KR101649608B1 - 유기전계 발광소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 효율을 극대화하며 수명을 향상시킨 유기전계 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 특징은 제 1 전극과 정공주입층을 포함하여 다중층 구조를 갖는 유기 발광층과 제 2 전극으로 이루어진 유기전계 발광 다이오드와 스위칭 및 구동 박막트랜지스터를 구비한 유기전계 발광소자의 제조 방법에 있어서, 제 1 전극을 형성한 후, 이와 접촉하는 정공 주입층을 형성함에 있어서 열 기상 증착 시 소정의 에너지 밀도를 갖는 이온 빔을 함께 조사하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 정공 주입층이 입자간 치밀한 구성을 가지며, 보이드 형성없이 균일하게 연속적인 형태로 형성되므로, 터널링 효과가 극대화되어 발광 효율이 향상되고, 제 1 전극으로부터 인듐 등의 불순물이 유기 발광 물질층으로 침투 및 확산되는 현상을 억제시켜 소자의 효율을 향상시키고 나아가 소자의 수명을 향상시키는 효과가 있다.

Description

유기전계 발광소자의 제조 방법{Method of fabricating an organic electro luminescent device}

본 발명은 발광 효율을 극대화하며 수명을 향상시킨 유기전계 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.

평판 디스플레이(FPD ; Flat Panel Display)중 하나인 유기전계 발광소자는 높은 휘도와 낮은 동작 전압 특성을 갖는다. 또한 스스로 빛을 내는 자체발광형이기 때문에 명암대비비(contrast ratio)가 크고, 초박형 디스플레이의 구현이 가능하며, 응답시간이 수 마이크로초(㎲) 정도로 동화상 구현이 쉽고, 시야각의 제한이 없으며 저온에서도 안정적이고, 직류 5 내지 15V의 낮은 전압으로 구동하므로 구동회로의 제작 및 설계가 용이하다.

또한 상기 유기전계 발광소자의 제조공정은 증착(Deposition) 및 인캡슐레이션(encapsulation) 장비가 전부라고 할 수 있기 때문에 제조 공정이 매우 단순하다.

이러한 특성을 갖는 유기전계 발광소자는 크게 패시브 매트릭스 타입과 액티브 매트릭스 타입으로 나뉘어지는데, 패시브 매트릭스 방식에서는 주사선(scan line)과 신호선(signal line)이 교차하면서 매트릭스 형태로 소자를 구성하므로, 각각의 픽셀을 구동하기 위하여 주사선을 시간에 따라 순차적으로 구동하므로, 요구되는 평균 휘도를 나타내기 위해서는 평균 휘도에 라인수를 곱한 것 만큼의 순간 휘도를 내야만 한다.

그러나, 액티브 매트릭스 방식에서는, 화소영역을 온(on)/오프(off)하는 스위칭 소자인 박막트랜지스터(Thin Film Transistor: TFT)가 각 화소영역별로 위치하고, 이러한 스위칭 박막트랜지스터와 연결되며 구동 박막트랜지스터가 전원배선 및 유기전계 발광 다이오드와 연결되며 각 화소영역별로 형성되고 있다.

이때, 상기 구동 박막트랜지스터와 연결된 제 1 전극은 화소영역 단위로 온(on)/오프(off)되고, 상기 제 1 전극과 대향하는 제 2 전극은 공통전극의 역할을 함으로서 이들 두 전극 사이에 개재된 유기 발광층과 더불어 상기 유기전계 발광 다이오드를 이룬다.

이러한 구성적 특징을 갖는 액티브 매트릭스 방식에서는 화소영역에 인가된 전압이 스토리지 커패시터(StgC)에 충전되어 있어, 그 다음 프레임(frame) 신호가 인가될 때까지 전원을 인가해 주도록 함으로써, 주사선 수에 관계없이 한 화면동안 계속해서 구동한다. 따라서, 낮은 전류를 인가하더라도 동일한 휘도를 나타내므로 저소비전력, 고정세, 대형화가 가능한 장점을 가지므로 최근에는 액티브 매트릭스 타입의 유기전계 발광소자가 주로 이용되고 있다.

이하, 이러한 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자의 기본적인 구조 및 동작특성에 대해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 일반적인 액티브 매트릭스형 유기전계 발광소자의 하나의 화소영역에 대한 회로도이다.

도시한 바와 같이 액티브 매트릭스형 유기전계 발광소자의 하나의 화소영역은 스위칭 박막트랜지스터(STr)와 구동 박막트랜지스터(DTr), 스토리지 커패시터(StgC), 그리고 유기전계 발광 다이오드(E)로 이루어진다.

제 1 방향으로 게이트 배선(GL)이 형성되어 있고, 이 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 배치되어 상기 게이트 배선(GL)과 더불어 화소영역(P)을 정의하며 데이터 배선(DL)이 형성되어 있으며, 상기 데이터 배선(DL)과 이격하며 전원전압을 인가하기 위한 전원배선(PL)이 형성되어 있다.

또한, 상기 데이터 배선(DL)과 게이트 배선(GL)이 교차하는 부분에는 스위칭 박막트랜지스터(STr)가 형성되어 있으며, 상기 각 화소영역(P) 내부에는 상기 스위칭 박막트랜지스터(STr)와 전기적으로 연결된 구동 박막트랜지스터(DTr)가 형성되어 있다.

이때, 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)는 유기전계 발광 다이오드(E)와 전기적으로 연결되고 있다. 즉, 상기 유기전계발광 다이오드(E)의 일측 단자인 제 1 전극은 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극과 연결되고, 타측 단자인 제 2 전극은 전원배선(PL)과 연결되고 있다. 이때, 상기 전원배선(PL)은 전원전압을 상기 유기전계 발광 다이오드(E)로 전달하게 된다. 또한, 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 게이트 전극과 소스 전극 사이에는 스토리지 커패시터(StgC)가 형성되고 있다.

