), 부탄(butane), 펜탄(pentane), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 옥탄(octane), 노난(nonan), 데칸(decane), 언데칸(undecane), 도데칸 (dodecane) 등의 알킬류; 톨루엔, 자일렌, 디메틸카보네이트, 디에틸카보네이트 및 에틸락테이트 같은 유기용매; 글리세린(glycerine); 아세톤(acetone); 포름아미드(formamide); 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone); 및 사이클로헥사논(cyclohexanone)으로 구성된 군으로부터 선택되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명에서 사용되는 용매는 글리콜류 또는 알코올류일 수 있다.

다음으로, 상기 제조된 잉크/페이스트 조성물을 이용하여 기판 위에 전도성 막을 도포시킨다. 상기 기판은 상기 조성물을 도포하여 형성된 막이 잘 밀착된다면 당업계에 잘 알려진 기판이 이용될 수 있으며, 예를 들어, 금속, 세라믹, 유리, 및 고분자 등의 재질로 된 소재를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 동판, 동박, 유리 등의 내열성 뛰어난 무기재질이나, PEN, 폴리카르보네이트 같은 내열 온도가 상대적으로 낮은 플라스틱 필름 등을 이용될 수 있다.

또한, 상기 기판은 세라믹, 유리, 실리콘 등의 경성기판 외에도 다양한 유연기판(flexible substrate)이 사용될 수 있다. 유연기판의 예는 종이, 고분자 필름 등을 포함하며, 보다 구체적으로는 폴리뷰틸 렌테레프탈레이트, 폴리술폰, 폴리에테르, 폴리에테르이미드, 내열성 에폭시(Epoxy), 폴리아릴레이트 및 폴리이미드, 펄 성분을 함유한 종이 등을 포함할 수 있다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명의 기판은 유연기판이다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명의 기판의 소재는 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트, 폴리술폰, 폴리에테르, 내열성 에폭시, 유리, 실리콘, 폴리아릴레이트 및 펄 성분을 함유한 종이, 세라믹 및 FR-4로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 보다 구체적으로는 폴리이미드이다.

추가적으로, 본 발명의 잉크/페이스트 조성물은 기판과의 접착성을 향상시키기 위해 바인더를 추가적으로 포함할 수 있다. 통상적으로 이용되는 바인더는 에폭시 수지, 페놀수지(페놀+포롬알데하이드) 폴리우레탄수지, 폴리아미드수지, 아크릴수지, 우레아/멜라민수지, 실리콘 수지 등의 유기계 바인더를 포함할 수 있다. 상기 바인더의 함량은 일반적으로 총 페이스트 조성물의 함량대비 1 내지 10중량%(wt%)의 범위를 가질 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 잉크/페이스트 조성물을 도포하는 방법은, 스크린, 프린팅, 스핀 코팅, 스프레딩, 침지 등의 당업계에 공지된 방법을 이용할 수 있으며, 예를 들어 스크린 프린팅(screen printing), 그라비어 프린팅(gravure printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 옵셋 프린팅(offset printing), 패드 프린팅, 플렉소 프린팅(flexography printing), 스텐실 프린팅, 스핀 코팅(spin coating), 롤 코팅(roll coating), 딥 코팅(deep coating), 분무 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating), 플로 코팅(flow coating), 닥터 블레이드(doctor blade), 디스펜싱(dispensing), 임프린팅(imprinting), 제로그라피(xerography) 및 리소그라피(lithography)로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 수행될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명의 잉크/페이스트 조성물의 도포는 스크린 프린팅에 의해 실시된다.

다음으로, 상기 탄소 코팅된 구리 나노입자를 포함하는 잉크/페이스트 조성물이 도포된 막(즉, 전도성 막) 또는 패턴을 자연 건조시킨 후, 상기 막을 산화 분위기에서 짧은 시간 동안 200℃ 이상 250℃ 이하의 온도에서 소결시킨다. 본 발명의 첫 번째 저온-소결 과정은 종래의 오랜 시간 동안의 열처리 과정(예컨대, 30분 또는 60분)과 비교하여 매우 짧은 시간(예컨대, 5분) 동안의 저온 열처리만으로도 잉크/페이스트 내 탄소 코팅된 구리 나노입자의 넥 형성이 잘 이루어지고 입자 크기 또는 치밀도가 유사하다는 것이다(참고: 도 7b). 또한, 상기 첫 번째 저온-소결 과정이 오래 지속될수록 전기 저항이 증가하였기 때문에 오랜 시간 동안의 산화 과정 수행은 고전도성 막 또는 패턴의 측면에서 바람직하지 않았다(참고: 도 9a 및 도 9b).

