KR20160080722A - 고유연성 배리어 섬유기판 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 패브릭 기재; 상기 패브릭 기재 상에 형성된 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성된 배리어층을 포함하고, 상기 배리어층은 하나 이상의 무기박막층과 하나 이상의 중합체 박막층이 교대로 적층된 것인 플렉서블 배리어 섬유기판에 관한 것이다.

Description

고유연성 배리어 섬유기판 및 그의 제조방법{Barrier fabric substrate with high flexibility and manufacturing method thereof}
본 발명은 고유연성 배리어 섬유기판 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 섬유를 기재로 하여 웨어러블 디스플레이 및 유연 조명의 구현이 가능한 고유연성 배리어 섬유기판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
플렉서블 디바이스는 유기 및/또는 무기 재료를 이용해 증착과 인쇄 공정을 이용하여 유연성이 있는 플라스틱 소재의 기판 상에 디스플레이, 회로, 전지, 센서 등의 소자를 집적화한 것으로, 가볍고, 두께가 얇을 뿐만 아니라 충격에도 깨지지 않는 장점이 있어, 현재의 평판 디스플레이 및 조명 등을 대체할 것으로 예상되며, 활발히 연구되고 있다.
그런데 기판 상에 탑재되는 유기전자소자는 수분이나 산소의 침투에 취약한데, 플라스틱 소재 기판들은 수분 및 산소 침투율이 높아서, 플렉서블 디바이스의 구현에 애로가 있으며, 일례로 OLED를 플렉서블 디스플레이에 적용하는데 어려움이 있다.
따라서, 고수명의 유기전자소자를 제작하기 위하여 수분과 산소를 차단하는 배리어(barrier) 및 봉지(encapsulation) 기술이 연구되고 있다. 초기에는 배리어 및 봉지층으로 유리나 금속덮개(Metal lid)를 사용하여 유기전자소자 상하부를 봉지하였으나, 기판과 배리어 및/또는 봉지층 사이의 실런트를 통하여 수분이 투과되는 문제가 있었다. 나아가 상기 배리어 및/또는 봉지층은 유연성이 없기 때문에, 유연소자에 적용하기 어렵다는 문제가 있었다. 이러한 유리나 금속덮개의 단점을 극복하기 위한 대안으로서, 무기 박막, 유기 박막 또는 이의 조합인 유/무기 다층 박막을 이용한 배리어 또는 봉지 기술이 제안되어 있다.
한편, 배리어 및 봉지 기술의 발달에도 플라스틱 소재 기판은 소재의 특성상 적용할 수 있는 분야가 제한적이며, 일방으로만 휘어지고, 굽힘 회복성이 낮아서 드레이프(drape) 특성이 없으며, 유연성의 장점을 제대로 살리지 못하는 단점을 가지고 있다. 장착형이 아닌 궁극적인 웨어러블 디바이스 또는 벤더블 디바이스를 제작하기 위해서는 전자 디바이스 소자들이 섬유와 같이 입을 수 있는 모재에 형성되어야 한다. 이를 위해서는 섬유 본연의 많은 공극을 메울 수 있는 우수한 배리어성을 가지면서 또한 섬유가 가진 고유연성을 유지할 수 있는 배리어 기술이 필요한 실정이다.
[특허문헌 1] 한국 특허공개 제10-2014-0127882호 [특허문헌 2] 한국 특허공개 제10-2013-0136805호 [특허문헌 3] 한국 특허공개 제10-2014-0008516호
본 발명은 웨어러블 디스플레이 또는 유연 조명에 적용할 수 있는 유리와 유사한 수준의 배리어 특성을 가지는 섬유기판을 제공하고자 한다. 이를 통해, 착용형 IT 소자에서 입을 수 있는 IT 소자를 구현하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 패브릭 기재; 상기 패브릭 기재 상에 형성된 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성된 배리어층을 포함하고, 상기 배리어층은 하나 이상의 무기박막층과 하나 이상의 중합체 박막층이 교대로 적층되어 있는 플렉서블 배리어 섬유기판을 제공한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 배리어층에 포함된 복수의 층 중에서, 평탄화층과 접촉하는 최내층과 평탄화층으로부터 최대 이격된 최외층이 모두 무기박막층인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 배리어층에 포함된 복수의 층 중에서, 평탄화층과 접촉하는 최내층과 평탄화층으로부터 최대 이격된 최외층이 모두 중합체 박막층인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 배리어층은 평탄화층 상에 무기박막층, 중합체 박막층 및 무기박막층이 순차적으로 적층된 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 패브릭 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌(polyethylene), 나일론(nylon), 아크릴(acryl) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 소재로 된 직물이 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 평탄화층은 실란, 폴리카보네이트, 아크릴레이트 계열의 고분자, 아민 계열의 올리고머 및 비닐 계열의 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 무기박막층은 규소, 알루미늄, 티탄, 아연 및 지르코늄으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 산화물, 질화물, 탄화물, 산화질화물, 질화탄화물 또는 산화질화탄화물로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 중합체 박막층은 하기 화학식 1로 나타내는 트리스(트리메틸실록시)(비닐)실란으로 이루어진 것이 바람직하다.
