KR20070025600A - 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 금속패턴 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물에 관한 것으로, 잉크의 주용매로서 금속 나노입자 합성 시 사용된 용매를 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 잉크 조성물은 금속 나노입자, 주용매, 점도 조절과 패턴된 막질 향상을 위한 부용매, 상기 금속 나노입자를 잉크 내에서 안정하게 분산된 상태로 유지하기 위한 분산제 및 잉크젯 프린터의 노즐부분에서의 클로깅을 방지하기 위한 습윤제를 포함하며, 점도가 0.5 내지 40 mPa·s 범위 조건, 뉴토니안 흐름거동 조건, 표면장력이 20 내지 70 mN/m의 범위 조건을 만족한다. 본 발명에 따르면 금속 나노입자를 용매 내에 매우 안정하게 분산시킬 수 있으며, 저온 열처리에 의하여 낮은 비저항을 얻을 수 있어 전기/전자 소재, 바이오 테크놀로지 등 다양한 산업 분야로 응용이 가능하다.

잉크젯 프린팅, 잉크 조성물, 금속 나노입자

Description

잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 금속 패턴 형성방법{CONDUCTIVE INK COMPOSITION FOR INKJET PRINTING AND METHOD FOR METAL PATTERN UTILIZING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일실시예에 의하여 제조된 은 나노입자의 형상을 보인 투과 전자현미경 사진이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 은 나노입자의 입도 분석 결과를 보인 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 은 나노입자를 포함하는 전도성 잉크 조성물의 점도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 금속패턴 형성방법 의하여 슬라이드 글라스 기판에 형성된 금속 패턴의 면저항과 두께를 측정하여 열처리 온도에 따른 비저항을 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 금속패턴 형성방법에 의하여 기판 표면에 형성된 금속 코팅막의 열처리 온도에 따른 미세구조를 보인 주사 전자현미경 사진이다.

본 발명은 전도성 잉크 조성물에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 용액상에서 산화-환원 반응을 통해 얻어진 미세한 금속 나노입자를, 이 금속 나노입자를 합성 시 사용되었던 용매에 재분산시킨 분산성이 매우 우수한 전도성 잉크 조성물에 관한 것이다.

전기/전자 부품 산업분야에 있어서 미세 구조물, 예를 들어 금속 패턴, 절연층, 분리막 등의 제작 공정에는 노광과 식각공정을 기반으로 한 광학적 패터닝(photolithography) 방법이 주로 이용되고 있다. 광학적 패터닝은 여러 단계의 복잡한 제조 공정을 거치는 에너지 집약적, 고비용의 생산 기술이다. 뿐만 아니라 노광과 식각 공정 중에 가스, 폐수 등이 배출되어 환경 오염의 문제점이 있다. 따라서 노광/식각에 의한 광학적 패터닝 공정을 대체하기 위한 간단하고 저비용이며 친환경적인 공정 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.

잉크젯 프린팅은 광학적 패터닝 공정 방법을 대체할 수 있는 기술로서 기존의 광학적 패터닝과 차별되는 친환경적인 공정 기술이며 현재 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 또한 국내외 기업체 및 학교, 연구소에서 연구/개발 중에 있다. 향후 전기/전자 부품 산업 및 디스플레이 산업 분야에서 공정비용 절감에 크게 기여할 것으로 예상되고 있다.

잉크젯 프린팅은 저소음, 저비용의 비접촉식 프린팅 방식이며, 분사 방식에 따라 크게 연속 분사(continuous jet: CJ) 방식과 드롭-온-디맨드(drop-on-demand: DOD) 방식으로 구분된다. 연속 분사 방식은 펌프를 이용하여 잉크를 연속적으로 분 사하는 동안 전자기장을 변화시킴으로써 잉크의 방향을 조절하여 프린팅하는 방식이며, 드롭-온-디맨드 방식은 전기적 신호를 통하여 필요한 순간에만 잉크를 분사시키는 방식으로서, 전기에 의하여 역학적으로 변형을 일으키는 압전판을 사용하여 압력을 발생시키는 압전(piezoelectric ink jet) 방식과 열에 의하여 발생하는 버블의 팽창에서 발생하는 압력을 이용하는 열전사(thermal ink jet) 방식으로 나뉠 수 있다.

