KR20230093614A - 고평탄 저저항 투명전극 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유리 뿐만 아니라 폴리이미드 기재 위에 마련된 폴리이미드-세라믹 기재에 금속도전막 및 FTO 막을 형성시킴으로써 전기전도도 및 가시광선 투과율을 향상시킨 유리, 폴리이미드, 세라믹, Ag 금속도전막, FTO 투명 전도막으로 된 고평탄 저저항 투명전극 및 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 유리 및 폴리이미드(PI) 기재를 준비하는 단계; 유리 및 폴리이미드 기재 위에 50~150nm 두께로 세라믹막을 형성하는 단계; 세라믹막 위에 전도도 향상을 위한 금속막을 형성하는 단계;를 포함하는 것으로 유리 및 폴리이미드 기재의 가시광선 투과율을 향상시키는 것으로서, 이 때 세라믹막은 SiO2로 구성할 수 있다.

Description

고평탄 저저항 투명전극 및 제조방법{A transparent electrode having high-flatness and low-resistance and manufacturing method thereof}

본 발명은 FTO 투명 전도막을 포함하는 고평탄, 고투명, 내화학, 내열성 및 내부식성이 뛰어난 고평탄 저저항 투명전극 및 제조방법에 관한 것이다.

최근 정보전달 매체의 발달과 함께 휴대용 컴퓨터의 보급 등으로 고화질의 평판 표시소자에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다. 유기EL소자(OLED: Organic Light Emitting Diode)는 LCD(Liquid Crystal Display)와는 달리 자발광소자로서 밝고, 응답속도가 빨라 휴대용 정보단말 뿐만 아니라，모니터, TV에 까지 그 응용이 확대되고 있다.

그러나, 유기EL소자는 표시장치의 고화질화，대면적화를 이루려면 과정에 유기 EL소자의 화질을 결정하는 외관흑점이 발생하거나, 수명이 짧아지는 등의 문제점이 있다

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1002351호(2010.12.17. 공고)에 개시되어 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 분 발명의 일 실시예에 따라 내열성이 우수한 유리 및 반투명성 소재인 폴리이미드 기재에 FTO 투명 전도막을 형성시킬 때 평탄도 뿐만 아니라, 가시광선 투과율을 높여 투명성을 높이고 전기전도도를 향상시킬 수 있는 고평탄 저저항 투명전극 및 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 고평탄 저저항 투명전극 및 제조방법은, 유리 및 폴리이미드 기재를 준비하는 단계; 유리 및 폴리이미드 기재 위에 50~150nm 두께로 세라믹막을 형성하는 단계; 세라믹막 위에 Ag 금속도전막을 형성하는 단계; Ag 금속도전막 위에 ITO 박막을 형성하는 단계; ITO 박막 위에 FTO 투명 전도막을 형성하는 단계;를 포함하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 세라믹막은 SiO2 또는 TiO2로 구성된 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, Ag 금속도전막은 은(Ag), 구리(Cu), 크롬(Cr)의 박막으로 스퍼터링(Sputtering) 또는 전자빔(Electron Beam)방식으로 형성되고, Ag 금속도전막의 두께는 0~30nm인 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, FTO 투명 전도막의 상부에는 버퍼막을 더 포함한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 시광선 투과율이 떨어지는 고 내열성 폴리이미드 기재 위에 세라믹막을 형성시킴으로써 전기전도도와 투명성이 향상된 폴리이미드 세라믹 기재 및 폴리이미드, 세라믹, Ag금속도전막, FTO 투명 전도막을 제공한다. 이러한 소재들은 유연(flexible) 태양전지, 저가 유연 디스플레이, 유연 디바이스 등의 제조 및 이러한 제품들의 에너지 효율을 향상시키고 고평탄, 고투명, 내화학, 내열성 및 내부식성 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고평탄 저저항 투명전극의 개략적인 단명도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.

투명 전도막은 기판 위에 물리적, 화학적 또는 전기화학적인 방법에 의한 투명하고 높은 전도성을 지닌 얇은 막을 형성하는 것을 말한다. 이러한 특성을 이용하여 투명 전도막은 액정 표시소자의 투명전극, 항공기와 자동차 유리의 투명 발열체, 정밀기계의 정전기 방지유리, 열차단 박막, 저반사 유리 등의 용도로 사용된다.

이를 위하여 FTO(F-doped Tin Oxide) 투명 전도막(160)이 태양전지 분야 및 IT 분야에서 중요한 소재로 부각되고 있다. FTO 투명 전도막(160)은 투명하고 전기가 통하면서 기타 투명 전도막들과 차별화되는 고온 내열성(약 500℃)과 뛰어난 내화학성 및 내부식성을 갖고 있다. FTO 투명 전도막(160)은 SPD(Spray Pyrolysis Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), 상압 CVD, Plasma-assisted CVD, Plasma-enhanced CVD 등을 이용하여 제조된다.

