KR101759067B1 - 디스플레이용 투명 다층 박막 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 디스플레이용 투명 다층 박막은 디스플레이용 기판 상에 형성되는 제1 산화물 박막, 상기 제1 산화물 박막 상에 형성되는 금속 박막, 상기 금속 박막 상에 형성되고, 미리 정해진 기준치 이상의 굴절률을 갖는 박막인 고굴절률 박막, 상기 고굴절률 박막 상에 형성되고, 상기 기준치 이하의 굴절률을 갖는 박막인 저굴절률 박막 및 상기 저굴절률 박막 상에 형성되고, 상기 기준치 이상의 굴절률을 갖는 제2 산화물 박막을 포함한다.
본 발명의 디스플레이용 투명 다층 박막에 의하면, ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하지 않고도, 우수한 광학적 특성과 높은 전기적 성질을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

디스플레이용 투명 다층 박막 및 그 제조 방법 {Transparent conductive multi-thin layer film for display, and method thereof}

본 발명은 디스플레이용 투명 다층 박막 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 평판 디스플레이의 투명 전극으로 사용되는 투명 다층 박막 구조에 관한 것이다.

투명전극은 전기 전도도를 갖는 동시에 가시광선영역에서 빛을 투과하는 성질을 가진 소재이다. 일반적으로 비저항이 10^{- 3}Ω·cm 이하이며 가시광선 영역(400nm~800nm)에서 80% 이상의 값을 가지며 밴드갭(Band gap)이 3.3eV 이상의 조건을 만족하는 재료를 TCO(Transparent Conducting Oxide)라고 한다.

평판 디스플레이의 투명전극으로 사용하기 위해서는 빠른 스위칭 및 응답속도의 구현이 필요하며 가능한 전기비저항이 낮아야 한다.

현재 ITO가 광학적, 전기적 특성이 가장 우수하기 때문에 널리 사용되고 있지만, 인듐(In)은 희토류원소이기 때문에 인듐 생산량 제한에 따라 가격이 상승되며, 독성으로 환경문제가 야기된다는 문제점이 있다.

또한, 현재 디스플레이의 개발이 고화질화, 대면적화로 이루어짐에 따라 낮은 저항의 투명전극을 필요로 하는데, 저항을 낮추기 위해 두께를 증가시키면 재료원가가 상승되며, 간섭효과에 의해 광투과율이 감소하게 되는 문제점이 있다.

한편, SnO₂ 박막은 3.5eV 이상의 넓은 옵티컬 밴드갭(optical band gap)을 갖는 n형(n-type) 반도체로서 옵티컬 스펙트럼(optical spectrum) 영역에서 투명하며, 높은 전기전도성을 가지고 있어 ITO 투명 전극 재료의 잠재적 대체 물질로 평가되고 있다.

단일박막에서는 공기, 기판, 박막에서 굴절률 차이에 따른 투과, 반사, 굴절 현상이 나타나며 광투과율이 결정된다. 굴절률이 서로 다른 두 매체 사이의 계면을 빛이 통과하게 될 때 일부는 반사되어 반대방향으로 진행하게 되고, 일부는 매체를 그대로 통과하게 된다. 굴절률이 낮은 매체에서 진행되어 오던 빛이 굴절률이 높은 매체를 만나서 발생하는 반사광은 180°만큼 위상변화가 일어나지만, 굴절률이 높은 매체에서 진행되어 오던 빛이 굴절률이 낮은 매체를 만나서 발생하는 반사광은 위상변화가 일어나지 않는다. 이러한 원리를 이용한 다층구조는 각 층의 굴절률 차이에 의해서 반사율은 감소하고 투명도가 개선된다.

대한민국 공개특허 10-2011-0079992

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 굴절률이 서로 다른 매개체를 다층으로 설계하여 투명전극으로 요구되는 낮은 전기적 성질과 높은 광학적 성질을 동시에 갖도록 하는 디스플레이용 투명 다층 박막 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디스플레이용 투명 다층 박막은 디스플레이용 기판 상에 형성되는 제1 산화물 박막, 상기 제1 산화물 박막 상에 형성되는 금속 박막, 상기 금속 박막 상에 형성되고, 미리 정해진 기준치 이상의 굴절률을 갖는 박막인 고굴절률 박막, 상기 고굴절률 박막 상에 형성되고, 상기 기준치 이하의 굴절률을 갖는 박막인 저굴절률 박막 및 상기 저굴절률 박막 상에 형성되고, 상기 기준치 이상의 굴절률을 갖는 제2 산화물 박막을 포함한다.

상기 제1 산화물 박막은 SnO₂ 이고, 상기 금속 박막은 은(Ag)이고, 상기 고굴절률 박막은 Nb₂O₅ 이고, 상기 저굴절률 박막은 SiO₂ 이고, 상기 제2 산화물 박막은 SnO₂ 로 구현될 수 있다.

