KR20080099418A - 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의금속박막 증착방법 - Google Patents

마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의금속박막 증착방법 Download PDF

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(주)맥스필름
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Abstract

본 발명은 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법에 관한 것으로, 그 목적은 유연성이 좋은 50~100㎛의 얇은 PET 혹은 PI 필름에 금속박막을 증착하여 유연성 고분자필름과 금속 증착물질간의 밀착력 및 박막의 균일성 및 증착 속도를 향상시키며 제조공정의 단축으로 종래의 증착방법보다 FPD 디스플레이 패널(PDP, LCD) 및 디지털 윈도우(전자제품, 휴대폰, PDA)의 장식용 제품을 형성하여 생산성 및 고품질의 향상을 가능하게 하는 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법을 제공함에 있다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은 유연성 폴리머 기판에 금속박막을 증착시키는 방법에 있어서, 진공의 공간을 만들어주는 진공챔버와, 상기 진공챔버 내부에 설치되어 유연성 폴리머 기판을 감아 이동시켜주는 메인 롤 및 보조롤과, 유연성 폴리머 기판에 증착을 하기 위한 듀얼 마그네트론 타겟과, 타켓을 나눠주는 블록으로 구성되며 증착물의 접착력과 밀착력을 향상 시킬 수 있는 필름 전처리장치의 사용과, 진공챔버의 내부에 메인롤 및 보조롤에 유연성 폴리머 기판을 감고 롤을 회전시켜 이동시키는 단계, 가스를 챔버 내로 주입하여 성막하고자 하는 듀얼 마그네트론 타겟 물질과 충돌시켜 플라즈마를 생성시키는 단계, 생성된 플라즈마를 사용하여 유연성 폴리머 기판에 증착시키는 단계를 포함하여 증착이 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
롤스퍼터, 듀얼 마그네트론, 금속 증착, 유연성 폴리머 기판, 밀착력

Description

마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법{The deposition method of metal thin film on polymer substrate by magnetron roll sputtering}
도 1 은 본 발명에 따른 듀얼 마그네트론 롤서퍼터 시스템을 나타낸 단면도,
도 2 는 본 발명에 사용되는 듀얼 마그네트론 형성 장치의 구성도,
도 3 은 본 발명에 따른 유연성 폴리머 기판 기판상의 금속박막 증착 단면도,
도 4 는 본 발명에 따른 금속 박막증착 순서도,
도 5 는 본 발명에 사용된 Ion 표면개질전후 분석도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1): 블록(BLOCK) (2): 타겟(METAL TARGET)
(3): 메인롤(CHILL ROLL) (3a): 보조롤(SUB. ROLL)
(4): 유연성 폴리머 기판 (4a): HARD COATING LAYER
(4b): 금속층(METAL LAYER) (5): 진공챔버
(6): 표면개질 스퍼터 장치 (7): 로드 셀(load cell sense)
(8): 듀얼마그네트론 타겟(DUAL MAGNETRON TARGET)
본 발명은 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유연성이 좋은 50~100㎛의 얇은 PET 혹은 PI 필름에 금속박막을 증착하여 유연성 고분자필름과 금속 증착물질간의 밀착력 및 박막의 균일성 및 증착 속도를 향상시키며 제조공정의 단축으로 종래의 증착방법보다 FPD 디스플레이 패널(PDP, LCD) 및 디지털 윈도우(전자제품, 휴대폰, PDA)의 커버용 제품을 형성하여 생산성 및 고품질의 향상을 가능하게 하는 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법에 관한 것이다.
일반적으로 PDP, LCD에 사용되는 FPD 디스플레이 패널 및 전자제품, 휴대폰, PDA등에 사용되는 디지털 윈도우의 외관용 커버 제품의 증착은 패널의 유리 혹은 플라스틱기판을 사용하거나 윈도우창에 들어가는 모듈에 스프레이방식을 사용하여 직접 도색하여 왔으나, 이러한 방법으로는 생산성증대 및 경박단소화의 디스플레이 패널 적용에 미치지 못하는 실정이다.
