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- 빈우 장
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1 디스플레이용고내열성광학필름기술 개발에관한연구 ( 최종보고서) 주관기관 : ( 주) 아이컴포넌트 위탁기관 : 한국과학기술원 인하대학교 산업자원부 -1-
2 제출문 산업자원부장관귀하 본보고서를 디스플레이용고내열성광학필름에관한기술개발 ( 개발기간 : ~ ) 과제의최종보고서로제출합니다 개발사업주관기관명 : ( 주) 아이컴포넌트 개발사업총괄( 관리) 책임자 : 김양국 연구원 : 김인선( 아이컴포넌트) : 곽순종( 한국과학기술원) : 김철희( 인하대학교) -2-
3 부품ㆍ소재기술개발사업보고서초록 관리번호 D00-A 과제명 디스플레이용고내열성광학필름개발 키워드 폴리에테르설폰/ 기체투과방지막/ 하이브리드코팅/PECVD/ 광학필름 개발목표및내용 1. 최종개발목표플라스틱디스플레이용고내열성광학필름의압출파일럿라인및공정확보와압출필름의 wet coagting 및 PECVD표면처리를이용한기체투과특성이확보된플라스틱기판의개발 2. 당해연도개발내용및결과 기존의광학필름은대부분용액캐스팅법을이용하여제조하였으나당사는용융 압출법에의한방법으로경쟁사제품대비동등이상의물성을갖는고내열성광 학필름개발에성공하였다. 용융압출법에의해생산된 PES는두께 100~500 μm, 두께편차 1% 이하, 표면평활도 5 nm 이하, retardation 8 nm, 빛투과율 88% 을 보였다. 또한유기- 무기하이브리드코팅법에서는내열성, 내스크래치, 투명성, 기체투과방지막특성이 bare 필름보다향상되었으며, HemamethyIdisiIoxane/ 산 소 를 PECVD 법에 의해 기체투과방지막 코팅을 한 결과 산소투과속도 0.5 cc/m 2 /day. 수증기투과속도 0.5 g/m 2 /day의플라스틱기판의개발에성공하였 다. 3. 기대효과( 기술적및경제적효과) 현재일본에전적으로의존해온플라스틱기판을국내에서처음개발하여수입 대체효과및국내의디스플레이관련회사, 연구소. 학계의플라스틱디스플레이 분야연구에기폭재가되었다. 4. 적용분야 LCD, OLED 등의플라스틱디스플레이의기관재료등의광학용. PCB 료, 절연 spacer. 반도체팩키징, FPC 보강판등의전기, 전자분야용 기판재 -3-
4 목 차 제 1 장. 플라스틱디스플레이 제 1 절. 디스플레이일반 제 2 절. 플라스틱디스플레이일반 제 2 장. 플라스틱기판 제 1 절. 플라스틱필름 1. PES 2. PEEK 3. 폴리아릴레이트(PAR) 4. 폴리카보네이트 5. 싸이클로올레핀공중합체제 2 절. 박막필름의용융압출법제 3 절. 기능성코팅 1. Wet Coating 2. Dry Coating 제 4 절. 기타플라스틱기판의재료 1. 투명전도막(ITO) 2. 기타재료 제 3 장. 기술개발의목표및내용 제 1 절. 기술개발의목표및중요성제 2 절. 개발내용및개발범위 제 4 장고내열성광학필름압출기술개발결과 제 1 절. 압출공정개요 1. 압출공정개요및가공공정 2. 압출공정흐름도 3. 압출공정개발현황 -4-
5 제 2 절. 필름의물성측정방법제 3 절. 결과및고찰 1. 열적성질 2. 기계적성질 3. 광학적성질 4. 표면평활도(Surface roughness) 5. 내화학성실험 6. 기타물성 7. PES 필름의기판으로서의특성평가제 4 절. 기대효과 제 5 장. Wet 코팅을이용한기능성코팅제개발기술결과 제 1 절. 기술개발개요 제 2 절. 연구방법 1. 시약및기기 2. Sol-gel 반응이가능한 epoxy acrylate 제조 제 3 절. 결과및고찰 1. UA-EA 10 8:2, 6:4 2. UA-EA 05 8:2, 6:4 3. Sol-gel 반응이가능한 urethane acrylate의제조 4. Sol-gel 반응이가능한 f U. A. derivatives의대표적인제조방법 제 4 절. 요약및결론 재 6 장. PECVD를이용한기체투과방지막개발기술결과 제 1 절. 플라즈마처리에의한필름의기체투과도개선 1. 연구이론 2. 플라즈마처리에의한표면개질 3. 실험제 2 절. 기체투과방지막의안정성향상 1. 연구이론 2. Wet Coating 에의한버퍼층도입 3. Internal Stress에미치는요소 4. 실험 -5-
6 제 3 절. 기술개발결과및결론 1. 기술개발결과 2. 결론 제 7 장. 고분자진공코팅의기체투과방지막적용 제 1 절. Flash Evaporation 방법 제 2 절. 실험 제 3 절. 결과및고찰 제 4 절. 결론 제 8 장. 연구결과종합 -6-
7 제 1 장. 플라스틱디스플레이 제 1 절. 디스플레이일반 디스플레이 기술은 CRT(Cathode Ray Tube), LCD (Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Panel Display), LED(Light-Emitting Diode), LCOS(Liquid Crystal On Silicon), OLED(Organic LED Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display), EL(Electroluminescent), FED(Field Emission Display), MEMS(MicroelectromechanicaI Systems) 등으로나눌수있다. LCD의개발방향 은화면의대면적화에따른수율및넓은시야각, contrast 나색, 밝기등의선명한 이미지경량화, 박형화, 저소비전력, 동영상을볼수있는빠른반응시간, 제조가격 의절감, 넓은온도의사용범위및내충격성등이 대두되고있는부분이다. PDP 의경우대면적의디스플레이에많이적용되고있으나놓은원자재가격, 높은 소비전력, 광원의효율, 대면적기판사용에따른느린공정, 낮은수율등의단점으 로시장개척에한계성을보이고있다. FED는 CRT와 LCD의장점을지닌디스플레이며 CRT 의넓은시야각, 빠른응답성, 칼라구현, 내구성의장점과 LCD 의경량, 박형, 저소비전력등의장점을 가지고있 으나대면적의디스플레이에는적합하지않다. 1) B. Pinnel, Display Technology Overview, Tutorials and Technical Information, USDC,
8 OLED는제조공정및디스플레이성능을볼때 LCD 보다는경쟁력이있다. 플라스 틱기판의몇가지단점을극복하지않고서도낮은온도에서의증착및패턴공정성 이 용이하여 LCD 보다는 높은 성능 및 전색 구동이 가능하다. 유기 EL(OLED:Organic Electro Luminescence Display) 이란얇은유리기판에적ㆍ녹ㆍ 청색등의빛을내는유기화합물로전류를이용, 문자와영상을표시하는장치로 고효율ㆍ고선명ㆍ고시야각( 角 ) 이가능하다. 또 LCD( 액정표시장치) 와달리자체발광 소자이므로 BLU(Back Light Unit), 컬러필터등이필요없어부품수가적고구조가 단순해얇고가벼우며저가로제작할수있다. 따라서기존 LCD에비해소비전력 은절반정도, 두께는 3분의 1정도로줄이면서도응답속도는 1000 배이상빠르다. LCD 는일반적으로얇은도전막을코팅한두장의유리기판사이에수 μm ~ 수십 μm 두께의액정층을만들어외부에서구동 IC를통하여전기장을인가함으로써액 정분자들의배열을제어할수있도록구성되어있다. 액정분자의배열상태는전기 장을인가했을때는전기장에나란하거나수직방향으로재배열되며, 전기장을제 거하거나약하게하면도전막위에얇게입힌배향층에의해다시원래상태로되 돌아가게된다. 이러한액정분자의배열상태는 LCD의종류에따라메모리상태 를갖는경우가있으며 FLCD, AFLCD, PSCT, Multi-high pretilted Nematic ECB, PDFLCD 등이있다. 또한액정분자의재배열방법은전기장을인가하는방법외에 도 LCD의필요부분에강력한빛을쪼이거나가열하여상변화를시키는 laser addressing 방법등이있다. 액정층에전기장을인가하는방법은크게분류하여 LCD 화소각기마다능동적으로 구동하는방법과수동적으로구동하는방법이있으며이는액정분자의반응속도, 이웃하는화소끼리의간섭현상(Cross-talk), contrast, 화면의깜박거림, 시야각, 대 화면화등 LCD 의표시특성과밀접한관계가있으며, 또한 LCD의가격과도관계 가있다. LCD는 CRT에서는 도달할 수 없는 compactness, 경량, 공간활용, 저소비전력, full-color 이미지, LSI(Large scale integrated circuit) 의장점을가지고있다. 이러 한장점때문에노트북, PDA, cell phone 등에널리사용되고있다. 또한 LCD 제조 회사들은고급제품에경량화및박형화를목적으로박막의유리기판으로가는경향 이있으며현재는 0.3 ~ 0.4 mm 두께의유리기판도사용되고있다. 그러나유리가 얇아질수록쉽게깨지기때문에공정상원재료가격의증가, 생산수출의감소로인 해제조원가가증가한다. 2) 이러한시대적흐름에따라경량화및박형화를목적으 로쉽게깨질수있는유리기판대신플라스틱기판을이용한평판디스플레이의연구 가진행되고있다. 2) J.-Y.Kim, D.Sohn, E.-R. Kim, Appl. Phys., A, 72, 699 (2001) -8-
9 제 2 절. 플라스틱디스플레이일반 플라스틱디스플레이는기존의유리기판대신플라스틱기판을사용하는것이다. 디스플레이에유리대신플라스틱을사용하면경량화(light weight), 박형화(thin), 내충격성(ruggedness), 휘어짐(conformability, counter-ability) 및연속공정이가능하여제조원가를낮출수있다. 이러한장점이있는반면에모든디스플레이가이같은특성을요구하는것은아니다. 3) 예를들면 cell phone의경우디스플레이의무게는전체 cell phone무게에비하여적으며디스플레이의두께는전체 cell phone의무게에크게영향을미치지않는다. 또한내충격성도중요한요소가아니다. 전체 cell phone의 1% 이하만디스플레이가깨지는것으로알려졌다. 그러나기존의 cell phone과는달리현재는 PDA 처럼다기능화, 디스플레이의대면적화가되면서플라스틱디스플레이의장점이요구되어지고있다. 전자책(e-book) 이나광고용디스플레이의경우경량화가요구되고, 입을수있거나몸에부착하는디스플레이의경우경량화, 내구성, 휘어짐이매우중요한요소가된다. 일본 Sharp사의휴대전화 5.5인치형 HVGA 모델( 플라스틱 STN) 의경우플라스틱기판(0.2 mm) 을쓰면 0.4mm의유리기판을사용한경우보다두께는 1/2, 중량은 1/3, 10 배의내수성및충격강도를갖는것으로알려졌다. 4) 단순매트릭스구동 LCD 에서의표시용량의증대는 TN형에서 STN형 LCD 로의전환을요구하고있다. STN형은 TN 형과비교하여셀갭(Cell gap) 의제어가어려우며요구되는정도는 TN의 7μm ±0.2~0.3μm인반면 STN의경우에는 6 μm±0.05~0.03μm의가공정밀도가요구되기때문에플라스틱필름기판을적용할경우표면평활도가매우중요한평가항목이된다. 5) 플라스틱디스플레이가적용될수있는분야는자동차, 카메라, 이동전화단말기, smart 라벨, 전자앨범, DVD, 전자책, 굽은스크린, 게임, 가전제품, HH PC, 전자종이, 산업용, PDA, smart card, 장남감등이다. 이러한분류는디스플레이사이즈, 해상도, 밝기, 시야각, 응답속도, 색깔, 소비전력등에의해세분화할수있다. 유리기판과비교하여플라스틱디스플레이의특징도중요하지만대량생산에의한가격경쟁력도플라스틱디스플레이의매우중요한장점이다. 3) M. Robert Pinnel, Ph. D., Can Flexible Display Break the Glass Stronghold?, USDC, ) M. Hijikigawa, FPD for a New Information Age, Conference Proceedings of 10 th Fineprocess Technology for FPD(Finetech Japan), July, ) K. Uehara, 月刊ヂスブレイ, 1, 8 月號 (2000) -9-
10 제 2 장. 플라스틱기판 유리기판과비교하여플라스틱기판이해결해야할과제는크게산소나수증기의기체투과방지, LCD 공정온도에적합한플라스틱의내열성, 공정온도의변화에따른낮은열팽창계수, 유리기판수준의빛투과율, 내마모성, ITO나 SiO 2 와의상용성, 굴절율및 retardation, 두께편차및표면평활도, 공정에사용되는용매나에칭액에대한내용재성의물성확보이다. Fig. 1. Scheme of plastic LCD and substrate. 플라스틱디스플레이에쓰이는재료들은플라스틱기판. 기체투과방지막, 투명전도 막, 유전체, sacrificial layer, 봉지제(encapsulant) 및실란트, 잉크가포함된다. 그 중에서도최고공정온도, 치수안정성, 내화학성, 투명성등이중요한요소이며 STN 형플라스틱 LCD 의기본적인모식도와플라스틱기판의층(layer) 구조를 Fig. 1에 나타내었다. 플라스틱기관이요구하는기본적인물성은높은광학적성질( 빛투과율, 낮은이방 성), 고온공정에서견딜수있는열적성질및치수안정성공정시재료취급이용이 한기계적강도및내충격성, 디스플레이의기능성을유지히기위한우수한기체투 과방지특성이다. 6) Table 1에 LCD의종류에따라요구되는기판의기본적인물성 을비교하여나타내었다. 6) S. Angiollnl and M.Acidano. SID 01 Digest, P.28 (2001) -10-
11 제 1 절. 플라스틱필름 Table 1. Specifications of Plastic Substrates for LCD LCD용플라스틱기판은편광판안쪽에위치하여사용되기때문에플라스틱디스플 레이에사용하는필름은광학이방성 (retardation) 이작고착색이없고, 가시광선투 과율이높고헤이즈가작아야한다. 또한, 액정의배향이균일하기위해서표면평활성이좋고이물이없어야한다. 현재 이같은요구되는특성중플라스틱기판재료로서사용가능한것은 Table 2와 3 에서와 같이 폴리카보네이트(Polycarbonate. PC), 폴리아릴레이트(Polyarylate. PAR), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone. PES), 환상비결정성폴리올레핀(Cyclic Amorphous Olefin Copolymer. COC) 등의비결정의열가소성수지필름이다. 7) 高薄一弘, プラスチッLCD の材料技術と저온( 低溫 ) クプロセス, 技術情報協會,
12 Table 2. Characteristics of Optical Applicable Plastic Films 문헌에나타난플라스틱디스플레이의재료별내열도및장단점을살펴보면다음과같다. 플라스틱디스플레이에쓰이는플라스틱은우수한광학적성질과함께고온공정에서견딜수있는내열성플라스틱이요구된다. 이를만족시킬수있는고분자는엔지니어링플라스틱이있다. 투명성과함께내열성이있는엔지니어링플라스틱은크게무정형열가소성수지와결정성열가소성수지로나눌수있다. -12-
13 무정형열가소성고분자는첫번째로 Table 4 에나타낸설폰계열(sulfone based polymers) 고분자이며폴리에테르설폰(PES), 폴리아릴설폰(PAS) 등이있다. 특징은우수한열안정성, 내산화성, 높은온도에서의강직성, 높은 HDT, 높은 Tg, 우수한치수안정성및내creep 성, 우수한전기적성질( 유전강도및체적저항), 낮은유전율및 dissipation factor, Low flammability, 내산및내알카리성이우수하며가수분해에안정, 대부분의무기화학약품, 오일, 그리이스, 포화탄화수소, 가솔린의안정성등을특징으로한다. 두번째는 Table 5 의이미드계열(Imide-Based) 의고분자이며대표적인예가폴리이미드(PI) 이며우수한열안정성을특징으로한다. 셋째는 Table 6 에나타낸무정형방향족폴리에스터계열의폴리아릴레이트(PAR) 가있으며 PC와 PSU 의중간물성, 넓은온도에서의기계적성질및충격강도우수, Flexural recovery 우수, 우수한전기적성질, 치수안전성, 낮은흡수율, 낮은몰드수축율, 우수한연소성을들수있다. 결정성고분자는케톤류(Ketone-based) 의폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤(PEK), 폴리케톤(PK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 등과폴리페닐렌설피드 (PPS) 등이있으며특징은 Tg 의변화에덜민감하며, 가공온도는 Tm이상이어서용융점도가낮다. 무정형고분자에비해내용제성이우수하다. 반면에결정성이기때문에몰드수축율이크다. -13-
