KR20120127506A - 직류구동의 무기이엘소자와 발광방법 - Google Patents

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Abstract

무기물인 형광체 물질에 직류전압을 인가함으로써 발광시킬 수 있고, 형광체층에 분산된 발광중심 또는 형광체의 종류를 변화시킴으로써 발광색을 적절하게 변화시킬 수 있는 무기EL소자를 제공한다.
직류구동의 발광소자의 내부에 반도체로 NPN형 구조를 형성하고, 또한 그것에 인접하여 형광체 물질을 증착한 후, 제1전극과 제2전극으로 협지한 구조의 무기EL소자를 만든다. 이 구조를 이용하여 음극측의 PN접합에 순방향 전압을 가하여 P형 반도체층 내에 전자를 주입한다. 또한 P형 반도체층과 N형 반도체의 가속층으로 형성되어 있는 PN접합부를 역바이어스함으로써 가속층 내부에 넓어진 공핍층의 전기장을 이용하여 전자를 가속하고, 발광중심 또는 형광체에 충돌시켜 발광을 얻는 방법이다.

Description

직류구동의 무기이엘소자와 발광방법{DIRECT-CURRENT-DRIVEN INORGANIC ELECTROLUMINESCENT ELEMENT AND LIGHT EMITTING METHOD}
본 발명은 무기 일렉트로루미네슨스(無機 Electroluminescent, 이하 "무기EL" 이라고 한다)라고 불리는 현상을 이용한 것으로서, 무기물을 발광의 재료에 사용하여 전기를 빛으로 변환하기 위한 무기EL소자(無機 EL 素子)와 그 소자를 이용한 발광장치와 발광방법에 관한 것이다.
면 모양의 발광을 얻을 수 있는 자체 발광소자로서 대표적인 것에는 유기 일렉트로루미네슨스 소자(有機 Electroluminescent 素子, 이하 "유기EL소자"라고 한다)와 무기EL소자가 있다. 유기EL소자는 유기물 내에 전류가 흐르기 때문에, 수명이 짧은 점과 높은 온도에 약한 점이 문제가 되고 있다. 반면, 무기EL소자는 넓은 범위의 온도에서 작동하는 점이나 수명이 긴 점 등 유리한 특징을 다수 갖고 있어서 실용화를 위하여 많은 연구가 진행되어 왔지만, 이들 연구의 대부분은 교류전원으로 여기발광(勵起發光)하는 것이었다. 그 때문에 교류여기 EL소자의 단점을 피하기 위해서 직류구동으로 발광이 가능한 소자가 갈망되고 있다.
무기EL소자에는 황화물계의 형광체 재료가 널리 사용되고 있고, 이들 소자의 구동 방법은 대부분 교류 또는 양극성의 펄스 전압이다. 이 무기EL소자는 도14와 같이 증착법으로 형광체 재료를 글라스기판(21) 위에 박막화하여 형광체층(23)을 형성하고, 그 위아래를 절연층(25)으로 협지하고, 그것을 하부 투명전극(22)과 상부 배면전극(24)으로 협지한 구조를 하고 있다. 이 때문에 직류전류는 흐르지 않고 소자에 100Hz~10kHz 정도의 교류전압을 교류전원(26)으로부터 인가(印加)하여 발광시키고 있다. 인가전압의 처음 반 사이클 동안은 형광체의 내부에서 전자를 가속하고, 발광중심에 충돌시켜 발광시키고, 다음 반전(反轉)한 반 사이클 동안은 반대 방향으로 전자를 가속시키고 충돌시켜서 다시 발광시키는 것이다. 이렇게 교류에서의 발광은 한 사이클에 2회 발광을 일으키고, 연속적인 것은 아니다. 이 EL의 현상을 연속적으로 일으킬 수 있으면, 발광 효율도 높아지고, 보다 강한 발광을 얻을 가능성이 있다. 따라서 정상적인 발광을 얻기 위해서는 발광소자를 직류의 전원으로 구동하고, 상시적이고 지속적으로 전자를 공급할 필요가 있다.
직류구동의 무기EL소자는 분산형 EL 소자로서 1968년에 발표되었고, 1970년경부터는 진공증착법을 이용한 박막형 직류구동 EL 소자가 연구되게 되었다. 이 직류구동 EL 소자에 대해서는 많은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고, 발광이 약하고 수명이 짧기 때문에 아직까지도 실용적인 소자로는 개발되어 있지 않다. 종래의 직류구동의 EL 소자의 기본 구조는 투명전극과 배면 금속전극의 사이에 직접 형광체를 협지한 것이다. 이 구조에서는 직류전류를 형광체 내부에 흐르게 하기 위해서 전극으로부터 전하를 형광체에 직접 주입할 필요가 있으므로 형광체와 전극을 직접 접촉시키고 있다. 그런데 이 경우에는 전류가 불안정하여 일정 이상의 전압이 되면 급격하게 전류가 흐르고, 소자의 파괴가 일어나기 쉬운 성질이 있다.
이 때문에 종래의 직류구동의 무기EL소자는 도15에 나타나 있는 바와 같은 구조로 개량되어 있다(비특허문헌1). 도15에 나타내는 직류구동의 무기EL소자는 글라스기판(21) 상에 설치된 하부 투명전극(22)과 상부 배면전극(24)에 직류전원(28)을 접속하고, 형광체층(23)과 상부 배면전극(24)의 사이에 안정화층(27)을 삽입한 구조로 되어 있다. 이 안정화층(27)을 형성함으로써 전류를 제한하여 소자의 안정화를 꾀하고 있다. 그런데 이 구조는 전류를 적절하게 줄이기 위해서 막 두께를 수μm ~ 몇 십μm 정도로 할 필요가 있다. 이 때문에 제조 중에 박막이 박리되는 등의 문제가 생기게 되고 사용할 수 있는 재료가 한정된다. 따라서 Ta2O5나 SiO2 등의 절연물을 몇 십nm ~ 수μm 두께의 박막으로 증착하여 형성하고, 이 막을 통하여 전류를 흐르게 하는 것이 검토되었다(비특허문헌2, 3). 이렇게 해서 상당히 높은 휘도로 발광하는 직류EL소자를 만들 수 있게 되었지만, 소자의 안정성과 수명에 있어서 아직 실용적인 레벨까지는 도달하지 못했다.
또한 유전체 절연물 내에 금속 불순물을 분산시켜 박막으로써 도입하고, 이 불순물 레벨을 통하여 전류를 흐르게 함으로써 안정을 도모하는 방법도 제안되어 있다(특허문헌1). 이 방법에서는 BaTiO3의 유전체 절연물 내에 이트륨(Yttrium, Y)을 분산 혼입시켜 저항체로서 이용하고 있다. 그러나 안정성과 수명에 문제가 있다.
한편 유기EL소자와 동일한 발광 원리를 이용한 무기EL소자의 발명이 있다(특허문헌2, 3). 이들 발명에서 소자는 직류전원으로 구동할 수 있고, 형광체층의 내부에 정전극으로부터 전하 수송층을 통하여 정공(正孔)을 주입하고, 부전극으로부터는 전자주입층을 통하여 전자를 주입한다. 여기에서 사용하는 형광체는 재결합형이고, 형광체 내부의 불순물 준위를 통하여 발광층 내에서 정공과 전자를 재결합시킴으로써 발광을 얻고 있다.
