KR20100088483A - 전도성 금속이온 잉크 조성물 및 이의 제조방법 - Google Patents

전도성 금속이온 잉크 조성물 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20100088483A
KR20100088483A KR1020090007737A KR20090007737A KR20100088483A KR 20100088483 A KR20100088483 A KR 20100088483A KR 1020090007737 A KR1020090007737 A KR 1020090007737A KR 20090007737 A KR20090007737 A KR 20090007737A KR 20100088483 A KR20100088483 A KR 20100088483A
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Abstract

전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체, 금속이온 발생제, 금속이온 안정화제 및 용매를 포함하여, 균일하고 산화에 안정한 금속이온 잉크 조성물 및 이의 제조방법이 제공된다.
잉크, 전도성 금속, 금속이온 발생제, 금속이온 안정화제

Description

전도성 금속이온 잉크 조성물 및 이의 제조방법{CONDUCTIVE METAL ION INK COMPOSITION AND METHOD OF MAKING THE SAME}
본 기재는 전도성 금속이온 잉크 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
잉크젯 기술은 최근 디스플레이 산업 등의 대형화 및 공정 단순화에 의한 생산성과 원가절감 및 새로운 산업분야의 창출을 추구하고 있는 시점에서 이를 실현하기 위한 새로운 방식의 제조공정이다. 특히, 잉크젯을 이용한 프린팅 기술은 프린트헤드의 노즐로부터 나오는 젯팅(Jetting) 잉크로 패턴을 인쇄하는 비접촉 기술이다. 이러한 잉크젯을 이용한 프린팅 기술에서 프린트헤드 기술은 산업적으로 다소 성숙되었으나 잉크 설계는 아직까지 난제로 남아있다.
최적 구동조건 달성과 프린팅 시스템의 내구성, 최고의 인쇄 패턴을 얻기 위해서 잉크는 까다로운 물리화학적 특성에 부합되어야 하며, 잉크의 경우 무엇보다도 균일성과 안정성이 우선되어야 한다. 또한 최근 부각되고 있는 응용분야인 플렉시블(flexible) 디스플레이나 RFID 용 기판이나 다양한 소재에 적용되기 위해서 는 패터닝 후 소성온도가 낮아야 한다.
잉크젯용 전도성 잉크는 주로 미세도선이나 도전막 등을 형성하는 재료로서 주로 입자크기가 수 내지 수십 나노미터 크기를 가지는 금속 나노입자가 이용된다. 최근 은 나노입자를 이용하여 금속잉크를 제조한 후 잉크젯 기술로 미세도선 등을 형성시키는 연구가 진행되고 있다. 그러나 은 나노입자 사용으로 인한 고가의 생산비로 인하여 산업적 응용에 많은 제약이 따른다. 따라서 저가의 원료이면서 비교적 높은 전도도를 가지는 구리 나노입자의 필요성이 꾸준히 언급되고 있으나 구리의 낮은 안정성, 즉 높은 산화성으로 인해 안정한 구리 나노입자의 제조에 많은 어려움이 있는 실정이다.
한편, 나노입자 제조시 입자의 성장이 빨라 입도가 균일하고 안정한 나노입자의 제조가 어려우며, 무엇보다도 잉크 내에서의 분산안정성이 중요하다. 따라서 잉크 내 나노입자의 분산성 향상을 위해 주로 분자량이 높은 유기물이나 고분자의 분산제를 이용하여 나노입자의 분산을 시도하고 있다. 그러나 이러한 분산제의 경우 일반적으로 분해 온도가 높아 소성온도가 증가되어야 하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 잉크의 제조와 관련된 기술들은 입자 제조 후 환경오염과 위험성을 가지는 금속화합물을 사용했다는 특징을 가지고 있다. 또한, 제조 후 특성저하를 야기하는 잔여물인 각종 화합물 및 이온을 제거하기 위하여 부가적인 공정이 필요하다는 점에서 산업적 측면에서 큰 단점이라 말할 수 있다.
본 발명의 일 구현예는 균일하고 산화에 안정한 전도성 금속이온 잉크 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 환경친화적이고 경제적이며 안전하여, 광범위한 산업분야에 유용하게 적용될 수 있는 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체, 금속이온 발생제, 금속이온 안정화제 및 용매를 포함하는 전도성 금속이온 잉크 조성물을 제공한다.
