KR20130066929A - 패턴 형성 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도전성 회로 패턴을 형성하기 위해 사용되는 패턴 형성 조성물에 관한 것으로, 상기 패턴 형성 조성물은 구리 입자(Cu powder), 상기 구리 입자를 전기적으로 결합시키는 결합제, 고분자 수지, 경화제 및 환원제를 포함한다. 이러한 본 발명은 저가의 비용으로 도전성이 우수한 회로 패턴을 형성할 수 있다.

Description

패턴 형성 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법{PATTERN FORMING COMPOSITION AND PATTERN FORMING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 도전성 회로 패턴을 형성하기 위한 조성물 및 이를 이용하여 기판에 도전성 회로 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기판에 도전성 회로 패턴을 형성하기 위해서는 포토 마스크를 이용하여 노광 및 에칭 공정을 거치는 방식이 적용된다. 그러나, 포토 마스크를 이용하는 방식은 공정이 복잡하고 미세한 회로 패턴을 형성하는데 한계가 있다.
따라서, 미세한 회로 패턴을 편리하게 형성하기 위해 금(Au) 또는 은(Ag) 등을 함유하는 페이스트를 기판에 도포한 후 경화시켜 회로 패턴을 형성하는 방식이 제안되었다. 이와 관련된 기술로는 한국공개특허 제2008-0026165호(은 페이스트 조성물, 및 그것을 이용한 도전성 패턴의 형성 방법 및 그의 도전성 패턴) 및 한국공개특허 제2010-0046285호(미소 은 입자 함유 조성물, 그 제조방법, 미소 은 입자의 제조방법 및 미소 은 입자를 갖는 페이스트)를 들 수 있다.
그러나, 금 또는 은 등의 귀금속 성분은 가격이 비싸기 때문에 이를 함유하는 페이스트를 이용할 경우 회로 패턴의 형성 비용이 과도하게 소비되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 저가의 비용으로 미세한 회로 패턴을 편리하게 형성할 수 있는 패턴 형성 방법 및 이를 위한 패턴 형성 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 구리 입자(Cu powder); 상기 구리 입자를 전기적으로 결합시키는 결합제; 고분자 수지; 경화제; 및 환원제를 포함하는 패턴 형성 조성물을 제공한다.
이때, 상기 결합제는 주석(Sn), 비스무트(Bi), In(인듐), Ag(은), Pb(납) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상일 수 있다.
또한, 상기 패턴 형성 조성물은 은 입자(Ag power)를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은, 구리 입자(Cu powder), 상기 구리 입자를 전기적으로 결합시키는 결합제, 고분자 수지, 경화제 및 환원제를 포함하는 패턴 형성 조성물을 준비하는 단계; 및 상기 패턴 형성 조성물을 기판에 인쇄하여 회로 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.
여기서, 상기 패턴 형성 방법은 형성된 회로 패턴을 전해 도금하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이외에도 본 발명은 상기 패턴 형성 방법으로 형성된 도전성 회로 패턴을 제공한다.
본 발명은 가격이 저렴한 구리(Cu)를 함유하는 패턴 형성 조성물을 이용하여 회로 패턴을 형성하기 때문에 패턴 형성 비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명은 구리의 전기적 결합을 높이도록 결합제를 포함하기 때문에 본 발명의 조성물로 회로 패턴을 형성할 경우 도전성이 우수한 회로 패턴을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 패턴 형성 조성물이 경화된 상태를 나타낸 것이다.
