KR100489786B1 - 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는, 화면을 구현하는 최소 단위인 서브픽셀(sub-pixel) 단위로 발광 영역이 정의된 기판 상부에 서브픽셀 단위로 형성된 다수 개의 스위칭 소자와; 상기 스위칭 소자를 덮는 기판 전면에 형성되며, 상기 스위칭 소자를 일부 노출시키는 제 1 콘택홀을 가지며, 제 1 유기 절연물질로 이루어진 제 1 보호막과; 상기 제 1 보호막 상부에 위치하며, 서브픽셀 단위로 발광 영역에서 제 1 콘택홀을 통해 스위칭 소자와 연결되는 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상부에서, 상기 제 1 전극의 주영역을 노출시키는 개구부를 가지며, 상기 제 1 전극의 가장자리부를 덮는 제 2 유기 절연물질로 이루어진 제 2 보호막과; 상기 제 2 보호막 상부에서 서브픽셀 단위 발광영역에 위치하며, 상기 개구부를 통해 제 1 전극과 연결되는 유기전계발광층과; 상기 유기전계발광층을 덮는 기판 전면에 위치하는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 유기 절연물질은 평탄화 특성을 가지는 유기 절연물질에서 선택되고, 상기 제 2 유기 절연물질은 무기 절연물질보다 성막온도가 낮은 유기 절연물질에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자를 제공함으로써, 첫째, 스핀코팅 방식으로 보호막을 성막하기 때문에, 기존의 진공증착법을 이용한 무기막에 두께를 두껍게 할 수 있고, 하층막의 영향을 덜 받아 평탄화 효과가 높아, 유기전계발광 소자의 전극간 단락을 방지할 수 있고, 둘째, 기존의 무기막보다 성막온도가 낮은 유기막을 이용하기 때문에, 하부막에 가해지는 손상을 줄일 수 있으며, 셋째, 평탄화 특성을 가지는 유기 절연물질을 이용하여 두께감있게 형성하므로, 제품의 내구성 및 신뢰성이 향상된 제품을 제공할 수 있는 장점을 가진다.
Description
본 발명은 유기전계발광 소자(Organic Electroluminescent Device)에 관한 것으로, 특히 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자(Active-Matrix Organic Electroluminescent Device)에 관한 것이다.
최근에 액정표시장치(LCD ; Liquid Crystal Display Device)는 가볍고 전력 소모가 적은 장점이 있어, 평판디스플레이(FPD ; Flat Panel Display)로서 현재 가장 많이 사용되고 있다.
그러나, 액정표시장치는 자체 발광소자가 아니라 수광소자이며 밝기, 콘트라스트(contrast), 시야각, 그리고 대면적화 등에 기술적 한계가 있기 때문에 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 평판디스플레이를 개발하려는 노력이 활발하게 전개되고 있다.
새로운 평판디스플레이 중 하나인 유기전계발광 소자는 자체발광형이기 때문에 액정표시장치에 비해 시야각, 콘트라스트 등이 우수하며 백라이트가 필요하지 않기 때문에 경량박형이 가능하고, 소비전력 측면에서도 유리하다. 그리고, 직류저전압 구동이 가능하고 응답속도가 빠르며 전부 고체이기 때문에 외부충격에 강하고 사용온도범위도 넓으며 특히 제조비용 측면에서도 저렴한 장점을 가지고 있다.
특히, 상기 유기전계발광 소자의 제조공정에는, 액정표시장치나 PDP(Plasma Display Panel)와 달리 증착 및 봉지(encapsulation) 장비가 전부라고 할 수 있기 때문에, 공정이 매우 단순하다.
한편, 종래에는 이러한 유기전계발광 소자의 구동방식으로 별도의 박막트랜지스터(TFT ; Thin Film Transistor)를 구비하지 않는 패시브 매트릭스형(passive matrix)이 주로 이용됐었다.
그러나, 상기 패시브 매트릭스 방식에서는 주사선(scan line)과 신호선(signal line)이 교차하면서 매트릭스 형태로 소자를 구성하므로, 각각의 화소를 구동하기 위하여 주사선을 시간에 따라 순차적으로 구동하므로, 요구되는 평균 휘도를 나타내기 위해서는 평균 휘도에 라인수를 곱한 것 만큼의 순간 휘도를 내야만 한다.
따라서, 라인이 많으면 많을수록, 더 높은 전압과 더 많은 전류를 순간적으로 인가해 주어야 하므로, 소자의 열화를 가속시키고 소비전력이 높아져 고해상도, 대면적 디스플레이에는 적합하지 않다.
그러나, 액티브 매트릭스 방식에서는, 각 화소(pixel)를 개폐하는 박막트랜지스터(Thin Film Transistor)가 화소마다 위치하고, 이 박막트랜지스터가 스위치 역할을 하여, 제 1 전극은 화소단위로 온/오프(on/off)를 시키고, 이 제 1 전극과 대향하는 제 2 전극은 공통전극으로 사용한다.
더욱이, 상기 액티브 매트릭스 방식에서는 화소에 인가된 전압이 스토리지 캐패시터(CST ; storage capacitance)에 충전되어 있어, 그 다음 프레임(frame) 신호가 인가될 때까지 전원을 인가해 주도록 함으로써, 주사선 수에 관계없이 한 화면동안 계속해서 구동한다.
