KR101340899B1 - 유기 발광 소자용 노즐장치 - Google Patents

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Abstract

유기 발광 소자용 노즐장치가 개시된다. 개시된 유기 발광 소자용 노즐장치는 기판 상에 유기용액을 토출시키는 노즐, 및 상기 노즐로부터의 유기용액의 토출량을 조절하는 압력 조절기를 포함하고, 상기 유기용액의 토출량은 상기 노즐의 길이를 조절함으로써 미세 조절되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 개시된 유기 발광 소자용 노즐장치는 저점도 유기용액의 미소 토출량을 정확하게 제어하여 기판 상에 형성되는 유기막을 박층화하고 이의 선폭을 슬림화할 수 있다.
유기 발광 소자, 노즐장치, 노즐코팅, 유기막, 노즐 길이, 벤딩부

Description

유기 발광 소자용 노즐장치{Nozzle apparatus for organic light emitting device}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 발광 소자용 노즐장치를 이용하여 유기막층을 패터닝하는 공정을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 노즐부를 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1의 노즐부의 다른 다양한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 가스 저장 탱크 100: 노즐장치
101, 201, 301, 401, 501: 노즐 102: 노즐 커넥터
103: 실린더 104: 가스 공급관 커넥터
105: 가스 공급관 106: 압력 조절기
107: 노즐 이송부
본 발명은 유기 발광 소자용 노즐장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저 점도 유기용액의 미소 토출량을 정확하게 제어할 수 있는 유기 발광 소자용 노즐장치에 관한 것이다.
발광 소자(light emitting device)는 자발광형 소자로 시야각이 넓으며 콘트라스트가 우수할 뿐만 아니라 응답시간이 빠르다는 장점을 가지고 있다. 이러한 발광 소자에는 발광층(emissive layer)에 무기 화합물을 사용하는 무기 발광 소자와 유기 화합물을 사용하는 유기 발광 소자가 있는데, 유기 발광 소자는 무기 발광 소자에 비하여 휘도, 구동전압 및 응답속도 특성이 우수하고 다색화가 가능하다는 점에서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 유기 발광 소자는 발광층, 정공주입층, 및 정공수송층 등 복수개의 유기막층을 포함하며, 이러한 유기막층을 기판 상에 패터닝하는 방법으로는 섀도우 마스크(shadow mask)를 이용한 증착법, 잉크젯법, 포토 리소그래피(photo lithography)법, 또는 디스펜싱법(dispense method)등이 있다.
이들 중 디스펜싱법을 이용하여 유기막층을 형성하게 되면 고정밀 패터닝이 가능하다. 디스펜싱법은 일반적으로 압력 조절기, 실린더 및 노즐을 포함하는 노즐장치를 이용하여 수행되며, 구체적으로 압력 조절기를 이용하여 실린더 내에 수용된 유기용액을 가압함으로써 노즐을 통해 이를 외부로 토출시키는 형태로 구성되어 있다. 여기서, 압력 조절기는 가스 압력 조절기일 수도 있고, 액체 압력 조절기일 수도 있다.
그런데, 유기막층 형성에 사용되는 유기용액은 저점도이므로 유기막층의 두께를 얇게 하고 이의 선폭을 슬림화하기 위해서는 노즐장치로부터의 토출량을 미세 하게 조절할 필요가 있다. 즉, 유기용액의 토출량이 많아지게 되면 토출된 유기용액이 기판 상에 넓게 퍼져 이에 형성되는 유기막이 후막화되고 이의 선폭도 넓어지게 된다. 또한, 이러한 유기용액의 토출량은 압력 조절기에 의해 조절되므로 압력 조절기는 유기용액의 미세 토출량을 정확하게 제어할 수 있도록 낮은 압력 범위에서도 그 제어의 신뢰성을 유지하여야 한다.
그러나, 기존의 상업화된 가스 압력 조절기는 5kPa 이하의 낮은 압력은 신뢰성 있게 제어할 수 없는 것으로 알려져 있다. 따라서, 유기용액의 미세 토출량을 신뢰성있게 제어할 수 있는 다른 방안이 최근 강력히 요청되고 있다.
