KR19990025514A - 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법 - Google Patents

전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법 Download PDF

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KR19990025514A
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Abstract

본 발명은 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 한 층 이상의 절연층과 한 층 이상의 형광막으로 이루어진 전계발광 소자 구조에, 밴드갭 조정이 가능하고 저반사율을 가진 유사다이아몬드 탄소 박막을 도입한 고휘도의 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
전계발광 디스플레이 소자들은 구성 박막이 비교적 균일하며 평탄한 박막으로 이루어져 있고, 빛이 발광되는 측의 전극은 투명한 전도성 박막으로 형성되며, 반대편의 전극은 주로 알루미늄이나 내화 금속과 같은 금속으로 형성되는데, 이러한 박막들은 반사율이 매우 커서, 외부 광원의 빛이 태양광을 비롯한 강한 광원 하에서는 선명도가 크게 저하되는 문제가 있다. 또한 절연막의 굴절율이 크기 때문에 형광막에서 발생한 빛이 대부분 전면으로 투과 되지 못하고 측면으로 새어나가는 단점이 있다.
본 발명에서는 유사다이아몬드 탄소 박막을 도입하여, 전계발광 디스플레이 반사 방지용 박막으로 적용하면 금속 박막으로부터의 반사를 막아주어 강한 외부 광원 하에서도 선명한 상을 볼 수 있으며, 밴드갭을 1.5 eV 이하로 낮게 제어하여 형광막과 계면을 형성하도록 성장시키면 전자 주입 효율을 증가시켜 휘도를 향상시킬 수 있다.

Description

전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법
본 발명은 전계발광 디스플레이(electroluminescent display) 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 한 층 이상의 절연층과 한 층 이상의 형광막으로 이루어진 전계발광 소자 구조에, 밴드갭(band gap) 조정이 가능하고 저반사율(low reflectivity)을 가진 유사다이아몬드 탄소(diamond like carbon) 박막을 도입한 고휘도(high luminance)의 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 전계발광 디스플레이 소자는 현대 정보화 사회에서 고품위 정보표시용 디스플레이로써 가볍고 부피가 적으면서 내환경성, 내구성, 고해상도, 긴 수명, 넓은 시야각 등의 장점을 고루 갖춘 평판 디스플레이의 일종이다.
전계발광 디스플레이 소자는 형광층의 양단에 고전압을 가하여 전자를 형광층 내로 가속시켜 발광 중심 원자와 충돌하도록 함으로써 발광 중심 원자의 전자 준위에 있던 전자들이 더 높은 에너지 준위로 여기 되었다가 기저 상태로 되돌아 오면서 전자 준위의 에너지 차에 해당하는 특정한 파장 영역의 빛을 내는 전계발광 현상을 이용한 디스플레이 기술이다.
전계발광 디스플레이 소자는 AC 구동형 및 DC 구동형이 있으며, 또한 박막형과 후막형 등으로 분류되기도 한다. 이러한 전계발광 디스플레이는 주로 한 층 이상의 절연막과 한 층 이상의 형광막으로 구성하며 그 양단에 전압을 가할 수 있는 전극을 형성한다. 절연막과 형광막은 그 특성을 향상시키기 위해 서로 다른 재료들로 구성된 박막들을 반복적인 다층구조로 형성하여 활용하기도 한다.
도면을 참조하여 전계발광 디스플레이 소자를 설명하고자 한다. 도 1(a)는 AC-구동형 박막 전계발광 디스플레이 소자의 단면도이고, 도 1(b)는 반전 구조 AC-구동형 박막 전계발광 디스플레이 소자의 단면도이다.
도 1(a)에 도시한 소자는 유리와 같은 투명 기판(11) 하부에 투명 전도 박막(12), 상부 절연막(13), 형광막(14), 하부 절연막(15) 및 금속 전극(16)이 순차적으로 형성된 구조로 이루어져 있다. 전계발광 디스플레이 형광막(14)의 모재료로 사용되는 것은 주로 금속 황화물인 ZnS, SrS, CaS 등 이며, 최근에는 CaGa2S4, SrGa2S4등의 알카리(alkali) 토(earth)류 갈륨(Ga) 황화물과 금속 산화물들도 성공적으로 이용되고 있다. 모재료 내에 수 % 이하의 일정한 농도로 주입되는 발광 중심 원자들로는 Mn, Ce, Tb, Eu, Tm, Er, Pr, Pb 등을 포함하는 천이 금속 또는 알칼리 희토(rare earth)류 금속들이 이용된다.
