KR20160137357A - 전도성 잉크 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 도전 패턴 형성방법 - Google Patents

전도성 잉크 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 도전 패턴 형성방법 Download PDF

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KR20160137357A
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차상호
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Abstract

가공성이 향상된 전도성 잉크 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 도전 패턴 형성방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 패턴을 형성하기 위한 전도성 잉크 조성물은, 유기용매와, 상기 유기용매에 분산되는 고분자 물질을 포함하되, 상기 고분자 물질은, 은 이온이 배위결합하는 하기 화학식 1인 제1 단량체와, 상기 제1 단량체와 결합되고, 하기 화학식 2 내지 4중 어느 하나의 제2 단량체로 이루어질 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00044

[화학식 2]
Figure pat00045

[화학식 3]
Figure pat00046

[화학식 4]
Figure pat00047

Description

전도성 잉크 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 도전 패턴 형성방법{Composition of conductive ink, fabricating method of the same and conductive pattern using the same}
본 발명은 전도성 잉크 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 도전 패턴 형성방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 고분자 물질을 이용하여 은을 유기용매에 분산시키는 방법을 통해 가공성이나 응용성이 우수한 전도성 잉크 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 도전 패턴 형성방법에 관한 것이다.
최근 전자 산업이 발달함에 따라 전자제품 및 소자의 소형화 및 높은 신뢰성이 요구되고 있으며, 높은 집적도가 요구되는 전자제품의 회로 패턴이나 전극 형성을 위해 다양한 방법들이 시도되고 있다. 그 중에서 도전성 금속 페이스트를 사용하는 것이 공정 중 부산물이나 오염물질의 생성이 적어 관심의 대상이 되고 있다.
일반적으로 사용되는 금속 페이스트는 도전성 금속, 유리 프릿, 유기 바인더를 포함하여 이루어지며, 도전성 금속으로는 은 또는 알루미늄 등이 사용되고 있다. 현재 도전성 금속 페이스트가 주로 사용되는 제품으로는 하이브리드 IC, 반도체 IC의 실장이나 각종 콘덴서 및 전극 등이 있으며, 최근 PCB, EL, 터치패널, RFID, LCD, PDP 또는 태양전지 등의 첨단 전자제품에도 널리 사용되는 등, 관련 산업이 확대 발전함에 따라 그 수요도 더욱 증가하고 있는 실정이다.
일 예로 태양전지의 경우에는 최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 그 중에서도 태양전지가 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 주목 받고 있다.
한편, 전자장치의 전극 형성시 사용되는 금속 페이스트는 단량체에 금속이 전하력(charge force)으로 결합되고, 단량체와 결합된 금속을 분산제에 넣어 분산시키는 방법으로 제조 되었으나, 상기 금속이 분산제에 의해 환원되었다. 이에, 전기 전도 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 전기 전도성을 유지하면서도, 금속이 분산제내에 균일하게 분산되는 방안이 필요하였다.
