KR101231991B1 - 전기 화학형 발광 셀 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광물질의 발광을 유도하는 양극 전도선과 음극 전도선이 하나의 유리 기판면상에 함께 형성되는 전기화학형 발광 셀의 구조에 관한 것이다.
본 발명에서 제안하는 상호 대향하는 제 1 및 제 2 유리 기판을 구비하여 형성되는 전기화학형 발광 셀 구조는 상기 제 1 및 제 2 유리 기판사이에 충진된 발광물질의 전기화학적 발광을 유도하기 위한 양극 전도부과 음극 전도부가 상기 제 1 유리 기판상에 함께 형성 배치되는 것이 바람직하다.

Description

전기 화학형 발광 셀 구조{The structure of a electrochemiluminesence cell}
본 발명은 전기화학형 발광 셀의 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 발광물질의 발광을 유도하는 양극 전도선과 음극 전도선이 하나의 유리 기판면상에 함께 형성되는 전기화학형 발광 셀의 구조에 관한 것이다.
최근 반도체 공정기술을 기반으로 하는 각종 전자 디바이스의 소형화와 더불어, 박형 표시소자 산업이 급성장하고 있다.
현재 Liquid Crystal Display(LCD)와 Plasma Display Panel(PDP)가 박형 표시소자 시장을 주도해 오고 있으나, 최근에는 Field Emission Display (FED)나 Organic Light Emitting Diode (OLED) 등의 신기술에 의한 상용화가 점차 구체화되기 시작하면서 전 세계적으로 많은 기업들이 표시소자 산업에 경쟁적으로 참여하고 있다.
그리고 발광소자 분야에서도 Light Emitting Diodes (LED)를 비롯하여 전계발광소자(Electroluminescence; EL)와 같은 고효율의 면 발광형 소자에 대한 상용화가 추진되고 있다.
이러한 배경 하에서 표시소자에서 조명산업에 이르기까지 향후 거대 시장을 주도할 차세대 발광 소자에 대한 연구가 세계적인 이슈로 되어 있고, 새로운 발광재료 및 소자개발에 대한 연구는 원천기술 선점과 고부가 가치의 실현이라는 측면에서 많은 연구자들로부터 주목을 받고 있다.
한편, 차세대 면 발광형 소자로서 무기 및 유기 EL 소자에 대한 기술개발이 활발히 추진되고 있고, 최근 국가 연구기관과 일부 기업들을 통해 시작품들이 선보이고 있다.
LED의 경우 반도체 공정기술을 기반으로 하고 있어서 주로 대기업 주도 하의 상업화가 진행되고 있는데 비해, EL소자는 스크린 프린팅, 닥터 블레이드(Doctor Blade)법과 같은 후막공정에 의해 제조가 가능하여, 초기 설비투자 면에서 큰 부담이 없어 중소기업들도 많은 관심을 보이고 있고, 구조가 단순하고 소비전력이 낮은 점들이 기대되고 있다.
반면에 대부분 직류구동 방식이므로 한쪽 전극에의 불순물 축적 등으로 인한 효율 저하와 장기 안정성 등이 해결해야할 당면과제로서 지적되고 있다.
한편 전기화학형 발광 소자에 대한 연구도 최근 들어 주목을 받고 있다.
여기서, 전기화학형 발광이란 음이온과 양이온 간의 전자이동반응에 의해 생성된 들뜬 분자로부터 생기는 발광을 의미한다.
대표적인 사례로서 전기화학형 발광(Electrochemiluminescence: ECL) 소자를 들 수 있으며, 반투명에다 제작공정이 단순하고, 수 V의 저전압 구동으로 발광이 가능하다는 이점을 갖추고 있다.
더욱이 이러한 전기화학적 발광 소자의 경우 직류와 교류 양방의 구동이 가능하여 유기 EL에서 지적되고 있는 직류구동에 의한 수명단축 문제를 극복할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
도 1은 종래 기술에서 제안되고 있는 일반적인 구조의 전기화학적 발광 소자이다.
도 1로부터 알 수 있듯이, 현재까지 개발되어 보고되고 있는 전기화학적 발광 소자의 기본 구조는 대향하는 한쌍의 유리기판중 하나의 유리기판에는 양극 전도부, 나머지 하나의 유리기판상에는 음극 전도부가 형성되고 이들 양극 및 음극 전도부에 인가된 전압에 의하여 유리기판사이에 충진된 발광물질이 여기되어 발광하는 방식을 채택하고 있다.
