In optoelectronic applications, the reduction of light reflection from device surfaces is a critical issue. Simple calculations suggest that this can be achieved using anti-reflection (AR) coatings with a low refractive index of ~1.2. However, such low refractive indices cannot be obtained by dense thin film materials; moreover, single-layer AR coatings can obtain mini-mum reflectance only at a specific wavelength. In contrast, a graded-refractive index AR coat-ing can achieve very low reflectance in a wide wavelength range. Thus, AR coatings with dis-crete multi-layer stacks with different refractive indices have been studied and demonstrated. Recently, highly porous block copolymer (BCP) thin films were applied to AR coatings be-cause the refractive indices of the nanostructures derived from BCPs can be easily tuned by controlling the volumetric ratio of the pores generated by the selective removal of one block. Here, we demonstrate that an excellent AR coating in the visible wavelength range can be achieved using double-layered poly (styrene-b-dimethylsiloxane) (PS-PDMS) BCP thin films. By the selective etching of PS-PDMS BCPs using O2 plasma, PS chains are removed and PDMS chains are converted to highly porous thin silica films. The refractive indices of the porous silica films can be systematically controlled from 1.111 to 1.346 by adjusting the vol-ume fraction of the PDMS in the BCPs. Our double-layered nanoporous thin silica films show outstanding broadband and omnidirectional AR characteristics with an average transmittance that exceeds 99% in the visible wavelength range (400 - 700 nm). Outstanding thermal and chemical stability levels stemming from their inorganic properties were also confirmed. More-over, an anti-fogging capability is possible due to the superhydrophilicity of the nanoporous thin films, leading to significantly improved transmittance in a highly humid atmosphere. The facile fabrication process, excellent AR characteristics and good durability make these porous silica thin films very practical for many optoelectronic devices, such as flat panel displays or solar cells.
광을 이용한 다양한 소자의 개발 및 수요가 증가함에 따라 굴절률이 다른 물질 사이의 계면에서 발생하게 되는 프레넬 반사는 큰 이슈가 되고 있다. 렌즈, 태양전지, 광 센서, 디스플레이 등 투명한 광학물질을 사용하는 경우 소자의 광 특성을 저하 시키거나 효율을 감소시키는 큰 원인이 된다. 특히 CRT, PDP, LCD 등의 평평한 패널을 사용하는 디스플레이의 경우 이러한 반사에 의해 대비나 밝기 등의 저하를 가져와 디스플레이의 화질을 떨어뜨리게 된다. 따라서 반사를 최소화 하고 투과도를 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 이는 입사광과 반사광의 상쇄간섭을 통한 무반사 코팅으로 쉽게 해결할 수 있다.
일반적인 무반사 코팅의 경우 필름의 두께가 파장의 4분의 1정도여야 하며 기판의 굴절률의 제곱근에 해당하는 값을 가져야 한다. 하지만 이러한 무반사 코팅의 경우 특정 파장에서만 투과도 향상이 나타나고 각도에 따라 그 효과가 큰 차이가 난다. 이에 비해 필름의 굴절률이 점진적으로 변하게 되는 무반사 코팅의 경우 모든 가시광영역대에서 반사를 최소화 시킬 수 있다. 굴절률이 점진적으로 변하는 무반사 코팅의 경우 기판에서부터 대기까지 굴절률이 점진적으로 작아져야 하며 최종적으로는 공기에 가까운 굴절률을 가져야 한다. 하지만 지구상의 밀도가 높은 물질의 경우 굴절률의 최소값이 1.35정도이기 때문에 물질 내부에 기공을 주입하여 유효굴절률의 값이 1에 가깝게 되도록 해야만 한다. 최근에는 블록공중합체를 이용하여 한쪽 블록만 선택적으로 제거하므로 써 쉽고 제작이 용이하며 저가의 방법으로 기공이 있는 필름을 제작 할 수 있게 되었다. 또한 한쪽 블록의 부피비를 조절함으로써 굴절률의 조절 또한 용이 한데 최근 연구에서는 굴절률을 1.17에서 1.42까지 조절한 다공성 폴리스티렌필름에 대한 것이 보고되었다. 하지만 이 연구의 경우 다른 한쪽 블록인 폴리메틸메타크릴레이트의 제거를 위한 공정 시간이 길며 제작된 다공성 폴리스티렌필름의 내구성이 좋지 못한 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 무기물질인 실리콘이 포함되어 있는 블록공중합체를 사용하여 기계적, 화학적 내구성이 뛰어나며 투과도 역시 상당히 향상시킨 무반사 코팅막을 개발하였다.
실리콘이 포함되어 있는 블록공중합체를 액상으로 스핀코팅하여 유리기판위에 쉽게 코팅막을 형성시켰다. 산소 플라즈마를 이용하여 산화 시킬 경우 폴리스티렌을 선택적으로 제거시켜 이 부분을 기공으로 변환시켰으며 이때 다른 한쪽 블록인 폴리다이메틸실록세인의 경우 실리카 나노 구조체로 변환시켰다. 이러한 용액공정은 비용의 절감뿐 아니라 공정의 간소화 측면에서 큰 장점이 있으리라 생각이 된다.
폴리다이메틸실록세인의 부피비를 변화시켜 실리카 박막필름의 굴절률을 1.111부터 1.346까지 조절하였다. 산화 후 굴절률이 가장 큰 블록공중합체와 가장 작은 블록공중합체의 다층 구조를 통해 굴절률이 점진적으로 변하는 무반사 코팅막을 형성하였으며 이렇게 얻은 무반사 코팅막은 가시광 전 영역에서 평균 99.1%의 뛰어난 투과도를 보여주었다. 빛이 다양한 각도에서 입사되어도 기존의 유리기판에 비해 무반사 코팅막을 코팅하였을 경우 투과도가 훨씬 높은 것을 확인 하였다. 또한 다양한 유기용액뿐 아니라 강산, 강염기 용액에서도 화학적 내구성이 뛰어났으며 500도의 열처리 및 초음파처리에서도 강한 열적, 기계적 내구성을 나타냈다.
폴리스티렌의 부피비가 증가할수록 산화공정 후 형성된 실리카 박막의 표면거칠기 또한 증가하게되는데 이러한 표면거칠기가 존재하는 표면의 경우 기존의 표면 습윤성과는 다른 특성을 보이게 된다. 폴리스티렌의 부피비가 감소할수록 실리카 박막내의 기공이 증가하게 되고 이로 인해 형성된 무반사 코팅막은 친수성의 특성이 크게 두드러지게 된다. 친수성이 향상된 무반사 코팅막은 굉장히 습한 환경에서도 기존의 유리기판에 비해 투과도가 21%이상 향상된 결과를 보여주었다.
뛰어난 김 서림 방지 효과도 가지는 이러한 무반사 코팅막은 평평한 패널을 가지는 디스플레이, 태양전지, 안경, 창문등에 이용할 경우 그 효과는 클 것으로 예상되며 특히 태양전지의 경우 외부 환경에 의한 내구성 및 습한 환경에서의 운용면에서 큰 장점이 있을 것이라 판단된다.
