KR102231942B1 - 패턴된 용액 전단코터를 구비한 롤 투 롤 방식의 유기 반도체 박막 형성장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 패턴된 용액 전단코터를 구비한 롤 투 롤 방식의 유기 반도체 박막 형성장치에 관한 것으로서, 용액 전단법을 이용하여 코팅 용액을 기판 필름에 균일하게 도포하고, 용매의 증발속도를 조절하여 핀홀 생성이나 유기반도층의 결점 생성을 억제하고 결정의 크기를 성장시킬 수 있으며, 반도체 소자에서의 전하의 이동도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여 본 발명은, 기판 필름(10)을 연속적으로 풀어주는 언와이언더(11)와; 기판 필름(10)을 20~65℃의 온도까지 예열시키는 프리히팅 챔버(13)와; 히팅롤(14a)을 이용하여 기판 필름(10)을 가열하면서 패턴된 용액 전단 코터(14b)를 이용하여 기판 필름(10)의 상면에 코팅 용액(20')을 도포하여 박막(20)을 형성하는 코팅부(14)와; 서로 다른 온도로 기판 필름(10)을 가열하여 기판 필름(10)에 코팅된 코팅물질의 휘발성 물질을 증발시키는 제1건조챔버(15) 및 제2건조챔버(16)와; 박막 코팅된 기판 필름(10)이 감겨지는 리와인더(18);를 포함하고, 언와인더(11)와 리와인더(18) 사이에 프리히팅 챔버(13)와 코팅부(14), 제1건조챔버(15) 및 제2건조챔버(16)가 연속적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

패턴된 용액 전단코터를 구비한 롤 투 롤 방식의 유기 반도체 박막 형성장치{APPARATUS HAVING PATTERNED SOLUTION SHEARING COATER OF ROLL TO ROLL TYPE FOR FORMING A THIN FILM OF ORGANIC SEMICONDUCTOR}

본 발명은 롤 투 롤(Roll To Roll) 방식의 유기 반도체 박막 형성장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 용액 전단법을 이용하여 코팅 용액을 기판 필름에 균일하게 도포하고, 용매의 증발속도를 조절하여 핀홀 생성이나 유기반도층의 결점 생성을 억제하고 결정의 크기를 성장시킬 수 있으며, 반도체 소자에서의 전하의 이동도를 향상시킬 수 있도록 한 패턴된 용액 전단코터를 구비한 롤 투 롤 방식의 유기 반도체 박막 형성장치에 관한 것이다.

일반적으로 유기 반도체(Organic Semiconductor)는 탄소 물질로 이루어진 반도체를 의미한다.

유기화합물은 기본적으로 절연체에 해당하지만, 전리하여 전자를 방출하기 쉬운 물질과 전자를 받아들이기 쉬운 물질을 화합시켜 분자 화합물을 만들게 되면, 유기 물질 결정 구조를 가진 외인성(外因性) 반도체가 된다.

이러한 유기 반도체는 용액을 이용한 프린팅 공정이 가능하다는 점에서 큰 주목을 받고 있으며, 저가 및 대면적 제작이 가능하고, 유연한 전자 소자(태양전지, 투명전극, OTFT, OLED 등)의 제작이 가능하다는 장점이 있다.

이러한 유기 반도체의 성능 지표인 이동도(Mobility)는, 유기 반도체의 결정성, 결정의 성장방향, 결정의 크기 등의 영향을 받게 된다.

그런데 유기 반도체의 결정성이나 결정방향을 제어하기 위한 연구는 많이 발전되었지만, 결정 크기를 성장시킬 수 있는 기술은 아직 부족한 상황이라 할 수 있다.

또한 유기 반도체를 이용한 유기전자 디바이스는 대부분 적층 구조로 이루어지고 있으며, 많은 연구자들은 각각의 유기 재료를 가지고 최고의 효율을 나타내는 유기전자 디바이스의 제작에 노력을 기울이고 있다.

여기서 유기전자 디바이스의 각 층 역시, 그 기능을 발휘할 최적의 두께와 결정성, 결정 방향, 결정 크기를 가져야 한다.

