KR20120134035A - 극단파 백색광 광소결장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 극단파 백색광 광소결장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 미세금속입자 또는 전구체가 표면에 패터닝되는 기판; 전압 및 전류를 발생하는 전원부; 전하를 집적하여 저장하는 축전부; 및 상기 기판의 상부에 배치되고, 상기 전원부로부터 전압 및 전류를 입력받고, 상기 축전부로부터 집적된 전하를 인가받아 아크 플라즈마를 생성하면 상기 기판의 표면으로 극단파 백색광을 출력하고, 상기 극단파 백색광의 조사를 통해 상기 미세금속입자 또는 전구체를 소결하는 광출력부;를 포함한다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 기판 상에 패터닝되는 마이크로 또는 나노 크기의 다양한 미세 금속입자에 제논 플래시 램프로부터 발생되는 극단파 백색광을 조사하여 연성을 갖는 기판상에 상기 금속입자를 손상없이 소결할 수 있는 효과가 있다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 기판 상에 패터닝되는 마이크로 또는 나노 크기의 다양한 미세 금속입자에 제논 플래시 램프로부터 발생되는 극단파 백색광을 조사하여 연성을 갖는 기판상에 상기 금속입자를 손상없이 소결할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 극단파 백색광 광소결장치에 관한 것으로, 기판 상에 미세금속입자 또는 전구체를 저온에서도 용이하게 소결할 수 있는 극단파 백색광 광소결장치에 관한 것이다.
인쇄기술이라 함은 잉크를 사용하여 판면에 그려져 있는 글이나 그림 따위를 종이, 천 따위에 박아내는 기술로서, 최근에는 잉크젯 프린팅, 플렉소/그라뷰어링 인쇄, 스크린 프린팅과 같은 다양한 기술이 사용되고 있는데, 이러한 기술은 RFID 시스템, 대면적의 디스플레이장치, 박판형 태양전지, 박판형 배터리 등과 같은 고부가 가치 상품에 적용되므로, 기술의 수요가 점차 증가하고 있는 것이 현실이다.
특히, 태양전지 또는 박판형 이차전지 등을 제작하기 위해서는 진공 전자 증착 방법 또는 솔루션 증착 후 계면활성 박판 제조방법 등이 주로 사용되어 오고 있다. 뿐만 아니라, 다양한 형태를 갖는 입자를 소결하기 위해, 고온 소결 공정이 사용되고 있다. 예를 들면, 나노 크기의 구리 입자를 소결시키기 위해, 비활성 기체를 약 200 내지 350℃의 온도로 가열하고, 염료 감응형 태양전지를 제작하기 위해서는 티타늄옥사이드(TiO2) 입자를 대기상태에서 약 500℃로 가열하는 방법이 주로 사용되어왔다.
하지만 최근들어, 저온의 플렉서블 폴리머 또는 종이를 기판으로 사용하여 상기 기판의 상부에 태양전지 또는 전자패턴을 제작하려는 기술이 시도되고 있다. 하지만 이러한 기술은 종래의 고온소결방법으로는 불가능하다는 문제점이 발생했다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 플렉서블 기판 상에 패터닝된 미세금속입자 또는 전구체에 극단파 백색광을 조사하여 저온에서 단시간 내에 소결이 가능한 극단파 백색광 광소결장치를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 실시 예에 따른 극단파 백색광 광소결장치는 미세금속입자 또는 전구체가 표면에 패터닝되는 기판; 전압 및 전류를 발생하는 전원부; 전하를 집적하여 저장하는 축전부; 및 상기 기판의 상부에 배치되고, 상기 전원부로부터 전압 및 전류를 입력받고, 상기 축전부로부터 집적된 전하를 인가받아 아크 플라즈마를 생성하면 상기 기판의 표면으로 극단파 백색광을 출력하고, 상기 극단파 백색광의 조사를 통해 상기 미세금속입자 또는 전구체를 소결하는 광출력부;를 포함한다.
보다 바람직하게는 극단파 백색광을 출력하는 적어도 하나의 제논 플래시 램프(Xenon Flash Lamp); 상기 제논 플래시 램프의 상부에 배치되어, 상기 제논 플래시 램프로부터 상기 기판의 반대방향으로 출력되는 극단파 백색광에 대하여 기판 방향으로 출력되도록 광경로를 변경하는 반사경; 상기 제논 플래시 램프의 하부에 배치되어, 기설정된 파장대역을 갖는 극단파 백색광만을 필터링하는 광파장필터;를 포함하는 광출력부를 포함할 수 있다.
