KR101511283B1 - 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법 - Google Patents

스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 박막 형성장치는 기판의 표면에 용액을 분사하여 박막을 형성하는 스프레이 유닛과, 스프레이 유닛에서 분사되어 비행중인 용액에 고온 가스를 분사하여 용액에 포함된 용매를 휘발시키는 고온가스 분사유닛으로 구성되어, 용액이 노즐에서 분사되어 비행중일 때 고온가스를 분사하여 용매를 휘발시킴으로써, 기판에 도포되는 박막의 표면 거칠기를 정밀하게 형성할 수 있고, 용매를 휘발시키기 위한 별도의 열처리 장치가 불필요하여 제조공정을 단축함과 아울러 제조비용을 줄일 수 있다.

Description

스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법{APPARATUS FOR FORMING THIN FILM AND METHOD USING SPRAY TECHNOLOGY}
본 발명은 스프레이 방식을 이용하여 박막을 형성함으로써, 평판 형태의 기판뿐만 아니라 3차원 굴곡이 형성된 기판의 표면에도 균일한 박막을 형성할 수 있고, 스프레이 공정시 용액에 함유된 용매의 휘발 속도를 제어하여 박막 품질을 향상시킬 수 있는 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기판의 표면에 박막을 형성하는 박막 형성장치로는 스핀 코팅(Spin-coating) 방식, 스크린 프린팅(Screen printing) 방식, 그라비아 인쇄방식, 잉크젯 프린팅 방식 등 다양한 방법이 사용되고 있다.
하지만, 이러한 박막 형성장치는 박막 두께를 얇게 만들기 어렵고, 특히 기판의 표면이 3차원 굴곡이 형성된 경우 표면을 전체적으로 균일하게 형성하기 어려운 문제가 있다.
스퍼터링 방식의 박막 형성장치는 두께가 얇은 박막을 형성할 수 있고 3차원 골곡이 있는 기판의 표면에 균일하게 도포할 수 있지만, 진공 상태를 유지해야되므로 공정이 복잡하고, 제조비용이 증가하며, 대량 생산이 어려운 문제가 있다.
이와 같은 종래의 문제를 해결하고자 스프레이방식으로 박막을 형성하는 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치가 개발되었다.
종래의 스프레이 방식을 이용한 박막 트랜지스터를 제조하는 방법은 등록특허공보 10-1172187(2012년 08월 27일)에 개시된 바와 같이, 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판에 도포될 용액을 제조하는 단계와, 상기 기판 위에 패턴이 형성된 새도우 마스크(shadow mask)를 위치시키는 단계와, 상기 제조된 용액을 스프레이 장치를 통해서 새도우 마스크(shadow mask)에 도포하는 단계와, 상기 도포단계가 종료된 후 열처리를 수행하여 잔존하는 용매를 증발시키는 단계로 구성된다.
이와 같은 종래의 스프레이 방식을 이용한 박막 트랜지스터를 제조하는 방법은 스프레이 방식으로 이용하므로 균일한 박막을 형성할 수 있지만, 용액을 기판에 도포한 후 별도의 열처리를 통해 용액에 포함된 용매를 증발시키기 때문에 별도의 열처리 장치 및 열처리 공정을 필요로 하게 되어 제조 공정이 복잡해지고, 제조비용이 증가하며, 기판에 용액이 도포된 상태에서 열처리를 수행하므로 용매가 증발되면서 박막의 표면 거칠기를 나쁘게 하는 문제가 있다.
