KR20050094030A - 아조벤젠 필름을 이용한 반사방지막 또는 반사막 및 그의제조방법 - Google Patents

아조벤젠 필름을 이용한 반사방지막 또는 반사막 및 그의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아조벤젠 필름을 이용한 반사방지막 또는 반사막 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아조벤젠 화합물을 포함하는 필름의 표면에 아조벤젠의 흡수영역의 광선을 조사하는 단일 공정으로 다양한 경사 굴절률을 갖는 파동형상 곡면의 미세표면요철구조를 형성시키고, 이를 주형으로 하여 몰딩법을 적용함으로써 실리콘 고무, 자외선 중합물질로 간단하게 상기 형성된 미세표면요철구조를 대면적으로 전이시키는 단계로 이루어진다.
본 발명에 의하면 기존의 다단계 반사방지막 제작시의 단점으로 지적되었던 높은 제작 비용, 낮은 환경 안정성, 입사각 의존성 및 좁은 파장영역에서의 문제를 발생하지 않으며, 후 공정 단계가 필요 없는 노광 단일 공정에 의해 주형을 제작할 수 있고, 몰딩법에 의하여 미세표면요철구조가 형성된 막의 대량생산이 가능하며, 미세구조 패턴의 중첩원리를 이용하여 다양한 형상의 미세표면요철구조를 성형할 수 있어서 광학소자, 태양전지 및 디스플레이 등 반사방지막 또는 반사막을 필요로 하는 소자에 용이하게 적용할 수 있는 효과가 부여된 반사방지막 또는 반사막을 제조할 수 있다.`

Description

아조벤젠 필름을 이용한 반사방지막 또는 반사막 및 그의 제조방법{Antireflection and reflection coating using azobenzene compounds films and preparing method for the same}
본 발명은 아조벤젠 필름을 이용한 반사방지막 또는 반사막 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아조벤젠 화합물을 포함하는 필름의 표면에 아조벤젠의 흡수영역의 광선을 조사하는 단일 공정으로 다양한 경사 굴절률을 갖는 파동형상 곡면의 미세표면요철구조를 형성시키고, 이를 주형으로 하여 몰딩법을 적용함으로써 실리콘 고무, 자외선 중합물질로 간단하게 상기 형성된 미세표면요철구조를 전이시키는 단계로 이루어진다.
종래의 가장 일반적인 기술인 반사방지막 제조는 굴절률이 다른 여러 물질을 다층박막을 입혀 반사 현상을 감소시키는 방법을 사용하여왔으나 이러한 다층박막 공정은 비용이 클 뿐만 아니라 좁은 파장 영역에서만 사용할 수 있으며 빛의 입사각에 의존한다. 상기 넓은 파장영역과 입사각 비의존성을 갖는 반사방지막을 제조하는데 근래에 일반적으로 사용하는 기술은 감광성 물질의 광화학 반응을 이용한 홀로그래픽 리소그래피 방법과 반응성 이온 에칭공정 방법을 상용하여 계단형태의 반사방지막을 제작하는 것인데, 상기한 방법은 다단계의 복잡한 과정으로 제작되며, 습식 공정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 상기한 방법 이외에 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법으로 표면에 마이크로 패턴을 형성시킬 수도 있으나 높은 에너지를 가진 레이저 빔을 사용하므로 열전달에 의한 온도 확산으로 인하여 미세구조 형성에 어려움이 있다.
최근에 연구되고 있는 분말 코팅과 두 고분자 혼합물의 상 분리를 이용한 나노기공 코팅박막 방법은 저 비용의 미세 패턴 방법이지만, 넓은 면적으로 제작이 불가능하고, 패턴 형성시 표면의 미세 조절성과 미세 패턴 형태의 안정성에 문제점이 있다.
따라서 가장 이상적인 반사방지막의 제조방법으로서 단층 필름 위에 규칙적인 경사굴절률을 갖는 미세표면요철구조를 제작하여 굴절률을 조절하고, 저비용으로 빛의 흡수를 증대시키기 위해서 단일 공정에 의한 미세 패턴 제조기술을 이용하여 반사방지막을 제조하는 공정의 개발이 절실하다.
한편, 태양전지의 효율증대를 위해서 뿐만 아니라, 광소자나 디스플레이 등의 광 투과를 크게 증대시키고, 다층구조에 의한 광 손실을 최소화하기 위하여 반사방지막 재료 및 제조공정의 개발이 요구된다. 또한, 태양전지에 사용된 광소자나 디스플레이에서 반사된 광선은 광원 손실에 의한 에너지 낭비를 초래할 뿐만 아니라 사용되는 기기의 다른 부분에 영향을 미쳐 기기의 오동작 및 파손을 일으킬 수 있으므로 이러한 반사방지막 처리 공정은 필수적으로 요구된다.
