KR20130058205A - 그라파이트를 포함하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물 및 이를 이용한 은-그라파이트 복합체 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극형성용 금속 페이스트 조성물 및 이를 이용한 은-그라파이트 복합체 전극에 관한 것이다. 본 발명에 따른 조성물은 분말 및 유기 바인더에 그라파이트계 분말을 특정 함량 범위로 더 포함하고, 비슷한 입도크기 및 두께를 갖는 판상 형태의 은 분말과 그라파이트계 분말을 사용하여 이들이 판상 구조를 이루는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명의 전극형성용 금속 페이스트 조성물은 은 분말과 그라파이트 분말의 면대면 접촉을 통해 높은 전도도를 가지므로, 은의 함유량을 줄여도 전극의 전기적 특성이 실질적으로 감소되지 않으며, 저온소성이 가능하여 각종 소자 등의 제조에 광범위하게 적용할 수 있는 장점이 있다.

Description

그라파이트를 포함하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물 및 이를 이용한 은-그라파이트 복합체 전극{METALLIC PASTE COMPOSITION FOR FORMATION OF AN ELECTRODE COMPRISIING GRAPHITE AND AG-GRAPHITE COMPOSITE ELECTRODES USIGN THE SAME}

본 발명은 전극형성용 금속 페이스트 조성물 및 이를 이용한 은-그라파이트 복합체 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 은의 일정 함량을 그라파이트로 대체하여 경제적으로 각종 회로나 전자제품에서 전극의 형성에 사용될 수 있는 금속 페이스트 조성물 및 이를 이용하여 제조된 전극에 관한 것이다.

최근 전자 산업이 발달함에 따라 전자제품 및 소자의 소형화와 높은 신뢰성이 요구되고 있으며, 높은 집적도를 요구하는 현재 전자제품의 회로 패턴이나 전극 형성을 위해 다양한 방법들이 시도되고 있다. 그 중에서 전도성 금속 페이스트를 사용하는 것이 공정 중 부산물이나 오염물질의 생성이 적어 관심의 대상이 되고 있다.

일반적으로 사용되는 금속 페이스트는 전도성 금속 및 유기 바인더를 포함하여 이루어지는데, 상기 전도성 금속으로는 대부분 귀금속인 은, 금 등이 이용되고 있다. 그러나 높은 전도도를 요구하는 분야에서 귀금속 소재를 이용한 페이스트의 사용은 제품가격을 올리게 되고, 소재에 대한 수요는 지속적으로 증가를 하고 있어서 대체소재의 개발이 절실하다.

이를 해결하기 위하여 종래 여러 가지 방법들이 시도되었다. 예를 들어 전도성 페이트스의 필러(filler)로 귀금속 이외의 금속, 즉 Cu, Ni, Al 등이 사용되었으나, 산화와 낮은 전도도로 인해 내부전극 등에의 사용이 제한되는 문제점이 있었다. 또한 다른 필러로 탄소나노튜브, 탄소나노와이어 등이 제시되었지만, 이들은 은과 형상이 달라서 접촉면적이 줄어들어 전도도를 감소시키는 문제점이 있었다. 은과 다른 소재들을 단순 혼합하여 사용하는 방법이 제시되기도 하였으나, 이 경우에는 필러의 산화방지를 위해 요구되는 첨가제의 존재로 인해 전도도 저하가 발생하였다. 그 외에도 은 나노 용액을 이용한 캡슐화 방법이 있었지만, 이 경우 균일한 은 코팅이 힘들고 제조비용이 비싸다는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명자들은 금속 페이스트로 제조되는 전극 또는 회로의 전기적 특성을 저하시키지 않으면서도 고가의 은의 사용량을 줄임으로써 경제성을 높일 수 있는 새로운 전도성 페이스트 조성물을 개발하고자 하였다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 은 분말 및 유기 바인더를 포함하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물에 그라파이트계 분말을 더 포함하고, 상기 그라파이트계 분말의 함량이 은 분말 100 중량부에 대하여 25 중량부 이하이며, 상기 은 분말 및 그라파이트계 분말이 판상 구조를 이루는 전극형성용 금속 페이스트 조성물을 제공한다.

