Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.12 pp.714-718
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.12.714

Fabrication of Anti-Reflection Thin Film by Using Screen Printing Method

Chang-Sik Choi1,Jeong-Sic Nam1,Ji-Sun Lee1,Dae-Woo Jeon1,Young-jin Lee1,Hyun-Bae2,Jin-Ho Kim1†
1Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology, Optic & Display Materials Center, Jinju 52851, Republic of Korea
2Shinceramic co., ltd, 303, Cheomdan-ro, Ansan-si, Gyeonggi-do 15607, Republic of Korea
Corresponding author
E-Mail : jhkim@kicet.re.kr (J. H. Kim, KICET)
August 14, 2018 September 11, 2018 November 13, 2018

Abstract


Anti-reflection thin films are fabricated on glass substrates using the screen printing method. Tetra ethyl silicate(TEOS) and methyl tri methoxy silane(MTMS) are used as starting materials and buthyl carbitol acetate(BCA) and buthyl cellusolve(BC) are mixed to improve the viscosity of the solution. Anti-reflection thin films are fabricated according to the number of the screen mesh and the characteristics improve as the mesh size increases. The transmittance and reflectance of the coated thin film using 325 mesh are about 94 % and 0.43 % in the visible wavelength. The thickness and refractive index of the AR thin film are 107 nm and n = 1.26, respectively.



Screen Printing법을 이용한 반사방지막 제조

최창식1,남정식1,이지선1,전대우1,이영진1,배현2,김진호1†
1한국세라믹기술원 광·디스플레이 소재센터,2신세라믹 주식회사

초록


    Economic Cooperation and Development

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    반사방지막(anti-reflection film, AR film)은 광학장치의 반사율을 감소시키고 투과율을 증가시키는 특성을 갖고 있으며, 디스플레이 디바이스, 태양전지, 건축유리등에 적 용되어 에너지 효율향상 및 시인성 확보를 위한 목적으 로 상용화되고 있다.1-5) 현재 산업분야에서의 반사방지막 은 고가의 건식 공정을 이용해 다층(multi-layer)박막을 가 진 필름으로 제조된다. 이러한 공정은 박막의 내구도, 신 뢰성 및 생산단가 등에 문제점을 가지고 있으며 대형화 제품에 적용시키는 것에 어려운 문제가 있다.6) 반사방지 막 제조공정에서 건식 공정의 문제점을 보안하고, 대면 적으로 제작하기 위한 방안으로 습식 공정을 이용한 단 층(single layer) 반사방지막 제조 방법이 있다.7) 일반적 으로 습식 공정을 이용한 반사방지막 제조법으로 dip, spray, spin coating, chemical bath deposition(CBD), layer-by-layer(LBL-SA)법이 있다.8-10) 다양한 습식 공정 코팅방법 중 하나인 screen printing법은 screen 기판과 코팅기판 사이의 간격을 조절한 후 코팅막을 인쇄하는 기술이다.11) 이는 박막제조 공정이 비교적 간단하며 대 면적으로 코팅막의 제조가 가능한 장점을 갖고 있다. 반 사방지막의 특성 제어 관해 가장 중요한 조건은 굴절률 과 막 두께의 제어이다. 굴절률은 이론적 수치인 저굴절 (n = 1.22)에서 최적의 반사방지 효과를 나타내며, 막 두께 의 조절은 원하는 파장영역에서 반사를 제어할 수 있다.12,13)

    본 연구에서는 기존의 건식 공정을 이용하여 제조했던 반사방지막의 상기 문제점을 해결하기 위해 습식 공정 의 하나인 screen printing 법을 이용하여 대면적 반사 방지막을 제조한 후, 박막의 표면구조 및 광학적 특성 을 확인하였다.

