KR20210084882A - 멀티 코팅 모드를 갖는 코팅 헤드 및 이를 이용한 기능성 용액 코팅 방법 - Google Patents

멀티 코팅 모드를 갖는 코팅 헤드 및 이를 이용한 기능성 용액 코팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피처리 기판에 기능성 용액을 코팅하는 방법으로서, 코팅 장치의 스테이지에 피처리 기판을 로딩하는 단계; 로딩된 피처리 기판의 표면에 상기 기능성 용액을 코팅하는 단계; 및 피처리 기판을 건조하는 단계;를 포함하며, 상기 기능성 용액이 수nm 내지 100nm의 크기를 가지며 가시광 대역에 속하는 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 파장을 갖는 플라즈몬 활성 금속의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 방법을 제공한다.

Description

멀티 코팅 모드를 갖는 코팅 헤드 및 이를 이용한 기능성 용액 코팅 방법 {Coating head with multi coating modes and method for functional coating solution by using the coating head}
본 발명은 기판에 기능성 용액을 코팅하는 코팅 장치 및 이를 이용한 코팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 색구현과 자기세정 및/또는 자기회복 기능을 갖는 나노입자 또는 마이크로입자를 함유한 기능성 용액을 대면적의 기판 위에 균일하게 코팅할 수 있는 코팅 장치 및 코팅 방법에 관한 것이다.
근래 들어 태양광으로부터 직접 전기 에너지를 생산하는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 일반적으로 태양전지는 백시트 위에 태양전지 셀, EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 기반의 밀봉시트, 및 유리 등의 투명 기판이 적층된 태양관 패널로 구성되는데, 태양광 패널의 가장 바깥층을 이루는 유리 등의 투명 기판은 단열성이나 내구성, 오염에 대한 자기 세정력, 태양전지로 흡수되는 광량의 감소를 줄이고 눈부심을 방지하기 위한 반사저감능 등과 같은 기능적 물성이 요구되고 더 나아가 태양광 패널이 건물의 내외벽에 설치될 경우 다양한 심미성을 만족하기 위해 자유로운 색상의 변화 또한 가능한 것이 바람직하다.
이러한 기능성 물질을 유리 등의 기판에 코팅하기 위해 건식코팅방법 즉, 진공장비를 이용하여 금속이나 고분자 막막을 코팅하는 방법을 사용할 수 있으나 이는 가격이 매우 고가인 방법이므로, 가격이 저렴하면서도 공정이 용이한 습식코팅방법이 개발되어야 한다. 습식코팅방법으로 종래부터 바(bar) 코팅이나 슬롯 다이(slot-die) 코팅 등의 방식으로 코팅하고 있는데, 기능성을 갖는 나노입자의 분산액을 대면적의 기판에 코팅할 경우 분산액 내에서 나노입자들의 분포가 균일하지 않기 때문에 대면적 기판 코팅시 균일도 제어가 어려우며 특히 색상 인가를 위한 코팅을 할 경우 매우 작은 영역의 결함이나 불균일도 눈으로 쉽게 차이를 확인할 수 있어 더 높은 균일성이 요구된다.
특허문헌1: 한국 공개특허 제2015-0058860호 (2015년 5월 29일 공개)
상술한 것처럼 종래의 대면적 기판 코팅시 균일도 제어가 어려우며 특히 종래기술의 경우 각 코팅 장치에 따라 이미 코팅액 주입방식이 정해져 있으므로 코팅액에 따른 최적의 코팅방식 설정에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제와 한계를 극복하기 위한 것으로, 블레이드(blade) 코팅, 슬롯 다이(slot-die) 코팅, 및 컨벡티브(convective) 코팅 방식에 따른 코팅작업을 수행할 수 있는 멀티 코팅모드를 가지며, 기능성 용액내 나노입자의 크기나 코팅층의 두께 등 코팅 변수에 따라 코팅 방식을 가변하여 코팅할 수 있는 코팅 헤드 및 이를 구비한 코팅 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 피처리 기판에 기능성 용액을 코팅하는 방법으로서, 코팅 장치의 스테이지에 피처리 기판을 로딩하는 단계; 로딩된 피처리 기판의 표면에 상기 기능성 용액을 코팅하는 단계; 및 피처리 기판을 건조하는 단계;를 포함하며, 상기 기능성 용액이 수nm 내지 100nm의 크기를 가지며 가시광 대역에 속하는 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 파장을 갖는 플라즈몬 활성 금속의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기능성 용액 코팅 방법을 수행하는 코팅 장치로서, 피처리 기판을 흡착하여 지지하는 스테이지; 상기 스테이지의 상부 또는 하부에 배치되어 피처리 기판을 가열하여 기능성 용액을 건조시키기 위한 히터; 및 상기 스테이지에 대해 상대적으로 이동 가능하도록 구성되고 상기 스테이지에 흡착된 피처리 기판의 표면에 기능성 용액을 코팅하는 코팅 헤드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 헤드는 블레이드 코팅, 슬롯 다이 코팅, 및 컨벡티브 코팅 방식에 따른 코팅작업을 수행할 수 있는 멀티 코팅모드를 가지며, 기능성 용액내 나노입자의 크기나 코팅층의 두께 등 코팅 변수에 따라 코팅 방식을 가변하여 코팅할 수 있어 대면적 기판에 기능성 용액을 균일하게 코팅할 수 있는 기술적 효과를 가진다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치를 설명하는 도면,
도2는 일 실시예에 따른 코팅 헤드를 설명하는 도면,
도3은 일 실시예에 따른 기능성 용액을 코팅하는 방법의 예시적인 흐름도,
도4는 일 실시예에 따른 기능성 용액의 코팅 방법을 설명하는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '~를 포함한다', '~로 구성된다', 및 '~으로 이루어진다'라는 표현은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치를 개략적으로 나타내었다.
