KR102260867B1 - 물질소모량 계측이 가능한 증발원 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 증착공정을 실시하는 동안 실시간으로 증발원의 무게를 측정하여 증발원 내부의 물질 소모량을 측정할 수 있는 증발원을 제공하고, 그에 따라 증발원의 교체 시기를 예측할 수 있게 하는 것이다.
또한, 본 발명은 길이가 긴 선형증발원의 길이에 따라 물질 잔존량의 변화를 계측할 수 있고, 그에 따라 국지적으로 증발률을 제어할 수 있는 증착 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적에 따라 본 발명은 진공 환경 및 증착기 내 고온 환경에서 동작할 수 있는 로드셀을 증발원 하단에 배치하여 증발원의 무게를 측정하여 물질 잔존량을 증착 공정 중 실시간으로 계측할 수 있는 증착시스템을 제공한다.
또한, 선형증발원에 대해 다수의 로드셀을 배치하여 물질의 차등소진을 실시간 파악할 수 있는 증착시스템을 제공한다.

Description

물질소모량 계측이 가능한 증발원{Evaporation Source capable of measuring material consumption}

본 발명은 OLED 제작에 사용되는 증발원에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 도가니 내부에 들어있는 물질소모량을 실시간 계측할 수 있는 증발원에 관한 것이다.

OLED 제작은 유기물을 도가니에 넣고 히터로 가열하는 방식으로 이루어진다. 도가니와 히터를 포함하는 증발원은 점증발원, 길이가 긴 선형증발원을 포함하며, 기판의 대면적화에 부응하여 선형증발원의 적용이 증가하는 추세이다. 선형증발원은 매우 오랜시간 증착공정을 실시할 수 있어 인라인 공정의 지속시간이 늘어나 생산적이며 증발원 교체 주기가 길어져 비싼 유기물의 낭비도 줄어든다. 그러나 여전히 증발원 내부에 담긴 물질의 소진 상태를 정확히 알 수 없어 대략적으로 잔류 물질이 상당량 남은 상태에서 증발원을 교체하고 있다.

일반적으로 선형증발원의 물질 소모량은 증착률 센서, 즉, 쿼츠 센서(quartz crystalmicrobalance(QCM))를 이용하고 있다. 증발원에서 분사되는 증발물을 쿼츠 센서로 측정하여 단위시간 당 증착률을 측정하는 것으로 박막의 균일도를 예측할 수 있고, 증발원 내부의 물질 소모량을 예측할 수 있다. 증착률 센서에 대한 문헌으로 출원번호 10-2013-0036667호를 들 수 있다.

한편, 길이가 긴 선형증발원을 이용함에 따라 기판에 형성되는 박막의 균일도를 맞추는 것이 상당히 어려운 문제가 되고 있다. 내부에 담긴 유기물질은 선형증발원의 길이에 따라 모두 균일하게 소모되지 않고 국지적으로 많고 적은 차이를 낼 수 있고 이러한 현상이 박막 균일도를 맞추기 어렵게 한다. 이러한 문제도 상술한 증착률 센서를 통해 선형증발원의 여러 지점에서의 증착률을 측정하여 선형증발원의 국지적인 증착률 불균일을 해결하도록 히터를 제어하고 있다. 그러나 증착률 센서의 설치 자체가 기판에 대한 박막형성을 간섭하지 않는 한도 내에서만 허용되기 때문에 실질적인 도가니 내부 물질분포를 실시간 예측하기는 어렵다.

따라서 본 발명의 목적은 증착공정을 실시하는 동안 실시간으로 증발원의 무게를 측정하여 증발원 내부의 물질 소모량을 측정할 수 있는 증발원을 제공하고, 그에 따라 증발원의 교체 시기를 예측할 수 있게 하는 것이다.

또한, 본 발명은 길이가 긴 선형증발원의 길이에 따라 물질 잔존량의 변화를 계측할 수 있고, 그에 따라 국지적으로 증발률을 제어할 수 있는 증착 시스템을 제공하고자 한다.

