KR102102548B1 - 투명 전기 차폐층을 구비한 기판, 및 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명 고 저항 전기 차폐층을 구비한 기판 및 투명 고 저항 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따라서 투명 전기 차폐층을 구비한 기판이 제공된다. 본 발명에 따른 투명 전기차폐층을 구비한 기판은, 판 유리와, 상기 판 유리의 일면에 형성된 투명 도전성 산화물층(Transparent Conductive Oxide layer, TCO 층)과, 상기 투명 도전성 산화물층(TCO 층)의 상부면 또는 하부면에 상기 투명 도전성 산화물층보다 비저항이 낮은 재료로 균일하게 섬 형태로 분포하도록 형성된 투명 도전성 산화 구조물들과(Transparent Conductive Oxide Structures, TCO 구조물들), 상기 투명 도전성 산화물층과 투명 도전성 산화 구조물들을 보호하도록 상부에 비도전성 재료로 형성된 보호층을 포함한다.
본 발명에 의해서 제공되는 투명 전기차폐층을 구비한 기판은, 평판 디스플레이 장치에 사용될 경우 디스플레이의 오동작을 방지하기 위한 차폐기능과 터치 감지를 위한 고주파 신호를 통과시키는 기능을 동시에 할 수 있는 적절한 저항을 구비하도록 제조가 용이하고, 내열, 내습, 내알카리 성능이 우수하여 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

투명 전기 차폐층을 구비한 기판, 및 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이{Substrate having transparent electrical shielding layer, and Touch screen display with transparent electrical shielding layer}
본 발명은 투명 고 저항 전기 차폐층을 구비한 기판 및 투명 고 저항 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이에 관한 것이다. 또한 고저항 투명전도막을 필요로하는 분야에 사용되는 기술이다.
평판 디스플레이 장치(Flat Panel Display Device)에 손가락이나 펜이 접촉되는 것을 감지하여 정보를 입력하기 위한 터치 스크린이 입력장치로 이용되고 있다.
평판 디스플레이와 터치 스크린이 결합 된 장치를 터치 스크린 디스플레이라고 한다. 평판 디스플레이와 터치 스크린을 결합하는 방법에 따라서 터치 스크린 디스플레이의 제조 방법이 구별된다. 결합하는 방법은 크게 애드온 방식(Add On Type), 온셀 방식(On Cell Type), 및 인셀 방식(In Cell Type)으로 구분된다. 에드온 방식은 평판 디스플레이 장치의 외부에 터치 스크린이 결합되고, 온셀 방식은 디스플레이 패널의 상부면에 터치스크린을 형성하고, 인셀 방식은 디스플레이 패널의 내부에 터치스크린을 형성한다. 평판 디스플레이 장치로는 액정 디스플레이 장치(LCD)나 유기발광 디스플레이 장치(OLED)등이 사용된다.
최근 액정 셀의 내부에 터치 검출 전극을 형성한 인셀 방식 터치스크린 디스플레이 장치가 많이 제조되고 있다. 이러한 인셀 방식 터치스크린 디스플레이에는 디스플레이 오동작을 방지하기 위한 투명한 도전 층(Transparent conductive layer)이 형성되어 있다. 투명한 도전 층은 전자 차폐(Electromagnetic Shield) 및 대전 방지(Antistatic) 기능을 한다. 투명한 도전 층(투명한 전기 차폐층)의 저항이 낮으면 차폐 성능은 좋으나 투과율이 낮아지고, 저항이 높으면 투과율은 좋으나 차폐성능이 떨어진다. 특히, 저항이 낮을 경우에는 정전 용량형 터치스크린에서 터치 감지를 위하여 사용되는 고주파 신호를 투명한 전기 차폐층이 차폐하기 때문에 터치스크린의 동작을 방해한다.
따라서, 디스플레이 속에 터치를 내장한 인셀 터치 스크린 디스플레이에 사용되는 투명한 전기 차폐층은 적절한 저항을 가져야 한다. 적절한 저항은 디스플레이의 오동작을 방지하기 위한 차폐기능과 터치 감지를 위한 고주파 신호를 통과시키는 기능을 동시에 할 수 있는 저항으로, 수 백킬로 오옴 부터 수백 기가 오옴 범위의 표면 저항(대략 100 K Ω/sq - 1,000 G Ω/sq 범위)으로 알려져 있다.
