KR20180047527A - 표면 처리된 은 분말 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 은 분말의 제조공정 중, 표면처리 단계에서 제2 표면처리제인 염기 또는 산의 함량을 조절하여 분산매인 수계에 존재하는 표면처리제의 형태를 염(Salt), 부분적인 염(Semi-salt) 그리고 에멀젼(Emulsion) 형태로 조절함으로써, 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량을 제어할 수 있고, 제조된 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 유변물성을 추가적인 표면 처리 공정 없이 보다 간단하고 다양하게 제어할 수 있으며, 제2 표면처리제의 함량을 조절함으로써 높은 항복치와 저장 탄성율을 갖는 전도성 페이스트를 얻을 수 있어 미세 패턴 형성에 유리하고 종횡비가 큰 전극 패턴을 형성할 수 있다.

Description

표면 처리된 은 분말 및 이의 제조방법{Surface treated silver powder and manufacturing method of the same}
본 발명은 표면 처리된 은 분말 및 그 제조방법에 관한 것으로서 특히 태양전지용 전극이나 적층 콘덴서의 내부전극, 회로 기판의 도체 패턴 등 전자 부품에서 전극을 형성시키기 위한 전도성 페이스트용 은 분말 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전도성 금속 페이스트는 도막 형성이 가능한 도포 적성을 갖고 건조 또는 소성된 도막에 전기가 흐르는 페이스트로서, 수지계 바인더와 용매로 이루어지는 비히클 중에 전도성 필러(금속 필러) 단독 또는 글라스 프릿과 함께 분산시킨 유동성 조성물이며, 전기 회로의 형성이나 세라믹 콘덴서의 외부 전극의 형성 등에 널리 사용되고 있다.
일반적으로 금속 분말 중에서 균일한 크기의 잘 분산된 은(Silver) 분말은 전도성이 높고, 화학적으로 안정하며, 가격이 저렴하여 전도성 잉크나 페이스트(Pastes) 그리고 접착제로서 여러 가지 전자 산업에 중요한 재료로서 활용될 수 있다. 은 분말은 형상에 따라 구형, 플레이크형, 응집형으로 나눠지며, 응용분야에 따라 적합한 형태의 은 분말을 적용하여 사용하고 있다.
전도성 페이스트의 유변물성(rheology)은 인쇄 특성(도포 적성)을 결정짓는 주요 인자인데, 페이스트를 구성하고 있는 필러, 수지계 바인더, 용제, 첨가제 등의 상호작용에 의해 형성되는 망목(Network) 구조에 의해 그 특성이 달라지게 된다. 특히 페이스트에 가장 많은 양을 차지하는 은 분말은 그 표면에 코팅된 표면처리제의 종류 및 함량에 따라 은 분말과 다른 구성 성분들과의 상호작용력을 다르게 하여 형성되는 망목 구조의 형태를 결정 짓는데 중요한 역할을 하게 된다. 따라서 페이스트의 인쇄 특성 및 유변 물성을 제어하기 위해서는 은 분말의 표면처리제 종류 및 함량에 따른 표면 화학적 특성을 제어하는 기술이 필요하게 된다.
종래에는 레벨링이 양호한 도막을 얻기 위해 은 분말의 표면처리제 종류를 변경하여 페이스트의 Casson 항복값을 감소시킨 방법이나(선행 특허문헌 1, 선행 특허문헌 2), 전극의 종횡비가 높은 미세 패턴을 형성하기 위해 은 분말에 추가적인 표면처리 단계를 통해 새로운 결합을 갖는 표면처리제를 형성하여 페이스트의 틱소비나 Casson 항복값을 증가시킨 방법(선행 특허문헌 3)이 제안되어 있다. 특히, 최근에 전자부품의 소형화가 진행됨에 따라 전극 패턴의 고밀도화나 미세패턴화가 요구되고 있어, 페이스트의 틱소비나 항복값, 탄성값의 제어는 중요한 기술이 되고 있다.
그러나, 표면처리제 종류가 아닌 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량을 제어하는 기술은 없으며, 특히 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량은 일반적으로 분말의 비표면적 값에 의존하기 때문에 첨가량을 증가시키더라도 그것을 제어하기가 어려웠다. 또한 선행 특허문헌 3은 페이스트의 틱소비나 항복값을 증가시키기 위해 추가적인 표면처리 단계가 요구되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 특허 발명자들은 표면처리제 형태를 조절하여 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량을 제어함으로써 하나의 표면처리 단계를 통해 간단하게 전도성 페이스트의 유변물성을 제어하는 제조 방법을 개시하고자 한다.
일본공개특허 2016-035101 (2016.03.17) 일본공개특허 2016-035102 (2016.03.17) 일본공개특허 2016-033259 (2016.03.10)
본 발명은 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량을 제어할 수 있는 은 분말의 제조방법을 제공하고, 제조된 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 유변물성을 하나의 표면처리 단계를 통하여 간단하고 다양하게 제어할 수 있도록 하는 은 분말의 제조방법과 이를 통해 제조된 은 분말을 제공하는 것이다.
특히, 제1 표면처리제에 대한 제2 표면처리제의 함량을 조절함으로써, 높은 항복치와 저장 탄성율을 갖는 전도성 페이스트를 얻을 수 있어 미세 패턴에 유리하고 종횡비가 큰 전극 패턴을 형성할 수 있다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 수계 베이스에 분산시킨 은 분말에 지방산 또는 지방아민을 포함하는 제1 표면처리제를 포함하는 표면처리제 용액을 첨가하여, 상기 은 분말 표면에 에멀젼 형태의 제1 표면처리제를 형성하는 은 분말의 표면처리방법을 제공한다.