[화학식 1]
Figure pat00001

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 무기박막층은 두께가 10~50nm인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 중합체 박막층은 두께가 20~100nm인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 패브릭 기재에 평탄화층을 형성하는 단계; 상기 평탄화층 상에 무기박막층 또는 중합체 박막층으로 제1 배리어층을 형성하는 단계; 상기 제1 배리어층 상에 제1 배리어층 소재와 교대로 적층되도록 무기박막층 또는 중합체 박막층으로 제2 배리어층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 배리어층 상에 다시 제1 배리어층과 동일한 구성으로 제3 배리어층을 적층하는 단계를 포함하는 플렉서블 배리어 섬유기판의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 제2 배리어층을 형성하는 단계 및 제3 배리어층을 형성하는 단계를 1회 이상 반복 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 무기박막층은 원자층 증착(Atomic layer deposition) 방식으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 중합체 박막층은 플라즈마 화학기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion) 방식으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 구성을 가지는 기판을 포함하는 플렉서블 디스플레이 장치 또는 플렉서블 조명 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 섬유 기판은 유/무기 전구체 물질을 사용하여 제조되는 중합체 박막층 및 무기 박막층을 포함하는 다층 배리어층을 제공하여, 유기전자소자에 산소나 수분의 침투를 효과적으로 억제하여 소자 열화 현상을 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 적용된 중합체 박막층은 유연성이 우수하기 때문에, 유기전자소자에 적용 시 섬유 기판의 유연성을 그대로 구현할 수 있다.
또한 높은 유연성을 가진 섬유 기판의 제공이 가능하여, 착용형 IT소자에서 입는 IT 소자로의 변화가 가능할 것으로 기대된다. 따라서 웨어러블 디스플레이 소자와 플렉서블 조명 소자의 기판으로 사용이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유기판의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 패브릭 기재(100), 평탄화층(200), 무기박막층(301), 중합체 박막층(302) 및 무기박막층(301)이 순차적으로 적층된 섬유기판의 단면 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유기판을 제조하는 공정 흐름을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 유기전자소자의 형성을 위해 섬유기재에 평탄화층을 형성한 후의 섬유기재의 측단면(a) 및 표면 상태(b)를 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 섬유기판의 강연도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 섬유기판의 수분투습율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 섬유기판의 수분투습율을 측정하기 위해, 칼슘의 산화 정도를 전기적 성질 변화로 측정하기 위한 장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 섬유기판의 수분투습율을 칼슘 산화도로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 도면과 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
플렉서블(flexible)이란 그 의미가 광범위하여, 플라스틱 필름과 같은 모재는 가요성은 있으나 그 정도가 입을 수는 없는, 즉 궁극적인 웨어러블 기재나 유연성이 높은 조명 장치에 사용하기에는 적합하지 않다. 섬유를 이용한 기판은 섬유 본래의 드레이프 특성인 강연도 및 방추도가 매우 우수하나, 표면 조도가 나쁘고, 공극이 많아서 배리어 특성을 부여하기가 매우 어렵다. 이에 본 발명자들은 유리와 유사한 수준의 배리어 특성을 가지면서 의복처럼 입을 수 있는 궁극적인 의미의 웨어러블 디바이스의 모재로 사용이 가능한 섬유기판을 제공하기 위해 연구하여, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 웨어러블 디스플레이나 유연 조명과 같은 플렉서블 디바이스에 적용할 수 있는 섬유기판에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유기판은 패브릭 기재; 상기 패브릭 기재 상에 형성된 평탄화층; 및 상기 평탄화층 상에 형성된 배리어층을 포함하고, 상기 배리어층은 하나 이상의 무기박막층과 하나 이상의 중합체 박막층이 교대로 적층되어 있다.