적절한 저항의 투명한 전기 차폐층을 형성하는 방법으로, 습식과 건식의 두 가지 방법이 있다. 습식으로 투명한 전기 차폐층을 형성하는 방법은 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0133094호(발명의 명칭, 터치인식 횡전계형 액정표시장치 및 이의 제조방법)에 개시되어 있다. 건식으로 투명한 전기 차폐층을 형성하는 방법은 일본 공개특허공보 특개2013-142194호(발명의 명칭, 투명도전막, 투명도전막부착 기판, IPS 액정셀, 정전용량형 터치패널 및 투명도전막부착 기판의 제조방법)에 개시되어 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0133094호, 발명의 명칭, 터치인식 횡전계형 액정표시장치 및 이의 제조방법 일본 공개특허공보 특개2013-142194호, 발명의 명칭, 투명도전막, 투명도전막부착 기판, IPS 액정셀, 정전용량형 터치패널 및 투명도전막부착 기판의 제조방법
습식 방법은 전도성 고분자 물질과 UV 경화성 또는 열경화성 바인더의 혼합물질인 도전성 용액을 액정 패널의 기판에 코팅한 후에 건조하여 투명한 전기 차폐층을 형성한다. 도전성 용액의 코팅은 슬롯 다이를 이용하고, 슬롯 다이와 기판 사이의 거리를 근접시켜 일정하게 유지한 상태에서 전도성 용액을 코팅한다. 기판 상에 이물이 있을 경우, 슬롯 다이 헤드가 이물과 간섭되어 불량이 발생하거나 코팅 설비가 고장 나게 되는 문제점이 있다. 또한, 전도성 고분자를 건조 시켜 형성된 전기 차폐층은 내열, 내습, 내알카리 성능이 약하여 장시간 사용할 경우 저항이 상승하여 터치 성능이 저하되는 문제점이 있다.
건식 방법은 인듐주석산화물(ITO, Indium Tin Oxide)에 산화규소(SiO2)를 10 - 15 wt% 함유한 타켓을 스파터링에 의하여 정전기 방지층을 형성한다. 스파타링에는 DC 마그네트론 스파터링 장치를 이용한다. 건식 방법에 의하여 형성된 정전기 방지층은 SiO2의 함량 비율과 코팅층의 두께에 따라서 저항과 투과율을 조절하나 타켓트제조가 쉽지않으므로 장시간 안정적으로 스파터링 공정 조건을 유지하며 특성을 재현하는 데는 어려움이 있다. 또한, 내열, 내습, 내알카리 성능이 약하여 장시간 사용할 경우 저항이 변화하여 터치 성능이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 투명 도전성 산화물(TCO)로 가장 많이 사용되는 인듐틴옥사이드(ITO) 재료를 이용하여 스파터링 방법으로 기판에 코팅하여 투명한 전기 차폐층을 형성할 경우 면 저항이 1.0E+06 M Ω/sq 이상이 되는 투명한 고저항 전기 차폐층을 안정적으로 형성하는 것은 거의 어렵다. 비저항이 낮은 ITO와 같은 TCO 소재로 고저항 전기 차폐층을 형성하기 위하여는 층 두께를 얇게 코팅하여야 하나, 원하는 저항값을 가지면서 균일하고 얇은 층을 코팅하기가 기술적으로 어렵기 때문이다. 그 이유는 비저항이 낮은 TCO 박막은 두께가 두꺼워지기 시작하면서 초기에 섬 형태의 구조에서 섬들이 서로 연결되어 대륙 형태의 구조를 형성하게 되는데, 대륙 구조가 형성될 때 저항이 급격하게 낮아지기 때문에 원하는 저항 분포를 갖는 균일한 막을 형성하기가 어렵기 때문이다.
한편, 비저항이 높은 TCO 소재를 이용하여 투명 전기 차폐층을 형성할 경우 균일한 두께를 갖는 투명 전기 차폐층을 형성할 수는 있으나, 차폐층의 두께가 두꺼워져서 투과율이 낮아지는 문제점이 있으며 또한 막이 두꺼워지므로 코팅시간이 길어지고 TCO재료도 많이 사용하므로 재료비가 상승하는 문제가 있다. 또한, 비저항이 높은 TCO 소재로 투과율을 좋게 하기 위하여 차폐층의 두께를 얇게 형성할 경우, 원하는 저항을 갖도록 두께를 조절하기가 어렵다는 문제점이 있다.
또한, TCO 재료는 특성상 신뢰성(내알카리, 내습, 내열 등)이 좋지 못한 문제점이 있어서 열악한 환경에서 장시간 사용할 경우 특성이 나빠지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 투명 전기 차폐층의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 구조의 투명 전기 차폐층을 구비한 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 제조시에 적절한 고 저항을 갖고 신뢰성이 높은 투명 전기 차폐층을 구비한 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 적절한 고저항에 신뢰성이 높은 투명 전기 차폐층을 구비한 인셀 타입 터치 스크린 디스플레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 따라서 투명 전기 차폐층을 구비한 기판이 제공된다. 본 발명에 따른 투명 전기차폐층을 구비한 기판은, 판 유리와, 상기 판 유리의 일면에 형성된 투명 도전성 산화물층(Transparent Conductive Oxide layer, TCO 층)과, 상기 투명 도전성 산화물층(TCO 층)의 상부면 또는 하부면에 상기 투명 도전성 산화물층보다 비저항이 낮은 재료로 균일하게 섬 형태로 분포하도록 형성된 투명 도전성 산화 구조물들과(Transparent Conductive Oxide Structures, TCO 구조물들), 상기 투명 도전성 산화물층과 투명 도전성 산화 구조물들을 보호하도록 상부에 비도전성 재료로 형성된 보호층을 포함한다.
