KR100664655B1

KR100664655B1 - 휘도 및 수명이 개선된 교류분말 ｅｌ 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100664655B1
Application number: KR1020040088876A
Authority: KR
Inventors: 허재석; 이응기; 정인승
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2007-01-09
Also published as: KR20060039682A

Abstract

교류분말형 전계발광소자로서, 투명절연기재, 상기 절연기재상에 형성된 투명전극층, 상기 투명전극층상에 형성된 형광층, 상기 형광층상에 형성된 배면전극층을 포함하며, 상기 형광층은 유기바인더에 의하여 고착된 형광체분말 및 유전체분말을 함께 포함하며, 상기 형광체분말 + 유전체분말:상기 유기바인더의 중량비율이 3:1 ~ 1:1이며, 상기 형광체 분말:상기 유전체분말의 중량비율은 10:1 ~ 3:1 이며, 상기 유전체분말의 평균입경은 10nm ~ 1 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 교류분말형 전계발광소자 및 이의 효율적인 구동방법이 제공된다. 이와 같은 본 발명의 교류분말형 전계발광소자는 유전층을 필요로 하지 않기 때문에 휘도가 매우 증가하며, 적정 전압 및 주파수로 작동하면 종래의 별도의 유전체층을 구비한 EL소자에 보다 증가된 수명 및 효율도 얻을 수 있다. 또한, 별도의 유전체층 적층 공정의 생략으로 인하여 EL 소자 제조 공정이 간소화되므로 기술적 및 경제적 측면에서 매우 유리한다.

Description

휘도 및 수명이 개선된 교류분말 ＥＬ 소자 및 그 제조 방법{Alternating current electroluminesence device having improved brightness and device life and driving method thereof}

도 1은 종래 기술에 따라 제작된 EL 소자의 단면도를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따라 제작된 EL 소자의 단면도를 나타낸다.

도 3은 실시예 1의 EL 소자에 대하여 구동전압을 30V에서 60V로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 측정된 휘도변화를 나타낸다.

도 4는 비교예 1의 EL 소자에 대하여 구동전압을 30V에서 60V로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 측정된 휘도변화를 나타낸다.

도 5는 실시예 1의 EL 소자에 대하여 구동전압을 70V에서 90V로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 측정된 휘도변화를 나타낸다.

도 6은 실시예 1의 EL 소자에 대하여 구동전압을 30V에서 60V로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 측정된 소자수명변화를 나타낸다.

도 7은 비교예 1의 EL 소자에 대하여 구동전압을 30V에서 60V로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 측정된 소자수명변화를 나타낸다.

도 8은 실시예 1의 EL 소자에 대하여 구동전압을 70V에서 90V로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 측정된 소자수명의 변화를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 투명 절연기재층

2 : 투명전극층

3 : 형광층

4 : 유전층

5 : 배면전극층

6 : 보호층.

본 발명은 교류 분말 EL소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통신기기용 백라이트, 광고용 표시장치, 인테리어용 표시장치 등으로 사용되는 교류 분말 EL 소자로서 휘도 및 수명이 개선된 교류분말형 EL소자(이하, "EL소자"라 칭함)에 관한 것이다.

EL 소자는 적어도 하나는 투명한 두 개의 전극 사이에 형광층이 삽입된 커퍼시터 구조를 가진다. 상기 EL 소자의 두 개의 전극에 강한 교류 전압를 가하면, 상기 형광층내에 거의 무시할 수준의 낮은 전류가 흘러서 형광층의 형광체가 빛을 발산한다.

EL 소자에 관한 종래기술로서는 다음과 같은 것이 있다. 미국특허 US 6,528,943호는 전면투명전극층, 후면전극층 및 이들 두 개의 전극사이에 개재된 유 전층 및 형광층을 포함하는 EL 램프로서, 상기 형광층에서 형광체 : 바인더의 비율이 3:1 보다 크고, 형광체 밀도가 6.5mg/cm² 이상인 EL 램프를 개시한다. 상기 EL 램프는 형광체밀도를 상기와 같이 고밀도로 하고, 유전체층을 저유전손실의 유전체층으로 한 것을 특징으로 하며, 이 특허에 따르면, 이에 의하여 고전압저전류 구동에서 램프수명이 저하되지 않으면서도 휘도가 증가된다.

일본 특개평 6-26765호는 수산기(-OH기)를 가지며 일부가 시아노에틸화(-CH₂CH₂CN)된 유기바인다 고분자화 합물과 2개 이상의 이소시아네이트기(-NCO기)를 포함하는 유기화합물의 혼합물에 형광체분말이 분산된 형광층, 수산기를 가지며 일부가 시아노에틸화된 유기바인다 고분자 화합물과 2개 이상의 이소시아네이트기를 포함하는 유기화합물의 혼합물 또는 수산기를 가지며 일부가 시아노에틸화된 유기바인더 고분자화합물에 유전체분말이 분산된 유전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기분산형의 EL 소자를 개시한다. 이 EL 소자에서는 수산기와 이소시아네이트기가 반응하여 우레탄 가교결합을 형성함으로써 유기바인더의 유전율이 안정화되고, 또한 가교에 의하여 유기바인더 고분자 화합물의 연화온도가 상승하고 또한 경도가 증대함으로써 형광층과 유전층 계면의 요철이 해소되어 전계가 한 곳에 집중되는 현상을 방지할 수 있다. 이에 의하여, 발광휘도의 안정성이 우수한 EL 소자를 얻을 수 있다.

