KR101040175B1 - 연성 기판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연성 기판의 제조 방법에 대한 것으로서, 이 방법은 연성 기판 위에 무기폴리머를 포함하는 전구체를 도포하는 단계, 상기 무기폴리머를 포함하는 전구체를 경화하는 단계, 그리고 경화된 상기 무기폴리머를 포함하는 전구체의 표면을 산화하여 산화막을 형성하는 단계를 포함한다. 따라서, 한번의 박막 도포만으로도 유/무기 배리어막을 형성할 수 있으며, 이때, 사용되는 산소 플라즈마 처리나 적외선/오존 처리는 모두 상압에서 가능하므로 진공장비가 필요 없어 공정 비용뿐 아니라 장비 비용도 절감할 수 있다.
연성 기판, 보호막, 베리어, 플라스틱 기판, 표면처리, 무기 폴리머

Description

연성 기판 및 그의 제조 방법{THE FLEXIBLE SUBSTRATE AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 연성 기판의 제조 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 배리어막이 형성되어 있는 연성 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 연성 디스플레이(flexible display) 또는 연성 전자소자(flexible or plastic electronics) 등의 기판으로 사용될 수 있는 플라스틱의 배리어막 형성 방법에 관한 것이다.
플라스틱과 같은 연성 기판은 유리와는 달리 가볍고 충격에 강하여 쉽게 깨질 염려가 없고, 휘어진 면에 부착할 수 있으며, 궁극적으로는 말거나 접을 수 있는 장점이 있다.
이러한 플라스틱 기판 위에 디스플레이 또는 유연한 전자 소자를 제조하게 되면 기존의 대화면도 말아서 부피를 작게 하는 것이 가능하며 떨어뜨려도 쉽게 깨지지 않고 가벼우므로 휴대용 디스플레이로 사용할 수 있다.
또한 필요한 곳에 부착면에 따라 설치할 수 있어서 기존의 유리 기반 디스플레에 비하여 다양하게 사용이 가능하다. 또한 플라스틱 위에 전자소자를 형성하는 플렉시블 또는 프린터블 전자소자(flexible or printable electronic devices)도 향후 매우 중요한 전자소자가 될 것이다.
일반적인 플라스틱을 기판으로 사용하는 디스플레이 또는 각종 전자 소자의 경우, 기판 상에 유기물을 이용하여 소자를 형성한다.
그러나 일반적으로 유기물은 산소와 수분에 의해 쉽게 열화되는 특성이 있으므로 소자의 형성 후, 외부의 산소와 수분을 차단하는 봉지(encapsulation) 기술이 중요하게 된다.
플라스틱의 유연성을 유지하기 위해서는 소자의 형성 후, 박막 패시베이션(thin film passivation) 등의 기술을 이용하여 이러한 투습/투산소 특성을 확보할 수 있다. 그러나 플라스틱 기판은 하부 기판으로부터의 산소/수분의 투과를 완벽하게 차단할 수 없으므로, 소자 형성 후의 투습/투산소뿐만 아니라 기판에서의 투습/투산소를 막기위 한 기판 배리어의 형성도 매우 중요하다.
플라스틱 기판의 유연성 및 광투과성 등을 유지하면서 이러한 투습/투산소 특성 차단을 위하여 종래에는 유기/무기 이중막을 기본으로 하는 다중막을 사용하는 방법이 제안되어 있다. 이는 유기막의 유연성과 무기막의 투습/투산소 방지 특성을 조합한 것으로 이를 다중막으로 형성하는 경우 매우 우수한 투습/투산소 방지 특성을 나타내고 있다.
이와 같은 배리어막을 형성하기 위하여, 일반적인 레진 또는 폴리머 코팅 법을 이용하여 플라스틱 기판 위에 유기막을 형성한 후, 자외선(UV)이나 열을 이용하여 경화한다. 상기 형성된 유기막 위에 스퍼터법(sputtering), 원자선 증착법(atomic layer deposition, ALD) 이나 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등을 이용하여 실리콘 산화막(silicon oxide), 실리콘 질화막(silicon nitride), 알루미늄 산화막(aluminum oxide) 등의 무기막을 연속하여 증착한다. 그러나 유기막의 도포 및 경화는 상압에서 이루어지는데, 이에 스퍼터(sputter)법, 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)법을 이용한 무기막의 증착을 하여야하므로 공정이 복잡하고 상압과 진공 상태를 교대로 진행해야 하는 어려움이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유/무기 복합막을 한번의 도포와 후속 처리로 형성하는 것이다.
