KR20140136712A - 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 슬롯 다이 코팅 기술로 만들어지는 박막의 두께가 균일하게 되도록 할 수 있으며, 특히 종래보다 훨씬 얇은 두께의 박막을 형성하도록 할 수 있고, 또한 평판 형태의 기판에도 적용이 가능하도록 하는, 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치를 제공함에 있다.

Description

박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치 {Slot-die coating method and apparatus for making thin-film}
본 발명은 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치에 관한 것이다.
기존의 전자 소자 제작 기술에서는 리소그래피(lithography) 기술이 널리 사용되어 왔다. 그런데 리소그래피 기술을 사용하여 실제 공정을 구성하자면, 진공 증착, 노광, 현상, 도금 또는 에칭 등 다양하고 복잡한 세부 공정들이 필요하여, 공정 설계 및 장치 구성이 복잡해지는 등의 문제가 있었다. 더불어 다양한 분야에서의 미세 기술의 발전으로 인하여, 굳이 포토 리소그래피가 아니고서도 다른 방식으로 집적 회로를 만들 수 있는 방법이 모색되어 왔다.
전자 인쇄는 간단히 인쇄(printing) 공정을 수행함으로써 전자 소자를 제작하는 방식의 기술이다. 전자 인쇄는 앞서 설명한 포토 리소그래피 공정을 대체함으로써 포토 리소그래피 공정에 내재되어 있는 공정 복잡성을 근본적으로 제거해 줄 수 있기 때문에, 최근 다양한 분야로 적용 범위가 확대되는 등 그에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 최근 활용되고 있는 인쇄 기술로, 비접촉식 인쇄 기술로는 잉크젯, 스프레이, 슬롯 다이 코팅 등이 있으며, 접촉식 인쇄 기술로는 그라비아, 그라비아 옵셋, 리버스 옵셋, 스크린 인쇄를 대표적으로 들 수 있다. 이 중 슬롯 다이 코팅은 장치의 구성이 상대적으로 복잡하지 않으면서도 넓은 면에 대한 균일 코팅을 수행할 수 있어 널리 사용되고 있다.
참고적으로, 협의적로는 어떠한 패턴 형상을 형성하는 것을 인쇄라 하고 전체적으로 균일한 잉크 층을 형성하는 것을 코팅이라 하나, 어떠한 면적 전체에 잉크 층이 형성되는 형상 역시 패턴의 하나라고 볼 수 있으므로, 광의적로는 '인쇄'라는 용어에 협의로서의 '코팅'이라는 용어가 포함된다.
도 1은 슬롯 다이 코팅 장치의 코팅 원리 설명을 위한 슬롯 다이 노즐을 간략히 도시한 것이다. 도 1(A)에는 슬롯 다이 노즐의 개략적인 사시도가, 도 1(B)에는 슬롯 다이 노즐의 단면도가 도시되어 있다. 도 1(A)에 도시된 바와 같이 슬롯 다이 노즐은 인쇄 방향과 수직한 방향으로 연장되는 슬롯(slot)이 형성되며, 도 1(B)에 도시된 바와 같이 슬롯 다이 노즐의 내부로 잉크가 공급되면 슬롯을 통해 잉크(ink)가 배출되어 기판(substrate) 상에 균일한 박막(thin-film)을 형성하도록 이루어진다. 슬롯 다이 노즐 형상으로도 쉽게 파악할 수 있듯 이러한 슬롯 다이 코팅 장치를 이용하여 만들어지는 잉크 코팅 박막의 폭은 슬롯 다이 노즐의 연장 방향 길이 정도로 형성되며, 잉크의 공급만 계속된다면 (인쇄 방향으로의) 잉크 코팅 박막의 길이는 제한이 없어, 넓은 면에 대한 코팅을 수행하는 것이 매우 유리하다. 박막의 두께는 잉크의 점도 등과 같은 물성, 잉크 유량, 슬롯 다이 노즐의 이동 속도 등에 의해 결정될 수 있어, 간단하게는 유량 및 속도의 제어만으로도 충분히 원하는 두께를 얻을 수 있다. 이처럼 슬롯 다이 코팅 기술은 넓은 면에 대한 코팅을 상당히 용이하게 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 제어 파라미터가 직관적이고 개수가 적어 제어가 용이하다는 등의 장점이 있어, 실제 현장에서 널리 사용되고 있는 기술이다. 슬롯 다이 코팅 장치의 구성에 관해서는 한국특허공개 제2012-0108484호("슬롯다이를 구비한 코팅 장치 및 이를 이용한 코팅방법", 2012.10.05) 등에 다양하게 개시되어 있다.
그런데 이러한 슬롯 다이 코팅 기술에도 다음과 같은 여러 한계가 있다. 슬롯 다이 코팅에 있어서 박막의 평균적인 두께는 기본적으로 앞서 설명한 바와 같이 잉크 유량 및 인쇄 속도에 의해 결정되지만, 실제로 여러 파라미터에 의하여 국부적으로 두께가 달라지는 문제가 있다. 슬롯 다이 노즐의 연장 방향, 즉 박막의 폭 방향으로의 균일도는 슬롯 다이 노즐 내부에서의 잉크 유로 설계에 의해 결정되며, 일반적으로 양 끝 가장자리는 상대적으로 얇고 가운데 부분이 두껍게 되는 형태가 된다는 점이 알려져 있다. 인쇄 진행 방향, 즉 박막의 길이 방향으로의 균일도는 인쇄 중에 있어서는 대략 상당히 높은 균일도를 유지한다고 알려져 있으나, 문제는 인쇄 시작 또는 종료 시 균일도 유지가 불가능하다는 한계가 있다.