본 발명은 이러한 필요점을 해결하려 제안된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는, 고분자 물질에 은을 결합시키고, 이를 유기용매에 분산시킨 전도성 잉크 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 상기 전도성 잉크 조성물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 상기 전도성 잉크 조성물을 이용한 도전 패턴 형성방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하려는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하려는 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 패턴을 형성하기 위한 전도성 잉크 조성물은, 유기용매와, 상기 유기용매에 분산되는 고분자 물질을 포함하되, 상기 고분자 물질은, 은 이온이 배위결합하는 하기 화학식 1인 제1 단량체와, 상기 제1 단량체와 결합되고, 하기 화학식 2 내지 4중 어느 하나의 제2 단량체로 이루어질 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
[화학식 3]
Figure pat00003
[화학식 4]
Figure pat00004
상기 고분자 물질에서, 제1 단량체와 상기 제2 단량체의 함량비는 1:9 내지 5:5이다.
전체 조성물의 중량에 대해, 상기 고분자 물질은 10 내지 40중량%이고, 유기 용매는 잔량이다.
상기 유기용매는, m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름 및 γ-부티로락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나이다.
상기 해결하려는 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물의 제조방법은, 유기용매를 제공하는 단계와, 상기 유기용매에, 은 이온이 배위결합하는 하기 화학식 1의 제1 단량체와, 하기 화학식 2 내지 4중 어느 하나의 제2 단량체를 투입하여 고분자 물질을 형성하는 단계와, 상기 고분자 물질을 상기 유기 용매에 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00005
[화학식 2]
Figure pat00006
[화학식 3]
Figure pat00007
[화학식 4]
Figure pat00008
상기 고분자 물질에서, 제1 단량체와 상기 제2 단량체의 함량비는 1:9 내지 5:5이다.
전체 조성물의 중량에 대해, 상기 고분자 물질은 10 내지 40중량%이고, 유기 용매는 잔량이다.
상기 유기용매는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름 및 γ-부티로락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나이다.
상기 제1 단량체는, 은-메타크릴레이트(methacrylate)와 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)에 용해시켜 형성될 수 있다.
상기 해결하려는 또 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 도전 패턴 형성방법은, 기판을 제공하는 단계와, 유기 용매와, 상기 유기 용매에 분산되는 고분자 물질을 포함하는 전도성 잉크 조성물을 제공하는 단계와, 상기 전도성 잉크 조성물을 이용하여 전도성 패턴 형상을 형성하고, 상기 전도성 패턴 형상을 통해 전도성 패턴을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 고분자 물질은, 은 이온이 배위결합하는 하기 화학식 1인 제1 단량체와, 상기 제1 단량체와 결합되고, 하기 화학식 2 내지 4중 어느 하나의 제2 단량체로 이루어질 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00009
[화학식 2]
Figure pat00010
[화학식 3]
Figure pat00011
[화학식 4]
Figure pat00012
상기 전도성 패턴 형상은 150 ℃ 내지 450℃의 온도분위기에서 열처리될 수 있다.
상기 열처리는 진공 분위기, 수소 가스를 이용한 환원 분위기, 또는 질소, 아르곤, 헬륨 가스를 이용한 비활성 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 전도성 패턴 형상은 잉크젯 프린팅법 또는 전기 수력학적(EHD; Electro Hydro Dynamic) 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 고분자 물질에서, 제1 단량체와 상기 제2 단량체의 함량비는 1:9 내지 5:5이다.
전체 조성물의 중량에 대해, 상기 고분자 물질은 10 내지 40중량%이고, 유기 용매는 잔량이다.
상기 유기용매는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름 및 γ-부티로락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나이다.