따라서, 액티브 매트릭스 방식에서는, 낮은 전류를 인가하더라도 동일한 휘도를 나타내므로 저소비전력, 고정세, 대형화가 가능한 장점을 가진다.
이하, 이러한 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 기본적인 구조 및 동작특성에 대해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 기본 화소 구조를 나타낸 도면이다.
도시한 바와 같이, 제 1 방향으로 주사선이 형성되어 있고, 이 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 형성되며, 서로 일정간격 이격된 신호선 및 전력공급 라인(powersupply line)이 형성되어 있어, 하나의 화소영역(pixel area)을 정의한다.
상기 주사선과 신호선의 교차지점에는 어드레싱 엘리먼트(addressing element)인 스위칭 박막트랜지스터(switching TFT)가 형성되어 있고, 이 스위칭 박막트랜지스터 및 전력공급 라인과 연결되어 스토리지 캐패시터(storage capacitor ; 이하, CST라 칭함)가 형성되어 있으며, 이 스토리지 캐패시터(CST) 및 전력공급 라인과 연결되어, 전류원 엘리먼트(current source element)인 구동 박막트랜지스터가 형성되어 있고, 이 구동 박막트랜지스터와 연결되어 유기전계발광 다이오드(Electroluminescent Diode)가 구성되어 있다.
이 유기전계발광 다이오드는 유기발광물질에 순방향으로 전류를 공급하면, 정공 제공층인 양극(anode electrode)과 전자 제공층인 음극(cathode electrode)간의 P(positive)-N(negative) 접합(Junction)부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하여, 상기 전자와 정공이 떨어져 있을 때보다 작은 에너지를 가지게 되므로, 이때 발생하는 에너지 차로 인해 빛을 방출하는 원리를 이용하는 것이다.
이하, 상기 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 구동원리에 대해서 설명한다.
상기 액티브 매트릭스 방식에서는 선택신호에 따라 해당전극에 신호를 인가하면, 스위칭 박막트랜지스터의 게이트가 온상태가 되고, 데이터 신호가 이 스위칭 박막트랜지스터의 게이트를 통과하여, 구동 박막트랜지스터와 스토리지 캐패시터에 인가되며, 이 구동 박막트랜지스터의 게이트가 온상태로 되면, 전원공급 라인으로부터 전류가 구동 박막트랜지스터의 게이트를 통하여 유기전계발광층에 인가되어 발광하게 된다.
이때, 상기 데이터 신호의 크기에 따라, 구동 박막트랜지스터의 게이트 개폐정도가 달라져서, 이 구동 박막트랜지스터를 통하여 흐르는 전류량을 조절하여 계조표시를 할 수 있게 된다.
그리고, 비선택 구간에는 스토리지 캐패시터에 충전된 데이터가 구동 박막트랜지스터에 계속 인가되어, 다음 화면의 신호가 인가될 때까지 지속적으로 유기전계발광 소자를 발광시킬 수 있다.
도 2는 종래의 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자에 대한 단면도로서, 구동 박막트랜지스터 및 구동 박막트랜지스터로부터 전류를 공급받는 유기전계발광 다이오드 그리고, 구동 박막트랜지스터용 스토리지 캐피시턴스 영역을 중심으로 도시하였다.
도시한 바와 같이, 화면을 구현하는 발광 영역이 정의된 기판(10) 상부 전면에 버퍼층(12)이 형성되어 있고, 버퍼층(12) 상부에 박막트랜지스터(T)가 형성되어 있으며, 박막트랜지스터(T)의 일측과 연결되어 발광 영역에 유기전계발광 다이오드(E)가 형성되어 있고, 박막트랜지스터(T)의 또 다른 일측에 스토리지 캐패시턴스(CST)가 형성되어 있다.
좀 더 상세히 설명하면, 전술한 버퍼층(12) 상부에 반도체층(14) 및 캐패시터 전극(16)이 서로 일정간격 이격되게 형성되어 있고, 반도체층(14) 상부의 중앙에는 게이트 절연막(18) 및 게이트 전극(20)이 차례대로 형성되어 있으며, 게이트 전극(20) 및 캐패시터 전극(16)을 덮는 기판 전면에 제 1 층간 절연막(22)이 형성되어 있고, 제 1 층간 절연막(22) 상부에서 캐패시터 전극(16)을 덮는 위치에는 미도시한 전력공급 배선에서 분기된 파워 전극(24)이 형성되어 있으며, 파워 전극(24)을 덮는 기판 전면에는 제 2 층간 절연막(26)이 형성되어 있다.
상기 반도체층(14)은, 전술한 게이트 절연막(18) 및 게이트 전극(20)과 대응하는 영역에 위치하는 활성 영역과, 활성 영역의 양측을 이루는 소스 영역 및 드레인 영역으로 구성된다.
이때, 상기 제 1, 2 층간 절연막(22, 26)에는 반도체층(14)의 양측을 일부 노출시키며, 상기 반도체층(14)의 소스 영역을 노출시키는 제 1 콘택홀(28)과, 드레인 영역을 노출시키는 제 2 콘택홀(30)이 각각 공통적으로 형성되어 있고, 추가로 제 2 층간 절연막(26)에는 파워 전극(24)의 일부를 노출시키는 제 3 콘택홀(32)이 형성되어 있다.
