KR100856681B1 - 전극용 감광성 도전 페이스트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 디스플레이에 사용되는 전극용 감광성 페이스트에 관한 것으로서, 도전성 분말과 무기질계바인더 및 유기 비히클(vehicle)을 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 특히 상기 도전성 분말을 Al 도전성 분말 또는 Ag, Zn 등의 첨가물 등으로 형성함과 아울러 그 직경과 함량을 전기 전도도를 최적화할 수 있는 분포 설계로 한정하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 도전성 분말을 Al 파우더의 분포설계를 통해 형성함으로써, 공기중의 전형적인 소결현상인 네킹(Neckong)을 유발하여 우수한 전기전도성을 확보함과 아울러 제조비용을 절감할 수 있으며, 감광성 페이스트에 Ag,Zn을 첨가하여 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

PDP, 도전성 페이스트

Description

전극용 감광성 도전 페이스트{ Conductive Paste for electrode in Plasma Disdlay Panel}

본 발명은 플라즈마 디스플레이에 사용되는 전극용 감광성 페이스트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도전성 분말을 Al 파우더의 분포설계를 통해 형성함으로써, 공기중의 전형적인 소결현상인 네킹을 유발하여 우수한 전기전도성을 확보함과 아울러 제조비용을 절감할 수 있으며, 감광성 페이스트에 Ag,Zn을 첨가하여 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 도전성페이스트에 관한 것이다.

디스플레이 장치의 대형화 고밀도화, 고정밀화 등에 대한 요구가 높아짐에 따라, 다양한 패턴의 가공 시 기술의 개발이 이루어지고 있으며, 다양한 패턴 가공기술에 적합한 각종의 미세전극 형성용 조성물에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

종래에 PDP 등의 디스플레이 패널, 또는 집적회로 등의 기판표면에 소정의 전극 패턴을 형성하는 방법으로는 일반적으로 스크린 인쇄법을 이용한 패터닝 방법이 사용되어 왔다. 그러나 종래의 스크린 인쇄법은 고도의 숙련도를 요하고 ,스크린에 대한 정밀도가 떨어지기 때문에 고정밀도의 대화면 패턴을 얻기가 힘들다는 단점이 있었으며, 인쇄시 스크린에 의한 단락 또는 단선이 발생할 수 있고, 해상도에 한계가 있어 미세전극을 형상하는데 제한을 받는다는 문제가 있었다.

따라서 최근에는 대면적에 적합한 고 정밀의 전극회로를 형성하기 위하여 감광성 페이스트를 이용한 포토리소그래피법이 개발되었다. 이는 감광성 페이스트를 유리기판등에 전면인쇄한 후 소정의 건조과정을 거치고 나서, 포토마스크가 부착된 자외선 노광장치를 이용하여 노광시킨 다음, 포토마스크로 차광되어 미 경화된 부분을 소정의 현상액으로 현상하여 제거시키고, 이후 경화되어 남아있는 경화막을 소정의 온도로 소성시킴으로써, 패턴화된 전극을 형성하는 방법이다.

또한, 후면판 Address 전극에는 감광성 Silver Paste를 이용하여 인쇄, 소성 후 전극으로 사용하며, 전면판의 Bus 전극에는 감광성 Silver 페이스트를 사용하거나, 스퍼터링을 이용하여 Cr/Cu/Cr 형태의 박막을 증착하여 전극을 형성하기도 한다.

특히 상술한 감광성 Silver 페이스트의 경우, Silver를 주요 도전체로 하고, UV 패터닝이 가능한 유기비히클, 그리고, 기판 Glass 와 밀착력을 향상시키기 위한 글라스 프릿트 분말로 구성되어 있다. 도전체로 사용하는 금속 분말로는 Ag, Au, Cu, Al, Ni, Pt 등을 들 수 있으나, 주로 은 분말이 많이 사용되고 있는데, 이는 도전성이 뛰어나며, 미세분말로 가공이 쉽고, 공기 중에서 소성 시 고온 산화가 발생하지 않는 장점이 있기 때문이다.

그러나, 국제적으로 Silver의 가격이 상승하면서 전극용으로 사용되는 Silver 분말의 가격이 더불어 상승하게 되어, 전극 페이스트의 원재료비 상승을 가 져오게 되었고 , Silver를 전극으로 사용했을 경우, 발생하는 전극 마이그레이션(migration) 현상으로 인해, 플라즈마 디스플레이에서 고해상도의 이미지 구현에 한계를 보이고 있다. 따라서, 이러한 전극 비용상승 및 마이그레이션 현상을 방지하기 위해 전극 페이스트에서 도전 분말로서 귀금속인 Silver를 대체하고자 하는 개발이 활발히 이루어지고 있다.

