[논문]금속유기화학증착법으로 사파이어 기판에 증착된 단층 SiO2, TiO2 저반사막의 광 투과율, 내열성, 기계적 특성에 관한 연구

심규인; 엄형우; 강형; 최세영

doi:10.9766/kimst.2014.17.5.672

금속유기화학증착법으로 사파이어 기판에 증착된 단층 SiO2, TiO2 저반사막의 광 투과율, 내열성, 기계적 특성에 관한 연구
A Study on the Transmittance, Heat-Resistance, and Mechanical Properties of SiO2, TiO2 Anti-Reflective Single Layers Deposited on Sapphire Substrate by MOCVD 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.17 no.5, 2014년, pp.672 - 679

심규인 (연세대학교 신소재공학과) , 엄형우 (연세대학교 신소재공학과) , 강형 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 최세영 (연세대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To improve sensing capability of infrared, heat-resistance and mechanical properties, the $SiO_2$ and $TiO_2$ anti-reflective layers were coated on sapphire substrate by MOCVD. The standard wavelength was 4,600nm, and the thickness of anti-reflective layers were 379 and 758nm in case of ${\lambda}/4$ and ${\lambda}/2$ of incident angle($65^{\circ}$), respectively. The $SiO_2$ and $TiO_2$ anti-reflective layers were coated 12.6 and 9.7nm/min of deposition rates by increasing oxygen pressure to set the ideal refractive index of 1.283. In case of $SiO_2({\lambda}/2)$ coating, the transmittance increased from 55.0 to 62.7%. The transmittance of $TiO_2({\lambda}/2)$ anti-reflective layer also increased from 55.0 to 64.8%. The flexural strength of $SiO_2({\lambda}/2)$ and $TiO_2({\lambda}/2)$ layer coated sapphire increased from 337.8 to 362.9 and 371.8MPa, respectively. The flexural strength at $500^{\circ}C$ of these materials also increased respectively to 304.5, 358.2MPa from 265.9MPa. From these results, we confirmed these materials can be used as transmission window of infrared light.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

저반사막 설계시 기계적 물성 향상 및 열적 안정성을 위해 코팅재료의 선택과 공정 조건의 최적화가 필요하며, 다양한 분야에 적용하기 위해서는 코팅 박막의 내구성 확보와 함께, 광 투과율 및 기계적 성질이 우수하고, 융점이 높은 산화물계 원료를 선택하는 저반사막 코팅 기술에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 사파이어 기판에 다공성의 단층 저반사막을 MOCVD를 이용하여 증착 후, 광 투과율을 측정하여 저반사막 코팅 최적 조건을 확보하고, 박막과 기판의 열팽창 계수 차이에 따른 압축 및 인장응력을 형성시켜 기계적 성질을 평가하여 고감도 적외선 투과창으로 활용 가능한 최적 공정을 확보하는 연구를 진행하였다.

