KR100292324B1 - Electroluminescent Devices with Multilayer Insulators - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리기판에 투명전극, 절연층, 형광층, 절연층, 금속전극 순서로 형성된 이중절연 구조 교류형 박막전계발광소자의 제조방법에 관한 것으로, 절연층을 알루미늄산화물(Al2O3)과 탄탈륨산화물(Ta2O5)로 번갈아가면서 성장시킴으로써 Al2O3단일 유전체와 비교해서 파괴전계세기는 약간 감소하지만 유전율은 크게 증가하여 최대축적전하량이 증가하였고, 전계발광소자의 구동전압을 낮추며 저 변조전압에서 최대 휘도를 얻었다. 이러한 절연체는 형광층이 두 개 이상 있는 다색 전계발광소자나 실리콘기판 위에 전계발광소자를 만드는 액티브 메트릭스(active matrix)형 전계발광소자의 절연층에도 응용할 수 있다.The present invention is a transparent electrode on a glass substrate, a dielectric layer, a phosphor layer, an insulating layer, as a method of manufacturing a double insulation structure AC thin film electroluminescent device formed of a metal electrode in order, an insulation layer of aluminum oxide (Al 2 O 3) By alternately growing with and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), the breakdown field strength is slightly reduced compared to the Al 2 O 3 single dielectric, but the dielectric constant is increased to increase the maximum accumulated charge and lower the driving voltage of the electroluminescent device. Maximum luminance was obtained at low modulation voltage. Such an insulator can also be applied to an insulating layer of an active matrix type electroluminescent device in which a multicolor electroluminescent device having two or more fluorescent layers or an electroluminescent device is formed on a silicon substrate.

Description

다층 절연체를 갖는 전계발광소자Electroluminescent element with multilayer insulator

본 발명은 전계발광소자에 관한 것으로, 특히 형광층과 접하는 절연층으로서 이종 다층 절연체를 갖는 전계발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to an electroluminescent device, and more particularly, to an electroluminescent device having a heterogeneous multilayer insulator as an insulating layer in contact with a fluorescent layer.

정보통신분야의 급속한 발전으로 말미암아 원하는 정보를 표시해 주는 디스플레이산업의 중요성이 날로 증가하고 있다. 현재까지 정보디스플레이 장치의 주종을 이루는 것은 CRT(cathod ray tube)이다. CRT는 다양한 색을 표시할 수 있고, 화면의 밝기도 우수하다는 장점 때문에 개발된 이래로 지금까지 꾸준한 인기를 누려왔다. 하지만 대형, 휴대용, 고해상도 디스플레이에 대한 욕구 때문에 무게와 부피가 큰 CRT 대신에 평판디스플레이(flat panel display) 개발이 절실히 요구되고 있다. 이러한 평판디스플레이는 컴퓨터 모니터에서 항공기 및 우주선 등에 사용되는 디스플레이에 이르기까지 응용분야가 넓고 다양하다.Due to the rapid development of the information and communication field, the importance of the display industry for displaying desired information is increasing day by day. Until now, the main dominant type of information display device is a cathod ray tube (CRT). CRTs have enjoyed popularity ever since they were developed because of their ability to display a variety of colors and provide excellent screen brightness. However, the desire for large, portable and high resolution displays is urgently needed to develop flat panel displays instead of CRTs, which are bulky and bulky. These flat panel displays have a wide range of applications from computer monitors to displays used in aircraft and spacecraft.

현재 생산 혹은 개발된 평판디스플레이는 액정디스플레이(liquid crystal display : LCD), 전계발광디스플레이(electroluminescent display : ELD), 전계방출디스플레이(field emission display : FED), 플라즈마디스플레이(plasma display panel : PDP) 등이 있다. 이상적인 평판디스플레이가 되기 위해서는 경중량, 고휘도, 고효율, 고해상도, 고속응답특성, 장수명, 저구동전압, 저소비전력, 저가격 및 천연색 디스플레이 특성 등이 요구된다. 현재 휴대용 컴퓨터 모니터로 널리 쓰이는 액정디스플레이는 수동 발광소자이므로 여분의 광원이 필요하고, 응답특성이 늦고, 시야각이 좁다는 단점이 있다. 30인치 이상의 대형 디스플레이에 많이 쓰이는 플라즈마디스플레이는 공간분해능이 떨어진다. 전계방출디스플레이와 전계발광디스플레이는 공간분해능과 응답속도가 뛰어나 고분해능 디스플레이로써 큰 장점을 가지고 있지만 고휘도, 천연색발광 형광체가 부족한 실정이다.Currently produced or developed flat panel displays include liquid crystal display (LCD), electroluminescent display (ELD), field emission display (FED), plasma display panel (PDP), etc. have. To be an ideal flat panel display, light weight, high brightness, high efficiency, high resolution, high speed response characteristics, long life, low driving voltage, low power consumption, low cost and color display characteristics are required. Liquid crystal displays, which are widely used as portable computer monitors, are passive light emitting devices, and require an extra light source, have a slow response characteristic, and have a narrow viewing angle. Plasma displays, which are often used for large displays over 30 inches, have poor spatial resolution. Field emission displays and electroluminescent displays have great advantages as high resolution displays due to their excellent spatial resolution and response speed, but lack of high luminance and natural color phosphors.

