KR20150074997A - 나노패턴을 갖는 금속박 제조용 전도성 모판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라스틱 판; 및 상기 플라스틱 판의 일면 또는 양면에 나노패턴이 코팅 면적의 70 내지 95%의 분포율로 존재하는 전도성 코팅층을 포함하는 금속박 제조용 전도성 모판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 유연성, 내식성, 내화학성 및 내마모성이 향상된 모판의 나노패턴에 의하여 다양한 표면 패턴을 갖는 금속박을 생산할 수 있다.

Description

나노패턴을 갖는 금속박 제조용 전도성 모판 및 그 제조방법{The Anode Electrode Plate With Nano Pattern For Manufacturing Metal Foil And Producing Method Thereof}

본 발명은 연속적으로 금속박을 제조용 전주장치에 사용되는 모판에 관한 것으로서, 특히, 다양한 패턴의 금속박을 제조할 수 있고 금속박의 분리가 용이한 전도성 모판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속박의 제조 방법으로 가장 보편화된 방법은 압연법이다. 안엽법은 제선, 제강 및 연속 주조를 통하여 제작된 슬라브(slab)를 재가열하여 열간압연을 행함으로써 수 mm 수준의 두께를 갖는 금속박을 제조하고, 이후 추가적인 냉간 압연에 의하여 두께 100㎛ 이하의 금속박을 제조하는 방법이다. 압연법에 의해 금속 박판을 제조하는 방법을 기재하고 있는 특허문헌으로는 미국특허 제4948434호 등이 존재한다.

압연법에 따르면 극박을 제조하기 위해 여러 차례의 냉간압연과 소둔공정을 거쳐야 하므로 제조공정이 복잡하고, 이로 인해 공정에 많은 에너지와 시간이 소요되는 문제가 있어 제조 원가가 높으며, 광폭의 금속박 제조에 어려움이 있다. 또한, 일정한 형상을 유지하기가 곤란하여 두께 편차가 발생하고, 표면 거칠기가 일정하지 않음은 물론, 에지 크랙(edge crack)이 생성되는 등의 문제가 발생하기도 한다.

한편, 최근에는 금속박을 제조하는 방법으로 전주법에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 한국특허공개공보 제2004-0099972호에는 전주법을 이용한 금속박판 제조방법과 전주법을 이용한 금속박판 제조를 위한 장치가 제안되어 있다. 상기 특허문헌은 드럼형 셀을 이용한 전주법으로서 단순한 공정을 거쳐 금속박을 생산할 수 있어 공정을 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.

그러나 드럼형 셀을 이용한 전주법의 경우, 균일한 두께와 일정한 표면 거칠기를 갖는 박막을 제조하기 위해서는 전체 공정을 중간에 중단시켜 드럼의 표면을 관리해야 하므로 연속적으로 드럼 표면을 관리하기가 어렵다. 또한 양극과 음극 사이의 형상이 곡률로 구성되어 있어 전해액 유동속도가 점차적으로 감소하거나 드럼의 표면에서만 극박재가 제조되므로 고속 생산에 한계가 있다. 나아가 생산 속도의 경우 드럼의 크기에 영향을 받으므로 거대한 드럼의 제공에 많은 비용이 소요되고 드럼 교체에 한계가 따르는 단점을 갖는다.

상기와 같은 종래의 금속박 제조방법의 한계를 극복하고자 한국특허공개공보 제2013-0053115호에서 수평형 셀을 적용한 전주법이 개시된바 있다.

수평형 또는 수직형 셀을 포함하는 전주장치에 있어서, 유연성, 내식성, 및 내화학성이 향상되고, 표면에 다양한 나노 패턴이 형성된 전도성 모판 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

유연한 플라스틱 소재에 내부식 및 내화학성을 갖는 도전성 코팅층을 형성하되 표면에 나노사이즈의 패턴을 부여하여 금속박 제조용 전도성 모판으로 사용할 경우 보다 금속박의 표면 형상을 다양하게 구현할 수 있고, 금속박의 분리가 용이하게 일어나 고속으로 전주가 가능하다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 일 구현에는 플라스틱 판; 및 상기 플라스틱 판의 일면 또는 양면에 나노패턴이 코팅 면적의 70 내지 95%의 분포율로 존재하는 전도성 코팅층을 포함하는 금속박 제조용 전도성 모판이다.