제안 방법

3.0mm 두께의 사파이어에서 특정 입사각도에 따른 저반사막 코팅 설계시 저반사 효과를 극대화하기 위해서 입사빔의 각도를 65°로 고정할 때, 입사빔의 길이 변화를 Fig. 2와 같이 확인하였다.
65°의 입사각도에서 기준파장 4,600nm로 설정 후, Rayleigh 공식에 따라 λ/4와 λ/2 입사파장 기준으로 각각 379, 758nm의 두께로 증착하였다.
Fig. 3과 같이 SiO₂와 TiO₂ 저반사막 코팅시 요구되는 사파이어 기판과의 굴절률을 맞추기 위해 MOCVD 내 혼입되는 O₂ gas mass flow를 증가시켜 다공성 박막을 증착하였다.
SiO2와 TiO2 저반사막 코팅을 위해서 O2 gas flow를 각각 25～45sccm과 30∼70sccm 범위로 조절하여 식(1), (2)를 만족하는 굴절률 값으로 조절하였으며, 저반사막의 굴절률은 Spectroscopic ellipsometry(SE MG-1000, Nano View, Korea)로 확인하였다.
TEMS와 TDMAT 원료를 이용하여 기준파장 4,600nm로 설정 후, λ/4와 λ/2 입사파장 기준으로 Rayleigh 공식에 따라 두께를 설계하였다.
6은 일반 사파이어 및 SiO₂와 TiO₂ 저반사막이(λ/2) 코팅된 사파이어의 측면을 strain viewer로 관찰한 단면응력 사진이다. 검광자(Analyzer)를 반시계방향으로 돌린 후 관찰하였으며, 이때 소광된 부위가 압축응력 층을 나타내고, 반대로 밝은 부위는 인장응력을 나타낸다. 사파이어 기판(6.
단층 저반사막이 코팅된 사파이어의 광 투과율은 fourier transform infrared spectroscopy spectrometer(FT-IR, Bruker Optics, Vertex70, Germany)으로 2,500에서 7,000 nm의 파장 범위에서 He-Ne 레이저를 광원으로 scan speed는 2mm/sec, 반복횟수 20회로 측정하였다. 코팅된 박막의 표면 거칠기는 Atomic force microscope(AFM, XE-100, Korea)을 이용하여 1.
는 사파이어의 굴절률이고, λ는 기준파장(Standard wavelength), 입사파장은 λ/4, λ/2 두 가지로 설계가 가능하다. 반면에, Fig. 1(b)와 같이 다층 저반사막 코팅시 후보 재료에 대한 선택 범위가 넓고, 투과율이 향상되는 파장대가 넓어지는 장점이 있지만, 박막의 접착력에 대한 문제점과 공정시간이 길어지는 단점이 있어 본 실험에서는 단층 저반사막을 사파이어 기판에 코팅하였다.
SiO₂와 TiO₂ 저반사막 코팅을 위해서 O₂ gas flow를 각각 25～45sccm과 30∼70sccm 범위로 조절하여 식(1), (2)를 만족하는 굴절률 값으로 조절하였으며, 저반사막의 굴절률은 Spectroscopic ellipsometry(SE MG-1000, Nano View, Korea)로 확인하였다. 저반사막 증착 후 박막의 두께는 Surface profiler(KLA-Tencor, AS500, USA)로 확인하였다.
저반사막 코팅된 사파이어의 기계적 성질을 평가하기 위해서 사파이어 시편을 직육각형 3×4×36mm3의 크기로 절단 후 SiC 사포를 이용하여 #400에서 2,000까지 옆면 및 모서리 부분을 연마하였다.
정밀한 적외선 감지능을 갖는 사파이어 투과창 개발을 위해 MOCVD를 이용하여 사파이어 기판에 SiO₂와 TiO₂ 단층 저반사막을 코팅하였다. 65°의 입사각도에서 기준파장 4,600nm로 설정 후, Rayleigh 공식에 따라 λ/4와 λ/2 입사파장 기준으로 각각 379, 758nm의 두께로 증착하였다.
코팅된 박막의 표면 거칠기는 Atomic force microscope(AFM, XE-100, Korea)을 이용하여 1.0μm2 범위에서 중심선 평균 거칠기(Ra)와 최대높이 거칠기(Rz)를 측정하였다
60×10^-6/K이며, 기판보다 열팽창 계수가 작은 SiO₂ 박막을 증착할 경우 사파이어 표면에는 압축응력(Compressive stress) 층이 형성되고, 열팽창 계수가 큰 TiO₂ 박막을 증착할 경우 인장응력(Tensile stress)을 형성시킨다^[6]. 표면에 형성된 인장 및 압축응력은 Strain viewer(Mitsubishi, 4XFL6, Japan)를 통해서 확인하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 사파이어(Sapphire technology Co., Ltd, Korea)의 기본 물성은 Table 1과 같다.
적외선 투과 저반사막 재료는 Table 2와 같이 투과율 향상뿐만 아니라, 사파이어 기판과의 열팽창계수 차이를 이용하여 표면을 강화시킬 수 있는 SiO₂와 TiO₂ 산화물계 하드코팅(Hard-coating) 재료를 선택하여 증착하였다.
증착은 MOCVD(Daedong Hi-Tec., Korea)를 이용하여 Tris(ethylmetylamino)silane(TEMS 전구체)와 Tetrakis-dimethylaminotitanium(TDMAT 전구체)를 각각 SiO₂와 TiO₂의 화학무기원료로 사용하였다. 이들 두 원료의 기화점은 각각 170℃, 50℃이며, 증기압은 각각 20℃에서 1.