잉크젯 프린팅의 폭넓은 응용성은 잉크로 만들 수 있는 모든 매체(금속, 세라믹, 폴리머)를 선택적으로 신속하게 미세패턴으로 인쇄할 수 있다는 점에 기초하고 있다. 잉크젯 프린팅 기술은 목표로 하는 위치에 잉크를 비접촉 방식으로 분사하기 때문에 종이를 비롯하여 직물, 금속, 세라믹, 폴리머 등 다양한 매질(기판)에 자유로운 형상을 인쇄할 수 있으며 수 평방미터 이상의 대형포스터, 배너 등 대면적 인쇄가 가능하다.

잉크젯 프린팅 기술의 요소 기술로는 첫째 잉크의 분사 위치 및 속도, 이미지 구현 방법을 제어하는 잉크젯 프린팅 시스템 기술, 둘째 잉크가 분사되는 노즐과 단일 또는 다수의 노즐을 제어하는 프린터 헤드 제조 기술, 셋째 분사되어 이미지를 구현하고 다양한 기능의 패턴을 형성 하는 잉크 제조 기술이 있다.

잉크젯 프린터의 노즐로부터 잉크가 분사되기 위하여 만족되어야 하는 유체의 물성은 적절한 점도, 적절한 표면장력(surface tension)이다. 이러한 유체의 물성은 액적 형성 기구 및 액적의 크기, 일정 압력 펄스에서의 속도에 영향을 미친다. 여기서 점도는 압전 방식의 잉크젯 프린터의 경우에 약 0.5 ~ 40 mPa·s 의 점 도를 유지해야 한다. 또한 잉크가 분사되는 노즐부분에서 높은 전단율(shear rate)에 의하여 점도가 증가하지 않도록 뉴토니안(Newtonian) 거동이 요구된다. 또한 표면장력은 압전 방식의 잉크젯 프린터의 경우에 약 20 ~ 70 mN/m 의 범위 이내이어야 한다. 이러한 유체의 물성을 만족시키지 못할 경우 잉크의 분사 상태가 불안정하거나 분사가 되지 않을 수 있다. 열전사 방식의 잉크젯 프린터의 경우에 약 1.5 mPa·s 정도의 점도를 유지해야 하며, 역시 뉴토니안(Newtonian) 거동이 요구된다. 또한 표면장력은 약 35 ~ 45 mN/m 의 범위가 요구되며, 열에 의하여 잉크가 약 350℃ 까지 가열될 수 있으므로 증발 속도가 빠른 용매의 잉크는 사용하기 어렵다. 또한, 연속 분사 방식의 잉크젯 프린터의 경우에는 약 2.8 ~ 6 mPa·s 정도의 점도, 25 ~ 40 mN/m 의 표면장력이 요구되며, 연속 분사 방식의 경우 드롭-온-디맨드 방식과 달리 잉크에 전도성을 부여하기 위하여 염(salt)이 첨가된다. 젯팅에 크게 영향을 미치는 점도, 표면장력, 전도도 등의 물리적인 유체의 물성 뿐만 아니라, 잉크의 안정성과 관계되는 화학적 안정성, 분산성, 시간에 따른 물성의 변화 등을 고려하여 잉크를 제조하게 된다. 이러한 유체의 물성을 만족시키지 못할 경우 잉크의 분사 상태가 불안정하거나 분사가 되지 않을 수 있다. 예컨대, 요구되는 표면장력 이상의 범위에서는 펄스에 의한 압력으로 노즐 말단부에 형성된 잉크의 메니스커스(meniscus)로부터 표면장력을 극복하지 못하여 젯팅되지 못한다.

문서 인쇄용 상용 잉크 조성물이 색을 나타내는 색소체(chromophore)와 이를 포함하는 유동체(vehicle)로 구성되는데 반하여, 전도성 미세 패턴 형성용 잉크 조성물은 색소체를 대체하는 기능성 재료로서 금속 나노입자를 포함한다.