따라서 상기 게이트 배선(GL)을 통해 신호가 인가되면 스위칭 박막트랜지스터(STr)가 온(on) 되고, 상기 데이터 배선(DL)의 신호가 구동 박막트랜지스터(DTr)의 게이트 전극에 전달되어 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)가 온(on) 되므로 유기전계발광 다이오드(E)를 통해 빛이 출력된다. 이때, 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)가 온(on) 상태가 되면, 전원배선(PL)으로부터 유기전계발광 다이오드(E)에 흐르는 전류의 레벨이 정해지며 이로 인해 상기 유기전계 발광 다이오드(E)는 그레이 스케일(gray scale)을 구현할 수 있게 되며, 상기 스토리지 커패시터(StgC)는 스위칭 박막트랜지스터(STr)가 오프(off) 되었을 때, 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 게이트 전압을 일정하게 유지시키는 역할을 함으로써 상기 스위칭 박막트랜지스터(STr)가 오프(off) 상태가 되더라도 다음 프레임(frame)까지 상기 유기전계 발광 다이오드(E)에 흐르는 전류의 레벨을 일정하게 유지할 수 있게 된다.

일반적인 유기전계 발광소자의 단면구조에 대해 간단히 설명하면, 상기 유기전계 발광소자는 제 1 기판 상에는 순수 폴리실리콘의 제 1 영역과 불순물이 도핑된 제 2 영역으로 구성된 반도체층, 게이트 절연막, 게이트 전극, 상기 제 2 영역을 각각 노출시키는 반도체층 콘택홀을 갖는 층간절연막, 소스 및 드레인 전극이 순차적으로 적층 형성되어 구동 박막트랜지스터를 이루고 있으며, 상기 소스 및 드레인 전극은 각각 전원배선 및 유기전계 발광 다이오드와 연결되어 있다.

이때, 상기 유기전계 발광 다이오드는 다층 구조의 유기 발광층이 개재된 상태로 서로 대향된 제 1 전극 및 제 2 전극으로 구성된다. 상기 제 1 전극은 각 화소영역별로 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극과 접촉하며 형성되고 있으며, 상기 제 2 전극은 상기 유기 발광층 위로 전면에 형성되고 있다. 이러한 제 2 전극과 이격하며 인캡슐레이션을 위한 제 2 기판이 테두리에 형성된 씰패턴에 의해 접착되어 형성되고 있다.

각 화소영역 내에는 상기 구동 박막트랜지스터와 동일한 구조를 가지며, 상기 게이트 및 데이터 배선과 연결된 스위칭 박막트랜지스터가 형성되어 있다. 또한, 각 화소영역 내에는 스토리지 커패시터가 형성되어 있다.

한편, 전술한 구성을 갖는 유기전계 발광 다중층 구조를 갖는 유기 발광층을 살펴보면, 실제 발광을 하는 유기 발광 물질층을 기준으로 이와 상기 제 2 전극 사이에 순차적으로 전자주입층(electron injection layer)과 전자수송층(electron transporting layer)이 형성되어 있으며, 상기 유기 발광 물질층과 상기 제 1 전극 사이에 정공수송층(hole transporting layer)과 정공주입층(hole injection layer)이 형성되어 있다.

도 2는 일반적인 유기전계 발광소자의 유기 발광층에서의 발광 프로세스를 간략히 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 유기전계 발광 다이오드에서 빛이 나오는 메커니즘을 살펴보면, 소자에 전류를 인가하면 비교적 큰 일함수 값을 갖는 도전성 물질로 이루어진 애노드 전극(제 1 전극)으로부터 정공이 발생되어 정공 주입층(HIL)과 정공 수송층(HTL)을 통해 최종적으로 유기 발광 물질층(OLM)으로 주입되고, 비교적 낮은 일함수 값을 갖는 금속물질로 이루어진 캐소드 전극(제 2 전극)으로부터 전자가 발생되어 전자주입층(EIL)과 전자수송층(ETL)을 통해 상기 유기 발광 물질층(OLM)으로 주입되고, 이렇게 유기 발광 물질층(OLM)으로 주입된 정공 및 전자가 재결합하는 과정에서 발광을 하게 된다.

한편, 전술한 다중층 구조의 유기 발광층(OELL)은 일반적으로 쉐도우 마스크를 이용한 열 기상 증착법에 의해 이루어지고 있다.

하지만 열 기상 증착법으로 형성된 상기 다수의 발광 보조층(전자 주입층/ 전자 수송층/정공 주입층/정공수송층)은 열 기상 증착법 특성 상 박막 구조가 평탄하지 못하고, 내부 입자간 결합이 치밀하지 하지 못하며, 입자간 인력에 의해 균일한 증착이 이루어지지 않아 증착되는 층 자체가 균일하고 연속적인 형태로 형성되지 않고 그 내부에 부분적으로 보이드(void) 등이 형성됨으로써 애노드 전극으로부터 발생한 정공을 유기 발광 물질층으로 전달하기 위한 터널링 효과가 저감되어 최종적으로 발광 효율이 저감되고 있다.

