KR100384513B1 - 저저항 투명도전성 복층 박막용 조성물, 이의 제조방법 및이를 포함하는 제품 - Google Patents

저저항 투명도전성 복층 박막용 조성물, 이의 제조방법 및이를 포함하는 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저저항 투명도전성 복층 박막용 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 제품에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 SnCl4·5H2O, (C4H9)2Sn(CH3COO)2, (CH3)2SnCl2및 (C4H9)3SnH로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 주석 화합물(Sn)과 NH4F, CF3Br, CF2Cl2, CH3CClF2, CF3COOH 및 CH3CHF2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 내지 두개의 불소 화합물(F)의 중량비 F/Sn가 0.5~0.7인 혼합물을 HCl 또는 CH3OH에 용해시킨 투명도전성 복층 박막용 조성물을 이용하여 열분해 반응온도로 가열된 기판 표면에 초음파 노즐을 통해 액적 형태로 분무시켜 균질성이 높은 투명도전막을 제막하고, 상기 제막 단계를 연속 2차 실시하여 복층막을 적층하여 저저항 투명도전성 복층 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 투명도전성 복층 박막은 85~95%의 광투과율 및 10~35Ω/㎤의 저항치를 나타내어 높은 가시광 투과성의 광학적 특성 및 저저항의 전기적 특성을 동시에 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 복층 박막을 포함하는 제품으로서 낮은 전압에 적합한 교류(AC)용과 특히 직류(DC)용 면상 발열체로 된 자동차, 항공기 및 건물 등의 서리 제거용 무결로 유리창, 및 전자기파 흡수차폐 효과를 갖는 기능성 전파흡수체 또는 적외열선반사창을 제조할 수 있다.

Description

저저항 투명도전성 복층 박막용 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 제품{Composition for transparent conductive double thin layers with low electric resistances, preparing method thereof and product including the same}
본 발명은 저저항 투명도전성 복층 박막용 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 제품에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 초음파분무 열분해 산화반응법을 이용하여 높은 가시광 투과성의 광학적 특성 및 낮은 저항의 전기적 특성을 동시에 갖는 저저항 투명도전성 복층 박막용 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 제품에 관한 것이다.
투명도전성 박막은 광투과율이 높은 절연물질층의 표면에 형성된 얇은 도전막으로서, 서리 제거용 무결로 유리창 등의 면발열체, 고주파 방전판, 액정 등의 표시용 투명 전극(Electro lamine sensor), 광전 소자용 투명 전극 및 비정질 실리콘 태양전지의 투명전극 등의 전기 전자 재료, 에너지 관련산업 재료, 적외열선 반사판 등 광학적인 재료와 전기적으로 차폐 기능이 필요한 전파 흡수체 및 전자기파 차폐물 등 그 이용 분야가 매우 광범위하다.
일반적으로 이러한 투명도전막에는 주로 주석 산화막(SnO2계열)이 이용되고 있으며, 상기 투명도전막의 박막 특성은 투과도 및 전기 전도도에 의존하며, 상기 투과도 및 전기 전도도는 도펀트(dopant)의 종류와 막의 형성방법에 따라 결정된다. 상기 도핑제로는 금속원소가 함유된 인듐(In), 안티몬(Sb), 불소(F)등이 이용 되고 있으며, 박막의 제막방법에는 스퍼터링(Sputtering) 및 이빔증착법(E-beam evaporation)과 같은 물리적 방법과 분무 열분해법(Spray pyrolysis), 졸-겔법, 고진공 증착법(CVD법) 등과 같은 기본적인 화학 반응으로서 전구체 물질의 열분해 산화 반응을 이용하는 화학적 방법이 이용되고 있다.
한국 공개특허 제97-62065호는 두 전극에 걸린 전압에 의해 플라즈마를 형성하고, 불활성 가스의 이온화에 의해 형성된 가스이온이 음극과 충돌함으로써 표적 물질이 스퍼터되어 막이 형성되는 스퍼터링법을 이용하여 투명도전막을 제조하는 방법을 개시하고 있지만, 이와 같은 물리적 제막 방법은 막의 균질성은 우수하지만 막의 성장 속도가 느리고 생산성이 낮으며, 처리공정 중 고전압, 고진공 등으로 인한 고가의 생산단가가 요구되어 비경제적이다.
또한, 한국 공개특허 제2000-50673호에는 금속염 용액을 이용하여 가열된 전기로 내에서 스프레이하여 막을 형성하는 스프레이법이 개시되어 있고, 한국 공고특허 제96-11171호에는 반응성이 높은 용액인 졸을 담금법으로 기판위에 도포하여형성된 건조겔막을 열처리함으로써 고상산화막을 형성하는 졸-겔법이 개시되어 있지만 이와 같은 방법은 막의 성장 속도가 느리고, 넓은 면적의 투명도전막의 형성에는 불리한 단점이 있다. 한편, CVD법은 제막된 박막의 균질도는 좋으나 막의 상장 속도가 느려 비경제적일 뿐만 아니라 분출가스로 인한 환경문제를 유발시키는 문제점이 있다.
