KR100685917B1 - 전계발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정 수 및 제조 단가를 최소화하고, 낮은 구동전압하에서도 충분한 발광 효과를 구현할 수 있는 전계발광소자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, 본 발명의 전계발광소자는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부전극층과, 상기 하부전극층 상에 하부절연층이 생략된 상태에서 절연막으로 코팅된 발광분말로 형성되는 발광층과, 상기 발광층 상에 형성되는 상부전극층 그리고 상기 상부전극층 상에 형성된 보호층을 포함하여 구성되고, 본 발명에 따른 전계발광소자 제조방법은 기판 상에 하부전극층을 형성하는 공정과, 상기 하부전극층 상에 절연막으로 코팅된 발광분말로 이루어진 발광층을 형성하는 공정과, 상기 발광층 상에 상부전극층을 형성하는 공정과, 상기 상부전극층 상에 보호층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

발광분말, 발광층

Description

전계발광소자 및 그 제조방법{Electro luminescence device and method for manufacturing the same}

도 1은 종래 기술에 따른 전계발광소자의 구성도

도 2는 본 발명에 따른 전계발광소자의 구성도

도 3은 도 2에 도시된 발광층의 확대단면도

도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 전계발광소자 제조방법을 설명하기 위한 공정도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 기판 101 : 하부전극층

101a : 투명전극 103 : 발광층

105 : 상부전극층 105a : 금속전극

107 : 보호층

본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로 특히, 전계발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

표시화면의 두께가 수 센티미터(cm)에 불과한 초박형의 평판(Flat panel) 디스플레이, 그 중에서도 액정 디스플레이 장치는 주로, 노트북 컴퓨터용 모니터, 우주선, 항공기 등에 이르기까지 응용분야가 넓고 다양하다.

이러한 액정 디스플레이 장치 중 수동발광형 액정 디스플레이 장치는 액정 패널 뒤에 광원으로 사용되는 백라이트(back light)가 장착되어 있으며, 이러한 백라이트의 장착은 무게, 전력소모 및 두께 측면에서 비효율적으로 작용하고 있어 아직도 많은 연구 대상이 되고 있는 실정이다.

따라서, 향후 새로운 종류의 고효율 자체 발광형 표시장치로서의 대체가 필수적인 것으로 예고되고 있으며, 얇고 가벼운 전계발광소자가 연구, 개발되고 있는 추세에 있다.

전계발광소자는 적용원리에 따라 크게 LED와 ELD로 구분할 수 있으며, 상기 LED는 P-N 접합부근에서 발생하는 전자-정공 재결합 과정의 복사성 전이과정을 이용하며, 최근에는 유기재료를 이용한 LED의 급속한 발전이 이루어지고 있다.

한편, ELD는 발광층 내에서 고에너지의 전자가 생성되고 이러한 전자들이 형광체를 충격 여기(impact excitation)시킬 때 발생되는 발광현상을 이용하는 소자로서, 고전계하에서 발광층내의 전자가 전계로부터 에너지를 얻어 열전자(hot electron)가 되고, 이 열전자가 발광중심을 여기, 완화시키는 과정에서 광을 발생한다.

상기 ELD는 크게 레진(resin)과 발광 분말(light emitting powder : phosphor)을 혼합하여 후막 인쇄하는 분산형과 박막기술로 제작되는 박막형으로 구 분되며, 구동방법에 따라 AC형과 DC형으로 구분할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 전계발광소자를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 다른 전계발광소자의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전극이 스트라이프(Stripe) 등의 소정 형태로 형성된 투명전극층(13)과, 상기 투명전극층(13) 상에 실리콘 산화물(SiO_X), 실리콘 질화물(SiN_X), BaTiO₃ 등으로 이루어진 하부절연층(15)과, 상기 하부절연층(15) 상에 ZnS계 등의 발광물질로 이루어진 발광층(17)과, 상기 발광층(17) 상에 실리콘산화물, 실리콘질화물, 산화알루미늄(Al₂O₃) 등으로 이루어진 상부절연층(19)과, 상기 상부절연층(19) 상에 알루미늄(Al) 등의 금속으로 이루어진 금속전극층(21) 및 상기 금속전극층(21) 상에 형성된 표면보호층(23)으로 구성된다.

