KR101324841B1 - 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 조명, 태양전지, 평판 디스플레이 패널에 사용되는 유리 기판의 광 추출효율 향상을 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 에칭 용액에 유리 기판을 액침하여 수 초 내지 수 분간 방치한 후, 세정하면 유리 기판 표면에 나노 내지는 마이크로 사이즈의 딤플이 다수 랜덤하게 분포하여 광 추출효율을 25 내지 30 % 이상으로 향상시킨다.

Description

고효율 광 추출이 가능한 유리 기판 및 그 제조방법{High Efficiently Light Extractable Glass Substrate and Manufacturing Method thereof}

본 발명은 OLED 조명, 태양전지, 또는 디스플레이 패널에 사용되는 유리 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 특별하게는 상기 소자에 사용되는 유리 기판의 투광도를 향상시키는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 OLED 조명, 태양전지, 평판 디스플레이 패널에 사용되는 유리 기판은 각종 구동 소자 등을 형성한 쪽과 빛이 투과되어 발광 면을 형성하는 쪽이 있으며, 그중 발광면을 형성하는 유리 기판은 발광된 빛이 유리 기판 밖으로 많이 빠져나올수록 유리하다.

특히, OLED 조명의 경우, 인광 유기재료의 개발로 인해 OLED의 내부양자효율은 100%이지만 도 1에서 보듯이 발광층에서 생성된 빛의 약 50 %는 층 간의 웨이브가이드(waveguide) 형성으로 인해 측면으로 빠져나가 버리고 약 30 %는 전반사를 통해 소멸된다.

따라서 내부에서 생성된 빛의 약 20 %만이 실제 소자 밖으로 나올 수 있어 OLED의 외부양자효율은 낮은 편이다. 이를 해결하기 위해 (즉, 소자 내부에 갇혀있는 빛을 밖으로 추출하기 위해) 도 2와 같이 소자 내부에 별도의 층을 삽입하는 기술들이 연구되고 있다. 저 굴절율(Low refractive index)를 갖는 층을 투명 애노드(anode) 전극과 기판 사이에 삽입함으로써 전반사로 인한 빛 손실을 줄일 수 있다. 이러한 효과는 미세 캐비티(micro cavity) 층을 삽입하여 더 증대될 수 있으며, 빛을 산란(scattering) 하는 층을 삽입하여 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 또한 소자외부 즉, 유리 기판에 별도의 필름(out coupling film) 또는 미세 렌즈 어레이 필름(micro lens array film)을 부착하여 빛 추출 효율을 높일 수 있다.

그러나 이와 같은 방법은 고가의 공정이 되며 번거로운 노력을 요하며, 광 추출 효율, 즉, 광 투과율 또한 기대하는 만큼 향상되지 않고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 좀 더 간편하고 저비용의 공정으로 광 추출효율을 높일 수 있는 유리 기판을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은, 유리 기판에 수 나노미터(nm)사이즈 내지 수 마이크로미터(μm) 사이즈 크기의 딤플(dimple)을 랜덤하게(randomly) 다수 형성하여 광 추출효율을 향상시킨 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판은, 플루오르(F) 이온을 포함하는 에칭 용액에 유리 기판을 액침(dipping)하여 유리 기판 면에 나노사이즈 내지 마이크로 사이즈의 딤플이 랜덤 하게 다수 형성된 후 에칭 용액으로부터 꺼내어 제조하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 에칭 공정에 사용되는 에칭 용액은,

외압을 가하여 유리 기판을 에칭할 경우 분당 마이크로 사이즈 깊이로 유리 기판을 식각 하는 식각 능력을 구비한 것으로 선택하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 액침 공정은 플루오르(F) 이온을 포함한 에칭 용액에 1 초 내지 10 분 동안 유리 기판을 침지하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판의 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 유리 기판에 형성된 나노 내지는 마이크로 사이

즈의 딤플로 인해 종래 유리 기판 표면에서 반사되던 빛이 오목렌즈의 구면과 같은딤플 표면을 통해 굴절을 일으키면서 유리 기판을 투과하게 되며, 유리 기판이 얇아진 상태이므로 종전에 비해 유리 기판 내에서 흡수되는 빛도 감소하여 전체적으로 광 투과율을 95 % 이상으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 OLED 조명의 광 경로 및 광 투과율을 나타내는 단면도이다.
도 2는 OLED 조명의 광 투과율을 향상시키기 위한 종래 기술의 시도들을 나타내는 단면도들이다.(도 1 및 도 2는 인포메이션 디스플레이 2009년 제10권 제6호에 수록되었던 그림이며, 박종운, 이종호, 신동찬 저자님들의 허락으로 본 명세서에 게재하였습니다.)
도 3은 일반적인 유리 기판의 표면을 촬영한 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 유리 기판에 딤플을 형성한 고 투과율 유리 기판의 표면을 나타내는 각각 다른 배율의 SEM 사진들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 고 투과율 유리 기판을 채용한 OLED 조명의 발광 사진이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고 투과율 유리 기판을 채용한 OLED 조명의 발광 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 유리 기판을 액침할 때 필요한 에칭 용액을 준비한다.

