KR101651946B1 - 전자파 차폐능을 갖는 광 투과성 항균유리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리의 투명도를 유지하면서도 전자파 차폐능과 항균특성을 동시에 갖는 항균유리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유리기판 상에 AZO/Ag/AZO 다층박막이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐능을 갖는 광 투과성 항균유리에 관한 것이다.

Description

전자파 차폐능을 갖는 광 투과성 항균유리{Optically Transmissive Antimicrobial Glass with Shielding Effect for Electromagnetic Waves}

본 발명은 유리의 투명도를 유지하면서도 전자파 차폐능과 항균특성을 동시에 갖는 항균유리에 관한 것이다.

유리는 투명하고 미려한 특성으로 건축 내외장재로 널리 사용될 뿐 아니라, 쉽게 깨지고 열에 약한 단점을 보완한 강화유리, 내열유리의 보급에 따라 핸드폰과 같은 전자기기, 냉장고, 에어콘과 같은 가전제품의 표면재, 식기, 가구 등에 널리 이용되고 있다. 최근, 전자기기들이 유리 패널 상에 일체화되면서 투명한 전자 기기들이 널리 사용되고 있다. 이러한 유리 재료들은 땀이나 타액, 먼지, 기름기, 담배연기, 습기 등에 노출되는 경우가 많기 때문에 많은 세균이 번식할 수 있어, 사람의 손이 유리에 접촉할 때마다 세균에 감염될 우려가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 유리에 항균특성을 부여한 항균유리들이 제조되었다. 특히 전자기기의 유리 패널에 적용하기 위한 항균유리는 높은 투과율을 유지하면서 항균성을 부여하여야 하며, 항균성에 대한 유리 패널의 기계적 내구성 또한 요구된다.

또한 각종 전자기기의 내부에 설치된 회로에서 발생하는 유해 전자파는 기기의 오작동이나 전파 장애를 초래하고, 결과적으로 제품 성능을 저하시키며 제품 수명을 단축시킨다. 더욱이, 전자파는 인체에 침투시 열작용에 의해 생체 조직세포의 온도를 상승시켜 면역기능을 약화시키는 등의 제문제를 야기한다. 이에 기기의 외부로 전자파를 최소한으로 방출하여 다른 주변기기에 전자파에 간섭을 일으키지 않는 동시에, 주변기기가 방출하는 전자파의 간섭에 의한 영향이 적은 전자파 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility)에 부합하는 제품에 대한 요구가 증가하고 있다.

각종 전자기기에 삽입되는 전자파 적합성 제품에 요구되는 가장 중요한 특성은 전자파 차폐율과 흡수율이 커야 한다는 것과 기기의 경박단소화 추세에 따라 전자파 적합성 제품이 작고 얇아야 한다는 것이다.

이와 더불어 최근의 전자기기는 이용자의 편의를 고려하여 화면을 터치하는 것에 의해 작동되도록 하는 터치스크린 방식이 도입된 제품들이 많이 개발되고 있다. 손가락을 사용하여 터치스크린을 조작하는 경우 손에 묻은 이물질과 기름성분등으로 인해 지문이 잔류하는 경우 얼룩을 형성하기 때문에 미관상으로 좋지 못한 영향을 미친다. 뿐만 아니라 잔류 지문투명도를 저하시켜 화면의 선명도를 떨어뜨리게 된다. 따라서 터치스크린이 적용된 전자기기를 사용하는 사용자들은 지문방지 처리가 된 화면보호필름을 전면부에 부착하여 사용하는 경우가 많다. 그러나 화면보호필름의 경우 교체가 용이하다고는 하더라도 내구성이 좋지 않고, 기기표면에 점착시킬 때 터치스크린의 표면적이 넓어질수록 내부에 기포를 포함하거나, 똑바로 붙이기 어려운 등 사용에 불편함이 있다.

