KR101664395B1 - 사파이어 기판을 이용한 터치패널 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사파이어 기판을 윈도우로 사용하는 터치패널과 그 제조방법에 관한 것으로, 사파이어 기판 상에 Ag에 Fe, Cr, Mo 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2 이상이 첨가된 Ag 합금 박막으로 이루어진 투명전극패턴을 포함한다. 이에 의하면 터치패널을 구성하는 투명전극박막의 구조를 단순화하여 제조 비용을 절감함과 동시에 광투과율을 향상시키는 장점이 있다.

Description

사파이어 기판을 이용한 터치패널 및 그 제조방법{TOUCH PANEL WITH A SAPPHIRE SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD THEROF}

본 발명은 사파이어 기판을 윈도우로 이용한 터치패널과 그 제조방법에 관한 것이다.

정전용량 방식의 터치패널은 그 구조에 따라 필름 라미네이트 타입, 글라스 라이네이트 타입, 윈도우 일체형, 디스플레이 일체형으로 나눌 수 있다.

그런데 종래 방식의 터치패널 대부분은 투명전극(ITO), 광학접착체(OCA 또는 OCR), 필름 등이 중첩된 다중 구조로 이루어져 광학 특성이 저하되고, 복잡한 공정에 따라 결함 발생 가능성이 높다는 문제점이 있었다.

모바일 기기에 사용되는 터치패널의 윈도우로는 소다라임(soda lime)을 기초로 나트륨 이온의 교환 및 강화 열처리로 광투과율과 강도를 향상시킨 코닝(Corning) 사의 고릴라 글라스가 많이 사용되고 있다. 그러나 고릴라 글라스 역시 표면 경도가 낮아 표면에 스크래치가 많이 발생하고 충격에 매우 취약하여 제품의 신뢰성이 낮다는 문제점이 있었다. 또한 기존 강화처리된 고릴라 글라스 상에 ITO 박막을 스퍼터링하여 증착하는 경우, 저온 증착시 증착 시간이 많이 소요되어 생산성이 낮고, 고온 증착시 강도가 낮아지는 문제점이 있었다.

최근에 기존의 글라스보다 강도가 우수한 사파이어 소재로 대체하고자 하는 기술개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나, 사파이어 소재 가격이 기존 글라스에 비해 약 3배 이상 고가라는 문제점이 있었다. 특히, 사파이어 기판은 글라스에 비하여 광투과율이 낮기 때문에 투명 터치패널에 적용하기 위해서는 광투율의 개선이라는 기술적 문제가 남아있어 상용화가 지연되고 있는 실정이다.

상술한 배경 기술상의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 사파이어 기판을 이용한 터치패널과 그 제조방법은, 윈도우로 사용되는 사파이어 기판 상에 투명전극박막 구조를 단순화시켜 가격 경쟁력을 높이면서도 광투과율을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사파이어 기판을 이용한 터치패널은, 윈도우로 사용되는 사파이어 기판; 및 상기 사파이어 기판 상에 Ag 합금 박막으로 이루어진 1 이상의 투명전극패턴; 을 포함한다.

바람직하게, 상기 사파이어기판 상에 형성된 제1 투명전극패턴; 상기 제1 투명전극패턴 상에 형성된 절연층; 및 상기 절연층 상에 형성된 제2 투명전극패턴; 을 더 포함하고, 상기 제1, 제2 투명전극패턴 중 적어도 어느 하나는 Ag 합금 박막으로 이루어진다.

바람직하게, 상기 Ag 합금 박막은, Ag에 Fe, Cr, Mo 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2 이상이 첨가된다. 이때, Ag 합금 박막은, Ag에 대하여 Fe, Cr, Mo 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2 이상의 혼합량이 0.05~7at%가 되도록 첨가된다.

바람직하게, 상기 절연층은, Si₃N₄로 이루어진다.

바람직하게, 상기 제1, 제2 투명전극패턴의 두께는 3~5nm이고, 상기 절연층의 두께는 10~60nm이다.

바람직하게, 상기 사파이어 기판과 상기 제1 투명전극패턴 사이에 형성된 SiO₂ 층; 을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 제2 투명전극패턴 상에 형성된 SiO₂ 층; 을 더 포함하다.

바람직하게, 상기 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판의 다른 일면 상에 SiO₂ 층이 형성된다.

