구리 산화 방지를 위한 core-shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 ... · 2014....

7
Original article Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 6, December 2012, 554-560 554 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 통한 도전성 필러 응용 심영호*박성대**김희택 한양대학교 화학공학과, *한양대학교 바이오나노학과, **전자부품연구원 (2012816일 접수, 2012924일 심사, 20121017일 채택) Application in Conductive Filler by Low-Temperature Densification and Synthesis of Core-Shell Structure Powder for Prevention from Copper Oxidation Young Ho Shim*, Seong-Dae Park**, and Hee Taik Kim Department of Chemical Engineering, Hanyang University, Gyeonggi-do 426-791, Korea *Department of Bionanotechnology, Hanyang University, Gyeonggi-do 426-791, Korea **Korea Electronics Technology Institute, Seongnam 463-816, Korea (Received August 16, 2012; Revised September 24, 2012; Accepted October 17, 2012) 전자ㆍ통신 산업이 발달하면서 도전성 재료의 사용이 증가하게 되었다. 그에 따라 주로 사용되어오던 귀금속들을 대 신할 저렴한 재료들이 필요하게 되었다. 그 중 구리는 귀금속에 비해 값이 저렴하고, 유사한 열ㆍ전기적 특성을 가졌 지만 대기 중에서 쉽게 산화가 되는 문제점이 있다. 산화를 방지하기 위해서는 제조공정이 복잡해져 사용에 제한이 되어왔다. 구리의 산화 방지를 위한 방법 중 하나로 산화에 강한 금속을 Core-Shell 구조로 도금시켜 고유의 특성을 유지하며 산화를 방지하는 방법이 있다. 본 연구에서는 무전해 도금법으로 구리분말에 주석(Sn) 도금을 했고, 도금에 영향을 주는 인자들에 대해서 연구했다. XRD, FE-SEM, FIB, 4-Point Probe 등의 분석결과 구리 표면에 치밀한 주석 피막이 도금되었고, 대기 중에서 산화가 되지 않았다. 분석결과를 바탕으로 최적의 도금 조건을 도출했고, 추가적으로, 도전성 필러 응용 가능성에 대한 실험을 했다. 합성된 분말을 pellet 형태로 압분 성형한 후 저온 열처리 전과 후의 변화를 분석했다. 그 결과 저온 치밀화를 통해 용융된 주석이 구리 입자들을 상호연결 시켰고, 전기 전도가 향상되었다. Recently, it has been increasing trend to use conductive materials as electronics and communication technology in electronics industry are developing. The noble metal such as Ag, Pt, Pd etc. are mostly used as conductive materials, To reduce pro- duction cost, alternative materials with similar characteristics of noble metals are needed. Copper has advantages, i.e its elec- tronic properties are similar to noble metals and low cost than noble metal, but its use has been restricted because of oxidation in air. In this study, the tin film was coated on copper by electroless plating to protect copper from oxidation and to confirm the effects of temperature, pH, amount of SnCl2, and feeding speed in plating conditions. Additionally, we apply CucoreSnshell powder as conductive filler with low-temperature densification and analysis by SEM, XRD, FIB and 4-Point Probe techniques. As result of the study, tin film was coated well on copper and was protected from oxidation. After low-temperature densifica- tion treatment, the meted tin made chemical interconnections with copper. Accordingly, conductivity was increased than before condition. We hope CucoreSnshell powder to replace noble metals and use in the electronic field. Keywords: electroless plating, conductive materials, interconnection, low-temperature densification, electronic materials 1. 1) 전자, 통신 산업이 급속도로 발달하면서 고기능 제품에 들어가는 부품들은 경박화, 소형화 되었다. 그에 따른 생산 기술과 함께 사용되 는 재료들의 특성과 가격 등이 중요한 요인이 되었다[1]. Figure 1에서 Corresponding Author: Hanyang University Department of Chemical Engineering 1271 Sa-3 dong, Sangnok-gu, Ansan, Kyunggi-do 426-791, Korea Tel: +82-31-400-5274 e-mail: [email protected] pISSN: 1225-0112 @ 2012 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry. All rights reserved. 보듯이 Multi Layer Ceramic Capacitor (MLCC)의 크기는 점점 작아지 , 반대로 내부 적층수는 증가하여 층간 전극 연결에 들어가는 도전 성 재료들의 사용량이 증가하게 되었다[2]. 도전성 재료로 주로 사용 되던 금속으로는 전기ㆍ열전도도가 우수한 Ag, Pt, Pd 등의 귀금속들 이다[3]. 도전성 재료의 사용량이 증가하면서 원가에 대한 부담으로 인해 귀금속을 대신할 재료가 필요하게 되었다. 그 중 구리는 귀금속에 비해 저렴한 가격과 유사한 전기ㆍ열전도도 특성을 가졌지만, 대기 중에서 쉽게 산화가 일어나 특성이 저하되기 때문에 사용이 제한되어 왔다[4]. 전자 제품에 사용되는 재료들은 산화에 취약할 경우 제품에 결함에 생기거나, 제조 공정에서도 환원 분위기를 유지해 줘야 하기 때문에 기술 및 설비적인 측면에서도 어려움이 있다. 또한 가장 중요