본 발명에 의할 경우, 고분자 물질을 이용하여 은을 유기용매에 분산시키는 방법을 통해 가공성이나 응용성이 우수한 전도성 잉크 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 도전 패턴 형성방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물의 개념도이다.
도 2는 전도성 잉크 조성물의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 전도성 잉크 조성물을 이용한 도전 패턴 형성방법을 나타낸 순서도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도전 패턴 형성방법을 나타낸 단면도이다.
도 6은 은-메타크릴레이트(1,5 씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))의 적외선 스펙트럼을 분석한 것이다.
도 7은 은-메타크릴레이트(1,5-씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))-MMA 공중합체의 NMR 스펙트럼을 분석한 것이다.
도 8은 은-메타크릴레이트(1,5-씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))-MMA 공중합체의 열중량 분석을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물의 분산도를 알아보기 위한 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope) 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 전도성 잉크 조성물, 이의 제조방법 및 이를 이용한 도전 패턴 형성방법을 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물(100)은 고분자 물질(110)과 상기 고분자 물질(110)이 분산된 유기용매(120)를 포함할 수 있다. 전도성 잉크 조성물(100)은 고분자(110)와 상기 고분자(110)가 분산되는 유기용매(120)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물(100)은 고분자 물질(110)이 유기용매(120)에 분산된 유기졸(organo sol) 형태일 수 있다.
즉, 은(Ag) 이온은 유기용매 내에서, 이온(ion) 상태로 존재할 수 있다. 은(Ag) 이온은 고분자 물질내에서 환원되지 않고 유기용매에 분산될 수 있는데, 이에 의해 은(Ag) 이온은 전기적 전도 특성을 가질 수 있다. 전기적 전도 특성을 가짐으로써, 전자장치에서 도전 패턴용 전도성 잉크 조성물로 사용될 수 있다.
먼저, 고분자 물질(110)을 설명하면 다음과 같다. 고분자 물질(110)은 은(Ag)과 배위결합하는 리간드를 구비하는 하기의 화학식 1인 제1 단량체와, 하기 화학식 2 내지 4중 어느 하나의 제2 단량체로 이루어질 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00013
[화학식 2]
Figure pat00014
[화학식 3]
Figure pat00015
[화학식 4]
Figure pat00016
즉, 고분자 물질(110)은 제1 단량체와 제2 단량체로 이루어진 공중합체(copolymer)일 수 있다.
제1 단량체인 화학식 1은 은(Ag) 이온을 포함할 수 있다. 은(Ag) 이온은 예를들어, 잉크젯 프린팅 방법이나 전기 수력학적(EHD; electro hydro dynamic) 방법을 이용한 전도성 패턴을 형성할 때 사용될 수 있다. 본 발명에 의할 경우, 은(Ag) 이온이 고분자 매트릭스(matrix)에 의해 유기용매에 분산될 수 있다. 즉, 유기졸(organo sol)형태로, 은(Ag) 이온을 포함하는 고분자가 유기용매에 분산될 수 있다. 은(Ag) 이온은 고분자 매트릭스(matrix)에 의해 환원되지 않으면서, 고분자에 의해 유기용매에 분산될 수 있다.
제1 단량체와 제2 단량체가 결합되어 이루어진 고분자 물질(110)은 하기 화학식 5 내지 7과 같다.
[화학식 5]
Figure pat00017
[화학식 6]
Figure pat00018
[화학식 7]
Figure pat00019
고분자 물질(110)이 분산된 유기용매(120)는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름 및 γ-부티로락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
한편, 고분자 물질(110)에서 제1 단량체와 상기 제2 단량체의 함량비는 1:9 내지 5:5일 수 있다. 고분자 물질(110)에서 제2 단량체 대비 제1 단량체의 함량비가 1/10미만인 경우, 은(Ag) 이온을 함유한 제1 단량체의 양이 적어져, 전도성 잉크 조성물의 전기 전도 특성이 저하될 수 있다. 한편, 제1 단량체의 함량비가 5/10을 초과할 경우, 제2 단량체의 함량이 적어져 고분자 물질이 유기용매에서 분산되는 특성이 저하될 수 있다.
