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KR101631923B1 - 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법 - Google Patents

전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법 Download PDF

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KR101631923B1
KR101631923B1 KR1020150149684A KR20150149684A KR101631923B1 KR 101631923 B1 KR101631923 B1 KR 101631923B1 KR 1020150149684 A KR1020150149684 A KR 1020150149684A KR 20150149684 A KR20150149684 A KR 20150149684A KR 101631923 B1 KR101631923 B1 KR 101631923B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
atmospheric pressure
conductive ink
patterning
pressure plasma
Prior art date
Application number
KR1020150149684A
Other languages
English (en)
Inventor
정희수
최승기
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020150149684A priority Critical patent/KR101631923B1/ko
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Abstract

본 발명은 플라즈마 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대기중에서 플라즈마 젯을 이용하여 표면을 친수성이나 소수성으로 처리후 전도성 잉크를 이용해 고전압 인가가 가능한 전극을 제조하고, 이를 이용하여 플라즈마 방전이 가능하도록 하는 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 및 이의 제작 방법에 대한 것이다.

Description

전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법{Method for fabricating various patterned flexible plasma electrode using conductive inks and atmospheric pressure plasma jets}
본 발명은 플라즈마 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대기중에서 플라즈마 젯을 이용하여 표면을 친수성이나 소수성으로 처리후 전도성 잉크를 이용해 고전압 인가가 가능한 전극을 제조하고, 이를 이용하여 플라즈마 방전이 가능하도록 하는 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 및 이의 제작 방법에 대한 것이다.
대기압 플라즈마 젯은 저온에서 방전이 가능하고, 전극의 구조, 구동 주파수, 입력전압 등의 변화를 통해 헬륨, 알곤, 질소, 산소 등 다양한 기체에서 방전이 가능한 특성을 가지고 있다. 특히 최근 대기압 플라즈마 젯은 저온 방전의 특성을 이용하여 세포의 특성변화, 피부 상처치료 연구, 식품의 살균 등 바이오와 의료분야에서 상당한 연구가 진행되고 있다. 또한 재료분야에서는 대기압 플라즈마를 이용하여 표면의 개질변화, 에칭, 에슁 등 진공 플라즈마를 대신한 연구들이 진행되고 있다.
전도성 잉크는 최근 플렉서블 디스플레이나 플렉서블 태양전지, RFID[radio frequency identification] 등 유연기판에 대한 산업이 확대되면서 많은 연구가 진행되고 있다. 유연기판에 대한 연구가 진행되면서 기판의 종류도 플라스틱 재질과 같은 고분자 재료 등이 요구되면서 낮은 온도에서의 공정이 요구되었다.
따라서 플라스틱과 같은 고분자 재료에 인쇄가 가능한 전도성 잉크에 대한 수요가 증대되고 있다. 최근 공개된 특허에 의하면, 대한민국 공개특허번호 제 10-2014-0056045호(발명의 명칭: 인쇄전자용 구리 페이스트 조성물), 대한민국 공개특허번호 제10-2010-0020564호(발명의 명칭: 스크린인쇄용 전도성 페이스트 조성물 및 이를 이용한 스크린 인쇄방법) 등이 있다.
또한, 전도성 잉크를 인쇄하는 방법으로, 대한민국 등록특허번호 제10-0984256호(발명의 명칭: 자기정렬 그라비어인쇄를 이용한 중첩정밀도 제어 방법), 대한민국 공개특허번호 제10-2014-0100630호(발명의 명칭: 인쇄 박막전지의 제조방법과 이에 따라 제조된 인쇄 박막전지), 대한민국 공개특허번호 제10-2009-00118516호(발명의 명칭: 인쇄 RFID 태그 회로 및 이 회로에 따라 롤 대 롤 인쇄방법을 이용한 RFID 태그 제조 방법), 대한민국 공개특허번호 제10-2014-0104582호(발명의 명칭: 투명기판을 이용한 히터 및 그 제조방법) 등이 개시되어 있다.
