KR101390241B1 - 기판의 스윙 코팅장치 및 이를 이용한 스윙 코팅방법 - Google Patents

기판의 스윙 코팅장치 및 이를 이용한 스윙 코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판에 분사된 용액에 회전 원심력과 중력을 부여하여 코팅시키도록 함과 아울러, 용액의 밀도에 따라 회전체의 회전속도를 가변 조절하여 용액을 기판의 표면에 골고루 코팅시키기 위한 기판의 코팅방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 코팅장치는, 회전축을 중심으로 회전 운동되는 회전체와, 상기 회전체의 상면에 배치되고 상부가 회전체의 바닥으로부터 이격되게 배치되는 고정대와, 고정대의 상부에 스윙 운동 가능하도록 연결되고 상측에 기판이 안착되는 지지대로 구성된다.

Description

기판의 스윙 코팅장치 및 이를 이용한 스윙 코팅방법{SWING COATING APPARATUS FOR BOARD AND METHOD FOR SWING COATING USING THE SAME}
본 발명은 원심력과 중력을 이용한 기판의 코팅장치 및 코팅방법 그리고 이러한 장치와 방법에 의해 생산되는 태양전지 기판과 고분자 태양전지에 관한 것으로, 특히 회전체의 회전 원심력과 중력을 이용하여 용액을 기판의 표면에 균일한 두께로 코팅할 수 있도록 함과 아울러, 용액의 조건(밀도, 점성)에 따라 회전체의 회전 속도를 가변 조절하여 효율적인 용액의 코팅장치 및 코팅방법에 관한 것이다.
최근, 유기 발광 다이오드, 유기 태양전지 및 유기 박막 트랜지스터 등의 유기 전자소자 분야에서 점점 용액공정(solution process)의 중요성이 증대하고 있다. 그 이유는 상기와 같은 유기 전자 소자를 용액 공정으로 제조시, 제조 단가가 절감되고, 초기 투자비용이 많이 들지 않기 때문이다.
따라서, 다양한 용액공정기술을 적용하여 유기 전자소자를 제조하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
용액공정이라 함은 용액을 이용하여 코팅 혹은 인쇄를 통해 얇은 막을 형성하는 것을 의미한다. 용액공정은, 스핀코팅(spin coating), 블레이드코팅, 슬롯다이코팅, 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 잉크젯 인쇄(inkjet printing), 롤 코팅(roll printing), 스크린 인쇄(screen printing), 스프레이 코팅(spray coating) 등이 있다.
상기한 스프레이 코팅법 및 롤 코팅법의 경우에는 비교적 증착막의 두께가 두꺼운 경우에는 유리하나, 수 마이크로미터 단위의 얇은 막을 형성하기에는 부적합한 면이 있어, 수 마이크로미터 단위의 얇은 막을 증착하기 위해서는 일반적으로 스핀코팅법이 주로 사용되고 있다.
종래의 스핀코팅 장치로는 공개특허번호 제10-2005-0067862호(2005.07.05.공개)가 있다. 이러한 종래 스핀코팅장치의 원리를 개략적으로 도시한 것이 도 1에 도시된 종래의 스핀코팅장치이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 스핀코팅장치(10)는 코터본체(100), 코터본체의 내부에 설치되며 피코팅체(135)를 로딩(loading)하는 스핀척(130), 회전에너지를 발생시키는 모터부(110), 모터부(110)와 스핀척(130)에 연결되어 모터부(110)에 의해 발생한 회전에너지를 스핀척(130)에 전달하는 회전축(120), 상기 스핀척(130)이 회전시 피코팅체(135)에 코팅용 액체(145)를 공급하기 위한 액체공급장치(150) 및 코팅 후 남은 액체를 코터 본체(100) 외부로 배출하기 위한 드레인밸브(140)를 포함한다.
이러한 스핀코팅방법은 섬세한 반도체 공정에서부터 다양한 분야에 사용되고 있으나, 코팅을 요하는 기판의 면적이 넓어질수록 박막의 균일도가 많이 떨어지는 문제가 있다.
