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문제 정의
- 이를 보완하기 위하여 본 연구에서는 듀얼 니들(dualneedle)을 이용하여 코팅된 유기 박막의 패터닝 가능성을 조사하였다. 이전 연구에서 우리는 needle 코팅을 이용하여 미세 스프라이프를 제작할 수 있음을 보였다[5].
- 이번 실험에서는 패터닝 공정을 이용하여 미세 PEDOT:PSS stripe 패턴을 얻을 수 있는지 연구하였다. 이를 위하여 패턴 영역 사이의 간격을 최대한 줄여 PEDOT:PSS 박막을 패터닝하였다.
제안 방법
- (a)와 같이 니들을 이용하여 용액 토출량 0.001ml/min, 코팅 갭 40μm, 코팅 속도20mm/s에서 ITO(indium tin oxide) 기판 위에 200μm 폭의 PEDOT:PSS stripe를 코팅하였다.
- 1wt% 첨가하였다.PEDOT:PSS 박막이 코팅된 PET 필름 기판을 plate-type 슬롯 다이 코터에 거치한 뒤 패터닝 공정을 진행하였다. Fig.
- 기판의 이동 속도가 9mm/s일 경우 약 320μm 정도 패턴 폭이 형성되었기 때문에 이를 고려하여 350μm 와 400μm 위치에서 2차 패터닝을 진행하였다.
- 이러한 구부러짐에 의한 튜브 내부의 압력 변동으로 인해 토출량이 변하며, 기판 위에 전달되는 용매의 부피가 달라져 패턴 면적의 변화가 일어난다. 따라서 회전 모듈 구동 시 튜브의 변형이 일어나지 않도록 펌프와 회전 모듈이 일체화된 시스템을 구축하였다.
- 마지막으로 패턴된 영역의 절연 특성을 알아보기 위하여 OLED 소자를 제작하였다. Fig.
- 먼저 공정 변수 중 하나인 기판의 이동 속도변화에 따른 패턴 형상 변화를 조사하였다. 기판의 이동 속도는 유기박막이 코팅된 기판에 단위 면적당 토출되는 용매의 부피와 토출 후 흡입까지 기판에 머무는 시간을 제어하는 중요한 변수이다.
- 이번 실험에서는 패터닝 공정을 이용하여 미세 PEDOT:PSS stripe 패턴을 얻을 수 있는지 연구하였다. 이를 위하여 패턴 영역 사이의 간격을 최대한 줄여 PEDOT:PSS 박막을 패터닝하였다. 즉, 1차 패터닝 위치에서 회전 모듈을 y축 방향으로 이동시켜 2차 패터닝을 한 뒤 두 패턴영역 사이에 남아 있는 미 식각 영역을 관찰하였다.
- 이어서 suction needle의 필요성을 육안으로 확인하기 위하여 용매 흡입 공정을 제외하고 패터닝을 진행하였다. 실험 조건 중 기판의 이동 속도는 앞선 실험 3.
- 정공 수송층(HTL,hole transport layer)으로 N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-bis(phenyl)-benzidine(TPD)를 40nm증착하였다.
- 발광층(EML,emissionlayer)으로는 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl(CBP)에 fac-tris(2-phenylpyridine)iridium(Ir(ppy)3)을 8wt% 도핑하여 15nm 두께로 증착하였다. 정공 차단층(HBL, hole blocking layer)으로는 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(Bphen)을 10nm 증착하였으며, 전자 수송층(ETL, electron transport layer)으로는tri-(8-hydroxyqunoline) aluminum(Alq3)를 30nm 증착하였다. 전자 주입층(EIL, electron injection layer)으로는 lithium fluoride (LiF)를 사용하여 1nm 두께로 증착 한 후 음극으로 aluminum (Al)을 100nm 두께로 증착하였다.
