KR20160047377A - Method for manufacturing ion-exchange membrane - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이온 교환막의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 나노 임프린트 방법을 이용한 이온 교환막의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an ion exchange membrane, and more particularly, to a method of manufacturing an ion exchange membrane using a nanoimprint method.
일반적으로 이차전지, 슈퍼 커패시터 등 전기화학적 에너지 소자에서, 양극, 음극, 전해질과 함께 전기화학셀을 이루는 구성요소로써 이온 교환막이 사용된다. 이온 교환막은 물리적으로 양극과 음극, 양단의 접촉을 막고, 그 안에서 이온의 통로를 제공하는 역할을 한다. 이온 교환막에서 중요한 요소로는 이온 전도도와 안정성을 뽑을 수 있다. 이온 전도도는 이온 교환막의 기공률, 기공의 경로, 기공의 크기, 전해질의 젖음성 등에 의하여 결정된다. 또한, 안정성(일 예로, 내산화성, 내열성, 내화학성, 내산성, 기계적 강도, 구조적 안정성 등)은 대부분 이온 교환막의 소재에 의하여 그 특성이 정해지게 된다.Generally, an ion exchange membrane is used as an element constituting an electrochemical cell together with an anode, a cathode, and an electrolyte in an electrochemical energy device such as a secondary battery or a super capacitor. The ion exchange membrane physically blocks the contact between the anode and the cathode, and serves to provide the passage of ions therein. Ion conductivity and stability can be selected as important factors in the ion exchange membrane. The ionic conductivity is determined by the porosity of the ion exchange membrane, the path of the pores, the size of the pores, and the wettability of the electrolyte. In addition, stability (for example, oxidation resistance, heat resistance, chemical resistance, acid resistance, mechanical strength, structural stability, etc.) is determined by the material of the ion exchange membrane.
한편, 일반적으로 임프린트 리소그래피 공정은 기판 상에 레진을 도포한 후, 그 위에 나노 패턴이 형성되어 있는 스탬프로 가압하여 이온 교환막을 제조한다. 그러나, 스탬프의 가압에 의해 이온 교환막을 제조하는 방법은, 그 제조과정에서 잔여 레진이 발생하게 된다. 이러한 잔여 레진의 발생은 수율 저하와 이온 교환막 오염의 원인이 된다.In general, in the imprint lithography process, a resin is coated on a substrate, and then the resist is pressed with a stamp having a nano pattern formed thereon to produce an ion exchange membrane. However, in the method of manufacturing an ion exchange membrane by pressurization of a stamp, residual resin is generated in the manufacturing process. The generation of such residual resin causes a decrease in the yield and contamination of the ion exchange membrane.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 나노 임프린트 방법을 이용하는 이온 교환막의 제조 방법을 제공하는 데 있다..The present invention provides a method for manufacturing an ion exchange membrane using a nanoimprint method.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막의 제조 방법은 리세스 영역을 정의하는 임프린트 패턴을 포함하는 스탬프를 준비하는 것, 상기 리세스 영역에 레진을 채우는 것, 상기 레진을 경화시키는 것, 및 상기 경화된 레진을 기판에 전사하는 것을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an ion exchange membrane, comprising: preparing a stamp including an imprint pattern defining a recessed region; filling the recessed region with a resin; Curing the resin, and transferring the cured resin to the substrate.
본 발명의 실시예들에 따른 이온 교환막의 제조 방법에 의해 제조된 이온 교환막은 직접적인 기공 경로와 균일한 크기의 기공을 가질 수 있다. 이를 통해, 이온전도도가 향상될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 이온 교환막의 제조 방법은 이온 교환막 제조에 필요한 양의 레진만 사용할 수 있어, 임프린트 리소그래피 공정의 수율이 증가하고 불순물 생성이 감소할 수 있다.The ion exchange membrane manufactured by the method of manufacturing an ion exchange membrane according to embodiments of the present invention may have direct pore paths and pores of uniform size. Through this, the ionic conductivity can be improved. In addition, the method of manufacturing the ion exchange membrane according to the embodiments of the present invention can use only the amount of resin necessary for preparing the ion exchange membrane, so that the yield of the imprint lithography process can be increased and the generation of impurities can be reduced.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스탬프를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스탬프를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5은 도 4의 Ⅱ-Ⅱ' 선에 따른 단면도이다.