도 1은 위에서 소개한 바와 같은 종래 기술에 따른 EL 소자(10)의 단면도를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 EL 소자(10)는 투명 절연기재층(1)상에 전면투명전극층(2), 형광층(3), 유전층(4), 배면전극층(5), 및 보호층(6)이 차례로 적층된 구조를 갖는다. 즉, 이와 같은 구조의 종래기술의 EL 소자는 두 개의 전극(1,5) 사이에 형광층(3)과 유전층(4)을 별도로 갖고 있다. 일반적으로 유전층(4)을 별도로 마련하는 것은 소자의 수명을 개선하고, 또한 약 10⁶-10⁷V/m 정도의 고전계하에서 커패시터 구조의 파괴로 인한 단락현상(short phenomenon)을 방지하기 위해서이다. 그런데, 이러한 종래의 EL 소자는 형광층(3)과 배면전극층(5)의 사이에 별도의 유전층(4)을 갖고 있기 때문에 그 만큼 EL 소자의 제조공정이 복잡해지고 휘도가 감소되는 문제점이 있다. 또한, 형광층(3)과 유전층(4) 사이의 전기용량값 불일치로 인하여 발광효율도 저해될 뿐만 아니라 국부적인 형광층과 유전층 사이의 계면손상으로 인하여 수명증가효과도 충분하지 않다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하여, 휘도 및 수명이 동시에 개선된 EL 소자를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 본 발명의 EL 소자를 효율적으로 구동하기 위한 구동방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 태양은,

교류분말형 EL 소자로서, 절연기재, 상기 절연기재상에 형성된 투명전극층, 상기 투명전극층상에 형성된 형광층, 상기 형광층상에 형성된 배면전극층을 포함하며, 상기 형광층은 유기바인더에 의하여 고착된 형광체분말 및 유전체분말을 함께 포함하며, 상기 형광체분말 + 유전체분말 : 상기 유기바인더의 중량비율이 3:1 ~ 1:1이며, 상기 형광체 분말 : 상기 유전체분말의 중량비율은 10:1 ~ 3:1이며, 상기 유전체분말의 평균입경은 10nm ~ 1㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 교류분말형의 EL 소자를 제공한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 태양은,

교류분말형 EL 소자의 동작방법으로서, 교류분말형 EL 소자로서, 절연기재, 상기 절연기재상에 형성된 투명전극층, 상기 투명전극층상에 형성된 형광층, 상기 형광층상에 형성된 배면전극층을 포함하며, 상기 형광층은 유기바인더에 의하여 고착된 형광체분말 및 유전체분말을 함께 포함하며, 상기 형광체분말 + 유전체분말:상기 유기바인더의 중량비율이 3:1 ~ 1:1이며, 상기 형광체 분말:상기 유전체분말의 중량비율은 10:1 ~ 3:1이며, 상기 유전체분말의 평균입경은 10nm ~ 1 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 교류분말형 EL소자에 상기 EL소자의 문턱전압 보다 30 ~ 60 V 높은 전압 및 200 ~ 2,000 Hz의 주파수를 갖는 전원을 인가하는 단계를 포함하는 동작방법을 제공한다.

상기한 본 발명의 EL소자는 투명전극층상에 형광층, 배면전극층, 및 보호층이 차례로 적층된 구조를 하고 있다. 즉, 본 발명의 EL 소자는 종래의 EL 소자에 있어서 형광층과 유전층을 하나의 층으로 통합한 것으로서 별도의 유전층을 마련하고 있지 않다. 이처럼 본 발명에서 유전층없이 형광층과 유전층을 하나의 층으로 할 수 있는 것은 상기한 비율로 형광체 분말과 함께 나노사이즈의 유전체 분말을 함께 사용하여 형광층을 형성하기 때문이다. 이와 같은 구조의 본 발명에 따른 EL소자를 이 소자의 문턱전압 보다 30 ~ 60 V 높은 전압 및 200~1,000 Hz의 주파수의 전원으로 구동하면, 이 EL 소자의 휘도 및 수명을 동시에 개선시킬 수 있다.본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 투명 절연기재에 투명 전극층, 형광층, 배면전극층이 차례로 적층된 EL 소자에 있어서 휘도 및 수명을 개선시키기 위하여 유전층을 갖지 않는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 EL소자 및 그 구동방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 EL 소자(10)의 단면도를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 EL 소자(20)는 투명 절연기재층(1)상에 전면투명전극층(2), 형광층(3), 배면전극층(5), 및 보호층(6)이 차례로 적층된 구조를 갖는다.

상기 투명 절연기재층(1)으로서는 유기고분자 필름이 주로 사용되는데, 이의 구체예로서는 폴리에스테르 필름, 폴리카보네이트 필름, 폴리아미드 필름, 폴리올레핀 필름, 할로겐화 폴리올레핀 필름 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

전면투명전극층(2)은 일방향, 구체적으로 전면방향으로 광을 지향시키기 위하여 증착된 고반사성의 은(Ag), 알루미늄(Al), ITO(indium tin oxide) 및 이들의 혼합물, 또는 전기전도성을 같는 유기고분자 (예를 들면. PEDOT)도 사용될 수 있다.