하지만 대부분 수십V~수백V의 저전압에서 활용되고 있는 인쇄기판에 활용되고 있을 뿐이다. 또한, 전도성 잉크의 저항이 기존 전극에 비해 높고, 접착성능 등에서 문제가 발생하고 있다.
1. 대한민국 공개특허번호 제10-2014-0056045호 2. 대한민국 공개특허번호 제10-2010-0020564호 3. 대한민국 등록특허번호 제10-0984256호(2010.09.20) 4. 대한민국 공개특허번호 제10-2014-0100630호 5. 대한민국 공개특허번호 제10-2009-00118516호 6. 대한민국 공개특허번호 제10-2014-0104582호
1. 고정범외, "고점도 전도성 잉크 패터닝 기술을 이용한 고성능 미세전극 패턴 구현"한국정밀공학회지 제31권 제1호 통권 제274호 (2014년 1월) pp.83-90
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 기존의 인쇄방법과는 달리 플라즈마를 이용해 인쇄용 기판의 표면을 개질하여 전도성잉크를 주입함으로써 원하는 모양으로 전극을 제조하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 및 이의 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 복잡한 형상이나 수요자가 요구하는 독특한 형상의 전극을 소량으로 제조하는 것이 가능한 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 및 이의 제작 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기존과는 달리 수kV~수십kV의 고전압이 인가 가능한 유연 필름에 전극을 인쇄하여 2차적인 활용을 위한 플라즈마 전극을 제작하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 및 이의 제작 방법을 제공하는데 또 다른 목적 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 플라즈마를 이용해 인쇄용 기판의 표면을 개질하여 전도성잉크를 주입함으로써 원하는 모양으로 전극을 제조하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 및 이의 제작 방법을 제공한다.
상기 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법은,
전극 시편을 준비하는 단계;
상기 전극 시편의 표면상에 대기압 플라즈마 방식을 이용하여 대기압 플라즈마 표면 개질층을 형성하는 단계;
상기 플라즈마 표면 개질층에 대기압 플라즈마 젯을 이용하여 패터닝을 형성하는 단계; 및
상기 패터닝에 전도성 잉크를 주입하여 전극 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 대기압 플라즈마 방식은 직경이 마이크로 크기의 방전기를 이용하여 처리하며, 상기 전극시편의 표면상에 접촉시 수㎛의 방전 크기를 갖게 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 대기압 플라즈마 젯은 상기 전극 시편의 표면상의 소수성 개질이 가능한 F(불소) 계열의 가스나 증기를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 F(불소) 계열의 가스나 증기는 F(불소) 계열의 수지를 열로 가열하여 생성되며, 상기 전극 시편의 표면상에 증착되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 패터닝이 양각 패터닝이면, 상기 플라즈마 표면 개질층은 소수성 가스를 이용하여 형성되고, 상기 양각 패터닝은 친수성 가스를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 패터닝이 음각 패터닝이면, 상기 플라즈마 표면 개질층은 은 친수성 가스를 이용하여 형성되고, 상기 음각 패터닝은 소수성 가스를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 양각 패터닝 또는 음각 패터닝은 대기압 플라즈마 젯, 미리 특정 형상이 패터닝된 패터닝 마스크, 패턴 전극을 갖는 패터닝 전극판, 및 마이크로 전극을 갖는 다수의 마이크로 전극판으로 이루어지는 마이크로 플라즈마 젯 어레이 중 어느 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 패터닝 마스크는 대기압 플라즈마 젯의 전면에 위치되며, 상기 패터닝 전극판의 패턴 전극은 대기압 플라즈마 젯과 전도성 잉크를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 마이크로 전극판은 마이크로 사이즈 유전체; 및 상기 마이크로 사이즈 유전체의 양단에 형성되는 마이크로 전극;을 포함하거나, 상기 마이크로 전극판은 DBD(dielectric barrier discharge) 전극판인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전극 시편은 유연 전극인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 유연전극은 실리콘(Si), 