또한 별도로 박막 EL 소자로서 형광체 내부에 P형 반도체를 통하여 정공을 주입하고, N형 반도체를 통하여 전자를 주입하여 형광체 내에서 정공과 전자를 재결합시켜 발광을 얻는 것이 있다(특허문헌4). 이들 특허문헌2, 3, 4에 개시된 소자는 직류전원으로 구동할 수 있는 무기EL소자이며, 전하 주입형 EL 소자다. 전자와 정공을 형광체 내부에 주입함으로써 재결합시켜 발광을 얻고 있다. 형광체로서 재결합형 형광체를 사용하고, 형광체 내부의 불순물 레벨을 통하여 재결합 발광을 이용하고 있다. 그러나 여전히 발광 효율과 수명에 대한 과제가 남아 있다.
분산형 직류구동의 무기EL소자에서 황화아연을 모체로 한 형광체에 금속 분말을 분산 혼입하고, 2개의 전극으로 협지한 소자도 제안되었다(특허문헌5). 이 특허문헌5에 개시된 소자는 전극으로부터 형광체 분말에 직접 전하를 주입하는 소자로서, 기본적으로는 종래부터 존재하는 분산형 EL 소자다.
특허문헌1: 일본국 공개특허 특개평 5-74572호 공보 특허문헌2: 일본국 공개특허 특개 2006-4658호 공보 특허문헌3: 일본국 공개특허 특개 2007-123220호 공보 특허문헌4: 일본국 공개특허 특개 2009-224136호 공보 특허문헌5: 일본국 공개특허 특개 2008-7755호 공보
비특허문헌1: M. Higton: Digest of 1984 SID International Symposium (1984) 29 비특허문헌2: H. Matsumoto et al.: Jpn J. Appl Phys. l7 (1978) 1543 비특허문헌3: J. I. Pankove: J. Lumin. 40&41 (1988) 97
상기와 같이 박막 무기EL소자는 교류에서 한 사이클에 2회 발광을 일으키고, 연속적인 것은 아니며, 교류구동이기 때문에 외부회로가 복잡해진다. 또한 교류에서 한 사이클에 2회 발광하지만 높은 발광 효율을 얻을 수 없다는 결점이 있다. 이 EL의 현상을 연속하여 일으킬 수 있다면, 보다 강한 발광을 얻을 가능성이 있다. 따라서 정상적인 발광을 얻기 위해서는 EL 발광소자를 직류전원으로 구동하고, 상시적이고 지속적으로 형광체 내에 전자를 공급할 필요가 있다.
본 발명은 관련된 종래의 과제를 해결하기 위하여 안정되고 강한 발광을 가능하게 하고, 직류전원에서 구동할 수 있는 충돌여기형의 무기EL소자와 발광방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 청구항1에 기재된 발명인 직류구동의 무기EL소자는,
절연성(絶緣性)의 글라스기판(Glass 基板) 상에 형성되어 음극(陰極)이 되는 제1전극과, 이 제1전극과 대향하도록 배치된, 양극(陽極)이 되는 제2전극 사이에 무기물(無機物)로 이루어진 형광체층(螢光體層)을 협지(挾持)한 구조의 무기EL소자로서,
상기 제1전극인 음극과 상기 형광체층 사이에, 무기물인 반도체 재료로 구성된 N형 반도체와 P형 반도체를 NPN형으로 접합한 반도체 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 구성의 직류구동의 무기EL소자는,
음극측의 N형 반도체와 P형 반도체로 구성되는 소위 PN접합에 순방향전압을 가하고, P형 반도체의 내부에 전자를 주입하는 작용을 구비한다.
또한 형광체층측의 N형 반도체와 상기 P형 반도체로 구성되는 PN접합을 역바이어스함으로써 공핍층을 형성하여 전자를 가속하는 작용을 구비한다.
형광체층은 가속된 전자의 충돌로 인하여 여기되어 발광하는 작용을 구비한다.
다음으로 제2항에 기재된 발명인 직류구동의 무기EL소자는, 청구항1에 기재된 발명의 상기 형광체층이 상기 N형 반도체 재료 내에 발광중심 또는 형광물질을 분산시켜 혼재시킨 막에 의하여 형성되는 것이다.
이렇게 구성된 직류구동의 무기EL소자는 청구항1에 기재되어 있는 발명과 동일한 작용을 구비한다.
제3항에 기재된 발명인 직류구동의 무기EL소자는, 청구항1 또는 제2항에 기재된 발명의 상기 NPN형으로 접합한 반도체구조에 있어서 음극측 N형 반도체의 재료가, Zn, Ba, Sr, Cd, Ga, Sn, In, Ti, Al, Mg, Gd의 산화물, 황화물, 인화물, 질화물, 셀렌화물 혹은 이들의 혼합물의 어느 하나로 구성된 것이다.
이렇게 구성된 직류구동의 무기EL소자도 청구항1과 동일한 작용을 구비한다.
제4항에 기재된 발명인 직류구동의 무기EL소자는, 청구항1 내지 청구항3의 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서 상기 NPN형으로 접합한 반도체구조의 중간에 존재하는 P형 반도체의 재료가, Ni, Mn, Cr, Co, Cu, Ag, La, Pr, Al, Sr, Ba, Ga, Sn의 산화물, 황화물, 셀렌화물 혹은 이들의 혼합물의 어느 하나로 구성되는 것이다. 또한 ZnO, ZnS 등의 화합물 반도체에 불순물을 도핑하여 P형화하여 사용할 수도 있다. 증착된 박막이 반도체로서 P형 성질을 발현하면, 이 소자는 기능할 수 있다. 이렇게 구성된 직류구동의 무기EL소자도 청구항1과 동일한 작용을 구비한다.
또한 제5항에 기재된 발명인 직류구동의 무기EL소자는, 청구항1 내지 청구항4의 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서 상기 NPN형으로 접합한 반도체구조에서 형광체층과 인접하는 N형 반도체의 재료가 Zn, Ba, Sr, Cd, Ga, Sn, In, Ti, Al, Mg, Gd의 산화물, 황화물, 인화물, 질화물, 셀렌화물 혹은 이들의 혼합물인 것이다. 이렇게 구성된 직류구동의 무기EL소자도 청구항1과 동일한 작용을 구비한다.
청구항6에 기재된 발명인 직류구동의 무기EL소자는, 청구항1 내지 청구항5의 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 Ta, Hf, Ti, Nd, Mo, Sn, Zn, Si, Al, B 중 적어도 한 종류로 이루어진 무기화합물을 포함하는 저항체 물질을 박막으로 한 분산 저항층을 구비하는 것이다. 이렇게 구성된 직류구동의 무기EL소자는, 제1전극과 제2전극 사이에서 분산 저항층이 전류를 분산하는 작용과 무기EL소자의 면에 균일하게 전계를 분배하는 작용을 구비한다.
제7항에 기재된 발명인 직류구동의 무기EL소자의 발광방법은, 내부에 제1 및 제2 N형 반도체와 P형 반도체를 사용하여 NPN형 3층 구조를 형성하고, 이 NPN형의 3층 구조에서 음극측의 상기 제1 N형 반도체와 P형 반도체로 구성된 PN접합부에 순방향 전압을 인가하여 상기 P형 반도체 내에 전자를 주입하고, 또한 상기 P형 반도체와 상기 제2 N형 반도체로 구성된 PN접합부를 역바이어스하여 이 PN접합부에 공핍층을 형성하고, 이 공핍층 부분의 전기장을 이용하여 상기 P형 반도체를 통하여 주입된 전자를 가속하고, 상기 제2 N형 반도체에 인접하는 형광체층에 분산시켜 혼재시킨 발광중심 또는 형광물질에 충돌시켜 발광시키는 것을 특징으로 하는 것이다. 이렇게 구성된 직류구동의 무기EL소자의 발광방법은 청구항1, 2에 기재된 발명과 동일한 작용을 구비한다.
