KR101082443B1 - 도전성 잉크, 상기 도전성 잉크를 이용한 금속 배선의 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 인쇄회로 기판 - Google Patents

도전성 잉크, 상기 도전성 잉크를 이용한 금속 배선의 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 인쇄회로 기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도전성 잉크, 이를 이용한 금속 배선의 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 금속 배선이 형성된 기판에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 도전성 잉크 중의 입자간의 응집이 원천적으로 방지될 수 있다.

Description

도전성 잉크, 상기 도전성 잉크를 이용한 금속 배선의 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 인쇄회로 기판{Conductive ink, preparation method of metal micropattern using the same and printed circuit board prepared by the method}
본 발명은 도전성 잉크, 이를 이용한 금속 배선의 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 인쇄회로 기판에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 입자간 응집 현상으로 인한 도전성 잉크의 수명 단축 및 노즐 막힘을 방지할 수 있는 도전성 잉크, 이를 이용한 금속 배선의 형성 방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 인쇄회로 기판에 관한 것이다.
최근의 전자 소자는 소형화 및 고기능화에 대응하여 배선의 미세화가 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하여 금속 나노입자를 도전성 잉크의 재료로 사용하여 미세배선을 형성하는 기술인 잉크젯 공법의 개발이 활발히 진행되고 있다.
잉크젯 공법은 입경이 수십nm 수준의 금속 나노입자를 잉크화하여 인쇄기판상에 토출하고 이를 소성하는 간단한 단계만으로 미세배선을 형성시킬 수 있으며 비용면에 있어서 매우 유용한 방법이다.
배선 형성용 도전성 잉크의 재료를 구성하는 주요한 성분인 금속 나노입자는 대한민국 공개특허 제2005-0101101호에 기재된 바와 같이 기상법 또는 물리 또는 화학적인 방법으로 제조하게 되며, 이를 도전성 잉크로 사용하기 위하여는 인쇄 기판상의 배선 용도 및 특성에 따라 극성 또는 비극성 용매에 캡핑 분자 및 첨가제와 함께 금속 나노입자를 재분산시켜 잉크화하는 것이 일반적이다.
종래의 도전성 잉크는 원활한 잉크 토출을 위하여 주요 성분인 금속 나노입자의 크기가 수~수십 nm인 것을 사용하여야 하며 잉크 용액 내에서의 금속입자의 성장 및 입자간 응집이 방지되어야 한다. 금속 나노입자를 포함하는 도전성 잉크는 장시간 방치할 경우 입경의 증가 및 응집 현상을 근본적으로 피할 수 없으며 이러한 문제는 잉크의 수명 단축을 초래한다. 또한 이와 함께 인쇄 기판에 토출시 인쇄헤드의 노즐 막힘 문제가 발생하며, 정상적인 잉크 토출을 위하여 여과단계를 거쳐 응집된 나노입자를 분별해야 하므로 여과 단계 이후 잉크액에 포함된 금속 나노입자의 함량 조절이 어렵고 재료의 손실에 대한 문제점을 발생시킨다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 입자의 응집 현상이 발생하지 않고 장기간 보존 가능한 금속 배선 형성용 전도성 잉크를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 전도성 잉크를 사용하여 노즐의 막힘 현상이 없으며 재료의 손실을 최소화한 금속 배선 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 방법에 의하여 금속 배선이 형성된 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 금속 배선 형성용 도전성 잉크로서, 금속 이온, 기능성 용매 및 캡핑 분자(capping molecule)을 포함하는 도전성 잉크를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 도전성 잉크는 기능성 용매 100 중량부를 기준으로 20 내지 50 중량부의 금속 이온 및 70 내지 110 중량부의 캡핑 분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 금속 이온은 Ag, Au, Pt, Cu, Ni 및 Pd으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 이온일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 기능성 용매는 N-디메틸포름아미드, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 글리세롤 또는 폴리에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 캡핑 분자는 덱스트린 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 피롤리돈 및 폴리아크릴산으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 전술한 바와 같은 도전성 잉크를 제조하는 단계; 상기 도전성 잉크를 기판 위에 토출하여 액적을 토착시키는 단계; 상기 인쇄 기판을 가온하여 금속 나노입자를 형성시키는 단계; 및 상기 형성된 금속 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 금속 배선의 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 가온은 50 내지 85℃에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 금속 입자는 20 내지 50nm의 입경을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 열처리 단계는 150 내지 200℃에서 10 분 내지 1시간 동안 수행될 수 있다.
