KR101715467B1 - 다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막, 이 투명 전도막을 포함하는 디스플레이 및 이의 제조방법 - Google Patents

다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막, 이 투명 전도막을 포함하는 디스플레이 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2층 이상의 산화물 박막이 적층된 다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막에 관한 것이다. 본 발명의 투명 전도막은 ITO을 사용하지 않고도 우수한 광투과성을 달성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 투명 전도막은 ITO를 대체할 수 있는 투명 전도막으로 사용될 수 있으며, 경제적이며 친환경적이다. 본 발명의 투명 전도막은 플렉서블 터치스크린패널, 터치스크린패널, 평판형 디스플레이, 또는 투명 디스플레이에 적용 가능하다.

Description

다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막, 이 투명 전도막을 포함하는 디스플레이 및 이의 제조방법{Transparent Conductive Film for Display Comprising Multi-thinlayer Structure, Display Having The Same Film and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막, 이 투명 전도막을 포함하는 디스플레이 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
투명전극은 투명하면서 우수한 전도성을 가진 물질을 말한다. 일반적으로 가시광선 영역(400nm~700nm)에서 80% 이상의 광투과도를 가지며, 광학적 밴드 갭(optical band gap)이 2.2eV 이상인 물질을 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide, TCO)이라고 한다. 현재 TCO 물질로 가장 널리 사용되고 있는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)은 높은 전기 전도성과 광투과도를 가지고 있어, 우수한 광학적 특성을 가지고 있다는 장점이 있으나, 원료물질인 인듐(indium, In)의 수급량 부족과 독성으로 인한 환경오염이 있다는 문제점을 가지고 있다. 산화주석(tin oxide, SnO2) 박막은 3.5eV 이상의 넓은 광학적 밴드 갭을 갖는 n-type 반도체로서 광학 스펙트럼(optical spectrum)영역에서 투명하며 높은 전기전도성을 가지므로 투명전극재료로 널리 사용되고 있다.
단일박막에서는 공기와 기판(substrate), 박막에서의 굴절률에 따른 반사, 굴절, 투과 현상이 일어나고, 이들 현상에 의해 빛의 투과율이 결정된다. 굴절률이 다른 두 매체 사이의 계면을 빛이 통과할 때 일부는 표면으로부터 반사되어 반대방향으로 진행되고, 일부는 매체를 그대로 통과하여 지나간다. 이때 굴절률이 낮은 매체에서 진행되어 오던 빛이 굴절률이 높은 매체를 만나서 발생하는 반사광은 180o 만큼 위상변화가 일어나게 된다. 하지만 굴절률이 높은 매체에서 진행되어 오던 빛이 굴절률이 낮은 매체를 만나서 발생하는 반사광은 위상변화가 일어나지 않는다. 다층구조는 각 층의 굴절률 차이에 의해서 반사율은 감소하고 투명도가 개선된다.
본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0102017호 대한민국 등록특허 제10-1285580호
본 발명자들은 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO) 박막을 대체할 수 있는 친환경적이며 경제적인 투명 전도막을 개발하기 위해 연구 노력하였다. 그 결과, 박막의 상부층에 굴절률이 상이한 복수의 산화물 박막들의 다층구조를 갖는 투명 전도막을 성공적으로 제작하였으며, 이러한 다층박막구조의 투명 전도막이 가시광선 영역에서 우수한 광투과도를 가짐으로써 종래의 ITO 박막을 대체할 가능성을 갖는 다는 사실을 실험적으로 증명하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 투명 전도막을 포함하는 디스플레이를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 기판상에 순차적으로 SnO2 박막 - 금속 박막이 형성되고, 상기 금속 박막의 상부에 TiO2, SiO2, 및 SnO2으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 또는 2 이상의 산화물 박막이 적층된 다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막을 제공한다.