투명 도전성 산화물층은 내열 특성이 우수하여 안정된 저항값을 갖는 재료를 사용한다. 또한, 투명 도전성 산화물층은 투명 도전성 산화 구조물들에 비해서 비저항이 높은 물질을 사용한다. 보호층은 내습, 내알카리 특성이 우수하고 투명한 비도전성 물질을 사용하여 코팅한다. 투명 도전성 산화 구조물들은 높은 저항값을 갖는 투명 도전성 산화물층의 상부면 또는 하부면에 섬 형태로 균일하게 분포되도록 형성되어 있다. 따라서, 투명 도전성 산화물층에 전압이 유기될 경우, 터널효과에 의해서 상대적으로 비저항이 낮은 투명 도전성 산화구조물들을 통하여 전류가 흐르게 되어, 전체적으로 투명 도전성 산화물층의 저항이 낮아지게 된다. 따라서 투명 도전성 산화물층의 저항을 투명 도전성 산화 구조물들의 밀도를 조절하여 조절할 수 있다. 투명 도전성 산화 구조물들의 밀도가 높으면 저항이 낮게 되고, 밀도가 낮으면 저항이 높게 된다.
상기 투명 도전성 산화물층(TCO 층)은 In, Sn, Zn, Ga, Cd, Si, Nb, Mo, Al, Cu, Ni, Ag 등의 다양한 물질을 사용할 수 있다. 바람직하게 산화인듐(In2O3), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 산화인듐과 산화주석의 경우 III족, V족 혹은 VII족 원소로, 산화아연의 경우 III족 혹은 VII족 원소로 도핑될 수 있다. 예를 들면, 알루미늄, 붕소 및 갈륨으로부터 선택된 III족 원소가 도핑된 산화아연(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga) 등을 투명 도전성 산화물층을 형성하는 물질로서 사용될 수 있다. 도핑되는 원소의 양에는 특별한 제한이 없으나, 바람직하게 투명 도전성 산화물층을 형성하는 주성분 물질 100 중량 %를 기준으로 0.1 ~ 20중량 %의 범위 내에서 도핑 될 수 있다.
상기 보호층은 바람직하게는 산화티타늄(TiO2) 또는 도핑된 산화티타늄(예컨대, 바나듐족(V족) 원소로 0.1~5중량%의 범위 내에서 도핑된 산화티타늄, 예를 들면, TiO2:Nb), 또는 티타늄-실리콘 혼합산화물 (TiSiOX) 및 산화규소 (SiO2), 질산화규소(SiOxNy), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소알루미늄(SiAlxOy), 산화주석(SnO2), 도핑된 산화주석(예컨대, 할로겐족(VII족) 원소로 0.1~5 중량%의 범위 내에서 도핑된 산화주석), 아연주석산화물(ZnxSn1-xOy), 산화니오븀(Nb2O5) 및 산화티타늄(TiO2) 또는 도핑된 산화티타늄(예컨대, V족 원소로 0.1~5 중량%의 범위 내에서 도핑된 산화티타늄, 예를 들면, TiO2:Nb)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라서, 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이가 제공된다. 본 발명에 따른 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이는, 터치 센서 인셀 타입 디스플레이 패널과, 상기 디스플레이 패널의 표시부 기판의 외측면에 형성된 투명 도전성 산화물층(Transparent Conductive Oxide layer, TCO 층)과, 상기 투명 도전성 산화물층(TCO 층)의 상부면 또는 하부면에 상기 투명 도전성 산화물층보다 비저항이 낮은 재료로 균일하게 섬 형태로 분포하도록 형성된 투명 도전성 산화 구조물들과(Transparent Conductive Oxide Structures, TCO 구조물들), 상기 투명 도전성 산화물층과 투명 도전성 산화 구조물들을 보호하도록 상부에 비도전성 재료로 형성된 보호층을 포함한다.
