KR20130075165A

KR20130075165A - 구리 유기금속, 구리 유기금속 제조방법 및 구리 페이스트

Info

Publication number: KR20130075165A
Application number: KR1020110143417A
Authority: KR
Inventors: 이귀종; 권지한; 김동훈
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-05
Also published as: CN103183689A; KR101376913B1; US20150284412A1; US9090635B2; US20130161571A1; JP2013136577A

Abstract

본 발명은 구리 유기금속, 구리 유기금속 제조방법 및 구리 페이스트에 관한 것으로, 본 발명의 구리 유기금속은 구리원자와 [R-CO₂] 및 아민계 리간드(L)가 결합되어 이루어지며, 종래보다 저온에서 소결이 가능하고, 도전패턴 형성시 도전성이 향상되는 유용한 효과를 제공한다.

Description

구리 유기금속, 구리 유기금속 제조방법 및 구리 페이스트{COPPER ORGANIC METAL, MANUFACTURING MEHTOD FOR COPPER ORGANIC METAL AND COPPER PASTE}

본 발명은 구리 유기금속, 구리 유기금속 제조방법 및 구리 페이스트에 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.

그러나, 일반적으로 소결온도가 높을 수록 금속의 산화가 심화되어 도전성이 감소한다.

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

또한, 종래의 나노금속들로 페이스트를 형성하는 과정에서는 무극성 용제만 사용할 수 있었는데, 페이스트를 이용한 도전패턴의 형성과정에서 투입되는 바인더 등의 다른 물질들은 극성 용제에 용해된다. 따라서, 종래의 나노금속을 포함하는 페이스트는 용제사용에 한계가 있으므로 페이스트의 점도조절이나 분산성 향상 등을 위한 페이스트 조성물의 설계 자유도가 매우 낮다는 문제가 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 구리 유기금속을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 구리 페이스트 조성물의 설계 자유도가 큰 구리 유기금속을 제공하는 것을 목적으로 한다.

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

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

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속은, 하기 화학식 1의 분자구조로 이루어지며, 화학식 1 중 R은 알킬기이고, L은 아민계 리간드일 수 있다.

[화학식 1]

이때, 상기 아민계 리간드는 알킬아민을 포함할 수 있다.

또한, 상기 알킬아민은 R-NH₂, R-NH-R', R₃-N 중 선택되는 어느 한 물질일 수 있다.

또한, 상기 아민계 리간드는 수산기(OH^-)를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 아민계 리간드는 HO-R-NH₂를 포함하는 것일 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속 제조방법은, 수산화 나트륨 또는 수산화칼륨 수용액에 알칸산 또는 지방산을 용해시켜 제1용액을 제조하는 단계; 구리염이 용해된 제2용액을 상기 제1용액과 혼합하는 단계; 및 상기 제1용액과 제2용액이 혼합된 용액에서 구리 유기금속을 분리정제하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구리 유기금속 제조방법은, 수산화 나트륨 또는 수산화칼륨 수용액에 알칸산 또는 지방산을 용해시켜 제1용액을 제조하는 단계; 구리염이 용해된 제2용액을 상기 제1용액과 혼합하는 단계; 상기 제1용액과 제2용액이 혼합된 용액에서 구리 유기금속을 분리정제하는 단계; 및 분리정제된 구리 유기금속을 아민계 용제와 반응시키는 단계;를 포함할 수 있다.

이때, 상기 아민계 리간드는 알킬아민을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 페이스트는 일반적인 구리분말에 전술한 구리 유기금속을 혼합하여 이루어질 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속은 300℃ 미만의 온도에서 소결이 가능하면서도 소결 후 도전성이 종래보다 향상된다는 유용한 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속은 극성 용제 또는 무극성 용제와 상용성을 가지므로, 구리 유기금속을 포함하는 금속 페이스트를 설계함에 있어서 자유도가 향상된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속의 분자구조를 예시한 도면이다.
도 2는 구리분말과 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속을 혼합한 페이스트를 가열할 때 입자상태의 변화를 개략적으로 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구리 유기금속 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 구리 유기금속의 분자구조를 예시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 구리 유기금속은 구리원자에 [R-CO₂] 2개가 이온결합되어 이루어질 수 있다. 이때, R은 알킬기를 의미한다.

