KR101079420B1 - 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치 및 방법 - Google Patents

열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다양한 입자 발생수단에 의해 생성된 에어로졸 형태의 나노입자를 균일 속도장 내에서 열영동(thermophoretic) 효과를 이용하여 제어하여 기판상의 목표한 위치에 정밀하게 제어된 상태로 증착시킴으로써, 수 나노미터에서 수백 나노미터의 스케일을 갖는 나노입자를 전극물질인 기판 위에 정밀한 크기와 정확도로 패터닝할 수 있는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
온도 구배, 열영동, 열전소자, 유기태양전지, 전자 주개, 전자 받개

Description

열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치 및 방법{Method and devices for controlling and depositing functional nanoparticles using thermophoretic effect}
본 발명은 전극물질인 기판 위에 나노입자를 증착시키는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수 나노미터에서 수백 나노미터의 스케일을 갖는 나노입자를 기판 위에 정밀한 크기와 정확도로 패터닝할 수 있는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 전자 산업의 발달에 따라 전자 및 정보 통신단말기 등 전자 부품의 소형화 및 다기능화에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.
전자 부품의 소형화 및 다기능을 추구하려면, 전자 부품을 구성하고 있는 회로 기판도 고밀도로 집적화되어야한다. 이에 따라, 최근에는 기판에 미세한 전자 회로를 형성하는 기술이 점차 중요한 문제로 대두되고 있으며, 이와 발맞춰 다층의 구조를 갖는 기판의 개발이 활발히 진행되고 있다.
종래의 기판에 도전성 배선을 형성하는 하나의 방법으로서 스크린 프린팅(screen printing) 방법이 있다. 이러한 스크린 프린팅에서는 소자의 활성층이 단분자인 경우에 쉐도우 마스크를 열증착이나 전자빔(e-beam) 증착으로 구현하며, 고분자의 경우에는 별도의 포토레지스트를 사용하여 노광/에칭 단계를 거쳐 패턴을 형성한다. 일례로 유리 기판의 전체 표면상에 전도성 물질을 코팅하여 하부전극을 형성한 후에, 그 위에 유기 활성층 재료를 포함하는 포토레지스트 조성물을 도포하고, 포토레지스트 마스크를 사용하여 유기 활성층을 선택적으로 에칭하여 패터닝한다. 그러나 이러한 스크린 프린팅 방법은 공정이 복잡하고 고가의 장비 사용 등으로 인해 코스트를 상승시키는 단점과 아울러 스케일이 수 마이크로미터에 제한되기 때문에 나노 구조의 형성에 한계가 있었다.
기판에 도전성 배선을 형성하는 또 다른 방법으로는 포토리소그래피 (photo lithography) 방법과 잉크젯(ink jet) 방법이 있다.
포토리소그래피 방법에서는 수용성 감광성 수지 조성물을 물에 용해시켜 유리기판 상에 도포 및 건조한 후, 수득된 포토레지스트층에 섀도우 마스크를 통하여 노광하고나서 현상하고, 미노광 부분을 제거하여 유리기판 상에 광경화 패턴을 형성시킨 후, 광흡수성 물질을 전면에 도포, 건조하고, 상기 광경화 패턴과 그 위의 광흡수성 물질을 박리 제거함으로써 패턴을 형성한다. 그러나, 이러한 소프트리소그래피 방법의 경우에는 활성층(activelayer)이 열이나 광에 의해 경화되는 메커니즘으로서, 재료의 선택이 제한적인 한계가 있다.
반면, 잉크젯 방법의 경우는 노즐 폐색 등의 문제로 인해서 서브 미크론 미만의 패턴 형성 시에는 기술적으로는 적용하기 어렵고, 용매선택 및 농도유지 제어가 어려울 뿐 아니라 스케일이 수 피코리터로 제한되기 때문에 나노 스케일을 갖는 패터닝 증착에는 한계가 있었다. 이와 같이, 기판에 도전성 배선을 형성하는 종래의 방법인 스크린 프린팅, 포토 리소그래피, 잉크젯 등의 공정으로는 전자 부품의 소형화, 경량화 등을 달성할 수 없었던 문제가 있었다.
