KR101254428B1

KR101254428B1 - 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조방법 및 제조시스템

Info

Publication number: KR101254428B1
Application number: KR1020110006653A
Authority: KR
Inventors: 황용운; 강동호; 김회진; 오승혁; 구본철
Original assignee: 노바테크 (주); 노바테크인더스트리 주식회사
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2013-04-15
Also published as: KR20120085377A

Abstract

본 발명은 OLED 조명, 태양전지, 또는 디스플레이 패널에 사용되는 유리 기판의 제조방법에 관한 것으로, 발광체에서 발광 된 빛을 좀 더 많이 유리기판 밖으로 빠져나오도록 하여 발광 휘도를 높이고자 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 플루오르 이온을 포함한 에칭 용액으로부터 증발하는 증기(fume)을 유리기판에 쏘여 증기에 포함된 에칭성분이 무작위적으로 운동함에 따라 유리기판 표면에 나노 사이즈의 미세 딤플을 무작위적으로 다수 형성하게 하여, 광 추출 효율이 높은 유리기판을 제조할 수 있다.

Description

고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조방법 및 제조시스템{High Efficiently Light Extractable Glass Substrate Manufacturing Method and Manufacturing System}

본 발명은 OLED 조명, 태양전지, 또는 디스플레이 패널에 사용되는 유리 기판의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 특별하게는, 내부에서 발광 된 광을 상기 소자에 사용되는 유리 기판의 외부로 고효율로 추출할 수 있는 유리기판을 제조하는 방법 및 제조시스템에 관한 것이다.

일반적으로 OLED 조명, 태양전지, 평판 디스플레이 패널에 사용되는 유리 기판은 각종 구동 소자 등을 형성한 쪽과 빛이 투과되어 발광 면을 형성하는 쪽이 있으며, 그중 발광면을 형성하는 유리 기판은 발광된 빛이 유리 기판 밖으로 많이 빠져나올수록 유리하다.

특히, OLED 조명의 경우, 인광 유기재료의 개발로 인해 OLED의 내부양자효율은 100 %이지만 도 1에서 보듯이 발광층에서 생성된 빛의 약 50 %는 층 간의 웨이브가이드(waveguide) 형성으로 인해 측면으로 빠져나가 버리고 약 30 %는 전반사를 통해 소멸된다.

따라서 내부에서 생성된 빛의 약 20 %만이 실제 소자 밖으로 나올 수 있어 OLED의 외부양자효율은 낮은 편이다. 이를 해결하기 위해 (즉, 소자 내부에 갇혀있는 빛을 밖으로 추출하기 위해) 도 2와 같이 소자 내부에 별도의 층을 삽입하는 기술들이 연구되고 있다. 저 굴절율(Low refractive index)을 갖는 층을 투명 애노드(anode) 전극과 기판 사이에 삽입함으로써 전반사로 인한 빛 손실을 줄일 수 있다. 이러한 효과는 미세 캐비티(micro cavity) 층을 삽입하여 더 증대될 수 있으며, 빛을 산란(scattering) 하는 층을 삽입하여 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 또한 소자외부 즉, 유리 기판에 별도의 필름(out coupling film) 또는 미세 렌즈 어레이 필름(micro lens array film)을 부착하여 빛 추출 효율을 높일 수 있다.

그러나 이와 같은 방법은 고가의 공정이 되며 번거로운 노력을 요하며, 광 추출 효율, 즉, 광 투과율 또한 기대하는 만큼 향상되지 않고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 좀 더 간편하고 저비용의 공정으로 광 추출효율을 높일 수 있는 유리 기판을 제조하는 방법 및 제조시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은, 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액 표면으로부터 유격을 두고 유리기판을 배치하여, 유리기판 표면에 상기 용액 표면으로부터 증발하는 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 에칭증기(fume)를 쏘여 평균 직경이 나노사이즈인 나노 딤플을 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 방법에 있어서, 상기 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조방법에 있어서, 상기 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액 표면과 상기 유리기판 표면 사이의 유격을 두고, 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액의 증기를 쏘여 상기 나노 딤플을 형성하되, 상기 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액의 플루오르 이온(F⁺)의 농도를 제어하여 농도에 따른 나노 딤플 형성시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액을 담은 용액조;

