경량, 박형화가 요구되는 모바일 기기 및 Gas Barrier 등의 용도로 필름제품이 널리 이용되고 있으며 필름의 부가가치를 높이기 위한 진공기술이 사용되고 있다.
각종 필름 제품과 여기에 필요로하는 진공기술에 대해 소개한다.

진공기술을 이용한 필름 어플리케이션
일상에서 진공기술을 응용한 필름 어플리케이션으로는 포장용 투명 Barrier막이 있다. 투명 Barrier막에는 Si 및 Al의 산화물인 무기증착막이 많이 이용되고 있으며, 전자레인지 보급 및 생활형태의 다양화, 알루미늄, 병, 캔에서 벗어나는 흐름에 따라 포장재의 Barrier성은 보다 뛰어난 성능이 요구되고 있다.
Barrier막의 응용분야와 성능 및 성막(成膜) 방법에 대한 총람을 그림1에 나타냈다. Barrier 성능은 스퍼터링법(Sputter Deposition) 및 CVD법(Chemical Vapor Deposition)이 우수하다. 단 생산속도에 있어서는 물리증착법(Physical Vapor Deposition)이 유리하기 때문에식품포장 및 의료용 Barrier막으로는 물리증착법이 주로 사용되고 있다.
현재 물리증착법의 무기단막으로는 달성이 곤란한, 수증기투과도(Water Vapor Transmission Rate)가 10-1g/m2/일(40℃, 90%RH) 오더를 목표로 개발이 진행되고 있다.
포장용 투명 Barrier의 막구성 일례를 그림2에 나타냈다. 베이스필름은 투명성을 띄면서 저가인 PET필름이 주로 이용되고 있으며 Barrier 성능을 최대한 끌어내기 위해 각 필름 제조사마다 다양한 전문설계가 이루어져 있다. 베이스필름 상에는 언더코트, 무기막, 톱코트막의 3층이 적층된다. 언더코트는 밀착성 및 평단성 등의 기능성 부여를 위해 수지막을도포한 막이 형성된다.
무기막은 물리증착법으로 형성되며 투명성이 우수한 SiOx 또는 AlOx 막으로 성막된다. 톱코트는 인쇄적성, 레토르트적성 등을 가지는 Barrier성을 부여하기 위해 고분자수지를도포한 막이다.
물리증착법으로 성막된 Barrier막은 Roll to Roll 방식을 이용한 증착법으로 생산되고, 증착재료의 증발방법으로서는 「유도가열」, 「저항가열」, 「전자빔(EB)가열」의 세 가지 타입이 있다. 각 증발방법의 특징을 그림3에 나타냈다.
Barrier용도로서의 유도가열은 전자빔가열에 비해 저가이며, 저항가열로는 증발이 불가능한 SiOx성막도 가능하다. 당사는 비용경쟁력이 높은 유도가 열법을 선택해 Barrier성 향상을 위한 성막프로세스 개발을 실시하고 있다.

주요 필름의 종류
플렉시블 디바이스 기판으로써는 글래스와 필름 두 가지 제품이 존재한다.
글래스는 Roll to Roll 방식으로 운용이 가능한 200㎛ 이하의 플렉시블 글래스 기판의 제조와 판매가 2012년경부터 이루어지고 있다. 필름 기판은 최근 각종 필름으로 개발이 진행되고 있으며, 범용적인 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름이 가공성 및 비용면에서 이상적이라고 할 수 있지만 내열성 면에서는 충분하지 않다.
PET 필름 이상의 내열성을 가진 필름은 수없이 많이 있지만, 플렉시블 기판으로써 채용의 폭을 넓히려고 하는 필름으로는 PEN(Polyethylene Naphthalate)필름 및 PI(Polymide) 필름이 있다. 그림4에 내열 플렉시블 기판의 종류를 나타냈다. PEN 필름은 글래스 전이온도(Tg)가 155℃로 PET 필름에 비하면 40℃ 이상 높은 특징이 있어 사용되는 어플리케이션으로써는 자기테이프가 60%를 차지하고, 나머지는 자동차 및 연료전지, 콘덴서 등에 채용된다.

