KR20150107684A - 투명 도전성 기판의 제조방법 - Google Patents

투명 도전성 기판의 제조방법 Download PDF

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KR20150107684A
KR20150107684A KR1020150035183A KR20150035183A KR20150107684A KR 20150107684 A KR20150107684 A KR 20150107684A KR 1020150035183 A KR1020150035183 A KR 1020150035183A KR 20150035183 A KR20150035183 A KR 20150035183A KR 20150107684 A KR20150107684 A KR 20150107684A
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김대일
김승홍
김선경
김소영
전재현
공태경
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울산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 투명 도전성 기판의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법은 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재 상에 투명 도전막을 증착시킴으로써 전기적·광학적 물성이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어난 투명 도전성 기판을 제조할 수 있다.

Description

투명 도전성 기판의 제조방법{Preparation method of transparent conductive substrate}
본 발명은 투명 도전성 기판의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 플라즈마 분위기 하에서 전자빔으로 표면이 개질된 투명 기재에 투명 도전막을 증착하여 전기적 물성 및 광학적 물성이 향상된 투명 도전성 기판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
투명 도전성 기판은 투명한 유리 기판 또는 얇은 고분자 기판 위에 물리화학적인 방법으로 원자, 분자 또는 이온을 응축시킨 것으로, 가시광 영역(380~780 ㎚ 파장)에서 투명하고, 전기전도도가 큰 필름을 나타낸다. 보다 구체적으로, 투명 도전성 기판은 광 투과도가 약 80 % 이상이고, 면저항이 500 Ω/□ 이하인 박막을 의미한다.
종래 투명 도전성 필름으로는 유리 기판 상에 인듐이 도핑된 산화주석(ITO) 박막을 형성한 도전성 유리 기판이 일반적으로 사용되고 있는데, 상기 도전성 유리 기판은 면적이 증가함에 따라 면저항이 증가하여 부분적으로 전압강하가 발생하는 문제가 있다. 이에 따라 투명 도전성 필름의 면저항 증가를 방지하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있으며, 그 결과 도전성 유리 기판 상에 부식 방지막을 포함하는 금속 도전층을 포함하는 도전성 필름; 금속 나노와이어로 투명 기재 상에 도전성 박막을 형성하여 제조되는 도전성 필름 등이 개발된 바 있다(특허문헌 1 및 2).
그러나, 현재까지 개발된 기술들은 제조공정이 복잡하거나 내구성이 약하여 투명 기재 상에 형성된 도전층이 쉽게 박리되는 등의 문제가 있으므로 투명 도전성 기판의 전기적 물성과 광학적 물성을 동시에 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허 제2011-0120195호 미국 공개특허 제2008/0286447호
본 발명의 목적은 투명 도전성 기판의 전기적 물성 및 광학적 물성을 향상시키는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 방법에 의해 전기 전도성 및 광 투과도가 향상된 투명 도전성 기판을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 하나의 실시예에서, 플라즈마 분위기 하에서, 전자빔 처리를 통해 투명 기재의 표면을 개질하는 단계; 및
개질된 투명 기재 표면에 투명 도전막을 형성하는 단계를 포함하는 투명 도전성 기판의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 하나의 실시예에서,
전자빔으로 표면 개질된 투명 기재; 및 투명 도전막을 포함하고,
하기 수학식 2의 조건을 만족하는 투명 도전성 기판을 제공한다:
[수학식 2]
FOMEB / FOMNEB ≥ 1.1
상기 수학식 2에서,
FOMEB는 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재를 포함하는 투명 도전성 기판의 평균 성능지수(Figure of merit, FOM)를 나타내고,
FOMNEB는 전자빔으로 표면 개질되지 않은 투명 기재를 포함하는 투명 도전성 기판의 평균 성능지수(Figure of merit, FOM)를 나타낸다.