Upload: others

Post on 07-Oct-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 ... · 2014. 8. 13. · 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온

Original article

Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 6, December 2012, 554-560

554

구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과

저온 치밀화를 통한 도전성 필러 응용

심영호*⋅박성대**⋅김희택†

한양대학교 화학공학과, *한양대학교 바이오나노학과, **전자부품연구원

(2012년 8월 16일 접수, 2012년 9월 24일 심사, 2012년 10월 17일 채택)

Application in Conductive Filler by Low-Temperature Densification and

Synthesis of Core-Shell Structure Powder for Prevention from Copper Oxidation

Young Ho Shim*, Seong-Dae Park**, and Hee Taik Kim†

Department of Chemical Engineering, Hanyang University, Gyeonggi-do 426-791, Korea

*Department of Bionanotechnology, Hanyang University, Gyeonggi-do 426-791, Korea

**Korea Electronics Technology Institute, Seongnam 463-816, Korea

(Received August 16, 2012; Revised September 24, 2012; Accepted October 17, 2012)

전자ㆍ통신 산업이 발달하면서 도전성 재료의 사용이 증가하게 되었다. 그에 따라 주로 사용되어오던 귀금속들을 대

신할 저렴한 재료들이 필요하게 되었다. 그 중 구리는 귀금속에 비해 값이 저렴하고, 유사한 열ㆍ전기적 특성을 가졌

지만 대기 중에서 쉽게 산화가 되는 문제점이 있다. 산화를 방지하기 위해서는 제조공정이 복잡해져 사용에 제한이

되어왔다. 구리의 산화 방지를 위한 방법 중 하나로 산화에 강한 금속을 Core-Shell 구조로 도금시켜 고유의 특성을

유지하며 산화를 방지하는 방법이 있다. 본 연구에서는 무전해 도금법으로 구리분말에 주석(Sn) 도금을 했고, 도금에

영향을 주는 인자들에 대해서 연구했다. XRD, FE-SEM, FIB, 4-Point Probe 등의 분석결과 구리 표면에 치밀한 주석

피막이 도금되었고, 대기 중에서 산화가 되지 않았다. 분석결과를 바탕으로 최적의 도금 조건을 도출했고, 추가적으로,

도전성 필러 응용 가능성에 대한 실험을 했다. 합성된 분말을 pellet 형태로 압분 성형한 후 저온 열처리 전과 후의

변화를 분석했다. 그 결과 저온 치밀화를 통해 용융된 주석이 구리 입자들을 상호연결 시켰고, 전기 전도가 향상되었다.

Recently, it has been increasing trend to use conductive materials as electronics and communication technology in electronics

industry are developing. The noble metal such as Ag, Pt, Pd etc. are mostly used as conductive materials, To reduce pro-

duction cost, alternative materials with similar characteristics of noble metals are needed. Copper has advantages, i.e its elec-

tronic properties are similar to noble metals and low cost than noble metal, but its use has been restricted because of oxidation

in air. In this study, the tin film was coated on copper by electroless plating to protect copper from oxidation and to confirm

the effects of temperature, pH, amount of SnCl2, and feeding speed in plating conditions. Additionally, we apply CucoreSnshell

powder as conductive filler with low-temperature densification and analysis by SEM, XRD, FIB and 4-Point Probe techniques.