보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 도 1에 도시된 바와 같은 슬롯 다이 노즐의 내부로 잉크 유체가 공급되고, 슬롯을 통해 잉크가 배출됨으로써 박막이 형성된다. 장치가 정지하고 있는 동안에는 당연히 슬롯 다이 노즐로의 잉크 공급 역시 중단되어 있는 상태였다가, 인쇄가 시작되면 잉크가 공급되기 시작하게 된다. 그런데, 잉크 저장부에서 잉크가 펌핑되어 슬롯 다이 노즐까지 연결되는 유로를 통해 잉크가 공급됨으로써 최종적으로 슬롯을 통해 잉크가 배출되기까지, 필연적으로 시간 지연이 발생하게 된다. (잉크 점도, 펌핑 압력 등에 따라 달라지지만 실제 현장에서의 경험적으로는 이 시간 지연은 1~2초 정도로 알려져 있다.) 즉 인쇄 상태가 안정화(steady state)될 때까지의 시간 지연 동안에는 잉크의 공급이 제대로 이루어지지 않기 때문에 원래 설계 시 기대되었던 두께의 박막이 형성될 수 없어, 이 구간에서는 원하는 만큼의 두께가 나오지 않게 되어, 길이 방향으로의 균일도가 크게 저하되는 것이다. 물론 인쇄 종료 시에도 이와 유사한 원리에 의하여 길이 방향으로의 박막 균일도 저하가 발생한다.
이러한 한계로, 일반적으로 슬롯 다이 코팅은 필름 형태의 기판에 박막을 형성하는 경우에 많이 사용되었다. 역시 잉크 점도, 펌핑 압력 등에 따라 달라지나 실제 현장에서의 경험적으로 상술한 바와 같은 시간 지연에 의하여 발생되는 인쇄 불량 구간의 길이는 1~2m 정도인 것으로 알려져 있으며, 필름 형태의 기판에 박막을 형성하는 공정에서는 일반적으로 한 번 인쇄가 시작되면 수백m 정도의 길이만큼 인쇄가 수행된다. 즉 이 경우 인쇄 전체 길이에 비하여 인쇄 불량 구간의 길이가 상당히 적은 비율을 차지하므로, 인쇄 시작 또는 종료 시 발생되는 인쇄 불량 구간을 잘라내어 버림으로써 길이 방향으로의 불균일 문제를 해소할 수 있다.
그런데 필름 형태의 기판이 아니라 평판 형태의 기판에 있어서는, 인쇄 전체 길이가 필름 형태의 기판에 비해 상대적으로 훨씬 짧을 뿐만 아니라, 필름과는 달리 단단한 재질로 된 기판을 절단하는 과정에서 절단이 더 어렵다거나 손상이 발생할 수도 있는 등의 문제 또한 있어, 종래에는 슬롯 다이 코팅 기술을 평판 형태의 기판에는 적용하는 것이 상당히 어렵다는 문제가 있었다.
물론 평판 형태의 기판에 슬롯 다이 코팅 기술을 적용하는 사례가 전혀 없는 것은 아니고 유리 기판 상에 PR(Photoresist) 잉크를 코팅하는 경우 등의 사례가 존재하기는 하나, 이 경우에 형성되는 잉크 층의 두께는 수백㎛ 수준으로 상당히 두껍기 때문에 두께 제어가 용이한 편이다. 그러나 두께 수㎛ 급 정도의 박막을 형성함에 있어서는, 슬롯 다이 코팅 장치에 있어 기존의 두께 제어 기술로는 원하는 균일도를 갖는 박막을 형성하는 것이 매우 어렵기 때문에, 이와 같은 매우 얇은 박막 형성에는 슬롯 다이 코팅 기술을 적용하지 못하는 문제가 있었다.