특히, 상기 기판의 수평방향으로 이동에 따른 이동속도에 기초하여 배치각도가 변경되는 제논 플래시 램프를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 기판의 하부에 상기 기판과 접촉하도록 배치되며, 상기 기판을 수평방향으로 좌우 이동시키는 수평이동부; 및 상기 기판과 상기 광출력부 사이의 거리를 조절하도록 상기 광출력부를 수직방향으로 상하 이동시키는 수직이동부;를 더 포함할 수 있다.
특히, 상기 기판을 가열시키는 가열판 또는 상기 기판을 냉각시키는 냉각판을 더 포함하는 수평이동부를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 제논 플래시 램프의 냉각을 위해 형성되는 냉각통로;를 더 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 기판의 상부에 배치되어, 상기 기판의 표면 상에 소결되는 상기 미세금속입자 또는 전구체의 소결상태를 실시간으로 모니터링하는 모니터링부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 기판 상에 패터닝되는 마이크로 또는 나노 크기의 다양한 미세 금속입자에 제논 플래시 램프로부터 발생되는 극단파 백색광을 조사하여 기판 상에 상기 금속입자를 손상없이 소결할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 기판 상에 미세입자 또는 전구체에 극단파 백색광을 비교적 짧은 시간 조사함으로써, 소결공정에 따른 소요시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 제논 플래시 램프로부터 발생되는 극단파 백색광을 비교적 단시간 동안 조사하여 소결공정이 단축됨에 따라, 구리와 같이 산화하기 쉬운 금속입자를 단시간 내에 소결할 수 있어, 상기 금속입자의 산화현상의 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 극단파 백색광 광소결장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 광출력부의 단면도이다.
도 3은 미세금속입자 및 전구체 용액을 기판 상에 패터닝한 후, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치를 통한 소결공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수 개의 제논 플래시 램프를 구비하는 극단파 백색광 광소결장치의 사시도, 측면도 및 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 극단파 백색광 광소결장치의 측면도 및 단면도이다.
도 6은 본 발명의 모니터링부의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 소결된 은 나노 입자층의 면저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 소결된 은 나노 입자층이 광에너지 수신 시, 이온 빔의 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 극단파 백색광 광소결장치에 의해 소결된 미세 구리입자 및 티타늄옥사이드의 입자층을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 극단파 백색광 광소결장치에 의해 소결된 미세 구리입자의 XRD(x-ray diffraction) 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 11 은 본 발명에 따른 극단파 백색광 광소결장치에 의해 소결된 미세 구리입자의 전기 저항도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 극단파 백색광 광소결 장치에 의한 미세 구리입자층의 소결 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 광출력부의 단면도이다.
도 3은 미세금속입자 및 전구체 용액을 기판 상에 패터닝한 후, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치를 통한 소결공정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수 개의 제논 플래시 램프를 구비하는 극단파 백색광 광소결장치의 사시도, 측면도 및 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 극단파 백색광 광소결장치의 측면도 및 단면도이다.
도 6은 본 발명의 모니터링부의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 소결된 은 나노 입자층의 면저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따라 소결된 은 나노 입자층이 광에너지 수신 시, 이온 빔의 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 극단파 백색광 광소결장치에 의해 소결된 미세 구리입자 및 티타늄옥사이드의 입자층을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 극단파 백색광 광소결장치에 의해 소결된 미세 구리입자의 XRD(x-ray diffraction) 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 11 은 본 발명에 따른 극단파 백색광 광소결장치에 의해 소결된 미세 구리입자의 전기 저항도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 극단파 백색광 광소결 장치에 의한 미세 구리입자층의 소결 상태를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시 예와 첨부한 도면을 참고로 하여 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 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 극단파 백색광 광소결장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 기판(110), 전원부(120), 축전부(130), 광출력부(140) 및 수평이동부(150)를 포함한다.
기판(110)은 미세금속입자 또는 전구체가 표면에 패터닝되며, 폴리머 또는 종이와 같이 플렉서블 특성을 갖는다. 이때, 상기 기판(110)의 표면에 패터닝되는 미세금속입자 또는 전구체는 구리, 철, 몰리브데넘, 니켈, 알루미늄, 금, 백금 등의 금속뿐만 아니라, 티타늄옥사이드(TiO2), 리튬코발트산화물(LiCoO2), 실리콘산화물(SiO2) 등의 세라믹을 포함할 수 있다. 이러한 상기 미세금속입자 또는 전구체는 상기 기판(110)의 상부표면에 건조된 상태로 패터닝되거나, 고분자 수지 중(예를 들면, polyethylene glycol(PEG) and polyvinyl alchol(PVA))에 분산된 상태로 패터닝되는 것이 바람직하다.