나아가 상기 열 기상 증착법에 의해 형성된 정공 주입층은 전술한 바와 같이 그 내부 구조가 치밀하지 못하며 부분적으로 다수의 보이드(void)가 형성됨으로써 일함수 값이 높은 도전성 물질 예를 들면 인듐-틴-옥사이드(ITO)로 이루어진 애노드 전극으로부터 인듐과 같은 불순물이 상기 정공주입층을 쉽게 통과하여 유기 발광 물질층 내부로 확산 침투함으로써 유기전계 발광소자의 효율 및 수명을 감소시키고 있는 실정이다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 충분히 얇은 두께를 가지면서도 그 내부 구조가 치밀하고, 균일하며, 입자가 연속적으로 적으로 적층되도록 할 수 있어 터널링 효과를 극대화하여 발광 효율을 향상시킬 수 있는 정공주입층을 갖는 유기전계 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것을 제 1 목적으로 한다.

나아가 일함수 값이 높은 투명 도전성 물질로 이루어진 제 1 전극으로부터 유기 발광 물질층으로의 인듐 등의 불순물의 확산을 억제할 수 있는 정공주입층을 가져 그 수명을 향상시킬 수 있는 유기전계 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기전계 발광소자의 제조 방법은, 제 1 전극과 정공주입층을 포함하여 다중층 구조를 갖는 유기 발광층과 제 2 전극으로 이루어진 유기전계 발광 다이오드와 스위칭 및 구동 박막트랜지스터를 구비한 유기전계 발광소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제 1 전극이 형성된 제 1 기판을 챔버 내부에 위치시키고, 무기절연물질로 이루어진 소스물질을 가열하여 무기절연물질의 미세한 입자를 발생시키고, 동시에 상기 제 1 기판에 대응하여 제 1 에너지를 갖는 이온 빔을 조사하여 상기 입자가 상기 이온 빔 조사에 의해 에너지를 공급받아 가속되도록 하여 상기 제 1 전극 상에 증착됨으로써 그 내부가 치밀한 상태를 갖는 제 1 두께의 상기 정공주입층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제 1 전극을 노출시키는 개구를 갖는 쉐도우 마스크를 상기 제 1 기판 상에 위치시킨 상태에서 상기 이온 빔 조사 및 입자의 증착이 진행되는 것이 특징이다.

상기 제 1 에너지는 5eV 내지 50eV이며, 상기 제 1 두께는 1nm 내지 3nm인 것이 특징이다.

또한, 상기 정공주입층을 형성하기 이전에, 상기 제 1 기판상에 서로 교차하여 상기 화소영역을 정의하는 게이트 및 데이터 배선과, 상기 데이터 배선과 이격하며 나란한 전원배선과, 상기 게이트 및 데이터 배선과 연결된 스위칭 박막트랜지스터와, 상기 스위칭 박막트랜지스터 및 상기 전원배선과 연결된 구동 박막트랜지스터를 형성하는 단계와; 상기 구동 박막트랜지스터의 드레인 전극과 연결된 상기 제 1 전극을 형성하는 단계와; 상기 제 1 전극을 테두리하며 각 화소영역에 경계에 뱅크를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 정공주입층을 형성한 이후에는, 상기 정공주입층 위로 정공수송층, 유기 발광 물질층, 전자수송층 및 전자주입층을 형성하는 단계와; 상기 전자주입층 위로 제 2 전극을 형성하는 단계와; 상기 제 1 기판에 대응하여 인캡슐레이션을 위한 제 2 기판을 합착하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 정공수송층과 전자수송층 및 전자주입층은 챔버 내에서 열 기상 증착을 통해 형성하는 것이 특징이다.

또한, 상기 유기 발광 물질층은 챔버 내에서 열 기상 증착을 통해 형성하거나 또는 용액 상태의 고분자 발광 물질을 이용하여 잉크제팅 또는 노츨코팅에 의해 형성되며, 상기 잉크제팅 또는 노출코팅을 진행한 이후에는 상기 유기 발광층을 건조시키는 단계를 진행하는 것이 특징이다.

또한, 상기 제 1 전극은 애노드의 역할을 하도록 일함수 값이 비교적 높은 인듐-틴-옥사이드로 형성하며, 상기 제 2 전극은 캐소드의 역할을 하도록 일함수 값이 비교적 낮은 금속물질인 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 은(Ag), 마그네슘(Mg), 금(Au) 중 어느 하나로 형성하며, 상기 정공주입층은 실리콘옥사이드(SiO₂), 구리옥사이드(CuOx), 니켈옥사이드(NiOx) 중 어느 하나로 형성하는 것이 특징이다.

본 발명에 따른 유기전계 발광 소자는 일함수 값이 높은 투명도전성 물질로 이루어진 제 1 전극을 형성한 후, 이와 접촉하는 정공 주입층을 형성함에 있어서 열 기상 증착 시 소정의 에너지 밀도를 갖는 이온 빔을 조사함으로서 상기 정공 주입층이 입자간 치밀한 구성을 가지며, 보이드 형성없이 균일하게 연속적인 형태로 형성되므로 종래대비 터널링 효과가 극대화됨으로써 발광 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한 상기 정공 주입층이 입자간 치밀한 구성을 가지며, 보이드 형성없이 균일하게 연속적인 형태로 형성됨으로써 투명도전성 물질로 이루어진 제 1 전극으로부터 인듐 등의 불순물이 유기 발광 물질층으로 침투 및 확산되는 현상을 효과적으로 억제시켜 소자의 효율을 향상하고 나아가 소자의 수명을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 액티브 매트릭스형 유기전계 발광소자의 한 화소에 대한 회로도.
도 2는 일반적인 유기전계 발광소자의 유기 발광층에서의 발광 프로세스를 간략히 도시한 도면.
도 3a 내지 3l은 본 발명의 실시예에 따른 유기전계 발광소자의 표시영역 일부에 대한 제조 단계별 공정 단면도.
도 4는 비교예로서 열 기상 증착에 의해서만 제 1 전극 상에 무기절연물질로 이루어진 정공주입층이 형성되었을 시 상기 정공주입층의 내부 구조를 확대 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따라 열 기상 증착 시 제 1 전극 상에 소정의 에너지를 갖는 이온 빔을 조사하며 증착하여 형성한 정공주입층의 내부 구조를 확대 도시한 도면.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3a 내지 3l은 본 발명의 실시예에 따른 유기전계 발광소자의 표시영역 일부에 대한 제조 단계별 공정 단면도이다. 이때, 설명의 편의를 위해 하나의 화소영역에 대해서만 구동 박막트랜지스터가 형성되도록 나타내었으며, 이웃한 화소영역에 대해서는 유기전계 발광 다이오드만을 도시하였으며, 구동 박막트랜지스터(DTr)가 형성되는 영역을 구동영역(DA), 그리고 도면에는 나타내지 않았지만 스위칭 박막트랜지스터가 형성되는 영역을 스위칭 영역이라 정의한다.