상기 전도성 금속은 전이금속 또는 주족금속을 사용할 수 있고, 상기 전도성 금속 전구체는 하기 화학식 1 로 표시되는 것을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
M(X)n
상기 화학식 1 에서,
M 은 전이금속 또는 주족금속이고,
X 는 수소, 히드록시기, 할로겐기, 시아노기, 시아네이트기, 카보네이트기, 나이트레이트기(NO3), 나이트라이트기(NO2), 설페이트기, 포스페이트기, 티오시아네이트기, 클로레이트기, 퍼클로레이트기, 테트라플루오로보레이트기, 아세틸아세토네이트기, 머캡토기, 아마이드기, 알콕사이드기, 카복실레이트기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이고,
n 은 상기 M 의 원자가에 따라서 결정되는 것이다.
상기 금속이온 발생제는 카르복실산이 사용될 수 있다. 상기 카르복실산은 하기 화학식 2 로 표시되는 것을 사용할 수 있고, 보다 구체적으로 포름산, 시트르산, 말산, 락트산, 사과산, 주석산, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112009006170175-PAT00001
상기 화학식 2 에서,
R1 은 a 가 0 인 경우 수소 또는 탄소수 1 내지 20 의 알킬기이고, a 가 1 또는 2 인 경우 탄소수 1 내지 20 의 알킬렌기이고,
a 는 0 내지 2 의 정수이고,
b 는 1 내지 3 의 정수이다.
상기 금속이온 안정화제는 아민 화합물, 티올 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, 보다 구체적으로 하기 화학식 3 및 4 로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
[화학식 3]
NR2 3
[화학식 4]
R3SH
상기 화학식 3 및 4 에서
R2 및 R3 은 서로 같거나 다른 것으로, 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 20 의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.
상기 전도성 금속이온 잉크 조성물은 전도성 금속이온 잉크 조성물 총량에 대하여 상기 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체로부터 유도된 금속이온 0.1 내지 30 중량%, 금속이온 발생제 0.1 내지 50 중량%, 금속이온 안정화제 0.1 내지 50중량% 및 잔부의 용매를 포함할 수 있다. 상기 전도성 금속이온 잉크 조성물은 금속이온 발생제 및 금속이온 안정화제가 1: 0.1 내지 5 의 중량비로 포함되는 것이 좋다.
상기 전도성 금속이온 잉크 조성물은 분산제, 바인더 수지, 환원제, 계면 활성제, 습윤제, 점탄성 조절제, 레벨링제, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 기능성 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 금속이온 발생제 및 금속이온 안정화제가 용매에 투입되어 용해되는 단계; 및 상기 용액 내에 전도성 금속을 포함하는 전극을 이격 배치하되, 전극에 인가된 교류전압 또는 직류전압으로 인하여 발생된 전기에너지와, 상기 금속이온 발생제에 의해 상기 용액 내에서 전도성 금속이 이온화되는 단계를 포함하는 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법을 제공한다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물 및 이의 제조방법은 환경친화적이고 경제적이며 안전하여, 잉크젯과 같은 잉크 기술뿐만 아니라 광범위한 산업분야에 유용하게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예는 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체, 금속이온 발생제, 금속이온 안정화제, 및 용매를 포함하는 전도성 금속이온 잉크 조성물을 제공한다.
