KR100340687B1 - 동일 모재료를 갖는 다층 구조의 백색 형광막과 그를사용한 교류 구동형 박막 전계발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디스플레이 소자 기술에 관한 것으로, 특히 박막 전계발광소자(TFELD)에 관한 것이며, 더 자세히는 백색 전계발광소자와 천연색 전계발광소자에 적합한 백색 형광막에 관한 것이다. 다층 구조 백색 형광막은 청색영역의 색도와 휘도가 증가된 것으로서, 원자층 증착법이나 화학증착법으로 형성된 CaS:Pb 박막이 청색과 녹색 형광막으로 작용하고 스퍼터링, 전자빔 증착법, 원자층 증착법, 혹은 화학 증착법으로 증착된 CaS:Eu이 적색 형광막으로 작용한다. CaS 모재료에 도핑된 Pb은 조절된 결정의 크기에 따라 한층에서는 청색 발광체로, 다른층에서는 녹색 발광체로 작용한다. 동일한 모재료로 구성된 상기 다층 구조 형광막은 결정성이 우수하게 성장돨 수 있어 박막의 질이 높이지며 결함이 적어 소자의 안정성을 높일 수 있으며 특히, 도핑된 발광체들의 감쇠 시간과 동작 전압에 따른 휘도 특성이 서로 유사하여 구동 주파수나 구동 전압의 변화에 따라 백색광의 색순도가 영향을 받지 않음을 특징으로 한다. 상기 다층 구조의 형광막으로부터 색필터를 사용하면 넓은 색영역에서 원하는 색을 얻을 수 있다.

Description

동일 모재료를 갖는 다층 구조의 백색 형광막과 그를 사용한 교류 구동형 박막 전계발광소자{white emitting multi-layer phosphor composed of same host material and AC TFELD using the same}
본 발명은 디스플레이 소자 기술에 관한 것으로, 특히 박막 전계발광소자(thin film electroluminescent device, TFELD)에 관한 것이며, 더 자세히는 백색 전계발광소자와 천연색 전계발광소자에 적합한 백색 형광막에 관한 것이다.
천연색 전계발광소자를 제작하는 방법으로 크게 두가지 방법을 들 수 있다. 그 한가지는 적색, 녹색 그리고 청색의 삼원색 형광체를 패터닝(patterning) 하여 줄무늬로 증착하는 '형광체 형성법(patterned-phosphor)'에 의한 방법이고, 다른 방법은 색필터(color filter)를 형성하여 백색광으로부터 천연색을 얻는 '백색에 의한 천연색(color by white)법'이다.
우선 전자의 경우, 각각의 픽셀(pixel)이 삼원색의 형광체로 구성되어 있으며 이 삼원색의 형광체는 동일한 절연체에 증착된 후에 에칭(etching)하여 줄무늬를 이루게 된다. 이렇게 형성된 형광막 위에 상부 절연체를 증착하여 소자를 제작하게 되는데, 이 경우 소자의 구동 방식이 간단하고 삼원색의 형광막이 발광하는 빛을 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이 방법은 에칭 과정이 복잡하고 각각의 형광막 하부의 계면이 동일한 정도로 에칭되지 않는 경우 소자의 파괴를 야기시키고 콘트라스트(contrast)가 저하되는 단점이 있다.
그리고, 후자의 경우에는 넓은 가시광선 영역에서 고휘도로 발광하는 형광막이 필요하다는 단점이 있으나, 전자의 경우에 비해 제조 공정이 훨씬 간단하고 LCD 용으로 개발된 기존의 색필터의 기술을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있기 때문에 최근에 이를 이용한 천연색 전계발광소자의 개발이 활발히 진행 중에 있다.
한편, 백색광을 내기 위한 방법으로는 단일 모재료에 전체 가시광선 영역대의 넓은 백색광을 방출하는 단일 발광체(첨가제, activator)를 도핑하여 백색광을 만들거나, 단일 모재료에 적색, 녹색, 청색을 따로 발광하는 발광체를 첨가하여 백색광을 만들거나, 단일 모재료에 단일 첨가제가 도핑된 형광층을 여러 층으로 적층시켜 발광빛이 백색이 되도록 하는 방법이 있다.
첫번째 방법의 경우, 첨가제로서 주로 Pr(praseudymiun)이 많이 사용되는데, ZnS:Pr, SrS:Pr 등의 형광막은 천연색 구현에 적당한 밝기를 제공하지 못한다. Oh M.H. 등의 미국 특허 US 5,912,532에서는 SixNy을 SrS:Pr, F 형광막과 BaTa2O5절연체 사이에 삽입하여 특성을 개선한 백색 전계발광소자에 관한 기술이 제안된 바 있다.
