KR101104831B1 - 광학 코팅 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학기재에 무반사를 위해 적용되는 광학 필름 코팅 방법에 관한 것으로 광학 기재 표면을 세척하는 단계; 상기 기재 표면에 수산화이온 제공제 또는 불소이온 제공제를 포함하는 준금속 산화물 나노입자 수분산액의 코팅용액을 슬릿다이 또는 스프레이 노즐로 코팅하는 단계; 및 건조하는 단계로 이루어진 무반사 광학 코팅 방법을 제공한다.
본 발명의 광학 코팅 방법은 코팅 방법이 단순하면서도 광학 기재에 종래에 비해 광학 코팅 내 결함의 수가 매우 적고 접합력 및 내구성이 크게 향상되면서 투과율이 높은 광학 코팅을 제공한다.

Description

광학 코팅 방법 {A Optical Coating Method}
본 발명은 광학기재에 무반사(anti-reflection)를 위해 적용되는 광학 필름 코팅 방법에 관한 것이다.
렌즈 또는 유리를 사용하는 광학 부품 및 광통신 소자, 광전 소자와 태양광 소자, 디스플레이 부품과 같은 광학 기재에 광학 필름을 형성하여 반사율 및 투과율과 같은 광학적 특성을 개선시킬 수 있다. 이러한 광학 필름은 매우 정밀하게 코팅되어야 한다. 일례로 무반사 필름의 코팅에 있어 이는 100~200nm 두께와 5% 내외의 균일도가 요구된다. 이와 같은 광학 필름을 형성하는 방법에는 습식코팅 방법이 있다.
기존에 알려진 딥 코팅으로 대표되는 습식 코팅 방법은 장치의 단순함과 손쉬운 공정으로 스퍼터링과 같은 여타 코팅 방법에 비해 높은 경쟁력을 가지고 있다. 딥 코팅은 저렴한 생산비나 광학필름의 정밀한 두께 콘트롤이 쉽다는 장점을 가진 반면에 다량의 코팅용액을 장시간에 걸쳐 안정성을 유지해야 하는 어려움이 있다. 한 배치의 용액으로 많은 수의 광학기재를 코팅함으로써 용액이 쉽게 오염되며 큰 용액의 용기로 주변 오염 입자들이 장시간에 걸쳐 계속 유입되어 용액의 안정성을 크게 떨어 뜨려 실제적으로 용액 사용비율은 20% 이하에 머문다. 또한 정확한 코팅 두께와 필름의 균일성을 확보하기 위한 딥코팅의 광학기재 인출속도는 수 cm/min으로 1m X 1m 크기의 기재를 코팅할 때 약 10분 정도로 매우 느리다.
한편 슬릿다이 코팅이나 스프레이 코팅은 코팅 시 항상 새로운 용액을 사용하므로 용액의 안정성 문제로부터 자유롭고 이에 따라 용액의 사용율이 매우 높다. 또한 대면적 코팅과 아울러 공정의 일관화가 손쉬울 뿐만 아니라 코팅 속도도 매우 빨라 높은 생산성을 갖는다. 특히 스프레이 방법의 경우 기재의 형태에 따른 제약이 거의 없다. 반면에 코팅 조건은 상대적으로 민감하여 공정변수들의 운영폭이 좁다. 특히 용매가 수계인 경우에는 환경적 측면의 장점 및 이에 수반되는 경제적 이점에도 불구하고 물의 높은 유전율 및 표면 장력으로 인하여 유리나 플라스틱 같은 일반적인 광학 기재에의 젖음성이 낮아 고품위 광학 필름의 제조가 어렵다.
본 발명은 광학기재에 습식의 고품위 무반사 광학 코팅 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 접합 강도 및 내구성이 향상된 무반사 광학 코팅 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하여, 광학 기재 표면을 세척하는 단계; 상기 기재 표면에 수산화이온 제공제 또는 불소이온 제공제를 포함하는 준금속 산화물 나노입자 수분산액의 코팅용액을 슬릿다이 또는 스프레이 노즐로 코팅하는 단계; 및 건조하는 단계로 이루어진 무반사 광학 코팅 방법이 제공된다. 필요에 따라 각 단계가 수 회 반복될 수 있다.
