[논문]기판 열처리가 롤투롤 스퍼터를 이용하여 성장시킨 터치 패널용 유연 ITO 투명 전극의 특성에 미치는 효과 연구

김동주; 이원영; 김봉석; 김한기

doi:10.4313/jkem.2010.23.4.327

문제 정의

본 연구에서는 양산용 롤투롤 스퍼터를 이용하여 PET 기판상에 성막한 터치 패널용 ITO 필름의 특성과 ITO 성막 직전에 진행한 기판 열처리가 ITO 필름의 고온 챔버에서 열처리시 전기적, 광학적 특성에 주는 영향에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 직접 설계 제작한 양산용 롤투롤 스퍼터 시스템을 통해 제작한 터치패널용 ITO/PET 필름의 성막 직전 PET 기판의 열처리 효과에 대해보고하였다. 일반적으로 알려진 고온의 챔버에서 진행하는 ITO 필름의 내열성 테스트에 따른 ITO 박막의 신뢰성을 확보하기 위해 ITO 성막 직전 PET 기판의 열처리를 진행할 경우 내열성 테스트 후에서 우수한 특성의 ITO 필름을 제작할 수 있었다.

제안 방법

이를 위해 ITO 박막의 스퍼터 공정 전에 PET 기판의 열처리를 그림 3(a)에 나타낸 열처리 장치(할로겐 히터)를 이용하여 진행함으로써 ITO 박막의 면저항의 저하와 투과도의 향상을 유도하였다. PET 기판의 효과적인 열처리를 위해 할로겐 히터 자체의 온도는 200℃로 설정하였다.
그림 5(b)는 최적 조건에서 성막된 ITO 필름에서 ITO 박막의 성막 직전의 PET 기판 열처리 유무에 따른 유연성을 비교 평가한 bending test 결과이다. 85 mm × 20 mm 사이즈의 ITO/PET 샘플을 그림 5(a)의 사진처럼 클램프에 고정시키고 한쪽 클램프를 왕복 운동시켜 ITO/PET 샘플의 bending test 를 진행하였다. bending 시 기판의 양쪽 각도는 각각 25° 로 설정하였고, 기판의 bending 거리는 80 mm이며, 속도와 bending 횟수는 각각 160 mm/sec, 2000회로 설정 하고, 1회 밴딩시 5번의 저항 값을 모니터링 하도록 하였다.
기존의 양산용 롤투롤 스퍼터와 달리 degassing 챔버와 공정 챔버가 한 시스템에 구성되어 있다. Degassing 챔버는 그림 1에 나타내듯이 좌우측의 rewinder/unwinder 롤러에 의해 감겨 지고 풀어지는 PET 기판의 수분 및 가스를 중앙부에 위치한 heater를 통해 제거하도록 설계 되었다. 자세한 degassing 조건은 표 1에 나타내었다.
bending 시 기판의 양쪽 각도는 각각 25° 로 설정하였고, 기판의 bending 거리는 80 mm이며, 속도와 bending 횟수는 각각 160 mm/sec, 2000회로 설정 하고, 1회 밴딩시 5번의 저항 값을 모니터링 하도록 하였다.
그림 2는 롤투롤 스퍼터를 이용하여 상온에서 PET 기판에 성막한 ITO 박막의 산소 분압에 따른 면저항과 투과도를 나타낸다. 다른 공정조건에 비해 터치패널용 ITO 필름은 산소분압에 따라 전기적, 광학적 특성이 민감하게 변하기 때문에 산소 분압비를 이용한 최적화 공정을 진행하였다. 표 2에 나타내듯이 아르곤 유량비는 400 sccm으로 고정하고 산소 유량비를 6-16 sccm으로 변화시키며 ITO 박막을 성막하였다.
또한 FESEM 분석을 통해 최적화 공정에서 제작된 ITO 필름 표면 특성을 분석하였다. 플렉시블 ITO 필름의 유연성 및 부착력 분석은 자체 개발한 bending test system (ZB 100)을 이용한 굽힘 테스트를 통해 진행하였다.
ITO 캐소드 전에 장착된 할로겐 히터 상부로 PET 기판이 지나가면서 기판의 열처리가 진행되고 열 처리후 두 개의 ITO 캐소드 상부를 지나면서 연속적으로 ITO 박막이 PET 기판에 성막 되게 된다. 이때 10 wt% SnO₂가 도핑된 In₂O₃ 타겟을 사용하여 1 mTorr의 공정 압력에서 2 m/min의 PET 기판 이송 속도로 20 nm 두께의 ITO 성막을 진행하였으며 Ar/O₂ 가스 유량비를 조절하여 ITO 박막의 전기적, 광학적 특성을 최적화 하였다. 이때 ITO 캐소드의 DC 파워와 cooling drum의 온도는 각각 3.
표 2에 나타내듯이 아르곤 유량비는 400 sccm으로 고정하고 산소 유량비를 6-16 sccm으로 변화시키며 ITO 박막을 성막하였다. 이때 모든 샘플은 ITO 성막 직전에 PET 기판의 열처리를 진행하지 않고 ITO 박막을 성막 하였으며 성막이 끝난 ITO 필름을 고온 챔버에서 140℃에서 90 분 동안 열처리를 진행하여 ITO 박막의 전기적, 광학적 특성의 변화를 관찰하였다. PET에 성막된 ITO 박막의 면저항은 아르곤/산소 유량비의 증가에 따라 전형적인 U 형태의 커브 모양을 나타내고 있으며, 특정 14 sccm의 산소 유량에서 가장 낮은 면저항(450 Ω/□)을 나타내고 있다.
플렉시블 ITO 필름의 특성에 미치는 PET 기판의 열처리의 영향을 알아보기 위해 ITO 성막 직전에 열처리를 하지 않은 ITO 필름과 그림 1에 나타낸 것과 같이 ITO 캐소드 전에 온도 200℃로 설정된 할로겐 히터를 사용하여 기판의 열처리 한후 ITO가 성막된 필름을 준비하였고, 각각의 ITO 필름을 별도의 고온챔버에서 140℃ × 90 min 동안 내열성 테스트를 진행하였다. 이렇게 롤투롤 스퍼터로 제작된 ITO 필름의 전기적 특성은 four-point probe를 이용하여 측정했고 투과도는 Nippon Denshoku 社의 COH-300A를 이용하여 가시광(550 nm) 영역에서 분석하였다.
또한 FESEM 분석을 통해 최적화 공정에서 제작된 ITO 필름 표면 특성을 분석하였다. 플렉시블 ITO 필름의 유연성 및 부착력 분석은 자체 개발한 bending test system (ZB 100)을 이용한 굽힘 테스트를 통해 진행하였다.
플렉시블 ITO 필름의 특성에 미치는 PET 기판의 열처리의 영향을 알아보기 위해 ITO 성막 직전에 열처리를 하지 않은 ITO 필름과 그림 1에 나타낸 것과 같이 ITO 캐소드 전에 온도 200℃로 설정된 할로겐 히터를 사용하여 기판의 열처리 한후 ITO가 성막된 필름을 준비하였고, 각각의 ITO 필름을 별도의 고온챔버에서 140℃ × 90 min 동안 내열성 테스트를 진행하였다.

