KR20110082415A - 고해상도 유기 박막 패턴 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고해상도 유기 박막 패턴의 형성 방법에 관한 것으로, (a) 기판 상에 제 1 유기층을 형성하는 단계; (b) 상기 제 1 유기층에 선택적으로 광 에너지를 조사하여 상기 제 1 유기층을 선택적으로 제거하고, 상기 제 1 유기층의 남아있는 부분으로 희생층을 형성하는 단계; (c) 상기 기판 및 상기 희생층 상의 전면(全面)에 제 2 유기층을 형성하는 단계; 및 (d) 솔벤트를 사용하여, 상기 희생층을 제거하여 상기 희생층 상에 형성된 상기 제 2 유기층을 리프트 오프(lift off) 함으로써, 남아 있는 제 2 유기층으로 제 2 유기층 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 박막 패턴 형성 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 유기 박막 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조 공정이 단순하고, 안정적이며, 저가격화를 실현할 수 있는 고해상도 유기 박막 패턴의 형성 방법에 관한 것이다.
유기물은 원하는 전기 광학적 특성을 갖도록 물질 자체의 합성이 용이하고 가공성(processibility)이 우수하여 차세대 전자 소자의 고성능화와 저가격화에 유리한 재료로 주목받고 있다.
이미 저분자 물질은 진공 증착 방법으로 유기 발광 디스플레이(organic light-emitting display) 장치나 유기 박막트랜지스터(organic thin film transistor) 등의 소자를 제작하기 위해 사용되고 있으나, 진공 공정과 섀도우 마스크(shadow mask)의 해상도 한계 때문에 대형의 고해상도 소자 제작이 용이하지 않은 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점 및 그 밖의 문제점을 해결하기 위하여, 제조 공정이 단순하고, 안정적이며, 저가격화를 실현할 수 있는 고해상도 유기 박막 패턴의 형성 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, (a) 기판 상에 제 1 유기층을 형성하는 단계; (b) 상기 제 1 유기층에 선택적으로 광 에너지를 조사하여 상기 제 1 유기층을 선택적으로 제거하고, 상기 제 1 유기층의 남아있는 부분으로 희생층을 형성하는 단계; (c) 상기 기판 및 상기 희생층 상의 전면(全面)에 제 2 유기층을 형성하는 단계; 및 (d) 솔벤트를 사용하여, 상기 희생층을 제거하여 상기 희생층 상에 형성된 상기 제 2 유기층을 리프트 오프(lift off) 함으로써, 남아 있는 제 2 유기층으로 제 2 유기층 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 박막 패턴 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 (a) 단계에서, 상기 제 1 유기층은 불소계 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (b) 단계에서, 상기 제 1 유기층 상에 소정 패턴을 구비한 마스크를 배치하고 상기 마스크에 레이저를 조사함으로써, 상기 제 1 유기층을 선택적으로 제거하는 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (b) 단계는, 엑시머 레이저를 조사할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은, 상기 기판 상의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 유기 발광 물질을 포함하는 유기 발광 소자(OLED)의 유기 발광 물질을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 유기 발광 물질은 백색광을 방출할 수 있도록 서로 다른 컬러의 유기 발광 물질을 복수층 형성 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 유기 반도체 물질은 유기 박막 트랜지스터의 활성층일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은 유기 컬러 필터 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (d) 단계에서, 상기 솔벤트는 불소계 솔벤트일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, (a) 기판 상에 제 1 유기층을 형성하는 단계; (b) 상기 제 1 유기층에 선택적으로 광 에너지를 조사하여 상기 제 1 유기층을 선택적으로 제거하고, 상기 제 1 유기층의 남아있는 부분으로 희생층을 형성하는 단계; (c) 상기 기판 및 상기 희생층 상의 전면(全面)에 제 2 유기층을 형성하는 단계; (d) 솔벤트를 사용하여, 상기 희생층을 제거하여 상기 희생층 상에 형성된 상기 제 2 유기층을 리프트 오프(lift off) 함으로써, 남아있는 제 2 유기층으로 제 2 유기층 패턴을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 제 2 유기층 패턴이 형성된 상기 기판 상에 상기 (a) 내지 (d) 단계의 단위 공정을 연속적으로 수행하여, 상기 제 2 유기층 패턴이 형성되지 않은 영역에 다른 제 2 유기층 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 박막 패턴 형성 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 (a) 단계에서, 상기 제 1 유기층은 불소계 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (b) 단계에서, 상기 제 1 유기층 상에 소정 패턴을 구비한 마스크를 배치하고 상기 마스크에 레이저를 조사함으로써, 상기 제 1 유기층을 선택적으로 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (b) 단계는, 엑시머 레이저를 조사할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은, 상기 기판 상의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 유기 발광 물질을 포함하는 유기 발광 소자(OLED)의 유기 발광 물질을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 유기 발광 물질은 저분자 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서 형성된 유기 발광 물질은 상기 (e) 단계에서 형성된 유기 발광 물질과 서로 다른 컬러를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서 형성된 유기 발광 물질은 상기 (e) 단계에서 형성된 유기 발광 물질은 풀 컬러를 구현할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은 컬러 필터 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서 형성된 컬러 필터 물질은 상기 (e) 단계에서 형성된 컬러 필터 물질과 서로 다른 컬러를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서 형성된 유기 발광 물질은 상기 (e) 단계에서 형성된 컬러 필터 물질은 풀 컬러를 구현할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (d) 단계에서, 상기 솔벤트는 불소계 솔벤트일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 (e) 단계는 소정 회수 반복적으로 실행될 수 있다.
