KR101412948B1 - 회전체를 이용한 기판의 코팅장치 및 코팅방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 본 발명은 내주면에 기판(B,B1)을 수용하여 회전하는 회전체(100); 및 상기 회전체(100)의 내부에 배치되고 상기 회전체(100)의 회전시 상기 기판을 향해서 코팅용 용액(S)을 분사하는 용액 분사수단;을 포함하고, 상기 용액(S)은 중력과 원심력에 의해 상기 기판의 표면에 고르게 코팅되는 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치를 제공한다.
본 발명은 상기 구성에 의해서, 회전체의 회전 원심력과 중력을 이용하여 기판의 표면에 용액을 균일한 두께로 코팅할 수 있고, 용액(S)의 밀도 및 점성에 따라 회전체의 회전 속도를 가변 조절할 수 있는 유리한 이점을 갖고, 또한 중력과 원심력이 용액을 눌러 고르게 펴주기 때문에 텍스처가 있는 기판에도 적용할 수 있는 점이 또 하나의 장점이다.
본 발명은 상기 구성에 의해서, 회전체의 회전 원심력과 중력을 이용하여 기판의 표면에 용액을 균일한 두께로 코팅할 수 있고, 용액(S)의 밀도 및 점성에 따라 회전체의 회전 속도를 가변 조절할 수 있는 유리한 이점을 갖고, 또한 중력과 원심력이 용액을 눌러 고르게 펴주기 때문에 텍스처가 있는 기판에도 적용할 수 있는 점이 또 하나의 장점이다.
Description
본 발명은 원심력과 중력을 이용한 기판의 코팅장치 및 코팅방법 그리고 이러한 장치와 방법에 의해 생산되는 태양전지 기판과 고분자 태양전지에 관한 것으로, 특히 회전체의 회전에 따른 원심력과 중력을 이용하여 용액을 기판의 표면에 균일한 두께로 코팅할 수 있도록 함과 아울러, 용액의 조건(밀도, 점성)에 따라 회전체(회전체)의 회전 속도로 가변 조절하여 용액의 코팅 범용성을 증대시킬 수 있는 기판의 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 문제점을 갖는다.
이외에도 작업과정에서 기판을 진공으로 잡는 경우가 많아 기판의 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 기판상에 코팅되는 용액이 균일한 막을 형성할 수 있도록 원심력과 중력을 이용한 기판의 코팅장치 및 코팅방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 유연기판 상에 용액을 코팅할 수 있도록 그 구조가 개선된 기판의 코팅장치 및 코팅방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 내주면에 기판(B,B1)을 수용하여 회전하는 회전체(100); 및 상기 회전체(100)의 내부에 배치되고 상기 회전체(100)의 회전시 상기 기판을 향해서 코팅용 용액(S)을 분사하는 용액 분사수단;을 포함하고, 상기 용액(S)은 중력과 원심력에 의해 상기 기판의 표면에 고르게 코팅되는 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치를 제공한다.
상기 회전체(100)의 내주면에는 상기 기판을 수용하여 고정하는 고정수단이 형성된다. 상기 고정수단은 상기 회전체의 내주면에 오목하게 형성된 고정홈(105)일 수 있다.
상기 회전체는 횡단면이 원 형상 또는 사각형 형상일 수 있고, 상기 회전체의 내주면은 회전체의 회전 중심축에 대해 평행하거나 또는 경사진 형상일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 코팅장치를 이용하여, 상기 회전체의 내주면에 기판을 고정시키는 제1단계; 상기 회전체를 적절한 회전속도로 회전시키는 제2단계; 및 상기 용액 분사수단을 이용하여 상기 기판을 향해 용액을 분사하는 제3단계;를 포함하여, 원심력과 중력을 이용하여 용액을 상기 기판에 코팅시키는 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅방법을 제공한다.
상기 회전체를 회전시키는 단계는, 상기 용액(S)의 밀도 및 점성에 따라 상기 회전체의 회전 속도를 가변시키는 단계를 더 구비할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 기판의 코팅방법에 의해서 제조된 태양전지 기판 또는 기판을 포함하는 유기 태양전지를 제공한다.
본 발명은 상기 구성에 의해서, 회전체의 회전 원심력과 중력을 이용하여 기판의 표면에 용액을 균일한 두께로 코팅할 수 있고, 용액(S)의 밀도 및 점성에 따라 회전체의 회전 속도를 가변 조절할 수 있는 유리한 이점을 갖는다.
