KR101793639B1 - 표면조도의 하향을 통한 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면조도의 하향을 통한 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법은 프라이머층이 코팅된 기재필름을 열처리 후 플라즈마 처리하여 기재필름의 표면을 저조도화하는 제1공정 및 상기 플라즈마 처리된 기재필름 상에 물리기상증착법에 무기산화층을 증착하는 제2공정으로 수행하는 것으로서, 베리어 필름을 제조하기에 적합하지 않은 표면조도를 가진 기재필름을 표면조도 하향이 가능한 플라즈마 처리공정에 의해, 기재필름의 표면조도를 낮추기 위한 추가공정을 줄여 제조원가를 낮추고, 제조 수율을 향상시키며 특히, 표면조도의 하향을 통해 무기성막을 조밀하게 하여 가스차단성을 개선할 수 있다.

Description

표면조도의 하향을 통한 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF FILM HAVING IMPROVED GAS BARRIER PROPERTY AND LOW SURFACE ROUGHNESS}

본 발명은 표면조도의 하향을 통한 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 베리어 필름을 제조하기에 적합하지 않은 표면조도를 가진 기재필름을 표면조도 하향이 가능한 플라즈마 처리공정에 의해, 기재필름의 표면조도를 낮추기 위한 추가공정을 줄여 제조원가를 낮추고, 제조 수율을 향상시키며 표면조도의 하향을 통해 무기성막을 조밀하게 하여 베리어 성능을 개선한, 표면조도의 하향을 통한 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법에 관한 것이다.

IT 기기와 단열재, 포장재 등에 사용되는 필름 중 외부의 수증기, 산소 등의 가스 유입을 차단하는 베리어(Barrier) 효과를 가지는 베리어 필름의 경우, 일반적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 기재필름으로 사용하고 상기 기재필름에 알루미늄(Al), 산화규소(SiOx), 산화질소(SiNx) 등의 무기물을 증착하거나, 유무기 혼합층을 증착하여 베리어 필름을 제조하고 있다.

상기와 같이 무기물 증착 시 스퍼터(Sputter) 등의 진공 증착 장비를 사용하여 균일하고 안정적인 성막이 가능하다. 이때 제품의 베리어 성능은 최적의 성막 조건뿐만 아니라 기재필름의 표면 품질에 크게 영향 받게 된다.

한편, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기재필름의 경우 부착력 향상을 위하여, 필러(filler)를 포함한 프라이머(primer)층이 코팅되나, 상기 필러의 영향으로 표면조도가 높아 스퍼터링(Sputtering)을 통한 무기물층 성막 시 쉐도우 효과에 의하여 성막이 조밀하지 못하여 가공품의 베리어 성능이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

따라서 표면조도를 낮추기 위해, 유기코팅을 시행하여 유무기 다층구조로 제조하기도 하나 제조 원가가 상승하고 수율도 감소하는 또 다른 문제가 발생된다.

그 일례로, 대한민국특허 제1557187호에는 플라스틱 기재의 표면을 평탄화함과 동시에 원자층 적층에 사용되는 유기금속이 플라스틱 기재 표면에 고르게 흡착할 수 있게 하는 평탄화층을 플라스틱 기재 표면에 형성하여 가스차단성과 내구성을 향상시키는 가스 차단성 필름을 개시하고 있다. 이에, 플라스틱 기재상에 유전체층 및 무기물층이 순차적으로 적층되어 있으며, 100%의 상대습도 및 38℃의 온도 조건에서 필름의 수분투과도가 0.003 g/㎡ㆍday 이하인 가스 차단성 필름을 제시하고 있다.

또한, 대한민국 공개특허 제2009-0076787호에 의하면, 플라즈마 표면처리를 이용하여 기체 차단성이 우수하고 층간 박리현상이 유발되지 않는 투명 기체 차단 필름이 개시되어 있으나, 이때 플라즈마 처리 수단은 기체 차단 박막인 유/무기 하이브리드층의 표면에 반응성 기체를 이용한 플라즈마 처리에 의해 무기층을 형성하고, 플라즈마 처리에 의해 접착력 강화에 대한 언급되었을 뿐, 표면조도 하향화 수단으로는 언급되지 않고 있다.