상기 플라스틱 판은 PET, PEN, PC, PI 및 PTFE를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 소재로 이루어진 것이 바람직하고,

상기 도전성 코팅층은 Ti, Mo, Zr, Ir, Ta, TCO, ITO, FTO, 및 스테인레스를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 전도성 코팅층은 두께가 20 내지 70,000㎚일 수 있고,

상기 나노패턴은 바닥 직경이 10 내지 1000㎚인 돌기 또는 폭이 5 내지 1000㎚인 라인일 수 있다.

이 때, 상기 돌기는 단면적이 일정한 원기둥, 단면적이 상향 축소되는 원기둥, 원뿔, 원호, 반원, ∩자형, 단면적이 일정한 다각기둥, 단면적이 상향 축소되는 다각기둥, 다각뿔 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 상기 라인은 직선형, 물결형, 빗살형, 지그재그형 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는 플라스틱 판의 일면 또는 양면에 스퍼터증착법, 전자선증착법, 열증착법 및 화학기상증착법을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법으로 나노패턴이 코팅 면적의 70 내지 95%의 분포율로 존재하는 전도성 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 금속박 제조용 전도성 모판의 제조방법이다.

상기 나노패턴은 바닥 직경이 10 내지 1000㎚인 돌기 또는 폭이 5 내지 1000㎚인 라인일 수 있다.

이 때, 상기 돌기는 단면적이 일정한 원기둥, 단면적이 상향 축소되는 원기둥, 원뿔, 원호, 반원, ∩자형, 단면적이 일정한 다각기둥, 단면적이 상향 축소되는 다각기둥, 다각뿔 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 상기 라인은 직선형, 물결형, 빗살형, 지그재그형 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 모판을 이용하여 금속박을 제조할 경우, 모판의 유연성을 보다 향상시킬 수 있고, 서로 다른 표면 패턴을 갖는 금속박을 상하면에서 동시에 생산할 수 있다. 또한, 미세한 나노패턴에 의하여 모판의 연마과정 없이도 금속박의 박리가 보다 용이하게 일어날 수 있다.

특히, 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 금속박은 유연성(Flexible)을 갖는 전자소자용 기판재 또는 성형용 소재로서 활용 가능하며, 그 가운데 a-Si, CIGS, DSC 및 OPV 등의 유연 박막태양전지용 극박 금속기판재, OLED 조명 및 OLED display용 극박 금속기판재, 전자소자의 봉지층, 또는 연료전지의 분리막 등의 소재로서 다양하게 적용이 가능하다.

도 1은 플라스틱 판에 나노 패턴의 전도층이 형성된 금속박 제조용 전도성 모판의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 모판의 도전층 표면에 형성된 나노패턴을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 모판을 포함한 수평형 전주장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 전도성 모판을 포함한 수직형 전주장치의 모식도이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 플라스틱 플라스틱 판; 및 상기 플라스틱 판의 일면 또는 양면에 나노패턴이 코팅 면적의 70 내지 95%의 분포율로 존재하는 전도성 코팅층을 포함하는 금속박 제조용 전도성 모판을 제공할 수 있다.

상기 금속박 제조용 전도성 모판은 수평형 또는 수직형 셀을 포함한 전주장치에서 사용될 수 있으며, 바람직하게는 양면에 전도성 코팅층을 포함하여 양방향으로 금속박의 적층이 가능하다. 전주법에 따르면, 전해액이 대부분 산성 분위기이므로 음극의 역할을 하는 전도성 모판은 내화학성 내식성 및 내마모성을 가져야하며 권취가 가능하도록 유연성(flexiblility)이 요구된다.

이에 본 발명의 전도성 모판은 플라스틱 소재를 이용함으로써 기존의 금속소재를 이용한 모판에 비해 현저하게 향상된 유연성(flexiblility)을 가질 수 있다. 기존의 금속모판의 경우 금속박의 분리를 위해 물리적으로 힘을 가하면 꺾여버려 재사용시 파손된 부분을 절단하여야만 했다. 이에 반해 본 발명의 전도성 모판은 유연성이 보다 뛰어나 물리적 힘에도 잘 견디므로 재사용율이 훨씬 높을 수 있다.

또한 부도체인 플라스틱에 전도성 코팅층을 균일하게 코팅함으로써 모판에 통전(通電)성을 부여할 수 있다. 특히, 코팅 면적의 70 내지 95%의 분포율로 존재하는 나노패턴에 의해 전주극박재 즉, 금속박과의 계면 밀착력 차이가 발생하므로 모판은 전주공정에서 따로 연마를 거치지 않아도 비교적 적은 물리적 힘에 의해서 금속박과의 분리가 용이하게 일어날 수 있다.