최근 들어, 투명도전성 박막의 제조방법에 있어서 분무 열분해법이 이용되고 있지만, 현재 까지는 순수 기체압을 이용한 압축공기 노즐을 사용하여 용액을 분사하는 방법이 공지되어 있으며. 이 경우 제막된 막의 균질도가 떨어져 막의 전기적 기능이 저하되고, 가시광의 산란으로 인해 광투과도에 있어 광학적 결함을 갖는 문제점이 있다.
상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명자들이 연구를 거듭한 결과, 제막방법으로서 순수 기체압을 이용하는 종래의 압축공기 노즐법 대신 초음파의 진동을 이용한 초음파분무 열분해 산화반응법을 고안하여 막질의 균질도를 획기적으로 개선하고 저저항의 전기적 특성과 높은 투과율의 광학적 특성을 갖는 박막을 얻을 수 있었으며, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 제1목적은 저저항 및 고투과율을 갖는 우수한 투명도전성 복층 박막용 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명의 제2목적은 상기 조성물을 이용한 초음파분무 열분해 산화 반응법을 통해 저저항의 전기적 특성과 높은 가시광 투과성의 광학적 특성을 가지며, 분무 액적의 크기 분포가 균일한 투명도전성 복층 박막을 제공하는데 있다.
본 발명의 제3목적은 산업상 용도와 목적에 따라 박막의 전기 및 광학적인 특성과 구조적 특성이 최적화 되도록 저저항 및 높은 가시광 투과성을 가지며, 균질성이 높은 투명도전성 복층 박막을 포함하는 제품으로서, 낮은 전압에 적합한 교류(AC) 또는 직류(DC)용 면상 발열체와 적외선 반사체, 또는 전자기파 흡수차폐 효과를 갖는 기능성 전파흡수체 또는 전파 흡수 발열체를 제공하는데 있다.
상기 제1목적을 달성하기 위한 본 발명의 조성물은 SnCl4·5H2O, (C4H9)2Sn(CH3COO)2, (CH3)2SnCl2및 (C4H9)3SnH로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 주석 화합물(Sn)과 NH4F, CF3Br, CF2Cl2, CH3CClF2, CF3COOH 및 CH3CHF2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 내지 두개의 불소 화합물(F)의 중량비 F/Sn가 0.5~0.7인 혼합물을 HCl 또는 CH3OH에 용해시킨 용액으로 구성된다.
상기 제2목적을 달성하기 위한 본 발명의 저저항 투명도전성 복층 박막의 제조방법은 초음파 분무 열분해 산화 반응법을 이용한 투명도전성 복층 박막을 제조하는 방법에 있어서, SnCl4·5H2O, (C4H9)2Sn(CH3COO)2, (CH3)2SnCl2및 (C4H9)3SnH로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 주석 화합물(Sn)과 NH4F, CF3Br, CF2Cl2, CH3CClF2, CF3COOH 및 CH3CHF2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 내지 두개의 불소 화합물(F)의 중량비 F/Sn가 0.5~0.7인 혼합물을 HCl 또는 CH3OH에 용해시켜 박막용 조성물을 제공하는 단계; 상기 조성물을 열분해 반응온도로 가열된 기판에 초음파노즐을 통해 균일한 액적 형태로 분무시켜 균질성이 높은 투명도전막을 제막하는 단계; 및 상기 제막 단계를 연속 2차 실시하여 복층막을 적층하는 단계를 포함한다.
상기 제3목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법에 따른 저저항 투명도전성 복층 박막을 포함하는 제품은 전압에 적합한 교류(AC) 또는 직류(DC)용 면상 발열체 및 적외선 반사체 또는 전자기파 흡수차폐 효과를 갖는 기능성 전파흡수체 또는 전파 흡수 발열체를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 저저항 투명 도전성 복층 박막을 형성하기 위한 개략적인 공정도이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 가열로의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 초음파 분무법을 사용한 반응실의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 사용되는 초음파 노즐의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 투명유리 표면에 형성된 복층막의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명과 종래의 기술에 따른 분무법에 따라 액적의 크기분포를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 투명도전성 복층 박막 표면의 조직결정구조를 X선 회절기로 측정한 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 자동차 앞유리 무결로창의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 적외 열선 반사창의 형상 및 구조도이다.
도 10은 본 발명에 따른 전파흡수 발열체의 시간에 따른 전파흡수 발열온도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
1. 용액공급기 2. 유량조절 3. 초음파 노즐부
4. 압전 증폭기 5. 초음파 변환기 6. 브로와(blower)
7. 가열부(heating blade)
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 저저항 투명도전성 복층 박막용 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 제품에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 초음파분무 열분해 산화반응법을 이용하여 높은 가시광 투과성의 광학적 특성 및 낮은 저항의 전기적 특성을 동시에 갖는 저저항 투명도전성 복층 박막용 조성물, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 제품에 관한 것이다.
