[논문]그리비어 옵셋을 이용한 메탈 그리드 메쉬 필름 제작 기법

김정수; 김동수

doi:10.7736/kspe.2014.31.11.969

Abstract ▼ AI-Helper

Previously fabricated electronic devices were used for vacuum manufacturing processes such as conventional semiconductor manufacturing. However, they are difficult to apply to continuous processes such as roll-to-roll printing, which results in very high device manufacturing and processing costs. Th...

Previously fabricated electronic devices were used for vacuum manufacturing processes such as conventional semiconductor manufacturing. However, they are difficult to apply to continuous processes such as roll-to-roll printing, which results in very high device manufacturing and processing costs. Therefore, many developers have been interested in applying continuous processes to contact printing or noncontact printing technologies and they proposed various continuous printing techniques instead of conventional batch coating. In this paper, we proposed improved gravure offset printing process as one of the contact printing technique. We used etching pattern geometry with soft core blanket roll for printing of ultra fine line below the 10um.Using this technique we obtained flexible metal grid mesh film as transparent conductive film.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 이러한 접촉식인쇄 기법중의 하나인 그라비어 옵셋 인쇄 기술을기반으로 10μm 이하의 초미세 선폭 구현과 그에대한 응용 기술로 메탈 그리드 메쉬 기반의 투명전극 필름에 대한 연구를 수행 하였다.
본 연구는 인쇄 전자 기술이 가진 미세 선폭 인쇄에 대한 그 한계와 이를 극복하기 위해서 패턴롤의 형상, 블랑켓 롤의 구조 및 특성 변화, 잉크의 고점도 특성을 이용하여 약 7μm 급의 그라비어 옵셋 공정의 메탈 그리드 메쉬 필름을 제작하였다. 유리 기판과 필름 기판에서 메탈 그리드 메쉬 패턴을 형성 하였으며 최종적으로 롤투롤 기반에서 전도성 코팅을 더불어 수행하여 약 9.
본 연구에서는 유연소자에 대응하기 위한 대체 전극 형성을 위해 롤투롤 기반의 유연 필름 기판에서 그라비어 옵셋을 기술을 이용하여 앞선 유리 기판과 동일한 인쇄 실험을 수행하였다. 그림 8은 롤투롤 기반의 연속 생산을 위한 롤투롤 그라비어 옵셋 인쇄 시스템을 나타내며 비전을 통해 실시간 으로 메탈 메쉬 전극 패턴의 인쇄 결과를 확인 가능하도록 구성하였다.

