KR100631845B1 - 에어로졸법을 이용한 형광체막 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에어로졸법에 따른 형광체막 형성방법에 관한 것으로서, 5㎛이하의 입도를 갖는 형광체분말을 마련하는 단계와, 상기 형광체분말을 진동시켜 상기 형광체분말이 분산된 에어로졸(aerosol)을 형성하는 단계와, 일정한 속도로 반복 이동하는 기판 상에서 상기 형광체 분말이 충격 고화되도록 캐리어가스를 이용하여 상기 에어로졸을 고속으로 기판 상에 분사시키는 단계를 포함하는 형광체막 형성방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 바인더 없이 형광체분말만을 이용하여 에어로졸 충격고화방식으로 형광체막을 형성함으로써 바인더의 사용에 따른 추가적인 열처리공정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 잔류한 바인더로 인한 형광효율저하문제를 근본적으로 해결할 수 있다. 또한, 본 발명의 형광체막 형성방법에서 채용되는 에어로졸 충격고화방식은 종래의 성막공정과 같이 정밀한 두께 제어가 가능하다는 장점도 있다.
에어로졸(aerosol), 형광체(phosphor), 바인더(binder), 전계방출장치(field emission device)

Description

에어로졸법을 이용한 형광체막 형성방법{METHOD OF FORMING PHOSPHOR FILM BY USING AEROSOL IMPACT}
도1은 종래의 스크린인쇄방식을 이용한 형광체막 형성공정을 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명에 따라 에어로졸 충격고화방식을 이용한 형광체막 형성공정을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도3은 본 발명의 형광체 형성방법에 사용되는 에어로졸 성막장치의 일예를 나타내는 개략도이다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 실시예에서 얻어진 형광체막을 촬영한 SEM사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
31: 에어로졸 생성조 32: 형광체 에어로졸
33: 진동장치 34: 캐리어가스저장조
35: 노즐 36: 성막챔버
37: 이동식 기판홀더 39: 진공형성장치
41: 기판 42: 에어로졸 유체
본 발명은 형광체막 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전계방출장치 및 디스플레이패널의 형광표시장치 등에 사용되는 형광체막의 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로, 형광체막은 전계방출장치 및 플라즈마 디스플레이 패널등의 각종 형광표시장치에 널리 사용되고 있다. 이러한 형광체막에 관련된 기술은 크게 형광체재료 관련기술과 성막기술로 구분될 수 있으며, 특히 형광체 성막기술의 가장 중요한 요소는 형성된 막 중 형광체성분의 균일분포와 기판과의 부착력이다.
종래의 형광체 성막기술로는 크게 스크린 인쇄방식과 스프레이방식과 같은 바인더를 사용하는 성막방법과 바인더를 사용하지 않는 증착방법(예, PLD, MOCVD,ALE)등이 있다. 일반적으로 형광체성막공정으로서의 증착방법은 적용가능한 형광체물질이 매우 제한적이며, 디바이스에서 요구되는 대면적구현이 어렵고, 비용상 문제로 실용화단계에 이르지 못하고 있다.
이러한 문제로 인해, 현재 상용화되는 형광체 성막기술은 바인더를 사용하는 스크린 인쇄방식과 스프레이방식이다. 대표적인 형광체 성막기술인 스크린인쇄방식 은 우선 형광체분말과 유기바인더를 용매에 혼합하여 형광체 페이스트를 제조하는 과정으로 시작된다. 이어, 도1에 도시된 바와 같이 기판(11) 상에 스크린(12)(또는 메쉬라고도 함)을 배치한 후에, 스크루버(14)를 이용하여 형광체 페이스트(15)를 상기 스크린(12)을 통해 상기 기판(11) 상에 인쇄한다. 기판(11) 상에 인쇄된 형광체(16)를 열처리하여 용매 및 일부 바인더가 제거됨으로써 원하는 형광체막을 형성할 수 있다.
