KR102358327B1

KR102358327B1 - 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법 및 인쇄 렉테나와 이를 이용한 전자 장치

Info

Publication number: KR102358327B1
Application number: KR1020200014174A
Authority: KR
Inventors: 조규진; 정연수; 사가 스레스타; 손준봉; 이성근; 박혜진; 임남수; 박진화; 비젠드라 비쇼 마스케; 기안 라즈 코이라라; 장혜원
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2022-02-04
Also published as: WO2021158093A3; KR20210100331A; WO2021158093A2

Abstract

본 발명은 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법 및 인쇄 렉테나와 이를 이용한 전자 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법은, 전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 다이오드의 하부 전극을 인쇄하는 단계, 상기 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 제1 반도체 층을 인쇄하는 단계, 상기 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 제2 반도체 층을 인쇄하는 단계, 및 상기 인쇄된 제2 반도체 층 위에 전도성 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 상부 전극을 인쇄하는 단계를 포함한다.

Description

롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법 및 인쇄 렉테나와 이를 이용한 전자 장치{METHODS FOR MANUFACTURING ROLL-TO-ROLL PRINTING BASED PRINTING RECTENNA AND PRINTING RECTENNA AND ELECTRONIC APPARATUSES USING THE SAME}

본 발명은 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법 및 인쇄 렉테나와 이를 이용한 전자 장치에 관한 것이다.

4차 산업혁명이 도래됨에 따라 로봇공학, 가상현실(VR, Virtual Reality)과 함께 사물 인터넷(Internet of Things, IoT)에 대한 관심이 증대되고 있다. IoT에서 모든 사물(디바이스)은 초소형과 초경량을 지향하고 있으며, 이에 따른 전원 공급에 대해서도 많은 관심을 받고 있다. 초소형 디바이스에 전원을 공급하기 위해서는 일반적으로 배터리(외부 공급장치)가 적용되며, 이는 디바이스의 소형화와 경량화에 걸림돌로 작용한다. 또한 배터리의 경우, 수명이 정해져 있으며, 2차 배터리는 충전이 불가피하다.

이에 대한 대안으로 무선 충전방식으로 전원을 공급하는 것으로 외부 전파를 받아 직류 전력으로 변화하는 렉테나(Rectenna)를 통하여 필요로 하는 전원을 받을 수 있다. 이는 전용 리더기를 통하여 필요한 전원을 무선으로 효과적으로 받을 수 있으나, 각 디바이스에 대하여 전용 리더기가 필요하며 표준화가 되어 있지 않아 모든 디바이스에 적용하기에는 적합하지 않은 단점을 가지고 있다. 주파수를 통하여 무선으로 전원을 공급하는 방법이 하나의 대안이다. 스마트폰의 NFC(Near Field Communication) 모드를 통한 전원공급의 경우, 13.56 MHz의 주파수를 이용하여 근거리(예컨대, 5cm) 이내에 전력을 공급할 수 있을 뿐 아니라, 소비자가 별도의 구매나 비용을 지불하지 않고도 현재 판매되는 절반 이상의 스마트폰에 내장되어 접근성이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 반면, 스마트폰의 NFC의 경우는 일정하게 AC(Alternating Current) 신호를 발진하지 않고 수초(예컨대, 2~8초)에 한 번씩만 아주 짧게 AC(mS 이하)를 인가하는 시스템으로 인하여, 이로부터 일정한 형태의 DC(Direct Current) 전압을 얻기 어려운 단점을 가지고 있다. 종래 실리콘(Si) 기반 다이오드의 경우, 정류 효율을 높으나 유연 기판에 적용이 불가하다. 또한, 종래 실리콘 기반 다이오드는 개당 가격이 높아 초저가 초경량 디바이스에 적용하기에는 한계를 가지고 있다.

본 발명의 실시예들은 롤투롤 인쇄 방식을 통해 인쇄 렉테나(예컨대, 다이오드, 캐패시터 및 안테나 등)를 대량으로 연속적으로 저가에 제조하기 위한, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법 및 인쇄 렉테나와 이를 이용한 전자 장치를 제공하고자 한다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위의 환경에서도 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 다이오드의 하부 전극을 인쇄하는 단계; 상기 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 제1 반도체 층을 인쇄하는 단계; 상기 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 제2 반도체 층을 인쇄하는 단계; 및 상기 인쇄된 제2 반도체 층 위에 전도성 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 상부 전극을 인쇄하는 단계를 포함하는, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법이 제공될 수 있다.