테프론(Teflon), PI(Polyimide), TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2, Ba2TiO3 중 어느 하나의 유전체를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 유연 전극은 내화학성 및 내열성을 갖는 고전압용 유연 전극이며, 상기 유연 전극의 두께는 수㎛-수mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전도성 잉크는 구리, 은, 탄소 중 어느 하나의 저항이 낮은 금속 성분을 포함한 잉크이며, 분산이 잘되게 표면에 일부 경화제 또는 접착성분을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전도성 잉크의 주입은 대기압 플라즈마 젯과 다중 노즐을 이용하여 상기 패터닝을 따라 주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다중 노즐은 각각 상기 대기압 플라즈마 젯을 생성하는 대기압 플라즈마 젯 반응기에 함께 구성되거나, 분리되어 별도로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전도성 잉크를 주입하는 전도성 잉크 공급기는 상기 전도성 잉크의 양을 조절하며, 수 nm에서 수㎛의 직경으로 상기 전도성 잉크를 분사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전도성 잉크의 주입은 상기 전도성 잉크가 담긴 용액에 일정 시간 동안 담근후 상기 전도성 잉크가 경화되게 하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 대기압 플라즈마 젯은 3차원 구동되며, 특정 패턴을 입력받아 수m/s 이상의 고속으로 이동되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 전극 시편; 상기 전극 시편의 표면상에 대기압 플라즈마 방식을 이용하여 형성되는 대기압 플라즈마층; 및 상기 플라즈마층에 대기압 플라즈마 젯을 이용하여 형성되는 패터닝에 전도성 잉크를 주입하여 형성되는 전극 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 젯을 이용한 전도성 잉크의 패턴 프린팅 기법을 제시함으로써 기존의 저온 진공 플라즈마를 이용한 에칭이나 에슁, 증착기술을 대신하여 플라스틱을 비롯한 유리나, 금속 등 다양한 표면에 적용이 가능해 표면 개질 변화나 전기배선 등의 다양한 응용분야에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 2D와 3D를 비롯한 다양한 형태의 재료 표면에 ㎛단위 이상의 친수성 혹은 소수성 패터닝이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 플라즈마 응용기술 분야 역시 플렉서블 디스플레이기술과 유사하게 기존의 평판형 전극을 벗어나 유연한 기판을 활용한 기술이 요구되고 있어, 고전압이 인가 가능한 플라즈마 유연전극 등과 같이 보다 다양한 형태의 전극형상을 제작하고 방전에 이용할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 기존의 전도성 잉크 인쇄기법을 대신하여 사용 할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 플라즈마 젯을 활용한 표면 개질 방법을 통해 민수산업(환경정화기술, 의료 및 바이오산업기술, 에너지 및 재료산업, 가공산업 등)과 군 무기체계 등에서 다양한 형태의 기술로 응용이 가능 하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 친수성 표면 개질후 표면 개질용 마이크로 플라즈마 젯을 이용하여 패터닝 후 전극을 만드는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 소수성(발수성) 표면 개질후 표면 개질용 마이크로 플라즈마 젯을 이용하여 패터닝 후 전극을 만드는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 친수성 표면 개질후 표면 개질용 플라즈마 방전을 이용하여 중간에 원하는 패터닝의 마스크를 놓고 플라즈마 방전후 전극을 만드는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 소수성(발수성) 표면 개질후 표면 개질용 플라즈마 방전을 이용하여 중간에 원하는 패터닝의 마스크를 놓고 플라즈마 방전후 전극을 만드는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 친수성 표면 개질후 마이크로 플라즈마 젯과 전도성 잉크를 활용하여 만들어진 전극을 재활용하여 플라즈마 방전후 원하는 패터닝의 전극을 제작하는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 소수성(발수성) 표면 개질후 마이크로 플라즈마 젯과 전도성 잉크를 활용하여 만들어진 전극을 재활용하여 플라즈마 방전후 원하는 패터닝의 전극을 제작하는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 7a는 일반적인 마이크로 플라즈마 젯의 구조를 보여주는 도면이고, 도 7b 및 도 7c는 전도성 잉크를 주입하는 개념도이다.