14 Table 3. Example of flexible substrates materials and their characteristics relevant to use in FPD 8) Max Process Temperature Material Characteristics 900 Steel Opaque, Moderate CTE. chemical resistance, poor surface finish 275 PI (Kapton) Orange color, high CTE, good chemical resistance, high moisture absorption, expensive 250 PEEK 230 PES Amber color, good chemical resistance, low moisture absorption, expensive Clear, good dimensional stability, poor solvent resistance, moderate moisture absorption, expensive 200 PEI Strong, brittle, hazy/colored, expensive 150 PEN 120 PET Clear, moderate CTE, good chemical resistance, moderate moisture absorption, inexpensive Clear, moderate CTE, good chemical resistance, moderate moisture absorption, lowest cost 8) D. Toet, T. Sasagawa, S. Ram, P.M.Smith, P.G.Carey, and P. Wickboldt, MRS 2002 Spring Meeting,
15 Table 4. Properties of Sulfone-based Polymers -15-
16 Table 5. Properties of Imide-based Polymers -16-
17 Table 6. Properties of Polyarylate -17-
18 다음에서는현재플라스틱디스플레이에응용이가능한후보물질로연구가진행중인내열성플라스틱에대하여구체적으로설명하고자한다. 1. PES 폴리에테르술폰(PES) 는 Scheme 1의 화학구조를 가지며 내creep 성, 내열수성16 0 ), 치수안정성이우수한비결정성내열엔지니어링플라스틱이며영국 ICI 사, 미 국 3M 사, 미국 UCC사가 1972 년경동시에개발하였다. 3M사는공업화를단념하고 UCC 사는폴리설폰, 폴리아릴설폰의공업화로성공했으며그후사업을 APPI사에 매각하였다. ICI가사업에서손을뗀후일본의 Sumitomo Bakelite가 ICI에서라이 센스를얻어 1994년 Sumikaexcel 이라는상표로제품화하였다. Scheme 1. Structure of poly(ether sulfone) 현재 PES는 Sumitomo외에 BASF, Amoco 의양사가생산하고있다. PES의생산공급은 Sumitomo에서 1,000 ton/yr. BASF ton/yr, Amoco 8,500 ton/yr 플렌트를가지고있다. 또한 BASF는 PES를 Amoco는 PSU 를주생산품으로하고있다. 1996년수요량을보면미국이약 2,000 ton, 유럽이 1,000 ton, 한국을포함한동남아시아에서 600 ton, 일본에서 600 ton 으로추정된다. 전자전기부품 OA사무기기, 열수부품, 공업부품, IC 트레이, 도료, 막, 항공기용에폭시/ 탄소섬유컴파운드, LCD 기판등에사용된다. 9) 10) 2. PEEK PEEK는 Scheme 2 의화학구조를가지며내피로성, 내열수성(200 ). 난연성, 내방 사선성이우수한결정성초내열엔지니어링플라스틱으로서영국 ICI사가 1980년에 개발하였다. 그후 PEEK 재조판매사업을 Victrex 사가인수하였다. 생산능력은약 1000 ton/yr 이며, 1996년수요량을볼때미국이 350 ton, 유럽 250 ton, 일본 100 ton 으로추정하고있으며전선피복, OA 사무용기기, 공업부품중심으로사용되 고있으며최근에는반도체제조용, LCD 제조용캐리어, 자동차부품용으로수요가 증대하고있다. 9) K. Asai, プラスチッス, 48, 118(1997) 10) Y. Mori, プラスチッス, 46, 119(1995) -18-
19 Scheme 2. Structure of poly(ether ether ketone) 3. 폴리아릴레이트(PAR) PAR은 Scheme 3 의화학구조를가지며기본적인비결정성열가소성수지로내열성, 난연성, 내충격강도, 내약품성이뛰어난투명수지이다. 강화재가필요없을정도의고내충격성 (HDT=175 ), 난연재의첨가가필요없는난연성, 탄성등뛰어난특성을가지고있어전기전자분야를중심으로정밀기계부품, 자동차부품등주로공업용소재로사용되고있으며내열 Bottle 용으로수요가점차늘어가고있다. 유리전이온도가 193 로매우높으며물성의온도의존도가낮다. 성형한경우치수안정성도매우양호하다. 인장항복점의신장율이비교적크기때문에변화에대한회복성및내충격성이뛰어나다. 그러나강산및알칼리에는내성이약하다. 융점, 유리전이점이높은결정성의폴리머이지만깨지기쉬운단점이있다. Scheme 3. Structure of polyarylate 용융중축합법및계면중합법애의해제조되며용융중축합법은디카르본산과비세페놀을고온용융상태에서반응시키는것이다. 일반적으로비스페놀과칼본산또는비스페놀과디카르본산의페닐에스테르를반응시키는방법이사용되고있다. 그러나어느정도이상의중합도에도달하면초산또는페놀이이탈하여이를제거하는제조기술상의문제점이있다. 계면중합법은디카르본산디클라이드와비스페놀을서로상용하지않은 2종의용제에용해시킨후, 알카리존재하에 2 액을혼합교반해서, 그계면에서축합반응을시키는방법이다. 계면중합은실온에가까운온도에서만중합이가능하며고중합도의폴리머를얻기가쉽다. 그러나기술적으로중합도의조정과부산물로얻어지는금속염화물의분리가문제이다. -19-
20 4 폴리카보네이트 Scheme 4의화학구조를갖는 PC는 1950년초반에 Bayer의 H. Schnell에의해공 업적인연구가시작되었으며, 미국의 General Electric 사, Union Carbide, Allied Chemical, Eastman Kodak. 구소련의 O.V.Smrnova와 G.S.Kolesnkov등에의하여합성법이 개발되었다. 200여종이넘는폴리카보네이트합성법중 Bisphenol A를사용하여 중합하는방법이윈가와성능의경제성면에서가장우수한것으로판명되어공업 적생산에이용되고있으며 1959년독일의 Bayer사에서 Markrolon이라는상품명으 로최초로양산상품화였다. 1960년에미국의 GE(Lexan), Mobay(Merlon), 일본 데이진(Panlite), 이데미쓰(Taflon) 등이연이어양산에성공제품화하였으며미쓰비 시 가스화학(lupilon) 도 1961 년에 생산을 개시 하였고, 1975년 미쯔비시화학 (Novarex), 1970년대후반에이르러이탈리아의 Anic 사가신벳, 1985년 Dow가 Calibre 로상업생산을시작하였다. (a) General polycarbonate (b) High temperature polycarbonate(htpc) Scheme 4. Structures of polycarbonates 범용엔지니어링플라스틱중유일하게투명성을지니며내충격성, 내열성, 타수지와의상용성등의우수한특성을가지고있어전기전자분야, 광학기기분야, 자동차분야, 건축분야, 의료분야, 식품용기및기타생활소재등광범위한분야에사용되고있다. 최근에는내열성이매우우수한고온용 PC 가시험생산중에있다. -20-
21 5. 싸이클로올레핀공중합체 COC 는최근에각광받고있는수지이며투명도, 밀도, HDT, 전기적성질이우수하다. 또한인장시파단점에서의낮은연신율, 강직성, 좋은표면경도등이있다. 또높은순도와우수한수증기투과방지성, 낮은수분흡수율을가지며압출, 사출, 블로우몰딩에서변형이적다. 내산내염기성을가지지만불포화탄화수소계용매에약한단점을기지고있다. 문헌에나타난 COC는 1950년경이었으며상업화에성공한것은지글라나타촉매가개발된 1980 년대이다. 11) COC는 Ticona, Mitsui Chemical Industries, Nippon Zeon 에서생산된다. Ticona 와 Mitsui는 dicyclopentadiene (DCPD) 와에틸렌유도체의공중합으로만들지만첨가되는촉매와공중합단량체가다르다. Nippon Zeon의경우에는 DCPO를사용하여다른용매와공중합단량체를이용하여합성된다. Scheme 5. Structure of cycloolefin copolymers 11) D. McNally, Modern Plastics 2001 World Encyclopedia, p. B-8-21-
22 제 2 절. 박막필름의응용압출법 용융압출법은현재필름, 쉬트, 파이프, 봉등의연속적인제품을생산할때많이 사용되는방법이다. 12) 용융압출(Melt extrusion) 은열가소성수지를압출기에서유리전이온도이상의온도 나용융온도이상의온도에서충분히용융시킨후롤접촉을통해연속적인형태( 필 름, 쉬트, 봉등) 로냉각안정화시킨후원하는길이나폭으로제품을연속적으로가 공하는것이다. 블로우성형과는달리투명성, 광택, 결정성, 강직성, 두께편차등이 좋다. 평탄한필름생산에서보통 single-screw 압출기가사용되며압출기디자인시혼화 성, 온도균일성, 압력의일관성등이주요고려항목이다. 압출기는보통바렐의길 이가 27D~33D이며높은회전속도에서도균일한 output 을제공한다. 보통칼렌더링의롤스텍(roll-stack) 과일반쉬트압출라인과가장구별되는것은 롤의수와배열, 롤의길이및지름비, 가해주는압력, 온도조절, 롤베어링, 롤축의 움직임등이다. Polishing stack 은롤조건( 온도, 압력, 머무는시간, 롤간의회전속도등) 인자에 의해생산된제품의품질에영향을미친다. 특히내열성고분자압출공정은배럴온도는 450 까지올릴수있어야하고고 정온도는 ±2 C 내에서유지되어야한다. 그러므로캐스트알루미늄히터는적절하 지못하며반드시고열합금이나세라믹히터로교체되어야한다. 실린더히터는 고르게온도가전달될수있도록노출된금속표면전체에열을가해야한다. 직접 적으로열이가해지지않는부위는 응고점 의형성을막기위해고온절연체로보 강해야한다. 박막필름의제조의연속공정의발전은 19세기말사진산업의출연으로부터시작되었 다. 13) 그당시에는공업적인필름형성기술이없었으며고분자과학또한걸음마단 계였다. 용매캐스팅법은 크게 두가지 기술로 발전되어왔는데 휠(wheel) 이나 큰 drum 에캐스팅하는방법과연속의금속벨트에캐스팅하는방법이있다. 그두가 지는현재연속으로움직이는플라스틱필름에캐스팅하는오늘날의방법까지여러 가지가있다. 열가소성고분자필름의생산압출공정의발전은용매캐스팅법의중 요성을감소시켰다. 오늘날용매캐스팅법은특수한시장이나광학용과같은높은 수준의필름을제조하는특별한제조방법이다. 12) F. Hensen, "Plastics Extrusion Technology", Hanser Publishers, New York )U.Siemann,L.Borla,DRS/Bö,Feb.19(2001) -22-
23 용매케스팅법의장점은 1) 균일한두께분포 2) 이물, 겔등의 defect 이적으며, 높은광학적순도및우수한빛투과율, 낮은헤 이즈 3) 등방향의분자배향, 낮은 retardation, 우수한표면평탄도 4) 표면의구조쉽게조절가능 : gloss matt structure 5) 열이나기계적으로민감한재료에용이 6) 높은용융온도나녹지않는성질의재료에도적용가능 7) 다층의적층구조도가능하다. 8) 기타첨가제나기능성물질을많이첨가가능 9) 낮은열수축 단점은 1) 낮은확산계수로인해두께가 200 마이크론이상두께제품은제조가어렵다. 2) 높은제조비 3) 높은에너지소비 제 3 절. 기능성코팅 플라스틱필름의경우자체적으로기체투과방지성및내용재성이불충분하다. 기체투과방지성이없는경우 LCD내에수분이나공기가침투해기포를발생시켜표시성능이나빠지므로통상적으로코팅방법을통해기채투과방지특성을부여한다. 또한투명전도막의패턴가공에산, 알카리가사용되며배향막인쇄가공시배향재료의용제인 NMP와 γ-butyrolactone 등과세정공정에서각종세정제를사용하기때문에기체투과방지막층과플라스틱기판을약품으로부터보호하기위하여내용제층을도입한다. 내용제층의재료로는자와선경화형이나열경화형코팅제를사용한다. 코팅재료선택시내용제성및배향재료와의친화성, 실링제와의접착성편광판점착제와의친화성등이필수적으로고려되어야한다. 기체투과방지층과내용제층을통상코팅방법으로플라스틱기판에도입하며플라스틱기판의표면평활성을훼손시키지않아야하며, 기체투과방지층, 내용제층을형성할때흡습성, 열수축성등이작은재료를사용해야한다. 플라스틱기판의흡습량변화와온도변화는필름기재의치수변화를초래하며 LCD조립공정에서는세정과가열건조가수반되며필름기판의치수변화의판리가매우중요하다. OLED의경우수분이나산소에의해유기 EL 재료들이쉽게분해가일어난다. 이러한기능성코팅막을도입하는방법은크게코팅주제가용매에녹아있는 wet 코팅방법과용매없이기재표면에직접올리는 dry 코팅방법이있다. -23-
24 현재는내용제성이나표면경도를향상시키는목적으로으며기체투과방지막은 dry 코팅이주로이용된다. wet코팅이주로이용되고있 1. Wet Coating 내용재성및표면경향상목적으로실시하는하드코팅은 UV경화방식을주로사용한다. 이방법은경화시가열이필요없으므로내열성이약한플라스틱기재의코팅재료로서널리사용되고있다. 하드코팅제는플라스틱기재의표변보호관점에서높은강성과경도, 우수한내마모성이요구된다. 종래의 UV경화형유기하드코팅제는가교및경화반응시코팅제자체의수축이발생하는경화수축으로기재에밀착성이떨어지며기재자체에응력이남게된다. 특히광학용에사용되는박막필름기재의경우경화수축으로변형이발생하여기재의광학특성에악영향을기치게된다. 이에비해폴리실록산이대표적인열경화형무기계재료는유기재료와는달리강성, 경도, 내마모성, 내후성이유리한코팅제이다. 무기계코팅재제조시주로솔-겔반응이이용되며, 금속알콕사이드를가수분해, 중축합함으로써메탈옥산올리고마를경유하여비교적저온의가교및경화가진행되어박막코팅층을형성하는방법이실용화되었다. 그러나 100 C 근처의가열프로세스를필요로하며중축합반응시유기관능기가떨어져나가는축합반응이발생하여후막화는곤란한단점이있다. 본연구애서는이러한단점을보완하기위해유기계하드코팅제와무기계하드코팅제의단점을보완한 UV 경화형유기/ 무기하이드브리드형코팅제를제안하였다. 그러나유기성분과무기성분은통상상호용해성이큰차이때문에분자레벨에서의상용성을얻기란힘들다. 이를보완하기위해무기계고분자의측쇄에반응성유기계를도입함으로써나노입자크기로서유기용매에분산이잘되게만들었다. 이로써상용성을제어하며경도, 강도의물성을제어하고도막경도가높고내마찰성이높으며높은투명성이얻어지게된다. 기능성코팅제로서 Anchor layer, Under layer 의요구물성은다음과같다. 1) 플라스틱필름의유기층과기체투과방지막의무기층간의접착성 2) 우수한광학적성질( 투명성, 헤이즈, yellow index) 및기체투과방지막기능(O 2, H 2 O) 3) 공정상접할수있는용제및 etchant에대한내용제성 4) 우수한내스크래치성및표면경도 -24-
25 일본의 Sumitomo 사와 Teijin의특허에층간접착력향상을위해 Sol-Gel 방법을사용하는데 Sol-Gel 방법이란금속의유기또는무기화합물을용액으로하여용액중에서화합물의가수분해와중축합반응을진행시켜 Sol을 Gel 로고화하고, 또이 Gel 을가열하여산화물고체를제조하는방법이다. 이콜로이드를합성하기위한전구체는금속이나준금속원소들이다양한반응성배위체(reactive ligands) 로둘러쌓인물질로구성되어있다. 금속알콕사이드들이가장많이사용되는데, 이는이들물질들이물과쉽게반응하기때문이다. 가장널리이용되었던금속알콕사이드는 alkoxysilane, 즉 tetramethoxysilane (TMOS) 와 tetraethoxysilane (TEOS) 이다. 그러나최근에는고온초전도체나강유전체물질의합성을위해다양한종류의금속알콕사이드들이졸- 겔과정에많이이용된다. 이경우에는물질의화학량론 (stoichiometry) 을맞추기위해 2종류이상의금속알콕사이드들을혼합하여반응시킨졸을만들게된다. 졸-겔과정은일반적으로 3 가지의반응으로구분하여기술한다. 즉, 가수분해 (hydrolysis), 알콜응축(condensation), 물응축의과정이다. 이러한일반적인반응과정을 Scheme 6 에나타내었다. 여기서 M 은금속원소를나타낸다. 그러나특별한졸-겔무기질망상조직의특성과성질은다양한요소들과연관되어있는데, 이들요소들은가수분해및응축반응율에영향을준다. 이들반응에영향을주는요소들은 ph. 온도와시간, 시약의농도, 촉매의성질과농도, H 2 O/ 금속원소몰비(R), 숙성온도와시간, 건조등을들수있다. 여기서언급한것들중에서 ph, 촉매의성질과농도, 물의상대적몰비(R), 그리고온도가가장중요한것으로밝혀져있다. 따라서이러한요소들을제어함으로써졸-겔무기질망상조직의구조와성질들을넓은범위에걸쳐변화시킬수있다. 예를들면 TEOS 를가수분해할때, R의값을 1-2 로하고, 0.01 M의 HCl을촉매로넣으면점성이있는용액이된다는것이다. 더욱이이용액은점성이농도에따라상당히민감한것으로밝혀져있다. -25-
26 Overview of the sol-gel process Fig. 2. Overview of Sol-Gel Process Scheme 6. Sol-Gel process의일반적인 3 가지반응과정. -26-
