JP2012054222A - 伝導性ペースト及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】伝導性ペースト及びその製造方法を提供する。
【解決手段】伝導性ペーストは、１〜２の縦横比を持つ金属ナノ粉末１０２及び３〜３００の縦横比を持つ金属ナノロッド１０４を含む。前記金属ナノロッドの縦横比は、３〜３００であり、前記金属ナノ粉末の縦横比は、１〜２である。また、前記金属ナノ粉末及び前記金属ナノロッドは、金、銀、銅、白金、ニッケル、シリコン、パラジウム、鉛、錫、インジウム、アルミニウムの金属群から選択される一つまたは二つ以上の金属からなる。
【選択図】図１
【解決手段】伝導性ペーストは、１〜２の縦横比を持つ金属ナノ粉末１０２及び３〜３００の縦横比を持つ金属ナノロッド１０４を含む。前記金属ナノロッドの縦横比は、３〜３００であり、前記金属ナノ粉末の縦横比は、１〜２である。また、前記金属ナノ粉末及び前記金属ナノロッドは、金、銀、銅、白金、ニッケル、シリコン、パラジウム、鉛、錫、インジウム、アルミニウムの金属群から選択される一つまたは二つ以上の金属からなる。
【選択図】図１
Description
本発明は、伝導性ペーストに関し、より詳しくは、焼結時に過度な収縮を防止することができる伝導性ペースト及びその製造方法に関する。
金属粉末を含有する伝導性ペーストは、その良好な伝導性により各種電子機器の電極及び回路配線用導線材料として広く用いられている。このような伝導性ペーストは、一般的に金属粉末、有機溶剤、及びバインダーなどを主成分として構成される。
最近、電子機器の軽薄短小化による微細印刷回路配線に対する要求が増加しながら、金属ナノ粉末を適用した低温焼結用伝導性印刷材料に対する関心が大きくなっている。このような金属ナノ粉末ベースの伝導性印刷材料は、低温で良好な電気的特性を具現することができるという長所があるが、ナノ粒子の特性上、焼結後大きい収縮により配線クラックが頻繁に発生し、膜緻密度の改善に限界がある。従って、金属ナノ粉末を適用して回路配線を形成する場合、焼結後収縮による配線クラックを防止し、且つ膜緻密度を向上させることができる方案が要求される。
本発明は、電極及び回路配線の形成時クラックを防止し、且つ膜緻密度を向上させることができる導電性ペースト及びその製造方法を提供しようとする。
本発明に係る伝導性ペーストは、金属ナノ粉末；及び前記金属ナノ粉末より高い縦横比を持つ金属ナノロッド；を含む。
本発明に係る伝導性ペーストの製造方法は、（Ａ）金属ナノ粉末及び前記金属ナノ粉末より高い縦横比を持つ金属ナノロッドを含む伝導性混合粉末を製造する段階；（Ｂ）有機溶媒にバインダー及びガラスフリットを添加して混合溶液を製造する段階；及び（Ｃ）前記混合溶液に前記伝導性混合粉末を添加した後、撹拌して伝導性ペーストを製造する段階；を含む。
本発明に係る伝導性ペーストの製造方法は、（Ａ）金属ナノ粉末及び前記金属ナノ粉末より高い縦横比を持つ金属ナノロッドを含む伝導性混合粉末を製造する段階；（Ｂ）有機溶媒にバインダー及びガラスフリットを添加して混合溶液を製造する段階；及び（Ｃ）前記混合溶液に前記伝導性混合粉末を添加した後、撹拌して伝導性ペーストを製造する段階；を含む。
本発明によると、伝導性ペーストに高い縦横比を持つ金属ナノロッドを添加することによって、焼結工程時過度な収縮が発生することを防止することができ、回路配線の厚さが減少することを防止でき、クラックが発生することを防止することができる。
以下、図１及び図２を参照して本発明の伝導性ペースト（電気伝導性ペースト、導電性ペースト）及びその製造方法の具体的な実施形態を説明する。然しながら、これは例示的実施形態に過ぎず、本発明はこれに制限されない。
本発明の説明において、本発明と関連付けられた公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、後述される用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語として、これはユーザ、運用者の意図または慣例などによって変わることができる。従って、その定義は、本明細書全般にかける内容に基づいて下されるべきである。
本発明の技術的思想は、請求範囲により決定され、以下、実施形態は、進歩的な本発明の技術的思想を本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者に效率的に説明するための一手段に過ぎない。
