KR100693070B1 - 투명전도막의 접착력 시험방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판상에 코팅되어 있는 투명전도막의 접착력을 시험하는 방법에 관한 것으로, 투명전도막 접착력 시험방법은 수직인가하중을 상승시켜가면서 파괴가 예상되는 하중범위를 찾는 단계와, 투명전도성 코팅막을 기판상에 직사각형 모양으로 패터닝하여 시험편을 준비하는 단계와, 상기 예상 하중범위 내에서 일정 하중을 가하여 투명전도막을 스타일러스로 가로지르는 단계와, 양끝 단자의 저항을 측정하는 단계와, 다른 일정 하중을 가하여 스타일러스로 투명전도막을 긁은 후 양단의 저항을 측정하는 과정을 반복하여 투명전도막이 단락이 되는 임계하중을 찾는 단계로 구성되는 것인바, 기판으로부터 투명전도막의 이탈 시점을 알려주는 저항센서를 사용하여 접착력 시험을 함으로서 더욱 정확한 투명전도막 접착력 시험을 실시하여 제품의 평가 효율을 상승시키는 투명전도막의 접착력 시험방법을 제공하려는 것이다.

투명전도막, 접착력, 부착력, 테스트, 시험

Description

투명전도막의 접착력 시험방법{Adhesive strength method of exam of transparent conductive film}

도 1은 종래의 스크래치 시험 장치에서 코팅막의 접착력시험을 실시하는 예를 보인 예시도.

도 2는 종래의 스크래치 시험방법에 의해 시험한 결과를 보인 그래프.

도 3은 본 발명에 따른 스크래치 시험장치의 주요 요부를 도시한 예시도

도 4는 본 발명에 따른 스크래치 시험방법에 의해 시험한 결과를 보인 그래프

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 스크래치 시험방법에 의해 시험하는 과정을 보인 예시도.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 스크래치 시험방법에 의해 정확한 시험 값을 도출하는 과정을 보인 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 스크래치 시험장치 2: 구동부

3: 로드셀 4: 완충부

5: 스타일러스(stylus) 6: 음향센서

7: 제어부 8: 시험편 홀더

9: 시험편 10: 전도성 스타일러스

11: 시험편 12: 유리기판

13: 투명전도막 14: 저항센서

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본 발명은 기판상에 코팅되어 있는 투명전도막의 접착력을 시험하는 방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 투명전도막을 기판상에 직사각형 모양으로 패터닝하여 시험편을 준비하고, 스타일러스에 하중을 가하면서 시험편으로 준비된 투명전도막에 스크래치를 형성하며, 스크래치를 형성할 때에 발생하는 음향값과 저항값을 측정하여 접착력의 임계하중을 찾는 방법에 있어서; 수직인가하중을 상승시켜가면서 파괴가 예상되는 하중범위를 찾는 단계와; 상기 예상 하중범위 내에서 일정 하중을 가하여 투명전도막을 전도성 스타일러스로 가로지르면서 스크래치 하되, 스크래치할 때 양단 저항값을 저항센서로 측정하는 단계와; 전도성 스타일러스에 다른 일정 하중을 가하여 투명전도막을 긁으면서 양단 저항값을 저항센서로 측정하는 과정을 반복 실시하여 투명전도막이 단락이 되는 임계하중을 찾는 단계;를 포함하여 형성되는 것인바, 기판으로부터 투명전도막의 이탈 시점을 알려주는 저항센서를 이용하여 접착력 시험을 실시함으로써 투명전도막 접착력 시험을 정확하게 실시하여 제품의 평가 효율을 상승시키는 투명전도막의 접착력 시험방법을 제공하려는 것이다.

투명전도막(transparent conductive film)은 가시광선 영역에서 매우 투명한 동시에 높은 전기전도도를 가지고, 투명전도막의 가시광선 투과율은 통상 90% (일반 유리는 97% 이상) 이상이며 전기전도도는 약 10^-4 Ω·㎝ (금속은 10^-5∼10^-6 Ω·㎝)이다.