이상에서 언급한 평판디스플레이 중에서 전계발광디스플레이는 완전히 고체로 이루어져 있으므로 다른 평판디스플레이에 비하여 사용온도가 훨씬 넓고, 충격이나 진동에 강하여 의료 및 군사기기, 열악한 환경에서 쓰이는 계측장비에 사용되어 왔다. 최근에는 고분해능 HMD(head-mounted display)용 초소형 AMEL 디스플레이도 개발된 상태이다. 하지만, 전계발광디스플레이 사용범위를 넓히기 위해서는 적, 녹색에 버금가는 고휘도 청색형광체 개발과 구동전압 및 발광안정도를 개선할 수 있는 절연재료개발이 동시에 요구된다.Among the flat panel displays mentioned above, the electroluminescent display is completely solid, and thus has a much wider operating temperature than other flat panel displays, and has been used in medical and military equipment and measuring equipment used in harsh environments due to its resistance to shock and vibration. Recently, ultra-small AMEL displays for high-resolution head-mounted displays have also been developed. However, in order to expand the use of the electroluminescent display, it is required to develop a high-luminance blue phosphor comparable to red and green and to develop an insulating material that can improve driving voltage and emission stability.

전계발광디스플레이는 교류형 전압을 가해 구동시키고 구조는 형광층 위, 아래를 절연층이 감싸고 있는 이중절연 구조를 갖는다. 고휘도, 고효율 전계발광을 실현하기 위해서는 좋은 발광체 선택 및 형광층 박막물성도 중요하지만, 그에 못지 않게 중요한 역할을 하는 것이 절연층이다. 절연층의 역할은 걸어준 전계를 형광층에 직접 가하면 쉽게 파괴를 유발하기 때문에, 외부 전기장에 의해 절연층과 형광층의 계면에 존재하는 전자를 형광층으로 주입해 주는 것이다. 이러한 방법은 전계발광소자의 수명을 증대시키는 역할을 한다. 전계발광소자의 구동전압은 형광층을 여기시키는데 필요한 전압과 절연층에 걸리는 전압의 합으로 결정되므로, 가해준 전압을 효과적으로 형광층으로 인가해 주기 위해서는 절연층의 유전상수가 높을수록 유리하다.The electroluminescent display is driven by applying an alternating voltage, and the structure has a double insulation structure in which an insulation layer is wrapped above and below the fluorescent layer. In order to realize high luminance and high efficiency electroluminescence, good light emitting material selection and fluorescent layer thin film properties are important, but the insulating layer plays an important role as well. The role of the insulating layer is to easily induce breakdown when the applied electric field is applied directly to the fluorescent layer, thereby injecting electrons present at the interface between the insulating layer and the fluorescent layer by the external electric field into the fluorescent layer. This method serves to increase the lifetime of the electroluminescent device. Since the driving voltage of the electroluminescent device is determined by the sum of the voltage required to excite the fluorescent layer and the voltage applied to the insulating layer, the higher the dielectric constant of the insulating layer is advantageous to effectively apply the applied voltage to the fluorescent layer.

전계발광소자의 구동전압을 낮추고 휘도를 증가시키기 위하여 양질의 절연재료개발이 필요하다. 이러한 절연체가 지녀야 하는 물성은 누설전류가 작아서 높은 전계세기에서도 절연층 파괴를 일으키지 않고, 유전율이 높아서 구동전압을 최소화 할 수 있어야 한다. 이를 표현하는 수치로써 애용되는 것이 파괴전계세기와 유전율의 곱에 해당하는 최대 축적전하량이다. 그 이외에도 절연층이 형광층이나 전극과 접착성이 좋아야 하고, 가시광선 영역에서 투명하여 발광 빛을 잘 투과시킬 수 있어야 한다. 산화물, 질화물 절연체는 전계에 대하여 뛰어난 안정성을 가지지만 유전율이 낮고, 유전율이 높은 강유전체는 전계에 대한 파괴전계가 낮다. 파괴전계세기와 유전율은 상반되는 물리량을 표현하는 것이므로 동시에 두가지 물성이 좋은 물질을 제작하는 것은 상당히 어려운 일이다.In order to lower the driving voltage and increase the luminance of the EL device, it is necessary to develop high quality insulating materials. The physical properties of these insulators should be such that the leakage current is small so that the insulation layer is not destroyed even at high electric field strengths, and the dielectric constant is high to minimize the driving voltage. The most commonly used numerical value is the maximum accumulated charge that corresponds to the product of the breakdown field strength and permittivity. In addition, the insulating layer should have good adhesion with the fluorescent layer or the electrode, and should be transparent in the visible light region to transmit the emitted light well. Oxide and nitride insulators have excellent stability to electric fields, but have a low dielectric constant and high dielectric constants have a low breakdown field for electric fields. Since the breakdown field strength and the dielectric constant represent opposite physical quantities, it is quite difficult to produce materials with good physical properties at the same time.