도 8은 도 3 및 도 4에 따른 대기압 플라즈마 젯 반응기(301)와 패터닝 마스크(203)를 이용한 전극의 제조를 보여주는 개념도이다.
도 9는 도 5 및 도 6에 따른 패터닝된 대기압 플라즈마 방전 반응기(901)와 패터닝된 전극을 활용하여 플라즈마 방전후 패터닝 전극을 제조하는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 마이크로 플라즈마 젯 어레이를 구성하는 마이크로 전극판의 개념도이다.
도 11은 도 10에 도시된 마이크로 전극판으로 이루어지는 마이크로 플라즈마 젯 어레이를 통해 원하는 패턴으로 방전하여 전극을 제조하는 개념도이다.
도 12는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 플라즈마 젯의 3차원 구동을 통한 2차원 표면의 전도성 전극을 제조하는 개념도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 플라즈마 젯의 3차원 구동을 통한 2차원 표면의 전도성 전극을 제조하는 개념도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 플라즈마 젯의 3차원 구동을 통하여 2차원 표면의 전도성 전극을 제조하는 개념도이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 PET(polyethylene terephthalate) 표면에 전도성 잉크로 인쇄된 문양으로 공기 플라즈마를 방전한 모습을 나태내고 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 및 이의 제작 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 친수성 표면 개질후 표면 개질용 마이크로 플라즈마 젯을 이용하여 패터닝 후 전극을 만드는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 1을 참고하면, 전극시편(101)을 준비하고, 전극 시편(101)의 표면상에 표면 개질(즉 코팅)을 위해 소수성 가스(예를 들면, 불소 계열의 CF4, SF6,NF3,C3F6, HFC 등을 들 수 있음)의 대기압 플라즈마 방식을 이용하여 소수성의 대기압 플라즈마 표면 개질층(102)을 형성한다(단계 S110,S120). 여기서, 전극 시편은 유연 기판이 사용되며, 또한,
상기 유연 전극은 내화학성 및 내열성을 갖는 고전압용 유연 전극이며, 상기 유연 전극의 두께는 수㎛-수mm인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 유연전극은 실리콘(Si), 테프론(Teflon), PI(Polyimide), TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2, Ba2TiO3 중 어느 하나의 유전체를 포함할 수 있다.
한편, 기체 상태의 물질에 계속 열을 가하여 온도를 올려주면, 이온핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체가 만들어진다. 물질의 상태인 고체, 액체, 기체와 더불어 '제 4의 물질상태'로 불리어지며 이러한 상태의 물질을 플라즈마라고 한다.
특히, 본 발명의 일실시예에서는 대기압 방전에 의한 플라즈마를 이용한다. 대기압 플라즈마는 대기압 조건에서 존재하는 씨앗(Seed) 전자가 전압에 의해 가속되면서 중성입자와 물리적 충돌을 거쳐 전자증식과정이 일어나고 이 전자가 쉬스(Sheath)에 의한 가속으로 양극에 충돌하면서 이차전자가 방출되고 이 이차전자가 중성입자와 충돌하여 여기종, 전자, 이온을 발생시킨다. 이 과정이 반복적으로 이루어지면서 전자 생성율과 소멸률이 동일해지면서 플라즈마가 유지되게 된다. 대기압 플라즈마는 고에너지 상태로서 진공장비가 요구되지 않으며 공정이 간단하며, 높은 파워를 요구하지 않아 유지비용이 저렴하고 경제성이 뛰어나다
도 1을 계속 참조하면, 대기압 플라즈마 표면 개질층(102)에 친수성 가스(예를 들면, O2, Air, CO2, H2O2 등의 대기압 플라즈마 젯 반응기(10)를 이용하여 친수성의 양각 패터닝(11)을 형성한다(단계 S130).
