KR20110014034A - 유기접착층이 있는 금속 회로 배선 및 그 제조방법 - Google Patents

유기접착층이 있는 금속 회로 배선 및 그 제조방법 Download PDF

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김성은
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Abstract

본 발명은 기판 상에 아크릴 수지, 클로로프렌 고무계 및 실리콘 고무계 수지 로 이루어진 군으로부터 선택된 수지로 형성된 유기접착층 및 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 형성된 금속 배선 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 금속 배선에 있어서 금속 나노재료와 기판과의 접착성을 높이고 전기전도도가 우수한 금속 배선 패턴을 가지는 금속 회로 기판을 제공할 수 있다.
수지, 유기접착층, 금속나노입자, 금속배선 패턴

Description

유기접착층이 있는 금속 회로 배선 및 그 제조방법{Metal circuit wiring having organic resin for adhesive layers and method of manufacturing it}
본 발명은 기판 상에 아크릴 수지, 클로로프렌 고무계 및 실리콘 고무계 수지 로 이루어진 군으로부터 선택된 수지로 형성된 유기접착층 및 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 형성된 금속 배선 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 인쇄전자 분야가 각광을 받으면서 도전성 잉크를 이용하여 다양한 기판상에 인쇄 또는 코팅된 회로패턴을 형성하려는 연구들이 다수 진행되고 있다. 인쇄전자 분야가 상용화 되기 위해서는 신뢰성 있는 회로배선을 형성해야 하며, 무엇보다도 전도성이 확보된 금속회로패턴과 기판 사이에 우수한 접착력을 확보하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 일반적으로 인쇄전자 분야에서의 도전성 잉크는 금속나노 입자가 일정용매에 분산되어 있는 형태인데 이러한 금속 나노재료가 기판상에서 소성되었을 때, 기판과의 접착력이 약하여 신뢰성 있는 배선을 형성하는데 문제가 되고 있다. 이에 본 발명에서는 전기전도도 및 기판과의 접착력이 우수한 금속배선 및 그 제조 방법을 제시하고자 한다. 　　
신뢰성 있는 회로배선을 형성하고자, 회로패턴과 기재 사이의 접착력을 증가시키기 위한 다양한 노력들이 있어 왔다.
종래기술에 따르면 기재의 표면거칠기(roughness)를 증가시킴으로써 금속 회로패턴과　기재와의 실제적인 접촉면적(effective contact area)를 증가시키거나 부가적으로 부착, 접착(anchoring)효과를 주는 방법에 해당한다. 그러나 기재의 표면거칠기가 증가하게 되면 인쇄되는 회로패턴이 불균일해지는 단점이 발생하며, 실질적인 접착(anchoring) 효과를 주기가 어렵다. 다른 방법으로 기재 표면을 화학적인 기능기를 도입하여 회로패턴과의 접착력을 증가시키는 방법인데, 기재 및 회로패턴을 구성하는 금속의 종류에 따라 화학적 처리법이 달라지는 문제점이 발생하게 된다. 또한 기재 표면에 유기 접착층을 형성한 후 금속 배선을 인쇄하는 방법이 수행되었다. 유기 접착층을 적용할 경우 기재와 금속배선의 우수한 접착력을 구현할 수 있다는 장점이 있지만, 유기 접착층의 열수축률이 클 경우, 소성 과정에서 인쇄된 회로패턴에 크랙 및 변형이 발생하게 된다. 그리고 종래에는 유리 전이 온도 (glass transition temperature, Tg)가 높으며 특별한 표면 구조(morphology)를 갖는 접착강화 필름을 사용하는 방법이 사용되었다. 그러나, 이러한 필름을 사용할 경우 기재 표면 전체에 사용하게 됨으로써 기재의 두께 및 가격이 상승하는 문제점이 있다. 또한, 접착강화 필름과 기재와의 열팽창 계수 차이에 의해 기재가 휘어지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위해서 내열성 및 내화학성이 우수하며 금속과의 친화성을 갖는 유기접착층을 도입하여 금속 회로 배선을 형성함으로써, 기존에 금속 배선 공정에서 나타날 수 있는 크랙 및 변형을 최소화하고 기판상에서 우수한 접착력 및 전기전도도를 갖는 금속 회로 배선 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 아크릴 수지, 클로로프렌 고무계 및 실리콘 고무계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 수지로 형성된 유기접착층; 및 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 형성된 금속 배선 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선 및 그 제조방법을 제공한다.