상기 전도성 금속은 전도성을 부여하기 위하여, 전도성 금속이온 잉크 조성물에 포함되는 금속인 것으로, 그 종류를 특별히 한정하지 않지만, 보다 구체적으 로 전이금속 또는 주족금속을 사용할 수 있다. 특히, 상기 전도성 금속으로는 6족의 전이금속, 10족(8A족)의 전이금속, 11족(1B족)의 전이금속, 12족(2B)의 전이금속, 13족(3B)의 주족금속, 14족(4B)의 주족금속을 사용하는 것이 좋고, 보다 구체적으로는 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 아연(Zn), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용하여, 프린트된 전도성 막의 전기 전도도 및 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 경제적인 측면을 고려하여, 구리 나노입자를 사용하는 경우에는 쉽게 산화되어, 제조된 전도성 막의 전기 전도도를 감소시키던 문제점이 있었으나 상기 전도성 금속이온 잉크 조성물은 산화안정성이 우수하여 이러한 문제를 효과적으로 개선시킬 수 있다. 상기 전도성 금속은 단독 또는 2 종 이상의 금속을 혼합하여 사용할 수도 있고, 2 종 이상의 금속의 합금을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 전도성 금속 전구체는 금속이온 발생제에 의하여 금속이온을 용이하게 생성시킬 수 있는 것으로, 유기금속 화합물, 금속염 등을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 전도성 금속 전구체는 하기 화학식 1 로 표시되는 것을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
M(X)n
상기 화학식 1 에서,
M 은 전이금속 또는 주족금속이고,
X 는 수소, 히드록시기, 할로겐기, 시아노기, 시아네이트기, 카보네이트기, 나이트레이트기(NO3), 나이트라이트기(NO2), 설페이트기, 포스페이트기, 티오시아네이트기, 클로레이트기, 퍼클로레이트기, 테트라플루오로보레이트기, 아세틸아세토네이트기, 머캡토기, 아마이드기, 알콕사이드기, 카복실레이트기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이고, n 은 상기 M 의 원자가에 따라서 결정되는 것이다. 상기 카보네이트기, 아마이드기, 알콕사이드기 또는 카르복실레이트기는 탄소수 1 내지 10 의 알킬을 포함하는 것이 좋다.
상기 화학식 1 에서 M 은 전이금속 또는 주족금속인 것으로, 상기 전이금속 및 주족금속의 보다 구체적인 예는 상기 전도성 금속을 설명하면서 기재한 바와 같다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물은 전도성 금속이온 잉크 조성물 총량에 대하여 상기 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체로부터 유도된 금속이온의 함량이 0.1 내지 30 중량% 범위로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체로부터 유도된 금속이온은 5 내지 30 중량% 범위로 포함될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물이 상기 범위의 함량으로 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체로부터 유도된 금속이온을 포함하는 경우 두께를 용이하게 조절할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
상기 금속이온 발생제는 카르복실산이 사용될 수 있다. 상기 카르복실산은 하기 화학식 2 로 표시되는 것을 사용할 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112009006170175-PAT00002
상기 화학식 2 에서
R1 은 a 가 0 인 경우 수소 또는 탄소수 1 내지 20 의 알킬기이고 a 가 1 또는 2 인 경우 탄소수 1 내지 20 의 알킬렌기이고,
a 는 0 내지 2 의 정수이고,
b 는 1 내지 3 의 정수이다.
보다 구체적으로 상기 금속이온 발생제는 포름산, 시트르산(citric acid), 말산(malic acid), 락트산, 사과산, 주석산, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물은 전도성 금속이온 잉크 조성물 총량에 대하여 금속이온 발생제의 함량이 0.1 내지 50 중량% 범위로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 금속이온 발생제는 10 내지 35 중량% 범위로 포함될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물이 상기 범위의 함량으로 금속이온 발생제를 포함하는 경우 금속이온을 형성하는 반응속도가 빠르고, 금속이온이 잉크내에서 안정하게 분산되어 금속화합물의 고체로 석출되지 않아 순수한 금속만으로 전도성 막을 제조할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
상기 금속이온 안정화제는 아민 화합물, 티올 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 금속이온 안정화제는 하기 화학식 3 및 4 로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용하여, 전도성 금속이온을 균일하고 안정하게 분산시켜 용해도를 향상시킬 수 있다.
[화학식 3]
NR2 3
[화학식 4]
R3SH
상기 화학식 3 및 4 에서
R2 및 R3 은 서로 같거나 다른 것으로, 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 20 의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.
보다 구체적으로, 상기 금속이온 안정화제로는 전도성 금속이온과의 결합 능력을 향상시킬 수 있는 암모니아 또는 암모니아 수용액을 사용하는 것이 좋다.
