KR20040007643A - 패턴화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피복된 기판이 적합한 촉매 반응 환경에 도입되는 경우, 촉매 물질이 패턴 전달 메카니즘(pattern transfer mechanism)에 의해 기판 위에 인쇄되어 있는 기판의 피복 영역 위에서 촉매 반응을 지원할 수 있는 촉매 물질(상기 정의한 바와 같은)을 기판 물질의 일부 또는 전부에 피복시키는 단계를 포함하는, 기판 표면의 소정의 영역 위에서 촉매 반응을 지원할 수 있는 기판 물질의 제조방법에 관한 것이다.

Description

패턴화 방법{Patterning method}

도 1은 잉크젯 인쇄 시스템을 사용한 금속화된 기판의 3단계 제조 공정을 도시한 것이다.

도 2는 스크린 인쇄 공정을 사용한 금속화된 기판의 3단계 제조 공정을 도시한 것이다.

도 1을 참조해 보면, 잉크젯 인쇄 시스템(1)에서는 침착 촉진 물질을 함유하는 잉크 제형을 사용자가 지정한 패턴(5)으로 기판(3)에 피복시킨다. 그 다음에, 처리된 기판(3, 5)을 자가촉매 침착 용액(7)으로 침지시켜 사용자가 결정한 금속화된 패턴(9)을 생성시킨다.

잉크젯 프린터는 통상 1 내지 50centipoise인 점도 범위에서 용매 범위를 사용하여 작동시킨다.

도 2를 참조해 보면, 스크린 인쇄 시스템(11)에서는 침착 촉진 물질을 함유하는 잉크 제형을 사용자가 결정한 패턴(5)으로 기판(3)에 피복시킨다(유사 번호는 도 1 및 2 사이의 유사한 형태를 나타내는데 사용된다). 처리된 기판을 다시 한 번 자가촉매 용액(7)으로 침지시켜 사용자가 결정한 금속화된 패턴(9)을 생성시킨다.

본 발명에 따르는 잉크 제형의 범위는 하기에 기술한 바와 같이 시험한다. 하기에서 고려되는 모든 인쇄 잉크는 다음의 범위에 부합된다:

(1) 이들은 선택된 인쇄 메카니즘(Epson 850 잉크젯 시스템 또는 Dek 스크린 프린터)을 통해 통과할 수 있는 물질을 함유한다.

(2) 이들은 인쇄 공정을 위해 정확한 특성, 예를 들면, 적합한 점도, 비점, 증기압 및 표면 습윤력을 갖는 액체를 함유한다.

(3) 적합한 경우, 이들은 인쇄 잉크의 점도 또는 물리적 인쇄 특성에 영향을 주는 결합제 및 충전제를 함유한다.

본 발명은 기판 위에 재료의 고해상도 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이며, 촉매 반응(특히, 자가촉매 피복법) 분야를 포함한다.

자가촉매 도금법은 금속이 화학적 환원 공정을 통해 기판 위로 침착되는 무전극(무전해) 도금(eletroless plating)의 형태이다. 이러한 기술의 잇점은 공정을 진행하는데 전류가 필요없으므로, 전기 절연체를 피복시킬 수 있다는 점이다. 이러한 기술에 의해 유도되는 피복물은 대개 다른 공정으로부터 유도되는 피복물보다 균일하고 부착성이 우수하며, 독특한 형태의 표면에 적용시킬 수 있다[참조: Deposition of Inorganic Films from Solution, Section III Ch 1 pp 209-229; Thin Film processes(1978); Publishers Academic Press and, Smithells Metals Reference Book, 7^thEdition(1992) Chapter 32, pp 12-20, Publishers Butterworth Heinmann].

적합한 용액 조로부터 다수의 금속, 특히 코발트, 니켈, 금, 은 및 구리의 자가촉매 침착(autocatalytic deposition) 방법이 있다. 근본적으로, 이러한 용액은 침착시킬 금속염 및 적합한 환원제(예: 하이포아인산염, 하이드라진, 보란 등)를 함유한다. 반응에 대하여 촉매 작용하는 금속 기판을 용액 조로 도입하는 경우, 그 자체가 촉매 작용하는 피복 금속층으로 피복되어, 계속 반응이 일어날 수 있다.

기판에 반응을 일으킨 다음, 자가촉매 공정을 유지하기에 적합한 조건하에서만 침착이 일어난다. 따라서, 기판이 플라스틱 또는 세라믹인 경우에는, 예를 들면, 적합한 표면 특성을 생성시키기 위해서는 추가의 단계가 필요하다. 일반적으로, 이러한 경우, 기판을 환원제(예: SnCl₂)로 증감화시킨다. 또한, 침착 공정을 보조하기 위하여, 박층의 중간체 촉매 물질(예: 팔라듐)(그 자체가 자가촉매 침착을 위한 후보 금속임)에 의해 표면을 활성화시킬 수 있다. 이러한 "침착 촉진 물질"은 통상 문헌에서 "증감제(sensitiser)" 및 "활성화제(activator)"로서 각각 언급된다.

자가촉매 침착은 일반적으로 전체 표면을 피복시키는데 사용된다. 그러나, 예를 들면, 전기 회로 또는 장식적 외관과 같은 금속 패턴을 형성시키기 위해서는, 광식각법(photolithography) 및 그 다음의 추가의 금속을 에칭시키는 것과 같은 추가 공정을 수행해야만 한다. 이러한 추가 공정의 단점으로는 비가요성, 오랜 소요 시간, 증가되는 경비 및 차후에 폐기물로서 제거해야하는 다량의 피복물을 제공하기 위한 과량의 물질의 사용이 있다.