발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기판은 폴리이미드, 폴리에스테르, 에폭시 기판, BT(Bismalemide-Triazine), PP(Poly Propylene) 및 PVC(polyvinyl chloride)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 유기접착층은 두께 0.1~100㎛일 수 있다.
또한, 상기 금속 나노입자는 금, 은, 동, 백금, 납, 인듐, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 텅스텐, 니켈, 탄탈, 비스무스, 주석, 아연, 티탄, 알루미늄, 코발트, 철 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것 일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서는 기판 상에 아크릴계, 클로로프렌 고무계 및 실리콘 고무계 수지로 이루어진 군에서 선택된 수지인 유기접착층을 형성하는 단계; 상기 유기접착층이 형성된 기판상에 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 금속배선 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 금속 배선 패턴을 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기접착층의 형성은 스크린 인쇄(screen printing), 닥터블레이드, 스핀코팅(spin coating), 분무코팅(spray coating) 및 딥코팅(dip coating)으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 수행되는 것일 수 있다.
또한, 상기 유기접착층을 형성하는 단계는 상온~200℃ 범위에서 열처리하는 과정을 포함할 수 있다. 본 발명에서는 상온을 대략적으로 24℃ 이상으로 정의하였다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 배선 패턴의 형성은 스크린(screen) 방식, 잉크젯 프린팅(ink jet printing) 방식, 그라비아 방식, 분무코팅(spray coating) 방식 및 오프셋 인쇄방식으로 이루어진 군에서 선택되는 방식일 수 있다.
금속 배선에 있어서 금속 나노재료와 기판과의 접착성을 높이고 전기전도도가 우수한 금속 배선 패턴을 가지는 금속 회로 기판을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판 상에 아크릴 수지, 클로로프렌 고무계 및 실리콘 고무계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 수지로 형성된 유기접착층; 및 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 형성된 금속 배선패턴;을 가지는 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선을 제공한다.
여기서 기판은 일반적으로 인쇄회로기판의 기판 기재로 폴리이미드, 폴리에스테르, 에폭시 기판, BT(Bismalemide-Triazine), PP(Poly Propylene), PVC(polyvinyl chloride) 등의 다양한 유기재료 재질의 기판을 사용할 수 있다.
아크릴 수지, 클로로프렌 및 실리콘 고무계 수지등의 경우 금속과 같은 극성재료에 대한 접착성이 매우 우수하기 때문에 이 같은 접착층 상에 금속 회로 배선을 형성할 경우 우수한 접착력을 확보하는 것이 가능하다. 뿐만 아니라 고온에서의 내열성, 내연소성, 내화학성이 우수하여 인쇄 금속배선의 소성시 크랙이나 변형의 발생을 방지할 수 있어 전기적 특성이 우수한 금속배선을 제조하는 것이 가능하다.
또한 상기 유기접착층은 금속배선의 형상 혹은 두께에 따라 0.1~100㎛ 범위의 두께로 조절하는 것이 바람직한데, 0.1㎛보다 두께가 얇을 경우 충분한 접착력을 얻기 어려우며 100㎛이상일 경우에는 금속배선의 전기전도도가 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 금, 은, 동, 백금, 납, 인듐, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 텅스텐, 니켈, 탄탈, 비스무스, 주석, 아연, 티탄, 알루미늄, 코발트, 철 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 기판 상에 아크릴계, 클로로프렌 고무계 및 실리콘 고무계 수지로 이루어진 군에서 선택된 수지인 유기접착층을 형성하는 단계; 상기 유기접착층이 형성된 기판상에 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 금속배선 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 금속 배선 패턴을 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선의 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 유기접착층의 형성은 기판상에 균일한 접착층을 형성할 수 있는 방법이면 제한없이 적용할 수 있다. 바람직하게는 스크린 인쇄(screen printing), 닥터블레이드, 스핀코팅(spin coating), 분무코팅(spray coating) 및 딥코팅(dip coating)으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 수행될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유기접착층을 형성하는 단계는 상온~200℃ 범위에서 열처리하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 금속 배선의 형성은 스크린 방식, 잉크젯 프린팅 방식, 그라비아 방식, 스프레이 코팅방식 또는 오프셋 인쇄방식을 이용하는 것일 수 있다. 이러한 방식으로 균일한 금속 배선을 형성할 수 있는 한 제한 없이 적용이 가능하다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
하기 실시예에서 적용한 대표 열처리 조건은 100℃, 10분이며 수지의 종류에 따라 열처리 조건은 조금씩 상이할 수 있으므로 상온~200℃ 이내의 범위에서 열처리 온도를 조절할 수 있다. 열처리 온도에 따라 수지의 경화정도가 변화하며 접착력에 영향을 미칠 수 있다.