상기 금속이온 안정화제는 액체 상태로 첨가될 수도 있고 기체 상태로 버블링(bubbling) 방법으로 전도성 금속이온 잉크 조성물에 투입될 수도 있다. 예를 들어 암모니아의 경우 암모니아수의 액체 상태 또는 암모니아 기체의 버블링에 의 해 투입가능하다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물은 전도성 금속이온 잉크 조성물 총량에 대하여 금속이온 안정화제의 함량이 0.1 내지 50 중량% 범위로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 금속이온 안정화제는 3 내지 30 중량% 범위로 포함될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물이 상기 범위의 함량으로 금속이온 안정화제를 포함하는 경우 금속이온을 균일하고 안정하게 만들어 용해도를 향상시킬 수 있다.
또한, 금속이온 발생제 및 금속이온 안정화제는 1: 0.1 내지 5의 중량비로 포함되는 경우, 이들의 함량을 조절함으로써, 전도성 금속이온의 분산안정성 및 산화안정성을 개선시킬 수 있어 좋다.
상기 용매는 잔부의 양으로 사용될 수 있으며, 잉크 조성물의 점도 조절이나 원활한 박막 형성을 위하여 적절한 범위로 조절될 수 있다. 이러한 용매는 수계 용매 또는 비수계 용매를 모두 사용할 수 있는 것으로, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 보다 구체적으로, 상기 용매로는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 1-메톡시프로판올, 부탄올, 에틸헥실 알코올, 테르피네올과 같은 알코올류; 에틸렌글리콜, 글리세린과 같은 글리콜류; 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 메톡시프로필아세테이트, 카비톨아세테이트, 에틸카비톨아세테이트와 같은 아세테이트류; 메틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 디에틸에테르, 테트라히드로퓨란, 디옥산과 같은 에테르류; 메틸에틸케톤, 아세톤, 디메틸포름아미드, 1-메틸-2-피롤리돈과 같은 케톤류; 헥산, 헵탄, 도데칸, 파라핀 오일 등과 같은 탄화수소계 용매; 벤젠, 톨루엔, 자일 렌과 같은 방향족 용매; 클로로포름, 메틸렌클로라이드, 카본테트라클로라이드와 같은 할로겐 치환 용매; 아세토니트릴; 디메틸술폭사이드; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 사용할 수 있다.
또한, 이러한 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물은 분산제, 바인더 수지(binder resin), 환원제, 계면 활성제, 습윤제, 점탄성 조절제(thixotropic agent), 레벨링제, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 기능성 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이러한 상기 각각의 첨가제는 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 그 종류를 특별히 한정하지 않지만, 보다 구체적으로 하기 첨가제들을 사용할 수 있다.
상기 분산제는 상기 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체가 입자나 플레이크 상으로 존재할 때 이를 원활하게 분산시키는 데 필요할 수 있다. 보다 구체적으로 에프카(EFKA)사의 4000시리즈, 비와이케이(BYK)사 디스퍼비와이케이(Disperbyk) 시리즈, 아베시아사의 솔스퍼스(solsperse) 시리즈, 데구사(Deguessa)의 테고디스퍼스(TEGO Dispers) 시리즈, 엘레멘티스사의 디스퍼스 에이와디(Disperse-AYD) 시리즈, 존슨폴리머사의 존크릴(JONCRYL) 시리즈 등을 사용할 수 있다.
바인더 수지로는 폴리아크릴산 또는 폴리아크릴산 에스테르와 같은 아크릴계 수지, 에틸 셀룰로스, 셀룰로스 에스테르, 셀룰로스 나이트레이트와 같은 셀룰로스계 수지, 지방족 또는 공중합 폴리에스테르계 수지, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈과 같은 비닐계 수지, 폴리아미드 수지, 폴리우레탄 수 지, 폴리에테르 및 우레아 수지, 알키드 수지, 실리콘 수지, 불소수지, 폴리에틸렌이나 폴리스티렌과 같은 올레핀계 수지, 석유 및 로진계 수지 등과 같은 열가소성 수지나 에폭시계 수지, 불포화 또는 비닐 폴리에스테르계 수지, 디알릴프탈레이트계 수지, 페놀계 수지, 옥세탄(oxetane)계 수지, 옥사진(oxazine)계 수지, 비스말레이미드계 수지, 실리콘 에폭시나 실리콘 폴리에스테르 같은 변성 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 등과 같은 열경화성 수지, 자외선 또는 전자선 경화형의 다양한 구조의 아크릴계 수지, 그리고 에틸렌-프로필렌 고무(EPR), 스티렌-부타디엔고무(SBR), 전분, 젤라틴과 같은 천연고분자 등을 한 종류 이상 선택하여 함께 사용할 수 있다. 또한, 상기한 유기계 수지 바인더뿐만 아니라 글라스 레진이나 글래스 프릿(glass frit)과 같은 무기 바인더나 트리메톡시 프로필 실란이나 비닐 트리에톡시 실란과 같은 실란 커플링제 또는 티탄계, 지르코늄계 및 알루미늄계 커플링제도 사용할 수 있다.
