KR20130139270A

KR20130139270A - 피복 구리 미립자와 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20130139270A
Application number: KR1020137010493A
Authority: KR
Inventors: 마사토 구리하라
Original assignee: 야마가타 유니버시티
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-12-20
Also published as: WO2012043399A1; US20130248775A1; CN103180072B; US9168587B2; JP2012072418A; DE112011103233T5; CN103180072A; JP5858374B2

Abstract

입자 지름 분포가 좁고 미세하며, 보존성이 우수한 동시에, 저온에서의 소결이 가능한 피복 구리 미립자를 제공하는 것을 제공한다.
구리를 함유하는 화합물과 환원성 화합물을 혼합하여, 알킬아민 중에서 열분해하여 구리를 생성할 수 있는 복합 화합물을 생성하는 공정과, 상기 복합 화합물을 알킬아민 중에서 가열하여 알킬아민으로 피복된 구리 미립자를 생성하는 공정을 가진 것을 특징으로 하는 피복 구리 미립자의 제조 방법.

Description

피복 구리 미립자와 그 제조 방법 {FINE COATED COPPER PARTICLES AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 용제에의 분산성이 우수하고, 플렉서블 프린트 배선 기판 위 등에서 저온 소결에 의하여 양호한 도전성을 발현하는 나노미터 사이즈의 피복 구리 미립자와 그 제조 방법 및 이것을 이용한 소결 구리 피착물에 관한 것이다.

2010년 9월 27일에 제출된 일본 특허 출원 (특원 2010-215910)의 출원서에 첨부된 명세서, 특허 청구의 범위, 도면 및 요약의 개시 내용은 본 명세서의 기재의 일부로서 여기에 모두 포함된다.

최근, 전자 기기의 눈부신 진보의 배경에는 반도체 디바이스 등의 전자 부품의 진전과 함께, 이들 전자 부품을 실장하는 프린트 배선판의 큰 발전이 있다. 또한, 전자 기기의 대부분이 소형·박형·경량화되고, 또한 생산성의 향상이 요구되고 있기 때문에, 프린트 배선판에 대하여도 이에 대응하는 여러 가지 연구, 개선이 한층 더 필요하게 되었다. 특히, 그 때문에 전자 부품의 도전성 배선 형성용 재료의 실장의 고속도화 및 고밀도화가 요구되고 있다.

이와 같은 상황에 있어서, 현재로서는 나노 사이즈의 금속 미립자가 그와 같은 재료의 하나로서 기대를 받고 있고, 그에 대한 검토가 진행되고 있다 (예를 들면, 비특허 문헌 1).

배선 재료로서 사용되는 금속 미립자로서는, 일렉트로마이그레이션이 작은 점에서, 주로 구리로 구성될 것이 요망된다. 이 때문에, 종래부터 나노 사이즈의 구리 미립자를 제공하는 수단이 검토되고 있고, 예를 들면, 특허 문헌 1에는 구리 미립자의 제조 방법으로서, 수중 (水中)에서 구리 미립자 전구체에 히드라진 유도체를 작용시켜 환원하여, 구리 미분말을 제조한 것이 기재되어 있다. 그러나, 이 제조된 구리 미분말의 저온 소결에 의하여 구리 피막을 형성하는 것에는 이르지 않았다. 또한, 특허 문헌 2에는 구리 미립자의 제조 방법으로서, 유기산 금속염과 아민을 함유하는 용액에 환원제를 작용시켜, 금속염을 환원함으로써 금속 나노 입자를 얻는 기술이 개시되어 있다. 이 방법으로 제조된 구리 미립자는 300℃ 정도에서 소결을 일으켜 도전성을 일으키는 것이 기재되어 있다.

특허 문헌 1 및 2에 기재되어 있는 방법에 의하여 구리 미립자를 제조하는 방법에 있어서는, 미리 구리를 함유하는 화합물을 액체 중에 존재시키고, 이것에 대하여 외부로부터 환원제를 주입하여 환원 반응을 일으키게 함으로써 금속 구리를 생성시키기 때문에, 이 환원 반응의 진행은 환원제 등의 물질의 공급에 의하여 율속 (律速)되는 것을 피할 수 없다. 그 때문에, 실제로 구리 미립자를 제조하는 경우에는 반응 용기 내에서의 원료 물질의 농도 불균일 등에 기인하여, 균일한 구리 미립자의 생성 반응을 일으키는 것은 곤란하고, 특히 공업적 제조 과정에 있어서 대량의 구리 미립자를 균일하게 제조하는 것이 매우 곤란하게 되는 문제를 가진다.

한편, 특허 문헌 3에 있어서는 옥살산은을 과잉량의 올레일아민과 혼합하여 반응시킴으로써 착화합물을 생성하고, 그 후에 이 착화합물을 가열하여 착화합물에 포함되는 옥살산 이온을 분해함으로써 원자 상태의 은을 생성시킴으로써, 올레일아민의 보호막에 보호된 은 미립자를 제조하는 기술이 개시되고, 이 방법에 의하면, 매우 미세하고 입도 분포가 좁으며, 보존 안정성이 우수한 은 미립자를 얻을 수 있는 것이 기재되어 있다.

당해 방법에 의하면, 올레일아민 중에서 옥살산은을 열적으로 분해하여 원자 상태의 은을 생성시키고, 그 응집에 의하여 은 미립자를 제조할 수 있다. 상기 제조법으로는 단일의 분자의 분해에 의하여 은 원자를 생성시키기 때문에, 물질의 공급에 반응이 율속되지 않고, 반응계 내에 균일하게 원자 상태의 은을 생성시킬 수 있고, 또한, 올레일아민의 작용에 의하여, 상기 원자 상태의 은의 응집을 제어하여 매우 미세하고 입도 분포가 좁으며, 보존 안정성이 우수한 표면의 청정한 은 미립자를 제조하는 것이 가능하다. 이 결과, 상기 방법으로 제조되는 은 미립자를 사용함으로써 수지의 표면에서 소결하여 배선을 형성 가능한 배선 형성용 잉크를 제공하는 것을 가능하게 하고 있다.

특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 2010-24526호 특허 문헌 2: 일본 공개 특허 공보 2007-321215호 특허 문헌 3: 일본 공개 특허 공보 2008-214695호

비특허 문헌 1: 가와조메 미쓰루 외, 분쇄, No.50, 27-31 (2006/2007)

구리를 함유하는 화합물에 대하여도, 특허 문헌 3에 기재되어 있는 바와 같이 소정의 알킬아민 중에서의 자기 분해에 의하여 원자 상태의 구리의 생성이 가능하다면, 은 미립자와 마찬가지로 알킬아민에 의하여 피복된 구리 미립자가 생성될 것으로 기대된다.

그러나, 일반적으로 구리를 함유하는 화합물에 있어서는, 그의 생성시의 자유 에너지의 변화가 크기 때문에, 단지 가열을 실시한 것만으로는 반드시 상기 화합물의 자기 분해에 의하여 원자 상태의 구리를 생성시킬 수 없다. 또한, 만일 상기 화합물과 알킬아민을 함유하는 혼합물을 강하게 가열하였을 경우에는, 원자 상태의 구리가 생성되기 이전에 알킬아민의 증발이나 변성을 일으키거나, 상기 화합물과 알킬아민이 구리의 환원 반응 이외의 화학 반응을 일으키는 등, 양호한 구리 미립자를 생성하는 것이 곤란하다. 이 때문에, 특허 문헌 3에 기재되는 방법이 적용될 수 있는 대상은 주로 은을 함유하는 화합물에 한정되어 있었다.

본 발명에 있어서는, 그러한 문제점을 해결하기 위하여, 알킬아민 중에서 자기 분해가 가능한 구리 화합물을 제공하는 동시에, 상기 구리 화합물을 알킬아민 중에서 자기 분해시켜 원자 상태의 구리를 생성시킴으로써, 알킬아민으로 이루어지는 보호막을 가진 피복 구리 미립자를 제조하는 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 동시에, 입자 지름 분포가 좁고 미세하며, 보존성이 우수하고, 또한 저온에서의 소결이 가능한 피복 구리 미립자를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 이하의 것을 특징으로 하고 있다.