등록특허공보 10-1172187(2012년 08월 27일)
따라서, 본 발명의 목적은 스프레이 방식을 이용하고 고온가스를 용액에 분사하여 용매를 휘발시켜 박막을 형성하므로 제조비용을 줄이면서 생산성을 향상시킬 수 있고, 3차원 굴곡이 있는 표면에도 전체적으로 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있는 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용액이 노즐에서 분사되어 비행중일 때 고온가스를 분사하여 용매를 휘발시킴으로써, 기판에 도포되는 박막의 표면 거칠기를 정밀하게 형성할 수 있고, 별도의 열처리 공정이 불필요하므로 제조공정을 단축할 수 있는 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용액이 비행중일 때 고온가스를 용액에 분사하여 용액에 포함된 대부분의 용매를 휘발시킬 수 있어 기판을 가열하지 않거나 기판을 가열하더라도 낮은 온도로 가열하면 되므로 열에 약한 기판 및 플랙시블한 기판도 사용이 가능한 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스프레이 방식으로 용액을 분사하여 박막을 형성하므로 고밀도의 집적이 가능하고 이에 따라 대면적 기판에 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있고 박막의 두께를 자유롭게 조절할 수 있는 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치 및 박막 형성방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치는 기판의 표면에 용액을 분사하여 박막을 형성하는 스프레이 유닛과, 스프레이 유닛에서 분사되어 비행중인 용액에 고온 가스를 분사하여 용액에 포함된 용매를 휘발시키는 고온가스 분사유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 스프레이 유닛은 용액이 저장된 저장탱크와 연결되어 용액을 공급해주는 공급부와, 상기 공급부의 하측에 장착되어 용액을 기판의 표면에 분사하는 분사 노즐을 포함하고, 에어 스프레이방식, 전기 스프레이 방식 및 에어 스프레이 방식과 전기 스프레이 방식을 겸한 하이브리드 스프레이 방식 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
본 발명의 고온가스 분사유닛은 분사 노즐의 외면에 장착되고, 고온가스가 유입되는 공간부를 갖으며, 하측에 고온가스가 분사되는 분사 통로가 형성되는 하우징과, 상기 하우징의 일측에 연결되어 고온가스가 통과하는 파이프와, 상기 파이프에 설치되어 파이프를 통하여 공급되는 가스를 가열하는 히팅 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치는 고온가스 분사유닛의 가스의 압력과 온도를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 사용자가 조작하여 온도와 압력을 입력하는 입력부와, 가스의 온도를 측정하는 온도센서와, 가스의 압력을 측정하는 압력센서와, 상기 입력부, 온도센서 및 압력센서로부터 입력된 데이터를 기초하여 가스를 가열하는 히팅유닛과 가스의 압력을 조절하는 압력 조절유닛을 제어하는 제어유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 스프레이 방식을 이용한 박막 형성방법은 용액에 포함된 용매의 종류에 가스의 압력과 온도를 설정하는 단계와, 스프레이 유닛에서 용액을 분사하는 단계와, 상기 스프레이 유닛에서 분사되어 비행중인 용액에 고온가스를 분사하여 용액에 포함된 용매를 휘발시키는 단계와, 상기 용액이 기판의 표면에 분사되어 박막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 박막 형성장치는 스프레이 방식으로 용액을 분사하고, 비행중인 용액에 고온가스를 분사하여 용액에 포함된 용매를 휘발시킴으로써, 제조비용을 줄이면서 생산성을 향상시킬 수 있고, 3차원 굴곡이 있는 표면에도 전체적으로 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 박막 형성장치는 용액이 노즐에서 분사되어 비행중일 때 고온가스를 분사하여 용매를 휘발시킴으로써, 기판에 도포되는 박막의 표면 거칠기를 정밀하게 형성할 수 있고, 용매를 휘발시키기 위한 별도의 열처리 장치가 불필요하여 제조공정을 단축함과 아울러 제조비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성장치를 제어하는 제어부의 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 5는 실시예 1에 의해 제조된 박막의 사진을 나타낸 도면이다.
도 6은 실시예 2에 의해 제조된 박막의 사진을 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예 3에 의해 제조된 박막의 사진을 나타낸 도면이다.
도 8은 실시예 4에 의해 제조된 박막의 사진을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 유기박막 형성장치에 의해 제조된 박막과, 기존의 스프레이 방식으로 제조된 박막의 표면을 확대한 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성장치는 기판(10)의 표면에 용액을 분사하여 박막을 형성하는 스프레이 유닛(20)과, 스프레이 유닛(20)에서 분사되어 비행중인 용액에 고온 가스를 분사하여 용액에 포함된 용매를 휘발시키는 고온가스 분사유닛(30)을 포함한다.