몇몇 실시예에 있어서, 터치 스크린 디스플레이의 상기 투명 도전성 산화물층은 산화아연(ZnO) 또는 산화주석(SnO2) 또는 알루미늄, 붕소 및 갈륨으로부터 선택된 III족 원소가 도핑된 산화아연(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga)을 포함하고, 상기 투명 도전성 산화 구조물들은 인듐주석산화물(ITO)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 투명 도전성 산화물층에 도핑된 원소는 주재료 물질을 기준으로 0.1 - 20wt % 범위 내에서 도핑하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 보호층은 산화티타늄(TiO2), 도핑된 산화티타늄, 티타늄-실리콘 혼합산화물(TiSiOX), 산화규소(SiO2), 질산화규소(SiOxNy), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소알루미늄(SiAlxOy), 산화주석(SnO2), 도핑된 산화주석, 아연주석산화물(ZnxSn1-xOy), 산화니오븀(Nb2O5) 으로 구성된 구룹 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.
본 발명에 의해서 제공되는 투명 전기차폐층을 구비한 기판은, 평판 디스플레이 장치에 사용될 경우 디스플레이의 오동작을 방지하기 위한 차폐기능과 터치 감지를 위한 고주파 신호를 통과시키는 기능을 동시에 할 수 있는 적절한 저항을 구비하도록 제조가 용이하고, 내열, 내습, 내알카리 성능이 우수하여 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 전기 차폐층을 구비한 기판의 일 실시예의 단면도
도 2는 도 1에 도시된 기판의 실시예의 분해 사시도
도 3은 본 발명에 따른 투명 전기 차폐층을 구비한 기판의 다른 실시예들의 단면도
도 4은 본 발명에 따른 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이의 일실시예의 단면도
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용하고 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 같은 맥락에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "위"에 또는 "아래"에 형성된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접 또는 또 다른 구성 요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
제1 발명 : 투명 전기 차폐층을 구비한 기판
종래 투명 도전성 산화물(TCO) 재료 중 하나인 인듐주석산화물(ITO)을 가지고 스파터링 방법으로 기판에 코팅하여 투명한 전기 차폐층을 형성할 경우 면 저항이 1.0E+06 Ω/sq 이상이 되는 투명한 고저항 전기 차폐층을 형성하기가 어려웠다. 비저항이 낮는 ITO와 같은 TCO 소재로 고저항 전기 차폐층을 형성하기 위하여는 층 두께를 얇게 코팅하여야 하나, 원하는 저항값을 가지면서 균일하고 얇은 층을 코팅하기가 기술적으로 어렵기 때문이다. 그 이유는 비저항이 좋은 TCO 박막은 두께가 두꺼워지기 시작하면서 초기에 섬 형태의 구조에서 섬들이 서로 연결되어 대륙 형태의 구조를 형성하게 되는데, 대륙 구조가 형성될 때 저항이 급격하게 낮아지기 때문에 원하는 저항 분포를 갖는 균일한 막을 형성하기가 어렵기 때문이다.
한편, 비저항이 높은 TCO 소재를 이용하여 투명 전기 차폐층을 형성할 경우 균일한 두께를 갖는 투명 전기 차폐층을 형성할 수는 있으나, 차폐층의 두께가 두꺼워져서 투과율이 낮아지는 문제점이 있고 차폐층이 두꺼워지면서 공정시간이 길어지며 재료를 많이 사용하므로 재료비가 상승하는 문제가 있다. 또한, 비저항이 높은 TCO 소재로 투과율을 좋게 하기 위하여 차폐층의 두께를 얇게 형성할 경우, 원하는 저항을 갖도록 두께를 조절하기가 어렵다는 문제점이 있다.
또한, TCO 재료는 특성상 신뢰성(내알카리, 내습, 내열 등)이 좋지 못한 문제점이 있어서 열악한 환경에서 장시간 사용할 경우 특성이 나빠지는 문제점이 있다.
이하에서는 상기 문제점을 해결한 본 발명에 따른 새로운 구조의 투명 전기 차폐층을 구비한 기판에 대하여 설명한다. 도 1에는 본 발명에 따른 투명 전기 차폐층을 구비한 기판의 일 실시예(10)가 도시되어 있다.
기판(10)은 판유리(12)와, 판유리(12)의 상부에 형성된 투명 전기 차폐층(20)으로 구성된다. 투명 전기 차폐층(20)은 판 유리(12)의 일면에 형성된 투명 도전성 산화물층(22, Transparent Conductive Oxide layer, TCO 층)과, 상기 투명 도전성 산화물층(22,TCO 층)의 상부면에 형성된 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24, Transparent Conductive Oxide Structures, TCO 구조물들)과, 상기 투명 도전성 산화물층(22)과 투명 도전성 산화 구조물들(24)을 보호하도록 상부에 비도전성 재료로 형성된 보호층(26)을 포함한다. 상기 투명 도전성 산화 구조물들(24)은 상기 투명 도전성 산화물층(22) 보다 비저항이 낮은 재료로 균일하게 섬 형태로 분포하도록 형성되어 있다.
