KR20130014929A - 열처리를 이용한 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판 상에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄하는 패턴인쇄 단계; 상기 금속 나노입자 사이가 연결되도록 가열하는 열처리 단계; 및 상기 열처리 된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시키는 전기소결 단계;를 포함하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에 관한 것으로, 소결온도보다 낮은 온도에서의 열처리를 통해 기판의 열변형은 최소화시키면서 금속 나노입자 사이를 연결하는 넥(neck)을 형성하여 저전압으로 전기소결이 가능하도록 하면서, 소결시간을 단축시키고, 우수한 소결품질을 얻을 수 있다.

Description

열처리를 이용한 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법{Electrical sintering method for metal nanoparticle pattern using heat treating}

본 발명은 전극이나 회로 제작에 이용되는 금속 나노입자 패턴의 소결방법에 관한 것으로, 낮은 온도에서의 열처리를 통해 금속 나노입자 사이가 연결되도록 넥을 형성하고(necking), 저전압에서 전기소결하는 방법에 관한 것이다.

금속 나노입자 잉크를 이용한 인쇄전자기술은 전극, 회로 또는 소자들에서 필요한 부분에만 금속 나노입자 잉크를 인쇄함으로써 여분의 재료 소비 없이, 미세 패턴 구현이 가능하며, 에너지 절약, 저비용, 박형화 및 다층화를 이룰 수 있는 장점을 가지고 있다.

금속 나노입자 잉크는 2 ~ 100 nm의 은이나 금 등의 나노입자가 유기용매에 분산된 형태로서, 잉크 자체 또는 소결 전의 인쇄된 패턴은 전도성이 거의 없는 절연체 상태이다. 이러한 금속 나노입자 잉크로 먼저 기판에 패턴을 인쇄한 후 소결을 통해 인접한 나노입자 사이의 부분 용융 및 융착에 의해 전도성 구조를 형성한다.

금속 나노입자를 소결하여 전도성 구조를 형성하는 방법으로는 로(Furnace)또는 핫 플레이트(Hot plate)에서 패턴이 인쇄된 기판 전체를 오랜 시간, 적어도 30 내지 60 분 이상 가열하여, 유기용매를 제거하면서 금속 나노입자를 융착시키는 열소결 방법이 안정성과 재현성 및 소결품질이 우수하여 가장 많이 이용되어 오고 있다. 그러나 열소결은 공정 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 소결로의 크기가 커질수록 소결로 내부의 열을 균일하게 제어하기 힘들다는 단점이 있고, 금속 입자의 나노화로 인하여 소결온도가 벌크 재료에 비해 융점이 매우 낮아졌다고 하지만, 열소결을 통한 전도성 구조의 형성을 위해서는 기판 전체가 200 ~ 300 ℃ 정도로 가열되어야 하므로, 열소결 과정에서 열에 민감한 패턴은 손상을 입을 가능성이 있고, 또한 열에 약한 고분자 소재를 활용한 기판이 적용되고 있어, 열소결은 열에 민감한 잉크나 기판에 적용하기에 많은 제약이 있었다.

이러한 고온에서 기판 전체를 오랜 시간 가열하는 열소결의 단점을 극복하기 위하여, 금속 나노입자에 전압을 인가하여 입자들 사이에 자유전자가 이동하게 되면 입자 자체가 가지는 저항으로 인해 발생하는 열로써 입자가 가열이 되고 최종적으로는 모든 입자들이 융착되어 소결되는 전기소결이 시도되고 있다. 전기소결은 기판에 영향을 적게 주면서 패턴에만 열을 가할 수 있고, 수초 내지 수분 내에 소결이 완료되므로 공정효율이 높지만, 소결 전의 패턴은 금속 나노입자를 둘러싸고 있는 고분자 물질 또는 유기용매로 인하여 절연체에 가까운 상태이기 때문에, 초기 전압이 매우 높아야 하고, 경우에 따라서는 초기 전압이 매우 높더라도 소결이 이루어지지 않을 수 있고, 패턴의 저항이 높아 소결이 이루어지기까지 소결시간이 늘어나야 하고, 전기소결 초기 일시적인 고전압 인가를 위해 고사양의 장비가 필요해지고, 고전압의 사용으로 인한 위험성이 증대되며, 또한 열소결과 비교했을 때 금속 나노입자들의 최종 응집수준이 낮아, 현재로서는 열소결법으로 얻을 수 있는 전도성보다 낮다는 한계가 있었다.

한국특허 제0796524호는 잉크젯 인쇄를 이용한 다층 인쇄회로기판의 제조방법에 관한 것으로, 금속 나노입자 잉크를 잉크젯 인쇄한 뒤 150 내지 300 ℃ 온도에서 30 내지 120분 동안 열소결시켜 전도성 구조를 형성하는 것으로, 고온에서 장시간 열소결함으로 인하여, 열에 민감한 잉크나 기판에 적용하기 어려운 문제가 있었다.