본 발명은 저점도 유기용액의 미소 토출량을 정확하게 제어할 수 있는 유기 발광 소자용 노즐장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 기판 상에 형성되는 유기막의 박막화 및 그 선폭의 슬림화를 달성할 수 있는 유기 발광 소자용 노즐장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면,
기판 상에 유기용액을 토출시키는 노즐, 및 상기 노즐로부터의 유기용액의 토출량을 조절하는 압력 조절기를 포함하고,
상기 유기용액의 토출량은 상기 노즐의 길이를 조절함으로써 미세 조절되는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자용 노즐장치가 제공된다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 노즐은 복수의 벤딩부를 구비한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 노즐은 지그재그 형상으로 벤딩된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 노즐은 나선형으로 벤딩된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 노즐은 웨이브 형상으로 벤딩된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 노즐은 스트라이프 형상으로 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 압력 조절기는 가스 압력 조절기이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 노즐장치는 유기용액을 수용하는 실린더를 더 구비하고, 상기 압력 조절기는 상기 실린더 내의 유기용액을 가압하여 이를 상기 노즐을 통해 상기 기판 상에 토출시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 압력 조절기는 액체 압력 조절기이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 노즐장치는 상기 노즐을 상기 기판에 대하여 상대적으로 이동시키는 노즐 이송부를 더 구비한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 발광 소자용 노즐장치를 이용하여 유기막층을 패터닝하는 공정을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 유기 발광 소자용 노즐장치(100)는 가스 저장 탱크(10)에 결합되어 있는 가스 압력 조절기(106), 가스 공급관(105), 유기용액(S)을 수용하는 실린더(103), 노즐(101), 및 노즐 이송부(107)를 구비한다.
가스 저장 탱크(10)에는 공기 또는 질소 등의 가스가 고압 상태로 저장되어 있다. 가스 저장 탱크(10) 내의 가스는 가스 압력 조절기(106)에 의해 적절한 압력으로 조절되어 가스 공급관(105)을 통해 소정의 유기용액(S)이 수용되어 있는 실린더(103) 내로 유입된다. 여기서, 유기용액(S)은 발광층을 형성하는 적색, 녹색, 또는 청색 발광 물질을 포함하는 용액일 수도 있고, 기타 정공주입층이나 정공수송층을 형성하는 다른 유기 물질을 포함하는 용액일 수도 있다. 또한, 본 실시예에서는 유기용액(S)이 가스 압력에 의해 노즐(101) 밖으로 토출되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 유기용액(S)은 마이크로 펌프 등 액체 압력 조절기(미도시)에 의해 가압 이송되어 노즐(101) 밖으로 토출될 수도 있다.
가스 공급관(105)은 가스 공급관 커넥터(104)에 의해 실린더(103)에 결합되는데, 구체적으로 이러한 결합은 나사 결합 등의 방법으로 이루어질 수 있다.
노즐(101)은 노즐 커넥터(102)에 의해 실린더(103)에 결합되는데, 구체적으로 이러한 결합은 나사 결합 등의 방법으로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서 노즐(101)은 지그재그 형상으로 벤딩되어 있다. 이와 같이 함으로써, 노즐장치(100)의 제한된 설치공간에서도 노즐(101)의 길이를 길게 형성할 수 있고, 이로써 노즐(101)로부터 토출되는 유기용액(S)의 토출량을 미세하게 조절할 수 있다.
이하, 노즐(101)의 길이를 조절함으로써 유기용액(S)의 토출량을 미세 조절하는 원리를 상세히 설명한다.
기존의 가스 압력 조절기(106)는 전술한 바와 같이 약 5kPa 이하의 낮은 압력은 신뢰성있게 제어할 수 없다. 따라서, 종래에는 유기 발광 소자에서 유기막의 두께 및 이의 선폭을 소정의 임계치 이하로 낮추는데 어려움이 있었다. 즉, 유기막을 박층화하고 이의 선폭을 슬림화하기 위해서는 노즐(101)로부터의 유기용액(S)의 토출량을 낮추어야 하고, 이를 위해서는 실린더(103) 내로 유입되어 그 안의 유기용액(S)을 가압 이송하는 가스의 압력을 낮추어야 한다. 그런데, 기존의 가스 압력 조절기(106)는 가스 압력을 낮추어 이 낮은 압력을 신뢰성있게 유지하는데 있어서 전술한 바와 같이 일정한 제약을 갖게 되므로, 유기용액(S)의 토출량을 소정치 이하로 낮추기 위해서는 다른 방법을 강구하여야 한다.
