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문제 정의
- 본 연구에서는 정전 용량 방식의 터치 패널용 전도성 Ag 페이스트를 개발하기 위해 Ag 파우더의 형태와 입자 크기를 달리하여 전도성 Ag 페이스트를 제조하였으며, roll-to-roll printing 중 그라비어 오프셋 인쇄를 이용하여 전극 패턴의 인쇄 적성, 접착력 및 전기 전도성을 검토하였다.
제안 방법
- Ag 파우더는 분말 상태이기 때문에 인쇄를 위해 유동성과 인쇄 후 피인쇄체인 ITO 필름과의 접착성을 필요하게 되고 이를 만족시키기 위해 바인더 수지로써 용액 중합법에 의해 합성된 용액상의 에폭시 수지를 사용하였다. Table 2에 바인더 수지의 물성을 나타내었다.
- Ag 페이스트의 레올로지 특성은 RheoScope 1(Haake, Germany)을 이용하여 측정하였다. 시료대는 직경이 35mm의 평행판이고, 시료 간격은 0.
- 그라비어 오프셋 인쇄기(SFA(주))로 인쇄된 터치패널 전극 패턴을 비디오 마이크로스코프(Alphasystec, Korea)를 사용하여 촬영하였다.
- 본 실험에서 Ag 파우더의 형상 및 입자 크기를 달리하여 터치 패널용 전도성 Ag 페이스트를 제조하여 그 특성을 검토한 결과, 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- Ag 페이스트의 분산 특성은 KS M 5463(도료의 연화도 시험 방법)에 의거하여, 홈의 깊이가 0～25㎛까지 측정할 수 있는 입도계와 스크래퍼로 되어 있는 grindometer(BYK Gardner, Germany)를 사용하여 측정하였다. 분산이 되지 않을 경우 스크래퍼에 의해 긁힘이 나타나는데, 이를 비디오 마이크로 스코프(Alphasystec, Korea)를 사용하여 촬영하였다.
- 본 실험에서는 Table 3과 같은 조합비로 그라비어 오프셋 인쇄용 전도성 Ag 페이스트 3종류를 제조하였다. 수지 고형분과 용제(solvent)의 비율은 일정하게 하고, Ag 파우더의 형상 및 크기를 달리함으로써, Ag 페이스트의 분산성, 레올로지 특성, 접착력, 전기 전도성 등 그라비어 오프셋에 요구되는 특성을 검토하였으며, 그 제조 순서는 Figure 3과 같다. 먼저 에폭시 수지와 용제를 pre-mixing하고, 그 용액에 Ag 파우더를 넣어 교반시킨 다음 3-roll-mill(TRM-6.
- 점도는 전단 속도(shear rate)에 따른 전단 스트레스(shear stress)의 비로써, S-S 곡선(stress-shear)에서 기울기에 해당되며, 모든 재료의 유동 물성을 파악하기 위한 가장 기본적인 요소이다. 제조된 모든 페이스트의 formulation은 동일하며 Ag 파우더의 형태와 입자 크기 등의 파우더 특성을 변수로 두었다. 점도 데이터및 TI 수치가 모두 상이하며, 그래프 형태에도 차이가 나는 것으로 보아 Ag 파우더 형태 및 입자 크기가 레올로지 특성에 영향을 준 것으로 사료된다.
대상 데이터
- Table 2에 바인더 수지의 물성을 나타내었다. 그라비어 오프셋 인쇄 적성을 부여하기 위한 희석제로 고비점 용제인 BCA(2-(2- Buthoxyethoxy)ethyl Acetate)를 사용하였다.
- Table 3의 조합비로 제조된 3종류의 전도성 Ag 페이스트를 Figure 4에 나타낸 그라 비어 오프셋 인쇄기를 사용하여 인쇄 하였다. 그라비어 오프셋 인쇄기(SFA(주))는 반자동 시스템으로 사용하였으며 그라비어 롤은 선폭 80㎛, 선간 80㎛, 홈 깊이 17㎛을 사용하였으며, 블랑켓은 태인 케미컬(주) TI 7300 제품을 사용하였다. 블랑켓 사양을 Table 4인쇄 조건은 Table 5에 나타내었다.
- 본 실험에서는 Table 3과 같은 조합비로 그라비어 오프셋 인쇄용 전도성 Ag 페이스트 3종류를 제조하였다. 수지 고형분과 용제(solvent)의 비율은 일정하게 하고, Ag 파우더의 형상 및 크기를 달리함으로써, Ag 페이스트의 분산성, 레올로지 특성, 접착력, 전기 전도성 등 그라비어 오프셋에 요구되는 특성을 검토하였으며, 그 제조 순서는 Figure 3과 같다.