또한, 소성을 쉽게 하기 위하여 환원제를 첨가하여 사용할 수 있는데 예를 들면, 히드라진, 아세틱히드라자이드, 소디움 또는 포타슘 보로하이드라이드, 트리소디움 시트레이트, 그리고 메틸디에탄올아민, 디메틸아민보란(dimethylamine borane)과 같은 아민화합물, 제1 염화철, 유산철과 같은 금속 염, 수소, 요오드화 수소, 일산화탄소, 포름알데히드, 아세트알데히드와 같은 알데히드 화합물, 글루코스, 아스코빅 산, 살리실산, 탄닌산(tannic acid), 피로가롤(pyrogallol), 히드로퀴논과 같은 유기화합물 등을 사용할 수 있다.
계면활성제로는 소듐 라우릴 설페이트(sodium lauryl sulfate)와 같은 음이 온 계면활성제, 노닐페녹시폴리에톡시에탄올(nonyl phenoxy-polyethoxyethanol), 듀폰사(Dupont) 제품의 에프에스엔(FSN)과 같은 비이온성 계면활성제 그리고 라우릴벤질암모늄 클로라이드 등과 같은 양이온성 계면활성제나 라우릴 베타인(betaine), 코코 베타인과 같은 양쪽성 계면활성제 등을 사용할 수 있다.
습윤제 또는 습윤 분산제로는 폴리에틸렌글리콜, 에어 프로덕트사(Air Product) 제품의 써피놀(Surfynol) 시리즈, 데구사(Deguessa)의 테고 웨트(TEGO Wet) 시리즈와 같은 화합물을 사용할 수 있다.
점탄성 조절제 또는 레벨링제로는 비와이케이(BYK)사의 비와이케이(BYK) 시리즈, 데구사(Degussa)의 글라이드 시리즈, 에프카(EFKA)사의 에프카(EFKA) 3000 시리즈나 코그니스(Cognis)사의 디에스엑스(DSX) 시리즈 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물을 포함하는 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법은 당분야에서 일반적으로 사용되는 제법으로 특별히 한정하지 않으나, 보다 구체적으로 하기 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.
이에 본 발명의 다른 일 구현예는 금속이온 발생제 및 금속이온 안정화제가 용매에 투입되어 용해되는 단계; 및 상기 용액 내에 전도성 금속을 포함하는 전극을 이격 배치하되, 전극에 인가된 교류전압 또는 직류전압으로 인하여 발생된 전기에너지와, 상기 금속이온 발생제에 의해 상기 용액 내에서 전도성 금속이 이온화되는 단계를 포함하는 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법을 제공한다.
이 때, 전도성 금속, 금속이온 발생제 및 금속이온 안정화제의 종류 및 함량 은 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물을 설명하면서 기재된 바와 동일하다.
또한, 상기 인가되는 교류전압 또는 직류전압의 조절로 전기에너지를 조절하여 제조된 전도성 금속이온 잉크 조성물은 전도성 막으로 도포되어 다양한 성분의 전도성 금속을 가지는 전도성 막을 제공할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법을 도 1에 도시된 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조장치(1)를 참고하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
금속이온 발생제 및 금속이온 안정화제가 물에 용해된 용액을 공급부(2)를 통하여 혼합기(3)에 투입한다. 상기 혼합기(3)에는 전도성 금속을 포함하는 전극이 이격 배치되어 있다.
전기공급부(4)를 통하여, 교류전압 또는 직류전압으로 인하여 발생된 전기에너지를 전극에 인가하면, 상기 금속이온 발생제에 의한 영향으로 상기 용액 내에서 전도성 금속이 이온화된다.