종래기술에 의하면 전자기기의 유리 패널에 항균성과 전자파 차폐 효과 및 지문방지 효과를 부여하기 위해서는, 각각의 효과를 나타내는 층을 별도로 형성하여야 하므로 처리 공정이 길어지고 생산성이 낮아지므로 단가 상승의 요인이 되었다.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 전자파 차폐 효과를 동시에 갖는 광투과성의 항균유리를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 항균유리에 지문방지 특성이 추가적으로 부여된 항균유리를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유리기판 상에 AZO/Ag/AZO 다층박막이 증착되어 있는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐능을 갖는 광 투과성 항균유리에 관한 것이다.

AZO 박막은 알루미늄이 도핑된 ZnO 박막으로 본 발명의 AZO/Ag/AZO 다층박막은 in-situ로 형성될 수 있으며, 광 투과성이 우수하여 유리 고유의 투명성이 유지되었으며 별도의 항균제나 전자파 차폐제를 처리하지 않아도 그 자체로 항균특성과 전자파 차폐 특성을 동시에 나타내었다.

AZO 단층 박막 역시 AZO/Ag/AZO 다층박막과 유사한 정도의 항균특성을 나타내었으나, 다층박막과 유사한 정도의 전자파 차폐효과를 나타낼 수 있는 낮은 비저항을 구현하기 위해서는 공정온도가 250℃ 이상이 되어야 한다. 또한 250℃ 이상의 고온에서 증착을 한다고 하더라도 10^-3 Ω·cm 이하의 비저항을 나타내기 위해서는 두께가 250nm 이상이어야 하였다(데이터 미도시). 사전 비교 실험에서 AZO의 비저항은 200nm 두께의 경우에는 1.1×10^-3 Ω·cm으로 250nm고 두꺼워지면 비저항이 8.9×10^-4 Ω·cm로 감소하였으나, 이후 두께가 증가하여도 비저항은 크게 감소하지는 않아 350nm 두께에서 7.0×10^-3 Ω·cm의 비저항을 나타내었다. 그러나 가시광선 영역의 광투과도는 AZO 박막의 두께가 증가함에 따라 점차 감소하여 200nm 박막은 90%의 광투과율을 나타내었으나, 250nm에서는 광투과율이 81%로 낮아지며 이후 두께가 증가함에 따라 점차적으로 광투과율 또한 감소하였다. 250nm 두께의 AZO 박막에 대한 차폐효율은 27dB로 본발명의 다층박막의 차폐효율에 미치지 못하였다. 이에 비해 본발명의 다층 박막이 형성된 항균유리의 경우 상온에서 증착한 수십nm 수준의 얇은 두께에서도 우수한 차폐 구현이 가능하였다.

상기 AZO 박막의 두께는 20~60nm인 것이 바람직하였는데, AZO 박막의 두께가 너무 얇은 경우 전자파 차단 특성이 감소하였으며, AZO 박막의 두께가 너무 두꺼우면 광투과율이 감소하였다.

또한 Ag 층의 두께는 3~15nm인 것이 바람직하였다. Ag 층의 두께가 너무 얇으면 Ag가 균일하게 증착되지 않는 경향이 있었으며, 두께가 15nm 이상인 경우에는 광 투과성이 급격하게 감소하였다.

본 발명의 항균유리는 항균특성과 함께 전자파 차단 특성을 동시에 갖고 있기 때문에 핸드폰과 같은 전자기기나 가전제품의 표면재로 사용될 수 있다. 특히 신체와 근접하여 사용하는 모니터의 디스플레이와 같이 유리 패널 상에 일체화된 디스플레이 패널, 그 중에서도 신체부위와의 접촉이 빈번한 터치스크린 작동 방식의 디스플레이 패널에 매우 유용하게 적용될 수 있다.