스프레이 유닛(20)은 기판(10)의 상면과 일정 거리를 두고 배치되어 스프레이 유닛(20)에서 분사되는 용액이 기판(10)의 표면에 고르게 분포되도록 한다. 그리고, 이동 유닛(12)에 의해 기판(10)의 상면에서 좌우방향 또는 좌우방향 및 전후방향으로 이동될 수 있도록 한다.
기판은 표면이 평면 형태의 기판, 3차원 굴곡이 있는 기판, 플랙시블한 기판, 열에 비교적 약한 기판 등 다양한 기판이 적용될 수 있다.
기판(10)에는 기판(10)을 가열하여 용액에 잔존하는 용매를 휘발시키기 위한 가열부가 구비될 수 있다. 즉, 고온가스 분사유닛(30)에 의해 1차로 용액에 포함된 용매를 휘발시키고, 고온가스 분사유닛(30)에 의해 휘발되지 못하고 남은 용매는 기판(10)에 설치된 가열부에 의해 기판(10)을 가열하여 최종적으로 휘발시킨다.
이때, 거의 대부분의 용매는 고온가스 분사유닛에 의해 휘발된 상태이므로 기판에 도포된 용액 중에 함유된 용매는 그 양이 매우 적으므로 기판(10)의 가열온도가 높지 않아도 된다. 따라서, 본 실시예에서는 기판 가열온도가 비교적 낮기 때문에 열에 약한 기판도 사용이 가능하다.
여기에서, 기판(10)의 가열 온도는 70~190℃로 설정되는 것이 바람직하다.
스프레이 유닛(20)은 용액이 저장된 저장탱크(22)와 연결되어 용액을 공급해주는 공급부(24)와, 공급부(24)의 하측에 장착되어 용액을 기판(10)의 표면에 분사하는 분사 노즐(26)을 포함한다.
여기에서, 스프레이 유닛(20)은 에어 스프레이방식과, 전기 스프레이 방식 또는 에어 스프레이 방식과 전기 스프레이 방식을 겸한 하이브리드 스프레이 방식 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
용액은 용질과 용매를 분사하기 적합한 비율로 혼합하여 사용하고, 용질은 유기물, 고분자, 무기물, Metal-based 유기고분자 및 1종 이상이 혼합된 혼합물이 사용될 수 있고, 용매는 물, 벤젠계열, 알코올계열, 클로로포룸 등 휘발성을 갖는 용매가 사용될 수 있다.
공급부(24)는 그 상단이 저장탱크(22)와 연결되고 하단은 분사 노즐(26)과 밀봉 가능하게 연결된다. 그리고, 공급부(24)의 일측에는 전기 스프레이 방식일 경우 용액을 하전시키도록 고전압 발생부(50)와 연결되는 플러스 단자(52)가 장착된다.
즉, 전기 스프레이 방식일 경우 스프레이 유닛(20)과 기판(10) 사이에 고전압 발생부(50)에 의해 고전압을 인가하여 스프레이 유닛(20)에서 용액이 분사되어 기판(10)의 표면으로 도포될 수 있도록 한다.
분사 노즐(26)은 그 하단이 하측방향으로 갈수록 내경이 좁아지게 형성되고, 그 끝단에는 전기 스프레이 방식일 경우 도포 용액을 하전시키는 전도체 노즐팁(28)이 설치된다.
여기에서, 스프레이 유닛과 기판 사이에 인가되는 전압은 8~14 kV이고, 분사 노즐과 기판 사이의 거리는 6~12cm이고, 용액 토출량은 40~1000ul/min 이다.
고온가스 분사유닛(30)은 분사 노즐(26)의 외면에 설치되고 고온가스가 유입되는 공간부(32)를 갖고 하측에 고온가스가 분사되는 분사통로(36)가 형성되는 하우징(34)과, 하우징(34)의 일측에 연결되어 가스를 하우징의 공간부(32)로 유입시키는 파이프(40)와, 파이프(40)에 설치되어 파이프(40)를 통과하는 가스를 가열하는 히팅유닛(42)을 포함한다.
히팅유닛(42)은 파이프(40)를 통과하는 가스를 가열할 수 있는 구조이면 어떠한 구조도 적용이 가능하다. 그리고, 가스 히팅 방법으로는 전도에 의한 가열 방식, 대류에 의한 가열 방식, 복사에 의해 가열 방식 중 어떠한 방식도 적용이 가능하다.