이와 같은 종래 전계발광소자는 투명전극층(13)과 금속전극층(21)에 교류 전압을 인가하면 발광층(17)내에 고전계(∼10⁶ V/cm)가 형성되고, 상부절연층(19)과 발광층(17)의 계면에서 발생한 전자가 발광층(17)으로 터널링(tunneling)된다.

상기 터널링된 전자는 발광층(17) 내의 고전계에 의해 가속화되고, 상기 가속화된 전자는 발광층(17) 내의 발광중심(Activator: Cu 또는 Mn)에 충돌함으로써, 기저상태에서 전자가 여기되고 여기된 전자는 다시 기저상태로 떨어질 때, 그 에너지 차이만큼의 고유한 광을 방출하게 된다. 이때, 상기 광의 색깔은 광에너지에 따 라 좌우된다.

이와 같은 종래 전계발광소자의 제조방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 글라스 기판(11) 상에 투명전극층(13)을 형성한다. 즉, 도전성이 높으면서 투명한 물리적 특성을 갖는 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 기판(11) 상에 증착한 후 사진식각(Photolithography) 공정을 이용하여 스트라이프(stripe) 형태로 패터닝하여 투명전극들을 형성한다.

이후, 상기 투명전극층(13) 상에 RF 반응성 스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 BaTiO₃ 계열의 하부절연층(15)을 형성한 후, 상기 하부절연층(15) 상에 발광층(17)을 형성한다.

이때, 상기 발광층(17)은 ZnS에 Cu 혹은 Mn이 도핑된 분말을 콜드-프레스(cold press)하여 작은 알갱이로 만들어서 전자빔 증착하거나 타겟(target)을 이용한 스퍼터링 방법으로 형성할 수 있다.

이후, 상기 발광층(17)의 상부에 스퍼터링법 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등으로 산화알루미늄(Al₂O₃) 또는 실리콘질화물, 실리콘산화물 등으로 이루어진 상부절연층(19)을 형성한다.

이어서, 상기 상부절연층(19) 상에 금속전극층(21)을 형성한다. 즉, 상부절연층(19) 상에 알루미늄(Al) 또는 은(Ag) 등을 열증착법을 이용하여 박막을 형성한 후, 상기 투명전극층(13)의 투명전극들과 교차 배치되는 방향으로 스트라이프 타입의 금속전극들을 형성한 다음, 최종적으로 상기 금속전극층(21) 상에 표면보호층(23)을 형성하면 종래 기술에 따른 전계발광소자의 제조공정이 완료된다.

그러나 상기와 같은 종래 전계발광소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 전계발광소자는 고전계가 요구되므로 임의의 결함에 의한 단락 현상을 방지하기 위해 발광층의 상부와 하부에 각각 절연파괴를 방지할 목적으로 절연층이 필요하며, 이 절연층은 소자에 흐르는 최대전류의 크기를 절연층의 방전 및 충전 변위 수준으로 제한하는 역할을 한다.

그러나 발광층을 스퍼터링법에 의한 진공증착법으로 형성할 경우(박막형), 또한 분말을 이용한 후막 인쇄로 형성하는 분산형의 경우, 유기 바인더를 사용한 스크린 프린팅(screen printing) 방법으로 절연층을 형성하는데, 이는 요구되는 공정 스텝(step)이 많을 뿐 아니라, 제조 단가가 높아지는 결과를 초래한다.

