• 1. 서 론
• 2. 실 험
• 2.1. Ag paste
• 2.2. 스크린 인쇄
• 2.3. 측정 및 분석
• 2.3.1. 페이스트 레올로지 측정
• 2.3.2. 페이스트 신뢰성 측정
• 3. 결과 및 고찰
• 3.1. Ag paste의 점도 특성
• 3.2. Ag paste의 신뢰성 데이터 특성
• 4. 결 론

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1. 서 론

Ag paste는 Ag 파우더를 유기 바인더에 분산시킨 것을 말하며 현재 다양한 인쇄법으로 Ag도막을 형성하여 터치스크린 전도성 패턴 등 다양한 디스플레이 분야에 적용이 되고 있다. 최근 들어 터치스크린은 유저인터페이스 그 이상의 의미를 가지게 되었다. 터치 인터페이스 기술은 새로운 기술이 아니라, 기존 디스플레이 제품인 내비게이션 및 은행의 무인 ATM 기기, 마트나 식당과 같은 일반점포에 사용되는 POS 등에 적용되어 사용되고 있던 기술이다. 이러한 제품들에서의 터치의 사용은 키보드나 마우스 없이 즉각적이고 단순한 입력을 가능케 하는 인터페이스라는 점이다. 단순 기능을 가진 터치스크린에 멀티 터치와 부드러운 터치기능을 부가하여 애플이 모바일폰에 적용함으로써 터치 인터페이스 기술은 새로운 전환기를 맞이하였다.^[1] 따라서 이런 터치스크린을 가능케 하는 Ag도막은 열악한 환경 속에서도 전도성, 접착성 등이 양호해야 한다. 

터치스크린에 사용되는 전극패턴에는 실버가 주로 사용되는데 이것이 시간이 경과함에 따라서 산화가 발생하는 문제가 있다. 이러한 산화문제는 초기에는 저항치가 증가하는 문제가 발생되지만 좀 더 시간이 지나면 패턴 자체가 박리되는 문제가 발생하게 된다. 따라서 이러한 문제는 반듯이 해결해야 될 과제이다. 

본 연구에서는 염수 테스트 및 고온고습 테스트를 통하여 현재 사용되고 있는 Ag paste 몇 종류를 비교 검토 하였다. 

2. 실 험

2.1. Ag paste

본 연구에서는 현재 상용화되어 있는 sample 4가지 Ag pastes를 이용하여 테스트를 진행 하였다. 각각의 sample의 물성치를 Table 1에 나타냈다. 

Table 1. Ag pastes for touch screen panel.

2.2. 스크린 인쇄

본 연구에서 사용한 스크린 인쇄기는 air 구동 방식의 반자동 스크린 인쇄기(BS-150ATC, 반도산업(주))이며 Figure 1과 Table 2에 그 모습과 사양을 각각 나타내었다. 스크린 인쇄시, 기계의 air 압력은 6 ㎏f/㎠이고, 경도 80°의 평형 타입의 우레탄 고무를 스퀴지로 사용하였으며, 스퀴지 각도는 80 °, 판과 피인쇄체 사이의 거리인 이격거리는 1.5～2.0 ㎜, 인쇄 압과 비례하는 값인 스퀴지 밀어 넣는 양(degree of squeegee pushing in)은 0.05～0.5 ㎜, 인쇄 속도는 100～180 ㎜/sec로 하여, 각 페이스트에 따라 인쇄 조건을 조절하였다.^[2]

Figure 1. Image of screen printing machine.

Table 2. Specification of screen printing machine

2.3. 측정 및 분석

2.3.1. 페이스트 레올로지 측정

페이스트의 분산․응집 구조 및 스크린 인쇄시 페이스트의 유변학적 성질을 검토하기 위해 Rheometer (Rheoscope 1, Haake)를 이용하여 페이스트의 레올로지를 측정하였다. 측정항목은 0.1～100 s^-1 범위의 전단속도(shear rate)에 따른 점도(viscosity) 변화를 측정하는 viscosity profile과 0.1～1000 Pa 범위의 전단응력(shear stress)에 따른 저장 탄성율(storage modulus) 변화를 측정하는 amplitude sweep 그리고 0.1～100 rad/s 범위의 각주파수(angular frequency)에 따른 저장탄성율(storage modulus), 손실 탄성율(loss modulus) 및 tan δ 변화를 측정하는 frequency sweep이다. 레올로지 측정 시, 사용한 센서는 직경 35㎜의 평행판이고, 시료간격은 0.8 ㎜, 측정 온도는 23 ℃로 하였다.^[2]

