KR20170102615A

KR20170102615A - 플렉서블 oled 소자 패턴 제작용 면증발 증착기

Info

Publication number: KR20170102615A
Application number: KR1020160024903A
Authority: KR
Inventors: 진중 김
Original assignee: 진중 김
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2017-09-12

Abstract

본 발명은 면소스를 활용하여 고해상도 OLED 소자의 미세 유기박막 패턴을 증착하는 장비로서, 고진공의 8각형의 로봇챔버를 중앙에 두고 주변에 독립된 고진공 챔버들을 다수개 부착하는 클러스터형 증착장비로서, 로봇챔버에 유연기판 로딩챔버, 면소스 증착챔버, 면소스 회전 챔버, 면소스 증발챔버, 기판 언로딩 챔버, 면소스 냉각 챔버, 마스크 저장 챔버, 기판 저장챔버들이 각각 연결된 것을 특징으로 한다. 이러한 클러스터형 증착기를 사용하여 공정하면, 진공을 깨지않고도, 유연기판의 로딩과 언로딩이 용이하고, 로봇에 의한 유연기판과 마스크 및 면소스의 이송이 용이하고, 면소스의 증착공정이 분리되어 고진공도를 유지하고, 면소스의 하향 및 상향 회전이 가능하여 하향식 증착과 상향식 증착기 가능하고, 면소스 증발 챔버에는 기판의 홀딩과 세도우 마스크의 고정이 용이하고, 다수개의 유연기판과 세도우 마스크 및 오픈마스크를 저장하는 챔버를 별도로 구성하여 연속으로 고해상도의 유기박막 제조가 가능하고, 가열된 면소스를 독립적으로 냉각이 용이하다. 또한, 다수개의 마스크와 다수개의 유연기판의 적재가 가능하여 연속 면소스 증착공정이 가능하므로 고해상도를 가지는 유기박막의 패턴 증착공정을 연속으로 수행하는 효과가 있다. 아울러 하향식 면소스홀더와 하향식 면히터홀더가 설치되어 하향식 면소스 증착공정이 가능하여 대면적의 기판의 처짐을 방지하는 효과가 있다.

Description

플렉서블 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기 {Plane source evaporator for flexible OLED pattern production}

본 발명은 고해상도 플렉서블 OLED(Organic Lighting Emission Display) 박막의 대량생산 제조용 면소스(또는 면증발원) 증착기에 사용되는 면소스의 구조 및 면소스 증착방법과 면증발 증착기의 구조에 관한 것으로서, 금속면의 하부면에 1차로 유기박막을 증착코팅하고, 금속면의 뒷면을 면히터로 가열하여, 유기박막을 재증발하여 수직형 분자기체 빔을 형성하여 세도우 마스크를 통하여 유기물이 기판에 고해상도로 패턴되어 증착되게 함으로써, 세도우 현상을 현저히 줄이게 되어 고해상도의 플렉서블 유기소자의 제작이 가능한 증착 기술이다. 특히 대면적의 기판의 처짐을 방지하여 고해상도의 유기박막을 효과적으로 대량 생산하게 되어, 플렉서블 OLED 소자를 생산하는 핵심 공정인 유기물 증착공정에 사용하는 클러스터형 면증발원 증착 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 고진공 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 홀더와 박막의 패턴 형태를 제조하는 오픈 마스크 및 세도우 마스크 장치등이 고 진공 챔버 내에 구성되어 사용 된다. 특히 최근 들어서, OLED 제품의 고해상도를 향상하기 위하여, 유기박막의 패턴을 더욱 미세하게 제조하는 기술이 필요하게 되었다. 이를 테면, 갤럭시6에 사용되는 유기박막소자의 고해상도는 400ppi(pixel per inch)로서 장래에는 1000ppi 이상의 고해상도를 제조 목표로 하고 있으며, 마이크로 디스플레이에는 2000ppi 까지의 고해상도를 목표하고 있다. 현재는 유기물 증착 장비에 사용하는 포인트 소스나 선형소스는 분사하는 유기물 기체의 형태가 방사형으로서 퍼짐각도 때문에 세도우 현상의 한계가 존재하여 600ppi 이상의 고해상도를 구현 하기가 어렵다.