둘째, 발광층의 상부와 하부에 각각 절연층을 형성할 경우, 전압강하가 필연적으로 발생하게 되고, 그로 인하여 소자 구동(광 발진)에 필요한 문턱전압(Threshold voltage : V_T)이 높아져 높은 구동전압이 요구된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 공정 수 및 제조 단가를 최소화하고, 낮은 구동전압하에서도 충분한 발광 효과를 구현할 수 있는 전계발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전계발광소자는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부전극층과, 상기 하부전극층 상에 형성되는 발광층과, 상기 발광층 상에 형성되는 상부전극층 그리고 상기 상부전극층 상에 형성된 보호층을 포함하여 구성된다. 그리고 본 발명에 따른 전계발광소자 제조방법은 기판 상에 하부전극층을 형성하는 공정과, 상기 하부전극층 상에 발광층을 형성하는 공정과, 상기 발광층 상에 상부전극층을 형성하는 공정과, 상기 상부전극층 상에 보호층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명의 전계발광소자는 발광층의 하부와 상부에 별도의 절연층을 형성하지 않고, 발광분말의 표면에 고유전상수를 갖는 절연물질을 코팅함으로써, 공정 수 및 제조 단가를 최소화할 수 있다.

또한, 발광층의 상, 하부에 별도의 절연층이 형성되지 않기 때문에 소자 구동에 필요한 문턱전압이 높아질 염려가 없으며, 따라서 저전압으로도 소자를 구동할 수 있다.

이하, 본 발명의 전계발광소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 전계발광소자의 구성도이고, 도 3은 도 2의 발광층의 단면을 확대 도시한 것이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 전계발광소자는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 형성된 하부전극층(101)과, 상기 하부전극층(101) 상에 형성된 발광 층(103)과, 상기 발광층(103) 상에 형성된 상부전극층(105) 및 상기 상부전극층(105) 상에 형성된 보호층(107)으로 구성된다.

도 1에 도시된 종래 전계발광소자와 비교하여 발광층(103)의 상부와 하부에는 별도의 절연층이 형성되지 않음을 알 수 있다.

대신에, 상기 발광층(103)은 도 3에 도시한 바와 같이, 그 표면이 고유전상수를 갖는 절연물질(103b)로 코팅(coating)된 수많은 발광분말(103a)들로 구성된다.

상기 발광분말(103a)을 코팅하고 있는 절연물질(103b)은 BaTiO₃계 물질이며, 그 두께는 테트라 알킬 티탄에이트(Tetra alkyl titanate)계 물질과 테트라 알킬 바륨 옥사이드(Tetra alkyl barium oxide)계 물질이 혼합된 혼합물을 알코올과 혼합한 상태에서 BaTiO₃가 차지하는 중량%를 어느 정도로 설정하느냐에 따라 결정되며, 바람직하게는 BaTiO₃의 중량%을 4∼6%의 범위로 조절하는 것이 좋다.

상기 하부전극층(101)은 투명전극층으로써, ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 도전성 물질을 스트라이프(Stripe) 타입으로 패터닝하여 형성하고, 상기 상부전극층(105)은 금속전극층으로서, 알루미늄(Al)계 물질 또는 은(Ag)와 같은 금속을 상기 하부전극층(101)에 형성된 전극과 교차하는 방향으로 패터닝하여 형성한다.

상기 하부전극층(101)은 투명한 ITO 박막을 스퍼터링(Sputtering) 공정 등을 이용하여 형성한 후, 사진식각(Photolithography) 공정 등을 이용하여 스트라이프 타입으로 패터닝한다.

이와 같은 본 발명의 전계발광소자 제조방법을 도 4a 내지 4d를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4a에 도시한 바와 같이, 기판(유리기판) 상에 하부전극층을 형성한다. 즉, 기판(100) 상에 투명한 도전성 물질 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide)를 증착한 후, 노광 및 현상을 이용한 사진식각(Photolithography) 공정을 통해 일방향으로 복수개의 스트라이프 타입의 투명전극(101a)들을 형성한다.

이어서, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 투명전극(101a)들의 상부에 발광층(103)을 형성한다.

