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주환 당
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1 25 특집 : 차세대잉크프린팅재료및배선기술 Manufacturing Technology of Nanoparticle for Digital Printing Using Clean Process Sung-Jei Hong, Tae-Whan Hong, Sang-Hern Kim and Jeong-In Han 1. 서론 최근전자 정보 통신제품의경 박 단 소화와다기능화추세에따라회로등소자의고밀도패턴닝기술이요구되고있고, 이를해결할수있는한방법으로디지털프린팅 (Digital printing) 기술이주목받고있다. 디지털프린팅이란기존에사용하던진공증착 (Evaporation) 및사진식각 (Photolitho- graphy) 방식과는달리회로배선을기판위에직접적으로패턴닝하는방식의새로운제조기술이다. 기존기술은진공증착의값비싼진공장치를사용해야하고 batch 별로생산을하기때문에높은가격및생산능력의한계가있다. 또한증착된박막을이용하여회로배선을패턴닝하기위해선사진식각공정이필요하다. 사진식각이란자외선 (UV) 에감광제가코팅된박막을마스크를통해노출하여감광제에역상의회로배선을패턴닝하고, 이를이용하여그밑에코팅되어있던박막필름을선별적으로에칭후잔류하는감광제를제거함으로써회로배선을패턴닝하는공정이다. 이러한공정은경제및환경적으로단점을가지고있다. 우선회로배선을패턴닝하기위해고가의마스크를제작해야한다. 또한마스크를이용하여상기언급된여러단계의복잡한공정을거쳐패턴닝이완성된다. 여기서감광제, 감광액, 에칭액등여러가지재료가사용되고, 이를에칭및제거하기위해유해성화학약품과많은폐수가발생한다. 이에따라처리비용이발생하게되어경제적및환경적으로개선되어야하는공정이다. 이에비해디지털프린팅은컴퓨터에입력된회로배선도면을디지털신호에의해회로배선을기판위에직접패턴닝하므로기존보다현저히간단한공정이다. 특히고가의마스크를사용하지않아재료비가상당히감소한다. 뿐만아니라감광제, 감광액, 에칭액등을사용하지않고이로인해폐수도발생하지않아매우친환경적인공정이다. 이와같이디지털프린팅은제조 공정과단가를획기적으로낮추고제조능력을높일수있다. 또한디지털프린팅은미세노즐에서잉크를토출, 기판위에서직접적으로미세배선을형성하기때문에스크린프린팅등기존의프린팅기술에서부딪히는선폭과두께의한계를극복할수있는것으로알려져있다 1). 그러나이러한장점을가진디지털프린팅에도여전히개선되어야할점이발견되고있다 2). 즉, 디지털프린팅에사용되는소재는초미세급의나노입자가용액중에균일하게분산된현탁상태의용액이고, 이때용액소재가미세한노즐을통해토출되므로원활한공정이진행되기위해균일하게분산된상태의나노입자용액이필요하다. 나노입자란 에서부터 m, 즉 nm의크기를가진입자로정의된다. 나노입자의중요한특성중의하나는그입자크기가미세화될수록표면원자수의비율은급격히증가하고, 표면특성이중요하게작용하게되어기존의소재에서는얻을수없는새로운특성이나타난다 3). 이러한나노입자는제조하는공정에따라입도, 입도분포및분산상태가결정되기때문에입자의제조공정도매우중요하다. 뿐만아니라입자의제조공정에도환경에유해한성분이들어있기때문에청정성향상을추구하는디지털프린팅공정에부합하기위해선디지털프린팅에사용되는나노입자의청정제조공정이매우중요한요소이다. 따라서본연구에서는디지털프린팅용나노입자의국내외의청정기술동향을살펴보고이로써디지털프린팅용나노입자의제조공정이나가야할방향을모색하고자한다. 2. 연구방법 디지털프린팅용나노입자의청정기술동향에대해국내와선진국등해외기술동향을각각조사하였다. 우선해외에서의기술동향을조사하였다. 해외의기술 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 127

26 동향은소재분야에서앞서나가는일본의기술을중심으로조사하였다. 즉, 일본의디지털프린팅용소재관련기업, 연구소, 학교등을중심으로나노입자의청정제조공정에관한최신기술동향을조사하였다. 또한국내의경우에도해외의경우와마찬가지로디지털프린팅소재관련기업, 연구소, 학교등을중심으로나노입자의청정제조공정에관한최신기술동향을조사하였다. 3. 결과및토의 3.