우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유기판의 구성을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유기판의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유기판은 패브릭 기재(100); 패브릭 기재를 평탄화하기 위한 평탄화층(200); 및 평탄화층 상에 형성된 가스 및 수분 차단을 위한 배리어층(300)을 포함한다. 배리어층(300)은 무기박막층(301)과 중합체 박막층(302)이 교대로 적층된 막으로, 하나 이상의 무기박막층과 하나 이상의 중합체 박막층이 교대로 적층된 구조를 가진다. 이러한 구성을 통해서 패브릭 기재의 수많은 공극은 메우고 유연성은 그대로 확보한 섬유기판을 제공하게 된다.
이하 섬유기판의 각 구성요소에 대해 상세히 설명한다.
패브릭 기재(100)는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌(polyethylene), 나일론(nylon), 아크릴(acryl) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 소재로 된 직물이 될 수 있으며, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 또는 이들의 혼합물로 이루어진 소재로 된 직물이 열적 안정성 개선이 용이하여 더 바람직하다.
패브릭 기재를 구성하는 직물의 두께는 특별한 제한이 없으나, 코팅 지지재로서 그리고 최종 기판의 두께를 고려할 때, 50~230㎛가 적합하며, 바람직하게는 50~150㎛, 더 바람직하게는 50~100㎛인 것이 적합하다.
이러한 직물은 표면 조도가 25~50㎛ 정도로 높아서, 배리어층을 형성시키더라도 적절한 배리어 성능의 구현이 어렵다. 따라서 직물로 이루어진 패브릭 기재를 평탄화하는 것이 필요하다.
평탄화층(200)은 실란, 폴리카보네이트, 아크릴레이트 계열의 고분자, 아민 계열의 올리고머 및 비닐 계열의 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하여 이루어지는 것이 열적 안정성과 유연성을 확보할 수 있어 바람직하다.
평탄화막은 두께 0.01~5㎛, 표면 평활도(Ra) 5~300㎚로 하여, 기판의 단차로 인해 가스 차단막이 밀착되지 않는 현상을 방지하는 것이 바람직하다.
실란은 모노실란(monosilane, SiH4), 디실란(disilane, Si2H6), 트리실란(torisilane, Si3H8) 및 테트라 실란(tetrasilane, Si4H10)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 될 수 있다. 또한 실란은 에폭시기(epoxy), 알콕시기(alkoxy), 비닐기(vinyl), 페닐기(phenyl), 메타크릴옥시기(methacryloxy), 아미노기(amino), 클로로실란기(chlorosilanyl), 클로로프로필기(chloropropyl) 및 메르캅토기(mercapto)로 이루어진 군에서 선택되는 작용기를 1종 이상 포함할 수 있다.
또한 평탄화막은 광흡수제, 구체적으로, 벤조페논(Benzophenone)계, 옥살아닐리드(Oxalanilide)계, 벤조트리아졸(Benzotriazole)계 및 트리아진(Triazine)계로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
배리어층(300)은 가스 및 수분 차단을 위한 것으로, 무기박막층(301)과 중합체 박막층(302)이 교대로 적층된 막으로, 하나 이상의 무기박막층과 하나 이상의 중합체 박막층이 교대로 적층된 구조를 가진다.
