KR20100066780A

KR20100066780A - 전도성 페이스트와 이를 이용한 전도성 기판

Info

Publication number: KR20100066780A
Application number: KR1020080125247A
Authority: KR
Inventors: 김윤진; 고창모; 조호숙
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-18
Also published as: WO2010067948A1; US8545731B2; US20110260115A1; KR101099237B1

Abstract

은 입자를 적게 사용하면서 배선 소재에 적합한 높은 수준의 전도도를 나타내는 전도성 페이스트를 개시한다. 본 발명의 전도성 페이스트는 은 나노입자 15 ~ 50 중량%와 탄소 나노튜브 0.1 ~ 2.5 중량%를 함유한다. 또한 본 발명에서는 은 나노입자 1 ~ 10 중량%, 은 마이크로입자 30 ~ 60 중량%와 탄소 나노튜브 0.1 ~ 1 중량%를 함유하는 전도성 페이스트도 개시한다. 본 발명의 전도성 페이스트는 150℃ 이하의 온도에서 소결할 수 있다.

전도성 페이스트, 탄소 나노튜브, CNT, 은 나노입자, 소결 온도, 비저항

Description

전도성 페이스트와 이를 이용한 전도성 기판{Conductive Paste and Conductive Circuit Board Produced Therewith}

본 발명은 은 나노입자를 포함하는 전도성 페이스트 또는 잉크에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 페이스트 또는 잉크를 이용하여 배선을 형성한 전도성 기판에 관한 것이다.

액정 표시 장치 등의 정보통신 장치는 날로 소형화, 고성능화하고 있으며, 이러한 장치들을 유연성 소재에 구현하려는 노력도 꾸준하게 이루어지고 있다. 이러한 장치들은 대개 화학 증착(CVD)이나 스퍼터링 등의 기상 퇴적법에 의하여 막을 형성하고, 그 중 불필요한 부분을 광 리소그라피 등의 방법으로 제거하여 필요한 회로 배선을 형성하여 왔다.

그러나 이러한 종래의 배선 형성 방법은 막 형성과 에칭을 반복하기 때문에 원료의 사용 효율이 나쁘고, 폐기물을 많이 발생시키며, 제조 시간이 오래 걸리고, 설비 비용이 많이 드는 단점이 있다. 또한 정보통신 장치의 소형화를 위한 배선의 미세화하는 데에도 이러한 종래 기술의 배선 형성 방법은 점점 문제점이 두드러지고 있다.

최근의 업계에서는 원료의 손실이 적고, 납 등의 유해 성분을 사용하지 않으며, 배선 형성 공정을 단순화할 수 있고, 종래 기술의 배선 형성 방법보다 두께가 얇으며 폭이 더 미세한 배선 형성을 지원하는 방식인 잉크젯 인쇄나 롤 인쇄를 주목하고 있다. 잉크젯 인쇄나 롤 인쇄를 이용하여 배선을 형성하기 위해서는 성능 좋은 전도성 페이스트 또는 전도성 잉크의 개발이 절실하다.

배선 형성을 위한 전도성 페이스트는 전도성이 높아야 하므로 비저항이 1×10^-5 Ω·cm 이하로 낮아야 하지만, 그를 위하여 전도성 페이스트에 고가의 전도성 충전재를 사용하여야 한다면 곤란하다. 또한 전도성 페이스트를 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등 유연성 있는 기판 소재에도 인쇄할 수 있으려면, 플라스틱 등의 낮은 유리 전이 온도(T _g )를 감안할 페이스트를 기판상에 도포한 다음 소결(소성)하는 온도가 충분히 낮아야 한다. 소결 온도는 전도성 페이스트의 전도성 충전재(주로 금속 입자)와 나머지 성분의 특성에 따라 정해지지만, 금속 입자의 크기가 작아질수록 입자의 표면 에너지가 증가하므로 금속 본래의 녹는점에 비하여 크게 떨어지는 경향이 있다.