이는 스핀코팅 시에 기판의 중심과 기판의 바깥쪽에 작용하는 원심력차이가 크고, 이에 따라 용액이 코팅되는 두께가 달라지기 때문이다. 즉, 원심력은 회전 중심축에서의 거리에 비례하여 커지므로, 기판의 위에 놓인 코팅용액에 작용하는 원심력이 위치에 따라 달라지므로, 코팅되는 두께가 달라지는 것이다.
이외에도 작업과정에서 기판을 진공으로 잡는 경우가 많아 재질이 유연한 유연기판에는 사용이 불가한 점, 그리고 대부분의 용액이 모두 버려지게 되어 용액이 낭비되는 단점 등이 있다.
본 발명은 유기태양전지 등에 사용되는 다양한 재질의 기판상에 적용할 수 있고, 또한 기판 상에 코팅되는 용액이 균일한 막을 형성할 수 있는 원심력과 중력을 이용한 기판의 코팅장치 및 코팅방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 회전축(20)의 상단에 배치되어 회전하는 원판 형상의 회전체(10); 상기 회전체(10)의 상면에 설치되는 고정대(40); 상기 고정대(40)에 스윙동작 가능하도록 연결되고, 상면에 용액(S)이 분사된 기판(B)이 안착되는 지지대(50);를 포함하고, 상기 회전체(10)의 회전시 상기 지지대(50)가 상기 고정대(40)를 중심으로 스윙 동작하여 상기 기판(B)에 분사된 용액(S)에 원심력과 중력이 가해지도록 하는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치를 제공한다.
상기 고정대(40)는, 상기 회전체(10)의 상부에서 서로 이격되게 기립하는 두 개의 수직부재(42,44)와, 상기 수직부재의 상단부를 연결하는 가로부재(45)로 이루어질 수 있다.
상기 지지대(50)는, 상기 가로부재(45)에 상단부가 스윙 동작 가능하도록 일단이 연결되는 연결부재(52)와, 연결부재(52)의 타단에 고정부착되어 상면에 기판(B)이 안착되는 지지부재(54)로 이루어질 수 있다.
상기 지지부재(54)의 상면에는 상기 기판이 수용되는 수용홈(55)이 형성될 수 있다.
상기 수용홈(55)의 내부 측면에는 상기 기판(B)의 모서리 부위와 여유공간을 형성하도록 상기 기판(B)의 테두리 일부와 접촉되는 복수의 돌기(55a)가 형성될 수 있고, 상기 수용홈의 일측면에서 내부로 인출가능하도록 구비되는 용액받이(56)가 구비될 수 있고, 또한 상기 수용홈의 바닥에는, 상기 용액받이로 용액(S)의 수집이 가능하도록 통공(55b)이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 기판 코팅장치를 이용하여, 상기 지지대의 상측에 기판(B)을 배치하는 제1단계와, 상기 기판(B)의 중앙 표면에 용액(S)을 분사하는 제2단계와, 상기 회전체(10)를 회전시키는 제3단계를 포함하여, 원심력과 중력을 이용하여 상기 기판(B)의 표면에 용액을 코팅시키는 것을 특징으로 하는 기판의 코팅방법을 제공한다.
상기 회전체(10)를 회전시키는 제3단계는, 상기 용액(S)의 밀도 및 점성에 따라 상기 회전체(10)의 회전 속도를 가변시키는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 기판의 코팅방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 스윙 코팅방법에 의해서 제조된 태양전지 기판 또는 기판을 포함하는 유기 태양전지를 제공한다.
본 발명은 상기 구성에 의해서, 회전체의 회전 원심력과 중력을 이용하여 기판(B)의 표면에 용액(S)을 균일한 두께로 코팅할 수 있고, 또한 용액(S)의 밀도 및 점성에 따라 회전체의 회전 속도를 가변 조절하여 용액(S)의 적용성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.
도 1은 종래 스핀코팅방식을 적용한 코팅장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 코팅장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명 지지대와 고정대의 결합구조를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명 일실시예의 사용상태도.
도 5는 본 발명 기판의 기울기에 따라 원심력과 중력이 분력되는 상태를 개략적으로 표시한 예시도.
