KR100198803B1 - 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조 - Google Patents

청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조 Download PDF

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Abstract

적색 및 녹색에 비해 아직 상용화에 미흡한 청색 박막 전계 발광 디스플레이의 발광 효율의 단점과 ELD를 구동시키기 위해 필요한 고가의 고전압 IC로 인해 시장 경제성을 저하시키는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 청색 발광체와 적녹색 발광체의 이종 접합층을 발광체로 구성하여 청색 발광 효율을 개선시키고 절연막도 강유전체와 저유전율 비정질층의 이중 구조를 원자층 에피택시법으로 형성하여 발광에 필요한 전하량을 증대시키며 절연층의 전기적 파괴 특성도 안정시켜 문턱 전압을 낮춤으로써 구동 회로의 저가화를 도모하기 위한 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조가 제시된다.

Description

청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조
본 발명은 정보 통신용 디스플레이에 관한 것으로, 특히 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자(AC thin film electroluminescent display; ACTFELD)의 구조에 관한 것이다.
박막 전계 발광 소자(electroluminescent display; ELD)는 기존의 CRT에 비하여 넓은 가시 각도와 작동 온도 범위 및 높은 색대비를 갖는 특징이 있다. 그러나 적색과 녹색의 밝기가 상용화에 문제가 없는 반면 청색의 밝기는 아직 상용화에 미흡한 단점이 있다. 또한 ELD를 구동시키기 위해서는 통상 150V 정도의 고전압 회로가 필요하여 이 고전압 IC의 가격이 ELD 소자의 시장 경제성을 저하시키는 주된 원인이 되어왔다. 이러한 두가지 단점을 보완하게 되면 ELD는 현재의 주된 시장인 측정 장치용으로부터 산업용, 군사용, 선전용, 정보통신용 및 차량용 등으로의 넓은 시장을 구축하게 될 것이다.
종래의 정보통신용 디스플레이 분야의 주요 기술들을 요약하면 다음과 같다.
1. ZnS:Mn의 오렌지색-황색(orange-yellow) 발광체
ZnS:Mn 발광체는 오렌지색-황색 영역의 빛을 발광하기 적당한 필터를 사용하여 적색만을 활용하거나, 적색-녹색의 다색광을 투과시킬 수도 있다.
2. SrS:Ce의 청색-녹색(blue-green) 발광체
SrS:Ce 발광체는 청색-녹색 영역의 빛을 발광하기 때문에 적당한 필터를 사용하여 청색만을 발광하거나, 녹색-청색의 광대역 스펙트럼의 다색을 발광시킬 수도 있다.
3. 백색(white-emitting) 발광체
SrS:Ce, Eu에 적-녹-청 필터를 사용하거나 ZnS:Mn/SrS:Ce에 적-녹-청 필터를 사용한 경우 등이 있다.
ZnS:Mn의 경우 적색만을 활용하거나 적색-녹색의 가색광을 투과시키는 어느 경우든 발광의 효율과 밝기가 실용화에 문제가 없이 양호하여 원자층 에피택시법이나 화학 증착법으로 성장시키게 되면 적색 또는 적색-녹색광을 얻을 수 있다. 한편 SrS:Ce의 경우 청색만을 발광하거나 SrS:Ce, Eu에 적-녹-청 필터를 사용하거나 ZnS:Mn/SrS:Ce에 적-녹-청 필터를 사용한 경우는 청색광의 효율이 낮고 밝기가 약해 실용화에 미흡하다. 청색광의 효율과 광도를 개선시키기 위해서는 SrS:Ce층에서 발광에 직접적인 기여를 하는 Ce의 전자 여기 효율과 빈도를 증가시켜야 한다.
따라서, 본 발명은 청색광의 효율과 광도를 실용화에 적합하도록 개선시켜 청색 발광 효율과 밝기가 개선된 완전 3원색 발광을 실현하고 구동회로의 저전압화를 유도하여 구동 IC의 가격을 낮춤으로써 ACTFELD의 실용화와 시장성을 높이는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 발광체와 인접하는 절연물은 유전율이 높은 물질을 사용하고 그 위에 유전율이 낮은 절연물을 이종층으로 성장시켜 유효 계면 전자 준위의 양은 많게 하는 한편, 높은 전계에서 전기적 파괴가 발생한다 하더라도 저유전율 절연막층에서 자체 회복되어 전계가 유지될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
제1도는 본 발명의 제1 실시예에 따른 양단에 전극과 유리기판 및 이중 절연층을 포함한 발광체의 구조도.
