KR102042604B1 - 나노박막의 연속 코팅을 위한 쉐어링 다이 및 이를 이용한 코팅 방법 - Google Patents

Abstract

나노박막의 연속 코팅을 위한 쉐어링 다이 및 이를 이용한 코팅방법이 개시된다. 외부로부터 공급되는 코팅액을 하부본체부에 형성된 챔버에 일시적으로 수용하였다가 외부와 연통된 노즐부를 통해 토출시키되, 하부본체부의 일첵에 쉐어링 블레이드를 더 포함하여, 경사면을 따라 흐른 코팅액이 기판과 음극의 매니스커스를 형성하도록 하여 나노 두께의 박막 코팅을 가능하게 한다.

Description

나노박막의 연속 코팅을 위한 쉐어링 다이 및 이를 이용한 코팅 방법{Shearing die for continuous coating of nano thin films and coating method using it}

본 발명은 나노박막의 연속 코팅을 위한 쉐어링 다이 및 이를 이용한 코팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 두께의 인쇄 박막을 균일하게 형성하며 지속적인 잉크의 공급이 이루어지는 나노박막의 연속 코팅을 위한 쉐어링 다이 및 이를 이용한 코팅 방법에 관한 것이다.

롤투롤 슬롯다이 코팅공정은 용액 공정에 최적화된 공정으로 다양한 점도의 코팅액을 기판에 코팅할 수 있는 장점을 가진다. 다만, 도 1에 나타난 바와 같이, 기존의 슬롯다이 코팅공정의 경우, 하판과 상판 사이에 형성된 배출구를 통해 토출되는 잉크가 양각의 매니스커스(meniscus)를 형성하는데, 이로 인하여 페로브스카이트를 포함한 유기태양전지 및 유기 발광다이오드 등의 상대적으로 저점도를 갖는 기능성 전자 재료를 나노 두께로 균일하게 코팅할 수 없다는 문제가 있었다.

또한, 음각의 매니스커스를 형성하기 위해, 도 2에 나타난 바와 같이, 필름에 일정량의 잉크를 산포하고 상판의 하면에 잉크의 일부를 접촉시켜 필름과 상판의 상대적인 이동을 통하여 잉크를 필름에 넓게 도포하는 쉐어링 공정이 있었으나, 이는 지속적인 잉크의 공급이 불가능하다는 문제가 있었다.

국내 공개특허공보 제10-2016-0074155호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기판에 나노 두께의 박막을 연속적으로 균일하게 코팅하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한 본 발명의 특징은 다음과 같다.

상부본체부와 하부본체부가 일정한 이격을 두고 결착된 본체부; 상기 본체부 내부에 구비되는 코팅액공급라인; 상기 하부본체부에 일정 깊이로 형성되되, 상기 코팅액공급라인으로부터 공급받은 코팅액이 수용되는 챔버; 상기 이격을 따라 형성되고, 상기 챔버에 수용된 코팅액의 외부 배출경로를 이루는 노즐부;를 포함하며, 상기 본체부는, 외측에 상기 노즐부를 통해 안내된 코팅액을 외부로 토출시키는 슬롯이 형성되고, 상기 하부본체부는, 일단에 상기 슬롯으로부터 일정 각도의 구배를 갖고 돌출형성된 쉐어링 블레이드를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 상부본체부와 상기 하부본체부 사이에 코팅폭 조절을 위한 마스크 심을 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 챔버는, 하부 본체부의 일면에 형성된 일정깊이의 요홈으로서, 최내단이 만곡하게 형성되고, 코팅액의 진행 방향에 대해 수직으로 연장된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 본체부는, 일측에 코팅액 주입구가 형성되고,

상기 코팅액공급라인은, 상기 이격을 따라 구비되되, 외부로부터 코팅액을 공급받아 상기 챔버로 안내하도록 외측 일단이 상기 코팅액 주입구를 이루는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양태에 의할 때, 나노박막의 연속 코팅 방법은, 쉐어링 다이에 코팅액을 공급하는 단계; 공급된 코팅액을 쉐어링 다이 내부에 형성된 챔버에 수용하는 단계; 상기 챔버에 수용된 코팅액이 슬롯을 통해 외부로 토출되는 단계; 토출된 코팅액을 하부본체부 일단에 형성된 경사면을 따라 흘러내리게 하는 단계; 상기 경사면의 최하단에서 기판과 음각 형태의 매니스커스를 형성하는 단계를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 슬롯으로부터 일정한 각도로 구배를 형성한 하부본체부에 의해, 기판과 접하는 잉크가 양각의 매니스커스를 형성함으로써 균일한 나노 두께의 박막을 코팅하도록 하는 효과를 제공한다.