은은 전도도가 높아 미세 배선 형성을 위한 전도성 페이스트의 전도성 충전재로 사용하기에 적합한 금속이지만, 비용 때문에 다량 사용하기 어렵다. 또한 은은 널리 쓰이는 기판 소재와 밀착성이 좋지 않고, 평활한 배선을 형성하는데 다소 어려움이 있다. 소결 온도 면에서도, 온도를 낮추려면 은 입자의 크기를 나노미터 규모에서도 낮은 수준으로 할수록 바람직하지만, 이럴 경우 마이크로미터 규모 이 상의 은 입자를 사용하는 것에 비하여 비용 부담이 더 커지게 된다. 종래 기술의 전도성 페이스트에서는 원하는 높은 수준의 전도도를 얻기 위해서 전체 페이스트 조성물의 중량에서 50 중량% 이상, 많게는 80 중량% 이상의 은 입자를 사용하였다. 이 정도 분량의 은을 사용하지 않으면 은 입자와 입자 사이에 공극이 생겨 전기적 연결이 되지 않거나, 전기적 접촉점이 생기더라도 그 수가 매우 적어 충분한 전도도가 나오지 못했다. 그리고 스크린 인쇄에서 페이스트를 메쉬 망로부터 분사할 때도 은 함량이 높은 편이 분사에 적합한 점도를 갖추는데 편리하였다. 그러나 입자끼리 응집하려는 경향이 높게 마련인 나노입자를 이처럼 높은 함량으로 포함하면 원가 상승이 따름은 물론, 페이스트의 저장 안정성을 위하여 분산제, 안정제와 같은 첨가제를 가하지 않을 수 없게 된다. 이들 첨가제는 일반적으로 분자량이 10,000 이상으로 크기 때문에 다시 소결 온도를 상승시켜 은 입자의 소형화에 의한 소결 온도 저하가 무색해진다.

이러한 점들 때문에 종래 기술에서 은 함유 전도성 페이스트의 비저항을 1×10^-5 Ω·cm 이하로 낮추기 위해서는 고농도의 은을 사용하여 연속적인 전기적 네트워크를 형성해야 하였으며, 소결 온도도 20 nm 이하의 은 나노입자를 사용하였을 때 하한값이 150℃ 정도에 머무르는 실정이었다. 요컨대 은 함유 전도성 페이스트가 낮은 소결 온도와 높은 전기 전도도를 구현하려면 은 입자의 크기에 상당한 제약이 있었다. 또한 이러한 일정 규모 이하의 은 입자를 다량으로 사용하여야 했기때문에 비용상의 문제와 안정제 등 첨가제 부가에 따른 소결 온도의 증가라는 부작용을 안고 있었다. 그래서 이런 제반 문제를 해결할 수 있고 기판 소재에 대하여 밀착성이 양호하며 인쇄에 적합한 점도를 갖춘 전도성 페이스트에 대한 수요는 여전히 만족시키지 못한 채로 남아 있었다.

본 발명의 기술적 과제는 은 입자의 크기에 대한 제약을 완화하면서도 종래 기술 수준 이상의 낮은 소결 온도로 가공할 수 있으며, 은 입자 함량이 높지 않아도 높은 전기 전도도를 발휘하는 은 함유 전도성 페이스트를 개발하는 것이다.

본 발명에서는 은 나노입자와 탄소 나노튜브, 바인더와 용매를 함유하며, 150℃ 이하의 온도에서 소결할 수 있는 전도성 페이스트를 제공한다. 본 발명의 한 측면에서 이들 성분의 함량은, 전도성 페이스트 전체 중량 기준으로, 평균 크기가 1 nm ~100 nm인 은 나노입자 15 ~ 50 중량%, 평균 지름이 2 nm~40 nm인 탄소 나노튜브 0.1 ~ 2.5 중량%와 바인더 1 ~ 15 중량%인 것이 바람직하며, 용매 혹은 용매와 기타 첨가제를 더 포함한다.

본 발명의 다른 측면에서는 은 마이크로입자를 포함하면서 150℃ 이하의 온도에서 소결할 수 있는 전도성 페이스트를 제공한다. 이 전도성 페이스트는 평균 크기가 1 nm ~100 nm인 은 나노입자 1 ~ 10 중량%, 평균 크기가 0.1 ㎛ 초과, 50 ㎛ 이하인 은 마이크로입자 30 ~ 60 중량%, 평균 지름이 2 nm ~ 40 nm인 탄소 나노튜브 0.1 ~ 1 중량%, 바인더 1 ~ 15 중량%에 용매 또는 용매와 기타 첨가제를 더 포함한다.

이러한 본 발명의 전도성 페이스트들은 평균 길이가 5 ㎛~50 ㎛인 탄소 나노튜브를 이용하여 구현할 수 있다. 이러한 페이스트들은 2×10^-6 ~ 10×10^-6 Ω·cm의 비저항을 실현할 수 있다.

본 발명에서는 아울러 이러한 전도성 페이스트를 이용하여 기판 위에 배선을 형성한 전도성 기판을 제공한다.

