KR20130131240A - 상변이 잉크 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 나노 입자, 금속 나노 입자가 안정적으로 분산 배치될 수 있도록 하는 분산제 및 상기 금속 나노 입자 및 상기 분산제가 혼합되는 것으로서, 적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매를 포함하고, 용융온도가 60℃ 내지 90℃인 상변이 잉크 조성물에 관한 것이다.

Description

상변이 잉크 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴{PHASE CHANGE INK COMPOSITIONS AND CONDUCTIVE PATTERNS FORMED THEREFROM}

본 발명은 상변이 잉크 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 용융온도가 60℃ 내지 90℃로 낮아 전도성 패턴 형성시에 통상의 잉크젯 헤드를 사용할 수 있는 상변이 잉크 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴에 관한 것이다.

전도성 패턴을 만드는 일반적인 공정 방법으로는 리소그래피(lithography)를 이용한 광학적 패터닝이 주로 사용되어 왔다. 하지만 광학적 패터닝은 공정단계가 복잡하여 고비용이 요구되며, 노광과 식각 공정시에 유해한 가스와 폐수 등이 배출되어 환경오염의 문제점이 있다. 따라서 이를 대체하는 저비용, 친환경적인 패턴형성방법이 연구되고 있으며, 이러한 대표적인 예로서 잉크젯 프린팅 방식이 있다.

잉크젯 프린팅 방식은 기판 위에 원하는 패턴을 직접 묘화하는 방식으로서 공정 단계가 간단하고 대면적 프린팅이 용이하여 공정시간을 줄일 수 있으며 생산비용의 절감 효과가 크다. 또한, 기존의 광학적 패터닝 방법과 달리 노광, 식각의 공정이 없기에 환경오염 물질의 배출도 없는 친환경적인 패터닝 방법이다.

잉크젯 프린팅 방식으로 전도성 패턴을 형성하기 위해서는 전도성 라인을 형성할 수 있는 낮은 점도를 가진 전도성 잉크가 필요하며, 이를 위해 전도성 금속 나노 입자를 잉크 조성물의 재료로 사용하고 있다.

그러나 상기 금속 나노 입자를 잉크 조성물의 재료로 사용할 경우, 금속의 비중이 유기 용매의 비중보다 커, 금속 나노 입자들의 침강이 일어나 저장안정성이 좋지 못하다는 문제점이 있다.

금속 나노 입자의 크기를 작게 하면 브라운 운동에 의해 침강을 늦추는데 효과는 있지만 근본적인 해결 방법은 아니다. 또한, 금속 나노 입자의 침강을 방지하기 위해 계속적으로 교반기를 사용하는 방법도 있으나, 이는 교반시설을 상시 가동시켜야 하므로 비용 증가에 의한 어려움이 있다.

잉크의 점도를 증가시키면 금속 나노 입자의 침강 속도를 늦출 수 있으며, 더 나아가 잉크를 고체화시키면 금속 나노 입자의 침강을 완전히 정지시킬 수 있다. 따라서 상온에서는 고체이며, 잉크젯 장치가 허용하는 온도 상승범위에서는 액체가 되며, 제팅 온도에서는 20cP 이하의 점도를 유지하는 잉크 조성물의 연구가 이루어졌다.

이에 따라, 상변이 잉크로서 왁스 성분을 주성분으로 하는 잉크 조성물이 개발되었는데, 상기 잉크 조성물의 용융온도는 90℃를 초과한다. 잉크 조성물의 용융온도가 90℃를 초과할 때는 잉크젯 헤드의 온도를 공차를 감안하여 100℃ 이상으로 유지해야 하는데, 이는 대부분의 잉크젯 헤드가 허용하는 90℃를 초과한다. 따라서 상기 상변이 잉크를 사용할 때는 특별하게 설계된 잉크젯 헤드를 사용해야 하는 단점이 있다. 또한 상기 주성분인 왁스는 대부분이 비극성으로 물에 녹지 않고, 비극성인 용매에만 잘 용해되며, 일반적인 잉크에 사용되는 극성의 첨가제가 사용될 경우, 혼합되지 않아 상분리가 일어나는 등의 문제가 있다.

이에 본 발명은 기존의 상변이 잉크에서는 사용이 불가능한 통상의 잉크젯 헤드와 극성 분자구조의 첨가제를 사용할 수 있는 상변이 잉크 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1태양은 금속 나노 입자; 분산제; 및 적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매를 포함하고, 용융온도가 60℃ 내지 90℃인 상변이 잉크 조성물을 제공한다.

상기 상변이 잉크 조성물은 상기 금속 나노 입자 20 내지 70 중량부, 상기 분산제 1 내지 10 중량부 및 상기 용매 20 내지 79 중량부를 포함할 수 있다.