상기 발광층(103)은 테트라 알킬 티탄에이트(Tetra alkyl titanate)계 물질과 테트라 알킬 바륨 옥사이드(Tetra alkyl barium oxide)계 물질을 혼합하여 BaTiO₃ 용액을 만든 다음, BaTiO₃의 중량%가 소정의 범위가 되도록 알코올과 혼합한다.

이때, 상기 테트라 알킬 티탄에이트계 물질로서는 Ti(OCH₃)₄, Ti(OC₂H₅ )₄, Ti(OC₃H₇)₄, Ti(OC₄H₉)₄ 등을 적용할 수 있으며, 테트라 알킬 바륨 옥사이드계 물질로서는 Ba(OCH₃)₄, Ba(OC₂H₅)₄, Ba(OC₃H ₇)₄, Ba(OC₄H₉)₄ 등을 적용할 수 있다.

한편, 상기 BaTiO₃의 코팅 두께를 최적화시킬 수 있는 BaTiO₃의 중량%는 대략 4∼6%가 적당하며, 상기 코팅 두께는 BaTiO₃의 중량%를 조절하는 것에 의해 결정된 다.

이와 같이 BaTiO₃의 중량%를 소정의 범위로 조절한 다음, 이 결과물에 발광중심이 도핑된 발광분말(ZnS 입자)(103a)을 적당량 투입한 후, 밀봉된 상태에서 초음파 분산을 1시간 정도 수행한다. 상기 초음파 분산은 ZnS 입자(103a)가 균일하게 분산되어 입자간 격리 효과를 증진시키고, 그에 따라 BaTiO₃의 ZnS 입자 코팅 효과를 극대화하기 위함이다.

이후, BaTiO₃가 코팅된 발광분말(103a)을 여과한 후, BaTiO₃의 결정화 온도로 진공로(Vacuum furnace)에서 열처리한다. 이때, BaTiO₃의 결정화 온도는 500∼600℃이다.

이와 같이, 그 표면이 적정한 두께의 절연물질(103b)로 코팅된 발광분말(103a)을 바인더(binder)와 혼합하여 스핀 코팅(Spin coating) 방법으로 상기 투명전극층(101a)의 상부에 코팅한 후 건조 및 열처리를 수행하면 발광층(103)이 형성된다.

이후, 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 발광층의 상부에 상부전극층을 형성한다. 즉, 알루미늄(Al), 은(Ag)과 같은 금속을 형성한 후, 상기 투명전극(101a)들과 교차하는 방향으로 복수개의 금속전극(105a)들을 스트라이프 타입으로 형성한다.

상기 금속은 열증착법 또는 스퍼터링법 또는 화학기상증착법 등을 다양하게 적용할 수 있다.

마지막으로 도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 상부전극층 상에 보호층(107)을 형성하면 본 발명에 따른 전계발광소자 제조공정이 완료된다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 전계발광소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 발광층의 상부와 하부에 별도의 절연층을 형성하지 않기 때문에 공정 수를 최소화할 수 있으며, 그에 따라 제조 단가를 최소화할 수 있다.

둘째, 발광층은 그 표면에 고유전상수의 절연막으로 코팅된 발광분말로 구성되기 때문에 발광층의 상부와 하부에 절연층이 구성되는 경우에 비해 소자 구동을 위한 문턱전압을 감소시킬 수 있어 저전압으로 소자를 구동할 수 있다.

셋째, 노트 북 컴퓨터나 각종 모니터의 배면광원(Backlight)로 사용할 경우, 전체적인 두께를 대폭 감소시킬 수 있어 보다 박형의 노트 북 컴퓨터 및 모니터를 제작할 수 있다.