상기 용액조의 공간과 연통 되어 상기 용액조의 용액으로부터 증발된 에칭 증기를 유리기판 위에 배기하는 에칭증기 공급관;및

상기 에칭증기 공급관에서 배기 된 에칭 증기가 유리기판 위에서 수평이동하도록 에칭증기를 흡입하는 에칭증기 흡입관;을 포함하고,

상기 에칭증기 공급관의 배기압력은 상기 에칭증기 흡입관의 흡입압력보다 크게 유지하고,

상기 에칭증기는 상기 유리기판의 표면에 평균 직경이 수 ~ 수백 nm 사이즈인 나노 딤플을 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조시스템을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 유리기판에 나노 딤플이 형성되어 상기 딤플들의 렌즈와 같은 광 발산 및 난반사 발생을 통한 전반사 방지로 발광층에서 발광 된 광을 높은 효율로 유리기판 밖으로 추출해 낼 수 있어 고휘도의 발광소자를 제작할 수 있으며, 특히 그 제조공정이 매우 간단하고 용이하다는 장점을 지닌다.

도 1은 종래 OLED 조명의 광 경로 및 광 투과율을 나타내는 단면도이다.
도 2는 OLED 조명의 광 투과율을 향상시키기 위한 종래 기술의 시도들을 나타내는 단면도들이다(도 1 및 도 2는 인포메이션 디스플레이 2009년 제10권 제6호에 수록되었던 그림이며, 박종운, 이종호, 신동찬 저자님들의 허락으로 본 명세서에 게재하였습니다).
도 3은 본 발명의 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조방법 실시예를 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 구성 단면도이다.
도 5는 도 4의 실시예에 대한 측면 구성도이다.
도 6은 도 5에서 추가적인 구성요소를 나타내는 측면 구성도이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

유리기판의 크기에 맞추어 용액조를 준비하고, 상기 용액조에 플루오르 이온(F⁺)의 농도를 다소 높게 한 에칭 용액을 채운다. 적어도 55 % 이상의 F⁺을 포함하는 에칭 용액을 사용하는 것이 바람직하나 F⁺농도를 특별히 한정할 필요는 없으며, 이는 고농도에서 단시간 에칭을 하거나 저농도에서 장시간 에칭을 하거나 할 수 있기 때문이다. 상기 용액조의 높이에 대해 수 cm 정도, 바람직하게는 5 내지 10 cm 여유를 두고 에칭 용액을 채워, 용액의 증발에 따른 에칭증기가 존재할 수 있는 공간을 확보한다. 상기 용액조의 상단부에 유리기판을 놓고 그대로 방치하여 플루오르 이온을 포함한 에칭증기(fume)이 상기 유리기판 표면을 에칭하도록 한다. 그에 따라 유리기판 표면에는 나노 사이즈의 평균 직경을 갖는 딤플이 다수 무작위로 형성된다(도 3 참조).

즉, 에칭증기를 구성하는 분자들은 상기 용액조의 여유 공간에서 무작위로 이동하는 브라운 운동을 하기 때문에 유리기판의 표면을 무질서하게 충격하여 미세한 크기로 유리기판 표면을 에칭하게 되고, 이로 인해 나노 사이즈의 딤플이 무작위적으로 형성된다.

생산성을 고려하여, 에칭 용액의 농도를 고농도(70 % 내외)로 할 경우, 에칭 시간은 1 내지 5 분 정도로 충분하나, 에칭 용액의 농도가 높을수록 이후 세정 공정에서 다소 높은 농도의 알칼리 세정액을 사용할 수 있다.

또한, 생산성을 향상시키는 방안 중 하나로는, 에칭 용액 중 휘발성이 강한 것을 선택하여 나노 딤플을 단시간에 형성하는 것도 가능하다.

본 실시예의 경우, F+ 농도 55% 정도의 에칭 용액을 상온(18 ~ 25℃)에서 증발시켜, 15 초 내지 1 분 30초 정도 동안 유리기판에 에칭 증기를 쏘였다.

다음은 도 4를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예를 설명한다.