이 때, 상기 용액은 일정 온도를 유지하기 위하여 펌프(8)를 이용하여, 온도 컨트롤러(6)를 통과시킨 다음 혼합기(3)에 공급될 수 있다. 상기 온도는 전도성 금속이 충분히 이온화될 수 있는 온도이면 특별히 한정하지 않으나, 보다 구체적으로 10 내지 100 ℃ 범위의 온도로 유지하는 것이 좋다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물은 다양한 기판을 사용하여 도포나 프린팅 공정을 통하여 용이하게 박막이나 패턴형성이 가능하다. 예를 들면 금속, 유리, 실리콘 웨이퍼, 세라믹, 폴리에스테르나 폴리이미드와 같은 플라스틱 필름, 고무시트, 섬유, 목재, 종이 등과 같은 기판에 코팅하여 박막을 제조하거나 직접 프린팅할 수 있다. 이러한 기판은 수세 및 탈지 후 사용하거나 특별히 전처리를 하여 사용할 수 있는데 전처리 방법으로는 플라즈마, 이온빔, 코로나, 산화 또는 환원, 열, 에칭, 자외선(UV) 조사 그리고 상기의 바인더나 첨가제를 사용한 프라이머(primer) 처리 등을 들 수 있다. 박막 제조 및 프린팅 방법으로는 잉크 조성물의 물성에 따라 각각 스핀(spin) 코팅, 롤(roll) 코팅, 스프레이 코팅, 딥(dip) 코팅, 플로우(flow) 코팅, 닥터 블레이드(doctor blade)와 디스펜싱(dispensing), 잉크젯 프린팅, 옵셋 프린팅, 스크린 프린팅, 패드(pad) 프린팅, 그라비아프린팅, 플렉소(flexography) 프린팅, 스텐실 프린팅, 임프린팅(imprinting), 제로그라피(xerography), 리소그라피(lithography) 등을 선택하여 사용하는 것이 가능하다.
이와 같이 얻어진 패턴은 전도도, 접착력 등의 박막특성을 향상시키기 위하여 열처리(annealing) 과정을 거칠 수 있다. 열처리의 경우 수소와 질소의 혼합가스와 같은 환원분위기, 질소가스 및 아르곤의 불활성 기체분위기 또는 공기 조건하에서 400 ℃ 이하, 보다 구체적으로는 140 내지 300 ℃ 범위의 온도에서 수행할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물은 종래 기술과는 달리 상기한 저온에서 열처리하는 것이 가능하기 때문에 열적으로 약한 특성을 지니는 유리 또는 플라스틱 등으로 된 기판에 적용될 수 있는 장점이 있다.
상술한 본 발명에서 사용할 수 있는 금속 패턴 형성방법은 플렉시블 디스플 레이(flexible display)나 평판 디스플레이(flat panel display)의 스퍼터층을 대체하는 용도로 사용되거나, 또는 CMP-프리 다마싱 프로세싱(CMP-free damascene processing) 및 PR-프리 ITO 층 형성에도 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물은 소량의 첨가제만을 사용하여, 낮은 온도에서 소성하여도 균일하고 안정한 전도성 금속이온 잉크 조성물을 제공할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물을 사용하면 프린트된 미세도선 및 도전막 등의 전기전도성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법은 값비싼 전해질을 사용하지 않고, 금속 입자의 합성, 여과 및 세척과 같은 여타의 부가공정이 필요치 않아 경제적인 장점이 있다. 이로써, 간단한 방법으로 빠르게 제조할 수 있고 공정자체가 환경친화적이고 경제적이며 안전하여 잉크젯 잉크기술과 같은 광범위한 산업분야에 유용하게 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
실시예 1
실온에서 순수한 물(DI-water) 570 ml에 시트르산 40 mM 과 암모니아수(NH3[aq]) 30 ml 가 첨가된 수용액을 제조한다. 상기 수용액 600 ml 를 도 1 에 도시된 전도성 금속이온 잉크 조성물 제조장치(1)의 공급부(2)에 투입한다.
