KR20170038288A - 여러 유기물 기체 혼합 증발원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 진공 상향식 증착 챔버의 내부에 설치되는 여러 유기물 기체의 혼합 증발원으로서, 길?P한 형태의 직육면체 형태로 구성되며, 상부면에는 다수개의 노즐들이 구성되어 혼합 된 유기물 기체가 분출되고, 내부에는 기체 섞임막과 기체 흐름 유도막이 형성되어 여러 유기물 기체가 균일하게 혼합되도록 하고, 기체 저장부의 상부에는 기체 저장막이 형성되어 일정 압력의 유기물 기체가 저장되게 하고, 유기물 증발원의 도가니 내부에는 유기물 파우더가 담겨 있으며, 증발원 도가니의 외부 측벽에 구성된 가열 히터에 의하여 유기물이 증발되며, 기체 저장부들의 각 측벽에는 기체 센서 튜브가 형성되어 기체 두께 센서를 사용하여 실시간 기체의 저장양을 정밀하게 측정하며, 기판에 전달되는 열이 최소화 되도록 냉각 하우징이 전체를 감싸는 형태의 여러가지의 유기물 기체들이 균일하게 혼합되는 혼합 증발원에 대한 발명이다.

Description

여러 유기물 기체 혼합 증발원 {Evaporation source of mixed organic gases}

본 발명은 대면적 (5세대~10세대급) OLED(Organic Lighting Emission Display) 박막의 대량생산 제조용 상향식 증착기에 사용되는 대면적 기판의 유기박막 증착용 혼합 증발원 장치에 관한 것으로서, 호스트 유기물 증발원과 도판트 유기물 증발원으로부터 증발된 기체를 일정압력으로 저장하고, 각 기체들을 고루게 혼합하는 혼합장치를 개발하여, 대형 유기박막이 형성되도록 유기물 증발원, 기체 저장부, 기체 혼합부가 한 몸체가 되는 선형 혼합 증발원을 개발하여, 대면적의 유기박막을 효과적으로 대량 생산하여, 플렉서블 OLED 소자와 OLED TV를 고속 생산하는 핵심 공정인 상향식 유기 증착공정에 사용하는 핵심 증발원 장치에 관한 것이다.

OLED 디스플레이는 포스트 엘시디(Post LCD) 디스플레이로서 뿐만 아니라 조명용 면 발광 장치로서 그 에너지 성과 저렴 성이 입증되어 세계적으로 각광받고 있다. OLED 발광 장치의 핵심 공정 기술로서, 유기물 발광 재료를 기체 증발하여 유리기판에 고 진공 상태에서 증착하여 유기물 박막을 제조하는 열 증발 증착 공정(thermal evaporation deposition)이 주로 사용되고 있다.

열 증발 증착 공정은 유기물을 증발하기 위한 소스로서, 열 복사에 의한 기체 유도 증발 장치인 증발 원과 기판을 고정해 주는 기판 트레이와 박막의 형태를 제조하는 오픈 마스크 장치등이 고 진공 챔버 내에 구성되어 사용 된다.

특히 최근 들어서, OLED 제품의 단가를 낮추기 위하여, 기판의 크기를 더욱 크게 제작한 후, 나중에 작게 잘라서 여러 장 제조하는 기술이 필요하게 되었다. 이를 테면, 5 세대나 10 세대급 기판을 증착하여 유기 박막을 만들고, 용도에 맞추어 2인치나 4인치 또는 55인치, 65인치용으로 잘라 쓰면, 그 생산성이 향상되어 제조 원가를 떨어뜨리게 되는 것이다. 하지만, 최근 대형(75인치이상)의 OLED TV를 대량 생산하기 위하여, 8 세대급(2200mmX2500mm)이상의 크기의 유리 기판이 사용되는데, 이때 호스트 물질과 도판트 물질의 증발 균질도(Homogeneity)가 저하되는 문제가 발생되어, 생산성이 떨어지며, 고가의 유기물질의 소모가 심하다.

기존의 고 진공 증착 챔버 내에 대면적의 기판(10)에 균질(Homogeneous)하고 균일한(Uniform) 유기박막을 형성하기 위하여 도1에서와 같이 두개 이상의 유기물 증발원(13,14)을 사용하여 분출된 호스트 및 도판트유기물 기체를 각각 형성하는데, 이때 호스트 기체와 도판트 기체가 기판이 아닌 곳으로 주로 분출되어, 기체들의 균질도 또는 조성비가 떨어지고, 이를 보완하기 위하여 기판과 증발원사이의 거리를 멀게 유지하므로 고가의 유기물 사용효율이 매우 저하되는 경향을 가지고 있으므로, 유기소자(OLED device)의 원가를 떨어뜨리기 위한 신개념의 고물질 사용 효율(High Utilization)을 가지는 혼합형 증발원의 개발이 절실하다.

