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문제 정의
- 본 연구에서는 sol-gel법을 이용하여 제조한 하이브리드 코팅액에 SiO2 나노 입자를 첨가한 코팅액을 이용하여, 초음파 스프레이 노즐의 이동속도에 따른 반사방지 코팅막을 제조하였고, 이에 따른 구조적, 광학적 특성에 대하여 확인하였다. 스프레이 노즐의 이동속도가 15 mm/s에서 25 mm/s로 증가 됨에 따라 코팅막의 두께는 138 nm에서 86 nm로 감소되었고, 코팅막의 표면거칠기는 19.
제안 방법
- 단층 SiO2 박막을 코팅하기 위해서 sol-gel법을 이용한 유무기 하이브리드 코팅액을 제조하였다. 출발용액으로는 GPTMS(glycidoxypropyl trimethoxysilane), TEOS(tetraethyl orthosilicate), EtOH(ethylalcohol anhydrous), HNO3(nitric acid), H2O를 사용하였다.
- 반사방지막 특성에 관한 기초적인 조건은 막두께와 굴절률이다[12, 13]. 본 연구에서는 유리기판 위에 저굴절율을 갖는 단층 코팅막을 제조하기 위하여 유무기하이브리드 코팅액에 SiO2 나노 입자를 첨가하고, 일반 spray보다 더욱 미세한 미스트를 분사할 수 있는 초음파 스프레이 코팅법을 이용하여 노즐의 이동속도를 조절하여 다공질을 갖는 박막을 제조하였다. 코팅막의 두께는 노즐의 이동속도에 의해 제어되며, 각 조건에 따라 제조된 코팅막의 투과율, 반사율, 표면의 미세구조, 막두께 그리고 굴절률을 확인하였다.
- 초음파의 주파수가 높을수록 분사되는 미스트의 크기는 작아진다. 초음파 스프레이 코팅 장치에 고정되어 있는 유리 기판 위로 180 kHz의 초음파 스프레이 노즐이 15, 20, 25 mm/s의 속도로 코팅용액을 분무하며 코팅되었고, 상온에서 5분간 건조 후 100℃의 온도에서 30분간 유지되었다. Fig.
- 코팅된 기판의 가시광 투과율은 UV-VIS spectrophotometer(JASCO, V-570)를 사용하여 380~780 nm의 파장 범위에서 측정하였다. 코팅막의 표면구조와 막두께를 확인하기 위해서 field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM, JSM 6700, JEOL)를 사용하였고, root mean square(RMS) 표면 거칠기 값은 atomic force microscopy(AFM, EM4SYS PAFM NX II)에 의해 측정되었다.
- 3333px;">℃에서 4시간 정도 혼합하고, 상온에서 24시간 숙성시켰다. 코팅막의 굴절률을 더 낮추기 위하여, 제조된 유무기 하이브리드 코팅액에 평균입자 크기가 18~25 nm인 SiO2 나노 입자를 3.0 wt% 첨가하여 코팅액으로 사용하였다.
- 본 연구에서는 유리기판 위에 저굴절율을 갖는 단층 코팅막을 제조하기 위하여 유무기하이브리드 코팅액에 SiO2 나노 입자를 첨가하고, 일반 spray보다 더욱 미세한 미스트를 분사할 수 있는 초음파 스프레이 코팅법을 이용하여 노즐의 이동속도를 조절하여 다공질을 갖는 박막을 제조하였다. 코팅막의 두께는 노즐의 이동속도에 의해 제어되며, 각 조건에 따라 제조된 코팅막의 투과율, 반사율, 표면의 미세구조, 막두께 그리고 굴절률을 확인하였다.
대상 데이터
- 5에 나타내었다. SiO2 반사방지 코팅막의 막의 두께는 약 100 nm이며, F20-UV 장비를 이용하여 측정한 코팅막의 굴절률은 1.31, 두께는 104 nm로 측정되었다.
- 박막을 코팅하기 위해서 sol-gel법을 이용한 유무기 하이브리드 코팅액을 제조하였다. 출발용액으로는 GPTMS(glycidoxypropyl trimethoxysilane), TEOS(tetraethyl orthosilicate), EtOH(ethylalcohol anhydrous), HNO3(nitric acid), H2O를 사용하였다. 유무기 하이브리드 용액은 GPTMS : TEOS : EtOH : H2O : HNO3를 각각 0.
이론/모형
- 코팅막의 표면구조와 막두께를 확인하기 위해서 field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM, JSM 6700, JEOL)를 사용하였고, root mean square(RMS) 표면 거칠기 값은 atomic force microscopy(AFM, EM4SYS PAFM NX II)에 의해 측정되었다. 반사율, 굴절률 그리고 막두께를 측정하기 위해서 thin-film analyzer(F20-UV, FILMETRICS)를 사용하였다.