우선, 도 3a에 도시한 바와 같이, 투명한 제 1 절연기판(110) 상에 비정질 실리콘을 증착하여 비정질 실리콘층(미도시)을 형성 한다. 이후 상기 비정질 실리콘층(미도시)에 대해 레이저 빔을 조사하거나 또는 열처리를 실시하여 상기 비정질 실리콘층(미도시)을 폴리실리콘층(미도시)으로 결정화시킨다.

이때 도면에는 나타내지 않았지만, 상기 비정질 실리콘층(미도시)과 상기 기판(110) 사이에 무기절연물질 예를 들면 산화실리콘(SiO₂) 또는 질화실리콘(SiNx)을 증착하여 버퍼층(미도시)을 더욱 형성할 수도 있다. 이렇게 버퍼층(미도시)을 형성하는 것은 상기 기판(110)상의 상기 비정질 실리콘층(미도시)을 결정화하는 과정에서 고온의 분위기에 노출되면 상기 기판(110) 표면으로부터 알카리 이온이 용출되어 폴리실리콘으로 이루어진 구성요소의 특성을 저하시킬 수 있으므로 이러한 문제를 방지하기 위함이다.

이후, 상기 폴리실리콘층(미도시)에 대해 포토레지스트의 도포, 노광 마스크를 이용한 노광, 노광된 포토레지스트의 현상, 식각 및 스트립을 포함하는 마스크 공정을 실시하여 상기 폴리실리콘층(미도시)을 패터닝함으로써, 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에는 순수 폴리실리콘 상태의 반도체 패턴(111a)을 형성하고, 스토리지 영역(StgA)에는 순수 폴리실리콘 상태의 스토리지 패턴(111b)을 형성한다.

다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 순수 폴리실리콘의 반도체패턴(도 3a의 111a)과 스토리지 패턴(도 3a의 111a) 위로 무기절연물질 예를들면 산화실리콘(SiO₂) 또는 질화실리콘(SiNx)을 증착하여 게이트 절연막(116)을 상기 제 1 기판(110) 전면에 형성한다.

이후, 상기 게이트 절연막(116) 위로 상기 스토리지 영역(StgA)에 대응해서는 상기 게이트 절연막(116)을 노출시키고 그 외의 영역에 대해서는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 후, 불순물을 도핑하여 전도력을 향상시킴으로써 상기 스토리지 영역(StgA)에 형성된 상기 스토리지 패턴(도 3a의 111b)이 불순물 폴리실리콘 상태의 제 1 스토리지 전극(115)을 이루도록 한다.

다음, 도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(미도시)을 스트립(strip)을 진행하여 제거한 후, 상기 게이트 절연막(116) 위로 저저항 금속물질 예를들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 구리(Cu), 구리합금 중 하나를 증착하여 제 1 금속층(미도시)을 형성하고, 이를 마스크 공정을 진행하여 패터닝함으로써 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)의 형성된 각 반도체패턴(도 3a의 111a)의 중앙부에 대응하여 각각 게이트 전극(121)을 형성 한다.

또한, 동시에 상기 제 2 게이트 절연막(119) 위로 상기 스위칭 영역(미도시)에 형성된 게이트 전극(121)과 연결되며 일방향으로 연장하는 게이트 배선(미도시)을 형성하고, 상기 스토리지 영역(StgA)의 상기 제 1 스토리지 전극(115)에 대응하여 제 2 스토리지 전극(118)을 형성 한다.

이때, 기판(110) 상에 순차 적층된 상기 제 1 스토리지 전극(115)과 게이트 절연막(116)과 제 2 스토리지 전극(118)은 제 1 스토리지 커패시터(StgC1)를 이룬다.

다음, 도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 전극(121)을 블록킹 마스크로 이용하여 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 형성된 각 반도체 패턴(도 3a의 111a)에 불순물 즉, 3가 원소 또는 5가 원소를 도핑함으로써 상기 게이트 전극(121) 외측에 위치한 부분이 상기 불순물이 도핑된 제 2 영역(113b)을 이루며, 상기 게이트 전극(121)이 형성됨으로써 도핑이 방지된 부분은 순수 폴리실리콘의 제 1 영역(113a)을 이루는 반도체층(113)을 형성한다.

다음, 도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 및 제 2 영역(113a, 113b)으로 나뉘어진 반도체층(113) 위로 전면에 무기절연물질인 산화실리콘(SiO₂) 또는 산화실리콘(SiO₂)을 증착하여 층간절연막(123)을 형성 한다.

이후, 마스크 공정을 진행하여 상기 층간절연막(123)과 그 하부의 게이트 절연막(119, 116)을 패터닝함으로써 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 형성된 반도체층의 제 2 영역(113b)을 각각 노출시키는 반도체층 콘택홀(125)을 형성한다.