27 일반적으로말하면가수분해과정은물을첨가함으로써이루어지는데, 알콕사이드그룹(OR) 을 hydroxyl groups (OH) 으로치환하는과정이다. 이어지는응축과정은 M-OH 그룹들이 M-O-M 결합을만들면서부산물로물과알코올을만드는과정이다. 대부분의조건하에서는응축과정은가수분해과정이끝나기전에시작된다. 그러나 ph나 H 2 O/ 금속원소몰비(R), 그리고촉매에의해응축이시작되기전에가수분해과정이끝나도록조건을맞출수있다. 이에덧붙여물은알콕사이드와섞이지않기때문에이들을둘다용해시킬수있는알코올과같은용매를쓴다. 이렇게용액을균일하게하는알코올과같은물질이있을경우에는물과알콕사이드가서로섞여가수분해가일어난다. M-O-M 결합의수가증가하면각각의분자들은브리지를형성하여졸내에서응집하게된다. 이졸입자가응집하거나서로엉켜망상구조를이루면젤이형성된다. 겔을건조하면망상구조에갇혀있던물이나알코올이빠져나오면서망상구조가쭈그러들게되어응축과정이더욱더진행되기쉽게된다. 그러나여기서강조할것은용매를더첨가하여어떤반응조건이되면역반응식에의해에스테르화반응과해중합반응(depolymerization) 이일어난다는사실이다. 따라서 sol-gel process 를정리하면, sol-gel 중합과정은 3 단계로일어난다. 1) 중합과정에의한입자의형성(Polymerization of monomers to form particles) 2) 입자의성장(Growthofparticles) 3) 망상구조의형성(Linking of particles into chains, then networks that extend throughout the liquid medium, thickening into a gel) 2. Dry Coating 플라스틱필름위의박막형성기술은 CVD(Chemical Vapor Deposition) 와 PVD(Physical Vapor Deposition) 가있다. 14)15)16)17)18)19)20)21)22)23) 14) K. Kanehori and K. Matsumoto, Solid State Ionics, 9, 1445 (1983) 15) W. H. S. Chang and D. M. Schleich, J. Electrochem Soc., 141, 1418 (1994) 16) S. R. Narynan, D. H. Shen and S. Surampudi, J. Electrochem Soc., 140, 449 (1993) 17) D. W. Murphy, F. A. Trumbore and J. N. Carides, J. Electrochem Soc., 124, 1854 (1997) 18) S. Kikawa., Metals. Technol., 12, 33 (1985) 19) F. W. Danpier, J. Electrochem Soc., 129, 1861 (1982) 20) G. Pistoia. J. Electrochem Soc., 121, 636 (1974) 21) A. Hooper, Mat. Res. Bull., 14, 1617 (1979) 22) H. Wade, Mat. Res., 18, 189 (1983) 23)D.SatasandA.A.Tracton,"CoatingsTechnologyHandbook",MarcelDekker, Inc., New York,
28 가. CVD CVD( 화학기상증착법) 에 의한 박막 형성은 PVD법에 비하여 고속입자의 여기 (excited state) 가적기때문에기판표면의손상이적은이점이있으므로플라스틱의박막형성기술에주목되고있다. CVD( 화학기상증착) 법은기체상태의화합물을가열된기재(substrate) 표면에서반응시키고생성물을기재표면에증착시키는방법이다. CVD는현재상업적으로이용되는박막제조기술로가장많이활용되고있다. 그이유는 CVD가높은반응온도, 복잡한반응경로(mechanism), 위험한기체사용이라는단점에도불구하고여러가지장점들을가지고있기때문이다. CVD의장점은융점이높아서제조하기어려운재료를융점보다낮은온도에서용이하게제조할수있고, 순도가높고, 대량생산이가능하며비용이 PVD에비해적고다양한종류의원소및화합물의증착이가능하며공정조건의제어범위가매우넓다. CVD 의종류는다음과같다. 1) Thermal CVD : 기판을가열하므로서박막형성을행하며, 대기압하에서반응시킨상압 CVD와양산성및단계적용범위를향상시키기위해감압하에서막형성을행한감압 CVD 로대별한다. 2) Plasma CVD : RF glow discharge하에서전기에너지에의해반응을촉진시켜 박막형성을행하는데, 이과정에서는열을필요로하지않으므로저온화가가능하 다. 3) Optic CVD : 빛을조사하여광화학반응에의해박막형성을하며, 플라즈마법과 는달리반응과정중에고에너지의하전입자나전계가관여하지않으므로하지나 적층막에서의손상을고려하지않아도되며양호한막이형성된다. 4) MO-CVD : 유기금속화합물의열분해를이용한박막형성법으로성장층의조성, 특성의정밀제어가가능하다. 5) Laser CVD : 레이저 CVD법의장점은 1선택적인반응을진행 2화학반응공정 을임의로제어할수있다. 또한단점으로는모든파장을커버할수없기때문에 선택적으로일부재료에서만사용가능하다. 레이저 CVD법에의한막의특성은플 라즈마법과동등한수준이고성막속도는보통램프광을이용한광 CVD법보다는빠 르지만대면적화가곤란하여이것을고려한레이저광원이나장치구성개발이필요 하다. -28-
29 나. PVD 오래전부터박막형성에이용되어온방법으로서, 다른방법으로는할수없는저 온처리에의해서비교적간단히박막을얻을수있기때문에최근표면경화의한 수단으로주목을받고있다. PVD 법을크게분류하면 1 이온을이용하지않는진공증착(evaporation), 2 이온 을 이용하는 스퍼터링(sputtering), 이온플레이팅(ion plating), 이온주입(ion implantation), 이온빔믹싱(ion beam mixing) 등으로대별할수있다. 최근에이온이갖는에너지를효과적으로사용하여저온영역에서우수한피막을형 성할수있는것으로서, 이온플레이팅, 이온주입, 이온빔믹싱등의방법이주목을 받고있다. (1) 진공증착금속은진공중에서가열하면가스로서증발하는데, 이원리를응용한방법이진공증착법(evaporation) 이다. 이방법은 10-5 Torr 이하의고진공하에서이루어진다. 응용예로서는렌즈나거울등광학부품, 각종전자부품및플라스틱부품등에쓰이며 resistance heating, Induction heating, e-beam deposition, laser beam deposition, arc evaporation 등이있다. 최근에는 24) 여러가지기판위에중합이나가교가가능한아크릴레이트계열단량체(monomer) 를빠르게기화시켜(flash evaporation) 필름을형성하는진공웹코팅 (vacuum web coating) 법이연구되고있다. Flash evaporation(fe) 법의경우공업적으로유용하기위해서는높은증착속도가요구된다. FE법은단량체가미세한연무(mist) 의형태로분자단위로분산이되고이분산된 mist의액화를방지하기위해단량체의종류에따라 150~450 의온도범위에서순간적으로나마열분해, 중합이일어나지않고매우빠르게증발이일어나좁은슬릿을통과한후냉각된기판위에서응축하게된다. 이응축된층을 e-beam이나 UV 에의해중합이된다. Evaporator의경우고온에서사용하기때문에내부에서열중합이일어나효율을감소시키는경향이있다. 이를방지하기위하여내부에초음파를이용한 atomizer가필요하다. 이때생성된필름의경우평탄성이매우우수하며(ultra smooth) 공정상탈기공정에의하여핀홀이없이만들수있는장점이있다. 24) J. Affinito, 45 th Annual Technical Conference Preceedings of the Soc. Of Vacuum -29-
30 (2) 스퍼터링높은에너지를갖는입자가 target에충돌하면 target로부터원자또는분자가튀어 나오는현상을스퍼터링(sputtering) 이라고부른다. 이원리는 target 를 (-) 극, 기판 을 (+) 극으로하고 10-2 Torr 정도의아르곤분위기중에서고전압을걸어주면 (-) 극근처의아르곤가스는이온화해서 Ar + 로되어 (-) 극에충돌한다. 이이온충격에 의해서튀어나온분자또는원자가 (+) 극의기판에붙어서박막이형성되는것이 다. 스퍼터링의종류에는 DC sputtering, RF sputtering, ion-beam sputtering, bias sputtering, magnetron sputtering 등이있는데, 특히 magnetron sputtering은고 속스퍼터링방법으로서다방면에서주목받고있다. 스퍼터링의응용분야는반도체, 센서, 자기테이프등박막그자체의기능을이용한 분야및모재의성질중내마모성, 내식성, 내열성및장식성( 裝飾性 ) 등을향상시킬 목적으로이용되고있지만밀착성의문제때문에금형등으로의이용은불가능하다 고사료된다. (3) 이온플레이팅(ion plating) PVD 법중에서밀착성이가장우수하고수μm이상의경질피막이얻어질수있으므로공구나금형등으로의응용범위가급격히확대되고있다. 이온플레이팅법은진공용기내에서금속을증발시키고, 기판에 (-) 극을걸어주어이온화가촉진되게함으로써진공증착보다밀착력이우수한피막을얻는방법이다. 방전되는도중에는매우다양한입자가생성되며이온화효과를향상시키기위해서는이온화율( 기판에도달한증발입자중이온화된원자의비율) 을높이는것이필요하다. 진공용기내의압력을 ~ Torr 정도의 Ar가스분위기에서기판에는증발원및진공용기의벽( 접지전위) 에대해 -0.5~2kV 정도의 (-) 전압을걸어주면기판과주위의사이에서글로우방전이발생한다. 이때기판주위에는강한다크스페이스(dark space) 가생긴다. 이상태에서증발원으로부터금속( 또는화합물) 을증발시키면증발원자는글로우방전의플라즈마중에서전리되어이온화된다. 이온화된증발원자는가스이온과함께다크스페이스에서가속되어기판에충격입사하여피복된다. 이것이 Mattox 법으로서, 이온화율은 0.1~0.3% 정도에불과하다. 따라서다음과같이이온화율을증가시키는여러가지방법이제안되고있다. 1 기판(substrate) 근방에열음극을설치하여이것으로부터발생하는열전자를증발원자에충돌시켜이온화시키는다음극법 2 증발원바로위에고주파코일을설치하여고주파자계( 磁界 ) 로이온화를촉진하는고주파여기법 3 증발원의가속에고주파를사용하여누설자속( 磁束 ) 에의해이온화를촉진하는유도가열법 -30-
31 4 증발공간에증발원자와반응하기쉬운가스를도입하여화합물피복을하는반응 성증착법에 방전을 가해 화학양론적으로 좋은 화합물을 얻는 활성화반응증착법 (ARE 법) 5 증발원에밀폐형용기를사용하여가는노즐로부터수백개의원자및분자의괴 로서얻어진증발입자( 클러스터) 의일부를이온화하여기판에충돌시키는클러스터 법(cluster 법) 6 저전압대전류의특수전자총(HCD 전자총) 을사용하여플라즈마전자빔에의해 물질을증발시키면서동시에이온화하는 HCD 법(hollow cathode discharge 법). 7 증발물질의금속을음극타겟으로사용하여아크방전에의해냉각된금속을국 부적으로녹여동시에이온화하는아크방전법등이있다. Table 7은여러종류의박막재료형성방법에따른여러가지재료들의물성을나타낸것이다. Sputtering과 CVD의경우에는사용하는재료에크게의존하지만 evaporation의경우에는다양한박막재료에적용이가능하다는특징을가지고있다. Table 8 은박막형성기술에따른결과를요약한것이다. Table 7. Gas Barrier Layer Materials Calssification Metal Oxide Metal Materials Al 2 O 3 MgO SiO 2 Sio x Al Method Evaporatio n Sputtering CVD Layer Thickness(nm) 30~ ~100 40~80 50~70 Water Vapor Transmission Rate(g/m 2 /day) Color etc <3~4 <2 <1 <1 <1 Transpare Transpare Transpare Yellowis Opaqu nt nt nt h e Colorless Colorless Colorless Weak X=1.7~1 water.9 resistant -31-
32 Table 8. Comparison of the Barrier Layer Formation Method Evaporation Sputtering PECVD Characteristics Example (Sio x ) Materials Target Liquid/Gas Evaporation Method Layer Forming Process e-beam, Resistance Heating, Induced Heating Evaporated Particles Electric discharge (DC, RH, Pulse) Sputtered Particles Plasma activated gas Particle Size Large Weak direction Small Pressure(Pa) 10-1 ~ ~ ~10 1 Layer Thickness Distribution Layer Forming Speed(nm/sec) Layer density (g/cc) Oxygen Transmission Rate(cc/m2/day) Etc Evaporation Method Gas and Target shape Electrode position, shape, and gas 100 1~2 3~5 <2 <2 >2 <10 <1 <1~2 Less Compactness Lower layer formation speed, higher compactness 제 4 절. 기타플라스틱기판의재료 1. 투명전도막(ITO) 플라스틱필름의투명전도막가공은투명성이우수한 ITO를 sputtering방법으로도입시킨다. LCD 용필름기판의경우생산성, 코스트면에서 sputtering 방법이많이쓰인다. LCD용기판의경우공정상기판에서방출하는가스는 sputtering 조건에영향을미치며기판의플라즈마처리시열에의한 damage, 기판권취시미소량의스크레치등으로인해 sputtering 속도향상의제약조건이따른다. 이러한문제때문에해결해야할과제는생산성향상및코스트다운이필요하다. 현재소형의 TN, STN액정용에는 200 Ω/ 의 LCD 용필름기판, 중형사이즈이상의 STN액정용에는 40 Ω/ 의 LCD 용필름기판이사용된다. 앞으로는 LCD의표시용량이증대되어저저항의 LCD 필름기판이요구된다. -32-
33 플라스틱디스플레이의경우진공 sputtered ITO의경우대면적이나유연성이요구되는디스플레이에사용되는경우 ITO 의크랙이발생할수도있다. 보통은인쇄에의한투명전도막이연구되어지고있다. 25) 2. 기타재료 ACF(Anisotropic conductive film, 이방성도전막) 는유리기판과 TCP(Tape Carrier Package) 의접속에쓰이며보통가열(170 ), 압착(4 MPa) 을 15초정도가하게된다. 그러나플라스틱 LCD에쓰일경우에는플라스틱의내열성을고려하여 150 이하, 1 MPa 이하의저온, 저압의공정이필요하며물질의개발이요구된다. 배향막의경우기존에는유리전이온도가 400 인폴리이미드(PI) 가주로쓰였으며이미드화공정온도는보통 200 가넘으며이는플라스틱기판적용은힘들며현재용매가용성폴리이미드배향막의연구가진행되고있다. LCD의 cell gap 조절을위해서유리기판에사용되는 dot spacer의경우플라스틱에는적용하기힘드는데이는플라스틱의경우기본적으로정전기에의해균일하게산포되기가힘들며플라스틱기판의기계적강도가약하므로복원력이요구된다. 25) P. Drzaic, B. Comiskey, J. D. Albert, L. Zhang, A. Loxley, R. Feeney, SID, 44.3L,
34 제 3 장. 기술개발의목표및내용 제 1 절. 기술개발의목표및중요성 현재플라스틱디스플레이, 터치패널등에사용되고있는고내열성광학필름은일 본의 Sumitomo Bakelite, Teijin, JSR 등일부에서만생산되고있다. 고내열성광 학 필름의 소재로는 PES(polyethersulfone), HTPC(high temperature polycarbonate), COC(Cycloolefin Copolymer) 등을들수있다. 이들광학필름은 원재료의 상업적 생산이 제한되어 있을 뿐 아니라 핵심 기술인 광학 필름의 casting 법에의해만들어지고있으며가격이매우비싸다. 이러한광학용필름을 이용해서전세계적으로연구소, 기업, 학교등지에서왕성하게연구되어지고있으며 일부업체가생산공정에적용하고있다. 현재세계의디스플레이산업을선도하는국내의대기업인삼성전자, 삼성 SDI, LG, 현대등과중소기업인소프트픽셀, 마이크로디스플레이, 알파디스플레이, 스 마트디스플레이, 엘리아테크및연구전문기관인 KETI, ETRI, KIST 등에서다양한 방식의플라스틱디스플레이를개발중에있으나원재료인내열용광학용필름은 전적으로일본에크게의존하고있으며필름의안정적인확보가사업의관건이되 고있다. 제 2 절. 개발내용및개발범위 최종개발목표는플라스틱디스플레이기판으로사용될수있는고내열성광학필름의압출파일럿라인및공정을확보하는것이며압출필름의기체투과방지막도입을통한기체투과특성확보이다. -34-