본 발명의 직류구동의 무기EL소자와 발광방법은, 직류전원에 접속되어도 NPN형으로 접합한 반도체 구조를 구비함으로써 전자를 가속하고 형광체층을 여기하여 발광시킬 수 있다. 또한 무기물로 이루어진 재료를 채용함으로써 직류구동의 무기EL소자의 수명의 장기화를 꾀할 수 있다.
도1은 본 발명의 제1실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자의 단면구조도다.
도2는 본 발명의 제1실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자의 비동작시 에너지 밴드 개념도다.
도3은 본 발명의 제1실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자의 동작시 에너지 밴드 개념도다.
도4는 본 발명의 제2실시형태(실시예1)에 관한 직류구동의 무기EL소자의 단면구조도다.
도5는 본 발명의 실시예1에 관한 직류구동의 무기EL소자의 등가회로다.
도6은 본 발명의 실시예4에 관한 직류구동의 무기EL소자의 등가회로다.
도7은 본 발명의 실시예1에 관한 직류구동의 무기EL소자의 대표적인 인가전압 - 발광휘도의 특성을 나타내는 그래프다.
도8은 본 발명의 실시예1에 관한 직류구동의 무기EL소자의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프다.
도9는 본 발명의 실시예2에 관한 직류구동의 무기EL소자의 단면구조도다.
도10은 본 발명의 실시예3에 관한 직류구동의 무기EL소자의 단면 구성도다.
도11은 본 발명의 실시예4에 관한 직류구동의 무기EL소자의 단면구조도다.
도12는 본 발명의 실시예4에 관한 무기EL소자의 대표적인 인가전압 - 발광휘도의 특성을 나타내는 그래프다.
도13은 본 발명의 실시예4에 관한 무기EL소자의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프다.
도14는 실용화되어 있는 종래의 교류구동의 박막 EL 소자의 단면구조도다.
도15는 종래의 직류구동의 박막 EL 소자의 단면구조도다.
이하에서 본 발명에 관한 직류구동의 무기EL소자와 발광방법의 제1실시형태를 도1을 참조하여 설명한다. 도1은 본 실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자의 구성도다. 도1에서 무기EL발광장치(2a)는 글라스기판(3) 상에 형성된 무기EL소자(1a)와 이것에 접속하는 직류전원(10)을 구비하고 있다. 직류구동의 무기EL소자(1a)는 글라스기판(3) 상에 형성된 하부양극(13)과 이 하부양극(13)의 상면에 설치된 형광체층(5)과, 이 형광체층(5)의 상면에 구성된 가속층(7)(N형 반도체층), P형 반도체층(8) 및 N형 반도체층(9) 및 이 N형 반도체층(9)의 상면에 형성된 상부음극(12)으로 이루어진다. 또한 무기EL소자(1a)의 하부양극(13)과 상부음극(12)에는 직류전원(10)이 접속되어 있고, 하부양극(13), 상부 배면전극(6)에 직류전원(10)의 양극, 음극이 각각 접속되어 있다.
도1에 나타낸 무기EL소자(1a)는 이 전계 발광소자의 내부에 가속층(7), P형 반도체층(8) 및 N형 반도체층(9)이 NPN접합을 이루는 구조를 구비하고, 그 하부에 형광체 물질을 증착하여 형광체층(5)을 구비한 전계 발광소자를 만든다. 이 구조를 이용하여 직류전원(10)의 음극측 N형 반도체층(9)과 P형 반도체층(8)에 의한 PN접합에 순방향전압을 가하고, P형 반도체층(8)의 내부에 상부음극(12)로부터 N형 반도체층(9)을 통하여 전자를 주입한다. 또한 P형 반도체층(8)과 N형 반도체인 가속층(7)으로 형성되어 있는 PN접합부를 역바이어스(逆 bias)함으로써 이 PN접합부에 퍼지는 공핍층의 전기장을 이용하여 전자를 가속하고, 형광체층(5)의 발광중심 또는 형광체에 충돌시켜, 발광(11)을 얻는 것이다. 본 발명은 형광체 물질에 전자를 주입하는 방법과 전자를 가속하는 방법을 검토함으로써 새로운 구조를 구비하는 발광소자를 제공할 수 있게 되었다.
무기EL소자(1a)의 구조는 도1과 같이 하부양극(13)을 형성한 글라스기판(3) 상에 형광체를 100nm~10μm 증착하여 형광체층(5)을 구성한다. 이 막의 상면에 형광체층(5)의 형광체와 동일한 모체물질(母體物質)로 순수한 모체재료를 추가로 형성하여 100nm~10μm의 두께로 N형 반도체의 가속층(7)을 만든다. 다음으로 P형 반도체물질을 10nm~1μm로 증착하여 P형 반도체층(8)을 형성하고, 가속층(7)의 모체재료와의 사이에 PN접합을 형성한다. 또한 이 위에 N형 반도체물질을 100nm~10μm로 증착하여 N형 반도체층(9)으로 하고, 가속층(7), P형 반도체층(8) 및 N형 반도체층(9)으로 NPN형 구조를 형성한다. 마지막으로 상부음극(12)을 진공증착하여 무기EL소자(1a)는 완성된다. 이것이 본 발명에 관한 실시형태의 기본형이다.
일반적으로 화합물 반도체인 형광체 물질은 박막으로 형성된 경우에 N형 반도체의 성질을 발현하게 되고, 이 때문에 형광체와 동일한 모체의 박막은 N형 반도체로 형성된다. 이 결과, 다음에 증착되는 상면의 P형 반도체층(8)과, N형 모체의 박막(가속층(7)) 사이에 PN접합이 형성되게 된다. 이 PN접합 부분을 역바이어스하면, 이 가속층(7)과 P형 반도체층(8)의 부분에 공핍층이 넓어진다. 이런 상태인 곳에 전자를 주입하고, 내부 전기장인 공핍층을 이용하여 전자를 가속하여, 형광체층(5) 내에 들어있는 발광중심에 충돌시킴으로써 발광(11)을 얻을 수 있다. 여기서 공핍층으로 전자를 주입하는 방법은 상기의 P형 반도체층(8)과 그 위에 있는 N형 반도체층(9) 사이에 형성된 PN접합 부분에 순방향 전압을 인가하면 순방향전류가 흐르므로 P형 반도체층(8) 내에 전자를 주입할 수 있다. 이 전자는 P형 반도체층(8)을 확산하고, 그 결과 역바이어스 공핍층의 내부 전기장 내에 전자를 주입할 수 있다. 그리고 전자는 내부 전기장에서 가속되어 형광체층(5)의 발광중심에 충돌하여 여기함으로써 발광에 이른다. 상부음극(12)에 부전위를, 하부양극(13)에 정전위 전압을 인가하면 발광을 얻을 수 있다. PN접합에 대하여는 종래부터 수많은 연구가 진행되어 왔다. PN접합의 특성을 적극적으로 직류EL소자에 이용하고 정상적으로 작동하도록 한 것이 본 발명의 본질이다. 본 발명에 의하여 안정되고 수명이 긴 발광을 얻을 수 있고, 또한 발광 효율을 종래의 방법보다 한 자리 이상 향상시킬 수 있으며, 안정되고 밝은 발광을 얻을 수 있다.