- 본 실험에서는 전도성 필러로서 크기와 형상이 다른 Ag 파우더 3종류를 사용하였으며, 2종류의 플레이크 타입의 Ag 파우더와 1종류의 구형 Ag 파우더를 사용하였다. Ag 파우더의 크기 및 형상을 각각 Table 1과 Figure 2에 나타내었다.
- Ag 페이스트의 레올로지 특성은 RheoScope 1(Haake, Germany)을 이용하여 측정하였다. 시료대는 직경이 35mm의 평행판이고, 시료 간격은 0.8mm로 설정하였으며, 이 때 측정 온도는 23℃로 하였다.
이론/모형
- Ag 페이스트의 분산 특성은 KS M 5463(도료의 연화도 시험 방법)에 의거하여, 홈의 깊이가 0～25㎛까지 측정할 수 있는 입도계와 스크래퍼로 되어 있는 grindometer(BYK Gardner, Germany)를 사용하여 측정하였다. 분산이 되지 않을 경우 스크래퍼에 의해 긁힘이 나타나는데, 이를 비디오 마이크로 스코프(Alphasystec, Korea)를 사용하여 촬영하였다.
- 전기 전도성 측정은 HIOKI 3541 Resistance HITESTER를 사용하여 4-point probe 방식에 의해 면저항을 측정하였고, 전도성 패턴의 두께는 표면 조도계(mitutoyo , Japan)로 측정하여 전도성 패턴의 비저항을 계산하였다.6)
- 형성된 전극 패턴의 접착성은 KS M ISO 2409 도료의 밀착성 시험 방법에 의거하여 형성된 전극 패턴을 십자가 모양으로 cross-cutting한 후, 셀로판테이프로 부착한 뒤 형성된 전극 패턴의 셀이 떨어지는 개수로써 양호한지 판단하였다.
성능/효과
- 1) Ag 페이스트의 레올로지 특성을 검토한 결과 구형 타입 보다는 플레이크 타입의 Ag 파우더의 점도 및 T.I 수치가 높게 나왔고 낮은 전단력 영역에서는 탄성적 성질인 G'이, 높은 전단력 영역에서는 점성적 성질인 G"이 높은 페이스트 (2)가 인쇄후 두께는 높고 패턴의 형상은 우수함을 알 수 있었다.
- 2) Ag 페이스트의 분산성을 검토한 결과, Ag 파우더의 크기가 작을수록 분산성이 우수하였으며, 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용한 페이스트 (1), (2) 보다 구형의 타입의 Ag를 사용한 페이스트 (3)이 3∼5㎛로 분산성이 우수함을 알 수 있었다.
- 3) Ag 페이스트의 접착성을 검토한 결과, Ag 파우더의 크기에는 큰 영향을 받지 않았으며, 표면적이 넓은 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용한 페이스트 (1), (2)이 접착력이 우수함을 알 수 있었다.
- 4) Ag 페이스트의 전기 전도성을 검토한 결과, 도전 패스가 Ag 입자간의 선접촉으로 이루어진 구형 타입의 Ag 페이스트보다는 면접촉을 하는 플레이크 타입의 Ag 페이스트의 전기 전도성이 더 우수함을 알 수 있었다.
- 4) Roll-to-roll 인쇄 방식에 의한 전자 소자 생산은 전통적으로 사용되던 인쇄 기법에 최근의 정밀 제어 기술과 가공 기술이 적용되어 매우 경제적으로 미세 선폭 프린팅을 구현 할 수 있는 장비로 평가되고 있다. 특히 전자소자로써의 기능을 하기 위해서는 기존 도트 인쇄가 아닌 수십 마이크로 수준의 미세선 인쇄가 요구되며, 선의 단절이 전혀 없어야 되므로 이에 맞게 요구되는 사양에 따른 잉크 전이 조건이 정립되어야 한다.
- 5) 그라비어 오프셋 인쇄 적성 및 전도성 패턴의 물성을 검토한 결과, 최대 입경이 3㎛인 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (2)이 레올로지 특성 및 패턴의 형성, 접착력, 전도성을 고려했을 때 가장 우수함을 알 수 있었다.
- 이는 페이스트의 레올로지 특성차이에 인한 결과로 보인다. 그리고 표면 러프니스는 페이스트 (1)이 같은 플레이크 타입의 페이스트 (2)보다 상대적으로 표면이 균일하게 나왔으며, 구형 타입의 페이스트 (3) 역시 표면이 균일하게 나타났다. 이러한 차이는 점도 그래프상의 낮은 Shear rate 0.