본 발명은 특정 함량 범위의 그라파이트계 분말을 사용하고, 판상형의 은 분말과 그라파이트계 분말을 사용하여 은과 그라파이트의 연결이 면대면(flake to flake)으로, 즉 판상구조로 이루어지게 함으로써, 은의 사용량을 줄이더라도 전기적 특성이 저하되지 않는 회로 또는 전극을 형성할 수 있는 금속 페이스트를 제공한다. 나아가 이러한 본 발명의 금속 페이스트 조성물은 500℃ 이하에서 30초 내지 1시간 범위 내에서 저온소성 또는 저온건조가 가능하므로, 낮은 온도에서 소성 또는 건조가 필요한 제품을 포함하여 보다 광범위한 적용을 할 수 있다.

이 때, 상기 은 분말은 평균 입도 크기가 1~250 마이크로미터, 두께가 3~600 나노미터, 그리고 상기 그라파이트계 분말은 평균 입도 크기가 0.1~200 마이크로미터, 두께가 3~600 나노미터인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 상기의 페이스트 조성물을 소성시켜 형성되며, 그라파이트계 물질이 전극 내부에 분산되어 있는 은-그라파이트 복합체 전극을 제공한다.

본 발명의 전극형성용 금속 페이스트 조성물은 은의 함량이 종래보다 낮지만 그로부터 제조되는 회로 또는 전극의 전기적 특성이 실질적으로 저하되지 않고 500℃ 이하의 온도에서 저온소성이 가능한 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 페이스트 조성물을 사용하면 전극의 성능은 저하되지 않으면서도 고가의 은의 사용량 등을 줄일 수 있으므로 그로부터 제조되는 전기제품의 제조비용을 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 판상형의 은 분말 및 그라파이트 분말을 포함하는 금속 페이스트 조성물의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 실시예에서 사용된 판상형 은 분말의 SEM 사진이다.
도 3은 실시예에서 사용된 판상형 그라파이트 분말의 SEM 사진이다.
도 4는 실시예에서 사용된 판상형 은 분말과 판상형 그라파이트 분말의 혼합물의 SEM 사진이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 금속 페이스트 조성물은 종래 전도성 금속 페이스트가 사용되는 분야에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 IC, 반도체 IC의 실장이나 각종 콘덴서 및 전극 등에 사용될 수 있으며, 보다 상세하게는 PCB, EL, 터치패널, RFID, LCD, PDP, 태양전지, 발열유리용 전극재료 등에 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 금속 페이스트 조성물은 전술한 바와 같이, 은 분말 및 유기 바인더를 포함하며, 특히 그라파이트계 분말을 특정 함량 범위로 더 포함하고, 은 분말과 그라파이트계 분말이 판상 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명은 금속 페이스트 조성물의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로, 은 분말(100)과 그라파이트계 분말(200)이 면대면 접촉을 통해 판상 구조를 이루고 있는 것을 보여준다.

본 발명에서 은 분말과 그라파이트계 분말은 각각 판상(flake) 형태의 것을 사용한다. 이로 인해 본 발명의 페이스트 조성물은 은과 그라파이트의 연결이 면대면으로 이루어지게 되어 접촉면적이 증가함으로써, 감소된 은의 함량에도 불구하고 높은 전도도를 가질 수 있다.

본 발명에서 상기 그라파이트계 물질은 판상 형태를 가지는 것이면 특별히 제한이 없으나, 예컨대 그라파이트, 그래핀, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

본 발명의 금속 페이스트 조성물에 있어서, 그라파이트계 분말은 은 분말을 대체할 수 있도록 그와 비슷한 형상을 가지는 것을 이용함이 바람직한데, 구체적으로는 은 분말과 동일한 판상 형태를 가지면서 그와 동일 내지 유사한 수준의 입도크기 및 두께를 가지는 것을 이용하는 것이 좋다.