본 발명에 따른 투명도전성 복층 박막용 조성물은 사염화주석(SnCl4·5H2O), 디버틸틴 디아세테이트((C4H9)2Sn(CH3COO)2), 염화제1주석((CH3)2SnCl2) 및(C4H9)3SnH로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 주석 화합물(Sn)과 불화 암모니움(NH4F), CF3Br, CF2Cl2, CH3CClF2, CF3COOH 및 CH3CHF2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 내지 두개의 불소 화합물(F)을 함불소 주석 산화막(FTO=SnO2:F)의 전구체 물질로 선택하여 F/Sn 중량비가 0.5~0.7이 되도록 혼합하여 HCl 또는 CH3OH에 용해시킨 용액으로 구성된다.
상기 조성물의 구성은 용액의 균질도 유지를 위하여 침전물이 발생되지 않도록 주석 화합물을 25∼40중량%로 조성하고, 열분해 과정에서 가수분해에 의한 반응을 촉진하기 위한 촉매로서 H2O 10∼15중량%를 첨가하여 용매 50∼60중량%에 용해시킨다. 상기 주석 화합물과 도펀트인 불소 화합물의 중량비 F/Sn은 용액의 균질도 유지를 위하여 침전물이 발생되지 않도록 0.5∼0.7이 바람직하다.
F/Sn의 중량비가 0.7 이상인 경우 유동도는 다소 감소하는 경향을 보이며, 이는 산소위치(oxygen site) 안에 불소 원소가 포화됨에 따라 유발되는 불순물의 이온화 산재 효과(ionized impurity scattering)에 기인한다. 즉, 불소와 산소원소의 치환반응이 포화 상태에 이르러 자유전자의 농도가 더 이상 증가되지 않음으로써 전도도에 영향을 미치지 못한다. 또한, F/Sn의 중량비가 1에 가까울수록 투과율은 낮아지는 경향을 보인다. 따라서 전기 전도도와 가시광 투과도의 양면적 특성을 고려할 때 0.5~0.7의 농도 비율이 바람직하며, 0.7 이상의 농도는 가시광 투과도를 저하시키고 0.5 이하는 비저항의 특성이 저하된다.
초음파 분무 열분해 산화 반응법에서 화학 반응의 이상적인 과정은 용액의 미세 액적(droplet)이 분사되어 기판으로 이동하는 동안 용매는 완전 증발하고, 미세 액적으로 된 전구체 물질은 기판 표면에 도달하기 직전에 기화하여 반응온도로가열된 기판 표면에 흡착된 후, 열적 여기를 받아 산화 반응을 통해 박막이 형성되는 과정이다. 따라서 용매의 역할은 전구체 물질을 용해시키면서 반응하지 않고, 용이하게 미세 액적을 만들 수 있도록 낮은 표면 장력으로 분무량을 적절히 조절할 수 있어야 하며, 전구체 물질보다 비등점이 낮아 분사된 물질이 기판에 도달하기 전에 먼저 기화하여 중도 열분해가 일어나지 않도록 분사된 전구체 물질을 냉각시킬 수 있는 물질이어야 한다.
가열로에 의하여 설정된 반응온도로 가열된 기판이 도 3의 초음파 분무 반응실로 이송되면 초음파 노즐부를 통하여 상기 용액을 분무 제막한다. 이 때의 진동수는 70∼120kHz, 공기압은 5∼6kgf/㎤, 용액 분무량은 200∼880cc/min이 바람직하며 반응온도는 500∼670℃로 유지시키는 것이 바람직하다.이 때, 상기 용액 분무량이 200cc/min 미만인 경우 증착속도의 효율 뿐 아니라, 비저항이 높아 DC(직류) 전압에 활용할 수 없는 한계로 계속 적층증착을 하여 막두께를 증가시켜 저항값을 저저항으로 낮추어야 하며, 이 과정에서 1차 적층시 마다 적층회수와 반비례하여 투명도가 낮아지는 결과를 초래하게 되어 자연히 투명성이 현저히 떨어지는 원인이 된다. 이는 막두께의 증가로 인한 광투과율이 저하되는 경향뿐 아니라, 용액중에 함유되는 용매제가 대부분 기판에 도달하기 전에 증발해 버려야 하나, 그 일부가 잔존하여 함께 반응하게 되고, 촉매작용으로 함유하는 산이나 알칼리 물질이 대부분 휘발되나 완전 제거되지 않고 잔존하여 적층시 마다 부반응으로 작용하여 탁무(뿌옇게 흐려짐) 현상으로 인한 현저한 투명도 저하의 원인이 된다. 반대로, 상기 용액 분무량이 880cc/min를 초과하는 경우 투명도가 65% 이하로 저하되어 투명전도막으로 사용하기에 부적절하며, 이는 반응속도가 표면반응에 의한 증착보다는 화학적 물질전달 반응에 의한 결합이 지해하고 있음을 의미한다.또한, 상기 반응온도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 반응속도에 큰 영향을 주지 못한다.한편, 초음파 노즐은 압전 변환기(Piezoelectric transducers)로부터 발생된 초음파를 전후 혼(Horn)을 통하여 증폭시키면서 노즐 중앙을 지나는 용액 공급관(Liquid feed tube) 내의 용액을 무화시켜 가열된 기판 표면에 분무한다. 이러한 분무 현상은 대개 초음파의 표면진동 효과와 초음파 공동효과에 의해 발생된다. 이로부터 무화된 액적의 크기는 초음파의 진동수 및 강도에 영향을 받으며, 용액의 밀도 및 표면 장력에 따라 결정된다.바람직하게는, 상술한 조건에서 초음파 분무법을 통해서 무화된 액적은 16∼25㎛의 크기 분포를 가짐으로써 5∼23㎛의 크기 분포를 갖는 종래의 순수 기체압 압축공기 분무법을 이용하여 무화된 액적에 비해 좀 더 미세화되고 균일화됨으로써 더욱 높은 균질성의 박막을 얻을 수 있다. 상기 액적의 입경분포 편차는 약 ±5㎛이고, 평균입경(MVD-Mean Volume Diameter)이 약 20.5㎛로, 특별히 이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 액적의 평균입경이 20.5㎛를 초과하는 경우 투명도가 저하되고, 분사시 액적의 파편이 날리기 시작하여 전기특성인 면저항값도 편차가 커져 박막의 균질성을 저해하는 요인으로 작용한다. 반대로 액적의 평균입경이 20.5㎛ 미만인 경우에는 증착속도는 물론 비저항 또한 현저히 저하되어 효율면에서 부적절하다.상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 분무법을 이용하여 분사된 액적은 종래의 순수 기체압 압축공기 분무법에 비해 좀 더 미세화 되고 균일화 됨으로써, 더욱 높은 균질성의 박막을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 개략적인 공정도 및 가열로를 도 1 및 도 2에 도시하였다.
