KR20170111475A - 전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법 - Google Patents

전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법 Download PDF

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KR20170111475A
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백승현
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이지용
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

고분자-함유 용액에 분산된 꽃-모양 금속 나노 입자를 포함하는 전도성 잉크 조성물, 및 상기 전도성 잉크 조성물을 이용한 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법에 관한 것이다.

Description

전도성 잉크 조성물 및 이를 이용한 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법{CONDUCTIVE INK COMPOSITION AND FORMING METHOD OF CONDUCTIVE PATTERN OR FILM USING THE SAME}
본원은, 꽃-모양 금속 나노 입자를 포함하는 전도성 잉크 조성물 및 상기 전도성 잉크 조성물을 이용한 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법에 관한 것이다.
최근 금속 나노 입자를 이용한 잉크 개발이 이루어지고 있으며, 전자 산업에서 전도성 페이스트 또는 전도성 나노 잉크 기술은 최근 디스플레이 산업 등의 대형화 및 공정 단순화에 의한 생산성과 원가 절감 및 환경적인 측면에서 크게 각광 받고 있다.
이와 같은 도전성 금속 나노 잉크는 균일한 입도와 우수한 분산성을 요구하며, 이러한 금속 나노 잉크에 사용되는 균일한 입도의 금속 나노입자는 대부분 용액에 분산되어 합성되는 화학적 방법으로 만들어지고 있다. 이와 같이, 금속 나노입자가 분산된 콜로이드 용액을 전도성 나노 잉크로 만들기 위해서 금속 나노입자들의 각 용매에 대한 분산이 중요시 되고 있다.
기존의 금속 나노 입자 기반의 전도성 잉크는, 금속 중에서도 은의 고전도성으로 인해 전자 소재를 위한 인쇄 공정에서 은 나노 입자 기반의 전도성 잉크가 사용되어 왔다. 은 나노 입자의 높은 단위 체적당 표면적 비율로 인해 은 벌크 입자를 사용하는 경우에 비해 소결 온도를 낮출 수 있지만, 고전도성을 위해서는 약 200℃ 내지 약 300℃의 소결 온도가 요구되며, 이로 인해 유연성 전극에서 사용되는 유연성 기재의 녹는점보다 높은 온도에서의 소결이 요구되어 실제적 활용에 있어서 제한점이 있다는 단점을 갖고 있다. 따라서, 유연성 기판을 활용한 전자소자, 전기적 인터커넥터 구현 등을 위한 인쇄전자 공정에 있어서 전도성 잉크의 실제적 활용 범위를 확장하기 위해서는 저온에서 소결하여 고전도성을 나타내는 전도성 잉크의 개발이 요구된다.
한편, 대한민국 공개특허 제2008-0013787호는, "은 나노입자 및 은 나노 콜로이드의 제조방법, 및 상기 은 나노입자를 포함하는 은 잉크조성물"에 대하여 개시하고 있다.
본원은, 고분자-함유 용액에 분산된 꽃-모양 금속 나노 입자를 포함하는 전도성 잉크 조성물, 및 상기 전도성 잉크 조성물을 이용한 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 고분자-함유 용액에 분산된 꽃-모양 금속 나노 입자를 포함하는, 전도성 잉크 조성물을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자-함유 용액은 하이드록시프로필 메틸셀룰로스, 에틸셀룰로스, 폴리비닐피롤리돈, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자는 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자는 약 10 nm 내지 약 20 nm의 크기의 꽃잎 모양을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 잉크 조성물은 약 75℃ 이상의 온도 에서 소결되어 고전도성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 전도성 잉크 조성물을 기재 상에 도포한 후 소결하여 전도성 패턴 또는 막을 형성하는 것을 포함하는, 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기재는 유연성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 소결은 약 75℃ 이상의 온도에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 도포는 롤투롤 방법, 잉크젯 인쇄법, 옵셋 인쇄법, 스크린 인쇄법, 패드 인쇄법, 그라비아 인쇄법, 플렉소 인쇄법, 스텐실 인쇄법, 임프린팅, 리소그라피, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 인쇄 방법에 의해 인쇄되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 전도성 잉크 조성물에 포함된 꽃-모양 금속 나노 입자는 약 20 nm 이하의 크기의 꽃잎 모양을 가지며, 이로 인해 일반적인 금속 나노 입자에 비해 단위체적당 표면적 비율이 증가됨으로써 낮은 소결 온도에서도 융해가 가능하여 기존의 잉크 조성물보다 낮은 소결 온도에서 높은 전기전도성을 제공할 수 있다. 또한, 고분자-함유 용액 내에서 꽃-모양 금속 나노 입자가 안정적인 분산성을 가지며, 단일 스텝으로 합성이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 본원에 따른 전도성 잉크 조성물은 인쇄 공정에서 낮은 소결 온도 및 분산성으로 인해 융해 온도가 낮은 유연성 기재를 이용한 전자소자 제조시 유용하게 사용될 수 있으며, 전기적 인터커넥터 구현을 위한 인쇄전자 공정에도 적용 가능하다.
