KR20180118030A - 액체 금속 혼합물 및 이를 이용한 도전 패턴 형성 방법 - Google Patents

액체 금속 혼합물 및 이를 이용한 도전 패턴 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체 금속 혼합물 및 이를 이용한 도전 패턴 형성 방법을 제공한다. 이 액체 금속 혼합물은, 10~90 중량%의 고분자 파우더; 및 10~90 중량%으로 포함되며 상기 고분자 파우더의 입자들의 표면을 덮는 액체 금속을 포함하되, 상기 고분자 파우더는 극성 작용기를 가진다. 이 방법은 액체 금속 혼합물을 제조하는 단계; 기판 상에 상기 액체 금속 혼합물로 제 1 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 패턴을 압착하거나 가열하여 제 2 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

액체 금속 혼합물 및 이를 이용한 도전 패턴 형성 방법{Liquid metal mixture and method of forming a conductive pattern using the same}
본 발명은 액체 금속 혼합물 및 이를 이용한 도전 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
공정합금(eutectic alloy)은 2종 또는 그 이상의 금속 또는 금속간의 화합물의 결정 혼합물로, 융점이 구성되어 있는 금속 또는 금속간의 화합물의 본래의 융점에 비해 낮은 온도를 나타내는 특징을 가진다. 특히 2성분계의 경우 구성성분이 동시에 녹는 성분비의 융점을 공융점이라고 한다. 공정 합금은 이러한 낮은 융점을 이용하여 표면실장기술(surface-mount technology)에서 인쇄 회로 기판(printed circuits board, PCB)의 부품을 실장하기 위한 매개체로 솔더 페이스트 형태로 주로 사용되어 왔다.
향후, 입는 전자소자(wearable electronic devices)의 형태로 신체에 부착하거나 의류에 전자소자를 구현하거나 또는 신체 내부에 삽입하는 새로운 개념의 전자소자가 개발이 될 것으로 기대하고 있다. 이러한 입는 전자소자의 개발을 위해서는 종래의 딱딱한 전자소자 대신할 수 있는 유연하고 늘어날 수 있는 스트레쳐블 전자소자의 개발이 필수적이다. 또한 이에 적용될 수 있는 도전성 페이스트의 개발이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유연한 소자에 적용될 수 있는 액체 금속 혼합물을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 유연한 소자의 제조 과정에 적용될 수 있는 도전 패턴 형성 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 액체 금속 혼합물은, 10~90 중량%의 고분자 파우더; 및 10~90 중량%으로 포함되며 상기 고분자 파우더의 입자들의 표면을 덮는 액체 금속을 포함하되, 상기 고분자 파우더는 극성 작용기를 가진다.
상기 액체 금속은 바람직하게는 -50℃ 이상 +100℃ 이하의 녹는점을 가질 수 있다.
상기 액체 금속은 EGaIn(Eutectic GaIn), Bi35In48 . 6Sn16Zn0 .4, BiInSn 합금, GaInSn 합금 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 극성 작용기는 알코올기, 카르복실기 또는 할로겐기일 수 있다.
상기 고분자 파우더는 열가소성 고분자, 셀룰로오즈(cellulose), 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol)), 폴리아크릴산(poly(acrylic acid)), 및 폴리비닐리딘플로라이드(polyvinylidene fluoride) 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 고분자 파우더는 1nm~50㎛의 입자 크기를 가질 수 있다.
상기 액체 금속 혼합물은 상기 고분자 파우더를 연결하는(link) 바인더 파우더를 더 포함할 수 있다.
상기 바인더 파우더는 에틸 셀룰로오즈(ethyl cellulose), 폴리비닐 아세테이트-폴리비닐피놀리돈(polyvinyl acetate-polyvinylpyrrolidone) 및 폴리 에틸렌 글리콜(poly(ethylene glycol)) 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 액체 금속 혼합물은 상기 바인더 파우더를 녹이는 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 용매는 상기 고분자 파우더와 상기 액체 금속의 중량의 합의 10~100 중량%로 포함될 수 있다.
