KR101697097B1 - 나노구리 잉크 조성물, 그를 이용한 배선기판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

나노구리 잉크 조성물, 그를 이용한 배선기판 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노구리 잉크 조성물, 그를 이용한 배선기판 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 낮은 광 조사 에너지에서도 원활하게 광 소결이 진행되고, 치밀도 및 전기전도도가 양호한 배선 패턴을 형성할 수 있는 잉크 조성물을 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 순수구리입자, 외곽에 구리산화막이 있는 나노산화구리입자, 광 조사에 나노산화구리입자를 나노구리입자로 환원하는 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 포함하는 나노구리 잉크 조성물을 제공한다. 또한 본 발명은 나노구리 잉크 조성물을 플렉서블한 기판 몸체 위에 스크린 프린팅하여 예비 배선 패턴을 형성하는 스크린 프린팅 단계, 스크린 프린팅된 예비 배선 패턴을 건조시키는 건조 단계, 및 건조된 예비 배선 패턴에 광을 조사하여 예비 배선 패턴에 포함된 나노산화구리입자의 산화된 구리를 환원시키고 소결하여 기판 몸체 위에 배선 패턴을 형성하는 광 소결 단계를 포함하는 배선기판의 제조 방법과, 그 제조 방법으로 제조된 배선기판을 제공한다.

Description

나노구리 잉크 조성물, 그를 이용한 배선기판 및 그의 제조 방법{Nano copper ink composition, substrate using the same and manufacturing method thereof}
본 발명은 잉크 조성물, 그를 이용한 배선기판 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 순수구리입자와 외곽에 구리산화막이 형성된 나노구리입자를 포함하는 나노구리 잉크 조성물, 그를 이용한 배선기판 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 인쇄전자기술에서 사용되고 도전성 잉크는 주로 디스플레이 패널, 태양 전지판, 디지타이저(digitizer), 인쇄회로기판 등과 같은 배선기판의 배선 패턴의 제조용으로 사용되고 있다.
이러한 도전성 잉크로는 은(Ag)을 포함하는 은 잉크, 은 페이스트가 주로 사용되고 있다. 은을 포함하는 도전성 잉크에는 은 이외에 금, 백금, 팔라듐 등의 금속 입자가 포함될 수 있다.
하지만 은 잉크 또는 은 페이스트는 열 소결 공정을 통해 배선기판에 배선 패턴으로 형성하고 있으나, 도전성 잉크에 포함되는 은의 가격이 매우 고가이기 때문에, 도전성 잉크를 이용하여 배선 패턴을 형성하는 경우 해당 배선기판의 제조 원가를 낮추는데 한계가 있다. 또한, 열 소결 공정이 요구되어 배선기판 선정 혹은 잉크 선정에 많은 한계가 있다.
또한 은 잉크 또는 은 페이스트를 이용하여 형성된 배선 패턴은 박리 및 밀착력 문제가 있고, 열 소결 후 형성된 배선 패턴의 저항 값이 높은 문제점을 안고 있다.
한국등록특허 제10-1276237호(2013.06.12.)
이러한 문제점을 해소하기 위해서, 도전성 잉크에 은 입자 대신 구리 입자를 포함시켜 가격이 저렴한 도전성 잉크를 이용한 배선 패턴을 구현하기 위한 기술을 개발 중에 있다.
그러나 순수나노구리입자는 은 입자에 비해서 가격이 저렴한 편이긴 하지만, 합성 수율이 낮기 때문에 가격이 비싼 편이다.
또한 구리 입자를 포함하는 도전성 잉크로 배선 패턴을 형성할 경우, 도전성 잉크에 포함된 각 구리 입자의 표면에 쉽게 구리산화막이 형성되기 때문에 배선 패턴의 전기 저항이 매우 높아져 배선 패턴으로서의 기능을 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
이로 인해 각 구리 입자의 표면에 구리산화막이 형성되지 않도록 하기 위해서는 불활성 기체 분위기 하에서 300℃ 이상의 높은 온도로 1 시간 내지 3시간 소성을 해야 한다. 그런데 불활성 기체 분위기 하에서 고온으로 장시간 소성을 할 경우, 오히려 은 입자를 사용하는 도전성 잉크에 비하여 생산 단가가 더 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
또한 300℃ 이상의 고온에 배선기판이 노출될 경우, 배선기판 자체가 손상되는 문제가 발생될 수 있다. 특히 플렉서블 인쇄회로기판(flexible printed circuit board; FPCB)과 같이 얇은 연성 배선기판의 경우 고온에 취약하기 때문에, 플렉서블 인쇄회로기판의 제조용으로 구리 입자가 포함된 도전성 잉크를 사용할 수 없는 문제점을 안고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 배선기판의 제조 공정 시간과 제조 비용을 줄이고, 짧은 광 조사를 통한 소결 공정으로 배선기판의 손상을 억제할 수 있는 나노구리 잉크 조성물, 그를 이용한 배선기판 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 플렉서블 인쇄회로기판과 같은 얇은 연성 배선기판의 손상 없이 배선 패턴을 형성할 수 있는 나노구리 잉크 조성물, 그를 이용한 배선기판 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배선 패턴의 치밀도와 광 소결 효율을 향상시킬 수 있는 나노구리 잉크 조성물, 그를 이용한 배선기판 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 외곽에 산화방지막이 형성된 순수구리입자, 외곽에 구리산화막이 있는 나노산화구리입자, 광 조사에 나노산화구리입자를 나노구리입자로 환원하는 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 포함하는 나노구리 잉크 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 있어서, 상기 순수구리입자와 상기 나노산화구리입자의 조성비는 9 : 1 내지 1 : 9 일 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 있어서, 상기 순수구리입자의 크기(D50)는 2㎛ 이하의 구형 입자 또는 4㎛ 이하의 판상 입자일 수 있다. 상기 나노산화구리입자는 50nm 이하의 구리산화막이 형성된 코어-쉘 타입의 입자일 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 있어서, 상기 용매를 제외한 상기 순수구리입자 및 나노산화구리입자는 70 내지 94 중량% 일 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 있어서, 상기 환원제는 알데하이드계 화합물, 아스코르브산을 포함하는 산, 인계 화합물, 금속계 환원제, p-벤조퀴논, 하이드로퀴논 또는 안트라퀴논을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 있어서, 상기 분산제는 양이온계 분산제, 음이온계 분산제 또는 양쪽이온계 분산제를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 있어서, 상기 바인더는 PVP, PVA 및 PVC, 셀룰로오스계 수지, 폴리 염화비닐수지, 공중합 수지, 폴리비닐알코올계 수지, 폴리비닐피롤리돈계 수지, 아크릴 수지, 아세트산비닐-아크릴산에스테르 공중합 수지, 부티랄 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 로진에스테르 수지, 폴리에스테르 수지 또는 실리콘을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 있어서, 상기 용매는 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol; EG), 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol; DEG), 디베이식 에스테르(Dibasic ester; DBE), 카르비톨 아세테이트(Carbitol acetate; CA), 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르(Dipropylene glycol methyl ether; DPM 또는 DPGME), 부틸카비톨 아세테이트(Butyl carbitol acetate; BCA), 부틸카비톨(Butyl carbitol; BC), 텍산올(texanol), 테르피테올(terpineol) 또는 부틸아크릴레이트(butyl acrylate; BA)를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 플렉서블한 기판 몸체 위에 외곽에 산화방지막이 형성된 순수구리입자, 외곽에 구리산화막이 있는 나노산화구리입자, 광 조사에 나노산화구리입자를 나노구리입자로 환원하는 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 포함하는 나노구리 잉크 조성물을 스크린 프린팅하여 예비 배선 패턴을 형성하는 스크린 프린팅 단계; 스크린 프린팅된 예비 배선 패턴을 건조시키는 건조 단계; 및 건조된 예비 배선 패턴에 광을 조사하여 상기 예비 배선 패턴에 포함된 상기 나노산화구리입자의 산화된 구리를 환원시키고 소결하여 상기 기판 몸체 위에 배선 패턴을 형성하는 광 소결 단계; 를 포함하는 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 배선기판의 제조 방법에 있어서, 상기 스크린 프린팅 단계 이전에 수행되는, 순수구리입자, 나노산화구리입자, 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 혼합하여 나노구리 잉크 조성물을 제조하는 단계; 및 제조된 나노구리 잉크 조성물을 상온에서 에이징하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배선기판의 제조 방법에 있어서, 상기 스크린 프린팅 단계에서, 상기 예비 배선 패턴은 선폭 30 내지 300㎛, 두께 5 내지 20㎛로 상기 기판 몸체 위에 스크린 프린팅되어 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 배선기판의 제조 방법에 있어서, 상기 건조 단계에서, 상기 예비 배선 패턴에 60 내지 100℃의 열풍 또는 적외선을 제공하여 상기 예비 배선 패턴에 포함된 용매를 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 배선기판의 제조 방법에 있어서, 상기 광 소결 단계에서, 상기 예비 배선 패턴에 단색의 펄스 광을 조사하여 환원 및 소결하되, 상기 단색의 펄스 광은 펄스 폭 100㎲ 내지 5000㎲, 출력 전압 100 내지 500V, 펄스 수 1 내지 10번, 강도 3 J/㎠ 내지 60 J/㎠인 백색광일 수 있다.