한편, 상기와 같이 기판에 미세 전자회로를 형성하는 기술은 유,무기 태양전지의 전극 제조, 연료전지의 활성층 제조 등 다양한 응용분야에 적용되고 있다.
태양전지는 효율과 가격이라는 2가지 측면을 동시에 만족시켜야 하는데, 현재 시장의 주류를 이루고 있는 실리콘 기반 무기태양전지는 높은 발전단가로 인하여 장기적인 시장의 확대에 한계가 있으며, 이에 따라 저비용으로 고효율을 얻을 수 있는 유기태양전지의 기술 개발이 진행되고 있다.
유기태양전지는 전자주개물질과 전자받개물질의 접합 양상에 따라 단순한 이층(Bi-layer), 블렌딩 혼합한 비정형 이종접합 방식 등이 있으나 현재는 넓은 접합면적을 통해 효율을 극대화한 정형 이종접합 유기태양전지의 개발에 주안점을 두고 있다.
이러한 유기태양전지의 제조시 먼저 제작된 1개의 나노 구조 상에 다른 1개의 물질을 접합하기 위해서 스핀코팅 공정과 플렉소 그래피 방법을 사용하지만, 이 경우 상대적으로 스케일이 크기 때문에 얹혀야 할 물질이 벌크 상태로 접합되지 않거나, 기 제작된 구조를 손상시킬 우려가 있다.
이와 같이 종래의 도전성 배선 패터닝 증착 기술은 나노구조를 갖는 미세 전자 회로뿐만 아니라, 유무기 태양전지의 전극 제조, 연료전지의 활성층 제조 등 다양한 응용분야에 있어 응용 가능성이 충분하지 못했다. 따라서, 나노 스케일의 미 세 입자를 기판상의 정확한 위치에 보다 정교하고 정밀하게 패터닝할 수 있는 기술에 대한 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이었다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기 생성된 에어로졸 형태의 나노입자를 균일 속도장 내에서 열영동(thermophoresis) 효과를 이용하여 정밀하게 제어하여 기판상의 목표한 위치에 정교하고 잘 제어된 상태로 증착시킴으로써, 나노 구조의 미세 전자회로를 한층 효과적으로 구현할 수 있으며, 이에 따른 전자 부품의 소형화, 경량화, 다기능화를 구현할 수 있는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 기 생성된 에어로졸 형태의 폴리머 나노입자를 균일 속도장 내에서 열영동 효과를 이용하여 정밀하게 제어하여 유기태양전지 기판상의 목표한 위치에 정교하고 잘 제어된 상태로 증착시킴으로써 유기태양전지를 보다 효율적이며 저비용으로 유기태양전지를 제조할 수 있는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치는, 나노입자가 분사되는 분사노즐; 상기 분사노즐을 통해 분사된 나노입자가 증착되는 기판; 및 상기 기판에 증착되는 나노입자의 거동을 제어할 수 있도록 상기 기판 주위에 온도구배를 형성하는 온도구배 형성수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 온도구배 형성수단은, 상기 분사노즐의 상부에 배치되는 상부 온도판과; 상기 기판의 하부에 배치되는 하부 온도판과; 상기 상부 온도판과 하부 온도판 사이에 온도 차가 발생하도록 상기 상,하부 온도판을 가열 또는 냉각시키는 열발생장치를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 상부 온도판은 하부 온도판보다 온도가 높도록 제어되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 기판은 상기 분사노즐의 직하방에 위치하는 중앙부 영역과, 상기 중앙부 영역의 양 측면에 위치하는 측면부 영역으로 구획되고, 상기 중앙부 영역은 상기 측면부 영역보다 두께가 작게 형성될 수 있다.
여기서, 상기 하부 온도판은, 상기 중앙부 영역에 배치된 중앙부 온도판과; 상기 측면부 영역에 배치된 측면부 온도판으로 구성되고, 상기 중앙부 온도판과 상기 측면부 온도판은 서로 다른 온도차로 유지되도록 제어될 수 있다.
이때, 상기 중앙부 온도판은 상기 측면부 온도판보다 온도가 낮도록 제어되는 것이 바람직하다.
