KR970002016B1 - 박막 el 소자 - Google Patents

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Abstract

내용없음.

Description

[발명의 명칭]
박막 EL 소자
[도면의 간단한 설명]
제1도 내지 제5도는 종래예 및 비교예에 관한 것으로,
제1도는 종래 일반의 박막 EL 소자의 구조를 나타낸 개략단면도.
제2도 내지 제5도는 각각 비교예로서 4개의 발광 중심물의 형태를 나타낸 모식도.
제6도는 본 발명의 박막 EL 소자의 일 구체예의 구조를 나타낸 개략단면도.
제7도는 본 발명의 구체예의 발광중심 불순물의 형태를 나타낸 모식도.
제8도는 본 발명의 구체예의 특성과 비교예의 특성을 비교하는 휘도-전압 특성선도.
제9도는 본 발명의 구체예와 비교예를 비교한 휘도의 시간 경과에 따른 변화 상태를 나타낸 선도.
[발명의 상세한 설명]
[발명의 기술분야]
본 발명은 박막 EL(Electroluminescence)소자에 관한 것으로, 특히 발광효율의 향상을 기함과 동시에, 고휘도, 고신뢰성이 얻어지는 초격자 구조의 발광층을 갖는 박막 EL 소자에 관한 것이다.
[발명의 배경 기술]
박막 EL 소자의 일반적인 구조는, 제1도에 도시된 바와 같이, 투명기판(1)상에 투명도전막(2)과, 제1유전체(3)와, 발광층(4)과, 그리고 제2유전체(5)를 순차적으로 적층하고, 투명도전막(2)과 제2유전체(5)에 각각 전극(6a)(6b)를 설치하여, 이 양전극(6a)(6b)에 강전계를 인가하는 것에 따라 발광층(4)이 발광하고, 이 광이 투명기판(1)을 통하여 발광되도록 하였다.
상기한 바와 같은 2중 유전체 구조의 박막 EL 소자의 발광층(4)은 발광중심 불순물을 함유하는(발광중심 불순물이 주입된)발광모재로 구성되어, 발광충(4)에 강전계가 인가되면, 발광중심 불순물의 전자에너지 상태는 여자 상태로 된다.
이것이 기저상태로 돌아가는 경우, 에너지를 광으로 변환시켜 외부로 방출하고, 이에 따라 소위 EL 발광을 행하게 되는 것이다.
방출된 광의 파장은 발광중심 불순물에 의하여 결정된다. EL 발광을 행하기 위해서는, 발광층에 강전계가 인가되어야만 하기 때문에, 발광모재는 밴드 갭(band gap)이 큰 것이 필요하다.
역으로, 발광모재의 밴드 갭이 작은 경우, 발광층(4)에 강전계가 가해져도 이것을 유지하는 것이 불가능하여 전류가 흐르지 않고, 결국 발광층에 강전계를 걸어주는 것이 불가능한 것이다.
이와 같은 이유로서, 종래 발광 모재에는 밴드갭이 넓은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물, 예를 들면, ZnS, SrS, CaS, ZnSe 등이 이용되었다. 그리고 발광중심 불순물로서는, Mn, Eu 등이 이용되었고, Mn을 함유한 ZnS(Zns:Mn)는 황등색, Eu를 함유한 CaS(CaS:Eu)는 적색을 발광한다.
상기 발광층(4)에 사용되는 ZnS:Mn 결정중의 불순물의 구조는 제2도에 도시된 바와 같이, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 ZnS의 2가원소 Zn의 격자위치에 동일하게 천이 금속 Mn이 치환되어 있기 때문에 고휘도로서 안정적인 소장가 얻어진다
또한, 여러종류의 발광을 얻기 위하여, 발광중심물에 여러종류의 원소를 사용하는 시험이 실시되고 있다.
예를 들면, Tb, Tm, Sm, Ce 등이다. Tb, Tm, Sm을 함유하는 ZnS(ZnS:Tb, ZnS:Tm, ZnS:Sm)은 각각 녹색, 청색, 적등색을 발광하고, Ce를 함유하는 SrS(SrS:Ce)는 청녹색을 발광한다.
발광모재가 Ⅱ-Ⅵ족인 화합물은 Ⅱ족 원소가 2가, Ⅵ족 원소가 -2가 이기 때문에, 화합물 상태에서는 전기적 중성이고, 안정상태이다.
그리고, 발광중심 불순물을 함유시킬 때, 그것은 발광모재의 원소와 치환이 일어나 함유되어진, Mn, Eu등 2가원소의 경우는, 발광층의 전기적 중성이 유지되고, 안정상태를 나타낸다.
그러나, 발광중심 불순물이 Tb, Tm등 3가 원소인 경우는 발광층의 전기적 중성은 무너지고, 따라서 발광층에 공격자점(vacant lattice point), 결정전이, 결정변위등의 현상등이 일어난다.
이와 같이 발생된 결정 결합이 원인이 되어 발광층에 인가된 에너지를 발광 중심 불순물로 유효하게 전달하는 것이 불가능하게 되고, 그 결과 저전압으로 고휘도로 발광할수가 없었다.