또한, 본체부 내부에 형성된 챔버에 저장된 코팅액을 통해 연속적인 코팅공정이 가능하도록 하는 효과를 제공한다.

본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 이용되던 박막 코팅을 위한 슬롯다이의 사용상태도이다.
도 2는 얇은 박막 코팅을 위해 종래 이용되던 쉐어링 공정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐어링 다이의 사시도이다.
도 4는 도 3의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐어링 다이의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쉐어링 다이의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐어링 다이의 내부 구조를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐어링 다이의 내부 구조를 마스크 심을 달리하여 도시한 것이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

또한 아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대한 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하 도면에 따라서 논리적으로 기술한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐어링 다이의 사시도이다. 도 4는 도 3의 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐어링 다이(10)는 본체부(100), 코팅액공급라인(200), 챔버(300), 노즐부(400)를 포함한다.

본체부(100)는, 상부본체부(110)와 하부본체부(130)가 결착되는 구조일 수 있다. 상부본체부(110)와 하부본체부(130)는 결착되는 면을 따라 각자 대응되는 면을 포함할 수 있다. 각각의 대응되는 면들은 서로 맞닿지 않고 일정한 이격(100s)을 형성할 수 있다.

본체부(100)는 내부에 코팅액공급라인(200)을 포함한다.

코팅액공급라인(200)은 외부로부터 코팅액을 공급받아 이를 본체부(100)에 저장하도록 한다. 코팅액은 자중에 의해 본체부(100) 내부로 유입된다. 코팅액공급라인(200)은 상부본체부(110)의 외측으로부터 상부본체부(110) 내부를 지나는 통로일 수 있다. 또는 하부본체부(130)의 외측으로부터 하부본체부(130) 내부를 지나는 통로일 수 있다. 다만 바람직하게는, 상부본체부(110)와 하부본체부(130)의 결착면에 형성된 이격(100s)일 수 있다. 코팅액공급라인(200)은 관 또는 호스형태로 외부에서 관입될 수 있고, 상부본체부(110) 또는 하부본체부(130)에 코팅액의 공급경로를 따라 형성된 통로일 수 있다. 다만 바람직하게는 상부본체부(110)와 하부본체부(130)의 결착면에 형성된 이격(100s)을 따라, 일정한 폭을 가진 판상형 공간 자체가 코팅액공급라인(200)으로 기능할 수 있다. 이때, 판상형 공간 중 외부로 노출되는 개구가 존재하는데, 이 개구를 통해 외부에서 코팅액을 공급받을 수 있고, 이를 코팅액 주입구(210)라 지칭하기로 한다.

챔버(300)는, 하부본체부(130)에 일정 깊이로 형성되고, 코팅액공급라인(200)으로부터 공급받은 코팅액이 수용된다. 또한 챔버(300)는 코팅액공급라인(200)을 통해 외부와 연통될 수 있다. 챔버(300)는 육안으로 관측할 수 없도록 내부에 형성된 공간일 수 있으나, 바람직하게는 상부본체부(110)와 하부본체부(130)가 결착되는 결착면상에 접하도록, 하부본체부(130)의 표면으로부터 일정한 깊이로 형성될 수 있다.

코팅액공급라인(200)이 결착면의 이격(100s)을 따라 형성된 판상형 공간일 경우, 이를 통해 공급받은 코팅액들을 충분히 균일하게 수용할 수 있도록, 챔버(300)는 코팅액의 진행방향에 수직으로 하부본체부(130)를 가로지르며 일정 깊이로 형성될 수 있다. 따라서, 코팅액 주입구(210)로부터 이격(100s)을 따라 흘러내린 코팅액들이 그 점성에 의해 챔버(300)에 우선적으로 수용되도록, 하부본체부(130)에 형성된 챔버(300)의 최내단은 만곡한 형태일 수 있다. 챔버(300)의 형태를 달리함으로써 코팅액의 정량토출을 조절할 수 있다.

챔버(300)를 모두 채운 코팅액은 챔버(300)와 연결된 노즐부(400)를 따라 외부로 배출된다.

