KR20050110792A - 능동 구동형 유기 ｅｌ 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 능동 구동형 유기 EL 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 하부 발광방식 능동구동형 유기 EL 소자를 제작 할 경우, 불순물이 주입된 반도체층, 게이트 절연막, 게이트 전극, 층간 절연막, 및 금속 전극의 순차적 적층으로 저장 캐패시터를 형성하여 저장 캐패시터가 차지하는 영역을 줄임으로써, 고 개구율의 유기 EL 소자 제작이 가능하며, 이로 인해 고효율, 저 소비전력, 장수명의 유기 EL 디스플레이를 구현할 수 있다.

Description

능동 구동형 유기 ＥＬ 소자 및 그 제조 방법{Active Matrix Organic Electro-Luminescence Device and fabricating method for the same}
본 발명은 능동구동형 유기 EL(Active Matrix Organic Electro-Luminescence ; AMOLED) 디스플레이 제작 방법에 관한 것으로 특히, 저장 캐패시터가 차지하는 영역을 줄여서 고개구율의 AMOLED 디스플레이를 제작하는 방법 및 소자에 관한 것이다.
일반적으로 유기 EL 소자는 전자(electron) 주입 전극(cathode)과 정공(hole) 주입전극(anode)으로부터 각각 발광층 내부로 주입된 전자(electron)와 정공(hole)이 여기(exciton) 상태를 거쳐 다시 재결합하는 것에 의해 발광하는 소자이다. 이때 발광 메카니즘으로서는 LED에 가까워 OLED(Organic Light Emitting Diode)라고도 한다.
이러한 원리로 인해 종래의 박막 액정표시소자와는 달리 별도의 광원을 필요로 하지 않으므로 소자의 부피와 무게를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 유기 EL 소자는 고품위 패널 특성(즉 저전력, 고휘도, 고반응속도, 저중량)을 나타낸다. 이러한 특성 때문에 OLED는 이동통신 단말기, CHS, PDA, Camcorder, Palm PC등 대부분의 소비자(consumer) 전자 응용제품에 사용될 수 있는 강력한 차세대 디스플레이로 여겨지고 있다. 또한 제조 공정이 단순하기 때문에 생산원가를 기존의 LCD보다 많이 줄일 수 있는 장점이 있다.
이러한 유기 EL 소자를 구동하는 방식은 별도의 스위칭 소자를 구비하지 않는 수동 구동형(passive matrix type)과 별도의 스위칭 소자를 구비하는 능동 구동형(active matrix type)으로 나눌 수 있다.
상기 수동 구동형 방식에서는 주사선(scan line)과 신호선(signal line)이 교차하면서 매트릭스 형태로 소자를 구성한 후, 각각의 픽셀을 구동하기 위하여 주사선을 시간에 따라 순차적으로 구동한다. 그러므로 요구되는 평균 휘도를 나타내기 위해서는 평균 휘도에 라인수를 곱한 것만큼의 순간 휘도를 내야만 한다. 즉 상기 수동 구동형 유기 EL소자는 그 구성이 단순하여 제조 방법 또한 단순 하나 높은 소비전력과 표시소자의 대면적화에 어려움이 있으며, 배선의 수가 증가하면 할 수록 개구율이 저하되는 단점이 있다.
반면 능동 구동형 유기 EL 소자는 높은 발광효율과 고 화질을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 능동 구동형 유기 EL 소자(AMOLED)의 한 화소에 대한 회로 구조를 도시한 것으로서, 능동 구동형 유기 EL 소자의 한 화소는 각 화소 부분을 스위칭해주는 스위칭(switching)용 박막 트랜지스터(보통 다결정 실리콘 박막트랜지스터)(11), 구동(driving)용 박막 트랜지스터(12), 저장 커패시터(CST ; storage capacitor)(13), 및 발광 다이오드(OLED)(14)로 구성된다. 상기 발광 다이오드(14)는 발광에 의해 적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 표현하게 된다.
여기서 상기 스위칭용 박막트랜지스터(11)의 게이트 전극은 주사 라인(scan line)과 연결되고, 소스 전극은 데이터 라인과 연결되며, 드레인 전극은 구동용 박막트랜지스터(12)의 게이트 전극과 연결되어 있다. 상기 구동용 박막트랜지스터(12)의 드레인 전극은 발광 다이오드(14)의 화소전극(anode)과 연결되고, 소스 전극은 전압 공급 라인(VCC)과 연결되며, 발광 다이오드(14)의 공통전극(cathode)은 접지되어 있다. 그리고 저장 커패시터(13)는 전압 공급 라인(VCC)과 구동용 박막트랜지스터(12)의 게이트 전극 사이에 연결되어 있다.