두번째 방법을 이용한 종래기술로, Tanaka 등은 SrS:Ce, Eu, K 형광막으로 구성된 넓은 영역의 백색광을 방출하는 소자를 제작한 바 있으며[Appl.Phy.Lett. 1987 p.1661], Horng R-H 등은 SrS:Pr, Ce 형광막 사이에 Ta2O5를 삽입하여 발광 휘도를 증가시키고 구동 전압을 낮출 수 있는 소자를 제안한 바 있다[Jpn. J.Appl. Phys. Vol. 36, 1997, p.7245]. 이와 같은 방법을 적용하는 경우, 첨가제에서 발광하는 빛간의 상호 흡수 작용으로 인하여 충분한 빛을 얻기가 힘들며, 각각의 첨가제가 적절히 발광하여 순수 백색광을 내도록 구동 전압을 조절하기가 매우 어려운 단점이 있다.
세번째 방법을 적용하여 제작한 소자는 청색 발광빛의 휘도가 충분하지 않고 각각의 막간에 전압-휘도 특성이 달라서 백색 순도를 조절하기가 어렵다. 현재까지는 SrS:Ce/ZnS:Mn이 이 방법에 가장 적절한 형광막으로 알려져 있다. 그 일례로 Seiichi O. 등은 ZnS:Mn 층 사이에 SrS:Ce층을 삽입하여 소자를 제안한 바 있다[미국 특허 US 4,727,003]. 이때 구조적으로 불안한 SrS:Ce층이 Y2O3절연층에 접촉되는 것을 막음으로써 소자의 안정성을 증가시켰으며, 5KHz 사인 구동파(sine wave)로 1200cd/m2의 백색광을 얻었다. 뛰어난 안정성을 가진 SrS:Ce/ZnS:Mn TFEL 또한 Mikami 등에 의해 보고된 바 있다[Proc. EL 96, p369]. Sun S.S 등은 SrxCa1-xGa2S4:Ce층을 ZnS:Mn과 SrS:Ce층과 함께 다층 구조에 포함시켜 개선된 청색 영역의 휘도 특성을 갖는 백색광을 발광하는 소자 제작법을 제안하였으며[미국 특허 US 5598059], 청색빛의 순도를 높인 SrS:Cu,Ag 형광막과 ZnS:Mn 오렌지색 형광막으로 구성된 백색 형광막을 보고한 바 있다[SID 99 Digest, p.1146]. 이 형광막으로 구성된 백색 전계발광소자는 특히 자동차의 계기판에 사용될 목적으로 개발된 것으로 색순도 x=0.4, y=0.4 값과 100∼1000cd/m2의 휘도를 보였다. 그 밖의 다층 백색 형광막으로 SrS:Ce/ CaS:Eu가 사용되기도 하였다.
색필터를 이용하여 천연색을 구현하려면 적어도 1kHz 에서 3000cd/m2의 휘도를 갖는 백색 형광체가 필요하다. 최근에 개발된 백색 형광체(ZnS:Mn/SrS:Ce 다층 구조)로부터 1kHz에서 4000cd/m2의 휘도를 얻는 등 천연색 구현에 필요한 최소한의 적색, 녹색, 청색의 휘도는 얻었으나 아직 상용화 수준의 청색 휘도 수준은 되지 못하고 있다. 무엇보다도, 앞에서 언급한 형광막들은 청색의 색순도가 좋지 않기 때문에 음극선관(CRT)과 같은 천연색을 구현하는데 어려움이 많았다. 또한, 현재까지 백색광에 가장 적절한 형광막으로 알려져 있는 ZnS:Mn/SrS:Ce에서 망간(Mn)은 금지된 천이(forbidden transition)를 하고 시리움(Ce)은 허락된 천이(allowed transition)를 하기 때문에 발광체의 감쇠시간(decay time)이 서로 다르며 그 결과로 주파수 증가에 따른 색도의 조절에 곤란을 겪게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 발광체가 발광하는데 필요한 전압의 조절이 용이하고, 청색의 색순도와 휘도 부분을 개선시켜 색영역(color gamut)이 넓은 백색을 구현할 수 있는 백색 형광막 및 그를 사용한 교류 구동형 박막 전계발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 정상구조로 형성된 교류 구동형 박막 전계발광소자의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 반전구조로 형성된 교류 구동형 박막 전계발광소자의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 다층 구조 형광막이 구현할 수 있는 색영역을 CIE 색좌표계에 나타낸 특성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 투명 기판 2 : 투명 전극
3 : 하부 절연체 4 : CaS:Pb 청색 형광막
5 : CaS:Pb 녹색 형광막 6 : CaS:Eu 적색 형광막
7 : 상부 절연체 8 : 금속 전극
9 : 불투명 기판 10 : 내화성 금속 전극
11 : 삼원색 색필터
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징적인 백색 형광막은, 디스플레이 소자의 백색 형광막에 있어서, CaS:Pb 청색 형광막, CaS:Pb 녹색 형광막 및 CaS:Eu 적색 형광막의 적층 구조를 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 특징적인 교류 구동형 백색 박막 전계 발광소자는, 투명 기판 상에 차례로 적층된 투명 전극, 하부 절연체, CaS:Pb 청색 형광막, CaS:Pb 녹색 형광막, CaS:Eu 적색 형광막, 상부 절연체 및 상부 전극을 구비한다.