수 나노미터 내지 수십 나노미터 크기의 금속 나노입자는 벌크(bulk) 형태의 금속에 비하여 녹는점을 크게 낮출 수 있으며, 낮은 온도의 열처리에 의하여 우수한 전도성을 나타낸다. 금속 나노입자는 주로 금속 전구체로부터 수용액 또는 유기 용매 상에서 화학 반응을 통해 얻는 것이 유리한데, 이는 균일한 혼합이 가능하고 순도가 높은 미세 분말을 얻을 수 있기 때문이다. 금속 나노입자를 제조함에 있어서 입자 크기를 조절하고 분산성을 향상시키기 위하여 다양한 용매를 사용한 금속 분말 제조 연구가 진행되어 왔다. 합성 조건에 따라 금속 나노입자들의 표면 특성이 좌우되며, 금속 나노입자의 합성 방법은 잉크젯프린터용 잉크의 제조 공정과 매우 긴밀한 관련성을 갖는다.

잉크젯 프린팅용 잉크는 용매 내에서 입자의 우수한 분산성과 장기 안정성이 요구된다. 그러나 나노 크기의 입자를 분산시킬 경우, 입자의 크기가 매우 작아짐에 따라 표면 에너지의 증가로 인하여 입자간 응집을 하려는 경향이 커지는 문제점이 있다. 따라서 금속 나노입자를 용매 내에 균일하고 안정하게 분산시킨 잉크 조성물의 개발이 요청되고 있다. 뿐만 아니라, 잉크 조성물이 적절한 성능을 나타내기 위해서는 여러 가지 물성이 만족되어야 한다.

본 발명의 목적은 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 금속 패턴 형성 방법을 제공하는데 있다.

보다 구체적으로 본 발명의 목적은 잉크젯 프린터에 의한 패턴 구조체 형성을 위한 나노입자를 합성하고, 이를 적절한 물리화학적 특성을 갖도록 분산성과 점 도특성을 제어하여 안정적 잉크젯 분사가 가능한 금속 나노입자 잉크를 제공함으로써, 궁극적으로 잉크젯 프린팅을 통한 최적의 금속 패턴을 구현하는데 있다.

본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 잉크의 주용매로서 금속 나노입자 합성 시 사용된 용매를 사용하는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로 본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 금속 나노입자, 주용매, 점도 조절과 패턴된 막(film)질 향상을 위한 부용매, 상기 금속 나노입자를 잉크내에서 안정하게 분산된 상태로 유지하기 위한 분산제, 및 잉크젯 프린터의 노즐부분에서의 노즐 막힘 현상(이하, 클로깅)을 방지하기 위한 습윤제를 포함하여, 점도가 0.5 내지 40 mPa·s 범위 조건, 뉴토니안 흐름거동 조건, 표면장력이 20 내지 70 mN/m의 범위 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.

상기 금속 나노입자는 잉크젯 프린터의 오리피스 크기의 5% 이하의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 여기서 상기 금속 나노입자는 1 내지 100 nm 크기를 갖는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 50 nm 이하의 크기, 더욱 바람직하게는 20 nm 이하의 크기가 적절하다.

상기 금속 나노입자는 은(Ag) 나노입자인 것이 바람직하며, 은 나노입자 합성 시 사용되는 염으로는 은 이온을 포함하는 염으로서 AgNO₃, AgClO₄, Ag₂SO₄, CH₃COOAg 등이 사용될 수 있다.

상기 은 나노입자 합성 시 사용되는 용매는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매일 수 있다. 상기 은 나노입자 합성 시 응집 방지제로서 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone)을 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 주용매는 은 나노입자 합성 시 사용된 용매와 동일한 것으로서, 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용매일 수 있다.

상기 부용매는 알코올계 용매인 것이 바람직하며, 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 용매일 수 있다.

상기 주용매와 상기 부용매의 비율은 90:10 내지 10:90 인 것이 바람직하며, 상기 주용매와 상기 부용매의 비율이 90:10 내지 50:50 인 것이 더욱 바람직하다.