본 실시예의 투명 전기 차폐층(20)은 고투과율 ( 95 % 이상 ) 및 고저항 (1.0 E+06~ 1.0 E+12 Ω/sq ) 특성을 갖는다. 투명 전기 차폐층(20)이 상기 범위의 면 저항을 갖으면, 터치 스크린 디스플레이에 사용될 경우, 디스플레이 동작을 방해하는 저주파 노이즈는 차폐하고, 정전용량방식으로 터치를 감지하기 위한 고주파 신호는 통과되도록 한다.
투명 전기 차폐층(20)은 다층 박막 구조로 두께가 100 ~ 1000Å 범위이고, 내알카리, 내열, 내습 특성을 가지며, 열악한 외부 환경의 변화에도 안정적인 저항값을 갖는다. 투명 도전성 산화물층(22)은 투명 ITO 등에 비해 상대적으로 높은 비저항을 갖는 소재로 구성되고 내열 등의 특성도 우수하다. 보호층(26)은 비도전성이고 투명하고 조밀하여 내습, 내알카리 특성이 우수하다.
투명 도전성 산화물층(22) In, Sn, Zn, Ga, Cd, Si, Nb, Mo, Al, Cu, Ni, Ag 등의 다양한 물질을 사용할 수 있다. 바람직하게 산화인듐(In2O3), 산화주석(SnO2)산화아연(ZnO), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 산화아연의 경우 III족 혹은 VII족 원소로, 산화주석의 경우 III족, V족 혹은 VII족 원소로 도핑될 수 있다. 예를 들면, 알루미늄, 붕소 및 갈륨으로부터 선택된 III족 원소가 도핑된 산화아연(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga)이나, 알루미늄 또는 티타늄이 도핑된 산화 주석(SnO:Al, SnO:Ti)이 투명 도전성 산화물층을 형성하는 물질로서 사용될 수 있다. 도핑되는 원소의 양에는 특별한 제한이 없으나, 바람직하게 투명 도전성 산화물층을 형성하는 주성분 물질 100 중량 %를 기준으로 0.1 ~ 20 중량 %의 범위 내에서 도핑 될 수 있다.
투명 도전성 산화물층(22)의 두께는 바람직하게는 1~30 nm 범위 내이다. 투명 도전성 산화물층(22)의 두께가 1nm에 못 미치면 면저항이 너무 높아지고, 30nm를 초과하면 투과도가 나빠지고 동시에 면저항이 너무 낮아질 수 있다. 투명 도전성 산화물층(22)의 두께가 상기한 바람직한 범위 내일 경우, 가시광선 영역에서의 95% 이상의 투과율을 나타낸다.
투명 도전성 산화물층(22)을 형성하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 통상의 박막형성 방법, 예컨대 스퍼터링(sputtering)을 포함한 물리적 기상 증착 (Physical vapor deposition, PVD), 저압(low pressure), 상압(atmospheric pressure), 플라즈마(plasma)를 포함하는 화학적 기상 증착(Chemical vapor deposition, CVD), 졸-겔(Sol-gel), 스프레이(Spray), 잉크젯(Ink-jet) 등의 방법을 적절히 사용할 수 있다. 일 구체예에 따르면, 산화아연의 경우 스퍼터링이나 저압 화학적 기상 증착(Low pressure CVD) 방법을 사용하는 것이 바람직하고, 산화주석의 경우 상압 화학적 기상 증착(Atmospheric pressure CVD) 방법을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24)의 두께는 바람직하게는 1-10 nm, 보다 바람직하게는 1-5 nm의 범위 내이다. 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24)은 층을 형성하지 못하고, 섬 형태로 투명 도전성 산화물층(22)의 상부에 균일하게 분포한다. 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24)은 투명 도전성 산화물층(22) 보다 비저항이 낮은 재료를 사용하여 형성되어 있다. 투명 도전성 산화물층(22)을 산화아연(ZnO) 또는 산화주석(SnO2) 또는 알루미늄, 붕소 및 갈륨으로부터 선택된 III족 원소가 도핑된 산화아연(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga)이나 산화 주석(SnO:Al, SnO:Ti)을 사용하여 형성한 경우, 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24) 인듐주석산화물(ITO)을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24)을 형성하는 방법으로 투명 도전성 산화물층(22)을 형성하는 방법을 적용할 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 투명 도전성 산화물층(22)에 저주파 노이즈나 정전기가 생성된 경우, 터널 효과에 의하여 비저항이 낮은 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24)을 통하여 전류가 흐르게 된다. 즉, 도 2에 도시된 것과 같이, 투명 도전성 산화물층(22)을 통하여 흐르는 것과 동시에 터널 효과에 의해서 비저항이 낮은 투명 도전성 산화 구조물들(24)을 통과하여 흐르는 전류(24b)가 형성되어 전체적으로 투명 도전성 차폐층(20)의 저항이 투명 도전성 산화물층(22)의 저항보다 작게 된다. 따라서, 비저항이 높은 재료로 적절한 투과도와 고온에 안정적인 저항을 확보하기 위하여 적절한 두께로 형성된 투명 도전성 산화물층(22)의 저항을 원하는 수준으로 낮출 수 있게 된다. 도면부호 24a는 투명 도전성 차폐층(20)에 연결된 접지를 나타낸다.