종래에는 고유전률과 고파괴전계를 가지는 재료을 창출하기 위해서, 파괴전계와 유전율이 각각 만족할만한 수준인 두 물질을 동시에 스퍼터링(sputtering) 또는 기화(evaporation) 시킴으로써 새로운 혼합체 박막을 제조하는 방법을 연구하여 왔다.Conventionally, in order to create a material having a high dielectric constant and a high breakdown electric field, a method of manufacturing a new composite thin film by sputtering or evaporating two materials having a satisfactory breakdown field and a dielectric constant, respectively, has been studied. .

그러나, 전게발광소자의 절연체로서 혼합체 박막을 사용하는 종래기술은 박막의 물성을 인위적으로 손쉽게 제어하기 어려운 문제점이 있다However, the prior art of using a mixed thin film as an insulator of a light emitting device has a problem that it is difficult to artificially and easily control the physical properties of the thin film.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 구동전압을 낮추고 휘도를 증가시키기 위하여 고유전률과 고파괴전계를 인위적으로 손쉽게 제어 가능한 다층 절연체를 갖는 전계발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention devised to solve the above problems is to provide an electroluminescent device having a multi-layer insulator that can be artificially easily controlled high dielectric constant and high breakdown electric field in order to lower the driving voltage and increase the brightness.

도 1은 본 발명에 따른 이중 절연구조 박막전계발광소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of a double insulation structure thin film electroluminescent device according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 Al2O3와 Ta2O5다층구조 절연박막의 단면도.2 is a cross-sectional view of an Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 multilayer insulating thin film according to the present invention.

도 3는 본 발명에 따른 다층 절연박막의 단면 주사전자현미경(SEM) 사진.Figure 3 is a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) photograph of the multilayer insulating thin film according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 휘도-전압 특성을 측정한 그래프.4 is a graph measuring luminance-voltage characteristics according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 다색 전계발광소자의 단면도.5 is a cross-sectional view of a multicolor electroluminescent device according to the present invention.

도 6는 본 발명에 따른 액티브 메트릭스(active matrix)형 전계발광소자의 단면도.6 is a cross-sectional view of an active matrix type electroluminescent device according to the present invention;

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

1, 10 : 유리기판 2, 11, 15, 25 : 투명전극1, 10: glass substrate 2, 11, 15, 25: transparent electrode

3, 5, 12, 14, 16, 18, 22, 24 : 절연층 4, 13, 17, 23 : 형광층3, 5, 12, 14, 16, 18, 22, 24: insulation layer 4, 13, 17, 23: fluorescent layer

6, 19, 21 : 금속전극 20 : 실리콘기판6, 19, 21: metal electrode 20: silicon substrate

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 적어도 하나의 형광체와, 상기 적어도 하나의 형광체에 접하여 형성된 절연체를 포함하는 전계발광소자에 있어서, 상기 절연체는 서로다른 물질의 제1절연층과 제2절연층이 다수번 번갈아가며 적층된 이종 다층 절연체이고, 상기 제1절연층은 상기 제2절연층에 비해 상대유전율이 작고 파괴전계가 큰 물질인 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electroluminescent device including at least one phosphor and an insulator formed in contact with the at least one phosphor, wherein the insulator is formed of a first insulating layer and a second insulating layer of different materials. This is a heterogeneous multilayer insulator that is alternately stacked several times, and the first insulating layer is a material having a lower relative dielectric constant and a larger breakdown electric field than the second insulating layer.

바람직하게, 상기 제1절연층은 상대유전율이 최대 10이고 파괴전계가 적어도 5MV/cm이고, 상기 제2절연층은 상대유전율이 적어도 20이고 파괴전계가 최대 2MV/cm인 물질을 사용한다.Preferably, the first insulating layer uses a material having a relative dielectric constant of at most 10 and a breakdown field of at least 5 MV / cm, and the second insulating layer having a relative dielectric constant of at least 20 and a breakdown field of at most 2 MV / cm.

예컨대, 상기 제1절연층으로서 Al2O3, 상기 제2절연층으로서 Ta2O5를 각각 적용할 수 있다. 이때, 상기 Al2O3및 상기 Ta2O5층들의 전체두께가 1500∼4000Å이고, 상기 전체두께에 때한 상기 Ta2O5층들의 두께비가 20∼80%일 때 최대축전전하량을 얻을 수 있다. 단일의 상기 Al2O3및 상기 Ta2O5층의 각 두께는 10∼300Å로 형성한다.For example, Al 2 O 3 may be used as the first insulating layer and Ta 2 O 5 may be used as the second insulating layer. At this time, the total thickness of the Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 layer is 1500 ~ 4000Å, the maximum storage charge can be obtained when the thickness ratio of the Ta 2 O 5 layer in the total thickness is 20 to 80%. have. Each thickness of the single Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 layer is 10 to 300 kPa.

또한, 본 발명에서, 상기 절연체과 상기 형광층 계면에 최대 100Å의 두께를 갖는 Ta2O5박막을 더 형성하여 상기 형광층으로의 전자공급효율을 극대화 할 수 있다.In addition, in the present invention, by further forming a Ta 2 O 5 thin film having a thickness of up to 100Å at the interface between the insulator and the fluorescent layer can maximize the electron supply efficiency to the fluorescent layer.