또한, 본 발명은 회전체의 내주면에 유연기판을 말아서 고정시킴으로써, 유연기판의 용액 코팅방법에 적용 가능하고, 기판을 고정시키기 위한 회전체의 고정홈이 마련되어 있으므로, 회전체의 회전시 기판의 이탈을 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 코팅장치는 중력과 원심력이 용액을 눌러 고르게 펴주기 때문에 텍스처가 있는 기판에도 적용할 수 있는 점이 또 하나의 장점이다.
도 1은 종래 스핀코팅방식을 적용한 코팅장치를 나타낸 구성도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 코팅장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이며,
도 3은 도 2의 사용상태의 수직단면도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정수단의 다른 예를 보인 단면도이며,
도 5는 본 발명에 따라 코팅된 단면으로 혼합용액이 밀도차에 의해 구분되는 것을 보여주는 모습이며,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전체의 형태를 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 코팅장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이며,
도 3은 도 2의 사용상태의 수직단면도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정수단의 다른 예를 보인 단면도이며,
도 5는 본 발명에 따라 코팅된 단면으로 혼합용액이 밀도차에 의해 구분되는 것을 보여주는 모습이며,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전체의 형태를 보인 사시도이다.
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 발명의 일 실시예에 따른 기판의 코팅방법은 회전하는 회전체의 내주면에 기판을 고정시키고, 상기 회전체를 회전시키면서 상기 회전체의 중앙 부위에서 상기 기판을 향해 용액을 분사시키는 방법을 이용한다. 이로써, 상기 회전체의 회전에 따른 원심력과 중력을 이용하여 상기 용액을 상기 기판면에 코팅시키도록 하는 것이다. 이러한 코팅기술은 유기 태양전지용 기판에 필수적인 공정이다.
이러한 방식을 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅장치를 도 2 및 도 3를 참조하여 설명하면, 회전축(20)의 회전력을 받아 회전 운동하고 고정수단을 매개로 내주면에 기판(B1)을 고정시키는 회전체(100)와, 상기 회전체(100)의 회전 중심에 배치되고 상기 회전체(100)의 회전시 상기 기판(B1)으로 용액(S)을 분사하기 위한 용액 분사수단을 구비한 것이다. 상기 회전체(100)는 상부가 원형으로 이루어지는 것이 좋고, 상부는 개방되거나 또는 코팅작업이 이루어지는 동안에는 폐쇄할 수 있도록 캡(미도시)을 구비해도 좋다.
상기 회전체(100)의 내주면에는 이곳에 놓여지는 기판(B1)이 위치를 잡고 놓여질 수 있도록 기판을 고정하는 고정수단이 구비된다.
고정수단의 일 예로는, 회전체(100)의 내주면에 고정홈(105)이 형성될 수 있고, 상기 고정홈(105)은 원통형 회전체(100)의 내주면에 형성되고, 상기 기판의 크기에 맞게 형성되어서 상기 기판이 홈에 수용된 상태에서 회전체가 회전할 수 있는 것이 좋다. 또는 상기 고정수단은 상기 내주면에서 기판의 하단이 놓여지는 위치에 안쪽 방향으로 돌기된 돌기부(미도시)일 수 있다. 상기 기판의 하단이 돌기부 위에 놓여져서 기판이 아래로 내려가는 것을 방지할 수 있는 것이다.
상기 고정수단의 또 다른 예로는, 고정홈(105)의 테두리에 기판(B)의 이탈을 방지하도록 걸림턱(105a)이 부가적으로 형성될 수 있다. 상기 걸림턱(105a)은 기판(B1)의 표면에서 회전체 안쪽 방향으로 일정 간격 이격되도록 고정홈(105)의 테두리에 절곡 형성된 구조를 갖는다.
그 밖에, 상기 고정수단은 고정홈(105)이 아닌 탄성을 갖는 공지의 클립 또는 척을 매개로 기판(B1)을 고정시킬 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 코팅장치에서 상기 회전체의 내부에 대략 중앙부에 배치되어 코팅용 용액을 분사하는 용액분사수단이 배치되며, 용액분사수단은 하단부가 회전체(100)의 내부 바닥으로부터 이격된 높이에 배치되는 공급관(150)과, 공급관(150)의 외주면을 따라 배치되고 외부로부터 유입되는 용액(S)을 회전체(100)의 회전 중심으로부터 내주면에 고정된 유연기판(B1)측으로 분사시키는 복수의 분사노즐(155)을 구비한 것이다. 상기 분사노즐(155)이 공급관(150)에 위치하는 높이는, 기판의 가로 세로 크기 및 형상 등을 고려하여 적절한 높이에 위치할 수 있고, 또한 적절한 개수로 배치될 수 있다. 또는 용액분사수단은 회전체 내부에 배치되는 노즐의 형태일 수도 있다. 상기 노즐이 일정 방향으로 용액을 분사해도 회전체가 고속으로 회전하는 이상 기판의 전영역에 용액이 코팅될 수 있기 때문이다.