상술한 본 유기 박막 패턴 형성 방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 유기 박막 패턴 형성 시 사용되는 불소계 용매의 화학적 성질로 인해 유기 박막의 특성이 저하되지 않는다.
둘째, 추가적인 화학적인 현상 공정이 필요하지 않아 공정을 단순화 시킬 수 있다.
셋째, 레이저 어블레이션을 이용한 광학적인 방법으로 희생층을 리프트 오프시켜 패턴을 형성하는 공정의 특성상 고해상도의 유기 박막 패턴 형성이 가능하다.
넷째, 유기 발광 디스플레이 장치의 유기 발광층 형성 시, 기존의 섀도우 마스크 기술에 비해 고해상도의 패턴 어레이를 대면적에 균일하게 적용할 수 있어, 고해상도 유기 발광 디스플레이의 공정 단순화 및 저가격화에 유리하다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막 패턴 형성 방법을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막트랜지스터의 유기 반도체층의 형성 방법을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 3a 내지 3d는 전술한 도 1a 내지 1d에 따른 단위 유기 박막 패턴 공정의 후속 공정을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 4는 기판 상에 서로 다른 컬러의 유기 발광층(R, G, B)을 포함하는 풀 컬러의 유기 발광 소자의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 단위 유기 박막 패턴 형성 공정에 의해 제작된 다양한 유기 물질의 미세 패턴 어레이를 광학 현미경(optical microscope)으로 관찰한 사진들이다.
도 6은 단위 유기 박막 패턴 형성 공정을 연속적으로 실시하여 제작된 서로 다른 발광 파장을 가지는 유기 발광 물질의 픽셀 어레이를 형광 현미경(fluorescence microscope)으로 관찰한 사진들이다.
도 7은 본 발명에서 제안한 방법으로 제작된 유기 발광 소자와, 기존의 섀도우 마스크 기술을 이용하여 제작한 유기 발광 소자의 발광 특성을 비교한 그래프이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막트랜지스터의 유기 반도체층의 형성 방법을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 3a 내지 3d는 전술한 도 1a 내지 1d에 따른 단위 유기 박막 패턴 공정의 후속 공정을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 4는 기판 상에 서로 다른 컬러의 유기 발광층(R, G, B)을 포함하는 풀 컬러의 유기 발광 소자의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 단위 유기 박막 패턴 형성 공정에 의해 제작된 다양한 유기 물질의 미세 패턴 어레이를 광학 현미경(optical microscope)으로 관찰한 사진들이다.
도 6은 단위 유기 박막 패턴 형성 공정을 연속적으로 실시하여 제작된 서로 다른 발광 파장을 가지는 유기 발광 물질의 픽셀 어레이를 형광 현미경(fluorescence microscope)으로 관찰한 사진들이다.
도 7은 본 발명에서 제안한 방법으로 제작된 유기 발광 소자와, 기존의 섀도우 마스크 기술을 이용하여 제작한 유기 발광 소자의 발광 특성을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 사상을 상세히 설명한다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막 패턴 형성 방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 본 실시예에 따른 유기 박막 패턴 형성 방법은, 먼저 원하는 유기 박막 패턴을 형성하고자 하는 기판(110) 상에 제 1 유기층(130)을 형성한다.
기판(110)은 SiO2를 주성분으로 하는 글라스재 기판, 플라스틱재 기판, 또는 금속 박(metal foil) 등 다양한 재질의 기판을 사용할 수 있다.
제 1 유기층(130)은 불소계 고분자막을 딥 코팅, 스핀 코팅의 방법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 불소계 고분자 막으로는 [화학식 1] 내지 [화학식 3]의 물질 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 불소를 10~50% 함유하는 기능성 물질도 가능하다.