- 이를 위하여 패턴 영역 사이의 간격을 최대한 줄여 PEDOT:PSS 박막을 패터닝하였다. 즉, 1차 패터닝 위치에서 회전 모듈을 y축 방향으로 이동시켜 2차 패터닝을 한 뒤 두 패턴영역 사이에 남아 있는 미 식각 영역을 관찰하였다. 기판의 이동 속도가 9mm/s일 경우 약 320μm 정도 패턴 폭이 형성되었기 때문에 이를 고려하여 350μm 와 400μm 위치에서 2차 패터닝을 진행하였다.
- 본 연구에서는 용도가 서로 다른 두 개의 니들을 기존 슬롯 다이 코터에 슬롯 다이 헤드와 함께 장착함으로써 별도의 패터닝 장비를 사용하지 않고 연속해서 슬롯 코팅된 대면적 유기 박막이나 스트라이프를 패터닝 할 수 있음을 보였다. 즉, 슬롯 코팅된 유기박막의 용매(main solvent)를 토출하는 discharge needle과 용해된 박막을 흡입하는 suctionneedle을 일정 간격으로 설치하여 기판 이동 속도에 따른 패턴 형상, 용매 미 흡입에 의한 패터닝 현상, 패터닝 공정에 의한 미세 stripe 형성, 그리고 OLED 소자 제작을 통한 패턴 영역의 절연 특성을 분석하였다.
- 특히 두 개의 니들이 일직선상에 위치해야만 앞서 토출된 용매를 뒤 따라오는 suction needle이 모두 흡입할 수 있기 때문에 회전 모듈의 θ축을 회전하여 두 니들을 정밀하게 정렬하였다.
- 특히 두 개의 니들이 일직선상에 위치해야만 앞서 토출된 용매를 뒤 따라오는 suction needle이 모두 흡입할 수 있기 때문에 회전 모듈의 θ축을 회전하여 두 니들을 정밀하게 정렬하였다. 회전 모듈에는 소형 infusion 펌프를 사용하여 회전 모듈과 함께 움직이도록 일체화하였다. 만약 infusion펌프가 회전 모듈에서 멀리 떨어져 있을 경우 펌프에서needle까지 용액 공급 튜브를 길게 연결해야 하는데, 이때회전 모듈의 θ축 회전이나 y축 이동에 의하여 튜브가 구부러지는 움직임이 발생한다.
대상 데이터
- 발광층(EML,emissionlayer)으로는 4,4'-bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl(CBP)에 fac-tris(2-phenylpyridine)iridium(Ir(ppy)3)을 8wt% 도핑하여 15nm 두께로 증착하였다.
- 실험에 사용한needle(Hamilton 사)은 외경 210μm, 내경 108μm이며 끝 단은뾰족하지 않고 평탄한 형상을 갖는다.
- 1wt% 첨가하여 폭 150mm, 두께 120nm의 PEDOT:PSS 코팅 막을 준비하였다. 이 박막을 패터닝하기 위한 용매로 PEDOT:PSS의 주 용매인 물(deionized water)을 사용하였으며 여기에도 계면활성제를 0.1wt% 첨가하였다.PEDOT:PSS 박막이 코팅된 PET 필름 기판을 plate-type 슬롯 다이 코터에 거치한 뒤 패터닝 공정을 진행하였다.
- 패터닝 실험에 사용할 박막 코팅 샘플로 롤투롤(roll-toroll) 슬롯 다이 코터를 이용하여 Polyethylene terephthalate(PET) 필름 기판에 OLED 정공 주입층(hole injection layer, HIL)용으로 널리 쓰이는 수계PEDOT:PSS (Clevios AI 4083)를 코팅하였다. 이때 젖음성을 개선하기 위한 불소계 계면활성제를 0.
성능/효과
- 결과에서 보여지듯이 기판의 이동 속도가 증가함에 따라 패턴 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 기판의 이동 속도가 가장 느린 6mm/s에서는 약 366μm의 패턴 폭을 보였으나 이동 속도가 증가할수록 패턴 폭이 점차 감소하여 9mm/s에서는 321μm, 12mm/s에서는 296μm, 15mm/s에서는 272μm로 측정되었다.