상기 금속 나노입자의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 60 중량부인 것이 바람직하며, 10 내지 50 중량부인 것이 더욱 바람직하다. 상기 주용매와 상기 부용매의 함량은 상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 40 내지 90 중량부인 것이 바람직하다. 상기 분산제의 함량은 상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 10 중량부인 것이 바람직하다. 상기 습윤제 의 함량은 상기 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 20 중량부인 것이 바람직하다.

본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 기판 표면에 잉크젯 프린팅하고, 상기 기판 표면에 프린팅된 잉크 조성물을 열처리하여 금속패턴을 형성할 수 있다. 상기 열처리 온도는 100 내지 500℃ 인 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도는 100 내지 300℃ 인 것이 더욱 바람직하다. 상기 기판은 폴리머, 세라믹, 금속, 종이, 옷감 등이 될 수 있으며, 사용될 수 있는 기판의 재질은 특별히 한정되지 않는다.

본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 합성된 금속 나노입자와 금속 나노입자를 합성 시 사용된 용매내에 재분산하여 분산성 및 장기 안정성이 우수하며, 점도가 0.5 내지 40 mPa·s 범위 조건, 뉴토니안 흐름거동 조건, 표면장력이 20 내지 70 mN/m의 범위 조건을 만족한다. 또한, 본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은 기판에 인쇄된 후 저온 열처리에 의하여 금속 입자간 융착을 일으키며, 우수한 전도성을 발휘할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 전도성 잉크 조성물은, 잉크젯 프린터의 노즐로부터 분사되기 위한 유체의 물성과, 전도성 금속패턴을 형성하기 위한 전도성 금속입자의 물성을 만족한다.

본 발명에 따른 잉크 조성물은 드롭-온-디맨드 방식의 잉크젯 프린터에 사용 가능하며, 압전 방식의 잉크젯 프린터의 경우에 요구되는 유체의 물성들을 만족하고, 각 첨가물의 조성에 따라 열전사 방식의 잉크젯 프린터의 경우에도 사용 가능하다. 이하, 상기 잉크 조성물의 각 성분에 대한 특징을 상술한다.

전도성 금속 나노입자

전도성 금속패턴을 형성하기 위하여 잉크 조성물이 만족해야 할 전도성의 금속입자의 물성은 금속 입자가 높은 전도성 및 내산화성, 적절한 금속 나노입자의 크기, 잉크 내에서 안정한 분산상태의 유지, 고농도의 금속 나노입자 등이다.

전도성 및 내산화성을 갖는 금속 나노입자로는 은(Ag) 나노입자가 바람직하다. 금속 입자의 크기는 제조된 잉크의 분사에 영향을 주지 않고 안정하게 분사되기 위하여 잉크젯 프린터 노즐의 오리피스(orifice) 크기의 5% 이하인 것이 바람직하다.

잉크젯 프린팅은 목표로 하는 위치에 비 접촉 방식으로 잉크를 분사하기 때문에 다양한 재질의 기판에 패턴을 인쇄할 수 있다. 특히 일반적인 기판 재료로 사용되는 경성 폴리머 기판과, 전자태그(Radio Frequency Identification : RFID), TCP(Tape Carrier Package), COF(Chip On Film) 등의 기판 재료로 사용되는 연성 폴리머 기판에 금속패턴을 형성하기 위해서는 인쇄 후 저온 열처리에 의하여 우수한 전도도를 얻을 수 있어야 한다. 금속 나노입자는 그 크기가 감소함에 따라 녹는점이 낮아진다. 따라서 저온 열처리에 의하여 전도도를 얻기 위해서는 소정 크기 이하의 금속 나노입자가 요구된다. 특히 폴리머 기판에 금속 패턴을 형성하기 위해서는 500℃ 이하의 저온 열처리에 의하여 전도도를 얻을 수 있어야 한다. 이를 위하여 본 발명에 따른 잉크 조성물에 함유된 금속 나노입자의 크기는 1 ~ 100 nm 크기 범위 내이며, 보다 바람직하게는 20 nm 크기 이하의 금속 나노입자를 사용하여 100 ~ 300℃ 의 저온으로 열처리 하여 높은 전도도를 얻는다.

