KR101712185B1 - 광소결 방법을 이용한 전도성 패턴의 형성 방법 및 이에 의해 형성된 전도성 패턴 - Google Patents

광소결 방법을 이용한 전도성 패턴의 형성 방법 및 이에 의해 형성된 전도성 패턴 Download PDF

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Abstract

본 발명은, (a) 투명 기판(transparent substrate)의 하면에 마스크(mask) 용액을 인쇄하여 IPL(intense pulsed light)에 대한 불투과 영역을 제공하는 마스크 패턴(mask pattern)층을 제작하는 단계, (b) 상기 투명 기판의 상면에 전도성 용액을 도포하여 전도층을 형성시키는 단계, (c) 상기 마스크 패턴층으로 IPL(intense pulsed light)을 조사하는 단계 및 (d) 상기 단계 (c)에서 상기 마스크 패턴층에 의해 IPL이 불투과되어 미소결된 전도층 및 상기 마스크 패턴층을 제거하는 단계를 포함하는 광소결 방법을 이용한 전도성 패턴의 형성 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전도성 패턴의 형성방법은, 기판의 하면에 인쇄되어 불투과 영역을 제공하는 마스크 패턴층으로 인하여 IPL의 광이 선택적으로 투과되고, 기판의 상면에 형성된 전도층을 마스크 패턴층의 형태로 광소결시킴으로써, 마스크를 사용하여 패턴을 형성하는 종래 기술과 비교하여 공정이 단순해지고 연속적인 공정을 수행할 수 있어 전도성 패턴의 대량 생산을 통해 생산 단가를 낮추는 효과가 있다.

Description

광소결 방법을 이용한 전도성 패턴의 형성 방법 및 이에 의해 형성된 전도성 패턴{Forming Method for Conductive pattern using for intense pulsed light-sintering and conductive pattern formed thereby}
본 발명은 광소결 방법을 이용한 전도성 패턴의 형성 방법 및 이에 의해 형성된 전도성 패턴에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 전도성 잉크는 금, 은, 구리 등의 금속 분말을 용매에 혼합하여 용액의 형태로 제조되며, 이를 각종 제품의 제조에 활용되고 있다.
상기와 같은 금속 분말은 높은 전기 전도도를 가지며, 금속 분말의 형태에 따라 소결 후에도 유연한 특성을 나타낼 수 있어, 연성을 가진 다양한 종류의 기판 상에 전도성 패턴으로 제조될 수 있는 장점이 있다.
이에 따라, 최근에는 상기와 같은 전도성 잉크를 연성을 가진 기판에 코팅하고 소결하여 기판에 전도성 패턴을 형성시키는 방법에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
종래에는 금속 분말의 소결을 위해 열소결 공정을 사용하였는데, 열소결 공정은 고온으로 온도를 상승시켜 금속 분말을 소결시키기 때문에 시간이 오래 걸리고, 소결 중에 고온에 의해 금속 분말이 산화될 수 있으며, 연성을 가지는 기판으로 사용되는 고분자(polymer) 소재의 열 변형 온도가 소결온도보다 낮아 열소결 공정을 연성 기판 상의 전도성 패턴 제조에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 이러한 단점을 보완하기 위하여 IPL(Intense Pulsed Light)과 같은 광을 조사하여 금속 분말에 에너지를 가하여 소결시킬 수 있는 광소결 공정을 통해 연성 기판 상에 전도성 패턴을 제조할 수 있다.
상기한 광소결 공정은 기판의 전면에 전도성 잉크를 코팅하고, 패턴이 형성된 마스크(mask)를 코팅된 기판 상에 위치시킨 후, IPL과 같은 광을 조사하여 금속 분말을 소결시키는 단계로 구성된다.
하지만, 상기한 방법은 지정된 위치에 패턴을 형성시키기 위하여, 기판과 마스크에 각각 형성된 마커(marker)를 일치시키는 과정을 가져야 하므로 이를 구현하기 위한 제어가 까다롭고, 기판과 마스크의 마커를 일치시키는 시간이 존재함에 따라 전도성 패턴을 제조하는 시간을 단축시키기 어려운 문제점을 가지고 있다.