도면을 참조하면 코팅 장치는 스테이지(20), 히터(25), 롤러(30), UVO 램프(40), IR 히터(50), 및 코팅 헤드(100)를 포함할 수 있다.
스테이지(20)와 롤러(30)는 코팅 장치의 장치 프레임(10)에 설치되며, 스테이지(20)는 피처리 기판을 흡착하여 지지하는 역할을 한다. 롤러(30)는 장치 프레임(10) 상부면에 다수의 설치되며, 피처리 기판(S)이 롤러(30)에 의해 (예컨대 도1에서 오른쪽에서 왼쪽 방향으로) 이송될 수 있다. 스테이지(20) 내측에도 다수의 롤러(30)가 설치되되 롤러(30)의 상단부가 스테이지(20)의 표면 보다 위로 돌출하도록 배치된다. 또한 스테이지(20)가 상하로 움직이도록 구성되어, 스테이지(20)가 아래로 내려가면 도1에 도시한 것처럼 롤러(30)의 상단부가 스테이지(20)의 상부면 보다 위로 돌출한 상태가 되고 스테이지(20)가 위로 움직이면 롤러(30)의 상단부보다 더 위쪽으로 상승할 수 있다. 따라서 스테이지(20)가 내려간 상태에서 피처리 기판(S)을 이송하여 스테이지(20)의 상부면에 위치시킨 후 스테이지(20)를 상승시켜 스테이지(20)의 상부면 위에 피처리 기판(S)을 고정시킬 수 있다.
이 때 일 실시예에서 스테이지(20)의 표면에는 복수개의 흡착구(도시 생략)이 설치되고 진공압 형성부(도시 생략)에 의해 형성된 진공압으로 흡착구가 피처리 기판(S)을 흡착함으로써 피처리 기판(S)을 스테이지(20) 위에 안정적으로 고정시킬 수 있다.
또한 일 실시예에서 스테이지(20)의 상부면에는 히터(25)를 더 포함할 수 있다. 히터(25)는 예컨대 전기로 가열되는 가열소자를 포함할 수 있으며, 피처리 기판(S)에 용액을 코팅한 후 건조할 때 히터(25)를 이용하여 건조시킬 수 있다. 대안적 실시예에서 히터(25)가 스테이지(20)의 상부에 위치할 수도 있고 히터(25)가 열풍을 불어내는 열풍 건조기 등 다른 방식의 히터로 구현될 수도 있다.
본 발명의 코팅 장치는 스테이지(20)의 상부에 위치하는 UVO 램프(40)를 더 포함할 수 있다. UVO 램프(40)는 피처리 기판(S)의 표면처리를 위해 설치될 수 있으며, 소정 파장 대역의 자외선을 피처리 기판(S)에 조사하여 피처리 기판(S)의 표면이 예컨대 친수성을 갖도록 표면 처리할 수 있다. 코팅 장치는 또한 IR 히터(50)를 더 포함할 수 있다. IR 히터(50)는 스테이지(20)의 상부에 위치할 수 있고 피처리 기판(S)에 적외선을 조사하여 코팅액을 소성하거나 경화시킬 수 있다. 이 때 UVO 램프(40)와 IR 히터(50)의 각각은 수직 또는 수평 방향으로 이동할 수 있으며, 사용을 위해 스테이지(20)의 상부로 이동하여 스테이지(20) 위에 놓여진 피처리 기판(S)을 향해 VUO 램프를 조사하거나 적외선을 조사할 수 있다.
코팅 헤드(100)는 스테이지(20)에 대해 상대적으로 이동 가능하도록 구성되고 스테이지(20)에 흡착된 피처리 기판(S)의 표면에 기능성 용액을 도포하고 코팅하는 역할을 한다. 코팅 헤드(100)는 적어도 하나의 노즐과 블레이드를 구비할 수 있으며 코팅 헤드(100)의 구체적 구성에 대해서는 도2를 참조하여 후술하기로 한다.
한편 도1에 도시하지 않았지만 본 발명에 따른 코팅 장치는 각종 이송기구와 이들 이송기구를 제어하는 제어부를 더 포함한다. 예를 들어 이송기구는 스테이지(20)를 상하로 움직이는 이송기구, UVO 램프(40)와 IR 히터(50)를 각각 움직이는 이송기구, 및/또는 코팅 헤드(100)를 움직이는 이송기구를 포함할 수 있고, 각 이송기구는 예컨대 모터나 액추에이터, 실린더 등의 동력발생장치 및 스크류, 벨트, 기어 등 동력을 전달하는 동력전달장치로 구성될 수 있다. 제어부는 이들 각종 이송기구를 비롯하여 롤러(30)의 구동, 히터(25)의 동작 등을 제어할 수 있으며 이에 따라 피처리 기판(S)을 이송하고 피처리 기판(S)에 기능성 용액을 코팅하는 전체 공정을 수행할 수 있다.
