현재 다양하게 발전되고 있는 전자 모듈(module)이 경박단소 및 고기능화 됨에 따라서 기존 포토리소그래피(photolithography) 공정을 대체할 수 있는 인쇄전자(printed electronics) 산업이 더욱 각광을 받고 있다. 인쇄전자 기술은 기능성 잉크(ink) 및 페이스트(paste)를 인쇄기법을 통하여 원하는 기판에 인쇄, 소성하는 것으로 간단히 완료되기 때문에 공정이 간편하며 원하는 부분에만 선택적으로 전자소자의 제작이 가능한 가격 경쟁력 있는 기술로 분류되고 있다. 이러한 인쇄전자 기술은 현재 태양전지 등의 에너지 분야, 터치스크린용 ITO(Indium Tin Oxide) 투명전극 대체 소재 등의 디스플레이(display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode) 등의 조명 및 PCB(Printed Circuit Board) 분야 등으로 매우 다양하게 적용되고 있다.
이러한 인쇄전자 산업에서 전도성 페이스트로 은(Ag) 페이스트가 가장 광범위하게 사용되고 있다. Ag는 우수한 전기전도도와 상온에서 산화안정성을 지니기 때문에 전도성 페이스트의 필러(filler) 소재로 가장 많이 사용되고 있지만, 지속적인 가격 하락 요구로 인해 가격경쟁력을 가지는 대체 소재로써 구리(Cu)가 일차적으로 고려되고 있다. Cu는 Ag 다음으로 우수한 전기전도도를 가지며, 소재 원가도 Ag보다 약 60배 저렴한 장점이 있지만, 대기 중에서 쉽게 산화되어 대기 중 소결 시 전기전도도의 큰 감소가 일어나고 Ag에 비해 소결 온도도 다소 높은 단점이 있다. 따라서 Cu의 단점을 보완하고 가격경쟁력을 확보하고자 Cu 입자의 표면에 Ag를 코팅하여 코어-쉘(core-shell) 구조를 가지는 Ag 코팅 Cu(Cu@Ag) 입자를 제조하여 사용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 인쇄 패턴의 미세화가 지속적으로 진행됨에 따라서 사용되는 필러 입자의 크기도 점차 작아져야 하고, 서브마이크로급의 필러를 추가적으로 첨가 시 페이스트의 점도를 효과적으로 감소시킬 수 있어 서브마이크로급의 필러 입자가 지속적으로 요구되고 있지만, 현재까지 서브마이크로급 크기의 Cu@Ag 입자 제조 기술 및 적용 연구에 대한 결과는 미미한 상황이다.
따라서 본 연구에서는 응집을 최대한 억제시킨 서브마이크로급 크기를 가지는 순수 Cu 입자 제조 후 연속적으로 Ag 코팅을 수행함으로써 공정단계가 최소화된 저비용, 고생산성의 Cu@Ag 입자를 제조하여 내산화 및 전기전도도 특성을 평가하고자 하였다. 먼저 Ag 코팅 시 Ag 전구체 용액의 용매 및 주입 방법에 따라서 적절한 공정 조건을 확보하였으며, 환원제로 아스코빅산의 첨가에 따라서 두껍고 균일한 Ag 코팅층이 형성된 Cu@Ag 입자를 제조하여 SEM 및 EDS로 Ag 코팅층을 분석하였다.
내산화 특성을 평가하기 위해 TG-DSC 분석 결과, 서브마이크로급 Cu 입자 대비 Cu@Ag 입자의 산화시작온도는 약 70 ℃ 이상 지연되는 결과를 얻을 수 있었으며, 환원제를 첨가하여 제조된 Cu@Ag 입자는 160 ℃에서 158분간 전혀 산화되지 않는 우수한 내산화 특성을 가짐을 확인할 수 있었다. 이는 시중에서 판매되는 Cu@Ag 플레이크와 비교 시에도 뛰어난 내산화 특성임을 확인하였다. 전기전도도 특성을 평가하기 위하여 펠렛과 페이스트를 제조하여 비저항을 측정한 결과, Ag 코팅으로 인한 입자 표면의 거칠기가 증가할수록 펠렛 비저항은 감소하는 결과를 얻을 수 있었으며, 환원제를 첨가하여 제조된 Cu@Ag 입자는 두껍고 균일한 Ag 코팅층으로 인해 질소 및 공기 분위기에서 경화 시 가장 우수한 페이스트 비저항 값을 얻을 수 있었다.
전기전도도의 향상을 위해 페이스트 제조 시 입자들의 응집을 억제할 수 있는 방법으로 5종류의 지방산을 사용하여 Cu@Ag 입자의 표면처리를 실시한 결과, SEM 이미지 상으로 유기물 층의 존재를 간접적으로 확인할 수 있었고, DRIFTs 분석을 통해 Cu@Ag 표면과 지방산의 결합은 카르복실 그룹의 C=O 이중결합에서 발생함을 알 수 있었다. 또한 표면 처리한 Cu@Ag 입자를 사용하여 페이스트 제조 시, 입자들의 응집을 억제하여 효과적으로 전기전도도 향상에 기여할 수 있었으며, 그 중 oleic acid와 palmitic acid를 사용하여 표면 처리된 Cu@Ag 필러를 첨가한 페이스트의 저항이 각각 4.74×10-4, 4.68×10-4 Ω?cm로 가장 우수한 비저항 값을 얻을 수 있었다.