도 6a 내지 도 6e는 이온 교환막을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view illustrating a stamp according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view taken along a line I-I 'in Fig.
4 is a perspective view illustrating a stamp according to another embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of FIG.
6A to 6E are views for explaining a method of manufacturing an ion exchange membrane.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.In order to fully understand the structure and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Those of ordinary skill in the art will understand that the concepts of the present invention may be practiced in any suitable environment. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to be limiting of the present invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. As used herein, the terms 'comprises' and / or 'comprising' mean that the stated element, step, operation and / or element does not imply the presence of one or more other elements, steps, operations and / Or additions.
본 명세서에서 어떤 면(또는 층)이 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 면(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 면(또는 층)이 개재될 수도 있다.In the present specification, when it is mentioned that a surface (or layer) is on another surface (or layer) or substrate, it may be directly formed on the other surface (or layer) or substrate, or a third surface Or layer) may be interposed.
본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 면들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 면들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 면(또는 층)을 다른 영역 또는 면(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서의 제 1 면으로 언급된 면이 다른 실시예에서는 제 2 면으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Although the terms first, second, third, etc. have been used in various embodiments herein to describe various regions, faces (or layers), etc., it is to be understood that these regions, Can not be done. These terms are only used to distinguish certain regions or faces (or layers) from other regions or faces (or layers). Thus, the face referred to as the first face in either embodiment may be referred to as the second face in other embodiments. Each of the embodiments described and exemplified herein also include its complementary embodiments. Like numbers refer to like elements throughout the specification.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.In addition, the embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and / or plan views, which are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective description of the technical content. Thus, the shape of the illustrations may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include changes in the shapes that are generated according to the manufacturing process. For example, the etched area shown at right angles may be rounded or may have a shape with a certain curvature. Thus, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shapes of the regions illustrated in the figures are intended to illustrate specific types of regions of the elements and are not intended to limit the scope of the invention.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.The terms used in the embodiments of the present invention may be construed as commonly known to those skilled in the art unless otherwise defined.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막의 제조 방법은 리세스 영역을 정의하는 임프린트 패턴을 포함하는 스탬프를 준비하는 것(S10), 리세스 영역에 레진을 채우는 것(S20), 레진을 경화시키는 것(S30), 및 경화된 레진을 기판에 전사하는 것(S40)을 포함할 수 있다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a method of manufacturing an ion exchange membrane according to an embodiment of the present invention includes preparing a stamp including an imprint pattern defining a recess region (S10), filling a resin in a recess region (S20 ), Curing the resin (S30), and transferring the cured resin to the substrate (S40).
