KR101821766B1 - 롤투롤 패터닝 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 롤투롤 패터닝 시스템에 관한 것으로, 유연성 플라스틱 기판에 금속 전도성 물질을 도포하는 도포장치와, 기판과 수평하도록 도포장치 후단에 위치된 마스크와, 마스크를 통해 금속 전도성 물질에 광이 조사되도록 마스크를 향해 광을 생성하는 광생성장치와, 기판 후단에 위치되고 기판에 도포된 금속 전도성 물질을 닦아내는 세척장치를 포함하며, 마스크를 통해 기판에 코팅된 금속 미립자에 특정 형상의 광을 조사해 금속 미립자를 특정 형상으로 기판에 자가 나노 결합(SELF-NANOEMBEDDING)시키고, 마스크에 의해 광이 차단되 기판에 접착되지 않은 영역의 금속 미립자를 제거함으로써, 대면적의 금속 전도성 패턴을 고속으로 제작할 수 있는 효과가 있는, 롤투롤 패터닝 시스템을 제공한다.

Description

롤투롤 패터닝 시스템{ROLL TO ROLL PATTERNING SYSTEM}
본 발명은 롤투롤 패터닝 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광생성장치에서 생성된 광이 마스크를 관통해 전도성 금속 잉크가 코팅된 기판에 조사되고, 마스크에 형성된 무늬 형태로 소결됨으로써, 전도성 패턴이 기판에 형성되는, 롤투롤 패터닝 시스템에 관한 것이다.
현재 인쇄전자기술에 사용되고 있는 금속 전도성 잉크는 금, 은, 구리 미립자가 혼합된 잉크이다. 전도성 잉크의 소결 방법으로 고온의 열소결 공정이 일반적으로 사용되고 있다.
하지만, 이러한 열소결공정은, 금속 나노 입자를 소결시키기 위하여, 섭씨 200도 내지 섭씨 350도의 고온에서 가열하고, 냉각시키는 방식이므로 공정 시간이 길고, 플라스틱 기판에 적용이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 이러한 열소결 공정에 대기 중에서 산화가 쉬운 구리 금속이 적용될 경우, 비활성 기체 또는 고진공 분위기에서 진행되어야 하므로, 공정 단가가 높아지는 단점이 있다.
최근 이러한 문제를 해결하기 위해 플라즈마, 적외선, 레이저, 고집적 펄스 광(intense pulsed light, IPL) 등의 조사를 통해, 대기 중에서 산화가 쉬운 금속 미립자가 혼합된 잉크를 소결하는 장치가 개발되었다.
광소결 장치는, 기존의 열소결 장치에 비해 낮은 온도에서 매우 짧은 공정시간에 미립자를 소결시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 전도성 잉크를 이용하여 금속 패턴을 제작할 때, 일반적으로 기판의 전면에 전도성 잉크를 코팅하고 습식 식각, 건식 식각 또는 포토리소그래피 등의 공정을 이용해 금속패턴을 형성하거나, 잉크젯 프린팅 등의 직접 묘사 방식의 인쇄 방식을 이용하여 금속 패턴을 형성하고 있다.
하지만, 상기한 방법들은 국소부위가 아닌 대면적의 금속 패턴 제조에 적용이 어렵고, 생산 속도를 증대시키는데 한계가 있다.
따라서, 대기 중에서 공정을 진행하더라도, 대기 중에서 산화가 쉬운 구리 등과 같은 금속의 산화 안정성을 확보할 수 있고, 열로 인한 기판의 손상이 없도록, 광 소결 공정을 기반으로 하는 새로운 패터닝 기법을 통해 대면적의 금속 전도성 패턴을 고속으로 제작할 수 있는 방법 및 장치에 관한 연구가 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0132424호(2012.12.05.) 대한민국 등록특허공보 제10-1400605호(2014.05.21.)