상기 용매는 물, 알코올, 에탄올, 톨루엔 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 도전 패턴 형성 방법은, 액체 금속 혼합물을 제조하는 단계; 기판 상에 상기 액체 금속 혼합물로 제 1 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 패턴을 압착하거나 가열하여 제 2 패턴을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 액체 금속 혼합물을 제조하는 단계는, 고분자 파우더와 액체 금속을 혼합하여 고분자 파우더의 입자들을 상기 액체 금속으로 코팅하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 패턴은 상기 고분자 파우더와 상기 액체 금속을 포함하며, 상기 액체 금속은 상기 고분자 파우더의 상기 입자들 사이의 공간을 채우며 상기 제 2 패턴 내에서 연속적이어서 상기 제 2 패턴은 도전성을 나타내는 것을 특징으로 한다.
상기 액체 금속 혼합물을 제조하는 단계는 상기 고분자 파우더와 상기 액체 금속에 바인더 파우더를 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 액체 금속 혼합물을 제조하는 단계는 상기 고분자 파우더, 상기 액체 금속, 바인더 파우더에 용매를 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기판 상에 상기 제 1 패턴을 형성하는 단계는, 상기 액체 금속 혼합물을 디스펜싱, 스크린 프린팅, 바 코팅(bar coating) 또는 잉크-젯 프린팅(ink-jet printing) 방식으로 공급하여 진행될 수 있다.
상기 기판은 트렌치를 포함하며, 상기 제 2 패턴은 상기 트렌치를 채울 수 있다.
상기 방법은, 상기 기판 상에 접착막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제 2 패턴은 상기 접착막 상에 형성될 수 있다.
상기 제 1 패턴을 압착하는 단계는 핸드 프레싱, 라미네이션, 고압프레스 중 적어도 하나의 방식으로 진행될 수 있다.
상기 고분자 파우더는 열가소성 고분자를 포함하여, 상기 제 1 패턴을 가열하는 단계는 상기 열가소성 고분자의 입자들을 서로 연결시키며, 상기 방법은 상기 제 2 패턴을 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 패턴을 형성하는 단계와 상기 제 2 패턴을 형성하는 단계는 3D 프린터기에 의해 동시에 진행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 액체 금속 혼합물은 고분자 파우더의 입자들의 표면을 액체 금속으로 코팅시킴으로써 고체와 액체의 양쪽 특성을 갖게 할 수 있다. 이를 이용하여 도전 패턴을 형성하면, 패턴 형성이 용이하면서도 변형이 용이하여 유연한 소자에 적용되기 용이하다. 또한 액상 금속의 함량을 조절하여 저가형 배선 소재로 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 도전 패턴 형성 방법을 순차적으로 나타내는 공정 순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 도전 패턴 형성 방법을 순차적으로 나타내는 공정 단면도들이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 공정단면도들이다.
도 6은 본 발명의 제조예 1에서 제조된 액체 금속 혼합물1의 SEM사진이다.
도 7은 본 발명의 제조예 1에서 제조된 도전막1의 SEM사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 공정 단면도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 도전 패턴 형성 방법을 순차적으로 나타내는 공정 순서도이다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 도전 패턴 형성 방법을 순차적으로 나타내는 공정 단면도들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 먼저 액체 금속 혼합물을 제조한다(S10). 상기 액체 금속 혼합물(10)은 고분자 파우더(11)와 액체 금속(13)을 혼합하여 제조될 수 있다. 상기 고분자 파우더(11)는 상기 액체 금속 혼합물(10)의 총 중량의 10~90 중량%으로 포함될 수 있다. 상기 액체 금속(13)은 상기 액체 금속 혼합물(10)의 총 중량의 10~90 중량%으로 포함될 수 있다. 상기 액체 금속(13)은 상기 고분자 파우더(11)와 섞여 상기 고분자 파우더(11)의 입자들의 표면을 덮을 수 있다. 즉, 상기 고분자 파우더(11)의 입자들의 표면은 상기 액체 금속(13)으로 코팅될 수 있다. 상기 고분자 파우더(11)는 바람직하게는 극성 작용기를 가지는 고분자들로 구성될 수 있다. 상기 극성 작용기는 알코올기, 카르복실기 또는 할로겐기일 수 있다. 상기 고분자 파우더는 열가소성 고분자, 셀룰로오즈(cellulose), 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol)), 폴리아크릴산(poly(acrylic acid)), 및 폴리비닐리딘플로라이드(polyvinylidene fluoride) 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 열가소성 고분자로는 폴리에틸렌, 폴리스티롤, 폴리아미드 및 폴리비닐 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 고분자 파우더는 1nm~50㎛의 입자 크기를 가질 수 있다. 상기 액체 금속은 바람직하게는 -50℃ 이상 +100℃ 이하의 녹는점을 가질 수 있다. 상기 액체 금속은 갈륨(Ga)과 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 이의 합금일 수 있다.