도 1은 본 발명에 따른 저저항 투명 도전성 복층 박막을 형성하기 위한 개략적인 공정도이고, 도 2는 본 발명에 사용되는 가열로의 개략적인 단면도이며, 도 3은 본 발명에 사용되는 초음파 분무법을 사용한 반응실의 개략적인 단면도이고, 도 4는 본 발명에 사용되는 초음파 노즐의 개략적인 단면도이다.
한편, 통상적으로 사용되는 투명유리 기판인 소다라임유리(Sodalime Glass)를 기판으로 사용하는 경우에는 산화규소(SiO2) 막으로 언더코트(under coat)를 한다. 이는 소성시 나트륨 등의 알칼리 이온이 도포막 층으로 확산되어 억셉터(acceptor)로 작용하므로써 도전성을 저하 시키므로, 상기 확산에 대한 배리어(barrier) 막을 프리코팅(precoating)하는 것으로서, 석영 붕산유리 같은 무알칼리 유리를 사용하는 경우에는 불필요하다.
상기 투명도전성 복층 박막의 적층은 2차 연속 실시하여 복층막을 형성하며, 저저항치의 전기적 특성을 갖도록 막압을 두껍게한다. 이 때 용액의 유량을 4∼6cc/sec로 하여 증착막의 두께는 1차 적층시 1,520∼3,500Å 및 2차 적층시 1,420∼2,830Å이 바람직하다. 증착막의 두께와 전기적 특성과의 관계를 살펴보면, 증착막의 두께가 증가할수록 전자의 유동도(mobility) 및 결정립의 크기(지름) 또한 함께 증가한다. 이와 같은 전자 유동도의 변화는 결정립의 크기가 증가할수록 결정립의 계면에서 전위차 장벽이 감소되어 불순물의 입자경계 산란현상(grain boundary scattering)이 발생하기 때문이다.
도핑제는 용도에 따라 불소 화합물 대신 안티몬(Sb) 화합물로 대체하여 내플라즈마성의 막을 적층할 수 있다. 적층 과정에서 막의 흡수 손실과 균열에 의한 막질의 악화를 최소화 하도록 소성 후 결정화성장 과정에서 불활성 가스로 고온 열처리(annealing)를 하여 도 5에서와 같은 구조의 복층막을 형성한다. 막의 소성 분위기의 조건은 주로 열분해 반응과 기상의 산소제거에 있다. 산화물의 구성요소는 열분해 과정에서 침투되는 기상의 산소가 아니라 전구체 물질을 구성하는 산소이며, 기상의 산소 침투는 오히려 양질의 막을 형성하는 조건을 저해한다. 따라서 이 때의 불활성 가스는 7.7g/㎥의 질소가스 기류에서 3분간 후소성(anneal) 과정을 거치며, 열처리 온도는 450∼600℃가 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 투명도전성 복층 박막의 결정 상태는 도 7에 나타낸 바와 같이 다결정질의 금홍석 구조(fetragonal rutile)이다. 기판에 물질이 분무되어 표면에 흡착 되면서 원자들의 표면확산 작용에 의하여 막이 성장되고 결정립의 첨두 높이의 상대적 관계에서 보면 우선 배향면, 즉 우선방위(preferred orientation)로 성장 결정된다. 기판의 온도 상승에 따라 막의 결정도는 증가하며 또한 결정립의 크기도 기판의 반응 온도에 비례하여 커진다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
함불소 주석산화막의 Sn의 전구체 물질로서 사염화주석(SnCl4·5H2O) 25중량%와 DiH2O 15중량%를 HCl(HCl) 60중량%에 용해시켰다. 여기에, 함불소 주석산화막의 F의 전구체 물질로서 NH4F 및 CF3Br를 도펀트로 선택하여 F/Sn의 혼합 중량비가 각각 0.35(계 0.7)가 되도록 조성하였다.