이를 위해서는, 하기 수학식 1로 표현되는 Poiseuille law를 살펴볼 필요가 있다.
Q = p(P0 - PL)R4/(8uL)
상기 식에서, Q는 부피 유속(volumetric flow rate), 즉 유기용액(S)의 단위시간당 토출량이고, P0는 노즐(101)의 유입부 압력, PL은 노즐(101)의 유출부 압력, 즉 대기압이며, P0 - PL은 노즐의 길이 L로 인한 압력차(높이차 무시)를 나타낸다. 또한, R은 노즐(101)의 내경(ID)이고, u는 유기용액(S)의 점도이며, L은 노즐(101)의 길이이다.
상기 식에서, 유기용액(S)의 토출량(Q)을 낮추는 방법으로서, 첫째, u를 증 가시키는 방법이 있다. 그러나, 이와 같이 유기용액(S)의 점도를 증가시키게 되면 도포되는 유기막이 두꺼워지게 되므로, 박층화하기 어려운 문제점이 있다.
둘째, R을 줄이는 방법이 있다. 그러나, 이와 같이 노즐(101)의 내경을 줄이게 되면 노즐(101)이 막히게 되는 문제점이 있다.
셋째, P0를 낮추는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 전술한 가스 압력 조절기(106)의 제어 가능한 최저 압력 문제와 동일한 문제를 야기시키므로, 현 시점에서 실현 가능한 방법이 아니다.
넷째, L을 증가시키는 방법이 있다. 이와 같이 노즐(101)의 길이를 증가시킬 경우, (1) 노즐장치(100)의 설치 공간 상의 제약, (2) 벤딩 부분에서 drag force 발생으로 u를 증가시키는 효과 등이 있을 수 있다. 본 실시예에서 상기 (1)의 문제점은 노즐(101)을 복수회 벤딩함으로써 해결하였다. 그리고, 상기 (2)의 경우는, 간단한 실험결과를 통해 큰 변화를 보이지 않는 것으로 확인되었다. 이와 같이 노즐(101)의 길이(L)를 증가시키는 방법에 대한 실시예는 후술하기로 한다.
노즐 이송부(107)는 노즐(101)을 기판(120)에 대하여 상대적으로 이동시키는 것으로 실린더(103)나 노즐(101)을 이동 가능하게 결합시킬 수 있도록 구성된다.
도 2는 도 1의 노즐부를 개략적으로 도시한 종단면도이고, 도 3a 내지 도 3d는 도 1의 노즐부의 다른 다양한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 가리킨다.
도 2를 참조하면, 노즐(101)은 측벽(101a)을 구비하고, 상기 측벽(101a) 사이에는 토출구(101b)가 형성되어 있다. 토출구(101b)의 직경은 노즐(101)의 내경(ID)을 의미한다. 유기용액(S)은 토출구(101b)를 통해 노즐(101) 밖으로 토출된다. 본 실시예에서 토출구(101b)의 종단면은 직사각형 형태인 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이의 종단면은 사다리꼴 형상 등 다른 다양한 형태일 수 있다.
도 3a에는 노즐의 다른 형태가 도시되어 있다. 즉, 이 경우에 노즐(201)은 스트라이프(stripe) 형상으로 형성된다. 이와 같이 노즐(201)이 스트라이프 형상으로 형성되게 되면 설치 공간 상의 제약으로 인해 노즐(201)의 길이를 늘이는데 일정한 한계가 있게 된다.
도 3b에는 웨이브 형상으로 벤딩된 노즐(301)이 도시되어 있고. 도 3c 및 도 3d에는 각각 나선형으로 벤딩된 노즐(401, 501)이 도시되어 있다.