상기 제 2 층간 절연막(26) 상부에는 서로 일정간격 이격되게 위치하며, 제 1 콘택홀(28)을 통해 반도체층(14)의 소스 영역과 연결되고, 제 3 콘택홀(32)을 통해 파워 전극(24)과 연결되는 소스 전극(34) 및 제 2 콘택홀(30)을 통해 반도체층(14)의 드레인 영역과 연결되는 드레인 전극(36)이 형성되어 있다.
상기 소스 전극(34) 및 드레인 전극(36)을 덮는 기판 전면에 위치하며, 드레인 전극(36)을 일부 노출시키는 제 4 콘택홀(38)을 가지는 제 1 보호막(40)이 형성되어 있고, 제 1 보호막(40) 상부의 발광 영역에는 제 4 콘택홀(38)을 통해 드레인 전극(36)과 연결되는 제 1 전극(42)이 형성되어 있다.
도면으로 상세히 제시하지는 않았지만, 제 1 전극(42)은 화면을 구현하는 최소단위인 서브픽셀 단위로 패터닝된다.
상기 제 1 전극(42) 상부에는, 제 1 전극(42)을 노출시키는 개구부(44)를 가지는 제 2 보호막(46)이 형성되어 있다. 이때, 상기 제 1 전극(42)의 하부층을 이루는 물질의 스텝 커버리지(step coverage) 특성에 의해, 실질적으로 제 1 전극(42)은 위치별로 일정한 두께를 가지기 어렵고, 특히 제 1 전극(42)의 가장자리부에서 전계가 집중되기 쉽기 때문에, 이로 인해 누설전류가 발생되는 것을 방지하기 위해 전술한 제 2 보호막(46)이 요구된다. 그러므로, 상기 제 2 보호막(46)은 제 1 전극(42)의 가장자리를 덮는 위치에서 개구부(44)를 가지는 것이 중요하다.
상기 제 2 보호막(46) 상부의 발광 영역에는, 상기 개구부(44)를 통해 제 1 전극(42)과 연결되는 유기전계발광층(48)이 형성되어 있고, 유기전계발광층(48) 덮는 기판 전면에는 제 2 전극(50)이 형성되어 있다.
상기 제 1 보호막(40)은, 제 1 전극(42)을 제 1 전극(42)의 하부막들과 절연시키는 역할 및 이어지는 공정에서 하부막들이 손상되는 것을 방지하기 위하여 구성되는 것으로, 제 1 보호막(40)을 이루는 물질은 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 질화막(SiNx) 등의 무기 절연물질이나 아크릴 수지(acryl resin) 등의 유기 절연물질로 이루어진다.
그리고, 상기 제 2 보호막(46)은 서브픽셀 단위로 형성되는 제 1 전극(42)의 주변부에서의 단차로 인한 누설전류나 단락 문제, 그리고 제 2 전극(50)과 미도시한 게이트 배선 및 데이터 배선간의 기생 용량(parastic capacitance)을 감소시키기 위해 무기 절연물질 또는 유기 절연물질을 이용하여 둑(bank) 형상으로 이루어진다.
그러나, 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막과 같은 무기 절연물질을 이용하여 제 1 보호막(40)으로 사용할 경우, 하부의 제 2 층간 절연막(26)이 가지는 형상(morphology)을 따라 성막되어 표면 거칠기가 커지며, 이러한 제 1 보호막(40) 상부에 형성되는 제 1 전극(42)의 막특성 또한 떨어지게 된다. 더욱이, 이러한 막특성을 가지는 제 1 전극(42) 상부에 유기전계발광층(48)을 성막하고, 이어서 제 2 전극(50)을 형성할 경우, 일반적으로 제 1 전극(42)은 플라즈마(plasma) 상태의 불활성 가스의 이온들이 반응가스와 충돌하는 방법에 의한 PECVD(plasma enhanced chemical vapour deposition) 또는 플라즈마 상태의 불활성 가스를 타켓(target)에 물리적으로 충돌시키는 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해 형성되는데, 이러한 방법들에 의해 형성되는 제 1 전극(42)은 표면의 평탄화 특성이 떨어지게 되면, 표면 상에 범프(bump)나 피크(peak)들이 발생되기 쉬워 유기전계발광 소자가 누설전류로 제대로 작동되지 못하여, 사용시간이 증가함에 따라 발광되지 않는 픽셀들이 급격히 증가되어 제품 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
또한, 무기 절연물질을 이용하여 제 2 보호막(46)을 형성할 경우, 제 2 보호막(46)의 개구부(44) 형성을 위한 건식식각 공정에서 사용되는 SF6 및 02 또는 CF4
및 02의 가스 혼합에 의해, 한 예로 제 2 전극(50)을 이루는 물질이 투명 도전성 물질인 ITO(indium tin oxide)로 이루어질 경우, ITO 표면의 최고 준위 상태로 정의되는 페르미 준위(fermi level)를 원하는 값으로 제어하는데 문제가 있어 소자 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 유기전계발광 소자용 제 1 전극의 하부막 및 제 1 전극 상부의 가장자리를 덮는 위치에 각각 형성되는 제 1, 2 보호막 물질을 선택함에 있어서, 기존의 무기 절연물질보다 평탄화 특성이 우수하고, 성막온도가 낮은 유기 절연물질을 이용하여, 내구성 및 신뢰성이 향상된 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 특징에서는 화면을 구현하는 최소 단위인 서브픽셀(sub-pixel) 단위로 발광 영역이 정의된 기판 상부에 서브픽셀 단위로 형성된 다수 개의 스위칭 소자와; 상기 스위칭 소자를 덮는 기판 전면에 형성되며, 상기 스위칭 소자를 일부 노출시키는 제 1 콘택홀을 가지며, 제 1 유기 절연물질로 이루어진 제 1 보호막과; 상기 제 1 보호막 상부에 위치하며, 서브픽셀 단위로 발광 영역에서 제 1 콘택홀을 통해 스위칭 소자와 연결되는 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 상부에서, 상기 제 1 전극의 주영역을 노출시키는 개구부를 가지며, 상기 제 1 전극의 가장자리부를 덮는 제 2 유기 절연물질로 이루어진 제 2 보호막과; 상기 제 2 보호막 상부에서 서브픽셀 단위 발광영역에 위치하며, 상기 개구부를 통해 제 1 전극과 연결되는 유기전계발광층과; 상기 유기전계발광층을 덮는 기판 전면에 위치하는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 유기 절연물질은 평탄화 특성을 가지는 유기 절연물질에서 선택되고, 상기 제 2 유기 절연물질은 무기 절연물질보다 성막온도가 낮은 유기 절연물질에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자를 제공한다.