또한 상기 은 분말 100 중량부에 대하여 상기 제1 표면처리제를 0.05 내지 3.0 중량부 범위로 상기 제1 표면처리제의 첨가량을 조절하여, 상기 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 표면처리제 용액은 상기 제1 표면처리제와 염(salt)을 형성할 수 있는 염기(base) 또는 산(acid)을 포함하는 제2 표면처리제를 더 포함하여, 상기 은 분말 표면에 염 형태의 제1 표면처리제 및 제2 표면처리제를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 은 분말 100 중량부에 대하여 상기 제1 표면처리제를 0.1 내지 5.0 중량부 범위로 첨가하고, 상기 제1 표면처리제 100 중량부에 대하여 상기 제2 표면처리제를 50 내지 600 중량부 범위로 첨가하여, 상기 은 분말에 코팅된 표면처리제 흡착량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 표면처리제의 함량을 조절하여 상기 은 분말 표면에 형성되는 표면처리제 형태를 부분적인 염(salt) 형태로 제어 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 은 분말 100 중량부에 대하여 상기 제1 표면처리제를 0.1 내지 5.0 중량부 범위로 첨가하고, 상기 제1 표면처리제 100 중량부에 대하여 상기 제2 표면처리제를 0.5 내지 50 중량부 범위로 첨가하여, 상기 은 분말에 코팅된 표면처리제 흡착량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 표면처리제로 표면처리된 은 입자를 포함하는 은 분말로서, 상기 은 분말의 표면처리제 형태는 에멀젼 형태, 부분적인 염 형태 또는 염 형태로 형성되어 상기 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 항복치 및 저장탄성율을 포함하는 유변물성(rheology)이 제어되는 것을 특징으로 하는 은 분말을 제공한다.
또한 상기 은 분말은 표면에 지방산 또는 지방아민을 포함하는 제1 표면처리제가 에멀젼 형태로 형성된 은 입자를 포함하는 분말로서, 상기 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 항복치 및 저장탄성율을 상대적으로 증가시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 은 분말은 표면에 지방산 또는 지방아민을 포함하는 제1 표면처리제와 염기(base) 또는 산(acid)을 포함하는 제2 표면처리제가 염 형태로 형성된 은 입자를 포함하는 분말로서, 상기 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 항복치 및 저장탄성율을 상대적으로 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 은 분말은 표면에 지방산 또는 지방아민을 포함하는 제1 표면처리제와 염기(base) 또는 산(acid)을 포함하는 제2 표면처리제가 부분적인 염 형태로 형성된 은 입자를 포함하는 분말로서, 상기 제2 표면처리제의 함량에 따라 상기 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 항복치 및 저장탄성율을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 은 분말의 제조공정 중, 표면처리 단계에서 제2 표면처리제인 염기 또는 산의 함량을 조절하여 분산매인 수계에 존재하는 표면처리제의 형태를 염(Salt), 부분적인 염(Semi-salt) 그리고 에멀젼(Emulsion) 형태로 조절함으로써, 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량을 제어할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 제조된 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 유변물성을 추가적인 표면 처리 공정 없이 하나의 은 분말 표면처리 단계를 통하여 보다 간단하고 다양하게 제어할 수 있다.
또한 본 발명은 제2 표면처리제의 함량을 조절함으로써 높은 항복치와 저장 탄성율을 갖는 전도성 페이스트를 얻을 수 있어 미세 패턴에 유리하고 종횡비가 큰 전극 패턴을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에멀젼 형태 표면처리 방법의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 염 형태 표면처리 방법의 모식도를 나타낸 것이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 은 분말은 제조 과정 중 표면처리 단계에서 제2 표면처리제인 염기 또는 산의 함량을 조절하여 분산매인 수계에 존재하는 표면처리제의 형태를 염(Salt)에서 부분적인 염(Semi-salt) 또는 에멀젼(Emulsion) 상태로 변경하거나 에멀젼(Emulsion)에서 부분적인 염(Semi-salt) 또는 염(Salt) 상태로 변경 조절함으로써, 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량을 제어하고, 제조된 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 유변물성을 추가적인 표면 처리 공정 없이 하나의 표면처리 단계를 통하여 보다 간단하고 다양하게 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 은 분말의 제조방법은 은 염 제조단계(S1); 은 염 환원단계(S2); 여과 및 세척 등 정제단계(S3); 및 표면처리단계(S4);를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따른 은 분말의 제조방법은 표면처리단계(S4)를 반드시 포함하고, 이외의 단계는 생략 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따른 은 염 제조단계(S1)는 잉곳, 립, 그래뉼 형태의 은(silver, Ag)을 산처리하여 은 이온(Ag+)을 포함하는 은 염(silver salt) 용액을 제조하는 단계로서, 본 단계를 거쳐 은 염 용액을 직접 제조하여 은 분말을 제조할 수 있으나, 시중에서 구입한 질산은(AgNO3), 은 염 착체 또는 은 중간체 용액을 이용하여 이 후 단계를 진행할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 은 염 환원단계(S2)는 은 염 용액에 환원제 및 암모니아를 첨가하여 은 이온을 환원시켜 은 입자(silver particle)를 석출하는 단계로서, 은 이온, 암모니아 및 질산을 포함하는 제1 반응액 및 환원제를 포함하는 제2 반응액을 제조하는 반응액제조단계(S21) 및 제1 반응액 및 제2 반응액을 반응시켜 은 분말을 얻는 석출단계(S22)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 반응액제조단계(S21)는 은 이온을 포함하는 은 염 용액에 암모니아 및 질산을 첨가하고 교반하여 용해시켜 제1 반응액을 제조한다.
