Printed Electronics 적용을 위한 고전도성 금속 나노입자와 유기금속 Complex의 제조 및 평가

Abstract

잉크젯용 전도성 잉크는 주로 미세도선이나 도전막 등을 형성하는 재료로서 주로 입자크기가 수 - 수십 나노미터 크기를 가지는 금속 나노입자가 이용된다. 저가의 원료이면서 높은 전도도를 가지는 Cu 나노입자의 필요성이 꾸준히 언급되고 있으나, Cu의 낮은 안정성, 즉 높은 산화성으로 인해 안정한 Cu 나노입자의 제조에 많은 어려움이 있었다. 또한 나노입자 제조 시 입자의 성장이 매우 빨라 입도가 균일하고 안정한 나노입자의 제조가 어려우며, 무엇보다도 잉크 내에서의 분산안정성이 중요하다. 따라서 잉크 내 나노입자의 분산성 향상을 위해 주로 분자량이 높은 유기물이나 고분자의 분산제를 이용하여 나노입자의 분산을 시도하고 있다. 그러나 이러한 분산제의 경우 일반적으로 분해온도가 높아 소성온도가 증가되어야 한다. 본 연구에서 제조한 잉크젯 Cu 나노입자 및 Complex 잉크는 기본적인 수계용매로서 휘발성 유기물 함량 감소 등의 여러 가지 장점을 가진다. 특히 Complex 잉크의 경우 잉크 내에 입자 등의 고체가 존재하지 않아 별도의 분산제가 필요치 않다. 본 연구에서는 전기분해법을 이용하여 균일하고 안정한 잉크젯용 Cu 나노입자와 저온환원형 Cu Complex 잉크를 경제적이고 독창적인 방법으로 제조하였다. 전기분해법 이용한 제조방법은 금속염 등의 전해질 사용 없이 전기에너지를 이용하여 순수한 물에 소량의 첨가제만으로 균일하고 안정한 잉크젯용 Cu 나노입자와 Complex 잉크를 제조하는 것이다. 제조된 Cu 나노입자는 첨가제의 농도와 인가전압에 따라 입도 및 수율을 제어할 수 있었으며 평균 25 nm 크기의 좁은 입도 분포를 나타내었다. 분산제로서 PVP와 dextran을 용액에 첨가하여 입자를 제조하였을 경우, 입자 합성 시 입자 표면과 PVP와 dextran과의 결합을 통하여 분산성이 향상되었다. 제조된 Cu 나노입자를 용매 치환 없이 잉크젯을 이용하여 패터닝을 시도하였다. 입자간 분산성으로 제팅은 이루어졌으나 안정성이 떨어졌으며, 이후 열처리 중 분산제의 분해가 완전히 이루어지지 않는 문제를 가졌다. 따라서 저온 소성형 잉크로서는 적합하지 않은 것으로 사료되었다. 전기분해법을 이용하여 Cu Complex 잉크를 제조하는 방법 역시 잉크합성 후 여과 및 세척과 같은 여타의 부가공정이 필요치 않다. 이는 금속 Complex을 분자이온 형태로 합성하여 용매내에 금속 이온의 안정화를 향상시켰으며, 결과적으로 고농도의 Cu Complex 잉크를 제조할 수 있었다. 200oC 이하의 환원 및 소성온도에서 Cu로의 완전한 환원이 이루어졌으며, 전기전도도 분석결과 나노입자의 경우보다 전기전도도가 월등히 향상되었음을 알 수 있었다. Complex 잉크는 이온의 용해량을 조절하여 잉크 내 이온 농도를 조절할 수 있었으며, 소량의 저온 분해형 첨가제만을 사용하여 잉크젯용 금속잉크로 사용 시 프린트된 미세도선 및 도전막 등의 전도성 및 특성향상을 가져왔다. 또한 환원/소성 온도와 열처리 분위기, 소성 후 가압처리로 전도도 향상과 보다 치밀한 미세구조를 얻을 수 있었다. 결론적으로 본 연구에서 잉크젯 공정에 효과적으로 이용될 금속 잉크를 성공적으로 제조하였으며, 제조된 잉크를 이용하여 잉크젯 패턴 특성을 관찰한 결과 기존의 기술보다 월등하게 특성이 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 이는 학술적 가치뿐만 아니라 산업적으로도 큰 성과를 가져올 것으로 기대된다.