PI필름은 내열성이 높은데, 일반적으로 300℃ 이상의 프로세스를 견디는 특성을 가지며,주로 FCCL(Flexible Cupper Clad Laminate)에 채용된다.
Smart Phone, Tablet 용도의 터치센서
Smart Phone 및 Tablet에 사용되고 있는 필름 어플리케이션으로는 ITO필름, AR(Anti Reflective)필름, FCCL 등이 있는데, 이번에는 이러한 세 가지 필름 어플리케이션에 대해서 소개한다.
일본에서는 Display에 직접 닿으면 오염되어버리고, 알파뱃에 비해 한자, 히라가나, 카타카나 등, 문자의 종류가 많아 받아들이기 쉽지 않을 것이라 생각했던 터치패널이지만, iPhone의 등장에 의해 이제는 신변 가까이에 있는 입력 디바이스가 되었다.
모바일용 터치패널의 트렌드를 보면 고정세, 얇게, 가볍게, 낮은 소비전력화가 진행되어최근에는 색 및 디자인성의 차별화, 웨어러블 등 사용형태의 다양화가 진행되고 있다.
각종 어플리케이션과 여기에 사용되는 터치패널의 구조에 대해서 서술한다.
가장 출하량이 많은 Mobile Phone에는 얇고 경량화가 많이 요구되고, Full In-Cell, On-Cell, Hybrid In-Cell 등의 Embedded type 라고 불리는 구조가 채용되고 있다.
다음으로 출하량이 많은 Tablet은 약간 큰 사이즈의 어플리케이션이기 때문에 Mobile Phone에서 요구되는 얇고 가벼운 점 보다는 비용이 중시되어 GF2, GFF 등의 필름 센서가 채용되고 있다. 표1에 각 터치 센서에 따른 구조와 특징을 나타낸다.
각 터치센서 마다의 구조를 나열한다. Full In-Cell은 iPhone 등에 채용되고 있는 구조로TFT 내부의 검출전극과 주사전극을 형성하는 구조이다.
iPhone의 구조를 보면 TFT 공통전극 위에 매쉬 상의 메탈배선이 형성되어 있다. 이러한 것은 선상과 아이랜드상의 패턴으로 분류되며 선상의 패턴은 검출전극을 형성하고 있다.
한편 아일랜드상의 패턴은 게이트 전극 레이어로 검출전극에 진행하는 형태로 접속되어주사전극을 형성한다. 이에 비해 On-Cell은 통상의 Display 구조를 선택하지 않고 Touch Sensor를 형성할 수 있다는 장점은 있지만 한 평면 위에 전극을 형성하기 때문에 배선패턴이 복잡하다는 문제가 있다.
Hybrid In-Cell은 Full In-Cell과 On-Cell의 Hybrid 구조로 전극을 TFT 내부와 외부로 나눔으로써 배선의 간소화를 실현할 수 있다. 이것은 박형, 경량화를 위해 디스플레이 속에 Touch Sensor를 넣는 기술이다. TFT내에 주사전극을 CF Glass의 상층에 검출전극을 형성하는 구조로 되어 있다. On-Cell은 한 평면에 주사전극과 검출전극을 형성하기 때문에투명전극으로 다이아몬드 패턴을 형성하고 절연체를 사이에 넣어 점퍼시키는 구조다.
GFF, GF2 등은 필름센서로 구성된 Add-On type라고 불리고 있다. 디스플레이와 터치센서를 각각 만들고 부착함으로써 수율을 개선하고 있으며, 가격 경쟁력이 뛰어난 구조이다. Add-On Type 필름센서는 필름을 사이에 끼워 검출전극과 주사전극을 형성시킨다. 2장의 필름을 서로 맞붙여 터치센서를 형성하는 구조가 GFF, 1장의 필름을 양면에 전극을형성하는 구조가 GF2라고 불린다.

터치센서에 이용되는 스퍼터 기술
Add-On type의 터치센서로 사용되고 있는 스퍼터 기술을 소개한다. GFF, GF2 등의 필름센서는 플렉시블 기판에 투명전극을 형성하고 있다. 또 가격경쟁력이 뛰어난 어플리케이션이 대상이 되기 때문에 높은 생상성이 필요로 하는데, 스퍼터 장치는 메인롤러에 필름을 감아 각 성막실에서 스퍼터하는 Roll to Roll 방식의 스퍼터 장치가 사용되고 있다.

