KR101923608B1 - 다층투명전극을 포함하는 투명발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하부투명전극, 상기 하부투명전극 상에 형성된 발광층, 상기 발광층 상에 형성된 하부 마그네슘아연 산화물층, 상기 하부 마그네슘아연 산화물층 위에 형성된 금속층 및 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 상부 마그네슘아연 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 발광층의 플라즈마 손상을 방지하기 위해 하부 마그네슘아연 산화물층은 졸-겔(sol-gel) 방식으로 형성될 수 있다. 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면은 저에너지 이온빔 표면 처리를 통하여 끊어진 결합(dangling bond)을 가져 후속 공정에 의한 발광층의 손상을 최소화 할 수 있다. 상부 마그네슘아연 산화물층은 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 가짐으로써, 하부 마그네슘아연 산화물층보다 작은 일함수와 굴절률을 갖는다. 따라서 투명발광다이오드는 일함수 차이에 의한 전자전달 효율 향상과, 투명전극의 상부/하부 굴절률 차이에 의한 반사방지 효과로 광추출 효율이 향상된다.
Description
본 발명은 다층투명전극을 포함하는 투명발광다이오드 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마그네슘아연 산화물을 금속층 상부 및 하부에 형성하여 우수한 광학적 전기적 특성을 갖는 다층투명전극을 포함하는 투명발광다이오드 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
투명 디스플레이는 디스플레이 영역이 높은 광투과도를 지녀 디스플레이 뒤편의 사물이 보이는 형태를 지니는 디스플레이를 의미한다. 최근 투명 디스플레이의 응용처가 확대됨에 따라 투명 디스플레이 소자가 주목받고 있다.
기존 디스플레이 소자의 유기/양자점 발광 다이오드 구조는 일함수가 큰 투명전극(ITO)과 일함수가 작은 금속전극(Al)을 주로 사용하고 있다. 금속층으로 구성되는 금속 전극은 발광층에서 형성된 빛을 반사하기 때문에, 투명발광다이오드를 제작하기 위해서는 금속층을 충분히 얇게 만들어야 한다. 그러나 금속층의 두께가 얇아지면, 금속층의 면저항이 높아져 투명발광다이오드의 발광효율이 낮아지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근 산화물층 사이에 얇은 금속층을 삽입하는 다층 구조의 투명전극 연구가 진행되고 있다. 다층 구조의 투명전극은 금속층의 구조에 다라 전기적 특성과 광학적 특성이 결정된다. 산화물과 금속의 표면 에너지 차로 인하여 금속층이 입자 형태의 성장을 하기 때문에 얇은 금속 박막층을 형성하기 위한 기술이 요구된다.
스퍼터링 방식의 증착은 이온화 된 아르곤 등을 타겟에 충돌시켜 소스 원자가 타겟 표면에서 방출되어 기판으로 날아가 증착되게 하는 방식으로, 기상 증착 방식보다 얇은 금속 박막 형성에 유리하여 다층 구조 투명 전극을 형성하기 위하여 많이 사용되고 있다. 그러나 일반적인 스퍼터링 방식은 스퍼터링된 금속 이온이 높은 운동 에너지를 가지기 때문에, 발광층이 스퍼터링된 금속 이온에 의해 데미지를 받아 투명발광다이오드의 제작에는 적합하지 않다는 문제가 있다.
Wei-Sheng Liu(Journal of Alloys and Compounds, Volume 564, 5 July 2013, Pages 105113)는 갈륨 도핑된 마그네슘아연 산화물/은/갈륨 도핑된 마그네슘아연 산화물의 다층 구조를 갖는 전극을 제작하는 방법을 개시하였다. 그러나 다층 구조 전극의 전기적 특성을 향상시키기 위하여 스퍼터링 증착 후 150 내지 600℃의 열처리 공정을 도입하고 있어, 투명전극을 발광다이오드 상에 적용 시 발광층이 스퍼터링에 의하여 받는 데미지 및 열처리로 인한 열적 손상의 우려가 존재한다.
