[논문]소수성 Needle을 이용한 미세 유기 박막 Stripe 제작

김종명; 이진영; 신동균; 박종운

[국내논문] 소수성 Needle을 이용한 미세 유기 박막 Stripe 제작
Fabrication of Fine Organic Thin-Film Stripes Using a Hydrophobic Needle 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.19 no.1, 2020년, pp.73 - 78

김종명 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부) , 이진영 (한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정) , 신동균 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부) , 박종운 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

There appears lateral capillary force in a hydrophilic flat needle employed for the fabrication of fine organic thin-film stripes, bringing in an increase of the stripe width. It also causes the stripe thickness to increase with increasing coating speed, which is hardly observed in a normal coating process. Through computational fluid dynamics (CFD) simulations, we demonstrate that the lateral capillary flow can be substantially suppressed by increasing the contact angle of the needle end. Based on the simulation results, we have coated the outer surface of the flat needle with a hydrophobic material (polytetrafluoroethylene (PTFE) with the water contact angle of 104°). Using such a hydrophobic needle, we can suppress the lateral capillary flow of an aqueous poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(4-styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) to a great extent, rendering the stripe narrow (63 ㎛ at 30 mm/s). Consequently, the stripe thickness is decreased as the coating speed increases. To demonstrate its applicability to solution-processable organic light-emitting diodes (OLEDs), we have also fabricated OLED with the fine PEDOT: PSS stripe and observed the strong light-emitting stripe with the width of about 68 ㎛.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(a)에 나타낸 것과 같이, active 영역이 2mm×2mm가 되도록 두께 1.5μm의 photoresistor(PR) 절연층이 패턴된 ITO 기판 위에 소수성 needle을 이용하여 PEDOT:PSS stripe를 40mm/s 속도로 코팅 하였다.
이를 바탕으로 본 연구에서는 needle 코팅을 이용하여 더 미세한 stripe를 제작하기 위하여 needle 표면을 소수성(hydrophobicity) 물질로 코팅한 후 실험을 진행 하였다. 또한 모세관 유동 현상을 억제하기 위하여 needle 표면의 접촉각에 따른 유체유동 변화를 전산모사를 통해 분석하였다. 소수성 needle을 사용하여 측면 모세관 현상을 효과적으로 억제함으로써 친수성 needle 대비 stripe 폭을 더욱 줄일 수 있음을 실험을 통해 입증하였다.
먼저 전산모사를 통해 needle의 표면 접촉각에 따른 유체 유동 변화를 분석하였다. 전산모사는 용액이 기판에 닿아 퍼지기 직전까지 진행하였다.
소수성 needle을 이용하여 미세 PEDOT:PSS stripe를 제작 하였으며 needle 표면의 접촉각에 따른 코팅 및 박막 특성 변화를 전산모사와 실험을 통해 자세히 연구하였다. 낮은 접촉각을 갖는 친수성 needle을 사용하여 stripe을 제작할 경우 측면 모세관 현상에 의해 용액이 needle 끝 단을 타고 측면으로 퍼져 stripe폭이 증가하고 무엇보다 코팅 속도가 증가할 때 stripe 두께가 증가하는 코팅에서 흔히 볼 수없는 현상이 발생하였다.
시간에 따른 유체 분포를 명확히 보기 위하여 needle과 기판(outlet)간의 갭을 100μm로 설정하였다.
코팅된 PEDOT:PSS stripe 는 80°C 핫 플레이트 위에서 30분간 건조하였다. 영역 스캔 카메라(acA1300-30gm, BASLER)로 needle 근처의 유체 분포를 측정하였으며 코팅된 stripe의프로파일(폭 및 두께)을 3D 레이저 현미경(VK-8700, KEYENCE)으로 측정하였다.
용액의 입력 매개변수는 wetting agent를 갖는 PEDOT:PSS 용액의 물성값(표면장력 21.32mN/m, 점도 6mPa·s)을 실제로 측정하여 사용하였다.
용액이 내경 크기의 내부 통로를 통해 흘러나오므로 주입구(inlet)를 내경 상단에 위치시켰고 주입구의 길이를 내경과 동일하게 108μm로 하였다.
우리는 이전 슬롯 다이 헤드를 이용한 stripe 코팅 연구에서 헤드 립의 접촉각 이 증가할수록 모세관 흐름이 효과적으로 억제될 수 있음을 보였다[6]. 이를 바탕으로 본 연구에서는 needle 코팅을 이용하여 더 미세한 stripe를 제작하기 위하여 needle 표면을 소수성(hydrophobicity) 물질로 코팅한 후 실험을 진행 하였다. 또한 모세관 유동 현상을 억제하기 위하여 needle 표면의 접촉각에 따른 유체유동 변화를 전산모사를 통해 분석하였다.
이를 줄이기 위해 계산 면적이 500μm×400μm 인 2D 구조를 고려하였고 최소 메쉬 간격(Δx)을 5μm로 설정하였다.
이를 확인하기 위하여 친수성과 소수성 needle을 이용 하여 PEDOT:PSS stripe를 코팅하였다. 코팅된 PEDOT:PSS stripe의 광학이미지와 두께 프로파일을 측정하여 Fig.
친수 성과 소수성 needle 표면의 용액(PEDOT:PSS) 접촉각(θc)은실제 실험에서 사용하는 것과 동일하도록 각각 16°와 104° 로 하였다.
친수성과 소수성 needle 의 코팅 특성을 비교하기 위하여, 우리는 104°의 물 접촉각(contact angle)을 갖는 poly[4,5-difluoro-2,2-bis(trifluoromethyl)-1,3-dioxole-co-tetrafluoroethylene] (PTFE AF 2400(Teflon), SigmaAldrich)가 코팅된 소수성 needle을 제작하였다.
1mm 이다. 코팅 물질로는 OLED의 정공 주입층(hole injection layer)용으로 널리 쓰이는 PEDOT:PSS(AI4083, Clevios)을 사용하였으며 polyethylene terephthalate(PET) film 위에 코팅을 수행하였다. Wetting agent 로 0.
코팅 유량과 갭은 0.001ml/min 과 20μm로 각각 고정하였고, 폭이 가장 좁은 stripe 를 제작하기 위하여 코팅 속도를 stripe 가 끊기거나 코팅이 균일하지 않을 때까지 증가시켰다.
코팅 전에 cellulose acetate disposable syringe filter (0.2μm, DISMIC-25CS)를 사용하여 PEDOT:PSS 용액 속에 있는 응집된 파티클을 제거하였다.