상기 은(Ag) 박막의 두께가 10nm 이상으로 구현될 수 있다.

본 발명의 디스플레이용 투명 다층 박막 제조 방법은 디스플레이용 기판 상에 제1 산화물 박막을 형성하는 단계, 상기 제1 산화물 박막 상에 금속 박막을 형성하는 단계, 상기 금속 박막 상에 미리 정해진 기준치 이상의 굴절률을 갖는 고굴절률 박막을 형성하는 단계, 상기 고굴절률 박막 상에 상기 기준치 이하의 굴절률을 갖는 저굴절률 박막을 형성하는 단계 및 상기 저굴절률 박막 상에 상기 기준치 이상의 굴절률을 갖는 제2 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 제1 산화물 박막은 SnO₂ 이고, 상기 금속 박막은 은(Ag)이고, 상기 고굴절률 박막은 Nb₂O₅ 이고, 상기 저굴절률 박막은 SiO₂ 이고, 상기 제2 산화물 박막은 SnO₂ 로 구현될 수 있다.

상기 은(Ag) 박막의 두께가 10nm 이상으로 구현될 수 있다.

본 발명의 디스플레이용 투명 다층 박막에 의하면, ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하지 않고도, 우수한 광학적 특성과 높은 전기적 성질을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 디스플레이용 투명 다층 박막은 기존의 ITO를 사용한 투명 전극을 대체할 수 있어서, 보다 경제적이며 친환경적이라는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 디스플레이용 투명 다층 박막은 평판 디스플레이에 적용이 가능하다.

도 1은 다층 구조인 다층 투명 전극의 굴절률의 분포를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이용 투명 다층 박막의 적층 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂, Nb₂O₅, SiO₂, Ag의 굴절률을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂, Nb₂O₅, SiO₂, Ag의 흡광 계수(extinction coefficient)를 도시한 그래프이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂, Nb₂O₅, SiO₂, Ag의 두께를 달리하여 EMP(Essential Macleod Program)를 통해 시뮬레이션한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 은의 두께에 따른 표면 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 AES 뎁스(depth) 프로파일(profiles) 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂/Ag/Nb₂O₅/SiO₂/SnO₂ 의 상부층과 하부층의 SnO₂ 의 두께를 변화시켜가면서 실제 측정한 투과율 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂의 두께에 따른 면 저항 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이용 투명 다층 박막 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 다층 구조인 다층 투명 전극의 굴절률의 분포를 보여주는 도면이다.

도 1에서 고굴절률 박막(10), 저굴절률 박막(20), 고굴절률 박막(30)의 적층 구조로 되어 있다.

도 1을 참조하면, 공기의 굴절률을 n_o, 산화물의 굴절률율 n₁, n₃ , 금속의 굴절률을 n₂ 라고 하면, 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 디스플레이용 투명 다층 박막의 적층 구조를 보여주는 단면도이다.

도 2에서, 고굴절률을 갖는 SnO₂의 굴절률은 2.5 이고, 고굴절률을 갖는 Nb₂O₅ 물질의 굴절률은 1.8이며, 저굴절률을 갖는 SiO₂ 와 Ag의 굴절률은 각각 1.6, 0.1이다.

본 발명에서는 산화물(SnO₂)/금속(Ag)/산화물(SnO₂) 구조를 기본으로 상부층을 SnO₂(고굴절)/SiO₂(저굴절)/Nb₂O₅(고굴절)로 설정하여, SnO₂/Ag/Nb₂O₅/SiO₂/SnO₂ 다층구조로 구현한다. 이렇게 다층 구조에서 각 층의 굴절률 차이로 인해 반사율이 감소하고 투과율이 상승하게 된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 디스플레이용 투명 다층 박막은 제1 산화물 박막(110), 금속 박막(120), 고굴절률 박막(130), 저굴절률 박막(140), 제2 산화물 박막(150)을 포함한다.

제1 산화물 박막(110)은 디스플레이용 기판 상에 형성된다. 본 발명에서 제1 산화물 박막(110)은 SnO₂ 로 구현될 수 있다.

금속 박막(120)은 제1 산화물 박막(110) 상에 형성된다. 본 발명에서 금속 박막(120)은 은(Ag)으로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 은(Ag) 박막의 두께가 10nm 이상인 것이 바람직하다.

고굴절률 박막(130)은 금속 박막(120) 상에 형성되고, 미리 정해진 기준치 이상의 굴절률을 갖는 박막이다. 본 발명에서 고굴절률 박막(130)은 Nb₂O₅ 로 구현될 수 있다.