본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법은 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재 상에 투명 도전막을 증착시킴으로써 전기적·광학적 물성이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어난 투명 도전성 기판을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조 시 사용되는 반응기의 구조를 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하나의 실시예에서, 투명 기재의 접촉각 측정 결과를 도시한 이미지이다: 여기서, A는 투명 기재의 표면 개질 시, 전자빔의 가속 에너지가 200 eV인 경우, B는 가속 에너지가 400 eV 인 경우, C는 가속 에너지가 600 eV인 경우, 및 D는 표면 개질을 수행하지 않아 가속 에너지가 0 eV인 경우를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 하나의 실시예에서, 투명 도전성 기판의 광 투과도 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 하나의 실시예에서, 개질 시 가속 에너지에 따른 투명 도전성 기판의 성능지수(Figure of merit, FOM)를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 전기적 물성 및 광학적 물성이 향상된 투명 도전성 기판의 제조방법에 관한 것이다.
종래 투명 도전성 필름으로는 유리 기판 상에 인듐이 도핑된 산화주석(ITO) 박막을 형성한 도전성 유리 기판이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나, 상기 기판은 면적이 증가함에 따라 면저항이 증가하여 부분적으로 전압강하가 발생하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하고자 많은 연구들이 진행되고 있으나, 현재까지 개발된 기술들은 제조공정이 복잡하거나 내구성이 약하여 투명 기재 상에 형성된 도전층이 쉽게 박리되는 등의 한계가 있다.
이에, 본 발명은 전기적 물성 및 광학적 물성을 향상시킬 수 있는 투명 도전성 기판의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법은 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법은 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재 상에 투명 도전막을 증착시킴으로써 전기적·광학적 물성이 우수할 뿐만 아니라 내구성이 뛰어난 투명 도전성 기판을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 하나의 실시예에서,
플라즈마 분위기 하에서, 전자빔 처리를 통해 투명 기재의 표면을 개질하는 단계; 및
개질된 투명 기재 표면에 투명 도전막을 형성하는 단계를 포함하는 투명 도전성 기판의 제조방법을 제공한다.
투명 기재의 표면 개질 방법으로 투명 기재를 플라즈마 처리하여 개질하는 기술이 알려진 바 있다. 그러나, 상기 기술은 개질 시 플라즈마 내 입자(이온, 중성 원자 등)들의 기판 충돌 에너지를 증가시켜 투명 기재의 표면 에너지를 증가시킴으로써 친수성 및 접착력을 향상시킬 수 있으나 표면 형상을 물리적으로 변형시키므로 기재 표면에 전도막을 형성하는 경우 표면 저항이 증가되는 한계가 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 상기 방법은 투명 기재의 표면을 플라즈마를 형성한 다음, 형성된 플라즈마로부터 추출된 전자를 가속시켜 전자빔의 형태로 표면을 개질시킴으로써 투명 기재와 투명 도전막의 접착력을 향상시키므로 내구성을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 투명 도전성 기판의 광 투과도와 전기 전도성이 동시에 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법을 도시한 공정도이다. 이하, 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법을 각 단계별로 도 1을 참고하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 투명 기재의 표면을 개질하는 단계는, 투명 기재가 도입된 반응기 내부에 플라즈마를 형성한 다음, 플라즈마로부터 유도된 전자를 투명 기재 표면에 가속시켜 투명 기재의 표면을 전자빔 처리하는 단계이다.
구체적으로 상기 단계는 투명 기재를 표면 개질 및 건식 증착이 가능한 반응기 내에 도입한 후, 반응기 내부를 1 × 10-7 torr 이하의 진공 상태로 전환하고, 불활성 기체 및 반응성 기체를 주입한 다음, 전력을 인가하여 플라즈마를 형성할 수 있다. 그런 다음, 형성된 플라즈마로부터 전자를 추출하고, 추출된 전자를 가속시켜 전자빔의 형태로 투명 기재의 표면을 표면 개질할 수 있다. 본 단계는 항상 1가의 에너지 상태를 갖는 전자 양의 조절을 통하여 정확한 충돌 에너지를 제어가 가능하므로, 정밀한 표면 개질 수준의 조절이 용이한 이점이 있다.