상기 유기 반도체의 균일한 박막을 만들기 위한 기술로는, 스핀 코팅(Spin Coating), 잉크젯 프린팅(Inkjet Printing), 잉크젯(Inkjet), 스프레이 코팅(Spray Coating)과 굴곡진(Meniscus) 형상으로 코팅되는 블레이드(Blade) 코팅, 슬롯다이(Slot-Die) 코팅 및 용액 전단 코팅(Solution Shearing Coating) 등이 있다.

상기 스핀 코팅은, 코팅 속도가 빠르고 재현성이 뛰어나며 필름의 두께 조절이 용이한 장점이 있지만, 대량 생산을 위한 연속 공정이 불가능하고, 회전으로 재료의 90% 이상이 버려지는 단점이 있다.

상기 슬롯다이 코팅은, 롤투롤(Roll to Roll) 연속 생산 공정에 가장 많이 사용되고 있는데, 코팅 공정의 제어에 어려움이 있고, 잉크의 소비가 많다는 단점이 있다.

즉 스핀코팅이나 슬롯다이 코팅과 같은 기존의 프린팅 공정은, 용액의 흐름을 적절히 통제하지 못한 상태에서 용매의 증발이 무작위로 발생하기 때문에 결정 크기가 큰 유기반도체를 제작하는 데 어려움이 있다.

이에 비해 용액 전단 코팅은, 용액 기반의 프린팅 공정에서 유기 반도체 결정의 성장 과정을 미세하게 제어함으로써, 정밀하고 균일한 대면적 크기의 유기 반도체 박막을 제조할 수 있다는 장점이 있다.

또한 용액 전단 코팅은, 고가의 유/무기 잉크의 소비를 최소화할 수 있고, 용매의 증발 속도를 조절하여 결점 없는 결정을 만들 수 있다는 장점이 있다.

한편 페로브스타이트(Perovskite) 태양전지나 OPV(Organic PhotoVoltaic; 유기태양전지)는, 일방향으로 코팅하는 1D 스트립(Strip)으로 구성되며, 박막의 적층을 통해 태양전지를 형성하고 있다.

그리고, 기존의 OPV 연속 생산 방식에서는 슬롯 다이(Slot-Die) 코팅 공정을 이용하여 박막을 형성하고 있는데, 슬롯 다이는 장비를 다루기가 어렵고 고가이며, 박막의 두께 조절이 아주 어려원 용액의 소비가 많은 문제점이 있다.

한편, 본 발명과 관련한 선행기술을 조사한 결과 복수의 특허문헌이 검색되었으며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다.

특허문헌 1은, 기판상에 유기반도체 용액을 코팅하여 박막을 제조하는 방법에 있어서, 코팅 작업이 바코팅(Bar Coating)에 의해 수행되도록 하여, 별도의 장비 없이 간단한 공정으로 유기전자소자에 사용가능한 유기반도체 박막을 제조할 수 있도록 한, 유기반도체 박막의 제조방법을 개시하고 있다.

특허문헌 2는, 유기반도체 20 내지 40 중량% 및 분자량 3 내지 40 kDa의 고분자 절연체 60 내지 80 중량%를 용매에 혼합하여 혼합용액을 제조하는 단계; 기판 상에 존 캐스팅 방법(Zone Casting)을 이용하여 상기 혼합용액을 도포하여 코팅층을 형성시키는 단계; 및 상기 코팅층을 건조하는 단계를 포함하며, 고가 소재인 유기 반도체의 사용 함량을 줄이고 대면적의 우수한 전기적 특성을 가지는 유기 박막을 제조할 수 있도록 한, 존 캐스팅을 이용한 유기 반도체 및 절연성 고분자 포함 유기 박막의 제조방법 및 이에 의해 제조된 유기 박막을 포함하는 유기 박막 트랜지스터를 개시하고 있다.

특허문헌 3은, 반도체 특성을 가지는 공액 유기물과 고분자 유기산을 용매에 첨가하여 상기 공액 유기물과 상기 고분자 유기산이 결합된 결정씨드를 형성시키는 과정, 상기 결정씨드가 형성된 용액을 기판 상에 도포하여 유기 반도체 박막을 형성하는 과정, 상기 박막의 용매를 제거하는 과정, 상기 용매가 제거된 박막이 액상이 되도록 가열하는 과정 및 상기 액상의 박막을 냉각하여 액상-고상 상변이를 통하여 결정을 성장시키는 과정을 포함하는 전하 이동도가 향상된 유기 반도체 결정 박막의 제조방법을 개시하고 있다.