35 제 4 장. 고내열성광학필름압출기술개발결과 제 1 절. 압출공정개요 1. 압출공정개요및가공공정 압출공정은고체수지에열을가하여수지의흐름성을향상시켜냉각롤을이용용융물을냉각시켜필름이나쉬트의형태로연속적으로생산하는공정을말한다. 필름이나쉬트를제조할수있는다른방법은수지를용매에녹여용액으로만든후용매를증발시켜필름이나쉬트로만드는용매캐스팅법이있다. 기타블로우성형, 압출연신법등이있다. 디스플레이용광학용필름은현재까지는세계적으로용매캐스팅법을사용하며장점으로는두께의균일성, 표면의평탄도, 광학적성질등이우수한필름을얻을수있으며단점으로는용매에의한작업장의공기오염등의환경오염, 낮은수율, 대기오염등이있다. 위상차는빛이어떤매질을통과할때성분값의위상이지연되는것을나타내주는값이다. 이러한위상차는매질의굴절율이방성에기인하는복굴절로인하여발생하게된다. 현재 LCD는편광을사용하여빚을차단또는투과시킴에의해발생하는명암차를이용하여화면을구성하는방법을사용하고있다. 따라서이방성이거의없는유리기판에편광판을부착하여사용하고있다. 이런 LCD에유리기판대신위상차가큰필름을사용하게되면편광이필름을투과하며통과할때, 편광축의회전현상이발생하게되어빛의차단/ 투과시의명암차가현저히줄어들게되어화면왜곡현상이심화되어표시소자로서의기능을상실하게된다. 그러므로, 유리기판을깨지지않는플라스틱기판으로대체할경우에는위상차가적어야한다는것이필수적으로요구되는특성이다. 통상적으로용융압출방법으로필름을제조하면냉각롤의인발에의해연신배향이일어나복굴절이커지게된다. 이러한이방성에의한복굴절은냉각온도조건에의해차이가나게된다. 냉각온도가낮으면연신배향이일어나고, 온도가너무높으면냉각롤상에서미세한냉각주름이발생하여광학적인불균일성이생긴게된다. 그러나, 본연구에서개발된압출공정은이러한기존의압출필름의단점을보완하여저위상차를구현하였다. 개발된공정을사용하여제조된필름은 10nm이하의위상차를나타내었으며, 10nm이하위상차는편광축의회전현상이거의발생하지않아 LCD 의화면왜곡현상을일으키지않는수준이다. 당사에서는세계에서는최초로용융압출법을이용한고내열성광학용필름재조에성공했으며디스플레이의유리기판대체를목표로하고개발하고있다. -35-
36 2. 압출공정흐름도 Scheme 7 은당사의압출공정모식도이다. 압출공정은원료탱크에서건조기로원 료이송장치로이동시킨후건조기에서 150 이상에서 2 ~ 6 시간동안수분, 미 세부유먼지, 휘발성기체등을제거한후중력에의해압출기로수지가전달된다. 압출기에서 360 ~ 400 로수지를용융시킨후, 필터에서미용융물및이물을제 거한후다이(die) 로이동시킨다. 다이에서나온용융수지는냉각롤에의해필름의 형태로냉각이된다. Retardation 의조절은다이에서나오는토출량, 필름에가해지 는 tension, 롤의개수, 냉각롤의온도및비(ratio), 라인속도, 롤간격의크기등 의조합에의해조절된다. Retardation이조절된필름은 masking unit에서보호필 름을부착하고, edge trimming 을한후 winder로롤의형태로최종제품이얻어 진다. Scheme 7.Film Extrusion Processing Scheme : 1. Resin transfer system, 2. Resinpacking bag, 3. Dryer, 4. Extruder, 5. Die, 6. Cooling roll, 7. Masking roll, 8. Edge trimming device. 9. winder -36-
37 3 압출공정개발현황 압출공정개발은 2000년 4 월, 9 월, 11 월, 2001년 2 월, 10월에진행이되었다.(Table 9). 수지제조업체(BASF) 에서받은수지로압출기제조회사( 독일회사) 에서압출가공공정을위한최적화실험을하였으며기본적인광학적성질( 빛투과율, retardation, haze, yellowness) 과물리적성질( 표면평탄도) 등의물성을검증하여최적의공정조건을확보하였다. 2002년에는당사가주문제작한파일럿압출기를당사에설치하여압출실험을진행하였다. Table 10 은압출공정조건을위한실험조건이다. 압출공정변수로는수지의건조유무및수지의형상, 압출기의용융온도및온도구배, 압출기스크루의속도및회전수, melt pump 의속도및압력, 냉각롤의온도및롤간격을변화시켜가며압출공정을최적화하였다. -37-
38 Table9.TimeScheduleofExtrusionTest -38-
39 Table 10. Examples of Processing Conditions Condition Sample Screens mesh 200 Lip gap mm Full Open Feeding Zone 200 Barrel zones 1~6 350~415 Screw speed 1/min Pressure inlet screen bar 59 Screen changer 380~415 Pressure inlet pump bar 30 Melt pump speed 1/min 61 Pressure outlet pump bar 64 Die 380~415 Vacuum pipe Temperature 50 Vacuum mbar 157 Roll information Roll 1 Ratio/ 0.98/150 Roll 2 m/min/ 17.0/170 Roll Haul off ratio 1.0 Gap Information Gap 1(Set) mm Gap 2(Set) mm
40 제 2 절. 필름의물성측정방법 필름의기계적성질은 Instron사의 4206 Testing System을사용하였으며 200 mm/min 의속도로측정하였다. 샘플사이즈는 6 mm X 40 mm의직사각형의시편을 23, 60% 상대습도에서측정하였다. 열적성질은 Perkin Elmer Model DSC7 을사용하였으며, 열의이력을알아보기위하여 1차및 2차 scan을하였으며온도범위는 50 ~ 400 C, 승온속도는 10 /min 이었다. 열분해온도를측정하기위해서 TGA 를사용하였으며, 광학적성질인 retardation은 Instrument Systems 사의 RPA2000 Polarization Analyzer 를사용하여측정하였다. 필름의폭방향에대한물성측정은당사가자체제작한편광필름이부착된 backligt unit 를사용하였다. 또한 Minolta CM3600D 로필름의기본적광학특성인투과율, 헤이즈, Yellow index를측정하였다. 수증기투과속도는 Mocon 사 Permatran 3/31 MG system을사용하여온도와상대습도를변화시켜가며측정하였다. 산소투과속도는 Mocon 사의 Oxtran 2/20 MB system 을사용하였으며온도에따른산소의투과속도를측정하였다. 필름의 off-line에서의두께는 Mitutoyo Model micrometer 를사용하였다. 필름의 in-line에서의두께및두께편차는 beta-ray 를이용하여측정하였다. 필름의표면평활도는 TopoMetrix사의 AFM model ACCUREX 를사용하였다. 필름의용매에대한용해도실험은필름을 1 cm X 5 cm의크기로샘플링을한후사용하는용매에담근후온도에따른용해거동을육안으로관찰하였다. -40-
41 제3 절. 결과및고찰 1. 열적성질 DSC(Differential Scanning Calorimeter) 를이용하여당사의 PES 필름을 20~400 까지온도범위에서측정하였다. Fig. 3에서보는바와같이 1차 scan결과 Tg가 225 이었다. PES 필름의제조공정상높은온도에서용융시킨후 Tg이하의온도로급랭한필름의 1차 scan 의결과에는여러종류의열이력이존재함을알수있다. 상온으로냉각시킨후 2차 scan을하였을때 Tg( 유리전이온도) 는 230 였으며 400 까지가열해도열분해가일어나지않는우수한내열성을나타내었다. PES 필름의열분해온도를측정하기위해서 TGA(Thermo-gravimetric Analysis) 를이용하여 900 까지측정하였다. 열분해온도는 460 에서열분해가일어나기시작했으며 630 에서완전분해가일어남을확인하였다. 또한필름의열수축율을측정하기위하여 150~220 까지각온도에서 30분간열처리했을경우 160~210 이하의온도에서는기계방향과폭방향의열수축율은 0.1% 이하였다. 2. 기계적성질 Fig. 4 에압출공정에서생산된필름의인장물성결과를나타내었다. 길이방향/ 폭방향의 max. stress는 8.7/8.6 kg/mm 2 (88/87MPa) 의값을가졌으며연신율은길이/ 폭방향으로 21/24 % 였다. Sumitomo Bakelite 사의 PES 필름 max. stress는 9.5/9.6 kg/mm 2 (96/97MPa) 의값을가졌으며연신율은길이/ 폭방향으로 9.3/9.7% 였다. 경쟁사샘플보다는인장강도는 9% 정도작았고연신율은 100% 로정도컸다. 또한당사의초기연구개발 PES 필름은길이방향대비폭방향의인장강도와연신율이차이가있었으나최근의연구개발품인경우폭방향과길이방향의물성이큰차이가없어공정조건이최적화되었음을알수있다. -41-
42 (a) DSC curve (b) TGA curve Fig 3. DSC and TGA curves of PES films -42-
43 (a) Machine direction (b) Transverse direction Fig. 4. Tensile test results of PES film -43-
44 3. 광학적성질 Fig. 5는 PES 필름의폭방향에대한 retardation 을나타낸것이다. 초기제품의경우공정조건에따라폭방향에대한 retardation이큰편차를나타냈으나안정화된압출공정에서는 retardation 이전체적으로일정한값을나타내었다. 평균 retardation 값은 8.0±2.0 nm 이었으며이는플라스틱기판이요구하는 <10 nm의특성조건을만족한다. 빛투과율(Fig. 6) 은용융온도나롤온도등의압출공정에따라서약간차이가있으나가시광선영역에서 86~88% 의범위를나타내었다. 이는문헌에나타난경쟁사인 Sumitomo PES 필름의빛투과율 88% 와대등한값을나타낸다. Polycarbonate(PC) 같은투명필름의경우 0.1 ~ 0.5 mm 두께범위에서는두께에따라빛투과율, yellow index, haze는큰변화가없으나약간의색깔을띠는 PES는두께에따라광학적물성이크게영향을받는것으로나타났으며 Fig. 7에서보는바와같이두께에따라서 yellow index 는비례관계로증가하는것으로나타났다. 또한표에서같은두께라도공정조건에따라 yellow index, haze 등이차이가났으며이러한물성변화로부터공정의최적화가매우중요함을알수있다. Table 11. Optical Properties of PES Film -44-
45 (a) 2001 Sample (b) 2002 Samples Fig. 5. Retardation of PES films (a) in year 2001 (b) year
46 Fig. 6. Light transmittance curves of PES films. Fig. 7. Yellow index curve against thickness of PES film. -46-
47 (a) Side A (b) Side B (c) 3-Dimension Fig. 8. AFM results of PES film. -47-
48 Table 12. Solubility Test Results of PES Film in Organic Solvents Solvent Solubility Deformatio Remarks Swelling Parameter n n-hexane 14.9 Locally hazing spot X X 1,4-Dioxane 16.2 X X Toluene 18.2 X X THF 18.6 Whitening, Micropore? O Ehylacetate 18.6 X O Chloroform 19.0 S S MEK 19.0 Partially souble at surface O O Methylene chloride 19.8 S S Acetone 20.3 O O Cyclohexanone 20.3 Swelling at solvent, Hazing after drying O X Bromobenzene 20.3 X X DMAc 22.1 S S n-butanol 23.3 X X DMF 24.8 S S Ethanol 26.0 X X Methanol 29.7 X X DMSO 29.7 S S Ethylene glycol 29.9 X X Water 47.9 X X Conc, HCI X X ph 10 buffer solution X X Sulfuric acid Partially soluble and whitening O O X : No effect, O : Some effect, S : Soluble -48-
49 4 표면평활도(Surface roughness) 표면평활도는압출조건및공정에따라다양한범위를나타내었으며최적의조건에 서압출필름의표면평활도(Fig. 8) 는앞면이 3.0 nm이하뒷면이 10 nm 전후의값 을나타내었다. 5 내화학성실험 생산된필름을일반유기용매로내화학성실험을하였으며, 상온에서 50 까지의온도변화에따른결과를 Table 12 에나타내었다. PES 필름은일반유기용제중극성용매인 THF, DMSO, DMAc, 할로겐화알칸, 케톤류에내화학성이좋지않았으며산, 알카리및기타유기용제에는내화학성을갖는것으로확인되었다. 6. 기타물성 Table 13 및 Fig. 19에 PES 수지와필름의분자량, 분자량분포및용액본성점도를측정한결과원료수지와압출후의제품에대한분자량변화는없었으며당사의압출조건에서는필름의분해를일으키지않는최적의조건인것으로판단된다. Table 13. Molecular Characteristics of Raw PES Resin and Its Film -49-
50 Fig. 9. Gel permeation chromatography curves of raw PES rein and its films. 7. PES 필름의기판으로서의특성평가 당사의 PES 필름을 S사에의뢰하여디스플레이용플라스틱 LCD의기판으로의응 용가능성을실험하였으며 PC, PET, Arton 필름과상대비교를하였다. 기체투과방 지막이코팅된 PES 필름의 1) 내화학성평가는 color resist solvent, PR stripper, Cr, AI. ITO, IZO etchant를 사용하였으며투과도및외관상의변화는없었으며내화학성이 PC, PET, Arton 보 다우수하였다. 2) PET, PC, Arton, PES에같은조건으로코팅하였을경우빛투과율이 85% 이상 이었다. 3) 내열성평가는 150 (1 시간), 180 (30 분) 에서실험했으며기체투과방지막이 코팅된 PES 필름만이상이없는결과를얻었다. 이로부터플라스틱기판으로서사용될수있는광학필름중 PES 필름이가장우수한물성을나타내었으며, 이는앞으로 PES필름에대한시장수요가발생할것이라는기대를갖게하는부분이다. -50-
51 제 4 절. 기대효과 당사의압출공정기술에의한고내열성광학용필름의개발은현재일본에의존하고있는디스플레이용광학용필름의수입의존도를크게낮출수있을것으로기대되며가격면에서도경쟁력이있을것으로사료된다. 특히기존의제품을대체하기보다는조만간도래할플라스틱디스플레이시장수요에부흥하는재품으로성장성이크고과점성또한확보가능하다. 국내에서는삼성전자, 삼성종합기술원, 삼성 SDI, 삼성코닝, 소프트픽셀, 알파디스플레이등의디스플레이관련업체, KETI, ETRL, KIST 등의국가연구기관및대학교에서의연구를활발히진행하고있으며당사는지속적인테스트용필름및기술정보를제공하고있다. 2002년도 1월파일럿라인이셋업이되어 1년여간의공정테스트의결과경쟁사제품대비동등이상의물성을갖는고내열성필름을생산가능(Table 14) 하게되었다. 세계플라스틱디스플레이시장에서플라스틱기판의부품소재측면에서수입대체효과및국내디스플레이시장의활성화를이룰것으로기대된다. 또한해외디스플레이관련업체들의수요가큼으로해외수출이생산제품판매에큰비중을차지할것으로예측된다. -51-
52 Table 14. Specification of PES Film ASTM Unit PES 비 고 CHEMICAL Specific gravity D Moisture absorption 0.7 Saturation at STP, 50%RH Water absorption D570 % h at Equilibrium at 23 H2O vapor permeability g/ m2ㆍd , 100 RH% Oxygen Permeability cc/ m2ㆍd , 0 RH% INTRINSIC CTE D696 m/m/ 5.5x10-5 Tg 225 DSC Td TGA 460 TGA, 0.5% weight loss OPTICAL Transmittance (550 nm) 200μm % 87.5 Minolta CM3600D Haze D1003 % 0.3 Minolta CM3600D Refraction index 1.65 Abbe refractometer Yellow Index E Minolta CM3600D Retardation nm <10 PCT-2000 ELECTRICAL Surface resistivity D257 Ω >10 14 Volume resistivity D257 Ω-m ~10 16 Dielectric constant D Hz, 10 6 Hz Breakdown voltage D149 KV/ mm 125 MECHANICAL Surface roughness nm 3.4/1.6 AFM Tensile stress(md/td) D882 MPa 84.4/84.7 UTM, 50kg f, 20 mmmm / -52-