무기 물질은 낮은 확산율과 낮은 용해도로 수분 침투에 대한 배리어층으로서의 특성이 우수하다. 하지만 무기물질로만 배리어층을 형성하여 플렉서블 디바이스에 적용했을 경우에는 물리적 손상 가능성이 높아서, 수분 침투 가능성이 커지고 오히려 배리어 성능도 떨어질 우려가 있다. 따라서 본 발명에서는 Si-O 결합을 가지는 하기 화학식 1로 표시되는 유/무기 하이브리드 전구체 화합물을 이용한 중합체 박막을 무기박막과 함께 적층하여 다층의 배리어 박막을 제공한다. 중합체 박막은 박막 표면을 평탄화시키고 확산 경로를 길어지게 함으로써 수분 침투율을 낮추어 높은 배리어 성능을 부여할 수 있다. 또한 상대적으로 얇은 두께로 배리어 성능을 향상시킬 수 있어서, 유기전자소자에 적용 시 기존 제품보다 얇은 두께로 높은 성능의 배리어 특성을 구현할 수 있으며, 유연성도 동시에 확보할 수 있다.
무기박막층과 중합체 박막층이 교대로 적층되는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배리어층에 포함된 복수의 층 중에서, 평탄화층과 접촉하는 최내층과 평탄화층으로부터 최대 이격된 최외층이 모두 무기박막층 또는 모두 중합체 박막층이 될 수 있다. 일 실시예로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 평탄화층(200) 상에 무기박막층(301), 중합체 박막층(302) 및 무기박막층(301)이 순차적으로 적층된 구성을 가질 수 있다.
무기박막층(301)은 규소, 알루미늄, 티탄, 아연 및 지르코늄으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 산화물, 질화물, 탄화물, 산화질화물, 질화탄화물 또는 산화질화탄화물로 이루어질 수 있으며, 1종 이상의 산화물이 바람직하게 이용될 수 있다.
무기박막층은 두께가 10nm~50nm인 것이 바람직하다. 10nm 미만이면 베리어 특성이 미미하고, 50nm를 초과하면 유연성이 떨어져 쉽게 크랙 및 핀홀 등의 결함(defect)이 발생하여 바람직하지 않다.
중합체 박막층(302)은 하기 화학식 1로 나타내는 트리스(트리메틸실록시)(비닐)실란(Tris(trimethylsiloxy)(vinyl)silane)(TTMSVS)을 플라즈마 화학기상 방식으로 증착하여 이루어진 층이다. 플라즈마로 증착된 트리스트리메틸실록시비닐실란 박막은 무기층과의 접착력이 우수하고, 핀홀 결함을 커버링하는 특성이 우수하며, 얇은 두께로도 박막 표면을 평탄화시키고 확산 경로(Diffusion path)를 늘려서 높은 배리어 성능을 부여할 수 있다. 또한 트리스트리메틸실록시비닐실란을 층간 중간체로 사용함으로써 벤딩 시 크랙을 최소화하여 패브릭 기재의 장점을 유지할 수 있다. 뿐만 아니라, 무기층과 함께 적층 구조로 사용하였을 때 배리어 특성이 상당히 향상되는 점에서 패브릭 기재의 배리어층 소재로서 매우 적합하다.
[화학식 1]
Figure pat00002
중합체 박막층은 두께가 20~100nm인 것이 벤딩시 크랙이 발생되는 현상을 최소화 할 수 있어, 바람직하다. 20nm 미만이면 확산 경로가 충분치 않아 배리어 특성을 향상시키는 것이 미미하고, 100nm를 초과하면 벤딩시 유연성과 배리어 특성이 낮아져서 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 무기박막층과 중합체 박막층을 적층하여 이루어진 섬유기판은 섬유를 모재로 하고, 얇은 두께의 배리어층 구성으로도 가스 배리어성이 우수하여, 웨어러블 디스플레이나 유연 조명의 기판으로 적용이 용이할 것으로 기대된다.
다음으로 본 발명의 섬유기판을 제조하는 방법에 대해 도 3과 함께 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유기판을 제조하는 공정 흐름을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 3에 따르면, 섬유기판은 패브릭 기재에 평탄화층을 형성하는 단계(S1); 평탄화층 상에 무기박막층 또는 중합체 박막층으로 제1 배리어층을 형성하는 단계(S2); 제1 배리어층 상에 제1 배리어층 소재와 교대로 적층되도록 무기박막층 또는 중합체 박막층으로 제2 배리어층을 형성하는 단계(S3); 및 제2 배리어층 상에 다시 제1 배리어층과 동일한 구성으로 제3 배리어층을 적층하는 단계(S4)를 포함하는 방법으로 제조되며, 단계 S3 및 S4는 섬유기판이 얻고자 하는 최외층 소재로 될 때까지 1회 이상 반복 실시될 수 있다.