본 발명의 잉크 조성물은 또한 기판에 패턴 형성 후 건조 및 열처리 과정에서 수축에 의한 결함이 없이 우수한 전도도를 나타내기 위하여 고농도의 금속 나노입자를 포함한다.

금속 나노입자 합성 시 사용되는 용매는 금속염과 응집 방지제를 균일하게 용해시키는 역할 및 반응시 금속염을 환원시키는 환원제의 역할을 수행한다. 이러한 용매로는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매를 사용할 수 있다.

상기 응집 방지제는 산화-환원 반응에 의하여 금속 나노입자 합성 시 입자간 응집을 방지함으로써, 입자의 성장을 제어하여 나노 크기의 균일한 입자를 형성하게 한다. 이러한 응집 방지제는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone)인 것이 바람직하다.

상기 금속 나노입자의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 60 중량부인 것이 바람직하다. 금속 나노입자의 함량이 10 중량부 미만이면 프린팅하여 전도성 패턴을 형성시 금속 나노입자의 밀도가 감소하여 우수한 전도도를 나타내지 못한다. 또한 60 중량부를 초과하면 점도가 너무 커져 젯팅이 불안정해지는 문제점이 있다. 여기서 최적화된 전도도와 점도를 얻기 위한 금속 나노입자의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 20 내지 50 중량부인 것이 더 욱 바람직하다. 고농도의 금속 나노입자 함량으로 인하여 저온 열처리에 의하여 약 3.2μΩ·㎝ 이하의 낮은 비저항을 얻을 수 있다.

용매의 구성 및 작용

본 발명에 따른 잉크 조성물에서 주용매는 금속 나노입자 합성 시 사용되는 용매와 동일한 것이 바람직하다. 입자 합성 직후 금속 나노입자는 콜로이드 상태로 매우 안정하게 분산되어 있으며, 이를 이용하여 금속 나노입자 합성 시 사용되는 용매를 잉크 조성물의 주용매로 사용하여 합성된 금속 나노입자를 분산시킴으로써, 금속 나노입자 합성 시스템과 동일한 용매 시스템을 만들어주어, 우수한 분산성과 장기 안정성을 갖는 잉크 조성물을 제조할 수 있다.

잉크 내에서 고농도의 금속 나노입자가 안정하게 분산되어야 한다. 그러나 금속 나노입자의 경우 밀도가 높고 작은 입자의 크기로 인하여 표면 에너지가 높아 입자간의 응집력이 강하게 됨으로써, 용매 내에 금속 나노입자의 우수한 분산성과 장기 안정성을 유지하는 것이 매우 어려우며 분산을 위하여 분산제를 첨가하게 되는데, 분산제는 고분자로서 저온 열처리 공정 후 잔류하여 전도성을 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 전도성 잉크 조성물은, 용매 내에서 금속 나노입자의 우수한 분산성과 장기 안정성을 확보하는 반면 전도성을 유지할 수 있도록 최소량의 분산제를 사용한다.

부용매는 주용매의 점도를 조절하는 기능을 한다. 이러한 부용매의 기능을 위하여, 부용매의 점도는 0.5 ~ 10 mPa·s 인 것이 바람직하다. 부용매는 잉크젯 프린팅에 의하여 분사된 잉크의 건조 후 금속 패턴의 막(film)질을 향상하는 기능을 한다. 이러한 부용매의 기능을 위하여, 부용매의 끓는점은 50 ~ 200℃ 인 것이 바람직하며. 보다 바람직하게는 100 ~ 150℃ 이다.

상기 부용매로는 예컨대 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol)의 알코올계로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매를 사용할 수 있다.

상기 주용매와 상기 부용매의 비율은 90:10 내지 10:90 인 것이 바람직하다. 주용매의 비율이 10:90 미만이면, 잉크의 건조 속도가 너무 빨라져서 노즐 부분에서 막힘 현상이 일어나기 쉬우며, 주용매의 비율이 90:10을 초과하면, 프린팅하여 패턴을 형성시 건조 시간이 길어지게 되어 용매의 퍼짐에 따라 원하는 미세패터닝이 어려운 문제가 있다. 여기서 안정된 잉크 분사 및 프린팅 후 최적화된 미세 패터닝을 위하여 상기 주용매와 상기 부용매의 비율은 90:10 내지 50:50 인 것이 더욱 바람직하다.

