Fabrication of electro-conductive particles based on carbon nanotubes and gold nanoparticles

Abstract

LCD 디스플레이가 발전하게 되면서 유리기판에 땜납이 어렵게 되어 회로와 기판을 전기적으로 연결해 주기 위해 고안된 것이 이방 전도성 필름 (Anisotropic conductive film, ACF)이다. 현재는 PDP, 유기 EL과 같은 평판 디스플레이 제품 및 점차 소형화 되는 디바이스의 패키징 시스템에서도 없어서는 안될 소재로 부각되고 있다. 대부분의 ACF 제품은 외산으로 보다 높은 가격 경쟁력을 가지는 최종 제품을 제조하기 위해서는 소재의 내재화가 시급하다. 그 중 ACF 내 핵심 구성요소인 도전성 입자는 필름을 접착시킨 후 수직방향으로의 전도성이 구현되도록 하는 중요한 역할을 한다. 현재 사용되는 도전성 입자의 경우, 고분자 입자 표면에 니켈과 금을 도금하는 형태로 우수한 전도성과 입자의 균일성을 가진다는 장점을 가지나, 도금을 위한 전처리 단계가 복잡하고 공정방식이 비친환경적이며 금속 사용량을 줄이기 어려워 가격이 높은 단점이 있다. 따라서 우수한 전기 전도도를 가짐과 동시에 대량생산이 가능하여 가격경쟁력을 가지는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled Carbon Nanotube, MWCNT)를 이용해 기존의 도금방식을 탈피함과 동시에 가격 경쟁력을 가지는 도전성 입자를 제조하고자 하였다. 이 뿐만 아니라 MWCNT를 도입하게 되면, 나노튜브가 가지는 종횡비가 큰 구조적 장점으로 percolation threshold가 낮아져 전도성 네트워크를 형성시키는 것이 용이하다고 판단하였다. 또한 부족한 전기 전도도는 금 나노 입자와의 복합화를 통하여 극복하고자 하였다. 복합 전도성 입자 제조 방법은 물리-화학적 건식 코팅 방식을 이용해 탄소나노튜브를 물리적으로 강하게 결합시키는 방식과 티올기 (-SH)와 금 나노 입자간의 강한 공유결합을 이용한 자가 조립방식 (Self-assembly)을 이용하였다. 또, 금 나노 입자를 고분자 입자 표면에 우선 도입하는 경우와 CNT를 도입 후 나노 입자를 튜브 위에 조립시키는 경우로 나누어 서로 다른 구조의 도전층을 가지는 두 가지의 도전성 입자를 제조하여 전도층의 형성 구조에 따른 영향을 확인하고자 했다. 따라서 이러한 도전성 입자에 도입되는 금 나노 입자의 함량을 변화시켜가며 각각의 전기 전도성을 측정하고 그 구조에 따른 경향을 분석함으로써, 같은 금속 함량에서 높은 전도성을 구현할 수 있는 구조를 확인하였다. 결론적으로 (i) 기존의 도금방식을 완전히 탈피한 새로운 도전성 입자 제조 방식 제시, (ii) MWCNT를 도입함으로써 고전도성 구현을 위해 필요한 금 나노 입자의 함량 축소, (iii) MWCNT와 금 나노 입자와의 결합 방식 조절을 통한 나노튜브 간의 접촉저항을 최소화할 수 있는 구조 최적화를 통해 도전성 입자로서의 가능성을 확인할 수 있었다. 따라서 이러한 결과는 CNT를 기반한 3차원적 구조를 가진 전도성 복합재료의 개발 및 다양한 분야로의 응용 가능성을 제시할 수 있을 것이다.

The emergence of compact, flexible electronics has led to interest in anisotropic conductive films, which allow for the electrical interconnection of IC chips to substrates at low processing temperatures. The films consist of electrically conductive particles and an insulating polymer matrix. In this study, we fabricated electro-conductive particles with a conducting layer consisting of carbon nanotubes (CNTs) and gold nanoparticles. CNT layers on the surface of microspheres can facilitate the formation of conducting pathways and the adhesion of gold nanoparticles due to their inherent one-dimensional structure. CNTs were mechano-chemically coated onto polymer spheres with a dry coating process using Mechanofusion and the gold nanoparticles were self-assembled on the microspheres or CNTs through an interaction between the gold and thiol groups. The conductivities of the resulting composite particles measured with a four-point probe method were discussed in terms of the concentration of the nanoparticles and the fabrication method.