1. 한국특허공개 제2012-0108484호("슬롯다이를 구비한 코팅 장치 및 이를 이용한 코팅방법", 2012.10.05)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 슬롯 다이 코팅 기술로 만들어지는 박막의 두께가 균일하게 되도록 할 수 있으며, 특히 종래보다 훨씬 얇은 두께의 박막을 형성하도록 할 수 있고, 또한 평판 형태의 기판에도 적용이 가능하도록 하는, 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법은, 슬롯 다이 코팅 장치를 사용하여 평판 형태의 기판 상에 인쇄를 수행하되, 상기 슬롯 다이 코팅 장치의 잉크 공급 압력을 측정하여, 잉크 공급 압력이 정상 상태 이외인 상태의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이를 가지는 버퍼 기판이 상기 기판의 인쇄 진행 방향 전후측에 배치되도록 하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법은, 슬롯 다이 코팅 장치의 잉크 공급부로부터 잉크 공급 유로를 통해 슬롯 다이 노즐로 잉크가 공급될 때, 상기 잉크 공급 유로에서의 잉크 공급 압력을 측정하여, 정상 상태일 때의 잉크 공급 압력인 정상 상태 압력값을 결정하는 정상 상태 압력값 결정 단계; 상기 슬롯 다이 코팅 장치의 인쇄 시작 시점으로부터 잉크 공급 압력이 상기 정상 상태 압력값에 미리 결정된 기준 비율값을 곱한 값인 기준 압력값에 도달하는 시점까지의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이가 측정되는 전방 버퍼 결정 단계; 잉크 공급 압력이 상기 정상 상태 압력값에 미리 결정된 기준 비율값을 곱한 값인 기준 압력값 이하가 되는 시점부터 상기 슬롯 다이 코팅 장치의 인쇄 종료 시점까지의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이가 측정되는 후방 버퍼 결정 단계; 상기 슬롯 다이 코팅 장치의 작업대 상에 기판이 배치되되, 인쇄 진행 방향을 기준으로 상기 기판의 전후측에 상기 전방 버퍼 결정 단계 및 상기 후방 버퍼 결정 단계에서 결정된 길이의 버퍼 기판들이 상기 기판과 밀착되도록 병렬 배치되는 기판 배치 단계; 상기 기판 및 상기 버퍼 기판들 상에 슬롯 다이 코팅 인쇄 작업이 수행되어 박막이 형성되는 박막 인쇄 단계; 상기 버퍼 기판들이 제거되는 버퍼 제거 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 때 상기 기준 비율값은, 90% 내지 95% 범위 내의 값일 수 있다.
또한 상기 잉크는, 나노 파티클을 포함하는 유체일 수 있다. 더불어, 상기 잉크는 CIGS 잉크, 전도선 금속 잉크, 유기물 잉크, 반도체성 잉크, 절연체성 잉크 등 슬롯다이를 이용한 코팅이 가능한 어떠한 잉크도 대상이 될 수 있다.
또한 상기 박막은, 그 두께가 0.05㎛ 내지 10㎛ 범위 내의 값일 수 있다.
또한 상기 정상 상태 압력값은, 0.5kpa 내지 100kpa 범위 내의 값일 수 있다.
또한 본 발명의 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 장치는, 슬롯 다이 코팅 장치에 있어서, 잉크(40)가 공급되는 슬롯 다이 유로(11) 및 상기 슬롯 다이 유로(11)와 연통되어 평판 형태의 기판(50) 상으로 잉크(40)를 배출하는 노즐(12)을 포함하여 이루어지는 슬롯 다이 노즐(10); 잉크(40)를 수용하는 잉크 공급부(20); 상기 잉크 공급부(20) 및 상기 슬롯 다이 유로(11)를 연결하는 잉크 공급 유로(25); 상기 잉크 공급 유로(25) 상에 구비되는 압력 센서(30); 인쇄 진행 방향을 기준으로 상기 기판(50)의 전후측에 배치되는 평판 형태의 전후측 버퍼 기판(55a); 을 포함하여 이루어지며, 상기 전후측 버퍼 기판(55a)은, 상기 압력 센서(30)에서 측정되는 잉크 공급 압력이 정상 상태 이외인 상태의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이를 가지는 것을 특징으로 한다.
이 때 상기 슬롯 다이 코팅 장치는, 인쇄 진행 방향을 기준으로 상기 기판(50)의 좌우측에 배치되는 평판 형태의 좌우측 버퍼 기판(55b); 을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 좌우측 버퍼 기판(55b)은, 그 폭이 상기 기판(50) 폭의 10% 내지 15% 범위 내의 값일 수 있다.
또한 상기 기판은 인쇄 진행 방향과 나란한 방향으로 적어도 둘 이상이 서로 밀착되게 병렬 배치되도록 할 수 있다.
또한 상기 상기 잉크(40)는 CIGS 잉크, 전도선 금속 잉크, 유기물 잉크, 반도체성 잉크, 절연체성 잉크 등 슬롯다이를 이용한 코팅이 가능한 어떠한 잉크(40)도 대상이 될 수 있다.
본 발명에 의하면, 슬롯 다이 코팅 기술에 있어서, 인쇄 시작 또는 종료 시 발생되는 잉크 공급에 있어서의 시간 지연에 의해 발생되는 길이 방향으로의 인쇄 균일도 불량 문제를 해소 및 개선하며, 또한 슬롯 다이 코팅 기술의 적용 범위를 크게 확대하는 효과가 있다. 보다 상세히는 다음과 같다. 본 발명에서는, 잉크가 공급되는 유로 상에 압력 센서를 구비하여, 계측되는 압력 값을 이용하여 인쇄 상태가 안정화(steady state)에 도달했음(즉 박막이 균일하게 형성됨)을 파악하고, 이에 따라 예측되는 인쇄 불량 구간의 길이만큼의 버퍼 기판을 기판의 길이 방향 전후에 구비하도록 함으로써, 실제 완성품이 될 기판 상에서는 길이 방향으로의 두께 균일도가 충분히 달성될 수 있도록 하는 것이다. 이에 따라 본 발명의 방법을 사용함으로써 종래에는 필름 기판에밖에 적용이 어려웠던 슬롯 다이 코팅 기술을 평판 기판에도 용이하게 적용할 수 있게 된다.