기판 물질의 표면 위에서 일어날 수 있는 많은 형태의 촉매 반응(상술한 자가촉매 반응을 포함함)이 존재하며, 이러한 반응은 기체, 액체 또는 고체 환경에서반응 속도를 증가시키거나, 반응을 활성화하는데 사용될 수 있다.

이러한 반응에 사용되는 "촉매 물질"은 "침착 촉진 물질"(상기 정의한 바와 같음)을 포함할 뿐만 아니라, 다른 불균질 촉매 및 균질 촉매를 포함한다. 불균질 촉매 물질로는 예를 들면, 페로브스카이트(perovskite) 케이지 구조와 같은 촉매점을 함유하는 금속(예: 백금, 로듐 및 팔라듐) 및 금속 산화물이 있다. 이들 촉매는 유기 또는 무기 화학에서 합성 또는 분해 반응시, 예를 들면, 수소 및 일산화탄소로부터 유기 분자의 피셔-트롭시 합성(Fischer-Tropsch synthesis), 열분해 또는 탄화수소의 분해시 사용된다. 균질 촉매 물질로는, 예를 들면, 진단 배열시 생화학 시험 및 단백질 영역 거동을 모의하는 바이오폴리머 및 시스템의 분해적 분석을 위해 사용되는 효소가 있다. 또한, 균질 촉매는 통상 반응을 조절하는 억제제로서 공지된 네가티브 촉매를 포함한다.

일반적으로, 이러한 반응에서, 사용되는 촉매 물질은 기판 물질 전체에 적용되거나 그에 대해 효과적이며, 그 결과 반응은 기판 전체에서 일어난다.

따라서, 본 발명의 목적은 기판 표면의 소정의 영역에서 촉매 반응을 개시시킬 수 있는 기판 물질을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 피복된 기판이 적합한 촉매 반응 환경에 도입되는 경우, 촉매 물질이 패턴 전달 메카니즘(pattern transfer mechanism)에 의해 기판 위에 인쇄되어 있는 기판의 피복 영역 위에서 촉매 반응을 지원할 수 있는 촉매 물질(상기 정의한 바와 같은)을 기판 물질의 일부 또는 전부에 피복시키는 단계를 포함하는, 기판 표면의 소정의 영역 위에서 촉매 반응을 지원할 수 있는 기판 물질의 제조방법을 제공한다.

패턴 전달 메카니즘[예: 잉크젯 인쇄법, 스크린 인쇄법, 펜 롸이팅(pen writing)법 또는 분무 인쇄법]을 사용함으로써, 촉매 물질은 소정의 패턴으로 기판 위에 놓여질 수 있다. 이어서, 기판을 적합한 촉매 반응 환경으로 침지시키는 경우, 원하는 촉매 반응은 촉매 물질에 의해 도포된 기판의 패턴화 영역에서만 일어난다. 기판의 주변 영역은 영향을 받지 않는다.

패턴 전달 기술의 사용으로 생성된 최소 형태 크기는 사용되는 특별한 메카니즘에 따라 좌우된다. 잉크젯 인쇄 기술의 경우, 약 20㎛의 형태가 가능하다. 스크린 인쇄법 및/또는 펜 롸이팅 인쇄법은 훨씬 더 거친 형태, 예를 들면, 1000㎛ 이하로 생성될 수 있다. 따라서, 20 내지 1000㎛ 범위의 형태가 사용되는 메카니즘에 따라 가능하다.

패턴 전달 메카니즘의 사용으로 원하는 촉매 반응이 일어난 후에 특정 공정(예: 에칭 등)에 대한 필요성이 없어지거나, 적어도 상당히 감소된다. 따라서, 폐기해야할 물질의 양이 줄어들고, 전반적인 공정이 간단해져 경비가 절감된다.

용이하게, 촉매 물질은 인쇄된 표면에서 함께 반응하거나, 선택된 패턴 전달 메카니즘과 함께 사용하기에 적합한 잉크 제형에 직접 포함될 수 있는 시약을 함유하는 잉크의 인쇄로부터 합성할 수 있다.

용이하게, 잉크 제형은 촉매 물질 이외에, 의도하는 촉매 공정의 특성을 개선할 수 있는 결합제 및 충전제를 함유할 수 있다.

고형화되거나 "경화되어" 기판의 인쇄 가능한 표면에 부착되는 유기/무기 물질을 결합제로서 사용할 수 있다. 중합체[예: 폴리(비닐 아세테이트), 아크릴, 폴리(비닐 알콜)] 및/또는 시멘트 또는 겔-졸 피복물로서 작용하는 무기 물질(예: 티탄 이소프로폭사이드 및 다른 알콕사이드)을 함유하는 잉크 용액을 예로 들 수 있다.

충전제는 프린터 메카니즘으로부터 전달되기에 충분히 작은 잉크에 함유되어 있는 불용성 입자를 포함한다. 통상, 10 내지 200㎚의 카본 블랙 입자를 컬러 잉크젯 잉크에 첨가하며, 1 내지 100㎛의 흑연 탄소를 인쇄된 전기 전도체의 제조시 사용되는 스크린 인쇄 가능한 잉크에 첨가한다. 세라믹, 유기 염료 또는 중합체 입자를 잉크에 첨가하여 인쇄된 제품(예: 티타니아, 알루미나, 운모, 유리, 아크릴)에 색상 및/또는 텍스쳐를 제공할 수 있다. 따라서, 잉크를 이들 성분중 어느 하나와 함께 제형화할 수 있고, 광범위한 특성을 제공하기 위하여 침착 촉진 물질을 포함한다.

