KR101474980B1 - 가열 롤 임프린팅 방법 및 이 방법으로 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판 - Google Patents

가열 롤 임프린팅 방법 및 이 방법으로 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판 Download PDF

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윤성만
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Abstract

본 발명의 목적은 금속 전극 표면 및 플라스틱 기판의 거칠기를 줄이고 낮은 면저항을 갖는 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판을 제조하는 가열 롤 임프린팅 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 롤 임프린팅 방법은, 플라스틱 기판 위에 금속 전극용 박막을 형성하는 제1단계, 양각의 스탬프 몰드를 구비한 가열 롤로 상기 금속 전극용 박막을 가압하여 상기 플라스틱 기판을 임프린팅하여, 음각 패턴을 형성하면서 상기 음각 패턴에 상기 금속 전극용 박막을 눌러 고착하는 제2단계, 및 상기 금속 전극용 박막 중 상기 플라스틱 기판에 잔류하는 박막 부분을 제거하는 제3단계를 포함한다.

Description

가열 롤 임프린팅 방법 및 이 방법으로 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판 {THERMAL ROLL IMPRINTING METHOD AND METAL GRID MESH PLASTIC SUBSTRATE MANUFACTURED THEREBY}
본 발명은 플라스틱 기판 위에 금속 전극용 박막을 올리고, 가열 롤을 이용하여 박막을 직접 압축 임프린팅하는 가열 롤 임프린팅 방법 및 이 방법으로 제조되는 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 가열 롤 임프린팅 방법은 플라스틱 기판에 패턴을 임프린팅 후 금속 패이스트를 도포하고, 패턴에서 돌출되거나 패턴 밖에 위치하는 금속 패이스트를 닦아 내는 공정을 포함한다. 금속 패이스트를 닦아내는 공정 중에, 음각된 패턴 내에 채워져 있는 금속 패이스트가 벗겨지거나, 패턴 밖의 표면에 닦이지 않고 남아있는 불순물 등으로 인하여 문제가 발생되고, 형성된 금속 전극 및 플라스틱 기판의 거칠기가 커진다.
예를 들면, 기존의 가열 롤 임프린팅 방법으로 제작된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판은 다음과 같은 문제점을 가진다. 기존의 가열 롤 임프린팅 방법은 양각의 스탬프 몰드가 장착된 가열 롤 임프린터로 플라스틱 기판에 음각 패턴을 형성한 후, 금속 페이스트를 스퀴지로 도포하여 깨끗한 헝겊이나 와이퍼 등으로 닦아낸 다음 건조 및 열처리하여, 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판을 제작한다.
그러나 음각 패턴 안에 들어가 고착된 금속 패이스트가 열처리 시 위로 올라오거나 닦아내면서 벗겨지거나 이미 패턴 안에서 플라스틱 기판 표면보다 위로 올라오기 때문에, 금속 그리드 메쉬의 거칠기가 수백 나노에서 수 마이크로 수준에 이른다.
금속 패이스트를 닦아내면서 평탄화를 진행하므로 금속 그리드 메쉬의 표면 및 플라스틱 기판의 거칠기가 커진다. 이렇게 위로 올라온 금속 그리드 메쉬는 유기태양전지(organic photovoltaic cell; OPV) 등의 소자 제작 시, 아랫면의 거친 금속 그리드 메쉬(바닥 전극)가 윗면 전극에 가까워져 분로(shunt)나 단락(short -circuit)을 일으킬 수 있다.
유기태양전지와 같은 유기소자는 활성층(active layer)과 버퍼층(전자 전송층(ETL)과 정공 전송층(HTL))을 포함하며, 얇게는 160nm에서 두껍게는 1㎛에 이르는 두께를 가진다. 그러나 금속 그리드 메쉬 기판의 표면 거칠기가 수백 nm에서 수 ㎛로 나타난다. 그러므로 패턴된 금속 그리드 메쉬 표면 및 플라스틱 기판의 큰 거칠기로 인하여, 제작된 소자가 단락될 수 있다.
이와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 유기태양전지와 같은 소자의 경우, 바닥 전극의 거칠기를 줄이고, 각 층의 두께를 높여야 분로나 단락이 방지될 수 있다. 바닥 전극으로 사용되고 가열 롤 임프린팅 방식으로 제작되는 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판의 거칠기를 줄이는 방법은, 금속 그리드 메쉬를 플라스틱 기판 위로 올라오지 않게 하는 것이다.
