KR100327105B1 - High luminance-phosphor and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자층 증착법 또는 화학 증착법을 이용하여 PbX(X=S 또는 Se) 박막을 형성하는 방법과 II-VI족 화합물인 CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS, MgSe 모재료에 상기 PbX(X=S, Se)를 첨가하여 형광체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특정한 반응 특성을 나타내는 Pb-전구체를 반응 재료로 이용하는 바, 상기 Pb-전구체로서 테트라 알킬(tetraalkyl ; alkyl = methyl, ethyl, propyl, cyclohexyl, isopropyl) 납(lead) 또는 테트라-아릴 납(tetraaryl lead) 등과 같은 유기금속화합물을 사용하고, 이를 H2X(X=S 또는 Se)와 반응시켜 원자층 증착법 또는 화학 증착법으로 매우 균일한 PbX(X=S, Se) 박막을 증착한다. 또한 본 발명은 CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS 또는 MgSe 중 어느하나 또는 이들이 혼합된 모재료와 PbX(X=S, Se)가 일정한 비가 되도록 증착을 수행함으로써 Pb 농도를 조절하면서 형광체 박막을 성장하는 방법이다. 특히 본 발명은 형광체 제조시, 모재료에 Pb2+이온을 선택적으로 특정한 상태로 첨가함으로써 색순도가 매우 우수한 형광체를 제조하며, 넓은 농도 범위의 Pb2+를 포함하면서도 색도와 휘도가 우수한 형광체를 제조하는 것이다.The present invention provides a method for forming a PbX (X = S or Se) thin film using atomic layer deposition or chemical vapor deposition and CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS, The present invention relates to a method for producing a phosphor by adding PbX (X = S, Se) to an MgSe parent material. The present invention uses a Pb-precursor that exhibits specific reaction characteristics as a reaction material. As the Pb-precursor, tetraalkyl (alkyl = methyl, ethyl, propyl, cyclohexyl, isopropyl) lead or tetra-aryl lead ( An organometallic compound such as tetraaryl lead) is used, and reacted with H 2 X (X = S or Se) to deposit a very uniform PbX (X = S, Se) thin film by atomic layer deposition or chemical vapor deposition. In addition, the present invention is Pb by performing the deposition so that any one of CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS or MgSe or a mixed base material and PbX (X = S, Se) is a constant ratio It is a method of growing a phosphor thin film while adjusting the concentration. In particular, the present invention produces a phosphor having excellent color purity by selectively adding Pb 2+ ions to a parent material in a specific state during the manufacture of a phosphor, and a phosphor having excellent color and brightness while including Pb 2+ in a wide concentration range. It is.
Description
본 발명은 특정한 반응성을 가진 전구체(precursor)를 사용한 PbS 또는 PbSe 박막 -이하 PbX(X=S 또는 Se) 박막이라 함- 제조방법에 관한 것이고, 또한 발광 중심 이온으로서 Pb2+이온을 포함하며 Pb2+이온들이 선택적으로 특정한 상태로 존재하여 그 상태에 해당하는 빛만을 선택적으로 발생시키는 특징을 가지는 형광체와 그 제조방법 및 상기 형광체를 갖는 전계발광소자(Electroluminescent devices) 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a PbS or PbSe thin film using a precursor having a specific reactivity, hereinafter referred to as PbX (X = S or Se) thin film, and also includes Pb 2+ ions as emission center ions, The present invention relates to a phosphor having a feature of selectively generating 2+ ions in a specific state and selectively generating only light corresponding to the state, an electroluminescent device having the phosphor, and a method of manufacturing the same.
통상적으로 PbX(X=S 또는 Se) 박막은 전계발광소자의 형광체, 태양전지, 적외선 검출기 등에 유용하게 이용된다. 종래기술에 따른 PbX(X=S 또는 Se) 박막 형성 방법과 그 문제점을 살펴본다.In general, PbX (X = S or Se) thin films are usefully used in phosphors, solar cells, infrared detectors, and the like of electroluminescent devices. It looks at the PbX (X = S or Se) thin film formation method and its problems according to the prior art.
지금까지 원자층 증착법, 화학 증착법 등을 이용한 PbX(X=S, Se)의 성장에는 PbX(X=S 또는 Se)가 Pb2+와 X2-로 결합한 이온성 고체이므로 Pb가 +2가 상태의 결합을 유지하는 배위화합물(coordination compound), 즉 Pb(thd)2(thd = 2,2',6,6' - tetramethyl - 3,5 - heptandionate), Pb(dedtc)2(dedtc = diethyldithiocarbamate), 또는 PbCl2, PbBr2와 같은 할로겐화물 들과 H2S 또는 H2Se와의 반응을 이용하거나 S를 포함하는 Pb(dedtc)2의 분해로 PbS가 성장되는 반응계 등을 이용해 왔다.(미국특허 제5496597호, 등록일 1994. 6. 20)Until now, PbX (X = S, Se) is grown by atomic layer deposition, chemical vapor deposition, etc., and PbX (X = S or Se) is an ionic solid in which Pb 2+ and X 2- are bonded. Coordination compounds that maintain the binding of Pb (thd) 2 (thd = 2,2 ', 6,6'-tetramethyl -3,5-heptandionate), Pb (dedtc) 2 (dedtc = diethyldithiocarbamate) have used the, or PbCl 2, halide and H 2 S or H 2 reaction system is PbS are grown to Pb (dedtc) 2 decomposition, including the reaction used or S with Se such as PbBr 2. (U.S. Pat. 5496597, Registered Date June 20, 1994)
그런데 thd-화합물(compound) 등의 배위 화합물은 매우 불균일하고 재현성이 나쁜 성장 특성을 보였으며, 할로겐 화합물 등은 할로겐 이온들이 박막 중이나 표면에 잔류하여 소자 제조공정과 특성에 나쁜 영향을 미치는 단점이 있고 좋은 발광 특성을 보이지도 못하였다. 특히 Pb(thd)2의 경우 청색 전계발광소자에 이용하면 전구체 구성원소 중 하나인 산소가 박막 중에 첨가되어 휘도를 급격히 저하시키는 역할을 한다.However, coordination compounds such as thd-compounds showed very non-uniform and poor reproducible growth characteristics. Halogen compounds have the disadvantage that halogen ions remain in the thin film or on the surface, which adversely affects the device manufacturing process and characteristics. It did not show good luminescence properties. In particular, in the case of Pb (thd) 2 , oxygen, which is one of the precursor components, is added to the thin film to rapidly decrease the luminance.
다른 종래기술의 PbS 박막의 제조방법에는, 테트라에칠 납(tetraethyl lead)을 블록 코폴리머 매트릭스(block copolymer matrix)와 반응시켜서 능동 사이트(active site)를 형성한 후 H2S를 흘려주는 방법이 있는데, 이 경우에는 나노클러스터(nanocluster) 형태의 PbS가 합성된다. 이때 사용되는 폴리머는 H2S와의 반응에 의해 재생되므로 반복해서 반응이 진행되어 클러스터(cluster)의 크기를 증가시키게 된다. 이 방법은 균일한 PbS 박막 및 형광체 박막 증착에 활용할 수 없다.Another prior art method for producing a PbS thin film is a method of reacting tetraethyl lead with a block copolymer matrix to form an active site and then flowing H 2 S. In this case, PbS in the form of a nanocluster (nanocluster) is synthesized. At this time, the polymer used is regenerated by the reaction with H 2 S, so the reaction proceeds repeatedly to increase the size of the cluster. This method cannot be used to deposit uniform PbS thin films and phosphor thin films.
또 다른 종래기술의 PbX(X=S, Se) 박막 제조 방법으로는, 유기금속화합물을 사용하여 단결정 기판 위에 단결정성 금속 산화물, 황화물을 매우 낮은 온도에서 증착하는 방법(미국특허 제4623426호, 1985. 2. 8)이 있는데, 이 기술의 경우는 알킬(alkyl), 알콕시(alkoxy), 혹은 할라이드(halide) 화합물을 라디칼(radical) 상태의 산소 또는 황과 반응시켜 황화물, 산화물을 증착하는 방법으로써, 광원을 이용하여 라디칼 상태의 산소와 황을 발생시켜서 사용하는 것을 특징으로 하고 있으나 이는 낮은 온도에서의 박막 성장 실행에 주목적이 있다.In another conventional PbX (X = S, Se) thin film manufacturing method, a method of depositing monocrystalline metal oxides and sulfides on a single crystal substrate using an organometallic compound at a very low temperature (US Patent No. 4463426, 1985). 2. 8), which is a method of depositing sulfides and oxides by reacting alkyl, alkoxy, or halide compounds with oxygen or sulfur in the radical state. It is characterized in that the use of the light source to generate oxygen and sulfur in the radical state, but this is the main purpose of the thin film growth at low temperature.
한편, II-VI 족 화합물 모재료 내에 전이금속 원소, 희토류 금속 원소 등을 발광중심 이온으로 첨가하면 적색, 청색, 녹색 가시광선 영역의 빛을 내는 형광체로 사용할 수 있다. 형광체의 일반적인 특성을 먼저 알아보고 이러한 형광체 박막을 제조하는 종래기술과 그 문제점을 살펴본다.On the other hand, when a transition metal element, a rare earth metal element, or the like is added as the emission center ion in the group II-VI compound parent material, it can be used as a phosphor that emits light in the red, blue, and green visible region. First, the general characteristics of the phosphor and the prior art of manufacturing such a phosphor thin film and their problems will be described.
형광체가 발광되는 메카니즘은 여러 가지가 있을 수 있다. 먼저 전계발광소자의 경우에는, 전계를 가하면 형광체와 절연층이 접하고 있는 계면으로부터 형광체 내로 전자가 주입되며, 가속된 전자가 형광체 내의 발광 중심 이온을 충돌 여기시키고, 여기된 에너지 준위에서 기저 상태로 전자가 되돌아 올 때 두 에너지 준위의 에너지 차에 해당하는 만큼의 빛을 내게 된다. 전계 방출 디스플레이(Field emission display)의 경우에는 전자 팁 또는 박막 전자원으로 부터 진공으로 방출된 전자들을 형광층으로 가속 충돌시켜서 형광층 내의 발광 중심 이온들을 여기시키는 과정을 통하여 빛을 내게 된다. 이 발광원리를 음극선발광(CL : cathodoluminescence)이라 한다. PL(Photoluminescence) 현상은 발광 중심 이온을 여기시키는 에너지원이 전자가 아닌 빛인 경우에 해당한다. 이러한 현상을 통하여 밝은 빛을 내는 형광체들은 정보 표시소자(Information Displays) 즉 디스플레이에 이용된다.There may be a variety of mechanisms in which phosphors emit light. First, in the case of an electroluminescent device, when an electric field is applied, electrons are injected into the phosphor from an interface between the phosphor and the insulating layer, and the accelerated electrons collide with the emission center ions in the phosphor, and electrons are excited to the ground state at the excited energy level. Will return as much energy as the energy difference between the two energy levels. In the case of a field emission display, light is emitted through a process of exciting collisions of electrons emitted from an electron tip or a thin film electron source into a fluorescent layer by exciting the emission center ions in the fluorescent layer. This principle of luminescence is called cathodoluminescence (CL). The photoluminescence (PL) phenomenon corresponds to the case where the energy source for exciting the emission center ion is light, not electrons. Phosphors that emit bright light through this phenomenon are used for information displays, that is, displays.