또한, 디스플레이 패널의 윈도우 커버 및 전자제품 외관용 커버로 사용되는 본 발명과 동질의 플라스틱 필름 기판의 증착은 졸-겔(SOL-GEL)방법 및 전기 도금 법으로 이루어지고 있으나, 이 또한 금속박막을 졸-겔 방법 및 도금공정으로 증착할시 도료 액에 의한 산업적 환경파괴로 인하여 친환경요소로 알져지지 않고 있으 며, 작업의 효율성 및 생산성이 본 발명의 유연성 고분자필름 기판에 듀얼 마그네트론 롤스퍼터방법에 비해 생산성 및 환경적으로 저하되는 방법이다.
또한, 롤스퍼터 법에 의한 공정을 사용할 경우 직선 타겟들의 응력, 수명으로 인해 박막의 균일성 유지 시간과 롤 작업으로 인한 필름 소모 시 장력 및 필름의 감김속도 조절, 필름과 금속 막의 밀착성 등의 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 연성 고분자필름(PI, PET)기판에 저저항성 금속을 듀얼 마그네트론 롤스퍼터에 의한 진공 증착 방법을 이용하여, SUS, Al, Cu, Ag, Ni 및 저저항성 금속 박막을 형성하는 방법을 사용하고, 금속 박막은 듀얼 마그네트론 방식으로서 균일성과 고속증착으로 제품의 생산성 향상을 한 번의 공정으로 이루어 낼 수 있도록 하고, 고분자 필름의 표면을 처리하여 표면을 개질함과 동시에 금속 박막의 입도를 제어함으로써 필름과의 높은 밀착력 및 표면 조도를 구현하며, 제품의 미려함을 나타낼 수 있도록 하며, 다양한 FPD 디스플레이 패널(PDP, LCD) 및 디지털 윈도우(전자제품, 휴대폰, PDA)의 장식용으로 제품의 윈도우보호와 미려함을 동시에 적용할 수 있도록 하고, 환경 및 생산성 효율 문제점을 해소하기 위해 증착단계를 건식방식을 이용하고, 유연성 고분자필름을 이용하므로 보다 많은 제품 적용시킬 수 있도록 하는 에 이바지할 수 있도록 하는 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유연성 폴리머 기판에 금속박막을 증착시키는 방법에 있어서, 진공의 공간을 만들어주는 진공챔버와, 상기 진공챔버 내부에 설치되어 유연성 폴리머 기판을 감아 이동시켜주는 메인 롤 및 보조롤과, 유연성 폴리머 기판에 증착을 하기 위한 타겟과, 타켓을 나눠주는 블록으로 구성되는 롤스퍼터 장치를 사용하여, 진공챔버의 내부에 메인롤 및 보조롤에 유연성 폴리머 기판을 감고 롤을 회전시켜 이동시키는 단계, 가스를 챔버 내로 주입하여 성막하고자 하는 타겟 물질과 충돌시켜 플라즈마를 생성시키는 단계, 생성된 플라즈마를 사용하여 유연성 폴리머 기판에 증착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법에 관한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명을 이루고자 하는 진공증착 장치의 구성을 도시한 도면이다.
상기 진공증착 장치는 진공의 공간을 만들어주는 진공챔버(5)와, 상기 진공챔버 내부에 설치되어 유연성 폴리머 기판(4)을 감아 이동시켜주는 메인 롤(3) 및 보조롤(3a)과, 필름에 표면처리를 위한 표면개질 스퍼터 장치(6)와, 유연성 폴리머 기판에 증착을 하기 위한 타겟(2)과, 타켓을 나눠주는 블록(1)으로 구성되어 있다. 한편, 상기 타겟(2)은 두 개의 마그네트론 타겟(8)으로 이루어져 있다.