가스중증발법은진공중에서증발된원료물질의증기가일정한크기로응집되는클러스터링 (Clustering) 이발생, 초미세나노입자가생성되고이들이운반기체 (Carrier gas) 에의해차가운기판으로이동하여입자가생성된다. 이때기판온도는약 100 K 미만으로매우낮은온도이고여기서순간적으로포집되기때문에초미세급의나노입자가생성될수있다.

또한입자의분산도매우양호함을볼수있다. 그림 1 가스중증발법개요도 그림 2 가스중증발법으로제조한나노입자용액 (ULVAC) 그림 3 균일하게분산된나노입자 ( 가스중증발법으로제조, ULVAC) 이와같은나노입자의분산성을확보하기위해서분산제와같은첨가제를사용한다.

2 26 동향은소재분야에서앞서나가는일본의기술을중심으로조사하였다. 즉, 일본의디지털프린팅용소재관련기업, 연구소, 학교등을중심으로나노입자의청정제조공정에관한최신기술동향을조사하였다. 또한국내의경우에도해외의경우와마찬가지로디지털프린팅소재관련기업, 연구소, 학교등을중심으로나노입자의청정제조공정에관한최신기술동향을조사하였다. 3. 결과및토의 3.1 해외의청정나노입자제조공정 해외에서의디지털프린팅용나노입자의청정제조공정기술동향을조사한결과 ULVAC 에서가스중증발법 (Gas evaporation) 을이용하여디지털프린팅용나노입자를친환경적으로제조하고있다. 그림 1에가스중증발법의개요도를나타내고있다 3). 가스중증발법은진공중에서증발된원료물질의증기가일정한크기로응집되는클러스터링 (Clustering) 이발생, 초미세나노입자가생성되고이들이운반기체 (Carrier gas) 에의해차가운기판으로이동하여입자가생성된다. 이때기판온도는약 100 K 미만으로매우낮은온도이고여기서순간적으로포집되기때문에초미세급의나노입자가생성될수있다. 그림 2 에 ULVAC 에서가스중증발법에의한나노입자들을적용한용액소재를나타내고있다 4). 그림에서보는것과같이 Au, Ag, Cu 및 Cu 나노입자가양호하게분산된용액이제조되어있음을볼수있다. 이밖에도가스중증발법으로 In, Sn 및 ITO 나노입자도합성하고있다. 가스중증발법으로합성한나노입자는그림 3에서보는것과같이입자가 10 nm 미만으로매우미세함을알수있다. 또한입자의분산도매우양호함을볼수있다. 그림 1 가스중증발법개요도 그림 2 가스중증발법으로제조한나노입자용액 (ULVAC) 그림 3 균일하게분산된나노입자 ( 가스중증발법으로제조, ULVAC) 이와같은나노입자의분산성을확보하기위해서분산제와같은첨가제를사용한다. 이러한표면첨가제가응집을방지하는것은입자표면의이동을억제함거나입자간반발력을일으킴으로써입자간에작용하는인력을최대한으로억제하는것이다 5,6). 입자의성장은표면이동에필요한활성화에너지의함수인데, 표면첨가제에의해활성화에너지를높여줌으로써입자표면의이동을억제한다. 또한표면첨가제는정전기적반발력을일으키는특성을가지고있다. 즉, 동일한극성을가지는첨가제가입자의표면에적용되면동일한극성에의해반발력이발생하고, 이러한반발력이초미세급의나노입자간에작용하는인력을일정한거리를유지하면서균일한분산상태를유지할수있는것이다. 이와같이나노입자의표면에분산제와같은첨가제를적용함으로써응집을억제할수있는것이다. 128 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

27 이러한가스중증발법을이용하여 ULVAC 에서는 Ag 의경우월 500 kg 정도의양을제조하고있어가스중증발법이청정합성공정으로서상용화에적합한공정임을알수있다. 그러나각물질에따라합성조건이달라모든물질에대해많은양을만들수있는것은아니다. 따라서이러한문제를해결하기위해연구개발이계속진행되고있는것으로알려져있다. 3.