따라서, 상기한 전도성 패턴의 제조시 간단한 공정을 통해 지정된 위치에 패턴을 형성시킬 수 있으면서도 산화가 일어나지 않도록 신속하게 전도성 패턴을 형성할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
한국 등록특허공보 제10-1526937호 (공고일 : 2015.06.10.) 한국 등록특허공보 제10-1506504호 (공고일 : 2015.03.30.) 한국 등록특허공보 제10-1232835호 (공고일 : 2013.02.13.) 한국 공개특허공보 제10-2012-0132424호 (공개일 : 2012.12.05.)
본 발명의 목적은, 간단한 공정을 통해 고순도의 전도성 패턴을 형성할 수 있는 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은, (a) 투명 기판(transparent substrate)의 하면에 마스크(mask) 용액을 인쇄하여 IPL(intense pulsed light)에 대한 불투과 영역을 제공하는 마스크 패턴(mask pattern)층을 제작하는 단계, (b) 상기 투명 기판의 상면에 전도성 용액을 도포하여 전도층을 형성시키는 단계, (c) 상기 마스크 패턴층으로 IPL(intense pulsed light)을 조사하는 단계 및 (d) 상기 단계 (c)에서 상기 마스크 패턴층에 의해 IPL이 불투과되어 미소결된 전도층 및 상기 마스크 패턴층을 제거하는 단계를 포함하는 광소결 방법을 이용한 전도성 패턴의 형성 방법을 제공한다.
또한, 상기 마스크 용액은 가시광선 차단제, 적외선 차단제 및 금속 분말로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가시광선 차단제는 질화지르코늄(ZrN), 질화하프늄(HfN), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN, Ta2N), 질화바나듐(VN), 질화크롬(CrN, Cr2N), 질화몰리브덴(Mo2N), 질화니오브(NbN) 및 질화텅스텐(WN, W2N)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적외선 차단제는 안티몬산화주석(Antimony-Doped Tin Oxide, ATO), 산화몰리브덴(MoO,Mo2O3) 및 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속 분말은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 용액은 와이어(wire), 막대(rod) 또는 구(globular shape)의 형태를 가지는 나노 금속 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 와이어 형태를 가지는 상기 나노 금속 분말은 10 내지 100 ㎚ 범위의 직경 및 1 ㎛ 내지 1 mm 범위의 길이를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 나노 금속 분말은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 이루어진 1종 이상의 분말을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계 (a)는 롤-투-롤 프린팅(roll-to-roll printing) 또는 아닐린 프린팅(anilin printing) 방법을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계 (b)는 바 코팅(bar coating), 슬롯 다이 코팅(slot die coating), 및 스프레이 코팅(spray coating)으로부터 선택되는 1종 이상의 방법을 이용하여 상기 전도성 용액을 도포하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계 (b)에서는 상기 전도성 용액을 1 내지 5 회 반복하여 도포하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계 (c)에서는 0.01 내지 100 J/cm2의 강도(intensity)로 1 내지 100 밀리초(ms) 동안 IPL을 조사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기와 같은 방법으로 제조된 전도성 패턴을 제공한다.
본 발명에 따른 전도성 패턴의 형성방법은, 기판의 하면에 인쇄되어 불투과 영역을 제공하는 마스크 패턴층으로 인하여 IPL의 광이 선택적으로 투과되고, 기판의 상면에 형성된 전도층을 마스크 패턴층의 형태로 광소결시킴으로써, 마스크를 사용하여 패턴을 형성하는 종래 기술과 비교하여 공정이 단순해지고 연속적인 공정을 수행할 수 있어 전도성 패턴의 대량 생산을 통해 생산 단가를 낮추는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 광소결 방법을 이용하여 형성된 전도성 패턴의 형성방법은, 기판 상에 전도성 용액을 도포하여 형성된 전도층에 IPL(Intense Pulsed Light)을 조사하는 방법을 통해, 단시간에 광소결이 가능해 금속의 산화를 방지하여 우수한 전기전도성을 나타내는 전도성 패턴을 형성시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 광소결 방법을 이용하여 형성된 전도성 패턴의 형성방법은, 연성 투명 기판 상에 도포되는 전도성 용액의 농도를 조절하여 다양한 용도에 활용 가능한 투명 전극을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전도성 패턴의 형성 방법의 각 단계를 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제조방법을 수행하기 위해 사용될 수 있는 시스템의 일례를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명은 (a) 투명 기판(transparent substrate)의 하면에 마스크(mask) 용액을 인쇄하여 IPL(intense pulsed light)에 대한 불투과 영역을 제공하는 마스크 패턴(mask pattern)층을 제작하는 단계; (b) 상기 투명 기판의 상면에 전도성 용액을 도포하여 전도층을 형성시키는 단계; (c) 상기 마스크 패턴층으로 IPL(intense pulsed light)을 조사하는 단계 및 (d) 상기 단계 (c)에서 상기 마스크 패턴층에 의해 IPL이 불투과되어 미소결된 전도층 및 상기 마스크 패턴층을 제거하는 단계를 포함하는 광소결 방법을 이용한 전도성 패턴의 형성 방법을 제공한다.