제2도는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양단에 전극과 규소기판 및 이중 절연층을 포함한 발광체의 구조도.
제3도는 제1도 및 제2도(a) 부분을 확대 도시한 절연막과 이종 접합된 발광체의 구조도.
제4도는 제3도의 발광체 구조에서 두께에 따른 에너지 밴드의 구조도.
제5도는 전계가 인가되어 전자가 제1 절연막/청록 발광체 계면으로부터 입사될 때의 에너지 밴드 구조도.
제6도는 제5도에 도시된 경우와 반대로 전계를 인가하여 제2 절연막/청록 발광체 계면으로부터 전자가 입사될 때의 에너지 밴드의 구조도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 불투명 금속전극 12 : 저유전율 절연막
13 : 고유전율 절연막 14 : 발광체
14A : 청록 발광체 14B : 황적 발광체
15 : 투명 금속 전극 16 : 유리기판
17 : 규소기판 18 : Fermi 에너지 준위
19 : 제1 절연막/청록 발광체 계면 20 : 제2 절연막/청록 발광체 계면
본 발명에서는 ZnS:Mn과 같은 황적 발광층을 SrS:Ce과 같은 청록 발광층 사이에 성장시켜 절연막과 청록 발광층에서 입사된 열전자(hot electron)가 통과하면서 에너지를 획득하여 가속되는 가속층으로 활용하는 동시에 자체의 발광을 그대로 활용한다. ZnS:Mn층에서 열전자가 가속되는 이유는 SrS의 밴드갭(band gap)이 ZnS의 밴드갭보다 크므로 SrS에서 입사된 전자가 ZnS층으로 들어오면서 컨덕션 밴드 최저 에너지로부터의 에너지 차이가 커지게 되어 전자의 에너지가 증가하게 되는 효과가 있기 때문이다. 이러한 가속의 효과는 가해진 전위차에 의한 에너지 밴드의 기울기에 따라 에너지 밴드가 낮아지는 방향으로 갈수록 증가하게 된다. 이렇게 ZnS층이 없는 경우에 비하여 더 높은 에너지로 가속된 전자는 다음에 인접한 SrS층으로 입사될 때에 발광중심의 전자를 여기시키는 효과가 더 크게 된다. 즉 SrS층의 발광중심인 Ce으로부터의 발광 효율이 개선될 것으로 기대할 수 있다. 한편, SrS층의 두께가 두꺼울수록 발광에 참여하는 발광 중심의 수가 많으므로 밝기가 증가한다. 따라서 전위차에 의하여 에너지 밴드가 낮아지는 방향으로 SrS층의 두께를 두껍게 하면 밴드갭의 차이에 의한 가속 효과에 의해 SrS층의 발광 효율이 증가하고 같은 방향으로 SrS층의 두께가 두꺼워지므로 발광의 밝기가 증가된다. 교류 구동형에서는 정해진 진동수에 따라 전기의 극성이 반대로 바뀌므로 발광 효율과 밝기 증가를 양방향으로 도모하기 위하여 SrS층의 두께를 가운데층을 가장 두껍게 하며 대칭형으로 성장시킨다. 한편 발광체와 접촉하는 절연 물질은 가해진 전계에서 발광체로 입사하는 전자의 양을 결정하는 층이 된다. 절연물과 발광체의 계면에 존재하는 계면 전자 준위는 발광체로 입사되는 전자를 공급하는 원천이 되는데 이 계면 전자 준위의 농도가 높을수록 전자가 발광체로 입사되는 확률이 증가하게 된다. 이 유효 계면 전자 준위의 양은 절연물의 유전율에 비례한다. 그러나 유전율이 높은 절연물은 발광에 필요한 높은 전계에서 전기적 파괴가 일어나는 경우 전체적으로 전파되어 전류가 누설되어 전계가 소멸되는 경향을 보이는 단점이 있다. 반면 유전율이 낮은 절연 물질은 유효 계면 전자 준위의 양은 비교하여 적으나 전기적 파괴가 일어나는 경우 자체 회복되는 특성이 있어 높은 전계에서도 전계가 소멸되지 않는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
