[논문]트리즈 기반 OLED 증착 공정의 글래스 열 변형 개선

이우성; 최진영

doi:10.11627/jkise.2017.40.1.114

문제 정의

적용되는 물체는 일반적으로 0 < ε < 1의 값으로 표현된다[8]. 본 논문에서는 85%이상의 고방사율 히터를 적용하여 손실되는 열에너지를 최소화하고자 하였다. 히터의 적정온도 산출은 히터의 표면부하 밀도와 스테판-볼츠만 법칙을 적용한 후 분리 실험을 통해 최적온도를 설정하였다.
본 논문에서는 OLED 패널 생산 기술이 고도화됨에 따라 고해상도 제품 적용에 의한 품질 문제 중의 하나로써 OLED 증착 공정에서 이슈가 되고 있는 글래스 열 변형에 의한 픽셀 위치 틀어짐을 개선할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 먼저 열 변형에 대한 다양한 원인을 특성요인도를 이용하여 분석하고, X-Y행렬을 이용하여 품질 불량에 대한 조치인 글래스 폐기, 수선, 엔지니어의 품질 확인 등에 대해 평가하여 도출된 각 요인들의 중요성의 우선 순위를 정하였다.
본 논문에서는 OLED 패널 생산 기술이 고도화됨에 따라 고해상도 제품 적용에 의한 품질 문제 중의 하나로써 OLED 증착 공정에서 이슈가 되고 있는 글래스 열 변형에 의한 픽셀 위치 틀어짐을 개선할 수 있는 방법을 제안하였다. 이를 위해 열 변형에 대한 다양한 원인을 특성요인도를 이용하여 분석하고, X-Y행렬을 이용하여 품질 불량에 대한 원인을 도출하였다.
본 논문에서는 기존 연구들의 실험 방법 응용 및 추천 원리를 반영하여 글래스 열 변형 최소화를 위한 개선안으로 히터 설치를 통한 열 제어 방식을 고안하였다. 그 이유는 이를 통해 後 공정 이동 체임버 투입 전의 글래스 온도를 목표 온도로 유지하면서 글래스 대기시간에 따른 온도 변화를 최소화할 수 있기 때문이다.
이러한 불량 발생의 근본 원인 10가지 항목에 대해서 원인과 대책을 마련하는 것이 필요하지만 그 중에서도 신공법 및 신기술 도입에 따른 공정 조건 정립 등에 대해서는 오랜 시간이 필요하기 때문에 본 논문에서는 생산 현장 內에서 근본 및 직접적으로 문제 해결이 가능한 설비적 제어와 운영의 항목에 대한 해결 방안을 제안하고자 하였다. 특히 이러한 항목 중에서 고장 및 불량 발생의 우선순위가 높고 글래스 열 변형과의 관련성이 있는 다음 2가지 항목에 대하여 집중적으로 분석하고 대책을 찾고자 하였다.
증착 공정에서 고온에 의한 글래스 열 변형 최소화를 위해 생산 현장에 바로 적용할 수 있는 열 제어 기술에 관련된 생산 운영 및 설비 제어 측면을 우선 고려하였다. 즉, 물류 라인 정체에 의한 글래스 대기시간에 따른 온도 변화를 최소화하여 後 공정 프로세스 체임버 투입 온도를 제어하고자 하였다.
이러한 불량 발생의 근본 원인 10가지 항목에 대해서 원인과 대책을 마련하는 것이 필요하지만 그 중에서도 신공법 및 신기술 도입에 따른 공정 조건 정립 등에 대해서는 오랜 시간이 필요하기 때문에 본 논문에서는 생산 현장 內에서 근본 및 직접적으로 문제 해결이 가능한 설비적 제어와 운영의 항목에 대한 해결 방안을 제안하고자 하였다. 특히 이러한 항목 중에서 고장 및 불량 발생의 우선순위가 높고 글래스 열 변형과의 관련성이 있는 다음 2가지 항목에 대하여 집중적으로 분석하고 대책을 찾고자 하였다.

