KR0164456B1 - 청색발광용 전계발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

청색발광용 전계발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 청색발광용 전계발광표시소자(electroluminescent display)에 관한 것으로, 유리기판 상에 ITO 투명전극을 형성하는 공정과; RF 반응성 스퍼터링 장치를 이용한 스퍼터링법으로 상기 투명전극 상에 제1절연층을 형성하는 공정과; 상기 제1절연층 상에 다층구조( SrS와 SrS:Ce층을 두층 이상 연속 교번하는 구조 예컨대, SrS-SrS:Ce-SrS 다층구조)를 갖는 발광층을 형성하는 공정과; 상기 발광층 상에 제2절연층을 형성하는 공정과; 상기 제2절연층 상에 반응성 스퍼터링법으로 보호층을 헝성하는 공정 및: 상기 보호층 상에 열증착법으로 알루미늄을 증착한 후 리프트-오프공정으로 패터닝하여 서로 소정간격 이격되도륵 알루미늄 전극을 형성하는 공정을 거쳐 소자제조를 완료하므로써, 1) 일차전자의 발생 및 가속층과 발광이 일어나는 층을 공간적으로 분리하는 발광층 구조를 가지게 되어 종래의 단일 SrS:Ce 구조와 비교해볼 때, 동일한 두께의 발광층을 형성하는 경우 상대적으로 높은 휘도특성을 얻을 수 있으며, 2) 발광중심을 다층구조의 중간에 도핑하므로써 발광중심인 Ce가 안정화된 결정장내에 위치하게되므로, 발광색이 안정될 뿐 아니라 동작시간 경과에 따른 특성변화를 상대적으로 감소시킬 수 있는 고신뢰성의 전계발광소자를 구현할 수 있게 된다.

Description

청색발광용 전계발광소자(ELD) 및 그 제조방법
제1(a)도 내지 제1(c)도는 종래의 일반적인 전계발광소자의 구조를 개략적으로 도시한 단면도로,
제1(a)도 및 제1(a')도는 MI형 전계발광소자를 나타낸 단면도.
제1(b)도는 MIS형 전계발광소자를 나타낸 단면도.
제1(c)도는 MIS형 전계발광소자를 나타낸 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 청색발광용 전계발광소자를 도시한 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 청색발광용 전계발광소자의 SrS-SrS:Ce-SrS 박막 결정성을 도시한 그래프.
제4(a)도 및 제4(b)도는 본 발명에 따른 청색발광용 전계발광소자의 SrS-SrS:Ce-SrS 박막 조성과 성분분포특성을 도시한 그래프.
제5도는 본 발명에 따른 청색발광용 전계발광소자의 발광스펙트럼을 도시한 그래프.
제6도는 본 발명에 따른 청색발광용 전계발광소자의 이동전하량(Q)-인가 전압(V) 특성을 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 유리기판 12 : ITO전극
14 : 제1절연층 16 : 발광층
18 : 제2절연층 20 : 보호층
22 : 알루미늄 전극
본 발명은 전계발광표시소자(electroluminescent display:이하 ELD라 한다)에 관한 것으로, 특히 SrS-SrS:Ce-SrS 다층 구조를 갖는 발광박막을 이용하여 제조된 청색발광용 전계발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
대면적 스크린에 고화질을 재현하기 위한 HDTV 개념의 등장으로 정보표시 화면의 해상도가 뛰어나고 풀-칼라(full-color)화가 가능한 소형, 경량, 박형의 평판표시장치(flat panel display device)에 대한 연구가 전 세계적으로 매우 활발히 이루어지고 있다.
이들 평판표시장치 중에서도 ELD는 소자 구조상 유일하게 고체상태의 소자로서 진동, 충격이나 온도변화가 심한 특수한 환경하에서도 안정적으로 동작이 가능한 가장 우수한 화질의 평판표시소자중의 하나로 현재 미국, 일본, 필란드 등에서 최대 화면크기가 18인치에 이르는 황등색 발광 ELD까지 생산하고 있다.