저굴절률 박막(140)은 고굴절률 박막(130) 상에 형성되고, 기준치 이하의 굴절률을 갖는 박막이다. 본 발명에서 저굴절률 박막(140)은 SiO₂ 로 구현될 수 있다.

제2 산화물 박막(150)은 저굴절률 박막(140) 상에 형성되고, 기준치 이상의 굴절률을 갖는 박막이다. 본 발명에서 제2 산화물 박막(150)은 SnO₂ 로 구현될 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이용 투명 다층 박막 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 11을 참조하면, 먼저 디스플레이용 기판 상에 제1 산화물 박막(110)을 형성한다(S110). 본 발명에서 제1 산화물 박막(110)은 SnO₂ 로 구현될 수 있다.

그리고, 제1 산화물 박막(110) 상에 금속 박막(120)을 형성한다(S120). 본 발명에서 금속 박막(120)은 은(Ag)으로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 은(Ag) 박막의 두께가 10nm 이상인 것이 바람직하다.

그리고, 금속 박막(120) 상에 미리 정해진 기준치 이상의 굴절률을 갖는 고굴절률 박막(130)을 형성한다(S130). 본 발명에서 고굴절률 박막(130)은 Nb₂O₅ 로 구현될 수 있다.

그리고, 고굴절률 박막(130) 상에 기준치 이하의 굴절률을 갖는 저굴절률 박막(140)을 형성한다(S140). 본 발명에서 저굴절률 박막(140)은 SiO₂ 로 구현될 수 있다.

마지막으로, 저굴절률 박막(140) 상에 기준치 이상의 굴절률을 갖는 제2 산화물 박막(150)을 형성한다(S150). 본 발명에서 제2 산화물 박막(150)은 SnO₂ 로 구현될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂, Nb₂O₅, SiO₂, Ag의 굴절률을 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂, Nb₂O₅, SiO₂, Ag의 흡광 계수(extinction coefficient)를 도시한 그래프이다.

본 발명에서는 다층 구조를 가지는 각 물질의 두께를 설정하기 위해서 Ellipsometer로 측정하여 EMP (Essential Macleod Program)을 통해 시뮬레이션(Simulation) 하며, 이에 대한 결과는 다음 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂, Nb₂O₅, SiO₂, Ag의 두께를 달리하여 EMP(Essential Macleod Program)를 통해 시뮬레이션한 그래프이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 100nm의 두께에서 SnO₂(45nm)/Ag(10nm)/SnO₂(45nm) 구조는 550nm 파장에서 80%의 투과율을 갖는다. bare Nb₂O₅, bare SiO₂의 구조 시 90%이상의 투과율을 보이지만, SnO₂/Ag/Nb₂O₅/SiO₂/SnO₂ 다층막 구조에서 가장 좋은 투과율을 보였다.

즉, 5중 다층막 구조에서 상부층과 하부층의 두께를 변화시켰을 때, EMP 결과 투과율은 각각 550nm 기준파장에서 91%, 93%, 89%, 89%의 투과율이 나타났다. 따라서 5중 다층막 구조에서 가장 적절한 두께는 SnO₂(45nm)/Ag(45nm)/ Nb₂O₅(45nm)/ SiO₂(45nm)/ SnO₂(45nm) 이다. 이처럼, SnO₂/Ag/SnO₂ 구조를 기본으로 상부층을 고굴절/저굴절/고굴절 물질로 하였을 때, 높은 광투과율을 기대할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 은의 두께에 따른 표면 사진이다.

도 7을 참조하면, 다층투명전극에서 금속은 전기전도도를 결정하게 된다. Al, Au, Cu, Ag 등이 금속층으로 주로 쓰이는데 Ag는 전기전도도가 가장 우수한 금속이며, Au, Cu 등 전기전도도가 우수한 다름 금속에 비해서 굴절률이 낮기 때문에, 앞에서 설명한 바와 같이 굴절률 차이를 통한 투명도 개선을 효율적으로 유도할 수 있다.

따라서 Ag 박막은 우수한 전기전도도를 가지면서 효율적으로 투명도 개선이 이루어지므로 다층투명전극의 금속으로 가장 적합하다.

Ag 층이 10nm 이하의 두께에서는 아일랜드(island) 되어, Ag 층이 표면을 부분적으로 덮을 뿐이고, 완벽하게 표면을 덮지 않지만, 10nm 두께 이상에서는 표면층이 Ag로 완벽하게 덮힌 것을 확인할 수 있다. Ag 층이 조밀하게 분포되지 않으면 다층막구조에서 좋은 전기적 성질을 기대하기 어렵기 때문에, Ag 층을 10nm 이상의 두께로 구현하는 것이 적정한 것임을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 AES 뎁스(depth) 프로파일(profiles) 결과를 보여주는 그래프이다.