Silver 를 대체하고자 하는 노력은 Silver에 비해 상대적으로 저가인 "금속 파우더에 Silver를 코팅"하는 형태로 많이 이루어지고 있으며, 한편으로는 전극 페이스트의 저가격화 실현을 위한 방안으로 금속코팅 파우더를 활용하여 감광성 페이스트를 제조하는 방안을 제시하기도 하였다.

그러나, 상기의 코팅을 통하여 도전성페이스트를 조성하는 경우에는 , 현재 플라즈마 디스플레이 전극 형성방식인 공기 분위기에서 소성을 실시하는 경우, 코팅 코아(core) 분말로 사용되는 Cu,Ni의 고온 산화로 인해 적절한 전기 전도도를 확보하기 어려운 문제가 발생했다.

또한, 상기 금속 코팅을 하기 위한 코팅공정을 도입함으로써, 공정비용의 상승으로 인하여 감광성 도전 페이스트의 제조에 있어서의 제조비용이 증가하는 문제도 발생하였다.

특히, 전극용 페이스트에서 고가의 sliver 전극 페이스트는 그 고가의 비용에도 불구하고 전극의 마이그레이션이 발생하며, 특히 Al을 대체하여 적용하여도 공기 중에서 Al이 노출되는 경우 표면에 Al₂0₃ 피막이 형성되어 소결성이 저해되어 고온 소성이 어려운 제조상의 문제점도 발생하였다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 도전성 분말을 Al 파우더의 분포설계를 통해 형성함으로써, 공기 중에서도 고온소성공정이 가능하게 하여 전극의 마이크레이션 없는 우수한 전기전도성 페이스트을 확보함과 아울러 제조비용을 절감할 수 있으며, 감광성 페이스트에 Ag,Zn을 첨가하여 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 도전성페이스트를 제공함에 있다.

본 발명은 전극용 감광성 도전 페이스트에 있어서, 금속물질로 코팅을 하지 않은 구형의 직경이 3~10㎛인 알루미늄 도전성 분말 30~80wt%와 무기질계 바인더 1~10wt% 및 유기비히클을 혼합하는 분포설계로 이루어지되, 상기 알루미늄 도전성 분말 중량 중에 아연(Zn) 금속분말이 10~35wt%를 포함하며, 상기 도전성 페이스트와 무기질계 바인더 및 유기비히클을 공기 중에서 소결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극용 감광성 페이스트를 제공하여 상기 과제를 해결하고자 한다.

본 발명에 따르면, 도전성 분말을 Al 파우더의 분포설계를 통해 형성함으로써, 공기 중의 전형적인 소결현상인 네킹(Necking)을 유발하여 공기 중에서도 고온 소성 공정을 진행하여 우수한 전기전도성을 확보함과 아울러 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, Al 감광성 페이스트에 Ag, Zn을 첨가하여 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 도전성 분말과 무기질계바인더 및 유기 비히클(vehicle)을 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 도전성 분말은 알루미늄 도전성 분말을 포함하여 이루어지되, 상기 도전성 분말의 함량은 상기 감광성 도전 페이스트 총 질량의 30~80 wt%인 것을 특징으로 하는 전극용 감광성 도전 페이스트를 제공하여,공기 중에서도 전형적인 소결현상을 유발시켜, 전극의 전도도를 우수하게 구현할 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 상기 알루미늄 도전성 분말은 직경이 1~10 um 인 구형분말인 것을 특징으로 하는 전극용 감광성 도전 페이스트를 제공하여, 공기 중에서의 고온 소성에 의한 소결현상(Necking)을 가능하게 하여 제조공정의 효율성을 도모할 수 있도록 한다. 특히, 상기의 직경의 범주보다 큰 경우에는 패턴의 해상도를 저해하고, 작은 경우에는

