KR101140750B1 - 곡면 fto 연속 투명 전도막 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 곡면과 같은 복잡한 형상의 투명 모재 기판위에 FTO 투명전도막을 형성하는 코팅 시스템에 관한 것으로, 특히, 전처리 챔버, 증착챔버, 후처리 챔버가 선형적으로 연결되어 있고, 상기 증착 챔버의 일측면부에 구비되는 곡면화 노즐로부터 FTO 프리커서가 분사되고 곡면의 형상을 갖는 서셉터를 통하여 FTO 박막의 증착이 이루어지는 동시에 반대 측면부에서 석션을 함으로서 FTO 프리커서 플로우가 기판과 평행하게 흐르게 함으로서 가열된 기판에 FTO가 균일 도포되게 하는 곡면 FTO 코팅 시스템에 관한 것이다.

Description

곡면 FTO 연속 투명 전도막 제조 방법 {In-line Manufacturing Methods of Curved Surface F-dopped Tin oxide film}
본 발명은 전처리 챔버, 증착챔버, 후처리 챔버가 선형적으로 연결되어 있고 곡면과 같은 복잡한 형상의 유리기판을 단계적으로 전처리 챔버, 증착챔버, 후처리 챔버로 보냄으로서 양질의 곡면 FTO(F-doped Tin Oxide) 기판을 제조하는 시스템을 특징으로 한다.
최근 F-doped Tin Oxide(FTO) 박막 소재는 태양전지의 핵심 전극소재 및 IT 분야에 중요한 소재로 부각되고 있다. 그 이유는 FTO 박막 소재가 투명하면서 도전성을 가지는 이유도 있지만 기타 투명전도막들과 차별화 되는 고온 내열성(약 500도), 뛰어난 내화학성/내부식성을 갖고 있기 때문이다.
FTO 제조 공정 기술은 초음파 분무, 액상 스프레이 분무방법들을 기초로 하고 있으며 이는 액상 FTO 프리커서 용액을 기상으로 무화시켜 가열된 기판위에 보내 코팅하는 기술이나, 이는 일반 CVD(Chemical vapor deposition)기술과 비슷해 보이지만, 매우 크고 수미크론에서 수백 미크론 크기를 갖는 액적(혹은 무화된 프리커서 액적)들을 수송 하는 데에는 상당한 이해력과 장비기술들이 요구된다.
이는 미크론 액적과 일반 단일 분자로 이루어진 CVD 프리커서의 확산, 응집성을 비교해보면 분명해진다. 확산성 측면에서 미크론 액적은 움직임이 매우 느려 별도의 캐리어 기체가 요구되며, 응집면 측면에서는 미크론 액적의 응집성이 매우 심각하게 발생하여 기상 혹은 벽면과의 충돌시 액적이 더 이상 커지지 않게 해야 하는 단점이 있으며, 추가적으로 반응도중의 부산물로서 미크론 액적들에 의해 용매 및 반응가스가 다량으로 발생하고, 박막 형성시 기판 표면에 미립자상의 미스트가 발생한다.
또한, 종래의 기술에서는 상층부의 노즐을 통하여 하부 기판에 미스트를 분사하는 방식이 사용되고 있으나 미스트의 열대류 문제, 박막의 냉각문제 등이 심각하게 발생하고 있다.
따라서 미스트 액적을 분무하는 상압 CVD법은 미크론 액적 도입부와 배기부의 구성이 중요한 기술이 되고 있다(FTO 프리커서 플로우 제어 방법). 그러나 미스트 액적의 분무를 통한 FTO 박막 제조법은 일반적으로 매우 어려워 현재는 한정된 업체에서 소량 생산되고 있으며 관련 기술들은 FTO 포함 응용 제품에 한정되고 있다. 대표적으로 태양전지 제조기술(실리콘 태양전지, 염료감응 태양전지), 센서 응용기술, 터치판넬 기술 등이 있다.