본 발명에서는 다층전극구조를 이루는 하부 마그네슘아연 산화물층에 저에너지 이온빔 처리를 하여 금속층의 형성으로 인한 발광층의 손상을 최소화하고, 마그네슘의 함량을 조절하여 높은 발광 효율을 가지는 투명발광다이오드 및 그 제조방법을 제시한다.
본 발명의 제1 기술적 과제는 낮은 면저항과 높은 광투과율을 갖는 다층투명전극을 포함하는 투명발광다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 기술적 과제는 발광층의 손상 없이 낮은 면저항과 높은 광투과율을 갖는 다층투명전극을 포함하는 투명발광다이오드의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 제1 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 하부투명전극, 상기 하부투명전극 상에 형성된 발광층, 상기 발광층 상에 형성된 하부 마그네슘아연 산화물층, 상기 하부 마그네슘아연 산화물층 상에 형성된 금속층 및 상기 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 상부 마그네슘아연 산화물층을 포함하는 투명발광다이오드를 제공한다.
상기 상부 마그네슘아연 산화물 또는 하부 마그네슘아연 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 한다:
[화학식 1]
MgxZn1-xO
여기서 x는 0.001 내지 0.5이다.
상기 하부 마그네슘아연 산화물층은 그 두께가 10nm 내지 50nm인 것을 특징으로 한다.
상기 금속층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금 합금(Au alloy), 은 합금(Ag alloy), 구리 합금(Cu alloy) 및 알루미늄 합금(Al alloy)의 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 금속층은 산화물 표면에 존재하는 두께가 6nm 내지 20nm인 박막 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 하부투명전극, 상기 하부투명전극 상에 형성된 발광층, 상기 발광층 상에 형성된 하부 마그네슘아연 산화물층, 상기 하부 마그네슘아연 산화물층 상에 형성된 금속층 및 상기 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 상부 마그네슘아연 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드의 제조방법에 있어서, 기판 상에 하부투명전극을 형성하는 단계, 상기 하부투명전극 상에 발광층을 형성하는 단계, 상기 발광층 상에 하부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계, 상기 하부 마그네슘아연 산화물층 상에 금속층을 형성하는 단계 및 상기 금속층 상에 상기 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 상부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계를 포함하는 투명발광다이오드의 제조방법을 제공한다.
상기 발광층 상에 하부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계는 상기 하부 마그네슘아연 산화물층을 졸-겔(sol-gel) 방식으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발광층 상에 하부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계 후에 상기 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에 저에너지 이온빔 표면 처리를 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에 저에너지 이온빔 표면 처리를 하는 단계는 100eV의 에너지를 갖는 아르곤(Ar) 이온을 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에 적용하는 것을 특징으로 한다.
상기 금속층 상에 상기 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 상부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계는, 마그네슘아연산화물 타겟과 아연산화물 타겟의 스퍼터링 비를 조절하여 마그네슘의 함량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다층투명전극은 마그네슘아연 산화물로 형성되어 낮은 제조 원가를 가지며, 낮은 면저항과 같은 전기적 특성을 유지하면서 광투과도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 하부 마그네슘아연 산화물층 상에 이온빔 처리를 하여 금속층의 박막 품질을 높일 수 있고, 금속층의 두께를 제어하여 면저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에 끊어진 결합(dangling bond)를 형성하여 금속층 형성 및 후속 공정에 따른 발광층의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명에서는 하부 마그네슘아연 산화물층을 졸-겔 공정을 사용하여 형성함으로써 발광층의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명에서는 상부 마그네슘아연 산화물층의 마그네슘 함량을 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높임으로써 투명전극의 상부와 하부의 일함수 차이로 인해 발광층으로의 전자전달 효율이 향상된다. 또한, 투명전극의 상부와 하부의 굴절률 차이로 인해 투명전극에서의 반사가 방지되어 결과적으로 투명발광다이오드의 광추출 효율이 향상된다.