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 기판에 금속 미립자를 코팅하고, 마스크를 통해 금속 미립자에 특정 형상의 광을 조사해, 금속 미립자를 특정 형상으로 기판에 자가 나노 결합(SELF-NANOEMBEDDING)시키고, 마스크에 의해 광이 차단되 기판에 접착되지 않은 영역의 금속 미립자를 제거함으로써, 대면적의 금속 전도성 패턴을 고속으로 제작할 수 있는, 롤투롤 패터닝 시스템을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 롤투롤 패터닝 시스템은, 유연성 플라스틱 기판에 금속 전도성 물질을 도포하는 도포장치와, 기판과 수평하도록 도포장치 후단에 위치된 마스크와, 마스크를 통해 금속 전도성 물질에 광이 조사되도록 마스크를 향해 광을 생성하는 광생성장치와, 기판 후단에 위치되고 기판에 도포된 금속 전도성 물질을 닦아내는 세척장치를 포함한다.
또한, 세척장치는, 기판이 표면에 접촉하는 세척롤과, 기판을 세척롤로 가압하도록 세척롤 전단 및 후단에 구비된 가압롤을 포함할 수 있다.
또한, 세척장치는, 세척롤과 기판 사이에 삽입되도록 직물을 공급하는 직물공급롤과, 세척롤과 기판으로부터 이탈된 직물을 회수하는 직물회수롤을 포함할 수 있다.
또한, 직물공급롤 및 직물회수롤은, 세척롤 보다 높은 위치에 위치되고, 직물공급롤은, 세척롤 후단에 위치되고, 직물회수롤은, 세척롤 전단에 위치될 수 있다.
또한, 세척롤은, 기판의 진행방향의 반대방향으로 세척롤을 회전시키는 동력장치를 포함할 수 있다.
또한, 기판이 감겨진 공급롤과, 공급롤로부터 소정거리 이격되고, 공급롤로부터 풀려 연장된 기판이 되감기는 회수롤을 더 포함할 수 있다.
또한, 기판과 마스크 또는 광생성장치 간의 거리를 측정하는 측정장치와, 마스크 또는 광생성장치를 기판과 수직한 방향으로 이동시키는 높이이동장치와, 마스크 또는 광생성장치를 기판과 수평한 방향으로 이동시키는 수평이동장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 광생성장치는, 넓은 파장대의 복합적인 광을 발산할 수 있는 IPL(고감도 광원; INTENSE PULSED LIGHT)일 수 있다.
또한, 금속 전도성 물질은, 금, 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 백금 중 어느 하나의 나노 와이어 군집 또는, 금, 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 백금 중 어느 하나의 나노 파우더의 군집 및, 나노 와이어 군집 또는 나노 파우더 군집과 혼합되는 용매를 포함할 수 있다.
또한, 금속 전도성 물질은, 밴드 갭(BAND GAP)이 3.5 eV 이하로 광흡수율이 큰 갈륨-인(GaP), 산화지르코륨(ZrO2), 실리콘(Si), 황화카드뮴(CdS), 이산화티타늄(Ti02), 산화아연(ZnO), 산화철(Fe2O3), 산화텅스텐(WO2) 및 산화주석(SnO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 분말을 더 포함할 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 매우 짧은 시간 동안 금속 나노 분말을 광소결시킬 수 있으므로, 구리가 적용되더라도 산화 발생이 방지된다.
또한, 온도에 열악한 유연하고 투명한 플라스틱 기판에도 쉽게 적용 가능한 효과가 있다.
특히, 마스크를 통해 기판에 코팅된 금속 미립자에 특정 형상의 광을 조사해 금속 미립자를 특정 형상으로 기판에 자가 나노 결합(SELF-NANOEMBEDDING)시키고, 마스크에 의해 광이 차단되 기판에 접착되지 않은 영역의 금속 미립자를 제거함으로써, 대면적의 금속 전도성 패턴을 고속으로 제작할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 롤투롤 패터닝 시스템의 예시도,
도 2는 도 1의 롤투롤 패터닝 시스템에 의해 제작된 금속 전도성 패턴의 확대도,
도 3은 도 1의 롤투롤 패터닝 시스템에 의해 광소결된 후의 금속 전도성 물질의 확대도,
도 4는 도 1의 롤투롤 패터닝 시스템에 의해 기판에 형성된 라인의 예시도,
도 5는 기판에 코팅된 금속 미립자 제거 전과 후의 저항값 비교도이다.