상기 [화학식 1]은
(n=50 내지 1000의 정수 중의 하나)
상기 [화학식 2]는
(m= 50 내지 1000 의 정수 중의 하나, n=50 내지 1000의 정수 중의 하나)
상기 [화학식 3]은
(n=50 내지 1000의 정수 중의 하나)로 표현된다.
이와 같은 불소계 고분자를 끓는 점이 낮은 불소화 용매(fluorinated solvent)에 녹여 사용하면, 딥 코팅 등의 방법을 통해 수 나노미터에서 수 마이크로미터 두께의 균일한 박막을 형성할 수 있으며, 이는 형성하고자 하는 유기 박막 패턴의 두께에 따라 후술할 희생층의 두께를 조절하는 데 유용하다.
도 1b를 참조하면, 제 1 유기층(130)인 불소계 고분자막에 광 에너지를 선택적으로 조사하여 불소계 고분자막(130)을 선택적으로 제거(ablation)하고, 남아있는 제 1 유기층(130)으로 희생층(131) 패턴을 형성한다.
이때, 광 에너지를 조사하는 방법으로 레이저(laser)를 이용할 수 있으며, 바람직하게는 엑시머 레이저(excimer laser)를 이용할 수 있다. 또한, 제 1 유기층(130) 상에 소정 패턴을 구비한 제 1 마스크(M1)를 배치하여 상기 제 1 마스크(M1) 상에 레이저를 조사함으로써, 제 1 유기층(130)의 일부(133)를 선택적으로 제거하는 레이저 어블레이션(laser ablation) 공정을 진행한다.
보다 상세히 설명하면, 제 1 유기층(130) 상에 마련된 광차단부(M1a)와 광투과부(M1b)를 구비한 제 1 마스크(M1)의 광투과부(M1b)를 통과한 레이저는 제 1 유기층(130)의 일부(133)에 흡수되고, 레이저를 흡수한 제 1 유기층(130)의 일부(133)는 열적 확산이 이루어지면서 제거된다. 그리고 레이저가 조사되지 않은 제 1 유기층(130)의 나머지 영역(131)은 후술할 희생층 패턴(131)으로 남겨진다.
한편, 상술한 도면에서는 제 1 유기층(130)의 일부를 선택적으로 제거하기 위하여 원하는 소정 패턴을 구비한 마스크를 사용하였지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않는다. 즉, 고해상도의 패턴을 얻기 위해서는 상기와 같은 마스크를 사용이 필요하나, 마스크 없이 레이저를 제거하고자 하는 제 1 유기층(130)에 직접 조사할 수 있음은 물론이다.
도 1c를 참조하면, 희생층(131)이 형성된 기판(110) 전면(全面)에 제 2 유기층(150)을 형성한다.
제 2 유기층(150)은 바람직하게는 증착 공정으로 형성되지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 레이저 열전사법(Laser induced thermal imaging: LITI) 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 한편, 제2 유기층(150)은 희생층(131)이 형성되지 않은 기판(110) 상부에 형성된 층(153), 및 희생층(131) 상부에 형성된 층(151)으로 구성된다.
이와 같은 제 2 유기층(150)은 다양한 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 유기 발광 물질, 유기 컬러 필터 물질, 유기 반도체 물질 등을 포함할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
도 1d를 참조하면, 솔벤트(미도시)를 사용하여 기판(110) 위에 원하는 제 2 유기층(150)의 패턴(153)을 형성한다.
제 1 유기층(130)으로 불소계 고분자를 사용하는 경우, 솔벤트로 불소계 솔벤트를 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 불소계 솔벤트로 3MTM NOVEC의 HFE-7100을 사용하였다. 불소가 포함되어 있는 17족 할로겐 원소들은 할로겐 원소가 아닌 다른 물질들과는 반응성이 매우 낮은 특징을 가진다. 이와 같은 불소계 솔벤트의 화학적 성질로 인해 패턴을 형성하고자 하는 제 2 유기층(150)의 특성을 저하시키지 않는다.
이와 같은 불소계 솔벤트로 희생층(131)을 제거하고, 희생층(131) 상에 형성된 제 2 유기층(151)을 리프트 오프시킨다. 그 결과 기판(110) 상에는 원하는 제 2 유기층 부분(153)만 패턴으로 남게 된다.
이하, 도 2a 내지 2d를 참조하여 전술한 유기 박막 패턴을 형성하는 방법을 이용한 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 박막트랜지스터의 유기 반도체층의 형성 방법을 개략적으로 도시한 도면들이다.