대상 데이터

친수성과 소수성 needle 의 코팅 특성을 비교하기 위하여, 우리는 104°의 물 접촉각(contact angle)을 갖는 poly[4,5-difluoro-2,2-bis(trifluoromethyl)-1,3-dioxole-co-tetrafluoroethylene] (PTFE AF 2400(Teflon), SigmaAldrich)가 코팅된 소수성 needle을 제작하였다. Teflon의 용매로는 hexafluorobenzene (Sigma-Aldrich)을 사용하였다. 코팅된 PEDOT:PSS stripe 는 80°C 핫 플레이트 위에서 30분간 건조하였다.
실험에 사용된 노즐의 내경과 외경은 각각 108μm, 210μm 이고 길이는 38.1mm 이다.
정공수송층(HTL, hole transport layer)으로 40nm N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N' -bis(phenyl)-benzidine (TPD), 발광층(EML, emission layer)으로 15nm 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl (CBP), 정공 차단층(HBL, hole blocking layer)으로 10nm 4,7-diphenyl-1,10-phenanthro line (Bphen), 전자 수송층(ETL, electron transport layer)으로 30nm tri-(8-hydroxyqunoline) aluminum (Alq3), 전자 주입층(EIL, electron injection layer)으로 1nm lithium fluoride (LiF), 음극 전극(cathode)으로 100nm aluminum (Al)을 증착하였다.

이론/모형

Needle의 표면 접촉각에 따른 용액 분포를 조사하기 위하여, CFD tool(ANSYS Fluent, Version 19.1)을 사용하여 유체 유동을 전산모사 하였다. 유체 흐름을 계산하는 이 툴은 volume of fluid(VOF)를 기반으로 하여 Navier-Stokes 방정식을 풀어서 위상 모양과 위치를 추적할 수 있다.