2.3.2. 페이스트 신뢰성 측정

4종류의 Ag pastes를 스크린 인쇄(BS-150AT, 반도산업(주) 반자동 인쇄기)를 통해 ITO film에 도막을 형성하여 박스형 건조기에서 130℃ 10분 동안 건조시킨다. 신뢰성 test는 NaCl 5% 수용액에 넣어 35℃가 유지되는 박스 안에서 24, 48, 72시간 뒤에 인쇄물의 상태를 확인하는 염수 테스트와 온도 60℃, 습도 90%의 분위기에서 120, 240시간 뒤에 인쇄물의 상태를 확인하는 고온고습테스트를 진행한다.^[3] 테스트 후 면 저항값(Ω/sq)과 접착력(KS M ISO 2409)을 확인하였고 각 Ag 도막의 산소 함량측정은 전자총에서 5~30 kV로 가속된 전자빔(spot size - 수 ㎛)을 연마된 시료표면에 조사하여 시료 표면에서 특성 X선이 발생되는데 이를 에너지 분산 분광분석기(EDS)로 검지하여 구성원소의 조성을 밝히고, 보정을 한 후 얻어진 계수자료를 표준시편의 특성 X선 계수와 비교하여 정량분석 하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. Ag paste의 점도 특성

본 연구에서 사용된 4종류 Ag pastes의 전단속도에 따른 점도 결과를 Figure 2에 나타내었다. 

Figure 2. Shear rate dependence of viscosity for Ag pastes.

일반적으로 페이스트의 점도 특성은 두 개의 전단 영역으로 분류되는데, 높은 전단속도 영역에서의 점도는 바인더, 용제 그리고 파우더에 의해 지배되고, 낮은 전단속도에서의 점도는 첨가제, 파우더의 응집 또는 바인더의 콜로이드 특성에 의해 결정된다. 각 페이스트들은 낮은 전단속도 영역에서 서로 다른 계면활성제를 사용함에 따라 그들 간의 상호작용의 차이에 의해 서로 다른 점도 거동을 나타내고 있고 높은 전단 영역에서는 Ag 파우더와 계면활성제 그리고 바인더 수지에 의해 형성된 망목구조가 전단력에 의해 파괴되어짐에 따라 전단속도의 증가에 의해 점도가 감소하는 shear-thinning 거동을 보이고 있다. 이 때, 페이스트에서 계면활성제와 Ag 파우더 간 또는 계면활성제와 바인더 간의 상호작용이 약하여 분산 특성이 좋지 않을 경우 그들에 의해 형성된 일시적인 망목 구조는 불안정하고 점도측정 시 전단 속도의 증가에 따라 구조가 쉽게 파괴되어져 샤프한 점도 감소를 나타내게 된다.

본 연구에서도 Figure 2의 결과와 같이 paste 4번이 비해서 paste 1이 shear thinning index가 더 큰 것을 볼 수 있다. 이것으로 paste 1보다 paste 4가 분산 특성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 

본 연구에서 사용된 4종류 Ag pastes의 전단응력에 따른 저장 탄성율(G') 과 손실 탄성율(G")의 결과를 Figure 3에 나타내었다. 변형에 대한 응력의 위상차 중에서 실수 부분 G'은 에너지를 잠시 저장했다가 방출하는 상태이므로 저장 탄성율(storage modulus)이라고 부르고, 일정한 위상에서 어긋나는 위상 비율 G"는 에너지를 즉시 방출하는 성질을 갖는다고 하여 손실 탄성율(loss modulus)이라고 부른다. δ와 G', G"의 관계를 식 (1)에 나타내었다. 여기서 δ는 변형과 응력 곡선의 위상차이다. 

Figure 3. Shear stress dependence of storage and loss modulus, G' and G" for Ag pastes

실제로 G'는 에너지 보관의 탄성과 관련이 있고, G"는 에너지를 그때그때 소모해 버리므로 점성과 관련이 있는 계수이다. 따라서 tanδ 의 값은 그 물질이 얼마나 점성과 탄성에 관련 있는지를 나타낸다. tanδ값이 크면 저분자 물질 또는 뉴턴 유동에 가깝다고 볼 수 있고, tanδ값이 작은 물질이면 분자 간에 엉킴 현상이 심하고 분자들이 스프링처럼 꼬여 있어서 탄성을 많이 가지고 있는 고분자 물질 또는 분자량이 큰 물질이라고 판단할 수 있다. 또 저장 탄성율과 손실 탄성율의 관계에 따라 토출성과 레벨링성을 판단할 수 있다. 

paste 1은 저장 탄성율이 크고 G', G"가 역전 되는 형상이 일어나는데 이러한 paste는 스크린판의 토출성이 우수하고, 형상유지성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 그리고 paste 3의 경우에는 스크린판 토출성은 우수하지만 형상 유지성은 어려울 것으로 판단된다. 즉 인쇄 후에 패턴이 많이 퍼지는 문제가 발생할 수 있다는 것이다. 그리고 paste 4의 경우에도 스크린판의 통과성은 우수하지만 패턴의 sharpness는 부족할 것으로 판단된다.^[4] 

3.2. Ag paste의 신뢰성 데이터 특성

본 연구에서 사용된 Ag paste의 염수 테스트 전후(前後)의 면 저항 측정결과와 접착성 측정 결과는 Table 3에 나타냈다. 