또한, 본 발명의 특징적인 교류 구동형 백색 박막 전계 발광소자는, 불투명 기판 상에 차례로 적층된 내화성 금속 전극, 하부 절연체, CaS:Eu 적색 형광막, CaS:Pb 녹색 형광막, CaS:Pb 청색 형광막, 상부 절연체 및 투명 전극을 구비한다.
또한, 본 발명의 특징적인 교류 구동형 천연색 박막 전계 발광소자는, 불투명 기판 상에 차례로 적층된 내화성 금속 전극, 하부 절연체, CaS:Eu 적색 형광막, CaS:Pb 녹색 형광막, CaS:Pb 청색 형광막, 상부 절연체, 투명 전극 및 색필터를 구비한다.
그리고, 상기 각 형광막 사이에는 ZnS층 또는 SrS층이 삽입하는 것이 바람직하다.
Yun S.J. 등에 의하면 화학증착법이나 원자층증착법으로 제조한 CaS:Pb 형광막을 포함하는 청색 전계발광소자를 제조하여 CRT 수준에 이르는 고순도, 고휘도의 청색을 얻을 수 있었다[SID 99 Digest, p1142]. 또한, 같은 기술을 이용하여 발광체(PbS)의 크기를 조절하여 형광막을 제조하면 휘도가 우수한 녹색빛을 얻을 수도 있다. 이러한 현상은 발광하는 반도체 결정의 크기에 따라 발광 스펙트럼을 조절하는 양자점(quantum dots)을 이용한 것으로, Alivisatos 등은 유기 고분자를 전도 매개체로 사용하고 CdSe를 발광체로 이용한 전계발광소자에서 CdSe의 크기에 따라서 580∼630nm의 파장에 해당하는 빛을 얻을 수 있음을 제안한 바 있다[미국 특허 US 5,537,000].
본 발명은 Yun S. J. 등에 의해 제안된 CaS:Pb 형광막 증착법을 이용하여 고휘도, 고순도의 청색과 녹색을 발광하는 형광막을 제작하고 또한 동일한 모재료에 적색을 발광하는 발광체를 도핑한 막을 쌓아 삼원색 형광막을 모두 포함하는 다층 구조의 백색 형광막을 제작하였다. 즉, 본 발명은 백색 형광체를 구현함에 있어서, CaS:Pb를 청색 형광막과 녹색 형광막으로 사용하고, CaS:Eu를 적색 형광막으로 사용하는 다층 구조를 취한다. CaS:Pb 형광막은 원자층증착법이나 화학증착법으로, CaS:Eu 형광막은 스퍼터링, 전자빔증착법, 원자층증착법, 화학증착법으로 증착이 가능한데, CaS:Eu 형광막을 CaS:Pb 형광막과 같이 원자층증착법이나 화학증착법으로 증착할 경우 전계발광소자의 모든 구성 막들을 동일한 반응기에서 성장시킬 수 있으므로 박막의 질을 높이고 또한 제작 공정을 단순화 할 수 있다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
첨부된 도면 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 정상구조로 형성된 교류 구동형 박막 전계발광소자의 단면을 도시한 것으로, 본 실시예에 따른 교류 구동형백색 박막 전계발광소자는 투명 기판(1) 상에 투명 전극(2), 하부 절연체(3), 다층 구조의 백색 형광막(4, 5, 6), 상부 절연체(7), 금속 전극(8)이 적층된 구조를 가진다. 이때, 투명 기판(1)으로는 유리(Glass), 보로실리키트(Borosilicate) 등을 사용할 수 있으며, 투명 전극(2)으로는 ITO(Indium tin oxide)나 ZnO:Al(aluminum-doped zinc oxide)를 사용할 수 있으며, 금속 전극(8)으로는 Au, Al 등과 같이 반사율이 우수한 금속을 사용할 수 있다.
