KR101446472B1

KR101446472B1 - 레이저 밀봉용 페이스트 조성물

Info

Publication number: KR101446472B1
Application number: KR1020120085525A
Authority: KR
Inventors: 조용수; 연득호; 권오현
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2014-10-02
Also published as: KR20140019892A

Abstract

본 발명에 따라서 유기물 소자의 평판 패널 유닛 제조시 두 유리 패널을 접합하여 밀봉할 수 있도록 해주는 페이스트 조성물이 제공된다. 상기 페이스트 조성물은 고형 성분과 비히클을 포함하고, 상기 고형 성분은 유리 파우더 대비 필러 약 10 wt%, 탄소 파우더 5 wt% 이하 혹은 탄소나노튜브 0.3 wt% 초과 3 wt% 이하 및 잔부 유리 파우더로 이루어지며, 상기 페이스트 조성물은 적외선 대역의 레이저를 흡수하고, 상기 탄소 파우더는 상기 레이저를 흡수하는 레이저 흡수 매개체 역할을 하고, 상기 탄소 파우더가 상기 레이저를 흡수함에 따라, 상기 유리 파우더가 용융되어, 상기 두 유리 패널을 접합하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 밀봉용 페이스트 조성물{PASTE COMPOSITION FOR LASER SEALING}

본 발명은 페이스트 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유리 기판간의 실링에 사용하기 위한 페이스트 조성물에 관한 것이다.

염료감응형 태양전지나 OLED와 같은 유기물 소자의 경우, 두 장의 유리 패널을 맞댄 후, 접합하여 밀봉하게 된다. 유기 소자의 경우, 높은 온도에서는 유기물이 반응하거나 연소하므로, 이를 방지하면서 두 유리 패널을 접합할 수 있는 밀봉제(sealant)에 대한 요구가 있다.

구체적으로, 유리 소자의 경우 열처리를 하게 되면, 유기 소자 부위의 손상이 발생하기 때문에, 밀봉하고자 하는 부위에 대한 국부적인 가열이 필요하다. 따라서, 레이저를 이용한 밀봉 방법이 주로 이용되고 있다. 밀봉제와 관련하여, UV 파장에 감응을 갖는 폴리머 밀봉제를 사용하는 경우, 소자가 외부 환경과 완전히 차폐되지 않아, 시간이 지남에 따라 외부의 O₂나 H₂O가 침투하고, 이로 인하여 유기 소자의 활성이 떨어지는 현상이 발생한다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 염료감응형 태양전지 및 OLED를 포함하는 유기물 소자의 평판 패널형 유닛 제조시, 두 유리 패널을 용이하게 접합/밀봉할 수 있도록 해주는 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가능한 한 낮은 출력의 레이저에 대하여 감응성을 나타내어, 상대적으로 저출력에서도 두 유리 패널을 접합/밀봉할 수 있도록 해주는 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 레이저를 이용하여 두 유리 패널을 밀봉할 때에도 유리 기판의 손상을 방지하고 또 유리 기판에 가능한 적은 기공(porocity)만을 발생시키는 페이스트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 페이스트 조성물을 이용하여 평판 패널형으로 접합/밀봉된 유기물 소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 유기물 소자의 평판 패널 유닛 제조시 두 유리 패널을 접합하여 밀봉할 수 있도록 해주는 페이스트 조성물이 제공된다. 상기 페이스트 조성물은 고형 성분과 비히클을 포함하고, 상기 고형 성분은 유리 파우더 대비 필러 약 10 wt%, 탄소 파우더 5 wt% 이하 및 잔부 유리 파우더로 이루어지며, 상기 페이스트 조성물은 적외선 대역의 레이저를 흡수하고, 상기 탄소 파우더는 상기 레이저를 흡수하는 레이저 흡수 매개체 역할을 하고, 상기 탄소 파우더가 상기 레이저를 흡수함에 따라, 상기 유리 파우더가 용융되어, 상기 두 유리 패널을 접합하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 탄소 파우더는 1 wt% 이하의 양으로 포함될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 탄소 파우더를 포함하지 않는 페이스트 조성물과 비교하여 더 낮은 출력의 레이저에 대해 반응성을 나타낼 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 상기 고형 성분과 비히클을 1:1의 비로 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 유기물 소자의 평판 패널 유닛 제조시 두 유리 패널을 접합하여 밀봉할 수 있도록 해주는 페이스트 조성물이 제공된다. 상기 페이스트 조성물은 고형 성분과 비히클을 포함하고, 상기 고형 성분은 유리 파우더 대비 필러 약 10 wt%, 탄소나노튜브 3 wt% 이하 및 잔부 유리 파우더로 이루어지며, 상기 페이스트 조성물은 적외선 대역의 레이저를 흡수하고, 상기 탄소나노튜브는 상기 레이저를 흡수하는 레이저 흡수 매개체 역할을 하고, 상기 탄소나노튜브가 상기 레이저를 흡수함에 따라, 상기 유리 파우더가 용융되어, 상기 두 유리 패널을 접합하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 0.3 wt% 초과 및 3 wt% 이하의 함량으로 포함될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 탄소나노튜브를 포함하지 않는 페이스트 조성물과 비교하여 더 낮은 출력의 레이저에 대해 반응성을 나타낼 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 상기 고형 성분과 비히클을 1:1:의 비로 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 상호 접합되어 밀봉된 두 유리 패널을 포함하는 평판 패널형 유닛을 포함하는 유기물 소자가 제공된다. 상기 두 유리 패널은 고형 성분과 비히클을 포함하는 페이스트 조성물에 의해 접합되고, 상기 고형 성분은 유리 파우더 대비 필러 약 10 wt%, 탄소파우더 5 wt% 이하 또는 탄소나노튜브 3 wt% 이하 및 잔부 유리 파우더로 이루어지며, 상기 페이스트 조성물에 대해 적외선 대역의 레이저를 조사하여, 상기 유리 파우더를 용융시켜 상기 두 유리 패널이 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 1 wt% 이하 함량의 탄소파우더를 포함하거나, 0.3 wt% 초과 3 wt% 이하 함량의 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 두 유리 패널은 20W 미만 출력의 레이저를 상기 페이스트 조성물에 조사하여 접합될 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 페이스트 조성물은 20W 미만의 저출력 레이저에 대해 반응성이 있다. 즉 적외선 대역의 저출력 레이저를 상기 조성물에 조사하면, 탄소 파우더 또는 탄소나노튜브가 그 레이저를 흡수하여, 유리 프릿이 용융되고, 이에 따라 두 유리 패널을 접합/밀봉할 수 있다. 따라서, 유리 기판의 손상을 최소화하면서 안정되게 두 유리 패널을 접합할 수 있다.

