KR20020065759A - 광학적 전기적 특성을 지닌 기능성 박막 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄(Al) 또는 규소(Si)로부터 선택되는 제 1 성분과, 산소(O) 및 질소(N)로부터 선택되는 하나 이상의 제 2 성분을 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 성분과 제 2 성분이 박막의 두께를 따라 점진적인 농도 구배를 갖도록 존재하는 전이층을 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막을 제공한다.
Description
본 발명은 기능성 박막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 광학적, 전기적 특성의 조절이 가능한 기능성 박막에 관한 것이다.
외광 반사율을 최소화함과 동시에 전기 전도성을 갖는 기능성 박막은 그 용도가 다양할 수 있는데, 구체적으로 선글래스, 외광 차폐 유리, 자외선 차단 및보온제, 전자파 차폐재 등을 예로 들 수 있다.
또한, 칼라 음극선관과 같은 칼라 표시소자의 형광막 사이에는 외광 흡수 및 인접한 패턴으로부터의 산란광 흡수를 목적으로 형성되어 있는 블랙 매트릭스를 예로 들 수 있다. 표시소자 스크린의 외광 반사율이 커지면 가시적인 이미지가 흐려지는데, 표시소자의 스크린에 있어서 이러한 외광 반사는 주로 블랙 매트릭스 상에서 발생한다. 따라서, 표시소자의 픽셀을 둘러싸고 있는 블랙 매트릭스의 외광흡수율을 증대시킴으로써 휘도 및 콘트라스트 특성을 향상시키려는 노력은 계속되어 왔다.
이러한 이유로 인하여 블랙 매트릭스는 흡수율이 큰 크롬을 이용하여 크롬층 및 크롬 산화물층의 구조를 갖도록 제조되고 있으며, 흡수율을 보다 더 향상시키기 위하여 산화물층에 카본을 첨가하는 방법도 사용되고 있다.
또한, 미국특허 제5,976,639호에는 디스플레이 패널의 내면에 전이층(transition layer)과 금속층을 포함하는 필름층을 적층하여 액정 표시소자용 블랙 매트릭스를 형성하는 방법이 개시되어 있다.
상기 특허에 의하면, 상기 필름층은 빛이 입사하는 방향으로 Cr, W, Ta, Ti, Fe, Ni, Mo 등의 금속 성분의 함량이 막두께 100Å당 0.5 내지 20% 정도로 증가하도록 분포되어 있는 전이층을 포함하고 있으며, 이 전이층은 산소(O), 질소(N) 및 탄소(C) 중에서 선택된 성분을 더 함유하고 있다. 그리고 금속성분으로는 주로 크롬을 사용하고 있다. 또한, 상기 전이층은 금속을 조금 함유하는 층과 금속을 많이 함유하는 층 사이에 개재되는데, 금속 함량이 많은 층은 금속 함량이 50 내지 100%범위이며, 금속 함량이 낮은 층의 금속 함량은 10 내지 50 중량% 범위임을 개시하고 있다.
그러나, 상기 미국 특허 제5,976,639호에 개시된 블랙매트릭스는 크롬과 같은 환경오염 물질을 주로 사용할 뿐만 아니라, 굴절률 뿐만 아니라 전기전도도의 조절이 가능하여 그 효용이 큰 기능성 박막에 대해서는 전혀 제시하는 바가 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 크롬이 아닌 무독성 금속과 유전성 물질의 혼합물을 이용하여 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 광학적, 전기적 특성이 우수한 기능성 박막을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 기능성 박막의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 기능성 박막의 원리를 설명하기 위한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 박막에 대하여, 박막의 두께에 따라 규소(Si)와 산소(O)의 성분 분포 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기능성 박막에 대하여, 박막의 두께에 따라 규소(Si), 산소(O) 및 질소(N)의 성분 분포 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기능성 박막에 대하여, 박막의 두께에 따라 알루미늄(Al)과 산소(O)의 성분 분포 변화를 나타낸 도면이다.