상기 기술한 방법으로 기판을 제조한 다음, 필요한 촉매 공정을 개시하기에 적합한 반응 환경으로 도입할 수 있다. 예를 들면, 선택된 촉매 반응이 자가촉매 피복법인 경우, 공정의 최종 단계는 금속을 표시한 영역으로 침착시키는 것이다. 이는 기판을 적합한 자가촉매 용액 조에 침지시켜 성취할 수 있다. 일반적으로, 용어 촉매화된 표면은 기체, 증기, 액체, 용액 또는 고체를 포함하는 특정 반응 환경에 노출시킬 수 있다.

특정 촉매 반응(예: 상기의 자가촉매 반응)은 제조된 기판 위로 물질을 침착시켜 유발하며, 이러한 경우에 본 발명에 따르는 공정은 여러 물질층/패턴을 생성하기 위하여 제조할 수 있다. 절연체 층을 또한 이들 상이한 층에 첨가할 수 있다.

금속을 기판 위로 침착시키는데 자가촉매 반응을 사용한다. 이러한 공정은 일반적으로 전체 표면을 침착시키기 위하여 사용된다. 그러나, 본 발명에 따르는 공정은 금속 패턴을 소정의 사용자가 한정한 방식으로 침착시키는데 사용될 수 있다. 금속 피복물을 침착시키기 위하여, 촉매 물질은 침착 촉진 물질인 것으로 선택한다. 이 경우에 제조된 기판은 적합한 자가촉매 침착 용액에 침지시킴으로써 후속되는 금속 도금에 적합할 것이다.

자가촉매 침착 공정에 의해 침착되는 금속 피복물은 이어서 무전해 침착을 통해 다른 금속으로 또한 피복시킬 수 있으나, 단 처음의 금속 피복물 표면은 후속되는 금속으로 촉매화하거나 이온 교환시킬 수 있다. 예를 들면, 증감화된 기판은 니켈 층으로 자가촉매적으로 피복시킨 다음, 구리 피복물을 사용하여 추가의 무전해 공정을 통해 피복시킬 수 있다. 또한, 처음의 무전해 피복물이 구리인 경우에, 주석 피복물로 추가로 침착시킬 수 있다.

자가촉매 침착 용액은 증감화된 기판 위에서 동시에 공침착되는 2개의 상이한 금속염(예: 니켈 및 구리)을 또한 함유할 수 있다.

자가촉매적으로 침착된 금속 패턴은 또한 전착에 의해 광범위한 금속 또는 화합물에 의해 추가로 피복시킬 수 있으나, 단 전해조의 음극선으로서 작용하는 연속적인 패턴의 전기 통로가 존재한다. 변색을 방지하기 위한 니켈 위로의 "크롬" 도금의 전착(electrodedeposition)이 그 예이다.

침착 촉진 물질은 SnCl₂, 글루코즈, 하이드라진, 아민, 보란, 보로하이드라이드, 알데히드, 하이포아인산염, 타트레이트 등의 환원제("증감제")를 포함할 수 있다. 환원제(들)는 적합한 잉크 제형을 형성하기 위하여 다음의 극성 용매중 하나 이상에 용해시킬 수 있다: 물, 메탄올, 공업용 메틸화 주정(IMS), 이소프로필 알콜, 부틸 아세테이트, 부틸 락테이트, 디에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 부틸 에테르, 1-펜노옥시-2-프로판올, 디프로필렌 글리콜 및 글리세롤. 상기 예와 동일한 목적을 수행할 수 있는 다른 적합한 용매가 존재한다.

환원제에 대한 대안으로 또는 환원제 뿐만 아니라 대안으로서, 침착 촉진 물질은 촉매 물질의 콜로이드성 분산액과 같은 활성화제일 수 있다. 예를 들면, 팔라듐, 코발트, 니켈, 스틸 또는 구리를 잉크 제형에 가하여 특별한 금속 침착을 촉매화할 수 있다.

다른 대안으로서, 침착 촉진 물질은 자가촉매 용액 조에 함유된 촉매 물질과 이온 교환될 수 있는 것일 수 있다. 예를 들면, Ni 또는 Fe를 직접 잉크 제형에 가할 수 있다. 피복된 기판을 자가촉매 용액 조로 도입하는 경우에, 침착 촉진 물질은 자가촉매 용액의 금속과 이온 교환됨으로써, 무전해 피복물의 핵형성 침착을 수행한다.

용이하게, 잉크 제형은 침착 촉진 물질 이외에, 다양하게 최종 금속 피복물의 특성을 개선시키고, 기판에 대한 무전해 금속의 부착력을 개선시킬 수 있으며, 다공성의 조직화된 표면 효과를 제공할 수 있고, 침착 금속의 기계적, 열적, 전기적, 광학적 및 촉매적 특성을 변화시킬 수 있는 결합제 및 충전제를 함유할 수 있다.

잉크 제형에 결합제를 포함시키면 무전해 피복 도중 침착 촉진제의 인쇄된 기판으로부터의 부착력 손실을 방지하는 작용을 할 수 있다. 충전제의 포함으로 침착 촉진제 및 자가촉매 용액 조 간의 접착력을 개선시키는 작용을 할 수 있다.

잉크 제형에 결합제 및 충전제를 첨가하는 대신, 기판에 무전해 금속 피복물의 부착력, 내스크래치성 및 질감에 영향을 미칠 수 있는 다공성 층을 포함시킬 수 있다.

화학적 환원제를 기판 위로 침착시켜 침착 촉진제로 만드는 경우에, 본 방법은 용이하게 침착 촉진제 위에 "활성화된" 금속 상부층을 제공하기 위하여, "증감화된" 기판을 환원성 금속 이온의 중간체 용액 조로 침지시키는 단계(최종 자가촉매 용액 조 전에)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 추가의 단계는 침착 촉진 물질을 보조하고, 특정 금속(예: 구리, 니켈 및 코발트)의 보다 용이한 침착을 촉진시키는 효과를 갖는다.