그 밖에 본 발명에서, 상기 제1절연층은 Si3N4, SiON, SiAlON중 어느하나를 사용하고, 상기 제2절연층은 고유전체 또는 강 유전체 박막을 사용할 수도 있다.In addition, in the present invention, the first insulating layer may use any one of Si 3 N 4 , SiON, and SiAlON, and the second insulating layer may use a high dielectric or steel dielectric thin film.

또한, 본 발명의 전계발광소자는, 유리기판에 형성된 투명전극; 상기 투명전극 상에 형성되며, 번갈아가면서 다수번 적층된 Al2O3박막과 Ta2O5박막을 포함하는 제1절연체; 상기 제1절연체 상에 형성된 형광층; 상기 형광층 상에 형성되며, 번갈아가면서 다수번 적층된 Al2O3박막과 Ta2O5박막을 포함하는 제2절연체; 및 상기 제2절연체 상에 형성된 금속전극을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 투명전극, 상기 제1절연체, 상기 형광체, 상기 제2절연체 및 상기 금속전극으로 이루어진 박막들이 순서적으로 적어도 한번 더 적층되어 구성되므로써, 다색발광소자를 구현 가능하다.In addition, the electroluminescent device of the present invention, a transparent electrode formed on a glass substrate; A first insulator formed on the transparent electrode and including an Al 2 O 3 thin film and a Ta 2 O 5 thin film alternately stacked a plurality of times; A fluorescent layer formed on the first insulator; A second insulator formed on the fluorescent layer and including an Al 2 O 3 thin film and a Ta 2 O 5 thin film alternately stacked a plurality of times; And a metal electrode formed on the second insulator. Here, the thin film of the transparent electrode, the first insulator, the phosphor, the second insulator, and the metal electrode is sequentially stacked at least once more, thereby realizing a multicolor light emitting device.

또한, 본 발명의 액티브 메트릭스(active matrix)형 전계발광소자는, 반도체기판 상에 형성된 금속전극; 상기 금속전극 상에 형성되며, 번갈아가면서 다수번 적층된 Al2O3박막과 Ta2O5박막을 포함하는 제1절연체; 상기 제1절연체 상에 형성된 형광층; 상기 형광층 상에 형성되며, 번갈아가면서 다수번 적층된 Al2O3박막과 Ta2O5박막을 포함하는 제2절연체; 및 상기 제2절연체 상에 형성된 투명전극 을 포함하여 이루어진다.In addition, an active matrix type electroluminescent device of the present invention comprises: a metal electrode formed on a semiconductor substrate; A first insulator formed on the metal electrode and including an Al 2 O 3 thin film and a Ta 2 O 5 thin film alternately stacked a plurality of times; A fluorescent layer formed on the first insulator; A second insulator formed on the fluorescent layer and including an Al 2 O 3 thin film and a Ta 2 O 5 thin film alternately stacked a plurality of times; And a transparent electrode formed on the second insulator.

상기 구성을 갖는 본 발명은, 그 제조시 최근에 성숙되고 있는 원자층성장(atomic layer epitaxy : ALE) 기법을 이용해 제조 가능하고, 이에 의해 박막성장에 필요한 화학시료를 번갈아 가면서 주입시키므로 원자층 수준에서 박막을 형성하고 그 물성을 제어 할 수 있다. 특히 각 적층되는 박막의 두께를 제어하면 고유전률과 고파괴전계를 인위적으로 쉽게 제어 가능하다.The present invention having the above-described structure can be manufactured by using the atomic layer growth (ALE) technique, which has recently matured during its manufacture, thereby injecting chemical samples required for thin film growth alternately at the atomic layer level. Form a thin film and control its properties. In particular, by controlling the thickness of each laminated thin film, it is possible to artificially easily control the high dielectric constant and high breakdown electric field.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유리기판을 사용한 이중절연 구조 박막전계발광소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a double insulation structure thin film electroluminescent device using a glass substrate according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 유리기판(1)에 투명전극(2), 절연층(3), 형광층(4), 절연층(5), 금속전극(6) 순서로 형성하였다. 유리기판(1)은 알카리금속이온이 없는 알루미노실리캐이트((aluminosilicate) 또는 보로실리캐이트(borosilicate) 유리를 사용하고, 투명전극(2)은 1500Å 두께의 ITO(indium-tin-oxide)를 형성하였다. 형광층(4)은 녹색 ZnS:Tb를 4000∼6000Å 정도의 두께로 형성하였고, 금속전극(6)은 알루미늄을 사용하였다. 일반적으로 전계발광소자의 구동을 위해서는 150∼250V의 전압을 가해주면 되고, 이에 해당하는 전기장의 세기는 1∼2MV/cm 정도이다.Referring to FIG. 1, the glass substrate 1 is formed in the order of the transparent electrode 2, the insulating layer 3, the fluorescent layer 4, the insulating layer 5, and the metal electrode 6. The glass substrate 1 uses aluminosilicate or borosilicate glass free of alkali metal ions, and the transparent electrode 2 is 1500-thick indium-tin-oxide (ITO). In the fluorescent layer 4, green ZnS: Tb was formed to a thickness of about 4000 to 6000 GHz and aluminum was used as the metal electrode 6. Generally, a voltage of 150 to 250 V is used for driving the electroluminescent device. This can be applied, the strength of the corresponding electric field is about 1 ~ 2MV / cm.

