KR20010094775A - 평판 표시장치의 박막 형광체 패널 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평판 표시 장치의 박막 형광체 패널에 관한 것으로,
투명 전극상에 형광체 박막이 형성되는 구조를 가진 평판 표시 장치 패널에 있어서, 상기 투명 전극과 상기 형광체 박막 사이에 중간층 박막을 삽입함으로써 형광체 박막의 결정성과 휘도 특성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 투명 전극상에 결정상을 가지는 투명한 중간층 박막을 형성함으로써 중간층 박막상에 증착되는 형광체 박막을 휘도 특성이 좋은 결정질로 형성할 수 있으므로 형광체 박막의 휘도 특성이 높게 유지되는 상태에서 고해상도 및 고생산성의 포토리소그래피 설비를 이용한 일관 생산 작업이 가능하게 된다.

Description

평판 표시장치의 박막 형광체 패널{THIN FILM PHOSPHORS PANEL FOR FLAT PANEL DISPLAY}
본 발명은 평판 표시장치의 형광체 패널(panel)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 형광체 패널을 구성하는 하나의 전극상에 형광체 박막을 형성하는 경우의 박막 형광체 패널에 관한 것이다.
화면 표시장치는 일정 면적의 화면에 각종의 정보를 표시하는 장치를 말하는 것으로, 이들 정보를 표시하기 위하여 상기 화면은 수많은 화소(pixel)들로 이루어져 있다. 종래에는 화면 표시장치로 음극선관(Cathode Ray Tube, 이하 CRT)이라고 불리우는 브라운관을 주로 이용하였으나, 최근 다수의 평판형 표시장치가 연구 및 개발되고 있다. 평판형 표시장치의 경우, 화면 표시장치의 고해상도화 및 평면 대면적화에 부응하는 동시에, 대면적화에 따라 표시장치의 부피가 급속히 커지고 중량이 현저하게 무거워지는 문제점을 해결할 수 있으므로 분야에 따라서는 음극선관브라운관을대체할 것으로 기대되고 있다.
이들 평판 표시장치 가운데 현재 가장 부각되고 일반화되고 있는 것이 액정표시 장치(Liquid Crystal Display, 이하 LCD)이다. 상기 액정 표시 장치는, 특히 액티브 매트릭스 타입(active matrix type)의 경우, 저소비전력화 및 경량화를 이룰 수 있으며 고화질에도 적합하므로 노트북 컴퓨터(note book computer) 등에 많이 사용되고 있다. 그러나 액정 표시 장치중에서 가장 부각되고 있는 박막 트랜지스터 액정 표시 장치(Thin Film Transistor LCD, TFT LCD)는 대면적화에 기술적, 비용적으로 아직 큰 어려움이 있으므로 대면적 화면 표시장치로는 투사형 LCD 외에는 실용화되지 못하고 있다.
이러한 대면적 화상 표시장치분야에 가장 부각되고 있는 것으로 발광 다이오드(Light Emission Diode, LED)와 플라즈마 디스플레이(Plama DisPlay, PDP) 등이있다. 특히 40인치 정도의 크기를 가지는 화상 표시장치 분야에서 플라즈마 디스플레이(PDP) 장치가 널리 사용이 가능하다. 이 외에도 전계 방출 디스플레이(Field Emission Display, FED), EL, VFD 등의 화면 표시장치들이 연구 및 개발되고 있다.
음극에서 발생한 열전자를 전계로 가속시키고 자계로 편향시켜 화면을 구성하는 화소의 형광체에 충돌시킴으로써 그 에너지로 화소를 발광시키는 음극선관(CRT) 디스플레이 장치와 비교하여 이들 평판형 표시장치의 발광원리를 살펴보면, 이들 평판형 표시장치 가운데 플라즈마 디스플레이(PDP) 장치는 개개의 화소에 전극을 형성하고 전극 사이의 방전에서 생긴 빛이 형광체에 작용하여 발광이 이루어지도록 하는 방법을 사용하고 있고, 전계 방출 디스플레이(FED) 장치는 CRT디스플레이 장치와 유사하게 화소에 신호가 인가되면 음극에서 추출된 전자를 전계에서 가속시켜 형광체와 충돌시키는 방법을 사용한다.