상기 열발생장치로는 열전소자(Thermo- Electronic Module)가 적용될 수 있다.
또는, 상기 열발생장치로서 구리 저항선이 적용될 수 있다.
한편, 전술된 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법은, 나노입자가 증착되는 기판과 그 기판 주위를 가열 또는 냉각하여 온도구배를 형성시킴으로써 분사노즐을 통해 분사되는 나노입자 가 열영동에 의해 기판의 목표지점에 제어된 상태로 증착되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판에 증착되는 나노입자의 증착 높이는 나노입자의 분사시간을 통해 제어될 수 있다.
그리고, 상기 기판 주위의 온도구배 형성은 분사노즐 상부의 온도판과 기판 하부의 온도판을 열발생장치를 통해 가열 또는 냉각시켜 형성할 수 있다.
한편, 전술된 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치는, 전자 주개(donor) 물질과 전자 받개(acceptor) 물질로 구성된 콜로이드 상태의 폴리머 나노입자가 분사되는 분사노즐; 상기 분사노즐을 통해 분사된 나노입자가 활성 폴리머층으로 증착되는 기판; 및 상기 기판에 증착되는 상기 콜로이드 상태의 폴리머 나노입자의 거동을 제어할 수 있도록 상기 기판 주위에 온도구배를 형성하는 온도구배 형성수단; 을 이용하여 유기태양전지를 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 온도구배 형성수단은, 상기 분사노즐의 상부에 배치되는 상부 온도판과; 상기 기판의 하부에 배치되는 하부 온도판과; 상기 상부 온도판과 하부 온도판 사이에 온도 차가 발생하도록 상기 상,하부 온도판을 가열 또는 냉각시키는 열발생장치를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 열발생장치로는 열전소자(Thermo- Electronic Module)가 적용될 수 있다.
또는, 상기 열발생장치로서 구리 저항선이 적용될 수도 있다.
그리고, 상기 기판에 증착되는 폴리머 나노입자의 증착 높이는 폴리머 나노입자의 분사시간을 통해 제어될 수 있다.
한편, 전술된 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법은 전자 주개(donor) 물질과 전자 받개(acceptor) 물질로 구성된 콜로이드 상태의 폴리머 나노입자를 분사노즐을 통해 기판 위에 분사 및 증착시켜 유기태양전지를 형성하되, 상기 폴리머 나노입자가 증착되는 기판과 상기 기판 주위를 가열 또는 냉각하여 온도구배를 형성시킴으로써 상기 분사노즐을 통해 분사된 폴리머 나노입자가 열영동에 의해 상기 기판의 목표지점에 제어된 상태로 증착됨으로써 유기태양전지를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판에 증착되는 폴리머 나노입자의 증착 높이는 폴리머 나노입자의 분사시간을 통해 제어될 수 있다.
그리고, 상기 기판 주위의 온도구배 형성은 분사노즐 상부의 온도판과 기판 하부의 온도판을 열발생장치를 통해 가열 또는 냉각시켜 형성하는 것이 바람직하다.
상기 열발생장치로는 열전소자(Thermo- Electronic Module)가 적용될 수 있다.
또는, 상기 열발생장치로서 구리 저항선이 적용될 수도 있다.
상기한 열영동 방법에 의한 나노입자 제어, 증착 장치 및 방법에 따르면, 본 발명은 종래의 잉크젯(ink-jet)이나 스크린 프린팅(screen printing)과 같은 프린팅 방법과 달리 수백에서 수 나노미터 스케일(scale)에 해당하는 나노입자를 기판상의 목표한 위치에 정밀하게 제어된 상태로 증착시킬 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 열영동 방법을 이용한 프린팅 기술은 종래의 스크린 프린팅, 포토 리소그래피 등의 공정으로 달성할 수 없었던 정교하고 미세한 전자회로의 형성을 가능케하여 제품의 소형화, 박화, 경량화를 달성할 수 있고, 더 나아가 유무기 태양전지의 전극 제조, 연료전지의 활성층 제조 등 다양한 응용분야에 적용가능한 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 열영동 방법을 이용한 나노입자 제어 및 증착 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다. 그리고, 도 2는 본 발명의 상,하부 온도판의 열 제어에 따른 기판 주위의 온도분포를 컴퓨터 시뮬레이션으로 보여주는 예시도이고, 도 3은 도 2의 온도분포에 따른 나노입자의 이동궤적을 보여주는 예시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명은 기판(101)의 상부에 외부에서 생성된 나노입자가 분사되는 분사노즐(102)이 배치된다.