크기 1,000×500㎜의 소다라임유리(Sodalime Glass)를 물세척기로 세정, 건조한 후, 이산화규소(SiO2) 40중량%를 60중량%의 황산으로 용해하여 산화규소(SiO2)막을 언더코트(under coat)한 투명기판으로 사용하였다. 이는 유리소재의 나트륨 등 알칼리 이온이 도포막 중에 침투 확산되어 억셉터로 작용하여 전기 전도성을 해치기 때문이다. 발열부위의 선택적 피막 형성을 위하여 기판의 여타 부위를 PVC 베다 잉크로 실크인쇄하여 도형화된 기판으로 하여 도 3과 같은 장치에서 초음파 노즐을 통해 상기 투명기판의 표면에 상기 조성물을 분무한 후, 제2반응실로 상기 기판을 이송하여 상기 1차 성막과정과 같은 조건으로 연속 적층막을 형성하였다. 막의 후소성 과정은 기상중의 산소가스가 존재하면 전구체물질의 열분해 반응 과정에서 분해 생성물이 고분자화되어 일부 액상의 부산물을 생성하기 때문에 산화 분해하는 부반응을 억제하기 위하여 불활성 가스는 7.7g/㎥의 질소가스 기류에서 3∼15분 동안 후소성 과정을 거쳤다. 이 때 소성온도는 고온일수록 부반응을 억제하며 급속열분해 및 확산작용의 촉진에 효과적이지만, 연속적층에 따른 기판과 박막의 열팽창율의 차이로 막의 균열에서 오는 막질의 악화 등을 감안하여 열분해 반응온도의 근사치인 450∼600℃에서 7분 동안 열처리하여 투명도전성 복층 박막을 얻었다. 이 때 최대 무화량은 880cc/min, 진동수는 80KHZ,노즐의 공기압은 5.5kgf/㎤, 분무 액적 평균입경(MVD-Mean Volume Diameter)은 20.5㎛이고, 분무시간은 각각 1차 2.8초 및 2차 2.8초, 용액 분무량은 각각 5cc/sec, 기판의 이송 속도는 36㎝/sec로 조절하고, 기판의 반응온도를 550℃로 유지하였다. 막의 두께는 각각 1차 적층시 3,500Å, 2차 적층시 2,830Å 이었다.
상기 방법에 따른 액적의 크기 분포와 종래의 순수 기체압 압축공기 분무법에 의한 액적의 크기 분포를 비교하여 도 6에 도시하였다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 초음파 분무법을 이용한 액적은 16~25㎛의 크기 분포를 가짐으로써 5~23㎛의 크기 분포를 갖는 종래의 순수 기체압 압축공기 분무법에 비해 좀 더 미세화 되고 균일화 되었으며, 이로부터 더욱 높은 균질성의 박막을 얻을 수 있었다.좀 더 상세하게 설명하면, 박막제조의 전구체물질인 조성물 용액을 미립화하여 분무(spray)함으로써 미세액적으로 분산된 용액(액적)이 기판 표면에서 튀지 않고 확산하여 적시게 되며, 용액의 전체적인 표면적을 넓게하여 기판 표면에 흡착되어 균일한 열분해, 물질전달 및 산화반응이 일어나게 된다.분무의 목적은 용액을 무화(etomization)하여 액체의 표면적을 넓히는데 있으나, 미립화된 액적들은 다양한 크기를 가지기 때문에 분사노즐의 공기압 5.5kgf/㎤, 및 용액의 유량 880cc/min의 분무 조건에서 초음파 분무법을 이용하여 분무된 액적의 입경은 초음파 진동수 80kHz로 무화함으로써 일반적인 기체압력 노즐을 이용하여 분사된 액적보다 균일화된 액적의 입자경(particle size)을 갖게 되고, 16∼25㎛의 입경 크기로 입경분포 편차가 ±5㎛를 나타내었으며, 일반 압축공기 분사노즐의 분무법을 이용한 경우에는 동일한 분무 조건하에서 5∼23㎛의 입경 크기와 입경분포 편차가 ±9㎛를 나타내어 입자의 균일성이 거의 2배 가까이 차이남을 알 수 있다. 상술한 압축공기 및 초음파 분무법을 각각 이용한 액적의 크기 분포를 비교하여 도 6에 도시하였다.전술한 바와 같이, 분무 액적의 크기 분포 및 균일성이 막의 성장 속도, 및 특히 균질도를 좌우하는 주요 요소가 되기 때문에, 본 발명의 초음파 분무법이 종래의 일반적인 압축공기 분무법에 비해 액적(입자)의 균일화로 열반응에 의해 산화 박막을 제조하는 공정 물질의 요소들이 균일성을 갖는 화학양론적 결합으로 기판 전체의 박막의 균질도를 높일 수 있었다.또한, 액적의 크기(입자경), 분무유량, 기판의 반응온도(500∼670℃), 및 기판의 이송속도는 박막의 증착속도를 결정하는 요소가 되기 때문에, 박막증착의 수율을 높이고, 투명도(광투과율)를 저해하지 않는 범위내에서 초음파 진동수(70∼120kHz)와 분무유량(200∼880cc/min)을 적절히 조절하여 16∼25㎛의 입경 크기 및 ±5㎛의 입경분포 편차를 갖도록 무화하는 것이 바람직하다.한편, 상술한 바에 따라 초음파단공노즐 분사로 진동수 80kHz, 액적의 평균입경 20.5㎛, 액적의 크기분포 편차 ±5㎛, 분무유량 300cc/min, 기판의 이송속도 36㎝/sec, 및 기판의 반응온도 550℃의 조건으로 분무하여 형성된 증착막의 두께는 1차 증착시 3,500Å이었고, 2차 적층시 2,830Å의 증착속도를 나타내었다.