상기 목적에 따라 본 발명은 진공 환경 및 증착기 내 고온 환경에서 동작할 수 있는 로드셀을 증발원 하단에 배치하여 증발원의 무게를 측정하여 물질 잔존량을 증착 공정 중 실시간으로 계측할 수 있는 증착시스템을 제공한다.

또한, 선형증발원에 대해 다수의 로드셀을 배치하여 물질의 차등소진을 실시간 파악할 수 있는 증착시스템을 제공한다.

상기에서, 로드셀은 증발원 고정용 레그 아래에 소정의 부재와 함께 설치될 수 있다.

상기에서, 로드셀은 증발원 하단, 도가니 하단을 지지하는 부위, 또는 워터재킷 하단에 설치될 수 있다.

또한, 증발원을 기울여 증착하는 경우, 로드셀에 의해 측정된 수치를 삼각함수를 이용하여 도가니 내 물질잔존량을 산출할 수 있는 제어모듈을 포함할 수 있다.

상기 제어모듈은 로드셀에 의해 측정된 수치를 근거로 증발원의 교체 시기를 알려주는 기능을 포함할 수 있다.

또한, 제어모듈은 로드셀에 의해 측정된 수치를 근거로 히터의 발열량을 제어할 수 있는 기능을 포함할 수 있다.

즉, 본 발명은,

물질을 증발시켜 박막을 형성하는 증발원;

증발원 하단에 배치되는, 진공 환경 및 증착기 내 고온 환경에서 동작할 수 있는 로드셀;을 포함하여 증발원의 무게를 측정하여 증발원 내 물질 잔존량을 실시간으로 계측할 수 있는 것을 특징으로 하는 증발원 시스템을 제공한다.

상기에 있어서, 선형증발원에 대해 하나 이상의 로드셀이 배치되어 선형증발원의 길이에 따른 위치별 물질의 차등소진을 실시간 파악할 수 있는 것을 특징으로 하는 증발원 시스템을 제공한다.

상기에 있어서, 로드셀은 증발원 하단에 설치되고, 증발원 히터를 지지하는 레그부를 지지하는 로드셀 탑재용 부재에 탑재되며, 상기 레그부 및 로드셀 탑재용 부재는 개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 증발원 시스템을 제공한다.

상기에 있어서, 로드셀은 증발원 하단에 설치되고, 로드셀에 증발원 하중을 실어줄 수 있는 레그부재를 증발원 하단으로부터 워터 재킷을 관통하여 워터재킷 하판으로 연장되게 하고, 로드셀을 상기 레그부재 하단에 배치하는 것을 특징으로 하는 증발원 시스템을 제공한다.

상기에 있어서, 로드셀은 증발원 하단에 설치되고, 로드셀에 증발원 하중을 실어줄 수 있는 레그부재 하단 또는 워터 재킷 상단에 배치되는 것을 특징으로 하는 증발원 시스템을 제공한다.

상기에 있어서, 로드셀은 증발원 하단에 설치되고, 로드셀은 도가니 하중을 지지하도록, 도가니 저면을 지지하며 증발원 바닥을 관통하는 지지부재 밑에 배치되는 것을 것을 특징으로 하는 증발원 시스템을 제공한다.

상기에 있어서, 로드셀은 증발원 하단에 배치된 워터재킷 하단에 설치되는 것을 특징으로 하는 증발원 시스템을 제공한다.

상기에 있어서, 증발원이 기울어져 사용되는 경우, 로드셀에 의한 증발원 무게 측정은 삼각함수를 이용하여 산출되게 하는 제어모듈을 포함한 것을 특징으로 하는 증발원 시스템을 제공한다.

