KR20170104103A - 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원 - Google Patents

Abstract

유연기판에 정열된 세도우 마스크를 향하여 평면증발된 유기물 기체는 고진공의 분위기에 여전히 남아았는 잔류기체에 의한 충돌산란 비행으로 인하여 퍼짐을 가지는 면증발이 형성되어 세도우가 발생하게 된다. 이를 방지하기 위한 수단으로서, 일정한 값의 곡률을 가지는 부분 원주형 곡면소스를 구성하여 곡면 유기박막을 면증발하면, 곡면소스의 중앙축으로 포커싱되는 면증발 기체가 형성되어 평면소스 증발의 퍼짐을 보상하게 되어 수직에 가까운 증발각도의 면증발을 유도하게 되어, 세도우 프리(Shadow-free)한 미세 유기박막 패턴을 형성하게 된다. 본 발명에 따르면, 금속시트의 처짐을 방지하는 프레임과 가로세로 중앙프레임을 가지는 대형의 평면형, 곡면형, 에지굴곡형 면소스의 구조를 형성하여 유기박막의 증발각의 수직화 제어가 가능하여 세도우 현상을 최소화하도록 제어하고, 더 나아가서는 면증발 기체가 포커싱되는 효과를 가지게 되어 초고진공 분위기에서는 세도우 마스크가 없이도 미세 패턴 공정이 가능한 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원의 발명에 대한 것으로서, 고해상도 플렉서블 오엘이디 소자의 제작생산이 가능하게 되는 효과를 가진다.

Description

고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원 {Curved plane type evaporation source for high resolution OLED pattern production}

본 발명은 고해상도 플렉서블 OLED(Organic Lighting Emission Display) 박막의 대량생산 제조용 면소스(또는 면증발원) 증착기에 사용되는 평면소스, 곡면소스, 에지 굴곡형소스의 구조 및 면소스 증착패턴 방법에 관한 것으로서, 금속면의 상부면에 코팅된 유기박막을 재증발하기 위하여, 금속면의 뒷면을 면히터나 적외선 램프로 가열하여, 유기박막을 면증발하여 수직형 분자기체 빔을 형성하여 유기물이 세도우 마스크의 패턴구멍을 관통하여 기판에 고해상도로 미세 패턴되어 증착되게 함으로써, 세도우 현상을 현저히 줄이게 되어 고해상도의 플렉서블 유기소자의 제작이 가능게 되는 것이다. 특히 대면적의 면소스의 처짐을 방지하여 고해상도의 유기박막을 효과적으로 제작 생산하게 되어, 고해상도 플렉서블 오엘이디 소자를 생산하는 핵심 공정인 미세 유기물 증착 패턴 공정에 사용하는 곡면증발원 장치에 관한 것이다.

OLED 디스플레이는 포스트 엘시디(Post LCD) 디스플레이로서 뿐만 아니라 고해상도 디스플레이용 자체 면발광 장치로서 그 에너지성과 시장성이 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 현상을 제어 할수 없는 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, 유기물 파우더 증발원으로부터 증발된 유기물을 금속면에 1차 증착을 하고, 평면형의 금속면에 증착된 유기박막을 면증발하여 기판에 증착을 시도하고 있다. 하지만, 유연기판에 정열된 세도우 마스크를 향하여 비행하는 면증발된 유기물 기체는 고진공의 분위기의 챔버내에서 여전히 남아있는 잔류기체에 의한 충돌산란 비행으로 인하여 약간의 퍼짐을 가지는, 90도 보다 큰 증발각도를 가지게 되는 퍼짐면증발이 형성되어 불균일한 세도우가 미세하게 발생하게 된다. 즉 완벽하게 free한 세도우를 제공하는 면증발소스의 기술을 개발할 필요가 있다.

상기의 문제를 해결하기 위한 수단으로서, 평면형 소스 대신에, 일정한 값의 곡률을 가지는 부분 원주형 곡면소스를 구성하여 곡면 유기박막을 면증발하면, 곡면소스의 중앙축으로 포커싱되는 면증발 기체가 형성되어 평면소스 증발의 퍼짐을 보상하게 되어 수직에 가까운 증발각도의 면증발을 유도하게 되어, 세도우 프리(Shadow-free)한 미세 유기박막 패턴을 형성하게 된다. 금속시트의 처짐을 방지하는 프레임과 가로세로 중앙프레임을 가지는 대형의 평면형, 곡면형, 에지굴곡형 면소스의 구조를 형성하여 유기박막의 증발각의 수직화 제어가 가능하여 세도우 현상을 최소화하도록 제어하고, 더 나아가서는 면증발 기체가 포커싱되는 효과를 가지게 되어 잔류기체가 거의 없는 초고진공 분위기에서는 세도우 마스크가 없이도 미세 패턴 공정이 가능하다.