디스플레이의 한 종류인 전계발광소자는 내환경성(내진동성, 내충격성)이 매우 크고 사용 가능한 온도 범위가 매우 넓으며, 시야각(viewing angle)이 넓고, 응답 속도(response time)가 빠른 등 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 적색, 녹색의 휘도는 매우 밝으나 청색의 휘도가 낮아 우수한 품질의 천연색(full-color)을 구현하지 못하는 한계가 있었다. 청색 발광을 위한 에너지 전이(transition)과정에서 청색은 파장이 짧아서, 즉 전이 에너지가 커서 불순물이나 원하지 않는 화학적 상태에 의한 에너지 준위에 더 많은 영향을 받는 것도 그 원인 중의 하나로 볼 수 있다.An electroluminescent device, a type of display, has many advantages such as high environmental resistance (vibration resistance, shock resistance), wide temperature range available, wide viewing angle, and fast response time. Have. However, although the brightness of red and green is very bright, the brightness of blue is low and there is a limit in that it cannot implement full-color of excellent quality. In the energy transition process for blue light emission, blue has a short wavelength, that is, the transition energy is large, which may be influenced more by the energy level due to impurities or unwanted chemical states.
그리고 디스플레이 소자는 응용 목적에 따라 고순도 청색과 함께 고순도의 녹색, 적색 형광체의 개발이 필요한데, 종래기술로는 그러한 고휘도, 고색순도 형광체를 제조하는데 한계가 있었다.In addition, the display device requires the development of high purity green and red phosphors together with high purity blue according to the application purpose, but there is a limitation in manufacturing such high brightness and high color purity phosphors in the prior art.
특히 청색 전계발광 소자 분야에서의 일반적인 형광체 박막은, ZnS:Tm(ZnS에 Tm이 첨가된 화합물)이 십 수년 전부터 많이 연구되어 왔었으나, 1kHz 구동 주파수하에서 1 cd/m2이하의 낮은 휘도 만을 나타내었다. 청색 형광체는 적색, 녹색 형광체와는 달리 휘도가 매우 낮아서 이 분야의 가장 큰 기술적 난제로 여겨져 왔다.In general, in the field of blue electroluminescent devices, a thin phosphor of ZnS: Tm (a compound in which Tm is added to ZnS) has been studied for several decades, but shows only a low luminance of less than 1 cd / m 2 at a driving frequency of 1 kHz. It was. Blue phosphors, unlike red and green phosphors, have a very low luminance and have been considered the biggest technical challenge in this field.
최근에는 CaGa2S4, SrGa2S4등의 갈륨황화물 형광체로서 60Hz 구동 주파수 하에서 12 cd/m2정도의 휘도를 얻을 수 있었다. 그러나 갈륨 황화물의 경우 원자층 증착법으로 성장할 경우 갈륨(Ga)이 적절한 화학적 결합상태를 가지지 못해서 원자층 증착법으로는 성장할 수 없고, Ga 원료의 가격이 매우 비싼 단점이 있다.Recently, CaGa 2 S 4, SrGa 2 S 4 as gallium sulfide fluorescent material, such as could be obtained a luminance of 12 cd / m 2 under about 60Hz driving frequency. However, in the case of gallium sulfide, when grown by atomic layer deposition, gallium (Ga) does not have an appropriate chemical bonding state and cannot be grown by atomic layer deposition, and the price of Ga raw material is very expensive.
Pb가 첨가된 CaS 형광막, 즉 CaS:Pb 형광막을 성장한 연구결과는 핀란드(Finland)의 E. Nykanen 등이 1992년 Electroluminescence Workshop(1992. 5월 PP 199)에서 단편적인 연구결과를 발표한 바 있으나, Pb의 전구체로서 Pb +2가(II) 결합 상태를 가진 Pb(thd)2, Pb(dedtc)2등의 배위 화합물과 할로겐 화합물을 사용하였으며, 전계발광 소자의 특성은 300Hz 구동 주파수 하에서 최고 2.5 cd/m2으로서 본 발명에서 제조한 전계발광소자의 성능에 비해 매우 뒤떨어진 것이었다. 그리고 Pb2+이온의 농도가 매우 낮은 조건에서는 자외선이 우세하게 방출되고, 1.0 mol.% 이하의 농도에서는 자외선과 청색 발광이 동시에 관찰되며, 1.0 - 1.5 mol.% 농도 범위에서만 청색 발광이 관찰되었으며, 가장 우수한 청색 색도는 (0.13, 0.17) 이었다. 즉 Pb2+이온의 농도가 증가함에 따라 색이 연속적으로 변화하는 양상을 보였다.The growth of Pb-doped CaS fluorescent film, or CaS: Pb fluorescent film, was reported by Finnish E. Nykanen and others at the 1992 Electroluminescence Workshop (May 1, 1992, PP 199). As a precursor of Pb, a coordination compound such as Pb (thd) 2 and Pb (dedtc) 2 having a Pb + 2 (II) bond state and a halogen compound were used, and the characteristics of the electroluminescent device was 2.5 at 300 Hz driving frequency. As cd / m 2 , it was very inferior to the performance of the electroluminescent device manufactured in the present invention. Ultraviolet rays were predominantly emitted under very low concentrations of Pb 2+ ions, UV and blue light emission were observed simultaneously at concentrations below 1.0 mol.%, And blue light emission was observed only at concentrations ranging from 1.0 to 1.5 mol.%. The best blue chromaticity was (0.13, 0.17). That is, as the concentration of Pb 2+ ion increased, the color changed continuously.
Pb가 첨가된 CaS를 전계발광 소자의 형광층으로 성장한 또 다른 한 사례로서 CaS와 PbS 또는 Pb 금속을 섞은 고체 소스 재료를 만든 후 이를 전자 빔 증발(electron beam evaporation)법으로 기판 위에 증착하는 방법이 있다(D. Poelman et al., J. Phys. D.:Appl. Phys. 30, 1997, 445). 이 경우 형광층의 특성이 매우 나쁘며 PbS의 클러스터링(clustering) 때문에 청색 형광체로 활용하기에 미흡한 것으로 보고되고 있다. 이 경우 휘도는 20kHz 구동 주파수에서 1cd/m2이하의 값을 나타내었다. 이 값은 구동 주파수가 증가함에 따라 휘도가 증가하는 일반적인 경향을 고려할 때 매우 낮은 휘도에 해당한다. 특히 클러스터링(clustering) 경향 때문에 Pb2+이온 농도가 1.0 mol.% 이하일 때만 청색을 얻을 수 있는 것으로 보고되고 있다.Another example of the growth of Pb-doped CaS as a fluorescent layer of an electroluminescent device is to produce a solid source material containing CaS and PbS or Pb metal and deposit it on a substrate by electron beam evaporation. (D. Poelman et al., J. Phys. D .: Appl. Phys. 30, 1997, 445). In this case, the characteristics of the fluorescent layer are very bad, and due to the clustering (clustering) of PbS has been reported to be insufficient to use as a blue phosphor. In this case, the luminance showed a value of 1 cd / m 2 or less at 20 kHz driving frequency. This value corresponds to a very low luminance, considering the general tendency that the luminance increases with increasing driving frequency. In particular, it is reported that blue can be obtained only when the Pb 2+ ion concentration is 1.0 mol.% Or less due to the clustering tendency.
이러한 열등한 연구 결과들은 SrS:Pb, SrSe:Pb 등에 대해서도 마찬가지로 Pb 농도에 따라 발광 파장이 변화하며, 상온(300K)에서는 휘도가 매우 낮은 것으로 보고되어 왔다(N. Yamashita et al., J. Phys. Soc. Japan, 53, 1984, pp.419-426).상기 기술한 기법들의 단점을 완화시키기 위하여 몇몇 소자가 제안되어왔다. 그들중 하나는 본 발명의 발명자에 의하여 "High-Luminanc Blue-Emitting CaS:Pb EL Device Fabrication Using Atomic Layer Deposition"이라는 명칭으로 SDI 99 DIGEST에 기술되어 있다. 고휘도 청색 발광 CaS:Pb 전계발광소자인 이소자는 원자층 증착 기법을 이용하여 제작된다. 휘도 L25,는 60Hz의 구동 주파수에서 80cd/m2이다. (0.14, 0.07)에서 (0.15, 0.15)의 범위를 갖는 챠ㄸ 컬러 좌표는 음극선 튜브의 청색의 챠ㄸ 컬러 좌표와 거의 동일하다. 다른 소자가 "Blue-Emitting Pb-doped Calcium Sulfide Electroluminescent Device Grown Using Tetraethyl Lead as Pb-Precursor"이라는 명칭으로 Asia Display 98/IDRC에 본 발명의 발명자에 의하여 기재되어 있다. 청색 발광 CaS EL 소자는 원자층 에피택시를 사용하여 성장된다. CaS:Pb를 성장시키는데 있어서 먼저 테트라에틸 납이 Pb 전구체로 사용되며, 이는 산소를 포함하지 않는 금속-유기 화합물이다. 이러한 결과는 CaS:Pb가 밝은 전체 컬러 EL 소자에 대하여 뛰어난 청색 형광체가 될 수 있다는 것을 보여준다. EL 스펙트럼은 순수한 청색 발광을 나타내는 445nm의 파장에서 강렬한 피크를 나타낸다. 최대 휘도에 대하여 최적화되지 않은 3000Å두께 CaS:Pb (0.3 at.%) 휘도, L60,는 1kHz 주파수에서 32 cd/m2이다.These inferior research results have been reported that the emission wavelength changes according to Pb concentration, and the luminance is very low at room temperature (300K) for SrS: Pb and SrSe: Pb (N. Yamashita et al., J. Phys. Soc. Japan, 53, 1984, pp. 419-426). Several devices have been proposed to mitigate the disadvantages of the techniques described above. One of them is described in SDI 99 DIGEST by the inventor of the present invention under the name "High-Luminanc Blue-Emitting CaS: Pb EL Device Fabrication Using Atomic Layer Deposition". This device, which is a high brightness blue light emitting CaS: Pb electroluminescent device, is fabricated using atomic layer deposition. Luminance L25 is 80 cd / m 2 at a driving frequency of 60 Hz. The chart color coordinates in the range of (0.14, 0.07) to (0.15, 0.15) are almost the same as the blue chart color coordinates of the cathode ray tube. Another device is described by the inventor of the present invention in Asia Display 98 / IDRC under the name "Blue-Emitting Pb-doped Calcium Sulfide Electroluminescent Device Grown Using Tetraethyl Lead as Pb-Precursor". Blue-emitting CaS EL devices are grown using atomic layer epitaxy. In growing CaS: Pb, tetraethyl lead is first used as Pb precursor, which is a metal-organic compound that does not contain oxygen. These results show that CaS: Pb can be an excellent blue phosphor for bright full color EL devices. The EL spectrum shows intense peaks at a wavelength of 445 nm, showing pure blue emission. Unoptimized 3000ÅThickness CaS: Pb (0.3 at.%) Luminance, L60, is 32 cd / m 2 at 1kHz frequency.