상기 제1 반도체 잉크는, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)를 기반으로 하는 반도체 잉크일 수 있다.

상기 제1 반도체 잉크는, PEDOT:PSS 수용액, 다이메틸 설폭사이드(DMSO, Dimethyl sulfoxide), 폴리바이닐 알코올(PVA, Polyvinyl alcohol) 및 트리톤 X-100(Triton X-100)을 이용하여 제조될 수 있다.

상기 제1 반도체 잉크는, 점도 100 내지 200 cP(centi-Poise)와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가진 PEDOT 기반 롤투롤 그라이바용 반도체 잉크일 수 있다.

상기 제2 반도체 잉크는, IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)를 기반으로 하는 반도체 잉크일 수 있다.

상기 제2 반도체 잉크는, 질산 인듐 수화물(Indium nitrate hydrate), 질산 갈륨 수화물(Gallium nitrate hydrate) 및 초산 아연 2수화물(Zinc acetate dehydrate)의 졸-겔 공정을 통해 제조된 IGZO 결정질 파우더를 이용하여 제조될 수 있다.

상기 제2 반도체 잉크는, 졸-겔 공정을 통해 제조된 IGZO 결정질 파우더, 다이메틸 설폭사이드(DMSO, Dimethyl sulfoxide), 폴리바이닐 알코올(PVA, Polyvinyl alcohol) 및 트윈-80(Tween-80)을 이용하여 제조될 수 있다.

상기 제2 반도체 잉크는, 점도 80 내지 200 cP와 표면장력 30 내지 38 mN/m을 가진 IGZO 기반 롤투롤 그라이바용 반도체 잉크일 수 있다.

상기 제2 반도체 층을 인쇄하는 단계는, 졸-겔(Sol-Gel) 공정을 통해 IGZO 결정질 파우더를 제조하는 단계; 상기 제조된 결정질 IGZO 파우더를 이용하여 IGZO 패이스트(Paste)를 제조하는 단계; 및 상기 제조된 IGZO 패이스트를 이용하여 롤투롤 그라비아용 상기 제2 반도체 잉크를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전도성 잉크는, 은(Ag) 나노파티클 잉크, 구리(Cu) 나노파티클 잉크, 니켈(Ni) 나노파티클 잉크 및 카본 패이스트(Carbon paste) 잉크 중에서 어느 하나일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 인쇄된 다이오드의 하부 전극; 상기 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제1 반도체 층; 상기 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제2 반도체 층; 및 상기 인쇄된 제2 반도체 층 위에 전도성 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 상부 전극을 포함하는, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나가 제공될 수 있다.

상기 제1 반도체 잉크는, 점도 100 내지 200 cP와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가진 PEDOT 기반 롤투롤 그라이바용 반도체 잉크일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 근거리 무선 통신 신호로부터 롤투롤 인쇄 방식으로 인쇄된 렉테나의 안테나, 캐패시터 및 다이오드를 통해 직류 전압을 출력하는 인쇄 렉테나; 및 상기 출력된 직류 전압을 통해 전원을 공급받는 전자 디바이스를 포함하고, 상기 다이오드는, 전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 인쇄된 다이오드의 하부 전극, 상기 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제1 반도체 층, 상기 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제2 반도체 층, 및 상기 인쇄된 제2 반도체 층 위에 전도성 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 상부 전극을 포함하는, 인쇄 렉테나를 이용한 전자 장치가 제공될 수 있다.

요구되는 직류 전압에 따라 상기 렉테나의 다이오드의 개수 및 캐피시터의 개수가 조합되고, 개수 조합을 통해 복수의 플러스(+) 전압 또는 복수의 마이너스(-) 직류 전압 중에서 상기 요구되는 직류 전압이 상기 렉테나에 연결된 전자 다바이스에 제공될 수 있다.

상기 인쇄 렉테나는, 요구되는 직류 전압에 따라 싱글 타입의 캐패시터 및 다이오드를 포함할 수 있다.

상기 인쇄 렉테나는, 상기 캐패시터 및 상기 다이오드와 연결된 슈퍼 캐패시터를 더 포함할 수 있다.