즉, 구리를 함유하는 화합물과 환원성 화합물을 혼합하여, 알킬아민 중에서 열분해하여 구리를 생성할 수 있는 복합 화합물을 생성하는 공정과, 이 복합 화합물을 알킬아민 중에서 가열하여 알킬아민으로 피복된 구리 미립자를 생성하는 공정을 가짐으로써, 반응에 관여하는 물질의 공급에 율속됨이 없이 피복 구리 미립자를 제조할 수 있다.

또한, 상기 구리 미립자를 생성하는 공정은 220℃ 이하의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 환원성 화합물은 히드라진, 히드록시아민, 또는 그 유도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구리를 함유하는 화합물은 산소계의 배위자에 의하여 구리가 결합되어 있는 화합물이기 때문에, 양호하게 피복 구리 미립자를 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산소계의 배위자에 의하여 구리가 결합하고 있는 화합물은 옥살산구리인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 알킬아민에는 탄소수가 12 이상인 장쇄의 알킬아민을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 구리를 함유하는 화합물에 대하여 환원성 화합물이 배위 결합하여 이루어지는 복합 화합물로서, 알킬아민 중에 있어서 220℃ 이하의 온도로 열분해하여 구리를 생성할 수 있는 복합 화합물을 사용함으로써, 알킬아민 중에서 반응에 관여하는 물질의 공급에 율속됨이 없이, 양호하게 피복 구리 미립자를 제조할 수 있다.

또한, 상기 구리를 함유하는 화합물은 산소계의 배위자에 의하여 구리가 결합하고 있는 화합물인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 자발적인 분해를 일으키기 곤란한 구리 화합물에 대하여도, 미리 환원성의 화합물과의 복합 화합물을 형성시켜 둠으로써, 알킬아민과의 공존 상태에 있어서 자발적인 분해를 일으키는 것이 가능하게 되어, 알킬아민의 보호막에 의하여 피복된 피복 구리 미립자를 제조하는 것이 가능해진다. 또한, 본 발명에 있어서, 구리 미립자의 피복을 형성하기 위한 알킬아민으로서 소정의 것을 적절하게 선택함으로써, 대기 중에서도 장기 보존이 가능한 피복 구리 미립자를 제공할 수 있음과 동시에, 환원 가스를 사용하지 않더라도, 비활성 가스 분위기하에서, 300℃ 이하의 가열로 양호한 도전성을 나타내는 도전막, 도전 배선을 형성시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 실온에 있어서도, 기계적으로 압력 등에 의하여 보호 피막을 배제함으로써 소결을 일으키고, 구리의 금속 피막을 형성하는 것이 가능해진다.

[도 1] 실시예 1에서 얻은 피복 구리 미립자의 톨루엔 희석 분산액을 마이크로 그리드에 적하하여, 건조 후, 관찰한 투과 전자 현미경상이다.
[도 2] 실시예 1에서 얻은 피복 구리 미립자의 톨루엔 희석 분산액을 마이크로 그리드에 적하하여, 건조 후, 관찰한 고분해 투과 전자 현미경상이다. 격자 무늬의 간격, 0.21 nm는 금속 구리의 결정 격자와 일치한다.
[도 3] 옥살산구리·히드라진 착체의 열중량 시차열 동시 분석 결과이다. 열중량 감소 (중량%)로부터 옥살산구리·히드라진 착체에 포함되어 히드라진과 옥살산 이온의 구리 원자에 대한 결합 분자 수가 구하여진다 (구리：히드라진：옥살산 이온=1：2：1 (몰비)).
[도 4] 실시예 1 내지 4에서 얻은 피복 구리 미립자의 분말 X선 회절 패턴이다. 시그널이 브로드하고, 그 반값 폭으로부터 계산한 단결정자 사이즈는 5 내지 7 nm이다.
[도 5] 실시예 1 내지 4에서 얻은 피복 구리 미립자의 톨루엔 희석 분산액의 자외 가시 흡수 스펙트럼이다. 570 내지 590 nm에 나노미터 사이즈의 금속 구리 미립자에 특징인 표면 플라스몬 밴드가 관찰된다.
[도 6] 실시예 1에서 얻은 피복 구리 미립자에 테르피네올과 옥틸아민을 가하여 제작한 페이스트 (피복 구리 미립자 함유율： 40wt%)의 사진이다.

이하, 본 발명에 관한 피복 구리 미립자 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다.

＜구리 원자의 공급원인 구리 화합물에 대하여＞

본 발명에 관한 피복 구리 미립자의 제조 방법에 있어서는, 구리와 그 밖의 원자 (또는 원자군)가 결합하여 구성되는 구리 함유 화합물을 구리 원자의 공급원으로 하여 피복 구리 미립자를 제조한다. 본 발명에 있어서 사용되는 구리 함유 화합물로서는, 후술하는 환원성 화합물과의 사이에 착체 등의 복합 화합물을 생성할 수 있는 화합물이면 피복 구리 미립자의 금속원으로서 사용할 수 있다. 본 발명에 있어서는, 사용하는 환원성 화합물의 환원력 등을 감안하여, 이 구리 함유 화합물로부터 구리 원자를 환원 분리하기 위하여 필요한 에너지가 작은 화합물을 적절하게 선택하여 사용하는 것이 피복 구리 미립자를 제조할 때의 온도를 저하하고, 제조를 위한 시간을 단축할 수 있다는 점에서 좋다. 또한, 제조하는 피복 구리 미립자에 포함되는 불순물을 경감하기 위하여, 구리 이외의 금속 원소를 함유하지 않는 구리 함유 화합물을 사용하는 것이 좋다.

환원성 화합물과의 사이에 착체 등의 복합 화합물을 생성 가능한 구리 함유 화합물로서는, 화합물 중에서 구리 원자에 배위자가 배위 가능한 것이면 좋지만, 특히 산소계의 배위자에 의하여 구리가 결합하고 있는 것이 좋다. 즉, 구리 원자에 대하여 질소에 의한 배위 결합을 일으키는 환원성 화합물을 사용하였을 때에, 산소계의 배위자에 의하여 구리가 결합하고 있는 화합물이면 배위 결합의 강도의 점에서 구리의 환원이 생기기 쉬워서 좋다.

이와 같은 구리 함유 화합물로서는, 예를 들면 옥살산구리, 포름산구리, 아세트산구리, 프로피온산구리, 부티르산구리, 이소부티르산구리, 발레르산구리, 이소발레르산구리, 피발산구리, 말론산구리, 숙신산구리, 말레산구리, 벤조산구리, 시트르산구리, 타르트산구리, 질산구리, 아질산구리, 아황산구리, 황산구리, 인산구리와 같은 구리의 유기산염이나 무기산염 등이 예시되는 것 외에, 아세틸아세톤이 배위 결합한 아세틸아세톤산구리로 대표되는 착화합물이 예시된다.

상기 구리 함유 화합물 중에서, 본 발명에 있어서는 옥살산구리가 배위 고분자를 형성하는 성질을 가지고 구리 이온과 옥살산 이온이 교호적으로 연결된 사슬상의 고분자 구조를 가지고 있다는 점에서 특히 바람직하게 사용된다. 고분자 구조를 가진 옥살산구리를 사용함으로써, 이하에 설명하는 바와 같이, 소정의 반응 매체 중에서 피복 구리 미립자를 형성할 때에, 구리의 수율을 향상시킬 수 있음과 동시에, 피복 구리 미립자의 입자 지름 분포를 더 균일하게 할 수 있다. 이것은 고분자 구조를 형성하지 않는 구리 함유 화합물을 사용하였을 경우에는, 반응 매체 중에서의 구리 원자의 분포가 균일하게 되는 데 대하여, 고분자 구조를 가진 옥살산구리의 경우에는 환원 반응으로 생성하는 구리 원자가 반응 매체 중에서 편재하여, 국소적으로 고밀도로 존재하기 때문에, 대기 중에서의 합성으로도 구리 원자의 산화가 억제되어, 생성된 구리 원자가 효율적으로 구리 입자를 형성하기 때문이라고 생각된다.