도 6a,6b는 본 발명 회전체의 회전속도에 따른 가변되는 기판의 기울기 각도 및 이에 따른 원심력과 중력의 세기 변화를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 7은 본 발명 지지대의 변형 실시 예를 보인 사시도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 기판에 분사된 용액에 회전 원심력과 중력을 부여하여 코팅시키도록 함과 아울러, 용액의 밀도에 따라 회전체의 회전속도를 가변 조절하여 용액을 기판의 표면에 골고루 코팅시키기 위한 기판의 코팅방법 및 장치에 관한 것이다. 그리고, 이러한 코팅은 유기 태양전지 기판의 제조에 필수적인 공정이다.
본 발명에 따른 기판의 코팅방법은, 회전 동작되는 회전체 상에 배치되어 스윙 왕복 동작(그네 운동)되는 지지대의 상측에 기판을 배치하고, 상기 기판의 중앙 표면에 용액을 분사한 후에, 상기 회전체를 회전시킴과 동시에 상기 지지대를 스윙 동작시키는 단계들로 구성된다. 즉, 지지대는 회전체의 상부에 배치된 고정대에 그네식 연결구조로 연결되어 스윙 운동된다. 상기 회전체는, 상기 용액의 밀도 및 점성에 따라 중력과 원심 회전력이 분력을 갖도록 상기 회전체의 회전 속도를 가변시킬 수 있다. 이는 원심력과 중력이 기판의 표면에 분사된 용액을 넓게 도포시키는 분력으로 작용하므로, 용액의 분포도를 고르게 하기 위함이다.
본 발명의 일실시예에 따른 기판의 코팅장치는, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 회전축(20)을 중심으로 회전 운동되는 회전체(10)와, 상기 회전체(10)의 상면에 배치되고 상부가 회전체(10)의 바닥에 배치되는 고정대(40)와, 고정대(40)의 상부에 그네 운동 가능하도록 연결되고 상측에 기판(B)이 안착되는 지지대(50)로 구성된다. 상기 회전체(10)는 그림에서는 원판 형상을 나타내고 있으나 그 모양은 사각형 등 다양한 모습일 수 있다.
구체적으로 설명하면, 회전체(10)는 모터 등의 구동원(30)에 의해 회전되는 회전축(20)에 연동 회전되도록 결합되는 턴테이블을 채용할 수 있다.
도 3을 참조하면, 고정대(40)는 회전체(10)의 상부에 기립되고 서로 이격되게 설치되는 수직부재(42,44)와, 수직부재(42,44)의 상단부를 연결하는 가로부재(45)로 구성된다.
지지대(50)는 가로부재(45)에 상단부가 스윙 동작 가능하도록 연결되는 연결부재(52)와, 연결부재(52)에 부착되고 상측면에 기판(B)이 안착되는 지지부재(54)로 구성된다.
또한, 지지대(50)의 변형 실시 예는 도 7에 도시된 바와 같이, 지지대(50)는 상기 기판(B)의 하부가 안착되어 수용되도록 수용홈(55)이 형성되고, 상기 수용홈(55)의 내주면에 상기 기판(B)의 모서리 부위와 여유공간을 형성하도록 상기 기판(B)의 테두리 일부와 접촉되는 복수의 돌기(55a)가 형성되며, 상기 용액(S)의 수집이 가능하도록 상기 수용홈(55)의 바닥면에 통공(55b)이 형성되고, 측면에 상기 통공(55b)과 연통되는 용액받이(56)가 외측으로 인출 가능하도록 결합되는 구조를 갖는다.
즉, 수용홈(55)은 기판(B)의 하부가 일부 수용되도록 기판(B)의 테두리부위보다 약간 더 큰 폭으로 형성되고, 내주면 테두리 부위에 복수의 돌기(55a)가 형성된 구조를 갖는다.
여유공간은 기판(B)이 수용홈(55)내에 결합된 후에, 기판(B)의 모서리부위와 수용홈(55)의 내주면 사이에 틈새가 발생되어 형성된 것으로, 기판(B)의 파지가 용이하도록 함과 아울러 기판(B)의 표면에 코팅되고 남은 용액(S)이 수집되는 공간의 기능을 갖는다.
