KR101091887B1

KR101091887B1 - 고전도성 및 투광성을 갖는 다이아몬드성 카본 코팅 및그의 제조 방법

Info

Publication number: KR101091887B1
Application number: KR1020040073066A
Authority: KR
Inventors: 신승도
Original assignee: 신승도
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2011-12-12
Also published as: KR20060024180A

Abstract

본 발명은 전도성 투명 DLC 코팅 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 전도성 DLC 코팅을 형성할 때, 베릴륨을 DLC 코팅에 도핑함으로써 통상적으로 부도체인 DLC 코팅에 전도성을 부여한다. 본 발명에 의해 합성된 DLC 코팅은 10¹⁰Ωcm 이상의 비저항값을 가지는 통상의 DLC 코팅에 비해 비저항치가 10^-3 Ωcm 이하로 대폭 감소하였으며 85% 이상의 우수한 광투과도를 나타내었다.

다이아몬드성 카본(DLC), 전도성,투광성, 베릴륨, ITO, 평판 디스플레이, 태양전지, LCD, PDP, 터치 스크린, 유리

Description

고전도성 및 투광성을 갖는 다이아몬드성 카본 코팅 및 그의 제조 방법{TRANSPARENT DIAMODND LIKE CARBON COATING WITH HIGH CONDUCTIVITY AND FABRICATION METHOD THEREOF}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드성 카본 코팅 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

<도면의 부호에 대한 간략한 설명>

100 : DLC 코팅 제조 장치 110 : 고주파(RF) 발생장치

120 : 챔버 121 : 기판

122 : 기판 홀더 123 : 열전대

124 : 진공 게이지 125 : 가스 도입구

126 : 전자빔 증발기 127 : 가스 배출구

본 발명은 다이아몬드성 카본 코팅 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 전도성을 갖는 다이아몬드성 카본 코팅 및 그의 제조 방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 전도성 및 투광성을 가져 투명 전극 재료로 사용되기에 적합한 다 이아몬드성 카본 코팅의 합성 방법에 관한 것이다.

다이아몬드성 카본(diamond-like carbon, DLC) 코팅은 우수한 투명성과 경도를 가지지만 저항이 10¹⁰Ωcm 이상으로 매우 높아서 도전막으로 사용할 수 없었다. 지금까지 합성된 DLC 코팅 중에서 가장 낮은 비저항 값은 하루히사(Haruhisa) 등(Journal of Applied Physics, Vol 89, No 5, 2037-41. March 2001)에 의해 i-C₄H₁₀과 질소를 사용하여 합성된 DLC 코팅의 경우 약 0.17 Ωcm이다. 그러나, 이는 전극으로 사용하기에는 지나치게 높은 값이다.

한편, LCD, PDP, 터치 스크린과 같은 평판 디스플레이나 태양전지 등의 제조에 있어서 필수적인 재료로 전도성 투명 코팅이 사용되고 있다. 현재까지 전도성 투명 코팅은 ITO를 기본소재로 사용하여 왔다. 그러나, ITO의 구성성분인 인듐이 매우 고가여서 제품의 코스트에서 막대한 비중을 차지하고 있는 실정이다. 또한 ITO 박막의 제조공정에는 스퍼터링 법이 주로 이용되는데 이는 기판의 크기에 필적하는 고가의 ITO 타겟을 주기적으로 교체하는 데에 많은 비용이 소요되며 고가의 복잡한 장비를 필수적으로 요구한다.

이와 같은 이유로 평판 디스플레이나 태양전지의 제조시 ITO 박막의 합성에 과다한 비용이 소요되는 문제를 해결하고자 지금까지 대체물질이나 새로운 공정의 개발에 많은 노력이 기울여져 왔다. 현재까지 대체물질로 개발된 TiO, NiO, ZnO 등은 모두 투명도나 전도성이 ITO에 크게 못 미치는 문제가 있어서 평판 디스플레이나 태양전지의 제조 공정에 적용되지 못하고 있다.