기존의 면증발 증착기에 대한 특허(등록번호: 1012061620000)인 하향식 열적 유도 증착에 의한 선형의 대면적 유기소자 양산장비에 따르면, 원통형의 증발원으로부터 금속면에 1차 증착을 하고, 면에 증착된 유기박막을 하향 증발하여 기판에 면증착을 시도하고 있다. 하지만, 단일 고진공 챔버내에서, 1차 증착과 면소스 증발을 수행하므로, 고진공도의 유지가 힘들고, 상향식 증착을 수행하기가 어렵다.

또한, 자주 교환해주어야 하는 세도우 마스크의 저장이 힘들고, 고속 제조를 위한 기판의 저장장치가 필요하다. 증발이 완료된 면소스의 냉각공정을 독립적으로 수행하기도 어려워 이에 대한 공정챔버들의 분리가 필요하며, 기판의 연속 투입과 공정이 완료된 기판을 인출하는 공정 챔버들이 필요하다.

상기의 문제를 해결하기 위하여, 8각형의 로봇챔버를 중앙에 두고 주변에 독립된 고진공 챔버들을 부착하여, 기판의 로딩과 언로딩이 용이하고, 로봇에 의한 기판과 마스크 및 면소스의 이송이 용이하고, 면소스의 증착공정이 분리되어 고진공도를 유지하고, 면소스의 하향 및 상향 회전이 가능하여 하향식 증착과 상향식 증착기 가능하고, 면소스 증발 챔버에는 기판의 홀딩과 세도우 마스크의 고정이 용이하고, 다수개의 유연기판과 세도우 마스크 및 오픈마스크를 저장하는 챔버를 별도로 구성하여 연속으로 고해상도의 유기박막 제조가 가능하고, 가열된 면소스를 독립적으로 냉각하게 한다.

본 발명에 의하면, 유연기판의 연속 인입과 인출이 가능하고, 면소스의 독립된 증착 공정이 가능하고, 면소스의 위치를 회전하여 고정하고, 면소스의 증발을 독립챔버에서 수행하여 고진공을 유지하여 고해상도의 유기박막의 형성이 가능하고, 가열된 면소스의 면쿨러에 의한 냉각이 용이하고, 다수개의 마스크와 기판의 적재가 가능하여 연속 면소스 증착공정이 가능하므로 고해상도를 가지는 유기박막의 패턴 증착공정을 고속으로 수행하는 효과가 있다. 아울러 하향식 면소스홀더와 하향식 면히터홀더가 설치되어 하향식 면소스 증착공정이 가능하여 대면적의 기판의 처짐을 방지하는 효과가 있다.

도1은 유연기판에 유기박막 패턴을 형성하는 세도우 마스크 증착 방법
도2는 금속면소스에 유기박막을 증착한후에 유연기판에 유기박막을 재증발하여
패턴하는 방법
도3은 유기박막 패턴을 제작하는 8각 클러스터형 면소스 증착기의 구조
도4는 금속면소스가 홀더에 설치되어 유기박막을 면소스에 증착하는 방법
도5는 상향식 면소스 증발 증착챔버의 구성도
도6은 금속면 시트가 프레임에 부착된 면소스의 구조
도7은 가열선이 내장된 면히터의 3차원 구조와 단면 구조도
도8은 냉각수 라인이 내장된 면 냉각 블록의 구조도
도9는 하향식 면소스 증발 증착챔버의 구성도

도1에는 고진공의 챔버내에 상부에 유연기판(10)과 세도우 마스크(11)가 설치되고 하부에는 포인트형 증발소스(13)나 선형 증발소스가 설치되어 증발원으로부터 방출되는 유기물 기체가 상향으로 분사하여 세도우 마스크를 지나 기판상에 유기박막의 패터닝(14)이 형성되는 기존의 유기소자 증착 방법을 나타내었다. 이 경우 분사하는 유기물 기체는 퍼짐이 심하여 세도우 마스크 뒤쪽으로 세도우(shadow)현상이 불균일하게 발생하므로 고해상도의 유기 패턴 소자를 생산하는데 문제가 발생하고 있다.