이때, 상기 불활성 기체로는 예를 들어, 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne), 크립톤(Kr) 등을 사용할 수 있고, 반응성 기체로는 예를 들면, 수소(H2), 산소(O2), 질소(N2), 암모니아(NH3), 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2) 등을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 불활성 기체와 반응성 기체로 아르곤(Ar) 및 산소(O2)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마는 12 내지 15 MHz 라디오 주파수(Radio Frequency, RF)의 100 내지 300 W 전력 조건에서 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는 12 내지 14 MHz 라디오 주파수(Radio Frequency, RF)의 100 내지 250 W 전력; 13 내지 15 MHz 라디오 주파수(Radio Frequency, RF)의 150 내지 300 W 전력; 13 내지 14 MHz 라디오 주파수(Radio Frequency, RF)의 150 내지 250 W 전력; 또는 13 내지 14 MHz 라디오 주파수(Radio Frequency, RF)의 200 내지 250 W 전력 조건에서 형성될 수 있다. 본 발명은 플라즈마 분위기 형성 시 전력을 상기 범위로 제어함으로써, 저전력에서 저밀도의 플라즈마가 형성되어 기재의 표면 개질이 충분히 이루어지지 않거나, 고전력으로 인하여 전자빔 처리 시 투명 기재의 표면 거칠기를 증가시켜 투명 도전성 기판의 비저항이 증가되는 문제를 방지할 수 있다.
나아가, 투명 기재의 표면 개질 시 플라즈마로부터 유도된 전자빔의 평균 가속 에너지는 100 내지 1000 eV일 수 있다. 보다 구체적으로, 전자빔의 평균 가속 에너지는 100 내지 1000 eV; 150 내지 450 eV; 500 내지 700 eV; 800 내지 1000 eV; 150 내지 950 eV; 200 내지 900 eV; 250 내지 950 eV; 250 내지 650 eV; 또는 300 내지 900 eV일 수 있다.
또한, 상기 투명 기재로는 전자소재로 사용 가능하고, 광 투과도가 우수한 소재라면 특별히 제한되지는 않는다. 구체적으로는 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌에테르, 폴레에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르케톤, 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐클로라이드 및 폴리비닐알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자 수지를 사용할 수 있다. 구체적으로는 폴리카보네이트(PC) 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법은 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 투명 기재의 표면을 개질하는 본 단계를 포함함으로써, 투명 도전성 기판의 전기적 물성과 광학적 물성을 극대화할 수 있으며, 이와 동시에 투명 기재와 투명 도전막의 친수성과 접착력을 향상시켜 전도성 기판의 내구성을 향상시킬 수 있다.
하나의 예로서, 본 발명에 따라 표면 개질된 투명 기재는,
투명 기재 표면에 대한 친수성 평가 시,
평균 접촉각(Cantact angle, CA)이 하기 수학식 1의 조건을 만족할 수 있다:
[수학식 1]
CA ≤ 35°.
구체적으로 상기 투명 기재는 평균 접촉각이 35° 이하, 34° 이하, 32°이하, 또는 30° 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 하나의 실시예에서, 플라즈마로부터 유도된 전자빔을 이용하여 평균 가속 에너지 200 eV, 400 eV 및 600 eV로 각각 표면 개질된 고분자 필름에 대한 친수성을 평가하였다.
그 결과, 본 발명에 따라 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면이 개질된 고분자 필름은 접촉각(CA)이 35° 이하인 것으로 나타났다. 구체적으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 평균 가속 에너지 200 eV, 400 eV 및 600 eV로 각각 표면 개질된 고분자 필름은 접촉각이 각각 34.7°, 23.9°, 및 27.2°인 것으로 확인되었다. 이는 플라즈마로부터 유도된 전자빔을 이용하여 고분자 필름의 표면을 개질함으로써, 고분자 필름 표면의 친수성이 개선됨을 의미한다(실험예 1 참조).
다음으로, 상기 투명 도전막을 형성하는 단계는, 개질된 투명 기재 표면에 도전체를 증착하여 투명 도전막을 형성하는 단계이다. 상기 투명 도전막은 투명 기재에 도전체를 증착하는데 통상적으로 사용되는 증착방법에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로는, RF/DC 스퍼터링법에 의해 수행될 수 있다.
이때, 상기 도전체로는 예를 들어 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rd), 루테늄(Ru) 등의 금속을 사용할 수 있다. 이와 더불어, 산화루테늄(RuO2); 산화카드뮴(CdO); 산화인듐(In2O3); 산화주석(SnO2); 산화아연(ZnO); 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 및 인듐(In)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 도핑된 산화아연; 및 인듐(In), 인(P), 안티몬(Sb) 및 불소(F)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 도핑된 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속산화물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 투명 도전막은 투명 기재 상에 1 내지 200 nm의 평균 두께로 증착될 수 있다. 구체적으로는 1 내지 200 nm; 50 내지 150 nm; 또는 80 내지 120 nm의 평균 두께로 증착될 수 있다. 본 발명은 투명 기재 상에 증착되는 투명 도전막의 평균 두께를 상기 범위로 조절하여 투명 도전성 기판의 전기적 물성과 광학적 물성을 최적화할 수 있다.