이용 목적에 따라 도 1(b)와 같은 반전 구조로 제조되기도 하는데, 실리콘과 같은 불투명 기판(17) 상부에 금속 전극(16), 상부 절연막(13), 형광막(14), 하부 절연막(15) 및 투명 전도 박막(12)을 순차적으로 증착하여 전계발광 디스플레이 소자를 제작한 후, 기판의 반대 방향으로 발광되도록 한다. 이러한 구조는 특히 실리콘 기판 상부에 active matrix형 전계발광 디스플레이 소자를 제조하거나, 고전압 구동 소자를 기판 위에 먼저 형성한 후 그 위에 전계발광 디스플레이 소자를 제조하는 경우에 사용된다.
위와 같은 구조의 전계발광 디스플레이 소자의 작동 원리는, 전계 발광형 형광막(14) 양단의 절연막(13 및 15)에 투명 전도 박막(12) 및 금속 전극(16)을 통하여 수십 ∼ 수백 V의 전압을 가하면 절연막(13 및 15)과 형광막(14)의 계면에서 전자가 계면을 관통하여 형광막(14)으로 주입된다. 형광막(14)에 걸린 전기장에 의해 가속된 전자들은 발광 중심 원자들과 충돌하여 발광 중심 전자들을 여기 시키게되고, 이 여기된 전자들이 다시 기저 상태로 돌아오면서 전자 준위의 에너지 차이에 해당하는 일정한 파장의 빛을 내게 되는데, 이 것이 전계발광 현상이다. 이 때 AC-형 전압이나 임의 파형의 + 및 - 전압을 반복하여 가해주게 되면 펄스 수 만큼 양 방향으로 반복하여 전계발광 현상이 일어나므로 지속적으로 발광 현상을 유지할 수 있게 된다.
그러나 위와 같은 소자들은 구성 박막이 비교적 균일하며 평탄한 박막으로 이루어져 있고, 빛이 발광되는 측의 전극(12)은 투명한 전도성 박막으로 형성되며, 반대편의 전극(16)은 주로 알루미늄이나 내화 금속(refractory metal)과 같은 금속으로 형성되는데, 이러한 박막들은 반사율이 매우 커서, 외부 광원의 빛이 태양광과 같은 강한 광원 하에서는 선명도가 크게 저하되는 문제가 있다. 또한 절연막(13 및 15)의 굴절율이 크기 때문에 형광막(14)에서 발생한 빛이 대부분 전면으로 투과 되지 못하고 측면으로 새어나가는 단점이 있다. 이 때 전면 투과량은 전체 발광량의 10 % 수준에 불과하다.
따라서 이러한 단점을 극복하기 위하여 형광막(14)과 금속 전극(16) 사이에 저반사율 층을 삽입시키면 외부 광원의 반사에 의한 선명도 감소가 크게 개선될 수 있다. 또한 기판 구조를 변형하여 전면 투과율을 향상시키는 등의 방법이 연구되고 있다.
본 발명은 금속 전극의 반사율을 감소시켜 강한 외부 광원에서도 고 선명도를 유지할 수 있고 밴드갭을 낮게 조절하여 휘도를 증가시킬 수 있는 전계발광 디스플레이 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법은, 양단의 전극 사이에 한 층 이상의 절연막과 한 층 이상의 형광막으로 구성된 전계발광 디스플레이 소자에 있어서, 투명 기판 하부에 투명 전도막을 증착하는 단계와, 상기 투명 전도막 하부에 양면이 절연막으로 형성된 형광막을 증착하는 단계와, 상기 절연막 하부에 저반사율의 유사다이아몬드 탄소 박막 및 금속 전극을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
양단의 전극 사이에 한 층 이상의 절연막과 한 층 이상의 형광막으로 구성된 전계발광 디스플레이 소자에 있어서, 투명 기판 하부에 투명 전도막을 증착하는 단계와, 상기 투명 전도막 하부에 상부 절연막 및 형광막을 순차적으로 증착하는 단계와, 상기 형광막 하부에 밴드갭 1.5 eV 이하의 저반사율의 유사다이아몬드 탄소 박막, 하부 절연막 및 금속 전극을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
양단의 전극 사이에 한 층 이상의 절연막과 한 층 이상의 형광막으로 구성된 전계발광 디스플레이 소자에 있어서, 불투명 기판 상부에 금속 전극 및 저반사율의 유사다이아몬드 탄소 박막을 순차적으로 증착하는 단계와, 상기 유사다이아몬드 탄소 박막 상부에 양면이 절연막으로 형성된 형광막을 증착하는 단계와, 상기 절연막 상부에 투명 전도막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
양단의 전극 사이에 한 층 이상의 절연막과 한 층 이상의 형광막으로 구성된 전계발광 디스플레이 소자에 있어서, 불투명 기판 상부에 금속 전극, 상부 절연막 및 1.5 eV 이하의 저반사율 유사다이아몬드 탄소 박막을 순차적으로 증착하는 단계와, 상기 유사다이아몬드 탄소 박막 상부에 형광막, 하부 절연막 및 투명 전도막을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
투명 기판 하부에 투명 전도 박막 및 형광막을 순차적으로 증착하는 단계와,
상기 형광막 하부에 저반사율의 유사다이아몬드 탄소 박막 및 금속 전극을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1(a)는 AC-구동형 박막 전계발광 디스플레이 소자의 단면도.
