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문제 정의
- 따라서 현재 무기전계 발광 디스플레이의 연구개발 방향은 이 두가지 문제점의 해결에 집중되고 있는 상황이다. 본 논문에서는 다음 사항에 중점을 두어 새로운 형태의 무기 전계 발광 디스플레이 소자의 제조방법과 디스플레이 특성에 대해 연구하였다.
- 2) 기존의 후막형 무기전계 발광 소자는 주로 전면발광을 이용하여 LCD 백라이트와 같은 배경조명으로 그 적용분야가 국한되어왔으나, 본 연구에서는 미세노광(lithography) 공정으로 픽셀을 구성하여 발광 특성을 측정하고 수동구동 (passive matrix driving) 방식의 디스플레이 소자 제조의 가능성을 알아보았다.
- 기존의 은(Ag) 혹은 탄소 분말을 사용하여 제작된 후면전극은 유전체와의 접합 특성이 우수하지 못하여, 발광효율이 떨어지는 문제점을 갖고 있다. 이를 개선하기 위하여 후면전극 역시 ITO 기반의 투명전극으로 대체하는 방법을 고안하였으며 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
제안 방법
- 알루미늄의 경우, 전기적 특성은우수하나 반사광에 의한 명암대비 감소현상이 발생하며, 탄소의 경우에는 유전체와의 접합력과 전도특성이 우수하지 못해 디스플레이용으로는 사용하기가 어렵다. 따라서, 배면전극도 전면전극 (front electrode)과 같은 ITO (indium tin oxide) 투명전극을 이용하여 제조공정을 단순화하고 반사광을 줄여 휘도특성이 우수한 후막형 무기전계 발광 소자를 구현하는데 주안점을 두었다.
- 3) 후막형 무기전계 발광 디스플레이의 핵심 공정인 형광체 및 유전체 후막 공정에 대한 실험 변수의 영향을 정량화하고, 결함없는 디스플레이를 위한 신공정 제안에 주안점을 두고 연구를 진행하였다.
- 기판은 1,000 Å의 두께로 ITO가 증착한 유리기판을 사용하였다. 표면에 잔존하는 유기물들과 불순물들을 제거하고 ITO 박막과 다른 막들과의 접합력(adhesion)을 높이기 위해 습식으로 기판을 세척하였다. 먼저 기판 위의 잔유물과 기타 유기물들을 제거하기 위해 아세톤, 메탄올순으로 초음파 세정하였고 각 스텝마다 증류수로 세정하였다.
- 표면에 잔존하는 유기물들과 불순물들을 제거하고 ITO 박막과 다른 막들과의 접합력(adhesion)을 높이기 위해 습식으로 기판을 세척하였다. 먼저 기판 위의 잔유물과 기타 유기물들을 제거하기 위해 아세톤, 메탄올순으로 초음파 세정하였고 각 스텝마다 증류수로 세정하였다. 유리기판 위의 ITO 박막을 미세 패턴화하기 위해 노광 공정을 실시하였다.
- 먼저 기판 위의 잔유물과 기타 유기물들을 제거하기 위해 아세톤, 메탄올순으로 초음파 세정하였고 각 스텝마다 증류수로 세정하였다. 유리기판 위의 ITO 박막을 미세 패턴화하기 위해 노광 공정을 실시하였다. 초기 무기전계 발광소자 제작은 미세패턴이 없는 전면으로 투명전극이 증착된 기판을 사용하였으며, 공정 최적화가 진행된 후의 발광 소자는 미세패턴 구조로 진행되었으며, 그 해당 패턴 모양을 Fig.
- 유리기판 위의 ITO 박막을 미세 패턴화하기 위해 노광 공정을 실시하였다. 초기 무기전계 발광소자 제작은 미세패턴이 없는 전면으로 투명전극이 증착된 기판을 사용하였으며, 공정 최적화가 진행된 후의 발광 소자는 미세패턴 구조로 진행되었으며, 그 해당 패턴 모양을 Fig. 1에 나타내었다. 먼저 전처리 된 ITO 기판에 Positive PR(Photo resistive film)인 AZP1512 용액을 스핀 코터를 사용하여 도포한 후 가열된 전기오븐에서 열처리후 마스크를 시편 위에 정렬하고 자외선 노광기 램프를 이용하여 감광하였다.
- 1에 나타내었다. 먼저 전처리 된 ITO 기판에 Positive PR(Photo resistive film)인 AZP1512 용액을 스핀 코터를 사용하여 도포한 후 가열된 전기오븐에서 열처리후 마스크를 시편 위에 정렬하고 자외선 노광기 램프를 이용하여 감광하였다. 전용 현상액으로 감광된 PR을 제거하고 ITO 식각용액(etching solution)을 이용하여 미세 패턴 이외 지역의 ITO 박막을 식각하였다.