투명전도막으로 주로 사용되는 재료로는 SnO_2:F, ZnO:Al 및 In₂O₃Sn 등의 세라믹필름이 있으며 고분자화합물 형태로도 일부 응용되고 있고, 이러한 투명전도막은 에너지절감 코팅막, 표시소자, 솔라 셀, 각종 전자디바이스에 응용되고 있다. 응용 시 요구되는 특성으로는 높은 가시광선 투과율, 낮은 비저항, 환경내구성 및 접착력이 있다.

접착력(adhesion strength)이란 기판으로부터 코팅막을 분리시키는 스트레스, 달리 말하면 계면(interface)을 분리하여 두개의 표면(free surface)을 형성시키는데 필요한 일로 정의할 수 있다.

금속 재질의 공구 및 자동차용 엔진 블록에는 마모 방지를 위한 내마모 코팅막을 형성한다.

또한 최근 전자산업의 발달과 미세화로 다양한 금속 및 세라믹 물질을 기판에 코팅하여 전극으로 응용하고 있다.

코팅된 전극은 제조상의 문제 혹은 환경적인 원인으로 결함이 발생하거나 기판으로부터 분리(delamination)되어 전극의 전도도가 저하되거나 전자부품 및 디바이스의 고장을 일으키는 원인이 되고 있다.

따라서 제조 후 전극 코팅막의 부착력을 정밀하게 측정하고 여러 환경 요소 에 따른 부착력 변화에 대한 평가 및 개선으로 제품의 신뢰성을 상승시킬 수 있게 된다.

일반적으로 금속 전극막은 테이프시험(cross-cut tape test) 혹은 인장시험(tensile pull-off test)을 이용하여 부착력을 평가한다.

테이프시험은 금속막 표면에 일정 사이즈의 격자를 형성시키고 일정 강도로 테이프를 접착시킨 다음 일정한 하중으로 테이프를 제거할 때 뜯겨져 나온 필름의 면적으로 부착력의 크고 작음을 판단하는 방법이다.

인장시험은 솔더링이 가능한 금속막에 대한 부착력 평가방법으로 리드선을 금속막 표면에 솔더링하고 금속막이 코팅된 기판과 리드선에 인장응력의 부가하여 금속막이 분리되는 하중을 측정하여 부착력을 평가하는 방법이다.

상기 설명한 투명전도성 산화물막은 테이프시험으로는 기판으로부터 제거가 어렵고, ITO와 같은 투명전도막의 부착력 차이를 정밀하게 평가할 수 없는 문제점이 있었다.

또한 인장 시험할 때에 산화물막은 솔더링이 불가하며 혹은 에폭시를 사용하여 접착할 경우 리드선과 투명전도막의 분리가 쉬우므로 평가가 곤란한 폐단이 있었다.

최근 스크래치 시험으로 코팅막의 부착력을 평가하는 기법이 개발되었는데, 이 시험법은 일정 형상의 스타일러스(stylus)로 인가 하중을 변화시켜가며 코팅막의 표면에 스크래치를 형성시키며 발생하는 코팅막 파괴의 형태는 광학현미경으로 관찰하며 파괴가 발생하는 시점은 음향센서(acoustic sensor) 혹은 마찰력 (friction force) 변화를 측정하여 관측한다.

도 1은 종래의 스크래치 시험 장치로 코팅막의 부착력을 시험하기 위한 장치의 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래 스크래치 시험장치(1)는 제어부(7), 구동부(2), 로드셀(3), 완충부(4), 스타일러스(5), 음향센서(6) 등으로 구성되어 있다. 시험편(9)에 형성된 코팅막의 접착력을 평가하기 위해 우선 시험편(9)을 시험편홀더(8)에 견고하게 고정시킨 후, 스타일러스(5)를 코팅막 표면에 접촉시킨다.