＜환원성 화합물과 복합 화합물의 생성에 대하여＞

본 발명에 관한 피복 구리 미립자의 제조 방법에 있어서는, 우선 상기 구리 함유 화합물에 대하여, 환원 작용을 가진 환원성 화합물을 혼합하여, 금속 화합물과 환원성 화합물과의 복합 화합물을 생성시킨다. 이와 같은 복합 화합물에 있어서는 환원성 화합물이 구리 함유 화합물 중의 구리 이온에 대한 전자의 도너가 되어 구리 이온의 환원을 일으켜 쉽기 때문에, 사용한 구리 함유 화합물과 비교하여 자발적인 열분해에 의한 구리 원자의 유리를 일으키기 쉽다. 이 때문에, 이와 같은 복합 화합물을 구리 원자의 공급을 위한 직접적인 원료로 함으로써, 반응에 관여하는 물질의 공급에 율속되지 않고, 온도나 압력 등의 조건의 설정에 의하여 복합 화합물의 자발적인 분해 반응을 일으키게 함으로써, 구리 원자가 공급되어 구리 미립자를 제조하는 것이 가능해진다.

이 때 사용되는 환원성 화합물로서는, 아미노기를 가진 것이 좋다. 아미노기를 가진 환원제는 구리 함유 화합물 중의 구리 원자 등에 대하여 배위 결합을 형성하기 쉽고, 구리 함유 화합물의 구조를 유지한 상태에서 용이하게 구리 함유 화합물과의 복합 화합물을 생성하는 동시에, 구리의 환원 반응을 일으키기 때문이다.

이와 같은 환원성 화합물로서는, 반응매로 하는 알킬아민의 증발이나 분해를 일으키지 않는 온도 범위에 있어서, 자발적인 분해 반응에 의하여 구리 원자의 환원·유리를 일으키는 복합 화합물을 형성하는 것이면 특히 한정되지 않는다. 환원성 화합물과 구리 함유 화합물로부터 생성되는 복합 화합물의 열적 안정성이 높은 경우에는 그 분해에 높은 온도가 필요하게 되어, 반응매로 하는 알킬아민 자체의 증발이나 분해를 일으키기 때문에, 본 발명의 과제의 해결이 곤란해진다.

복합 화합물의 분해 온도로서는, 좋기로는, 220℃ 이하의 온도가 좋다. 복합 화합물의 분해에 수반되는 구리 원자의 환원 생성을 위하여 220℃ 이상의 온도가 필요한 경우에는 도데실아민과 같이 탄소수가 12인 알킬아민을 반응매에 사용하였을 경우에 증발 속도가 높아지기 때문에, 실제적으로는 반응매로서 사용하는 알킬아민이 탄소수가 18 이상인 장쇄의 것으로 한정되어, 각종 기능을 가진 피복 구리 미립자를 제조하기가 곤란해진다. 특히, 200℃ 이하의 온도에서 구리 원자를 생성시키는 복합 화합물을 형성하는 환원성 화합물이라면, 탄소수가 12 정도인 알킬아민을 안정적으로 사용할 수 있다는 점에서 좋다. 또한, 복합 화합물의 알킬아민 중에서의 분해 온도를 180℃ 이하로 함으로써, 탄소수가 8 정도인 중쇄의 알킬아민을 안정적으로 사용할 수 있는 동시에, 비교적 온화한 조건으로 구리 미립자를 생성하기 때문에, 입자 지름이 미세하고, 입자 지름 분포가 좁은 구리 미립자를 제조하는 것이 가능해진다. 또한, 비교적 비등점이 낮은 저분자의 알킬아민을 사용할 수 있게 되므로, 보호 피막을 벗기기 쉽고, 저온 소결이 가능한 구리 미립자의 제조가 용이하게 되는 점에 있어서도 좋다.

220℃ 이하의 저온에서 분해하여 구리 원자를 생성하는 복합 화합물을 형성하기 위한 환원성 화합물로서, 전형적으로는 히드라진, 히드록실아민 및 이들의 유도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 화합물을 특히 바람직하게 들 수 있다. 이들 화합물은 골격을 이루는 질소 원자가 배위 결합에 의하여 구리 함유 화합물 중의 구리 원자에 결합하여 복합 화합물을 생성한다. 또한, 일반적으로 알킬아민과 비교하여 환원력이 강하기 때문에, 생성한 복합 화합물이 비교적 온화한 조건에서 자발적인 분해를 일으켜 구리 원자를 환원·유리하고, 알킬아민으로 피복된 구리 미립자를 생성할 수 있다.

이 때, 히드라진의 유도체란, 히드라진에 포함되는 수소 1 내지 3개를 소정의 알킬기 등으로 치환한 것을 말한다. 또한, 히드록실아민의 유도체란, 히드록실아민에 함유된 수소 중 1개를 소정의 알킬기 등으로 치환한 것을 말한다. 히드라진, 히드록실아민의 사용을 대신하여 그 유도체를 적절하게 선택하여 사용함으로써, 구리 함유 화합물과의 반응성을 조정하는 것이 가능하고, 사용하는 구리 함유 화합물에 따라 적절한 조건으로 자발 분해를 일으키는 복합 화합물을 생성할 수 있다. 특히, 히드라진과 혼합하였을 때에 복합 화합물을 일으키지 않고 환원 반응을 일으키기 쉬운 구리 함유 화합물을 사용할 때, 적절하게 선택되는 히드라진 유도체를 사용하여 복합 화합물의 생성을 촉진하는 것이 유효하다.

또한, 히드라진 등의 유도체 중에서, 특히 소유성 (疎油性)의 것을 환원성 화합물로서 사용함으로써, 후술하는 바와 같이 복합 화합물을 알킬아민 중에 분산하였을 때에, 환원성 화합물이 알킬아민 중에 용출하는 것이 방지되고, 복합 화합물이 유지되기 쉬운 점에서 좋다.

구리 함유 화합물 분자에 대하여 환원성 화합물의 분자를 결합시켜, 가열에 의한 자발 분해가 가능한 복합 화합물로 함으로써, 입자 지름 분포가 좁고, 균질인 구리 미립자를 제조할 수 있다. 즉, 특허 문헌 1 및 2에 기재되어 있는 바와 같이, 소정의 금속 화합물을 함유하는 계에 대하여 환원제를 혼합함으로써 금속 화합물의 환원 반응에 의한 분해를 실시하는 경우, 금속 화합물과 환원제의 혼합비 비율 등에 국소적인 요동을 일으키는 것을 피할 수 없다. 이 때문에, 상기 방법에서는 반드시 균일한 환원 반응을 일으킬 수 없음과 동시에, 또한 환원 반응에 의하여 생기는 원자상 금속 상태도 균질로 하는 것이 곤란하다.