일 예로, 히팅유닛(42)은 파이프(40)의 외주면에 감싸지게 배치되는 히팅 코일로 구성되어 히팅 코일로 전원을 인가하여 파이프를 통과하는 가스를 가열하는 방법이 적용될 수 있다.
그리고, 파이프(40)는 가스가 저장된 가스 저장탱크와 연결되고, 가스 저장탱크에 저장된 가스의 분사 압력을 조절하는 압력 조절유닛(44)이 구비된다.
여기에서, 가스는 에어, 질소, 산소 불활성 가스 및 적어도 둘 이상 혼합된 혼합가스가 사용될 수 있다.
하우징(34)은 분사 노즐(26)의 외면에 일정 갭을 두고 고정되어 하우징의 내면과 분사 노즐(26)의 외면 사이에 공간부가 형성된다. 따라서, 공간부로 유입된 고온가스는 분사 노즐(26)의 외면과 직접 접촉하게 되고, 이에 따라 분사 노즐(26)을 통과하는 용액을 가열한다.
이와 같이, 고온가스 분사유닛(30)이 분사 노즐(26)을 통과하는 용액을 가열해줌으로써, 용액이 분사하기 적당한 점도를 유지할 수 있도록 해주고, 이에 따라 용액의 분사 성능을 향상시킬 수 있다.
분사 노즐(26)에 장착되는 하우징(34)의 일측에는 시일 링(46)이 장착되어 하우징과 분사 노즐(26) 사이의 기밀을 유지한다.
그리고, 하우징(34)의 하측에 형성되는 분사 통로(36)의 중앙에 분사 노즐(26)의 끝단이 통과하도록 형성되어, 분사 노즐을 감싼 상태로 고온가스를 분사한다. 따라서, 분사 노즐에서 분사되는 용액의 바깥쪽을 감싸는 형태로 고온가스가 분사되므로 용액에 함유된 용매를 정밀하게 휘발시킬 수 있다.
그리고, 분사 노즐(26)이 분사되는 방향과 동일한 방향으로 고온가스가 분사되어 용액에 직진성을 부여할 수 있게 되고, 이에 따라 용액이 날리는 것을 방지함과 아울러 기판의 정확한 위치에 용액이 분사되도록 함으로써, 박막의 두께를 보다 균일하게 형성할 수 있다.
여기에서, 가스의 압력은 0.06~0.12MPa, 가스 온도는 80~150℃ 정도로 설정되는 것이 바람직하다.
가스의 압력이 0.06MPa 미만이면 압력이 너무 낮아 용매를 휘발시키기 어렵고, 0.12MPa 이상이 되면 압력이 너무 높아 기판의 박막을 정밀하게 분사하기 어렵다. 그리고, 가스의 온도가 80℃ 미만이면 용매의 휘발이 어렵고, 150℃ 이상이 되면 용질을 손상시킬 우려가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성장치를 제어하는 제어부의 블럭도이다.
제어부는 사용자가 가스의 온도와 분사 압력을 입력하는 입력부(66)와, 하우징(34)의 일측에 설치되어 하우징(34) 내부로 유입되는 가스의 온도를 측정하는 온도센서(62)와, 하우징의 일측에 설치되어 가스의 분사압력을 측정하는 압력센서(64)와, 입력부(66)에서 인가되는 온도 및 압력 신호를 받고, 온도센서(62) 및 압력센서(64)로부터 인가되는 신호를 받아 히팅유닛(42) 및 압력 조절유닛(44)을 제어하는 제어유닛(60)을 포함한다.
사용자가 용액에 포함된 용매의 종류나 성질에 따라 용매를 휘발시키기에 적합한 최적의 온도 및 압력을 입력하면, 제어유닛(60)은 입력된 온도와 압력을 기준값으로 설정한다.
그리고, 제어유닛(60)은 온도센서(62) 및 압력센서(64)로부터 인가되는 온도와 압력을 기준값과 비교하여 가스의 온도와 압력이 기준값 범위를 유지할 수 있도록 히팅유닛(42) 및 압력 조절유닛(44)을 제어한다.