도 8을 참조하면, SnO₂(45nm)/Ag(10nm)/Nb₂O₅(10nm)/SiO₂(10nm)/SnO₂(25nm) 다층막에서 Sn 피크가 제일 먼저 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그 후 Si 원소 피크가 나타나게 되는데 Sn 피크와 일부 중첩이 이루어지는 부분을 보인다. 이것은 박막의 두께가 매우 얇기 때문에 각 층간의 원소확산에 의한 것으로 판단된다. 또한 Nb 와 Ag 간에 확산이 많이 된 것을 확인할 수 있으며, 산소는 전 층에 존재하며, Ag 층에도 Sn 원소의 일부 확산이 확인되지만, 금속의 비저항을 크게 높이지는 않았다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂/Ag/Nb₂O₅/SiO₂/SnO₂ 의 상부층과 하부층의 SnO₂ 의 두께를 변화시켜가면서 실제 측정한 투과율 그래프이다.

도 9를 참조하면, 광특성 실험결과는 EMP 시뮬레이션(Simulation)과 유사한 경향을 나타내며, SnO₂(45nm)/Ag(10nm)/Nb₂O₅(10nm)/SiO₂(10nm)/SnO₂(25nm) 두께에서 가장 높은 85%의 투과율을 보였다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO₂의 두께에 따른 면 저항 그래프이다.

도 10을 참조하면, 4개의 시편 모두 우수한 면저항을 보였고 SnO₂(45nm)/Ag(10nm)/Nb₂O₅(10nm)/SiO₂(10nm)/SnO₂(25nm) 두께에서 6.3Ω/sq의 낮은 면저항을 나타냈다. SnO₂(45nm)/Ag(10nm)/SnO₂(45nm) 삼중층으로 제작하였을 시 약 100Ω/sq의 면저항을 보였으나, 5중층으로 제작할 경우 전기전도도가 크게 향상되기 때문에, 평판 디스플레이의 투명전극으로 사용하기에 적합한 소재 및 층상구조로 확인된다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

110 제1 산화물 박막 120 금속 박막
130 고굴절률 박막 140 저굴절률 박막
150 제2 산화물 박막

Claims (14)

1. 디스플레이용 기판 상에 형성되는 제1 산화물 박막;
   상기 제1 산화물 박막 상에 형성되는 금속 박막;
   상기 금속 박막 상에 형성되고, 미리 정해진 기준치 이상의 굴절률을 갖는 박막인 고굴절률 박막;
   상기 고굴절률 박막 상에 형성되고, 상기 기준치 이하의 굴절률을 갖는 박막인 저굴절률 박막; 및
   상기 저굴절률 박막 상에 형성되고, 상기 기준치 이상의 굴절률을 갖는 제2 산화물 박막을 포함하되,
   상기 제1 산화물 박막은 SnO₂이고, 상기 금속 박막은 은(Ag)이고, 상기 고굴절률 박막은 Nb₂O₅ 이고, 상기 저굴절률 박막은 SiO₂ 이고, 상기 제2 산화물 박막은 SnO₂ 이며,
   상기 제1 산화물 박막의 SnO₂의 두께가 45nm이고, 상기 은의 두께가 10nm이고, 상기 Nb₂O₅ 의 두께가 10nm이고, 상기 SiO₂ 의 두께가 10nm이고, 상기 제2 산화물 박막의 SnO₂의 두께가 25nm인 것임을 특징으로 하는 디스플레이용 투명 다층 박막.
   
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8. 디스플레이용 기판 상에 제1 산화물 박막을 형성하는 단계;
   상기 제1 산화물 박막 상에 금속 박막을 형성하는 단계;
   상기 금속 박막 상에 미리 정해진 기준치 이상의 굴절률을 갖는 고굴절률 박막을 형성하는 단계;
   상기 고굴절률 박막 상에 상기 기준치 이하의 굴절률을 갖는 저굴절률 박막을 형성하는 단계; 및
   상기 저굴절률 박막 상에 상기 기준치 이상의 굴절률을 갖는 제2 산화물 박막을 형성하는 단계를 포함하되,
   상기 제1 산화물 박막은 SnO₂이고, 상기 금속 박막은 은(Ag)이고, 상기 고굴절률 박막은 Nb₂O₅ 이고, 상기 저굴절률 박막은 SiO₂ 이고, 상기 제2 산화물 박막은 SnO₂ 이며,
   상기 제1 산화물 박막의 SnO₂의 두께가 45nm이고, 상기 은의 두께가 10nm이고, 상기 Nb₂O₅ 의 두께가 10nm이고, 상기 SiO₂ 의 두께가 10nm이고, 상기 제2 산화물 박막의 SnO₂의 두께가 25nm인 것임을 특징으로 하는 디스플레이용 투명 다층 박막 제조 방법.
   
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