KR20220041621A - 투명전극 제조 장치 - Google Patents

투명전극 제조 장치 Download PDF

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KR20220041621A
KR20220041621A KR1020200125114A KR20200125114A KR20220041621A KR 20220041621 A KR20220041621 A KR 20220041621A KR 1020200125114 A KR1020200125114 A KR 1020200125114A KR 20200125114 A KR20200125114 A KR 20200125114A KR 20220041621 A KR20220041621 A KR 20220041621A
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Abstract

본 발명은, 플렉시블 기판의 권취를 해제 가능하게 하는 언와인더 유닛; 상기 플렉시블 기판에 투명 전극층을 형성시키는 코팅 유닛; 플렉시블 기판의 이동 방향과 교차하는 방향으로 자기장을 발생시켜 상기 투명 전극층의 배열을 정렬시켜주는 어레인지 유닛; 상기 플렉시블 기판의 형성된 상기 투명 전극층을 건조시키는 건조 유닛; 및 건조된 플렉시블 기판을 권취하는 리와인더 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치를 제공한다.

Description

투명전극 제조 장치{Producting Apparatus for Transparent Electrodes}
본 발명은 투명전극 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 투명전극의 이등방성을 해소하고, 전기적, 광학적 및 물리적 특성을 향상시키는 투명전극 제조 장치에 관한 것이다.
4차 산업혁명으로 인해 딱딱하고 두꺼운 디스플레이가 아닌 가볍고, 유연하고, 투명한 디스플레이로 트렌드가 변하고 있다.
갤럭시 폴드, 롤러블 TV 등의 실제 예이며, 이에 따라 투명전극의 소재에서도 플렉서블 디스플레이 및 전자기기에 대응할 수 있도록 투명하고 유연한 전극 개발이 요구되고 있다. 대표적인 투명전극은 ITO(Indium Tin Oxide)가 있지만 이 전극은 유연함이 부족하고 공정상에 고온 열처리가 필요하며 대면적 양산에 어려움이 있다. 더욱이, ITO는 대면적으로 갈수록 저항이 증가하고 핵심 원재료인 인듐 같은 경우 중국에서 공급량을 과점하고 있다.
ITO를 대체할 수 있는 소재로는 메탈메시(Metal mesh), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 금속 나노와이어 등이 있는데, 이 중 금속 나노와이어가 매우 유력한 후보로 뽑히고 있다.
금속 나노와이어 중에서, 은 나노와이어가 있으며, 은 나노와이어는 은을 소재로 한 길고 얇은 와이어 모양을 하고 있고, 은의 소재 특성답게 높은 전기 전도성을 가지고 있다.
또한, 은 나노와이어는 대면적에서도 높은 전기 전도도를 유지하고 투명하며 유연성도 매우 좋다. 은 나노와이어 투명전극은 액상으로 진행되기 때문에 롤투롤 코팅 설비를 통해 높은 생산성을 기대할 수 있다.
하지만, 롤투롤 코팅 설비를 통해 제작된 은 나노와이어 투명전극은 진행 방향, 다시 말해서 MD(Machine direction) 방향으로 나노와이어가 뭉치거나 배열되는 현상이 나타난다.
이러한 현상 때문에, 은 나노와이어 투명 전극은 이등방성 특성을 가지게 되어 x축과 y축 간의 전기적, 광학적, 물리적 특성이 다르게 나타내게 된다. 이런 이등방성 특징은 전자기기를 제작하는 데 있어서 특성을 신뢰할 수 없기 때문에 이 문제를 해소할 필요가 있다.
