KR20180092368A

KR20180092368A - 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20180092368A
Application number: KR1020170017913A
Authority: KR
Inventors: 상 보 심; 최동권
Original assignee: 창성나노텍 주식회사; 상 보 심
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2018-08-20
Also published as: KR101960588B1

Abstract

본 발명은 광흡수 능력이 향상되어 광소결이 용이한 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상단에 형성되는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물에 있어서, 상기 박막은 전이금속 전구체와 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 전이금속-글리콜 코폴리머 착화합물 5~80중량부, 용제 10~40 중량부, 산화제 0.05~1.0 중량부 및 분산제 0.1~5.0 중량부를 포함하는 전이 금속 잉크와, 산화은과 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 은 이온-글리콜 코폴리머 착화합물, 5~80중량부, 용제 10~40 중량부, 산화제 0.05~1.0 중량부 및 분산제 0.1~5.0 중량부를 포함하는 은 이온 잉크의 혼합 잉크를 상기 기판 상단에 코팅 후, 가건조 및 광소결에 의하여 형성되며, 가건조 후, 상기 박막은 이온 잉크에 의한 은부가 전체 중량에 대하여 5 중량% 내지 50 중량%이며, 나머지가 전이 금속부로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물 및 그 제조 방법{Composition of thin film using Conductive Metal Ink and Method for preparing the same}

본 발명은 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 흡수 능력이 우수한 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

광흡수를 향상시키기 위한 동박막 필름은 RFID (Radio Frequency Identification), NFC (nano-fibrillated cellulose), FPC (Flexable Printed Circuit)의 제작에 사용되며, 최근에는 전자기 차폐 및 방열 필름의 용도로 많이 사용되고 있다. 하지만, 기존의 동박 필름은 고분자 필름상에 구리박막을 합착하는 방식으로 주로 제조되나, 1㎛ 두께의 초박막 형태의 동박 필름을 제조하는 경우, 제조 방식의 어려움에 의하여 높은 제조 비용이 소모되는 단점이 있다.

최근 광흡수 향상을 위한 광소결 기술로서 메탈 잉크를 사용한 기술이 많이 연구되고 있다. 특히, 상기 기술은 나노 입자 형태의 메탈 잉크 기술로서 산화구리 잉크가 이용되며 용매를 제거한 박막의 광흡수 능력이 우수하기 때문에 광소결 공정에 적합한 것으로 알려져 있다.

그러나 나노 입자를 소결하기 위해 사용된 고온의 열소결 방법은 공기 중에서 쉽게 산화막을 형성하는 나노 입자 형태의 산화구리 기술에서는 적절하지 못하며, 또한, 제조 공정 중의 고온 처리는 유연성 폴리머 기판 적용에 제한이 있을 뿐만 아니라 대량생산에 어려움이 있다.

따라서 상기의 문제점을 대체할 수 있는 기술로서, 이온형태의 전이금속 전구체를 포함하는 잉크 박막 기술은 용매를 제거한 박막의 광흡수 능력을 높여 광소결 공정에 적용할 수 있으며, 나노 입자 형태의 산화구리 기술에서 제한적이었던 열소결 방법에도 적용할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 기존의 박막 제조 시 높은 비용의 문제점을 해결할 수 있어 경제적이며, 고온 처리 공법을 다양한 기판에 적용이 가능하므로 생산성이 뛰어난 장점을 가진다.

이에 본 발명자들은 경제적이며 생산성이 우수한 광흡수 능력을 향상시킨 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물 및 그 제조 방법을 개발하고자 본 발명을 완성하게 되었다.

등록특허 제1594060호 (2016. 02. 04)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 광흡수 능력이 향상되어 광소결이 용이한 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

다른 목적으로, 광흡수 능력이 향상되어 광소결이 용이하고, 제조가 편리한 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상단에 형성되는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물에 있어서, 상기 박막은 전이금속 전구체와 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 전이금속-글리콜 코폴리머 착화합물 5 내지 80중량부, 용제 10 내지 40 중량부, 산화제 0.05 내지 1.0 중량부 및 분산제 0.1 내지 5.0 중량부를 포함하는 전이 금속 잉크와, 산화은과 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 은 이온-글리콜 코폴리머 착화합물, 5 내지 80중량부, 용제 10 내지 40 중량부, 산화제 0.05 내지 1.0 중량부 및 분산제 0.1 내지 5.0 중량부를 포함하는 은 이온 잉크의 혼합 잉크를 상기 기판 상단에 코팅 후, 가건조 및 광소결에 의하여 형성되며, 가건조 후, 상기 박막은 이온 잉크에 의한 은부가 전체 중량에 대하여 5 중량% 내지 50 중량%이며, 나머지가 전이 금속부로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 은부가 12 중량% 내지 17 중량%로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전이금속 전구체는, Iron(III) nitrate, Iron(III) sulfate, Iron(III) chloride, Iron(III) fluoride, Iron(III) chromate, Iron(III) bromide, Iron(III) acetate, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Copper(II) carbonate, Copper(II) sulfate, Copper(II) formate, Nickel(II) sulfate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) nitrate, Nickel(II) sulfamate, Nickel(II) formate, Cobalt(II) sulfate, Cobalt(III) nitrate, Cobalt(II) chloride, Cobalt(III) fluoride, Cobalt(II) formate, Cobalt(II) nitrate, Chromiun(II) fluoride, Chromiun(IV) fluoride, Chromium(III) sulfate, Chromiun(III) nitrate, Chrouim(III) chloride 및 Chrouim(IV) chloride로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 글리콜 코폴리머는,