예를 들면, 침착 촉진 물질로서 SnCl₂를 함유하는 잉크 제형의 경우에, 기판 물질이 이에 적용된 SnCl₂를 갖는다면, 이는 PdCl₂의 묽은 수용액을 포함하는 중간체 용액 조로 침지시킬 수 있다. 이는 침착 촉진 물질로 피복된 기판 영역 위에 Pd 금속의 침착을 유발한다. Pd "활성화된" 기판을 이제 자가촉매 용액으로 침지시키는 경우에, 자가촉매 침착이 Pd 금속 위에서 일어난다. 이러한 중간 단계는자가촉매 침착조로부터 침착될 금속이 구리, 니켈 또는 코발트인 경우에 유용하다.

상기에 대한 대안으로서, 잉크 제형은 SnCl₂대신에 PdCl₂를 함유할 수 있다. 이를 기판 위로 침착시킨 다음, 중간 단계는 SnCl₂의 묽은 수용액으로 침지시켜 기판 표면 위의 PdCl₂를 Pd 금속으로 전환시킬 수 있다. 자가촉매 침착조에 침지는 이전에 일어날 수 있다.

다른 대안으로, 중간 단계는 침착 촉진 물질로서의 "환원된" 착물을 사용함으로써 제거할 수 있는데, 즉 침착 촉진 물질은 환원제 및 활성화제 모두를 포함하는 화학 그룹의 혼합물을 함유하도록 제형화될 수 있다. 예를 들면, SnCl₂(증감제) 및 PdCl₂(활성화제)를 모두 잉크 제형에 가할 수 있다. 기판 물질 위에 이를 침착시킨 다음, 기판을 즉시 자가촉매 침착 용액으로 도입시켜 선택된 금속을 침착시킬 수 있다.

이제 본 발명의 양태를 첨부된 도면을 참조로 하여 설명한다.

실시예 1

상기 논의한 바와 같이, 환원제를 포함하는 침착 촉진 물질에 의해 피복된 기판을 환원성 금속 이온의 중간체 용액 조로 침지(최종 자가촉매 조 이전에)시켜 "활성화된" 금속 상부층을 제공하는 것이 종종 편리하다.

본 실시예에서는, 주석 화합물을 극성 용매에 용해시켜 잉크젯 제형을 형성시킨다. 그 다음, 이렇게 제형화된 잉크를 폴리에스테르 기판 위에 인쇄하여 건조시킨다. 이어서, 피복된 기판을 수용액중 금속염의 중간체 용액에 도입한다.

본 실시예에서, SnCl₂·2H₂O의 화합물을 에틸 락테이트로 용해시켜 농도가 1 내지 100millimolar(바람직하게는, 2 내지 20millimolar) 범위인 잉크 제형을 형성시킨다.

이러한 잉크 제형의 세 가지 변형물을 제조하였다. 처음 것은 단순히 상기 제조된 용액을 사용한 잉크젯 제형이다. 둘째는 추가로 1 중량%의 에틸 셀룰로즈 결합제를 포함하는 잉크젯 제형이다. 이러한 잉크 둘 다를 폴리에스테르 기판 위에 인쇄한다.

세번째는 시판중인 스크린 인쇄 잉크(TiO₂기본 제형 6018S; 제조원: Acheson Industries)에 본 잉크 제형을 첨가하여 제조한 것이다. 1 내지 100㎖ 범위의 잉크 제형(바람직하게는, 10 내지 30㎖)을 스크린 인쇄 페이스트 100g에 첨가하고 혼합한다. 스크린 인쇄 잉크 제형을 폴리에스테르 기판 위에 인쇄한 다음, 60℃에서 1시간 동안 건조시킨다.

건조시킨 다음, 잉크젯 인쇄 및 스크린 인쇄된 기판을 팔라듐 염으로부터 제조된 희석된 중간체 용액에 침지시킨다. 이러한 중간체 용액은 공정을 보조하는 제2 염(예: 염화암모늄)을 사용하여 탈이온수에 1millimolar 내지 0.1molar의 농도 범위로 용해시킨 PdCl₂를 사용하여 제조한 것이다.

기판을 10분 동안 이러한 중간체 용액(농도: 10millimolar)에 침지시킨다. 중간체 용액의 온도는 10 내지 100℃의 범위이다.

중간체 용액에 침지시킨 다음, 기판을 건조시키고, 시판중인 구리의 자가촉매 용액에 넣는다. 환원제의 패턴이 인쇄되어 있는 부분의 각 기판 위에서만 구리가 침착되는 것으로 밝혀졌다. 결합제를 잉크젯 잉크에 사용하는 경우, 금속의 기판에 대한 첩착력이 개선되었다.

중간체 용액에 침지시키지 않은 세 기판의 두 번째 그룹은 구리 금속의 무전해 침착을 지원하지 않는 것으로 밝혀졌다.

실시예 2

본 실시예에서는, 금속 화합물을 용매에 용해시켜 잉크 제형을 형성한 다음, 자가촉매 용액 조로 침지시키기 전에 환원제를 함유하는 중간체 용액으로 침지시킨다.

본 실시예에서, 염화팔라듐을 뜨거운 물에 용해시킨다(여기서 광범위한 가용성 금속염 또는 산으로부터 선택된 등몰량의 염화암모늄을 첨가하여 용해를 보조하였다).