또한 한국공개특허 제2010-0028287호는 구리 나노입자 잉크를 이용한 잉크젯 인쇄기술에 관한 것으로, 구리의 산화를 막기위해 환원 분위기를 조성하고, 250 ℃ 미만에서 소결을 실시하는 것으로 기재하고 있으나, 실제 적용하고 있는 소결 온도는 200 ℃로서 여전히 상당히 높다는 한계를 가지고 있었다.

본 발명은 종래 금속 나노입자 패턴의 열소결에서 고온이 적용됨으로써 열에 민감한 잉크나 기판을 사용할 수 없는 한계를 극복하면서, 전기소결의 소결시간을 단축하면서 패턴의 전도성을 높일 수 있는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법은, 기판 상에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄하는 패턴인쇄 단계; 상기 금속 나노입자 사이가 연결(necking)되도록 140 ℃ 이하로 가열하는 열처리 단계; 및 상기 열처리 된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시키는 전기소결 단계;를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에서, 상기 기판은 폴리에틸렌테레프텔레이트(PET)수지, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)수지, 폴리에스터설폰(PES)수지, 폴리카보네이트(PC)수지, 폴리이미드(PI)수지, 아릴라이트(Arylite)수지, 시클릭 올레핀 공중합체(COC)수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)수지, 폴리아미드(PA)수지 및 폴리에테르이미드(PEI)수지 중에서 선택된 어느 하나 이상의 재질인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에서, 상기 금속 나노입자는 금, 은, 팔라듐, 백금, 구리, 니켈, 코발트, 텅스텐, 철, 알루미늄 및 이들의 합금 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속 나노입자인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에서, 상기 열처리 단계는 80 ~ 140 ℃ 로 가열하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에서, 상기 열처리 단계는 2 ~ 20분간 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에서, 상기 전기소결은 10 내지 80 V의 저전압으로 전기소결하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에서, 상기 전기소결은 1 내지 300 초 동안 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에서, 상기 인쇄된 패턴은 저항이 1.2 ㏁을 초과하는 비도전성 패턴인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에서, 상기 열처리를 통해 인쇄된 패턴은 저항이 1.2 ㏁ 이하인 도전성 패턴인 것을 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법에서, 상기 열처리를 통해 인쇄된 패턴은 저항이 1Ω 내지 10 ㏀인 도전성 패턴인 것을 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법은, 80 ~ 140 ℃로 가열된 기판에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄하는 패턴인쇄 단계; 및 상기 가열된 기판에서 열처리된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시키는 전기소결 단계;를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 종래 열소결의 소결온도보다 낮은 온도에서의 열처리를 통해 기판의 열변형은 최소화시키면서 금속 나노입자 사이를 연결하는 넥(neck)을 형성하여 저전압으로 전기소결이 가능하도록 하면서, 소결시간을 단축시키고, 우수한 소결품질을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법의 각 단계를 나타낸 모식도로서, 도 1의 (a)는 기판 상에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄하는 패턴인쇄 단계, (b)는 상기 금속 나노입자 사이가 연결(necking)되도록 140 ℃ 이하로 가열하는 열처리 단계, (c)는 상기 열처리 된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시키는 전기소결 단계를 나타내고, (d)는 전기소결을 통해 형성된 전도성 패턴의 모습을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법의 각 단계를 나타낸 모식도로서, 도 2의 (a)는 80 ~ 140 ℃로 가열된 기판에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄하는 패턴인쇄 단계, (b)는 상기 가열된 기판에서 열처리된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시키는 전기소결 단계를 나타내고, (c)는 전기소결을 통해 형성된 전도성 패턴의 모습을 나타낸다.
도 3는 실시예 1의 (1)단계에서 인쇄된 패턴의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1의 (1)단계에서 건조된 패턴의 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1의 (2)단계에서 열처리 후의 패턴의 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1의 (3)단계에서 전기소결 후의 패턴의 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 비교예 2에서 열소결 후의 패턴의 사진을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법의 각 단계를 나타낸 모식도로서, 도 1의 (a)는 기판 상에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄하는 패턴인쇄 단계, (b)는 상기 금속 나노입자 사이가 연결(necking)되도록 140 ℃ 이하로 가열하는 열처리 단계, (c)는 상기 열처리 된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시키는 전기소결 단계를 나타내고, (d)는 전기소결을 통해 형성된 전도성 패턴의 모습을 나타낸다.

먼저, 본 발명에서는 기판 상에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄한다.