본 발명에 의하면, 일정한 값의 곡률을 가지는 부분 원주형 곡면소스를 구성하여 곡면 유기박막을 면증발하면, 곡면소스의 중앙축으로 포커싱되는 면증발 기체가 형성되어 평면소스 증발의 퍼짐을 보상하게 되어 수직에 가까운 증발각도의 면증발을 유도하게 되어, 세도우 프리(Shadow-free)한 미세 유기박막 패턴을 형성하게 되는 효과가 있다. 또한, 대면적의 유연기판의 패턴공정이 가능하도록, 금속시트의 처짐을 방지하는 프레임과 가로세로 중앙프레임을 가지는 대형의 평면형, 곡면형, 에지굴곡형 면소스의 구조를 형성하여 유기박막의 증발각의 수직화 제어가 가능하여 세도우 현상을 최소화하도록 하는 효과가 있다. 더 나아가서는 면증발 기체가 포커싱되는 효과를 가지게 되어 초고진공 분위기에서는 세도우 마스크가 없이도 미세 패턴 공정이 가능한 효과가 있으며, 결국, 고해상도 플렉서블 오엘이디 소자의 제작생산이 가능하게 되는 효과가 있다.

도1은 기존의 세도우 마스크와 유연기판을 이용한 유기박막 패터닝 방법
도2는 면소스를 이용한 면증발 기체가 세도우 마스크를 통한 유기박막 형성 방법
도3은 면증발 수직기체의 퍼짐을 나타내는 개념도
도4는 곡률이 작은 곡면소스로부터 증발되는 수직형 유기물 기체의 개념도
도5는 곡률이 큰 곡면소스로부터 증발되는 집중형 유기물 기체의 개념도
도6은 에지가 안쪽으로 굽혀진 굴곡형 면소스의 개념도
도7은 다수개의 곡면소스로부터 증발되어 포커싱 되는 유기박막 패터닝 개념도
도8은 대형 면소스의 처짐을 방지하는 중앙 프레임의 구조 개념도

도1에는 기판에 미세 패턴을 형성하는 일반적인 오엘이디 증착방법을 나타내었다. 챔버의 상부에는 유연기판(10)이 놓이고, 그 하부에는 세도우마스크(12)를 정렬하게 되며, 챔버의 아래쪽에는 유기물 파우더 증발원(14)이 놓이며, 이 증발원으로부터 증발되는 유기물 기체의 분포(13)가 화살표로 나타내었다. 즉, 유기물 증발은 방사형의 퍼짐을 가지므로 세도우마스크에 의하여 세도우 현상이 발생하게 되고, 기판에 증착된 미세 패턴(11)들은 크기와 두께가 불균일하게 되는 것이다.

도2에는 평면소스를 구비하여 균일한 유기 패턴을 형성하는 방법을 나타내었다. 챔버의 상부에는 유연기판(20)과 세도우 마스크(22)가 정열되어 있으며, 챔버의 하부에는 면소스 프레임(26)으로 평평하게 유지되는 평면소스(25)가 형성되어 있고, 평면소스는 주로 금속시트로 구성되어 그 상부에는 유기박막이 코팅되어 있다. 이때 면 증발되는 유기물 기체는 주로 수직형 증발분포(23)를 형성하게 되고, 세도우 마스크와 기판을 향하여 비행하게 되며, 세도우 마스크에 형성된 패턴구멍(pattern opening)을 통과하여 기판에 패턴(21) 증착코팅을 형성하는 것이다. 이러한 면증발 기체와 평면소스와 이루는 증발각도는 거의 90도(θ)에 가까우므로 균일한 패턴(21)을 형성하게 되는 것이다. 평면소스의 금속시트 뒷면에서는 시트의 가열을 위한 면히터 박스(27)와 다수개의 가열선(28) 구조나 적외선 램프 및 그 어레이를 가지는 히터가 설치된다. 즉 평면소스 증발원을 사용하여 세도우 현상이 억제된 미세한 유기패턴을 형성하게 되는 것이다.