상기 슈퍼 캐패시터는, 캐패시터 정전 용량이 1 uF 내지 20 uF의 용량을 가지는 인쇄 캐패시터 또는 상용 캐패시터를 포함할 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명의 실시예들은 롤투롤 인쇄 방식을 통해 인쇄 렉테나(예컨대, 다이오드, 캐패시터 및 안테나 등)를 대량으로 연속적으로 저가에 제조할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 롤투롤 연속 인쇄 공정을 통하여 제조된 인쇄 렉테나에 슈퍼 캐패시터를 연결하여, 사용자 단말(예컨대, 스마트폰)의 NFC 신호(예컨대, 불연속적인 13.56 MHz 주파수)로부터 안정적인 직류 전압(예컨대, ±10 V 이상)을 출력할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 롤투롤 연속 인쇄 공정을 통하여 제조된 인쇄 렉테나를 통해 범용적인 인쇄 디바이스(혹은 실리콘 기반 전자 디바이스)를 구동할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 인쇄 렉테나의 다이오드를 제조하는데 이용되는 반도체 잉크 및 전도성 잉크를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 렉테나가 포함된 전자 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 렉테나의 롤 이미지 및 그 상세 인쇄 안테나, 캐피시터, 및 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 다이오드에 대한 IV 그래프 및 13.56 MHz의 AC 입력에 따른 다이오드의 DC 출력 이미지를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 트리플러 타입의 렉테나에서 13.56 MHz 주파수 입력에 따른 출력 이미지와 스마트폰의 NFC 주파수 입력에 따른 출력 이미지를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈퍼 캐피시터가 연결된 렉테나의 전체 회로 이미지와 그에 따른 전자 디바이스의 최종 출력 이미지를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들이 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명에서 사용한 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 판례, 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 렉테나가 포함된 전자 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 렉테나가 포함된 전자 장치(100)는 인쇄 렉테나(110) 및 전자 디바이스(120)를 포함한다.

전자 장치(100)는 사용자 단말(10)(예컨대, 스마트폰)의 불연속적인 NFC(Near Field Communication) 신호를 이용하여 인쇄 렉테나(110)를 통해 ± 10V 이상의 안정적인 DC 전압을 송출하여 전자 디바이스(device)를 구동할 수 있다.

인쇄 렉테나(110)는 근거리 무선 통신 신호로부터 롤투롤 인쇄 방식으로 인쇄된 렉테나의 안테나, 캐패시터 및 다이오드를 통해 직류 전압을 출력한다. 여기서, 다이오드는, 전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 인쇄된 다이오드의 하부 전극, 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 다이오드의 제1 반도체 층, 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 다이오드의 제2 반도체 층, 및 인쇄된 제2 반도체 층 위에 전도성 잉크를 이용하여 인쇄된 다이오드의 상부 전극을 포함한다.

전자 디바이스(120)는 출력된 직류 전압을 통해 전원을 공급받는다. 전자 디바이스(120)는 인쇄 전자 디바이스일 수 있다.

실시예들에 따르면, 요구되는 직류 전압에 따라 렉테나의 다이오드의 개수 및 캐피시터의 개수가 조합될 수 있다. 개수 조합을 통해 복수의 플러스(+) 전압 또는 복수의 마이너스(-) 직류 전압 중에서 상기 요구되는 직류 전압이 렉테나에 연결된 전자 다바이스에 제공될 수 있다.

실시예들에 따르면, 인쇄 렉테나(110)는 요구되는 직류 전압에 따라 싱글 타입의 캐패시터 및 다이오드를 포함할 수 있다.

실시예들에 따르면, 인쇄 렉테나(110)는 인쇄 캐패시터 및 인쇄 다이오드와 연결된 슈퍼 캐패시터를 더 포함할 수 있다.

실시예들에 따르면, 슈퍼 캐패시터는 캐패시터 정전 용량이 1 uF 내지 20 uF의 용량을 가지는 인쇄 캐패시터 또는 상용 캐패시터를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.

단계 S101에서, 인쇄 렉테나 제조 방법은 유연 필름 기판을 준비한다.

본 발명의 일 실시예에서, 인쇄 렉테나(110)를 인쇄하기 위해서 유연 소재인 PET (polyethylene terephthalate) 혹은 PI (polyimide) 기판을 준비한다. 롤투롤 인쇄 공정에 적용하기 위해, 필름 기판은 롤에 말린 형태로 준비될 수 있다.

단계 S102에서, 인쇄 렉테나 제조 방법은 전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 안테나 배선 및 다이오드의 하부 전극을 인쇄한다.