이와 같이, 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성장치의 작용을 다음에서 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성방법을 나타낸 공정 순서도이다.
먼저, 가스의 압력과 온도를 입력한다(S10). 즉, 사용자가 사용되는 용액의 성질 및 용매의 종류에 따라 용매를 휘발시킬 수 있는 최적의 온도와 압력을 입력한다. 그러면, 제어유닛(60)은 히팅유닛(42)을 제어하여 가스의 가열온도를 조절하고, 압력 조절유닛(44)을 제어하여 가스의 분사압력을 조절한다.
여기에서, 가스의 압력은 0.04~0.12Mpa, 가스 온도는 80~150℃로 설정되는 것이 바람직하다.
가스의 압력이 0.06MPa 이하이면 가스압력이 너무 낮아 용매의 휘발이 어렵고, 가스의 압력이 0.12MPa 이상이면 가스 압력이 너무 높아 용매가 기판에 분사되는 것을 방해한다. 그리고, 가스 온도는 80℃ 이하이면 용매가 휘발되지 않고, 150℃ 이상이 되면 용질에 손상을 준다.
그리고, 가스의 압력과 온도 입력이 완료되면, 스프레이 유닛(20)을 작동시켜 용액을 기판(10)의 표면에 분사한다(S20). 스프레이 유닛이 에어 스프레이 방식일 경우 용액에 에어를 분사하여 분사압력을 발생시키고, 전기 스프레이 방식일 경우 고전압 발생부(50)를 온(ON)시켜 스프레이 유닛(20)과 기판(10) 사이에 고전압을 인가하여 용액을 하전시키고, 하이브리드 방식일 경우 에어를 분사함과 아울러 고전압을 인가하여 용액을 분사한다.
여기에서, 스프레이 유닛과 기판 사이의 인가전압은 8~14kV, 스프레이 유닛과 기판의 거리 6~12cm, 토출량 40~1000ul/min로 설정된다.
이와 같이, 본 실시예에서는 스프레이 방식으로 기판(10)에 용액을 분사하여 박막을 형성하기 때문에 박막의 두께를 얇게 만들 수 있음과 아울러 박막의 두께를 자유롭게 조절할 수 있다.
그리고, 용액이 분사되어 기판(10)에 도달하기 전인 용액이 분사 노즐(26)에서 분사되어 비행중일 때 용액에 고온가스를 분사하여 용액에 포함된 용매를 휘발시킨다(S30).
즉, 히팅유닛(42)이 작동되어 가스를 설정온도로 가열하고, 압력 조절유닛(44)에 의해 파이프(40)를 통과하는 가스의 압력을 설정압력으로 조절한다. 그리고, 파이프(40)를 통해 하우징(34) 내부로 유입된 고온가스는 분사 통로(36)를 통해 분사되어 비행중인 용액에 함유된 용매를 휘발시킨다.
이때, 온도센서(62)에서 하우징(34) 내부 온도를 측정하여 제어유닛(60)으로 인가하면 제어유닛(60)은 온도센서(62)에서 인가되는 가스 온도과 기준온도를 비교하여 가스 온도가 기준온도 범위를 유지하도록 히팅유닛(42)을 제어한다.
그리고, 압력센서(64)에서 하우징(34)에서 분사되는 가스의 압력을 측정하여 제어유닛(60)으로 인가하면, 제어유닛(60)은 가스 압력과 기준압력을 비교하여 가스 압력이 기준압력 범위를 유지하도록 압력 조절유닛(44)을 제어한다.
그리고, 기판(10)을 비교적 낮은 온도로 가열하여 고온가스 분사유닛에 의해 제거되지 못하고 잔존하는 용매를 최종적으로 휘발시킨다.
여기에서, 기판의 가열온도는 70~190℃로 기존에 비해 비교적 낮은 온도로 가열할 수 있기 때문에 플랙시블 기판, 열에 약한 기판, 두께가 얇은 기판 등 다양한 기판의 사용이 가능하고, 용질이 열에 의해 손상되는 것을 방지한다.