나노패턴의 분포율이 70% 미만일 경우, 패턴의 분포가 균일하지 않고 밀집 구간이 발생할 수 있다. 패턴 분포가 균일하지 않으면 계면 밀착력의 편차가 발생하는 부분이 존재하게 되어 금속박막이 균일하게 분리되지 않을 수 있다. 또한 70 내지 95%의 분포율에서 충분히 박막 분리가 용이하게 일어나므로 나노패턴의 분포율을 95% 초과할 필요는 없다.

이 때, 상기 플라스틱 판은 PET, PEN, PC, PI 및 PTFE를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 소재로 이루어진 것이 바람직하고, 상기 전도성 코팅층은 Ti, Mo, Zr, Ir, Ta, TCO, ITO, FTO, 및 스테인레스를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금으로 이루어진 것이 바람직하다. 만약 내식성 및 내화학성을 강화하고 싶을 경우라면 Ti 또는 스테인레스의 함량을 더욱 높이는 것이 바람직하고, 내마모성을 강화하고 싶은 경우라면 TCO, ITO, 또는 FTO 함량을 높이는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 전도성 코팅층은 두께가 20 내지 70,000㎚일 수 있고, 보다 바람직하게는 20 내지 20,000nm일 수 있다. 코팅층의 두께는 모판의 반복사용을 고려하여 두껍게 형성하는 것이 내식성, 내화학성, 내마모성을 확보할 수 있는 바람직한 양태이나, 제조 원가를 고려하여 그 두께를 상기 범위내로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 전도성 코팅층의 두께에 따라 모판의 총 두께를 고려하여 플라스틱 판의 두께를 결정할 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 나노패턴은 바닥 직경이 10 내지 1000㎚인 돌기 또는 폭이 5 내지 1000㎚인 라인일 수 있다. 상기 나노패턴은 도전층 형성과 동시에 형성될 수 있으며 이에 도전층과 성분이 동일하다. 모판 표면에 나노 패턴을 형성되어 있을 경우, 패턴이 그대로 금속박에 전사되어 나타나므로 금속박의 유연성이 더욱 향상될 수 있고, 그에 따라 유연성을 갖는 전자소자용 기판재 또는 성형용 소재로서 보다 광범위하게 활용이 가능하다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 돌기는 단면적이 일정한 원기둥, 단면적이 상향 축소되는 원기둥, 원뿔, 원호, 반원, ∩자형, 단면적이 일정한 다각기둥, 단면적이 상향 축소되는 다각기둥, 다각뿔 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 상기 라인은 직선형, 물결형, 빗살형, 지그재그형 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 본 발명의 일 구현예에 따른 모판의 나노패턴은 하기 도 1과 같이 나타날 수 있다.

상기 패턴이 나노사이즈가 아닐 경우, 프라스틱 판에 형성되는 도전층의 피막 형성이 불균일하고 도전층과 플라스틱 판과의 밀착성이 떨어질 수 있다. 이에 따라 모판의 통전성이 불균일질 수 있고, 금속박이 모판으로부터 잘 분리되지 않을 수 있다. 그러나 패턴이 나노사이즈로 구현됨으로써 모판의 통전성 확보는 물론, 전사되는 전주 극박재의 표면거칠기(Rz)를 10 내지 15nm까지 제어할 수 있다. 유리의 표면거칠기가 20 내지 25nm인 점을 고려하였을 때, 이는 극평탄의 수준이며 모판의 연마에 의한 방법으로는 구현하기가 어렵다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 플라스틱 판의 일면 또는 양면에 스퍼터증착법, 전자선증착법, 열증착법 및 화학기상증착법을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법으로 코팅 면적의 70 내지 95%의 분포율로 존재하는 전도성 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 금속박 제조용 전도성 모판의 제조방법을 제공할 수 있다.