절연층(3, 5)은 전계 안정성이 뛰어난 단일 알루미늄산화물(Al2O3)이나, 상기 알루미늄산화물(Al2O3)과 상대유전율이 높은 탄탈륨산화물(Ta2O5)을 10∼100Å 정도 두께로 두가지 물질을 번갈아가면서 여러 층을 성장시킨다. 절연층(3, 5) 전체두께는 1500∼4000Å이고, Al2O3-Ta2O5각각의 한 층 두께는 10∼300Å 정도로 하였다.The insulating layers 3 and 5 may have a single aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having excellent electric field stability or tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) having a relatively high relative dielectric constant with the aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Several layers are grown by alternating two materials in thickness. The total thickness of the insulating layers 3 and 5 was 1500 to 4000 GPa, and the thickness of one layer of each of Al 2 O 3 -Ta 2 O 5 was about 10 to 300 GPa.

도 2는 본 발명에 따른 Al2O3및Ta2O5의 두께를 달리한 다층구조 절연박막의 단면도로서, 도 2 (A)는 Al2O3및Ta2O5각각의 층 두께가 100Å이고, 도 2 (B)는 50Å Al2O3과 150Å Ta2O5로 두께비가 1:3이며, 도 2 (C)는 형광층 쪽에 30Å Ta2O5박막을 가지는 절연층 구조를 보여준다.Figure 2 is a cross-sectional view of a multi-layered insulating thin film having a different thickness of Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 according to the present invention, Figure 2 (A) is a layer thickness of 100 Å each of Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 2 (B) shows a thickness ratio of 1: 3 with 50 Å Al 2 O 3 and 150 Å Ta 2 O 5 , and FIG. 2 (C) shows an insulating layer structure having a 30 Å Ta 2 O 5 thin film on the fluorescent layer side.

도 2 (A) 및 (B)의 구조에서 다층구조의 가장 위와 아래층을 모두 100Å 이상의 Al2O3로 하였는데, 이는 Al2O3가 형광층(4), 전극(2, 6)과의 접착력이 좋기 때문이다. 하지만, Ta2O5박막은 유전율이 높은 물질로써 전기장 하에서 분극 전하량이 다량 존재하기때문에 전자의 공급을 용이하게 할 수 있다. 따라서 도 2 (C)처럼 100Å이내의 얇은 박막을 형광층과 절연층 사이에 삽입하면 표면접착력을 크게 훼손시키지 않으면서 전계방출 성능을 향상시킬 수 있을 것이다. Al2O3및 Ta2O5박막은 각각 AlCl3, H2O와 TaCl5, H2O 전구물질로 원자층성장을 이용하여 형성한다.In the structures of FIGS. 2A and 2B, the upper and lower layers of the multilayer structure were both 100 Å or more Al 2 O 3 , which indicates that Al 2 O 3 has adhesion to the fluorescent layer 4 and the electrodes 2 and 6. Because this is good. However, since the Ta 2 O 5 thin film has a high dielectric constant and a large amount of polarized charge exists in an electric field, it may facilitate supply of electrons. Therefore, as shown in FIG. 2 (C), when a thin film within 100 μs is inserted between the fluorescent layer and the insulating layer, the field emission performance may be improved without significantly deteriorating the surface adhesive force. Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 thin films are formed using atomic layer growth as AlCl 3 , H 2 O and TaCl 5 , H 2 O precursors, respectively.

도 3은 본 발명에서 제작된 다층 박막의 단면주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 도 3 (A)는 실리콘기판 위에 1000Å Al2O3와 1000Å Ta2O5를 성장시킨 시료이고, 도 3 (B)는 실리콘기판 위에 100Å Al2O3와 100Å Ta2O5를 10회 반복해서 성장시킨 경우이다. 도 3 (B)의 경우 표면의 두꺼운 층은 두 산화층을 구분하기 위해 단면을 불화수소산을 사용하여 에칭하였는데 상대적으로 에칭이 빠른 Al2O3와 함께 Ta2O5도 표면 모서리에서 에칭이 상당히 일어나서 두 산화층을 구분할 수 없는 경우이고, 그 아래의 가로방향의 선은 각각의 산화물 층을 보여준다.FIG. 3 is a cross-sectional scanning electron microscope (SEM) photograph of a multilayer thin film manufactured according to the present invention. FIG. 3 (A) is a sample obtained by growing 1000 μs Al 2 O 3 and 1000 μs Ta 2 O 5 on a silicon substrate. B) is a case in which 100 Å Al 2 O 3 and 100 Å Ta 2 O 5 were repeatedly grown 10 times on a silicon substrate. In case of FIG. 3 (B), the thick layer of the surface was etched using hydrofluoric acid to distinguish the two oxide layers, and the etching was performed considerably at the surface edge of Ta 2 O 5 with Al 2 O 3 which is relatively fast. The two oxide layers are indistinguishable, and the horizontal line below them shows each oxide layer.