상기 은 이온은 은 양이온의 형태로 포함되는 물질이라면 제한되지 않는다. 일례로 질산은(AgNO3), 은 염 착체 또는 은 중간체일 수 있다. 바람직하게는 질산은(AgNO3)을 사용하는 것이 좋다. 이하 은 이온을 포함하는 질산은(AgNO3)을 사용하는 것을 일 예시로 서술한다.
암모니아(NH3)는 수용액 형태로 사용될 수 있으며, 25% 암모니아 수용액을 사용하는 경우 질산은(AgNO3) 100 중량부에 대하여 100 내지 150 중량부로 첨가한다. 암모니아 수용액이 100 중량부 미만으로 첨가되는 경우 반응 pH가 낮아서 은 이온이 모두 환원되지 않거나, 균일한 입자 분포를 형성시키는데 문제가 있으며, 150 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 제조된 은 분말 중 유기물 함량이 지나치게 높아지는 문제점이 있다. 바람직하게는 질산은(AgNO3) 100 중량부에 대하여 25% 암모니아 수용액을 120 내지 140 중량부로 첨가하는 것이 좋다. 상기 암모니아는 그 유도체를 포함한다.
질산(HNO3)은 수용액 형태로 사용될 수 있으며, 60% 질산 수용액을 사용하는 경우 질산은(AgNO3) 100 중량부에 대하여 40 내지 120 중량부로 첨가한다. 질산(HNO3)이 40 중량부 미만으로 첨가되는 경우 은 분말의 크기(size)를 조절 하는데 어려움이 있으며, 질산(HNO3)이 120 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 유기물 함량이 크게 증가하는 문제점이 있다. 바람직하게는 질산은(AgNO3) 100 중량부에 대하여 60% 질산 수용액을 80 내지 100 중량부로 첨가하는 것이 좋다. 상기 질산은 그 유도체를 포함한다.
은 이온, 암모니아 및 질산을 포함하는 제1 반응액은 물 등의 용제에 은 이온, 암모니아 및 질산을 첨가하고 교반하여 용해시켜 수용액 상태로 제조될 수 있으며, 또한 슬러리 형태로 제조될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 반응액제조단계(S21)는 또한 환원제를 포함하는 제2 반응액을 제조한다.
상기 환원제는 아스코르브산, 알칸올아민, 하이드로퀴논, 히드라진 및 포르말린으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 이 중에서 하이드로퀴논을 바람직하게 선택할 수 있다. 환원제의 함량은 제1 반응액에 포함되는 질산은(AgNO3) 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 10 중량부 미만을 사용하는 경우, 은 이온이 모두 환원되지 않을 수 있고, 20 중량부를 초과하여 사용하는 경우 유기물 함량이 증가하는 문제가 있다. 바람직하게는 질산은 100 중량부에 대하여 환원제를 14 내지 16 중량부 사용하여 제2 반응액을 제조하는 것이 좋다.
환원제를 포함하는 제2 반응액은 물 등의 용매에 환원제를 첨가하고 교반하여 용해시켜 수용액 상태로 제조될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 석출단계(S22)는 제1 반응액 및 제2 반응액을 반응시켜 은 분말을 얻는 단계로서, 반응액제조단계(S21)에 의해 제조된 제1 반응액을 교반하는 상태에서 제2 반응액을 천천히 적가하거나, 일괄 첨가하여 반응시킬 수 있다. 바람직하기로는 일괄 첨가한 후 5분 내지 10분간 더 교반하여 혼합액 중에서 입자를 성장시키는 것이 빠른 시간 내에 환원 반응이 일괄 종료되어 입자끼리의 응집을 방지하고 분산성을 높일 수 있어 좋다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 은 입자의 분산성 향상 및 응집 방지를 위해 상기 분산제가 더 첨가되어 반응시키는 것을 권리범위에서 제외하지 않는다. 분산제의 예로는 지방산, 지방산염, 계면활성제, 유기 금속, 킬레이트 형성제 및 보호 콜로이드 등을 들 수 있다.
그러나, 상기 분산제가 첨가되는 경우, 잔존 유기물 함량이 증가하여 문제될 수 있으므로, 분산제의 첨가 없이 은 분말의 입경, 잔존 유기물 함량 및 결정자 지름을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 따른 정제단계(S3)는 은 염 환원단계(S2)를 통해 은 입자 석출 반응을 완료한 후 수용액 또는 슬러리 내에 분산되어 있는 은 분말을 여과 등을 이용하여 분리하고 세척하는 단계(S31)를 포함한다. 더욱 구체적으로는 은 분말 분산액 중의 은 입자를 침강시킨 후, 분산액의 상등액을 버리고 원심분리기를 이용하여 여과하고, 여재를 순수로 세정한다. 세척을 하는 과정은 분말을 세척한 세척수를 완전히 제거를 해야 이루어 진다. 선택적으로 여과 전에 반응 완료 용액에 상기 언급된 분산제를 첨가하여 은 분말의 응집을 방지하는 것도 가능하다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 정제단계(S3)는 세척 후 건조 및 해쇄단계(S34)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 표면처리단계(S4)는 제2 표면처리제인 염기 또는 산의 함량을 조절하여 분산매인 수계에 존재하는 표면처리제의 형태를 염(Salt), 부분적인 염(Semi-salt) 그리고 에멀젼(Emulsion) 형태로 조절함으로써, 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량이 제어된 은 분말을 제공한다.