상기 금속 나노 입자의 표면은 상기 분산제로 캡핑될 수 있다.

상기 황 함유 화합물은 설폰기 함유 화합물일 수 있다.

상기 용매는 용융점이 80℃ 내지 200℃인 제1 용매 및 용융점이 0 내지 40℃인 제2 용매를 혼합한 것일 수 있다.

상기 제1 용매는 디메틸설폰(dimethyl sulfone, 이하, '디메틸설폰'이라 함.)이고, 상기 제2 용매는 술포란(sulfolane, 이하, '술포란'이라 함.)일 수 있으며, 상기 제1 용매와 제2 용매의 비는 1:0.75 내지 1:1.5인 것이 바람직하다.

상기 금속 나노 입자는 금, 은, 구리, 니켈, 아연, 백금, 주석, 크롬, 팔라듐, 코발트, 티타늄, 몰리브덴, 철, 망간, 텅스텐 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.

60℃ 내지 90℃의 용융온도에서 상기 상변이 잉크 조성물의 점도는 1 내지 20cP일 수 있다.

본 발명의 제 2 태양은 상기 상변이 잉크 조성물을 사용하여 형성된 전도성 패턴을 제공하는 것이다.

덧붙여, 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 상변이 전도성 잉크 조성물은 통상의 잉크젯 헤드의 허용온도 범위 안에서 용융온도의 조절이 가능하고 극성의 첨가물을 사용할 수 있어 제품개발이나 품질 관리면에서 우수하며, 상온에서 고체상태를 유지하므로 금속 나노 입자의 침강을 방지하여 저장안정성을 증가시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명의 상변이 잉크 조성물은 1)금속 나노 입자, 2)금속 나노 입자가 안정적으로 분산 배치될 수 있도록 하는 분산제 및 3)상기 금속 나노 입자 및 상기 분산제가 혼합되는 것으로서, 적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매를 포함하고, 용융온도가 60℃ 내지 90℃인 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 용융온도는 65℃ 내지 75℃, 또는 65℃ 내지 70℃일 수 있다.

한편, 본 발명의 명세서에서 상변이 잉크 조성물은 약 20℃ 내지 약 27℃의 온도, 예를 들어 실온에서 실질적으로 유동성이 없는 고체 상태이다. 그러나 상기 잉크 조성물을 가열하면, 60℃ 내지 90℃의 온도 범위에서 고체에서 액체로 상이 변하며, 특히, 분사 온도에서는 액체 상태로 존재한다.

보다 구체적으로는, 본 발명의 잉크 조성물은 1)금속 나노 입자 20 내지 70 중량부, 2)분산제 1 내지 10 중량부 및 3)용매 20 내지 79 중량부를 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 용매는 극성 용매일 수 있다. 종래 사용되던 상변이 잉크는 주성분으로 비극성 왁스를 사용하기 때문에, 용매로 비극성 용매를 사용하였다. 그러나, 이와 같이 비극성 용매를 사용할 경우, 극성의 첨가제를 사용하지 못할 수 있다. 반면, 용매로 극성 용매를 사용함으로써, 통상의 잉크 조성물에 사용되는 극성의 첨가제를 사용할 수 있다.

예를 들어, 상기 황 함유 화합물은 설폰기 함유 화합물일 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 상변이 잉크 조성물은 1)금속 나노 입자, 2)금속 나노 입자가 안정적으로 분산 배치될 수 있도록 하는 분산제 및 3)상기 금속 나노 입자 및 상기 분산제가 혼합되는 것으로서, 적어도 2종의 설폰기 화합물을 포함하는 용매를 포함하고, 용융온도가 60℃ 내지 90℃인 것일 수 있다.

또한, 상기 용매는 용융점이 80℃ 내지 200℃인 제1 용매 및 용융점이 0 내지 40℃인 제2 용매를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 용매는 용융점이 80℃ 내지 200℃인 제1 용매 및 용융점이 0 내지 40℃인 제2 용매를 혼합한 것일 수 있다.

상기 제1 용매는 메틸페닐 설폰(용융점 85℃), 디페닐 설폰(용융점 123℃), 디메틸 설폰(용융점 109℃), 4,4'-디클로로디페닐 설폰(용융점 143℃), 디-p-톨릴 설폰(용융점 160℃), 또는 4-아미노페닐 설폰(용융점 175℃)일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 제2 용매는 술포란(용융점 27.5℃)일 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 용매는 디메틸설폰이고, 상기 제2 용매는 술포란일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 상기 용매는 디메틸설폰과 술포란을 혼합한 것일 수 있다. 디메틸설폰은 상온에서 고체인 극성 용매로, 디메틸설폰에 포함된 황 원자와 산소 원자가 강한 극성을 나타낸다. 따라서, 디메틸설폰을 용매로 사용할 경우, 극성 첨가제가 포함된 잉크를 제조할 수 있다. 또한, 디메틸설폰의 용융점은 109℃이므로 상온에서 고체 상태를 유지할 수 있으나, 이는 일반적인 잉크젯 헤드를 사용할 수 있는 온도범위인 최대 90℃보다 높다. 따라서 극성 용매로서 디메틸설폰과 상용성이 좋고, 용융점이 낮은 술포란을 혼합하여 사용함으로써, 상변이 잉크조성물의 용융온도를 조절할 수 있다.

