KR20200103470A

KR20200103470A - 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자 및 그의 제작방법

Info

Publication number: KR20200103470A
Application number: KR1020190022020A
Authority: KR
Inventors: 장지호; 고동완; 최준석
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-09-02
Also published as: KR102189353B1

Abstract

본 발명은 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자 및 그의 제작방법에 관한 것으로 스페이서에 의해 이격 배치되는 양극과 음극으로 구성되는 면발광소자에 있어서, 상기 양극은 사파이어 소재나 자외광 고투과성 투명소재로 이루어진 단결정 양극기판, 금속으로 스크린 프린팅을 이용해 전극 패터닝되어 형성되는 전극층, 형광체 박막; 을 포함하여 구성되고, 상기 음극은, ITO기판이 사용되는 음극기판, 상기 음극기판 일면에 인쇄되어 고정된 전계방출용 탄소나노튜브팁으로 구성되어 양극에 고품질의 형광층 박막의 성장과 자외광 투과도 증가를 확보할 수 있도록 한다.

Description

자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자 및 그의 제작방법{Fabrication of Field Emission Device using high UV transmittance anode structure and Method thereof}

본 발명은 면발광 소자의 및 그의 제작 방법으로, 자외광 투과도가 높은 사파이어 기판이나 고투과성 투명 기판으로 이루어진 단결정 양극 기판 위에 금속 전극형상을 형성한 자외광 면발광 소자를 제작하여 자외광 흡수 손실을 낮추어 양질의 발광층을 확보하는 높은 자외광 투과도를 갖는 단결정 기판 양극을 활용한 면발광 소자 및 그의 제작 방법에 관한 것이다.

자외광원(UV-A,B,C)은 반도체 식각공정용 노광용 광원, 살균 작용이나 광화학 반응을 이용한 환경분야, 의료용 살균, 또는 환경오염 물질의 분해나 수질 관리 등의 분야에 폭넓은 응용이 기대되고 있다.

종래의 자외광원은 주로 수은램프 (발광파장 ~ 254nm)가 이용되고 있다. 그러나 수은 램프의 경우 고전압원이 필요하고, 동작개시 시간이 늦으며 수명이 짧은 여러가지 문제점을 갖고 있다.

최근 상용화 중인 자외광 LED(Light Emitting Diode)의 경우에도 210nm 까지의 단파장에서의 자외광의 발광이 보고되고 있지만, 자외광 LED의 가격은 매우 높은 편이며, 발광 출력이나 외부 양자 효율, 광추출 효율 등에 대하여 아직도 많은 개선이 필요한 상황이다.

자외광을 비롯하여 파장이 짧아질수록, 대부분의 광학재료에 대해서 높은 투과손실을 보인다. 이는 광학재료 중으로 자외광이 전파될 수 있는 침투깊이 (penetration depth)가 짧아지는 것을 의미한다. 따라서 자외광 파장의 응용에 있어서는 기존의 점광원에 대비하여 넓은 면적에 대한 조사가 가능한 면발광소자가 훨씬 적합하다고 할 수 있다. 하지만 이러한 연구는 부족한 상황이다.

종래의 면발광소자로는 플라즈마 디스플레이 (Plasma display)나 Field Emission Device (FED)등 평판형 디스플레이와 Electroluminescence (EL) 소자 등을 예로 들 수 있다. 이러한 소자들의 공통점은 여러 가지 방법을 동원하여 발광에 필요한 에너지를 넓은 면적을 갖는 발광층에 공급하여 넓은 면적에서 발광이 일어나도록 하는 것이다.

자외광 소자에 대해서도 자외광을 효과적으로 활용할 수 있는 발광소자가 필요할 것으로 여겨져 다양한 자외광 발광소자의 제조 방법이 발명되었는데 공개특허공보 10-2012-0064866 '전계발광형 자외광 발광소자 및 그 제조방법', 등록특허공보 10-0991875 '전자 방출식 발광소자 및 발광방법', 등록특허공보 10-0312510 '카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자' 등이 이와 같은 기술에 해당된다.

상기 '전계발광형 자외광 발광소자 및 그 제조방법'은 ITO가 코팅된 실리콘다이옥사이드 기판위에 ZnO 나노막대를 사용한 음극, ITO가 코팅된 실리콘다이옥사이드 기판위에 AIN 발광층을 사용한 양극의 구조에 면광원의 구현을 가능하게 하나, 기판 상에서 효율적인 자외광 흡수에는 한계가 있다.

