KR20100133565A - 투명 도전성 형광체 박막 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 투명 도전성 형광체 박막은 백색광을 이루는 광원의 조합에 따라 산화아연, 산화주석, 금속아연, 희토류계 원소 및 발색 금속을 포함하며, 도전성 금속을 더 포함하는 스퍼터링 타겟을 이용하여 이루어진다. 따라서, 투명 도전성 형광체 박막과 전도막을 동시에 제작하기 때문에 제작공정 단순화 및 이에 따른 비용절감을 유도할 수 있다.
형광체, 도전성, 투명, 자외선, 여기원, 열처리

Description

투명 도전성 형광체 박막 및 그의 제조방법{THE TRANSPATENT CONDUCTIVE PHOSPHORS THIN FILM AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 투명 도전성 형광체 박막 및 그의 제조 방법에 대한 것이다. 특히 본 발명은 투명 도전성 형광체 박막을 제조하기 위한 스퍼터링 타겟 제조 방법에 관한 것이다.
전계 방출 장치(FED: Field Emission Device)는 전극 구조가 간단하고, 음극선관(CRT)와 같이 고속동작이 가능하며, 풀 칼라(full-color), 풀 그레이 스케일(full-gray scale), 높은 휘도, 높은 비디오 레이트(video rate) 등 표시 장치로서의 장점들을 갖추고 있다.
전계 방출 소자는 냉전자방출이 미세한 금속팁, 즉, 에미터로부터 발생하고, 이러한 전자방출이 캐소드의 형광체에 충돌하여 빛을 발생하게 된다. 이때 전자의 충돌 시 발생된 열 또는 충돌된 전자에 의하여 형광체 박막의 휘도와 수명이 급격하게 감소되는 문제점이 있다.
한편, 무기 발광 소자는 균일한 평면 광원과 경박단소, 온도변화 등에 강한 특성을 가지고 있어서 백라이트, 조명 및 칼라필터로 많이 이용된다.
이러한 무기 발광 소자는 배선 제작된 애노드 전극 상부에 무기 발광 소자 형광체를 형성하여 사용된다.
그러나, 무기 발광 소자는 균일한 평면광원과 유연성, 경박단소의 특징이 있음에도 불구하고 다른 광원 등에 비하여 휘도가 낮은 문제점이 있다.
또한, 무기 발광 소자를 백라이트 및 조명으로 사용하기 위해서는 백색광이 필수적이다. 백색광을 내는 광원을 만들기 위해서는 R, G, B의 광원을 모두 이용하는 방법, 그리고 청색광을 방출하고 여기에 가법혼색의 보색(additive complementary color)의 관계를 갖는 황색의 형광을 방출하는 형광체를 조합하여 백색을 얻는 방법 등이 있다.
그러나, 첫번째 방법은 백색광에는 유리하나 부피가 크며, 두번째는 백색이라기보다는 청색이 가까운 백색이 관찰되어 색순도의 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 투명 도전성 형광체 박막 및 스퍼터링 타겟을 이용하여 전계 방출 장치 및 무기 발광 소자에 투명 도전성 형광체 박막을 적용하여 열화 방지 및 공정의 단순화를 유도하는 것이다.
본 발명에 따른 투명 도전성 형광체 박막은 백색광을 이루는 광원의 조합에 따라 산화아연, 산화주석, 금속아연, 희토류계 원소 및 발색 금속, 그리고 도전성 금속을 포함하는 스퍼터링 타겟을 이용하여 이루어진다.
상기 도전성 금속은 갈륨일 수 있다.
상기 백색광을 이루는 광원의 조합이 청색과 황색인 경우, 전체에 대한 각 원료의 원자비는 청색을 나타내는 원료의 조합이 황색을 나타내는 원료의 조합보다 클 수 있다.
상기 백색광을 이루는 광원의 조합이 적색, 녹색 및 청색인 경우, 전체에 대한 각 원료의 원자비는 적색, 녹색 및 청색의 순서로 클 수 있다.
상기 발색 금속은 Mg, Nb, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 투명 도전성 형광체 박막은 자외선을 여기원으로 이용하여 백색을 발광할 수 있다.
전기적 특성이 100Ω/□ 미만의 특성을 가질 수 있다.