패브릭 기재, 평탄화층, 무기박막층, 중합체 박막층의 구성 성분은 상술한 바대로 적용할 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
섬유기판은 패브릭 기재에 평탄화층을 형성하는 단계 S1은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 또는 이들의 혼합물로 이루어진 직물 소재의 패브릭 기재에 평활성을 부여하기 위한 것이다. 섬유는 3차원 구조로 직조되어 있기 때문에 공극이 많으며 표면 조도(roughness)가 높아서 상술한 바와 같이 전자소자, 구체적인 예로 유기전자소자를 형성하기 위한 기판으로 사용하기에 부적합하다. 따라서 패브릭 기재 상에 평탄화층을 형성시켜서 패브릭 기재의 공극을 메우고 표면 조도를 낮게 하여야 한다.
패브릭 기재 상에 평탄화층을 형성시키는 방식은 라미네이션을 이용한 전사 방식, 슬롯 코팅(Slot coating), 스핀 코팅(Spin coating) 방식 등이 이용될 수 있으며, 바람직하게는 라미네이션을 이용한 전사 방식이 이용될 수 있다. 라미네이션 방식은 다른 코팅 방식과는 달리 이형 필름 위에 평탄화층을 구성하는 코팅 물질을 도포하고, 이를 섬유기재에 라미네이션하면서 이형 필름을 떼어 내기 때문에, 표면조도가 1~10nm로 평탄화 정도가 매우 높은 이형 필름의 표면조도를 평탄화층에 그대로 반영할 수 있는 장점이 있다.
평탄화층을 구성하는 물질은 패브릭 기재의 섬유로서의 특성인 강연도나 방추도에는 영향을 주지 않으면서 표면 조도를 낮출 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 물질로는 실란, 폴리카보네이트, 아크릴레이트 계열의 고분자, 아민 계열의 올리고머 및 비닐 계열의 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 평탄화층은 패브릭 기재의 표면 조도가 10nm 이하로 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해 평탄화층은 두께 0.01~5㎛, 표면 평활도(Ra) 5~300㎚로 되도록 형성시켜야 한다.
단계 S2는 평탄화층 상에 무기박막층 또는 중합체 박막층으로 제1 배리어층을 형성하는 단계로, 어느 층이 먼저 형성되어도 무관하나, 무기박막층이 평탄화층 상에 먼저 형성되는 것이 무기물질의 가스 확산 및 수분 침투에 대한 높은 장벽 성능으로 인해 더 바람직하다.
단계 S3 및 단계 S4는 무기박막층과 중합체 박막층을 교대로 적층하기 위한 단계로, 단계 S3 및 S4는 섬유기판이 얻고자 하는 최외층 소재로 될 때까지 1회 이상 반복 실시될 수 있다. 구체적으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 단계 S3에서 중합체 박막층으로 적층한 후, 단계 S4에서 무기박막층으로 형성시킨 후, 즉 단계 S3 및 단계 S4를 각각 1회씩 실시하여, 완성된 섬유기판을 얻을 수 있다.
무기박막층을 평탄화층 또는 중합체 박막층에 형성시키는 방식은 원자층 증착(Atomic layer deposition) 방식이 이용될 수 있다. 원자층 증착 방식은 무기박막층의 핀홀 생성을 줄일 수 있는데, 이는 자기 제한 반응을 기반으로 하는 것으로 100℃ 이하의 낮은 공정온도에서 박막 내의 핀홀 형성을 억제하여 바람직하며 또한 얇은 박막을 제조하기에 용이하여 바람직하다. 무기박막층의 두께는 1층당 10~50nm 이하로 증착하는 것이 바람직하다.
중합체 박막층은 플라즈마 화학기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion) 방식으로 증착하는 것이 바람직하다. 이 방식은 중합체 박막이 치밀한 구조를 가질 수 있고 경화(Curing)이 거의 필요 없으며 폴리머 특성을 향상시킬 수 있어서 바람직하다. 중합체 박막층의 두께는 1층당 20~100nm 이하로 증착하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 섬유기판은 무기박막층 및 중합체 박막층이 적층된 구조로 고유연성과 높은 가스 차단성을 보유하여, 웨어러블 디스플레이에 적용될 수 있으며, 또한 플렉서블 유기전자소자, 구체적으로 유기 발광 다이오드, 유기 태양 전지 또는 유기 박막 트랜지스터 등의 다양한 제품에 적용되어 산소 및 수분을 차단할 수 있다.