제1도는 본 발명의 제1 실시예에 따른 양단에 전극과 유리기판 및 이중 절연층을 포함한 발광체의 구조도이다. 되시된 바와 같이 약 1㎜ 두께의 유리기판(16) 상부에 하부 투명 전극(15)으로 약 1000∼2000Å 정도의 ITO(Indium Tin Oxide)나 ZnO등이 형성된다. 하부 투명 전극(15) 상부에는 Al2O3, SiO2, 또는 Si3N4등으로 2000∼3000Å 두께이 저유전율 절연막(12)이 형성된다. 저유전율 절연막(12)의 상부에는 SrTiO3나 Ta2O5등으로 고유전율 절연막(13)이 약 1000∼2000Å정도의 두께로 형성된다. 고유전율 절연막(13)의 상부에는 발광체(14)가 형성된다. 이때, 발광체(14)는 SrS:Ce과 같은 청록색 발광체와 ZnS:Mn과 같은 적황색 발광체의 이종 접합 구조로 구성되어 있다. 발광체(14)의 상부에는 고유전율 절연막(13)이 형성되며, 고유전율 절연막(13) 상부에는 저유전율 절연막(12)이 형성된다. 이 고유전율 절연막(13)과 저유전율 절연막(12)의 형성 조건은 앞서 설명한 형성 조건과 동일하다. 저유전율 절연막(12) 상부에는 불투명 금속전극(11)으로 약 1000∼2000Å의 A1이 형성된다.
제2도는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양단에 전극과 규소기판 및 이중 절연층을 포함한 발광체의 구조도이다. 도시된 바와 같이 600∼700㎛ 두께의 불투명 규소기판(17) 상부에 약 1000∼2000Å의 A1로 불투명 금속 전극(11)이 형성되며, 불투명 금속 전극(11) 상부에는 이중층 절연막 중의 상부층인 저유전율 절연막(12)이 형성된다 이 저유전율 절연막(12)는 Al2O3, SiO2, 또는 Si3N4등으로 형성되며 막으로 두께는 약 2000∼3000Å이다. 저유전율 절연막(12)의 상부에는 SrTiO3나 Ta2O5등으로 고유전율 절연막(13)이 약 1000∼2000Å정도의 두께로 형성된다. 고유전율 절연막(13)의 상부에는 발광체(14)가 형성된다. 이때, 발광체(14)는 SrS:Ce과 같은 청록색 발광체와 ZnS:Mn과 같은 적황색 발광체의 이종 접합구조로 구성되어 있다. 발광체(14)의 상부에는 고유전율 절연막(13)이 형성되며, 고유전율 절연막(13) 상부에는 저유전율 절연막(12)이 형성된다. 이 고유전율 절연막(13)과 저유전율 절연막(12)의 형성 조건은 앞서 설명한 형성 조건과 동일하다. 저유전율 절연막(12) 상부에는 약 1000∼2000Å정도의 ITO와 같은 투명 금속 전극(11)이 형성된다.
제1도의 경우 발광을 보는 방향이 유리기판 쪽인데 반하여, 제2도의 경우는 투명 금속 전극과 불투명 금속 전극의 위치를 바꾸어 발광을 투명 금속 전극 쪽에서 보게 된다. 본 발명에서 제안하는 구조는 위의 두 경우에 다 적용이 가능하다.