여기서, 특징적인 부분은 다층 구조의 백색 형광막(4, 5, 6)인데, 본 실시예에서는 CaS:Pb 청색 형광막(4)이 투명 전극(2) 쪽에 위치하도록 하고, 그 상부에 CaS:Pb 녹색 형광막(5)과 CaS:Eu 적색 형광막(6)을 적층시킨 구조를 취하도록 한다. 이때, CaS:Pb 청색 형광막(4) 및 CaS:Pb 녹색 형광막(5)은 원자층증착법이나 화학증착법으로 성장시키며, CaS:Eu 적색 형광막(6)은 스퍼터링, 전자빔증착법, 원자층증착법, 화학증착법 등으로 성장시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 CaS:Eu 적색 형광막(6)도 CaS:Pb 청색 형광막(4) 및 CaS:Pb 녹색 형광막(5)과 같이 원자층증착법이나 화학증착법으로 성장시키는 것이 바람직하다.
단파장의 청색 형광막(4)이 제일 먼저 증착된 후에 연속하여 녹색 형광막(5)을, 그리고 마지막으로 장파장의 적색 형광막(6)을 증착한다. 단파장 빛의 형광막을 투명 전극(2)에 가까운 곳에 증착하여 다른 형광막에 의해 흡수되어 장파장으로 빛이 이동(shift) 되는 것을 방지함으로써 다른 형광막과의 상호 작용을 줄이도록 한다.한편, CaS:Pb 청, 녹색 형광체의 제조 과정을 더 구체적으로 열거하자면. CaS를 일정 두께(a cycles) 성장시킨 후 PbS를 일정 두께(b cycles) 만큼 성장시키는 과정을 n회 반복한다면 CaS:Pb 화합물 형광막의 두께(T)는 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. T = (a ×A) + (b × B) × n 여기서, a와 b는 각각 CaS과 PbS의 성장 공정 횟수이고, A 와 B 는 각각 CaS 와 PbS 의 성장속도를 말한다. 제조된 CaS:Pb 형광막이 발광하는 색은 특정 온도에서 주로 CaS 공정 횟수에 대해 반복된 PbS 공정횟수에 의해 결정된다. CaS:Pb 형광막이 청색을 발광하기 위해서는 PbS가 다이머(dimer) 상태로 존재하도록 박막 성장 횟수를 조절하고, 녹색을 발광하기 위해서는 PbS가 클러스터(cluster) 상태로 존재하도록 PbS 박막의 성장 횟수를 조절해야한다. 즉, 녹색을 발광하는 형광체를 제조하기 위해서는, CaS 모재료에 PbS를 도핑할 때 PbS의 성장 횟수를 증가시켜 PbS의 결정크기를 키우거나 PbS의 성장 속도를 높일 수 있는 온도에서 Pb가 많이 도핑되도록 성장 횟수를 조절하여 형광막을 성장시켜 PbS 끼리 클러스터를 형성하도록 유도해야 한다.아래의 표 1에 특정 온도에 대해, 청색과 녹색의 CaS:Pb 형광막을 제조하기 위한 몇가지 공정의 예와 그 예에 의해 제조된 박막 전계발광소자(ELD)가 발광하는 빛의 색순도를 표시하였다.
첨부된 도면 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 반전구조로 형성된 교류 구동형 천연색 박막 전계발광소자의 단면을 도시한 것으로, 색필터를 이용하여 백색광으로부터 천연색을 구현하는 반전구조의 전계발광소자를 나타내고 있다.
본 실시예에 따른 교류 구동형 천연색 박막 전계발광소자는 불투명 기판(9) 상에 내화성 금속 전극(10), 하부 절연체(3), 다층 구조의 백색 형광막(4, 5, 6), 상부 절연체(7), 투명 전극(2) 및 삼원색 색필터(11)이 적층된 구조를 가진다. 물론, 교류 구동형 백색 박막 전계 발광소자를 구성하기 위해서는 삼원색 색필터(11)를 사용하지 않는다.
이 경우 불투명 기판(9)으로는 실리콘 기판, 세라믹 기판을 사용할 수 있으며, 내화성 금속 전극(10)으로는 W, Mo 등을 사용할 수 있다. 또한, 다층 구조의 백색 형광막(4, 5, 6)은 상기 도 1과 동일한 방식으로 구성하며, 각 삼원색의 화소에 해당하는 투명 전극(2)의 면적을 조절함으로써 상대적으로 모자라는 색의 휘도를 조절할 수 있다. 통상적으로 청색의 휘도가 부족하므로 청색을 위한 투명 전극(2)의 면적을 가장 크게 하는 것이 바람직하다.