제안 방법

3단계에서 도출된 13개의 추천원리 중 적용 가능 有/無를 확인하기 위해 2회 이상 도출된 항목을 우선 고려하였다. 그 결과, 분할(1), 사전 조치(10), 셀프서비스(25) 항목은 중복 도출된 항목이며, 글래스 열 제어를 위한 개선안 적용 가능 항목으로 분류되었다.
고온에 의한 글래스 열 변형 최소화를 위해 창의적 문제 해결 방법인 트리즈를 적용하여 해결 방안을 모색하였다. 모순행렬을 활용한 문제 해결은 다음과 같이 5단계로 나누어 단계별 적용되었다.
이를 위해 열 변형에 대한 다양한 원인을 특성요인도를 이용하여 분석하고, X-Y행렬을 이용하여 품질 불량에 대한 원인을 도출하였다. 그 결과 제어 기술 부족에 의한 글래스 팽창/수축 발생이 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 가장 큰 영향을 끼치는 원인인 것으로 확인하였고, 선정된 문제점들에 대해 TRIZ 기법을 활용하여 해결책을 제안하였다. 그 결과 글래스 예열을 통하여 글래스 온도의 편차가 개선안 적용 전 대비 약 23% 수준 개선됨을 확인하였다.
히터의 적정온도 산출은 히터의 표면부하 밀도와 스테판-볼츠만 법칙을 적용한 후 분리 실험을 통해 최적온도를 설정하였다. 글래스와 히터의 거리는 [Figure 12]와 같이 글래스의 온도균일도 변화실험을 통해 설정하였다. [Figure 12(a)]는 히터를 일정 온도로 고정한 후, 글래스와 히터사이의 거리를 30mm, 50mm, 100mm로 변화시키면서 글래스 온도를 측정한 그래프이다.
이를 통해 열 제어 기술 부족에 의한 글래스 팽창/수축 발생이 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 가장 큰 영향을 끼치는 원인인 것으로 확인하였다. 또한, 선정된 문제점들에 대해 TRIZ[1] 기법을 활용하여 해결책을 모색하고, 적용 실험을 통해 제안된 개선안의 효율성을 확인하였다.
먼저 OLED 증착 공정에서의 동작상태 확인을 통한 글래스 열 변형 발생 원인을 분석하였다. OLED 증착 공정은 글래스에 유/무기물 증착을 위해서는 글래스가 물류 체임버(chamber)를 통해 반송되고, 정해진 각 프로세스 체임버에서 고온 및 고진공 상태에서 플라즈마(plasma) 처리, 유기 재료, 금속 증착을 하는 인라인 방식이다[5].
문제의 상황을 정의하여 문제의 원인을 파악하는 단계로써, 알트슐러의 39가지 공학적 변수를 활용하여 문제를 구성하였다. 증착 공정에서 고온에 의한 글래스 열 변형 최소화를 위해 생산 현장에 바로 적용할 수 있는 열 제어 기술에 관련된 생산 운영 및 설비 제어 측면을 우선 고려하였다.
본 논문에서는 OLED 증착 공정에서의 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 영향을 끼칠 수 있는 요인을 설비(machine), 공정(process), 부품/재료(material), 사람(man)의 4가지 범주로 분류하고 [Figure 9]와 같이 특성요인도로 표현하였다. 설비 조건에서는 설비 가동을 위한 하드웨어 및 소프트웨어 문제를 포함하였다.
이를 위해 OLED 마스크 픽셀 위치 틀어짐의 결과에 따른 치명도를 3단계로 나누어 다음과 같이 가중치를 부여하였다. 불량이 발생되어 생산의 중지 또는 글래스 폐기로 인해 수율에 영향을 끼치는 경우는 가중치 5, 품질 불량 발생으로 글래스 수리 발생 및 생산 주기가 늘어나는 경우는 4, 마지막으로 엔지니어의 품질 확인으로 끝나는 경우를 1로 두었다.
공정 측면에서는 고객의 수요에 비해 공정 관리 조건 및 방법의 개선은 상대적으로 미흡한 것을 포함하였다. 사람 측면에서는 엔지니어와 외부 인력의 보전, 점검 및 고장 조치 능력의 부족 등을 포함하였다.
이 외 도출된 항목 중 추가 적용 가능 항목으로 사전 예방 조치(11)와 중간 매개물(24)을 반영하였다. 사전 예방 조치(11) 항목은 글래스 대기시간의 증가에 따른 글래스 온도의 변화에 대해 사전 예방하기 위해 적용하였고, 중간 매개물(24) 항목은 선행 연구의 글래스 예열에 대한 필요성 및 실험 방법 응용을 통해 적용하게 되었다.
트리즈를 통해 도출된 추천원리를 반영한 설치 개념은 다음과 같다. 유지보수를 위해 버퍼 체임버와 히터의 분리가 가능하도록 설계하였고, 글래스의 온도에 따라 히터가 동작될 수 있도록 자동제어시스템 방식을 적용하였다. 즉, 적외선 열 감지 센서를 통해 글래스 온도를 감지하고, 이를 비례적분미분(proportional integral derivative : PID)제어를 통해 히터 열 제어 시스템이 최단 시간 내에 목표 온도에 도달할 수 있도록 구성하였다.