발광층(4)이 ZnS:Tb인 경우 결정중의 불순물 헝태는 Tb가 제3도에 도시된 바와 같이 되고, 발광중심 불순물의 Tb가 3가 이기때문에 계전체로 전기적 중성이 유지되지 않아, 충분한 휘도를 얻을 수 없었다.
이와 같은 3가의 발광 중심물의 경우, 그것과 함께 전하보상용의 원소, 예를 들면 Tb와 함께 F를 함유시켜, ZnS:Tb, Fx(x=1,2,3)로서 고휘도의 발광소자를 얻도록 한것이 제안되었다
그러나, 이 발광소자의 결정중의 불순물 형태는 제4도 및 제5도에 도시되어 있으나, 이들의 경우에는 격자간에 F가 존재하기 때문에 불안정하여 안정된 발광소자를 얻는 것이 불가능하였고, 발광층의 신뢰성(수명)을 저하시키는등의 문제점이 있었다.
그리하여, 3가의 발광 중심불순물을 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 3가 원소로 치환하여 사용하는 것을 고려하였다. 그러나, 발광중심을 여자시키기 위해서는 약 IMV/cm의 고전계가 필요하고, 이 전계를 유지하기 위해서는 약 3eV 이상의 밴드 갭을 갖는 재료가 필요하였다. 일반적인 Ⅲ-Ⅴ족 화합물(InP, GaP, GaAs등)은 밴드 갭이 작아 발광층의 재료로서는 적합하지 않았다.
또한, 상기한 바와 같은 종래의 박막 EL 소자의 발광효율은 0.1% 정도로 매우 낮았다. 발광층(4)의 발광에는 여기자(exction)가 관여되는데, 종래의 소자에 의한 EL 발광은 발광 중심 불순물내 혹은 이 주변의 여기자만이 관여하기 때문에 여기자가 적어 발광 효율을 저하시키는 원인중의 하나가 되었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 사정을 감안한 것으로서, 그 목적으로 하는바는, 발광층의 여기자가 다수의 생성되어 발광효율을 향상시키는 것이 가능한 박막 EL 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명 다른 하나의 목적은 전하보상용의 원소를 첨가하지 않고, 발광층의 전기적 중성을 유지하면서 여러종류의 발광중심 불순물을 함유시키는 것이 가능하여, 결정 결함을 방지하는 것이 가능하고, 저전압으로 다양한 발광색을 얻는것이 가능하도록한 박막 EL 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1형태에 따르면, 투명 기판상에 투명 도전막과, 제1유전체와, 발광층과, 그리고 제2유전체가 순차적으로 적층되고, 상기 투명 도전막과 제2유전체에 각각 전극이 고정 형성된 2중 유전체 구조의 박막 EL 소자에 있어서, 상기 발광층이 발광모재/발광모재 : 발광중심물의 초격자 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 EL 소자가 제공된다.
또한 본 발명의 제2형태에 따르면, 상기 제1형태에 기재된 박막 EL 소자에 있어서, 상기 발광 모재가 Ⅱ-Ⅵ족 화합물/Ⅲ-Ⅴ족 화합물로 된 초격자 구조로된 박막 EL 소자가 제공된다.
또한, 본 발명 제3형태에 따르면, 상기 제1형태에 기재된 박막 EL 소자에 있어서, 상기 발광중심 불순물이 Ⅲ-Ⅴ족 화합물에 함유시킨 3가 천이금속 혹은 3가의 회로류 원소인 박막 EL 소자가 제공된다.
또한, 본 발명의 제4형태에 따르면, 상기 제1형태에 기재된 박막 EL 소자에 있어서, 상기 발광중심 불순물이, Ⅱ-Ⅵ족 화합물에 함유시킨 2가의 천이금속 혹은 2가의 희토원소류 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물에 함유시킨 3가의 천이금속 혹은 3가의 회토류 원소인 박막 EL 소자가 제공된다.
상기한 이외의 본 발명의 목적, 형태 그리고 장점온 본 발명의 원리에 합치하는 적합한 구체예가 실시예로 나타나 있는 이하의 기술 및 첨부도면에 따라 설명하는 것에 의하여, 당해 기술의 숙련자에 의해 더욱 명확해질 것이다.
[바람직한 구체예의 상세한 설명]
이하, 제6도로부터 제9도까지의 각 도면에 따라 본 발명의 구체예를 설명한다.
제6도에 도시된 구조를 갖는 본 발명의 박막 EL 소자의 발광층 4'는 ZnS로된 제1모재와, ZnS(1-x) SeX로 된 제2모재에 발광중심 불순물인 Mn을 첨가한 구성, 즉 ZnS/ZnS(1-x) Sex:Mn(여기에서 0X≤1)의 초격자 구조로 되어 있다.
이와 같이 구성된 발광층(4')은 다수층(예를 들면 100-1,000층)으로 적층되어 이용된다.
