KR101431485B1 - 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물 및 이를 이용한 패턴형성방법 - Google Patents

태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물 및 이를 이용한 패턴형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물에 관한 것으로서, 구체적으로는 a)에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물 b)불소계 계면활성제; 및 c)용매를 포함하며, 고형분의 함량이 45 중량부 내지 99.99 중량부인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물, 이를 이용한 패턴형성방법, 이를 이용하여 형성된 절연막 및 식각 마스크에 관한 것이다.

Description

태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물 및 이를 이용한 패턴형성방법{INK COMPOSITION FOR USE IN MANUFACTURING OF SOLAR CELL AND PATTERN FORMING PROCESS USING THE COMPOSITION}
본 발명은 잉크 조성물의 유동성을 조절하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에서도 패턴 형성이 가능한 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물 및 이를 이용한 패턴형성방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양에너지를 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로, 현재 전기, 전자제품 또는 주택이나 건물의 전기 공급 등에 이르기까지 다양한 분야에 적용되고 있다.
태양전지의 제조 공정 중에는 전기도금 또는 식각 공정 등이 포함되며, 이러한 공정 중에는 실리콘 기판의 특정 부분을 선택적으로 마스킹 하거나, 태양전지 셀에서 절연막으로 사용될 물질을 도포하는 재료가 필요하다. 종래에는 이러한 재료를 스크린 프린팅 방법에 의해 형성하는 것이 일반적이었다. 그러나 스크린 프린팅 방법에 의하는 경우 태양전지 제조시 요구되는 미세한 선폭을 형성하기가 매우 어려운 문제점이 있다.
또한, 태양전지의 제조 비용을 줄이기 위해 실리콘 기판을 박형화 하려는 시도가 있다. 그러나, 스크린 프린팅은 접촉 방식으로 패턴을 형성하므로, 태양전지의 셀이 파손될 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 접촉 방식인 스크린 프린팅과 달리 비접촉 방식인 잉크젯 패턴 방식으로 패턴을 형성하는 기술에 대한 관심이 증폭되고 있다. 즉, 태양전지의 전극, 부식 막 또는 절연막 등을 형성하는데 있어 미세한 선폭 형성이 가능하며, 비접촉 방식으로 패턴을 형성하는 잉크젯 프린팅 방법을 사용하고자 하는 요구가 있다.
그러나, 잉크젯 프린팅 방법에 의하는 경우 종래의 잉크 조성물을 이용하면 잉크의 유동성이 커서 태양전지와 같은 표면 요철이 형성된 실리콘 기판에서는 잉크가 흐르게 되어 패턴 형성이 어려운 문제점이 있다. 따라서, 표면 요철이 형성된 실리콘 기판에서도 패턴 형성이 가능한 잉크젯 프린팅용 잉크 조성물의 개발이 시급하다.
이에 본 발명은 잉크 조성물의 유동성을 조절하여 태양전지와 같은 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에서도 패턴 형성이 가능한 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물 및 이를 이용한 패턴형성방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1태양은 a)에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물, b)불소계 계면활성제; 및 c)용매를 포함하며, 고형분의 함량이 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 45 중량부 내지 99.99 중량부인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물을 제공한다.
본 발명의 제2태양은 상기 잉크 조성물을 잉크젯 프린터의 헤드를 이용하여 도포하는 단계 및 상기 도포된 잉크 조성물을 열처리 하는 단계를 포함하는 패턴형성방법을 제공한다.
본 발명의 제3태양은 요철이 있는 태양전지용 실리콘 기판상에 상기 잉크 조성물을 이용하여 형성시킨 식각 마스크를 제공한다.
본 발명의 제4태양은 요철이 있는 태양전지용 실리콘 기판상에 상기 잉크 조성물을 이용하여 형성시킨 절연막을 제공한다.
본 발명에 따른 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물은 고형분 함량에 따라 유동성 조절이 가능하므로 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에서도 패턴 형성이 가능하다.
