KR20050044148A - 유기전계 발광소자의 박막 증착방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기전계 발광 소자의 박막 증착 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성막용(成膜用) 기판에 유기 박막을 증착함에 있어서 상기 유기전계 발광 재료의 변질을 방지하여 양호한 소자 성능을 갖는 유기전계 발광 소자에 유기전계 박막을 증착하는 방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이며 본 발명에 의한 방법 및 장치에 의할 경우 유기박막의 증착 과정 중에 기계적 및 열적으로 유기물이 변질되는 것을 방지할 수 있다.

Description

유기전계 발광소자의 박막 증착방법 및 장치{Method and Apparatus for Vapor Deposition of Thin Film in the preparing of the Electroluminescence Device}

본 발명은 유기전계 발광소자의 박막 증착방법 및 장치에 관한 것으로, 유기전계 발광 소자용의 유기 재료를 기화(氣化)하고, 이를 성막용(成膜用) 기판상에 증착시켜 박막을 형성하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착 방법에 있어서, 증착 챔버내의 상기 유기 재료가 증착 가능한 면들을 상기 유기 재료에 대해 불활성 재질로 형성하거나 이로 도금하는 것을 특징으로 하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

유기전계 발광소자의 보편적인 구조로서는 투명 도전막으로 이루어지는 양극과 음극 사이에 정공(正孔) 전달층, 발광층, 전자 전달층 등의 유기 박막층이 형성되어 있으며, 양극으로부터 정공 전달층을 통하여 발광층에 주입된 정공과 음극으로부터 전자 전달층을 통하여 발광층에 주입된 전자가 재결합할 때에 발광이 발생한다. 이 때, 재료 중의 불순물이나 변질물에 따라서는, 그것이 공증착(共蒸着)함으로써 이른바 흑점(dark spot)이 발생하고, 이는 소자의 수명을 감소시키거나 표시 장치로 제작했을 때에 발색하지 않는 부분이 출현하는 등의 문제가 발생한다.

종래의 유기전계 발광 소자의 박막 형성 방법의 하나로서 진공증착 방법은 일본 특허공개공보 제2000-68055호 등에 개시되고 있다. 진공 증착법에서는, 유기전계 발광 재료인 증착 재료를 기화온도 이상으로 가열하고 가열된 유기물 증발원으로부터 증착 재료가 성막용 기판상에 고체로 퇴적하면서 박막을 형성하는 것이다. 이 때, 박막의 두께를 균일화하는 것이 중요한데, 일반적으로는, 증발원으로부터의 증발량을 안정화시키고 성막용 기판을 일정한 속도로 회전시키면서 증착시킴으로써 일정한 박막 두께를 유지할 수 있다. 이를 위해서는 증착 장치 내의 유기물 증발원의 주위 및 기판 주위의 한쪽 또는 양쪽에 셔터(shutter)를 설치하여, 유기전계 발광재료가 담겨져 있는 증발원으로부터 유기전계 발광재료의 증발속도 등을 모니터링하여, 증발량이 일정한 속도로 안정화되었을 때 셔터를 열어 성막용 기판면에 증착을 하여야 한다. 이 때 셔터의 역할은 매우 중요한데, 이는 기판을 바꾸거나, 증착하는 유기전계 발광재료를 변경하는 시점에서 셔터가 다시 증발원이나 기판을 덮기 때문에, 개폐시의 물리적인 충격 등에 의해 셔터(shutter)상에 퇴적한 재료가 증발원에 떨어질 가능성이 있기 때문이다.

이와 같이 기판면 이외의 부분에 증착된 유기전계 발광 재료는 그것이 퇴적하면 증발원에 떨어져서, 공증착될 가능성이 있기 때문에, 증발원에 떨어질 가능성이 있는 증착 장치의 내벽면 또는 셔터 등의 장치 내부의 부품 등의 일부를 사용하기 전에 깨끗이 세척하는 것이 필요하다.

