KR20000051875A - 평탄한 계면을 갖는 전계발광 소자 및 제조방법 - Google Patents

평탄한 계면을 갖는 전계발광 소자 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리기판(1)의 상부에 순차적으로 투명 도전막(2), 삽입층(3), 하부 고유전율 절연층(4), 발광층(5), 삽입층(6), 상부 고유전율 절연층(7) 및 상기 상부 고유전율 절연층(7)의 상부에 부분적으로 증착된 배면전극(8)으로 구성된 것을 특징으로 하는 전계발광 소자에 관한 것으로, 유리기판과 고유전율 박막층의 사이에 삽입층을 도입하여 표면특성이 평탄한 하부 절연층을 구현하여 다결정질의 고유전율 절연막을 사용한 전계발광 소자에서 전기장을 균일하게 분포시킴으로써 소자의 안정성을 높였을 뿐만 아니라, 표면 거칠기의 감소로 전기장분포가 균일하며 매우 안정적인 발광을 얻어내는 효과가 있다.

Description

평탄한 계면을 갖는 전계발광 소자 및 제조방법{ELECTROLUMINESCENT DEVICE HAVING FLAT SURFACE AND ITS FABRICATING METHOD}
본 발명은 전계발광(electroluminescence) 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 유리기판과 고유전율 박막층의 사이에 삽입층을 도입하여 표면특성이 평탄한 하부절연층을 제조하고 이의 상부에 발광층을 형성시킴으로서 전계발광 화소내부의 전기장 분포를 균일하게 함으로써 소자의 안정성을 높이는 구조 및 제조방법에 관한 것이다.
교류구동형 박막 전계발광 소자는 완전고체소자로서 내환경성이 뛰어나 산업자동화, 의료, 우주, 군사용의 각종 표시시스템으로 우선적으로 채택되고 있으며, 박막 전계발광 소자의 휴대 가능한 저전력 소모형의 소자 구조 개발과 완전 천연색화에 연구노력이 집중되고 있다. 특히 저전력 소모형의 소자구조를 개발하기 위해서는 전기용량이 매우 큰 고유전율 절연박막의 개발이 선행되어야 하며 또한 이를 발광층과 적층하는 공정, 동작효율과 신뢰성이 가능한 구조개발 및 성능 최적화 등이 필요하다.
일반적으로 교류 구동형 전계발광 소자는 MV/cm 이상의 고전기장이 인가될 때 발광층 내에서 전자가 전기장으로부터 에너지를 얻어 발광중심을 여기 완화시켜 빛을 발생하게 된다. 즉, 발광층과 절연층사이의 계면에 위치하는 전자들이 발광층 내부로 주입되어 빛의 발생과정이 개시되며 그 계면에서 주입되는 전자의 수는 전기장의 세기, 계면준위의 구속 에너지, 계면상태의 점유도, 계면의 전자밀도에 직접적으로 관계하며 이러한 전자의 수는 최종적으로 전계발광 소자의 휘도 및 발광 효율에 영향을 주게 된다. 따라서, 이 분야에서 계면에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 왔으며 주로 절연박막 재료와 박막 공정을 변화시킴으로써 계면특성을 조절해 왔다.
종래의 고유전율 절연층을 갖는 전계발광 소자는 유리기판 상부에 순차적으로 투명 도전막, 하부 고유전율 절연층, 발광층, 상부 고유전율 절연층, 배면전극의 순으로 구성되어 있다. 이와 같은 종래 고유전율 절연층을 갖는 전계발광 소자의 계면 특성을 개선하기 위하여 최근에는 우수한 절연성과 유전성을 갖는 적층 구조의 BaTiO3절연박막이 개발되었다. 즉, 유전특성이 우수한 다결정 BaTiO3박막의 상부에 비정질 BaTiO3층을 적층한 이중층 구조의 BaTiO3박막은 높은 유전상수와 우수한 절연특성을 동시에 나타내었다(Journal of the Korean Ceramic Society Vol.32, 1995에 수록된 "새로운 적층 방법으로 제조된 고품위 비정질/다결정 BaTiO3적층박막의 특성과 교류구동형 박막 전기 발광 소자에의 응용", Journal of applied physics (USA) Dec. 15, 1997 및 Solid State Electronics (Netherlands), Sep. 1998에 개재한 본 발명자의 논문 참조).