상기 투명 도전성 형광체 박막은 다층으로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 투명 도전성 형광체 박막의 제조 방법은 백색광을 이루는 광원의 조합에 따라 산화아연, 산화주석, 금속아연, 희토류계 원소, 발색 금속 및 도전성 금속을 소정의 비율로 혼합하는 단계, 혼합된 물질을 건조하는 단계, 건조된 물질을 불활성 분위기에서 열처리하는 단계, 열처리한 물질을 성형하여 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계, 상기 스퍼터링 타겟을 이용하여 기판 위에 증착하는 단계, 그리고 상기 기판 위에 증착된 막을 열처리하여 투명 도전성 형광체 박막을 형성한다.
상기 증착 및 열처리는 산소의 비율이 1~25%를 충족하는 아르곤과 산소의 혼합가스 분위기에서 성막하고, 50~600℃으로 열처리할 수 있다.
본 발명에 따르면 투명 도전성 형광체 박막 및 스퍼터링 타겟을 이용하여 무기 발광 소자 및 전계 방출 장치 등에 적용함으로써, 투명 도전성 형광체 박막과 전도막을 동시에 제작하기 때문에 제작공정 단순화 및 이에 따른 비용절감을 유도할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명에 따른 투명 도전성 형광체 박막을 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 도전성 형광체 박막을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 투명 도전성 형광체 박막(110)은 기판(100) 위에 스퍼터링 방법으로 형성되어 있다.
투명 도전성 형광체 박막(110)은 가시광 영역(380~780nm)에서 투명할 뿐만 아니라 표면저항을 가지며, 단파장(254~390nm)을 여기원으로 갖는다.
이러한 투명 도전성 형광체 박막(110)은 단파장에 의하여 빛을 발광하며, 또한 전도성을 갖는다. 따라서 별도의 전도막 없이 기판(100) 위에 단일막 또는 다층막으로 형성함으로써 발광을 유도할 수 있다.
투명 도전성 형광체 박막(110)은 백색광을 이루는 광원의 조합에 따라 원료재료를 선택할 수 있으며, 조합에 따라 적색, 녹색, 청색의 형광체 재료를 사용할 수 있으며, 또한 청색과 보색인 황색을 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 투명 도전성 형광체 박막(110)은 산화아연분말, 산화주석분말, 갈륨, 금속아연분말, 금속주석분말, 희토류계 분말 등을 주성분으로 하는 원료분말로 형성된다.
이때, 산화아연분말, 산화주석분말, 금속아연분말, 금속주석분말, 희토류계 분말은 특유의 색을 발광하기 위해 포함되며, 갈륨은 전도성을 유지하기 위하여 포함된다. 또한, 산화인듐분말을 금속분말의 코팅제로서 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 청색 및 황색의 형광체 재료를 사용하여 백색광을 나타내는 투명 도전성 형광체 박막(110)의 경우, 다음과 같은 수학식 1을 충족하도록 원료 분말을 조합한다.
[수학식 1]
0.1≤[In]+[Ga]+[SnO2]+[Eu]≤[In]+[ZnO]+[Zn]+[Ga]+≤0.9
수학식 1의 []는 특정 원소가 총 합에 대하여 차지하는 원자비를 나타낸 것이다.
수학식 1에서 인듐, 갈륨, 산화주석 및 유로퓸의 조합은 황색을 발광하며, 인듐, 산화아연, 아연 및 갈륨의 조합은 청색을 발광한다.
상기 수학식 1을 충족하는 원료 재료는 청색광을 나타내는 재료가 황색광을나타내는 재료보다 큰 비율로 혼합되며, 양 재료의 비의 합이 1을 충족한다.
한편, 적색, 녹색 및 청색의 형광체 재료를 사용하여 백색광을 나타내는 투명 도전성 형광체 박막(110)의 경우, 다음과 같은 수학식 2를 충족하도록 원료 분말을 혼합한다.
[수학식 2]
0.1≤[Zn]+[Ga]+[In]+[X]≤[Zn]+[Ga]+[Mg]+[Y]≤[SnO2]+[Z]+[Ga]+[In] ≤0.9
수학식 2에서 X 는 회토류계 원소, 예를 들어 Dy, Ce, Eu, Er, Pr, Tb 중 하나일 수 있고, Y 는 녹색광을 나타내는 금속, Z 는 적색광을 나타내는 금속을 각각 나타낸다.
