Preparation and Characterization of Silver Nanoparticle ink and Paste for Electronic Device Applications

Abstract

최근 평판디스플레이, 유기박막트랜지스터, 태양전지, 및 반도체패키징 등의 수 마이크로 미터 이상의 패턴 정밀도가 요구되는 전자기기들의 제조에 있어서 포토리소그라피 공정의 고비용, 저효율 등의 문제를 해결하고자 기판에 직접 인쇄가 가능한 다양한 패터닝 방법에 대한 관심이 높아지고 있다. 스크린 프린팅, 그리비아 인쇄, 및 잉크젯 인쇄법이 그 대표적인 예로서, 이러한 인쇄법을 이용한 광범위한 전자재료들의 적용이 보고되고 있으며, 특히 대표적인 전도성 재료로서 은 (Ag) 나노 입자는 각종 전자기기에서 전극 및 배선재료로서 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 첫 번째로, 잉크젯 인쇄용으로 사용이 가능한 카르복실산 은화염 용액으로 구성된 잉크 및 은 나노입자로 이루어진 잉크의 제조와 특성에 대하여 조사하였다. 잉크젯 인쇄용 잉크는 고농도가 요구되지만 그 점도가 보통 100 mPa?s 이하로 낮아야 하기 때문에 안정화제의 사용이 제한되어 잉크의 안정성이 가장 큰 문제점 중의 하나이다. 따라서 본 연구에서는 입자로 이루어진 잉크가 아닌 열환원이 가능한 은화염 용액으로 이루어진 잉크를 제조하고 평가하였다. 네오데칸산의 구조적인 효과로 유기용매에 매우 잘 용해됨을 관찰하였고, 따라서 네오데칸산의 은화염을 톨루엔에 용해시켜 제조한 은 용액잉크를 10%의 농도로 제조하여 온도에 따른 전도도 구현을 평가하였다. 또한, 열 환원시에 발생되는 다량의 네오데칸산으로 인하여 160℃ 이하에서는 10-5 Ω/sq. 이하의 면저항을 얻을 수 없었기 때문에, 은 나노입자잉크를 제조하여 실험하였다. 네오데칸산의 은화염 용액잉크에 약한 환원제인 페닐히드라진을 가하여 은 나노입자를 만들고, 해리되는 네오데칸산을 세척하여 은 나노입자를 얻을 수 있었다. 이를 다시 톨루엔에 재분산하여 은 나노입자를 제조한 결과, 그 안정성은 비록 다소 저하되지만 열환원 온도를 130℃까지 낮출 수 있었다. 또한, 열환원 온도를 130℃ 보다 더욱 낮추기 위해서, 은 이온과의 결합력이 네오데칸산 보다 더욱 약함으로 인해 비교적 쉽게 분해될 것으로 생각된 안정화제로서 알킬아민을 사용하였다. 안정화제로서 도데실아민과 옥틸아민을 사용한 경우, 열환원 온도를 100℃와 80℃도 까지 낮출 수 있었다. 반면, 헥실아민을 사용한 경우는 용매에 안정하게 분산되지 않았기 때문에, 은 나노입자 잉크로 사용할 수 없었다. 다른 한편으로 스크린 프린팅용 네오데칸산 은화염 페이스트를 제조하여 자외선 조사에 의한 특성을 평가하였다. 그 결과, 네오데칸산 은화염을 터피네올 용매에서 에틸셀룰로오즈 증점제와 함께 혼합하여 페이스트를 제조하고, 유리기판에 박막을 형성한 뒤, 10분 이상의 자외선 조사를 시키면 은 나노입자가 형성되면서 0.4 Ω/sq. 이하의 면저항 값을 얻을 수 있었다. 마지막으로 앞에서 안정화제로 헥실아민을 사용하여 제조된 은 나노입자를 이용하여, 은 나노입자 페이스트를 제조하였고, 유리 기판위에 박막을 형성한 뒤 이것을 저온에서 열 환원 소성을 하면 금색빛의 반사판을 형성됨을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제조한 은화염의 용액잉크, 및 페이스트, 그리고 은 나노입자잉크는 잉크젯 및 실크스크린 인쇄에 적합하여 다층회로기판 이나 RFID 안테나의 배선 및 플라즈마 디스플레이의 전극 형성 등의 다양한 응용분야에 적용이 가능하리라고 기대된다.; To overcome the problems of photolithography process, such as high cost, expensive facilities, and low efficiency, various direct printing methods have been developed for the patterning process with the precision over a few micrometers. As an ink material in direct printing process, the silver nanoparticles have been intensively studied in various applications, such as bus / address electrode patterns for plasma display (PDP), polymer thin-film transistor (TFT), radio frequency identification (RFID), and grid patterns for photovoltaic cells. In this study, we have prepared the silver complex ink by dispersing silver carboxylate in organic solvents. With the silver complex ink, spin-coated films were fabricated on polyimide substrate and sintered at various temperatures. When sintered above 160?J, the sheet resistance, which is lower than 2.654 ?[/?Z, was obtained for the films. In order to decrease the sintering temperature, another method was investigated by using chemical reduction of the silver complex ink or silver salts with a reducing agent. As a result, the sintering temperature was lowered to 130?J by using the silver nanoparticle inks and to below 100?J by using the alkylamine as a stabilizer. On the other hand, the reduction of silver complex by UV-irradiation was investigated by preparation of silver neodecanoate paste. With the silver neodecanoate paste, metallic silver patterns were obtained by introducing the silk screen printing method. After 10 minutes of UV-irradiation, the surface of silver patterns exhibited the silvery white color and the values of sheet resistance below 0.5 ?[/?Z could be obtained. In addition, a silver nanopaticle paste was prepared with alkylamine-stablilized silver nanoparticles. The color of the glass surface coated with a silver nanoparticle paste became golden color when sintered at low temperature for 10 minutes. Therefore, the inks and pastes prepared in this study are expected to be suitable for ink-jet and silk screen printing and to be applied to circuit patterns for RFID, printed circuit boared (PCB), and electrodes in PDP.