이에 본 발명자들은 종래 프라이머층이 코팅된 기재필름의 높은 표면조도로 인한 문제점을 개선하고자 노력한 결과, 기재필름을 열처리 후 플라즈마 처리에 의해, 표면조도를 저조도화함으로써, 베리어 필름을 제조하기에 적합하지 않은 표면조도를 가진 기재필름을 사용하면서도 표면조도를 낮추기 위한 추가공정 없이, 기재필름의 표면조도를 낮추고 이후 증착되는 무기산화층의 성막을 조밀하게 하여 가스차단성의 개선효과를 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 기재필름의 표면조도 하향이 가능한 플라즈마 처리공정에 의해, 표면조도를 낮추기 위한 추가공정 없이 성능이 낮은 기재필름을 사용하면서도 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 프라이머층이 코팅된 기재필름을 150 내지 250℃로 열처리 후 플라즈마 처리하여 기재필름의 표면을 저조도화하는 제1공정 및 상기 플라즈마 처리된 기재필름 상에 물리기상증착법에 무기산화층을 증착하는 제2공정으로 수행하여, 수분투습도(WVTR) 0.1 g/㎡ㆍday 이하를 충족하는 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법을 제공한다.

상기 제1공정에서 사용되는 기재필름은 50 내지 300nm의 필러가 포함된 프라이머층이 코팅된 50 내지 200㎛의 폴리에스테르 필름인 것이다.

또한, 제1공정에서 플라즈마 처리는 플라즈마 전력밀도 0.39 내지 0.59 w/㎠ 및 반응가스의 투입량 100 내지 400sccm 조건으로 수행되는 것이다. 이때, 상기 반응가스가 Ar, N₂ 및 O₂로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상이고, 상기 Ar 가스를 베이스로 할 때, N₂ 또는 O₂ 가스의 투입함량이 20 내지 80부피%로 투입되는 것이다.

본 발명의 제조방법은 제1공정에 따른 플라즈마 처리된 기재필름이 플라즈마 미처리 대비, 표면조도(Ra, Rm, Rz)가 25 내지 50% 하향 제어된 것을 특징으로 한다.

상기에 따라, 본 발명의 제조방법은 기재필름의 표면조도 하향이 가능한 플라즈마 처리공정에 의해, 베리어 필름을 제조하기에 적합하지 않은 표면조도를 가진 기재필름을 사용하면서도 가스차단성이 우수한 베리어 필름을 제조함으로써, 제조원가를 낮추고, 추가적인 공정을 줄여 제조 수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1공정에서 사용되는 프라이머층이 코팅된 기재필름의 표면이미지(AFM)이고,
도 2는 종래 기재필름의 플라즈마 처리공정 없이 무기산화층을 증착한 베리어 필름의 표면이미지(AFM)이고,
도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 기재필름의 플라즈마 처리 후 무기산화층을 증착한 베리어 필름의 표면이미지(AFM)이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 프라이머층이 코팅된 기재필름을 150 내지 250℃로 열처리 후 플라즈마 처리하여 기재필름의 표면을 저조도화하는 제1공정 및

상기 플라즈마 처리된 기재필름 상에 물리기상증착법에 무기산화층을 증착하는 제2공정으로 수행하여, 수분투습도(WVTR) 0.1g 이하를 충족하는 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법을 제공한다.

특히, 본 발명의 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법은 성능이 낮은 기재필름 즉, 베리어 필름을 제조하기에 적합하지 않은 표면조도를 가진 기재필름을 사용하는 것이다.

구체적으로는, 본 발명의 제1공정에서 사용되는 기재필름은 50 내지 300nm의 필러가 포함된 프라이머층이 코팅된 50 내지 200㎛, 더욱 바람직하게는 50 내지 188㎛의 폴리에스테르 필름을 사용하는 것이다.

도 1은 상기 제1공정에서 사용되는 프라이머층이 코팅된 기재필름의 표면이미지(AFM)로서, 일반적으로 베리어 필름 제조 시, 기재필름과의 부착력 향상을 위하여 필러(filler)를 사용하여 표면조도를 높이는데, 그 표면조도에 대한 이미지 결과를 관찰할 수 있다.

이때, 50 내지 300nm의 필러가 포함된 프라이머층에서, 필러의 종류 및 프라이머층의 두께는 이 기술분야에서 통용되거나 공지된 소재 및 적용기술을 이용하여 형성하는 것으로 구체적인 설명은 생략한다.