본 발명에 따른 투명 전기 차폐층(20)의 투과율과 면 저항은 소재들의 선택뿐만 아니라, 투명 도전성 산화물층(22)의 두께와 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24) 밀도를 조절하여 원하는 특성이 나오도록 용이하게 조절할 수 있다. 예를 들면 투명 도전성 산화물층(22)의 두께가 작은 경우 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24) 밀도를 높게 하고, 투명 도전성 산화물층(22)의 두께가 큰 경우 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24) 밀도를 낮게 하여 원하는 투과율과 면 저항을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 투명 전기 차폐층(20)은 ITO, AZO 등의 기존 TCO 타겟을 이용한 스파터링 방식으로 투명 전기 차폐층을 형성할 경우, 표면저항이 1.0E+04 Ω/sq 이하의 저 저항 특성을 갖도록 형성하기는 용이하나, 1.0 E+06 ~ 1.0 E+11 Ω/sq의 고저항 특성을 갖도록 형성하기가 어려웠다. 또한, 투명 전기 차폐층의 두께를 얇게 형성할 경우에도 기판 전체적으로 균일한 두께를 형성하기가 어려워서 표면저항이 위치에 따라서 불균일한 면저항을 갖는 문제점이 있었다.
본 발명에 따른 투명한 전기 차폐층(20)은 상대적으로 비저항이 높은 균일한 두께의 투명 도전성 산화물층(22)과 상대적으로 비저항이 낮은 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24)을 이용하여 면 저항이 고 저항이면서도 안정적이고, 높은 투과율을 갖도록 하는 것이 가능하다.
보호층(26)은 알카리, 습기, 열기로부터 투명 도전성 산화물층(22) 및 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(24)을 보호하여 투명 전기 차폐층(20)이 안정적인 저항 특성을 유지하도록 한다. 보호층(26)의 두께는 바람직하게는 3~50nm이다. 보호층(26) 두께가 3nm에 못 미치면 내열성과 내알카리성이 부족하고, 50nm를 초과하면 면 저항값이 높아질 수 있고, 코팅하는데 시간이 오래걸려 재료비와 공정비가 많이 들 수 있기 때문이다.
보호층(26)은 바람직하게는 산화티타늄(TiO2) 또는 도핑된 산화티타늄(예컨대, 바나듐족(V족) 원소로 0.1~5 중량%의 범위 내에서 도핑된 산화티타늄, 예를 들면, TiO2:Nb), 또는 티타늄-실리콘 혼합산화물 (TiSiOX) 및 산화규소 (SiO2), 질산화규소(SiOxNy), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소알루미늄(SiAlxOy), 산화주석(SnO2), 도핑된 산화주석(예컨대, 할로겐족(VII족) 원소로 0.1~5 중량%의 범위 내에서 도핑된 산화주석), 아연주석산화물(ZnxSn1-xOy), 산화니오븀(Nb2O5) 및 산화티타늄(TiO2) 또는 도핑된 산화티타늄(예컨대, V족 원소로 0.1~5 중량%의 범위 내에서 도핑된 산화티타늄, 예를 들면, TiO2:Nb)을 포함할 수 있다.
보호층(26)을 형성하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 통상의 박막형성 방법, 예컨대 스퍼터링(sputtering)을 포함한 물리적 기상 증착(Physical vapordeposition, PVD), 저압(low pressure), 상압(atmospheric pressure), 플라즈마(plasma)를 포함하는 화학적 기상 증착(Chemical vapor deposition, CVD), 스프레이(Spray), 잉크젯(Ink-jet) 등의 방법을 적절히 사용할 수 있다.
아래의 [표 1]에는 인라인 스퍼터링 증착기를 사용하여 제조한 다양한 실시예들의 조성과 두께를 갖는 막에 대한 투과율, 제조 직후의 초기저항 및 내알카리성 테스트 후의 저항 측정 결과가 기재되어 있다.
