OLED 증착장비의기초기술 노준서 배경빈 유운종 서 론 OLED 에서의박막증착기술 OLED는빠른응답속도에의한완벽한동영상구현, 저전력소모, 경량박형, 넓은시야각등의장점을가지게되었다. 따라서혹자는 차세대디스플레이, 꿈의디스플레이, 포스트 LCD 등의수식어로 OLED를표현하기도한다. 이렇듯늘어가는수요와관심속에 personal use로서중요한위치를차지하고있는 OLED는대형화면으로의진보와소형화면에서의안정성및생산성두부분으로나뉘어연구 개발이이루어지고있는데아직 LCD에비해양산성이떨어지고, 공정이안정화되지못한것이상용화의걸림돌이되고있다. 이에 OLED 소자를생산해내는장비의시각에서현재의상황을정리할필요가있다고하겠다. OLED는구동방식, 적층재료및적층방법등에따라많은종류로분류할수있으며, 이에따라사용하는장비도매우다양하나이글에서는현재양산성이확보되어상용화에서한발앞서있는저분자 OLED의생산장비인진공열증착장비 (Thermal evaporation system) 를바탕으로기술하고자한다. 특히기초적이고중요한요소기술인진공, 증착에관한사항을중점적으로살펴보도록하겠다. 1. 진공증착 (Vacuum evaporation) 증발증착된박막을얻는방법은 1857년에 Faraday가처음으로시행하였으며그는불활성분위기 (inert atmosphere) 에서금속 wire를폭발시키는방법으로박막을형성하였다. [1] 그이후로 1887년에 Nahrwold가백금 wire를 Joule heating시키는방법으로박막을얻었으며, [2] 1888년에는 Kundt가굴절율 (refractive index) 측정의방법으로금속박막을얻고자증발증착법을사용하였다. [3] 박막의형성원리는비교적간단한데진공중에서금속, 화합물또는합금을가열하여증발시킴으로서 evaporated된입자들이기판의표면에박막을형성시키는방법이다. 스퍼터링법과는증발과정이열교환과정이라는점에서다르며이렇게형성된박막을진공증착박막이라한다. 이러한진공증착박막법은다음과같은장점이있다. 1) 장치전체의구성이비교적단순하다. 2) 많은물질에적용이가능하다. 3) 박막의형성원리가비교적단순하여박막성장이나핵생성및성장이론에대응하기쉽다. 4) 형성된박막의물성을분석하기쉽다. 저자약력 노준서대리는단국대학교 ( 원 ) 전자공학과를졸업하고네오뷰코오롱 을거쳐현재에이엔에스 에재직중이다. (jsrho@ansinc.co.kr) 배경빈대표이사는부산대학교무기재료공학과를졸업하고한국베리안, 아이피에스 에서근무하였고현재에이엔에스 대표이사로재직중이며한국진공연구조합이사로도활동중이다. (kbbae@ansinc.co.kr) 유운종상무는충남대학교물리학이학박사로 Varian / AKT (USA) 에서근무하였고현재에이엔에스 에재직중이다. (wjyoo@ansinc.co.kr) 진공증착박막은위와같은장점들과아울러형성된박막의기능과물성이매우다양하기때문에응용범위가여러방면으로급격히확산되고있다. 특히여러가지전기 광학적소자의소형화, 경량화및초집적화추세에따라사용범위가더욱넓어지고있다. 박막재료의증착 (evaporation) 은다음과같은물리적인단계 참고문헌 [1] M. Faraday, Phil. Trans. 147, 145 (1957). [2] R. Nahrwold, Ann. Physik 31, 467 (1887). [3] A. Kundt, Ann. Physik 34, 473 (1888). 34
를거쳐이루어진다. 1) 고상또는액상의증발재료 (evaporant) 가기상 (vapor) 으로천이 (transition) 된다. [4] 2) Vapor화된증발재료가 source로부터기판으로이동한다. 3) 기판에서응축 (condensation) 되어박막을형성한다. 그림 1. 저항가열식증발원. 진공증착시, 증착상태에관한기본공식들은기체분자의속도분포가 Maxwell-Boltzmann분포를지닌다는가정하에서도출된다. 필요한고전적열역학이나기체운동론에대한내용은다른문헌에많이설명되어있기때문에구체적인언급은하지않겠다. 