상술한 바와 같은 종래기술에 따른 PbX(X=S, Se) 박막은 그 균일도와 반응성이 안정적이지 못하고, 종래기술에 따른 형광체는 고휘도 고색순도를 구현하는데 한계가 있었는 바, 본 발명은 상기 종래기술들의 문제점을 해결하고 아울러 제반 요구사항들을 충족시키기 위하여 안출된 것이다.The PbX (X = S, Se) thin film according to the prior art as described above is not stable in uniformity and reactivity, the phosphor according to the prior art had a limit in implementing high brightness and high color purity, the present invention is It is designed to solve these problems and to meet all the requirements.
본 발명의 목적은 두께 균일도가 좋고 반응성이 안정된 PbX(X=S, Se) 박막 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a PbX (X = S, Se) thin film manufacturing method having a good thickness uniformity and stable reactivity.
본 발명의 다른 목적은 액체 전구체를 사용하여 재료, 시간, 인력 측면에서 공정 단가가 절약되는 PbX(X=S, Se) 박막 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a PbX (X = S, Se) thin film manufacturing method using a liquid precursor, the process cost is reduced in terms of material, time, manpower.
본 발명의 또 다른 목적은 액체 전구체를 사용하여 재료, 시간, 인력 측면에서 공정 단가가 절약되는 형광체 제조방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method of manufacturing a phosphor in which a process cost is reduced in terms of material, time, and manpower by using a liquid precursor.
본 발명의 또 다른 목적은 고휘도 고색순도의 형광체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a phosphor of high brightness and high color purity and a method of manufacturing the same.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 형광체를 갖는 전계발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide an electroluminescent device having the phosphor and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 PbX(X= S 또는 Se) 박막을 제조함에 있어, Pb가 작용기와 공유결합되어 있는 유기금속화합물을 Pb-전구체로 사용하여, 상기 Pb-전구체와 H2X(X=S 또는 Se)를 반응시켜 PbX(X= S 또는 Se) 박막을 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 PbX(X= S 또는 Se) 박막은 150 - 500℃의 온도에서 원자층 증착법 또는 화학 증착법에 의해 성장시켜 형성하는 것이 바람직하다. 상기 Pb-전구체로서 Pb가 +4가의 공유결합을 하고 있는 테트라-알킬(tetra-alkyl) 납, 테트라-아릴(tetra-aryl) 납, 또는 Pb가 +2가의 공유결합을 하고 있는 다이싸이클로디펜타디에닐(dicyclodipentadienyl) 납, 비스트리알킬실릴 납을 사용할 수 있고, 상기 테트라-알킬 납, 테트라-아릴 납, 알킬아릴 납, 또는 비스트리알킬실릴 납에서 상기 알킬기 또는 아릴기는 각각 메틸(methyl), 에틸(ethyl), 프로필(propyl), 아이소프로필(isopropyl), 싸이크로헥실(cyclohexyl), 페닐(phenyl), 벤질(benzyl) 기에서 하나 이상 선택된 것이다.In order to achieve the above object, the present invention, in the preparation of PbX (X = S or Se) thin film, by using an organometallic compound Pb covalently bonded to a functional group as a Pb-precursor, the Pb-precursor and H 2 X Reaction (X = S or Se) to form a PbX (X = S or Se) thin film, the PbX (X = S or Se) thin film is atomic layer deposition or chemical at a temperature of 150-500 ℃ It is preferable to grow and form by a vapor deposition method. As the Pb-precursor, tetra-alkyl lead having a tetravalent tetravalent bond with Pb, tetra-aryl lead or dicyclodipenta having a bivalent covalent bond with Pb is present. Dicyclodipentadienyl lead, bistrialkylsilyl lead may be used, and in the tetra-alkyl lead, tetra-aryl lead, alkylaryl lead, or bistrialkylsilyl lead, the alkyl group or aryl group may be methyl, methyl, At least one selected from ethyl, propyl, isopropyl, cyclohexyl, phenyl and benzyl groups.
구체적으로 언급하면, 본 발명의 PbX(X=S 또는 Se) 박막 형성방법은, 지금까지 +2가(II)의 배위화합물 형태의 전구체를 이용하여 성장하던 것을, +4가(IV)의 공유결합을 하고 있는 유기금속화합물 전구체(예컨대 테트라-알킬 납, 테트라-아릴 납)와 +2가의 공유결합을 하고 있는 유기금속화합물 전구체(다이싸이클로디펜타디에닐)를 이용하여 원자층 증착법 또는 화학증착법으로 성장시킴으로써, 박막의 두께 균일도가 좋고 반응성이 안정되게 한 것에 그 특징이 있다. 특히 본 발명의 PbX(X=S 또는 Se) 박막 형성 방법은 12" x 16"과 같은 대면적의 기판에서 매우 균일한 PbX(X=S 또는 Se) 박막을 얻을 수 있다.Specifically, the method of forming PbX (X = S or Se) thin film of the present invention, which has been grown by using a precursor in the form of a covalent compound of +2 (II), has been shared with +4 (IV). Atomic layer deposition or chemical vapor deposition using organometallic compound precursors (eg, tetra-alkyl lead, tetra-aryl lead) and organometallic compound precursors (dicyclodipentadienyl) having a bivalent covalent bond This feature is characterized in that the thickness uniformity of the thin film is good and the reactivity is stable. In particular, the PbX (X = S or Se) thin film formation method of the present invention can obtain a very uniform PbX (X = S or Se) thin film on a large area substrate such as 12 "x 16".
본 발명에서 정량적인 PbX(X=S 또는 Se)가 성장된 것은 러더포드 후방 산란법(Rutherford backscattering spectrometry ; RBS) 분석을 통하여 확인하였다. RBS 데이타는 Pb와 S가 약 1:1 의 조성비를 가짐을 잘 보여주었다. 또한 비정질 박막 위에 성장한 다결정 PbX(X=S 또는 Se) 박막은 잘 알려진 결정 구조인 큐빅(cubic) 구조를 가지고 있음을 X-ray 회절(diffraction ; XRD) 방법으로 검증하였다. RBS와 XRD의 분석에 사용한 PbX(X=S 또는 Se) 박막의 두께가 매우 얇았음에도 불구하고 선명한 XRD 피크(peak)를 나타냄으로써 결정성이 우수한 PbS가 성장하였음을 확인하였다.Growth of quantitative PbX (X = S or Se) in the present invention was confirmed through the Rutherford backscattering spectrometry (RBS) analysis. RBS data showed that Pb and S had a composition ratio of about 1: 1. In addition, the polycrystalline PbX (X = S or Se) thin film grown on the amorphous thin film was verified by the X-ray diffraction (XRD) method that has a well known crystal structure cubic (cubic) structure. Although the thickness of the PbX (X = S or Se) thin film used for the analysis of RBS and XRD was very thin, it was confirmed that PbS having excellent crystallinity was grown by showing a clear XRD peak.
전구체의 상태와 공정의 편의성 측면에서 살펴볼 때, 종래의 PbS, PbO 등의 박막 제조에 주로 사용된 배위화합물 들이 모두 고체인 것에 비해, 본 발명에 의한 PbX(X=S 또는 Se) 박막 성장방법에서 액체 상태인 테트라알킬(tetraalkyl) 납 전구체를 사용하는 경우, 훨씬 재료를 절감할 수 있고, 소스 재료 장입이 용이하여 생산단가 측면에서 유리하다. 또한 금속 유기물들이 작용기 들과 공유결합을 이루고 있기 때문에 훨씬 반응성이 안정화되어 있어서 특히 박막의 두께 균일성, 공정의 재현성 등이 뛰어나다. 아울러, 본 발명에서 사용하는 유기금속화합물 들은 Pb와 쉽게 결합하는 산소를 포함하고 있지 않은 장점이 있다.In view of the state of the precursor and the convenience of the process, in the PbX (X = S or Se) thin film growth method according to the present invention, in contrast to the coordination compounds mainly used in the manufacture of thin films such as PbS, PbO, etc. In the case of using a tetraalkyl lead precursor in the liquid state, it is possible to save material even more, and it is easy to charge the source material, which is advantageous in terms of production cost. In addition, since the metal organic substances are covalently bonded to the functional groups, the reactivity is much stabilized, so that the thickness uniformity of the thin film and the reproducibility of the process are excellent. In addition, the organometallic compounds used in the present invention have an advantage that does not contain oxygen that easily bonds with Pb.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형광체 제조방법은, 전자가 가속되는 모재료 영역과 발광중심이온이 포함되어 있는 발광 영역으로 구성되어 있는 형광체 제조방법에서, 모재료 성장 반응과 발광영역 성장 반응을 분리하여 번갈아가며 다수번 반복 실시하여 형광체를 제조하되, 전술한 바와 같이 Pb가 작용기와 공유결합되어 있는 유기금속화합물을 Pb-전구체로 사용하여 상기 Pb-전구체와 H2X(X=S 또는 Se)를 반응 성장시키므로써 PbX(X= S 또는 Se)가 상기 모재료내에 첨가되도록 하는 것이다. 이에 의해 본 발명의 형광체 제조방법은 고휘도 고색순도의 형광체를 제공하게 된다.In addition, the phosphor manufacturing method of the present invention for achieving the above object, in the phosphor manufacturing method consisting of a light emitting region containing the parent material region and the emission center ion is accelerated, the parent material growth reaction and the light emitting region growth Separating the reaction alternately and repeatedly performing a number of times to prepare a phosphor, using the organometallic compound Pb covalently bonded to the functional group as a Pb-precursor as described above Pb-precursor and H 2 X (X = S Or by reacting and growing Se) so that PbX (X = S or Se) is added to the parent material. As a result, the phosphor manufacturing method of the present invention provides a phosphor having high brightness and high color purity.
