KR100613657B1 - 다이아몬드상 카본 막을 버퍼 층으로 사용하는 복합 투명도전 박막 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스플레이 소자 및 터치 패널 등에 사용되는 투명 도전 박막에 관한 것이며, 다이아몬드상 카본 막(Diamond-Like Carbon film)을 플라스틱 기판과 투명 전극 사이에 버퍼 층으로 코팅하여, 투명 전극의 산화 및 습기에 의한 전기적 특성 저하를 감소시켜 디스플레이 소자 및 터치 패널 등 제품의 수명을 연장하도록 하는 것이 가능한 투명 도전 박막 적층 구조물을 제공하기 위한 것이다. 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면에 의한 투명 박막 구조물은, 투명 기판; 투명 기판 상부에 형성되며, 진공 증착 법에 의해 형성된 다이아몬드상 카본(Diamond-Like Carbon: DLC)으로 이루어진 버퍼(buffer)층; 및 버퍼(buffer)층 위에 형성되는 투명 도전 막을 포함한다.

투명 도전 막, 다이아몬드상 카본, ITO, TCO, 박막 코팅, 디스플레이 패널, 터치 패널

Description

다이아몬드상 카본 막을 버퍼 층으로 사용하는 복합 투명 도전 박막{COMPOSITE STRUCTURE OF TRANSPARENT CONDUCTING FILM USING DIAMOND-LIKE CARBON FILM AS BUFFER LAYER}

도 1은 종래 기술의 투명 도전 박막의 구성을 예시한다.

도 2는 상부 보호막이 코팅된 투명 도전 박막의 구성을 예시한다.

도 3은 종래 기술의 표면 거칠기를 가지는 플라스틱 기판 위에 ITO 단일 박막을 사용한 경우의 계면 거칠기의 전도도에 대한 효과를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 투명 도전 박막 구조물의 한 바람직한 실시예의 구성을 나타낸다.

도 5는 일반적인 RF 플라즈마 소스를 사용한 PECVD 장치의 한 예를 나타낸다.

도 6에서는 본 발명의 다른 한 측면에 따른 투명 도전 박막 제조 방법의 한 실시예를 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 투명 기판 20: 버퍼 층

30: 투명 전극 40: 보호 막

본 발명은 디스플레이 소자 및 터치 패널 등에 사용되는 투명 도전 박막에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 다이아몬드상 카본 막(Diamond-Like Carbon film)을 플라스틱 기판과 투명 전극 사이에 버퍼 층으로 코팅하여, 투명 전극의 산화 및 습기에 의한 전기적 특성 저하를 감소시켜 디스플레이 소자 및 터치 패널 등 제품의 수명을 연장하도록 하는 것이 가능한 투명 도전 박막 적층 구조물을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래 기술의 투명 도전 박막의 구성을 예시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 투명 도전 박막은 폴리에테르 이미드(polyether imide), 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리에테르 테레프탈레이트 (polyether terephthalate: PET) 등의 엔지니어링 플라스틱 또는 유리로 된 기판(10) 위에, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ZnO-ITO 복합 막(본 발명자의 특허출원 제2003-27454호를 참조) 등으로 된 투명 전극(30)을 코팅하여 사용하는 것이 보통이다. 경우에 따라서는 투명 전극을 보호하기 위해서 도 2에 도시된 바와 같이, 투명 전극의 상부에 보호막(40)을 코팅하는 것도 가능하다.

1907년에 글로우 방전(glow discharge) 장치의 챔버에서 증착된 카드뮴(Cd) 금속막을 산화시킴으로써 투명한 전기 전도막이 얻어질 수 있음을 보인 최초의 보고 이후 투명 도전 산화물(transparent conducting oxide, 이하 'TCO'라 약술함)의 상업적 이용 가능성이 대두되었다.

TCO 박막재료에 관한 본격적인 연구개발 및 상용화는 1960년대에 시작되었으며 열분해 스프레이 법(pyrolysis spray) 또는 스퍼터링(sputtering)에 의한 SnO2 조성의 TCO 박막이 개발되어 에너지 절감을 위한 건축용 창(window)이나 광전 셀(photovoltaic cell)에 적용이 되어 왔다. 한편, 졸-겔(sol-gel)법, 증발(evaporation) 및 스퍼터링(sputtering) 등을 주로 사용한 Sn doped In2O3계(ITO) 고품위 TCO 박막은 평판 디스플레이 장치를 위주로 그 활용범위를 구축하여 현재 가장 널리 사용되는 TCO로 자리를 잡아왔다.