CaS:Pb/CaS:Pb/CaS:Eu로 표현할 수 있는 본 발명에 따른 다층 구조의 형광막은 각각 100∼1000nm 영역에서의 두께를 가지며 발광되는 백색광의 색순도는 단색 형광막의 두께를 조절하여 조정할 수 있다. 각각의 형광막 상하부에 ZnS, SrS 등을 삽입하면 형광막의 질을 높이거나 CaS층이 절연체와 직접 접촉 되는 것을 막을 수 있다.
첨부된 도면 도 3은 본 발명에 따른 다층 구조 형광막이 구현할 수 있는 색영역을 CIE 색좌표계에 나타낸 특성도로서, 청색(BLUE)은 색좌표 x=0.15, y=0.07∼0.15에 해당하는 빛을 발광하고, 녹색(GREEN)은 x=0.25∼0.35, y=0.4∼0.65에 해당하는 빛을, 그리고 적색(RED)은 x=0.65∼0.7, y=0.25∼0.35에 해당하는 빛을 발광할 수 있다. 이처럼 본 발명에 따라 CaS만을 모재료로 하는 백색 형광막은 청색 그리고 적색의 색순도가 CRT 수준이므로 종래기술에서 구현하는 색영역보다 더 넓은 영역의 색을 구현 할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 본 발명에 따른 백색 형광막은 종래기술의 형광막에 비해 청색의 색순도와 휘도가 증가 되어 순백색을 구현할 수 있는 효과가 있다. 특히, 동일한 모재료로 다층 구조를 이루는 형광막이므로 발광체간의 에너지 흡수에 따른 간섭으로 야기되는 색의 변화를 막을 수 있고, 동시에 모재료의 결정성이 향상되어 전계발광소자의 휘도와 색순도 특성을 개선 시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 형광막의 발광체는 동일 모재료를 사용하여 모두 허락된 전이과정(allowed transition)으로 여기 되므로 빠른 감쇠시간(decay time)을 가진다. 그리고, 같은 이유로 모든 발광체가 구동 주파수에 따라 보이는 발광 특성이 비슷하므로 SrS:Cu/ZnS:Mn 등의 소자와는 달리 고주파로 구동을 하거나 전압을 변화시켜도 백색의 색순도가 변화될 우려가 없다. 또한, 본 발명에 의한 백색 형광막을 구성하는 단일 형광막은 각각 문턱전계(threshold field)가 비슷하므로 전압 상승에 따라 발광하는 빛의 색순도가 달라지는 것을 피할 수 있다.

Claims (7)

  1. 디스플레이 소자의 백색 형광막에 있어서,
    CaS:Pb 청색 형광막, CaS:Pb 녹색 형광막 및 CaS:Eu 적색 형광막의 적층 구조를 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 형광막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 형광막 사이에 ZnS층 또는 SrS층이 삽입된 것을 특징으로 하는 백색 형광막.
  3. 투명 기판 상에 차례로 적층된 투명 전극, 하부 절연체, CaS:Pb 청색 형광막, CaS:Pb 녹색 형광막, CaS:Eu 적색 형광막, 상부 절연체 및 상부 전극을 구비한 교류 구동형 백색 박막 전계 발광소자.
  4. 불투명 기판 상에 차례로 적층된 내화성 금속 전극, 하부 절연체, CaS:Eu 적색 형광막, CaS:Pb 녹색 형광막, CaS:Pb 청색 형광막, 상부 절연체 및 투명 전극을 구비한 교류 구동형 백색 박막 전계발광소자.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 각 형광막 사이에 ZnS층 또는 SrS층이 삽입된 것을 특징으로 하는 교류 구동형 백색 박막 전계발광소자.
  6. 불투명 기판 상에 차례로 적층된 내화성 금속 전극, 하부 절연체, CaS:Eu 적색 형광막, CaS:Pb 녹색 형광막, CaS:Pb 청색 형광막, 상부 절연체, 투명 전극 및 색필터를 구비한 교류 구동형 천연색 박막 전계발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각 형광막 사이에 ZnS층 또는 SrS층이 삽입된 것을 특징으로 하는 교류 구동형 백색 박막 전계발광소자.
KR1019990055386A 1999-12-07 1999-12-07 동일 모재료를 갖는 다층 구조의 백색 형광막과 그를사용한 교류 구동형 박막 전계발광소자 KR100340687B1 (ko)

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