상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 각 증발원에서 증발된 유기물 기체를 일정한 압력을 유지하도록 저장부를 형성하고, 각 유기물 기체가 고르게 혼합하도록 혼합부를 형성하고 혼합부는 유기물의 콘덴싱을 방지하도록 열선을 사용하여 가열하고, 혼합부의 상부에 형성된 노즐들로부터 균질하게 섞인 유기물 기체가 균일하게 분출되어 대형의 기판에 고르게 증착되어, 기판과 노즐사이의 거리를 최소화하여 물질 사용율을 극대화하는 고안을 사용할 것이다.

본 발명에 의하면, 여러 가지(예, 1호스트 2도판트)의 유기물의 기체가 각각 증발되어 혼합부내에서 균일하게 혼합되어 노즐을 통하여 분사되어 기판에 증착되므로, 기판이 아닌 부분으로 증발되는 호스트 및 도판트 유기물질의 기체가 모두 기판에 증착되게 하므로 고가의 유기물 사용량을 향상시키며, 진공상태에서 호스트와 도판트 물질을 매우 균질하게 혼합하는 효과를 가지며, 다수의 노즐을 사용하여, 10세대이상의 유리기판에 균질하고 균일한 유기박막의 증착형성이 가능하며, 결국에는 증착챔버의 길이를 줄이는 효과도 가지게 되어, 유기소자의 생산성 향상과 원가를 저감하는 효과가 있다.

도1은 종래의 유리기판에 유기물을 증발 증착하는 챔버의 구조
도2는 3가지의 유기물을 증발하여 혼합하여 분출하는 혼합 증발원의 구조
도3은 혼합증발원의 가열선과 증발히터와 냉각하우징의 구조
도4는 선형구조를 가지는 냉각 하우징을 가지는 선형 혼합 증발원 구조
도5는 원통형 구조를 가지는 점형 혼합 증발원 구조

도1에는 기판(10)에 유기물을 증착하여 유기박막을 형성하기위한 대략의 증착기의 구성을 나타내었다. 호스트 증발원(13)과 도판트 증발원(14)이 기판의 하부에 위치하여 있으며, 각증발원에서는 호스트 물질 기체와 도판트 물질기체가 기판을 향하여 상향식으로 분출된다. 이때 기체의 분출은 코사인 분포를 주로 따르므로 기판쪽으로 갈수록 기체는 매우 퍼지게 된다. 하지만, 호스트 물질과 도판트 물질이 균질하게 기판에 증착하게 하는 것이 매우 어려워, 기판과 증발원사이의 거리(TS:Target to Substrate Distance)를 매우 멀리(예,300mm~500mm) 떨어뜨리게 된다. 즉, 증발된 기체는 기판이외의 장소에 도달하게 되므로 고가의 물질 사용율이 저하되는 문제가 발생한다. 각 기체의 일정양이 증발하도록 주로 기체 두께 센서(11, 12)를 사용한다.

도2에는 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 두개 이상의 유기물질을 균질하게 혼합하는 기체 혼합부(20)의 구조를 나타내었다. 기체 혼합부는 길쭉한 직육면체로서, 선형증발이 가능하도록 상부에 다수개의 노즐이 형성되어 있으며, 혼합된 기체가 노즐들을 통하여 기판에 도달하도록 분출된다. 노즐들은 수직형 노즐(21)과 경사형 노즐(22)이 구성되어 있어서, 유기박막의 균일도를 조절하게 된다. 기체 혼합부(20)의 하부에는 유기물증발원이 다수 개 부착되어 있으며, 증발된 유기물은 기체 저장부(23, 24, 25)에 일정압력으로 저장된다. 유기물 증발원은 유기물질 파우더를 담을수 있는 도가니 저장부(29,30,31)로 구성되어 있다. 증발된 3가지의 유기물 기체는 각 저장부에 일정하게 저장되었다가 기체 저장막(27)에 형성된 Hole이나 개구부를 통하여 분출되어 고진공 상태를 유지하는 기체 혼합부에서 균질하게 섞여지게 되는 것이다. 각 유기물 기체들이 더욱 잘 섞이도록 기체 흐름 유도막(33)들이 기체 저장부의 상부에 설치된다. 또한 기체들이 섞이지 않은 상태로 노즐을 통한 분출을 방지하기 위하여 각 분출노즐의 하부에는 기체 섞임막(26)들이 형성되어 있어서, 기체입자들이 더욱 균질하게 혼합된 후에 분출되도록 하는 것이다. 기체 저장부(23,24,25)들의 측벽에는 기체센서 튜브(28)가 형성되어 있어서, 저장된 기체가 새어 나온 후 두께 센서(32)에 측정되어, 일정양의 기체가 저장되도록 실시간 점검이 가능하고, 증발히터에 피드백 신호를 주기도 한다.

도3에는 기체 혼합부, 기체 저장부, 증발원부를 한몸체로 둘러싼 형태의 하우징(53)을 나타내었다. 기체 혼합부(50) 내부에는 유기물의 경화현상을 방지하도록 주위에 열선(51)을 감아 일정 온도(예, 300도)를 유지하도록 하며, 기체 저장부의 주위도 가열하게 되어 콘덴싱 문제가 발생하지 않게 되는 것이다. 유기물 저장부의 주위에는 유기물 증발히터(52)가 구성되어 있어서, 유기물에 열에너지를 제공하여 증발이 가능한 것이다. 기체 혼합부에서 발생하는 열이 기판에 전달되지 않도록 하우징 내에는 냉각수라인이 설치된 냉각 하우징(53)구조를 가지게 된다.