도2에 나타낸 바에 따르면, 상기의 세도우 불균일 문제를 해결하기 위하 방법으로서, 유기물 증발원(13)에서 방출된 유기물 기체(12)가 금속 시트로 구성된 금속면 소스(15)의 하부면에 유기박막(16)이 증착코팅되고, 유기박막이 증착된 면소스는 이송되어 면소스의 뒷부분이 가열되어 유기박막이 재증발하고, 상향으로 재증발된 유기분자기체가 세도우 마스크(11)를 관통하여 기판(10)에 미세 유기박막의 패턴(14)이 형성되는 방법을 나타내었다. 면소스에서 재증발된 유기물은 퍼짐각이 현저히 즐어든 수직형 기체(17)를 형성하므로 세도우 현상을 현저히 감소시키며, 균일한 면증발에 의하여, 세도우현상의 불균일도를 제거하게 되는 것이다. 플렉서블(flexible,유연)기판은 주로 유리기판에 PI필름을 부착하여 사용하게 되므로 소형크기의 기판은 처짐이 심하지 않으며, 대형크기의 기판은 처짐이 발생하기도 한다.

도3에는 고해상도의 유기소자를 증착 패턴하기 위한 8각의 클러스터형 고진공 증착기를 나타내었다. 8각형의 로봇 챔버(40)가 중앙에 있으며, 그 주위로 기판 로딩챔버(41), 면소스 증착챔버(42), 면소스 회전 챔버(43), 면소스 증발챔버(44), 기판 언로딩 챔버(45), 면소스 냉각 챔버(46), 마스크 저장 챔버(47), 기판 저장 챔버(48)들이 부착되어 있다. 로봇 챔버내에는 고진공용 암로봇(50)이 설치되어 기판 로딩챔버를 통하여 인입되는 유연기판(51)을 자유롭게 이송하게 된다. 면소스 증착챔버내에는 유기물 증발원(52)과 면소스(53)가 설치되어 면소스에 유기박막을 증착하게 된다. 면소스 회전챔버에는 회전자(미도시됨)가 설치되어 면소스를 회전하게 된다. 면소스 증발챔버내에는 기판(51)과 세도우 마스크(55)가 설치되고, 면히터(54)의 상부에 놓인 면소스(53)의 상부면에 증착된 유기박막이 상향 증발하게 된다. 패턴 공정이 완료된 유연기판은 기판언로딩 챔버를 통하여 증착기 외부로 나가게 된다. 면소스 냉각챔버내에는 면쿨러(cooler)(56)장치가 설치되어 있어 증발 가열된 면소스를 면쿨러 위에 놓고 접촉하게 하여 냉각을 하게 된다. 마스크 저장 챔버내에는 카세트(미도시됨)가 설치되어 3개이상의 마스크를 저장하게 되어, 마스크를 교환하면서 증착패턴 공정을 할수 있다. 기판 저장 챔버내에는 기판을 적재하는 카세트가 설치되어 5장이상의 기판을 저장하여 하나씩 꺼내어 증착공정을 연속으로 진행하게 된다.

도4에는 면소스 증착챔버의 내부구성을 나타내었다. 챔버의 상부에는 면소스홀더(20)가 형성되고, 면소스(21)를 걸어놓을 수 있다. 챔버의 하부에는 2개이상의 증발원이 놓이게 되어 호스트/도판트 유기물 파우더 증발원(23,24)으로 동시 증발하게 된다. 동시증발된 호스트 도판트 유기물질 기체가 면소스의 하부면에 증착코팅하게 되어 면소스의 제작이 가능하게 되는 것이다.