이것에 대하여, 본 발명에 관한 방법에 있어서는, 환원에 의하여 분해되는 구리 함유 화합물의 분자에 대하여, 미리 환원성 화합물을 소정의 비율로 결합시켜 균질의 복합 화합물로 한 것을 온도 등의 조건을 조정함으로써 자발적인 반응을 일으키게 하는 것으로, 환원제의 공급 등에 의하여 율속이나, 환원제의 농도 등에 기인하는 반응의 불균일을 일으키는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 방법에 있어서는, 환원성 화합물을 미리 구리 함유 화합물에 결합하여 사용하기 때문에, 구리의 환원 반응을 실시할 때의 반응 매체와의 상용성에 의하지 않고, 적절한 환원성 화합물을 선택하여 사용하는 것이 가능하다. 즉, 종래와 같이, 반응 매체 중에서 구리 화합물에 대하여 환원제를 작용시켜 구리의 환원을 실시하는 경우에, 환원제는 사용하는 반응 매체와 상용성을 가질 필요가 있었다. 이 때문에, 예를 들면, 유기계 보호 분자 중, 또는 이것을 함유한 비수계의 유기 용매를 반응 매체로 하였을 경우에, 소유성의 히드라진을 환원제로서 사용하면, 서로 균일하게 섞이지 않기 때문에 환원 반응을 균일하게 실시하는 것이 곤란하다. 이에 대하여, 본 발명에서는 환원성 화합물을 미리 구리 함유 화합물에 결합시킨 복합 화합물을 사용하기 때문에, 반응 매체와 환원성 화합물과의 상용성에 제한됨이 없이, 적절한 물질을 사용하는 것이 가능하다.

본 발명에 있어서, 구리 함유 화합물과 환원성 화합물과의 혼합은 고체 상태의 구리 함유 화합물과 액체 상태의 환원성 화합물을 혼합하여, 고체 상태의 복합 화합물을 형성하는 조건에 있어서 실시하는 것이 좋다. 예를 들면, 구리 함유 화합물로서 옥살산구리, 환원성 화합물로서 히드라진을 사용하는 경우에는, 실온에 있어서 양자를 혼합하는 것으로도 복합 화합물을 형성할 수 있다.

또한, 구리 함유 화합물과 환원성 화합물을 혼합하였을 때에 직접적으로 환원 반응을 일으켜 복합 화합물을 형성하는 것이 곤란한 경우에는, 냉각한 환경에서 혼합함으로써 환원 반응을 억제하는 것이 좋다. 그 외에, 사용하는 환원성 화합물의 환원력 등의 강도 등에 따라서, 혼합시의 온도나 압력 등의 조건을 적절하게 결정할 수 있다.

복합 화합물의 생성을 위하여, 구리 함유 화합물에 혼합되는 환원성 화합물의 비율은 구리 함유 화합물과 환원성 화합물로부터 생성되는 복합 화합물에 있어서의 양자의 몰 비율 (이하,「정비 (定比)」라고 한다.) 과 동일한 비율이거나, 그 이상으로 환원성 화합물을 부화 (富化)한 비율로 하는 것이 좋다. 환원성 화합물의 비율이 복합 화합물에 있어서의 정비 이하이면, 복합 화합물을 형성하지 않는 구리 함유 화합물이 생성되어 유리하지 않는 금속 원자를 생성하는 결과, 금속 미립자의 수율이 저하된다. 또한, 복합 화합물을 형성하지 않는 과잉의 환원성 화합물은 구리 원자의 환원 유리에 관여하지 않기 때문에, 바람직한 환원성 화합물의 혼합비 비율은 복합 화합물에 있어서의 정비의 4배 이하이며, 현실적으로는 정비의 1 내지 2배가 되도록 환원성 화합물을 구리 함유 화합물에 혼합함으로써 양호한 복합 화합물을 형성할 수 있다.

사용하는 환원성 화합물은 그 성질에 따라 2종 이상의 환원성 화합물을 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 또한, 생성하는 복합 화합물의 성질을 저해하지 않는 범위 내에서, 복합 화합물의 생성을 돕는 것 등을 목적으로, 적절한 첨가 성분을 함유하는 환원성 화합물을 사용하는 것이 가능하다. 특히, 구리 함유 화합물과 환원성 화합물을 혼합할 때에, 계 내의 물질과 반응을 일으키지 않는 메탄올이나 물과 같은 극성 분자를 반응 매체로서 존재시킴으로써, 복합 화합물의 생성이 촉진되어 균일한 복합 화합물을 신속하게 생성할 수 있다.

또한, 이하에 설명하는 바와 같이, 본 발명에 있어서는 위에서 얻은 복합 화합물을 알킬아민의 존재하에 분해하여 구리 미립자를 제조하지만, 이 때 알킬아민 중에서 복합 화합물이 고체 상태를 유지할 수 있도록, 구리 함유 화합물과 환원성 화합물의 조합을 선택하는 것이 좋다.

＜복합 화합물의 분해와 피복 구리 미립자의 제조에 대하여＞

다음으로, 본 발명에 관한 피복 구리 미립자의 제조 방법에 있어서는, 앞에서 생성한 복합 화합물을 과잉량의 환원성 화합물로부터 분리한 후, 충분한 양의 알킬아민의 존재하에서 가열하여, 복합 화합물의 자발적 분해 반응에 의하여 구리 원자가 생성되어 응집함으로써, 사용한 알킬아민으로 이루어지는 보호막으로 피복된 구리 미립자를 얻을 수 있다.

사용하는 복합 화합물에 의하여, 구리 원자를 생성하는 반응은 서로 다르지만, 예를 들면, 구리 함유 화합물로서 옥살산구리를 사용하고, 환원성 화합물로서 히드라진 (또는 그 유도체)을 사용하였을 경우에는, 옥살산구리와 히드라진으로 이루어지는 착체를 복합 화합물로서 피복 구리 미립자가 제조된다. 이 복합 화합물은 알킬아민 중에서 가열함으로써, 150℃ 정도의 저온에 있어서도 질소 가스를 발생하면서 피복 구리 미립자가 생성되는 동시에, 알킬아민 중에 옥살산이 생성된다. 이것은 복합 화합물 중의 히드라진 부분의 분해에 의하여 근접한 구리가 환원되어 원자 상태의 구리가 생성됨과 동시에, 옥살산구리를 옥살산으로 하는 반응이 진전되기 때문으로 추측된다. 이 복합 화합물의 열분해에 있어서는 발생하는 질소 가스에 의하여 반응 분위기가 불활성으로 유지되기 때문에, 대기 중에서 열분해를 실시하였을 경우에 있어서도 생성되는 피복 구리 미립자의 산화가 효과적으로 억제되어 안정적인 피복 구리 미립자의 제조가 가능하다.

또한, 옥살산구리와 히드라진으로 이루어지는 착체를, 피복 구리 미립자를 제조하기 위한 복합 화합물로서 사용함으로써, 극히 저온인 150℃ 부근에서 피복 구리 미립자의 제조가 가능해지기 때문에, 반응 매체로서 사용하는 알킬아민의 선택지가 넓어짐과 동시에, 구리 미립자의 입자 지름을 더 미세하게 하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 반응을 일으킬 때에, 충분한 양의 알킬아민이 존재함으로써, 생성된 구리 원자에 대하여 신속하게 알킬아민 분자의 아미노기가 배위 결합을 일으키는 것으로 추측된다. 이 때문에, 생성된 구리 원자가 응집하여 구리 입자를 형성할 때, 일정 수의 구리 원자가 응집함으로써 구리 입자의 표면에 알킬아민의 보호 피막이 형성되고, 그 이상의 구리 원자가 응집하는 것을 방해하는 결과, 크기가 고른 피복 초구리 미립자가 제조되는 것으로 추측된다.

또한, 해당 기구에 의하여 조대한 구리 입자의 생성이 억제되기 때문에, 본 발명에 있어서는 구리 원자의 공급원인 복합 화합물이 고밀도로 존재하는 상태에 있어서도 피복 초구리 미립자의 제조가 가능하다. 이 때문에, 구리 미립자의 제조 시에 일반적으로 행해지는 과잉량의 용매를 사용하여 구리 입자의 조대화를 방지할 필요는 없고, 필수 성분만을 함유하는 반응계 내에 있어서 피복 구리 미립자의 제조가 가능하며, 생성하는 구리 원자를 높은 수율로 피복 초구리 미립자로 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 분해에 의하여 금속 원자를 공급하는 복합 화합물로서, 예를 들면, 서로 배위 결합을 일으켜 배위 고분자를 형성하는 물질 등을 선택함으로써, 알킬아민에 대하여 혼합하였을 때에 구리 원자의 국소적인 밀도를 높게 유지하는 것이 가능하게 되기 때문에, 생성하는 구리 원자를 피복 구리 초미립자로서 회수하는 수율을 높이는 것이 가능하게 된다.