본 발명에 따른 연성 기판의 제조 방법은 연성 기판 위에 무기폴리머를 포함하는 전구체를 도포하는 단계, 상기 무기폴리머를 포함하는 전구체를 경화하는 단계, 그리고 경화된 상기 무기폴리머를 포함하는 전구체의 표면을 산화하여 산화막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 전구체를 경화하는 단계는 상기 전구체를 광경화하거나, 열경화할 수 있다.
상기 산화막을 형성하는 단계는 상기 경화된 무기폴리머가 포함된 전구체에 상기 산소 또는 산소혼합기체를 플라즈마 하거나, 적외선/오존으로 처리할 수 있다.
상기 산화막의 형성 단계는 상압에서 이루어질 수 있다.
상기 전구체는 실록산, 메탈록산 또는 상기 실록산, 메탈록산과 고분자의 혼합물일 수 있다.
상기 경화 및 산화막 형성하는 단계는 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 연속 진행할 수 있다.
상기 전구체의 도포, 경화 및 산화막 형성의 단계를 1회 이상 반복 수행하여 다층막을 형성할 수 있다.
상기 산화막의 농도가 상기 기판으로 갈수록 낮아질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연성 기판은, 기판, 무기폴리머를 포함하며, 상기 기판 위에 형성되어 있는 유기막, 그리고 상기 유기막 위에 형성되어 있는 산화막을 포함한다.
상기 유기막과 산화막은 단일층으로 형성되며, 상기 기판으로 갈수록 상기 산화막의 농도가 낮아질 수 있다.
상기 기판은 적어도 2층의 상기 유기막과 산화막을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연성 기판 상에 유/무기 다층박막을 이용한 배리어막을 간단하게 형성할 수 있으며, 점진적인 유/무기 복합 배리어막을 형성할 수 있다.
특히 한번의 박막 도포만으로도 유/무기 배리어막을 형성할 수 있으며, 이때, 사용되는 산소 플라즈마 처리나 적외선/오존 처리는 모두 상압에서 가능하므 로 진공장비가 필요 없어 공정 비용뿐 아니라 장비 비용도 절감할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도 1을 참고하여 본 발명의 연성 기판을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 배리어막을 포함하는 연성 기판의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 연성 기판은 플라스틱 기판(100) 상에 배리어막(200)을 포함한다. 이러한 배리어막(200)은 플라스틱 기판(100) 위에 형성되어 있는 유기막과 유기막 위에 형성되어 있는 무기막의 단일층을 포함한다.
무기막은 유기막과 점진적 조성 변화되어 있을 수 있으며, 이러한 연성 기판은 유기막의 산소 플라즈마 또는 UV/오존 처리 과정으로 산소의 침투 깊이에 따라 자연스럽게 농도 차를 가지는 무기막을 형성하게 함으로써 분리되지 않는 단일층의 배리어막(200)을 형성하게 되는 것이다.
이와 같은 배리어막(200)은 도 1과 같이 유기막과 무기막의 단일층이 둘이상적층되어 있는 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 복수의 층을 가지는 배리어막(200)을 포함하는 연성 기판은 유기막의 유연성과 무기막의 투습/투산소 방지 특성이 조합된 단일층을 복층으로 형성하여 매우 우수한 투습/투산소 방지 특성을 가진다.
이하에서는 도 2 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 연성 기판을 제조하는 과정을 설명한다.
플라스틱과 같은 유연성을 가지는 기판(100) 위에 배리어막을 형성하기 위하여 전구체(210)를 도포한다.
이때, 전구체(210)로 무기폴리머(inorganic polymer)를 사용하며, 실록산(siloxane) 또는 메탈록산(metaloxane)을 기반으로 하는 무기폴리머 또는 이러한 물질과 다른 일반 고분자를 혼합(blending)한 혼합물을 사용한다.
메탈록산은 실록산에서 실리콘 대신 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr) 등이 가능하다. 이러한 무기폴리머인 실록산 혹은 메탈록산은 다음과 같은 기본식의 반복구조로 구성된다.
Figure 112008085287316-pat00001
여기서 R 및 R1은 수소 또는 알킬기(alkyl)가 가능하며, R 혹은 R1은 동일한 구조일 수 있다. M은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등이 가능하다.