한편, 전체 전도성 잉크 조성물의 중량에 대해, 고분자 물질은 10 내지 40중량%이고, 유기 용매는 잔량일 수 있다. 전도성 잉크 조성물 중 고분자 물질의 함량이 10중량% 미만이면, 도전 패턴 형성시 충분한 점도를 가질 수 없다. 반면에, 고분자 물질의 함량이 40중량%를 초과하면, 예를들어 잉크젯 프린팅 방법이나 전기 수력학적(EHD, electro hydro dynamic) 방법을 이용한 전도성 패턴을 형성할 때, 조성물의 점성이 높아 토출성능이 저하될 수 있다. 즉, 조성물을 이용한 도전 패턴 형성시 가공성이 저하될 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물의 제조방법을 설명한다.
전도성 잉크 조성물을 제조하기 위하여, 먼저 유기용매를 제공한다(S10). 유기용매는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름 및 γ-부티로락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
계속해서, 유기용매에 은 이온이 배위결합하는 하기 화학식 1의 제1 단량체와, 하기 화학식 2 내지 4중 어느 하나의 제2 단량체를 투입하여 고분자 물질을 형성한다(S20).
[화학식 1]
Figure pat00020
[화학식 2]
Figure pat00021
[화학식 3]
Figure pat00022
[화학식 4]
Figure pat00023
제1 단량체와 제2 단량체가 결합되어 이루어진 고분자 물질(110)은 하기 화학식 5 내지 7과 같다.
[화학식 5]
Figure pat00024
[화학식 6]
Figure pat00025
[화학식 7]
Figure pat00026
계속해서, 상기 화힉식 5 내지 7의 고분자 물질(110)을 유기용매(120)에 분산시킨다(S30). 본 발명에 의할 경우, 기존과 달리 별도의 분산제를 투입하지 않아도, 은(Ag) 이온을 유기용매 내에 분산시킬 수 있다. 즉, 유기용매에 잘 분산되는 고분자 물질에 은(Ag) 이온을 포함시켜, 상기 고분자 물질을 유기용매에 분산시킴으로써, 궁극적으로 은(Ag) 이온이 유기용매에 고르게 분산되도록 하는 것이다.
보다 구체적으로, 기존의 은-잉크의 경우, 단량체에 은이온이 전하력(charge force)으로 결합되고, 단량체와 결합된 은이온을 분산제에 넣어 분산시키는 방법으로 제조 되었다. 반면에 본 발명에 따른 전도성 잉크 조성물은 단량체 사이에 은이온을 분산시키는 것이 아닌, 고분자 매트릭스(matrix)에 은이온을 분산시고, 은이온이 분산된 고분자를 유기용매에 분산시키는 방법으로 제조된다.
또한, 은이온은 유기용매에서 잘 분산되기 어렵다. 은이온을 유기용매에 분산시키기 위해, 분산제(예를들어, 아민)를 사용하게 되는데, 분산제에 의해 은이온이 환원될 수 있다. 은이온이 환원되면, 전하성을 상실하여, 예를들어 잉크젯 프린팅법 또는 EHD법 에서 사용되는 잉크로써의 기능을 상실할 수 있다. 반면에, 본 발명에 의할 경우, 은이온과 배위결합하는 단량체를 포함하는 고분자를 형성하여, 은이온을 고분자 매트릭스(matrix)에 분산시키고, 은이온이 분산된 고분자를 유기용매에 분산시켜 전도성 잉크 조성물을 형성할 수 있다. 즉, 고분자가 유기용매에 비교적 잘 용해될 수 있고, 이에 의해 고분자는 유기용매에 고르게 분산될 수 있다. 이때, 고분자에 포함된 은(Ag) 이온은 고분자의 분산과 함께 유기용매에 분산될 수 있다. 고분자의 분산을 통해, 고분자에 포함된 은(Ag) 이온의 분산도 도모할 수 있는 것이다.
이때, 은이온과 배위결합하는 단량체 및 고분자는 전기적으로 중성이므로, 은이온을 환원시키지 않는다. 이에 의해, 은이온의 전하성이 상살되지 않으면서, 은이온이 유기용매에 분산될 수 있다. 따라서, 우수한 성질의 전도성 잉크 조성물을 제조할 수 있다.
한편, 고분자 물질(110)에서 제1 단량체와 상기 제2 단량체의 함량비는 1:9 내지 5:5일 수 있다. 또한, 전체 전도성 잉크 조성물의 중량에 대해, 고분자 물질은 10 내지 40중량%이고, 유기 용매는 잔량일 수 있다. 각각의 이유는 상술한 바와 동일한 바, 반복되는 설명은 생략한다.
다음으로, 도 3 내지 5를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도전 패턴 형성방법을 설명한다.
먼저, 전도성 패턴이 형성될 기판(10)을 제공한다(S100). 기판(10)은 연성이 있고 가벼운 플라스틱과 같은 가요성 기판일 수 있다.