표면처리단계(S4)는 수계 베이스에 은 분말을 분산시키고, 지방산 또는 지방아민을 포함하는 제1 표면처리제를 사용하여 은 분말의 표면에 에멀젼 형태로 표면처리제를 형성하는 에멀젼 형태 표면처리단계(S41)이거나 염기(base) 또는 산(acid)으로 구성되는 제2 표면처리제를 상기 제1 표면처리제와 함께 사용하여 상기 제1 표면처리제와 염(salt) 또는 부분적인 염(Semi-salt)을 형성하는 단계로서 제2 표면처리제의 함량에 따라 염 형태 표면처리단계(S42) 또는 부분적인 염 형태 표면처리단계(S43)일 수 있다.
즉 표면처리단계(S4)는 상기 제2 표면처리제의 함량을 조절하여 수계 용매 상에 존재하는 표면처리제 형태를 에멀젼(emulsion), 부분적인 염(Semi-salt), 그리고 염(salt)의 형태로 제어가 가능하다. 표면처리제의 형태에 따라 표면 처리된 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 유변물성(rheology), 특히 점도, 항복치 및 저장탄성율을 제어할 수 있다.
표면처리단계(S4)는 제1 표면처리제를 사용하는 에멀젼 형태 표면처리단계(S41)인 경우 상기 은 분말의 표면에 표면처리제가 에멀젼(emulsion) 형태로 형성된다. 더욱 구체적으로 도 1에 나타나는 것과 같이 제1 표면처리제를 단독으로 사용하는 경우 제1 표면처리제 성분의 에멀젼(emulsion)을 형성하고, 분산된 은 분말의 표면에 에멀젼 형태로 흡착되어 표면처리제 간 상호작용이 증가하여 항복치 및 저장탄성율이 증가하는 효과를 제공한다. 또한 은 분말의 비표면적 값에 의존하지 않고 제1 표면처리제의 첨가량만큼 에멀젼 형태로 코팅되어 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량을 제어하기 용이하다.
에멀젼 형태 표면처리단계(S41)의 경우 은 분말 100 중량부에 대하여 제1 표면처리제를 0.05 내지 3.0 중량부 사용하고, 제1 표면처리제의 첨가량을 조절하여 은 분말의 표면처리제 코팅 함량을 제어할 수 있다. 상기 범위 내로 상기 제1 표면처리제를 첨가하는 경우에 제1 표면처리제의 첨가량을 증가시킴에 따라 은 분말의 표면처리제 코팅 함량을 증가시킬 수 있다.
또한 표면처리단계(S4)는 제1 표면처리제 및 제2 표면처리제를 함께 사용하는 염 형태 표면처리단계(S42)인 경우 상기 은 분말의 표면에 표면처리제가 염(salt) 형태로 표면 처리된다. 더욱 구체적으로 도 2에 나타나는 것과 같이 제1 표면처리제 및 제2 표면처리제를 함께 사용하는 경우 제1 표면처리제와 제2 표면처리제가 염(salt)을 형성하고, 분산된 은 분말의 표면에 염, 즉 이온 형태로 흡착되어 상기 에멀젼 형태로 표면 처리된 경우와 비교하여 표면처리제 간 상호작용이 감소하여 항복치 및 저장탄성율이 감소하는 효과를 제공한다.
염 형태 표면처리단계(S42)의 경우 은 분말 100 중량부에 대하여 제1 표면처리제를 0.1 내지 5.0 중량부 사용하고, 상기 제2 표면처리제를 제1 표면처리제 100 중량부에 대하여 50 내지 600 중량부 범위 내에서 사용하여 은 분말의 표면처리제 흡착량을 조절할 수 있다.
또한 표면처리단계(S4)는 제2 표면처리제의 함량을 조절하는 부분적인 염 형태 표면처리단계(S43)인 경우 상기 은 분말의 표면에 표면처리제가 부분적인 염(Semi-salt) 형태로 형성된다. 더욱 구체적으로 제1 표면처리제 및 제2 표면처리제를 함께 사용하고, 제2 표면처리제 함량을 상기 염 형태 표면처리단계(S42)보다 감소시킨 경우 제1 표면처리제와 제2 표면처리제가 부분적인 염(Semi-salt)을 형성하고, 분산된 은 분말의 표면에 부분적인 에멀젼 형태와 부분적인 이온 형태로 흡착되어 상기 에멀젼 형태로 표면 처리된 경우와 비교하여 표면처리제 간 상호작용이 감소하여 항복치 및 저장탄성율이 감소하는 효과를, 상기 염 형태로 표면 처리된 경우와 비교하여 그 반대의 효과를 제공한다. 즉, 은 분말의 표면처리 공정 중 제2 표면처리제의 함량 조절을 통하여 상기 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 유변물성을 간단하게 제어할 수 있다.