이에, 본 발명의 베리어 필름의 제조방법의 특징은 상기 프라이머층이 코팅된 기재필름을 150 내지 250℃로 열처리 후 플라즈마 처리하여 기재필름의 표면을 저조도화하는 것이다.

즉, 제1공정의 표면조도 하향이 가능한 플라즈마 처리공정은 먼저, 기재필름을 진공 상태에서 150 내지 250℃의 열처리를 통해, 기재필름으로부터 가스방출(Outgasing)되도록 한다.

이때, 상기 열처리 온도는 기재필름에 열적 데미지를 최소화할 수 있는 범위로 설정되며 가스 방출이 효율적으로 일어날 수 있도록 한다. 상기 열처리 온도가 150℃ 미만이면, 가스방출 효과가 크지 않아 바람직하지 않고, 250℃를 초과하면, 높은 열로 인해 기재필름의 변형 또는 왜곡이 발생될 수 있다.

또한, 상기 열처리 수단은 특별히 제한되지 아니하나, 본 발명의 실시예에서는 바람직한 수단으로 IR 히터를 이용한다.

상기 열처리 후, 기재필름을 플라즈마 처리함으로써, 표면 화학적 성분, 표면 클리닝(Cleaning)과 거칠기 조절을 통하여 기재필름과 추후 증착될 무기성막층과의 접착력을 부여하고 기재필름의 표면조도를 하향 제어함으로써, 조밀한 성막으로 인해 베리어 필름의 성능을 향상시킬 수 있다.

이에, 제1공정의 플라즈마 처리공정을 구체적으로 설명하면, 열처리된 기재필름 상에 DC 마그네톤 음극(Magnetron Cathode)을 이용하되, 플라즈마 전력밀도는 0.39 내지 0.59 w/㎠이고, 반응가스의 투입량이 100 내지 400 sccm조건으로 수행한다.

특히, 상기 반응가스는 Ar, N₂ 및 O₂로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상이 사용되며, 이때, 반응가스의 투입방식은 각 가스를 각각 정량으로 투입하는 것이다.

바람직하게는 Ar 가스를 베이스로 할 때, N₂ 또는 O₂ 가스의 투입함량은 20 내지 80부피%로 투입되는 것이며, 더욱 바람직하게는 Ar/O₂의 경우, 총 투입함량이 100∼400sccm일 때, Ar/O₂ 함량에서 산소 기준 20∼80 부피%로 사용하거나, 좀더 상세한 구간을 원할 경우 총 투입함량 100∼300 sccm에서, 산소함량 50∼80 부피%로 변경하여 투입될 수 있다.

이때, 상기 20∼80 부피%의 산소함량은 기재필름과 무기산화층과의 부착력 부여에 의해 설정되는 것으로서, 20부피% 미만이거나 80부피%를 초과하여 과량 투입되면, 부착력 제공에 미흡한 효과를 보이는 문제가 있다.

도 2는 종래 기재필름의 플라즈마 처리공정 없이 무기산화층을 증착한 베리어 필름의 표면이미지(AFM)이고, 도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 기재필름의 플라즈마 처리 후 무기산화층을 증착한 베리어 필름의 표면이미지(AFM)를 나타낸 것이다.

그 결과, 본 발명의 제조방법에서, 제1공정에 따른 플라즈마 처리된 기재필름이 플라즈마 미처리 대비, 표면조도가 하향된 결과를 확인할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 제시한 바로는 본 발명의 플라즈마 처리된 기재필름의 경우, 플라즈마 미처리 경우보다 표면조도(Ra, Rm, Rz)가 25 내지 50% 하향 제어된 것을 제시한다.

이후, 본 발명의 제조방법은 상기 플라즈마 처리된 기재필름 상에 물리기상증착법(PVD)인 스퍼터링(Sputtering) 방식을 이용하여 무기산화층을 진공 증착하는 제2공정으로 수행한다.