태양전지와 같이 빛을 이용하는 소자에서는 소자내에 입사된 빛을 얼마나 효율적으로 잘 이용하느냐에 따라 소자의 효율과 성능이 좌우된다. 소자내에 입사된 빛은 일부만 소모되어 필요로 하는 에너지(예, 전기)로 전환되고, 나머지 빛의 경우는 소자내 또는 소자밖으로 유출되어 소모된다. 기존소자에서 쓰이던 상대전극의 형태는 편평한 면으로 되어 있으며, 이러한 구조의 경우 소모되지 못한 빛을 소자내로 재반사시켜 재사용하는 데에 제한이 있기 때문에 빛을 재반사시켜 소자의 효율을 올릴 수 있는 반사막의 개발이 요구된다.
화학반응을 동반하는 광소자의 경우에 표면적의 증가를 통해 효율의 증가를 꾀할 수 있으나, 기존의 평면형태의 소자내 전극으로는 표면적을 증가시키는 데 제한이 따르게 되므로, 광소자 내에서의 화학반응을 촉진시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 연구노력한 결과, 아조벤젠을 함유하는 화합물을 아조벤젠의 광흡수 영역의 파장을 가지는 광선에 노출시킬 경우 아조벤젠의 광물리적 물질이동 원리에 의하여 그 표면에 경사 굴절률을 가지는 파동현상의 미세표면요철구조가 생성되는데, 이를 주형으로 사용하고 몰딩법에 의하여 대면적으로 실리콘 고무로 전이시킴으로써 실리콘 고무의 표면에 동일한 미세표면요철구조를 형성시킬 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명은 노광의 단일 공정에 의하여 주형을 생산할 수 있어 제조공정이 단축되고, 몰딩법의 적용으로 인하여 대량생산이 가능하며, 광학소자, 태양전지 및 디스플레이 등 반사방지막 또는 반사막을 필요로 하는 소자에 용이하게 적용할 수 있는 아조벤젠 화합물을 포함하는 반사방지막 또는 반사막 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 아조벤젠 필름의 표면에 광선을 노광시켜 미세표면요철구조를 형성시킨 아조벤젠 주형을 제조하는 단계; 상기 아조벤젠 주형으로, 몰딩법에 의하여 대면적으로 실리콘 고무에 미세표면요철구조를 전이시켜 실리콘 고무 주형을 제조하는 단계; 및 상기 실리콘 고무 주형으로 하고, 몰딩법에 의하여 대면적으로 자외선 중합물질에 자외선을 조사하면서 미세표면요철구조를 전이시켜 자외선 중합주물을 제조하는 단계를 포함하는 반사방지막의 제조방법을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기한 방법으로 제조된 미세표면요철구조가 전이된 자외선 중합물질의 표면에, 금속, 무기물 및 고분자 중에서 선택된 물질을 증착시키는 단계를 포함하는 반사막의 제조방법을 포함한다.
이와 같은 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 아조벤젠 필름의 표면에 아조벤젠의 흡수영역의 광선을 조사하는 단일 공정으로 다양한 경사 굴절률을 갖는 파동형상 곡면의 미세표면요철구조를 형성시키고, 이를 주형으로 하여 몰딩법을 적용함으로써 실리콘 고무, 자외선 중합물질로 간단하게 상기 형성된 미세표면요철구조를 대면적으로 전이시키는 단계를 주요 기술구성상의 특징으로 포함하여 이루어지며, 기존의 다단계 반사방지막 제작시의 단점으로 지적되었던 높은 제작 비용, 낮은 환경 안정성, 입사각 의존성 및 좁은 파장영역에서의 문제를 발생하지 않으며, 후 공정 단계가 필요 없는 노광 단일 공정에 의해 주형을 제작할 수 있고, 몰딩법에 의하여 대면적으로 미세표면요철구조가 형성된 반사방지막 또는 반사막의 대량생산이 가능하며, 미세구조 패턴의 중첩원리를 이용하여 다양한 형상의 미세표면요철구조를 성형할 수 있어서 광학소자, 태양전지 및 디스플레이 등 반사방지막 또는 반사막을 필요로 하는 소자에 용이하게 적용할 수 있는 효과가 부여된다.
본 발명에서는 반사방지막의 높은 광 투과성 요구를 만족시키기 위한 하나의 접근 방법으로서 모쓰아이(motheye, 또는 subwavelength)구조를 채택사용하였다.