진공증착실험에있어서충분히고려해야할것은증발재료대부분이다른분자등과충돌하지않고직진성을가지며기판에도달하여야한다는것이다. 특히진공증착시잔류기체는증발재료와함께기판에박막을형성하여순도및형태에영향을주며, 증발재료의직진을방해하여균일한박막의형성에지장을준다. 여기에진공열증착장비 (Thermal evaporation system) 의최우선조건인진공도의중요성이있다고하겠다. 물론다음에소개할증착방법중 dilution gas를이용한증착방법에서는고진공이라는개념이적용되지는않는다. 그러나현재대부분의 OLED용장비는 10-8 Torr에가까운진공도에서공정을진행하고있으며, 이는순도가높고균일한박막을얻기에충분한수준이라고할수있다. 위에서언급한바와같이현재 OLED 제조장비제작에있어서유기물증착과관련된증착원및증착방법은대부분열증착을이용하고있으나소위 point source로대변되는열증착방식은날로대형화되고급속화되는 OLED 제조기술에서그대안이될수없다는의견이지배적이다. 이에각장비업체및디바이스제조업체의증착기술및증발원에대한공동기술개발이활발히진행중이다. 다음으로는열증발원의기초적인기술및종류와현재일부산업계에서사용되고있는증발원의형태나향후대형화및고속증발을목표로개발중인사항에대해언급하겠다. (1) 증착재료와반응이없어야한다. (2) 가열되었을때의자체증기압이낮아야한다. (3) 분해가스 ( 산소, 질소, 수소등 ) 가나오지않아야한다. (4) 성형성및가공성, 열적순응성이좋아야한다. 만일증착재료와 support재료가화학반응을일으키거나화합물을형성하면오염물질을방출하고, 녹는점에변화를준다. 또한, 증착재료와반응이없더라도 support재료자체의증기압이높거나분해가쉽게일어난다면역시오염물질을방출하게된다. 또한 support재료는여러가지모양 (wire, sheet, boat, crucible 등 ) 을쉽게만들수있어야하며가열조건에상관없이사용할수있어야한다, 따라서 support 재료로사용되기에적당한재료로는녹는점이높은내화물금속 (refractory metals), 산화물 (oxides), BN(boron nitride) 및 carbon 등이있다. 현재저분자 OLED용증착장비에서는주로텅스텐 wire 등을열선으로사용하여간접가열하거나증발원자체의저항을이용하여가열할수있는저항가열식증발원 (source) 을사용한다. 증발원 (source) 에서직접적으로가열을담당하는것은금속이지만 support재료는매우다양하다. 증발원에장착하여증착재료를가열하는 support재료인 crucible에는다음과같은종류가있다. 1) Refractory metals 2) Refractory oxides 3) Boron Nitride 4) Carbon 2. 증발원 (Evaporation source) 의개요및종류증착재료를증발시키려면충분한 vapor가발생되도록증착재료를가열해줄수있는장치가필요하다. 이렇듯증착재료의 vapor를발생시켜주는장치를 evaporation source라한다. 증착재료와직접맞닿아있으면서열원으로부터의직접적인영향을줄이고, vapor의생성이용이하도록해주는재료를 support 재료 [5] 라하는데다음의전제조건을만족하여야한다. 일반적으로 OLED의증착재료인유기물은저항가열식증발원에 crucible을넣고가열하는방법으로증착공정에필요한 참고문헌 [4] E. A. Guggenheim, Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, 4th ed. (North Holland Publishing Company, Amsterdam, 1959). [5] L. Eckertova, Physics of Thin Films (Plenum Press, New York, 1977), Chap. 2, p. 14. 35