이러한 ELD는 형광층을 2장의 전극 사이에 끼워 교류전압을 가하였을 때 발광하는 것을 발견하고 이름지어진 것으로, 이를 크게 구조면에서 분류하면 이른바 진성 EL이라 일컬어지는 절연층에 의한 MI형 EL과, 반도체에 의한 MS형 EL, MIS형 EL, MISI형 EL 및, PN접합형 EL으로 구분할 수 있다.(여기서 상기 M은 금속 즉, 도전층을 나타내며, I는 절열층, S는 반도체를 나타낸다)
상기 구분에 의한 그 각각의 개략적인 EL구조는 제1(a)도 내지 제1(c)도를 참조하여 설명한다.
제1(a)도에 도시된 MI형 EL은 금속-절연층(metal-insulator)구조를 갖는 것으로, 특별히 처리된 분말 형광체를 절연체(I)속에 분산시키고 이것을 전극(M)사이에 끼워서 전압을 가하도록 되어 있다. (이때 전압은 보통 10kV/cm 정도의 교류를 가한다)
발광 작용은 상기 형광체 분말 표면의 전도성 부분과 절연체의 경계면에 생긴 고전계로 가속된 자유전자가 형광체의 발광중심에 충돌하여 전자를 여기시키고, 그 여기된 전자가 재결합하므로써 일어나는 것이다.
제1(a')도는 제1(a)도의 형광체로서 ZnS에 Cu, Mn을 첨가한 예를 도시해 놓은 것으로, 유리기판(1) 상에 SnO2로 이루어진 투명 전극(3)이형성되어 있고, 상기 투명전극(3)상에는 발광층(ZnS:Cu, Mn)(5)이 형성되어 있으며, 상기 발광층(5)상에는 알루미늄 금속전극(7)형성되어 상기 금속전극(7)과 투명전극(3)으로 교류전압을 인가할 시에 전술된 발광원리에 의해 상기 유리기판(1)을 통해 빛이 에너지(hν)형태로 방출되는 것을 나타낸다.
제1(b)도에 도시된 MS형 EL은 반도체(S)와 일함수가 다른 금속(M)으로 전극을 만들고 이것에 의해 생기는 반도체 표면의 장벽을 이용하여 소자를 형성하는 것으로, 이를테면 ZnSe에 일함수가 큰 백금이나 이리듐을 접촉시킨 것이다.
즉, 넓은 밴드 갭(band cap)을 가진 반도체(ZnSe)에 소수 캐리어를 주입하여 다수 캐리어의 재결합을 일으키므로서 발광시키는 방법이다.
다음으로 제1(c)도에 도시된 MIS형 EL은 반도체(S) 표면에 얇은 절연층(I)을 만들고, 상기 절연층을 통해 반도체(S) 속에 소수 캐리어를 주입하므로써 발광시키도록 되어 있다.
도시되지 않은 이외의 EL소자로는 안정도를 증가시키기 위해 반도체층의 양측에 절연층을 형성한 MISI형 EL 및 PN접합형 EL을 들 수 있다.
이러한 EL소자들을 천연색 발광이 가능한 EL소자로 개발하기 위해서는 먼저, 빛의 3원색인 적색, 청색 및, 녹색 발광이 가능한 서로 다른 세종류의 EL발광재료와 발광박막 제조방법 및 소자구조의 개발이 선행되어야 한다.
1994년 현재, 적색과, 녹색 발광은 상품화가 가능한 수준의 발광재료와 소자기술의 개발이 완성되어 일부 다색발광 패널이 생산되고 있으나, 색순도가 높은 고휘도의 청색발광소자의 제조에 있어서는 발광재료의 개발과 개발된 재료의 박막제조에 어려움이 뒤따라 기술적으로 애로를 겪고 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로, 모체층과 발광중심이 도핑된 모체층을 연속교번하는 다층구조(에컨대, SrS-SrS:Ce-SrS 다층구조)로 이루어진 발광층을 이용하여 EL표시소자를 형성하므로써 동작시간 경과에 따른 특성변화를 상대적으로 감소시켜 안정된 발광색을 얻을 수 있을 뿐 아니라 고휘도를 실현할 수 있는 청색발광용 전계발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따흔 청색발광용 전계발광소자는 유리기판과; 상기 유리기판 상에 형성된 투명전극과; 상기 투명전극보다 좁은 폭을 가져 투명전극의 에지부분 일부가 드러나도록 상기 투명전극 상에 형성된 제1절연층과; 상기 제1절연층보다 좁은 폭을 가져 제1절연층의 에지부분 일부가 드러나도록 상기 제1절연층 상에 다층구조로 형성된 발광층과; 상기 투명전극 및 제1절연층의 드러난 에지부분을 포함하도록 상기 발광층 상에 형성된 제2절연층과; 상기 제2절연층 상에 형성된 보호층과; 서로 분리되어 소정간격 이격되도록 상기 보호층 상에 형성된 알루미늄 전극으로 이루어져 상기 알루미늄 전극와 투명전극으로 교류전압이 인가되도록 구성됨을 특징으로 한다.