＜알킬아민에 대하여＞

복합 화합물의 열분해 시에 복합 화합물과 혼합되는 알킬아민은, 위와 같이, 주로 복합 화합물의 분해 반응의 반응 매체로서 기능하는 동시에, 제조되는 구리 미립자 표면에 주로 알킬아민으로 구성되는 보호막을 형성하기 위하여 사용된다. 이 때문에, 본 발명에 있어서 사용되는 알킬아민은 사용하는 복합 화합물의 열분해의 조건, 제조되는 피복 구리 미립자에 기대되는 특성 등에 따라서, 공지의 알킬아민으로부터 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.

알킬아민은 알킬기의 일부에 아미노기가 결합된 구조를 가지고 있다. 알킬아민에 있어서는 일반적으로 알킬기의 분자량이 커지게 되어 장쇄가 됨에 따라 비등점이 상승하는 경향을 볼 수 있다. 한편, 알킬기의 분자량이 작고 단쇄인 것은 증기압이 높고, 또한 모두 극성이 강해지는 경향을 보인다. 또한, 알킬아민 중에서 복수의 아미노기를 가진 알킬디아민에서는 극성이 더 강해지는 경향을 보인다.

또한, 구리 원자에 대하여 배위 결합을 형성하기 위하여, 사용하는 알킬아민에 포함되는 아미노기의 적어도 1개가 1급 아미노기인 RNH₂ (R은 탄화수소 사슬) 또는 2급 아미노기인 R₁R₂NH (R₁, R₂는 탄화수소 사슬과 같아도 좋고 차이가 나도 좋다)인 것이 좋다. 또한, 탄화수소 사슬에는 산소, 규소, 질소, 유황, 인 등의 탄소 이외의 원자가 함유되어도 좋다.

복합 화합물의 열분해시에 사용하는 알킬아민으로서, 극성이 강한 것을 사용하였을 경우에는, 일반적으로 피복 구리 미립자의 생성 반응이 원활하고, 입자 지름이 작고 입자 지름 분포가 샤프하게 되는 경향을 볼 수 있다. 이 점에 있어서는 복합 화합물의 열분해시에 증발이나 분해를 일으키지 않는 범위 내에서, 분자량이 작은 알킬아민을 사용하는 것이 좋다. 또한, 분자량이 작은 알킬아민을 사용하여 제조된 피복 구리 미립자에 있어서는 보호 피막의 증기압이 높고 피막이 제거되기 쉽기 때문에, 더 저온에서 소결이 가능하게 되는 경향을 볼 수 있는 한편, 보존 중에 구리 입자가 산화되기 쉬운 경향을 볼 수 있다.

한편, 분자량이 큰 장쇄의 알킬아민을 사용한 경우에는 비극성 용매에의 분산성이 높아지기 때문에, 구리 미립자를 높은 중량 비율로 유기 용매에 분산시켜 잉크로서 사용할 때에 유리하게 된다. 또한, 장기간의 보존을 실시하여도 구리 입자의 산화를 방지 가능한, 강고한 보호 피막을 가진 피복 구리 미립자를 얻을 수 있는 경향을 볼 수 있다. 특히, 충분히 유효한 보호 피막을 가지지 않은 구리 미립자가 대기 중 등의 산소의 존재 하에 노출되었을 경우, 매우 용이하게 산화가 진행되고, 입자 표면에 산화 피막이 생성되거나 입자 전체가 산화되는 문제가 생긴다. 이 때문에, 대기 중에서 제조·사용되는 피복 구리 미립자의 제조에 있어서는 탄소 수가 12 이상인 장쇄의 알킬아민을 주성분으로 한 반응 매체 중에서 복합 화합물의 열분해를 실시하는 것이 실용적인 피복 구리 미립자를 제조하는 점에서 좋다.

복합 화합물의 열분해시에 사용하는 알킬아민은, 전술한 바와 같이 제조하는 피복 구리 미립자의 목적 등에 따라 적절하게 선택된다. 분자 내에 하나의 아미노기를 가진 알킬아민(모노아민)으로서는, 예를 들면 2-에톡시에틸아민, 디프로필아민, 디부틸아민, 헥실아민, 시클로헥실아민, 헵틸아민, 3-부톡시프로필아민, 옥틸아민, 노닐아민, 데실아민, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 도데실아민, 헥사데실아민, 옥타데실아민, 올레일아민 등의 알킬아민은 공업적으로 제조되어 입수가 용이한 점에서 실용적이다.

특히, 주로 피복 구리 미립자의 유기 용매에의 분산성의 향상이나, 내산화성의 향상을 목적으로 하여 장쇄의 알킬아민을 사용하는 경우에는 자연계에 존재하는 지방산을 아미노기로 치환하여 얻을 수 있는 장쇄의 알킬아민이 입수 용이하고, 공업적으로 바람직하게 사용된다. 특히, 올레일아민은 탄소수가 18임에도 불구하고, 실온에서도 액상이기 때문에, 반응 매체로 할 때 취급이 용이하다.

한편, 분자 내에 2개의 아미노기를 가진 알킬디아민으로서, 예를 들면, 에틸렌디아민, N,N-디메틸에틸렌디아민, N,N＇-디메틸에틸렌디아민, N,N-디에틸에틸렌디아민, N,N＇-디에틸에틸렌디아민, 1,3-프로판디아민, 2,2-디메틸-1,3-프로판디아민, N,N-디메틸-1,3-디아미노프로판, N,N＇-디메틸-1,3-디아미노프로판, N,N-디에틸-1,3-디아미노프로판, 1,4-디아미노부탄, 1,5-디아미노-2-메틸펜탄, 1,6-디아미노헥산, N,N＇-디메틸-1,6-디아미노헥산, 1,7-디아미노헵탄, 1,8-디아미노옥탄 등을 들 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.

복합 화합물의 열분해시에 사용하는 알킬아민은 1종의 알킬아민을 사용하여도 좋지만, 복수의 알킬아민을 혼합하여 사용하여도 좋다. 특히, 반응 매체로서 사용하는 알킬아민은 실온에 있어서 액체인 것이 취급의 용이한 점에서 바람직하기 때문에, 분자량이 크고 실온에서는 고체인 알킬아민을 사용하는 경우에는 분자량이 작은 것과 혼합하여 액상으로 하여 사용하는 것이 좋다. 특히, 장쇄의 알킬아민 중에서, 올레일아민이 실온에서 액상인 것을 이용하여, 올레일아민을 주성분으로 하여 각종의 알킬아민을 혼합하여 사용하는 것이, 제조시 취급과 제조된 피복 구리 미립자의 내산화성을 양립하는 점에서 좋다. 또한, 복수의 알킬아민을 혼합하여 사용함으로써 각 알킬아민의 증기압이 감소하기 때문에, 분자량이 작은 알킬아민을 적당히 혼합하여 사용하는 것은 바람직한 보호막을 얻는 데 유효하다.

복합 화합물의 열분해시에 사용하는 알킬아민의 양은 생성하는 금속 원자의 전부에 알킬아민이 배위 결합을 일으키는 것이 바람직하기 때문에, 생성하는 구리 원자와 등몰량 이상인 것이 좋다. 한편, 혼합되는 알킬아민이 너무 많은 경우에는 반응계 내에서 생성하는 금속 원자의 밀도가 저하하는 결과, 제조되는 구리 미립자의 입자 지름의 편차가 커짐과 동시에, 구리 미립자로서 회수되는 구리 원자의 수율이 저하하는 경향을 볼 수 있다. 이 때문에, 복합 화합물과 혼합되는 알킬아민의 양은 생성되는 구리 원자를 기준으로 하여 1 내지 10배의 몰수가 되도록 하는 것이 적당하다. 또한, 확실하게 생성되는 구리 원자에 확실하게 알킬아민을 배위시키려면 생성하는 구리 원자의 2배 이상의 몰 수로 하는 것이 좋다. 또한, 알킬아민의 분자량이 작은 등의 이유로 이동도를 충분히 기대할 수 있는 경우에는, 생성하는 구리 원자의 6배 이하의 몰 수로 함으로써, 충분히 거의 모든 구리 원자에 대하여 알킬아민을 배위 결합시킬 수 있다.