상기 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 상술한 방법에 의하여 금속 배선이 형성된 기판을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 금속 배선은 선폭 40㎛ 이하의 극미세 전도성 패턴으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 도전성 잉크는 금속 이온을 포함하여 금속 입자 의 크기 증가 또는 응집이 원천적으로 방지되어 장기간 보관 가능하다. 이러한 도전성 잉크를 사용하면, 금속 배선을 형성시 잉크 헤드의 노즐 막힘을 방지할 수 있으며, 금속 나노 입자의 재분산 또는 응집 입자의 분별을 위한 여과 과정이 불필요하므로 공정은 단순화 되고 재료 손실이 최소화된다. 상기 방법에 의하여 금속 배선은 입자 크기 분포가 협소하고 미세하게 형성될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1는 본 발명의 일 구현예에 따른 도전성 잉크를 이용하여 금속 배선을 형성하는 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따르는 금속 배선의 형성 방법은 1) 금속 이온, 기능성 용매 및 캡핑 분자(capping molecule)을 포함하는 도전성 잉크를 제조하는 단계, 2) 상기 도전성 잉크를 기판 위에 토출하여 금속 이온을 함유하는 액적을 토착시키는 단계, 3) 상기 인쇄 기판을 가온하여 따라 금속 이온의 환원에 의한 금속 입자를 형성시키는 단계, 4) 상기 형성된 금속 입자를 열처리하는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 배선의 형성 방법에서는 금속 입자 대신 금속 이온을 함유하는 도전성 잉크를 사용한다. 도전성 잉크 중의 금속 이온은 금속 배선의 제조 과정 중 가온 단계에서 환원됨으로써 금속 입자로 형성된다. 따라서 본 발명의 일 구현예에 따르면 금속 입자가 기판상에서 직접 형성되기 때문에 금속 입자의 응집은 원천적으로 방지될 수 있다.
1) 도전성 잉크
본 발명의 일 구현예에 따르면 금속 배선 형성용 도전성 잉크는 금속 이온, 기능성 용매 및 캡핑 분자(capping molecule)를 포함한다.
기능성 용매
본 발명의 일 구현예에 따른 도전성 잉크는 금속 이온에 대해서 용매 및 환원제의 역할을 수행하는 기능성 용매를 포함한다. 상기 기능성 용매는 상온에서는 금속 이온에 대하여 환원력을 갖고 있지 않으나, 도전성 잉크가 기판상에 토출된 경우 가온에 의하여 일정 온도에 도달 하였을 때 환원력을 갖는 것이 바람직하며, 구체적으로는 N-디메틸포름아미드, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 글리세롤 및 폴리에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 온도에 따라 선택적으로 환원력을 갖는 기능성 용매를 사용함으로써 본 발명의 일 구현예에 따른 도전성 잉크는 금속 입자의 형성 없이 오랜 기간 보관 될 수 있으므로, 장기간의 수명이 확보될 수 있다.
금속 이온
본 발명의 일 구현예에 따른 도전성 잉크는 금속 입자가 아닌 금속 이온을 포함한다. 이러한 금속 이온은 기능성 용매에 의해 일정 온도에서 환원이 되어 금속 입자를 형성할 수 있다.
상기 금속 이온은 M(NO)n로 표시될 수 있는 금속 질화물 또는 MXm로 표시될 수 있는 금속 할라이드 형태의 금속 전구체를 기능성 용매에 첨가함으로 형성된다. 이러한 금속(M)은 통상의 전기 전도성이 있는 금속이 모두 사용될 수 있으며, 구체 적으로는 Ag, Au, Pt, Cu, Ni 및 Pd으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것이 바람직하다.
상기 금속 이온은 바람직하게는 도전성 잉크 중에 기능성 용매 100 중량부를 기준으로 20 중량부 내지 50 중량부의 양으로 존재한다. 금속 이온의 함량이 상기 범위 내일 경우에 분산 안정성, 환원 반응의 효율성, 잉크젯 프린터에의 기기 적합성, 금속 배선의 형성 등의 측면에서 바람직하다.
캡핑 분자
본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 잉크는 금속의 입성장을 지연시켜 입자간의 응집 현상을 방지하는 역할을 할 수 있는 캡핑 분자를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 이러한 캡핑 분자로서 공지의 화합물이 사용될 수 있으며, 일반적으로 산소, 질소, 황 원자를 가지는 화합물이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 소성후 잔탄에 의해 금속 배선의 저항이 상승하는 것을 방지하기 위하여 비교적 저온에서 열분해되는 덱스트린, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리아크릴산 또는 폴리비닐 알코올 중 하나 이상 선택되는 것이 바람직하다.
이러한 캡핑 분자는 금속 이온으로부터 형성된 금속 나노입자를 캡핑하면서, 금속 입자의 높은 열전도에 기인하여 캡핑 분자 자체의 열분해 온도보다도 현저히 낮은 온도에서 완전히 분해될 수 있으므로, 열처리 과정 후 금속 배선이 형성된 기판으로부터 용이하게 제거될 수 있다.