図１は、本発明の一実施形態に係る伝導性ペーストのＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真を示す図である。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る伝導性ペーストは、第１の縦横比を持つ金属ナノ粉末１０２と第２の縦横比を持つ金属ナノ粉末１０４とを含む。ここで、前記第２の縦横比は、前記第１の縦横比より高い縦横比を意味する。
例えば、第１の縦横比を持つ金属ナノ粉末１０２は、球形状の金属ナノ粉末を使用することができ、第２の縦横比を持つ金属ナノ粉末１０４は、ロッド形状の金属ナノ粉末（以下、‘金属ナノロッド’）を使用することができる。ここで、球形状とは、低い縦横比（例えば、１〜２）を持つ金属ナノ粉末形状の一例を示したものに過ぎず、球形状を文字のまま限定して解釈してはならない。また、ロッド形状とは、高い縦横比（例えば、３〜３００）を持つ金属ナノ粉末形状の一例を示したものに過ぎず、ロッド形状を文字のまま限定して解釈してはならない。
この場合、前記球形状の金属ナノ粉末１０２によってはナノ粒子による金属粉末充填効果を維持することができ、前記金属ナノロッド１０４によっては焼結による過度な収縮を防止することができるようになる。これに対して詳細に説明すると、次の通りである。
もし、伝導性ペーストに球形状の金属ナノ粉末１０２のみ充填されていると、焼結工程時に過度な収縮が発生するようになり、このような伝導性ペーストで回路配線を形成すると、回路配線の厚さが減少し、回路配線にクラックが発生する等の問題が発生するようになる。
即ち、一般的に粒子の焼結時に、低い温度領域では粒子成長が緻密化より速く発生し、高い温度領域では緻密化が粒子成長より速く発生する。然しながら、ナノ粒子の場合、界面エネルギーが非常に高いため、焼結工程時低温で充分な粒子成長が発生する前に緻密化が速く進行されて焼結収縮が過度に発生するようになる。また、充分な粒子成長のある前にナノ粒子同士凝集する力が強くてナノ粒子より大きい気孔が発生するようになる。このような大きい気孔は、焼結により除去することが難しく、今後巨大気孔やクラックに発展するようになる。従って、このような伝導性ペーストで回路配線を形成すると、回路配線の厚さが減少し、回路配線にクラックが発生する等の問題が発生するようになる。
然しながら、前記球形状の金属ナノ粉末１０２に高い縦横比（例えば、３〜３００）を持つ前記金属ナノロッド１０４を混合させると、ナノ粒子の速い緻密化による収縮を遅延させて充分な粒子成長が発生するようにするため、焼結工程時に過度な収縮が発生することを防止することができる。また、前記金属ナノロッド１０４がナノ粒子同士が凝集しようとする経路を妨害して大きい気孔が発生することを抑制することができるようになる。
従って、前記球形状の金属ナノ粉末１０２に前記金属ナノロッド１０４を混合した伝導性ペーストを用いて電極及び回路配線を形成するようになると、電極及び回路配線の厚さが減少することを防止して膜緻密度を向上させることができ、クラックが発生することを防止して優れる電気的特性を具現することができるようになる。
ここで、前記球形状の金属ナノ粉末１０２は、例えば、１〜２の縦横比を持ち、平均粒径が１００ｎｍ以下の金属ナノ粉末を使用することができる。また、前記球形状の金属ナノ粉末１０２は、金、銀、銅、白金、ニッケル、シリコン、パラジウム、鉛、錫、インジウム、アルミニウムなどの金属群から選択される１種のナノ粉末または２種以上の合金ナノ粉末を使用することができる。
また、前記金属ナノロッド１０４は、例えば、３〜３００の縦横比を持つ金属ナノロッドを使用することができる。このとき、前記金属ナノロッド１０４の長径は、例えば、０．１〜１００μｍにすることができ、前記金属ナノロッド１０４の短径は、例えば、１〜１０００ｎｍにすることができる。
ここで、前記金属ナノロッド１０４の縦横比が３未満になると、金属ナノ粉末と同じ水準の焼結収縮が発生するため、収縮防止効果が現れないようになる。また、前記金属ナノロッド１０４の縦横比が３００を超過すると、ナノサイズによる低温焼結特性がなくなって焼結性が低下されるため、電気的特性が悪くなるようになる。
前記金属ナノロッド１０４は、金、銀、銅、白金、ニッケル、シリコン、パラジウム、鉛、錫、インジウム、アルミニウムなどの金属群から選択される１種のナノロッドまたは２種以上の合金ナノロッドを使用することができる。
図２は、本発明の一実施形態に係る伝導性ペーストの製造方法を示すフローチャートである。