As result of the study, tin film was coated well on copper and was protected from oxidation. After low-temperature densifica-

tion treatment, the meted tin made chemical interconnections with copper. Accordingly, conductivity was increased than before

condition. We hope CucoreSnshell powder to replace noble metals and use in the electronic field.

Keywords: electroless plating, conductive materials, interconnection, low-temperature densification, electronic materials

1. 서 론1)

전자, 통신 산업이 급속도로 발달하면서 고기능 제품에 들어가는

부품들은 경박화, 소형화 되었다. 그에 따른 생산 기술과 함께 사용되

는 재료들의 특성과 가격 등이 중요한 요인이 되었다[1]. Figure 1에서

† Corresponding Author: Hanyang University

Department of Chemical Engineering

1271 Sa-3 dong, Sangnok-gu, Ansan, Kyunggi-do 426-791, Korea

Tel: +82-31-400-5274 e-mail: [email protected]

pISSN: 1225-0112 @ 2012 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry.

All rights reserved.

보듯이 Multi Layer Ceramic Capacitor (MLCC)의 크기는 점점 작아지

고, 반대로 내부 적층수는 증가하여 층간 전극 연결에 들어가는 도전

성 재료들의 사용량이 증가하게 되었다[2]. 도전성 재료로 주로 사용

되던 금속으로는 전기ㆍ열전도도가 우수한 Ag, Pt, Pd 등의 귀금속들

이다[3]. 도전성 재료의 사용량이 증가하면서 원가에 대한 부담으로

인해 귀금속을 대신할 재료가 필요하게 되었다. 그 중 구리는 귀금속에

비해 저렴한 가격과 유사한 전기ㆍ열전도도 특성을 가졌지만, 대기

중에서 쉽게 산화가 일어나 특성이 저하되기 때문에 사용이 제한되어

왔다[4]. 전자 제품에 사용되는 재료들은 산화에 취약할 경우 제품에

결함에 생기거나, 제조 공정에서도 환원 분위기를 유지해 줘야 하기

때문에 기술 및 설비적인 측면에서도 어려움이 있다. 또한 가장 중요

Page 2: 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 ... · 2014. 8. 13. · 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온

555구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 통한 도전성 필러 응용

Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 6, 2012

Figure 1. Schematic diagrams of MLCC. Figure 2. A Representation of the Core-Shell Structure.

Table 1. Compositions and Conditions of Electroless Plating Bath

Materials Regent Chemical formula Concentration (g/200 mL) Conditions

Copper powder average 7 µm Cu 1.5

Precursor tin (II) chloride, 99.99% SnCl2 0.25∼0.7

Reductant Sodium hypophosphite, 86.5% NaPH2O2⋅H2O 1.5∼4

Complexing agent

Citric acid, 99.5% C6H8O7⋅H2O 0.25∼0.7

Tartaric acid, 99.7% C4H6O6⋅2H2O 1∼2.5

Thiourea, 99.0% NH2CSNH2 1.5∼4

pH adjustment Sulfuric acid, 95% H2SO4 - 0.5, 1, 2

Temp. RT, 60, 90 ℃

한 전기전도도 역시 저하시키는 원인이 된다. 이런 단점들을 보완하여

구리를 사용할 경우 귀금속보다 원가 절감이 가능할 것이다. 구리의

산화를 방지할 수 있는 방법 중 하나로 Core-Shell 구조로(Figure 2)

분말을 합성하는 것이다. 기본적인 Core 물질인 구리에 다른 금속, 세라믹,

고분자들을 Shell 형태로 피막을 형성시키는 기술이다. Core-Shell

구조는 재료과학 분야에서 큰 관심을 받고 있다[5,6]. 그 이유는 단일

성분일 때와 비교하면 단분산도, 안정성, self-assembly와 같은 특이한

물리ㆍ화학적 성질을 많이 가지고 있으며, 입자의 크기, 화학적 조성

과 입자 구조의 순서에 따라서 전기적[7], 자성적[8], 광학적[9-11], 열

전도도[12]와 촉매로서 다양하고 새로운 특성을 가지기 때문이다.

