KR102106672B1 - Ａｌｄ를 이용한 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래 일반적인 증착법이 아닌 나노 크기의 균일한 나노패턴으로 된 무기 박막을 형성할 수 있는 새로운 박막 증착 공정의 도입을 통해 유연 기판의 표면경도를 향상시키고자 하는 것이며, 아울러 필름의 투과도를 유지하고 저온 공정을 제공하고자 하는 것이다.
그에 따라 본 발명은, 유연 기판을 가소 상태로 가열하여 스탬프로 가압하여 나노패턴을 형성하고, 플라즈마로 표면을 세정한 다음, ALD로 나노사이즈 박막을 코팅하여 경도를 향상시킴과 동시에 굴절률을 최적화하고 투과도는 높게 유지하는, 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법을 제공한다.

Description

ＡＬＤ를 이용한 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법{A method for fabricating a nano-pattern film with improved hardness through ALD process}

본 발명은 기계적 물성이 향상된 고경도 코팅막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, ALD(Atomic Layer Deposition)공정을 적용하여 PC(polycarbonate) 기판에 나노패턴을 부여하여 고 투과율 필름의 투과도를 유지하며 경도를 향상시키는, 필름 제조에 관한 것이다.

최근 사용이 증대되고 있는 휴대폰, 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 전자 기기의 등장으로 인하여, 강화유리, 폴리머 등으로 이루어지는 휴대용 전자 기기의 화면을 보호하기 위한 화면 보호용 기판의 광학적 특성이 향상되어야 할 필요가 있다. 나아가, 화면 보호용 기판이 아니라, 직접 휴대용 전자 기기의 화면을 대체할 수 있는 기판의 필요성 역시 점차 증대되고 있는 실정이다. 현재 휴대용 전자 기기의 화면에 사용되기 위한 유연 소자 구현을 위한 기술적 요구는 LCD 및 LED로 대변되는 디스플레이와 박막 및 유기 태양전지에서 광범위하게 대두 되고 있다. 이러한 유연 소자 구현의 기술적 선결 조건으로 기존 유리 기판이 유연 폴리머기판으로 대체되어야만 한다. 폴리머 기판은 기계적으로 뛰어난 유연성을 가지고 경량이어서 제품디자인의 자유도를 높이면서도 유리에 준하는 광 특성과 화학적 안정성이 요구된다. 고 투과율을 통한 광 투과성의 향상, 명암의 향상, 고스트 이미지의 제거 등은 투명 폴리머 기판의 상용화를 위한 핵심 요소 기술로 알려져 있다. 폴리머 고유의 물질 특성으로는 완전히 구현될 수 없는 이러한 요소 기술들은 폴리머 기판 표면상의 화학적 및 구조적 변형과 이종의 코팅물질의 추가 등을 통해 시도되어 왔다. 표면 강도 향상을 위해서는 기판소재인 polycarbonate 소재(등록특허 10-1127230 참조)의 표면경화가 필요하나 열처리시 필름 구조의 손상으로 인하여 적용이 불가능하므로, 높은 경도를 가지는 무기 박막(inorganic coating)을 적용하는 것을 검토하고 있으나, 일반적으로 활용되는 박막 증착 공정은 다음과 같은 문제점을 나타내어 적용이 불가능한 상황이다. PVD (Sputtering, Evaporation) 기술적용은 증착 원리상 line-of-sight 특성으로 인하여 나노 크기의 구조에 적용 시, 나노구조에 균일한 박막의 형성이 어려워 반사방지 패턴의 효과 손실이 나타난다. CVD (Chemical Vapor Deposition) 기술적용은 나노구조상에 균일한 박막의 형성은 가능하나, 높은 증착온도로 인하여 polycarbonate와 같은 열에 취약한 기판 소재에는 활용이 불가능하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래 일반적인 증착법이 아닌 나노 크기의 균일한 나노패턴으로 된 무기 박막을 형성할 수 있는 새로운 박막 증착 공정의 도입을 통해 유연 기판의 표면경도를 향상시키고자 하는 것이며, 아울러 필름의 투과도를 유지하고 저온 공정을 제공하고자 하는 것이다.

즉, 박막은 최대한 얇은 두께로 형성하여 투과도의 손실을 최소화할 필요가 있고, 또한, 상용화를 고려하여 우수한 대면적 균일도와 함께 낮은 온도에서 박막이 형성될 필요가 있다.