본 발명에 따른 배선기판의 제조 방법에 있어서, 상기 광 소결 단계에서, 상기 예비 배선 패턴의 두께가 9㎛ 미만인 경우 상기 단색의 펄스 광의 펄스 수는 1이고, 두께가 9㎛ 이상인 경우 상기 단색의 펄스 광의 펄스 수는 2 이상일 수 있다.
그리고 본 발명은, 기판 몸체와, 상기 기판 몸체에 전술된 나노구리 잉크 조성물을 도포한 후 광 소결하여 형성한 배선 패턴을 포함하는 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판을 제공한다.
본 발명에 따르면, 나노구리 잉크 조성물의 소재로 순수구리입자와 외곽에 구리산화막이 형성된 나노구리입자(이하 '나노산화구리입자'라 함)를 사용하여 배선기판의 배선 패턴을 형성함으로써, 배선기판의 제조 비용을 절감할 수 있다. 즉 은 소재에 비해서 저가인 순수구리입자와 나노산화구리입자를 포함하는 잉크 조성물을 이용하여 배선기판의 배선 패턴을 형성할 수 있기 때문에, 배선기판의 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한 순수구리입자와 나노산화구리입자를 포함하는 나노구리 잉크 조성물을 배선기판에 프린팅한 후 소결할 때 열 소결이 아닌 짧은 광 조사를 통한 광 소결 공정을 통하여 나노구리입자의 표면에 형성된 구리산화막을 제거할 수 있기 때문에, 공정 시간을 줄이고, 짧은 광 조사를 통한 광 소결 공정으로 배선기판의 손상을 억제할 수 있다. 이때 나노산화구리입자는 광 소결 전에 절연 상태이지만, 광 소결을 통하여 순수나노구리입자로 환원되기 때문에, 전기전도성을 갖는 구리 소재의 배선 패턴을 형성할 수 있다.
이로 인해 디지타이저에 이용되는 플렉서블 인쇄회로기판의 기판 몸체에 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물을 이용하여 기판 몸체의 손상 없이 배선 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 순수구리입자를 포함하기 때문에, 나노산화구리입자를 단독으로 사용하는 것에 비해서, 배선 패턴의 치밀도를 향상시킬 수 있다. 즉 구리입자로 나노산화구리입자만을 포함하는 잉크 조성물의 광 소결 과정에서 발생되는 가스로 인해서 내부에 다수의 기공을 내포하는 형태로 배선 패턴이 형성된다. 반면에 본 발명과 같이 순수구리입자를 포함시킬 경우, 광 소결 과정에서 발생되는 가스의 양을 줄여 배선 패턴의 내부에 존재할 수 있는 기공의 양을 줄일 수 있기 때문에, 치밀도가 향상된 배선 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 순수구리입자를 포함하기 때문에, 나노산화구리입자를 단독으로 사용하는 것에 비해서, 광 소결 효율을 향상시킬 수 있다. 즉 구리입자로 나노산화구리입자만을 포함하는 잉크 조성물에 비해서, 본 발명과 같이 순수구리입자와 나노산화구리입자를 포함하는 나노구리 잉크 조성물이 광 소결 시 광흡수율이 높기 때문에, 광 소결 효율을 향상시킬 수 있다. 이로 인해 낮은 광 조사 에너지에서도 원활하게 광 소결을 수행할 수 있는 이점이 있다.
또한 순수구리입자와 나노산화구리입자를 포함하는 나노구리 잉크 조성물을 이용하여 배선기판에 배선 패턴을 형성할 때, 스크린 프린팅 방법으로 고종횡비를 갖도록 배선 패턴을 형성할 수 있다. 즉 배선기판의 신호 전달 속도는 저항에 좌우되기 때문에, 배선 패턴이 고종횡비를 갖도록 스크린 프린팅 방법으로 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 포함되는 순수구리입자를 보여주는 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 포함되는 나노산화구리입자를 보여주는 SEM 및 HRTEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 5 내지 도 8은 도 4의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들로서,
도 5는 배선기판을 보여주는 단면도이고,
도 6은 배선기판 위에 나노구리 잉크 조성물을 스크린 프린팅하여 예비 배선 패턴을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이고,
도 7은 스크린 프린팅된 예비 배선 패턴을 건조하는 단계를 보여주는 단면도이고,
도 8은 광 소결을 통하여 예비 배선 패턴을 배선 패턴으로 형성하는 단계를 보여주는 단면도이다.
도 9는 광 소결 전의 예비 배선 패턴을 보여주는 사진이다.
도 10은 및 광 소결 후의 배선 패턴을 보여주는 사진이다.
도 11은 실시예 및 비교예에 따른 잉크 조성물을 스크린 프린팅 후 광 소결하여 형성한 패턴을 보여주는 사진들이다.
도 12는 실시예 및 비교예에 따른 잉크 조성물의 광 소결 시의 광흡수 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 순수구리입자와 구리산화막이 있는 나노산화구리입자를 포함하며, 광 조사에 의해 산화된 구리를 환원시켜 나노구리입자로 형성하는 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 더 포함할 수 있다.
순수구리입자의 크기(D50)는 2㎛ 이하의 구형 입자 또는 4㎛ 이하의 판상 입자일 수 있다. 판상 입자인 경우 플레이크(flak) 또는 다각판 형태를 가질 수 있다. 예컨대 도 1은 D50이 880nm인 순수구리입자를 보여주는 SEM 사진이다.
순수구리입자는 산화를 방지하기 위해서 외곽에 산화방지막이 형성되어 있다. 산화방지막으로는 스테릭 산(steric acid)와 같은 지방산(fatty acid)가 사용될 수 있다. 순수구리입자는 외곽에 수 nm의 산화방지막이 형성될 수 있다. 산화방지막은 광 소결하는 과정에서 제거될 수 있다.
