OLED 디스플레이 생산 공정의 지속적인 발전

Coherent PYTHON은 중요한 제조 공정의 비용을 대폭 절감하는 획기적인 고체 레이저 기술을 제공합니다.

2023년 4월 27일 Coherent

엑시머 레이저는 FPD 제조의 핵심 기술로, 펄스 간 에너지 편차가 거의 없고, 빔 프로파일도 균일한 고에너지 UV 펄스를 생성합니다. 

이러한 고유한 특성 덕분에 VYPER 엑시머 레이저 기반 Coherent 라인빔 시스템으로 ELA 공정을 진행할 수 있습니다. 스마트폰 및 태블릿 디스플레이 제조시 유리 기판 위 실리콘 층 어닐링은 매우 중요한 공정으로, ELA는 OLED FPD 제조에 최고 수준의 품질을 제공함으로써, 업계에서 (자체적으로 마련한) 표준이 되었습니다. ELA는 OLED FPD 생산의 기록 공정으로, 업계에서 자체적으로 마련한 표준입니다. 

그러나 엑시머 레이저의 고유한 UV 펄스 특성상 가동시간과 운영 비용이라는 현실적인 문제가 있습니다. 엑시머 레이저의 튜브 수명은 제한적이라, FPD 생산 라인을 최대로 가동할 경우 튜브를 정기적으로 교체해야 합니다. 또한 일부 광학 윈도우는 자외선으로 인한 열화 현상 때문에 정기적으로 교체해 주어야 합니다.

다운타임은 디스플레이 생산 라인의 비용 증가로 이어지고, 주기적인 유지보수로 인해 소모품 교체 비용이 추가됩니다.

그간 ELA공정에 필요한 고에너지 UV 펄스를 저비용으로 생성할 수 있는 레이저 기술이 없었습니다. 하지만 이제는 새로운 기술이 개발됐습니다. 

 

PYTHON의 탄생

기술을 발전시키는 지속적인 혁신 주기의 일환으로 ELA용 다이오드 레이저 펌프형 고체(DPSS) 레이저 개발 프로그램이 2019년에 Coherent에서 본격적으로 시작되었습니다. Coherent Corp.의 레이저 부문 최고 기술 책임자인 노먼 호지슨 박사는 "Coherent의 목표는 현재 전 세계 모든 생산 ELA 장비 소스인 VYPER 엑시머 레이저와 동일한 출력 특성을 가지고 있으면서 소유 비용이 더 적게 드는 레이저를 만드는 것"이었다고 말했습니다. “이를 통해 현재의 라인빔 시스템에 이 레이저를 통합하여 고객이 공정을 거의 또는 전혀 조정하지 않고 어닐링 시스템을 사용할 수 있습니다."

"물론 Coherent는 이미 높은 신뢰를 바탕으로 고체 레이저 설계 및 생산에 대한 수많은 경험과 전문성을 보유하고 있습니다. 문제는 ELA의 절대적인 요구에 부합하는 레이저를 만들기 위해 이전에 수행된 작업이 거의 없다는 것입니다. 그래서 처음부터 시작해서 새로운 기술을 개발해야 했습니다."

UV DPSS 레이저는 일반적으로 빔 품질이 M²<1.3, 펄스 에너지가 1 mJ 미만으로 설계됩니다. 이는 매우 작은 크기로 스폿 초점을 맞출 수 있어 미세가공에 이상적입니다. 훨씬 높은 출력이 필요한 경우 M²값이 최대 25에 달하고 펄스 에너지가 최대 40 mJ인 멀티 모드로 작동시킬 수 있습니다.

그러나 새로운 Coherent DPSS VYPER인 "PYTHON"은 설계 목표가 기존 설계와는 완전히 달랐습니다. VYPER의 빔 특성을 복제하려면 훨씬 높은 M²와 1 J의 펄스 에너지가 필요했습니다.

 

혁신적인 설계

ELA에 필요한 고유 출력 특성을 가진 고체 레이저를 만드는 과정에서 해결해야 할 과제는 크게 세 가지 영역으로 나뉩니다.

첫 번째는 레이저 출력을 IR에서 UV로 변환시키는 비선형 결정(Nonlinear Crystal)과 관련이 있습니다. PYTHON레이저에서는 결정의 크기와 레이저 출력의 관계가 이전의 결정들과 매우 다른 방식으로 작동합니다. 이 정도 소규모의 변환 공정을 수학적으로 모델링을 하려 해도 새로운 방법을 개발해야 했습니다.