또한, 기계적 물성이 향상된 고경도 코팅막을 제조하는 방법으로서, 좀 더 상세하게는, 임프린트 공정을 통해 나노패턴을 고분자 PC(polycarbonate) 필름에 형성하고 나노패턴이 형성된 상기 필름에 밀착력 향상을 위해 플라즈마 표면처리 후 ALD(Atomic Layer Deposition)공정을 적용하여 PC 필름에 나노패턴을 형성하여 고투과율 필름의 경도를 향상시키는 방법을 제공하고자 한다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 투명한 유연 기판을 준비하고,

상기 유연 기판 표면에 나노 돌기를 형성하여 나노 패턴을 형성하고,

ALD(Atomic Layer Deposition) 공정을 적용하여 나노 박막을 형성하여 유연 기판의 표면 경도를 향상시키고 유연 기판의 굴절률을 조절하며,

상기 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정은,

전구체 TMA 공급, 가스 퍼징, 반응물 H₂O 공급 및 가스 퍼징을 하나의 사이클로 하여 반복되고, 퍼지 가스로는 질소 또는 불활성 가스를 사용한 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법을 제공한다.

상기에 있어서, 나노 패턴의 형성은, 상기 유연 기판을 가열하여 가소 상태로 만들고 스탬프로 가압하는 임프린트 공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법을 제공한다.

상기에 있어서, ALD(Atomic Layer Deposition) 공정을 적용하기 전에 플라즈마 세정을 실시하여 표면의 오염 제거 및 표면 개질 효과를 얻는 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법을 제공한다.

상기에 있어서, 나노패턴에 포함되는 나노 돌기의 지름은 290 내지 310nm, 나노돌기의 높이는 250 내지 500nm, 나노돌기 간격은 280 내지 320으로 배열된 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법을 제공한다.

상기에 있어서, 전구체 TMA 공급 시, 나노사이즈의 SiO₂ 분말을 함께 공급하여 나노 패턴이 형성된 유연 기판 전체의 굴절률을 조절하는 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법을 제공한다.

상기에 있어서, 임프린트 공정의 온도는 120 내지 145℃로 유지하고, ALD(Atomic Layer Deposition) 공정의 온도는 120℃ 미만으로 유지하는 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 스탬프에 의해 나노패턴을 형성하므로, 유연 기판에 대한 나노 패턴의 형성 공정의 생산성이 크게 향상되며, 이에 대한 플라즈마 세정과 ALD에 의한 박막의 굴절률이 정밀하게 제어되어 유연기판의 투과도를 유지하면서 경도가 향상된다.

도 1은 ALD(Atomic Layer Deposition)의 증착 원리 모식도이다.
도 2는 고투과율 필름 나노 돌기형 구조체 SEM 사진이다.
도 3은 ALD(Atomic Layer Deposition)공정 후 경도 및 투과율 평가 결과 표이다.
도 4는 본 실시예의 ALD 공정 조건을 나타낸 표이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 투명한 유연 기판을 베이스 기판으로 준비한다. 본 실시예에서는 PC(polycarbonate) 기판을 준비하였다.

상기 유연 기판에 나노패턴을 형성하기 위해 임프린트 공정을 실시한다. 이른바 나노 임프린트 공정은 나노패턴이 형성된 스탬프를 이용하여 기판 표면에 나노 돌기들이 패턴으로 형성되게 하는 공정이다. 본 실시예에서는 나노 돌기 지름: 290~310nm, 나노 돌기 높이: 250~500nm, 나노 돌기 간격: 280~320nm 이하의 간격으로 배열되는 나노 패턴을 형성할 수 있는 스탬프와 이를 포함한 임프린팅 장비를 이용하였다.

유연 기판을 스탬프와 정밀하게 얼라인 한 다음, 유연 기판을 120~145℃ 온도 범위로 가열하면 유연기판은 스탬프로 가압하여 나노 패턴이 전사될 수 있는 가소 상태가 된다. 그에 따라 스탬프로 가압하여 상술한 바와 같은 나노 돌기 패턴이 형성된다.

다음, 나노 패턴이 전사된 유연 기판의 표면을 플라즈마 세정한다.

플라즈마 세정은 널리 알려진 기술이므로 그에 따라 실시할 수 있다.

본 실시예에서는 불활성 가스 또는 질소 가스를 공급하고 0.1 내지 5kW의 전력을 공급하여 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 세정을 실시하였다. 본 발명에서 플라즈마 세정은 유연 기판 표면을 세정하는 동시에 이후 ALD로 형성할 경도 향상 박막의 말착력을 강화하여 주는 역할을 한다. 즉, 플라즈마 세정은 표면 오염물 제거 및 표면 개질 활성화를 통해 이후 산화물 증착시 밀착력을 향상시킨다.