이때, 상기 제1 용매와 제2 용매의 비는 1:0.75 내지 1:1.5일 수 있다. 예를 들어, 상기 디메틸설폰과 술포란은 그 혼합비가 1:0.75 내지 1:1.5일 수 있다. 제2 용매의 함량을 증가시켜 용융온도를 낮게 조절할 수 있으나, 상기 제2 용매의 함량이 제1 용매의 0.75배 보다 적게 혼합되면 제조된 상변이 잉크조성물의 용융온도가 90℃보다 높아서 통상의 잉크젯 헤드를 사용하기 어려우며, 제2 용매가 제1 용매의 1.5배 보다 많이 혼합되면, 상변이 잉크 조성물의 용융온도가 60℃ 보다 낮아져서, 잉크가 제팅된 후 기재 표면에서 빨리 응고되지 않고 퍼지는 현상이 나타날 수 있다.

따라서, 사용하는 잉크젯 헤드의 종류에 따라 상변이 잉크 조성물의 용융온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, Dimatix사 DMC-11610/DMC-11601 잉크젯 헤드를 사용할 경우에는 용융온도를 최대 70℃로 조절하며, Dimatix Nova 잉크젯 헤드를 사용할 경우에는 용융온도를 최대 90℃로 조절할 수 있다. 기타 다른 회사 또는 모델의 잉크젯 헤드에서 사용 가능한 최고 온도는 제작사가 명시하고 있으며, 일반적으로는 60℃ 내지 90℃이다.

또한, 본 발명의 상변이 잉크 조성물은 상기 용융온도에서 점도가 1 내지 20cP 이하인 것이 바람직하다. 안정적인 잉크의 토출 및 잉크젯 장비의 원활한 구동의 측면에서 사용 온도에서의 점도는 상기 수치범위 내인 것이 바람직하다.

한편, 상기 용매는 상변이 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 20 내지 79 중량부일 수 있다. 바람직하게는 20 내지 70 중량부 또는 50 내지 79 중량부, 더욱 바람직하게는 60 내지 75 중량부일 수 있다. 이때, 용매의 함량이 20 중량부 보다 적으면 상변이 잉크 조성물 내의 금속 나노 입자의 비율이 너무 높아 용융온도 이상에서도 제팅에 적절한 점도를 보이지 않으며, 용매의 함량이 79 중량부 보다 크면 상변이 잉크조성물 내의 금속 나노 입자의 비율이 너무 낮아 형성된 패턴의 전도도가 낮아지게 된다.

다음으로, 상기 1)의 금속 나노 입자의 평균 입경은 2 nm 내지 500 nm일 수 있다.

상기 금속 나노 입자는, 예를 들면, 금, 은, 구리, 니켈, 아연, 백금, 주석, 크롬, 팔라듐, 코발트, 티타늄, 몰리브덴, 철, 망간, 텅스텐 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 상기 금속 나노 입자는 금, 은, 구리, 니켈, 아연, 백금, 주석, 크롬, 팔라듐, 코발트, 티타늄, 몰리브덴, 철, 망간, 텅스텐, 또는 알루미늄의 순수한 금속 그 자체이거나 그것의 합금일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 금속 나노 입자는 상변이 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 20 내지 70 중량부일 수 있다. 바람직하게는 20 내지 50 중량부 또는 40 내지 70 중량부이며, 더욱 바람직하게는 25 내지 35 중량부일 수 있다. 이때, 금속 나노 입자의 함량이 20 중량부 보다 적으면 잉크의 전기 전도도가 충분하지 않고 금속 나노 입자의 함량이 70 중량부 보다 많으면 금속 나노 입자를 분산시키기 어렵게 된다.

한편, 용매 내에서 분산성을 유지하도록 금속 나노 입자 표면에 고분자 캡핑층을 도입할 수 있다. 예를 들면, 폴리올 합성법에 의해, 고분자로 캡핑된 금속 나노 입자를 제조할 수 있으며, 그 방법은 Dongjo Kim 등이 저술한 Nanotechnology 제 17권 4019-4024 등의 문헌에 개시되어 있다.