주용매와 부용매를 포함하는 공용매의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 40 내지 90 중량부인 것이 바람직하다. 금속 나노입자의 공용매 함량이 90중량부를 초과하면 프린팅하여 전도성 패턴을 형성시 금속 나노입자의 밀도가 감소하여 우수한 전도도를 나타내지 못한다. 또한 나노입자의 공용매 함량이 40 중량부 미만이면 점도가 너무 커져 젯팅이 불안정해지는 문제점이 있다. 여기서 선택되어진 하나 이상의 용매는 기계적 교반에 의하여 간단히 혼합되어지는 것이 바람 직하다.

분산제 및 습윤제

본 발명의 잉크 조성물에서 분산제는 고농도의 금속 나노입자를 잉크 내에서 안정하게 분산된 상태로 유지시키는 역할을 한다. 이를 위하여 분산제는 잉크 조성물 중 적정한 함량비를 차지해야 한다. 분산제의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 10 중량부인 것이 바람직하다. 분산제의 함량이 10 중량부를 초과하면 분산제의 폴리머 상호간의 영향으로 점도가 증가하여 잉크젯 프린터에 적합하지 못하게 된다. 또한 분산제의 함량이 0.1 중량부 미만이면 분산제의 역할이 미미하여 고농도의 금속 나노입자를 포함할 경우 분산 안정성이 떨어져 바람직하지 못하다.

상기 분산제로는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone)인 것이 바람직하다.

한편, 습윤제는 잉크젯 프린터의 노즐 부분에서 클로깅을 방지하기 위하여 습윤성을 유지하도록 용매의 특성을 조절하는 역할을 한다. 이를 위하여 습윤제는 잉크 조성물 중 적정한 함량비를 차지해야 한다. 습윤제의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 20 중량부인 것이 바람직하다. 습윤제의 함량이 20 중량부를 초과하면 점도가 크게 증가하여 잉크젯 프린터용으로 적합지 못하게 된다 또한 습윤제의 함량이 0.1 중량부 미만이면 노즐 막힘 현상이 일어나기 쉬워 젯팅 안정성에 문제가 된다.

상기 습윤제로는 1,2-프로판다이올 (1,2-propanediol), 1,3-프로판다이올 (1,3-propanediol), 에틸하이드록시-프로판다이올(ethylhydroxy-propanediol), 1,3-부탄다이올 (1,3-butanediol), 1,4-부탄다이올 (1,4-butanediol), 1,5-펜탄다이올 (1,5-pentanediol), 다이에틸렌글리콜 (diethyleneglycol), 트리에틸렌글리콜 (triethyleneglycol), 글리세롤 (glycerol), 2-피롤리돈(2-pyrrolidone)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매를 사용할 수 있다.

금속 패턴 형성에서 열처리 온도

상술한 바와 같은 조성에 의하여 제조된 잉크를 프린팅하여 금속 패턴을 형성하고 형성된 패턴이 전도성을 나타내기 위한 바람직한 열처리 온도는 100 ~ 500 ℃ 이며, 보다 바람직하게는 100 ~ 300℃ 의 온도로 저온 열처리 하는 것이 좋다.

열처리 온도가 100℃ 미만이면, 금속 나노입자간의 융착이 일어나지 않으며, 잔류하는 폴리머들에 의한 영향으로 전도도를 나타내지 못하게 되며, 열처리 온도가 500℃를 초과하면, 폴리머 기판 등에서 저온 열처리에 의한 전도성 패턴 형성에 바람직하지 못하다. 특히 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 잉크 조성물에 의하면(도 3 참조), 300 ~ 500℃ 에서 매우 높은 전도도를 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하나, 이러한 실시예 들은 단지 본 발명의 설명하기 위한 것일뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것으로 이해해서는 안될 것이다.

