KR20170061214A - 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20170061214A
KR20170061214A KR1020150165360A KR20150165360A KR20170061214A KR 20170061214 A KR20170061214 A KR 20170061214A KR 1020150165360 A KR1020150165360 A KR 1020150165360A KR 20150165360 A KR20150165360 A KR 20150165360A KR 20170061214 A KR20170061214 A KR 20170061214A
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light emitting
electrode
electrodes
insulating layer
lower electrode
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KR1020150165360A
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박철민
조성환
김의혁
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판에 적층되어 형성된 하부전극; 하부전극 상부에 적층되어 형성된 절연층; 절연층 상부에 형성된 발광층; 및 발광층 상부에 형성된 상부전극을 포함하되, 상기 하부전극 및 상부전극 중 어느 하나의 전극은 2개 이상의 분리된 전극으로 형성되고, 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명은 상하 전극의 직접 접촉이 없이, 단일전극에만 교류전압을 인가하여도 구동되는 새로운 개념의 전계기반 발광 디스플레이 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 및 그 제조방법{ELECTRIC FIELD BASED LUMINESCENCE DISPLAY DEVICE WITH SINGLE ELECTRODE CONNECTING, AND THERE OF MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 발광 디스플레이 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소자의 안정성과 나아가서 무선으로 디스플레이를 구동시킬 수 있는 새로운 개념의 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
기존의 디스플레이의 경우, 대형 텔레비전부터 핸드폰까지 그리고 LCD 디스플레이부터 QLED 디스플레이까지 소자의 구조를 수직 구조로 소자에 직접적으로 전류가 흐르게 되어 작동하는 구조를 보여준다. 일반적으로 전류가 흐르게 하기 위해서는 ITO 전극이나 은 나노 와이어, PEDOT:PSS 같은 전도성 물질을 이용하여 전극을 설계 하였다. 하지만 이런 디스플레이는 항상 전류가 흐를 수 있는 전선이나 회로를 구현 하는 것이 문제였다. 그리고 전극이나 전선의 길이의 한계 때문에 디스플레이의 자유도가 매우 떨어지는 문제가 있었다.
또한 기존의 LED의 경우 모든 제작 과정이 대부분 고진공 증착 과정으로 이루어 지고 내부의 발광층뿐만 아니라 전자와 정공의 이동을 쉽게 돕기 위해 다양한 중간층을 삽입하는데 이 과정은 공정 비용이나 기본 증착 물질의 비용이 매우 많이 들기 때문에 공정의 변화가 필요하다.
그리고 기존의 연구에서는 간접적인 전기장을 교류 방식으로 걸어 주는 연구가 대부분이었지만 전기장이 미치는 범위가 발광층 두께에 제안되어 있고 그 구조가 LED와 같은 수직 구조로 이루어져 있어 절연층의 안정성이 매우 중요하게 다루어져야 한다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0024757호(공개일자: 2014년03월03일) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0037925호(공개일자: 2013년04월17일)
본 발명에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 본 발명은 종래의 고비용 고진공 공정의 디스플레이 제작에서 벗어나 저비용 용액 공정의 발광 디스플레이 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 함이다.
둘째, 본 발명은 상하 전극의 직접 접촉이 없이, 단일전극에만 인가하여도 발광되는 새로운 개념의 전계 기반 발광 디스플레이 및 그 제조방법을 제공하고자 함이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은, 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자로서, 기판에 적층되어 형성된 하부전극; 하부전극 상부에 적층되어 형성된 절연층; 절연층 상부에 형성된 발광층; 및 발광층 상부에 형성된 상부전극을 포함하되, 상기 하부전극 및 상부전극 중 어느 하나의 전극은 2개 이상의 분리된 전극으로 형성되고, 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압이 인가되는 것이다.
여기서, 상기 분리된 전극은 2개 이상의 라인패턴 전극인 것이 바람직하고, 상기 상부전극 및 하부전극 중 적어도 어느 하나는 투명전극인 것이 바람직하며, 상기 절연층은, SiO2 또는 Al2O3를 재질로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 발광층은, 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 발광층은, 유기발광 고분자를 재질로 하는 것이 바람직하며, 상기 유기 발광 고분자는 레드, 그린 및 블루 유기 발광 고분자 중에서 선택된 서로 다른 2종 이상 혼합되어 형성된 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제2 특징은, 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자로서, 기판에 2개 이상의 분리된 전극으로 형성된 하부전극; 하부전극 상부에 적층되어 형성된 절연층; 절연층 상부에 형성된 발광층; 및 발광층 상부에 라인 패턴전극 사이의 분리된 공간을 연결하여 프린트된 전도성 재질의 프린팅 전극을 포함하되, 상기 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압을 인가되는 것이다.
