ACPEL용 ZnS:Cu,Cl 형광체 합성 및 발광 특성 연구

Abstract

Electroluminescence Display (ELD)는 유리기판 또는 투명한 유기필름 위에 도포한 형광체에 전계를 인가하여 발광시키는 평면 자발광형 디스플레이이다. 이 가운데 박막 EL은 등황색 발광의 제품이 정보표시용 디스플레이로서 실용화되어 있고 분산형 EL은 대형 액정 디스플레이용 백색 발광의 후면광원 (backlight)으로서 실용화되어 있다. 최근에는 멀티 컬러화 연구가 활발히 진행되고 있으며 단색 ELD의 경우에는 저전압화, 저가격화를 목표로 개발이 진행되고 있다. ELD는 구동 조건이나 형광체의 종류에 따라 다양하게 구분되는데 이 중 교류 구동 분산형 EL 소자는 열 발생 없이 빛만 내며, 얇고 균일하게 발광하는 면 소자이다. 이러한 ELD의 발광특성을 향상시키기 위해서는 소자의 발광 층으로 쓰이는 형광체의 고성능화가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 교류 구동 분산형 EL (ACPEL)용 청, 녹색 발광 형광체의 발광 특성을 개선하기 위해 기존의 복잡한 공정대신 형광체의 합성 방법을 단순화하고 제조 공정 및 변수들을 최적화하여 액상 혼합법과 고상반응법 (solid state reaction method)을 사용하여 ZnS:Cu,Cl 형광체를 제조하였다. 즉, 기초 원료 및 소성 조제들의 역할을 분석하고 이를 근거로 각각의 공정단계 변수를 최적화하기 위해서 크게 ① 원료 혼합, ② morphology 제어, ③ phase 제어, ④ 표면 coating, ⑤ EL 소자 제작과 같은 공정을 설계하였다. 원료 혼합 시 활성제나 융제가 모체인 ZnS와 고르게 혼합되게 하기 위해 다양한 방법으로 최적 조건을 찾아내었다. 또한 발광세기를 좋게 하기 위해 활성제 Cu^(2+)와 융제 및 부활성제로 쓰이는 NaCl, BaCl₂, MgCl₂의 양을 조절하여 형광체를 합성하였고 융제와 마찬가지로 형광체 입자 크기와 모양을 결정짓는데 중요한 역할을 하는 열처리 온도와 시간의 영향도 확인하였다. 또한 ZnS:Cu,Cl 형광체의 발광 특성 향상을 위해 중요하게 요구되는 형광체 결정의 상전이를 위해 milling, 불순물 첨가, 열처리 조건 등을 최적화하였다. 또한 형광체의 외부 자극 (공기, 수분)으로부터 변성을 막고, EL소자 제작 후 구동 시 인가되는 전계에 의한 열화현상으로부터 약화되는 내구성과 수명을 개선하기 위해 표면 처리를 하였는데, sol-gel 법을 이용하여 SiO₂를 형광체 표면에 얇고 균일한 두께로 투명하게 코팅함으로써 형광체의 발광 특성을 향상시켰다. 이렇게 합성된 형광체를 발광층으로 ITO film/ 발광층/ 유전층/ 전극층으로 이루어진 EL 소자를 screen printing법으로 제작하였고 구동 조건에 따른 EL 소자의 광학적, 전기적 특성을 분석하였다.; Electroluminescence (EL) is the generation of light, other than black body radiation, by a solid-state luminescent material in response to electrical excitation. EL can be generated by either 'impact ionization' (Destriau effect) or 'field ionization' (Zener effect) under a high electrical field, or by injection of charge carriers (injection EL). EL devices, based on inorganic semiconductors, have achieved broad technical applications in lighting, information display, telecommunication, consumer electronics and xerographic printing. In other word, the solid state conversion of electrical energy to visible light has evolved into a diverse field. The requirements for various applications are diverse also. For example, high intensity Light Emitting Diode (LED) sources are well entrenched in LCD backlighting applications, and are entering the lighting market. Powder Electroluminescence (Powder EL) continues to serve in nightlights and keyboard illumination. Organic Light Emitting Diode (OLED) devices are entering the display market in portable displays. Thin Film Electroluminescence (TFEL) is being developed for color television applications. Inorganic powder phosphor electroluminescence is divided into alternating powder EL (ACPEL) and direct powder EL (DCPEL) to distinguish the form of the driving voltage. This study focuses on phosphors for ACPEL devices. Optimization of synthesis conditions of blue and green ZnS:Cu,Cl phosphors was investigated in ACPEL devices to improve luminescence properties. ZnS:Cu,Cl phosphors were synthesized by solid-state reaction method with different variables. The experiment was designed taking into account various processes such as ① precursor blending, ② morphology control, ③ phase control, ④ particle surface modification, ⑤ EL device preparation. The precursor blending conditions were optimized mixing impurities (activator and flux, etc.) properly with host ZnS for better luminescence properties. Effect of different concentrations of activator Cu^(2+) and fluxes NaCl, BaCl₂, MgCl₂ (Cl- plays the role of co-activator as well.) at the blending steps for the synthesis were studied on the luminescence properties. Not only fluxes but also firing conditions affected particle size and morphology of phosphors. The phase control process was also studied using different conditions of milling, firing and impurity addition. Surface treatments of phosphor particles are required to enhance the chemical stability of sulfide phosphors in EL devices . Different oxide materials such as SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, etc, have been used taking into account a suitable amount of coating compounds for phosphor properties such as resistance to chemical deterioration and luminescence characteristics in devices. Homogeneous thin layers of SiO₂ uniformly coated on phosphor particles by sol-gel process improved luminescence properties of the synthesized ZnS:Cu,Cl phosphor in this study. ACPEL devices composed of 'transparent electrode (ITO film)/ luminescent layer (using as-synthesized phosphors)/ dielectric layer/ Ag electrode' were fabricated by a screen-printing method and characterized depending on the driving conditions.