특히 고출력 레이저에 대응할 수 있는 수준의 품질을 갖춘 대형 결정(Crystal)을 제조하는 것은 엄청난 도전이었습니다. Coherent는 사내 Advanced Crystals Group에서 품질 높은 대형 결정들을 성장시키고 제조합니다. 내부적으로 이러한 역량을 보유하는 것은 생산에 돌입할 때 안정적인 공급을 유지하는 동시에 필요한 품질을 갖춘 결정을 개발하는 데 매우 중요했습니다.

모든 광학장치에 적합한 코팅을 개발하는 것은 또 다른 도약의 순간이었습니다. 코팅은 매우 높은 레이저 플루언스를 손상 없이 처리해야 합니다. 

레이저 손상 임계값이 높은 코팅은 수십 년 동안 사용되어 왔지만, 이 응용 분야에서는 특별한 요구 사항이 있었습니다. 특히 빔 크기, 펄스 에너지, 연속 노출 조건(시스템이 사실상 24시간 연중무휴로 운영되기 때문)의 조합이 중요했습니다. 

"새로운 코팅 디자인을 개발한 후, 코팅 수명 테스트 결과와 코팅 및 구성 요소 자체 분석을 기반으로 수 차례 설계를 진행했습니다. 왜냐하면 우리가 준비하고 있는 제품은 일반적인 성능의 한계를 넘어서는 범위에서 운영해야 하기에 우리가 기존에 알고 있던 방식으로는 제대로 대응할 수 없었기 때문입니다"라고 호지슨 박사는 말했습니다. 

마지막 주요 혁신 분야는 레이저 q-스위칭 기술이었습니다. 이는 레이저 공진기 내부에 변조기를 배치하여 펄스 폭이 수십 나노초인 고에너지 펄스를 생성하는 것으로, Coherent DPSS 레이저에 사용되는 매우 일반적인 기술입니다.

그러나 PYTHON의 레이저 출력과 빔 크기는 전통적인 접근 방식을 무용지물로 만들었습니다. 그래서 Coherent 팀은 PYTHON을 위한 새로운 펄스 특허기술을 개발했습니다. 

 

다국적 팀 구성

이 모든 혁신은 여러 분야의 엔지니어링 팀 덕분에 빠르게 달성되었습니다. 이 팀은 DPSS 레이저 설계, 펌프 다이오드 아키텍처, 주파수 변환 기술, 결정 성장 및 코팅 방법에 대한 기술 전문가들로 구성되었습니다. 

팀들의 노력으로, 프로그램 시작 6개월 만에 첫 번째 레이저 시제품이 가동되었습니다. 약 1년 후 원하는 600W 출력의 프로토타입 레이저 시스템 두 대가 완성되었고, 이 레이저를 라인빔 툴에 통합하여 어닐링 테스트를 수행했습니다. 어닐링 테스트 성공 후, 최종 제품 설계 및 테스트를 진행했습니다. 이 모든 작업은 약 1년 반 만에 완료되었습니다. 

"거의 모든 레이저 부품을 맞춤형으로 개발해야 했기 때문에 PYTHON의 설계는 제 경력에서 가장 어려운 프로젝트였습니다"라고 호지슨 박사는 말했습니다. "Coherent 내 수직 계열화(수직적 통합)가 이루어지지 않았다면 이러한 성과를 달성할 수 없었을 것입니다. 우리는 주파수 변환, q-스위칭, 유전체 코팅 및 결정 성장 기술을 발전시켜야 했습니다. 이러한 기술을 개발하고 모든 제품을 자체적으로 제조할 수 있는 최고 수준의 엔지니어링 전문가가 있기에 가능한 일이었습니다. 이를 통해 필요한 성능, 품질 및 제어 수준을 달성할 수 있습니다."

이제 PYTHON은 운영 비용을 50% 절감하고 어닐링 결과까지 개선하는 ELA의 대안으로 자리잡았습니다. PYTHON에 대해 자세히 알아보십시오.

독일 괴팅겐에 있는 Coherent에서 어닐링 테스트를 실행하기 위해 라인빔 시스템에 설치 중인 PYTHON 레이저.