상기 액체 금속은 EGaIn(Eutectic GaIn), Bi35In48 . 6Sn16Zn0 .4, BiInSn 합금, GaInSn 합금 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 EGaIn은 Ga을 75% In을 25% 포함할 수 있다. 상기 EGaIn의 녹는점은 약 15.7℃일 수 있다. 상기 Bi35In48.6Sn16Zn0.4의 녹는점은 약 58.3℃일 수 있다. 상기 액체 금속이 EGaIn처럼 상온에서 액체인 경우 상기 액체 금속과 상기 고분자 파우더를 혼합하는 과정은 상온에서 진행될 수 있다. 상기 액체 금속이 Bi35In48 . 6Sn16Zn0 .4처럼 상온 보다 높은 녹는점을 가진다면, 상기 액체 금속과 상기 고분자 파우더를 혼합하는 과정은 녹는점보다 높은 온도에서 진행될 수 있다. 상기 고분자 파우더를 만들기 위하여 볼밀(ball-mill)등을 이용하여 고분자 물질을 미립자 크기로 분쇄하는 과정이 진행될 수 있다.
예를 들어 상기 액체 금속(13)이 EGaIn이면, 공기중에 노출될 경우 상기 액체 금속(13)의 표면에 얇은 약 1nm 두께의 산화갈륨(Ga2O3,) 박막이 형성될 수 있다. 이때 상기 산화갈륨 박막과 상기 고분자의 극성 작용기 간에 수소 결합이 이루어질 수 있어 상기 고분자 파우더(11)의 입자들의 표면은 상기 액상 금속으로 코팅이 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 액체 금속 혼합물(10)을 제조하는 단계(S10)는 상기 고분자 파우더(11)와 상기 액체 금속(13)에 바인더 파우더를 더 혼합할 수 있다. 상기 바인더 파우더는 상기 고분자 파우더(11)의 중량의 10~100%로 포함될 수 있다. 또는 상기 액체 금속 혼합물(10)은 상기 고분자 파우더(11) 대신에 상기 바인더 파우더를 포함할 수도 있다. 상기 액체 금속 혼합물(10)을 제조하는 단계(S10)는 상기 고분자 파우더(11), 상기 액체 금속(13) 및 상기 바인더 파우더에 용매를 더 혼합할 수 있다. 상기 용매는 상기 바인더 파우더를 녹일 수 있다. 즉, 상기 액체 금속 혼합물(10)은 상기 바인더 파우더와 상기 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매는 상기 고분자 파우더(11)와 상기 액체 금속(13)의 중량의 합의 10~100 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더 파우더는 에틸 셀룰로오즈(ethyl cellulose), 폴리비닐 아세테이트-폴리비닐피놀리돈(polyvinyl acetate-polyvinylpyrrolidone) 및 폴리 에틸렌 글리콜(poly(ethylene glycol)) 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 바인더 파우더를 제공하기 위해 예를 들면 볼밀(ball-mill)등을 이용하여 바인더 물질을 미립자 크기로 분쇄하는 과정이 진행될 수 있다. 상기 용매는 물, 알코올, 에탄올, 톨루엔 중 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 상기 용매는 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다. 상기 용매 첨가에 의해 상기 액체 금속 혼합물(10)은 도전성 페이스트 형태로 제조 및 사용될 수 있다. 상기 용매와 상기 바인더 파우더의 첨가량에 의해 상기 액체 금속 혼합물(10)의 점도가 조절될 수 있다. 상기 바인더 파우더와 상기 용매가 포함된 상기 액체 금속 혼합물(10)은 유동적이어서 페이스트로 사용될 수도 있다. 상기 바인더 파우더는 접착제로서 기능할 수도 있다. 또는 상기 액체 금속 혼합물(10)은 상기 고분자 파우더(11), 상기 액체 금속(13)과 더불어 접착제를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(1) 상에 상기 액체 금속 혼합물(10)을 공급하여 제 1 패턴(P1)을 형성할 수 있다(S20). 