종래 QCM에 경우, 물질 사용량을 직접 측정하는 것이 아닌 분사되는 물질을 증착시켜 사용량을 유추하는 것으로 정확한 물질 사용량 산출이 어렵다는 점을 지니지만, 본 발명은 로드셀을 이용하여 물질량을 실시간으로 직접 측정할 수 있기 때문에 도가니 내 물질 잔존량을 정확히 파악할 수 있다. 그에 따라 증발원 교체 시기를 정확히 판단할 수 있고, 이는 고가의 물질을 절약할 수 있게 되고, 연속공정을 위한 시스템 제어의 신뢰도를 높인다.

또한, 선형증발원의 길이에 따라 각각 다른 증착률, 즉, 차등소진에 대한 예측을 할 수 있고, 그에 따라 히터를 제어하여 증착률을 균일화하고 박막의 균일도를 높일 수 있다.

본 발명의 로드셀 장착 구성은 증발원을 기울여 사용하는 경우에도 삼각함수를 적용하여 무게산출이 가능하다.

도 1은 본 발명의 기본 개념을 보여주는 개요도이다.
도 2는 종래 증발원과 지지 레그를 보여주는 측면도와 본 발명에 따른 로드셀 적용 증발원을 보여주는 측면도이다.
도 3은 증발원을 기울여 사용하는 경우에도 로드셀이 적용될 수 있음을 설명하는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따라 로드셀을 적용하기 위해 고안된 지지부재를 보여준다.
도 5는 본 발명에 따라 증발원 전체의 무게를 측정하도록 로드셀을 설치한 증발원의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 도가니 무게를 측정하도록 로드셀을 설치한 증발원의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따라 워터 재킷을 포함한 증발원 무게를 측정하도록 로드셀을 설치한 증발원의 단면도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 기본 개념을 설명하는 것으로, 선형 증발원에 대해 중심부의 좌우편에 로드셀을 설치하여 증발원의 무게를 측정하도록 구성한 것을 보여준다. 일반적인 로드셀은 진공환경이나 고온에서 제대로 동작하지 못하므로 고진공, 고온에서 사용가능한 로드셀을 사용할 필요가 있고, 동시에 로드셀로의 열전달을 최소화할 수 있는 구성을 갖추어야 한다.

도 2는 종래 로드셀이 없는 증발원 구성과 본 발명에 따라 로드셀을 설치한 증발원의 구성을 단면도로 보여준다.

도 2의 위쪽에 나와있는 단면도에는 증발원 벽면에 히터를 지지하는 레그 부(30)가 도시되어 있다.

증발원 내부에는 물질을 직접 담는 도가니와 도가니를 안착하거나 에워싸는 히터가 배열되며, 히터를 증발원 벽면에 돌출시켜 지지되게 하는 것이 레그 부(30)이다.

본 발명은 상기 레그 부(30)에 로드셀을 적용하여 증발원의 무게를 증착 공정 중 실시간으로 측정할 수 있게 하였다. 이를 위해 도 2의 아래쪽 그림과 같이 레그 부(300) 하단에 레그 부(300)를 지지하며 로드셀 탑재용 부재에 탑재된 로드셀(200)을 탑재한 로드셀을 설치하였다. 로드셀 탑재용 부재는 고체열전도를 최소화 하기 위한 단면적 최소화 구조 및 열전도율이 낮은 금속 및 세라믹(ex. SUS, Zirconia) 소재를 구비하여 히터로부터의 열전달을 최소화하도록 구성된다.

이와 같이 로드셀을 증발원 외벽에 특별히 설계된 부재를 통해 설치함으로써 도가니 내 물질 잔존량을 증착 공정이 일어나는 동안 실시간으로 측정할 수 있다. 로드셀은 선형증발원의 경우, 좌우대칭으로 4개를 적용할 수 있으며, 경우에 따라 개수 변동될 수 있다.

또한, 증발원이 기울어져 사용되는 경우에도 로드셀의 적용으로 무게를 측정할 수 있으며, 이에 대해 도 3에 모식도로 보였다. 즉, 기울어진 증발원에 대해 압력이 가해지는 쪽에 있는 로드셀의 측정치는 삼각함수를 적용하여 물질의 무게를 산출할 수 있다. 그러한 연산을 할 수 있는 제어모듈을 로드셀과 연동하여 설치할 수 있다.

