KR0164457B1 - 백색발광용 전계발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

백색발광용 전계발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR0164457B1 KR1019950000923A KR19950000923A KR0164457B1 KR 0164457 B1 KR0164457 B1 KR 0164457B1 KR 1019950000923 A KR1019950000923 A KR 1019950000923A KR 19950000923 A KR19950000923 A KR 19950000923A KR 0164457 B1 KR0164457 B1 KR 0164457B1
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Abstract

본 발명은 백색발광용 전계발광표시소자(electroluminescent display)에 관한 것으로, 유리기판 상에 ITO 투명전극을 형성하는 공정과; RF 반응성 스퍼터링 장치를 이용하여 상기 투명전극상에 다층으로 이루어진 제1절연층(예컨대, Si3N4와 BaTiO3가 순차적으로 적층된 2층 구조)을 형성하는 공정과; 상기 제1절연층 상에 발광층(예컨대, ZnS모체에 Pr과 Mn 이원중심을 첨가한 ZnS:Pr, Mn 재질의 발광층)을 형성하는 공정과; 상기 발광층의 박막 결정성 향상 및 발광중심인 Pr과 Mn의 효과적인 확산을 위하여 상기 패턴이 형성된 기판 전면을 진공열처리하는 공정과; 상기 발광층 상에 제2절연층(예컨대, 단일층의 Si3N4/BaTiO)을 형성하는 공정과; 상기 제2절연층 상에 반응성 스퍼터링법으로 SiOXNY절연막을 적층하여 보호층을 형성하는 공정 및; 상기 보호층 상에 열증착법으로 알루미늄을 증착한 후 리프트-오프공정으로 패터닝하여 서로 소정간격 이격되도록 알루미늄 전극을 형성하는 공정을 거쳐 소자제조를 완료하므로써, 1) 종래 Pr 단일중심만을 사용하여 전계발광소자를 제조하였을 경우 발생되었던 녹색이 강한 백색을 띠는 현상을 제거할 수 있게되어 가시광 전 영역에서 고른 발광을 얻을 수 있으며, 2) 다색발광용 전계발광소자를 제조하려는 경우에 있어서도 발광중심으로 첨가한 Pr과 Mn 농도만을 가변시키므로써 원하는 스펙트럼을 얻을 수 있게 되어 고신뢰성의 백색발광용 전계발광소자를 구현할 수 있게 된다.

Description

백색발광용 전계발광소자 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 MS형 전계발광소자를 나타낸 단면도.
제1(c)도는 MIS헝 전계발광소자를 나타낸 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 백색발광용 전계발광소자 구조를 도시한 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 백색발광용 전계발광소자의 ZnS:Pr, Mn 증착 후 진공 열처리된 박막의 결정성을 도시한 그래프.
제4(a)도 및 제4(b)도는 종래와 본 발명에 따른 전계발광소자의 발광스펙트럼을 비교 도시해 놓은 것으로,
제4(a)도는 ZnS 모체에 단일 중심의 Pr만 첨가된 발광재료를 이용하여 제조된 종래 전계발광소자의 발광스펙트럼을 도시한 그래프.
제4(b)도는 ZnS 모체에 Pr과 Mn 이원중심을 첨가한 발광재료를 이용하여 제조된 본 발명에 따른 백색발광용 전계발광소자의 발광스펙트럼을 도시한 그래프.
제5도는 본 발명에 따른 백색발광용 전계발광소자의 발광모습을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 유리기판 12 : 투명전극
14 : 제1절연층(14';BaTiO3, 14'';Si3N4) 16 : 발광층
18 : 제2절연층(Si3N4/BaTiO3) 20 : 보호층
22 : 알루미늄 전극
본 발명은 전계발광표시소자(electroluminescent display:이하 ELD라 한다)에 관한 것으로, 특히 한 물질 내에서 적색, 녹색, 및 청색발광을 모두 나타낼 수 있는 발광재를 이용하여 발광 박막을 형성한 백색발광용 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 전열층, 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-절연측(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)이 형성되어 있고, 상기 투명전극(3)상에는 발광층(ZnS:Cu, Mn )(5)이 형성되어 있으며, 상기 발광층(5)상에는 알루미늄 금속전극(7)이 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 일으키므로써 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 EL이 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 판넬이 생산되고 있으나, 색순도가 높은 고휘도의 청색발광소자의 제조에 있어서는 발광재료의 개발과 개발된 재료의 박막제조에 어려움이 따라 기술적으로 애로를 겪고 있다.
