태양광 산업 및 전자 패키징 분야에서 전도성 페이스트에 대한 수요는 고은 함량에서 저은 함량, 심지어 무은 함량으로 변화하고 있습니다. 은 분말은 우수한 전도성과 화학적 안정성을 가지고 있지만, 가격이 비싸고 자원이 부족하며 전기 이동(electromigration) 현상이 발생하기 쉽습니다. 반면 구리는 은 다음으로 전도성이 뛰어나고 가격은 은의 약 1/100 수준입니다. 따라서 은 분말 대신 저가 구리 분말을 사용하는 것이 비용 절감의 중요한 방법이 되었습니다. 그러나 구리 분말 표면은 산화되기 쉽고 전기 절연성 산화물의 얇은 층을 형성하여 전도성과 신뢰성을 심각하게 저하시킵니다. 따라서 구리 분말 산화를 방지하는 것은 은 페이스트를 구리 페이스트로 대체하는 데 있어 핵심적인 기술적 과제입니다.

산화 메커니즘 및 성능 저하 구리 가루

구리는 알루미늄이나 니켈과 같은 금속과는 달리 표면에 치밀하고 안정적인 고유 부동태화층을 형성하기 어렵습니다. 따라서 노출된 구리 표면은 공기 중의 산소와 수증기에 의해 지속적으로 산화되고 부식됩니다. 구리 분말의 입자 크기가 작고 비표면적이 클수록 빠르게 산화되어 산화구리(Cu₂O)와 같은 생성물을 생성하기 쉽습니다. 산화구리(CuO) 이러한 산화물 절연층은 구리 분말의 전도도를 크게 감소시키고 입자 소결 연결을 방해하여 전도성 페이스트의 성능을 저하시킵니다. 특히 태양광 전지 전면 전극의 소결 공정(종종 500℃ 이상의 고온이 필요함)에서 구리 분말이 보호되지 않으면 심하게 산화되어 양호한 금속 전도성 네트워크를 형성할 수 없습니다. 또한, 고온 다습한 환경에서는 산화물층의 성장으로 인해 시간이 지남에 따라 전도도가 저하되어 소자의 수명에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 구리 분말의 표면 산화를 억제하는 것은 전도성 유지, 소결 활성 및 장기적인 안정성을 위해 매우 중요합니다.

구리분말 표면 산화방지 처리의 주요 방법

연구원과 엔지니어들은 구리 분말의 산화 문제를 해결하기 위해 다양한 표면 산화 방지 처리 기법을 개발했습니다. 구리 분말 표면에 물리적 또는 화학적 보호층을 형성하면 산소 접촉을 차단하거나 활성 부위를 부동태화하여 산화를 늦추거나 방지할 수 있습니다. 주요 방법으로는 유기 코팅 보호, 무기 코팅, 자가 부동태화 합금 개질, 그리고 표면 환원 부동태화 처리가 있습니다. 다음 글에서는 각 방법의 원리와 일반적인 개발 과정을 개별적으로 소개합니다.

유기 코팅 보호
지방산 및 고분자 코팅: 올레산 및 스테아르산과 같은 장쇄 지방산은 카르복실기를 통해 구리 표면과 결합하여 산소와 수분을 차단하는 소수성 유기층을 형성할 수 있습니다. 표면 개질 처리를 위해 구리 분말을 올레산 아세톤 용액에 담그면 분말 표면에 올레산 보호막을 형성할 수 있습니다. 실험 결과, 이 방법으로 처리된 미세 구리 분말의 순도와 항산화 특성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 마찬가지로, 수지 또는 고분자를 사용하여 구리 분말 표면을 코팅할 수도 있습니다. 예를 들어, 구리 분말 표면에 폴리아닐린을 인시튜 중합하여 전도성 고분자 코팅을 형성하면 공기 중 구리 분말의 항산화 저장 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 또한, 전도성 접착제 제조 과정에서 구리 분말을 미리 코팅하기 위해 일정량의 고분자 바인더(예: 에틸 셀룰로오스, 아크릴 수지 등)를 첨가하면 구리 분말의 산화를 줄이고 슬러리의 저장 수명을 연장하는 것으로 입증되었습니다.