본 발명의 은 함유 전도성 페이스트는 은 나노입자는 물론 은 마이크로입자까지 사용할 수 있어 은 입자 크기에 대한 제약이 적으면서도 150℃ 이하의 온도에서 소결할 수 있어서 가공성이 우수하다. 또한 탄소 나노튜브의 첨가로 인하여 은의 사용량을 종래 기술보다 획기적으로 줄이면서 높은 전기 전도도를 실현할 수 있는 유리한 경제성이 있다. 한편 탄소 나노튜브 입자로 인한 충전재의 저감 효과 (bridging effect)로 기판 재료와 페이스트 사이에 밀착성이 향상되며, 페이스트의 점도를 인쇄에 적합한 수준으로 조절하기도 쉬워진다. 스크린 인쇄를 위해서는 일정 수준 이상의 점도와 요변성(thixotropy)이 필요한데, 탄소 나노튜브는 적은 양으로도 이러한 특성을 페이스트 조성물에 부여할 수 있다.

이러한 본 발명의 전도성 페이스트는 인쇄 방식을 이용한 배선 형성에 폭넓게 쓰일 수 있는데, 인쇄 회로 기판용 배선, 액정 표시소자, 플라즈마 표시 패널, 유기 발광 다이오드 등의 표시 소자의 배선 재료, 라디오파 전파 식별(RFID) 시스템의 안테나 형성, 태양 전지용 전극 생산 및 반사막 등에 사용할 수 있다.

이하 본 발명의 구성을 상세하게 설명한다. 본 발명은 탄소 나노튜브를 함유하는 전도성 페이스트 조성물로서, 종래 기술보다 은 나노입자를 적게 사용하고도 높은 전도도와 낮은 소결 온도를 가지는 것이 특징이다.

본 발명의 한 측면에서 이 전도성 페이스트는 전체 중량 기준으로, 평균 크기가 1 nm ~100 nm인 은 나노입자 15 ~ 50 중량%, 평균 지름이 2 nm~40 nm인 탄소 나노튜브 0.1 ~ 2.5 중량%, 바인더 1 ~ 15 중량%와, 용매를 함유하고 여기에 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이러한 본 발명의 전도성 페이스트는 150℃ 이하에서도 소결이 가능한 저온 소결성 전도성 페이스트이다.

본 발명의 전도성 페이스트에서 은 나노입자는 평균 크기가 1~100 nm에 있는 것이 바람직하다. 평균 크기가 1 nm 미만의 나노입자를 사용하면 페이스트의 점도가 너무 낮아져 일정한 두께 이상의 배선을 형성하기가 어려워질 수 있다. 그러나 종래 기술처럼 고전도도와 낮은 소결 온도를 위하여 평균 크기가 20 nm 이하인 은 나노입자를 사용할 필요는 없다. 은 나노입자는 구형이거나 플레이크 모양 등 다른 형태이어도 무방하다. 본 발명의 특징 중 하나는, 후술하는 바와 같이 탄소 나노튜브의 부가를 포함하는 구성에 의하여 낮은 소결온도와 높은 전기 전도도를 양립시킨 것이다. 비용과 저장 안정성의 측면에서 볼 때, 나노입자의 크기는 클수록 좋으므로, 은 나노입자의 평균 지름이 20 nm를 초과하고 100 nm 이하인 것을 사용하는 것이 유리하다. 본 발명의 전도성 페이스트에 쓰이는 나노입자는 피복이나 표면 개질이 되지 않은 은 입자일 수 있고, 그 표면을 친수성 또는 소수성으로 개질하거나 보호성 콜로이드 형성 물질 등의 피복 물질로 표면을 덮은 은 나노입자를 사용할 수도 있다.

본 발명의 나노입자 함유 전도성 페이스트에서 은 나노입자의 함량은 전체 페이스트 중량에서 15~50 중량%를 차지하는 것이 바람직하며 이는 종래 기술의 은 나노입자 함량에 비하여 매우 낮은 값으로서 높은 전기 전도도와 비용 절감을 양립할 수 있는 범위이다. 은 나노입자의 함량이 15 중량% 미만인 경우는 은 입자 사이의 전기적 접촉이 불량해져 페이스트의 저항이 커진다. 함량이 50 중량%를 넘어도 비용의 증가에 비하여 전도도의 개선 효과는 미미하기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명의 전도성 페이스트에서 탄소 나노튜브는 상기 은 나노입자 사이 공간에서 은 입자들을 전기적으로 이어주거나, 은 입자의 표면에 부착하여 은 입자의 표면적을 실질적으로 늘려주는 역할을 한다. 따라서 탄소 나노튜브는 같은 값의 전도도를 이루기 위하여 필요한 은의 양을 연결 효과(bridging effect)로 인해서 줄일 수 있게 하여 준다. 또한 본 발명에 따라 탄소 나노튜브를 사용하면, 페이스트의 소결 온도 희생 없이 20 nm보다 더 큰 은 나노입자를 사용할 수 있다. 한편 탄소 나노튜브 덕택에 기판 재료와 페이스트 사이에 밀착성이 향상되며, 페이스트의 점도를 인쇄에 적합한 수준으로 조절하기도 쉬워지는 유리한 효과가 있다. 이것은 전체 조성물 중 충전재인 무기물의 양이 줄어들기 때문에 자연스럽게 얻어지는 결과이다. 특히, 통상적인 탄소 나노튜브의 경우 완벽한 그라펜 시트가 아니라 어느 정도의 표면 결함(defect)을 가지고 있기 마련인데 제조 과정상 여기에 카복실기 등의 작용기가 표면에 돌출하여 존재하게 된다. 특정 이론에 구애되려고 하는 의도는 아니지만, 탄소 나노튜브가 이러한 작용기를 가지기 때문에 전도성 페이스 트의 기판 표면에 대한 밀착성을 높일 수 있는 것으로 생각된다.