,

및

로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 x = 1 ~ 100, y = 1 ~ 100, z = 1 ~ 100 및 r = 1 ~ 100의 범위이며,

은 1,000 ~15,000,

은 1,000 ~20,000,

및

는 2,000 ~ 30,000의 수평균 분자량을 가지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 용제는 Methanol, Ethanol, Isopropanol, Acetone, Xylene, Toluene, Methylethyl ketone, Dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, Acetonitrile, Propylene glycol monomethyl ether, Ethylene glycol monomethyl ether, 1-Octanol, Ethylene glycol, Propylene glycol, Diethylene glycol, 1-Butanol, Isobutyl alcohol 및 초순수(비저항 18M 이상)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 산화제는, Benzoyl peroxide, tert-Butyl hydroperoxide, Dicumyl peroxide, Hydrogen peroxide, tert-Butyl peroxide, Sodium peroxide, Strontium peroxide, Magnesium peroxide, Potassium dichromate, Ammonium cerium(IV) nitrate, Ammoniumphosphomolybdate, Methyl chlorooxoacetate, Potassium persulfate, Potassium percarbonate, Potassium permanganate, Oxaly bromide, Sodium hypchlorite, Cecium perchlorate, barium perchlorate, Indium(III) perchlorate, Perchloric acid, Lithium perchlorate, Sodium perchlorate 및 Ammonium perchlorate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 분산제는 Oleic acid, Sodium oleate, Sodium lauryl sulfate, Tetramethyl ammonium hydroxide, tetrabutyl ammonium hydroxide, Lecithin, Polyethylene glycol 400, Trioctyl phosphine, Cetyl trimethyl ammonium bromide, Hexadecyltrimethyl ammonium bromide, 1-Ethyl-2-pyrrolidone, Cyclodextrin, 1-Methyl-2-propanol acetate, Nonyl phenol ethoxylate(EO mole 10), Octyl phenyl ethoxylate(EO mole 10), Polyvinyl pyrrolidone, Dodium decanoate 및 Sodium dodecyl sulfonate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법에 있어서, 기판, 전이금속 전구체와 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 전이금속-글리콜 코폴리머 착화합물 5 내지 80중량부, 용제 10 내지 40 중량부, 산화제 0.05 내지 1.0 중량부 및 분산제 0.1 내지 5.0 중량부를 포함하는 전이 금속 잉크 및 산화은과 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 은 이온-글리콜 코폴리머 착화합물, 5 내지 80중량부, 용제 10 내지 40 중량부, 산화제 0.05 내지 1.0 중량부 및 분산제 0.1 내지 5.0 중량부를 포함하는 은 이온 잉크를 준비하는 준비 단계; 상기 기판 상면에 상기 전이 금속 잉크와 은 이온 잉크를 코팅하는 기판 코팅 단계; 코팅이 완료된 기판을 가건조하는 가건조 단계; 및 가건조 완료된 기판 상단에 광을 조사하여 소결하는 광소결 단계;를 포함하되, 상기 가건조 후 상기 박막은 이온 잉크에 의한 은부가 전체 중량에 대하여 5 중량% 내지 50 중량%이며, 나머지가 전이 금속부로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 가건조 후 상기 박막은 이온 잉크에 의한 은부가 전체 중량에 대하여 12 중량% 내지 17 중량%로이며, 나머지가 전이 금속부로 형성되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 가건조 단계는 100℃ 내지 120℃ 하에서 2.5분 내지 3.5분 수행하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 전이 금속 전구체는 Iron(III) nitrate, Iron(III) sulfate, Iron(III) chloride, Iron(III) fluoride, Iron(III) chromate, Iron(III) bromide, Iron(III) acetate, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Copper(II) carbonate, Copper(II) sulfate, Copper(II) formate, Nickel(II) sulfate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) nitrate, Nickel(II) sulfamate, Nickel(II) formate, Cobalt(II) sulfate, Cobalt(III) nitrate, Cobalt(II) chloride, Cobalt(III) fluoride, Cobalt(II) formate, Cobalt(II) nitrate, Chromiun(II) fluoride, Chromiun(IV) fluoride, Chromium(III) sulfate, Chromiun(III) nitrate, Chrouim(III) chloride 및 Chrouim(IV) chloride로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 글리콜 코폴리머는,

