KR100769432B1 - 유기전계발광 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

유기전계발광 소자 및 그의 제조 방법 Download PDF

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박혜향
임충열
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Abstract

본 발명은 유기전계발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상에 형성되며 게이트, 소스 및 드레인을 포함하는 트랜지스터, 트랜지스터와 연결되며 제 1 전극, 유기 박막층 및 제 2 전극을 포함하는 유기전계발광 다이오드, 외부로부터 입사되는 빛에 따라 전기신호를 발생하는 포토 다이오드, 외부로부터 입사되는 빛을 포토 다이오드로 반사시키는 반사막을 포함하며, 포토 다이오드로부터 발생된 전기신호에 의해 제 1 전극 및 제 2 전극에 인가되는 전압이 조절된다. 포토 다이오드를 투과한 빛과 기판 방향으로 진행하는 빛이 반사막에 의해 포토 다이오드로 입사됨으로써 수광 효율이 증대되어 포토 다이오드의 크기 감소가 가능해진다.
유기전계발광, 포토 다이오드, 반사막, 수광 효율

Description

유기전계발광 소자 및 그의 제조 방법 {Organic light emitting device and method of manufacturing the same}
도 1은 종래의 유기전계발광 소자를 설명하기 위한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 유기전계발광 소자를 설명하기 위한 단면도.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 유기전계발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 100: 기판 11, 120: 버퍼층
12, 130a, 130b: 반도체층 12a, 134: 소스 영역
12b, 135: 드레인 영역 12c, 136: 채널 영역
13, 140: 게이트 절연막 14, 150: 게이트 전극
15, 160: 층간 절연막 16a, 170a: 소스 전극
16b, 170b: 드레인 전극 17, 180: 평탄화막
18, 190: 애노드 전극 19, 200: 화소 정의막
20, 210: 유기 박막층 21, 220: 캐소드 전극
110: 반사막 131: P 접합
132: N 접합 133: 진성 반도체
본 발명은 유기전계발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포토 다이오드(photo diode)를 구비하는 유기전계발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
유기전계발광 소자(Organic light emitting device)는 자체발광 특성을 갖는 차세대 표시 소자로서, 액정표시소자(Liquid Crystal Display Device; LCD)에 비해 시야각, 콘트라스트(contrast), 응답속도, 소비전력 등의 측면에서 우수한 특성을 갖는다.
유기전계발광 소자는 애노드 전극, 유기 박막층 및 캐소드 전극으로 구성되는 유기전계발광 다이오드(diode)를 포함하며, 주사선(scan line)과 신호선(signal line) 사이에 유기전계발광 다이오드가 매트릭스 방식으로 연결되어 화소를 구성하는 패시브 매트릭스(passive matrix) 방식과, 각 화소의 동작이 스위치 역할을 하는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)에 의해 제어되는 액티브 매트릭스(active matrix) 방식으로 구성될 수 있다.
도 1은 박막 트랜지스터를 포함하는 종래의 유기전계발광 소자를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
기판(10) 상에 버퍼층(11)이 형성되고, 버퍼층(11) 상에 소스 및 드레인 영역(12a 및 12b)과 채널 영역(12c)을 제공하는 반도체층(12)이 형성된다. 반도체층(12) 상부에는 게이트 절연막(13)에 의해 반도체층(12)과 절연되는 게이트 전극(14)이 형성되고, 게이트 전극(14)을 포함하는 전체 상부면에는 소스 및 드레인 영역(12a 및 12b)이 노출되도록 콘택홀이 형성된 층간절연막(15)이 형성된다. 층간절연막(15) 상에는 콘택홀을 통해 소스 및 드레인 영역(12a 및 12b)과 연결되는 소스 및 드레인 전극(16a 및 16b)이 형성되고, 소스 및 드레인 전극(16a 및 16b)을 포함하는 전체 상부면에는 소스 또는 드레인 전극(16a 또는 16b)이 노출되도록 비아홀이 형성된 평탄화막(17)이 형성된다. 그리고 평탄화막(17) 상에는 비아홀을 통해 소스 또는 드레인 전극(16a 또는 16b)과 연결되는 애노드 전극(18) 및 발광 영역을 정의하기 위해 애노드 전극(18)을 소정 부분 노출시키기 위한 화소 정의막(19)이 형성되고, 애노드 전극(18) 상에는 유기 박막층(20) 및 캐소드 전극(21)이 형성된다.