한편, FTO 장비 시스템 대신, 요소기술들이 다수 공지되어 있는데 대표적으로, 상층부 노즐과 하단부 기판사이에 원통형 후드를 구비하는 장치(JP 2004-167394A), 프리커서 생성시키는 소스 장치(JP 2006-236602A), 노즐을 다중으로 하여 움직이며 코팅하는 장치(JP 2003-205235A), 기판 고정화 장치(JP 2006-184341A), 대형기판 사용시 기판 변형 억제 시스템(JP 2006-19135A) 등을 들 수가 있다.
상기 전처리 챔버는 기판의 전처리를 담당하는데, 예열, 플라즈마 표면 클리닝, 배리어막 코팅 등을 수행하여 전처리된 기판을 증착 챔버로 수송시킨다.
상기 증착 챔버에는 곡면의 노즐부와 배기부가 측면에 별도로 부착되어 있으며 무화된 FTO 프리커서가 측면부로 공급되어 전처리 챔버로부터 수송되어 온 유리기판상에 증착이 되며, 반응물 가스, 캐리어가스, 미반응체 등은 노즐 반대 측면부에 부착된 배기부를 통하여 빠져나간다.
후처리 챔버로 수송된 FTO가 코팅된 기판은 자연 냉각 혹은 기능성 냉각(FTO 표면 물성 변환, 강화 유리 제조 등)을 통하여 최종적으로 다양한 FTO 기판을 얻게 해준다.
가장 중요한 기술은 증착 챔버의 측면부에 부착된 곡면의 노즐부 및 배기부의 상호 의존 관계(분사-흡입(석션) 관계)를 통하여 FTO 프리커서 액적이 기판에 평행하게 흐르며 접촉이 이루어지게 하는데 있다. 또한 곡면의 유리기판이 곡면의 서셉터에 위치하게 함으로서 기판의 온도를 균일하게 유지하여 균일한 코팅이 가능하게 하였다. 따라서 분무량, 배기량, 석션량에 따라 FTO 증착조건들을 다양하게 변화시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 간단한 챔버들의 연결 및 곡면 형상의 노즐부/배기부를 적절하게 증착챔버의 측면부에 위치시킴으로 인하여 연속적으로 공급되어지는 곡면 기판상에 간단한 공정들을 통하여 FTO 기판을 양산 할 수 있다.
도 1은 노즐이 기판과 수직인 상부에 설치된 종래의 기술에 따른 코팅시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 곡면 FTO 연속 코팅 장치 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 2종류의 대표 곡면 노즐의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 2개 이상의 곡면 노즐부 혹은 배기부가 구성된 장치의 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 2개 이상의 곡면 노즐부 혹은 배기부가 구성된 본발명의 인라인 장치의 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 2개 이상의 곡면 노즐부 혹은 배기부가 구성된 인라인 장치 개략도I.
도 7은 분무량 대비 곡면 FTO 박막의 면저항을 도시한 그래프.
도 8은 다양한 분무 조건에 따른 곡면 FTO 투명박막의 실제 디지털 사진과 면저항.
도 9는 기판 온도별 곡면 FTO 박막의 단면 SEM(Scanning electron micrograph) 사진.
도 10은 전처리 챔버에서 배리어막 유무에 따른 곡면 FTO 막의 면저항 비교도.
도 11은 본 발명의 후처리 공정에 대한 결과표.
도 12는 곡면 노즐 위치(상단부, 측면부)에 따른 미스트 발생 및 막 균일도 SEM 사진.
도 13은 곡면 FTO 코팅 장치를 활용하지 않은 경우의 FTO 곡면화 저항 변화 비교도.
도 2에 본 발명에 따른 곡면 FTO 코팅 시스템이 도시되어 있다.
전처리 챔버(1)에 도입된 곡면 기판(2)은 표면처리 되거나 가열될 수 있다. 즉, 별도로 히터(도면 표시 생략: 판 히터 혹은 hot wall heater) 및 플라즈마 표면처리기(도면 생략)를 둘 수 있다. 이렇게 전처리된 곡면 기판은 증착챔버(3)로 수송된다.