,

및

은 1,000 ~15,000,

은 1,000 ~20,000,

및

본 발명에 따른 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막과 그 제조방법은 종래에 주로 사용되는 전이 금속 잉크에 은 이온 잉크를 혼합하여 박막을 형성하며, 상기 박막은 전이 금속부와 은부가 혼합되어 형성되어 광흡수능력을 증가시켜, 광소결을 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 박막의 공극율을 최소화하여 높은 전기전도도를 나타내는 효과가 있다.

도 1은 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법의 절차도이며,
도 2는 코팅 단계에 적용되는 노즐 시스템의 단면도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광흡수계수 그래프이며,
도 4는 은부 변화에 따른 광흡수계수 변화 그래프이며,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공극율 사진이며,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 접착 강도 결과이며,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 소결 시간을 나타내는 표이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물은 기판 상단에 전도성 메탈 잉크를 통하여 형성되는 박막의 조성물에 관한 것이다.

상기 기판은 필름 또는 평판 형태로 구성되며, 재질은 폴리아미드, 페놀, 유리 복합, 유리 에폭시, 테플론, 알루미늄 및 저온 소성 세라믹 등 다양한 재질이 선택 가능하나, PET와 폴리마이드(Polyimide)가 바람직하다.

한편, 상기 박막은 전이금속 전구체를 포함하는 전도성 메탈 잉크와 산화은 전구체를 포함하는 전도성 메탈 잉크가 혼합된 혼합 잉크를 이용하여 형성되는 것으로, 가열을 통한 가건조 후 광소결에 의하여 경화된다.

상기 박막 조성물은 가건조 공정을 통하여 액체 성분을 제거한 상태를 기준으로 한정한다.

이때 상기 박막 조성물은 전이금속 전구체에 의하여 형성되는 부분을 전이 금속부, 산화은 전구체에 의하여 형성되는 부분을 은부로 각각 칭할 경우, 은부가 전체 중량에 대하여 5 중량% 내지 50 중량%이며, 나머지가 전이 금속부로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 은부가 5 중량% 미만인 경우와 50 중량%를 초과하는 경우에는 광흡수율이 증가하지 않아 결과적으로 광소결 시간 증가에 따라 제조 시간이 길어지는 단점이 있어 부적절하다.

또한, 상기 은부가 12 중량% 내지 17 중량%로 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 이때 상기 은부가 상기 조성범위인 내인 경우 생성된 박막의 공극율이 낮은 범위로 유지되는 특성이 있으며, 특히 상기 은부가 15중량%인 경우에는 가장 낮은 공극율을 나타내어 결과적으로 박막은 높은 전기전도도를 가진다.

한편, 상기한 바와 같이, 상기 박막은 전이금속 전구체를 포함하는 전이금속 잉크와 산화은을 포함하는 은 이온 잉크를 혼합한 혼합 잉크를 이용하여 기판 표면을 코팅한 후 후속 공정에 의하여 형성된다.

이때 박막에 형성되는 전이 금속부와 은부의 조성에 따라 상기 전이금속 잉크의 양과 은 잉크의 양을 조절하여 혼합된 혼합 잉크를 기판 상단에 도포하여 제조하고, 필요한 경우 개별 잉크를 각각 분사한 후 기판 상단에서 혼합되도록 구성할 수도 있다.

특히 전구체 이외의 용제의 비율은 동일하게 유지하는 경우, 상기 전이 금속부와 은부의 비율은 잉크의 비율과 동일한 특성이 유지될 수 있다.

한편, 상기 전이 금속 잉크는 전이금속 전구체와 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 전이금속-글리콜 코폴리머 착화합물, 산화제, 분산제 및 용제를 포함하여 구성된다.

이때 전이금속-글리콜 코폴리머 착화합물 5~80중량부, 용제 10~40 중량부, 산화제 0.05~1.0 중량부 및 분산제 0.1~5.0 중량부인 것이 바람직하다.

이하 각 성분에 대하여 설명한다.