도5에는 면소스 증발챔버의 내부구성을 나타내었다. 챔버의 내부 상부에는 기판홀더(30)가 부착되어 있어서 꺽어진 부분에 유연기판(32)을 놓을수 있으며, 세도우 마스크 홀더(31)가 역시 부착되어 있어서, 세도우마스크(33)를 놓을수 있다. 챔버의 하부바닥에는 면히터 테이블(38)이 놓여있고, 그 위에 면히터(36)를 놓고, 면히터의 상부에 면소스(35)를 놓으며, 면히터의 내부에 설치된 가열선(37)에 전기를 공급하여 가열선이 가열되면서 발산되는 적외선 광선이 면소스의 뒷면을 가열하게 되며, 면소스의 상부면에 증착된 유기박막(34)이 기판과 마스크를 향하여 상향으로 재증발하게 된다. 재증발된 유기물 기체는 세도우 마스크를 관통하게 되고, 비로서 기판에 패턴이 형성되게 되는 것이다.

도6에는 금속 시트와 프레임으로 구성된 면소스를 나타내었다. 창문틀과 같은 형태의 사각 프레임을 가지는 면소스 프레임(61)이 형성되고 하부면에 일정두께의 금속 시트(60)를 프레임면에 따라 웰딩하여 부착하여 금속 면소스가 구성되는 것이다. 이때 금속 면 시트는 탄탈시트나 티타니움 시트와 같은 emissivity가 좋은 금속을 사용하면 가열과 유기박막의 재증발이 용이하다.

도7에는 면히터의 구성과 단면의 구성을 나타내었다. 면히터는 금속으로 구성된 하부바닥판(72)이 형성되고, 그 위에 지그재그형의 금속 가열선(70)이 형성되고, 금속가열선을 사방으로 감싸는 가열선 저장박스(71)로서 측벽(73)이 형성되어 있어, 가열시 적외선의 외부 방출을 방지하여 효과적인 면소스(60)의 가열을 수행하게 된다. 하부 바닥판에는 적당한 위치에 2개의 구멍이 형성되어 있고, 가열선이 하부바닥판 하부로 관통하도록 구성되어, 전원의 플러스와 마이너스 전기를 각각 공급하게 되는 것이다. 또한 가열선의 상부에는 면소스의 면이 놓이게 되고 면소스의 프레임(61) 안쪽으로 가열선 저장박스의 측벽이 놓이도록 구성되는 것이다.

도8에는 면쿨러(cooler)를 나타내었다. 면쿨러는 전체적으로 직육면체의 형태를 가지며 면형 냉각 블록(80)으로서, 내부에는 냉각수가 지나는 냉각수 라인(83)이 지그재그로 형성되며, 냉각수 인입입구(81)와 냉각수 인출입구(82)의 홀이 형성된다. 면쿨러는 주로 알루미늄 블록을 사용하면 냉각이 용이하다.

도9에는 하향식 면소스 증발챔버의 구성을 나타내었다. 챔버의 내부 상부에는 하향면히터 홀더(90)가 형성되어 면히터(91)를 하향으로 설치하며, 하향면소스 홀더(92)가 형성되어 하향으로 면소스(93)를 달게 되는 것이다. 이때 면소스를 가열하면 유기박막은 하향으로 증발하게된다. 챔버의 내부 하부에는 하향 기판 테이블(98)이 형성되어 유연기판(97)을 처짐없이 놓이게 되며, 하향마스크 홀더(96)가 형성되어 하향의 세도우 마스크(95)를 설치하게 되어 하향식 증착에 의한 미세 패턴을 형성하게 되는 것이다.