복합 화합물의 열분해를 실시할 때에는, 알킬아민의 작용을 해치지 않는 범위에서 적절하게 첨가 성분을 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 이 때, 구리 함유 화합물로서 구리의 유기산염이나 무기산염을 사용하는 경우에는 복합 화합물의 열분해에 의하여 생성되는 산의 전리를 억제하는 것이 좋다.

＜피복 구리 미립자＞

본 발명에 관한 피복 구리 미립자는 평균 입자 지름이 50 nm 이하이고, 또한 평균 입자 지름이 20 nm 이하이기 때문에, 그 표면에 설치된 보호막이 탈리함으로써, 통상의 구리 분말과 비교하여 극히 낮은 온도에서도 소결하여 구리 피막을 형성하는 것이 가능하다. 특히, 복합 화합물의 열분해 시에 증기압이 높은 알킬아민을 사용함으로써 탈리가 용이한 보호막이 형성되고, 더 저온에서의 소결이 가능하게 된다. 또한, 비교적 분자량이 큰 알킬아민을 사용하였을 경우에는 강고한 보호막이 형성됨으로써 제조한 피복 구리 미립자의 산화가 방지되어, 대기 중에 있어서도 장기간의 보존이 가능하게 된다. 이 성질을 이용하고, 여러 가지 수법에 의하여, 주로 소망하는 형태의 구리 피막을 형성하기 위하여 사용하는 것이 가능하고, 특히 내열성이 낮은 기판 위에 구리 배선을 형성하는 데 유효하다. 즉, 유기 용매에 분산시켜 잉크상으로 한 것을 잉크젯 프린트 등의 각종 방법으로 소망하는 형상으로 인쇄하고, 불활성 분위기 중에서 소정의 온도로 가열하여 보호 피막을 탈리시킴으로써, 노출된 구리 미분말끼리 소결을 일으키기 때문에, 용이하게 금속 배선 등을 인쇄에 의하여 형성할 수 있다. 또한, 피복 금속 미립자를 페이스트상이나 분말상인 채로 도포한 후에 소결을 실시하는 것도 가능하다.

그 밖에, 피복 금속 미립자의 소결을 일으키게 하는 방법으로서는, 자외선 등의 전자파에 의하여 보호 피막을 탈리시키는 방법, 기계적으로 압력을 가하는 방법으로 보호 피막을 탈리시키는 방법 등에 의하여 보호 피막을 탈리시켜 금속 미립자끼리를 접촉시킴으로써, 통상의 소결 온도보다 매우 낮은 온도로 소결을 일으키게 할 수 있다. 또한, 전기 회로를 인쇄로 형성하는 것 이외에, 본 발명에 관한 피복 금속 미립자를 사용하여 종래의 무전해 도금 등을 대신하여 부도체 표면에 도체층을 형성하거나 금속 사이에 끼워 압압함으로써 금속끼리를 기계적·전기적으로 접합하는 접착층으로 하는 용도로 사용할 수 있다.

이하에, 본 발명에 관한 제조 방법에 의하여 피복 구리 미립자를 제조하는 방법에 대하여, 구리 함유 화합물로서 옥살산구리, 환원성 화합물로서 히드라진의 일수화물을 사용하였을 경우를 예로 들어 더욱 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명에 관한 제조 방법에 의하여 피복 구리 초미립자를 제조할 때에 사용되는 원료는 상기 화합물 및 그 조합에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 적용할 수 있는 범위 내에 있어서 적절하게 선택된 원료 화합물을 사용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

(1) 옥살산구리·히드라진 착체 (복합 화합물)의 합성

실온에 있어서, 과잉량의 히드라진 일수화물 (액체)에 대하여, 청백색의 옥살산구리 분말을 혼합하여 교반함으로써, 양화합물이 착체를 형성하여 보라색의 옥살산구리·히드라진 착체 (복합 화합물)를 얻을 수 있다. 이것은 히드라진을 구성하는 질소가 그의 비공유 전자쌍을 통하여 옥살산구리에 함유된 구리 원자에 배위 결합을 하여 생성된 착체라고 생각된다.

옥살산구리·히드라진 착체의 형성에 있어서는 미리 히드라진 일수화물에 대하여 적당량의 메탄올 등의 희석 용매를 혼합하여 희석함으로써, 착체의 형성을 원활하게 실시할 수 있다. 희석 용매로서는, 히드라진과 상용성을 가짐으로써 그 유동성을 향상시키는 동시에, 옥살산구리나 히드라진과 반응을 일으키지 않는 것이라면 특히 한정되지 않고 임의의 것을 사용할 수 있다.

충분히 교반하여 옥살산구리·히드라진 착체를 생성시킨 후, 원심 분리 등에 의하여, 반응하지 않은 히드라진이나 희석 용매를 제거함으로써, 분말상의 옥살산구리·히드라진 착체를 얻을 수 있다.

(2) 옥살산구리·히드라진 착체의 열분해에 의한 피복 구리 미립자의 제조

상기 옥살산구리·히드라진 착체를 과잉량의 알킬아민과 혼합하여 가열함으로써, 알킬아민 중에서 옥살산구리·히드라진 착체가 분해 반응을 일으켜서, 질소 가스를 방출하는 동시에, 알킬아민 중에 구리 광택을 나타내는 피복 구리 미립자와 옥살산 (또는 알킬아민옥살산염)이 생성된다.

이 반응에 있어서는 옥살산구리와 착체를 형성하고 있던 히드라진이 분해하여, 발생한 수소 원자가 옥살산구리에 있어서의 구리 원자와 치환하여 옥살산을 생성하는 동시에, 환원되어 생성한 원자 상태의 구리가 응집하여 구리 미립자를 형성하고 있는 것으로 추측된다. 또한, 히드라진의 분해에 의하여 발생한 질소 가스가 계외로 방출된 것으로 추측된다.

또한, 피복 구리 미립자를 얻기 위한 복합 화합물로서 불활성 분위기를 형성하기 위하여 충분한 양의 질소 가스 등을 발생하지 않는 것을 사용하는 경우에는, 생성되는 피복 구리 미립자가 열분해를 실시하는 분위기와의 반응에 의하여 오염되거나, 보호막이 분해되거나 하는 것을 방지하기 위하여, 일반적으로는 아르곤 분위기 등의 불활성 분위기 중에서 가열을 실시하는 것이 바람직한 것은 말할 필요도 없다. 또한, 복합 화합물을 알킬아민 중에서 가열하는 온도는 알킬아민의 탈리를 방지하는 관점에서 대체로 사용하는 아민의 비등점 이하의 온도가 좋다.

옥살산구리·히드라진 착체의 분해 반응이 종료한 후, 알킬아민과 옥살산, 또는 그것들이 반응한 알킬아민옥살산염을 분리함으로써, 피복 구리 미립자를 분상물(粉狀物)로서 단리할 수 있다. 이 처리에 있어서는 알킬아민과 상용성을 나타내는 적절한 용매를 혼합한 것에 대하여, 원심 분리 등의 수단을 사용함으로써 피복 구리 미립자를 단리할 수 있다.