먼저, 상기 전이금속 전구체는 박막 내에서 구리, 니켈, 코발트, 몰리브덴 등과 같은 재질의 박막의 전도성을 향상시키는 주요 성분 역할을 하는 것으로, Iron(III) nitrate, Iron(III) sulfate, Iron(III) chloride, Iron(III) fluoride, Iron(III) chromate, Iron(III) bromide, Iron(III) acetate, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Copper(II) carbonate, Copper(II) sulfate, Copper(II) formate, Nickel(II) sulfate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) nitrate, Nickel(II) sulfamate, Nickel(II) formate, Cobalt(II) sulfate, Cobalt(III) nitrate, Cobalt(II) chloride, Cobalt(III) fluoride, Cobalt(II) formate, Cobalt(II) nitrate, Chromiun(II) fluoride, Chromiun(IV) fluoride, Chromium(III) sulfate, Chromiun(III) nitrate, Chrouim(III) chloride, Chrouim(IV) chloride로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.

그리고 상기 전이 금속 전구체와 반응하는 글리콜 코폴리머는,

,

및

로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 x = 1 ~ 100, y = 1 ~ 100, z = 1 ~ 100 및 r = 1 ~ 100의 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.

이때,

은 1,000 ~15,000,

은 1,000 ~20,000,

및

는 2,000 ~ 30,000의 수평균 분자량을 가지는 것이 보다 바람직하다.

상기 전이 금속 전구체와 글리콜 코폴리머의 반응비는 전이금속 전구체 1mole에 대하여 글리콜 코폴리머를 수평균 분자량으로서 0.005~0.1mole인 것이 바람직하다.

그리고, 전이 금속 잉크에서 전이 금속 전구체와 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 상기 전이금속-글리콜 코폴리머 착화합물의 함량은 크게 제한되지 않으나, 다른 성분들과의 조화성 등을 고려할 때 조성물 전체 중량을 기준으로 5~80 중량%인 것이 바람직하다.

한편, 상기 용제는 전이금속 전구체를 용해시킬 수 있고 다른 구성성분들과의 혼용성을 갖는 것으로서, 선택된 전이금속 전구체의 종류에 의해 구체적으로 결정된다.

상기 용제는 Methanol, Ethanol, Isopropanol, Acetone, Xylene, Toluene, Methylethyl ketone, Dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, Acetonitrile, Propylene glycol monomethyl ether, Ethylene glycol monomethyl ether, 1-Octanol, Ethylene glycol, Propylene glycol, Diethylene glycol, 1-Butanol, Isobutyl alcohol 및 초순수(비저항 18M 이상)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.

상기 잉크 조성물 내에서 상기 용제의 함량은 크게 제한되지 않으나, 잉크의 인쇄성 및 전이금속 전구체의 용해에 필요한 적정량을 고려할 때 조성물 전체 중량을 기준으로 10~40 중량%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 산화제는 전이금속 전구체를 산화시킨다. 상기 산화제는, Benzoyl peroxide, tert-Butyl hydroperoxide, Dicumyl peroxide, Hydrogen peroxide, tert-Butyl peroxide, Sodium peroxide, Strontium peroxide, Magnesium peroxide, Potassium dichromate, Ammonium cerium(IV) nitrate, Ammoniumphosphomolybdate, Methyl chlorooxoacetate, Potassium persulfate, Potassium percarbonate, Potassium permanganate, Oxaly bromide, Sodium hypchlorite, Cecium perchlorate, barium perchlorate, Indium(III) perchlorate, Perchloric acid, Lithium perchlorate, Sodium perchlorate 및 Ammonium perchlorate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분산제는 Oleic acid, Sodium oleate, Sodium lauryl sulfate, Tetramethyl ammonium hydroxide, tetrabutyl ammonium hydroxide, Lecithin, Polyethylene glycol 400, Trioctyl phosphine, Cetyl trimethyl ammonium bromide, Hexadecyltrimethyl ammonium bromide, 1-Ethyl-2-pyrrolidone, Cyclodextrin, 1-Methyl-2-propanol acetate, Nonyl phenol ethoxylate(EO mole 10), Octyl phenyl ethoxylate(EO mole 10), Polyvinyl pyrrolidone, Dodium decanoate 및 Sodium dodecyl sulfonate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 은 이온 잉크는 상기 전이 금속 잉크 중 전구체를 산화은으로 치환하여 제조되며, 상기 전구체의 성분만 다르고 나머지는 동일하다.

이때 사용되는 산화은은 AgO 또는 Ag₂O가 사용될 수 있으나, AgO가 바람직하다.

그리고, 산화은-글리콜 코폴리머 착화합물 5~80중량부, 용제 10~40 중량부, 산화제 0.05~1.0 중량부 및 분산제 0.1~5.0 중량부로 구성된다.

다음은 본 발명에 따른 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법에 대하여 설명한다.