도 1은 발명의 일실시예에 따른 투명발광다이오드의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 발명의 일실시예에 따라 저에너지 이온빔 처리 전(a)의 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면과 저에너지 이온빔 처리 후(b)의 하부 마그네슘 아연 산화물층의 표면에 증착된 금속층의 XRD 패턴을 도시한 그래프이다.
도 3은 발명의 일실시예에 따라 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면에 저에너지 이온빔 처리를 수행하거나 하지 않은 후 증착된 금속층의 두께에 따른 면저항을 도시한 그래프이다.
도 4는 발명의 일실시예에 따라 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면에 저에너지 이온빔 처리를 수행하거나 하지 않은 후 형성된 다층투명전극의 광투과도 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 5는 마그네슘 함량의 변화에 다른 마그네슘아연 산화물의 일함수(a)와 굴절률 변화(b)를 도시한 그래프이다.
도 6은 상부 마그네슘아연 산화물층과 하부 마그네슘아연 산화물층의 일함수 차이에 따라 전자전달 효율에 미치는 영향을 도시한 개념도이다.
도 7은 발명의 일실시예에 따른 투명발광다이오드의 제작방법을 도시하는 순서도이다.
도 2는 발명의 일실시예에 따라 저에너지 이온빔 처리 전(a)의 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면과 저에너지 이온빔 처리 후(b)의 하부 마그네슘 아연 산화물층의 표면에 증착된 금속층의 XRD 패턴을 도시한 그래프이다.
도 3은 발명의 일실시예에 따라 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면에 저에너지 이온빔 처리를 수행하거나 하지 않은 후 증착된 금속층의 두께에 따른 면저항을 도시한 그래프이다.
도 4는 발명의 일실시예에 따라 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면에 저에너지 이온빔 처리를 수행하거나 하지 않은 후 형성된 다층투명전극의 광투과도 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 5는 마그네슘 함량의 변화에 다른 마그네슘아연 산화물의 일함수(a)와 굴절률 변화(b)를 도시한 그래프이다.
도 6은 상부 마그네슘아연 산화물층과 하부 마그네슘아연 산화물층의 일함수 차이에 따라 전자전달 효율에 미치는 영향을 도시한 개념도이다.
도 7은 발명의 일실시예에 따른 투명발광다이오드의 제작방법을 도시하는 순서도이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 비추어 바르게 이해될 수 있다.
본 명세서에서 언급된 적층 구조는 예시적인 의미로 이해되어야 하며, 본 발명이 이러한 특정 적층 구조로 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, "상에" 또는 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용될 수 있는바, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수 있고, 또한 언급된 층과의 관계에서 상부에 존재하기는 하나 언급된 층의 표면(특히, 입체적 형상을 갖는 표면)을 완전히 덮지 않은 경우도 포함할 수 있다. 따라서, 별도로 "직접적으로"라는 표현을 사용하지 않는 한, 상술한 바와 같이 상대적 개념으로 이해될 수 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 또는 "아래에"라는 표현 역시 특정 층(요소)과 다른 층(요소) 사이의 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 발명의 일실시예에 따른 투명발광다이오드의 구조를 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 투명발광다이오드는 기판 상에 형성된 하부투명전극(10), 하부투명전극(10) 상에 형성된 정공수송층(20), 정공수송층(20) 상에 형성된 발광층(30), 발광층(30) 상에 형성된 다층투명전극(40)을 포함한다.
여기서 기판은 투명발광다이오드를 지지하기 위한 모재 기판으로, 유연성이 없는 유리 기판, 사파이어 기판과 같은 투명 기판이 사용되거나 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌술폰(PES), 폴리이미드(PI), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리싸이클릭올레핀(PCO), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 가교형 에폭시(crosslinking type epoxy), 가교형 우레탄 필름(crosslinking type urethane)와 같은 플렉시블 투명 기판이 사용될 수 있다. 바람직하게는 플렉시블 투명 기판을 모재 기판으로 사용할 수 있다.