한편, 본 발명의 상변이 잉크 조성물은, 용매 내에서, 금속 나노 입자가 안정적으로 분산 배치될 수 있도록 하기 위해 2)분산제를 포함한다. 예를 들어, 상기 분산제는 폴리비닐피롤리돈, 상용화 분산제인 BYK사의 disperBYK, disperBYK-101, 102, 103, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 115, 116, 130, 140, 142, 145, 160, 161, 162, 163, 164, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 174, 180, 181, 182, 183, 184, 185, 187, 190, 191, 192, 193, 194, 198, 199, 2000, 2001, 2008, 2009, 2010, 2012, 2015, 2020, 2022, 2025, 2050, 2059, 2070, 2090, 2095, 2096, 2117, 2118, 2150, 2151, 2155, 2163, 2164, BYKJET-9130, 9131, 9132, 9133, 9150, 9170, Evonic사의 Tego Dispers 741 W, 750 W, 755 W, 650, 652, 653, 656, 670, 685, Lubrizol사의 Solsperse 11200, 12000, 13240, 13300, 13500, 13650, 13940, 16000, 17000, 17940, 18000, 19000, 19200, 20000, 21000, 22000, ,24000, 26000, 27000, 28000, 30000, 32000, 32500, 32600, 34750, 35000, 35100, 35200, 36000, 36600, 37500, 38500, 39000, 40000, 41000, 41090, 43000, 44000, 46000, 47000, 50000, 53095, 54000, 71000, 76500, 8000, 8100, 8200, 9000, RM50, X300 및 기타 다른 회사의 제품군으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 1종일 수 있다. 상기 분산제로서, 폴리비닐피롤리돈이 바람직하나 상기 언급된 다른 상용 분산제 또는 언급되지 않은 분산제 혹은 습윤제도 폴리비닐피롤리돈과 유사한 효과를 낼 수 있으므로, 본 발명은 분산제의 종류를 한정하지 않는다.

본 발명에서는 상기 금속 나노 입자 표면은 상기 분산제로 캡핑(capping)될 수 있다. 상기 캡핑에 의해, 상기 금속 나노 입자의 결정 성장을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 분산제가 캡핑 분자로서 금속 나노 입자의 특정 결정면을 선택적으로 둘러쌈으로써 나노 입자의 성장 방향을 조절하는 한편, 금속 나노 입자간 응집을 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 나노 입자의 표면은 폴리비닐피롤리돈으로 캡핑될 수 있고, 이때, 상기 폴리비닐피롤리돈은 폴리올합성법의 캡핑 분자로 사용되면서 동시에 분산제의 역할을 수행할 수 있다.

상기 2)의 분산제는 1 내지 10 중량부를 포함할 수 있고, 바람직하게는 1 내지 7 중량부 또는 3 내지 10 중량부를 포함하며, 보다 바람직하게는 2 내지 5 중량부를 포함한다. 이때, 분산제가 1 중량부 미만이면 금속 나노 입자의 분산이 적절히 되지 않는 문제가 있고 10 중량부 초과이면 잉크의 점도가 높아져서 잉크젯으로 제팅하기 어려운 문제가 발생한다.

또한, 본 발명은 상기 상변이 잉크 조성물을 이용하여 형성된 전도성 패턴을 제공한다. 상기 전도성 패턴은, 고체상의 상변이 잉크 조성물을 가열하여 용융시키고, 기판 상에 액체의 상변이 잉크 조성물을 분사 후, 상기 기판 표면에 분사된 잉크 조성물을 가열하여 형성된다. 한편, 열 처리시 상기 상변이 잉크 조성물은 용융되어 흐를 수 있다. 다만, 상기 금속 입자들은 기재 표면에 닿으면 바로 달라붙는 핀잉(pinning) 현상 때문에, 상기 잉크 조성물이 녹는 것에 크게 영향을 받지 않으므로, 본 발명의 상변이 잉크 조성물을 이용하여 우수한 전도성을 나타내는 미세 패턴을 형성할 수 있다.

이때, 분사된 잉크 조성물의 액적은 100pl 이하로 매우 작아, 기재에 떨어진 후 즉시 응고하여, 기재에서 퍼지는 현상을 억제하므로 미세한 전도성 패턴을 형성하는데 유리하다. 또한, 통상의 상변이 잉크가 기재의 표면에너지와 잉크의 표면장력이 평형상태에 도달한 상태의 액적형상을 가지는데 비해, 본 발명의 상변이 잉크 조성물은 상기 평형에 이르기 전에 잉크 조성물이 응고하여 형상이 고정되므로 잉크 조성물의 형상은 기재의 표면에너지에 크게 영향을 받지 않는다. 따라서, 기재의 정밀한 표면에너지 처리를 생략할 수 있는 우수한 효과가 있다.