도 1(b)는 반전 구조 AC-구동형 박막 전계발광 디스플레이 소자의 단면도.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명에 따른 전계발광 디스플레이 소자의 단면도.
도 3(a) 내지 3(c)는 도 2(b) 및 도 2(d)의 실시예.
도 4는 본 발명에 따른 DC-구동형 전계발광 디스플레이 소자의 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
11, 21, 31 및 41 : 투명 기판 12, 22, 32 및 42 : 투명 전도 박막
13, 23 및 33 : 상부 절연막 14, 24, 34 및 44 : 형광막
15, 25 및 35 : 하부 절연막 16, 26, 36 및 46 : 금속 전극
17, 27 및 37 : 불투명 기판 48 : 유사다이아몬드 탄소 박막
28A 및 38A : 밴드갭이 4 eV인 유사다이아몬드 탄소 박막
28B 및 38B : 밴드갭이 1.2 eV인 유사다이아몬드 탄소 박막
30A 및 30B : 전계발광 디스플레이 소자
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명에 따른 전계발광 디스플레이 소자의 단면도이다.
본 발명에서는 반사율이 매우 낮은 검은 색을 띄며, 화학적으로 안정하고, 밴드갭 조절이 용이한 유사다이아몬드 탄소(이하 DLC라 함) 박막을 도입하였다. DLC 박막은 밴드갭이 1.2 eV ∼ 4 eV 정도로써 성장 조건 즉, 박막 특성의 미세한 변화에 따라 밴드갭이 변화한다. 따라서 박막 특성이 다이아몬드에 가까울수록 밴드갭이 커지고, 그라파이트(graphite)와 같이 미세결정(microcrystal)의 크기가 작아질수록 밴드갭이 작아진다. DLC 박막은 일반적으로 마이크로웨이브(microwave), ECR, 또는 고주파형(RF-type)의 플라즈마(plasma) 화학 증착법으로 성장되는데, 메탄(CH4) 또는 에탄(C2H6)등의 탄소를 함유한 화합물과 수소(H2)로 플라즈마를 형성하여, 플라즈마로부터 발생한 반응성 가스들의 화학적 반응에 의해 형성된다. 이 때 플라즈마의 조성 즉, 탄소 함유 반응 가스와 수소와의 혼합비를 변화시키거나 전력 밀도 등을 변화시킴으로써 DLC 박막의 특성을 변화시킬 수 있다.
도 2(a)는 도 1(a)의 구조에 DLC 박막을 삽입한 구조의 전계발광 디스플레이 소자의 단면도이다. 즉, 유리와 같은 투명 기판(21) 하부에 투명 전도 박막(22), 상부 절연막(23), 형광막(24) 및 하부 절연막(25)을 순차적으로 증착한 후, 밴드갭이 4 eV에 가까운 저반사율 DLC 박막(28A)을 증착하고 금속 전극(26)을 증착하여, 외부 광원에 의한 빛과 형광막(24)에서 발생하는 빛이 금속 전극(26)에 의해 반사되어 선명도가 저하되는 것을 방지한 구조이다. 이 구조는 DLC의 밴드갭이 클수록 유리하다.
도 2(b)는 도 1(b)의 경우와 같이 도 2(a) 소자의 반전 구조를 적용한 소자의 단면도이다.
