KR20130077169A - 전도성 잉크 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노에멀젼을 바인더로 사용하고, 환원제를 첨가하여 전도도가 매우 높은 전도성 잉크 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 전도성 잉크는 나노에멀젼을 바인더로 사용하여 저온에서 경화하가 가능하고, 또한, 환원제를 사용하여 구리의 산화막을 제거함에 따라 상용잉크보다 3배 낮은 면저항을 나타낸다.

Description

전도성 잉크 및 이의 제조방법{Conductive ink and method for preparing the same}

본 발명은 전도성 잉크 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 나노에멀젼을 바인더로 사용하고, 환원제를 첨가하여 전도도가 매우 높은 전도성 잉크 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

모든 전기 전자회로는 전기 도선을 필요로 한다. 전통적인 방법으로 FR-4나 폴리이미드 같은 소재 위에 구리 막을 입힌 후에 도선이 아닌 부분을 에칭으로 제거해서 원하는 전기 도선을 만들었다. 그러나 PCB라 불리는 이런 제조 공정은 매우 복잡하고 환경에 나쁜 물질을 많이 사용하기 때문에 저렴한 가격과 친환경적인 방법이 필요하게 되었다. 또한 디스플레이처럼 소자가 기존의 반도체공정이 아니고 인쇄전자 공정이거나 태양전지처럼 기존의 에칭에 의한 전기도선 형성이 비실용적인 경우도 많이 등장하게 되었다.

최근에는 은, 구리 등 금속 입자들을 바인더, 분산제등 물질과 섞어서 전도성 잉크로 만들고 이것을 잉크젯 프린터, 스크린 프린터, R2R(Roll-to-Roll)등 인쇄 장비를 통해서 기재에 인쇄한 후에 기본적으로는 열을 사용해 경화시켜 전기 도선을 만드는 기술이 등장하게 되었다. 이 기술은 지금은 인쇄전자라고 부르는 분야를 가져온 시발점이었다.

앞서 언급한대로 전도성 잉크를 인쇄해서 도선을 형성하는 것은 기존의 에칭에 의해서 도선을 만드는 것에 비해서 많은 장점을 가지나 치명적인 약점은 전기 도선으로서 가장 중요한 전기 전도도가 나쁘다는 것이다. 이 문제는 인쇄성, 전기전도도, 기재의 유연성 등이 상호 배타적인 관계이기에 해결이 쉽지 않다.

이것을 조금 더 구체적으로 살펴보면 인쇄가 잘되기 위해서는 프린터의 종류에 따라서 다르기는 하지만 전도성 잉크는 금속 입자들을 잘 분산시키기 위한 분산제와 금속 입자들이 흩어지지 않고 모여서 도선을 형성하도록 하는 바인더와 기타 첨가제들이 들어 있다. 그런데 이들은 모두 절연 물질로 이렇게 인쇄된 도선의 전기전도도를 나쁘게 한다.

따라서 전도성 잉크를 인쇄한 후에 이들 전기전도도에 방해가 되는 물질들을 제거해야 하는데 열, 레이저, 빛, 전기등 다양한 방법이 사용되지만 근본적으로는 결국 열을 통해서 제거하는 원리는 같다.

이때 인쇄전자의 가장 중요한 장점중의 하나인 유연한 기재 사용이 문제가 된다. 즉, 유연한 기재는 주로 플라스틱 필름이나 종이로 구성되어 있는데 이들은 모두 열에 약하다. 가장 좋은 전기전도도를 주는 소결 온도는 보통 500℃ 이상으로서 이정도 온도는 가장 온도에 강한 폴리이미드의 내열 온도보다 훨씬 높다.

결국 소결 온도를 낮추기 위한 방법으로 나노 금속 입자는 같은 벌크 금속의 용융점에 비해서 낮은 융점을 갖는다는 원리를 이용해서 나노잉크들이 개발되고 있으나 이들은 가격이 매우 비싸다.

현재 상업화된 잉크들은 이런 요소들을 적절하게 배합해서 상품화 되어 있는데 은 페이스트의 경우 보통 벌크 은에 비해서 비저항은 10배 정도 나쁘다. 이것의 주된 원인은 200도 이하의 낮은 온도에서 바인더 수지가 제거되지 않고 여전히 금속 입자들에 붙어 있는데 바인더 수지는 긴 사슬처럼 되어 있어서 금속 입자들 간의 접촉이 원활하게 일어나지 않기 때문이다.