그리고, 상기 기판(101)의 주위에 소정의 온도구배(溫度勾配)를 형성할 수 있도록 하는 온도구배 형성수단인 상,하부 온도판(110)(140)이 설치된다.
상기 상부 온도판(110)은 분사노즐(102)의 상부에 설치되고, 상기 하부 온도판(140)은 나노입자가 증착되는 기판(101)의 하부에 설치된다.
이때, 상기 기판(101)은 분사노즐(102)의 직하방에 위치하는 중앙부 영역(101a)과, 상기 중앙부 영역(101a)의 양 측면에 위치하는 측면부 영역(101b)으로 구획된다.
여기서, 상기 기판(101)의 중앙부 영역(101a)은 상기 측면부 영역(101b)보다 높이가 낮은 함몰된 형태를 이루고 있는바, 이러한 구조가 연속적으로 이루어진 요철구조를 형성하고 있다. 따라서, 중앙부 영역(101a)의 기판(101) 두께는 양쪽 측면부 영역(101b)의 기판(101) 두께보다 얇게 형성된다.
상기 기판(101)의 하부에 설치되는 하부 온도판(140)은 상기 기판(101)의 중앙부 영역(101a)에 배치된 중앙부 온도판(120)과, 상기 기판(101)의 양쪽 측면부 영역(101b)에 배치된 측면부 온도판(130)으로 구성된다.
이때, 상기 기판(101)의 상부측에 있는 상부 온도판(110)과 기판(101)의 하부측에 있는 중앙부 온도판(120) 및 양쪽 측면부 온도판(130)에는 각각 열발생장치인 열전소자(Thermo- Electronic Module)(142)(144)(146)가 설치된다.
상기 각각의 열전소자(142)(144)(146)는 외부로부터 전원을 공급받아 상부 온도판(110)과 중앙부 온도판(120) 및 양쪽 측면부 온도판(130)을 각각 서로 다른 일정한 온도로 유지되도록 가열 또는 냉각시키며 온도를 제어하게 된다.
이때, 본 발명의 실시 예에서는 상부 온도판(110)을 상온 상태로 유지되도록 제어하는 동시에 하부 온도판(140)은 상기 상부 온도판(110)보다 낮은 온도로 유지되도록 제어하고 있다. 이와 함께, 나노입자가 분사되는 분사노즐(102)도 상기 상부 온도판(110)과 마찬가지로 상온 상태로 유지된다.
상기 상부 온도판(110)을 상온 상태로 유지하는 방법으로는 상부 온도판(110) 측에 설치된 열전소자(142)에 전원 공급을 차단하여 열전소자(142)가 작동되지 않도록 함으로써 상부 온도판(110)이 지속적인 상온 상태를 유지하도록 할 수 있다. 또는 상기 상부 온도판(110)에 별도의 열전소자를 설치하지 않고 구성함으로써 상기와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 상기 기판(101)의 하부에 위치한 중앙부 온도판(120)과 양 측면부 온도판(130)은 그 각각에 설치된 열전소자(144)(146)를 통해 서로 다른 온도로 냉각되도록 제어된다. 이때, 상기 중앙부 온도판(120)은 양쪽 측면부 온도판(130)보다 낮은 온도로 유지되도록 제어된다.
이에 따라, 기판(101) 주위의 온도분포는 도 2에서 보는 바와 같이 상온 상태의 상부 온도판(110)이 가장 높은 온도를 유지하고, 양쪽 측면부 온도판(130)에서 중앙부 온도판(120)으로 갈수록 온도가 점차 낮아지는 형태로 기판(101) 주위에 온도구배가 형성된다.