본 발명에서 탄소 나노튜브의 함량은 목표하는 전기 전도도와 은 나노입자의 함량 등을 고려하여 선택하게 된다. 본 발명자들은 전도성 페이스트 내의 적정 나노튜브 함량을 살펴보기 위하여 전기 전도도와 나노튜브 함량 사이의 관계를 살펴 보았다. 다중벽 탄소 나노튜브만을 함유하는 전도성 페이스트의 직류(DC) 전류에 대한 전기 전도도는 다음의 퍼콜레이션(percolation) 관계식에 따라 나타낼 수 있다. 즉 전기 전도도는 어느 기준 함량(퍼콜레이션 지점)과 그 기준 함량보다 더 높은 값인 탄소 나노튜브 함량 사이의 함량차에 지수적으로 비례한다.

σ _DC = σ ₀ ( P-P _c ) ^t ( P > P _c 인 경우)

이 퍼콜레이션 관계식에서 σ _DC 는 직류 전류에 대한 전기 전도도이며, t는 실험적으로 결정되는 값이다. P는 다중벽 탄소 나노튜브의 부피 분율이며, P _C 는 퍼콜레이션 함량(즉 전기적 연결 상태의 임계값으로서, 이 값 이상으로 나노튜브의 함량이 높아지면, 작은 함량의 변화에도 전도도가 급격히 변하게 되는 함량)이다. σ ₀ 는 비례 상수이다.

도 2는 은 입자 없이 전도체로서 다중벽 탄소 나노튜브만을 포함하는 전도성 페이스트(이하 실험예 페이스트)에서 나노튜브 함량(중량 % 단위)과 전도도(S/cm)의 상용로그값 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 실험예 전도성 페이스트는 바인더로서 폴리우레탄을 사용하였으며, 핫프레스(hot press)를 이용하여 열간 가 압함으로써 페이스트 시료를 제작하였다. 이 실험예 페이스트는 가열하여도 소결이 일어나지는 않았다. 따라서 진정한 소성이 아니라 용매 등 휘발성 성분을 제거하는데 그쳤다.

도 2의 결과로부터, 전도성 충진재로서 탄소 나노튜브(CNT)만을 사용해서는 원하는 높은 수준의 전기 전도도를 얻기 어렵지만, 연속적인 전기적 네트워크는 매우 낮은 함량에서 형성할 수 있다는 점을 볼 수 있다. 또한 도 2 그래프의 네 번째 데이터점 부근에서 CNT 함량 대비 DC 전도도의 상승이 가장 급격하다는 것을 확인할 수 있고, 1 중량% 이상의 함량에서는 CNT의 함량이 더 늘어나더라도 DC 전도도의 상승은 미미하다는 것을 알 수 있다.

도 2의 그래프로부터 탄소 나노튜브의 퍼콜레이션 함량 P _C 는 0.0089 중량%로 결정되었고, 탄소 나노튜브의 함량 증가에 따라 전도도가 포화하기 시작하는 구간은 대략 0.1~1 중량%(도 2에서 네모로 표시) 사이임을 알 수 있다. 실험예 페이스트에서 퍼콜레이션 관계식의 비례 상수 σ ₀ 는 5.9×10^-3 S/cm이다. 이론적으로는 이 비례 상수값이 탄소 나노튜브 매트(mat) 상태의 값(구리의 전도도와 유사한 값)과 같아야 하나, 도 2의 결과는 그보다 훨씬 낮다. 어떠한 이론에 구애되려고 하는 것은 아니지만, 이러한 전도 거동은 실험예 페이스트 속에서 나노튜브가 연속적인 네트워크를 형성하지 못하고 나노튜브 사이에 간극이 존재하여 저항값을 매트 상태의 값까지 낮추지는 못하기 때문으로 보인다.