즉, 임프린팅으로 플라스틱 기판에 음각 패턴을 만든 후, 금속 패이스트를 도포하고 닦아낸 뒤, 금속 패이스트를 건조하여 고착시키고 표면의 거칠기를 줄이기 위해, 패턴이 없는 롤을 이용하여 가열과 동시에 압축롤을 이용하여 금속 그리드 메쉬의 표면을 강제로 눌러 펴 줌으로써 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판의 거칠기를 줄일 수 있다. 그러나 이러한 방법은 다소 개선이 되지만 롤 표면이 매우 매끄럽지 못할 경우, 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판의 거칠기를 줄이지 못한다.
본 발명의 목적은 금속 전극 표면 및 플라스틱 기판의 거칠기를 줄이고 낮은 면저항을 갖는 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 다른 목적은 상기 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판을 제조하는 가열 롤 임프린팅 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가열 롤 임프린팅 방법은, 플라스틱 기판 위에 금속 전극용 박막을 형성하는 제1단계, 양각의 스탬프 몰드를 구비한 가열 롤로 상기 금속 전극용 박막을 가압하여 상기 플라스틱 기판을 임프린팅하여, 음각 패턴을 형성하면서 상기 음각 패턴에 상기 금속 전극용 박막을 눌러 고착하는 제2단계, 및 상기 금속 전극용 박막 중 상기 플라스틱 기판에 잔류하는 박막 부분을 제거하는 제3단계를 포함한다.
상기 제1단계는, 금속 전극용 물질을 코팅, 증착 및 성장 중 어느 하나의 방법으로 상기 금속 전극용 박막을 형성할 수 있다.
상기 금속 전극용 물질은 Ag, Al, Au 및 Cu 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제1단계는, 용액공정을 통하여 상기 플라스틱 기판에 금속 전극용 물질을 코팅하는 경우, 상기 금속 전극용 물질을 건조시켜 상기 금속 전극용 박막을 형성하는 건조 공정을 포함할 수 있다.
상기 제2단계는, 상기 음각 패턴 내에 배치되는 상기 금속 패턴의 표면을 상기 플라스틱 기판의 표면보다 낮게 형성할 수 있다.
상기 제1단계는, 상기 플라스틱 기판 위에 제거층을 형성한 후, 상기 금속 전극용 박막을 형성할 수 있다.
상기 제2단계는, 상기 가열 롤로 상기 제거층을 더 가압하여 상기 플라스틱 기판을 임프린팅하여, 상기 음각 패턴에 상기 제거층 패턴을 더 눌러 고착할 수 있다.
상기 제3단계는, 상기 제거층 중 상기 플라스틱 기판에 잔류하는 제거층 부분을 더 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판은, 상기의 가열 롤 임프린팅 방법으로 제조될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 플라스틱 기판 위에 금속 전극용 박막을 형성하고, 양각의 스탬프 몰드를 구비한 가열 롤로 박막을 가압하여 플라스틱 기판을 임프린팅하여, 음각 패턴을 형성하면서 음각 패턴에 박막을 눌러 고착하고 음각 패턴 이외 부분에 잔류하는 박막 부분을 제거하므로 금속 전극 표면 및 플라스틱 기판의 거칠기를 줄이고 낮은 면저항을 갖는 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가열 롤 임프린팅 방법의 순서도이다.
도 2는 종래기술에 따라 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판의 상세도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판의 상세도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가열 롤 임프린팅 방법의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
편의상, 이하에서, 가열 롤 임프린팅 방법과 이 방법으로 제조되는 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판에 대하여 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가열 롤 임프린팅 방법의 순서도이다. 도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 가열 롤 임프린팅 방법은 플라스틱 기판(1) 위에 금속 전극용 박막(2)을 형성하는 제1단계(ST1), 양각의 스탬프 몰드(3)를 구비한 가열 롤(4)로 박막(2)을 가압하여 플라스틱 기판(1)을 임프린팅하는 제2단계(ST2) 및 플라스틱 기판(1)에 잔류하는 박막 부분(P3)을 제거하는 제3단계(ST3)를 포함한다.