용액조(100)에 에칭 용액을 채우고, 이로부터 증발된 에칭증기를 유리기판에 쏘여 유리기판 표면에 나노 딤플을 무작위적으로 형성하는 점에서는 도 3의 실시예에서와 같으나, 본 실시예의 경우, 좀 더 나은 생산성과 유리기판 표면의 가장자리까지 충분히 나노 딤플을 형성하기 위하여, 도 4와 같이 에칭 증기 공급관(200)과 흡입관(300)을 설치한다. 즉, 유리기판을 롤러 등의 이송기구 위에 탑재되고, 에칭 용액이 담긴 용액조(100)는 상기 유리기판의 아래쪽에 배치하고, 용액조의 공간과 연통되는 관을 설치하여 상기 관을 상기 유리기판의 표면에 에칭증기를 배기하여 나노 딤플을 형성하게 하는 에칭 증기 공급관(200)을 제공할 수 있다. 또한, 지속적인 에칭증기의 배기로 인해 유리기판상에 국소적으로 에칭증기가 집중분포할 수 있음을 고려하여 에칭증기의 수평이동을 촉진할 수 있는 에칭 증기 흡입관(300)을 설치할 수 있다. 상기 흡입관(300)은 본 실시예에서는 좌우 대칭으로 두 개 설치하였으나 삼각형 또는 방사 대칭형으로 다수 설치할 수도 있다. 이때, 에칭증기를 유리기판 위로 배기하는 압력보다 흡입하는 압력은 더 작아야하며, 에칭 증기 공급관(200)의 배기압력과 흡입관(300)의 흡입압력의 수치는 에칭 용액의 농도와 에칭 증기를 유리기판에 쏘이는 시간 등의 변수를 전체적으로 조합하여 여러 가지로 최적화할 수 있다. 상기 용액조(100)의 상단부는 에칭 용액의 표면에 대해 에칭증기흡입관(300)과 에칭증기 공급관(200)의 설치를 위해 여유 공간을 유지할 필요가 있으며, 이러한 공간은 약　40 cm 이상이 바람직하며, 에칭 용액의 수위 조절을 위해 레벨센서를 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 에칭 용액의 증발로 새로이 에칭 용액을 용액조(100)에 충진할 필요가 있을 경우, 밸브 및 이에 연결된 호스를 설치하여 평소 잠근 상태로 둔 밸브를 열어 호스를 통해 충진할 수 있게 구성한다. 이러한 에칭 용액의 충진, 압력 등은 컨트롤 패널을 구성하여 편리하게 제어할 수 있다.

본 실시예의 경우, F+ 농도 55% 정도의 에칭 용액을 상온(18 ~ 25℃)에서 증발시켜, 30 초 내지 1 분 30초 정도 동안 유리기판에 에칭 증기를 쏘였다. 에칭증기 공급관(200)과 흡입관(300)은 송풍기와 환풍기로 구성하여 모두 3 내지 5 마력의 것을 사용할 수 있고, 그 압력은 가변저항(수동) 및 인버터(자동)를 사용하여 1000 mpa ~ 4000 mpa로 조절하였다. 에칭 증기 공급관(200)의 압력과 흡입관(300)의 압력차는 500 mpa 내지 1000 mpa 정도 차이 나게 하였다.

도 5는 도 4에 대한 측면 단면도로 둘 이상의 유리기판을 동시에 나노 딤플 형성 처리하고 있는 것을 나타낸다. 또한, 도 6은 도 4와 같은 측면도이나 추가적인 구성요소를 보여준다.

즉, 유리기판을 에칭증기에 노출하는 구간으로 이송하기 위한 로더(loader)부와 에칭증기를 쏘여 나노 딤플을 형성한 후 세정 구간으로 이송하기 위한 언로더(unloader)부를 도시하며, 에칭증기가 유리기판에 쏘여지고 그외의 곳으로 누출되지 않도록 기체를 흡입 차단하는 기절 구간을 설치할 필요가 있음을 나타낸다. 또한, 유리기판의 배면에는 에칭증기의 영향을 받지 않도록 폴리머 계열의 보호필름을 부착하는 것이 바람직하다. 이와 같이하여 대량생산으로 생산성을 높일 수 있다.

나노 딤플 형성 단계를 마친 유리기판은 다음과 같이 세정한다.

