KR100247141B1 - 전기장 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기장 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래의 전기장 발광소자는 하부 절연층으로 비정질 또는 다결정 BaTiO₃를 사용하여 하부 절연층을 증착한 이후의 공정에서 고온을 사용하는 경우 그 특성이 열화되어 누설전류가 증가되고, 항복 전기장강도가 저하되어 전기장 발광소자의 구동을 목적으로 전기장을 인가하는 경우 그 전기장 발광소자가 쉽게 파괴되는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 하부 절연층을 유전상수값이 큰 다결정 BaTiO₃와 절연특성이 우수한 비정질 BaTiO₃를 적층하여 형성함으로써, 휘도의 포화가 일어나는 고전압에서도 파괴되지 않고 안정된 동작을 하는 효과와 아울러 그 휘도특성이 우수하여 저전압에서 사용이 가능한 효과가 있다.

Description

전기장 발광소자 및 그 제조방법

본 발명은 전기장 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 비정질 BaTiO₃과 전이층, 다결정 BaTiO₃의 다중층 구조로 하부 절연층을 제조하여 높은 유전상수 및 우수한 절연특성을 갖도록 함으로써, 전기장 발광소자 표시장치의 구동 전압을 낮추는데 적당하도록 한 전기장 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기장 발광소자 표시장치(ECTROLUMINESCENT DISPLAY)는 완전 고체소자로서 내환경성, 내구성 등이 요구되는 특수환경에 적합한 고품위 표시 특성을 가지고 있음에도 높은 구동전압으로 인하여 배터리 동작이 불가능하여 휴대형 각종 컴퓨터나 정보표시처리용 단말기 등과 같은 응용 분야에서는 사용이 제한되고 있으며 일반적으로 상하부 절연층의 사이에 발광층이 삽입되어 있는 구조를 가진 박막전기장 발광소자의 성능과 동작 신뢰도는 절연층의 특성에의해 좌우되며, 이와 같은 종래 전기장 발광소자를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 전기장 발광소자의 동작 문턱전압과 절연층의 유전상수와의 관계를 도시한 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 전기장 발광소자에 사용된 절연층의 유전상수값에 따라 소자의 발광문턱전압이 크게 영향을 받는다는 사실을 알 수 있다. 이러한 전기장 발광소자의 구동시에는 1~2MV/cm의 높은 전기장이 발광층에 인가되며 이때 절연층은 발광층의 급격한 절연파괴를 방지하기 위한 전류제한자로서 동작한다. 전기장 발광소자용 절연층의 품위는 유전상수와 항복전기장 세기의 곱으로 주어지는 성능지수의 값으로 평가되며, 전기장 발광소자에 사용되기 위해서느 발광층의 성능 지수인 1.8 μC/ ㎠의 세배 이상의 값이 요구된다. 또한 전기장 발광소자는 전기적으로 용량소자이므로 전기장 인가시 각층의 정전용량의 역수에 비례하여 전압이 분배된다. 따라서 전기장 발광소자의 구동전압을 낮추기 위해서는 유전상수가 큰 절연층을 사용해야 하며, 종래의 전기장 발광소자용 절연층으로는 Y₂O3, SiON, Al₂O₃, TiO₂등이 사용되어 왔는데, 이들 절연층을 사용하여 제조된 소자의 경우 150~200 Volts의 구동전압을 갖게 됨으로 이를 낮추기 위해서는 보다 높은 유전상수를 가지는 물질을 사용하여 절연층을 형성하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 종래 절연층으로 사용되는 Y₂O₃, SiON, Al₂O₃, TiO₂의 단점을 보완하기 위해 ABO₃구조의 페롭스카이트 재료를 사용하는 것이 제안되었다. 상기 ABO₃(A=Ba, Ca, Sr, Pb: B=Ti, Zr)구조의 페롭스카이트 재료들은 고집적, 대용량, 초미세 전자소자에서 요구되는 다양한 조건을 만족시킬 수 있는 우수한 특성을 지닌 것으로 알려져 있다. 이 가운데에서도 BaTiO₃는 다결정상태에서 매우 높은 유전상수를 가지는 반면 비정질 상태에서는 절연특성이 우수한 것으로 알려져 있다.

