KR100397646B1 - 서멀 프린트 헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

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하야시히로아키
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롬 가부시키가이샤
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Abstract

서멀 프린트 헤드(1)는, 기판(2)과, 공통전극 및 다수의 개별전극을 갖도록 상기 기판 위에 형성된 전극패턴(3)과, 상기 전극패턴(3)에 접속된 발열저항체(5)와, 상기 전극패턴(3) 및 발열저항체(5)를 덮도록 다수의 층(81,82,83,84)이 상기 기판(2) 위에 적층되어 이루어지는 보호 코팅(8)을 포함한다. 상기 보호 코팅(8) 중의 최외곽층(84)은, 탄소가 첨가된 SiC를 주성분으로 하고 있다.

Description

서멀 프린트 헤드 및 그 제조방법{THERMAL PRINT HEAD AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
종래부터 채용되고 있는 일반적인 서멀 프린트 헤드에서는, 공통 전극 및 개별 전극을 포함하는 전극 패턴과, 상기 전극 패턴에 접속된 발열 저항체가 기판상에 형성되고, 상기 전극 패턴 및 발열저항체를 덮도록 다층구조의 보호 코팅이 형성된 구성으로 되어 있다.
실제 사용시에 있어서, 상기 보호 코팅 중 최(最)외곽층은 용지에 직접 닿기 때문에, 용지와의 접촉을 반복하는 동안 마모된다. 가령 100km의 거리를 초과하여 인자(印字)를 계속했을 경우, 상기 최외곽층뿐만 아니라, 내부층까지 마모에 의해 점차 닳아 없어지고, 최종적으로는 발열 저항체나 전극이 노출되어 버리는 경우도 있다. 그렇게 하면, 인자 결과, 흰줄이나 검은 줄 등이 생겨 버리는 문제가 발생한다.
한편, 상기 현상을 방지하기 위하여, 최외곽층의 두께를 두껍게 하면, 보호 코팅의 내구성을 향상시킬 수 있으나, 이 경우에는, 발열 저항체로부터 용지에 이르기까지 두께가 두꺼워짐으로써 열 응답성이 떨어지고, 인자 품질로서는 저조한레벨의 것 밖에 얻을 수 없다.
상기와 같은 현상이 생기지 않도록, 상기 최외곽층의 재질로서는, 여러 가지 막 특성이 우수한 비(非)산화물계 세라믹스가 이용되며, 그 중에서도 탄화규소(SiC), 또는 질화규소(Si3N4)가 많이 채용되고 있다. 이러한 세라믹계 재질의 일반적인 특성은, 고(高)경도로서 내마모성이 우수한 점에 있다고 하며, 그 만큼 최외곽층을 4㎛정도의 얇은 막으로 형성하여 열 응답성을 높이는 것이 가능해지고 있다.
그러나, 최외곽층에 대하여 상기 SiC, 또는 Si3N4와 같은 경질재를 이용한다 해도, 여전히 최외곽층에 요구되는 막 특성의 모든 점을 개선하기에는 미흡하다. 특히, 최근에는, 그와 같은 경질재라 해도 그 만큼의 내마모성을 얻을 수 없다는 것이 시험 결과로 인해 검증되었다. 가령, SiC에 대해서 마모 시험을 실시한 결과, 소정의 조건(상세한 것은 후술) 하에서 SiC막을 금속 볼과의 반복 마찰을 통해 마모시켰을 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 마찰 사이클 회수가 약 1000회 이상이 되면 점차 마찰계수가 증가하게 되어, 최종적으로 1.1㎛나 되는 마모량이 발생했다. 이는 피막표면이 점진적인 마모 등에 의해 원자·분자 레벨에서 화학반응을 일으켜, 원래 SiC였던 표면이 이산화규소(SiO2)로 변화한 것에 의한 것이다. 또한, Si3N4에 대해서는, 도 3을 보고 분명히 알 수 있듯이, 당초부터 마찰계수가 높은 값으로 계측되었다.