이러한 본 발명에 따른 코팅장치에서 회전체를 적절한 속도로 회전시키면서, 용액분사수단에서 용액(S)을 유연기판(B1)을 향해 분사시키면, 유연기판(B1)에 분사된 용액(S)이 중력과 상기 회전체(100)의 회전 원심력에 의해 상기 유연기판(B1)의 상부와 하부로 퍼지면서 유연기판(B1)의 면에 코팅된다.
용액(S)의 분사과정은 공급관(150)을 통해 상측에서 하측으로 유입된 후에, 분사노즐(155)을 통해 각각의 기판의 중앙 부위 또는 적절한 부위에 분사시키도록 한다. 분사된 용액(S)은, 원심력과 중력에 의해 기판의 표면에 골고루 분포되어 코팅된다. 이때, 회전체(100)의 회전속도에 따라 회전 원심력이 변경되며, 원심력에 의해 용액(S)이 회전체(100)의 상측으로 상승되면서 기판의 상부 표면을 코팅하게 되고, 중력 등에 의해 용액(S)이 아래로 흘러가면서 기판의 하부 표면을 코팅하게 된다.
위에서 설명한 회전체는 원통형 형상인 것을 예로 들어서 설명하였다. 원통형 회전체의 유리한 점은 유연한 재질의 기판도 코팅할 수 있고, 또한 기판이 일정한 곡률을 가진 경우에도 코팅을 할 수 있다는 점이다. 즉, 본 발명에 따른 코팅장치에서는 기판이 일정한 곡률을 가진 형상인 경우, 상기 회전체의 내주면을 기판의 곡률에 대응하는 형상으로 만든 후 이를 회전시킴으로써 코팅이 가능한 것이다. 이러한 점은 종래 기술에서 구현이 어려웠던 기술이다.
또한, 본 발명은 회전체에 배치되는 기판의 각도는 가변될 수 있고, 코팅 용액(잉크)의 밀도 회전체의 회전속도 등에 의해 각도를 적절히 조절할 수도 있을 것이다. 기판의 각도란 회전체에 놓여진 기판이 이루는 각도로, 예를 들면 도 3에서는 상기 기판이 지면과 대략 90도의 각도를 이루고 있다. 그러나, 실시예에 따라서는 회전속도, 용액의 밀도 등을 고려하여 원통형 형상을 상하방향으로 테이퍼지게 함으로써 상기 기판이 90도가 아닌 적절한 각도를 이루도록 할 수 있다. 즉, 회전체가 회전할 때 기준이 되는 회전 중심축(가상의 축)에 대해 상기 회전체의 내주면은 평행하게 형성될 수도 있고, 일정 각을 가지도록 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 코팅장치는 텍스처가 있는 기판에도 적용할 수 있게 되는 점이 또 하나의 장점이다. 즉, 기판이 놓여지는 회전체의 내주면에 수직인 원심력과 하방향의 중력이 합력으로 작용하여 용액을 눌러서 펴 바르는 형태이기 때문에 기판에 텍스처가 있는 경우에도 텍스처 형태의 모양대로 코팅이 이루어지는 것이다.
한편, 두 개 혹은 다수의 물질의 혼합용액이 강한 원심력을 받게 되면 그 밀도가 큰 물질은 한쪽으로 몰리게 되고 밀도가 작은 물질은 상대적으로 다른쪽으로 몰려서 존재하게 되는 자연스러운 구배를 형성하게 된다. 이러한 자연스러운 구배는 고분자 태양전지의 바람직한 구조를 자연스럽게 만들고 광전기 변환 효율을 높이게 된다. 그러므로, 이러한 자연스런 구배를 이루도록 코팅하는 것이 중요하다.