이론/모형

본 연구에서는 고품위 터치패널용 ITO 필름을 양산하기 위해 자체 개발한 롤투롤 스퍼터 시스템을 사용하였고 시스템의 구성 및 사진은 그림 1과 같다. 기존의 양산용 롤투롤 스퍼터와 달리 degassing 챔버와 공정 챔버가 한 시스템에 구성되어 있다.

성능/효과

=400/10 sccm)에서 ITO 성막전 PET 기판을 열처리 후 성막한 ITO 박막의 표면 AFM 이미지와 FESEM 이미지를 나타낸다. AFM 표면 이미지로부터 표면 조도 (room mean square roughness) 0.416 nm의 낮은 값을 얻을 수 있었고, 상온에서 성막한 비정질 구조의 박막이기 때문에 표면에 핀홀, protrusion, 크랙과 같은 표면 결함 없는 매우 평탄한 표면 상태를 나타내고 있다. 일반적으로 투명전극의 표면이 평탄하지 않으면 최종 터치패널의 제품으로서 빛의 굴절현상 및 전기적 특성을 저하 시키는 원인으로 작용하기 때문에 평탄한 표면은 터치 패널용 ITO 전극이 가져야할 매우 중요한 요소이다.
그림 3(b)은 성막직전의 열처리를 거친 PET 기판상에 성막한 ITO 박막의 전기적 특성과 성막후 140℃에서 90 분 동안 고온 챔버에서 열처리 진행후 변화된 면 저항을 나타낸다. ITO 성막 직전에 할로겐 히터를 이용하여 기판의 온도를 높임으로써 성막 직전에 기판 열처리를 진행하지 않은 샘플보다 산소유량비 10-16 sccm 영역에서 전반적으로 낮은 면저항을 얻을 수 있었다.
2%로 증가된 것을 보여준다. 이와 같은 ITO 필름의 면저항과 높은 투과도는 터치 패널용 ITO 필름으로 적용할 수 있는 수준이며 ITO 성막 직전 진행하는 PET 기판의 열처리 공정이 낮은 저항과 높은 투과도를 확보할 수 있는 효과 적인 공정 기술임을 나타낸다.

후속연구

또한 추후에는 Si 타겟을 이용하여 SiO₂ 버퍼층 증착을 통해 ITO 박막의 투과율 및 부착력 향상을 시킬 경우 더욱 우수한 유연성을 갖는 ITO/PET 기판을 제작할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 본 실험을 통해 최적화된 ITO/PET 기판으로 제작한 터치패널의 특성에 관한 실험은 진행 중이며 추후 본 학회지를 통해 보고할 예정이다.
이는 충분한 outgassing으로 PET 기판과 ITO 박막간의 접착력이 향상되었기 때문으로 사료된다. 또한 추후에는 Si 타겟을 이용하여 SiO₂ 버퍼층 증착을 통해 ITO 박막의 투과율 및 부착력 향상을 시킬 경우 더욱 우수한 유연성을 갖는 ITO/PET 기판을 제작할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 본 실험을 통해 최적화된 ITO/PET 기판으로 제작한 터치패널의 특성에 관한 실험은 진행 중이며 추후 본 학회지를 통해 보고할 예정이다.
일반적으로 투명전극의 표면이 평탄하지 않으면 최종 터치패널의 제품으로서 빛의 굴절현상 및 전기적 특성을 저하 시키는 원인으로 작용하기 때문에 평탄한 표면은 터치 패널용 ITO 전극이 가져야할 매우 중요한 요소이다. 이에 본 롤투롤 공정을 통해 상온에서 기판의 열처리 직후 성막된 ITO 필름은 터치 패널에 사용되기에 매우 적합할 것으로 사료된다. 그림 5(b)는 최적 조건에서 성막된 ITO 필름에서 ITO 박막의 성막 직전의 PET 기판 열처리 유무에 따른 유연성을 비교 평가한 bending test 결과이다.

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