제1단계(ST1)는 금속 전극용 물질을 코팅, 증착 또는 성장의 방법으로 플라스틱 기판(1)의 표면에 금속 전극용 박막(2)을 형성한다. 예를 들면, 금속 전극용 물질은 Ag, Al, Au 또는 Cu일 수 있다. 즉 금속 전극용 박막(2)은 Ag, Al, Au 또는 Cu로 형성될 수 있다.
예를 들어 코팅 방법에 의하여 금속 전극용 박막(2)을 형성하는 경우, 제1단계(ST1)는 건조 공정을 더 포함한다. 즉 건조 공정은 용액공정을 통하여 플라스틱 기판(1)에 금속 전극용 물질을 코팅하고, 금속 전극용 물질을 건조시킴으로써 플라스틱 기판(1)에 금속 전극용 박막(2)을 형성한다.
제2단계(ST2)는 스탬프 몰드(3) 및 가열 롤(4)로 열을 가하면서 금속 전극용 박막(2) 및 플라스틱 기판(1)을 가압함으로써, 플라스틱 기판(1)에 음각 패턴(P1)을 형성하고, 동시에 음각 패턴(P1)에 금속 전극용 박막(2)에서 분리된 금속 패턴(P2)을 눌러 고착한다.
제2단계(ST2) 진행 시, 금속 전극용 물질, 즉 금속 전극용 박막(2)은 건조된 상태이므로 가압하는 스탬프 몰드(3)에 묻지 않게 된다. 따라서 스탬프 몰드(3)는 금속 전극용 박막(2)으로부터 원활히 분리될 수 있다.
제2단계(ST2)는 가열 롤(4)에 구비되는 양각의 스탬프 몰드(3)를 금속 전극용 박막(2)에 직접 접촉시켜 가압하면서 플라스틱 기판(1)에 음각 패턴(P1)을 형성한다.
따라서 스탬프 몰드(3)의 가압력은 금속 전극용 박막(2)을 통하여 플라스틱 기판(1)으로 전달되어, 플라스틱 기판(1)에 음각 패턴(P1)을 형성하고, 금속 전극용 박막(2)을 음각 패턴(P1) 내에 위치시킨다
즉 플라스틱 기판(1)의 음각 패턴(P1) 내에는 금속 전극용 박막(2)으로부터 절단된 부분, 즉 금속 패턴(P2)이 가압되어 고착된다. 따라서 금속 패턴(P2)과 음각 패턴(P1)의 고착력이 견고해진다.
이때, 스탬프 몰드(3)는 음각 패턴(P1)에 대응하는 양각의 표면을 매끈하게 구비하고 있음으로써 스탬프 몰드(3)에 의하여 눌려 들어가서 음각 패턴(P1) 내에 고착되는 금속 패턴(P2)의 표면을 매끈하게 형성할 수 있다. 즉 스탬프 몰드(3) 양각 표면의 거칠기에 따라 금속 패턴(P2)의 거칠기가 설정될 수 있다.
제3단계(ST3)는 금속 전극용 박막(2) 중 플라스틱 기판(1)에 잔류하는 박막 부분(P3)을 제거하여, 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판(7)을 완성한다. 따라서 플라스틱 기판(1)에 음각 패턴(P1)이 형성되고, 이 음각 패턴(P1) 내에 금속 패턴(P2)이 형성될 수 있다.
이때, 음각 패턴(P1) 내에 배치되는 금속 패턴(P2)의 표면은 플라스틱 기판(1)의 표면보다 낮은 높이 차이(H)를 가진다. 이러한 금속 패턴(P2)은 유기태양전지(organic photovoltaic cell; OPV) 등의 소자를 제작할 때, 아랫면에 구비되어도, 적어도 높이 차이(H)만큼 윗면 전극(미도시)과 더 멀어진 상태로 배치되므로 분로(shunt)나 단락(short-circuit)을 일으키지 않게 된다.
도 2는 종래기술에 따라 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판의 상세도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판(7)의 상세도이다.
도 2 및 도 3는 동일한 금속 전극용 물질인 은(Ag)을 사용하여, Ag 그리드 메쉬 플라스틱 기판(7)을 제조하여 형성된 은 그리드 메쉬에 대한 공초점 현미경 이미지(confocal microscopy image)이다.
도 2의 종래기술의 은 그리드 메쉬(P4)에 비하여, 도 3의 본 발명의 일 실시예에 따른 은 그리드 메쉬(P5)의 패턴 부분이 더 깔끔하고, 플라스틱 기판(1)의 표면 거칠기가 훨씬 더 미세한 것을 시각적으로 확인할 수 있다.
이때, 금속 패턴(P2), 즉 은 그리드 메쉬(P5)의 표면이 음각 패턴(P1)이 형성된 플라스틱 기판(1)의 표면 보다 낮은 높이 차이(H)을 가지므로, 플라스틱 기판(1)의 표면에 다른 전극(미도시)을 더 형성하는 경우에도 상호 단락이 효과적으로 방지될 수 있다.
