KR20020065760A - 광학적 전기적 특성을 지닌 기능성 박막 - Google Patents

광학적 전기적 특성을 지닌 기능성 박막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제 1 성분과 제 2 성분이 박막의 두께를 따라 점진적인 농도 구배를 갖도록 존재하는 전이층을 포함하며, 상기 제 1 성분은 SiOx(x>1), MgF2,CaF2,Al2O3, SnO2,In2O3및 ITO(Indium tin Oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유전성 물질이며, 상기 제 2 성분은 Fe, Co, Ti, V, Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 성분인 것을 특징으로 하는 기능성 박막을 제공한다.

Description

광학적 전기적 특성을 지닌 기능성 박막{Functional film having an improved optical and electrical properties}
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 및 보온제, 전자파 차폐재 등을 예로 들 수 있다.
또한, 칼라 음극선관과 같은 칼라 표시소자의 형광막 사이에 외광 흡수 및 인접한 패턴으로부터의 산란광 흡수를 목적으로 형성되어 있는 블랙 매트릭스를 예로 들 수 있다. 표시소자 스크린의 외광 반사율이 커지면 가시적인 이미지가 흐려지기 때문에, 표시소자의 픽셀을 둘러싸고 있는 블랙 매트릭스의 외광흡수율을 증대시킴으로써 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% 범위이고, 나아가 블랙 매트리스의 기능면에서 금속함량이 낮은 층은 필수적인 구성요소가 아님을 개시하고 있다.
그리고, 상기 블랙 매트릭스는 반응성 스퍼터링법이라는 방법에 의해 제조되는데, 이 방법에 의하면, 금속(크롬) 타겟이 진공 챔버내의 마그네트론 캐소드 상에 놓이고, 제 1 가스가 마그네트론 방전을 위해 챔버내로 도입되고, 스퍼터링된금속 원소와 반응하는 반응성 가스(산소 또는 질소)가 제 2 가스로서 도입된다. 투명기판이 움직이는 방향을 따라 점진적으로 반응성 가스의 분압이 감소하는 분위기에서 스퍼터링이 실시된다.
그러나, 상기 미국 특허 제5,976,639호에 개시된 블랙매트릭스 및 그 제조방법은 크롬과 같은 환경오염 물질을 주로 사용할 뿐만 아니라, 반드시 반응성 분위기에서 증착이 이루어져야 하며, 필름층을 구성하는 전이층과 금속층 형성시 각 층 형성용 재료의 조성 및 각 층의 두께를 엄격하게 제어해야 하므로 제조공정이 까다롭다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 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 실시예 2에 따른 기능성 박막에 대하여, 박막의 두께에 따라 제 1 성분(SiO2)과 제 2 성분(Al)의 성분 분포 변화를 나타낸 도면이다.
상기 첫번째 목적을 달성하기 하여 본 발명에서는,
제 1 성분과 제 2 성분이 박막의 두께를 따라 점진적인 농도 구배를 갖도록 존재하는 전이층을 포함하며, 상기 제 1 성분은 SiOx(x>1), MgF2,CaF2,Al2O3, SnO2, In2O3및 ITO(Indium tin Oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유전성 물질이며, 상기 금속은 Fe, Co, Ti, V, Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 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 되어 있는 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 유전성 물질의 함량은 점차적으로 감소하고 상기 금속 성분의 함량은 점차적으로 증가되도록 분포되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 기능성 박막은 상기 유전성 물질로 이루어진 유전층을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 유전층이 기판과 접촉하도록 기판 상에 적층되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 상기 유전층과 상기 기판의 굴절률 차이는 0.5 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 실시예에 의하면, 기능성 박막은 Fe, Co, Ti, V, Al, Ag, Ge, Y, Zn, Zr, W 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 성분으로 이루어진 도전층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 의하면, 기능성 박막이 유전층을 포함하는 경우, 상기 전이층이 유전층과 접하는 면의 반대면에 형성된 금속 성분으로 이루어진 도전층을 더 포함할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 원리를 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명은, 제 1 성분과 제 2 성분이 박막의 두께를 따라 점진적인 농도 구배를 갖도록 존재하는 전이층을 포함하며, 상기 제 1 성분은 SiOx(x>1), MgF2,CaF2,Al2O3, SnO2,In2O3및 ITO(Indium tin Oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유전성 물질이며, 상기 제 2 성분은 Fe, Co, Ti, V, Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질이며, 상기 제 1 성분과 제 2 성분이 기판 상에 증착되는 속도를 조절함으로써 박막의 두께에 따라 상기 제 1 성분 및 제 2 성분의 상대적인 함량이 점진적으로 변하게 하여 이에 따른 굴절률, 흡수계수 또는 전기 전도도의 구배를 갖는 기능성 박막을 제공하는 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 기판과 굴절률이 아주 근접한 유전성 물질인 제 1 물질을 코팅한다. 이 때 기판의 굴절률은 ns, 흡광계수는 ks라 하고, 제 1 물질의 굴절률을 n1, 흡광계수를 k1이라 한다. 제 1물질과 기판의 굴절률 차가 거의 없기 때문에 상기 수학식 1의 원리에 의해 빛의 반사가 거의 없어질 수 있다.