도2는 본 실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자(1a)에 외부전압을 인가하고 있지 않은 상태일 때의 에너지 밴드 개념도이다. 도면의 좌측이 음극(캐소드, Cathode)(12), 우측이 양극(애노드, anode)(13)으로 되어 있고, 그 사이에 발광중심(15)을 포함하는 형광체층(5), 가속층(7), P형 반도체층(8) 및 N형 반도체층(9)이 형성되어 있다. 외부로부터의 인가전압이 0이기 때문에 페르미 준위(Fermi 準位, EF)는 전체를 통틀어 일정하게 되고, 전자(14)의 존재는 열평형 상태가 된다.
도3은 본 실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자(1a)의 동작시 에너지 밴드 개념도이다. 도면의 좌측이 음극(캐소드)(12), 우측이 양극(애노드)(13)으로, 무기EL소자(1a) 전체로 보면 반도체가 NPN형 구조로 되어 있다. 음극측의 N형 반도체층(9)과 다음의 P형 반도체층(8)으로 PN접합이 형성되어 있고, 외부로부터의 인가전압(VB)에 대하여 순방향 바이어스가 된다. 이 순방향 전류에 의하여 음극(12)로부터의 전자(14)는 N형 반도체층(9)을 통하여 P형 반도체층(8) 내에 주입되고, P형 반도체층(8) 내에 확산해 간다. 그 결과 다음에 있는 N형 반도체인 가속층(7)에 주입되는 전자(14)의 양을 전계의 균형에 따라 적절하게 제한하고, 발광에 필요한 양으로 제어할 수 있다. 또한 다음에 존재하는 PN접합의 부분(P형 반도체층(8) 및 가속층(7))은 외부전압에 대하여 역바이어스되고, 이 부분에 대부분의 외부전압(VB)이 가해진다. 그 결과 이 접합의 부분에 공핍층이 넓어진다. P형 반도체층(8)을 통하여 주입된 전자(14)는 이 공핍층 내에서 가속되어 핫 일렉트론(Hot electron)으로 생성된다. 이 높은 에너지를 얻은 전자(14)가 형광체층(5) 내에 있는 발광중심(15)에 충돌하고 여기하여 발광(11)한다. 이것이 직류 발광의 메커니즘이다. 도3의 VNP는 N형 반도체층(9)과 P형 반도체층(8)의 사이에 외부전압이 분배되는 전압을 개념적으로 나타낸 것이고, VPN은 P형 반도체층(8)과 N형 반도체인 가속층(7)의 사이에 분배되는 전압을 나타내고 있다.
이와 같이 외부로부터 가해진 전기장으로부터의 에너지가 대부분 공핍층에 더해짐으로써 전자(14)에 효율적으로 에너지를 전달할 수 있고, 발광 효율이 높아진다. 본 실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자는, 브라운관의 발광 기구를 반도체인 고체물질 내에 실현시킨 것으로, 전자(14)의 주입과 가속, 충돌, 그리고 발광중심의 여기, 발광이라는 공정을 행하는 것이다.
본 발명의 실용적인 구조에 관한 제2실시형태로서, 직류구동의 무기EL소자와 그것을 채용한 발광장치와 발광방법을 도4을 참조하면서 설명한다. 도4에 있어서 본 실시예에 관한 직류구동의 무기EL소자(1b) 및 무기EL발광장치(2b)에서는 먼저 글라스기판(3) 위에 하부 투명전극(4)을 만든다. 이것은 도전성이 있는 것으로서, 빛을 외부로 방출하기 위해서 상부 혹은 하부의 전극 중 어느 일방을 투명으로 할 필요가 있는 것이다. 이 하부 투명전극(4)을 구성하는 재료로는 ITO, ZnO, AZO, TiO2, SnO2, In2O3, ZnSnO3, AgInO2, Zn2In2O5, Zn2Ga2O4 등의 재료를 고려할 수 있다. 이들 재료 자체는 이미 알려져 있으며, 모두 투명한 전극을 구성할 때의 재료로서 본 출원의 출원시에 일반적으로 널리 알려져 있는 것이므로 굳이 본 출원의 실시형태에 있어서 각각을 작성하여 그 작용 및 효과에 관하여 실증할 필요는 없다고 생각되어 실시하지 않았다.
다음으로 N형 반도체층(9)의 재료로는 박막으로 형성하였을 경우에 N형을 나타내는 반도체로서 무기물의 화합물을 증착했을 때에 N형 반도체의 성질을 나타내는 것을 고려할 수 있다. 구체적으로는 Zn, Ba, Sr, Cd, Ga, Sn, In, Ti, Al, Mg, Gd 등의 산화물, 황화물, 인화물, 질화물, 셀렌화물 혹은 이들의 혼합물, 예를 들면 ZnO, BaO, SrO, CdO, In2O3, Ga2O, SnO2, TiO, ZnS, BaS, SrS, CdS, GdIn2O4, GaInO3, ZnSnO3, InP, GaP, AlP, InN, AlN, GaN, SrSe, ZnSe, GaAlS, MgAl2S4, MgGa2S4, SrAl2S4, SrGa2S4, BaAl2S4, BaIn2S4 등의 재료로 박막을 형성한다. 또한 여기에서 N형 반도체층(9)의 재료는 상기 투명전극에 사용한 재료와 유사하기 때문에 이 부분을 투명전극과 겸한 구조도 고려할 수 있다. 이들 N형 반도체층(9)의 재료도 본 출원의 출원시에 일반적으로 널리 알려져 있는 것이므로, 굳이 본 출원의 실시형태에 있어서 각각을 작성하여 그 작용 및 효과에 관하여 실증할 필요는 없다고 생각되어 실시하지 않았다.
또한 NPN형층의 중간에 있는 P형 반도체층(8)의 재료로는 Ni, Mn, Cr, Co, Cu, Ag, La, Pr, Al, Ga, Sr, Ba, Sn 등의 산화물, 황화물, 셀렌화물 혹은 이들의 혼합물을 박막화하였을 경우, P형 성질을 나타내는 반도체가 대상이 된다. 예를 들면 NiO, NiO:Li, MnO, Cr2O3, CoO, Ag2O, Pr2O3, SnO, Cu2O, CuInO2, SrCu2O2, CuAlO2, BaCu2O2, CuGaO2, LaCuOS, LaCuOSe 등을 이용할 수 있다. 또한 ZnO 등의 화합물반도체에 질소(N)를 불순물로서 도핑(doping)하여 P형화한 것도 이용할 수 있다. 이들 P형 반도체층(8)의 재료도 본 출원의 출원시에 일반적으로 널리 알려져 있는 것이므로, 굳이 본 출원의 실시형태에 있어서 각각을 작성하여 그 작용 및 효과에 관하여 실증할 필요는 없다고 생각되어 실시하지 않았다.
다음의 N형 반도체인 가속층(7)은 형광체층(5)과 관련된 것으로서 형광체층(5)의 모체재료와 같은 재료로 형성한다. 이 부분을 이용하여 전자를 가속하기 위한 가속층(7)을 형성한다. 상기의 N형 반도체층(9)의 재료로서 열거한 것을 이용할 수 있다. 구체적으로는 무기물의 화합물을 증착했을 때에 N형 반도체의 성질을 나타내는 것으로 Zn, Ba, Sr, Cd, Ga, Sn, In, Ti, Al, Mg, Gd 등의 산화물, 황화물, 인화물, 질화물, 셀렌화물 혹은 이들의 혼합물, 예를 들면 ZnO, BaO, SrO, CdO, In2O3, Ga2O, SnO2, TiO, ZnS, BaS, SrS, CdS, GdIn2O4, GaInO3, ZnSnO3, InP, GaP, AlP, InN, AlN, GaN, SrSe, ZnSe, GaAlS, MgAl2S4, MgGa2S4, SrAl2S4, SrGa2S4, BaAl2S4, BaIn2S4 등을 이용할 수 있다. 이 실증에 관해서도 실시하지 않고 있는데, 그 이유는 상기와 같다.
