KR101481939B1 - 투명분말을 이용한 광추출용 나노패터닝 기판 제조방법 - Google Patents

투명분말을 이용한 광추출용 나노패터닝 기판 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광 추출 투명기판을 양산할 수 있는 방안을 제안한 것으로, 투명 기판 위에 SiO2 분말 또는 그 외 융점이나 굴절률이 비슷하거나 높은 물질의 투명 나노사이즈 분말을 극성 용매에 혼합한 혼합액을 제조하고, 상기 혼합액을 전기 분무기로 투명기판 위에 분사하여 혼합된 입자 사이즈로 기판위에 2차원 구조를 형성하게 한 후 기판을 전기로에서 어닐링시키면 나노구조체가 형성된 광 추출용 투명 기판을 제작할 수 있다.
본 발명의 정전기 분무에 의한 나노 패턴층 형성 공정은 진공챔버 구성 없이 클린룸의 대기중에서 실시하므로 설비비 및 유지비, 공정비용을 크게 절감할 수 있으며, 나노구조체 형성을 위한 드라이 에칭이나 습식 에칭을 전혀 거치지 않아도 되기 때문에 공정이 매우 단순하다.

Description

투명분말을 이용한 광추출용 나노패터닝 기판 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING LIGHT EXTRACTION NANOPATTERNING PLATE BY TRANSPARENT POWDER}
본 발명은 발광 소자 모듈에 사용되는 투명 기판에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 내부에 들어 있는 발광 소자에서 생성된 빛을 투명 기판 밖으로 최대한 추출하기 위해 나노패터닝 된 투명기판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
OLED와 같은 발광소자는 전압 인가시 소자 자체가 빛을 내는 자 발광 소자로서 디스플레이 화소 형성 또는 화이트 OLED 조명으로 각광받고 있다. OLED 구조는 캐소드/전자수송층/활성층/정공수공층/애노드/투명기판으로 이루어지며, 발광층인 활성층에서 생성된 빛은 굴절률이 1.5 정도인 유리소재 투명 기판을 뚫고 나오는 비율이 20 % 정도로 매우 낮다. 따라서 나머지 80 % 정도의 빛은 투명 기판 밖으로 추출되지 못하고 소자 내부에 머물게 되고, 궁극적으로는 소자 내부에서 열 에어지로 전환되어 소자에 손상을 가하여 소자 수명을 단축시키게 된다. 광 추출 효율이 낮다는 것은 조명 또는 화소로서의 광도 저하도 문제가 되지만 이와 같이 소자 열화의 원인이 되기 때문에 광 추출 효율을 높이기 위한 여러 가지 시도가 있어왔다.
대한민국 등록특허제10-1177064호는 OLED 소자의 광 추출 효율을 높이기 위해 유리기판에 금속나노입자를 부착시키는 시도를 하고 있으며, 이외에도 유리 기판에 마이크로렌즈(microlens)를 형성하거나 부착하기도 하고, 나노구조체를 형성하기도 한다(도 1 참조).
유리기판 외부에 마이크로렌즈어레이(MLA) 시트를 붙이는 것은 내부 나노구조체와는 별도로 광추출 효율을 높이는 방법의 하나이다, 따라서 두 가지 방법을 동시에 사용하면 더 큰 효율을 낼 수 있다.
나노구조체가 없는 일반적인 경우, 단지 발광량의 20% 정도가 유리기판 밖으로 나오지만, 나노구조체를 형성한 경우, 그 효과로 발광량의 40%가 밖으로 나오면, 상기 20 % 수준에 대하여 2배로 밝기가 증가됨을 의미한다.
미국특허 제US2012/0305966 A1에서는 유리기판 내부에 나노구조체를 형성할 경우, 유리 기판에 석영(SiO2)층을 형성하고 여기에 은(Ag)을 균일하게 증착시킨 후 유리기판을 가열로(furnace)에 장입하여 약 400℃ 정도로 어닐링하게 되면 은 입자들이 불규칙하게 뭉치게 된다. 뭉치는 입자나 간격들은 Ag 증착층의 두께나 어닐닝 방법에 따라 어느 정도 조절 가능하다. 여기서 Ag 뭉치 입자들은 마스크로서 작용하게 된다. 다음 드라이 에칭으로 Ag 입자들 사이의 석영층을 에칭한 후 Ag는 습식 에칭으로 제거하게 되면 나노구조를 갖는 광 추출 기판이 되는 것이다.