전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 기판, 전이 금속 잉크 및 은 이온 잉크를 준비하는 준비 단계(S1), 상기 기판 상면에 상기 전이 금속 잉크와 은 이온 잉크를 코팅하는 기판 코팅 단계(S2), 코팅이 완료된 기판을 가건조하는 가건조 단계(S3) 및 가건조 완료된 기판 상단에 광을 조사하여 소결하는 광소결 단계(S4)를 포함하여 구성된다.

이하 각 단계에 대하여 설명한다.

준비 단계(S1)

상기 준비 단계(S1)는 기판, 전이 금속 잉크 및 은 이온 잉크를 준비하는 단계이다.

이때 상기 기판은 필름 또는 평판 형태로 구성되며, 재질은 폴리아미드, 페놀, 유리 복합, 유리 에폭시, 테플론, 알루미늄 및 저온 소성 세라믹 등 다양한 재질이 선택 가능하나, PET와 폴리마이드(Polyimide)가 바람직하다.

그리고 전이금속 전구체와 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 전이금속-글리콜 코폴리머 착화합물, 산화제, 분산제 및 용제를 포함하여 구성된다.

상기 전이금속 전구체는 박막 내에서 구리, 니켈, 코발트, 몰리브덴 등과 같은 재질의 박막의 전도성을 향상시키는 주요 성분 역할을 하는 것으로, Iron(III) nitrate, Iron(III) sulfate, Iron(III) chloride, Iron(III) fluoride, Iron(III) chromate, Iron(III) bromide, Iron(III) acetate, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Copper(II) carbonate, Copper(II) sulfate, Copper(II) formate, Nickel(II) sulfate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) nitrate, Nickel(II) sulfamate, Nickel(II) formate, Cobalt(II) sulfate, Cobalt(III) nitrate, Cobalt(II) chloride, Cobalt(III) fluoride, Cobalt(II) formate, Cobalt(II) nitrate, Chromiun(II) fluoride, Chromiun(IV) fluoride, Chromium(III) sulfate, Chromiun(III) nitrate, Chrouim(III) chloride, Chrouim(IV) chloride로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.

,

및

이때,

은 1,000 ~15,000,

은 1,000 ~20,000,

및

즉, 산화은-글리콜 코폴리머 착화합물 5~80중량부, 용제 10~40 중량부, 산화제 0.05~1.0 중량부 및 분산제 0.1~5.0 중량부로 구성된다.

기판 코팅 단계(S2)

기판 코팅 단계(S2)는 상기 준비 단계에서 준비된 기판 상단에 전이 금속 잉크와 은 나노 잉크를 분사하여 코팅하는 단계이다.

이때 상기 코팅은 도 2에 도시된 바와 같이, 기판을 이송하고, 상기 기판 상단에 2개의 노즐출구를 가진 노즐시스템을 통하여 코팅을 수행할 수 있다.

하단에는 전이 금속 잉크를 분사하고, 상단에는 은 나노 잉크를 분사하고 분사된 코팅층은 서로 혼합되어 단일 코팅층이 형성되도록 한다.

상기와 같은 노즐 시스템은 전이 금속 잉크와 은 나노 잉크의 용량을 조절할 수 있는 장점이 있다.

필요한 경우에는 상기 전이 금속 잉크와 은 나노 잉크를 사전에 혼합한 후, 혼합 잉크를 단일 노즐로 분사하여 코팅을 실시할 수 있다.

또한, 상기 은 나노 잉크에 사용되는 용제, 산화제 및 분사제는 상기 전이 금속 잉크에 사용되는 성분과 동일하게 구성하는 것이 전이 금속부와 은부의 비율을 조절하기에 용이하여 바람직하다.

필요한 경우, 상기 코팅은 롤투롤 코팅법, 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법 또는 바코팅법 등을 선택적으로 적용하여 수행될 수 있다.

가건조 단계(S3)

가건조 단계(S3)는 코팅이 완료된 기판은 가건조하여 광소결에 적합한 상태로 만드는 공정이다.

이때 상기 가건조는 100℃ 내지 120℃ 하에서 2.5분 내지 3.5분 수행하는 것이 바람직하다.

상기 조건에서 박막의 광흡수 계수가 가장 높게 나타내어 광소결 공정을 짧게 수행할 수 있는 장점이 있다.

광소결 단계(S4)

광소결 단계(S4)는 가건조가 완료된 기판을 광소결로를 통하여 소결하는 공정이다.

통상의 광소결 방식으로 소결이 진행되며, 기판의 크기와 면적 등에 의하여 광소결 정도가 결정된다.