상기한 바와 같이, 도 3의 그래프로부터, 마찰계수가 내마모성 및 미끄럼 이동성을 결정짓는 인자(因子)의 하나이며, 마찰계수가 대체로 높으면 내마모성 및 미끄럼 이동성을 향상시킬 수 없다는 것을 알 수 있다. 따라서, SiC 또는 Si3N4와 같은 재질로 보호 코팅의 최외곽층을 구성했다 하더라도, 내마모성 및 미끄럼 이동성을 현격히 향상시키기에는 미흡하며, 이들의 개선책에 대해서 더 많은 연구·개발의 여지가 있다.
한편, 최외곽층과 그 하부 지층과의 밀착성에 관해서는, 최외곽층이 일반적인 산화물계 세라믹으로 이루어지는 경우에, 하부 지층과의 양호한 밀착상태가 얻어지지 않는다. 또한, 비산화물계의 SiC나 Si3N4라는 경질재로 이루어지는 최외곽층에서는, 외부로부터의 충격에 의해 긁힘이 생겼을 경우, 경질이기 때문에 그 장소를 기점으로 하여 박리되기 쉬운 난점이 있었다.
또한, 정전 파괴에 대한 내성에 대해서는, 산화물계 세라믹, SiC 및 Si3N4는 거의 도전성이 없으므로, 용지와의 미끄럼 이동시에 마찰에 의해 최외곽층이 대전되어 정전파괴를 일으킬 우려가 있다. 그것을 방지하기 위해서, 도전성 물질을 첨가하면, 정전파괴를 일으킬 우려가 해소되기는 하지만, 물방울 등이 표면에 부착됨으로써 이온화에 의해 녹기 시작하는 전기부식의 문제가 발생하는 문제점이 있었던 것이 사실이다.
본 발명은 서멀 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 실시예에 따른 서멀 프린트 헤드를 보인 주요부 개략 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다.
도 3은 C-SiC막에 대하여 마모 시험에 의해 얻어진 마찰계수를, 종래예와 비교하면서 보인 그래프이다.
도 4는 본 발명의 서멀 프린트 헤드에 대한 실 주행평가 시험의 결과를 종래 제품과의 비교로 보인 그래프이다.
따라서, 본 발명은, 최외곽층의 재료 조성을 변경함으로써, 여러 가지 막 특성을 전반적으로 개선할 수 있고, 특히 용지에 대한 미끄럼 이동성을 적절한 것으로 하여 내마모성을 높일 수 있는 서멀 프린트 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 이러한 서멀 프린트 헤드의 제조방법을 제공하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제 1측면에 의하면, 기판과, 공통전극 및 다수의 개별전극을 갖도록 상기 기판상에 형성된 전극패턴과, 상기 전극패턴에 접속된 다수의 발열점과, 상기 전극패턴 및 발열점을 덮도록 다수의 층이 상기 기판 위에 적층되어 이루어지는 보호코팅을 포함하는 서멀 프린트 헤드에 있어서, 상기 보호코팅 중 최외곽층은, 탄소가 첨가된 SiC를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 서멀 프린트 헤드가 제공된다.
상기 최외곽층에 있어서 첨가되는 탄소의 비율이 60~80몰%로 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 보호코팅은, 상기 최외곽층에 더하여, 상기 발열점 및 상기 전극패턴을 덮는 후막(厚膜) 글래스층과, 상기 후막 글래스층 상에 형성된 박막 글래스층과, 상기 박막 글래스층 및 상기 최외곽층 사이에 형성된 접착층을 포함하고 있다. 또한, 상기 발열점은, 직선형상의 후막 저항체로써 구성되어 있다.