터치스크린 작동 방식의 디스플레이 패널에 본 발명의 항균유리가 적용되는 경우, 또는 그 외에도 가전제품의 표면재로 사용되는 경우에는 사용자의 손가락의 접촉에 의한 오염을 방지할 수 있도록 지문방지 효과가 요구되어진다. 지문방지는 사람의 손가락이 표면에 닿았을 때 손가락에 잔류하는 땀이나, 피부조직의 파편 등이 표면으로 이동하여 잔류하는 것을 방지하는 것이다. 지문방지는 표면의 성질에 의해 영향을 받는데, 표면과 이동물질간의 접촉각이 작을수록 쉽게 오염물이 표면에 잔류하게 된다. 따라서 지문방지를 위해서는 이동물질에 대한 표면의 접촉각이 커야하며, 통상 90°를 그 경계로 하여 접촉각이 90°보다 커야 한다. 최대 접촉각은 180°로 별도로 그 상한을 설정하는 것은 의미가 없다.

본 발명의 항균유리에 지문방지 특성을 추가로 부여하기 위해서 본 발명의 항균유리는 산소분위기에서 열처리한 것일 수 있다. 열처리는 80~150℃에서 이루어질 수 있으며, 열처리 온도가 너무 낮으면 표면 특성의 개질이 불충분하여 최소 80℃ 이상인 것이 바람직하였다. 열처리 온도가 증가할수록 접촉각은 오히려 감소하였으며, 높은 온도의 열처리는 공정 효율성의 측면에도 바람직하지 못하다. 사전 실험에 의하면 접촉각 특성은 100℃에서 열처리한 경우 최대 값을 나타내었으며, 공정 효율 상 150℃ 이하에서 열처리한 것이 유리하였다. 열처리 시 산소분위기는 산소가 존재함을 의미하는 것일 뿐 산소이외에 다른 기체가 없는 것을 의미하는 것은 아니다.

열처리 시간은 열처리 온도에 따라 이후 접촉각이 최소 90℃가 넘도록 적절히 조절할 수 있다. 온도가 낮을수록 열처리 시간이 길어질 수 있음은 당연하다.

본 발명의 항균유리는 내구성에 확인을 위한 터치 테스트에서, 2,000회의 터치 후에도 투명도나 항균활성 및 지문방지 특성이 모두 유지되거나 오히려 약간 향상되어 내구성이 우수함을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명의 항균유리에 의하면 수십~수백nm의 얇은 박막을 형성한 것에 의해 경량으로 광투과도를 크게 변화시키지 않으며 전자파 차폐 효과와 항균효과를 동시에 나타낼 수 있다. 또한 터치에 대한 내구성이 우수하여 본 발명의 항균유리는 유리기판이 적용된 각종 전자기기, 특히 터치스크린 작동 방식의 디스플레이 패널에 유용하게 적용될 수 있다.

또한 본 발명의 항균유리는 간단한 열처리 공정을 추가하는 것에 의해 지문방지 특성을 얻을 수 있어 특히 터치스크린을 포함한 디스플레이 패널에 적용되어 별도의 보호 시트 없이도 선명한 화질과 깨끗한 영상을 감상할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 AZO/Ag/AZO 박막의 광학적, 전기적 특성을 보여주는 그래프.
도 2는 AZO/Ag/AZO 박막의 전자파 차폐 특성을 보여주는 그래프.
도 3은 AZO/Ag/AZO 박막의 항균특성을 나타내는 이미지.
도 4는 AZO/Ag/AZO 박막의 열처리에 의한 표면 특성의 변화를 보여주는 이미지 및 그래프.
도 5는 AZO/Ag/AZO 박막의 열처리 전후의 물과의 접촉각을 보여주는 이미지.
도 6은 AZO/Ag/AZO 박막의 내구성을 확인할 수 있는 그래프 및 이미지.