계속해서, 상술항 전도성 잉크 조성물을 제공한다(S200). 전도성 잉크 조성물은 상술한 조성물과 실질적으로 동일하므로, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
계속해서, 전도성 잉크 조성물을 이용하여 기판(10) 상에 전도성 패턴 형상(210)을 형성한다. 전도성 패턴 형상(210)은 예를들어, 잉크젯 프린팅법 또는 전기 수력학적(EHD; electro hydro dynamic) 방법을 통해 형성될 수 있다.
계속해서, 기판(10) 상에 형성된 전도성 패턴 형상(210)을 열처리하여 최종적 전도성 패턴(220)을 형성한다(S300). 한편, 전도성 패턴(220)은 각종 전자 소자의 전극 패턴일 수 있으며, 예를 들어 액정 표시 장치 중 게이트 전극 패턴, 데이터 전극 패턴 등일 수 있다.
여기서, 열처리 온도는 150℃ 내지 450℃일 수 있다. 이 온도는 열처리에 의해 기판(10)이 손상되지 않을 정도의 온도일 것이 요구된다. 열처리 시 전도성 패턴(220)에 산화막이 형성되는 것을 억제하기 위하여, 진공 분위기, 수소 가스를 이용한 환원 분위기, 또는 질소, 아르곤, 헬륨 가스를 이용한 비활성 분위기에서 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. 진공 처리는 10-3torr 이하의 진공 분위기에서 수행할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
은 이온을 포함하는 전도성 잉크 조성물의 제조
<은(Ag) 이온 함유 제1 단량체의 제조>
은(Ag) 이온-메타크릴레이트(methacrylate)와 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)에 용해시켜 혼합물인 용액을 형성하였다. 이에 의해, 은(Ag) 이온-메타크릴레이트(methacrylate)와 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 하기의 반응식과 같이 반응시켰다.
Figure pat00027
이때, 은(Ag) 이온-메타크릴레이트(methacrylate)는 1g을, 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)은 0.3g을, THF는 200ml를 사용하였다.
상기 용액을 원심분리기에 넣고 3000rpm으로 원심분리하여, 상기 혼합물내의 불순물을 가라앉혀, 정제된 용액을 수득하였다. 수득된 용액을 헥산(hexane)에 넣어, 최종적으로 하기 화힉식 1의 은 이온-메타크릴레이트(1,5 씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))을 형성하였다.
[화학식 1]
Figure pat00028
한편, 제1 단량체가 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 포함함으로써, 후술하는 고분자 물질들도 고분자 체인에 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 포함할 수 있다. 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)에 의해, 고분자 물질들은 용매상에서 안정성을 가질 수 있다. 이에 따라, 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 포함하는 고분자 물질을 포함하는 전도성 잉크 조성물의 장기 보관성이 향상될 수 있다.
< 고분자 물질 제조>
계속해서, 상기 제조한 은(Ag) 이온 함유 제1 단량체와 제2 단량체인 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate; MMA), 스티렌(styrene), 아크릴아미드(acrylamide; Aa) 각각에 대해 라디칼(radical) 중합을 진행한다. 이때, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran; THF)이 용매로 사용되고, 아조비스(이소부티러니트릴)(azobis(isobutyronitrile); AIBN)이 개시제로 사용될 수 있다. 1.401mmol의 메틸 메타크릴레이트, 스티렌, 아크릴아미드 각각에 1.401mmol의 제1 단량체가 용액에 첨가된다. 계속해서, 질소(N2)로 퍼징하고, 60?C에서 0.05g의 AIBN을 개시제로 하여 17시간동안 제1 단량체와 메틸 메타크릴레이트, 스티렌, 아크릴아미드 각각을 라디칼 중합시켰다. 중합후, 반응물에 헥산을 투입하고, 침전물을 헥산과 메탄올로 2-3회 세척하였다.
그 결과물은 다음과 같다.
[화학식 5]
Figure pat00029
(제1 단량체와 MMA의 공중합체)
[화학식 6]
Figure pat00030
(제1 단량체와 스티렌의 공중합체)
[화학식 7]
Figure pat00031
(제1 단량체와 Aa의 공중합체)