이 가속층(7)은 P형 반도체층(8)을 통하여 주입된 전자(14)를 효율적으로 가속하기 위해서 가능한 한 결함이 적고 결정성이 좋은 N형 반도체 박막으로 형성할 필요가 있다. 이 부분이 전자(14)의 가속층으로서 작용하고, 상기의 P형 반도체층(8)과 이 N형 반도체층(가속층(7))으로 형성된 내부 전기장에 의하여 P형 반도체층(8)을 통하여 주입된 전자(14)가 효율적으로 가속되어 큰 에너지가 전자에 전해지는 것이다.
다음으로 형광체층(5)은 가속용 N형 반도체(가속층(7))와 같은 물질 내에 형광체 또는 발광중심(15)을 미세한 형태로 분산시켜 삽입하여 형성된다. 형광체 또는 발광중심의 예로서는, ZnS:Mn, ZnS:Tb, ZnS:Sm, ZnS:Pr, ZnS:Dy, ZnS:Eu, ZnS:Cu, Cl, ZnS:Ag, Cl, ZnS:Pr, Ir, SrS:Ce, SrS:Mn, ZnF:Gd, ZnO:Zn, ZnO:Sm, ZnO:Pr, ZnO:Dy, ZnO:Eu, Y2O3:Eu, Y2O3:Mn, GaO3:Eu, Ga2O3:Mn, Y2GeO5:Mn, CaGa2O4:Mn, Zn2SiO4:Mn, BaAl2S4:Eu, SrGa2S4:Ce, ZnMgS:Mn, GaS:Eu, TbF3, SmF3, PrF3, MnF3 등의 형광체 물질이다. 형광체층으로서 N형 반도체 내에 이들의 발광중심이나 형광체를 분산시킨다. 이들은 일례이며, 여기에 열거한 형광체뿐만 아니라 원하는 발광색을 얻기 위해서는 이 밖의 형광체도 대상이 된다. 또 상기와 같은 형광체의 조성식에서 콜론(:)의 좌측에 기재된 것이 결정모체(모체재료)이며, 우측에 기재된 것이 활성화제다.
마지막으로 상부에 형성하는 상부 배면전극(6)으로 Al, Au, Cu, Ag, Ni, Pt 등의 금속을 증착함으로써 무기EL소자(1b)는 완성된다. 여기서 무기EL소자(1b) 전체를 투명하게 마무리할 경우에는 상부 배면전극(6)을 금속의 대신에 투명물질인 ITO, ZnO, AZO, Zn2In2O5, In2O3, TiO2, SnO2 등으로 하면 좋고, 고콘트라스트(高 Contrast)의 소자로 마무리할 경우에는 Mo, Ta, Ti 등의 산화물을 증착하여 상부 배면전극(6)을 흑색의 전극으로 마무리하면 좋다. 이렇게 하여 만들어진 무기EL소자(1b)의 상부 배면전극(6)에 정전위를, 그리고 하부 투명전극(4)에 부전위를 가하면 형광체층(5)으로부터 발광을 얻을 수 있다.
본 발명에 의한 직류구동의 무기EL소자와 발광방법은 직류전원으로 발광을 얻을 수 있으므로 구동장치가 간단해져서 디스플레이 장치(Display unit) 등 전체 가격을 낮게 제조할 수 있다. 또한 무기EL소자 전체가 고체로 구성되어 있어서 기계적인 외력에 강하다. 또한 이 무기EL소자는 모두 무기물로 구성되어 있기 때문에 유기EL소자에 비하여 주위의 온도가 높아도 정상적으로 동작한다. 고가의 재료를 사용하지 않으므로 재료비를 낮출 수 있고, 무기EL소자의 제조에 있어서도 특수한 장치나 특별한 기술이 필요하지 않고, 제조설비가 저렴하며, 이미 알려져 있는 제조기술로 제조할 수 있다. 이 자체 발광형 무기EL소자는 전체 두께가 몇 십 μm밖에 되지 않고, 얇은 표시장치를 만들 수 있으며, 표시장치로써 이용하는 경우에는 액정과 같이 백라이트나 편광판 등이 필요 없고, 구조가 간단하여 가격면에서 유리하다. 발광의 원리가 충돌여기형 무기EL소자이기 때문에 발광중심이나 형광체의 물질을 검토하여 발광색을 적절하게 조정할 수 있다. 이상과 같이 본 발명의 무기EL소자는 수많은 이점을 구비하고 있어, 장래에는 디스플레이 장치뿐만 아니라 조명 등 특히 평면 광원으로써 활용될 가능성이 있다. 이상에서 설명한 바와 같이 본 실시형태에 관한 무기EL소자는 무기EL소자 내부에 반도체의 NPN구조를 도입함으로써 직류전원으로 구동할 수 있는 발광 효율이 좋은 자체 발광소자를 제공할 수 있다. 또한 현재 다수 존재하는 자명한 형광체를 발광 재료를 이용할 수 있고, 희망하는 발광색으로 자유롭게 제어할 수 있다.
다음으로 본 발명의 제3의 실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자에 대하여 도5, 도6 및 도11을 참조하여 설명한다. 본 발명에 관한 무기EL소자는 외부로부터 가해진 전계에 의하여 가속층 내부에서 전자를 가속하여 발광중심에 충돌시켜 발광을 얻고 있다. 음극측에서 공급된 전자가 내부 전계에 의하여 양극측으로 가속된다. 발광에 필요한 에너지를 얻어서 발광중심에 충돌하고, 여기함으로써 빛을 방출한다. 이렇게 무기EL소자는 내부에 가해진 전계에 의하여 전자가 가속되고 발광중심에 충돌한다. 더 큰 전압을 가할수록 전자의 에너지는 커지고, 외부로 방출되는 발광도 강해진다. 이 때문에 더 큰 인가전압이 필요하게 된다. 그런데 이 무기EL소자는 형광체층에 반도체 재료를 사용하고 NPN형 내부구조를 갖고 있기 때문에, 인가하는 전압을 높여 가면 일정 전압부터 급격하게 전류가 흐르기 시작하고, 인가전압의 증가에 비해 전류가 크게 증가한다. 즉 전압의 변동에 대하여 민감하고 내부의 전류는 크게 변한다. 또한 무기EL소자를 만들 때에 스퍼터링 장치, 증착장치 등을 사용하여 박막화한 소자의 구조를 구성한다. 이 때문에 제조 과정에서 박막에 두께의 차이나 불순물 등의 결함이 생길 가능성이 높고, 또한 국소적으로 뾰족한 부분이 생기는 경우도 있다. 이러한 상태인 부분에 전극을 붙여 높은 전압을 인가하면, 전기적으로 약한 부분부터 먼저 파괴되므로 이 부분에서부터 연쇄적으로 파괴부분이 넓어져 간다. 특히 전압구동형의 무기EL소자의 경우 이런 경향이 강하다.
박막형 무기EL소자의 제1문제는, 소자를 제작할 경우에 넓은 면적의 소자를 만들면 소자의 중앙부와 단부(端部) 사이에 막 두께의 차이가 발생하기 쉽다는 것이다. 특히 전압구동형의 소자에 있어서 막 두께의 차이는 내부의 전계 강도에 크게 작용하기 때문에 발광강도에 큰 영향을 미친다.