상기 첫번째 목적을 달성하기 하여 본 발명에서는,
알루미늄(Al) 또는 규소(Si)로부터 선택되는 제 1 성분과, 산소(O) 및 질소(N)로부터 선택되는 하나 이상의 제 2 성분을 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 성분과 제 2 성분이 박막의 두께를 따라 점진적인 농도 구배를 갖도록 존재하는 전이층을 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막을 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 점진적인 농도 구배는 상기 박막의 두께를 따라 외부광이 입사되는 방향으로부터 멀어질수록 굴절률이 점진적으로 증가 또는 감소하도록 되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 상기 점진적인 농도 구배는 상기 박막의 두께를 따라 외부광이 입사되는 방향으로부터 멀어질수록 광흡수율이 점진적으로 증가하도록 되어있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 상기 점진적인 농도 구배는 상기 박막의 두께를 따라 전기 전도도가 점진적으로 증가 또는 감소하도록 되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 상기 점진적인 농도 구배는, 상기 박막에 외부광이 입사되는 방향으로부터 멀어질수록 상기 제 1 성분의 함량은 점차적으로 증가하고 상기 제 2 성분의 함량은 점차적으로 감소하도록 분포되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 상기 제 1 성분과 제 2 성분의 상대적인 함량에 의해 결정되는 박막의 어느 한 면의 굴절률과 굴절률 차가 0.5 이하인 기판 상에 적층되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 기능성 박막은 제 1성분이 규소(Si)인 경우에, 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe) 및 인듐주석산화물(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 성분으로 이루어진 도전층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 박막이 기판과 접하는 면의 반대면에 상기 도전층이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 기능성 박막은 표시소자의 블랙매트릭스로서 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 기능성 박막이 도전층을 포함하고 있는 경우에는 표시소자의 전극으로도 유용하게 사용될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 원리를 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명은, 알루미늄(Al) 또는 규소(Si)로부터 선택되는 제 1 성분과, 산소(O) 및 질소(N)로부터 선택되는 하나 이상의 제 2 성분을 반응성 스퍼터링법으로 박막을 증착하여, 상기 제 1 성분과 제 2 성분이 박막의 두께를 따라 점진적인 농도 구배를 갖는 전이층을 포함하도록 한 것을 특징으로 한다.
일반적으로 도 1에 나타낸 바와 같이 기판(10) 상에 코팅된 박막(20)의 반사율은 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다.
상기 식에서, Ns, Nf는 각각 기판과 박막의 복소굴절률이며,n s , n f 는 각각 기판과 박막의 굴절률,k s , k f 는 각각 기판과 박막의 흡광계수이다.
따라서, 박막의 빛 반사율을 줄이기 위해서는 기판과 박막의 굴절률의 차이가 적을수록 유리하다는 것을 알 수 있다. 즉, 기판과 박막의 굴절률이 같아지면 반사가 전혀 일어나지 않게 된다.
본 발명자들은 이와 같은 원리에 입각하여, 도 2와 같은 기능성 박막의 구조를 고안하게 되었다. 즉, 기판과 바로 인접한 부분에는 알루미늄 또는 규소로부터 선택되는 제 1 성분과, 산소 또는 질소로부터 선택되는 제 2 성분을 반응성 스퍼터링으로 증착하여 제1 성분과 제2 성분이 증착되는 속도를 조절함으로써 기판과 인접한 부분에는 기판과 굴절률과 비슷한 굴절률을 갖는 유전물질(예를 들어, 제 1물질)이 증착되도록 한다.
이 때 기판의 굴절률은 ns, 흡광계수 ks라 하고, 제 1 물질의 굴절률을 n1, 흡광계수를 k1이라 한다. 제 1물질과 기판의 굴절률차가 거의 없기 때문에 상기 수학식 1의 원리에 의해 빛의 반사가 거의 없어질 수 있다.
