KR20030001571A - 전계발광소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정 수 및 제조단가를 최소화하고, 낮은 구동전압 하에서도 충분한 발광효과를 구현할 수 있는 전계발광소자의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

이러한 본 발명은 기판 상에 도전성 물질을 증착하여 투명전극을 형성하는 하부전극층 형성공정과, 상기 하부전극층 상에 BaTiO₃계열의 나노콜로이드 (nano-colloid) 입자를 TEOS 고분자용매에 분산시킨 후 스핀코팅법으로 하부절연층을 형성하는 하부절연층 형성공정과, 상기 하부절연층 상에 발광분말을 고유전율을 갖는 바인더에 혼합하여 스핀코팅으로 발광층을 형성하는 발광층 형성공정과, 상기 발광층 상에 BaTiO₃계열의 나노콜로이드 (nano-colloid) 입자를 TEOS 고분자용매에 분산시킨 후 스핀코팅법으로 상부절연층을 형성하는 상부절연층 형성공정과, 상기 상부절연층 상에 상부전극층을 형성하는 공정과 , 상기 상부전극층 상에 보호층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것으로, 본 발명은 종래의 기술에 비하여 저가격으로 장시간 소자신뢰성 및 긴 수명성을 확보할 수 있는 절연층을 제조할 수 있는 신개념의 제조공정을 제공하는데 그 핵심 목적이 있다.

Description

전계발광소자의 제조방법{A manufacturing process electro luminescence device}

본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로 특히 저가격, 긴 수명이 가능한 전계발광소자의 제조방법에 관한 것이다.

표시화면의 두께가 수 센티미터(cm)에 불과한 초박형의 평판 (flat panel) 디스플레이 장치에서도 액정 디스플레이 장치는 주로 노트북 컴퓨터용 모니터, 우주선, 항공기 등에 이르기까지 응용분야가 넓고 다양하나, 상기된 초박형 디스플레이 장치 중 수동발광형 액정 디스플레이 장치는 액정 패널 뒤에 광원으로 사용되는 백라이트 (back light)가 장착되어 있으며, 이러한 백라이트는 극미세 형광등, 도광판, 프리즘 시트(sheet), 확산 시트등의 복잡한 구조로 이루어져 있고 더욱이 이들 부품의 대부분을 외국에서 수입해 와야 하는 문제가 있다.

또한 이러한 종류의 백라이트는 무게, 전력소모, 두께 측면에서 비효율적인 면이 있어서 아직도 많은 연구가 필요한 실정으로써 향후 새로운 종류의 고효율 자체 발광형 표시장치로의 대체가 필수적인 것으로 예고되고 있으며, 이에 따라 얇고 가벼운 전계발광소자가 연구·개발되고 있는 추세이다.

전계발광소자는 적용원리에 따라 크게 LED와 ELD로 구분할 수 있으며, LED는 pn접합 부근에서 발생하는 전자-정공 재결합 과정의 복사성 전이과정을 이용하고 최근에는 유기재료를 이용한 LED의 급속한 발전이 이루어지고 있으며, 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 가속화되어 발광중심을 여기 완화시키는 과정에서 광을 발생시키게 된다.

상기 ELD는 크게 레진 (resin)과 발광분말 (light emitting powder, 즉 phosphor)을 혼합하여 후막 인쇄하는 분산형과 박막기술로 제작되는 박막형으로 구분되며, 구동방법에 따라 AC와 DC형으로 구분할 수 있다.