"모쓰아이구조"는 1960년대 후반부터 1970년대 초에 자연과 현실 세계 사이의 관계를 관찰하던 자연주의자에 의해 만들어진 신조어로서, 나방과 같은 야행성 곤충의 눈이 빛의 입사각과 빛의 파장에 관계없이 빛을 전혀 반사하지 않음을 발견하여 붙여진 이름이다. 나방의 눈을 전자현미경으로 관찰한 결과 경사형의 돌기들이 정렬되어 있음이 관찰할 수 있었고, 그 구조는 동일한 굴절률을 가지지만, 표면의 지형적인 영향으로 효율적인 경사 굴절률을 만들어 냄을 발견하게 된 것이다.
빛의 반사는 굴절률이 다른 공기의 매질과 광학 기판의 매질 사이에서 굴절률의 불연속성을 나타내는데, 이 굴절률의 부조화는 표면에 빛이 조사되었을 때, 발생하는 반사파장에 기인한다. 만약에 부파장(subwavelength) 주기를 가진 두층의 계단 패턴이 만들어진다면, 그 구조는 같은 높이 두층의 얇은 박막과 같은 거동을 할 것이고, 그 굴절률은 기판과 주위 매질의 굴절률의 공간적인 평균값으로 나타내어질 것이다. 이러한 원리로 같은 기판 상에 만들어진 좀더 복잡한 계단 구조의 반사방지막은 얇은 박막이 다층으로 쌓여진 것과 같은 형태이고, 각 계단에 상응하는 각 층의 구조의 굴절률은 위로 올라 갈수록 낮아져야 한다(첨부도면 도 1 참조).
한편, 모쓰아이구조는 마치 주위의 매질로부터 기판 아래의 매질까지 순차적으로 연속적으로 변하는 경사 굴절률과 같이 거동하는데, 원리적으로 굴절률의 불연속성이 없는 모쓰아이구조에 빛이 조사된다면, 프레스넬(Fresnel) 반사는 일어나지 않을 것이다. 실제적으로 표면 요철구조의 특별한 주기와 깊이, 격자 표면 지형은 반사방지 효과의 특성을 결정하는데, 이에 따라 표면요철구조를 생성시키기 위한 최소 및 최대의 파장이 결정되게 된다.
이하, 본 발명의 제조방법을 첨부한 도면에 의거하여 단계별로 설명한다.
먼저, 아조벤젠 고분자 필름의 표면에 광선을 노광시켜 미세표면요철구조를 형성시킨 아조벤젠 주형을 제조하는 단계이다.
유기 고분자, 단분자를 포함하는 아조벤젠 물질은 아조벤젠의 광흡수 영역의 파장의 광선에 노출하면 표면에 모쓰아이 구조와 유사한 미세 표면요철구조가 성형된다. 상기한 미세 표면요철구조는 아조벤젠 화합물에서만 일어나는 독특한 특성이며 이는 아조발색단의 광학특성과 관계가 있다. 아조화합물은 빛에 의한 아조발색단의 광이성질화현상으로 인한 광이방성을 광학적 특성으로 가지며, 이러한 성질은 다시 아조기의 치환체와 고분자의 주쇄성질에 큰 영향을 받는다.
상기 표면요철구조 형성은 고분자의 유리전이온도보다 훨씬 낮은 온도에서 형성되며, 고분자에 결합되어있는 아조기의 광이성화에 따른 고분자사슬의 질량 이동에 의해서 이루어진다는 것으로 일반적으로 받아들여지고 있다.
이와 같이 유리전이온도 이하에서의 고분자의 큰 이동이 빛에 의해서 어떻게 이루어지는가 하는 것이 많은 연구자들의 학문적 관심사이며 이에 관한 메카니즘의 연구는 크게 그레디언트 포스(gradient force)모델[Kumar et al], 부피변화에 따른 압력 모델[Brrett et al], 평균-필드(mean-field)모델[Pedersen et al], 이방성 확산 모델[Lefin et al], 확장된 유체역학 모델[Sumaru et al] 등이 제시되어 왔다.
상기한 아조벤젠 고분자 필름에 노광시 적용되는 광선은 상기한 아조벤젠기의 광흡수 영역에 해당하는 파장을 가지는 광선으로서, 예를 들면, 300 ∼ 600 nm 범위의 파장이다. 상기한 파장의 광선을 중첩시켜 보강, 상쇄 간섭현상에 의하여 빛의 세기가 주기적으로 변하는 간섭광을 형성할 수 있으며 이 광선을 아조벤젠 필름에 조사하여 필름 표면에 규칙적인 미세요철구조를 형성할 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 아르곤 이온 레이저 광선을 조사할 수 있는데, 사용할 수 있는 광학 장치는 첨부도면 도 2에 도시한 기존의 감광성 물질의 홀로그래픽 리소그래피의 광학장치와 동일한 것이 있으며, 이때의 광원은 통상적으로 아조벤젠기의 흡수영역인 아르곤 이온 레이저의 488 nm, 514 nm의 레이저 광선을 사용한다.
