KR20140040383A - 가장자리 부분이 라운딩 처리된 캐비티를 갖는 슬롯 다이 및 슬롯 다이를 이용한 도포 방법 - Google Patents

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KR20140040383A KR1020120106919A KR20120106919A KR20140040383A KR 20140040383 A KR20140040383 A KR 20140040383A KR 1020120106919 A KR1020120106919 A KR 1020120106919A KR 20120106919 A KR20120106919 A KR 20120106919A KR 20140040383 A KR20140040383 A KR 20140040383A
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Abstract

본 발명은 슬롯 다이에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캐비티 내 양 측부에는 내향 곡면이 형성된 라운딩부가 있고, 수학식 1로 정의되는 라운딩 파라미터(α)가 0.5 초과 내지 1.0 이하의 범위를 갖음으로써, 도포막의 폭 방향에 있어서의 두께 불균일 문제를 개선하고, 도포액 내 존재할 수 있는 침강성 물질이 캐비티 양 끝단에서 침강되지 않도록 하여 침강으로 인한 코팅필름의 헤이즈 불균일 문제를 개선할 수 있는 슬롯 다이에 관한 것이다.

Description

가장자리 부분이 라운딩 처리된 캐비티를 갖는 슬롯 다이 및 슬롯 다이를 이용한 도포 방법{SLOT DIE WITH THE CORNER PORTION ROUNDED, AND COATING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 가장자리 부분이 라운딩 처리된 캐비티를 갖는 슬롯 다이 및 슬롯 다이를 이용한 도포 방법에 관한 것이다.
하나의 물질층(기재) 위에 다른 물질층을 적층하기 위하여 물질층 형성 조성물을 도포하는 경우가 많다. 일반적으로 도포액은 물질층 형성 조성물을 용매나 분산매에 녹여 용액이나 슬러리와 같은 유동성이 있는 형태로 만들어 사용된다.
도포액을 넓은 면적에 비교적 얇게 도포하는 장비로는 다이 코터(die coater)가 대표적인데, 이 중 슬롯 다이(slot die)는 기재에 일정 폭으로 도포액을 도포하여 물질층을 형성하기 위한 장치이다.
슬롯 다이는 만년필에서 잉크가 펜촉 끝단으로 나오듯이 슬롯 다이의 두 쪽으로 나뉜 끝단의 틈으로 도포액이 배출되도록 하는 구조로 되어 있다. 슬롯 다이를 이용하여 기재 상에 도포액을 도포하기 위해서 슬롯 다이 자체가 움직이거나 기재가 움직이게 된다.
슬롯 다이를 사용한 도포 방법은 생산성이나 재현성 측면에서 여타의 코팅방법에 비하여 우수하여 현재까지 평판 디스플레이 분야 및 이차 전지 분야에 널리 사용되어 왔으며 특히 디스플레이 분야의 기능성 표면처리 필름의 코팅에 많이 사용되고 있다.
한편 슬롯 다이는 생산 효율을 높이기 위해 대형화되는 추세에 있다. 그런데 슬롯 다이의 토출구의 폭 방향(세로방향)이 커질수록, 토출구 중앙부분과 양 끝단 부분과의 도포액의 토출속도나 토출량의 차이가 심화되어 코팅층의 두께가 불균일해지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 한국특허출원 제2007-0008270호는 슬롯다이의 매니폴드 내에서 액공급부로부터 단부까지 적어도 40% 영역에 있어서 도포액의 평균 유속이 액공급부로부터 멀어짐에 따라 크게 하는 구조의 슬롯 다이를 제시한다. 이 도포장치를 사용하면 도포막에 발생하는 줄무늬 등의 외관 불량의 발생을 저감시킬 수 있다.