기존의 박막 형성장치는 기판을 가열하여 용매를 휘발시킬 경우 기판에 도포된 상태에서 용매가 휘발되므로 박막의 품질이 저하되고, 기판을 용매의 휘발 가능한 온도까지 가열해야되므로 열에 약한 기판은 사용이 어려운 문제가 있었다.
본 실시예에서는 분사 노즐에서 분사되어 비행중인 용액에 직접 고온가스를 분사하여 용매를 휘발시키기 때문에 기판에 도포되는 용액에는 용매가 거의 제거된 상태가 되므로 박막의 표면 정밀도를 향상시키고 이에 따라 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
그리고, 기판을 가열할 필요가 없어 열에 약한 기판도 사용이 가능하다. 기판에 도포된 용액에 잔존하는 용매를 휘발시키기 위해 기판을 가열하더라도 남아 있는 용매를 휘발시키는 용도이므로 가열 온도를 높게 설정하지 않아도 되므로 열에 약한 기판의 사용이 가능하다.
실시예 1
먼저, 전도성 고분자로 Orgacon.TM(Agfa, PEDOT:PSS0)을 용매인 물에 0.8wt%의 비율로 녹이고, 6um와 0.8um 실린지 필터로 필터링하여 분사 용액을 제조하였다. 그리고, 기판은 표면에 3차원 굴곡이 있는 기판을 준비하였다.
제조된 분사 용액을 전기분사와 에어분사를 혼합한 하이브리드 스프레이 방식의 유기박막 형성장치를 이용하여 나노 박막을 제조하였다.
즉, 인가전압 12kV, 질소압 0.1Mpa, 분사노즐과 기판의 거리 6cm, 토출량 700ul/min, 기판의 온도 130℃, 가스 온도 100℃이 되도록 설정하고, 스프레이 유닛에서 용액을 분사하고 이와 동시에 고온가스 분사유닛에서 비행중인 용액에 고온가스를 분사하여 3차원 굴곡을 갖는 기판의 표면에 나노 유기박막을 형성하였다.
실시예 1에 의해 제조된 나노 유기박막은 도 5에 도시된 사진과 같이, 주사전자 현미경으로 촬영한 후 부분별의 나노 유기박막의 두께를 측정하면, 상부(Top) 두께는 437nm 이었고, 측면(Side) 두께는 421nm이었고, 하부(Bottom) 두께는 433nm 이었다. 따라서, 상부(Top)/하부(Bottom)의 비율은 거의 1에 가깝고, 측면(Side)/하부(Bottom)의 비율은 0.97 이었다.
실시예 1과 같이, 3차원 굴곡을 갖는 기판의 표면에 본 발명의 스프레이 방식을 이용한 유기박막 형성장치로 제조하게 되면 전체적으로 균일한 두께를 갖는 유기박막을 얻을 수 있고, 기판의 가열온도를 낮게 할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2
유기 발광다이오드(OLED) 발광층으로 PVK(Poly(9-vinylcabazole), PBD(2-(4-Biphenylyl)-5-phenyl-1,3,4-oxadiazole), Ir(ppy)3(Tris[2-phenylpyridinato-C2,N]iridium(III)를 10:4:1의 비율로 혼합하여 모노클로로벤젠(Monochlorobenzene)에 0.2wt%의 비율로 녹여 분사 용액을 제조한다.
이렇게 제조된 용액을 6um, 0.4um의 실린지 필터를 이용하여 필터링을 실시한 후 전기분사와 에어분사를 혼합한 하이브리드 스프레이 방식의 유기박막 형성장치를 이용하여 나노 박막을 제조하였다.
즉, 인가전압 10kV, 질소압 0.06Mpa, 분사노즐과 기판의 거리 6cm, 토출량 88ul/min, 기판 온도 130℃, 가스온도 100℃이 되도록 설정하고, 스프레이 유닛에서 분사 용액을 분사하고 이와 동시에 고온가스 분사유닛에서 비행중인 용액에 고온가스(100℃)를 분사하여 3차원 굴곡을 갖는 기판의 표면에 나노 유기박막을 형성하였다. 그리고, 기판에 분사한 유기박막을 75℃의 건조로를 이용하여 24시간 처리하여 가교화를 진행하였다.