다시, 점차적으로 제 1 성분과 제 2 성분의 비를 조절하여 반응성 스퍼터링을 실시함으로써 제 1 물질 위에는 제 1 물질과 굴절률이 거의 유사한 제 2 물질(굴절률 n2, 흡광계수 k2)을 적층함으로써 전술한 바와 동일한 원리에 의해 빛의 반사를 줄일 수 있다. 계속해서 동일한 방식으로 굴절률이 미소한 차이를 갖고 점진적으로 변하도록 제 3 물질(n3, k3), 제 4 물질(n4, k4), 제 5 물질(n5, k5) 등을 적층할 수 있다.
도 2에는 설명의 편의상, 박막이 조성 및 물리적 성질이 뚜렷이 구별되는 여러 개의 층으로 이루어진 것처럼 도시하였으나 실제로는 그 차이가 아주 미소하기 때문에 여러 개의 층으로 이루어져 있다고 보기는 어렵다.
이러한 굴절률의 구배는 굴절률이 점차적으로 증가하는 방식으로 또는 점차 감소하는 방식으로 어느 것이든지 가능하나, 외부 입사광에 대한 반사를 줄이고 흡수율을 높이기 위해서는 외부 입사광의 진행 방향에 따라 흡수계수가 증가하는 방식으로 적층하는 것이 바람직하다. 이와 같이 박막의 두께에 따라 흡수계수가 점차적으로 증가하도록 하면 박막을 통과하는 빛의 양이 점차적으로 감소하여 일정 두께 이상이 되면 빛이 전혀 투과되지 않도록 하는 것도 가능하다.
또한, 박막의 두께에 따라 굴절률 뿐 아니라 전기 전도도가 점진적으로 변하도록 함으로써 박막의 효용가치를 극대화할 수 있다. 즉, 박막의 두께를 따라 기판과 접하는 면으로부터 반대 면을 향해 갈수록 금속 함량이 증대되어 전기전도도가 점진적으로 증가되도록 하면, 외광 반사율이 최소화되면서 전기 전도성이 큰 광학 구조체를 실현할 수 있게 된다. 이와 같은 구조체는 전자파 차폐재나 디스플레이 소자의 블랙 매트릭스에 사용되는 경우 전자의 전하축적을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 기능성 박막에서 제1 성분으로 사용되는 규소(Si) 또는 알루미늄(Al)은 그 산화물의 특성이 일반적으로 기판 재질로 채택되는 글래스와 비슷한 특성 대문에 바람직하다.
또한, 본 발명의 기능성 박막에서 제 1 성분과 반응하여 스퍼터링되는 제 2 성분으로는 산소 또는 질소가 바람직하다. 즉, 규소 또는 알루미늄의 산화물 또는 질화물이 바람직하며, 산화물 또는 질화물을 이루고 있는 각 성분의 조성비가 점차적으로 변화되면서 증착된다.
본 발명에 의한 기능성 박막은, 반응성 스퍼터링법을 이용하여 하기 과정에 따라 제조하는 것이 바람직하다.
반응성 스퍼터링은 펌핑 시스템을 갖춘 진공 챔버, 진공챔버 내에 위치한 마그네트론 캐소드, 마그네트론 캐소드 상에 위치한 타겟(예를 들면, 규소 또는 알루미늄), 마그네트론 방출을 위한 가스 도입을 위한 제 1 가스 도입 시스템, 스퍼터링된 금속 원소와 반응하는 반응성 가스( 예를 들면, 산소 또는 질소 가스)를 도입하는 제 2 가스 도입 시스템, 기판이 방출공간을 향하도록 기판을 운반하는 시스템을 구비하는 장치를 이용하여 실시될 수 있다.