이같은 실험 자료와 실시예 등을 토대로 할 때, 본 발명의 전도성 페이스트 (중 마이크로입자가 함유되지 않은 것)는 탄소 나노튜브 함량이 전체 페이스트 중량에서 0.1~2.5 중량%를 차지하는 것이 바람직하다. 0.1% 미만에서는 전기 전도도 향상 효과가 나타나지 않으며, 2.5 중량%를 넘는 양을 함유하더라도 탄소 나노튜브의 전도도가 은 입자보다 낮기 때문에 나노튜브에 의한 전도도 향상 효과는 포화점에 이르므로 좋지 않다. 더욱 바람직하게는 전도성 페이스트의 점도, 제조 원가, 전도도 등을 감안할 때 탄소 나노튜브의 함량은 0.5~1 중량%인 것이 좋다.

본 발명의 페이스트에서 탄소 나노튜브로는 단일벽 나노튜브(SWNT)와 다중벽 나노튜브(MWNT)를 모두 사용할 수 있으며, 그 표면이 각종 작용기로 개질된 것을 사용할 수도 있다. 본 발명에서 탄소 나노튜브로는 열화학 기상법, 아크 방전법 등으로 제조된 것을 사용할 수 있으며, 그 지름은 2~40 nm가 적당하다. 본 발명의 페이스트 속에 존재할 은 나노입자의 크기가 1~100 nm인 점과, 은 플레이크 입자의 밀도가 10.5 g/㎤인 점을 감안할 때, 은 입자 사이의 간극을 효과적으로 메우기 위해서는 탄소 나노튜브의 길이가 5~50 ㎛인 것이 적당하다.

본 발명의 전도성 페이스트는 바인더를 5~15 중량%로 함유하고, 적절한 함량으로 용매를 포함하며, 그밖에 선택적인 성분으로서 첨가제를 더 포함할 수 있다. 바인더의 예를 일부 들자면, 니트로셀룰로스, 에틸 셀룰로스, 아크릴레이트, 아크릴레이트 공중합체 및 폴리비닐계 수지 및 이들 수지의 변성 수지가 있다. 용매와 첨가제는 이 분야에서 통상적으로 쓰이는 모든 용매 또는 첨가제를 포함하며, 이 분야의 평균적 기술자라면 선행 기술을 참조하여 원하는 최종 물성에 따라 적절하게 선택할 수 있으므로 여기서 상술하지 않는다. 첨가제로서는 안정제, 분산제, 환원제, 계면 활성제, 습윤제, 요변제(搖變劑 thixotropic agent), 표면 평활제(levelling agent), 소포제, 커플링제, 표면장력 조정제 및 증점제(thickener)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 첨가제를 0.1 ~ 10 중량% 함유하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에서는 나노미터와 마이크로미터 규모의 은 입자 혼합물과 탄소 나노튜브를 함유하는 전도성 페이스트를 제공한다. 본 명세서에서 마이크로미터 규모의 은 입자는 이하 은 마이크로입자로 부르기로 한다. 이 조성물의 구성은 전도성 페이스트 전체 중량 기준으로, 평균 크기가 1 nm ~100 nm인 은 나노입자 1 ~ 10 중량%, 평균 크기가 0.1 ㎛ 초과, 50 ㎛ 이하인 은 마이크로입자 30 ~ 60 중량%, 평균 지름이 2nm ~ 40 nm인 탄소 나노튜브 0.1 ~ 1 중량%, 바인더 1 ~ 15 중량% 및 용매를 포함하며, 선택적 성분으로서 첨가제를 0.1 ~ 10 중량% 더 포함할 수 있다. 이러한 본 발명의 전도성 페이스트는 150℃ 이하에서도 소결이 가능한 저온 소결성 전도성 페이스트이다.

은 마이크로입자를 사용할 경우, 페이스트 제조 비용과 입자 자체의 취급· 저장 안정성 측면에서 나노입자보다 훨씬 유리하지만, 전도성 페이스트 조성물의 소결 온도를 올리는 원인이 되므로 공정성의 저해 요인이 된다고 종래 기술에서는 보아 왔다. 일반적으로 마이크로미터 크기의 은 플레이크 입자로만 구성된 은 페이스트의 경우 550~700℃ 사이의 범위에서 30분 이상을 가열함으로써 소성하여야 은의 연속적 전도 네트워크가 형성되어 원하는 비저항값을 얻게 된다. 따라서 저온 소성을 위해서는 반드시 은 입자의 규모가 작아야만 하였다. 본 발명자들은 은 나노입자와 은 마이크로입자, 탄소 나노튜브를 상기와 같이 적절한 비율로 혼합한 페이스트를 제조할 경우, 나노입자에 의한 저온 소결성을 유지하면서도 마이크로입자에 의한 비용 절감, 탄소 나노튜브에 의한 전기 전도도 향상과 비용 절감의 상승 효과를 얻을 수 있다는 연구 결과를 얻어 은 마이크로입자 함유 전도성 페이스트를 완성하였다.