에칭 용액은 플루오르(F) 이온을 포함하는 것으로 제조하며, 증류수 및/또는 구연산(이에 한하지 않음) 등의 약산을 혼합하여 스프레이와 같이 유리 기판에 외압을 가하는 방식으로 유리 기판에 대해 에칭 성능을 평가하여 제조한다. 이때 분당 수 μm 이내(예를 들면, 1 내지 10μm)의 식각 능력을 구비할 수 있는 조성비를 선택하여 제조함이 생산성 측면에서 바람직하다.

이때 사용되는 유리 기판의 두께는 제한이 없으나 본 실시예에서는 0.2 mm 내지 2 mm의 유리 기판을 사용하였고, 에칭 용액은 F 이온을 포함하는 산성 용액으로 조성하지만 그 조성비를 어느 하나의 수치범위로 한정할 필요는 없고 스프레이 노즐과 그 분사 압력을 조절하면서 유리 기판에 분사하는 에칭 테스트 결과 분당 수 μm 이내(예를 들면, 1 내지 10μm)로 유리 기판이 식각 될 수 있으면 만족스러운 에칭 용액이 될 수 있다. 이러한 식각 능력 또한 예시적인 것이나 생산성 등을 고려하여 상기와 같은 식각 능력을 가진 에칭 용액을 선택한 것이다.

유리 기판의 재질도 제한되지 않으나 본 실시예에서는 0.2 mm 내지 2 mm 사이의 소다 라임 유리 기판을 사용하였고, F 이온의 농도에 차등을 두면서 고정된 분사압력(0.5 내지 2 kgf/cm²)을 가진 스프레이 분사 에칭 테스트를 거쳐 에칭 용액을 여러 가지 혼합비로 조성하였다. 이러한 에칭 용액의 제조는 예시적인 것이며, 에칭 용액의 제조는 F 이온의 농도, 분사압력, 그에 따른 식각 능력과 함께 후술할 액침 공정의 시간을 상호 조절함으로써 얼마든지 다양한 조합의 실시예가 있을 수 있다.

상기와 같이 제조된 에칭 용액을 실온에서 수조에 채우고 유리 기판을 침지하여 수 초 내지 수 분간 액침 상태로 두면, 유리 기판에 수 nm 내지 수 μm 사이즈(예를 들면, 1nm 내지 10μm)의 나노 딤플 내지는 마이크로 딤플이 도 4의 사진과 같이 형성된다. 도 4의 좌측 사진에 비해 우측 사진은 고배율 사진이다. 이는 도 3의 액침 공정 실시 이전의 일반적인 유리 기판의 표면과 비교될 수 있으며, 나노 내지는 마이크로 딤플의 크기는 도 4와 같이 랜덤하다. 이러한 나노 내지는 마이크로 딤플은 오목 렌즈와 같이 빛을 발산시키면서 난반사를 일으키는 것과 같이 작용하며, 평면의 경계면에서 일어나는 전반사 등을 방지하여 더욱 많은 빛을 유리 기판 밖으로 투과되게 한다.

소정의 식각 능력을 가진 에칭 용액에 대하여, 액침 시간이 너무 짧으면 딤플의 형성 정도가 만족스럽지 못하여 빛의 투과율이 향상되지 않으며, 수 분을 넘긴 액침은 생산성을 해하고, 또한 유리 기판이 뿌옇게 흐려지는 백화 현상이 나타날 수 있으므로 최적의 액침 시간을 선택할 필요가 있다. 액침 시간은 상술한 바와 같이 에칭 용액의 식각 능력과 유리 기판의 두께 등에 의해 최적의 선택으로 조절할 수 있다.

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나노 내지는 마이크로 딤플은 유리 기판의 양면에 형성할 수 있으나, 마스크 또는 필름 등을 이용하여 한쪽 면에만 형성할 수도 있다.

이후, 나노 내지는 마이크로 딤플이 형성된 유리 기판을 세정한다. 세정 공정은 다음과 같다.