이러한 평판 표시장치에서 가장 중요한 문제가 되는 것으로 형광체의 개발이 있다. 평판 표시장치에서 형광체들은 표시장치의 구조상으로 CRT와 같은 충분한 에너지를 가지고 형광체를 여기시키지 못하므로 기존의 CRT에서 사용되는 형광체에 비해 낮은 입사 에너지에서도 고휘도를 구현할 수 있는 높은 효율의 발광 특성을 가진 형광체를 사용하여야 한다. 그러므로 평판 표시장치의 형광체의 개발은 매우 중요하고 동시에 어려운 작업이 된다.
기존에는 이러한 고휘도 특성을 가지도록 개발된 기존의 형광체들을 평판형 표시장치에 사용시, 분말의 형태로 만든 다음 투명전도막 위에 후막법(thick film method)을 사용하여 코팅하는 방법을 주로 사용하고 있다. 후막법이란 대략 10 ㎛이하의 막을 형성하는 박막법과 대비할 때 수십 ㎛ 정도의 두께로 막을 형성하는 방법이며 실크 스크린(silk screen) 방법 등을 주로 사용한다.
일반적으로 화면 표시장치의 화소부 형광체를 형성함에 있어서, 해상도를 높이고 생산성을 높이기 위해서는 정밀한 작업에 적합한 포토리소그래피(photo lithography) 및 에칭(etching) 방법을 적용하고 규격화된 자동 설비를 사용하여 일관 작업을 하는 것이 바람직하다. 또한 이러한 작업에서 형광체는 반드시 박막으로 형성되는 것을 전제로 하지는 않지만, 화면의 고정세화에 따라 형광체가 박막으로 형성되는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고 위에서 언급한 바와 같이 실제공정에서 후막법을 많이 사용하는 것은, 기존의 실험에 의하면 박막 형광체의 특성이 분말에 의한 후막법으로 형성되는 것에 비하여 휘도가 매우 저하되기 때문이다. 이와 같이 박막법을 사용할 때 휘도가 저하되는 원인은 후막법으로 형성하는 파우더의 상(phase)을 형광체막 특성에 가까운 양질의 결정질 박막으로 제조하기 어렵다는 것에 있다.
도 1은 기존의 형광체 박막 및 전극의 형성상태를 나타내는 단면도이다. 유리 기판(11)상에 ITO(Indium Tin Oxide)막(13)으로 형성된 투명 전극이 적층되어 있고, 상기 투명 전극상에 징크 갈레이트 (ZnGa2O4)계 박막(15) 또는 디탄산칼슘막(CaTiO3)계 박막(15')이 형성되어 있다. 상기 징크 갈레이트는 결정구조상 스피넬(spinnel)계에 속하는 물질로 순수한 징크 갈레이트와 망간(Mn)이 도핑된 징크 갈레이트가 각각 파란색, 녹색 발광 형광체로 사용될 수 있는 물질들이다. 한편, 티탄산칼슘은 결정구조상 페로브스카이트(perovskite)계로서프로세오디뮴(Pr)등의 희토류 원소를 도핑하여 적색 발광 형광체로 사용될 수 있다. 상기 ITO 막은 투명 전극으로 사용되는 물질막중에서 전기저항이 가장 낮은 수준이므로 널리 사용되고 있으며, 200℃ 정도의 온도에서 스퍼터렁(sputtering)으로 형성되는 것이 일반적이다. 이와 같이 형성되는 상기 ITO 막은 도3의 (A)와 같이 결정질(crystalline)이라기보다는 비정질(amorphoous) 상태에 가깝고 비정질의 하지막 상에 양질의 결정질 막을 성장시키는 것은 실험적으로 한계가 있다. 따라서 비정질 ITO 막상에 형광체 박막을 증착시키는 경우에 상기 형광체 박막은 결정질로 성장하기 어렵게 된다.