여기서, 상기 프린팅 전극은, 전도성 페이스트를 재질로 하는 것이 바람직하고, 상기 상부전극 및 하부전극 중 적어도 하나는 투명전극인 것이 바람직하며, 상기 절연층은, SiO2 또는 Al2O3를 재질로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 발광층은, 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 발광층은, 유기발광 고분자를 재질로 하는 것이 바람직하며, 상기 유기 발광 고분자는 레드, 그린 및 블루 유기 발광 고분자 중에서 선택된 서로 다른 2종 이상 혼합되어 형성된 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제3 특징은, 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 제조방법으로, (a) 기판에 하부전극을 형성하는 단계; (b) 하부전극 상부에 절연층을 형성하는 단계; (c) 절연층 상부에 발광층을 형성하는 단계; 및 (d) 발광층 상부에 상부전극 형성하는 단계를 포함하되, 상기 하부전극 및 상부전극 중 어느 하나의 전극은 2개 이상의 분리된 전극으로 형성하고, 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압이 인가되는 것이다.
여기서, 상기 (b) 단계 및 (c) 단계는, 용액공정으로 상기 절연층 및 발광층을 형성하는 것이 바람직하고, 상기 (c) 단계는, 유기발광 고분자에 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 혼합하여 절연층 상부에 용액공정으로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 유기발광 고분자는, 레드, 그린 및 블루 유기 발광 고분자 중에서 선택된 서로 다른 2종 이상 혼합되어 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 상하 전극의 직접 접촉이 없이, 단일전극에만 교류전압을 인가하여도 구동되는 새로운 개념의 전계 기반 발광 디스플레이 및 그 제조방법을 제공한다.
둘째, 본 발명은 용액 공정을 통한 저비용 제조 및 대면적 디스플레이 제작을 통한 가격 경쟁력을 가질 수 있는 전계 기반 발광 디스플레이 소자 제조방법 및 그 방법으로 제조된 발광 디스플레이 소자를 제공한다.
셋째, 본 발명 종래의 디스플레이와는 다른 신개념의 디스플레이소자로 개인 정보화 시대의 스마트 디스플레이로 적용될 수 있어, 향후 개인이 직접 디자인하고 표시하는 형식, 즉 재기록 가능 주문형 전자 쓰기(customized re-writable electric writing) 방식으로 산업적으로 다양하게 응용될 수 있다.
넷째, 본 발명은 초고해상도 디스플레이, 재기록(re-writable) 전자보드(light emitting electric board: LE e-board)등 차세대 성장동력 기술로 응용될 수 있다.
다섯째, 본 발명은 입력정보를 표시장치(디스플레이)로 전달하는 데이터 처리(data processing)를 직접적으로 대체할 수 있는 스마트 발광 및 pixel-free 디스플레이 기술로써, 향후 차량용 디스플레이, 스마트 윈도우, 전자광고, 미디어 파사드 등에 무한히 응용한 가능한 장점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자의 작동원리를 예시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자가 구동되는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자가 주파수에 따른 소자 성능을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자에서 교류전압 인가 전극 간 거리에 따른 소자성능을 알아보기 위한 소자의 구성 모식도이고, 도 6은 그 소자의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자에서 교류전압 인가 전극 간 거리에 따른 소자성능을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3가지 색으로 발광하는 소자를 병렬로 연결하여 교류전압을 인가하는 경우를 나타내는 사진이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자의 작동 모식이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전계 기반 발광 디스플레이 소자는, 기판(110)에 적층되어 형성된 하부전극(120); 하부전극(120) 상부에 적층되어 형성된 절연층(130); 절연층(130) 상부에 형성된 발광층(140); 및 발광층(140) 상부에 형성된 상부전극(150)을 포함하되, 상기 하부전극(120) 및 상부전극(150) 중 어느 하나의 전극은 2개 이상의 분리된 전극으로 형성되고, 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
도 1에 예시한 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자는, 상부전극(150)/발광층(PDY132)(140)/절연층(10)/하부전극(ITO)(120) 구조이되, 어느 하나의 전극이 2개의 라인 패턴 전극으로 교류전압이 인가되는 특징을 갖는 디스플레이 소자이다. 즉, 교류 전압을 두개의 라인 패턴된 상부전극(150)에 인가했을 때, 구조의 절연층을 통해 전기장이 하부전극(120)에 유도되고 접촉 없이 전자와 전공이 발광층(140)으로 주입되어 발광하는 구동원리를 갖는 디스플레이 소자를 제안한다.