- 또한 일정 간격 반복 패터닝을 통해 100μm이하의 미세 PEDOT:PSS stripe 형성도 가능함을 보였다. 기판 이동 속도가 증가할수록 패턴 폭이 줄어들고 패턴 깊이가 감소함을 보였다. 즉, 이동 속도가 너무 빠를 경우 충분한 식각이 이루어지지 않았다.
- 기판의 이동 속도가 가장 느린 6mm/s에서는 약 366μm의 패턴 폭을 보였으나 이동 속도가 증가할수록 패턴 폭이 점차 감소하여 9mm/s에서는 321μm, 12mm/s에서는 296μm, 15mm/s에서는 272μm로 측정되었다.
- 또한 일정 간격 반복 패터닝을 통해 100μm이하의 미세 PEDOT:PSS stripe 형성도 가능함을 보였다.
- 본 연구에서는 듀얼 니들(discharge and suction needles)을 이용하여 코팅된 유기 박막(PEDOT:PSS)을 패터닝할 수 있음을 보였다. 또한 일정 간격 반복 패터닝을 통해 100μm이하의 미세 PEDOT:PSS stripe 형성도 가능함을 보였다.
- 이전 연구에서 우리는 needle 코팅을 이용하여 미세 스프라이프를 제작할 수 있음을 보였다[5]. 본 연구에서는 용도가 서로 다른 두 개의 니들을 기존 슬롯 다이 코터에 슬롯 다이 헤드와 함께 장착함으로써 별도의 패터닝 장비를 사용하지 않고 연속해서 슬롯 코팅된 대면적 유기 박막이나 스트라이프를 패터닝 할 수 있음을 보였다. 즉, 슬롯 코팅된 유기박막의 용매(main solvent)를 토출하는 discharge needle과 용해된 박막을 흡입하는 suctionneedle을 일정 간격으로 설치하여 기판 이동 속도에 따른 패턴 형상, 용매 미 흡입에 의한 패터닝 현상, 패터닝 공정에 의한 미세 stripe 형성, 그리고 OLED 소자 제작을 통한 패턴 영역의 절연 특성을 분석하였다.
- 4. 의 3D 프로파일 측정 결과를 보면 이동 속도 9mm/s까지는 코팅되어 있는 120nm의 PEDOT:PSS 박막이 모두 식각된 것을 볼 수 있으나12mm/s에서는 103nm, 15mm/s에서는 97nm까지만 식각된 것으로 측정되어 토출된 용매가 기판에 코팅되어 있는 박막을 완전히 제거하지 못한 것을 확인할 수 있다. 이는 토출된 용매가 기판에 머무는 시간이 충분치 못해 코팅된 박막이 완전히 용해되기 전에 흡입되었기 때문이다.
후속연구
- 이때 식각 경계면에서 박막의 두께가 완만히 변하는 슬로프 구간이150μm~200μm 정도 형성되었다. OLED 소자를 제작하여 패터닝 공정의 우수한 절연 특성을 육안으로 확인하였지만 식각 잔여물, 긴 슬로프 구간 등은 향후 더 개선할 필요가 있다. 이러한 needle을 이용한 새로운 패터닝 공정은 향후 패터닝이 어려운 여러 코팅 공정에 적용 가능할 것으로 기대된다.
- OLED 소자를 제작하여 패터닝 공정의 우수한 절연 특성을 육안으로 확인하였지만 식각 잔여물, 긴 슬로프 구간 등은 향후 더 개선할 필요가 있다. 이러한 needle을 이용한 새로운 패터닝 공정은 향후 패터닝이 어려운 여러 코팅 공정에 적용 가능할 것으로 기대된다.
- 이와 같이 OLED 소자에 dual needle에 의한 패터닝 공정을 적용하여 원하는 위치에 절연시킬 수 있음을 보였다. 패턴 영역 근처에서 두께 균일도가 변화하고 식각 잔여물이 미량 존재하는 현상이 확인되었으나 식각 시간을 고려한 기판이동 속도 변경 등의 공정 최적화 및 suction needle의 크기증가를 통해 개선이 가능할 것으로 생각된다.
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