형광층(3)은 형광체분말 및 유전체분말이 함께 유기바인더에 의하여 고착된 층이다. 상기 형광체분말 + 유전체분말 : 상기 유기바인더의 중량비율이 3:1 ~ 1:1이며, 바람직하게는 이 비율은 3:1 ~ 2:1이다. 상기 유기바인더의 중량이 형광체분말 + 유전체분말의 중량에 비하여 너무 적으면 균일한 인쇄면을 형성하기 곤란하며, 유기바인더의 비율이 너무 많으면 유전상수가 감소하며 이에 따라 소자의 밝기가 감소하는 문제점이 있다. 상기 형광체 분말:상기 유전체분말의 중량비율은 10:1 ~ 3:1이며, 10:1~7:1인 경우가 바람직하다. 형광체 분말의 함량이 너무 적으면 단위면적당 형광체 밀도 감소에 따른 밝기 및 효율 저하의 문제점이 있고, 너무 많으면 유전상수 및 유전강도 감소에 따른 수명저하와 단락현상 발생의 문제점이 있다. 그런데, 상기 유전체분말의 평균입경은 10nm ~ 1㎛의 범위이며, 10 ~ 100 nm인 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서 유전체분말의 평균입경은 작을수록 바람직하지만, 10nm 미만의 유전체 분말은 현실적으로 공업적방법으로 대량생산하기 곤란하며 경제성 측면에서도 채용하기 곤란하다. 상기 유전체 분말의 평균입경이 100nm을 초과하면 유전체 분말의 유전강도 및 유전상수가 작아져 형광층과 유전층을 한 층으로 형성할 수 없는 문제점이 있다. 이처럼 본 발명에 따른 EL 소자는 상기한 범위의 나노사이즈의 유전체분말을 이용함으로써 유전층을 생략할 수 있다. 즉, 본 발명에서와 같이 유전체의 입자 사이즈를 상기 범위의 나노미터 스케일로하면 유전체 입자의 단위표면적이 증가한다. 이들 증가된 단위표면적은 전계가 인가되었을 때 더욱 큰 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 형성하게 된다. 쌍극자 모멘트가 증가할수록 유전상수가 증가하고, 이는 EL 소자의 휘도 및 효율을 향상시키는 역할을 하 게 된다. 또한 유전체 분말의 평균입경이 마이크로미터 수준의 크기인 경우에는 유기바인더와 불균일(heterogeneous)한 층을 형성하지만 유전체분말의 평균입경이 본 발명의 경우와 같이 나노미터 수준으로 미세해지면 유기바인더와 반균질(semi-homogeneous)한 층을 형성하게 되어, 유기 바인더 전체에 균일하게 유전강도를 증가시킨다. 이는 EL 소자의 수명을 증가시키는 역할을 한다.

상기 형광체 분말은 주로 밝기 및 수명을 동시에 고려한 측면에서 ZnS계 형광체가 사용되는데, 구체적 예로서는 Sm 또는 Cu, Mn 및 Cl을 도핑시킨 ZnS; Tb 또는 Cu 및 Al을 도핑시킨 ZnS; Tm 또는 Cu, Mn 및 Cl을 도핑시킨 ZnS 형광체를 들 수 있다. 상기 형광체 분말은 또한 독립적인 결정립계를 이루는 것이다. 이처럼 형광체가 안정적으로 독립된 결정립계(結晶粒界, grain boundary)를 가지면 형광층의 유전강도가 많이 증가되어 별도로 유전층을 형성하지 않더라도 EL 소자가 약 10⁶-10⁷V/m 정도의 고전계하에서도 커패시터 구조가 파괴되지 않을 수 있다.

상기 형광체 분말의 평균입경은 30㎛ 이하, 바람직하게는 20㎛ 이하이다. 형광체 분말의 평균입경이 너무 크면 형광층이 투명전극층 및 배면전극층과 요철이 많은 불규칙한 계면을 형성하므로 계면접합력이 감소하며, 이러한 계면 손상은 전극으로부터 형광층에 전계가 안정적으로 공급되는 것을 저해하여 밝기 및 수명의 감소를 야기한다. 그러나 계면사이의 요철이 약 1 ~ 5㎛ 사이에서, 바람직하게는 1~ 3㎛ 사이에서 일정하게 형성될 경우, 이러한 굴곡면은 완전한 평면접합에서 발생하는 층간굴절률 차이에 기인한 전반사를 어느 정도 방지함으로써 형광체 분말로 부터 발생한 빛이 내부에 갇히게 되는 현상을 감소시키고 발광효율을 증대시킨다. 형광체 분말의 평균입경의 하한은 한정될 필요는 없으나 1㎛ 정도가 바람직하다. 왜냐하면 1㎛ 이만의 형광체 분말을 공업적 규모로 대량으로 얻는 것은 현재의 기술수준에서는 어렵기 때문이다.