그리고, 유기금속화합물을 Pb-전구체로 사용한 원자층 증착법으로 모재료내에 PbX(X= S 또는 Se)를 첨가시키는 본 발명의 형광체 제조방법에서는, 발광중심이온인 Pb2+이온이 Pb2+-다이머(dimer) 형태로 존재하도록 조절하여 PbX(X= S 또는 Se)를 성장할 수 있는 바, 이에 의해 일정 범위의 Pb2+의 농도 0.2 - 4.0 mol.%(종래보다 상당히 넓은 범위임) 조건하에서 그 농도와 무관하게 색 순도가 매우 높고 휘도가 매우 큰 형광체를 얻을 수 있다.In the phosphor manufacturing method of the present invention in which PbX (X = S or Se) is added to a mother material by atomic layer deposition using an organometallic compound as a Pb-precursor, the Pb 2+ ion, which is a light emitting center ion, is formed of Pb 2+ -. It is possible to grow PbX (X = S or Se) by adjusting it to exist in the form of dimer, whereby a range of concentrations of Pb 2+ from 0.2 to 4.0 mol.% (A considerably wider range) Irrespective of the concentration, a phosphor having a very high color purity and a very high luminance can be obtained.
즉, CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS, MgSe 등과 같은 II-VI 화합물의 증착 시, 전술한 본 발명의 방법대로 PbX(X=S 또는 Se)를 첨가시키면 그 결과물은 형광층으로 작용하는데, PbX(X=S 또는 Se)를 선택적으로 다이머(Dimer)에 의한 발광만이 우세하도록 성장하면, 즉 유기금속화합물인 Pb-전구체를 다이머(dimer) 상태의 중간체로 형성하여 성장 표면에 다이머(dimer) 상태로 흡착되도록 하면, 넓은 농도 범위에서 일정한 색도를 얻을 수 있는 형광체를 제조할 수 있다. 바람직하게, 상기 PbX의 성장 속도는 0.005 - 0.6 Å/cycle로 한다.That is, when deposition of II-VI compounds such as CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS, MgSe, etc., PbX (X = S or Se) is added according to the method of the present invention. The resulting product acts as a fluorescent layer. When PbX (X = S or Se) is selectively grown to emit light only by dimer, that is, the organometallic compound Pb-precursor is converted into a dimer intermediate. By forming and adsorbing on the growth surface in a dimer state, it is possible to produce a phosphor that can obtain a constant chromaticity in a wide concentration range. Preferably, the growth rate of the PbX is 0.005-0.6 Å / cycle.
또한, 후술되는 본 발명의 실시예에서 상세히 설명되겠지만, 본 발명의 형광체 제조 방법에서 상기 PbX(X=S 또는 Se)를 다이머 상태로 형성하기 위해서는, 온도 150 - 500oC 범위에서 수행되는 원자층 증착법으로 형성하고, 상기 모재료 영역의 박막을 A Å, 상기 발광영역 박막을 B Å 성장하는 과정을 번갈아가며 N회 반복하여 [N ×(A + B)]Å 두께의 형광체 박막을 성장하되, 상기 B를 0.005 - 0.6Å으로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 모재료 성장 반응을 a 회, 상기 발광영역 성장 반응을 b 회 수행하는 과정을 번갈아가며 N회 반복하되, 성장온도350oC 이상의 온도에서는 상기 b를 2 이하로 하는 것이 바람직하다.In addition, as will be described in detail in the embodiments of the present invention to be described later, in order to form the PbX (X = S or Se) in the dimer state in the phosphor manufacturing method of the present invention, the atomic layer is performed at a temperature of 150 ~ 500 ° C Forming by the deposition method, the thin film of the parent material region A Å, and the light emitting region thin film B Å alternately growing N times to grow a phosphor film having a thickness of [N × (A + B)] 되, It is preferable to form said B into 0.005-0.6 kPa. In addition, the parent material growth reaction is repeated a times and the light emitting region growth reaction is performed n times alternately, but b is preferably set to 2 or less at a growth temperature of 350 ° C. or more.
보통 원자층 증착법의 경우 전구체는 반응온도에서 표면 반응에 의하지 않고는 스스로 분해하지 않아야 하는 것으로 알려져 왔다. 그래서 원자층 증착법을 이용한 PbX(X=S 또는 Se)의 성장에서 Pb-전구체로는 분해온도가 반응온도보다 높고, Pb II가 상태의 화합물들, 즉 thd-, dedtc-와 같은 배위화합물들과 할로겐 화합물들을 사용해 왔다. 그러나 본 발명에서는 Pb가 4가 공유결합을 하고 있는 유기금속화합물 전구체를 사용하여 성장 반응특성과 박막특성이 모두 우수한 박막을 성장할 수 있음을 보여준다.In general, in the case of atomic layer deposition, it has been known that precursors should not decompose themselves by surface reaction at the reaction temperature. Therefore, in the growth of PbX (X = S or Se) using atomic layer deposition, Pb-precursor has decomposition temperature higher than reaction temperature and coordination compounds such as thd- and dedtc- Halogen compounds have been used. However, the present invention shows that the Pb is capable of growing a thin film having excellent growth reaction properties and thin film properties by using an organometallic compound precursor having a tetravalent covalent bond.
한 실시예로서, 대기 중에서 끓는 점이 198℃이고 100℃이상에서는 일부 분해하는 테트라에틸 납(tetraethyl lead)의 경우에도 원자층 증착법으로 반응온도 300℃ 이상에서 매우 균일한 PbS 박막을 성장할 수 있었다. 그 이유는 납 IV가 상태인 전구체가 반응온도에서 일부 결합이 분해되거나 다이머(dimer)로 성장되기에 유리한 중간체를 형성하여 납 II가의 결합상태인 PbS로 형성되는 것에 오히려 유리한 형태(form)의 화학종(chemical species)을 형성하기 때문이다.As an example, even in the case of tetraethyl lead, which boils in the air at 198 ° C. and partially decomposes at 100 ° C. or more, it is possible to grow a very uniform PbS thin film at a reaction temperature of 300 ° C. or more by atomic layer deposition. The reason is that the precursor in the form of lead IV is in a form of chemistry that favors the formation of PbS, which is a bonded state of lead II, by forming an intermediate that is favorable for some bonds to decompose or grow into dimers at the reaction temperature. This is because they form chemical species.
한편, 통상의 형광층 제조방법에서, II-VI 족 화합물, 즉 CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS, MgSe 모재료 내에 PbS 또는 PbSe 상태로 첨가된 Pb2+이온 들은 모재료와 동일한 큐빅(cubic)-결정 구조를 가지며, 또한 모재료의 II족 이온과 같은 2+ 이온 상태를 가지므로 전하 보상기(charge compensator)들을 가해줄 필요 없이 모재료 내에 쉽게 치환되어 들어간다. 그래서 Pb2+이온은모노머(monomer) 상태 외에 여러 개가 함께 결합하고 있는 클러스터 또는 어그리게이트(aggregate)를 쉽게 형성한다. 이러한 사실 들은 CaS:Pb2+, CaSe:Pb2+, SrS:Pb2+, SrSe:Pb2+등의 PL 연구 결과에서, 여기 스펙트럼과 방출 스펙트럼들이 연구 결과마다 다르게 나타나며, 여러 개의 피크들이 중첩되어 나타나고, 또한 그 스펙트럼들이 어느 특정한 에너지 천이과정으로 설명이 되지 않는다는 실험적 사실로도 입증되었다(참고문헌: S. Asano, N. Yamashita, and Y. Nakao. Phys. Stat. Sol. (b)89, 663(1978)). 한 예로서 CaS:Pb2+의 경우 단지 모노머(monomer)의 상태를 연구하기 위해 농도를 조절하여 Pb2+량에 따른 스펙트럼의 변화를 관찰함으로써 Pb2+-모노머(monomer)의 경우 자외선 영역의 방출스펙트럼을 나타내며, 그 파장은 CaS:Pb의 경우 355, 364nm, CaSe:Pb의 경우 371, 380 nm라는 것만 설명할 수 있었다. 그리고 농도가 증가함에 따라 PL 피크(peak)가 장파장으로 이동함을 보여주었다. 그러나 농도와는 상관없이 어느 특정한 파장의 빛 만을 선택적으로 발광시킬 수 있도록 조절하여 재료를 제조할 수는 없었다.Meanwhile, in a conventional fluorescent layer manufacturing method, Pb 2+ ions added in a PbS or PbSe state in a group II-VI compound, that is, CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS, and MgSe parent materials. They have the same cubic-crystal structure as the parent material and also have a 2+ ion state like the group II ions of the parent material, so they are easily substituted into the parent material without the need for adding charge compensators. Thus, Pb 2+ ions easily form clusters or aggregates in which several are bound together in addition to the monomer state. These findings indicate that in PL studies such as CaS: Pb 2+ , CaSe: Pb 2+ , SrS: Pb 2+ , and SrSe: Pb 2+ , the excitation and emission spectra appear different for each study, with multiple peaks overlapping. And also proved experimentally that the spectra are not explained by any particular energy transition process (S. Asano, N. Yamashita, and Y. Nakao. Phys. Stat. Sol. (B) 89). , 663 (1978). In the ultraviolet region for monomer (monomer) - Pb 2+ by monitoring the change in the spectrum according to the amount of Pb 2+ by only adjusting the concentration to study the state of monomer (monomer) for Pb 2+: As an example, CaS The emission spectrum was shown, and the wavelength was only 355, 364 nm for CaS: Pb and 371, 380 nm for CaSe: Pb. As the concentration increases, the PL peak shifts to longer wavelengths. However, it was not possible to produce materials by adjusting them to selectively emit light of any specific wavelength regardless of the concentration.
SrS:Pb2+의 경우에는 모노머(monomer)는 368 nm, 다이머(dimer)의 경우에는 500 nm 근처에서 방출 스펙트럼을 나타낸다. SrS:Pb의 경우에도 본 발명에 의하면 선행연구 들과는 달리 500 nm 근처의 단일 피크만이 나타나는 전계발광을 얻을 수 있다.In the case of SrS: Pb 2+ , the monomer shows an emission spectrum at around 368 nm and for dimers at around 500 nm. According to the present invention, even in the case of SrS: Pb, electroluminescence can be obtained in which only a single peak near 500 nm appears.
한 실시예인 CaS:Pb 형광체의 경우, Pb2+이온은 반경이 1.20Å이며, Ca2+이온은 0.99Å이므로 약 20%의 격자부정합이 존재하여 Pb가 많은 량이 포함되면 결정성이 열화되어 Pb2+이온의 클러스터링에 상관없이 EL(electroluminescence), CL(cathodoluminescence) 특성을 열화시키게 된다. 그러므로 본 발명에서는 Pb가 과량 포함되어 모재료의 결정성을 크게 저하시키지 않는 농도 범위 내에서 농도에 상관없이 일정한 상태의 Pb2+이온이 존재하는, 즉 EL 과정이나 CL 과정에서 일정한 파장 영역의 빛이 발생하는 MX:Pb 화합물(M=Ca, Sr, Zn, Ba, Mg; X=S, Se) 형광체를 제공하는 바, 이는 형광체의 휘도와 색도를 크게 향상시킨 것이다.In the CaS: Pb phosphor, which is an example, Pb 2+ ions have a radius of 1.20 μs and Ca 2+ ions have 0.99 μs, so that about 20% of lattice mismatch exists, and when Pb is included in a large amount, crystallinity deteriorates and Pb Regardless of clustering of 2+ ions, EL (electroluminescence) and CL (cathodoluminescence) properties are deteriorated. Therefore, in the present invention, Pb 2+ ions in a constant state exist regardless of the concentration within a concentration range in which excessive Pb is included and does not significantly reduce the crystallinity of the parent material, that is, light in a constant wavelength region in the EL process or the CL process. The resulting MX: Pb compound (M = Ca, Sr, Zn, Ba, Mg; X = S, Se) phosphor is provided, which greatly improves the luminance and chromaticity of the phosphor.