용액받이(56)는 지지대(50)의 측면에서 인출 동작이 가능한 서랍식 결합구조로 구성된다. 바람직하게는 용액받이(56)는 회전체(10)의 회전방향에 대해 반대방향의 측면에 배치된다. 이는 지지대(50)의 스윙 동작시 용액받이(56)가 외부로 인출되는 것을 방지하기 위함이다. 그리고, 수용홈(55)은 기판(B)의 표면에 코팅되고 남은 용액이 내부로 유입될 경우, 통공(55b)을 통해 용액받이(56)의 내부로 수집되도록 바닥면이 통공(55b)을 향해 하향 경사지도록 형성되는 것이 좋다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 제 1실시예는, 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 등의 구동원(30)에 의해 회전축(20)이 회전되고 회전축(20)의 회전에 의해 턴테이블 형태의 회전체(10)가 회전 동작한다.
이 회전체(10)의 회전시 지지대(50)의 지지부재(54)는 회전체(10)와 함께 회전함과 동시에, 가로부재(45)에 연결된 연결부재(52)에 의해 스윙 동작을 하게 된다. 여기서 스윙 동작이란 도 3 내지 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 지지대(50)가 상기 수직부재(42,44)에 대해 일정 각도 경사지도록 그네 운동을 하는 것을 의미하며, 이때 연결부재(52)는 원심력에 의해 수직부재(42)와 일정 각도(이를 편의상 '기울기 각도'라고 함)로 경사지는 형상을 갖는다.
이로써, 미리 기판(B)의 표면에 분사된 용액은 도 5에 도시된 바와 같이, 지지부재(54)의 스윙운동으로 인해, 기판 상에는 회전축의 반경 방향 외측으로 가해지는 원심력이 작용하고 동시에 지면에 수직방향으로 중력이 작용하게 된다. 기판상의 용액은 이러한 원심력과 중력을 동시에 받으면서 기판 상을 골고루 퍼져나감으로써 기판(B)의 표면에 골고루 코팅된다.
이때, 연결부재(52)의 상기 기울기 각도는 회전체(10)의 회전 속도에 비례하게 된다. 예컨대, 회전체(10)의 회전속도가 빠를 수록 연결부재(52)의 기울기 각도가 커지게 되고, 이에 따라 지지부재(54)의 경사 기울기도 커지게 된다(도 6b 참조). 이로 인해 지지부재(54)는 회전체(10)의 회전속도가 빨라질수록 회전체(10)의 회전 중심으로부터 멀어지게 된다. 이와 반대로, 회전체(10)의 회전속도가 늦어질 수록 연결부재(52)의 기울기 각도가 작아지게 되고, 이에 따라 지지부재(54)의 경사 기울기도 줄어들게 된다(도 6a 참조).
즉, 기판(B)의 표면 중앙에 용액(S)이 분사된 후에 회전체(10)가 회전하면, 회전체(10)의 회전에 의해 발생되는 원심력과 지지부재(54)의 기울기 각도에 따라 발생되는 중력에 의해 용액(S)이 기판(B)의 양쪽으로 퍼져서 골고루 코팅되는 이점을 갖는다.
상기한 바와 같이 설명한 본 발명의 실시 예들은 회전체(10)의 회전 원심력과 중력을 이용하여 기판(B)에 미리 분사된 용액(S)을 기판(B) 표면에 코팅시킴으로써, 용액을 기판(B)의 표면에 균일한 두께로 코팅시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 회전체(10)의 회전 속도를 가변 조절함으로써, 용액의 밀도와 점성에 관계없이 균일한 코팅작업을 수행할 수 있으므로, 용액(S)의 코팅작업시 적용성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.