유리 기판을 45±5℃ 내외의 증류수에 5 내지 10 분 이내로 1 차 침적하여 보호필름을 떼어내고, 다시 새로운 증류수에 5 내지 10분 이내로 2 차 침적하여 강산용액의 성분을 희석한다.

다음, 유리 기판을 수산화나트륨(NaOH)과 같은 알칼리 수용액으로 세정하여 중화반응을 통해 유리 기판에 잔류하여 유리 기판을 부식시킬 수 있는 에칭 용액의 산성 성분을 제거한다.

상기 단계에서 사용되는 알칼리 용액의 PH는 12±2이며, 처리온도는 45±5 ℃ 이고, 처리시간은 10분 정도로 함이 바람직하나 이에 한정되지 않고 각 변수를 상호 조절하여 변형할 수 있다.

처리방법은 세정하고자 하는 유리기판을 컨베이어에 실어 수평 이송하면서 노즐에 의해 수산화나트륨 용액을 스프레이식으로 유리기판의 위 아래로 분사시켜 유리기판을 전체적으로 세정한다. 노즐의 분사 압력은 1.5 ± 0.5 kgf/cm²으로 하고, 유리기판의 이송속도는 세정에 적절하도록 1.0 내지 2.5 m/min., 바람직하게는 1.5 m/min. 로 한다.

다음, 수산화나트륨 수용액의 강알칼리 성분이 유리 기판에 잔류하지 않도록 유리 기판을 약산으로 세정한다. 사용되는 약산으로는 구연산, 아세트산, 탄산 등이며, 그 PH는 약 3 내지 4로 하여 사용할 수 있다. 약산에 의한 세정 처리 온도는 상온 내지 60 ℃ 정도로 할 수 있으며, 바람직하게는 45±5 ℃ 이고, 세정 방식은 세정하고자 하는 유리기판을 컨베이어에 실어 수평 이송하면서 노즐에 의해 약산 용액을 스프레이식으로 유리기판의 위 아래로 분사시켜 유리기판을 전체적으로 세정하는 방식을 채택한다. 노즐의 분사 압력은 1.5 ± 0.5 kgf/cm²으로 하고, 유리기판의 이송속도는 세정에 적절하도록 1.0 내지 2.5 m/min., 바람직하게는 1.5 m/min.로 한다. 이러한 세정 조건은 예시적인 것으로 변수들을 상호 조절하여 다른 선택으로도 최적화할 수 있다.

상기 약산 세정 단계 이후, 유리 기판을 증류수(순수)로 세정하여 세정 단계를 마감한다.

본 발명에 따라 제작된 마이크로 딤플 내 나노 딤플이 형성된 유리 기판은 유리기판의 경계면에서의 전반사를 제거하고 난반사를 일으키며, 딤플들의 오목한 형상은 오목렌즈의 역할을 하여 발광체에서 발광 된 빛을 높은 효율로 유리기판 밖으로 추출할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 용액조
200: 에칭 증기 공급관
300: 흡입관

Claims

플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액 표면으로부터 유격을 두고 유리기판을 배치하여, 유리기판 표면에 상기 용액 표면으로부터 증발하는 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 증기(fume)를 쏘여 평균 직경이 나노 사이즈인 나노 딤플을 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조방법.
제1 항에 있어서, 상기 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조방법에 있어서, 상기 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액 표면과 상기 유리기판 표면 사이의 유격을 두고, 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액의 증기를 쏘여 상기 나노 딤플을 형성하되, 상기 플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액의 플루오르 이온(F⁺)의 농도를 제어하고 농도에 따른 나노 딤플 형성시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조방법.
플루오르 이온(F⁺)을 포함한 용액을 담은 용액조;
상기 용액조의 공간과 연통 되어 상기 용액조의 용액으로부터 증발된 에칭 증기를 유리기판 위에 배기하는 에칭증기 공급관;및
상기 에칭증기 공급관에서 배기 된 에칭 증기가 유리기판 위에서 수평이동하도록 에칭증기를 흡입하는 에칭증기 흡입관;을 포함하고,
상기 에칭증기 공급관의 배기압력은 상기 에칭증기 흡입관의 흡입압력보다 크게 유지하고,
상기 에칭증기는 상기 유리기판의 표면에 평균 직경이 나노사이즈인 나노 딤플을 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 광 추출이 가능한 유리기판의 제조시스템.