실시예 : 아크릴수지, 클로로프렌, 실리콘 고무 접착층을 가진 금속배선의 제조
평균입경 7nm의 Cu 및 Ag 나노입자가 균일하게 분산되어 있는 40wt%농도의 Cu 및 Ag나노잉크를 제조하였다. 그리고 상기한 접착제 종류의 대표적인 물질로 오공의 FA700(아크릴수지), 동부정밀화학의 805SD(클로로프렌 고무), 모멘티브 퍼포먼스 머티리얼의 ME151(실리콘 고무)을 사용하여 폴리이미드 기판상에 스핀코팅법으로 1~5㎛두께의 코팅층을 형성하고 소정의 열처리를 통하여 접착층을 형성하였다.
그 후 금속 나노잉크 및 잉크젯 헤드를 이용하여 길이 1cm, 폭 200㎛의 인쇄 배선을 형성한 한 후, Ag배선은 공기분위기 하에서 250℃, 1시간동안 열처리를 실시하고 Cu배선은 환원분위기하에서 200℃, 1시간 동안 열처리를 진행하였다. 　
이러한 과정에 의해 아크릴 수지 (FA700), 클로로프렌 고무(805SD), 실리콘 고무 (ME151)의 유기접착층이 형성된 금속배선을 제조하였다.
비교예 : 유기접착층의 종류에 따른 접착력과 전기적 특성의 비교
실시예와 동일한 조건으로 접착층이 형성되어 있지 않거나, 다른 종류의 수지를 이용한 Ag 및 Cu 인쇄배선을 제조하였다.
비교에 사용될 예로서, Sekisui 사의 BL-1 (폴리비닐 부티랄 수지), Evonik Degussa 사의 HTL (폴리에스테르 수지), Henkel 사의 Macromelt(폴리아미드 수지), 국도화학 사의 YD-128o (에폭시 수지)를 사용하여 유기접착층을 가지는 금속 배선을 제조하였다.
실시예에 따라 제조된 인쇄배선 및 비교예로 사용할 금속배선에 대해 표준접착력 테스트　및 비저항 측정을 실시하여 배선의 접착강도 및 전기적 특성을 관찰하였다.
여기서, 접착력 측정은 3M tape와 BYK gardener를 사용하여 수행하였다.
3Mtape의 접착강도　0.65kN/m　의 테이프를 이용하여 테스트를 진행하였으며
ASTM D3359(Measuring Adhesion by Tape Test)을　이용하여　측정하였다. 접착력 판단에 관한 기호의 설명은 하기에 기재된 바와 같다.