종래에도 비정질이나 다결정 BaTiO₃중의 단일 박막만을 사용한 전기장 발광소자들이 소개된 바 있다 즉, 유리기판의 상부에 형성한 투명전극과; 상기 투명전극의 상부에 형성한 하부 절연막과; 상기 하부절연막의 상부에 형성한 발광층과; 상기 발광층의 상부에 형성한 상부 절연막과; 상기 상부 절연막의 상부에 형성한 상호 이격되는 다수의 알루미늄전극으로 구성되는 전기장 발광소자에 있어서, 상기 하부절연막을 비정질 BaTiO₃또는 다결정 BaTiO₃를 증착하여 형성한다. 그러나, 상기 하부절연막은 후열처리과정에서 다결정 및 비정질 BaTiO₃절연층으로부터 발광층 내부로의 심한 이온유입 현상이 발생되었다. 이온유입으로 인해 계면이 뭉게지는 현상은 결국 다층의 박막으로 구성되는 전기장 발광소자에서 인접 박막 계면이 불확실해 지고 종국에는 소자 구조의 열화로 인해 전압 인가시의 발광 문턱특성과 휘도의 열화를 수반하게 된다. 특히 전기장 발광소자는 고전기장하에서 동자하므로 상기 이온의 유영이나 침투는 가속 열화의 직접적인 원인의 하나가 될 수 있다. 또한 전기장 발광소자에 사용되는 대부분의 절연층은 250℃ 이하에서 형성하며 이와 같이 저온에서 성장한 절연층이 상부의 박막 형성으로 고온 열처리 효과를 겪게되는 경우 절연층의 누설전류가 증가되고 항복 전기장강도가 저하된다.

상기한 바와 같이 종래의 전기장 발광소자는 그 하부 절연층을 비정질 또는 다결정 BaTiO₃를 사용하여 형성하여, 이후의 공정에서 고온을 사용하는 경우 그 특성이 열화되어 누설전류가 증가되고, 항복 전기장강도가 저하되어 전기장 발광소자의 구동을 목적으로 전기장을 인가하는 경우 그 전기장 발광소자가 쉽게 파괴되는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 전기장 발광소자의 하부 절연층을 유전상수와 절연특성이 우수한 물질로 형성하여 쉽게 파괴되지 않는 전기장 발광소자 및 그 제조방법의 제공에 그 목적이 있다.

제1도는 전기장 발광소자의 동작 문턱전압과 절연층의 유전상수와의 관계를 도시한 그래프도.

제2도는 본 발명 전기장 발광소자의 하부 절연층의 공정조건을 도시한 그래프도.

제3도는 다결정 또는 비정질 BaTiO₃를 사용한 하부 절연층의 유전특성과 다층구조 하부 절연층에 대한 유전특성 비교그래프도.

제4도는 본 발명 전기장 발광소자의 전압인가시간에 따른 다층구조 하부 절연층의 전류특성변화를 이중절연층구조 하부 절연층과 비교한 그래프도.

제5도는 본 발명 다층구조 하부절연층을 사용한 전기장 발광소자의 발광특성 그래프도.

상기와 같은 목적은 하부 절연층을 기판온도의 자연 냉각을 이용하여 비정질 BaTiO₃, 전이영역, 다결정 BaTiO₃다층구조로 형성함으로써 달성되는 것으로, 그 구체적인 실시예는 아래와 같다.

유리기판의 상부에 형성된 투명전극과, 상기 투명전극의 상부에 형성된 다층구조의 하부 절연층과, 상기 하부 절연층상에 형성된 발광층과, 상기 발광층상에 형성된 상부 절연층과, 상기 상부 절연층의 상부에 상호 이격되도록 형성된 다수의 알루미늄전극으로 구성되며, 상기와 같은 구성의 전기장 발광소자는 유리기판상에 투명전극을 증착하는 단계와, RF 반응성 스퍼터 장치를 이용한 스퍼터링방법으로 상기 투명전극의 상부에 다층의 하부 절연층을 형성하는 단계와, 상기 하부 절연층상에 ZnS을 증착하여 발광층을 형성하는 단계와, 상기 발광층의 박막 결정성 향상을 위하여 진공 열처리 하는 단계와, 상기 발광층상에 상부 절연층을 증착하는 단계와, 상기 상부 절연층의 상부에 열증착법으로 알루미늄 증착한후 리프트-오프(LIFT-OFF) 공정으로 패터닝하여 서로 소정 간격으로 이격되도록 다수의 알루미늄 전극을 형성하는 단계로 제조되어 진다.

이하, 상기와 같은 본 발명에 의한 전기장 발광소자 및 그 제조방법을 좀더 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 의한 하부 절연층의 공정조건을 도시한 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 하부 절연층을 구성하는 다층의 BaTiO₃박막은 RF 반응성 스퍼터링을 사용하 제조하며, 기판으로는 ITO(INDIUM TIN OXIDE)가 코팅된 유리기판을 사용한다. 상기 ITO는 투명전극으로 사용되며 하부 절연층 증착전에 메탄올, 아세톤, 디아이 워터(DI WATER)를 사용하여 순차적으로 세척한다음, 고순도 질소를 사용하여 물기를 제거한 후 전기오븐에서 완전건조시킨후에 사용한다.