- 먼저 전처리 된 ITO 기판에 Positive PR(Photo resistive film)인 AZP1512 용액을 스핀 코터를 사용하여 도포한 후 가열된 전기오븐에서 열처리후 마스크를 시편 위에 정렬하고 자외선 노광기 램프를 이용하여 감광하였다. 전용 현상액으로 감광된 PR을 제거하고 ITO 식각용액(etching solution)을 이용하여 미세 패턴 이외 지역의 ITO 박막을 식각하였다. 마지막으로 PR 제거액으로 잉여 잔류 감광층을 제거하였다.
- ITO 미세 패턴이 형성된 기판 위에 스크린 인쇄법으로 유전체 층을 형성하였다. 유전체 페이스트(ELPD-110B, ELK Corp.
- )는 점도가 5000~7000 cP으로 폴리머 레진(polymer resine)에 BaTiO3 분말을 분산시킨 것이다. 또한 유전층을 인쇄한 뒤 각종 용매들을 건조시키기 위해 120℃에서 열처리를 진행하였다. 점도가 높은 형광체를 사용하면 분말의 밀도가 증가하는 장점이 있으나 1회 인쇄된 형광체 층이 두꺼워져서 두께제어에 어려움이 있고 분말의 응집현상이 발생하여 발광 균일도를 떨어뜨리게 된다.
- FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy, JSM-6700F, JEOL)을 사용하여 유전체와 형광체의 표면의 미세구조와 두께 등을 관찰하였다. 교류기반의 고전압 구동장치 (PDS-3000, Future Technology Laboratory)를 사용하여 전압과 주파수를 변화시키면서 소자를 무기 전계 발광 디스플레이 발광 소자를 구동시켰다.
- FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy, JSM-6700F, JEOL)을 사용하여 유전체와 형광체의 표면의 미세구조와 두께 등을 관찰하였다. 교류기반의 고전압 구동장치 (PDS-3000, Future Technology Laboratory)를 사용하여 전압과 주파수를 변화시키면서 소자를 무기 전계 발광 디스플레이 발광 소자를 구동시켰다. 전압과 주파수의 함수로 휘도계 (CS-200, KONICA MINOLTA)를 사용하여 휘도값과 색좌표를 측정하였다.
- 교류기반의 고전압 구동장치 (PDS-3000, Future Technology Laboratory)를 사용하여 전압과 주파수를 변화시키면서 소자를 무기 전계 발광 디스플레이 발광 소자를 구동시켰다. 전압과 주파수의 함수로 휘도계 (CS-200, KONICA MINOLTA)를 사용하여 휘도값과 색좌표를 측정하였다.
- 본 실험에서는 탄소(carbon) 페이스트나 은(silver) 페이스트를 배면전극으로 사용한 기존의 후막형 무기전계 발광 시스템과는 달리 전면전극 (front electrode) 뿐 아니라 후면전극 (rare electrode) 역시 ITO 전극을 사용하여 공정을 단순화시켰다. 우선 두 ITO 전극에 유전체와 형광층을 인쇄한 다음 발광 특성을 조사하였다.
- 본 실험에서는 탄소(carbon) 페이스트나 은(silver) 페이스트를 배면전극으로 사용한 기존의 후막형 무기전계 발광 시스템과는 달리 전면전극 (front electrode) 뿐 아니라 후면전극 (rare electrode) 역시 ITO 전극을 사용하여 공정을 단순화시켰다. 우선 두 ITO 전극에 유전체와 형광층을 인쇄한 다음 발광 특성을 조사하였다. 인쇄된 유전층의 두께와 형광체의 두께, 그리고 열처리 온도 및 열처리 시간이 휘도에 미치는 영향을 알아보기 위해 실험계획법을 사용하여 진행한 결과를 Table.
- 호작용, 유전체의 두께가 통계적으로 유의한 효과임을 확인하였다. 실험계획법 분석을 바탕으로 형광체와 유전체의 두께를 최적화하였다.
- 이에 본 연구는 상판과 하판의 유리기판에 증착된 투명 전극을 Fig. 1과 같이 미세패턴을 구현하여 40×40개 총 1600개의 화소를 구현하였다.
- 1에 나타내었다.7) 형광체와 유전체의 두께는 1회 인쇄시 상하판의 접합에 어려움이 있으며, 기공이 많이 발생시키므로 최소 인쇄 횟수를 2회로 한정하였다.
대상 데이터
- 기판은 1,000 Å의 두께로 ITO가 증착한 유리기판을 사용하였다.
- 따라서 형광체 분말의 농도를 높이면서 낮은 점도의 형광체 페이스트를 사용하는 것이 요구된다. 따라서 점도가 8000~9000 cP로 낮고 수분 침투를 막기 위해 세라믹이 코팅된 ZnS:Cu, Cl계의 청록색 형광체(ELPP-020, ELK Corp.), 청색 페이스트(ELPP-030, ELK Corp.), 오렌지색 발광 형광체(ELPP-040, ELK Corp.)로 각각 인쇄하였다. 코팅 후 용매와 바인더를 제거하기 위해 오븐에서 열처리하였다.