<유기용매에 고분자를 분산시킴 >
고분자 물질을 용해시킬 용매로써, 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc)을 7:3의 비율로 혼합한 용매를 사용하였다. 상기 용매에 고분자 물질을 용해시켜 5wt%의 고분자 용액을 제조하였다. 이에 의해, 최종적으로 은(Ag)을 포함하는 고분자가 유기용매에 분산된 유기졸(organo sol) 전도성 잉크 조성물이 제조되었다.
은(Ag)이 결합된 단량체(예를들어, 은(Ag) 이온-메타크릴레이트(methacrylate))가 고분자를 이루며 유기용매에 분산되어 은 이온-유기졸(organo sol)을 형성한다. 이렇게 형성된 은 이온-유기졸은 고분자 형태로 존재하기 때문에 가공성이 뛰어나며, 각각 고분자 성질을 갖게 된다.
실험예
<은 이온-메타크릴레이트(1,5-씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))의 적외선 분석>
도 6을 참조하면, 제1 단량체인 은 이온-메타크릴레이트(1,5 씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))를 제조한 후, 이의 적외선 스펙트럼을 분석한 것이다. 적외선 스펙트럼을 통해 알 수 있듯이, 작용기가 검출된 것으로 미루어, 은 이온-메타크릴레이트(1,5 씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))의 합성이 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있었다.
<은 이온-메타크릴레이트(1,5-씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))-MMA 공중합체의 1H NMR분석 >
도 7를 참조하면, 은 이온-메타크릴레이트(1,5-씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))-MMA 공중합체를 제조한 후, 이의 NMR(nuclear magnetic resonance) 스펙트럼을 분석한 것이다. NMR 스펙트럼을 통해 알 수 있듯이, 작용기가 검출된 것으로 미루어, 은 이온-메타크릴레이트(1,5-씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))-MMA 공중합체의 합성이 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있었다.
<은 이온-메타크릴레이트(1,5-씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))-MMA 공중합체의 열중량(Thermogravimetric Analysis; TGA) 분석>
도 8은 상기 공중합체의 열중량 분석을 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 고분자에 열을 가해 완전히 연소시키면, 질량이 전체 질량 대비 40%정도로 된다. 즉, 고분자 중에서, 유기물 부분은 연소되고, 무기물 부분이 잔류하게 된다. 잔류하는 무기물에는 은과 관련된 성분이 포함된다. 즉, 본 발명에 의할 경우, 은을 포함하는 고분자가 제조될 수 있고, 제조된 고분자는 은에 의해 전극등으로 형성될 수 있다.
<전도성 잉크 조성물의 분산성>
상기 제조된 전도성 잉크 조성물의 분산도를 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope)으로 측정하였다. 이러한 측정결과를 도 9에 나타내었다. 도 9를 참조하면, 전도성 잉크 조성물의 유기용매 내에 은 이온을 함유한 고분자가 고르게 분사되었음을 알 수 있었다. 즉, 본 발명에 의할 경우, 분산제의 투입없이도, 유기용매 내에 무기물인 은 이온을 분산시킬 수 있다.
<1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)에 의한 보관성 향상실험>
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전도성 잉크 조성물을 형성하였고, 이에 대한 대조군으로 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 첨가하지 않은 것을 제외하고 다른 조건은 동일하게 전도성 잉크 조성물을 제조하였다.
대조군은 A, 본 발명에 따른 전도성 잉크 조성물은 C이다. A와 C 각각에 자외선을 조사한 후, 5분 및 15분 후의 은이온이 환원되어 침전되는 정도를 관찰하였다. 도 10을 참고하면, 자외선을 조사하기 전(도 10의 (a))에는 A와 C모두 투명한 색을 나타내어, 은 이온의 환원에 의한 침전이 발생하지 않았다. 자외선을 조사한 후, 5분이 경과(도 10의 (b))되었을 때, 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 포함하지 않은 대조군(A)에서는 은이 환원되어, 응집현상이 일어났다. 반면에, 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)를 포함하는 본 발명의 전도성 잉크 조성물(C)에서는 대조군과 달리 은이 환원된 응집현상이 발생되지 않았다.