상기 단계 (a)는 투명 기판의 하면에 마스크 용액을 인쇄하여 후술할 단계에서 IPL 조사시 빛이 불투과되는 불투과 영역을 제공하는 마스크 패턴(mask pattern)층을 제작하는 단계이다.
상기한 마스크 패턴층은 후술할 단계에서 기판의 하면에 조사되는 IPL의 광을 불투과시켜 마스크 패턴층의 형태에 맞게 선택적으로 IPL을 투과시키는 역할을 한다.
상기 투명 기판은 빛 투과도가 높은 공지된 다양한 투명 소재로 이루어진 것을 활용 가능하며, 유리(glass)와 같은 강성을 가진 소재 뿐만 아니라, 유연성을 가지는 다양한 투명 소재를 제한하지 않고 사용할 수 있다.
상기와 같이 유연성(flexibility)을 가지는 투명 기판은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 아크릴(acryl), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리이미드(polyimide)로 제조된 기판을 대표적인 예로 들 수 있다.
특히, 유연성을 가지는 투명 기판을 사용하는 경우, 유연성 투명 기판이 권취롤에 권취된 상태로 있다가 회수롤에 의해 움직이면서 다음 단계를 수행하도록 구성할 수 있다.
그리고, 본 단계에서는 상기 투명기판의 상, 하면에 인쇄 또는 도포될 물질과의 결합력을 향상시키기 위하여 표면 클리닝(cleaning) 또는 표면 처리를 먼저 수행할 수 있다.
상기와 같이, 인쇄를 통해 마스크 패턴층을 형성시키기 위해서 사용되는 마스크 용액은, 다양한 파장(wavelength)을 가지는 IPL을 효과적으로 차단할 수 있도록 광을 차단할 수 있는 공지된 다양한 소재를 포함할 수 있으며, 예를 들면, IPL이 가지는 가시광선 및/또는 적외선 파장 영역의 광에 대한 불투과성을 가지는 금속 분말 또는 무기 화합물(금속 산화물, 금속 질화물 등) 분말이 분산된 용액 또는 페이스트로 이루어진 잉크를 사용할 수 있다.
일례로, 상기 마스크 용액은 가시광선을 차단할 수 있는 가시광선 차단제를 포함할 수 있고, 상기 가시광선 차단제는 질소를 함유하는 무기화합물을 사용할 수 있으며, 질화지르코늄(ZrN), 질화하프늄(HfN), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN, Ta2N), 질화바나듐(VN), 질화크롬(CrN, Cr2N), 질화몰리브덴(Mo2N), 질화니오브(NbN) 및 질화텅스텐(WN, W2N)을 대표적인 예로 들 수 있다.
또한, 상기 마스크 용액은 적외선을 차단할 수 있는 적외선 차단제를 포함할 수 있고, 상기 적외선 차단제는 안티몬산화주석(Antimony-Doped Tin Oxide, ATO) 및 산화몰리브덴(MoO 또는 Mo2O3), 산화아연(ZnO)을 대표적인 예로 들 수 있다.
또한, 상기 마스크 용액은 금속 분말을 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기한 금속 분말은 IPL이 가지는 가시광선 및/또는 적외선 파장 영역의 광에 대한 불투과성을 가지고, 상기한 IPL의 광을 받아 소결되지 않는 공지된 다양한 금속을 분말 형태로 포함할 수 있으며, 일례로, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 또한, 금속 분말의 크기 및 형태는 제한되지 않으며, IPL의 광에 의해 소결되지 않도록 금속 분말의 직경은 500㎚ 이상인 것을 사용하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 마스크 용액은 가시광선 및/또는 적외선 파장 영역의 광에 대한 불투과성을 가지며, 상기한 IPL의 광을 받아 소결되지 않는 공지된 다양한 안료 또는 염료를 포함시킬 수 있으며, 일례로, 페인트(paint)를 사용할 수 있다. 또한, 상기한 안료 또는 염료는 단독으로 용매와 혼합하여 상용할 수 있으며, 또는, 상기한 가시광선 차단제, 적외선 차단제 및 금속 분말과 혼합하여 사용하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기한 마스크 용액은 기판 하면에 인쇄를 위한 유동성을 부여하기 위하여 용매를 포함할 수 있으며, 마스크 용액 제조시 마스크 패턴층의 두께를 조절하기 위하여 점도를 부여하기 위한 점증제, 분산제를 추가로 포함하도록 구성할 수 있다.