제안 방법

그림 10은 제작된 메탈 그리드 메쉬 기반의 필름위에 전도성 고분자(PH1000)을 코팅하여 투명전극 분야의 적용 분야로 메탈 그리드 메쉬 필름의 특성을 평가 하였다. 메탈 그리드 메쉬 필름은 실버 전극의 높은 전도 특성을 가지는 반면 선과 선 사이의 면에 대해서는 전기 전도도를 가질 수 없기 때문에 본 실험과 같은 전도성 고분자, 카본 나노튜브등과 같은 기존의 높은 저항을 가지는 대체전극과의 복합 기술로 적용이 가능하다.
본 연구의 인쇄 기법이 기존 그라비어 옵셋 인쇄와는 달리 속이 좁은 패턴 내부의 형상을 블랑켓 표면으로 전이 시키기 위해 블랑켓 롤의 경도가 보다 소프트하게 구성되어야 한다. 그림 5와 같이 기존 블랑켓 롤은 내부가 메탈 계열의 하드롤로 구성이 되며 외부는 소프트한 블랑켓 시트로 구성 되나 본 연구에서는 보다 깊은 패턴을 전이시키기 위해 이중구조를 가지는 블랑켓 롤을 채택하였다. 블랑켓 시트 표면의 경도 보다 더욱 소프트한 재질의 경도를 가지는 고무롤을 내부 코어로 두어 블랑켓 롤의 변형이 최대화 되도록 유도하고 이러한 높은 변형을 통해 패턴롤 내부의 좁은 형상을 전이 시키기 위함이다.
더불어 선정된 실버 나노잉크를 보다 본 인쇄 공정에 적합하게 하기 위해 몇가지 첨가 재료를 튜닝하여 구현 하였으며 그로 인해 10μm 이하의 미세 패턴 형성이 가능하였다.
따라서 본 연구에서는 그라비어 옵셋기술을 이용하여 10μm 이하 선폭을 패터닝하고 이를 활용하여 메탈 메쉬 전극 패턴을 형성하였다.
두 번째 기술 요소는 블랑켓 롤의 재질이다. 본 연구의 인쇄 기법이 기존 그라비어 옵셋 인쇄와는 달리 속이 좁은 패턴 내부의 형상을 블랑켓 표면으로 전이 시키기 위해 블랑켓 롤의 경도가 보다 소프트하게 구성되어야 한다. 그림 5와 같이 기존 블랑켓 롤은 내부가 메탈 계열의 하드롤로 구성이 되며 외부는 소프트한 블랑켓 시트로 구성 되나 본 연구에서는 보다 깊은 패턴을 전이시키기 위해 이중구조를 가지는 블랑켓 롤을 채택하였다.
본 연구는 인쇄 전자 기술이 가진 미세 선폭 인쇄에 대한 그 한계와 이를 극복하기 위해서 패턴롤의 형상, 블랑켓 롤의 구조 및 특성 변화, 잉크의 고점도 특성을 이용하여 약 7μm 급의 그라비어 옵셋 공정의 메탈 그리드 메쉬 필름을 제작하였다. 유리 기판과 필름 기판에서 메탈 그리드 메쉬 패턴을 형성 하였으며 최종적으로 롤투롤 기반에서 전도성 코팅을 더불어 수행하여 약 9.65Ω/ 를 가지는 고성능의 메탈 그리드 메쉬 투명전극 필름을 제작 하였다. 본 연구를 통해 기존의 그라비어 옵셋 인쇄 기술의 한계를 극복하고 향후 미세 선폭 인쇄에서 보다 다양한 응용분야로 확대되어 나가는 기술로서 그 기초 기술로 활용 되길 기대한다.
유리 기판에서의 인쇄 실험은 20μm의 동일한 패턴에서 선 간격을 400, 500, 600, 700μm로 변경하여 인쇄를 반복적으로 수행하였으며 총 20회의 연속 인쇄 실험을 수행하였다.