상기와 같이 구성된 서멀 프린트 헤드에 있어서, 상기 최외곽층은, 주성분으로서 탄소가 첨가된 SiC를 주성분으로 하고 있다. 그 결과, 탄소의 첨가량에 따라미끄럼 이동성(내마모성) 및 하부 지층과의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제 2측면에 의하면, 기판과, 공통전극 및 다수의 개별전극을 갖도록 상기 기판상에 형성된 전극패턴과, 상기 전극패턴에 접속된 다수의 발열점과, 상기 전극패턴 및 발열점을 덮도록 다수의 층이 상기 기판 위에 적층되어 이루어지는 보호코팅을 포함하는 서멀 프린트 헤드의 제조방법에 있어서, 상기 보호코팅 중 최외곽층은, 탄소가 첨가된 SiC를 주성분으로 하고 있는 타깃을 이용한 스퍼터링에 의해 형성되는 서멀 프린트 헤드의 제조방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 타깃에 있어서의 탄소의 비율이 60~80몰%이다. 이 범위 내에서, 탄소성분의 비율을 조정함으로써, 얻어지는 최외곽층의 막 특성을 제어할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 스퍼터링은 반응성 스퍼터링이다.
상기의 제조방법에 의하면, 최외곽층은 SiC를 주성분으로 하면서도, 그 밖에 첨가성분으로서 탄소를 포함하게 된다. 이렇게 해서 형성된 최외곽층에서는, 그 구성원자 전체에 대한 탄소성분의 몰 분율이 순수한 SiC의 평형상태보다 약간 높게 되고, 그 결과로서 최외곽층의 막 특성에 다양한 변화가 나타난다. 구체적으로 말하면, 순수한 SiC에 추가적으로 탄소가 함유된 최외곽층에서는, 장거리에 걸쳐 용지가 미끄럼 이동할 경우라 해도, 현저히 낮은 마찰계수가 장기간에 걸쳐 유지된다. 또한, 탄소가 첨가성분으로서 포함된 최외곽층에서는, 순수한 SiC만으로 된 구조보다 막응력(膜應力)이 감소하여 치밀화되므로, 하부 지층과의 밀착성 및 경질성에 대해서 개선이 보여지고, 기계적 강도에 있어서 향상된 것이 된다. 또한, 상기구성을 갖는 최외곽층에서는, 미약한 도전성을 갖고 있어 용지의 미끄럼 이동마찰에 의해서도 대전현상을 일으키는 일은 없으며, 그 한편으로는, 미약한 도전성이기 때문에 전기부식도 거의 발생하는 경우는 없다.
상기한 작용·효과는, 특히 최외곽층을 구성하는 탄소의 비율이 60~80몰%로 한 경우에 현저하게 발휘되게 된다.
또한, 최외곽층에 있어서의 탄소의 비율을 조정하기 위해서는, 반응성 스퍼터링에 의해 최외곽층에 들어오는 탄소를 원자 레벨로 제어하면 된다. 이에 따라, 최외곽층의 형성에 있어서, 그 구성을 적절하게 되도록 가변 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징 및 이점은, 첨부 도면을 참조하여 이하에 행하는 상세한 설명에 의해, 보다 명백해질 것이다.
이하, 본 발명의 첨부한 도면을 참고하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는, 본 발명의 적합한 실시예에 따른 후막 형태의 서멀 프린트 헤드(1)를 나타내고 있다. 이러한 서멀 프린트 헤드(1)는, 세라믹 기판(2)의 윗면에 축열(蓄熱)글레이즈층(6)과, 상기 글레이즈층(6)의 표면에 형성된 전극패턴(3)을 포함하고 있다. 전극패턴(3)은 단일의 공통전극(30) 및 다수의 개별전극(31)을 포함하고 있다. 공통전극(30)은 다수의 빗살모양의 연장부(30a)를 갖고 있으며, 각 연장부(30a)가 서로 이웃하는 개별전극(31) 사이에 돌입하도록 형성되어 있다. 마찬가지로, 각 개별전극(31)의 일단부(31a)는, 공통전극(30)이 서로 이웃하는 연장부(30a) 사이에 돌입해 있다. 각 개별전극(31)의 타단부(31b)는, 접속용 패드로 되어 있으며, 상기 패드(31b)는 도시하지 않은 각각의 구동 IC의 대응하는 패드에 와이어를 개재하여 도통 접속되어 있다. 전극 패턴(3)은 레지네이트 금을 인쇄·소성한 뒤, 사진 석판법에 의한 에칭에 의해 형성된다.