도3에는 퍼지는 면증발의 기체분포를 나타내었다. 실제로 사용되는 고진공(10-7Torr)의 챔버내에는 여전히 잔류기체가 남아 있으므로 면(33)에서 증발된 유기물 기체 분자(31)는 여전히 잔류기체와의 충돌 산란에 의하여 지그재그 운동을 하면서 비행하게 되고, 결국은 90도(30)보다 약간 큰 각도(θ)로 퍼지는 면증발 기체(31)가 형성된다. 이 경우에는 기판의 중앙부와 기판의 가장자리에 형성되는 미세 패턴들이 약간 불균일하게 형성되고, 세도우 현상을 완전히 피할수 없게 되기도 하는 것이다.

도4에는 상기의 약간 퍼지는 면증발기체를 90도에 가까운 각도의 증발각도(θ)를 형성하기 위한 방법을 나타내었다. 즉, 평면 금속소스대신에, 적은 값의 곡률(curvature)을 가지는 곡면형 금속면 소스(37)를 구성하고, 이 표면에 곡면형 유기박막(35)을 코팅하면, 유기물 기체가 면증발시에 곡면소스의 중앙축을 향하는 면증발을 형성하므로, 상기의 퍼지는 각도를 보상하는 포커싱 증발 현상을 형성하게 되어, 수직형 증발기체 분포를 형성하게 되고, 결국, 세도우 프리한 면증발을 발생하게 하여, 세도우를 최소화하게 되는 증착 패턴 공정이 완성되는 것이다. 곡율의 크기는 여러 번 시행착오의 시험을 수행하여, 적당한 크기를 찾아야 할것이다.

도5에는 상기에 언급한 면소스의 곡률을 더욱 크게 원주형으로 구성하여, 면증발하는 유기물 기체가 중심축을 향하여 더욱 포커싱 증발되는, 즉 증발각도 θ가 90도보다 적게되는, 집중형 면증발 기체의 분포(38)가 형성 되도록 구성되는 대곡률 곡면소스(39)의 모습을 나타내었다. 이러한 현상은 마치 빛의 오목렌즈에 의한 ?X점맞추기 현상과 매우 유사하다고도 볼수 있다.

도6에는 상기에 언급된 평면형 소스로부터 증발되는 퍼짐 면증발 기체의 보상을 위한 에지형 증발 면소스를 나타내었다. 중앙에는 평면의 형태를 가지면서, 가장자리는 일정각도로 비스듬하게 올라온 구조의 에지면을 가지는 에지 굴곡형 면소스(40)인 것이며, 이로부터 면증발되는 에지 증발 기체의 분포(42)에 따르면, 중앙부에는 수직형 면증발이 형성되고, 가장자리에 퍼지는 각도를 중앙축으로 증발되도록 안내하게 되어, 면증발의 에지에서 퍼짐현상을 방지하게 되는 효과가 발생하여 특히 대면적의 기판 패턴 증착시에 패턴의 세도우 불균일도를 보상하게 되기도하고, 전체적인 유기박막의 균일도를 더욱 확보하게 되기도 한다.

도7에는 상기에 언급된 포커싱 증발을 이루어 세도우 마스크가 없이도 유기물 패턴 증착공정이 가능항 개념을 나타내었다. 즉, 다수개의 곡면소스(52)들이 일렬로 연결되어 있고, 곡면의 유기박막이 면증발하면서, 각 곡면소스의 중앙축 방향으로 유기물 기체가 증발되어 포커싱되어 기판(50)에 패턴증착(51)하게 되는 것이다. 이러한 미세한 패턴공정이 성공하려면, 초고진공(10-9Torr)의 진공도를 유지하는 증착챔버를 구비하면, 잔류기체와 면증발하는 유기물 기체와의 산란퍼짐을 방지하게 되므로, 더욱 효과적이다. 참고로 표면에 증착된 분자들이 열탈착에 의하여 표면증발 시에는 주로 표면과 수직하게 탈착비행하는 성질이 있음이 알려져 있다.