상기 마이크로입자 함유 페이스트에서 은 마이크로입자를 제외한 나머지 성분은 앞서 설명한 은 나노입자 함유 페이스트와 동일한 것을 사용할 수 있다. 이 마이크로입자 조성물은 은 마이크로입자를 30~60 중량% 포함한다. 마이크로입자 함량이 30 중량% 미만이면, 불완전한 전도 네트워크 형성으로 전기 전도도의 저하를 유발하며, 함량이 60 중량%를 넘으면 나노 입자에 대한 효과가 감소하므로 바람직하지 않다.

본 발명의 또 다른 측면에서는 상기 전도성 페이스트를 이용하여 배선을 형성한 전도성 기판을 제공한다. 전도성 기판을 형성하는 방법의 한 예를 개략적으로 들면 다음과 같다. 상기 전도성 페이스트를 금속, 유리, 플라스틱 등의 기판 위에 잉크젯, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 등의 방법으로 인쇄하여 배선을 형성할 수 있다. 이때 배선이 형성될 상기 기판 표면은 베이스 필름이 형성된 기판이고, 광 리소그라피법이나 스크린 인쇄법을 이용하여 베이스 필름상에 미리 설계한 배선 패턴을 전사해 놓은 기판을 사용할 수 있다. 이 전사된 배선 패턴을 따라 상기 페이스트를 토출하여 전도성 충전재가 포함된 막을 형성하게 된다. 이어서 페이스트가 인쇄된 기판을 소결하여 용매 등을 제거하고, 은 입자들을 융착시킨다. 이어서 필 요한 경우 다층 기판을 형성하기 위한 적층과 피막 형성, 도금 등의 과정이 따를 수 있다.

이하 실시예를 들어 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적 기술자는 아래 실시예에 기재된 실시 태양 외에 여러 가지 다른 형태로 본 발명을 변경할 수 있으며, 이하 실시예는 본 발명을 예시할 따름이지 본 발명의 기술적 사상의 범위를 아래 실시예 범위로 한정하기 위한 의도라고 해석해서는 아니된다.

본 발명의 전도성 페이스트의 성능을 종래 기술의 페이스트와 비교하기 위하여 실시예와 비교예 페이스트 조성물을 제조하였다. 실시예와 비교예 페이스트의 제조에 관한 자세한 내용은 다음과 같다.

실시예 1 : 은 나노입자-CNT 혼성 페이스트

크기 5~40 nm인 은 나노입자 5 g(구형, LS전선(주)), 바인더로서 니트로셀룰로스(한국씨엔씨(주), HS 1/2 등급)의 아세트산부틸 용액 25 g(니트로셀룰로스가 고형분으로 4 g), 탄소 나노튜브(다중벽, 10 nm 지름, 수십 ㎛ 길이, 액상 개질 및 고온 열처리, 고려대학교 제공)의 아세트산프로필렌글리콜메틸에테르(propylene glycol methyl ether acetate, PGMA) 용매 분산액 10 g(나노튜브 고형분은 10%, 1g), 그리고 D₅₀이 3 ㎛인 은 플레이크 입자 60 g을 프리믹싱한 다음, 3본밀을 이용하여 은 입자와 탄소 나노튜브가 충분히 분산되도록 혼련하였다. 그런 후 Poly420 (420 메시) 스크린 인쇄에 의해 페이스트를 PET 기판에 5×5 cm 크기로 인쇄한 다 음, 이 기판을 대류 오븐에서 150 ^oC로 10분 동안 소성하여 시료를 완성하였다.

실시예 2 : 은 나노입자-CNT 페이스트

실시예 1과 동일한 방법으로 Ag-CNT 혼성 조성물을 준비하였고, 다만 은 나노입자 함량을 10 g, 니트로셀룰로스의 아세트산부틸 용액을 8 g(니트로셀룰로스 고형분 2.4g), 탄소 나노튜브 함량을 1 g, 은 마이크로입자 58 g으로 달리하였으며, 부틸카비톨아세테이트(butyl carbitol acetate, BCA) 23 g을 첨가하여 교반함으로써 페이스트 조성물을 제조하였다. 대류 오븐에서 140℃로 4분 동안 소성하여 시료를 완성하였다. 도 3과 도 4에 실시예 2에 의해서 제조한 배선 전극의 단면 및 표면 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 각각 나타내었다. 도 3에서 볼 수 있듯이, 나노은 입자 사이에 CNT가 분포하여 전기적 네트워크를 좀더 치밀하게 형성할 수 있음을 알 수 있다. 또한 도 4에 보이듯이, 실시예 2의 소성 조건에서 금속화(metallization)가 진행되었음을 확인할 수 있다.