Core-Shell 구조[13] 제조 방법에는 여러 가지 방법이 있지만 주로 무

전해 도금법[14(A)]을 이용하는데, 이 방법은 전기 도금에 비해 형상

에 제약을 받지 않고 간단한 방법으로 균일한 도금이 가능하기 때문

이다. 또한 전기를 사용하지 않기 때문에 제조 원가 절감 효과도 있다.

본 연구에서는 고가의 귀금속 도전성 재료들을 대체할 수 있는

Core-Shell 구조의 구리(Cu)-주석(Sn) 분말을 합성하고 다양한 인자들

이 도금에 미치는 영향에 대해서 연구했다. 추가적으로, 합성된 분말을

이용해 도전성 filler 응용 실험을 진행했다.

2. 실 험

2.1. 시약 및 반응기 준비

본 실험에 Core가 되는 금속은 조인 엠(주)에 구형 구리(평균 7 µm)

분말을 사용했다. 도금욕의 구성은 Shell이 되는 주석(Sn)은 Sigma

Aldrich의 tin (II) chloride dihydrate (SnCl2, ≥ 99.99%), complexing

agent는 대정화금의 citric acid monohydrate (C6H8O7⋅H2O, 99.5%),

Wako pure chemical의 Tartaric Acid (C4H6O6⋅2H2O, 99.7%), Sigma

Aldrich의 Thiourea (NH2CSNH2, ≥ 99.0%)를 사용했다. 환원제는 대

정화금의 Sodium hypophosphite monohydrate (NaPH2O2⋅H2O, 86.5%),

pH 조정제는 Junsei에 황산(H2SO4, 95%)을 사용했다. 실험에 사용된

시약의 종류, 화학식 및 순도를 Table 1에 정리했다. 실험 장치는 구리

입자의 고른 분산을 위해서 둥근 삼구 플라스크를 사용했고, 입자의

침전을 막고 균일한 도금을 위해서 교반시켜 주며 반응을 진행했다.

Oil bath와 thermometer를 이용해 반응 온도를 제어했고, syringe pump

를 이용하여 염화주석 용액의 주입속도를 조절했다.

2.2. 실험 변수

무전해 도금 전 사용되는 매질과 도금 물질 간의 표준 전위 차이를

확인하면 도금에 사용될 환원제의 선택이 용이하고 반응에 대한 예측

도 가능하다. 주석은 수소과전압이 높고 촉매활성이 낮아 일반적인

환원제로는 안정적인 자기촉매 석출이 어렵기 때문에[14(B)] 본 실험

에서는 complexing agent를 이용하여 주석과 착화물을 형성시켜 도금

을 용이하게 했다. 실험 인자로는 반응 온도, 염화주석(SnCl2)의 양,

주입 속도, pH로 하였고, 각 인자들이 도금에 미치는 영향에 대해서

고찰했다. 각 반응 조건을 Table 2, 실험 절차는 Figure 4에 나타냈다.

2.3. 도금욕 준비 및 CucoreSnshell 입자 합성

도금욕의 제조 방법은 증류수 200 mL에 Tartaric acid 1 g과 Thi-

ourea 1.5 g에 넣고 용해시켜 준다. 그 용액에 sodium hypophosphite

monohydrate 1.5 g을 넣어 용해한다. 이 용액을 A 용액이라고 지칭하

기로 했다. A용액에 구리 분말을 넣고 침전되지 않도록 충분한 교반

속도를 유지해 주면서 oil bath의 온도를 90 ℃로 유지하고, 이때 황산

을 이용하여 pH를 조절한다. 도금욕의 온도가 올라가는 동안 염화주석

(SnCl2)과 착화제인 citric acid를 1 : 1 wt%로 측량하여 증류수 20 mL

에 용해한다. 이 용액을 B 용액이라 지칭하기로 했다. 이때 염화주석은

증류수에 용해되면서 불투명한 액상으로 존재하지만 complexing

Page 3: 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 ... · 2014. 8. 13. · 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온

556 심영호⋅박성대⋅김희택

공업화학, 제 23 권 제 6 호, 2012

Table 2. Parameters of Experimental

Level. 1 Level. 2 Level. 3

Temp. (℃) RT 60 90

SnCl2 (g) 0.25 0.5 0.7

Feeding speed (mL/min) 1 2 3

pH 0.5 1 2

Figure 3. Electroless Sn-plating processes for synthesis of CucoreSnshell

particles.