본원의 일 구현예에 따른 전도성 잉크 조성물을 이용한 인쇄전자 기술(전도성 패턴 또는 막 형성)을 통해 낮은 공정 비용으로 유연한 대면적 또는 초소형 전자소재 및 디바이스 제작이 가능하다.
도 1은, 본원의 일 실시예에 있어서, 전도성 잉크 조성물 및 이의 안정적 분산성을 나타내는 사진이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 전도성 잉크 조성물을 이용하여 인쇄된 샘플의 사진이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 소결 온도에 따른 저항을 비교한 그래프이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 소결 온도에 따른 전기전도성을 비교한 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 비교예에 따른 고분자-함유 용액을 첨가하지 않은 전도성 잉크 조성물을 나타낸 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "꽃-모양 나노 입자"라는 용어는 "나노플라워(nanoflower)"라고도 불리우고, "NF"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 1 측면은, 고분자-함유 용액에 분산된 꽃-모양 금속 나노 입자를 포함하는, 전도성 잉크 조성물을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자-함유 용액은 하이드록시프로필 메틸셀룰로스(hydroxypropyl methyl cellulose, HPMC), 에틸셀룰로스(ethyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자는 전기전도도가 우수한 금속이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자는 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자는 약 10 nm 내지 약 20 nm의 크기의 꽃잎 모양을 가지는 것일 수 있으며, 상기 꽃잎 모양으로 인해 상기 꽃-모양 금속 나노 입자의 단위체적당 표면적 비율을 증가시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자의 꽃잎 크기는 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 18 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 약 10 nm 내지 약 12 nm, 약 12 nm 내지 약 20 nm, 약 15 nm 내지 약 20 nm, 또는 약 18 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자는 약 200 nm 내지 약 800 nm의 크기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자의 크기는 약 200 nm 내지 약 800 nm, 약 200 nm 내지 약 700 nm, 약 200 nm 내지 약 600 nm, 약 200 nm 내지 약 500 nm, 약 200 nm 내지 약 400 nm, 약 200 nm 내지 약 300 nm, 약 300 nm 내지 약 800 nm, 약 400 nm 내지 약 700 nm, 또는 약 500 nm 내지 약 600 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 잉크 조성물은 증가된 단위체적당 표면적 비율에 의해 약 75℃ 이상의 온도에서 소결되어 고전도성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전도성 잉크 조성물의 소결 온도는 약 75℃ 이상, 약 120℃ 이상, 약 75℃ 내지 약 300℃, 약 75℃ 내지 약 250℃, 약 75℃ 내지 약 200℃, 약 75℃ 내지 약 150℃, 약 75℃ 내지 약 120℃, 약 120℃ 내지 약 250℃, 약 120℃ 내지 약 200℃, 또는 약 120℃ 내지 약 150℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 전도성 잉크 조성물은, 금속 전구체 수용액, 염기성 염 수용액, 및 촉매제 수용액을 가열하고; 상기 가열된 각각의 상기 금속 전구체 수용액, 상기 염기성 염 수용액, 및 상기 촉매제 수용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하고; 상기 혼합 용액을 가열한 후, 상기 혼합 용액에 pH 조절제 및 환원제 용액을 첨가하여 꽃-모양 금속 나노 입자를 수득하고; 및 상기 꽃-모양 금속 나노 입자를 고분자-함유 용액에 분산시켜 전도성 잉크 조성물을 수득하는 것을 포함하는 제조 방법에 의해 제조되는 것일 수 있다.