본 발명의 어떤 구현예에서, 상기 단계의 소결은 5분 내지 30분 동안, 보다 구체적으로는 5분 내지 20분, 보다 더 구체적으로는 5분 내지 10분 동안, 그리고 가장 구체적으로는 5분 동안 실시한다.

본 발명에 따르면, 상기 첫 번째 저온-소결 과정(산화 과정)은 용매와 입자 간의 반응 산물을 유발하지 않았으며(참고: 도 6), 상기 산화 분위기 하에서 150℃ 이하로 소결을 진행하는 경우 탄소 코팅으로 인해 구리 나노입자 간의 넥킹이 원활하게 이루어지지 않았다. 이에 반해, 상기 산화 분위기 하에서 200℃ 또는 250℃로 실시한 저온-소결 과정은 구리 나노입자 간의 넥킹 및 성장이 잘 이루어졌다(참고: 도 7b).

본 발명의 어떤 구현예에서, 상기 단계에서의 산화 분위기는 산소를 포함하는 가스 분위기/상태(gas atmosphere/condition)로, 보다 구체적으로는 공기(air), 또는 산소를 포함하는 혼합가스(예컨대, 산소 외에도 질소(N₂) 및 아르곤(Ar) 중 어느 하나를 포함하는 혼합 가스)일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 공기이다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 상기 단계의 소결은 탄소 층을 제거하고 상기 금속 나노입자 간의 넥킹(necking)을 유발시키며 소결 과정에 따라 상기 넥킹된 금속 나노입자 표면이 금속 산화물로 둘러싸여 진다.

상기 산화 과정은 상기 금속 산화물에 의해 형성되는 표면 산화막으로 인한 전기저항 값의 현저한 증가를 초래하기 때문에, 반드시 상기 표면 산화막을 환원시켜야 적합한 고전도성 막 또는 패턴을 제공할 수 있다. 이에 따라, 최종적으로 상기 소결된 막 또는 패턴을 환원 분위기에서 짧은 시간 동안 200℃ 이상 250℃ 이하의 온도에서 소결시킨다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 상기 단계에서의 환원 분위기는 수소(H₂)를 포함하는 가스 분위기/상태로, 보다 구체적으로는 수소를 포함하는 혼합가스일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 아르곤(Ar)/10% 수소 혼합가스이다.

흥미롭게도, 상기 첫 번째 저온-소결 과정(산화 과정)이 증가함에 따라 본 발명의 두 번째 저온-소결 과정(환원 과정)은 더욱 길게 필요하였다(참고: 도 9b 및 표 1). 예를 들어, 첫 번째 저온-소결 과정이 10분인 경우, 상기 금속 막 또는 패턴이 적합한 전기저항 값(즉, 고전도성)을 가지기 위해서는 두 번째 저온-소결 과정이 10분 이상, 보다 구체적으로는 10분 내지 20분의 시간 동안 실시되어야 했다. 상기 환원 과정은 상기 첫 번째 저온-소결 과정을 통해 형성된 금속 산화물 층(metal oxide layer)을 환원시켜 넥킹된 금속 입자만을 남긴다.

본 발명의 어떤 구현예에서, 상기 단계의 소결은 5분 내지 120분 동안, 보다 구체적으로는 5분 내지 60분, 보다 더 구체적으로는 5분 내지 30분 동안, 그리고 가장 구체적으로는 5분 동안 실시한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 이중 저온-소결 과정은 낮은 전기저항을 유지하면서 기판 위에 고전도성 막 또는 패턴을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 형성된 고전도성 막 또는 패턴은 50-300 μm 범위에서 형성시킬 수 있다(결과를 보이지 않음).

