KR100700649B1 - 증발원 및 증착장치 - Google Patents

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Abstract

증발원 및 증착장치를 제공한다. 상기 증발원은 증착물질이 수용되는 도가니를 구비한다. 상기 도가니의 외부에 설치되고, 상기 도가니에 열을 공급하는 가열수단을 포함한다. 상기 도가니의 내벽은 보호막이 형성되어 있다. 이로써, 증착물질이 외부로 누출되어 증발원이 오염되는 것을 방지하고 또한, 도가니의 수명을 향상시킬 수 있다.
증발원, 도가니(crucible), HBN(Hexagonal Boron Nitride), 진공 증착장치

Description

증발원 및 증착장치{Effusion Cell and Evaporating Apparatus}
도 1은 종래 기술에 따른 증발원을 설명하는 단면도,
도 2는 종래 기술에 따른 증발원에서 발생되는 크리핑(creeping)현상을 설명하는 모식도,
도 3은 본 발명에 따른 증발원을 설명하는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 300 : 증발원 100a, 300a : 증발원부
110, 310 : 도가니(crucible) 120, 220, 320 : 증착물질
130, 330 : 열선 140, 340 : 노즐부
150, 350 : 넥(neck) 360 : 보호막
170, 370 : 홀
본 발명은 증발원 및 증착장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도가니의 내벽에 보호막이 형성되어 있는 증발원 및 이를 포함하는 증착장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유기전계발광표시장치는 유기물 박막에 음극과 양극을 통하여 주입된 전자와 정공이 재결합하여 여기자(exiton)를 형성하고, 형성된 여기자로부터의 에너지에 의해 특정한 파장의 빛이 발생하는 현상을 이용하는 자발광형 디스플레이 장치이다. 상기 유기전계발광표시장치는 저전압으로 구동이 가능하고, 경량의 박형이고, 시야각이 넓을 뿐만 아니라, 응답 속도 또한 빠르다는 장점을 구비한다.
이러한 유기전계발광표시장치의 유기전계발광소자는 기판 상에 적층식으로 형성되는 양극, 유기막층 및 음극으로 구성된다. 상기 유기막층은 유기 발광층을 구비하며, 전자 수송층, 정공 수송층, 정공 주입층 및 전자 주입층을 더욱 포함할 수도 있다.
기판에 박막을 형성하는 일반적인 방법으로는 진공 증착법, 이온 플래이팅법(ion-plating) 및 스퍼터링(sputtering)법 등과 같은 물리 기상 증착법(PVD)과, 가스 반응에 의한 화학 기상 증착(CVD)법 등이 있다. 그 가운데에서, 유기전계발광소자의 유기막층, 전극 등과 같은 박막을 형성하는 데에는 진공 증착법이 주로 사용된다. 상기 진공 증착법에 사용되는 증발원으로는 간접 가열 방식(또는 유도 가열 방식)의 증발원(effusion cell)이 사용되고 있다.
상기 진공증착법은 진공챔버의 하부에 증발원과 그 상부에 성막용 기판을 설치하여 박막을 형성하는 방법이다.
도 1은 종래 기술에 따른 증발원을 설명하는 단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 증발원에서 발생되는 크리핑(creeping)현상을 설명하는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 증착장치의 증발원(100)은 크게 기판 상에 증착시 키고자 하는 물질을 증발시키는 증발원부(100a)와, 상기 증발원부(100a)에서 증발된 기체가 분사되는 노즐부(140)로 구성된다.
상기 증발원부(100a)는 내부에 공간이 형성된 도가니(110)를 구비하고 있다. 상기 도가니(110) 내부에는 증착물질(120)이 수용되며, 상기 도가니(110)는 일반적으로 흑연을 사용한다.
상기 도가니(110)는 넥(150)에 의해 노즐부(140)와 연결되어 있다. 상기 넥(150)과 노즐부(140)는 상기 증착물질이 유동할 수 있는 홀(170)을 구비한다. 상기 노즐부(140)는 상기 증착물질(120)을 분사하는 노즐(도시하지 않음)을 구비한다.
상기 도가니(110)의 주변에는 열선(130)이 구비되어 있어 상기 도가니(110)에 열을 공급한다.
상기 열선(130)이 가열됨에 따라 상기 도가니(110)도 함께 가열되어 일정온도가 되면 증착물질(120)이 증발되기 시작한다. 상기 증발원(100)의 도가니(110)로부터 증발된 증착물질(120)은 홀(170)을 통과한 후 기판으로 이동하여 박막을 형성한다.