성능/효과

(a)와 같이 일반 사파이어 및 SiO2의 입사(λ/2, λ/4) 파장에 따라 두께를 조절한 저반사막 코팅된 사파이어의 광 투과율을 측정한 결과 SiO2(λ/2) 코팅시 55.0에서 62.7%까지 7.7% 증가하였다.
(b)는 TiO2의 입사파장(λ/2, λ/4)에 따라 증착한 저반사막의 광 투과율이며, 일반 사파이어와 비교시 TiO2(λ/2) 코팅시 55.0부터 64.8%까지 9.8% 증가하여, 저반사막 효과를 확인할 수 있었다.
SiO2 박막은 Ar 혼입량을 65sccm으로 고정 후 O2 gas flow를 25에서 45sccm까지 증가시키면 굴절률이 1.302에서 1.283까지 감소하였고, TiO2 박막은 Ar 혼입량을 40sccm으로 고정하고, O2 gas flow를 30에서 70sccm까지 크게 증가시킨 결과 굴절률은 1.617에서 1.284까지 감소하였다.
SiO2(λ/2) 저반사막의 광 투과율이 55.0에서 62.7%까지 7.7% 증가하였고, TiO2(λ/2) 저반사막 증착시 55.0에서 64.8%까지 9.8% 증가하였다.
Strain viewer를 이용하여 단면응력 층을 확인한 결과, SiO2(λ/2) 코팅한 사파이어는 양면에 0.7mm씩 압축응력 층이 형성되었고, TiO2(λ/2) 코팅한 사파이어에서는 0.3mm 인장 응력 층이 형성되었다.
TiO2(λ/2) 코팅된 사파이어의 비커스 경도는 일반 사파이어와 비교하면 1599.5에서 1670.6kg/mm2으로 4.4% 증가하였으며, 파괴인성은 1.5509에서 1.6933MPa·m1/2으로 9.2% 증가하였다.
경도 및 파괴인성은 압축응력 층이 형성된 SiO2(λ/2) 코팅 사파이어가 인장응력 층이 형성된 TiO2(λ/2) 코팅 사파이어 시편보다 2% 정도 증가하였다.
따라서, TiO2(λ/2) 저반사막 코팅으로 인장응력 층이 형성된 시편의 강도가 압축응력 층이 형성된 SiO2(λ/2) 저반사막 시편보다 측정 온도별로 최대 2.5%까지 더 증가한 것으로 판단된다.
따라서, 일반 사파이어 대비 TiO2(λ/2) 저반사막 코팅된 3점 굽힘 강도는 상온에서 337.8에서 371.8MPa까지 증가하였고, 500℃의 고온 굽힘 강도는 265.9에서 358.2MPa으로 증가하였다.
7%의 감소를 보여서 저반사막 코팅된 사파이어의 고온에서 굽힘 강도의 감소폭이 줄어든 것을 확인하였다. 또한 동일한 저반사막 코팅 박막의 경우 증착 두께가 증가할수록 상온에서 온도를 증가시켜 실험한 굽힘 강도의 감소폭이 줄어드는 경향도 확인할 수 있었다. 이것은 산화물계 저반사막 코팅시 내열성이 향상된 것과 동시에 표면에 생성된 응력층의 영향으로 굽힘 강도 측정시 인가되는 하중에 대한 저항력이 증가하여 결과적으로 강도를 증가시킨 것으로 판단된다.
508nm으로 큰 변화 없이 균일하게 증착되었음을 확인하였다. 또한 일반 사파이어의 R_z값인 4.924nm와 비교하여 저반사막 코팅시 1.983에서 2.365nm의 최대 높이 거칠기 값을 나타내어 저반사막 증착과 함께 표면 거칠기 값이 감소하여 광 투과율 향상에 기여한 것을 확인할 수 있다.
508nm으로 큰 변화 없이 균일하게 증착되었음을 확인하였다. 또한 일반 사파이어의 R_z값인 4.924nm와 비교하여 저반사막 코팅시 1.983에서 2.365nm의 최대 높이 거칠기 값을 나타내어 저반사막 증착과 함께 표면 거칠기 값이 감소하여 광 투과율 향상에 기여한 것을 확인할 수 있다.
5%까지 더 증가한 것으로 판단된다. 또한, O₂ gas flow를 조절하면서 증착된 저반사막이 비정질 상으로 증착되면서 항복강도에 영향을 주는 표면의 미세균열이나 결함을 코팅 층이 덮어 균열의 전파를 방지하는 효과도 작용한 것으로 판단된다.
284까지 감소하였다. 또한, 저반사막 증착시 O₂ gas mass flow가 증가할수록 다공성의 박막으로 증착되어 증착속도도 함께 감소하는 경향을 확인하였다. SiO₂ 박막은 O₂ gas flow가 45sccm일 경우, 박막의 증착속도는 12.
사파이어 기판(6.60×10-6/K) 보다 열팽창 계수가 낮은 SiO2(0.55×10-6/K) 박막을 코팅한 사파이어 시편은 소광된 압축응력 층이 0.7mm 씩 양 측면에 나타난 것을 확인할 수 있으며, 반대로 열팽창 계수가 큰 TiO2(9.00×10-6/K) 박막 코팅시 사파이어 기판의 표면에서 0.3mm의 인장응력(밝은 부위) 층이 형성되었다.
상온에서 500℃까지 온도가 증가할수록 일반 사파이어의 굽힘 강도는 337.8에서 265.9MPa까지 21.3% 정도 감소하지만, TiO2(λ/2) 저반사막 코팅된 사파이어의 경우 상온 및 500℃에서의 굽힘 강도 값은 각각 371.8, 358.2MPa으로 3.7%의 감소를 보여서 저반사막 코팅된 사파이어의 고온에서 굽힘 강도의 감소폭이 줄어든 것을 확인하였다.
일반 사파이어 대비 SiO2(λ/2) 코팅된 사파이어에서 비커스 경도가 최대 1599.5에서 1690.1kg/mm2으로 5.7% 증가하였으며, 파괴인성도 1.5509에서 1.7151MPa·m1/2으로 10.6% 증가하였다.
5는 입사파장(λ/2, λ/4)에 따라 증착된 SiO₂와 TiO₂ 박막의 표면 거칠기를 측정한 결과이다. 일반 사파이어의 R_a(0.478nm) 값과 비교하여 저반사막의 Ra값은 0.456에서 0.508nm으로 큰 변화 없이 균일하게 증착되었음을 확인하였다. 또한 일반 사파이어의 R_z값인 4.
증착된 박막의 굴절률을 ellipsometry로 측정한 결과 두 가지 원료 모두 O₂ gas flow가 증가할수록 굴절률이 감소하였다. SiO₂ 박막은 Ar 혼입량을 65sccm으로 고정 후 O₂ gas flow를 25에서 45sccm까지 증가시키면 굴절률이 1.