하부투명전극(10)은 높은 전도도와 가시광 영역에서 우수한 투과도를 갖는 물질로 형성된다. 하부투명전극(10)은 인듐주석산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO), 은나노와이어(silver nanowire), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer)를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 인듐주석산화물(ITO)을 포함하는 물질로 형성된다.
하부투명전극(10) 상에는 정공수송층(20)을 형성할 수 있다. 정공수송층(20)은 하부투명전극(10)에서 공급되는 정공을 발광층에 용이하게 전달하기 위해, 공지된 물질을 모두 사용할 수 있다. 구체적으로, 예를 들어, 정공수송층(20)은 프탈로시아닌(phthalocyanine) 화합물류, 트리아릴아민(triarylamine) 화합물류, 전도성 고분자류, 페릴렌(perylene) 화합물류를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
발광층(30)은 정공수송층(20) 상에 형성될 수 있다. 발광층(30)은 공지된 유기발광다이오드의 유기 또는 양자점 발광층 형성물질을 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 치환된 9,9' 스피로비플루오렌류, Alq3유로퓸 및 이테르븀과 같은 란탄족 원소 착물, Ir[2-PhPy]3과 같은 트리플렛 발광체(triplet emitter) 또는 쿠마린 545 테트라메틸(Coumarin 545 tetramethyl)(C545T)이 도핑된 트리스(8-하이드로퀴놀리나토)알루미늄(Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum(Alq3) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발광층(30) 상에 다층투명전극(40)이 형성된다. 다층투명전극(40)은 하부 마그네슘아연 산화물층(41), 금속층(43) 및 하부 마그네슘아연 산화물층보다 마그네슘 함량이 높은 상부 마그네슘아연 산화물층(45)을 포함한다.
상기 마그네슘아연 산화물은 다음의 화학식을 갖는다.
[화학식 1]
MgxZn1-xO
여기서 x는 0.001~0.5, 바람직하게는 0.01 내지 0.3이다.
마그네슘아연 산화물은 산화아연에 마그네슘이 도핑된 것이 아니라, 바람직하게는, 마그네슘과 아연의 조성이 균일한 합금이다. MgZnO 합금에서 Mg의 조성비가 Zn에 대해 0.001~0.5, 바람직하게는 0.01~0.3 범위일 수 있다. Mg 함량을 증가시키면 종래 전극으로 사용되는 Al의 일함수(4.2eV)보다 작은 일함수 값(4.18eV)을 가져 보다 우수한 전자 전달 특성을 가질 수 있다. 또한, Mg 함량이 증가하면서 가전자대의 에너지가 큰 음의 값을 가져 투명전극층에서 들어오는 정공이 금속층으로 전달되는 것을 제한하기 때문에 발광층에서 전자-정공 결합 효율을 증가시킬 수 있다. Mg 함량이 46%에 도달할 때 까지 마그네슘아연 산화물은 섬유아연형(Wurtzite) 구조를 유지하면서 Mg의 함량이 증가할수록 일함수가 감소한다. 그러나, Mg의 조성이 50%를 초과하면 ZnO(wurtzite 구조)와 MgO(rock salt 구조)로 상 분리 현상이 일어나 일함수가 증가되고 전기전도도 특성이 감소한다.
하부 마그네슘아연 산화물층(41)은 금속층(43)에서 주입되는 전자를 효과적으로 발광층으로 전달하기 위한 전하수송층으로서 기능한다. 마그네슘아연 산화물층은 전기적으로 부도체와 같은 특성을 가져 50nm 이상에서는 전자의 전달 효율을 감소시키므로, 하부 마그네슘아연 산화물층(41)의 두께는 10 내지 50nm인 것이 바람직하다. 하부 마그네슘아연 산화물층(41)은 금속층(43) 방향 표면에 저에너지 이온빔 표면 처리로 인해 생성된 끊어진 결합(dangling bond)들을 갖는다. 끊어진 결합이 형성된 하부 마그네슘아연 산화물층(41) 표면은 금속에 대한 젖음성이 개선되어, 하부 마그네슘아연 산화물층(41) 상에 금속층(43) 형성 시 고품질의 금속 박막을 얻을 수 있게 한다.