기재 표면을 세척하는 단계는 세제로 습식 세척을 한 후 상압 플라즈마 혹은 진공 자외선 램프로 건식 세척을 포함하는 것이 코팅용액의 젖음성을 증가시키기 때문에 바람직하다.
상기 코팅용액에서 준금속 산화물 나노입자는, 바람직하게는, 실리카, 알루미나, 티타니아, 마그네시아, 쎄리아, 산화아연, 산화인듐, 산화주석과 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 준금속 산화물 나노입자이다. 
상기 코팅용액은, 바람직하게는, 수산화이온 제공제 또는 불소이온 제공제가 투입된 후 30일 이내, 가장 바람직하게는 24시간 이내에 유리 기재에 적용된다. 수산화이온 제공제 또는 불소이온 제공제의 농도가 상대적으로 높은 경우는 PH에 따라 24시간 이내에 겔화나 나노 실리카 입자의 용해가 일어나 사용이 곤란한 경우가 발생할 수 있다. 상기 코팅용액은, 필요에 따라, 표면장력 저감제로 메탄올 또는 에탄올과 같은 표면장력이 낮은 유기용매 및/또는 계면 활성제를 더 포함할 수 있다.  상기 유기용매는 전체 코팅용액의 10 중량% ~ 90 중량%, 바람직하게는 20 ~ 40 중량%이다.  상기 준금속 산화물 나노입자는, 바람직하게는, 상기 코팅용액 총 중량에 대하여 1 ~ 10중량%이고, 입경이 1 ~ 800nm, 바람직하게는, 5 ~ 100nm다. 5nm 이하의 준금속 산화물 나노입자는 제조가 어렵고 100nm 이상의 크기를 갖는 준금속 산화물 나노입자는 산란에 의한 투과율의 감소가 나타날 수 있다. 상기 수산화이온 제공제는 무기 수산화물 또는 유기 수산화물로 다양한 종류의 수산화물이 사용될 수 있으며, 바람직하게는, 수산화 암모니움(NH4OH)이다. 이때 실리카 나노입자의 경우 용액의 안정성과 각 입자 간의 적절한 접합력을 얻기 위한 [OH-]/[SiO2]의 몰 비는 0.05 내지 2.0, 바람직하게는 0.1 내지 0.5이다. 상기 불소이온 제공제는, 바람직하게는, 불산, 육불화규산(H2SiF6) 이나 이들의 염이고, 가장 바람직하게는, KF 또는 불화 암모니움(NH4F)이다.  이때, 실리카 나노입자의 경우 입자 간의 적절한 접합력을 얻기 위한 [F-,HF2 -]/[SiO2]의 몰 비는 0.005 내지 2.0이며, 바람직하게는 0.01 내지 0.5이다. 용액의 pH는 바람직하게는 8.5 이상을 유지하여야 한다.
상기 코팅용액은 기재 표면에 코팅함에 있어 용액을 가열 혹은 냉각 할 수 있으며 이의 온도는 주변의 온도와 습도에 따라 결정되며 주변 온도 23℃, 주변 습도 40%인 경우, 이의 범위는 15℃ 내지 80℃이며 바람직하게는 40℃ 내지 60℃ 이다. 용액을 직접 가열, 냉각 후 코팅할 수 있으며 기재를 가열, 냉각하여 용액 온도 변화를 주어 코팅할 수도 있다.
상기 건조 단계는 적외선 램프를 코팅된 용액의 상부에 구비하여 건조할 수 있다. 이때 면상의 적외선 램프를 사용하거나 다수의 관형 램프를 사용하여 상기 기재에 코팅된 용액의 온도를 균일하게 유지하되 온도의 편차가 0.5℃ 이내로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 적외선 램프는 카본이나 그라파이트 재질로 제작되어 출력최대치의 방사파장이 3um 부근인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 의하여 스프레이 노즐이 광학기재의 코팅 진행 방향으로 기울어지게 배치할 수 있으며 이의 각도는 노즐이 기판에 대한 수직 방향에 대하여 5도 내지 50도 범위로, 바람직하게는 10~25도 범위로 하여 분사한다. 또한 본 발명에서, 광학 기재 진행 방향의 반대쪽 미스트를 차단막 및/또는 흡입기에 의하여 제거할 수 있다.