그런데 도포액에 침강성 물질이 포함된 경우 상기의 슬롯 다이 도포장치를 사용하면 캐비티의 양 끝단에서 침강성 물질이 가라앉게 되는 침강현상을 완전히 해결할 수 없다. 이 침강현상은 캐비티 양 끝단 모서리 부에서 도포액의 흐름이 정체되면서 도포액의 유속보다 침강성 물질의 침강 속도가 빨라지기 때문에 발생하는데 상기의 침강현상은 침강영역 내 도포액의 불균일을 발생시키고 그에 따른 헤이즈 불균일을 발생시키는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 슬롯 다이 도포장치를 사용하여 도포액을 기재 상에 도포할 때 발생하는 도포막의 두께 불균일 문제 및 헤이즈 불균일 문제를 개선한 슬롯 다이를 제공하는 것이다. 특히 침강성 물질이 포함된 도포액을 기재상에 도포할 때도 캐비티의 양 끝단에서 침강성 물질이 가라앉게 되어 발생하는 헤이즈 불균일 문제를 개선한 슬롯 다이를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 슬롯 다이 본체, 상기 슬롯 다이 본체의 내부에 존재하여 외부 도포액 공급원과 연결되는 도포액 공급라인, 상기 도포액 공급라인과 연결되는 캐비티, 및 상기 캐비티와 연결되는 슬롯을 포함하여 이루어지는 슬롯 다이에 있어서, 상기 캐비티 내 양 측부에는 내향 곡면이 형성된 라운딩부가 있고, 하기 수학식 1로 정의되는 라운딩 파라미터(α)가 0.5 초과 내지 1.0 이하인 것인 슬롯 다이를 제공한다.
Figure pat00001
바람직하게 상기 라운딩 파라미터(α)는 0.65 초과 내지 1.0 이하 일 수 있다.
상기 도포액은 침강성 물질이 포함된 것일 수 있다.
상기 침강성 물질은 입자상이고, 하기 수학식 2의 침강속도 범위가 10㎛/s 이하인 것일 수 있다.
Figure pat00002
(식 중, ω는 입자의 침강속도(㎛/s)이고, d는 입자의 반경(m)이고, ρs는 입자의 밀도(kg/m3)이고, ρ는 도포액의 밀도(kg/m3)이고, g는 중력가속도(m/s2)이며, μ는 도포액의 점도(kg/m·s)임)
또한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 상기 슬롯 다이를 이용한 도포액의 도포방법을 제공한다.
상기 도포액으로부터 형성된 코팅층은 하기 수학식 3으로 정의되는 두께불균일 발생 정도가 10% 이하인 것일 수 있다.
Figure pat00003
본 발명에 따른 슬롯 다이는 하나의 물질층(기재) 위에 다른 물질층을 적층하기 위하여 도포액을 도포할 때, 캐비티 내 도포액의 속도가 느려지는 부분을 제거하여 도포막의 폭 방향에 있어서의 두께 불균일 문제를 개선하고, 도포액 내 존재할 수 있는 침강성 물질이 캐비티 양 끝단에서 침강되지 않도록 하여 침강으로 인한 코팅필름의 헤이즈 불균일 문제를 개선할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 슬롯 다이의 사시도이고,
도 2는 일반적인 슬롯 다이의 측단면도이고,
도 3은 종래의 슬롯 다이의 평면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 가장자리 부분이 라운딩 처리된 캐비티를 갖는 슬롯 다이의 평면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 슬롯 다이의 캐비티 내 라운딩부의 사시도이고,
도 6은 제조예 2에 따른 슬롯 다이의 캐비티 내 측부 10mm에서의 침강 발생 예상 영역(침강속도 2.3㎛/s보다 느린 유속 영역)을 보여주는 유동해석 데이터이다.
본 발명은 슬롯 다이 본체, 상기 슬롯 다이 본체의 내부에 존재하여 외부 도포액 공급원과 연결되는 도포액 공급라인, 상기 도포액 공급라인과 연결되는 캐비티, 및 상기 캐비티와 연결되는 슬롯을 포함하여 이루어지는 슬롯 다이에 있어서, 상기 캐비티 내 양 측부에는 내향 곡면이 형성된 라운딩부가 있고, 하기 수학식 1로 정의되는 라운딩 파라미터(α)가 0.5 초과 내지 1.0 이하인 것이다.