제 1 가스 도입 시스템 및 제 2 가스 도입 시스템의 노즐은 방출 공간을 통하여 서로 마주하도록 위치한다. 또한 제 2 가스 도입 시스템 및 제 1 가스 도입 시스템의 노즐은 기판의 운반 라인 상에서 각각 상류 및 하류에 위치한다.
이러한 배치에서 방출 공간에는 반응성 가스의 분압이 기판의 운반 방향을 따라 점점 감소하도록 하는 분위기가 형성된다.
또한, 산소와 질소를 동시에 사용하는 경우에는 이들 중 어느 한 기체의 분압은 점점 감소하고 다른 기체의 분압은 점점 증가하도록 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 규소(Si)의 산화물(SiOx) 또는 질화물(SiNx)로 이루어진 기능성 박막이 제공된다. 소다 라임 유리 기판에 규소 산화물을 증착하는 경우에는 타겟으로 Si를 사용하고, 반응성 가스인 제 2 가스로서 산소(O2)를 사용한다. 증착을 시작하는 시점에서는 소다 라임 기판과 굴절률이 거의 유사한 SiO2가 증착되도록 챔버내 반응성 제 2가스의 분압을 조절하고, 증착이 진행됨에 따라 O2의 분압이 점차 감소하도록 하여 마지막에는 Si 만이 증착되도록 한다. 도 3은 이와 같은 경우 박막의 두께가 증가함에 따른 조성변화를 개략적으로 나타낸 것이다.
또한, 본 발명의 다른 태양에 의하면, Si 층을 증착한 후 스퍼터링 장치의 타겟을 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe) 및 인듐주석산화물(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나이상의 금속 또는 이들의 합금으로 교체하여 금속층을 증착시킴으로써 도전 능력까지 구비한 기능성 박막을 제공할 수 있다. 이와 같이 금속 도전층을 구비한 기능성 박막은 PDP의 전극을 비롯한 다양한 디스플레이의 블랙매트릭스로 활용될 수 있다.
본 발명의 또다른 태양에 의하면, 도 4에 도시된 것처럼 질소를 함께 증착할 수 있다.
본 발명의 또다른 태양에 의하면, 알루미늄(Al)의 산화물 또는 질화물로 이루어진 기능성 박막이 제공된다. 알루미늄 산화물을 증착하는 경우에는 타겟으로 알루미늄(Al)을 사용하고, 반응성 가스인 제 2 가스로서 산소(O2) 또는 질소(N2)를 사용한다. 이후 증착하는 과정은 전술한 규소(Si)의 경우와 동일하다.
타겟으로 알루미늄(Al)을 사용하는 경우에는 알루미늄 산화물 또는 질화물로부터 시작하여 최종적으로 알루미늄 만으로 증착된 층을 가질 수 있다. 알루미늄의 경우에는 그 저체가 금속이기 때문에 별도의 금속 도전층을 형성하지 않더라도 박막의 도전성이 요구되는 여러 가지 용도에 후속 과정없이 곧바로 적용될 수 있다는 이점이 있다. 도 5는 알루미늄 산화물을 증착하는 경우 박막의 두께에 따른 조성 변화를 개략적으로 나타낸 것이다. 소다 라임 기판의 경우 기판과 초기 박막의 굴절률이 비슷하게 하기 위해서는 알루미늄과 산소의 비가 대략 2 : 3 인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
반응성 스퍼터링 장치를 이용하여, 소다 라임 유리기판 위에 규소 타겟과 반응성 가스로서 산소를 이용하여, 산소의 분압을 점차 감소시킴으로써 박막의 두께가 두거워짐에 따라 규소와 산소가 농도 구배를 갖고 증착되도록 하였다.
증착 개시 단계에서는 규소와 산소의 원자비가 1 : 2 이 되도록 조절하였고, 박막의 두께가 1500Å에 이르렀을 때 규소만이 증착되도록 산소의 분압을 점차적으로 감소시켰다.