먼저, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자를 제조하기 위해, 금속 전구체 수용액, 염기성 염 수용액, 및 촉매제 수용액을 각각 가열한 후, 상기 가열된 각각의 수용액들을 혼합하여 혼합 용액을 제조한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 전구체 수용액, 상기 염기성 염 수용액, 및 상기 촉매제 수용액은 각각 탈이온수에 금속 전구체, 염기성 염, 및 촉매제를 첨가하여 제조하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 전구체는 전기 전도도가 우수한 금속의 전구체라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 금속 전구체는 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 염기성 염은, 예를 들어, 구연산 암모늄, 수산화나트륨, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 촉매제는, 예를 들어, 붕산, 염화 알루미늄, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수용액들의 가열 온도는 각각 독립적으로 약 10℃ 내지 약 80℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 가열 온도는 각각 독립적으로 약 10℃ 내지 약 80℃, 약 30℃ 내지 약 80℃, 약 50℃ 내지 약 80℃, 약 70℃ 내지 약 80℃, 약 10℃ 내지 약 70℃, 약 10℃ 내지 약 50℃, 약 10℃ 내지 약 30℃, 또는 약 20℃ 내지 약 30℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 혼합 용액을 가열한 후, 상기 혼합 용액에 pH 조절제 및 환원제 용액을 첨가하여 꽃-모양 금속 나노 입자를 수득한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합 용액의 가열 온도는 약 10℃ 내지 약 80℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 가열 온도는 약 10℃ 내지 약 80℃, 약 30℃ 내지 약 80℃, 약 50℃ 내지 약 80℃, 약 70℃ 내지 약 80℃, 약 10℃ 내지 약 70℃, 약 10℃ 내지 약 50℃, 약 10℃ 내지 약 30℃, 또는 약 20℃ 내지 약 30℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 pH 조절제는, 예를 들어, 암모니아 수용액을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 pH 조절제에 의해 상기 혼합 용액의 pH를 pH 8 내지 pH 11로 조절하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 환원제 용액은, 예를 들어, 아스코르브산, D-글루코오스, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원제 용액의 몰농도는 상기 금속 전구체 수용액 중 금속 양이온의 몰농도와 동일한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원제 용액의 몰농도 및/또는 상기 금속 양이온의 몰농도는 각각 독립적으로 약 0.1 M 내지 약 3 M을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 환원제 용액의 몰농도 및/또는 상기 금속 양이온의 몰농도는 각각 독립적으로 약 0.1 M 내지 약 3 M, 약 0.5 M 내지 약 3 M, 약 1 M 내지 약 3 M, 약 1.5 M 내지 약 3 M, 약 2 M 내지 약 3 M, 약 2.5 M 내지 약 3 M, 약 0.1 M 내지 약 2.5 M, 약 0.1 M 내지 약 2 M, 약 0.1 M 내지 약 1.5 M, 약 0.1 M 내지 약 1 M, 또는 약 0.1 M 내지 약 0.5 M을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수득된 꽃-모양 금속 나노 입자를 건조하는 단계를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수득된 꽃-모양 금속 나노 입자는 약 100℃ 이하의 온도에서 건조시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 건조는 약 100℃ 이하, 약 90℃ 이하, 약 80℃ 이하, 약 70℃ 이하, 약 60℃ 이하, 약 50℃ 이하, 약 40℃ 이하, 약 30℃ 이하, 약 20℃ 이하, 또는 약 10℃ 이하의 온도에서 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 전구체 수용액 중 금속 양이온의 몰농도 및/또는 상기 환원제 용액의 몰농도에 따라 상기 금속 나노 입자의 크기가 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제조된 금속 나노 입자는 꽃-모양 금속 나노 입자만 제조되거나 또는 꽃-모양 금속 나노 입자, 구형 금속 나노 입자, 및 판상형 금속 나노 입자가 혼합되어 생성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자는 약 10 nm 내지 약 20 nm의 크기의 꽃잎 모양을 가지는 것일 수 있으며, 상기 꽃잎 모양으로 인해 상기 꽃-모양 금속 나노 입자의 단위체적당 표면적 비율이 증가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자의 꽃잎 크기는 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 18 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 약 10 nm 내지 약 12 nm, 약 12 nm 내지 약 20 nm, 약 15 nm 내지 약 20 nm, 또는 약 18 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