상기와 같이 애노드 전극(18), 유기 박막층(20) 및 캐소드 전극(21)으로 구성되는 유기전계발광 소자는 애노드 전극(18)과 캐소드 전극(21)에 소정의 전압이 인가되면 애노드 전극(18)을 통해 주입되는 정공과 캐소드 전극(21)을 통해 주입되는 전자가 유기 박막층(20)에서 재결합하게 되고, 이 과정에서 발생되는 에너지 차이에 의해 빛을 방출한다.
그런데 상기와 같이 구성된 유기전계발광 소자는 빛을 방출하는 유기 박막 층(20)이 유기 물질로 이루어지기 때문에 시간에 따라 막질 및 발광 특성이 열화되어 방출되는 빛의 휘도가 저하되는 문제점이 있다. 또한, 발광된 빛이 외부로 방출되는 동안 유기전계발광 소자에는 외부 광원으로부터 빛이 입사되는데, 외부로부터 입사되는 빛의 반사에 의해 콘트라스트(contrast)가 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 외부로부터 입사되는 빛의 량에 따라 방출되는 빛의 휘도가 조절되도록 하기 위해 포토 다이오드가 구비된 유기전계발광 표시 장치 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 포토 다이오드의 수광 효율을 증대시킬 수 있는 유기전계발광 표시 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 유기전계발광 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성되며, 게이트, 소스 및 드레인을 포함하는 트랜지스터, 상기 트랜지스터와 연결되며, 제 1 전극, 유기 박막층 및 제 2 전극을 포함하는 유기전계발광 다이오드, 외부로부터 입사되는 빛에 따라 전기신호를 발생하는 포토 다이오드, 상기 외부로부터 입사되는 빛을 상기 포토 다이오드로 반사시키는 반사막을 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따른 유기전계발광 소자의 제조 방법은 기판의 소정 부분에 반사막을 형성하는 단계, 상기 반사막을 포함하는 상기 기판의 전체면에 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 반사막 상부 및 상기 반사막과 인접된 부분의 상기 버퍼층 상에 제 1 및 제 2 반도체층을 형성하는 단계, 상기 제 1 반도체층에 PN 접합을 형성하고, 상기 제 2 반도체층에 소스 및 드레인 영역과 채널 영역을 형성하는 단계, 상기 제 1 및 제 2 반도체층을 포함하는 전체면에 게이트 절연막을 형성한 후 상기 채널 영역 상부의 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계, 상기 게이트 전극을 포함하는 전체면에 층간 절연막을 형성한 후 상기 층간 절연막과 게이트 절연막을 패터닝하여 상기 소스 및 드레인 영역이 노출되도록 콘택홀을 형성하는 단계, 상기 콘택홀을 통해 상기 소스 및 드레인 영역과 연결되도록 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계, 전체면에 평탄화막을 형성한 후 상기 소스 또는 드레인 전극의 소정 부분이 노출되도록 상기 평탄화막에 비아홀을 형성하고, 상기 비아홀을 통해 상기 소스 또는 드레인 전극과 연결되도록 제 1 전극을 형성하는 단계, 상기 제 1 전극의 일부 영역이 노출되도록 화소 정의막을 형성한 후 노출된 상기 제 1 전극 상에 유기 박막층을 형성하는 단계, 상기 유기 박막층을 포함하는 상기 화소 정의막 상에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
유기전계발광 소자의 발광층을 구성하는 유기 물질은 시간에 따라 막질과 특성이 열화되어 방출되는 빛의 휘도가 저하되는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 포토 다이오드를 이용하여 외부로부터 입사되는 빛이나 내부로부터 방출되는 빛을 감지하여 방출되는 빛의 휘도를 일정하게 조절하는 방법이 개발되었다. 그러나 표시 장치의 크기 및 두께가 점차 감소됨에 따라 포토 다이오드의 크기도 감소되기 때문에 수광 면적 및 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 외부로부터 빛이 입사될 때 포토 다이오드를 투과한 빛과 기판 방향으로 진행하는 빛이 반사되어 포토 다이오드로 입사되도록 함으로써 수광 효율이 증대되도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 포토 다이오드를 구비하는 유기전계발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