[수학식 1]
라운딩 파라미터(α)=라운딩 반경(a)/캐비티의 도포액 토출방향 길이(b)
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 이용하여 더욱 상세하게 설명하나, 이는 본 발명의 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.
도 1은 일반적인 슬롯 다이의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 슬롯 다이는 슬롯 다이 본체(100, 200, 300)와 상기 다이 본체 내부의 어느 한쪽 또는 양쪽에 형성되어 있어 도포액을 폭 방향으로 분배시키는 캐비티(120)와 상기 캐비티에 도포액을 주입하기 위한 도포액 공급 라인(115)과 상기 캐비티(120)에 연결되어 도포액을 기재에 도포하는 슬롯(130)을 포함하여 이루어 진다.
슬롯 다이는 슬롯 다이 본체(100, 200, 300)가 상부 플레이트(100), 하부 플레이트(200) 그리고 슬릿갭을 유지시켜 주는 shim(300)으로 구성되는 shim 타입과 상부 플레이트(100)나 하부 플레이트(200) 어느 한쪽에 shim(300)이 합체되어 있는 shimless 타입으로 나뉜다. 통상 슬립갭의 크기는 50~150μm인데, 상기 Shim 타입의 경우, 상부 플레이트(100)와 하부 플레이트(200) 사이의 Shim(300)을 바꿔 끼워줌으로써 슬릿갭의 두께와 토출구(140)의 크기를 조절할 수 있다.
도포액 공급라인(115)은 캐비티(120)의 중앙부에 연결되어 도포액을 공급하기 위한 통로로 사용된다. 도포액 주입구(110)에 주입된 도포액은 도포액 공급라인(115)을 통해 캐비티(120) 내로 주입된다.
캐비티(120)는 도포액 공급라인(115)과 연결되고, 도포액 공급라인(115)으로부터 주입된 도포액으로 채워진다. 채워진 도포액은 얇은 슬롯(130)을 통하여 토출구(140)로 토출되고, 토출된 도포액은 기재 상에 도포된다.
캐비티(120)는 토출구(140) 중앙부와 양 측부에서의 도포액 유속을 조절하는 역할을 하지만 종래 구조의 캐비티는 도포액 유속 조절 기능을 충분히 수행하지 못했기 때문에 도포액의 토출량 불균일의 문제가 있었다.
슬롯(130)은 캐비티로 공급된 도포액이 토출구(140)를 통하여 기재에 도포될 때 통로 역할을 한다.
도 2는 일반적인 슬롯 다이의 측단면도이다. 슬롯 다이에 의한 도공은 슬롯 다이가 고정되고 기재가 움직이는 형태이거나 슬롯 다이가 움직이고 기재가 고정되는 형태로 나뉜다. 도 2의 슬롯 다이 도공은 슬롯 다이가 고정된 상태에서 기재필름(400)이 백업롤에 의해 이동되는 전자의 형태이다.
도 3은 종래의 슬롯 다이의 평면도이다. 도 3을 참조하면, 반원통 형태의 캐비티(120)는 슬롯 다이의 상부에서 볼 때 직사각형 형태이다.
도 4는 본 발명에 따른 캐비티의 평면도이다. 종래의 슬롯 다이와 달리 본 발명에 따른 캐비티는 캐비티 양 측부에 내향 곡면이 형성된 라운딩부가 있어, 평면도상 두 개의 꼭지점이 둥근 직사각형 형태이다. 도 5는 본 발명에 따른 슬롯 다이의 캐비티 내 라운딩부의 사시도이다.
도 4를 참조하면, a는 라운딩 반경이고, b는 캐비티의 도포액 토출방향 길이이다. 캐비티의 양 측부에는 형성된 라운딩부는 하기 수학식 1로 정의되는 라운딩 파라미터(α)가 0.5 초과 내지 1.0 이하이고, 보다 바람직하게는 0.65 초과 내지 1.0 이하이다.