그림 5에 당사의 Roll to Roll Sputtering System SPW-165C1을 나타낸다.
필름센서는 필름의 내열성이 낮기 때문에 투명전극인 ITO 스퍼터에는 저온으로 낮은 저항의 막질을 얻기 위한 「저온 저저항 ITO 성막기술」, 눈 가까운 곳에서 사용되기 때문에 패턴화된 ITO를 광학적으로 보기 어렵게 하는 「ITO 배선 비가시화 기술」, 일반적으로 성막속도가 낮은 유전체를 높은 생산성으로 성막할 수 있는 「유전체 고속성막기술」이 필요하다.

저온 저저항 ITO 성막기술
당사는 1980년대부터 ITO 연구개발을 실시해 왔고, 1988년 개발한 저전압 스퍼터법(Low Voltage Sputtering)은 FPD용도로 디팩트스탠다드 기술이 되었다. 이 장에서는 저전압 스퍼터법을 중심으로 저온 저저항 ITO 성막기술에 대해 서술한다.
ITO는 In2O3에 SnO2를 첨가한 재료로 Sn의 Tin에서 T를 따 ITO라고 불리며, 베이스 재료인 In2O3는 2개의 In이, 총 6개의 전자를 방출하고, 3개의 산소가, 총 6개의 전자를 받아들여 안정되어 있다. ITO의 캐리어는 산소결손 캐리어와 Sn 이온캐리어가 있다. 산소가 결손되면 In이 방출한 전자 2개가 남아, 2개의 자유전자가 발생한다.
이 때문에 스퍼터 속의 산소도입량이 전도성을 컨트롤하는 파라메타가 된다.
또 In3+이 Sn4+으로 치환되면 Sn은 4개의 전자를 방출하고 안정화되어 전자가 1개 남고,자유전자가 발생하는 Sn 이온화는 주로 열에너지에 의해 얻어지기 때문에 기판온도가 중요한 파라메터가 되지만, 필름과 같이 내열성이 낮은 어플리케이션에는 기판온도가 제한되어 있다.
당사는 도전성을 컨트롤하는 제3의 파라메터로써 스퍼터 전압을 발견했고 실용화를 위해최적화된 성막기술이 Low Voltage Sputtering(LVS:저전압 스퍼터법)이다. 이 수법은 저전압 방전 스퍼터에 의해 성막된 막의 데미지를 줄임으로써 저급 산화물(InO)의 발생을 억제하고, 캐리어 밀도가 올라가 저저항 ITO 막질을 얻을 수 있다.
스퍼터 속의 ITO에 마이너스 이온 입사 에너지 입자가 충돌하면, 분해, 반응하고, In2O3(ITO)로부터 절연성 저급산화물(InO)이 발생한다. 이 저급산화물 InO는 절연성이기 때문에 ITO막 속의 캐리어 밀도가 감소되고, 비저항이 상승하게 된다고 생각된다. 마이너스 이온 입사 에너지는 방전 전압으로 저감할 수 있으므로 가소드측에 설치하는 마그넷의 자장강도를 올림으로써 방전전압을 내려 Low Voltage Sputtering을 실현한다.
방전전압변화에 있어 ITO막의 비저항치를 그래프1에 나타낸다. 방전전압이 낮아질수록 비저항치가 내려가고 성막온도와 상관없이 개선해야함을 알 수있다. 이런 점으로부터 온도제약이 있는 필름기재에 대해서도 Low VoltageSputtering는 유효하다고 할 수 있다.

ITO배선의 비가시화 기술
IM층(Index Matching Layer)에 대해서 서술한다. ITO막을 성막한 필름과 패터닝된 ITO는ITO가 존재하는 부분과 존재하지 않는 부분으로 반사율이 달라지기 때문에 패턴이 보이게된다. 그림 6에 ITO막만으로 성막한 샘플과 IM층 성막후 ITO성막된 샘플에 대한 이미지를그림 7에 실물사진을 나타낸다.
ITO의 비가시화에는 ITO의 아래층에 ITO 반사율과 동등한 광학조정층을 삽입하고 패턴을보기 어렵게 하는 기술이 이용되는데 광학조정층에는 저굴절률 재료와 고굴절 재료가 적층된다.