단계 S103에서, 인쇄 렉테나 제조 방법은 인쇄된 하부 전극 위에 절연층 및 유전체를 인쇄한다.

단계 S104에서, 인쇄 렉테나 제조 방법은 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 제1 반도체 층을 인쇄한다.

일례로, 본 발명의 일 실시예에서, 제1 반도체 잉크는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)를 기반으로 한다. PEDOT 기반 제1 반도체층을 인쇄하기 위해, PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)) 20 ml를 취하여 둥근바닥 플라스크에 넣고 DMSO 1.5 ml와 IPA (isopropyl alcohol) 1ml를 넣고 교반을 시작한다. 이와 같이, PEDOT 기반 제1 반도체 층은 PEDOT:PSS 수용액, 다이메틸 설폭사이드(DMSO, Dimethyl sulfoxide), 폴리바이닐 알코올(PVA, Polyvinyl alcohol) 및 트리톤 X-100(Triton X-100)을 이용하여 제조된다. 이후, 트리톤(Triton) X-100 0.05 ml와 PVA(polyvinyl alcohol) 0.675 g를 넣고 50℃에서 4시간 동안 교반을 진행 한다. 여기서 트리톤(Triton) X-100의 경우 PEDOT 기반 제1 반도체 잉크의 표면장력을 조절하기 위해 사용될 수 있다. PVA는 PEDOT 기반 제1 반도체 잉크의 점도를 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 사용하는 점도에 따라 PVA 함량이 증가 혹은 감소할 수 있다. 만들어진 PEDOT 기반 제1 반도체 잉크는 100~200 cP(centi-Poise)에 표면장력은 30~35 mN/m 일 수 있다.

단계 S105에서, 인쇄 렉테나 제조 방법은 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 다이오드의 제2 반도체 층을 인쇄한다.

본 발명의 일 실시예에서 IGZO 기반 제2 반도체 잉크를 인쇄하여 제2 반도체 층을 인쇄하는 과정을 설명하기로 한다. 제2 반도체 잉크는 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)를 기반으로 하는 반도체 잉크일 수 있다.

a) 단계에서 2-메톡시에탄올(2-methoxyehanol) 244 mL에 질산 인듐 수화물(Indium nitrate hydrate) 50 g (0.679 mol %)을 녹인 후 질산 갈륨 수화물(Gallium nitrate hydrate) 6.246 g (0.099 mol %)와 아세트 아연 2수화물(Zinc acetate dehydrate) 11.80 g (0.2199 mol %)을 순차적으로 넣고 녹인다. 이후 70℃ 오일 베스 (oil bath) 하에서 2시간 정도 교반을 진행한다. 이후 회전 농축기(rotary evaporator)를 이용하여 증류를 진행하고 얻어진 용액을 70 ℃ 오븐에서 12시간 건조를 진행한다. 이후 막자 사발을 이용하여 고르게 갈아준 다음 700 ℃ 전기로에서 진공상태에서 2시간 동안 가열을 진행한다. 이와 같이, 제2 반도체 잉크는 질산 인듐 수화물(Indium nitrate hydrate), 질산 갈륨 수화물(Gallium nitrate hydrate) 및 초산 아연 2수화물(Zinc acetate dehydrate)의 졸-겔 공정을 통해 제조된 IGZO 결정질 파우더를 이용하여 제조될 수 있다.

다음으로, a)단계에서 얻어진 IGZO 파우더를 이용하여 IGZO 패이스트(paste) 상태의 잉크를 제조한다. b)단계에서, IGZO 파우더 2g에 아세트산(acetic acid) 10 ml와 DMSO (dimethyl sulfoxide) 15 ml를 넣고 24시간 동안 볼밀링(ball-milling)방법을 통하여 고르게 분산시킨다. 이후 용액을 원심분리기를 통하여 500 rpm에서 5분간 원심분리를 시키고 침전되지 않는 윗부분만 분리하여 다시 원심분리기를 통하여 4000 rpm에서 10분간 원심분리를 진행한다. 원심분리 이후 상부의 용액은 버리고 침전물만 취득하여 롤투롤 그라비아용 제2 반도체 잉크 제조에 사용한다.