성능/효과
- 1) 기존의 후막형 무기전계 발광 디스플레이의 경우에는 배면전극 (rear electrode)으로 알루미늄이나 인쇄된 탄소분말을 사용하여왔다. 알루미늄의 경우, 전기적 특성은우수하나 반사광에 의한 명암대비 감소현상이 발생하며, 탄소의 경우에는 유전체와의 접합력과 전도특성이 우수하지 못해 디스플레이용으로는 사용하기가 어렵다.
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후막형 무기전계발광소자의 핵심공정인 스크린 인쇄공정 최적화를 위해 시행한 휘도에 대한 실험계획법 분석결과로부터 형광체의 두께, 형광체와 유전체의 두께의 교
호작용, 유전체의 두께가 통계적으로 유의한 효과임을 확인하였다. 실험계획법 분석을 바탕으로 형광체와 유전체의 두께를 최적화하였다. - 상/하판의 전극을 모두 ITO 투명전극을 사용할 경우, 높은 휘도를 나타내는 유전체와 형광층의 적정 인쇄 두께가 존재함을 알았다.
- 형광체 입자의 크기는 약 10~20 μm 이고 유전체 입자는 약 1 μm 이하로 매우 미세한 것으로 나타났다.
- 05인 환경하에서, 형광체의 두께가 가장 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 다음으로 유전층과 형광층의 교호작용과, 마지막으로 유전층의 두께가 휘도에 가장 큰 영향을 끼치고 있음을 확인하였다.
- 이에 반해 열처리 온도 및 열처리 시간은 크게 휘도에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 실험계획법에 의해 진행한 모든 결과를 종합해볼 때, 형광체와 유전체 모두 2층으로 인쇄하고 120℃에서 30분간 열처리한 무기전계 발광소자의 휘도가 가장 우수한 것으로 나타났다. 아울러 Fig.
- 스크린 인쇄된 유전체와 형광체 층의 표면 및 단면 구조를 전자현미경으로 분석한 결과, 형광체와 유전체 모두 비교적 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있었다. 형광체 입자의 크기는 약 10~20 μm 이고 유전체 입자는 약 1 μm 이하로 매우 미세한 것으로 나타났다.
- 이러한 기공을 줄이기 위해 상/하판 유리기판의 접합시 압력을 가하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 기존의 상하판 기판을 수동으로 접합한 후에 진공 팩에 넣어 정수압(Cold Isostatic Pressing)으로 가압할 경우, 상하판사이에 위치한 Paste의 접착력을 향상시켜, 휘도 특성을 개선시킬 수 있다. 본 연구는 기존의 전통적인 세라믹 공정에 적용되던 정수압 공정을 후막공정에 응용한 경우이다.
- 본 연구는 기존의 전통적인 세라믹 공정에 적용되던 정수압 공정을 후막공정에 응용한 경우이다.8) 압력을 가한 경우 200 V와 500 Hz의 인가전압 하에서의 휘도값은 약 120 cd/m2로 크게 증가하였다. 또한 문턱압도 70 V로 감소하였다.
- 10에 보여주고 있다. 따라서 본 연구에서 최적화된 무기전계 발광 소자의 발광 특성은 Fig. 9에 보여진 바와 같이 문턱전압이 50 V이고 200 V (주파수는 1 kHz 로 고정한 경우) 인가전압에서 휘도가 200 cd/m2로 밝기 측면에서 LCD와 비슷한 수준의 매우 우수한 무기전계 발광 소자를 구현할 수 있었다.
- 12의 결과는 녹색, 청색, 및 주황색 형광체를 채용한 결과를 동시에 보여주고 있다. 청색 형광체가 가장 우수한 발광 특성을 보여줌을 확인할 수 있었다.
- 상/하판 접합 후 열처리 시, 소자에 압력을 가하고 형광체를 인쇄 전에 탈포할 경우, 휘도가 약 경우 약 1.7배 정도 증가함을 알 수 있었는데 열처리시 형광체에 포함된 용매와 교반시 형광체 내부에 생성되는 기공을 제거하는 것이 접합 후 기공결함 감소와 발광효율 증가 효과를 함께 동반할 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 근래에 들어서는 차세대 디스플레이 중 전계발광 (Electro-luminescence) 디스플레이에서 유기전계 발광 디스플레이와 나머지 한축을 차지하고 있는 무기 전계 발광 디스플레이에 대한 관심이 증가하고 있다.1) 이 무기전계 발광 디스플레이는 유기전계 발광 디스플레이와 비슷한 구동 원리를 가지고 있어 또 다른 선택의 기회를 제공해 줄 것으로 예상된다.2-6)
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