박막 제조 (Fabrication of Thin Films)는 용도에 따라 광학적인 특성, 내마모성, 내열성, 단열성능 등 특정 물체 표면에 기능성을 부여하여 다양한 제조업에 쓰이는 표면 처리 기술 중 하나입니다. 예를 들면 박막 구조물은 디스플레이 소자에 사용되는 TFT(Thin Film Transister)에 사용되어 액정에 전압을 인가하는 일종의 스위치 소자로서 화면의 ON/OFF 기능을 부여합니다. 또한 박막 제조 기술은 2세대 기술인 박막 태양 전지판에 사용되기도 하며 하나 이상의 증착막을 만들어 유리, 플라스틱 또는 금속과 같은 기판재료로 박막 셀을 구성하기도 합니다.

FIG. 1은 박막 제조 기술이 적용되어 두께가 매우 얇아진 플렉서블 디스플레이 혹은 곡률진 태양광 패널을 보여줍니다. 제조업 기술의 발달은 수 나노미터 수준으로 두께를 감소시킬 수 있었기에 전자기기에 유연성을 부여할 수 있었습니다.



현재 대부분의 박막 제조 기술은 코팅(Coating) 혹은 증착 (Depostion) 의 방법을 통해 제작 됩니다. 코팅 공정은 고체 기판 (Substrate)의 표면에 존재하는 공기를 다른 물질로 대체하여 새로운 층을 형성하는 방법을 의미하고 증착 공정은 일련의 화학적 처리를 통하여 입자들이 기판 표면에 적층되는 방식을 의미합니다.

대표적인 증착 방식으로는 PVD (Physical Vapor Deposition) 혹은 CVD (Chemical Vapor Deposition)와 같은 진공기반 증착 방식입니다. 이와 같은 기술은 일반적으로 수 나노미터 수준의 박막 제조에 사용되는 대표적인 방법이지만 화학적으로 유해한 물질을 사용하기도 하고 비싼 부가적인 장비들을 필요로하기에 공정 단가가 비싸다는 단점을 가지고 있습니다.

또한 타겟으로 하는 코팅 두께는 대략 수 나노미터 수준으로서 마이크로 이상의 코팅 분포를 형성하기에는 어려움을 갖습니다. 이와 반면 일반적으로 마이크로 이상의 박막 층을 제조하기 위해서는 스핀 코팅 (Spin coating), 스프레이 코팅 (Spray coating), 롤투롤 코팅 (Roll to Roll coating) 등 다양한 방법들이 산업에 적용되고 있습니다. 이들은 일반적으로 코팅 용액의 유동장을 물리적인 방법을 통해 조절하여 표면에 일정한 두께 층을 형성하는 방법입니다.

이번에 말씀드릴 코팅 역학의 내용은 마이크로 미터 이상의 두께 층을 제조하고 별도의 화학적 반응없이 유체역학적인 내용을 내포하는 코팅방법들에 대하여 얘기를 해보려고 합니다.



우리는 실생활에서도 무의식적으로 코팅 기술을 활용하여 다양한 편리함을 취하고 있습니다. 우선 가장 쉬운 사례로 예를 들어보겠습니다. FIG. 2 [3] 을 보았을 때 우리는 음식을 먹을 때 그림처럼 디핑 소스(Dipping sauce) 로 불리는 소스에 음식을 찍어먹곤 합니다. 또한 이 때 본인이 원하고자하는 만큼 소스를 코팅하기 위하여 충분히 담구었다가 빼서 음식을 먹기도 하고 소스의 맛보단 음식 본연의 맛을 즐기기 위해 적게 코팅을 하기도 합니다.



이렇게 우리는 코팅되는 정도를 조절하는 것을 무의식적으로 행하고 있었습니다. 또한 FIG. 2 [4]에서 처럼 흐르는 초콜릿 퐁듀에 딸기 혹은 마시멜로우를 묻혀서 달콤하게 먹었던 기억이 있습니다. 하지만 일부만 코팅되는 것은 행복을 주지 못하기 때문에 우리는 딸기 전체에 초콜릿을 묻히기 위하여 막대기를 돌려가면서 표면에 초콜릿을 코팅한 기억이 있을 것입니다. 또한 휴대폰 디스플레이 표면을 보호하고자 우리는 FIG. 2 [5]에서 처럼 딱딱한 강화 유리 필름을 부착하여 외부로 부터 보호받고 오랜기간 사용하려고 합니다.