실시예 3: 은 나노입자-CNT 페이스트

실시예 1과 동일한 방법으로 Ag-CNT 혼성 조성물을 준비하였고, 다만 은 나노입자 함량을 7 g, 니트로셀룰로스의 아세트산부틸 용액을 10 g(니트로셀룰로스 고형분 3 g), 탄소 나노튜브 함량을 2 g, 은 마이크로 입자 58 g으로 달리하였으며, 부틸카비톨아세테이트 23 g을 첨가하여 교반함으로써 페이스트 조성물을 제조하였다. 대류 오븐에서 150∼℃로 5분 동안 소성하여 시료를 완성하였다.

비교예 1: 은 마이크로입자만의 페이스트

크기 1~3 ㎛의 플레이크형 은 마이크로입자(Ferro Co.의 SF-15ED)를 전체 페 이스트 중량에서 49~66 중량%가 되도록 폴리우레탄 바인더에 첨가한 다음 건조하였다. 이를 핫프레스를 이용하여 열간 가압하여 시료를 완성하였다.

비교예 2: 은 나노입자만의 페이스트

실시예 1과 동일한 방법으로 은 나노입자의 전도성 페이스트를 준비하였는데, 다만 은 나노입자 함량을 70 g, 니트로셀룰로스의 아세트산부틸 용액을 30 g(니트로셀룰로스 고형분 5g)으로 하고, 탄소 나노튜브는 부가하지 않았다.

비교예 3: CNT만의 상(相)

비교예 1과 동일한 방법으로 시편을 제작하였으며, 다른 점은 은 마이크로입자의 첨가없이 전도성 물질로서 CNT만 0.2 중량% 첨가한 것이다.

실시예와 비교예의 조성과 인쇄한 배선의 두께는 표 1에 정리하였다.

비저항 측정 방법

4-probe tester(일본 미쯔비시사, LORESTA-GP)를 이용하여 면적 및 두께를 입력하고 비저항을 측정하였다. 구체적인 측정 조건은 이 측정 장비의 사용 설명서에 따른, 미쯔비씨사의 독자적인 방법을 이용하였는데, 표면 저항을 측정하고 그 값에 시편의 도막 두께를 곱하면 ASTM D 991 소정의 비저항값을 얻는다.

	배선 두께 (㎛)	소결온도 (℃)/시간(min)	은 함량 (중량%)	CNT 함량 (중량%)	바인더 함량 (중량%)	용매 함량 (중량%)	비저항 (Ω·cm)
실시예 1	3.1	150/10	5	1	4(NC)	30	8.1 × 10^-6
실시예 2	3.2	140/4	10	1	2.4(NC)	28.6	6 × 10^-6
실시예 3	3.1	150/5	7	2	3NC)	30	7 × 10^-6
비교예 1	200	저온 소성 불가	66	0	34(PU)	0	~ 10¹²
비교예 2	3.3	150/5	70	0	9(NC)	21	8.5 × 10^-6
비교예 3	200	저온 소성 불가	0	0.2	99.8(PU)	0	2.81 × 10⁵

※ NC는 니트로셀룰로스, PU는 폴리우레탄을 나타낸다.

비교예 1은 마이크로미터 규모의 은 입자만을 포함하므로, 저온 소성이 불가능하다는 것을 볼 수 있다. 비교예 1은 측정 결과 비저항이 ~10¹² Ω·cm 정도로서 절연체의 영역임을 알 수 있다. 다시 말해서 은 마이크로입자만을 전도성 충전재로 하는 비교예 1의 전도성 페이스트에서는 49~66 중량% 정도의 은 함량으로 연속적인 전기적 네트워크를 형성하지 못함을 볼 수 있다. 이는 탄소 나노튜브만을 전도성 충전재로하여 10⁵ Ω·cm 수준의 비저항을 나타내는 도 2의 실험예 페이스트와 비교하였을 때도 매우 높은 저항값이다. 따라서 은 입자를 이용하여 연속적인 전기적 네트워크를 형성하려면 66 중량%보다 더 많은 분량의 은을 요한다는 것을 확인하였다. 한편 비교예 2는 은 나노입자만을 도전체로 한 종래 기술의 전도성 페이스트이다. 비교예 2의 비저항은 8.5×10^-6Ω·cm로서 우수하지만, 이러한 높은 전도도를 얻기 위해서는 은 함량을 70 중량%까지 높여야 함을 알 수 있다. 이럴 경우 일반적인 마이크로미터 규모의 은 입자보다 더욱 고가여서 상용화를 위한 경제성을 고려했을 때 바람직하지 못하다.