이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

실시예

실시예 1 : AZO/Ag/AZO 다층박막이 형성된 유리기판의 제조

강화유리 기판(5cm×10cm×700μm, Corning Gorilla)을 세척하고 N2 gas 를 사용하여 표면의 이물질을 제거하였다. 이후 rf sputtering 방법을 이용하여 AZO 박막을 상온에서 증착하였다. 증착 시 AZO 타겟(2 인치 직경)은 Al이 2wt% 도핑된 ZnO 타겟을 세라믹공정을 이용하여 1500℃ 에서 소결처리하여 사용하였다(순도 99.99%). 타겟에 인가되는 rf power는 100 W, 작업압력은 0.13Pa을 유지하였고, 증착속도는 약 1nm/min이었으며 sputtering gas로는 10 sccm(standard cc/min)의 Ar gas를 사용하였다. AZO 박막의 두께는 증착 시간에 의해 조절하였다.

AZO 박막 상에 dc sputtering 방법을 사용하여 in-situ로 Ag 박막을 상온에서 9nm의 두께로 증착하였다. 증착 시 타겟은 직경 2인치의 Ag 금속(순도 99.99%)을 사용하였으며, 타겟에 인가되는 dc power는 20 W, 작업압력은 0.39Pa을 유지하였고, 증착속도는 약 15nm/min이었으며 sputtering gas로는 10 sccm(standard cc/min)의 Ar gas를 사용하였다.

마지막으로 상기 Ag 박막층 상에 상기 AZO 박막 형성과 동일한 조건하에서 동일한 방법으로 AZO 증착하여 AZO/Ag/AZO 다층박막을 완성하였다.

실시예 2 : AZO 박막의 두께에 따른 AZO/Ag/AZO 다층박막의 광학적, 전기적 특성 비교

실시예 1에서 제조한 다층박막이 형성된 유리 기판의 광투과율을 HP 8453 UV-VIS spect-rophotometer로 측정하고 그 결과를 도 1의 (a)에 도시하였다.

강화 유리 기판 상에 형성된 AZO/Ag/AZO 다층박막에 대한 사전 실험에서 AZO 박막 상에 형성된 Ag 층은 9nm보다 얇은 경우에는 비연속적인 구조를 가지며, 9nm 이상에서 연속적으로 증착되었다. 이에 따라 광투과율 역시 Ag층의 두께가 3nm에서 9nm로 증가함에 따라 광투과율이 점차 증가하다가, 9nm 이상이 되면 점차 감소하고, 15nm 이상인 경우 급격히 감소하였다. 이에 따라 Ag 층의 두께는 9nm로 고정하였다.

도 1의 (a)는 하부 AZO 박막의 두께를 45nm로, Ag 층의 두께를 9nm로 증착한 후, 상부 AZO 박막의 두께를 20, 45, 60, 80, 100nm로 변화시켰을 때의 최상층 AZO 박막의 두께에 따른 AZO/Ag/AZO/Glass의 광 투과율을 각각 파장의 변수로 나타낸 그래프이다. 도 1의 (a)에서 볼 수 있듯이 20nm 두께에서 AZO 박막의 두께가 증가함에 따라 투과율이 증가하면서 45nm에서 가장 높은 투과율을 보였으며, 이후 추가적인 두께 증가에 의해 투과율이 점차 감소하였다.

도 1의 (b)는 Four-point probe 방법을 이용하여 다층 박막의 면저항을 측정하고, 그로부터 계산한 비저항을 보여주는 그래프이다. 전체적인 면저항은 중간 Ag 층에 의한 전도도 상승으로 인하여 유사한 결과를 보였으며, 상부 AZO 층이 60nm 이하일 때 10^-4 Ωㅇcm 이하의 금속과 유사한 비저항 수치가 확인되었다.

실시예 3 : AZO/Ag/AZO 다층박막이 형성된 유리기판의 전자파 차폐 특성 평가

실시예 1에서 제조한 다층박막이 형성된 유리 기판의 전자파 차폐 특성을 HP Agilent E8363A를 사용하여 2 port-method 방법으로 1.5~3GHz 파장대역에서 측정하였다. 도 2의 (a)는 전자파 차폐 도파관의 모식도이다.