아르곤 이온 레이저 광선은 반파장플레이트(half wave plate, ??/2 plate)를 통하여 편광을 조절하며, 대부분의 실험에서 p-편광이 가장 효과적으로 표면요철구조를 형성하는 조건이었으므로, p-편광된 레이저 빛을 광원으로 사용하고, 편광 광선은 공간 필터(spatial filter)와 평행조사(collimating) 렌즈를 통해 평행하게 시료에 조사하였다. 상기한 아르곤 이온 레이저의 입사각을 조절가능하므로, n??= 2dsin?? 로 나타내어지는 브래그식에 의하여 원하는 패턴의 주기를 용이하게 조절할 수 있으며, 또한 노광 시간에 따라 패턴의 깊이를 조절할 수 있다.
이와 같은 방법은 반사방지막에서 요구되는 가시광이나 적외선 파장영역 보다 작은 미세구조의 반사방지막을 위한 표면 마이크로 구조 형성에 적합한 새로운 광 미세조립(photo-microfabrication) 방법으로 적용될 수 있을 것이며, 첨부도면 도 3에 아조벤젠 필름에 아르곤 이온 레이저를 중첩 조사하여 제조한 반사방지막을 원자힘 현미경 사진으로 나타내었다.
도 3에서 (a)는 선형의 미세표면요철구조를 나타내고, (b)는 격자형의 미세표면요철구조를 나타내며, (c)는 6각형(hexagonal)의 미세표면요철구조를 나타낸 그림인데, (c)의 경우 모쓰아이구조와 비슷하게 나타나서 반사방지 효과가 우수할 것으로 예상된다.
특히, 노광에 의하여 미세표면요철구조를 형성시키는 상기한 방법은 세계적으로 처음 시도되는 독창적인 가공법이며, 광 조사라는 단일공정으로 미세표면요철구조가 형성되므로 기존의 반사방지막 제조시 다단계 공정으로 이루어지는 방법을 획기적으로 개선할 수 있어 실용화에 가장 적합하다.
상기와 같이 아조벤젠 필름의 표면에 광선을 노광시켜서, 그 표면에 파동형상의 곡면으로 경사 굴절률을 갖는 미세표면요철구조가 형성된 아조벤젠 주형을 자체적으로 몰딩을 위한 주형으로서 사용될 수 있으며, 특별한 표면 처리 없이 몰딩 기법을 사용하여 대면적으로 실리콘 고무로의 전이가 용이한 특징을 가진다.
상기한 아조벤젠 주형의 미세표면요철구조의 주기는 브래그식에 의해 미세구조의 패턴의 중첩원리를 이용해 1 차원과 2 차원구조(격자, hexagonal)의 미세표면요철구조를 형성시킬 수 있다.
두 번째로, 상기 아조벤젠 주형으로, 몰딩법에 의하여 대면적으로 실리콘 고무에 미세표면요철구조를 전이시켜 실리콘 고무 주형을 제조하는 단계이다.
상기 단계에서 아조벤젠기의 광물리적 특성을 이용하여 아조벤젠 필름의 표면에 미세표면요철구조를 간단한 방법으로 형성할 수 있었다.
그러나, 아조벤젠기가 가시광선 영역의 빛을 일부 흡수함으로써 태양광선의 에너지 손실을 가져올 수 있으며, 또한 사용한 고분자의 유리전이온도 이상의 온도에 노출되면 아조벤젠 필름의 표면에 형성된 미세표면요철구조가 지워지므로 태양광선에 오랜 시간 노출될 경우 반사방지 효과의 안정성이 문제시되며, 또한 상기 아조벤젠 고분자 필름의 경우 기계적 강도가 낮은 점이 문제점으로 지적될 수 있다.
이에, 본 발명에서는 미세표면요철구조가 형성된 재료의 광흡수를 최소화시키고, 기계적 안정성을 높이기 위하여 상기 미세표면요철구조가 형성된 아조벤젠 필름을 주형으로 사용하여, 광흡수가 적고 기계적 강도가 높은 물질에 몰딩법에 의하여 대면적으로 미세표면요철구조를 복제하는 획기적인 방법을 제안함에 그 기술구성상의 특징이 있다. 즉, 아조벤젠 화합물은 가시광선 영역에 흡수가 많은 아조벤젠기를 가지고 있기 때문에 그 자체로서는 가시광 영역에서의 반사방지막으로 적당하지가 않아서 상기 미세표면요철구조를 태양광선 파장영역에서 사용하기에 적당한 실리콘 고무로 복제하고자 한 것이다.