공통전극(30)의 연장부(30a) 및 개별전극(31)의 위를 교차하도록, 직선형상으로 연장되는 후막 발열 저항체(5)가 형성되어 있다. 상기 발열저항체(5)에 있어서, 인접하는 연장부(30a)에 의해 구획된 부분(도 1에 크로스 해치된 부분)이 단위 발열점(50)으로서 작용하고, 도시하지 않은 대응하는 구동IC로부터의 전류에 의해 그 발열점(50)이 발열한다. 발열저항체(5)는 가령, 산화루테늄을 포함하는 저항체 페이스트를 인쇄·소성함으로써 형성된다.
또한, 상기 서멀 프린트 헤드(1)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전극패턴(3) 및 발열저항체(5)를 덮도록 보호코팅(8)이 형성되어 있다. 상기 보호코팅(8)은, 후막 글래스층(81), 박막 글래스층(82), 접착층으로서의 하부 지층(83) 및 용지에 대해 직접 닿는 최외곽층(84)의 4층에 의해 다층화 구조로 되어 있다.
후막 글래스층(81)은, 글래스 페이스트를 이용한 인쇄·소성에 의해, 가령 그 두께가 10㎛정도, 비커스 경도가 500~600㎏/㎡인 비정질 글래스 후막으로 형성되어 있다. 이 후막 글래스층(81)의 형성에 이용하는 글래스 페이스트는, 가령 수지성분을 약 26.5중량% 및 글래스 성분을 약 73.5중량% 포함한다.
박막 글래스층(82), 서퍼터(sputter)법, CVD법, 증착법 등의 적절한 수단에 의해, 가령 그 두께가 0.6㎛ 정도, 비커스 경도가 500~700㎏/㎡인 이산화규소 (SiO2)의 박막으로서 형성되어 있다.
하부 지층(83)은, 스퍼터법, CVD법, 증착법 등의 적절한 수단에 의해, 가령 그 두께가 2.0㎛ 정도, 비커스 경도가 1600~1800㎏/㎡ 인 탄화규소(SiC)의 얇은 막으로서 형성되어 있다. 이에 대신하여, 티탄이나 텅스텐 등의 금속에 의해, 또는 탄화티탄(TiC)에 의해 형성해도 좋다.
최외곽층(84)은, 가령 스퍼터링법에 의해 그 두께가 4㎛정도, 비커스 경도가 1200㎏/㎡정도로 된 막형성 소재에 의해 박막 형성되어 있다. 구체적으로는, 그 막형성 소재로서는, 탄화규소(SiC)를 주성분으로서 포함하고, 그밖에 첨가성분으로서 탄소(C)를 포함하는 세라믹스계 재료(이하, 이를 간단히「C-SiC」라고 기입한다)가 채용되어 있다. 보다 구체적으로 말하면, 최외곽층(84)을 구성하는 C-SiC는, 전체에 대한 탄소(C)의 비율이 60~80몰%가 되도록 조정되어 있다. 이와 같이 탄소(C)를 첨가성분으로서 포함하는 C-SiC는, 순수한 탄화규소(SiC)에 대해 기능적으로 우수한 치밀화 구조가 되며, 그로 인해 여러 가지 막 특성(특히, 내마모성 및 미끄럼 이동성)이 다른 재질의 것에 비해 개선된다. 이러한 막 특성의 개선에 대해서는 후술한다.
상기 조성의 C-SiC로 이루어지는 최외곽층(84)은, 그와 동일한 조성인 C-SiC 타깃을 이용하여 반응성 스퍼터링을 실시함으로써 막이 형성된다. 스퍼터링에 있어서는, 타깃의 조성을 변경하거나, 또는 대기 중의 수소나 메탄 등의 활성 가스 농도를 조정함으로써, 원하는 막 특성을 얻는 것이 가능하게 된다.
다음으로, C-SiC막(최외곽층(84))의 막 특성에 대해서 설명한다.