전원부(120)는 전압 및 전류를 발생하며, 발생한 상기 전압 및 전류를 상기 광출력부(140)로 전달한다.
축전부(130)는 전하를 집적하여 저장하여, 상기 광출력부(140)의 제논 플래시 램프의 양 전극 사이에 스파크가 발생하는 경우, 저장한 상기 전하를 상기 제논 플래시 램프로 전달한다.
광출력부(140)는 상기 기판(110)의 상부에 배치되고, 상기 전원부(120)로부터 전압 및 전류를 입력받고, 상기 축전부(130)로부터 집적된 전하를 인가받아 아크 플라즈마를 생성하면 상기 기판(110)의 표면으로 극단파 백색광을 출력하고, 상기 극단파 백색광의 조사를 통해 상기 미세금속입자 또는 전구체를 소결한다. 이러한 광출력부(140)는 제논 플래시 램프(142), 반사경(144), 광파장필터(146)를 포함한다.
제논 플래시 램프(Xenon Flash Lamp, 142)는 실린더 형상의 밀봉된 석영튜브 안에 주입된 제논가스를 포함하여, 적어도 하나가 구비된다. 이러한 제논가스는 입력받은 전기에너지로부터 광에너지를 출력하며, 50%가 넘는 에너지 변환율을 갖는다. 또한, 상기 제논 플래시 램프(142)는 내부 양쪽에 양극 및 음극 형성을 위해 텅스텐과 같은 금속전극이 형성된다. 이러한 제논 플래시 램프(142)는 상기 전원부(120)로부터 발생된 높은 전원 및 전류를 인가받으면, 내부에 주입된 제논가스가 이온화되고, 이때, 상기 양극과 음극 사이로 스파크가 발생된다. 이때, 상기 축전부(130)에 집적된 전하가 상기 제논 플래시 램프(142)로 인가되고, 이에 따라 상기 스파크를 통해 약 1000A의 1 내지 10ms 동안 전류가 흐르면서 상기 제논 플래시 램프(142) 내부에는 아크 플라즈마 형상이 발생하고, 결국 강한 세기의 빛이 발생된다. 특히, 발생된 상기 빛은 160nm 내지 2.5mm 사이의 자외선부터 적외선까지의 넓은 파장대역의 광 스펙트럼을 갖는 극단파 백색광이다. 이때, 상기 극단파 백색광의 에너지는 약 1 J/cm2 내지 100 J/cm2 를 갖는다. 또한, 추가적으로 구비되는 제어부(미도시)를 통해 상기 기판(110)으로의 광조사 시간을 0.1 내지 10 ms까지 조절할 수 있다.
반사경(144)은 상기 제논 플래시 램프(142)의 상부에 배치되어, 상기 제논 플래시 램프(142)로부터 상기 기판(110)의 반대방향으로 출력되는 극단파 백색광에 대하여 기판(110) 방향으로 출력되도록 광경로를 변경한다.
광파장필터(146)는 상기 제논 플래시 램프(142)의 하부에 배치되어, 기설정된 파장대역을 갖는 극단파 백색광만을 필터링한다. 특히, 이러한 광파장필터(146)는 상기 제논 플래시 램프(142)로부터 자외선광이 발생되는 경우, 상기 자외선광이 폴리머 재질로 이루어지는 기판(110)을 손상시킬 수 있음에 따라 사용되는 기판(110)의 종류에 따라 자외선 대역의 광의 출력을 차단시킬 수 있다.
수평이동부(150)는 컨베이어 벨트와 같이, 상기 기판(110)의 하부에 상기 기판(110)과 접촉하도록 배치되어, 상기 기판(110)을 수평방향으로 이동시키되, 이동속도와 광조사주기에 대응되도록 함으로써, 실시간 소결공정이 수행되도록 한다. 이러한 수평이동부(150)는 상기 기판(110)을 가열시키기 위한 가열판 또는 상기 기판을 냉각시키기 위한 냉각판을 더 포함한다.
이처럼, 상기 기판(110)을 상기 가열판을 통해 추가적으로 가열하는 경우에는 적은 극단파 백색광 에너지로도 소결을 할 수 있고, 뿐만 아니라 상기 제논 플래시 램프(142)의 수명 또한 연장시킬 수 있다. 또한, 상기 기판(110)을 냉각판을 통해 추가적으로 냉각시키는 경우에는 폴리머 또는 종이와 같은 플렉서블 기판(110)의 손상을 방지할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 광출력부에 따른 광출력과정에 대하여 보다 자세히 살펴보도록 한다.