또한, 상기 잉크 조성물을 이용한 패턴형성방법은 잉크젯 프린터를 이용함으로써 비접촉 방식으로 미세한 선폭을 형성하는 것이 가능하므로 태양전지 제조에 이용하는 경우 매우 유용하다.
또한, 상기 잉크 조성물에 포함된 접착 증진제의 함량 및 패턴 형성시의 열처리 온도에 따라 태양전지 제조시 절연막으로 사용하거나 식각 마스크로 사용할 수 있어 효용성이 우수한 장점이 있다.
도 1은 실시예 1에서 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성한 후 패턴형성결과를 나타낸 사진이다.
도 2는 실시예 2에서 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성한 후 패턴형성결과를 나타낸 사진이다.
도 3는 실시예 3에서 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성한 후 패턴형성결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 비교예 1에서 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성한 후 패턴형성결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 비교예 2에서 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성한 후 패턴형성결과를 나타낸 사진이다.
도 6은 비교예 3에서 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성한 후 패턴형성결과를 나타낸 사진이다.
도 7은 비교예 4에서 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성한 후 패턴형성결과를 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물은 a)에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물 b)불소계 계면활성제; 및 c)용매를 포함하며, 고형분의 함량이 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 45 중량부 내지 99.99 중량부인 것을 특징으로 한다.
상기 a)에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물은 발생된 라디칼에 의해 중합이 가능한 물질로 형성된 것으로, 패턴의 내구성을 증가시키기 위한 것이다. 또한 상기 중합성 화합물은 점성을 지니고 있는 것으로, 표면 요철이 있는 실리콘 기판에서 잉크의 유동성을 조절할 수 있다.
특히, 본 발명의 잉크 조성물에 있어서, 상기 a)에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물은 아크릴 모노머인 것이 바람직하다. 구체적으로는 가교 결합이 가능한 다관능성 아크릴레이트인 것이 바람직하며, 예를 들면 네오펜틸글리콜디아크릴레이트, 디트리메틸롤프로판테트라아크릴레이트, 디펜타에리트리톨테트라아크릴레이트, 디펜타에리트리톨펜타아크릴레이트, 디펜타에리트리톨헥사아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 부탄디올디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리메틸올트리아크릴레이트, 트리메틸롤프로판트리아크릴레이트, 트리프로필렌글리콜디아크릴레이트, 펜타에리트리톨트리아크릴레이트, 프로필렌글리콜디아크릴레이트 및 헥산디올디아크릴레이트 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 2종이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
특히, 본 발명의 잉크 조성물에 있어서, 상기 a)에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물은 디펜타에리트리톨헥사아크릴레이트, 트리메틸롤프로판트리아크릴레이트 및/또는 디프로필렌글리콜디아크릴레이트일 수 있다. 이때, 상기 디펜타에리트리톨헥사아크릴레이트와 트리메틸롤프로판트리아크릴레이트는 다관능성 아크릴레이트로 가교 결합이 가능하여 내화학성을 높일 수 있으며, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트는 낮은 점도를 가지므로, 본 발명에 따른 잉크 조성물의 토출이 용이하도록 하는 장점이 있다.
한편, 상기 a)에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물은 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 40 중량부 내지 98 중량부, 60 중량부 내지 96 중량부 또는 70 중량부 내지 94 중량부일 수 있다. 에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물의 함량이 상기 수치 범위를 만족하는 경우 표면 요철이 있는 실리콘 기판에서도 선 패턴을 양호하게 형성할 수 있고, 중합성 화합물 이외의 물질을 첨가하여 접착력을 향상시키거나 계면활성제를 첨가하여 잉크의 퍼짐성을 조절할 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 상기 b)불소계 계면활성제는 잉크의 퍼짐성을 조절하기 위한 것으로, 잉크젯 장비에 잉크를 주입하는 동안 발생하는 기포가 쉽게 제거되지 않는 경우 토출 불량이 발생하므로 소포 특성이 우수한 것이 바람직하다.