또한 본 발명은, 잉크 공급 유로 상에 구비된 압력 센서를 이용하여 배출되는 잉크 유량의 제어가 가능하며, 따라서 종래에 비해 인쇄에 의해 만들어지는 박막의 두께 제어 정밀도를 비약적으로 향상시켜 주는 큰 효과가 있다. 더불어 이처럼 본 발명에 의하면 슬롯 다이 코팅 기술의 박막 두께 제어 정밀도를 향상시켜 줌으로써, 수㎛급 두께를 가지는 박막을 형성하는 공정에 슬롯 다이 코팅 기술을 적용할 수 있도록 하여 적용 범위를 더욱 확대시켜 주는 효과 또한 있다. 더불어 본 발명은, 뉴턴 유체가 아닌 잉크, 즉 예를 들어 나노 파티클을 포함하는 유체인 잉크 등을 사용하여도 두께 제어 정밀도를 떨어뜨리지 않으므로, 사용 대상(즉 잉크)을 종래보다 크게 확장하는 효과 또한 있다.
도 1은 종래의 슬롯 다이 노즐 및 슬롯 다이 코팅 원리.
도 2는 본 발명의 슬롯 다이 코팅 장치.
도 3은 본 발명의 슬롯 다이 코팅 장치에 사용되는 기판 구성.
도 4는 본 발명의 슬롯 다이 코팅 방법에 의한 균일화 원리.
도 5는 박막 두께-시간, 압력-시간 간의 관계 그래프.
도 6은 본 발명의 슬롯 다이 코팅 방법 흐름도.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 슬롯 다이 코팅 방법은, 앞서 설명한 바와 같이 인쇄 시작 또는 종료 시점에 잉크 공급이 정상적인 인쇄 중 상태일 때와는 달리 원활하게 이루어지지 않기 때문에 발생되는 박막 형성 불균일 문제를 해결하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명에서는, 슬롯 다이 코팅 장치로 공급되는 잉크의 압력을 측정하여, 이를 이용해서 정량적으로 인쇄가 정상적으로 이루어지는 시점을 찾고, 그 외의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이를 예측하여 그만큼의 영역에 버퍼 기판을 구비하도록 함으로써, 실질적으로 제품으로 활용되는 기판 상에는 정상적인 인쇄만이 이루어질 수 있도록 한다.
보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 슬롯 다이 코팅 과정에서 인쇄 시작 또는 종료 시에는 잉크 공급 시간 지연이 반드시 발생하며, 이는 노즐에서 배출되는 잉크 유량에 영향을 미쳐, 결과적으로는 이 시간 동안 인쇄된 박막의 두께는 원하는 두께만큼 나오지 않아, 인쇄 방향(즉 기판 길이 방향)으로의 균일도가 떨어지는 문제가 필연적으로 발생한다. 종래에는 필름 기판에 슬롯 다이 코팅 기술을 적용하고 이러한 인쇄 불량 구간을 잘라내는 방법을 사용하였으며, 따라서 평판 기판에는 슬롯 다이 코팅 기술의 적용이 어려웠다. 그러나 본 발명에서는, 잉크가 공급되는 유로 상에 압력 센서를 구비하여, 계측되는 압력 값을 이용하여 인쇄 상태가 안정화(steady state)에 도달했음(즉 박막이 균일하게 형성됨)을 파악하고, 이에 따라 예측되는 인쇄 불량 구간의 길이만큼의 버퍼 기판을 기판의 길이 방향 전후에 구비하도록 함으로써, 실제 완성품이 될 기판 상에서는 길이 방향으로의 두께 균일도가 충분히 달성될 수 있도록 하는 것이다.
즉 요약하자면, 본 발명의 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법은, 슬롯 다이 코팅 장치를 사용하여 평판 형태의 기판 상에 인쇄를 수행하되, 상기 슬롯 다이 코팅 장치의 잉크 공급 압력을 측정하여, 잉크 공급 압력이 정상 상태 이외인 상태의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이를 가지는 버퍼 기판이 상기 기판의 인쇄 진행 방향 전후측에 배치되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 슬롯 다이 코팅 방법을, 도 2에 도시된 본 발명의 슬롯 다이 코팅 장치의 실시예 및 도 3에 도시된 기판 구성 실시예를 통해 보다 구체적으로 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명의 슬롯 다이 코팅 방법에 사용되는 슬롯 다이 코팅 장치의 주요 구성이 도시되어 있다. 평판 형태의 기판(50) 상에 잉크(40)를 코팅하여 박막을 형성할 수 있도록, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 장치는, 잉크(40)가 공급되는 슬롯 다이 유로(11) 및 상기 슬롯 다이 유로(11)와 연통되어 평판 형태의 기판(50) 상으로 잉크(40)를 배출하는 노즐(12)을 포함하여 이루어지는 슬롯 다이 노즐(10); 잉크(40)를 수용하는 잉크 공급부(20); 상기 잉크 공급부(20) 및 상기 슬롯 다이 유로(11)를 연결하는 잉크 공급 유로(25); 상기 잉크 공급 유로(25) 상에 구비되는 압력 센서(30); 를 포함하여 이루어진다.
이 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 슬롯 다이 코팅 장치는, 인쇄 진행 방향을 기준으로 상기 기판(50)의 전후측에 배치되는 평판 형태의 전후측 버퍼 기판(55a); 도 포함하여 이루어지도록 한다. 상기 전후측 버퍼 기판(55a)은, 상기 압력 센서(30)에서 측정되는 잉크 공급 압력이 정상 상태 이외인 상태의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이를 가진다.