제3도는 제1도 및 제3도(a) 부분을 확대 도시한 절연막과 이종 접합된 발광체의 구조도이다. 도시한 바와 같이 발광체는 청록색 발광체(14A)와 적황색 발광체(14B)의 반복 구조로 되어 있다. 청록색 발광체(14A)는 SrS:Ce나 CaS:Ce 등이고 적황색 발광체(14B)는 ZnS:Mn등이 이용될 수 있다. 각 층의 반복회수와 두께는 발광체 성장법과 공정조건에 따라 차이가 있으나, 본 발명에서 제안하는 원자층 에피택시법에 의해 성장시키는 경우를 예로 들면 SrS:Ce / ZnS:Mn / SrS:Ce / ZnS:Mn / SrS:Ce / ZnS:Mn / SrS:Ce / ZnS:Mn / SrS:Ce가 각각 250 / 250 / 500 /250 / 1000 / 250 / 500 / 250 / 250 Å으로 발광체의 전체 두께는 3500Å이다. 발광체 성장법은 스퍼터링, 전자선 증착법, 화학 증착법 등이 있으나, 본 발명에서는 저유전율 절연막(12) 내지 발광체(14)의 구조를 모두 원자층 에피택시(atomic layer epitaxy; ALE)법을 이용하여 한 반응 챔버 내에서 연속하여 성장시킨다. ALE 성장법은 발광체의 조성이 정확히 조절되며, 반응 소스만 바꾸면 절연막도 한 챔버 내에서 연속적으로 성장시킬 수 있는 장점이 있다. ALE법에 의하여 성장된 발광체의 다결정 조직은 깊이 방향으로 기동형으로 형성되어 발광에 가장 이상적인 형태로 알려져 있다.
본 발명에서 제안한 이중층 절연막(12, 13)의 특성은 고유전율의 절연막을 발광체와 접촉시켜 계면 전자 준위(trapped charge density at the phosphor/insulator interface)의 농도를 높이고 저유전율 절연막을 전극층과 접촉시켜 높은 전계에서 전기적 파괴(electrical breakdown)가 발생하는 경우에도 자체 회복되는 특성을 활용하기 위함이다. 최고 계면 전자 준위 농도는 유전율과 파괴 전계의 곱으로 나타나는데 이 값은 SrTiO3의 경우 Al2O3보다 약 5∼6배 높다. 따라서 발광을 위하여 전계를 걸었을 때 발광체로 입사될 수 있는 유효 전자의 농도가 저유전율 절연막층만을 증착한 경우보다 그만큼 높아지게 되어 발광의 개시에 필요한 문턱 전압(threshold voltage)을 낮출 수 있게 된다.
제4도는 제3도의 발광체 구조에서 두께에 따른 에너지 밴드의 구조도이다. 양단의 절연막은 에너지 갭이 발광체에 비하여 매우 높으며 SrS와 ZnS의 밴드갭은 각각 4.3과 6.3eV이다. 도시된 바와 같이 전계가 걸리지 않는 경우에는 Fermi 에너지 준위(18)가 밴드갭의 중심에 수평하게 배열된다.
제5도는 전계가 인가되어 전자가 제1 절연막/SrS 계면으로부터 입사될 때의 에너지 밴드 구조도이다. 전계가 문턱 전계보다 크게 걸려 에너지 밴드가 도시된 바와 같이 기울고 전자가 좌측의 SrTiO3/SiS:Ce의 계면에서 SrS:Ce의 컨덕션 밴드(conduction band)로 투과 입사하게 된다. 일단 입사된 전자는 전계에 위하여 가속되면서 진행함과 동시에 높은 에너지 상태로 SrS:Ce 내부 Ce의 최외각 전자를 여기(excitation)시키면 이 여기된 전자가 제자리로 회복되면서 발광하게 된다. 가속되어 진행하는 전자가 ZnS:Mn 층으로 입사되면 ZnS의 컨덕션 밴드 최저 에너지 준위가 SrS보다 낮아 전자가 에너지를 획득하게 되어 더욱 가속되어지면서 ZnS 내 Mn의 최외각 전자를 여기시키며 ZnS층도 발광하게 된다. 본 발명에서는 SrS와 ZnS의 에너지 갭 차이에 의한 전자의 가속 효과를 활용하여 전자가 진행하면서 SrS층으로 입사될 때의 에너지를 증가시켜 SrS 내에서의 Ce의 여기 확률을 증가시킴으로써 Ce에 의한 청색 발광 효율을 높인다. 또한 전자가 진행하는 방향으로 SrS의 두께를 증가시켜 발광에 참여하는 Ce의 양을 증가시키므로 발광의 휘도를 높인다.