그러나 SnO2계 TCO의 경우에는 지난 20여 년간 3~5×10^-4Ωcm, ITO의 경우에는 1~2×10^-4Ωcm를 한계로 더 이상 비저항의 개선이 이루어지지 못하고 있는 실정이다.

특히 ITO의 주원료인 In은 세계적으로 매장량이 적어 현재와 같은 추세로 평판 디스플레이 장치 시장이 증가될 경우 In의 급격한 고갈이 예상되고 있으며, 이에 따른 수급의 불안정성 요인이 내재하고 있어 ITO를 대체할 수 있는 재료에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 한편, 앞서 언급한 바와 같이 많은 연구에도 불구하고 지난 20여 년간 ITO의 전기적 특성의 향상에 한계가 보이는 가운데, 산화물 초전도 재료의 급격한 연구발전 결과에 힘입어 투명전도 산화물 재료의 연구에 대한 새로운 시각을 여는 계기를 제공하여 최근에는 2원(binary) 산화물 재료 뿐 아니라 Cd⁺², In⁺³, Ga⁺³, Sn⁺⁴ 중 둘 또는 세 가지 이상의 다중 카티온(multi-cation)을 함유하는 3원(ternary) 또는 4원(quaternary) 산화물에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

이와는 방향을 달리하여 ITO의 사용량을 절감하며 동시에 우수한 투과도와 전기 전도도를 가지는 TCO/금속층/TCO의 다층구조를 갖는 투명도전막에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

일반적으로 투명 전극 재료는 습기나 산소의 유입에 노출되는 경우, 쉽게 열화(劣化)되어 그 전기적 및 광학적 특성이 변질될 가능성이 크다. 이러한 습기나 산소의 유입에 의한 열화가 발생될 경우, 투명 전극 재료의 특성 변화에 그치는 것뿐만 아니라 디스플레이 소자나 터치 패널의 특성이 달라질 수 있기 때문에 제품의 수명에 크게 영향을 미치게 된다.

따라서, 위와 같이 투명 전극 막의 상부에 보호막(40)을 코팅하면 외부로부터의 습기나 산소의 유입을 차단하는 것이 가능하기 때문에 제품의 수명 연장에 기여할 수 있다.

그러나, 일반적으로 플라스틱 기판은 자체에 습기나 산소를 함유할 수 있으며, 플라스틱 기판의 습기 투과성(투습성, 透濕性)은, 폴리에테르 이미드(polyether imide)의 경우 36.5 g/m²·24hr, 폴리이미드(polyimide)의 경우는 32.7 g/m²·24hr, 그리고 폴리에테르 테레프탈레이트(polyether terephthalate: PET)의 경우는 12.1 g/m²·24hr로 어느 정도 큰 것으로 알려져 있다. 따라서, 위와 같은 종래 기술의 구조로는 플라스틱 기판 자체에 함유되어 서서히 유출되거나 플라스틱 기판을 투과하여 전달되는 습기 및 산소에 의한 투명 전극의 열화를 막을 수 없다는 한계가 있다.

또한, 플라스틱 기판은 일반적으로 그 표면에 미세한 요철이 있어 거칠고 평활도가 좋지 않으므로, 이러한 플라스틱 기판 위에 투명 전극을 코팅할 경우, 막의 밀착력(adhesion)이 좋지 않을 뿐만 아니라 도전 막이 얇을 경우에는, 도 3에 도시한 바와 같이 전자의 이동도(mobility)에 제약을 받아 도전성이 저하되는 문제도 있게 된다. 따라서, 플라스틱 기판의 좋지 않은 평활도를 보강하기 위하여 높은 평활도를 가지는 적절한 버퍼 막이 제공되고 그 위에 투명 전극이 코팅된다면 이러한 밀착력 및 평활도의 문제점의 해소가 가능할 수 있을 것이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다이아몬드상 카본 막(Diamond-Like Carbon film)을 플라스틱 기판과 투명 전극 사이에 버퍼 층으로 코팅하여, 투명 전극의 산화 및 습기에 의한 전기적 특성 저하를 감소시켜 디스플레이 소자 및 터치 패널 등 제품의 수명을 연장하도록 하는 것이 가능한 투명 도전 박막 적층 구조물을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 플라스틱 기판 상에 투명 도전 막을 직접 코팅할 경우에 문제가 되는 밀착력 및 평활도의 문제점을 해결할 수 있는 다이아몬드상 카본으로 이루어진 버퍼 층을 포함하는 투명 도전 박막 적층 구조물을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면에 의한 투명 박막 구조물은, 투명 기판; 상기 투명 기판 상부에 형성되며, 진공 증착 법에 의해 형성된 다이아몬드상 카본(Diamond-Like Carbon: DLC)으로 이루어진 버퍼(buffer)층; 및 상기 버퍼(buffer)층 위에 형성되는 투명 도전 막을 포함한다.