상기 제 1 유기 절연물질은 BCB(benzocyclobutene), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리이미드(polyimide) 중 어느 하나에서 선택되고, 상기 제 2 유기 절연물질은 포토레지스트(photoresist), BCB, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드 중 어느 하나에서 선택되며, 상기 폴리이미드 물질은, 이미드기(=NH)를 가지는 화합물이 차지하는 비율이 95 %보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 1 전극은 하부 전극을 이루는 양극이고, 상기 제 2 전극은 상부 전극을 이루는 음극이며, 상기 유기전계발광 소자는 상기 유기전계발광층을 통해 발광된 빛을 제 2 전극쪽으로 발광시키는 상부발광 방식인 것을 특징으로 하며, 상기 제 2 전극을 이루는 물질은 투명 도전성 물질에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭 소자는, 활성 영역과, 상기 활성 영역의 양측에 위치하는 소스 영역 및 드레인 영역을 가지는 반도체층과, 상기 반도체층 상부의 활성 영역에 차례대로 위치하는 게이트 절연막 및 게이트 전극과, 상기 소스 영역을 통해 반도체층과 연결되는 소스 전극과, 상기 드레인 영역을 통해 반도체층과 연결되는 드레인 전극을 포함하고, 상기 반도체층과 동일 물질로 이루어지며, 상기 반도체층과 일정간격 이격되어 캐패시터 전극이 형성되어 있고, 상기 캐패시터 전극과 대응되는 위치에는 절연체가 개재된 상태에서 파워 전극이 위치하며, 상기 캐패시터 전극과 파워 전극이 중첩되는 영역은 스토리지 캐패시턴스(storage capacitance)를 이루고, 상기 소스 전극은 파워 전극과 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1, 2 유기 절연물질은 스핀 코팅(spin-coating)법에 의해 이루어지고, 상기 제 1 보호막의 두께범위는 1 ㎛ ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 1, 2 유기 절연물질은 서로 다른 종류의 유기 절연물질에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 특징에서는, 서브픽셀이 정의된 기판 상부에 서브픽셀 단위로 스위칭 소자를 형성하는 단계와; 상기 스위칭 소자를 덮는 기판 전면에 제 1 유기 절연물질을 이용하여, 상기 스위칭 소자를 일부 노출시키는 제 1 콘택홀을 가지는 제 1 보호막을 형성하는 단계와; 상기 제 1 보호막 상부에서 서브픽셀 단위로, 상기 제 1 콘택홀을 통해 스위칭 소자와 연결되는 제 1 전극을 형성하는 단계와; 상기 제 1 전극 상부에 제 2 유기 절연물질을 이용하여, 상기 제 1 전극의 주영역을 노출시키는 개구부를 가지며, 상기 제 1 전극의 가장자리를 덮는 제 2 보호막을 형성하는 단계와; 상기 제 2 보호막 상부에서 서브픽셀 단위로, 상기 개구부를 통해 제 1 전극과 연결되는 유기전계발광층을 형성하는 단계와; 상기 유기전계발광층을 덮는 기판 전면에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 유기 절연물질은 평탄화 특성을 가지는 유기 절연물질에서 선택되고, 상기 제 2 유기 절연물질은 상기 제 1 유기 절연물질보다 성막온도가 낮은 유기 절연물질에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법을 제공한다.
상기 제 1, 2 유기 절연물질은 스핀 코팅(spin coating)법에 의해 형성되고, 상기 제 1, 2 유기 절연물질 중 어느 한 물질은 폴리이미드 물질에서 선택되며, 상기 폴리이미드 물질은, 이미드기(=NH)를 가지는 화합물의 비율로 정의되는 이미드화율이 95 %보다 큰값을 가지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 1, 2 유기 절연물질은 서로 다른 유기 절연물질에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 한 화소부에에 대한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 화면을 구현하는 발광 영역이 정의된 기판(110) 상부 전면에 버퍼층(112)이 형성되어 있고, 버퍼층(112) 상부에 박막트랜지스터(T)가 형성되어 있으며, 박막트랜지스터(T)의 일측과 연결되어 발광 영역에 유기전계발광 다이오드(E)가 형성되어 있고, 박막트랜지스터(T)의 또 다른 일측과 연결되어 스토리지 캐패시턴스(CST)가 형성되어 있다.
