KR20130075164A

KR20130075164A - 구리분말, 구리 페이스트 및 구리분말 제조방법

Info

Publication number: KR20130075164A
Application number: KR1020110143416A
Authority: KR
Inventors: 이귀종; 이영일; 권지한; 김동훈
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-05
Also published as: JP2013136840A; US20130164553A1; KR101353149B1; CN103182504A

Abstract

본 발명은 구리분말, 구리 페이스트 및 구리분말 제조방법에 관한 것으로, 구리입자의 표면에 아산화구리막이 성긴 구조로 형성되어 이루어지는 구리분말을 제공하여 구리입자의 자연산화를 방지하고, 저온소성이 가능하며, 도전성이 향상될 수 있도록 한다는 유용한 효과를 제공한다.

Description

구리분말, 구리 페이스트 및 구리분말 제조방법{COPPER POWDER, COPPER PASTE AND MANUFACTURING MEHTOD FOR COPPER POWDER}

본 발명은 구리분말, 구리 페이스트 및 구리분말 제조방법에 관한 것이다.

구리는 은(銀)과 비슷한 수준의 비저항 값을 보이는 반면에, 은에 비하여 재료비가 매우 낮기 때문에, 현재 대부분의 전자부품의 전기배선을 위하여 사용되고 있다.

그러나, 구리분말을 이용하여 구리 페이스트를 형성할 경우 구리분말이 자연산화되거나 소결 등을 위한 열처리시 산화됨으로써 도전성이 낮아지는 문제점이 있었다.

한편, 나노 사이즈의 구리 입자를 사용하여 페이스트를 형성하고, 이 페이스트를 이용하여 도전패턴을 형성하는 기술이 제안되고 있다.

일 예로써, 특허문헌1에는 나노 사이즈의 구리 입자를 포함하는 페이스트를 약 350℃에서 소결하여 구리금속배선을 형성하는 기술이 소개되어 있다.

일반적으로, 소결온도가 높을 수록 금속의 산화가 심화되어 도전성이 감소하는 문제가 있다.

상기와 같은 고온소결시의 도전성 감소문제를 해결하기 위하여 구리 입자의 소결온도를 낮추기 위하여 구리 입자의 표면을 은으로 코팅하는 기술이 특허문헌2에 제안되기도 하였으나, 은 코팅을 위하여 제조공정이 추가되며 재료비가 상승한다는 한계가 있었다.

1. 대한민국특허공개 제2005-0101101호 2. 대한민국특허공개 제2005-0104357호

상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은 저온소결이 가능하면서도 소결 후 도전성이 향상될 수 있는 구리분말을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 구리분말을 제조하는 방법을 제공하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 구리분말을 포함하는 구리 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말은 구리입자 및 상기 구리입자 표면에 형성된 아산화구리막을 포함할 수 있다.

이때, 상기 구리분말은 직경이 0.1 내지 10 um일 수 있다.

또한, 상기 아산화구리막의 중량은 상기 구리분말의 중량을 기준으로 5 내지 20wt%일 수 있다.

또한, 상기 아산화구리막의 두께는 상기 구리분말의 직경 대비 2 ~ 10 %일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 구리분말은, 구리입자 표면 전체를 외기로부터 차단되도록 밀폐하는 아산화구리막이 구비되어 이루어질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 구리 페이스트는, 구리입자 표면에 아산화구리막이 형성된 구리분말, 바인더, 용제를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 구리분말 제조방법은, 구리입자를 염기성 수용액에 투입 및 교반하여 제1용액을 제조하는 단계; 상기 제1용액에 지방산을 투입하여 제2용액을 제조하는 단계; 및 상기 제2용액에서 구리입자를 분리정제하고 대기중에 방지하여, 상기 구리입자 표면에 아산화구리막을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 구리분말은 직경이 0.1 내지 10 um일 수 있다.

또한, 상기 아산화구리막의 중량은 상기 구리분말의 중량을 기준으로 5 내지 20wt%가 되도록 하는 것일 수 있다.

또한, 상기 아산화구리막을 형성하는 단계는; 상기 아산화구리막의 두께가 상기 구리분말의 직경 대비 2 ~ 10 %가 되도록 하는 것일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 구리분말 제조방법은, 구리입자를 염기성 수용액에 투입 및 교반하여 제1용액을 제조하는 단계; 상기 제1용액에 지방산을 투입하여 제2용액을 제조하는 단계; 및 상기 제2용액에서 구리입자를 분리정제하고 대기중에 방지하여, 상기 구리입자 표면 전체를 외기로부터 차단되도록 밀폐하는 아산화구리막을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말은 그 표면에 환원성이 큰 아산화구리막이 형성되어 구리입자의 추가적인 자연산화를 방지함과 동시에 환원분위기에서 300℃ 미만의 온도로 소성이 가능하고, 소결 후 도전성이 종래보다 향상된다는 유용한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말의 단면구조를 개략적으로 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말의 X선 회절 패턴을 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말을 가열할 때, 온도에 따른 중량변화를 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말 제조방법을 예시한 순서도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말의 단면구조를 개략적으로 예시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말(100)은 구리입자(110) 표면에 아산화구리(Cu₂O)로 이루어지는 아산화구리막(120)이 형성되어 이루어질 수 있다.