본 발명에서 상기 투명 전도막(transparent conducting film)은 광투과율이 높은 기판상에 금속 박막과 투명 전극성 산화물(TCO)의 박막이 도포된 전극성 막을 의미한다. 상기 투명 전도막은 광투과성(optical transmittance) 및 전기 전도성(electro conductive)을 동시에 갖는 특성을 갖는다.
상기 광투과성은 가시광선 영역(400nm - 700nm)의 빛이 투과하는 특성을 의미한다. 본 발명의 투명 전도막은 바람직하게는, 가시광선 영역(400nm-700nm)의 빛이 80% 이상 투과하는 광투과성을 갖는다.
본 발명의 투명 전도막은 금속 박막을 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 박막은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 하나 이상의 혼합물 또는 합금의 박막일 수 있으나 이에 한정 되지는 않는다.
본 발명의 투명 전도막은 금속 또는 비금속의 산화물이 적층된 다층박막구조를 포함한다.
본 발명의 투명 전도막은 고절율의 박막과 저굴절율의 박막이 2개 이상 조합되어 적층됨으로서 반사율은 감소시키고 투명도가 개선된다.
본 발명의 투명 전도막은 기판상에 SnO2 박막 - 금속 박막이 형성되고, 상기 금속 박막상에 TiO2, SiO2, 및 SnO2으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 또는 2 이상의 산화물 박막이 적층된 다층박막구조를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 투명 전도막은 (i) 기판 - SnO2 박막 - Ag 박막 - SnO2 박막; (ⅱ) 기판 - SnO2 박막 - Ag 박막 - TiO2 박막 - SnO2 박막;
(ⅲ) 기판 - SnO2 박막 - Ag 박막 - SiO2 박막 - SnO2 박막; 또는 (ⅳ) 기판 - SnO2 박막 - Ag 박막 - TiO2 박막 - SiO2 박막 - SnO2 박막의 다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 투명 전도막에서 다층박막을 구성하는 각 산화물 박막의 두께는 5 - 50 nm이다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 투명 전도막에서 다층박막을 구성하는 금속 박막의 두께는 10 - 20 nm이다.
본 발명에서 기판은 투명한 유리(glass), 또는 유연성과 투명성이 있는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 유연성 있는 투명한 플라스틱 기판은 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트계(PET, polyethylene terephthalate) 고분자(polymer) 물질과 같은 유연성 재질을 포함한다. 또한, 상기 플라스틱 기판은 폴리에스테르계 수지, 셀룰로스 에스테르계 수지, 폴리에테르 술폰계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리올레핀계 수지, (메타)아크릴레이트계 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리염화비닐리덴계 수지, 폴리스티렌계 수지, 폴리비닐 알코올계 수지, 폴리아릴레이트계 수지, 또는 폴리페닐렌 황화물계 수지로 제조될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 투명 전도막에서 다층박막구조를 형성하는 박막은 상기 투명 전도막의 형성 재료인 금속 또는 산화물을 기판상에 증착시키거나 기판을 상기 투명전극을 구성하는 각 박막 재료를 포함하는 용액에 침적하는 방법으로 제조될 수 있다. 상기 증착 방법은 예컨대 스패터링(spattering) 방법 또는 스프레이(spray) 방법을 들 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 스패터링 방법은 투명전극의 박막 재료를 진공 방전을 수행하여 상기 기판상에 증착시키는 방법을 의미한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 설명된 디스플레이용 투명 전도막을 포함하는 디스플레이를 제공한다.
본 발명에서 상기 디스플레이(display)는 문자나 도형의 형식으로 데이터를 시각적으로 표시하는 장치를 의미한다. 상기 디스플레이는 평판형 디스플레이, 터치패널, 투명 디스플레이, 또는 플렉시블(flexible) 디스플레이 일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막의 제조방법을 제공한다:
(a) 기판 상에 순차적으로 SnO2 박막 - 금속 박막을 형성하는 단계; 및
(b) 상기 형성한 금속 박막상에 TiO2, SiO2, 및 SnO2으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 또는 2 이상의 산화물 박막을 순차적으로 적층하는 단계.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (b)에서의 하나 또는 2 이상의 산화물 박막이 적층된 구조는 (i) SnO2 박막; (ⅱ) TiO2 박막 - SnO2 박막; (ⅲ) SiO2 박막 - SnO2 박막; 또는 (ⅳ) TiO2 박막 - SiO2 박막 - SnO2 박막이다.