또한, 본 발명은 상기 무기질계 바인더는 총 질량의 1~10wt%이며, 상기 유기바인더는 10~60wt%를 배합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극용 감광성 도전 페이스트를 제공하여 상대적으로 전극 페이스트의 저가격화를 실현하면서도 공기 중 고온 소성 공정에서도 전기전도도를 확보할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 상기 도전성 분말은 알루미늄(Al) 도전성분말과 은(Ag) 금속분말은 혼합하여 이루어지되, 상기 혼합되는 은(Ag)금속분말은 상기 도전성 분말 의 16~99wt% 인 것을 특징으로 하는 전극용 감광성 도전 페이스트를 제공하여 전기 전도도를 향상시킬 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명은 상기 도전성 분말은 알루미늄(Al) 도전성분말과 은(Ag) 금속분말은 혼합하여 이루어지되, 상기 혼합되는 은(Ag)금속분말은 상기 도전성 분말의 90~99wt% 인 것을 특징으로 하는 전극용 감광성도전 페이스트를 제공하여 전기 전도도를 향상시킬 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명은 상기 도전성 분말은 알루미늄(Al)과 아연(Zn) 금속분말은 혼합하여 이루어지되, 상기 혼합되는 아연 금속분말은 상기 도전성 분말의 50wt% 미만인 것을 특징으로 하는 전극용 감광성 도전 페이스트를 제공하여, Al의 소결성을 향상시켜 비저항을 감소시킴으로써, 보다 우수한 품질을 구현할 수 있도록 한다.

또한, 상기 도전성 분말은 알루미늄(Al)과 아연(Zn) 금속분말은 혼합하여 이루어지되, 상기 혼합되는 아연 금속분말은 상기 도전성 분말의 35wt% 미만인 것을 특징으로 하는 전극용 감광성 도전 페이스트를 제공하여, Al의 소결성을 향상시켜 비저항을 감소시킴으로써, 보다 우수한 품질을 구현할 수 있도록 한다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 감광성 페이스트의 조성물은 기본적으로 도전성 분말과 무기질계 바인더(Glass frit), 유기 비히클로 구성된다.

특히 본 발명에서는 상기의 도전성 분말이 Al 파우더로 이루어지는 것이 바 람직하다. 상기 Al 파우더의 경우에는 공기 중에 노출시, 표면에 얇은 Al₂O₃ 피막이 형성되어 소결성을 저해시키게 된다. 금속 파우더가 소결이 일어나지 않게 되면, 전도도를 확보할 수 없게 되는데, 실제 Al의 융점이 660℃인데 비해, 수 ㎛ Size의 파우더상일 경우, 700℃ 이상에서도 완전한 소결이 잘 일어나지 않는 특성을 가지고 있다. 그래서, Al 파우더를 원활히 소결시키기 위해서는 진공이나 불활성 개스 분위기에서 고온 가압의 형태를 취해야 한다.

아울러, 본 발명의 바람직한 일 실시예로서의 Al의 직경은 1~10um 인 구형분말인 것이 바람직하며, 이는 상기 Al 직경의 범주에 비해 Size가 더 크게 되면 패턴의 해상도를 저해하게 되고, 작게 되면 산화피막의 상대 비율이 증가하여 소결성이 저해되기 때문이다.

즉 본 발명에서는 Al 파우더의 소결을 공기 중에서도 이루어지게 하는 Al의 밀도 및 형상을 한정하여 플라즈마 디스플레이 전극에서 silver를 대신하여 전극 페이스트의 저가격화를 실현하면서, 공기 중 고온 소성 공정에서도 전기 전도도를 확보 할 수 있고, 전극의 마이그레이션 없는 고전도성 감광성 전극 페이스트 조성물을 확보하는 것을 요지로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.

{실험예 1- Al 감광성 페이스 조성물 제조 및 이를 이용한 전기 저항 특성}

Al 파우더를 이용하여 감광성 페이스트를 제조한 후 전극으로 사용하기 위해서는 전도도의 확보가 가장 중요하다. 이는 Al 파우더가 소결이 원활하지 못하기 때문인데, 이에 본 발명에서는 Al 파우더 Size 및 그 분포의 설계를 통해 파우더 밀도를 최적화하고, 함량비를 조절하여 전도도를 확보하였다.

Al 파우더의 소결 밀도를 최적화하기 위해, 파우더 설계를 실시하였다. 파우더의 설계는 파우더 직경 3~10㎛의 범위에서 파우더 밀도를 최대화할 수 있는 이론 밀도를 계산하여 그 Size의 Al 파우더를 조합하였다.

금속 분말로는 Al 파우더를 사용하였고, 실시예 #1 ~#6까지 무게비로 하여 30~ 80wt%로 함유하고, 글라스 프릿으로는 입경이 약 1㎛, Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2, 중량 약 5wt%, 유기 비클로는 아크릴계 폴리머, Functional Monomer, 트리메틸 펜틸 포스핀 옥사이드 그리고 솔벤트로는 카비톨 에세테이트 및 기타 첨가제를 사용하였다.