Figure 4. FE-SEM images of pure Cu and Cu of electroless plated Sn

as effect of different temperature.

agent가 들어가 착화합물을 형성해 이온 상태가 되어 투명하게 변한

다. 도금욕의 온도가 90 ℃에 도달하면 syringe pump를 이용하여 준

비된 B용액을 A용액에 서서히 주입한다. 주입이 끝난 후 충분한 반

응을 위해 10 min간 더 교반시켜 주었다. 모든 반응이 끝난 후에 증

류수를 이용하여 수세시켜 준다. 이때 충분히 수세를 시켜 주지 않을

경우 pH 조정제로 첨가했던 황산(H2SO4)에서 황(sulfur) 및 불순물이

남아 피막에 손상을 줄 수 있기 때문에 주의해야 한다. 수세된 증류

수의 pH가 수순한 증류수의 pH 값을 가질 때까지 충분히 수세를 시

켜준 후 수분 제거를 위해 에탄올 3회 세척한 후 오븐에서 건조시켜

CucoreSnshell 분말을 얻었다.

2.4. 도전성 필러 응용을 위한 CucoreSnshell 분말 성형 및 저온 치밀화

열처리

본 실험에서 합성한 CucoreSnshell 분말을 pellet 형태로 압분 성형한

후 저온 열처리 전과 후의 특성을 비교했다. 주석(Sn)의 낮은 융점 때

문에 저온 열처리 과정에서 쉽게 용융된 주석이 입자간의 빈 공간을

채워 치밀한 상호 연결을 가능하게 해줄 것으로 예상된다. 그 결과

상호 물리적 접합이 아닌 화학적인 결합이 가능하기 때문에 다수의 계

면, 빈 공간, 불순물 등 여러 결함들로 인해 전기 전도도가 저하되는

문제점을 보완하고, 전기 전도도 역시 향상시킬 것으로 예상된다.

2.5. 분석 장비

합성된 CucoreSnshell 분말의 형상 분석은 FE-SEM을 이용하였고, 결

정구조는 XRD로 분석했다. 도금된 피막 두께는 FIB (Focus Ion

Beam) 단면 분석으로 확인했다. 필러 응용 실험의 pellet은 열처리 전과

후의 미세 조직 변화를 FE-SEM으로 분석했고, XRD로 결정구조의

변화를 비교했다. 또한 4-Point Probe를 이용해 저온 열처리 전과 후의

전도도 측정을 했다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 온도의 영향

도금욕의 온도를 각각 상온(약 27 ℃), 60, 90 ℃로 하여 도금에 미

치는 영향에 대해 확인했다. 그 결과 상온에서는 B용액이 주입되면서

구리 입자의 색 변화가 고온에 비해 더디게 일어났고 반응 후에도 반

응 전 구리의 색이 남아 있는 어두운 갈색을 띠었다. 반면 고온 반응

에서는 B용액이 들어가면서 서서히 어두운 회색으로 변화하기 시작

했고, 반응 직후 짙은 회색을 띠었다. FE-SEM 분석결과(Figure 4) 상

온에서 합성한 분말은 도금 전과 비교했을 때 입자 표면 곳곳에 불균

Page 4: 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 ... · 2014. 8. 13. · 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온

557구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 통한 도전성 필러 응용

Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 6, 2012

Figure 5. FE-SEM images of CucoreSnshell particles on effect of amount of SnCl2; (A) 0.25 g, (B) 0.5 g, and (C) 0.7 g.