나노산화구리입자는 부도체이지만 광 조사(소결)에 의해 전도기전도성을 갖는 순수 나노구리입자로 변환되어 도전체의 소스로 사용되는 소재이다. 나노산화구리입자는 코어-쉘(core-shell) 타입의 입자로서, 표면에 구리산화막이 50nm 이하의 두께로 형성된 입자일 수 있다. 이때 구리산화막이 50nm 이하의 두께를 갖는 나노산화구리입자를 사용하는 이유는, 구리산화막의 두께가 50nm를 초과하는 경우 광 조사에 의해 구리산화막 중 일부가 구리로 환원되지 않는 문제가 발생될 수 있기 때문이다. 나노산화구리입자는 D50이 900nm 이하이고, Dmax가 2㎛ 이하의 입자 크기를 가질 수 있다. 예컨대 도 2는 D50이 70nm인 나노산화구리입자를 보여주는 SEM 및 HRTEM 사진이다. 도 2의 (a)는 SEM 사진이고, (b)는 HRTEM 사진이다.
순수구리입자 및 나노산화구리입자의 입도는 응용분야에 따라 선택적으로 제어할 필요가 있다. 예컨대 터치스크린용 ITO 투명전극 대체 소재인 메탈 메쉬를 제조할 경우에, 모아레, 스타버스트 등의 시인성 문제를 해결하기 위해서 1㎛ 이내의 선폭 구현이 필요한데, 이러한 경우는 입자의 사이즈를 300nm이하로 제어하는 것이 바람직하다.
한편 75㎛이하의 선폭이 필요한 디지타이저 양면 FPCB의 경우는 굳이 300nm이하일 필요는 없을 것이며, 광 소결이 가능한 범주에서 최대 입자를 사용해도 무방하다.
순수구리입자와 나노산화구리입자의 조성비는 9 : 1 내지 1 : 9일 수 있다. 순수구리입자와 나노산화구리입자의 조성비에 있어서, 순수구리입자가 90 중량%을 초과한 나노구리 잉크 조성물로 배선 패턴을 형성할 때, 배선 패턴의 치밀도는 향상시킬 수 있지만 광 소결 시 순수구리입자에 의한 광 반사가 많아 광 소결 효율이 떨어질 수 있고, 과도한 광 에너지를 조사할 경우 배선기판이 손상되는 문제가 발생될 수 있기 때문이다. 순수구리입자가 10 중량% 미만인 경우, 배선 패턴의 치밀도 향상을 기대할 수 없다.
환원제는 광 조사를 받아 나노산화구리입자의 구리산화막을 구리로 환원시킨다. 즉 환원제는 나노산화구리입자를 순수 나노구리입자로 변환시킨다. 이러한 환원제로는 알데하이드계 화합물, 아스코르브산을 포함하는 산, 인계 화합물, 금속계 환원제, p-벤조퀴논, 하이드로퀴논 또는 안트라퀴논을 사용할 수 있다.
예컨대 환원제로 사용되는 알데하이드계 화합물로는 포름알데하이드, 아세트알데하이드 등이 사용될 수 있다.
환원제로 사용되는 산으로는 옥살산(Oxalic acid), 포름산(Formic acid), 아스코르빅산(Ascorbic acid), 술폰산(sulfonic acid), 도데실벤젠술폰산(dodecyl benzene sulfonic acid), 말레산(maleic acid), 헥사믹산(hexamic acid), 포스포릭산(phosphoric acid), O-프탈릭산(O-phthalic acid), 아크릴산(acrylic acid) 등이 사용될 수 있다.
환원제로 사용되는 인계 화합물로는 Phosphites, hypophosphites 및 phosphorous acid 등이 사용될 수 있다. 환원제 중 인계 화합물에 대해서 좀 더 자세히 설명하자면, PO33-기를 포함하는 NH4HP(O)2OH와 같이 HP(O)2OH-기를 포함하는 hydrogenphosphonates(acid phosphites), H2P2O5 2-를 포함하는 diphosphites, (NH4)2HPO3ㅇH2O, CuHPO3ㅇH2O, SnHPO3, 및 Al2(HPO3)3ㅇ4H2O 등과 같은 HPO3 2-를 포함하는 phosphites, (RO)3P와 같은 phosphite ester, Hypophosphite(H2PO2 -), phosphatidylcholine, triphenylphosphate, cyclophosphamide, parathion, Sarin(phosphinate), Glyphosate(phosphonate), fosfomycin(phosphonate), zoledronic acid(phosphonate), 및 Glufosinate(phosphinate) 등과 같은 Organophosphorus, triphenylphosphine과 같은 organic phosphines(PR3), Triphenylphosphine oxide과 같은 Phosphine oxide(OPR3), (CH3O)2PPh과 같은 Phosphonite(P(OR)R2), Phosphonite(P(OR)2R), Phosphinate(OP(OR)R2), organic phosphonates(OP(OR)2R), Phosphate(PO4 3-), parathion, malathion, methyl parathion, chlorpyrifos, diazinon, dichlorvos, phosmet, fenitrothion, tetrachlorvinphos, azamethiphos, 및 azinphos methyl 등과 같은 organophosphate(OP(OR)3) 등 불포화기를 포함하는 인계 화합물 등이 사용될 수 있다.
금속계 환원제로는 lithium aluminum hydride (LiAlH4), Diisobutylaluminum hydride(DIBAL-H) 및 Lindlar catalyst 등이 사용될 수 있다.
환원제를 나노구리 잉크 조성물의 촉매로서 포함함에 따라, 광 조사를 통한 소결이 가능하여 배선기판의 휨(warpage) 또는 수축과 같은 손상을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저 에칭, 열 소결 등에 비해 공정 시간을 줄이고 공정 비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에서 환원제는 순수구리입자 및 나노산화구리입자 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부가 첨가되는 것이 바람직하다. 여기서 환원제의 첨가량이 5 중량부를 초과하면, 나노구리 잉크 조성물에서의 분산성 저하 및 상용성 저하로 인한 균질성 저하의 문제점이 발생될 수 있다. 반대로 환원제의 첨가량이 0.1 중량부 미만이면, 단색광 조사에 의한 원활한 나노산화구리입자의 환원 및 소결이 이루어지지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
분산제는 나노구리 잉크 조성물 내에서 순수구리입자 및 나노산화구리입자를 균일하게 분산시켜, 광 소결에 의해 형성되는 배선 패턴 내에 기공(pore)이 발생되는 것을 억제한다. 이러한 분산제로는 양이온계 분산제, 음이온계 분산제 또는 양쪽이온계 분산제가 사용될 수 있다.
예컨대 분산제로는 폴리에틸렌 이민, 폴리바이닐피롤리돈 등의 아민계 고분자 분산제, 또한 폴리아크릴산, 카복시메틸셀룰로스 등의 분자 중에 카복실산기를 갖는 탄화수소계 고분자 분산제, 포발(폴리바이닐알코올), 스타이렌-말레산 공중합체, 올레핀-말레산 공중합체, 또는 1분자 중에 폴리에틸렌 이민 부분과 폴리에틸렌옥사이드 부분을 갖는 공중합체 등의 극성기를 갖는 고분자 분산제가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
바인더는 나노구리 잉크 조성물을 이용하여 배선 패턴을 형성할 때, 나노산화구리입자를 바인딩 하는 역할을 하는 소재로서, 배선 패턴이 우수한 인쇄성과 고종횡비를 유지할 수 있도록 하는 기능을 한다.