마지막으로, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자를 고분자-함유 용액에 분산시켜 전도성 잉크 조성물을 수득한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고분자-함유 용액은 하이드록시프로필 메틸셀룰로스, 에틸셀룰로스, 폴리비닐피롤리돈, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 잉크 조성물은 고분산성을 가지며, 상기 꽃-모양 금속 나노 입자가 고분자-함유 용액 내에서 일정 시간이 경과하여도 안정적인 분산성을 나타낼 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 전도성 잉크 조성물을 기재 상에 도포한 후 소결하여 전도성 패턴 또는 막을 형성하는 것을 포함하는, 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법은, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 전도성 잉크 조성물에 대하여 기술된 내용을 모두 적용할 수 있으며, 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기재는 유연성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기재는 PET(polyethylene terephthalate), PI(polyimide), PC(polycarbonate), PDMS(polydimethylsiloxane), PAN(polyacrylonitrile), PMMA[poyl(methyl methacrylate)], PVDF(polyvinylidene fluoride), PANI(polyaniline), 유리, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 소결 온도는 상기 전도성 잉크 조성물이 고전도성을 나타내기 시작하는 온도 이상, 즉, 상기 전도성 잉크 조성물에 포함된 꽃-모양 금속 나노 입자의 꽃잎이 융해되어 상기 꽃-모양 금속 나노 입자 간의 융합이 발생하는 온도라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있으며, 예를 들어, 약 75℃ 이상 또는 약 120℃ 이상의 온도일 수 있고, 또한 유연성 기재의 융해점 미만의 온도, 예를 들어, 약 200℃ 미만의 온도일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 소결은 약 75℃ 이상의 온도에서 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 소결 온도는 약 75℃ 이상, 약 120℃ 이상, 약 75℃ 내지 약 300℃, 약 75℃ 내지 약 250℃, 약 75℃ 내지 약 200℃, 약 75℃ 내지 약 150℃, 약 75℃ 내지 약 120℃, 약 120℃ 내지 약 250℃, 약 120℃ 내지 약 200℃, 또는 약 120℃ 내지 약 150℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 패턴은 오목부 및 볼록부의 요철(凹凸) 형상을 포함하는 패턴을 포함하는 것으로서, 상기 패턴의 형상은, 예를 들어, 음각, 양각 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 형상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 패턴은 규칙적인 배열을 가지는 정형 패턴 또는 불규칙적인 배열을 가지는 비정형 패턴일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 도포는 인쇄전자 공정에서 일반적으로 사용되는 인쇄 방법이라면 제한 없이 사용 가능하며, 예를 들어, 상기 도포는 롤투롤 방법, 잉크젯 인쇄법, 옵셋 인쇄법, 스크린 인쇄법, 패드 인쇄법, 그라비아 인쇄법, 플렉소 인쇄법, 스텐실 인쇄법, 임프린팅, 리소그라피, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 인쇄 방법에 의해 인쇄되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 인쇄전자 공정은 전자회로 또는 전자제품을 프린트 공정으로 찍어내는 방법을 의미하는 것으로서, 예를 들어, 각종 디스플레이(플렉서블 디스플레이), 메모리, 센서, 조명, 전지, 터치패널 등에서 활용될 수 있다.
이하, 실시예를 참조하여 본원을 좀더 자세히 설명하지만, 본원은 이에 제한되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1 및 2: 꽃- 모양 은 나노 입자를 이용한 전도성 잉크 조성물
1. 꽃- 모양 은 나노 입자의 제조
질산 은(silver nitrate, AgNO3)을 탈이온수 50 mL에 첨가하여 0.1 M 또는 0.3 M의 AgNO3 수용액을 제조하였다. 구연산 암모늄(ammonium citrate dibasic)을 50 mL 의 탈이온수에 첨가하여 0.15 M의 구연산 암모늄 수용액을 제조하였다. 붕산(boric acid)을 탈이온수 50 mL에 첨가하여 0.5 M의 붕산 수용액을 제조하였다. 각각의 상기 질산 은 수용액, 상기 구연산 암모늄 수용액, 및 상기 붕산 수용액을 50℃가 될 때까지 가열하였다. 상기 가열된 각각의 상기 질산 은 수용액, 상기 구연산 암모늄 수용액, 및 상기 붕산 수용액을 500 mL 비커에 넣고 혼합 용액을 제조하여 50℃에서 2 분 동안 교반하였다. 이어서, 상기 혼합 용액의 색이 투명해질 때까지 암모니아 수용액(ammonia solution)을 첨가하였다. 한편, 아스코르브산(L-ascorbic acid)을 50 mL의 탈이온수에 첨가하여 0.3 M의 아스코르브산 수용액을 제조하였다. 이어서, 상기 암모니아 수용액이 첨가된 혼합 용액에 상기 아스코르브산 수용액을 상기 질산 은 수용액과 동일한 농도로 첨가하였다. 상기 아스코르브산 수용액을 첨가 후 30 분간 교반하였다. 상기 교반 과정에서 상기 혼합 용액의 색이 어두운 갈색으로 변화하였고, 이 때 꽃-모양 은 나노 입자가 형성되었다.