이때, 상기 아산화구리막(120)은 구리입자(110) 표면 전체를 외기로부터 차단되도록 밀폐하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 구리분말은 직경이 0.1 내지 10 um가 되도록 형성할 수 있다.

직경이 너무 작으면 구리분말이 모두 산화되는 문제가 있고,

직경이 너무 크면 표면처리 효과가 부족해지는 문제가 있으므로, 상기 범위로 형성하는 것이 바람직하다.

아산화구리막의 함량이 너무 작으면 표면처리 효과가 미미한 문제가 있고,

함량이 너무 크면 재환원 되는데 문제가 있으므로, 상기 범위로 형성하는 것이 바람직하다.

일반적으로 구리입자를 대기중에 그대로 방치할 경우, 대기중의 산소가 구리입자 표면에서 반응하여 산화가 계속된다.

이러한 자연산화의 경우 산화막이 비교적 천천히 형성되며, 이렇게 형성되는 산화막은 밀도가 크고 치밀한(tight) 구조로 이루어지게 되는데, 이에 따라, 구리분말의 소성시 산화막이 신속하게 환원되지 못할 뿐만 아니라, 구리입자 표면에 산화막이 잔류하게 되어 소성에 의하여 형성된 도전패턴의 저항을 증가시키는 요인이 되고 있다.

그런데, 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말(100)은 구리입자(110)의 표면에 형성되는 아산화구리막(120)을 포함하고 있다. 상기 아산화구리막(120)은 자연적으로 형성되는 산화막에 비하여 밀도가 낮고 성긴 구조로 이루어지게 되어 소성과정에서 신속하게 환원되므로 저온소성을 가능하게 한다.

또한, 상기 아산화구리막(120)은 구리입자(110)의 표면 전체가 대기중의 산소와 더이상 반응할 수 없도록 차단하는 기능을 수행하는데, 이에 따라 구리분말의 추가적인 자연산화가 방지 내지는 감소될 수 있게 되는 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말의 X선 회절 패턴을 보인 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말의 X선 회절 패턴을 분석하면 구리(mCu₄-long)의 결정상 피크(peak) 및 아산화구리(Cu₂O)의 결정상 피크(111, 200, 220) 가 함께 나타는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 표면처리에 의하여 아산화구리(Cu2O) 상이 구리분말에 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말을 가열할 때, 온도에 따른 중량변화를 보인 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 구리분말은 약 210℃ 까지는 중량이 감소하다가, 그 이후에는 다시 중량이 증가된다.

가열 초기에는 구리분말 표면의 아산화구리막이 환원되면서 중량이 감소되고, 약 210℃ 보다 더 온도가 상승하면 아산화구리막이 모두 환원된 후 다시 산화가 이루어짐으로써 중량이 증가하게 되기 때문에 도 3에서 예시한 바와 같은 중량변화가 확인되는 것이다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말로 이루어진 구리 페이스트로 도전패턴을 인쇄한 후 소성하게 되면 210℃ 부근에서 구리분말 표면의 아산화구리막이 모두 환원되어 구리입자들끼리 연결됨으로써 도전패턴이 형성될 수 있으며, 이에 따라 도전패턴의 비저항이 종래보다 현저하게 낮아질 수 있는 것이다.

이렇게 도전패턴이 형성된 이후에는 다시 산화되더라도 도전패턴의 외부 표면만 산화될 뿐이어서 비저항의 감소를 유발하지는 않는다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말 제조방법을 예시한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말 제조방법은, 구리입자를 염기성 수용액에 투입 및 교반하여 제1용액을 제조하는 단계(S100); 상기 제1용액에 지방산을 투입하여 제2용액을 제조하는 단계(S110); 및 상기 제2용액에서 구리입자를 분리정제하고 대기중에 방지하여, 상기 구리입자 표면에 아산화구리막을 형성하는 단계(S120);를 포함할 수 있다.

먼저, 구리입자를 염기성 수용액에 투입 및 교반하게 되면, 구리입자의 표면이 염기성을 띄기 때문에 구리입자들이 잘 분산된 형태로 교반될 수 있다.(S100)

다음으로, 구리입자들이 분산된 용액에 지방산을 투입하게 되면 수용액상의 구리입자들 표면에 일종의 디펙터들이 결합하면서 구리입자들이 응집하게 된다.(S110)

이때, 상기 지방산으로는 formic acid, acetic acid, butanoic acid, octanoic acid, dodecanoic acid, octadecanoic acid, oleic acid 등이 사용될 수 있다.

다음으로, 구리입자를 분리정제한 후 대기중에 방치하면 표면산화가 진행되어 구리입자의 표면에 아산화구리막이 형성된다.(S120)

전술한 디펙터들은 대기중의 산소가 구리입자 표면에서 신속하게 반응하여 아산화구리막이 형성되도록 하는 기능을 수행한다.