Figure 112018123884616-pat00001
실시예들의 제조 공정은 다음과 같다. 먼저, 투명 판 유리 위에 최하층으로 투명 도전성 산화물층을( Al 이 5 w% 포함된 ZnO ) 10 nm ~ 30 nm 두께로 코팅하였다. 다음으로, 투명 도전성 산화물층 위에 중간층으로 투명 도전성 산화 구조물들층을 ( Sn 이 10 w% 포함된 InO ) Ar : O 를 30 : 1 의 비율로 각 0.5 ~ 1.5 nm 두께로 코팅하였다. 다음으로, 비도전성 산화물 보호층(SiO2 박막)을 ( Si를) Ar : O 를 1 : 1.5 의 비율 0 ~ 20 nm 두께로 코팅하였다. 각각의 실시예들에 대하여 각각 투과율 및 면저항 측정한 후에, KOH 1% 휘석용액에서 50℃ 30분 Dipping 한 후에 면저항을 측정하였다. 투과율은 투명 도전성 산화물층인 ZnxAlyO 의 두께로 조절할 수 있고, 저항값은 투명 도전성 산화 구조물들 층인 InxSnyO 의 두께로 조절이 용이하다. 비도전성 산화물 보호층의 효과는 보호층을 코팅하지 않은 [표 1]의 실시예 6 과 보호층을 코팅한 실시예 2 및 실시예 7에 대하여 내알카리성 테스트 후의 저항값의 변화를 비교하여 보면 보호층의 내알카리성 효과를 확인 할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 투명 전기 차폐층을 구비한 기판의 다른 실시예들의 단면도이다.
도 3(a)에 도시된 실시예가 도 1에 도시된 실시예와 다른 점은, 투명 도전성 산화구조물들(24)이 투명 도전성 산화물층(22)의 하부면에 형성된 점이다. 제조 공정에 있어서, 투명 도전성 산화구조물들(24)을 먼저 판유리(12)에 스파터링에 의하여 형성하고,그 위에 투명 도전성 산화물층(22)을 스파터링에 의하여 형성하고, 보호층(26)을 스파터링에 의하여 형성한 것이다.
도 3(b)에 도시된 실시예는 투명 도전성 산화구조물들(24)이 투명 도전성 산화물층(22)의 상부면 및 하부면에 형성된 점에서, 도 1 및 도 3(a)에 도시된 실시예와 차이가 있다. 도면 부호 12는 판 유리, 도면 부호 22는 투명 도전성 산화물층, 도면부호 24, 28은 투명 도전성 산화구조물들, 도면 부호 26은 보호층이다. 여기에서 투명 도전성 산화구조물들(24)와 투명 도전성 산화구조물들(28)은 서로 다른 소재를 사용할 수도 있다.
도 3(c)에 도시된 실시예는 투명 도전성 산화구조물들(24)이 투명 도전성 산화물층(22)의 상부면에 형성되고, 그 위에 또다시 투명 도전성 산화물층(29)을 형성한 점에서 도 1에 도시된 실시예와 차이가 있다. 도면 부호 12는 판 유리, 도면 부호 22, 29는 투명 도전성 산화물층, 도면부호 24는 투명 도전성 산화구조물들, 도면 부호 26은 보호층이다. 여기에서 투명 도전성 산화물층(22)와 투명 도전성 산화물층(29)은 서로 다른 소재를 사용할 수도 있다.
제2 발명 : 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이
도 4은 본 발명에 따른 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이의 일실시예의 개략적인 단면도이다.
본 실시예의 터치 스크린 디스플레이(200)는 디스플레이 패널(100)과 투명 전기 차폐층(250)을 포함한다.
본 발명에서 터치 스크린 디스플레이(100)는 평판 디스플레이와 터치 스크린이 결합 된 장치를 말한다. 본 실시예의 터치 스크린 디스플레이(100)는 인셀 방식의 터치 스크린 디스플레이를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 애드온 방식이나 온셀 방식의 터치스크린 디스플레이에도 정전기 차폐를 위하여 투명 전기 차폐층(250)이 사용될 수 있다. 터치 스크린 디스플레이로 인셀 방식 액정 디스플레이 장치(LCD)나 인셀 방식 유기발광 디스플레이 장치(OLED) 등이 사용될 수 있다.
투명 전기 차폐층(250)은 도 1에 도시된 제1발명의 실시예(10)에 적용된 투명 전기 차폐층(20)과 동일한 투명 전기 차폐층(20)을 사용할 수 있다. 본 실시예의 터치스크린 디스플레이(100)는 인셀 타입 액정 디스플레이 장치로 제1 기판(110)과 제2기판(120) 사이에 액정층과 정전 용량형 터치 센서(130)가 내장되어 있다. 투명 도전성 차폐층(250)은 제2 기판(120)의 외측면에 형성되어 있다. 투명 도전성 차폐층(250)은 제2 기판(120)의 외측면에 코팅된 투명 도전성 산화물층(210)과, 상기 투명 도전성 산화물층(210)의 상부면에 형성된 복수의 투명 도전성 산화 구조물들(220)과, 상기 투명 도전성 산화물층(210)과 투명 도전성 산화 구조물들(220)을 보호하도록 상부에 비도전성 재료로 형성된 보호층(230)을 포함한다. 상기 투명 도전성 산화 구조물들(220)은 상기 투명 도전성 산화물층(210) 보다 비저항이 낮은 재료로 균일하게 섬 형태로 분포하도록 형성되어 있다.