좀 더 상세히 설명하면, 전술한 버퍼층(112) 상부에는 반도체 물질로 이루어진 반도체층(114) 및 캐패시터 전극(116)이 서로 일정간격 이격되게 형성되어 있고, 반도체층(114) 상부의 중앙에는 게이트 절연막(118) 및 게이트 전극(120)이 차례대로 형성되어 있으며, 게이트 전극(120) 및 캐패시터 전극(116)을 덮는 기판 전면에 제 1 층간 절연막(122)이 형성되어 있고, 제 1 층간 절연막(122) 상부에서 캐패시터 전극(116)을 덮는 위치에는 미도시한 전력공급 배선에서 분기된 파워 전극(124)이 형성되어 있으며, 파워 전극(124)을 덮는 기판 전면에는 제 2 층간 절연막(126)이 형성되어 있다.
도면으로 상세히 도시하지는 않았지만, 상기 게이트 전극(120)과 연결되어 제 1 방향으로 게이트 배선이 형성되고, 상기 파워 전극(124)과 연결되어 게이트 배선과 교차되는 제 2 방향으로 전력공급 배선이 형성되고, 전술한 게이트 전극(120)은 미도시한 스위칭 박막트랜지스터의 드레인 전극과 연결구성된다.
상기 반도체층(114)은, 전술한 게이트 절연막(118) 및 게이트 전극(120)과 접하는 영역에 위치하는 활성 영역과, 활성 영역의 양측을 이루는 소스 영역 및 드레인 영역으로 구성된다.
상기 반도체층(114) 및 캐패시터 전극(116)을 이루는 반도체 물질은 결정질 실리콘 물질에서 선택되는 것이 바람직하며, 한 예로 다결정 실리콘으로 이루질 수 있고, 전술한 반도체층(114)의 활성 영역은 진성 반도체 영역에 해당되고, 소스 영역 및 드레인 영역은 이온 도핑(ion dopping)처리된 반도체 영역에 해당된다.
그리고, 상기 게이트 절연막(118), 제 1, 2 층간 절연막(122, 126)을 이루는 물질은 절연물질에서 선택되며, 한 예로 게이트 절연막(118)을 이루는 물질은 실리콘 질화막(SiNx)으로 이루어지고, 제 1, 2 층간 절연막(122, 126)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막(SiOx)과 같은 무기 절연물질에서 선택되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 제 1, 2 층간 절연막(122, 126)에는 반도체층(114)의 양측에서, 상기 반도체층(114)의 소스 영역을 노출시키는 제 1 콘택홀(128)과, 드레인 영역을 노출시키는 제 2 콘택홀(130)을 각각 공통적으로 가지고, 추가로 제 2 층간 절연막(126)에는 파워 전극(124)의 일부를 노출시키는 제 3 콘택홀(132)을 포함한다.
상기 제 1 층간 절연막(122)이 개재된 상태에서, 서로 중첩되게 위치하는 캐패시터 전극(116) 및 파워 전극(124) 영역은 전술한 박막트랜지스터(T)용 스토리지 캐패시턴스(CST)를 이룬다.
상기 제 2 층간 절연막(126) 상부에서 서로 일정간격 이격되게 위치하며, 제 1 콘택홀(128)을 통해 반도체층(114)의 소스 영역과 연결되고, 제 3 콘택홀(132)을 통해 파워 전극(124)과 연결되는 소스 전극(134)과, 제 2 콘택홀(130)을 통해 반도체층(114)의 드레인 영역과 연결되는 드레인 전극(136)이 형성되어 있다.
상기 소스 전극(134) 및 드레인 전극(136)을 이루는 물질은 화학적 내식성이 강한 금속물질에서 선택되며, 한 예로 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 등을 들 수 있다.
상기 소스 전극(134) 및 드레인 전극(136)을 덮는 기판 전면에 위치하며, 드레인 전극(136)을 일부 노출시키는 제 4 콘택홀(138)을 가지는 제 1 보호막(140)이 형성되어 있고, 제 1 보호막(140) 상부의 발광 영역에는 제 4 콘택홀(138)을 통해 드레인 전극(136)과 연결되는 제 1 전극(142)이 형성되어 있다.
본 발명에서는, 상기 제 1 전극(142)의 하부층을 이루는 제 1 보호막(140)을 형성함에 있어서, 평탄화 특성을 가지는 유기 절연물질을 이용함에 따라, 제 1 보호막(140)의 평탄화 특성을 높여, 이러한 제 1 보호막(140) 상부에 형성되는 제 1 전극(142)의 표면 특성을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 보호막(140)을 이루는 유기 절연물질로는, BCB(benzocyclobutene), 폴리아크릴(poly acrylate), 폴리이미드(polyimide) 중 어느 하나에서 선택되는 것이 바람직하다.
이러한 유기막은 일반적으로 스핀 코팅(spin coating) 방식으로 형성되므로, 기존의 진공증착법에 의해 형성되는 무기막에 비해 하부막들 형태 영향을 크게 받지 않으며, 그 두께를 충분히 두껍게 형성할 수 있어 평탄화 기능성막에 용이하게 적용할 수 있다.
상기 제 1 보호막(140)의 두께는 1 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 ㎛ ~ 10 ㎛ 범위 내에서 두께치를 선택하는 것이다.