그러나, 이와 같은 구조의 전기화학형 발광 소자는 대향하는 한쌍의 유리기판사이의 이격 거리가 짧아 충분한 양의 발광물질을 충진하지 못하여 시간이 지남에 따라 발광물질이 증발, 건조 현상 등으로 제기능을 충분히 수행하지 못하여 발광 소자로서의 효율이 현저하게 저하되며, 대면적으로 제작할 경우 양 전극간에 접촉으로 인한 단락발생의 소지가 있어서 유연한 소자로써 적용하기 어려운 점 등, 상용화 진입을 위해서는 개선되어야 할 문제점들이 여전히 많이 남아있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 전기화학적 발광 소자는 동일한 전압 인가시에도 종래의 경우보다 더 많은 양의 발광물질을 충진할 수 있고 대향 전극 간의 단락의 염려가 없는 구조를 갖는 전기화학형 발광 소자를 제공하고자 한다.
이를 위하여 본 발명에서는 대향하는 한쌍의 유리기판중 어느 하나의 기판에 양극 전도부와 음극 전도부를 동시에 구현한 전기화학적 발광 소자를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 하나의 유리 기판상에 형성된 양극 전도부와 음극 전도부간에 형성되는 전계에 의하여 주변의 발광물질이 산화 환원 과정을 거치면서 소정 주파수의 발광이 일어날 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명 전기화학적 발광 소자의 경우 하나의 유리기판상에 양극 및 음극 전도부가 형성되는 까닭에 대향하는 한쌍의 유리기판 사이의 이격 공간을 종래의 구조보다 더 확보할 수 있어 충분한 양의 발광 물질을 충진시킬 수 있어서 장기 안정성 측면에서 효과를 얻을 수 있다. 그리고 대면적으로 제작하거나, 유리대신에 구부러질 수 있는 유연한 고분자 전극에도 적용 가능하여 상용도가 높다.
본 발명에서 제안하는 상호 대향하는 제 1 및 제 2 유리 기판을 구비하여 형성되는 전기화학형 발광 셀 구조는 상기 제 1 및 제 2 유리 기판사이에 충진된 발광물질의 전기화학적 발광을 유도하기 위한 양극 전도부과 음극 전도부가 상기 제 1 유리 기판상에 함께 형성 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 양극 전도부와 상기 음극 전도부 각각은 적어도 하나 이상의 양극 전도선과 적어도 하나 이상의 음극 전도선으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 상기 양극 전도선 각각은 상기 제 1 유리 기판의 일측으로부터 상호 평행하게 연장되어 형성되고, 상기 적어도 하나 이상의 상기 음극 전도선 각각은 상기 일측과 대향하는 상기 제 1 유리 기판의 타측으로부터 상호 평행하게 연장되어 형성되며, 상기 연장되어 형성되는 양극 전도선과 상기 음극 전도선은 상호 교차 배열되어 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 양극 전도선과 상기 음극 전도선은 투명 도전재로 구현하는 것이 바람직하며, 구체적으로 ITO 또는 FTO 등으로 구현 가능하다.
본 발명과 같이 대향하는 유리 기판중 하나의 유리 기판상에 음극 전도부와 양극 전도부를 함께 형성하여 전기화학적 발광 소자를 구현하는 경우, 상호 대향하는 유리기판상에 각각 음극 전도선과 양극 전도선이 형성된 종래의 전기화학적 발광 소자와 비교하여 다음과 같은 장점을 가진다.
첫째, 종래 기술의 경우 발광 물질에 대한 효율적인 전기화학적 발광 효과를 얻기 위해서 양극 전도부와 음극 전부부가 각각 형성된 한쌍의 유리기판간 이격 거리를 일정 범위내로 유지하여야 하는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명의 경우 음극 전도부와 양극 전도부가 하나의 유리 기판상에 함께 형성되는 까닭에 대향하는 유리 기판의 이격 거리를 보다 자유로이 선택할 수 있다는 이점이 있다.
둘째, 종래 기술의 경우 한쌍의 유리 기판간 이격 거리가 짧은 관계로 주입되는 발광물질이 충분하지 못하였고 더욱이 시간의 경과에 따라 발광물질이 증발하는 등의 이유로 소자의 발광 효율이 지속적으로 저하되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명의 경우 대향하는 유리 기판간 이격 거리를 충분히 확보할 수 있는 이점이 있고 이로 인하여 충분한 양의 발광물질을 주입할 있기 때문에 종래 기술에 비하여 발광효율이 우수하다는 장점이 있다.