본 발명은 하나의 실시예에서,
전자빔으로 표면 개질된 투명 기재; 및 투명 도전막을 포함하여 전기적 물성 및 광학적 물성이 향상된 투명 도전성 기판을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 투명 도전성 기판은, 12 내지 15 MHz 라디오 주파수(Radio Frequency, RF)의 100 내지 300 W 전력 조건에서 플라즈마를 형성하고, 연속적으로 형성된 플라즈마로부터 전자를 추출하여 100 내지 1000 eV 범위의 평균 가속 에너지로 투명 기재의 일면 또는 양면이 표면 개질된 투명 기재 상에 도전체를 증착하여 제조됨으로써 전기적 물성 및 광학적 물성이 뛰어나다.
하나의 예로서, 본 발명에 따른 투명 도전성 기판은 하기 수학식 2의 조건을 만족시킬 수 있다:
[수학식 2]
FOMEB / FOMNEB ≥ 1.1
상기 수학식 2에서, FOMEB는 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재를 포함하는 투명 도전성 기판의 평균 성능지수(Figure of merit, FOM)를 나타내고, FOMNEB는 전자빔으로 표면 개질되지 않은 투명 기재를 포함하는 투명 도전성 기판의 평균 성능지수(Figure of merit, FOM)를 나타낸다. 본 발명에 따른 상기 투명 도전성 기판은 전기적 물성 및 광학적 물성이 우수하여 상기 수학식 2의 조건을 1.1 이상, 1.11 이상, 1.115 이상, 또는 1.12 이상으로 만족할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명의 상기 투명 도전성 기판의 전기적 물성 및 광학적 물성을 평가하였다. 그 결과, 전자빔으로 표면 개질되지 않은 투명 도전성 기판은 투명 도전성 기판의 광투과도와 면저항값을 동시에 비교할 수 있는 척도인 성능지수(FOM)가 1.6 × 10-4 Ω-1인 반면, 본 발명의 투명 도전성 기판은 1.8 × 10-4 Ω-1 이상인 것으로 나타났다. 즉, 본 발명의 투명 도전성 기판이 표면 개질되지 않은 투명 기재를 포함하는 기판과 대비하여 1.125배 성능지수가 높음을 알 수 있다. 이는 투명 도전성 기판의 제조 시, 투명 기재를 플라즈마로부터 유도된 전자빔로 표면 개질함으로써, 투명 도전성 기판의 전기적 물성 및 광학적 물성을 향상시키는 것을 의미한다(실험예 2 참조).
한편, 상기 투명 전도막은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rd), 루테늄(Ru) 등의 금속을 포함할 수 있다. 또한, 산화루테늄(RuO2); 산화카드뮴(CdO); 산화인듐(In2O3); 산화주석(SnO2); 산화아연(ZnO); 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 및 인듐(In)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 도핑된 산화아연; 및 인듐(In), 인(P), 안티몬(Sb) 및 불소(F)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 도핑된 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속산화물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 - 12.
단계 1: 투명 기재의 표면 개질
투명 기재로서 하기 표 1에 나타낸 고분자 필름을 건식 증착기에 도입하여 고정시키고, 반응기 내부를 약 1 × 10-7 Torr의 진공상태로 전환시켰다. 상기 증착기의 압력 조건이 만족되면 아르곤(10 sccm)을 증착기 내에 주입시켜 1 × 10-3 Torr를 유지하도록 조절하고 증착기 내부의 전자빔 소스에 감겨진 구리선에 13.56 MHz 라디오 주파수(RF)의 전력 200 W를 인가하여 플라즈마를 형성시켰다. 상기 증착기 내에 플라즈마가 형성되면, 형성된 플라즈마로부터 유도된 전자를 이용하여 표 1에 나타낸 가속 에너지 조건에서 약 20분 동안 투명 기재를 표면 개질하였다.