더불어 본 발명의 슬롯 다이 코팅 장치는, 도 4에 도시된 바와 같이, 인쇄 진행 방향을 기준으로 상기 기판(50)의 좌우측에 배치되는 평판 형태의 좌우측 버퍼 기판(55b); 을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 좌우측 버퍼 기판(55b)은, 그 폭이 상기 기판(50) 폭의 10% 내지 15% 범위 내의 값일 수 있다.
이러한 구성으로 된 본 발명의 슬롯 다이 코팅 장치를 사용하여, 본 발명의 슬롯 다이 코팅 방법은, 도 6에 도시된 바와 같이, 정상 상태 압력값 결정 단계, 전방 버퍼 결정 단계, 후방 버퍼 결정 단계, 기판 배치 단계, 박막 인쇄 단계, 버퍼 제거 단계를 포함하여 이루어지게 된다. 이하 각 단계에 대해 보다 구체적으로 상세히 설명한다.
상기 정상 상태 압력값 결정 단계는, 슬롯 다이 코팅 장치의 잉크 공급부로부터 잉크 공급 유로를 통해 슬롯 다이 노즐로 잉크가 공급될 때, 상기 잉크 공급 유로에서의 잉크 공급 압력을 측정하여, 정상 상태일 때의 잉크 공급 압력인 정상 상태 압력값을 결정하는 단계이다. 앞서 설명한 바와 같이, 인쇄 시작 시에는 슬롯 다이 노즐에 잉크가 채워져 있지 않은 상태였다가 잉크가 공급되어 배출 가능할 만큼 채워질 때까지 시간 지연이 필연적으로 존재하며, 이 시간 지연 동안에 수행된 인쇄에 의해 만들어진 박막은 당연히 제대로 인쇄가 이루어지는 동안 만들어진 박막에 비해 두께가 얇아 전체적인 균일성을 크게 저하시키게 된다. 물론 인쇄 종료 시에도 이와 비슷한 원리로 균일성 저하를 유발하는 얇은 박막이 만들어진다. 이러한 불균일한 박막이 만들어지는 범위가 어느 정도인지를 명확하게 파악하기 위해서, 본 발명에서는 잉크 공급 압력을 측정하는 것이다. 도 2의 장치를 참조하면, 상기 잉크 수용부(20) 및 상기 슬롯 다이 유로(11)를 연결하는 상기 잉크 공급 유로(25) 내로 유통되는 잉크의 압력이 바로 잉크 공급 압력으로서, 역시 도 2의 장치를 참조할 때 상기 압력 센서(30)에 의해 이러한 잉크 공급 압력이 정밀하게 측정될 수 있다.
이처럼 본 발명에서는 잉크 공급 압력이 측정됨으로써 잉크 배출이 안정화되는 정상 상태(steady state)에 도달하는 시점을 정확하게 판단할 수 있다. 따라서 인쇄 시작 시점부터 정상 상태 도달 시점까지, 또는 정상 상태 이탈 시점부터 인쇄 종료 시점까지 시간 간격이 얼마나 되는지, 그 사이에 인쇄 진행 길이는 얼마나 되는지 역시 정확하게 판단하여 결정할 수 있다. 이를 단계별로 보다 구체화하여 설명하면 다음과 같다.
상기 전방 버퍼 결정 단계는, 상기 슬롯 다이 코팅 장치의 인쇄 시작 시점으로부터 잉크 공급 압력이 상기 정상 상태 압력값에 미리 결정된 기준 비율값을 곱한 값인 기준 압력값에 도달하는 시점까지의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이가 측정되는 단계이다. 즉 인쇄 시작 시점부터 정상 상태 도달 시점까지의 시간 간격 및 인쇄 진행 길이를 바로 이 전방 버퍼 결정 단계에서 판단하여 결정할 수 있다.
상기 후방 버퍼 결정 단계는, 잉크 공급 압력이 상기 정상 상태 압력값에 미리 결정된 기준 비율값을 곱한 값인 기준 압력값 이하가 되는 시점부터 상기 슬롯 다이 코팅 장치의 인쇄 종료 시점까지의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이가 측정되는 단계이다. 즉 정상 상태 이탈 시점부터 인쇄 종료 시점까지의 시간 간격 및 인쇄 진행 길이를 바로 이 후방 버퍼 결정 단계에서 판단하여 결정할 수 있다.
여기에서, 상기 정상 상태 압력값이란 물론 정상 상태일 때의 압력값이 될 것이다. 도 5는 인쇄 시작 부근의 박막 두께-시간 간의 관계 및 압력-시간 간의 관계 그래프를 도시한 것이다. 도 5(A), (B)를 비교해 보면 알 수 있는 바와 같이, 박막 두께는 잉크 공급 압력과 비례하는 관계에 있으므로, 잉크 공급 압력이 정상 상태가 되면 박막 두께 역시 정상 상태로 형성된다, 즉 박막 두께가 균일하게 형성된다고 볼 수 있음을 알 수 있다. 그런데 통상적으로 요구되는 박막 두께 균일도 기준은 평균 박막 두께의 ㅁ10% 정도이기 때문에, 정확하게 정상 상태일 때의 잉크 공급 압력값인 정상 상태 압력값(도 5에서 Ps)까지를 버퍼 길이로 잡기보다는 그보다 좀더 짧게 잡는 것이 바람직하다. 잉크 종류에 따라 가격의 차이가 상당히 크기는 하지만, 비싼 전자 인쇄용 잉크의 경우 현재 기준 10ml당 수백만원 수준으로 가격이 형성되어 있는 경우도 있는 등, 가능한 한 버퍼 길이를 줄여 잉크를 절약할 수 있는 것이 바람직하기 때문이다.