비교예 1은 마이크로 은 입자를 66중량% 첨가하고도 절연체의 특성을 보인 반면, 비교예 3은 CNT 0.2중량%의 첨가만으로 일정한 수준의 전도 네트워크를 형성하였음을 알 수 있다. 이것은 전도 네트워크 형성에 CNT가 은 입자에 비해서 월등히 유리함을 보여준다. 다만, CNT만으로는 원하는 10^-6Ω·cm 수준의 저항을 얻을 수 없다.

그에 반하여 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 전도성 페이스트는 은 함량이 5~10 중량%로 매우 낮지만, 비저항은 6~8×10^-6Ω·cm로 종래 기술에서 달성할 수 있는 최고 수준의 전도도임을 나타낸다. 또한, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따르면, 마이크로미터 규모의 은 입자로 구성된 페이스트로는 달성할 수 없는 140~150℃에서 소성이 가능한 페이스트 조성물을 제공할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 개시하였다. 본 명세서의 상세한 설명과 실시예에 사용된 용어는 해당 분야에서 평균적인 기술자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적으로 쓰인 것일 뿐, 어느 특정 의미로 한정하거나 청구범위에 기재된 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니었음을 밝혀 둔다.

도 1은 전도체로서 은 나노입자만을 가지고 있던 전도성 페이스트에 탄소 나노튜브를 첨가하여 은 나노입자들을 전기적으로 연결함으로써 전기 전도도가 크게 향상되는 것을 나타낸 모식도이다.

도 2는 탄소 나노튜브만을 함유하는 전도성 페이스트에서 나노튜브 함량과 전기 전도도 사이의 관계에서 퍼콜레이션 지점을 보여주는 그래프이다.

도 3은 실시예 2의 방법에 따라 제조한 배선 전극의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다. 나노은 입자 사이에 탄소 나노튜브가 분포하는 전기적 네트워크가 이루어졌음을 볼 수 있다.

도 4는 실시예 2의 방법에 떠서 제조한 배선 전극의 표면 주사 전자 현미경 사진이다. 소성 후 금속화(metallization)가 진행되었음을 알 수 있다.

Claims

은 나노입자 함유 전도성 페이스트에 있어서,

전도성 페이스트 전체 중량 기준으로,

평균 크기가 1 nm ~100 nm인 은 나노입자 15 ~ 50중량%;

평균 지름이 2 nm ~ 40 nm인 탄소 나노튜브 0.1 ~ 2.5 중량%;

바인더 1 ~ 15 중량% 및

용매를 함유하는 전도성 페이스트.
제1항에 있어서,

상기 전도성 페이스트는 안정제, 분산제, 환원제, 계면 활성제, 습윤제, 요변제(搖變劑 thixotropic agent), 표면 평활제(levelling agent), 소포제, 커플링제, 표면장력 조정제 및 증점제(thickener)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 첨가제를 0.1 ~ 10 중량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전도성 페이스트의 소결 온도는 150℃ 이하인 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전도성 페이스트는 비저항이 2×10^-6 ~ 10×10^-6 Ω·cm인 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 탄소 나노튜브는 평균 길이가 5 ㎛~50 ㎛인 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 탄소 나노튜브의 함량은 0.5~1 중량%인 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 바인더는 니트로셀룰로스, 아크릴계 수지, 비닐계 수지, 에틸셀룰로스 및 상기 수지들의 변성 수지로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
은 나노입자 함유 전도성 페이스트에 있어서,

전도성 페이스트 전체 중량 기준으로,

평균 크기가 1 nm ~100 nm인 은 나노입자 1 ~ 10 중량%;

평균 크기가 0.1 ㎛ 초과, 50 ㎛ 이하인 은 마이크로입자 30 ~ 60 중량%

평균 지름이 2 nm ~ 40 nm인 탄소 나노튜브 0.1 ~ 1 중량%;

바인더 1 ~ 15 중량% 및

용매를 포함한 전도성 페이스트.
제8항에 있어서,

상기 전도성 페이스트는 안정제, 분산제, 환원제, 계면 활성제, 습윤제, 요변제, 표면 평활제, 소포제, 커플링제, 표면장력 조정제 및 증점제로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 첨가제를 0.1 ~ 10 중량% 더 함유하는 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 전도성 페이스트의 소결 온도는 150℃ 이하인 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 전도성 페이스트는 비저항이 2×10^-6 ~ 10×10^-6 Ω·cm인 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 탄소 나노튜브는 평균 길이가 5 ㎛~50 ㎛인 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 바인더는 니트로셀룰로스, 아크릴계 수지, 비닐계 수지, 에틸셀룰로스 및 상기 수지들의 변성 수지로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전도성 페이스트.
제1항 또는 제8항의 전도성 페이스트로 배선을 형성한 전도성 기판.