본 발명의 노즐장치에 구비된 노즐은 상기 도면들에 도시된 것에 한정되지 않으며, 다른 다양한 길이 및 다른 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
이하, 상기와 같은 구성을 갖는 노즐장치(100)의 동작을 상세히 설명한다.
먼저, 실린더(103) 내에 발광 물질 등의 유기용액(S)이 수작업 또는 자동 공정에 의해 투입된다.
다음에, 노즐장치(100)는 노즐 이송부(107)에 의해 기판(120) 상의 유기용액(S)이 도포될 위치로 이동하게 된다.
그 다음에, 가스 저장 탱크(10)의 가스가 가스 압력 조절기(106)에 의해 소 정 압력으로 조절되어 가스 공급관(105)을 통해 실린더(103) 내로 유입된다. 실린더(103) 내로 유입된 가스는 실린더(103) 내의 유기용액(S)을 가압하여 이를 노즐(101) 쪽으로 밀어 내게 된다. 이와 같이 함으로써, 유기용액(S)은 노즐(101)로부터 토출되어 기판(120) 상의 소정의 부위에 도포되게 된다. 구체적으로, 도 1에는 유기용액(S)이 절연층(130) 사이에 도포되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 유기용액(S)은 기판(120) 상의 다른 다양한 부위에 도포될 수 있다. 또한, 유기용액(S)이 기판(120) 상의 소정의 부위에 도포될 때, 이와 동시에 노즐(101)은 기판(120)에 대하여 일정한 속도로 이동하게 된다.
이하에서, 본 발명의 실시예를 구체적으로 예시하지만, 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
노즐의 형상 및 압력 조절기
본 실시예에서, 노즐(101)의 길이가 짧은 경우에는, 스트라이프 형상의 노즐을 사용하였으며, 노즐(101)의 길이가 긴 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 지그재그 형상의 노즐을 사용하였다. 또한, 압력 조절기로는 상업용 가스 압력 조절기(106)를 사용하였다.
유기용액
기판(120) 상에 도포될 유기용액(S)으로 Dow사의 녹색 발광 물질을 m-xylene에 0.8 wt% 로 녹여 사용하였다.
실시예
본 실시예에서 노즐(101)의 길이와 직경, 및 노즐(101)의 이동속도를 변화시켜가면서 기판(120) 상에 유기막을 형성하는 경우, 형성된 유기막의 두께와 선폭을 하기의 표 1에 나타내었다. 노즐(101)의 길이가 연장됨에 따라 노즐(101)의 토출구(101b)가 막히는 현상을 방지하기 위하여 노즐(101)의 길이를 연장시킬 때 노즐(101)의 내경(ID)도 함께 증가시켰다. 다만, 기타 실험 조건은 모든 실시예에서 동일하게 유지되었다.

실시예		 노즐의 사양 형성되는 유기막의 크기
노즐의 길이
[mm]		 노즐의 내경
[㎛]		 노즐의 이동속도
[mm/sec]		 두께
[Å]		 선폭
[㎛]
실시예 1 1 100 70 680 470
실시예 2 1 100 100 590 391
실시예 3 1 100 200 500 382
실시예 4 13 140 70 200 331
실시예 5 13 140 100 290 386
실시예 6 13 140 200 210 360
노즐 길이의 연장 효과
노즐(101)의 길이를 연장시킴에 따라 기판(120) 상에 형성되는 유기막의 박층화 및 그 선폭의 슬림화 효과를 관찰하기 위해서는 노즐(101)의 이동속도가 동일한 경우를 서로 비교하여야 한다. 이하, 노즐(101)의 이동속도가 동일한 경우들을 상호 비교하였다.
(실시예 1과 실시예 4의 비교)
노즐(101)의 이동속도가 70mm/sec인 경우로서, 형성된 유기막의 두께는 680에서 200Å으로, 이의 선폭은 470에서 331㎛로 대폭 감소하였다.
(실시예 2와 실시예 5의 비교)
노즐(101)의 이동속도가 100mm/sec인 경우로서, 형성된 유기막의 두께는 590에서 290Å으로 대폭 감소한 반면에, 이의 선폭은 391에서 386㎛로 소폭 감소하였다.