은(Ag) 나노입자의 제조

폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP) 80g 을 에틸렌글리콜 300㎖ 에 상온에서 기계적 교반에 의하여 완전히 용해한 후, 질산은(AgNO₃) 12.8g을 첨가하여 교반하며 120℃ 까지 가열하여 30분 동안 유지시키며 반응을 시키고 Ag 나노입자가 형성되도록 하였다.

도 1은 제조된 Ag 나노입자의 형상을 투과 전자현미경(Transmission electron microscope, TEM)으로 촬영한 사진이며, 도 2는 제조된 Ag 나노입자의 입도 분석결과이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 입자의 크기는 평균입도 20㎚ 정도로 확인되었다. 20㎚의 입자는 500℃ 이하의 온도에서 융착이 일어나게 된다. 이는 폴리머 기판 등에서 저온 열처리에 의하여 전도도를 얻기 위하여 요구되는 1 ~ 100 nm 이내의 금속 나노입자의 크기 조건을 만족한다.

은 나노입자를 포함하는 잉크의 제조

주용매로 합성 시 사용한 용매와 동일한 에틸렌글리콜과 부용매로 프로판올 을 90 : 10 내지 50 : 50 으로 기계적 교반에 의하여 혼합하였다. 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 용매는 50 ~ 90 중량부, 에틸하이드록시프로판다이올(ethylhydroxy-propanediol) 0.1 ~ 20 중량부, 2-피롤리돈(2-pyrrolidone) 0.1 ~ 20 중량부를 기계적 교반에 의하여 혼합 후, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP) 0.1 ~ 10 중량부로 공용매에 완전히 용해시켰다. 미리 제조된 Ag 나노입자를 30 ~ 50 중량비로 볼밀링(ball-milling)에 의하여 완전히 혼합하여 Ag 나노입자를 포함하는 고농도의 안정한 잉크 조성물을 얻었다.

도 3은 제조된 은 나노입자를 포함하는 전도성 잉크 조성물의 점도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 점도가 약 4 mPa·s인 것을 알 수 있다. 이것은 압전 방식의 잉크젯 프린터의 점도 요구 조건인 약 0.5 ~ 40 mPa·s 의 범위를 만족한다. 또한 도 3을 참조하면 전단율 변화에 대한 점도 변화가 매우 작은 것을 알 수 있다. 이것은 잉크가 분사되는 노즐부분에서 전단율이 높아지더라도 점도가 증가하지 않는 뉴토니안 거동 조건을 만족하는 결과이며, 우수한 분산성이 확인되었다. 이로써 본 실시예에 따라 제조된 전도성 잉크 조성물은 잉크젯 프린터용 잉크 유체의 필요 물성을 만족시키는 것으로 확인되었다.

금속 패턴 형성

앞선 실시예로부터 제조된 잉크 조성물을 잉크젯 프린터로 슬라이드 글라스(slide glass)를 기판에 분사하여 얇은 코팅막을 형성하고, 100 ~ 300℃ 의 온도에 서 열처리를 실시하여 금속 패턴을 형성하였다.

도 4는 슬라이드 글라스 기판에 형성된 금속 패턴의 면저항과 두께를 측정하여 열처리 온도에 따른 비저항을 계산한 결과를 나타낸 그래프이다. 도시된 바에 따르면, 약 300℃의 온도에서 상기 금속 패턴의 비저항은 3.2 μΩ·㎝ 이하임을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 본 발명에 의해 기판 표면에 형성된 금속 패턴의 비저항은 벌크(bulk) 상태의 은의 비저항 1.62 μΩ·㎝의 약 2배 정도의 비저항으로 매우 우수한 전도도를 띠는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의해 기판 표면에 형성된 금속 코팅막의 각각 다른 열처리 온도에서 열처리한 후의 미세구조를 촬영한 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진이다. a는 100℃, b는 140℃, c는 200℃, d는 300℃로 각각 열처리 한 후의 미세구조이다. 200℃ 이하의 온도에서 열처리한 금속 코팅막에는 도 1과 같은 평균입도 20nm 정도의 은 나노입자를 포함하는 것을 확인하였다. 200℃ 이상의 온도에서 열처리한 금속 코팅막에서는 20nm 정도의 은 나노입자가 열처리 후에 서로 융착하여 매우 우수한 전도도를 나타낼 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 내용 및 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형 및 개량이 가능할 것이다.