도 2는 도 1의 광출력부의 단면도이다.
전원부(120)로부터 발생된 전압 및 전류가 상기 제논 플래시 램프(142)로 인가되면, 내부의 제논가스가 이온화되고, 이에 따라 상기 제논 플래시 램프(142)의 내부에 형성되는 양극 및 음극의 금속 간에 스파크가 생긴다. 이때, 축전부(130)로부터 전하가 인가되면, 상기 제논 플래시 램프(142) 내부에서는 아크 플라즈마 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 강한 세기의 극단파 백색광이 발생된다. 이와 같이 발생된 상기 극단파 백색광은 상기 제논 플래시 램프(142)의 하부에 배치되는 광파장필터(146)를 통과하여, 기설정된 파장대역만을 갖는 극단파 백색광만이 광출력부(140)의 하부에 기설정된 거리만큼 이격되어 배치되는 기판(110)의 상부에 배치되는 미세 금속입자 또는 전구체(112)로 출력된다.
특히, 상기 제논 플래시 램프(142)는 원통형태를 이루고 있음에 따라 상기 기판(110)이 형성되지 않은 상부방향으로 방출되는 극단파 백색광을 상기 기판(110)으로 출력되도록 하기 위하여, 상기 제논 플래시 램프(142)의 상부에 배치되는 반원통형태를 갖는 반사경(144)을 통해, 상기 기판(110)이 형성되지 않은 제논 플래시 램프(142)의 상부방향으로 방출되는 극단파 백색광의 광경로는 상기 반사경(144)을 통해 상기 기판(110)이 형성된 하부방향으로 변경함으로써, 상기 기판(110)으로 출력된다. 이에 따라, 상기 제논 플래시 램프(142)로부터 발생되는 극단파 백색광이 기판(110)으로 전달되는 양을 증가시켜, 전기에너지로부터의 광에너지로의 변환효율을 향상시킬 수 있다.
이와 더불어, 롤투롤 공정 상에 잉크의 건조와 소결 공정을 연속하여 달성하기 위해, 컨베이어 벨트의 방향과 속도에 대응하도록 상기 제논 플래시 램프(142)의 각도를 변화시켜 건조와 소결 공정을 동시에 수행할 수 있다.
특히, 상기 제논 플래시 램프의 표면온도는 최대 1200 내지 1500K까지 상승함에 따라, 상기 제논 플래시 램프(142)의 표면 온도를 일정하게 낮추기 위해, 냉각수를 상기 제논 플래시 램프 상에 순환시키도록 한다.
이와 같은 광출력과정을 통한 기판에 상태에 대하여 도 3을 참조하여 자세히 살펴보도록 한다.
도 3은 미세금속입자 및 전구체 용액을 기판 상에 패터닝한 후, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치를 통한 소결공정을 나타낸 도면이다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 표면 일부에 미세형태로 이루어지는 금속입자 또는 전구체가 패터닝된다.
이어서 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 상기 기판(110)의 표면에 패터닝된 미세 금속입자 또는 전구체로의 광출력 즉, 광조사가 이루어진다. 이때, 상기 기판(110)의 상부로 이루어지는 광출력과정은 상기 기판(110)의 표면 일부에 패터닝된 미세 금속입자 또는 전구체를 모두 덮도록 면형태로 조사되는 것이 바람직하다. 이러한 광조사과정은 25℃의 상온 대기 상태에서 수행된다.
즉, 미세 금속입자가 나노 또는 마이크로 크기가 되면, 입자의 표면적 비가 커지게 되므로, 빛흡수도 또한 현저히 증가하게 된다. 또한, 나노 크기의 상기 미세 금속입자가 열역학적 현상에 의해 입자 자체의 녹는점이 감소함에 따라, 제논 플래시 램프로부터 조사된 극단파 백색광이 미세 금속입자에 효과적으로 흡수될 수도 있고, 흡수된 빛은 입자의 온도를 급격히 상승시키게 된다.