도2는 일 실시예에 따른 코팅 헤드(100)를 개략적으로 도시하였다.
일 실시예에 따른 코팅 헤드(100)는 헤더 본체(101), 제1 및 제2 노즐(110,120), 블레이드(130), 회동기구(115,125,135), 및 제1 및 제2 밸브(105,106)를 포함할 수 있다.
블레이드(130)는 예컨대 블레이드 코팅 등의 방식으로 피처리 기판(S)을 코팅할 때 사용되는 것으로, 피처리 기판(S)의 폭 방향으로 길게 배열된다. 제1 노즐(110)과 제2 노즐(120)은 각각 기능성 용액을 분사하기 위한 것으로, 블레이드(130)를 사이에 두고 블레이드(130)의 양쪽에 각각 위치한다. 즉 제1 노즐(110)은 블레이드(130)의 일측 방향으로 인접하여 배치되고 제2 노즐(120)은 블레이드(130)의 타측 방향으로 인접하여 배치된다.
제1 노즐(110) 또는 제2 노즐(120)은 하나 이상의 노즐로 구성될 수 있고, 이 경우 각 노즐은 피처리 기판(S)의 폭 방향을 따라 소정 간격씩 이격되어 설치될 수 있다. 일 실시예에서 제1 노즐(110)은 제2 노즐(120)에 비해 노즐 길이가 더 길게 구성된다. 또한 제1 노즐(110)은 노즐 길이가 조절 가능하도록 구성될 수 있다.
블레이드(130)는 예를 들어 스테인리스스틸(SUS) 등의 금속이나 유리 재질로 제조될 수 있다. 블레이드(130)의 하단부의 표면은 경사면(131)으로 형성된다. 즉 도면에 도시한 것처럼 경사면이 제1 노즐(110)이 위치한 방향을 향하도록 경사지게 형성되며 따라서 블레이드(130)의 하단부에서 블레이드의 두께가 점차 감소하는 테이퍼 형상을 가진다.
일 실시예에서 제1 및 제2 노즐(110,120)과 블레이드(130)는 각각 회동기구에 의해 헤더 본체(101)에 결합된다. 제1 노즐(110)은 제1 회동기구(115)에 의해 헤더 본체(101)에 결합되고, 이에 의해 제1 노즐(110)이 블레이드(130)를 향해 소정 각도 범위 내에서 회동할 수 있다. 제2 노즐(120)은 제2 회동기구(125)에 의해 헤더 본체(101)에 결합되어, 제2 노즐(120)이 블레이드(130)를 향해 소정 각도 범위 내에서 회동할 수 있다. 블레이드(130)는 제3 회동기구(135)에 의해 헤더 본체(101)에 결합됨으로써 블레이드(130)가 제1 노즐(110)을 향해 또는 제2 노즐(120)을 향해 소정 각도 범위 내에서 회동할 수 있다.
또한 일 실시예에서 제1 노즐(110)과 제2 노즐(120)의 각각은 피처리 기판(S)의 폭방향으로도 소정 범위 내에서 움직일 수 있도록 구성된다. 이 경우 기능성 용액을 피처리 기판(S)에 분사할 때 피처리 기판(S)의 폭방향으로 왕복운동하며 분사함으로써 용액을 피처리 기판(S)의 표면에 균일하게 도포할 수 있다.
헤더 본체(101)는 제1 노즐(110)과 제2 노즐(120)로 기능성 용액을 공급하는 공급관(103)을 구비하며, 공급관(103)은 두 갈래로 나뉘어서 기능성 용액을 각각 제1 노즐(110)과 제2 노즐(120)로 각각 공급할 수 있다. 이 때 제1 노즐(110)에 연결된 공급관에 제1 개폐밸브(105)가 설치되고 제2 노즐(120)에 연결된 공급관에 제2 개폐밸브(106)가 설치될 수 있다. 각 개폐밸브(105,106)는 제어부(도시 생략)의 제어에 의해 개폐가능하며, 제어부는 코팅 방식에 따라 두 개폐밸브(105,106) 중 하나를 개방하여 제1 노즐 또는 제2 노즐 중 하나만 사용하여 코팅작업을 수행할 수 있다.
도3은 상술한 코팅 장치를 사용하여 기능성 용액을 코팅하는 예시적 방법의 흐름도를 도시하였다. 도면을 참조하면, 우선 단계(S10)에서 피처리 기판(S)(이하 간단히 '기판'이라고 함)을 코팅 장치의 스테이지(20)에 로딩한다. 예를 들어 롤러(30)를 구동하여 기판(S)을 스테이지(20) 위에 올려놓고 흡착하여 기판(S)의 위치를 고정한다.