본 발명은 2층 이상의 산화물 박막이 적층된 다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막에 관한 것이다. 본 발명의 투명 전도막은 ITO을 사용하지 않고도 우수한 광투과성을 달성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 투명 전도막은 ITO를 대체할 수 있는 투명 전도막으로 사용될 수 있으며, 경제적이며 친환경적이다. 본 발명의 투명 전도막은 플렉서블 터치스크린패널, 터치스크린패널, 평판형 디스플레이, 또는 투명 디스플레이에 적용 가능하다.
도 1은 다층구조인 다층투명전극의 굴절률의 분포를 보여준다.
도 2는 투명 전도막의 구조를 도시한 단면도를 보여준다.
도 3은 SnO2, TiO2, SiO2, Ag의 굴절률(refractive index)을 측정한 결과를 보여준다.
도 4는 SnO2, TiO2, SiO2, Ag의 소멸계수(extinction coefficient)를 측정한 결과를 보여준다.
도 5는 SnO2, TiO2, SiO2, Ag에 대하여 Ellipsometer를 통해 측정한 굴절률과 소멸계수를 바탕으로 시뮬레이션(Simulation)을 수행한 결과를 보여준다.
도 6은 Ag층의 두께에 따른 표면을 보여준다.
도 7은 박막이 순차적으로 적층된 구조를 가진 투명 전도막의 광투과율을 보여준다.
실시예
실시예 1: 다층막 구조를 가진 투명 전도막의 설계
도 1은 다층구조인 다층투명전극의 굴절률의 분포를 보여준다.
공기의 굴절률 no 이고, 산화물의 굴절률 n1, n3 이며 금속의 굴절률은 n2 라고하면 굴절률이 서로 다른 매체 사이의 계면에서 반사광의 위상변화의 유무와 이를 반사광들의 간섭 때문에 반사율은 감소하고, 투명광들의 중첩 효과 때문에 투명도는 증가하게 된다. 이 때 각 박막의 두께와 굴절률 조합에 의해서 반사율과 투명도가 결정된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전도막의 구조를 도시한 단면도이다. 고굴절을 가지는 SnO2, TiO2 물질의 굴절률은 각각 2.5, 2.6이며 저굴절을 가지는 SiO2, Ag의 굴절률은 1.6, 0.1의 굴절률을 가진다. 산화물(SnO2)/금속(Ag)/산화물(SnO2) 구조를 기본으로서 상부층에 SnO2(고굴절)/SiO2(저굴절)/TiO2(고굴절)을 설정하여 SnO2/Ag/TiO2/SiO2/SnO2 다층구조를 설계하였다. 이렇게 다층 구조에서 각 층의 굴절률 차이로 인해 반사율은 감소하고 투과율은 상승하게 된다.
도 3 및 도 4는 각각 SnO2, TiO2, SiO2, Ag의 굴절률(refractive index)와 소멸계수(extinction coefficient)를 측정한 결과를 보여준다.
실시예 2: 다층막 구조를 가진 투명 전도막의 광투과율 시뮬레이션
본 발명에 앞서 다층구조를 가지는 각물질의 두께를 설정하기 위해서 Ellipsometer로 측정하여 도 5에 도시된 바와 같이 EMP (Essential Macleod Program)을 통해 시뮬레이션(Simulation)하였다.