일정 값의 하중을 스타일러스에 인가하여 유지시킨 다음, 목적 하중까지의 하중인가속도 및 스타일러스 이동속도를 프로그래밍한 후 평가를 실시한다.

실시한 예를 Si기판상에 코팅되어 있는 SiO₂막의 스크래치결과를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 SiO₂/Si 시험편에 대한 스크래치 평가 결과 그래프이다.

SiO₂/Si 시험편(9)을 시험편 홀더(8)에 견고하게 장착한 후 다이아몬드 재질의 스타일러스(5)를 SiO₂표면에 수직으로 10g의 하중을 인가하여 일정 시간 유지 시킨 후 100g까지 하중을 증가시키면서 1cm 길이만큼 표면에 스크래치를 형성하였다.

이때 제어부(7)는 로드셀(3) 및 음향센서(6)의 신호를 기록한다.

상기 로드셀(3)의 신호는 스타일러스(5)와 SiO₂/표면의 마찰력을 기록하며 이는 마찰계수(coefficient of friction)로 기록되고, 음향센서(6)의 신호(AE, acoustic emission)는 전압의 형태로 기록된다.

도 2의 그래프로부터 약 34g의 수직하중에서 음향신호 및 마찰력의 급격히 변화함을 볼 수 있고, SiO₂/Si 시험편의 코팅 부착력의 크기는 수직임계하중 34g로 평가될 수 있다.

그러나 음향신호 및 마찰계수 변화 측정으로 막의 부착력을 시험하는 경우, 코팅막이 소프트한 경우 코팅막의 파괴가 있더라도 음향 신호의 발생이 적어 임계하중 측정에 문제를 가져오며 코팅막과 스타일러스의 마찰력이 적은 경우도 역시 민감도가 저하되어 파괴가 발생하는 임계 하중의 정확한 검출에 어려움이 있었다.

특히 ITO와 같은 투명전도막의 접착력을 평가하기 위해 제3의 관찰 수단으로 저항센서를 도입하였다.

저항센서를 전도성의 스타일러스에 연결하고 다른 단자를 투명전도막 표면에 연결한다.

상기의 절차로 투명전도막에 스크래치를 형성시키며 접촉 저항을 측정하여 투명전도막이 파괴되는 임계 하중을 측정한다.

그러나 전도성 스타일러스는 투명전도막이 파괴되는 시점 전후 비교적 넓은 수직 하중 범위에서 계속적으로 투명전도막과 전부 또는 일부분 접촉하게 되어 저항의 노이즈가 심하게 발생하여 명확한 저항을 얻어낼 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있도록 하는 투명전도막의 접착 력 시험방법을 제공하려는 것이다.

본 발명은 투명전도막 접착력 시험방법은, 투명전도막을 기판상에 직사각형 모양으로 패터닝하여 시험편을 준비하고, 스타일러스에 하중을 가하면서 시험편으로 준비된 투명전도막에 스크래치를 형성하며, 스크래치를 형성할 때에 발생하는 음향값과 저항값을 측정하여 접착력의 임계하중을 찾는 방법에 있어서;
수직인가하중을 상승시켜가면서 파괴가 예상되는 하중범위를 찾는 단계와;
상기 예상 하중범위 내에서 일정 하중을 가하여 투명전도막(13)을 전도성 스타일러스(10)로 가로지르면서 스크래치 하되, 스크래치할 때 양단 저항값을 저항센서(14)로 측정하는 단계와;
전도성 스타일러스(10)에 다른 일정 하중을 가하여 투명전도막(13)을 긁으면서 양단 저항값을 저항센서(14)로 측정하는 과정을 반복 실시하여 투명전도막이 단락이 되는 임계하중을 찾는 단계;를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 투명전도막의 접착력 시험방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 상기목적들과 특징은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명에 의하여 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

첨부도면 도 3은 본 발명에 따른 스크래치 시험장치의 주요 요부를 도시한 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 스크래치 시험방법에 의해 시험한 결과를 보인 그래프이며, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 스크래치 시험방법에 의해 시험하는 과정을 보인 예시도이고, 도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 스크래치 시험방법에 의해 정확한 시험 값을 도출하는 과정을 보인 그래프이다.