한편, 상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 의한 청색발광용 전계발광소자는 유리기판 상에 ITO 투명전극을 형성하는 공정과; RF 반응성 스퍼터링 장치를 이용한 스퍼터링법으로 상기 투명전극 상에 제1절연층을 형성하는 공정과; 상기 제1절연층 상에 다층구조를 갖는 발광층을 형성하는 공정과; 상기 발광층 상에 제2절연층을 형성하는 공정과; 상기 제2절연층 상에 반응성 스퍼터링법으로 보호층을 형성하는 고정 및; 상기 보호층 상에 열증착법으로 알루미늄을 증착한 후 리프트-오프공정으로 패터닝하여 서로 소정간격 이격되도록 알루미늄 전극을 형성하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 구성 및 제조공정에 의해 본 발명에 따른 청색발광용 전계발광소자는 소자의 휘도특성과 효율을 개선시킬 수 있게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 청색발광용 전계발광소자를 도시한 단면도를 나타낸 것으로, 상기 도면에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 ELD는 유리기판(10)상에 칼럼(column) 전극용으로 ITO(In2O3-SnO2) 투명전극(12)이 형성되어 있으며, 상기 투명전극 상에는 상기 전극(12)보다 좁은 폭을 가져 투명전극(12)의 에지부분 일부가 드러나도록 Si3N4로 이루어진 제1절연층(14)이 형성되어 있다.
이어서 상기 제1절연층(14)상에는 상기 절연층(14)보다 좁은 폭을 가져 제1절연층(14)의 에지부분 일부가 드러나도록 다층구조로 이루어진 발광층(16)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 발광층(16)은 SrS와 SrS:Ce층이 두층 이상 연속교번되는 구조 즉, 모체층과 발광중심이 도핑된 모체층이 연속교번하는 구조로 이루어져 있다.
이때 상기 모체층은 ZnS, CaS, SrS 등의 Ⅱ-Ⅵ 화합물중 선택된 어느 하나로 이루어지며, 상기 발광중심은 전이원소 또는 희토류 원소중 선택된 어느 하나로 이루어진다.
계속해서 상기 투명전극(12) 및 제1절연층(14)의 드러난 에지부분을 포함하도록 상기 발광층(16)상에 Si3N4로 이루어진 제2절연층(18)이 형성되어 있으며, 상기 제2절연층(18)상에는 SiOXNY로 이루어진 보호층(20)이 형성되어 있다.
상기 보호층(20)상에는 서로 분리되어 소정간격 이격되도록 알루미늄 전극(22)이 형성되어 있으며, 상기 알루미늄 전극(22)과 투명전극(12)으로는 교류전압이 인가되도록 구성되어 있다.
이러한 구조를 갖는 ELD의 제조공정을 5단계로 구분하여 살펴보면 아래와 같다.
먼저, 제1단계로서 유리기판(10) 상에 칼럼(column) 전극용으로 ITO 투명전극(12)을 사진식각하여 형성한 다음, RF 반응성 스퍼터링 장치를 이용한 스퍼터링법으로 상기 투명전극(12)상에 제1절연층(14)을 형성한다.
상기 제1절연막(14) 증착공정에서 이용되는 스퍼터링 타게트는 직경3인치, 두께1/8인치의 Si3N34세라믹 소결체이며, 박막 형성조건은 진공도 10-3- 10-2torr, 기판온도는 120℃, 스퍼터링 분위기 기체 O2/Ar=1-40%, RF 파워 밀도 2-6 W/㎠이다.
제2단계로서, 로드-락(road-lock)으로 장착되어 있는 MSD장치를 이용하여 상기 제1절연층(14) 상에 다층으로 이루어진 발광층(16)을 형성한다.