본 발명의 어떤 구현예에서, 본 발명의 금속 막 또는 패턴은 2.60 X 10^-5 이하(예컨대, 2.58 X 10^-5 이하)의 전기저항값(Ω·cm)을 가진다.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:

(a) 본 발명은 탄소 코팅된 구리 나노입자를 이용한 이중 저온-소결에 의한 고전도성 금속 막 또는 패턴 형성의 신규한 제조방법에 관한 것이다.

(b) 본 발명의 저온-소결 과정은 산화 과정과 환원 과정의 이중 단계로 실시되며, 보다 구체적으로는 5분 내지 30분 동안의 산화 과정과 5분 내지 30분 동안의 환원 과정으로 이루어진다.

(c) 상기 이중 저온-소결 과정을 통해 제조된 본 발명의 금속 막 또는 패턴은 상기 구리 나노입자의 넥 형성과 성장을 통해 낮은 전기저항 값을 가짐에 따라 고전도성 특징을 나타낸다.

(d) 따라서, 본 발명은 구리 나노입자 잉크/페이스트를 이용하여 기판, 보다 구체적으로는 유연기판에 고전도성 금속 막 또는 패턴을 형성시킬 수 있을 뿐 아니라, 종래에 이용되는 폴리머 물질에 비해 훨씬 좋은 전기적 특성을 나타내기 때문에 산업적으로 유용하게 적용될 수 있다.

도 1a는 본 발명에서 제조된 탄소 코팅된 구리 나노입자의 SEM 결과이고, 도 1b는 상기 구리 나노입자의 입도 크기 및 분포를 보여주는 결과이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에서 제조된 탄소 코팅된 구리 나노입자의 TEM-SAED(selected area electron diffraction) 결과이다.
도 3은 본 발명의 탄소 코팅된 구리 나노입자의 시간 경과에 따른 구리 상태의 변화(산화에 따른 변화)를 관찰한 결과이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 탄소 코팅된 구리 나노입자 분말의 열적 거동을 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 탄소 코팅된 구리 나노입자 분말에 대한 라만 분석 결과이다.
도 6은 본 발명의 탄소 코팅된 구리 나노입자 분말을 포함하는 나노 잉크 조성물의 반응성을 테스트한 XRD 결과이다.
도 7은 상기 나노 잉크 조성물에서 조사된 XRD(7a), SEM 및 HR-TEM(7b) 및 전기적 특성(7c)을 조사한 결과이다.
도 8a 내지 도 8c는 200℃ 및 250℃의 1차 산화 소결 공정에 따라 발생된 표면 산화막을 환원시키는 2차 환원 결과를 보여준다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 탄소 코팅된 구리 나노입자에 대한 최적의 저온 소결 조건(각각, 산화 및 환원 조건)을 보여주는 결과이다.
도 10은 본 발명의 최적 저온 소결 조건을 보여주는 개략적인 모식도이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

실시예

실험 방법

구리 와이어(0.4 mm)를 1.5 bar의 아르곤/메탄 가스(20부피%)로 이루어진 혼합 가스 분위기에서 25 kV의 펄스 전압을 인가하여 80 mm의 전극 간격에서 전기폭발시킴으로써, 탄소 코팅된 구리 나노입자를 제조하였다. 상기 제조된 탄소 코팅된 구리 나노입자는 주사형전자현미경(SEM; Sirion, Netherlands)을 이용하여 입도 크기 및 분포를 파악하고, 투과형전자현미경(TEM; JEOL 2000, 200 kV, Japan)을 통해 미세구조(microstructure)를 조사하였다. 또한, X-선 회절(XRD)을 통해 90일 동안 장기 산화 안정성을 조사하였다. 제조된 카본 코팅된 구리 나노입자의 열적 거동을 관찰하기 위해, 산소분위기 내 분당 5℃의 승온 속도에서 열중량분석장치(TGA; TG 209 F3, Germany)를 이용하여 분석하였으며, 추가적인 온도에 따른 결정구조 분석을 위해 TEM을 이용한 전자회절 분석(selected area electron diffraction, SAED)을 실시하였다. 또한, 라만(Raman; ARAMIS, 514.5 nm Argon ion CW laser, France) 분석을 통해 온도(실온-250℃)에 따른 카본 층의 보다 정확한 열분해 온도를 파악하였다.