본 발명은, 투명전도막 접착력 시험방법은 수직인가하중을 상승시켜가면서 파괴가 예상되는 하중범위를 찾는 단계와, 투명전도성 코팅막을 기판상에 직사각형 모양으로 패터닝하여 시험편을 준비하는 단계와, 상기 예상 하중범위 내에서 일정 하중을 가하여 투명전도막을 스타일러스로 가로지르는 단계와, 양끝 단자의 저항을 측정하는 단계와, 다른 일정 하중을 가하여 스타일러스로 투명전도막을 긁은 후 양단의 저항을 측정하는 과정을 반복하여 투명전도막이 단락이 되는 임계하중을 찾는 단계로 형성하였다.

이하 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3에 나타낸 바와 같이 전면에 투명전도막(13: 예로 ITO)이 코팅된 유리기판(12)을 시험편(11)으로 준비하고, 저항센서(14)를 전도성 스타일러스(10)와 투명전도막(13)에 연결하여, 투명전도막의 접착력시험장치를 완성하였다.

투명전도막(13)의 표면에 접촉되는 전도성 스타일러스(10)에 수직으로 10g의 하중을 인가하여 일정 시간 유지 시킨 후 100g까지 하중을 증가시키면서 1cm 길이만큼 표면에 스크래치를 형성시키며 저항센서 및 음향센서로부터의 신호를 기록하였다.

도 4는 상기와 같이 수행한 투명전도막(13)에 대한 스크래치의 시험 결과를 그래프로 나타낸 것이다.

인가된 하중범위에서 음향센서 신호는 거의 일정함을 알 수 있다.
즉, SiO₂/Si 시험편의 경우와 달리 ITO와 같은 투명전도막(13)이 비교적 소프트한 재질로 되어 시험이 진행되는 동안 높은 수직하중에서 파괴가 발생하였지만 주목할 만한 음향센서 신호는 검출되지 않았음을 알 수 있다.

이와 달리 전도성 스타일러스(10)에 약 60g의 수직하중이 인가되었을 때부터 저항 값이 상승함을 확인할 수 있는데, 이는 이 하중 이상에서 파괴가 일어나고 있음을 나타내는 것이다.

약 85g 이상의 하중에서 저항값은 급격히 상승하였으며, 100g의 수직하중에서 저항치(값)는 포화상태가 됨을 확인할 수 있다.
100g의 수직하중에서의 저항값은 약 0.28㏀을 나타내었는데, 이는 전도성 스타일러스(10)가 투명전도막을 파괴하여 일부 하부 유리기판에 접촉되었거나 측면부위와 투명전도막이 일부 접촉하기 때문에 어느 정도의 저항값을 나타내게 되는 것이다.

또한 접촉이 일정하지 않기 때문에 신호에 노이즈가 다소 발생하게 된다.

도 5는 상기와 같은 시험 과정으로 투명전도막에 형성된 전도성 스타일러스 (10)의 자취를 단면으로 나타낸 모식도이다.

인가된 수직하중이 상승함에 따라 전도성 스타일러스(10)는 투명전도막(13)의 표면을 점진적으로 파괴하면서 투명전도막(13)과 유리기판(12)의 경계면 부근으로 접근하게 된다.

투명전도막(13)의 표면 파괴가 진행됨에 따라 투명전도막(13)과 전도성 스타일러스(10)의 양단 저항은 상승하게 되는데, 이는 투명전도막(13)의 미세구조가 파괴 즉, 거칠어지기 때문이다.

전도성 스타일러스(10)이 투명전도막(13)의 깊이 방향으로 이동함에 따른 저항 영역(대)을 도 4의 I, II 및 III으로 구분하였다.

이로부터 II와 III 영역 사이의 수직하중에서 투명전도막(13)의 접착력이 결정될 수 있음을 알 수 있다.