그러나, 이와 같은 다층구조의 강유전체 절연막으로 하부층으로 형성하는 다결정성 박막의 제조온도가 통상 400℃ 이상의 고온에서 이루어지므로 하부의 전극 (통상 투명 전극재료인 ITO, ZnS:Al 등이며 역구조의 TFEL 소자에서는 고융점 금속에 해당함) 및 기판 특성에 따라 막의 부착강도 및 최종적인 절연특성이 크게 변화된다. 특히, 투영전극의 표면 거칠기, 결함, 조성과 하부기판으로부터의 이온 유영 등의 효과를 차단하는 구조가 개발될 필요가 있다. 특히, 고온 공정에서 하부전극과 상호작용으로 인한 하부전극-유전체 사이의 계면이 크게 흐트러지며 동시에 최종적으로 형성되는 유전체 박막의 표면의 거칠기가 현저하게 증가된다. 이 때, 표면에 나타나는 hillock이나 뾰족 돌출부들은 TFEL과 같은 고전기장하에서 동작된 소자에서는 국부적인 치명적 손상을 일으키는 직접적인 원인이 된다. 따라서, 발광층과 인접하게 형성되는 절연박막의 표면 거칠기를 최소화함으로써 인가된 전기장이 고르게 분포되도록 함으로써 안정한 장수명 TFEL 소자를 구현할 수 있다. 한편, 거친 계면을 가지는 절연층을 사용한 TFEL 소자의 turn-on 특성곡선이 매우 완만하기 때문에 구동시 필요한 변조 전압 폭이 커지고 소모전력도 높아지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 선행기술의 문제점을 해결하고자 고유전율 절연층을 갖는 전계발광 소자 구조에 있어서, 유리기판과 고유전율 박막층 사이에 삽입층을 도입하여 고유전율 특성은 유지하되 절연층과 발광층 사이의 계면을 평탄화할 수 있는 구조와 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 고유전율 절연층을 갖는 종래의 전계발광(electroluminescence) 소자의 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 삽입층을 가지는 전계발광 소자의 단면도.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 소자의 표면평탄화 효과를 나타낸 확대도.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 소자의 표시특성과 종래의 소자와의 휘도-인가전압 특성의 비교도.
본 발명은 전계발광(electroluminescence) 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 유리기판과 고유전율 박막층의 사이에 삽입층을 도입하여 표면특성이 평탄한 하부절연층을 제조하고 이의 상부에 발광층을 형성시킴으로서 전계발광 화소내부의 전기장 분포를 균일하게 함으로써 소자의 안정성을 높이는 구조 및 제조방법에 관한 것이다.
이하 본 발명의 전계발광 소자의 구조 및 제조방법에 관하여 첨부한 도면을 참고로 하여 설명한다.
도 1은 종래의 고유전율 절연층을 갖는 전계발광 소자의 단면도로서 유리기판(1) 의 상부에 순차적으로 투명 도전막(2), 하부 고유전율 절연층(3), 발광층(4), 상부 고유전율 절연층(5) 및 상기 상부 고유전율 절연층(5)의 상부에 부분적으로 증착된배면전극(6)으로 구성되어 있으며, 투명 도전막(2)과 배면전극(6)에 전기장이 인가되면 상부 또는 하부 절연층(3 및 5)과 발광층(4)의 계면에서 전자가 발광층(4) 내부로 주입되면서 빛의 발광과정이 시작된다.