상기 유전체 분말로서는 상기한 평균입경을 갖는한 특별히 한정되지 않지만, 분말은 바륨 타이타네이트(BaTiO₃), 타이타늄 디옥사이드(TiO₂), 또는 이들의 혼합물이 유전상수가 크기 때문에 바람직하다. 상기한 바와 같이 이 유전체분말의 평균입경은 10nm ~ 1㎛의 범위이다. 형광층(3)의 매트릭스를 형성하는 유기 바인더는 고유전상수(dielectric constant) 및 저유전손실(loss dielectric)을 동시에 만족하는 것이 밝기 및 수명을 모두 고려한 측면에서 이상적이지만, 통상적으로 무기충전제에 비해서 이들 물성이 현저히 불량하다. 본 발명에서는 유기 바인더의 이러한 취약한 물성을 보완하기 위하여 상기한 범위의 나노미터 크기의 바륨 티타네이트, 또는 티타늄 디옥사이드와 같은 유전체 분말을 형광층(3)의 매트릭스내에 균일하게 분산시킨다. 이와 같이 형광층(3)의 매트릭스내에 나노미터 수준의 유전체 분말이 균일하게 분산되어 있으면, 적은 양의 유전체 분말만으로도 종래의 EL 소자에서와 같이 마이크로미터 크기의 유전체 분말이 분산된 경우에 비하여 고유전상수 및 저유전손실의 바람직한 물성을 구현할 수 있다.

상기 유기바인더로서는 무기 필러 또는 금속 분말과 혼합하여 페이스트 상태로 교반할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 비닐계 고분자가 바람직하 고, 할로겐화 비닐계 고분자가 내화학성이 우수하고 유전손실이 작아서 수명의 측면에서 바람직하다. 본 발명에서 사용될 수 있는 비닐계 고분자로서는 폴리비닐알콜(PVA), 시아노기를 포함하는 비닐계 고분자, 폴리비닐아세테이트, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌 및 테트라플루오로에틸렌의 3원공중합체 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 유기바인더는 유전체와 비슷한 성질을 가지는 것으로 강유전체이며, 유전강도가 높을수록 수명이 증가하므로 바람직하다.

배면전극층(5)은 은분말, 카본분말, 알루미늄분말, 또는 이들의 혼합물이 유기바인더에 의하여 고착된 층인 것이 바람직하다. 배면전극층을 형성하는 데 사용될 수 있는 유기바인더로서는 상기 형광층을 형성하는 데 사용되는 유기바인더로서 예시된 것을 들 수 있다. 그러나, 형광층과 배면전극층을 형성하는 유기바인더는 이들 층 사이의 계면접합력을 향상시키기 위하여 동일하거나 또는 적어도 화학구조에 유사성이 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

보호층(6)은 외기, 및 습기 등으로부터 하부구조물을 보호할 수 있는 한 특별히 제한되지 않지만, 투명 절연기재층(1)으로서 사용될 수 있는 유기고분자 필름이 사용될 수 있다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 EL 소자는 비록 유전층이 없더라도 임계전압 이하에서는 형광층이 유전층 역할을 하고, 실질적으로 형광체가 빛을 발하는 문턱전압(threshold voltage) 이상에서는 유전체 분말이 분산된 유기바인더 매트릭스가 형광체에 균일한 전계를 공급해주는 커패시터 구조이므로 구동을 위해 서는 교류 전류가 필요하다.

즉, 상기 본 발명의 EL소자에 이 EL소자의 문턱전압 보다 30~60V 높은 전압 및 200 ~ 2,000 Hz의 주파수를 갖는 사인파형 교류전원을 인가하면 EL소자의 휘도 및 수명이 동시에 증가되거나 또는 최소한 수명의 감소없이 밝기가 증가될 수 있다. 상기 전원의 전압이 문턱전압+30V 미만이면 인가되는 전계가 낮아서 형광체가 제대로 활성화되지 않는 문제점이 있고, 문턱전압+60V를 초과하면 형광체의 결정립계가 파괴될 염려가 있으며 밝기에 비해 수명감소가 급격히 일어날 염려가 있기 때문이다. 상기 전원의 주파수가 200 Hz 미만이면 형광체에 인가되는 전계의 빈도 낮아짐에 따라 밝기가 감소하는 문제점이 있고, 2,000 Hz를 초과하면 인가된 전계의 빈도가 너무 높아 모두 빛으로 전환되지 못하고 열에너지로 대부분 전환되어 형광체를 열화시킴으로써 형광체 수명의 감소를 야기할 우려가 있다.

이어서 도 2를 다시 참조하면서 상기한 본 발명의 EL 소자의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 투명 절연기재층(1)상에 일방향으로 광을 지향시킬 수 있는 고반사성의 은(Ag), 알루미늄(Al), ITO(indium tin oxide), 또는 이들의 혼합물을 증착하여 전면투명전극층(2)으로 한다. 상기 투명 절연기재층(1)으로는 유기고분자 필름이 주로 사용되는데, 이의 구체예로서는 폴리에스테르 필름, 폴리카보네이트 필름, 폴리아미드 필름, 폴리올레핀 필름, 할로겐화 폴리올레핀 필름 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이어서, 상기 전면투명전극층(2)상에 유전체분말, 유기바인더, 형광체 분 말, 및 유기용제를 포함하는 형광층 형성용 조성물을 코팅하고 건조하여 형광층(3)을 형성한다.