그리고, 이렇게 배합된 감광성 페이스트를 3 Roll Mill을 통해 분산시킨 후, 필터링을 통해 큰 입자를 제거하고, 탈포를 통해 기포를 제거하였다.

전극 제조 방식은 기판으로는 PD200 Glass, 제판으로는 SUS325, 건조는 150℃ 20분, 노광은 100~500mJ/㎠, 현상은 0.4% Na₂CO₃ 수용액, 그리고, 소성은 560℃ 30분을 실시하였다.

{표1-Al 파우더의 함량에 따른 비저항의 측정}

Al 파우더의 경우, 700℃이하 공기 중에서 소결을 하게 되면, 표면에 발생한 자연산화 피막(Al₂O₃)에 의해, 귀금속인 Ag에 비해 소결 밀도가 우수하지 못하다. 그러나, 파우더의 탭밀도가 우수하게 파우더 Size 분포를 조절하게 되면, 파우더간 네킹(Necking)을 유발시킬 수 있어, 우수한 전도특성을 확보 할 수가 있다. 그리고, Al 파우더는 Ag에 비해 UV 반사능력이 뛰어나 80wt% 고형분량에도 UV Lithography를 통해 형상을 패터닝 할 수 있으며, 표면 산화층의 뛰어난 반응성으로 인해, 분산제와의 뛰어난 매칭성으로 적합한 분산제 선택의 폭이 넓은 장점을 가지고 있어, 분산성을 우수하게 할 수 있다.

{실험례2- 2원계 금속 분말의 감광성 페이스트 전기 저항 특성}

도전 분말로서 Al과 Ag 금속 미분을 혼합한 전극 페이스트의 전기저항 특성에 대한 실험예 이다. 제조 공정은 상기 실험예 1과 동일하다.

상기 항목 #1~3은 전극 페이스트 1kg에 대한 금속 미분의 함량을 60wt%로 하고, Ag를 10, 20, 30wt%로 혼합한 전극 페이스트의 비저항 특성이다. Ag 함량이 증 가할 수록 저항이 감소하는 경향은 있으나, 순수 Al에 비해 높은 비저항을 나타내고 있다. Ag의 고유저항이 Al에 비해 낮은 값을 가지고 있으나, 혼합하게 되면, Ag와 Al의 금속간 화합물인 g상의 생성으로 비저항 값이 증가한 것으로 판단된다.

상기 항목 #4~7은 Ag에 비해 Al을 미량으로 하여 1.5~6wt%까지 혼합된 전도 페이스트의 저항특성을 나타내고 있다. Ag의 상대 함량이 Al에 비해 많을수록 비저항이 감소하는 경향을 보인다.

특히, #5, #6에서 알 수 있듯이, Al의 첨가량이 3wt%에서 4.5wt%로 증가할 때, 비저항이 10배 증가하는 현상을 볼 수 있다. 이것은 Ag와 Al 사이에 형성되는 금속간 화합물인 γ상의 분포가 Al 3wt% 이상에서 비저항에 큰 영향을 미친 것으로 볼 수 있다. 이렇게 Ag의 상대 함량을 줄이고, 저가의 Al을 첨가하여, 순수 Ag와 흡사한 비저항을 얻게 되면, Ag가 감소한 만큼의 도전분말의 비용을 감소시킬 수 있다.

{실험예 3- 2원계 금속 분말의 감광성 페이스트 전기 저항 특성}

본 실시 예는 Al과 Zn을 혼합하여 감광성 페이스트에서 전기저항을 감소시킨 실험 예 이다. 제조 공정은 상기 실험예 1 및 2와 동일하다.

상기 #1~3은 전극 Paste 1kg에 대한 총 금속 분말의 함량을 60wt%으로 하고, Zn을 10, 20, 30wt%로 혼합하여 비저항을 측정한 값이다.

Zn이 10wt% 일 경우, 6*10^-6 Ω.㎝으로 가장 낮은 값을 나타내고 있으며, Zn의 함량이 증가할수록 비저항이 증가하는 경향을 보이고 있다.

Zn은 고유 비저항이 5.9uW.㎠로서 Al에 비해 약 2.6배 높은 저항값을 가지고 있으나, Al과 Zn의 2상에서는 금속 간 화합물이 거의 형성되지 않아, 금속간 화합물로 인한 저항상승 현상은 발생하지 않으며, 오히려 융점이 낮기 때문에 소결밀도를 향상시킬 수 있는 특징이 있다.