10: 유연기판 11: 세도우마스크
12: 유기물 분자 기체 13: 유기물 파우더 증발원
14: 유기박막 패턴 15: 금속면 소스
16: 유기박막 17: 면증발 유기물 기체
20: 면소스 홀더 21: 면소스
22: 유기박막 23: 호스트 유기물 파우더 증발원
24: 도판트 유기물 파우더 증발원
30: 기판홀더 31: 세도우 마스크 홀더
32: 유연기판 33: 세도우 마스크
34: 유기박막 35: 면소스
36: 면히터 37: 가열선
38: 면히터 테이블
40: 로봇 챔버 41: 기판 로딩 챔버
42: 면소스 증착 챔버 43: 면소스 회전 챔버
44: 면소스 증발 챔버 45: 기판 언로딩 챔버
46: 면소스 냉각 챔버 47: 마스크 저장 챔버
48: 기판 저장 챔버
50: Arm Robot 51: 유연기판
52: 유기물 증발원 53: 면소스
54: 면히터 55: 세도우 마스크
56: 면쿨러
60: 금속면 61: 면 프레임
70: 가열선 71: 가열선 저장 박스
72: 하부 바닥판 73: 측벽
80: 면 냉각 블럭 81: 냉각수 인입 입구
82: 냉각수 인출 입구 83: 냉각수 라인
90: 하향 면히터 홀더 91: 하향 면히터
92: 하향 면소스 홀더 93: 하향 면소스
94: 하향 유기박막 95: 하향 세도우 마스크
96: 하향 마스크 홀더 97: 하향 유연 기판
98: 하향 기판 테이블

Claims

전체적으로 고진공도를 유지하는 8각형 클러스터형 로봇챔버에 직육면체형의 유연기판 로딩챔버, 면소스 증착챔버, 면소스 회전 챔버, 면소스 증발챔버, 기판 언로딩 챔버, 면소스 냉각 챔버, 마스크 저장 챔버, 기판 저장챔버들이 각각 연결된 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 1에 있어서, 로봇 챔버내에는 1개 이상의 암로봇이 설치되어, 기판, 마스크, 면소스의 이송이 가능한 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 1에 있어서, 면소스 증착챔버내에는 상부에 면소스가 면소스 홀더에 놓이도록 형성되고, 하부에 유기물 파우더 증발원이 다수개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 1에 있어서, 면소스 회전 챔버내에는 금속 면소스를 회전하는 회전자가 설치되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 1에 있어서, 면소스 증발 챔버내에는 상부에 기판이 기판홀더에 놓이도록 형성되고, 기판 하부에 세도우 마스크가 세도우 마스크 홀더에 설치되고, 챔버의 하부에 면소스, 면소스 하부에 면히터가 설치되고, 면히터는 면히터 테이블상에 놓이도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 1에 있어서, 면소스 냉각 챔버내에는 면소스, 그 하부에 면쿨러가 설치되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 1에 있어서, 마스크 저장 챔버내에는 다수개의 세도우 마스크를 설치하는 마스크 카세트가 설치되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 1에 있어서, 기판 저장 챔버내에는 다수개의 유연기판을 설치하는 기판 카세트가 설치되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 3에 있어서, 유기물 파우더 증발원으로부터 상향으로 증발되는 유기물 기체가 회전하거나 위치가 고정된 금속면의 하부면에 증착 코팅되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 5에 있어서, 면소스에 증착된 유기박막이 상향으로 증발되어 유연기판의 하부면에 부착된 세도우 마스크를 통하여 유기박막의 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 3에 있어서, 면소스는 사각형의 금속 시트가 일정두께와 폭을 가지는 사각 액자형 프레임에 웰딩하여 부착되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 5에 있어서, 면히터는 아래로부터 솟은 가열선이 지그재그형을 구성하고 다시 아래로 내려가는 형태를 가지며, 사면의 측벽으로 구성된 저장 박스에 담겨지고, 하부 바닥판이 부착되고, 하부 바닥판에는 가열선 구멍이 구성되어 가열선이 통과되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 6에 있어서, 면쿨러는 직육면체의 형태로서 내부에 지그재그형 냉각수라인이 형성되고, 냉각수 인입구멍과 인출구멍이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기
청구항 1에 있어서, 면소스 증발 챔버내에는 상부에 하향 면히터 홀더에 면히터가 하향으로 설치되고, 하향 면소스 홀더에 면소스가 하향으로 설치되고, 하부에 하향 마스크 홀더가 형성되어 세도우 마스크가 놓이고, 하향 기판 테이블이 설치되어 하향으로 기판이 설치되어, 하향으로 면소스의 유기박막이 증발되어 유기박막의 패턴이 유연기판에 증착 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 OLED 소자 패턴 제작용 면증발 증착기