부분적인 염 형태 표면처리단계(S43)의 경우 은 분말 100 중량부에 대하여 제1 표면처리제를 0.1 내지 5.0 중량부 사용하고, 상기 제2 표면처리제를 제1 표면처리제 100 중량부에 대하여 0.5 내지 50 중량부 범위 내에서 사용하여 은 분말의 표면처리제 흡착량을 조절할 수 있다.
염 형태 표면처리단계(S42) 및 부분적인 염 형태 표면처리단계(S43)의 경우 제1 표면처리제로서 지방산을 사용하는 경우 제2 표면처리제로서 염기를 사용하고, 제1 표면처리제로서 지방아민을 사용하는 경우 제2 표면처리제로서 산을 사용하여 염 형태 또는 부분적인 염 형태의 표면처리제를 형성한다.
상기 제1 표면처리제로 포함되는 지방산은 라우르산(lauric acid), 미리스틴산(myristic acid), 팔미틴산(palmitic acid), 스테아린산(Stearic Acid), 베헨산(behenic acid), 올레인산(oleic acid), 리놀산(linolic acid) 및 아라키돈산(arachidonic acid)으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다.
상기 제1 표면처리제로 포함되는 지방아민은 도데실아민(dodecylamine), 테트라데실아민(tetradecylamine), 펜타데실아민(pentadecylamine) 및 옥타데실아민(octadecylamine)으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다.
상기 제2 표면처리제로 포함되는 염기(base)는 수산화칼슘(calcium hydroxide), 수산화나트륨(sodium hydroxide), 암모니아(ammonia), 메틸아민(methylamine), 디에틸아민(dimethylamine), 트리메틸아민(trimethylamine), 에틸아민(ethylamine), 디에틸아민(diethylamine), 트리에틸아민(triethylamine), 에탄올아민(ethanolamine), 디에탄올아민(diethanolamine) 및 트리에탄올아민(triethanolamine)으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다.
상기 제2 표면처리제로 포함되는 산(acid)는 포름산(formic acid), 초산(Acetic Acid) 및 벤조산(benzoic acid)으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함한다.
표면처리단계(S4)는 제1 표면처리제 단독의 에멀젼 또는 제1 표면처리제와 제2 표면처리제의 부분적 염 또는 염을 수계 용매에 안정한 상태로 형성한 후 은 분말을 투입하여 은 분말 표면을 에멀젼 형태로 코팅(흡착)하거나 이온을 형성하여 염 형태로 코팅(흡착)하여 표면 처리하는 것을 특징으로 한다.
표면처리단계(S4)는 순수, 탈이온수 등의 수계 용매에 은 분말을 분산시킨 후 에탄올 등의 유기 용매에 상기 1종 또는 2종 이상의 표면처리제를 첨가하여 초음파 교반하여 표면처리제 용액을 제조한다. 그 후 은 분말이 분산된 은 슬러리에 표면처리제 용액을 첨가하여 교반하여 은 분말을 염 형태, 부분적 염 형태 또는 에멀젼 형태의 표면처리제로 표면처리한다.
표면처리단계(S4) 이후에 상기 정제단계(S3)를 한 번 더 거쳐 최종적으로 표면 처리된 은 분말을 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 은 분말 제조방법에 따라 제조된 은 분말은 평균 입자 크기(D50)가 0.5 내지 5.0 ㎛, 더욱 구체적으로는 1.0 내지 3.0 ㎛이며, 하기 식 1과 같이 표면 처리 후 은 분말의 유기물 함량(%)과 표면 처리 전 은 분말의 유기물 함량(%)의 차이로 측정되는 표면처리제의 흡착량이 0.05% 이상이다.
[식 1]
은 분말 표면처리제 흡착량(%) = 표면처리 후 은 분말 유기물 함량(%) 표면처리 전 은 분말 유기물 함량(%)
본 발명은 또한 본 발명의 일실시예에 따라 제조되는 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트를 제공한다. 더욱 구체적으로 본 발명에 따른 전도성 페이스트는 금속 분말, 유리 프릿 및 유기 비히클을 포함하여 이루어진다.
상기 금속 분말로는 평균 입자 크기(D50)가 0.5 내지 5.0 ㎛ 이며, 표면처리제가 에멀젼 형태, 부분적 염 형태 또는 염 형태로 흡착된 은 분말을 사용한다. 바람직하게는 본 발명의 일실시예에 따라 제조되는 은 분말을 사용한다.
금속 분말의 함량은 인쇄 시 형성되는 전극 두께 및 전극의 선저항을 고려할 때 전도성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 85 내지 95 중량%가 바람직하다.
상기 유리 프릿의 조성이나 입경, 형상에 있어서 특별히 제한을 두지 않는다. 유연 유리 프릿뿐만 아니라 무연 유리 프릿도 사용 가능하다. 바람직하기로는 유리 프릿의 성분 및 함량으로서, 산화물 환산 기준으로 PbO는 5 ~ 29 mol%, TeO2는 20 ~ 34 mol%, Bi2O3는 3 ~ 20 mol%, SiO2 20 mol% 이하, B2O3 10 mol% 이하, 알칼리 금속(Li, Na, K 등) 및 알칼리 토금속(Ca, Mg 등)은 10 ~ 20 mol%를 함유하는 것이 좋다.
유리 프릿의 평균 입경은 제한되지 않으나 0.5 내지 10㎛ 범위 내의 입경을 가질 수 있으며, 평균 입경이 다른 다종이 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다. 바람직하기로는 적어도 1종의 유리 프릿은 평균 입경(D50)이 2㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 좋다. 이를 통해 소성시 반응성이 우수해지고, 전극의 선폭이 증가하는 것을 감소시킬 수 있다.