도 2(c) 및 도 2(d)는 밴드갭을 가능한 낮게 제어하여 1.5 eV 이하가 되도록 성장시킨 DLC 박막(28B)을 도입하였다. 도 2(c)에 도시된 것과 같이, 유리와 같은 투명 기판(21) 하부에 투명 전도 박막(22), 상부 절연막(23) 및 형광막(24)을 순차적으로 증착한 후, 도 2(a)와는 달리, DLC 박막(28B)을 먼저 증착하고, 하부 절연막(25) 및 금속 전극(26)을 증착하였다. 이 구조는 DLC 박막(28B)의 저반사율 특성과 함께 낮은 밴드갭에 기인한 전자주입률 증가 효과를 얻을 수 있다. 이 구조에서는 밴드갭이 낮을수록 유리하다. 이러한 구조를 반전 구조 소자에서도 동일하게 구연할 수 있는데, 도 2(d)에 그 단면도를 도시하였다.
도 3(a) 내지 3(c)는 도 2(b) 및 도 2(d)와 같은 본 발명에 따른 반전 구조 소자의 실시예이다. 도 3(a)는 금속 전극(36) 하부에 박막 트랜지스터와 구동 소자 등을 미리 형성한 후, 그 위에 도 2(b)의 과정에서 제조된 전계발광 디스플레이 소자(30A)를 형성하고, 습식 식각 또는 건식 식각 방법으로 패턴을 형성한 active matrix형 전계발광 디스플레이 소자의 단면도이고, 도 3(b)는 금속 전극(36) 하부에 박막 트랜지스터와 구동 소자 등을 미리 형성한 후, 그 위에 도 2(d)의 과정에서 제조된 전계발광 디스플레이 소자(30B)를 형성하고, 습식 식각 또는 건식 식각 방법으로 패턴을 형성한 active matrix형 전계발광 디스플레이 소자의 단면도이다. 즉, 도 3(a)의 전계발광 디스플레이 소자(30A)는 금속 전극(36) 상부에 밴드갭이 4 eV 이상인 DLC 박막(38A), 상부 절연막(33), 형광막(34), 하부 절연막(35) 및 투명 전도 박막(32)이 순차적으로 형성된 구조이고, 도 3(b)의 전계발광 디스플레이 소자(30B)는 금속 전극(36) 상부에 밴드갭이 1.5 eV 이하인 DLC 박막(38B), 상부 절연막(33), 형광막(34), 하부 절연막(35) 및 투명 전도 박막(32)이 순차적으로 형성된 구조이다.
한 편, 도 3(a)의 전계발광 디스플레이 소자(30A) 제조시, 도 3(c)에 도시한 것과 같이, DLC 박막(38A)을 표면 거침도가 커지도록 성장시키면, 상부의 절연막(33) 및 형광막(34)으로부터의 전반사를 저하시켜 발생한 빛의 전면 투과율이 향상된다.
위와 같은 DLC 박막의 도입은, 절연막 없이 형광막과 그 양단의 전극만으로 구성되는 DC-구동형 전계발광 디스플레이 소자와 두꺼운 절연막 위에 형광막 및 금속 전극을 형성한 AC-구동형 전계 발광 디스플레이 소자에도 적용된다. 도 4는 본 발명에 따른 DC-구동형 전계발광 디스플레이 소자의 단면도로써, 유리와 같은 투명 기판(41) 하부에 투명 전도 박막(42), 형광막(24), DLC 박막(48) 및 금속 전극(26)을 증착하여, DLC 박막(48)이 금속 전극(26)에 의한 빛의 반사를 방지하여 강한 외부 광원 하에서도 선명도를 유지할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 DLC 박막은 화학적으로 매우 안정하고 반사율이 적은 검은색을 띄고 있으며 밴드갭이 1.2 eV ∼ 4 eV로써 박막 형성 조건에 따라 밴드갭을 조정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 DLC 박막을 전계발광 디스플레이 반사 방지용 박막으로 적용하면 금속 박막으로부터의 반사를 막아주어 강한 외부 광원 하에서도 선명한 상을 볼 수 있으며, 밴드갭을 1.5 eV 이하로 낮게 제어하여 형광막과 계면을 형성하도록 성장시키면 전자 주입 효율을 증가시켜 휘도를 향상시키는 효과를 가져온다.
본 발명에서는 통상적인 구조 및 반전된 구조의 전계발광 디스플레이 소자에서 DLC 박막을 금속 전도막과 절연막 사이, 절연막과 형광막 사이 또는 금속 전도막과 형광막 사이에 형성함으로써 금속 전극에 의한 반사를 최소화하고, 형광막에 주입되는 전자의 효율을 증대시킴으로써 휘도를 향상시키는 효과를 얻고자 하였다.