특히, 본 발명의 잉크 조성물에 있어서, 상기 b)불소계 계면활성제는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol) 및 퍼플루오로카본(perfluorocarbon)을 포함하는 것이 보다 바람직하다. 상기 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol) 및 퍼플루오로카본(perfluorocarbon)을 포함하는 불소계 계면활성제를 사용하는 경우 잉크의 퍼짐성 조절이 용이하고, 잉크가 쉽게 흐르지 않아 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에서도 패턴 형성이 용이한 장점이 있다.
특히 본 발명에 있어서, 상기 불소계 계면활성제는 예를 들면, 상기 불소계 계면활성제 0.1 중량%를 포함하는 톨루엔 용액 (toluene solution)으로 만들었을 때 표면장력이 20 내지 30 mN/m 또는 23 내지 27 mN/m일 수 있다. 또한, 상기 불소계 계면활성제를 0.1 중량% 포함하는 프로필렌글리콜메틸에테르 용액(propyleneglycolmethylether solution)으로 만들었을 때 표면장력이 20 내지 30 mN/m 또는 24 내지 28 mN/m 인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 잉크 조성물에 있어서, 상기 불소계 계면활성제는 상기 계면활성제를 각각 0.1 중량% 포함하는 상기 톨루엔 용액 및 프로필렌글리콜메틸에테르 용액의 표면장력 값을 동시에 만족하는 것이 보다 바람직하다. 불소계 계면활성제를 0.1 중량% 포함하는 톨루엔 용액 및/또는 프로필렌글리콜메틸에테르 용액의 표면장력이 상기 수치범위를 만족하는 경우, 잉크가 표면 요철이 있는 실리콘 기판의 표면을 적절하게 덮으면서도 너무 번지지 않아서 패턴을 안정적으로 유지할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 본 명세서에서 상기 표면장력은 공기와 상기 용액 사이의 장력을 의미한다. 또한, 상기 표면장력의 측정은 Du Nouy ring 장비를 사용하여 상온에서 수행하였다.
또한, 상기 b)불소계 계면활성제는 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 0.01 중량부 내지 1.0 중량부, 0.01 중량부 내지 0.5 중량부 또는 0.03 중량부 내지 0.1 중량부로 포함될 수 있다. 계면활성제의 함량이 상기 수치 범위를 만족하는 경우 재현성 있게 패턴을 형성할 수 있고, 잉크의 저장 안정성이 우수한 장점이 있다.
다음으로, 상기 c)용매는 잉크의 점도 조절 및 형성된 막의 두께를 조절하기 위한 것으로 유기용매가 바람직하다. 보다 구체적으로 예를 들면 디에틸렌글리콜부틸메틸에테르, 디엘렌글리콜모노부틸에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜모노메일에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 부틸락테이트, 에톡시에틸아세테이트, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트, 에틸에톡시프로피오네이트, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노에틸에테르 및 프로필렌그리콜부틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 c)용매는 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 0.001 중량부 내지 55 중량부를 포함할 수 있다. 용매의 함량이 상기 수치 범위를 만족하는 경우 선 패터닝 형성이 가능하며, 잉크의 퍼짐성이 감소하고, 패턴의 균일성이 증가한다.
다시 말하면, 상기 c)용매를 제외한 고형분 함량은 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 45 중량부 내지 99.99 중량부, 63 내지 99.99 중량부 또는 70 내지 99.99 중량부인 것이 바람직하다. 즉, 고형분 함량이 증가할수록 잉크의 퍼짐성이 감소하고, 패턴의 균일성이 증가되어, 안정적인 패턴 형성이 가능하다.
한편, 상기 c)용매는 비점이 140℃ 내지 250℃인 것을 1종 또는 2종을 이상을 혼합한 것일 수 있다. 용매의 비점이 상기 수치 범위를 만족하는 경우 잉크젯 프린터의 노즐면에서 건조가 일어나지 않아 토출이 양호하고, 패턴을 형성한 후에 용매를 완전히 건조시킬 수 있으므로 공정성이 우수하다.