상기와 같은 실험례를 바탕으로 본 발명에 따른 감광성 도전 페이스트는 도전파우더로 Al을 사용하되, 감광특성을 확보하기 위하여 그 형태가 구형인 것이 바람직하다. 특히, 사이즈를 1~10um 로 함이 특히 바람직하다. 만일 사이즈가 상기 수치보다 더 크게 되면 패턴의 해상도를 저해하게 되고, 1um 미만이 되면, 산화피막의 상대 비율이 증가하여 공기 중에서 소결성이 저해되기 때문이다.

또한, 상기 감광성 도전 페이스트의 조성물 중 도전성 분말의 함량은 총 페이스트 무게 비 중 약 30~80wt% 비율인 것이 바람직하다. 이는 Al의 경우 비중이 2.7로서 Ag에 비해 약 3.9배 정도 가벼운 경금속이므로, 부피로는 Ag에 비해 많은 양의 파우더를 함유하게 된다. 따라서 UV를 이용한 패터닝에는 Ag에 비해 불리하다고 볼수 있기 때문이다.

특히, 본 발명에 따른 다른 일실시예로서는 상기 Al 금속분말을 포함하여 이루어지는 상기 도전성 분말은, Ag를 함유하여 구성됨이 바람직하며, 이 경우 상기 함유되는 Ag 금속 분말의 함량은, 상기 도전성 분말의 16~99% 또는 90~99% 가 되도록 혼합함이 더욱 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예 중의 하나로, 상기 Al 금속분말을 포함하여 이루어지는 상기 도전성 분말은 Zn를 함유하여 구성됨이 바람직하며, 이 경우 상기 함유되는 Zn 금속 분말의 함량은 상기 도전성 분말의 50wt% 미만, 더욱 바람직하게는 상기 실험례 3에 의해 뒷받침되는 최저 저항값을 나타내는 아연함량을 고려할 때 10wt% ~ 35wt%이 되도록 혼합함이 더욱 바람직하다.

아울러 무기질계 바인더 중 글라스 프릿트(Glass Frit)로는 PbO-SiO2 계, PbO-SiO2-B2O3 계, ZnO-SiO2 계, ZnO-B2O3-SiO2 계, Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2 계 중 어느 하나를 선택하여, 1~10wt%로 첨가하여 밀착력 향상시키는 것이 바람직하다.

유기 Vehicle 중 유기 바인더 폴리머로는 아크릴계나 하이드록시프로필, 셀룰로오즈 등을 약 10~60wt% 정도 사용할 수 있고, 모노머로는 카르복실기를 갖는 모노머를 사용할 수 있고, 그외 부가 모노머와의 공중합체로 사용할 수 있다. 그외 광개시제, 솔벤트 등을 사용하여 유변 특성을 조절할 수 있다.

상기 조성물을 통해 페이스트는 다음과 같이 제조할 수 있다. 먼저 바인더 폴리머와 솔벤트를 용해 한 후, 모노머, 광개시제를 PreMixing하고, Al 및 Zn 파우더와 글라스 프릿트를 PLM (Planetary Mixer)을 통해 혼합한다. 이를 3 Roll Mill을 통해 기계적 혼합하고, Filtering 및 탈포를 통해 제조하게 된다.

이를 통하여 기존 사용되고 있는 Silver 전극 Paste에서 가장 큰 문제점인 고가의 도전체 미분, 그리고, 전극의 마이그레이션을 억제할 수 있는 장점을 제공한다. 또한, Silver를 대체하기 위해 제시되고 있는 종래의 금속 코팅 파우더방식에 비해 재료비와 제조 비용이 낮고, 전기 전도성이 우수하며, 내부식성 또한 우수한 감광성 도전 페이스트를 제공할 수 있도록 한다. 즉, 전극 페이스트의 저가격화를 실현하면서, 공기 중 고온 소성 공정에서도 전기 전도도를 확보할 수 있고, 전극의 마이그레이션이 없는 고전도성 감광성 전극 페이스트 조성물을 제공할 수 있는 장점을 제공할 수 있게 하는 것이다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (2)

1. 전극용 감광성 도전 페이스트에 있어서,

   금속물질로 코팅을 하지 않은 구형의 직경이 3~10㎛인 알루미늄 도전성 분말 30~80wt%와 무기질계 바인더 1~10wt% 및 유기비히클을 혼합하는 분포설계로 이루어지되,

   상기 알루미늄 도전성 분말 중량 중에 아연(Zn) 금속분말이 10~35wt%를 포함하며, 상기 도전성 페이스트와 무기질계 바인더 및 유기비히클을 공기 중에서 소결하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극용 감광성 페이스트.
2. 삭제