여기서, 상기 다이아몬드상 카본 버퍼층은 20Å 이상 2000Å 이하의 두께인 것이 바람직하다.

또한, 여기서, 상기 다이아몬드상 카본 버퍼층은 a-C:H의 구조를 가지며 수소를 다량 함유하여 풍부한 C-H 결합을 갖는 구조인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 한 측면에 의한 투명 도전 박막 구조 형성 방법은, 투명 기판을 준비하는 단계; 상기 투명 기판 상부에 진공 증착 법에 의하여 다이아몬드상 카본(Diamond-Like Carbon: DLC)으로 이루어진 버퍼(buffer)층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼(buffer)층 위에 투명 도전 막을 형성하는 단계를 포함한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 보다 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 투명 도전 박막 구조물의 한 바람직한 실시예의 구성을 나타낸다. 도 4에서 도시한 바와 같이, 본 실시예의 투명 도전 박막 구조물은 일반적으로 투명한 플라스틱 기판(10) 위에 형성되어 디스플레이 소자나 터치 패널 소자의 정보 표시 면과 결합되어 사용되게 된다.

투명 플라스틱 기판(10)은 단순히 플라스틱 재질의 기판만일 수도 있으나, 경우에 따라서는, 그 상부에 오버코팅(over coating)이나 언더코팅(under coating)이 형성되는 등의 전처리 과정을 거친 상태의 플라스틱 기판일 수 있다.

본 실시예의 투명한 플라스틱 기판(10) 상에는 다이아몬드상 카본(Diamond- Like Carbon: DLC)으로 이루어진 버퍼(buffer)층(20)이 형성된다. 다이아몬드상 카본은 일반적으로 탄소로 이루어지는 비정질 막을 말한다. 탄소로 이루어진 재료에는 흑연(graphite), 다이아몬드상 카본, 다이아몬드(Diamond) 결정 등의 여러 가지 재료가 존재하나, 그 중, 다이아몬드상 카본은 높은 경도와 낮은 마찰 계수를 갖고 있으며, 우수한 필름 평활도를 갖고 있는 비정질(amorphous) 탄소 막이다. 이러한 다이아몬드상 카본 필름은 필름 내 수소가 첨가되었는지의 유무에 따라 수소가 없는 경우, i-carbon 또는 ta-C 등으로 명칭 되고 있으며, 수소가 첨가된 경우에는 a-C:H (amorphous hydrogenated carbon)이라 명칭 되고 있다.

다이아몬드상 카본 막을 형성하기 위해 일반적으로 사용되는 방법은 플라즈마를 사용한 진공 증착 방법이며, 통상 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)라고 하는 방법이다. PECVD 방법은 증착하고자 하는 재료를 함유하는 활성종을 공급하기 위하여 플라즈마에 의하여 소스 가스(source gas)를 여기시키는 방식을 사용한다.

도 5는 일반적인 RF 플라즈마 소스를 사용한 PECVD 장치의 한 예를 나타낸다. 예시된 장치에서는 기판이 장착되는 기판 지지대(100), 기판 지지대에 RF 전력을 인가하기 위한 RF 전원(110)을 포함하며, 생성된 플라즈마에 안정적으로 전원을 공급하기 위한 임피던스 매칭 회로(120)를 포함한다.

도 5에 도시된 장치는 예시에 불과하며, 도 5와 같은 RF 플라즈마 소스를 사용한 PECVD 장치는 플라즈마를 발생시키기 위한 전원 공급과 기판에 이온 충격을 일으키기 위한 바이어스 인가용 전원이 모두 공통된 전원을 사용하는 형태이다. 그 러나, 이러한 형태의 장치를 사용할 경우, 플라즈마 밀도의 제어와 기판 바이어스의 제어가 독립적으로 이루어지지 못하여 생성된 박막의 특성 제어를 위한 공정 변수의 제어가 넓은 범위에서 원활하게 이루어지지 못하는 문제점이 있으며, ECR(Electron Cyclotron Resonance), TCP(Transformer-coupled Plasma), ICP(Inductively-coupled Plasma), SWP(Surface Wave Plasma) 등 다수의 플라즈마 소스 중 어느 하나를 사용하여 플라즈마를 발생시키고, 기판에 바이어스를 독립적으로 제어할 수 있도록 고주파 전원을 매칭 회로와 함께 별도로 인가하는 방법이 사용될 수도 있다.