선택적으로, 본 발명에 따른 잉크 조성물은, 실리콘 기판과의 접착 특성을 향상시키기 위하여 접착 증진제를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 잉크 조성물이 식각 마스크로 사용되는 경우에는, 태양전지 제조시 에미터층의 선택적 식각을 위해 산 용액 처리가 요구되는바, 이 경우 패턴의 탈락이 발생하는 문제점을 방지하기 위함이다.
상기 접착 증진제는 가수분해에 의해 실란올기를 생성하는 치환기를 가지는 것, 또는 분자내에 메톡시 실릴기나 에톡시 실릴기를 가지는 것 등이 사용될 수 있다. 예를 들면 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 글리시독시프로필트리메톡시실란, 글리시독시프로필트리에톡시실란, 메타크릴록시프로필트리메톡시실란 및 메타크릴록시프로필트리에톡시실란 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 접착 증진제는 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 5.0 중량부를 포함할 수 있다. 접착 증진제의 함량이 상기 수치 범위를 만족하는 경우 잉크의 저장 안정성이 우수한 장점이 있다. 또한 상기 잉크 조성물을 식각 마스크로 사용하는 경우 산 용액 처리가 요구되는바 이 경우 패턴의 분리 또는 탈락을 방지할 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 잉크 조성물은, 중합 개시제 및 바인더 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 중합 개시제는 에틸렌성 불포화 결합을 가지는 중합성 화합물을 경화하기 위한 것으로 열개시제, 광개시제 또는 이들의 조합일 수 있다. 특히, 본 발명의 잉크 조성물에 있어서, 용매를 제거하기 위한 추가적인 공정 없이 1 스텝의 열처리만으로도 경화가 완료되어 공정을 간단히 할 수 있는 열개시제가 바람직하다.
또한, 상기 중합 개시제는 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 5.0 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 중합 개시제의 함량이 상기 수치 범위를 만족하는 경우 라디칼이 충분하게 발생되지 않아 열중합이 진행되지 않는 문제를 방지할 수 있고, 중합 개시제가 잘 용해되어 상기 잉크 조성물을 절연막으로 사용하는 경우에는 그 표면의 불량 발생률을 감소시킬 수 있으며, 식각 마스크로 사용하는 경우에는 스트리퍼에 의해 제거가 용이하다. 또한, 상기 중합 개시제의 함량은 열개시제, 광개시제 또는 이들을 조합하여 사용하는 경우에도 동일하다.
한편, 상기 열개시제로는 예를 들면 아조계 화합물, 유기 과산화물, 및 과산화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 광개시제는 당해 기술분야에 잘 알려진 광중합 개시제 또는 광증감제를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 트리아진 화합물, 비이미다졸 화합물, 아세토페논계 화합물 벤조페논계 화합물 및 티옥산톤계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
한편, 상기 바인더는, 형성된 잉크막의 접착 특성을 높이고, 잉크막을 용이하게 형성하게 하며, 형성된 잉크막의 강도를 조절하는 물질로서 조성물의 본래 성질을 해치지 않는다면 특별히 제한되지 않는다. 이러한 바인더로는 예를 들면, 스티렌, 클로로 스티렌, α-메틸 스티렌, 비닐톨루엔, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트, 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸 (메타)아크릴레이트, 부틸(메타)아크릴레이트, 벤질(메타)아크릴레이트, 글리시딜(메타)아크릴레이트, 디메틸아미노에틸(메타)아크릴레이트, 이소부틸 (메타)아크릴레이트, t-부틸(메타)아크릴레이트, 시클로헥실(메타)아크릴레이트, 디시클로펜타닐(메타)아크릴레이트, 이소보닐(메타)아크릴레이트, 2-페녹시에틸(메타)아크릴레이트, 테트라히드로퍼프릴(메타)아크릴레이트, 히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 2-히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 