실란 커플링제 개질: 유기 실란 커플링제 분자의 한쪽 말단에는 가수분해성 실란기가 포함되어 있어 구리 표면 산화물/히드록시기와 반응하여 실리콘 산소 결합을 형성하고, 다른 쪽 말단에는 유기 작용기가 있어 소수성 보호 기능을 제공합니다. 실란 처리를 통해 구리 분말 표면에 유기 실리콘 막을 형성하면 산화 방지 및 분산성 향상이라는 이중 효과를 얻을 수 있습니다. 구리 분말 처리를 위해 에폭시 전도성 접착제에 실란 커플링제 KH-902를 첨가한 결과, 3%를 첨가했을 때 고온 경화 과정에서 구리 분말의 내산화성이 크게 향상되었고, 구리 분말이 콜로이드에 더욱 균일하게 분산되는 것으로 나타났습니다. 연구에 따르면 실란 커플링제는 약 200℃ 이하에서 구리 분말의 산화를 효과적으로 억제할 수 있으며, 저온 경화 슬러리 시스템에 사용하면 분말과 유기 담체의 상용성 및 안정성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

무기 코팅
귀금속 코팅: 구리 분말 표면에 치밀한 불활성 금속층을 코팅하는 것은 산화를 완전히 방지하는 효과적인 방법입니다. 은 코팅 구리 분말은 기술 및 응용 분야에서 이미 성숙 단계에 도달했습니다. 화학 치환 도금 또는 화학 환원 도금을 통해 수십에서 수백 나노미터 두께의 은 셸층을 구리 입자 표면에 증착하여 "구리 코어-은 셸" 구조를 형성할 수 있습니다. 은 셸층은 구리를 외부 환경으로부터 격리시켜 산화 안정성을 크게 향상시키고, 은의 높은 전도성을 활용하여 복합 분말의 우수한 전도성을 보장합니다. 은 코팅 구리 분말은 대부분의 순은 분말을 대체할 것으로 예상되며 전도성 접착제, 전자파 차폐 코팅, 전도성 잉크 등의 분야에 적용되어 왔습니다. 또한 태양광 슬러리에서 은 함량을 20~50%로 줄여 은 환원 용액을 만드는 데에도 사용되었습니다. 또 다른 유형은 니켈 도금 구리 분말로, 구리 산화를 방지하는 차단층 역할을 할 수 있습니다. 그러나 니켈은 전도성이 낮기 때문에 내산화성과 전도성의 균형을 맞추기 위해 코팅 두께를 조절해야 합니다. 또한, 팔라듐/금으로 코팅된 구리 박막은 전자 패키징 분야에서 이미 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, 접합된 구리 박막은 고온 2차 접합 전에 구리의 산화 및 취성을 방지하기 위해 팔라듐과 매우 얇은 금 박막으로 코팅되는 경우가 많습니다. 전반적으로 귀금속 코팅 방식은 산화 방지 효과가 가장 뛰어나지만, 여전히 귀금속 함량이 높아 비용이 높고 코팅 두께를 정밀하게 제어해야 합니다.

전도성 페이스트 및 전자 패키징 분야에서 구리 분말의 응용 가능성은 무궁무진하지만, 산화는 실험실 연구 성과와 실제 제품 간의 주요 장애물로 작용해 왔습니다. 최근 연구에 따르면 유기 코팅, 무기 코팅, 자가 부동태화 합금화, 표면 환원 부동태화와 같은 다양한 전략이 구리 분말의 항산화 특성을 크게 향상시켜 넓은 공정 범위 내에서 우수한 전도성을 유지할 수 있는 것으로 나타났습니다. 다양한 방법은 각자 장단점을 가지고 있으므로 특정 응용 분야에 맞게 선택하거나 조합하여 사용해야 합니다.

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