ALD 공정은 도 1에서와 같이 전구체 공급/가스 퍼징/반응물 공급/가스 퍼징을 하나의 사이클로 하여 반복되면서 이루어진다.

본 실시예에서 전구체는 TMA를, 반응물은 H₂O로 하였고, 퍼지 가스로는 질소 또는 불활성 가스를 공급할 수 있다. ALD 챔버 온도는 120℃ 미만, 바람직하게는, 100℃ 이하(10 내지 100℃)로 유지하고, 공급되는 전구체와 반응물 온도는 5 내지 15℃로 한다. 전구체 공급 시간은 0.1 내지 0.5초, 가스 퍼징 5 내지 15초, 반응물 공급 시간은 0.1 내지 0.5초, 가스 퍼징 5 내지 15초로 할 수 있으며, 본 실시예에서는 0.2초/10초/0.2초/10초로 하였다. 유량은 전구체와 반응물의 경우, 50~200sccm, 가스 퍼징의 경우, 50~1000sccm으로 할 수 있다.

본 실시예의 ALD 공정 조건을 도 4에 표로 수록하였다. ALD에 의한 나노박막의 두께는 5 내지 25nm, 바람직하게는, 15nm 이하로 하여 유연 기판의 투과도를 저해하지 않도록 하면서도 경도를 향상시켰고, 이러한 경도 향상과 투과도의 유지에 대해서는 도 3에 표로 기록하였다.

한편, 폴리머 PC(polycarbonate) 베이스 기판의 굴절률은 1.4이고, SiO₂ 굴절률은 1.533이므로 나노 패턴이 형성된 이후 전체적으로는 PC(polycarbonate) 베이스 기판의 굴절률과 유사한 굴절률을 가져야 한다. 그에 따라 본 발명은, 2~3종류의 고분자를 믹싱하여 굴절률 차이를 최소화하였다. 즉, 경도 향상을 위하여 형성하는 박막의 전구체 TMA를 공급하면서 하면서, 여기에 나노사이즈의 SiO₂ 분말을 추가 공급하여 나노패턴을 포함한 유연 기판 전체 굴절률을 최적화하였다.

도 3에 보인 바와 같이, ALD에 의한 박막의 두께가 5 내지 15nm일 때, 경도 향상과 함께 투과도도 우수하게 유지됨을 확인할 수 있다.

상기에서 유연 기판은 PC 기판으로 하였지만 본 발명은 다른 폴리머 기판, 예를 들면, 폴리이미드, PET 기판 등에도 적용될 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구 범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (6)

1. 투명한 유연 기판을 준비하고,
   상기 유연 기판 표면에 나노 돌기를 형성하여 나노 패턴을 형성하고,
   ALD(Atomic Layer Deposition) 공정을 적용하여 나노 박막을 형성하여 유연 기판의 표면 경도를 향상시키고 유연 기판의 굴절률을 조절하며,
   상기 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정은,
   전구체 TMA(trimethyl aluminium) 공급, 가스 퍼징, 반응물 H₂O 공급 및 가스 퍼징을 하나의 사이클로 하여 반복되되, 전구체 TMA 공급 시 나노사이즈의 SiO₂ 분말을 함께 공급하여 나노 패턴이 형성된 유연 기판 전체의 굴절률을 조절하고, 퍼지 가스로는 질소 또는 불활성 가스를 사용하며,
   ALD(Atomic Layer Deposition) 공정 사이클 반복 회수를 조절하여 나노 박막의 두께를 5 내지 25nm로 한 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 나노 패턴의 형성은, 상기 유연 기판을 가열하여 가소 상태로 만들고 스탬프로 가압하는 임프린트 공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, ALD(Atomic Layer Deposition) 공정을 적용하기 전에 플라즈마 세정을 실시하여 표면의 오염 제거 및 표면 개질 효과를 얻는 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 나노패턴에 포함되는 나노 돌기의 지름은 290 내지 310nm, 나노돌기의 높이는 250 내지 500nm, 나노돌기 간격은 280 내지 320nm로 배열된 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법.
   
5. 삭제
6. 제2항에 있어서, 임프린트 공정의 온도는 120 내지 145℃로 유지하고, ALD(Atomic Layer Deposition) 공정의 온도는 120℃ 미만으로 유지하는 것을 특징으로 하는 경도 향상된 고 투과율 나노패턴 필름 제조 방법.
   
   
   
   
   

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