다음, 도 3f에 도시한 바와 같이, 상기 층간절연막(123) 위로 금속물질 예를들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd), 구리(Cu), 구리합금, 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 중 하나를 증착하여 제 2 금속층(미도시)을 형성하고, 이를 마스크 공정을 진행하여 패터닝함으로써 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 각각 상기 반도체층 콘택홀(125)을 통해 상기 제 2 영역(113b)과 각각 접촉하는 소스 및 드레인 전극(133, 136)을 형성한다. 이때, 상기 스위칭 및 구동영역(미도시, DA)에 순차 적층된 상기 반도체층(113)과 제 1 및 제 2 게이트 절연막(116)과 게이트 전극(121)과 층간절연막(123)과 서로 이격하는 소스 및 드레인 전극(133, 136)은 스위칭 및 구동 박막트랜지스터(미도시, DTr)를 이룬다.

또한, 동시에 상기 층간절연막(123) 위로 상기 스위칭 영역(미도시)에 형성된 소스 전극(미도시)과 연결되며 상기 게이트 배선(미도시)과 교차하여 상기 화소영역(P)을 정의하는 데이터 배선(130)과, 상기 데이터 배선(130)과 이격하며 나란히 배치되는 전원배선(미도시)을 형성한다.

또한, 스토리지 영역(StgA)에는 상기 층간절연막(123) 위로 제 3 스토리지 전극(138)을 형성한다. 이때, 상기 제 2 스토리지 전극(118)과 상기 게이트 절연막(119) 및 층간절연막(123)과 제 3 스토리지 전극(138)은 제 2 스토리지 커패시터(StgC2)를 이룬다.

다음, 도 3g에 도시한 바와 같이, 상기 소스 및 드레인 전극(133, 136)과 제 3 스토리지 전극(138)과 데이터 배선(130) 위로 무기절연물질인 산화실리콘(SiO₂)을 증착하여 보호층(140)을 형성 한다.

이후, 상기 보호층(140)을 마스크 공정을 진행하여 패터닝함으로써 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극(136)을 노출시키는 드레인 콘택홀(143)을 형성한다.

다음, 도 3h에 도시한 바와 같이, 상기 드레인 콘택홀(143)을 갖는 보호층(140) 위로 반사효율이 우수한 금속물질 예를들면 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금(AlNd)을 10nm 내지 20nm 정도의 두께를 갖도록 증착하여 제 3 금속층(미도시)을형성하고, 연속하여 그 상부로 일함수 값이 비교적 높은 투명 도전성 물질인 인듐-틴-옥사이드(ITO)를 증착하여 도전성 물질층(미도시)을 형성한 후, 이들 두 물질층(미도시)을 일괄 또는 연속하여 패터닝함으로서 각 화소영역(P)별로 상기 드레인 콘택홀(143)을 통해 상기 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극(136)과 접촉하는 10nm 내지 20nm 정도의 두께를 갖는 반사패턴(145) 및 이와 접촉하여 애노드 전극의 역할을 하는 제 1 전극(147)을 형성 한다. 이렇게 반사패턴(145)을 형성하는 것은 상기 유기전계 발광소자가 상부 발광 방식으로 구동되는 경우 발광된 빛의 이용 효율을 향상시키기 위함이다. 이러한 반사패턴(145)은 반드시 형성할 필요는 없으며 생략될 수 있다. 특히, 유기전계 발광소자를 하부발광 방식으로 구동하는 경우는 생략되어야 한다.

다음, 도 3i에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 전극(147) 위로 유기절연물질 예를들면 포토아크릴(photo acryl) 또는 벤조사이클로부텐(BCB)을 도포하여 제 1 유기절연물질층(미도시)을 형성하고, 이를 패터닝함으로써 각 화소영역(P)의 경계를 포함하여 상기 제 1 전극(147)의 가장자리를 테두리하는 형태로 뱅크(150)를 형성 한다.

다음, 도 3j에 도시한 바와 같이, 상기 제 1 전극(147)을 테두리하는 형태로 뱅크(150)가 형성된 상기 제 1 기판(110)을 열 기상 증착을 위한 챔버(180) 내부에 위치시킨 후, 상기 제 1 전극(147)에 대응하여 개구를 갖는 쉐도우 마스크(185)를 상기 제 1 기판(110) 상에 위치시킨 후, 실리콘옥사이드(SiO₂), 구리옥사이드(CuOx), 니켈옥사이드(NiOx) 등의 무기절연물질을 소스물질로 하여 열 증착 공정을 진행함으로써 상기 제 1 전극(147) 상부에 1nm 내지 3nm정도의 얇은 두께를 갖는 정공주입층(160a)을 형성 한다.

이때, 본 발명에 있어서 가장 특징적인 것으로 상기 챔버(180) 내부에는 이온 빔 조사 장치(183)가 구비되어 있으며, 상기 열 기상 증착이 이루어지는 상기 제 1 기판(110)에 대응해서 5eV 내지 50eV의 에너지를 갖는 이온 빔(EB)이 조사되고 있는 상태에서 상기 열 기상 증착이 진행되는 것을 특징으로 한다.

이렇게 열 기상 증착 시 5eV 내지 50eV의 정도의 에너지를 갖는 이온 빔(EB)을 함께 조사함으로써 무기절연물질로 이루어진 소스물질(184)로부터 떨어져 나온 원자 또는 분자는 상기 이온 빔(EB)에 의해 소정의 에너지를 가져 가속된 상태에서 상기 제 1 기판(110)상의 제 1 전극(147) 표면에 잘 정렬된 상태로 나아가 조밀한 구조를 가지며 순차 적층되어 1nm 내지 3nm 정도의 두께를 갖는 정공주입층(160)을 이루게 된다.