상기 증착물질(120)로서 알루미늄(Al)을 사용하여 유기전계발광소자의 캐소드전극을 형성할 수 있다. 이때, 상기 Al의 용융 초기에는 상기 도가니(110)와의 젖음성(wettibility)이 적고, 상기 Al의 표면장력이 크므로 상기 Al 입자들이 서로 뭉쳐있게 된다.
그러나, 상기 열선(130)에 의하여 상기 도가니(110) 내부의 온도가 약 1200℃ 정도로 가열되면, 상기 Al의 표면장력보다 상기 흑연 성분의 도가니(110)와 Al 과의 표면장력이 커지게 되어 상기 Al과 상기 도가니와의 젖음성이 커지게 된다.
따라서, 상기 Al이 상기 도가니(110) 내벽에 젖을 뿐만 아니라, 상기 도가니(110)의 내벽을 따라 타고 올라가는 현상 즉, 크리핑(creeping)현상이 발생할 수 있다. 상기 크리핑현상에 의해 상기 도가니(110) 내벽을 타고 올라간 Al은 상기 증발원(100)을 구성하고 있는 구성요소들이 연결되는 틈새 사이로 스며들게 된다. 결국, 상기 증착물질(120)이 외부로 누출되어 상기 증발원(100)이 오염되는 문제점이 발생할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 도가니(110) 내벽을 타고 올라간 증착물질(220)이 상기 도가니(110)와 넥(150)이 연결되는 부분의 틈새 사이로 누출되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 넥(150)과 상기 노즐부(140)가 연결되는 부분에도 상기 증착물질(220)이 누출될 수도 있다.
또한, 상기 도가니(110)를 냉각하는 경우, 상기 도가니(110) 내벽에 젖어 있는 증착물질(220)과 상기 도가니(110)와의 상호 열팽창계수 차이로 인하여 상기 도가니(110)가 파손되어 그 수명이 단축될 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 증착물질이 외부로 누출되어 증발원이 오염되는 것을 방지하고 또한, 도가니의 수명을 향상시킬 수 있는 증발원 및 이를 포함하는 증착장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여 본 발명은 증발원을 제공한다. 상기 증발원은 증착물질이 수용되는 도가니를 구비한다. 상기 도가니의 외부에 설치되고, 상기 도가니에 열을 공급하는 가열수단을 포함한다. 상기 도가니의 내벽은 보호막이 형성되어 있다. 이로써, 증착물질이 외부로 누출되어 증발원이 오염되는 것을 방지하고 또한, 도가니의 수명을 향상시킬 수 있다.
상기 보호막은 상기 증착물질이 상기 도가니 외부로 누출되지 않도록 상기 도가니의 내벽에 코팅되어 있을 수 있다. 상기 보호막은 질화붕소(BN:Boron Nitride)로 이루어질 수 있으며, 그 가운데에서도 육방정계 질화붕소(HBN:Hexagonal Boron Nitride), 입방정계 질화붕소(CBN:Cubic Boron Nitride) 및 열분해 질화붕소(PBN:Pyrolytic Boron Nitride)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질일 수 있다.
또한, 상기 증발원은 넥(neck)에 의해 상기 도가니와 연결되는 노즐부를 더욱 포함할 수 있으며, 상기 넥 및 노즐부는 상기 증착물질이 유동할 수 있는 홀을 구비할 수 있다. 상기 보호막은 상기 도가니의 내벽 및 상기 넥의 내벽에 형성될 수 있다.
상기 증착물질로서 금속, 유기물 및 무기물 등의 물질을 사용할 수 있으며, 상기 금속 가운데에서도 으로서 Al을 사용할 수 있다.
상기 도가니 및 넥은 흑연으로 이루어진 것을 사용할 수 있으며, 상기 열을 공급하는 수단은 열선을 사용할 수 있다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여 본 발명은 또한 상기 증발원을 포함하 는 증착장치를 제공한다. 상기 증착장치는 진공 증착장치일 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 증발원을 설명하는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 증발원(300)은 기판 상에 증착시키고자 하는 물질을 증발시키는 증발원부(300a)와, 상기 증발원부(300a)에서 증발된 기체가 분사되는 노즐부(340)로 구성될 수 있다.
상기 증발원부(300a)는 내부에 공간이 형성된 도가니(310)를 구비하고 있다. 상기 도가니(310)로서 금속, 유기물 및 무기물 등의 용융에 이용될 수 있는 흑연 도가니를 사용할 수 있다.