하부 마그네슘아연 산화물층(41) 상에 금속층(43)이 형성된다. 금속층의 삽입으로 상부 마그네슘아연 산화물층 및 하부 마그네슘아연 산화물층의 두께를 얇게 할 수 있고 낮은 면저항을 얻을 수 있다. 빛이 투과 할 수 있는 수준의 매우 얇은 금속층을 삽입하여 상온에서 증착하므로 표면 플라즈몬 현상을 통하여 높은 투과도를 구현할 수 있다.
금속층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 등과 같은 단일 원소와, 금 합금(Au alloy), 은 합금(Ag alloy), 구리 합금(Cu alloy) 및 알루미늄 합금(Al alloy) 등과 같은 합금을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 은을 사용할 수 있다.
빛의 금속층에 대한 침투 깊이(skin depth)가 20nm이므로 금속층의 두께는20nm 이하를 유지하는 것이 바람직하다. 금속층, 특히 은(Ag)층의 두께는 6~20nm, 바람직하게는 8~16nm일 수 있다. 은층의 두께가 6nm 미만인 경우에는 아일랜드 구조를 가져 낮은 전기적 특성을 보여주지만, 6nm 이상에서는 연속적인 박막 구조를 가져 캐리어 농도(sheet carrier concentration)가 증가하고, 그 결과 다층 투명전극의 전기적 특성이 좋아진다.
금속층 상에 상부 마그네슘아연 산화물층(45)이 형성된다. 상부 마그네슘아연 산화물층(45)은 하부 마그네슘아연 산화물층(41)보다 높은 마그네슘 함량을 가진다. 마그네슘아연 산화물은 마그네슘 함량이 증가할수록 일함수와 굴절률이 작아진다. 따라서 상부 마그네슘아연 산화물층(45)은 하부 마그네슘아연 산화물층(41)보다 작은 일함수와 낮은 굴절률을 갖는다. 따라서, 일함수 차이에 의한 전자전달효율 향상과 투명전극의 상부, 하부 굴절률 차이에 의한 반사 방지 효과로 인해 투명발광다이오드의 광추출 효율이 증가한다.
실시예 1
본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 16nm 두께의 은 금속층을 포함하는 다층투명전극(40)은 가시광 영역에서 95.42%의 광투과도를 가지며, 면저항은 4.89Ω/sq이다. 이는 일반적으로 애노드로 사용하는 100nm 두께의 알루미늄 금속 전극(광투과도 <60%, 면저항 <10Ω/sq)보다 우수한 광학적, 전기적 특성을 가진다. 또한 마그네슘아연 산화물의 일함수 조절과 가전자대 조절을 통하여 투명발광다이오드의 발광 효율이 증가되는 것 역시 확인 할 수 있었다.
도 2는 발명의 일실시예에 따라 저에너지 이온빔 처리 전(a)의 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면과 저에너지 이온빔 처리 후(b)의 하부 마그네슘 아연 산화물층의 표면에 증착된 금속층의 XRD 패턴을 도시한 그래프이다.
(a)는 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면에 저에너지 이온빔 처리를 수행하지 않은 경우 증착된 금속층의 XRD 패턴을 도시한 그래프이다.
(b)는 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면에 저에너지 이온빔 처리를 수행한 후 증착된 금속층의 XRD 패턴을 도시한 그래프이다.
스퍼터링을 통하여 증착된 금속층은, 저에너지 이온빔 처리를 하지 않은 하부 마그네슘아연 산화물층에서는 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에 머물지 않고 내부로 확산되어 산화물 표면에 박막 구조로 존재하지 않는다. 따라서 그림 (a)에서 Ag 고유의 픽을 확인할 수 없다. 반면, 저에너지 이온빔 처리를 수행한 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에는 끊어진 결합(dangling bond)이 형성되어 Ag의 젖음성이 개선되고, Ag 층은 산화물 표면에 박막 구조로 형성된다. 그림 (b)에서 뚜렷한 Ag 픽이 나타나는 것을 통해 Ag 금속층이 산화물 표면에 박막 구조로 형성되는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 발명의 일실시예에 따라 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면에 저에너지 이온빔 처리를 수행하거나 하지 않은 후 증착된 금속층의 두께에 따른 면저항을 도시한 그래프이다.