종래 기술에 따른 전계발광소자를 첨부된 도 1 의 구성도에 의서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 종래 기술에 따른 전계발광소자의 구성도로서, 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 ITO (indium tin oxide)와 같은 투명전극이 스트라이프 (stripe) 등의 소정의 형태로 형성된 투명전극층(13)과, 상기 투명전극층(13) 상에 실리콘 산화물 (SiO_x), 실리콘 질화물 (SiN_x), BaTiO₃등으로 이루어진 하부절연층(15)과, 상기 하부절연층(15) 상에 ZnS와 같은 발광물질로 이루어진 발광층(17)과, 상기 발광층(17) 상에 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 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 교류전압을 인가하면 발광층(17) 내에 고전계 (∼10⁶V/cm)가 형성되고, 상부절연층(19)과 발광층(17)의 계면에서 발생한 전자가 발광층(17)으로 터널링 (tunneling)되며, 상기 터널링된 전자는 발광층(17) 내의 고전계에 의해 가속화되고, 상기 가속화된전자는 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 되는 것으로, 이때 상기된 방출광의 색깔은 발광층의 에너지 밴드갭과 발광중심의 종류에 따라 좌우된다.

이와 같은 종래 전계발광소자의 제조방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 글라스 기판(11) 상에 도전성이 높으면서 투명한 물리적 특성을 갖는 ITO (indium tin oxide) 박막을 증착한 후 사진식각 (photolithography) 공정을 이용하여 스트라이프 (stripe) 형태로 패터닝하여 투명전극층(13)을 형성한다.

그리고 상기 투명전극층(13) 상에 스퍼터링법 또는 CVD (chemical vapor deposition)법 등으로을 이용하여 BaTiO₃계열 또는 Al₂O₃또는 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 등의 하부절연층(15)을 형성한 후, 상기 하부절연층(15) 상에 발광층(17)을 형성하며, 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 CVD법 등으로 산화알루미늄 (Al₂O₃) 또는 실리콘 질화물, 실리콘 산화물 등으로 이루어진 상부절연층(19)을 형성하고, 상기 상부절연층(19) 상에 금속전극층(21)을 형성한다.

즉 상부절연층(19) 상에 알루미늄 또는 은 등을 열증착법을 이용하여 박막을 형성한 후, 상기 투명전극층(13)의 투명전극들과 수직배열을 하는 복수개의 스트라이프형의 금속전극층(21)을 형성한 후, 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 있다.

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 충전변위 수준으로 제한하는 역할을 하게 되나 상기 절연층을 스퍼터링법과 같은 진공증착법으로 박막형으로 형성할 경우 스퍼터링 공정 자체가 고단가이고, 대형시료를 성장하기 위해서는 스퍼터링 장비도 커야 하는데 이는 매우 고단가이며, 공정이 복잡하고 진공분위기가 요구되는 어려운 점이 있다.

또한 이와 같은 배경 때문에 경제성을 고려하여 절연층을 벌크(bulk)분말을 이용한 후막인쇄로 형성하는 경우, 유기 바인더를 사용한 스크린 프린팅 (screen printing) 방법으로 절연층을 형성하는데, 이 역시 요구되는 공정이 복잡할 뿐 아니라 후술되겠지만 소자의 신뢰성에 큰 문제가 있다.

둘째, 발광층의 상부와 하부에 각각 절연층을 형성할 경우, 전압강하가 필연적으로 발생하게 되고, 그로 인하여 소자구동 (광발진)에 필요한 문턱전압 (threshold voltage)가 높아서 높은 구동전압이 요구된다.

셋째, 발광층의 상부와 하부에 절연층을 형성할 때, 특히 벌크분말을 이용하여 후막인쇄법으로 절연층을 형성하면 소자 전체의 두께가 두꺼워져서 (수십∼수백μm) 응용분야가 제한될 수 있다.