II 영역에서 투명전도막(13)의 파괴가 급속히 진행됨을 알 수 있으며, III 영역에서 투명전도막이 완전 파괴되어 전도성 스타일러스(10)와 유리기판(12)이 접촉하게 되어 저항의 추가적 변화가 없게 된다.

따라서 II 영역의 수직하중에 대해 저항변화가 가장 큰 즉, 변화 곡선의 기울기가 가장 큰 하중 87g를 하한치로 하고, 저항 변화가 없는 III 영역 내 수직하중의 시작점 97g를 상한치로 하여, 투명전도막(13)의 접착력을 나타내는 예상 하중 범위를 87-97g로 추정할 수 있다.

또한 상기와 같이 설명한 시험 단계로부터 추정한 임계하중 범위 내에서 투명전도막(13)의 파괴가 일어나는 임계하중을 정밀하게 측정하기 위해 도 5와 같이 투명전도막(13)의 띠를 유리기판(12)상에 다수 마련하였다.
투명전도막(13)의 띠는 폭을 1cm, 길이를 3cm이상으로 함이 바람직하며, 투명전도막(13)의 두께는 증착법에 따라서 달리하지만 통상 200-1000nm의 범위를 가지도록 하였다.

투명전도막의 두께에 따라 접착력을 나타내는 하중의 차이가 발생함을 예상할 수 있으며 이는 투명전도막이 사용되는 응용 제품별로 각각 평가되므로 접착력 시험 평가할 때 두께에 대한 정보를 기록함이 바람직하다.

투명전도막(13)의 띠를 유리기판(12)상에 형성하기 위한 방법으로는 형성하고자 하는 띠의 형상을 가지고 있는 금속 재질의 마스크를 이용하여 띠를 형성하는 방법 및 유리기판 전면에 투명전도막을 코팅하고 원하는 크기의 형상을 제외한 나머지 투명전도막의 영역을 에칭하여 제거하는 사진식각공정을 이용할 수 있다.

저항센서(14)를 투명전도막(13)의 양 끝단에 연결시키고, 스타일러스에는 음향센서(6)를 연결하였다.

이때 스타일러스는 비전도성의 재질로 됨이 바람직한데, 이는 이유는 전도성일 경우 스타일러스를 통해 전류가 통하며 불규칙한 접촉으로 인해 정밀하게 저항값을 확보할 수 없기 때문이다.

앞서 추정한 임계하중의 범위 87-97g 내에서 하한치 하중을 스타일러스에 가하여 투명전도막 시험편 1의 좌측에 유리기판(12)과 접촉시킨다.

이때 접촉시키는 부분의 위치는 시험편들의 사이 간격에 따라 다르며, 투명전도막 시험편 모서리에서 약 1mm 떨어진 곳을 정함이 바람직하다.

87g의 일정 수직하중을 가하여 도 6의 화살표 방향으로 스타일러스를 시험편 1을 가로질러 스크래치 한 후 결과 그래프를 도 7에 나타내었다.

도 6의 결과에서 음향센서의 신호는 거의 없음을 볼 수 있고, 이와 비슷하게 저항센서의 신호 역시 약한 요동만 있을 뿐 전체적으로 큰 변화는 보이지 않고 시험편 1의 양단의 저항은 약 0.12㏀으로 유지되었음을 볼 수 있다.

이는 시험편 1의 87g의 수직하중에서 투명전도막(13)의 표면 중 일부만이 파괴되었음을 나타내는 것이고, 따라서 투명전도막을 파괴하여 유리기판으로부터 분리시키기 위해 더 높은 하중이 필요함을 알 수 있다.

상기와 같은 측정의 반복을 줄이기 위해 중간 값 92g를 선택한다.

도 8은 스타일러스에 수직하중 92g를 인가하여 투명전도막 시험편 2에 대해 상기와 동일한 방법으로 스크래치 시험을 수행한 결과이다.