다시, 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 미소하기때문에 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 유전성 물질로 사용되는 SiOx(x>1), MgF2, CaF2,Al2O3, SnO2, In2O3또는 ITO는 투명하며, 일반적으로 사용되는 글래스 기판과 조성이 유사하여 굴절률을 비롯한 제반 특성이 유사하기 때문에 바람직하다.
또한, 본 발명의 기능성 박막에서 금속 성분으로 사용되는 Fe, Co, Ti, V, Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속은 흡수계수 k가 크기 때문에 바람직하며, 그 중에서도 Al, Ag는 전기 전도도가 좋다는 특성 때문에 특히 바람직하다.
본 발명에 의한 기능성 박막은, 통상의 박막 형성 방법을 사용하여 제조할 수 있는데, 예를 들면 스퍼터링, 진공증착, PVD, CVD 등의 방법으로 제조할 수 있다.
바람직한 일실시예로서, 스퍼터링의 경우를 예로 들면 유전성 물질인 제 1 성분은 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용할 수 있고, 금속을 포함하는 제 2 성분은 RF 또는 DC 스퍼터링을 이용할 수 있다. 스퍼터링 장치는 펌핑 시스템을 갖춘 진공챔버, 진공 챔버 내에 위치한 마그네트론 캐소드, 마그네트론 위에 위치한 타겟(제 1 성분 및 제 2 성분), 마그네트론 방출을 위한 Ar 가스 도입 시스템이 구비하는 것이 바람직하다.
즉, 먼저 유전성 물질을 포함하는 제 1 타겟에 RF 파워를 인가하여 기판에 SiO를 증착시키기 시작하고 점차적으로 RF 파워를 감소시키면서 금속을 포함하는 제 2 성분에 가해지는 RF 또는 DC 파워를 점차적으로 증가시킴으로써 제 1 성분과 제 2 성분이 상대적인 농도 구배를 갖는 기능성 박막을 기판 상에 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 제 1 성분과 제 2 성분의 스퍼터링 공정이 완결되어 기능성 박막이 완성된 후에는 기능성 박막의 용도에 따라 필요한 후속 공정을 실시할 수 있다. 예를 들어 표시소자의 블랙 매트릭스를 제조하고자 한다면, 포토리소그래피 공정을 통하여 상기 기능성 박막을 패터닝하는 단계를 실시할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 하기 실시예는 단지 예시적인 것으로서 본 발명의 범위가 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
스퍼터 내에 타겟으로서 SiO2와 은(Ag)을 각각 마그네트론 캐소드 위에 장착하고 베이스 압력이 5×10-6torr 이하가 되도록 하였다. SiO2는 RF 마그네트론 스퍼터링, Ag는 DC 마그네트론 스퍼터링을 하였다. Ar 가스를 도입하고 진공도가 3.0 mtorr가 되도록한 다음 SiO2와 Ag 타겟에 각각 파워를 인가하여 SiO2와 Ag가 동시에 증착되도록 하였다. SiO2와 Ag의 농도 구배를 확보하기 위해 SiO2에 인가되는 파워는 점차 감소시키고 Ag에 인가되는 파워는 점차 증가시켰다. SiO2-Ag 박막의 두께가 2000-2500 Å이 되면 SiO2에 인가되는 파워를 끄고 Ag로만 1000Å 증착시켰다.
실시예 2
제 2 성분으로서 은(Ag) 대신 알루미늄(Al)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 기능성 박막을 제조하였다.
본 발명의 실시예 2에 의한 기능성 박막은 각각 도 3에 도시된 바와 같은 성분 분포를 갖는다.
도 3을 참조하면, 소다 라임 기판 상에 형성된 기능성 박막은 기판과 접하는 면으로부터 그 반대 면을 향하여, 즉 외부광이 입사하는 방향으로 두께를 따라 SiO2의 농도는 점진적으로 감소되나 금속 성분(Al)은 점진적으로 증가하는 분포로 존재하는 것을 알 수 있다.