이에 따라, 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 광출력과정이 완료된 상기 기판(110)의 미세 금속입자 또는 전구체에 대하여 소결이 이루어진 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복수 개의 제논 플래시 램프를 구비하는 극단파 백색광 광소결장치의 사시도, 측면도 및 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치(100)는 기판(110)의 상부에 기설정된 거리만큼 이격되는 광출력부(140)가 배치되고, 상기 기판(110)을 수평방향으로 이동시키도록 하는 수평이동부(150)가 상기 기판(110)의 하부에 배치된다. 또한, 상기 기판(110)과 상기 광출력부(140)간의 광출력거리 즉, 광조사거리를 조절하기 위하여, 수평상태로 배치되는 상기 기판(110)과 상기 광출력부(140)에 대하여 지지대(160)가 수직상태로 상기 기판(110)과 상기 광출력부(140)의 양끝단에 각각 배치된다. 이러한 상기 지지대(160)는 상하방향으로 내부에 캐비티를 구비한다. 이와 같은 상기 지지대(160)의 캐비티 내부에 상기 광출력부(140)의 양끝단으로부터 연장형성되는 수직이동부(170)가 배치된다. 이에 따라, 상기 수직이동부(170)는 상기 지지대(160)의 캐비티 내부에서 상기 광출력부(140)의 광출력거리 즉, 광조사거리를 조절하기 위해 상하방향으로 이동함에 따라, 상기 수직이동부(170)로부터 연장되어 형성되는 상기 광출력부(140) 또한 상하로 이동할 수 있다.
또한, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 광출력부(140)의 위치 및 배치각도를 상기 수평이동부(150)의 이동방향 및 이동속도에 기초하여 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 극단파 백색광 광소결장치의 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 상기 기판(110)의 하부에 배치된 수평이동부(150)의 이동방향 또는 이동속도에 따라 상기 기판(110)의 상부에 배치되는 광출력부(140) 즉, 적어도 하나의 제논 플래시 램프의 열(row)의 배치각도를 상기 기판(110)과 수평상태가 아닌 일부 기울어진 형태로 배치하여 상기 제논 플래시 램프가 상기 기판(110)과 보다 가까이 배치되도록 함으로써 광을 출력하도록 한다. 이에 따라, 상기 기판(110)에 표면에 형성된 미세 금속입자 또는 전구체에 대한 용매 증발 및 소결공정을 용이하게 수행할 수 있게 된다.
광소결공정은 통상적으로 25℃ 상온의 대기상태에서 수행되는데, 이때, 상기 금속입자 또는 전구체가 마이크로 또는 나노 정도의 미세크기인 경우, 상기 금속입자 또는 전구체의 입자 표면적 비가 증가하게 되고, 따라서 광흡수도 또한 증가하게 된다. 뿐만 아니라, 상기 금속입자 또는 전구체의 입자가 나노 크기인 경우, 열역학적 현상에 의해 입자 자체의 녹는점이 감소하게 된다. 그러므로, 제논 플래시 램프(142)로부터 조사된 극단파 백색광이 상기 금속입자 또는 전구체의 입자에 효과적으로 흡수될 수 있으며, 흡수된 광에 의해 상기 금속입자 또는 전구체의 입자의 온도가 급격히 증가하게 된다. 이러한 경우, 상기 기판(110)의 하부에 배치되는 수평이동부(150)의 내부에 포함되는 가열판 또는 냉각판에 의해, 상기 기판(110)을 추가적으로 가열하거나, 냉각시키게 된다.
이처럼, 상기 기판(110)을 추가적으로 가열하는 경우, 적은 광에너지로도 소결을 수행할 수 있으며, 또한 제논 플래시 램프(142)의 수명을 증가시킬 수 있다. 또한 기판(110)이 폴리머 또는 종이와 같은 플렉서블 특성을 갖는 물질로 이루어진 경우, 상기 기판(110)을 추가적으로 냉각시킴으로써 상기 기판(110)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 제논 플래시 램프(142)의 표면온도가 광출력 중에는 1200 내지 1500K까지 상승하기 때문에, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 상기 제논 플래시 램프(142)의 표면온도를 낮추기 위해 별도의 냉각장치와 연결되는 냉각통로를 포함하여, 상기 냉각통로를 통해 냉각수가 상기 제논 플래시 램프(142)로 공급되도록 한다.
또한, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 상기 기판(110)의 상부에 배치되는 모니터링부를 더 포함하도록 하여, 상기 광출력부(140)로부터 조사되는 광에 의해 소결되는 미세금속입자 또는 전구체의 소결상태를 상기 모니터링부를 통해 실시간으로 감시할 수 있도록 한다.
이하, 도 6을 참조하여, 모니터링부의 세부 구성에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.
도 6은 본 발명의 모니터링부의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 모니터링부(180)는 오실로스코프(182), 소스 미터기(184) 및 휘트스톤 브리지(186)를 포함하고, 상기 오실로스코프(182)와 소스 미터기(184)가 휘트스톤 브리지(186)에 연결되어, 소결되는 미세 금속입자 또는 전구체(112)의 저항 데이터를 측정할 수 있다. 이에 따라, 에너지량, 소결시간, 소결에 해당하지 않는 펄스 등을 조절하여, 미세 금속입자의 최적 소결 조건을 찾을 수 있다.