제6도는 제5도에 도시된 경우와 반대로 전계를 인가하여 제2 절연막/SrS 계면으로부터 전자가 입사될 때의 에너지 밴드의 구조도이다. 교류구동형에서는 전계가 주어진 진동수에 따라 반대로 바뀌므로 도시된 바와 같이 에너지 준위가 반대로 배열되면 제5도에서 설명된 것과 마찬가지로 발광이 일어난다. 따라서 SrS의 두께는 중간층을 가장 두껍게 하여 양 방향에서 전자의 가속이 증가될 때 SrS의 발광 효율과 휘도가 최대로 증가 되도록 하였다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의해 발광체를 제작하면 휘도와 발광효율이 개선죈 청색 발광을 얻어 3원색 발광 소자 제작에 활용할 수 있으며, 이종층 절연막을 발광체에 접합시켜 발광에 필요한 문턱 전압을 낮추어 구동 회로의 고전압 사양을 낮출 수 있어 ELD 소자의 제작비를 절감할 수 있는 훌륭한 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 유리기판 상부에 형성된 투명전극과, 상기 투명전극 상부에 형성된 저유전율 절연막과, 상기 저유전율 절연막 상부에 형성된 고유전율 절연막과, 상기 고유전율 절연막 상부에 형성된 발광체와, 상기 발광체 상부에 형성된 고유전율 절연막과, 상기 고유전율 절연막 상부에 형성된 저유전율 절연막과, 상기 저유전율 절연막 상부에 형성된 불투명 금속 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광체는 청록 발광체 및 적황 발광체의 이종 접합 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발광체 양단의 청록발광체와 접합 절연막은 고유전율막과 저유전율막의 이중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 투명 금속 전극 상부에 형성된 유리기판 대신에 규소기판을 불투명 금속 전극 상부에 형성하는 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
  5. 유리 기판 상부에 형성된 투명 전극과, 상기 투명 금속 전극 상부에 형성된 저유전율 절연막과, 상기 저유전율 절연막 상부에 형성된 고유전율 절연막과, 상기 고유전율 절연막 상부에 형성된 제1 청록 발광체와, 상기 제1 청록 발광체 상부에 형성된 제1 황적 발광체와, 상기 제1 황적 발광체 상부에 형성된 제2 청록 발광체와, 상기 제2 청록 발광체 상부에 형성된 제2 황적 발광체와, 상기 제2 황적 발광체 상부에 형성된 제3 청록 발광체와, 상기 제3 청록 발광체 상부에 형성된 제3 황적 발광체와, 상기 제3 황적 발광체 상부에 형성된 제4 청록 발광체와, 상기 제4 청록 발광체 상부에 형성된 제4 황적 발광체와, 상기 제4 황적 발광체 상부에 형성된 제5 청록 발광체와, 상기 제5 청록 발광체 상부에 형성된 고유전율 절연막과, 상기 고유전율 절연막 상부에 형성된 저유전율 절연막과, 상기 저유전율 절연막 상부에 형성된 불투명 금속 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
  6. 제5항에 있어서, 상기 저유전율 절연막과 고유전율 절연막은 원자층 에피택시 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
  7. 제5항에 있어서, 상 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 청록 발광체와 상기 제1, 제2, 제3, 제4 적황 발광체는 원자층 에피택시 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 청록 발광체와 제5 청록 발광체에 접한 절연막은 고유전율막과 저유전율막의 이중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
  9. 제5항에 있어서, 상기 투명 금속 전극 상부에 형성된 유리기판 대신에 규소기판을 불투명 금속 전극 상부에 형성하는 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
  10. 제5항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제 4 황적색 발광체의 두께를 일정하게 하고, 제1 및 제 5 청록색 발광체는 황적색 발광체와 같은 두께로 형성하며 제2 및 제4 청록색 발광체는 상기 제1 및 제 5 청록색 발광체보다 두껍게 형성하고 제3 청록색 발광체는 상기 제2 및 제4 청록색 발광체보다 두껍게 형성하는 것을 특징으로 하는 청색 발광 효율 개선을 위한 백색 교류 구동형 박막 전계 발광 소자의 구조.
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