상기 유리기판은 직경 4인치, 두께 1/4인치의 ITO가 코팅된 BaTiO₃세라믹 소결체를 사용하였으며, 증착시에는 알에프 전력(RF POWER)는 2.5W/㎠를 인가한다. 상기 하부 절연층 제조시 분위기는 기체 압력은 8mtorr로 하여 반응기체로 주입된 산소분압은 10%로 유지한다.

먼저 기판가열용 히터모듈에 전원을 인가하여 유리기판을 가열하고, 그 기판의 온도가 550℃로 되면 그 온도를 유지한다.

그 다음, 상기 유리기판의 상부에 원하는 두께의 다결정 BaTiO₃를 스퍼터링 방법을 사용하여 증착한 후 상기 유리기판을 가열하는 기판가열용 히터모듈에 입력되는 전원을 차단한다.

그 다음, 연속하여 기판의 자연냉각 과정중에 상기 형성된 다결정 BaTiO₃의 상부에 비정질 BaTiO₃를 증착함으로써, 상기 형성된 다결ITO가 코팅된 유리기판의 상부에 다결정 BaTiO₃와 비정질 BaTiO₃로 이루어지는 다층구조의 하부 절연층을 형성하며, 상기 하부 절연층의 형성종료시 기판온도는 약 280℃를 유지한다. 이와 같이 자연 냉각과정중에 적층하는 방법은 다결정 BaTiO₃를 형성한 후 기판온도를 상온으로 내린다음 비정질 BaTiO₃를 형성하는 경우에는 쉽게 발생할 수 있는 결정구조 불일치에 의한 계면의 결함 생성을 감소시킬 수 있다. 다시 말해서 상기와 같이 자연냉각과 정중에 다결정 BaTiO₃를 증착하면, 상기 비정질 BaTiO₃와 다결정 BaTiO₃의 사이에 일종의 전이층이 형성되며, 이와 같이 비정질 BaTiO₃, 전이층, 다결정 BaTiO₃를 포함하는 층을 종래 비정질 BaTiO₃와 다결정 BaTiO₃의 이중구조와 구분되도록 다층구조라 칭한다.

그 다음, 상기의 방법으로 하부 절연층을 형성한 후에 진공도 5×10^-5torr, 기판온도 180~220℃에서 전자선증착법으로 Mn으로 도핑된 ZnS를 증착하여 450~700nm 두께의 발광층을 형성한다. 이때, 상기 발광층을 형성하는 단계는 Pr, Ce를 각각 0.1~0.3 mol % 첨가한 ZnS를 450~700nm의 두께로 증착하여 형성하여도 동일한 효과를 나타낸다.

그 다음, 상기 발광층의 결정성 향상과 발광중심의 효과적인 확산을 위하여 기판온도 450℃에서 1시간 동안 진공열처리한다.

그 다음, 상기 발광층의 상부에 SiO_XN_Y를 증착하여 단일층으로 이루어진 상부 절연층을 300nm 두께로 형성한다.

그 다음, 상기 상부 절연층의 상부에 열증착법으로 알루미늄을 150nm두께로 증착하고, 그 증착된 알루미늄을 리프트 오프(LIFT-OFF) 공정으로 패터닝하여 상호 소정간격 이격되도록 분리된 알루미늄전극을 형성하여 전기장 발광소자를 제조하게 된다.

또한, 도3은 다결정 또는 비정질 BaTiO₃를 사용한 하부 절연층의 유전특성과 본 발명에서 제조한 다층구조 하부 절연층에 대한 유전특성 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 다층구조 하부 절연층은 적층순서로 볼 때 유리기판, 투명전극, 다결정 BaTiO₃, 비정질 BaTiO₃순서로 적층되어 유전상수값은 다결정 BaTiO₃하부 절연층보다는 작게 나타나며 누설전류는 비정질 BaTiO₃하부 절연층을 따르는 특징을 나타낸다. 그리고 220 BaTiO₃, 220 BaTiO₃등 BaTiO₃의 앞에 쓰인 숫자는 각각 BaTiO₃박막의 두께인 200nm, 220nm, 260nm를 표시한다.

그리고, 도4는 기판온도에 따른 다층구조 하부 절연층의 전류특성 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 다결정 BaTiO₃를 증착한 후 기판온도가 완전히 상온까지 냉각된 후에 비정질 BaTiO₃를 증착하여 제조한 이중층구조의 하부 절연층을 가진 소자구조에 비해 본 발명에서와 같이 기판온도가 상온으로 냉각되는 과정에 제조한 비정질 BaTiO₃를 적층한 다층구조의 하부절연층의 수명특성이 우수함을 알 수 있다.

