The effects of composition and thickness on the optical properties and hardness of Al-Si-N films deposited by RF magnetron sputtering

Abstract

Electronic devices with displays such as cellular phones, smart watches and navigational devices are some of the most widely used everyday items. These devices experience much wear and tear due to daily use. Since the display is an important part of these devices, it is necessary to find ways to improve its overall performance to increase its lifetime. One such way is to apply hard coatings on the surface of the displays.

Hard coatings, which are coatings that have high hardness and good wear resistance, have been used to protect different items such as tooling devices and mechanical parts like engines. Although widely used in various industries, only a few materials have been applied to optical devices such as displays since most of the hard coating materials are not transparent in the visible range. Most optical hard coatings applied in glass currently are those with hardness up to ~12 GPa. It is important to find other possible materials that can provide higher hardness and high optical transparency at low thicknesses. Al-Si-N has been a material of interest due to its good properties. Al-Si-N has been found to have high values of hardness while maintaining a high degree of transparency in the visible range. The nanocomposite structure of the film provides enhance hardness values.

In this study, the effect of composition and thickness of Al-Si-N films deposited by RF reactive magnetron sputtering on Gorilla Glass (which is currently used in smart phones) on the optical transparency and hardness were studied. The effect of films with four different compositions were determined, and it was found that as the silicon content was increased, the hardness of the films was decreased. This can be due to the differences of the microstructures of the films with different silicon contents. The highest hardness obtained from the films with lowest silicon content can be attributed to the nanocomposite structure of the film.

Films with ~0.6 μm, ~0.8 μm, and ~1 μm thicknesses were also deposited to determine the effects of thickness. All films were found to have similar silicon contents of ~15 at %, which is within the typical range of silicon content for nanocomposite structures. SEM results show the grainy morphology of the surfaces with grain sizes smaller than 100 nm while XRD results show the presence of AlN crystalline phase in the film. These results show the nanocomposite structure of the film, and the enhanced hardness can be attributed to this structure.

All films were also found to have similar hardness and optical transmittance levels. Even at a thickness of ~0.6 μm, the films retain their high hardness values around 22 GPa and have a measured transmittance up to ~90%, which is similar to that of Gorilla Glass substrate. This shows that Al-Si-N films as thin as ~0.6 μm can be used as a hard coating with hardness up to 22 GPa on Gorilla Glass which is widely used as the cover glass of the smart phones used today.

하드 코팅은 표면 처리 기법 중 하나로, 높은 경도와 우수한 내마모성을 가지고 있어 외부 충격이나 강한 스크래치로부터 재료를 보호하는 역할을 한다. 따라서 공구, 엔진 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 최근에는 smart-phone, smart-watch, 네비게이션 등 IT 기기 분야에서도 활용도가 커지고 있다. 터치패널이 내장된 디스플레이가 적용된 이들 기기는 사용자의 잦은 접촉으로 인해 외부 스크래치 및 환경에 민감하게 반응하고 손상이 발생되는 경우가 많다. 따라서 디스플레이의 cover-glass 표면에 하드 코팅 처리를 하여 외부 충격으로부터 보호하는 것이 중요하다.

현재 많이 사용되고 있는 하드 코팅 재료의 대부분은 가시광선 영역에서 낮은 투과율을 갖는다. 또한 표면 경도가 12GPa 정도의 수준으로 외부 충격으로부터 완전하게 디스플레이를 보호하기 어렵다.

따라서 본 연구에서는 최소한의 두께로 높은 수준의 경도를 가지면서, 가시광선 영역에서 높은 투과율을 가질 수 있는 Al-Si-N nanocomposite 박막을 제조하고자 하였다. 최신 모바일 기기의 cover-glass로 사용되는 Gorilla 5 Glass 기판 위에 RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 사용하여 박막을 제조하였고, Al-Si-N의 조성과 두께에 따라 박막의 투과율 변화를 조사하였다.

Si 함량을 변화 시켜가면서 박막의 미세구조를 관찰하였다. Si 함량이 증가할수록 박막의 미세구조가 달라지고, 박막의 경도가 떨어지는 것을 확인하였다. 두께가 미치는 영향을 측정하기 위해 일정한 조성으로 0.6다Si-0.8μm, 1μm 두께의 박막을 제조했다. 분석 결과, 두께와 관련 없이 제조된 박막은 모두 22GPa 정도의 높은 경도를 보였다. 또한 제조된 박막은 조성 및 박막의 두께와 관련없이 모두 90% 정도의 비슷한 가시광선 투과율을 가지는 것으로 나타났다.

본 연구를 통해 제조된 Al-Si-N 박막은 0.6μm의 얇은 두께로도 높은 경도를 구현하였으며, Glass 기판과 유사한 90% 정도의 높은 가시광선 투과율을 보였다. 따라서 IT 기기에 적용할 수 있는 최적의 하드 코팅이 될 수 있다고 판단하였다.