실시예
폴리에틸렌테레프탈레이트와 폴리에틸렌나프탈레이트의 혼합물로 이루어진 두께 75㎛의 패브릭 기재(100) 상에 에폭시기가 있는 실란계 수지를 라미네이션을 이용한 전사 방식으로 평탄화층(200)을 적층하였다. 그런 후, 무기박막층(301)을 Al2O3를 원자층 증착 방식으로 10~50nm 두께로 형성시킨 후, 중합체 박막층(302)으로서 트리스(트리메틸실록시)(비닐)실란을 플라즈마 화학기상 증착법으로 50~80nm 두께로 형성시켰다. 그런 후 다시 무기박막층(301) Al2O3를 원자층 증착 방식으로 10~50nm 두께로 형성시켜, 섬유기판을 제조하였다.
평탄화층을 형성시킨 섬유기판의 평활도 개선 여부를 확인하기 위해, 섬유기재의 측단면 및 표면의 표면 조도를 확인한 결과를 도 4에 사진으로 나타내었다. 도 4(a) 에 따르면, 평탄화층이 매우 균일하게 형성되어 있는 것으로 나타나며, 표면 상태(도 4(b))는 상당히 매끄럽게 형성되어 있는 것으로 나타나 있다. 상술한 바와 같이 직조된 직물의 높은 표면 조도를 평탄화층을 이용하여 개선할 수 있는 것을 확인하였다. 본 실시예에 따라 평탄화층이 형성된 섬유 기재의 표면 조도는 5nm 이하로 나타나, 이후 배리어층이 균일하게 형성될 수 있다.
섬유기판의 유연성을 평가하기 위하여, 섬유의 유연성 정도를 알아보는 강연도에 대해 섬유기판의 제조 단계별로 측정하고, 그 결과를 도 5 및 표 1에 나타내었다.
강연도는 패브릭 원단의 뻣뻣함과 부드러움의 정도를 나타내는 척도로, 천의 움직임에 대한 저항성(유연성)을 평가하는 것이다. 천의 촉감과 드레이프성에 영향을 미치며, 캔틸레버 방법으로 측정(ISO 4064:2011)하며, 캔틸레버 방법은 시험편을 41.5도 경사면에 두고 시험편의 앞 끝이 닿는 길이를 측정하는 것이다. 값이 작을수록 강연도 특성이 우수함을 나타낸다.
Figure pat00003
도 5 및 표 1에 따르면, 섬유기판의 강연도가 PET 필름과 비교할 때 강연도가 월등히 우수하며, 패브릭 기재에 비해서는 거의 차이가 없는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 섬유기판은 섬유의 유연성을 그대로 유지할 수 있어, 웨어러블 디스플레이와 같이 고유연성이 요구되는 디바이스의 기판으로 활용이 가능하다.
다음으로, 섬유기판의 수분 투습율에 대해 평가하였다. 수분 투습율(Water Vapor Transmission Rate, WVTR)은 전형적으로 사용되는 MOCON사의 상용화된 측정장비(WVTR< 5X10-3g/㎡/day까지 측정 가능)로 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 이 장비를 이용한 측정 원리는 분석하려는 샘플 기판을 거치대에 고정시키고 정량의 수분을 한쪽 면으로 계속 분사하여 샘플 기판 통과 후 반대편에서 검출되는 수분의 양을 센서가 포착, 이를 수치화하여 보여주는 것이다. 도 6에 따르면, 실시예에서 제조된 섬유기판은 오랜 시간이 경과한 경우에도 수분투습율이 5×10-3g/㎡/day 이하로, 차단 성능이 우수한 것을 알 수 있다.