넷째, 상술한대로 공정단가를 줄이기 위해 상·하부 절연층을 분말을 이용한 스크린 프린팅으로 형성할 경우, 분말은 대개 수 μm에서 수십 μm의 크기를 갖는 벌크 분말을 사용하는데, 소자를 장시간 사용할 경우 외부의 수분이나 습기성분이 이 분말 사이를 통하여 발광층까지 침투하여 소자의 발광기능을 저하시키는 문제점이 있으며, 특히 이같은 외부수분 및 습기의 침투현상은 종래의 전계발광소자의 신뢰성을 저하시키는 가장 핵심적인 원인으로 알려져 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 공정 수 및 제조단가를 최소화하고, 낮은 구동전압하에서도 충분한 발광효과를 구현할 수 있으며, 저가격으로 장시간 신뢰성을 높일 수 있는 전계발광소자의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 전계발광소자의 구성도

도 2 는 본 발명에 따른 전계발광소자의 구성도

도 3 은 도 2 에 도시된 전계발광소자의 절연층 확대단면도

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

도 5 는 본 발명의 전계발광소자와 기존 소자의 문턱전압및 구동전압 비교 그래프

도 6 은 본 발명의 전계발광소자와 기존 소자의 장시간 신뢰도 특성비교 그래프

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

100 : 기판 101 : 하부전극층 102 : 하부절연층

103 : 발광층 104 : 상부절연층 105 : 상부전극층

107 : 보호층

본 발명의 전계발광소자는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부전극층과, 상기 하부전극층 상에 형성되는 하부절연층과, 상기 하부절연층 상에 형성되는 발광층과, 상기 발광층 상에 상부절연층과, 상기 상부절연층 상에 형성되는 상부전극층과, 상기 상부전극층 상에 형성된 보호층을 포함하여 구성된다.

그리고 본 발명에 따른 전계발광소자 제조방법은 기판 상에 하부전극층을 형성하는 공정과, 상기 하부전극층 상에 하부절연층을 형성하는 공정과, 상기 하부절연층 상에 발광층을 형성하는 공정과, 상기 발광층 상에 상부절연층을 형성하는 공정과, 상기 상부절연층 상에 상부전극층을 형성하는 공정과 , 상기 상부전극층 상에 보호층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명의 전계발광소자는 발광층의 상부와 하부에 종래와 같이 스퍼터링에 의한 고가격 절연층이나 스크린 프린팅에 의한 벌크 분말형 절연층을 성장하지 않고, 고유전율을 갖는 BaTiO₃계열의 나노콜로이드 (nano-colloid)를 TEOS(tetraethyl orthosillicate)(Si(OC₂H₅)₄) 계열의 고분자 용매에 분산시켜 스핀 코팅(spin-coating)법으로 저렴하게 형성하게 되며, 상기 물질은 저렴하게 합성할 수 있는 물질이므로 제조원가가 최소화되면서 또한 공정수가 대폭 감소된다.

그리고 TEOS 용매의 고분자화(Polymerization)에 따라 절연층이 틈새없이 치밀한 구조가 되어 외부 수분이나 습기가 침투할 여지가 없어져서 장시간 신뢰성이 향상되어 소자의 긴 수명성이 확보된다.

또한 BaTiO₃계열의 나노콜로이드는 고유전율을 갖는 물질이므로 전압강하가 최소화되어 구동전압을 낮게 가져갈 수 있을 뿐 아니라, 발광층에 가해지는 전기장을 강하게 하여 충격 여기 효과를 높게 하여 발광효과가 향상될 수 있다.

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

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

도 2 에 도시한 바와 같이, 본 발명의 전계발광소자는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 형성된 하부전극층(101)과, 상기 하부전극층(101) 상에 형성된 하부절연층(102)과, 상기 하부절연층(102) 상에 형성된 발광층(103)과, 상기 발광층(103) 상에 형성된 상부절연층(104)과, 상기 상부절연층(104) 상에 형성된 상부전극층(105)과, 상기 상부전극층(105) 상에 형성된 보호층(107)으로 구성된다.

본 발명의 절연층(102, 104)은 전압강하를 막아서 저전압 구동을 가능케 하고, 또한 발광층(103)으로 고 전기장을 인가하기 위해 도 3 에 도시한 바와 같이 고유전율을 갖는 BaTiO₃계열의 나노콜로이드 입자(102a, 104a)가 TEOS 고분자용매(102b, 104b)에 분산된 상태로 스핀 코팅법으로 저렴하게 형성된다.