Claims (20)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 하부전극층;

   상기 하부전극층 상에 형성되며, 표면이 BaTiO₃를 포함하는 절연막으로 코팅된 발광체 분말들로 구성되는 발광층;

   상기 발광층 상에 형성되는 상부전극층; 그리고,

   상기 상부전극층 상에 형성된 보호층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전계발광소자.
2. 삭제
3. 삭제
4. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 투명전극층;

   상기 투명전극층 상에 표면이 BaTiO₃를 포함하는 절연막으로 코팅된 발광체 분말들로 구성된 발광층;

   상기 발광층 상에 형성된 금속전극층;

   상기 금속전극층 상에 형성된 보호층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전계발광소자.
5. 삭제
6. 제 4 항에 있어서, 상기 절연막의 두께는 알코올과 테트라 알킬 티타네이트(Tetra alkyl titanate)계 물질과 테트라 알킬 바륨 옥사이드(Tetra alkyl barium oxide)계 물질이 혼합된 혼합물내 함유된 BaTiO₃의 중량%로 조절하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 BaTiO₃의 중량%는 4∼6%의 범위인 것을 특징으로 하는 전계발광소자.
8. 기판 상에 하부전극층을 형성하는 공정;

   상기 하부전극층 상에, 표면이 BaTiO₃를 포함하는 절연막으로 코팅된 발광체 분말들로 구성된 발광층을 형성하는 공정;

   상기 발광층 상에 상부전극층을 형성하는 공정;

   상기 상부전극층 상에 보호층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 하부전극층을 형성하는 공정은,

   상기 기판 상에 투명한 도전성 물질을 형성하는 공정과,

   상기 도전성 물질을 패터닝하여 복수개의 투명전극을 형성하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계발광소자.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 발광층을 형성하는 공정은,

    발광분말에 고유전상수를 갖는 절연물질을 코팅하는 공정과,

    상기 절연물질이 코팅된 발광분말을 열처리 한 후 바인더와 혼합하여 상기 하부전극층 상에 코팅하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 절연물질을 코팅하는 공정은,

    테트라 알킬 티탄에이트(Tetra alkyl titanate)계 물질과 테트라 알킬 바륨 옥사이드(Tetra alkyl barium oxide)계 물질을 혼합하는 제 1 단계와,

    상기 제 1 단계의 결과물을 알코올과 혼합하는 제 2 단계와,

    상기 제 2 단계의 결과물에 발광분발을 투입하여 상기 발광분말의 표면을 코팅하는 제 3 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 절연물질의 코팅 두께는 상기 제 2 단계의 결과물에 함유된 BaTiO₃의 중량%에 의해 조절하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 BaTiO₃의 중량%는 4∼6%의 범위가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 발광분말의 표면을 코팅한 후, 그 결과물을 초음파 분산하는 단계와,

    표면이 코팅된 발광분말을 여과시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
15. 제 10 항에 있어서, 상기 열처리 온도는 상기 BaTiO₃의 결정화 온도로 조절하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
16. 제 10 항에 있어서, 상기 절연물질이 코팅된 발광분말을 열처리 한 후 바인더와 혼합하여 상기 하부전극층 상에 코팅한 다음, 건조 및 열처리 하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 전계발광소자 제조방법.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 열처리 온도는 500∼600℃의 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
18. 기판 상에 투명전극층을 형성하는 공정;

    상기 투명전극층 상에, 표면이 BaTiO₃를 포함하는 절연막으로 코팅된 발광체 분말들로 구성된 발광층을 형성하는 공정;

    상기 발광층 상에 금속전극층을 형성하는 공정; 그리고,

    상기 금속전극층 상에 보호층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 발광층을 형성하는 공정은,

    테트라 알킬 티탄에이트(Tetra alkyl titanate)계 물질과 테트라 알킬 바륨 옥사이드(Tetra alkyl barium oxide)계 물질을 혼합하는 단계와,

    상기 혼합물을 알코올과 혼합한 후, 발광분발을 투입하여 상기 발광분말의 표면을 코팅하는 단계와,

    상기 코팅된 발광분말을 초음파 분산하는 단계와,

    상기 발광분말을 여과한 후 1차 열처리한 다음 바인더와 혼합하여 상기 투명전극층 상에 스핀 코팅하는 단계와,

    코팅된 발광분말을 건조 및 2차 열처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 1차 열처리 온도는 상기 BaTiO₃의 결정화 온도로 조절하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자 제조방법.

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