용해된 팔라듐 이온의 농도는 0.1 내지 500millimolar의 범위이지만, 바람직하게는 75 내지 150millimolar이다. 용해를 돕기 위하여 사용되는 클로라이드 화학물질의 농도는 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는 75 내지 150millimolar이다(주: 용해를 돕기 위해 선택된 화학물질이 용해로 제시된 용매 또는 용매 혼합물중 용매화된 2가 팔라듐 이온을 형성할 수 있는 화학적 화합물의 특정 혼합물을 포함할 수 있음을 당해 분야의 숙련가는 알 수 있을 것이다).

팔라듐 이온 용액을 다량의 제2 용매에 부가하여 스톡 용액을 제조할 수 있다. 본 실시예에서, 에틸 락테이트는 제2 용매로서 사용된다. 잉크젯 제형의 경우, 스톡 용액은 용해된 팔라듐 화합물을 0.1 내지 50millimolar, 바람직하게는 1 내지 10millimolar의 농도 범위로 함유한다. 스크린 인쇄용 제형의 경우에, 스톡 용액은 0.1 내지 100millimolar, 바람직하게는 5 내지 25millimolar 범위의 농도로 제조된다.

2개의 잉크젯 잉크를 제형화한다. 처음 것은 스톡 용액만을 포함하고, 두 번째 것은 결합제로서 작용하도록 용해된 1% 에틸 셀룰로즈를 함유한다.

또한, 세 번째 스크린 인쇄 잉크는 1000g의 Acheson industries의 6018S TiO₂기본 스크린 인쇄 잉크에 스크린 인쇄용 스톡 용액 100 내지 1000㎖, 바람직하게는 50 내지 200㎖를 함께 혼합하여 제조한 것이다.

실시예 1에 사용된 것과 동일한 각각의 프린터를 사용하여, 세 잉크를 각각폴리에스테르 시트 위에 사용자가 지정한 패턴으로 인쇄하고, 인쇄된 기판을 건조시킨다.

그 다음에, 각각의 잉크 시스템으로부터 제조된 대표적인 수의 인쇄된 시트를 50℃에서 환원제 수용액에 침지시킨다. 본 실시예에서는, SnCl₂·2H₂O가 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는, 10 내지 50millimolar의 농도 범위로 사용된다. 10분 후에, 시트를 제거하고, 물로 세정하여 건조시킨다. 그 다음에, 시트를 시판중인 자가촉매 구리 용액 조로 침지시켜, 구리 금속을 잉크의 인쇄된 패턴 위에만 침착시킨다. SnCl₂·2H₂O 용액에 침지시키지 않은 시트의 제2 그룹은 구리의 자가촉매 침착이 일어나지 않는다.

실시예 3

본 실시예에서, 잉크는 촉매 또는 자가촉매적 금속의 콜로이드성 분산액을 함유한다.

인쇄 전달 메카니즘이 스크린 인쇄법인 경우에, 1 내지 30% 범위로 저 내지 보통의 금속 분말 부하를 함유하는 스크린 인쇄용 페이스트를 제조한다. 본 실시예에서, Acheson 6018S TiO₂페이스트는 입자 크기가 5㎛ 내지 금속의 25중량%인 코발트 분말과 혼합한다. 인쇄 및 건조 후에, 코발트의 자가촉매층을 인쇄된 형태 위로 침착시킨다(코발트 금속 분산액을 함유하지 않는 Acheson 페이스트는 코발트에 의해 자가촉매적으로 피복되지 않는다).

인쇄 전달 메카니즘이 잉크젯 인쇄법인 경우에, "환원된 착화합물"은 "침착 촉진 물질"로서 사용하기 위하여 몇몇 잉크로 제조한다.

잉크 1 및 2

팔라듐 화합물(염화팔라듐)은 광범위한 가용성 화합물로부터 선택되는 제2의 화합물, 이 경우에는 CaCl₂·2H₂O를 소정량 가함으로써 도움이 되는 뜨거운 물에 먼저 용해시킨다. 용액의 용해된 팔라듐 이온의 농도 범위는 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는 75 내지 150millimolar이다. 용해를 돕기 위해 사용되는 클로라이드 함유 화학 물질의 농도는 10millimolar 내지 10molar, 바람직하게는 0.1 내지 7.5molar이다.

그 다음에, 이 팔라듐 함유 용액에 환원제를 또한 함유하는 적합한 유기 용매를 첨가한다. 본 실시예에서는, 에틸 락테이트가 선택되며(용매로서), 0.1 내지 100millimolar, 바람직하게는 1 내지 20millimolar의 농도로 용해되는 주석(II) 화합물(환원제로서)을 함유한다[주: 다른 적합한 용매로는 물, 메탄올, 공업용 메틸화 주정(IMS), 이소프로필 알콜, 부틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 부틸 락테이트, 디에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 부틸 에테르, 1-펜옥시-2-프로판올, 디프로필렌 글리콜 디메틸 설폭시드(DMSO) 및 글리세롤이 있다. 다른 적합한 환원제에는 구리, 니켈 및 백금계 금속, 예를 들면, 백금 및 팔라듐으로부터 선택된 것이 포함된다].

따라서, 최종 용액인, "환원된 착화합물"은 SnCl₂·2H₂O 및, 부가로 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는 1 내지 20millimolar 범위의 염화팔라듐과, 0.01 내지 10molar, 바람직하게는 0.1 내지 0.5molar의 제2의 화합물 CaCl₂이다.

주석(II) 함유 용액에 대한 부가시 염화팔라듐의 용액은 환원된 착화합물의 형성으로 인하여 밝은 오렌지색에서 진한 오렌지색으로 색상이 변한다. 환원된 착화합물은 또한 제2의 화합물로부터 음이온 농도를 증가시키므로, 보다 안정적인 것으로 밝혀졌다.