KR 10-2012-0135603 A KR 10-2017-0078346 A KR 10-2017-0092226 A

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 용액 전단법을 이용하여 코팅 용액을 기판 필름에 균일하게 도포할 수 있는 유기 반도체 박막 형성장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 용매의 증발속도를 조절하여 핀홀 생성이나 유기반도층의 결점 생성을 억제하고 결정의 크기를 성장시킬 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 반도체 소자에서의 전하의 이동도를 향상시킬 수 있도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 필름을 연속적으로 풀어주는 언와인더와; 기판 필름을 20~65℃의 온도까지 예열시키는 프리히팅 챔버와; 히팅롤을 이용하여 기판 필름을 가열하면서 패턴된 용액 전단 코터를 이용하여 기판의 상면에 코팅 용액을 도포하여 박막을 형성하는 코팅부와; 서로 다른 온도로 기판 필름을 가열하여 기판 필름에 코팅된 코팅물질의 휘발성 물질을 증발시키는 제1건조챔버 및 제2건조챔버와; 박막 코팅된 기판 필름이 감겨지는 리와인더;를 포함하고, 상기 언와인더와 리와인더 사이에 프리히팅 챔버와 코팅부, 제1건조챔버 및 제2건조챔버가 연속적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 언와인더와 프리히팅 챔버 사이에 기판 필름의 코팅면을 사전 처리하는 전처리 장치가 배치되고, 제2건조챔버와 리와인더 사이에 박막 코팅된 기판 필름의 위치를 조정하기 위한 사행제어기가 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 코팅부는 기판 필름의 하부에 접촉되어 회전하는 0~250℃의 히팅롤과, 마이크로미터 크기로 식각된 메쉬 형태의 패턴이 형성되어 코팅 용액이 일시 저장되며, 좌측과 우측 및 아래방향으로 코팅 용액의 균일한 흐름이 발생되어 균일한 굴곡을 가지는 코팅막이 형성되도록 일정 정도 경사지게 배치되는 패턴된 용액 전단 코터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 코팅부의 패턴된 용액 전단 코터는 시린지 또는 마이크로 기어 펌프를 통해 코팅 용액을 공급받는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1건조챔버는 40~80℃의 온도로 기판 필름을 가열하고, 제2건조챔버는 70~150℃의 온도로 기판 필름을 가열하되, 제2건조챔버의 가열온도가 제1건조챔버의 가열온도보다 높게 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 코팅 용액은 유기잉크 또는 무기잉크와 금속재료를 사용하고, 용액 전단 코터의 재질은 유리, 스테인리스 스틸, 고분자 물질 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유기 반도체 박막 형성 장치에 의하면, 용액 전단법이 적용된 패턴된 용액 전단 코터를 이용하여 코팅 용액을 기판 필름에 도포하게 되므로, 코팅 용액이 균일하게 도포되어 박막의 두께가 균일해지는 효과가 있다.

또한 두 개의 건조챔버를 이용하여 용매의 증발속도를 조절함으로써, 핀홀 생성이나 유기 반도체의 결점 생성을 억제하고, 결정의 크기를 성장시킬 수가 있다.

이에 따라, 유기 반도체를 구비한 반도체 소자에서의 전하의 이동도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 롤투롤 방식을 통해 연속 생산이 가능하면서도 패턴된 용액 전단 코터를 이용하여 코팅막을 형성함에 따라, 코팅 용액의 손실이 감소하게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유기 반도체 박막 형성 장치를 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 코팅부의 확대도.
도 3은 본 발명에 따른 패턴된 전단 코터의 평면도 및 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 패턴된 전단 코터를 이용하여 기판 필름에 코팅 용액을 도포하는 모습을 나타낸 참고도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 유기 반도체 박막 형성 장치에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 패턴된 용액 전단코터를 구비한 롤 투 롤 방식의 유기 반도체 박막 형성 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 언와인더(Unwinder, 11)와, 전처리 장치(12), 프리히팅 챔버(Pre Heating Chamber, 13), 코팅부(Coating Part, 14), 제1건조챔버(15), 제2건조챔버(16), 사행제어기(17) 및 리와인더(Rewinder, 18)가 연속적으로 배치되어 이루어진다.