도 2는 본 발명에 의한 전계발광 소자의 단면도로서 유리기판(1)의 상부에 순차적으로 투명 도전막(2), 삽입층(3), 하부 고유전율 절연층(4), 발광층(5), 삽입층(6), 상부 고유전율 절연층(7) 및 상기 상부 고유전율 절연층(7)의 상부에 부분적으로 증착된 배면전극(8)으로 구성되어 있다.
상기와 같은 구성의 전계발광 소자는 유리기판(1)에 투명 도전막(2)을 코팅하는 단계와; 투명도전막위에 물리적 또는 화학적 증착방법에 의해 삽입층(3)을 형성하는 단계와; 삽입층위에 반응성 스퍼터법을 이용하여 고유전율 하부 절연층(4)을 형성하는 단계와; 하부 절연층위에 전자선 증착법, 스퍼터법 또는 MSD(multi sources deposition)법을 사용하여 발광층(5)을 형성하는 단계와; 발광층의 상부에 물리적 또는 화학적 증착방법에 의해 삽입층(6)을 형성하는 단계와; 삽입층위에 반응성 스퍼터법을 이용하여 고유전율 상부 절연층(7)을 형성하는 단계와; 상부 고유전율 절연층의 상부에 부분적으로 증착시켜 불투명 반사 전극인 배면전극(8)을 형성하는 단계로 구성된다.
상술한 본 발명의 전계발광 소자의 제조방법을 구체적으로 살펴보면, 유리기판(1)에 투명 도전막(2)을 코팅하는 단계는, 투명도전막이 코팅된 유리를 기판재료로 바로 사용할 수 있고, 투명도전막으로는 ITO:Sn(Sn이 도핑된 ITO) 또는 ZnO:Al 등을 사용할 수 있으며 유리기판으로서는 Corning 7059, Hoya NA40, Sodalime glass 등이 사용될 수 있다. 유리기판위에 형성된 투명도전막의 상부에 SiO2, SiON, Y2O3또는 MgO 등을 10-70nm 두께로 증착하여 삽입층(3)을 형성한다. 증착조건은 기판온도를 100-300℃ 이하로 유지하며 증착하되 SiO2, Y2O3의 경우는 산소빈자리를 줄이기 위하여 전자선 증착법을 사용할 경우 O2분위기에서 반응성 e-빔(beam) 증착하며 증착율은 3-8 Å/sec의 낮은 속도를 유지한다. 이어서 증착된 상기 삽입층위에 공정온도가 300℃ 이상이 요구되는 하부 절연박막층(4)을 반응성 스퍼터법이나 ALE법을 사용하여 형성하며 박막재료로써는 BaTiO3, SrTiO3또는 BaTiO3-SrTiO3의 화합물을 사용한다. 이때 기판온도는 400-550℃까지 가변될 수 있으며, 분위기 기체의 조성은 Ar:O2의 비를 50-80% : 50-20%로 유지하고 200nm 두께로 형성한다. 하부 절연층의 상부에 전자선 증착법, 스퍼터법, ALE법 또는 MSD(multi sources deposition)법을 사용하여 발광층(5)을 형성한다. 발광층을 형성하는 재료로는 ZnS, SrS, CaS, CaGa2S4, SrGa2S4또는 BaGa2S4등이 이용될 수 있으나 이들의 혼합물을 모체로 하고 전이 금속(예를 들어 Mn) 또는 희토류 원소(예를 들어, Tb, Ce, Cu, Tm, Eu, Pb, Pr등)를 첨가한 단일 발광막이나, 다층발광막 구조를 이용할 수 있다. 다음으로 발광층의 상부에 SiON, SiO2, Si3N4박막을 10-80nm 두께로 삽입층(6)을 형성한다. 이후 상부 고유전율 절연막(7)을 형성하는데, 상부의 고유전율 절연막의 증착은 하부와는 달리 기판온도를 200-300℃로 유지한다. 마지막으로 불투명 반사전극(예를 들면, Al 전극)을 적절한 두께(예를 들면, 100-300nm)로 형성하여 본 발명의 소자구조를 완성한다.