- 코팅된 기판의 가시광 투과율은 UV-VIS spectrophotometer(JASCO, V-570)를 사용하여 380~780 nm의 파장 범위에서 측정하였다. 코팅막의 표면구조와 막두께를 확인하기 위해서 field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM, JSM 6700, JEOL)를 사용하였고, root mean square(RMS) 표면 거칠기 값은 atomic force microscopy(AFM, EM4SYS PAFM NX II)에 의해 측정되었다. 반사율, 굴절률 그리고 막두께를 측정하기 위해서 thin-film analyzer(F20-UV, FILMETRICS)를 사용하였다.
성능/효과
- 4 nm로 확인되었다. 15 mm/s의 값이 19.7 nm로 가장 낮은 이유는 FE-SEM의 사진에 나타난 바와 같이 기판에 부착되는 SiO2 입자의 양이 상대적으로 많기 때문에 기공의 분포와 크기가 감소하여 RMS 값이 낮아졌고, 20 mm/s, 25 mm/s로 노즐 이동속도의 증가에 따라 각각 23.3 nm에서 32.4 nm로 증가하는 원인은, 노즐의 이동속도를 증가시키면 기판에 부착되는 SiO2 입자가 적어져 상대적으로 기공의 분포와 크기가 증가하여 RMS 값도 증가하는 것으로 판단된다.
- 6은 노즐 이동속도에 따른 코팅막의 투과율이다. 가시광선 영역(380 nm~780 nm)에서의 평균투과율은 노즐의 이동속도가 15 mm/s인 경우 92.8 %, 20 mm/s에서는 94.0 %로 투과율이 증가하였고, 25 mm/s에서는 투과율이 93.4 %로 다소 감소하였다. 유리기판의 평균투과율이 90.
- 코팅막의 반사율 스펙트럼을 보면 코팅막의 최저반사율을 나타내는 파장이 이동하는 것을 알 수 있는데, 각각 제조된 막의 굴절률 변화가 거의 없을 경우 코팅막의 두께가 낮아짐에 따라 최저반사율을 나타내는 파장이 단파장 쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다[15]. 굴절률 값은 표면구조가 다공질로 이루어져 1.31~1.32로 낮아진 것이 확인되었으며, 굴절률의 차이가 크지 않은 이유는 기공의 분포와 크기의 차가 크지 않기 때문으로 판단된다. 가장 낮은 반사율을 나타낸 20 mm/s로 제조된 코팅막의 FE-SEM 단면 사진을 Fig.
- 4 nm로 증가되었다. 노즐의 이동속도가 20 mm/s일 때 제조된 AR 코팅막의 굴절률은 약 1.31이고, 두께는 104 nm로 확인되었다. 이 코팅막의 평균 가시광선 투과율은 94.
- 노즐 이동속도에 따라 막두께와 굴절률이 변하며, 이에 따른 반사방지 코팅막의 투과율 차이를 나타낸다. 노즐의 이동속도에 따른 코팅막의 두께는 15 mm/s인 경우 138 nm로 가장 높은 값을 나타내었고, 20 mm/s에서 104 nm, 25 mm/s에서는 86 nm로 점차 감소하는 경향을 확인하였다. 코팅막의 두께가 104 nm인 20 mm/s의 코팅막은 투과율의 특성이 94.
- 5 %가 된다. 본 연구에서 제조한 반사방지막의 경우에 노즐의 이동속도가 15 mm/s인 경우 가시광선 영역(380 nm~780 nm)에서의 평균반사율이 약 0.93 %로 나타났으며, 이동속도가 20 mm/s일 때는 약 0.75 %로 가장 낮은 반사율을 보였다. 이동속도가 가장 빠른 25 mm/s일 때는 약 1.
- 노즐 이동속도는 15, 20, 25 mm/s로 5 mm/s의 간격으로 증가시켰다. 사진을 보면 SiO2 입자는 구형이고 다공질의 코팅막을 형성한 것을 확인할 수 있으며, 노즐의 이동속도가 증가함에 따라 다공성이 증가하는 모습이 보인다. 이것은 반사방지 코팅에서 저굴절률을 갖기 위한 기공의 분포가 노즐의 이동속도로 제어가 가능함을 알 수 있다[14].
- 나노 입자를 첨가한 코팅액을 이용하여, 초음파 스프레이 노즐의 이동속도에 따른 반사방지 코팅막을 제조하였고, 이에 따른 구조적, 광학적 특성에 대하여 확인하였다. 스프레이 노즐의 이동속도가 15 mm/s에서 25 mm/s로 증가 됨에 따라 코팅막의 두께는 138 nm에서 86 nm로 감소되었고, 코팅막의 표면거칠기는 19.7 nm에서 32.4 nm로 증가되었다. 노즐의 이동속도가 20 mm/s일 때 제조된 AR 코팅막의 굴절률은 약 1.
- 31이고, 두께는 104 nm로 확인되었다. 이 코팅막의 평균 가시광선 투과율은 94.0 %, 반사율은 0.75 %의 값을 보이기 때문에 약 90.9 %의 투과율을 갖는 유리기판에 비해 약 3.1 %의 투과율 향상을 보였다.
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