즉, 세 개의 PBN도가니에 발광층 조성원료인, Sr, S, Ce을 각각 담은 후 각 도가니에 담긴 재료의 녹는점 온도를 히터를 사용하여 정밀제어하고 증착속도를 일정하게 유지한 뒤 증착하고자 하는 원료를 제1절연체 및 투명전극이 형성된 기판 상으로 순차적으로 날려 증착시키되 발광중심이 도핑된 SrS:Ce 모체층을 상기 SrS모체층 중간에 증착시켜 SrS-SrS:Ce-SrS 구조를 갖도록 형성한다. 증착시의 기판 온도는 약 350℃로 고정시키며, 상기 발광층(16)의 박막 조성은 각 원료 물질을 담고 있는 도가니의 온도를 가변시키므로써 조절한다.
이어서 제3단계로서, 증착이 끝난 시편은 마그네틱 트랜스레이터(magnetic translator)를 이용하여 진공중에서 다시 로드-락으로 장착되어 있는 스퍼터 장치로 밀어넣은 다음 상기 발광층(16)상에 Si3N4로 이루어진 제2절연층을 제1절연층과(14)과 동일한 방법 및 조건으로 형성하고, 이후 알루미늄 전극 식각 공정시 화학적인 공격으로부터 소자를 보호하기 위해 반응성 스퍼터링 방법으로 상기 제2절연층(18)상에 SiOXNY절연막을 증착하여 보호층(20)을 형성한다.
제4단계로서, 상기 보호층(20)상에 로우(row) 전극용 알루미늄을 열증착법으로 약 1500Å 두께로 증착한 후 리프트-오프(lift-off) 공정으로 패터닝하여 서로 소정간격 이격되도록 분리된 알루미늄 전극(22)을 형성한다.
이후 제5단계로서, 제작된 소자 내부로의 수분 침투와 역학적인 손상을 방지하기 위하여 커버(corver) 유리를 식각하여 봉한다음 실리콘 오일을 주입하여 실링하고, 이어서 PCB기판에 실장한 후 제브라 커넥터(zebra connector)를 사용하여 구동단과 연결하므로써 본 공정을 완료한다.
제3도에는 이러한 공정 결과 만들어진 EL소자의 발광층의 결정상을 XRD방법으로 조사한 결과가 도시되어 있다.
NaCl 구조에 있어서 SrS의 전형적인 (200) 피크(peak)가 매우 선명하게 관측되므로 본 공정에서 제조된 SrS-SrS:Ce-SrS 다층박막의 결정성을 EL소자용 발광막으로서 적합함을 알 수 있다.
제4(a)도 및 제4(b)도에는 상기 공정에 의해 제조된 SrS-SrS:Ce-SrS 박막의 조성과 성분분포특성을 AES와 SIMS 방법으로 조사한 결과가 도시되어 있다.
상기 도면에서는 SrS:S의 비가 거의 1:1로 나타나고 있어 매우 우수한 박막이 형성되었음을 보여주고 있다. 또한, 발광중심인 Ce는 본 구조에서 거의 중심에 주분포를 갖는 분포특성을 가짐을 알 수 있다.
제5도에는 SrS-SrS:Ce-SrS 다층박막을 이용하여 제조된 청색발광용 EL표시소자의 발광스펙트럼을 조사한 결과가 도시되어 있다.
상기 도면에서는 녹색발광이 다소 섞인 청색발광 스펙트럼이 나타나고 있음을 알 수 있으며, 이는 종래의 SrS:Ce소자들에 비해 청색발광 성분이 매우 강화되었음을 뜻한다.
제6도에는 SrS-SrS:Ce-SrS 다층박막을 이용하여 제조된 EL표시소자의 Q-V특성(이동전하량-인가전압 특성)을 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 상기 도면에서는 문턱전압이상에서 매우 급격한 기울기의 부저항특성(negative resistance)이 관측되고 있으며, 이는 발광층의 중심부에 위치한 Ce의 유효이온화와 이로인한 공간전하의 축적으로 나타난 급격한 밴드휘어짐(band bending)의 결과로 보인다.