도면으로 상세히 제시하지는 않았지만, 제 1 전극(142)은 화면을 구현하는 최소단위인 서브픽셀 단위로 패터닝된다.
상기 제 1 전극(142) 상부에는, 제 1 전극(142)을 노출시키는 개구부(144)를 가지는 제 2 보호막(146)이 형성되어 있다.
상기 제 2 보호막(146)은 상기 제 1 전극(142)의 가장자리부에 전류가 밀집되는 것을 방지하는 방지하기 위하여, 제 1 전극(142)의 가장자리를 덮는 구조로 형성됨에 있어서, 제 2 보호막(146)을 이루는 물질은 유기 절연물질에서 선택되고, 특히 성막온도가 낮은 유기 절연물질에서 선택되는 것을 특징으로 하며, 이러한 유기 절연물질로는 포토레지스트(photoresist), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리이미드(polyimide), BCB(benzocyclobutene) 등을 들 수 있다.
이러한 제 2 보호막(146) 상부의 발광 영역에는, 상기 개구부(144)를 통해 제 1 전극(142)과 연결되는 유기전계발광층(148)이 형성되어 있고, 유기전계발광층(148) 덮는 기판 전면에는 제 2 전극(150)이 형성되어 있다.
상기 제 1, 2 전극(142, 150) 및 제 1, 2 전극(142, 150) 사이에 개재된 유기전계발광층(148)은 유기전계발광 다이오드(E)를 이룬다.
이와 같이, 본 발명에서는 유기전계발광 다이오드(E)와 연접하는 하부층을 이루는 제 1 보호막(140)과, 제 1 전극(142)의 가장자리를 덮는 위치 및 제 2 전극(150)과 금속 배선들 사이구간에 위치하는 제 2 보호막(146)을 이루는 물질을 유기 절연물질에서 선택하는 것을 특징으로 하는데, 이때 제 1, 2 보호막(140, 146)을 동일한 용매를 이용하는 유기 절연물질로 형성할 경우, 제 2 보호막(146)을 형성하는 과정에서 제 2 보호막(146) 용매가 먼저 형성된 제 1 보호막(140)을 녹여 제 1, 2 보호막(140, 146) 사이에 패턴화된 제 1 전극(142)에 손상(damage)을 줄 수 있으므로, 서로 다른 유기 절연물질에서 선택되는 것이 바람직하다.
전술한 유기 절연물질 중에서, 폴리이미드계 물질은 다른 유기 절연물질들에 비해 ITO와 같은 투명 도전성 물질과의 밀착성이 뛰어난 장점을 가진다.
특히, 상기 폴리이미드계 물질은 이미노기(=NH)를 가지는 화합물이 차지하는 비율로 정의되는 이미드화율이 95 % 이상으로 하는 것이 바람직하다.
이러한 이미드화율을 가지는 폴리이미드계 물질은, 물질의 결합력이 높아 다른 유기물질의 제조 공정에 따른 영향을 최소화시킬 수 있는 특징을 가지며, 이러한 폴리이미드계 물질은 제 1, 2 보호막(140, 146)에 모두 적용가능하지만, 제 1, 2 보호막(140, 146)을 동일한 물질로 제작시에는 전술한 제 1 전극(142)이 손상될 위험이 있으므로, 제 1, 2 보호막(140, 146) 중 어느 하나에서 선택되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 하부막을 이루는 제 1 보호막(140)을 전술한 폴리이미드계 물질로 형성하여, 상부막을 이루는 제 2 보호막(146)의 제조 공정 중 제 2 보호막(146) 물질 용매가 제 1 보호막(140)에 미치는 영향을 최소화하는 것이다.
또한, 기존에서와 같이 무기 절연물질을 이용하여 제 2 보호막의 개구부를 형성할 경우, 개구부를 통해 노출되는 ITO 물질로 이루어진 전극의 표면변화를 줄일 수 있다.
한 예로, 상기 제 1 전극(142)이 하부 전극인 양극에 해당되고, 제 2 전극(150)이 상부 전극인 음극에 해당될 경우, 유기전계발광층(148)을 통해 발광된 빛이 제 2 전극(150) 쪽으로 발광될 경우, 상부발광 방식 유기전계발광 소자에 해당되며, 이때 제 2 전극(150)을 이루는 물질은 투명 도전성 물질에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자에 대한 단면도로서, 본 발명에 따른 보호막의 평탄화 구조를 중심으로 설명하기 위하여, 스토리지 캐패시턴스에 대한 도시는 생략하고, 다수 개의 서브픽셀에서의 구동 박막트랜지스터 및 발광 영역을 중심으로 도시하였다.
도시한 바와 같이, 화면을 구현하는 최소단위인 서브픽셀 단위로 발광 영역이 정의된 기판(210) 상에 서브픽셀 단위로 반도체층(212), 게이트 전극(214), 소스 전극(216) 및 드레인 전극(218)으로 이루어진 박막트랜지스터(T)가 형성되어 있고, 박막트랜지스터(T)를 덮는 기판 전면에 위치하며 드레인 전극(218)을 일부 노출시키는 드레인 콘택홀(220)을 가지고, 제 1 유기 절연물질로 이루어진 제 1 보호막(222)이 형성되어 있으며, 제 1 보호막(222) 상부에는 서브픽셀 단위로 드레인 콘택홀(220)을 통해 드레인 전극(218)과 연결되는 제 1 전극(224)이 형성되어 있고, 제 1 전극(224) 상부에는 제 1 전극(224)의 가장자리와 중첩되게 위치하며, 제 1 전극(224)의 주 영역을 노출시키는 개구부(226)를 가지고, 제 2 유기 절연물질로 이루어진 제 2 보호막(228)이 형성되어 있으며, 제 2 보호막(228) 상부에는 서브픽셀 단위로 개구부를 통해 제 1 전극(224)과 연결되는 유기전계발광층(230)이 형성되어 있고, 유기전계발광층(230)을 덮는 기판 전면에는 제 2 전극(232)이 형성되어 있다.