한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 방법으로 제조된 형광체를 전계발광소자에 응용할 수 있는바, 이에 의해 전계발광소자의 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 전계발광소자의 구조는 통상적인 구조와 능동-구동형(active-matrix) 등에 활용되는 반전구조를 모두 포함한다. 또한, 본 발명의 형광체는 PL(Photluminescen), 음극선(CL) 발광 형광체에도 응용될 수 있다.On the other hand, the phosphor prepared by the method of the present invention as described above can be applied to the electroluminescent device, thereby greatly improving the characteristics of the electroluminescent device. The structure of the electroluminescent device includes both a conventional structure and an inverted structure utilized in an active-matrix or the like. In addition, the phosphor of the present invention can be applied to PL (Photluminescen), cathode (CL) light emitting phosphor.
도 1은 형광체 모재료에 발광중심 이온을 포함한 층을 첨가한 단면도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a cross-sectional view of adding a layer containing light emitting center ions to a phosphor base material;
도 2는 본 발명을 적용하기 위한 증착법의 한 예로서 트레블링 웨이브 리액터 타입(traveling wave reactor type)의 원자층 증착 장비의 계통도.2 is a schematic diagram of an atomic layer deposition apparatus of a traveling wave reactor type as an example of a deposition method for applying the present invention.
도 3은 Pb2+이온의 농도가 서로 다른 CaS:Pb 형광체의 EL 피크들을 보여주는 스펙트럼.3 is a spectrum showing EL peaks of CaS: Pb phosphors having different concentrations of Pb 2+ ions.
도 4는 도 1에서 발광중심이온을 포함한 층의 두께를 증가시킴에 따라 EL 피크들이 변하는 양상을 보여주는 스펙트럼.FIG. 4 is a spectrum showing the change in EL peaks as the thickness of the layer including the light emitting ion is increased in FIG. 1; FIG.
도 5는 Pb2+이온의 농도가 0.7at.%인 CaS:Pb 형광체의 CL(cathodoluminescence) 피크를 종래의 잘알려진 Zn:Ag 형광체와 비교하여 보여주는 스펙트럼.도 6은 본 발명에 의한 교류-구동형 박막 전계 발광소자(AC-TFELD)의 구조를 투명 기판 위에 성장한 경우 (a)와, 불투명 기판 위에 성장한 반전 구조 (b)를 각각 나타낸 도면.Fig. 5 is a spectrum showing the cathodoluminescence (CL) peak of a CaS: Pb phosphor having a Pb 2+ ion concentration of 0.7at.% Compared with a conventional well-known Zn: Ag phosphor. (A) and the inverted structure (b) grown on an opaque substrate, respectively, when the structure of the type thin film EL device (AC-TFELD) is grown on a transparent substrate.
도 7은 본 발명에서 제시한 방법을 사용하여 원자층 증착법으로 제조한 CaS:Pb 청색전계 발광소자의 휘도 곡선.7 is a luminance curve of a CaS: Pb blue electroluminescent device prepared by atomic layer deposition using the method presented in the present invention.
도 8(a)와 도 8(b)는 Pb(thd)2와 테트라-에틸 납을 Pb-전구체로 이용하여 제조한 CaS:Pb 청색 전계발광소자의 전계발광 스펙트럼 특성도.8 (a) and 8 (b) are electroluminescence spectrum characteristics diagrams of CaS: Pb blue electroluminescent devices prepared using Pb (thd) 2 and tetra-ethyl lead as Pb precursors.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 - 5 : 밸브 6 : 투명기판1-5: valve 6: transparent substrate
7 : 투명전극 8 : 하부 절연층7 transparent electrode 8 lower insulating layer
9 : 형광체 박막 10 : 상부 절연층9: phosphor thin film 10: upper insulating layer
11 : 금속 전극 12 : 불투명기판11 metal electrode 12 opaque substrate
13 : 내화금속전극13: refractory metal electrode
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
Pb2+이온은 기저상태의 최외각 전자에너지 준위의 전자배열이 6s2상태이며, 에너지를 받으면 6s16p1상태로 천이 되었다가 다시 기저상태로 되돌아오면서 빛을 낸다. 이러한 에너지 준위의 특성상 이온의 상태와 주위 모재료의 상태에 큰 영향을 받는다.Pb 2+ ions have a 6s 2 electron array in the outermost electron energy level of the ground state, and when energy is received, they transition to the 6s 1 6p 1 state and return to the ground state to emit light. Due to the nature of these energy levels, the state of ions and the surrounding parent material are greatly affected.
본 실시예는 CaS 또는 CaSe 내에 대부분의 Pb2+이온이 청색을 내기에 적합한 다이머 상태로만 선택적으로 존재하여 색이 우수하면서도 휘도가 매우 큰 CaS:Pb 청색 형광체와 그 제조 방법에 대한 것이다. 참고적으로 일반적인 청색 형광체들은 색이 순수 청색에 가까울수록 휘도는 감소하는 것으로 알려져 있고, 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방법으로 성장한 SrS:Cu,Ag 청색 형광체에서도 Ag가 많이 도핑되어 색이 순수 청색으로 이동할수록 휘도는 다소 감소하는 경향을 보였었다.This embodiment relates to a CaS: Pb blue phosphor having a high color and a very high luminance because the PS 2+ ions are selectively present only in a dimer state suitable for emitting blue color in CaS or CaSe, and a method of manufacturing the same. For reference, general blue phosphors are known to decrease luminance as the color is closer to pure blue. In addition, Ag is doped in SrS: Cu and Ag blue phosphors grown by magnetron sputtering, and the color shifts to pure blue. The brightness tended to decrease somewhat.
형광체 제조 방법으로서, MX(M=Ca, Sr, Ba, Zn 또는 Mg; X=S 또는 Se) 모재료 내에 PbX(X=S 또는 Se) 가 소량 첨가되어 있는 MX:Pb 화합물을 그 화학적 상태를 미세하게 조절하여 성장시키는 과정은 간단히 다음과 같이 설명할 수 있다. MX 모재료 내에 PbX를 도핑하는 과정에서 먼저 MX 화합물을 일정 두께 성장하고 이어서 PbX를 원하는 농도비를 만족하도록 일정 두께 성장하는 과정을 반복하게 되는데, MX층의 1회 성장 두께와 MX 상에서의 PbX의 1회 성장 두께는 원하는 Pb2+이온의 농도와 그 성장 속도에 따라 결정된다. 이러한 성장 방법의 기본 개념은 원자층증착법 또는 원자층 화학 증착법이라 부른다.As a phosphor manufacturing method, an MX: Pb compound in which a small amount of PbX (X = S or Se) is added to an MX (M = Ca, Sr, Ba, Zn, or Mg; X = S or Se) parent material is used to change the chemical state thereof. The process of finely controlled growth can be briefly described as follows. In the process of doping PbX in the MX base material, first, the MX compound is grown to a certain thickness, and then PbX is grown to a certain thickness so as to satisfy the desired concentration ratio. The ash growth thickness is determined by the concentration of the desired Pb 2+ ion and its growth rate. The basic concept of this growth method is called atomic layer deposition or atomic layer chemical vapor deposition.
본 발명의 한 실시예로서 CaS에 PbS를 첨가하여 대부분의 Pb2+이온이 다이머 상태로 존재하는 형광체와 그 제조 방법을 소개한다.As an embodiment of the present invention, a phosphor and a method for producing the same, in which most Pb 2+ ions exist in a dimer state by adding PbS to CaS, are introduced.
도 1에서 보인 바와 같이 CaS를 일정 두께(a cycles) 성장시킨 후 PbS를 일정 두께(b cycles) 만큼 성장시키는 과정을 n회 반복한다면 CaS:Pb 화합물 형광막의 두께(T)는 아래 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.As shown in FIG. 1, if CaS is grown a certain thickness (a cycles) and then PbS is grown n times by a certain thickness (b cycles), the thickness (T) of the CaS: Pb compound fluorescent film is expressed by Equation 1 below. Can be represented as:
여기서 A와 B는 각각 CaS과 PbS의 성장 속도이며, Pb2+이온의 농도인 c는 아래 수학식 2와 같이 표현된다.Where A and B are the growth rates of CaS and PbS, and c, the concentration of Pb 2+ ions, is represented by Equation 2 below.
이와 같이 사이클(cycle) 비를 조절함으로써 원하는 만큼의 농도로 Pb2+이온을 도핑할 수가 있는데, Pb 농도에 따라 Pb의 상태가 다르게 도핑되는 선행연구들과는 달리 결정성이 우수하게 유지될 수 있는 농도 범위에서는 선택적으로 다이머(dimer)에 의한 발광 만이 우세하도록 성장할 수 있다.As such, by controlling the cycle ratio, the concentration of Pb 2+ ions can be doped to a desired concentration. The concentration of Pb can be excellently maintained, unlike previous studies in which Pb is doped differently according to the concentration of Pb. In the range, it can selectively grow so that only light emission by a dimer is dominant.
도 2에 본 발명을 적용하기 위한 원자층 증착법의 한 예로서, 트레블링 웨이브 리액터 타입(traveling wave reactor type)의 원자층 증착의 계통도를 나타내었다.As an example of an atomic layer deposition method for applying the present invention to FIG. 2, a schematic diagram of atomic layer deposition of a traveling wave reactor type is shown.
원자층 증착법은 기판 표면에서의 표면화학 반응을 이용하는 증착 기술이다. 한 예로서 M-전구체(M=Ca, Sr, Zn, Ba, 또는 Mg)와 H2S, Pb-전구체를 이용하여 PbS가 첨가된 II-VI 족 금속황화물이 증착되는 과정을 아래에서 설명한다.Atomic layer deposition is a deposition technique that utilizes surface chemical reactions on the substrate surface. As an example, the process of depositing PbS-added Group II-VI metal sulfides using M-precursors (M = Ca, Sr, Zn, Ba, or Mg) and H 2 S, Pb-precursors is described below. .