다음으로 c)단계에서는 b)단계에서 얻어진 IGZO 패이스트를 이용하여 최종 롤투롤 그라비아용 제2 반도체 잉크를 제조한다. 1wt%의 트윈(Tween)-80이 들어간 DMSO 1.2g과 IGZO 패이스트 2g을 둥근 바닥플라스크에 넣고 상온에서 1시간 교반후 5wt%의 PVA가 함유된 DMSO용액 0.4g을 넣고 24시간 교반을 진행한다. 만들어진 IGZO 기반 제2 반도체 잉크의 경우, 점도는 80~200 cP에 표면장력은 30~38 mN/m인 것을 특징으로 한다. 이와 같이, 제2 반도체 잉크는 졸-겔 공정을 통해 제조된 IGZO 결정질 파우더, 다이메틸 설폭사이드(DMSO, Dimethyl sulfoxide), 폴리바이닐 알코올(PVA, Polyvinyl alcohol) 및 트윈-80(Tween-80)을 이용하여 제조될 수 있다.

단계 S106에서, 인쇄 렉테나 제조 방법은 인쇄된 제2 반도체 층 위에 전도성 잉크를 이용하여 다이오드의 상부 전극을 인쇄한다.

본 발명의 일 실시예에서 상부 전극 인쇄의 경우, 경우에 따라서 다양한 도체 잉크가 사용될 수 있다. 도체 잉크의 예로 은(Ag), 구리(Cu), 카본 패이스트(Carbon paste), 또는 니켈(Ni) 등이 다이오드 상부 전극으로 사용될 수 있다. 즉, 전도성 잉크는 은(Ag) 나노파티클 잉크, 구리(Cu) 나노파티클 잉크, 니켈(Ni) 나노파티클 잉크 및 카본 패이스트(Carbon paste) 잉크 중에서 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 일 실시예로, 롤투롤 그라비아 인쇄용 니켈(Ni) 전도성 잉크가 사용될 수 있으며, 니켈 전도성 잉크 제조 방법은 다음과 같다.

a)단계에서 니켈 나노 파티클 합성을 합성하는 단계이며, 0.1 M NiCl₂6H₂O을 포함한 에틸렌 글라이콜(Ethylene glycol) (EG) 100 ml에 넣고 핫 플레이트(hot plate)하에서 100 ℃ 오일 중탕을 이용하여 10분간 교반한다. 이후 6 ml 황산 히드라진(hydrazine monohydrate)을 빠르게 넣고 1분간 교반한다. 0.5M NaOH가 포함한 EG 용액을 넣고 10분간 상온에서 교반한다. 이후 원심분리기를 통하여 4000 rpm에서 10분간 원심분리를 통하여 침전물을 얻은 다음 에탄올과 IPA를 통하여 불순물을 제거한다.

다음으로 b)단계에서는, 얻어진 니켈(Ni) 파우더 1g를 5 wt 에틸셀룰로스 (Ethyl cellulose)을 포함한 테르피네올(terpineol) 1g에 넣고 10분 교반후 아미노 실란(amino silane) 0.05 g을 넣고 50℃ 오일 중탕하에서 24 시간 동안 교반을 진행하여 용액 속에 남아 있는 에탄올과 IPA를 증발시킨다. 만들어진 니켈(Ni) 잉크의 경우 점도는 500~700 cP에 표면장력은 20~30 mN/m인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예로서, 롤루롤 그라이바 인쇄용 Cu 전도성 잉크를 들 수 있으며 잉크 제조 방법은 다음과 같다.

a) 단계에서 3 g의 폴리비닐 피로리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP)을 20 ml 에탄올(ethanol)에 녹인 후 2.5 g 산화 구리(Cu (II) oxide)를 넣고 빠른 속도로 교반을 진행한다. 10분간 교반을 진행한 후, 3 ml 히드라진(hydrazine) 을 넣고 상온에서 1시간 교반을 진행한다. 원심분리기를 통하여 4000 rpm에서 10분간 원심분리 후에 에탄올과 올레릭산 (oleic acid)을 통하여 불순물을 제거한다.

b)단계에서, 얻어진 2g 구리(Cu) 나노파티클과 3 wt% 락트 산(lactic acid)이 포함된 8 ml 테르피네올(terpineol)에 넣고 상온에서 2시간 교반을 진행한다. 경우에 따라서 바인더로 3~10 % 에틸 셀룰로스(ethyl cellulose)가 사용될 수 있으며, 표면장력조절제로 트윈(tween) 80 혹은 트윈(tween) 20이 사용될 수 있다. 구리(Cu) 잉크의 산화 방지제로 경우에 따라서 0.1~1 wt% 폴리아닐린(polyaniline) 혹은 0.1~1 wt% 가 사용될 수 있다. 만들어진 Cu 잉크의 경우 점도는 100~500 cP에 표면장력은 30~40 mN/m인 것을 특징으로 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 렉테나의 롤 이미지 및 그 상세 인쇄 안테나, 캐피시터, 및 다이오드를 나타낸 도면이다.