이때 상기 정공주입층(160)을 1nm 내지 3nm정도의 두께를 갖도록 형성한 것은 애노드 전극의 역할을 하는 상기 제 1 전극(147)에 가해진 전압 또는 전류에 의해 정공이 형성된 후, 상기 정공이 추후 형성된 유기 발광 물질층으로 이동하는 과정에서 상기 정공주입층(160)을 터널링 이펙트(tunneling effect) 현상을 통해 잘 통과할 수 있도록 하기 위함이다. 특히, 무기절연물질로 상기 정공주입층(160)을 형성하는 경우, 이의 두께가 수nm 정도보다 크게 되면 즉, 10nm 이상이 되면 상기 정공주입층(160)에서 터닐링 이펙트가 발생하지 않으므로 유기 발광 물질층(도 3k)으로의 정공의 이동이 원활하지 않게 됨을 실험적으로 알 수 있었다.

도 4는 비교예로서 열 기상 증착에 의해서만 제 1 전극 상에 무기절연물질로 이루어진 정공주입층이 형성되었을 시 상기 정공주입층의 내부 구조를 확대 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따라 열 기상 증착 시 제 1 전극 상에 소정의 에너지를 갖는 이온 빔을 조사하며 증착하여 형성한 정공주입층의 내부 구조를 확대 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 열 증착에 의해서만 무기절연물질로 이루어진 정공주입층(260)을 형성하는 경우, 가열된 소스 물질(284)로부터 떨어져 나온 무기절연물질 원자 또는 분자는 그 자체로서 거의 에너지를 갖지 못하므로 챔버(미도시) 내 밀도 차이 및 상기 소스 물질(284)로부터 자유 낙하하여 상기 제 1 전극(247) 표면에 도달하며, 이 경우 원자 또는 분자간 인력에 의해 최초 상기 제 1 전극(247) 표면에 도달된 원자 또는 분자 주위로 집중적으로 이후의 원자 또는 분자가 적층됨으로써 그 표면이 매우 불규칙적이고 그 내부에 보이드(void)가 형성된다. 이러한 내부 구조를 갖는 정공주입층(260)은 상기 보이드(void) 형성에 의해 치밀한 구조를 이루지 못하고, 그 표면 또한 매우 거칠며 전체적인 두께 또한 균일성이 떨어지며, 또한 내부에 보이드(void) 형성에 의해 부분별로 분자나 원자들이 끊김이 발생됨으로써 이러한 부분적으로 보이드가 발생된 부분을 완전히 가리도록 하기 위해서는 1nm 내지 3nm 정도의 두께보다는 더 두꺼운 즉 3nm보다 큰 두께를 갖도록 형성해야 하며, 이 경우 정공 주입층(260)의 두께가 상대적으로 두꺼워짐으로써 터널링 이펙트의 효과가 떨어지게 됨을 알 수 있다.

나아가 그 내부가 치밀하지 못하고 부분적으로 보이드(void)가 형성된 구조를 이루기 때문에 이러한 보이드(void)를 통해 상기 제 1 전극(247)을 이루는 한 물질인 인듐 등이 더욱 빠른 속도로 침투하여 유기 발광 물질층(미도시)으로 확산됨으로써 소자 특성 및 수명을 저하시키는 것이다.

하지만, 도 5를 참조하면, 본 발명에서와 같이 무기절연물질의 열 기상 증착시 증착이 이루어져야 하는 제 1 기판(미도시)에 대응하여 이온 빔 조사장치(183)를 통해 특정 에너지를 갖는 이온 빔(EB)을 지속적으로 조사하는 상태에서 무기절연물질의 열증착 공정을 진행하면, 가열에 의해 소스 물질(184)로부터 떨어져 나온 원자(atom) 또는 분자(미도시)는 상기 이온 빔(EB) 조사에 의해 에너지를 공급받게 되며, 나아가 이온 빔(EB) 조사에 의해 가속되어 상기 제 1 전극(147) 상에 도달하게 된다. 따라서 이렇게 이온 빔(EB) 조사에 의해 에너지를 공급받고 가속된 원자 또는 분자는 원자(atom)간 또는 분자(미도시)간 인력보다 더 큰 에너지를 갖게되어 상기 제 1 전극(147) 표면에 도달한 최초의 원자(atom) 또는 분자 주위로 먼저 모이게 됨으로서 발생하는 보이드를 발생시키지 않고, 상기 제 1 전극(147) 표면에 순차적으로 적층되게 됨으로써 그 표면이 매끄럽고 전면에 걸쳐 고른 두께를 가지며, 치밀한 구조를 갖는 정공주입층(160)을 이루게 된다.

따라서, 이렇게 치밀한 구성을 갖는 정공주입층(160)은 그 내부에 보이드 등이 구성되지 않으므로 원자(atom)나 분자(미도시)가 연속적으로 순차 적층된 형태가 되므로 상기 제 1 전극(147)을 이루는 한 물질인 인듐 등이 상기 정공주입층(160)으로 침투하는 것을 억제할 수 있다.

한편, 도 3j를 참조하면, 이렇게 정공주입층(160)을 통한 인듐의 확산은 상기 제 1 전극(147)과 추후 형성될 제 2 전극(도 3l의 167)간에 발생되는 지속적인 전계 형성에 의해 전계의 방향으로 즉, 제 1 전극(애노드 전극)(147)측에서 제 2 전극(캐소드 전극)(도 3l의 167)측으로 발생되는 것이 일반적이며, 특히 인듐이 확산되는 것은 유기 발광 물질층(도 3l의 162)을 이루는 유기 발광물질은 약 산성을 갖는데, 산성 기에 영향을 받아 제 1 전극(147) 표면이 부식됨으로써 더욱더 빨리 진행된다.