화학 증착법의 경우 모든 반응물이 원하는 조성비로 동시에 주입되어 성장되거나 또는 금속황화물(MS)의 성장과 황화납(PbS)의 성장을 분리하여 반복 수행할 수 있다. 그러나 원자층 증착법의 경우 도 2에 표시한 밸브(1) 내지 밸브(5)는 각각 독립적으로 조절하는데, 아래와 같은 순서로 동시에 2개 이상의 밸브가 열리지 않도록 조절한다.In the case of chemical vapor deposition, all reactants may be injected and grown simultaneously at a desired composition ratio, or may be repeatedly performed by separating the growth of metal sulfide (MS) and the growth of lead sulfide (PbS). However, in the case of the atomic layer deposition method, the valves 1 to 5 shown in FIG. 2 are adjusted independently, so that two or more valves are not opened at the same time in the following order.
1) 밸브(1)를 열고 운반 기체(carrier gas)와 함께 M-전구체 증기를 주입한다. 이에 의해 M-전구체 반응물이 기판 표면에 흡착된다.1) Open valve (1) and inject M-precursor vapor with carrier gas. This causes the M-precursor reactant to adsorb to the substrate surface.
2) 밸브(2)를 열고 질소 또는 불활성 기체 주입한다. 이에 의해 M-전구체 반응물 중 표면에 흡착되지 않은 분자들은 모두 제거된다.2) Open valve (2) and inject nitrogen or inert gas. This removes all molecules that are not adsorbed to the surface of the M-precursor reactant.
3) 밸브(3)를 열고 H2S 기체를 주입한다. 이에 의해 H2S 기체가 기판에 흡착되어 있는 M-전구체 반응물과 표면 반응하여 MS 박막이 성장되고 휘발성 부산물이 생성된다.3) Open the valve (3) and inject H 2 S gas. As a result, the H 2 S gas is surface-reacted with the M-precursor reactant adsorbed on the substrate to grow the MS thin film and generate volatile byproducts.
4) 밸브(4)를 열고 질소 또는 불활성기체를 주입한다. 이에 의해 여분의 H2S 분자들과 M-전구체와 H2S 간의 휘발성 반응 생성물 제거된다.4) Open the valve (4) and inject nitrogen or inert gas. This removes excess H 2 S molecules and the volatile reaction product between the M-precursor and H 2 S.
5) 상기 1) - 4)의 과정을 수회 반복한다.5) The process of 1) -4) is repeated several times.
6) 밸브(5)를 열고 Pb 전구체를 주입한다. 이에 의해 Pb 전구체가 금속황화물(MS) 표면 위에 흡착된다.6) Open valve 5 and inject Pb precursor. As a result, the Pb precursor is adsorbed onto the metal sulfide (MS) surface.
7) 질소 또는 불활성기체를 주입한다. 이에 의해 Pb 전구체 분자들 중 표면에 흡착되지 않은 분자들은 모두 제거된다.7) Inject nitrogen or inert gas. As a result, all of the Pb precursor molecules that are not adsorbed on the surface are removed.
8) H2S를 주입한다. 이에 의해 H2S 반응물이 기판에 흡착되어 있는 Pb 전구체 분자들과 표면 반응하여 PbS 박막이 성장되고 휘발성 부산물들이 생성된다.8) Inject H 2 S. As a result, the H 2 S reactant is surface-reacted with the Pb precursor molecules adsorbed on the substrate to grow the PbS thin film and generate volatile byproducts.
9) 질소 또는 불활성기체를 주입한다. 이에 의해 여분의 H2S 분자들과 Pb 전구체 분자들과 H2S 간의 휘발성 반응 생성물이 제거된다.9) Inject nitrogen or inert gas. This removes excess H 2 S molecules and volatile reaction products between Pb precursor molecules and H 2 S.
이와 같은 반응 과정을 따르므로 원자층 증착법의 경우 '한 층(1 monolayer)/1싸이클(cycle)' 이하의 증착 속도로 박막을 성장할 수 있고 MS:Pb(M=Ca, Sr, Zn, Ba, 또는 Mg) 박막의 조성을 싸이클 반복 횟수를 조절함으로써 세밀하게 조절할 수 있다. 화학증착법의 경우는 전구체 들의 상대적인 농도 비를 조절하여 성장 박막의 조성을 조절한다.As a result of this reaction process, in the case of atomic layer deposition, the thin film can be grown at a deposition rate of 'one monolayer / 1 cycle' or less and MS: Pb (M = Ca, Sr, Zn, Ba, Alternatively, the composition of the Mg) thin film can be finely adjusted by controlling the number of cycle repetitions. In the case of chemical vapor deposition, the composition of the growth thin film is controlled by controlling the relative concentration ratio of the precursors.
종래기술(선행 연구)에서 형광체 내에의 Pb2+이온 농도에 따라 색이 변화하며, 이는 Pb2+가 농도가 작을 때는 모노머(monomer)로, 농도를 증가시키면 점차 다이머(dimer)가 생성되어 공존하다가 일정 농도이상에서는 클러스터(cluster)가 형성되어 녹색으로 변화되고, 클러스터(cluster) 때문에 휘도가 낮은 것으로 보고하고 있는 것과는 달리 본 발명에서는 농도와 무관하게 Pb2+-다이머(dimer)로만 존재하도록 할 수 있다.In the prior art (prior research), the color changes according to the concentration of Pb 2+ ions in the phosphor, which is a monomer when Pb 2+ is low in concentration, and dimers are gradually formed when the concentration increases. On the other hand, clusters are formed at a certain concentration and turn green, and, unlike clusters, which are reported to have low luminance, in the present invention, only clusters of Pb 2+ -dimers are present regardless of the concentration. Can be.
농도에 상관없이 다이머(dimer) 상태로만 존재하도록 성장하기 위해서는 일정한 특성을 가지는 반응 전구체(precursor)가 필요하다. 한 예로서 테트라에틸 납(tetraethyl lead)이 있는데 이 화합물은 실온에서는 테트라에틸 납(tetraethyl lead)으로 존재하나 100oC 이상의 온도에서는 분해되기 시작하고, 200oC 이상의 반응온도로 유지되는 반응로 안에서는 쉽게 분해되는데, 이 때 Pb2(C2H5)6(hexaethyl dilead)를 형성할 확률이 높으며, Pb-Pb 결합은 Pb-C 결합보다 강하여 표면의 반응 사이트(site)에 다이머(dimer) 형태로 흡착하게 된다. 보통 테트라에틸 납(tetraethyl lead)을 이용한 합성 반응에 의해서 Pb2(C2H5)6이 생성되는 것이 그 것을 뒷받침해준다. 이 반응이 서로 응집하고자 하는 Pb의 경향을 고려할 때 최대근접사이트(nearest neighbor site)에는 흡착되지 않을 정도의 낮은 성장 속도로 유지될 경우에는, 즉 성장 속도가 0.2 모노레이어(monolayer) 이하이면, 원하는 대로 다이머(dimer) 형태로만 존재하는 Pb를 도핑할 수가 있는 것이다. 0.2 모노레이어(monolayer)라는 성장 속도의 한계는 Pb의 이주(migration) 경향이 크다면 보다 낮아진다.In order to grow to exist only in a dimer regardless of the concentration, a reaction precursor having certain characteristics is required. An example is tetraethyl lead, which is present as tetraethyl lead at room temperature but begins to decompose at temperatures above 100 o C and in a reactor maintained at a reaction temperature above 200 o C. It is easily decomposed, and it is more likely to form Pb 2 (C 2 H 5 ) 6 (hexaethyl dilead), and Pb-Pb bonds are stronger than Pb-C bonds, so they form a dimer at the reaction site on the surface. Will be adsorbed. The production of Pb 2 (C 2 H 5 ) 6 is usually supported by synthetic reactions with tetraethyl lead. Given the tendency of Pb to agglomerate with each other, if the growth rate is maintained at a low growth rate that is not adsorbed to the nearest neighbor site, i.e., if the growth rate is 0.2 monolayer or less, then the desired As such, it is possible to dope the Pb existing only in the dimer form. The limit of growth rate of 0.2 monolayer is lower if the migration tendency of Pb is large.
또한 모재료 성장 반응을 수회-수십회 수행하고 PbX(X=S, Se) 성장반응을 1회씩 격리시켜 삽입함으로써 다이머(dimer)로 도입된 Pb2+이온들이클러스터(cluster) 또는 어그리게이트(aggregate)를 형성할 수 없도록 함으로써 다이머(dimer)에 의한 빛만을 선택적으로 발생하는 형광체를 성장할 수 있다. 이 효과는 성장 장비의 온도 편차와 반응 전구체의 종류에 따라 특정한 온도 이상에서 두드러지게 나타난다.In addition, Pb 2+ ions introduced into the dimer by clustering or aggregating PbX (X = S, Se) growth reactions are inserted several times and dozens of times. By not forming aggregates, it is possible to grow phosphors which selectively generate only light by dimers. This effect is noticeable above a certain temperature depending on the temperature variation of the growth equipment and the type of reaction precursor.
실시예에서 사용한 테트라에틸 납(tetraethyl lead)와 유사한 반응 특성을 보이는 전구체 들은 메틸(methyl), 에틸(ethyl), 프로필(propyl), 아이소프로필(isopropyl), 싸이크로헥실(cyclohexyl) 기 등과 결합하고 있는 테트라알킬 납(tetraalkyl lead), 그리고 페닐(phenyl), 벤질(benzyl) 기 등과 결합하고 있는 테드라알킬 납(tetraaryl lead) 전구체들(tetraphenyl lead, tetracyclohexyl lead, triphenylbenzyl lead, diphenyldicyclohexyl lead 등) 이며, 이들과 유사한 반응 특성을 나타내는 전구체 들도 같은 용도로 사용될 수 있다.Precursors with similar reaction properties to the tetraethyl lead used in the examples were combined with methyl, ethyl, propyl, isopropyl, cyclohexyl groups, and the like. Tetraalkyl lead, and tetraaryl lead precursors (tetraphenyl lead, tetracyclohexyl lead, triphenylbenzyl lead, diphenyldicyclohexyl lead, etc.) bound to phenyl, benzyl groups, etc. Precursors exhibiting similar reaction properties can be used for the same purpose.
Pb2+이온이 특정한 조건에서 거의 대부분 다이머(dimer) 만이 존재하여 다이머(dimer)에 의한 빛의 발생만을 나타내는 것을 실시예로서 설명한다. 본 발명의 실시예는, 농도와 무관하게 즉 농도가 0.6 - 4.0 mol.% 에서도 고순도 청색을 내는 CaS:Pb 전계발광소자의 경우이다.As an example, the Pb 2+ ions show that only a dimer is present in almost all of the specific conditions and thus only shows generation of light by the dimer. An embodiment of the present invention is a case of a CaS: Pb electroluminescent device which shows high purity blue regardless of the concentration, that is, even at a concentration of 0.6-4.0 mol.%.