다층구조 Al2O3-Ta2O5박막에서 전계방출디스플레이용 절연체로써 성능을 평가하기 위하여 상대유전율과 파괴전계세기를 측정하였다.Relative dielectric constants and breakdown field strengths were measured to evaluate the performance of multi-layered Al 2 O 3 -Ta 2 O 5 thin films as insulators for field emission displays.

표 1은 두 산화물의 전체두께비와 한 층의 두께를 다르게 하여 제작한 박막의 상대유전율과 파괴전계세기를 나타낸다. 그리고 두 물리량의 곱으로 구해지는 최대축적전하량도 동시에 보여준다.Table 1 shows the relative dielectric constants and breakdown field strengths of the thin films prepared by varying the total thickness ratios of the two oxides and the thickness of one layer. It also shows the maximum accumulated charge, which is the product of two physical quantities.

이 결과를 보면 Ta2O5두께비가 증가할수록 상대유전율이 순수한 Al2O3가 갖는 8에서 29까지 증가함을 알 수 있고 파괴전계세기는 작아짐을 알 수 있다. Figure-of-merit에 해당하는 최대축적전하량은 순수한 Ta2O5나 Al2O3에 비교해 다층구조 Al2O3-Ta2O5박막인 경우에 크고, Ta2O5두께비가 높은 시료 E에서 가장 높은 6.2임을 확인하였다. 또한 한층의 두께가 너무 얇으면 전계 파괴를 일으키는 전기장세기 분포가 산재함을 관측하였다.The results show that as the Ta 2 O 5 thickness ratio increases, the relative dielectric constant increases from 8 to 29 with pure Al 2 O 3 and the breakdown field strength decreases. The maximum accumulated charge corresponding to the figure-of-merit is larger in the case of a multi-layered Al 2 O 3 -Ta 2 O 5 thin film compared to pure Ta 2 O 5 or Al 2 O 3 , and has a high Ta 2 O 5 thickness ratio. Highest at 6.2 It was confirmed that. It was also observed that if the thickness is too thin, the electric field strength distribution causing field breakage is scattered.

도 4는 본 발명의 다층구조 절연체(도 2B)와 순수한 Al2O3단일박막을 절연층으로 이용하여 전계발광소자를 제작한 후 휘도-전압 특성을 측정한 결과이다.4 is a result of measuring the luminance-voltage characteristics after fabricating an electroluminescent device using the multilayered structure insulator (FIG. 2B) of the present invention and a pure Al 2 O 3 single thin film as an insulating layer.

도 4에서 나타낸 바와 같이 상부, 하부절연층 모두를 다층구조 절연체를 이용한 시료 A가 가장 낮은 전압에서 발광을 일으키므로 구동전압이 다른 시료 B, C, D보다 10에서 50V 정도 낮음을 알 수 있다. 그리고, 한 층만 다층구조를 사용할때는 하부절연층보다 상부절연층에 사용한 시료 B의 경우가 구동전압이 30V 정도 낮다. 이 차이는 하부절연층은 연이어 진행되는 형광층 성장공정 동안에 500℃ 열처리를 받지만 상부절연층은 영향을 받지않는다는 점과 두 절연층이 접하는 전극(ITO, Al)이 다르기 때문에 유래된다고 생각되어 진다.As shown in FIG. 4, since the sample A using the multilayer insulator in both the upper and lower insulating layers emits light at the lowest voltage, the driving voltage is about 10 to 50 V lower than the other samples B, C, and D. In the case where only one layer has a multilayer structure, the driving voltage of Sample B used for the upper insulating layer is lower than that of the lower insulating layer by about 30V. This difference is thought to be due to the fact that the lower insulating layer is subjected to a 500 ° C. heat treatment during the subsequent fluorescence layer growth process, but the upper insulating layer is not affected and that the electrodes ITO and Al which are in contact with the two insulating layers are different.

본 발명에서 제작한 Al2O3-Ta2O5다층구조절연체는, ZnS, SrS, CaS중 어느하나를 모재료로하여 전이금속 또는 희귀금속이 도핑된 물질의 형광체에 대해서, 예컨대 SrS:Ce, SrS:Eu, CaS:Eu, CaS:Pb에 대해서, 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다.The Al 2 O 3 -Ta 2 O 5 multilayer structure insulator manufactured according to the present invention is used for phosphors of materials doped with transition metals or rare metals using any one of ZnS, SrS, and CaS as a parent material, for example, SrS: Ce. Excellent performance can be obtained with respect to SrS: Eu, CaS: Eu and CaS: Pb.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다색 전계방출소자의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a multicolor field emission device according to a second embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이 유리기판(10)에 투명전극(11), 절연층(12), 형광층(13), 절연층(14), 투명전극(15), 절연층(16), 형광층(17), 절연층(18), 금속전극(19) 순으로 형성된다.As shown in FIG. 5, the transparent electrode 11, the insulating layer 12, the fluorescent layer 13, the insulating layer 14, the transparent electrode 15, the insulating layer 16, and the fluorescence are disposed on the glass substrate 10. The layer 17, the insulating layer 18, and the metal electrode 19 are formed in this order.