이러한 점을 고려하여, 정확히 정상 상태 압력값(Ps)이 될 때를 기준으로 잡기보다는, 상기 정상 상태 압력값(Ps)에 미리 결정된 기준 비율값을 곱한 값인 기준 압력값(Pref)을 기준으로 잡는 것이 바람직하다. 이 때 상기 기준 비율값은, 90% 내지 95% 범위 내의 값일 수 있다. 상기 기준 비율값의 하한값이 90%인 이유는, 앞서 설명한 바와 같이 두께 균일도는 통상적으로 평균 박막 두께의 ㅁ10% 정도로 요구되기 때문에, 정상 상태 압력값(Ps)보다 10% 가량 적은 정도(즉 90%)를 기준 압력값(Pref)으로 잡아도 충분히 통상적으로 요구되는 두께 균일도를 달성할 수 있기 때문이다. 물론 두께 균일도를 보다 좋게 하기 위해서는 상기 기준 비율값을 90%보다 더 높게 잡아도 무방하다. 그러나 한편으로 상기 기준 비율값이 100%가 되게 할 경우(즉 기준 압력값 = 정상 상태 압력값) 상술한 바와 같이 비싼 잉크일 경우 잉크 낭비에 따른 비용 상승 문제가 커지므로, 상기 기준 비율값의 상한값은 95% 정도인 것이 적절하다.
이와 같이 상기 전방 / 후방 버퍼 결정 단계를 통해 정상 상태 이외인 상태의 시간 간격(즉 인쇄 시작 시점부터 정상 상태 도달 시점까지의 시간 간격 / 정상 상태 이탈 시점부터 인쇄 종료 시점까지의 시간 간격) 동안의 인쇄 진행 길이가 예측되면, 실제 완성품이 될 기판이 인쇄 작업 중에 이 구간에 배치되지 않도록 함(즉 기판이 인쇄 작업 중에 정상 상태 인쇄가 진행되는 구간에 배치되도록 함)으로써, 최종적으로는 기판 상에는 정상적인 인쇄에 의해 균일한 두께의 박막만이 형성되도록 할 수 있다. 이처럼 하기 위해 바로 다음과 같은 기판 배치 단계가 수행되게 된다.
상기 기판 배치 단계는, 상기 슬롯 다이 코팅 장치의 작업대 상에 기판이 배치되되, 인쇄 진행 방향을 기준으로 상기 기판의 전후측에 상기 전방 버퍼 결정 단계 및 상기 후방 버퍼 결정 단계에서 결정된 길이의 버퍼 기판들이 상기 기판과 밀착되도록 병렬 배치되는 단계이다. 상술한 바와 같이 상기 버퍼 기판의 길이는 정상 상태 이외인 상태의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이로서 결정된다. 이 때 상기 기판은 인쇄 진행 방향과 나란한 방향으로 적어도 둘 이상이 서로 밀착되게 병렬 배치되도록 할 수 있다. 물론 이 경우에는 전후측 버퍼 기판은 병렬 배치된 기판들의 최전단 및 최후단에 배치되도록 하면 된다.
상기 박막 인쇄 단계는, 상기 기판 및 상기 버퍼 기판들 상에 슬롯 다이 코팅 인쇄 작업이 수행되어 박막이 형성되는 단계이다. 상술한 바와 같이 상기 기판의 전후측에서 전방 / 후방 버퍼 길이만큼의 구간에는 상기 전후측 버퍼 기판들이 배치되기 때문에, 불균일한 두께의 박막은 상기 전후측 버퍼 기판 상에 형성되며, 상기 기판 상에는 요구하는 만큼의 두께 균일도가 달성되는 균일한 박막만이 형성될 수 있게 된다.
이 때, 앞서 설명한 바와 같이 (박막을 기준으로 할 때) 길이 방향의 균일도는 잉크 공급 압력에 의하여 결정될 수 있지만, 폭 방향의 균일도는 상기 슬롯 다이 노즐(10)의 내부에 형성되는 상기 슬롯 다이 유로(11)의 형상 설계에 의해 결정된다. 도 2에는 비록 도면을 간략화하기 위하여 상기 슬롯 다이 유로(11)가 단지 상하 방향으로 연장되는 직선 형태로 도시하였으나, 실제로는 상기 슬롯 다이 유로(11)는 폭 방향으로 연장되는 상기 노즐(12) 전체에 잉크를 고루 배분하기 위해서 상기 슬롯 다이 노즐(10) 내부에서 여러 방향으로 연장되고 또한 다수의 분기 등을 가지도록 설계되는 것이 일반적이다. 본 발명에서는 폭 방향의 균일도에 대해서는 고려하지 않고 있으므로 이러한 유로 설계에 대한 상세한 설명은 생략하겠으나, 일반적으로 폭 방향으로 볼 때 가운데 부분이 좀더 두껍고 양 끝 가장자리 부분(즉 좌우측 부분)이 좀더 얇게 형성된다는 경험적인 사실이 알려져 있다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명에서는 폭 방향의 균일도 또한 더욱 향상시킬 수 있도록, 상기 기판(50)의 전후측에만 상기 전후측 버퍼 기판(55a)을 배치하는 것이 아니라, 상기 기판(50)의 좌우측에도 상기 좌우측 버퍼 기판(55b)을 배치하도록 하고 있는 것이다. 이와 같이 함으로써 폭 방향으로의 균일도를 저하시키는 양 끝 가장자리 얇은 박막은 좌우측의 버퍼 기판에 형성되도록 할 수 있다.