성능/효과

하지만 소수성 needle을 이용하여 측면 모세관력을 억제함으로써 stripe 폭을 줄일 수 있었으며 코팅 속도가 증가할 때 stripe 두께가 감소하는 안정적인 코팅 특성을 보였다. 결과적으로 소수성 needle을사용하여 63μm 폭과 66nm 두께를 갖는 미세 PEDOT:PSS stripe를 제작하였으며 1.5μm 두께의 PR 절연층이 있는 ITO 기판에 stripe 코팅을 하여 OLED 소자를 제작한 후 발광하는데 성공하였다. 이를 통해 실제 단차를 갖는 OLED 화소(~100 μm) 형성 시 소수성 needle을 이용할 경우 안정 적인 stripe 코팅이 가능할 것으로 예상된다.
또한 모세관 유동 현상을 억제하기 위하여 needle 표면의 접촉각에 따른 유체유동 변화를 전산모사를 통해 분석하였다. 소수성 needle을 사용하여 측면 모세관 현상을 효과적으로 억제함으로써 친수성 needle 대비 stripe 폭을 더욱 줄일 수 있음을 실험을 통해 입증하였다.
4(b)의 소수성 needle을 실제로 제작할때 needle 끝 단 flat한 영역에서의Teflon 용액 코팅이 약간 고르지 않았기 때문인 것으로 사료된다. 하지만 두 결과를 통해 우리는 소수성 needle을 사용하여 측면 모세관력을 억제함으로써 stripe 폭을 더 줄일 수 있음을 알 수 있다.
낮은 접촉각을 갖는 친수성 needle을 사용하여 stripe을 제작할 경우 측면 모세관 현상에 의해 용액이 needle 끝 단을 타고 측면으로 퍼져 stripe폭이 증가하고 무엇보다 코팅 속도가 증가할 때 stripe 두께가 증가하는 코팅에서 흔히 볼 수없는 현상이 발생하였다. 하지만 소수성 needle을 이용하여 측면 모세관력을 억제함으로써 stripe 폭을 줄일 수 있었으며 코팅 속도가 증가할 때 stripe 두께가 감소하는 안정적인 코팅 특성을 보였다. 결과적으로 소수성 needle을사용하여 63μm 폭과 66nm 두께를 갖는 미세 PEDOT:PSS stripe를 제작하였으며 1.
하지만 이때 코팅 속도가 증가함에 따라 Q 값이 감소하는 것에 비해 main stream으로 모이는 용액량 (Qa)이 많아져서 stripe 두께는 오히려 증가하는 현상이 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CFD tool의 특징은 무엇인가?	1)을 사용하여 유체 유동을 전산모사 하였다. 유체 흐름을 계산하는 이 툴은 volume of fluid(VOF)를 기반으로 하여 Navier-Stokes 방정식을 풀어서 위상 모양과 위치를 추적할 수 있다. 전산모사를 위한 구조는 Fig.
	친수성 needle을 사용할 때 코팅 속도가 증가함에 따라 Q 값과 stripe두께는 어떻게 되는가?	이는 모세관 현상에 의해 needle 끝 단을 타고 측면으로 넓게 퍼진 용액이 stripe 코팅 시 형성되는 또는 stripe 형성에 기여하는 main stream(원형 needle 끝 좁은 영역에서 용액을 drag하면서 형성됨)을 향해 다시 모이면서 stripe 폭은 ws 보다 훨씬 작아진다. 하지만 이때 코팅 속도가 증가함에 따라 Q 값이 감소하는 것에 비해 main stream으로 모이는 용액량 (Qa)이 많아져서 stripe 두께는 오히려 증가하는 현상이 나타났다. 이에 반해 소수성 needle의 경우, 최대 코팅 속도 에서 ws 값이 82μm이고 stripe 폭은 63μm로 감소 비율이 친수성 needle에 비해 매우 낮다.
	needle 표면의 접촉각이 낮으면 stripe를 제작할 때 어떤 영향을 받는가?	소수성 needle을 이용하여 미세 PEDOT:PSS stripe를 제작 하였으며 needle 표면의 접촉각에 따른 코팅 및 박막 특성 변화를 전산모사와 실험을 통해 자세히 연구하였다. 낮은 접촉각을 갖는 친수성 needle을 사용하여 stripe을 제작할 경우 측면 모세관 현상에 의해 용액이 needle 끝 단을 타고 측면으로 퍼져 stripe폭이 증가하고 무엇보다 코팅 속도가 증가할 때 stripe 두께가 증가하는 코팅에서 흔히 볼 수없는 현상이 발생하였다. 하지만 소수성 needle을 이용하여 측면 모세관력을 억제함으로써 stripe 폭을 줄일 수 있었으며 코팅 속도가 증가할 때 stripe 두께가 감소하는 안정적인 코팅 특성을 보였다.

참고문헌 (6)

Choi, S., Moon, S., Kim, T., and Kim, H., "Fabrication of Capacitive Yarn Torsion Sensors based on an Electrospinning Coating Method," Polym. Int, Vol. 68, pp. 1921-1927, 2019.

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Li, R., Hu, A., Zhang, T., and Oakes, K., "Direct Writing on Paper of Foldable Capacitive Touch Pads with Silver Nanowire Inks," ACS Apl. Mater. Interfaces, Vol. 6, pp. 21721-21729, 2014.

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Matatagui, D. et al, "Real-Time Characterization of Electrospun PVP Nanofibers as Sensitive Layer of a Surface Acoustic Wave Device for Gas Detection," J. Nanostruct., Vol. 21, pp. 1-8, 2014.
Lee, J., and Park J., "Fabrication of Fine PEDOT:PSS Stripes Using Needle Coating," J. of The Korean Society of Semiconductor & Display Technology, Vol. 18, pp. 100-104, 2019.
Li, W., Ji, W., Sun, H., Lan, D., and Wang, Y., "Pattern Formation in Drying Sessile and Pendant Droplet: Interactions of Gravity Settling, Interface Shrinkage, and Capillary Flow," Langmuir, Vol. 35, pp. 113-119, 2018.
Lee, J., Li, X., and Park, J., "Suppression of Capillary Flow in Slot-Die Coating for the Fabrication of Fine OLED Stripe," IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 66, pp. 5221-5229, 2019.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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