계속해서, 자외선을 조사한 후, 15분이 경과(도 10의 (c))되었을 때, 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 포함하지 않은 대조군(A)에서는 응집현상이 보다 현저하게 일어났다. 반면에, 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)를 포함하는 본 발명의 전도성 잉크 조성물에서는 대조군에 비해, 은이 환원되어 나타나는 응집현상이 비교적 덜 발생되었다. 이를 통해, 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)이 전도성 잉크 조성물의 고분자에서 은 이온의 환원을 방지하는 것을 알수 있었다. 즉, 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)이 은 이온에 배위결합함으로써, 은 이온의 환원을 방지하고, 환원된 은(Ag) 간에 응집되는 것을 방지하는 입체장애 현상이 나타남을 알 수 있었다. 결론적으로, 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)이 포함될 경우, 은 이온의 환원 및 응집등을 억제할 수 있음으로써, 전도성 잉크 조성물의 보관특성이 향상될 수 있다. 금속 이온간의 응집은 금속 이온을 포함하는 전도성 잉크에서 흔히 발생되는 문제이다. 이에 의해, 전도성 잉크의 보관특성이 저하될 수 있는데, 상술한 바와 같이, 본 발명은 전도성 잉크 조성물의 보관특성이 향상되는 효과가 있으므로, 상기의 문제를 해결할 수 있다.
전도성 패턴 형성 실험 및 비교
<유기용매>
디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc)을 7:3의 비율로 혼합한 용매
<고분자 물질: 제1 및 제2 단량체의 공중합체>
제1 단량체: 은 이온-메타크릴레이트(1,5 씨클로옥타디엔)(silver-methacrylate(1,5-cyclooctadiene))
제2 단량체: 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate; MMA)
상기 물질을 이용하여, 하기 표와 같이 전도성 잉크 조성물을 제조하였다. 본 발명에 따른 실시예와 본 발명의 함량과 차이가 있는 비교예의 제조예를 하기 표1에 나타내었다. 또한, 그 결과를 표2에 나타내었다. 표2를 참고하면, 비교예 1 및 2는 전도성 잉크 조성물 내에 고분자 물질의 함량이 본 발명의 기준치보다 적거나(비교예1) 많을 경우(비교예2)이다. 이때, 토출성능이 좋지 않음을 알 수 있었다.
또한, 비교예3 및 비교예4는 고분자 물질의 제1 단량체와 제2 단량체의 함량비가 본 발명의 기준치보다 적거나(비교예3) 많을 경우(비교예4) 비저항이 커져(비교예3) 전기전도 특성이 작아지고, 분산성이 좋지 않아 고분자 물질이 침전되는 것(비교예4)을 알 수 있었다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
유기용매
함량(중량%)		 90 80 70 60 95 50 80 80
고분자물질
함량(중량%)		 10 20 30 40 5 50 20 20
제1단량체:
제2 단량체
의 함량비		 3:7 3:7 3:7 3:7 3:7 3:7 0.5:9.5 7:3
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예
2		 비교예3 비교예4
비저항
(μΩㆍcm)		 65 53 32 25 109 31 384 42
분산성 균일 균일 균일 균일 균일 균일 균일 침전
토출성능 양호 양호 양호 양호 불량 평가불가 불량 불량
한편, 본 발명의 전도성 잉크 조성물은 3-D 프린팅의 잉크로도 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 전도성 잉크 조성물은 입체 구조물을 형성하는 잉크로 사용될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 유기용매; 및
    상기 유기용매에 분산되는 고분자 물질을 포함하되,
    상기 고분자 물질은,
    은 이온이 배위결합하는 하기 화학식 1인 제1 단량체와,
    상기 제1 단량체와 결합되고, 하기 화학식 2 내지 4중 어느 하나의 제2 단량체로 이루어지는, 전도성 패턴을 형성하기 위한 전도성 잉크 조성물.
    [화학식 1]
    Figure pat00032