53 제 5 장. Wet 코팅을이용한기능성코팅제개발기술결과 제 1 절. 기술개발개요 본발명의목적은광학용디스플레이에응용이가능한플라스틱기판을제공하는것이며플라스틱기판에제막방법형성시습식방법에의한빛투과율, 기체(O 2, H 2 O) 투과방지성, 내스크레치성, 표면경도를향상시키는코팅제를개발하는것이며이플라스틱기판위에산화규소층과친화성을가지게하는코팅제를개발하는것이다. 경화수지층은폴레에테르술폰필름위에도포한후, 자외선경화로박막의코팅층을형성한다. 디스플레이에사용되는코팅액으로는광학적특성면에서아크릴레이트계열의코팅제를많이쓰며종류로는우레탄아크릴레이트, 에폭시아크릴레이트, 우레탄/ 에폭시아크릴레이트, 에스테르아크릴레이트, 규소함유아크릴레이트등이많이사용되고있으며내용제성및분자간의공극을줄이기위해자외선경화나열경화를사용한다. 그러나박막의광학용필름에코팅후필름의유연성을유지시켜야하며가교밀도와유연성을최적화시킬필요가있다. 본실험의개념은폴리에테르술폰(Polyethersulfone) 필름은유기물이며, 기체투과방지막은이산화규소의무기층이다. 폴리에테르술폰필름에플라즈마나스퍼터링방법으로박막의이산화규소층을올리게되면높은공정온도에서각각유기물및무기물의열팽창계수차이에기인하여기체투과방지막에크랙및필름의휨이발생하게되어신뢰성에영향을주게된다. 이때문에필름과무기층과의열팽창계수가중간정도인앵커층이필요하며유기/ 무기복합형의코팅제가쓰여야하며내용제성측면에서가교형의경화형코팅제가쓰여야한다. Display용고분자필름의모식도는 Fig. 10 에나타내었다. ITO Under layer Bare Film (PES) Anchor layer SiOx layer(barrier layer) Hard Coat Fig. 10. Schematic layer structure of plastic substrate -53-
54 기능성코팅제로서 층간접착성 고투명성및저투과율 (O2, H 2 O) 내약품성 경도 anchor layer, under layer 의요구물성은다음과같다. Sol-gel 반응을 이용하여 유기물인 urethane acrylate. epoxy acrylate, multifunctional acrylate 류(hydroxyl groups) 와 무기물인 3-(triethoxysilyD isocyanate를부분적으로반응시켜서 2가지방법으로층간접착력의유도가가능 하다. triethoxy sliane 기를가진코팅제위에 SiOx, 의 barrier를올려 Si-O-Si 결합을유 도한다 triethoxy sliane 기를가진코팅제를부분적으로솔-젤반응을하여코팅제의경 도를보완하고, 그위에 SiO x 의 barrier를올려 Si-O-Si 결함을유도한다. (Fig. 11 과 Fig. 12) Fig. 11. Schematic diagram of Anchor layer coating. Fig. 12. Adhesive increasing method between anchor layer and barrier layer -54-
55 우리는 substrate와 barrier layer 두층에대한접착력을가지고, 투명성및경도 등에서우수한물질을합성하는데연구의목적이있다. 본발병은디스플레이용광학필름표면에자외선경화형우레탄아크릴레이트계열및 실리콘계화합물을첨가한앵커코팅층으로내용제성, 빛투과율, 기체투과도, 표면경 도, SiO x 층과의친화성등을개선한기능성코팅제의개발및응용에관한것이다. 본코팅제는종래의 urethane acrylate oligomer( 미원상사의 PU 250N, Sartomar 제품인 CN-965), epoxy acrylate 는 UCB사의 EA9017, 2-hydroxyethyl acrylate(hea), pentaerythritol triacrylate(peta), 광개시제(PI), 반응성실리콘화합 물로이루어졌다. 본코팅제는자외선경화와솔-젤반응이가능하며다관능의아크릴레이트를사용 하여가교밀도를높였으며실리콘화합물이첨가됨으로써솔-젤반응및기체투과 방지막인이산화규소를플라즈마나스퍼터링방법으로코팅시친화성을높였다. 디 스플레이용플라스틱기판용필름은 ( 주) 아이컴포넌트에서생산되는폴리에테르술 폰(PES) 필름으로빛투과율 88~89%, 두께 0.1~0.5 mm, 광학적이방성 10 nm 이하, 두게편차 1% 이하의필름을사용하였다. 제 2 절. 연구방법 1. 시약및기기 Urethane acrylate는미원상사의 PU 250N, Sartomar 제품인 CN-965, Epoxy actylate는 UCB사의 EA9017 을사용하였다. Poly(phenyl-methylsilsesquioxane) (PPMSQ), vinylmethoxy siloxane homopolymer(vmm gm) 는 Gelest사의것을사용하였다. 2-Hydroxyethyl acrylate(hea), pentaerythritol triacrylate(peta), 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate(si-nco), dibutyltin dilaurate (DBTDL) 는 Aldrich 사의것을사용하였고, 첨가제로 𐐜-aminopropyl triethoxysilane (APTES), tetrahydrofurfuryl acrylate (SR-285) 를사용하였다. 박막코팅층제조에쓰인용매로는 n-butyl acetate(nbac), ethyl acetate(eac)( 동양화학) 를사용하였고 THF는문헌대로정제하여사용하였다. -55-
56 2. Sol-gel 반응이가능한 epoxy acrylate 제조 대표적인합성방법은다음과같다. epoxy acrylate 10g을 250ml플라스크에넣고 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate 1g 을넣었다. THF 100ml를넣고질소기류하에서완전히녹인후소량의 dibutyltin dilaurate 를첨가하였다. 45 에서 4 시간반응하였다. 반응종료후 rotary evaporator 로용매를제거한후, 잔여용매는진공펌프를사용하여제거하였다. 제3 절. 결과및고찰 실험에사용된코팅제성분은다음과같다. UA는 urethane acrylate, EA x 는 epoxy acrylate(ea) 에 x wt% 의 3- (triethoxysilyl)propyl isocyanate(si-nco) 와반응한시료이며, VM x 는 UA와 EA x 의 혼합시료에대하여 x wt% 의 vinylmethoxy siloxane homopolymer 이며, CL은소 량의 𐐜-aminopropyl triethoxysilane 첨가한것이다. EA x 는 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate를 EA x 에대하여각각 5, 10 wt% 의무게 비로반응하였다.UA와 EA x 의혼합비율은 8:2와 6:4 로하였다. 코팅된필름은상온과 40 로 24 시간건조하고, 그중일부는 100 에서 2시간정 도건조한후 UV 로광중합하였다. 각실험에서용매는 MIBK, 광개시제(PI) 는 TPO가 3 wt%, 광조사시간은 2분으로 고정하였다. 순수 PES 필름의투과율은 400nm에서 79%, 600nm에서 86% 로나타 났다. -56-
57 1. UA-EA 10 8:2, 6:4 우선 Table 15의 8 : 2 비율을보면필름두께는전반적으로 2~10 μm 정도였고, 접 착력테스트에서는 25개의격자중 2~12개정도가떨어지는경향을보였는데그중 UA-EA 10 8:2 CL (40 ), UA-EA10 8:2 (40 ) 의필름이가장좋은(2 개) 결과를보 였고, UA-EA 10 8:2 CL( ) 는 3 개로좋은결과를보였다. 이를보면건조 조건은 40 가가장나은결과를보이며, CL의함유여부는큰영향을끼치지않 았다. 표면경도 측정을 보면 UA-EA 10 8:2 ( 상온), UA-EA 10 8:2 CL (40 ), UA-EA 10 8:2 CL( ), UA-EA10 8:2 VM 10 ( 상온 100 ),UA-EA10 8:2 VM 10 ( 상온 100 ), UA-EA10 8:2 VM 10 (40 ) 의시료가높은경도를보였는데 VM 의함유는별큰영향이없고, CL을포함한시료중 40 나 가높은 경도를나타내었다. 또한빛투과도는 UA-EA 10 8:2 ( 상온), UA-EA 10 8:2 ( 상온 100 ), UA-EA10 8:2 VM 10 (40 ), UA-EA10 8:2 VM 10 ( 상온) 시료가향상된결과를 나타내었는데 CL이들어간시료는 bare film 보다낮은투과도를보였다. VM 포함 시료의경우상온이나 40 건조조건이 100 보다더나은투과도를보였다. 전 체적으로보면 CL 을포함한시료가접착력에서향상된결과를보였고, 건조조건은 40 가가장나은접착력과경도를보였다. 빛투과도는 VM 포함시료가가장나 은결과를보였다. 우선 Table 16의 6 : 4 비율을보면필름두께는전반적으로 4~16 μm 정도로 8 : 2 의비율보다더두껍게나왔고, 접착력테스트에서는전체적으로 10개이상이떨 어지는경향을나타내었는데그중 UA-EA 10 6:4 VM 10 (40 ), UA-EA10 6:4 VM 10 ( 상온) 이 4 개, 7 개로양호한결과를나타내었다. 연필경도테스트에서는 UA-EA 10 6:4 VM 10 (40 ) 가가장우수한경도특성(4H) 을나타내었다. 또한 UA-EA10 6:4 VM 10 ( 상온 100 ), UA-EA10 6:4 CL ( 상온 100 ), UA-EA10 6:4 CL ( ) 의시료는그다음으로나은 (3H) 특성을나타내었다. 경도특성에서어떠한 경향성을찾기는어려운것같다. 그리고, 빛투과도는 UA-EA 10 6:4( 상온) (81.0, 86.9), UA-EA 10 6:4 VM 10 (40 ) (79.0, 86.6) 의시료가 bare film(79.86) 보다나은 투과도를보였다. -57-
58 Table 15. Film Thickness, Adhesivness, Surface Hardness, and Light Transmittance Results of UA-EA 10 8:2 Formulation -58-
59 Table 16. Film Thickness, Adhesivness, Surface Hardness, and Light Transmittance Results of UA-EA 10 6:4 Formulation -59-
60 2. UA-EA 05 8:2, 6:4 Table 17. Film Thickness, Adhesivness, Surface Hardness, and Light Transmittance Results of UA-EA 05 8:2 Formulation -60-
61 Table 18. Film Thickness, Adhesivness, Surface Hardness, and Light Transmittance Results of UA-EA 05 6:4 Formulation -61-
62 Table 17의경우 UA-EA 05 8 : 2 시료의특성을측정한데이터로써전반적인필름의두께는 5~10 μm로균일한코팅이가능하였다. 접착력테스트에서는 UA-EA05 8:2 VM 10 ( 상온 100 ) 이가장양호한 0 개접착력결과가나왔고, UA-EA05 8:2 ( 상온), UA-EA 05 8:2 ( 상온 100 ), UA-EA05 8:2 CL( 상온), UA-EA 05 8:2 CL ( ), UA-EA05 8:2 VM 10 ( 상온) 이 1~2 개로양호한접착력을나타내었다. 이를보면일단건조조건은상온에서건조를시작한시료가향상된접착력을나타내었다. 그리고연필경도테스트는전반적으로많은시료들이 4H의경도를나타내었는데그중 UA-EA 05 8:2 (40 ) 이가장낮은경도 2H 를나타내었고, UA-EA05 8:2 CL ( ), UA-EA05 8:2 VM 10 ( 상온), UA-EA 05 8:2 VM 10 ( ), 의시료들이 3H 의경도를나타내었다. 빛투과도는 UA-EA05 8:2 CL( 상온 100 ) 시료가 (85.2, 95.0) 으로아주우수한결과를나타내었고, UA-EA05 8:2 (4 0 ), UA-EA05 8:2 CL( 상온), UA-EA 05 8:2 CL ( ), UA-EA05 8:2 VM 10 ( 상온), UA-EA 05 8:2 VM 10 ( ) 의시료들이우수한결과를보였다. 접착 력과경도, 투과도에서우수한결과를보이는시료는 UA-EA 05 8:2 CL( 상온) 시료 였다. Table 18에서 UA-EA 05 6 : 4 의경우필름두께면에서는전체적으로 5 ~ 20μm로 두껍게코팅이되었고, 접착력부문에서도 UA-EA 10 6 : 4 의시료보다는향상된 결과를보여준다. 대부분이 0 ~ 6 개의시편의떨어짐을보였고, UA-EA 05 6:4 ( 상 온 ), UA-EA 05 6:4 ( ), UA-EA05 6:4 CL (40 ), UA-EA05 6:4 VM 10 (40 ), UA-EA05 6:4 VM 10 ( ), UA-EA05 6:4 CL( 상온 100 ) 의시료들이 0, 1 개의우수한결과를보였다. 경도테스트에서도 UA-EA 05 8 : 2 시료와비슷한결과(4H 경도 6 개, 3H 경도 6 개) 를보였다. 빛투과도에서는 bare film보다 7개의시료가향상된결과를보여주는데 UA-EA 05 6:4 ( 상온 100 ), UA-EA05 6:4 CL (40 ), UA-EA05 6:4 CL ( ), UA-EA05 6:4 (40 ), UA-EA05 6:4 CL ( ), UA-EA05 6:4 VM 10 ( 상온), UA-EA 05 6:4 (40 ) 의시료들 이다. -62-
63 전체적으로 Table 15~18을보면 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate를 EA에대하여각각 5, 10 wt% 의무게비로반응하였는데그중 5 wt% 의시료가접착력과경도, 빛투과도부분에서우수한결과를보였고, 필름의두께면에서는 10 wt% 보다는조금두꺼운경향을보였는데이는코팅시의농도와관련된것으로 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate 의양과는상관이없는것으로보인다. 또한 UA 와 EA의혼합비율은 8:2와 6:4로하였는데 6 : 4의혼합비율이전반적으로우수한결과를보이는시료가 UA-EA 05 6:4 ( 상온 100 C), UA-EA05 6:4 CL ( 상온), UA-EA 05 6:4 CL ( 상온 100 ) 등이있다. 따라서결과를종합하여보면 Table 18의 UA-EA 05 6 : 4 의시료가접착력, 경도, 빛투과도등에서가장우수한결과를보였다. 필름의표면평탄성에영향을주는요인을찾기위해용매의종류를변화시키고, 또한농도를바꾸어가면서실험하였다. 그결과용매의종류에상관없이농도가진해지면필름표면에생기는자그마한 island 가감소하는것이관찰되었다. 필름의코팅두께는측정한물성과상관관계를가지지않았다. 농도가묽어지면, 순수한필름의표면과용매와의관계로인한 island 가형성되는것으로나타났으며, 시료는약간의점도를가져야표면에고루분산되며, 평탄한표면을형성하는것으로관찰되었다. 앞으로의연구에서는보다고른표면을얻기위한코팅기술의개발과더불어코팅에필요한적정한농도, 계면활성제등을첨가하여조성의변화를통한최적의코팅필름을얻는것이필요하며, 필름의산소나수증기의투과성에대한연구가요구되었다. 3. Sol-gel 반응이가능한 urethane acrylate의제조 성분을알고있는시료로부터 HEA 및 PETA에대한 1, 5, 10, 15, 20 wt% 로 silane 화합물을첨가하는대표적인합성방법은다음과같다. Urethane acrylate(hc-f1) 30g을 250ml플라스크에넣고 3-( triethoxysilyl) propyl isocyanate 1g 을넣었다. nbuac 7.5g를넣고질소기류하에서완전히녹인후소량의 dibutyltin dilaurate(dbtdl) 를첨가하였다. 40 에서 4시간반응하였다.(Scheme 8) Scheme 8. Synthetic route of urethane acrylate -63-