2-히드록시프로필(메타)아크릴레이트, 2-히드록시-3-클로로프로필(메타)아크릴레이트, 2-히드록시부틸(메타)아크릴레이트, 4-히드록시부틸(메타)아크릴레이트, 디메틸아미노메틸(메타)아크릴레이트, 디에틸아미노(메타)아크릴레이트, 아실옥틸옥시-2-히드록시프로필(메타)아크릴레이트, 에틸헥실아크릴레이트, 2-메톡시에틸(메타)아크릴레이트, 3-메톡시부틸(메타)아크릴레이트, 부톡시에틸(메타)아크릴레이트, 에톡시디에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시트리에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시트리프로필렌글리콜 (메타)아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 페녹시디에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, p-노닐페녹시폴리에틸렌글리콜 (메타)아크릴레이트, p-노닐페녹시폴리프로필렌글리콜(메타)아크릴레이트, 테트라플루오로프로필(메타)아크릴레이트, 1,1,1,3,3,3-헥사플루오로이소프로필 (메타)아크릴레이트, 옥타플루오로펜틸(메타)아크릴레이트, 헵타데카플루오로데실 (메타)아크릴레이트, 트리브로모페닐(메타)아크릴레이트, 메틸 α-히드록시메틸 아크릴레이트, 에틸 α-히드록시메틸 아크릴레이트, 프로필 α-히드록시메틸 아크릴레이트, 부틸 α-히드록시메틸 아크릴레이트, 라우릴메타아크릴레이트, N-페닐말레이미드, N-(4-클로로페닐)말레이미드, 메타 아크릴산, 말레인산, 및 이타콘산로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 공중합하여 제조된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 바인더는 평균 분자량이 4,000 내지 50,000인 것이 바람직하다.
또한, 상기 바인더는 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 0.01 중량부 내지 8 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 바인더의 함량이 상기 수치범위를 만족하는 경우 잉크의 점도가 증가하지 않아 패턴 형성이 용이하다.
본 발명에 따른 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물은 30°내지 60°의 접촉각을 갖는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 접촉각은 드랍된 잉크의 액적과 기재가 접하는 점에서 액적 표면으로 이끄는 접선과 기재 표면과 이루는 각을 의미하며, 접촉각을 측정하는 장치로는 예를 들면, 접촉각 측정기(KRUSS사 DSA100) 등이 있다. 본 명세서에 있어서, 상기 접촉각은 유리기판에 잉크를 드랍시켜 측정한 값이다. 잉크 조성물의 접촉각이 상기 수치 범위를 만족하는 경우 표면 요철이 있는 실리콘 기판에서 잉크의 퍼짐성이 작아 원하는 선폭의 패턴을 형성할 수 있고, 부분적으로 잉크가 뭉치는 현상 없이 패턴이 끊어지지 않게 형성할 수 있으며 기판과의 접착력도 우수하다.
다음으로, 본 발명에 따른 패턴형성방법을 설명한다.
상기 패턴형성방법은 본 발명에 따른 상기 잉크 조성물을 잉크젯 프린터의 헤드를 이용하여 도포하는 단계 및 상기 도포된 잉크 조성물을 열처리 하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 잉크 조성물을 도포하는 기판은 유리 기판, 실리콘 기판이거나 메탈, SiO2 또는 ITO가 증착된 기판일 수 있으며, 바람직하게는 표면 요철이 있는 태양전지용 실리콘 기판일 수 있다.
또한, 상기 잉크 조성물을 도포하는 단계는 잉크젯 헤드를 통해 기판 위에 잉크를 비접촉 방식으로 토출하는 방법에 의해 수행될 수 있다. 여기서, 상기 잉크젯 헤드로부터 잉크 토출이 가능하도록 점도를 낮추기 위하여 잉크젯 헤드를 추가로 가열할 수 있다.
즉, 상기 잉크 조성물을 도포하는 단계는 잉크 조성물의 점도가 10cP 내지 20cP를 만족하도록 잉크젯 헤드를 40℃ 내지 80℃로 가열하는 것이 바람직하다. 잉크젯 헤드의 가열 온도가 상기 수치 범위를 만족하는 경우 잉크의 점도가 낮아 잉크젯 헤드로부터 잉크의 토출이 안정한 효과가 있고, 잉크젯 장비의 구동부에 문제가 발생하지 않으며, 잉크의 저장 안정성이 증가한다.