Figure 6. Focus Ion Beam images of CucoreSnshell particles on effect of amount of SnCl2; (A) 0.25 g, (B) 0.5 g, and (C) 0.7 g.

Figure 7. XRD patterns of CucoreSnshell particles as effect of amount of

SnCl2; (a) 0.25 g, (b) 0.5 g, and (c) 0.7 g.

일한 주석이 도금되었다. 반면 60, 90 ℃에서는 구리 입자 표면에 주

석이 균일하게 도금되어 도금 전 모습과 차이를 보였다. 90 ℃에서 가

장 균일한 피막을 형성했다. 온도는 pH와 함께 도금욕의 안정성 및

석출속도에 크게 영향을 미치는 인자로서 온도에 대한 석출속도는 지

수적 변화를 갖는다. 그 이유는 이온 상태로 존재하는 주석을 환원시

키기 위해서는 물질 고유의 임계 에너지가 필요하기 때문이다. 그 에

너지를 넘게 되면 환원이 급속도로 빠르게 진행된다. 그렇기 때문에

저온에서는 강력한 환원제를 쓰더라도 고온 반응보다 상대적으로 더

딘 반응이 일어나게 된다. 한편 고온에서 도금을 진행하는 경우 도금

액 종류에 따라 증발이 극심하게 일어날 수 있다. 이는 도금액 조성을

변화시켜 활성화 에너지의 과한 상승을 유발함으로서 도금액의 안정

성 저하와 함께 도금액의 혼탁을 야기하기도 한다.

3.2. 염화주석(II) 양의 영향

경제성과 효율성을 고려하여 구리분말에 최적의 주석 양을 도금하

기 위해서 염화주석의 양을 0.25, 0.5, 0.7 g으로 도금했다. 반응조건에

서 B용액이 주입되면서 주석이 도금되어 본래의 붉은 구리의 색에서

점점 어두운 회색으로 변화했다. 반응이 끝난 후 육안으로 관찰한 결과

0.25 g일 때는 붉은 구리의 색을 띠었고, 0.5 g과 0.7 g일 때는 짙은

회색을 띠었다. FE-SEM 분석결과 Figure 5(A) 0.25 g에서 구리 표면

에 주석 입자들이 충분한 피막을 형성하지 못했다. Figure 5(B) 0.5 g

에서는 0.25 g보다 균일한 피막이 형성되었다. 마지막으로 Figure 5(C)

0.7 g에서도 균일한 도금이 되었다. 염화주석 0.7 g 이상에서는 free

tin이 석출되었는데, 이것은 과잉으로 주입된 염화주석으로 인해 도금

욕의 농도가 높아져 과포화되면서 자연 석출되거나, 도금욕의 안정도

가 떨어지면서 구리 표면 이외에서도 쉽게 핵이 생성되어 free tin이

석출되게 되는 것으로 예상된다. 도금의 균일성과 두께를 평가하기

위해서 FIB (Focus Ion Beam)을 이용하여 각 입자들의 단면을 확인했

다. 그 결과 도금의 두께는 주석의 농도가 증가할수록 증가했다.

Figure 6(A) 0.25 g일 때 약 0.3 µm으로 도금이 되었고, (C) 0.7 g에서

약 1 µm까지 도금되었다. XRD분석 결과(Figure 7) Cu와 Cu3Sn의

peak이 확인되었다. 염화주석의 양이 증가하면서 도금되는 주석의 양

이 증가해 주석의 회절강도가 증가했고, 상대적으로 구리의 회절강도

는 감소했다.

Page 5: 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 ... · 2014. 8. 13. · 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온

558 심영호⋅박성대⋅김희택

공업화학, 제 23 권 제 6 호, 2012

Figure 8. FE-SEM images of CucoreSnshell on effect of feeding speed; 1, 2 and 3 mL/min respectively.

Figure 9. FE-SEM images of CucoreSnshell particles as effect of pH value; (A) 0.5, (B) 1, and (C) 2.

Figure 10. XRD patterns of CucoreSnshell particles as effect of pH value;

(a) 0.5, (b) 1, and (c) 2.