이에 따라, 후술할 단계에서 조사되는 IPL의 강도와 조사 시간을 고려하여 인쇄되는 마스크 용액의 두께를 달리할 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 10 ㎛의 두께로 마스크 패턴층을 형성시킬 수 있다.
상기한 바와 같은 마스크 패턴층을 형성시키기 위해서, 본 단계에서는 공정 과정이 단순하고 저렴한 비용으로 대면적 공정이 가능한 상향식(bottom-up) 패터닝 방법인 롤-투-롤 프린팅(roll-to-roll printing) 또는 아닐린 프린팅(anilin printind)의 중 어느 한 방법을 이용하여 마스크 용액을 투명 기판의 하면에 인쇄하여 마스크 패턴층을 형성할 수 있다.
일례로, 롤-투-롤 코팅을 사용하여 마스크 패턴층을 인쇄하는 경우, 마스크 용액이 도포된 롤에 패턴을 형성하고, 패턴이 형성된 롤을 기판 하면에 접촉하도록 구성하여 마스크 패턴층을 인쇄할 수 있다.(도 2)
상기 단계 (b)에서는 기판의 상면에 전도성 용액을 도포하여 전도층을 형성시키는 단계로, 후술할 단계에서, IPL을 조사받아 광소결을 통해 전도층이 형성되도록 금속 분말을 포함하는 전도성 용액을 기판의 상면에 도포하는 단계이다.
본 단계에서 사용되는 전도성 용액은 금속 분말의 크기에 특별히 제한받지 않으나, 바람직하게는 나노미터(nm) 단위의 크기를 가지는 나노 금속 분말을 사용할 수 있다.
상기한 나노 금속 분말은 와이어(wire), 막대(rod) 또는 구(globular shape) 등의 다양한 형상을 가지는 나노 금속 분말을 사용하도록 구성할 수 있으며, 또는, 금속 이온 전구체를 사용할 수 있다.
바람직하게는 나노 금속 분말의 형태가 와이어인 것을 사용하도록 구성할 수 있으며, 와이어 형태의 나노 금속 분말은 용액에 혼합하여 사용할 시 응집 현상이 최소화되고, 유연성 기판에 전도성 패턴으로 형성되어 구부러지거나 꺾여도 전기적 신호가 끊기지 않아 우수한 전기 전도도 특성을 나타내는 전도성 패턴을 형성시킬 수 있다.
이를 위해, 상기 와이어 형태의 나노 금속 분말은 10 내지 100 ㎚ 범위의 직경 및 1 ㎛ 내지 1mm 범위의 길이를 가지고, 10 내지 10,000 범위의 종횡비를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 와이어 형태의 나노 금속 분말은 와이어의 단면이 다각형, 타원형 또는 반원형 등의 형상 중 적어도 하나 이상의 형태를 가질 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
나아가, 나노 금속 분말은 높은 전도도를 갖는 공지된 다양한 금속 소재를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 구리(Cu), 알루미늄 (Al), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한, 본 단계에서 나노 금속 분말과 혼합된 전도성 용액은 분산제 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 분산제는 폴리-N-비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 다중산(polyacid) 또는 이들의 유도체를 사용할 수 있다.
또한, 상기 용매는 나노 금속 분말을 분산시킬 수 있는 통상적인 다양한 용매를 제한 받지 않고 사용할 수 있으며, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 1-부탄올, 2-부탄올, 이소부탄올, 헥산올 및 옥탄올, 2-메톡시에톡시에탄올로 이루어진 알코올 계열, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 트리프로필렌 글리콜, 테트라프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 헥실렌 글리콜 및 폴리에틸렌 글리콜로 이루어진 글리콜 계열, 디에탄올아민(DEA), 트리에탄올아민(TEA)로 이루어진 아민 계열, 톨루엔, 헥산, 클로로 벤젠으로 이루어진 벤젠 계열, 그 외 N-메틸-2-피롤리돈, 증류수 또는 이들의 혼합물을 대표적인 예로 들 수 있다.