이 때 본 발명의 코팅 방법에 사용되는 기판은 플렉시블(flexible) 또는 리지드(rigid)한 투명 기판일 수가 있다. 예를 들어 투명 리지드 기재의 일 예로 유리 등을 들 수 있으며, 플렉시블 투명 기재의 일 예로, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리메텔 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리이미드(PI)등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 실시예에서 기판(S)은 반투명 또는 불투명의 기재일 수 있고 예컨대 하나 이상의 금속으로 구성된 금속 필름 또는 합금 필름일 수 있다.
다음으로 단계(S20)에서, 기판(S)의 표면이 친수성을 갖도록 표면처리할 수 있다. 이를 위해 예를 들어 UVO 램프(40)나 플라즈마를 이용하여 기판 표면의 친수성 처리를 할 수 있다. UVO 방식의 경우 예를 들어 184.9nm의 파장 및 253.7nm의 파장의 자외선을 기판(S) 표면에 조사하여 표면에 생성된 유기물과 수분을 제거하고 표면을 개질하여 친수성을 갖게 하며, 이에 의해 코팅되는 물질이 기판이 잘 부착되도록 할 수 있다. 대안적으로 예를 들어 대기압 공기 플라즈마 (atmospheric air plasma), 산소 플라즈마(oxygen plasma)를 이용하여 표면처리를 할 수도 있으며, 공기 또는 산소 플라즈마 방법에 의해 유기 오염물 제거하고 소수성 표면을 친수성 표면으로 만들어 접착력과 코팅력을 향상시킬 수 있다.
또한 이 단계(S20)에서, 블레이드(130)의 표면에도 친수 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어 UVO 램프(40) 중 일부를 블레이드(130)를 향하도록 하거나 블레이드(130)를 회동시켜 UVO 램프(40)를 향하도록 하여 블레이드(130)의 표면에도 친수성 표면처리를 수행할 수 있다.
그 후 단계(S30)에서 코팅 헤드(100)를 이용하여 기능성 용액을 기판(S) 표면에 도포하고 코팅한다. 일 실시예에서 기능성 용액은 플라즈몬 활성 성분의 금속 나노입자(이하 간단히 "플라즈몬 활성 금속 나노입자"라고도 함)를 함유하는 용액을 포함한다. 여기서 '플라즈몬 활성 성분'은 가시광 대역에 속하는 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance) 파장을 갖는 입자상의 플라즈몬 활성 성분을 갖는 금속 입자이다. 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)은 광의 파장보다 작은 크기를 갖는 광활성 물질과 광 간의 상호작용에 의한 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인해 자유전자(광활성 물질의 자유전자)의 집단적 움직임인 플라즈몬이 물질의 표면에 집중되어 형성되는 현상을 의미하며 나노 사이즈의 금속입자가 이러한 플라즈몬 활성 물질의 하나로 알려져 있다.
투명 기판에 금속 나노입자층이 형성된 경우 플라즈몬 공명에 의해 가시광선의 특정 대역에서 광흡수가 일어나면서 특정 색이 선명해지며, 따라서 플라즈몬 활성 금속 나노입자를 기판(S)에 코팅함으로써 특정 색이나 색무늬를 갖는 기판을 제조할 수 있다. 또한 일 실시예에서 플라즈몬 활성 금속 나노입자는 은, 금, 백금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄, 구리, 크롬 또는 이들의 조합 또는 이들의 합금 등을 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에서 플라즈몬 활성 금속 나노입자는 수nm 내지 100nm의 크기(직경)를 가질 수 있다.
플라즈몬 활성 금속 나노입자의 LSPR 파장은 나노입자의 크기, 형상(구, 로드, 와이어, 피라미드, 스타, 다지형 등), 플라즈몬 활성 금속 나노입자의 구체 물질, 플라즈몬 활성 금속 나노입자가 접하는 매질이나 나노입자들의 회합구조체의 기하학적 구조(입자간 간격 등) 및 구조체를 구성하는 입자의 수 등에 의해 제어될 수 있으며, 주로 플라즈몬 활성 금속 나노입자의 크기와 물질을 변화시킴으로써 적색에서 청색에 이르기까지 전체 가시광선 대역 영역에서 LSPR 파장을 조절할 수 있다.
일 실시예에서 기능성 용액은 플라즈몬 활성 금속 나노입자와 자기세정 또는 자기회복 기능을 갖는 물질이 결합된 입자를 함유하는 용액일 수 있다. 이 때 상기 결합된 입자는, 예를 들어 플라즈몬 활성 금속 나노입자가 코어(core)가 되고 자기세정 또는 자기회복 기능의 물질이 상기 금속 나노입자 코어를 둘러싸는 쉘(shell)이 되는 코어-쉘 이중 레이어 구조의 입자(이하 간단히 "이중 레이어 입자" 또는 "코어-쉘 입자"라고도 함)일 수 있다.