[수학식 1]
라운딩 파라미터(α)=라운딩 반경(a)/ 캐비티의 도포액 토출방향 길이(b)
슬롯 다이에 있어서, 도포액 공급라인은 캐비티 중앙부와 연결되어 있다. 따라서 도포액 공급라인을 통해 주입된 도포액의 유속은 캐비티 내 중앙부에서 빠르고, 양 측부에서는 상대적으로 느려진다. 슬롯 다이의 토출구의 폭 방향이 대형화될수록 이러한 유속 감소 정도는 심화된다.
캐비티 내 양 끝부에서 일어나는 도포액의 유속 감소 현상은 토출구 중앙부분과 양 끝단 부분에서 토출되는 도포액의 토출량이 달라지게 하고, 이로 인해 코팅층의 두께 불균일이 발생한다. 또한 캐비티 내 양 측부에서 도포액의 유속이 도포액 내 침강성 물질의 침강속도보다 더 감소되면, 도포액 내 침강성 물질의 침강현상이 발생하며 이는 코팅층의 헤이즈 불균일을 야기시킨다.
그러나 본 발명에 따른 슬롯 다이는 캐비티 내 양 끝부에 도포액의 유속이 감소하는 부분을 라운딩 처리를 통해 제거하여 코팅층의 두께 불균일 및 헤이즈 불균일 문제를 해결하고자 하는 것이다. 구체적으로 본 발명에 따른 슬롯 다이는 캐비티 내 양 측부에는 라운딩 파라미터가 0.5 초과 내지 1.0 이하인 라운딩부를 갖는데, 라운딩 파라미터(α)가 상기 범위를 만족하는 경우, 캐비티 양 측부에 침강영역이 제거되어 그에 따른 헤이즈 불균일이 효과적으로 개선된다.
반면 라운딩 파라미터(α)가 0.5 이하인 경우, 도포액의 정체구간(침강 영역)이 충분히 제거되지 않아 코팅층의 양 측부에 헤이즈 불량이 발생한다. 또한 라운딩 파라미터(α)가 1 초과인 경우, 침강 영역은 충분히 제거되지만 슬롯 다이 양 측부의 슬롯 다이 길이가 짧아짐에 따라 도포액의 토출 속도가 떨어지기 때문에 도포 두께 불균일이 발생한다.
본 발명의 슬롯 다이에 주입되는 도포액은 코팅층 형성 조성물을 의미한다. 일례로 도포액은 용매나 분산매에 녹여 용액이나 슬러리와 같은 유동성이 있는 형태로 만든 것으로써 침강성 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 침강성 물질을 포함하는 도포액은 하기 수학식 2의 Stokes 방정식으로 정의되는 침강성 물질의 침강속도(ω)가 10㎛/s 이하가 되도록 침강성 물질과 침강성 물질을 제외한 도포액과의 비중차, 침강성 물질의 반경, 도포액의 점도를 조절하여 제조되는 것일 수 있다. 도포액의 침강속도가 10㎛/s 이상인 경우 캐비티 내 침강영역이 너무 넓어서 슬롯 다이 양 측부의 라운딩 가공만으로는 헤이즈 불균일을 개선하는데 충분하지 않을 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00004
(식 중, ω는 입자의 침강속도(㎛/s)이고, d는 입자의 반경(m)이고, ρs는 입자의 밀도(kg/m3)이고, ρ는 도포액의 밀도(kg/m3)이고, g는 중력가속도(m/s2)이며, μ는 도포액의 점도(kg/m·s)임)
이하, 본 발명은 하기의 실시예 및 비교예에 의하여 보다 구체적으로 설명될 것이며, 하기의 실시예는 본 발명의 구체적인 일부 예시에 불과하고, 본 발명의 보호범위를 한정하거나 제한하고자 하는 것은 아니다.
제조예 1 : 침강성 물질이 포함된 도포액의 제조
하기 표의 성분과 함량으로 구성된 코팅층 형성용 조성물을 포함하는 도포액을 제조하였다. 제조된 도포액의 점도(μ)는 1.32cP이고, 도포액의 밀도(ρ)는 0.965g/ml이고, 실리콘 입자의 밀도(ρs)는 1.32g/ml이고, 실리콘 입자의 지름(D)은 4μm이다. 또한 수학식 2의 Stokes 방정식에 따라 도포액 내의 실리콘 입자의 침강속도(ω)를 계산하면 2.3㎛/s이다.