한편 구리는 은에 비해서 100배 정도 가격이 싸지만 산화 문제 때문에 상용화된 구리 잉크는 전기 전도도가 매우 나빠서 실질적으로 도선으로는 아직 사용하지 못하고 있다.

본 발명은 저온에서 경화하여도 높은 전기전도도를 유지할 수 있는 전도성 잉크를 제공하는 것이다.

본 발명은 구리를 전도성 물질로 사용하면서도 높은 전기전도도를 가지는 전도성 잉크를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 양상은, 나노사이즈의 접착성 수지가 용매에 분산된 나노에멀젼, 전도성 물질 및 환원제를 포함하는 전도성 잉크에 관계한다.

다른 양상에서, 본 발명은 구리 입자들에 환원제 용액을 첨가하여 구리의 산화 막을 제거하는 단계 및 나노에멀젼 용액을 상기 환원제 용액에 혼합하는 단계를 포함하는 전도성 잉크의 제조방법에 관계한다.

본 발명에 의한 전도성 잉크는 나노에멀젼을 바인더로 사용하여 저온에서 경화하가 가능하고, 또한, 환원제를 사용하여 구리의 산화막을 제거함에 따라 같은 두께라면 상용잉크보다 3배 낮은 면저항을 나타낸다.

도 1은 나노에멀젼에 전도성 물질이 분산된 본 발명의 전도성 잉크의 개념도이다.
도 2는 나노에멀젼을 사용하지 않은 종래 전도성 잉크를 기재에 인쇄하여 경화시킨 후를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 나노에멀젼을 사용하여 전도성 잉크를 만들고 이를 인쇄 및 경화한 후의 개략도이다.

이하에서 본 발명을 상술한다.

본 발명의 전도성 잉크는 나노에멀젼, 전도성 물질 및 환원제를 포함한다.

상기 나노에멀젼은 나노사이즈의 접착성 수지가 용매에 에멀젼 상태로 분산되어 있다.

상기 접착성 수지는 전도성 물질이 흩어지지 않고 모여 도선을 형성하도록 하는 바인더로서 사용된다. 상기 접착성 수지는 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아미드 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에테르 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 상기 접착성 수지를 10~1000nm범위의 나노사이즈로 쪼개어서 용매에 분산시켜 에멀젼화 한다.

에멀젼은 통상적으로 일반적으로 콜로이드보다 크기가 큰 소적의 형태를 가지는 비혼화성 액체 중에 유화제를 사용하거나 또는 사용하지 않고서 분산시킨 액체로 이루어진 시스템"으로서 정의된다[Medline Plus Online Medical Dictionary, Merriam Webster(2005)].

좀 더 구체적으로, 상기 나노에멀젼은 용매에 상기 접착성 수지(예를 들면, PVA)을 혼합하여 고압의 연속 난류에 노출함으로써 접착성 수지를 나노사이즈로 절단하여 제조할 수 있다. 상기 나노사이즈의 에멀젼을 제조하는 방법에 대해 특별한 제한이 있는 것은 아니고 공지된 방법이나 제품을 사용할 수 있다.

상기 용매로는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 1-메톡시프로판올, 부탄올, 에틸헥실 알코올, 테르피네올과 같은 알코올류, 에틸렌글리콜, 글리세린과 같은 글리콜류, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 메톡시프로필아세테이트, 카비톨아세테이트, 에틸카비톨아세테이트와 같은 아세테이트류, 메틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 디에틸에테르, 테트라히드로퓨란, 디옥산과 같은 에테르류, 메틸에틸케톤, 아세톤, 디메틸포름아미드 등도 사용할 수 있다.

상기 접착성 수지는 상기 나노에멀젼에 20~90wt% 포함될 수 있다.

상기 나노에멀젼에 계면활성제를 추가로 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 계면활성제는 비이온계, 음이온계, 아미노 계통등이 모두 사용 가능하나 비이온계(PEG등)계를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 계면활성제는 나노에멀젼(용매+수지) 총 중량에 대해 0.01% ~ 10%까지 투입할 수 있다.