또한, 일반적으로 증착용으로 사용하는 유기전계 발광 재료는 고가의 유기 화합물이기 때문에, 이것을 회수하여 다시 이용하는 것이 요구되고 있다. 따라서 기판 이외의 증착 장치의 내벽면 또는 셔터 등의 장치 내부의 부품 등에 증착한 재료를 회수하여 다시 이용하기 위해서는, 유기전계 발광 재료를 변질시키지 않는 것이 중요하다.

상기와 같은 이유로 인하여 유기전계 발광 소자용 진공 증착 장치에 있어서, 유기전계 발광 재료의 가스형상 분자가 증착하는 부분의 재질, 예를 들면 진공 챔버 본체를 비롯하여, 챔버 내에 설치되는 셔터 등의 부품은 저렴하고 가공성이 좋으며 방청성이 우수한 SUS를 사용하는 경우가 많다. 그러나 사용하는 유기전계 발광 재료에 따라서는 증착물의 일부가 변질 또는 오염되기도 하며, SUS의 무게로 인해 셔터가 쳐지기도 하는 문제점이 발생한다. 예를 들면, 대표적인 유기전계 발광 재료로서 알려져 있는 8－하이드록시퀴놀린 알루미늄(Hydroxyquinoline aluminum; 이하, ‘Alq3’이라 약칭.)과 같은 유기 금속 착화합물에서는 SUS판의 성분 중의 철과 유기 금속 착화합물 중의 알루미늄이 금속 교환 반응을 일으켜서, 8－옥시퀴놀린철 착화합물을 형성하는 경우가 일어날 수 있다. 또한 이 8－옥시퀴놀린철 착화합물은 기화하여 소자의 성능에 치명적인 영향을 미칠 수도 있다. 뿐만 아니라 유기전계 발광 재료가 부식성인 경우 또는 산화성의 분위기를 형성하는 경우에 철 부식(iron rust)등이 발생할 수 있으며, 금속 원소를 포함하지 않거나 부식성이 아닌 유기전계 발광 재료일지라도 증착장치의 사용 중의 수회의 진공(vacuum) 또는 벤트(vent)에 의해 온도 변화가 반복될 경우 강하게 부착된 유기전계 발광 재료와 SUS 금속판의 열팽창률의 차이에 의해 SUS 표면에 마모가 발생할 수 있다. 또한 SUS 금속과 유기전계 발광 재료의 접착 표면에 반복 응력이 발생하고 SUS 금속판 표면의 아주 작은 요철 표면 조직이 금속 피로를 일으켜, 유기전계 발광 재료가 금속 표면으로부터 벗겨질 때, 금속 표면의 아주 작은 볼록부의 표면 조직을 기계적으로 함께 벗겨내는 현상이 발생할 수 있다. 이렇게 변질된 유기전계 발광 재료가 증발원에 떨어지고 다시 기화하여 기판에 공증착하면 소자 성능이 악화된다. 뿐만 아니라, 회수하여 다시 사용되는 유기전계 발광 재료 중에 변질물이 침착할 가능성도 있어서, 불순물에 의한 오염 및 이것을 사용한 소자 제작시 성능에 치명적인 문제가 발생할 수 있으며 재생하여 사용하기 위한 정제도 거의 불가능해진다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 유기전계 발광 소자에 사용되는 유기물 재료의 변질이나 오염을 방지하여 유기물의 성능과 수명을 증가시키는 유기전계 발광 소자의 증착방법 및 장치를 제공한다.