박막의 총두께가 2000Å가 되었을 때 은(Ag) 타겟을 사용하여 1000Å의 도전층을 더 형성하였다.
실시예 2
반응성 가스로서 산소와 질소를 동시에 사용하여 도 4에 도시된 것과 같은 조성변화를 갖는 박막을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일하게 실시하였다.
실시예 3
타겟으로서 규소 대신 알루미늄을 사용하고, 별도의 도전층 형성단계를 실시하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 실질적으로 동일하게 실시하였다. 단 증착 개시단계에서 알루미늄과 산소의 원자비가 대략 2 : 3 이 되도록 조절하였다.
상기 실시예 1 - 3에 따라 제조된 블랙 매트릭스의 전기적 및 광학적 특성을 평가하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
하기 표 1에서, 반사율과 광학밀도는 자외선-가시광선 분광계를 사용하여 파장이 550 nm 일 때 측정하였다. 면저항은 4 포인트 프로브법을 이용하여 측정하였다.
구분 | 성분 | Rs(mΩ/?) | 반사율(550nm, %) | 광학밀도(O.D) | 두께(Å) |
실시예 1 | Si/O/Ag | 240 | 0.05 | 4.5 | 3000 |
실시예 2 | Si/N/O/Ag | 210 | 0.2 | 4.2 | 3300 |
실시예 3 | Al/O | 352 | 0.5 | 4.6 | 3500 |
상기 표 1로부터, 실시예 1-3에 따라 제조된 기능성 박막에 있어서, 면저항은 200-350 mΩ/?이고 반사율은 0.5 이하, 광학밀도는 4.0 이상으로서 반사율, 면저항 및 광학밀도 특성이 모두 우수하다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 기능성 박막은, 박막의 반사율을 대폭 감소시키기 위하여 박막의 굴절률을 기판의 굴절률과 비슷해지도록 용이하게 조절할 수 있으며, 박막의 굴절률이 점차적으로 변화되면서 최종적으로는 원하는 전기적 특성을 가지므로 광흡수층과 전도층을 동시에 구비할 수 있으므로 광특성 및 전기적 특성이 동시에 필요한 다양한 용도에 적용될 수 있다.
Claims (8)
- 알루미늄(Al) 또는 규소(Si)로부터 선택되는 제 1 성분과, 산소(O) 및 질소(N)로부터 선택되는 하나 이상의 제 2 성분을 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 성분과 제 2 성분이 박막의 두께를 따라 점진적인 농도 구배를 갖도록 존재하는 전이층을 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
- 제1항에 있어서, 상기 점진적인 농도 구배는 상기 박막의 두께를 따라 외부광이 입사되는 방향으로부터 멀어질수록 굴절률이 점진적으로 증가 또는 감소하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
- 제1항에 있어서, 상기 점진적인 농도 구배는 상기 박막의 두께를 따라 외부광이 입사되는 방향으로부터 멀어질수록 광흡수율이 점진적으로 증가하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
- 제1항에 있어서, 상기 점진적인 농도 구배는 상기 박막의 두께를 따라 전기 전도도가 점진적으로 증가 또는 감소하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
- 제1항에 있어서, 상기 점진적인 농도 구배는, 상기 박막에 외부광이 입사되는 방향으로부터 멀어질수록 상기 제 1 성분의 함량은 점차적으로 증가하고 상기 제 2 성분의 함량은 점차적으로 감소하도록 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
- 제1항에 있어서, 상기 제 1 성분과 제 2 성분의 상대적인 함량에 의해 결정되는 박막의 어느 한 면의 굴절률과 굴절률차가 0.5 이하인 기판 상에 적층되는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
- 제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 제1 성분이 Si인 경우에는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 코발트(Co), 철(Fe) 및 인듐주석산화물(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 성분으로 이루어진 도전층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
- 제7항에 있어서, 상기 박막이 기판과 접하는 면의 반대면에 상기 도전층이 형성되는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
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