한편, 종래의 잉크 조성물로 형성된 전도성 패턴은 기재의 표면에너지에 따라 선폭이 크게 달라지며, 잉크젯 유효 노즐 구경의 4배 정도까지 퍼지는 경우가 있어 미세한 전도성 패턴 구현이 불리한 반면, 본 발명의 상변이 잉크 조성물을 사용하여 형성된 전도성 패턴은 잉크젯 유효 노즐 구경의 1.5~2배에 해당하는 비교적 일정한 폭의 미세한 전도성 패턴일 수 있다.

한편, 본 발명은 금속 나노 입자, 분산제 및 적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매를 포함하고, 용융온도가 60℃ 내지 90℃인 상변이 잉크 조성물을 제조하는 방법을 제공한다.

상기 제조방법은, 예를 들면, 금속 나노 입자, 분산제 및 적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매를 혼합하는 방법에 의해 제조될 수 있으며, 이때, 상기 적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매는 상기한 제1용매 및 제2용매의 혼합물일 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 상기 금속 나노 입자, 분산제 및 적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매는 동시에 혼합될 수도 있고, 금속 나노 입자와 분산제를 유기 용매에 혼합하여 금속 나노 입자 분산액을 형성한 후, 이 분산액에 적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매를 혼합할 수도 있다. 보다 구체적으로는, 이로써 한정되는 것은 아니나, 예를 들면, 금속 나노 입자와 분산제를 유기 용매 내에서 먼저 혼합한 후, 폴리올 합성법을 이용하여 금속 나노 입자의 표면에 분산제가 캡핑되도록 하는 단계를 거친 후, 상기 적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매, 즉, 제1용매 및 제2용매를 순차적으로 혼합함으로써, 본 발명의 상변이 잉크 조성물을 제조할 수 있다.

이때, 상기 캡핑 단계 또는 분산액 형성에서 사용되는 유기 용매는 상기 제1용매 혼합 후에 제거되어야 하기 때문에, 제1용매에 비해 낮은 비점을 갖는 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 유기 용매의 제거는 증발 또는 원심 분리법 등에 의해 수행될 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 금속 나노 입자, 분산제 및 제1용매 및 상기 제1용매보다 비점이 낮은 용매를 혼합하여 조성물을 형성하는 단계; 상기 제1용매보다 비점이 낮은 용매를 증발시키는 단계; 및 비점이 낮은 용매가 증발된 조성물에 제2용매를 혼합하는 단계를 포함하는 상변이 잉크 조성물 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 금속 나노 입자, 분산제 및 제1용매보다 비점이 낮은 용매를 혼합하여 조성물을 형성하는 단계; 원심 분리법으로 상기 제1용매보다 비점이 낮은 용매를 제거하고 금속 나노 입자 및 분산제를 얻는 단계; 및 상기 원심 분리법으로 얻은 금속 나노 입자 및 분산제를 제1용매 및 제2용매와 혼합하여 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 상변이 잉크 조성물 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

1. 잉크 조성물 제조

제조예 1 - E1

폴리올 합성법을 이용하여 합성한 폴리비닐피롤리돈이 캡핑된 은 나노 입자가 50wt% 함유된 에틸렌 글리콜(비점 197℃) 용액 50g을 디메틸설폰(비점 238℃) 25g과 혼합한 후 질소를 흘려주는 플라스크에 넣어 자석 막대로 교반하면서 200℃로 가열하였다. 이때 디메틸설폰은 녹아서 은 나노 입자 용액과 균일하게 섞였다. 가열을 지속함에 따라 상기 은 나노 입자 함유 용액에 포함되어 있던 비점이 낮은 용매인 에틸렌 글리콜은 증발하였다. 1시간 동안 가열하여, 은 나노 입자 약 25g과 디메틸설폰과 기타 물질 약 25g의 조성물을 얻었다. 제조된 잉크의 조성은 전체 100 중량부에서 은 나노 입자 45 중량부, 폴리비닐피롤리돈 3 중량부, 디메틸설폰 52 중량부이었다. 이 조성물은 100℃ 부근에서 응고하며 상온에서 고체 상태로 된다.

제조예 2 - E2

폴리올 합성법을 이용하여 합성한 폴리비닐피롤리돈이 캡핑된 은 나노 입자를 함유한 분산액을 원심 분리하여 은 페이스트 25g을 얻었다. 상기 은 페이스트를 술포란 55g과 혼합한 후 질소를 흘려주는 플라스크에 넣고 자석 막대로 교반하면서 150℃로 가열하였다. 제조된 잉크의 조성은 전체 100 중량부에서 은 나노 입자 32 중량부, 폴리비닐피롤리돈 2 중량부, 술포란 66 중량부이었다. 이 잉크 조성물은 25℃ 부근에서 응고하며 상온에서 액체 또는 무른 고체이다.