어두운 갈색을 띠는 상기 혼합 용액을 Electrical Aspirator VE-11(Lab companion)을 이용하여 15 분 이상 진공 여과하였고, 탈이온수를 이용한 세척 과정을 거쳐 고체 파우더 형태의 꽃-모양 은 나노 입자를 수득하였다. 상기 수득된 꽃-모양 은 나노 입자는 50℃ 오븐에서 12 시간 동안 건조되었다.
이때, 0.1 M의 AgNO3 수용액을 이용하여 제조된 꽃-모양 은 나노 입자는 250 nm 내지 300 nm의 크기를 가졌으며(Ag NF1), 0.3 M의 AgNO3 수용액을 이용하여 제조된 꽃-모양 은 나노 입자는 350 nm 내지 400 nm의 크기를 가지는 것을 확인하였다.
2. 전도성 잉크 조성물의 제조
이어서, 상기 건조된 꽃-모양 은 나노 입자 3 wt%를 0.3 wt% 하이드록시프로필 메틸셀룰로스(HPMC) 수용액에 초음파 팁 교반기를 이용하여 분산시켜 전도성 잉크 조성물을 제조하였다.
이때, 각각 250 nm 내지 300 nm의 크기를 가지는 꽃-모양 은 나노 입자(Ag NF1, 실시예 1), 및 350 nm 내지 400 nm의 크기를 가지는 꽃-모양 은 나노 입자(Ag NF2, 실시예 2)를 사용하여 전도성 잉크 조성물을 제조하였다.
도 1은, 상기 제조된 전도성 잉크 조성물의 사진으로서, 일정 시간이 지난 후에도 안정적인 분산성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 3: 전도성 막의 제조
상기 실시예 1 및 2에서 제조된 전도성 잉크 조성물(Ag NF1 및 Ag NF2)을 각각 플라스틱 기판에 도포한 후 건조시키고, 소결 온도에 따른 전기전도성을 비교하기 위하여 50℃ 내지 300℃의 다양한 온도에서 소결하여 전도성 막을 형성하였다.
도 2는, 본 실시예 2에서 제조된 전도성 막이 형성된 플라스틱 기판의 사진이다.
비교예 1
비교예로서 시판되는 은 나노 입자 잉크(796042, Sigma Aldrich)를 사용하였다.
또한, 상기 은 나노 입자 잉크를 이용하여 실시예 3과 동일한 방법으로 전도성 막을 형성하였다.
본 비교예에서 사용된 은 나노 입자 잉크는 트리프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르(tripropylene glycol mono methyl ether) 중에 은 나노 입자가 50 wt% 농도로 분산된 것으로서, 은 나노 입자의 크기는 115 nm였다.
비교예 2
HPMC의 유무에 따른 분산성을 확인하기 위하여, 상기 실시예와 동일한 방법으로 꽃-모양 은 나노 입자를 제조한 후, HPMC를 첨가하지 않고 전도성 잉크 조성물을 제조하였으며, 이를 도 5에 나타내었다.