도 6는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 액티브 메트릭스(active matrix)형 전계발광소자 구조이다.6 is an active matrix electroluminescent device structure according to a third embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이 실리콘기판(20)에 금속전극(21), 절연층(22), 형광층(23), 절연층(24), 투명전극(25) 순으로 형성된다.As shown in FIG. 6, a metal electrode 21, an insulating layer 22, a fluorescent layer 23, an insulating layer 24, and a transparent electrode 25 are formed on the silicon substrate 20.

Al2O3대신에 파괴전계에 대한 안정성이 높은 Si3N4, SiON, SiAlON를 사용하는 경우와 Ta2O5대용으로 고유전율 물질인 TiO2나 기타 강 유전체물질을 이용해 똑같은 효과를 기대할 수 있다.The same effect can be expected when using Si 3 N 4 , SiON, SiAlON, which has high stability against fracture electric field instead of Al 2 O 3 , and using TiO 2 or other steel dielectric materials, which are high dielectric constants, instead of Ta 2 O 5. have.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

본 발명은 전계방출소자용 절연체로 적당한 고전계파괴, 고유전율을 가지는 물질로써 Al2O3및 Ta2O5다층구조 유전체를 사용함으로써 구동전압을 낮출 수 있고, 저 변조전압에서 최대 휘도를 얻을 수 있다. 휘도 증가는 주위가 밝은 환경에서도 전계방출소자를 이용할 수 있게 하고 구동전압의 감소는 구동회로 제작을 용이하게 하고 소비전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention can reduce the driving voltage by using the Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 multilayer dielectric as a material having a suitable high field breakdown and high dielectric constant as an insulator for the field emission device, to obtain the maximum brightness at low modulation voltage Can be. Increasing the luminance makes it possible to use the field emission device even in a bright environment, and the reduction of the driving voltage facilitates the fabrication of the driving circuit and reduces the power consumption.

Claims (18)