vapor를얻을수있으나전극으로쓰이는금속재료와같은경우에는증착온도가높아충분한 vapor를발생시키기에한계가있다. 이러한단점은 BN 등의재료로만들어진 boat에직접증착재료를놓고가열하여 vapor를발생시키는방법과전자빔 (electron beam) 을이용하여 vapor를발생시키는방법등을통하여극복될수있다. 전자빔을사용할경우, 전자 (electron) 는보통 5 10 kv로가속되며가속된전자는증착재료의표면에집중되어전자의운동에너지가열에너지로전환되면서증착재료를가열한다. 전자가충돌하는증착재료의표면부분만높은온도로올라가며나머지부분은낮은온도를유지한다. 따라서증착재료와 support 재료와의반응이억제된다는장점이있다. 전자들을가속시키는장치를 electron gun이라하며가열온도는 3000 이상도가능하다. 통상 electron gun이만들어내는전자의이동경로가직선이기때문에 gun과기판이반드시같은쪽에장착되어야하는데한쪽에다층의박막을형성하여야하는공정의특성때문에자기장 (magnetic field) 을이용하여전자의이동경로를휘어지게사용한다. 그러나이방법은 electron beam과증착물질이충돌하는순간발생하는 2차전자의영향으로박막균일도및표면형상등기판에형성된박막의질이다른방법에비해현저히떨어지고, 장비의가격이높다는단점이있다. Boat를사용하여 vapor를발생시키는방법은 electron beam 을사용하는방법보다박막의질적인측면과설치및유지비용측면에서우수한특성을보이나 boat 자체의용량이작고, 수명이짧다는단점이있다. 연속적인증착공정을위해서는자동적으로증착물질을공급해주는장치가필요한데공급량의재현성이떨어지며, 증착속도를일정하게유지하는데어려움이있다. 또한 boat의수명이짧아장시간사용하기어려우며, 증착재료의종류및증착공정의진행에따라 boat의저항값이달라져증착공정조건이변화하는문제점이있다. 이러한이유때문에고온에서사용할수있는 crucible과 source를적용하는방법이적극적으로검토되고있다. 연속공정시발생하는복사열등의문제점이있으나박막의질이나안정성측면, 공정의용이성등에서그가치가충분하다고할수있다. (1) Point source Point source는 < 그림 2> 와같이하부에고정된 source를가열하여증착물질의 vapor를발생시키고분출시켜증착공정을수행하는방법으로서가장널리쓰이는방법이다. 이때균일한박막을얻기위해서는 source의구조, source와기판사이의거리, 각도등의조건을만족하여야한다. 때문에기판의크기가커질수록거리를아주멀리하거나기판을회전시키는등의단점이있다. 대형기판의적용은대형화면의경우뿐만아니라소 그림 2. Point source 의개략도. 그림 3. Point source 가설치된유기물증착 module 내부및각각의 module 로이루어진 full color 용증착장비. 형화면의경우에도생산성측면에서매우중요하다. 따라서짧은거리에서도기판의회전과같은부가적인공정이없이균일한박막을형성할수있는구조의 source의개발이활발하게이루어지고있다. < 그림 3> 은박막의균일도를확보하기위하여 module내에다수개의 point source가설치된사진이다. Point source는연속으로증착공정을수행할경우증착재료의사용효율이현저하게떨어지고, source 자체의용량이작다는단점을가지고있다. 증착재료의사용효율저하는균일한박막을얻기위하여일정량의 vapor를계속분출해야하기때문에실제증착공정외에기판의이송이나 mask와기판의 align 공정등증착대기중일때에도많은증착재료가소모되기때문이다. Source 용량의한계는증착재료를균일한온도로가열하는데한계가있기때문이며, 동일한 crucible을여러개순서대로사용하는방법등으로해결해나가고있다. 또한 crucible 입구의막힘현상 (clogging) 이나 crucible 주변또는기판에증착재료가튀는현상 (spitting) 도큰단점으로지적되고있다. 이는 crucible 입구와몸체및증착재료의온도차이, 증착재료의순도및수분함유량등에기인하는데이를해결하기위하여순도가높고증착특성이좋은증착재료를개발하는것과아울러 crucible의구조를변경하거나 source에사용하는열선의재질 36