1cm 폭을 가진 시험편 2를 스타일러스가 가로질러 스크래치를 형성하는 동안 초기에는 저항 값이 약 0.17㏀으로 유지되었으며 스타일러스가 시험편 2를 거의 지 나는 때 점진적으로 저항이 상승하다 최종적으로 저항은 약 0.475㏀의 값을 나타내었다.

사용된 저항센서의 측정상한치는 100㏀으로 이 경우 시험편 2의 폭 방향에서 볼 때 투명전도막은 완전히 파괴되어 끊어지지 않았음을 보여준다.

따라서 92g 이상의 수직하중으로 시험하여 실제 임계하중에 근접하도록 하여야한다. 92-97g 범위의 중간 값인 94.5g를 선택한다.

도 9는 스타일러스에 수직하중 94.5g를 인가하여 투명전도막 시험편 3에 대해 상기와 동일한 방법으로 스크래치 시험을 수행한 결과이다.

1cm 폭을 가진 시험편 3을 스타일러스가 가로질러 스크래치를 형성한 후 최종적으로 저항은 약 100㏀의 값을 나타내어 시험편 3이 폭 방향으로 완전히 파괴되어 끊어졌음을 나타낸다.

즉, 시험편 3을 도선으로 볼 때 단락이 된 상태와 동일하다.

또한 인가된 수직하중 94.5g의 경우 이 이하의 하중에서 투명전도막의 파괴가 일어 날 수 있으므로 시험편 4에 대해 92g 이상 94.5g 범위의 중간치인 93.25g의 수직하중에 대해 상기와 동일한 방법으로 시험하여 오차를 줄여나가며 4번의 스크래치 과정을 통해 1g 이내의 오차범위로 수직하중을 측정할 수 있게 된다.

통상적으로 코팅막의 부착력을 평가하는 코팅막 파괴시의 임계수직하중을 측정함에 있어 1%의 정밀도를 가지면 되므로 상기와 같은 과정으로 5회 내지 10회 이내의 시험을 통하여 상기 정밀도를 가지는 부착력 측정을 할 수 있게 된다.

또한 1회 시험에 소요되는 시간은 약 1분 정도로 투명전도막 띠를 다수 형성 하여 자동적으로 측정하므로 매우 짧은 시간 내에 시험을 종료시키면서 더욱 정확한 접착력 시험 값을 알아 낼 수 있는 것이다.

본 발명에서는 구체적인 실시한 예에 대하여 설명했지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함을 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 투명전도막의 접착력 시험방법을 제공하여 수직인가하중을 상승시켜가면서 저항센서에 의해 파괴가 예상되는 하중범위를 찾고, 직사각형 모양으로 패터닝한 다수의 투명전도막 시험편을 준비하고, 예상되는 하중범위 내에서 일정 하중을 준비된 다수의 투명전도막 시험편에 반복적으로 가하여 범위를 좁혀 줌으로서 저항센서에 의해 측정되는 저항값으로 임계하중을 짧은 시간에 정밀하게 측정할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 투명전도막을 기판상에 직사각형 모양으로 패터닝하여 시험편을 준비하고, 스타일러스에 하중을 가하면서 시험편으로 준비된 투명전도막에 스크래치를 형성하며, 스크래치를 형성할 때에 발생하는 음향값과 저항값을 측정하여 접착력의 임계하중을 찾는 방법에 있어서;

   수직인가하중을 상승시켜가면서 파괴가 예상되는 하중범위를 찾는 단계와;

   상기 예상 하중범위 내에서 일정 하중을 가하여 투명전도막(13)을 전도성 스타일러스(10)로 가로지르면서 스크래치 하되, 스크래치할 때 양단 저항값을 저항센서(14)로 측정하는 단계와;

   전도성 스타일러스(10)에 다른 일정 하중을 가하여 투명전도막(13)을 긁으면서 양단 저항값을 저항센서(14)로 측정하는 과정을 반복 실시하여 투명전도막이 단락이 되는 임계하중을 찾는 단계;를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 투명전도막의 접착력 시험방법.

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