또한 제조된 섬유기판의 수분투습율을 더 정확하게 정량적으로 측정하기 위하여, 도 7에 나타낸 칼슘의 산화 정도를 전기적 성질 변화로 측정하기 위한 장치를 사용하여, 즉 Ca-테스트를 병행하여 평가하였다. 이 장치는 칼슘은 증착 직후 금속 성질을 띠므로 도체 성질을 갖게 되지만, 수분과 결합하여 산화 칼슘으로 변형된 이후에는 무기 물질의 특성과 저항이 높은 부도체 특성을 갖게 되는 현상을 이용한 것으로, 이 방법은 미리 증착한 전극과 칼슘 위에 섬유기판을 배리어층 쪽으로 해서 접합시키고, 양 전극에 정전압을 인가하여 시간에 따른 저항 변화로 달라지는 전류값을 정량적으로 분석함으로써 배리어층을 투과한 수분의 양을 측정하는 것이다. 도 8에 Ca-테스트 결과를 나타내고, 이에 따른 수분투습율을 하기 식에 따라 계산하였다. 그 결과 실시예에서 얻어진 섬유기판의 수분투습율은 9×10-4g/㎡/day로, 수분 차단 성능이 매우 우수하였다.
WVTR=1.54 × (36/40.1) × 0.001 × (delta H) × (24/delta T)
delta H: 칼슘 높이 변화량
delta T: 흐른 시간(hours)
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100: 패브릭 기재
200: 평탄화층
300: 배리어층
301: 무기박막층
302: 중합체 박막층

Claims (16)

  1. 패브릭 기재;
    상기 패브릭 기재 상에 형성된 평탄화층; 및
    상기 평탄화층 상에 형성된 배리어층을 포함하고,
    상기 배리어층은 하나 이상의 무기박막층과 하나 이상의 중합체 박막층이 교대로 적층된 것인 플렉서블 배리어 섬유기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층에 포함된 복수의 층 중에서, 상기 평탄화층과 접촉하는 최내층과 상기 평탄화층으로부터 최대 이격된 최외층이 모두 무기박막층인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배리어 섬유기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층에 포함된 복수의 층 중에서, 상기 평탄화층과 접촉하는 최내층과 상기 평탄화층으로부터 최대 이격된 최외층이 모두 중합체 박막층인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배리어 섬유기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층은 상기 평탄화층 상에 무기박막층, 중합체 박막층 및 무기박막층이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 플렉서블 배리어 섬유기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패브릭 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌(polyethylene), 나일론(nylon), 아크릴(acryl) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 소재로 된 직물인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배리어 섬유기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 평탄화층은 실란, 폴리카보네이트, 아크릴레이트 계열의 고분자, 아민 계열의 올리고머 및 비닐 계열의 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 배리어 섬유기판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무기박막층은 규소, 알루미늄, 티탄, 아연 및 지르코늄으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 산화물, 질화물, 탄화물, 산화질화물, 질화탄화물 또는 산화질화탄화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 배리어 섬유기판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 박막층은 하기 화학식 1로 나타내는 트리스(트리메틸실록시)(비닐)실란으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 배리어 섬유기판.
    [화학식 1]
    Figure pat00004

  9. 제1항에 있어서,
    상기 무기박막층은 두께가 10~50nm인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배리어 섬유기판.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중합체 박막층은 두께가 20~100nm인 것을 특징으로 하는 플렉서블 배리어 섬유기판.
  11. 패브릭 기재에 평탄화층을 형성하는 단계;
    상기 평탄화층 상에 무기박막층 또는 중합체 박막층으로 제1 배리어층을 형성하는 단계;
    상기 제1 배리어층 상에 제1 배리어층 소재와 교대로 적층되도록 무기박막층 또는 중합체 박막층으로 제2 배리어층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 배리어층 상에 다시 제1 배리어층과 동일한 구성으로 제3 배리어층을 적층하는 단계를 포함하는 플렉서블 배리어 섬유기판의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 배리어층을 형성하는 단계 및 제3 배리어층을 형성하는 단계를 1회 이상 반복 실시하는 단계를 더 포함하는 플렉서블 배리어 섬유기판의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 무기박막층은 원자층 증착(Atomic layer deposition) 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 중합체 박막층은 플라즈마 화학기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion) 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 따른 기판을 포함하는 플렉서블 디스플레이 장치.
  16. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 따른 기판을 포함하는 플렉서블 조명 장치.
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