도 7은 본 발명에 따라 소결된 은 나노 입자층의 면저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7(a)는 은 나노 입자가 광에너지 7.5 J/㎠를 펄스 개수 10개로 나누어 인가받을 때의 소결되는 과정 시, 저항의 그래프를 나타내고, 도 7(b)는 은 나노 입자가 광에너지 3 J/㎠를 펄스 개수 4개로 나누어 인가받을 때의 소결되는 과정 시, 저항의 그래프를 나타내며, 도 7(c)는 은 나노 입자가 광에너지 3 J/㎠를 펄스 개수 1개로 인가 받을 때의 소결되는 과정 시, 저항의 그래프를 나타낸다.
이때, 본 발명의 모니터링부 내 오실로스코프가 휘트스톤 브리지의 저항차이에 의해, 변화하는 저항값을 이용하여 저항 데이터 20×104개/1s를 획득한다.
이에 따라, 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 광에너지 7.5 J/㎠를 펄스 개수 10개로 나누어 은 나노 입자가 입력받는 경우, 5 번째 펄스 이후부터는 상기 광에너지가 소결에 관여하지 않는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 은 나노 입자가 광에너지 3 J/㎠를 펄스 개수 4개로 나누어 입력받는 경우, 도 7(a)와 비교하면, 저항값이 크게 변하지 않는 것을 알 수 있으며, 도 7(c)에 도시된 바와 같이, 은 나노 입자에 광에너지 3 J/㎠를 한 번에 인가하는 경우, 저항값의 변화가 매우 미미하므로, 은 나노 입자에 대한 최적의 소결 조건인 광에너지 3 J/㎠를 펄스 1번에 인가하는 조건을 찾을 수 있다.
도 8은 본 발명에 따라 소결된 은 나노 입자층이 광에너지 수신 시, 이온 빔의 상태를 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 소결되지 않은 은 나노 입자의 패턴은 고르지 못하고, 비교적 두꺼운 것을 알 수 있고, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 최적의 소결 조건에 따라, 광에너지 3 J/㎠를 펄스 1번에 은 나노 입자에 인가하게 되면, 은 나노 입자의 패턴 면이 고르게 소결된 것을 알 수 있다. 하지만 이와 달리, 도 8(c)에 도시된 바와 같이, 과도한 광에너지 3.5 J/㎠를 펄스 한 번에 은 나노 입자로 인가하게 되면, 기판과 은 나노 입자의 패턴이 분리되어, 폴리에틸렌 기판에 변형이 발생하는 것을 알 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치를 이용한 실험한 결과를 살펴보도록 한다.
도 9는 본 발명에 따른 극단파 백색광 광소결장치에 의해 소결된 미세 구리입자 및 티타늄옥사이드의 입자층을 나타낸 도면이다.
본 실험에서는 약 20 내지 30nm 크기의 여러 종류의 금속입자 또는 전구체 입자를 기판(110) 상에 도포하고, 50 J/cm2의 극단파 백색광에너지를 2ms 동안 조사하였으며, 상기 기판(110)과 광출력부(140) 사이의 거리는 14mm를 갖는다.
도 9(a)는 구리입자의 미소결상태를 나타낸 그림이고, 도 9(b)는 소결된 구리잉크를 나타낸 그림이며, 도 9(c)는 티타늄옥사이드 입자의 미소결상태를 나타낸 그림이고, 도 6(d)는 소결된 상태의 티타늄옥사이드를 나타낸 그림이다.
도 9(a) 내지 도 9(d)에 도시된 바와 같이, 구리입자 또는 티타늄옥사이드입자의 세라믹 입자들은 성공적으로 소결되어 그레인 구조를 이루는 것을 알 수 있다. 이때, 상기 금속입자의 경우 가시광선 영역에서의 빛으로도 소결되나, 반면에 티타늄옥사이드와 같은 세라믹 입자의 경우에는 자외선 영역의 광을 조사하여야만 소결되는 것을 알 수 있다.