도 3 및 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 인쇄된 인쇄 렉테나(110)의 롤 이미지(210)와, 그 상세 인쇄 안테나(220), 캐피시터(230) 및 다이오드(240)의 이미지가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 세부적으로 본 발명의 일 실시예에서는 전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 인쇄된 다이오드의 하부 전극(241), 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제1 반도체 층(242), 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제2 반도체 층(243), 및 인쇄된 제2 반도체 층 위에 전도성 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 상부 전극(244)으로 인쇄되어, 4층으로 적층된 구조를 사용한다. 본 발명의 일 실시예는 하부 전극(241), 제1 반도체 층(242), 제2 반도체 층(243) 및 상부 전극(244) 순으로 적층된다. 일례로, 하부 전극(241), 제1 반도체 층(242), 제2 반도체 층(243) 및 상부 전극(244)은 각각 하부 은(Ag) 전극, PEDOT 기반 제1 반도체 층, IGZO 기반 반도체 층 그리고 구리(Cu) 상부 전극 순으로 인쇄되어 제조된다. 구리(Cu) 상부 전극 인쇄는 경우에 따라서 니켈(Ni) 전도성 잉크 혹은 은(Ag) 전도성 잉크로 사용될 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 다이오드에 대한 IV 그래프 및 13.56 MHz의 AC 입력에 따른 다이오드의 DC 출력 이미지를 나타낸 도면이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 다이오드의 경우는 낮은 문턱 전압(< 0.5V)을 보이는 것이 특징으로 한다. 13.56 MHz의 AC 입력 전압(310)에 따른 DC 출력값(320)을 보여주며 AC-DC 전환 효율은 약 50 %을 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 다이오드의 경우는 주파수에 따른 출력 전압값이 다르며, 낮은 주파수 (1 KHz)에서 높은 AC-DC 전환 효율(> 70%)을 보인다. 본 발명의 일 실시예에서, 높은 주파수로 감에 따라 전환 효율이 감소될 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 트리플러 타입의 렉테나에서 13.56 MHz 주파수 입력에 따른 출력 이미지와 스마트폰의 NFC 주파수 입력에 따른 출력 이미지를 나타낸 도면이다.

도 7 및 도 8에는 트리플러(Tripler) 타입의 렉테나에서 13.56 MHz 주파수 입력에 따른 출력과 스마트폰의 NFC 주파수 입력에 따른 출력이 나타나 있다. 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 트리플러 타입의 렉테나의 전압 출력이미지를 보여준다. 스마트폰의 NFC로부터 충분한 전압을 얻기 위해 3개의 다이오드 및 3개의 캐피시터로 구성된 트리플러 타입의 회로를 구성하였다.

연속적인 13.56 MHz의 주파수(410)의 조건에서는 약 +11V 이상의 DC 전압 (420)이 출력됨이 확인된다. 동일 조건에서 스마트폰의 불연속적인 주파수 출력(430)으로부터 전환된 +10V 이상의 DC 출력 (440)을 얻을 수 있으나, 신호가 나오는 구간만 출력되는 특성상 지속적인 DC(>10 V)전압을 요구하는 곳에 사용할 수 없다. 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 슈퍼 캐피시터(인쇄 캐피시터 혹은 상용 캐피시터)를 포함할 수 있다. 그 슈퍼 캐피시터 용량은 1~10 uF을 가질 수 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 슈퍼 캐피시터가 연결된 렉테나의 전체 회로 이미지와 그에 따른 전자 디바이스의 최종 출력 이미지를 나타낸 도면이다.

도 9 및 도 10에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 인쇄 렉테나(110)는 인쇄 캐피시터(510)와 인쇄 다이오드(520)를 통하여 정류되는 신호를 슈퍼 캐피시터(530)를 통하여 안정적인 신호를 발생할 수 있다.