적어도 하나의 형광체와, 상기 적어도 하나의 형광체에 접하여 형성된 절연체를 포함하는 전계발광소자에 있어서,An electroluminescent device comprising at least one phosphor and an insulator formed in contact with the at least one phosphor, 상기 절연체는 서로다른 물질의 제1절연층과 제2절연층이 다수번 번갈아가며 적층된 이종 다층 절연체이고, 상기 제1절연층은 상기 제2절연층에 비해 상대유전율이 작고 파괴전계가 큰 물질인 것을 특징으로 하는 전계발광소자.The insulator is a heterogeneous multi-layered insulator in which a plurality of first and second insulating layers of different materials are alternately stacked, and the first insulating layer has a lower relative dielectric constant and a larger breakdown electric field than the second insulating layer. An electroluminescent device, characterized in that. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1절연층은 상대유전율이 최대 10이고 파괴전계가 적어도 5MV/cm이며, 상기 제2절연층은 상대유전율이 적어도 20이고 파괴전계가 최대 2MV/cm임을 특징으로 하는 전계발광소자.And the first insulating layer has a relative dielectric constant of 10 and a breakdown field of at least 5 MV / cm, and the second insulating layer has a relative dielectric constant of at least 20 and a breakdown field of 2 MV / cm. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제1절연층은 Al2O3이고 상기 제2절연층은 Ta2O5임을 특징으로 하는 전계발광소자.The first insulating layer is Al 2 O 3 And the second insulating layer Ta 2 O 5 characterized in that the electroluminescent device. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 절연체과 상기 형광층 계면에 최대 100Å의 두께를 갖는 Ta2O5박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자.An electroluminescent device comprising a Ta 2 O 5 thin film having a thickness of at most 100 kPa at an interface between the insulator and the fluorescent layer. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 Al2O3및 상기 Ta2O5층들의 전체두께가 1500∼4000Å이고, 상기 전체두께에 때한 상기 Ta2O5층들의 두께비가 200∼80%임을 특징으로 하는 전계발광소자.The total thickness of the Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 layer is 1500 to 4000Å, the thickness ratio of the Ta 2 O 5 layer at the total thickness is 200 to 80%. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 단일의 상기 Al2O3및 상기 Ta2O5층의 각 두께는 10∼300Å임을 특징으로 하는 전계발광소자.The thickness of each of the single Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 layer is 10 to 300 kPa. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제1절연층은 Si3N4, SiON, SiAlON중 어느하나이고, 상기 제2절연층은 고유전체 또는 강 유전체 박막인 것을 특징으로 하는 전계발광소자.And the first insulating layer is any one of Si 3 N 4 , SiON, and SiAlON, and the second insulating layer is a high dielectric or steel dielectric thin film. 전계발광소자에 있어서,In the electroluminescent device, 유리기판에 형성된 투명전극;A transparent electrode formed on the glass substrate; 상기 투명전극 상에 형성되며, 번갈아가면서 다수번 적층된 Al2O3박막과 Ta2O5박막을 포함하는 제1절연체;A first insulator formed on the transparent electrode and including an Al 2 O 3 thin film and a Ta 2 O 5 thin film alternately stacked a plurality of times; 상기 제1절연체 상에 형성된 형광층;A fluorescent layer formed on the first insulator; 상기 형광층 상에 형성되며, 번갈아가면서 다수번 적층된 Al2O3박막과 Ta2O5박막을 포함하는 제2절연체; 및A second insulator formed on the fluorescent layer and including an Al 2 O 3 thin film and a Ta 2 O 5 thin film alternately stacked a plurality of times; And 상기 제2절연체 상에 형성된 금속전극A metal electrode formed on the second insulator 을 포함하여 이루어진 전계발광소자,Electroluminescent device made, including 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 투명전극, 상기 제1절연체, 상기 형광체, 상기 제2절연체 및 상기 금속전극으로 이루어진 박막들이 순서적으로 적어도 한번 더 적층된 것을 특징으로 하는 전계발광소자.And the thin film made of the transparent electrode, the first insulator, the phosphor, the second insulator, and the metal electrode is sequentially stacked at least once more. 제8항 또는 제9항에 있어서,The method according to claim 8 or 9, 상기 제1 및 제2 절연체과 상기 형광층 간의 각 계면에 최대 100Å의 두께를 갖는 Ta2O5박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자.An electroluminescent device comprising a Ta 2 O 5 thin film having a thickness of at most 100 kPa at each interface between the first and second insulators and the fluorescent layer. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 제1 및 제2절연체에서, 각각 Al2O3및 상기 Ta2O5층들의 전체두께가 1500∼4000Å이고, 상기 전체두께에 때한 상기 Ta2O5층들의 두께비가 20∼80%임을 특징으로 하는 전계발광소자.In the first and second insulators, the total thickness of the Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 layers is 1500 to 4000 microns, respectively, and the thickness ratio of the Ta 2 O 5 layers is 20 to 80% based on the total thickness. Electroluminescent device characterized in that. 제8항 또는 제9항에 있어서,The method according to claim 8 or 9, 단일의 상기 Al2O3및 상기 Ta2O5층의 각 두께는 10∼300Å임을 특징으로 하는 전계발광소자.The thickness of each of the single Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 layer is 10 to 300 kPa. 제8항 또는 제9항에 있어서,The method according to claim 8 or 9, 상기 형광체는 ZnS, SrS, CaS중 어느하나를 모재료로하여 전이금속 또는 희귀금속이 도핑된 물질임을 특징으로 하는 전계발광소자.The phosphor is an electroluminescent device, characterized in that the transition metal or rare metal doped with any one of ZnS, SrS, CaS as a parent material. 액티브 메트릭스(active matrix)형 전계발광소자에 있어서,In an active matrix type electroluminescent device, 반도체기판 상에 형성된 금속전극;A metal electrode formed on the semiconductor substrate; 상기 금속전극 상에 형성되며, 번갈아가면서 다수번 적층된 Al2O3박막과 Ta2O5박막을 포함하는 제1절연체;A first insulator formed on the metal electrode and including an Al 2 O 3 thin film and a Ta 2 O 5 thin film alternately stacked a plurality of times; 상기 제1절연체 상에 형성된 형광층;A fluorescent layer formed on the first insulator; 상기 형광층 상에 형성되며, 번갈아가면서 다수번 적층된 Al2O3박막과 Ta2O5박막을 포함하는 제2절연체; 및A second insulator formed on the fluorescent layer and including an Al 2 O 3 thin film and a Ta 2 O 5 thin film alternately stacked a plurality of times; And 상기 제2절연체 상에 형성된 투명전극A transparent electrode formed on the second insulator 를 포함하여 이루어진 액티브 메트릭스형 전계발광소자.Active matrix type electroluminescent device comprising a. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 제1 및 제2 절연체과 상기 형광층 간의 각 계면에 최대 100Å의 두께를 갖는 Ta2O5박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계발광소자.An electroluminescent device further comprising a Ta 2 O 5 thin film having a thickness of at most 100 kPa at each interface between the first and second insulators and the fluorescent layer. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 제1 및 제2절연체에서, 각각 Al2O3및 상기 Ta2O5층들의 전체두께가 1500∼4000Å이고, 상기 전체두께에 때한 상기 Ta2O5층들의 두께비가 20∼80%임을 특징으로 하는 전계발광소자.In the first and second insulators, the total thickness of the Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 layers is 1500 to 4000 microns, respectively, and the thickness ratio of the Ta 2 O 5 layers is 20 to 80% based on the total thickness. Electroluminescent device characterized in that. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 단일의 상기 Al2O3및 상기 Ta2O5층의 각 두께는 10∼300Å임을 특징으로 하는 전계발광소자.The thickness of each of the single Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 layer is 10 to 300 kPa. 제14항 내지 제17항중 어느한 항에 있어서,The method according to any one of claims 14 to 17, 상기 형광체는 ZnS, SrS, CaS중 어느하나를 모재료로하여 전이금속 또는 희귀금속이 도핑된 물질임을 특징으로 하는 전계발광소자.The phosphor is an electroluminescent device, characterized in that the transition metal or rare metal doped with any one of ZnS, SrS, CaS as a parent material.
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