그 결과, 분할(1), 사전 조치(10), 셀프서비스(25) 항목은 중복 도출된 항목이며, 글래스 열 제어를 위한 개선안 적용 가능 항목으로 분류되었다. 이 외 도출된 항목 중 추가 적용 가능 항목으로 사전 예방 조치(11)와 중간 매개물(24)을 반영하였다. 사전 예방 조치(11) 항목은 글래스 대기시간의 증가에 따른 글래스 온도의 변화에 대해 사전 예방하기 위해 적용하였고, 중간 매개물(24) 항목은 선행 연구의 글래스 예열에 대한 필요성 및 실험 방법 응용을 통해 적용하게 되었다.
즉, 적외선 열 감지 센서를 통해 글래스 온도를 감지하고, 이를 비례적분미분(proportional integral derivative : PID)제어를 통해 히터 열 제어 시스템이 최단 시간 내에 목표 온도에 도달할 수 있도록 구성하였다. 이러한 버퍼 체임버 內 히터 설치는 유/무기 재료 증착 전 투입 글래스의 온도 변화를 최소화하여 글래스와 마스크 간의 패턴 정밀도가 향상될 수 있도록 하였다.
특성요인도를 통해 도출된 원인 변수 중에서 근본 원인을 찾기 위해 [Table 2]와 같이 X-Y 행렬을 작성하였다. 이를 위해 OLED 마스크 픽셀 위치 틀어짐의 결과에 따른 치명도를 3단계로 나누어 다음과 같이 가중치를 부여하였다. 불량이 발생되어 생산의 중지 또는 글래스 폐기로 인해 수율에 영향을 끼치는 경우는 가중치 5, 품질 불량 발생으로 글래스 수리 발생 및 생산 주기가 늘어나는 경우는 4, 마지막으로 엔지니어의 품질 확인으로 끝나는 경우를 1로 두었다.
본 논문에서는 OLED 패널 생산 기술이 고도화됨에 따라 고해상도 제품 적용에 의한 품질 문제 중의 하나로써 OLED 증착 공정에서 이슈가 되고 있는 글래스 열 변형에 의한 픽셀 위치 틀어짐을 개선할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 먼저 열 변형에 대한 다양한 원인을 특성요인도를 이용하여 분석하고, X-Y행렬을 이용하여 품질 불량에 대한 조치인 글래스 폐기, 수선, 엔지니어의 품질 확인 등에 대해 평가하여 도출된 각 요인들의 중요성의 우선 순위를 정하였다. 이를 통해 열 제어 기술 부족에 의한 글래스 팽창/수축 발생이 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 가장 큰 영향을 끼치는 원인인 것으로 확인하였다.
본 논문에서는 OLED 패널 생산 기술이 고도화됨에 따라 고해상도 제품 적용에 의한 품질 문제 중의 하나로써 OLED 증착 공정에서 이슈가 되고 있는 글래스 열 변형에 의한 픽셀 위치 틀어짐을 개선할 수 있는 방법을 제안하였다. 이를 위해 열 변형에 대한 다양한 원인을 특성요인도를 이용하여 분석하고, X-Y행렬을 이용하여 품질 불량에 대한 원인을 도출하였다. 그 결과 제어 기술 부족에 의한 글래스 팽창/수축 발생이 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 가장 큰 영향을 끼치는 원인인 것으로 확인하였고, 선정된 문제점들에 대해 TRIZ 기법을 활용하여 해결책을 제안하였다.
유지보수를 위해 버퍼 체임버와 히터의 분리가 가능하도록 설계하였고, 글래스의 온도에 따라 히터가 동작될 수 있도록 자동제어시스템 방식을 적용하였다. 즉, 적외선 열 감지 센서를 통해 글래스 온도를 감지하고, 이를 비례적분미분(proportional integral derivative : PID)제어를 통해 히터 열 제어 시스템이 최단 시간 내에 목표 온도에 도달할 수 있도록 구성하였다. 이러한 버퍼 체임버 內 히터 설치는 유/무기 재료 증착 전 투입 글래스의 온도 변화를 최소화하여 글래스와 마스크 간의 패턴 정밀도가 향상될 수 있도록 하였다.
문제의 상황을 정의하여 문제의 원인을 파악하는 단계로써, 알트슐러의 39가지 공학적 변수를 활용하여 문제를 구성하였다. 증착 공정에서 고온에 의한 글래스 열 변형 최소화를 위해 생산 현장에 바로 적용할 수 있는 열 제어 기술에 관련된 생산 운영 및 설비 제어 측면을 우선 고려하였다. 즉, 물류 라인 정체에 의한 글래스 대기시간에 따른 온도 변화를 최소화하여 後 공정 프로세스 체임버 투입 온도를 제어하고자 하였다.