- 따라서 같은 양의 바인더를 사용할지라도 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용한 페이스트의 점도가 더 높게 나타나는 것으로 사료된다. 또한 같은 인쇄 조건하에서 인쇄할경우 점도와 TI 수치가 높은 플레이크 타입의 Ag 페이스트로 형성되는 패턴의 두께가 높게 나올 것을 예상할 수 있다.
- 흡유량이 작은 구형 타입의 Ag 파우더는 페이스트 상에서 같은 양의 바인더를 넣을 때 플레이크 타입의 Ag 파우더에 비해 바인더의 함량이 상대적으로 커지게 되며, 바인더의 함량이 커질수록 Ag 파우더를 감쌀 수 있는 바인더의 양이 늘어나 Ag 파우더 간의 상호 작용을 저하시킴으로써 구형 타입의 Ag 페이스트가 플레이크 타입의 Ag 페이스트보다 분산성이 더 우수하게 나타난 것으로 사료된다. 또한 같은 형상의 Ag 파우더라고 할지라도 최대 입경이 작을수록 분산성에 있어서는 더 유리함을 알 수 있었다.
- 플레이크 입자들 간의 면 접촉이 구형 입자들 간의 선 접촉 보다 접촉 면적이 커지기 때문에 Ag 필러간의 도전 패스가 잘 형성되어 우수한 전기 전도성이 나타난 것으로 사료된다. 또한 플레이크 타입의 Ag 파우더 입자 크기에 있어서는 입경이 큰 입자가 페이스트 상에서 고르게 분산되면 접촉면이 유리해지기 때문에 Ag 필러간의 도전 패스가 잘 이루어져 전기 전도성이 우수해짐을 알 수 있었다. Ag 파우더의 입자 크기와 형태에 따라서 전기 전도성을 검토했을 때, 1～4㎛의 입자 크기를 가지는 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (1)이 4×10-5Ω.
- 본 실험에서 제조한 스크린 인쇄용 터치 패널 전도성 Ag 페이스트의 분산 특성을 검토한 결과를 Figure 7에 나타내었다. 제조한 페이스트 모두 7㎛ 이하로 우수한 분산 특성을 보였다. 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (1), (2)은 5～7㎛, 구형 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (3)은 3～5㎛로 구형 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (3)이 분산성이 더 우수함을 알 수 있었다.
- 터치 패널 전극 패턴을 형성한 후 전기 전도성을 측정한 결과, Ag 파우더의 형상에 있어서는 구형 타입의 Ag 페이스트 보다 플레이크 타입의 Ag 페이스트가, 입자 크기에 있어서는 입자 크기가 큰 Ag 파우더를 사용한 Ag 페이스트가 더 우수함을 알 수 있었다. 이는 플레이크 타입의 Ag 페이스트가 구형 타입의 Ag 페이스트보다 형성된 전극 패턴에서 입자간의 접촉이 더 조밀하기 때문이다.
- 터치 패널 전극 패턴을 형성한 후 표면 조도와 전기 전도성을 측정한 결과를 Table 6과 같이 나타내었다. 표면 조도계를 이용하여 패턴의 두께와 러프니스를 측정한 결과, 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (1), (2)의 두께는 6㎛정도로 비슷한 수치를 보였으며, 구형 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (3)는 5㎛으로 페이스트 (1), (2)보다는 두께가 다소 얇게 나옴을 알 수 있었다. 이는 페이스트의 레올로지 특성차이에 인한 결과로 보인다.
- 일반적으로 피인쇄체와 인쇄도막의 접착력은 바인더 수지에 의해 크게 좌우되지만, Ag 파우더의 특성에 따라서도 영향이 나타남을 알 수 있었다. 표면적이 넓고 두께가 얇아 Ag 파우더끼리의 접촉면이 큰 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용한 페이스트가 접착력이 더 우수함을 알 수 있었다.
- 제조한 페이스트 모두 7㎛ 이하로 우수한 분산 특성을 보였다. 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (1), (2)은 5～7㎛, 구형 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (3)은 3～5㎛로 구형 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (3)이 분산성이 더 우수함을 알 수 있었다. 이는 구형 타입의 Ag 파우더가 탭 밀도 및 입자가 갖는 부피가 크고 표면적이 작아 바인딩에 필요한 Ag 파우더의 흡유량이 플레이크 타입의 Ag 파우더에 비해 작아지기 때문이다.
- 전극 패턴을 형성한 후 Cross-cutting을 한 결과를 Figure 8에 나타내었다. 플레이크 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (1), (2)은 우수한 결과를 보였지만 구형 타입의 Ag 파우더를 사용하여 제조한 페이스트 (3)은 부분적으로 커팅된 부분이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
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