저에너지 이온빔 처리를 수행하지 않은 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에서는 Ag 층이 박막 구조로 형성되지 않아, Ag층의 두께가 14nm 이하일 경우 250Ω/sq 이상의 높은 저항을 갖는 것을 확인할 수 있다. Ag층의 두께가 14nm 이상이 되는 경우, 표면에 연속적인 박막구조가 형성되어 저항이 급격히 감소하게 된다. 반면 저에너지 이온빔 처리를 수행한 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에서는 고품질의 Ag층이 형성되므로, 8nm의 두께에서도 50Ω/sq 이하의 낮은 저항을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 4는 발명의 일실시예에 따라 하부 마그네슘아연 산화물층의 표면에 저에너지 이온빔 처리를 수행하거나 하지 않은 후 형성된 다층투명전극의 광투과도 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
저에너지 이온빔 표면 처리를 한경우 저에너지 이온빔 표면처리를 수행하지 않은 경우보다 가시광선 대 영역에서 높은 광투과도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 Ag 층이 일정한 두께를 갖는 고품질의 박막으로 형성되어, 빛이 금속층을 표면 플라즈몬 현상을 통하여 쉽게 투과할 수 있기 때문으로 생각된다.
도 5는 마그네슘 함량의 변화에 따른 마그네슘아연 산화물의 일함수와 굴절률 변화를 도시한 그래프이다.
(a)는 마그네슘 함량의 변화에 따라 마그네슘아연 산화물의 일함수 변화를 도시한 그래프이다(Appl. Phys. Lett. 94, 242107 (2009)).
마그네슘 함량이 증가할수록 점차 마그네슘아연 산화물의 일함수가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 다만 마그네슘 함량이 40wt%를 넘어서면 일함수가 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 아연 산화물과 마그네슘 산화물로 상 분리 현상이 일어나기 때문으로 생각된다.
(b)는 마그네슘 함량의 변화에 따라 마그네슘아연 산화물의 굴절률 변화를 도시한 그래프이다(Solar Energy Materials & Solar Cells 93 (2009) 193198).
마그네슘의 함량이 높아질수록 굴절률이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 상부 마그네슘아연 산화물층의 마그네슘 함량을 더 높임으로써, 상부 마그네슘아연 산화물층이 하부 마그네슘아연 산화물층보다 더 낮은 굴절률을 가질 수 있게 된다. 따라서 투명전극에 의한 내부 전반사를 억제하고, 투명발광다이오드의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 상부 마그네슘아연 산화물층과 하부 마그네슘아연 산화물층의 마그네슘 함량의 차이에 따라 전자수송 효율에 미치는 영향을 도시한 개념도이다.
상부 마그네슘아연 산화물층은 낮은 일함수를 가지고 있어 적은 에너지로도 많은 자유전자를 방출할 수 있다. 또한 마그네슘의 함량이 높을수록 에너지 준위는 높아지는데, 상부산화물층-금속층-하부산화물층으로 갈수록 낮은 에너지 준위를 가지게 되어, 발생한 자유전자가 발광층으로 효율적으로 수송될 수 있다. 따라서 전자 수송 효율의 향상에 따라 투명발광다이오드의 발광효율이 향상된다.
도 7은 발명의 일실시예에 따른 투명발광다이오드의 제작방법을 도시하는 순서도이다.