도 7은 본 발명에 따른 투명도전성 복층 박막의 미세구조 조직과 결정립의 크기 및 형태를 측정하여 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 투명도전성 복층 박막의 결정 상태는 다결정질의 금홍석 구조(fetragonal rutile)이다.
실시예 2 및 비교예 1∼5
실시예 1의 조건 중 F/Sn의 중량비를 변화시켜 제막된 투명도전성 복층 박막의 비저항과 광투과율 및 적외선 반사율을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
F/Sn(중량비) 비저항(Ω/㎤) 광투과율(%) 적외선 반사율(%)
실시예 1 0.7 12 85.0 80
실시예 2 0.5 35 88.5 78
비교예 1 0 95 97.5 45
비교예 2 0.1 80 96.7 58
비교예 3 0.3 60 90.8 65
비교예 4 0.9 15 78.5 85
비교예 5 1.0 18 73.6 90
상기 표 1에 나타낸 F/Sn에 따른 비저항 값에서, SnO2:F 막의 도펀트로 작용하는 원소는 F 이지만 Sn의 전구체 물질인 SnCl4·5H2O를 산화물로 사용하였기 때문에 F 이외에 Cl이 또 다른 n형 도펀트 원소로 작용하여 도핑효율을 높였으며, DiH2O의 혼합으로 기판 표면의 열분해 과정에서 가수분해 반응에 의한 도핑효율을 높여 증착된 막의 자유전자 농도가 증가되어 비저항이 급격히 낮아진다. 즉, 전도도는 전자농도와 전자의 유동도(mobility)에 의존한다. 따라서 F/Sn의 중량비가 0.7일 때 12Ω/㎤의 가장 낮은 저항치를 가져 최적의 반응조건임을 알 수 있었다.
한편, 색도계(Colorimeter)로 가시광 투과율을 측정한 결과 F/Sn의 중량비가 0.7, 0 및 1인 경우 각각 85.0%, 97.5% 및 73.6%로 나타 났으며, 이 때 측정 박막의 두께는 4,500Å였다. F/Sn의 중량비 증가에 따른 열선 반사의 특성은 주로 적외선 영역에서 나타나며 3㎛의 파장에서 F/Sn의 중량비가 0일때 45% 및 1 일때 90%를 나타내었다. F/Sn의 중량비가 증가할수록 적외선 반사율이 높아지는 현상은 막내 자유전자의 농도증가에 기인한다.
따라서, 전기 전도도와 가시광 투과도의 양면적 특성을 고려할 때, F/Sn의 중량비가 0.7 이상인 경우 가시광 투과도가 저하되며, 0.5 이하인 경우 비저항의 특성이 저하되므로 F/Sn의 중량비는 0.5~0.7이 바람직하다.
실시예 3∼5 및 비교예 6∼7
실시예 1의 조건 중 반응온도를 변화시켜 반응온도 변화에 따른 제막된 투명도전성 복층 박막의 비저항과 유동도 및 전자농도를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
반응온도(℃) 비저항(Ω/㎤) 유동도(㎠/Vsec) 전자농도(Vsec/㎠)
비교예 6 400 95 8 1,000
비교예 7 450 80 12 1,120
실시예 1 550 35 16 1,220
실시예 3 500 18 18 1,500
실시예 4 600 12 19 1,420
실시예 5 650 9 20 1,500
상기 표 2에서와 같이 반응온도가 450℃ 에서 500℃로 높아짐에 따라 비저항은 80Ω에서 35Ω으로 급격히 감소하며, 전자농도 및 모빌리티는 모두 증가 하였다. 비저항은 산소 원소의 빈자리(vacancy)의 농도감소보다 반응온도의 상승으로 인한 SnO2:F 박막의 불소가 치환반응 효과로 더욱 큰 작용을 하여 입자경계(grain boundary)의 감소로 인해 저하된다.좀 더 상세하게 설명하면, 기판온도에 따른 증착속도는 400℃에서 2,500Å/회, 490℃에서 2,500Å/회였고, 기판의 온도가 400∼490℃인 경우에는 반응속도에 큰 영향을 주지 못한다. 이는 표면의 화학적 반응보다는 물질전달 반응이 주로 지배하기 때문이라고 여겨지며, 기판의 온도가 500℃인 경우 3,180Å/회, 550℃인 경우 3,500Å/회, 670℃인 경우 4,300Å/회로 현저히 빨라졌다. 이 경우 온도의 상승으로 인한 물질의 활발한 표면확산 작용과 화학종들의 치환반응 효과로 작용하여 반응속도는 상승하며, 이에 기인한 결정립의 크기 증대로 박막의 증착속도가 빨라졌기 때문이다.한편, 기판의 온도가 670℃를 초과하는 경우에는 기판의 온도가 반응속도에 큰 영향을 주지 못한다. 온도상승으로 인한 치환반응 효과가 포화상태에 이르기 때문에 반응속도에 더 이상 작용하지 못하며, 따라서 증착속도에 영향을 주지 못한다. 또한, 막두께의 증가로 인한 투과도 저하의 경향뿐만 아니라 용액중에 함유되는 용매제, 촉매제의 잔존 부반응도 더욱 활발하여 탁무(뿌옇게 흐려짐) 현상 때문에 현저하게 광투과율이 떨어지게 된다. 따라서, 기판의 온도는 최적의 화학반응이 이루어질 수 있도록 500∼670℃인 것이 바람직하다.