대상 데이터

하지만 초미세 선폭 구현을 위한 공정 기술 개발에서 중,저 점도 잉크의 경우 좁은 내부 형상의 잉크 형태를 전이 시키기에는 어려운 특성을 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 기존 그라비어 옵셋 잉크에 비해 점도가 높은 스크린 인쇄에 적용되는 수준의 고점도의 나노 입자 크기의 잉크를 이용하였다.
실버 그리드 메쉬를 형성 하기 위해 사용된 잉크는 ANP사의 실버나노 페이스트가 사용되었으며 본 연구를 위해 특별히 튜닝된 잉크를 사용하였다. 본 연구에 적용된 실버 나노 잉크를 선정하기 위해 국내외의 여러 나노 입자의 실버 잉크를 테스트 하였고 그 중가장 인쇄성이 좋으며 미세 선폭이 구현 가능한 잉크를 선정하였다. 더불어 선정된 실버 나노잉크를 보다 본 인쇄 공정에 적합하게 하기 위해 몇가지 첨가 재료를 튜닝하여 구현 하였으며 그로 인해 10μm 이하의 미세 패턴 형성이 가능하였다.
이중 코어 블랑켓은 외부는 약 60(shore) 경도 의탄성중합체 시트와 내부는 약 20경도의 실리콘러버 블랑켓 재질이 사용되었다. 실버 그리드 메쉬를 형성 하기 위해 사용된 잉크는 ANP사의 실버나노 페이스트가 사용되었으며 본 연구를 위해 특별히 튜닝된 잉크를 사용하였다. 본 연구에 적용된 실버 나노 잉크를 선정하기 위해 국내외의 여러 나노 입자의 실버 잉크를 테스트 하였고 그 중가장 인쇄성이 좋으며 미세 선폭이 구현 가능한 잉크를 선정하였다.
이중 코어 블랑켓은 외부는 약 60(shore) 경도 의탄성중합체 시트와 내부는 약 20경도의 실리콘러버 블랑켓 재질이 사용되었다. 실버 그리드 메쉬를 형성 하기 위해 사용된 잉크는 ANP사의 실버나노 페이스트가 사용되었으며 본 연구를 위해 특별히 튜닝된 잉크를 사용하였다.
그림 6는 국내 다양한 회사의 실버 잉크에 대한인쇄 성 실험 결과를 나타낸다. 잉크 테스트는 EagleXG, Eagle 2000의 유리 기판과 PET필름(SKC)의유연 기판에 모두 적합한 잉크가 선정 되었으며 점도는 약 13000cps의 고점도 잉크가 사용되었다.
그림 8은 롤투롤 기반의 연속 생산을 위한 롤투롤 그라비어 옵셋 인쇄 시스템을 나타내며 비전을 통해 실시간 으로 메탈 메쉬 전극 패턴의 인쇄 결과를 확인 가능하도록 구성하였다. 필름은 폭 200mm의 PET 필름을 사용하였으며 건조는 UV, 열풍을 건조 구간을 이용하여 메탈 메쉬 인쇄 후 연속적인 건조가 이루어지도록 구성되었다. 그림 9는 최종적으로 롤투롤 시스템을 이용하여 인쇄된 메탈 메쉬 필름의 인쇄 결과를 나타낸다.

성능/효과

7.24μm의 선폭을 가지는 초미세 선폭 메탈 그리드 메쉬 필름이 제 작 되었으며 인쇄된 패턴의 높이는 811nm높이를 가지는 것으로 측정되었다.
그 결과 그라비어 옵셋을 이용한 초미세 선폭 7.11μm와 500μm의 선간격을 가지며 높이는 501nm로 측정되었다.
11μm와 500μm의 선간격을 가지며 높이는 501nm로 측정되었다. 따라서 전도성 고분자의 박막 코팅 두께가 약 300 nm 정도 코팅이 이루어졌음을 알 수 있 으며 이때의 투명전극의 면저항은 9.65Ω/ 로 아주 우수한 전기 전도 특성을 가지는 메탈 그리드 메쉬, 전도성 고분자의 복합 투명 전극 필름이 제작되었다.
이와 같은 실험 결과는 고점도 잉크와 에칭에 따른 패턴롤 형상 그리고이중 코어 블랑켓 구조를 통해 10μm 이하의 미세선폭 인쇄가 가능함을 의미하며 이를 활용한 메탈 메쉬 기반의 투명 전극 패턴의 형성이 가능하다는 것을 알 수 있다.
24μm의 선폭을 가지는 초미세 선폭 메탈 그리드 메쉬 필름이 제 작 되었으며 인쇄된 패턴의 높이는 811nm높이를 가지는 것으로 측정되었다. 인쇄 실험 결과 롤투롤 연속 인쇄 시스템을 이용한 본 연구 공정 기술의 적용이 가능하며 그간 한계 기술로 예측 되었던 연속 인라인 10um 이하의 연속 초미세 선폭구현 기술이 가능함으로서 향후 양산 기술로써의 확대가 가능 기술임이 증명되었다.
투과도 측정 결과 유리 기판의 기본 투과율은 94~95%로 동일하게 측정 되었으며 그 위에 그라비어 옵셋으로 인쇄된 메탈 메쉬를 포함한 투명전극의 투과도는 선 간격에 따라 다르게 측정되었으며 89~92%로 나타났으며 400μm에서 최대 6%, 700μm에서 최하 3% 정도의 투과율이 감소하였다.