본 단계에서 제조되는 전도성 용액은 최종적으로 제조되는 전도성 패턴의 용도에 따라 용매 100 중량부 기준으로 0.1 내지 50 중량부의 나노 금속 분말을 포함시킬 수 있으며, 특히, 투명 전극 패턴을 제조할 시에는 용매 100 중량부 기준으로 0.1 내지 5 중량부의 와이어 형태의 나노 금속 분말을 포함하는 전도성 용액을 제조하여 사용할 수 있다.
특히, 나노 금속 와이어를 광소결하여 형성한 투명 전극 패턴의 경우, 전기전도도와 같은 물성이 우수하고, 투명도가 높아 디스플레이 또는 터치 패널에 투명 전극 패턴으로 사용할 수 있다.
본 단계에서 전도성 용액을 기판의 상면에 도포하여 전도층을 형성시키는 방법으로는 바 코팅(bar coating), 슬롯 다이 코팅(slot die coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating) 등의 방법을 이용하여 도포할 수 있다.
아울러, 본 단계에서는 상기 전도성 용액을 상기 기판 상에 1 내지 5회 반복 도포하도록 구성하여, 상기 나노 금속 분말이 상기 기판 상에 충분한 두께로 코팅되어 형성된 전도층이 IPL의 조사에 의한 광소결을 통해 우수한 전도도를 가지는 전도성 패턴이 발현되도록 구성할 수 있다.
본 단계에서 전도성 용액을 도포 후에는 용액 내에 포함된 용매를 휘발시키기 위하여 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 (c)에서는 상기와 같이 마스크 패턴층이 인쇄된 투명 기판의 하면에 IPL을 조사하는 단계이다.
투명 기판의 하면으로 조사된 IPL은 마스크 패턴층에 의해 선택적으로 광이 투과되고, 투과된 광은 투명 기판을 투과하여 기판의 상면에 형성된 전도층을 선택적으로 조사하며, 조사된 광에 의해 나노 금속 분말이 광소결되어 전도성 패턴을 형성시킬 수 있다.
본 단계에서 사용되는 IPL은 바람직하게는 0.01 내지 100 J/cm2 범위의 강도(intensity)로 1 내지 100 ms의 범위의 시간 동안 조사하도록 구성하여 매우 짧은 시간 내에 상기 나노 금속 분말을 광소결하여 기판 상에 전도성 패턴이 형성되도록 구성할 수 있다.
나아가, 본 단계에서는 상기 나노 금속 분말이 충분히 소결되도록 상기 IPL을 1회 이상 반복 조사하도록 구성할 수 있다.
상기와 같은 IPL의 조사로 인해 기판 상에 나노 금속 분말이 광흡수를 통해 발생된 열로 인해 나노 금속 분말 간의 결합이 일어나 전기전도도가 높은 전도성 패턴을 형성할 수 있다.
특히, 나노 와이어의 형태를 가진 분말의 경우, IPL의 조사로 인해 발생하는 고열을 이용하여 순간적으로 와이어의 접촉 부분이 녹아 서로 결합되는 나노 용접(nanowelding) 현상이 발생하여 접촉 저항을 최소화할 수 있으며, 이는 와이어 간의 물리적인 접촉이 생겨 접촉저항으로 전도도가 저하되는 종래의 기술과 비교하여 높은 전도도를 나타낼 수 있다.
또한, 나노 금속 분말과 기판 간에도 IPL 조사시에 생성되는 고온의 열로 인해 와이어가 기판으로 파고드는 자가-나노결합 현상(self-nanoembedding)이 유도되며, 자가-나노결합 현상을 통해 전도성 패턴과 기판이 강하게 접착된다.
이와 같이 와이어 형태의 나노 금속 분말을 광소결하여 형성되는 전도성 패턴은 기판과 자가-나노결합 현상이 유도되어 표면 평탄도가 높아 제품의 제조 시 적층 소재간의 단차가 줄어들어 공정 안전성을 높일 수 있다.