상기 도가니(310) 내부에는 증착물질(320)이 수용된다. 상기 증착물질(320)로서 유기물 또는 무기물을 사용할 수 있다. 따라서, 유기전계발광소자를 이루는 유기막층 또는 무기막층등을 성막하는데 상기 유기물 또는 무기물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 증착물질(320)로서 금속을 사용할 수도 있다. 유기전계발광소자의 애노드전극 및 캐소드전극과 같은 전극을 형성하는데 있어서 금속을 이용할 수 있다. 상기 캐소드전극을 형성함에 있어서는 일함수가 낮은 도전성 금속으로서, Mg, Ca, Ag, Al 및 이들의 합금으로 이루어진 물질 등을 이용할 수 있다.
특히, Al은 일함수가 낮고 녹는점(mp : 660℃)이 낮아 상기 캐소드전극을 형성하는데 주로 사용되고 있다.
상기 도가니(310)의 주변에는 가열수단이 구비되어 있어 상기 도가니(310)에 열을 공급한다. 상기 가열수단으로서 열선(330), 예를 들어 나선형 코일을 이용할 수 있다. 상기 열선(330)에 의해 상기 도가니(310)로 공급된 열의 효율을 향상시키기 위하여 상기 증발원(300)은 단열재를 더욱 구비할 수 있다.
상기 도가니(310)는 넥(350)에 의해 상기 노즐부(340)와 연결되어 있다. 상기 넥(350)은 상기 노즐부(340)와 도가니(310)를 연결시켜주는 역할을 하며, 상기 넥(350)과 상기 노즐부(340)는 상기 증착물질(320)이 유동하여 통과할 수 있는 홀(370)을 구비하고 있다. 상기 넥(350)은 상기 도가니(310)와 마찬가지로 금속, 유기물 및 무기물 등의 용융에 이용될 수 있는 흑연 도가니를 사용할 수 있다.
상기 노즐부(340)는 상기 열선(330)에 의해 가열된 상기 증착물질(320)을 분사하는 다수개의 노즐(도시되지 않음)을 구비할 수 있다.
이때, 상기 도가니(310) 및 넥(350)의 내벽에는 보호막(360)이 형성되어 있다. 상기한 바와 같이, 상기 열선(330)에 의해 상기 도가니(310)로 열이 공급되면 상기 증착물질(320)은 증발되고, 상기 증착물질(320)은 상기 노즐부(340)의 홀(370)을 통해 외부로 분사된다. 이때, 상기 증착물질(320)은 상기 도가니(310)와 넥(350)이 연결되는 부분의 틈새 사이로 누출될 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 상기 도가니(310) 및 넥(350)의 내벽에 상기 보호막(360)을 형성한다.
상기 보호막(360)은 상기 증착물질(320)이 외부로 누출되는 것을 방지하기 위하여 상기 도가니(310) 및 넥(350)의 내벽에 코팅될 수 있다.
또한, 상기 보호막(360)은 상기 도가니(310) 및 넥(350)의 내벽뿐만 아니라 상기 노즐부(340)의 내벽에도 형성하는 것이 바람직하다.
상기 보호막(360)은 질화붕소(BN:Boron Nitride)를 이용하여 형성할 수 있다. 상기 질화붕소(BN)는 일반적으로 고온 내화물로 알려져 있으며 우수한 화학적, 물리적 안정성을 가지는 재료이다. 즉, 상기 질화붕소는 고온에서도 상기 증착물질(320) 예를 들어, Al과 반응하지 않으며, 상기 Al과의 젖음성을 최소화시킬 수 있다. 따라서, 종래에 상기 도가니(310)에서 발생하는 크리핑(creeping)현상을 방지할 수 있다.
상기 질화붕소계 물질 중 육방정계 질화붕소(HBN), 입방정계 질화붕소(CBN) 및 열분해 질화붕소(PBN) 등을 이용할 수 있다.
상기 육방정계 질화붕소(HBN)는 상기 질화붕소 물질 중 육방정계 구조를 지닌 분말(power) 형태의 물질로서, 흑연(graphite)와 비슷한 구조와 특성을 갖는다. 상기 HBN분말은 고유의 윤활특성과 주조금속과 염제의 불활성 특성 등으로 건식윤활제로써 가장 많이 알려져 있다. 상기 HBN분말을 솔벤트에 용융시키고 접합제와 함께 혼합된 상태에서 상기 도가니(310), 넥(350)의 내벽에 코팅한다. 이후, 코팅물을 건조시키면 솔벤트는 증발되고 상기 HBN분말만 남아 상기 도가니(310) 및 넥(350)의 내벽에 상기 HBN분말이 코팅된다.