본 발명에 의한 터치패널 제조방법은, 윈도우로 사용되는 사파이어 기판 상에 Ag 합금 박막으로 이루어지는 1 이상의 투명전극패턴을 형성하는 단계; 및 상기 투명전극패턴 상에 절연층을 형성하는 단계; 를 포함한다.

바람직하게, 윈도우로 사용되는 사파이어 기판 상에 제1 투명전극패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 투명전극패턴 상에 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 절연층 상에 제2 투명전극패턴을 형성하는 단계; 를 포함하고, 상기 제1, 제2 투명전극패턴 중 적어도 어느 하나는 Ag 합금 박막으로 이루어진다.

본 발명에 의하면 사파이어 기판 상에 Ag 합금 박막으로 이루어진 투명전극패턴을 형성함으로써 투명전극구조를 단순화시킴으로써 단가가 상대적으로 높은 사파이어 기판을 사용하면서도 전체 제조 비용을 절감함과 동시에 광투과율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 터치패널의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 X축과 Y축 투명전극패턴 구성도.
도 3은 본 발명을 구성하는 투명전극패턴의 결정구조를 나타낸 도면.

이하에서는 본 발명의 사파이어 기판을 이용한 터치패널과 그 제조방법을 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 터치패널은, 윈도우로 사용되는 사파이어 기판 상에 Ag 합금 박막으로 이루어진 1 이상의 투명전극패턴을 포함한다.

여기서 투명전극패턴은 X축 전극패턴과 절연상태를 유지하는 Y축 전극패턴이 하나의 층상에 형성된 후 전극패턴되거나, X축 전극패턴과 Y축 전극패턴 사이에 절연층을 매개로 하여 절연상태를 유지하는 복층 구조로 형성될 수 있다.

이하에서는 투명전극패턴이 복층으로 형성된 구조의 터치패널을 중심으로 설명하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다. 또한 본 명세서에서 구성요소들 간의 위치 관계를 설명하는 용어로서 사용되는 '상', '상부', '하', '하부'는 그 사이에 제3의 구성요소가 게재될 수 있음을 배제하는 것은 아니다.

본 발명의 일시예에 의한 터치패널의 단면도는 도 1과 같이, 사파이어 기판(10), 제1 투명전극패턴(20), 절연층(30) 및 제1 투명전극패턴(40)으로 이루어진다.

이를 위해 먼저 사파이어 기판(10) 상에 제1 투명전극패턴(20)을 형성한다. 제1 투명전극패턴(20)은 사파이어 기판(10) 상에 3~5nm 두께의 Ag 합금 박막층을 형성한 후 포토리소그라피 공정을 통해 형성된다. 이는 도 2와 같은 X-Y 매트릭스 구조에서 X-좌표에 해당한다고 볼수 있다.

Ag 합금 박막은, 기존의 저항이 높은 ITO 박막(전기저항: 100~150Ω/□)을 저저항의 소재(전기저항: 10~50Ω/□)로 치환하여 부품의 전압을 감소시키기 위한 것으로, Ag에 Fe, Cr, Mo 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2 이상이 첨가된 합금 박막이다.

이때 Fe, Cr, Mo는 그 총합은 0.05~7at%인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1~5at%이다. 0.05at% 미만인 경우 박막 구조가 불안정하여 박리 현상이 발생될 위험성이 있고, 7at% 초과인 경우 광투과율이 낮아지는 문제점이 있기 때문이다.

그리고 제1 투명전극패턴(20)의 두께는 3~5nm로 하는 것이 바람직하다. 두께가 너무 작으면 광투과율 면에서 우수하나 전기저항이 높아지는 문제가 있고, 두께가 너무 크면 그 반대의 문제가 발생하기 때문이다.