잉크 1은 최종 용액만을 사용하는 반면에, 잉크 2는 결합제로서 작용하기 위하여 이에 용해된 1중량%의 에틸 셀룰로즈를 부가로 함유한다. 잉크는 모두 광범위한 적합한 물질로부터 선택된 별도의 폴리에스테르 시트 위에 패턴을 형성하기 위하여 인쇄한다. 패턴을 건조시킨 후에, 이들을 자가촉매용 니켈 용액에 침지시키고, 니켈을 패턴 위로 침착시킨다.

잉크 1 및 2는 안정한 제형을 성취하기 위하여 산성도가 낮은 성분을 사용함으로써, 촉매적 활성화제의 침전 및 가능한 프린터 메카니즘의 차단 위험을 피할 수 있는 장점을 갖는다.

잉크 3 및 4

이들은 용해를 돕기 위해, 뜨거운 물에 용해된 염화팔라듐을 사용하여 제조하며, 이 경우에는 염산을 사용하여 제조한다. 팔라듐 농도는 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는 75 내지 150millimolar의 범위이며, 염산은 0.1 내지13molar, 바람직하게는 0.5 내지 6molar의 범위이다. 여기에 환원제를 함유하는 적합한 유기 용매를 첨가한다. 본 실시예에서는 에틸 락테이트가 용매이며, 0.1 내지 100millimolar, 바람직하게는 1 내지 20millimolar의 농도로 용해되는 주석(II) 화합물(예: SnCl₂·2H₂O)을 함유한다.

따라서, 최종 용액은 주석 화합물 이외에, 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는 1 내지 20millimolar의 염화팔라듐과, 0.01 내지 10molar, 바람직하게는 0.1 내지 0.5molar의 염산을 함유한다. 주석(II) 함유 용액의 부가시 염화팔라듐의 용액은 환원된 착화합물의 형성으로 인하여 밝은 오렌지색에서 진한 오렌지색으로 색상이 변한다.

잉크 3은 최종 용액만을 포함하고, 잉크 4는 결합제로서 용해된 1중량%의 에틸 셀룰로즈를 추가로 함유한다. 두 잉크를 별도의 시트에 인쇄하여 건조시키고, 자가촉매 니켈 용액 조로 침지시켜, 여기에서 니켈을 인쇄된 영역으로만 침착시킨다. 잉크는 모두 0.05 내지 0.5molar의 농도 범위인 염산을 사용하여 양호한 수명을 갖는 것으로 밝혀졌다. 본 실시예에서 염산을 사용하는 잉크 제형의 장점은 이 성분이 잉크의 안정성을 보다 많이 개선시키지만, 인쇄된 층으로부터 간단히 건조시킴으로써 제거될 수 있고, 이에 따라 촉매적 활성화제의 보다 많은 중량% 부하가 잔류하게 된다.

잉크 5 및 6

이들은 제2의 화합물(예: CaCl₂)과 함께 디메틸설폭시드(DMSO)에 용해된 적합한 팔라듐 화합물, 이 경우에는 염화팔라듐을 사용하여 제조한다. 따라서, 팔라듐 이온 농도는 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는 75 내지 150millimolar이며, 제2 화합물의 농도는 10millimolar 내지 10molar, 바람직하게는 0.1 내지 7.5molar의 범위이다. 여기에 에틸 락테이트를 첨가하여 0.1 내지 50millimolar, 바람직하게는 1 내지 20millimolar의 농도 범위인 Pd²⁺이온 및 5 내지 1000millimolar, 바람직하게는 150 내지 500millimolar의 범위인 염화칼슘을 함유하는 생성된 용액을 제조한다. 여기에, 이 경우에는 SnCl₂·2H₂O인 환원제인 주석 화합물을 첨가하여 0.1 내지 100millimolar, 바람직하게는 1 내지 20millimolar의 농도를 제공한다. 용액은 "환원된 착물"을 함유하는 분산액의 형성으로 인하여 밝은 오렌지색에서 암색 오렌지색으로 색상이 변한다.

잉크 5는 이 용액만을 포함하고, 잉크 6은 결합제로서 용해된 1중량%의 에틸 셀룰로즈를 추가로 함유한다. 두 잉크를 별도의 시트에 인쇄하여 건조시키고, 자가촉매 니켈 용액 조로 침지시키는데, 여기서 니켈은 인쇄된 영역 위로만 침착된다. 2개의 잉크는 용해를 돕기 위해 염화칼슘을 사용하여 보다 긴 수명을 갖는 것으로 밝혀졌으나, 단 염의 농도는 약 0.15molar인 반면에, 이는 잉크 1 및 2와 유사하게 분해된다. 잉크들을 모두 인쇄하여 별도의 시트 위에 패턴을 형성한다. 패턴을 건조시킨 후에, 이들을 자가촉매 니켈 용액으로 침지시켜, 니켈이 패턴 위에만 침착되도록 한다.

잉크 7 및 8

본 제형에서, 잉크는 잉크 5 및 6과 동일한 방법으로 제조하되, 본 실시예에서 제2 화합물은 DMOS 용매에 0.1 내지 500g/ℓ, 바람직하게는 1 내지 100g의 양으로 부가되는 수산화나트륨이다. 이 용액에, 에틸 락테이트를 가하여 0.1 내지 50millimolar, 바람직하게는 1 내지 20millimolar의 농도 범위인 Pd²⁺이온 및 5 내지 1000millimolar, 바람직하게는 10 내지 150millimolar의 범위인 수산화나트륨을 함유하는 생성된 용액을 제조한다. 여기에, 이 경우에는 SnCl₂·2H₂O인 주석 화합물을 첨가하여 0.1 내지 100millimolar, 바람직하게는 1 내지 40millimolar의 농도를 제공한다. 용액은 "환원된 착화합물"을 함유하는 분산액의 형성으로 인하여 밝은 오렌지색에서 암자홍색/적색으로 색상이 변한다. 환원된 착화합물의 분산액은 수산화나트륨의 존재하에 보다 안정적인 것으로 밝혀졌다.