특히입자의형상이 ULVAC 사에서제조한입자와비교하여도원형에더가까운것을관찰할수있다. 이와같이입자의형상이원형에가까울수록디지털프린팅공정에더욱적합한것으로알려져있다. 이는동일한면적의입자라도형상이원형에가까울수록제한된공간내에서입자의농도를높일수있기때문인것으로추정된다.

그림에서보는것과같이그림에서보는것과같이입자가매우균일하게용매내에분산되어있는것을관찰할수있 그림 5 가스중증발법에의한나노입자를적용하여제조한디지털프린팅용 Ag 용액 ( 전자부품연구원 ) 다. 이러한균일분산은앞절의경우와마찬가지로표면첨가제에의한응집의방지및균일분산된것으로추정된다. 이러한분산상태는매우안정한상태를보였다.

3 27 이러한가스중증발법을이용하여 ULVAC 에서는 Ag 의경우월 500 kg 정도의양을제조하고있어가스중증발법이청정합성공정으로서상용화에적합한공정임을알수있다. 그러나각물질에따라합성조건이달라모든물질에대해많은양을만들수있는것은아니다. 따라서이러한문제를해결하기위해연구개발이계속진행되고있는것으로알려져있다. 3.2 국내의청정나노입자제조공정 국내의경우에도디지털프린팅용나노입자의청정합성공정에대한연구개발을진행하고있다. 전자부품연구원에서는가스중증발법을이용하여디지털프린팅용초미세나노입자를제조하였다. 그림 4에가스중증발법으로제조된 Ag 나노입자를나타내고있다 3). 그림에서보는것과같이입자크기가 10 nm 미만으로매우균일하게제조되어있는것을볼수있다. 특히입자의형상이 ULVAC 사에서제조한입자와비교하여도원형에더가까운것을관찰할수있다. 이와같이입자의형상이원형에가까울수록디지털프린팅공정에더욱적합한것으로알려져있다. 이는동일한면적의입자라도형상이원형에가까울수록제한된공간내에서입자의농도를높일수있기때문인것으로추정된다. 즉, 제한된공간의미세노즐을통과할때동일한입자농도에서도표면적을줄일수록노즐을통과할수있는입자의수가증가하여프린팅공정이원활하게진행될수있기때문인것으로추정된다. 제조된 Ag 나노입자가디지털프린팅용용액소재로서적합한지를알아보기위해직접그것을이용하여용액을제조한결과가그림 5에나와있다. 그림에서보는것과같이그림에서보는것과같이입자가매우균일하게용매내에분산되어있는것을관찰할수있 그림 5 가스중증발법에의한나노입자를적용하여제조한디지털프린팅용 Ag 용액 ( 전자부품연구원 ) 다. 이러한균일분산은앞절의경우와마찬가지로표면첨가제에의한응집의방지및균일분산된것으로추정된다. 이러한분산상태는매우안정한상태를보였다. 이러한가스중증발법과함께청정제조공정으로서전자부품연구원에서는저온합성법도연구하고있다. 저온합성법은저온합성법이란기존의습식공정에서사용되는 Cl - 및 NO - 3 성분을제거하여후처리온도를기존의 50% 이하로낮춘합성기술이다. 특히유해성분을사용하지않으므로폐수가발생하지않고공정수도기존보다단축된장점을가지고있다. 그림 6에저온합성법을적용하여제조한 ITO 나노입자를나타내고있다. ITO 나노입자합성에저온합성법을적용하면기존의 600 에서 300 로낮출수있고, 이로써기존보다작은 5 ~ 10 nm 급의초미세나노입자를제조할수있다. 후처리온도에따른 ITO 입자의비표면적은그림 6에서보는것과같이기존공정온도인 600 로제조한경우비표면적은 25 m 2 /g을나타내는 그림 4 균일하게분산된 Ag 나노입자 ( 가스중증발법으로제조, 전자부품연구원 ) 그림 6 저온합성법으로제조한 ITO 나노입자 ( 전자부품연구원 ) 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 129