도 3은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 전계발광 소자의 계면평판화 효과를 나타내는 확대도로서 종래의 전계발광 소자의 계면에 비하여 계면이 상당히 평판화되었음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 평탄화된 계면을 가지는 TFEL 소자와 종래와 같은 거칠기를 갖는 소자에 대한 인가전압에 따른 표시특성을 비교하여 나타낸 그림이다. 종래의 거칠기를 갖는 소자의 경우 임계 크기 이상의 전압이 인가된 경우 치명적인 항복현상을 초래하는 반면, 평탄화된 계면을 갖는 소자의 경우 동작전압의 폭이 넓고 매우 안정적인 발광특성을 나타내는 것을 보여주고 있다.
본 발명은 유리기판과 고유전율 박막층의 사이에 삽입층을 도입하여 표면특성이 평탄한 하부절연층을 구현하여 다결정질의 고유전율 절연막을 사용한 전계발광 소자에서 전기장을 균일하게 분포시킴으로써 소자의 안정성을 높였을 뿐만 아니라, 표면 거칠기의 감소로 전기장분포가 균일하며 매우 안정적인 발광을 얻어내는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 유리기판(1)의 상부에 순차적으로 투명 도전막(2), 삽입층(3), 하부 고유전율 절연층(4), 발광층(5), 삽입층(6), 상부 고유전율 절연층(7) 및 상기 상부 고유전율 절연층(7)의 상부에 부분적으로 증착된 배면전극(8)으로 구성된 것을 특징으로 하는 전계발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 삽입층(3 및 6)이 SiO2, SiON, Y2O3또는 MgO로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 고유전율 절연층(4) 및 상부 고유전율 절연층(7)이 BaTiO3, SrTiO3또는 BaTiO3-SrTiO3으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 발광층(5)은 ZnS, SrS, CaS, CaGa2S4, SrGa2S4, BaGa2S4또는 이들의 혼합물을 모체로 하고 전이 금속이나 희토류 원소를 단일 또는 이원으로 첨가한 화합물로 이루어지는 단일 발광막 또는 다층의 발광막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전계발광 소자.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전이 금속이 Mn인 것을 특징으로 하는 전계발광 소자.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 희토류 원소는 Pr, Ce, Eu, Cu, Pb, Sm 및 Tb로 이루어지는 군중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전계발광 소자.
  7. 유리기판(1)에 투명 도전막(2)을 코팅하는 단계와; 투명도전막위에 물리적 또는 화학적 증착방법에 의해 삽입층(3)을 형성하는 단계와; 삽입층위에 반응성 스퍼터링법을 이용하여 고유전율 하부 절연층(4)을 형성하는 단계와; 하부 절연층위에 전자선 증착법, 스퍼터법 또는 MSD(multi sources deposition)법을 이용하여 발광층(5)을 형성하는 단계와; 발광층의 상부에 물리적 또는 화학적 증착방법에 의해 삽입층(6)을 형성하는 단계와; 삽입층위에 반응성 스퍼터링법을 이용하여 고유전율 상부 절연층(7)을 형성하는 단계와; 상부 고유전율 절연층의 상부에 부분적으로 증착시켜 불투명 반사 전극인 배면전극(8)을 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 전계발광 소자의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 삽입층(3)의 두께가 10-70nm 이고 상기 삽입층(6)의 두께가 10-80nm인 것을 특징으로 하는 전계발광 소자의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 하부 고유전율 절연박막층(4)을 기판온도 400-550℃, 분위기 기체의 조성은 Ar:O2의 비를 50-80% : 50-20%로 유지하며 200nm 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 전계발광 소자의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 상부 고유전율 절연막(7)을 기판온도 200-300℃로 유지하며 형성하는 것을 특징으로 하는 전계발광 소자의 제조방법.
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