상기 캡핑 분자의 함량은 금속 이온의 함량에 따라 다소 변할 수 있지만, 본 발명의 일 구현예에 있어서 캡핑 분자는 도전성 잉크 중에 기능성 용매 100 중량부 를 기준으로 70 내지 110 중량부의 양으로 존재할 수 있다. 상기 범위 내일 경우, 금속 입자의 형성 방지, 잔탄량 함량의 최소화 등의 측면에서 바람직하다.
기타 첨가제
본 발명의 일 구현예에 따른 도전성 잉크는 필요에 따라, 추가적인 유기 용매, 바인더, 분산제, 증점제, 계면 활성제 등의 기타 첨가제를 더 포함할 수 있음은 물론이다. 이러한 성분들은 공지의 기술로서 당업자라면 잘 알고 있으므로 본 명세서에서 그 기재는 생략한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 도전성 잉크는, 금속 입자를 함유하지 않아 금속 입자의 입경 증가 또는 입자간의 응집 현상이 원천적으로 방지되므로, 장기간 방치해도 원래의 상태가 그대로 유지되어 장기간의 수명이 확보될 수 있다.
2) 도전성 잉크의 토출
상술한 도전성 잉크는 공지의 인쇄 수단을 이용하여 기판상에 토출될 수 있다. 구체적으로 잉크젯, 스크린 등의 인쇄 수단에 의해 토출되는 것이 바람직하며, 이중 잉크젯을 이용하는 것이 더욱 바람직하다. 잉크젯은 잉크를 분사하여 패턴을 인쇄하는 형태의 모든 공지의 인쇄방법을 포함한다. 이를 통하여 디지털 인쇄방식에 따라 배선도를 완성하고, 이를 인쇄하도록 하면 작성된 배선도의 패턴에 따라 상기 도전성 잉크를 수지필름에 원하는 배선 형태로 분사하여 인쇄하여 금속 배선의 패턴을 형성한다.
도전성 잉크가 토출되는 기판은 유리, 수지 필름 등 공지의 기판을 모두 사용할 수 있다. 상기 수지 필름은 일반적으로 PCB나 FPCB에 사용되는 통상의 수지 필름을 사용할 수 있음은 물론이며, 내열성이 우수한 PTFE 또는 폴리이미드를 포함하는 내열성 수지 필름을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르는 금속 배선의 형성 방법은, 금속 이온을 포함하는 도전성 잉크를 사용하므로, 금속 입자에 의한 잉크 헤드의 노즐 막힘 현상이 원천적으로 방지될 수 있다. 또한 이에 따라, 금속 나노 입자의 재분산 또는 응진 입자의 분별의 여과 과정이 불필요하므로, 재료의 손실이 방지되며 공정은 단순화 될 수 있다.
3) 가온
본 발명의 일 구현예에 따른 본 발명의 일 구현예에 따르는 금속 배선의 형성 방법에 있어서, 도전성 잉크를 인쇄 기판에 토출하여 액적이 기판에 토착된 후, 기판은 일정 온도로 가온된다. 도전성 잉크에 함유된 기능성 용매는 상온에서는 금속 이온에 대해 환원력을 갖지 않으나, 가온에 의해 환원력을 갖게 됨에 따라 금속 이온을 환원시켜 금속 입자를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 가온 온도는 기능성 용매의 종류에 따라 변동될 수 있지만, 50 내지 85℃에서, 바람직하게는 30초 내지 3분 동안 수행될 수 있다.
가온 분위기는 특별히 제한되지 않는다. 질소, 헬륨, 아르곤 등의 불활성 분위기에서 수행될 수 있으며, 작업의 편리성 측면에서 대기 중에서 수행될 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르는 금속 배선의 형성 방법은, 금속 입자의 응집 으로인한 입경의 증가 없이 금속 이온이 직접 기판상에서 형성되므로, 형성된 금속 입자의 입경 분포는 매우 협소하게 조절될 수 있으며, 바람직하게는 50nm이하로 조절될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 구현예에 따르는 금속 배선의 형성 방법은 미세한 금속 배선을 형성하기에 바람직하다.
4) 열처리
본 발명의 일 구현예에 따르는 금속 배선의 형성 방법에서는 상기 가온 단계 이후에 열처리 단계가 수행된다. 이와 같은 열처리 단계에 의하여 도전성 잉크에 포함되어 있었던 캡핑 분자 등과 같은 유기물이 제거되고 금속 입자간의 결합 또는 나노금속명의 금속으로의 환원 및 결합이 유도될 수 있다.