이때 챔버 사이에 구비된 셔터 혹은 에어커텐(4)을 통하여 챔버간 밀개폐가 이루어진다. 증착 챔버에는 별도로 히팅 시스템(도면표시 생략: 판 히터 혹은 hot wall heater)을 둘 수가 있거나 혹은 도면의 5처럼 회전하는 히터를 구비할 수 있다. 히터가 회전함으로서 위에 얹혀진 기판도 회전이 일어나며 이는 곡면 FTO 코팅막을 균일하게 해준다. 증착챔버(3)의 일측면부에는 곡면 형상의 노즐부(8)가 구비되어 있으며 외부의 프리커서 소스부(7)에서 공급되어온 프리커서 플로우(9)가 곡면 형상의 노즐부(8)를 통하여 증착챔버(3)내로 들어가게 된다.
이 때 프리커서 플로우의 움직임은 반대측면부에 구비되는 곡면 형상의 배기부(10)에 의하여 손쉽게 조절이 가능하다, 이 곡면 형상의 배기부(10)는 또한 증착챔버에서 빠져나오는 반응생성물 가스, 미반응가스, 캐리어가스(9) 등의 배기도 담당한다.
증착챔버(3)에서 제조된 곡면 FTO 코팅기판(12)은 후처리 챔버(11)로 셔터(4)를 통하여 이송된다. 후처리 챔버(4)에는 별도로 히터(도면 표시 생략: 판 히터 혹은 hot wall heater), 냉각장치, 급랭장치(강화 유리 혹은 FTO 기판 표면 모르폴로지 변화 등)의 장치들이 별도로 구비될 수 있다.
본 발명의 기판이라 함은 주로 유리기판을 의미하지만, 불산에 내부식성이 있는 소재를 포함 한다(본반응은 불산이 발생됨). 또한 본 발명의 기판이라 함은 유리기판에 배리어막이 코팅되어 있는 상태를 포함할 수 있다.
본 발명의 기판이라 함은 광학설계를 통하여 유리기판에 미리 다중막이 코팅되어져 있는 상태를 포함한다. 따라서 본 발명은 상기 곡면 형상의 기판에 FTO 프리커서 액적들을 지면과 평행하게 흐르게 함으로서(기판의 곡면 축과 동일) FTO을 코팅하는 장비 및 공정 기술을 제공한다.
도 3에는 본 발명에서 사용된 두 종류의 곡면 형상의 노즐을 도시하였다. 도 2(a)의 곡면 노즐부(8)에는 선형으로 뚫린 프리커서 출구부(81)가 있어 프리커서 플로우(9)가 증착 챔버로 손쉽게 흘러갈 수 있다.
도 3(b)에는 프리커서 플로우(9)가 빠져 나가는 부분이 홀(81)로 되어 있고 이 홀들이 곡면 형상의 선형 혹은 곡면 형상의 다중층 선형으로 이루어져 있다. 홀 타입인 경우 프리커서가 빠져나가기 전에 노즐 내부에 압력이 생기게 되고 이를 통하여 보다 미세하게 대면적 분사를 가능하게 한다.
도 3(c)에는 실제 사용한 홀타입의 노즐을 도시하였다. 홀의 직경은 3.5mm이고 노즐부의 전체 크기는 500 mm x 10mm 이다. 홀간 간격은 5mm이다. 그러나 본 발명은 이와 같은 홀의 직경 및 홀간 간격, 노즐부 디멘젼에 한정되지는 않는다.
이와 같이 도2의 장비에는 도 3의 두 종류의 곡면 노즐이 장착될 수 있다. 또한 도2은 도4에서 보는 것처럼 2개 이상의 곡면 형상의 노즐부 및 배기부를 구비할 수 있다. 이 경우 곡면 형상의 노즐 및 배기부들을 평행하게 배열하거나(도 4(a)), 반평행하게 배열(도4(b)) 시킬 수 있다.
기판 수송은 로봇팔 수송 시스템를 통하여 이동 되거나 인라인 수송 시스템을 통하여 각각의 챔버로 수송될 수 있다. 챔버간 밀개폐는 셔터 혹은 가스커튼(가스 나이프)를 통하여 달성 될 수 있다.