상기 스크린인쇄방식을 이용한 형광체 성막기술은 바인더와 용매를 제거하기 위해서 추가적인 열처리공정이 요구될 뿐만 아니라, 열처리후에도 잔류한 바인더에 의해 형광효율이 저하되는 문제가 있다. 심한 경우에는 높은 구동전압에서 바인더가 분해되어 국부적으로 형광체막이 내려앉는 경우도 발생한다. 반면에, 잔류한 바인더에 의한 문제를 해결하기 위해서 바인더를 적게 사용하거나 제거율을 높히는 경우에는, 오히려 기판과 부착력이 약화되어 치명적인 불량을 야기할 수 있다. 또한, 전계방출장치의 구동시에 진공인 전계방출계 내부에서 바인더로부터 잔류한 가스가 나와 발광수명을 저하시킬 수 있다. 이와 같이, 바인더를 사용하는 기존의 공정은 근본적인 문제를 안고 있으며, 이러한 문제는 바인더를 사용하는 스프레이방식에서 유사하게 나타난다.
또한, 종래의 스크린인쇄방식은 형광체 페이스트 또는 슬러리에서 분산되지 못하여 발생된 응집체가 형광체막에 그대로 존재하여 형광효율을 저하시킬 수 있으 며, 형광체막을 얇게 형성해야할 필요가 있는 경우에, 통상의 증착방식과 달리 균일한 막두께의 정밀한 제어가 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 당기술분야에서는 바인더로 인한 문제를 해결하여 기판과의 부착력과 형광효율 및 발광수명을 향상시키면서도 양산체제에 적합한 새로운 형광체 성막기술이 요구되어 왔다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 에어로졸 충격고화방식을 이용하여 추가적인 열처리공정 없이도 기판과의 부착력이 우수하며 높은 형광효율 및 발광수명을 갖는 새로운 형광체막의 형성방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은
5㎛이하의 입도를 갖는 형광체분말을 마련하는 단계와, 상기 형광체분말을 진동시켜 상기 형광체분말이 분산된 에어로졸(aerosol)을 형성하는 단계와, 일정한 속도로 반복 이동하는 기판 상에서 상기 형광체 분말이 충격 고화되도록 캐리어가스를 이용하여 상기 에어로졸을 고속으로 기판 상에 분사시키는 단계를 포함하는 형광체막 형성방법를 제공한다.
또한, 상기 형광체분말의 입도는 0.1∼3㎛범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시형태에서는, 상기 캐리어가스는 질소(N2) 또는 불활성가스일 수 있다. 상기 에어로졸의 고속분사를 위해 제공되는 캐리어가스의 유량은 2∼10 L/min일 수 있다. 또한, 상기 기판으로 향하는 에어로졸의 분사거리는 5∼50㎜범위일 수 있다.
바람직하게는, 상기 에어로졸을 분사하는 단계는 상기 에어로졸 진행방향과 상기 기판 사이의 각도가 5∼30°가되도록 상기 에어로졸을 분사하는 방식으로 구현될 수 있다.
상기 기판은 ITO 글래스 또는 슬라이드 글래스와 같은 글래스계 기판일 수 있으며, 상기 형광체분말은 ZnO계 형광체 또는 ZnS계 형광체일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도2는 본 발명에 따라 에어로졸 충격고화방식을 이용한 형광체막 형성공정을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
본 발명에 따른 형광체막 형성방법은 미립인 형광체분말을 마련하는 단계(S21)로 시작된다. 본 발명에 사용되는 형광체분말은 에어로졸 충격고화방식으로 성막이 가능하기 위해서, 입도가 5㎛이하인 형광체분말을 마련한다. 바람직하게는 형광체 분말의 입도는 약 0.1 ∼ 약 3㎛범위이다. 형광체분말의 입도가 0.1㎛미만에는 충격에너지가 작아 성막에 어려움이 있으며, 3㎛을 초과하는 경우에는 성막진행이 저조하고, 막이 형성될지라도 발광특성이 다소 낮아질 수 있다. 상기 형광체 분말로는 ZnO, ZnS 또는 YAG계 형광체분말이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이어, 단계(S23)에서는 상기 형광체분말에 진동교반을 적용하여 에어로졸을 형성한다. 이러한 에어로졸 형성과정은 진동상태로 이루어지며, 본 단계에서 적용되는 진동교반조건은 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있다.