기판(100)의 소정 부분에 반사막(110)이 형성된다. 반사막(110)은 발광 영역과 인접한 비발광 영역에 Ag, Mo, Ti, Al 또는 Ni 등의 금속으로 형성된다. 반사막(110)을 포함하는 기판(100)의 전체면에는 버퍼층(120)이 형성된다. 반사막(110) 상부의 버퍼층(120) 상에는 PN 접합(131 및 132)과 진성(intrinsic) 반도체(133)를 제공하는 반도체층(130a)이 형성되고, 반도체층(130a)과 인접된 부분의 버퍼층(120) 상에는 소스 및 드레인 영역(134 및 135)과 채널 영역(136)을 제공하는 반도체층(130b)이 형성된다. 반도체층(130b) 상부에는 게이트 절연막(140)에 의해 반도체층(130b)과 절연되는 게이트 전극(150)이 형성되고, 게이트 전극(150)을 포함 하는 전체 상부면에는 소스 및 드레인 영역(134 및 135)이 노출되도록 콘택홀이 형성된 층간절연막(160)이 형성된다. 층간절연막(160) 상에는 콘택홀을 통해 소스 및 드레인 영역(134 및 135)과 연결되는 소스 및 드레인 전극(170a 및 170b)이 형성되고, 소스 및 드레인 전극(170a 및 170b)을 포함하는 전체 상부면에는 소스 또는 드레인 전극(170a 또는 170b)이 노출되도록 비아홀이 형성된 평탄화막(180)이 형성된다. 그리고 평탄화막(180) 상에는 비아홀을 통해 소스 또는 드레인 전극(170a 또는 170b)과 연결되는 애노드 전극(190) 및 발광 영역을 정의하기 위해 애노드 전극(190)을 소정 부분 노출시키기 위한 화소 정의막(200)이 형성되고, 애노드 전극(180) 상에는 유기 박막층(210) 및 캐소드 전극(220)이 형성된다. 유기 박막층(210)은 정공 수송층, 유기발광층 및 전자 수송층이 적층된 구조로 형성되며, 정공 주입층과 전자 주입층이 더 포함될 수 있다.
상기와 같이 애노드 전극(180), 유기 박막층(210) 및 캐소드 전극(220)으로 구성되는 유기전계발광 다이오드는 애노드 전극(180)과 캐소드 전극(220)에 소정의 전압이 인가되면 애노드 전극(180)을 통해 주입되는 정공과 캐소드 전극(220)을 통해 주입되는 전자가 유기 박막층(210)에서 재결합하게 되고, 이 과정에서 발생되는 에너지 차이에 의해 빛을 방출한다. 이와 같이 빛이 외부로 방출되는 동안 유기전계발광 소자에는 외부의 광원으로부터 빛이 입사되는데, PN 접합(131 및 132)과 진성 반도체(133)로 구성되는 포토 다이오드는 외부로부터 입사되는 빛을 수광하여 빛의 량에 따른 전기신호를 발생한다.
포토 다이오드는 광신호를 전기신호로 변환하는 반도체 소자로서, 역바이어 스 상태 즉, P 접합(131)에는 음(-)의 전압이 인가되고, N 접합(132)에는 양(+)의 전압이 인가된 상태에서 빛이 입사되면 전자와 정공이 진성 반도체(133)에 형성되는 공핍 영역(depletion region)을 따라 이동함으로써 전류가 흐르게 된다. 이에 의해 빛의 량에 비례하는 전압을 출력하게 된다. 따라서 포토 다이오드로부터 출력되는 전압에 따라 유기전계발광 다이오드의 애노드 전극(180)과 캐소드 전극(220)에 인가되는 전압이 조절되도록 함으로써 외부로부터 입사되는 빛의 량에 따라 방출되는 빛의 휘도가 일정하게 조절될 수 있다.
본 발명은 상기와 같이 외부로부터 빛이 포토 다이오드로 입사될 때 포토 다이오드를 투과한 빛과 입사되지 않고 기판(100) 방향으로 진행하는 빛이 반사막(110)에 반사되어 포토 다이오드로 입사되도록 함으로써 수광 효율이 증대되도록 한다.
일반적으로 포토 다이오드를 구성하는 반도체층(130a)은 폴리실리콘으로 형성되는데, 500Å 정도로 얇게 형성되기 때문에 충분한 수광 효율을 얻기 어렵다. 또한, 표시 장치의 크기 및 두께가 점차 감소됨에 따라 포토 다이오드의 크기도 감소되기 때문에 수광 효율은 더욱 낮아진다. 그러나 본 발명을 적용하면 반사막(110)에 의해 수광 효율이 증대되기 때문에 포토 다이오드의 크기 감소가 가능해지며, 이에 따라 표시 장치의 크기 감소가 용이해진다.