    2. 실험 방법

    단층 SiO2 박막을 제조하기 위해서 sol-gel법을 이용하 여 용액제조를 하였다. 용액제조를 위한 출발물질로는 SiO2의 전구체인 tetra ethyl silicate(TEOS; 95 %, JUNSEI) 와 methyl trimethoxy silane(MTMS; 97 %, Sigma Ardrich), ethyl alcohol anhydrous(EtOH), H2O, nitric acid(HNO3; 70%, DAEJUNG)를 혼합하여 사용하였다. TEOS :MTMS : EtOH : H2O :HNO3를 1 : 0.3 : 12 : 3 : 0.1의 몰비로 SiO2 용액을 합성 하였으며, TEOS와 MTMS의 축합반응을 위 해 EtOH에 첨가하였으며, 가수분해 작용을 위하여 3차 증류수와 촉매작용을 위해 nitric acid를 첨가하였다. 합 성 후 투명한 용액상태를 가졌으며, TEOS-MTMS sol에 butyl carbitol acetate(BCA, Sigma Ardrich)와 butyl cellusolve(BC, Sigma Ardrich)용액을 첨가한 후 용액 농 축기를 이용하여 용매 치환하여 최종적인 용액을 제조 하였다. Screen printing 법의 경우에는 용액의 점도성부 여가 필요하기 때문에 BCA와 다공질 막을 형성하기 위 해 BC를 첨가하였다. 용액합성 및 코팅의 대한 실험 모 식도를 Fig. 1에 나타내었다. 실험의 사용된 유리기판은 10 × 10 cm의 판유리를 사용하였으며, 스크린 기판은 200, 250, 325 mesh 기판을 사용하였다. 유리기판과 스크린 기 판의 간격은 2 mm로 두고 단면 코팅하였으며, 코팅막의 안정적인 흡착을 위해 상온에서 180초간 레벨링을 과정 을 거쳐 650 °C의 온도조건에서 180초간 열처리를 진행 하였다. Fig. 2에 코팅용액의 TG-DTA의 그래프를 나타 내었다. 유기물의 열분해 조건을 확인하기 위해 시차 열분 석 장비(differential thermal analysis, DTG-60H, Shimadzu) 를 이용해 분석하였으며, 박막의 표면미세구조는 주사전 자현미경(field emission scanning electron microscopy; FE-SEM, JSM6700, JEOL) 분석을 하였다. 박막 표면의 거칠기는 원자간력 현미경(atomic force microscope; AFM, EM4SYS PAFM NXII)을 이용하여 측정하였고, 박막의 광학적 특성을 확인하기 위해 자외선-가시광선 분 광광도계(UV-Vis spectrophotometer, V-570, JASCO)를 사용하여 가시광선 영역(380~780 nm)에서 투과율을 측정 하였으며, 박막의 두께와 굴절률을 확인하기 위해서 박 막 분석기(thin-film analyzer; F20-UV, FILMETRICS)을 사용하였다.

    3. 결과 및 고찰

    본 실험에서는 TEOS-MTMS sol에 BCA와 BC를 첨 가 후, 열처리에 의해 유기물이 분해됨에 따라 코팅막 의 표면 구조 및 광학적 특성의 변화를 확인하였다. Fig. 3과 Fig. 4는 스크린 mesh에 따른 가시광 투과율과 반 사율에 대한 그래프이다. 제조된 반사방지막의 평균 투 과율은 200 mesh : 92.3 %, 250 mesh : 93.1 %, 325 mesh : 94 %로 측정되었으며, 평균반사율은 200 mesh : 1.58 %, 250mesh : 0.66 %, 325mesh : 0.42 %로 측정되었다. 550 nm파장영역에서 325 mesh sample의 투과율은 94.3 %, 반사율은 0.17 %로 측정되었으며 제조된 샘플중 가장 좋 은 광학적 특성을 보였다. Fig. 5는 스크린 mesh에 따 라 제조된 sample의 AFM 사진이다. 스크린 기판의 mesh number에 따라 제조된 반사방지막의 표면거칠기 (RMS)는 5 × 5 μm의 범위에서 200 mesh : 9.854 nm, 250 mesh : 2.78 nm, 325 mesh : 1.941 nm로 측정되었으며, 스 크린 기판의 mesh number가 클수록 표면거칠기는 작아 지는 경향을 확인할 수 있었다. 이것은 mesh number의 영향을 받아 입자의 응집이 제어되고 열처리 과정 후 치 밀하게 코팅되어 진 것으로 생각한다. Fig. 6은 mesh number에 따라 제조된 반사방지막의 SiO2입자의 구조와 단면구조를 보여주는 FE-SEM 이미지다. 200 mesh로 제 작된 sample의 미세구조를 보면 입자와 입자 사이의 빈 공극이 보여지는데 mesh number가 증가할수록 입자가 전체적으로 균일하고 치밀하게 형성된 것을 확인할 수 있으며 AFM측정결과와의 비슷한 경향을 보여준다. 또한 단면 구조 분석결과 반사방지막의 두께는 약 100 nm 인 것을 확인할 수 있으며, 제조된 코팅막의 정밀한 두께 및 굴절률을 확인하기 위해 F20-UV 장비를 이용하여 유 리 기판과 반사방지 코팅막을 비교 분석하였다. 분석결 과, 유리기판의 굴절률 n = 1.49, 200 mesh = 1.31, 250 mesh = 1.29, 325 mesh = 1.26으로 측정되었으며, 반사방지 막의 두께는 200 mesh = 140 nm, 250 mesh = 123 nm, 325 mesh는 107 nm로 측정되었다. 스크린 mesh에 따라 제 조된 반사방지막의 특성들을 Table 1에 나타내었다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 스크린 프린팅을 이용하여 반사방지막 제조하였다. 반사방지막 제조용 용액은 SiO2의 전구체인 tetraethylsilicate(TEOS)와 methyltrimethoxysilane(MTMS) 를 sol-gel 합성법을 이용하여 TEOS-MTMS sol을 제조 하였고 butyl carbitol acetate(BCA)와 butyl cellusolve (BC)를 혼합하였다. 막의 두께 조절 및 구조적 특성인 다공질의 막을 치밀하고 조밀하게 얻기 위해 screen mesh number를 변수로 두고 실험을 진행한 결과, mesh number 가 증가할수록 반사방지막의 광학적 특성 및 구조적 특 성이 향상되었으며, 이는 SiO2입자가 조밀하고 치밀하게 형성되어 있기 때문이라고 생각한다. 325 mesh로 제조 된 반사방지막의 광학적 특성은 가시광 평균투과율 94 % 로 기판대비 투과율이 4.1 % 향상 되었으며, 가시광 평 균반사율은 0.42 %로 기판대비 4.36 % 감소되었다. AFM 과 FE-SEM을 통해 표면미세구조를 확인한 결과, 325 mesh로 제조된 반사방지막이 20~30 nm SiO2입자가 균 일하게 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 325 mesh 로 제조된 반사방지막은 550 nm 파장에서 최고 투과율 94.3 %, 최저 반사율 0.17 %, 107 nm의 막 두께, 굴절률 n = 1.26로 측정되었다.