상기 에어로졸 형성과정(S23)에 연속하여, 상기 형광체분말의 에어로졸을 캐리어가스를 이용하여 에어로졸 유체를 형성한다(S25). 상기 캐리어가스로는 형광체물질과 원하지 않는 화학반응을 방지하기 위해서, N2 또는 He 및 Ne와 같은 불활성가스를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 캐리어가스의 유량은 약 2∼10 L/min로 제공되며, 에어로졸생성조는 캐리어가스가 유입되기전에는 5Pa 내외를 거의 진공상태를 유지하다가 캐리어가스가 유입되는 시점에서 에어로졸유체가 분사될 때에는 내부압력이 100∼1000Pa범위가 되도록 한다.
상기 캐리어가스의 유입으로 인해 원하는 고압조건이 형성되면, 그 압력을 에 의해 에어로졸 유체는 기판을 향해 고속으로 분사되고, 에어로졸유체의 형광체 분말은 충격고화메카니즘에 의해 기판 상에 형광체막으로 형성된다(S27). 상기 에어로졸 유체는 일정한 방향으로 분사되므로, 형광체막을 형성하고자 하는 면적에 따라, 기판 또는 분사노즐의 방향을 적절한 궤적으로 반복 이동시킨다. 이 때에 에어로졸 분사를 위한 노즐과 기판 사이의 거리로 정의되는 분사거리는 막질향상을 위해서, 5 내지 50㎜범위로 설정하는 것이 바람직하다.
본 공정에서 적용되는 충격고화메카니즘을 보다 구체적으로 설명하면, 고속 분사된 에어로졸유체는 기판과 충돌하여 그 충격에너지가 형광체분말과 기판 사이의 결합에너지 및 형광체분말간의 결합에너지로 작용하여 고화된 상태로 앵커링(anchoring)되면서 형광체막으로 형성된다. 따라서, 건조 및 탈지를 위한 추가적인 열처리공정없이 형광체막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 종래 기술에서 나타나는, 바인더로 인한 형광효율저하문제와 바인더로부터의 배출가스로 인한 발광수명저하문제를 근본적으로 해결할 수 있다. 또한, 본 발명의 형광체막 형성방법에서 채용되는 에어로졸 충격고화방식은 종래의 증착공정과 같이 정밀한 두께 제어가 가능하면서도, 분말의 입도만 조절하면 형광체성막이 가능하므로, 적용가능한 형광체물질이 제한되지 않는 장점이 있다.
또한, 에어로졸 분사시에 에어로졸유체이 분사되는 노즐방향이 기판과의 일정한 각도로 경사진 상태를 유지하면서 기판 홀더를 반복 이동시킴으로써 형광체막의 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 형광체막 특성향상을 위해 기판과 분사방향의 경사각은 약 5°∼ 약 30°가 바람직하다.
본 발명의 형광체막 형성방법을 구현하기 위해서 사용가능한 에어로졸 성막장치는 도3에 예시되어 있다.
도3을 참조하면, 상기 에어로졸 성막장치는 형광체분말(32)이 저장된 에어로졸생성조(31)와 상기 생성조(31)와 제1 반송관(38a)을 통해 연결된 캐리어가스저장조(34) 및, 성막공정이 이루어진 성막챔버(36)와 전체 내부계를 진공에 가까운 상태로 유지시키기 위한 진공형성장치(39)를 포함한다.