이러한 사실은 특정의 결정 구조에 대해 뚜렷한 피크(Peak)를 보이는 X선 회절법을 이용한 분석으로부터 알 수 있다. 즉, 후막법에 사용되는 징크 갈레이트(ZnGa2O4) 결정질 분말을 X선 회절법으로 분석한 결과에서는 주 결정면이 되는(311)결정면에서 뚜렷한 피크를 보이는데 비해, ITO 막상에 증착되어 형성되는 징크 갈레이트막(15)의 (311)결정면에 대해서는 같은 X선 회절법으로 분석하여도 도4의 (A)와 같이 약한 피크가 형성된다. 이러한 사실은 ITO상에 증착된 막은 결정의 성질이 약한 것을 보여주는 것이다. 티탄산칼슘의 경우에도 마찬가지로 ITO 막상에서 증착된 티탄산칼슘(15')은 도6의 (A)와 같이 약한 X선 회절피크가 나타나는 것으로 보아 결정성이 낮음을 알 수 있다.
한편, ITO 막상에 결정질의 형광체 박막을 형성하기 위해 ITO 막을 결정질로 형성하는 경우 많은 그레인(grain) 계면(surface)에서의 저항으로 인하여 전극으로서의 성격이 매우 약화되는 문제가 발생하므로 ITO 막를 결정질로 형성하는 것도문제가 있다.
결국 투명 전극으로 비정질 ITO 막를 사용하는 종래의 기술에 의하면 고휘도 특성을 가지는 양질의 결정질 형광체 박막을 형성할 수 없으므로 높은 생산성을 유지하면서 해상도가 높은 고정세의 평판 표시장치를 양산하는 것은 어렵게 되는 문제가 발생한다.
본 발명에서는 상기 문제를 해결하기 위하여 투명 전극 및 형광체 박막을 순차적으로 형성하는 동시에 상기 형광체 박막이 고휘도 특성을 가질 수 있는 결정질의 결정구조를 가지도록 개선된 새로운 평판 표시장치의 박막 형광체 패널을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 기존의 ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극 및 형광체 박막을 순차적으로 형성한 상태를 나타내는 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 ITO 및 형광체 박막 사이에 결정질의 산화아연(ZnO) 투명 박막을 형성한 상태를 나타내는 측단면도이다.
도 3의 (A)는 도 2의 실시예에서 양극투명전극으로 사용된 ITO막을 X선 회절법을 이용하여 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3의 (B)는 도 2의 실시예에서 양극투명전극으로 사용된 ITO막상에 스퍼터링 방법으로 증착된 결정질 산화아연(ZnO) 투명 박막을 X선 회절법을 이용하여 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4의 (A)는 도 1의 종래기술에서 양극투명전극으로 사용된 ITO막상에 스퍼터링 방법으로 증착된 징크 갈레이트(ZnGa2O4)막을 X선 회절법을 이용하여 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4의 (B)는 도2의 본 발명의 실시예에 따라서 양극투명전극인 ITO막상에 결정질 산화아연 투명 박막을 증착하고 상기 산화아연 투명 박막상에 스퍼터링 방법으로 증착된 징크 갈레이트 막을 X선 회절법을 이용하여 분석한 결과를 나타내는도면이다.
도 5는 도 4의 (A)와 (B)의 각 경우에 대하여 망간이 도핑된 징크 갈레이트형광체 박막의 음극발광(cathodoluminescence)특성 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6의 (A)는 도 1의 종래기술에서 양극투명전극인 ITO막상에 증착된 티탄산칼슘(CaTiO3)막을 X선 회절법을 이용하여 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6의 (B)는 도 2의 본 발명의 실시예에 따라서 양극투명전극인 IT0막상에 결정질 산화아연 투명 박막을 증착시키고 상기 산화아연 투명 박막상에 스퍼터링 방법으로 증착시킨 티탄산칼슘막을 X선 회절법을 이용하여 분석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 (A)와 (B)의 각 경우에 대하여 프로세오디뮴(Pr)이 도핑된 티탄산칼슘의 음극발광특성결과를 나타내는 그래프이다.