슈퍼 캐피시터(530)의 경우는 인쇄 슈퍼 캐피시터 혹은 상용 캐피시터를 사용할 수 있다. 스마트폰의 NFC 신호(540)로부터 렉테나와 슈퍼 캐피시터를 통과하였을 안정적인 ± 6V 이상이 출력(550)이 되는 특징을 가진다. 스마트폰의 NFC가 출력되지 않은 구간에서도 충전된 전류로 인하여 안정적으로 DC 전압이 출력됨이 확인할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 인쇄 5단 링오실레이터(ring oscillator)를 연결하여 발진 신호를 확인한다. 본 발명의 다른 실시예에 적용한 5단 링오실레이터의 경우는 p타입 인쇄 트랜지스터와 n타입 인쇄트랜지스터로 구성된 CMOS형 타입이다. 인쇄 CMOS형 링오실레이터를 구동하기 위해서는 최소 ± 5V의 구동 전압이 필요하며 그 이하일 경우 동작되지 않는 특성이 보인다. 이러한 링오실레이터는 RFID 태그를 구성하는데 가장 중요한 부분이며 충분히 안정적인 전압 공급 없이는 동작하기 어려운 특성을 가진다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 인쇄 렉테나(110)로부터 발생되는 DC 정류 전압을 이용하여 링오실레이터를 구동하였을 시, 안정적으로 1 Hz 이상의 발진 주파수(560)가 출력될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