도 2a를 참조하면, 먼저 게이트 전극(220) 및 게이트 절연막층(221)이 형성된 기판(210) 상에 제 1 유기층(230)을 형성한다.
게이트 전극(220)은 일반적인 포토리소그라피(photolithograph) 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 다시 말해, 기판(210) 상에 게이트 금속 물질을 증착한 후, 포토레지스트(phtoligist: PR)를 도포한 후, 소정 패턴이 형성된 포토마스크(미도시)를 통하여 포토레지스트를 노광한다. 노광된 포토레지스트를 현상액에 담가 현상(develop)하여 원하는 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 식각 공정으로 게이트 전극(220)을 형성한다. 게이트 전극(220) 상에 게이트 절연막(221)을 형성하고, 게이트 절연막(221) 상에 제 1 유기층(230)으로 전술한 불소계 고분자를 소정 두께로 도포한다.
도 2b를 참조하면, 제 2 유기층(230)인 불소계 고분자막에 광 에너지를 선택적으로 조사하여 불소계 고분자막(230)을 선택적으로 제거(ablation)하고, 남아있는 제 1 유기층(230)으로 희생층(231) 패턴을 형성한다. 이때, 광 에너지를 조사하는 방법으로 전술한 바와 같이 레이저(laser)를 이용할 수 있으며, 바람직하게는 엑시머 레이저(excimer)를 이용할 수 있다.
한편, 상기 도면에는 마스크(미도시)를 사용하지 않고 제 1 유기층(230) 상에 직접 펄스 엑시머 레이저를 조사하여 제 1 유기층(230)의 일부(233)를 직접 제거하였지만, 전술한 바와 같이 소정 패턴을 구비한 마스크를 제 1 유기층(230) 상에 배치하고, 마스크 상에 레이저를 조사함으로써 제 1 유기층(230)의 일부를 선택적으로 제거할 수 있음은 물론이다.
도 2c를 참조하면, 희생층(231)이 형성된 게이트 절연막(221) 전면(全面)에 제 2 유기층(250)을 형성한다.
제 2 유기층(250)은 유기 반도체 물질이 형성된다. 이와 같은 유기 반도체 물질로는, 고분자로 구비될 경우에는, 폴리티오펜 및 그 유도체, 폴리파라페닐렌비닐렌 및 그 유도체, 폴리파라페닐렌 및 그 유도체, 폴리플로렌 및 그 유도체, 폴리티오펜비닐렌 및 그 유도체, 폴리티오펜-헤테로고리방향족 공중합체 및 그 유도체를 포함할 수 있다. 저분자로 구비될 경우에는, 펜타센, 테트라센, 나프탈렌의 올리고아센 및 이들의 유도체, 알파-6-티오펜, 알파-5-티오펜의 올리고티오펜 및 이들의 유도체, 금속을 함유하거나 함유하지 않은 프탈로시아닌 및 이들의 유도체, 파이로멜리틱 디안하이드라이드 또는 파이로멜리틱 디이미드 및 이들의 유도체, 퍼릴렌테트라카르복시산 디안하이드라이드 또는 퍼릴렌테트라카르복실릭 디이미드 및 이들의 유도체를 포함할 수 있다. 물론 이 외의 다양한 유기 반도체 물질로 구비될 수도 있다.
제 2 유기층(250)은 희생층(231)이 형성되지 않은 게이트 절연막(221) 상부에 형성된 층(253), 및 희생층(231) 상부에 형성된 층(251)으로 구성된다.
도 2d를 참조하면, 불소계 솔벤트(미도시)로 희생층(231)을 제거하여 희생층(231) 및 희생층(231) 상에 형성된 제 2 유기층(251)을 제거한다. 그 결과 게이트 절연막(221) 상에는 원하는 유기 반도체층(253)이 패턴으로 남게 된다. 이때 전술한 바와 같이, 반응성이 매우 낮은 불소계 솔벤트를 이용하여 화학적으로 매우 민감한 유기 반도체층(253)을 안정적으로 패터닝한다. 그리고 유기 반도체층(253) 양측에 소스 전극(261) 및 드레인 전극(262)을 형성하여 유기 반도체 소자의 일종인 유기 박막트랜지스터(Organic Thin Film Transistor: OTFT)를 형성한다.