이후, 양각 패터닝(11)에 전도성 잉크(13)를 주입하여 전극 패턴(14)을 갖는 전극 제작을 완료한다(단계 S140,S150). 전도성 잉크(13)의 주입은 대기압 플라즈마 젯 반응기(10)와 다중 노즐을 이용하여 상기 플라즈마 표면 개질층의 표면상에 분사시켜 이루어질 수 있다. 이와 달리, 전극 시편(101) 전체를 전도성 잉크가 담긴 용액에 일정 시간 동안 담근후 경화시키는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 소수성(발수성) 표면 개질후 표면 개질용 마이크로 플라즈마 젯을 이용하여 패터닝 후 전극을 만드는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 2를 참조하면, 전극 시편(101)의 표면을 친수성 가스(예를 들면, O2, Air, CO2, H2O2 등)의 대기압 플라즈마 방식으로 처리한다.
이 경우, 전극 시편(101)의 표면인 플라즈마 표면 개질층(102)의 표면이 친수성이므로, 소수성 가스의 마이크로 플라즈마 젯을 이용하여 음각 패터닝(21)을 형성한다. 이후, 전도성 잉크(23)를 주입하면, 음각 패터닝(21)을 제외하고 친수성인 플라즈마 표면 개질층(102)에 전극 패턴(24)이 형성된다.
도 1 및 도 2에서 노즐을 이용하여 전도성 잉크를 주입하는 여러 가지 방식을 보여주는 개념도가 도 7a 내지 도 7c에 도시된다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 친수성 표면 개질후 표면 개질용 플라즈마 방전을 이용하여 중간에 원하는 패터닝의 마스크를 놓고 플라즈마 방전후 전극을 만드는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 3을 참조하면, 전극시편 준비 단계(S310), 플라즈마 표면 처리 단계(S320), 전도성 잉크 주입 단계(S340), 전극 제작 완료 단계(S350) 등은 이미 도 1에서 설명한 전극시편 준비 단계(S110), 플라즈마 표면 처리 단계(S120), 전도성 잉크 주입 단계(S140), 전극 제작 완료 단계(S150) 등과 유사하다.
다만, 도 3에서는 양각 패터닝 단계(S330)가 미리 특정한 패터닝을 갖는 패터닝 마스크(203)를 이용하여 이루어진다. 특히, 패터닝 마스크(203)는 대기압 플라즈마 젯 반응기(301)의 전면에 위치된다. 이러한 패터닝 마스크(203)에 의해 양각 패터닝(31)이 형성되고, 이 양각 패터닝(31)에 전도성 잉크(33)가 주입되어 전극 패턴(34)이 형성된다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 소수성(발수성) 표면 개질후 표면 개질용 플라즈마 방전을 이용하여 중간에 원하는 패터닝의 마스크를 놓고 플라즈마 방전후 전극을 만드는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 4를 참조하면, 도 4는 도 3과 유사하며, 패터닝 마스크(203)에 의해 음각 패터닝(41)이 형성되고, 이 음각 패터닝(41)에 전도성 잉크(43)가 주입되어 전극 패턴(44)이 형성된다. 이러한 전극 패턴(44)의 형성은 도 2와 유사하므로 본 발명의 명확한 이해를 위해 더 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4에 따른 전도성 잉크를 주입하는 개념이 도 8에 도시된다. 도 8에 대하여는 후술하기로 한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 친수성 표면 개질후 마이크로 플라즈마 젯과 전도성 잉크를 활용하여 만들어진 전극을 재활용하여 플라즈마 방전후 원하는 패터닝의 전극을 제작하는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 5를 참조하면, 전극시편 준비 단계(S510), 플라즈마 표면 처리 단계(S520), 전도성 잉크 주입 단계(S540), 전극 제작 완료 단계(S550) 등은 이미 도 1에서 설명한 전극시편 준비 단계(S110), 플라즈마 표면 처리 단계(S120), 전도성 잉크 주입 단계(S140), 전극 제작 완료 단계(S150) 등과 유사하다.
