무기EL

1. EL(Eletroluminescence) 이란? EL이란 반도체 또는 형광체에 전계(electric field)를 인가할 때 발광하는 현상을 말한다. 큰 의미에서 LED(발광다이오드)에서와 같이 전계가 인가될 때 소수 캐리어의 주입에 의해 발생되는 발광, 즉 주입형 EL을 포함하지만, 현재 단순히 EL이라고 불리우는 것은 캐리어의 주입 없이 발광되는 진성 EL을 의미한다. 2. ELD(Eletroluminescent Display)의 역사 최초의 EL은 ZnS 형광체 분말을 유성 용액에 담궜을 때 교류 전압의 인가에 의해 발광하는 현상을 발견하면서 부터이다. 1936년 프랑스의 Destriau에 의해 최초로 발견되었지만, 실용화되지 못하다가 1950년 투명도전막이 발명되어 이를 이용한 EL 소자가 Sylvania사에 의해 발표되어 이를 이용한 평면 발광원으로서 본격적으로 개발이 시작되었다. 1968년 vecht는 분산형 EL 소자의 형광체 표면을 Cu로 처리함으로써 직류구동이 가능해졌다. 1983년에는 일본에서 박막형 EL의 양산이 시작되어 최근에는 multicolor의 EL display를 비롯, EL로 full color를 구현하기 위한 연구가 진행중이다. 3. EL의 분류 EL은 구동법에 따라 AC, DC로 그리고, 발광층인 형광체의 형태가 분말(powder)인 분산형과 박막형태인 박막형 EL로 나눠진다. 이 가운데 박막 EL은 등황색 발광의 제품이 정보 표시용 디스플레이로서 실용화되어 있고, 분산형 EL은 LCD의 후면광원(back light)으로 사용되고 있으며, 다른 두 종류는 아직 연구 개발 단계이다. 최근에는 발광층인 형광체를 유기 박막을 이용한 유기 EL(organic EL)이 활발히 연구되고 있다. 4. 분산형 교류 EL(ACPEL)의 장.단점 자발 발광형으로 정밀도가 뛰어나고 시야각(viewing angle) 의존성이 적으며 발광면이 균일하고 온도 및 진동 등, 외부 환경에 영향을 거의 받지 않아서 온도 변화가 심한 차량이나 군사용으로 사용하기에 적합하다. EL은 발광 표시 소자 중에서 가장 적은 소비 전력을 가지고 있으며, 매우 얇은 박막형으로 무게 또한 가볍다. 특히, 전면 기판을 ITO film 같은 flexible substrate를 사용할 수 있어 구부림과 변형이 쉽다. 따라서 응용 범위가 다양하다. 반면, 근본적으로는 ACPEL의 구조나 사용되는 형광체의 특성 상 full-color 동영상 구현이 불가능하고, 가장 시장성이 큰 color LCD의 backlight로 사용하기 위한 백색광(white)은 휘도가 낮아 현재는 사용 할 수 없다. 5. ACPEL의 구동 원리 EL(electroluminescent)은 투명 전극이 코팅된 유리 기판 또는 film 위에 도포한 형광체에 전계(electric field)를 인가하여 발광시키는 평면 자발광형 디스플레이이다. 즉, 양쪽 전극에 전압을 인가시켜 형성된 전장(electric field)이 형광체를 여기(excitation)하여 빛을 내는 원리로 구동된다.기본 구조는 투명 전도막 필름과 후면 전극 사이에 형광층(phosphor layer), 절연층(dielectric)을 순차적으로 형성시켜 발광층을 이루고, 발광시트를 보호하기 위해 절연층과 후면 전극(rear electrode)사이에 carbon 보호막을 삽입한 구조로 되어 있다. 전면 기판은 투명 전극인 ITO가 coating되어 있는 유리나 film을 사용하고, 그 위에 발광층인 형광체는 유기 binder에 분산시켜 30∼50㎛ 두께로 도포한다. 이때 사용되는 형광체는 ZnS를 모체로 하고 Cu, Cl, Mn 또는 Mn을 첨가하여 다양한 발광색을 나타내며, 입자 크기는 5∼30㎛이다. 이와 같은 구동 방식에서 형광체의 휘도는 구동 주파수에 의존하여 100㎑ 정도까지는 주파수에 비례하여 증가하고, 동작 전압 300V, 주파수 400㎐에서 50∼100㏅/m2 정도의 휘도가 얻어진다. 한편, 발광 효율은 인가 전압에 따라 증가하며, 최대값은 휘도가 포화되는 전압 영역에서 얻어져, 현재 약 1∼5㏐/W의 발광 효율이 얻어진다. 6. ACPEL의 발광 원리 ZnS는 소성 온도에 따라서 두 가지의 결정상을 갖는다. 이론상의 상전이 온도는 1020℃로 그 이상의 고온에서는 hexagonal structure(wurtzite)이고, 1020℃ 이하에서는 cubic structure(zincblende) 상이 형성되는데 AC powder EL은 이와 같은 ZnS의 기본 특성을 바탕으로 하고 있다. 활성제로서 Cu를 ZnS에 첨가하여 고온 1020℃ 이상, 약 1100∼1200℃ 정도에서 소성을 한 후 900℃ 정도(실제로는 그 이하)에서 재 소성하면 cubic 상으로 상전이를 하게 되고 이 때 Cu는 CuxS를 형성하게 된다. 이 발광 mechanism은 일반적으로 ‘Fisher의 모델’로 설명하고 있다. ACPEL용 ZnS 형광체의 입자크기는 대략 20㎛ 정도 이므로 입자 1개의 관찰이 가능하였는데 발광은 아래 왼쪽 그림에서처럼 점결함(defect site)로부터 시작하여 전계(electric field)를 증가시키면 혜성 모양으로 발광한다. ZnS 내의 점결함이 연결되어 만들어진 선결함을 따라 인접한 Cu가 석출하여 큰 전기 전도도를 갖는 CuxS가 형성되고 이는 ZnS와 이종접합(hetero junction)을 만들어서 전도성이 매우 좋은 P형 또는 금속적 특성을 지니게 된다. EL을 구동시키기 위해서 전압을 인가하면 CuxS/ZnS 표면에는 105/㎝ 이상의 electric field가 발생함에 따라 ZnS의 에너지 band는 위의 그림과 같이 휘어지게 되어 전자, 정공의 tunneling이 가능하게 된다. 이 전자, 정공의 recombination에 의해 발광이 이루어진다.