3.3. 주입속도의 영향

일정한 주입속도는 도금욕 농도에 영향을 주기 때문에 안정적으로

농도를 유지하며 균일한 도금을 할 수 있게 해준다. 본 실험에서는

B 용액의 주입속도를 1, 2, 3 mL/min로 하였다. 실험 결과(Figure 8)

1 mL/min에서 균일하게 도금되었다. 반면 주입속도가 증가하면서 불

균일한 도금층과 함께 hole이 확인되었다. 이것은 동일 시간 내에 주

석 착화물의 양이 다르게 주입되어 도금욕 농도가 변해 자연 석출되

거나, 구리 표면 외에 핵이 생성되어 free tin이 석출되는 등 다양한

환원 반응이 급격하게 일어나 구리분말 표면에 안정적으로 도금되지

못한 것으로 예상된다. 또한 주입 속도가 증가하면서 표면에 도금된

입자들의 크기도 불균일했다. 도금된 입자에 hole이 있을 경우 산화에

취약한 구리의 표면이 노출되거나, 상대적으로 얇은 도금층 때문에

외부환경에 쉽게 손상을 가져올 수 있다.

3.4. pH의 영향

pH는 도금 조건에 있어 중요한 인자 중 하나이다. 도금 물질에 따

라서 산성욕과 알카리욕으로 구분되어 사용되고 있다. 본 실험에서는

산성욕을 사용했고, pH는 0.5, 1, 2에서 실험했다. 실험 결과 pH 0.5,

1일 때 구리 입자 표면에 균일한 도금층을 형성했다(Figure 9). 반면

pH 2에서는 표면에 불균일하게 도금되었다. 이것은 pH가 높아질수록

sodium hypophosphite의 강한 환원력 때문에 도금욕이 불안정해지면

서 불균일하게 도금되거나, 이외의 장소에 핵이 생성되어 free tin이

석출되는 것으로 보인다. XRD 분석 결과(Figure 10) 도금층이 균일하

고 치밀했던 pH 0.5에서 주석의 회절강도가 강하게 나타났고, pH 상

승하면서 불균일한 도금층이 형성되어 회절강도가 감소했다.

3.5. 도전성 필러 응용 실험

Pellet 형태 샘플의 저온 열처리 전과 후를 비교했다. 그 결과 열처

리 전(Figure 11(A)) 입자 사이에 빈 공간이 다수 존재했지만, 열처리

후 입자 사이가 채워진 치밀한 구조로 변했다. 이것은 융점이 낮은 주

석이 저온 열처리 과정에서 쉽게 용융되어 입자들 사이의 빈 공간을

채웠기 때문이다. 이런 모습은 측면에서도 확인할 수 있다. Figure

11(C)는 열처리 전 측면 이미지로 윗면과 동일하게 빈 공간이 보였지

만, 열처리 후 동일하게 용융된 주석이 빈 공간을 채워 치밀한 구조가

Page 6: 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 ... · 2014. 8. 13. · 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온

559구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 통한 도전성 필러 응용

Appl. Chem. Eng., Vol. 23, No. 6, 2012

Figure 11. FE-SEM images of pellet samples; before thermal treatment (A) Top view, (C) Side view and after thermal treatment (B) Top view,

(D) Side view.

Figure 12. XRD patterns of pellet sample on thermal treatment before

(a) and after (b).

되었다. 측면에서 입자들이 떨어져 나간 홈들이 다수 확인되었는데

이것은 샘플을 쪼개면서 결합되어 있던 입자들이 떨어져 나간 빈 자

리이다. 열처리 전과 후의 XRD 분석 결과(Figure 12) 열처리 후 구리

의 대표적인 3개 peak 옆에 새로운 3개의 peak이 나타났다. 이것은

Cu13.7Sn의 peak으로 구리 입자 표면과 도금된 주석이 상호확산에 의

해 생성된 것으로 예상된다. 또한 열처리 전과 후의 전기 전도도 변화

를 알아보기 위해 4-Point Probe로 분석한 결과 열처리 전 0.193 × 106

S/cm에서 열처리 후 0.374 × 106 S/cm로 향상된 것을 확인했다. 이것

은 앞에서 언급했듯이 용융된 주석이 빈 공간을 채워주면서 치밀한

구조가 되어 전기 전도도가 향상된 것으로 예상된다.