셋째, 대면적으로 제작하거나, 유리대신 유연한 고분자 전극에 적용할 경우, 종래의 구조에서는 전극 간의 단락이 발생되는 문제점으로 인해 구현이 거의 불가능하였으나, 본 발명의 경우 단락발생의 소지가 없으므로 대면적화와 유연화에 매우 적합한 장점이 있다.
넷째, 종래의 구조에서는 두 개의 투명산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO) 유리 기판을 사용하고 있으나, 본 발명의 경우, 광이 나오는 쪽에는 순수 유리기판만을 사용할 수 있으므로, TCO층이 없는만큼 투과율이 개선되므로 보다 선명한 색상의 발광을 구현할 수 있다.
다섯째, 본 발명의 경우 하나의 기판상에 양극 전도부와 음극 전도부를 동시에 형성하는 관계로 종래 기술에 비하여 제조 공정이 단순화되어 종래 기술 대비 경제성 측면에서 경쟁력을 갖추고 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 일반적인 전기화학적 발광 소자의 구조의 일예이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명에서 제안하는 전기화학적 발광 소자의 구조의 일예이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기화학적 발광 소자의 동작을 설명하는 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에서 제안하는 전기화학적 발광 소자의 구조에 대하여 구체적으로 설명한다.
참고로, 본 발명에서 제안하는 새로운 구조의 전기화학적 발광 소자의 기술적 사상은 전계를 형성하여 발광물질의 발광을 야기하는 양극 전도부와 음극 전도부를 하나의 유리 기판상에 함께 형성한다는 것, 그리고 이렇게 형성된 양극 전도부와 음극 전도부에 전압을 인가하여 발생하는 전계를 이용하여 상호 인접하여 배치된 양극 전도부와 음극 전도부간의 전계 효과를 이용하여 발광물질의 발광을 유도한다는 것에 있다.
따라서, 아래에서 설명되는 본 발명에 따른 전기화학적 발광소자의 구조는 단순히 본 발명 기술적 사상의 일예에 불과하며, 소정의 발광 패턴 등을 얻기 위하여 양극 및 음극 도전부의 형상을 다양하게 변화시켜 하나의 유리 기판상에 형성하는 것 또한 본 발명의 기술적 범위에 당연히 포함된다.
도 2a는 본 발명에서 제안하는 기술적 사상을 구체적으로 구현한 전기화학적 발광 소자의 구조의 일예이며, 도 2b는 도 2a의 A-A'라인 단면도의 일부분을 나타낸 도면이다.
도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학적 발광소자는 대향하는 한쌍의 유리 기판(201, 202)을 구비한다.
도시되지는 않았지만 종래기술과 마찬가지로 본 발명에 따른 따른 전기화학적 발광 소자를 형성하는 한쌍의 유리기판(201, 202) 사이에는 한쌍의 유리기판(201, 202)를 일정 간격 이격시키기 위한 복수개의 스페이서가 형성되며, 복수개의 스페이서에 의하여 확보되어 형성되는 한쌍의 유리기판(201, 202) 사이의 공간에는 발광물질이 주입되어 충진된다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학적 발광 소자의 상호 대향하는 한쌍의 유리기판중 어느 하나의 유리 기판상에는 복수개의 양극 전도선(211, 213, 215, ..)으로 이루어진 양극 전도부와, 복수개의 음극 전도선(212, 214, 216, ..)으로 이루어진 음극 전도부가 함께 형성되어 있다.
양극 전도선(211, 213,..)는 유리기판(201)의 일측에서 수직 방향으로 상호 평행하게 연장되며, 음극 전도선(212, 214,..)은 상기 일측과 대향하는 타측에서 수직 방향으로 상호 평행하게 연장되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 양극 전도선(211)과 양극 전도선(213)사이에는 음극 전도선(212)이 위치하며, 양극 전도선(213)과 양극 전도선(215)사이에는 음극 전도선(214)이 위치한다. 마찬가지로, 음극 전도선(212)과 음극 전도선(214)사이에는 양극 전도선(213)이 위치하며, 음극 전도선(214)과 양극 전도선(216)사이에는 양극 전도선(215)이 위치한다.