잉크 7은 이 용액만을 사용하며, 잉크 8은 결합제로서 여기에 용해되는 1%의 에틸 셀룰로즈를 추가로 함유한다.

대조용 잉크

대조용으로서, 시험 잉크는 잉크 1 및 2와 동일한 접근으로 제조하되, 단 주석 화합물이 제외된다. 인쇄시켜 건조한 잉크는 자가촉매 니켈 침착을 지지하지 않는 것으로 밝혀졌다.

두 번째 쌍의 잉크도 또한 잉크 3 및 4에서와 동일한 방법으로 제조하되, 단이 경우에, 팔라듐 화합물이 제외된다. 인쇄시켜 건조한 잉크는 또한 니켈의 자가촉매 침착을 지지하지 않는 것으로 밝혀졌다.

실시예 4

침착 촉진 물질이 환원제인 경우에, 적절히 강한 환원제를 위해, 자가촉매 금속은 자가촉매 용액 조로부터 직접 환원시킬 수 있다. 이 경우에 환원제는 디메틸아민 보란(DMAB)이며, 이는 에틸 락테이트로 용해시켜 잉크젯 제형을 형성한다.

본 실시예에서, 잉크중 DMAB의 농도는 1 내지 50millimolar, 바람직하게는 1 내지 10millimolar의 범위이다. 그 다음에, 인쇄시켜 건조한 잉크는 50℃에서 구리염의 자가촉매 용액으로 침지시켜, 무전해 구리를 인쇄 영역 위에만 피복시킨다.

상기 제형에 대한 변환으로서, 1중량%의 폴리비닐부티레이트를 결합제로서 잉크에 가한다. 인쇄시킨 물질을 기판에, 이 경우에는 폴리에스테르 시트에 피복시켜 부착시킨다. 기술한 처리로 형성되는 침착 촉진 물질은 무전해 구리의 자가촉매 침착을 인쇄된 영역에서 일어날 수 있도록 하고, 결합제의 존재에 의해서는 영향을 받지 않는다.

제형에 환원제가 결여된 상기 변환중 하나에 따라 형성된 잉크는 무전해 구리 침착을 지원할 수 없다.

실시예 5

본 실시예에서, 콜로이드성 금속층은 강한 환원제에 침지시킴으로써 기판의표면에서 금속 화합물을 환원시켜 기판의 표면에 형성한다.

본 실시예에서, 구리(II) 화합물을 에틸 락테이트로 용해시켜 Cu²⁺이온의 용액을 형성하고, 잉크젯을 인쇄한다. Cu²⁺이온 용액을 형성하기 위하여 적합한 구리 화합물 및 용매 화합물이 선택되지만, 여기에서는 염화구리(II)가 사용된다.

잉크의 구리 농도는 1 내지 50millimolar, 바람직하게는 1 내지 10millimolar의 범위이다. 그 다음에, 인쇄시켜 건조한 잉크는 1 내지 50millimolar, 바람직하게는 1 내지 10millimolar의 농도 범위인 디메틸아민 보란, DMAB의 수용액에 50℃에서 5분 동안 침지시킨 다음, 물로 세정한다.

그 다음에, 기판을 구리염의 자가촉매 용액으로 침지시켜, 무전해 구리를 인쇄된 영역에만 피복시킨다.

다른 변환으로, 1중량%의 폴리비닐부티레이트를 결합제로서 잉크에 가한다. 인쇄된 물질은 기판에, 이 경우에는 폴리에스테르 시트에 피복시켜 부착시킨다. 무전해 구리가 또한 인쇄된 영역에만 침착된다.

이 잉크로 피복시켜 DMAB 용액에 침지시키지 않은 제2의 기판은 상기 기술한 바와 같이 구리를 피복시킬 수 없다. 금속염이 없는 잉크로 인쇄하고 DMAB의 용액으로 침지시키지 않은 세 번째 기판도 또한 무전해 구리 침착을 지원할 수 없다.

실시예 6

상기 기술한 바와 같이, 잉크젯 제형은 충전제 입자(예: 티타니아 및 카본 블랙)를 함유하여 촉매 반응의 효과를 개선할 수 있다.

본 실시예에서는, 시판중인 표준 흑색 인쇄 잉크가 사용되며, 이는 잉크젯 인쇄할 수 있는 카본 블랙 충전제 입자를 함유한다.

별도로, 팔라듐 화합물(이 경우에는, 염화팔라듐)을 뜨거운 물에 용해시키고, 용해를 보조하기 위해 등몰량의 염화암모늄을 함유한다. 용해된 팔라듐 이온의 농도는 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는 75 내지 150millimolar의 범위이다. 용해를 보조하기 위해 사용되는 클로라이드 화학 물질의 농도는 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는 75 내지 150millimolar이다. 여기에, 부틸 알콜을 첨가하여 팔라듐 이온 및 제2 화합물의 농도가 0.1 내지 500millimolar, 바람직하게는 10 내지 50millimolar의 범위인 용액을 제조한다. 단시간 후에 대개는 회색 침전물로 분해되는 용액을 대신에 10 내지 50%의 용적비로 시판중인 흑색 인쇄 잉크에 즉시 가한 다음, 대신에 탄소 입자를 피복시켜 분해시킨다. 합성 잉크젯 페이퍼 시트 상에 생성된 잉크의 인쇄되어 건조된 패턴은 무전해 금속 침착을 지원할 수 있다.

침착 촉진 물질이 없는 시판중인 잉크를 사용한 제2 시트는 무전해 침착을 성취할 수 없다.