한국 등록 특허 제10-1647038호(2016.8.10)
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 투명전극의 이등방성을 해소하고, 전기적, 광학적 및 물리적 특성을 향상시키는 투명전극 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명의 투명전극 제조 장치는, 플렉시블 기판의 권취를 해제 가능하게 하는 언와인더 유닛; 상기 플렉시블 기판에 투명 전극층을 형성시키는 코팅 유닛; 플렉시블 기판의 이동 방향과 교차하는 방향으로 자기장을 발생시켜 상기 투명 전극층의 배열을 정렬시켜주는 어레인지 유닛; 상기 플렉시블 기판의 형성된 상기 투명 전극층을 건조시키는 건조 유닛; 및 건조된 플렉시블 기판을 권취하는 리와인더 유닛을 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 언와인더 유닛은, 플렉시블 기판의 권취를 해제 가능하게 하도록 플렉시블 기판이 접촉되어 회전되는 롤러; 및 롤러에 회전 동력을 제공하여 회전 가능하게 하는 구동 모터를 포함한다.
또한, 상기 어레인지 유닛은 상기 플렉시블 기판의 이동 방향과 나란한 방향으로 배치되는 코일을 구비하고, 상기 코일에 전류가 인가되면, 상기 코일에는 상기 플렉시블 기판의 이동 방향과 교차하는 방향으로 자기장이 형성되어 상기 투명 전극층의 이방성을 완화시킨다.
상기 코팅 유닛은, 슬롯다이 코팅기, 콤마 코팅기, 마이크로그라비아 코팅기, 브러쉬 코팅기, 스프레이 코팅기 및 갭 코팅기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 건조 유닛은, 열풍, 적외선 및 UV(Ultraviolet Ray) 중 적어도 하나를 방출 가능하다.
상기 투명 전극층은, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 금속 나노와이어, 금속 나노입자, 금 나노입자, 은 나노입자, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 투명 전극층의 이방성을 완화시키는 것은, 상기 투명 전극층의 배열을 플렉시블 기판의 이동 방향에서 플렉시블 기판의 이동 방향과 교차하는 방향으로 재배열 가능하게 할 수 있다.
상기 어레인지 유닛에 의해 발생되는 자기장의 세기는 10G 내지 1000G일 수 있다.
상기 코일은 금, 은, 구리, 알루미늄, 전도성 카본 및 전도성 고분자 중 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 코일은, 상기 코일에 전기가 지속적으로 인가되거나 불연속적으로 인가되도록 제어 가능하다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 코일을 상기 코팅 유닛에 결합 가능하게 하는 결합부재를 더 구비하고, 상기 결합부재의 양 단에는 상기 코일을 상기 결합부재에 고정 결합시키는 결합나사가 설치될 수 있다.
또한, 상기 결합나사에는 전선이 설치되어 상기 코일에 전류가 인가될 수 있다.
상기 결합부재는, 각도 조절 가능하도록 조절나사에 의해 코팅 유닛에 결합될 수 있다.
본 발명은 어레인지 유닛에 의해, 은 나노와이어의 MD 방향의 배열을 일부분 은 나노와이어를 TD 방향으로 배열시킴으로써 이등방성을 완화시킬 수 있고, 그로 인해 X축과 Y축 간의 전기적, 광학적 및 물리적 특성의 차이를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 투명전극 제조 장치의 일례를 도시하는 개념도.
도 2a는 본 발명의 코팅 유닛에 코일이 배치되어 있는 예를 도시하는 평면도.
도 2b는 도 2a의 측면도.
도 2c는 코일의 결합 구조를 도시하기 위한 도 2b의 A 부분의 확대도.
도 3a는 코일 내에 흐르는 전류 방향과, 코팅 진행 방향과, 자기장의 방향을 도시하기 위한 개념도.
도 3b는 코일의 방향 전환 및 각도 조절을 도시하는 개념도.
도 4a는 수평 방향의 자기장에 의해 투명전극의 배열이 정렬되는 예를 도시하는 개념도.
도 4b는 수평 방향의 자기장에 의해 투명전극의 배열이 정렬되는 예를 도시하는 사진.
도 5a는 기판의 위치에 따른 면저항의 수치를 보여주는 표.