본 발명에서 기판은 금속 나노입자 잉크를 이용한 인쇄전자기술에 사용되는 것이면 어떠한 것이나 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 기판의 재질은 폴리에틸렌테레프텔레이트(PET)수지, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)수지, 폴리에스터설폰(PES)수지, 폴리카보네이트(PC)수지, 폴리이미드(PI)수지, 아릴라이트(Arylite)수지, 시클릭 올레핀 공중합체(COC)수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)수지, 폴리아미드(PA)수지 및 폴리에테르이미드(PEI)수지 중에서 선택된 어느 하나 이상의 재질일 수 있다. 상기 재질로 된 기판의 유리전이온도는 특별히 한정할 필요는 없으나 130 내지 250 ℃ 일 수 있다. 특히 기판의 유리전이온도가 130 내지 200 ℃, 더욱 바람직하게는 130 내지 180 ℃인 유리전이온도가 낮고 열민감성이 높은 기판에 더욱 유리하게 본 발명의 방법이 적용될 수 있다.

본 발명에서 상기 금속 나노입자는 특별히 한정할 필요는 없으나, 금, 은, 팔라듐, 백금, 구리, 니켈, 코발트, 텅스텐, 철, 알루미늄 및 이들의 합금 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한 금속 나노입자의 크기는 1 내지 100 nm, 바람직하게는 2 내지 50 nm, 더욱 바람직하게는 3 내지 25 nm인 것이 바람직하다. 상기 상한치를 초과하면, 금속 입자의 융점이 높아져 본 발명의 열처리 조건에서 금속 입자 사이의 연결 넥(neck)이 형성되기 어렵고, 상기 하한치 미만에서는 나노입자의 특성제어가 어렵다.

본 발명의 금속 나노입자 잉크는 상기 금속 나노입자를 10 내지 50 중량% 포함하고, 금속 나노입자의 분산매로서 사용되는 유기용매가 사용될 수 있고, 필요에 따라 점성을 높이기 위해 폴리비닐피롤리돈과 같은 유기고분자가 0.1 내지 10 중량% 첨가될 수 있다.

상기 금속 나노입자 잉크가 인쇄된 패턴은 비도전성으로 저항이 1.2 ㏁을 초과하여, 100 V 정도의 전압이 인가되더라도 통전이 쉽지 않고, 더 높은 고전압의 인가를 필요로 한다.

다음으로 본 발명에서는 기판에 금속 나노입자 잉크로 패턴을 형성한 후, 패턴이 형성된 기판을 금속 나노입자 사이가 연결(necking)되도록 140 ℃ 이하로 가열하여 열처리 한다.

본 발명에서 열처리 온도는 바람직하게는 80 ~ 140 ℃, 더욱 바람직하게는 95 ~ 120 ℃, 가장 바람직하게는 90 ~ 110 ℃이다. 상기 하한치 미만에서는 열처리 시간을 증대시키더라도 금속 나노입자 사이의 넥(neck)을 형성시키기 어렵고, 상기 상한치를 초과하는 경우에는 열에 민감한 고분자로 이루어진 기판의 경우 기판의 열변형이나 손상이 발생할 수 있다.

상기 열처리 온도에서의 처리시간은 2 ~ 20 분, 바람직하게는 3 ~ 15 분, 더욱 바람직하게는 5 ~ 10 분이다. 상기 상한치를 초과하더라도 금속 나노입자 사이의 넥(neck) 형성 효과는 그에 비례하여 증대되지 않고, 더욱이 이후 전기소결을 통한 전도성 구조 형성을 위한 소결시간 단축 효과도 없지만, 상기 하한치 미만에서는 금속 나노입자 사이에 넥이 충분히 형성되지 않는다.

상기 열처리를 통해 금속 나노입자 사이에 넥이 형성되므로, 기판 상의 패턴은 저항이 1.2 ㏁ 이하, 바람직하게는 1Ω 내지 10 ㏀인 도전성 패턴이 된다.

다음으로 본 발명에서는 상기 열처리 된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시킨다. 본 발명에서는 패턴에 미리 열처리를 통해 금속 나노입자 사이에 넥이 형성되어 있으므로, 상기 전기소결은 10 ~ 80 V, 바람직하게는 20 ~ 50 V의 저전압만 인가하더라도 소결이 가능하면서, 전도성은 종래 전기소결에 비해 더욱 높아진다. 상기 본 발명에서의 전기소결은 상기 전기소결은 1 내지 300 초, 바람직하게는 2 ~ 200 초, 더욱 바람직하게는 3 ~ 100초 동안 전압을 인가한다.

한편, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법의 각 단계를 나타낸 모식도로서, 도 2의 (a)는 80 ~ 140 ℃로 가열된 기판에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄하는 패턴인쇄 단계, (b)는 상기 가열된 기판에서 열처리된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시키는 전기소결 단계를 나타내고, (c)는 전기소결을 통해 형성된 전도성 패턴의 모습을 나타낸다.