이 때, 상기 형광체분말 + 유전체분말:상기 유기바인더의 중량비율이 3:1 ~ 1:1이며, 바람직하게는 이 비율은 3:1 ~ 2:1이다. 상기 형광체 분말:상기 유전체분말의 중량비율은 10:1 ~ 3:1이며, 10:1~7:1인 경우가 바람직하다. 상기 유전체분말의 평균입경은 10nm ~ 1㎛의 범위이며, 10 ~ 100nm인 것이 바람직하다. 상기 형광체 분말의 평균입경은 1 ~ 30㎛, 바람직하게는 1 ~ 20㎛ 이다. 상기 형광체분말로서는 ZnS계 형광체가 사용되는데, 구체적 예로서는 적색 형광체로서는 Sm 또는 Cu, Mn 및 Cl을 도핑시킨 ZnS; 녹색 형광체로서는 Tb 또는 Cu 및 Al을 도핑시킨 ZnS; 청색형광체로서는 Tm 또는 Cu, Mn 및 Cl을 도핑시킨 ZnS 형광체를 들 수 있다. 상기 적색, 녹색 및 청색 형광체의 3개의 형광체 분말의 입경을 서로 다르게 하여 일층에 충전시키면 백색광이 얻어지며, 여기에 칼라 필터를 이용하면 풀 칼라(full color)를 표현할 수 있다. 상기 형광체 분말은 또한 독립적인 결정립계를 이루는 것이다. 이 처럼 형광체가 안정적으로 독립된 결정립계(結晶粒界, grain boundary)를 가지면 형광층의 유전강도가 많이 증가되어 별도로 유전층을 형성하지 않더라도 약 10⁶-10⁷V/m 정도의 고전계하에서도 EL 소자의 커패시터 구조가 파괴되지 않을 수 있다.

상기 유전체 분말로서는 상기한 평균입경을 갖는한 특별히 한정되지 않지만, 분말은 바륨 타이타네이트(BaTiO₃), 타이타늄 디옥사이드(TiO₂), 또는 이들의 혼합물이 바람직하다. 상기한 바와 같이 이 유전체분말의 평균입경은 10 ~ 100 nm의 범위이다. 형광층(3)의 매트릭스를 형성하는 유기 바인더는 고유전상수(dielectric constant) 및 저유전손실(loss dielectric)을 동시에 만족하는 것이 밝기와 수명을 모두 고려한 측면에서 이상적이지만, 통상적으로 무기충전제에 비해서 이들 물성이 현저히 불량하다. 본 발명에서는 유기 바인더의 이러한 취약한 물성을 보완하기 위하여 상기한 범위의 나노미터 크기의 바륨 티타네이트, 또는 티타늄 디옥사이드와 같은 유전체 분말을 형광층(3)의 매트릭스내에 균일하게 분산시킨다. 이와 같이 형광층(3)의 매트릭스내에 나노미터 수준의 유전체 분말이 균일하게 분산되어 있으면, 적은 양의 유전체 분말만으로도 종래의 EL 소자에서와 같이 마이크로미터 크기의 유전체 분말이 분산된 경우에 비하여 고유전상수 및 저유전손실의 바람직한 물성을 구현할 수 있다.

상기 유기바인더로서는 비닐계 고분자, 더욱 바람직한 것은 할로겐화 비닐계 고분자가 바람직하다. 본 발명에서 사용될 수 있는 비닐계 고분자로서는 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐아세테이트, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌 및 테트라플루오로에틸렌의 3원공중합체 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 유기바인더는 유전체와 비슷한 성질을 가지는 것으로 강유전체이며, 유전강도가 높을수록 바람직하다.

상기 유기용매는 유기바인더를 유기바인더를 용해시킬 수 있으며 형광체 분말과 유전체 분말을 잘 분산시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 따라 서 선택된 유기바인더에 따라 적절하게 선택될 수 있는 데, 이 유기용매는 하부층 또는 상부층에 영향을 주지 않는 것을 선택하여야 한다. 이외에 유기용매는 코팅 중에 점도 증가 방지 및 코팅 후 건조 시간 단축을 위해서 적정한 끓는점을 갖는 것이 바람직하다. 유기용매의 구체적인 예로서는 디(에틸렌글리콜) 에틸 아세테이트, 알파-터핀올(α-terpinol), 사이클로헥사논(cyclohexanone), NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 형광층 형성용 조성물에 있어서 형광체 분말, 유전체 분말 및 유기바인더의 고형분의 농도는 약 30 ~ 70%로 조절되는 것이 바람직하다.

형광층 형성용 조성물의 코팅은 스크린 프린팅법 또는 스핀 코팅법에 의하여 용이하게 이루어질 수 있다. 여기서 스크린 프린팅법은 액체상태의 코팅액을 실크 또는 스테인레스 스틸로 이루어진 망(메시)상에 올려놓고 부드러운 플라스틱 바 등으로 문지르면서 망을 통과시켜서 코팅액을 얇고 균일한 막을 얻는 코팅방법을 말하고, 스핀 코팅방법은 액체상태의 코팅액을 회전판상에 떨어뜨린 후 회전시켜서 얇고 균질한 막을 코팅하는 방법을 말한다. 본 발명에 있어서 코팅방법으로서는 스크린 프린팅법이 선호된다. 왜냐하면 이 방법에서는 코팅을 여러번 반복하기 용이하여 균일한 표면의 형광층을 형성하기 용이하기 때문이다. 즉, 상기한 바와 같이 나노사이즈의 유전체 분말과 30㎛ 이하의 작고 균일한 입경의 형광체를 포함하는 우수한 물성을 지닌 형광층 형성용 조성물을 사용하여 적층한다 하더라도 불가피하게 생성되는 조그마한 핀홀(pin hole)은 EL 소자의 수명을 단축시키는 기폭제 역할을 한다. 본 발명에서는 형광층을 적층하기 위하여 적어도 형광층을 2회 이상, 바 람직하게는 3회 이상 스크린 프린팅하여 핀홀 발생을 최대한 억제한다. 이때 2회째의 프린팅은 1회째의 프린팅층이 완전히 건조되기 전에 이루어지는 것이 바람직한데, 이는 건조 후 보다 균일한 표면형태를 얻기 위해서이다. 또한, 이와 같은 복수회 스크린 프린팅을 실시하면, 핀홀발생이 억제되는 효과 이외에 단위면적당 형광체량이 증가하여 EL 소자의 휘도와 효율이 증가되는 효과도 아울러 얻을 수 있다. 이처럼 형광층의 표면 형상이 궁극적으로 EL 소자의 휘도, 및 수명과 직접적으로 관련이 있으므로, 형광층을 균일하게 형성하는 것은 매우 중요하다.