도4에는 상기의 혼합 증발원의 외부 구조를 나타내었다. 전체적으로 선형의 냉각 하우징(60)의 상부에는 원형 수직 노즐부(64)와 경사형 노즐부(65)들이 형성되어 있다. 냉각 하우징의 하부에는 기체 저장부와 증발원부(61, 62, 63)들이 형성되는 것을 나타내었다.

도5에는 포인트형 혼합 증발원의 구조를 나타내었다. 원통형의 냉각 하우징(70)의 상부에는 한 개만의 원통형 노즐부(71)가 형성되어 있어서, 혼합된 유기물 기체가 이 노즐을 통해 분출되는 것이다. 냉각 하우징의 하부에는 다수개의 기체 저장부(72,73)가 구성되어 있으며, 그 하부에는 증발원부(76,77)들이 구성된다. 연구용 OLED 증착기에 이러한 포인트 혼합 증발원을 사용하면, 호스트 기체와 도판트 기체의 균일한 조성비를 형성하여 증착하게 되며, 유기박막의 균일도를 얻기위해서는 기판은 회전하게 된다.

10: 기판 11: 호스트 기체 두께 센서
12: 도판트 기체 두께 센서 13: 호스트 기체 증발원
14: 도판트 기체 증발원
20: 기체 혼합부 21: 수직 분출 노즐
22: 경사 분출 노즐 23: 호스트 기체 저장부
24: 도판트 기체 저장부 25: 도판트 기체 저장부
26: 기체 섞임막 27: 기체 저장막
28: 기체 센서 튜브 29: 호스트 물질 저장부
30: 도판트 물질 저장부 31: 도판트 물질 저장부
32: 기체 두께 센서 33: 기체 흐름 유도막
34: 유기물 파우더
50: 기체 혼합부 51: 열선
52: 유기물 증발 히터 53: 냉각 하우징
60: 선형 냉각 하우징 61: 원통형 호스트 증발원부
62: 원통형 도판트 증발원부 63: 원통형 도판트 증발원부
64: 수직 노즐부 65: 경사 노즐부
70: 원통형 냉각 하우징 71: 원통형 노즐부
72: 호스트 기체 저장부 73: 도판트 기체 저장부
74: 도판트 기체 센서 튜브 75: 호스트 기체 센서 튜브
76: 호스트 증발원부 77: 도판트 증발원부

Claims (13)

1. 전체적으로 길쭉한 직육면체 형태나 길쭉한 원통형의 기체 혼합부가 형성되고, 상부에는 일렬로 다수개의 기체 분출 노즐들이 형성되고, 하부에는 직육면체형의 다수개의 기체 저장부가 형성되고, 기체 저장부의 하부에는 다수개의 원통형 증발원이 구성되는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
   
2. 상기의 기체 혼합부의 노즐은 다수개의 수직형과 다수개의 경사형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
   
3. 상기의 기체 혼합부의 내부의 각 노즐부 하부에는 각 기체 섞임막을 구성하는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
   
4. 상기의 기체 혼합부의 내부에는 각 기체 저장부의 상부에 기체 흐름 유도막이 형성되는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
   
5. 상기의 기체 혼합부와 각 기체 저장부 사이에는 다수개의 개구부가 형성된 기체 저장막이 형성되는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
   
6. 상기의 각 기체 저장부의 측벽에는 기체 센서 튜브가 형성되는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
   
7. 상기의 각 유기물 저장부 내부에는 유기물 파우더를 담을수 있는 금속형 원통형 도가니가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
   
8. 상기의 기체 혼합부와 노즐들과 기체 저장부와 기체 증발원을 감싸는 냉각 하우징이 형성되는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
   
9. 청구항 8에 있어서, 기체혼합부의 주위와 노즐주위, 기체 저장부의 주위에 열선을 구성하는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
   
10. 청구항 8에 있어서, 유기물 저장부의 주위에는 유기물 증발 히터가 형성되는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
    
11. 상기의 기체 혼합부, 기체 저장부, 유기물 증발원부의 형태가 원통형 및 직육면체의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
    
12. 청구항 8에 있어서, 기체 혼합부의 하우징의 좌우 끝부부에는, 경사노즐부의 하우징은 경사면을 가지는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
    
13. 원통형의 기체 혼합부의 상부면에는 한 개의 노즐이 형성되고, 하부면에는 다수개의 기체 저장부가 형성되고, 각 기체 저장부의 측벽에는 각 기체 센서 튜브가 형성되고, 각 기체 저장부의 아래부분에는 각 유기물 증발원이 형성되는 것을 특징으로 하는 여러 유기물 기체 혼합 증발원
    

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