후속연구

메탈 그리드 메쉬 필름은 실버 전극의 높은 전도 특성을 가지는 반면 선과 선 사이의 면에 대해서는 전기 전도도를 가질 수 없기 때문에 본 실험과 같은 전도성 고분자, 카본 나노튜브등과 같은 기존의 높은 저항을 가지는 대체전극과의 복합 기술로 적용이 가능하다.
65Ω/ 를 가지는 고성능의 메탈 그리드 메쉬 투명전극 필름을 제작 하였다. 본 연구를 통해 기존의 그라비어 옵셋 인쇄 기술의 한계를 극복하고 향후 미세 선폭 인쇄에서 보다 다양한 응용분야로 확대되어 나가는 기술로서 그 기초 기술로 활용 되길 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인쇄전자란 무엇인가?	최근 유연 전자소자에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며 이러한 유연 터치 스크린 패널, LCD(Liquid Crystal Display)용 블랙 매트릭스, 유기 박막 트랜지스터(Organic Thin Film Transistor), 유연 디스플레이(Flexible Display), RFID(Radio Frequency Identification) 태그, 유기박막 태양전지, E-paper 등의 제작 공정에서 기존의 고가의 노광 공정, 성막 공정, 에칭 공정 등을 대체하여 전도성, 절연성,반도체성 등의 인쇄잉크와 고정밀 인쇄기를 사용하여 제조하는 것을 인쇄전자(printed electronics)라고 한다. 그림 1은 인쇄전자의 개념을 나타낸다.
	인쇄 기술 중 접촉식 인쇄에는 어떠한 기법이 있는가?	일반적인 인쇄 기술은 접촉식 인쇄와 비접촉식 인쇄 기술로 분류가 가능하며 각각의 인쇄 공정은 패터닝 및 코팅 기술로도활용이 가능하다. 접촉식 인쇄는 대표적으로 그라비어(Gravure), 플렉소(Flexo), 그라비어 옵셋(Gravure Offset), 스크린(Screen)등의 기법이 있으며, 비 접촉식 인쇄는 대표적으로 잉크젯(Ink-Jet), 스프레이(Spray), 슬롯다이(Slot-die), 메탈젯(Metal-Jet) 등의 기법이 있다. 이러한 각 공정기술은 다양한 공정의 해상도와 박막 두께 혹은 적용 재료에 따라서각 인쇄 전자 소자에 적합한 공정 기술로 적용이가능하다.
	인쇄 기술는 어떻게 분류되는가?	Table 1은 인쇄 전자 기술에서 적용되는 대표적인공정 기술을 나타낸다. 일반적인 인쇄 기술은 접촉식 인쇄와 비접촉식 인쇄 기술로 분류가 가능하며 각각의 인쇄 공정은 패터닝 및 코팅 기술로도활용이 가능하다. 접촉식 인쇄는 대표적으로 그라비어(Gravure), 플렉소(Flexo), 그라비어 옵셋(Gravure Offset), 스크린(Screen)등의 기법이 있으며, 비 접촉식 인쇄는 대표적으로 잉크젯(Ink-Jet), 스프레이(Spray), 슬롯다이(Slot-die), 메탈젯(Metal-Jet) 등의 기법이 있다.

참고문헌 (7)

Harrop, P., "Introduction to Printed Electronics," IDTechEx, 2010.
Holland, G., Harrop, P., and Das, R., "Encyclopedia of Printed Electronics," IDTechEX, 2008.
Das, R. and Harrop, P., "Printed, Organic & Flexible Electronics Forecasts, Players & Opportunities 2011-2012," IDTechEX, 2011.
Yu, J.-S. "A Study of Transparent Conductive Film for Organic Solar Cells Fabricated by Printing Process," Ph.D. Thesis, Department of Materials Science and Engineering, Chungnam National University, 2013.
de Gennes, P. G., "Wetting: Statics and Dynamics," Reviews of Modern Physics, Vol. 57, No. 3, pp. 827-863, 1985.

상세보기
Young, T., "An Essay on the Cohesion of Fluids," Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 95, pp. 65-87, 1805.

상세보기
Dupre, A., "Theorie Mecanique de la Chaleur," Gauthier-Villars, pp. 367-370, 1869.

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