위와 같은 나노구조체를 형성하는 방법은 광 추출 효율을 향상시키기는 하나 실제 대면적화되는 기판 크기에 적합한 생산성을 갖춘 방법으로 받아들일 수 있는 것은 아니다.
즉, 상기와 같은 광 추출 기판 제작은 은 코팅시스템은 물론 기판의 대면적화에 따라 대형 가열로를 구비하여야 한다는 점과 전면적으로 균일한 어닐링을 하여야 한다는 점 때문에, 은 나노 패턴 형성의 실제 구현을 어렵게 한다. 대형 가열로는 설비비와 유지비가 막대하게 들고, 대면적 기판에 대한 균일한 가열 또한 어려우며, 은(Ag) 나노 입자는 매우 고가이므로 재생시켜 사용해야 하는 번거로움이 생긴다.
한편, 일본 공개특허공보 특개2008-111187호는 나노입자의 표면을 개질하여 그 자체에 전하를 띠게 하고 이를 스핀 코팅이나 스프레이 코팅으로 도포하는 방법을 소개하고 있다. 그러나 이러한 방법은 나노입자에 대해 특별한 용매 처리를 요하고 상당히 긴 시간의 가온 처리와 원심세정 및 장시간의 건조를 요하여 생산성이 나쁘다.
따라서 본 발명의 목적은 광 추출용 투명 기판의 광 추출 효율을 향상시키되, 양산 가능한 정도로 생산성을 맞춘 광 추출용 나노패터닝 투명 기판의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 유리판과 같은 투명 기판 위에 원하는 크기의 SiO2, ZnO, ZrO2 또는 WO3 중 어느 하나로 된 나노사이즈 분말 중 1종 이상의 나노사이즈 분말을 극성 용매에 혼합한 혼합액을 제조하고, 상기 혼합액을 전기 분무기로 분사시킨다. 그에 따라 투명 기판 위에 SiO2 등의 분말이 나노사이즈 두께로 기판 위에 2차원적으로 평평하게 배열되도록 부착된다. 분사되어 SiO2 등의 나노 분말이 부착된 기판은 어닐링을 통하여 SiO2 등의 나노 분말에 묻어 있던 접착성 물질을 태워 없애면 나노구조체 기판이 완성된다.
나노사이즈 분말은 SiO2 투명분말 외에 융점 또는 굴절률이 SiO2 와 비슷하거나 더 높은 물질의 투명 분말이 이에 속한다.
본 발명에 따르면 정전기 분무 현상을 이용하여 극성 용매에 혼합된 투명 나노 입자는 +/-전하를 띠게 되어 서로 정전기 반발력이 작용하여 넓게 퍼지며, 나노 입자 자체도 반발력 때문에 혼합된 입자 사이즈로 기판위에 2차원 구조를 형성하게 된다. 분산 형성된 기판을 전기로에서 어닐링시키면 나노구조체 기판이 완성된다.
따라서 본 발명에 따르면, 별도의 PECVD에 의한 SiO2 코팅, 나노구조체 마스크, 드라이에칭, 습식에칭 과정이 필요 없다. 따라서 설비비가 크게 절감되며, 대면적 기판 상에 전면적으로 무작위적이지만 균일하게 2차원 나노구조체를 형성하게 할 수 있다.
본 발명은 실제 종래 나노 구조체를 형성한 광 추출 기판을 만드는 공정에 비해 현저하게 낮아진 생산비만으로 동일한 효율의 제품을 생산할 수 있다.
도 1은 광 추출용 투명 기판의 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 투명 기판 상에 나노 구조체를 형성한 상태를 나타내는 모식적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 정전기 분무를 이용하여 나노구조체를 형성하는 장치를 설명하는 개략도이다.
도 3은 나노구조체가 형성된 투명 기판의 단면 구성을 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 투명 기판(100)은 유리 기판일 수 있다.