다음으로, 상기 열처리 단계는 도포된 잉크 조성물의 막을 건조하기 위한 것으로, 감압건조기, 컨벡션 오븐, 핫 플레이트 또는 IR 오븐 등을 사용하여 수행될 수 있다. 이때, 열처리 온도는 130℃ 내지 250℃에서 수행될 수 있다. 열처리 온도가 상기 수치 범위를 만족하는 경우 열경화가 불충분하여 식각 마스크나 절연막으로서 역할을 할 수 없는 문제점이나 식각 마스크로 사용하는 경우 패턴의 제거가 어렵고, 반응해야 할 반응물의 일부가 열에 의해 소실될 수 있는 문제점을 예방할 수 있다.
본 발명에 따른 잉크 조성물을 이용하여 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 상기 잉크 조성물을 식각 마스크로 사용하는 경우에는, 상기 열처리 단계는 160℃ 내지 200℃의 온도에서 수행될 수 있다. 열처리 온도가 상기 수치 범위를 만족하는 경우에는 형성된 식각 마스크 패턴이 선택적 에미터 형성을 위한 에미터층의 선택적 식각 공정에서 식각에 견디는 성능이 양호하여 패턴의 탈락이나 분해가 일어나는 문제를 방지할 수 있고, 식각 마스크 패턴 제거시 알칼리 용액에서 용이하게 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 잉크 조성물을 이용하여 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 상기 잉크 조성물을 절연막으로 사용하는 경우에는, 상기 열처리 단계는 220℃ 내지 250℃에서 수행될 수 있다. 열처리 온도가 상기 수치 범위를 만족하는 경우에는 높은 온도에서 처리하므로 충분한 경화가 이루어질 수 있다.
본 발명의 식각 마스크는 요철이 있는 태양전지용 실리콘 기판상에 상기 잉크 조성물을 이용하여 형성시킨 것을 특징으로 한다.
상기 식각 마스크는 당해 기술 분야에 잘 알려진 방법으로 형성될 수 있으나, 예를 들면 본 발명에 따른 패턴형성방법을 이용하여 패턴을 형성한 후 식각 마스크로 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 식각 마스크를 이용하여 태양전지를 제조하는 경우 선택적 에미터 형성을 위한 공정에서 식각에 견디는 성능이 우수하고, 알칼리 용액에서 제거가 용이하여 태양전지 제조시 공정 재연성과 안정성을 제공할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 절연막은 요철이 있는 태양전지용 실리콘 기판상에 상기 잉크 조성물을 이용하여 형성시킨 것을 특징으로 한다.
상기 절연막은 당해 기술 분야에 잘 알려진 방법으로 형성될 수 있으나, 예를 들면 본 발명에 따른 패턴형성방법을 이용하여 패턴을 형성한 후 절연막으로 이용할 수 있다.
실시예
합성예 1 - 바인더 A의 합성
반응 용기에 열개시제로서 V65 1.6 중량부를 용매에 녹인 후 벤질메타아크릴레이트/메타아크릴산을 68/32의 몰비로 투입한 후 질소 분위기에서 65℃를 유지하며 7.5시간 반응시켰다. 상기에서 얻은 공중합체 용액을 교반기가 부착된 플라스크에 투입하고, 글리시딜메타아크릴레이트를 가한 다음, 추가로 110℃에서 6시간 동안 반응시켜 아크릴 공중합체를 제조하였다.
합성예 2 - 바인더 B의 합성
반응 용기에 열개시제로서 V65 1.6 중량부를 용매에 녹인 후 벤질메타아크릴레이트/스티렌/메타아크릴산/라우릴메타아크릴레이트를 52/19/12/17의 몰비로 투입하였다. 질소 분위기에서 65℃를 유지하며 7.5시간 반응시켰으며, 이를 바인더 수지로 사용하였다.