본 발명은 진공챔버(5)의 내부에 메인롤(3) 및 보조롤(3a)에 유연성 폴리머 기판(4)을 감고 롤을 회전시켜 이동시키는 단계, 가스를 챔버 내로 주입하여 성막하고자 하는 타겟 물질과 충돌시켜 플라즈마를 생성시키는 단계, 생성된 플라즈마를 사용하여 유연성 폴리머 기판에 증착시키는 단계로 이루어져 있다.
듀얼 마그네트론 롤스퍼터 법은 롤(PET, PI)유연성 고분자필름에 금속(SUS, Al, Cu, Ag, Ni, Cr)을 증착하여 전자제품 커버에 적용될 필름을 형성하는 것으로 대면적 필름 상에 금속을 증착하는데 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 고속증착의 롤스퍼터 구현이 될 수 있도록 듀얼 마그네트론 소스에 의해 대면적 필름 상에 고속 증착으로 박막의 생산성 향상과 균일성, 박막의 입도를 조절하여 고분자 필름과의 접착력 강화로 상기 목적을 달성 할 수 있다.
또한 증착전의 유연성 고분자필름에 표면개질방법을 통한 분자차원의 층에 의하여 결정되는 표면 성질에 관계되는 접착성은 유연성 고분자필름의 전체적인 성질을 변화시키지 않고도 표면개질을 개선 할 수 있는 저온건식 방법의 플라즈마 처리하는데 특징이 있다. 이는 유연성 고분자 필름의 표면에 플라즈마로 인한 관능기를 도입하는 과정으로 폴리머체인의 C-C, C-H결합을 활성 사이트로 만들고 다음에 표면 기능을 발휘하는 관능기를 이 사이트에 붙이는 과정을 이루게 된다.
본 발명에서의 플라즈마에 의한 표면개질은 Ar, O2혼합기체에 전기에너지를 부여하여 방전상태로 하면 방전상태에서는 중성의 기체 분자 외에 음전하의 전자와 양전하의 이온, 그리고 중성의 라디칼(radical)이 생성된다. 이들 활성종의 혼합 상태에 의해 플라즈마를 일으켜 폴리머의 표면을 개선하여 본 발명에서 필요한 금속박막과 유연성 폴리머 기판과의 접착력 품질요구에 만족을 시켜주는 것이다.
보다 자세하게 설명하면 표면개질 스퍼터 장치로 DC전원 공급과 DC power 100~600V를 주어 진공 챔버(5)내의 50mTorr~150mTorr로 불활성 아르곤가스와 반응성 산소가스를 주입하여 저온 플라즈마 표면개질을 이용하는 것이다.
본 발명의 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 금속박막의 증착방법은 최근 디스플레이 패널을 구부리거나 유연 디스플레이가 저전력, 저가격 실현 가능성에 대한 주목을 받고 있으며 종래의 사용하였던 batch 방식의 공정과는 다른 연속 생산이 가능한 롤 방식의 새로운 생산 공정이 적용될 수 있다. 또한 유연한 고분자필름 기판을 활용할 경우 종이 인쇄 방식과 유사한 연속적인 롤스퍼터 공정은 공정수 절감, 상온공정, 대면적, 고생산성, 정밀도가 높지 않아도 되는 특징이 있다.
또한, 롤스퍼터 장치로 본 발명의 금속 박막에 따른 반 투과 및 전반사에 대한 기능성 박막의 형성 방법으로는 듀얼 형식의 마그네틱 타입을 선택하여 기존 DC single 타입보다 높은 증착률과 보다 높은 밀도의 박막이 형성된다.
이때 MF(Mid frequency) 인가 전압 형식으로 금속 타겟의 장착과 전자의 충돌로 ion화된 내부 gas 원자를 가속시켜 금속 타겟 물질에 충돌시키고 이때의 충격으로 튀어나온 원자들이 기판 표면에 붙게 하는 방법이다.
롤스퍼터 법은 가스를 진공분위기로 이루어진 챔버 내로 주입하여 성막 하고자 하는 타겟 물질과 충돌시켜 플라즈마를 생성시킨 후 이를 유연성 폴리머 기판에 증착시키는 방법이다.