상기 전도성 물질로는 공지된 것을 사용할 수 있으며, 일예로서 은, 구리, 니켈 등의 금속입자, 전도성 폴리머, 카본 같은 유기전도성 물질, ITO 같은 무기물질 등도 사용할 수 있으며, 바람직하게는 구리를 사용할 수 있다. 상기 구리는 산화제이구리, 아산화구리 등을 이용할 수 있다.

은과 달리 구리 입자들은 산화가 쉽게 일어나고 산화가 일어난 구리는 전기가 통하지 않는다. 지금까지는 경화할 때에 수소가스등을 이용해서 환원시키는 방법 등을 사용하고 있으나 수소가스는 폭발 위험성이 있고 아예 산화구리(CuO)를 인쇄한 후 빛을 통해서 환원시키는 방법도 개발되어 있으나 인쇄 두께에 제약이 있다.

본 발명에서는 구리의 산화 문제를 해결하기 위해서 인쇄 후 경화 과정에서 제거하는 대신에 인쇄 직전에 제거하기 위해서 환원제 용액을 구리 입자에 넣어 구리를 먼저 환원시킨다.

상기 환원제로서는 유기, 무기 물질들이 있는데 산화 막을 제거하여 구리를 환원시키는 동시에 추후 인쇄된 잉크의 경화 시 전도성 물질들이 나노에멀젼과 상호작용을 일으켜서 서로 더 잘 접촉하게 촉진하는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 환원제는 수소화 붕소 화합물, 수소화 알루미늄 화합물, 알킬아민보란, 히드라진 화합물, 알데히드 화합물, 아인산 화합물, 차아인산 화합물, 아스코르빈산, 아디핀산, 포름산, 알코올, 주석(II) 화합물, 금속 주석, 및 히드록시 아민류로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종이 적절하게 사용될 수 있고, 특히, 염화아연이 바람직하다.

상기 환원제는 상기 구리를 완전히 환원시킬 수 있는 양보다 많은 양을 추가로 투입하는 것이 바람직하다. 추가로 투입되는 환원제에 의해 전도성 물질의 접촉이 더 많아져 전기전도도가 증가한다.

도 1은 나노에멀젼에 전도성 물질이 분산된 본 발명의 전도성 잉크의 개념도이다. 본 발명의 전도성 잉크는 나노사이즈의 접착성 수지(1)가 용매(2)에 분산된 나노에멀젼(10) 및 전도성 물질(20)을 포함한다. 본 발명에서는 환원제를 포함하는데, 환원제는 용매에 용해되어 존재하므로 도 1에 별도로 표시하지 않았다.

도 1을 참조하면, 나노사이즈의 접착성 수지(1) 및 전도성 물질(20)이 용매(2)에 분산되어 존재하고, 특히, 짧게 뭉쳐 존재하는 접착성 수지가 전도성 물질을 둘러싸고 있다.

도 2는 나노에멀젼을 사용하지 않은 종래 전도성 잉크를 기재에 인쇄하여 경화시킨 후를 나타낸 개념도이다.

도 2를 참고하면, 기재(100)상에 전도성 물질(130)이 인쇄되어 있으며, 바인더로서 접착성 수지(110)와 용매(120)가 완전히 제거되지 않고 잔류하고 있다. 긴사슬의 접착성 수지와 잔류 용매의 존재로 인해 전도성 물질간의 접촉이 제한될 수 있다.

도 3은 본 발명의 나노에멀젼을 사용하여 전도성 잉크를 만들고 이를 인쇄 및 경화한 후의 개략도이다. 도 3을 참조하면, 기재(100)상에 나노사이즈의 접착성 수지(1) 및 전도성 잉크(20)가 인쇄되어 있다. 도 2와 비교하면, 짧고 뭉쳐있는 접착성 수지를 사용함에 따라 전도성 물질(20)들이 더 많이 접촉함을 알 수 있다. 그 결과 전도성 물질(20) 사이에 용매가 적게 존재하므로 더 낮은 온도에서 잔류 용매를 제거할 수 있다.

본 발명의 전도성 잉크를 사용하는 경우 80~120도의 온도에서 경화하여도 충분한 전기전도도를 얻을 수 있다.

본 발명의 전도성 잉크는 분산제, 증점제, 형광증백제, 염료, 소포제 등을 추가로 포함할 수 있다.