그리고, 용액(S)을 기판(B)의 표면에 적정량만 분사시켜 코팅하는 방식을 적용함에 따라 기판(B)의 코팅과정에서 용액(S)의 낭비를 줄일 수 있는 이점을 갖는다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 회전체 20 : 회전축
30 : 구동원 40 : 고정대
42,44 : 제 1,2수직부재 45 : 가로부재
50 : 지지대 52 : 연결부재
54 : 지지부재 55 : 수용홈
55a : 돌기 55b : 통공
56 : 용액받이 S : 용액

Claims (15)

  1. 회전하는 원판 형상의 회전체(10);
    상기 회전체(10)의 상면에 설치되는 고정대(40); 및
    상기 고정대(40)에 스윙동작 가능하도록 연결되고, 상면에 용액(S)이 분사된 기판(B)이 안착되는 지지대(50);를 포함하고,
    상기 회전체(10)의 회전시 상기 지지대(50)가 상기 고정대(40)를 중심으로 스윙 동작하여 상기 기판(B)에 분사된 용액(S)에 원심력과 중력이 가해지도록 하는 것을 특징으로 하는 기판의 스윙 코팅장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정대(40)는,
    상기 회전체(10)의 상부에서 서로 이격되게 기립하는 두 개의 수직부재(42,44)와, 상기 수직부재의 상단부를 연결하는 가로부재(45)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판의 스윙 코팅장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 지지대(50)는,
    상기 가로부재(45)에 상단부가 스윙 동작 가능하도록 일단이 연결되는 연결부재(52)와, 연결부재(52)의 타단에 고정부착되어 상면에 기판(B)이 안착되는 지지부재(54)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판의 스윙 코팅장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지부재(54)의 상면에는 상기 기판이 수용되는 수용홈(55)이 형성되는 것을 특징으로 하는 기판의 스윙 코팅장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수용홈(55)의 내부 측면에는 상기 기판(B)의 모서리 부위와 여유공간을 형성하도록 상기 기판(B)의 테두리 일부와 접촉되는 복수의 돌기(55a)가 형성되는 것을 특징으로 하는 기판의 스윙 코팅장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 수용홈의 일측면에서 내부로 인출가능하도록 구비되는 용액받이(56)가 구비되는 것을 특징으로 하는 기판의 스윙 코팅장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수용홈의 바닥에는, 상기 용액받이로 용액(S)의 수집이 가능하도록 통공(55b)이 형성된 것을 특징으로 하는 기판의 스윙 코팅장치.
  8. 모터(30)에 의해 회전하는 회전축(20);
    상기 회전축 상에 연결되고, 상기 회전축과 함께 회전하는 회전체(10);
    상기 회전체(10)의 상면에 설치되는 복수 개의 고정대(40);
    상기 복수 개의 고정대(40)에 스윙동작 가능하도록 연결되고, 상면에 기판(B)이 안착되는 지지대(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판의 스윙 코팅장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 고정대(40)는,
    상기 회전체(10)의 상부에서 서로 이격되게 기립하는 한쌍의 수직부재(42,44)와, 상기 수직부재의 상단부를 연결하는 가로부재(45)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판의 스윙 코팅장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 지지대(50)는,
    상기 가로부재(45)에 상단부가 스윙 동작 가능하도록 일단이 연결되는 연결부재(52)와, 연결부재(52)의 타단에 고정부착되어 상면에 기판(B)이 안착되는 지지부재(54)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판의 스윙 코팅장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 지지부재(54)의 상면에는 상기 기판이 수용되는 수용홈(55)이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판의 스윙 코팅장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 스윙 코팅장치를 이용한 기판의 스윙 코팅방법으로서,
    상기 지지대의 상측에 기판(B)을 배치하는 제1단계와,
    상기 기판(B)의 중앙 표면에 용액(S)을 분사하는 제2단계와,
    상기 회전체(10)를 회전시키는 제3단계를 포함하여,
    원심력과 중력을 이용하여 상기 기판(B)의 표면에 용액을 코팅시키는 것을 특징으로 하는 기판의 스윙 코팅방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 회전체(10)를 회전시키는 제3단계는, 상기 용액(S)의 밀도 및 점성에 따라 상기 회전체(10)의 회전 속도를 가변시키는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 기판의 스윙 코팅방법.
  14. 제 12 항에 기재된 스윙 코팅방법에 의해서 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지 기판.
  15. 제 12 항에 기재된 스윙 코팅방법에 의해서 제조된 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
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