당해 기술 분야의 숙련가는 상기 원리를 상이한 자가촉매 물질과 용액 및 상이한 패턴 전달 메카니즘을 사용하여 적용시킴으로써 원하는 금속화되고 패턴화된 기판을 생성할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 도 1과 관련된 잉크젯 인쇄 잉크 제형은 또한 섬유 팁 펜(fibre tipped pen)에 의해 기판 위로 전달될 수 있다.

Claims (26)

1. 피복된 기판이 적합한 촉매 반응 환경에 도입되는 경우, 촉매 물질이 패턴 전달 메카니즘(pattern transfer mechanism)에 의해 기판 위에 인쇄되어 있는 기판의 피복 영역 위에서 촉매 반응을 지원할 수 있는 촉매 물질(상기 정의한 바와 같은)을 기판 물질의 일부 또는 전부에 피복시키는 단계를 포함하는, 기판 표면의 소정의 영역 위에서 촉매 반응을 지원할 수 있는 기판 물질의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 패턴 전달 메카니즘이 잉크젯(inkjet) 인쇄법인 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 촉매 시약이 잉크 제형에 함유되어 있는 방법.
4. 제3항에 있어서, 잉크 제형이 촉매 반응을 개선시키는데 사용될 수 있는 추가의 결합제 및/또는 충전제를 함유하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 따르는 촉매 반응을 지원할 수 있는 기판을 제조하는 단계(i) 및

   단계(i)로부터 제조된 기판을 적합한 시약 환경에 노출시켜 촉매 반응에 의해 기판 표면에 물질을 침착시키는 단계(ii)를 포함하여, 촉매 반응에 의해 사용자가 지정한 패턴으로 기판 위에 물질을 침착시키는 방법.
6. 제5항에 있어서, 단계(i) 및 (ii)를 반복하여 기판 위에 다층의 물질을 침착시키는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 따르는 기판 물질을 제조하는 단계로서, 촉매 물질이, 피복된 기판이 자가촉매 용액으로 도입되는 경우, 기판 위에서 자가촉매 용액으로부터 금속 피복물의 침착을 촉진시킬 수 있는 침착 촉진 물질(상기 정의한 바와 같음)인 단계(i) 및

   단계(i)로부터 제조된 기판 물질을 금속염 및 환원제를 포함하는 자가촉매 침착 용액으로 도입시키는 단계(ii)를 포함하는, 자가촉매 공정에 의해 사용자가 지정한 패턴으로 기판을 금속 도금하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 단계(ii)로부터 제조된 피복된 기판 물질을 금속염 및 환원제를 추가로 포함하는 추가의 자가촉매 용액에 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
9. 제7항에 있어서, 단계(ii)로부터 제조된 피복된 기판 물질을 전해조로 도입하여 추가의 금속을 전착(electrodeposition)시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
10. 제7항에 있어서, 자가촉매 용액이 2종 이상의 금속염을 용액으로 함유하는방법.
11. 제7항에 있어서, 침착 촉진 물질이 환원제를 포함하는 방법.
12. 제7항에 있어서, 침착 촉진 물질이 SnCl₂인 방법.
13. 제7항에 있어서, 침착 촉진 물질이, 기판이 자가촉매 용액으로 도입되는 경우, 자가촉매 반응을 개시하여 유지시킬 수 있는 촉매 물질의 콜로이드성 분산액을 포함하는 활성화제를 포함하는 방법.
14. 제7항에 있어서, 침착 촉진 물질이, 기판이 자가촉매 침착 용액으로 도입되는 경우, 자가촉매 침착 용액내의 금속염과 이온 교환되는 물질을 포함하는 방법.
15. 제7항에 있어서, 침착 촉진 물질로 피복시킨 후, 기판을 금속염 수용액으로 도입하여 침착 촉진 물질이 금속염 수용액의 금속과 반응하여 금속을 침착 촉진 물질로 피복되어 있는 기판의 영역 위에서 환원시키는 단계로서, 환원된 금속이 처리된 기판을 자가촉매 용액으로 도입하는 경우, 자가촉매 침착 용액으로부터 추가 금속의 침착을 촉진시킬 수 있도록 선택되는 단계를 추가로 포함하는 방법.
16. 제7항에 있어서, 침착 촉진 물질이 환원제와 활성화제의 혼합물을 포함하는 방법.
17. 기판 물질이 다공성 표면층을 포함하는, 제7항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 따르는 자가촉매 침착 방법에 의한 후속적인 금속 도금용 기판 물질의 제조 방법.
18. 잉크가 침착 촉진 물질 및 용매를 포함하는, 제3항의 방법을 수행하기 위한 잉크 제형.
19. 제18항에 있어서, 용매가 물, 에스테르, 알콜 또는 케톤계인 잉크 제형.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 결합제 물질을 추가로 포함하는 잉크 제형.
21. 제18항 내지 제20항 중의 어느 한 항에 있어서, 충전제 물질을 추가로 포함하는 잉크 제형.
22. 제20항에 있어서, 결합제 물질이 폴리(비닐 아세테이트) 중합체를 포함하는 잉크 제형.
23. 제20항에 있어서, 결합제 물질이 아크릴계 중합체를 포함하는 잉크 제형.
24. 제20항에 있어서, 결합제 물질이 폴리(비닐 알콜) 중합체를 포함하는 잉크 제형.
25. 제21항에 있어서, 충전제 물질이 사용시 패턴 전달 메카니즘으로부터 기판으로 전달될 수 있도록 배열된 불용성 입자를 포함하는 잉크 제형.
26. 제25항에 있어서, 충전제 입자가 촉매 물질로 피복되는 잉크 제형.