따라서, 아연, 갈륨, 인듐 및 희토류계 원소의 조합은 청색광을 나타내고, 아연, 갈륨, 마그네슘 및 Y의 조합은 녹색광, 산화주석, 갈륨, 인듐 및 Z의 조합은 적색광을 각각 나타낸다.
각각의 색을 나타내는 원료의 조합은 수학식 2에 따라 적색광, 녹색광, 청색광의 순서로 감소하도록 원료의 혼합비가 조절된다.
이때, Y 및 Z 는 마그네슘, 니오븀, 텅스텐 또는 몰리브덴일 수 있다.
각각의 원료 재료는 분말의 형태로 혼합되며, 분말들의 비표면적은 약 10m2/g일 수 있으며, 원료 입자의 크기는 미세할수록 좋지만 평균직경이 0.5~1um이 되는 것을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 원료로 사용되는 희토류계 원소는 질소 분위기에서 열처리한 원료를 사용하며, 바람직하게 소결체의 성형 전 혹은 성형 후 열처리를 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막을 형성하기 위한 제조 방법에 대하여 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참고하면, 먼저 투명 도전성 형광체 박막의 백색광을 이루는 광원의 색의 조합에 따라 원료를 결정한다(S10).
결정된 원료는 수학식 1 또는 수학식 2에 따라 소정의 비율로 혼합하여 준비한다.
구체적으로, 광원 색에 따라 소정의 비율로 혼합된 산화아연분말, 산화주석분말, 산화인듐분말, 갈륨, 금속아연분말, 금속주석분말, 희토류계 분말을 주성분으로 하는 혼합물을 습식 분쇄한다.
즉, 원료 상태의 분말을 습식 몰밀, 비드밀, 초음파 등을 이용하여 균일하게 혼합 및 분쇄하여 미분말을 얻으며, 분쇄한 미분말의 입자 크기는 스퍼터링 타겟의 밀도 및 분쇄 시의 크기 등 관점에서 조정하게 된다.
다음으로, 혼합된 미분말을 스프레이 건조기 혹은 박스퍼니스 등을 이용하여건조한다(S20).
이와 같이 건조된 원료 분말을 질소 혹은 아르곤 등의 불활성 분위기에서 열처리를 함으로써 분말 표면에 있는 잔류수분이나 희토류계에 남아 있는 염기성 불순물 등을 걸러내게 된다(S30).
열처리한 분말은 금형에 충전하여 프레스기 등을 이용하여 원하는 형상으로 성형한다(S40). 프레스 성형하여 얻어진 성형체는 소결공정을 거쳐 스퍼터링 타겟용 소결체가 된다.
이러한 소결 공정은 대기(공기)분위기, 대기압 하에서 이루어지며, 900℃~1400℃에서 진행한다. 소결 후에는 절삭 가공을 한다. 이 때 타겟의 표면 상태를 향상시키기 위하여 표면 연마를 할 수 있으며 연마에는 화학 연마, 기계 연마 등의 연마 방법을 이용할 수 있다.
이와 같이 제조된 스퍼터링 타겟은 스퍼터링 증착 후 타겟 표면에 노듈(석출물 혹은 돌기물)의 발생이 억제되어 증착속도 저하 및 증착막의 저하없이 막특성이 우수한 형광체 박막을 얻을 수 있다.
이러한 스퍼터링 타겟을 스퍼터링 장치에 장착 후 챔버 내의 초기진공도를 5ㅧ 10-6 이하로 조정한 후, 가스 농도와 증착 압력을 조절하여 기판 위에 증착함으 로써, 투명한 형광체 박막을 형성한다(S50).
마지막으로 제조된 박막을 50~700℃에서 열처리하며, 산소, 질소, 진공, 대기 분위기에서 열처리를 할 수 있다. 바람직하게는 아르곤과 산소혼합가스의 분위기, 특히 산소의 비율이 1~25%를 충족하는 분위기에서 성막하고, 50~600℃으로 열처리하여 박막을 형성할 수 있다.
이러한 박막은 전기적 특성이 100Ω/□ 미만을 가지며, 결정질 또는 비정질의 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 투명 도전성 형광체 박막은 상기와 같은 막을 하나의 층 또는 복수의 층으로 형성하여 이루어질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막을 이용한 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막이 형성되어 있는 전계 방출 장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막이 형성되어 있는 무기 발광 소자의 단면도이다.