상기 언와인더(11)는, 권취되어 있던 기판 필름(10)을 연속적으로 풀어주는 것으로, 기판 필름(10)을 일정 속도로 코팅부(14)에 공급한다.

그리고 상기 전처리 장치(12)는, 기판 필름(10)의 코팅면에 남아 있는 오염물 등을을 사전 처리한다.

또한 프리히팅 챔버(13)는 기판 필름(10)을 20~65℃의 온도까지 예열시킴으로써, 상기 코팅부(14)에서이 코팅 효과를 향상시킨다.

그리고 상기 코팅부(14)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 히팅롤(14a)을 이용하여 기판 필름(10)을 가열하면서, 패턴된 용액 전단 코터(14b)를 이용하여 기판 필름(10)의 상면에 코팅 용액(20')을 도포하여 박막(20)을 형성한다.

여기서, 상기 히팅롤(14a)은 기판 필름(10)의 하부에 접촉되어 회전하며, 0~250℃의 온도로 기판 필름(10)을 가열하게 된다.

그리고, 상기 패턴된 용액 전단 코터(14b)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상면에 마이크로미터 크기로 식각된 메쉬(Mesh)형태의 패턴이 형성되어 코팅 용액(20')이 일시 저장되도록 한다.

즉, 수 마이크로미터 크기로 식각된 패턴을 형성하으로써 코팅 용액(20')이 균일하게 임시 저장되고, 좌우에서 같은 양의 코팅 용액(20')이 흘러내려 균일한 두께의 코팅막이 형성되도록 한다.

이때, 상기 패턴된 용액 전단 코터(14b)는, 시린지(Cyringe) 또는 마이크로 기어 펌프(Micro Gear Pump)를 통해 코팅 용액(20')을 공급받는 것이 바람직하다.

또한 상기 용액 전단 코터(14b)의 재질로는 유리, 스테인리스 스틸, 고분자 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 구조에 의해, 코팅 용액(20')의 안정적인 공급이 가능하게 된다.

또, 상기 패턴된 용액 전단 코터(14b)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판에 대하여 일정 정도 경사지게 배치되어, 상기 패턴된 용액 전단 코터(14b)의 좌측과 우측, 그리고 아래방향으로 코팅 용액(20')의 균일한 흐름이 발생하도록 하고, 이를 통해 균일한 굴곡(Meniscus)을 가지는 코팅막이 기판 필름(10)에 맺히도록 한다.

상기 제1건조챔버(15) 및 제2건조챔버(16)는, 서로 다른 온도로 기판 필름(10)을 가열하여 기판 필름(10)에 코팅된 코팅물질의 휘발성 물질, 즉 용매를 증발시키는 것으로, 휘발성 용매를 점차적으로 증발시켜 박막(20)을 형성하는 유기/무기 재료의 열 손상을 감소시키고, 핀홀(Pin Hole) 생성을 억제하여 소자의 안정적인 구동이 가능하게 한다.

이때, 상기 제1건조챔버(15)는 40~80℃의 온도로 기판 필름(10)을 가열하고, 제2건조챔버(16)는 70~150℃의 온도로 기판 필름(10)을 가열하도록 구성된다.

또한 휘발성 용매가 점진적으로 증발되도록, 상기 제2건조챔버(16)의 가열온도가 제1건조챔버(15)의 가열온도보다 높게 유지되도록 한다.

이에 따라, 상기 제1건조챔버(15) 및 제2건조챔버(16)의 온도 조절을 통해 휘발성 용매의 증발 속도를 제어하는 것이 가능하게 되고, 이를 통해 용매의 빠른 증발로 인한 핀홀 생성 문제나 유기 반도체층의 결점 생성 등을 제어할 수 있게 된다.

또한, 결정의 크기를 성장시킬 수 있으며, 이를 통해 반도체 소자의 성능평가 인자인 전하의 이동도(Mobility)를 향상시킬 수 있게 된다.

상기 사행제어기(17)는, 제2건조챔버(16)와 리와인더(18) 사이에서 박막 코팅된 기판 필름(10)의 위치를 조정하여 리와인더(18)로 공급한다.

그리고 상기 리와인더(18)는 박막 코팅된 기판 필름(10)이 감겨지도록 한다.