도 5b는 기판의 위치에 따른 투명전극 배열의 퍼센트(%)의 수치를 보여주는 표.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 투명전극 제조 장치(100)의 일례를 도시하는 개념도이고, 도 2a는 본 발명의 코팅 유닛(20)에 코일(33)이 배치되어 있는 예를 도시하는 평면도이며, 도 2b는 도 2a의 측면도이다. 또한, 도 2c는 코일(33)의 결합 구조를 도시하기 위한 도 2b의 A 부분의 확대도이다.
도 1 내지 도 2b를 참조하여, 본 발명의 투명전극 제조 장치(100)에 대하여 서술한다.
본 발명의 투명전극 제조 장치(100)는 언와인더 유닛(10), 코팅 유닛(20), 어레인지 유닛(30), 건조 유닛(40) 및 리와인더 유닛(50)을 포함한다.
언와인더 유닛(10)은 플렉시블(flexible) 기판의 권취를 해제 가능하게 한다.
언와인더 유닛(10)은 플렉시블 기판(3)의 권취를 해제 가능하게 하도록 플렉시블 기판(3)이 접촉되어 회전되는 롤러(13), 및 롤러(13)에 연결되고 롤러(13)에 회전 동력을 제공하여 회전 가능하게 하는 구동 모터(미도시)를 포함할 수 있다.
일례로, 본 발명에서 플렉시블 기판(3)은 롤 타입일 수 있으며, 언와인더 유닛(10)에 의해 풀려지며 이동할 수 있는데, 풀려진 플렉시블 기판(3)은 코팅 유닛(20)으로 이동하게 된다. 도 2a는 코일(33)의 배치 방향과 나란한 방향으로 배치된 플렉시블 기판(3)의 일례가 도시된다.
또한, 본 발명에서 플렉시블 기판(3)은 투명전극 필름일 수 있다.
코팅 유닛(20)은 상기 플렉시블 기판(3)에 투명 전극층을 형성시킨다.
일례로, 코팅 유닛(20)은 은나노와이어 용액이 토출되어 플렉시블 기판(3) 위에 코팅되게 된다.
코팅 유닛(20)은, 슬롯다이 코팅기, 콤마 코팅기, 마이크로그라비아 코팅기, 브러쉬 코팅기, 스프레이 코팅기 및 갭 코팅기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서, 투명 전극층은, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 금속 나노와이어, 금속 나노입자, 금 나노입자, 은 나노입자, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
어레인지 유닛(30)은 플렉시블 기판(3)의 이동 방향과 교차하는 방향으로 자기장을 발생시켜 상기 투명 전극층의 배열을 정렬시켜준다.
본 발명에서 수평 방향은 플렉시블 기판(3)의 이동 방향과 교차하는 방향일 수 있다.
어레인지 유닛(30)은 코일(33)을 구비하는데, 코일(33)은 플렉시블 기판(3)의 이동 방향과 나란한 방향으로 배치될 수 있다. 또한, 코일(33)은 서로 이격되도록 복수 개로 구비될 수 있다. 도 2a 및 2b를 참조하면, 9개의 코일(33)이 서로 이격되도록 배치되고, 9개의 코일(33)이 총 2열로 배치되어 있는 예가 도시되는데, 반드시 이러한 배치에 한정되는 것은 아니다.
코일(33)에 전류가 인가되면, 상기 코일(33)에는 상기 플렉시블 기판(3)의 이동 방향과 교차하는 방향으로 유도 자기장이 발생될 수 있는데, 이로 인해, 투명 전극층의 이방성을 완화시킨다.
코일(33)은, 코일(33)에 전기가 지속적으로 인가되거나 불연속적으로 인가되도록 제어될 수 있다.
어레인지 유닛(30)은, 코일(33)을 코팅 유닛(20)에 결합 가능하게 하는 결합부재(35)를 더 구비할 수 있다.
결합부재(35)는 도 2c를 참조하면, ㄷ자의 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 결합부재(35)의 양 단에는 코일(33)을 고정 결합시키도록 결합나사(36)가 설치될 수 있다. 도 2c에는 코일(33)의 양 단에 결합나사(36)가 결합되어, 결합부재(35)에 코일(33)이 설치된 예가 도시된다.