다음으로 제2문제로서 전압구동형인 이 무기EL소자는 금속전극이나 도전성 투명전극의 단부, 특히 선단부에 전계가 집중되기 쉽고, 이 부분이 쉽게 절연 파괴를 일으킨다는 성질이 있다는 점이다. 이들 현상은 전압구동형 소자에 있어서 불리한 현상이며 발광휘도의 불균일로 나타난다. 이것은 물리적으로 기본적인 문제로서 불가피한 현상이며, 또 인가전압의 증가로 이 부분부터 파괴되기 쉽다. 막 두께에 관한 제1문제는 제조 장치를 통해 어느 정도는 개량할 수 있지만, 어떻게 하더라도 제2문제는 물리의 기본적인 현상이고, 이것을 제거하는 것은 극히 어렵다.
제3문제로서 내부의 화합물 반도체나 절연물 등을 만들 때 진공증착 장치나 스퍼터링 장치를 사용하여 박막화하기 때문에 막에 불순물이나 결함이 포함될 가능성이 높다. 또한 국부적으로 뾰족한 부분이 생기는 경우도 있다. 이러한 상태인 부분에 전극을 부착하여 높은 전압을 인가하면, 전기적으로 약한 부분부터 먼저 파괴되고, 이 부분부터 파괴부분이 연쇄적으로 넓어진다. 또한 이들 불순물이나 뾰족한 부분의 결함에는 외부로부터의 전계가 쉽게 집중되므로 국소적으로 전계가 높은 부분이 생긴다. 이 때문에 국소적으로 밝은 부분과 어두운 부분이 발생한다. 휘도의 불균일은 면광원으로서 바람직하지 못하다. 또한 동시에 이 부분은 전기적으로 약한 부분이 되기 쉬워서 소자 파괴 전압의 저하를 초래한다. 무기EL소자의 경우에 넓은 면적으로 발광시키려고 전압을 가하면 막 두께가 얇은 부분이나 불순물 등의 결함이 있는 부분이 다른 부분보다 먼저 파괴를 일으키고, 그 부분의 파괴가 다른 부분으로 전파된다. 이렇게 약한 곳에서 국부적으로 파괴가 발생하기 시작하면 연쇄적으로 다른 부분으로 파괴가 넓어지는 경향이 있고, 일단 파괴가 시작되면 소자 전체가 괴멸적인 파괴로 이어져서 재기가 불가능한 상태가 된다. 즉 소자 전체의 파괴 전압은 이 국부적인 부분에서의 최저 파괴 전압에 의하여 결정된다.
이 상태를 전기적인 등가회로로 설명하면 기본적인 면발광 무기EL소자는 구동하는 전원에 대하여 병렬로 다수 늘어선 도5와 같은 상태라고 생각된다. 이것은 제너 다이오드가 한 줄로 늘어선 상태와 같다. 이 상태에서 어느 일부의 제너 전압(VZ)가 낮을 경우에 그 부분에 전류가 집중되고 소자의 파괴로 이어진다. 병렬로 늘어선 무기EL소자는 국소적인 부분을 비교하면 반드시 모든 부분에서 균일하다고 하기 어렵다. 그런데 외부로부터의 인가전압은 모든 부분에 균일하게 가해지기 때문에 인가전압의 증가를 따라 제너 전압이 비교적 낮은 곳(도5에 나타낸 VZ3에 해당한다.)에 집중적으로 전류가 흐르기 시작한다. 그 결과 이 약한 부분은 가열되고 반도체의 성질상 더 많은 전류가 흐르게 된다. 최종적으로 이 부분부터 파괴가 시작된다.
그래서 이 문제를 피하기 위하여 본 발명의 제3의 실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자에서는, EL셀부분(형광체층(5) 및 NPN형 반도체부(7~9))과 전극 사이에 전류를 분산시킬 목적과 넓은 면에 균일하게 전계를 가하기 위해서 도11에 나타나 있는 바와 같이 음극과 EL셀부 사이에 저항층을 삽입하였다. 이하에서는 이 저항층을 분산 저항층(30)이라고 한다. 여기에서는 음극측에 삽입했지만, 양극과의 사이에 삽입하여도 같은 작용을 한다. 이 분산 저항층(30)은 만약 국소적으로 큰 전류가 흘렀을 경우, 이 경우에서의 전압강하분이 커지고 이 부분에 있어서 외부로부터 EL셀부로 가해지는 인가전압이 경감된다. 이 결과 넓은 면적의 무기EL소자의 내부에 존재하는 불균일한 부분으로 집중되는 전압이 경감되어, 소자 전체에 균일한 전압이 인가되게 된다. 개념적으로 등가회로로 설명하면 도6과 같이 EL셀부에 직렬로 연결된 저항군에 의하여 전원으로부터 인가되는 전압을 각각 특성의 편차에 따라 분배하도록 하였다. 이 저항군이 분산 저항층(30)에 상당하고, 본 실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자의 분산 저항층(30)의 목적이다. 본 출원의 실시형태에 관한 직류구동의 무기EL소자는, 스퍼터링 장치, EB 증착 장치 등을 이용하여 박막의 소자로 만들었는데, 편차가 전혀 없는 전기적 특성이 균일한 소자를 제조하는 것은 기술적으로 불가능에 가깝다. 이 편차가 있는 다이오드를 병렬로 구동하는 경우에 국부적인 치우침이 발생하고, 반도체의 경우에는 한 부분에 전류가 집중되는 현상이 일어난다. 그 결과 그 부분이 가열되어 열폭주를 일으키고 파괴로 이어진다. 무기EL소자의 경우에는 국부적인 파괴가 전체로 넓어져서 소자로써 기능할 수 없게 된다. 그러므로 상기의 도11과 같이 분산 저항층(30)을 직렬로 삽입하도록 구성하였다. 이 분산 저항층(30)을 통하여 전류의 집중을 방지할 수 있고 무기EL소자를 안정적으로 구동시킬 수 있다. 만약 국부적으로 큰 전류가 흘렀을 경우에 이 분산 저항층에서 전압 강하분이 커지고, 이 부분의 EL셀부로 인가되는 전압이 경감되어 보호된다. 이 때문에 분산 저항층은 저항값이 큰 것이 바람직하지만 박막으로 구성하기 위하여 증착 조건 등 일정한 조건이 따른다. 지나치게 두꺼우면 박막이 박리되기 쉬워져서 막 자체가 불안정하게 된다.
이 때문에 얇은 두께로 일정한 저항값을 얻기 위해서 절연물에 가까운 고저항률의 물질을 삽입하고 큰 저항값을 얻을 필요가 있다. 따라서 이 경우에는 TaN, SiO2, Al2O3 등을 사용하면 좋다. 이들 물질은 어떤 일정한 조건하에서 제작하면 저항소자로서 형성할 수 있기 때문에 분산 저항의 재료로서 사용하였다. 사용할 수 있는 재료는 저항소자의 성질을 구비하는 물질이면 이용이 가능하고, Ta, Hf, Ti, Nd, Mo, Zn, Sn, Si, Al, B의 산화물, 질화물 또는 이들 혼합물을 이용할 수 있다. 예를 들면 TaN, SIO2:Pd, Al2O3:Zn, AlN, BN, BO, MoO, Hf2O5, Ti2O3 또는 Ta2O5의 양극산화막, 후막(厚膜)형의 저항 재료 등도 이 분산 저항층(30)으로써 이용이 가능하다. 이들 물질을 분산 저항층(30)에 도입함으로써 소자의 발열이 발광에 미치는 영향은 적어지고 동시에 안정적이고 균일한 발광을 얻을 수 있다. 무기EL소자의 경우에 발광강도는 형광체층을 흐르는 전류에 비례하기 때문에, 분산 저항층(30)에 의해 전류는 적절하게 분산되어서 소자의 발광도 균일하게 조정된다. 이하 본 출원의 발명자가 실제로 시작(試作)한 무기EL소자와 그것을 채용한 발광장치와 발광방법에 대하여 실시예1 내지 실시예4를 들어 설명한다.