그림 4. 유기박막증착용 linear source. 및제작방법을변경하여온도편차를줄이는방법을사용하고있다. (2) Linear source Linear source는 < 그림 4> 와같이선형으로구성된 source 가이동하면서증착물질을분출시켜증착공정을수행하는방식이다. Point source와는달리기판과 source의거리가가깝기때문에공정시간이나증착재료의사용효율면에서장점을가지고있다. 그러나기판과 source의거리가가깝다는것은 vapor 와함께발생하는열로인하여기판및 mask 등에영향을준다는단점이되기도한다. 또한증착면의대면적화, 높은증착속도등의장점도가지고있으나온도및증착속도를제어하기어렵다는단점도가지고있다. Linear source의가장큰문제점은열에의한영향을많이받는다는점인데방열판등의구조물을설치하는등의방법으로해결해나가고있다. 열에의한영향이많다는점과온도및증착속도의제어가어렵기때문에아직까지는양산성이일반화되지않은방식이다. (3) HUHCES(Highly Uniform Heating Capacity Evaporation Source) 앞서살펴본바와같이 point source 방식과 linear source 방식모두안정한박막특성과동시에높은생산성을확보하는데많은문제점이있다. 증착속도가낮아공정시간 (tact time) 그림 5. HUHCES 를이용한하향식증착방법예. 이길어지며균일한박막을형성하기가어렵거나 vapor의발생으로인한열에의해기판이나 mask 및박막특성에영향을주기도한다. 특히기판과 mask의 alignment 문제는 OLED의특성및생산성확보에가장중요한요소가되고있다. Alignment 에관한자세한사항은차후다시언급하도록하겠다. Point source와 linear source는기판을 source의위쪽에장착하는상향식증착법이다. 이는기판및 mask의지지구조가약해지며, 안정적인동작과고정세의 alignment를저해하는원인이되고있다. 또한증착재료자체의 vapor만으로증착공정을수행하여야하기때문에증착속도가떨어지는등의문제점이발생하기도한다. 이러한문제점해결을위해개발되고있는방식중의하나가 dilution gas flow를사용하여 rate를 control하며기판을바닥에놓고, vapor의분출구를위쪽에장착하는하향식증착법이다. 이러한증착법이용시기판은고정되고 scan head 가이동하면서증착공정을진행하거나다중의홀에서나오는 vapor를대상으로기판이회전하는방법으로증착된다. 기판이바닥에고정되어있기때문에기판및 mask의처짐을방지할수있고, 안정적인 alignment 동작이가능하다. 또한 dilution gas flow를사용하기때문에높은증착속도를확보할수있고, 공정시간 (tact time) 이빨라지는장점이있다. 이러한접근과더불어기존의 dilution gas를사용하면서상향식과하향식모두 표 1. 각 source 의장 단점비교. Point source Linear source HUHCES - 작은면적에유리함 - 증착속도제어가쉬움 - 기판이나 mask 의열에대한영향이적음 - 높은증착속도가어려움 - Chamber 의길이 ( 높이 ) 가길어야함 - 증착재료의사용효율나쁨 - 양산성검증됨 - 대면적증착에유리함 - 높은증착속도가가능함 - 증착온도및증착속도제어가어려움 - 기판이나 mask 의열에대한영향이많음 - 높은증착속도가가능함 - 증착속도제어가쉬움 - align 정밀도가높음 - 기판이나 mask 의열에대한영향이적음 - Vapor 의열손실우려 - 연구, 개발단계 37