상기 제 1 유기 절연물질은 평탄화 특성이 우수한 유기 절연물질에서 선택되는 것을 특징으로 하고, 이러한 유기 절연물질로는 BCB, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드 등을 들 수 있다.
일반적으로, 유기 절연물질은 무기 절연물질보다 낮은 성막온도에 의해 경화시킬 수 있는 특성을 가지며, 상기 제 2 유기 절연물질은 제 1 유기 절연물질보다 낮은 성막온도를 가지는 유기 절연물질에서 선택되는 것이 바람직하며, 전술한 성막온도는 유기 절연물질을 코팅 후 베이킹(baking), 경화(curing)하는 온도를 의미하는 것으로, 만약에 상부막의 성막온도가 높을 경우 하부막은 과다 경화가 발생되어, 막특성이 변성되어 결함발생 가능성이 높아지기 때문에, 낮은 성막온도를 가지는 유기 절연물질에서 선택되는 것이 바람직하다.
이러한 특성을 가지는 제 2 유기 절연물질로는, 포토레지스트, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드, BCB 등을 들 수 있다.
이때, 제 1, 2 유기 절연물질은 전술한 유기 절연물질 중에서, 서로 다른 유기 절연물질에서 선택되는 것이 바람직하며, 하부막을 이루는 제 1 유기 절연물질을 폴리이미드계 물질에서 선택할 경우, 폴리이미드계 물질의 이미드화율은 95% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조공정을 단계별로 나타낸 공정흐름도이다.
ST1에서는, 서브픽셀 영역이 정의된 기판 상부에 서브픽셀 단위로 박막트랜지스터를 형성하는 단계이다.
상기 박막트랜지스터는 유기전계발광 다이오드와 연결되는 구동 박막트랜지스터와, 게이트 배선 및 데이터 배선과 연결되는 스위칭 박막트랜지스터를 포함하며, 본 발명에서는 구동 박막트랜지스터를 중심으로 설명한다.
ST2에서는, 상기 박막트랜지스터를 덮는 기판 전면에 위치하며, 박막트랜지스터를 일부 노출시키는 제 1 콘택홀을 가지고, 제 1 유기 절연물질로 이루어진 제 1 보호막을 형성하는 단계이다.
ST3에서는, 상기 제 1 보호막 상부에서 서브픽셀 단위로, 제 1 콘택홀을 통해 박막트랜지스터와 연결되는 제 1 전극을 형성하는 단계이다.
ST4에서는, 상기 제 1 전극 상부에서, 제 1 전극의 주영역을 노출시키는 개구부를 가지며, 제 1 전극의 가장자리를 덮으며, 제 2 유기 절연물질로 이루어진 제 2 보호막을 형성하는 단계이다.
ST5에서는, 제 2 보호막 상부에서 서브픽셀 단위로, 개구부를 통해 제 1 전극과 연결되는 유기전계발광층을 형성하는 단계와, 유기전계발광층을 덮는 기판 전면에 제 2 전극을 형성하는 단계이다.
상기 제 1, 2 유기 절연물질은 서로 다른 유기 절연물질에서 선택되며, 제 1, 2 유기 절연물질 중 어느 한 물질이 폴리이미드계열 물질에서 선택될 경우, 상기 폴리이미드계열 물질의 이미드화율은 95 %이상으로 하는 것이 바람직하며, 이러한 이미드화율을 가지는 폴리이미드계열 물질은 하부막을 이루는 제 1 유기 절연물질로 선택하는 것이 더욱 바람직하다.
그러나, 본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지에 벗어나지 않는 한도내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자에 의하면 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 스핀코팅 방식으로 보호막을 성막하기 때문에, 기존의 진공증착법을 이용한 무기막보다 두께를 두껍게 할 수 있고, 하층막의 영향을 덜 받아 평탄화 효과가 높아, 유기전계발광 소자의 전극간 단락을 방지할 수 있다.
둘째, 기존의 무기막보다 성막온도가 낮은 유기막을 이용하기 때문에, 하부막에 가해지는 손상을 줄일 수 있다.