이 경우 코어-쉘 입자는, 플라즈몬 활성 금속 나노입자 코어 및 상기 금속 나노입자 코어를 둘러싸는 쉘로 구성되고, 일 실시예에서 상기 쉘은 (1) 불소(F)를 함유한 금속산화물, (2) 실란계 화합물이 표면에 부착된 금속산화물, (3) 실란계 화합물, 및 (4) 소수성 고분자 화합물 중 하나로 구성될 수 있다. 이와 같이 쉘의 종류에 따른 코어-쉘 입자를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
(1) 금속 나노입자 코어 + 불소(F)를 함유한 금속산화물의 쉘
플라즈몬 활성 금속 나노입자의 표면에 불소(F)를 함유한 금속산화물(불소함유 금속산화물)의 쉘이 형성된 입자이다. 여기서 '불소함유 금속산화물'은 금속산화물에 불소(F)가 첨가(도핑)된 금속산화물이며, 이 때 '금속산화물'은 (i) 1족 원소부터 16족 원소까지의 산화물을 형성할 수 있는 원소들 중 하나의 산화물; (ii) 란탄계와 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y)을 포함하는 희토류 금속 중 하나의 산화물; (iii) 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론듐(Sr), 바륨(Ba), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 네오비븀(Nb), 크롬(Cr), 몰리브데넘(Mo), 망가니즈(Mn), 테크네튬(Tc), 철(Fe), 루테늄(Re), 코발트(Co), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루니늄(AI), 갈륨(Ga), 인듐(In), 탈륨(Tl), 규소(Si), 주석(Sn), 안티모니(Sb), 비스무트(Bi), 및 텔루륨(Te) 중 하나의 산화물; 및 (iv) 상기 알칼리 금속, 알칼리토금속, 란탄넘족, 아티늄족, 전이금속, 전이후금속, 준금속 중 선택된 둘 이상의 원소로 이루어진 조성물의 산화물; 중 하나를 포함할 수 있다. 엄밀히 말하면 규소(Si), 안티모니(Sb), 텔루륨(Te) 등은 준금속이지만 본 명세서에서는 상술한 다른 금속 등의 산화물과 함께 통칭하여 '금속산화물'이라고 표현하기로 한다.
예를 들어 금속산화물로서 규소 산화물(예컨대 SiO2)을 사용할 경우, '불소함유 금속산화물'은 규소 산화물에 불소가 함유된 F-SiO2 (실리콘 옥시플루오라이드)일 수 있다. 본 발명에서 불소함유 금속산화물은 산소 대신 불소를 함유하며 이는 금속산화물을 합성할 때 불소를 제공하는 화합물을 사용함으로써 제조 가능하다. 이와 같이 금속산화물에 불소를 첨가(도핑)하면 표면에너지가 낮아지므로 자기 세정능력을 가질 수 있다.
(2) 금속 나노입자 코어 + 실란계 화합물이 표면에 부착된 금속산화물의 쉘
플라즈몬 활성 금속 나노입자의 코어 위에 금속산화물을 형성하고 그 표면에 실란계 화합물을 부착한 구조의 입자이다. 일 실시예에서, 금속 나노입자 코어에 금속산화물을 형성하고 금속산화물의 표면에 자기조립단분자막(SAM: self-assembled monolayers) 방식으로 실란계 화합물을 부착하여 만들 수 있다. 여기서 '금속산화물'은 상기 (1)에서 설명한 금속산화물이며, '실란계 화합물'은 예를 들어 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilane, 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrimethoxysilane, 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane, Octadecyltrichlorosilane, Trimethoxy(propyl)silane, Dimethyldichlorosilane, Chlorotrimethylsilane, methyltrimethoxysilane, nonafluorohexyltrimethoxysilane, nonafluorohexyltriethoxysilane, Nonafluorohexyltrichlorosilane, (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trimethoxysilane, (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)triethoxysilane, (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorosilane, perfluorooctylphenyltrichlorosilane, (4-perfluorooctylphenyl)triethoxysilane 및 (3,3,3-trifluoropropyl)trimethoxysilane 등의 실란계 화합물 중 하나 또는 둘 이상의 조합을 사용할 수 있다.
(3) 금속 나노입자 코어 + 실란계 화합물의 쉘
플라즈몬 활성 금속 나노입자의 코어 위에 실란계 화합물을 부착한 구조의 입자이다. 엘 실시예에서 금속 나노입자 코어의 표면에 자기조랍단분자막(SAM) 방식으로 실란계 화합물을 부착하여 만들 수 있으며, 여기서 '실란계 화합물'은 상기 (2)에서 언급한 PFOTS, FOTS, OTS, TPS, DDMS, CMS 등의 실란계 화합물 중 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.
(4) 금속 나노입자 코어 + 소수성 고분자 화합물의 쉘
플라즈몬 활성 금속 나노입자의 코어 위에 소수성 고분자 화합물의 쉘을 형성한 입자이다. 표면에서 물과의 접촉을 감소시키는 소수성 성분은 표면에너지가 작아 표면의 오염을 방지할 수 있으므로 자기세정 기능을 가진다. 또한 소수성 고분자 화합물은 플라즈몬 활성 금속 나노입자를 기판(S)에 보다 견고하게 결착시키는 결착제의 역할 및 금속 플라즈몬 활성 금속 나노입자를 외부 환경으로부터 보호하는 역할도 가질 수 있다.