은 분말과 그라파이트계 분말의 입도크기 및 두께는 상호 비슷한 범위 내에 있으면 특별히 제한이 없으나, 예를 들면, 은 분말은 평균 입도 크기가 1~250 마이크로미터, 두께가 3~600 나노미터인 것을, 그라파이트계 분말은 평균 입도 크기가 0.1~200 마이크로미터, 두께가 3~600 나노미터인 것을 사용함이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 은 분말은 평균 입도 크기가 1~100 마이크로미터, 두께는 3~300 나노미터인 것을 사용하고, 그라파이트계 분말은 평균 입도 크기가 1~150 마이크로미터, 두께가 3~300 나노미터인 것을 사용하는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 은 분말은 평균 입도 크기가 1~50 마이크로미터, 두께는 10~200 나노미터, 그리고 그라파이트계 분말은 평균 입도 크기가 1~30 마이크로미터, 두께가 10~200 나노미터인 것이 좋다.

은 분말과 그라파이트계 분말의 평균 입도 크기 및 두께가 상기 범위를 벗어나면 이를 이용하여 제조된 전극의 성능이 실질적으로 저하되는 결과가 발생할 수 있다.

본 발명의 금속 페이스트 조성물에 있어서, 상기한 그라파이트계 분말의 함량은 은 분말 100 중량부에 대하여 25 중량부 이하인 것이 바람직하다. 25 중량부를 초과하면 형성된 전극의 비저항이 지나치게 높아져 전극으로서의 역할을 할 수 없게 된다. 그리고, 본 발명에 따른 그라파이트계 분말이 금속 페이스트에 포함되기만 하면 본 발명에서 목적하는 효과를 얻을 수 있으므로, 상기 하한의 함량은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 은 분말 100 중량부에 대하여 1 중량부, 바람직하게는 0.1 중량부일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 금속 페이스트 조성물에 있어서, 선택적으로 당분야에서 통상적으로 사용되는 전도성 금속 성분을 더 첨가할 수 있다. 예를 들면, 구리, 알루미늄, 니켈 또는 이들의 산화물 등이 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합되어 요구되는 특성을 더 부여할 수 있다.

상기 은 분말, 그라파이트 분말 및 선택적인 전도성 금속 성분의 혼합물을 페이스트 상으로 제조하기 위해 유기 바인더를 더 첨가한다. 본 발명에서 사용되는 유기 바인더는 금속 페이스트 조성물을 제조하기 위해 당분야에서 사용되는 유기 바인더라면 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 셀룰로오스, 부틸카르비톨, 터피네올, 에스터 계열, 우레탄 계열 등이 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합되어 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 금속 페이스트 조성물에 있어서 유기 바인더는 금속 페이스트 조성물의 구체적인 용도에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들면 상기 유기 바인더는 은 분말 100 중량부에 대하여 10 내지 55 중량부가 포함될 수 있다.

유기 바인더가 상기 범위 내로 포함되면, 전극 형성이 용이하고, 스크린 프린팅 등에 매우 용이한 점도를 가질 수 있을 뿐만 아니라 스크린 프린팅 후 페이스트가 흘러내리는 것을 방지하여 적합한 종횡비(Aspect ratio)를 나타낼 수 있다.

판상형의 은 분말과 그라파이트계 분말, 그리고 유기 바인더를 준비한 후 이들의 혼합물이 균일하게 분산되도록 당분야에 알려진 다양한 방법으로 혼합시키면 본 발명의 금속 페이스트 조성물을 얻을 수 있다.