위의 기본식에서 M은 무기물이므로 화합물은 무기폴리머이나, 일반적인 폴리머가 가지고 있는 유기물의 특징을 갖는다. 즉, M 주변에 결합하고 있는 R 형태의 유기물이 이러한 유기물의 특징을 갖게 하는 데, 이 R이 분리되어 산소로 치환된다면 일반적인 산화막이 형성된다.
이때, 무기폴리머와 혼합될 수 있는 고분자는 열가소성 수지로서 폴리실록산, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-부텐 공중합체, 에틸렌-헥센 공중합체, 에틸렌-옥텐 공중합체, 에틸렌-노르보르넨 공중합체, 에틸렌-드몬 공중합체, 폴리프로필렌, 에틸렌-아세트산 비닐 공중합체, 에틸렌-메틸메타아크릴레이트 공중합체, 폴리에스테르 (나일론-6, 나일론-6,6, 메타자일렌디아민-아디프산 축중합체), 폴리메틸메타아크릴이미드 등의 아미드계 수지, 폴리메틸메타아크릴레이트 등의 아크릴 수지, 폴리스티렌, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 스티렌-아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 트리아세트산 셀룰로오스, 디아세트산 셀룰로오스 등의 소수화 셀룰로오스 계 수지, 폴리염화비닐, 폴리염화 비닐리덴, 폴리불화 비닐리덴, 폴리테트라플루오르에틸렌 등의 할로겐 함유 수지, 폴리비닐알코올, 에틸렌-비닐알코올 공중합체, 셀룰로오스 유도체 등의 수소 결합성 수지, 폴리카보네이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리메틸렌옥사이드, 폴리이미드 중에서 적어도 하나를 사용할 수 있다.
이와 같은 화합물은 사슬 형태의 폴리머(혹은 올리고머)이며 용매와 섞거나 직접 스핀 코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 바코팅(bar coating) 등 일반적인 도포 방법을 이용하여 도포가 가능하다.
다음으로 도 3a 또는 도3b와 같이, 도포된 전구체(210)에 광 또는 열을 가하여 가교반응을 일으킨다.
배리어막(200)을 형성하기 위한 무기폴리머, 즉, 실록산 또는 메탈록산 폴리머의 말단기를 조절하면 광 또는 열에 의한 가교 반응이 가능하다. 그러므로 상기 무기폴리머의 사슬을 조절하고, 광경화제 또는 열경화제 등을 첨가하여 경화 반응을 진행시킬 수 있다. 특히 광경화제를 사용하는 경우 공정이 매우 간단해지는 장점이 있다.
구체적으로, 전구체(210)를 도포한 후, 용매를 이용한 경우 포함되어 있는 용매를 제거하기 위한 전열처리 과정을 수행한다. 이러한 열처리 과정은 경화반응이 일어나지 않으면서 용매를 제거할 수 있는 온도이어야 하며, 일반적으로 50도에서 150도 이내에서 진행된다.
전열처리 과정을 거친 전구체(210)는 도 3a과 같이 광경화가 가능하도록 설계된 경우, 적외선(300)을 이용하여 광경화를 진행하고, 도 3b과 같이 열경화가 가능하도록 설계된 경우, 열처리(310)를 하여 열경화를 진행한다.
본 공정을 통해 상기 전구체(210)는 가교 반응을 거쳐 치밀한 구조를 갖게 되고, 경화도가 높을 경우 각종 용매에 대한 내성이 강화된다.
플라스틱을 위한 적절한 열경화는 플라스틱 기판의 열적 특성을 고려해 200 도 이하에서 진행하는 것이 바람직하다. 또한 광경화의 경우 적외선에 의해 플라스틱 기판의 손상이 없어야 한다.
다음으로, 도 4와 같이 경화된 전구체(210)에 표면처리를 수행한다.
이러한 배리어막(200)을 이루는 전구체(210)의 표면처리는 산소 또는 산소혼합가스를 이용한 플라즈마를 수행하여 이루어질 수 있다.
이 과정에서 무기폴리머, 즉, 실록산 또는 메탈록산의 구조에서 R2, 알킬기가 산소로 치환되어 다음의 반응식1과 같은 반응이 일어난다.