Ag 합금 박막의 광투과율과 전기저항

구분	박막종류(단위, nm)	광투과율 (파장, 550nm)	전기저항(Ω/□)
비교예 1	Ag(3)/sapphire	83	결정사이의 분리 현상으로 측정불가
비교예 2	Ag(5)/sapphire	78	35
실시예 1	Ag-0.1Fe(3)/sapphire	80	30
실시예 2	Ag-1Fe(3)/sapphire	78	35
실시예 3	Ag-5Fe(5)/sapphire	75	15
실시예 4	Ag-0.1Cr(3)/sapphire	81	30
실시예 5	Ag-1Cr(3)/sapphire	77	36
실시예 6	Ag-5Cr(5)/sapphire	70	16
실시예 7	Ag-0.1Mo(3)/sapphire	82	32
실시예 8	Ag-1Mo(3)/sapphire	78	35
실시예 9	Ag-5Mo(5)/sapphire	75	17

위 표 1에서 비교예 1, 2는 0.8mm 두께의 사파이어 기판 상에 Fe, Cr, Mo가 첨가되지 않은 순수 Ag층을 3~5nm 두께로 형성한 상태에서 550nm의 광을 조사하였을 때의 광투과율과, 전기저항을 측정한 결과이다. 실시예 1~9는 Fe, Cr, Mo 중 어느 하나를 첨가한 경우이다.

비교예 1, 2의 Ag 박막은 열적 안정성이 낮고, 박막 구조가 불안정하여 전기저항의 재현성이 낮음을 알 수 있었다. 이에 비하여 실시예 1~9에 의하면 열적안정성과 박막의 치밀한 구조를 구현함으로서 3~5nm 두께의 박막으로도 17~36Ω/□의 낮은 저항을 얻을 수 있었다. 이는 도 3과 같이, Ag에 첨가된 Fe, Cr, Mo 원소들이 박막이 형성되는 과정에서 결정들 경계(결정립계)에 편석되어 과도한 결정 성장을 억제함으로서 보다 치밀하고 균일한 조직을 유도하기 때문이다.

한편, 상술한 실시예 1~9는 전극패턴을 형성하지 않은 박막 상태에서 측정한 것이므로, 실제 전극패턴을 형성한 상태라면 표 1에 비하여 향상된 광투과율을 나타낼 것이다.

다음으로 제1 투명전극패턴(20) 상에 절연층(30)으로서 Si₃N₄층을 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 증착시킨다. Si₃N₄층은 X-축의 Ag 박막으로부터 전자의 이동을 제한하는 역할을 수행하여 절연층으로 작용하는 동시에 터치패널 전체의 광투과율 향상에 기여한다. 또한 이 절연층(30)의 두께는 터치패널의 감도에 영향을 미치는 정전용량을 결정한다.

이때, Si₃N₄층의 두께는 10~60nm로 하는 것이 바람직하다. 두께가 너무 작은 경우 절연 성능의 낮아지고, 너무 크면 터치 패널의 감도가 낮아진다는 문제가 있기 때문이다.

마지막으로, 절연층(30) 상에 제2 투명전극패턴(40)을 형성한다. 제2 투명전극패턴(40)은, Y-축 좌표를 형성하기 위한 전극으로서 제1 투명전극패턴(20)과 마찬가지로 3~5nm 두께의 Ag 합금 박막을 포토리소그라피 공정을 통해 형성한다.

상술한 바와 같이 사파이어 기판(10) 상에 제1 투명전극패턴(20), 절연층(30) 및 제2 투명전극패턴(40)이 형성된 터치패널을 각 층의 두께를 달리하였을 때의 광투과율을 비교한 결과는 아래의 표 2와 같다.

터치패널 각 구성층의 두께를 변화하였을 때의 광투과율 비교

구분	박막종류 (단위, nm)	광투과율 (파장, 550nm)
실시예 10	Ag(3)/Si3N4(10)/Ag(3)/sapphire	85
실시예 11	Ag(3)/Si3N4(30)/Ag(3)/sapphire	87
실시예 12	Ag(3)/Si3N4(60)/Ag(3)/sapphire	86
실시예 13	Ag(5)/Si3N4(10)/Ag(5)/sapphire	85
실시예 14	Ag(5)/Si3N4(30)/Ag(5)/sapphire	86
실시예 15	Ag(5)/Si3N4(60)/Ag(5)/sapphire	84

한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 광투과율을 더욱 향상시키기 위하여 SiO₂ 층으로 이루어진 광투과율 개선층을 사파이어 기판(10)과 상기 제1 투명전극패턴(20) 사이에 형성할 수 있다. 또는 광투율 개선층을 제2 투명전극패턴(40) 상에 형성하거나, 제1 투명전극패턴(20)이 형성된 사파이어 기판(10)의 다른 일면 상에 형성할 수도 있다. 또는 이러한 광투과율 개선층을 상술한 위치 중 2개소 이상에 복합적으로 형성할 수도 있다.