図２を参照すると、球形状の金属ナノ粉末及び金属ナノロッドを含む伝導性混合粉末を製造する（Ｓ２０２）。このとき、前記金属ナノロッドは、３〜３００の縦横比を持つように形成する。ここで、前記金属ナノロッドは、湿式合成法により製造することができ、金属前駆体と分散剤の濃度比、反応時間、及び反応温度などを調節して金属ナノロッドの縦横比を調節することができる。例えば、金属前駆体に比べて分散剤の量を大きくするほど金属ナノロッドを長さ方向に長くすることができ、同一条件下で反応時間を長くすると金属ナノロッドの長さを長くすることができる。
次に、有機溶媒にバインダー及びガラスフリットを添加して混合溶液を製造する（Ｓ２０４）。前記有機溶媒は、伝導性ペーストが優れる分散特性を持つようにする役割をする。前記有機溶媒としては、例えば、テルピネオール、ジヒドロテルピネオール、ジヒドロテルピネオールアセテート、エチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、及びブチルカルビトールアセテートなどを使用することができる。
前記バインダーは、伝導性ペーストが粘性を持つようにし、前記伝導性ペースト内の各構成要素を接着させる役割をする。前記バインダーとして、例えば、エチルセルロース、ニトロセルロースなどのようなセルロース系樹脂またはアクリル系樹脂などを使用することができる。
前記ガラスフリットは、接着特性及びその他目的する機能の具現のための無機添加剤として、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｂｉ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、Ａｇ２０等から選択された一つまたは二つ以上の混合された物質からなることができる。
次に、前記混合溶液に前記球形状の金属ナノ粉末及び前記金属ナノロッドからなる伝導性混合粉末を添加する（Ｓ２０６）。このとき、前記伝導性混合粉末内で前記金属ナノロッドの含有量は０．１〜５０ｗｔ％にすることができる。
次に、前記混合溶液と前記伝導性混合粉末とを均一に撹拌した後、ロールミル（Ｒｏｌｌ Ｍｉｌｌ）工程を遂行して伝導性ペーストを形成する（Ｓ２０８）。
一方、ここでは球形状の金属ナノ粉末及び金属ナノロッドを製造した後、混合溶液を製造すると記述したが、混合溶液を製造した後に球形状の金属ナノ粉末及び金属ナノロッドを製造しても問題ない。
実施例１
有機溶媒であるアルファテルピネオール１１ｇにエチルセルロース（１０ｍＰａ・ｓ）を添加した後に加熱して溶解させ、次ぎに、無機添加剤であるガラスフリットを少量添加して混合溶液を製造した。前記混合溶液に縦横比が６０である銀ナノロッドが２０ｗｔ％含まれ、残りは平均粒径４０ｎｍの銀ナノ粉末で構成された伝導性混合粉末３３ｇを添加した。その後、前記混合溶液と前記伝導性混合粉末とを撹拌機を用いて均一に混合した後、３-ｒｏｌｌ ｍｉｌｌに数回通過させて伝導性ペーストを製造した。その後、スクリーン印刷機を用いてガラス基板上に幅１００μｍ、長さ１０ｃｍの微細配線を印刷して印刷吐出性を確認し、乾燥工程を遂行した後、２５０℃の温度で６０分間焼結を実施して電気的特性を評価した。
実施例２
有機溶媒であるアルファテルピネオール１１ｇにエチルセルロース（１０ｍＰａ・ｓ）を添加した後に加熱して溶解させ、次に、無機添加剤であるガラスフリットを少量添加して混合溶液を製造した。前記混合溶液に縦横比が４０である銀ナノロッドが２０ｗｔ％含まれ、残りは平均粒径４０ｎｍの銀ナノ粉末で構成された伝導性混合粉末３３ｇを添加した。その後、前記混合溶液と前記伝導性混合粉末とを撹拌機を用いて均一に混合した後、３-ｒｏｌｌ ｍｉｌｌに数回通過させて伝導性ペーストを製造した。その後、スクリーン印刷機を用いてガラス基板上に幅１００μｍ、長さ１０ｃｍの微細配線を印刷して印刷吐出性を確認し、乾燥工程を遂行した後、５００℃の温度で６０分間焼結を実施して電気的特性を評価した。
比較例１
有機溶媒であるアルファテルピネオール１１ｇにエチルセルロース（１０ｍＰａ・ｓ）を添加した後に加熱して溶解させ、次に、無機添加剤であるガラスフリットを少量添加して混合溶液を製造した。前記混合溶液に平均粒径４０ｎｍの銀ナノ粉末３３ｇを添加し、撹拌機を用いて均一に混合した後、３-ｒｏｌｌ ｍｉｌｌに数回通過させて伝導性ペーストを製造した。その後、スクリーン印刷機を用いてガラス基板上に幅１００μｍ、長さ１０ｃｍの微細配線を印刷して印刷吐出性を確認し、乾燥工程を遂行した後、２５０℃の温度で６０分間焼結を実施して電気的特性を評価した。
比較例２