    [화학식 2]
    Figure pat00033

    [화학식 3]

    [화학식 4]
    Figure pat00035
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 물질에서, 제1 단량체와 상기 제2 단량체의 함량비는 1:9 내지 5:5인 전도성 잉크 조성물.
  3. 제1 항에 있어서,
    전체 조성물의 중량에 대해,
    상기 고분자 물질은 10 내지 40중량%이고,
    유기 용매는 잔량인 전도성 잉크 조성물.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 유기용매는, m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름 및 γ-부티로락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나인 전도성 잉크 조성물.
  5. 유기용매를 제공하는 단계;
    상기 유기용매에, 은 이온이 배위결합하는 하기 화학식 1의 제1 단량체와, 하기 화학식 2 내지 4중 어느 하나의 제2 단량체를 투입하여 고분자 물질을 형성하는 단계; 및
    상기 고분자 물질을 상기 유기 용매에 분산시키는 단계를 포함하는, 전도성 잉크 조성물의 제조방법.
    [화학식 1]
    Figure pat00036

    [화학식 2]
    Figure pat00037

    [화학식 3]
    Figure pat00038

    [화학식 4]
    Figure pat00039
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 고분자 물질에서, 제1 단량체와 상기 제2 단량체의 함량비는 1:9 내지 5:5인 전도성 잉크 조성물의 제조방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    전체 조성물의 중량에 대해,
    상기 고분자 물질은 10 내지 40중량%이고,
    유기 용매는 잔량인 전도성 잉크 조성물의 제조방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 유기용매는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름 및 γ-부티로락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나인 전도성 잉크 조성물의 제조방법.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 단량체는, 은-메타크릴레이트(methacrylate)와 1,5-씨클로옥타디엔(1,5-cyclooctadiene)을 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)에 용해시켜 형성되는 전도성 잉크 조성물의 제조방법.
  10. 기판을 제공하는 단계;
    유기 용매와, 상기 유기 용매에 분산되는 고분자 물질을 포함하는 전도성 잉크 조성물을 제공하는 단계; 및
    상기 전도성 잉크 조성물을 이용하여 전도성 패턴 형상을 형성하고, 상기 전도성 패턴 형상을 통해 전도성 패턴을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 고분자 물질은,
    은 이온이 배위결합하는 하기 화학식 1인 제1 단량체와,
    상기 제1 단량체와 결합되고, 하기 화학식 2 내지 4중 어느 하나의 제2 단량체로 이루어지는, 도전 패턴 형성방법.
    [화학식 1]
    Figure pat00040

    [화학식 2]
    Figure pat00041

    [화학식 3]
    Figure pat00042

    [화학식 4]
    Figure pat00043
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 전도성 패턴 형상은 150 ℃ 내지 450℃의 온도분위기에서 열처리되는 도전 패턴 형성방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 열처리는 진공 분위기, 수소 가스를 이용한 환원 분위기, 또는 질소, 아르곤, 헬륨 가스를 이용한 비활성 분위기에서 수행되는 도전 패턴 형성방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 전도성 패턴 형상은 잉크젯 프린팅법 또는 전기 수력학적(EHD; Electro Hydro Dynamic) 방법에 의해 형성되는 도전 패턴 형성방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 고분자 물질에서, 제1 단량체와 상기 제2 단량체의 함량비는 1:9 내지 5:5인 도전 패턴 형성방법.
  15. 제10 항에 있어서,
    전체 조성물의 중량에 대해,
    상기 고분자 물질은 10 내지 40중량%이고,
    유기 용매는 잔량인 도전 패턴 형성방법.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 유기용매는 m-크레졸, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO), 아세톤, 디에틸아세테이트, 테트라하이드로퓨란(THF), 클로로포름 및 γ-부티로락톤으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나인 도전 패턴 형성방법.
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