도 2 내지 5는 본 발명의 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 실시예를 통해 형성된 회로 패턴을 관찰한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 패턴 형성 조성물
본 발명은 구리 입자(Cu powder), 결합제, 고분자 수지, 경화제 및 환원제를 포함하는 패턴 형성 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 조성물에 포함되는 구리 입자(Cu powder)는 도전성을 나타내는 것으로, 그 형태는 특별히 한정되지 않으나 구형 또는 플레이크형일 수 있다. 또한, 사용되는 구리 입자의 직경도 특별히 한정되지 않으나, 2~10㎛인 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 조성물에 포함되는 구리 입자는 회로 패턴의 도전성 및 패턴 형성을 위한 작업성 등을 고려할 때, 조성물 100중량%를 기준으로 30~50중량%(더욱 바람직하게는, 35~48중량%)로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물에 포함되는 결합제(solder)는 회로 패턴의 도전성을 높이기 위해 구리 입자들을(예를 들어, 제1 및 제2 구리 입자) 전기적으로 결합시키는 것으로, 사용 가능한 물질은 특별히 한정되지 않으나, 주석(Sn), 비스무트(Bi), 인듐(In), 은(Ag), 납(Pb) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 혼합한 것이 바람직하다. 이 중에서도 결합제로는 주석(Sn)과 비스무트(Bi)의 혼합물(60Sn/40Bi), 인듐(In)과 주석(Sn)의 혼합물(52In/48Sn), 인듐(In)과 은(Ag)의 혼합물(97In/3Ag), 비스무트(Bi)와 주석(Sn)과 은(Ag)의 혼합물(57Bi/42Sn/1Ag), 비스무트(Bi)와 주석(Sn)의 혼합물(58Bi/42Sn), 비스무트(Bi)와 납(Pb)과 주석(Sn)의 혼합물(52Bi/32Pb/16Sn) 및 주석(Sn)과 은(Ag)과 구리(Cu)의 혼합물(96.5Sn/3Ag/0.5Cu)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 더욱 바람직하다(결합제 100% 기준)
상기 결합제의 형태는 특별히 한정되지 않으나, 구형일 수 있다. 또한, 결합제의 직경도 특별히 한정되지 않으나, 2~11㎛인 것이 바람직하다. 이와 같은 결합제는 구리 입자들 사이의 공간에 위치하여 서로 떨어져 있는 구리 입자들을 결합시키기 때문에 본 발명의 조성물로 회로 패턴을 형성할 경우 회로 패턴의 도전성을 높일 수 있다(도 1 참조).
이러한, 본 발명의 조성물에 포함되는 결합제는 회로 패턴의 도전성을 고려할 때, 조성물 100중량%를 기준으로 30~50중량%(더욱 바람직하게는, 35~48중량%)로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물에 포함되는 고분자 수지(polymer resin)는 바인더 역할을 수행한다. 이러한 고분자 수지로 사용 가능한 물질은 특별히 한정되지 않으나, 디글리시딜 에테르 비스페놀 에이(diglycidyl ether of bisphenol A), 테트라글리시딜 4,4-디아미노디페닐 메탄(tertraglycidyl 4,4'-diaminodiphenyl methane), 트리 디아미노디페닐 메탄(tri diaminodiphenyl methane), 이소시아네이트(isocyanate) 및 비스말레이미드(bismaleimide)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
이러한, 본 발명의 조성물에 포함되는 고분자 수지는 회로 패턴의 도전성 및 패턴 형성시 작업성을 고려할 때, 조성물 100중량%를 기준으로 1~20중량%(더욱 바람직하게는, 2~16중량%)로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물에 포함되는 경화제(curing agent)는 아민(amine) 계열과 무수물(anhydride) 계열을 사용할 수 있다. 이때, 아민 계열 경화제의 비제한적인 예로는, m-페닐렌디아민(m-phenylenediamine, MPDA), 디아미노디페닐 메탄(diaminodiphenyl methane, DDM) 및 디아미노디페닐 설폰(diaminodiphenyl sulphone, DDS)을 들 수 있으며, 무수물 계열 경화제의 비제한적인 예로는, 메틸 나딕 무수물(methyl nadic anhydride, MNA), 도데세닐 숙신 무수물(dodecenyl succinic anhydride, DDSA), 말릭 무수물(maleic anhydride, MA), 숙신 무수물(succinic anhydride, SA), 메틸 테트라하이드로프탈릭 무수물(methyl tetrahydrophthalic anhydride, MTHPA), 헥사하이드로프탈릭 무수물(hexahydrophthalic Anhydride, HHPA), 테트라하이드로프탈릭 무수물(tetrahydrophthalic anhydride, THPA) 및 피로멜리틱 이무수물(pyromellitic dianhydride, PMDA)을 들 수 있다. 여기서, 경화제로 무수물 계열을 사용할 경우 상기 결합제는 조성물의 경화를 촉진시키는 경화촉매제 역할을 수행할 수도 있다.