이러한 바인더로는 PVP, PVA 및 PVC, 셀룰로오스계 수지, 폴리 염화비닐수지, 공중합 수지, 폴리비닐알코올계 수지, 폴리비닐피롤리돈계 수지, 아크릴 수지, 아세트산비닐-아크릴산에스테르 공중합 수지, 부티랄 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 로진에스테르 수지, 폴리에스테르 수지 또는 실리콘이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
예컨대 바인더로는 에폭시 아크릴레이트(Epoxy acrylate), 폴리비닐 아세탈(Polyvinyl acetal) 및 페놀(phenol)계 수지의 혼합 수지가 사용될 수 있다. 바인더로 상기한 혼합 수지를 사용하여, 150℃ 내외의 온도에서 열경화함(3차원의 망상구조가 형성됨으로써 열적으로 매우 안정한 구조를 형성할 수 있음)으로써 나노구리 잉크 조성물의 내열성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 280℃ 이상의 내열성을 갖고 있어 솔더링(soldering)이 가능한데, 솔더링이 가능함에 따라 수동소자, 능동소자 및 다른 회로 배선 등과 솔더링에 의해서 전기적으로 연결이 가능하다는 장점이 있다. 잉크 조성물의 내열성이 충족되지 않을 경우, 접점 혹은 접합 부위에서의 저항 상승 및 기계적 물성 저하로 인한 불량을 야기할 수 있다. 저항이 상승하면, 신호 전달의 지연이나 전체 디바이스 상에서의 다양한 문제를 야기할 수 있다.
또한 바인더에 포함되는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계수지의 혼합비는 1 : 0.1~1 : 0.1~5인 것이 바람직하다.
순수구리입자 및 나노산화구리입자 100 중량부에 대한 바인더의 첨가량은 3 내지 10 중량부인 것이 바람직하다. 바인더의 함량이 10 중량부를 초과하면 입자 사이의 저항 성분의 과도한 증가를 유발하여 전기적으로 저항을 높이는 문제가 있고, 3 중량부에 미달하면 입자의 표면을 모두 커버하기 어렵고, 유변적으로 불안정하며, 배선기판과의 접착력이 저하되는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
그리고 용매로는 탄화수소계 용매, 염소화탄화수소계 용매, 고리형 에테르계 용매, 케톤계 용매, 알코올, 다가알코올계 용매, 아세테이트계 용매, 다가알코올의 에테르계 용매 또는 테르펜계 용매 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 용매는 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol; EG), 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol; DEG), 디베이식 에스테르(Dibasic ester; DBE), 카르비톨 아세테이트(Carbitol acetate; CA), 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르(Dipropylene glycol methyl ether; DPM 또는 DPGME), 부틸카비톨 아세테이트(Butyl carbitol acetate; BCA), 부틸카비톨(Butyl carbitol; BC), 텍산올(texanol), 테르피테올(terpineol) 또는 부틸아크릴레이트(butyl acrylate; BA)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 있어서, 용매를 제외한 순수구리입자 및 나노산화구리입자는 70 내지 94 중량%가 바람직하다. 그 이유는 70 중량% 미만인 경우, 광 조사에 의한 Current heat이 전체 입자에 전해지기 어렵고, 그로 인해서 치밀한 배선 패턴을 제조하기가 힘들다. 반대로 94 중량%를 초과할 경우, 입자(순수구리입자 및 나노산화구리입자)의 함량이 과도해 배선 패턴 형성을 하기에 점도가 적절하지 않으며, 입자의 함량 대비 환원제 성분의 함량이 부족해 광 소결을 하기 위해서 과도한 광 에너지가 필요하기 때문이다. 과도한 광 에너지를 배선기판에 조사할 경우, 배선기판이 손상되는 문제가 발생될 수 있다.
한편 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물에 있어서, 부가적으로 아민계통의 산화방지제, 요변제어제, 레벨링제 또는 접착력 강화를 위한 실란커플링제 등이 사용 환경에 따라 선택적으로 첨가될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 폴리이미드, 폴리우레탄, PMMA 및 PET 중에서 선택되는 합성수지 기판, 스테인레스, 알루미늄, 금 및 은 중에서 선택되는 금속 기판 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 및 세라믹, 유리 및 실리콘 중에서 선택되는 비금속 기판 등에 모두 사용될 수 있으며, 이들에 대한 배선 패턴의 접착력을 향상시킬 수 있고, 배선 패턴의 인쇄성을 향상시키며 고 종횡비(high aspect ratio)를 구현할 수 있다. 특히 두께가 얇고 열에 취약한 플렉서블 배선기판의 배선 패턴의 제조용으로 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물을 이용하여 배선 패턴을 형성하는 인쇄 방법으로 스크린 프린트 방법이 사용될 수 있지만, 그 외 그라비아, 옵셋, 플렉소, 에어로졸젯, 슬릿다이 코팅, 바코팅 등이 가능하다. 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 점도 또는 용매의 변경 등을 통하여 다양한 인쇄 방법에 적용하여 사용이 가능하다.
이와 같은 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 장치에 대해서 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 배선기판의 제조 장치(100)는 배선기판 공급부(10), 스크린 프린팅부(20), 프린팅 검사부(30), 건조부(40), 광 소결부(50) 및 배선기판 회수부(60)를 포함한다. 이때 배선기판 공급부(10), 스크린 프린팅부(20), 프린팅 검사부(30), 건조부(40), 광 소결부(50) 및 배선기판 회수부(60)는 일렬로 배선기판 공급부(10)로부터 배선기판 회수부(60)로 순차적으로 설치될 수 있다.
배선기판 공급부(10)는 배선기판의 제조에 사용될 기판 몸체를 공급한다. 이때 기판 몸체는 양면에 배선 패턴이 형성되어 있지 않거나, 한쪽 면에 배선 패턴이 형성되어 있을 수 있다.
이때 기판 몸체는 플렉서블 인쇄회로기판의 제조에 사용되는 절연성과 유연성을 갖는 플라스틱 소재로 제조될 수 있다. 예컨대 기판 몸체의 소재로는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA) 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)가 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
배선기판 회수부(60)는 배선기판 공급부(10)의 맞은 편에 설치되며, 배선 패턴의 제조 공정이 완료된 기판 몸체를 회수한다.
이때 배선기판이 플렉서블 인쇄회로기판인 경우, 배선기판 공급부(10)는 기판 몸체를 롤 투 롤(roll to roll) 방식으로 제공하거나, 캐리어 프레임에 부착된 단위 시트 형태로 제공할 수 있다. 롤 투 롤 방식의 경우, 기판 몸체가 감긴 배선기판 공급부(10)의 공급 롤에서 제공된 기판 몸체는 스크린 프린팅부(20), 프린팅 검사부(30), 건조부(40) 및 광 소결부(50)를 통과한 이후에 배수기판 회수부(60)의 회수 롤에 감겨 회수될 수 있다.
스크린 프린팅부(20)는 배선기판 공급부(10)에서 공급된 기판 몸체에 배선 패턴으로 형성될 예비 배선 패턴을 스크린 프린팅하는 부분이다. 스크린 프린팅부(20)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 배선 패턴에 대응되게 패턴 홀(23)이 형성된 스크린(21)과, 나노구리 잉크 조성물(27)을 패턴 홀(23)에 충전시키는 스퀴즈(25)를 포함하여 구성될 수 있다. 도시하진 않았지만, 스크린 프린팅부(20)는 기판 몸체(71)를 지지하며 스크린 프린팅이 이루어지는 스테이지를 포함한다.