이에 따라 천연색 발광이 가능한 EL소자를 구현하는 또다른 방법으로 등장한 것이 한가지의 발광재료를 이용하여 가시광 전영역의 발광을 나타낼 수 있도록 한 것이다.
즉, 단일 모체와 단일 발광중심을 이용한 백색 발광재료와 박막을 제조하고 여기에 필터기술을 접목시켜 적색, 청색 및, 녹색 발광이 가능한 소자를 제조하는 방법이다.
여기서 상기 칼라필터 기술은 이미 액정디스플레이(LCD) 분야에서 확보된 기술이므로 이 방법의 핵심기술은 단일 발광막에서 적색, 청색 및, 녹색의 발광이 모두 가능한 재료를 개발하는 것과 이를 이용한 EL소자를 구현하는 것에 주안점을 두고 있다.
제4도에는 이러한 종래의 ZnS모체에 단일 중심으로서 Pr만을 첨가한 발광막을 이용하여 제조된 소자의 발광스펙트럼이 도시되어 있다.
그러나 상기와 같이 EL소자의 발광층을 Pr 단일중심만을 사용하여 형성하였을 경우에는 녹색이 강한 백색을 띠게 되어 가시광 전 영역에서 고른 발광을 나타낼 수 없다는 단점이 발생하게 된다.
이에 본 발명은 상기와 같은 단점을 개선하기 위한 것으로, ZnS 모체에 Pr과 Mn 이원중심을 첨가한 ZnS:Pr, Mn을 발광재료로 하여 백색EL 소자의 발광층을 형성하므로써 보다 우수한 발광스펙트럼 분포특성을 얻을 수 있을 뿐 아니라 소자의 휘도를 개선시킬 수 있도록 한 백색발광용 전계발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 백색발광용 전계발광소자는 유리기판과; 상기 유리기판 상매 헝성된 투명전극과; 상기 투명전극 상에 다층으로 형성된 제1절연층과; 상기 제1절연층 상에 형성된 발광층과; 상기 발광층 상에 형성된 제2절연층과; 상기 제2절연층상에 형성된 보호층과; 서로 분리되어 소정간격 이격되도륵 상기보호층 상에 형성된 알루미늄 전극으로 이루어져 상기 알루미늄 전극과 투명전극으로 교류전압이 인가되도록 구성됨을 륵징으로 한다.
한편, 상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 의한 백색발광용 전계발광소자는 유리기판 상에 ITO 투명전극을 형성하는 공정과; RF 반응성 스퍼터링 장치를 이용한 스퍼터링법으로 상기 투명전극상에 다층으로 이루어진 제1절연층을 형성하는 공정과;
상기 제1절연층 상에 발광층을 형성하는 공정과;
상기 발광층의 박막 결정성 향상을 위하여 상기 패턴이 형성된 기판 전면을 진공열처리하는 공정과; 상기 발광층 상에 제2절연층을 형성하는 공정과; 상기 제2절연층 상에 반응성 스퍼터링법으로 보호층을 형성하는 공정 및; 상기 보호층 상에 열층착법으로 알루미늄을 증착한 후 리프트-오프공정으로 패터닝하여 서로 소정간격 이격되도록 알루미늄 전극을 형성하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 구성 및 제조공정에 의해 본 발명에 따른 백색발광용 전계발광소자는 가시광 전영역에 걸쳐 비교적 고른 발광스펙트럼 분포 특성을 얻을 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 백색발광용 전계발광소자를 도시한 단면도로 나타낸 것으로, 상기 도면에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 ELD는 유리기판(10) 상에 ITO(In2O3-SnO2) 투명전극(12)이 형성되어 있으며, 상기 투명전극(12)상에는 BaTiO3(14') 및 Si3N4(14'') 이 순차적으로 적층되어 있는 이층 구조의 제1절연층(14)이 형성되어 있다.
이어서 상기 제1절연층(14) 상에는 ZnS모체에 Pr과 Mn 이원중심을 첨가시킨 ZnS:Pr, Mn 발광재료로 형성된 발광층(16)이 적층되어 있으며, 상기 발광층(16)상에는 다시 Si3N4/Si3N4단일층으로 이루어진 제2절연층(18)이 형성되어 있다.
계속해서 상기 제2절연층(18)상에는 SiOxYy절연막으로 일어진 보호층(20)이 형성되어 있으며, 상기 보호층(20)상에는 서로 분리되어 소정간격 이격되도록 알루미늄 전극(22)이 패터닝되어 상기 알루미늄 전극(22)과 투명전극(12)으로 교류전압이 인가되도록 구성되어 있다.