노즐부(400)는 상부본체부(110)와 하부본체부(130)의 결착면에 형성된 이격(100s)이며, 챔버(300)에 수용된 코팅액이 외부로 배출되는 경로를 이룬다는 점에서 코팅액공급라인(200)과 구분된다. 도 3에 나타난 사시도에서, 챔버(300)의 상부에 형성된 이격(100s)은 코팅액공급라인(200), 챔버(300)의 하부에 형성된 이격(100s)은 노즐부(400)가 된다. 노즐부(400)는 하부본체부(130)를 가로지르며 형성된 챔버(300)의 길이에 대응되도록 동일한 폭을 가진 판상형 공간일 수 있으며, 이 공간은 하부로 연장되어 코팅액이 외부로 토출되는 슬롯(410)에 이른다.

다만 노즐부(400)는 반드시 챔버(300)의 길이에 대응되거나, 동일한 폭으로 형성할 필요는 없으며, 사용상태 및 필요에 따라 통상의 기술자가 적절히 변경하여 사용할 수 있음은 물론이다.

본체부(100)의 외부 일측에는 슬롯(410)이 형성되는데, 이 슬롯(410)은 노즐부(400)를 통해 본체부(100) 내부의 챔버(300)와 연통된다. 슬롯(410)은 상부본체부(110)와 하부본체부(130)가 결착되는 결착면을 따라 형성된 이격(100s)의 일단이 된다. 따라서, 코팅액은 챔버(300)로부터 상부본체부(110)와 하부본체부(130) 사이에 형성된 이격(100s)을 따라 흘러내려, 상부본체부(110)와 하부본체부(130)의 끝단에서 토출된다. 슬롯(410)의 형태에 관해 특별한 제한은 없으나, 기판(20)에 코팅액을 얇고 균일하게 도포하기 위한 본원발명의 목적을 고려할 때, 챔버(300), 노즐부(400) 및 코팅액공급라인(200)과 동일한 폭과 길이를 갖는 것이 보다 바람직할 것이다.

하부본체부(130)의 일단에는 슬롯(410)으로부터 일정한 각도의 구배를 갖고 돌출형성된 쉐어링 블레이드(135)를 더 포함한다.

쉐어링 블레이드(135)는 코팅액의 토출방향을 따라 돌출되는 구조인 바, 토출된 코팅액은 고유의 점성에 의해 하부본체부측에 일시적으로 점착되고, 돌출방향으로 형성된 쉐어링 블레이드(135)의 경사면을 따라 자중에 의해 흘러내린다. 반면에 상부본체부(110)는 슬롯으로부터 토출방향을 따라 돌출되는 구조를 갖지 않으므로, 코팅액은 이동 경로는 슬롯을 기준으로 하부본체부(130) 쪽으로 치우치게 된다. 쉐어링 블레이드(135)의 경사면을 따라 흘러내린 코팅액은 경사면의 끝단에서 기판(20)과 접촉하게 되고 이때 코팅액은 기판(20)과 음각의 매니스커스를 형성한다. 음각의 매니스커스는 양각의 매니스커스에 비해 얇은 코팅공정을 가능하게 함으로써 결정화된 나노박막을 구현할 수 있다.

코팅액이 기판(20)에 접촉된 후에는 쉐어링 다이(10)와 기판(20)의 상대적인 운동을 통해 코팅 공정을 수행하게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쉐어링 다이(10)의 단면도이다. 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쉐어링 다이(10)의 단면도이다.

도 5 및 도 6을 참조할 때, 본 발명의 특정한 실시예에 따른 쉐어링 다이(10)의 하부본체부(130)에 포함된 쉐어링 블레이드(135)는, 필요에 따라 그 형상을 달리하여 제작할 수 있다.

코팅액이 충분한 속도로 쉐어링 블레이드(135)를 따라 흐르되, 자중에 의해 경사면에서 이탈되어 기판(20)으로 떨어지지 않도록 최적의 경사각도를 설정할 것이 요구된다. 일반적으로 유기태양전지 및 유기 발광다이오드 등에 사용되는 코팅 재료의 점성이 물보다 작은 점을 고려할 때, 쉐어링 블레이드(135)의 최적의 경사각도는 기판에 대해 10 ~ 20도가 될 것이다. 다만 이는 코팅액의 점성과 코팅속도 등을 고려하여 얼마든지 조절 가능하다.