스크린 프린팅부(20)에서의 스크린 프린팅은 다음과 같이 수행될 수 있다. 기판 몸체(71)가 스테이지 위로 이송되면, 기판 몸체(71) 위에 스크린(21)을 탑재시킨 상태에서, 스크린(21) 위로 공급되는 나노구리 잉크 조성물(27)을 스퀴즈(25)로 밀어서 패턴 홀(23) 안으로 나노구리 잉크 조성물(27)을 충전시킨다. 그리고 기판 몸체(71)에서 스크린(21)을 분리시킴으로써, 기판 몸체(21) 위에 예비 배선 패턴(73)을 형성할 수 있다. 예컨대 예비 배선 패턴(73)은 선폭 30 내지 300㎛, 두께 5 내지 20㎛로 기판 몸체(71) 위에 스크린 프린팅되어 형성될 수 있다.
여기서 예비 배선 패턴은 광 소결 전의 스크린 프린팅된 배선 패턴을 지칭하며, 광 소결에 의해 배선 패턴으로 형성된다.
프린팅 검사부(30)는 스크린 프린팅부(20)에 이웃하게 설치되며, 스크린 프린팅부(20)에서 배출되는 기판 몸체 위에 프린팅된 예비 배선 패턴을 검사한다. 즉 프린팅 검사부(30)는 기판 몸체 위에 예비 배선 패턴의 프린팅된 상태를 카메라를 이용하여 제대로 프린팅되었는 지의 여부를 검사한다. 검사 결과 이상이 없는 경우 기판 몸체가 건조부(40)로 이송될 수 있도록 하지만, 이상이 있는 경우 경보 메시지를 출력하거나 배선기판의 제조 장치(100)의 구동을 일시적으로 정지시킬 수 있다. 경보 메시지는 경보음, 경보등 등을 통하여 작업자에게 알릴 수 있다.
건조부(40)는 프린팅 검사부(30)에 이웃하게 설치되며, 프린팅 검사 공정이 완료된 기판 몸체에 형성된 예비 배선 패턴에 포함된 용매를 건조하여 제거한다. 예컨대 건조부(40)는 예비 배선 패턴에 60 내지 100℃의 열풍 또는 적외선을 제공하여 예비 배선 패턴에 포함된 용매를 건조시켜 제거할 수 있다.
광 소결부(50)는 건조부(40)에 이웃하게 설치되며, 건조된 예비 배선 패턴에 광을 조사하여 예비 배선 패턴에 포함된 나노산화구리입자의 산화된 구리를 환원시키고 소결하여 기판 몸체 위에 배선 패턴을 형성한다.
이때 광 소결부(50)는 예비 배선 패턴에 단색의 펄스 광을 조사하여 예비 배선 패턴을 환원 및 소결하여 배선 패턴으로 형성할 수 있다. 단색의 펄스 광은 제논 플레쉬 램프로부터 발생된 백색광을 이용할 수 있으며, 다른 종류의 램프로부터 발생되는 펄스 광 또는 다른 색의 광이 사용될 수도 있다.
본 발명에서 광 소결이라 함은 펄스화된 제논 백색광을 예비 배선 패턴에 조사함으로써 금속 입자가 네킹(necking)을 형성한 후 금속화되는 일련의 과정을 의미한다. 이러한 광 소결은 두 가지 소결 메카니즘에 의해 일어난다 하나는 금속입자가 광을 흡수하고 그 때 발생하는 줄 열(Joul heat)이 다른 입자로 전파되면서 소결이 되는 것이다. 다른 하나는 순수하게 제논 백색광이 지닌 열에 의해서 금속 입자가 녹아서 소결이 진행되는 것이다. 그러나 후자의 경우는, 금속 본래의 특성상 대부분의 광을 반사시킴으로써 소결이 용이하지 않고 기판의 손상을 유발하거나, 과도한 광 조사 에너지를 요구해 램프의 수명을 단축시켜 바람직하지 않다.
본 실시예에서 단색의 펄스 광으로 제논 플래쉬 램프로부터 발생된 백색광을 사용하는 이유는, 펄스 폭(pulse width), 펄스 갭(pulse gap), 펄스 수(pulse numbers) 및 강도(intensity)를 정밀하게 조절하기 쉽기 때문이다.
플렉서블 인쇄회로기판의 제조에 사용되는 단색의 펄스 광으로는 펄스 폭 100㎲ 내지 5000㎲, 펄스 갭 0.01ms 내지 1ms, 출력 전압 100 내지 500V, 펄스 수 1 내지 10번, 강도 3 J/㎠ 내지 60 J/㎠인 백색광을 사용할 수 있다. 예컨대 예비 배선 패턴의 두께가 9㎛ 미만인 경우 단색의 펄스 광의 펄스 수는 1이고, 두께가 9㎛ 이상인 경우 단색의 펄스 광의 펄스 수는 2 이상일 수 있다.
여기서 백색광의 펄스 폭이 5000㎲ 보다 클 경우 단위 시간 당 입사 에너지가 줄어들어 광 소결 효율이 저하될 수 있다.
펄스 갭이 1ms 보다 크거나 펄스 수가 10번 보다 클 경우에는 백색광의 낮은 에너지에 기인하여 나노구리 잉크가 제대로 소결되지 못할 수 있다.
또한 펄스 갭이 0.01ms 보다 작거나 백색광의 강도가 60 J/㎠ 초과일 경우 램프의 손상 또는 수명이 단축될 수 있으며, 플렉서블 인쇄회로기판에 손상을 줄 수 있다.
또한 백색광의 강도가 3 J/㎠ 이하일 경우 나노산화구리입자의 구리산화막을 구리로 환원하기 위한 환원 반응이 약하여 배선 패턴의 전기 저항 특성이 저하될 수 있다.
반대로 백색광의 강도가 60 J/㎠ 초과하는 경우 고에너지가 플렉서블 인쇄회로기판에 제공되어 기판 몸체의 수축, 휨 및 뒤틀림 등의 손상이 발생될 수 있고, 배선 패턴의 기판 몸체로부터의 박리 등이 발생될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 순수구리입자와 나노산화구리입자를 포함하기 때문에, 좀 더 치밀하고 전도성이 우수한 배선 패턴을 형성할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 낮은 광 조사에너지에서도 원활하게 광 소결이 진행되기 때문에, 배선기판의 제조 원가를 낮출 수 있다.
그리고 광 소결에 의해 배선 패턴이 형성된 배선기판은 배선기판 회수부(60)에 회수된다.
이와 같은 본 실시예에 따른 배선기판의 제조 장치(100)를 통하여 기판 몸체의 상부면에 배선 패턴(이하 '상부 배선 패턴'이라 함)을 형성할 수 있지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 기판 몸체의 하부면에 하부 배선 패턴을 형성할 수 있는 제2 배선기판의 제조 장치에 배선기판 회수부(60)에 회수된 기판 몸체를 제공하여 기판 몸체의 하부면에도 하부 배선 패턴을 형성할 수 있다. 이때 제2 배선기판의 제조 장치는 본 실시예에 따른 배선기판의 제조 장치(100)와 동일한 구조를 가질 수 있다. 예컨대 제1 배선기판의 제조 장치와, 하부 배선 패턴을 형성하는 제2 배선기판의 제조 장치가 인라인으로 연결되어 기판 몸체의 상부 배선 패턴과 하부 배선 패턴을 형성할 수 있다.