전자파 차폐 특성의 비교를 위하여 60μm 두께의 Cu 필름의 전자파 차폐 특성을 동일한 조건에서 측정하였으며, 측정한 결과 S₁₂ 수치를 이용하여 아래의 식으로 전자파 차폐효과를 계산하고 그 결과를 도 2의 (b)~(d)에 도시하였다. 도 2의 (d)에서 빨간 점은 대조군인 60μm 두께의 Cu 필름에 대한 전자파 차폐효과를 계산한 결과이다.

전자파는 전자파의 반사와 흡수, 다반사에 의해 약화된다. 이중 다반사는 거의 무시할 수 있으며, 전자파의 흡수에 의한 약화가 EMI 차폐효과의 75%를 차지한다. 통상 전자파의 흡수에 의한 차폐가 10dB 이상인 경우에 대부분의 전자파가 흡수되는 것으로 볼 수 있으며, EMI SE 값이 20 dB 이상이면 각 포트 간 전자파에 의한 간섭이 일어나지 않음을 의미한다. 도 2에서 확인할 수 있듯이 AZO/Ag/AZO 다층박막은 AZO 상부층의 두께가 20nm 이상일 때 약 38dB의 전자파 차폐 특성을 나타내었으며, 이는 Cu 필름 이상의 전자파 차폐효과를 갖는 것을 의미한다.

실시예 4 : AZO/Ag/AZO 다층박막이 형성된 유리기판의 항균 특성 평가

강화유리 기판(4.5cm×4.5cm×200μm, Corning Gorilla)을 세척하고 N₂ gas 를 사용하여 표면의 이물질을 제거하였다. 이후 실시예 1 과 같은 조건에서 유리 기판 위에 AZO(45nm)/Ag(9nm)/AZO(45nm) 다층 박막을 증착하고 항균 특성을 평가하였다.

항균특성은 FITI testing & Research Institute(Korea)에 의뢰하여 그람양성균인 포도상구균(Staphylococcus aureus, American Type Culture Collection No. 6538)과 그람음성균인 대장균(Escherichia coli, American type Culture Collection No. 8739)에 대해 박막접촉법(FITI Testing & Research Institute. Antimicrobial Products-Test for antimicrobial and activity and efficacy, JIS Z 2801:2010)을 사용하여 수행하고 그 결과를 도 3과 표 1에 나타내었다. 대조군으로 코팅되지 않은 유리기판 자체와 AZO 박막 45nm를 증착한 유리 기판에 대해서도 동일한 방법으로 항균특성을 시험하였다. 실험 조건은 RH 90%, 35ㅁ1^oC에서 24시간 배양한 후 살아남은 박테리아의 수를 JIS(Japanese Industrial Standard) Z 2801에 기술된 방법에 따라 콜로니의 수를 계수하여 결정하였다.

도 3은 S. aureus 와 E. coli bacteria를 24시간 배양한 후의 이미지로, (a-1)과 (a-3)은 코팅되지 않은 유리기판, (a-2)와 (a-4)는 AZO/Ag/AZO 다층박막이 형성된 유리기판의 시험결과이다. 도 3에서 확인할 수 있듯이 유리기판 자체에서는 대장균과 포도상구균이 콜로니를 형성하였으나, AZO/Ag/AZO 다층박막이 형성된 유리기판에서는 콜로니가 관측되지 않아 항균특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. AZO 박막만이 형성된 (b-2)와 (b-4)에서도 유리기판 자체의 (b-1)과 (b-3)에서는 콜로니가 형성된 것에 반해 배양 후 박테리아가 관측되지 않았다.