    Acknowledgments

    The research was financially supported by a research grant(project No. R0004772) from Economic Cooperation and Development Project.

    Figure

    MRSK-28-714_F1.gif

    Experimental procedure for preparing coating sample.

    MRSK-28-714_F2.gif

    Data of TG-DTA for the thermal behavior coating solution.

    MRSK-28-714_F3.gif

    Transmittance of AR thin film coated on the glass according to the screen mesh number.

    MRSK-28-714_F4.gif

    Reflectance of AR thin film coated on the glass according to the screen mesh number.

    MRSK-28-714_F5.gif

    AFM image of AR thin film coated on the glass according to the screen mesh number. (a) 200 mesh, (b) 250 mesh, (c) 325 mesh.

    MRSK-28-714_F6.gif

    FE-SEM image of AR thin film coated on the glass according to the screen mesh number. (a) 200 mesh, (b) 250 mesh, (c) 325 mesh, (d) cross section image.

    Table

    Properties of the samples according to the screen number.

    Reference

    1. D. chen, Sol. Energ. Mater. Sol. C, 68, 313 (2001).
    2. R. Prado, G. Beobide, A. Marcaide, J. Goikoetxea and A. Aranzabe, Sol. Energ. Mater. Sol. C, 94, 1081 (2010).
    3. U. Schulz, P. Munzert, R. Leitel, I. Wendling, N. Kaiser and A. Tunnermann, Opt. Express, 15, 13108 (2007).
    4. G. Xu, P. Jin, M. Tazawa and K. Yoshimura, Sol. Energ. Mater. Sol. C, 83, 29 (2004).
    5. D. Wan, H. L. Chen, T. C. Tseng, C. Y. Fang, Y. S. Lai and F. Y. Yeh, Adv. Funct. Mater., 20, 3064 (2010).
    6. J. Y. Kim, J. S. Lee, J. H. Hwang, T. Y. Lim, M. J. Lee, S. K. Hyun and J. H. Kim, Korean J. Mater. Res., 24, 689 (2014).
    7. P. Chrysicopoulou, D. Davazoglou, Chr. Trapalis and G. Kordas, Thin Solid Films, 323, 188 (1998).
    8. M. A. Aegerter, R. Almedia, A. Soutar, K. Tadamaga and H. Yang, J. Sol-gel Sci. Technol., 47, 203 (2008).
    9. U. Gangopadhyay, K. H. Kim, D. Mangalaraj and J. Yi, Appl. Surf. Sci., 230, 364 (2004).
    10. C. S. Choi, J. S. Lee, M. J. Lee, Y. J. Lee, D. W. Jeon, B. J. Ahn and J. H. Kim, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 30, 199 (2017).
    11. J. K. Park and C. Y. Kim, Korean Chem. Eng. Res., 48, 397 (2010).
    12. C. Martinet, V. Paillard, A. Gagnaire and J. Joseph, J. Non-Cryst. Solids, 216, 77 (1997).
    13. J. Zhao and M. A. Green, IEEE Trans. Electron Dev., 38, 1925 (1991).