상기 방법은 기판의 유리전이온도가 160 ℃ 이상, 바람직하게는 180 내지 250 ℃인 열민감성이 상대적으로 낮은 기판에 적용될 수 있고, 패턴인쇄와 기판 가열이 동시에 수행되므로 공정이 단축되어, 공정시간을 단축할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1:

(1) 패턴이 인쇄된 기판의 제조

평균 입자크기 20 nm인 은 나노입자를 35 중량%가 트리에틸렌 글리콜 모노에틸에테르 65 중량%에 분산된 은 나노입자 잉크를 Silverjet DGP-30LT-15C로 유리전이온도가 280 ℃인 두께 225 ㎛의 폴리이미드 재질의 기판에 패턴의 높이 1 ㎛, 폭 100 ㎛, 길이 5 mm로 인쇄하였다. 상기 인쇄 후 25 ℃에서 60 분 건조한 후 기판의 저항을 LRC 미터를 이용하여 측정였으나, 저항이 100 ㏁을 초과하여 저항 측정이 불가능하였다.

인쇄된 패턴의 모식도를 도 3에 나타내었고, 건조 후 기판에 인쇄된 패턴의 사진을 도 4에 나타내었다.

(2) 기판의 열처리

상기 패턴이 인쇄된 기판을 로에 넣고 100 ℃에서 10 분동안 열처리를 실시하고, 실온으로 냉각하였다. 상기 열처리를 마친 기판의 패턴의 저항은 130 Ω으로 열처리를 통해 은 나노입자 사이에 넥이 형성되어 저항이 낮아졌음을 알 수 있었다.

상기 열처리 후의 기판의 패턴 사진을 도 5에 나타내었다.

(3) 열처리된 기판의 전기소결

상기 열처리된 기판의 패턴 양 끝단에 30 V 전압을 1초 동안 인가하여 전기소결을 실시하였다. 전기소결을 통해 기판의 패턴 저항은 19 Ω까지 낮아진 것을 확인할 수 있었다.

전기소결 후의 기판의 패턴 사진을 도 6에 나타내었다.

비교예 1:

실시예 1의 (1) 패턴이 인쇄된 기판을 건조 상태에서 패턴의 양 끝단에 100 V 전압을 5 분 동안 인가하여도 패턴의 저항이 높아 통전이 불가능하였고, 소결도 이루어지지 않았다.

비교예 2:

실시예 1의 (1) 패턴이 인쇄된 기판을 로에 넣고 220 ℃에서 60 분 동안 열소결을 실시하였다. 열소결을 통해 기판의 패턴 저항은 4 Ω까지 낮아진 것을 확인할 수 있었다.

열소결 후의 기판의 패턴 사진을 도 7에 나타내었다.

Claims (11)

1. 기판 상에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄하는 패턴인쇄 단계;
   상기 금속 나노입자 사이가 연결(necking)되도록 140 ℃ 이하로 가열하는 열처리 단계; 및
   상기 열처리 된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시키는 전기소결 단계;를 포함하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 폴리에틸렌테레프텔레이트(PET)수지, 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)수지, 폴리에스터설폰(PES)수지, 폴리카보네이트(PC)수지, 폴리이미드(PI)수지, 아릴라이트(Arylite)수지, 시클릭 올레핀 공중합체(COC)수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)수지, 폴리아미드(PA)수지 및 폴리에테르이미드(PEI)수지 중에서 선택된 어느 하나 이상의 재질인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 금, 은, 팔라듐, 백금, 구리, 니켈, 코발트, 텅스텐, 철, 알루미늄 및 이들의 합금 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속 나노입자인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 단계는 80 ~ 140 ℃ 로 가열하는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 열처리 단계는 2 ~ 20분간 수행하는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전기소결은 10 내지 80 V의 저전압으로 전기소결하는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 전기소결은 1 내지 300 초 동안 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 인쇄된 패턴은 저항이 1.2 ㏁을 초과하는 비도전성 패턴인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 열처리를 통해 인쇄된 패턴은 저항이 1.2 ㏁ 이하인 도전성 패턴인 것을 인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 열처리를 통해 인쇄된 패턴은 저항이 1Ω 내지 10 ㏀인 도전성 패턴인 것을 인 것을 특징으로 하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.
11. 80 ~ 140 ℃로 가열된 기판에 금속 나노입자 함유 잉크로 패턴을 인쇄하는 패턴인쇄 단계; 및
    상기 가열된 기판에서 열처리된 패턴에 전압을 인가하여 전기소결시키는 전기소결 단계;를 포함하는 금속 나노입자 패턴의 전기소결 방법.

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