나아가 이러한 본 발명의 금속 페이스트 조성물은 당분야에서 알려진 통상의 첨가제, 예컨대 분산제, 분산촉진제, 경화제, 경화촉진제, 계면활성제, 용매 등을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 금속 페이스트 조성물을 요구되는 목적에 따라 소정 기판에 도포시킨 후 소성 과정을 거쳐서 제조될 수 있는 은-그라파이트 복합체 전극을 제공한다.

본 발명의 은-그라파이트 복합체 전극은, 그 제조과정 중 소성 과정에서 전극의 표면 주위에 있는 그라파이트 성분이 대기 중의 산소와 반응하여 이산화탄소 등의 기체를 형성하고 소실된다. 따라서, 본 발명의 은-그라파이트 복합체 전극은 외부로 드러나는 전극 표면에는 그라파이트 성분이 실질적으로 존재하지 않게 되어 전극의 외부는 은 전극 고유의 색을 갖게 되며, 그라파이트는 전극 내부에만 분산된 형태로 존재하게 된다.

본 발명의 은-그라파이트 복합체 전극은 표면에서 비저항 값이 은 전극과 큰 차이를 나타내지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 은-그라파이트 복합체 전극의 비저항은 0.1~6(E-05)Ω·cm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 본 발명 전극의 비저항은 0.1~5.5(E-0.5) Ω·cm 범위이다.

본 발명의 은-그라파이트 복합체 전극은 제조과정 중 그라파이트 성분의 일부가 소실되므로, 페이스트 상태에서의 은과 그라파이트의 중량비와는 다른 중량비를 가질 수 있다. 이는 소성 온도, 소성 시간 등 제조과정에 따라 다양한 값을 가질 수 있으며, 예를 들면, 은:그라파이트 = 1:0.001~0.25 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 은-그라파이트 복합체 전극을 얻기 위한 적절한 소성 온도는 통상적으로 전도성 페이스트에 적용되는 소성온도가 채택될 수 있으나, 500℃ 이하의 저온에서도 소성이 가능하며, 바람직하게는 100~500 ℃일 수 있다. 그러나 이는 예시일 뿐으로 필요에 따라 변경이 가능하다.

이러한 본 발명의 금속 페이스트 조성물은 감소된 은의 함량에도 불구하고 그로부터 제조되는 전극 또는 회로의 전기적 특성을 실질적으로 저하시키지 않을 뿐만 아니라 저온소성이 가능하다는 장점이 있으므로, 태양전지를 포함하여 각종 전기재료나 전자소자 및 전자제품에 광범위하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적을 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명은 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

실시예 1 내지 4

먼저, 평균입도크기가 7~9㎛, 두께가 100nm인 판상형 은 분말을 준비하였다. 도 2는 이러한 은 분말의 SEM 사진이다. 이어서 평균입도크기가 5~7㎛, 두께가 60nm인 역시 판상형 그라파이트 분말을 준비하였다. 도 3은 상기한 그라파이트 분말의 SEM 사진이다. 하기 표 1에 나타낸 조성에 따라, 준비한 은 분말, 그라파이트 분말을 혼합하여 균일하게 교반한 후, 터피네올, 에스터 및 우레탄이 2:5:5의 중량비로 혼합된 유기 바인더를 첨가하고 교반하여 금속 페이스트 조성물을 제조하였다. 도 4는 상기 판상형 은 분말과 판상형 그라파이트 분말의 혼합물의 SEM 사진을 나타낸 것으로, 여기에서 보면 본 발명의 금속 페이스트 조성물은 은 분말과 그라파이트 분말이 판상 구조를 이루고 있는 것을 확인할 수 있다.

비교예 1

그라파이트 분말을 사용하지 않은 것을 제외하고는 하기 표 1에 나타낸 조성에 따라 실시예와 동일한 방법으로 금속 페이스트 조성물을 제조하였다.

비교예 2 내지 3

은 입자의 평균입경이 7㎛인 구형의 은 분말(비교예 2) 또는 평균입경이 0.8㎛인 구형의 은 분말(비교예 3)을 사용한 것을 제외하고는 하기 표 1에 나타낸 조성에 따라 실시예와 동일한 방법으로 금속 페이스트 조성물을 제조하였다.