특히 도 5에서 보는 것처럼 인라인 수송 시스템은 다중의 곡면 노즐부와 다중 곡면 배기부를 평행(도 5(a)) 혹은 반평행(도 5(b))하게 다수 구비한 경우 매우 유리하다. 또한 도 5의 방치는 도 6에서 보는 것처럼 곡면 형상의 배기부 개수를 줄일 수도 있다.
곡면 형상의 FTO 막은 FTO용 프리커서 용액을 스프레이 코팅 혹은 초음파 분무법을 통하여 마이크로 액적 상태로 분무시킨 후 도 2의 곡면 노즐부(8)를 통하여 증착챔버(3) 내부의 가열된 유리기판위에 도포되어 제조된다.
곡면 FTO 박막의 생성 과정은 파이로 졸(Pyro-sol) 원리. 혹은 상압 CVD(Chemical Vapor Deposition) 원리로 쉽게 설명된다.
곡면 FTO 프리커서 용액은 SnCl45H20를 3차 증류수에 녹여 0.68 M이 되게 하고 F 도핑제로서 NH4F를 에탄올 용매에 녹여 1.2 M로 한 후 이 두 용액을 혼합 교반시키고, 필터링 하여 제조하였다. 또한 용매를 순수 물만을 사용하여도 가능하다. 또한 기타 다른 알콜류의 사용도 가능하다.
또한 본 발명에서는 다양한 곡면 FTO막을 제조하기 위하여 상기 용액 조성 이외에도 알콜류, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol)를 부수적으로 첨가할 수 있다. F 도핑량을 조절하기 위하여 NH4F의 량을 0.1에서 3 M까지 변화시키거나 불산(HF)을 0-2M 첨가하기도 하였다. 따라서 본 곡면 FTO 막 제조용 프리커서 용액은 위에서 보여준 조성에 한정되는 것은 아니다.
곡면 기판으로 사용된 일반 유리는 400-600도로 가열시 Na, K 등과 같은 불순물들이 기판위로 확산되어 유리 기판의 표면을 손상시킨다. 이는 FTO막을 코팅하더라도 막 접착력과 막의 품질저하를 가져온다. 따라서 유리기판과 FTO막 사이에 불순물 유입을 차단하는 베리어 막(Barrier layer) 코팅을 해야 한다.
일반적으로 SiO2와 TiO2등과 같은 세라믹 막을 많이 사용하나 본 발명에서는 대표적으로 SiO2 베리어 막을 5-50 nm 정도로 딥 코팅과 스프레이 코팅법을 이용하여 형성시키는 방법을 사용한다. 작은 기판인 경우 딥 코팅법을 이용하고 큰 기판 및 곡면 형상의 기판인 경우 스프레이 코팅법을 이용하여 SiO2 베리어 막을 형성시켰다.
딥 코팅법에서는 실리카졸 [에탄올(95%): Tetraethyl silicate: Nitric acid=90:11:0.5(부피비)]를 제조하여 150 mm/min 속도로 딥 코팅한 후 300-400 도에서 5분간 열처리 하여 SiO2 베리어 막을 형성하였다. 스프레이 코팅법은 대면적 기판이나 곡면이 있는 유리기판인 경우 실시하였다. 실란시약류(SiH4, SiH2Cl2, Si(OC2H5)2, 등)를 공기 중에서 혹은 산소분위기 중에서 400-600도로 가열된 유리기판에 CVD 원리(스프레이)를 이용하여 간단히 성막 시킬 수 있다. 고품질 유리를 사용하는 경우 즉, Na, K등의 불순물이 적은 유리 기판을 사용하는 경우(예, 보로실리케이트 glass)에는 베리어막을 형성시키지 않아도 된다.
FTO 프리커서를 기상으로 무화시켜 도 2의 프리커서 플로우(9)를 얻기 위하여 프리커서 소스부(7)에는 스프레이 코팅법, 초음파 분무 코팅법, 초음파 스프레이 분무법 3가지 장치가 별도로 연결된다.