약 100nm의 두께에서 SnO2(45nm)/Ag(15nm)/SnO2(45nm) 구조는 550nm 파장에서 70%의 투과율을 갖는다. 하지만 bare TiO2, bare SiO2의 구조를 갖게 되면 90%이상의 투과율을 보이며, SnO2/Ag/TiO2/SiO2/SnO2 다층막 구조는 가장 좋은 투과율을 보였다. 따라서 SnO2/Ag/SnO2 기본을 바탕으로 상부층을 고굴절률/저굴절률/고굴절률 물질로 하였을때 높은 광투과율을 기대할 수 있다.
실시예 3: 투명 전도막의 다층투면전극의 금속 제조
도 6은 Ag의 두께에 따른 표면사진이다. 다층투명전극에서 금속은 전기전도도를 결정하게 된다. 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag) 등이 금속층으로 주로 쓰이는데 Ag는 전기전도도가 가장 우수한 금속이며, Au, Cu 등 전기전도도가 우수한 다른 금속에 비해서 굴절률이 낮기 때문에, 낮은 굴절률은 앞서 설명한 것과 같이 굴절률 차이를 통한 투명도 개선을 효율적으로 유도할 수 있다. 따라서 Ag 박막은 우수한 전기전도도를 가지면서 효율적으로 투명도 개선이 이루어지므로 다층 투명전극의 금속으로 가장 적합하다. Ag 층이 10nm의 두께를 가지게 되면 섬(island) 구조화 되어 부분적으로 Ag층이 완벽하게 표면을 덮지 않지만, 15nm 두께 이상에서는 표면층이 Ag로 완벽하게 덮히는 것을 확인하였다. Ag층이 조밀하게 분포하면서도 산화물/금속/산화물 구조에서 금속층을 삽입함으로서 얻을 수 있는 장점인 전기적 성질을 얻기 위해서는 Ag층의 두께가 15nm인 것이 가장 적정한 것임을 확인하였다.
실시예 4: 투명 전도막의 제조 및 광투과율 측정
도 7은 시뮬레이션을 통해 설계한 적층구조를 실제 박막 증착 실험을 통해 구현하고 구현된 박막층의 광투과율을 측정한 결과를 보여준다. 시뮬레이션에서는 TiO2, SiO2을 삽입함으로써 90% 이상의 투과율을 나타냈지만, SnO2(45nm)/Ag(15nm)/SnO2(45nm), SnO2(45nm)/Ag(15nm)/TiO2(10nm)/SnO2(35nm), SnO2(45nm)/Ag(15nm)/SiO2(10nm)/SnO2(35nm), SnO2(45nm)/Ag(15nm)/TiO2(10nm)/SiO2(10nm)/SnO2(25nm)의 투과율은 550nm기준 파장에서 각각 80.3%, 82.5%, 86.1%, 86.3%의 투과율을 보였다. 이로서 상부층을 고굴절/저굴절/고굴절 구조를 이용함으로서, 광투과율을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 순차적으로 두께 5 - 50nm이며 굴절률이 2.5인 SnO2 박막, 두께 15 - 20nm이며 굴절률이 0.1인 Ag 박막, 두께 5 - 50nm이며 굴절률이 2.6인 TiO2 박막, 두께 5 - 50nm이며 굴절률이 1.6인 SiO2 박막 및 두께 5 - 50nm이며 굴절률이 2.5인 SnO2 박막이 적층된 다층박막구조를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항의 디스플레이용 투명 전도막을 포함하는 디스플레이.
  7. 다음의 단계를 포함하는 디스플레이용 투명 전도막의 제조방법:
    (a) 기판 상에 순차적으로 두께 5 - 50nm이며 굴절률이 2.5인 SnO2 박막과 두께 15 - 20nm이며 굴절률이 0.1인 Ag 박막을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 형성한 Ag 박막상에 두께 5 - 50nm이며 굴절률이 2.6인 TiO2 박막, 두께 5 - 50nm이며 굴절률이 1.6인 SiO2 박막 및 두께 5 - 50nm이며 굴절률이 2.5인 SnO2 박막을 순차적으로 적층하는 단계.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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