28 반면온도를낮추어 300 로제조한경우비표면적이 100 m 2 /g 이상으로, 이를입도로환산할경우평균 5 nm 크기의초미세급나노입자를얻을수있다 7). 저온합성법으로제조된 ITO 나노입자의경우에도디지털프린팅용용액소재로서적합여부를알아보기위해직접그것을이용하여용액을제조한결과가그림 7에나와있다.

따라서습식청정공정인저온합성법으로제조한나노입자의경우에도가스중증발법과마찬가지로디지털프린팅에적용이가능한것임을알수있다. 이러한저온합성법은 ITO 뿐만아니라 Ni, SnO 2, Y 2O 3:Eu 3+, ZnO 등다양한나노입자에적용이가능하여이러한청정공정에대한기술개발을추진, 원천기술을확보하는것이선진국과의경쟁에서유리한위치를차지하는데있어서중요한것으로여겨진다.

4 28 반면온도를낮추어 300 로제조한경우비표면적이 100 m 2 /g 이상으로, 이를입도로환산할경우평균 5 nm 크기의초미세급나노입자를얻을수있다 7). 저온합성법으로제조된 ITO 나노입자의경우에도디지털프린팅용용액소재로서적합여부를알아보기위해직접그것을이용하여용액을제조한결과가그림 7에나와있다. 그림에서보는것과같이 ITO 나노입자가매우균일하게용매내에분산되어있는것을관찰할수있다. ITO 나노입자의분산상태역시 Ag 나노입자의경우와마찬가지로매우안정한상태를보였다. 이는앞서의경우와마찬가지로표면첨가제에의한입자간반발력에기인한것으로추정된다. ITO 나노입자용액을이용한디지털프린팅의경우에도그림 8에서와같이배선패턴이양호하게제작되었다. 따라서습식청정공정인저온합성법으로제조한나노입자의경우에도가스중증발법과마찬가지로디지털프린팅에적용이가능한것임을알수있다. 이러한저온합성법은 ITO 뿐만아니라 Ni, SnO 2, Y 2O 3:Eu 3+, ZnO 등다양한나노입자에적용이가능하여이러한청정공정에대한기술개발을추진, 원천기술을확보하는것이선진국과의경쟁에서유리한위치를차지하는데있어서중요한것으로여겨진다. Specific surface area (m 2 /g) 그림 8 디지털프린팅용용액으로제조된 ITO 배선 ( 전자부품연구원 ) 4. 결론 디지털프린팅용나노입자기술은전자 정보 통신등고밀도패턴닝미세배선형성에사용되는핵심소재로서관련산업및시장이빠른속도로증가하고있다. 특히최근환경규제의증가로나노입자의청정합성기술의개발이기술개발이전개되고있고, 일본등선진국에선가스중증발법을이용하여일부상용화에접근이되어있는등청정제조기술에서앞서가고있다. 하지만아직초기단계에있는만큼국내에서도연구기관을중심으로청정제조기술의개발을추진하고있고, 개발된청정기술을이용하여선진기술을극복할수있는결과가제시되고있다. 이와같이디지털프린팅용나노입자의청정제조기술에있어서선진국의종속체제를방지하기위해선나노입자의청정제조의원천기술개발을통한기술확보및시장의경쟁을통한우위점유가필요하다. 참고문헌 Heat-treating temperature ( ) 그림 6 후처리온도별 ITO 나노입자의비표면적 그림 7 저온합성법에의한 ITO 나노입자로제조한디지털프린팅용용액 ( 전자부품연구원 ) 1. Katsuaki Suganuma : Ink-jet Writing of Fine Pitch Circuits with Metallic Nano Particle Pastes, CMC publications (1985) (in Japanese) 2. P. S.Devi, M. Chatterjee and D.Ganguli : Indium tin oxide nano-particles through an emulsion technique, Materials Letters, 55-4 (2002) 홍성제, 한정인 : IT 부품용나노입자및잉크소재, 주간기술동향, 1313 (2007) (in Korean) 4. Masaaki Oda, Nobuhiro Yuhashi, Masato Ohsawa, Shigeo Hayashi, Yoshiaki Hayashi and Kyuukou Tei : Individually Dispersed Nanoparticles formed by Gas Evaporation Method and their Applications, Printed Electronics Asia 2007 (2007) 5. M. I. Mendelev and D. J. Srolovitz : Impurity effects on grain boundary migration, Modelling and Simuluation in Materials Science and Engineering, 10 (2002) R79 R Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