이렇게 기판(101) 주위에 형성된 온도구배는 열영동 효과(thermophoretic effect)를 발생시켜 나노입자의 거동을 제어하게 되는 구동력으로서 작용하게 된다. 여기서, 열영동 효과란 미세입자의 운동학적 특성 중 하나로서, 입자 내부의 온도구배나 입자가 부유되어 있는 유체의 온도구배에 의하여 입자가 이동하는 효과 를 말한다.
일반적으로 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 특성이 있는바, 기판(101) 주위에 도 2와 같은 형태로 온도구배가 형성된 상태에서 분사노즐(102)을 통해 나노입자를 분사하게 되면, 분사된 나노입자는 온도구배로 인해 형성된 열영동력에 의해 후술되는 도 3과 같은 이동궤적을 따라 안내되어 기판(101)의 목표지점(중앙부 영역)에 정렬 증착된다.
이때, 상기 기판(101)의 목표지점에 증착되는 나노입자(104)의 증착 높이는 분사노즐(102)로부터 분사되는 나노입자의 분사시간을 통해 적절하게 제어될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시 예에서는 상,하부 온도판(110)(140)을 서로 다른 온도로 유지하기 위한 열발생수단으로서 열전소자(142)(144)(146)를 채용하고 있으나, 이러한 열전소자(142)(144)(146) 이 외에 구리 저항선 등 다양한 형태의 열발생수단이 사용될 수 있다.
이 밖에 중앙부 온도판(120)과 양 측면부 온도판(130)이 일체화된 하나의 하부 온도판을 기판(101) 하부에 설치하고, 열전소자를 통해 상기 하부 온도판을 냉각시켜서 기판(101)의 중앙부 영역(101a) 및 양 측면부 영역(101b)의 두께 차이에 의한 온도차를 이용하여 기판(101) 주위에 온도구배를 형성할 수도 있다.
한편, 도 4는 기판(101) 주위에 열영동이 인가되지 않은 일반적인 상황에서 나노입자를 분사하였을 경우 나노입자(104)가 기판(101)에 증착되는 과정을 보여주는 예시도이다. 그리고, 도 5는 기판(101) 주위에 전술된 도 2 및 도 3의 온도분포 형태로 열영동이 인가되었을 경우에 나노입자(104)가 기판(101)에 증착되는 모습을 예시한 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 기판(101) 주변에 온도구배가 형성되지 않은 일반적 상황에서 나노입자(104)를 분사하게 되는 경우, 분사되는 나노입자(104)에는 본래에 가지고 있는 관성 외에 추가적인 구동력이 작용하지 않게 된다. 이에 따라, 분사노즐(102)을 통해 분사되는 나노입자(104)가 자체적으로 균일하게 확산되면서 기판(101) 표면에 균일하게 부착된다.
반면, 기판(101) 주변에 전술된 도 2 및 도 3의 형태와 같이 온도구배가 형성된 상태에서 나노입자(104)를 분사하게 되는 경우, 분사되는 나노입자(104)에는 본래 가지고 있던 관성 이 외에 온도구배에 의한 추가적인 구동력인 열영동력이 작용하게 되어 도 5에서 보는 것처럼 기판(101)상의 목표지점(중앙부 영역)에 선택적으로 정렬 및 증착된다.
이와 같이, 본 발명은 상부 온도판(110)과 중앙부 온도판(120) 및 측면부 온도판(130)의 온도를 서로 다르게 제어하여 기판(101) 주위에 소정의 온도구배를 형성함으로써 열영동 효과에 의해 나노입자(104)의 거동을 자유롭게 제어할 수 있고 나노입자(104)를 기판(101)상의 원하는 목표지점에 선택적으로 정렬 증착시킬 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 열영동 효과를 이용하여 나노입자의 거동을 제어하고 기판상에 증착하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 분사노즐(102)로 주입될 나노입자(104)를 생성하게 된다.(S210)
이때, 상기 나노입자의 생성은 EHD(Electro HydroDynamic), 코로나 방전, 아토마이저(atomizer) 방법 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 통해 이루어지게 된다.
이와 같이 나노입자의 생성이 이루어진 상태에서, 기판(101) 상부에 위치한 상부 온도판(110)과 기판(101) 하부에 위치한 중앙부 온도판(120) 및 측면부 온도판(130)에 설치된 각각의 열전소자(142)(144)(146)에 전원을 공급하여 기판(101) 주위에 열영동을 인가한다(S220).