종래의 디스플레이 소자 구동방식은 상부전극과 하부전극을 외부 회로의 접촉을 통해 전압을 인가하여 전하 주입에 따른 발광하는 원리인 반면, 본 발명의 실시예에 따른 구동방식에서는 2개의 라인 패턴 된 상부전극 혹은 2개의 라인 패턴된 하부전극에 전압을 인가함으로써, 전기장이 절연층을 통해 형성되 되어 반대 전극에도 전압이 인가되는 현상을 이용한 구동방식이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 발광 디스플레이 소자는 교류전압을 전원으로 사용하며, 외부회로와의 접촉은 2개의 상부전극(150) 또는 하부전극(120)인 단일전극에만 인가되며 인가된 전계의 영향을 받아 외부회로와 접촉되지 않은 두 개의 상부전극(150) 또는 하부전극(120) 금속 내부의 전자가 발광층으로 주입되어 발광하는 구조이다.
그리고, 종래의 발광 디스플레이 소자에서 패턴 된 여러개의 셀을 작동시키기 위해서는 각각의 상부전극과 하부전극이 외부 회로로의 연결을 위한 많은 도선이 요구되어 회로설계를 복잡하게 만들며 이에 따른 고비용 공정이라는 한계가 있었지만, 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자는 어느 하나의 전극이 회로와 접촉되지 않더라도 단일전극과 절연체를 통하여 전계가 인가되어 근거리의 셀을 단순한 회로를 갖는 소자에서 구동시킬 수 있다는 점에서 새로운 개념의 무선 구동이 가능한 발광소자이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 기판(110)에 형성하는 하부전극(120)은 투명전극을 형성하는 것이 바람직하고, 투명전극은 ITO(Indium Tin Oxide) 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 발광 디스플레이 소자로서, 발광층(140)에서 발광되는 빛이 소자를 투과하여 외부로 노출될 수 있어야 하기 때문이다. 또한, 2개 이상의 전극으로 분리된 상부전극(150)은 전도성이 높은 금속재질을 사용하는 것이 바람직하고, 본 발명의 실시예에서는 LiF/Al 전극을 사용한다.
그리고, 하부전극(120) 상부에 형성된 절연층(130)은 SiO2 또는 Al2O3 를 재질로 하는층으로서 화학기상증착법(CVD), 플라즈마 화학기상증착법(PECVD, Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 및 ALD(Atomic Layer Deposition) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 증착된다. 이와 같은 절연층(130)은 이후 단일전극에 인가되는 전압에 의해 전계를 발생시키고, 발생된 전계에 의해 전자 또는 정공이 발광층으로 이동되어 발광을 일으키는 역할을 수행하게 된다.
발광층(140)은 유기발광 고분자를 재질로 하고, 유기발광 고분자에 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube: MWNT)를 소량 혼합하여 형성하는 것이 바람직하다. 이처럼 발과층에 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon Nanotube: MWNT)를 혼합한 발광층 혼합체를 사용하는 것은 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)가 캐리어들을 발광층 내부까지 잘 주입되도록 하는 기능을 수행하고 전하가 균형을 이룰 수 있는 기능을 수행하기 때문이다.
그리고, 유기발광 고분자로서, 그린 발광 고분자 F8BT[poly[(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-(benzo[2,1,3]thiadiazol-4,8-diyl)]는 합성하여 사용하는 것이 바람직하고, 레드 발광 폴리스피로 공중합체와 블루 발광 폴리스피로바이플루오렌계 공중합체를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 RGB를 혼합한 고분자 발광층을 사용하는 것도 가능한데, 각 레드, 그린, 블루 각 단색 발광 고분자만을 사용한 경우에 대비하여 훨씬 밝기 및 휘도가 증가한다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 고분자 발광층에 사용되는 발광 고분자는 단독 색의 발광 고분자뿐만 아니라, 레드, 그린 및 블루의 발광 고분자의 혼합 고분자(이하에서 "RGB" 발광 고분자라 칭함)를 사용하는 경우 RGB 사이의 FRET(fluorescence resonance energy transfer) 현상을 통하여 단독 색만의 발광에 비하여 훨씬 휘도가 증가함을 확인할 수 있다. 물론 레드와 그린, 레드와 블루, 그린과 블루의 2종의 발광 고분자를 사용하는 경우에도 이종 발광 고분자 사이의 FRET으로 인하여 단독으로 사용할 때보다 휘도를 높일 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자는 종래의 발광 디스플레이 소자와 달리, 상부전극 및 하부전극 중 어느 하나에 2개 이상의 분리된 전극을 형성하고, 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.