상기 구성의 발광층(4')은 각각의 구성원소를 각각 별도의 증발원으로부터 증발시켜 기판상에 증착시키는 소위 다원 증착법(MSD법)으로 제작한다. 상기 구성에 있어서, 발광층(4')에 양 유전체(3)(5)를 통해 강전계가 인가되어, 이것이 EL 발광하는때, 제1발광모재인 ZnS와, 제2발광 모재인 ZnS(1-x) Sex와의 계면에 여기자가 다수 생성하고, 그것이 발광중심 불순물의 발광에 기여하여, 고효율의 발광이 이루어진다.
또한, 구체예에 따른 박막 EL 소자는, 2중 유전체 구조의 박막 EL 소자의 발광층(4)을(Ⅱ-Ⅵ족 화합물)/(Ⅲ-Ⅴ족 화합물)로 나타내지는 초격자 구조의 발광 모재로 구성한다.
즉, 투명기판(1)상에 산화석(SnO2)등으로된 투명도전막(2), 오산화 탈타늄(Ta2O5)등으로된 제1유전체(3), 상기와 같은 초격자 구조의 발광층(4), 오산화 탈타늄등으로 된 제2유전체(5), 알루미늄(Al)등으로된 금속전극(6a)(6b)이 순차적으로 적층되어 구성되어 있다.
상기 발광층(4')에 관하여, 그 조성은 얻고싶은 발광색에 따라 다양하게 선택가능하다.
예를 들면, ZnS와 Tb를 함유한 링형 갈리움(terbium-doped gallium phosphate(GaP:Tb))과의 초격자 구조의 경우, 녹색 발광을 실시하고, 밴드 갭은 ZnS와 GaP간의 값으로 되기때문에, EL 발광에 충분함과 동시에, Tb는 GaP에 함유되어 있기 때문에, 발광층(4')에 결정 결함이 생기지 않고 저전압으로 발광이 이루어진다.
이 실시예에서 발광층(4')의 조성인 ZnS/GaP:Tb의 결정중의 발광 중심 불순물의 형태는, 제7도에 도시되어 있는 바와 같이, 3가의 발광중심 블순물은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 결정중에 안정되게 존재하고, Ⅱ-Ⅵ족 화합물, 예를 들면 ZnS(밴드 갭은 3.8eV)가 고전계를 유지하기 때문에 안정되고 고휘도의 EL 소자를 구성한다.
제8도는 상기 본 발명의 구채예의 발광층에 이용된 ZnS/GaP:Tb와, 비교예의 발광층에 이용된 ZnS:Tb, Fx 및 ZnS:Tb의 3종류의 EL 소자의 휘도-전압 특성을 나타낸 것으로, 이 도면에서 알수있는 바와 같이, 본 발명의 구체예인 ZnS/GaP:Tb는 다른것에 비교하여 저전계로서 높은 휘도를 얻는 것이 가능하다.
또한, 제9도는 상기 본 발명이 구체예인 ZnS/GaP:Tb와 비교예의 ZnS:Tb, Fx의 시간경과에 따른 휘도 상태를 나타낸 것으로, 본 발명의 구체예의 것이 다른것에 비하여 우수한 것으로 알 수 있다.
한편, Eu를 함유한 스트론티움 설파이드(europium-doped stronitium sulfide(SrS:Eu))와 Ce 및 Tb를 함유한 링형 갈리움(GaP:Ce, Tb)으로된 초격자 구조의 경우, 3원색을 갖는 백색광원을 얻는 것이 가능하다.
상기 구체예에 도시된 본 발명에 따른 발광층(4')의 발광 모재를 구성하는(Ⅱ-Ⅵ족 화합물)/(Ⅲ-Ⅴ족 화합물)로서 나타내지는 초격자 구조는, Ⅱ-Ⅵ족 화합물층 20-2OOÅ과, Ⅲ-Ⅴ족 화합물층 20-200Å이 주기적으로 20-500층 적층되어 있다.

Claims (3)

  1. 투명기판상에 투명 도전막과, 제1유전체막, 발광층과 그리고 제2유전체가 순차 적층되고 상기 투명도전막과 상기 제2유전체상에 각각 전극이 설치된 2중 유전체 구조의 박막 EL 소자에 있어서, 상기 발광층이 발광모재/발광모재:발광중심 불순물의 초격자 구조로 형성되고, 상기 발광모재는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물/Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 초격자 구조로 됨을 특징으로 하는 박막 EL 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광중심 불순물이 Ⅲ-Ⅴ족 화합물에 함유시킨 3가의 천이금속 혹은 3가의 희토류 원소로 됨을 특징으로 하는 박막 EL 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발광중심 불순물이, Ⅱ-Ⅴ족 화합물에 함유시킨 2가의 천이금속 혹은 2가의 희토류원소, 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물에 함유시킨 3가의 천이금속 혹은 3가의 희토류 금속임을 특징으로 하는 박막 EL 소자.
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