도 4 내지 도 7은 로드셀을 증발원에 적용하는 몇가지 방식을 도시한다.

도 4는 도 2에서 보여준 레그 부에 연결되는 로드셀 탑재용 부재(250)를 보여준다. 로드셀 탑재용 부재(250) 상부는 레그 지지부(270)로 구성되며, 이들은 서로 고정부재로 연결되거나 일체형으로 제작될 수 있다.

레그 부(300)와 직접 연결되는 레그 지지부(270)는 중앙에 개구부(275)가 형성되어 로드셀로의 열전달을 줄여준다. 레그 지지부(270)와 연결된 로드셀 탑재용 부재(250)는 열전도가 낮은 재료로 제작되어 있으며 로드셀과의 접촉 면적을 최소화 하여 히터로부터의 열전달을 차단하는 역할을 한다. 또한, 로드셀(200)의 상하부에 개구부(275)를 형성함으로써 히터로부터의 열전달을 차단하는 역할을 할 수 있다. 이와 같은 로드셀 설치용 부재를 통해 로드셀은 증발원의 외벽면에 용이하게 설치될 수 있다. 증발원 하나에 대해 4개의 로드셀을 설치하는 것이 바람직하며, 증발원 전체 하중이 측정된다.

도 5a는 본 발명에 따라 증발원 전체의 무게를 측정하도록 로드셀을 설치한 증발원의 단면도로, 증발원 저면에 설치된 워터 재킷(400) 아래에 로드셀(200)을 배치하는 방식이다. 이 경우는, 로드셀(200)에 증발원 하중을 실어줄 수 있는 레그부(300)의 레그부재가 증발원 외벽 하단을 지지하면서 워터 재킷(400)을 관통하여 워터재킷 하판에 연장되게 하고, 로드셀(200)을 상기 레그부재 하단에 배치하며, 로드셀을 안착할 수 있는 지지부(230)(케이스 또는 하우징 형태)를 구성하였다. 설치가 용이하고 로드셀이 증발원 아래에 설치되기 때문에 도 4의 것(증발원 측면 설치)과 달리, 두 개의 로드셀만 설치하여도 선형증발원의 두 지점에서의 물질잔존량을 산출할 수 있다. 워터재킷 아래에 로드셀이 배치되어 워터재킷에 의한 열차단 효과를 볼 수 있고 로드셀 탑재용 부재(250)로 인해 열차단 효과가 강화된다. 또한, 이러한 구성도 기울인 증발원에 대해서도 적용될 수 있다. 로드셀은 세개 이상 설치될 수도 있을 것이다.

도 5b는 증발원(100)을 지지하는 레그부(300)가 로드셀 탑재용 부재(250) 위에 놓이고, 그 아래 로드셀(200)이 배치되며, 로드셀(200) 아래에는 워터재킷(400)이 배치된다. 워터재킷(400) 위에 로드셀(200)이 놓이기 때문에 냉각효과를 누릴 수 있다. 또한, 부재가 다른 부재를 관통하지 않고 탑재되기 때문에 좀 더 제작이 쉽고 기울임 동작에서 더 안정적이다.

도 6a는 본 발명에 따라 도가니 무게를 측정하도록 로드셀을 설치한 증발원의 단면도이다.

이 경우, 로드셀(200)은 증발원 내부의 도가니(150) 무게를 측정하도록 도가니 지지부재(220)와 연결된다. 지지부재(220)는 증발원 저면과 그 아래에 있는 워터재킷 부분을 관통하여 로드셀(200)에 닿는다.