특히, 와이어 형태의 나노 금속 분말을 광소결하여 형성한 투명 전극 패턴의 경우, 전기전도도와 같은 물성이 우수하고, 투명도가 높아 디스플레이 또는 터치 패널에 투명 전극 패턴으로 사용할 수 있다.
또한, 본 단계에서는 통상적으로 사용되는 광원 장치를 사용하여 IPL을 공급하도록 구성하여 기판 상에 도포된 나노 금속 분말을 소결시켜 전도성 패턴이 형성되도록 구성할 수 있다.
상기 단계 (d)에서는 기판 하면의 마스크 패턴층 및 기판의 하면에 형성된 마스크 패턴층에 의해 광을 조사받지 않은 기판 상면의 전도층을 제거하는 단계이다.
기판 상면의 전도층은 조사되는 IPL이 기판의 하면에 형성된 마스크 패턴층에 의해 투과하지 못해 광소결이 유도되지 않아 전도층에 포함된 나노 금속 분말이 소결되지 않고, 이로 인해 나노 금속 분말이 기판과 자가-나노결합 현상이 일어나지 않아 기판과의 접착력이 낮은 상태로 잔류하게 된다.
또한, 마스크 패턴층은 인쇄 후 건조되어 기판과의 접착력이 높지 않아 제거가 용이하며, 일례로, 마스크 용액에 사용된 용매를 사용하여 손쉽게 제거할 수 있다.
본 단계에서는 상기와 같이 마스크 패턴층에 의해 광을 조사받지 않은 전도층을 제거하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있다.
일례로, 전도층 및 마스크 패턴층이 형성된 상기 투명 기판에 점착성 테이프를 부착하여 미소결된 전도층이 상기 점착성 테이프에 부착되도록 구성하고, 상기 점착성 테이프를 제거하는 테이프 탈부착 방법을 이용하여 상기 기판 상에 미소결된 전도층 및 마스크 패턴층을 제거하도록 구성할 수 있다.
또 다른 예로, 전도층 및 마스크 용액에 사용된 용매를 공급하여 기판 상의 미소결된 전도층 및 마스크 패턴층을 용해시키고, 용해된 전도층 및 마스크 패턴층을 다양한 직물을 통해 물리적으로 제거하는 와싱(washing) 방법을 통해 수행할 수 있다.
또 다른 예로, 상기한 용매를 직물에 묻힌 후 상기 기판의 상면 또는 하면을 물리적인 힘으로 표면을 와이핑(wiping)함으로서 미소결된 전도층 또는 마스크 패턴층을 제거하도록 구성할 수 있다.
또 다른 예로, 기판을 상기와 같은 용매에 침지시킨 후, 초음파를 조사해 미소결된 전도층 및 마스크 패턴층을 용해시켜 제거하도록 구성할 수 있다.
본 단계에서는 상기와 같은 방법을 통해 기판 상에 미소결된 전도층 또는 마스크 패턴층을 용이하게 제거할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전도성 패턴의 형성 방법의 일실시예로 도 2에 나타낸 바와 같은 롤-투-롤 프린팅 장치 및 공정을 통해 단순한 공정으로 기판상에 대면적의 전도성 패턴을 형성시킬 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 장치는 투명 기판(110)이 권취된 권취롤(100), 상기 권취롤(100)로부터 풀려진 상기 기판이 되감기는 회수롤(200), 상기 투명 기판 하면에 마스크 용액(I)을 마스크 패턴의 형태로 인쇄하도록, 상기 권취롤(100)과 상기 회수롤(200) 사이에 위치된 마스크인쇄장치(300), 상기 기판 상면에 전도성 용액(S)을 도포하도록, 상기 마스크인쇄장치(300) 후단에 구비된 도포장치(400), 상기 마스크 용액(I) 및 상기 투명 기판(110)을 투과해 상기 전도성 용액으로 형성된 전도층에 조사되도록 상기 투명 기판(110) 하부에서 빛을 생성하는 광생성장치(500)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 마스크인쇄장치(300)는 롤-투-롤 코팅 인쇄장치로 구성되며, 기판(110) 하면과 접촉하며, 마스크 용액(I)을 기판(110)으로 인쇄하는 블랭킷롤(310)과, 블랭킷롤(310)에 마스크 용액(I)을 살포하는 코팅장치(320)와, 블랭킷롤(310)과 접촉하고, 블랭킷롤(310)에 코팅된 마스크 용액(I) 중 일부가 전사됨으로써 블랭킷롤(310)에 잔존하는 마스크 용액(I)이 마스크 패턴의 형상을 하게 하여 마스크 패턴층을 형성시키는 클리쉐롤(330)을 포함한다.