도 1은 탄소 첨가량이 증가함에 따라 레이저의 흡수 계수 및 투과율 변화를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 여러 탄소 첨가량에 따른 페이스트 조성물의 레이저 처리 후 미세구조 변화를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 여러 탄소 첨가량에 따른 페이스트 조성물의 레이저 처리 후 표면 및 단면 미세 구조를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 여러 CNT 첨가량에 따른 페이스트 조성물의 레이저 처리 후 표면 및 단면 미세구조를 보여주는 도면이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에 이미 널리 알려진 기술적 구성, 예컨대 유기물 소자의 평판 패널 유닛을 제조하는 구체적인 과정에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명자는 유기물 소자의 평판 패널 유닛의 두 유리 패널을 접합할 수 있는 레이저 밀봉용 페이스트 조성물에 대해 연구를 하였다. 즉, 유기 소자의 장기 안정성 확보를 위해 유리 밀봉제를 이용한 레이저 밀봉이 유기물 소자 제작에 매우 적합하다. 그러나, 유리 프릿과 세라믹 필러만으로 유리 밀봉제를 구성하는 경우, 상대적으로 낮은 출력의 레이저를 이용하여 유리 패널을 접합할 수 없어(따라서, 고출력 레이저를 이용하여야 하고, 이 경우 유리 기판이 파손될 수 있다), 이를 가능하게 하는 조성물을 추가 연구하여 본 발명을 완성하였다.

구체적으로, 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 페이스트 조성물은 고형 성분과 비히클(한 가지 실시예에서, 에틸 셀룰로오스)을 1:1의 비로 구성되며, 고형 성분은 유리 파우더(유리 프릿)와 세라믹 필러와 탄소 파우더로 구성하였다. 이때, 유리 파우더는 bismuth 계열의 유리 파우더를 사용하였다. 본 발명에 있어서, 세라믹 필러는 직접적으로 밀봉에 관여하지 않으나 강도의 증진이나 열팽창 계수 등을 조절하기 위해 사용된다. 세라믹 필러의 예로는 Al₂O₃, Cordierite, ZrO₂, SiO2, Y₂O₃, MgO 등 대체로 반응성이 낮은 내화성 산화물이 주로 사용될 수 있고, 본 실시예에서는 상용적으로 판매되고 있는 cordierite를 사용하였다. 고형 성분에서, 세라믹 필러는 유리 파우더 대비 약 10 wt% 이하로 첨가되었고, 탄소 파우더는 약 5 wt% 이하, 나머지는 유리 파우더로 구성하였다. 본 발명자의 관찰에 따르면, 상기 세라믹 필러의 경우, 10 wt%를 초과하는 경우, 과도한 기포의 발생 및 용융 유리와 기판과의 접착(adhesion)이 매우 어려워져서 결과적으로 봉착이 이루어지기 매우 어렵다. 따라서, 낮은 레이저 출력에서의 봉착을 목적으로 하는 본 발명에서 필러는 약 10 wt% 이하의 함량으로 첨가한다. 한편, 탄소 파우더는 5 wt%를 초과하여 첨가하는 경우, 기공률이 증가하는 것이 관찰되었다. 따라서, 장기 안정성을 요구하는 봉착에 부적합하므로, 본 발명에서 탄소 파우더는 5 wt% 이하의 함량으로 첨가한다.