무기 반도체 소자의 제작 공정에 일반적으로 사용되어 온 포토리소그라피 기술은 고해상도 및 대면적 공정의 가능성이 잘 확립된 기술과 장비 등에도 불구하고, 유기 반도체 소자의 제작에 널리 이용되고 있지 못하다. 이는 포토리소그라피 공정에 사용되는 솔벤트와 유기물들 간의 화학적 적합성(chemical compatibility)의 문제에 따른 것으로, 유기 반도체 소자 제작 공정 중에 포토레지스트를 도포하거나 현상할 때 사용되는 용매에 의해 유기물이 손상을 입거나 특성이 저하되는 문제점이 나타나기 때문이다.
그러나, 상기와 같이 본 실시예에 따른 유기 반도체 소자의 유기 박막 패턴 형성 방법에 따르면, 유기 박막 패턴 형성 시 사용되는 불소계 용매의 화학적 성질로 인해 유기 박막의 특성이 저하되지 않는다. 또한 추가적인 화학적인 현상(develop) 공정이 필요하지 않아 공정이 매우 단순하다. 또한 레이저 어블레이션을 이용한 광학적인 방법으로 희생층을 제거하여 패턴을 형성하는 공정의 특성상 고해상도의 유기 박막 패턴 형성이 가능하다.
한편, 상기 도면에는 게이트 전극(220)이 유기 반도체층(253) 아래에 배치되고, 유기 반도체층(253) 상에 소스 및 드레인 전극(261, 262)이 형성된 전형적인 바텀 게이트(bottom gate) 박막트랜지스터가 도시되었지만, 이는 일 예시일 뿐이며, 다양한 구조의 유기 박막트랜지스터가 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, 상술한 실시예에서는 제 2 유기층으로 유기 반도체 물질을 사용하여 박막트랜지스터의 유기 반도체층을 형성하는 예를 기술하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 애노드와 캐소드 사이에 제2 유기층으로 백색광을 방출할 수 있는 서로 다른 컬러의 유기 발광 물질을 복수층 적층한 유기 발광 소자의 형성에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 애노드(또는 캐소드)가 형성된 기판 상에 제1 유기층으로 불소계 고분자 막으로 희생층을 형성하고, 희생층의 전면에 을 적색, 청색, 및 녹색의 서로 다른 컬러의 유기 발광층을 순차로 적층한 후, 불소계 솔벤트로 희생층과 희생층 상에 형성된 서로 다른 컬러의 복수층의 유기 발광층을 제거하고, 그 위에 캐소드(또는 애노드)를 적층함으로써, 백색을 방출할 수 있는 유기 발광소자를 만들 수 있다.
이하, 도 3a 내지 3d를 참조하여 전술한 유기 박막 패턴을 형성하는 방법을 이용한 본 발명의 또 다른 실시예를 설명한다.
도 3a 내지 3d는 전술한 도 1a 내지 1d에 따른 단위 유기 박막 패턴 공정의 후속 공정을 개략적으로 도시한 도면들이다.
먼저 도 3a를 참조하면, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 전술한 제 1 단위 유기 박막 패턴 형성 공정에 의해 제 2 유기층 패턴(153)이 형성된 기판(110) 상에, 불소계 고분자막(330)을 다시 코팅한다.
도 3b를 참조하면, 불소계 고분자막(330)에 광 에너지를 선택적으로 조사하여 불소계 고분자막(330)을 선택적으로 제거(ablation)하고, 남아있는 불소계 고분자막(330)으로 제 2 희생층 패턴(331)을 형성한다. 이때, 제 2 희생층 패턴(331)은 전술한 제 1 단위 유기 박막 패턴 형성 공정으로 이미 형성된 제 2 유기층 패턴(153) 상에 형성되도록 한다.
제 2 마스크(M2)를 사용하여 제 2 희생층 패턴(331)을 형성할 시, 제 2 유기층 패턴(153)이 형성된 영역은 광차단부(M2a)가 대응되도록 하고, 제 2 유기층 패턴(153)이 형성되지 않은 영역에는 광투과부(M2b)가 대응되도록 배치한다.
제 2 마스크(M2) 상에 레이저를 조사함으로써, 제 2 유기층 패턴(153)이 형성되지 않은 영역의 불소계 고분자막(333)을 선택적으로 제거하고, 제 2 유기층 패턴(153)이 형성된 영역의 불소계 고분자막(330)의 일부를 제 2 희생층 패턴(331)으로 남긴다.
도 3c를 참조하면, 제 2 희생층(331)이 형성된 기판(110) 전면(全面)에 제 3 유기층(350)을 형성한다.
제 3 유기층(350)은 바람직하게는 증착 공정으로 형성되며, 제 2 희생층(331)이 형성되지 않은 기판(110) 상부에 형성된 층(353), 및 제 2 희생층(331) 상부에 형성된 층(351)으로 구성된다.