4. 결 론

본 연구에서는 무전해 도금법을 이용해 구리 표면에 주석을 도금

했다. 그 결과 구리는 대기 중에서 산화되지 않았다. 도금욕의 온도는

도금의 속도와 안정성에 영향을 주었다. 고온으로 갈수록 균일한 피

막을 얻을 수 있었고, pH는 0.5일 때 가장 안정적으로 도금되었지만

pH가 높아지면서 불안정한 도금막이 형성되었다. 이것은 높은 pH에

서는 환원제의 환원력이 강해져 불안정한 석출이 일어나기 때문이다.

효율적인 주석염의 양은 구리분말 1.5 g당 염화주석 0.7 g일 때 약 1

µm 두께까지 도금이 되었고, 그 이상에서 free tin이 석출되면서 효율

성이 감소했다. 마지막으로 B용액의 주입속도는 1 mL/min에서 안정적

으로 피막을 형성했다. 실험을 통해 각 인자들이 미치는 영향에 대해

연구한 결과 안정적인 도금을 위해서는 각 인자들이 급격한 변화 없이

공급되어 안정적인 도금욕을 유지하는 것이 가장 중요했다. CucoreSnshell

분말은 저온 치밀화 열처리를 통해 전기 전도도를 향상시켜 도전성

필러 재료로서의 가능성을 확인할 수 있었다. CucoreSnshell 분말은 고가의

귀금속을 대체해 도전성 필로 재료로서 사용이 가능할 것으로 기대된다.

감 사

이 연구는 지식경제부 소재원천기술개발사업(K00013-474)의 연구비

지원으로 이루어졌으며, 이에 감사드립니다.

Page 7: 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온 치밀화를 ... · 2014. 8. 13. · 구리 산화 방지를 위한 Core-Shell 구조 입자 합성과 저온

560 심영호⋅박성대⋅김희택

공업화학, 제 23 권 제 6 호, 2012

참 고 문 헌

1. J. Y. Park, J. S. Park, Y. T. Kim, and K. H. Hur, J. Kor. Ceram.

Soc., 46, 155 (2009).

2. S. B. Sohn, H. S. Kim, S. M. Song, Y. T. Kim, and K. H. Hur,

J. Kor. Ceram. Soc., 46, 146 (2009).

3. K. S. Yun, Y. C. Park, B. S. Yang, H. H. Min, and C. W. Won,

J. Kor. Powder Matall. Inst., 12, 56 (2005).

4. H. T. Hai, J. G. Ahn, D. J. Kim, J. R. Lee, H. S. Chung, and C.

O. Kim, Surf. Coat. Technol., 201, 3793 (2006).

5. K. Kamata, Y. Lu, and Y. Xia, J. Am. Chem. Soc., 125, 238

(2003).

6. J. Xiang, W. Lu, Y. Hu, Y. Wu, H. Yan, and Charles M., Nature,

441, 489 (2006).

7. S. C. Lin, S. Y. Chen, Y. T. Chen, and S. Y. Chen, J. Alloys

Compd., 449, 232 (2008).

8. J. I. Park and J. W. Cheon, J. Am. Chem. Soc., 123, 5743 (2001).

9. H. Ow, D. R. Larson, M. Srivastava, B. A. Baird, W. W. Webb,

and U. Wiesner, Nano Lett., 5, 113 (2005).

10. J. W. Hu, J. F. Li, B. Ren, D. Y. Wu, S. G. Sun, and Z. Q. Tian,

J. Phys. Chem. C, 111, 1105 (2007).

11. R. Baer, D. Neuhauser, and S. Weiss, Nano Lett., 4, 85 (2004).

12. R. Yang, G. Chen, and M. S. Dresselhaus, Nano Lett., 5, 1111

(2005).

13. F. Caruso, A. S. Susha, M. Giersig, and H. Mohwald, Adv. Mater.,

11, 950 (1999).

14. N. I. Kim and S. S. Jang, Electroless Plating, (A)16 and (B)177,

Dong Hwa Technology publishing (1996).