또는 광 소결에 의해 상부면에 상부 배선 패턴이 형성된 기판 몸체를 리와이딩 또는 틸트를 통해 기판 몸체의 하부면이 상부를 향하도록 한 다음, 기판 몸체의 하부면에 스크린 프린팅, 건조 및 광 소결을 통하여 하부 배선 패턴을 형성할 수도 있다. 즉 기판 몸체의 양면에 상부 배선 패턴 및 하부 배선 패턴이 형성된 양면 배선기판을 제조할 수도 있다.
예컨대 배선기판을 틸트하여 앙면 배선기판을 제조하는 양면 배선기판의 제조 장치는 상부 배선 패턴을 형성하는 배선기판 공급부, 제1 스크린 프린팅부, 제1 프린팅 검사부, 제1 건조부 및 제1 광 소결부를 포함하는 상부 배선 패턴 제조부와, 제1 광 소결부를 통과한 기판 몸체를 틸트하여 기판 몸체의 하부면이 상부를 향하도록 하는 틸팅부, 틸팅부에 연결된 제2 스크린 프린팅부, 제2 프린팅 검사부, 제2 건조부, 제2 광 소결부 및 배선기판 회수부를 포함하는 하부 배선 패턴 제조부를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 배선기판의 제조 장치(100)를 이용한 배선기판의 제조 방법에 대해서 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 방법에 따른 흐름도이다. 그리고 도 5 내지 도 8은 도 4의 제조 방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
먼저 S81단계에서 나노구리 잉크 조성물을 제조한다. 즉 순수구리입자, 나노산화구리입자, 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 혼합하여 나노구리 잉크 조성물을 제조한다. 이때 나노구리 잉크 조성물을 이루는 재료들은 선분산기에 의하여 30분 내지 수 시간 동안 1차적으로 선분산한다. 선분산된 나노구리 잉크 조성물을 다시 3본 밀에 의하여 2차적으로 고분산시켜 나노구리 잉크 조성물을 이루는 재료들은 균일하게 혼합할 수 있다. 그리고 혼합된 나노구리 잉크 조성물로부터 이물질 및 응집 물질을 필터링하여 최종적으로 예비 배선 패턴을 형성하기 위한 나노구리 잉크 조성물을 제조할 수 있다.
다음으로 S83단계에서 제조된 나노구리 잉크 조성물을 상온에서 에이징한다. 즉 S81단계에서 제조된 나노구리 잉크 조성물을 상온 분위기에서 수 시간 에이징을 수행한다. 에이징된 나노구리 잉크 조성물은 스크린 프린팅부(20)에 제공된다.
다음으로 도 5에 도시된 바와 같이, 배선기판 공급부(10)를 통하여 기판 몸체(71)가 스크린 프린팅부(20)로 공급된다. 이때 기판 몸체(71)는 상부를 바라보는 면에 배선 패턴이 형성되지 않은 반제품 상태의 배선기판이거나, 기판 몸체(71)의 하부를 바라보는 면에 배선 패턴이 형성된 반제품 상태의 배선기판일 수 있다.
다음으로 도 6에 도시된 바와 같이, S85단계에서 기판 몸체(71) 위에 나노구리 잉크 조성물(27)을 스크린 프린팅하여 예비 배선 패턴(73)을 형성한다. 즉 기판 몸체(71)가 스테이지 위로 이송되면, 기판 몸체(71) 위에 스크린(21)을 탑재시킨 상태에서, 스크린(21) 위로 공급되는 나노구리 잉크 조성물(27)을 스퀴즈(25)로 밀어서 패턴 홀(23) 안으로 나노구리 잉크 조성물(27)을 충전시킨다. 그리고 기판 몸체(71)에서 스크린(21)을 분리시킴으로써, 기판 몸체(71) 위에 예비 배선 패턴(73)을 형성할 수 있다.
예컨대 예비 배선 패턴(73)은 선폭 30 내지 300㎛, 두께 5 내지 20㎛로 기판 몸체(71) 위에 스크린 프린팅되어 형성될 수 있다. 이때 예비 배선 패턴(73)의 두께가 5㎛ 이하인 경우, 제논 플래쉬 램프로부터 발생된 백색광의 펄스 제어가 어려운 문제점이 있고, 이로 인해 광 소결에 의해 제조되는 배선 패턴의 형태가 변형되거나 손상되는 문제가 발생될 수 있다. 반대로 예비 배선 패턴(73)의 두께가 20㎛를 초과하는 경우, 광 조사에 따른 환원 및 광 소결이 제대로 이루어지지 않아 제조된 배선 패턴의 저항이 올라가는 문제가 발생될 수 있다. 즉 예비 배선 패턴(73)을 형성하는 나노산화구리입자 중 환원되지 않는 나노산화구리입자의 비중이 두께에 비례하게 증가하기 때문이다.
다음으로 S87단계에서 스크린 프린팅된 예비 배선 패턴(73)을 검사한다. 즉 프린팅 검사부(30)는 기판 몸체(71) 위에 예비 배선 패턴(73)의 프린팅된 상태를 카메라를 이용하여 제대로 프린팅되었는 지의 여부를 검사한다.
이어서 도 7에 도시된 바와 같이, S89단계에서 스크린 프린팅된 예비 배선 패턴(73)을 건조한다. 즉 건조부(40)는 프린팅 검사 공정이 완료된 기판 몸체(71)에 형성된 예비 배선 패턴(73)에 포함된 용매를 건조하여 제거한다. 예컨대 건조부(40)는 예비 배선 패턴(73)에 60 내지 100℃의 열풍 또는 적외선을 제공하여 예비 배선 패턴(73)에 포함된 용매를 건조하여 제거할 수 있다.
그리고 도 8에 도시된 바와 같이, S91단계에서 건조된 예비 배선 패턴(73)을 광 소결하여 배선 패턴(75)을 형성함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 배선 패턴(75)이 형성된 배선기판(70)을 제조할 수 있다. 즉 광 소결부(50)는 건조된 예비 배선 패턴(73)에 단색의 펄스 광을 조사하여 예비 배선 패턴(73)에 포함된 나노산화구리입자의 산화된 구리를 환원시키고 소결하여 기판 몸체(71) 위에 배선 패턴(75)을 형성할 수 있다. 예컨대 플렉서블 인쇄회로기판의 제조에 사용되는 단색의 펄스 광으로는 펄스 폭 100㎲ 내지 5000㎲, 펄스 갭 0.01ms 내지 1ms, 출력 전압 100 내지 500V, 펄스 수 1 내지 10번, 강도 3 J/㎠ 내지 60 J/㎠인 백색광을 사용할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 배선기판(100)은 기판 몸체(71)와, 기판 몸체(71)의 상부면에 형성된 배선 패턴(75)을 포함하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 배선기판은 기판 몸체(71)의 양면에 배선 패턴이 형성된 구조를 가질 수 있다. 즉 배선기판 공급부(10)를 통하여 하부면에 하부 배선 패턴이 형성된 기판 몸체(71)가 제공되는 경우, 기판 몸체(71)의 상부면에 상부 배선 패턴을 형성함으로써, 양면에 배선 패턴이 형성된 배선기판을 제조할 수 있다. 물론 하부 배선 패턴 또한 본 실시예에 따른 나노구리 잉크 조성물로 형성할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 잉크 조성물의 소재로 구리산화막이 있는 저가의 나노산화구리입자를 사용하여 배선기판(70)의 배선 패턴(75)을 형성함으로써, 배선기판(70)의 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한 순수구리입자와 나노산화구리입자를 포함하는 나노구리 잉크 조성물(27)을 배선기판(70)에 프린팅한 후 소결할 때 열 소결이 아닌 짧은 광 조사를 통한 소결 공정을 통하여 나노산화구리입자의 표면에 형성된 구리산화막을 제거할 수 있기 때문에, 공정 시간을 줄이고, 짧은 광 조사를 통한 소결 공정으로 배선기판(70)의 손상을 억제할 수 있다. 이때 나노산화구리입자는 광 소결 전에 절연 상태이지만, 광 소결을 통하여 순수 나노구리입자로 환원되기 때문에, 전기전도성을 갖는 구리 소재의 배선 패턴(75)을 형성할 수 있다.