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스탬프(10a)를 설명하기 위한 사시도이다. 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선에 따른 단면도이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스탬프(10b)를 설명하기 위한 사시도이다. 도 5는 도 4의 Ⅱ-Ⅱ' 선에 따른 단면도이다. 도 6a 내지 도 6e는 이온 교환막을 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다. 이하에서는 도 2의 스탬프(10a)를 기준으로 설명한다.2 is a perspective view for explaining a
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여, 스탬프가 준비될 수 있다(S10). 스탬프(10a)는 평판 형태의 바닥부(110), 및 바닥부(110) 상의 리세스 영역(RA)을 정의하는 임프린트 패턴을 포함할 수 있다. 바닥부(110)의 일면은 직사각형일 수 있다. 도시된 바와 달리, 바닥부(110)의 일면의 형상은 원형 또는 다각형일 수도 있다.1, 2 and 3, a stamp can be prepared (S10). The
일 실시예에 따르면, 스탬프(10a)의 임프린트 패턴은 복수의 기둥형 구조물들(120) 및 그 주위를 둘러쌓는 측벽(130)을 포함할 수 있다. 일 예로, 기둥형 구조물들(120)은 바닥부(110) 상에 이차원적으로 배열될 수 있다. 즉, 기둥형 구조물들(120)은 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)을 따라 배열되어 복수의 행과 열을 이룰 수 있다. 이때, 기둥형 구조물들(120)은 서로 동일한 간격(L)으로 상호 이격될 수 있다. 예를 들어, 상호 인접한 기둥형 구조물들(120) 사이의 간격(L)은 수십 나노미터 내지 수백 마이크로미터일 수 있다. 기둥형 구조물들(120)은 평면적 관점에서 원형의 단면을 가질 수 있다. 또는, 도시된 바와는 다르게, 기둥형 구조물들(120)은 다각형의 단면을 가질 수도 있다. 기둥형 구조물들(120)은 서로 동일한 크기(예를 들어, 폭 또는 높이)를 가질 수 있다. 예를 들어, 기둥형 구조물들(120)의 폭(d1) 및 높이(h1)는 수십 나노미터 내지 수백 마이크로 미터일 수 있다. 한편, 이와는 다르게, 기둥형 구조물들(120)은 평면적 관점에서 일 방향을 따라 지그재그 형태로 배열될 수도 있다. 측벽(130)이 바닥부(110)의 상면에 배치될 수 있다. 측벽(130)은 스탬프(10a)의 가장자리를 따라 배치될 수 있다. 측벽(130)의 높이(h2)는 기둥형 구조물들(120)의 높이(h1)와 동일할 수 있다. 측벽(130)과 기둥형 구조물들(120)에 의해 레진이 채워지는 리세스 영역(RA)이 정의될 수 있다. 스탬프(10a)는 PDMS(poly dimethyl siloxane), PUA(poly urethane acrylate), PVC(poly vinyl chloride), 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2) 또는 니켈(Ni)를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the imprint pattern of the
다른 실시예에 따르면, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 스탬프(10b)의 임프린트 패턴은 홀 형상을 갖는 복수의 리세스 영역(RA)을 포함할 수 있다. 스탬프(10b)의 상부에 리세스 영역들(RA)이 배치될 수 있다. 리세스 영역들(RA)은 이차원 적으로 배열될 수 있다. 즉, 리세스 영역들(RA)은 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)을 따라 배열되어 복수의 행과 열을 이룰 수 있다. 이때, 리세스 영역들(RA)은 실질적으로 서로 동일한 간격(L)으로 이격될 수 있다. 예를 들어, 상호 인접한 리세스 영역들(RA)들 사이의 간격(L)은 수십 나노미터 내지 수백 마이크로미터일 수 있다. 리세스 영역들(RA)은 평면적 관점에서 원형의 형상을 가질 수 있다. 또는, 도시된 바와는 다르게, 리세스 영역들(RA)은 다각형의 형상을 가질 수도 있다. 리세스 영역들(RA)은 서로 동일한 크기(일 예로, 폭 또는 깊이)를 가질 수 있다. 예를 들어, 리세스 영역들(RA)의 폭(d2) 및 깊이(h3)는 수십 나노미터 내지 수백 마이크로 미터일 수 있다. 한편, 다른 실시예에 따르면, 리세스 영역들(RA)은 평면적 관점에서 일 방향을 따라 지그재그 형태로 배열될 수도 있다.According to another embodiment, as shown in Figs. 4 and 5, the imprint pattern of the
도 1 및 도 6a를 참조하면, 스탬프(10a)의 리세스 영역에 레진(210)이 채워질 수 있다(S20). 이때, 스탬프(10a)에 채워지는 레진(210)은 측벽(130)의 높이(h2)를 넘지 않을 수 있다. 레진(210)은 광경화 레진, 열경화 레진, 열가소성 레진 또는 Sol-Gel형 레진 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 열가소성 레진은 PMMA(poly(methyl methacrylate)) 또는 PC(poly carbonate)일 수 있다. 예를 들어, Sol-Gel형 레진은 HSQ(수소 실세스콰이옥산, hydrogen silsesquioxane), 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO) 또는 세슘 산화물(CeO2)을 포함할 수 있다. 도 4 및 도 5와 같이, 홀 형상의 리세스 영역들(RA)을 포함하는 임프린트 패턴을 갖는 스탬프(10b)의 경우, 레진(210)은 미세 노즐을 이용하여 리세스 영역들(RA) 각각에 주입될 수 있다. 이때, 스탬프(10b)의 리세스 영역들(RA) 각각에 채워지는 레진(210)은 리세스 영역(RA)의 깊이(h3)를 넘지 않을 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 6A, the