실시예 1
잉크 조성물 100 중량부에 대해 바인더 A를 1.00 중량부, 중합성 화합물로 디펜타에리트리톨헥사아크릴레이트, 트리메틸롤프로판트리아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트 혼합물을 93.24 중량부, 메타크릴록시프로필트리메톡시실란을 2.00 중량부, 불소계 계면활성제를 0.04 중량부, 개시제로 Wako 사의 V40를 0.25 중량부 및 용매로 디에틸렌글리콜메틸부틸에테르 3.47 중량부를 2시간 동안 혼합하여 본 발명의 잉크 조성물을 제조하였다.
이때, 고형분 함량은 용매 제외한 나머지 성분의 합을 전체 잉크 조성물의 중량부를 기준으로 계산한 값이고, 점도는 점도계를 사용하여 상온(25℃)에서 측정한 값이다.
실시예 2 내지 3 및 비교예 1 내지 4
하기 표 1에 기재된 구성과 함량으로 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 잉크 조성물을 제조하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
바인더 A 1.00 1.00 - - 13.14 1.00 1.00
바인더 B - - - 7.88 - - -
중합성 화합물 DPHA1/TMPTA2/DPGDA3 혼합물 93.24 77.09 73.22 31.53 26.27 93.24 77.09
접착 증진제 2.00 1.66 1.55 0.30 0.30 2.00 1.66
계면활성제 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04** 0.04**
개시제 Wako 사의 V40 0.25 0.21 0.19 0.25 0.25 0.25 0.21
용매

 디에틸렌글리콜부틸메틸에테르 3.47 20.00 25.00 60.00 60.00 3.47 20.00
고형분(%) 96.53 80.00 75.00 40.00 40.00 96.53 80.00
점도(cP) 30.40 13.10 10.7 25.00 29.60 30.40 13.10
DPHA1 : 디펜타에리트리톨헥사아크릴레이트
TMPTA2 : 트리메틸올프로판트리아크릴레이트
DPGDA3 : 디프로필렌클리콜디아크릴레이트
**는 실리콘계 계면활성제를 사용한 경우임.
실험예
선 패턴형성여부
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성하였다. 잉크젯 헤드로 잉크를 토출하기 위해 실시예 1 및 비교예 3은 45.5℃, 비교예 1은 37.6℃, 비교예 2는 42.7℃로 열을 가해주었다. 반면에 실시예 2, 실시예 3 및 비교예 4는 상온에서 잉크를 출하였다. 패턴을 형성한 후에, 용매를 제거하고 에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물을 경화하기 위해 130℃ 이상의 온도에서 열처리 하였다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에 따른 잉크 조성물을 이용하여 선 패턴 형성 여부를 측정한 결과는 표 2와 같다. 선 패턴 형성여부는 광학 현미경을 이용하여 육안으로 측정하였으며, "O"는 선 패턴이 양호하게 형성된 것을 의미하고, "X"는 선 패턴이 형성되지 않은 것을 의미한다.
구 분 선 패턴 형성여부
실시예 1 O
실시예 2 O
실시예 3 O
비교예 1 X
비교예 2 X
비교예 3 X
비교예 4 X
도 1 내지 3은 실시예 1 내지 3에 따라 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성한 후 패턴형성결과를 나타낸 사진이고, 도 4 내지 7은 비교예 1 내지 4에 따라 제조한 잉크 조성물을 이용하여 표면 요철이 있는 실리콘 기판 위에 토출하여 패턴을 형성한 후 패턴형성결과를 나타낸 사진이다.
패턴형성결과, 상기 표 2 및 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이 실시예 1 내지 3에 따라 제조한 잉크 조성물을 이용하는 경우 각각 균일한 선 패턴 형성이 가능하였다. 또한, 고형분 함량이 증가할수록 보다 직선형태로 균일한 선 패턴 형성이 가능한 것을 알 수 있다. 그러나, 표 2 및 도 4 내지 7에 나타낸 바와 같이 비교예 1 내지 4에 따라 제조한 잉크 조성물을 이용하는 경우 잉크가 퍼져 선 패턴을 형성할 수 없었다.