유리 프릿의 함량은 전도성 페이스트 조성물 총중량을 기준으로 1 내지 5 중량%가 바람직한데, 1 중량% 미만이면 불완전 소성이 이루어져 전기 비저항이 높아질 우려가 있고, 5 중량% 초과하면 은 분말의 소성체 내에 유리 성분이 너무 많아져 전기 비저항이 역시 높아질 우려가 있다.
상기 유기 비히클로는 제한되지 않으나 유기 바인더와 용제 등이 포함될 수 있다. 때로는 용제가 생략될 수 있다. 유기 비히클은 제한되지 않으나 전도성 페이스트 조성물 총 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%가 바람직하다.
유기 비히클은 금속 분말과 유리 프릿 등이 균일하게 혼합된 상태를 유지하는 특성이 요구되며, 예를 들면 스크린 인쇄에 의해 전도성 페이스트가 기재에 도포될 때에, 전도성 페이스트를 균질하게 하여, 인쇄 패턴의 흐려짐 및 흐름을 억제하고, 또한 스크린판으로부터의 전도성 페이스트의 토출성 및 판분리성을 향상시키는 특성이 요구된다.
유기 비히클에 포함되는 유기 바인더는 제한되지 않으나 셀룰로오스 에스테르계 화합물로 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트 등을 예로 들 수 있으며, 셀룰로오스 에테르 화합물로는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 플로필 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스, 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 메틸 셀룰로오스 등을 예로 들 수 있으며, 아크릴계 화합물로는 폴리 아크릴아미드, 폴리 메타 아크릴레이트, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트, 폴리 에틸 메타 아크릴레이트 등을 예로 들 수 있으며, 비닐계로는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 아세테이트 그리고 폴리비닐 알코올 등을 예로 들 수 있다. 상기 유기 바인더들은 적어도 1종 이상 선택되어 사용될 수 있다.
조성물의 희석을 위해 사용되는 용제로서는 알파-터피네올, 텍사놀, 디옥틸 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 시클로헥산, 헥산, 톨루엔, 벤질알코올, 디옥산, 디에틸렌글리콜, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 아세테이트 등으로 이루어진 화합물 중에서 적어도 1종 이상 선택되어 사용되는 것이 좋다.
본 발명에 의한 전도성 페이스트 조성물은 필요에 따라 통상적으로 알려져 있는 첨가제, 예를 들면, 분산제, 가소제, 점도 조정제, 계면활성제, 산화제, 금속 산화물, 금속 유기 화합물 등을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전도성 페이스트를 기재 위에 도포하고, 건조 및 소성하는 것을 특징으로 하는 전극 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 전극을 제공한다.
실험예
(1) 실험예 1
상온의 순수 5150g에 질산은 995g, 암모니아(농도 25%) 1225g 및 질산 (농도 60%) 983g 을 넣고 교반하여 용해시켜 제1 수용액을 조제하였다. 한편 상온의 순수 7800g에 하이드로퀴논 156g을 넣고 교반하여 용해시켜 제2 수용액을 조제하였다. 이어서, 제1 수용액을 교반한 상태로 하고, 이 제1 수용액에 제2 수용액을 일괄 첨가하여, 첨가 종료 후부터 5분간 더 교반하여 혼합액 중에서 입자를 성장시켰다. 그 후 교반을 멈추고, 혼합액 중의 입자를 침강시킨 후, 혼합액의 상등액을 버리고 혼합액을 원심분리기를 이용하여 여과하고, 여재를 순수로 세척하여 은 분말을 얻었다.
5L 비이커에 DMW(De-Mineralized Water) 2L와 상기 세척된 은 분말을 0.5kg을 넣은 후, Homo-mixer를 이용하여 4000rpm에 20분간 은 분말을 분산시킨다. 한편, 50ml 비이커에 에탄올 30ml와 스테아린산 1.5g 및 암모니아(농도 25%) 32g을 넣어 초음파로 10분간 교반하여 표면처리제 용액을 제조하였다. 그 뒤, 분산된 은 슬러리에 표면처리제 용액을 넣고, 4000rpm으로 20분간 은 분말을 표면처리한 뒤, 원심분리를 통해 DMW로 추가 세척함으로써 표면처리된 은 분말을 제조한다. 이후, 80℃에서 12시간 동안 열풍 건조하고 Jetmill을 통해 해쇄함으로써 표면처리제로 표면 처리된 은 분말을 제조하였다.
(2) 실험예 2 내지 5
실험예 1과 동일한 방법으로 은 분말을 제조하고, 표면처리제 용액의 조성을 하기 표 1과 같이 변경한 것 이외에는 실험예 1과 동일한 방법으로 수행하여 표면처리제로 표면 처리된 은 분말을 제조하였다.
제1 표면처리제 제2 표면처리제 표면처리제 형태
성분 함량(g) Wt(%) 성분 함량(g)
실험예 1 S.A 1.5 0.3 A.M 32 Salt
실험예 2 S.A 1.5 0.3 A.M 1.4 Semi-salt
실험예 3 S.A 1.5 0.3 A.M 0.08 Semi-salt
실험예 4 S.A 1.5 0.3 - - Emulsion
실험예 5 S.A 0.75 0.15 - - Emulsion
S.A : Stearic Acid
A.M : Ammonium Hydroxide (농도 25%)
실험예 1 내지 실험예 4에 나타나는 것과 같이 제2 표면처리제(염기)의 함량에 따라 제1 표면처리제(지방산)의 형태를 조절할 수 있으며, 후술할 실험 예에 뒷받침되는 것과 같이 은 분말의 표면처리제 흡착량 조절이 가능하여 이를 포함하는 전도성 페이스트의 레올로지 특성을 조절할 수 있다.