먼저, 도 2에서와 같이 SiO2 분말 또는 그 외 투명하고 융점 또는 굴절률이 비슷하거나 높은 물질의 투명 분말을 준비하고 이를 극성 용매에 혼합한다. ZnO, ZrO2 또는 WO3 분말을 예로 들 수 있다. 극성 용매로는 물, 알콜 등이 사용될 수 있다. 이러한 혼합액은 용액 또는 콜로이드 용액 상태로 존재하게 되며, 전기적으로 + 전하를 띠게 된다. 여기에 점성과 접착을 부여할 수 있는 접착제(150)를 혼합액에 넣는다. 혼합액의 농도는 10 내지 30 중량%로 제조하였으나 변동 가능함은 물론이다.
도체 호퍼(hopper)에 상기 혼합액을 넣고, 도체 호퍼 아래 적당한 간격(예를 들면, 50mm 내지 500mm)을 유지한 상태에서 대면적 투명 기판(100)을 배치한다. 물론 대면적일 경우 생산속도를 증진시키기 위하여 여러 개의 분사노즐을 배치할 수 있다. 상기 투명 기판(100)은 부도체이므로 도체 기판 홀더(200)에 올려놓는다.
상기 호퍼의 하단에는 직경 mm 정도 또는 그 이하 크기의 작은 노즐이 위치되어 있으며, 도체 호퍼에 전원장치의 (+)극을 연결하고, 기판 홀더(200)에 (-)극을 연결한다. 양단의 전압은 수 kV 내지 수십 kV(1 내지 50kV 일 수 있다)의 고전압을 인가한다. 전압은 형성하고자 하는 구조체에 따라 설정할 수 있다. 또한, 전원장치의 (+)/(-)극은 서로 반대로 인가될 수 있다. 즉, 도체 호퍼에 전원장치의 (-)극을 연결하고, 기판 홀더(200)에 (+)극을 연결할 수 있다. 그에 따라 혼합액은 (-) 전하로 대전 될 것이다.
이와 같이 고전압이 인가되면, 혼합액이 호퍼의 노즐로부터 분사될 때, 혼합액에 (+) 전하가 대전 되어 서로 반발력을 미치게 되고, 그로 인해 혼합액을 분무기로 강하게 뿜어준 것과 같이 공간 중에 넓게 분산된다. 혼합액에 포함된 분말 입자는 극성 용매에 둘러싸인 상태로 입자 간에도 정전기 반발에 의해 뭉치지 않고 공간 중에 넓게 분산되어 퍼져나간다. 따라서 대면적 기판(100) 위에 전반적으로 불규칙적이지만 균일한 2차원 분포를 형성하면서 투명 기판(100) 위에 부착된다.
나노구조기판은 분무액 속의 분말 입자에 의해 그대로 결정되므로, 분말 입자의 크기를 원하는 크기의 것으로 선택하면 된다. 따라서 분말입자지름은 OLED 나노구조체를 만들 경우 100 내지 600nm 정도의 것이 일반적으로 사용될 수 있다.
이러한 상태의 투명 기판(100)을 건조하여 접착물질이 제거될 수 있는 온도로 어닐링하면 SiO2 등의 나노구조체를 구비한 나노구조체 기판이 완성되는 것이다. 어닐링 온도는 접착물질의 승화점을 고려하여 정할 수 있고, 대체로 약 300℃이상이 될 수 있다.
SiO2 등의 나노구조체가 형성된 광 추출 유리기판은 내부에서 생성된 빛의 상당량을 기판 밖으로 빠져나올 수 있게 하여 휘도 및 소자 수명을 향상시킨다. 이와 같은 광 추출 투명기판의 제조가 상술한 정전기 분무에 의할 경우, 클린룸에서 실시하는 것이 바람직하나 특별한 진공 챔버를 요하지 않고 대기 중에서 실시할 수 있어 설비비를 줄일 수 있다.
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.