따라서, 주사 라인을 통해 신호가 인가되면 스위칭용 박막 트랜지스터(11)가 온(on)되고, 데이터 라인으로부터의 화상 신호가 스위칭용 박막 트랜지스터(11)를 통해 저장 커패시터(13)에 저장된다. 이 화상 신호는 구동용 박막트랜지스터(12)의 게이트 전극에 전달되어 구동용 박막 트랜지스터(12)를 작동시켜 발광 다이오드(14)를 통해 빛이 출력되는데, 이때 발광 다이오드(14)에 흐르는 전류를 제어함으로써 휘도를 조절한다. 그리고 스위칭용 박막 트랜지스터(11)가 오프(off)되더라도 저장 커패시터(13)에 저장된 전압 값에 의해 구동용 박막트랜지스터(12)를 구동하기 때문에, 다음 화면(frame)의 화상 신호가 들어올 때까지 계속적으로 전류가 발광 다이오드(14)로 흘러 빛을 발하게 된다.
그러므로 능동 구동형 방식에서는 낮은 전류를 인가하더라도 동일한 휘도를 나타내므로 저소비전력, 고정세, 대형화가 가능한 장점을 가진다.
즉 발광 다이오드(14)에 순방향으로 전류를 공급하면, 정공 제공층인 화소전극(anode)과 전자 제공층인 공통전극(cathode) 간의 P-N 접합 부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하여 상기 전자와 정공이 떨어져 있을 때보다 작은 에너지를 가지게 됨으로써, 이때 발생하는 에너지 차로 인해 빛을 방출한다.
이러한 유기 EL 소자는 발광 다이오드(14)에서 발광된 빛의 진행 방향에 따라 즉, 화소전극 및 공통전극의 투명성에 따라 상부 발광방식(top emission)과 하부 발광방식(bottom emission)으로 나뉜다.
상기 상부 발광방식은 불투명 기판 위에 유기 EL 소자를 형성하고, 투명 전극을 맨 마지막으로 공정하여 빛이 기판의 반대방향으로 나오도록 하는 구조이다. 상기 하부 발광방식은 음극(cathode) 물질로 쓰이는 물질이 거울 반사면의 역할을 하기 때문에 유기 EL 소자의 발광층(emitting layer)에서 발생한 빛이 절반은 투명 전극(anode)쪽으로 나오고, 나머지 절반은 음극 물질에 반사되어 투명 전극(anode)쪽으로 나오게 된다.
따라서 상기 상부 발광 방식은 박막트랜지스터 디자인에 있어 자유도가 높고, 개구율 향상이 가능하기 때문에 수명이 긴 장점이 있지만, 투명 또는 반투명 공통전극에 의해 투과도가 제한되어 광효율이 저하되는 한편 광투과도의 손실을 최소화하기 위해 박막형 보호막을 구성하기 때문에 충분히 외기를 차단하지 못하는 문제점이 있다. 상기 하부 발광방식은 유기 EL 소자를 캡슐화시 안정되고, 공정의 자유도가 높은 반면 개구율의 제한이 있어 고해상도의 제품에 적용하기 힘든 문제점이 있다.
도 2는 종래의 하부 발광방식 유기 EL 소자의 구조에 대한 개략적인 평면도로서, 기판에 정의된 각 화소마다 스위칭용 박막트랜지스터(11)와 구동용 박막트랜지스터(12) 그리고, 저장 캐패시터(13)가 구성된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 기판 상에 일 방향으로 소정 간격 이격되어 주사 라인 및 전압 공급 라인(VCC)이 형성되고, 상기 일 방향과 교차하여 데이터 라인이 형성되어 있어, 하나의 서브화소 영역을 정의한다. 상기 스위칭용 박막트랜지스터(11)의 게이트 전극은 상기 주사 라인과 연결되고, 소스 전극은 콘택트 홀을 통해 상기 데이터 라인과 연결된다. 또한 상기 스위칭용 박막트랜지스터(11)의 드레인 전극은 상기 구동용 박막트랜지스터(12)의 게이트 전극과 연결된다.
상기 구동용 박막트랜지스터(12)의 소스 전극은 전압 공급 라인(VCC)과 연결되고, 드레인 전극은 발광영역(20)에 구성된 화소 전극(anode)과 접촉하도록 구성된다.