Claims (14)

  1. 양단의 전극 사이에 한 층 이상의 절연막과 한 층 이상의 형광막으로 구성된 전계발광 디스플레이 소자에 있어서,
    투명 기판 하부에 투명 전도막을 증착하는 단계와,
    상기 투명 전도막 하부에 양면이 절연막으로 형성된 형광막을 증착하는 단계와,
    상기 절연막 하부에 저반사율의 유사다이아몬드 탄소 박막 및 금속 전극을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광막은, Mn, Ce, Tb, Eu, Tm, Er, Pr, Pb 등을 포함하는 천이금속 또는 알카리 희토류 금속이 발광 중심 원자로 작용하는 금속 황화물, 알카리 토류 황화물, 금속 갈륨 황화물 및 금속 산화물 중 어느 하나가 한층 이상인 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유사다이아몬드 탄소 박막은 밴드갭이 3.6 eV 이상인 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  4. 양단의 전극 사이에 한 층 이상의 절연막과 한 층 이상의 형광막으로 구성된 전계발광 디스플레이 소자에 있어서,
    투명 기판 하부에 투명 전도막을 증착하는 단계와,
    상기 투명 전도막 하부에 상부 절연막 및 형광막을 순차적으로 증착하는 단계와,
    상기 형광막 하부에 저반사율의 유사다이아몬드 탄소 박막, 하부 절연막 및 금속 전극을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 형광막은, Mn, Ce, Tb, Eu, Tm, Er, Pr, Pb 등을 포함하는 천이금속 또는 알카리 희토류 금속이 발광 중심 원자로 작용하는 금속 황화물, 알카리 토류 황화물, 금속 갈륨 황화물 및 금속 산화물 중 어느 하나가 한층 이상인 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유사다이아몬드 탄소 박막은 밴드갭이 1.5 eV 이하인 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  7. 양단의 전극 사이에 한 층 이상의 절연막과 한 층 이상의 형광막으로 구성된 전계발광 디스플레이 소자에 있어서,
    불투명 기판 상부에 금속 전극 및 저반사율의 유사다이아몬드 탄소 박막을 순차적으로 증착하는 단계와,
    상기 유사다이아몬드 탄소 박막 상부에 양면이 절연막으로 형성된 형광막을 증착하는 단계와,
    상기 절연막 상부에 투명 전도막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 형광막은, Mn, Ce, Tb, Eu, Tm, Er, Pr, Pb 등을 포함하는 천이금속 또는 알카리 희토류 금속이 발광 중심 원자로 작용하는 금속 황화물, 알카리 토류 황화물, 금속 갈륨 황화물 및 금속 산화물 중 어느 하나가 한층 이상인 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 유사다이아몬드 탄소 박막은 밴드갭이 3.6 eV 이상인 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  10. 양단의 전극 사이에 한 층 이상의 절연막과 한 층 이상의 형광막으로 구성된 전계발광 디스플레이 소자에 있어서,
    불투명 기판 상부에 금속 전극, 상부 절연막 및 저반사율의 유사다이아몬드 탄소 박막을 순차적으로 증착하는 단계와,
    상기 유사다이아몬드 탄소 박막 상부에 형광막, 하부 절연막 및 투명 전도막을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 형광막은, Mn, Ce, Tb, Eu, Tm, Er, Pr, Pb 등을 포함하는 천이금속 또는 알카리 희토류 금속이 발광 중심 원자로 작용하는 금속 황화물, 알카리 토류 황화물, 금속 갈륨 황화물 및 금속 산화물 중 어느 하나가 한층 이상인 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 유사다이아몬드 탄소 박막은 밴드갭이 1.5 eV 이하인 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  13. 투명 기판 하부에 투명 전도 박막 및 형광막을 순차적으로 증착하는 단계와,
    상기 형광막 하부에 저반사율의 유사다이아몬드 탄소 박막 및 금속 전극을 순차적으로 증착하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 형광막은, Mn, Ce, Tb, Eu, Tm, Er, Pr, Pb 등을 포함하는 천이금속 또는 알카리 희토류 금속이 발광 중심 원자로 작용하는 금속 황화물, 알카리 토류 황화물, 금속 갈륨 황화물 및 금속 산화물 중 어느 하나가 한층 이상인 것을 특징으로 하는 전계발광 디스플레이 소자의 제조 방법.
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