상기 에어로졸생성조(31) 및 상기 성막챔버(36)는 진공형성장치(39)에 연결된다. 상기 진공형성장치(39)는 감압펌프(39a)와 주펌프(39b) 및 배출필터(39c)로 구성될 수 있다. 또한, 상기 에어로졸생성조(31)는 진동교반작동을 제공하는 진동장치(33)에 연결되며, 상기 성막챔버(36)는 기판(41)이 고정된 이동식 기판홀더(37)와 상기 에어로졸 생성조(31)와 제2 반송관(38b)을 통해 연결된 노즐(35)을 포함한다. 상기 이동식 기판홀더(37)는 정해진 궤적으로 반복이동가능하도록 구성되며, 바람직하게는 노즐(35)이 기판(41)과 일정한 각도로 경사진 상태에서 분사되도록 조절될 수 있다.
상기 에어로졸 성막장치의 작동을 설명하면, 상기 에어로졸생성조(31)와 상기 성막챔버(36)는 진공형성장치(39)에 의해 진공상태가 된다. 상기 에어로졸생성조(31)에 수용된 형광체분말(32)(평균입도:5㎛이하)은 진동장치(33)의 진동교반작동에 의해 에어로졸로 형성되며. 이러한 에어로졸형성과 함께, 상기 제1 반송관 (38a)의 밸브가 개방되어 상기 캐리어가스저장조(34)로부터 N2, He 또는 Ar과 같은 캐리어가스가 상기 에어로졸생성조(31)로 유입되고, 밸브와 캐리어가스저장조(34) 사이에 배치된 유량조절계(43)로 캐리어가스의 유량을 조절하여 상기 에어로졸생성조(31)에 고압상태를 형성할 수 있다. 상기 제2 반송관(38b)의 밸브가 개방되면 상기 에어로졸생성조(31)로부터 에어로졸 유체는 상기 성막챔버(36) 내부에 배치된 노즐(35)을 통해 상기 기판(41)을 향해 고속으로 분사된다. 이 때에 상기 기판(41)은 상기 이동식 기판홀더(37)에 의해 앞서 설명한 바와 같이 형광체막을 형성할 면적 및 두께에 따라 적절한 반복이동될 수 있으며, 추가적으로 분사노즐(35)을 기판과 일정한 각도로 경사지도록 배치하여 형광체막 특성을 보다 개선할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 통해 보다 상세히 설명히기로 한다.
(실시예)
본 실시예는 에어로졸 충격고화방식에 의해 형광체막이 형성될 수 있다는 사실을 확인하기 위해서 도3에 도시된 에어로졸성막장치와 유사한 장치를 이용하여 실시되었다.
우선, ZnS계 형광체분말을 본 발명의 제시한 입도범위에 해당하는 평균입도 0.4㎛가 되도록 균일하게 제조하였다. 이어, 제조된 ZnS계 형광체분말을 에어로졸 생성장치에 투입하였으며, 성막챔버 내에 이동식 기판홀더에 ITO 글래스기판을 장착하였다.
이어, 진공형성장치를 이용하여 성막챔버와 에어로졸생성조 내부를 진공상태로 만들었으며, 진동장치를 이용한 진동교반작동을 통해 상기 형광체분말을 에어로졸상태로 형성하였다. 이어, 캐리어가스로서 He을 7 L/min의 유속으로 제공하여 에어로졸생성실의 압력이 약 200∼1000 Pa로 되게 한 후에, 캐리어가스와 함께 형광체분말로 이루어진 에어로졸유체를 빠른 속도로 노즐을 통해 기판을 향해 분사시켰다. 이러한 분사를 통해 형광체 에어로졸은 기판 상에 충돌하면서 그 때의 충격에너지가 결합에너지로 작용하여 고화되면서 ZnS계 형광체막을 형성하였다. 이러한 성막과정은 약 10분간 실시되었으며, 성막챔버의 내부온도는 20℃로 유지시켰다.
이 때에, 기판과 노즐의 간격은 약 10㎜로 유지하였으며, 기판 상에 약 1㎠의 형광체막이 형성될 수 있도록 기판의 이동궤적을 설정하고, 그 궤적에 따라 1.25㎜/sec의 속도로 이동하도록 이동식 기판홀더를 작동시켰다.
