[논문]OLED 디스플레이 제작을 위한 Joule 유도 결정화 공정에서의 유리기판에 대한 열해석

김동현; 박승호; 홍원의; 정장균; 노재상; 이성혁

doi:10.3795/ksme-b.2009.33.10.797

OLED 디스플레이 제작을 위한 Joule 유도 결정화 공정에서의 유리기판에 대한 열해석
Thermal Analysis on Glass Backplane of OLED Displays During Joule Induced Crystallization Process 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.33 no.10 = no.289, 2009년, pp.797 - 802

김동현 (홍익대학교 대학원 기계공학과) , 박승호 (홍익대학교 기계시스템디자인공학과) , 홍원의 ((주) 엔씰텍) , 정장균 ((주) 엔씰텍) , 노재상 (홍익대학교 신소재공학과) , 이성혁 (중앙대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Large area crystallization of amorphous silicon thin-films on glass substrates is one of key technologies in manufacturing flat displays. Among various crystallization technologies, the Joule induced crystallization (JIC) is considered as the highly promising one in the OLED fabrication industries, since the amorphous silicon films on the glass can be crystallized within tens of microseconds, minimizing the thermally and structurally harmful influence on the glass. In the JIC process the metallic layers can be utilized to heat up the amorphous silicon thin films beyond the melting temperatures of silicon and can be fabricated as electrodes in OLED devices during the subsequent processes. This numerical study investigates the heating mechanisms during the JIC process and estimates the deformation of the glass substrate. Based on the thermal analysis, we can understand the temporal and spatial temperature fields of the backplane and its warping phenomena.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 펄스의 세기는 무한정 올릴 수만은 없으므로 적절한 설계 조건을 찾아야 한다. 본 연구에서는 고온에서 기판 변형의 메커니즘을 분석하고 다양한 펄스 조건에 대하여 결정화를 위한 최소 펄스 세기와 이에 따른 기판 변형을 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 이를 통하여 적절한 변형의 허용 범위 안에서 설계 조건을 찾을 수 있을 것으로 예상된다.

제안 방법

각 재료의 물성은 온도에 따라 변하므로,^(9~12) 수치해석을 통하여 시뮬레이션 하였다. S 는 금속 박막 전체에 균일하다고 가정하여 펄스 인가 시 실제 측정한 전압과 전류로부터 결정하였다.
연구대상 소자의 기본구조는 유리기판 위에 SiO₂ 를 PECVD 방법으로 통해 300nm 두께로 증착하고 그 위에 Mo 박막 층을 sputtering 으로 100nm 만큼 증착하고, 그 위에 다시 SiO₂와 비정질 Si 층을 PECVD 방법을 통해 각각 300nm 와 50nm 씩 증착한 구조이고, 이를 Fig. 1 에 간략히 나타내었다. 실제 실험에 사용된 0 세대 비정질 Si-유리기판의 크기는 길이와 폭이 각각 20mm x 20mm 이다.
따라서 JIC 공정에서 중요한 것은 결정화를 위한 실리콘 박막의 가열과 기판 변형 방지를 위한 짧은 공정 시간으로 꼽을 수 있다. 이에 대한 최적공정설계를 위하여 본 연구에서는 JIC 공정에서 기판의 온도 해석 및 변형을 수치적 시뮬레이션 하였다.

대상 데이터

사용된 유리는 Corning Eagle 2000 모델로 η 는 제조사에 제공한 자료를 사용하였다.
1 에 간략히 나타내었다. 실제 실험에 사용된 0 세대 비정질 Si-유리기판의 크기는 길이와 폭이 각각 20mm x 20mm 이다. 각층의 두께는 전체 시편의 길이와 폭에 비하여 매우 작으므로 1 차원 열전달 문제로 근사 할 수 있고 각층에 대한 지배방정식은 아래와 같다.

이론/모형

본 연구에서는 상용 소프트웨어 ABAQUS⁽¹⁴⁾를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
이때 유리는 물과 같은 완전한 액체 상태가 아닌 점탄성체이다. 점탄성체에 대한 해석은 여러 가지가 있으나 고정된 변형에 대한 stress relaxation 의 영향을 모델링 한 Maxwell 모델(13)을 사용하였고 아래와 같다.

성능/효과

(3) 온도가 가장 낮은 상태에서 결정화를 유도하는 SPC 의 경우 유리기판을 사용할 수 있는 상대적으로 낮은 온도에서 공정이 가능하지만 수 시간 이상의 긴 공정시간이 큰 약점으로 꼽힌다.⁽⁴⁾ ELC 는 저온 결정화가 가능하지만 레이저 스캔시간과 균일성이 떨어지고 스캔과정에서 오버랩에 의한 자국이 남는 단점을 가지고 있다⁽⁵⁾.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다결정 실리콘은 어떠한 장점을 가지는가?	그러나 단결정 실리콘의 대면적화는 매우 어려워 현실적으로 불가능 하기에, 이에 대한 대안으로 다결정 실리콘이 사용되고 있다. 다결정 실리콘 역시 비정질 실리콘에 비하여 우수한 열적, 전기적 특성을 가지며 대면적 생산이 가능한 장점이 있다.
	JIC 공정에서 결정화된 실리콘 박막의 높은 균일성이 보장되는 이유는 무엇인가?	따라서 SPC 및 MIC 등의 방법에 비하여 공정시간이 매우 짧고 RTA 와 비교 시 고온으로 올라가는 점에서는 같으나 JIC 방법은 그 시간이 수십-수백 µs 이내므로 열 침투 깊이가 수백 µm 로 제한될 수 있으므로 유리 등의 열에 취약한 소재를 사용할 수 있다. 또한 소자 전체를 금속성의 박막으로 덮고 이를 통하여 가열하므로 결정화된 실리콘 박막의 높은 균일성 또한 보장된다. 따라서 JIC 공정에서 중요한 것은 결정화를 위한 실리콘 박막의 가열과 기판 변형 방지를 위한 짧은 공정 시간으로 꼽을 수 있다.
	이중 직접 증착 방법은 어떠한 방법인가?	이러한 다결정 실리콘은 제작하는 방식은 기본적으로는 직접 기판 위에 증착하거나 비정질 실리콘을 증착한 후 다양한 후처리 공정을 거쳐 다결정으로 변화시키는 방법으로 구분할 수 있다. 이중 직접 증착 방법은 600 °C LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) 공정을 통하여 다결정 실리콘을 유리기판 위에 증착시키는 방법으로, 결정립 크기 (grain size)가 약 50 nm 로 작고, 미세 쌍정 (microtwin) 등의 결함이 많고, 표면이 거칠고 공정시간이 비교적 긴 단점이 있다.(1,2) 반면, 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 변화시키는 방법은 엑시머 레이저 결정화 (ELC), rapid thermal annealing (RTA), metal induced crystallization (MIC), solid phase crystallization (SPC), Joule-heating induced crystallization (JIC) 등 다양한 방법이 개발되었거나 개발중인 상태에 있다.

참고문헌 (14)

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Samsung Corning Precision Glass Inc, www.samsungscp.co.kr
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Bower, D. I., 2002, An Introduction to Polymer Physics, Cambridge University Press, Cambridge, UK
ABAQUS 6.8, www.simulia.com

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