이에, 수분투습도(WVTR) 0.1g/㎡ㆍday 이하, 더욱 바람직하게는 0.07 g/㎡ㆍday 이하를 충족하는 가스차단성이 우수한 베리어 필름을 제공한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1>

필러가 포함된 프라이머층이 코팅된 125㎛ 두께의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기재필름 상에 IR 히터를 이용하여 250℃로 열처리를 거친 후 DC 마그네톤 음극(Magnetron Cathode)를 이용하여 플라즈마 처리하였다. 이때, 플라즈마 전력밀도는 0.39∼0.59 w/㎠이고 반응가스 Ar/O₂ 를 100∼300 sccm 로 투입하고, 상기 Ar/O₂ 투입함량에서 산소는 50∼80부피%로 함유된 조건으로 수행하였다. 이후, 상기 플라즈마 처리된 기재필름상에, 물리기상증착법(PVD)인 스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 무기산화층을 진공 증착하여 베리어 필름을 제조하였다.

< 비교예 1>

필러가 포함된 프라이머층이 없는 기재필름을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 베리어 필름을 제조하였다.

< 비교예 2>

상기 기재필름의 플라즈마 처리공정이 생략된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 베리어 필름을 제조하였다.

< 실험예 1> 표면조도 측정

상기 실시예 1와 비교예 1∼4에 따라 제조된 베리어 필름을 시험편으로 준비하였다. 상기 시험편 10㎛×10㎛ 기준으로 AFM(Atomic Force Microscope)를 이용하여 이미지 형상을 확인하고 도 1 내지 도 3에 제시하였다.

또한, 각각의 표면조도(Ra, Rm, Rz) 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1에서 제조된 베리어 필름은 필러가 포함된 프라이머층 없는 기재필름을 사용한 필름보다, 표면조도 값이 하향된 결과를 보였다.

특히, 필러가 포함된 프라이머층이 코팅된 기재필름을 사용하더라도, 플라즈마 미처리한 경우보다, 표면조도(Ra, Rm, Rz)가 25 내지 50%가 하향된 결과를 확인하였다.

< 실험예 2> 수분투습도 측정

상기 실시예 1와 비교예 1에 따라 제조된 베리어 필름에 대하여, 수분투습도 분석기(WVTR)를 이용하여 24시간 동안 수분투습도를 측정하여 하기 표 2에 나타냈다.

상기 결과로부터, 필러가 포함된 프라이머층이 코팅된 동일한 기재필름을 사용한 경우, 기재필름을 열처리 후 플라즈마 처리함에 따라, 기재필름 표면의 저조도화를 구현하고, 균일해진 표면에 무기성막층이 증착되도록 함으로써, 수분투과도가 현저히 낮아 필름의 가스차단성이 개선되었음을 확인하였다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 기재필름의 표면조도 하향이 가능한 플라즈마 처리공정에 의해, 베리어 필름을 제조하기에 적합하지 않은 표면조도를 가진 기재필름을 사용하면서도 가스차단성이 우수한 베리어 필름을 제조하는 제조방법을 제공하였다.

이에, 본 발명의 제조방법은 성능이 낮은 기재필름을 사용하여 베리어 성능이 우수하도록 가공함으로써, 종래 표면조도를 낮추기 위한 추가 공정을 생략 가능하므로, 제조원가를 낮추고, 제조 수율을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (5)

1. 50 내지 300nm의 필러가 포함된 프라이머층이 코팅된 기재필름을 150 내지 250℃로 열처리 후 플라즈마 처리하여 기재필름의 표면을 저조도화하는 제1공정 및
   상기 플라즈마 처리된 기재필름 상에 물리기상증착법에 무기산화층을 증착하는 제2공정으로 수행하여, 수분투습도(WVTR) 0.1 g/㎡ㆍday 이하를 충족하는 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기재필름이 50 내지 200㎛ 폴리에스테르 필름인 것을 특징으로 하는 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 처리가 플라즈마 전력밀도 0.39 내지 0.59 w/㎠ 및 반응가스의 투입량 100 내지 400 sccm 조건으로 수행된 것을 특징으로 하는 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 반응가스가 Ar, N₂ 및 O₂로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상이고, 상기 Ar 가스를 베이스로 할 때, N₂ 또는 O₂ 가스의 투입함량이 20 내지 80부피%인 것을 특징으로 하는 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1공정에 따라 플라즈마 처리된 기재필름이 플라즈마 미처리 대비, 표면조도(Ra, Rm, Rz)가 25 내지 50%가 하향된 것을 특징으로 하는 가스차단성이 우수한 베리어 필름의 제조방법.

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