상기 장치를 이용하여 전도성 패턴을 형성하는 방법은, 먼저 권취롤(100)에 권취된 유연성 투명 기판(110)이 권출되면서 마스크인쇄장치(300)를 통해 투명 기판(110)의 하면에 마스크 패턴층이 인쇄된다.
또한, 투명 기판(110)의 상면에 위치하는 도포장치(400)에 의해 전도성 용액(S)가 도포되고, 선건조장치(700)를 통해 전도성 용액(S)에 포함된 용매를 휘발시켜 전도층을 형성시킬 수 있다.
건조 이후에 광생성장치(500)를 통해 투명 기판(110)의 하면으로 광생성장치(500)를 통해 IPL이 조사되고, 투명 기판(110)의 하면에 인쇄되어 불투과 영역을 제공하는 마스크 패턴층으로 인해 IPL의 광이 선택적으로 투과되고, 투명 기판(110)의 상면에 전도성 용액(S)으로 형성된 전도층을 마스크 패턴층의 형태로 광소결시킬 수 있다.
투명 기판(110)의 상면에 전도성 용액(S)으로 형성된 전도층이 광소결된 후, 세척장치(800)를 통해 기판의 상면에 존재하는 미소결된 전도층 및 기판의 하면의 마스크 패턴층을 제거할 수 있다.
미소결된 전도층 및 마스크 패턴층을 제거한 후에 후건조장치(900)를 통해 투명 기판(110)에 남아있는 물 또는 용매를 휘발시키고, 회수롤(200)에 의해 회수되도록 구성하여 전도성 패턴이 형성된 유연성 투명 기판을 제조할 수 있다.
상기한 바와 같은 연속 공정을 통해 대면적 전도성 패턴의 대량 제조가 가능하다.
본 발명에 따른 전도성 패턴의 형성방법은, 기판의 하면에 인쇄되어 불투과 영역을 제공하는 마스크 패턴층으로 인하여 IPL의 광이 선택적으로 투과되고, 기판의 상면에 도포된 전도성 용액을 마스크 패턴층의 형태로 광소결시킴으로써 마스크를 사용하여 패턴을 형성하는 종래 기술과 비교하여 공정이 단순해지고 공정 시간이 단축되고 연속적인 공정을 수행할 수 있으며, 전도성 패턴의 대량 생산을 통해 생산 단가를 낮추는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 광소결 방법을 이용하여 형성된 전도성 패턴의 형성방법은, 기판 상에 전도성 용액을 도포하여 형성된 전도층에 IPL(Intense Pulsed Light)을 조사하는 방법을 통해, 단시간에 광소결이 가능해 금속의 산화를 방지하여 우수한 전기전도성을 나타내는 전도성 패턴을 형성시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 광소결 방법을 이용하여 형성된 전도성 패턴의 형성방법은, 연성 투명 기판 상에 도포되는 전도성 용액의 농도를 조절하여 다양한 용도에 활용가능한 투명 전극을 제조할 수 있는 효과가 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다. 제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
<실시예>
직경이 30nm인 질화티타늄(TiN) 10 중량부와 용매인 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone,MEK) 20 중량부 및 점증제로 메틸 셀룰로오스 10 중량부를 혼합하여 마스크 용액을 제조하였다.
구리 금속염(CuCl2)과 환원제(Glucose)를 증류수에 혼합한 후, 수열 합성을 통해 합성된 구리 나노 와이어 0.4 중량부와 폴리-N-비닐피롤리돈 0.1 중량부를 99.5 중량부의 아이소프로필알콜(isopropyl alcohol, IPA)과 혼합하고, 진동기(vortex)를 이용하여 30분 동안 분산시켜 전도성 용액을 제조하였다.
폴리카보네이트 기판은 권취롤에 권취되어 있다가 회수롤에 의해 이동하면서 롤-투-롤 프린터를 이용하여 마스크 용액을 기판의 하면에 기설정된 형태로 인쇄하여 마스크 패턴층을 형성하였다.
기판의 하면에 형성된 폴리카보네이트 기판은 바 코팅(bar coating) 방법을 이용하여 구리 나노 와이어를 포함하는 전도성 용액을 기판의 상면에 도포하였다.