일 실시예에서 소수성 고분자 화합물은 올레핀계 수지, 비닐계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리아마이드계 수지, 실록산계 수지, 셀룰로오스계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르 설폰계 수지, 폴리아세탈계 수지 및 폴리(메타)아크릴계수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 공중합체 등일 수 있다.
또 다른 예로서 소수성 고분자 화합물은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리 4-메틸 1-텐, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리부타디엔, 폴리비닐아세테이트, 폴리클로로프렌, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리(비닐 부티랄), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리우레탄, 나일론6, 나일론66, 실리콘 고무, 에틸셀룰로오스, 폴리설폰, 폴리아세탈, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리플루오로실록산, 폴리비닐실록산, 폴리페닐메틸실록산등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
이상 상술한 (1) 내지 (4)의 코어-쉘 입자에서 각각의 금속 나노입자 코어는 예컨대 수 nm 내지 100nm의 크기(직경)을 가지며, 쉘까지 포함한 코어-쉘 입자의 전체 크기(직경)는 대략 수십 nm 내지 200nm일 수 있다.
그러나 이러한 크기는 예시적인 것이며 피처리 기판(S)의 종류에 따라 코어-쉘 입자의 크기가 달라질 수 있다. 예를 들어 기판(S)으로 금속 필름을 사용할 경우 코어-쉘 입자가 대략 수십 μm 내지 200μm의 크기를 가질 수도 있다. 다만 이 경우에도 코어를 구성하는 금속 나노입자의 크기는 대략 수 내지 100nm인 것이 바람직하다.
본 발명에서 기능성 용액에 사용되는 용매는 예를 들어 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 혼합용매 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 구체적 실시 형태에 따라 이러한 기능성 용액에 다른 용액이나 첨가물이 더 추가될 수 있다. 예를 들어 기능성 용액이 바인더, 분산제 및/또는 기능성 충진제를 더 포함할 수 있다.
또한 일 실시예에서 기능성 용액에 함유되는 코어-쉘 입자로서 다양한 크기의 코어-쉘 입자를 혼합하여 사용할 수 있으며 이와 같이 다양한 크기의 코어-쉘 입자를 혼합하여 사용하여 기판(S) 표면을 코팅할 경우 기판 표면의 거칠기(roughness)를 증가시켜 소수성(발수성)을 높일 수 있다.
한편 상기 기능성 용액을 코팅하는 단계(S30)에서, 코어-쉘 입자의 크기나 종류에 따라 블레이드(blade) 코팅, 슬롯 다이(slot-die) 코팅, 및 컨벡티브(convective) 코팅 중 하나의 코팅 방식으로 코팅할 수 있으며, 이에 대해서는 도4를 참조하여 후술하기로 한다.
위와 같이 단계(S30)에서 기능성 용액을 코팅한 후 단계(S40)에서 기판(S)을 건조한다. 일 실시예에서 스테이지(20)에 구비된 히터(25)를 사용하여 기판(S)을 건조시킬 수 있고, 대안적으로 열풍이나 다른 건조 방식에 의해 기판(S)을 건조시킬 수도 있다.
그 후 필요에 따라 기판(S)을 소성하는 단계(S50)를 추가할 수 있다. 이 경우 예컨대 기판(S) 상부에 IR 히터(50)를 위치시키고 동작시켜 섭씨 100도 내지 섭씨 300도 사이의 소정 온도에서 소성할 수 있다. 일 실시예에서 코어-쉘 입자의 종류에 따라 소성 온도를 다르게 설정할 수 있으며, 예컨대 상기 (1) 또는 (2)의 코어-쉘 입자로 코팅한 경우 대략 섭씨 300도에서 소성하고 상기 (3) 또는 (4)의 코어-쉘 입자로 코팅한 경우 대략 섭씨 100도 내지 섭씨 150도 사이의 온도에서 소성할 수 있다.
다음으로, 필요에 따라 기판(S)의 표면에 기능성 물질을 추가로 코팅하는 단계(S60)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 이 단계(S60)에서 기판(S)의 표면에 소수성 물질을 추가로 코팅할 수 있다.
표면에서 물과의 접촉을 감소시키는 소수성 성분은 표면에너지가 작아 기능성 커버의 오염을 방지할 수 있다. 또한 소수성 물질이 코어-쉘 입자의 코팅층 위에 코팅되면 코어-쉘 입자들 사이의 공간에 공기를 가두는 캡핑제로 작용하므로 단열성을 향상시킬 수도 있다.
소수성 물질은 소수성 물질이 코팅된 표면에 대해 수 접촉각이 90˚ 이상, 바람직하게는 120˚ 이상, 보다 바람직하게는 130˚ 이상 180˚ 미만인 물질일 수 있다. 일 실시예에서 소수성 물질은 수 접촉각이 90˚ 이상 내지 180˚ 미만이며, 100℃ 이하의 Tg(glass transition temperature), 바람직하게는 80℃ 이하의 Tg를 갖는 물질일 수 있다. 이 때 소수성 물질의 Tg는 실질적으로 30℃ 이상, 보다 실질적으로 50℃ 이상일 수 있다. 소수성 물질이 100℃ 이하의 낮은 Tg를 갖는 경우, 의도적인 에너지 인가 또는 사용 환경에 의해 Tg 이상으로 가온된 소수성 물질이 기판(S) 표면에 생성된 크랙(crack)이나 스크래치(scratch)를 치유할 수 있다. 즉 소수성 물질이 100℃ 이하, 바람직하게는 80℃ 이하의 Tg를 갖는 경우 기판(S)의 표면에 발생하는 물리적 손상을 복구하는 자기회복 기능을 가질 수 있다.