한편, 전술한 바와 같이, 상기 아산화구리막이 구리입자의 자연산화를 방지하고, 소성시 원활하게 환원되어 도전패턴이 형성될 수 있도록 하기 위해서는 아산화구리막의 구리분말 대비 중량비, 두께 및 평균밀도 등이 적절한 범위로 구현되어야 한다.

따라서, 아산화구리막의 중량이 상기 구리분말의 중량을 기준으로 5 내지 20wt%가 되도록 50℃ 이하의 온도에서 치환반응을 진행해야 하며, 건조 역시 상온에서 진행되어야 한다.

또한, 상기 아산화구리막을 형성하는 단계에서 상기 아산화구리막의 두께가 상기 구리분말의 직경 대비 2 ~ 10 %가 되도록 해야 한다.

한편, 구리분말에 바인더, 용제 및 첨가제를 혼합하여 제조될 수 있다.

<실험예1>

본 발명의 일실시예에 따른 구리분말과 바인더, 용제 및 첨가제를 혼합하여 구리 페이스트를 제조하고, 제조된 구리 페이스트로 스크린 인쇄를 수행하여 transparent conductive oxide(TCO)층에 선폭 100um, 선길이 6cm의 도전패턴을 인쇄한 후 질소 분위기와 환원 분위기에서 200℃로 1시간 동안 소결하여 저항을 측정하였다.

구분	질소 분위기 (Ω)	환원 분위기 (Ω)
일반 구리분말	측정 불가	16.3
본 발명의 일실시예에 따른 구리분말	130	6.4

<표 1> 도전패턴의 저항 비교

상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말은 질소분위기에서 소성시킨 경우에도 도전성이 확보되며, 환원분위기에서는 종래의 일반적인 구리분말을 사용한 경우의 저항에 비하여 약 60% 이하의 저항으로 도전패턴을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.

구분	비저항값(uΩ·cm)
일반 구리분말	302
고온 고습환경에서 산화시킨 구리분말	265
탄소가 1개 포함된 지방산으로 처리한 구리분말	25
탄소가 4개 포함된 지방산으로 처리한 구리분말	27
탄소가 18개 포함된 지방산으로 처리한 구리분말	31

<표 2> 표면처리에 따른 비저항값

상기 표 2를 참조하면, 일반적인 구리분말은 자연적으로 산화됨에 따라 도전패턴 형성시 비저항값이 가장 크고, 고온 고습 환경에서 산화시킨 구리분말은 자연산화에 비해서는 지저항값이 다소 감소됨을 확인할 수 있다.

그러나, 탄소가 1 또는 4개 또는 18개 포함된 지방산으로 표면을 처리한 본 발명의 일실시예에 따른 구리분말은 비저항이 일반적인 구리분말에 비하여 1/10 정도로 감소되는 것을 확인할 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 구리분말
110 : 구리입자
120 : 아산화구리막

Claims

구리입자 및 상기 구리입자 표면에 형성된 아산화구리막을 포함하는 구리분말.
제1항에 있어서,
상기 구리분말은 직경이 0.1 내지 10 um이며,
상기 아산화구리막의 중량은 상기 구리분말의 중량을 기준으로 5 내지 20wt%인
구리분말.
제1항에 있어서,
상기 아산화구리막의 두께는 상기 구리분말의 직경 대비 2 ~ 10 %인
구리분말.
구리입자 표면 전체를 외기로부터 차단되도록 밀폐하는 아산화구리막이 구비된 구리분말.
구리입자 표면에 아산화구리막이 형성된 구리분말, 바인더, 용제를 포함하는 구리 페이스트.
구리입자를 염기성 수용액에 투입 및 교반하여 제1용액을 제조하는 단계;
상기 제1용액에 지방산을 투입하여 제2용액을 제조하는 단계; 및
상기 제2용액에서 구리입자를 분리정제하고 대기중에 방지하여, 상기 구리입자 표면에 아산화구리막을 형성하는 단계;
를 포함하는
구리분말 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 구리분말은 직경이 0.1 내지 10 um인
구리분말 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 아산화구리막의 중량은 상기 구리분말의 중량을 기준으로 5 내지 20wt%가 되도록 하는 것인
구리분말 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 아산화구리막을 형성하는 단계는;
상기 아산화구리막의 두께가 상기 구리분말의 직경 대비 2 ~ 10 %가 되도록 하는 것인
구리분말 제조방법.
구리입자를 염기성 수용액에 투입 및 교반하여 제1용액을 제조하는 단계;
상기 제1용액에 지방산을 투입하여 제2용액을 제조하는 단계; 및
상기 제2용액에서 구리입자를 분리정제하고 대기중에 방지하여, 상기 구리입자 표면 전체를 외기로부터 차단되도록 밀폐하는 아산화구리막을 형성하는 단계;
를 포함하는
구리분말 제조방법.