아조벤젠 필름의 표면에 형성된 미세표면요철구조를 실리콘 고무 층으로 복제하는 과정을 첨부도면 도 4에 간단하게 도시하였다. 즉, (a)는 아조벤젠 필름(32)이 코팅된 기판(22)을 제조하는 단계이고, (b)는 아조벤젠 필름에 아르곤 이온 레이저의 간섭광선을 노광하여 미세표면요철구조를 형성하는 단계이며, (c)와 (d)는 실리콘 고무에 미세표면요철구조를 전이시키는 단계이다. 상기한 단계를 거쳐서 미세표면요철구조가 형성된 실리콘 고무층(e)으로 간단하게 도시된다.
각 제조 단계를 도면에 의거하여 상세하게 설명을 부가하면, 도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 먼저 기판(22) 위에 아조벤젠 필름(32)을 코팅하고 아르곤 이온 레이저의 간섭광선을 노광하여 미세표면요철구조를 형성한다. 상기 미세표면요철구조가 형성된 아조벤젠 필름(24)을 주형으로 사용하고, 별도의 기판(22) 위에 코팅된 실리콘 고무층(26)에 몰딩법에 의하여 미세표면요철구조를 복제시키는 방법은 도4의 (e)공정에 나타낸 바와 같다.
본 발명에서는 투명한 액상의 성상을 가지는 실리콘 고무를 사용할 경우 보다 바람직하며, 구체적으로 예를 들자면, 폴리디메틸실록산, 폴리디에틸실록산 등과 같은 폴리오가노실록산 등을 주요 구성성분으로 하는 실리콘 고무를 사용할 수 있다. 이와 같은 실리콘 고무에 미세요철구조를 복제하는 공정은 제조환경과 작업자에게 악영향을 미치지 않으므로 직접적으로 마스크가 필요없고, 단일공정으로 아조벤젠 필름 주형으로부터 미세요철구조의 복제가 가능할 수 있으며, 또한 고무의 성질과 소수성 특성을 함께 가지고 있는 실리콘 고무는 우수한 실리콘 주형으로 다시 사용가능하여 상기 미세요철구조의 대량 복제가 가능하다.
또한, 노광되는 파장을 변화시킴으로써 아조벤젠 주형의 미세표면요철구조의 주기를 용이하게 변화시킬 수 있으며(도 7 참조), 이를 전이시킨 실리콘 고무에도 상기 아조벤젠 주형과 동일한 주가의 변화를 나타내는 미세표면요철구조를 확인할 수 있으며, 다양한 주기의 미세표면요철구조에 의하여 반사방지되는 빛의 영역이 달라지는 반사방지막 효과를 확인할 수 있었다(도 8 참조). 미세표면요철구조의 주기와 반사방지되는 빛의 영역대의 관련은 논문 Thin Solid Films 351 (1999) 73-78 에 잘 나타나 있다.
상기와 같은 방법으로 표면에 미세표면요철구조가 생성된 실리콘 고무 주형은 그 자체로서 반사방지막으로 사용될 수 있는 특징이 있다.
마지막으로, 실리콘 고무 주형으로 하고, 몰딩법에 의하여 대면적으로 자외선 중합물질에 자외선을 조사하면서 미세표면요철구조를 전이시켜 자외선 중합주물을 제조하는 단계이다.
상기한 자외선 중합물질은 가시광선 영역에서 투명하고, 금속이나 무기물, 고분자 물질 등으로 이루어진 기판과의 접착성이 좋으며, 자외선 광중합 동안 부피 축소가 적은 물성을 가지는 물질이면 모두 사용가능하며, 구체적으로 예를 들자면 에폭시계의 광중합물질, 양이온 광중합물질 등을 사용할 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 트리메틸올-프로판 디아릴에테르, 트리메틸올-프로판 트리스티올, 이소포론 디이소시아네이트 에스테르에 벤조페놀을 혼합한 혼합물을 주요성분으로 하는 물질을 사용하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이렇게 몰딩법에 의하여 대면적으로 미세표면요철구조가 전이되고, 자외선 조사에 의하여 광중합된 물질층은 자체로서 반사방지막으로 사용될 수 있다.
이렇게 상기의 실리콘 고무 주형으로부터 전이된 자외선 중합 주물의 파동형상 곡면은 넓은 파장영역에 반사방지막의 효과가 큰 경사 굴절률을 가진다. 이렇게 제조된 자외선 중합 주물은 파동형상 곡면의 주기보다 짧은 빛의 파장에서는 회절 현상에 의해서는 반사막이 용이함을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같이 미세표면요철구조가 전이된 자외선 중합주물의 표면을 금속 및 고분자 중에서 선택된 물질을 증착시키면 반사막을 제조할 수 있다.