이처럼, 본 발명의 실시예는 종래 발광소자와 같이 상부전극 및 하부전극에 전압을 인가하는 것이 아니라, 상부전극 및 하부전극 중 어느 하나에 2개의 분리된 전극을 형성하고, 분리된 2개의 전극 즉, 단일전극에 교류전압을 인가하는 구조를 제안함으로써, 절연층에 전계를 형성하고, 전계로 인하여 전자 또는 정공이 발광층으로 이동하여 발광하는 새로운 개념의 발광 디스플레이 소자를 제안한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자는 교류전압을 전원으로 사용하며, 외부회로와의 접촉은 2개의 상부전극 및 하부전극 중 어느 하나의 단일전극에만 인가되며 인가된 전계의 영향을 받아 외부회로와 접촉되지 않은 두 개의 상부전극 또는 하부전극 금속 내부의 전자가 발광층으로 주입되어 발광하는 구조이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자의 작동원리를 예시한 모식도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자는, 두 개의 분리된 상부전극에 교류 전압을 인가 해주면, 주파수(frequency) 에 따라 + 전압과 - 전압이 번갈아 가면서 가해지는데, 첫 번 째 도면은 + 전압이 인가될 때의 구조 밴드 다이어 그램에서 캐리어(hole)의 이동을 보여주는 메카니즘이며, 두 번째 그림은, - 전압이 인가 될 때의 밴드 다이어그램에서 캐리어(electron)의 이동을 보여주는 메카니즘이다.
첫 번째 그림에서 정공(hole)은 전극을 통해 주입되지 않고, 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 통해서 정공(hole)이 주입이 되며, 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)에서부터 활성층(active layer)의 HOMO 에너지 준위로 정공(hole)이 주입이 되는 원리를 나타내고 있다. 반대로 두 번째 그림에서 전자는 LiF/Al 전극을 통해 주입되어 활성층(active layer)의 LUMO 에너지 준위로 전자가 주입이 되는 원리를 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자가 구동되는 사진이다. 일반적인 종래의 LED 구조에서는 상부전극과 하부전극이 연결되어야만 각각의 전극을 통해 전자(electron)와 정공(hole)이 주입되어 재결합(recombination)이 이루어지는 원리인 반면, 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 접촉을 어느 하나의 전극 즉, 상부전극에만 걸어 주었음에도 불구하고 소자가 작동되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예는 상부전극 및 하부전극 중 어느 하나의 단일전극에 교류전압을 인가하면, 전기장 또는 전계가 형성되고, 이를 통해 발광층으로 전자(electron) 또는 정공(hole)이 주입되면서 발광되는 현상을 이용한 새로운 형태의 발광 디스플레이 소자를 제안하고 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자가 주파수에 따른 소자 성능을 나타낸 그래프이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 주파수에 따른 변수를 적용하여 소자의 성능(Luminance, Current Efficiency, Power Efficiency)이 각각 다르게 나타나고 있고, 휘도(Luminance)는 100KHz에서 가장 크게 나타나고 있으며, 전류 효율(current efficiency)와 전력 효율(power efficiency)는 5KHz에서 가장 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 즉, 주파수가 높아짐에 따라 소자의 휘도는 높아지지만, 전류효율과 전력효율은 상대적으로 낮아짐을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자에서 교류전압 인가 전극 간 거리에 따른 소자성능을 알아보기 위한 소자의 구성 모식도이고, 도 6은 그 소자의 성능을 나타내는 그래프이다.
즉, 도 5는 전극을 컨택하여 전압을 인가할 때, 단일전극인 상부전극이 떨어져 있는 거리에 따라 소자의 성능이 얼마나 변화가 있는지 알아보기 위한 실험을 진행하였고 그 실험의 모식도이다.
