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.
Fig. 5
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.
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.