상기한 금속 및 고분자는 전극으로 사용되는 것을 사용하는데, 예를 들자면, 금속으로는 전기전도성이 크고 진공증착장비(스퍼터, evaporation, e-beam 등)로 쉽게 코팅할 수 있는 특성을 가지는 Pt, ITO, Ag 및 Al등을 사용할 수 있으며, 고분자로는 전기전도성을 가지며, 스핀코팅 이나 딥코팅 방법으로 용이하게 코팅이 가능한 특성을 가지는 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 및 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride) 등 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
첨부도면 도 5에는 미세요철구조가 형성된 실리콘 고무를 주형으로 사용하여 자외선 중합물질에 상기 미세요철구조를 전이시키는 몰딩과정[(b), (c)], 빛의 회절에 의한 반사막을 제조하기 위하여 그 표면에 금속, 무기물 및 고분자 중에서 선택된 물질을 스퍼터링 또는 스핀코팅(dipping 등의 방법)으로 도포하여 증착시키는 과정[(d), (e)]을 간단하게 나타내었다.
상기한 일련의 단계로 제조된 미세표면요철구조는 반사방지막 또는 반사막을 제조하기 위한 주형과, 반사방지막 또는 반사막으로 다양한 분야에 쓰일 수 있다. 반사방지막 또는 반사막의 적용예는 첨부도면 도 10에 도시하였다. 이를 광학소자, 태양전지 및 디스플레이 등에 적용할 수 있으며, 도 10 에 도시한 바와 같이, 광소자에 입사되는 부분에 반사방지막(28)을 형성하여, 투과되는 빛의 양을 증가시켜 광소자의 효율을 올리고자하는 반사방지막의 목적을 충분히 달성할 수 있다. 반사막은 광소자 내에서 금속층 (30)으로 구성된 전극을 예로 적용할 수 있다. 광소자 내에 입사된 빛(39)는 광소자내에서 다 소모되지 못하고 내부를 통과하는 빛(40)이 있으며, 이 빛을 반사막을 통해 광소자내부로 재반사(41)시켜 광소자의 효율 증가를 꾀한다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
유리 재질의 기판에 아조벤젠 물질(폴리 디스퍼스 오렌지 3; poly(disperse orange 3: PDO3)을 코팅하여 필름층을 형성시키고, 여기에 100 mW/㎠ 의 아르곤 이온 레이저의 간섭광선의 각을 달리 노광하여 아조벤젠 고분자 필름에 주기 간격이 다른 미세표면요철구조를 형성시켰다. 상기 주기에 따라 형성된 미세표면요철구조를 원자힘 현미경으로 관찰한 결과를 첨부도면 도 6에 나타내었다[광선의 주기간격; (a):300 ㎚, (b):400 nm, (c):500 nm, (d):600 nm, (e):700 nm, (f):1000 ㎚ 간격)].
별도의 유리 기판에 실리콘 고무(SYLGARD 184, 주요성분 폴리디메틸실록산, 다우 코닝)를 코팅한 다음, 상기 미세표면요철구조가 형성된 아조벤젠 필름을 주형으로 하여 미세표면요철구조를 전이시키고, 그 결과를 원자힘 현미경으로 측정하여 첨부도면 도 7에 나타내었다.
상기 도 6와 도 7에 나타낸 결과를 비교해서 보면, 아조벤젠 필름의 주형과 실리콘 고무 표면의 미세표면요철구조 주기와 깊이는 거의 동일함을 알 수 있으며, 이로써 성공적으로 투명한 실리콘 고무 필름으로 아조벤젠 고분자의 미세 표면요철구조를 복제시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
상기와 같이 제조된 반사방지막의 광 투과특성을 자외선-가시광선 스펙트럼 방법으로 측정하고 그 결과는 첨부도면 도 8에 도시하였으며, 미세표면요철구조의 주기에 따라 반사방지가 이루어지는 빛의 영역대가 변하는 것을 확인 할 수 있다. 예를 들어 400 nm 주기의 미세표면요철구조의 경우, 약 550 nm 이상의 빛의 투과도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명은 미세표면요철구조의 주기를 용이하게 변화시킬 수 있으며, 도 8에서와 같이 다양한 주기의 미세표면요철구조의 반사방지막 효과를 확인할 수 있었다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 제조된 실리콘 고무 주형을 사용하고, 별도의 기판에 자외선 광중합 물질(NOA 65, 주요성분: 트리메틸올-프로판 디아릴에테르, 트리메틸올-프로판 트리스티올, 이소포론 이이소시아네이트 에스테르에 5 중량% 벤조페놀 광중합개시제가 혼합된 화합물, Norland Products Inc.)을 스핀코터를 사용하여 박막을 형성시킨 후 상기 실리콘 고무 주형을 자외선 광중합 물질의 박막이 형성된 기판에 일정한 압력으로 진공 중에서 대면적으로 접촉시킨 다음 자외선 램프를 사용하여 자외선을 조사하여 반사방지막을 제조하였다.