즉, 본 발명의 한 측면은 증착 챔버, 증발원, 기판 홀더, 뷰포트(viewport) 및 셔터를 포함하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착용 장치에 있어서, 증착 챔버 내부면, 증발원, 기판 홀더, 뷰포트 및 셔터를 증착되는 유기재료와 불활성인 재질로 형성하거나 이를 도금하는 것을 특징으로 하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착용 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 한 측면은 유기전계 발광 소자용의 유기 재료를 기화(氣化)하고, 이를 성막용(成膜用) 기판상에 증착시켜 박막을 형성하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착 방법에 있어서, 증착 챔버내의 상기 유기 재료가 증착 가능한 면들을 상기 유기 재료에 대해 불활성인 재질로 형성하거나 이로 도금한 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착 방법을 제공하는 것이다.

이하, 본 발명에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 유기전계 발광 소자의 박막 증착방법은, 유기전계 발광 소자용의 유기 재료를 기화하고, 성막용 기판상에서 퇴적시켜 박막을 형성하는 유기전계 발광 박막 증착에 있어서, 상기 성막용 기판을 제외한 상기 유기 재료가 증착 가능한 면들을 상기 유기 재료에 대하여 불활성 재질로 형성하거나 이를 도금하여 유기전계 발광 박막을 증착하는 방법이다. 이와 같은 방법을 사용하는 경우 증발원 안으로 다시 떨어진 유기물이나 증착 챔버 내부에 부착된 유기물을 회수하여 사용하는 방법 또한 가능하다. 상기 유기 재료가 증착 가능한 면들로서는, 증착 장치의 챔버 내부면, 증발원, 셔터(shutter) 또는 뷰포트(viewport)를 예로 들 수 있다. 또한, 상기 장치 내부 벽면 및 장치 내부에 설치된 부품의 표면층만이라도 기화하는 유기 재료에 대하여 불활성인 재료로 도금하는 것도 바람직하다.

도 1은 본 발명의 장치의 한 실시예를 나타내는 단면도이다.

이 진공 증착 장치는 진공으로 할 수 있는 챔버(1)와, 챔버(1) 내에 배치되는 유기물 재료(2)를 담는 증발원(3), 성막용 기판을 정해진 위치에 고정시키기 위한 홀더(4), 증착시키는 타이밍을 실질적으로 컨트롤하는 셔터(5 및 6)를 부품으로서 구비하고 있다. 상기 도면에서 상기 셔터 5는 증발원 근처에 형성되고, 상기 셔터 6은 기판 근처에 형성되어 있다.

상기 진공 증착 챔버(1)는 진공펌프에 의해 감압이 가능하여, 챔버 내부(1)를 감압한 후, 유기물 증발원(3)을 가열하여 가급적 일정한 온도로 기화(또는 승화)할 수 있도록 하며, 두께 조절 모니터로 기화속도를 제어하고, 기화속도가 일정하게 제어되었다면 셔터(5 및 6)를 열거나 또는 기화속도에 따라 셔터의 개폐를 조절함으로써, ITO Glass 기판(9)에 증착되는 유기재료의 양 및 두께를 조절한다.

상기 유기물 재료(2)가 발광층을 형성하는 재료인 경우는, 유기 금속 착화합물이 사용되는 경우가 많은데, 고온 하에서 유기물 금속 착화합물이 금속과 접촉하게 되면, 작은 비율일지라도 금속 교환반응이 일어나 변질이 발생할 수 있다. 따라서 유기금속 착화합물에 대해서 불활성인 재질을 사용하여야 한다.

상기한 바와 같이 불활성 재질을 사용하는 것이 바람직한 증착가능한 면들로는 증착 장치의 챔버 내부면, 증발원, 셔터(shutter) 또는 뷰포트(viewport)를 예로 들 수 있다.