상기 제조장치(1)에 일반 교류전압 110 V 를 인가하고, 냉각수 온도는 60 ℃로 조절한다. 전압을 인가하면 전극과 수용액의 전기저항으로 인해 수용액의 온도가 자연적으로 상승한다. 실온에서는 구리이온이 발생되지 않으나 자연적으로 온도가 올라가며 65 ℃ 이상에서 수용액이 구리이온의 색인 옅은 푸른색을 띄게 된다. 1 시간 동안 반응 후에는 구리이온이 용해되어 진한 푸른색을 나타낸다. 이와 같이 제조된 저농도의 구리이온 잉크 조성물을 용매 증발기를 이용하여, 약 15 중량% 농도의 구리이온 잉크 조성물을 제조한다.
비교예 1
실온에서 순수한 물(DI-water) 600 ml 에 시트르산 40 mM 이 첨가된 수용액을 제조하여 실시예 1 과 동일한 장치의 공급부(2)에 투입한다. 상기 수용액의 조성 및 함량을 제외하고는 상기 실시예 1 과 동일한 방법으로 구리이온 잉크 조성물을 제조한다.
비교예 1 에 따르면, 상기 제조장치(1)에 전기에너지를 인가하는 것과 동시에 양극에서 다량의 수산화구리가 석출되는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2
암모니아 수용액 내에 수산화구리분말과 금속이온 발생제 및 금속이온 안정화제를 용해시켜 구리이온 잉크 조성물을 제조한다. 상기 구리이온 잉크 조성물은 암모니아 수용액 27 g 에 수산화구리 분말 20 g 을 넣고, 포름산 22 g, 및 시트르산 4 g 을 첨가하여 분말을 완전하게 용해시킨다. 이로써, 증발기를 사용하지 않고도 약 17.8 중량% 농도의 구리이온 잉크 조성물을 제조할 수 있다.
실시예 3
구리이온 잉크 조성물로서 암모니아 수용액 27 g 에 수산화구리 분말 20 g 을 넣고, 포름산 22 g, 및 말산 4 g 을 첨가하여 분말을 완전하게 용해시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 2 와 동일한 방법으로 구리이온 잉크 조성물을 제조한다.
실시예 4
구리이온 잉크 조성물로서 암모니아 수용액 27 g 을 대신하여 1-부탄티올(1-buthanethiol) 18.4 g 을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2 와 동일한 방법으로 구리이온 잉크 조성물을 제조한다.
상기 실시예 1 내지 4 에 따른 잉크 조성물을 폴리이미드 기판에 각각 잉크젯 방법으로 패턴 인쇄하고, 아르곤 가스분위기의 140 ℃에서 소성하여 패턴된 전도성 막을 제조한다. 이 중 실시예 1 에 따른 전도성 막의 전자현미경 사진을 도 2 에 도시한다. 도 2 를 참고하면, 상기 전도성 막은 약 80 μm 선폭을 가지는 일정한 패턴을 형성하고 있음을 확인할 수 있다.
상기 실시예 1 에 따른 잉크 조성물로부터 형성된 전도성 막을 X-선 회절(XRD)분석한 결과, 도 3 에 나타난 바와 같이 산화물 및 불순물이 없는 순수한 구리금속으로 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이는 잉크젯용 잉크의 요구특성에 잘 부합되는 특성으로서, 제조된 구리이온 잉크 조성물은 잉크젯용 잉크에 적합하게 적용될 수 있을 것으로 보인다.
상기 실시예 2 에 따른 잉크 조성물로부터 형성된 전도성 막을 X-선 회절(XRD)분석한 결과, 도 4 에 나타난 바와 같이 산화물 및 불순물이 없는 순수한 구리 금속으로 존재하는 것을 확인할 수 있다.
상기 실시예 3 에 따른 잉크 조성물로부터 형성된 패턴된 전도성 막을 X-선 회절(XRD)분석한 결과, 도 5 에 나타난 바와 같이 산화물 및 불순물이 없는 순수한 구리 금속으로 존재하는 것을 확인할 수 있다.