상기 버퍼 제거 단계는, 상기 버퍼 기판들이 제거되는 단계이다. 도 4(A)에 도시된 바와 같이, 상기 전후측 또는 좌우측 버퍼 기판들(55a)(55b)에 박막의 전체 두께 균일도를 저하시키는 길이 방향 또는 폭 방향의 얇은 박막 부분이 형성되고, 실제 완성품으로 사용될 상기 기판(50) 부분에는 정상적으로 균일하게 인쇄되는 박막 부분이 형성된다. 따라서 도 4(B)에 보이는 바와 같이 상기 버퍼 기판들(55a)(55b)을 제거해 버리고 나면, 상기 기판(50) 상에는 전체적으로 매우 높은 균일도를 가지는 박막이 성공적으로 형성될 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 본 발명의 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치를 사용하면, 평판 형태의 기판 상에 균일한 두께의 박막을 형성하는 것이 가능하며, 따라서 종래에는 필름 기판에밖에 적용이 어려웠던 슬롯 다이 코팅 기술을 평판 기판에도 용이하게 적용할 수 있게 된다.
또한 상술한 바와 같이 본 발명은 잉크 공급 유로 상에 구비된 압력 센서를 이용하여 잉크 공급 압력을 측정하여 줌으로써, 잉크 공급 압력과 비례 관계에 있는 박막 두께를 보다 용이하게 제어할 수 있어, 궁극적으로는 종래에 비해 인쇄에 의해 만들어지는 박막의 두께 제어 정밀도를 비약적으로 향상시켜 줄 수 있다. 물론 이에 따라, 수㎛급 두께를 가지는 박막을 형성하는 공정에 슬롯 다이 코팅 기술을 적용할 수 있도록 하여 적용 범위를 더욱 확대시켜 줄 수 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치에서, 상기 박막은, 그 두께가 0.05㎛ 내지 10㎛ 범위 내의 값일 수 있다. 또한 상기 정상 상태 압력값은, 0.5kpa 내지 100kpa 범위 내의 값일 수 있다.
보다 상세히 설명하자면, 종래에도 평판 상에 슬롯 다이 코팅 기술을 사용하여 인쇄를 수행한 예가 전혀 없지는 않았으나, 앞서 설명한 바와 같이 종래에는 수백㎛급 두께를 가지는 정도의 잉크층 형성에 극히 제한적으로 사용되었을 뿐으로, 이 경우에는 잉크층 두께 자체가 두껍기 때문에 정밀 제어를 필요로 하지 않았다. 그러나 수㎛급 두께를 가지는 박막 형성 시에는 종래의 슬롯 다이 코팅 기술로는 도저히 제어가 불가능하였기 때문에 이러한 경우에 슬롯 다이 코팅 기술을 전혀 적용하지 못했던 한계가 있었던 것이다. 그러나 본 발명의 방법 및 장치를 이용하면 두께 제어 정밀도가 극히 향상되기 때문에, 이러한 수㎛급 두께를 가지는 박막 형성 공정에도 슬롯 다이 코팅 기술을 적용할 수 있게 되어, 슬롯 다이 코팅 기술의 적용 범위를 극대화할 수 있게 되는 것이다.
더불어 본 발명의 방법 및 장치는 다음과 같은 한계 역시 극복할 수 있게 해 준다. 종래의 슬롯 다이 코팅 기술에서는 전단 속도(shear rate)에 대한 점도의 변화가 없는 뉴턴 유체(newtonian fluid)인 잉크가 사용되어 왔으며, 따라서 그 제어나 설계 역시 잉크가 뉴턴 유체인 것이라는 전제 하에 이루어져 왔다. 그러나 전자 인쇄 분야에 사용되는 잉크는 실질적으로 뉴턴 유체가 아닌 경우가 많다. 한 예로 나노 파티클을 포함하는 유체의 경우, 전단 속도에 대한 점도 변화가 있고, 점탄성이 있는 등 뉴턴 유체와는 그 물성이 상당히 다른 점이 많은 것이다.
슬롯 다이 코팅의 장점이 미리 입력된 유량 및 속도로 인쇄층의 두께가 결정되어 예측과 제어가 용이하다는 것인데, 종래에는 잉크를 모두 뉴턴 유체로 가정하였기 때문에 이러한 복잡한 물성을 가지는 잉크의 경우 기존 장치로는 원하는 결과를 얻을 수 없는 경우가 발생하고, 특히 정밀 인쇄가 필요한 경우 이것이 품질에 지대한 영향을 미치게 되는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에서는 잉크를 뉴턴 유체로 한정하여 전제하지 않고, 실제 현재 인쇄 작업 중 측정되는 잉크 공급 압력을 직접적으로 두께 정밀도 제어에 사용하기 때문에, 잉크가 뉴턴 유체가 아니라 하더라도 제어 정밀도를 떨어뜨리지 않는다.