다만, 도 5에서는 양각 패터닝 단계(S530)가 미리 특정한 패터닝을 갖는 패터닝 전극판(501)을 이용하여 이루어진다. 특히, 패터닝 전극판(501)은 미리 패터닝된 전극이 형성되어 있으며 이들 전극의 후면에 패터닝된 대기압 플라즈마 방전 반응기가 위치된다. 이러한 패터닝 전극판(203)에 의해 양각 패터닝(51)이 형성되고, 이 양각 패터닝(51)에 전도성 잉크(53)가 주입되어 전극 패턴(54)이 형성된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 2차원 혹은 3차원 샘플 표면(즉, 전극 시편)을 소수성(발수성) 표면 개질후 마이크로 플라즈마 젯과 전도성 잉크를 활용하여 만들어진 전극을 재활용하여 플라즈마 방전후 원하는 패터닝의 전극을 제작하는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 6을 참조하면, 도 6은 도 5와 유사하며, 패터닝 전극판(501)에 의해 음각 패터닝(61)이 형성되고, 이 음각 패터닝(61)에 전도성 잉크(63)가 주입되어 전극 패턴(64)이 형성된다. 이러한 전극 패턴(44)의 형성은 도 2와 유사하므로 본 발명의 명확한 이해를 위해 더 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5 및 도 6에 따른 전도성 잉크를 주입하는 개념이 도 9에 도시된다. 도 9에 대하여는 후술하기로 한다.
도 7a는 일반적인 마이크로 플라즈마 젯의 구조를 보여주는 도면이고, 도 7b 및 도 7c는 전도성 잉크를 주입하는 개념도이다. 도 7a를 참조하면, 대기압 플라즈마 젯 반응기(750), 이 대기압 플라즈마 젯 반응기(750)에 표면 개질용 가스를 공급하는 표면 개질용 가스 공급기(740), 친수성/소수성 처리를 위한 처리 샘플(720)을 놓는 샘플 받침(710) 등이 구성된다. 따라서, 대기압 플라즈마 젯 반응기(750)의 말단에 마이크로 플라즈마 젯(730)이 형성되고, 이를 이용하여 처리 샘플(720)의 표면을 소수성 또는 친수성으로 처리한다. 우측 원은 대기압 플라즈마 젯 반응기(750)의 단면을 나타낸다.
도 7b를 참조하면, 전도성 잉크를 공급하는 전도성 잉크 공급기(760)가 더 구성되며, 이 전도성 잉크 공급기(760)는 노즐(761)과 연결된다. 이때, 노즐(761)은 전도성 잉크 공급기(760) 내에 같이 구성된다. 이를 단면을 나타낸 것이 우측 이중 원이다.
도 c를 참조하면, 전도성 잉크 공급기(760)와 연결되는 노즐(761)이 대기압 플라즈마 젯 반응기(750)와 별도로 구성된다.
도 8은 도 3 및 도 4에 따른 대기압 플라즈마 젯 반응기(301)와 패터닝 마스크(203)를 이용한 전극의 제조를 보여주는 개념도이다. 도 8을 참조하면, 패터닝 마스크(203)가 처리 샘플(720) 상에 놓이고, 이 패터닝 마스크(203)의 후면에 대기압 플라즈마 젯 반응기(301)가 배치된다. 또한, 표면 개질용 가스 공급기(760)는 대기압 플라즈마 젯 반응기(301)와 연결되어 친수성 또는 소수성 가스를 공급한다.
또한, 전도성 잉크 공급기(750)는 전도성 잉크를 처리 샘플(720)에 공급한다.