본 발명 방법 및 장치에서 사용할 수 있는 불활성인 재질이란 유기전계 발광 재료와 접촉하여 재질 자체뿐만 아니라 유기전계 발광 재료에 대해서도 변질, 분해 및 재질의 부식에 의한 오염 등을 발생시키지 않는 것을 말한다. 바람직하게 사용되는 재질로서는 금 등의 귀금속류; 불소 수지, 폴리이미드 수지, 실리콘 수지 등의 내열성 수지류; 석영 유리, 파이렉스(pyrex), 경질 유리, 법랑(琺瑯) 등의 유리류; 알루미나, 질화규소, 자기(磁器) 등의 세라믹스류 등의 비금속 재료를 들 수 있다. 이들 중, 강도가 약한 재질, 성형이 곤란한 재질 또는 고가의 재질은 박막 증착이나 도금 등의 수단으로 표면층만을 불활성인 재질로 하는 것이 바람직하다.

또한, 유기 금속 착화합물을 사용한 유기전계 발광 소자를 만드는 경우에 상기 언급한 불활성 재료 외에도 상기 금속과 금속 교환 반응을 일으키지 않는 귀금속 또는 상기 금속과 동일한 금속 재료를 표면에 갖는 재료도 사용할 수 있다. 예를 들면, 전자 전달층 및 발광 재료로 Alq3을 사용하는 경우는 알루미늄 재료 또는 표면에 알루미늄을 입힌 재질을 사용할 수 있다.

상기 불활성 재질의 도금 방법은 스퍼터링 또는 메탈 증착 방법을 이용할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 장치를 사용하여 증착하는 방법에 대하여 설명한다.

상기 증발원(3)에는 증착시킬 유기전계 발광 재료(2)를 담는다. 또한 성막용 기판을 홀더(4)에 장착하되 증착이 일어날 면을 증발원(3) 쪽을 향하도록 장착한다. 기판은 증발원(3)의 바로 위에 배치하는 것이 증착 속도를 조절하는 면에서 유리한데, 셔터(5 및 6)의 개폐나 기판의 교환 과정에서, 부착 퇴적물이 증발원(3) 안으로 떨어져 오염을 일으킬 위험성이 있으나 본 발명의 증착방법 및 장치를 사용하면 이러한 문제가 해결된다.

이후에 증착 챔버내의 감압과 가열이 진행되면 유기물 각각의 기화온도에서 기화가 개시된다. 증발원(3) 및 그 주위의 온도는 유기물 재료(2)가 일정한 증기압을 얻을 수 있는 온도이면 된다. 일반적으로 진공 챔버의 압력은 10-6Torr정도인 것이 바람직하다. 유기물의 기화가 시작될 때는 유기물이 열을 받아서 불안정한 상태이기 때문에 안정화될 때까지 셔터를 닫고 천천히 예열시킨다. 기화속도는 막두께를 센서에 의해 모니터링함으로써 측정되고, 유기물들의 기화속도가 원하는 증착속도로 안정되는 순간부터 셔터를 열어서 ITO Glass 기판(9)에 유기물 증착을 시작한다. 음극 형성을 위한 메탈 증착시에도 동일한 방법으로 행해질 수 있다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

비교예 1

여러 번의 정제작업을 거친 고순도의 8-하이드록시퀴놀린-알루미늄(이하, ‘Alq3’이라 함.)을 도 1에 나타내는 진공증착 장비를 사용하여 ITO Glass 기판상에 증착하였다. 셔터의 재질은 일반적으로 진공증착 쳄버에 사용되는 SUS를 사용하였다. 소자 증착이 끝난 후에 유기물 증발원 근처에 있는 셔터 5에 퇴적한 Alq3을 회수 후, ICP-OES(Model: Optima 2000DV, Maker:Perkin Elmer)분석 결과 철 9.5 mg/kg, 나트륨 11.2 mg/kg등이 석출되었다. 이것은 Alq3과 금속 표면 간의 금속 교환 착화합물로 추정되었다.