(3) 피복 구리 미립자

도 1에는, 상기와 같이 하여, 알킬아민으로서 올레일아민을 사용하여 제조된 피복 구리 미립자의 투과 전자 현미경상 (니혼덴시 JEM-4000 EX)을 나타낸다. 도 1에 도시하는 피복 구리 미립자는 평균 입자 지름이 15.8 nm이고, 거의 균일한 입자 지름을 가지고 있었다. 또한, 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하여 제조된 구리 미립자는 그 보호 피막에 의하여 서로 분리되어 존재하기 때문에, 적절한 용매에 용이하게 나노스케일로 분산시키는 것이 가능하다.

이와 같이 미세하고, 균일한 입자 지름을 가지고, 또한 보호막으로 덮인 구리 미립자를 생성하는 이유는, 옥살산구리·히드라진 착체의 열분해를 알킬아민 중에서 실시하는 점에 있는 것으로 추측된다. 즉, 착체의 열분해에 의하여 환원되어 생성한 구리 원자에 대하여 알킬아민 분자가 배위 결합을 형성하고, 그 상태에서 구리 원자가 응집하여 구리 미립자를 형성하기 때문에, 일정량의 구리 원자가 응집한 단계에서 구리 미립자의 주위에 알킬아민의 보호막이 생성되어, 그 이상의 성장을 일으키지 않기 때문으로 추측된다.

도 2에는, 도 1에 도시하는 피복 구리 미립자의 고분해 투과 전자 현미경상을 나타낸다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하여 제조된 피복 구리 미립자에 있어서는 금속 구리에 일치하는 격자 간격이 관찰되고 있다. 또한, 나노미터 사이즈의 미세한 구리는 대기 중에서 산화되기 쉬움에도 불구하고, 도 2에 나타내는 피복 구리 미립자는 대기 중에서 제조된 후에 분말 상태로 500 시간 정도 대기에 노출된 것임에도 불구하고, 구리 입자 표면까지 구리의 결정 격자가 명확하게 관찰되어, 산화물 등이 생성되지 않은 것을 알 수 있다.

또한, 도 1, 2에 도시한 피복 구리 미립자에 있어서는 제조 후에 대기에 노출된 경우에도, 유의한 중량 변화를 보이지 않고, 분말 X선 회절에서도 산화구리에 유래하는 현저한 시그널이 관측되지 않는다. 이로부터, 본 발명에 관한 피복 구리 미립자에 있어서는 사용하는 알킬아민으로서 비교적 긴 사슬의 것을 선택함으로써, 매우 유효하게 구리의 산화를 방지할 수 있는 보호 피막을 형성할 수 있을 것으로 추측되고, 대기 중에 있어서도 양호한 내산화성을 가지기 때문에, 취급이 용이하고, 장기간의 보존이 가능하게 된다. 또한, 그와 같이 장쇄의 알킬아민을 사용하여 제조한 피복 구리 미립자에서는 톨루엔과 같은 비극성의 분산매에 대하여 피복 구리 미립자를 30 중량% 이상의 고밀도로 분산시키는 것이 가능하다.

그 밖에, 본 발명에 있어서의 피복 구리 미립자는 제조시에 사용하는 알킬아민을 선택함으로써, 극성 용제, 또는 극성과 비극성의 혼합 용제에 대하여 양호하게 분산 가능하게 된다. 또한, 분체 상태로 피처리물에 대하여 적용하는 것도 가능하다. 이와 같은 특징을 이용함으로써, 본 발명에 관한 피복 구리 미립자는 그 용도에 따라서 분산매의 종류, 그 조합 및 혼합비 등의 선택이 넓은 범위에서 가능하게 되고, 그 휘발성이나 점도의 조정 등이 용이하며, 잉크젯 등 여러 가지 인쇄 기술에서 이용 가능한 잉크의 제조에 매우 적합하다.

또한, 전술한 바와 같이, 본 발명에 관한 피복 구리 미립자에 있어서는 보호 피막을 형성하는 알킬아민이 구리 원자에 배위 결합에 의한 비교적 약한 힘으로 결합하고 있고, 비교적 작은 구동력에 의하여 탈리 가능하다. 이 때문에, 피복 구리 미립자를 적절한 휘발성의 분산매에 분산시킨 분산액을 사용하여, 스핀 코트법이나 잉크젯법에 의하여 소망하는 기체 위에 도포를 실시하고, 그 후에 열이나 전자파 외에, 기계적인 에너지 등에 의하여 보호 피막을 제거함으로써, 저온에서 소결을 일으켜 양호한 도전성이나 열전도성을 가진 구리 피막을 형성할 수 있다. 이들 특징에 의하여, 저온에 있어서 기판 위로의 전기 회로의 형성이나 도전성 부여, 각종 부재의 열적인 접합을 용이하게 실시할 수 있다.

이하에, 실시예로서 피복 구리 미립자의 제조법의 일례 및 제조된 피복 구리 미립자의 일례를 나타내지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예

1. 구리 함유 화합물과 환원성 화합물로 이루어지는 복합 화합물의 합성

구리 함유 화합물로서 옥살산구리와 환원성 화합물로서 히드라진 일수화물을 사용하여, 표 1에 나타내는 비율 (실시예 1 내지 4)로, 실온에서 히드라진 일수화물과 반응 매체로서의 메탄올을 미리 혼합한 혼합 용액에 옥살산구리를 투입하여 10 분간 교반함으로써, 옥살산구리·히드라진 착체 (복합 화합물)를 생성시켰다. 히드라진과 혼합함으로써, 옥살산구리는 신속하게 청백색에서 보라색으로 변색하였다. 그 후, 원심 분리에 의하여 미반응의 히드라진과 메탄올을 분리하고, 건조시킴으로써 보라색의 분체를 얻었다.

얻은 보라색의 분체를 열중량 시차열 동시 분석 (시마즈 DTG-60)한 결과를 도 3에 나타낸다. 130℃와 300℃ 부근에 중량 감소가 관측되었다. 130℃ 부근의 중량 감소는 구리 원자에 대하여 배위 결합하고 있던 히드라진 분자의 탈리에 대응하는 것으로 추측되었다. 또한, 그 중량 감소비로부터, 상기 처리로 얻은 보라색의 분체는 옥살산구리 1 분자에 대하여 히드라진 2 분자가 배위 결합하여 이루어지는 옥살산구리·히드라진 착체로 추측되었다. 또한, 300℃ 부근의 중량 감소는 그 중량 감소비로부터, 옥살산 이온의 구리 원자로부터의 탈리에 대응하는 것으로 추측되었다.

2. 피복 구리 미립자의 합성

각 실시예에서 얻은 옥살산구리·히드라진 착체의 전량에 대하여, 표 1에 나타내는 혼합 비율·양의 알킬아민을 가하여, 실온에서 10 분간 교반하여, 현탁액으로 하였다. 교반 후, 혼합액이 들어간 용기를 150℃의 오일 배스 중에서 가열을 실시하였다. 가열에 따라 혼합액으로부터 발포를 일으켜 적화 (赤化)하고, 그 후 1 시간 가열 교반함으로써 구리 광택이 있는 현탁액을 얻었다.

이하에 기재한 바와 같이, 얻은 현탁액 중에는 알킬아민의 보호막으로 피복된 구리 미립자가 현탁되어 있고, 미리 옥살산구리와 히드라진의 착체를 형성함으로써, 가열에 의한 자발적인 분해 반응에 의하여 구리 미립자를 제조하는 것이 가능해졌다.

비교를 위하여, 표 1 중의 비교예의 조건으로, 히드라진을 사용하지 않고 옥살산구리를 알킬아민 중에서 가열하는 실험을 실시하였다. 실험은 히드라진 일수화물을 사용하지 않는 것 이외에는, 실시예 1 내지 4와 같이 실시하였다.

그 결과, 올레일아민 중에서 옥살산구리를 150℃로 가열함으로써, 옥살산구리가 녹색으로 변색하고 착화합물을 형성하는 것이 관찰되었지만, 이 착화합물을 올레일아민의 비등점인 350℃ 정도까지 가열하여도 금속 구리 입자는 생성되지 않았다.