상기 '전자 방출식 발광소자 및 발광방법'은 음극구조, 양극구조, 형광층 및 저압 기제층으로 구성되어 희박한 기체 및 진공(가능한한 진공)을 사용하여 비교적 높은 발광 효율을 가지고 제작이 용이하나, 효율적인 자외광 흡수와 전극 패턴의 형상 및 두께 응용에 한계가 있다.

상기 '카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자'는 음극, 카본 나노튜브 이미터, 게이트전극, 보호층으로 구성되어 탄소나노튜브가 보호층에 의해 양극에 직접 노출되지 않아 양극에 고전압을 인가할 수 있으므로 고전압 형광체를 이용하는 표시소자에 적용할 수 있으나, 효율적인 자외광 흡수, 면발광 구현의 한계로 대면적 광원을 비롯한 응용에 제한이 있다.

공개특허공보 10-2012-0064866 '전계발광형 자외광 발광소자 및 그 제조방법' 등록특허공보 10-0991875 '전자 방출식 발광소자 및 발광방법' 등록특허공보 10-0312510 '카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자'

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 단결정 양극기판을 사파이어나 자외광 고투과성 재료로 사용함으로써 자외광의 흡수손실을 낮추는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 양극기판 일면이 스크린 프린팅에 의해 전극 패터닝되는 전극층을 형성함으로써 다양한 패턴의 형상 및 두께가 가능한 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 대면적으로 발광하는 면발광 소자를 제작하여 양질의 발광층을 확보하며 살균효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스페이서에 의해 이격 배치되는 양극과 음극으로 구성되는 면발광소자에 있어서, 상기 양극은, 사파이어 소재와 자외광 고투과성 투명소재 중에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 단결정 양극기판; 상기 단결정 양극기판 일면이 스크린 프린팅에 의해 전극 패터닝되어 형성되는 전극층; 상기 전극층이 형성된 단결정 양극기판의 일면이 PSD(Pulsed Sputter Deposition)로 성장되어 형성된 형광체 박막; 을 포함하여 구성되고, 상기 음극은,

ITO기판이 사용되는 음극기판; 상기 음극기판 일면에 인쇄되어 고정된 전계방출용 탄소나노튜브팁; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자를 기술적 요지로 한다.

또한, 음극기판에 전계방출용 탄소나노튜브팁이 인쇄되고 고정되어 음극이 제작되는 음극제작단계: 단결정 양극기판의 일면이 전극 패터닝되어 전극층이 형성된 후 형광체 박막이 형성되어 양극이 제작되는 양극제작단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자 제작방법을 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 단결정 양극기판에 사파이어 기판과 자외광 고투과성 투명 기판 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 단결정 양극기판을 사용하며, 상기 단결정 양극기판의 일면에 금속전극이 인쇄된 후 AIN 형광체 박막이 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 음극제작단계는, ITO 기판이 사용되는 음극기판 일면에 인쇄용 페이스트가 스크린프린팅을 통해 인쇄되어 전계방출용 탄소나노튜브팁이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 높은 자외광 투과도를 갖는 단결정 기판 양극을 활용한 면발광 소자 및 그의 제작 방법에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 사파이어 소재와 자외광 고투과성 투명소재 중에서 선택된 어느 하나의 소재로 이루어진 단결정 양극기판을 사용함으로써 자외발광에 대한 투과도를 높이며 양질의 발광층 제작이 가능할 수 있다.

둘째, 전극층을 스크린 프린팅에 의해 전극 패터닝 하여 형성함으로써 패턴의 형상 및 두께에 따라 다양하게 응용 가능할 수 있다.

셋째, 면발광 소자를 제작함으로써 면광원의 구현과 대면적 광원의 구성을 용이하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자의 구성블록도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자의 구성을 보여주기 위한 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형광체 박막 형성에 사용된 PSD(Pulse Sputter Deposition)의 모식도
도 4는 본 발명에 따른 양극 기판상의 전극 형성을 보여주기 위한 도면
도 5는 본 발명에 따른 전극층이 형성된 사파이어 기판 위에 형광체 박막(AIN막)을 형성한 단결정 양극기판을 보여주기 위한 도면

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 높은 자외광 투과도를 갖는 단결정 기판 양극을 활용한 면발광 소자는 도1에서와 같이 양극(100), 단결정 양극기판(110), 전극층(120), 형광체 박막(130), 음극(200), 음극기판(210), 탄소나노튜브팁(220)로 구성된다.