상기 세 가지 코팅법은 널리 알려져 있는 방법으로, 스프레이 코팅법은 미세한 노즐부를 통하여 외부의 가스가 팽창되어 나갈 때 액체를 끌어당기는 힘이 생겨 액상 프리커서를 마이크로 액적으로 분무시키는 방법이다. 초음파 분무법은 일반 초음파 가습기처럼 액상 전구체를 초음파 진동자로 진동시켜 무화 시킨 후 단순히 캐리어 기체로 운반시켜서 코팅하는 방법이다. 마지막으로 초음파 스프레이 분무법은 초음파 진동자 부분을 스프레이 노즐처럼 변화 시켜서 무화된 프리커서를 스프레이 원리에 의하여 분사 시켜서 코팅하는 방법이다. 전형적인 기판 온도는 400-600도로 하였으며, SiO2 베리어막을 5-50 nm로 코팅한 일반 창유리를 이용하였다. 이렇게 제조된 곡면 FTO 막의 면 저항은 4-7 Ω 정도이다.
도 8은 초음파 단자(1.6HZ) 1개를 이용하였을 경우 도 1의 1개 노즐, 1개 배기 시스템을 이용하여 분무량 대비 곡면 FTO 박막의 면저항을 도시한 그래프이다. 대표적으로 150ml(4 Ω), 40ml(56Ω), 60ml(26 Ω), 70ml(25 Ω)이다.
도 7에 다양한 분무 조건에 따른 곡면 FTO 투명박막의 실제 디지털 사진과 면저항을 도시하였다.
도 9에 기판 온도별 곡면 FTO 박막의 단면 SEM(Scanning electron micrograph) 사진을 나타내었다.
도 10은 전처리 챔버에서 곡면 유리기판상 배리어막을 했을 경우와 안했을 경우의 차를 보여준다. 도 10(a)는 배리어 막을 30-50 nm 코팅하였을 경우이고(상기 실시예 참조), 도 10(b)는 배리어 막을 하지 않았을 경우이다.
도 11은 본 발명의 후처리 공정에 대한 결과를 제시한다. 가열된 FTO 기판위로 0.1-10 ml/cm2min 당 질소를 분사하고 하부 히터 부분은 가열을 유지한 경우 유리 기판의 강도가 약 5-20% 향상됨이 관찰된다. 또한 액상 용매(예 물, 에탄올, 메탄올)을 0.01-3 ml/cm2min의 분사조건으로 상기와 같은 효과를 얻을 수 있다.
도 12(a,b)은 곡면 노즐을 상단부에 설치했을 경우 기판 표면에 미립자상의 미스트가 발생하여 큰 결함들이 발생되는 SEM 모식도 이며, 도 12(c)는 곡면 노즐을 수평(측면부)으로 설치했을 경우 큰 결함들을 줄여 막의 균일성 및 막물성이 향상되는 특징을 보여는 SEM 사진이다.
수평으로 공급되는 경우에는 홀 또는 선형의 곡면 노즐로부터 미 반응 미스트를 제거함으로서 박막의 균질성 및 요철현상의 균일성을 얻을 수 있다. 따라서 도 2-6의 본 발명의 장치 원리도를 바탕으로한 데이터 즉 도 7-12은 본 발명의 원리 즉 본 발명의 곡면 FTO 코팅 장치를 이용하여 상업적을 이용 가능한 다양한 FTO 기판을 제조할 수 있음을 보여준다.
[비교예 1]
도 1은 원료의 공급 노즐이 기판의 수직 상부에 설치되어 있는 시스템의 개략도이다. 상부에 설치된 노즐에서 분무한 용액의 액적이 하부의 가열된 기판에 도달하는 과정에서 액적은 용매의 증발, 유기물의 분해, 결합수의 분해, 산화물 클러스터의 형성 등의 과정이 진행된다.
이 때 기판위로 공급되는 액적이 노즐과 기판사이의 공간에서 서로 충돌하여 성장하거나 부분적으로 반응이 미흡한 마이크론 크기의 입자들이 기판위에 바로 충돌하여 기판위로 떨어지는 경우가 발생한다. 도. 11(a,b)은 이처럼 수직방향에 배치된 노즐로부터 기판으로 FTO 용액을 분사하여 제조한 경우의 SEM 사진이다. 사진에 나타난 바와 같이 다수의 큰 입자들이 형성되는 것이 관찰된다. 도. 11(c)는 수평방향(측면)에서 분사한 경우. 홀 또는 선형의 노즐로부터 미 반응 미스트를 제거함으로서 박막의 균질성 및 요철현상의 균일성을 얻은 SEM사진이다.