이때, 상기 전압 공급 라인(VCC)과 그 하부의 다결정 실리콘 패턴은 절연막을 사이에 두고 겹쳐져 저장 캐패시터(13)를 형성한다.
도 3a 내지 도 3b는 상기된 도 2의 A'-A 즉, 구동용 박막트랜지스터(12)를 기준으로 한 화소의 단면도로서, 이를 기준으로 종래 기술에 의한 능동 구동형 OLED 제작 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 3a에 도시한 것처럼, 유리와 같은 투명기판(21) 위에 구동용 박막트랜지스터(12)의 활성층으로 사용할 다결정 실리콘과 같은 물질로 반도체층(22)을 형성하고 패터닝(patterning)한다. 그 위에 게이트 절연막(24)을 형성한 다음, 게이트 전극(25)을 증착한 후 패터닝한다. 그리고 상기 반도체층(22)의 일부분에 B이나 P와 같은 불순물을 주입하고 열처리하여 구동용 박막트랜지스터(12)의 소스-드레인 영역(23)을 형성한다.
이어 상기 게이트 전극(25) 위에 층간 절연막(26)을 증착하고, 구동용 박막트랜지스터(12)의 소스-드레인 영역(23)위의 게이트 절연막(24), 층간 절연막(26)의 일부분을 에칭하여 콘택트 홀을 형성한 다음 금속(metal)을 증착하고 패터닝하여 전압 공급 라인(VCC)(27)을 형성한다. 그 다음 공정으로 상기 전압 공급 라인(27)을 포함한 전면에 절연막(28)을 형성한 다음 드레인 영역 위의 일부 절연막을 에칭하여 제거하고 그 위에 화소전극(29)을 형성한다. 상기 화소 전극(29)은 ITO, IZO와 같은 투명하고 일함수가 높은 전도성 물질을 증착 및 패터닝하여 형성한다. 즉 상기 구동용 박막트랜지스터(12)의 소스 전극에는 전압 공급 라인(27)이 연결되고, 드레인 전극에는 화소 전극(29)이 연결된다.
그 다음 공정은 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 화소 전극(29) 사이에 화소 전극의 일부분이 덮이게 절연막(30)을 형성한다. 그 다음으로 정공 주입층(31), 정공 수송층(32)을 공통 유기막으로 증착하고, 새도우 마스크(shadow mask)를 사용하여 R,G,B 발광층(33)을 각각 증착한다. 이어 전자 수송층(34), 전자 주입층(35)등의 유기물을 차례로 증착한다. 그리고 나서, 알루미늄과 같이 일함수가 낮은 전도성 물질로 공통 전극 즉, 캐소드 전극(36)을 형성한다. 여기서 상기 정공 주입층(31), 정공 수송층(32), 발광층(33), 전자 수송층(34), 및 전자 주입층(35)이 유기 전계 발광층을 구성하며, 도 1의 발광 다이오드(OLED)(14)는 화소 전극(29), 유기 전계 발광층, 및 공통전극(36)으로 구성된다.
그 다음 공정으로 도면에는 도시하지 않았지만 봉지 공정을 거쳐 유기 EL 소자 패널 제작을 완료한다.
도 3c는 이러한 기존 방식대로 제작할 경우 저장 캐패시터(13)의 구성을 보인 것으로서, 도 2의 B'-B의 단면도이다.
이때 상기 구동용 박막트랜지스터(12)의 게이트 전극과 스위칭용 박막트랜지스터(11)의 드레인 전극이 접촉하는 노드와 전압 공급 라인(VCC) 사이에 저장 캐패시터(13)가 구성된다. 즉 도 3c와 같이 투명 기판(21) 상에 캐패시터 하부 전극(38)이 형성되고, 상기 캐패시터 하부 전극(38)을 포함한 전면에 게이트 절연막(24)을 형성한 다음, 게이트 전극(25)을 증착한 후 패터닝한다. 여기서 상기 캐패시터 하부전극(38)은 다결정 실리콘과 같은 불순물이 도핑된 반도체층이다. 그리고 게이트 전극(25)은 상기 캐패시터(13)의 상부 전극으로 이용된다.
이어 상기 게이트 전극(25) 위에 층간 절연막(26)을 증착하고, 그 위에 다시 절연막(28)을 형성한다.
즉 상기 게이트 전극(25)의 하부에는 게이트 절연막(24)이 개재된 상태로 캐패시터 하부 전극(38)이 위치하며, 이들이 대응하는 영역이 저장 캐패시터 영역을 이룬다. 다시 말해 게이트 전극(25)과 그 하부의 불순물이 도핑된 반도체층(38)은 게이트 절연막(24)을 사이에 두고 겹쳐져 저장 캐패시터(13)를 형성한다.