이와 같은 제 3 유기층(350)은 다양한 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 유기 발광 물질, 유기 컬러 필터 물질, 유기 반도체 물질 등을 포함할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
도 3d를 참조하면, 불소계 솔벤트(미도시)를 사용하여 기판(110) 상에 원하는 제 3 유기층(350)의 패턴(353)을 형성한다.
이와 같은 불소계 솔벤트로 제 2 희생층(331)을 제거하여 제 2 희생층(331) 상에 형성된 제 3 유기층 패턴(351)을 제거한다. 그 결과 기판(110) 상에는 전술한 제 1 단위 유기 박막 패턴 형성 공정에서 형성된 제 2 유기층 패턴(153)과, 본 유기 박막 패턴 형성 공정(이후 '제 2 단위 유기 박막 패턴 형성 공정'이라 함)에서 형성된 제 3 유기층 패턴(353) 부분(53)만 남게 된다.
이때 사용된 불소계 솔벤트의 화학적 성질로 인해 패턴을 형성하고자 하는, 제 2 유기층 패턴(153) 및 제 3 유기층 패턴(353)의 특성을 저하시키지 않으면서, 기판(110) 상에 서로 다른 제 2 유기층 패턴(153) 및 제 3 유기층 패턴(353)을 형성할 수 있다.
이하, 제 2 유기층 패턴(153) 및 제 3 유기층 패턴(353)이 유기 발광 소자의 유기층으로 사용된 경우를 예시로 설명한다.
유기 발광 소자는 애노드와 캐소드 사이에 유기층을 위치시켜, 캐소드에 주입된 전자와 애노드에 주입된 정공이 유기층에서 결합하고, 이때의 결합을 통해 발광층의 발광 분자가 여기 된 후 기저 상태로 돌아가면서 방출되는 에너지를 빛으로 발광시키는 발광 소자로, 유기 발광 디스플레이 장치를 구현하는 단위 소자이다. 상기 도면에는 도시되어 있지 않지만, 본 실시예에 따른 제 2 유기층 패턴(153) 및 제 3 유기층 패턴(353)은 각각 애노드(또는 캐소드) 상에 형성된 것이다.
유기층으로 저분자 유기물을 사용할 경우, 유기층은 통상적으로 다층구조로 형성되며, 해당 다층구조는 홀 주입층(HIL: hole injection layer), 홀 수송층(HTL: hole transport layer), 발광층(EL: emitting layer), 전자 수송층(ETL: electron transport layer), 전자 주입층(EIL: electron injection layer) 중 발광층을 포함하여 하나 이상이 이용된 적층구조로 형성될 수 있으며, 사용 가능한 유기 재료도 구리 프탈로시아닌(CuPc: copper phthalocyanine), N, N-디(나프탈렌-1-일)-N, N'-디페닐-벤지딘 (N, N'-di(naphthalene-1-yl)-N, N'-diphenyl-benzidine: NPB), 트리스-8-하이드록시퀴놀린 알루미늄(tris-8-hydroxyquinoline aluminum)(Alq3) 등을 비롯해 다양하게 적용 가능하다. 고분자 유기물의 경우, 유기 발광층을 중심으로 애노드 전극의 방향으로 홀 수송층을 더 포함하는 구조이며,고분자 홀 수송층은 폴리에틸렌 디히드록시티오펜 (PEDOT: poly-(2,4)-ethylene-dihydroxy thiophene)이나, 폴리아닐린(PANI: polyaniline)을, 고분자 유기 발광층으로는 PPV, Soluble PPV's, Cyano-PPV, 폴리플루오렌(Polyfluorene) 등을 사용할 수 있다.
유기 발광 디스플레이 장치에서는 이미 저분자 유기 발광층의 패턴을 고정세 패턴을 가진 섀도우 마스크(shadow mask)를 이용한 진공 증착 공정을 통해 형성하는 방법이 정착되어 있다. 그러나, 진공 공정과 섀도우 마스크의 해상도 한계 때문에 대형 디스플레이 장치의 제작에 많은 문제점이 있다.
또한, 무기 반도체 소자의 제작 공정에 일반적으로 사용되어 온 포토리소그라피 기술은 고해상도 및 대면적 공정의 가능성이 잘 확립된 기술과 장비 등에도 불구하고, 포토리소그라피 공정 중에 포토레지스트를 도포하거나 현상할 때 사용되는 용매에 의해 유기물이 손상을 입거나 특성이 저하되는 문제점 때문에, 유기 발광 소자의 제작에 적용되기 어렵다.