일 실시예에서 소수성 물질은 수 접촉각이 90˚ 이상 내지 180˚ 미만이며 탄성 물질일 수 있다. 소수성 성분이 탄성체인 경우 기능성 커버의 유연성이 담보될 수 있어 유리하며 더 나아가 기판(S)에 가해지는 물리적 충격을 흡수함으로써 기판(S)을 보호할 수 있다.
일 실시예에서 이러한 소수성 물질은 소수성 고분자 화합물, 왁스계 물질, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있고, 이러한 소수성 물질이 함유된 용액을 스프레이 코팅 또는 블레이드 코팅 등의 방식으로 코팅할 수 있다.
일 실시예에서 상기 '소수성 고분자 화합물'은 상기 (4)의 코어-쉘 입자에서 언급한 고분자 화합물일 수 있다.
일 실시예에서 '왁스계 물질'은 석유계 왁스, 동물성 천연왁스, 식물성 천연왁스, 합성왁스 또는 이들의 혼합물 등일 수 있으며, 보다 실질적인 일 예로, 왁스계 물질은 파라핀 왁스, 마이크로크리스탈린 왁스, 밀랍 왁스, 소이 왁스, 팜 왁스, 몰다 왁스, 칸데릴라 왁스, 카르나우바 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스, F-T(Fischer-Tropsch) 왁스 또는 이들의 혼합물 등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
이제 도4를 참조하여 본 발명의 코팅 헤드(100)를 이용한 코팅 방법을 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 헤드(100)는 블레이드 코팅, 슬롯 다이 코팅, 및 컨벡티브 코팅을 수행할 수 있는 멀티 코팅 모드를 가지며, 기능성 용액에 함유된 코어-쉘 입자의 입자크기 등의 코팅 변수에 따라 블레이드 코팅, 슬롯 다이 코팅, 및 컨벡티브 코팅 중 하나 또는 둘 이상의 방식을 조합하여 코팅작업을 수행할 수 있다.
도4(a)는 제1 노즐(110)과 블레이드(130)를 이용한 블레이드 코팅을 도식적으로 나타내었고, 기판(S)에 대해 제1 노즐(110)과 블레이드(130)를 (도면상에서) 좌측으로 이동하며 코팅한다고 전제한다.
이 실시예에서 제1 노즐(110)과 블레이드(130) 각각을 수직 또는 수직에 가깝게 세워서 위치시키며, 제1 노즐(110)에서 기능성 용액의 코팅액(CT)을 기판(S) 표면에 떨어뜨리고 블레이드(130)가 왼쪽으로 이동하면 도시한 것처럼 블레이드(130)의 경사면(131)과 기판(S) 사이에 메니스커스(meniscus)(CM)가 형성되며 블레이드(130)의 뒤쪽으로 코팅층(CL)이 형성된다.
도4(b)는 제1 노즐(110)과 블레이드(130)를 이용한 슬롯 다이 코팅 방법을 도식적으로 나타내며 기판(S)에 대해 제1 노즐(110)과 블레이드(130)가 (도면상에서) 좌측으로 이동하다고 가정한다.
이 실시예에서, 블레이드(130)는 수직 또는 수직에 가깝게 세워져서 배치되고 제1 노즐(110)의 노즐 출구가 블레이드(130)의 경사면(131) 또는 경사면(131)의 선단부에 인접하게 위치한다. 제1 노즐(110)에서 코팅액이 분사되면 블레이드(130)의 경사면(131)과 기판(S) 사이에 메니스커스(CM)가 형성되면서 블레이드(130)의 뒷편으로 코팅층(CL)이 형성되며, 이러한 제1 노즐(110)과 블레이드(130)의 배치에 따른 코팅은 슬롯 다이 코팅과 동일 또는 유사한 코팅 효과를 나타낼 수 있다.
도4(c)는 제2 노즐(120)과 블레이드(130)를 이용한 컨벡티브 코팅 방법을 도식적으로 나타내며 기판(S)에 대해 제2 노즐(120)과 블레이드(130)가 (도면상에서) 좌측으로 이동하다고 가정한다.
이 실시예에서 블레이드(130)는 제2 노즐(120) 측으로 회동하여 제2 노즐(120)에 가깝게 위치하고 필요에 따라 제2 노즐(120)도 블레이드(130)측으로 회동하여, 도시한 것처럼 제2 노즐(120)의 노즐 출구가 블레이드(130)의 표면에 인접하게 위치하도록 구성된다. 제2 노즐(120)에서 코팅액(CT)이 분사되면 블레이드(130)의 경사면(131)과 기판(S) 사이에 메니스커스(CM)가 형성되면서 블레이드(130)의 뒤쪽으로 코팅층(CL)이 형성된다.