기판 상에 하부투명전극(10)을 형성한다. 하부투명전극(10) 상에 정공수송층(20)을 형성하고, 정공수송층(20) 상에 발광층(30)을 순차적으로 형성한다. 하부투명전극(10), 정공수송층(20) 및 발광층(30)은 상술한 재료에 한정되는 것은 아니며, 다양한 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
하부투명전극(10), 정공수송층(20) 및 발광층(30)을 형성하는 공정은, 기판 상에 전술된 물질을 열 증착법(thermal evaporation), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 스퍼터링법(sputtering) 및 레이저 분자빔 증착법(laser molecular beam epitaxy) 중에서 선택되는 어느 하나의 방법을 이용하여 수행하는 것일 수 있다.
하부 마그네슘아연 산화물층(41)은 발광층의 플라즈마 데미지를 피하기 위하여 졸-겔(sol-gel) 방식을 적용하여 증착할 수 있다. 마그네슘아연 산화물은 전기적 부도체과 같은 특성을 가지므로 전자의 전달 효율 감소를 피하기 위하여 10nm 내지 50nm의 두께를 갖도록 형성된다.
상기 하부 마그네슘아연 산화물층(41)에 100eV의 낮은 에너지를 갖는 아르곤 이온을 이용하여 저에너지 이온빔 표면처리를 한다. 저에너지 이온빔 표면 처리는 하부 마그네슘아연 산화물층(41) 표면에 끊어진 결합(dangling bond)를 형성하여 금속의 젖음성을 개선한다. 저에너지 이온빔 표면 처리는 아르곤 이온이 산화물 표면에서 10 내지 100A의 깊이까지만 침투하므로, 발광층(30)에 데미지를 주지 않는다.
하부 마그네슘아연 산화물층(41) 상에 기상증착 방식을 이용하여 금속층(43)을 형성한다. 기상증착 방식을 이용하여 금속 박막을 형성하므로, 스퍼터링과 같이 높은 운동 에너지를 가지는 금속 이온의 침투로 인하여 발광층(30)이 데미지를 받아 발광 효율이 감소되는 문제를 방지할 수 있다. 저에너지 이온빔 표면처리를 한 하부 마그네슘아연 산화물층(41) 상에 기상증착 방식으로 형성된 금속층은 상술한 바와 같이 고품질의 박막 구조를 가짐을 확인할 수 있었다.
금속층(43) 상에 상부 마그네슘아연 산화물층(45)을 형성한다. 상부산 마그네슘아연 화물층(45)의 형성시, 발광층(30)은 금속층(43) 및 하부 마그네슘아연 산화물층(41)에 의하여 보호받기 때문에 상부 마그네슘아연 산화물층(45)의 증착 방식은 제한을 두지 않는다. 상부 마그네슘아연 산화물층(45)은 바람직하게는 스퍼터링 방식을 사용하여 형성된다. 상기 상부 마그네슘아연 산화물층(45)의 마그네슘의 함량을 조절하기 위하여 스퍼터링 시 마그네슘아연 산화물 타겟과 아연산화물 타겟의 RF 파워비를 조절할 수 있다. 상부 마그네슘아연 산화물층(45)의 마그네슘 함량은 하부 마그네슘아연 산화물층(41)보다 높아 낮은 굴절률과 작은 일함수를 갖게 된다.
지금까지 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본질적인 특성에 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 하부투명전극 20 : 정공수송층
30 : 발광층 40 : 다층투명전극
41 : 하부 마그네슘아연 산화물층 43 : 금속층
45 : 상부 마그네슘아연 산화물층
30 : 발광층 40 : 다층투명전극
41 : 하부 마그네슘아연 산화물층 43 : 금속층
45 : 상부 마그네슘아연 산화물층
Claims (10)
- 하부투명전극;
상기 하부투명전극 상에 형성된 발광층;
상기 발광층 상에 형성된 하부 마그네슘아연 산화물층;
상기 하부 마그네슘아연 산화물층 위에 형성된 금속층; 및
상기 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 상부 마그네슘아연 산화물층을 포함하고,
상기 상부 마그네슘아연 산화물 또는 하부 마그네슘아연 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드.