상기 액체 금속 혼합물(10)은, 디스펜싱, 스크린 프린팅, 바 코팅(bar coating) 또는 잉크-젯 프린팅(ink-jet printing) 방식으로 공급하여 진행될 수 있다. 상기 제 1 패턴(P1) 내에서 상기 고분자 파우더(11)의 입자들이 응집되지 않았으므로, 상기 고분자 파우더(11)의 입자들 사이에는 상기 액체 금속(13)이 존재하지 않는 빈 공간(S)이 존재할 수 있다. 따라서 상기 제 1 패턴(P1) 내에서 상기 액체 금속(13)은 불연속적일 수 있으며, 상기 제 1 패턴(P1)의 전기저항도 높을 수 있다. 이로써 상기 제 1 패턴(P1)을 바로 도전 패턴으로 사용하기는 어려울 수 있다. 상기 제 1 패턴(P1)의 측면과 상부면도 평탄하지 않고 다소 비정형일 수 있다. 상기 기판(1)은 종이, 의류, 플라스틱 기판, 플렉서블 기판 또는 유리 등 다양할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 제 1 패턴(P1)을 압착하거나 가열하여 제 2 패턴(P2)을 형성할 수 있다(S30). 먼저 상기 제 1 패턴(P1)을 압착하는 것에 대해 설명하기로 한다.
상기 제 1 패턴(P1)을 압착하는 단계(S30)는 핸드 프레싱, 라미네이션, 고압프레스 중 적어도 하나의 방식으로 진행될 수 있다. 상기 제 1 패턴(P1)을 압착함으로써, 상기 액체 금속(13)은 상기 고분자 파우더(11)의 입자들 사이의 공간을 채울 수 있게 되며 상기 제 2 패턴(P2) 내에서 연속적으로 되게 된다. 이로써 상기 제 2 패턴(P2)의 전기저항이 낮아지게 되어 도전성을 나타낼 수 있다. 상기 압착으로 상기 제 2 패턴(P2)의 두께는 상기 제 1 패턴(P1) 보다 얇아질 수 있고 상기 제 2 패턴(P2)의 폭은 상기 제 1 패턴(P1) 보다 넓어질 수 있다. 또한 상기 제 2 패턴(P2)의 상부면도 평평해질 수 있다.
상기 액체 금속 혼합물(10)이 바인더 파우더와 용매를 포함할 경우 상기 제 2 패턴(P2)을 형성한 후에 상기 용매는 증발/휘발되어 제거될 수 있고 상기 바인더 파우더는 상기 고분자 파우더(11)의 입자들을 연결할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 공정단면도들이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 기판(1)에는 트렌치(3)가 형성될 수 있다. 그리고 상기 액체 금속 혼합물(10)을 상기 트렌치(3) 안에 공급하여 상기 제 1 패턴(P1)이 상기 트렌치(3)를 채우도록 한 후에 압착하여 상기 제 2 패턴(P2)을 형성할 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 기판(1) 상에는 접착막(5)이 배치될 수 있다. 상기 액체 금속 혼합물(10)은 상기 접착막(5) 상으로 공급되고 압착되어 제 2 패턴(P2)이 상기 접착막(5) 상에 형성될 수 있다.
또는 상기 액체 금속 혼합물(10)이 접착제나 바인더를 포함하는 경우 상기 접착막(5)이 없이도 상기 기판(1)의 표면 상에 잘 고정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 액체 금속 혼합물은 고분자 파우더의 입자들의 표면을 액체 금속으로 코팅시킴으로써 고체와 액체의 양쪽 특성을 갖게 할 수 있다. 즉, 외형상은 고체이나 액체 금속을 포함하여 액체 금속 특성을 가질 수 있다. 액체 금속 혼합물을 압착하면, 액체 금속이 연결되어 도전 패턴을 형성할 수 있다. 또한 고분자 파우더를 사용함으로써 액체 금속의 함량이 조절될 수 있고 이에 따른 원가를 절감할 수 있다. 액체 금속을 고체화하여 공정성이 우수하다. 또한 상기 액체 금속 혼합물에 바인더 파우더와 용매를 혼합하여 페이스트 형태로 사용될 수 있다. 또한 변형이 용이하여 유연한 소자에 적용되기 용이하다. 또한 액상 금속의 함량을 조절하여 저가형 배선 소재로 사용될 수도 있다.