이렇게 기판(101) 주위에 열영동이 인가되면, 다음으로 나노입자가 함유된 콜로이드 용액을 분사노즐(102)을 통해 분사하게 된다.(S230) 이렇게 분사된 나노입자는 기판(101) 주위에 형성된 온도구배에 따른 열영동 효과에 의해 기판(101)상의 원하는 목표지점에 잘 제어된 상태로 증착된다.
이러한 과정을 통해 상기 기판(101)의 목표지점에 증착되는 나노입자(104)의 증착 높이는 분사노즐(102)로부터 분사되는 나노입자의 분사시간을 통해 적절하게 제어될 수 있다.(S240)
한편, 상술한 본 발명의 열영동 방법에 의한 나노입자의 증착 원리는 유기태양전지의 활성 전극층(활성 폴리머층) 제조에도 적용될 수 있다.
즉, 열영동 방법에 의한 본 발명의 유기태양전지 제조방법은, 전자 주개(donor) 물질과 전자 받개(acceptor) 물질로 구성된 콜로이드 상태의 폴리머 나노입자를 도 5와 같이 기판(101) 주위에 열영동을 인가한 상태에서 분사노즐(102) 을 통해 기판(101) 위에 분사하여 증착시키게 된다.
여기서, 상기 기판(101) 주위에 열영동 인가는 열발생장치인 열전소자를 통해 상부 온도판(110)과 중앙부 온도판(120) 및 측면부 온도판(130)을 가열 또는 냉각시킴으로써 기판(101) 주위에 온도차에 의한 온도구배를 형성시키게 된다.
이렇게 기판(101) 주위에 온도구배가 형성된 상태에서 분사된 폴리머 나노입자(104)는 온도구배에 의해 형성된 열영동 효과에 의해 도 3의 형태와 같은 입자의 부착궤적을 따라 안내되어 기판상의 목표지점에 정밀하게 제어하여 부착시킬 수 있다.
이때, 상기 기판(101)에 증착되는 폴리머 나노입자의 증착 높이는 폴리머 나노입자의 분사시간을 통해 제어될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 열영동 방법을 이용한 프린팅 기술은 기제작된 1개의 나노 구조상에 다른 1개의 물질을 접합하여 제조되는 정형 이종접합 유기태양전지의 전극 활성층 제조에 매우 유용하게 적용할 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 상기한 열영동 프린팅(thermophoretic printing) 방법을 이용하여 전도성 금속의 나노입자, 세라믹스의 나노 분말, 및 생체 적합 패터닝을 위한 셀(cell), 박테리아(bacteria)를 포함하는 수용액, 그리고 이종접합 유기태양전지의 전극으로 사용되는 특히 P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)), PCBM과 같은 고분자 물질 등을 정밀하게 제어하여 프린팅할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 열영동 방법을 이용한 프린팅 기술은 도전성 입자를 나노(nano) 급으로 미세화하여 증착 대상물에 직접 분무하는 방법이기 때문에 증착 대상물의 나노 크기의 정형 구조에 맞추어 효과적으로 패터닝할 수 있다는 점에서 종래기술과 차별되는 우수한 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 열영동 방법을 이용한 나노입자 제어 및 증착 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 상,하부 온도판의 열 제어에 따른 기판 주위의 온도분포를 컴퓨터 시뮬레이션으로 보여주는 예시도.
도 3은 도 2의 온도분포 형태에 따른 나노입자의 이동궤적을 보여주는 예시도.
도 4는 열영동이 인가되지 않은 일반적인 상태에서 나노입자가 기판에 증착되는 과정을 보여주는 예시도
도 5는 열영동이 인가된 상태에서 나노입자가 기판에 증착되는 과정을 보여주는 예시도.