후속연구

7151MPa·m^1/2으로 증가하였다. 따라서, 단층 SiO₂, TiO₂저반사막을 사파이어에 코팅시 우수한 광 투과율, 기계적 성질, 내열성을 갖는 적외 투과창으로 활용 가능할 것으로 판단된다.
저반사막 설계시 기계적 물성 향상 및 열적 안정성을 위해 코팅재료의 선택과 공정 조건의 최적화가 필요하며, 다양한 분야에 적용하기 위해서는 코팅 박막의 내구성 확보와 함께, 광 투과율 및 기계적 성질이 우수하고, 융점이 높은 산화물계 원료를 선택하는 저반사막 코팅 기술에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 사파이어 기판에 다공성의 단층 저반사막을 MOCVD를 이용하여 증착 후, 광 투과율을 측정하여 저반사막 코팅 최적 조건을 확보하고, 박막과 기판의 열팽창 계수 차이에 따른 압축 및 인장응력을 형성시켜 기계적 성질을 평가하여 고감도 적외선 투과창으로 활용 가능한 최적 공정을 확보하는 연구를 진행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광 투과율을 향상시키는 열처리와 에칭(Etching)은 어떤 방법인가?	광 투과율을 향상시키는 방법인 열처리와 에칭(Etching)은 사파이어 표면의 균열(Crack)을 제거하여 표면에서의 반사를 감소시키는 방법이며[2,3], 저반사막 코팅은 사파이어 기판 위에 단층 또는 다층의 박막을 증착하여 사파이어 기판과 코팅된 박막층 사이에 발생하는 빛의 간섭효과를 이용하여 사파이어 표면의 반사를 감소시켜 광 투과율을 증가시키는 방법이다[4]. 저반사막 코팅시 박막 내부의 열팽창률 차이에 따른 계면 탈리(Adhesion failure)가 발생될 우려가 있으며, 특히, 다층 저반사막 일 경우 박막과 박막의 계면에서 박리현상, 균열 등의 문제가 발생할 가능성이 높다.
	사파이어 기판 위에 저반사막 코팅 시 갖는 문제점은 무엇인가?	광 투과율을 향상시키는 방법인 열처리와 에칭(Etching)은 사파이어 표면의 균열(Crack)을 제거하여 표면에서의 반사를 감소시키는 방법이며[2,3], 저반사막 코팅은 사파이어 기판 위에 단층 또는 다층의 박막을 증착하여 사파이어 기판과 코팅된 박막층 사이에 발생하는 빛의 간섭효과를 이용하여 사파이어 표면의 반사를 감소시켜 광 투과율을 증가시키는 방법이다[4]. 저반사막 코팅시 박막 내부의 열팽창률 차이에 따른 계면 탈리(Adhesion failure)가 발생될 우려가 있으며, 특히, 다층 저반사막 일 경우 박막과 박막의 계면에서 박리현상, 균열 등의 문제가 발생할 가능성이 높다.
	사파이어는 어떤 구조를 갖는가?	적외선 영역에서 투과창으로 사용되는 사파이어(sapphire)는 단결정 알루미나(Al2O3)이며, c축으로 성장된 육방정(Hexagonal) 구조이다. 사파이어는 규칙적인 원자배열과 결함의 부재로 적외선 영역에서 광 산란인자가 적어서, 광 투과성이 우수하고, 저온 및 고온 안정성을 갖고 있으며, 모스 경도(Mohs hardness)가 9로써 다이아몬드 다음으로 높고, 기계적 성질이 매우 우수하다[1].

참고문헌 (10)

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M. Friz and F. Waibel, "Coating Materials. In Optical Interference Coatings," Springer Berlin Heidelberg, pp. 105-130, 2003.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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