다른 양상에서 본 발명은 환원제 용액에 구리를 넣어 구리의 산화막을 제거하는 단계 ; 및 나노에멀젼 용액을 상기 환원제 용액에 혼합하는 단계를 포함하는 전도성 잉크의 제조방법에 관계한다.

본 발명의 전도성 잉크의 제조방법은 먼저 환원제 용액에 구리를 넣어 구리의 산화막을 제거한다.

이어서, 상기 나노에멀젼 용액을 상기 환원제, 구리 혼합용액에 넣어 본 발명의 전도성 잉크를 제조한다.

상기 나노에멀젼 용액은 앞에서 상술한 바와 같이 접착성 수지를 용매에 분산한 후 나노사이즈로 절단하거나 또는 공지되어 시판되는 나노에멀젼을 사용할 수 있다.

상기 환원제, 나노에멀젼 등에 대해서는 앞에서 상술한 내용을 참고할 수 있다.

실시예 1

사용 재료로 전도성 물질로 Copper powder(625mesh, APS 3.25~4.75㎛), 나노에멀젼(PVA, PEG를 물에 분산시킨 후(PVA 50%, 1%의 PEG) 고압의 난류 흐름을 만들어 PVA 사슬을 나노사이즈로 절단하여 제조함), 환원제(ZnCl2), 기타 첨가제로 레올로지 조절을 위하여 수용성 폴리에틸렌 글리콜, 분산제로 올레산을 사용하였다.

페이스트의 조성은 copper powder에 대해서 무게비로 ZnCl2 25%, 나노에멀젼을 3%첨가해서 만들었다. 증류수는 인쇄가 가능할 정도로 충분히 넣는데 copper powder의 크기에 따라서 달라진다.

1) 비이커에 ZnCl2 0.5g을 증류수 0.25g에 녹였다(용액 A).

2) 용액 A에 Copper Powder 2g을 넣고 잘 섞는다. 이때 산화막이 제거되면서 copper powder는 밝은 적색을 띤다(용액 B).

3) 다른 비이커에 나노에멀젼 0.06g을 넣고 증류수 0.25g을 추가해서 잘 섞었다(용액 C).

4) 용액 C를 용액 B에 붓고 잘 섞어 전도성 잉크를 수득하였다

5) 전도성 잉크에 점도 및 인쇄성을 위한 첨가제로 폴리에틸렌 글리콜 0.02g, 올레산 0.03g 넣어 잘 섞었다.

상기 전도성 잉크를 스크린 인쇄 및 섭씨 100도에서 경화하여 전기도선을 형성하고, 이의 면저항을 측정한 결과 현재 30㎛ 두께에서 상용 구리 잉크 수준인 60mΩ/sq 보다 3배 좋은 20mΩ/sq 정도를 보였다. 따라서 본 발명의 전도성 잉크는 저온에서 경화하여도 종래 공지된 잉크보다 높은 전기전도도를 나타냄을 확인할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

1 : 접착성 수지 2 : 용매
10 : 나노에멀젼 20 : 전도성 물질

Claims (5)

1. 나노사이즈의 접착성 수지가 용매에 분산된 나노에멀젼
   전도성 물질 ; 및
   환원제를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크.
2. 제 1항에 있어서, 상기 접착성 수지는 바인더 수지의 예로는 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리비닐부티랄, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아미드 수지, 폴리우레탄 및 폴리에테르 중 하나 이상의 수지이고, 상기 접착성 수지의 사슬길이가 10~1000nm 범위인 것을 특징으로 하는 전도성 잉크.
3. 제 1항에 있어서, 전도성 물질이 구리, 은, 알루미늄, 니켈이고 상기 환원제가 염화아연(ZnCl2)인 것을 특징으로 하는 전도성 잉크.
4. 제 1항에 있어서, 상기 전도성 잉크는
   상기 전도성 물질 100중량부 대비
   20~90%의 나노에멀젼 1~10 중량부,
   상기 환원제 5~50중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크.
5. 인쇄 직전에 구리 입자에 환원제를 넣어 구리의 산화막을 제거하는 단계 ; 및
   나노에멀젼 용액을 상기 환원제 용액에 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크의 제조방법.
   

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