상기와 같이 구성한 페이스트 조성물을 한 유리 기판 표면에 스크린 프린팅을 하였다. 이때, 6-7회 반복적으로 스크린 프린팅하여, 그 두께가 대략 30㎛가 되게 하였다. 이어서, 프린팅된 조성물을 건조시키고(120℃, 12 시간), 소성 처리한 후(370℃, 1시간), 해당 프린팅 부분에 레이저를 조사하였다. 이때, 적외선 대역의 Nd:YAG 레이저(810 nm 파장)를 이용하였으며, 탄소 첨가량에 따른 흡수계수 및 투과율 변화를 관찰하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에 도시한 바와 같이, 탄소 첨가량이 증가함에 따라 흡수 계수가 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통해, 페이스트 조성물에 탄소를 첨가하게 되면 탄소가 레이저 흡수율 향상에 도움, 즉 탄소가 레이저 흡수 매개체가 되어, 고형 성분 중의 유리 프릿을 용융시켜, 유리 패널을 상호 접합/밀봉하는 데에 이용될 수 있다는 결론에 이르렀다. 한편, 흡수제 첨가량에 따른 흡수 계수 변화는 Beer's law에 따라 구할 수 있는데, 이러한 흡수 계수값 자체는 본 발명의 주요 특징을 구성하는 것이 아니므로, 흡수계수 계산과 관련한 설명은 생략한다.

한편, 레이저를 이용하여 두 유리를 접합하는 레이저 밀봉시, 본 발명자의 실험에 따르면, 레이저 출력이 20W가 넘어가면 유리 기판에 크랙이 발생되었다. 따라서, 가능한 한 저출력의 레이저를 이용하여 유리 기판을 접합/밀봉하는 것이 바람직하며, 이를 가능하게 하는 조성 범위에 대해 실험을 하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2는 레이저 처리 후 페이스트 조성물의 탄소 첨가량에 따른 미세구조 변화를 보여주는 도면이다. 도시한 바와 같이, 탄소의 함량이 증가할수록 더 낮은 레이저 출력에서 유리 프릿의 용융 반응이 일어난다는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 탄소 함량이 높을수록 예컨대 적외선 파장대의 레이저를 더 많이 흡수하여 더 낮은 출력에서 유리의 용융 반응이 일어난다고 볼 수 있다. 그러나, 탄소량이 증가할수록 동일 레이저 출력에서 처리할 경우 기공률이 증가하며, 이는 밀봉 후 소자의 장기 안정성에 좋지 않은 영향을 미칠 것으로 생각된다(기공을 통해 수분이나 가스 성분 침투).

본 발명자는 추가로 탄소 첨가량에 따른 레이저 처리 후의 표면 및 파단 미세구조를 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 즉 370℃에서 소성 처리한 샘플들에 대하여 10W 출력의 레이저를 조사한 후, 표면과 단면을 관찰한 SEM 이미지를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타낸 이미지에 기초하여, 탄소 첨가량에 따른 레이저 처리 후의 표면 기공률 및 평균 기공 크기를 계산하였으며, 이를 표 1에 나타낸다.

탄소 첨가량(wt%)	표면 기공률(%)	평균 기공 크기(mm)
1	0.08	4.21
3	1.73	12.45
5	2.56	19.13

도 3 및 표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 탄소량이 증가할수록 표면 기공률 및 기공 크기는 증가하였다. 그러나 탄소 파우더를 1 wt% 이하로 첨가하는 경우, 기공률이 1% 이하의 거의 완전히 치밀화된 막을 얻을 수 있었으며, 이는 레이저를 이용한 소자 밀봉시 매우 유용하다고 판단된다. 탄소 파우더를 1 wt%를 초과하여, 예컨대 3 wt%, 5 wt% 첨가하면, 저출력 레이저라하더라도 과도한 양의 레이저를 탄소 파우더가 다량 흡수하여, 가스화됨으로써, 페이스트 중에 약간의 기공을 형성하는 것으로 보인다. 하지만 이러한 기공에도 불구하고 접합 자체는 성공 가능하여 탄소 파우더가 5 wt% 까지 많이 들어간 경우에도 세라믹 필러의 양을 조절하거나 레이저 실링의 조건, 막의 두께 조절 등의 개선을 통해서 사용가능하다.