상기 절연층(102,104)의 두께는 BaTiO₃나노콜로이드 입자(102a, 104a)와 TEOS 고분자용매(102b, 104b)의 농도에 따라 좌우되는데, BaTiO₃나노콜로이드는 15∼30wt%, TEOS 고분자용매는 1∼5wt%로 조절하여 절연층(102,104)의 두께를 조절하면 된다.

그리고 본 절연층(102, 104)을 스핀코팅 하기 위해서는 액체상태로 유지해야 하는데 이를 위해 메탄올을 추가로 투입하는데, BaTiO₃계열의 나노콜로이드(102a, 104a)와 TEOS 고분자용매(102b, 104b)와 메탄올의 비율을 부피비로 1:1:5∼1:1:10으로 조절하는 것이 좋다.

이러한 비율로 자력교반에 의해 혼합된 절연층용 용액(solution)을 스핀코팅법으로 도포하는데, 하부절연층(102)의 경우 투명전극층(101) 상에, 그리고 상부절연층(104)의 경우 발광층(103) 상에 형성하고 건조오븐에서 150^oC로 1시간 건조시킴을 통해 TEOS 고분자용매의 고분자화 (polymerization)을 완성하여 틈새없이 치밀한 절연층 막으로 완성한다.

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

도 4a 에 도시한 바와 같이, 유리 기판(100) 상에 하부전극층(101)을 형성한다.

즉, 기판(100) 상에 투명한 도전성 물질 예컨데, ITO (indium tin oxide)를 증착한 후, 노광 및 현상을 이용한 사진식각 (photolithography) 공정을 통해 일방향으로 복수개의 스트라이프 타입의 투명전극들로 하부전극층(101)들을 형성한다.

이어서, 도 4b 에 도시한 바와 같이 전술한대로 BaTiO₃계열의 나노콜로이드를 TEOS 고분자용매에 분산시킨 상태로 스핀코팅법에 의해 하부절연층(102)을 하부전극층(101) 상에 형성한 후, 도 4c 와 같이 상기 하부절연층(102) 상에 발광층(103)을 형성한다.

이때 발광층(103)을 형성할 때, 발광중심 (Cu 혹은 Mn)이 도핑된 발광분말 (ZnS입자)을, 고유전율을 갖는 고분자 바인더 (polyvinylacetate (PVA) 혹은 polymethyl methaacrylate (PMMA)) 용매에 혼합하여 스핀코팅법을 이용하여 상기 하부절연층(102) 상에 코팅한 후 건조 및 열처리를 수행하면 발광층(103)이 형성된다.

이후, 도 4d 에 도시한 바와 같이, 상기 발광층(103)의 상부에 상부절연층(104)을 형성하며, 이후, 도 4e 에 도시한 바와 같이 상기 상부절연층(104) 상에 상부전극층(105)을 형성한다.

즉, 알루미늄 (Al), 은 (Ag)과 같은 금속을 형성한 후, 상기 하부전극층(101)들과 교차하는 방향으로 복수개의 투명전극들을 스트라이프 타입으로 형성하여 상부전극층(105)을 형성한다.

상기 금속은 열증착법 또는 스퍼터링 또는 화학기상증착법 등을 다양하게 적용할 수 있으며, 마지막으로 도 4f 에 도시한 바와 같이, 상기 상부전극층(105) 상에 보호층(107)을 형성하면 본 발명에 따른 전계발광소자 제조공정이 완료된다.

이같이 구성된 본 발명에 의한 전계발광소자는 고유전율을 갖는 BaTiO₃계열 나노콜로이드 입자가 역시 고유전율을 갖는 실리카 계열의 고분자용매(TEOS)에 분산된 상태로 절연층으로 형성되기 때문에 전압강하 효과가 극소화 되어 문턱전압 및 구동전압이 낮은 상태로 소자가 구동되게 되며 이를 그래프로서 기존 소자와 비교하면 도 5 에 도시된 바와 같다.