성분명 함량 (중량%)
에틸아세테이트 36.00
부틸아세테이트 36.00
우레탄아크릴레이트 3.67
3관능 모노머 20.82
고분자형 분산제 0.26
실리콘 입자 2.60
광개시제 0.65
제조예 2 : 슬롯 다이의 제조
외부 도포액 공급원과 연결되는 도포액 공급라인과 상기 도포액 공급라인과 연결되는 캐비티와 상기 캐비티와 연결되는 슬롯을 구비한 슬롯 다이를 준비하였다. 상기 슬롯 다이는 캐비티의 도포액 토출방향 길이(b)가 15mm, 도포액 주입구의 직경은 10mm, 슬롯 길이는 22.5mm, 토출폭은 1300mm, 슬롯갭은 80μm이다.
캐비티의 도포액 토출방향 길이(b) 라운딩 반경
(a)		 라운딩 파라미터
(α)
실시예 1 15mm 8.0 mm 0.53
실시예 2 15mm 10 mm 0.67
실시예 3 15mm 15mm 1.00
비교예 1 15mm 0 mm 0.00
비교예 2 15mm 5 mm 0.33
비교예 3 15mm 7.5 mm 0.50
비교예 4 15mm 20 mm 1.33
제조예 3 : 슬롯 다이를 이용한 기재필름의 코팅
제조예 2에서 제조한 슬롯 다이를 이용하여 제조예 1에서 제조된 도포액을 PET 기재필름 일면에 도포하였다. 이 때 도포액의 도포속도는 20m/min이고, 도포액 토출량은 6.59ml/s이 되도록 하였다. 도포 후 건조 및 경화과정을 거쳐 코팅층을 기재필름의 일면에 형성시켰다.
상기 제조예 2에서 형성된 슬롯 다이 및 제조예 3에서 형성된 필름 코팅층에 대하여 하기의 평가를 실시하였다.
(1) 토출구에서 도포액 토출 속도의 최대- 최소 값의 차이 계산
상기 제조예 2에서 제조한 슬롯 다이 조건에서 도포액 토출 속도 최대-최소 값의 차이를 유체해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 계산하였다. 속도 편차가 클 경우 도포액 토출량의 불균일해지고 최종적으로 도포필름의 두께 불균일이 심화된다.
(2) 캐비티 내 침강 영역 계산
상기 제조예 2에서 제조한 슬롯 다이 조건에서 슬롯 다이 양 끝 10mm 영역 내 침강영역의 면적비를 유체해석 프로그램인 FLUENT를 이용하여 계산하였다. 상기 영역 내에서, 도포액의 유속이 실리콘 입자의 침강속도(2.3μm/s)와 같거나 낮은 영역을 침강영역으로 평가하였고, 침강 영역을 보여주는 데이터를 도 6에 첨부하였다.
(3) 코팅층의 헤이즈 불균일 발생 영역 측정
상기 제조예 3에서 제조한 필름 코팅층 양 측부에 헤이즈 불균형이 발생한 영역을 목시로 확인하여 줄자로 측정하였다.
(4) 코팅층의 두께불균일 발생 정도 측정
상기 제조예 3에서 제조한 필름 코팅층의 건조 두께를 0.1㎛의 분해능을 가지는 접촉식 두께 측정 장치를 이용하여 측정하였다. 하기 수학식 3으로 정의되는 코팅층의 두께불균일 발생 정도는 폭 방향 10mm 간격으로 측정한 두께의 표준편차를 평균두께로 나눈 값의 백분율로 나타내었다.