또한, 상기 알킬기를 구성하는 탄소의 수에 따라 친수성이 커지거나 소수성이 커질 수 있다.

예를 들면 탄소수가 1인 알킬기가 적용된 경우에는 물과의 친화도가 가장 크며, 탄소수가 8 이상인 경우에는 알코올와 친화도가 커진다.

또한, L은 아민계 리간드로써, 구리원자와 결합된다.

이때, 상기 아민계 리간드는 알킬아민(Alkylamine) 또는 수산기(Hydroxy ; OH^-)를 포함하는 아민류일 수 있다.

이때, 상기 알킬아민은 R-NH₂, R-NH-R', R₃-N 중 선택되는 어느 한 물질일 수 있다.

또한, 수산기(Hydroxy ; OH^-)를 포함하는 아민류는 HO-R-NH₂일 수 있다.

상기 아민계 리간드가 알킬아민을 포함하는 경우에는 구리 유기금속이 무극성 용제와 반응성이 좋아진다.

또한, 상기 아민계 리간드가 수산기(Hydroxy ; OH^-)를 포함하는 아민류인 경우에는 극성 용제와 반응성이 좋아진다.

이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구리 유기금속은 아민계 리간드의 종류를 달리함으로써 구리 유기금속의 용제상용성을 극성 또는 무극성으로 부여할 수 있게 되므로 금속 페이스트 설계시 자유도가 증가될 수 있는 것이다.

도 2는 구리분말과 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속을 혼합한 페이스트를 가열할 때 입자상태의 변화를 개략적으로 예시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 일반적인 구리분말(10)과 구리 유기금속(110)을 적절한 비율로 혼합하여 구리 페이스트를 형성한 경우 약 300℃ 미만의 열을 가했을 때, 구리 유기금속(110)이 구리분말(10)들 사이의 결합성을 향상시키게 되어 도전성이 향상된다.

이때, 구리 유기금속에서 Cu(Ⅱ)상태로 존재하던 구리이온은 가열되면서 R-CO₂와 분리되어 Cu원자 상태로 변화하여 도전패턴을 형성하게 되는데, 이렇게 구리이온이 구리원자로 변화하는 반응에 의하여 종래보다 낮은 온도에서 소결이 가능해 지는 것이다.

또한, 구리원자에 아민계 리간드도 결합되어 있는 경우에는 가열에 의하여 아민계 리간드도 구리원자로부터 분리되는데, 이때, 아민계 리간드의 분리시 R-CO₂의 분리가 촉진되므로 소결온도가 더욱 낮아질 수 있다.

종래의 일반적인 구리 페이스트는 구리분말과 바인더로 이루어지며, 가열 소성시 바인더에 의하여 구리입자들이 서로 결합될 수 있었다. 그런데, 종래의 일반적인 바인더들은 모두 전기적 부도체였기 때문에, 구리입자들 사이에 바인더가 위치할 경우 도전성이 감소하는 문제가 있었다.

또한, 종래의 일반적인 구리 페이스트는 고온 소성시 산화가 급속하게 진행되어 구리입자 표면에 산화막이 형성됨으로써 도전성을 감소시키는 문제도 있었다.

그러나, 전술한 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속은 구리이온을 포함하고 있으며, 소결의 진행에 따라 구리이온이 구리원자로 변화되어 구리분말들 사이에 결합되므로 종래보다 도전성이 향상될 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속에 포함된 R-CO₂ 및 아민계 리간드가 구리이온에서 분리되면서 구리입자 표면에 존재하는 산화물들을 제거하는 역할도 수행하게 되므로 도전성이 더욱 향상될 수 있는 것이다.

<실험예1>

구리분말과 구리 유기금속의 함량을 달리하여 구리 페이스트를 제조하고, 제조된 구리 페이스트를 질소 환원 분위기에서 200℃로 1시간 동안 소결한 후 저항을 측정하였다.