이하 첨부된 도면을 참고로, 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 롤투롤 패터닝 시스템은, 유연성 플라스틱 기판(110)에 금속 전도성 물질(120)을 도포하는 도포장치(100)와, 기판(110)과 수평하도록 도포장치(100) 후단에 위치된 마스크(200)와, 마스크(200)를 통해 금속 전도성 물질(120)에 광이 조사되도록 마스크(200)를 향해 광을 생성하는 광생성장치(300)와, 기판(110) 후단에 위치되고 기판(110)에 도포된 금속 전도성 물질(120)을 닦아내는 세척장치(400)를 포함한다.
세척장치(400)는, 기판(110)이 표면에 접촉하는 세척롤(410)과, 기판(110)을 세척롤(410)로 가압하도록 세척롤(410) 전단 및 후단에 구비된 가압롤(420)을 포함한다.
세척장치(400)는, 세척롤(410)과 기판(110) 사이에 삽입되도록 직물(431)을 공급하는 직물공급롤(430)과, 세척롤(410)과 기판(110)으로부터 이탈된 직물(431)을 회수하는 직물회수롤(440)을 포함한다.
직물공급롤(430)과 세척롤(410) 사이에는, 직물(431)의 세정효과가 증대되도록 세정액을 직물(431)에 공급하는 세정액공급장치(450)가 구비된다.
세척장치(400), 좀 더 정확히는 세척롤(410) 후단에는 기판(110)에 잔존하는 세정액을 증발시키는 세정액증발장치(460)가 구비된다.
직물공급롤(430) 및 직물회수롤(440)은, 세척롤(410) 보다 높은 위치에 위치되고, 직물공급롤(430)은, 세척롤(410) 후단에 위치되고, 직물회수롤(440)은, 세척롤(410) 전단에 위치된다.
세척롤(410)은, 기판(110)의 진행방향의 반대방향으로 세척롤(410)을 회전시키는 동력장치를 포함한다.
금속 전도성 물질(120)은, 금, 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 백금 중 어느 하나의 나노 와이어의 군집 또는, 금, 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 백금 중 어느 하나의 나노 파우더의 군집을 포함한다.
금속 전도성 물질(120)은, 위 기재된 나노 와이어의 군집 또는 나노 파우더의 군집 외에도, 광조사 시 조사된 광을 통해 열을 흡수하고, 기판(110)과의 접착 특성이 우수해지는 특성을 가지며, 이를 통해 기판(110)에 패턴 형성이 가능한 재료를 포함할 수 있다.
금속 전도성 물질(120)은, 나노 와이어 군집 또는 나노 파우더 군집과 혼합되는 용매를 더 포함한다.
용매에는, 갈륨-인(GaP), 산화지르코튬(ZrO2), 실리콘(Si), 황화카드뮴(CdS), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화철(Fe2O3), 산화텅스텐(WO2) 및 산화주석(SnO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 분말이 포함된다. 반도체 분말은 밴드 갭(band gap)이 3.5 eV 이하인 것이 바람직하다.
도포장치(100)는, 스핀코팅, 슬롯다이 코팅, 그라비아 코팅, 바코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅 중 어느 한 방법을 통하여 금속 전도성 물질(120)을 기판(110)에 도포한다.
본 발명의 일실시예에서, 도포장치(100)는, 기판(110)을 향해 금속 전도성 물질(120)이 함유된 용매를 분사할 수 있는 인젝터를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서 광생성장치(300)는, 넓은 파장대의 복합적인 광을 발산할 수 있는 IPL(고감도 광원; INTENSE PULSED LIGHT)이다.
IPL(예를들어, NOVACENTRIX PURGE 1300)은, 밀리세크 단위의 매우 짧은 공정 시간 동안, 금속 전도성 물질(120)의 광소결을 유도할 수 있으므로, 이른바 롤투롤 인쇄 시스템에 적용될 수 있다.
또한, 매우 낮은 공정 온도에서 금속 전도성 물질(120)을 소결시킬 수 있으며, 특히 공정 온도가 낮아, 플라스틱 기판(110)이 사용되더라도 기판(110)의 변형이 방지된다.