도 9는 도 5 및 도 6에 따른 패터닝된 대기압 플라즈마 방전 반응기(901)와 패터닝된 전극을 활용하여 플라즈마 방전후 패터닝 전극을 제조하는 개념도이다. 도 9를 참조하면, 패터닝된 대기압 플라즈마 방전 반응기(901)와 패터닝된 전극이 형성된 패터닝 전극판(501)이 구성된다. 이 패터닝 전극판(501)은 대기압 플라즈마 젯과 전도성 잉크를 활용하여 제조될 수 있다. 부연하면, 패터닝 전극판(501)의 패턴 전극이 위에서 기술한 대기압 플라즈마 젯과 전도성 잉크를 이용하여 미리 제작될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 마이크로 플라즈마 젯 어레이를 구성하는 마이크로 전극판의 개념도이다. 도 10을 참조하면, 마이크로 전극판(1000)은, 마이크로 사이즈 유전체(1030), 상기 마이크로 사이즈 유전체(1030)의 양단에 형성되는 마이크로 전극(1020)로 구성된다. 이와 달리, DBD(dielectric barrier discharge) 전극판이 될 수 있다.
도 11은 도 10에 도시된 마이크로 전극판으로 이루어지는 마이크로 플라즈마 젯 어레이를 통해 원하는 패턴으로 방전하여 전극을 제조하는 개념도이다. 도 11을 참조하면, 마이크로 전극판(1000)이 다수 개로 구성되어 어레이를 형성한다.
도 12는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 플라즈마 젯의 3차원 구동을 통한 3차원 표면의 전도성 전극을 제조하는 개념도이다. 도 12를 참조하면, 3차원 플라즈마 젯(1110)을 이용하여 샘플 표면(1121)을 소수성 처리(1125)를 수행하고, 전도성 잉크(1123)를 주입한다. 또한, 특정 패턴을 입력받아 수m/s 이상의 고속으로 이동이 가능하다.
도 13은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 플라즈마 젯의 3차원 구동을 통한 3차원 표면의 전도성 전극을 제조하는 개념도이다. 도 13을 참조하면, 샘플 표면(1221)을 친수성 처리(1227) 및 소수성 처리(1225)를 수행하고, 전도성 잉크(1123)를 주입한다.
도 14는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 플라즈마 젯의 3차원 구동을 통하여 2차원 표면의 전도성 전극을 제조하는 개념도이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 PET(polyethylene terephthalate)의 샘플 표면에 전도성 잉크로 인쇄된 문양으로 공기 플라즈마를 방전한 모습을 나태내고 있다. 도 15를 참조하면, 실버(silver)잉크로 제작된 PET의 샘플 표면에 새겨진 전도성 패터닝에 고전압 6kV를 인가하고 20kHz 8us의 AC 전류를 인가한 경우 방전을 확인한 예이다. 부연하면, 좌측 도면은 방전전의 화면예이고, 우측 도면은 방전후의 화면예이다.
특히 인쇄 전극은 전도성 잉크를 활용하여 다양한 무늬로 제작이 가능하고, PET 유전체를 두고 넓은 형태의 전도성 잉크 필름이 도포되어 있어 플라즈마 방전에 유용하다. 또한, 전체 필름의 두께는 1mm 미만으로 매우 얇아 유연하게 방전이 가능하다. 본 발명의 일실시예에서 전도성 잉크로 개발된 유연전극은 PET 뿐 아니라 실리콘, 테프론, PI를 비롯한 다양한 표면에도 적용이 가능하므로, 응용분야를 달리하여 다양한 재질로도 제작 및/또는 방전이 가능하다.