따라서 이와같은 EL표시소자는 동일한 크기의 인가전압하에서 상대적으로 매우 높은 휘도특성을 나타내게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 일차전자의 발생 및 가속층과 발광이 일어나는 층을 공간적으로 분리하는 발광층 구조를 가지게 되어 종래의 단일 SrS:Ce 구조와 비교해볼 때, 동일한 두께의 발광층을 형성하는 경우 상대적으로 높은 휘도특성을 얻을 수 있을 뿐 아니라 발광중심을 다층구조의 중간에 도핑하므로써 발광중심인 Ce가 안정화된 결정장내에 위치하게 되므로 발광색이 안정되고, 동작시간 경과에 따른 특성변화를 상대적으로 검소시킬 수 있게 된다.

Claims (18)

  1. 유리기판과; 상기 유리기판상에 형성되는 투명전극과; 상기 투명전극의 상부에 형성되는 Si3N4로 이루어지는 제1절연층과; 상기 제1절연층의 상부에 다층구조로 형성됨으로써, 모체층과 발광중심을 포함하는 모체층이 연속 교번되는 구조로 갖는 발광층과; 상기 발광층 상에 형성되는 Si3N4로 이루어지는 제2절연층과 상기 제2절연층 상에 형성되는 보호층과; 상기 보호층 상에 형성된 알루미늄 전극;으로 이루어져 상기 알루미늄 전극과 투명전극으로 교류전압이 인가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광층은 SrS와 SrS:Ce 층이 두 층 이상 연속 교번되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 모체층은 ZnS, CaS, SrS 등의 Ⅱ-Ⅵ화합물 중 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자.
  4. 제2항에 있어서, 상기 발광 중심은 전이원소 또는 히토류 원소 중 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자.
  5. 제2항에 있어서, 상기 발광층은 SrS-SrS:Ce-SrS의 다층구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자.
  6. 유리기판 상에 ITO 투명전극을 형성하는 공정과; RF 반응성 스퍼터링 장치를 이용한 스퍼터링법으로 상기 투명전극 상에 Si3N4로 이루어지는 제1절연층을 형성하는 공정과; 상기 제1절연층 상에 모체층과 발광중심을 포함하는 모체층이 연속 교번될 수 있는 다층구조를 갖는 발광층을 형성하는 공정과; 상기 발광층 상에 Si3N4로 이루어지는 제2절연층을 형성하는 공정과; 상기 제2절연층 상에 반응성 스퍼터링법으로 보호층을 형성하는 공정 및; 상기 보호층 상에 열증착법으로 알루미늄을 증착한 후 리프트-오프 공정으로 패터닝하여 서로 소정 간격 이격되도록 알루미늄 전극을 형성하는 공정;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 보호층은 SiO x Yy로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 발광층은 SrS와 SrS:Ce층이 두 층이상 연속 교번되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 모체층은 ZnS, CaS, SrS등의 Ⅱ-Ⅳ화합물 중 선택되는 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 발광중심은 전이원소 또는 희토류 원소 중 선택되는 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 발광층은 SrS-SrS:Ce-SrS로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  12. 제6항 또는 제11항에 있어서, 상기 발광층은 로드-락으로 정착되어 있는 MSD장치를 이용하여 세 개의 PBN도가니에 발광층 조성원료인 Sr, S, Ce을 각각 담은 후 각 도가니에 담긴 재료의 녹는점 온도를 히터를 사용하여 정밀 제어하고 증착속도를 일정하게 유지한 뒤 증착하고자 하는 원료를 제1절연체 및 투명전극이 형성된 기판 상으로 순차적으로 날려 증착시키되 발광 중심이 포함된 SrS:Ce 모체층을 상기 SrS 모체층 중간에 증착되도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, SrS-SrS:Ce-SrS 다층구조로 이루어진 상기 발광층 증착 시의 기판 온도는 350℃로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 발광층의 박막 조성은 각 원료 물질을 담고 있는 도가지의 온도를 가변시켜 조절하는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  15. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2절연층은 직경 3인치 두께 1/8인치의 Si3N4세라믹 소결체를 이용한 스퍼터링 타게트로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  16. 제6항 또는 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2절연층은 진공도 10-3-10-2torr 범위내의 기판 온도 120℃상태에서 형성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 및 제2절연층은 O2/Ar=0-40%내의 스퍼터링 분위기 하에서 RF 파워밀도 2-6W/㎠로 형성되는 것을 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
  18. 제6항에 있어서, 상기 알루미늄 전극은 1500Å의 두께로 형성되는 특징으로 하는 청색발광용 전계발광소자 제조방법.
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