실시예 2에 의해 제조된 나노 유기박막은 도 6에 도시된 사진과 같이, 주사전자 현미경으로 촬영한 후 부분별의 나노 유기박막의 두께를 측정하면, 상부(Top) 두께는 133nm 이었고, 측면(Side) 두께는 117nm이었고, 하부(Bottom) 두께는 123nm 이었다. 따라서, 상부(Top)/하부(Bottom)의 비율은 1.18이었고, 측면(Side)/하부(Bottom)의 비율은 0.95이었다.
실시예 2와 같이, 3차원 굴곡을 갖는 기판의 표면에 본 발명의 스프레이 방식을 이용한 유기박막 형성장치로 제조하게 되면 전체적으로 균일한 두께를 갖는 유기박막을 얻을 수 있고, 기판의 가열온도를 낮출 수 있는 것을 확인할 수 있다.
실시예 3
유기 태양전지(OPV) 광활성층으로 PCBM(1-(3-Methoxycarbonyl)-Propyl-1-phenyl=(6,6)C61)과 P3HT(Poly(3-hexylthiophene)를 1:1의 비율로 혼합하여 모노클로로벤젠(Monochlorobenzene)에 각각 0.2wt%의 비율로 녹여 분사용액을 제조한다.
이렇게 제조된 용액을 6um, 0.4um의 실린지 필터를 이용하여 필터링을 실시한 후 전기분사와 에어분사를 혼합한 하이브리드 스프레이 방식의 유기박막 형성장치를 이용하여 나노 박막을 제조하였다.
즉, 인가전압 10kV, 질소압 0.06Mpa, 분사노즐과 기판의 거리 6cm, 토출량 350ul/min, 기판온도 130℃, 가스온도 120℃이 되도록 설정한 후 스프레이 유닛에서 분사 용액을 분사하고 이와 동시에 고온가스 분사유닛에서 비행중인 용액에 고온가스(120℃)를 분사하여 3차원 굴곡을 갖는 기판의 표면에 나노 유기박막을 형성하였다. 그리고, 기판에 분사한 유기박막을 75℃의 건조로를 이용하여 24시간 처리하여 가교화를 진행하였다.
실시예 3에 의해 제조된 나노 유기박막은 도 7에 도시된 사진과 같이, 주사전자 현미경으로 촬영한 후 부분별의 나노 유기박막의 두께를 측정하면, 상부(Top) 두께는 595nm 이었고, 측면(Side) 두께는 560nm이었고, 하부(Bottom) 두께는 551nm 이었다. 따라서, 상부(Top)/하부(Bottom)의 비율은 1.07이었고, 측면(Side)/하부(Bottom)의 비율은 1.02 이었다.
실시예 3과 같이, 3차원 굴곡을 갖는 기판의 표면에 본 발명의 스프레이 방식을 이용한 유기박막 형성장치로 제조하게 되면 전체적으로 균일한 두께를 갖는 유기박막을 얻을 수 있고, 기판의 가열온도를 낮출 수 있는 것을 확인할 수 있다.
실시예 4
OPV 광활성층으로 PCBM(1-(3-Methoxycarbonyl)-Propyl-1-phenyl=(6,6)C61)과 P3HT(Poly(3-hexylthiophene)를 1:1의 비율로 혼합하여 클로로포름(Chloroform)에 각각 0.15wt%의 비율로 녹여 분사용액을 제조한다.
이렇게 제조된 용액을 6um, 0.4um의 실린지 필터를 이용하여 필터링을 실시한 후 전기분사와 에어분사를 혼합한 하이브리드 스프레이 방식의 유기박막 형성장치를 이용하여 나노 박막을 제조하였다.
즉, 인가전압 10kV, 질소압 0.06Mpa, 분사노즐과 기판의 거리 6cm, 토출량 350ul/min, 기판 온도 70℃, 가스온도 90℃이 되도록 설정하고, 스프레이 유닛에서 분사 용액을 분사하고 이와 동시에 고온가스 분사유닛에서 비행중인 용액에 고온가스(90℃)를 분사하여 3차원 굴곡을 갖는 기판의 표면에 나노 유기박막을 형성하였다. 그리고, 기판에 분사한 유기박막을 75℃의 건조로를 이용하여 24시간 처리하여 가교화를 진행하였다.