<실시예1>
본 발명의 실시예1에 관련된 직류구동의 무기EL소자(1b), 무기EL발광장치(2b) 및 무기EL소자(1b)을 사용한 발광방법에 대하여 앞서 설명한 도4를 참조하면서 설명한다. 도4에 나타나 있는 바와 같이 무기EL소자(1b)의 하부 투명전극(4)인 ITO를 부착한 글라스기판(3) 위에 N형 반도체층(9)으로서 ZnO층을 형성한다. 이 층은 Zn의 금속으로 액티브 스퍼터링법을 이용하여 아르곤과 미량의 산소 분위기에서 만든 것이다. 다음의 P형 반도체층(8)은 Cu와 Al의 금속타겟을 이용하여 아르곤과 산소 분위기에서 액티브 스퍼터링법으로 CuAlO2을 형성하였다. 가속층(7)으로서의 N형 반도체층은 순수한 ZnS의 소결 펠릿을 전자빔 증착법(Electric beam 蒸着法, 이하 "EB법"이라 한다)으로 증착한다. 그리고 그 도중에 발광중심으로서 TbF3의 펠릿을 다른 소스원으로부터 동시 증착하였다. ZnS층의 일부에 발광중심인 TbF3을 분산시켜 혼재시켜 이 부분을 형광체층(5)으로 사용한다. 그리고 최상부에 Al의 금속을 진공증착하여 상부 배면전극(6)으로 형성하였다. 이렇게 만들어진 무기EL소자(1b)를 채용하는 무기EL발광장치(2b)는, Al전극(상부 배면전극(6))에 정전압을, 하부의 ITO전극(하부 투명전극(4))에 부전압을 30V정도로 인가하면 녹색 발광을 얻을 수 있다. 실시예1에 관련된 직류구동의 무기EL소자(1b)로부터 얻어진 직류 인가전압과 발광강도(발광휘도)의 특성을 도7에 나타낸다. 이 특성은 본 발명의 실시예에 관한 직류구동의 무기EL소자에 안정화 전원으로 직류전압을 인가하고, 주식회사 토프콘테크노하우스가 제조한 휘도계(Sr-3)로 발광을 측정하였다. 발광 시작 전압이나 최대 발광강도는 무기EL소자를 구성하는 재료나 조성, 각 층의 막 두께에 따라서 변하지만, 도7에는 본 발명의 실시예1에 관한 무기EL의 대표적인 특성을 나타냈다. 또한 도8은 그 발광 스펙트럼의 그래프다. 이 무기EL소자(1b)의 형광체층(5)을 형성하는 모체재료는 ZnS이며, 그 속에 분산 혼입한 TBF3으로부터 얻은 발광은 540~550nm 부근에 특징적인 강한 피크를 나타낸다.
<실시예2>
다음으로 본 발명의 실시예2에 관한 직류구동의 무기EL소자(1d), 무기EL발광장치(2d) 및 무기EL소자(1d)를 사용한 발광방법에 대하여 도9를 참조하면서 설명한다. 본 실시예에 관한 무기EL소자(1d)는 소위 탑 에미션형(Top emission 型) 소자다. 도9에 나타나 있는 바와 같이 본 실시예에 있어서 직류구동의 무기EL소자(1d)는, 하부 금속전극(16)을 석영의 글라스기판(3) 위에 Ti의 금속타겟을 사용하여 DC 스퍼터링법으로 만들었다. 여기에서는 형광체를 고온에서 열처리할 필요가 있기 때문에 고융점 물질 Ti를 사용했지만, 그 밖에 W, Mo, Ta, Pt, Ir, Pd 등도 이용할 수 있다. 다음으로 Zn의 금속타겟으로 아르곤과 미량의 산소 가스 분위기에서 액티브 스퍼터링법으로 ZnO의 N형 반도체층(9)을 형성한다. 이 위에 P형 반도체층(8)으로서 NiO와 Li2O의 소결 타겟을 사용하고, 아르곤과 미량의 산소의 혼합 가스에서 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 NiO:Li 박막을 제작하였다. N형 반도체인 가속층(7)과 형광체층(5)은 ZnS와 ZnS:TbF3의 소결 펠릿을 2종류 준비하고, 우선 EB법으로 ZnS의 펠릿을 사용하여 순수한 ZnS의 박막을 가속층(7)로서 증착한다. 이 공정 후 ZnS:TbF3의 펠릿으로 전환하여 형광체층(5)을 만들었다. 증착이 종료한 시점에서 진공조 내를 고진공으로 빨아들이고, 400도로 10분간 열처리했다. 마지막으로 ZnO와 Al2O3의 소결 타겟을 사용하여 미량의 산소분위기에서 상부 투명전극(17)으로서 ZnO:Al 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 형성하고, 탑 에미션형의 무기EL소자(1d)는 완성된다. 이렇게 만들어진 무기EL소자(1d)를 채용하는 무기EL발광장치(2d)의 경우, 상부로 빛을 방출하기 위하여 배면전극(상부 투명전극(17))은 투명이다. 40V정도의 직류전압을 하부 금속전극(16)에 마이너스, 상부 투명전극(17)에 플러스로 인가하면 TbF3에 의한 녹색 발광을 얻을 수 있다.
<실시예3>
본 발명의 실시예3에 관한 직류구동의 무기EL소자(1c), 무기EL발광장치(2c) 및 무기EL소자(1c)을 사용한 발광방법에 대하여 도10을 참조하면서 설명한다. 양방의 전극이 금속인 경우에는 내부 발광을 외부로 방출하기 위해서 도10과 같이 횡형(橫型)의 무기EL소자(1c)로 마무리할 필요가 있다. 우선 글라스기판(3) 위에 Zn의 금속타겟을 사용하여 아르곤과 산소의 혼합 가스 분위기에서 RF 마그네트론 스퍼터링하여 ZnO의 박막을 형성하고, 이를 N형 반도체층(9)으로 한다. 다음으로 P형 반도체층(8)은 SrO와 Cu2O의 2종류의 소결 타겟을 사용하여 EB증착법으로 SrCu2O2 막을 만들었다. 주입층(상부 배면전극(6b)과 접촉하고 있는 부분(29)을 특히 주입층이라고 한다)과 가속층(7) 부분은 순수한 ZnS 펠릿을 사용하여 EB법으로 형성하였다. 형광체층(5)은 금속제 마스크로 일부를 덮어 ZnS:Mn 펠릿을 사용하여 국부적으로 EB법으로 증착하여 성막하였다. 이 위로 상부 배면전극(6a, 6b)으로서 Al을 저항 가열 증착법으로 2군데 증착한다. 이 무기EL소자(1c)의 경우에 ZnS:Mn 형광체층(5)의 막이 존재하는 쪽이 정전극, 순수한 ZnS 막과 접촉하는 쪽이 부전극이 된다. 무기EL소자(1c)를 채용하는 무기EL발광장치(2c)에 대하여 직류전압을 100V정도 인가하면, 이 소자로부터 귤색 발광을 얻을 수 있다.