비교예 4

평균 입도 크기가 0.05㎛인 그라파이트 분말을 사용한 것을 제외하고는 하기 표 1에 나타낸 조성에 따라 실시예와 동일한 방법으로 금속 페이스트 조성물을 제조하였다.

비교예 5

하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 그라파이트 분말을 본 발명의 범위를 벗어나도록 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 금속 페이스트 조성물을 제조하였다.

	은	그라파이트	유기 바인더
실시예 1	100	0.5	20
실시예 2	100	5	20
실시예 3	100	10	20
실시예 4	100	25	20
비교예 1	100	0	20
비교예 2	100	10	20
비교예 3	100	10	20
비교예 4	100	10	20
비교예 5	100	30	20
* 단위: 중량부

실험예 : 전도도 측정

상기 실시예 1~4, 비교예 1~5의 조성물로 각각 전극을 형성시킨 후, 그 전도도를 평가하였다.

전극은 제조된 금속 페이스트 조성물을 유리 기판 위에 스크린 프린팅 방식을 이용하여 인쇄 후, 400℃에서 5분간 소성하여 형성하였다. 소성이 완료된 전극은 4-point probe를 이용하여 비저항을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

표 2에 나타난 바와 같이, 은 분말만을 사용한 비교예 1 대비 본 발명에 따른 실시예 1~4의 페이스트 조성물은 모두 비저항값이 크게 변화하지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나 판상의 은 분말을 사용하지 않아 은 분말과 그라파이트 분말이 판상 구조를 이루지 못하거나, 본 발명의 범위를 벗어난 크기의 은 분말 또는 그라파이트 분말을 사용하거나, 또는 그라파이트 분말을 은 100 중량부에 대하여 25 중량부 초과로 사용한 비교예 2~5의 경우에는 비저항이 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.

전극	비저항(E-05, Ω·cm)
실시예 1	3.40
실시예 2	3.00
실시예 3	4.05
실시예 4	5.12
비교예 1	3.50
비교예 2	7.65
비교예 3	6.12
비교예 4	8.35
비교예 5	15.38

100: 판상형 은 분말
200: 판상형 그라파이트 분말

Claims (8)

1. 은 분말 및 유기 바인더를 포함하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물에 있어서,
   그라파이트계 분말을 더 포함하고,
   상기 그라파이트계 분말의 함량은 은 분말 100 중량부에 대하여 25 중량부 이하이며,
   상기 은 분말 및 그라파이트계 분말은 판상 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 은 분말과 그라파이트계 분말은 판상(flake) 형태를 가지고,
   상기 은 분말은 평균 입도 크기가 1~250 마이크로미터, 두께가 3~600 나노미터이고,
   상기 그라파이트계 분말은 평균 입도 크기가 0.1~200 마이크로미터, 두께가 3~600 나노미터인 것을 특징으로 하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물.
3. 제1항에 있어서,
   상기 그라파이트계 분말은 그라파이트, 그래핀 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 유기바인더는 셀룰로오스, 부틸카르비톨, 터피네올, 에스터 계열 및 우레탄 계열로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물.
5. 제1항에 있어서,
   상기 유기바인더의 함량은 은 분말 100 중량부에 대하여 10~55 중량부인 것을 특징으로 하는 전극형성용 금속 페이스트 조성물.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 소성시켜 형성되며, 그라파이트계 물질이 전극 내부에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 은-그라파이트 복합체 전극.
7. 제6항에 있어서,
   상기 은-그라파이트 복합체 전극은 전극 표면의 비저항이 0.1~6 Ω·cm 인 것을 특징으로 하는 은-그라파이트 복합체 전극.
8. 제6항에 있어서,
   상기 소성 온도는 100~500 ℃인 것을 특징으로 하는 은-그라파이트 복합체 전극.

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