29 6. Jiakuan Sun, Bhaskar V. Velamakanni, William W. Gerberich, Lorraine F.

and Interface Science, 280 (2004) 387-399 7.

nanoparticle, Current Applied Physics, 6S1 (2006) e206 - e210 홍성제 ( 洪性齊 ) 1968 년생 전자부품연구원디스플레이연구센터수석연구원 디지털프린팅용나노입자및잉크소재

kr 홍태환 ( 洪泰煥 ) 1963년생 국립충주대학교신소재공학과 나노입자, 수소저장및분리, 에코소재 e-mail : twhong@cjnu.ac.

5 29 6. Jiakuan Sun, Bhaskar V. Velamakanni, William W. Gerberich, Lorraine F. Francis : Aqueous latex/ ceramic nanoparticle dispersions: colloidal stability and coating properties, Journal of Colloid and Interface Science, 280 (2004) Sung-Jei Hong and Jeong-In Han : Indium tin oxide (ITO) thin film fabricated by indium tin organic sol including ITO nanoparticle, Current Applied Physics, 6S1 (2006) e206 - e210 홍성제 ( 洪性齊 ) 1968 년생 전자부품연구원디스플레이연구센터수석연구원 디지털프린팅용나노입자및잉크소재 (Ag, Cu, Ni, ITO, SnO 2, ZnO, 형광체등 ), 청정제조공정, 디스플레이소재 (ACF ball 등 ) hongsj@keti.re.kr 홍태환 ( 洪泰煥 ) 1963년생 국립충주대학교신소재공학과 나노입자, 수소저장및분리, 에코소재 twhong@cjnu.ac.kr 김상헌 ( 金相憲 ) 1958년생 한밭대학교응용화학과 나노소재연구 shkim@hanbat.ac.kr 한정인 ( 韓正仁 ) 1961 년생 전자부품연구원디스플레이연구센터센터장 평판및플렉서블디스플레이 (LCD, OLED, e- Paper 등 ), 소자 (TFT, OTFT), 부품및소재, 차세대조명 (LED, OLED), Printable, Disposal Electronics, Flexible Electronics, Plastic Electronics hanji@keti.re.kr 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 131

[ 화학 ] 과학고 R&E 결과보고서 나노입자의표면증강을이용한 태양전지의효율증가 연구기간 : ~ 연구책임자 : 김주래 ( 서울과학고물리화학과 ) 지도교사 : 참여학생 : 원승환 ( 서울과학고 2학년 ) 이윤재 ( 서울과학고 2학년 ) 임종

[ 화학 ] 과학고 R&E 결과보고서 나노입자의표면증강을이용한 태양전지의효율증가 연구기간 : 2013. 3 ~ 2013. 12 연구책임자 : 김주래 ( 서울과학고물리화학과 ) 지도교사 : 참여학생 : 원승환 ( 서울과학고 2학년 ) 이윤재 ( 서울과학고 2학년 ) 임종찬 ( 서울과학고 2학년 ) 소재원 ( 서울과학고 2학년 ) 1,.,.,.... surface