(실시예 3과 실시예 6의 비교)
노즐(101)의 이동속도가 200mm/sec인 경우로서, 형성된 유기막의 두께는 500에서 210Å으로 대폭 감소한 반면에, 이의 선폭은 382에서 360㎛로 소폭 감소하였다.
실험결과 분석
상기 실시예들을 비교하면, 노즐(101)의 길이가 연장될수록 형성되는 유기막의 두께 및 그 선폭이 대폭 감소하는 것으로 나타났다.
그런데, 노즐(101)의 길이를 연장할 경우 노즐장치(100)의 설치 공간을 최소화하기 위해 노즐(101)에 복수개의 벤딩부를 형성하게 되면 하기와 같이 예상 밖의 결과가 도출되는 것으로 나타났다.
우선, 노즐(101)의 길이가 1mm로 매우 짧아 노즐(101)이 스트라이프 형상으로 형성되는 실시예 1 내지 실시예 3의 경우을 살펴보면, 노즐(101)의 이동속도가 70, 100, 200mm/sec로 점진적으로 증가할 때, 유기막의 두께는 680, 590, 500Å으로, 유기막의 선폭은 470, 391, 382㎛로 점진적으로 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 이 경우에는 실험 결과치가 합리적으로 예상할 수 있는 경향과 동일한 경향을 갖는 것으로 나타났다. 왜냐하면, 노즐(101)의 이동속도가 증가할수록 기판(120) 상의 특정 지점에 도포되는 유기용액(S)의 양은 줄어들게 되고, 따라서 형성되는 유기막의 두께 및 선폭이 감소한다는 것은 일반적으로 예상할 수 있는 결과이기 때문이다.
다음에, 노즐(101)의 길이를 13mm로 연장하여 노즐(101)을 지그재그 형상으로 벤딩한 실시예 4 내지 실시예 6의 경우를 살펴보면, 노즐(101)의 이동속도가 70, 100, 200mm/sec로 점진적으로 증가할 때, 유기막의 두께는 200, 290, 210Å으로 증가하였다가 다시 감소하는 것으로 나타났으며, 유기막의 선폭은 331, 386, 360㎛로 증가하였다가 다시 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 이 경우에는 실험 결과치가 합리적으로 예상할 수 있는 경향과 다른 경향을 갖는 것으로 나타났다. 이와 같이 예상 밖의 결과가 나타난 것은 노즐(101)의 벤딩에 따른 drag force 등의 영향에 의한 것으로 보인다. 그러나, 이와 같은 예상 밖의 결과에도 불구하고 노즐(101)의 길이를 연장하고 이를 벤딩함으로써 기판(120) 상에 형성되는 유기막의 두께 및 선폭을 줄일 수 있다는 본 발명의 본래의 목적을 달성하는데는 아무런 문제가 없다.
본 발명에 의하면, 저점도 유기용액의 미소 토출량을 정확하게 제어할 수 있는 유기 발광 소자용 노즐장치가 제공될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 기판 상에 형성되는 유기막의 박막화 및 선폭의 슬림화를 달성할 수 있는 유기 발광 소자용 노즐장치가 제공될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적 인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 유기 용액을 수용하는 실린더;
    상기 실린더로부터 상기 유기 용액을 공급받아 기판 상에 토출시키는 노즐;
    상기 노즐을 상기 실린더에 결합시키는 노즐 커넥터; 및
    상기 노즐과 반대편으로 상기 실린더에 연결되고 상기 노즐로부터의 유기용액의 토출량을 조절하는 압력 조절기; 를 포함하되,
    상기 노즐은 복수의 벤딩부를 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자용 노즐장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은 지그재그 형상으로 벤딩된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자용 노즐장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은 나선형으로 벤딩된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자용 노즐장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐은 웨이브 형상으로 벤딩된 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자용 노즐장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압력 조절기는 가스 압력 조절기인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자용 노즐장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압력 조절기는 상기 실린더 내의 유기용액을 가압하여 이를 상기 노즐을 통해 상기 기판 상에 토출시키는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자용 노즐장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압력 조절기는 액체 압력 조절기인 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자용 노즐장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 노즐을 상기 기판에 대하여 상대적으로 이동시키는 노즐 이송부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 유기 발광 소자용 노즐장치.
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