[비교예 2]
도 12는 상기 곡면 FTO 코팅 장치 설비를 활용하지 아니하고, 평면상에 제작된 FTO 투명전도막을 활용하여 곡면화한 경우의 저항 변화도를 측정한 것이다. 평면상의 제작된 FTO 투명전도막을 유리의 연화점과 유사한 온도인 500~600℃에서 곡면화를 진행하였으며 약 8Ω과 12Ω의 저항특성을 나타내는 평면 FTO 투명전도막을 400℃, 500℃, 600℃의 온도에서 저항특성의 변화를 나타내었다. 이와같이 곡면화 된 FTO 투명전도막은 500℃, 600℃의 온도에서 8Ω 기판의 경우 약 1.5~12% 저항 증가를 나타내며, 12Ω 기판은 5.5~7.7%의 저항 특성 변화도를 보인다.
상기 곡면 FTO 코팅 장치 설비를 활용하지 않은 경우에는 FTO 투명전도막의 결정립 손상으로 인해 저항값이 상승하는 문제점을 볼 수 있다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 곡면 연속 FTO 박막 제조장치에 있어서,
    전처리 챔버, 증착챔버, 후처리 챔버가 선형적으로 구비되고, 상기 증착 챔버의 일측면부에 곡면 노즐부가 부착되며, 상기 곡면 노즐 반대 측면부에는 곡면 배기부가 설치되어 구성되고,
    상기 전처리 챔버에서 곡면 기판이 전처리되어 증착 챔버로 이동되고;
    상기 증착챔버의 일측면부의 곡면 노즐부를 통하여 FTO 프리커서를 분사하고 동시에 배기부의 석션을 통하여 FTO 프리커서가 기판과 평행하게 흐르게 함으로서 균일 곡면 FTO 막을 형성하며,
    상기 FTO가 코팅된 곡면 기판을 후처리 챔버로 이동시켜 후처리하고,
    상기 전처리 챔버에서, 곡면 기판을 플라즈마 전처리하여 증착챔버로 이동시키는 단계를 포함하여 구성되고,
    상기 증착 챔버의 측면부에 구비되는 곡면 노즐부 또는 배기부가 복수개인 것을 특징으로 하는 곡면 연속 FTO 박막 제조방법.
  5. 제 4항에서, 상기 전처리 챔버에서, 곡면 기판위에 배리어막을 코팅하여 증착챔버로 이동시키는 것을 특징으로 하는 곡면 연속 FTO 박막 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 증착 챔버에서, 400-600도의 곡면 기판 온도 조건에서 FTO 막을 코팅하는 것을 특징으로 하는 연속 FTO 박막 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 증착 챔버에서, 곡면 기판 홀더가 회전하는 것을 특징으로 하는 곡면 연속 FTO 박막 제조방법.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 후처리 챔버에서, 가스를 FTO 곡면기판 위에 분사하여 기판을 급냉시키는 것을 특징으로 하는 곡면 연속 FTO 박막 제조방법.
  9. 제 4항에 있어서, 상기 후처리 챔버에서, 용매를 FTO에 분사하여 곡면 기판을 급냉시키는 것을 특징으로 하는 곡면 연속 FTO 박막 제조방법.
  10. 제 4항에 있어서, 상기 곡면 노즐부의 출구부가 선형 공간으로 뚫려 있는 것을 특징을 하는 곡면 연속 FTO 박막 제조방법.
  11. 제 4항에 있어서, 상기 곡면 노즐부의 출구부가 다수의 홀(hole)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 곡면 연속 FTO 박막 제조방법.
  12. 제 4항에 있어서, 상기 FTO 프리커서가 스프레이 코팅법, 초음파 분무 코팅법, 초음파 스프레이 분무법 중 어느 하나를 통하여 제조되는 것을 특징을 하는 곡면 연속 FTO 박막 제조방법.
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