표 1은 종래기술과 제1 실시예의 방법으로 제조된 은 그리드 메쉬 플라스틱 기판(7)의 투과도(%, @550nm)와 면저항(ohm/sq)을 나타낸다.
투과도(%, @550nm) 면저항(ohm/sq)
금속 그리드 메쉬 제조방법 600 메쉬 800 메쉬 1000 메쉬 1200 메쉬 600-1200 메쉬
종래기술 83.2 85.6 89.4 91.0 5.1~8.0
제1 실시예 83.7 87.9 91.4 92.5 2.8~4.9
제1 실시예는 종래기술과 비교하여, 다소 우수한 투과도와 보다 낮은 면저항 값을 가진다. 가열 롤 임프린팅 방법으로 제조되는 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판은 그리드 메쉬 패턴의 폭(간격)에 따라 투과도의 차이를 가진다.
종래기술은 임프린팅 된 음각 패턴, 즉 은 그리드 메쉬(P4)의 간격이 가장 작은 600메쉬에서 83.2(%, @550nm)의 낮은 투과도를 가지고, 임프린팅 된 음각 패턴, 즉 은 그리드 메쉬(P4)의 간격이 가장 큰 1200메쉬에서 91.0(%, @550nm)의 높은 투과도를 가진다. 종래기술에서 은 그리드 메쉬(P4)의 간격이 가장 작은 600메쉬에서 가장 큰 1200메쉬에 대하여 면저항이 5.1~8.0(ohm/sq)로 나타난다.
제1 실시예는 그리드 메쉬(P5)의 간격이 가장 작은 600메쉬에서 83.7(%, @550nm)의 낮은 투과도를 가지고, 그리드 메쉬(P5)의 간격이 가장 큰 1200메쉬에서 92.5(%, @550nm)의 높은 투과도를 가진다. 제1 실시예에서 은 그리드 메쉬(P5)의 간격이 가장 작은 600메쉬에서 가장 큰 1200메쉬에 대하여 면저항이 2.8~4.9(ohm/sq)로 나타난다.
이하 제2 실시예에 대하여 설명한다. 편의상 제1실시예와 동일한 구성에 대하여 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가열 롤 임프린팅 방법의 순서도이다. 도 4를 참조하면, 제1단계(ST21)는 플라스틱 기판(1) 위에 제거층(11)을 형성한 후, 금속 전극용 박막(2)을 형성할 수 있다.
제거층(11)은 플라스틱 기판(1) 위에 물, 알코올 또는 용매에 의하여 쉽게 제거 될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제거층(11)은 친수성 물질로 형성될 수 있다.
금속 전극용 박막(2)은 제거층(11) 상에 형성된다. 따라서 제거층(11) 중 음각 패턴(P1) 이외 플라스틱 기판(1)에 대응하는 제거층 부분(P11)은 물이나 알코올 등의 친수성 용매에 의해 쉽게 제거되므로 음각 패턴(P1) 이외 플라스틱 기판(1)에 잔류하는 박막 부분(P3)과 플라스틱 기판(1)의 접착력을 약화시키므로 잔류하는 박막 부분(P3)을 닦아서 제거하는 작업을 용이하게 한다.
제거층(11) 상에 금속 전극용 박막(2)을 형성하는 방법은 증착 등의 방법으로 금속 전극물질을 코팅할 때 사용될 수 있다. 증착 방법으로 코팅 시 플라스틱 기판과 금속 전극물질의 접착력이 강하므로 솔벤트로 쉽게 닦아지지 않으나 플라스틱 기판 위에 제거층(11)을 코팅한 후 금속 전극용 박막(2)을 형성하면 압축 임프린팅 후 잔류하는 박막 부분(P3) 및 제거층 부분(P11)을 솔벤트 등으로 닦아 쉽게 제거 할 수 있다.
제2단계(ST22)는 양각의 스탬프 몰드(3)를 구비한 가열 롤(4)로 금속 전극용 박막(2) 및 제거층(11)을 가압하여 플라스틱 기판(1)을 임프린팅함으로써, 음각 패턴(P1)에 제거층 패턴(P12)과 금속 패턴(P2)을 눌러 고착한다.
임프린팅 압력에 의하여, 음각 패턴(P1)과 금속 패턴(P2) 사이에 배치되는 제거층 패턴(P12)은 고착되어 잘 분리 되지 않으나, 플라스틱 기판(1)의 세척 시 초음파 세척 등의 과정에서 일부 제거 될 수 있고, 금속 패턴(P2) 아래에 고착되어 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판의 성능에 영향을 주지 않는다.
제3단계(ST23)는 플라스틱 기판(1)의 세척 전 상태를 나타낸다. 제3단계(ST23)는 제거층(11) 중 플라스틱 기판(1)에 잔류하는 박막 부분(P3)과 제거층 부분(P11)을 제거한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 플라스틱 기판 2: 금속 전극용 박막
3: 스탬프 몰드 4: 가열 롤
7: 금속(은) 그리드 메쉬 플라스틱 기판
11: 제거층 H: 높이 차이
P1: 음각 패턴 P2: 금속 패턴
P3: 잔류하는 박막 부분 P4, P5: 은 그리드 메쉬
P11: 제거층 부분 P12: 제거층 패턴