상기 투명 도전성 산화물층(210)의 소재 및 형성방법은 제1 발명에서 설명된 투명 도전성 산화물층(22)의 소재 및 형성 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 투명 도전성 산화 구조물들(220)의 소재 및 형성방법은 제1 발명에서 설명된 투명 도전성 산화 구조물들(24)의 소재 및 형성방법을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 보호층(230)은 제1 발명에서 설명된 보호층(26)의 소재 및 형성 방법을 사용하여 형성할 수 있다.
12 판 유리
20 투명 전기 차폐층
22 투명 도전성 산화물층
24 투명 도전성 산화구조물들
26 보호층
100 터치스크린 디스플레이
210 투명 도전성 산화물층
220 복수의 투명 도전성 산화구조물층
230 보호층
250 투명 전기 차폐층

Claims (9)

  1. 판 유리와,
    상기 판 유리의 일면에 형성된 투명 도전성 산화물층(Transparent Conductive Oxide layer, TCO 층)과,
    상기 투명 도전성 산화물층(TCO 층)의 상부면 또는 하부면에 상기 투명 도전성 산화물층 보다 비저항이 낮은 재료로 균일하게 섬 형태로 분포하도록 형성된 투명 도전성 산화 구조물들과(Transparent Conductive Oxide Structures, TCO 구조물들),
    상기 투명 도전성 산화물층과 투명 도전성 산화 구조물들을 보호하도록 상부에 비도전성 재료로 형성된 보호층을 포함하는 투명 전기 차폐층을 구비한 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물층은 산화인듐(In2O3) 또는 산화주석(SnO2)산화아연(ZnO) 또는 알루미늄, 붕소 및 갈륨으로부터 선택된 III족 원소가 도핑된 산화아연(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga)이나 산화 주석(SnO:Al, SnO:Ti)을 포함하고,
    상기 투명 도전성 산화 구조물들은 인듐주석산화물(ITO)을 포함하는 투명 전기 차폐층을 구비한 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전기 차폐층은 1.0 E+06 ~ 1.0 E+11 Ω/sq의 저항 특성을 갖는 투명 전기 차폐층을 구비한 기판.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물층에 도핑된 원소는 주재료 물질을 기준으로 0.1 - 20 wt % 범위 내에서 도핑된 투명 전기 차폐층을 구비한 기판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층은 산화티타늄(TiO2), 도핑된 산화티타늄, 티타늄-실리콘 혼합산화물 (TiSiOX), 산화규소 (SiO2), 질산화규소(SiOxNy), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소알루미늄(SiAlxOy), 산화주석(SnO2), 도핑된 산화주석, 아연주석산화물(ZnxSn1-xOy), 산화니오븀(Nb2O5) 으로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성된 투명 전기 차폐층을 구비한 기판.
  6. 터치 센서 인셀 타입 디스플레이 패널과,
    상기 디스플레이 패널의 표시부 기판의 외측면에 형성된 투명 도전성 산화물층(Transparent Conductive Oxide layer, TCO 층)과,
    상기 투명 도전성 산화물층(TCO 층)의 상부면 또는 하부면에 상기 투명 도전성 산화물층보다 비저항이 낮은 재료로 균일하게 섬 형태로 분포하도록 형성된 투명 도전성 산화 구조물들과(Transparent Conductive Oxide Structures, TCO 구조물들),
    상기 투명 도전성 산화물층과 투명 도전성 산화 구조물들을 보호하도록 상부에 비도전성 재료로 형성된 보호층을 포함하는 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물층은 산화아연(ZnO) 또는 산화주석(SnO2) 또는 알루미늄, 붕소 및 갈륨으로부터 선택된 III족 원소가 도핑된 산화아연(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga)을 포함하고,
    상기 투명 도전성 산화 구조물들은 인듐주석산화물(ITO)을 포함하는 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 투명 도전성 산화물층에 도핑된 원소는 주재료 물질을 기준으로 0.1 - 20 wt % 범위 내에서 도핑된 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이.
  9. 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층은 산화티타늄(TiO2), 도핑된 산화티타늄, 티타늄-실리콘 혼합산화물 (TiSiOX), 산화규소 (SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소알루미늄(SiAlxOy), 산화주석(SnO2), 도핑된 산화주석, 아연주석산화물(ZnxSn1-xOy), 산화니오븀(Nb2O5) 으로 구성된 구룹 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성된 투명 전기 차폐층을 구비한 터치 스크린 디스플레이.
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