이와 같이 1 또는 2 이상의 광투과율 개선층이 부가 형성된 터치패널의 실시예 16~19는, 아래의 표 3과 같이 표 2의 실시예에 비하여 광투과율이 향상되었음을 알 수 있다.

광투과율 개선층이 부가된 터치패널의 광투과율

구분	박막종류 (단위, nm)	광투과율 (파장, 550nm)
실시예 16	SiO2(60)/Ag(5)/Si3N4(30)/Ag(5)/SiO2(10)/sapphire	87
실시예 17	SiO2(60)/Ag(5)/Si3N4(30)/Ag(5)/sapphire	88
실시예 18	SiO2(50)/Ag(5)/Si3N4(50)/Ag(5)/sapphire/SiO2(100)	95
실시예 19	SiO2(50)/Ag(5)/Si3N4(50)/Ag(5)/sapphire/SiO2(50)	92

상술한 바와 같이 사파이어 기판(10) 상에 제1 투명전극패턴(20), 절연층(30) 및 제2 투명전극패턴(40)을 차례로 형성한 다음, 통상의 터치패널 제조 방식과 마찬가지로 투명전극패턴(20, 40)과 전기적으로 연결되는 배선전극을 설치함으로서 사파이어 기판(10)의 접촉에 의하여 감지된 신호를 제어부에 전달하도록 구성할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 중심으로 해석되어져야 하며, 다양한 균등물이나 변형물에까지 그 효력이 미침은 당연하다 할 것이다.

10 : 사파이어 기판
20 : 제1 투명전극패턴
30 : 절연층
40 : 제2 투명전극패턴

Claims (11)

1. 윈도우로 사용되는 사파이어 기판;
   상기 사파이어기판 상에 형성된 제1 투명전극패턴;
   상기 제1 투명전극패턴 상에 형성된 절연층; 및
   상기 절연층 상에 형성된 제2 투명전극패턴; 을 포함하고,
   상기 제1, 제2 투명전극패턴 중 적어도 어느 하나는 Ag 합금 박막으로 이루어지고,
   상기 Ag 합금 박막은, 결정립계에 편석되어 과도한 결정 성장을 억제하도록 Ag에 대하여 Fe, Cr, Mo 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2 이상의 혼합량이 0.05at%~7at%가 되도록 첨가되고,
   상기 제1, 제2 투명전극패턴의 두께는 3nm~5nm이고,
   상기 절연층의 두께는 10nm~60nm인 것을 특징으로 하는 터치패널.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 절연층은, Si₃N₄로 이루어진 것을 특징으로 하는 터치패널.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 사파이어 기판과 상기 제1 투명전극패턴 사이에 형성된 SiO₂ 층;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 투명전극패턴 상에 형성된 SiO₂ 층;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치패널.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 투명전극패턴이 형성된 사파이어 기판의 다른 일면 상에 SiO₂ 층이 형성된 것을 특징으로 하는 터치패널.
10. 윈도우로 사용되는 사파이어 기판 상에 결정립계에 편석되어 과도한 결정 성장을 억제하도록 Ag에 대하여 Fe, Cr, Mo 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2 이상의 혼합량이 0.05at%~7at%가 되도록 첨가된 Ag 합금 박막으로 이루어지는 1 이상의 투명전극패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 투명전극패턴 상에 절연층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 투명전극패턴의 두께는 3~5nm이고,
    상기 절연층의 두께는 10~60nm인 것을 특징으로 하는 터치패널 제조방법.
11. 윈도우로 사용되는 사파이어 기판 상에 제1 투명전극패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1 투명전극패턴 상에 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 절연층 상에 제2 투명전극패턴을 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 제1, 제2 투명전극패턴 중 적어도 어느 하나는 결정립계에 편석되어 과도한 결정 성장을 억제하도록 Ag에 대하여 Fe, Cr, Mo 중에서 선택되는 어느 하나 또는 2 이상의 혼합량이 0.05at%~7at%가 되도록 첨가된 Ag 합금 박막으로 이루어지고,
    상기 제1, 제2 투명전극패턴의 두께는 3~5nm이고,
    상기 절연층의 두께는 10~60nm인 것을 특징으로 하는 터치패널 제조방법.

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