글리콜류 또는 알코올류 용액에 제조된 나노 분말을 65중량%로 첨가하고 프로펠러 타입 혼합기를 이용하여 혼합하였다. 카본 코팅 층의 열분해 시 구리 표면이 빠르게 산화되는 것을 억제하여 넥킹(necking) 형성과 치밀도를 향상시키기 위해, 용매는 환원 성질을 가지는 알코올계 또는 글리콜계가 유리하며, 용매의 증발 온도는 180℃ 이상이고 고점도인 경우가 더 유리하다. 본 연구에서는 약한 바인더 역할을 할 수 있는 에틸렌 글리콜을 이용하였고, 일반적으로 잉크 제조시 분산성 확보를 위해 사용되는 분산안정제는 사용하지 않았다. 왜냐하면 카본층에 의한 반데르발스 힘 감소로 인해 분산성이 확보되며, 분산안정제는 소결 시 불순물로 작용하여 전기적 저항으로 작용할 수 있기 때문이다. 한편, 필요에 따라 습윤제(예컨대, BYK 2150, BYK 2155, 등)를 추가적으로 첨가하여 분산 시간을 단축하는 것은 가능하다.

이렇게 혼합된 용액을 3-롤 밀(3-roll mill; INOUE S-43/411, Japan)을 이용하여 3번에 걸쳐서 재-분산시켜서 페이스트를 완성하였다. 상기 분산과정 동안, 탈포제가 택일적으로 사용될 수 있다. 제조된 나노 잉크/페이스트는 스크린 프린팅을 이용하여 유연기판(예컨대, 폴리이미드 기판) 위에 전극 패턴을 형성시켰다. 상기 프린팅된 구리 전도성 막은 자연건조를 통해 건조된 후, 용매와 나노입자 간의 반응성 여부가 XRD를 통해 조사되었다.

다음으로, 100-250℃ 온도 범위에서 공기 중에서 30분 동안 실시하여 소결거동(sintering behaviour) 특성을 조사하였다. 소결된 전극 막/패턴은 X선 회절 분석 장치를 이용하여 결정 구조를 파악하고 소결 후 입자들의 넥(neck) 형성 및 성장을 파악하기 위해 주사전자현미경을 이용하여 전극 막/패턴 표면을 분석하였다. 또한, 4-포인트 프로브(FPP-HS 8, Rebublic of Korea)를 이용하여 측정된 면 저항과 관찰된 막 두께를 곱하여 비저항 값(ohm·cm)을 계산한다.

이후, 동일한 온도 구간에서 가스분위기를 환원 분위기로 바꾸어주고 동일한 소결 시간으로 실시하였다. 환원 소결된 전극 막/패턴은 상기 공기 중에서 측정된 방법과 동일하게 분석되었다.

마지막으로, 최적의 소결 시간을 살펴보기 위해 산화 시간(5-60분)에 따른 거동 및 환원 시간(0-120분)에 따른 거동 특성들을 조사하였으며, 이에 따른 최적의 소결 온도 및 시간을 도출하였다.

실험 결과

우선, 본 발명자들은 제조된 탄소 코팅된 구리 나노입자의 입도 크기 및 분포를 조사하였다(도 1a 및 도 1b). 본 발명의 탄소 코팅된 구리 나노입자는 전체적으로 10-40 nm의 분포를 보이며 주요 입도의 평균크기는 약 26 nm였다(도 1b). 추가적으로, BET를 이용한 상기 구리 나노입자에 대한 비표면적(specific surface area) 측정 결과 약 29.54 m²/g의 비표면적 값으로 산출되었고 상기 값을 크기로 환산하면 약 23 nm의 크기에 해당하였다.