또한, 코일(33)에 전류를 인가할 수 있도록 결합나사(36)에는 전선(36a)이 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 결합부재(35)는 코팅 유닛(20)에 각도 조절 가능하도록 조절나사에 의해 결합될 수 있다. 조절나사는 토크가 조절되어, 결합부재(35)의 각도를 조절함으로써, 코일(33)의 배열 각도를 조절할 수 있으며, 이에 의해, 유도 자기장의 형성 방향을 조절할 수 있게 한다.
도 3a에는 코일(33) 내에 흐르는 전류 방향과, 코팅 진행 방향과, 자기장의 방향을 도시하기 위한 개념도, 도 3b는 코일(33)의 방향 전환 및 각도 조절을 도시하는 개념도가 도시된다. 또한, 도 4a는 수평 방향의 자기장에 의해 투명전극의 배열이 정렬되는 예를 도시하는 개념도가 도시되고, 도 4b는 수평 방향의 자기장에 의해 투명전극의 배열이 정렬되는 예를 도시하는 사진이 도시된다.
도 3a, 4a 및 4b를 참조하면, 투명 전극층의 이방성을 완화시키는 것은, 상기 투명 전극층을 플렉시블 기판(3)의 이동 방향으로 나란하게 배열된 은나노와이어를 방향으로 플렉시블 기판(3)의 이동 방향과 교차하는 방향으로 재배열 가능하게 하는 것일 수 있다.
또한, 도 3b를 참조하면, 코일(33)은 각도의 조절이 가능할 수 있다.
또한, 코일(33)은 금, 은, 구리, 알루미늄, 전도성 카본 및 전도성 고분자 중 적어도 하나의 재질을 포함하도록 구성될 수 있다.
아울러, 코일(33)은, 상기 코일(33)에 전기가 지속적으로 인가되거나 불연속적으로 인가되도록 제어 가능할 수 있다.
한편, 어레인지 유닛(30)에 의해 유도되는 자기장의 세기는 10G 내지 1000G일 수 있는데, 특히, 10G에서 500G 이하인 것이 바람직하다. 일례로, 자기장은 디지털 신호에 의해 짧게 스위칭될 수 있고, 이로 인해, 모든 은나노와이어가 플렉시블 기판(3)의 이동 방향과 교차하는 방향으로 재배열되지 않도록 제어되게 된다.
건조 유닛(40)은 상기 플렉시블 기판(3)의 형성된 상기 투명 전극층을 건조시킨다.
건조 유닛(40)은, 열풍, 적외선 및 UV(Ultraviolet Ray) 중 적어도 하나를 방출 가능하도록 형성되어 플렉시블 기판(3)의 형성된 상기 투명 전극층을 건조시킨다.
리와인더 유닛(50)은 건조된 플렉시블 기판(3)을 권취하게 한다.
리와인더 유닛(50)은 건조된 플렉시블 기판(3)의 권취를 가능하게 하도록 플렉시블 기판(3)이 접촉되어 회전되는 롤러(53), 및 롤러(53)에 연결되어 롤러(53)에 회전 동력을 제공하여 회전 가능하게 하는 구동 모터를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 투명전극 제조 장치(100)에 의한 동작을 서술한다.
롤 타입의 플렉시블 기판(3)은 언와인더 유닛(10)를 통해 풀리면서 풀린 기판은 코팅 유닛(20)으로 이동하게 된다.
코팅 유닛(20)(일례로, 슬롯다이)에서 은나노와이어 용액이 토출되고 플렉시블 기판(3) 위에 코팅되게 된다.
바로 이어서 플렉시블 기판(3)은 어레인지 유닛(30)으로 이동되고, 어레인지 유닛(30)의 코일(33)에 전류가 인가되면 유도 자기장이 발생된다.
코팅 유닛(20)은 플렉시블 기판(3)을 이송 가능하게 하는 가이드 롤(23)을 구비할 수 있다.