양극(100)은 도 2에서와 같이 단결정 양극기판(110), 전극층(120), 형광체 박막(130)으로 구성된다.

단결정 양극기판(110)은 사파이어 소재와 자외광 고투과성 투명소재 중에서 선택된 어느 하나의 소재로 이루어지고, 사파이어 소재의 기판을 사용할 경우 약 9eV의 밴드갭을 가져 자외발광에 대하여 고투과도를 가지게 하며 아세톤, 메탄올, 초순수물(DI water)에 각각 15분씩 초음파 세척한 후 물기를 제거하여 준비한다.

전극층(120)은 단결정 양극기판(110)의 일면이 은 페이스트를 재료로 스크린 프린팅에 의해 전극 패터닝되고 퍼니스를 이용해 150℃에서 90분간 열처리하여 형성되는데, 전극 패터닝에 사용되는 금속 페이스트는 은 페이스트 외에 알루미늄, 금, 니켈 과 같은 금속재료가 사용 가능하다.

형광체 박막(130)는 도 3, 도 5에서와 같이 전극층(120)이 형성된 단결정 양극기판의 일면이 PSD(Pulsed Sputter Deposition)로 성장되어 형성되는데 PSD가 이루어지는 펄스 스퍼터 장치는 장치 내의 챔버 상부의 샘플 홀더에 히터를 가지고, 진공 챔버 하부에 펄스 전원을 가지며, 진공 챔버 좌측에 아르곤과 반응하는 가스(질소)가 유입량이 조절되어 도입할 수 있고 유입구를 가지며 진공 챔버 우측에 진공 펌프가 설치되어 장치 내의 잔류 가스를 제거할 수 있도록 형성된 구조를 가진다.

형광체 박막(130)이 성장되는 과정은 우선 펄스 스퍼터 장치의 상부에 전극층(120)이 형성된 단결정 양극기판(110)을 두고 이와 대향하여 하부에 알루미늄 타겟을 설치하고, 챔버 내의 진공도를 1.9x10^-9Torr로 유지한 상태에서 단결정 양극기판(110)의 온도를 500℃로 유지하며 챔버 내에 아르곤 가스와 질소 가스를 주입하고 펄스 주파수는 50kHZ, off time은 2.0us로 설정된 상태에서 스퍼터링을 실시하여 단결정 양극기판(110) 및 전극층(120)의 위에 형광체 박막(AlN 박막)(130)이 형성된다.

음극(200)은 도 2에서와 같이 음극기판(210), 탄소나노튜브팁(220), 탄소나노튜브팁 고정레이어(221)로 구성된다.

음극기판(210)은 ITO(Indium Tin Oxide)를 Quartz기판에 코팅한 ITO기판을 사용한다.

탄소나노튜브팁(220)은 음극기판(21)의 일면에 인쇄되어 고정되는데 우선 인쇄용 페이스트를 "다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) : 알루미나 : 유기바인더 = 1 : 2 : 30"의 무게비로 혼합하여 제작한다. 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)는 이소프로필알코올을 24시간동안 초음파처리를 하여 분산시켜 준비하고, 유기바인더는 α-테르피네올과 에틸셀룰로스를 19:1의 무게비로 혼합하여 제작한다. 제작한 인쇄용 페이스트를 스크린프린팅 방법을 이용하여 ITO 기판 위에 인쇄한 후 퍼니스를 이용하여 390℃에서 30분간 열처리 하고 이후 표면처리 공정을 거치고 360℃에서 30분간 추가 열처리 과정을 통해 음극제작조건을 최적화하여 음극을 제작한다.

탄소나노튜브팁 고정레이어(221)는 탄소나노튜브팁(220)을 고정시키기 위해 음극기판(210)에 형성된 것으로 탄소나노튜브와의 접착과 기판과의 접착을 통하여 탄소나노튜브가 기판과 떨어지지 않도록 고정해주는 역할을 하는데, 탄소나노튜브팁 고정레이어(221) 형성에 사용되는 무기충전제 재료에는 유리소재(glss frit), 은 파우더, ITO(Indium Tin Oxide), 알루미나와 같이 다양한 재료가 적용 가능하며, 고른 전계방출을 유도하기 위해 이러한 무기충전제는 마이크로 혹은 나노 크기의 입자를 사용한다.