또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 미리 형성된 유기 박막을 레이저를 이용하여 기판에 전사하는 레이저 열전사 공정(Lser induced theramal Imaging:LITI) 기술이 개발되었으나, 이 기술은 유기 박막 위에 직접적인 레이저를 조사하기 때문에 유기 박막의 물질 특성이나 소자의 동작 특성이 저하되는 문제점을 가진다.
그러나, 상기와 같이 본 실시예에 따른 유기 발광 소자의 유기 박막 패턴 형성 방법에 따르면, 기존의 섀도우 마스크 기술에 비해 고해상도의 패턴 어레이를 대면적에 균일하게 적용할 수 있으며, 단위 공정을 단순히 반복하여 연속적으로 서로 다른 유기 발광 물질의 패턴 어레이를 형성할 수 있다. 따라서 본 발명은 고해상도 유기 발광 디스플레이의 공정 단순화 및 저가격화에 유리하다.
또한, 유기 박막 패턴 형성 시 사용되는 불소계 용매의 화학적 성질로 인해 유기 박막의 특성이 저하되지 않으며, 추가적인 화학적인 현상(develop) 공정이 필요하지 않아 공정이 매우 단순하다.
또한, 레이저 어블레이션을 이용한 광학적인 방법으로 희생층을 제거하여 패턴을 형성하는 공정의 특성상 고해상도의 유기 박막 패턴 형성이 가능하다.
한편, 상술한 실시예에서는 두 번의 유기 박막 패턴 형성 단위 공정이 실시되어 제 2 유기층 패턴 및 제 3 유기층 패턴과 같이 두 개의 서로 다른 유기 박막 패턴이 형성되는 과정이 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 세 번 또는 그 이상의 단위 공정을 반복할 수 있다. 예를 들어 세 번의 유기 박막 패턴 형성 공정을 진행하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 서로 다른 컬러의 유기 발광층(R, G, B)을 포함하는 풀 컬러(full color)의 유기 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에 따른 유기 박막 패턴 형성 방법은 유기 컬러 필터의 패턴 형성에도 적용될 수 있다. 즉, 연속적이고 반복적인 세 번의 유기 박막 패턴 형성 공정을 진행하여 서로 다른 컬러, 예를 들어, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 유기 컬러 필터층을 갖는 풀 컬러의 유기 컬러 필터를 제작할 수 있다.
도 5는 단위 유기 박막 패턴 형성 공정에 의해 제작된 다양한 유기 물질의 미세 패턴 어레이를 광학 현미경(optical microscope)으로 관찰한 사진들이다.
상기 사진들을 참조하면, 최소 10마이크로미터 폭의 선형 패턴이 가능하였으며, 원칙적으로 레이저 어블레이션과 같은 광학적인 방법의 특성상 공정의 해상도를 수 마이크로미터까지 낮출 수 있다. 또한, 실제 디스플레이용 픽셀 크기와 유사한 가로 100 마이크로미터, 세로 300 마이크로미터 크기의 사각형 패턴 어레이도 대면적에 균일하게 형성되었다. 이 유기 박막 패턴들은 모두 Alq3를 이용하여 제작된 것이며 다른 종류의 유기물을 이용하여도 동일하게 패턴 형성이 가능하여 모든 유기물에 대해 일반적인 패턴 공정으로 사용할 수 있다.
도 6은 단위 유기 박막 패턴 형성 공정을 연속적으로 실시하여 제작된 서로 다른 발광 파장을 가지는 유기 발광 물질의 픽셀 어레이를 형광 현미경(fluorescence microscope)으로 관찰한 사진들이다.
유기 발광 물질로 100 ㎛ X 300 ㎛ 크기의 미세 픽셀 패턴 어레이를 연속적으로 형성한 것으로, 좌측 사진을 보면 제 1 단위 공정에 의해 초록색의 유기 박막 패턴이 형성되고, 우측 사진을 보면 초록색 유기 박막 패턴 사이 사이에 제 2 단위 공정에 의해 파란색 유기 박막 패턴이 잘 형성된 것을 확인할 수 있다.
우측 하단 도면은 유기 박막 패턴의 단면 구조를 도시한 것으로, 유기 박막 패턴의 폭은 일정한 모양을 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 서로 유기 박막 패턴을 서로 다른 두께로 제작할 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에서 제안한 방법으로 제작된 유기 발광 소자와, 기존의 섀도우 마스크 기술을 이용하여 제작한 유기 발광 소자의 발광 특성을 비교한 그래프이다.