64 실험에사용된코팅제성분은다음과같다. fu.a. 는 urethane acrylate(hc-f1) 코팅제, UA x 는 UA에포함된 HEA 및 PETA에대한 3-(triethoxysilyl) propyl isocyanate 의무게비(wt%) 이고, Si-NCO는 3-(ethoxysilyl) propyl isocyanate 이다. Table 19. Formulation of HC-F1 Urethane Acrylate(fU.A.) Formulation Base materials Solvent Urethane acrylate (HC-F1) 58% nbac (or EAc) 24% Multifunctional monomers & Photoinitiator HEA PETA PI Total 0.5~1% 13% 4% 18% -64-
65 3-(Triethoxysilyl) propyl isocyanate는 HEA 및 PETA의조성에대하여각각 1, 5, 10, 15, 20 wt% 의무게비로반응하였다. 코팅된필름은 60 로 5 분정도오븐에서건조하고, UV 로광중합하였다. 각실험에서용매는 n-buac를사용하여 60% 의농도를맞추었다. 순수 PES 필름의투과율은 400nm에서 79%, 600 nm에서 86% 으로나타난다. 용매는 nbac(n-butylacetate), MEK(methylethylketone) 으로동양화학의제품을사용하였다. Table 20. Test Results of Coated PES Film Table 20을보면먼저 nbac나 MEK 의용매에따른필름의물성차이는보이지 않는다. 접착력테스트(2 개) 와경도테스트(2H) 에서동일한결과를보였고, 필름두 께도큰차이가없었다. 따라서 nbac나 MEK 의용매사용에는큰문제가없다. 전체적으로연필경도는 2H 를나타내었고, 접착력테스트는 0~2개사이로아주우 수한결과를보였다. -65-
66 Table 21. Water Vapor Transmission Rate of Coated PES Films 수증기투과도 Fig. 13. WVTR graph with silane compound content in fu.a. Table 21과 Fig. 13를보면수증기투과도의경향성을볼수있는데 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate는 HEA 및 PETA의조성에대하여각각 1, 5, 10, 15, 20 wt% 의무게비로반응시킨시료중에서 10 wt% 의시료가가장낮은 37.91(g/ m2,day) 수증기투과도를보였다. -66-
67 Table 22. Light Transmittance of fu.a. Derivatives. Fig. 14. Light transmittance curves of fu.a. derivatives. 또한빛투과도를보면 20 wt% 시료만제외하고전체적으로 PES bare film 보다 향상된경향을나타내며 370 nm의파장대에서는 bare film 보다는투과율이낮게 나왔다. 가장우수한결과를보인 10 wt% 시료를가지고 SiO 2 층을코팅하여산소투과도와 수증기투과도를측정하였다. (Fig. 15. Table 23) Fig. 15. fu.a. 10 wt% scheme of PES/ Ac/ SiO x coating -67-
68 Table 23. OTR and WVTR Results of fu.a. 10 wt% Coated PES Films Fig. 15와 Table 23을보면 PES bare film에 Ac(anchor layer) 를 6 μm두께로코팅한후산소, 수증기투과도를측정하고, 그후에다시 SiO X 층을 (500 A, 750 A ) 코팅한것과그냥 PES bare film에 SiOX 층을코팅하여측정한투과도를표시하였다. 이것을비교해보면단순히수치상으로는 PES / SiO X 층이더낮은투과도를보인다. 그러나더향상된투과도를가지는반면이필름은층간접착력이약하고 crack 등이발생한다. Ac(anchor layer) 층을코팅한필름은상대적으로높은수치를가지지만많이향상된물성을나타낸다. 또한 SiO X 층의두께가증가할수록투과도는낮아지는현상을보이는데이것은실리콘층이산소나수증기의투과를방지하는역할을하기때문이다. 실험결과 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate를이용한 hardness 향상과기체 (O 2, H 2 O) 투과도향상을보였고빛투과도는대동소이한결과를보였다. 또한접착력감소( 필름을구부렸을때 micro crack 이발생함) 와가공시열적변형현상이나타나며또한수증기투과도측정후모든필름에서변형이발생하였다. 이에따라문제점을개선하기위한시도중먼저접착력문제는코팅두께를더얇게하는방법을고안하여기존의 bar 코팅방법에서 flow 코팅법으로방법전환을고려하였고코팅액농도도감소시켰다. 또한필름의 process 중에 170 C 정도에서모든필름의변형이발생하였는데 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate의양이증가할수록변형의정도는감소하는것을관찰하였다. 변형의발생원인은 bare film과 SiO X layer 의열팽창계수차이, 혹은 layer film에휘발성분의존재때문인것으로예상하고있다. -68-
69 4. Sol-gel 반응이가능한 f U. A. derivatives의대표적인제조방법 f U.A. 30g을 250ml플라스크에넣고 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate 1g을넣었다. nbac 4.0g를넣고질소기류하에서완전히녹인후소량의 dibutyltin dilaurate(dbtdl) 를첨가하였다. 40 C에서 4 시간반응하였다. 이반응에서우선 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate (Si-NCO) 를 10 wt%, 25 wt%, 30 wt% 의비율로제조하고또한 Urethane acrylate (U.A,) 에 Epoxy acrylate(e.a.) 나 PPMSQ ( Poly(phenyl-methylsil- sesquioxane)) 를여러비율로제조한다. 이에따라아래와같은비율의시료를 10 개를준비하였다. 용매는 n-butyl Acetate(nBAc) 를사용하였다. 광개시제 (PI) 는 TPO 를사용하였다. 50 C 에서 10 분간건조시켰다. f U.A.(wt%) 는 Table 15에나오는 fu.a. 와구성성분과비율이같다. 아래는시료의구분번호와이름이다. Table 24. Formulation of Urethane Acrylate(fU.A.) Base materials Solvent Multifunctional monomers & Photoinitiator Formulation Urethane acrylate (PU 250N) 58% nbac (or EAc) 24% HEA 0.5~1% PETA 13% PI 4% Total 18% 1 fu.a.+si-nco(25wt%) 2 fu.a.+si-nco(30wt%) 3 fu.a.+si-nco(10wt%) 4 f U.A. + E.A. (9 : 1) + Si-NCO (10 wt%) 5 f U.A. + E.A. (9.5 : 0.5) + Si-NCO (10 wt%) 6 f U.A. + E.A. (8 : 2) + Si-NCO (10 wt%) 7 f U.A. (9 : 1) + PPMSQ + Si-NCO (10 wt%) 8 f U.A. (8 : 2) + PPMSQ + Si-NCO (10 wt%) 9 f U.A. (9 : 1) + PPMSQ 10 f U.A. (8 : 2) + PPMSQ -69-
70 Table 24. Test Results of f U.A. Derivatives -70-
71 Table 25. Light Transmittance of f U.A. Derivatives 위의빛투과율측정결과를더욱자세하게그래프로표시하였다. Fig. 16. UV/VIS spectra of coated PES films in the range 190~1100nm. -71-
72 Fig. 17. UV/VIS spectra of coated PES films in the range 305~430 nm. Fig. 18. UV/VIS spectra of coated PES films in the range 380~1100 nm. Table 24는 f U.A 의유도체들의필름두께, 접착력, 연필경도측정값을나타낸것으로전체적으로필름의두께는 5~12 μm정도이고, 전체적으로접착력테스트( 모두 0 개) 는좋은결과를보였지만, 연필경도값은 2H로그리향상되지않는경향을보였다. 또한필름의표면은미세한 island 가형성되는것을관찰할수있다. Table 25과 Fig. 16 ~ 18은빛투과도에대한내용으로 370 nm 파장대에서는 PES bare film 보다낮은투과도를전체적으로보이며, 4, 8번시료는 440 nm, 550 nm파장대에서 PES 보다낮은빛투과도를나타낸다. 그밖의시료는 370 nm 의단파장대를제외한파장대에서는조금향상된빛투과율을보인다. 4번 f U.A/E.A. (9 : 1) + Si-NCO ( 10 Wt% ) 와 8번 f U.A./PPMSQ (8 : 2) + Si-NCO ( 10 Wt%) 의시료의빛투과특성이좋지않게나왔다. Fig. 16 ~ 18은파장대별로 UV/Vis spectrum을그린것으로 Fig. 17의경우 305 nm ~ 430 nm 정도의파장대를표시한것으로단파장보다좀변화가심한빛투과율을보여준다. 이것은필름의코팅면의균일함과관련이있을것이라고생각한다. -72-
73 Table 26. WVTR Results of f U.A. Derivatives 수증기투과도 -73-
74 Fig. 19. WVTRwith formulation codes of f U.A. derivatives. Table 26에서는수증기투과도를나타내는데시료 7번의경우수증기투과도측정을하지못했다. 시료에따른수증기투과도에경향성을 Fig. 19에나타내었는데한눈으로일목요연하게파악할수있다. 단순히 f U.A. 에 Si-NCO 를무게비로반응시킨시료는 10 wt% 의시료가가장낮은수증기투과도를보여주었다. 그리고 E.A. 를섞은시료들중에서는 20 wt% 로섞은것이가장낮은투과도를보였다. 이전실험에서의측정과마찬가지로 Si-NCO( 10 wt% ) 가여러비율중가장나은물성(40.13 g/ m2day) 을나타냈지만이전데이터 (37.91 g/ m2day) 와는약간의차이를보였다. -74-
75 또한 PPMSQ ( Poly(phenyl-methylsilsesquioxane)) 자체코팅시에는 UV 경화후크랙이발생하며 근방에서용융되는현상을보인다. PPMSQ 자체는 buffer coating 으로 1 μm이하로 coating 을해야하며 1 μm이상으로 coating 시 brittle해지거나 crack 이발생한다. 또한수분에민감해서사용전에오븐에서건조시켜야한다. 이전의데이터들을분석해보면 Si-NCO 성분이증가(10 wt% 이상) 할수록필름물성이향상되지않음을보인다. 그래서 Si-NCO 성분변화실험은하지않기로하였고 Epoxy 성분이증가함에따라더욱 Brittle 한경향을나타내었다. 또한 coating 두께감소를위한 coating 방식을 flow 방식으로바꾸었지만넓은면적을균일하게코팅하기가매우어려웠다. flow 방식으로코팅을하면코팅의두께편차가크게되었다. 넓은면적을균일하게하기위해서는 flow 보다는 bar coating 방식이훨씬나은결과를나타내는것을볼수있다. Flow 방식을사용할때는시료의농도를 30 wt% 정도로묽게하여실험을하였다. 따라서모두 bar coating 으로실험을실시하였다. 따라서 f U.A. + Si-NCO( 10 wt%) 의시료를최상의조건으로파악하고다시한번더 Si-NCO 성분을 0, 10, 20, 40 wt% 으로변환시켜다시한번더제조하고물성을측정하였다. 50 에서 10 분간건조시켰다. Table 27. Light Transmittance with Si-NCO Contents -75-
76 Table 28. Color Coordinates with Si-NCO Contents Table 27, 28을보면우선빛투과도에서는 fu.a. 10 wt% 시료가가장좋은투과율을전반적으로보여주며색좌표에서도 fu.a. 10 wt% 시료가나머지시료들보다 PES bare film의좌표와차이가가장적음을알수있으며따라서가장적절한시료라고할수있다. Table 29. OTR Results of Anchor Coated and Both Anchor and SiOx Barrier Layer Coated PES Films Sample A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 OTR X 8.7 X 3.5 X 6.1 X X Table 15는 A1, B1, C1, C1 는 anchor layer coating film이고 A2, B2, C2, D2 는 SiO2 deposited on anchor layer coating film 이다. A : 0 wt%, B : 10 wt%, C : 20 wt%, D : 40 wt% 의 Si-NCO 성분이포함된시료이다. 위결과로보면 SiO 2 를코팅한시료에서만측정결과가나왔는데이것은 anchor layer 코팅된층이 기체투과방지성이없는것으로사료된다. 또한 Si-NCO 성분이 40 wt% 가넘어가면 물성이나빠지는것을알수있다. -76-
77 Table 30. Adhesion, Film Thickness, and Surface Hardness of Coated PES Films Table 30 은시료의경도나접착력, 코팅두께등의데이터를나타내는것으로접착력은 0 개로거의떨어지지않았고, 경도는 PES bare film 과같은 2H의경도특성을보였다. 그리고표면에작은 island 가발생하였다. 제4 절. 요약및결론 지금까지의실험결과로보아가장나은물성과특성을보이는 formulation 을보면, table 5. 의 구성처럼 Urethane acrylate(pu 250N) 58 wt%, 2-Hydroxyethyl acrylate(hea) 0.7 wt%, Pentaerythritol triacrylate(peta) 13 wt%, Photo initiator (# 184) 4 wt%, 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate (Si-NCO) 1.37 wt% ( 10 wt% of multifunctional monomers - HEA, PETA), n-butyl acetate 24 wt%, 𐐜-aminopropyl triethoxysilane(aptes) 3 wt% 이다. 0.4μm syringe filter 를이용 하여 filteration을한후 bar coating 방식으로코팅하였다. PES film은보호코팅 막을벗긴후용매(ethanol과 IPA) 로닦은후정전기제거총으로정전기를제거하 였다. 코팅농도는 40 wt%, Bar coating 방식, 50 에서 10분간건조조건으로 코팅을하였을때가장향상된물성이측정되었다. Film thickness 5 μm, adhesion test (0/25), hardness test(pencil test) 2H 의 결과를 보였고, OTR( 산소투과도) 100 cc/ m2ㆍday (bare film 250 cc/ m2ㆍday ), WVTR( 수증기투과도) g/ m2 ㆍday (bare film 50 g/ m2ㆍday ) 을나타냈으며 UV-Vis spectrum 에서는비슷한 빛투과율을나타내었다. -77-
78 제 6 장. PECVD를이용한기체투과방지막개발기술결과 Poly(ether sulfone) 같은엔지니어링플라스틱은단위부피당무게가적게나가며또한강도가우수하다. 그러나플라스틱기판이유리기판과비교하여상대적으로내마모성이좋지않으며금속및무기재료에비하여조직이치밀하지못한단점으로인하여산소및수증기투과가크다는점과표면의경도및내스크래치성이약하다는단점이있다. 플라스틱필름기판으로이용하기위해서는액정패널안으로의기체확산을최소한으로억제하지않으면안된다. 유리기판은기체가전혀통과하지않지만플라스틱필름만으로는미량의기체가투과된다. 이렇게투과된기체는액정주입공정에어려움을제공하기도한다. 또한공정온도의상승저하의반복중에높은열팽창계수로영향으로액정셀내부에산소또는수증기기포를투과시키는등디스플레이화면품질에나쁜영향을주기도한다. 또한표시면에압력이작용하거나굴곡이크게되면그부분에기포가모여흑점으로나타나기도한다. 이러한영향을방지하기위해수증기나산소에대한기체투과방지막이요구된다. 제 1 절. 플라즈마처리에의한필름의기체투과도개선 1. 연구이론플라즈마는분자및원자가이온화되어전자, 이온, 그리고중성입자들로이루고있으며전체적으로는전기적중성을띄고있는기체를가리킨다. 플라즈마중합에사용되는플라즈마는이온과정도가극히미미하고( 이온농도 : 10-5 ~ 10-6 ) 구성요소들이열역학적으로평형을이루고있지않으며평균온도가상온보다약간높은 저온플라즈마(low temperature plasma 또는 cold plasma)" 이다. 저압상태에있는기체나유기증기들을전기적으로방전시키면손쉽게얻을수있다. 저온플라즈마는다시기체및증기들의종류에따라세그룹으로분류될수있다. 26) 첫번째는불활성기체들의플라즈마로서, 이플라즈마에서는화학반응이거의일어나지않는다. 두번째는수소, 산소, 질소, 이산화탄소등과같이아주간단한기체들이플라즈마로서, 이플라즈마에서는각종반응기들이생성되어주위의고체표면과화학반응들을일으키지만고분자물질은생성되지않는다. 세번째는그이외의모든기체및증기들의플라즈마로서, 화학반응과함께고분자물질이생성되는플라즈마중합이다. 플라즈마중합을이용하면메탄과같은특정한반응기들을가지고있지않는비활성기체들의중합도가능하다. 27) 26) Yasuda, H., Plasma Polymerization; Academic Press: Orlando, FL, ) Alfred Grill, Cold Plasma in Materials Fabrication; IEEE Press:
79 플라즈마중합반응은한마디로기체및증기들의분자들이플라즈마상태에서반복적으로활성화- 비활성화(consecutive activation - de-activation) 단계를거치면서고분자로성장해가는과정이라볼수있다. 반응기에주입된기체나증기의분자들이플라즈마내에존재하는전자, 이온, 중성입자, 라디칼등과같이높은에너지또는불안정한상태의입자들과충돌하여활성이높은반응기들을형성하여낮은에너지상태에있는다른분자도는이미생성된큰분자들과결합하여더큰분자로성장해간다. 28) 이들분자들은다른분자들과충돌하여더큰입자로성장하며안정한에너지를가지고있는고체표면에부착하여고분자사슬을형성하며, 사슬간가교결합이생성되어치밀하며가교도가높은조직을형성하게된다. 플라즈마중합은기존의라디칼중합처럼연쇄중합으로진행하지않는다. 하나의자유라디칼이다른라디칼도는분자들과충돌하는데상당한시간이걸리는진공에서진행되므로단계중합으로진행될수밖에없으며, 축합중합과같은단계중합보다는훨신빠른속도로진행되므로흔히 rapid step-growth polymerization(rsgp) 으로설명되고있다. 29) 플라즈마중합반응은기체상태에서진행될수도있지만, 진공상태에서는기체- 기체충돌에대한기체-고체충돌의비율이놓고에너지방출이용이한고체표면에서반응기들의비활성화가보다쉽게이루어지므로주로고체표면에서진행된다고볼수있다. 또한, 기체상태에서성장한분자들도종래에는고체표면에흡착된다. 따라서, 합성된고분자물질들은고체표면위에서박막으로성장하게된다. 박막의성장속도는항상고분자의중합속도와일치하는것은아니다. 플라즈마내에서는플라즈마중합과함께여러가지다른반응들이일어날수있는데, 이들중 sputtering과 chemical etching 반응은이미박막으로입혀진고분자물질들의일부를떼어내거나분해시키는(ablation) 역할을한다. 따라서박막의성장속도는고분자중합속도보다 ablation 속도만큼느려진다. 박막의성장속도(deposition rate) 는대략수십에서수백 A /min 정도이며, 주입된기체또는증기의종류, 반응기의종류및형태, 고체(substrate) 의종류및온도, 그리고기체유량(F), 기체압력(P), 에너지(W) 등과같은변수들의조건에따라서달라진다. 플라즈마중합은박막성장속도는전기에너지(W/FM : 분자의단위무게당공급되는전기에너지) 에대한의존성에다라세영역으로나뉜다. 영역 Ⅰ은분자들의수에비하여공급되는에너지가낮은영역으로서, 이영역에서는성장속도가 W/FM 이증가함에다라선형적으로증가한다. 영역Ⅲ은이와는반대로이미모든분자들을활성화시키기에충분한에너지가공급되는영역으로서, W/FM이증가하여도성장속도는더이상증가하지않는다. 28) Ronald A.P. and Stephen r., PVD for Microelectronics Sputter Deposition Applied to Semiconductor Manufacturing, Academic Press: Orlando, FL, ) H. Biederman and D. Slavinská, Surf. Coat. Technol., 125, 371 (2000) -79-
80 또한높은 ablation 속도때문에성장속도가오히려줄어들수있다. 영역 Ⅱ는이들사이에있는과도영역이다. 30)31) Fig. 20. Overall mechanism of plasma polymerization 2. 플라즈마처리에의한표면개질 플라즈마공정은기체및유기증기들이저압상태에서플라즈마로전환될때고분자물질이생성되면서주위표면에박막의형태로입혀지는현상을이용하는기술이다. 중합반응이진공에가까운상태에서진행되며, 합성된고분자는주위에있는고체들의표면애서박막으로성장한다. 따라서플라즈마는박막제조및고체의표면개질에적합한기술이며, 다음과같은장점들을가지고있다. 1 기체나증기와같이가장기초적인소재로부터마지막처리단계까지한과정에서이루어진다. 2 흠이없이균일하게코팅할수있다. 3 단량체가반응기들을가지고있지않더라도중합시킬수있으므로선택할수있는코팅소재의폭이넓다. 4 진공에서안정한물질이면어떠한물질에도코팅할수있다. 5 코팅된박막의접착력이우수하다. 30) Y. V. Pan and D. D. Denton, J. Appl. Polym. Sci., 73, 1 (1999) 31) Y. V. Pan and D. D. Denton, J. Appl. Polym. Sci., 73, 17 (1999) -80-
81 6 7 건식방법이므로용매에의한환경오염이없다. 코팅소재와에너지의소비량이적어경제적이다. 플라즈마중합에의한박막은일반적으로매우높은가교결합및치밀한구조를갖고있고내용재성, 열적안정성등이우수한기계적물성을갖고있으며제조된박막은 pinhole이없는균일박막으로서기체와액체에대한우수한차단특성을갖는것으로알려져있다. 또한이들박막이기질에대한접착성도우수하기때문에기질의보호용재료로이용될수있다. 32)33) 3. 실험 가. 플라즈마중합용단량체 Aldrich Chemical 사제헥사메틸디실록산(hexamethyldisiloxane, HMDSO)(Fig. 21) 을최소 3회의 freeze-pump-thaw 방법으로완전탈기하여사용하였다. Fig. 21. Hexamethyldisiloxane (HMDSO). 나. 플라즈마중합장치플라즈마중합에는 Pyrex 반응기, 그리고플라즈마의발생을위한주파수 13.56MHz의라디오와발생기와여기에연결된임피던스정합장치를통하여상부전극으로공급하였다. Fig. 22 는이의개략도이다. 단량체의공급속도는미세유량조절밸브와 Mass Flow controller에의해조절되었으며상부전극부분으로부터 gas shower 방식에의해도입되었다. 반응을위한고진공상태를유지하기위하여 Ulvac사제의 VPC-259F diffusion pump 를사용하였으며, 방전및방전중반응기내의압력변화는 MKS Baratron gauge(mks) 로측정하였다. 32) K. Yamada, T. Haraguchi, and T. Kajiyama, J. Appl. Polym. Sci., 75, 284 (2000) 33) H. Chen and G. Belfort, J. Appl. Polym. Sci., 72, 1699(1999) -81-
82 Fig. 22. Schematic diagram of plasma reactor system. 다. 박막의플라즈마처리반응기안에 poly(ether sulfone) 필름을하부전극의중간에고정시켰으며, 단량체인헥사메틸디실록산(HMDSO) 을수회에걸쳐 freeze-pump-thaw법으로완전탈기한후진공펌프를이용하여반응기의초기내부압력으로 5 mtorr 이하로감압하였다. 그리고유량조절밸브를이용하여단량체인 HMDSO를반응기내로미세조절하여공급하였다. 이때드로틀밸브는항상완전히열린상태에서실험하였다. 단량체의유량이일정해지면 MHz 라디오주파수발진기를사용하여원하는방전출력에서소정의시간동안플라즈마처리를실시하였다. 라. 플라즈마중합막의 Deposition rate 측정현미경용 slide glass를기질로하여일정시간동안플라즈마중합을행한후생성두께를 Thickness profiler 를이용하여측정하였다. 단위시간당형성된박막두께로부터평균증착속도(DR, A /min) 를계산하였다. 마. 화학적특성분석 KBr pellet상에플라즈마중합막을형성시켜 Mattson FT-IR spectrometer를사용하여중합막의화학구조를분석하였다 (32 scan, 8 cm -1 resolution). 또한중합박막의화학적조성을조사하기위하여 ESCA 스펙트럼을분석하였다. -82-
83 바. 박막의형태분석 플라즈마중합막의표면및단면현태를분석하기위해 Hitachi 사의 S-510 주사 전자현미경(SEM) 을이용하여관찰하였다. 사. 기체투과도측정 산소투과속도는 Mocon사의 OX-TRAN 2/20 MB에필름을장착하여 35, 0% 상 대습도에서산소투과도를측정하였으며, 수증기투과속도는 Mocon사의 Permatran W3/31 MG를사용하여 37.8, 100% 상대습도에서필름의수증기투과도를측정 하였다. 34)35)36) Table 31. FT-IR band assignments of poly(hmdso) Peak Position(cm -1 ) Assignment Ʋ O-H Ʋ a C-H in CH 3 Ʋ a C-H in CH 2 Ʋ s C-H in CH 3 Ʋ s C-H in CH 2 Ʋ Si-H Ʋ C=O δ a CH 2 in Si-CH 2 -CH 2 -Si δ a CH 3 in Si-CH 3 δ a CH 2 in Si-CH 2 -Si δ a CH 3 in Si-CH 3 Ʋ a Si-O-Si, Si-O-C ω CH2 in Si-(CH 2 ) n -Si ρ CH3 in Si(CH 3 ) n, n=2, 3 ρ CH3 in Si(CH 3 ) n, n=1, 2 Ʋ Si-C 제 2 절. 기체투과방지막의안정성향상 1. 연구이론 34) K.A.Schult and D.R.Paul, J. Appl. Polym. Sci., 61, 1865 (1996) 35) N. Inagaki, S. Tasaka and T. Nakajima, J. Appl. Polym. Sci., 78, 2389 (2000) 36)L.Agres,Y.Ségri,R.Delsol,and P.Raynald,J.Appl.Polym.Sci.,61,2015 (1996) -83-
84 기체투과방지막은산소나수증기투과를방지하는층으로써유기계, 무기계, 및유기/ 무기하이브리드형이있다. 유기계기체투과방지막은종래의식품포장용에사용되고있는에틸렌비닐알콜공중합체(ethylenevinyl alcohol copolymer, EVA), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 연신나일론(oriented nylon), 연신폴리에틸렌테레프탈레이트(oriented polyethyleneterephthalate, PET), 폴리비닐리덴클로라이드(polyvinylidenechloride. PVDC), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA) 등을코팅이나라미네이션법으로제조한다. 무기계기체투과방지막은실리콘, 티탄및알루미늄과같은금속산화물을증착하여제조한다. 유기/ 무기하이브리드형기체투과방지막은졸- 겔반응을이용하여유기/ 무기형의하이브리드나복합재료형태로제조한다. 37) 디스플레이에사용되는기체투과방지막은높은빛투과율, 디스플레이제조상의내용제성, 표면경도, 내열성, 표면평활도가기본적으로요구되며, 현재쓰이고있는공정은증발, 스퍼터링, 화학증기증착, 물리증기증착, 플라즈마증착, 이온플레이팅등과같은진공증착기술이적용되고있다. 고성능의기체투과방지기능을갖는디스플레이용플라스틱필름에코팅되는기체투과방지막으로는투명한무기물층이바람직하다. 38) 이들의일반적인예로는산화규소 (SiO x ), 산화알루미늄 (Al x O y ), 산화탄탈륨(Ta x O y ), 산회티타늄(TiO x ) 등이있다. 이들은플라스틱필름의표면에 100 nm 이하의두께로코팅되어필름의광학적특성에손상을주지않으면서기체투과를획기적으로감소시키는특징을갖는다. 39) 디스플레이용플라스틱필름표면에기체투과방지막무기물을박막코팅하는방법에는졸- 겔법에의한것, 플라즈마화학증착법(plasma- enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 스퍼터링(sputtering) 등의진공증착등다양한방법이있다. 이들의기본적인코팅방법은서로다르지만궁극적으로는플라스틱필름의표면에무기물박막층을코팅하는기술로서플라스틱의필름표면과무기물간에화학적, 물리적인상호작용에의해서이루어지는기술이다. 40) 37) M. Benmal다 and H. M. dunlop. Surf. Coat. Technol., 76-77, 821 (1995) 38) D. Hegemann, U. Vohrer, C. Oehr, and R. Riedel, Surf. Coat. Technol., , 1033 (1999) 39) M. Walker, K. M. Baumgärtner, J. Feichtingre, M. Kaiser, A. Schulz, and E. Räuchle, Vacuum. 57, 387 (2000) 40) A. M. Sarma 야. T. H. Ying, and F. Denes, Eur. Polym. J., 31, 847 (1995) -84-
85 플라스틱필름에무기물박막을코팅하였을때발생되는문제점은기본적으로무기물과유기물이서로매우다른탄성계수 (modulus of elasticity) 를갖는데서비롯된다. 예를들어폴리에테르술폰필름의경우탄성계수가 3.7 GPa인반면이산화규소의경우는 70 GPa, 알루미나의경우는 350 GPa 이상의값을갖는다. 따라서무기물기체투과방지막이코팅된플라스틱필름이외부의힘에의해휨 (bending) 작용을받을경우무기물층과플라스틱의계면에서두물질사이에매우큰내부응력 (internal stress) 의차이를보이고그차이가크면클수록계면에서는보다큰전단응력(shearing force) 을받는다. 이것은수십나노미터(nanometer) 로얇게코팅된무기물층에서균열(cracking) 을유발할수있고또한무기물과플라스틱사이에접착력이약할경우무기물층의박리를유발할수있다. 이러한현상은곧바로무기물층의기체투과방지막으로서의기능상실로나타난다. 따라서이러한현상을방지하기위하여기체투과방지막제조시, 플라스틱필름과기체투과방지막사이에유기/ 무기하이브리드실리콘화합물층을삽입한다. 유기/ 무기하이브리드실리콘화합물은화합물내에 Si-O 와탄화수소(hydrocarbon) 의비가조절된화합물로서이들비에따라유기물과무기물의중간특성을갖는다. 따라서탄성계수가서로크게다른플라스틱필름과무기물박막사이에유기/ 무기하이브리드실리콘화합물층을삽입하면이들계면에서발생하는전단응력(shearing force) 을완화시키는역할을하고따라서코팅된무기물층에서발생하는균열(cracking) 및무기물층의박리를억제할수있다. 또한기체투과방지막으로코팅되는무기물층이플라스틱필름에직접코팅되는것보다는유기/ 무기하이브리드실리콘화합물이버퍼층으로있는것이보다우수한접착력을가질수있다. -85-
86 2. Wet Coating 에의한버퍼층도입 상기유기/ 무기하이브리드실리콘화합물로는 Si-O 결합과탄화수소결합이배합된어떠한화합물도가능하지만폴리실세스퀸옥산실란화합물이보다바람직하다. 폴리실세스퀸옥산은전형적인유기용매에잘녹는특성이있다. 특히광학적성질인빛투과율이뛰어나고열팽창계수는 11~14 ppm/ 로서유리, 산화규소(SiOx) 무기물과유기고분자의중간정도이므로본발명의목적에부합된다. 실세스키옥산계고분자는일반적으로 RSiO 3/2 로나타내며, 그종류는치환기 R에따라 hydrogen, alkyl, alkylene, aryl, arylene, organo-functional derivatives of alkyl, alkylene or arylene 등종류가다양하다. 지금까지보고된여러종류의실리콘래더폴리머중그물리적성질이나열적성질이우수하여산업응용분야에재검토되고있는고분자가 Polymethylsilsesquioxane (PMSQ) 과 Polyphenylsilsesquioxane (PRSQ) 이다. PMSQ와 PPSQ의물리적특성은 Table 31 과같다. PPSQ의가장큰장점은열적안정성이뛰어나초기열분해온도가 458~525 에이르며, 이는유기고분자중그열적안전성이매우뛰어난고분자로알려진폴리이미드의초기열분해온도보다약 50 이상높은것이다. 반면 PMSQ는구조적으로공명안정화된 PPSQ보다는초기열분해온도가떨어지나 pyrolysis시낮은중량감소를보이는장점이있어반도체재료로적합한고분자로인식되고있으나, 일반적으로실리콘래더폴리머의열적특성은주쇄인사다리구조에기인하기때문에측쇄의차이에따른내열성의차이는명확하지않다. 사용되는디스플레이플라스틱필름의종류에따라내열성의차이는명확하지않다. 사용되는디스플레이플라스틱필름의종류에따라다음의폴리실세스퀸옥산중에서 1종을선택해서사용하거나 2종이상을선택, 혼합해서사용한다( 폴리페닐- 메틸실세스퀸옥산, 페닐실세스퀸옥산-디메틸실옥산공중합체, 폴리메틸실세스퀸옥산, 폴리메틸- 하이브리드실세스퀸옥산, 폴리페닐실세스퀸옥산, 폴리페닐- 프로필실세스퀸옥산, 폴리페닐- 비닐실세스퀸옥산, 폴리(2- 브로모에틸실세스퀸옥산), 폴리(2- 클로로에틸실세스퀸옥산), 폴리사이클로펜틸실세스퀸옥산, 폴리하이브리드실세스퀸옥산). 폴리실세스퀸옥산고분자를디스플레이용플라스틱필름위에코팅하는방법은주로용매캐스팅법을사용하며에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 톨루엔, 에틸알코올, 이소프로필알코올등대부분의범용유기용제를용매로사용할수있다. 상기기술이적용되는디스플레이용플라스틱필름은내열성이우수한특성을갖는열가소성 (thermoplastic) 및열경화성(thermosetting) 필름모두가능하며사용가능한재료예로는폴리에테르술폰필름을비롯하여폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리아릴레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 환상올레핀공중합체 (cycloolefin copolymer) 등을들수있다. -86-