<접착력 평가 기준>
-. 5B : 격자　및　절개된　선에　아무런　이상이　없음
-. 4B : 작은　도막편이　격자　또는　선에서　5% 이하로　떨어짐
-. 3B : 작은　도막편이　격자　또는　모서리에서　5~15% 떨어짐
-. 2B : 도막편이　격자나　모서리에서　15~35% 떨어짐
-. 1B : 큰　띠나　사각　전체가　35~65% 떨어짐
-. 0B : 1B보다　더　나쁜　상태
금속나노잉크 접착층 접착력 비저항 (μΩcm)
대조군1 Cu - 0B 5.2
대조군 2 Ag - 0B 4.5
비교예 1 Cu BL-1 4B 60
비교예 2 Cu LTH 2B 10
비교예 3 Cu Macromelt6900 5B 21
비교예 4 Cu YD128 1B 8.5
실시예 1 Cu 805SD 5B 8.7
실시예 2 Cu ME151 4B 9.5
실시예 3 Cu FA700 5B 6.3
실시예 4 Ag 805SD 5B 8.7
실시예 5 Ag ME151 5B 8.5
실시예 6 Ag FA700 5B 5.8
유기접착층을 기판에 사용하게 되면 대체로 전기적특성의 측면에 있어서 불리함이 있게 된다. 실제 전기전도도가 가장 좋은 구조는 표 1의 대조군 1,2와 같이 유기접착층이 없는 경우이다. 그러나 이 경우는 전기적 특성은 우수하나 접착력이 없어 실시 가능성이 없는 것으로 나타났다. 따라서, 유기접착층을 적용하고 나서도 접착층이 없는 경우와 유사한 전기적 특성을 보여주는 것이 중요하다.
표 1의 비교예에서 사용된 유기접착층은 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral)계 수지인 Sekisui 사의 BL-1, 폴리에스테르계 수지인 Evonik Degussa 사의 HTL, 폴리아미드계 수지인Henkel 사의 Macromelt, 에폭시계 수지인 국도화학 사의 YD-128이다. 이들 유기 접착층의 경우, 전기적 특성과 접착력 측면에서 동시에 우수한 경우가 관찰되지 않았다. 접착력이 우수할 경우 접착제의 배선침투나 접착제 유동으로 인한 배선크랙으로 인해 비저항이 높은 경우가 많았고, 상대적으로 비저항이 우수할 경우 배선침투나 크랙의 영향은 덜하나 접착력이 약한 결과를 보였다.
그러나, 표 1의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 실시예 1~6의 접착층을 도입한 금속배선의 경우 대조군 및 비교예에 비하여 우수한 접착력 및 전기적 특성을 보이고 있어, 본 발명에 따른 유기접착층의 신뢰도를 나타내고 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 기판 상에 아크릴 수지, 클로로프렌 고무계 수지 및 실리콘 고무계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 수지로 형성된 유기접착층; 및
    금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 형성된 금속 배선 패턴;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 폴리이미드, 폴리에스테르, 에폭시 기판, BT(Bismalemide-Triazine), PP(Poly Propylene) 및 PVC(polyvinyl chloride) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유기접착층은 두께 0.1~100㎛인 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 금, 은, 동, 백금, 납, 인듐, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 텅스텐, 니켈, 탄탈, 비스무스, 주석, 아연, 티탄, 알루미늄, 코발트, 철 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선.
  5. 기판 상에 아크릴계, 클로로프렌 고무계 및 실리콘 고무계 수지로 이루어진 군에서 선택된 수지를 사용하여 유기접착층을 형성하는 단계;
    상기 유기접착층이 형성된 기판상에 금속 나노입자를 포함하는 잉크 조성물로 금속배선 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 금속 배선 패턴을 소성하는 단계;
    를 포함하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기판은 폴리이미드, 폴리에스테르, 에폭시 기판, BT(Bismalemide-Triazine), PP(Poly Propylene) 및 PVC(polyvinyl chloride) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선의 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 유기접착층은 두께 0.1~100㎛인 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 금, 은, 동, 백금, 납, 인듐, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 텅스텐, 니켈, 탄탈, 비스무스, 주석, 아연, 티탄, 알루미늄, 코발트, 철 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선의 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 유기접착층의 형성은 스크린 인쇄(screen printing), 닥터블레이드, 스핀코팅(spin coating), 분무코팅(spray coating) 및 딥코팅(dip coating)으로 이루어진 군에서 선택되는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선의 제조방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 유기접착층을 형성하는 단계는 24~200℃ 범위에서 열처리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선의 제조방법.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 금속 배선 패턴의 형성은 스크린(screen) 방식, 잉크젯 프린팅(ink jet printing) 방식, 그라비아 방식, 분무코팅(spray coating) 방식 및 오프셋 인쇄방식으로 이루어진 군에서 선택되는 방식인 것을 특징으로 하는 유기접착층을 가진 금속 회로 배선의 제조방법.
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