반면에, 고분자 파우더가 없이 액체 금속만을 이용하는 경우는 액체 상태가 고정이 되지 않아 패턴 형성이 어려울 수 있다.
다음은 본 발명의 제조예들을 살펴보기로 한다.
<제조예 1>
용기 안에 셀룰로오즈 파우더 1g을 준비하였다. 여기에 EGaIn 1g을 넣고 상기 셀룰로오즈 파우더와 잘 섞어주어 액체 금속 혼합물1을 만들었다. 상기 액체 금속 혼합물1을 유리 상에 올리고 상온에서 압착하여 도전막1을 형성한 후 이의 면저항을 측정하였다. 상기 액체 금속 혼합물1과 상기 도전막1의 주사전자현미경(SEM) 사진들을 각각 도 6과 도 7에 나타내었다. 도 6에서 압착 전에 고분자 파우더들 사이에 빈 공간들이 보이나, 도 7에서 EGaIn이 연속적으로 연결됨을 알 수 있다.
<제조예 2>
용기 안에 셀룰로오즈 파우더 1.3 g을 준비하였다. 여기에 EGaIn 1g을 넣고 상기 셀룰로오즈 파우더와 잘 섞어주어 액체 금속 혼합물2를 만들었다. 상기 액체 금속 혼합물2를 유리 상에 올리고 상온에서 압착하여 도전막2를 형성한 후 이의 면저항을 측정하였다.
<제조예 3>
용기 안에 셀룰로오즈 파우더 1.5 g을 준비하였다. 여기에 EGaIn 1g을 넣고 상기 셀룰로오즈 파우더와 잘 섞어주어 액체 금속 혼합물3을 만들었다. 상기 액체 금속 혼합물3을 유리 상에 올리고 상온에서 압착하여 도전막3을 형성한 후 이의 면저항을 측정하였다.
상기 제조예 1~3의 결과를 다음의 표 1에 나타내었다.
제조예1 제조예2 제조예3
면저항[Ω/square] 0.050 0.183 0.201
표 1을 살펴보면, EGaIn 1g과 혼합되는 셀룰로오즈 파우더의 양이 1g~1.5g으로 증가될수록 면저항이 늘어남을 알 수 있다.
<제조예 4>
용기 안에 폴리비닐알코올 파우더 1 g을 준비하였다. 여기에 EGaIn 1g을 넣고 상기 셀룰로오즈 파우더와 잘 섞어주어 액체 금속 혼합물4를 만들었다. 상기 액체 금속 혼합물4를 유리 상에 올리고 상온에서 압착하여 도전막4를 형성한 후 이의 면저항을 측정하였다.
<제조예 5>
용기 안에 폴리아크릴릭엑시드 파우더 1 g을 준비하였다. 여기에 EGaIn 1g을 넣고 상기 셀룰로오즈 파우더와 잘 섞어주어 액체 금속 혼합물5를 만들었다. 상기 액체 금속 혼합물5를 유리 상에 올리고 상온에서 압착하여 도전막5를 형성한 후 이의 면저항을 측정하였다.
<제조예 6>
용기 안에 폴리비닐리딘 플로라이드 파우더 1 g을 준비하였다. 여기에 EGaIn 1g을 넣고 상기 셀룰로오즈 파우더와 잘 섞어주어 액체 금속 혼합물6을 만들었다. 상기 액체 금속 혼합물6을 유리 상에 올리고 상온에서 압착하여 도전막6을 형성한 후 이의 면저항을 측정하였다.
상기 제조예 4~6의 결과를 다음의 표 2에 나타내었다.