상기 유리 기판을 증류수에 10 분 이내로 1 차 침적하고, 다시 새로운 증류수에 10분 이내로 2 차 침적하여 강산용액의 성분을 희석한다.

다음, 에칭 공정을 마친 유리 기판을 수산화나트륨(NaOH)과 같은 알칼리 수용액으로 세정하여 중화반응을 통해 유리 기판에 잔류하여 유리 기판을 부식시킬 수 있는 에칭 용액의 산성 성분을 제거한다.

상기 단계에서 사용되는 알칼리 용액의 PH는 12±2이며, 처리온도는 45±5 ℃ 이고, 처리시간은 10분 정도로 함이 바람직하나 이에 한정되지 않고 각 변수를 상호 조절하여 변형할 수 있다.

처리방법은 세정하고자 하는 유리기판을 컨베이어에 실어 수평 이송하면서 노즐에 의해 수산화나트륨 용액을 스프레이식으로 유리기판의 위 아래로 분사시켜 유리기판을 전체적으로 세정한다. 노즐의 분사 압력은 1.5 ± 0.5 kgf/cm² 으로 하고, 유리기판의 이송속도는 세정에 적절하도록 1.0 내지 1.5 m/min., 바람직하게는 1.2 m/min. 로 한다.

다음, 수산화나트륨 수용액의 강알칼리 성분이 유리 기판에 잔류하지 않도록 유리 기판을 약산으로 세정한다. 사용되는 약산으로는 구연산, 아세트산, 탄산 등이며, 그 PH는 약 3 내지 4로 하여 사용할 수 있다. 약산에 의한 세정 처리 온도는 상온 내지 60 ℃ 정도로 할 수 있으며, 바람직하게는 45±5 ℃ 이고, 세정 방식은 세정하고자 하는 유리기판을 컨베이어에 실어 수평 이송하면서 노즐에 의해 약산 용액을 스프레이식으로 유리기판의 위 아래로 분사시켜 유리기판을 전체적으로 세정하는 방식을 채택한다. 노즐의 분사 압력은 1.0 ± 0.5 kgf/cm²으로 하고, 유리기판의 이송속도는 세정에 적절하도록 1.0 내지 1.5 m/min., 바람직하게는 1.2 m/min.로 한다. 이러한 세정 조건은 예시적인 것으로 변수들을 상호 조절하여 다른 선택으로도 최적화할 수 있다.

상기 약산 세정 단계 이후, 유리 기판을 증류수(순수)로 세정하여 세정 단계를 마감한다.

상기 공정을 통해 나노 내지는 마이크로 딤플이 형성된 유리 기판에 대해 광원을 이용하여 투광도를 테스트하였으며 그에 대한 사진이 도 5 및 6이다.

도 5와 6은 동일 에칭 용액 하에서 액침 시간의 차이에 따라 나타나는 나노 내지는 마이크로 딤플이 형성된 유리 기판의 투광도 차이를 육안으로 확인할 수 있음을 알려준다. 따라서 에칭 용액의 조성과 액침 시간에 대한 최적의 투광도를 나타내는 조합을 찾아낼 수 있다.

삭제

본 발명에 따라 제작된 나노 내지는 마이크로 딤플이 형성된 유리기판의 광 투과율은 95 % 이상으로 높게 나타난다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도면부호 없음

Claims (4)

1. 플루오르(F) 이온을 포함하는 에칭 용액에 유리 기판을 액침(dipping) 하여 유리 기판 면에 딤플 직경이 나노사이즈인 나노 딤플과 마이크로사이즈인 마이크로 딤플이 랜덤 하게 다수 형성된 후 에칭 용액으로부터 꺼내어 제조되어, 나노 딤플과 마이크로 딤플이 랜덤 하게 다수 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판.
2. 청구항 1의 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판을 제조하기 위하여 준비되는 에칭 용액은, 플루오르(F) 이온을 포함하며, 상기 에칭 용액에 외압을 가하여 유리 기판을 에칭할 경우 분당 1 내지 10μm 깊이로 유리 기판을 식각 하는 식각 능력을 구비한 것으로 선택되는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 유리기판은 0.2mm 내지 2mm 두께이고, 상기 액침 공정은 플루오르(F) 이온을 포함한 상온의 에칭 용액에 1 초 내지 10 분 동안 유리 기판을 침지하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판의 제조방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 유리 기판의 한쪽 면에는 마스크 또는 필름을 적용하여 나노사이즈 딤플과 마이크로 사이즈의 딤플이 유리 기판의 한쪽 면에만 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리 기판의 제조방법.
   

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