실시예 6
본 발명의 방법에 따른 투명도전성 복층 박막을 포함하는 저전압의 직류(DC) 또는 교류(AC)용 투명유리 면발열체를 도 8에 나타낸 것과 같은 자동차 앞창의 서리제거용 무결로창에 적용하여 그 특성을 표 3에 기재하였다.
성막된 유리기판을 급냉열처리하고 은접점(silver paste) 전극형성을 넓이 2∼6㎜로 횡축에 풀바(pull bar)로 인쇄하여 100∼150℃의 건조기에 5분간 건조한 후, 전기로에서 7분간 소성하였다. 일반적으로 유리기판의 유리성분의 소결유리가루(frit)가 용융되는 온도는 약 550℃이므로 그 이상의 온도에서의 소성이 필요하며, 630℃ 이상에서는 기판유리의 변형이 유발되므로 600∼630℃의 소성온도가 바람직하다. 상기 실버 전극 위에 아레모 세라믹 접착제(Aremo ceramic adhesive) #618의 절연보호제를 도포하였다. 다음 650℃의 선형로에서 금형대로 형상을 성형한 후, 다른 강화처리 성형된 2㎜의 유리기판을 1조로 폴리필름을 부착하여 안전유리로서 접합하였다. 횡축 하단의 전극단자 위치에 납땜 방식의 리드선을 유도하고 직류 12V 전류에 연결하여 하기 표 3에서와 같은 특성을 실현하였다.
구분 교류(AC)용 면발열체 교류(AC)용 무결로창 직류(DC)용 무결로창
발열 온도 500℃±20℃ 60℃±20℃ 50℃±20℃
정격 전압 AC 220V AC 220V DC 12V
정격 두께 1,382Wh 121Wh 120Wh
막의 두께 3,500Å 1,500Å 4,500Å
선간 저항 35Ω 400Ω 1.2Ω
시트 저항 80Ω/ 900Ω/ 12Ω/
승온 온도 6분 5분 30초 5분 30초
가시광 투과율 89% 94.6% 85%
출발온도(분위기온도) 21℃ -40℃ -25℃
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 저저항치이며 높은 가시광 투과성을 갖는 본 발명에 따른 면발열체를 포함하는 우수한 전기적 특성과 광학적 특성을 갖는 서리 제거용 무 결로창을 제작하였다. 또한 상기 면발열체를 적외 열선 반사창에 적용하여, 열선 반사의 특성이 주로 적외선 영역에서 나타나며 3㎛의 파장에서 반사율 90%의 우수한 기능을 나타내는 적외선 반사창을 제작하여 도 9에 도시하였다.
실시예 7∼10
뮬라이트-코디어라이트(mulite-Cordierite)계열의 세라믹 접시와 세라믹 비드 및 입자 크기가 다른 2종의 유리 비드를 각각 1.2Kg씩 소재로 사용하여, 세라믹 용기 이면만 선택적으로 막을 코팅하기 위하여 PVE베다 잉크로 여타 부위를 스프레이 도포 후 건조하여 상기 분무 조건에 따른 SnO2:F의 막을 2차 적층하고, 세라믹비드 및 각각 다른 2종의 유리 비드에는 SnO2:F을 각각 2차 적층 하였다.