금속박의 분리단계에서 전도성 코팅층이 금속박과 함께 분리되지 않도록 상기 플라스틱 판과 전도성 코팅층은 강한 결합을 이루고 있어야 한다. 따라서 본 발명의 바람직한 양태에 따르면 상기 전도성 코팅층 형성은 스퍼터증착법, 전자선증착법, 열증착법 및 화학기상증착법을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법으로 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 나노패턴은 바닥 직경이 10 내지 1000㎚인 돌기 또는 폭이 5 내지 1000㎚인 라인이고, 상기 돌기는 단면적이 일정한 원기둥, 단면적이 상향 축소되는 원기둥, 원뿔, 원호, 반원, ∩자형, 단면적이 일정한 다각기둥, 단면적이 상향 축소되는 다각기둥, 다각뿔 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며 상기 라인은 직선형, 물결형, 빗살형, 지그재그형 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

상기 나노패턴 형성방법의 일례로서, PI소재 표면에 전도층으로 Mo를 증착하는 경우, Mo를 스퍼터 타겟으로 하여 경사지게 한 상태에서 스퍼터링 파워 1200W, 공정압력 0.5mTorr, Ar 20sccm 및 증착속도 6.4 Å/sec의 조건으로 전기전도도가 우수한 원추형 나노패턴을 형성할 수 있다. 또한, 스퍼터링 파워 300W, 공정압력 10mTorr, Ar 30sccm 및 증착속도 1.66 Å/sec 조건에서는 PI판과의 밀착력이 우수한 원형의 나노패턴을 얻을 수 있다.

한편, PI판에 금속산화물인 TiO₂를 증착하는 경우 스퍼터링 파워 2000W, 공정압력 1mTorr, Ar 30sccm, O2 10sccm 분위기에서 원형의 나노구조체를 형성시킬 수 있으며, ITO를 코팅하는 경우 스퍼터링 파워 300W, 공정압력 3mTorr, Ar 100sccm, O2 3sccm 분위기에서 원형의 나노패턴을 형성할 수 있다. 상기 나노패턴은 전도성물질에 따라 플라스틱 판에 대한 밀착력, 저항의 감소, 전기전도도 및 증착율이 향상되는 조건을 확인하여 공정압력, 온도, 스퍼터의 DC-Power, 전도성 물질과 플라스틱 판의 tilt각도, 공정 분위기(Ar 또는 O₂ 유량) 및 증착속도 등을 알맞게 제어하여 구현하고자 하는 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 전도성 모판을 사용한 금속박의 제조과정을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

하기 도 3 또는 4를 통해서 확인 할 수 있듯이, 수평형(100) 또는 수직형(200) 전주장치는 공통적으로 모판 공급장치(10), 컨덕트롤(31), 애노드 전극(32), 전류공급장치 (33), 전해액 저장조(34), 전해액 노즐(38), 박리롤(51), 금속박 권취장치(55) 및 모판 권취장치(72)를 포함할 수 있다.

코일 형태로 권취되어 있는 모판은 수평 셀(30) 또는 수직 셀(40) 내로 일정한 방향으로 연속 공급된다. 상기 모판은 모판의 폭 방향 에지부와 접촉하여 모판을 수평 또는 수직 셀 내로 이송시키는 한 쌍의 컨덕트 롤에 의해 셀 내로 공급될 수 있다. 이때, 상기 셀 내로 공급된 모판의 어느 한 면에 전해액을 공급하여 일면 전주를 행할 수 있음은 물론, 양면 모두에 전해액을 공급함으로써 모판의 양면에서 금속을 전해 석출시킴으로써 금속박의 생산속도를 증대시킬 수 있다.

상기와 같이 셀 내로 모판이 공급되면, 모판의 일면 또는 양면에 전해액 공급 노즐을 통해 전해액을 공급하고, 모판과 애노드 전극의 전위차에 의해 전해액이 이동하면서 음극(캐소드 전극)의 역할을 하는 모판의 표면에 금속 이온이 석출되어 금속층을 형성한다. 상기 전해액 내에 포함되는 금속 이온은 전주가 가능한 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어, Cu, Fe, Ni, Zn, Cr, Co, Ag, Pd, Sn 또는 이들의 합금 등을 들 수 있다.

종래의 드럼형 전주 셀의 경우에는 캐소드로 제공되는 모판 형상이 드럼 형상으로 곡률을 가져 전착 속도가 저하되거나 얻어지는 금속박의 두께가 불균일하게 되는 문제점을 가지고 있었다. 그러나, 수평 또는 수직 셀을 이용하는 경우, 전해액의 유동 속도가 감소되는 현상 없이 전해액을 고속으로 공급할 수 있어 금속이온의 전착속도를 증가시킬 수 있다.