도 3은, C-SiC막(최외곽층(84))에 대해서 마모 시험에 의해 얻어진 마찰계수의 변화를, 종래예와 대비하여 나타낸 그래프이다. 마모시험은, 시판되고 있는 마찰 마모 시험기(신강 조기사(SHINKO ENGINEERING CO., LTD.) 제(製))를 이용하여, 하기의 조건하에 실시하였다.
온도: 24℃
볼: 탄소강구
하중: 500g
스트로크: 6mm
주파수: 2㎐
미끄럼 이동 사이클 수: 1500(12mm/사이클)
상기 시험조건에 대해서 간단히 설명하면, 24℃의 온도 조건하에서, 볼을 시료(막)에 500g의 하중으로 눌러붙인 상태에서 볼을 움직이게 함으로써, 시료를 마찰 마모시킬 수 있다. 그 때, 볼의 스트로크(전진 또는 후진시의 이동거리)는 6mm(즉, 1사이클의 왕복거리는 12mm)로 하고, 주파수(1초 동안의 왕복 사이클 수)는 2㎐로 하여, 합계 1500사이클까지 시료를 마찰 마모시킨다.
상기 글래스에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 있어서 최외곽층(84)으로 이용되는 C-SiC막에서는, 미끄럼 이동 사이클이 약 200회가 된 시점에서 마찰계수가 급격히 저하되고, 그 이후로는 마찰계수가 0.05라는 매우 낮은 값을 영속적으로 유지한다는 것이 계측되었다. 또, 최종적으로 C-SiC막에서는, 종래의 SiC막이나 Si3N4막에 비해 절반 이하의 마모량(0.4㎛)이라는 측정결과가 얻어지고 있다. 이는, 탄화규소(SiC)에 탄소(C)가 첨가되어 있음으로써, 미끄럼 이동면이 되는 피막표면이 내산화성에 강한 성질이 되고, 점진적인 마모에 의해서도 산화 실리콘(SiO2)에 형질변화하기 어려운 치밀화 구조로 된 것에 기인한 것으로 여겨진다.
요컨대, 본 실시예에 따른 C-SiC막은, 다른 조성을 갖는 종래의 막에 비해 마찰계수가 매우 낮으므로 마모량이 저감된다. 따라서, C-SiC막에서는 미끄럼 이동성 및 내마모성이 충분히 개선되는 것이다.
그리고, C-SiC막은, 종래예의 Si3N4막 등에 비해 인장강도가 배 이상으로 우수하다. 따라서, C-SiC막을 최외곽층(84)으로 함으로써 하부 지층(83)과의 밀착성이 뛰어나면서도 외부로부터의 충격에 의해서도 긁힘이 거의 생기지 않아 쉽게 박리되지 않는 것으로 할 수 있다.
게다가, C-SiC막에서는, 탄소(C)의 몰분율을 80몰% 이하(역으로 규소(Si)의몰분율을 20몰% 이상)로 함으로써, 막의 비저항이 106Ω/㎝ 정도 이상으로 하는 것이 가능하다. 그렇게 하면, 막 자체의 도전성은 매우 낮기 때문에, 물방울 등이 막 표면에 부착되어 이온화에 의해 녹기 시작하는 전기부식의 문제를 방지할 수 있다. 한편, C-SiC막은 아주 미약한 도전성을 가지므로, 이러한 막으로 구성된 최외곽층(84)이 공통전극(30) 등에 접촉되어 있을 경우, 용지와의 미끄럼 이동시에 마찰에 의해 발생한 정전기를 피할 수 있고, 정전 파괴라는 문제도 방지할 수 있다.
또, C-SiC막에 의한 최외곽층(84)을 4㎛ 정도의 얇은 막으로 구성할 경우에는, 보호코팅(3) 전체로서의 두께를 작게 할 수 있고, 발열저항체(5)로부터 용지로의 열응답성이 우수한 것으로 유지하여 높은 인자 품질을 확보할 수 있다. 또한, C-SiC막은 세라믹계이므로, 내열성의 문제도 없다.