유도 자기장에 의해 액상 내부에 있는 은나노와이어는 플렉시블 기판(3)의 이동 방향에서 플렉시블 기판(3)의 이동 방향과 교차하는 방향으로 일정량 배열되게 된다.
이 때, 유도 자기장(일례로, 500G)은 디지털 신호를 받아 짧게 스위칭 됨으로써 모든 은나노와이어가 플렉시블 기판(3)의 이동 방향과 교차하는 방향으로 배열되지 않게 제어될 수 있다.
또한, 어레인지 유닛(30)을 지나 건조 유닛(40)을 통과하여 플렉시블 기판(3)은 건조된다. 마지막으로, 건조 완료된 은나노와이어 투명전극 필름은 리와인더 유닛(50)에 의해 권취되게 된다.
이상에서 설명한 투명전극 제조 장치(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
3:플렉시블 기판
100:투명전극 제조 장치
10:언와인더 유닛 13:롤러
20:코팅 유닛 23:가이드 롤
30:어레인지 유닛 33:코일 35:결합부재
36:결합나사 36a :전선 38:조절나사
40:건조 유닛
50:리와인더 유닛 53:롤러

Claims (13)

  1. 플렉시블 기판의 권취를 해제 가능하게 하는 언와인더 유닛;
    상기 플렉시블 기판에 투명 전극층을 형성시키는 코팅 유닛;
    플렉시블 기판의 이동 방향과 교차하는 방향으로 자기장을 발생시켜 상기 투명 전극층의 배열을 정렬시켜주는 어레인지 유닛;
    상기 플렉시블 기판의 형성된 상기 투명 전극층을 건조시키는 건조 유닛; 및
    건조된 플렉시블 기판을 권취하는 리와인더 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 언와인더 유닛은,
    플렉시블 기판의 권취를 해제 가능하게 하도록 플렉시블 기판이 접촉되어 회전되는 롤러; 및
    롤러에 회전 동력을 제공하여 회전 가능하게 하는 구동 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 어레인지 유닛은 상기 플렉시블 기판의 이동 방향과 나란한 방향으로 배치되는 코일을 구비하고,
    상기 코일에 전류가 인가되면, 상기 코일에는 상기 플렉시블 기판의 이동 방향과 교차하는 방향으로 자기장이 형성되어 상기 투명 전극층의 이방성을 완화시키는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 유닛은, 슬롯다이 코팅기, 콤마 코팅기, 마이크로그라비아 코팅기, 브러쉬 코팅기, 스프레이 코팅기 및 갭 코팅기 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 건조 유닛은, 열풍, 적외선 및 UV(Ultraviolet Ray) 중 적어도 하나를 방출 가능한 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극층은, 은 나노와이어, 구리 나노와이어, 금속 나노와이어, 금속 나노입자, 금 나노입자, 은 나노입자, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 투명 전극층의 이방성을 완화시키는 것은, 상기 투명 전극층의 배열을 플렉시블 기판의 이동 방향에서 플렉시블 기판의 이동 방향과 교차하는 방향으로 재배열 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 어레인지 유닛에 의해 발생되는 자기장의 세기는 10G 내지 1000G 인 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 코일은 금, 은, 구리, 알루미늄, 전도성 카본 및 전도성 고분자 중 적어도 하나의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 코일은, 상기 코일에 전기가 지속적으로 인가되거나 불연속적으로 인가되도록 제어 가능한 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 코일을 상기 코팅 유닛에 결합 가능하게 하는 결합부재를 더 구비하고, 상기 결합부재의 양 단에는 상기 코일을 상기 결합부재에 고정 결합시키는 결합나사가 설치되는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 결합나사에는 전선이 설치되어 상기 코일에 전류가 인가되는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 결합부재는, 각도 조절 가능하도록 조절나사에 의해 코팅 유닛에 결합되는 것을 특징으로 하는 투명전극 제조 장치.
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