이러한 실험을 통해, 구리 및 티타늄옥사이드의 최적 소결공정 조건을 하기의 표 1과 같이 획득할 수 있다.
| 종류 | 광세기 | 광조사시간 | 광파장범위 |
| 구리 | 45 ~ 50 J/cm2 | 2 ~ 5 msec | 400 ~ 1000 nm |
| 티타늄옥사이드 | 50 J/cm2 | 2 msec | 200 ~ 400 nm |
도 10은 본 발명에 따른 극단파 백색광 광소결장치에 의해 소결된 미세 구리입자의 XRD(x-ray diffraction) 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 모든 XRD 패턴의 피크(peak)들이 순수구리와 일치하며, 산화구리와 일치하는 패턴은 보이지 않는 것을 알 수 있다. 이는 2ms 정도의 비교적 짧은 광소결공정 시간으로 인하여 상기 구리입자가 광소결공정동안 산화되지 않는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 극단파 백색광 광소결장치에 의해 소결된 미세 구리입자의 전기 저항도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 구리 필름의 전기 저항도는 광에너지가 30 J/cm2 상일 때부터 줄어들다가 50 J/cm2 이상인 경우, 약 5 μΩㆍ㎝ 에 이르는 것을 알 수 있다. 이러한 수치는 일반 구리판의 전기 저항도(1.68 μΩㆍ㎝)와 비교하였을 때, 약 3배 이상 높은 것으로, 인쇄전자장치에서도 사용할 수 있다.
또한, 각각의 기판의 종류에 따라서도, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치에 의한 미세 구리입자층의 소결상태를 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 극단파 백색광 광소결 장치에 의한 미세 구리입자층의 소결 상태를 나타내는 도면이다.
도 12(a)는 폴리이미드 기판의 광소결상태를 나타내고, 도 12(b)는 BT 에폭시/유리 섬유 기판의 광소결상태를 나타내며, 도 12(c)는 폴리 에틸렌 필름의 광소결상태를 나타낸다. 이와 같이, 다양한 종류의 폴리머 기판의 표면에 패터닝되고, 광소결된 구리입자 잉크 패턴을 통해 모든 폴리머 재료에 손상이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 특히 비교적 저온의 녹는점(100℃)을 갖는 폴리에틸렌 기판의 표면에서도 손상없이 소결이 이루어지는 것을 알 수 있다.
더불어, 본 발명을 통해, 미세 금속입자 또는 전구체의 크기가 1 nm 내지 50um까지 비교적 넓은 범위에서 폴리 에틸렌 또는 폴리 프로필렌과 같은 열가소성 기판이나, 종이 또는 유리에서도 소결시킬 수 있고, 상온의 대기상태에서도 0.5 내지 20ms 사이 비교적 짧은 시간 동안 완전한 소결을 이룰 수 있다.
본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 기판 상에 패터닝되는 마이크로 또는 나노 크기의 다양한 미세 금속입자에 제논 플래시 램프로부터 발생되는 극단파 백색광을 조사하여 기판 상에 상기 금속입자를 손상없이 소결할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 기판 상에 미세입자 또는 전구체에 극단파 백색광을 비교적 짧은 시간 조사함으로써, 소결공정에 따른 소요시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명의 극단파 백색광 광소결장치는 제논 플래시 램프로부터 발생되는 극단파 백색광을 비교적 단시간 동안 조사하여 소결공정이 단축됨에 따라, 구리와 같이 산화하기 쉬운 금속입자를 단시간 내에 소결할 수 있어, 상기 금속입자의 산화현상의 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연하다.
110: 기판 120: 전원부
130: 축전부 140: 광출력부
130: 축전부 140: 광출력부
Claims (7)
- 미세금속입자 또는 전구체가 표면에 패터닝되는 기판;
전압 및 전류를 발생하는 전원부;
전하를 집적하여 저장하는 축전부; 및
상기 기판의 상부에 배치되고, 상기 전원부로부터 전압 및 전류를 입력받고, 상기 축전부로부터 집적된 전하를 인가받아 아크 플라즈마를 생성하면 상기 기판의 표면으로 극단파 백색광을 출력하고, 상기 극단파 백색광의 조사를 통해 상기 미세 금속입자 또는 전구체를 소결하는 광출력부;
를 포함하는 극단파 백색광 광소결장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광출력부는
극단파 백색광을 출력하는 적어도 하나의 제논 플래시 램프(Xenon Flash Lamp);
상기 제논 플래시 램프의 상부에 배치되어, 상기 제논 플래시 램프로부터 상기 기판의 반대방향으로 출력되는 극단파 백색광에 대하여 기판 방향으로 출력되도록 광경로를 변경하는 반사경;
상기 제논 플래시 램프의 하부에 배치되어, 기설정된 파장대역을 갖는 극단파 백색광만을 필터링하는 광파장필터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 극단파 백색광 광소결장치.