한편, 본 발명자는 탄소 파우더 대신에 탄소나노튜브(CNT)를 첨가한 페이스트 조성물을 제조하여, 상기한 것과 같이 동일한 처리를 한 후에, 그 함량별로 표면 및 파단 미세구조 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 탄소나노튜브는 10W 레이저에 대해 반응하였고, 이로 인해 유리 프릿이 용융되어 치밀화된 막을 형성하였다. 그러나, 1.0 wt% 이상을 첨가하는 경우, 도시한 바와 같이, 탄소나노튜브의 기화 반응으로 인해 유리 프릿 중에 많은 기공이 형성되었다. 또한, 0.3wt% 첨가한 경우, 해당 파장의 레이저에 대한 충분한 흡수가 이루어지지 않아 국부적으로 유리 프릿이 녹는 현상만 관찰될 뿐 균일하게 치밀화된 막을 형성하지 못하였다. 그리고 3 wt%를 초과하여 탄소나노튜브를 첨가할 경우 유리 프릿의 총 부피 대비 탄소나노튜브의 총 부피가 너무 커 스크린 프린팅에 적합한 페이스트를 제작하기 힘들다. 따라서, 본 발명에 있어서, 탄소나노튜브는 탄소 파우더와 달리, 3 wt% 이하, 바람직하게는 0.3 wt% 초과 3 wt% 이하로 첨가한다. 탄소나노튜브는 탄소 파우더와 비교하여 그 비표면적이 훨씬 커서, 탄소 파우더보다 작게 첨가하여도 레이저에 의한 유리막 치밀화를 가능하게 하는 것으로 판단된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시예에 제한되는 것은 아니다. 이하의 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들 역시 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims

유기물 소자의 평판 패널 유닛 제조시 두 유리 패널을 접합하여 밀봉할 수 있도록 해주는 페이스트 조성물로서,
상기 페이스트 조성물은 고형 성분과 비히클을 포함하고,
상기 고형 성분은 유리 파우더 대비 필러 10 wt%, 탄소 파우더 1 wt% 이하 및 잔부 유리 파우더로 이루어지며,
상기 페이스트 조성물은 적외선 대역의 레이저를 흡수하고,
상기 탄소 파우더는 상기 레이저를 흡수하는 레이저 흡수 매개체 역할을 하고, 상기 탄소 파우더가 상기 레이저를 흡수함에 따라, 상기 유리 파우더가 용융되어, 상기 두 유리 패널을 접합하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 탄소 파우더를 포함하지 않는 페이스트 조성물과 비교하여 더 낮은 출력의 레이저에 대해 반응성을 나타내는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 상기 고형 성분과 비히클을 1:1:의 비로 구성되는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물.
유기물 소자의 평판 패널 유닛 제조시 두 유리 패널을 접합하여 밀봉할 수 있도록 해주는 페이스트 조성물로서,
상기 페이스트 조성물은 고형 성분과 비히클을 포함하고,
상기 고형 성분은 유리 파우더 대비 필러 10 wt%, 탄소나노튜브 0.3 wt% 초과 및 3 wt% 이하 및 잔부 유리 파우더로 이루어지며,
상기 페이스트 조성물은 적외선 대역의 레이저를 흡수하고
상기 탄소나노튜브는 상기 레이저를 흡수하는 레이저 흡수 매개체 역할을 하고, 상기 탄소나노튜브가 상기 레이저를 흡수함에 따라, 상기 유리 파우더가 용융되어, 상기 두 유리 패널을 접합하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물.
삭제
청구항 5에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 탄소나노튜브를 포함하지 않는 페이스트 조성물과 비교하여 더 낮은 출력의 레이저에 대해 반응성을 나타내는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물.
청구항 5 또는 청구항 7에 있어서, 상기 페이스트 조성물은 상기 고형 성분과 비히클을 1:1:의 비로 구성되는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물.
상호 접합되어 밀봉된 두 유리 패널을 포함하는 평판 패널형 유닛을 포함하는 유기물 소자로서,
상기 두 유리 패널은 고형 성분과 비히클을 포함하는 페이스트 조성물에 의해 접합되고, 상기 고형 성분은 유리 파우더 대비 필러 10 wt%, 탄소파우더 1 wt% 이하 또는 탄소나노튜브 0.3 wt% 초과 3 wt% 이하 및 잔부 유리 파우더로 이루어지며,
상기 페이스트 조성물에 대해 적외선 대역의 레이저를 조사하여, 상기 유리 파우더를 용융시켜 상기 두 유리 패널이 접합되어 있는 것인 유기물 소자.
삭제
삭제
청구항 9에 있어서, 상기 두 유리 패널은 20W 미만 출력의 레이저를 상기 페이스트 조성물에 조사하여 접합되는 것인 유기물 소자.