Table 3. Salt water dipping test conductive & adhesive property of printing pattern.

면 저항은 인쇄된 도막(두께 : 8± 3 um)을 측정대 위에 올려놓고 4point probe 센서(kehay2002system/keitheley)를 인쇄 도막에 닿도록 하여 전도성을 측정한다. 

접착성은 인쇄된 도막을 가로×세로=1mm×1mm간격으로 cross-cutting한다. 

cross-cutting한 인쇄 도막에 cross-cutting용 tape(3M 610 tape)를 밀착시킨 후 순간적으로 짧은 시간 내에 박리한다. taping 테스트 후 떨어진 셀이 없을 때 접착력이 양호하다고 판단할 수 있다. 

또 Ag paste를 스크린 인쇄로 형성된 도막을 고온고습(온도 60℃, 습도 90%) 테스트 전후(前後)의 면 저항 측정결과와 접착성 측정 결과는 Table 4에 나타냈다. 

Table 4. Constant temperature and humidity test conductive & adhesive property of printing pattern.

각 Ag paste를 스크린 인쇄로 형성된 도막을 EDS(energy dispersive spectroscopy)로 측정하여 도막내의 산소 함량을 측정한다. 신뢰성 test 시간이 지남에 따라 변하는 산소 함량을 측정하여 산화되는 정도를 예측한다. 

염수 테스트, 고온고습 테스트 각 테스트별로 시간이 지남에 따라 산소함량의 변화를 Figure 4, Figure 5에 나타냈다. 

Figure 4. Salt dipping test, element O wt% by time.

Figure 5. Constant temperature and humidity test element O wt% by time.

Figure 4, 및 5로부터 알 수 있듯이 sample 4번을 제외하고는 모두 시간 경과에 따라서 산소함유량이 증가하고 있음을 알 수 있다. 

따라서 sample 4번을 제외하고는 실버표면 및 내부가 산화되기 쉬움을 예측 할 수 있다. 

상기의 Figure 4, 5로부터 시간 경과에 따라서 패턴도막에 산소함량이 증가함을 예측할 수 있었는데, 실제 실버패턴을 인쇄한 후에 약 2주간 상온에 방치하여 표면 상태를 관찰해 본 결과 Figure 6과 같은 결과가 얻어졌다. 

Figure 6. The pattern image of after test.

즉 상기의 EDS결과와 마찬가지로 sample 4번을 제외하고는 전부 표면이 산화가 진행되었음을 나타내고 있다. 이러한 산화문제는 시간이 지남에 따라서 패턴도막의 저항치가 증가되고, 또한 도막이 탈락되는 문제가 발생하므로 개선을 해야 하는 문제이다. 

4. 결 론

본 연구에서는 현재 각 회사에서 상용화되고 있는 터치스크린용 Ag pastes를 이용하여 인쇄패턴의 신뢰성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 

(1) 각각의 Ag pastes 레올로지 특성에서는 서로 다른 점도 거동을 나타내며 sample 1번은 shear thinning index의 크기가 가장 커서 분산 특성이 가장 좋지 않지만 응력에 따른 탄성율의 변화를 볼 때 가장 좋은 판 토출성과 레벨링성을 가졌을 것으로 예상된다. sample 4번의 경우에는 분산 특성이 좋으나 상대적으로 인쇄 후 패턴의 번짐이 예상됨을 알 수 있다. 그러나 인쇄조건을 적절하게 조정하면 이러한 퍼짐 문제는 해결 될 수 있는 문제이다. 

(2) 4개의 pastes 모두 신뢰성 테스트(염수 및 고온고습) 전후에 접착력은 우수함을 알 수 있다. 

(3) 신뢰성 test가 끝나고 각 시간마다 EDS(energy dispersive spectroscopy)를 통해 도막의 산소함량을 측정 하였을 때 염수 테스트는 시간이 지남에 따라 산소함량이 증가하는 경향을 보였고 고온고습 테스트는 거의 변화가 없었으나 paste 2의 경우에는 시간 경과에 따라서 산소함량이 증가하는 경향을 보였다. 

(4) 4종류의 pastes를 인쇄한 후에 약 2주간 상온에 방치한 결과, paste 4번을 제외하고는 모두 변색이 발생함을 알 수 있었다. 이것은 산소가 내부에서 발생되어 실버를 산화시키거나 외부에서 쉽게 패턴 도막에 산소가 침투되어 산화시킨다는 것을 알 수 있다.