87 Table 32. Physical Properties of PPSQ vs. PMSQ Polymethylsilsesquioxane Polyphenylsilsesquioxane - High thermal stability - T d (initial - Low weight loss on pyrolysis decomposition temp.) : 458~525 - Pencil hardness : 9H but very brittle - Tensile strength : 18~800 MPa - Tensile strength : 28 MPa at - Elongation : 0.4~25% bridging degree of 78% at max. - Thermal expansion coefficient : - Optically transparent between 11 ~ 14 ppm/ below and Residual stress : 2.8x10 8 dyne/ cm2 - Refractive index : High volume resistivity - Low dielectric const. (low k=2.7) - Low hygroscopicity Fig. 23. Chemical structure of silsesquinoxane. -87-
88 3. Internal Stress에미치는요소플라즈마중합반응은한마디로기체및증기들의분자들이플라즈마상태에서반복적으로활성화- 비활성화(consecutive activation deactivation) 단계를거치면서고분자로성장해가는과정이라볼수있다. 반응기에주입된기체나증기의분자들이플라즈마내에존재하는전자, 이온, 중성입자, 라디칼등과같이높은에너지또는불안정한상태의입자들과충돌하여활성이높은반응기들을형성하여낮은에너지상태에있는다른분자또는이미생성된큰분자들과결합하여더큰분자로성장해간다. 이들분자들은다른분자들과충돌하여더큰입자로성장하며안정한에너지를가지고있는고체표면에부착하여고분자사슬을형성하며, 사슬간가교결합이생성되어치밀하며가교도가높은조직을형성하게된다. 플라즈마중합반응은기체상태에서진행될수도있지만, 진공상태에서는기체-기체충돌에대한기체-고체충돌의비율이높고에너지방출이용이한고체표면에서반응기들의비활성화가보다쉽게이루어지므로주로고체표면에서진행된다고볼수있다. 또한, 기체상태에서성장한분자들은입자들간의충돌과플라즈마전위차에의한가속에의해이미생성된고체표면에에너지를갖고충돌하게된다. 따라서합성된고분자물질들은고체표면위에서박막으로성장하게된다. 일반적으로고분자필름위에 PVD 및 CVD 방법에의해박막을형성시킬때플라즈마반응에의해생성된활성입자들은고체표면에가속되어충돌한입자들은박막사이로침입하게되어재배열되는과정에서박막내에압축응력을발생시키게된다. 증착생장된박막은내부응력의발생으로인하여크랙및필름의휨이발생하게되며그로인하여필름과생성된막과의계면간결합력이저하되어신뢰성에영향을주게된다. 41) 42) 무기물인 SiO 2 박막을얻기위해사용된헥사메틸디실록산은구조에메틸 (-CH 3 ) 를 6개포함하고있으며플라즈마중합시분자간결합의해리및재결합과정을거치면서 Si-O-Si 결합을이루게된다. 플라즈마중합시의반응에너지의조건에따라서구조에포함된메틸기들은산소와결합하여쉽게배출된수있는산화된형태의카본을이룰수도있지만 Si-O 결합에 CH x 형태로결합하게되어구조상의결함으로작용하여사슬간가교결합에서부분적으로덜치밀하며가교도를낮춰유연한박막을얻을수있을것으로생각된다. 이에본실험에서는플라즈마중합에의해생성된박막의내부응력을감속시키며우수한계면간결합을이룰수있는화학구조및조성과내부응력간의관계를조사하였다. 41)Q.S.YuandH.K.Yasuda,J.Polym.Sci.:PartA:Polym,Chem,Ed.,37,1577(1999) 42) F. Spaepen, Acta Mater., 48, 31 (2000) -88-
89 4. 실험. 가. 단량체및필름 Aldrich Chemical 사제헥사케틸디실록산(hexamethyldisiloxane, HMDSO) 을최소 3 회의 freeze-pump-thaw 방법으로완전탈기하여정제하지않고사용하였다. ( 주) 아이컴포넌트에서압출에의해생산되는폴리에테르술폰 (poly ether sulfone. PES) 필름을사용하였으며두께 0.2mm두께편차 1% 이하의필름을사용하였다. 나. Wet Coating 플라스틱필름과산화규소기체방지막사이에들어가는유기/ 무기하이브리드실리콘화합물은페닐 90 mole%, 메틸 10 mole% 를갖는폴리페닐메틸실세스퀸옥산 (PM-SSQ)(Gelest, SSt-3PM1) 을사용하였고에틸아세테이트용매에녹여롤코터 (roll coater) 를사용하여 PES 필름에코팅하였다. PES 필름에코팅되는 PM-SSQ 의두께는에틸아세테이트에녹이는 PM-SSQ의농도를변화시켜조절하였고주로 PM-SSQ의양을전체무게의 10 wt% 내에서조절하였다. 코팅후필름은진공오 븐에서 50 로건조하였다. 다. 플라즈마중합장치및중합과정플라즈마발생을위한주파수 MHz의라디오파발생기와여기에연결된임피던스정합장치를통하여 Pyrex glass 반응기상부의알루미늄전극으로전력을공급하였다. 단량체의공급속도는미세유량조절밸브와 mass flow controller에의해조절되었으며상부전극부분으로부터 gas shower 방식에의해도입되었다. 반응을위한고진공상태를유지하기위하여 Ulvac사제의 VPC-250F diffusion pump 를사용하였으며, 방전및방전중반응기내의압력변화는 MKS Baratron gauge(mks) 로측정하였다. 플라즈마처리에사용된 poly(ether sulfone) 필름은표면의오염물을제거하기위하여메탄올및 2차증류수세척후 70 에서 10분간건조하였다. 반응기안에 poly(ether sulfone) 필름을하부전극의중간에고정시켰다. 반응기의초기내부압력은 1 ~ 2 mtorr 이하로감압하였다. 그리고산소및단량체는 mass flow controller 및유량조절밸브를이용하여반응기내로미세조절하여공급하였다. 이때드로틀밸브는항상완전히열린상태에서실험하였다. 단량체의유량이일정해지면 MHz 라디오주파수발진기를사용하여원하는방전출력에서소정의시간동안플라즈마처리를하였다.(Fig. 24). -89-
90 Fig. 24. Photograph of plasma deposition on PES film. 라. 유기무기하이브리드기체투과방지막제조 /. 유기/ 무기하이브리드실리콘화합물위에코팅되는무기물기체투과방지막은플라즈마화학증착법을사용하여헥사케틸디실옥산(HMDSO) 을산소존재하에서 RF 전원(Advanced Energy. RFX-600) 을이용하여플라즈마반응시켜얻었다. 6 직경을갖는평판전극을이용하여 50 mm전극거리에서접지전극에기질(substrate) 을놓고단위 HMDSO 당 104 J/g 이상의높은전력을이용하여반응시켰다. HMDSO 와산소의부분압(partial pressure) 비 P 02 /P HMDSO 는 20.0 이상에서반응하였고전체압력은 100 mtorr 미만에서반응하였다. 플라즈마코팅된기체투과방지막을 ESCA 분석한결과 SiO x C y H z 의구조를갖으며여기서 x는 , y는 0.1 이하의값을가졌다. 플라즈마코팅막의증착속도는 45 nm/min 이었고기체투과방지막의두께는증착시간을조절하여 67 nm로일정하게유지하였다. 필름의산소투과도는 MOCON OX-TRAN 2/20 장비를이용하 여온도 35, 습도 0% 에서측정하였다. -90-
91 마. 박막특성분석플라즈마중합막의친수성을분석하기위하여물과의접촉각을 CCD 카메라로촬영하여측정하였다. 박막의화학적특성을분석하기위하여 KBr 분말을원판형으로압축성형하여기질로서사용하였다. KBr 원판을반응기내에넣어전극과전극사이의중앙에위치하도록놓고반응기체를주입하면서플라즈마박막을성장시켰다. KBr 상에생성된박막의화학적구조및조성은 Mattson FT-IR spectrometer(32 scan, 8 cm -1 resolution) 와 PHI-580 X-ray Photoelectron Spectroscopy(X- 선원조건, 15kV & ma) 에서얻어진시료의 C 1s, O 1s, 와 Si 2P 스펙트럼을이용하여분석하였다. 플라즈마중합막의표면형태를분석하기위해 Hitachi사의 S-510 주사전자현미경(SEM) 을이용하여관찰하였다. 박막의내부응력은측정을위하여 PES 필름을반응기하부전극에고정시켜플라즈마중합막을생성시킨뒤상온에서 24 시간방치한후스트립형태로절단하였다. 바. 박막의내구성실험 PES 플라스틱필름에유기/ 무기하이브리드실리콘층을코팅하고여기에기체투과방지막을코팅한것과플라스틱필름에직접코팅한기체투과방지막의성능내구성을비교하기위해시료를일정한비틀림운동장치에걸어이들필름의산소투과도변화를관찰하였다. 비틀림운동장치는 ASTM D2236을기초로해서제작되었다. 시료의크기는 100mmx30 mm로하였고시료의길이방향을항상필름의기계방향(machine direction) 으로정하여실험하였다. 비틀림운동의주파수는 0.25 Hz, 각변이(angular displacement) 는 (1/24)π로고정하였고진동횟수는시료당 5000 회로고정하였다. 사. Internal Stress 측정상온에서보관한필름은스캐너를이용하여단면을촬영하여곡률반경및내부응력을계산하였다.(Fig. 25) -91-
92 Fig. 25. Calculation of internal stress of film 제 3 절. 기술개발결과및결론 1. 기술개발결과 Fig. 26 는중합막의생성속도와분포를측정한결과이다. PES 필름표면에생성되 는플라즈마막의두께분포는지름 8 cm 정도까지매우균일하게생성되는것을 알수있다. Fig. 27 은접촉각측정결과를나타낸것이다. Deposition power가증가함에따라 접촉각이감소함을볼수있다. 이와같은결과는플라즈마중합시시스템내에공 급되는에너지가증가함으로써 HMDSO의분해및 SiO 2 로의재결합과정에충분한 에너지가공급되므로탄소화합물이산소원자와결합하여박막에서쉽게제거될 수있는형태로변환되어박막의화학구조가점차적으로친수성이증가됨을알수 있었다. -92-
93 Fig. 26. Deposition rate and thickness of plasma deposited films with O 2 HMDSO mixture. and Fig. 27. Contact angle as a function of deposition power. Fig. 28은플라즈마중합시산소기체를혼합하지않고 HMDSO만사용하여막을생성시켜 FT-IR 을측정한결과이다. 결과에서는 3400 cm -1 -OH 피크와 -CH x 화합물에의한피크가주종을이루고있다. 이와같은결과는막생성시산소의도입이배제되어 HMDSO 분자내에있는카본그룹이다량남아있는것으로생각되며이결과를기초하여산소비를조절하여막내의카본잔존물의함량을줄여나가게된다. -93-
94 Fig. 28. FT-IR curve of poly(hmdso). Fig. 29과 30은산소를혼합하지않은 HMDSO 기체와산소/HMDSO 부피비가 15:1인혼합기체를플라즈마중합하여얻은박막의 FT-IR 스펙트럼결과이다. Fig. 29. SiO 2 like FT-IR curve of O 2 and DMDSO mixture at optimized conditions. -94-
95 Fig. 30. FT-IR spectra obtained by plasma polymerization of O 2 mixtures with various deposition powers. and HMDSO -95-
96 HMDSO 기체만의중합스펙트럼에서는 Si-O-Si, Si-CH 3, 및 -CH x 화합물에의한피크가주종을이루며특히 2800 cm -1 에서의강한 -CH x 피크와 3400 cm -1 -OH 피크는 HMDSO내에있는산소원자가분자절단에충분하지않은에너지가도입되므로계내에서수소와재결합되거나 trapped free radical이나 Si-H의공기중산화에기인하는것임을알수있다. 점차적으로중합반응에에너지를증가시키면 Si-CH 3 와 -CH 3 피크강도는점차적으로감소하며 200 W에서 250 W까지에너지를증가시키게되면 1033 cm -1 에서강하게나타나는 Si-O 피크를제외하고카본화합물에의한피크는대부분나타나지않게된다. 이상의 FT-IR 측정결과로부터 HMDSO/O 2 혼합기체의플라즈마중합시 150 W까지의낮은에너지범위에서는 Si-C와 CH 화합물이박막내에남아있게되며 200 W 이상에서는분자절단에충분한에너지가시스템에공급됨으로써박막은무기물에가까운 SiO 2 구조를갖게된다. 43)44) FT-IR를이용하여성장한박막의화학적결합상태및화학종을조사한결과플라즈마중합시박막의화학적물리적특성을결정하는두가지요인중하나인플라즈마시스템내로전달되는에너지의양을변화시킨결과에너지를증가시키며박막을성장시킬경우에너지가증가함에따라박막에존재하는메틸및카본그룹들이감소함을알수있었다. 이러한결과는중합시플라즈마시스템내로전달되는에너지가증가함으로서단량체에포함되어있는메틸그룹이박막성장에참여하지않고 Si와의결합에서전달되어중합환경에서배제됨으로서박막이 Si-O 에가까운특성을가질수있게있었다. 박막내에카본화합물이존재할경우에는 Si-O 네트웍구조에서상대적으로큰분자구조를갖는카본화합물이가교도를낮추며치밀하지못한결합구조를형성하게한다. 이는수분및기체에대한투과도를증가시키는결과를갖게한다. Fig. 31은 FT-IR에얻은결과를확인하기위하여원자구성비를 X-ray phtoelectron spectroscopy(xps) 를이용하여카본, 실리콘, 그리고산소의비를정량화한것이다. Si와 O의비가 1:2로서 SiO 2 에가까운박막이형성된것을알수있으며이와같은결과는 FT-IR 의결과와동일함을알수있었다. 반응에공급되는에너지가증가함에따라 Si와 O의 atomic ratio는점차적으로감소하게되며 C의 atomic ratio비는 Si와 O 보다는좀더빠른감소를보인다. 이와같은결과는 FT-IR 에서얻은결과와같은경향을나타내고있으며계에공급되는에너지의증가가박막내에잔류하는카본화합물을감소시키는것을알수있다. 45) 43) P. Leprince and R. Messina. Progr. Org. Coat., 38, 9 (2000) 44) R. P. Mota, D. Galvão, S. F. Darrant, M. A. Bica Moraes, S. de O. Dantas, and M. Cantão, Thin Solid Films, 270, 109 (1995) 45) E. Huber and J. Springer, J.Appl. Polym. Sci., 62, 145 (1996) -96-
97 Fig. 31. Atomic concentration of plasma polymers determined by XPS as a function of RF power. Fig. 32에나타난것과같이박막표면을 SEM으로관찰한결과매우균일하며치밀한조직을갖는박막을관찰할수있었다. Fig. 33는화학적구조와두께에의한 internal stress 변화에이때의필름표면변화를관찰하기위한 SEM 결과이다. 샘플 (a), (b), (c), (d) 는공급에너지가 250 W이며박막의두께가 4000, 5000, 6000, 7000 A 이다. (a) 의경우플라즈마중합막의특징인매우평탄한표면을나타내고있다. 그러나 (b), (c), (d) 의경우엔중합막의 crack 현상이나타난다. 이때 crack이발생하여 PES 표면에서박리된중합막은압축응력이내재된막의전형적인특성을볼수있다. -97-
98 Fig. 32. Scanning electron micrographs of plasma deposited film:(a) plasma deposited layer (b) PES film -98-
99 Fig. 33. Scanning electron micrographs of film cracking on substrate film caused by the internal stress: (a) 4000 A ; (b) 5000 A ; (c) 6000 A ; (d) 7000 A. -99-