제조예4 제조예5 제조예6
면저항[Ω/square] 0.862 0.104 0.617
표 2를 살펴보면, EGaIn 1g과 혼합되는 고분자 파우더의 종류에 따라 면저항이 변하는 것을 알 수 있다.
<제조예 7>
용기 안에 고분자 파우더로 셀룰로오스 파우더 0.8g과 바인더 파우더로 폴리에틸렌글리콜 파우더 0.2 g을 준비하였다. 여기에 EGaIn 1g을 넣고 상기 셀룰로오즈 파우더와 잘 섞어주어 액체 금속 혼합물7을 만들었다. 상기 액체 금속 혼합물7을 유리 상에 올리고 상온에서 압착하여 도전막7을 형성한 후 이의 면저항을 측정하였다.
<제조예 8>
용기 안에 고분자 파우더로 셀룰로오즈 파우더 0.5 g과 바인더 파우더로 에틸 셀룰로오즈 파우더 0.1g을 준비하였다. 여기에 EGaIn 1g을 넣고 상기 셀룰로오즈 파우더와 잘 섞어주어 액체 금속 혼합물8을 만들었다. 상기 액체 금속 혼합물8을 유리 상에 올리고 상온에서 압착하여 도전막8을 형성한 후 이의 면저항을 측정하였다.
상기 제조예 7과 8 결과를 다음의 표 3에 나타내었다.
제조예7 제조예8
면저항[Ω/square] 0.308 0.088
표 3을 살펴보면, 동일한 EGaIn의 양에 대하여 고분자 파우더와 바인더 파우더의 첨가량이 줄어들어 면저항이 줄어들어 도전성이 증가되는 것을 알 수 있다.
제조예 1 내지 제조예 8에서 제조된 액체 금속 혼합물 1~8은 압착하기 전에 모두 육안으로 보기에 금속 파우더와 유사한 성질을 나타내었다.
<제조예 9>
용기 안에 고분자 파우더로 셀룰로오즈 파우더 0.5 g과 바인더 파우더로 에틸 셀룰로오즈 파우더 0.1g을 준비하였다. 여기에 EGaIn 1g을 넣고 상기 셀룰로오즈 파우더와 잘 섞어주었다. 여기에 용매로 에탄올과 톨루엔을 부피비로 80:20의 비율로 섞고 상기 용매를 2ml 첨가하고 잘 섞어 액체 금속 혼합물 9를 만들었다. 상기 액체 금속 혼합물9은 육안으로 보기에 페이스트와 유사하였다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 공정 단면도이다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 도 2의 상태에서 상기 제 1 패턴(P1)을 가열할 수 있다. 이때 상기 고분자 파우더(11)는 열가소성 고분자일 수 있다. 상기 고분자 파우더(11)는 상기 가열에 의해 녹아 재배치되면서 서로 연결된 형태(11a)를 나타낼 수 있고 상기 고분자 파우더(11a)의 표면에 코팅된 액체 금속(13)은 서로 연결될 수 있다. 이후 상온에서 냉각하면, 도전성의 제 2 패턴(P2)이 형성될 수 있다. 상기 가열 온도는 예를 들면, 100~150℃일 수 있다.
3D 프린터기를 이용할 경우 도 2와 상기 제 1 패턴(P1)을 형성하는 과정과 도 8의 상기 제 2 패턴(P2)을 형성하는 과정이 동시에 진행될 수 있다. 즉, 3D 프린터기의 노즐에 히터가 존재하여 노즐을 통해 상기 액체 금속 혼합물이 공급됨과 동시에 가열되어 3차원 형태의 도전 패턴을 형성할 수 있다. 상기 3차원 형태의 도전 패턴은 예를 들면 전도성 필라멘트일 수 있다.

Claims (20)

10~90 중량%의 고분자 파우더; 및
10~90 중량%으로 포함되며 상기 고분자 파우더의 입자들의 표면을 덮는 액체 금속을 포함하되,
상기 고분자 파우더는 극성 작용기를 가지는 액체 금속 혼합물.
제 1 항에 있어서
상기 액체 금속은 -50℃ 이상 +100℃ 이하의 녹는점을 가지는 액체 금속 혼합물.