일 실시예에서, 기능성 용액의 코어-쉘 입자가 예컨대 수 마이크로미터 내지 수백 마이크로 미터 크기로 비교적 큰 경우 또는 코팅층(CL)의 두께가 두꺼운 경우 코팅 헤드(100)의 제1 노즐(110)과 블레이드(130)를 도4(a) 또는 도4(b)와 같이 설정한 후 블레이드 코팅이나 슬롯 다이 코팅 방식으로 기능성 용액을 코팅할 수 있다.
또는 일 실시예에서 기능성 용액의 입자가 나노 사이즈로 작은 경우 또는 단분자층(monolayer) 등 얇은 두께의 코팅층(CL)을 형성해야 할 경우 코팅 헤드(100)의 제2 노즐(120)과 블레이드(130)를 도4(c)에 도시한 것처럼 설정한 후 컨벡티브 코팅 방식으로 기능성 용액을 코팅할 수 있다.
이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 장치 프레임 20: 스테이지
25: 히터 30: 롤러
40: UVO 램프 50: IR 히터
100: 코팅헤드 110: 노즐
115,125,135: 회동기구 130: 블레이드

Claims (12)

  1. 피처리 기판에 기능성 용액을 코팅하는 방법으로서,
    코팅 장치의 스테이지에 피처리 기판을 로딩하는 단계(S10);
    로딩된 피처리 기판의 표면에 상기 기능성 용액을 코팅하는 단계(S30); 및
    피처리 기판을 건조하는 단계(S40);를 포함하며,
    상기 기능성 용액이 수nm 내지 100nm의 크기를 가지며 가시광 대역에 속하는 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 파장을 갖는 플라즈몬 활성 금속의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기능성 용액이,
    상기 플라즈몬 활성 금속의 나노입자를 포함하는 금속 나노입자 코어; 및
    상기 금속 나노입자 코어를 둘러싸며, (i) 불소(F)를 함유한 금속산화물, (ii) 실란계 화합물이 표면에 부착된 금속산화물, (iii) 실란계 화합물, 및 (iv) 소수성 고분자 화합물, 중 하나로 이루어진 쉘;로 구성된 코어-쉘 구조의 이중 레이어 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기능성 용액을 코팅하는 단계(S30) 이전에, 로딩된 피처리 기판의 표면이 친수성을 갖도록 표면처리하는 단계(S20)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기능성 용액을 코팅하는 단계(S30) 이후에, 코팅된 피처리 기판을 섭씨 100도 내지 300도 사이의 소정 온도에서 소성하는 단계(S50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기능성 용액을 코팅하는 단계(S30) 이후에, 코팅된 피처리 기판의 표면에 소수성 물질을 코팅하는 단계(S60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 소수성 물질이 소수성 고분자 화합물, 왁스계 물질, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 기능성 용액을 코팅하는 단계(S30)에서, 상기 기능성 용액에 함유된 이중 레이어 입자의 입자크기에 따라 블레이드 코팅, 슬롯 다이 코팅, 및 컨벡티브 코팅 중 하나의 코팅 방식으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 방법.
  8. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 기능성 용액 코팅 방법을 수행하는 코팅 장치로서,
    피처리 기판을 흡착하여 지지하는 스테이지(20);
    상기 스테이지의 상부 또는 하부에 배치되어 피처리 기판을 가열하여 기능성 용액을 건조시키기 위한 히터(25); 및
    상기 스테이지에 대해 상대적으로 이동 가능하도록 구성되고 상기 스테이지에 흡착된 피처리 기판의 표면에 기능성 용액을 코팅하는 코팅 헤드(100);를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 코팅 헤드(100)가,
    피처리 기판의 폭방향으로 길게 배열된 블레이드(130);
    상기 블레이드의 일측 방향으로 인접하여 배치된 하나 이상의 제1 노즐(110); 및
    상기 블레이드의 타측 방향으로 인접하여 배치된 하나 이상의 제2 노즐(120);을 포함하고,
    상기 블레이드의 하부 표면이 상기 일측 방향을 향하도록 경사진 경사면(131)으로 형성된 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 노즐의 상단에 결합된 제1 회동기구(115); 및
    상기 블레이드의 상단에 결합된 제2 회동기구(135);를 더 포함하고,
    상기 제1 회동기구에 의해 제1 노즐이 상기 블레이드를 향해 소정 각도 범위 내에서 회동 가능하고, 상기 제2 회동기구에 의해 블레이드가 상기 제1 노즐을 향해 또는 제2 노즐을 향해 소정 각도 범위 내에서 회동 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    기능성 용액을 제1 노즐과 제2 노즐로 각각 공급하는 제1 및 제2 공급관; 및
    상기 제1 공급관에 배치된 제1 개폐밸브(105); 및
    상기 제2 공급관에 배치된 제2 개폐밸브(106);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 기능성 용액을 코팅하는 단계(S30)를 수행하기 전에 상기 블레이드의 표면이 친수성으로 표면 처리된 것을 특징으로 하는 기능성 용액 코팅 장치.
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