또한 본 발명의 롤스퍼터 형태의 금속 증착 막 형성 방법에 있어서 치밀하고, 막 두께의 균일성이 높은 고기능성인 금속 박막을 증착하기 위하여 마그네트론 캐소드의 인가전압은 800 내지 1200V, 인가 전류는 15 내지 25A, 캐소드의 파워는 1 내지 10kw를 설정하여 공정압력 1×10-3Torr 내지 1×10-2Torr 주입되는 아르곤 개스의 량을 200 내지 500sccm을 주어 롤스퍼터를 작동하여 유연성 폴리머 기판 위에 양질의 금속 증착 막을 형성 할 수 있다.
더욱 자세하게는 롤스퍼터에 아르곤가스를 사용하여 1×10-3Torr 내지 5×10-3Torr의 압력 하에서 3 내지 6kW의 파워 및 100 내지 800 kHz의 주파수의 조건으로 수행될 수 있다. 또한 롤의 속도를 조절하여 분당 2m의 속도로 플라즈마로 인한 표면처리를 하여 박막의 두께를 제어한다. 본 발명에 따른 금속 박막 형성층에 사용되는 금속 물질로 는 SUS, Al, Cu, Ag, 및 Ni을 들 수 있다. 이들 각각의 박막형성조건은 다르나 상기 실험에서는 SUS를 선택하여 박막형성조건을 나타낸 것 이다.
상기 본 발명의 롤스퍼터 방식을 디스플레이 공정에 적용될 경우 수반 되는 원가 절감 효과와 주변 산업으로의 파급 효과가 막대해 이에 대한 본 발명이 진행되어져 왔다. 유연성 폴리머 기판의 최대 강점인 종래의 발명보다 가볍고 얇은 것과 기존의 전기도금으로 인한 환경 규제에 대한 걱정이 없을 만큼 이에 대한 충분한 시장성 확보를 할 수 있다.
상기 언급 되었던 롤스퍼터 장비의 가장 중요한 기술에 대한 문제는 첫째는 금속 박막 증착 시 타겟의 스퍼터 발생되는 면의 가열과 배킹 플레이트의 냉각에 의해 타겟 내부의 열 변형으로 타겟의 크랙 및 균열발생시 아킹 및 노듈에 의한 금속 증착률을 저하시키는 요인이 된다. 둘째는 롤 작업으로 인한 필름 권취시 소모되는 필름의 장력 및 필름의 감김속도 조절의 문제, 셋째는 필름과 금속 막의 밀착성 등의 문제점 등 이 있다.
이를 보완하기 위하여 상기 언급된 타겟들의 응력을 개선하기 위해서 타겟의 소결온도 타겟의 결정입경 균일 및 타겟의 연마를 통하여 타겟 제작시 발생하는 표면의 공극을 최소화 및 제거 함으로서 응력발생시 크랙을 줄이는 방법을 사용하였다. 두 번째로는 롤필름 귄취시 로드셀을 이용하여 유연성 고분자필름에 하중을 가하여 그 크기에 비례하여 전기적 출력이 발생되는 힘 변환기의 총칭한다. 그리고 어떤 탄성체를 당기거나 밀면 변형이 일어나고 이때 줄거나 늘어나는 양을 스트레인이라 하며, 이 미세한 변형량을 측정하기 위해 스트레인 게이지를 사용함으로 롤필름의 장력을 조절하여 금속의 균일한 박막형성이 이루어지는 방법을 사용하였다. 마지막으로 표면 활성화를 위한 전처리 공정과 타겟 이원화에 의한 seed layer 코팅공정으로 유연성 고분자 필름과의 금속 박막의 접착력이 보다 향상 되며 마그네트론 롤스퍼터 방법으로 전극의 음극과 양극사이의 전기적 방전으로 플라즈마가 형성되면 Ar이 이온화되고 Ar 이온이 음극인 금속에 충돌하여 금속원자를 방출하며 방출된 금속원자가 증착되는 과정을 거처 박막이 형성되어 보다 높은 박막의 밀도와 표면의 조도를 높여주며 박막의 두께의 제어를 할 수 있는 방법이다.