상기 전해액은 전해액을 수용하는 전해조로부터 노즐을 통하여 모판의 표면에 공급되는데, 이와 같은 전해액은 모판 진행방향에 대하여 동일한 방향 및 반대 방향으로 공급될 수 있다. 이와 같이 함으로써 모판 표면에의 금속 성분의 전착 속도를 더욱 높일 수 있다. 이 때, 필요에 따라 전착에 사용된 전해액은 다시 전해액 저장조로 회수할 수 있다.

상기와 같은 전착과정은 연속적으로 복수 회 수행할 수 있다. 이와 같이 전착과정을 복수 회 수행하는 경우, 얻어지는 금속박의 두께를 증가시킬 수 있다. 또한 모판을 보다 고속으로 공급하더라도 원하는 두께를 갖는 금속박을 얻을 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다. 나아가, 수평 셀 별로 상이한 전해액을 공급하여 전착시킬 수도 있어 복수의 층을 갖는 금속박을 얻을 수 있다.

한편, 상기 전착된 금속층을 모판으로부터 분리 하는 데에는 모판과 금속층과의 전단응력의 차이를 이용하거나 이동속도의 차이를 발생시켜 분리할 수 있다. 모판 상에 전착되어 형성된 금속층은 나노 패턴이 형성된 모판에 대하여 표면 장력으로 결합되어 있기 때문에, 이에 의해 용이하게 분리가 가능하다.

이와 같이 하여 얻어진 금속박은 권취량에 따라 적절히 절단할 수 있다. 나아가, 상기 금속층이 분리된 모판 또한 권취하여 재사용될 수 있다. 다만, 분리된 모판에는 전착과정에서의 전해액이나 기타 불순물이 존재할 수 있는바, 세척 후 건조하여 모판의 표면이 청정한 상태를 유지하는 것이 바람직하다.

10: 모판 공급장치 11: 나노패턴이 형성된 전도성 모판
30: 수평 셀 31: 컨덕트 롤
32: 애노드 전극 33: 전류 공급 장치
34: 전해액 저장조 38: 전해액 노즐
50: 금속박 51: 박리 롤
55: 금속박 권취 장치 72: 모판 권취장치
100: 수평 전주장치
40: 수직 셀 200: 수직 전주장치

Claims (7)

1. 플라스틱 판; 및
   상기 플라스틱 판의 일면 또는 양면에 나노패턴이 코팅 면적의 70 내지 95%의 분포율로 존재하는 전도성 코팅층을 포함하는 금속박 제조용 전도성 모판.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 플라스틱 판은 PET, PEN, PC, PI 및 PTFE를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 소재로 이루어진 금속박 제조용 전도성 모판.
   
3. 제 1 항에 있어서 상기 도전성 코팅층은 Ti, Zr, Ir, TCO, ITO, FTO, 및 스테인레스를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속 또는 합금으로 이루어진 금속박 제조용 전도성 모판.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 코팅층은 두께가 20 내지 70,000㎚인 금속박 제조용 전도성 모판.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 나노패턴은 바닥 직경이 10 내지 1000㎚인 돌기 또는 폭이 5 내지 1000㎚인 라인이고,
   상기 돌기는 단면적이 일정한 원기둥, 단면적이 상향 축소되는 원기둥, 원뿔, 원호, 반원, ∩자형, 단면적이 일정한 다각기둥, 단면적이 상향 축소되는 다각기둥, 다각뿔 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며
   상기 라인은 직선형, 물결형, 빗살형, 지그재그형 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 금속박 제조용 전도성 모판.
   
6. 플라스틱 판의 일면 또는 양면에 스퍼터증착법, 전자선증착법, 열증착법 및 화학기상증착법을 포함하는 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법으로 나노패턴이 코팅 면적의 70 내지 95%의 분포율로 존재하는 전도성 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 금속박 제조용 전도성 모판의 제조방법.
   
7. 제 6 항에 있어서, 상기 나노패턴은 바닥 직경이 10 내지 1000㎚인 돌기 또는 폭이 5 내지 1000㎚인 라인이고,
   상기 돌기는 단면적이 일정한 원기둥, 단면적이 상향 축소되는 원기둥, 원뿔, 원호, 반원, ∩자형, 단면적이 일정한 다각기둥, 단면적이 상향 축소되는 다각기둥, 다각뿔 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상이며
   상기 라인은 직선형, 물결형, 빗살형, 지그재그형 및 이들 형상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 금속박 제조용 전도성 모판의 제조방법.
   

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