한편, 스크린 프린팅법으로 형광층을 적층하기 위해서는 사용되는 조성물의 유변물성을 조절하는 것이 중요하다. 일반적으로 형광체 분말을 비롯한 무기 필러의 양은 조성물의 점도에 영향을 미친다. 형광층 형성용 조성물에서 비록 형광체 분말과 유전체 분말의 함량이 증가할수록 전기, 광학적 특성이 개선될 수 있으나 무기 필러가 증가함에 따라 조성물의 점도가 증가하여 프린팅후 균일한 표면 형태를 얻기 어렵다. 따라서, 무기 필러의 양은 유기바인더의 유변 물성에 따라 조절이 가능하며, 상기한 바와 같은 함량범위로 조절되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 형광층 형성용 조성물에는 이외에도 필요에 따라 가소제, 흐름조절제, 분산제 등이 더 포함될 수 있다.

계속해서, 형광층(3)상에 투명전도성분말, 유기바인더, 및 유기용제를 포함하는 배면전극층 형성용 조성물을 적층하고 건조하여 유기바인더 매트릭스내에 투명전도성 분말이 균일하게 분산고착된 형태의 배면전극층(5)을 형성한다. 상기 투명전도성분말로서는 은분말, 카본분말, 알루미늄분말, ITO 분말 또는 이들의 혼합 물이 바람직하게 포함될 수 있다. 이 투명전도성 분말은 유기 바인더 매트릭스내에 균일하게 분산고착된 상태에서 서로 접촉함으로써 도전경로를 형성한다.

배면전극층을 형성하는 데 사용될 수 있는 유기바인더로서는 형광층 형성용 조성물에 사용되는 유기바인더로서 예시된 것을 들 수 있다. 형광층과 배면전극층을 형성하는 유기바인더는 이들 층 사이의 계면접합력을 향상시키기 위하여 동일하거나 또는 적어도 유사한 화학구조를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서 사용될 수 있는 유기용매의 구체예로서는 형광층 형성용 조성물을 조제하는 데 사용되는 유기용매를 들 수 있다. 이어서 당업자에게 잘 알려진 임의의 방법에 따라 도전성 외부단자를 형성하고 보호층(6)을 형성하면 본 발명에 따른 EL 소자의 제조가 완료된다. 보호층(6)으로서는 폴리에스테르 필름과 같이 투명 절연기재층(1)으로서 사용될 수 있는 유기고분자 필름이 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명의 EL 소자에 대하여 더욱 상세히 설명하지만, 이는 어디까지나 본 발명의 EL 소자의 제조과정을 예시하기 위한 것일 뿐 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

하기 표 1에 나타낸 성분을 혼합하고 균일하게 교반하여 형광층 형성용 코팅액을 조제하였다. 이 코팅액을 ITO 투명전극층이 형성된 폴리에스테르 필름 위에 150메시의 스테인레스 스틸 망을 사용하여 스크린 프린팅으로 하였다. 이 1회째의 프린팅층이 건조되기 전에 다시 프린팅 2회더 하여 총 3회 프린팅한 후, 130℃에서 10분 동안 건조하여 형광층을 형성하였다. 이때, 분말 형광층을 프린팅을 하기 전 에 형광층 형성용 코팅액을 상분리를 방지하기 위하여 먼저 4,000rpm에서 약 10분 이상 충분히 교반하였고, 프린팅하기 바로 직전까지 약 1,000rpm 정도로 계속 교반하였다. 교반 속도는 코팅액의 양에 의존하며 코팅액의 양이 증가할수록 효율적인 교반을 위해서 교반 속도도 빠르게 해야 한다.

[표 1]

형광층 형성용 조성물 성분	함량
유기 바인더 : Viton B (DuPont Dow Elastomers사)	20g
유기용제: 디(에틸렌글리콜) 에틸 아세테이트	30g
흐름 조절제: 디이소부틸 프탈레이트 (미국 알드리치사)	5g
형광체 : GG24(Osram사) 평균입경: 약 10㎛	40g
유전체 분말: BaTiO3(미국 알드리치사) 평균입경: 약 50nm	10g

하기 표 2에 나타낸 성분을 혼합하고 균일하게 교반하여 배면전극층 형성용 코팅액을 조제하였다. 이 코팅액을 상기 형광층 위에 200 메시의 스테인레스 스틸 망을 사용하여 1회 스크린 프린팅한 후, 130℃에서 10분 동안 건조하여 배면전극층을 형성하였다. 추가적으로 피시피(PCB) 외부단자를 형성한 후 보호층으로서 폴리에스테르 필름을 적층하여 문턱전압(V_T)값이 25V인 EL 소자의 제작을 완료하였다.