투명 기재 가속 에너지 도전체
실시예 1 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 200 eV 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연(GZO)
실시예 2 400 eV
실시예 3 600 eV
실시예 4 200 eV 니켈(Ni)
실시예 5 400 eV
실시예 6 600 eV
실시예 7 200 eV 크롬(Cr)
실시예 8 400 eV
실시예 9 600 eV
실시예 10 폴리카보네이트(PC) 300 eV 인듐(In)이 도핑된 산화주석(ITO)
실시예 11 600 eV
실시예 12 900 eV
단계 2: 도전체의 증착
상기 투명 기재의 표면 개질이 완료되면 아르곤(10 sccm)을 증착기 내에 주입시켜 압력을 6.5 × 10-6 Torr를 조절하였다. 그런 다음, 증착기 내부에 설치된 스퍼터링 건에 13.56 MHz 라디오 주파수(RF)의 50 W 전력을 인가하여 플라즈마를 형성하였다. 그 후, 상기 표 1에 나타낸 도전체를 두께가 100 nm이 되도록 RF/DC 스퍼터링법으로 증착하여 100 nm의 투명 전도막이 형성된 투명 도전성 기판을 제조하였다.
비교예 1.
투명 기재로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름을 건식 증착기에 도입하여 고정시키고, 반응기 내부를 약 1 × 10-7 Torr의 진공상태로 전환시켰다. 상기 증착기의 압력 조건이 만족되면 아르곤(10 sccm)을 증착기 내에 주입시켜 1 × 10-3 Torr를 유지하도록 조절을 하고, 증착기 내부에 설치된 스퍼터링 건에 13.56 MHz 라디오 주파수(RF)의, 50 W 전력을 인가하여 플라즈마를 형성하였다. 투명 기재 상에 도전체인 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연(GZO)을 RF/DC 스퍼터링법으로 약 100 nm 증착시켜 투명 도전성 기판을 제조하였다.
비교예 2.
투명 기재로서 폴리카보네이트(PC) 필름을 건식 증착기에 도입하여 고정시키고, 반응기 내부를 약 1 × 10-7 Torr의 진공상태로 전환시켰다. 상기 증착기의 압력 조건이 만족되면 아르곤(10 sccm)을 증착기 내에 주입시켜 1 × 10-3 Torr를 유지하도록 조절을 하고, 증착기 내부에 설치된 스퍼터링 건에 13.56 MHz 라디오 주파수(RF)의, 50 W 전력을 인가하여 플라즈마를 형성하였다. 투명 기재 상에 도전체인 인듐(In)이 도핑된 산화주석(ITO)을 RF/DC 스퍼터링법으로 약 100 nm 증착시켜 투명 도전성 기판을 제조하였다.
비교예 3.
형성된 플라즈마로 10분간 처리한 이후 인듐(In)이 도핑된 산화주석(ITO)을 증착시키는 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 수행하여 투명 도전성 기판을 제조하였다.
실험예 1. 개질된 투명 기재의 친수성 평가
본 발명에 따른 표면 개질된 투명 기재의 친수성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
접촉각 측정은 짧은 시간에 접착성, 금속 또는 산화물 박막 및 고분자 물질의 표면의 오염도를 확인하기 위해 널리 사용되고 있으며, 개질된 표면의 변화를 정밀하게 측정할 수 있는 방법 중 하나이다. 이에, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 수행된 투명 기재의 표면 개질 조건과 동일한 조건으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름을 표면 개질하고, 개질된 상기 필름에 대하여 접촉각 측정기를 이용하여 접촉각을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 도 3에 나타내었다.
가속 에너지 접촉각
실시예 1의 투명 기재 200 eV 34.7°
실시예 2의 투명 기재 400 eV 23.9°
실시예 3의 투명 기재 600 eV 27.2°
비교예 1의 투명 기재 0 eV 80.5°
표 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법은 투명 기재의 표면의 친수성을 구현할 수 있는 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 투명 기재로서 사용된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 표면을 플라즈마로부터 유도된 전자빔을 사용하여 200 eV, 400 eV 또는 600 eV의 가속 에너지로 개질한 실시예 1 내지 3의 투명 기재의 경우 증류수에 대한 접촉각이 각각 34.7°, 23.9°및 27.2°로 나타나 기재 표면에 친수성이 구현되는 것으로 확인되었다. 반면, 표면 개질되지 않은 비교예 1의 투명 기재의 경우 접촉각이 80.5°인 것으로 나타나 기재 표면에 소수성인 것으로 확인되었다.