도 1 및 도 6b를 참조하여, 스탬프(10a) 상에 채워진 레진(210)이 경화될 수 있다(S30). 경화 공정은 열경화 공정 또는 광경화 공정일 수 있다. 예를 들어, 레진(210)은 UV/Ozone 또는 열 처리 공정을 통해 경화될 수 있다. 또는, 열가소성 레진의 경우, 레진(210)을 유리전이온도 이하로 냉각하여 고화할 수 있다.Referring to Figs. 1 and 6B, the
도 1 및 도 6c 내지 도 6e를 참조하여, 경화된 레진(220)을 기판(300)에 전사할 수 있다(S40). 예를 들어, 스탬프(10a) 상에 기판(300)을 배치시킨 후, 스탬프(10a)를 기판에 가압하여 경화된 레진(220)을 전사할 수 있다. 기판(300)은 활성탄(active carbon), 그래핀(graphene), 탄소 나노 튜브(CNT) 또는 활물질(active material)을 포함할 수 있다. 스탬프(10a)를 분리하여 이온 교환막이 형성될 수 있다. 이때, 이온 교환막은 스탬프(10a)의 임프린트 패턴에 대한 반전구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 이온 교환막은 기둥형 구조물(120)에 반전된 기공 패턴을 갖는 기공형 이온 교환막일 수 있다. 여기서 '기공'은 이온 교환막에 존재하는 것으로, 기공 패턴을 통해 이온의 원활한 이동이 이루어지고 다량의 전해액이 채워져 높은 함침율을 나타내도록 하는 부분을 의미한다. 또는, 홀 형상의 리세스 영역들(RA)을 포함하는 임프린트 패턴을 갖는 스탬프(10b)의 경우, 이온 교환막은 홀 형상의 리세스 영역(RA)에 반전된 기둥형의 나노 패턴을 가질 수 있다.Referring to Figs. 1 and 6C to 6E, the cured
이상 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 교환막의 제조 방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 원리는 이에 한정되지 아니한다.Although the method of manufacturing an ion exchange membrane according to one embodiment of the present invention has been described above, the principle of the present invention is not limited thereto.
본 발명의 실시예들에 따른 이온 교환막의 제조 방법은 리세스 영역(RA)으로 정의되는 영역 내에만 레진이 채워진다. 이로 인해, 임프린팅 공정에 필요한 적정 양의 레진만을 사용할 수 있다. 따라서, 임프린팅 공정 중에 이온 교환막 오염의 원인이 되는 잔여 레진이 발생하지 않는다. 또한, 본 발명의 원리에 따라 형성된 이온 교환막은 임프린트 패턴에 따라 직접적인 기공 경로와 균일한 크기의 기공을 갖는다. 따라서, 이온전도도가 향상된 이온 교환막이 형성될 수 있다.In the method of manufacturing an ion exchange membrane according to the embodiments of the present invention, the resin is filled only in the region defined by the recessed region RA. For this reason, only the appropriate amount of resin required for the imprinting process can be used. Therefore, residual resin causing contamination of the ion exchange membrane does not occur during the imprinting process. Also, the ion exchange membrane formed according to the principles of the present invention has direct pore paths and pores of uniform size according to the imprint pattern. Therefore, an ion exchange membrane having improved ionic conductivity can be formed.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
10a, 10b: 스탬프
110: 바닥부
120: 기둥형 구조물
130: 측벽
210: 레진
220: 경화된 레진
300: 기판
RA: 리세스 영역10a, 10b: Stamp 110:
120: columnar structure 130: side wall
210: Resin 220: Cured resin
300: substrate
RA: recessed area
Claims (1)
상기 리세스 영역에 레진을 채우는 것;
상기 레진을 경화시키는 것; 및
상기 경화된 레진을 기판 상에 전사하는 것을 포함하는 이온 교환막의 제조 방법.Preparing a stamp including an imprint pattern defining a recessed area;
Filling the recessed region with a resin;
Curing the resin; And
And transferring the cured resin onto a substrate.
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|---|---|---|---|
| KR20140141872 | 2014-10-20 | ||
| KR1020140141872 | 2014-10-20 |
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| KR102034147B1 KR102034147B1 (en) | 2019-11-11 |
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|---|---|---|---|
| KR1020150068016A KR102034147B1 (en) | 2014-10-20 | 2015-05-15 | Method for manufacturing ion-exchange membrane |
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2015
- 2015-05-15 KR KR1020150068016A patent/KR102034147B1/en active IP Right Grant
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|---|---|
| KR102034147B1 (en) | 2019-11-11 |
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