그림 6. 상향식및하향식 alignment 기구부개략도. 에적용할수있는 source 개발이진행되고있으며이 source의가장큰특징은온도에민감한 organic 재료의가열방법에있어서안정적이며균일한열전달로가열할수있다는것이며증착방법또한 dilution gas를사용하는방법및일정온도로 control 할수있는방법등그증착방법을다양화할수있다는것이다. 이러한 HUHCES를이용한증착방법은증착재료를가열하여 vapor를발생시키는 source가진공 chamber의외부에설치되기때문에 source의용량증가및물질교체가상대적으로용이하다. 그러나 source에서 deposition head까지의열손실문제와아직검증되지않은 particle 문제등해결과제가남아있다. 이러한문제점은 deposition head와 source의구조및형태변경, 열역학적해석및챔버내부구조변경등을통하여개선해나가고있는추세이다. 지금까지 OLED 제품의생산에사용되는증발원을간략히살펴보았다. 증발원을통하여증착된박막의특성은 OLED 제품의특성과직결되기때문에각증발원도양질의박막을형성하는방향으로연구 개발이진행되고있다. 3. Full color 제작을위한미세정렬기구및방법 (alignment) OLED의제작에사용되는유기박막은고진공상태에서진공증착방식을이용하여기판의표면에순차적으로형성된다. 유기박막은정공주입층 (HIL), 정공수송층 (HTL), RGB 발광층 (EML), 전자수송층 (ETL) 등의다층박막으로구성되어있고, 이박막들이증착되는진공 chamber의구성은증발원, 막두께제어센서, 기판과 shadow mask 를고정세로정렬할수있는기구및재료를증발시키기위한전원공급원 (power supply) 등으로이루어져있다. 전체박막균일도는 ±5% 범위에서제어되어야하며, full color를구현하기위해서는발광층의증착시에 shadow mask 를사용하여고정세 (±5미크론 ) 의증착패턴의형성이가능해야하고, 다른유기박막층은 ±200미크론정도의 alignment가가능한수준의장치가필요하다. OLED의 full color 구현방법에는독립발광방법, 색변환방법, color filter 이용등여러가지가있는데발광효율등을고려하여대부분의양산라인에서는 R, G, B를각각발광시키는독립발광방식을많이채택하고있다. 앞서언급한바와같이 OLED의 full color는고정세 (±5미크론 ) 의증착패턴형성이필수적이며증착패턴을형성하기위하여금속재질의 shadow mask 를사용한다. 증착패턴의정밀도를높이기위해서는 shadow mask 자체의패턴이정밀하여야할뿐만아니라기판과 mask가기구적으로정밀하게 alignment 되는것이중요하다. 또한기판과 mask가최대한밀착되어야하는데이는증착재료가기판과 mask의사이로스며들어증착패턴이번지는 shadow 현상이발생하기때문이다. 현재널리쓰이고있는상향식증착법의경우기판및 mask, align 기구등이 chamber의상부에존재하기때문에이들을지지하는구조물이불안정할수밖에없으며안정적인동작의저해원인이되고있다. 또한 mask 및기판이처지는현상이발생하여정밀한 align 공정이어렵다. 기판및 mask의처짐현상은자석을사용하여해결할수있는데 mask와기판의전면에균일한 magnetic field가생성되도록자석을배치함으로써기판과 mask의밀착도를최대한높이고있다. < 그림 6> 은자석이사용된상향식 aligner와하향식 aligner의개략도이다. 결론지금까지진공증착과 alignment를중심으로 OLED의증착공정및증착장비에대해살펴보았다. OLED의생산장비는비단증착장비에국한되지않는다. 기판의제작을위한전공정장비에서부터증착전처리장비, 세정장비, 봉지장비등많은장비들과더불어각공정이안정화되었을때비로소뛰어난품질의 OLED 제품이생산된다고볼수있다. 단위공정별로진행되는반도체나 LCD 장비에비해 OLED 장비는 ITO 박막전처리, 다층유기물성막, 금속전극성막, 보호막과봉지공정을일괄처리할수있어하나의제조장비에가깝다고볼수있다. 양질의제품을생산함과동시에높은양산성을가진생산장비를위해서는금속 shadow mask 의대형화에따른정밀가공, 기판및 mask의처짐방지및열팽창방지대책, 고정세 alignment 방법등의문제를해결하여야한다. 또한증발원관점에서는증착재료의자동공급장치, 증착재료의사용효율개선, 대형기판에균일하고고속증착이가능한증발원의개발등이필요하다. OLED 생산장비는현재많은문제점을가지고있지만해결을위하여연구 개발이활발하게이루어지고있으며그속도도매우빠르게진행되고있다. 조만간최고의경쟁력을갖춘장비로최고의 OLED 제품을만들어낼것을기대한다. 38