상기와 같은 결과를 바탕으로, 본 발명에서는 고형분의 함량이 40 중량부 이하인 경우에 패턴의 균일성이 감소됨을 확인하였다. 즉, 고형분 함량이 감소할수록 잉크의 퍼짐성이 증가하며, 고형분 함량이 40 중량부 이하일 경우는 선 패터닝이 어려울 뿐만 아니라 잉크의 용매가 건조되어 생성된 패턴이 태양전지용 실리콘 기판의 표면 요철부의 첨단부를 제대로 덮지 못하는 문제도 발생하였다. 또한, 불소계 계면활성제를 사용하지 않는 경우에는 비록 고형분 함량이 높은 경우에도 표면 요철이 있는 기판에서의 선 패턴 형성이 어려운 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (19)

  1. a)에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물;
    b)불소계 계면활성제; 및
    c)용매를 포함하며,
    고형분의 함량이 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여, 63 중량부 내지 99.99 중량부인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여,
    a)에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물 60 중량부 내지 96 중량부;
    b)불소계 계면활성제 0.01 중량부 내지 1.0 중량부; 및
    c)용매 0.001 중량부 내지 37 중량부를 포함하는 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌성 불포화 결합을 갖는 중합성 화합물은 디펜타에리트리톨헥사아크릴레이트, 디프로필렌글리콜디아크릴레이트, 트리메틸로프로판트리아크릴레이트 및 트리프로필렌글리콜디아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 2종이상을 혼합한 것인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 불소계 계면활성제는 폴리에틸렌 글리콜 및 퍼플루오로카본을 포함하는 것인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 불소계 계면활성제는 상기 계면활성제를 0.1 중량% 포함하는 톨루엔 용액으로 만들었을 때의 표면장력이 20 mN/m 내지 30 mN/m 범위인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 불소계 계면활성제는 상기 계면활성제를 0.1 중량% 포함하는 톨루엔 용액으로 만들었을 때의 표면장력이 23 mN/m 내지 27 mN/m 범위인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 불소계 계면활성제는 상기 계면활성제를 0.1 중량% 포함하는 프로필렌글리콜메틸에테르 용액으로 만들었을 때의 표면장력이 20 mN/m 내지 30 mN/m 범위인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 불소계 계면활성제는 상기 계면활성제를 0.1 중량% 포함하는 프로필렌글리콜메틸에테르 용액으로 만들었을 때의 표면장력이 24 mN/m 내지 28 mN/m 범위인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 디에틸렌글리콜메틸부틸에테르, 디엘렌글리콜모노부틸에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜모노메일에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 부틸락테이트, 에톡시에틸아세테이트, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트, 에틸에톡시프로피오네이트, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노에틸에테르 및 프로필렌글리콜부틸에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 조성물은 접착 증진제를 추가로 포함하는 것인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 접착 증진제는 가수분해에 의해 실란올기를 생성하는 치환기를 가지는 것 또는 분자내에 메톡시 실릴기나 에톡시 실릴기를 가지는 것이며, 그 함량은 전체 잉크 조성물 100 중량부에 대하여, 0.1 중량부 내지 5.0 중량부인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 잉크 조성물은 중합 개시제 및 바인더로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 것인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잉크 조성물의 유리기판에서 접촉각은 30°내지 60°인 태양전지 제조에서 이용 가능한 잉크 조성물.
  14. 제1항의 잉크 조성물을 잉크젯 프린터를 이용하여 도포하는 단계; 및
    상기 도포된 잉크 조성물을 130℃ 내지 250℃ 온도로 열처리 하는 단계를 포함하는 패턴형성방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 도포하는 단계는 상기 잉크 조성물의 점도가 10cP 내지 20cP의 범위가 되도록, 잉크젯 프린터의 헤드를 40℃ 내지 80℃로 가열하여 수행되는 것인 패턴형성방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 160℃ 내지 200℃에서 수행되는 것인 패턴형성방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 220℃ 내지 250℃에서 수행되는 것인 패턴형성방법.
  18. 제1항의 잉크 조성물을 이용하여 형성된 식각 마스크.
  19. 제1항의 잉크 조성물을 이용하여 형성된 절연막.
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