예를 들면 150mm×150mm 크기의 기판은 450V 1msec의 가시광 하에서 소결이 완료된다.

본 발명을 다음의 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다.

<실시예 1>

재질은 PI(Polyimide)이며 두께는 100um 사이즈는 150mm X 150mm의 기판을 준비하였다.

그리고 Copper(II) formate tetrahydrate 0.2mole(45g)을 혼합용제(프로필렌글리콜모노메틸에테르 100g과 메탄올 100g 이 혼합된 용제) 56g에 녹인 용액을 환류 냉각기가 장치된 500ml 둥근 플라스크에 넣고, 1-Amino-2-propanol 0.6mole(45.0g)을 넣은 후 플라스크내부를 질소 가스로 치환하고, 반응온도 80에서 200rpm의 교반 속도로 60분간 반응시켰다. 반응이 완료된 반응액을 40, 100mmhg에서 감압 농축시키고, 농축액을 120에서 2시간 열풍 건조시켜 고체상의 메탈-아미노알콜 착화합물을 제조하였다. 제조된 고체상의 메탈-아미노알콜 착화합물 40중량%를 메탄올 57.3중량%에 녹이고, 바인더 성분인 1,7-Hexanediol diacrylate 2중량%, 환원제인 1-Hydroxycyclohexyl phenyl ketone 0.5중량%, 분산제인 폴리비닐피롤리돈 0.2중량% 을 첨가 후 50에서 400rpm의 교반속도로 2시간 균질화 시켜 전위 금속 잉크를 제조하였다.

상기 금속 이온 잉크에 전구체를 산화은(AgO)을 대체한 후 동일한 방식으로 은 이온 잉크를 제조하였다.

상기 기판 상단에 상기 전위 금속 잉크와 은 이온 잉크의 양을 조절하여 은부가 5중량%가 되도록 코팅하였다.

코팅 완료된 기판을 110℃ 3분하에서 가건조를 수행하였다.

<실시예 2>

실시예 1의 기판, 전이 금속 잉크, 은 이온 잉크와 동일한 방식으로 제조하였으며, 가건조 역시 동일한 방식으로 수행하였다.

다만, 은부가 10중량%가 되도록 조절하였다.

<실시예 3>

다만, 은부가 12중량%가 되도록 조절하였다.

<실시예 4>

다만, 은부가 15중량%가 되도록 조절하였다.

<실시예 5>

다만, 은부가 17중량%가 되도록 조절하였다.

<실시예 6>

다만, 은부가 20중량%가 되도록 조절하였다.

<실시예 7>

다만, 은부가 22중량%가 되도록 조절하였다.

<비교예>

실시예 1과 동일한 기판 그리고 동일한 전이 금속 잉크를 이용하여 동재질의 박막만 형성하였다. 즉, 은부가 0중량%로 형성하였다.

<시험예 1> (광흡수 계수 시험)

비교예와 실시예 1, 실시예 3, 실시예 5 및 실시예 7의 광흡수계수를 건조와 비건조 상태에서 시험하였다.

이때 사용된 장비는 UV visible spectrometer(X-MA 6300PC)이다.

시험결과를 도 3에 도시하였다. 상기 도3에 도시된 바와 같이, 은부가 늘어날수록 가시광 영역에서 광흡수계수가 증가함을 확인하였다.

그리고 은부의 중량에 대한 광흡수 계수 변화를 도 4에 도시하였다. 상기 도 4를 통하여 은부의 비율이 10중량%에서 23중량%인 경우 광흡수계수가 비교예에 비하여 400%정도 증가하였음을 확인하였다.

<시험예 2> (공극율)

비교예와 실시예 1, 실시예 2, 실시예 4 및 실시예 6에 대한 공극율을 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 측정하였으며, 측정결과를 도 5에 도시하였다.

은부의 비율이 증가할수록 공극율이 감소하고 있으며, 특히 은부가 15중량%인 경우 가장 낮은 공극율을 나타내었다.

<시험예 3> (금속박막 접합 강도)

비교예와 실시예 1, 실시예 2, 실시예 4 및 실시예 6에 대한 접합 강도를 측정하 도 6에 도시하였다.

실시예들이 비교예에 비하여 높은 접합 강도를 나타냄을 확인하였다.

<시험예 4> (광소결 시험)

비교예와 실시예 1, 실시예 3, 실시예 5 및 실시예 7에 대한 광소결 시험을 수행하였다. 이때 광은 펄스 형태로 인가되며, 광소결이 완료되는 펄스 수를 기준으로 광소결 시간을 산정하였으며, 결과를 도 7에 도시하였다.

상기 도 7에 도시된 바와 같이, 은부가 추가된 실시예들이 소결이 빨리 수행되는 것을 확인하였다.