[표 2]

배면전극층 형성용 조성물 성분	함량
유기 바인더 : Viton B (DuPont Dow Elastomers사)	30 g
유기용제: 디(에틸렌글리콜) 에틸 아세테이트	40 g
흐름 조절제: 디이소부틸 프탈레이트 (미국 알드리치사)	5 g
투명도전제분말 :Ag 상품명: DSP 3010 제조회사: 대주정밀화학 평균입경: 약 0.2㎛	30 g

비교예 1

하기 표 3에 나타낸 성분을 혼합하고 균일하게 교반하여 형광층 형성용 코팅액을 조제하였다. 이 코팅액을 ITO 투명전극층이 형성된 폴리에스테르 필름 위에 150메시의 스테인레스 스틸 망을 사용하여 스크린 프린팅으로 하였다. 이 1회째의 프린팅층이 건조되기 전에 다시 프린팅 2회 더 하여 총 3회 프린팅한 후, 130℃에서 10분 동안 건조하여 형광층을 형성하였다. 이때, 분말 형광층을 프린팅을 하기 전에 형광층 형성용 코팅액을 상분리를 방지하기 위하여 먼저 4,000rpm에서 약 10분 이상 충분히 교반하였고, 프린팅하기 바로 직전까지 약 1,000rpm 정도로 계속 교반하였다. 교반 속도는 코팅액의 양에 의존하며 코팅액의 양이 증가할수록 효율적인 교반을 위해서 교반 속도도 빠르게 해야 한다.

[표 3]

형광층 형성용 조성물 성분	함량
유기 바인더 : Viton B (DuPont Dow Elastomers사)	20g
유기용제: 디(에틸렌글리콜) 에틸 아세테이트	30g
흐름 조절제: 디이소부틸 프탈레이트 (미국 알드리치사)	5g
형광체 : GG24(Osram사) 평균입경: 약 10㎛	50g

하기 표 4에 나타낸 성분을 혼합하고 균일하게 교반하여 유전층 형광층 형성용 코팅액을 조제하였다. 이 코팅액을 상기 형광층 위에 180메시 스테인레스 스틸망을 사용하여 스크린 프린팅한 후, 130℃에서 10분 동안 건조하여 유전층을 형성하였다. 이 유전층 스크린 프린팅 과정을 1회 더 반복하여 유전층을 형성을 완료하였다.

[표 4]

유전층 형성용 조성물 성분	함량
유기 바인더 : Viton B (DuPont Dow Elastomers사)	25g
유기용제: 디(에틸렌글리콜) 에틸 아세테이트	40g
흐름 조절제: 디이소부틸 프탈레이트 (미국 알드리치사)	5g
유전체 분말: BaTiO3(미국 알드리치사) 평균입경: 약 3㎛	30g

하기 표 5에 나타낸 성분을 혼합하고 균일하게 교반하여 배면전극층 형성용 코팅액을 조제하였다. 이 코팅액을 상기 유전층 위에 200 메시의 스테인레스 스틸 망을 사용하여 1회 스크린 프린팅한 후, 130℃에서 10분 동안 건조하여 배면전극층을 형성하였다. 추가적으로 피시피(PCB) 외부단자를 형성한 후 보호층으로서 폴리에스테르 필름을 적층하여 문턱전압(V_T)값이 35V인 EL 소자의 제작을 완료하였다.

[표 5]

시험예 1 : 저전압 휘도시험

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 EL 소자에 대하여 구동전압을 소자의 문턱전압(V_T) 보다 30V 높은 전압에서 60V 높은 전압(이하, 기술편의상 단순히 "구동전압이 30V에서 60V"와 같이 표기함)으로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 휘도를 측정하였다.

도 3을 참조하면, 실시예 1의 EL 소자는 30V 내지 60V의 구동전압에서 구동전압이 증가할 수록 휘도(brightness)가 증가하는 것을 알 수 있으며, 또한 주파수가 200 Hz에서 1 KHz로 증가할 수록 휘도는 더욱 증가하는 것을 알 수 있다.

도 4를 참조하면, 비교예 1의 EL 소자도 30V 내지 60V의 구동전압에서 구동전압이 증가할 수록 휘도(brightness)가 증가하는 것을 알 수 있으며, 또한 주파수가 200 Hz에서 1 KHz로 증가할 수록 휘도는 더욱 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나, 휘도의 크기는 동일한 구동전압 및 주파수에서 실시예 1의 경우에 비하여 작은 것을 알 수 있다.

시험예 2 : 고전압 휘도시험

실시예 1에서 제조된 EL 소자에 대하여 구동전압을 70V에서 90V로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 휘도를 측정하였다.

도 5를 참조하면, 실시예 1의 EL 소자는 70V 내지 90V의 구동전압에서 60V에서의 휘도에 비하여 미미하게 증가된 값의 휘도를 나타냈으며, 또한 구동전압의 증가에 따른 휘도증가도 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있다.

시험예 3 : 저전압 수명시험

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 EL 소자에 대하여 구동전압을 30V에서 60V로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 소자수명을 측정하였다.

도 6을 참조하면, 실시예 1의 EL 소자는 30V 내지 60V의 구동전압에서 구동전압이 증가할 수록 소자수명이 감소하는 것을 알 수 있으며, 또한 주파수가 200 Hz에서 1 KHz로 증가할 수록 소자수명은 더욱 감소하는 것을 알 수 있다.