이와 같이 상기 저장 캐패시터(13)는 기판(21) 상에 불순물이 주입된 반도체층(38), 게이트 절연막(24), 및 게이트 전극(25)이 순차적으로 적층되어 구성된다.
따라서 종래의 하부 발광방식의 능동 구동형 유기 EL 소자(AMOLED)는 저장 캐패시터가 차지하는 영역이 클수록 개구율이 저하되고, 이로 인해 고해상도의 제품에 적용하기 어렵고 수명이 단축되는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 저장 캐패시터가 차지하는 영역을 줄여서 유기 EL 소자의 개구율을 향상시키는 능동 구동형 유기 EL 소자 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 능동 구동형 유기 EL 소자는, 불순물이 주입된 반도체층, 게이트 절연막, 게이트 전극, 층간 절연막, 및 금속 전극이 순차적으로 적층된 구조로 저장 캐패시터가 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 능동 구동형 유기 EL 소자 제조 방법은, 다수의 단위 화소 영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 반도체층을 형성하고 상기 반도체층을 저장 캐패시터가 형성될 영역으로 패터닝하여 저장 캐패시터 하부전극을 형성하는 단계; 상기 반도체층을 포함한 전면에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 저장 캐패시터 하부전극에 대응하는 게이트 절연막 위에 게이트 전극을 증착하고 패터닝하여 저장 캐패시터 상부전극을 형성하는 단계; 상기 저장 캐패시터 상부전극을 포함한 전면에 층간 절연막을 증착하는 단계; 그리고 상기 캐패시터 하부 전극위의 게이트 절연막, 층간 절연막의 일부분을 에칭하여 콘택트 홀을 형성한 다음 금속을 증착하고 패터닝하여 전압 공급 라인을 형성하는 단계를 포함하여 이루어져, 상기 저장 캐패시터를 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 하부 발광방식 유기 EL 소자의 구조에 대한 개략적인 평면도로서, 기판에 정의된 각 화소마다 스위칭용 박막트랜지스터(11)와 구동용 박막트랜지스터(12) 그리고, 본 발명의 저장 캐패시터(13)가 구성된다.
도 4를 보면 스위칭용 트랜지스터의 드레인 영역 위에도 콘택트 홀(contact hole)(41)을 형성하고, 상기 콘택트 홀(41) 위와 저장 캐패시터(42)가 형성되는 영역 위에 금속 전극(27)이 형성되도록 한다.
도 5a, 도 5b는 상기된 도 4의 A'-A 즉, 구동용 박막트랜지스터(12)를 기준으로 한 화소의 단면도로서, 구동용 박막트랜지스터, 화소 전극, 유기전계 발광층, 및 공통 전극의 제조 공정은 상기된 도 2a, 도 2b와 같으므로 상세 설명을 생략한다.
도 5c는 이러한 본 발명의 방식대로 제작할 경우 저장 캐패시터의 구성을 보인 것으로서, 도 4의 B'-B의 단면도이다.
즉 투명 기판(21) 상에 캐패시터 하부 전극(38)이 형성되고, 상기 캐패시터 하부 전극(38)을 포함한 전면에 게이트 절연막(24)을 형성한 다음, 게이트 전극(25)을 증착한 후 패터닝한다. 여기서 상기 캐패시터 하부전극(38)은 다결정 실리콘과 같은 불순물이 도핑된 반도체층이다. 그리고 게이트 전극(25)은 상기 캐패시터(13)의 상부 전극으로 이용된다.
이어 상기 게이트 전극(25) 위에 층간 절연막(26)을 증착하고, 상기 캐패시터 하부전극(38)위의 게이트 절연막(24), 층간 절연막(26)의 일부분을 에칭하여 콘택트 홀(41)을 형성한 다음 금속(metal)을 증착하고 패터닝하여 전압 공급 라인(VCC)(27)을 형성한다.
그 다음 공정으로 상기 전압 공급 라인(27)을 포함한 전면에 절연막(28)을 형성한다.
즉 상기 저장 캐패시터는 기판(21) 상에 불순물이 주입된 반도체층(38), 게이트 절연막(24), 및 게이트 전극(25), 층간 절연막(26), 및 금속 전극(27)이 순차적으로 적층되어 구성된다.