실험예 1: 전도성 잉크 조성물의 분산성
상기 실시예 1에 따라 제조된 전도성 잉크 조성물의 분산성 및 분산의 안정성을 확인하기 위하여, 1 개월 동안 방치시켰으며, 이를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타난 바와 같이, 꽃-모양 은 나노 입자는 한 달이 지난 후에도 하이드록시프로필 메틸셀룰로스(HPMC) 용액 내에서 안정적인 분산성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
또한, HPMC의 유무에 따른 분산성을 확인하기 위하여, 비교예 2의 전도성 잉크 조성물을 15 시간 동안 방치하여 분산성을 확인하였으며, 이를 도 5에 나타내었다. 도 1 및 도 5를 비교해 보면, 본 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물이 HPMC에 의해 분산성이 현저히 향상되었음을 확인할 수 있다.
실험예 2: 전도성 막의 전기전도도 측정 및 비교
상기 실시예 3 및 비교예 1에서 전도성 막의 소결 온도에 따른 저항 및 전기전도도를 측정하여 전기전도성 평가를 실시하였으며, 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
꽃-모양 은 나노 입자 기반의 전도성 잉크는 약 120℃에서 낮은 저항(0.04 Ω 내지 0.05 Ω) 및 높은 전기전도도(85,000 S/cm-1 내지 90,000 S/cm-1)를 나타내었으며, 따라서 기존의 은 나노 입자 기반의 잉크에 비해 낮은 소결 온도(약 120℃)에서 고전도성에 도달함을 확인하였다.
구체적으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 비교예 1(녹갈색)의 시판되는 은 나노 입자 잉크를 사용한 전도성 막의 경우, 소결 온도가 약 250℃ 내지 약 300℃ 부근에서 낮은 저항에 도달하는 반면, 상기 실시예 1(흑색) 및 2(적색)에 따른 꽃-모양 은 나노 입자 기반의 전도성 잉크를 사용한 전도성 막(Ag NF1, Ag NF2)의 경우, 약 75℃부터 저항이 낮아지기 시작하여 약 120℃에서 낮은 저항에 도달하였다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 비교예 1(적색)의 경우, 소결 온도가 약 250℃ 내지 약 300℃ 부근에서 높은 전기전도도에 도달하는 반면, 상기 실시예 2(Ag NF2, 청색)의 경우, 약 75℃부터 전기전도도가 높아지기 시작하여 약 120℃에서 높은 전기전도도에 도달하였으며, 따라서, 본 실시예에 따른 전도성 잉크 조성물이 더 낮은 소결 온도에서 우수한 전기전도성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 1 및 2에서 제조된 꽃-모양 은 나노 입자는 상기 입자의 외부에 형성된 꽃잎 모양 부분이 약 10 nm 내지 약 15 nm의 크기로 형성되어 일반적인 구형의 은 나노 입자에 비해 높은 단위체적당 표면적을 갖게 되며, 이에 따라 기존의 은 나노 입자 잉크에 비해 낮은 온도에서 융해될 수 있었다. 따라서, 꽃-모양 은 나노 입자를 이용하여 전도성 잉크를 제조함으로써 약 120℃의 낮은 소결 온도에서도 높은 전기전도성을 달성할 수 있었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 고분자-함유 용액에 분산된 꽃-모양 금속 나노 입자를 포함하는, 전도성 잉크 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자-함유 용액은 하이드록시프로필 메틸셀룰로스, 에틸셀룰로스, 폴리비닐피롤리돈, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 고분자를 포함하는 것인, 전도성 잉크 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 꽃-모양 금속 나노 입자는 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것인, 전도성 잉크 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 꽃-모양 금속 나노 입자는 10 nm 내지 20 nm의 크기의 꽃잎 모양을 가지는 것인, 전도성 잉크 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 잉크 조성물은 75℃ 이상의 온도에서 소결되어 고전도성을 가지는 것인, 전도성 잉크 조성물.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 전도성 잉크 조성물을 기재 상에 도포한 후 소결하여 전도성 패턴 또는 막을 형성하는 것
    을 포함하는, 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기재는 유연성을 가지는 것인, 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 소결은 75℃ 이상의 온도에서 수행하는 것인, 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 도포는 롤투롤 방법, 잉크젯 인쇄법, 옵셋 인쇄법, 스크린 인쇄법, 패드 인쇄법, 그라비아 인쇄법, 플렉소 인쇄법, 스텐실 인쇄법, 임프린팅, 리소그라피, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 인쇄 방법으로 인쇄되는 것을 포함하는 것인, 전도성 패턴 또는 막의 형성 방법.

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