본 발명의 실시예에서 도 2에서와 같이 양극(100)과 음극(200)은 스페이서(300)를 사이에 두고 대향하고 있으며 양극(100)과 음극(200) 사이의 공간인 공극은 진공분위기(<10^-3Torr)로 유지되며 진공 유지는 본 발명의 면발광 소자의 작동을 위해 필수적이다. 이러한 진공은 패키징 기술을 사용하여 유지시킬 수 있고 임시적으로 챔버 내에서 진공을 유지하여 본 발명의 면발광 소자가 작동될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 도 4에서와 같이 단결정 양극기판(110)은 스크린 프린팅이 진행되는데 도 4의 (a)를 살펴보면 패턴 부분이 뚫려있는 스크린 마스크 위에 페이스트가 놓여지게 된다. 이후 도 4의 (b)에서와 같이 스퀴지를 마스크 방향으로 대고 밀어주면 스크린 마스크의 패턴 부분으로 페이스트가 통과하며 스크린 마스크 하부에 있던 기판 위에 패턴 부분만 페이스트가 형성되게 하여 원하는 모양으로 전극을 패터닝하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서 도 5에서와 같이 형광체 박막(AlN 박막)(130)이 성장되지 않은 전극 부분은 전압을 걸어주기 위해 사용되며 완성된 본 발명의 면발광 소자에 전압을 인가함으로써 음극(200)으로부터 양극(100)의 패터닝된 전극층(120) 쪽으로 전자를 유도하게 된다. 이 과정에서 양극(100)의 전극과 수직하지 않은 영역의 음극(200)에서 유도된 전자는 양극(100)의 전극쪽으로 휘어지면서 터널링 현상을 일으키게 되고 전극층(120)이 형성되지 않은 형광체 박막(130)에 전자가 충돌하게 된다. 이러한 방법에 의해 완성된 본 발명의 면발광 소자는 전극층(120)이 형성되지 않은 형광체 박막(130)에 대해 심자외 발광을 유도할 것이고 이에 의해 양극(100)에 형성된 형광체 박막(130)의 direct bandgap에 가까운 에너지의 빛을 방출하는 본 발명의 면발광 소자의 제작이 가능하다.

1 : 전압회로
100 : 양극
110 : 단결정 양극기판
120 : 전극층
130 : 형광체 박막
200 : 음극
210 : 음극기판
220 : 탄소나노튜브팁
221 : 탄소나노튜브팁 고정레이어
300 : 스페이서

Claims

스페이서에 의해 이격 배치되는 양극과 음극으로 구성되는 면발광소자에 있어서,
상기 양극은,
사파이어 소재와 자외광 고투과성 투명소재 중에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 단결정 양극기판;
상기 단결정 양극기판 일면이 스크린 프린팅에 의해 전극 패터닝되어 형성되는 전극층;
상기 전극층이 형성된 단결정 양극기판의 일면이 PSD(Pulsed Sputter Deposition)로 성장되어 형성된 형광체 박막; 을 포함하여 구성되고,
상기 음극은,
ITO기판이 사용되는 음극기판;
상기 음극기판 일면에 인쇄되어 고정된 전계방출용 탄소나노튜브팁;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자
음극기판에 전계방출용 탄소나노튜브팁이 인쇄되고 고정되어 음극이 제작되는 음극제작단계:
단결정 양극기판의 일면이 전극 패터닝되어 전극층이 형성된 후 형광체 박막이 형성되어 양극이 제작되는 양극제작단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자 제작방법
제 2항에 있어서,
상기 양극제작단계는,
상기 단결정 양극기판에 사파이어 기판과 자외광 고투과성 투명 기판 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 단결정 양극기판을 사용하며, 상기 단결정 양극기판의 일면에 금속전극이 인쇄된 후 AIN 형광체 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자 제작방법
제 2항에 있어서,
상기 음극제작단계는,
ITO 기판이 사용되는 음극기판 일면에 인쇄용 페이스트가 스크린프린팅을 통해 인쇄되어 전계방출용 탄소나노튜브팁이 형성되는 것을 특징으로 하는 자외광 고투과성 단결정 양극기판 기반 면발광 소자 제작방법