(a-2)와 (a-4)는 bare-glass에서, (a-1)과 (a-3)은 AZO/Ag/AZO 시편에서 각각 S. aureus 와 E. coli bacteria를 배양한 실제 이미지이다. 도 3의 (a-1)와 (a-3)에서 보여주듯이, 배양 후 박테리아가 관측되지 않았다. 또한 AZO 45nm만을 증착한 박막에서도 박테리아가 관측되지 않았다. 보다 구체적으로, 표 1은 항균활성 측정결과를 나타내는 것으로, AZO/Ag/AZO/유리와 AZO/유리는 모두 대조군인 코팅되지 않은 유리에 대해 E. coli 감소율은 99.99668% S. aureus 감소율은 99.99999%였다.

실시예 5 : 열처리에 의한 지문방지 특성 부여

실시예 4에서 제조한 AZO/Ag/AZO 다층 박막이 형성된 유리 시편을 Rapid Thermal Annealing 시스템을 사용하여 열처리하였다. 초기 진공을 1.0 Pa 이하로 유지한 후 O₂ gas를 챔버 내부에 주입하여 작업압력을 상압으로 유지하였으며, 100℃ 에서 20분간 열처리하였다.

도 4는 열처리에 의한 표면 특성의 변화를 보여주는 이미지 및 그래프이다. 별도로 도시하지는 않았으나 열처리는 광투과율이나 전기전도도에는 영향을 미치지 않았다. 도 4의 상단과 하단은 각각 열처리 전 후의 AFM (Atomic Force Microscope) 이미지와 표면거칠기 값을 보여준다. 열처리 전후 AZO/Ag/AZO 다층 박막의 표면거칠기 값은 각각 0.6nmㅁ0.2와 0.7nmㅁ0.1로 큰 차이가 없었으나, AFM 이미지는 AZO 박막 표면이 열처리 후 보다 날카롭게 성장하였음을 나타내었다.

열처리에 의해 AFM 표면 이미지의 변화가 관측됨에 따라 물과의 접촉각에 변화가 있는지를 측정하였다. 도 5는 열처리 전후의 물과의 접촉각을 보여주는 이미지로, 열처리에 의해 접촉각이 62°에서 100°로 크게 증가한 것을 확인할 수 있었다.

실시예 6 : 내구성 테스트

실시예 5에서 열처리된 AZO/Ag/AZO 다층박막에 대해 2,000회 이상의 기계적 터치 시험을 통하여 내구성 테스트를 실시하였다. 터치 테스트의 충격 조건은 손가락(1.1×10^-3N·m)과 펜(2.5×10^-3N·m)의 중간 정도인 1.85×10^-3N·m로 진행하였다. 도 6의 (a)와 (b)는 터치 테스트 후의 투명도와 면저항 특성을 보여주는 그래프로, 2,000회 터치 후에도 투명도와 면저항에 변화가 없음을 보여주었다. 도 6의 (c)는 터치 후의 표면거칠기 변화와 접촉각의 변화를 나타내는 그래프와 이미지이고 (d)는 항균특성을 보여주는 이미지이다. 이들 도면으로부터 2,000회 터치 후에도 지문방지 특성과 항균특성이 유지되고 있음을 알 수 있었다.

Claims (6)

1. 유리기판 상에 증착한 AZO/Ag/AZO 다층박막을 산소분위기에서 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 지문방지능 및 전자파 차폐능을 갖는 광 투과성 항균유리.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 AZO 박막의 두께는 20~60nm인 것을 특징으로 하는 지문방지능 및 전자파 차폐능을 갖는 광 투과성 항균유리.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 Ag 층의 두께는 3~15nm인 것을 특징으로 하는 지문방지능 및 전자파 차폐능을 갖는 광 투과성 항균유리.
   
4. 삭제
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열처리는 100℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 지문방지능 및 전자파 차폐능을 갖는 광 투과성 항균유리.
   
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 항균유리의 물에 대한 접촉각은 90° 초과인 것을 특징으로 하는 지문방지능 및 전자파 차폐능을 갖는 광 투과성 항균유리.
   

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