상기 HBN분말은 박막층의 성막조건 예를 들어, Al의 성막조건에서 매우 안정하다. 즉, Al은 1200 내지 1400℃ 정도의 온도에서 증착을 수행하는바, 상기 HBN분 말은 상기 성막조건에서도 안정하여 상기 Al과 반응하지 않는다. 따라서, 상기 Al이 상기 도가니(310)의 내벽을 타고 올라가는 크리핑현상을 방지할 수 있다.
상기 입방정계 질화붕소(CBN)는 상기 육방정계 질화붕소를 고온, 고압으로 가열하여 얻어낸 다이아몬드 구조를 가진 물체를 말하며, 보라존(borazon)이라 일컫기도 한다. 상기 입방정계 질화붕소의 성질은 다이아몬드와 비슷하고 굳기는 다이아몬드보다는 약간 떨어진다. 상기 입방정계 질화붕소(CBN)는 고온에서도 산화되지 않는다는 장점이 있다.
상기 열분해 질화붕소(PBN)는 비등방성(이방성) 고온세라믹으로서 전기적으로는 높은 저항성을 띠게 되고, 열전도성이 매우 좋은 물성을 지니고 있다.
상기 열분해 질화붕소의 큰 장점은 비침투성 조직을 구비하고 있다는 점이다. 즉, 상기 열분해 질화붕소에는 구멍이 없기 때문에 상기 증착물질(320)이 침투하여 들어가는 것을 방지할 수 있다.
상술한 구성요소로 이루어진 상기 증발원(300)은 증착장치 특히, 진공 증착장치에 사용될 수 있다. 유기전계발광소자를 이루는 유기막층, 전극 등과 같은 박막을 형성하는 데에는 상기 진공 증착장치를 이용한 진공 증착법을 사용할 수 있다.
상기 진공증착법을 이용하여 유기전계발광소자의 캐소드전극을 형성하는 과정을 살펴보면 다음과 같다. 상기 캐소드전극을 형성하는 증착물질(320)로서 Al을 사용할 수 있다. 진공챔버에 연결된 진공배기계가 존재하며 이를 이용하여 진공챔버의 내부를 일정한 진공을 유지시킨다. 이후, 상기 진공챔버의 하부에 배치된 증 발원(300)의 도가니(310)를 열선(330)을 이용하여 가열시킨다. 상기 도가니(310)에 열이 공급되면 Al이 열을 공급받아 증발된다. 상기 증발된 Al은 상기 넥(350) 및 상기 노즐부(340)의 홀(370)을 통과하여 상기 증발원(300)의 상부로부터 일정거리 떨어진 곳에 위치한 기판에 도달하게 된다. 따라서, 상기 증발원(300)의 도가니(310)로부터 증발된 Al은 상기 기판으로 도달하여 흡착, 증착, 재 증발 등의 연속적 과정을 거쳐 상기 기판위에 고체화되어 캐소드전극을 형성한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 증발원을 구성하는 도가니 및 넥의 내벽에 보호막을 형성함으로써, 증착물질이 상기 도가니 내벽을 타고 외부로 누출되는 크리핑현상을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 증발원이 오염되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 도가니의 수명을 향상시킬 수 있는 이점을 제공한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 증착물질이 수용되는 도가니; 및
    상기 도가니의 외부에 설치되고, 상기 도가니에 열을 공급하는 가열수단을 포함하며,
    상기 도가니의 내벽은 상기 증착물질이 상기 도가니 외부로 누출되지 않도록 상기 도가니의 내벽에 보호막이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 증발원.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호막은 질화붕소(BN:Boron Nitride)로 이루어진 것을 특징으로 하는 증발원.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 보호막은 육방정계 질화붕소(HBN:Hexagonal Boron Nitride), 입방정계 질화붕소(CBN:Cubic Boron Nitride) 및 열분해 질화붕소(PBN:Pyrolytic Boron Nitride)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 증발원.
  5. 제 1 항에 있어서,
    넥(neck)에 의해 상기 도가니와 연결되는 노즐부를 더욱 포함하며,
    상기 넥 및 노즐부는 상기 증착물질이 유동할 수 있는 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 증발원.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보호막은 상기 넥의 내벽에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 증발원.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착물질은 금속, 유기물 및 무기물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 증발원.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 증착물질은 Al인 것을 특징으로 하는 증발원.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니는 흑연으로 이루어진 것을 특징으로 하는 증발원.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 넥은 흑연으로 이루어진 것을 특징으로 하는 증발원.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열수단은 열선인 것을 특징으로 하는 증발원.
  12. 청구항 1의 증발원을 포함하는 것을 특징으로 하는 증착장치.
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