또한, 도5는 본 발명에서 제조한 다층구조 하부절연층을 사용한 전기장 발광소자의 발광특성 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 다결정 BaTiO₃를 하부 절연층으로 사용하는 경우 구동전압은 가장 낮게 나타났으나 최대 휘도에 이르기 전에 항복현상이 발생하여 소자의 치명적인 파괴현상이 나타나며, 본 발명에 의한 다층구조의 하부 절연층을 이용한 전기장 발광소자의 발광문턱전압은 다결정 BaTiO₃를 사용한 경우와 같이 매우 낮게 나타났으며 휘도의 포화가 일어나는 고전압에서도 안정된 동작을 나타내고 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의한 전기장 발광소자 및 그 제조방법은 그 전기장 발광소자의 하부 절연층을 유전상수값이 큰 다결정 BaTiO₃와 절연특성이 우수한 비정질 BaTiO₃를 적층하여 형성함으로써, 휘도의 포화가 일어나는 고전압에서도 파괴되지 않고 안정된 동작을 하는 효과와 아울러 그 휘도특성이 우수하여 저전압에서 사용이 가능한 효과가 있다.

Claims (13)

1. 유리기판의 상부에 형성한 투명전극과, 상기 투명전극의 상부에 증착한 하부 절연층과, 상기 하부 절연층의 상부에 순차적으로 형성한 발광층, 상부 절연층, 알루미늄전극을 포함하는 전기장 발광소자에 있어서, 상기 하부 절연층은 순차적으로 증착된 다결정 BaTiO₃, 전이층. 비정질 BaTiO₃의 다층구조로 된 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 발광층의 두께는 400~700nm인 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 상부 절연층은 SiO_XN_Y인 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 상부 절연층의 두께는 300nm인 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자.
5. 유리기판상에 투명전극을 증착하는 단계와; RF 반응성 스퍼터 장치를 이용한 스퍼터링방법을 사용하여 상기 투명전극의 상부에 다결정 BaTiO₃을 증착하고 자연냉각방식을 이용하여 상온이 되기 이전에 비정질 BaTiO₃를 상기 다결정 BaTiO₃를 증착하여 상기 비정질 BaTiO₃와 다결정 BaTiO₃의 계면에 전이층이 형성되도록 하는 하부 절연층형성단계와; 상기 하부 절연층상에 ZnS을 증착하여 발광층을 형성하는 단계와; 상기 발광층의 박막 결정성 향상을 위하여 진공 열처리하는 단계와; 상기 발광층상에 상부 절연층을 증착하는 단계와; 상기 상부 절연층의 상부에 열증착법으로 알루미늄을 증착한후 패터닝하여 상호 소정 간격으로 이격되도록 다수의 알루미늄전극을 형성하는 단계로 이루어 진 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자 제조방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 유리기판은 직경 4인치, 두께 1/4인치의 BaTiO₃세라믹 소결체를 사용하여 된 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자 제조방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 하부 절연층을 증착하는 단계는 알에프 전력밀도 2.5W/㎠, 기체 압력 8mtorr, 반응기체로 주입된 산소분압 10%, 기판온도 550℃의 공정 분위기에서 증착하는 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자 제조방법.
8. 제 5항에 있어서, 상기 하부절연층을 증착하는 단계가 완료된 시점에서의 기판온도는 280℃인 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자 제조방법.
9. 제 5항에 있어서, 상기 발광층을 형성하는 단계는 진공도 5×10^-5torr, 기판온도 180~220℃의 공정분위기에서 전자선증착법으로 Mn으로 도핑된 ZnS를 450~700nm 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자 제조방법.
10. 제 5항에 있어서, 상기 발광층을 형성하는 단계는 Pr, Ce를 각각 0.1~0.3 mol % 첨가한 ZnS를 450~700nm의 두께로 증착하는 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자 제조방법.
11. 제 5항에 있어서, 상기 발광층을 형성한 후 진공열처리 하는 단계는 1시간동안 기판의 온도를 450℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자 제조방법.
12. 제 5항에 있어서, 상기 상부 절연층을 증착하는 단계는 SiO_XN_Y를 300nm 두께로 증착하는 것을 특징으로 전기장 발광소자 제조방법.
13. 제 5항에 있어서, 상기 알루미늄전극을 형성하는 단계는 열증착법으로 알루미늄을 150nm두께로 증착하고, 그 증착된 알루미늄을 리프트 오프공정으로 패터닝하는 것을 특징으로 하는 전기장 발광소자 제조방법.

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