[화학식 1]
MgxZn1-xO
여기서 x는 0.001 내지 0.5이다. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 하부 마그네슘아연 산화물층은 그 두께가 10nm 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드. - 제1항에 있어서,
상기 금속층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금 합금(Au alloy), 은 합금(Ag alloy), 구리 합금(Cu alloy) 및 알루미늄 합금(Al alloy)의 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드. - 제1항에 있어서,
상기 금속층은 산화물 표면에 존재하는 두께가 6nm 내지 20nm인 박막 구조인 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드. - 하부투명전극, 상기 하부투명전극 상에 형성된 발광층, 상기 발광층 상에 형성된 하부 마그네슘아연 산화물층, 상기 하부 마그네슘아연 산화물층 위에 형성된 금속층 및 상기 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 상부 마그네슘아연 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드의 제조방법에 있어서,
기판 상에 하부투명전극을 형성하는 단계;
상기 하부투명전극 상에 발광층을 형성하는 단계;
상기 발광층 상에 하부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계;
상기 하부 마그네슘아연 산화물층 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
상기 금속층 상에 상기 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 상부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 금속층 상에 상기 하부 마그네슘아연 산화물층보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 상부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계는, 마그네슘아연산화물 타겟과 아연산화물 타겟의 스퍼터링 비를 조절하여 마그네슘의 함량을 제어하는 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 발광층 상에 하부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계는 상기 하부 마그네슘아연 산화물층을 졸-겔(sol-gel) 방식으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 발광층 상에 하부 마그네슘아연 산화물층을 형성하는 단계 후에 상기 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에 저에너지 이온빔 표면 처리를 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에 저에너지 이온빔 표면 처리를 하는 단계는 100eV의 에너지를 갖는 아르곤(Ar) 이온을 하부 마그네슘아연 산화물층 표면에 적용하는 것을 특징으로 하는 투명발광다이오드의 제조방법. - 삭제
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| KR1020170055058A KR101923608B1 (ko) | 2017-04-28 | 2017-04-28 | 다층투명전극을 포함하는 투명발광다이오드 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170055058A KR101923608B1 (ko) | 2017-04-28 | 2017-04-28 | 다층투명전극을 포함하는 투명발광다이오드 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180120986A KR20180120986A (ko) | 2018-11-07 |
| KR101923608B1 true KR101923608B1 (ko) | 2018-11-29 |
Family
ID=64363038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020170055058A KR101923608B1 (ko) | 2017-04-28 | 2017-04-28 | 다층투명전극을 포함하는 투명발광다이오드 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101923608B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11703706B2 (en) | 2019-10-10 | 2023-07-18 | Samsung Display Co., Ltd. | Optical filter comprising a first capping layer between a low refractive index layer and a light-converting layer having light-converting portions respectively corresponding to color filters |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002111059A (ja) | 2000-09-29 | 2002-04-12 | Stanley Electric Co Ltd | 光半導体素子及び光半導体装置 |
| JP2008244387A (ja) | 2007-03-29 | 2008-10-09 | Shimane Univ | 酸化亜鉛系発光素子 |
| JP2009295868A (ja) | 2008-06-06 | 2009-12-17 | Rohm Co Ltd | 酸化物導電膜 |
-
2017
- 2017-04-28 KR KR1020170055058A patent/KR101923608B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002111059A (ja) | 2000-09-29 | 2002-04-12 | Stanley Electric Co Ltd | 光半導体素子及び光半導体装置 |
| JP2008244387A (ja) | 2007-03-29 | 2008-10-09 | Shimane Univ | 酸化亜鉛系発光素子 |
| JP2009295868A (ja) | 2008-06-06 | 2009-12-17 | Rohm Co Ltd | 酸化物導電膜 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11703706B2 (en) | 2019-10-10 | 2023-07-18 | Samsung Display Co., Ltd. | Optical filter comprising a first capping layer between a low refractive index layer and a light-converting layer having light-converting portions respectively corresponding to color filters |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20180120986A (ko) | 2018-11-07 |
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