또한 하부본체부(130)가 쉐어링 블레이드(135)를 갖는 것은 코팅액이 하부의 경사면을 따라 흘러내려가 기판(20)과의 관계에서 음각의 매니스커스를 형성하기 위한 것이므로, 쉐어링 블레이드(135)와 하부본체부(130)가 만나는 부분이 반드시 각진 형태일 필요는 없고, 다소 만곡하게 형성되었다 하더라도 코팅액이 고유의 점성에 의해 경사면을 따라 흐를 수 있도록 안내하는 구조이기만 하다면 통상의 기술자가 얼마든지 변경 적용 가능한 범위 내라고 할 것이다.

또한, 쉐어링 블레이드(135)는 반드시 하부본체부(130)의 일부로서 한 몸체를 이룰 필요는 없고, 탈착가능한 구조로 설계하여 그 필요에 따라 경사각을 달리한 경사면을 변경하여 사용할 수 있을 것이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐어링 다이(10)의 내부 구조를 도시한 것이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐어링 다이(10)의 내부 구조를 마스크 심(500)을 달리하여 도시한 것이다.

도 7 및 도 8을 참조할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 쉐어링 다이(10)는 상부본체부(110)와 하부본체부(130) 사이에는 마스크 심(500)을 더 포함할 수 있다.

마스크 심(500)은 상부본체부(110)와 하부본체부(130)의 결착면을 따라 형성된 이격(100s)에 위치하되, 일정한 두께를 가진 판상형 막일 수 있다.

마스크 심(500)의 하단, 즉 슬롯(410)과 만나는 부분의 구조를 적절히 변경함으로써 토출되는 코팅액의 양, 패턴 등을 조절할 수 있다.

도 7에 나타난 바와 같이, 칸막이 형태의 격벽을 통해 토출되는 코팅액이 일정한 간격을 갖고 기판에 코팅되도록 조절할 수 있다. 이때 도 8에 나타난 바와 같이, 쉐어링 블레이드(135)의 형상 또한 이에 대응되도록 변경할 수 있다. 또한 마스크 심(500)의 두께를 통해서도 정량토출을 조정할 수 있다.

쉐어링 다이(10)를 이용한 코팅 방법이 개시된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 방법은, 쉐어링 다이(10)에 코팅액을 공급하는 단계와, 공급된 코팅액을 쉐어링 다이(10) 내부에 형성된 챔버(300)에 수용하는 단계와, 챔버(300)에 수용된 코팅액이 슬롯(410)을 통해 외부로 토출되는 단계와 토출된 고팅액을 하부본체부(130) 일단에 형성된 경사면을 따라 흘러내리게 하는 단계와, 이 경사면의 최하단에서 기판(20)과 음각 형태의 매니스커스를 형성하는 단계를 포함한다.

이때 챔버(300)는 쉐어링 다이(10)의 본체 내부에 형성되기만 하면 어떠한 형태 및 구조라도 변경가능하게 적용된다. 또한 슬롯(410)은 쉐어링 다이(10) 본체 내부의 챔버로부터 외부와 통하는 출구가 되며, 하부본체부(130) 일단에 형성된 경사면은, 사용상태를 기준으로 기판(20)과 일정한 경사를 이루고 있다면 어떠한 형태 및 구조라도 적용될 수 있다.

이하는 본 발명의 기술적 특징을 포함하는 구성들을 개시한 것이다.

상부본체부와 하부본체부가 일정한 이격을 두고 결착된 본체부; 상기 본체부 내부에 구비되는 코팅액공급라인; 상기 하부본체부에 일정 깊이로 형성되되, 상기 코팅액공급라인으로부터 공급받은 코팅액이 수용되는 챔버; 상기 이격을 따라 형성되고, 상기 챔버에 수용된 코팅액의 외부 배출경로를 이루는 노즐부;를 포함하며, 상기 본체부는, 외측에 상기 노즐부를 통해 안내된 코팅액을 외부로 토출시키는 슬롯이 형성되고, 상기 하부본체부는, 일단에 상기 슬롯으로부터 일정 각도의 구배를 갖고 돌출형성된 쉐어링 블레이드를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 상부본체부와 상기 하부본체부 사이에 코팅폭 조절을 위한 마스크 심을 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 챔버는, 하부 본체부의 일면에 형성된 일정깊이의 요홈으로서, 최내단이 만곡하게 형성되고, 코팅액의 진행 방향에 대해 수직으로 연장된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 본체부는, 일측에 코팅액 주입구가 형성되고,