실시예 4에 의해 제조된 나노 유기박막은 도 8에 도시된 사진과 같이, 주사전자 현미경으로 촬영한 후 부분별의 나노 유기박막의 두께를 측정하면, 상부(Top) 두께는 130nm 이었고, 측면(Side) 두께는 145nm이었고, 하부(Bottom) 두께는 144nm 이었다. 따라서, 상부(Top)/하부(Bottom)의 비율은 0.90이었고, 측면(Side)/하부(Bottom)의 비율은 1.01 이었다.
실시예 4와 같이, 3차원 굴곡을 갖는 기판의 표면에 본 발명의 스프레이 방식을 이용한 유기박막 형성장치로 제조하게 되면 전체적으로 균일한 두께를 갖는 유기박막을 얻을 수 있고, 기판의 가열온도를 낮출 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10는 본 발명의 유기박막 형성장치에 의해 제조된 박막과, 기존의 스프레이 방식으로 제조된 박막의 표면을 확대한 사진이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 기존의 스프레이 분사방식을 이용하여 기판의 표면에 용액을 분사하여 박막을 형성하고, 기판을 200℃로 가열하여 용액에 포함된 용매를 휘발시킬 경우 기판의 표면이 거친 상태로 되고 용질에 열 손상을 초래하게 되는 것을 확인할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예와 같이, 고온가스를 이용하여 용매를 휘발시킬 경우 기판의 온도를 130℃ 정도로 비교적 낮게 할 수 있어 기판의 표면이 매끄럽게 형성되고, 용질에 열 손상이 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 기판 12: 이동유닛
20: 스프레이 유닛 22: 저장탱크
24: 공급부 26: 분사 노즐
28: 전도체 노즐팁 30: 고온가스 분사유닛
32: 공간부 34: 하우징
36: 분사 통로 40: 파이프
42: 히팅유닛 44: 압력 조절유닛
50: 고전압 발생부 60: 제어유닛
62: 온도센서 64: 압력센서
66: 입력부

Claims (9)

  1. 기판의 표면에 전도성 고분자를 포함하는 용액, 유기 발광다이오드(OLED)의 발광층을 형성하는 물질을 포함하는 용액, 또는 유기 태양전지(OPV)의 광활성층을 형성하는 물질을 포함하는 용액을 분사하여 박막을 형성하는 스프레이 유닛;
    상기 용액에 포함된 용매를 휘발시키기 위해 상기 스프레이 유닛에서 분사되어 비행중인 용액에 고온 가스를 분사하는 고온가스 분사유닛; 및
    상기 고온가스 분사유닛에서 분사되는 고온가스의 압력과 온도를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 스프레이 유닛은 용액이 저장된 저장탱크와 연결되어 용액을 공급해주는 공급부와, 상기 공급부의 하측에 장착되어 용액을 기판의 표면에 분사하는 분사 노즐을 포함하고,
    상기 고온가스 분사유닛은 분사 노즐의 외면에 장착되고, 고온가스가 유입되는 공간부를 가지며, 하측에 고온가스가 분사되는 분사 통로가 형성되는 하우징과, 상기 하우징의 일측에 연결되어 고온가스가 통과하는 파이프와, 상기 파이프에 설치되어 파이프를 통하여 공급되는 가스를 가열하는 히팅 유닛과, 고온가스의 압력을 조절하는 압력 조절유닛을 포함하며,
    상기 제어부는 사용자의 조작에 의해 온도와 압력을 입력하는 입력부와, 고온가스의 온도를 측정하는 온도센서와, 고온가스의 압력을 측정하는 압력센서와, 상기 입력부, 온도센서 및 압력센서로부터 입력된 데이터를 기초하여 상기 히팅 유닛과 압력 조절유닛을 제어하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 공간부로 유입된 고온가스가 분사노즐을 가열할 수 있도록 상기 공간부는 하우징의 내면과 분사노즐의 외면 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 하측에 형성된 분사 통로의 중앙을 분사노즐의 끝단이 통과하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스프레이 방식을 이용한 박막 형성장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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