제조예 3 - E3

폴리올 합성법을 이용하여 합성한 폴리비닐피롤리돈이 캡핑된 은 나노 입자를 함유한 분산액을 원심 분리하여 은 페이스트 25g을 얻었다. 상기 은 페이스트를 메틸페닐설폰 55g과 혼합한 후 질소를 흘려주는 플라스크에 넣고 자석 막대로 교반하면서 150℃로 가열하였다. 이때 은 입자들의 분산성이 좋지 않아서 잉크로 사용할 수 없었다.

제조예 4 - E4

폴리올 합성법을 이용하여 합성한 폴리비닐피롤리돈이 캡핑된 은 나노 입자를 함유한 분산액을 원심 분리하여 은 페이스트 50g을 얻었다. 상기 은 페이스트에 부틸 카비톨이 주 용매 성분인 용액 50g을 첨가하여 제조된 잉크의 조성은, 전체 100 중량부에서 은 나노 입자 약 45 중량부, 폴리비닐피롤리돈 3 중량부, 부틸카비톨 52 중량부이었다. 이 조성물은 상온에서 액체 상태이다.

제조예 5 - E5

폴리올 합성법을 이용하여 합성한 폴리비닐피롤리돈이 캡핑된 은 나노 입자를 함유한 분산액을 원심 분리하여 캡핑된 은 나노 입자를 얻었다. 상기 캡핑된 은 나노 입자가 50wt% 함유된 부틸 카비톨이 주 용매 성분인 용액 50g에 파라핀을 첨가하였다. 제조된 잉크의 조성은 은 나노 입자 25 중량부, 폴리비닐피롤리돈 2 중량부, 부틸카비톨 23 중량부, 파라핀 50 중량부이었다. 파라핀 용액은 은 나노 입자 용액과 균일하게 섞이지 않았으며 질소를 흘려주는 플라스크에 넣고 자석 막대로 교반하면서 120℃로 가열하면 은 나노 입자 함유 용액 부분에서 용액이 일부 증발하면서 은 나노 입자가 덩어리로 석출되었다. 이러한 덩어리는 잉크젯 노즐을 막기 때문에 잉크로 사용하기 부적절한 것으로 판명되었다.

제조예 6 - E6

폴리올 합성법을 이용하여 합성한 폴리비닐피롤리돈이 캡핑된 은 나노 입자가 50wt% 함유된 에틸렌 글리콜(비점 197℃) 용액 50g을 디메틸설폰(비점 238℃) 25g과 혼합한 후 질소를 흘려주는 플라스크에 넣고 자석 막대로 교반하면서 200℃로 가열하였다. 이때, 디메틸설폰은 녹아서 은 나노 입자 용액과 균일하게 섞였다. 가열을 지속함에 따라 상기 은 나노 입자 함유 용액에 포함되어 있던 비점이 낮은 용매인 에틸렌 글리콜은 증발하였다. 1시간 동안 가열하여, 은 나노 입자 약 25g과 디메틸설폰과 기타 물질 약 27g의 조성물을 얻었다. 이 조성물은 100℃ 부근에서 응고하며 상온에서는 고체 상태로 된다.

용융온도가 낮은 잉크 조성물을 조제하기 위해, 상기 제조된 조성물에 35g의 술포란을 추가하고 120℃에서 교반하였다. 제조된 잉크의 조성은 전체 100 중량부에서 은 나노 입자 28 중량부, 폴리비닐피롤리돈 2 중량부, 디메틸설폰 30 중량부, 술포란 40 중량부이었다. 상기 잉크 조성물의 용융온도는 약 65℃이며, 상온에서 고체 상태로 된다.

제조예 7 - E7

폴리올 합성법을 이용하여 합성한 폴리비닐피롤리돈이 캡핑된 은 나노 입자를 함유한 분산액을 원심 분리하여 은 페이스트 25g을 얻었다. 상기 은 페이스트를 디메틸설폰 15g, 술포란 35g과 혼합한 후 질소를 흘려주는 플라스크에 넣고 자석 막대로 교반하면서 150℃로 가열하였다. 제조된 잉크의 조성은 전체 100 중량부에서 은 나노 입자 32 중량부, 폴리비닐피롤리돈 2 중량부, 디메틸설폰 28 중량부, 술포란 38 중량부이었다. 이 잉크 조성물은 65℃ 부근에서 응고하며 상온에서 고체 상태로 된다.