Ca(thd)2(thd=2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionate)와 H2S를 사용하여 CaS를 성장하고, 또한 데트라에틸 납(tetraethyl lead)과 H2S를 반응시켜 PbS를 성장하는 공정에서 Pb2+의 전체 농도는 PbS의 성장 속도가 320oC 일 때 0.01 Å/cycle, 400oC 일 때 약 0.15 Å/cycle 이고 CaS의 성장 속도가 0.35 - 0.45 Å/cycle임을 고려하여 그 반복비를 조절함으로써 결정할 수 있다. PbS의 성장 속도는 400oC 이하의 온도에서 0.15Å/cycle 이하이므로 1 cycle 당 표면 커버리지(surface coverage)는 0.1 이하이다. 즉 10개의 가능한 반응 사이트(site) 중 1개 미만이 PbS와 결합하게 된다. 그러므로 그 횟수를 조절함으로써 어그리게이트(aggregate)의 형성을 크게 억제할 수 있는 것이다. 이러한 방법으로 성장된 MX:Pb 박막의 단면구조 개략도는 도 1과 같다.Ca (thd) 2 (thd = 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionate) and H 2 S were used to grow CaS, and also tetraethyl lead and H 2 S In the process of growing PbS by reaction, the total concentration of Pb 2+ is 0.01 Å / cycle when the growth rate of PbS is 320 o C, about 0.15 Å / cycle when 400 o C and the growth rate of CaS is 0.35-0.45 Å It can be determined by adjusting the repetition ratio in consideration of / cycle. Since the growth rate of PbS is 0.15 mA / cycle or less at a temperature of 400 ° C. or less, the surface coverage per cycle is 0.1 or less. That is, less than one in ten possible reaction sites will bind PbS. Therefore, by controlling the number of times, formation of an aggregate can be greatly suppressed. A schematic cross-sectional view of the MX: Pb thin film grown in this manner is shown in FIG. 1.
CaS와 PbS의 성장 사이클(cycle) 수 a와 b를 조절하여 성장함으로써 Pb2+이온의 농도에 상관없이 Pb2+이온이 다이머(dimer)로 존재하여 일정한 파장과 색도를 나타내는 CaS:Pb 형광체 박막의 특성을 아래 표 1과 도 3에 제시하였다. 표 1은 400oC에서 PbS의 한 주기 성장 두께, 즉 도 1에서 PbX의 두께를 고정시키고, CaS의 사이클(cycle) 수를 감소시키므로써 Pb2+이온의 농도를 증가시켜 제조한 형광체 박막의 색도를 보여준다. PbS의 농도가 약 0.6 mol% 일 때의 색좌표와 PbS의 농도가 약 2.5 mol% 이상으로 증가했을 때도 색좌표는 거의 동일하며 휘도 만이 변화하였다.Of CaS and PbS growth cycle (cycle) by growth by controlling the a and b, regardless of the concentration of Pb 2+ ions Pb 2+ ion is present as a dimer (dimer) CaS showing a certain wavelength and a chromaticity: Pb phosphor thin film The characteristics of are shown in Table 1 below and FIG. Table 1 shows the phosphor thin film prepared by increasing the concentration of Pb 2+ ions by fixing the thickness of one cycle of growth of PbS at 400 ° C., ie, the thickness of PbX in FIG. 1, and reducing the number of cycles of CaS. Show chromaticity. When the PbS concentration was about 0.6 mol% and the PbS concentration was increased to about 2.5 mol% or more, the color coordinates were almost the same and only the luminance was changed.
도 3은 Pb2+이온의 농도가 0.6 mol.%, 0.8 mol.% 일 때와 1.4 mol.% 일 때의 EL 스펙트럼을 보여 주는 것으로서, 2배 이상의 Pb2+를 포함하더라도 스펙트럼이 거의 동일한 파장에서 나타나며, 특히 EL 스펙트럼들의 선폭이 넓고 위치가 서로 다른 여러 EL 피크(peak)들이 겹쳐 나타나는 선행연구 결과들과는 달리 선폭이 좁은 단일 피크(peak)로 나타난다.FIG. 3 shows EL spectra when the concentrations of Pb 2+ ions are 0.6 mol.%, 0.8 mol.%, And 1.4 mol.%, And the wavelengths are almost the same even when Pb 2+ is included. In particular, unlike the previous studies in which EL lines with wide line widths and different positions of EL spectra overlap each other, they appear as single peaks with narrow line widths.
상기 표 1과 도 3에서 보인 결과들은 본 발명에서 1 - 1.5 mol.%의 좁은 범위에서만 청색 EL을 확인했던 선행 연구 결과들과는 달리 Pb2+이온의 농도에 상관없이 다이머(dimer)를 선택적으로 포함하고 있는 형광재료를 만들었음을 의미한다. 단 Pb 농도가 4.0 mol.% 이상으로 커지면 모재료의 결정성이 열화되어 휘도가 크게 감소하게 된다.The results shown in Table 1 and Figure 3, unlike the previous studies that confirmed the blue EL only in a narrow range of 1-1.5 mol.% In the present invention optionally includes a dimer irrespective of the concentration of Pb 2+ ion It means that the fluorescent material is made. However, when the Pb concentration becomes higher than 4.0 mol.%, The crystallinity of the parent material deteriorates and the luminance is greatly reduced.
한편, 도 4의 결과는 CaS의 성장 사이클 수는 일정하게 하고 PbS의 1회 성장 두께를 변화시키면서 형광막을 제작하여 그 특성을 관찰한 것이다. 즉 PbS의 성장사이클 수 b를 조절하면서 그 효과를 살펴보았다. 도 3에서 성장온도 350oC에서 성장한 CaS:Pb 형광체에서 (b)는 PbS 성장 두께를 (a) 경우의 2배로, (c)는 (a)의 경우의 3배로 조절하였을 때의 EL 스펙트럼을 서로 비교하였다. 도 4에서 보는 바와 같이 1회 PbS 성장 두께가 클수록 EL 스펙트럼의 피크 위치가 장파장으로 이동하고 피크의 폭도 증가함을 알 수 있다. 이러한 결과는 CIE 색좌표에서도 잘 나타난다. 아래 표 2에 PbS의 성장 사이클 수 b의 변화에 따른 농도의 변화와 CIE 색좌표의 변화를 나타내었다. CIE 색좌표에서 y값이 증가하는 것은 피크(peak)가 장파장으로 이동함을 간접적으로 보여주는 것이다. x는 적색포함 비율, y는 녹색포함 비율이며, z(z=1-x-y)는 청색 포함 비율에 해당한다. 그러므로 x와 y 값이 작을수록 청색 순도가 우수함을 의미하는 것이다. 아래 표 2에 나타난 바와 같이 CaS:Pb 형광체에서 발광하는 빛의 색도가 PbS의 1회 성장 두께에 크게 영향을 받고 있음을 보여준다. 심지어 Pb농도가 0.1 mol.% 이하인 조건에서도 PbS의 1회 성장 두께를 조절하면 녹색 영역의 빛이 발생된다.On the other hand, the results of Figure 4 is to observe the characteristics of the fluorescent film was produced while the number of growth cycles of CaS is constant and the thickness of growth of PbS is changed once. In other words, the effect was examined by controlling the growth cycle number b of PbS. In FIG. 3, in the CaS: Pb phosphor grown at a growth temperature of 350 ° C., (b) shows the EL spectrum when the PbS growth thickness is adjusted to 2 times as in (a) and (c) as 3 times as in (a). Compare with each other. As shown in FIG. 4, it can be seen that as the one-time PbS growth thickness increases, the peak position of the EL spectrum shifts to a longer wavelength and the width of the peak increases. This result is also well represented in CIE color coordinates. Table 2 below shows the change in concentration and the change in CIE color coordinates according to the change in the number of growth cycles b of PbS. Increasing the y value in the CIE color coordinates indirectly shows that the peak shifts to longer wavelengths. x is the red inclusion ratio, y is the green inclusion ratio, and z (z = 1-xy) corresponds to the blue inclusion ratio. Therefore, smaller x and y values mean better blue purity. As shown in Table 2 below, the chromaticity of light emitted from the CaS: Pb phosphor is significantly affected by the single growth thickness of PbS. Even when the Pb concentration is less than 0.1 mol.%, Once the growth thickness of PbS is adjusted, light in the green region is generated.
이상의 도 3과 도 4, 표 1 및 표 2의 결과들은 CaS:Pb 형광체의 색좌표가 단순히 Pb의 농도에 의해서 결정되는 것이 아니라 Pb2+이온의 상태에 따라 결정됨을 잘 보여주는 것으로, 나노메타(nanometer) 크기의 반도체 입자가 작아질수록 밴드 갭(band gap)이 증가하여 입자의 크기에 따라 밴드 갭(band gap)을 조절할 수 있는 "quantum dot effect"와도 잘 일치함을 알 수 있다.The results of FIGS. 3 and 4, Tables 1 and 2 above show that the color coordinates of the CaS: Pb phosphors are not simply determined by the concentration of Pb, but are determined by the state of Pb 2+ ions. As the size of the semiconductor particles decreases, the band gap increases, and it can be seen that the band gap is well matched with the "quantum dot effect" that can control the band gap according to the particle size.
이 결과들은 본 발명으로 Pb의 전체 농도에 상관없이 일정한 형태의 Pb2+이온을 포함한 MX:Pb2+(M=Ca, Sr, Ba, Zn, Mg; X=S, Se) 화합물을 실제로 제조할 수 있음을 잘 보여준다. 실시예로서 350 - 400oC의 성장온도에서 PbS의 1회 성장 두께, 즉 사이클 수를 각각 적절히 조절함으로써 농도에 무관하게 특정한 파장의 빛을 내는 CaS:Pb 청색 EL 형광체를 제조할 수 있었다.These results show that the present invention actually produces MX: Pb 2+ (M = Ca, Sr, Ba, Zn, Mg; X = S, Se) compounds containing a certain type of Pb 2+ ion regardless of the total concentration of Pb. Show that you can. As an example, CaS: Pb blue EL phosphors that emit light of a specific wavelength regardless of concentration could be prepared by appropriately adjusting the single growth thickness of PbS, that is, the number of cycles, at a growth temperature of 350-400 ° C., respectively.