본 발명에서 있어서, 상호 인접하는 양극 전도선과 음극 전도선간의 바람직한 이격 거리는 실험 결과 대략 40㎛에서 90㎛이었으나, 발광 물질의 종류에 따라서 이격 거리를 조절하는 것 또한 가능하다.
도면으로부터 알 수 있듯이, 본 발명에서 제안하는 전기화학적 발광 소자의 경우, 유리기판(201)상에 형성된 임의의 양극 전도선과 이에 인접하는 음극 전도선간의 이격 거리(또는 임의의 음극 전도선과 이에 인접하는 양극 전도선간의 이격 거리)를 동일하게 표현하고 있으나, 이는 일예에 불과하며 필요에 따라서는 유리기판상의 일부분에 대하여 상호 다른 이격 거리를 주는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 전기화학적 발광 소자의 양극 전도선(211, 213,..)과 음극 전도선(212, 214,..)은 투명 도전재, 예를 들어, F:SnO2(FTO)와 Indium tin oxide(ITO) 등으로 구현하는 것이 바람직할 것이다.
한편, 본 발명에서는 전기화학적 발광 소자에 사용되는 발광물질로 Ru계 금속화합물(Ru(bpy)3 2+) 베이스의 산화/환원 전해질을 사용하였으나 전기화학적 발광을 위한 여타의 다양한 발광 물질도 가능하다.
본 발명 기술적 사상은 하나의 유리기판상에 양극 및 음극 전도부를 구현하는 것에 있다.
따라서, 발광물질 등이 변경되더라도 본 발명에서 제안하는 하나의 유리기판상에 음극 및 양극 전도선이 동시에 구현되는 구조를 채택하여 전기화학적 발광 현상을 야기하는 모든 형태의 전기화학적 발광 소자에는 본 발명의 기술적 사상의 효력이 미칠 것이다.
이하에서는 도 3를 참조하여 본 발명에 따른 전기화학적 발광 소자의 동작을 설명하기로 한다.
도시된 도면은 유리 기판(301)상에 인접하여 형성되는 양극 전도선과 음극 전도선에 소정의 전압이 인가된 경우에 발생하는 발광 현상을 설명한다.
설명의 편의를 위하여 발광물질은 Ru계 금속화합물(Ru(bpy)3 2+) 베이스의 산화/환원 전해질로 하였으나 다른 발광물질의 동작도 동일한 방식으로 이루어진다.
발광실험에 사용된 Ru계 금속화합물은 Ru 금속원자를 중심으로 그 주위에 유기물(배위자)을 결합시킨 구조로서, 통상 Ru(bpy)3 2+[이하, Ru(Ⅱ)]의 형태로 안정화되어 있다.
이하에서는 양극 전도선과 음극 전도선에 전압을 인가하여 발광에 이르기까지의 반응과정을 설명하기로 한다.
양극 전도선과 음극 전도선에 외부 전압(예컨대, 약 3V)이 인가되면, Ru계 전해질 내의 Ru(Ⅱ) 이온이 음극 전도선 근방에서 Ru(bpy)3 +[이하, R(Ⅰ)]으로 환원되고, 양극 전도선에서는 Ru(bpy)3 3+[Ru(Ⅲ)]로 산화된다.
이들 Ru(Ⅰ) 및 Ru(Ⅲ) 이온들은 전계에 의해 전해질 내에서 서로 가속되어 확산되며, 그 과정에서 재결합이 발생되어 Ru(Ⅰ)와 Ru(Ⅲ)은 Ru(Ⅱ)*의 형태로 여기된다.
여기된 Ru(Ⅱ)*는 재결합 발생전 상태인 Ru(Ⅱ)로 천이되는데 이때 발광 현상이 이루어진다.
위에서 설명한 발광 소자 내에서의 발광 과정을 수식으로 설명하면 다음과 같다.
Ru(bpy)3 2+ + e- → Ru(bpy)3 + (음극 전도선: 환원과정)
Ru(bpy)3 2+ - e- → Ru(bpy)3 3+ (양극 전도선: 산화과정)
Ru(bpy)3 3+ + Ru(bpy)3 + → Ru(bpy)3 2+* +Ru(bpy)3 2+. (여기과정)
Ru(bpy)3 2+* → Ru(bpy)3 2+ + hv (620nm). (에너지 방출과정)
본 발명에서 설명한 발광물질 Ru(bpy)3 2+는 강한 산화환원력, 가시광 영역에서의 금속-배위자간 전하이동에 의한 강한 흡수, 그리고 불필요한 광화학 반응이 거의 일어나지 않는 특성이 있어 전기화학적 발광 소자 구현에 있어 많이 이용되고 있다.