이러한 경화제의 당량비는 고분자 수지에 대해 0.4~1.2를 가질 수 있다. 구체적으로, 고분자 수지를 이루는 단량체의 작용기에 대한 경화제 작용기의 당량비가 0.4~1.2 범위인 것이다.
한편, 본 발명의 조성물에 포함되는 경화제는 회로 패턴 형성시 작업성을 고려할 때, 조성물 100중량%를 기준으로 1~15중량%(더욱 바람직하게는, 1.5~11.5중량%)로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물에 포함되는 환원제(reductant)는 조성물 내 산화물(주로 구리 입자에 의해 형성됨)을 제거하는 역할을 수행한다. 이때, 환원제로 사용 가능한 물질은 특별히 한정되지 않으나, 카르복실기(-COOH)를 포함하는 것을 사용할 수 있다. 구체적으로, 환원제의 비제한적인 예로는 글루타르산(glutaric acid), 말산(malic acid), 아젤라산(azelaic acid), 아비에트산(abietic acid), 아티프산(adipic acid), 아스코르브산(ascorbic acid), 아크릴산(acrylic acid) 및 시트르산(citric acid) 등을 들 수 있다.
이러한 본 발명의 조성물에 포함되는 환원제는 구리입자와 결합제 간의 젖음특성 및 환원 특성을 고려할 때, 조성물 100중량%를 기준으로, 0.1~5중량%(더욱 바람직하게는, 0.4~3중량%)로 포함되는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 조성물은 회로 패턴의 도전성을 높이기 위해 은 입자(Ag power)를 더 포함할 수 있다. 이때, 사용되는 은 입자의 형태는 특별히 한정되지 않으나, 구형 또는 플레이크형일 수 있다. 또한, 사용되는 은 입자의 직경은 특별히 한정되지 않으나 2~10㎛인 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 조성물에 더 포함되는 은 입자는 회로 패턴의 도전성 및 비용을 고려할 때, 조성물 100중량%를 기준으로, 0.1~15중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
이외에도 본 발명의 조성물은 경화반응을 촉진시키기 위해 경화촉매제와, 구리 입자와 결합제의 결합력 및 젖음 특성을 높이기 위해 변형제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 조성물에 더 포함되는 경화촉매제(curing catalyst agent)로 사용 가능한 물질은 특별히 한정되지 않으나, 비제한적인 예로 벤질 디메틸 아민(benzyl dimethyl amine, BDMA), 보론 트리플루라이드 모노에틸아민 착물(boron trifluoride monoethylamine complex, BF3-MEA), 디메틸아미노 메틸 페놀(dimethylamino methyl phenol-30, DMP-30), 디메틸 벤졸 아민(dimethyl benzol amine, DMBA) 및 메틸요오드(Methyl iodide) 등을 들 수 있다.
본 발명의 조성물에 더 포함되는 변형제(deforming agent)로 사용 가능한 물질은 특별히 한정되지 않으나, 비제한적인 예로 아크릴레이트 올리고머(acrlylate oligomer), 폴리글리콜(polyglycols), 글리세라이드(glycerides), 폴리프로필렌 글리콜(polypropylene glycol), 디메틸 실리콘(dimethylsilicon), 시메치콘(simethicone), 트리부틸 포스페이트(tributyl phosphate), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 등을 들 수 있다.