이는 투명 기재의 표면을 플라즈마로부터 유도된 전자빔을 사용하여 표면 개질함으로써, 투명 기재 표면에 친수성 작용기, 예를 들면, 카르복실기(carboxyl group), 아민기(amine group), 하이드록시기(hydroxyl group), 아마이드기(amide group)과 같은 전하를 띤 작용기가 도입되어 투명 기재 표면에 친수성이 구현됨을 의미한다.
따라서, 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법은 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질되어 친수성 및 접착력이 향상된 투명 기재를 포함하여 내구성이 우수한 것을 알 수 있다.
실험예 2. 투명 도전성 기판의 전기적 물성 및 광학적 물성 평가
본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 전기적 물성 및 광학적 물성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
광학적 물성 평가
본 발명에 따른 실시예 10 내지 12와 비교예 2에서 제조된 투명 도전성 기판을 대상으로 400 내지 800 nm의 파장 범위에서 광 투과도를 측정하였으며, 측정된 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재를 포함하는 실시예 10 내지 12의 투명 도전성 기판은 가시광선 영역에서의 광학적 물성이 향상되어 약 80% 이상의 광 투과도를 나타내는 것을 알 수 있다. 특히, 투명 기재의 표면 개질 시, 가속 에너지가 900 eV인 전자빔으로 처리된 경우, 투명 기재가 표면 개질되지 않은 투명 도전성 기판과 대비하여 광 투과도가 현저히 증가하는 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 투명 도전성 기판은 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질된 투명기재를 포함함으로써 광학적 물성이 향상됨을 알 수 있다.
전기적 물성 평가
본 발명에 따른 실시예 10 내지 12와 비교예 2 및 3에서 제조된 투명 도전성 기판을 대상으로 4-탐침법(4-probe method)을 이용한 비저항, 전하밀도 및 전하의 이동도를 측정하였다. 측정된 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
비저항 [Ω·cm] 전하밀도 [cm2/Vs] 전하 이동도 [/cm3]
실시예 10 4.0 × 10-4 8.5 1.8 × 1021
실시예 11 3.5 × 10-4 9.5 1.8 × 1021
실시예 12 3.0 × 10-4 10.0 2.1 × 1021
비교예 2 4.7 × 10-4 7.0 1.8 × 1021
표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 도전성 기판은 전기적 물성이 향상되는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재를 포함하는 투명 도전성 기판의 경우 비저항 및 전하밀도는 각각 약 4.0 × 10-4 Ω·cm 이하, 및 8.5 cm2/Vs 이상인 것으로 나타났다. 이러한 경향은 투명 기재의 표면 개질 시 가속 에너지가 높을수록 두드러졌으며, 특히 가속 에너지가 900 eV였던 실시예 12의 기판은 전하 이동도가 약 17% 향상되는 것으로 나타났다.
또한, 투명기재의 표면을 개질하지 않거나 플라즈마 분위기에서 10분간 표면 개질한 투명기재를 포함하는 비교예 2 및 3의 투명 도전성 기판은, 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질된 실시예와 대비하여 높은 비저항과 낮은 전하밀도를 나타내는 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 투명 도전성 기판은 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질된 투명기재를 포함함으로써 전기적 물성이 향상됨을 알 수 있다.
성능지수 평가
본 발명에 따른 실시예 1 내지 3과 비교예 1에서 제조된 투명 도전성 기판에 대한 성능지수(Figure Of Merit, FOM)를 측정하였다. 성능지수는 하기 수학식 3에 나타낸 바와 같이, 투명 도전성 기판의 광 투과도와 면저항을 동시에 비교할 수 있는 척도로서, 광 투과도는 클수록, 면저항은 작을수록 그 값이 크게 나타나는 특징이 있다. 상기에서 측정된 결과를 도 5에 나타내었다.