- 제2항에 있어서,
상기 제논 플래시 램프는
상기 기판의 수평방향으로 이동에 따른 이동속도에 기초하여 배치각도가 변경되는 것을 특징으로 하는 극단파 백색광 광소결장치.
- 제1항에 있어서,
상기 기판의 하부에 상기 기판과 접촉하도록 배치되며, 상기 기판을 수평방향으로 좌우 이동시키는 수평이동부; 및
상기 기판과 상기 광출력부 사이의 거리를 조절하도록 상기 광출력부를 수직방향으로 상하 이동시키는 수직이동부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극단파 백색광 광소결장치.
- 제4항에 있어서,
상기 수평이동부는
상기 기판을 가열시키는 가열판 또는 상기 기판을 냉각시키는 냉각판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극단파 백색광 광소결장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제논 플래시 램프의 냉각을 위해 형성되는 냉각통로;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극단파 백색광 광소결장치.
- 제1항에 있어서,
상기 기판의 상부에 배치되어, 상기 기판의 표면상에 소결되는 상기 미세 금속입자 또는 전구체의 소결상태를 실시간으로 모니터링하는 모니터링부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극단파 백색광 광소결장치.
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ID=47517319
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120056100A KR20120134035A (ko) | 2011-05-30 | 2012-05-25 | 극단파 백색광 광소결장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20120134035A (ko) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101484144B1 (ko) * | 2013-01-23 | 2015-01-21 | (주)쎄미시스코 | 전기 전도성 잉크의 확장형 광 소결장치 |
| KR101526937B1 (ko) * | 2013-12-11 | 2015-06-10 | (주)유니버셜스탠다드테크놀러지 | 광소결 공정을 위한 백색광 조사장치 |
| KR20160088267A (ko) | 2016-07-07 | 2016-07-25 | 에스씨아이엔티(주) | 전도성 잉크 조성물 및 이의 제조방법 |
| KR20170102102A (ko) * | 2016-02-29 | 2017-09-07 | 주식회사 비에스피 | 구리 미립자의 광소결 장치 |
| KR20170137236A (ko) * | 2016-06-02 | 2017-12-13 | 한양대학교 산학협력단 | 기판 손상 방지 장치를 구비하는 광 소결 장치 |
| KR20180031335A (ko) * | 2016-09-20 | 2018-03-28 | (주)에이피텍 | 유연기판의 미세 패터닝 인쇄를 위한 ehd 방식의 배선용 3d 프린터 |
| KR101879367B1 (ko) * | 2016-01-18 | 2018-07-18 | 한국기계연구원 | 패턴 두께 계측을 통한 광소결 제어시스템 |
| KR101992654B1 (ko) | 2018-01-04 | 2019-06-25 | 태양쓰리시 주식회사 | 전도성 잉크 조성물 및 이의 제조방법 |
| KR20200028733A (ko) * | 2018-09-07 | 2020-03-17 | 한양대학교 산학협력단 | 세라믹 박막의 광소결 방법 |
| KR20200028859A (ko) * | 2018-09-07 | 2020-03-17 | 한양대학교 산학협력단 | 광소결 장치 |
| US11729942B2 (en) | 2017-12-15 | 2023-08-15 | Iucf-Hyu (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) | Device for light sintering and cooling method for device for light sintering |
-
2012
- 2012-05-25 KR KR1020120056100A patent/KR20120134035A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101484144B1 (ko) * | 2013-01-23 | 2015-01-21 | (주)쎄미시스코 | 전기 전도성 잉크의 확장형 광 소결장치 |
| KR101526937B1 (ko) * | 2013-12-11 | 2015-06-10 | (주)유니버셜스탠다드테크놀러지 | 광소결 공정을 위한 백색광 조사장치 |
| KR101879367B1 (ko) * | 2016-01-18 | 2018-07-18 | 한국기계연구원 | 패턴 두께 계측을 통한 광소결 제어시스템 |
| KR20170102102A (ko) * | 2016-02-29 | 2017-09-07 | 주식회사 비에스피 | 구리 미립자의 광소결 장치 |
| KR20170137236A (ko) * | 2016-06-02 | 2017-12-13 | 한양대학교 산학협력단 | 기판 손상 방지 장치를 구비하는 광 소결 장치 |
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| US11729942B2 (en) | 2017-12-15 | 2023-08-15 | Iucf-Hyu (Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University) | Device for light sintering and cooling method for device for light sintering |
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| KR20200028859A (ko) * | 2018-09-07 | 2020-03-17 | 한양대학교 산학협력단 | 광소결 장치 |
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