이러한 구조를 갖는 ELD의 제조공정을 6단계로 구분하여 살펴보면 아래와 같다.
먼저, 제1단계로서 유리기판(10)상에 칼럼(column) 전극용으로 ITO투명전극(12)을 사진식각하여 형성한 다음, RF 반응성 스퍼터링 장치를 이용한 스퍼터링법으로 상기 투명전극(12)상에 다층으로 이루어진 제1절연층(14)을 형성한다.
이때 상기 제1절연층(14)은 BaTiO3및 Si3N4가 순차적으로 적층된 이층구조를 가지도록 형성되며, 상기 Si3N4는 후속 공정에서 형성될 발광층(16)과의 계면에서 중간층(interlayer)역할을 담당한다.
상기 제1절연막(14) 증착공정에서 이용되는 스퍼터링 타게트는 직경 3인치, 두께 1/8인치의 Si3N4의 BaTiO3세라믹 소결체이며, 박막 형성조건은 진공도 10-3-10-2torr, 기판온도는 120℃, 스퍼터링 분위기 기체 O2/Ar=10-40%, RF 파워 밀도는 2-6W/㎠로 한다.
제2단계로서, 이층 구조를 갖는 상기 제1절연층(14) 상에 Pr과 Mn(순도 4N)을 각각 1.4-0.5, 0.1-0.01 mol% 첨가한 ZnS:Pr, Mn 펠렛(pellet)을 제조한 후 진공도 5×10-5torr, 기판온도 180-220℃에서 E-빔 증착법으로 300-600nm 두께의 ZnS:Pr, Mn 발광층(16)을 증착한다.
상기 발광층(16)의 모체재료로서 사용된 ZnS는 여타의 재료(예컨대, SrS, CaS 등)에 비하여 상온 대기중에서 취급이 용이하고 화학적으로 안정할 뿐만 아니라 이를 이용한 박막 제조시 공정온도로 낮고 조성이 출발원료와 매우 잘 일치한다는 장점을 가진다.
이어서 제3단계로서, ZnS:Pr, Mn 박막(16)의 결정성 향상과 발광중심인 Pr과 Mn의 효과적인 확산을 위해 상기 패턴이 형성된 기판 전면을 기판온도 450℃, 진공도 1×10-5torr로 1시간동안 열처리한다.
제3도에는 발광층(16) 형성 후 진공 열처리된 박막의 결정성을 XRD방법으로 조사한 결과를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 상기 도면에서는 입방상 ZnS의 전형적인 (111) 피크(Peak)가 매우 선명하게 관측되므로 상기 ZnS:Pr, Mn 박막의 결정성은 EL 소자용 발광막으로서 적합함을 알 수 있다.
제4단계로서, 상기 발광층(16) 상에 Si3N4/BaTiO3단일층으로 이루어진 제2절연층(18)을 상기 제1절연층(14)과 동일방법 및 동일 조건으로 형성하고, 이후 알루미늄 전극 식각 공정시 화학적인 공격으로부터 소자를 보호하기 위해 반응성 스퍼터링 방법으로 상기 제2절연층(18) 상에 SiOXNY절연막을 증착하여 보호층(20)을 헝성한다. (이때 상기 제1 및 제2절연층(14),(18)은 BaTiO3등과 같은 강유전체 박막으로도 형성가능하다)
제5단계로서, 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 제6단계로서, 제작된 소자 내부로의 수분 침투와 역학적인 손상을 방지하기 위하여 커버(cover) 유리를 식각하여 봉한다음 실리콘 오일을 주입하여 실링하고, 이어서 PCB 기판에 실장한 후 제브라 커넥터(zebra connector)를 사용하여 구동단과 연결하므로써 본 공정을 완료한다.
제4(a)도 및 제4(b)도에는 종래와 본 발명에 따른 EL소자의 발광스펙트럼이 비교 도시되어 있는데, 제4(a)도에는 ZnS모체에 단일중심으로 Pr만 첨가된 발광박막을 이용하여 제조된 종래 EL소자의 발광스펙트럼이 도시되어 있으며, 제4(b)도는 ZnS모체에 Pr과 Mn 이원중심을 첨가한 박막을 이용하여 제조된 본 발명에 따른 백색발광용 EL소자의 발광스펙트럼이 도시되어 있다.
본 발명에 의해 제조된 EL소자의 경우, 그 스펙트럼 분포가 가시광 전 영역에 걸쳐 비교적 고르게 분포하므로 종래 EL소자에 비해 발광스펙트럼 분포특성이 우수하여 백색발광 EL소자에 적용가능함을 알 수 있다.