따라서, 이러한 제 1 전극(147)을 이루는 한 물질인 인듐의 확산을 억제하기 위해서도 상기 무기절연물질로 이루어진 정공주입층(160)이 필요로 되고 있다. 이때 상기 정공주입층(160)은 터널링 이펙트를 구현하기 위해서 수 nm 정도의 두께를 가져야 하며, 그 두께가 얇으면 얇을수록 터널링 이펙트의 구현이 용이하므로 최대한 얇은 두께를 갖도록 형성해야 한다.

하지만, 비교예(도 4 참조)에서와 같이 열 기상 증착을 통해 상기 정공주입층을 형성하는 경우는 그 내부가 치밀하지 못하며 내부의 보이드가 구성됨으로써 상대적으로 3nm보다도 더 두껍게 형성해야 한다. 이 경우 터널링 이펙트 구현이 저감되며, 인듐의 유기 발광 물질층으로의 확산이 빠른 속도로 진행되고 있는 실정이다.

하지만, 본 발명에서는 전술한 바와 같이, 특정 에너지를 갖는 이온 빔(EM) 조사가 이루어지는 상태에서 열 기상 증착을 실시함으로서 그 내부에 보이드 없이 치밀한 원자 또는 분자 구성을 갖는 정공주입층(160)을 형성할 수 있으며, 비교예 또는 종래대비 상대적으로 얇은 두께를 갖더라도 인듐의 확산 및 침투를 억제하는데 보다 효과적이며, 나아가 상대적으로 얇은 두께를 가짐으로써 터널링 이펙트를 극대화할 수 있는 것이 특징이다.

한편, 도 3k에 도시한 바와 같이, 이온 빔(도 3j의 EM)을 조사하며 열 기상 증착을 통해 형성된 정공 주입층(160) 위로 순차적으로 쉐도우 마스크(185)를 이용한 열 기상 증착을 진행하여 순차적으로 정공 수송층(161)과 유기 발광 물질층(162)과 전자 수송층(163) 및 전자 주입층(164)을 형성 한다.

이때, 상기 유기 발광 물질층(162)은 적, 녹 및 청색을 각각 발광하는 적, 녹, 청색 발광 패턴(미도시)을 순차적으로 형성해야 하므로 실질적으로 3회의 열 증착 공정을 통해 진행된다.

한편, 이러한 적, 녹, 청색 발광 패턴(미도시)을 포함하는 상기 유기 발광 물질층(162)은 일례로서 열 기상 증착을 통해 형성하는 것으로 설명하고 있지만, 최근에는 용액 타입의 고분자 물질에 개발되어 있으므로, 이러한 용액 타입의 유기 발광 고분자 물질을 이용하여 각 화소영역(P)에 잉크젯 장치(미도시)를 이용하여 순차적으로 적, 녹 ,청색을 발광하는 용액 타입의 고분자 물질을 잉크 제팅함으로써 형성할 수도 있으며, 나아가 노즐 코팅 장치(미도시)를 이용하여 상기 잉크 제팅하여 형성한 것과 동일한 형태로 유기 발광 물질층(162)을 형성할 수도 있다. 이렇게 용액 타입의 유기 발광 고분자 물질을 이용하여 유기 발광 물질층(162)을 형성한 경우, 용매를 제거하기 위해 건조공정을 진행함으로써 상기 유기 발광 물질층(162)을 경화시킨다.

이렇게 유기 발광 물질층(162)이 형성된 이후에는 전술한 바와 같이 쉐도우 마스크(185)를 이용한 열 기상 증착을 통해 순차적으로 상기 전자 수송층(163) 및 전자 주입층(164)을 형성함으로써 다중층 구조의 유기 발광층(165)을 완성한다.

한편, 상기 정공 수송층(161)과 유기 발광 물질층(162)과 전자 주입층(163) 및 전자 수송층(164)의 형성에 있어서 이온 빔 조상 없이 열 기상 증착만을 진행하여 형성하는 것은 각 층 표면이 손상되는 것을 방지하기 위함이다. 열 기상 증착 시 이온 빔 조사를 실시하게 되면 소스 물질로부터 떨어져 나온 원자나 분자가 소정의 에너지를 가지며 가속되어 표면과 충돌하며 점진적으로 적층되어 최종적으로 각 물질층(161, 162, 163, 164)을 이루게 되는데, 상기 제 1 전극(147)은 도전성 물질로 이루어짐으로써 5eV 내지 50eV 정도의 에너지를 갖는 이온 빔 조사가 이루어지더라도 원자 및 분자의 충돌에 의해 그 표면이 손상되지 않는다. 하지만, 그 이외의 상기 정공 주입층(160), 정공 수송층(161), 유기 발광 물질층(162), 전자 수송층(163)은 무기 또는 유기 물질로 이루어지는 바, 금속 또는 도전성 물질대비 상대적으로 내부 치밀도가 약하기 때문에 이들 각 물질층(161, 162, 163, 164)에 이온 빔 조사가 이루어지게 되면 소스 물질의 원자 또는 분자가 에너지를 갖게 되며 가속되어 각 물질층(161, 162, 163, 164) 표면과 충돌이 이루어지므로 이러한 과정에서 표면이 손상되며, 이로 인해 각 물질층(161, 162, 163, 164)의 역할 수행이 원활하게 이루어지지 않을 수도 있기 때문에 이를 방지하기 위해 이들 정공 주입층(160), 정공 수송층(161), 유기 발광 물질층(162), 전자 수송층(163) 및 전자 주입층(164)은 이온 빔 조사없이 열 기상 증착을 통해 형성하는 것이다.