본 발명의 광학 코팅 방법은 종래에 비해 광학 코팅 내 결함의 수가 매우 적고 접합력 및 내구성이 크게 향상된다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 보호범위를 제한하기 위한 것으로 해석되어서는 아니 된다. 각 실시 예는 표 1및 표 2에 정리하였다.
실시 예 1
먼저 본 발명에서 사용하는 습식 코팅을 위한 코팅액은 다음과 같이 제조하였다. 평균 입도가 6nm 크기의 콜로이달 실리카(에이스하이텍사) 10중량% 용액 15ml에 증류수 85ml 및 NH4F 0.15g을 초음파 분산기로 10분 처리하여 코팅액을 제조하였다.
소다라임 유리를 세제로 잘 세척한 후 증류수로 한번 더 행궈 준 후 건조하였다. 이후 상압 플라즈마 (PSM사 : Model No. NPT-303, Power 2KW, 공기 : 질소 비율 = 1 : 500, 처리 시간 : 15초)로 한번 더 건식 세정을 하였다. 상기 준비된 코팅용액을 슬릿다이 코터를 이용하여 습도 40%, 온도 23℃에서 코팅막을 제조한 후 컨벡션 오븐에서 180℃ 조건으로 30분간 건조하였다.
제작된 샘플의 투과도 및 반사도는 시마즈사의 UV-3100 PC 분광광도계로 측정하였다. 반사 방지막 경도는 ASTM D3360-00의 표준 방법을 사용하여 연필 경도계로 측정하였으며 반사 방지막의 접착력은 ASTM D3359의 표준 방법에 따라 스카치 테이프 테스트를 수행하였다. 코팅의 디펙트 수는 니콘 광학 현미경을 이용하여 1mm X 1mm 내의 디펙트 수를 측정하였으며, 측정된 물성을 표 1에 정리하였다.
실시 예 2 ~ 5
실시예 2 내지 5에서 기재의 온도를 30℃, 40℃, 60℃, 80℃로 변화를 준 것을 제외하고는 실시예1과 같이 수행하였다. 측정된 물성은 표1에 정리하였다.
실시 예 6 ~ 8
실시 예 6 내지 8에서 코팅된 수막의 외부 온도를 적외선 램프(카본이나 그라파이트 재질로 제작된 적외선 램프)로 30℃, 40℃, 60℃로 변화를 준 것을 제외하고는 실시예1과 같이 수행하였다. 측정된 물성은 표1에 정리하였다.
실시 예 9
실시 예 1 내지 8에서 사용된 코팅용액을 사용하였으며, 실시예 1내지 8에서 사용한 슬릿코터 대신 스프레이 코터를 이용하였으며, 스프레이용 초음파 노즐은 소노텍사 Impact Edge 모델을 사용하였다. 용액의 온도는 상온 (23℃) 으로 유지하였으며, 스프레이 코팅 입사 각도는 기재와 수직한 방향으로부터 15도 각도로 분사하였다. 물성은 실시 예1에서 사용된 기기와 측정방법을 이용하여 측정하였으며 측정된 물성은 표2에 정리하였다.
실시 예 10 ~ 12
실시 예 10 내지 12에서 코팅용액의 온도를 30℃, 40℃, 60℃로 변화를 준 것을 제외하고는 실시예 9과 같이 수행하였다. 측정된 물성은 표2에 정리하였다.
실시 예 13 ~ 15
실시 예 13~15에서 스프레이 노즐의 입사각을 광학 기재와 수직한 각도를 기준으로 0도, 30도, 50도로 변화를 준 것을 제외하고는 실시 예 9과 같이 수행하였다. 측정된 물성은 표2에 정리하였다.