R2-M-O + R2-M-O ■ R2O + -O-M-O-M-O-
이 과정은 도포된 무기폴리머의 표면에서 M에 해당하는 메탈에 결합되어 있는 R인 알킬기 등의 유기물 부분을 산소에 의해 제거하고, 이 결합을 산소로 대체하여 결국 산화막을 형성하는 것이다. 이러한 반응을 거치게 되면 전구체(210)로 도포된 무기폴리머, 즉, 실록산 또는 메탈록산막의 상부에는 유기물이 제거된 상태에서 표면에 산화막이 형성된다. 이는 하부의 유기막의 성질을 갖는 무기폴리머(메탈록산) 위에 간단하게 무기막이 형성되는 것과 같다.
이러한 산소 플라즈마 공정은 일반적인 진공장비를 사용하여 진행할 수도 있지만 상압 플라즈마 장비를 이용하는 경우 기판을 상압에서 진공으로 옮기면서 생기는 문제없이 진행할 수 있다. 한편, 이와 같은 표면 산화막 형성은 플라즈마 공 정뿐만 아니라 UV/오존 처리를 통해서도 가능하다.
이와 같이 산화막을 형성하는 경우, 배리어막을 형성하는 일반적인 방법인 유/무기 적층법과 같은 효과를 나타낸다. 즉, 유기막에 해당하는 메탈록산막을 도포하고 이 막의 표면을 다시 산화시킴으로써 무기막을 형성하는 효과를 나타낸다.
이때, 도 5와 같이, 산소 플라즈마 또는 UV/오존의 처리 공정에서 산소의 침투 깊이에 의해 자연스럽게 농도차이가 생겨 분리된 두 막이 아닌 단일막에서 농도 차에 의한 점진적 조성 변화막(graded composition film)을 형성할 수도 있다.
색이 진한 부분은 산화막의 농도가 높은 부분으로 도 4의 처리 과정에서 위에서부터 아래 방향으로 농도의 기울기가 저절로 형성되는 것을 볼 수 있다.
도 6은 도 2 내지 도 4의 단순화된 공정을 나타내는 모식도이다.
도 6과 같이, 롤투롤(roll-to-roll) 방식을 사용하는 경우, 롤(500) 사이에 위치한 컨베이어(510) 상에 연속적으로 플라스틱 기판을 놓고, 반대쪽 롤(500)로 컨베이어(510)가 진행하면서 정해진 위치에서 무기폴리머(10) 적층, 광 또는 열(300) 경화, 표면처리(400)를 상압에서 수행함으로써 별도의 이동 없이 유기막과 무기막의 단일층을 가지는 배리어막을 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연성 기판의 단면도이다.
도 2a 내지 도 5는 도 1의 연성 기판을 제조하는 단계를 설명하는 단면도이다.
도 6은 롤투롤 방식으로 도 1의 연성 기판을 제조하는 모식도이다.

Claims (11)

  1. 연성 기판 위에 무기폴리머를 포함하는 전구체를 도포하는 단계,
    상기 무기폴리머를 포함하는 전구체를 경화하는 단계, 그리고
    경화된 상기 무기폴리머를 포함하는 전구체의 표면을 산화하여 산화막을 형성하는 단계
    를 포함하는 연성 기판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전구체를 경화하는 단계는
    상기 전구체를 광경화하거나, 열경화하는
    연성 기판의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화막을 형성하는 단계는
    산소 또는 산소혼합기체를 이용하여 상기 경화된 무기폴리머가 포함된 전구체를 플라즈마 처리하거나, 적외선/오존으로 처리하는
    연성 기판의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화막의 형성 단계는 상압에서 이루어지는
    연성 기판의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전구체는 실록산, 메탈록산 또는 상기 실록산, 메탈록산과 고분자의 혼합물인
    연성 기판의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경화 및 산화막 형성하는 단계는 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 연속 진행하는
    연성 기판의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전구체의 도포, 경화 및 산화막 형성의 단계를 1회 이상 반복 수행하여 다층막을 형성하는
    연성 기판의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 산화막의 농도가 상기 기판으로 갈수록 낮아지는
    연성 기판의 제조 방법.
  9. 기판,
    무기폴리머를 포함하며, 상기 기판 위에 형성되어 있는 유기막, 그리고
    상기 유기막 위에 형성되어 있는 산화막
    을 포함하는 연성 기판.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유기막과 상기 산화막은 단일층으로 형성되며, 상기 기판으로 갈수록 상기 산화막의 농도가 낮아지는
    연성 기판.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기판은 적어도 2층의 상기 유기막과 산화막을 포함하는
    연성 기판.
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