2. 패턴의 형성

하기 기재된 바와 같이, 상기 제조된 잉크 조성물을 사용하여 유리기판, 실리콘기판, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름(PET 필름) 및 잉크젯 포토용지 위에 잉크젯 방식으로 패턴을 형성하였다. 이때, 사용된 잉크젯 장비는 최고 온도가 70℃인 Dimatix사의 DMP 2830(이하 '잉크젯 장비 1')와 동사의 약 20개 제품 중 유일하게 고온용으로 특수 제작된 최고 온도가 130℃인 Galaxy 256/30 HM(이하 '잉크젯 장비 2')의 프린터 헤드를 사용하였고, 이때, 잉크젯 헤드의 유효 노즐 구경은 22㎛이다.

비교예 1

제조예 1의 E1 잉크 조성물은 잉크젯 장비 1에는 사용할 수 없었다. 그러나 잉크젯 장비 2를 사용하여 패턴을 형성할 수 있었다. 잉크젯 장비 2의 프린터 헤드의 온도를 110℃로 유지한 상태에서 유리 기판 위에 액적의 간격을 50㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 이때, 형성된 선의 선폭은 82㎛이었다.

비교예 2

제조예 2의 E2 잉크 조성물을 잉크젯 장비 1에 사용하는 잉크젯 헤드에 주입하였다. 헤드의 온도를 70℃로 유지한 상태에서 유리 기판 위에 액적의 간격을 30㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 이때, 액적은 유리 기판에 떨어진 후, 빨리 응고되지 않아 퍼지는 현상이 발생하였으며, 형성된 선의 선폭은 81㎛이었다.

비교예 3

제조예 4의 E4 잉크 조성물을 잉크젯 장비 1에 사용하는 잉크젯 헤드에 주입하였다. 헤드의 온도를 상온으로 두고 유리 기판 위에 액적의 간격을 30㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 이때, 액적이 유리 기판에 떨어진 후 퍼지는 현상이 발생하였으며, 형성된 선의 선폭은 85㎛이었다.

비교예 4

제조예 4의 E4 잉크 조성물을 잉크젯 장비 1에 사용하는 잉크젯 헤드에 주입하였다. 헤드의 온도를 상온으로 두고 잉크젯 포토용지 위에 액적의 간격을 30㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 이때, 포토 용지가 용매를 흡수하여 선이 퍼지는 현상을 억제 하였으며, 형성된 선의 선폭은 41㎛이었다.

실시예 1

제조예 6의 E6 잉크 조성물을 75℃로 가열하여 액체 상태로 만든 후 잉크젯 장비 1에 사용하는 잉크젯 헤드에 주입하였다. 헤드의 온도를 70℃로 유지한 상태에서 유리 기판 위에 액적의 간격을 30㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 이때, 형성된 선의 선폭은 33㎛이었다.

실시예 2

제조예 6의 E6 잉크 조성물을 75℃로 가열하여 액체 상태로 만든 후 잉크젯 장비 1에 사용하는 잉크젯 헤드에 주입하였다. 헤드의 온도를 70℃로 유지한 상태에서 실리콘 기판 위에 액적의 간격을 30㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 이때, 형성된 선의 선폭은 45㎛이었다.

실시예 3

제조예 6의 E6 잉크 조성물을 75℃로 가열하여 액체 상태로 만든 후 잉크젯 장비 1에 사용하는 잉크젯 헤드에 주입하였다. 헤드의 온도를 70℃로 유지한 상태에서 잉크젯 포토용지 위에 액적의 간격을 30㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 이때, 형성된 선의 선폭은 32㎛ 이었다.

실시예 4

제조예 6의 E6 잉크 조성물을 75℃로 가열하여 액체 상태로 만든 후 잉크젯 장비 1에 사용하는 잉크젯 헤드에 주입하였다. 헤드의 온도를 70℃로 유지한 상태에서 PET필름 위에 액적의 간격을 30㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 이때, 형성된 선의 선폭은 38㎛이었다.

실시예 5

제조예 7의 E7 잉크 조성물을 75℃로 가열하여 액체 상태로 만든 후 잉크젯 장비 1에 사용하는 잉크젯 헤드에 주입하였다. 헤드의 온도를 70℃로 유지한 상태에서 유리 기판 위에 액적의 간격을 30㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 이때, 형성된 선의 선폭은 34㎛이었다.

실시예 6

제조예 7의 E7 잉크 조성물을 75℃로 가열하여 액체 상태로 만든 후 잉크젯 장비 1에 사용하는 잉크젯 헤드에 주입하였다. 헤드의 온도를 70℃로 유지한 상태에서 실리콘 기판 위에 액적의 간격을 30㎛ 간격으로 제팅하여 금속 선 패턴을 형성하였다. 형성된 선의 선폭은 44㎛이었다.