제 1 항에 있어서,
상기 액체 금속은 EGaIn(Eutectic GaIn), Bi35In48 . 6Sn16Zn0 .4, BiInSn 합금, GaInSn 합금 중 선택되는 적어도 하나인 액체 금속 혼합물.
제 1 항에 있어서,
상기 극성 작용기는 알코올기, 카르복실기 또는 할로겐기인 액체 금속 혼합물.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 파우더는 열가소성 고분자, 셀룰로오즈(cellulose), 폴리비닐알코올(poly(vinyl alcohol)), 폴리아크릴산(poly(acrylic acid)), 및 폴리비닐리딘플로라이드(polyvinylidene fluoride) 중 선택되는 적어도 하나인 액체 금속 혼합물.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 파우더는 1nm~50㎛의 입자 크기를 가지는 액체 금속 혼합물.
제 1 항에 있어서,
상기 고분자 파우더를 연결하는(link) 바인더 파우더를 더 포함하는 액체 금속 혼합물.
제 7 항에 있어서,
상기 바인더 파우더는 에틸 셀룰로오즈(ethyl cellulose), 폴리비닐 아세테이트-폴리비닐피놀리돈(polyvinyl acetate-polyvinylpyrrolidone) 및 폴리 에틸렌 글리콜(poly(ethylene glycol)) 중 선택되는 적어도 하나인 액체 금속 혼합물.
제 7 항에 있어서,
상기 바인더 파우더를 녹이는 용매를 더 포함하되,
상기 용매는 상기 고분자 파우더와 상기 액체 금속의 중량의 합의 10~100 중량%로 포함되는 액체 금속 혼합물.
액체 금속 혼합물을 제조하는 단계;
기판 상에 상기 액체 금속 혼합물로 제 1 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 패턴을 압착하거나 가열하여 제 2 패턴을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 액체 금속 혼합물을 제조하는 단계는,
고분자 파우더와 액체 금속을 혼합하여 고분자 파우더의 입자들을 상기 액체 금속으로 코팅하는 단계를 포함하며,
상기 제 2 패턴은 상기 고분자 파우더와 상기 액체 금속을 포함하며, 상기 액체 금속은 상기 고분자 파우더의 상기 입자들 사이의 공간을 채우는 것을 특징으로 하는 도전 패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 고분자 파우더는 극성 작용기를 가지는 고분자를 포함하는 도전 패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 기판 상에 상기 제 1 패턴을 형성하는 단계는, 상기 액체 금속 혼합물을 디스펜싱, 스크린 프린팅, 바 코팅(bar coating) 또는 잉크-젯 프린팅(ink-jet printing) 방식으로 공급하여 진행되는 도전 패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 기판은 트렌치를 포함하며,
상기 제 2 패턴은 상기 트렌치를 채우는 도전 패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 기판 상에 접착막을 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 제 2 패턴은 상기 접착막 상에 형성되는 도전 패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 액체 금속 혼합물에서 상기 고분자 파우더는 10~90 중량%으로 포함되고, 상기 고분자 파우더는 10~90 중량%으로 포함되는 도전 패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 패턴을 압착하는 단계는 핸드 프레싱, 라미네이션, 고압프레스 중 적어도 하나의 방식으로 진행되는 도전 패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서
상기 액체 금속은 EGaIn(Eutectic GaIn), Bi35In48 . 6Sn16Zn0 .4, BiInSn 합금 및 GaInSn 합금 중 선택되는 도전 패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 액체 금속 혼합물을 제조하는 단계는, 상기 고분자 파우더와 상기 액체 금속에 바인더 파우더와 용매를 첨가하는 단계를 더 포함하며, 상기 용매는 상기 고분자 파우더와 상기 액체 금속의 중량의 합의 10~100 중량%로 포함되는 도전 패턴 형성 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 고분자 파우더는 열가소성 고분자를 포함하여,
상기 제 1 패턴을 가열하는 단계는 상기 열가소성 고분자의 입자들을 서로 연결시키며, 상기 방법은 상기 제 2 패턴을 냉각하는 단계를 더 포함하는 도전 패턴 형성 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 제 1 패턴을 형성하는 단계와 상기 제 2 패턴을 형성하는 단계는 3D 프린터기에 의해 동시에 진행되는 도전 패턴 형성 방법.
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