유전체 고속성막 기술
유전체 고속성막에 이용되는 반응성 스퍼터에 대해서 서술한다. 반응성 스퍼터는 수율이높은 메탈타깃을 이용해 타깃과 기판 사이의 공간에 타깃 재료와 가스를 반응시켜서 산화물을 얻는 기술이다. 따라서 퇴적막이 절연성이라도 타깃은 도전성이기 때문에 DC 및 AC전원으로 스퍼터가 가능하다.
광학조정층으로써 저굴절재료 SiOx 성막으로 사용되는 메탈 Si 타깃의 경우 가스류를 변경함으로써 SiOx, SiNx 등 다른 재료의 성막이 가능하다. 반응성스퍼터의 성막프로세스는반응성 공간, 카소드간 거리, 자기회로, 아노드, 가스도입계 등의 팩터를 최적화할 필요가 있다.
SiOx의 반응성 스퍼터 전원 선택에 대해서 설명한다. SiOx의 반응성 스퍼터로는 타깃이도체라도 기판에 퇴적되는 막은 절연체이기 때문에 DC 스퍼터로는 착막에 따라 아노드가 없어져 안정방전이 이루어지지 않기 때문에 AC스퍼터기술을 사용한다.
AC 스퍼터는 1페어 타깃으로 상호 아노드와 카소드가 되기 때문에 아노드에 절연체가 퇴적해도 다음의 순간 곧바로 카소드가 되어 스퍼터된 절연체가 제거되므로 타깃 자체를 영구 아노드드로 할 수 있다. 따라서 SiOx처럼 반응성스퍼터로 절연막을 성막하는 경우에는AC 스퍼터가 유효하다.

Anti Reflective (Reflection) 필름
AR(Anti Reflective) 필름에 대해서 설명한다. 주요 용도는 반사방지를 목적으로 하는 필름이다. 광학설계된 저굴절률 재료와 고굴절률 재료를 다층으로 스퍼터하는 구조로 되어 있다.
저굴절률막은 주로 SiOx, 고굴절률막에는 주로 Nb2O5막이 사용되고 있다.

필름의 경우 Roll to Roll 방식의 장치에 의한 생산방식이 채용되기 때문에 높은 생산성을실현할 수 있다. 일반적으로 글래스 만의 경우 외광 비침이 발생해 외광반사 4% 정도가 존재한다고 말해지는데, AR필름을 통과하게 되면 0.5% 이하로 할 수 있다.

Flexible Printed Circuit
FCCL이란 FPC용도의 CCL(Cupper Clad Laminate)이고, 약한 힘으로 반복해서 변형시킬수 있고, 유연성이 있는 프린트 기판의 일종이다. 변형된 경우에도 그 전기적 특성을 유지하는 특성이 있고, 노트북 및 접을 수 있는 디바이스에 사용되고 있다. Roll to Roll 방식으로 생산되는 것이 많고 PI필름 기판상에 Cu를 성막하는 프로세스를 이용해 생산된다.
FCCL의 종류는 크게 2종류로 나뉘어 3층 CCL과 2층 CCL로 나뉘어진다. 3층 CCL은 CU박과 PI기판을 접착제로 맞붙인 구조로 되어 있고, 생산이 저렴하지만 내열성 및 사이즈 안정성이 나빠 배선미세화에는 부적절하다.
한편 2층 CCL은 접착제를 사용하지 않고 「Casting법」 및 「Lamination법」,「Sputtering법」으로 PI필름 기판 상에 직접 복합된 CCL로 3층 CCL과 비교해 내열성, 사이즈 안정성이 우수하다.
2층 CCL의 제법과 특징을 표2에 나타낸다. 2층 CCL에는 「Casting법」,「Lamination법」, 「Sputtering법」, 세 가지 제법이 있다. 「Casting법」이란 Cu를 압연하면서 PI기판에 밀착시키는 제법으로 Cu박과 PI박 기판 계면에 조화동박이 발생한다. 또 「Lamination법」은 Cu박과 PI기판을 열압착하기 때문에 「Casting법」과 같은 Cu박과 PI기판 계면에 조화동박이 발생한다. 이 두 가지 제법은 밀착성이 뛰어나지만 조화동박 발생에 의해 요철이 많고 미세가공에는 어울리지 않는 특징이 있다.
한편 「Sputtering법」은 PI필름 기판 상에 스퍼터링법을 이용해 밀착층과 Cu를 성막하는 제법이기 때문에 밀착성은 다른 두 가지 제법보다 떨어지지만 조화동박이 발생하지 않기 때문에 미세가공에 적절하다.
밀착성이 있어 열화의 Mechanism에 관한 이미지를 그림8에 나타낸다. 스퍼터에 의해 PI필름 기판이 열을 받은 경우 필름기재에 많이 포함된 H2O가 방출되어 PI기판 계면에 Cu가 산화되어 취약층의 CuO를 형성하고 밀착성을 열화시킨다. 대책으로는 양질의 부도체막을 형성하는 Cr을 포함한 NiCr 합금을 Seed Layer로 사용하는 기술이 이용되고 있다. Cr이 아니라 NiCr을 사용하는 이유는 위층의 Cu와 Wet Etching 속도를 맞추기 위해서다.