상기한 실시예 및 시험예를 통하여 본 발명에 따른 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물은 전이 금속만으로 구성되는 박막에 비하여 높은 광흡수력을 나타내어 광소결에 의한 소결 특성이 우수하고, 공극율이 지극히 낮아 높은 전기전도도를 나타내며, 또한 접착력이 높아 박막의 수명이 긴 장점이 있으며, 빠른 시간에 소결되는 것을 확인하였다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

Claims

기판 상단에 형성되는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물에 있어서,
상기 박막은 전이금속 전구체와 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 전이금속-글리콜 코폴리머 착화합물 5 내지 80중량부, 용제 10 내지 40 중량부, 산화제 0.05 중량부 1.0 중량부 및 분산제 0.1 내지 5.0 중량부를 포함하는 전이 금속 잉크와,
산화은과 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 은 이온-글리콜 코폴리머 착화합물, 5 내지 80중량부, 용제 10 내지 40 중량부, 산화제 0.05 내지 1.0 중량부 및 분산제 0.1 내지 5.0 중량부를 포함하는 은 이온 잉크의 혼합 잉크를 상기 기판 상단에 코팅 후, 가건조 및 광소결에 의하여 형성되며,
가건조 후, 상기 박막은 이온 잉크에 의한 은부가 전체 중량에 대하여 5 중량% 내지 50 중량%이며, 나머지가 전이 금속부로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 은부가 12 중량% 내지 17 중량%로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물.
청구항 1에 있어서, 상기 전이금속 전구체는,
Iron(III) nitrate, Iron(III) sulfate, Iron(III) chloride, Iron(III) fluoride, Iron(III) chromate, Iron(III) bromide, Iron(III) acetate, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Copper(II) carbonate, Copper(II) sulfate, Copper(II) formate, Nickel(II) sulfate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) nitrate, Nickel(II) sulfamate, Nickel(II) formate, Cobalt(II) sulfate, Cobalt(III) nitrate, Cobalt(II) chloride, Cobalt(III) fluoride, Cobalt(II) formate, Cobalt(II) nitrate, Chromiun(II) fluoride, Chromiun(IV) fluoride, Chromium(III) sulfate, Chromiun(III) nitrate, Chrouim(III) chloride 및 Chrouim(IV) chloride로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물.
청구항 3에 있어서, 글리콜 코폴리머는,

,
,
및
로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 x = 1 ~ 100, y = 1 ~ 100, z = 1 ~ 100 및 r = 1 ~ 100의 범위이며,