또한, 본 발명자들은 제조된 탄소 코팅된 구리 나노입자의 미세구조를 관찰하였다. 도 2a 및 도 2b에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 구리 나노입자는 전체적으로 20-30 nm 크기의 구형 나노입자였으며 SAED 분석을 통해 구리 상(Copper phase)만이 관찰되었다. 또한, 구리 나노입자 표면에 약 1-2 nm의 두께를 갖는 다중 탄소 쉘(multiple carbon shell)이 형성되어 있는 구리-탄소(코어-쉘, Cu@C) 구조임을 알 수 있었다. 상기 탄소 층은 결정성이 끊어지는 결점 부분이 다량 존재하였다. 즉, 상기 탄소 층에는 기저면(basal plane)과 모서리면(edge plane)이 혼재하였다(도 2b 내 삽도).

상기 탄소 코팅된 구리 나노입자는 대기 중에서 제조 직후부터 90일까지 구리의 산화가 발생하지 않은 순수한 구리를 유지하는 것으로 확인되었다(도 3). 따라서, 본 발명자들은 탄소 층에 의한 표면 코팅이 구리 나노입자의 장-기간 대기 중 산화를 방지하는 효과를 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 탄소 피크(peak)를 검출할 수 없음을 고려할 때, 상기 제조된 탄소 층은 결정성 카본 층이 아닌 비정질 특성에 가깝다는 것을 알 수 있었다.

다음으로, 본 발명자들은 TGA 또는 TEM을 이용하여 상기 제조된 분말의 열적 거동(thermal behaviour)을 조사하였다(도 4a 및 도 4b). 상기 탄소 코팅된 구리 나노입자 분말은 대기 중 내 산화성을 유지하다가 180℃ 부근에서 탄소 층의 연소가 시작됨에 따라 구리의 산화가 시작되었으며, 이때 구리 입자 간 넥킹(necking)의 형성을 통해 클러스터를 이루고 상기 클러스터의 표면 상에 산화구리(I)(Cu₂O)가 형성된다는 것이 확인되었다(도 4b). 또한, 약 230℃ 부근에서 새로운 산화구리(II)(CuO)의 형성이 시작되며 약 300℃ 부근에서 구리에서 산화구리(II)로 완전히 산화되었다.

라만 분석을 통해 상기 구리의 산화 과정에서 탄소 코팅 층의 특성 및 분해 온도를 보다 자세히 분석하였다(도 5). 제조 직후의 탄소 코팅된 구리 나노입자 분말의 탄소 층은 D-밴드 및 G-밴드 그라파이트(graphite)가 모두 존재하는 결점(defect)이 많이 존재하는 탄소 층(즉, 비정질 탄소 층)임을 알 수 있으며, 이는 이전 TEM 결과와 일치하는 것이었다. 하지만, 공기 중에서 열처리시키는 경우 150℃까지는 D-밴드 및 G-밴드 피크가 존재하지만, 200℃ 이상에서는 사라지는 것을 확인하였다. 즉, 150℃와 200℃ 사이에서 상기 탄소 층이 파괴되는 것을 의미하는데, 이것은 도 4a에서 보여지는 TGA 결과와 일치하는 결과이다.

상술한 우수한 특성을 확인한 후, 본 발명자들은 상기 제조된 탄소 코팅된 구리 나노입자 분말을 글리콜류 또는 알코올류 용매(예컨대, 에틸렌 글리콜)와 혼합시켜 나노 잉크/페이스트 조성물을 제조하였다. 상기 조성물을 이용하여 유연기판에 스크린 프린팅으로 전도성 막을 형성시켜 소결 전 자연건조 상태로 6시간 유지시켰다. 이후, 상기 조성물 내 나노입자 분말과 용매 사이의 반응성을 테스트하였다(도 6). 그 결과, 상기 조성물은 순수한 구리 피크 이외에 다른 어떠한 불순물 피크도 포함하지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 용매와 나노입자 분말 간에 어떠한 반응을 통해 다른 화합물을 생성하지 않을 뿐 아니라, 구리 산화막을 형성하지 않는다는 것을 의미한다. 즉, 상기 탄소 코팅된 구리 나노입자에 형성된 탄소 층의 화학적 안정성을 나타낸다.