FTO 투명 전도막(160)은 글래스 위에 코팅하는데 글래스의 종류에 따라 2가지 공정이 적용된다. 첫 번째로 소다라임 글래스를 이용하는 것으로 글래스를 열처리하는 도중에 알칼리금속 원자들이 확산에 의하여 글래스 표면 위로 올라오게 되어 상층부에 FTO 투명 전도막(160)의 형성을 나쁘게 하므로, 글래스 표면에 SiO2 배리어막을 코팅한 후 FTO 투명 전도막(160)을 형성시킨다. 두 번째로, 고급 디스플레이용 글래스인 퀄쯔 (quartz)와 같이 고순도 SiO2 성분을 가지는 글래스들은 배리어막 없이 직접 FTO를 코팅하여 사용하게 된다.

태양전지용으로 사용되는 FTO 투명 전도막(160)은 고온에서 형성하기 때문에 특수 필름이 요구되어 폴리이미드(PI)(120)계 필름을 사용한다. 폴리이미드(120)는 계면물성이 우수하여 특별한 세라믹(130)계 계면형성 코팅을 하지 않아도 된다. 폴리이미드(120) 기재는 350℃ 이상에서도 견디는 고 내구성 소재이지만 그 소재 자체의 반 투명성으로 인해 투명 전도막 물질을 코팅하여도 전체적인 투명성이 확보되지 않아 태양전지용 이외에 디스플레이용으로 적용하기에는 어려움이 있다. 또한, 300℃에서 분해되므로 반투명 폴리이미드(120) 기재에 비하여 열에 대한 물성이 떨어져 350℃ 이상의 고온에서 수행되는 FTO 코팅공정을 적용할 수 없는 문제점이 있다.

유기EL에서 요구되는 투명전극의 특성은 전압구동형인 LCD(Liquid Crystal Display)와는 다르다. 즉, 전기저항은 LCD중 가장 낮은 전기저항인 3~5 2/sq 정도의 값을 가져야 하며，동시에 투과율은 최소85%수준이 유지되어야 하면서도，표면의 거칠기(roughness)가 Rp~v(Peak to Valley)값 기준으로 현재의 30nm수준인 LCD용대 비 20%수준인 10nm 이하로 낮아져야 한다.

금속 산화물 중 In 산화물인 In₂O₃(Indium Oxide)와 Sn의 산화물인 SnO₂(Tin Oxide)가 중량 기준 74% In(인듐), 18% O(산소), 8% Sn(주석)으로 구성된 전극재료인 ITO(Indium tin oxide)를 사용해 저저항의 투명전극을 구현하려면 5,000A 이상의 두꺼운 막을 형성해야 하므로 재료원가의 상승과 간섭효과에 의한 광투과율의 감소로 인해 실제 적용이 불가능하다.

또한, 설계 등 다른 부분에서 어느 정도 전기저항이 보완된다고 하더라도 중요한 것은 표면의 평탄도(Roughness)이다. ITO의 증착 시에는 여러 요인에 의한 표면의 거칠기가 형성되어 표시할 수 있는 돌출부는 전하집적의 원인이 될 뿐만 아니라 유기층을 관통하여 누설전류의 원인이 된다. 그리고 화면부가 점상으로 보이는 등 유기EL특성에 악영향을 준다. 이러한 문제에 대한 대책으로 평탄한 박막을 유지하기 위하여 첫째，기존의 ITO표면을 화학적/물리적 방법으로 연마하여 유리기판이나 실리콘 웨이퍼의 연마와는 달리 거칠기를 확보한다. 그러나, 이 방법은 표면의 거칠기를 관리할 수 있으나 표면 연마 후 ITO의 막두께가 변하는데 1매 내의 불균일한 조건에 의하여 ITO박막의 칼라의 편차가 발생한다. 둘째，ITO 대신 ZnO를 투명전극재료로 사용하면, ZnO는 비저항이 높고 패터닝을 위한 에칭기술이 쉽지 않다. 세째는 증착방식을 스파트링에서 이온 플레이팅을 적용하면 설비의 변경에 따른 세밀한 사전연구가 필요하다.

본 발명에서는 현재 표시장치분야에서 태양전지 등에 일반적으로 사용되는 FTO를 이용하여 변화를 최소화하기로 하였다. 그리고, 평탄도는 SiO2등의 세라믹 층, 전기적 특성은 Ag를 이용하여 보완하고, FTO 투명 전도막의 투명하고 전기가 통하면서 기타 투명 전도막들과 차별화되는 고온 내열성(약 500℃)과 뛰어난 내화학성 및 내부식성을 이용한다.

본 발명에서는 전기전도성을 극대화하기 위해 비저항이 가장 낮은 금속을 사용하고 그 주위로 금속반사광을 재반사시키는 산화물층을 형성시킨 산화물, 금속,산화물층으로 된 샌드위치 구조를 이용하여, 전기전도 특성이 우수한 다층막을 제작한다. 표시소자에 사용할 수 있는 충분한 투과율을 지닌 다층구조의 투명도전막을 제조하기 위해, 금속물질로는 전기전도도가 뛰어나고 가시광 홉수가 적은 Ag를 사용하고，반사 방지층 산화물막으로는 ITO를 사용하였다.