본 발명의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물은, 잉크젯 프린터의 노즐로부터 분사되기 위한 유체의 물성을 만족하고, 전도성 금속패턴을 형성하기 위한 물 성을 동시에 만족하므로, 잉크젯 프린팅 기술에 의하여 직접묘화방식(direct-writing)으로 다양한 재료의 기판상에 자유롭게 전도성 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 종래의 노광/식각에 의한 에너지 집약적이고, 고비용의 반도체 제조 공정 기술을 대체하여, 공정이 간단하고 저비용의 친환경적으로 인쇄회로기판을 제조할 수 있다. 또한 본 발명의 잉크 조성물은 고농도의 안정하게 분산된 금속 나노입자를 포함하고, 저온 열처리에 의하여 낮은 비저항을 얻을 수 있으므로, 다양한 재료의 기판에 금속패턴을 형성할 수 있다. 따라서 전기/전자 소재 산업분야에서 차세대 기술로써 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 잉크젯 프린팅 기반 기술로부터 단백질 생체 칩 제조 등의 바이오 산업과 같은 다양한 산업분야로의 응용이 기대된다.

Claims (20)

1. 금속 나노입자와, 상기 금속 나노입자의 합성 시 사용된 용매와 동일한 용매로 구성되는 주용매, 부용매, 상기 금속 나노입자를 잉크 내에서 안정하게 분산된 상태로 유지하기 위한 분산제, 및 잉크젯 프린터의 노즐부분에서의 클로깅을 방지하기 위한 습윤제를 포함하는

   잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 조성물의 점도는 0.5 내지 40 mPa·s 범위이고, 뉴토니안 흐름거동을 보이며, 표면장력이 20 내지 70 mN/m의 범위인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 용매 내에 균일하게 용해되어있는 금속염 및 응집 방지제를 포함하는 액상으로부터 산화-환원 반응에 의하여 합성된 금속 나노입자인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
4. 제3항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 은(Ag) 나노입자인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
5. 제3항에 있어서, 금속 나노입자 합성 시 사용되는 용매는 에틸렌 글리콜 (ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
6. 제3항에 있어서, 상기 금속염은 은 이온을 포함하는 염으로서 AgNO₃, AgClO₄, Ag₂SO₄, CH₃COOAg로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
7. 제3항에 있어서, 상기 응집 방지제는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone)인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
8. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 잉크젯 프린터의 오리피스 크기의 5% 이하의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
9. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자의 크기는 1 내지 100 nm 범위를 갖는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
10. 제1항에 있어서, 상기 주용매는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 헥실렌 글리콜(hexylene glycol)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
11. 제1항에 있어서, 상기 부용매는 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol)의 알코올계로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
12. 제11항에 있어서, 상기 부용매의 끓는점은 50 내지 200℃인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
13. 제11항에 있어서, 상기 부용매의 점도는 0.5 내지 10 mPa·s인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
14. 제1항에 있어서, 상기 주용매와 상기 부용매의 비율은 90:10 내지 10:90인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
15. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 60 중량부인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
16. 제1항에 있어서, 상기 주용매와 부용매를 포함하는 공용매의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 40 내지 90 중량부인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
17. 제1항에 있어서, 상기 분산제의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 10 중량부인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
18. 제1항에 있어서, 상기 습윤제의 함량은 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅용 전도성 잉크 조성물.
19. 제1항의 잉크젯 프린터용 전도성 잉크 조성물을 기판 표면에 잉크젯 프린팅하는 단계; 및

    상기 기판 표면에 프린팅된 잉크 조성물을 열처리하는 단계를 포함하는

    잉크젯 프린팅에 의한 금속패턴 형성방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 열처리 온도는 100 내지 500℃ 인 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅에 의한 금속패턴 형성방법.

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