그러면 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 유기전계발광 소자의 제조 방법을 도 3a 내지 도 3d를 통해 설명하기로 한다.
도 3a를 참조하면, 기판(100) 상에 Ag, Mo, Ti, Al, Ni 등의 금속을 스퍼터 링(sputtering) 방법 등으로 증착한 후 소정의 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정으로 패터닝하여 소정 부분에 반사막(110)을 형성한다. 반사막(110)을 형성하기 위한 금속은 빛을 반사시킬 수 있을 정도의 두께 예를 들어, 100 내지 5000Å의 두께로 증착한다.
도 3b를 참조하면, 반사막(110)을 포함하는 기판(100)의 전체면에 버퍼층(120) 및 반도체층(130)을 순차적으로 형성한 후 반도체층(130)을 패터닝하여 반사막(110) 상부에는 반도체층(130a)이 잔류되도록 하고, 반사막(110)과 인접된 부분의 버퍼층(120) 상에는 반도체층(130b)이 잔류되도록 한다. 버퍼층(120)은 열에 의한 기판(100)의 피해를 방지하기 위한 것으로, 실리콘 산화막(SiO2)이나 실리콘 질화막(SiNx)과 같은 절연막으로 형성하고, 반도체층(130)은 비정질 실리콘이나 폴리실리콘으로 형성하는데, 비정질 실리콘을 사용하는 경우 열처리를 통해 결정화시킨다.
도 3c를 참조하면, N형 및 P형 불순물 이온 주입 공정으로 반도체층(130a)에는 PN 접합(131 및 132)을 형성하고, 반도체층(130b)에는 소스 및 드레인 영역(134 및 135)과 채널 영역(136)을 형성한다. 따라서 반도체층(130a)에는 PN 접합(131 및 132)과 PN 접합(131 및 132) 사이의 진성 반도체(133)로 이루어진 포토 다이오드가 형성되고, 반도체층(130b)에는 소스 및 드레인 영역(134 및 135)과 소스 및 드레인 영역(134 및 135) 사이의 채널 영역(136)으로 이루어진 트랜지스터가 형성된다.
도 3d를 참조하면, 반도체층(130a 및 130b)을 포함하는 전체면에 게이트 절 연막(140)을 형성한 후 채널 영역(136) 상부의 게이트 절연막(140) 상에 게이트 전극(150)을 형성한다.
도 3e를 참조하면, 게이트 전극(150)을 포함하는 전체면에 층간 절연막(160)을 형성한다. 그리고 층간 절연막(160)과 게이트 절연막(140)을 패터닝하여 반도체층(130b)의 소스 및 드레인 영역(134 및 135)이 노출되도록 콘택홀을 형성하고, 콘택홀을 통해 소스 및 드레인 영역(134 및 135)과 연결되도록 소스 및 드레인 전극(170a 및 170b)을 형성한다.
도 3f를 참조하면, 전체면에 평탄화막(180)을 형성하여 표면을 평탄화시킨 후 소스 또는 드레인 전극(170a 또는 170b)의 소정 부분이 노출되도록 평탄화막(180)에 비아홀을 형성하고, 비아홀을 통해 소스 또는 드레인 전극(170a 및 170b)과 연결되도록 애노드 전극(190)을 형성한다. 애노드 전극(190)의 일부 영역이 노출되도록 평탄화막(180) 상에 화소 정의막(200)을 형성한 후 노출된 애노드 전극(190) 상에 유기 박막층(210)을 형성한다. 유기 박막층(210)은 정공 수송층, 유기발광층 및 전자 수송층이 적층된 구조로 형성하며, 정공 주입층과 전자 주입층이 더 포함될 수 있다.
도 3g를 참조하면, 유기 박막층(210)을 포함하는 화소 정의막(200) 상에 캐소드 전극(220)을 형성하여 애노드 전극(190), 유기 박막층(210) 및 캐소드 전극(220)으로 이루어지는 유기전계발광 다이오드를 완성한다.