도 4는, 최외곽층(84)을 C-SiC막(C성분의 몰 분율이 80몰%이고, Si성분의 몰 분율이 20몰%)으로 구성한 본 실시예에 따른 서멀 프린트 헤드의 실 주행평가 시험의 결과를 최외곽층을 SiC막으로 한 종래 제품과의 비교로 나타낸 그래프이다. 실 주행평가 시험은, 서멀 프린트 헤드를 100% 듀티(전체 발열점을 구동시켜 블랙 베타 인자하는 상태) 조건 하에 구동시키면서, 용지를 최외곽층에 미끄럼 이동시키며 주행시킨 것이다. 이 시험평가는, 소정의 인자 거리마다 최외곽층의 마모량을 측정함으로써 이루어졌다.
도 4의 그래프에서 알 수 있듯이, 종래의 서멀 프린트 헤드(SiC막)로는, 처음에 약 4㎛ 였던 최외곽층의 두께가 70km의 인자 거리에 달하자, 3.5㎛나 마모되어 버렸다. 한편, 본 실시예에 따른 서멀 프린트 헤드(C-SiC막)로는, 인자 거리가 70Km에 달해도, 최외곽층의 마모량은 그 초기 두께(약 4㎛)의 1/4에도 미치지 못했다. 이것은, 본 실시예에 따른 서멀 프린트 헤드가 종래의 것에 비해 3배 이상의 내구 수명이 있다는 것을 나타내고 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 서멀 프린트 헤드는, 상당한 내구성이 요구되는 인자 기기(가령 바코드용 인자기기) 등에 조립하여 사용하는데 적합하다.
상기 실시예는, 후막형 서멀 프린트 헤드였지만, 본 발명은 박막형 서멀 프린트 헤드에 대해서도 적용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판과,
    공통전극 및 다수의 개별전극을 갖도록 상기 기판상에 형성된 전극패턴과,
    상기 전극패턴에 접속된 다수의 발열점과,
    상기 전극패턴 및 발열점을 덮도록 다수의 층이 상기 기판 상에 적층되어 이루어지는 보호코팅을 포함하는 서멀 프린트 헤드에 있어서,
    상기 보호코팅 중 최외곽층은, 탄소가 첨가된 SiC를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 서멀 프린트 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 최외곽층에 있어서의 탄소의 비율이 60몰% 이상으로 되어 있는 것을 서멀 프린트 헤드.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 최외곽층에 있어서의 탄소의 비율이 60~80몰%로 되어 있는 것을 서멀 프린트 헤드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 보호코팅은, 상기 최외곽층에 더하여, 상기 발열점 및 상기 전극패턴을덮는 후막(厚膜) 글래스층과, 상기 후막 글래스층 상에 형성된 박막 글래스층과, 상기 박막 글래스층 및 상기 최외곽층 사이에 형성된 접착층을 포함하고 있는 서멀 프린트 헤드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 발열점은, 직선형상의 후막 저항체로써 구성되어 있는 서멀 프린트 헤드.
  6. 기판과, 공통전극 및 다수의 개별전극을 갖도록 상기 기판상에 형성된 전극패턴과, 상기 전극패턴에 접속된 다수의 발열점과, 상기 전극패턴 및 발열점을 덮도록 다수의 층이 상기 기판 상에 적층되어 이루어지는 보호코팅을 포함하는 서멀 프린트 헤드의 제조방법에 있어서,
    상기 보호코팅 중 최외곽층은 탄소가 첨가된 SiC를 주성분으로 하는 타깃을 이용한 스퍼터링에 의해 형성되는 서멀 프린트 헤드의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 타깃에 있어서의 탄소의 비율이 60몰% 이상인 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 타깃에 있어서의 탄소의 비율이 60~80몰%인 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 타깃에 있어서의 탄소성분의 비율을 조정함으로써, 얻어지는 최외곽층의 막 특성을 제어하는 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 스퍼터링은, 반응성 스퍼터링인 방법.
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