상기 제조예에 따른 상변이 잉크 조성물의 용매 성분, 용융 온도, 잉크 조성물의 상온에서의 물질의 상태를 하기 표 1에 정리하였다. 또한, 비교예 및 실시예에 따라, 상기 잉크 조성물을 사용하여 제조된 패턴의 선폭을 하기 표 1에 정리하였다. 한편, 실시예 1 내지 6에 따라 제조된 패턴은 약 30mm 길이를 기준으로 측정했을 때, 약 수십~수백 옴 정도의 저항값을 나타냈다.

항목		용매 성분	용융온도(℃)	상온에서 물질의 상태	잉크 조성물을 사용하여 제조된 패턴의 선폭(㎛)
제조예 1	비교예 1	디메틸설폰	100	고체	82
제조예 2	비교예 2	술포란	25	액체 또는 무른 고체	81
제조예 3	-	메틸페닐설폰	-	-	-
제조예 4	비교예 3	부틸 카비톨	-	액체	85
	비교예 4				41
제조예 5	-	부틸 카비톨, 파라핀	-	-	-
제조예 6	실시예 1	디메틸설폰, 술포란	65	고체	33
	실시예 2				45
	실시예 3				32
	실시예 4				38
제조예 7	실시예 5	디메틸설폰, 술포란	65	고체	34
	실시예 6				44

상기 실험데이터에 의하면, 비교예 1에서는 잉크 조성물의 용융온도가 잉크젯장비 1에 적합하지 않음을 알 수 있으며, 비교예 2를 통해, 용융점이 0 내지 40℃인 술포란만을 용매로서 사용할 경우, 잉크 조성물의 용융 온도는 60℃ 미만이므로, 본 발명의 잉크 조성물로서 적절하지 아니함을 알 수 있다. 또한, 비교예 3 및 4를 통해, 황 함유 화합물을 전혀 포함하지 않는 용매를 사용하여 제조된 잉크 조성물의 경우, 액적이 유리 기판에 떨어진 후 퍼지는 현상이 발생하며, 기재에 따라, 선폭이 크게 달라짐을 알 수 있다.

한편, 제조예 3은 용융점이 85℃인 메틸페닐 설폰만을 용매로서 사용하여 제조된 잉크 조성물의 경우, 금속 나노 입자들의 분산성이 좋지 않아서 잉크 조성물로서 적절하지 아니함을 보여준다. 또한, 제조예 5에서는 은 나노 입자의 분산제로 극성인 폴리비닐피롤리돈을 사용한 잉크 조성물의 경우, 비극성 용매인 파라핀에서 은 나노 입자가 덩어리로 석출되어, 잉크 조성물로서 적절하지 아니함을 알 수 있다.

또한, E6 및 E7의 잉크 조성물의 경우, 디메틸설폰을 제1용매로, 술포란을 제2용매로 하여 이들을 혼합한 용매를 사용함으로써, 용융온도를 조절한 결과, 잉크젯 장비 1에 적합한 온도에서 용융되었다. 또한, 실시예 1 내지 6을 통해 알 수 있는 바와 같이, 기재와 무관하게 잉크젯 유효 노즐 구경의 1.5~2배에 해당하는 비교적 일정한 폭의 미세 패턴을 형성할 수 있었다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (10)

1. 금속 나노 입자;
   분산제; 및
   적어도 2종의 황 함유 화합물을 포함하는 용매를 포함하고,
   용융온도가 60℃ 내지 90℃인 상변이 잉크 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속 나노 입자 20 내지 70 중량부;
   상기 분산제 1 내지 10 중량부; 및
   상기 용매 20 내지 79 중량부를 포함하는 상변이 잉크 조성물.
3. 제1항에 있어서,
   상기 금속 나노 입자의 표면은 상기 분산제로 캡핑된 상변이 잉크 조성물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 황 함유 화합물은 설폰기 함유 화합물인 상변이 잉크 조성물.
5. 제1항에 있어서,
   상기 용매는 용융점이 80℃ 내지 200℃ 인 제1 용매 및 용융점이 0 내지 40℃인 제2 용매를 혼합한 것인 상변이 잉크 조성물.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 용매는 디메틸설폰이고, 상기 제2 용매는 술포란인 상변이 잉크 조성물.
7. 제5항에 있어서,
   상기 제1 용매와 제2 용매의 비는 1:0.75 내지 1:1.5인 상변이 잉크 조성물.
8. 제1항에 있어서,
   상기 금속 나노 입자는 금, 은, 구리, 니켈, 아연, 백금, 주석, 크롬, 팔라듐, 코발트, 티타늄, 몰리브덴, 철, 망간, 텅스텐 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 상변이 잉크 조성물.
9. 제1항에 있어서,
   60℃ 내지 90℃의 용융온도에서 상기 상변이 잉크 조성물의 점도가 1 내지 20cP인 상변이 잉크 조성물.
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 상변이 잉크 조성물을 이용하여 형성된 전도성 패턴.