도8에는 대면적의 유기 패턴증착을 수행할 경우, 대형의 면소스의 구조를 나타내었다. 즉, 대형의 금속시트(60)는 쉽게 처지게 되므로, 그에 따른 유기물 기체의 퍼짐도 심해지므로 이에 대한 해결을 할 목적으로 금속 면시트의 뒷면에는 가장자리에 프레임(61)을 설치할뿐만 아니라, 중앙부에도 가로중앙 프레임(62)과 세로 중앙 프레임(63)을 교차로 구성하여 면시트의 처짐을 방지하게 되는 것이다. 이러한 형태의 면소스를 사용하여 대면적의 유연기판상에 미세 유기박막 패턴을 증착 코팅하게 되어 생산성이 향상되는 효과가 생긴다.

10: 유연기판 11: 미세 패턴 박막
12: 세도우 마스크 13: 유기물 기체 분포
14: 유기물 파우더 증발원
20: 유연기판 21: 미세 유기 패턴 박막
22: 세도우 마스크 23: 면증발 기체 분포
24: 평면형 유기박막 25: 평면소스
26: 면소스 프레임 27: 면히터 박스
28: 가열선
30: 수직 기체 31: 퍼짐 기체
32: 유기박막 33: 평면소스
34: 프레임 35: 수직형 증발기체 분포
36: 곡면 유기박막 37: 소곡률 곡면소스
38: 집중형 증발기체 분포 39: 대곡률 곡면소스
40: 에지 굴곡형 면소스 41: 굴곡형 유기박막
42: 에지 증발 기체 분포
50: 유연기판 51: focused 미세 패턴 박막
52: 포커싱 다 곡면 소스 53: 유기박막
54: 프레임
60: 대현 면소스 61: 프레임
62: 가로 중앙 프레임 63: 세로 중앙 프레임

Claims (9)

1. 고진공 챔버내에서 작동되며, 탄탈리움이나 티타니움 금속 시트로 구성되며, 전체적으로 일정한 두께를 가지는 곡면형 금속시트의 양끝 뒷면에는 프레임이 형성되고, 금속시트의 앞면에는 균일한 두께의 유기박막이 코팅되고, 금속시트가 가열되고, 유기박막이 금속면과 주로 수직으로 증발되고, 곡면형 금속시트와 평행하게 일정거리를 두고 마주보게 세도우 마스크와 기판이 정열되고, 증발된 유기물기체가 세도우 마스크에 형성된 패턴구멍을 통하여 기판에 유기박막 패턴이 증착 코팅되는 것을 특징으로 하는 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원
   
2. 청구항1에 있어서, 곡면형 금속시트의 하부면 또는 뒷면을 가열하기 위하여, 탄탈리움 금속선가열장치나 고진공용 적외선 램트 또는 램프어레이를 사용하는 것을 특징으로 하는 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원
   
3. 청구항2에 있어서, 세도우 마스크의 패턴구멍의 크기를 미세하도록 조절하여, 곡면증발된 유기물 기체가 패턴구멍을 관통 비행하여 기판상에 세도우 마스크의 패턴구멍과 동일한 크기와 형태를 가지도록 고해상도 유기박막 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원
   
4. 청구항 1에 있어서, 곡면소스는 일정한 곡률을 가지는 원주의 일부분의 형태를 가지는 전체적으로 원주형 곡면 금속시트로 구성되고, 그 상부에 곡면형 유기박막이 코팅되어 곡면형 증발원을 구성하는 것을 특징으로 하는 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원
   
5. 청구항 4에 있어서, 곡면의 곡률의 크기를 조절하여 곡면으로부터 증발비행하는 유기물 기체의 방향과 금속시트와의 증발각도를 수직하게 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원
   
6. 청구항 4에 있어서, 곡면의 곡률의 크기를 더욱 조절하여 면으로부터 증발 비행하는 유기물 기체가 곡면증발원의 중앙축상의 한점에 모이도록 포커싱되어 패턴 형성이 가능한 것을 특징으로 하는 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원
   
7. 청구항 1에 있어서, 중앙부는 평면형이고, 가장자리는 일정각도를 가지고 비스듬하게 올라온 형태의 금속시트로 구성된 것을 특징으로 하는 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원
   
8. 청구항 1에 있어서, 다수개의 곡률형 곡면을 가지는 금속곡면이 좌우로 인접하여 연결되어 전체적으로 평면형 증발원의 형태를 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원
   
9. 청구항1에 있어서, 대형 면소스의 처짐을 방지하도록, 대형 금속면 시트의 가장자리에는 프레임, 중앙부에는 가로와 세로 중앙 프레임이 서로 교차하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고해상도 오엘이디 패턴 증착용 곡면증발원
   

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