이러한, 본 발명의 조성물에 추가로 포함될 수 있는 경화촉매제 및 변형제는 회로 패턴의 도전성 및 패턴 형성시 작업성을 고려할 때, 조성물 100중량%를 기준으로, 0.01~0.1중량%(더욱 바람직하게는, 0.01~0.078중량%)로 포함되는 것이 바람직하다.
2. 패턴 형성 방법 및 도전성 회로 패턴
본 발명은 상기에서 설명한 조성물을 이용하여 회로 패턴을 형성하는 방법 및 이로 인해 형성된 도전성 회로 패턴을 제공하는데, 이에 대해서 도면을 참조하여 설명하면 하기와 같다.
먼저, 구리 입자(Cu powder), 상기 구리 입자를 전기적으로 결합시키는 결합제, 고분자 수지, 경화제 및 환원제를 포함하는 패턴 형성 조성물을 준비한다. 이때, 패턴 형성 조성물에 대한 설명은 상기에서 설명한 바와 동일하므로 생략하기로 한다.
조성물이 준비되면, 기판(20) 상에 조성물을 인쇄하여 도전성 회로 패턴(21)을 형성한다(도 2 및 3 참조). 이때, 기판(20)으로 사용 가능한 것은 특별히 한정되지 않으나, 연성(flexible) 기판, 세라믹(ceramic) 기판, 실리콘(silicon) 기판 등을 사용할 수 있다. 또한, 회로 패턴(21)을 인쇄하는 방법은 당업계에 공지된 방법이라면 특별히 한정되지 않으나, 스크린 인쇄가 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 패턴 형성 방법은 형성된 회로 패턴(21)의 전기적 연결력을 높이고, 후속 공정인 솔더링 공정을 원활하게 하기 위해 형성된 회로 패턴을 전해 도금(22)하는 과정을 더 포함할 수 있다(도 4 및 5 참조). 구체적으로, 회로 패턴이 형성된 기판을 전해 도금 용액에 담근 후 일정시간 전류를 가하여 회로 패턴을 전해 도금하는 것이다. 이때, 전해 도금 용액으로는 구리, 니켈 또는 금 등의 금속을 사용할 수 있으며, 전해 도금 용액에 담그는 시간 및 가해지는 전류의 세기는 도금하고자 하는 두께(회로 패턴 상에 도금되는 두께)에 따라 조절할 수 있다.
이와 같은 과정을 통해 본 발명은 도전성이 우수하고, 균일한 두께를 가지는 회로 패턴을 저가의 비용으로 용이하게 형성할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
1. 패턴 형성 조성물 제조
직경 3㎛의 구리 플레이크 40중량%, 결합제로 주석 58%와 비스무트 42%의 혼합물 38중량%, 고분자 수지로 디글리시딜 에테르 비스페놀 A 12중량%, 경화제로 디아미노 디페닐 설폰 7.94중량%, 환원제로 말산 2중량% 및 경화 촉매제로 보론 트리플루라이드 모노에틸 아민 착물 0.06중량%를 혼합하여 조성물을 제조하였다.
2. 도전성 패턴 형성
기판 상에 스크린 프린팅 공정을 이용하여 10㎜×10㎜ 크기로 상기에서 제조된 조성물을 도포한 후 약 70℃/min 이상의 가온 조건에서 180℃까지 승온시키고, 약 5분 동안 경화하여 도전성 회로 패턴을 형성하였다(도 6 참조).
이후, 10㎜×10㎜ 크기로 형성된 회로 패턴의 하부(10mm×5mm)는 테이프로 가리고 상부(10mm×5mm)는 전해 도금 용액에 담궈 전해 도금을 추가로 실시하였다. 이때, 전해 도금은 38℃의 구리 전해 도금 용액을 이용하였으며, 40mA/㎠의 전류밀도를 적용하여 10분 동안 이루어졌다.