이때, 상기 리와인더(18)의 기판 필름(10) 권취속도는 상기 언와인더(11)에서 기판 필름(10)이 풀리는 속도와 동일하므로, 상기 리와인더(18)의 권취속도를 조절하여 코팅 속도 등을 제어할 수 있게 된다.

그리고 상기 코팅 용액(20')으로는, 유기 잉크 또는 무기 잉크와 금속재질을 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 기판 필름(Substrate Film) 11 : 언와인더(Unwinder)
12 : 전처리 장치
13 : 프리히팅 챔버(Preheating Chamber) 14 : 코팅부(Coatimg Part)
14a : 히팅롤(Heating Roll)
14b : 패턴된 용액 전단 코터(Patterned Solution Shearing Coater)
15 : 제1건조챔버 16 : 제2건조챔버
17 : 사행제어기 18 : 리와인더(Rewinder)
20 : 박막 20' : 코팅 용액

Claims (6)

1. 기판 필름(10)을 연속적으로 풀어주는 언와인더(11)와;
   기판 필름(10)을 20~65℃의 온도까지 예열시키는 프리히팅 챔버(13)와;
   히팅롤(14a)을 이용하여 기판 필름(10)을 가열하면서, 패턴된 용액 전단 코터(14b)를 이용하여 기판 필름(10)의 상면에 코팅 용액(20')을 도포하여 박막(20)을 형성하는 코팅부(14)와;
   서로 다른 온도로 기판 필름(10)을 가열하여, 기판 필름(10)에 코팅된 코팅물질의 휘발성 물질을 증발시키는 제1건조챔버(15) 및 제2건조챔버(16)와;
   박막 코팅된 기판 필름(10)이 감겨지는 리와인더(18);를 포함하고,
   언와인더(11)와 리와인더(18) 사이에, 프리히팅 챔버(13)와 코팅부(14), 제1건조챔버(15) 및 제2건조챔버(16)가 연속적으로 배치되며,
   언와인더(11)와 프리히팅 챔버(13) 사이에, 기판 필름(10)의 코팅면을 사전 처리하는 전처리 장치(12)가 배치되고,
   제2건조챔버(16)와 리와인더(18) 사이에, 박막 코팅된 기판 필름(10)의 위치를 조정하여 리와인더(18)로 공급하기 위한 사행제어기(17)가 배치되며,
   상기 코팅부(14)는,
   기판 필름(10)을 가열하는 히팅롤(14a)과, 기판 필름(10)의 상면에 코팅 용약(20')을 도포하여 박막(20)을 형성하는 용액 전단 코터(14b)를 포함하여 구성되고,
   상기 히팅롤(14a)은,
   기판 필름(10)의 하부에 접촉되어 회전하면서 0~250℃의 온도로 기판 필름(10)을 가열하고,
   상기 용액 전단 코터(14b)는,
   상면에 마이크로미터 크기로 식각된 메쉬 형태의 패턴이 형성되어, 코팅 용액(20')이 균일하게 임시 저장되고, 좌우에서 같은 양의 코팅 용액(20')이 흘러내려 균일한 두께의 코팅막이 형성되도록 하며,
   기판 필름(10)에 대해 일정 정도 경사지게 배치되어, 패턴된 용액 전단 코터(14b)의 좌측과 우측 및 아래방향으로 코팅 용액(20')의 균일한 흐름이 발생되도록 하여 균일한 굴곡(Meniscus)을 갖는 코팅막이 기판 필름(10)에 맺히도록 하고,
   코팅부(14)의 패턴된 용액 전단 코터(14b)는, 시린지 또는 마이크로 기어 펌프를 통해 코팅 용액(20')을 공급받고,
   제1건조챔버(15)는 40~80℃의 온도로 기판 필름(10)을 가열하고,
   제2건조챔버(16)는 70~150℃의 온도로 기판 필름(10)을 가열하여, 제1건조챔버(15)의 가열온도보다 높게 유지되도록 하며,
   코팅 용액(20')은, 유기잉크 또는 무기잉크와 금속재료를 사용하고, 용액 전단 코터(14b)는 유리, 스테인리스 스틸, 고분자 물질 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 패턴된 용액 전단코터를 구비한 롤 투 롤 방식의 유기 반도체 박막 형성장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

Images