즉 본 발명의 슬롯 다이 코팅 방법 및 장치는, 두께 제어 정밀도를 떨어뜨리지 않으면서도 그 사용 대상(즉 잉크) 역시 종래보다 훨씬 확장할 수 있게 되는 것이다. 즉 본 발명에서 상기 잉크는, 나노 파티클을 포함하는 유체일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 잉크는 CIGS 잉크, 전도선 금속 잉크, 유기물 잉크, 반도체성 잉크, 절연체성 잉크 등 슬롯다이를 이용한 코팅이 가능한 어떠한 잉크도 대상이 될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10: 슬롯 다이 노즐
11: 슬롯 다이 유로 12: 슬롯
20: 잉크 수용부 25: 잉크 공급 유로
30: 압력 센서 40: 잉크
50: 기판
55a: 전후측 버퍼 55b: 좌우측 버퍼

Claims (13)

  1. 슬롯 다이 코팅 장치를 사용하여 평판 형태의 기판 상에 인쇄를 수행하되,
    상기 슬롯 다이 코팅 장치의 잉크 공급 압력을 측정하여, 잉크 공급 압력이 정상 상태 이외인 상태의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이를 가지는 버퍼 기판이 상기 기판의 인쇄 진행 방향 전후측에 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법.
  2. 슬롯 다이 코팅 장치의 잉크 공급부로부터 잉크 공급 유로를 통해 슬롯 다이 노즐로 잉크가 공급될 때, 상기 잉크 공급 유로에서의 잉크 공급 압력을 측정하여, 정상 상태일 때의 잉크 공급 압력인 정상 상태 압력값을 결정하는 정상 상태 압력값 결정 단계;
    상기 슬롯 다이 코팅 장치의 인쇄 시작 시점으로부터 잉크 공급 압력이 상기 정상 상태 압력값에 미리 결정된 기준 비율값을 곱한 값인 기준 압력값에 도달하는 시점까지의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이가 측정되는 전방 버퍼 결정 단계;
    잉크 공급 압력이 상기 정상 상태 압력값에 미리 결정된 기준 비율값을 곱한 값인 기준 압력값 이하가 되는 시점부터 상기 슬롯 다이 코팅 장치의 인쇄 종료 시점까지의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이가 측정되는 후방 버퍼 결정 단계;
    상기 슬롯 다이 코팅 장치의 작업대 상에 기판이 배치되되, 인쇄 진행 방향을 기준으로 상기 기판의 전후측에 상기 전방 버퍼 결정 단계 및 상기 후방 버퍼 결정 단계에서 결정된 길이의 버퍼 기판들이 상기 기판과 밀착되도록 병렬 배치되는 기판 배치 단계;
    상기 기판 및 상기 버퍼 기판들 상에 슬롯 다이 코팅 인쇄 작업이 수행되어 박막이 형성되는 박막 인쇄 단계;
    상기 버퍼 기판들이 제거되는 버퍼 제거 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 기준 비율값은
    90% 내지 95% 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 잉크는
    나노 파티클을 포함하는 유체인 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 잉크는
    CIGS 잉크, 전도선 금속 잉크, 유기물 잉크, 반도체성 잉크, 절연체성 잉크 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 박막은
    그 두께가 0.05㎛ 내지 10㎛ 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 정상 상태 압력값은
    0.5kpa 내지 100kpa 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 방법.
  8. 슬롯 다이 코팅 장치에 있어서,
    잉크가 공급되는 슬롯 다이 유로 및 상기 슬롯 다이 유로와 연통되어 평판 형태의 기판 상으로 잉크를 배출하는 노즐을 포함하여 이루어지는 슬롯 다이 노즐;
    잉크를 수용하는 잉크 공급부;
    상기 잉크 공급부 및 상기 슬롯 다이 유로를 연결하는 잉크 공급 유로;
    상기 잉크 공급 유로 상에 구비되는 압력 센서;
    인쇄 진행 방향을 기준으로 상기 기판의 전후측에 배치되는 평판 형태의 전후측 버퍼 기판;
    을 포함하여 이루어지며,
    상기 전후측 버퍼 기판은, 상기 압력 센서에서 측정되는 잉크 공급 압력이 정상 상태 이외인 상태의 시간 간격 동안의 인쇄 진행 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 슬롯 다이 코팅 장치는
    인쇄 진행 방향을 기준으로 상기 기판의 좌우측에 배치되는 평판 형태의 좌우측 버퍼 기판;
    을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 좌우측 버퍼 기판은
    그 폭이 상기 기판 폭의 10% 내지 15% 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 장치.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 기판은
    인쇄 진행 방향과 나란한 방향으로 적어도 둘 이상이 서로 밀착되게 병렬 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 장치.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 잉크는
    나노 파티클을 포함하는 유체인 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 잉크는
    CIGS 잉크, 전도선 금속 잉크, 유기물 잉크, 반도체성 잉크, 절연체성 잉크 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 형성을 위한 슬롯 다이 코팅 장치.
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