로드셀 설치 수량은 필요에 따라 조절될 수 있으며, 선형증발원의 길이를 따라 두 지점을 측정하는 데 두 개의 로드셀만 설치할 수 있다. 그러나 증발원 바닥과 워터 재킷 하판을 관통하는 지지부재를 구성함으로 인해 설치 자체가 어려운 점이 있고 기울인 증발원에 적용되는 것도 어려운 면이 있다. 또한, 로드셀(200)을 안착할 수 있는 지지부를 구성하는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 워터재킷 지지부(410)가 이를 겸하고 있다.

도 6b는 도 6a를 변형하여 워터재킷(400) 위에 로드셀을 배치한 것이다. 도가니를 지지하는 지지부재가 증발원 저면을 관통하여 로드셀에 닿고, 로드셀은 워터재킷 상에 놓여진다.

도 6a 및 도 6b에서 레그부는 모두 워터재킷 상에 놓인다.

도 7은 본 발명에 따라 워터 재킷을 포함한 증발원 무게를 측정하도록 로드셀을 설치한 증발원의 단면도이다. 즉, 워터 재킷(400) 하판(아래)에 직접 로드셀(200)을 설치한 것이다. 증발원(100)과 레그부(300)는 워터재킷(400) 상에 놓이고 그 아래 로드셀(200)이 배치되며, 로드셀(200)은 지지부(230)에 의해 지지된다.

워터 재킷을 포함한 선형증발원의 무게를 측정하는 데 필요한 로드셀 설치 수량은 2~4개가 바람직하며, 필요 시 추가 설치가 가능하다. 로드셀을 직접 워터재킷 하판에 고정해야 하기 때문에 설치가 용이하지는 않으나 열에 대한 완벽한 차단이 가능하다.

도 6과 도 7의 구성은 도 4의 구성에 비해, 개개의 로드셀에 걸리는 하중의 변화에 따른 손상 문제가 없다는 장점이 있으며 로드셀의 사이즈와 배열 위치에 대해서는 필요에 따라 자유롭게 변경할 수 있다.

상기한 바와 같이 로드셀이 적용된 증발원은 물질 진존량을 실시간 알 수 있어 증발원 교체 시기를 용이하게 결정할 수 있다. 또한, 선형증발원의 경우, 길이에 따라 차등소진이 일어나는 것을 파악할 수 있어, 제어모듈을 구성하여 로드셀들로부터의 측정치를 근거로 히터를 부위별로 제어하게 할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 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.

30, 300: 레그 부
100: 증발원
150: 도가니
200: 로드셀
210: 레그부재
220: 지지부재
230: 지지부
250: 로드셀 탑재용 부재
255: 로드셀 탑재부
270: 레그 지지부
275: 개구부
300: 레그부
400: 워터 재킷
410: 워터 재킷 지지부

Claims (9)

1. 물질을 증발시켜 박막을 형성하는 증발원;
   상기 증발원을 지지하는 레그부;
   상기 레그부 하단의 레그 지지부;
   상기 레그 지지부 하단의 로드셀 탑재용 부재; 및
   상기 로드셀 탑재용 부재에 탑재된 로드 셀;을 포함하고,
   상기 레그부 또는 로드셀 탑재용 부재는 열전달을 차단하는 개구부;를 구비하여, 상기 로드 셀은 진공 환경 및 증착기 내 고온 환경에서 동작할 수 있어 증발원의 무게를 측정하여 증발원 내 물질 잔존량을 실시간으로 계측할 수 있고,
   상기 증발원은 선형증발원이고, 선형증발원에 대해 하나 이상의 로드셀이 배치되어 선형증발원의 길이에 따른 위치별 물질의 차등소진을 실시간 파악할 수 있는 것을 특징으로 하는 증발원 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 증발원 시스템은,
   상기 레그부 및 로드셀 탑재용 부재에 개구부를 구비하는 것을 특징으로 하는 증발원 시스템.
   
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 증발원이 기울어져 사용되는 경우, 로드셀에 의한 증발원 무게 측정은 삼각함수를 이용하여 산출되게 하는 제어모듈을 포함한 것을 특징으로 하는 증발원 시스템.
   
   

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