본 발명의 일실시예는, 유연한 기판(110)이 감겨진 공급롤(130)과, 공급롤(130)로부터 소정거리 이격되고, 공급롤(130)로부터 풀려 연장된 기판(110)이 되감기는 회수롤(140)을 더 포함함으로써, 앞서 기재한 바와 같은, 롤투롤 인쇄시스템을 구성하게 된다.
마스크(200)는, 광투과성이 낮게 제작되며, 금속, 종이, 천 중 어느 하나로 제작된다.
또한, 본 발명의 일실시예는, 기판(110)과, 마스크(200) 또는 광생성장치(300) 간의 거리를 측정하는 측정장치(150)와, 마스크(200) 또는 광생성장치(300)를 기판(110)과 수직한 방향으로 이동시키는 높이이동장치(160)와, 마스크(200)에 형성된 마커와 기판(110)에 형성된 마커를 감지하는 감지장치 및, 마스크(200) 또는 광생성장치(300)를 기판(110)과 수평한 방향으로 이동시키는 수평이동장치(170)를 더 포함하다.
광생성장치(300)와 마스크(200) 및 기판(110)의 거리가 임계치 이상일 경우, 광생성장치(300)를 통해 생성된 발생광 중 적정량 이상의 광이 기판(110)에 도달하지 못하게 된다.
광생성장치(300), 마스크(200) 및 기판(110) 사이에 존재하는 틈을 통해 발생광이 주변으로 확산되기 때문이다. 즉, 금속 전도성 물질(120)의 광소결 발생이 미비해지거나 혹은 패턴의 형상 오류가 나타날 수 있다.
측정장치(150) 및 높이이동장치(160)는, 이러한 점을 감안하여 광생성장치(300)와 마스크(200) 및 기판(110)의 거리가 임계치 이하가 되도록 작동된다. 또한, 기판(110)에 형성된 마커 및 마스크(200)에 형성된 마커가 일치됨을 확인한 후, 광생성장치(300)에서 광이 발생 되도록 하므로써, 기판(110)과 마스크(200)의 위치가 어긋남에 따라 발생 가능한 전도성 패턴의 형상 오류를 최소화할 수 있다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 롤투롤 패터닝 시스템은 다음과 같이 작동된다. 기판(110)은 공급롤(130)로부터 회수롤(140)로 이동되며, 마스크(200) 하부에 위치되었을 때 이동을 멈추고, 기판(110)에 형성된 마커 및 마스크(200)에 형성된 마커를 일치시키게 된다.
기판(110)에 형성된 마커 및 마스크(200)에 형성된 마커가 일치되면, 광생성장치(300)에서 광이 발생된다. 이와 다르게, 기판(110)을 지속적으로 공급롤(130)로부터 회수롤(140)로 이동시키고, 광생성장치(300)의 on/off를 반복시킴으로써, 기판(110)의 멈춤 없이 전도성 패턴을 연속적으로 형성하는 것도 가능하다.
광생성장치(300)에서 생성된 광은 마스크(200)에 관통 형성된 무늬를 통해 기판(110)에 도포된 금속 전도성 물질(120)에 조사된다.
기판(110)에 도포된 금속 전도성 물질(120) 중 광에 노출된 부위는, 도 3 및 도 4(스케일바: 50마이크로 미터)에 도시된 바와 같이, 기판(110)에 광소결 된다.
이후, 기판(110)은 세척롤(410)을 향해 이동되고, 금속 전도성 물질(120)에 광소결되지 못함에 따라, 기판(110)에 자가 결합이 안되고 기판(110)과의 접착력이 낮은 부위는, 직물공급롤(430)로부터 직물회수롤(440)로 이동하는 직물(431)에 닦여 기판(110)으로부터 분리된다(도 2 참조).
세척장치(400)를 통과한 기판(110)에는 마스크(200)에 형성된 무늬와 동일한 모양으로 전도성 패턴이 남게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기판(110)에 광소결된 금속 전도성 물질(120)이 직접적으로 직물(431)과 접촉하더라도, 전기적 특성이 변경되지 않게 된다.
위와 같은 본 발명의 롤투롤 패터닝 시스템에 따르면, 매우 짧은 시간 동안 금속 나노 분말을 광소결시킬 수 있으므로, 구리가 적용되더라도 산화 발생이 방지된다.