상기 코팅액공급라인은, 상기 이격을 따라 구비되되, 외부로부터 코팅액을 공급받아 상기 챔버로 안내하도록 외측 일단이 상기 코팅액 주입구를 이루는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양태에 의할 때, 나노박막의 연속 코팅 방법은, 쉐어링 다이에 코팅액을 공급하는 단계; 공급된 코팅액을 쉐어링 다이 내부에 형성된 챔버에 수용하는 단계; 상기 챔버에 수용된 코팅액이 슬롯을 통해 외부로 토출되는 단계; 토출된 코팅액을 하부본체부 일단에 형성된 경사면을 따라 흘러내리게 하는 단계; 상기 경사면의 최하단에서 기판과 음각 형태의 매니스커스를 형성하는 단계를 포함한다.

한편 본 발명은 상술한 내용에서 본 발명의 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

10 쉐어링 다이
20 기판
100 본체부
100s 이격
110 상부본체부
130 하부본체부
135 쉐어링 블레이드
200 코팅액공급라인
210 코팅액 주입구
300 챔버
400 노즐부
410 슬롯
500 마스크 심

Claims (5)

1. 상부본체부와 하부본체부가 일정한 이격을 두고 결착된 본체부;
   상기 본체부 내부에 구비되는 코팅액공급라인;
   상기 하부본체부에 일정 깊이로 형성되되, 상기 코팅액공급라인으로부터 공급받은 코팅액이 수용되는 챔버;
   상기 이격을 따라 형성되고, 상기 챔버에 수용된 코팅액의 외부 배출경로를 이루는 노즐부;를 포함하며,
   상기 본체부는,
   외측에 상기 노즐부를 통해 안내된 코팅액을 외부로 토출시키는 슬롯이 형성되고,
   상기 하부본체부는,
   상기 슬롯으로부터 토출된 코팅액이 타고 흘러내리도록 경사를 갖고 돌출형성된 쉐어링 블레이드를 더 포함하는 나노박막의 연속 코팅을 위한 쉐어링 다이.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 상부본체부와 상기 하부본체부 사이에 코팅폭 조절을 위한 마스크 심을 더 포함하는 나노박막의 연속 코팅을 위한 쉐어링 다이.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 챔버는,
   하부 본체부의 일면에 형성된 일정깊이의 요홈으로서, 최내단이 만곡하게 형성되고, 코팅액의 진행 방향에 대해 수직으로 연장된 것을 특징으로 하는 나노박막의 연속 코팅을 위한 쉐어링 다이.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 본체부는,
   일측에 코팅액 주입구가 형성되고,
   상기 코팅액공급라인은,
   상기 이격을 따라 구비되되, 외부로부터 코팅액을 공급받아 상기 챔버로 안내하도록 외측 일단이 상기 코팅액 주입구를 이루는 것을 특징으로 하는 나노박막의 연속 코팅을 위한 쉐어링 다이.
   
5. 쉐어링 다이에 코팅액을 공급하는 단계;
   공급된 코팅액을 상기 쉐어링 다이 내부에 형성된 챔버에 수용하는 단계;
   상기 챔버에 수용된 코팅액이 슬롯을 통해 외부로 토출되는 단계;
   토출된 코팅액을 돌출된 쉐어링 블레이드의 경사면을 따라 흘러내리게 하는 단계;
   상기 경사면의 최하단에서 상기 토출된 코팅액이 기판과 음각 형태의 매니스커스를 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 쉐어링 다이는,
   상부본체부와 하부본체부가 일정한 이격을 두고 결착된 본체부;
   상기 본체부 내부에 구비되는 코팅액공급라인;
   상기 하부본체부에 일정 깊이로 형성되되, 상기 코팅액공급라인으로부터 공급받은 코팅액이 수용되는 챔버;
   상기 이격을 따라 형성되고, 상기 챔버에 수용된 코팅액의 외부 배출경로를 이루는 노즐부;를 포함하며,
   상기 본체부는,
   외측에 상기 노즐부를 통해 안내된 코팅액을 외부로 토출시키는 슬롯이 형성되고,
   상기 하부본체부는,
   상기 슬롯으로부터 토출된 코팅액이 타고 흘러내리도록 경사를 갖고 돌출형성된 쉐어링 블레이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노박막의 연속 코팅 방법.

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