<실시예4>
본 발명의 실시예4에 관한 직류구동의 무기EL소자(1e), 무기EL발광장치(2e) 및 무기EL소자(1e)를 사용한 발광방법에 대하여 도11 내지 도13을 참조하면서 설명한다. 본 실시예에 관한 무기EL소자(1e)는 실시예2의 무기EL소자(1d)와 마찬가지로 탑 에미션형의 소자지만, 내부에 분산 저항층(30)이 설치된 구조다. 우선 글라스기판에 Ta의 금속타겟을 사용하고 아르곤 가스 분위기에서 스퍼터링법을 사용하여 하부 금속전극(16)을 형성한다. 그리고 도중에 질소 가스를 유입하여 Ta 전극의 표면에 TaN의 박막을 형성하였다. 이 막이 분산 저항층(30)으로써 기능하게 된다. 다음으로 Zn의 금속타겟을 사용하여 아르곤과 미량의 산소 가스 분위기에서 액티브 스퍼터법을 이용하여 ZnO의 N형 반도체층(9)를 박막으로 형성한다. 그리고 이 박막의 상면에 P형 반도체(8)로서 실시예1과 마찬가지로 Cu와 Al의 금속타겟을 사용하여 아르곤과 미량의 산소분위기에서 액티브 스퍼터링법을 이용하여 CuAlO2을 형성하였다. N형 반도체의 가속층(7)과 형광체층(5)의 형성은 ZnS와 ZnS:Mn의 펠릿을 2종류 준비하고, 우선 ZnS의 펠릿을 사용하여 가속층(7)을 EB법으로 증착한다. 이 공정 후 ZnS:Mn의 펠릿으로 전환하여 형광체층(5)을 만들었다. 마지막으로 상부 투명전극(17)으로서 Au의 반투명막을 저항 가열 증착법으로 형성하여 탑 에미션형의 무기EL소자(1e)는 완성된다. 이 소자의 상부 투명전극(17)에 플러스, 하부 금속전극(16)에 마이너스를 인가하면 도12와 같은 인가전압과 발광강도의 관계가 얻어졌다. 이 때 발광색은 Mn에 의한 발광으로서 도13과 같이 570~600nm 부근에 피크를 가지는 귤색 색조를 얻을 수 있다.
또 상기의 4개의 실시예에서는 N형 반도체층(9)으로서 ZnO, ZnS를 사용하고, P형 반도체층(8)으로서 CuAlO2, NiO:Li, SrCu2O2를 사용하고, 가속층(7)으로서의 N형 반도체층은 ZnS를 사용하고 있다. 이들은 상기의 모든 재료(물질) 중 일부이나 이 재료(물질)는 모두 각각 알려진 재료(물질)이고 이들을 조합시켜 실시하여도 충분히 성립성이 있다.
<산업상 이용가능성>
상기의 설명과 같이 본 발명의 청구항1 내지 7항에 기재된 발명은, 직류구동의 무기EL소자와 발광방법으로서 액정 백라이트 장치나 휴대전화나 PC, 혹은 텔레비전이나 모니터에 사용되는 디스플레이 장치 (Display Unit)를 비롯하여 산업용이나 일반가정용 조명장치로 널리 이용될 가능성이 있다. 또한 특히 수명이 긴 무기물을 채용한 EL소자와 발광장치이므로 교환빈도를 낮출 필요가 있는 가혹한 환경조건하에서 산업상 이용 가능성이 있다.
1a~1e: 무기EL소자
2a~2e: 무기EL발광장치
3: 글라스기판
4: 하부 투명전극
5: 형광체층
6, 6a, 6b: 상부 배면전극
7: 가속층(N형 반도체층)
8: P형 반도체층
9: N형 반도체층
10: 직류전원
11: 발광
12: 음극(캐소드)
13: 양극(애노드)
14: 전자
15: 발광중심
16: 하부 금속전극
17: 상부 투명전극
21: 글라스기판
22: 하부 투명전극
23: 형광체층
24: 상부 배면전극
25: 절연층
26: 교류전원
27: 안정화층
28: 직류전원
29: 주입층
30: 분산 저항층

Claims (7)

  1. 절연성(絶緣性)의 글라스기판(Glass 基板)상에 형성되어 음극(陰極)이 되는 제1전극(4, 6b, 12, 16)과, 이 제1전극(4, 6b, 12, 16)과 대향하도록 배치되어 양극(陽極)이 되는 제2전극(6, 6a, 13, 17) 사이에 무기물(無機物)로 이루어진 형광체층(螢光體層)(5)을 협지(挾持)한 구조의 무기EL소자(無機 Electroluminescent 素子)(1a)로서,
    상기 제1전극(4, 6b, 12, 16)인 음극과 상기 형광체층(5) 사이에 무기물인 반도체 재료로 구성된 N형 반도체(7, 9)와 P형 반도체(8)를 NPN형으로 접합한 반도체 구조(7~9)를 구비하는 것을 특징으로 하는 무기EL소자(1a~1e).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형광체층(5)은, 상기 N형 반도체 재료 내에 발광중심 또는 형광물질을 분산시켜 혼재시킨 막에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 무기EL소자(1a~1e).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 NPN형으로 접합한 반도체 구조(7~9)에서 음극측의 N형 반도체(9)의 재료가, Zn, Ba, Sr, Cd, Ga, Sn, In, Ti, Al, Mg, Gd의 산화물, 황화물, 인화물, 질화물, 셀렌화물 혹은 이들의 혼합물의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 무기EL소자(1a~1e).
  4. 제1항 내지 제3의 어느 한 항에 있어서,
    상기 NPN형으로 접합한 반도체 구조(7~9)의 중간에 존재하는 P형 반도체(8)의 재료가, Ni, Mn, Cr, Co, Cu, Ag, La, Pr, Al, Sr, Ga, Ba, Sn의 산화물, 황화물, 셀렌화물 혹은 이들의 혼합물의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 무기EL소자(1a~1e).
  5. 제1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 NPN형으로 접합한 반도체 구조(7~9)에서 상기 형광체층(5)과 인접하는 N형 반도체(7)의 재료가, Zn, Ba, Sr, Cd, Ga, Sn, In, Ti, Al, Mg, Gd의 산화물, 황화물, 인화물, 질화물, 셀렌화물 혹은 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 무기EL소자(1a~1e).
  6. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1전극(16)과 상기 제2전극(17)의 사이에 Ta, Hf, Ti, Nd, Mo, Sn, Zn, Si, Al, B 중 적어도 한 종류로 이루어진 무기화합물을 포함하는 저항체 물질을 박막으로 한 분산 저항층(30)을 구비하는 것을 특징으로 하는 무기EL소자(1e).
  7. 직류구동의 무기EL소자(1a~1e)의 발광방법으로서 상기 무기EL소자(1a~1e)의 내부에 제1및 제2 N형 반도체(7, 9)와 P형 반도체(8)를 사용하여 NPN형의 3층 구조(7~9)를 형성하고, 이 NPN형 3층 구조(7~9)에서 음극측의 상기 제1 N형 반도체(9)와 P형 반도체(8)로 구성된 PN접합부에 순방향 전압을 인가하여 상기 P형 반도체(8) 내에 전자를 주입하고, 또한 상기 P형 반도체(8)와 상기 제2 N형 반도체(7)로 구성되는 PN접합부를 역바이어스하여 이 PN접합부에 공핍층을 형성하고, 이 공핍층의 부분의 전기장을 이용하여 상기 P형 반도체(8)를 통하여 주입된 전자를 가속시켜 상기 제2 N형 반도체(7)에 인접하는 형광체층(5)에 분산시켜 혼재시킨 발광중심 또는 형광물질에 충돌시켜 발광시키는 것을 특징으로 하는 무기EL소자(1a~1e)의 발광방법.
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