대상 데이터

본 논문에서 적용된 히터 설치 개략도를 [Figure 11]에 나타내었다. 사용된 체임버는 녹슬지 않는 강철(stainless steel : STS, KS 규격) 재질이고, 글래스 가열장치를 버퍼 체임버 상단에 설치하고, 히터 온도는 K타입 열전대를 사용하였다. 트리즈를 통해 도출된 추천원리를 반영한 설치 개념은 다음과 같다.

이론/모형

개선 및 악화되는 특성을 도출하고 모순행렬표에 적용하였다. 교차 부분의 추천 원리를 통하여 문제점 해결에 응용하여 도출된 추천원리는 다음과 같다: 분할(1), 추출(2), 사전조치(10), 사전예방조치(11), 굴리기(12), 역방향(13), 차원 바꾸기(17), 기계적 진동(18), 중간매개물(24), 셀프서비스(25), 복제(26), 기계시스템의 대체(28), 색깔변경(32).
본 논문에서는 85%이상의 고방사율 히터를 적용하여 손실되는 열에너지를 최소화하고자 하였다. 히터의 적정온도 산출은 히터의 표면부하 밀도와 스테판-볼츠만 법칙을 적용한 후 분리 실험을 통해 최적온도를 설정하였다. 글래스와 히터의 거리는 [Figure 12]와 같이 글래스의 온도균일도 변화실험을 통해 설정하였다.