10: 사용자 단말
100: 전자 장치
110: 인쇄 렉테나
120: 전자 디바이스

Claims

전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 다이오드의 하부 전극을 인쇄하는 단계;
상기 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 제1 반도체 층을 인쇄하는 단계;
상기 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 제2 반도체 층을 인쇄하는 단계; 및
상기 인쇄된 제2 반도체 층 위에 상기 전도성 잉크를 이용하여 상기 다이오드의 상부 전극을 인쇄하는 단계를 포함하고,
상기 제1 반도체 잉크는,
PEDOT:PSS 수용액, 다이메틸 설폭사이드(DMSO, Dimethyl sulfoxide), 폴리바이닐 알코올(PVA, Polyvinyl alcohol) 및 트리톤 X-100(Triton X-100)을 이용하여 제조되는, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 반도체 잉크는,
PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)를 기반으로 하는 반도체 잉크인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 반도체 잉크는,
점도 100 내지 200 cP(centi-Poise)와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가진 PEDOT 기반 롤투롤 그라이바용 반도체 잉크인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 반도체 잉크는,
IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)를 기반으로 하는 반도체 잉크인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 반도체 잉크는,
질산 인듐 수화물(Indium nitrate hydrate), 질산 갈륨 수화물(Gallium nitrate hydrate) 및 초산 아연 2수화물(Zinc acetate dehydrate)의 졸-겔 공정을 통해 제조된 IGZO 결정질 파우더를 이용하여 제조되는, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 반도체 잉크는,
졸-겔 공정을 통해 제조된 IGZO 결정질 파우더, 다이메틸 설폭사이드(DMSO, Dimethyl sulfoxide), 폴리바이닐 알코올(PVA, Polyvinyl alcohol) 및 트윈-80(Tween-80)을 이용하여 제조되는, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 반도체 잉크는,
점도 80 내지 200 cP와 표면장력 30 내지 38 mN/m을 가진 IGZO 기반 롤투롤 그라이바용 반도체 잉크인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 반도체 층을 인쇄하는 단계는,
졸-겔(Sol-Gel) 공정을 통해 IGZO 결정질 파우더를 제조하는 단계;
상기 제조된 결정질 IGZO 파우더를 이용하여 IGZO 패이스트(Paste)를 제조하는 단계; 및
상기 제조된 IGZO 패이스트를 이용하여 롤투롤 그라비아용 상기 제2 반도체 잉크를 제조하는 단계를 포함하는, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 전도성 잉크는,
은(Ag) 나노파티클 잉크, 구리(Cu) 나노파티클 잉크, 니켈(Ni) 나노파티클 잉크 및 카본 패이스트(Carbon paste) 잉크 중에서 어느 하나인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나 제조 방법.
전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 인쇄된 다이오드의 하부 전극;
상기 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제1 반도체 층;
상기 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제2 반도체 층; 및
상기 인쇄된 제2 반도체 층 위에 상기 전도성 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 상부 전극을 포함하고,
상기 제1 반도체 잉크는,
PEDOT:PSS 수용액, 다이메틸 설폭사이드(DMSO, Dimethyl sulfoxide), 폴리바이닐 알코올(PVA, Polyvinyl alcohol) 및 트리톤 X-100(Triton X-100)을 이용하여 제조되는, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나.
제11항에 있어서,
상기 제1 반도체 잉크는,
PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)를 기반으로 하는 반도체 잉크인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나.
삭제
제11항에 있어서,
상기 제1 반도체 잉크는,
점도 100 내지 200 cP와 표면장력 30 내지 35 mN/m을 가진 PEDOT 기반 롤투롤 그라이바용 반도체 잉크인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나.
제11항에 있어서,
상기 제2 반도체 잉크는,
IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)를 기반으로 하는 반도체 잉크인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나.
제11항에 있어서,
상기 제2 반도체 잉크는,
질산 인듐 수화물(Indium nitrate hydrate), 질산 갈륨 수화물(Gallium nitrate hydrate) 및 초산 아연 2수화물(Zinc acetate dehydrate)의 졸-겔 공정을 통해 제조된 IGZO 결정질 파우더를 이용하여 제조되는, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나.
제11항에 있어서,
상기 제2 반도체 잉크는,
졸-겔 공정을 통해 제조된 IGZO 결정질 파우더, 다이메틸 설폭사이드(DMSO, Dimethyl sulfoxide), 폴리바이닐 알코올(PVA, Polyvinyl alcohol) 및 트윈-80(Tween-80)을 이용하여 제조되는, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나.
제11항에 있어서,
상기 제2 반도체 잉크는,
점도 80 내지 200 cP와 표면장력 30 내지 38 mN/m을 가진 IGZO 기반 롤투롤 그라이바용 반도체 잉크인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나.
제11항에 있어서,
상기 전도성 잉크는,
은(Ag) 나노파티클 잉크, 구리(Cu) 나노파티클 잉크, 니켈(Ni) 나노파티클 잉크 및 카본 패이스트(Carbon paste) 잉크 중에서 어느 하나인, 롤투롤 인쇄 기반 인쇄 렉테나.
근거리 무선 통신 신호로부터 롤투롤 인쇄 방식으로 인쇄된 렉테나의 안테나, 캐패시터 및 다이오드를 통해 직류 전압을 출력하는 인쇄 렉테나; 및
상기 출력된 직류 전압을 통해 전원을 공급받는 전자 디바이스를 포함하고,
상기 다이오드는, 전도성 잉크를 이용하여 기판 위에 인쇄된 다이오드의 하부 전극, 상기 인쇄된 하부 전극 위에 제1 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제1 반도체 층, 상기 인쇄된 제1 반도체 층 위에 제2 반도체 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 제2 반도체 층, 및 상기 인쇄된 제2 반도체 층 위에 상기 전도성 잉크를 이용하여 인쇄된 상기 다이오드의 상부 전극을 포함하고,
상기 제1 반도체 잉크는,
PEDOT:PSS 수용액, 다이메틸 설폭사이드(DMSO, Dimethyl sulfoxide), 폴리바이닐 알코올(PVA, Polyvinyl alcohol) 및 트리톤 X-100(Triton X-100)을 이용하여 제조되는, 인쇄 렉테나를 이용한 전자 장치.
제20항에 있어서,
요구되는 직류 전압에 따라 상기 렉테나의 다이오드의 개수 및 캐피시터의 개수가 조합되고, 개수 조합을 통해 복수의 플러스(+) 전압 또는 복수의 마이너스(-) 직류 전압 중에서 상기 요구되는 직류 전압이 상기 렉테나에 연결된 전자 다바이스에 제공되는, 인쇄 렉테나를 이용한 전자 장치.
제20항에 있어서,
상기 인쇄 렉테나는,
요구되는 직류 전압에 따라 싱글 타입의 캐패시터 및 다이오드를 포함하는, 인쇄 렉테나를 이용한 전자 장치.
제20항에 있어서,
상기 인쇄 렉테나는,
상기 캐패시터 및 상기 다이오드와 연결된 슈퍼 캐패시터를 더 포함하는, 인쇄 렉테나를 이용한 전자 장치.
제23항에 있어서,
상기 슈퍼 캐패시터는,
캐패시터 정전 용량이 1 uF 내지 20 uF의 용량을 가지는 인쇄 캐패시터 또는 상용 캐패시터를 포함하는, 인쇄 렉테나를 이용한 전자 장치.