*도면 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 유리 기판 13 : ITO막 (Indium Tin Oxide layer)
15, 15'' : 징크 갈레이트막(ZnGa204)
17 : 산화아연막
15' ,15''' : 티탄산칼슘막(CaTiO3)
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평판 표시장치 패널은 투명전극상에 형광체 박막을 형성하는 구조를 가진 평판 표시장치의 박막 형광체 패널에 있어서, 상기 투명전극과 상기 형광체 박막 사이에 결정질의 투명 박막을 삽입시키되, 상기 투명 박막은 결정성을 가지는 막질로 이루어지며, 상기 결정성 투명 박막을 삽입함으로 인하여 상기 투명 박막상에 증착되는 형광체 박막은 고품질의 결정질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 투명 전극과 상기 형광체 박막 사이에 삽입되는 결정질 투명 박막으로는 산화 아연(ZnO)이 일반적으로 사용될 수 있다. 산화 아연의 경우 유리나 비정질 기판면에서 성장시킬 경우 대개는 기판면과 수직인 C-축으로 나란히성장하여 C-축 배향성 다결정 구조를 이루게 된다. 따라서 비정질에 가까운 ITO막(13)상에서 성장시킨 ZnO막(17) 역시 도3의 (B)와 같이 C-축 배향성이 뛰어난 결정구조를 이루게 된다. 동시에 상기 산화 아연은 가시광선이 90% 이상 통과하며, 전기적 도전성을 가지고 있으므로 삽입층으로 사용하여도 형광체 패널의 특성에는 영향을 주지 않게 된다.
상기 형광체 박막으로는 순수한 징크갈레이트 및 소량의 망간이나 크롬 등의 활성제가 도핑된 징크 갈레이트 등의 징크 갈레이트계 물질, 그리고 보다 넓게는 결정 구조상 스피넬(spinel)계 결정 구조를 가지는 형광체 박막이 전반적으로 사용될 수 있다. 또한 순수한 티탄산칼슘 및 프로세오디뮴 등의 활성제가 소량 도핑된 티탄산칼슘계 물질, 그리고 보다 넓게는 결정구조상 페로브스카이트(perovskite)계 결정 구조를 가지는 형광체 박막도 전반적으로 사용될 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 형광체막의 종류에 따라서 좀 더 자세히 살펴보기로 한다.
(제 1실시예)
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 IT0 막 및 형광체 박막 사이에 결정질의 산화아연(ZnO) 투명 박막을 형성한 상태를 나타내는 측단면도이다. 도 2에서 보는 바와 같이 유리 기판(11)상에 형성되는 ITO 투명전극(13)상에 결정질의 투명 산화 아연막(17)이 형성된다. 상기 투명 산화 아연막(17)상에 징크 갈레이트(ZnGa2O4)막(15'')이 증착된다. 상기 산화 아연은 200∼300℃ 정도의 온도에서 스퍼터링(sputtering)을 통하여 형성되며 일반적으로는 기판면과 수직인 C-축배향성다결정질을 가지도록 형성된다. 상기 투면 산화 아연막(17)상에 형성되는 징크 갈레이트는 C-축 배향성 다결정의 하지막의 영향으로 역시 양질의 결정질을 이루면서 형성된다.
이와 같은 결과를 확인하기 위하여 상기 구조물을 X선 회절법을 이용하여 분석하면 (311)결정면에 대해 결정질 분말에서 볼 수 있는 결정 특유의 피크가 도4의 (B)와 같이 뚜렷하게 나타나는 것을 통해 알 수 있다. 이 결과는 종래 기술에 의한 결과인 도4의 (A)와 비교시 결정질이 더욱 뚜렷하게 발달되었음을 알 수 있다. 이때 상기 산화 아연막(17)이 결정질을 나타내는 것도 도3의 (B)와 같은 X선 회절법의 분석결과를 통해 알 수 있다. 도 3의 (B)에서 알 수 있는 바와 같이 (002)결정면에 대해 뚜렷한 피크가 나타나 있다. 여기서 소량의 원소가 도핑된 징크 갈레이트나 순수한 징크 갈레이트에서 결정질의 품질에는 차이점이 없다.