특히 ITO 박막(150)은 낮은 비저항을 가지면서 가시광 영역에서의 높은 투과특성을 보여줄 뿐 아니라 성막 시 조건의 제어로 표면 평탄도 특성이 우수하고 굴절율도 높은 반사 방지층으로 가시광 영역의 반사광을 재반사시키는 최적의 두께인 20nm로 기판온도 200℃ 이하에서 스퍼터링 가스로는 아르곤 가스를 사용하여 할로겐 램프로 증착속도 0.2nm/sec의 속도로 증착하는 것이다.

Ag는 충분한 투과율을 보장하기 위해 아주 얇게 증착된 금속막으로 하고, 다층막에서 대부분의 전기전도는 Ag 금속층을 통하여 이루어지므로 평행하고 완전한 연속된 구조를 이룬다. 샌드위치 구조에서 상부의 산화물층은 금속층의 보호와 아울러 광학적으로는 반사억제 코팅 막(antireflection layer)의 역할을 하여 투광도를 증진시킨다. 하부의 코팅막도 샌드위치 구조 전체에서 평탄도를 결정하게 되는 중요한 작용을 하게 될 뿐만 아니라，기판물질의 확산을 막으며, 금속의 초기 핵생성에 영향을 주는 핵생성 조절층(nucleation modification layer)의 기능을 한다.

특히 하부층의 표면거칠기는 상부에 증착될 Ag 금속도전막(140)의 배향성에 영향을 미치고，또한 그것은 상부 ITO 박막(150)까지 연결되어 전체적인 거칠기가 결정이 된다. Ag 금속도전막(140)은 ITO 박막(150)의 전기적인 특성, 즉 비저항이 높은 것을 보완하기 위한 막이다. 그리고 Ag는 순수Ag와 Ag합금타겟을 모두 포함한다. 여기서, Ag 금속도전막(140)은 은(Ag), 구리(Cu), 크롬(Cr)을 포함하는 것으로 스퍼터링(Sputtering) 또는 전자빔(Electron Beam)방식으로 형성되는 것으로 초기진공이 5×10^-6Torr 까지 도달한 후 아르곤 가스를 주입하고 기판온도가 안정화되면 증착하고 Ag 금속도전막(140)의 두께는 0~30nm인 것이다.

또한, 다층 박막의 투명 열절연막으로 최적의 광학적 성질을 얻고, 열화를 방지하고 Ag의 응집 확산을 방지하기 위하여 Ag와 산화물층 사이에 Ti를 확산 방지막으로 사용하고, 고온의 플라즈마에 의한 Ag층이 국부적으로 가열되거나 산소 분위기에서 Ag의 확산계수 증가로 인한 Ag의 확산과 산화를 방지하기 위하여 Sn 산화 방지막을 사용하여 Ar 이온으로 조사한다.

광학적 특성의 개선을 위한 상부 FTO 투명 전도막(160)은 가시영역의 빛의 투과도를 5%이상 상승시킨다.

본 발명의 유리(110) 및 폴리이미드(120) 기재에 SiO2, TiO2 등의 세라믹(130)막은 SiO2 또는 TiO2로 구성되고 50~150nm 두께로 된 것으로 가시광선 투과율이 5% 이상 향상되는 효과가 있다.

첫 번째로 폴리이미드(120) 기재는 제조하는 공정 중에 표면이 거칠어지고 기공이 형성되어, 그 위에 세라믹(130) 코팅을 하여 기공 및 표면 거칠기를(Roughness) 제거하여 투과율이 상승하여 평탄화 효과가 발생한다.

두 번째로 기재의 광 굴절율을 변화시켜 투과율을 향상시킨다.

또한, 본 발명은 금속막과 버퍼막(170)을 이용하여 FTO의 전기저항을 낮추었다.

본 발명은 위와 같은 기계적, 전기적, 광학적 원리를 이용하여 폴리이미드(120) 기재의 가시광선 투과율 향상 방법, 전기전도도를 향상하는 방법, 유리(110), 폴리이미드(120), 세라믹(130), Ag 금속도전막(140), FTO 투명 전도막(160)으로 된 고평탄 저저항 투명전극 및 제조방법을 제공한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 유리
120: 폴리이미드
130: 세라믹
140: Ag 금속도전막
150: ITO 박막
160: FTO 투명 전도막
170; 버퍼막

Claims (2)

1. 유리 및 폴리이미드 기재를 준비하는 단계;
   상기 유리 및 폴리이미드 기재 위에 50~150nm 두께로 세라믹막을 형성하는 단계;
   상기 세라믹막 위에 Ag 금속도전막을 형성하는 단계;
   상기 Ag 금속도전막 위에 ITO 박막을 형성하는 단계;
   상기 ITO 박막 위에 FTO 투명 전도막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고평탄 저저항 투명전극 제조방법
2. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹막은 SiO2 또는 TiO2로 구성된 것을 특징으로 하는 고평탄 저저항 투명전극 제조방법
   

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