소 재 막의 두께(Å)
실시예 7 세라믹 접시300×4t 4,300
실시예 8 세라믹 접시300×4t 2,700
실시예 9 유리 비드(φ900㎛) 3,500
실시예 10 유리 비드(φ3㎜) 3,100
상기 실시예 7∼10에 따른 박막을 고주파를 이용한 전파 흡수형 발열체로 사용하여 마이크로파 오븐(micro wave oven)을 이용하여 시간에 따른 무부하 발열 온도를 측정하여, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 이 때의 발진 주파수는 2,450 MHz, 고주파출력은 700W였다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전자레인지용 발열 접시는 승온 시간 3분에 300℃, 비드는 1분에 약 70~80℃의 전파흡수 발열을 하였으며, 마이크로파를 통해 조리물을 내부 가열로 데우는 기능 밖에 없었던 종래의 전자레인지에 비해 별도의 오븐을 추가로 사용하지 않고 조리물을 외부로부터 바삭 익힐 수 있는 조리 효과를 갖는다. 한편, 비드는 전파흡수 발열체로 찜질팩의 충진재 또는 도전성 도료의 전자파 흡수 소재로 사용할 수 있다. 또한 종래의 자동차 유리 안테나는 은(열선) 금속선 구조 형태로 불투명하고, PCB 및 패치형(patch type)도 투명하지 않으며, 폴형(pole type) 역시 고장 등 사용상의 불편함이 많았으나, 본 발명에 따라 이러한 모든 단점을 보완한 보다 고성능의 전파흡수체 유리 안테나를 제작할 수 있다.
실시예 11 및 비교예 8∼9
14″규격의 일반 유리에 본 발명에 따른 투명도전성 복층 박막을 형성하였으며, 이 때 막의 두께는 700ű2.2, 굴절율은 1.701±0.001, 표면 전기저항은 800Å이었다. 이를 모니터 화면에 밀착하여 접지시킨 후 측정기(EFM200-ELF, VLF)로 전자파 차폐효과를 측정하여, 그 결과를 하기 표 5에 기재하였다.
실시예 11 비교예 8(MPR-Ⅱ 규격) 비교예 9(TC099규격) 이 격 전자파
0.82v/m 25v/m 10v/m 50㎝ 60Hz
0.23v/m 2.5v/m 1v/m 50㎝ 16kHz
82nT 200nT 200nT 50㎝ 3kHz
24nT 25nT 25nT 50㎝ 200kHz
0.02 ≤±0.5kV ≤±0.5kV 10㎝
상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고기능 전파흡수체는 MPR-Ⅱ규격 및 TC099 규격을 능가하는 우수한 전자파 차폐기능을 갖게 되어, 통신 또는 전자 기기의 전자기파 차폐 뿐만 아니라 크린룸 구축 등에 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 초음파분무 열분해 산화반응법을 이용한 투명도전성 복층 박막은 85~95%의 광흡수율 및 10~35Ω/㎤의 저항치를 나타내어 높은 가시광 투과성의 광학적 특성 및 낮은 저항의 전기적 특성을 동시에 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 투명도전성 복층 박막을 포함하는 제품은 높은 광투과성 및 저저항치를 가지므로써 서리 제거용 자동차, 항공기, 건물 또는 그 외 산업용의 무결로창에 적용할 수 있으며, 또한 적외선 반사창 또는 고기능 전파흡수체에 적용할 수 있다.

Claims (9)

  1. SnCl4·5H2O, (C4H9)2Sn(CH3COO)2, (CH3)2SnCl2및 (C4H9)3SnH로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 주석 화합물(Sn)과 NH4F, CF3Br, CF2Cl2, CH3CClF2, CF3COOH 및 CH3CHF2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 내지 두개의 불소 화합물(F)의 중량비 F/Sn가 0.5~0.7인 혼합물을 HCl 또는 CH3OH에 용해시킨 것을 특징으로 하는 투명도전성 복층 박막용 조성물.
  2. 초음파 분무 열분해 산화 반응법을 이용한 투명도전성 복층 박막을 제조하는 방법에 있어서,
    SnCl4·5H2O, (C4H9)2Sn(CH3COO)2, (CH3)2SnCl2및 (C4H9)3SnH로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 주석 화합물(Sn)과 NH4F, CF3Br, CF2Cl2, CH3CClF2, CF3COOH 및 CH3CHF2로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 내지 두개의 불소 화합물(F)의 중량비 F/Sn가 0.5~0.7인 혼합물을 HCl 또는 CH3OH에 용해시켜 박막용 조성물을 제공하는 단계;
    상기 조성물을 열분해 반응온도로 가열된 기판에 초음파 노즐을 통해 액적 형태로 분무시켜 균질성이 높은 투명도전막을 제막하는 단계; 및
    상기 제막 단계를 연속 2차 실시하여 복층막을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저저항 투명도전성 복층 박막의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제막단계는 막의 흡수 손실과 균열에 의한 막질의 악화를 최소화하기 위해 막의 소성 및 결정화성장 과정에서 불활성 가스로 가열 고온처리 하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 저저항 투명도전성 복층 박막의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제2항 내지 제6항중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 저저항 투명도전성 복층 박막을 포함하는 제품.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제품은 낮은 전압에 적합한 교류(AC) 또는 직류(DC)용면상 발열체, 또는 전자기파 흡수차폐 효과를 갖는 기능성 전파흡수체 또는 전파 흡수 발열체인 것을 특징으로 하는 제품.
  9. 제8항에 있어서, 상기 면상 발열체는 자동차 서리 제거용 무결로 유리창 또는 적외열선 반사창이고, 상기 기능성 전파흡수체 또는 전파 흡수 발열체는 전자렌지용 발열용기, 찜질용 팩, 전자기파 휠터 또는 안테나인 것을 특징으로 하는 제품.
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