원하는 성막공정이 종료한 후에, 캐리어가스의 유입을 중지시키고 성막챔버 내의 진공상태를 해제한 후에, 기판홀더의 작동을 중단시키고, ZnS계 형광체막이 형성된 기판을 꺼내어 ZnS계 형광체막의 상태를 관찰하였다.
상기한 실시예에서 얻어진 형광체막을 촬영한 SEM사진이 도4a 및 도4b에 도 시되었다.
도4a를 참조하면, ITO기판 상에 균일한 두께로 형광체막이 형성되어 있다. 전체적인 높이 프로파일이 매우 균일한 것을 알 수 있다. 이는 에어로졸 충격고화방식이 형광체성막공정에서도 상기 증착공정에서 기대할 수 있는 정밀한 두께제어가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도4b는 본 실시예에서 얻어진 형광체막 표면사진이다. 도4b를 참조하면, 전체 면적에서 성장되지 않은 영역없이 균일하게 형광체막이 형성된 것을 확인할 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 형광체막 형성과정에서는 바인더를 사용하지 않으므로, 후속 열처리공정을 생략할 수 있으며, 잔류바인더로 인한 형광효율의 저하문제를 근본적으로 해결할 수 있다는 장점이 있다.
상기 실시예를 통해 얻어진 ITO기판 상에 형성된 ZnS계 형광체막을 전계방출장치에 적용한 후에 발광을 시킨 결과, ITO글래스기판으로부터 적색 빛이 발광된 것을 확이할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에서 미립분말, 특히 서브마이크론의 미립분말로부터도 에어로졸방식을 이용하여 균일한 두께를 가지며 부착성 및 형광특성이 우수한 형광체막을 얻을 수 있었다. 이러한 미립분말은 종래의 형광체 페이스트를 이용한 방법에서는 오히려 균일하게 분산하고 성막하는데 어려웠던 단점으로서 본 발명은 이러한 문제를 해결하는 효과도 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 형광체분말만을 이용하여 에어로졸 충격고화방식으로 형광체막을 형성함으로써 바인더의 사용에 따른 추가적인 열처리공정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 잔류한 바인더로 인한 형광효율저하문제 및 바인더로부터 발생되는 배출가스로 인한 발광수명저하문제를 근본적으로 해결할 수 있다. 또한, 본 발명의 형광체막 형성방법에서 채용되는 에어로졸 충격고화방식은 종래의 증착공정과 같이 정밀한 두께 제어가 가능하다는 장점도 있다.

Claims (8)

  1. 0.1∼3㎛범위의 입도를 갖는 형광체분말을 마련하는 단계;
    상기 형광체분말을 진동시켜 상기 형광체분말이 고체상태로 유지된 채로 분산된 에어로졸(aerosol)을 형성하는 단계; 및,
    일정한 속도로 반복 이동하는 기판 상에서 상기 형광체 분말이 충격 고화되도록 2∼10 L/min 유량의 캐리어가스를 이용하여 상기 에어로졸을 고속으로 기판 상에 분사시키는 단계를 포함하는 형광체막 형성방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어가스는 질소(N2) 또는 불활성가스인 것을 특징으로 하는 형광체막 형성방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판으로 향하는 에어로졸의 분사거리는 5∼50㎜인 것을 특징으로 하는 형광체막 형성방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어로졸을 분사하는 단계는,
    상기 에어로졸 진행방향과 상기 기판 사이의 각도가 5∼30°가 되도록 상기 에어로졸을 분사하는 단계인 것을 특징으로 하는 형광체막 형성방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 ITO 글래스계 기판인 것을 특징으로 하는 형광체막 형성방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 형광체분말은 ZnO계 형광체분말 또는 ZnS계 형광체분말인 것을 특징으로 하는 형광체막 형성방법.
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