실험예 4 및 실험예 5를 통해 에멀젼 형태 표면처리시 제1 표면처리제(지방산)의 함량에 따라 은 분말의 표면처리제 흡착량을 조절할 수 있는지 여부를 후술할 실험예에서 확인할 수 있다.
실험예
(1) 은 분말의 평균입경(D50)(μm) 및 표면처리제 흡착량(%) 측정
상기 실험예에 따라 제조된 은 분말에 대하여 Microtrac 회사제 입도분석기를 이용하여 평균 입경(D50)(μm)을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
또한 TA Instrument 회사제 열중량분석 장비를 이용하여 은 분말의 유기물 함량을 측정하였으며, 표면 처리 후 은 분말의 유기물 함량(%)과 표면 처리 전 은 분말의 유기물 함량(%)의 차이를 표면처리제의 흡착량(%)으로 측정하였다.
평균입경(D50)
(㎛)		 표면처리제 흡착량(%)
실험예 1 2.3 0.07
실험예 2 2.4 0.12
실험예 3 2.3 0.18
실험예 4 2.3 0.31
실험예 5 2.3 0.13
상기 표 2에 나타나는 것과 같이 실험예 1 내지 4의 경우 제2 표면처리제(염기)의 함량에 따라 은 분말의 표면처리제 흡착량 조절이 가능함을 알 수 있으며, 또한 실험예 4 및 5를 통해 제1 표면처리제의 함량에 따라 은 분말의 표면처리제 흡착량 조절이 가능함을 알 수 있다.
(2) 전도성 페이스트의 점도, 항복치 및 저장탄성율 측정
상기 실험예에 따라 제조된 표면 처리 후의 은 분말 89.5 중량%, 유리 프릿 1.92 중량%, 유기 비히클 5.20 중량%, 첨가제 3.38 중량%를 자전공전식 진공 교반 탈포 장치로 혼합한 후 삼본롤을 사용함으로써, 전도성 페이스트를 얻었다.
얻어진 전도성 페이스트에 대하여 Rotational viscometer인 HAAKE RotoVisco1에 의해 25℃에 있어서 전단속도 0.1~100 1/s 범위의 점도를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 이 때, 측정센서는 PP35Ti이며 Gap size는 0.2mm 이다. 전단속도 8, 30, 80 1/s일 때, 전도성 페이스트의 점도를 나타낸다.
또한 얻어진 전도성 페이스트에 대하여 Rotational rheometer인 HAAKE RheoStress1에 의해 25℃에 있어서 Amplitude sweep을 통해 항복치 및 저장탄성율을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 이 때, 측정센서는 PP35Ti이고, Gap size는 1mm이며, 전단응력은 1~800 Pa, 각주파수는 1 rad/s 이다.
점도(Pa·s) 항복치
(Pa)		 저장탄성율
(Pa)
8(1/s) 30(1/s) 80(1/s)
실험예 1 97.2 42.7 23.0 89.29 250
실험예 2 102.1 52.9 26.9 132.9 369
실험예 3 120.9 62.6 31.0 155.4 392
실험예 4 192.9 90.2 41.2 288.7 532
실험예 5 124.5 64.3 32.4 147 401
상기 표 3에 나타나는 것과 같이 실험예 1 내지 4의 경우 제2 표면처리제(염기)의 함량에 따라 분말의 표면처리제 흡착량 및 흡착된 표면처리제 형태가 염, 부분적 염 또는 에멀젼으로 조절되어 표면처리제 간 또는 표면처리제와 페이스트의 다른 구성 성분 간의 상호작용이 달라져 전도성 페이스트의 점도, 항복치 및 저장탄성율의 조절이 가능함을 알 수 있다. 또한 실험예 2 및 5를 통해 분말의 표면처리제 흡착량이 유사하더라도 에멀젼 형태로 표면처리제가 은 분말 표면에 흡착된 경우 표면처리제 간의 상호작용이 증가하여 점도, 항복치 및 저장탄성율이 상대적으로 증가한 것을 알 수 있다.
(3) 전도성 페이스트의 인쇄된 전극 패턴 측정
상기 실험예에 따라 제조된 전도성 페이스트를 알루미나 기판 상에 ASYS 회사제 스크린 인쇄기를 이용하여 이격거리 1.5mm, 스퀴지 압력 75N, 인쇄 속도 300mm/s로 하여 무라가미 회사제 360mesh 스크린 제판을 이용하여 스크린 인쇄하고, 100℃에서 30분간 건조시켰다. 건조된 전극 패턴의 선폭을 광학현미경을 이용하여 측정하고, 두께는 나노시스템 회사제 3-D profiler를 이용하여 측정하여 표 4에 나타내었다.