상기 열처리 단계는 기판의 열화를 가져오지 않고, 금속 입자의 확산을 방지할 수 있도록 고온에서 단시간 실시하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 150 내지 350 ℃에서, 10 분 이상 내지 1 시간 동안, 바람직하게는 20분 내지 1시간 동안 수행될 수 있다.
열처리 분위기 특별히 제한되지 않으며, 대기 중, 또는 질소, 헬륨, 아르곤 등의 불활성 분위기에서 수행될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조되는 인쇄회로 기판은 일반적인 인쇄회로 기판뿐만 아니라, 연성 인쇄회로 기판도 이에 해당된다. 특히, 본 발명의 인쇄회로 기판은 배선을 얇고 가늘게 구성할 수 있으므로 소형화 및 고집적화에 유리하며, 연성 인쇄회로 기판에의 적용에 있어 더욱 유리하다.
또한 본 발명은 상기와 같은 배선 형성방법에 의하여 형성된 인쇄회로기판을 제공하는 바, 상기 휴대용, 산업용, 사무용, 가정용 전자/전기기기를 포함한 다양한 분야에 적용되는 인쇄회로 기판 또는 연성 인쇄회로 기판을 포함한다. 상기 배성 형성방법으로 인쇄회로기판의 배선의 선폭이 40㎛ 이하 수준인 극미세 배선 형성이 가능하다.
이하에서, 본 발명을 실시예를 들어 구체적으로 예시하지만, 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1
분자량 10,000인 폴리비닐 알코올 92.3 중량부 및 AgNO3 61.5 중량부를 폴리 에틸렌 글리콜 #200 100 중량부 첨가한 후, 이를 상온에서 교반하여 완전히 용해시켜 금속 이온을 포함하는 도전성 잉크를 제조하였다. 상기 금속 이온을 포함하는 도전성 잉크 용액을 잉크젯 프린터로 유리 기판에 토출하여 액적을 토착시키고, 유리 기판을 75℃로 가온하여 기판상에 Ag 나노입자를 생성시켰다. 생성된 나노입자에 대한 입도 분석 결과를 도 2에 나타내었다. 가온에 의하여 Ag 나노입자를 환원 시킨 후, 이를 150℃에서 3분간 소성로에서 열처리하여 미세배선을 얻었다.
실시예 2
분자량 10,000인 폴리비닐 알코올 92.3 중량부 및 AgNO3 61.5 중량부를 폴리에틸렌 글리콜 #400 100 중량부 첨가한 후, 이를 상온에서 교반하여 완전히 용해시켜 금속 이온을 포함하는 도전성 잉크를 제조하였다. 상기 금속 이온을 포함하는 도전성 잉크용액을 잉크젯 프린터로 유리기판에 토출하여 액적을 토착시키고 유리 기판을 65℃까지 가온하여 기판상에 Ag 나노입자를 생성시켰다. 그런 다음, 나노 입자가 형성된 유리기판을 150℃에서 30분간 소성로에서 열처리하여 미세배선을 얻었다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현에 따른 금속 배선의 형성 방법을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 인쇄회로 기판에 포함된 금속 입자의 입경 분포도를 나타내는 도면이다.

Claims (11)

  1. 금속 배선 형성용 도전성 잉크로서, 금속 이온, 기능성 용매 및 캡핑 분자(capping molecule)를 포함하고, 상기 캡핑 분자는 덱스트린, 폴리비닐 알코올, 및 폴리아크릴산으로 이루어진 군에서 하나 이상이 선택되는 것을 특징으로 하는 도전성 잉크.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기능성 용매 100 중량부를 기준으로 20 내지 50 중량부의 금속 이온 및 70 내지 110 중량부의 캡핑 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 잉크.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 이온은 Ag, Au, Pt, Cu, Ni 및 Pd으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 이온인 것을 특징으로 하는 도전성 잉크.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기능성 용매는 N-디메틸포름아미드, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 글리세롤 및 폴리에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 도전성 잉크.
  5. 삭제
  6. 제1항에 따른 도전성 잉크를 제조하는 단계;
    상기 도전성 잉크를 기판 위에 토출하여 액적을 토착시키는 단계;
    상기 기판을 50 내지 85℃로 가온하여 금속 나노입자를 형성시키는 단계; 및
    상기 형성된 금속 입자를 열처리하는 단계를 포함하는 금속 배선의 형성 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 20 내지 50nm의 평균입경(D50)을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 열처리 단계는 150 내지 200℃에서 10 분 내지 1시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제6항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 금속 배선이 형성된 인쇄회로 기판.
  11. 제10항에 있어서, 상기 금속 배선의 선폭이 0 내지 40㎛인 극미세 전도성 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 인쇄회로 기판.
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