상기 제조된 반사방지막에 백금을 스퍼터로 코팅하여 자외선 중합물질의 표면에 백금이 증착된 반사막을 제조하였다(첨부도면 도 5 참조).
이와 같은 공정으로 제조된 반사방지막 광 투과특성 측정결과는 첨부한 도 9에 도시한 바와 같다. 미세표면요철구조의 주기와 반사방지효과는 도 8에서의 결과와 비슷하다. 미세표면요철구조의 주기의 변화에 따라 반사방지가 되는 빛의 영역대의 변화를 확인하였고, 반사방지되는 빛의 영역대 또한 거의 같은 결과를 보였다. 이를 통해 미세표면요철구조를 주형으로 사용하여 자외선 광중합물질로 전이하여도 반사방지막 효과는 변화가 없었고, 이를 통해 대량생산의 가능성을 확인하였다.
실시예 3
반사막을 제조하여 소자에 적용한 예는 도 10 과 11에 도시한 바와 같다. 여기서 광소자는 염료감응태양전지를 사용하였으며, 상기 광소자 제 1 층은 TiO2와 염료로 구성되어 있으며, 광소자 제 2층은 I-/I3- 레독스 배지(redox media)를 포함한 전해질로 구성되어 있다.
상기한 연료감응태양전지에 상기 실시예 2에 따라 제조된 반사막을 적용하였고, 이렇게 구성된 염료감응태양전지의 성능을 전류-전압 곡선을 통해서 확인하였으며, 그 결과는 첨부도면 도 11에 나타내었다.
도 11에서 볼 수 있듯이 반사막을 구성하지 않은 염료감응태양전지 (점선)보다 반사막을 구성한 염료감응태양전지의 광전류가 높았으며, 이는 곧 염료감응태양전지의 효율을 130 % 증가시킬 수 있었다. 실험시 반사방지막 (28)은 없이 반사막(30)만을 구성하였고, 내부로 입사되어 소모되지 못한 채 투과되는 빛은 반사막을 통해 재반사되어 염료감응태양전지의 효율을 증가시키는 역할을 하였고, 또한 요철로 인한 표면적증가를 통해서 레독스 배지(redox media)의 화학반응에 촉매역할을 더해주는 것도 효율을 증가시키는 하나의 역할을 해주었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 아조벤젠 필름을 이용한 반사방지막, 반사막에 의하면, 기존의 여러 다른 공정을 사용한 방법에 비하여 낮은 제작비용, 높은 환경 안정성, 입사각 비의존성 및 넓은 파장영역에서의 문제를 발생하지 않을 뿐만 아니라 미광반응 부분의 제거단계인 현상단계와 같은 후 공정 단계가 필요 없는 노광 단일 공정에 의해 주형을 제작할 수 있고, 몰딩 기법으로 대변적인 미세표면요철구조의 전이가 가능하여 대량생산이 가능하며, 미세구조의 패턴의 중첩원리를 이용하여 다양한 형상의 미세 표면요철구조를 성형할 수 있어서 광학소자, 반도체 소자, 광통신 소자, 태양전지 및 디스플레이용 소자 등 반사방지막을 필요로 하는 소자를 구현하는 공정에 유용하게 적용할 수 있다.
특히, 본 발명은 반사방지막뿐만 아니라 빛의 회절을 이용한 반사막으로 동시에 사용할 수 있고 미세표면요철구조 위에 적층되어지는 전극의 표면적을 증가시키는 효과를 더함으로써 광학소자, 반도체 소자, 광통신 소자, 태양전지 및 디스플레이용 소자 등 광소자의 광효율을 증가시키는 시너지 역할을 할 것이다.
도 1은 모쓰아이구조의 반사방지막 효과를 나타낸 개략도이며, (a)는 2층계단 패턴의 경사 굴절율, (b)는 다층계단 패턴의 경사 굴절율, (c)는 모쓰아이구조 패턴의 경사 굴절율을 나타낸 것이다.
도 2는 감광성 물질의 홀로그래픽리소그라피를 위한 전형적인 광학 실험장치의 개략도이다.
도 3은 아조벤젠 필름에 아르곤 이온 레이저를 중첩하여 제조한 반사방지막을 원자힘 현미경으로 분석한 그림이다.
도 4는 아조벤젠 필름에 형성된 미세표면요철구조를 주형으로하여 실리콘 고무로 상기 미세표면요철구조를 복제하여 전이하는 과정를 나타내는 개략도이며, (a)는 아조벤젠 필름이 코팅된 기판이고, (b)는 상기 (a)에 노광하여 미세표면요철구조가 형성된 아조벤젠 주형이며, (c)와 (d)는 상기 (b)의 아조벤젠 주형으로 실리콘 고무로 미세표면요철구조를 전이시키는 과정이며, (e)는 표면에 미세표면요철구조가 전이된 실리콘 고무 주형을 나타내는 그림이다.