성능/효과

그 결과 제어 기술 부족에 의한 글래스 팽창/수축 발생이 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 가장 큰 영향을 끼치는 원인인 것으로 확인하였고, 선정된 문제점들에 대해 TRIZ 기법을 활용하여 해결책을 제안하였다. 그 결과 글래스 예열을 통하여 글래스 온도의 편차가 개선안 적용 전 대비 약 23% 수준 개선됨을 확인하였다.
3단계에서 도출된 13개의 추천원리 중 적용 가능 有/無를 확인하기 위해 2회 이상 도출된 항목을 우선 고려하였다. 그 결과, 분할(1), 사전 조치(10), 셀프서비스(25) 항목은 중복 도출된 항목이며, 글래스 열 제어를 위한 개선안 적용 가능 항목으로 분류되었다. 이 외 도출된 항목 중 추가 적용 가능 항목으로 사전 예방 조치(11)와 중간 매개물(24)을 반영하였다.
이를 위해 먼저 열 변형에 대한 다양한 원인을 특성요인도를 이용하여 분석하고, X-Y행렬을 이용하여 품질 불량에 대한 조치인 글래스 폐기, 수선, 엔지니어의 품질 확인 등에 대해 평가하여 도출된 각 요인들의 중요성의 우선 순위를 정하였다. 이를 통해 열 제어 기술 부족에 의한 글래스 팽창/수축 발생이 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 가장 큰 영향을 끼치는 원인인 것으로 확인하였다. 또한, 선정된 문제점들에 대해 TRIZ[1] 기법을 활용하여 해결책을 모색하고, 적용 실험을 통해 제안된 개선안의 효율성을 확인하였다.
[Figure 13]은 히터를 적용한 전/후의 글래스 온도 산포를 나타낸다. 히터 적용 전 글래스 온도의 표준편차와 적용 후 글래스 온도 표준편차를 비교할 때, 글래스 온도 산포가 약 23% 수준 개선됨을 확인할 수 있었다.

후속연구

지금까지 OLED 생산업체의 생산 공정에서는 관련 문제점 해결을 위해 증착 공정의 프로세스(process) 개선 및 생산 운영 기준 정립, 설비 개조/개선 등의 많은 노력과 시행착오를 겪으며 끊임없는 노력을 하고 있지만, 그 결과는 아직 미비한 수준이다. 따라서 생산 및 품질을 저하시키는 항목들에 대해서 문제점 도출, 원인 분석 및 해당 문제점들에 대한 해결 대책 마련이 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OLED 증착 공정 중에 발생하는 글래스 픽셀 위치 틀어짐의 가장 큰 원인은?	이를 위해 열 변형에 대한 다양한 원인을 특성요인도를 이용하여 분석하고, X-Y행렬을 이용하여 품질 불량에 대한 원인을 도출하였다. 그 결과 제어 기술 부족에 의한 글래스 팽창/수축 발생이 글래스 픽셀 위치 틀어짐에 가장 큰 영향을 끼치는 원인인 것으로 확인하였고, 선정된 문제점들에 대해 TRIZ 기법을 활용하여 해결책을 제안하였다. 그 결과 글래스 예열을 통하여 글래스 온도의 편차가 개선안 적용 전 대비 약 23% 수준 개선됨을 확인하였다.
	OLED는 무엇인가?	OLED는 발광성 유기재료를 양극과 음극 사이에 다층의 샌드위치 모양으로 형성한 후, 전기적 여기에 의한 발광 현상을 이용하는 디스플레이로 “Organic Light Emitting Diode”의 약자이다[9]. [Figure 1]은 OLED의 일반적 구조로서, OLED의 빛이 캐소드(음극)을 통과해 글래스 면으로 나가는 것을 표현한 것이다[11].
	OLED 생산 기술의 수준이 높아짐에 따라 발생한 문제점은 무엇인가?	그러나 고객 욕구를 만족시키기 위한 OLED 생산 기술의 수준이 높아질수록 생산과 품질의 문제점도 발생되고 있다[2]. 대표적으로 글래스(glass) 깨짐에 의한 생산 효율 저하, 픽셀 (pixel)간 위치(position) 틀어짐으로 인한 픽셀 혼색 및 결색 발생 등의 품질 불량이 있다. 지금까지 OLED 생산업체의 생산 공정에서는 관련 문제점 해결을 위해 증착 공정의 프로세스(process) 개선 및 생산 운영 기준 정립, 설비 개조/개선 등의 많은 노력과 시행착오를 겪으며 끊임없는 노력을 하고 있지만, 그 결과는 아직 미비한 수준이다.

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