이로 인해 디지타이저에 이용되는 플렉서블 인쇄회로기판의 기판 몸체(71)에 본 실시예에 따른 나노구리 잉크 조성물을 이용하여 기판 몸체(71)의 손상 없이 배선 패턴(75)을 형성할 수 있다.
또한 구리산화막이 있는 나노구리입자를 포함하는 나노구리 잉크 조성물을 이용하여 배선기판(70)에 배선 패턴(75)을 형성할 때, 스크린 프린팅 방법으로 배선 패턴(75)을 고종횡비를 갖도록 형성할 수 있다. 즉 배선기판(70)의 신호 전달 속도는 저항에 좌우되기 때문에, 배선 패턴(75)이 고종횡비를 갖도록 스크린 프린팅 방법으로 형성할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 순수구리입자를 포함하기 때문에, 나노산화구리입자를 단독으로 사용하는 것에 비해서, 배선 패턴의 치밀도를 향상시킬 수 있다. 즉 나노산화구리입자만을 포함하는 잉크 조성물은 광 소결 과정에서 발생되는 가스로 인해서 내부에 다수의 기공을 내포하는 형태로 배선 패턴이 형성된다. 하지만 본 발명과 같이 순수구리입자를 포함시킬 경우, 광 소결 과정에서 발생되는 가스의 양을 줄여 배선 패턴의 내부에 존재할 수 있는 기공의 양을 줄일 수 있기 때문에, 치밀도가 향상된 배선 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구리 잉크 조성물은 순수구리입자를 포함하기 때문에, 나노산화구리입자를 단독으로 사용하는 것에 비해서, 광 소결 효율을 향상시킬 수 있다. 즉 구리입자로 나노산화구리입자만을 포함하는 잉크 조성물에 비해서, 본 발명과 같이 순수구리입자를 포함하는 잉크 조성물이 광 소결 시 광흡수율이 높기 때문에, 광 소결 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 배선기판(100)은 도 9 내지 도 12를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 9는 광 소결 전의 예비 배선 패턴을 보여주는 사진이다. 도 10은 및 광 소결 후의 배선 패턴을 보여주는 사진이다. 도 11은 실시예 및 비교예에 따른 잉크 조성물을 스크린 프린팅 후 광 소결하여 형성한 패턴을 보여주는 사진들이다. 그리고 도 12는 실시예 및 비교예에 따른 잉크 조성물의 광 소결 시의 광흡수 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
이때 실시예 및 비교예에 따른 잉크 조성물을 이용하여 다음과 같이 배선기판을 제조하였다.
샘플 Specific Light Energy(J/㎠) 비저항
(x10-6Ω㎝)		 소결전 밀도(g/㎤) 소결 후 밀도 (g/㎤)
실시예 1 11 2.5 3.8 8.7
실시예 2 10.5 3.5 3.9 8.4
비교예 1 11 6.9 3.6 7.2
표 1은 실시예 및 비교예에 따른 광 소결시의 광 조사 에너지 및 비저항을 나타낸다. 광 조사를 위해 사용된 광 소결 장비로는 Novacentrics사의 Pulse forge 1300을 사용하였으며, 비저항 측정은 LORESTA-GP의 4-prob를 사용하였다.
[실시예 1]
플레이크 형태의 D50이 2.5㎛인 순수구리입자와 구리산화막의 두께가 약 30nm이고 D50이 100nm인 나노산화구리입자가 혼성 복합화된 금속 입자의 함량이 84 중량%인 나노구리 잉크 조성물을 준비한다. 이때 순수구리입자와 나노산화구리입자의 조성비는 7 : 3 이다.
스크린 프린트(Sus 400 mesh, 유제 두께 8㎛, 견장각 45도)를 통해 3×3㎠의 정사각형 패턴을 인쇄하고 100℃에서 30분간 건조 후 표 1과 같은 조건으로 광 소결하였다.
그리고 인쇄 전극의 무게를 재고, 공초점 현미경(confocal microscope)을 이용해 전극의 두께를 측정함으로써 건조 후 인쇄 전극의 밀도를 측정하였다.
그 결과 약 3.8 g/㎤의 밀도를 나타내었다. 광 소결 후에는 밀도가 8.7 g/㎤로 증가하였으며, 비저항은 2.5×10-6Ω㎝의 값을 나타내었다.
[실시예 2]
플레이크 형태의 D50이 2.5㎛인 순수구리입자와 구리산화막의 두께가 약 30nm이고 D50이 100nm인 나노산화구리입자가 혼성 복합화된 금속 입자의 함량이 84 중량%인 나노구리 잉크 조성물을 준비한다. 이때 순수구리입자와 나노산화구리입자의 조성비는 3 : 7 이다. 스크린 프린트(Sus 400 mesh, 유제 두께 8㎛, 견장각 45도)를 통해 3×3㎠의 정사각형 패턴을 인쇄하고 100℃에서 30분간 건조한 후 표 1과 같은 조건으로 광 소결하였다.
그리고 인쇄 전극의 무게를 재고, 공초점 현미경을 이용해 전극의 두께를 측정함으로써 건조 후 인쇄 전극의 밀도를 측정하였다.
그 결과 약 3.9 g/㎤의 밀도를 나타내었다. 광 소결 후에는 밀도가 8.4 g/㎤로 증가하였으며, 비저항은 3.5×10-6Ω㎝의 값을 나타내었다.
[비교예 1]
구리산화막의 두께가 약 30nm이고 D50이 100nm인 나노산화구리입자로만 구성된 금속입자의 함량이 84 중량%인 잉크 조성물을 준비한다.
스크린 프린트(Sus 400 mesh, 유제 두께 8㎛, 견장각 45도)를 통해 3×3㎠의 정사각형 패턴을 인쇄하고 100℃에서 30분간 건조 후 표 1과 같은 조건으로 광 소결하였다.
그리고 인쇄 전극의 무게를 재고, 공초점 현미경(confocal microscope)을 이용해 전극의 두께를 측정함으로써 건조 후 인쇄 전극의 밀도를 측정하였다.
그 결과 약 3.6 g/㎤의 밀도를 나타내었다. 광 소결 후에는 밀도가 7.2 g/㎤로 증가하였으며, 비저항은 6.9×10-6Ω㎝의 값을 나타내었다.
[비교예 2]
플레이크 형태의 D50이 2.5㎛인 순수구리입자로만 구성된 금속입자의 함량이 84 중량%인 잉크 조성물을 준비한다.
스크린 프린트(Sus 400 mesh, 유제 두께 8㎛, 견장각 45도)를 통해 3×3㎠의 정사각형 패턴을 인쇄하고 100℃에서 30분간 건조 후 표 1과 같은 조건으로 광 소결하였다.