또한, 온도에 열악한 유연하고 투명한 플라스틱 기판(110)에도 쉽게 적용 가능하다.
특히, 마스크(200)를 통해 기판(110)에 코팅된 금속 미립자에 특정 형상의 광을 조사해 금속 미립자를 특정 형상으로 기판(110)에 자가 나노 결합(SELF-NANOEMBEDDING)시키고, 마스크(200)에 의해 광이 차단되 기판(110)에 접착되지 않은 영역의 금속 미립자를 제거하므로, 대면적의 금속 전도성 패턴을 고속으로 제작할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 롤투롤 패터닝 시스템을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술 사상범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
100: 도포장치
110: 기판
120: 금속 전도성 물질
130: 공급롤
140: 회수롤
150: 측정장치
160: 높이이동장치
170: 수평이동장치
200: 마스크
300: 광생성장치
400: 세척장치
410: 세척롤
420: 가압롤
430: 직물공급롤
431: 직물
440: 직물회수롤
450: 세정액공급장치
460: 세정액증발장치

Claims (10)

  1. 유연성 플라스틱 기판에 전도성 물질을 도포하는 도포장치;
    상기 기판과 수평하도록 상기 도포장치 후단에 위치된 마스크;
    상기 마스크를 통해 상기 전도성 물질에 광이 조사되도록 상기 마스크를 향해 광을 생성하는 광생성장치;
    상기 기판 후단에 위치되고 상기 기판에 도포된 상기 전도성 물질을 닦아내는 세척장치;
    상기 기판과 상기 마스크 또는 상기 광생성장치 간의 거리를 측정하는 측정장치;
    상기 마스크 또는 상기 광생성장치를 상기 기판과 수직한 방향으로 이동시키는 높이이동장치;
    상기 마스크에 형성된 마커와 기판에 형성된 마커를 감지하는 감지장치; 및
    상기 마스크 또는 상기 광생성장치를 상기 기판과 수평한 방향으로 이동시키는 수평이동장치;를 포함하고,
    상기 전도성 물질은,
    금, 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 백금 중 어느 하나의 나노 와이어 군집 또는,
    금, 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 백금 중 어느 하나의 나노 파우더의 군집 및,
    상기 나노 와이어 군집 또는 상기 나노 파우더 군집과 혼합되는 용매를 포함하며,
    상기 전도성 물질은,
    밴드 갭(BAND GAP)이 3.5 eV 이하로 광흡수율이 큰 갈륨-인(GaP), 산화지르코륨(ZrO2), 실리콘(Si), 황화카드뮴(CdS), 이산화티타늄(Ti02), 산화아연(ZnO), 산화철(Fe2O3), 산화텅스텐(WO2) 및 산화주석(SnO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는, 롤투롤 패터닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세척장치는,
    상기 기판이 표면에 접촉하는 세척롤;
    상기 기판을 상기 세척롤로 가압하도록 상기 세척롤 전단 및 후단에 구비된 가압롤;을 포함하는, 롤투롤 패터닝 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세척장치는,
    상기 세척롤과 상기 기판 사이에 삽입되도록 직물을 공급하는 직물공급롤;
    상기 세척롤과 상기 기판으로부터 이탈된 직물을 회수하는 직물회수롤;을 포함하는, 롤투롤 패터닝 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 직물공급롤 및 상기 직물회수롤은, 상기 세척롤 보다 높은 위치에 위치되고,
    상기 직물공급롤은, 상기 세척롤 후단에 위치되고,
    상기 직물회수롤은, 상기 세척롤 전단에 위치된, 롤투롤 패터닝 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 세척롤은,
    상기 기판의 진행방향의 반대방향으로 상기 세척롤을 회전시키는 동력장치;를 포함하는, 롤투롤 패터닝 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 감겨진 공급롤;
    상기 공급롤로부터 소정거리 이격되고, 상기 공급롤로부터 풀려 연장된 상기 기판이 되감기는 회수롤;을 더 포함하는, 롤투롤 패터닝 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광생성장치는,
    IPL(고감도 광원; INTENSE PULSED LIGHT)인, 롤투롤 패터닝 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002254039A (ja) * 2001-03-01 2002-09-10 Shibaura Mechatronics Corp 基板清掃装置
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