참고로, 본 발명에서는 화학적으로 안정된 Ru(bpy)3 2+를 얻기 위해 PF6 -가 카운터 이온으로 사용된 Ru(bpy)3(PF6)2를 직접 제작하였다.
본 실험에서 이루어진 제작방법을 간단히 요약하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 초기 재료로써 시판중인 Ru(bpy)3Cl26H2O와 NH4PF6를 각각 고순도의 증류수에 용해시킨다.
두 수용액을 소정 실험용 비커에 소정 비율로 혼합하고 약 1시간정도 교반시킨다.
두 수용액 간에 반응이 일어나면서 이온교환이 진행되어 Ru(bpy)3(PF6)2의 침전물이 관찰된다.
그 후, 수용액을 걸러내고 얻어진 침전물을 한 번 더 증류수 등을 사용하여 재 결정화하고 정제한다.
최종적으로 얻어진 침전물을 건조시키면 Ru(bpy)3(PF6)2를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 따른 전기화학적 발광셀 구조를 구현함에 있어서의 제조 공정은 일반적으로 알려져 있는 바와 큰 차이가 없다.
즉, 당업자는 유리 기판에 투명 전도재를 형성한 후 소정의 리소그래피 공정을 통하여 노광, 현상, 에칭 공정 등을 순차 수행함으로써 본 발명에서 제안하는 양극 및 음극 전도선을 하나의 유리 기판상에 형성할 수 있을 것이다.
본 발명에서 제안하는 기술적 사상은 기본적으로 하나의 유리 기판상에 음극 및 양극 전도선을 함께 형성하는 것에 있으므로 유리 기판상에 배치되는 음극 및 양극 전도선의 형상 등은 큰 문제가 되지 않으며, 이러한 전도선의 형상 변경은 본 발명에서 제안하는 기술적 사상의 보호 범위에 당연히 포함된다.
즉, 본 발명은 하나의 유리 기판상에 음극 전도선과 양극 전도선을 함께 형성한다는 것에 그 기술적 사상이 있으므로 단순히 음극 전도선과 양극 전도선의 형태를 변화시키는 것 또한 당연히 본 발명의 기술적 보호범위에 포함된다.
따라서, 본 발명의 설명을 위하여 첨부된 도면에 기재된 실시예는 단순한 일예에 불과하며 본 발명의 사상을 이해함에 있어서는 청구범위에 기재되는 범위내에서 포괄적으로 해석되어야 할 것이다.
201, 202: 유기 기판
211, 213, 215,..: 양극 전도선
212, 214, 216,..: 음극 전도선

Claims (5)

  1. 상호 대향하는 제 1 및 제 2 유리 기판을 구비하고 상기 제 1 및 제 2 기판 상이에 충진되는 발광물질에 전기를 인가하여 발광을 유도하는 전기화학형 발광 셀 구조에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유리 기판사이에 충진된 발광물질의 전기화학적 발광을 유도하기 위한 양극 전도부과 음극 전도부가 상기 제 1 유리 기판상에 함께 형성 배치되며,
    상기 양극 전도부와 상기 음극 전도부 각각은 적어도 하나 이상의 양극 전도선과 적어도 하나 이상의 음극 전도선으로 구성되고,
    상기 적어도 하나 이상의 상기 양극 전도선 각각은 상기 제 1 유리 기판의 일측으로부터 상호 평행하게 연장되어 형성되고, 상기 적어도 하나 이상의 상기 음극 전도선 각각은 상기 일측과 대향하는 상기 제 1 유리 기판의 타측으로부터 상호 평행하게 연장되어 형성되며, 상기 연장되어 형성되는 양극 전도선과 상기 음극 전도선은 상호 교차 배열되어 위치하며, 상호 인접한 양극 전도선과 음극 전도선에 전기를 가하여 양극 전도선과 음극 전도선 사이에 있는 발광물질에 대하여 전기화확형 발광을 유도하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 발광 셀 구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 전도선과 상기 음극 전도선은 투명 도전재인 것을 특징으로 하는 전기화학형 발광 셀 구조.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 투명 도전재는 ITO 또는 FTO 인 것을 특징으로 하는 전기화학형 발광 셀 구조.
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