다음으로, 본 발명자들은 상기 제조된 구리 나노입자 분말의 소결 거동(sintering behaviour)을 조사하였다(도 7a 내지 도 7c). XRD 분석에 따르면, 공기 분위기에서 30분 동안 150℃ 이하의 소결 조건에서는 탄소 층의 존재로 인해 구리 입자끼리의 넥킹(necking) 형성이 이루어지지 않았으며, 전기저항 값(electrical resistivity)은 100℃ 및 150℃에서 각각 6.91 X 10^-1 Ω·cm 및 4.72 X 10^-1 Ω·cm로 산출되었다. 이러한 전기적 특성은 탄소 층끼리의 접촉에 의한 것으로 추정된다. 이와 대조적으로, 200℃에서 소결된 막에서 구리 나노입자들 간의 넥 형성이 이루어지기는 했지만 성장이 제대로 이루어지지 않았으며, 이후 발생된 표면 산화로 인해 전기저항 값은 1.62 Ω·cm로 증가되었다. 또한, 250℃에서 소결된 막에서 넥 형성 및 성장이 이루어졌지만, 더욱 두꺼워진 산화막 및 CuO의 생성으로 인해 전기저항 값이 101.22 Ω·cm로 현저하게 높아졌다. 상술한 결과를 통해, 구리 나노입자의 넥 형성, 즉 카본층을 제거하기 위해서는 200℃ 이상의 온도가 필요하고, 이후에는 표면 산화 과정이 진행되는 것이 불가피하다는 것을 확인할 수 있었다.

이에 따라, 상기 표면 산화막을 환원시키는 공정이 요구된다. 상기 산화-소결된 전도성 막/패턴을 동일한 온도 조건에서 가스 분위기만을 2차 환원성 가스로 변경하여 30분 동안 환원 공정을 실시하였다. 도 8a 내지 도 8c에서 볼 수 있듯이, 200℃ 및 250℃에서의 산화 소결 공정에 따라 발생된 구리 산화막 층이 모두 완전히 환원이 이루어졌다는 것을 알 수 있으며, 그에 따른 전기저항 값이 200℃ 및 250℃에서 각각 2.22 X 10^-5 Ω·cm 및 1.10 X 10^-5 Ω·cm로 매우 낮았다.

상기 소결 시간을 보다 최적화시키기 위해, 본 발명자들은 다양한 소결 온도 및 산화/환원 반응 시간에 대한 조건을 테스트하였다. 도 9 및 표 1에서 볼 수 있듯이, 1차 산화 소결 분위기의 경우 5분의 열처리 만으로도 구리 나노입자 간의 넥 형성에 따른 전기적 특성을 나타내고, 입자 크기 및 치밀도가 유사함에도 불구하고 산화 소결 시간의 증가에 따라 전기 저항이 증가하였다. 이것은 단소 층 제거 후 산소가 구리 코어(내부)로 침투되어 나타나는 현상으로 추정된다. 흥미롭게도, 2차 환원 분위기에 있어서 상기 5분-산화된 전도성 막/패턴의 경우 5분의 환원만으로도 200℃ 및 250℃에서 각각 2.58 X 10^-5 Ω·cm 및 1.40 X 10^-5 Ω·cm에 불과할 정도로 매우 낮은 전기저항을 나타냈다. 더욱이, 1차 산화 소결 시간이 증가하는 경우(예컨대, 60분), 고 전도성 구현을 위해 더욱 긴 환원 시간이 필요하다.

	200℃	250℃	200℃	250℃	200℃	250℃
	1차 산화 시간(5분)		1차 산화 시간(30분)		1차 산화 시간(60분)
2차 환원 시간 (분)	전기저항성(Ω· cm )
0	2.40X10^-2	1.71X10^-1	1.62	1.01X10²	8.01	9.12X10²
5	2.58X10^-5	1.40X10^-5	1.12X10^-3	4.59X10^-3	4.05	3.81X10¹
30	1.77X10^-5	9.09X10^-6	2.22X10^-5	1.10X10^-5	2.65X10^-3	4.10X10^-3
60	1.72X10^-5	8.98X10^-6	2.07X10^-5	9.32X10^-6	4.47X10^-5	3.92X10^-5
90	1.34X10^-5	8.55X10^-6	1.84X10^-5	8.89X10^-6	1.54X10^-5	8.59X10^-6
120	1.13X10^-5	8.20X10^-6	1.32X10^-5	8.62X10^-6	1.22X10^-5	8.11X10^-6

산화 소결 조건과 환원 소결 조건에 따른 전기저항 값.