따라서 DLC 박막에 높은 전기 전도성을 부여할 수 있다면 ITO에 비해 낮은 단가와 높은 기계적 특성을 가지는 DLC 코팅은 ITO를 대체하여 평판 디스플레이와 태양전지의 제조에 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명은 높은 전기 전도도를 지닌 DLC 코팅 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 높은 수준의 전기 전도도와 함께 투광성을 지녀 투명전극으로 사용가능한 DLC 코팅 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 DLC 코팅은 베릴륨을 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 DLC 코팅내의 베릴륨 함량은 0.001 at% ~ 10 at%, 보다 바람직하게는 0.001at% ~ 1 at%인 것이 좋다. 베릴륨 함량이 0.001 at% 이하인 경우에는 전기 저항이 커지는 문제가 있으며 1 at% 이상인 경우에는 DLC 코팅의 투명도가 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명에서 상기 DLC 코팅은 1 Ωcm 이하의 비저항을 가질 수 있으며, 전극 재료로 사용되기 위해 보다 바람직하게는 10^-1 Ωcm이하, 예컨대 10^-1 ~ 10 ^-5Ωcm 범위의 비저항을 가질 수 있다.

본 발명에서 상기 DLC 코팅의 제조 방법은 통상의 DLC 제조 방법과 유사하나 베릴륨을 DLC 코팅에 개재시키는 방법에 있어서 상이하다.

베릴륨을 도핑하는 방법은 DLC 코팅의 증착과 동시에 베릴륨을 증발시켜서 DLC 코팅에 개재시킬 수 있으며 순수한 DLC 코팅을 먼저 증착한 이후에 베릴륨을 이온 주입 등의 방법으로 도핑할 수도 있다.

본 발명에서 DLC 코팅이 형성되는 모재는 평판 디스플레이용 유리와 태양전지용 실리콘 기판에 한정되지 않으며 기타 전도성과 투명도를 요구하는 금속, 결정질 세라믹 재료 및 비정질 세라믹 재료의 기판을 포함한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상술한다.

본 발명의 명세서에서 사용되는 용어의 정의는 다음과 같다.

먼저, 'DLC'란 다이아몬드성 카본(Diamond-like Carbon)의 약어로서 탄소와 수소를 주성분으로 하여 제조된 비정질 상태의 경질 재료를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용되는 DLC 코팅 제조 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 기판(121)과 같은 피복 대상 물질은 상기 장치의 챔버(120) 내에 구비된 기판 홀더(122)에 장착된다. 기판(121)에는 고주파(RF) 발생장치(110)에 의해 13.56 MHz의 고주파가 가해진다. 가해진 고주파에 의해서 기판(121) 주위에 형성된 플라즈마에 의해 탄화수소와 수소 가스가 분해되어 기판에 DLC 코팅으로 증착된다. 이때 전자빔 증발기(e-beam evaporator, 126)에 의해 베릴륨이 휘발되어 증착되는 DLC 코팅 내에 도핑된다.

또한 상기 장치(100)는 DLC 코팅의 원료가스인 메탄 등의 탄화수소 가스와 수소, 플라즈마 제어용 분위기 가스인 아르곤 등을 유입하기 위한 하나 또는 그 이 상의 가스 도입구(125)와 유입 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(127)를 구비하고 있다. 또한 상기 장치(100)에는 진공을 유지하기 위하여 로터리 펌프(130)와 고진공용 터보-분자 펌프(turbo-molecular pump, 140)가 구비되어 있다. 기타, 상기 장치(100)의 챔버(120)에는 챔버(120) 내부의 진공도를 측정하기 위한 진공 게이지(124)와 기판의 온도 측정을 위한 열전대(123)가 구비되어 있다.

상기 장치는 DLC 코팅의 제조에 가장 널리 사용되는 RF-PECVD를 기본으로 하지만 베릴륨을 증발시키기 위한 증발기(126)가 부가된 점에서 상이하다.

물론, 본 발명의 투명 DLC 코팅의 제조에는 상기 RF-PECVD 외에도 DC, 마이크로웨이브(microwave) 등의 기존 DLC 코팅의 합성에 사용되는 여러 가지 방법들이 사용될 수 있다. 또한 베릴륨의 증발에도 아크(arc), 누센 셀(Knudsen cell) 등이 사용될 수 있으며, 상기 Be은 고체 상태로부터의 증발 외에 BeH₂ 등의 가스 상태로 도입될 수도 있다. 이와 같은 기존의 DLC 코팅 제조 방법과 고체의 증발 방법에 대해서는 이 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 손쉽게 실시할 수 있는 정도의 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 실시예가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.

