Printed Electronics are one of the important technologies in electronics and new markets such as OLED display, organic photovoltaics, and batteries. In this study, to overcome the problems and disadvantages of the current printing process proposed a new fusion process. The proposed study is applied to a printed electronics device fabrication to confirm the possibility of the application. My research propose a new approach to fuse roll-to-roll slot-die coating and laser direct writing process. The purpose of this research is to expand the 1-dimensional pattern process of slot-die coating to the 2-dimensional process and to use laser direct writing with the advantages of digital process, which is featured by no masks, non-contact, and low-cost. An Roll-to-roll slot die coating was studied to be optimized with a film speed, an ink flow rate, and a NIR lamp power. Maximum film speed of 2.4m/min is possible and an Ag film having a sheet resistance of 200mOhm/sq was confirmed. LDW process onto Roll-to-roll printing processed flexible metal film was applied successfully to make 2-D patterns. The LDW process was studied to be optimized with a scan speed and a laser power. LDW process with 5um, 7um, and 20um spot size was performed and the minimum linewidth was characterized. Piezo-resistive type strain gauge sensor element was fabricated by using this technology. A strain gage with Ag film showed a similar excellent properties with the commercial one. In additions, A highly reflective Ag film was fabricated by roll-to-roll slot die coating in order to produce the low concentration reflective solar module. The 20mm $\times$ 20mm Si cell with the solar cell efficiency of 4.9% were used and confirmed 2.14 times of the output power with 2.22x CPC PV module. In this study, various applications by utilizing slot die coating and LDW process were not proceeded. A variety of application devices can be possibly made with the advantage of a roll-to-roll printing process and LDW process to simplify the pattern forming process.
인쇄전자 (Printed Electronics)는 기존의 인쇄 기술을 전자산업에 적용함으로써 기존의 전자산업에서의 제조 공정 기술을 획기적으로 혁신하기 위해 활발히 연구가 진행되고 있는 중요한 신산업 분야중의 하나이다. 현재 인쇄 전자 공정은 저가격화 공정이라는 장점을 갖고 있는 반면, 사용 재료와 인쇄 공정의 최적화 및 디자인 변경에 따른 비용 부담 등의 단점을 극복해야하는 문제점을 갖고 있다. 본 연구에서는 이러한 현재 인쇄 공정에서의 문제점과 단점을 극복하기 위한 공정을 제안하고 본 연구에서 제안된 공정을 적용하여 인쇄전자 소자를 제작하여 제안된 공정의 인쇄전자 산업에서의 적용 가능성을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 기존의 박막 증착 공정과 노광 에칭 공정으로 제작이 되던 금속 배선 공정을 슬롯 다이 인쇄 공정과 레이저 미세 패터닝 공정을 융합하여 새로운 공정을 개발 함으로써 기존의 인쇄전자 롤투롤 공정이 갖고 있는 문제점과 단점을 극복하는 것을 목표로 하였다. 기존의 연구들은 Gravure 공정에 사용되는 패턴 금형과 공정 장비의 혁신을 통해 Roll-to-Roll 방식의 미세 패턴 선폭을 구현하고자 노력 하였으며, 본 연구에서는 레이저 직접 패터닝(LDW) 공정에 의한 미세 선폭 구현 기술을 실버 잉크의 Roll-to-Roll 슬롯 다이 인쇄 공정과 복합화하여 인쇄 전자에 있어 새로운 신공정을 개발하고자 하였다. 본 연구에서 제안하는 신공정 기술 개발을 위한 최적화 실험을 수행하고 확보된 기술을 적용하여 스트레인게이지 센서 소자와 실버 잉크 반사 필름을 갖는 태양광 모듈 제작에 응용하였다.
롤투롤 슬롯다이 코팅 공정 최적화 연구를 수행하였으며 필름 속도와 잉크 유량 속도 및 NIR 램프 파워에 따른 면저항 특성 변화 연구를 수행하였다. 최대 필름 속도 2.4 m/min이 가능함을 확인하였으며 면저항 200 mOhm/sq를 갖는 Ag 필름 제작이 가능함을 확인하였다. FIB 분석을 통해 67nm를 갖는 Ag 필름을 제작하였으며 이 경우에서의 비저항값은 $8.7 \mu \Omega \cdot cm$ 임을 확인하였다.
레이저 직접 패터닝 최적화 실험을 수행하였으며 532nm 나노초 펄스를 갖는 레이저를 사용하여 7um 스팟 사이즈를 갖는 레이저 패터닝 셋업을 구성하였으며 이를 사용하여 8.2um 선폭을 갖는 20um 주기의 패턴 구현이 가능함을 확인하였다. 또한, 5um 스팟 사이즈를 갖는 펨토초 펄스 레이저를 사용하여 5um 선폭을 갖는 10um 주기의 패턴 구현이 가능함을 확인하였다.
롤투롤 슬롯 다이 공정을 적용하여 제작된 Ag 필름을 사용하여 레이저 직접 패터닝 공정을 수행하여 스트레인게이지 센서 소자를 롤투롤 필름상에 구현하였으며 그 센서 소자 특성을 측정하고 상용 스트레인게이지의 결과와 비교 분석하였다. Half-Bridge 구조를 갖는 스트레인게이지 특성 평가 시스템을 구성하였으며 Gage Factor 2를 갖는 상용 스트레인게이지 측정 결과와 Ag 필름을 사용하여 레이저 직접 패터닝을 수행하여 제작된 스트레인게이지의 측정 결과를 비교한 결과 Gage Factor는 Ag 필름의 경우에서 2.84로 0.84 증가하였음을 확인하였다. 또한, 제작된 센서의 선형성을 확인하기 위해 선형회귀분석 후 R square 값을 분석한 결과 상용 게이지의 경우 0.9921을 갖고 Ag 필름 게이지의 경우 0.9905를 갖는 유사한 우수한 특성을 갖는 결과를 보였음을 확인하였다.
반사도 특성이 우수한 Ag 필름을 제작하고 이를 적용하여 2.22배 CPC 구조를 갖는 저집광 태양광 모듈을 제작하고 그 특성을 분석하였다. 20mm $\times$ 20mm 크기를 갖는 Si 셀을 사용하여 Ag 반사 필름을 적용하지 않은 측정과 적용한 측정 결과를 비교 분석하였다. 2.22배 CPC 집광 구조를 적용하였으며 이론적인 최대 출력 43.5mW 기준대비 Ag 반사 필름을 적용한 CPC 태양광 모듈의 출력 파워는 41.8mW로 이론값 대비 96.1%의 출력파워를 보임을 확인하였다. 측정 결과로부터 4.9%의 효율을 갖는 20mm $\times$ 20mm Si 셀을 사용하여 동일 면적의 Si 셀을 사용하여 2.14배의 출력 파워를 갖는 2.22배의 집광도를 갖는 CPC 저집광 태양광 모듈 제작이 가능함을 확인하였다.
본 연구에서는 롤투롤 슬롯 다이 코팅공정과 LDW 공정을 적용한 다양한 인쇄전자 응용 소자에의 적용 연구를 수행하지 못하였다. 다양한 인쇄전자 응용 소자 제작에 있어 기존 공정과 디자인을 면밀히 재검토함으로써 본 연구에서 제안한 방식의 새로운 공정을 적용한 다양한 응용 소자 제작이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 기존의 다른 인쇄 공정과 LDW 공정을 적용한 다양한 연구로의 응용도 가능할 것으로 기대된다.