도5는 투명 전극 IT0 막과 형광체 박막 사이에 결정질의 산화 아연막을 삽입한 경우(B)와 삽입하지 않은 경우(A) 각각에 대하여 망간이 도핑된 징크 갈레이트(ZnGa2O4:Mn) 형광체 박막의 음극 발광(Cathodoluminescence) 특성 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 이때 상기 형광체 박막은 온도 550℃, 고진공 상태에서 아르곤 80%, 산소 20% 비율로 반응 가스를 투입하면서 150W의 스퍼터 설비 전력으로 스퍼터링을 통해 형성된 것이며 박막 형성 후 700℃ 온도로 어닐링(annealing)한 것이다.
상기 징크 갈레이트의 융점은 1400℃ 정도의 고온이나 700℃ 정도의 어닐링을 통해 결정질 내에서의 기공(vacancy), 결정 변위(dislocation) 등의 손상을 복구하여 결정성을 높이고 휘도의 향상을 가져올 수 있다.
도 5의 그래프를 통하여 알 수 있듯이 결정질 산화 아연 막을 IT0 막과 형광체 박막사이에 삽입한 본 발명에 따른 실시예에서의 휘도(Brightness)는 종래의 산화아연막을 삽입층으로 사용하지 않는 것에 비해 약 2배 이상의 증가하는 효과를 보인다.
(제 2 실시예)
도 6의 (B)는 본 발명의 실시예에 따라서 투명전극 ITO 막(13)상에 결정질의 산화 아연막(17)을 형성하고 상기 결정질 산화 아연막(17)상에 성장시킨 티탄산칼슘(CaTiO3)막(15''')의 X선 회절분석결과이다. 종래 기술에 의해 형성된 도 6의 (A)와 비교시 티탄산 칼슘막에서의 결정질 구조가 더욱 잘 발달되었음을 알 수 있다. 여기서 소량의 원소가 도핑된 티탄산칼슘막이나 순수한 티탄산칼슘막이나 결정질의 품질에는 차이가 없다.
도 7은 본 실시예 (B)와 종래의 기술(A)로 제작된 각각 프라세오디뮴이 도핑된 티탄산칼슘의 음극발광특성을 나타낸 그래프이다. 본 실시예에 따른 형광체 박막은 양질의 결정성을 가지고 있으므로 도 7의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 종래의 기술에 따른 휘도에 비하여 약 2배 이상의 고휘도를 가지게 된다.
본 발명에 따르면 투명 전극상에 결정상을 가지는 투명한 중간층 박막을 형성함으로써 중간층 박막상에 증착되는 형광체 박막을 휘도 특성이 좋은 결정질로 형성할 수 있으므로 형광체 박막의 휘도 특성이 높게 유지되는 상태에서 고해상도및 고생산성의 포토리소그래피 설비를 이용한 일관 생산 작업이 가능하게 된다.

Claims (6)

  1. 투명 전극상에 형광체 박막이 형성되는 구조를 가지는 평판 표시장치 박막 형광체 패널에 있어서, 상기 투명 전극과 형광체 박막 사이에 투명 결정질 박막이 삽입되며, 상기 삽입개재되는 투명 결정질 박막상에 형성되는 상기 형광체 박막이 결정질로 성장되는 것을 특징으로 하는 평판 표시장치의 박막 형광체 패널.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 결정질 박막은 산화아연(ZnO) 박막인 것을 특징으로 하는 평판표시장치의 박막 형광체 패널.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화아연 박막은 C-축 배향성 결정질 박막이며, 상기 형광체 박막은 스퍼터링 방법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 평판표시장치의 박막 형광체 패널.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 형광체 박막은 스피넬(spinel)계 및 페로브스카이트(perovskite)계 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 평판표시장치의 박막 형광체 패널.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 형광체 박막은 징크 갈레이트(ZnGa2O4)계 및 티탄산칼슘(CaTiO3)계 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 평판 표시장치의 박막 형광체 패널.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 형광체 박막은 망간이 도핑된 징크 갈레이트 및 프로세오디뮴(Pr)이 도핑된 티탄산칼슘인 것을 특징으로 하는 평판 표시장치의 박막 형광체 패널.
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