상기 도면을 참조하면, 두 가지 방법으로 제작한 유기 발광 소자의 발광 특성 사이에는 큰 차이가 나지 않는 것을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명에서 제안한 방법이 앞서 기술한 바와 같이 고해상도의 미세패턴을 형성할 수 있으면서도 기존 제작 방법에 비해 소자 성능의 저하를 가져오지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 특허 청구범위는 필수적인 공정 과정과 사용 가능한 물질 관점에서 기술될 것이며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 방법으로 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그리고, 상기 도면들에 도시된 구성요소들은 설명의 편의상 확대 또는 축소되어 표시될 수 있으므로, 도면에 도시된 구성요소들의 크기나 형상에 본 발명이 구속되는 것은 아니며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110: 기판 130: 제 1 유기층
131: 제 1 희생층 150: 제 2 유기층
153, 253: 유기 박막 패턴 250: 제 3 유기층
131: 제 1 희생층 150: 제 2 유기층
153, 253: 유기 박막 패턴 250: 제 3 유기층
Claims (24)
- (a) 기판 상에 제 1 유기층을 형성하는 단계;
(b) 상기 제 1 유기층에 선택적으로 광 에너지를 조사하여 상기 제 1 유기층을 선택적으로 제거하고, 상기 제 1 유기층의 남아있는 부분으로 희생층을 형성하는 단계;
(c) 상기 기판 및 상기 희생층 상의 전면(全面)에 제 2 유기층을 형성하는 단계; 및
(d) 솔벤트를 사용하여, 상기 희생층을 제거하여 상기 희생층 상에 형성된 상기 제 2 유기층을 리프트 오프(lift off) 함으로써, 남아 있는 제 2 유기층으로 제 2 유기층 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계에서, 상기 제 1 유기층은 불소계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 제 1 유기층 상에 소정 패턴을 구비한 마스크를 배치하고 상기 마스크에 레이저를 조사함으로써, 상기 제 1 유기층을 선택적으로 제거하는 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 엑시머 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은, 상기 기판 상의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 유기 발광 물질을 포함하는 유기 발광 소자(OLED)의 유기 발광 물질을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 유기 발광 물질은 백색광을 방출할 수 있도록 서로 다른 컬러의 유기 발광 물질을 복수층 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 유기층은 유기 박막 트랜지스터의 활성층인 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은 유기 컬러 필터 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은 증착 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계에서, 상기 솔벤트는 불소계 솔벤트인 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - (a) 기판 상에 제 1 유기층을 형성하는 단계;
(b) 상기 제 1 유기층에 선택적으로 광 에너지를 조사하여 상기 제 1 유기층을 선택적으로 제거하고, 상기 제 1 유기층의 남아있는 부분으로 희생층을 형성하는 단계;
(c) 상기 기판 및 상기 희생층 상의 전면(全面)에 제 2 유기층을 형성하는 단계;
(d) 솔벤트를 사용하여, 상기 희생층을 제거하여, 상기 희생층 상에 형성된 상기 제 2 유기층을 리프트 오프(lift off)함으로써, 남아있는 제 2 유기층으로 제 2 유기층 패턴을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 제 2 유기층 패턴이 형성된 상기 기판 상에 상기 (a) 내지 (d) 단계의 단위 공정을 연속적으로 수행하여, 상기 제 2 유기층 패턴이 형성되지 않은 영역에 다른 제 2 유기층 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 (a) 단계에서, 상기 제 1 유기층은 불소계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 제 1 유기층 상에 소정 패턴을 구비한 마스크를 배치하고 상기 마스크에 레이저를 조사함으로써, 상기 제 1 유기층을 선택적으로 레이저 어블레이션(laser ablation)하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 엑시머 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은, 상기 기판 상의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 유기 발광 물질을 포함하는 유기 발광 소자(OLED)의 유기 발광 물질을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 유기 발광 물질은 저분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 형성된 유기 발광 물질은 상기 (e) 단계에서 형성된 유기 발광 물질과 서로 다른 컬러를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 형성된 유기 발광 물질은 상기 (e) 단계에서 형성된 유기 발광 물질은 풀 컬러를 구현하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴을 구비한 소자 형성 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은 컬러 필터 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 형성된 컬러 필터 물질은 상기 (e) 단계에서 형성된 컬러 필터 물질과 서로 다른 컬러를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 형성된 유기 발광 물질은 상기 (e) 단계에서 형성된 컬러 필터 물질은 풀 컬러를 구현하는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 제 2 유기층은 증착 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 (d) 단계에서, 상기 솔벤트는 불소계 솔벤트인 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 (e) 단계는 소정 회수 반복적으로 실행되는 것을 특징으로 하는 유기 박막 패턴 형성 방법.
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