[ 실험예 ]
1. 도전성 측정
상기 실시예에서 전해 도금을 하기 전인 회로 패턴의 형성 두께 및 도전성을 당업계에 공지된 방법으로 측정하였다. 측정결과 형성된 회로 패턴의 두께는 약 65㎛이고 대각선 모서리간의 전기적 저항은 약 0.4Ω으로 측정되었다.
2. 전해 도금한 회로 패턴의 이미지 촬영
상기 실시예에서 전해 도금을 실시한 기판을 전자주사현미경(SEM)으로 촬영하였으며, 그 결과를 하기 도 8에 나타내었다. 도 8을 참고하면 전해 도금이 잘 이루어진 것을 확인할 수 있다.
10 : 구리 플레이크(Cu flake)
11 : 결합제
20 : 기판
21 : 회로 패턴
22 : 전해 도금

Claims (14)

  1. 구리 입자(Cu powder);
    상기 구리 입자를 전기적으로 결합시키는 결합제;
    고분자 수지;
    경화제; 및
    환원제를 포함하는 패턴 형성 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구리 입자의 직경은 2~10㎛인 것을 특징으로 하는 패턴 형성 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결합제는 주석(Sn), 비스무트(Bi), 인듐(In), 은(Ag), 납(Pb) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상인 것을 특징으로 하는 패턴 형성 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결합제는 주석(Sn)과 비스무트(Bi)의 혼합물, 인듐(In)과 주석(Sn)의 혼합물, 인듐(In)과 은(Ag)의 혼합물, 비스무트(Bi)와 주석(Sn)과 은(Ag)의 혼합물, 비스무트(Bi)와 주석(Sn)의 혼합물, 비스무트(Bi)와 납(Pb)과 주석(Sn)의 혼합물 및 주석(Sn)과 은(Ag)과 구리(Cu)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 패턴 형성 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 디글리시딜 에테르 비스페놀 에이(diglycidyl ether of bisphenol A), 테트라글리시딜 4,4-디아미노디페닐 메탄(tertraglycidyl 4,4'-diaminodiphenyl methane), 트리 디아미노디페닐 메탄(tri diaminodiphenyl methane), 이소시아네이트(isocyanate) 및 비스말레이미드(bismaleimide)로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 패턴 형성 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    패턴 형성 조성물 100중량%를 기준으로,
    상기 구리 입자(Cu powder) 30~50중량%;
    상기 결합제 30~50중량%;
    상기 고분자 수지 1~20중량%;
    상기 경화제 1~15중량%; 및
    상기 환원제 0.1~5중량%를 포함하는 패턴 형성 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    은 입자(Ag power)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 조성물.
  8. 구리 입자(Cu powder), 상기 구리 입자를 전기적으로 결합시키는 결합제, 고분자 수지, 경화제 및 환원제를 포함하는 패턴 형성 조성물을 준비하는 단계; 및
    상기 패턴 형성 조성물을 기판에 인쇄하여 회로 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    형성된 회로 패턴을 전해 도금하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 구리 입자의 직경은 2~10㎛인 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 결합제는 주석(Sn), 비스무트(Bi), 인듐(In), 은(Ag), 납(Pb) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상인 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 결합제는 주석(Sn)과 비스무트(Bi)의 혼합물, 인듐(In)과 주석(Sn)의 혼합물, 인듐(In)과 은(Ag)의 혼합물, 비스무트(Bi)와 주석(Sn)과 은(Ag)의 혼합물, 비스무트(Bi)와 주석(Sn)의 혼합물, 비스무트(Bi)와 납(Pb)과 주석(Sn)의 혼합물 및 주석(Sn)과 은(Ag)과 구리(Cu)의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 패턴 형성 조성물은 은 입자(Ag power)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 하나의 방법으로 형성된 도전성 회로 패턴.
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