도 6은 본 발명의 열영동 효과를 이용하여 나노입자의 거동을 제어하고 기판상에 증착하는 과정을 설명하는 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101 : 기판 102 : 분사노즐
104 : 나노입자 110 : 상부 온도판
120 : 중앙부 온도판 130 : 측면부 온도판
140 : 하부 온도판 142,144,146 : 열전소자

Claims (21)

  1. 나노입자가 분사되는 분사노즐;
    상기 분사노즐을 통해 분사된 나노입자가 증착되는 기판; 및
    상기 기판에 증착되는 나노입자의 거동을 제어할 수 있도록 상기 분사노즐의 상부에 배치되는 상부 온도판과 상기 기판의 하부에 배치되는 하부 온도판과 상기 상부 온도판과 하부 온도판 사이에 온도 차가 발생하도록 상기 상,하부 온도판을 가열 또는 냉각시키는 열발생장치를 포함하는 온도구배 형성수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 온도판은 하부 온도판보다 온도가 높도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 상기 분사노즐의 직하방에 위치하는 중앙부 영역과, 상기 중앙부 영역의 양 측면에 위치하는 측면부 영역으로 구획되고,
    상기 중앙부 영역은 상기 측면부 영역보다 두께가 작게 형성된 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하부 온도판은,
    상기 중앙부 영역에 배치된 중앙부 온도판과;
    상기 측면부 영역에 배치된 측면부 온도판으로 구성되고,
    상기 중앙부 온도판과 상기 측면부 온도판은 서로 다른 온도차로 유지되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 중앙부 온도판은 상기 측면부 온도판보다 온도가 낮도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열발생장치는 열전소자(Thermo- Electronic Module)인 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열발생장치는 구리 저항선인 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  9. 나노입자가 증착되는 기판과 그 기판 주위를 가열 또는 냉각하여 온도구배를 형성시킴으로써 분사노즐을 통해 분사되는 나노입자가 열영동에 의해 기판의 목표지점에 제어된 상태로 증착되도록 하는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기판에 증착되는 나노입자의 증착 높이는 나노입자의 분사시간을 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 기판 주위의 온도구배 형성은 분사노즐 상부의 온도판 과 기판 하부의 온도판을 열발생장치를 통해 가열 또는 냉각시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법.
  12. 전자 주개(donor) 물질과 전자 받개(acceptor) 물질로 구성된 콜로이드 상태의 폴리머 나노입자가 분사되는 분사노즐;
    상기 분사노즐을 통해 분사된 나노입자가 활성 폴리머층으로 증착되는 기판; 및
    상기 기판에 증착되는 상기 콜로이드 상태의 폴리머 나노입자의 거동을 제어할 수 있도록 상기 분사노즐의 상부에 배치되는 상부 온도판과 상기 기판의 하부에 배치되는 하부 온도판과 상기 상부 온도판과 하부 온도판 사이에 온도 차가 발생하도록 상기 상,하부 온도판을 가열 또는 냉각시키는 열발생장치를 포함하는 온도구배 형성수단;
    을 이용하여 유기태양전지를 형성하는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서, 상기 열발생장치는 열전소자(Thermo- Electronic Module)인 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 열발생장치는 구리 저항선인 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 기판에 증착되는 폴리머 나노입자의 증착 높이는 폴리머 나노입자의 분사시간을 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 장치.
  17. 전자 주개(donor) 물질과 전자 받개(acceptor) 물질로 구성된 콜로이드 상태의 폴리머 나노입자를 분사노즐을 통해 기판 위에 분사 및 증착시켜 유기태양전지를 형성하되,
    상기 폴리머 나노입자가 증착되는 기판과 상기 기판 주위를 가열 또는 냉각하여 온도구배를 형성시킴으로써 상기 분사노즐을 통해 분사된 폴리머 나노입자가 열영동에 의해 상기 기판의 목표지점에 제어된 상태로 증착됨으로써 유기태양전지를 형성하는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 기판에 증착되는 폴리머 나노입자의 증착 높이는 폴리머 나노입자의 분사시간을 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 기판 주위의 온도구배 형성은 분사노즐 상부의 온도판과 기판 하부의 온도판을 열발생장치를 통해 가열 또는 냉각시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 열발생장치는 열전소자(Thermo- Electronic Module)인 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 열발생장치는 구리 저항선인 것을 특징으로 하는 열영동 방법으로 나노입자를 제어 및 증착하는 방법.
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