도 5는 본 발명에 따른 코팅장치에 의해 기판 위에 밀도가 서로 다른 두 가지 이상의 혼합용액(S)이 코팅된 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5를 보면, 회전체의 회전에 따른 원심력에 의해 밀도가 큰 물질이 하부 코팅층(S1)에 몰리게 되고, 밀도가 작은 물질이 상대적으로 상부 코팅층(S2)에 존재하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전체의 형태를 보인 사시도이며, 상기 회전체(100)는 사각형 회전체(100)로 구성될 수 있다. 도 6에 도시된 코팅장치는 기판을 수용하여 회전하는 회전체가 사각형상인 점 외에는 위에서 설명한 코팅장치와 동일하다. 본 실시예에서 사각형상의 회전체를 구비한 실시예의 이점은 유연성 재질이 아니라 하드한 재질의 기판에도 원심력과 중력을 이용한 코팅을 적용할 수 있도록 하는 점이다. 즉, 기판이 사각형 형상의 딱딱한 재질인 경우 위 도 2 내지 4에서 설명한 원통형 형상 회전체 내부에 수용할 수 없게 되는 문제가 있으므로, 본 실시예에 도시한 사각형상 회전체의 내주면에 기판을 배치하여 코팅할 수 있다. 사각형상 회전체를 적절한 회전수로 회전시키고 가운데 배치된 용액분사수단에서 용액을 분사함으로써 원심력과 중력의 합력을 이용하여 용액을 기판에 펴서 바르는 효과를 발휘하게 되는 것이다. 그리고, 이때 밀도가 다른 용액인 경우 밀도차에 따른 자연스러운 구배가 나타나고 텍스처가 있는 기판에도 적용할 수 있는 점 등의 유리한 효과는 위에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 회전체 105 : 고정홈
105a : 걸림턱 150 : 공급관
155 : 분사노즐 B1 : 기판
S : 용액
100 : 회전체 105 : 고정홈
105a : 걸림턱 150 : 공급관
155 : 분사노즐 B1 : 기판
S : 용액
Claims (15)
- 내주면에 기판(B,B1)을 수용하여 회전하는 회전체(100); 및
상기 회전체(100)의 내부에 배치되고 상기 회전체(100)의 회전시 상기 기판을 향해서 코팅용 용액(S)을 분사하는 용액 분사수단;을 포함하고,
상기 용액(S)은 중력과 원심력에 의해 상기 기판의 표면에 고르게 코팅되는 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 용액 분사수단은,
하단부가 회전체의 내부 바닥으로부터 이격된 높이에 배치되는 공급관(150)과, 공급관(150)의 외주면을 따라 배치되고 상기 기판을 향해서 용액을 분사하는 복수의 분사노즐(155)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 용액 분사수단은,
상기 회전체의 내부에 배치되어 상기 기판을 향해서 용액을 분사하는 노즐인 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전체(100)의 내주면에는 상기 기판을 수용하여 고정하는 고정수단이 형성된 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 고정수단은 상기 회전체의 내주면에 오목하게 형성된 고정홈(105)인 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 고정홈(105)의 테두리에는 기판의 이탈을 방지하는 걸림턱(105a)이 형성되는 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전체는 횡단면이 원 형상 또는 사각형 형상인 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전체의 내주면은 회전체의 회전 중심축에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전체의 내주면은 회전체의 회전 중심축에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅장치. - 내부가 비어있는 원통형상 회전체(100); 및
상기 회전체(100)의 내부 중앙에 배치되고, 코팅용 용액(S)을 분사하는 용액 분사수단; 및
상기 용액분사수단에 구비된 분사노즐;을 포함하고,
상기 노즐에서 분사된 용액(S)은 회전체의 회전에 의한 원심력에 의해 상기 원통형상 회전체 내주면에 구비된 기판의 표면에 고르게 코팅되는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판의 코팅장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 기판은 유연한 재질인 것을 특징으로 하는 태양전지 기판의 코팅장치. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 기판의 코팅장치를 이용하는 기판의 코팅방법으로서,
상기 회전체의 내주면에 기판을 고정시키는 제1단계;
상기 회전체를 적절한 회전속도로 회전시키는 제2단계; 및
상기 용액 분사수단을 이용하여 상기 기판을 향해 용액을 분사하는 제3단계;를 포함하여,
원심력과 중력을 이용하여 용액을 상기 기판에 코팅시키는 것을 특징으로 하는 기판의 코팅방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 회전체를 회전시키는 제2단계는, 상기 용액(S)의 밀도 및 점성에 따라 상기 회전체의 회전 속도를 가변시키는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 회전체를 이용한 기판의 코팅방법. - 제 12 항에 기재된 기판의 코팅방법에 의해서 제조된 것을 특징으로 하는 태양전지 기판.
- 제 12 항에 기재된 기판 코팅방법에 의해서 제조된 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
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