도 3의 전계 방출 장치는 캐소드 기판(200)과 애노드 기판(250)이 대향하고 있으며, 캐소드 기판(200) 위에 캐소드 전극(210)이 형성되어 있고, 캐소드 전극(210) 위에 복수의 방출 에미터(220)가 서로 이격되어 형성되어 있다.
애노드 기판(250) 위에는 캐소드 기판(200)을 향하여 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막(260)이 형성되어 있다.
본 발명의 투명 도전성 형광체 박막(260)이 형성되어, 종래에 애노드 전극와 형광막을 별도로 구비하였던 것과 달리 단일막으로 형성할 수 있어 공정의 단순화 및 비용 절감이 유도된다.
한편, 도 4의 무기 발광 소자는 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막(300) 위에 전자 수송층(310)이 형성되어 있으며, 전자 수송층(310) 위에 캐소드 전극(320)이 형성되어 있다.
본 발명에 따른 무기 발광 소자는 애노드 전극와 형광층을 별도로 포함하지 않고, 단일막의 도전성을 가지는 투명 형광층 박막을 형성함으로써 증착 및 마스크 공정이 단순해진다.
본 발명에 따른 무기 발광 소자는 층 사이의 에너지 준위에 따라 전자/정공 수송층, 보조발광층 및 절연층 등을 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 제작된 투명 도전성 형광체 박막의 여기원에 따른 색좌표를 나타낸 것이다.
도 5를 참고하면, 254nm의 단파장의 여기원에 대하여 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막은 백색광을 발광하며, 파장이 길어질수록 백색광과 다른 색을 발광함을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명에 의해 제조된 투명 도전성 형광체 박막은 여기원으로 자외선을 사용한다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 투명 도전성 형광체 박막을 나타낸 단면도이다.
도 2는 보 발명의 투명 도전성 형광체 박막의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막이 형성되어 있는 전계 방출 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 투명 도전성 형광체 박막이 형성되어 있는 무기 발광 소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 제작된 투명 도전성 형광체 박막의 여기원에 따른 색좌표를 나타낸 것이다.

Claims (10)

  1. 백색광을 이루는 광원의 조합에 따라 산화아연, 산화주석, 금속아연, 희토류계 원소 및 발색 금속, 그리고
    도전성 금속
    을 포함하는 스퍼터링 타겟을 이용하여 이루어지는
    투명 도전성 형광체 박막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 금속은 갈륨인
    투명 도전성 형광체 박막.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 백색광을 이루는 광원의 조합이 청색과 황색인 경우,
    전체에 대한 각 원료의 원자비는 청색을 나타내는 원료의 조합이 황색을 나타내는 원료의 조합보다 큰
    투명 도전성 형광체 박막.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 백색광을 이루는 광원의 조합이 적색, 녹색 및 청색인 경우,
    전체에 대한 각 원료의 원자비는 적색, 녹색 및 청색의 순서로 큰
    투명 도전성 형광체 박막.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 발색 금속은 Mg, Nb, W 및 Mo 중 적어도 하나를 포함하는
    투명 도전성 형광체 박막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명 도전성 형광체 박막은
    자외선을 여기원으로 이용하여 백색을 발광하는 투명 도전성 형광체 박막.
  7. 제1항에 있어서,
    전기적 특성이 100Ω/□ 미만의 특성을 가지는 투명 도전성 형광체 박막.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 투명 도전성 형광체 박막은 다층으로 형성되어 있는
    투명 도전성 형광체 박막.
  9. 백색광을 이루는 광원의 조합에 따라 산화아연, 산화주석, 금속아연, 희토류계 원소, 발색 금속 및 도전성 금속을 소정의 비율로 혼합하는 단계,
    혼합된 물질을 건조하는 단계,
    건조된 물질을 불활성 분위기에서 열처리하는 단계,
    열처리한 물질을 성형하여 스퍼터링 타겟을 형성하는 단계,
    상기 스퍼터링 타겟을 이용하여 기판 위에 증착하는 단계, 그리고
    상기 기판 위에 증착된 막을 열처리하여 투명 도전성 형광체 박막을 형성하는
    투명 도전성 형광체 박막의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 증착 및 열처리는 산소의 비율이 1~25%를 충족하는 아르곤과 산소의 혼합가스 분위기에서 성막하고, 50~600℃으로 열처리하는
    투명 도전성 형광체 박막의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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