도 5는 실리콘 고무의 미세 표면요철구조를 주형으로 사용하여 자외선 중합물질에 미세표면요철구조를 전이시키고, 여기에 금속물질 등을 증착하는 과정을 나타내는 그림이다.
도 6은 아조벤젠 필름의 표면에 형성된 미세표면요철구조를 원자힘 현미경(AFM) 사진으로 나타낸 것이다.
도 7은 아조벤젠 필름의 표면에 형성된 미세표면요철구조를 몰딩법에 의하여 실리콘 고무로 전이시켜 형성된 미세표면요철구조를 원자힘 현미경(AFM) 사진으로 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 실리콘 고무 반사방지막의 광 투과특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 2에서 제조된 반사방지막과 반사막의 광 투과특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예 2에서 제조된 반사방지막과 반사막을 광소자에 적용한 일례를 나타내는 개략도이다.
도 11은 실시예 2에서 제조된 반사막을 적용한 태양전지의 성능을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
01 : 기판 매질의 굴절률
02 : 두층 계단 패턴에 상응하는 굴절률
03 : 다단계 층을 이룬 패턴의 1층에 상응하는 굴절률
04 : 다단계 층을 이룬 패턴의 2층에 상응하는 굴절률
05 : 다단계 층을 이룬 패턴의 3층에 상응하는 굴절률
06 : 다단계 층을 이룬 패턴의 4층에 상응하는 굴절률
07 : 모쓰아이 구조에서 나타난 경사 굴절률
10 : 파장광원 12 : 제1렌즈
14 : 제2렌즈 16 : 시료
18 : 거울 22 : 기판
24 : 미세표면요철구조 26 : 실리콘 고무
28 : 자외선 중합물질 30 : 금속층
32 : 아조벤젠 화합물 34 : 자외선 광선
36 : 스퍼터 또는 스핀코팅 등의 공정에서 사용된 금속 분말
37 : 광소자 구성 제 1 층 38 : 광소자 구성 제 2 층
39 : 입사빛 40 : 광소자내부를 통과하는 빛
41 : 반사막을 통해 광소자내부로 재반사되는 빛

Claims (8)

  1. 아조벤젠 필름의 표면에 광선을 노광시켜 미세표면요철구조를 형성시킨 아조벤젠 주형을 제조하는 단계,
    상기 아조벤젠 주형으로, 몰딩법에 의하여 대면적으로 실리콘 고무에 미세표면요철구조를 전이시켜 실리콘 고무 주형을 제조하는 단계, 및
    상기 실리콘 고무 주형으로 하고, 몰딩법에 의하여 대면적으로 자외선 중합물질에 자외선을 조사하면서 미세표면요철구조를 전이시켜 자외선 중합주물을 제조하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사방지막의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광선은 아조벤젠의 광흡수 영역의 파장의 간섭광선임을 특징으로 하는 반사방지막의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 자외선 중합물질은 가시광선 영역에서 투명하고, 기판과 접착성이 좋으며, 자외선 광중합 동안 부피 축소가 적은 물성을 가진 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 반사방지막의 제조방법.
  4. 표면에 파동형상의 곡면으로 경사 굴절률을 갖는 미세표면요철구조가 형성된 것을 특징으로 하는 아조벤젠 주형.
  5. 표면에 파동형상의 곡면으로 경사 굴절률을 갖는 미세표면요철구조가 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 고무 주형.
  6. 상기 제 1 항에 의하여 제조된 것으로 표면에 파동형상의 곡면으로 경사 굴절률을 갖는 미세표면요철구조가 형성된 자외선 중합주물층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반사방지막.
  7. 아조벤젠 고분자 필름의 표면에 광선을 노광시켜 미세표면요철구조를 형성시킨 아조벤젠 주형을 제조하는 단계,
    상기 아조벤젠 주형으로, 몰딩법에 의하여 대면적으로 실리콘 고무에 미세표면요철구조를 전이시켜 실리콘 고무 주형을 제조하는 단계,
    상기 실리콘 고무 주형으로 하고, 몰딩법에 의하여 대면적으로 자외선 중합물질에 자외선을 조사하면서 미세표면요철구조를 전이시켜 자외선 중합주물을 제조하는 단계, 및
    상기 자외선 중합주물의 표면에, 금속 및 고분자 중에서 선택된 물질을 증착시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사막의 제조방법.
  8. 파동형상의 곡면으로 경사 굴절률을 갖는 미세표면요철구조가 형성된 자외선 중합주물의 표면에, 금속 및 고분자 중에서 선택된 물질이 증착된 것을 특징으로 하는 반사막.
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