은 1,000 ~15,000,

은 1,000 ~20,000,
및
는 2,000 ~ 30,000의 수평균 분자량을 가지는 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물.
청구항 4에 있어서, 상기 용제는 Methanol, Ethanol, Isopropanol, Acetone, Xylene, Toluene, Methylethyl ketone, Dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, Acetonitrile, Propylene glycol monomethyl ether, Ethylene glycol monomethyl ether, 1-Octanol, Ethylene glycol, Propylene glycol, Diethylene glycol, 1-Butanol, Isobutyl alcohol 및 초순수(비저항 18M 이상)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물.
청구항 5에 있어서, 상기 산화제는, Benzoyl peroxide, tert-Butyl hydroperoxide, Dicumyl peroxide, Hydrogen peroxide, tert-Butyl peroxide, Sodium peroxide, Strontium peroxide, Magnesium peroxide, Potassium dichromate, Ammonium cerium(IV) nitrate, Ammoniumphosphomolybdate, Methyl chlorooxoacetate, Potassium persulfate, Potassium percarbonate, Potassium permanganate, Oxaly bromide, Sodium hypchlorite, Cecium perchlorate, barium perchlorate, Indium(III) perchlorate, Perchloric acid, Lithium perchlorate, Sodium perchlorate 및 Ammonium perchlorate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물.
청구항 6에 있어서, 상기 분산제는 Oleic acid, Sodium oleate, Sodium lauryl sulfate, Tetramethyl ammonium hydroxide, tetrabutyl ammonium hydroxide, Lecithin, Polyethylene glycol 400, Trioctyl phosphine, Cetyl trimethyl ammonium bromide, Hexadecyltrimethyl ammonium bromide, 1-Ethyl-2-pyrrolidone, Cyclodextrin, 1-Methyl-2-propanol acetate, Nonyl phenol ethoxylate(EO mole 10), Octyl phenyl ethoxylate(EO mole 10), Polyvinyl pyrrolidone, Dodium decanoate 및 Sodium dodecyl sulfonate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 조성물.
전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법에 있어서,
기판, 전이금속 전구체와 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 전이금속-글리콜 코폴리머 착화합물 5 내지 80중량부, 용제 10 내지 40 중량부, 산화제 0.05 내지 1.0 중량부 및 분산제 0.1 내지 5.0 중량부를 포함하는 전이 금속 잉크 및 산화은과 글리콜 코폴리머를 반응시켜 제조된 은 이온-글리콜 코폴리머 착화합물, 5 내지 80중량부, 용제 10 내지 40 중량부, 산화제 0.05 내지 1.0 중량부 및 분산제 0.1 내지 5.0 중량부를 포함하는 은 이온 잉크를 준비하는 준비 단계;
상기 기판 상면에 상기 전이 금속 잉크와 은 이온 잉크를 코팅하는 기판 코팅 단계;
코팅이 완료된 기판을 가건조하는 가건조 단계; 및
가건조 완료된 기판 상단에 광을 조사하여 소결하는 광소결 단계;를 포함하되,
상기 가건조 후 상기 박막은 이온 잉크에 의한 은부가 전체 중량에 대하여 5 중량% 내지 50 중량%이며, 나머지가 전이 금속부로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법.
청구항 8에 있어서, 상기 가건조 후 상기 박막은 이온 잉크에 의한 은부가 전체 중량에 대하여 12 중량% 내지 17 중량%로이며, 나머지가 전이 금속부로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 가건조 단계는 100℃ 내지 120℃ 하에서 2.5분 내지 3.5분 수행하는 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법.
청구항 10에 있어서, 상기 전이 금속 전구체는 Iron(III) nitrate, Iron(III) sulfate, Iron(III) chloride, Iron(III) fluoride, Iron(III) chromate, Iron(III) bromide, Iron(III) acetate, Copper(II) nitrate, Copper(II) chloride, Copper(II) carbonate, Copper(II) sulfate, Copper(II) formate, Nickel(II) sulfate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) acetate, Nickel(II) chloride, Nickel(II) nitrate, Nickel(II) sulfamate, Nickel(II) formate, Cobalt(II) sulfate, Cobalt(III) nitrate, Cobalt(II) chloride, Cobalt(III) fluoride, Cobalt(II) formate, Cobalt(II) nitrate, Chromiun(II) fluoride, Chromiun(IV) fluoride, Chromium(III) sulfate, Chromiun(III) nitrate, Chrouim(III) chloride 및 Chrouim(IV) chloride로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법.
청구항 11에 있어서, 상기 글리콜 코폴리머는,

,
,
및
로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 x = 1 ~ 100, y = 1 ~ 100, z = 1 ~ 100 및 r = 1 ~ 100의 범위이며,

은 1,000 ~15,000,

은 1,000 ~20,000,
및
는 2,000 ~ 30,000의 수평균 분자량을 가지는 것을 특징으로 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법.
청구항 12에 있어서, 상기 용제는 Methanol, Ethanol, Isopropanol, Acetone, Xylene, Toluene, Methylethyl ketone, Dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, Acetonitrile, Propylene glycol monomethyl ether, Ethylene glycol monomethyl ether, 1-Octanol, Ethylene glycol, Propylene glycol, Diethylene glycol, 1-Butanol, Isobutyl alcohol 및 초순수(비저항 18M 이상)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법.
청구항 13에 있어서, 상기 산화제는, Benzoyl peroxide, tert-Butyl hydroperoxide, Dicumyl peroxide, Hydrogen peroxide, tert-Butyl peroxide, Sodium peroxide, Strontium peroxide, Magnesium peroxide, Potassium dichromate, Ammonium cerium(IV) nitrate, Ammoniumphosphomolybdate, Methyl chlorooxoacetate, Potassium persulfate, Potassium percarbonate, Potassium permanganate, Oxaly bromide, Sodium hypchlorite, Cecium perchlorate, barium perchlorate, Indium(III) perchlorate, Perchloric acid, Lithium perchlorate, Sodium perchlorate 및 Ammonium perchlorate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법.
청구항 14에 있어서, 상기 분산제는 Oleic acid, Sodium oleate, Sodium lauryl sulfate, Tetramethyl ammonium hydroxide, tetrabutyl ammonium hydroxide, Lecithin, Polyethylene glycol 400, Trioctyl phosphine, Cetyl trimethyl ammonium bromide, Hexadecyltrimethyl ammonium bromide, 1-Ethyl-2-pyrrolidone, Cyclodextrin, 1-Methyl-2-propanol acetate, Nonyl phenol ethoxylate(EO mole 10), Octyl phenyl ethoxylate(EO mole 10), Polyvinyl pyrrolidone, Dodium decanoate 및 Sodium dodecyl sulfonate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 메탈 잉크를 이용한 박막 제조 방법.