상기 실시예에 따라 간략한 공정으로 제조된 잉크 조성물은 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체, 금속이온 발생제, 금속이온 안정화제 및 용매를 포함하여 균일하고 안정적으로 분산되어, 순수한 금속으로 이루어진 전도성 막을 제공할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
이상을 통해 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 금속이온 잉크 조성물 제조장치의 개략도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 전도성 막 패턴의 전자현미경 사진이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 전도성 막 패턴의 X선 회절분석 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 2에서 제조된 전도성 막 패턴의 X선 회절분석 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 3에서 제조된 전도성 막 패턴의 X선 회절분석 결과 그래프를 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 제조장치 2: 공급부(feeder)
3: 혼합기 4: 전기공급부(power supply)
5: 온도계 6: 온도 컨트롤러
8: 펌프

Claims (15)

  1. 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체;
    금속이온 발생제;
    금속이온 안정화제; 및
    용매를 포함하는 전도성 금속이온 잉크 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 금속은 전이금속 또는 주족금속인 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 금속 전구체는 하기 화학식 1 로 표시되는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물:
    [화학식 1]
    M(X)n
    상기 화학식 1 에서,
    M 은 전이금속 또는 주족금속이고,
    X 는 수소, 히드록시기, 할로겐기, 시아노기, 시아네이트기, 카보네이트기, 나이트레이트기(NO3), 나이트라이트기(NO2), 설페이트기, 포스페이트기, 티오시아네이트기, 클로레이트기, 퍼클로레이트기, 테트라플루오로보레이트기, 아세틸아세토네이트기, 머캡토기, 아마이드기, 알콕사이드기, 카복실레이트기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이고,
    n 은 상기 M 의 원자가에 따라서 결정되는 것이다.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속이온 발생제는 하기 화학식 2 로 표시되는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물:
    [화학식 2]
    Figure 112009006170175-PAT00003
    상기 화학식 2 에서,
    R1 은 a 가 0 인 경우 수소 또는 탄소수 1 내지 20 의 알킬기이고, a 가 1 또는 2 인 경우 탄소수 1 내지 20 의 알킬렌기이고,
    a 는 0 내지 2 의 정수이고,
    b 는 1 내지 3 의 정수이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속이온 발생제는 포름산, 시트르산, 말산, 락트산, 사과산, 주석산, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속이온 안정화제는 아민 화합물, 티올 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속이온 안정화제는 하기 화학식 3 및 4 로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물:
    [화학식 3]
    NR2 3
    [화학식 4]
    R3SH
    상기 화학식 3 및 4 에서
    R2 및 R3 은 서로 같거나 다른 것으로, 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 20 의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 금속이온 잉크 조성물은
    전도성 금속이온 잉크 조성물 총량에 대하여
    상기 전도성 금속 또는 전도성 금속 전구체로부터 유도된 금속이온 0.1 내지 30 중량%;
    금속이온 발생제 0.1 내지 50 중량%;
    금속이온 안정화제 0.1 내지 50 중량%; 및
    잔부의 용매를 포함하는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 금속이온 잉크 조성물은 금속이온 발생제 및 금속이온 안정화제가 1: 0.1 내지 5 의 중량비로 포함되는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 금속이온 잉크 조성물은 분산제, 바인더 수지, 환원제, 계면 활성제, 습윤제, 점탄성 조절제, 레벨링제, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 기능성 첨가제를 더 포함하는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물.
  11. 금속이온 발생제 및 금속이온 안정화제가 용매에 투입되어 용해되는 단계; 및
    상기 용액 내에 전도성 금속을 포함하는 전극을 이격 배치하되, 전극에 인가된 교류전압 또는 직류전압으로 인하여 발생된 전기에너지와, 상기 금속이온 발생제에 의해 상기 용액 내에서 전도성 금속이 이온화되는 단계를 포함하는 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전도성 금속은 전이금속 또는 주족금속인 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속이온 발생제는 포름산, 시트르산, 말산, 락트산, 사과산, 주석산, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속이온 안정화제는 아민 화합물, 티올 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속이온 안정화제는 하기 화학식 3 및 4 로 표시되는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 전도성 금속이온 잉크 조성물의 제조방법:
    [화학식 3]
    NR2 3
    [화학식 4]
    R3SH
    상기 화학식 3 및 4 에서
    R2 및 R3 은 서로 같거나 다른 것으로, 각각 독립적으로 수소 및 탄소수 1 내지 20 의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.
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