이러한 조성 분포를 갖고 있는 본 발명의 기능성 박막은 유전성 물질과 금속이 반비례적인 농도 구배를 갖도록 서서히 증착시킴으로써 층상 구조가 생기지 않고 점진적으로 굴절율, 흡수율 및 전기 전도도 구배가 형성된다.
일반적인 기판을 구성하는 SiO2와 이 기판과 접하는 영역에 존재하는 SiO2100% 층은 굴절율이 완전 동일하다. 따라서 기판과 기능성 박막의 계면에서는 외광이 반사되지 않고 투과되며, 기능성 박막의 금속성분이 증가함에 따라 굴절률 및 흡수율이 차츰 증가하므로 외광이 반사되지 않고 거의 흡수될 수 있는 구조를 갖고 있다. 또한, 금속 성분의 함량이 차츰 증가할수록 박막의 전기전도도도 차츰 증가하여 종국에는 금속성분 100%로 이루어진 도전층이 형성될 수 있다.
실시예 3
제 2 성분으로서 코발트(Co)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 기능성 박막을 제조하였다.
실시예 4
제 2 성분으로서 Si3N4를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 기능성 박막을 제조하였다.
실시예 5
실시예 4에서 제조한 기능성 박막 위에 은(Ag)을 이용하여 1000Å 두께로 더형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 기능성 박막을 제조하였다.
실시예 6
제 1 성분으로서 SiO2대신 MgF2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 기능성 박막을 제조하였다.
실시예 7
제 1 성분으로서 SiO2대신 CaF2를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 기능성 박막을 제조하였다.
상기 실시예 1-7에 따라 제조된 블랙 매트릭스의 전기적 및 광학적 특성, 즉 면저항, 반사율, 광학밀도 및 두께를 측정하였고, 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.
구 분 유전물질/금속 Rs(mΩ/?) 반사율(550nm, %) 광학밀도(O.D) 두께(Å)
실시예 1 SiO2/Ag 227 0.5 4.6 3500
실시예 2 SiO2/Al 680 0.3 4.1 3300
실시예 3 SiO2/Co ~1000 0.5 4.36 3500
실시예 4 SiO2/Si3N4 ~109 0.5 5.2 3500
실시예 5 SiO2/Si3N4/Ag 240 0.5 5.2 4400
실시예 6 CaF2/Ag 227 0.6 4.3 3300
실시예 7 MgF2/Ag 240 0.5 4.0 3200
상기 표 1로부터, 실시예 1-7에 따라 제조된 기능성 박막에 있어서, 면저항은 약 200 - 약 109mΩ/?범위이고 반사율은 0.6 이하, 광학밀도는 4.0 이상으로서 반사율, 저항 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 (10)

  1. 제 1 성분과 제 2 성분이 박막의 두께를 따라 점진적인 농도 구배를 갖도록 존재하는 전이층을 포함하며, 상기 제 1 성분은 SiOx(x>1), MgF2, CaF2,Al2O3, SnO2,In2O3및 ITO(Indium tin Oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 유전성 물질이며, 상기 제 2 성분은 Fe, Co, Ti, V, Al, Ag, Si, Ge, Y, Zn, Zr, W 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
  2. 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.
  3. 제1항에 있어서, 상기 점진적인 농도 구배는 상기 박막의 두께를 따라 외부광이 입사되는 방향으로부터 멀어질수록 광흡수율이 점진적으로 증가하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
  4. 제1항에 있어서, 상기 점진적인 농도 구배는 상기 박막의 두께를 따라 전기 전도도가 점진적으로 증가 또는 감소하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
  5. 제1항에 있어서, 상기 점진적인 농도 구배는, 상기 박막에 외부광이 입사되는 방향으로부터 멀어질수록 상기 유전성 물질의 함량은 점차적으로 감소하고 상기 금속 성분의 함량은 점차적으로 증가되도록 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유전성 물질로 이루어진 유전층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
  7. 제6항에 있어서, 상기 유전층이 기판과 접촉하도록 기판 상에 적층되는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유전층과 상기 기판의 굴절률 차이가 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
  9. 제1항에 있어서, Fe, Co, Ti, V, Al, Ag, Ge, Y, Zn, Zr, W 및 Ta로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속 성분으로 이루어진 도전층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
  10. 제6항에 있어서, 상기 전이층이 유전층과 접하는 면의 반대면에 형성된 금속 성분으로 이루어진 도전층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 박막.
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