실시 예 16 ~ 18
실시 예 16~18에서 코팅된 수막의 온도를 실시 예 6~8에서 사용된 적외선 램프로 30℃, 40℃, 60℃로 변화를 준 것을 제외하고는 실시 예 9와 같이 수행하였다. 측정된 물성은 표2에 정리하였다.
실시 예 19 ~ 21
실시 예 19내지 21에서 스프레이 노즐의 미스트가 기재에 코팅되는 것을 방지하기 위한 차단막을 3mm, 5mm, 7mm로 변화를 준 것을 제외하고는 실시 예 9와 같이 수행하였다. 측정된 물성은 표2에 정리하였다.
실시 예 기재온도(℃) 외부가열온도(℃) 투과도
(가시광영역증가치,%)
경도 *디펙트수
1 23 23 2.82 2H
2 30 23 2.91 2.5H
3 40 23 3.35 3H
4 60 23 3.45 3H
5 80 23 3.43 3H
6 23 30 3.34 3.5H
7 23 40 3.42 3.5H
8 23 60 3.21 3.5H
상 : 1mm2 당 디펙트 수 3개 이하
중 : 1mm2 당 디펙트 수 3~15 개
하 : 1mm2 당 디펙트 수 15 개 이상
실시예 용액온도(℃) 스프레이입사각도(°) 외부가열온도(℃) Mist차단막너비(mm) 투과도
(가시광영역증가치,%)
경도 디펙트 수
9 23(상온) 15 23(상온) 0 2.68 3H
10 30 15 23 0 2.75 3H
11 40 15 23 0 2.97 3H
12 60 15 23 0 3.08 3H
13 23(상온) 0 23 0 2.51 3H
14 23 30 23 0 2.92 3H
15 23 50 23 0 2.63 3H
16 23 15 30 0 3.15 3.5H
17 23 15 40 0 3.46 3.5H
18 23 15 60 0 3.38 3.5H
19 23 15 23 3 3.21 3H
20 23 15 23 5 3.41 3H
21 23 15 23 7 3.36 3H
상 : 1mm2 당 디펙트 수 3개 이하
중 : 1mm2 당 디펙트 수 3~15 개
하 : 1mm2 당 디펙트 수 15 개 이상

Claims (8)

  1. 광학 기재 표면을 세척하는 단계; 상기 기재 표면에 수산화이온 제공제 또는 불소이온 제공제를 포함하는 준금속 산화물 나노입자 수분산액의 코팅용액을 슬릿다이 또는 스프레이 노즐로 코팅하는 단계; 및 건조하는 단계로 이루어진 무반사 광학 코팅 방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 세척하는 단계는 광학 기재 표면을 상압 플라즈마나 자외선 램프를 이용하여 건식 세정하는 단계를 포함하는 무반사 광학 코팅 방법
  3. 제1 항에 있어서, 상기 광학 기재 밑면에 가열 혹은 냉각 수단을 구비하여 기재 온도의 변화를 주어 코팅용액의 온도를 조절하는 무반사 광학 코팅 방법
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학 기재 상부에 가열 수단을 구비하여 도포된 코팅용액을 건조하는 무반사 광학 코팅 방법
  5. 제1항에 있어서, 상기 준금속 산화물 나노입자는 실리카, 알루미나, 티타니아, 마그네시아, 쎄리아, 산화아연, 산화인듐, 산화주석과 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 준금속 산화물의 나노입자인 무반사 광학 코팅 방법
  6. 제 1항에 있어서, 상기 준금속 산화물 나노입자가 실리카 나노입자인 무반사 광학 코팅 방법
  7. 제 1항에 있어서, 코팅용액을 광학 기재에 코팅하는 상기 단계가 스프레이 노즐에 의하여 이루어지고 상기 스프레이 노즐의 각도가 광학 기재의 코팅 진행 방향으로 수직 방향에 대하여 5도 내지 50도의 범위로 기울어지게 분사하는 무반사 광학 코팅 방법
  8. 제7항에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 후방에 차단막 또는 흡입기를 두어 스프레이 미스트를 제거하는 무반사 광학 코팅 방법
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