제5도에는 상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 백색발광용 EL소자의 발광모습을 나타낸 사진이 도시되어 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, ZnS모체에 Pr과 Mn 이원중심을 첨가한 발광재를 제조한 후 상기 발광재를 이용하여 전계발광소자를 제조하므로써, 1) 종래 Pr 단일중심만을 사용하여 전계발광소자를 제조하였을 경우 발생되었던 녹색이 강한 백색을 띠는 현상을 제거할 수 있게 되어 가시광 전 영역에서 고른 발광을 얻을 수 있으며, 2) 다색발광용 전계발광소자를 제조하려는 경우에 있어서도 발광중심으로 첨가한 Pr과 Mn 농도만을 가변시키므로써 원하는 스펙트럼을 얻을 수 있게 되어 고신뢰성의 백색발광용 전계발광소자를 구현할 수 있게 된다.

Claims (13)

  1. 유리 기판과; 상기 유리기판 상에 형성되는 투명전극과; 상기 투명전극 상에 BaTiO3와 Si3N4가 순차적으로 증착되는 이층 구조로 이루어지는 제1절연층과; 상기 제1절연층 상에 ZnS 모체에 Pr과 Mn 이원중심을 첨가한 ZnS:Pr, Mn으로 이루어지는 발광층과; 상기 발광층상에 형성되는 Si3N4/BaTiO3로 이루어지는 제2절연층과; 상기 제2절연층 상에 형성되는 보호층과; 서로 분리되어 소정간격 이격되도록 상기 보호층 상에 형성된 알루미늄 전극;으로 이루어져 상기 알루미늄 전극과 투명전극으로 교류전압이 인가되도록 구성됨을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보호층은 SiOxYy절연막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자.
  3. 유리기판 상에 ITO 투명전극을 형성하는 공정과; RF 반응성 스퍼터링 장치를 이용한 스퍼터링법으로 상기 투명전극 상에 BaTiO3가 적층되고 상기 BaTiO3상에는 Si3N4가 적층된 이층구조를 갖도록 제1절연층을 형성하는 공정과; 상기 제1절연층 상에 ZnS 모체에 Pr과 Mn 이원중심을 첨가한 ZnS:Pr, Mn으로 이루어지는 발광층을 형성하는 공정과; 상기 발광층의 박막 결정성 향상을 위하여 상기 패턴이 형성된 기판 전면을 진공열처리하는 공정과; 상기 발광층 상에 Si3N4/BaTiO3의 단일층으로 제2절연층을 형성하는 공정과; 상기 제2절연층 상에 반응성 스퍼터링법으로 보호층을 형성하는 공정 및; 상기 보호층 상에 열증착법으로 알루미늄을 증착한 후 리프트-오프 공정으로 패터닝하여 서로 소정간격 이격되도록 알루미늄 전극을 형성하는 공정;으로 이루어는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전계발광소자의 제1 및 제2절연층은 BaTiO3등과 같은 강유전체계의 박막으로도 형성 가능한 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2절연층은 직경 3인치 두께 1/8인치의 Si3N4와 BaTiO3세라믹 소결체를 이용한 스퍼터링 타게트로 형성되는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2절연층은 진공도 10-3-10-2torr범위내의 기판온도 120℃ 상태에서 형성되는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2절연층은 O2/Ar=0-40% 내의 스퍼터링 분위기 하에서 RF 파워 밀도 2-6W/cm2로 형성되는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 발광층은 순도 4N을 갖는 Pr과 Mn을 각각 1.4-0.5, 0.1-0.01 mol% 첨가한 ZnS:Pr, Mn 펠럿을 제조하는 공정과, 제조된 상기 ZnS:Pr, Mn을 증착 재료로 하여 기판 온도 180 - 220℃에서 E-빔 증착법으로 증착시키는 공정을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, E-빔법으로 증착된 상기 발광층은 300-600nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  10. 제3항에 있어서, 상기 열처리 공정은 상기 ZnS:Pr, Mn 박막의 결정성 향상 및 발광중심인 Pr과 Mn의 효과적인 확산을 위해 진공도 1×10-5torr로 기판온도 450℃에서 1시간 동안 실시하는 것을 특징으로 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  11. 제3항에 있어서, 상기 보호층은 SiOXNY로 형성되는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  12. 제3항 또는 제11항에 있어서, 상기 보호층은 1500Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 발광층은 Pr과 Mn 이원중심의 농도를 가변하여 색도 조절을 실시하는 것을 특징으로 하는 백색발광용 전계발광소자의 제조방법.
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