다음으로, 상기에서 회수한 Alq3을 모아서, 이것을 발광층으로 하여, 동일한 진공증착 장비를 이용하여 소자를 제작하였다. ITO Glass 기판 위에 N,N'-비스(나프탈렌-1-일-N,N'-비스(페닐)벤지딘(N,N'- Bis (naphthalen-1-yl) -N,N' -bis(phenyl) benzidine; 이하, ‘NPB’라고 함.)을 정공 전달층으로 400Å 두께로 증착 시킨 후, 그 위층에 회수한 Alq3을 500Å증착하고 리튬 퀴놀레이트(Lithium Quinolate; 이하 ‘Liq’라고 함.)를 10Å를 전자 전달층으로 증착하여 유기물 증착을 마쳤다. 그 위에 음극층으로 Al를 1000Å적층하여 도 2와 같은 층을 이루는 소자를 제작하였다. 상기와 같이 만들어진 소자를 평가 장비를 이용하여 전압을 인가한 후, 발광 면적을 관찰한 결과 수 개의 검은 흑점(Dark Spot)이 발생함을 알 수 있었다.

실시예 1

음극층을 형성하는 메탈을 증착시키는 메탈 보트에 용융 알루미늄을 놓고, 이를 유기물 증발원 및 ITO Glass 기판을 덮고 있는 셔터위에 증착시켰다. 그 이외에는 비교예 1과 동일한 조건으로 Alq3을 증착하였다. 증착 종료 후에 유기물 증발원 근처에 위치한 셔터 부분에 퇴적한 Alq3을 회수하여 비교예 1과 같은 방법으로 증착하여 소자 제작 후, 평가시 검은 흑점의 수는 대폭 감소하였음을 알 수 있다. 이는 검은 흑점이 소자의 수명(lifetime)에도 영향이 있는데 비교예 1에 의해서 제작된 소자보다 실시예 1에 의해서 제작된 소자의 수명이 더 오래 측정됨을 확인할 수 있었다. 도 3에 본 발명의 진공 증착 방법을 이용하여 제작한 소자의 수명(lifetime)을 측정한 결과를 그래프로 나타내었다.

본 발명의 유기 전계 발광 소자의 제작 방법은 증착 과정 중에 유기물이 기계적 및 열적으로 변질될 수 있는 것을 방지하여 유기 전계 발광 소자의 성능과 수명을 향상시키고 유기물 재료를 재활용함에도 소자의 성능이 저하되지 않아 유기물 재료의 재생 사용도 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 유기전계 발광소자의 박막 증착용 장치의 한 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명에서 제시한 진공 증착 장비를 이용하여 제작된 유기 전계 발광 소자의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 진공 증착 장비를 이용하여 제작한 소자의 수명(lifetime)을 측정한 그래프를 도시한 것이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1...챔버 2...유기전계 발광 재료

3...증발원 4...기판 홀더

5...셔터 6...셔터

7...ITO Glass 기판 8...정공 전달층

9...발광층 10...전자 전달층

11...음전극

Claims (5)

1. 증착 챔버, 증발원, 기판 홀더, 뷰포트(viewport) 및 셔터를 포함하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착 장치에 있어서, 증착 챔버 내부면, 증발원, 기판 홀더, 뷰포트 및 셔터를 증착되는 유기재료와 불활성인 재질로 형성하거나 이로 도금하는 것을 특징으로 하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착용 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 불활성인 재질은 귀금속류, 내열성 수지, 유리류 또는 비금속 재료인 것을 특징으로 하는 유기전계 발광 박막 증착용 장치.
3. 유기전계 발광 소자용의 유기 재료를 기화(氣化)하고, 이를 성막용(成膜用) 기판상에 증착시켜 박막을 형성하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착 방법에 있어서, 증착 챔버내의 상기 유기 재료가 증착 가능한 면들을 상기 유기 재료에 대해 불활성인 재질로 형성하거나 이로 도금한 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 증착 챔버내에 퇴적하는 유기 재료를 회수, 재사용하는 것을 특징으로 하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착 방법.
5. 제 3항에 있어서, 상기 불활성 재질의 도금은 스퍼터링 또는 메탈 증착에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기전계 발광 소자의 박막 증착 방법.