도 7을 참조하면, 비교예 1의 EL 소자는 30V 내지 60V의 구동전압에서 역시 구동전압이 증가할 수록 소자수명이 감소하는 것을 알 수 있으며, 또한 주파수가 200 Hz에서 1 KHz로 증가할 수록 소자수명은 역시 더욱 감소하는 것을 알 수 있다. 도 6 및 7을 비교하면, 실시예 1의 소자의 수명이 추세적으로 비교예 1의 소자의 수명보다 짧은 경향을 나타내지만, 적정 전압 및 주파수를 선택하면 오히려 비교예 1의 종래의 EL 소자의 그것에 비하여 비숫한 밝기에서 증가된 수명 및 효율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

시험예 4 : 고전압 수명시험

실시예 1에서 제조된 EL 소자에 대하여 구동전압을 70V에서 90V로 변화시키면서 200 Hz, 600 Hz, 및 1 KHz의 주파수에서 수명을 측정하였다.

도 8을 참조하면, 실시예 1의 EL 소자는 70V 내지 90V의 구동전압에서 구동전압이 증가할 수록 소자수명이 역시 감소하는 것을 알 수 있으며, 또한 주파수가 200 Hz에서 1 KHz로 증가할 수록 소자수명은 더욱 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 이 고전압에서의 소자수명은 30V 내지 60V에서의 값에 비하여 대폭 저하되어 실용상 충분하지 않은 값으로 떨어지는 것을 알 수 있다.

한편, 1 kHz 이상의 주파수에서는 실시예 1 및 비교예 1의 EL 소자 모두 상기 수명시험에서의 대폭 감소된 수명값으로부터 알 수 있듯이 소자의 커패시터 구조가 파괴되어 형광체의 급격한 열화 및 단락(short circuit)이 발생하였다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 교류분말 EL소자는 유전층을 필요로 하지 않기 때문에 휘도가 매우 증가하며, 적정 전압 및 주파수로 작동하면 종래의 별도의 유전체층을 구비한 EL소자에 보다 증가된 수명 및 효율도 얻을 수 있다. 또한, 별도의 유전체층 적층 공정의 생략으로 인하여 EL 소자 제조 공정이 간소화되므로 기술적 및 경제적 측면에서 매우 유리한다.

Claims

교류분말형 전계발광소자로서, 투명절연기재, 상기 절연기재상에 형성된 투명전극층, 상기 투명전극층상에 형성된 형광층, 상기 형광층상에 형성된 배면전극층을 포함하며, 상기 형광층은 유기바인더에 의하여 고착된 형광체분말 및 유전체분말을 함께 포함하며, 상기 형광체분말 + 유전체분말:상기 유기바인더의 중량비율이 3:1 ~ 1:1이며, 상기 형광체 분말:상기 유전체분말의 중량비율은 10:1 ~ 3:1 이며, 상기 유전체분말의 평균입경은 10nm ~ 1㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 교류분말형 전계발광소자.
제1항에 있어서, 상기 형광층내의 형광체 분말은 독립적인 결정립계를 갖는 것을 특징으로 하는 교류분말형 전계발광소자.
제1항에 있어서, 상기 형광체 분말은 Sm 또는 Cu, Mn 및 Cl을 도핑시킨 ZnS; Tb 또는 Cu 및 Al을 도핑시킨 ZnS; 또는 Tm 또는 Cu, Mn 및 Cl을 도핑시킨 ZnS인 것을 특징으로 하는 교류분말형 전계발광소자.
제1항에 있어서, 상기 형광체 분말의 평균입경은 1 ~ 30㎛인 것을 특징으로 하는 교류분말형 전계발광소자.
제1항에 있어서, 상기 절연기재는 유기고분자 필름인 것을 특징으로 하는 교 류분말형 전계발광소자.
제1항에 있어서, 상기 배면전극층은 은분말, 카본분말, 알루미늄분말, ITO 분말 또는 이들의 혼합물이 유기바인더에 의하여 고착된 층인 것을 특징으로 하는 교류분말형 전계발광소자.
제1항에 있어서, 상기 유전체 분말은 TiO₂ 또는 BaTiO₃을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류분말형 전계발광소자.
제1항에 있어서, 상기 유기바인더는 할로겐화 비닐계 고분자인 것을 특징으로 하는 교류분말형 전계발광소자.
교류분말형 전계발광소자의 동작방법으로서, 교류분말형 전계발광소자로서, 절연기재, 상기 절연기재상에 형성된 투명전극층, 상기 투명전극층상에 형성된 형광층, 상기 형광층상에 형성된 배면전극층을 포함하며, 상기 형광층은 유기바인더에 의하여 고착된 형광체분말 및 유전체분말을 함께 포함하며, 상기 형광체분말 + 유전체분말 : 상기 유기바인더의 중량비율이 3:1 ~ 1:1이며, 상기 형광체 분말 : 상기 유전체분말의 중량비율은 10:1 ~ 3:1이며, 상기 유전체분말의 평균입경은 10nm ~ 1㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 교류분말형 전계발광소자에 상기 전계발 광소자의 문턱전압 보다 30 ~ 60 V 증가된 전압 및 200 ~ 2,000 Hz의 주파수를 갖는 전원을 인가하는 단계를 포함하는 동작방법.