위의 사례들로 부터 우리는 이미 예전부터 코팅 방법을 적용하면서 생활을 하고 있었습니다. 이번에 소개할 코팅 방법은 바로 '딥 코팅 (Dip coating)' 입니다. FIG. 2 처럼 우리는 디핑 소스에 직접 찍어서 먹는 행위는 일종의 딥 코팅 방식으로 간주됩니다. 정지한 코팅 용액이 담긴 수조에 음식을 적신 뒤 빼는 방식으로 표면에 소스가 코팅됩니다. 딥 코팅 공정은 기판 위에 박막을 제조할 수 있는 단순한 공정 중 하나로 많은 제조업에서 사용되는 기술입니다. 적은 용액을 필요로하고 유체의 종류에 따라서 넓은 범위를 코팅할 수 있기 때문에 의료 분야, 와이어 코팅 등 다양한 산업에 사용되고 있습니다.



딥 코팅 방식은 FIG. 3 에서 처럼 코팅 용액이 담긴 수조에 원하고자 하는 피 코팅재를 담구는 방식으로 표면에 코팅액을 도포하는 방식입니다. 또한 디핑시 넣는 속도라든지 빼는 속도를 조절하는 방식으로 표면의 두께를 조절하여 원하고자 하는 코팅 두께를 취득할 수 있습니다. 우리가 디핑소스를 찍어먹는 행위는 위와 같은 코팅 방법과 매우 유사하다고 볼 수 있습니다.



딥 코팅 상황은 정지한 유체에 직접 기판을 삽입하여 유체와 고체 사이에서 유체의 흐름을 유발하여 표면을 코팅하였다고 볼 수 있습니다. 이와는 반대로 초콜릿 퐁듀가 흐르는 상황인 FIG. 2 [4]는 오히려 코팅하고자 하는 딸기는 정지하였으나 위에 초콜릿이 흘러가 표면위에 얇은 층을 형성하게 됩니다. 이는 중력에 의하여 흐르는 유체에 정지한 고체가 만나 표면 유동 흐름을 통하여 코팅을 하는 방식입니다.



이 방식은 중력 기반으로 하는 코팅과 매우 흡사합니다. FIG. 4는 곡률이 존재하는 구 형태 표면 위에 폴리머 기반의 코팅용액을 부어 자연스럽게 고체 표면위에 코팅이 되는 방식입니다. MIT 연구팀은 해당 연구를 통하여 표면에 코팅되는 두께를 예측할 수 있는 수학 모델을 제시하였고 구의 형상과 코팅 용액의 물성에 따라서 박막 층의 두께에 어떻게 영향을 주는지 이론적으로 알아내고자 하였습니다. 이 방식은 유체의 흐름을 중력이 유발하여 특정한 곡률을 갖는 표면에 유동이 형성되어 코팅을 하는 방식입니다. 따라서 유체의 흐름을 통한 코팅 방식은 피 코팅재 (Substrate)와 박막 내에 흘르는 코팅 유체 사이의 유동학적 관계를 이해하는 것이 중요합니다.



우리는 초콜릿 퐁듀를 부분적으로 코팅 되기 보다는 전체적으로 만족하기 위하여 막대기를 통하여 회전시킴으로써 골고루 표면에 코팅을 하게 됩니다. 이는 바로 스핀 코팅(Spin-coating)을 예시로 설명드릴 수 있습니다.
스핀 코팅은 FIG. 5와 같이 곡률이 있는 표면이 아니라 평평한 2차원 형상을 갖는 평면에 적합한 코팅 기술입니다. 스핀 코팅은 빠른 속도로 판을 회전시켜 판 위에 적층된 코팅 유체에 원심력을 부여하여 이 원심력을 통하여 표면에 균일한 코팅층을 제작하는 방식 중 하나입니다. 가령, 반도체 8대 공정 중 포토리소그래피 공정에서 실리콘 웨이퍼 표면 위에 빛에 반응하는 감광성 물질을 바르게 되는데 여기에 스핀 코팅이 사용됩니다.



FIG.5는 스핀 코팅 공정의 순서를 보여주고 있습니다. 앞서 보여드린 사례들을 일반적으로 설명하면 딥 코팅은 기판의 수직 운동으로 코팅 용액이 담긴 수조로 부터 표면을 코팅하는 방식으로 설명될 수 있고 중력 기반 코팅 방식은 정지한 기판 표면위에 액체가 중력에 의하여 자발적으로 흐르는 코팅 방식입니다. 또한 스핀 코팅은 기판이 빠른 속도로 회전하게 되고 이에 의하여 표면에 있는 코팅 용액이 유동을 갖게 되어 표면에 균일한 박막층을 제조하게 됩니다. 각 코팅 기술은 고체 표면에 유동의 흐름을 유발하는 물리적인 행위를 통하여 코팅을 진행합니다. 각각 모세관, 중력, 원심력 등이 결과적으로 고체 표면 박막 층 내부에 유동 흐름을 유발하게 되고 이를 통하여 코팅 두께가 결정되게 됩니다.