다이아몬드상 탄소막을 형성하기 위한 소스 가스(source gas)로는 탄소를 함유한 CH4, CH2F2, CHF3 등의 가스가 단독으로 또는 이들 중 하나 이상이 혼합되어 사용될 수 있으며, 막 중의 수소 함량을 조절하기 위하여 수소 가스를 첨가하여 사용하는 것도 가능하다. 또한, 방전의 안정화를 위하여, Ar 등의 불활성 가스를 캐리어 가스(carrier gas)로 사용할 수도 있으며, 흑연 성분을 용이하게 제거하기 위하여 O2를 첨가할 수도 있다.

또한, 본 실시예는 다이아몬드상 카본 막을 버퍼 층(20)으로 사용하여, 그 위에 ITO로 이루어진 투명 전극 막(30)을 형성하였다.

본 발명자의 관측에 의하면, 표면 거칠기가 좋지 않은 플라스틱 기판 위에서도 다이아몬드상 카본 막을 증착하는 경우 다이아몬드상 카본 막 그 자체의 우수한 막 평활도로 인하여 높은 표면 평활도를 달성하는 것이 가능하였다. 따라서, 이러한 평활한 표면 위에 형성된 투명 전극 막 역시도 높은 평활도를 가지고 있었으며, 그에 따라 전도도가 매우 우수한 투명 전극 막을 형성하는 것이 가능하였다.

그 뿐 아니라, 다이아몬드 상 카본 막 상에 형성된 ITO 등 투명 전극 막의 밀착성(adhesion) 역시도 우수하였다.

이러한 본 발명의 다이아몬드상 카본 막 버퍼층은 지나치게 얇을 경우는 평활도, 밀착성 및 산소와 습기 차단성이 떨어져 버퍼층의 역할을 제대로 하지 못하게 되며, 너무 두꺼울 경우 투명 전극의 투과율을 저하하게 되는 문제점이 있으므로, 적절한 두께로 형성하는 것이 중요하게 되며, 본 발명자들의 실험 결과, 20Å 이상 2000Å 이하 범위의 두께가 적당한 것으로 나타났다.

또한, 본 발명자들의 관측에 의하면, 다이아몬드상 카본 막은 내부에 수소 함유 정도에 따라 그 평활도가 달라지게 되며, 풍부한 수소를 함유하여 C-H 결합을 많이 가지고 있는 박막의 경우에 더욱 평활도, 투기성, 투습성 등이 양호한 사실이 관측되었다.

도 6에서는 본 발명의 다른 한 측면에 따른 투명 도전 박막 제조 방법의 한 실시예를 나타낸다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 제조 방법은, 투명 기판을 준비하는 단계(S10)와, 투명 기판 상부에 진공 증착 법에 의하여 다이아몬드상 카본(Diamond-Like Carbon: DLC)으로 이루어진 버퍼(buffer)층을 형성하는 단계(S20)와, 그리고 이 버퍼(buffer)층 위에 투명 도전 막을 형성하는 단계(S30)를 포함하여 진행된다.

투명 도전 막으로서 상기 실시예에서는 ITO를 사용하는 경우를 예시적으로 설명하였으나 이는 단지 예시에 불과하며, ZnO, ZnO-ITO 등 상술한 종래 기술의 투명 도전 막(TCO) 중 어느 것이라도 적용이 가능하다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명에 의하여 제공되는 투명 박막 적층 구조물 및 그 제조 방법을 사용하여, 다이아몬드상 카본 막(Diamond-Like Carbon film)을 플라스틱 기판과 투명 전극 사이에 버퍼 층으로 코팅함으로써, 투명 전극의 산화 및 습기에 의한 전기적 특성 저하를 감소시켜 디스플레이 소자 및 터치 패널 등 제품의 수명을 연장하도록 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 의하여, 플라스틱 기판 상에 투명 도전 막을 직접 코팅할 경우에 문제가 되었던 밀착력 및 평활도의 문제점을 해결할 수 있는 다이아몬드상 카본으로 이루어진 버퍼 층을 포함하는 투명 도전 박막 적층 구조물 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 투명 기판;

   상기 투명 기판 상부에 20Å 이상 2000Å 이하의 두께로 형성되며, 다이아몬드상 카본(Diamond-Like Carbon: DLC)으로 이루어진 버퍼(buffer)층; 및,

   상기 버퍼(buffer)층 위에 형성되는 투명 도전막을 포함하고,

   상기 다이아몬드상 카본 버퍼층은, 수소를 다량 함유하여 풍부한 C-H 결합을 갖는 a-C:H의 구조인 것을 특징으로 하는 투명 도전 박막 구조물.
4. 삭제
5. 삭제

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