상술한 결과를 종합해 보면, 본 발명의 탄소 코팅된 구리 나노입자를 포함하는 나노 잉크/페이스트의 고 전도성을 구현할 수 있는 최적의 저온 소결 조건은 산소 분위기에서 200℃ 내지 250℃의 온도 범위에서 5분 동안 1차 산화 소결을 실시한 후 다른 가스 분위기(예컨대, 수소)에서 5분 동안 2차 환원 소결을 실시하는 것이다. 추가적으로, 필요하다면 2차 환원 분위기에서 소결 시간을 늘리게 된다면 2시간까지 200℃ 및 250℃에서 각각 1.13 X 10^-5 Ω·cm 및 8.20 X 10^-6 Ω·cm까지 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 최적 저온 소결 조건을 보여주는 개략적인 모식도이다. 초기 제조된 분말은 탄소 코팅된 구리 나노입자 구조를 가지고 있으며, 1차 산화 소결(예컨대, 5분)을 통해 탄소 층이 제거된 후 구리 클러스터가 형성되고 표면에 산화막이 생성된다. 이에 따라 생성된 산화 층은 2차 환원 소결(예컨대, 5분 내지 10분)을 통해 환원됨으로써 저온 소결을 통해 고 전도성의 구리 막/패턴을 구현할 수 있다.

이상으로 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 일 구현예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

다음의 단계를 포함하는 고전도성 금속 막(metallic films) 또는 패턴(patterns)의 저온-소결 제조방법:
(a) 탄소 코팅된 금속 나노입자와 용매를 혼합시키는 단계;
(b) 상기 혼합물을 이용하여 기판 위에 전도성 막을 도포시키는 단계;
(c) 산화 분위기에서 5분 내지 10분 동안 200℃ 이상 250℃ 이하의 온도에서 상기 단계 (b)의 탄소 코팅된 금속 나노입자를 소결시키는 단계; 및
(d) 수소(H₂)가 포함된 혼합 가스의 환원 분위기에서 5분 내지 30분 동안 200℃ 이상 250℃ 이하의 온도에서 상기 단계 (c)의 금속 나노입자를 소결시키는 단계.
제1항에 있어서, 상기 탄소 코팅된 금속 나노입자는 비정질 탄소 코팅 층(amorphorous carbon coating layer)을 가지는 금속 나노입자인 것인 저온-소결 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (a)의 탄소 코팅된 금속 나노입자는 전기폭발법에 의해 제조되는 것인 저온-소결 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 200-250℃에서 서로 넥킹(necking)될 수 있는 금속 나노입자인 것인 저온-소결 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 금속은 Cu, Ni, Fe, Al, Zn, Co, Au, Ag, Pt 또는 이의 조합물인 것인 저온-소결 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 용매는 글리콜계 또는 알코올계 용액인 것인 저온-소결 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (b)의 기판은 유연기판인 것인 저온-소결 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (b)의 도포는 스크린 프린팅에 의해 실시되는 것인 저온-소결 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (c)의 산화 분위기는 산소를 포함하는 가스 분위기(gas atmosphere)인 것인 저온-소결 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (c)의 소결은 탄소 층을 제거하고 상기 금속 나노입자 간의 넥킹(necking)을 유발시키며 소결 과정에 따라 상기 넥킹된 금속 나노입자 표면이 금속 산화물로 둘러싸여지는 것인 저온-소결 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 단계 (d)의 소결은 상기 단계 (c)에서 형성된 금속 산화물 층(metal oxide layer)을 환원시키는 것인 저온-소결 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (d)의 반응 시간은 5분 내지 10분인 것인 저온-소결 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 막은 2.60 X 10^-5 이하의 전기저항값(Ω·cm)을 가지는 것인 저온-소결 제조방법.