셋째, 평탄화 특성을 가지는 유기 절연물질을 이용하여 두께감있게 형성하므로, 제품의 내구성 및 신뢰성이 향상된 제품을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 기본 화소 구조를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자에 대한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 한 화소부에에 대한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자에 대한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조공정을 단계별로 나타낸 공정흐름도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
110 : 기판 112 : 버퍼층
114 : 반도체층 116 : 캐패시터 전극
118 : 게이트 절연막 120 : 게이트 전극
122 : 제 1 층간 절연막 124 : 파워 전극
126 : 제 2 층간 절연막 128 : 제 1 콘택홀
130 : 제 2 콘택홀 132 : 제 3 콘택홀
134 : 소스 전극 136 : 드레인 전극
138 : 제 4 콘택홀 140 : 제 1 보호막
142 : 제 1 전극 144 : 개구부
146 : 제 2 보호막 148 : 유기전계발광층
150 : 제 2 전극 T : 박막트랜지스터
CST : 스토리지 캐패시턴스
Claims (16)
- 화면을 구현하는 최소 단위인 서브픽셀(sub-pixel) 단위로 발광 영역이 정의된 기판 상부에 서브픽셀 단위로 형성되며, 활성 영역과, 상기 활성 영역의 양측에 위치하는 소스 영역 및 드레인 영역을 가지는 반도체층과, 상기 반도체층 상부의 활성 영역에 차례대로 위치하는 게이트 절연막 및 게이트 전극과, 상기 소스 영역을 통해 반도체층과 연결되는 소스 전극과, 상기 드레인 영역을 통해 반도체층과 연결되는 드레인 전극을 포함하여 구성되는 다수 개의 스위칭 소자와;상기 스위칭 소자의 소스 및 드레인 전극을 덮으며 기판 전면에 형성되며, 상기 소스 또는 드레인 전극의 일부를 노출시키는 제 1 콘택홀을 가지며, 제 1 유기 절연물질로 이루어진 제 1 보호막과;상기 제 1 보호막 상부에 위치하며, 서브픽셀 단위로 발광 영역에서 제 1 콘택홀을 통해 스위칭 소자와 연결되는 제 1 전극과;상기 제 1 전극 상부에서, 상기 제 1 전극의 주영역을 노출시키는 개구부를 가지며, 상기 제 1 전극의 가장자리부를 덮는 제 2 유기 절연물질로 이루어진 제 2 보호막과;상기 제 2 보호막 상부에서 서브픽셀 단위 발광영역에 위치하며, 상기 개구부를 통해 제 1 전극과 연결되는 유기전계발광층과;상기 유기전계발광층을 덮는 기판 전면에 위치하는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 유기 절연물질은 평탄화 특성을 가지는 유기 절연물질에서 선택되고, 상기 제 2 유기 절연물질은 무기 절연물질보다 성막온도가 낮은 유기 절연물질에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 유기 절연물질은 BCB(benzocyclobutene), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리이미드(polyimide) 중 어느 하나에서 선택되는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 유기 절연물질은 포토레지스트(photoresist), BCB, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드 중 어느 하나에서 선택되는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 폴리이미드 물질은, 이미드기(=NH)를 가지는 화합물이 차지하는 비율이 95 %보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 전극은 하부 전극을 이루는 양극이고, 상기 제 2 전극은 상부 전극을 이루는 음극이며, 상기 유기전계발광 소자는 상기 유기전계발광층을 통해 발광된 빛을 제 2 전극쪽으로 발광시키는 상부발광 방식인 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 2 전극을 이루는 물질은 투명 도전성 물질에서 선택되는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서,상기 반도체층과 동일 물질로 이루어지며, 상기 반도체층과 일정간격 이격되어 캐패시터 전극이 형성되어 있고, 상기 캐패시터 전극과 대응되는 위치에는 절연체가 개재된 상태에서 파워 전극이 위치하며, 상기 캐패시터 전극과 파워 전극이 중첩되는 영역은 스토리지 캐패시턴스(storage capacitance)를 이루고, 상기 소스 전극은 파워 전극과 연결되는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1, 2 유기 절연물질은 스핀 코팅(spin-coating)법에 의해 이루어지는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 보호막의 두께범위는 1 ㎛ ~ 10 ㎛인 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1, 2 유기 절연물질은 서로 다른 종류의 유기 절연물질에서 선택되는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
- 서브픽셀이 정의된 기판 상부에 서브픽셀 단위로 스위칭 소자를 형성하는 단계와;상기 스위칭 소자를 덮는 기판 전면에 제 1 유기 절연물질을 이용하여, 상기 스위칭 소자를 일부 노출시키는 제 1 콘택홀을 가지는 제 1 보호막을 형성하는 단계와;상기 제 1 보호막 상부에서 서브픽셀 단위로, 상기 제 1 콘택홀을 통해 스위칭 소자와 연결되는 제 1 전극을 형성하는 단계와;상기 제 1 전극 상부에 제 2 유기 절연물질을 이용하여, 상기 제 1 전극의 주영역을 노출시키는 개구부를 가지며, 상기 제 1 전극의 가장자리를 덮는 제 2 보호막을 형성하는 단계와;상기 제 2 보호막 상부에서 서브픽셀 단위로, 상기 개구부를 통해 제 1 전극과 연결되는 유기전계발광층을 형성하는 단계와;상기 유기전계발광층을 덮는 기판 전면에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 유기 절연물질은 평탄화 특성을 가지는 유기 절연물질에서 선택되고, 상기 제 2 유기 절연물질은 상기 제 1 유기 절연물질보다 성막온도가 낮은 유기 절연물질에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제 1, 2 유기 절연물질은 스핀 코팅(spin coating)법에 의해 형성되는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제 1, 2 유기 절연물질 중 어느 한 물질은 폴리이미드 물질에서 선택되는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 폴리이미드 물질은, 이미드기(=NH)를 가지는 화합물의 비율로 정의되는 이미드화율이 95 %보다 큰값을 가지는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제 1, 2 유기 절연물질은 서로 다른 유기 절연물질에서 선택되는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 제조방법.
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