[수학식 3]
FOM = T10 / Rsh
여기서, T10은 400 내지 800nm 파장에서의 평균 광 투과도를 나타내고, Rsh는 투명 도전성 기판의 평균 면저항을 나타내며, 단위는 Ω-1이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조되는 투명 도전성 기판은 전기적 물성 및 광학적 물성이 우수한 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 상에 갈륨(Ga)이 도핑된 산화아연을 스퍼터링법으로 증착시킨 본 발명의 투명 도전성 기판은 성능지수(FOM)가 1.8 × 10-4 Ω-1 이상인 반면, 표면 개질하지 않은 비교예 1의 투명 도전성 기판의 경우, 1.6 × 10-4 Ω- 1 로 성능지수가 낮은 것으로 확인되었다.
이는 투명 도전성 기판이 표면을 플라즈마로부터 유도된 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재를 포함하는 경우, 그렇지 않은 경우와 대비하여 전기적 물성과 광학적 물성이 약 1.1배 이상 향상됨을 의미한다.
따라서, 본 발명에 따른 투명 도전성 기판의 제조방법은 플라즈마 분위기 하에서 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재 상에 투명 도전막을 증착시킴으로써 투명 도전성 기판의 내구성을 개선함과 동시에 전기적 물성 및 광학적 물성이 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
100: 반응기 101: 시료 고정기
102: 전자빔 소스부 103: 전자빔 집속기
104: 스퍼터링 건

Claims (12)

  1. 플라즈마 분위기 하에서, 전자빔 처리를 통해 투명 기재의 표면을 개질하는 단계; 및
    개질된 투명 기재 표면에 투명 도전막을 형성하는 단계를 포함하는 투명 도전성 기판의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    플라즈마는, 12 내지 15 MHz의 라디오 주파수(Radio Frequency, RF)를 갖는 100 내지 300 W의 전력 조건에서 형성되는 투명 도전성 기판의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    전자빔의 평균 가속 에너지는, 100 내지 1000 eV인 것을 특징으로 하는 투명 도전성 기판의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    투명 도전막은, 개질된 투명 기재 표면에 도전체를 증착하여 형성되는 투명 도전성 기판의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    도전체는, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rd) 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속인 투명 도전성 기판의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    도전체는, 산화루테늄(RuO2); 산화카드뮴(CdO); 산화인듐(In2O3); 산화주석(SnO2); 산화아연(ZnO); 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 및 인듐(In)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 도핑된 산화아연; 및 인듐(In), 인(P), 안티몬(Sb) 및 불소(F)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 도핑된 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속산화물인 투명 도전성 기판의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    개질된 투명 기재는,
    표면에 대한 친수성 평가 시,
    평균 접촉각(Contact angle, CA)이 하기 수학식 1의 조건을 만족하는 투명 도전성 기판의 제조방법:
    [수학식 1]
    CA ≤ 35°.
  8. 제1항에 있어서,
    투명 기재는, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌에테르, 폴레에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르케톤, 폴리스티렌, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐클로라이드 및 폴리비닐알코올로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 투명 도전성 기판의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    투명 도전막의 평균 두께는, 1 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 투명 도전성 기판의 제조방법.
  10. 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재; 및 투명 도전막을 포함하고,
    하기 수학식 2의 조건을 만족하는 투명 도전성 기판:
    [수학식 2]
    FOMEB / FOMNEB ≥ 1.1
    상기 수학식 2에서,
    FOMEB는 전자빔으로 표면 개질된 투명 기재를 포함하는 투명 도전성 기판의 평균 성능지수(Figure of merit, FOM)를 나타내고,
    FOMNEB는 전자빔으로 표면 개질되지 않은 투명 기재를 포함하는 투명 도전성 기판의 평균 성능지수(Figure of merit, FOM)를 나타낸다.
  11. 제10항에 있어서,
    투명 도전막은, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rd) 및 루테늄(Ru)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 투명 도전성 기판.
  12. 제10항에 있어서,
    투명 도전막은, 산화루테늄(RuO2); 산화카드뮴(CdO); 산화인듐(In2O3); 산화주석(SnO2); 산화아연(ZnO); 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 및 인듐(In)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 도핑된 산화아연; 및 인듐(In), 인(P), 안티몬(Sb) 및 불소(F)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 도핑된 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속산화물을 포함하는 투명 도전성 기판.
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KR102382764B1 (ko) * 2021-03-04 2022-04-08 한국세라믹기술원 투명 적층 구조체 및 그 제조 방법

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