또한, 위에서 사용한 알킬아민은 실험상 취급을 간편하게 할 목적으로, 장쇄의 알킬아민 중에서, 실온에서 액상인 올레일아민 (탄소수 18) 을 기본으로 하고, 각각 고체의 옥타데실아민 (탄소수 18), 헥사데실아민 (탄소수 16)을 적절하게 혼합·용융하여 사용하였다. 또한, 적절하게, 중쇄·단쇄의 알킬아민인 도데실아민 (탄소수 12), 옥틸아민 (탄소 수 8)을 혼합하여, 모두 실온에서 유동성을 가진 상태로 한 것을 사용하였다.

위에서 얻은 현탁액을 헥산으로 희석한 후, 원심 분리를 실시함으로써 미반응의 알킬아민과 생성한 옥살산 및 그것들이 반응한 알킬아민옥살산염을 제거하고, 피복 구리 미립자를 침전물로서 얻었다.

각 실시예에서 사용한 옥살산구리 중의 구리에 대하여, 피복 구리 미립자로서 얻은 구리의 수율 (표 1)을 나타낸다. 피복 구리 미립자를 얻기 위한 복합 화합물로서 옥살산구리·히드라진 착체를 사용하는 경우에는 알킬아민의 종류에 상관없이, 대기 중에서도 대체로 60 내지 65% 정도의 구리의 수율을 얻을 수 있었다. 또한, 상기 구리의 수율은 얻은 피복 구리 미립자의 질량으로부터 보호막으로서 피착되어 있는 알킬아민의 질량을 빼서 얻은 구리의 질량을 기준으로 하여 구한 것이다.

3. 피복 구리 미립자의 평가

도 4에는 얻은 피복 구리 미립자 (실시예 1 내지 4)에 대한 분말 X선 회절 패턴 (리가쿠 MiniFlexII)을 나타낸다. 분말 X선 회절 패턴으로부터, 피복 구리 미립자는 단결정자 사이즈의 평균이 5 내지 7 nm 정도인 금속 구리로 구성되는 것이 나타난다.

실시예 1 내지 4에서 얻은 피복 구리 미립자의 FT-IR 스펙트럼을 측정한 결과, 어느 피복 구리 미립자에 있어서도 2900 cm^-1 부근에 알킬아민의 알킬 사슬에 유래하는 흡수를 볼 수 있고, 본 발명에서 얻은 피복 구리 미립자에는 알킬아민이 함유되어 있는 것이 확인되었다.

도 5에 피복 구리 미립자 (실시예 1 내지 4) 톨루엔 희석 분산액의 자외 가시 흡수 스펙트럼 (시마즈 MultiSpec-1500)을 나타낸다. 모두 570 내지 590 nm에 구리 미립자 특유의 표면 플라스몬 밴드가 관찰되었다. 분산액 중에 있어서도 구리 미립자의 표면이 산화되지 않고 안정적으로 존재하고 있는 것을 알 수 있다.

4. 구리 잉크에 의한 구리 박막의 제작

이하에 설명하는 방법으로, 실시예 2 내지 4에서 얻은 피복 구리 미립자를 각각 구리 잉크로서 사용하여 유리 기판 위에 구리 박막을 형성시켰다. 위에서 제작된 각 피복 구리 미립자 0.15 g에 대하여, 분산매로서의 톨루엔 173 ㎕를 가하ㅇ여, 피복 구리 미립자의 50 wt%의 분산액을 조제하고, 이것을 구리 잉크로 하였다. 각 구리 잉크의 100 ㎕를 스핀 코트에 의하여 유리판에 도포하였다. 그 후, 아르곤 분위기 중에서 60℃／min로 300℃까지 가열하여 30 분간 유지하고, 구리 박막을 얻었다.

표 1에는 각 피복 구리 미립자를 사용하여 얻은 구리 박막의 저항값을 나타낸다. 각 저항값은 사탐침법 (四探針法) (쿄와리켄 K-705 RS)에 의하여 측정하였다. 실시예 1 내지 4에서 제조된 피복 구리 미립자를 사용함으로써, 어느 구리 박막도 구리 배선으로서 기능하기에 충분한 낮은 저항을 나타내었다.

5. 구리 페이스트에 의한 구리 박막의 작성

이하에 설명하는 방법으로, 실시예 1에서 얻은 피복 구리 미립자를 사용하여 구리 페이스트를 제작하고, 유리 기판 위에 구리 박막을 형성시켰다. 피복 구리 미립자를 함유하는 페이스트를 제작하기 위하여, 실시예 1에서 얻은 피복 구리 미립자 0.40 g에 대하여 테르피네올 0.30 g과 옥틸아민 0.30 g를 가하고, 하룻밤 교반하여 페이스트로 하였다. 도 6에는 제작한 페이스트 (피복 구리 미립자 함유율: 40wt%)의 사진을 도시한다.

제작한 페이스트를 스핀 코트에 의하여 유리 기판에 도포한 후, 아르곤 분위기 중에서 10℃／min로 300℃까지 가열하여 60 분간 유지하고, 구리 박막을 얻었다. 얻은 구리 박막은 구리 광택을 나타내고, 저항값이 27.7Ω/□ 정도이며, 충분히 도체막으로서 기능하는 것이었다.

6. 피복 구리 미립자의 압착에 의한 구리 박막 (펠릿)의 제작

이하에 설명하는 방법으로, 실시예 1에서 얻은 피복 구리 미립자를 실온에서 압축하여 펠릿을 제작하였다. 실시예 1에서 얻은 피복 구리 미립자 0.18 g을, 실온에서 정제 성형기 (8 mmφ)에 충전하고, 감압한 상태에서 40 kN의 힘으로 10 분간 가압하여 구리 박막 (펠릿)을 제작하였다. 제작한 펠릿은 구리 광택을 나타내고, 13.2Ω／□의 시트 저항을 나타내었다.

이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 관한 피복 구리 미립자는 기계적 압력으로 보호막이 배제되어 구리 입자끼리 접촉함으로써, 실온에 있어서도 소결이 생기고, 충분한 전도를 일으키는 것으로 밝혀졌다.

Claims

구리를 함유하는 화합물과 환원성 화합물을 혼합하여, 알킬아민 중에서 열분해하여 구리를 생성할 수 있는 복합 화합물을 생성하는 공정과,
상기 복합 화합물을 알킬아민 중에서 가열하여 알킬아민으로 피복된 구리 미립자를 생성하는 공정
을 가진 것을 특징으로 하는 피복 구리 미립자의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 구리 미립자를 생성하는 공정은 220℃ 이하의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 피복 구리 미립자의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 환원성 화합물은 히드라진, 히드록시아민, 또는 그의 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 피복 구리 미립자의 제조 방법.
제1항 또는 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 구리를 함유하는 화합물은 산소계의 배위자에 의하여 구리가 결합하고 있는 화합물인 것을 특징으로 하는 피복 구리 미립자의 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 산소계의 배위자에 의하여 구리가 결합하고 있는 화합물은 옥살산구리인 것을 특징으로 하는 피복 구리 미립자의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 알킬아민에는 탄소수가 12 이상인 장쇄의 알킬아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 피복 구리 미립자의 제조 방법.
구리를 함유하는 화합물에 대하여 환원성 화합물이 배위 결합하여 이루어지는 복합 화합물로서, 알킬아민 중에 있어서 220℃ 이하의 온도로 열분해하여 구리를 생성 가능한 것을 특징으로 하는 복합 화합물.
제7항에 있어서, 상기 환원성 화합물은 히드라진, 히드록시아민, 또는 그의 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 화합물.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 구리를 함유하는 화합물은 산소계의 배위자에 의하여 구리가 결합하고 있는 화합물인 것을 특징으로 하는 복합 화합물.
상기 산소계의 배위자에 의하여 구리가 결합하고 있는 화합물은 옥살산구리인 것을 특징으로 하는 제9항에 기재된 피복 구리 미립자의 제조 방법.