하나의 소자에 4개의 탑 전극이 올라가 있으며, 첫 번째와 두 번째 컨택했을 경우, 첫 번째와 세 번째, 첫 번째와 네 번째 전극을 컨택했을 때의 성능 비교를 하였고, 더 나아가 두 개의 소자를 연결하고 난 후, 첫 번째와 다섯 번째, 여섯 번째 일곱 번째, 여덟 번째 전극을 컨택하여 거리에 따른 소자의 성능 비교를 한 실험이고, 도 6은 그 실험 결과이다. 전체적으로 비슷한 성능을 띄는 것을 보여주고 싶었고, 이것은 거리가 아주 멀리 떨어져 있다 하더라도 소자의 성능에는 영향이 없다는 것을 보여준다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3가지 색으로 발광하는 소자를 병렬로 연결하여 교류전압을 인가하는 경우를 나타내는 사진이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자를 R, G, B를 나타내는 물질을 이용해 소자를 만든 다음, 소자를 전도성(conductive) 가지는 와이어(wire)을 이용하여 연결하여 한쪽에서만 컨택을 해줄 경우, 모든 소자에 교류 전압을 인가해 줄 수 있게 되어 소자가 정상적으로 작동하는 것을 나타낸다.
즉 종래의 상부전극 및 하부전극 모두에 컨택하여 전압을 인가함으로써, 다수개의 발광 소자의 연결의 매우 복잡하고 어려웠지만, 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자는 간단하게 전도성 와이어로 연결하여 구동할 수 있다는 점에서 구조가 매우 간단하고 제조가 용이할 뿐만 아니라, 제품 디자인 자유도가 매우 높다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자의 작동 모식이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자는, 기판에 2개 이상의 분리된 전극으로 형성된 하부전극; 하부전극 상부에 적층되어 형성된 절연층; 절연층 상부에 형성된 발광층; 및 발광층 상부에 분리된 전극 사이의 분리된 공간을 연결하여 프린트된 전도성 재질의 프린팅 전극을 포함하되, 상기 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압을 인가되는 것을 특징으로 한다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자는 도 1의 실시예와는 달리, 하부전극에 분리된 2개의 전극을 형성하고, 분리된 2개의 전극 상부에 절연층 및 MWNT를 포함하는 발광층을 형성한 후, 발광층 상부에 분리된 2개의 전극 사이의 분리된 공간을 연결하는 프린트된 전도성 재질의 프린팅 전극 형성하고, 분리된 전극에 교류전압을 인가함으로써, 발광하는 소자를 제안한다.
즉, 본 발명의 실시예는 전도성 재질의 물질로 발광층 상부에 글씨, 문양 및 그림 등 다양한 방법으로 프린팅하여 하부전극의 분리된 전극의 상부 위치의 공간을 연결하여 교류전압을 인가함으로써, 전계를 형성하고 전계를 통해 발광층에 전자 또는 정공이 주입되어 발광하는 새로운 개념의 프린팅 전극 발광소자를 제안한다.
구체적으로, 도 8에 나타낸 바와 같이, 소자의 가운데에 분리된 하부전극에 컨택을 하였고, 발광층인 활성층(active layer) 위에 LiF/Al 전극이 아닌 은 ㅍ페페이스트(silver paste)라는 전도성(conductive) 재질을 가지는 물질을 이용하여 글씨를 썼을 경우 은 페이스트(silver paste)가 가운데 분리된 공간을 연결해 주게 되면서, 상술한 원리를 바탕으로 글씨 쓴 부분만 소자가 구동되는 것을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 제조방법은, (a) 기판에 하부전극을 형성하는 단계; (b) 하부전극 상부에 절연층을 형성하는 단계; (c) 절연층 상부에 발광층을 형성하는 단계; 및 (d) 발광층 상부에 상부전극 형성하는 단계를 포함하되, 상기 하부전극 및 상부전극 중 어느 하나의 전극은 2개 이상의 분리된 전극으로 형성하고, 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 제조방법은 상부전극 및 하부전극을 형성하는 단계를 제외하고 모두 용액공정으로 절연층 및 발광층을 형성함으로써, 제조공정이 간단하고 용이하여 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 각 단계에서 사용되는 소자의 구성요소는 상술한 바와 같기 때문에 설명은 이하 생략하기로 한다.
실험 및 결과
본 발명의 실시예에 따른 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 제조방법에 따라 제조된 소자에서 외부회로와의 연결 없이 하부전극인 단일전극에만 교류전압을 인가하였을 경우, 7000 cd m-2 및 6 cd A-1의 옐로우 발광성능을 구현하였고 청색 발광소자에서 2000 cd m-2 및 0.7 cd A-1의 청색 발광 성능 적색광 발광 소자에서 200 cd m-2 및 0.1 cd A-1의 적색광 성능을 구현하였다.