[수학식 3]
두께불균일 발생 정도(%)=(폭방향 두께분포 표준편차/평균두께)ⅹ100
도포액 토출 속도 최대-최소 값의 차이 캐비티 끝단 침강영역 헤이즈 불균일 발생 영역 두께불균일 발생 정도
실시예 1 80.1μm/s 19% 미발생 5.3%
실시예 2 79.5μm/s 15% 미발생 6.1%
실시예 3 80.4μm/s 5% 미발생 5.8%
비교예 1 79.0μm/s 33.3% 20mm 5.5%
비교예 2 80.4μm/s 26.7% 12mm 6.3%
비교예 3 80.2μm/s 22.3% 5mm 5.3%
비교예 4 235.9μm/s 3.3% 미발생 26.3%
실시예 1 내지 3에 따른 슬롯 다이는 토출구에서 도포액의 토출 속도 최대-최소 값의 차이가 라운딩 처리되지 않은 비교예 1과 비교할 때 유사한 수준이면서, 캐비티의 양 끝의 침강영역은 현저히 감소하였음을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 1 내지 3에 따른 슬롯 다이를 사용하여 제조된 코팅층의 경우, 코팅층 양 끝 헤이즈 불균일 발생 영역이 없었으며, 두께불균일 발생 정도가 평균두께 대비 ±10% 이내로 양호한 수준임을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 2 내지 3에 따른 슬롯 다이는 토출구에서 도포액의 토출 속도 최대-최소 값의 차이는 라운딩 처리되지 않은 비교예 1과 유사한 수준이였으나, 캐비티 내 침강영역이 넓고, 그에 따른 헤이즈 불균일이 발생되었음을 확인할 수 있었다.
또한 비교예 4의 슬롯 다이는 라운딩 처리되지 않은 비교예 1과 비교할 때 캐비티 끝단 침강영역이 현저히 감소되었으나 라운딩 처리가 캐비티뿐만 아니라 슬릿까지 이어지게 되어, 양 측부의 슬릿 길이가 짧아지고, 이에 따라 토출구에서 도포액 토출 속도 최대-최소 값의 차이가 현저히 증가하고, 두께 불균일이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
100: 상부 플레이트
110: 도포액 주입구 115: 도포액 공급 라인
120: 캐비티 130: 슬롯
140: 도포액 토출구
200: 하부 플레이트
300: 슬립갭
400: 기재필름

Claims (6)

  1. 슬롯 다이 본체, 상기 슬롯 다이 본체의 내부에 존재하여 외부 도포액 공급원과 연결되는 도포액 공급라인, 상기 도포액 공급라인과 연결되는 캐비티, 및 상기 캐비티와 연결되는 슬롯을 포함하여 이루어지는 슬롯 다이에 있어서,
    상기 캐비티 내 양 측부에는 내향 곡면이 형성된 라운딩부가 있고, 하기 수학식 1로 정의되는 라운딩 파라미터(α)가 0.5 초과 내지 1.0 이하인 것인 슬롯 다이.
    [수학식 1]
    라운딩 파라미터(α)=라운딩 반경(a)/캐비티의 도포액 토출방향 길이(b)
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 라운딩 파라미터(α)는 0.65 초과 내지 1.0 이하인 슬롯 다이.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 도포액은 침강성 물질이 포함된 것인 슬롯 다이.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 침강성 물질은 입자상이고, 하기 수학식 2로 정의되는 입자의 침강속도(ω) 범위가 10㎛/s 이하인 것인 슬롯 다이.
    [수학식 2]
    Figure pat00005

    (식 중, ω는 입자의 침강속도(㎛/s)이고, d는 입자의 반경(m)이고, ρs는 입자의 밀도(kg/m3)이고, ρ는 도포액의 밀도(kg/m3)이고, g는 중력가속도(m/s2)이며, μ는 도포액의 점도(kg/m·s)임)
  5. 청구항 1 내지 4의 슬롯 다이를 이용한 도포액의 도포방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 도포액으로부터 형성된 코팅층은 하기 수학식 3으로 정의되는 두께불균일 발생 정도가 10% 이하인 것인 도포방법.
    [수학식 3]
    두께불균일 발생 정도(%)=(폭방향 두께분포 표준편차/평균두께)ⅹ100

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