Claims (9)

  1. 플라스틱 기판 위에 금속 전극용 박막을 형성하는 제1단계;
    양각의 스탬프 몰드를 구비한 가열 롤로 상기 금속 전극용 박막을 가압하여 상기 플라스틱 기판을 임프린팅하여, 음각 패턴을 형성하면서 상기 음각 패턴에 상기 금속 전극용 박막을 눌러 고착하는 제2단계; 및
    상기 금속 전극용 박막 중 상기 플라스틱 기판에 잔류하는 박막 부분을 제거하는 제3단계
    를 포함하는 가열 롤 임프린팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계는,
    금속 전극용 물질을 코팅, 증착 및 성장 중 어느 하나의 방법으로 상기 금속 전극용 박막을 형성하는 가열 롤 임프린팅 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 전극용 물질은
    Ag, Al, Au 및 Cu 중 어느 하나인 가열 롤 임프린팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계는
    용액공정을 통하여 상기 플라스틱 기판에 금속 전극용 물질을 코팅하는 경우, 상기 금속 전극용 물질을 건조시켜 상기 금속 전극용 박막을 형성하는 건조 공정을 포함하는 가열 롤 임프린팅 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계는,
    상기 음각 패턴 내에 배치되는 상기 금속 패턴의 표면을 상기 플라스틱 기판의 표면보다 낮게 형성하는 가열 롤 임프린팅 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계는,
    상기 플라스틱 기판 위에 제거층을 형성한 후, 상기 금속 전극용 박막을 형성하는 가열 롤 임프린팅 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2단계는,
    상기 가열 롤로 상기 제거층을 더 가압하여 상기 플라스틱 기판을 임프린팅하여, 상기 음각 패턴에 상기 제거층 패턴을 더 눌러 고착하는 가열 롤 임프린팅 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 제거층 중 상기 플라스틱 기판에 잔류하는 제거층 부분을 더 제거하는 가열 롤 임프린팅 방법.
  9. 가열 롤 임프린팅 방법으로 형성되는 음각 패턴을 가지는 플라스틱 기판; 및
    상기 음각 패턴과 함께 형성되어 상기 플라스틱 기판의 상기 음각 패턴에 형성되는 금속 전극
    을 포함하는 가열 롤 임프린팅 방법으로 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판.
KR1020140016776A 2014-02-13 2014-02-13 가열 롤 임프린팅 방법 및 이 방법으로 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판 KR101474980B1 (ko)

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KR1020140016776A KR101474980B1 (ko) 2014-02-13 2014-02-13 가열 롤 임프린팅 방법 및 이 방법으로 제조된 금속 그리드 메쉬 플라스틱 기판

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KR101767151B1 (ko) * 2015-05-07 2017-08-11 한국기계연구원 임베디드 전극을 포함하는 마찰대전 발전소자

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080073331A (ko) * 2005-11-14 2008-08-08 시바 홀딩 인크 전도성 층의 패턴화 방법 및 장치, 및 이에 의해 제조된장치

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