100: 기판
25, 170: 나노구조체
150: 점착제
160: 극성용매
180: 혼합액
200: 기판 홀더

Claims (5)

  1. SiO2, ZnO, ZrO2 또는 WO3 중 어느 하나로 된 나노사이즈 투명 분말 중 1종 이상의 나노사이즈 투명 분말을 극성 용매에 혼합하고 접착성 부여제를 추가한 혼합액을 제조하고,
    투명 기판은 도체로 된 기판홀더에 탑재되고,
    노즐을 구비한 호퍼를 포함한 전기분무기의 호퍼에 상기 혼합액을 넣고,
    상기 혼합액을 전기 분무기로 분사하여 분사되는 혼합액의 입자가 정전기를 띠고 서로 반발하면서 뭉치지 않고 공간에 자유 분사되게 하여 투명 기판 위에 불규칙적이고도 균일하게 나노사이즈 입자가 부착형성된 광 추출용 투명 기판을 제조하되, 투명 기판에 대한 전기 분무기의 혼합액 분사는 진공 챔버를 요하지 않고 대기 중에서 실시되며,
    전원의 (+)극을 상기 호퍼에 장착된 노즐에, (-)극을 기판 홀더에 연결하여 전압을 인가하여, 상기 호퍼의 노즐로부터 분사되는 혼합액을 (+) 전하로 대전시키거나, 전원의 (-)극을 상기 호퍼에 장착된 노즐에, (+)극을 기판 홀더에 연결하여 전압을 인가하여, 상기 호퍼의 노즐로부터 분사되는 혼합액을 (-) 전하로 대전시켜 혼합액에 포함된 분말 입자들이 극성 용매에 둘러싸인 상태로 정전기 반발에 의해 서로 뭉치지 않고 공간 중에 분산되어 상기 투명 기판 위에 부착되어 불규칙하고도 균일하게 배열된 광 추출용 나노구조체가 형성되는 것을 특징으로 하는 광 추출용 투명 기판의 제조방법.
  2. 투명 기판 위에 SiO2 분말과 융점 또는 굴절률이 비슷하거나 더 높은 물질로 된 투명 나노사이즈 분말을 극성 용매에 혼합하고 접착성 부여제를 추가한 혼합액을 제조하고,
    투명 기판은 도체로 된 기판홀더에 탑재되고,
    노즐을 구비한 호퍼를 포함한 전기분무기의 호퍼에 상기 혼합액을 넣고,
    상기 혼합액을 전기 분무기로 분사하여 분사되는 혼합액이 정전기를 띠고 서로 반발하면서 뭉치지 않고 공간에 자유 분사되어 투명 기판 위에 불규칙적이고도 균일하게 나노사이즈 입자가 부착형성된 광 추출용 투명 기판을 제조하되, 투명 기판에 대한 전기 분무기의 혼합액 분사는 진공 챔버를 요하지 않고 대기 중에서 실시되며,
    전원의 (+)극을 상기 호퍼에 장착된 노즐에, (-)극을 기판 홀더에 연결하여 전압을 인가하여, 상기 호퍼의 노즐로부터 분사되는 혼합액을 (+) 전하로 대전시키거나, 전원의 (-)극을 상기 호퍼에 장착된 노즐에, (+)극을 기판 홀더에 연결하여 전압을 인가하여, 상기 호퍼의 노즐로부터 분사되는 혼합액을 (-) 전하로 대전시켜 혼합액에 포함된 분말 입자들이 극성 용매에 둘러싸인 상태로 정전기 반발에 의해 뭉치지 않고 공간 중에 분산되어 상기 투명 기판 위에 부착되어 불규칙하고도 균일하게 배열된 광 추출용 나노구조체가 형성되는 것을 특징으로 하는 광 추출용 투명 기판의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 호퍼는 노즐을 다수 구비하고, 노즐 하단과 기판 사이의 간격은 50mm 내지 500mm로 유지되고, SiO2, ZnO, ZrO2 또는 WO3 중 어느 하나로 된 나노사이즈 투명 분말 또는 SiO2 분말과 융점 또는 굴절률이 비슷하거나 더 높은 물질로 된 투명 나노사이즈 분말의 입자지름은 100 내지 600nm인 것을 특징으로 하는 광 추출용 투명 기판의 제조방법.














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