또한 본 발명에 의한 전계발광소자는 절연층의 매질로 이용되는 TEOS 고분자용매의 고분자화(polymerization)에 힘입어서 틈새없이 치밀한 구조가 되어 외부의 습기나 수분 침투에 의한 소자의 신뢰도 저하 현상을 극소화 시킬 수 있으며 이를 그래프로서 기존 소자와 비교하면 도 6 에 도시된 바와 같다.

본 발명은 첫째, 상부 및 하부 절연층을 형성함에 있어서, 스퍼터링법과 같은 고가의 진공장비를 사용하지 않고 스핀코팅법을 사용해서 BaTiO₃나노콜로이드와 TEOS 고분자용매가 혼합된 용액을 도포하기 때문에 공정수가 최소화되고 그에 따라 공정단가가 대폭 감소시킬수 있는 효과가 있다.

둘째, 고유전율을 갖는 BaTiO₃계열 나노콜로이드 입자가, 역시 고유전율을 갖는 TEOS 고분자용매에 분산된 상태로 스핀코팅법에 의하여 절연층으로 형성되기 때문에 전압강하가 방지되어 문턱전압을 낮게 하여 저전압으로 소자를 구동할 수 있는 효과가 있다.

셋째, TEOS 용매의 고분자화 (polymerization)에 힘입어서 틈새 없는 치밀한 절연층으로 되어, 외부 수분이나 습기의 침투가 원천적으로 차단되어 장시간 신뢰도가 향상되어 소자의 장수명성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

넷째, 발광층 상하부에 절연층을 후막형으로 형성하지 않고, 박막형으로 절연층을 형성하므로 소자의 두께가 대폭 감소되어 응용범위가 넓어지는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 기판 상에 도전성 물질을 증착하여 투명전극을 형성하는 하부전극층 형성공정과,

   상기 하부전극층 상에 BaTiO₃계열의 나노콜로이드 (nano-colloid) 입자를 TEOS 고분자용매에 분산시킨 후 스핀코팅법으로 하부절연층을 형성하는 하부절연층 형성공정과,

   상기 하부절연층 상에 발광분말을 고유전율을 갖는 바인더에 혼합하여 스핀코팅으로 발광층을 형성하는 발광층 형성공정과,

   상기 발광층 상에 BaTiO₃계열의 나노콜로이드 (nano-colloid) 입자를 TEOS 고분자용매에 분산시킨 후 스핀코팅법으로 상부절연층을 형성하는 상부절연층 형성공정과,

   상기 상부절연층 상에 도전성 물질을 증착하여 전극을 형성하는 상부전극층 형성공정과 ,

   상기 상부전극층 상에 보호층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계발광소자의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연층의 두께는 BaTiO₃나노콜로이드의 농도와 TEOS 고분자용매의 농도로 조절하되, BaTiO₃나노콜로이드는 15∼30 wt%, TEOS 고분자용매는 1∼5 wt%의 범위로 조절하여 절연층의 두께를 조절함을 특징으로 하는 전계발광소자의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 절연층의 열처리온도를 150^oC/1시간으로 하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 하부전극층을 형성하는 공정은, 상기 기판 상에 투명한 도전성 물질을 형성한 후 상기 도전성 물질을 패터닝하여 복수개의 투명전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 발광층을 형성하는 발광분말은 고유전율을 갖는 PVA (polyvinylacetate) 혹은 PMMA (polymethylmethaacrylate) 바인더에 혼합되어 스핀코팅으로 형성하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극층은 상부절연층 상에, 하부전극층과 수직배열을 하는 복수개의 전극층으로 형성함을 특징으로 하는 전계발광소자의 제조방법.