종래의 금속박막의 경우 일반 스퍼터 공정으로 인해 금속 박막과 모재간의 표면 접착력의 약화로 인해 탑 코팅 층을 재 증착하는 형식으로서 본 증착공정과의 차이를 주어진다.
롤스퍼터 방식의 금속 증착 후 시료검사는 유연성 폴리머 기판을 롤스퍼터에 장착한 후 winding을 실시하여 본 시스템의 기계적인 원인으로 인한 scratch, wrinkle, twist현상 등이 없이 초기 상태와 같은 모습으로 정상 적으로 winding 된 것이 확인후 롤스퍼터로 금속박막을 증착하여 유연성필름의 시료에 임의적으로 5point를 체크하여 다음의 기준을 만족을 한다. 첫 번째로 유연성 폴리머 기판의 두께에 대한 균일성을 두께로부터 ±5%를 가지고 있으며 두 번째로 유연성 폴리머 기판에 대한 금속 증착막 의 흡착도 를 테입 테스트(JIS K5400)를 통하여 금속 증착물의 박리를 만족하였다. 또한 내구성 신뢰성을 만족하기위한 염수 분무 시험 35℃의 5% 염수, 72시간 방치후 상기 두 가지에 대한 측정을 재측정하여 내구성 및 신뢰성에 대한 테스트를 확인한다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 다음과 같다.
제품의 생산성 및 원가 절감의 효과를 가질 수 있으며, 유연성 폴리머 기판과 금속박막간의 밀착력 향상으로 인한 제품의 신뢰성 및 고기능성을 향상시킬 수 있다. 또한, 롤 투 롤 방식의 구성으로 인해 평판디스플레이 시장의 최대 시장으로 선택되는 것 중 가장 가볍고 얇은 것으로 이루어질 수 있는 소재로 선택되어지고 있다. 또한, 상기 발명에 따라 종래방법과의 차별화를 두어 단위공정에서 벗어나 하나의 공정으로 제품을 생산하는 원 스탭 프로세스를 주어지고 있다.

Claims (3)

  1. 유연성 폴리머 기판에 금속박막을 증착시키는 방법에 있어서, 진공의 공간을 만들어주는 진공챔버와, 상기 진공챔버 내부에 설치되어 유연성 폴리머 기판을 감아 이동시켜주는 메인 롤 및 보조롤과, 필름에 표면처리를 위한 표면개질 스퍼터 장치와, 유연성 폴리머 기판에 증착을 하기 위한 듀얼 마그네트론 타겟과, 타켓을 나눠주는 블록으로 구성되는 롤스퍼터 장치를 사용하여, 진공챔버의 내부에 메인롤 및 보조롤에 유연성 폴리머 기판을 감고 롤을 회전시켜 이동시키는 단계, 가스를 챔버 내로 주입하여 성막하고자 하는 듀얼 마그네트론 타겟 물질과 충돌시켜 플라즈마를 생성시키는 단계, 생성된 플라즈마를 사용하여 유연성 폴리머 기판에 증착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    표면개질 스퍼터 장치로 DC전원 공급과 DC power 100~600V를 주고, 진공 챔버(5)내의 50mTorr~150mTorr로 불활성 아르곤가스와 반응성 산소가스를 주입하여 저온 플라즈마 표면개질을 이용하도록 하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    진공챔버의 내부에 메인롤 및 보조롤에 유연성 폴리머 기판을 감고 롤을 회전시켜 이동시키는 단계에서 롤의 속도를 조절하여 분당 처리속도를 조절함으로써 플라즈마로 인한 표면처리를 하여 박막의 두께를 제어할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 롤 스퍼터링을 이용한 유연성 폴리머 기판상의 금속박막 증착방법.
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