그리고, 일반적인 전압 인가 방식인 상부와 하부의 교류전압을 인가하였을 경우의 소자 효율보다 본 발명의 실시예에 따라 하부와 하부 전극에 교류전압을 인가하여 소자를 구동시킬 경우의 소자 효율이 2배 이상 증가하는 것을 확인하였으며 이는 간접적인 교류전압 인가할 경우 누설전류가 적게 발생하여 2배 이상 증가하는 효율을 얻을 수 있음을 나타낸다.
또한 상술한 바와 같이, RGB 각 소자를 전도도를 가지는 은나노 파티클이 도핑된 와이어를 이용하여 연결하여 교류전압을 인가하여 동시에 RGB 발광하는 3개의 소자를 작동시킬 수 있음을 도 7에서 알 수 있다.
그리고, 도 8에 나타낸 바와 같이, 상부 전극은 실시간으로 은 잉크, 연필 혹은 액체 전극인 Gallium-indium eutectic 액체 전극으로 손글씨로 형성할 경우, 이 전극과 외부회로와의 접촉 없이 구동할 수 있으며 쉽게 전극을 지우고 다시 형성할 수 있으므로 디스플레이의 패턴 공정 및 구동을 저비용으로 형성 가능하고 실시간으로 소자를 작동할 수 있다는 점에서 종래기술과의 차별성을 가진다.
더하여, 상부 전극과 외부회로 간의 접촉을 요하지 않아 상부 전극의 패턴 크기를 수십~ 수백 나노사이즈로 형성할 경우 소자를 쉽게 작동시킬 수 있다는 장점을 가진다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 기판 120: 하부전극
130: 절연층 140: 발광층
150: 상부전극

Claims (18)

  1. 기판에 적층되어 형성된 하부전극;
    하부전극 상부에 적층되어 형성된 절연층;
    절연층 상부에 형성된 발광층; 및
    발광층 상부에 형성된 상부전극을 포함하되,
    상기 하부전극 및 상부전극 중 어느 하나의 전극은 2개 이상의 분리된 전극으로 형성되고, 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리된 전극은 2개 이상의 라인패턴 전극인 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 상부전극 및 하부전극 중 적어도 어느 하나는 투명전극인 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연층은,
    SiO2 또는 Al2O3를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광층은,
    다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광층은,
    유기발광 고분자를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  7. 청구항 7에 있어서,
    상기 유기 발광 고분자는 레드, 그린 및 블루 유기 발광 고분자 중에서 선택된 서로 다른 2종 이상 혼합되어 형성된 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  8. 기판에 2개 이상의 분리된 전극으로 형성된 하부전극;
    하부전극 상부에 적층되어 형성된 절연층;
    절연층 상부에 형성된 발광층; 및
    발광층 상부에 라인 패턴전극 사이의 분리된 공간을 연결하여 프린트된 전도성 재질의 프린팅 전극을 포함하되,
    상기 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압을 인가되는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 프린팅 전극은,
    전도성 페이스트를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 상부전극 및 하부전극 중 적어도 하나는 투명전극인 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 절연층은,
    SiO2 또는 Al2O3를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 발광층은,
    다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 발광층은,
    유기발광 고분자를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 유기 발광 고분자는 레드, 그린 및 블루 유기 발광 고분자 중에서 선택된 서로 다른 2종 이상 혼합되어 형성된 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자.
  15. (a) 기판에 하부전극을 형성하는 단계;
    (b) 하부전극 상부에 절연층을 형성하는 단계;
    (c) 절연층 상부에 발광층을 형성하는 단계; 및
    (d) 발광층 상부에 상부전극 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 하부전극 및 상부전극 중 어느 하나의 전극은 2개 이상의 분리된 전극으로 형성하고, 분리된 전극 중 2개의 전극에 교류전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 (b) 단계 및 (c) 단계는,
    용액공정으로 상기 절연층 및 발광층을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 제조방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    유기발광 고분자에 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 혼합하여 절연층 상부에 용액공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 제조방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 유기발광 고분자는,
    레드, 그린 및 블루 유기 발광 고분자 중에서 선택된 서로 다른 2종 이상 혼합되어 형성된 것을 특징으로 하는 단일전극 연결 전계 기반 발광 디스플레이 소자 제조방법.



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KR102250717B1 (ko) * 2019-11-26 2021-05-10 연세대학교 산학협력단 발광 소자

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