QD Display
양자 도트 디스플레이(Quantum Dot Display)에 대해서 소개한다. 양자 도트란 반도체 나노결정을 수 nm ~ 수십 nm의 삼차원 공간에서 구상으로 가두어진 상당히 안정된 반도체입자이며, 양자우물을 형성하고 백라이트 등으로 조사된 광으로 여기(들뜬 상태)되어 파장 변환된 빛을 방출한다. 파장변환에 대해서는 양자 도트의 입자 직경에 따라 다양한 파장(색)이 변화되는 특징이 있고, 종래 액정과 같은 컬러필터만을 이용한 광의 변환으로는 청색광만은 예리한 광 피크를 얻을 수 없었다.
하지만 양자 도트를 사용함으로써 초록, 적색이라도 청색과 동등한 예리한 광피크를 얻을 수 있기 때문에 색재현 범위를 유기 EL과 동등한 확대영역이 얻어지고 색재현 범위가 광대해져 4K 또는 8K 세대의 디스플레이로서 가능성이 있다고 이야기되어진다. 이 디바이스는 이미 제품화되어 있으며 4K 텔레비전 및 주로 태블릿 단말기로서 출시되어 있다.
앞으로는 4K 세대의 디스플레이 및 단말로서 시장확대가 기대되고 있다.
제품화 실용 예로서는 Tablet의 경우 Amazon Kindle Fire HD, TV의 경우Sony BRAVIA (TRILUMINOS라는 기술명), Samsung SUHD TV에 채용되어 있다.
QD Display는 크게 나누어 2개의 발광 Mode가 있다. Photoluminescence Mode는 빛으로 양자 도트를 여기시켜 파장 변환된 광을 방출하는 방식으로 QD-OLED, QDEF-LCD, QDCF-LCD 등의 디바이스에 사용되고 있다.
Electroluminescence Mode는 전기 에너지로 발광시키는 방식으로 QDLED의 디바이스에 사용되고 있다.
Quantum Dot(전자도트)는 반도체 나노결정을 구상으로 가둔 상당히 안정된 반도체 입자이며 봉지할 필요가 있다. 이 봉지에 Barrier 필름이 사용되고 있다. QD Display에 사용되고 있는 Barrier 필름에 관해 수증기 투과도 (Water Vapor Transmission Rate)가 1~10-2g/m2/일(40℃, 90%RH) 오더의 것이 채용되어 스퍼터링법, 물리증착법 각각의 방식으로Barrier 필름이 생산되고 있다.
수증기 투과도를 개선하기 위해 성막하는 무기막 아래에 Under Coat라고 불리는 유기재료를 도포하려는 노력이 각 제조사에서 실행되고 있다.

끝맺음
본론에서는 당사가 진공장치 제조사로써 생산기술과 관계가 깊은 어플리케이션을 소개했다. 최근 식품포장, 플렉시블 & 웨어러블 디바이스 및 QDDisplay 등 「어플리케이션의 다양화」가 요구되고 있고, Roll to Roll 방식을 이용한 생산방식으로 프로세스를 이용한 저비용화 요구가 앞으로도 클 것이라고 예측된다.
이번에 소개한 대로 Roll to Roll 방식은 각 디바이스에 적절한 프로세스를 개개로 개발할필요가 있어 한정된 분야이면서도 하나의 디바이스만을 위한 노하우를 착실하게 개발할 필요가 있는 분야라고 생각한다.

<월간 PT 2018년 8월 호>