선폭
(μm)		 선폭퍼짐율
(%)		 두께
(μm)		 종횡비
(두께/선폭)
실험예 1 52.8 32 13.7 0.26
실험예 2 47.2 18 16.9 0.36
실험예 3 45.5 13.75 17.8 0.39
실험예 4 44.1 10.25 14.1 0.32
상기 표 4에 나타나는 것과 같이 실험예 1의 경우 전도성 페이스트의 점도, 항복치, 저장탄성율이 낮아 인쇄 후, 선폭이 크게 퍼지고, 전극의 두께가 낮아 종횡비가 낮고, 실험예 4의 경우 전도성 페이스트의 점도, 항복치, 저장탄성율이 너무 높아 인쇄 선폭은 적게 퍼지나, 잉크 빠짐성이 좋지 못해 전극의 두께가 낮은 것을 알 수 있다. 반면 실험예 2 및 3의 경우, 전도성 페이스트의 점도, 항복치, 저장탄성율 조절을 통해 미세 패턴에 유리하고 종횡비가 큰 전극 패턴을 형성할 수 있다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 수계 베이스에 분산시킨 은 분말에 지방산 또는 지방아민을 포함하는 제1 표면처리제를 포함하는 표면처리제 용액을 첨가하여, 상기 은 분말 표면에 에멀젼 형태의 제1 표면처리제를 형성하는 은 분말의 표면처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 은 분말 100 중량부에 대하여 상기 제1 표면처리제를 0.05 내지 3.0 중량부 범위로 상기 제1 표면처리제의 첨가량을 조절하여, 상기 은 분말에 코팅된 표면처리제 함량을 제어하는 것을 특징으로 하는 은 분말의 표면처리방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 표면처리제 용액은 상기 제1 표면처리제와 염(salt)을 형성할 수 있는 염기(base) 또는 산(acid)을 포함하는 제2 표면처리제를 더 포함하여,
    상기 은 분말 표면에 염 형태의 제1 표면처리제 및 제2 표면처리제를 형성하는 것을 특징으로 하는 은 분말의 표면처리방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 은 분말 100 중량부에 대하여 상기 제1 표면처리제를 0.1 내지 5.0 중량부 범위로 첨가하고, 상기 제1 표면처리제 100 중량부에 대하여 상기 제2 표면처리제를 50 내지 600 중량부 범위로 첨가하여, 상기 은 분말에 코팅된 표면처리제 흡착량을 제어하는 것을 특징으로 하는 은 분말의 표면처리방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 표면처리제의 함량을 조절하여 상기 은 분말 표면에 형성되는 표면처리제 형태를 부분적인 염(salt) 형태로 제어 가능한 것을 특징으로 하는 은 분말의 표면처리방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 은 분말 100 중량부에 대하여 상기 제1 표면처리제를 0.1 내지 5.0 중량부 범위로 첨가하고, 상기 제1 표면처리제 100 중량부에 대하여 상기 제2 표면처리제를 0.5 내지 50 중량부 범위로 첨가하여, 상기 은 분말에 코팅된 표면처리제 흡착량을 제어하는 것을 특징으로 하는 은 분말의 표면처리방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 지방산은 라우르산(lauric acid), 미리스틴산(myristic acid), 팔미틴산(palmitic acid), 스테아린산(Stearic Acid), 베헨산(behenic acid), 올레인산(oleic acid), 리놀산(linolic acid) 및 아라키돈산(arachidonic acid)으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하고,
    상기 지방아민은 도데실아민(dodecylamine), 테트라데실아민(tetradecylamine), 펜타데실아민(pentadecylamine) 및 옥타데실아민(octadecylamine)으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 은 분말의 표면처리방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 염기(base)는 염기(base)는 수산화칼슘(calcium hydroxide), 수산화나트륨(sodium hydroxide), 암모니아(ammonia), 메틸아민(methylamine), 디에틸아민(dimethylamine), 트리메틸아민(trimethylamine), 에틸아민(ethylamine), 디에틸아민(diethylamine), 트리에틸아민(triethylamine), 에탄올아민(ethanolamine), 디에탄올아민(diethanolamine) 및 트리에탄올아민(triethanolamine)으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하고,
    상기 산(acid)은 포름산(formic acid), 초산(Acetic Acid) 및 벤조산(benzoic acid)으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 은 분말의 표면처리방법.
  9. 표면처리제로 표면처리된 은 입자를 포함하는 은 분말로서,
    상기 은 분말의 표면처리제 형태는 에멀젼 형태, 부분적인 염 형태 또는 염 형태로 형성되어 상기 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 항복치 및 저장탄성율을 포함하는 유변물성(rheology)이 제어되는 것을 특징으로 하는 은 분말.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 은 분말은 표면에 지방산 또는 지방아민을 포함하는 제1 표면처리제가 에멀젼 형태로 형성된 은 입자를 포함하는 분말로서,
    상기 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 항복치 및 저장탄성율을 상대적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 은 분말.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 은 분말은 표면에 지방산 또는 지방아민을 포함하는 제1 표면처리제와 염기(base) 또는 산(acid)을 포함하는 제2 표면처리제가 염 형태로 형성된 은 입자를 포함하는 분말로서,
    상기 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 항복치 및 저장탄성율을 상대적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 은 분말.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 은 분말은 표면에 지방산 또는 지방아민을 포함하는 제1 표면처리제와 염기(base) 또는 산(acid)을 포함하는 제2 표면처리제가 부분적인 염 형태로 형성된 은 입자를 포함하는 분말로서,
    상기 제2 표면처리제의 함량에 따라 상기 은 분말을 포함하는 전도성 페이스트의 항복치 및 저장탄성율을 제어하는 것을 특징으로 하는 은 분말.
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