이와 같이 실시예 1 및 2와 같이 나노구리 잉크 조성물을 사용하여 패턴을 형성한 쪽이 비교예 1의 잉크 조성물에 비해서 비저항이 낮고, 광 소결 후 밀도가 더욱 높은 것을 확인할 수 있다.
한편 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 샘플의 기판 몸체에 형성된 패턴을 UV-vis 측정기를 이용하여 광 흡수율을 측정하였다. 도 11은 샘플을 보여주는 사진으로, (a)는 비교예 2의 샘플 사진이고, (b)는 비교예 1의 샘플 사진이고, (c)는 실시예 1의 샘플 사진이다. UV-vis 측정기로는 JASCO사의 V-670을 사용하였고, 측정 영역은 800㎚ 내지 200㎚, 측정속도는 400㎚/min, 대역폭(Band width)은 1㎚이다.
광 흡수율의 측정 결과는 도 12와 같다. 도 12에서 (a)가 비교예 2, (b)가 비교예 1, (c)가 실시예 1의 광흡수 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 순수구리입자 및 나노산화구리입자 중에 하나만을 포함하는 잉크 조성물에 비해서, 순수구리입자와 나노산화구리입자를 함께 포함하는 나노구리 잉크 조성물이 광흡수율이 높은 것을 확인할 수 있다. 즉 실시예 1의 나노구리 잉크 조성물이 나노산화구리입자만을 포함하는 잉크 조성물에 비해서 가시광선 영역에서 광흡수율이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 실시예 1에 따른 나노구리 잉크 조성물은 광흡수율이 우수하기 때문에, 광 소결 효율을 향상시킬 수 있다. 이로 인해 낮은 광 조사 에너지에서도 원활하게 광 소결을 수행할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 배선기판 공급부
20 : 스크린 프린팅부
21 : 스크린
23 : 패턴 홀
25 : 스퀴즈
27 : 나노구리 잉크 조성물
30 : 프린팅 검사부
40 : 건조부
50 : 광 소결부
60 : 배선기판 회수부
70 : 배선기판
71 : 기판 몸체
73 : 예비 배선 패턴
75 : 배선 패턴
100 : 배선기판의 제조 장치

Claims (15)

  1. 외곽에 산화방지막이 형성된 순수구리입자, 나노구리입자의 외곽에 구리산화막이 있는 나노산화구리입자, 광 조사에 나노산화구리입자를 나노구리입자로 환원하는 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 포함하고,
    상기 순수구리입자는 D50이 2㎛ 이하의 구형 입자 또는 4㎛ 이하의 판상 입자이고, 상기 나노산화구리입자는 50nm 이하의 구리산화막이 형성된 코어-쉘 타입의 입자인 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 순수구리입자와 상기 나노산화구리입자의 조성비는 9 : 1 내지 1 : 9인 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 용매를 제외한 상기 순수구리입자 및 나노산화구리입자는 70 내지 94 중량%인 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 환원제는 알데하이드계 화합물, 아스코르브산을 포함하는 산, 인계 화합물, 금속계 환원제, p-벤조퀴논, 하이드로퀴논 또는 안트라퀴논을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분산제는 양이온계 분산제, 음이온계 분산제 또는 양쪽이온계 분산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바인더는 PVP, PVA 및 PVC, 셀룰로오스계 수지, 폴리 염화비닐수지, 공중합 수지, 폴리비닐알코올계 수지, 폴리비닐피롤리돈계 수지, 아크릴 수지, 아세트산비닐과 아크릴산에스테르의 공중합 수지, 부티랄 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 로진에스테르 수지, 폴리에스테르 수지 또는 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용매는 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol; EG), 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol; DEG), 디베이식 에스테르(Dibasic ester; DBE), 카르비톨 아세테이트(Carbitol acetate; CA), 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르(Dipropylene glycol methyl ether; DPM 또는 DPGME), 부틸카비톨 아세테이트(Butyl carbitol acetate; BCA), 부틸카비톨(Butyl carbitol; BC), 텍산올(texanol), 테르피테올(terpineol) 또는 부틸아크릴레이트(butyl acrylate; BA)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물.
  9. 플렉서블한 기판 몸체 위에 외곽에 산화방지막이 형성된 순수구리입자, 나노구리입자의 외곽에 구리산화막이 있는 나노산화구리입자, 광 조사에 나노산화구리입자를 나노구리입자로 환원하는 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 포함하는 나노구리 잉크 조성물을 스크린 프린팅하여 예비 배선 패턴을 형성하는 스크린 프린팅 단계;
    스크린 프린팅된 예비 배선 패턴을 건조시키는 건조 단계; 및
    건조된 예비 배선 패턴에 광을 조사하여 상기 예비 배선 패턴에 포함된 상기 나노산화구리입자의 산화된 구리를 환원시키고 소결하여 상기 기판 몸체 위에 배선 패턴을 형성하는 광 소결 단계;를 포함하고,
    상기 나노구리 잉크 조성물에서 상기 순수구리입자는 D50이 2㎛ 이하의 구형 입자 또는 4㎛ 이하의 판상 입자이고, 상기 나노산화구리입자는 50nm 이하의 구리산화막이 형성된 코어-쉘 타입의 입자인 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 스크린 프린팅 단계 이전에 수행되는,
    순수구리입자, 나노산화구리입자, 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 혼합하여 나노구리 잉크 조성물을 제조하는 단계;
    제조된 나노구리 잉크 조성물을 상온에서 에이징하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 스크린 프린팅 단계에서,
    상기 예비 배선 패턴은 선폭 30 내지 300㎛, 두께 5 내지 20㎛로 상기 기판 몸체 위에 스크린 프린팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 건조 단계에서,
    상기 예비 배선 패턴에 60 내지 100℃의 열풍 또는 적외선을 제공하여 상기 예비 배선 패턴에 포함된 용매를 제거하는 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 광 소결 단계에서,
    상기 예비 배선 패턴에 단색의 펄스 광을 조사하여 환원 및 소결하되,
    상기 단색의 펄스 광은 펄스 폭 100㎲ 내지 5000㎲, 출력 전압 100 내지 500V, 펄스 수 1 내지 10번, 강도 3 J/㎠ 내지 60 J/㎠인 백색광인 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 광 소결 단계에서,
    상기 예비 배선 패턴의 두께가 9㎛ 미만인 경우 상기 단색의 펄스 광의 펄스 수는 1이고, 두께가 9㎛ 이상인 경우 상기 단색의 펄스 광의 펄스 수는 2 이상인 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판의 제조 방법.
  15. 기판 몸체;
    상기 기판 몸체에 나노구리 잉크 조성물을 도포한 후 광 소결하여 형성한 배선 패턴;을 포함하며,
    상기 나노구리 잉크 조성물은 외곽에 산화방지막이 형성된 순수구리입자, 나노구리입자의 외곽에 구리산화막이 있는 나노산화구리입자, 광 조사에 나노산화구리입자를 나노구리입자로 환원하는 환원제, 분산제, 바인더 및 용매를 포함하고,
    상기 순수구리입자는 D50이 2㎛ 이하의 구형 입자 또는 4㎛ 이하의 판상 입자이고, 상기 나노산화구리입자는 50nm 이하의 구리산화막이 형성된 코어-쉘 타입의 입자인 것을 특징으로 하는 나노구리 잉크 조성물을 이용한 배선기판.
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