이때, 구리 페이스트를 제조하는 데에는 주요 바인더와 용제로써, 에폭시(epoxy), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 테피놀(terpineol), 부틸 카비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate)를 사용하였다.

구리 페이스트 조성(구리분말 : 구리 유기금속 중량비)	선저항(Ω)
100 : 0	300
95 : 5	140
90 : 10	12

<표 1> 구리 유기금속의 함량 별 선저항

상기 표 1을 참조하면, 구리 유기금속의 함량이 증가함에 따라 선저항이 월등하게 감소되는 것을 확인할 수 있다.

한편, 구리 유기금속의 함량이 증가될 수록 구리 페이스트의 점성이 증가하게 되는데, 도전패턴 형성 공정에서 허용되는 점성의 한계에 따라 구리 유기금속의 함량을 조절하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 유기금속 제조방법을 예시한 순서도이다.

도 3을 참조하면, 먼저, 수산화 나트륨 또는 수산화칼륨 수용액에 알칸산 또는 지방산을 용해시켜 제1용액을 제조한다(S100).

다음으로, 구리염(Copper salt)이 용해된 제2용액을 상기 제1용액과 혼합한다(S110).

본 단계에서, 제1용액에 포함된 [R-CO₂]기가 제1용액에 포함된 구리원자와 이온결합을 이루게 됨으로써 구리 유기금속이 형성된다.

다음으로, 제1용액과 제2용액이 혼합된 용액에서 구리 유기금속을 분리정제한다(S120).

다음으로, 아민계 용제를 첨가한다(S130).

즉, 분리정제된 구리 유기금속을 아민계 용제와 반응시켜, 구리원자를 아민계 리간드(L)와 결합함으로써 구리 유기금속이 완성될 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.

R : 알킬기
L : 아민계 리간드
10 : 구리분말
110 : 구리 유기금속

Claims

하기 화학식 2의 분자구조로 이루어지며, 화학식 2 중 R은 알킬기이고, L은 아민계 리간드인 구리 유기금속.
[화학식 1]
제1항에 있어서,
상기 아민계 리간드는 알킬아민을 포함하는 것인
구리 유기금속.
제2항에 있어서,
상기 알킬아민은 R-NH₂, R-NH-R', R₃-N 중 선택되는 어느 한 물질인
구리 유기금속.
제1항에 있어서,
상기 아민계 리간드는 수산기(OH^-)를 포함하는 것인
구리 유기금속.
제1항에 있어서,
상기 아민계 리간드는 HO-R-NH₂를 포함하는 것인
구리 유기금속.
수산화 나트륨 또는 수산화칼륨 수용액에 알칸산 또는 지방산을 용해시켜 제1용액을 제조하는 단계;
구리염이 용해된 제2용액을 상기 제1용액과 혼합하는 단계; 및
상기 제1용액과 제2용액이 혼합된 용액에서 구리 유기금속을 분리정제하는 단계;
를 포함하여,
아민계 리간드가 구비된 구리 유기금속을 제조하는
구리 유기금속 제조방법.
수산화 나트륨 또는 수산화칼륨 수용액에 알칸산 또는 지방산을 용해시켜 제1용액을 제조하는 단계;
구리염이 용해된 제2용액을 상기 제1용액과 혼합하는 단계;
상기 제1용액과 제2용액이 혼합된 용액에서 구리 유기금속을 분리정제하는 단계; 및
분리정제된 구리 유기금속을 아민계 용제와 반응시키는 단계;
를 포함하여,
아민계 리간드가 구비된 구리 유기금속을 제조하는
구리 유기금속 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 아민계 리간드는 알킬아민을 포함하는 것인
구리 유기금속 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 알킬아민은 R-NH₂, R-NH-R', R₃-N 중 선택되는 어느 한 물질인
구리 유기금속 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 아민계 리간드는 수산기(OH^-)를 포함하는 것인
구리 유기금속 제조방법.
제7항에 있어서,
상기 아민계 리간드는 HO-R-NH₂를 포함하는 것인
구리 유기금속 제조방법.
구리분말과 제7항에 따른 구리 유기금속 제조방법으로 제조되는 구리 유기금속을 포함하는 구리 페이스트.