상기 실시예에서, 기판(100) 방향으로 진행하는 빛을 효과적으로 반사시키기 위해서는 반사막(110)을 반도체층(130a)보다 넓게 형성하는 것이 바람직하다. 또 한, 상기 실시예에서는 포토 다이오드가 외부로부터 입사되는 빛을 수광하도록 구성된 경우를 설명하였으나, 이에 국한되지 않고 내부로부터 방출되는 빛을 수광하여 유기전계발광 다이오드의 애노드 전극(180)과 캐소드 전극(220)에 인가되는 전압을 조절하도록 구성할 수 있으며, 포토 다이오드를 이용하여 유기전계발광 소자가 터치 패널(touch pannel)로 동작되도록 구성할 수도 있다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 외부로부터 빛이 입사될 때 포토 다이오드를 투과한 빛과 입사되지 않고 기판 방향으로 진행하는 빛이 반사막에 의해 포토 다이오드로 반사되도록 함으로써 수광 효율을 증대시킬 수 있다. 따라서 반사막에 의해 수광 효율이 증대되기 때문에 포토 다이오드의 크기 감소가 가능해지며, 이에 따라 표시 장치의 크기 감소가 용이해진다.

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 게이트, 소스 및 드레인을 포함하는 트랜지스터;
    상기 트랜지스터와 연결되며, 제 1 전극, 유기 박막층 및 제 2 전극을 포함하는 유기전계발광 다이오드;
    외부로부터 입사되는 빛에 따라 전기신호를 발생하는 포토 다이오드; 및
    상기 포토 다이오드 하부에 형성되며, 상기 외부로부터 입사되는 빛을 상기 포토 다이오드로 반사시키는 반사막을 포함하며,
    상기 포토 다이오드로부터 발생된 전기신호에 따라 상기 유기전계발광 다이오드로부터 방출되는 빛의 휘도가 조절되는 유기전계발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 포토 다이오드가 PN 접합과, 상기 PN 접합 사이의 진성 반도체로 이루어진 유기전계발광 소자.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반사막이 Ag, Mo, Ti, Al 및 Ni을 포함하는 군에서 선택된 하나로 형성된 유기전계발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반사막이 100 내지 5000Å의 두께로 형성된 유기전 계발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반사막이 상기 포토 다이오드보다 넓게 형성된 유기전계발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 포토 다이오드로부터 발생된 전기신호에 의해 상기 제 1 전극 및 제 2 전극에 인가되는 전압이 조절되는 유기전계발광 소자.
  8. 기판 상에 반사막을 형성하는 단계,
    상기 반사막을 포함하는 상기 기판의 전체면에 버퍼층을 형성하는 단계,
    상기 반사막 상부 및 상기 반사막과 인접된 부분의 상기 버퍼층 상에 제 1 및 제 2 반도체층을 각각 형성하는 단계,
    상기 제 1 반도체층에 PN 접합을 형성하고, 상기 제 2 반도체층에 소스 및 드레인 영역과 채널 영역을 형성하는 단계,
    상기 제 1 및 제 2 반도체층을 포함하는 전체면에 게이트 절연막을 형성한 후 상기 채널 영역 상부의 상기 게이트 절연막 상에 게이트 전극을 형성하는 단계,
    상기 게이트 전극을 포함하는 전체면에 층간 절연막을 형성한 후 상기 층간 절연막과 게이트 절연막을 패터닝하여 상기 소스 및 드레인 영역이 노출되도록 콘택홀을 형성하는 단계,
    상기 콘택홀을 통해 상기 소스 및 드레인 영역과 연결되도록 소스 및 드레인 전극을 형성하는 단계,
    전체면에 평탄화막을 형성한 후 상기 소스 또는 드레인 전극의 소정 부분이 노출되도록 상기 평탄화막에 비아홀을 형성하고, 상기 비아홀을 통해 상기 소스 또는 드레인 전극과 연결되도록 제 1 전극을 형성하는 단계,
    상기 제 1 전극의 일부 영역이 노출되도록 화소 정의막을 형성한 후 노출된 상기 제 1 전극 상에 유기 박막층을 형성하는 단계,
    상기 유기 박막층을 포함하는 상기 화소 정의막 상에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
    외부로부터 입사되는 빛에 따라 상기 PN 접합을 포함하는 포토 다이오드로부터 전기신호가 발생되고, 상기 전기신호에 따라 상기 제 1 전극, 유기 박막층 및 제 2 전극을 포함하는 유기전계발광 다이오드로부터 방출되는 빛의 휘도가 조절되도록 하는 유기전계발광 소자의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 반사막을 Ag, Mo, Ti, Al 및 Ni을 포함하는 군에서 선택된 하나로 형성하는 유기전계발광 소자의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 반사막을 100 내지 5000Å의 두께로 형성하는 유기전계발광 소자의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 반사막을 상기 제 1 반도체층보다 넓게 형성하는 유기전계발광 소자의 제조 방법.
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