기판의 하면에 마스크 패턴층이 제작되고, 기판의 상면에 전도층이 형성된 폴리카보네이트 기판은 기판의 하면으로 IPL을 펄스 시간 300μs, 펄스 수는 1번, 강도는 5 J/cm2의 조건으로 조사되어 IPL이 기판을 투과하여 기판의 상면에 위치하는 구리 나노 와이어를 광소결시키고, 자가-나노결합 하도록 하여, 전도성 패턴을 형성시켰다.
또한, 기판의 하면에 인쇄된 마스크 패턴층과 마스크 패턴층에 의해 IPL이 차단되어 광소결이 되지 않은 기판 상면의 전도층은 기판과의 접착력이 낮기 때문에 점착성 테이프를 기판 상에 붙였다 떼는 방법으로 제거하여 유연성 투명 기판의 상면에 전도성 패턴을 형성하였다.
100: 권취롤 110: 투명 기판
200: 회수롤 300: 마스크인쇄장치
310: 블랭킷롤 320: 코팅장치
330: 클리쉐롤 400: 도포장치
500: 광생성장치 600: 표면처리장치
700: 선건조장치 800: 세척장치
900: 후건조장치
I: 마스크 용액
S: 전도성 용액

Claims (13)

  1. (a) 롤-투-롤 프린팅(roll-to-roll printing) 방법을 이용하여, 투명 기판(transparent substrate)의 하면에 마스크(mask) 용액을 인쇄하여 IPL(intense pulsed light)에 대한 불투과 영역을 제공하는 마스크 패턴(mask pattern)층을 제작하는 단계;
    (b) 상기 투명 기판의 상면에 전도성 용액을 도포하여 전도층을 형성시키는 단계;
    (c) 상기 마스크 패턴층이 제작된 상기 투명 기판의 하면에 IPL(intense pulsed light)을 조사하여 광소결된 전도층 패턴을 형성시키는 단계; 및
    (d) 상기 단계 (c)에서 상기 마스크 패턴층에 의해 IPL이 불투과되어 미소결된 전도층 및 상기 마스크 패턴층을 세척을 통해 각각 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 단계 (a)는,
    상기 투명 기판의 하면에 상기 마스크 용액을 인쇄하기 전, 상기 투명 기판의 상, 하면을 표면 클리닝(cleaning) 또는 표면 처리하는 단계를 포함하며,
    상기 단계 (b)는,
    상기 투명 기판의 상면에 상기 전도성 용액을 도포한 후, 상기 전도성 용액을 건조시키는 단계를 포함하고,
    상기 단계 (d)는,
    미소결된 전도층 및 상기 마스크 패턴층을 제거한 후, 상기 투명 기판을 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소결 방법을 이용한 전도성 패턴의 형성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마스크 용액은 가시광선 차단제, 적외선 차단제 및 금속 분말로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가시광선 차단제는 질화지르코늄(ZrN), 질화하프늄(HfN), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN), 질화규소(Si3N4), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN, Ta2N), 질화바나듐(VN), 질화크롬(CrN, Cr2N), 질화몰리브덴(Mo2N), 질화니오브(NbN) 및 질화텅스텐(WN, W2N)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 적외선 차단제는 안티몬산화주석(Antimony-Doped Tin Oxide, ATO), 산화몰리브덴(MoO,Mo2O3) 및 산화아연(ZnO)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 금속 분말은 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 용액은 와이어(wire), 막대(rod) 또는 구(globular shape)의 형태를 가지는 나노 금속 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    와이어 형태를 가지는 상기 나노 금속 분말은 10 내지 100 ㎚ 범위의 직경 및 1 ㎛ 내지 1 mm 범위의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 나노 금속 분말은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 이루어진 1종 이상의 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성방법.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 바 코팅(bar coating), 슬롯 다이 코팅(slot die coating), 및 스프레이 코팅(spray coating)으로부터 선택되는 1종 이상의 방법을 이용하여 상기 전도성 용액을 도포하는 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서는 상기 전도성 용액을 1 내지 5 회 반복하여 도포하는 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서는 0.01 내지 100 J/cm2의 강도(intensity)로 1 내지 100 밀리초(ms) 동안 IPL을 조사하는 것을 특징으로 하는 전도성 패턴의 형성방법.
  13. 삭제
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