有機溶媒であるアルファテルピネオール１１ｇにエチルセルロース（１０ｍＰａ・ｓ）を添加した後に加熱して溶解させ、次に、無機添加剤であるガラスフリットを少量添加して混合溶液を製造した。前記混合溶液に平均粒径４０ｎｍの銀ナノ粉末３３ｇを添加し、撹拌機を用いて均一に混合した後、３-ｒｏｌｌ ｍｉｌｌに数回通過させて伝導性ペーストを製造した。その後、スクリーン印刷機を用いてガラス基板上に幅１００μｍ、長さ１０ｃｍの微細配線を印刷して印刷吐出性を確認し、乾燥工程を遂行した後、５００℃の温度で６０分間焼結を実施して電気的特性を評価した。
表１は、前記の実施例１、２及び比較例１、２による伝導性ペーストの特性を比較した表である。ここで、×：クラック無い、△：クラック微々たる、○：クラック激しい、◎：クラック非常に激しいことを表す。
表１を参照すると、実施例１の場合、印刷された微細配線を乾燥した後のクラックが発生しなく、焼結時収縮率が３０％に該当し、焼成後にもクラックが発生しなかったことが分かる。反面、比較例１の場合、 印刷された微細配線を乾燥した後のクラックが微小に発生し、焼結時収縮率が４０％に該当し、焼成後にクラックが激しく発生したことが分かる。また、実施例１の場合、比較例１の場合より比抵抗が２倍程度低く現れたことが分かり、それによって電気的特性が向上したことが分かる。
また、実施例２の場合、印刷乾燥後クラックが発生しなく、焼結時収縮率が４０％に該当し、焼成後にもクラックが発生しなかったことが分かる。反面、比較例２の場合、印刷乾燥後にクラックが微小に発生し、焼結時収縮率が６０％に該当し、焼成後にクラックが非常に激しく発生したことが分かる。
このように、本発明の実施形態によると、焼結時収縮率を減らすことができ、焼成後クラックが発生することを防止することができるようになる。従って、本発明の実施形態に係る伝導性ペーストを用いて電極及び回路配線を形成すると、電極及び回路配線の厚さが減少することを防止することができ、膜緻密度を向上させることができ、優れる電気的特性を具現できるようになる。
以上、代表的な実施形態を介して本発明に対して詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は、前述した実施形態に対して本発明の範ちゅうから外れない限度内で多様な変形が可能であることが分かる。
従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されて決まってはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なもの等により決まらなければならない。
１０２ 球形状の金属ナノ粉末
１０４ 金属ナノロッド
１０４ 金属ナノロッド
Claims (10)
- 金属ナノ粉末；及び
前記金属ナノ粉末より高い縦横比を持つ金属ナノロッド；
を含む、伝導性ペースト。 - 前記金属ナノロッドの縦横比は、３〜３００である、請求項１に記載の伝導性ペースト。
- 前記金属ナノ粉末の縦横比は、１〜２である、請求項１に記載の伝導性ペースト。
- 前記金属ナノ粉末及び前記金属ナノロッドは、金、銀、銅、白金、ニッケル、シリコン、パラジウム、鉛、錫、インジウム、アルミニウムの金属群から選択される一つまたは二つ以上の金属からなる、請求項１に記載の伝導性ペースト。
- （Ａ）金属ナノ粉末及び前記金属ナノ粉末より高い縦横比を持つ金属ナノロッドを含む伝導性混合粉末を製造する段階；
（Ｂ）有機溶媒にバインダー及びガラスフリットを添加して混合溶液を製造する段階；及び
（Ｃ）前記混合溶液に前記伝導性混合粉末を添加した後、撹拌して伝導性ペーストを製造する段階；
を含む、伝導性ペーストの製造方法。 - 前記（Ａ）段階で、前記金属ナノ粉末の縦横比は１〜２であり、前記金属ナノロッドの縦横比は３〜３００である、請求項５に記載の伝導性ペーストの製造方法。
- 前記（Ａ）段階で、前記金属ナノ粉末及び前記金属ナノロッドは、湿式合成法により製造する、請求項６に記載の伝導性ペーストの製造方法。
- 前記金属ナノロッドの縦横比は、金属前駆体と分散剤の濃度比、反応時間、及び反応温度のうち一つ以上を調整して調節する、請求項７に記載の伝導性ペーストの製造方法。
- 前記伝導性混合粉末における前記金属ナノロッドの含有量は０．１〜５０ｗｔ％である、請求項５に記載の伝導性ペーストの製造方法。
- 請求項１にないし請求項４のうちいずれか一項に記載された伝導性ペーストを用いて形成される電極。
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