다음, 도 3l에 도시한 바와 같이, 상기 다중층 구조를 갖는 유기 발광층(160) 위로 비교적 일함수 값이 작은 금속물질 예를들면 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 은(Ag), 마그네슘(Mg), 금(Au) 중 하나를 열 기상 증착을 실시하여 표시영역 전면에 제 2 전극(167)을 형성함으로써 제 1 기판(110)을 완성한다. 이때 상기 제 1 전극(147)과 다중층 구조의 유기 발광층(165)과 상기 제 2 전극(167)은 유기전계 발광 다이오드(E)를 이룬다.

한편, 전술한 바와 같이 완성된 제 1 기판(110)에 대해, 표시영역(미도시) 외측의 비표시영역(미도시)에 상기 표시영역(미도시)의 테두리를 따라 씰패턴(미도시)을 형성하고, 투명한 재질의 제 2 기판(170)을 대향시킨 후, 불활성 기체 예를들면 질소(N₂) 가스 분위기 또는 진공의 분위기에서 상기 제 1 및 제 2 기판(110, 170)을 합착함으로써 본 발명의 실시예에 따른 유기전계 발광소자(101)를 완성할 수 있다.

이때, 본 발명의 실시예의 변형예로서 상기 비표시영역(미도시)에 씰패턴(미도시)을 형성하지 않고, 투명하고 접착 특성을 갖는 유기물질 또는 프릿(frit)으로 이루어진 페이스 씰(face seal)(미도시)을 상기 제 1 기판(110)의 전면에 개재한 후 상기 제 2 기판(170)과 접착함으로써 유기전계 발광소자를 완성할 수도 있다.

110 : 제 1 기판 113 : 반도체층
113a, 113b : 제 1 및 제 2 영역 115 : 제 1 스토리지 전극
116 : 게이트 절연막 118 : 제 2 스토리지 전극
121 : 게이트 전극 123 : 층간절연막
125 : 반도체층 콘택홀 130 : 데이터 배선
133 : 소스 전극 136 : 드레인 전극
138 : 제 3 스토리지 전극 140 : 보호층
143 : 드레인 콘택홀 145 : 반사패턴
147 : 제 1 전극 150 : 뱅크
160 : 정공주입층 180 : 챔버
183 : 이온 빔 조사장치 184 : 소스 물질
DA : 구동영역 DTr : 구동 박막트랜지스터
P : 화소영역 StgA : 스토리지 영역
StgC1 : 제 1 스토리지 커패시터 StgC2 : 제 2 스토리지 전극

Claims (10)

1. 제 1 전극과 정공주입층을 포함하여 다중층 구조를 갖는 유기 발광층과 제 2 전극으로 이루어진 유기전계 발광 다이오드와 스위칭 및 구동 박막트랜지스터를 구비하며, 이온 빔 조사에 의해 상기 정공주입층이 형성되는 유기전계 발광소자의 제조 방법에 있어서,
   상기 제 1 전극이 형성된 제 1 기판을 챔버 내부에 위치시키고, 무기절연물질로 이루어진 소스물질을 가열하는 동시에 상기 제 1 기판에 대응하여 제 1 에너지를 갖는 상기 이온 빔을 조사하여, 상기 제 1 전극 상에 제 1 두께를 갖는 상기 정공주입층을 형성하며,
   상기 소스물질은 가열되어 무기절연물질의 원자 또는 분자를 발생시키고, 상기 무기절연물질의 원자 또는 분자는 상기 이온빔에 의해 에너지를 공급받아 가속되는 유기전계 발광소자의 제조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 전극이 형성된 제 1 기판을 챔버 내부에 위치시키고, 상기 무기절연물질로 이루어진 상기 소스물질을 가열하는 동시에 상기 제 1 기판에 대응하여 상기 제 1 에너지를 갖는 상기 이온 빔을 조사하여, 상기 제 1 전극 상에 제 1 두께를 갖는 상기 정공주입층을 형성하는 단계에서,
   상기 제 1 전극을 노출시키는 개구를 갖는 쉐도우 마스크를 상기 제 1 기판 상에 위치시키는 유기전계 발광소자의 제조 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 에너지는 5eV 내지 50eV인 유기전계 발광소자의 제조 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 두께는 1nm 내지 3nm인 유기전계 발광소자의 제조 방법.
   
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 정공주입층을 형성한 이후에는,
   상기 정공주입층 위로 정공수송층, 유기 발광 물질층, 전자수송층 및 전자주입층을 형성하는 단계와;
   상기 전자주입층 위로 제 2 전극을 형성하는 단계와;
   상기 제 1 기판에 대응하여 인캡슐레이션을 위한 제 2 기판을 합착하는 단계
   를 포함하는 유기전계 발광소자의 제조 방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 정공수송층과 상기 전자수송층 및 전자주입층은 챔버 내에서 열 기상 증착을 통해 형성하는 유기전계 발광소자의 제조 방법.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 유기 발광 물질층은 챔버 내에서 열 기상 증착을 통해 형성하거나 또는 용액 상태의 고분자 발광 물질을 이용하여 잉크제팅 또는 노즐코팅에 의해 형성되며,
   상기 잉크제팅 또는 노즐코팅을 진행한 이후에는 상기 유기 발광층을 건조시키는 단계를 진행하는 유기전계 발광소자의 제조 방법.
   
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 정공주입층은 실리콘옥사이드(SiO₂), 구리옥사이드(CuOx), 니켈옥사이드(NiOx) 중 어느 하나로 형성하는 유기전계 발광소자의 제조 방법.

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