101: 전극 시편
102: 플라즈마층
10,301: 대기압 플라즈마 젯 반응기
11,31,51: 양각 패터닝
21,41,61: 음각 패터닝
13,23,33,43,53,63: 전도성 잉크
14,24,34,44,54,64: 전극 패턴
203: 패터닝 마스크
501: 패터닝 전극판
730: 플라즈마 젯
750: 전도성 잉크 공급기
760: 표면 개질용 가스 공급기
761: 노즐

Claims (18)

  1. 전극 시편을 준비하는 단계;
    상기 전극 시편의 표면상에 대기압 플라즈마 방식을 이용하여 대기압 플라즈마 표면 개질층을 형성하는 단계;
    상기 플라즈마 표면 개질층에 대기압 플라즈마 젯을 이용하여 패터닝을 형성하는 단계; 및
    상기 패터닝에 전도성 잉크를 주입하여 전극 패턴을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 전도성 잉크의 주입은 대기압 플라즈마 젯과 다중 노즐을 이용하여 상기 패터닝을 따라 주입하며,
    상기 패터닝이 양각 패터닝이면, 상기 플라즈마 표면 개질층은 소수성 가스를 이용하여 형성되고, 상기 양각 패터닝은 친수성 가스를 이용하여 형성되며,
    상기 패터닝이 음각 패터닝이면, 상기 플라즈마 표면 개질층은 친수성 가스를 이용하여 형성되고, 상기 음각 패터닝은 소수성 가스를 이용하여 형성되며,
    상기 전극 시편은 유연 전극인 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대기압 플라즈마 방식은 직경이 마이크로 크기의 방전기를 이용하여 처리하며, 상기 전극시편의 표면상에 접촉시 수㎛의 방전 크기를 갖게 하는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 대기압 플라즈마 젯은 상기 전극 시편의 표면상의 소수성 개질이 가능한 F(불소) 계열의 가스나 증기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 F(불소) 계열의 가스나 증기는 F(불소) 계열의 수지를 열로 가열하여 생성되며, 상기 전극 시편의 표면상에 증착되는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양각 패터닝 또는 음각 패터닝은 대기압 플라즈마 젯, 미리 특정 형상이 패터닝된 패터닝 마스크, 패턴 전극을 갖는 패터닝 전극판, 및 마이크로 전극을 갖는 다수의 마이크로 전극판으로 이루어지는 마이크로 플라즈마 젯 어레이 중 어느 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 패터닝 마스크는 대기압 플라즈마 젯의 전면에 위치되며, 상기 패터닝 전극판의 패턴 전극은 대기압 플라즈마 젯과 전도성 잉크를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 마이크로 전극판은 마이크로 사이즈 유전체; 및 상기 마이크로 사이즈 유전체의 양단에 형성되는 마이크로 전극;을 포함하거나, 상기 마이크로 전극판은 DBD(dielectric barrier discharge) 전극판인 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유연전극은 실리콘(Si), 테프론(Teflon), PI(Polyimide), TiO2, SiO2, Al2O3, ZrO2, Ba2TiO3 중 어느 하나의 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 유연 전극은 내화학성 및 내열성을 갖는 고전압용 유연 전극이며, 상기 유연 전극의 두께는 수mm인 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 잉크는 구리, 은, 탄소 중 어느 하나의 금속 성분을 포함한 잉크이며, 분산이 잘되게 표면에 일부 경화제 또는 접착성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 노즐은 각각 상기 대기압 플라즈마 젯을 생성하는 대기압 플라즈마 젯 반응기에 함께 구성되거나, 분리되어 별도로 구성되는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 잉크를 주입하는 전도성 잉크 공급기는 상기 전도성 잉크의 양을 조절하며, 수 nm에서 수㎛의 직경으로 상기 전도성 잉크를 분사하는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 잉크의 주입은 상기 전도성 잉크가 담긴 용액에 일정 시간 동안 담근후 상기 전도성 잉크가 경화되게 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 대기압 플라즈마 젯은 3차원 구동되며, 특정 패턴을 입력받아 수m/s 이상의 고속으로 이동되는 것을 특징으로 하는 전도성 잉크와 대기압 플라즈마 젯을 이용한 다양한 패턴의 유연 플라즈마 전극 제작 방법.
  18. 삭제
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