제1 실험예

20mm×20mm×0.7mm인 코닝(Corning) 1737 글라스(glass)에 RF-PECVD 법으로 DLC 박막을 증착하였다. 증착조건은 기판온도 150 ℃, CH₄ 5 sccm, Ar 45 sccm, H₂ 50 sccm, 증착압력 100 mTorr 이었으며 기판에는 200 W, 13.56 MHz의 고주파가 인가되었다. 이때 베릴륨을 기판 아래에 위치한 전자빔 증발기(e-beam evaporator)의 전류량을 조절하며 증발시켜 0.05 at%의 베릴륨이 도핑된 0.1 μm 두께의 DLC 박막을 합성하였다.

비교 실험예 1

제1 실험예와 동일한 조건에서 베릴륨을 증발시키지 않고 0.1 μm 두께의 DLC 박막을 합성하였다.

제2 실험예

제1 실험예와 동일한 조건에서 베릴륨의 함량이 0.001 at%인 0.1 μm 두께의 DLC 박막을 합성하였다.

제3 실험예

제1 실험예와 동일한 조건에서 베릴륨의 함량이 1 at%인 0.1 μm 두께의 DLC 박막을 합성하였다.

상기 실시예들과 비교 실험예를 통하여 얻어진 DLC 박막들에 대하여 비저항치와 가시광선에서의 평균 광투과도(average visible transmittance)를 비교한 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

베릴륨 함량(at%)	비저항(Ωcm)	광투과도(%)
0.05 (제1 실험예)	7.3x10^-4	85
0 (비교 실험예 1)	8.1x10¹⁰	87
0.001 (제2 실험예)	4.6x10^-1	86
1 (제3 실험예)	6.7x10^-5	45

상기 표 1에서 알 수 있듯이 베릴륨이 DLC 박막에 도핑됨으로 인해 비저항치가 급격히 감소하여 절연막이었던 기존의 DLC 박막이 우수한 전기 전도도를 나타내는 도전막으로 변하게 된다. 베릴륨의 함량이 증가할수록 전도도는 향상되지만 광투과도는 낮아지게 되므로 베릴륨 함량은 0.001 이상에서 1 at% 이하로 조절할 필요가 있다.

본 발명에 따르면, 높은 전도성을 갖는 DLC 코팅을 제공할 수 있다. 본 발명의 DLC 코팅은 기존 전극 재료를 대체하거나 기존 전극 재료의 표면 보호 재료로 사용되는 경우 전극 재료로서의 전도성을 유지하는 동시에 DLC가 갖는 우수한 기계적 특성을 활용할 수 있다.

또한, 본 발명의 DLC 코팅은 높은 전도성을 갖는 동시에 높은 투광성을 가지므로 ITO 등을 대체하는 투명 전극재료로 사용되기에 적합하다. 본 발명의 DLC 코팅은 ITO에 준하는 수준의 전도성을 갖는 동시에 높은 화학적 저항성, 기계적 특성 및 광학적 특성을 가지므로 종래의 투명 전극 재료를 대체하기에 적합하다.

Claims

모재상에 형성되며, Be을 함유하는 다이아몬드성 카본 코팅으로서, 상기 코팅은 비저항이 1 ~ 1×10^-5 Ωcm인 것을 특징으로 하는 다이아몬드성 카본 코팅.
제1항에 있어서, 다이아몬드성 카본 코팅 내의 베릴륨 함량이 0.001에서 10 at%인 것을 특징으로 하는 다이아몬드성 카본 코팅.
제1항에 있어서,

상기 모재는 금속, 다결정 세라믹 및 비정질 세라믹로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 최소한 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 다이아몬드성 카본 코팅.
삭제
제1항에 있어서,

상기 코팅은 광투과도가 80% 이상인 것을 특징으로 하는 다이아몬드성 카본 코팅.
삭제
삭제