이와 같이 본 발명은 저장 캐패시터를 적층하여 구성하기 때문에 기존에 이 부분이 차지하는 영역을 크게 줄일 수 있으며, 이로 인해 개구율이 큰 유기 EL 디스플레이 제작이 가능하다.
한편, 본 발명에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로써 이는 당분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 발명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 설명했으므로 본 발명의 기술적인 난이도 측면을 고려할 때, 당분야에 통상적인 기술을 가진 사람이면 용이하게 본 발명에 대한 또 다른 실시예와 다른 변형을 가할 수 있다. 따라서 상술한 설명에서 사상을 인용한 실시예와 변형은 모두 본 발명의 청구 범위에 모두 귀속됨은 명백하다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 능동 구동형 유기 EL 소자 및 그 제조 방법에 의하면, 하부 발광방식 능동구동형 유기 EL 소자를 제작 할 경우, 불순물이 주입된 반도체층, 게이트 절연막, 게이트 전극, 층간 절연막, 및 금속 전극의 적층으로 저장 캐패시터를 형성하여 저장 캐패시터가 차지하는 영역을 줄임으로써, 고 개구율의 유기 EL 소자 제작이 가능하며, 이로 인해 고효율, 저 소비전력, 장수명의 유기 EL 디스플레이를 구현할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 능동 구동형 유기 EL 소자의 단위 화소의 구성을 보여주는 회로도
도 2는 종래의 하부 발광방식 유기 EL 소자의 구조에 대한 개략적인 평면도
도 3a, 도 3b는 도 2의 A-A'의 단면도
도 3c는 도 2의 B'-B의 단면도
도 4는 본 발명에 따른 하부 발광방식 유기 EL 소자의 구조에 대한 개략적인 평면도
도 5a, 도 5b는 도 4의 A-A'의 단면도
도 5c는 도 4의 B'-B의 단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 기판 22 : 반도체층
23 : 소스-드레인 영역 24 : 게이트 절연막
25 : 게이트 전극 26 : 층간 절연막
27 : 금속 전극 28 : 절연막
29 : 화소전극(anode) 30 : 절연막
31 : 정공주입층 32 : 정공 수송층
33 : 발광층 34 : 전자 수송층
35 : 전자 주입층 36 : 공통전극(cathode)
38 : 캐패시터 하부전극

Claims (7)

  1. 기판 상에 단위 화소마다 스위칭용 트랜지스터와 구동용 트랜지스터 그리고 저장 캐패시터가 형성된 능동 구동형 유기 EL 소자에 있어서,
    상기 저장 캐패시터는
    불순물이 주입된 반도체층, 게이트 절연막, 게이트 전극, 층간 절연막, 및 금속 전극이 순차적으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 능동 구동형 유기 EL 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 다결정 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 능동 구동형 유기 EL 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 저장 캐패시터의 하부전극으로 이용되는 것을 특징으로 하는 능동 구동형 유기 EL 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 저장 캐패시터의 상부전극으로 이용되는 것을 특징으로 하는 능동 구동형 유기 EL 소자.
  5. 단위 화소마다 스위칭용 트랜지스터와 구동용 트랜지스터 그리고 저장 캐패시터가 형성된 능동 구동형 유기 EL 소자 제조 방법에 있어서,
    (a) 다수의 단위 화소 영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
    (b) 상기 기판 상에 반도체층을 형성하고 상기 반도체층을 저장 캐패시터가 형성될 영역으로 패터닝하여 저장 캐패시터 하부전극을 형성하는 단계;
    (c) 상기 반도체층을 포함한 전면에 게이트 절연막을 형성하는 단계;
    (d) 상기 저장 캐패시터 하부전극에 대응하는 게이트 절연막 위에 게이트 전극을 증착하고 패터닝하여 저장 캐패시터 상부전극을 형성하는 단계;
    (e) 상기 저장 캐패시터 상부전극을 포함한 전면에 층간 절연막을 증착하는 단계; 그리고
    (f) 상기 캐패시터 하부 전극위의 게이트 절연막, 층간 절연막의 일부분을 에칭하여 콘택트 홀을 형성한 다음 금속을 증착하고 패터닝하여 전압 공급 라인을 형성하는 단계를 포함하여 이루어져, 상기 저장 캐패시터를 제조하는 것을 특징으로 하는 능동 구동형 유기 EL 소자 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    불순물이 도핑된 물질로 반도체층을 형성하는 특징으로 하는 능동 구동형 유기 EL 소자 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 불순물이 도핑된 물질은 다결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 능동 구동형 유기 EL 소자 제조 방법.
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