상기한 형광체 제조방법은 앞서 언급한 바와 같이 CL 형광체 제조에서 이용가능하다. 한실시예로서, 도 5는 테트라에틸 납을 사용하여 제조한 500Å 두께의 CaS:Pb (Pb의 농도:0.7atom.%) 형광막의 CL 특성을 보여주는 결과이다. CL 피크 최대치의 파장은 435-440nm이고, 상용화되고 있는 CRT의 형광체인 ZnS:Ag 분말에 비해 7배 이상의 세기를 보이고 있다.한편 Pb2+이온은 6s2최외각 전자구조를 가지므로 MX 모재료의 상태에 영향을 많이 받는다. 그래서 성장온도에 따라서 모재료의 결정상태가 변하므로 그에 따른 약간의 파장이동은 동반된다. 그러나 그 정도는 PbS의 1회 성장 두께의 변화에 비하여 그다지 크지 않게 나타난다.The above-mentioned phosphor manufacturing method is available in CL phosphor production as mentioned above. As an example, FIG. 5 is a result showing CL characteristics of a CaS: Pb (Pb concentration: 0.7 atom.%) Fluorescent film having a thickness of 500 kV prepared using tetraethyl lead. The peak wavelength of the CL peak is 435-440 nm, which is more than seven times stronger than the commercially available CRT phosphor, ZnS: Ag powder. On the other hand, Pb 2+ ions have a 6s 2 outermost electronic structure, so the MX parent material The state of a lot is affected. Therefore, since the crystal state of the parent material changes depending on the growth temperature, some wavelength shift is accompanied. However, the degree is not so large compared to the change in the thickness of single growth of PbS.
이상의 결과는 종래기술(선행 논문)들에서 Pb의 농도가 증가함에 따라 UV에서 청색(blue), 녹색(green)으로 점차 연속적으로 색이 변화하는 경향과 상반된 것이다.The above results are contrary to the tendency of gradually changing color from UV to blue and green as the concentration of Pb increases in the prior art (prior art).
발광중심이온이 포함된 발광영역의 두께에 관한 선행 특허로서 ZnS:Tb 녹색EL 형광층을 원자층 증착법으로 성장한 선행 특허(미국 특허 5314759)의 경우 Tb2S3발광층의 두께가 두꺼울수록, 즉 앞에서 언급한 Tb2S3층의 1회 성장 두께가 클수록 고휘도를 얻는데 훨씬 유리함을 주장하였었다. 그러나 본 발명에서는 표 2에서 보는 바와 같이 Pb2+이온의 경우에는 클러스터링(clustering)에 의해 오히려 색도가 열화되므로 오히려 1회 성장 두께가 작을수록 청색을 얻는 데에 유리함을 보여준다.As a prior patent regarding the thickness of a light emitting region including a light emitting center ion, a prior patent in which a ZnS: Tb green EL fluorescent layer is grown by atomic layer deposition (US Patent 5314759) has a thicker Tb 2 S 3 light emitting layer, that is, It has been argued that the larger the one-time growth thickness of the mentioned Tb 2 S 3 layer is, the more advantageous it is for obtaining high brightness. However, in the present invention, as shown in Table 2, in the case of Pb 2+ ions, since the chromaticity is deteriorated by clustering, the smaller the growth thickness is, the more favorable it is to obtain blue color.
본 발명에서 보인 Pb2+다이머(dimer)에 의한 발광만이 선택적으로 발생되는 형광체 재료는 기존의 혼합분말을 열처리하는 방법, 스퍼터(Sputter) 증착법, 전자빔 증착법과 같은 물리적 증착법으로는 제조할 수 없는 재료이다. 본 발명의 바람직한 실시예인 다이머(Dimer)를 선택적으로 우세하게 포함하여 바람직한 자외선(utraviolet) 방출이 거의 없이 청색만을 발생하는 형광재료는 PbX 한층(1 monilayer) 이하의 단위로, 즉 성장속도가 0.02 - 0.6 Å/cycle 정도로서 0.2 monolayer/cycle 이하의 수준으로 조절할 수 있을 때에 우수한 특성을 나타낸다.Phosphor material selectively generated only by light emission by Pb 2+ dimer shown in the present invention can not be manufactured by physical vapor deposition such as a method of heat-treating conventional mixed powder, sputter deposition, electron beam deposition Material. Fluorescent materials which selectively include predominantly dimers, which are preferred embodiments of the present invention, and generate only blue color with little desirable ultraviolet emission, are in units of less than one monilayer, i.e., growth rate is 0.02-. It shows excellent characteristics when it can be adjusted to the level of 0.2 monolayer / cycle or less as about 0.6 Å / cycle.
또한 위에서 설명한 바와 같이 PbX 1회 성장 두께의 조절은 매우 중요하다. 1회 성장 두께를 증가시키면 PbX의 성장 속도가 빨라지는데 이는 Pb 전구체의 부착계수가 CaX 위에서 보다 PbX위에서 더 크다는 것을 의미하며, 성장온도가 350oC 이상인 조건에서는 PbX 박막의 XRD(X-ray diffraction) 데이터(data)에서금속성(metallic) Pb 피크(peak)가 관찰되기 시작하며 성장온도가 증가할수록 금속성 Pb의 량이 증가한다. 그러나 모재료 내에서 PbX 1회 성장 두께를 가능한 한 작게 조절하는 조건에서는 금속성 납 피크가 생성되기가 매우 쉬운 420oC 이상에서도 금속성 납 피크가 전혀 관찰되지 않았다. 이는 본 발명에서 온도에 따라 PbX 1회 성장 두께를 얇게 조절하는 것이 매우 중요함을 잘 설명한다.In addition, as described above, the control of PbX single growth thickness is very important. Increasing the thickness of one-time growth increases the growth rate of PbX, which means that the Pb precursor adhesion coefficient is higher on PbX than on CaX, and XRD (X-ray diffraction) of PbX thin film under the growth temperature above 350 o C In the data, metallic Pb peaks begin to be observed and the amount of metallic Pb increases as the growth temperature increases. However, no metallic lead peaks were observed at above 420 ° C under conditions in which the PbX single growth thickness in the parent material was adjusted as small as possible. This explains well that it is very important to adjust the thickness of PbX one-time growth in accordance with the temperature in the present invention.
성장속도는 성장 반응계에서 사용되는 전구체의 종류에 따라 달라지게 되는데, 이 것도 중요한 변수 중의 하나이다. 예를 들면 CaS:Pb 형광체 성장시 Pb의 전구체로서 Pb(thd)2를 사용하면 성장 속도는 300 - 350oC 범위에서 테트라-에틸 납을 사용할 때 보다 PbS 성장 속도가 10배 이상 더 빠른데, 이 경우 색도가 우수한 청색 EL 형광체를 성장할 수가 없었으며, 휘도 또한 매우 낮았다.The growth rate depends on the type of precursor used in the growth reaction system, which is one of the important variables. For example, using Pb (thd) 2 as the precursor of Pb for CaS: Pb phosphor growth, the growth rate is 10 times faster than that of tetra-ethyl lead in the 300-350 o C range. In this case, the blue EL phosphor having excellent chromaticity could not be grown, and the luminance was also very low.
성장속도를 이용하여 발광하는 빛의 색을 조절하는 다른 예로서, SrS:Pb의 경우에는 Pb가 모노머(monomer)로 존재할 때 자외선을 발광하며, 다이머(dimer)로 존재할 때는 청록색의 빛을 발생한다. 그러므로 이상의 실험 결과에 의하면 SrS:Pb 성장시 다이머(dimer) 상태의 Pb2+이온을 선택적으로 형성하면 파장 500 nm 근처의 청록색 형광체를 선택적으로 성장시킬 수 있음을 의미한다. 본 발명은 선행연구에서 농도가 증가함에 따라 매우 넓은 파장 영역의 백색에 가까운 빛을 발생시킨 결과와 상반된다.As another example of controlling the color of light emitted by using a growth rate, SrS: Pb emits ultraviolet light when Pb is present as a monomer, and generates cyan light when present as a dimer. . Therefore, the above experimental results indicate that the selective formation of dimer Pb 2+ ions during SrS: Pb growth can selectively grow a cyan phosphor near wavelength 500 nm. The present invention is contrary to the result of generating light close to white in a very wide wavelength range as the concentration increases in the previous study.
이와 같은 방법으로 제조된 형광체들은 전계발광소자와 음극선 발광소자 등에서 고순도, 고휘도 형광체로 사용된다.Phosphors prepared in this manner are used as high purity and high luminance phosphors in electroluminescent devices and cathode light emitting devices.
도 6a 및 도 6b에 본 발명의 주요 응용소자인 교류-구동형 박막 전계발광소자(AC-TFELD)의 구조를 투명 기판 위에 성장한 경우(도 6a)와 불투명 기판 위에 성장한 반전 구조(도 6b)에 대하여 나타내었다.6A and 6B, the structure of the AC-TFELD, which is a main application device of the present invention, is grown on a transparent substrate (FIG. 6A) and an inverted structure grown on an opaque substrate (FIG. 6B). It is shown.
도 6a 구조는 일반적인 형태의 전계발광소자의 구조이며, 도 6b 반전구조는 능동-구동형 박막 전계 발광소자의 대표적인 구조이다.The structure of FIG. 6A is a structure of an electroluminescent device of a general type, and the structure of FIG. 6B is a representative structure of an active-driven thin film EL device.
도 6a를 참조하면, 교류-구동형 박막 전계발광소자(AC-TFELD)는 이중 절연구조로서, 예컨대 유리(Glass) 또는 Borosilicate Glass 등과 같은 투명기판(6) 위에 예컨대 ITO(Indium tin oxide), ZnO:Al(Aluminum-doped zinc oxide)와 같은 투명 전도성 박막으로서 투명전극(7)이 형성되고, 그 투명전극(7)의 상부에 하부 절연층(8)이 형성되며, 그 하부 절연층(8)의 상부에 본 발명에 의한 방법으로 첨가한 Pb2+발광중심이온을 포함하고 있는 형광체 박막(9)이 형성되고, 그 형광막체 박막(9)의 상부에 상부 절연층(10)이 형성되며, 그 상부 절연층(10)의 상부에 예컨대 Al, Au, W 등과 같은 금속전극(11)이 형성된 구조로 구성된다. 즉, 상, 하부 절연층(8)(10)이 형광체 박막(9)을 둘러싸고 있다. 이 절연층(8)(10)은 형광체 박막(9)에 고전계가 걸리도록 해주며, 형광체 박막(9)을 외부 환경으로부터 보호해 주는 역할을 한다.Referring to FIG. 6A, the AC-TFELD has a double insulation structure, for example, indium tin oxide (ITO) or ZnO on a transparent substrate 6 such as glass or borosilicate glass. The transparent electrode 7 is formed as a transparent conductive thin film such as aluminum-doped zinc oxide (Al), and a lower insulating layer 8 is formed on the transparent electrode 7, and the lower insulating layer 8 is formed. On top of the phosphor thin film 9 containing Pb 2+ light emitting center ions added by the method according to the present invention is formed, the upper insulating layer 10 is formed on the phosphor film thin film 9, A metal electrode 11 such as Al, Au, W or the like is formed on the upper insulating layer 10. That is, the upper and lower insulating layers 8 and 10 surround the phosphor thin film 9. The insulating layers 8 and 10 allow high electric field to be applied to the phosphor thin film 9, and serve to protect the phosphor thin film 9 from the external environment.
또한, 도 6b를 참조하면, 반전 구조의 능동-구동형 박막 전계 발광소자는 예컨대 실리콘(Si) 또는 알루미나(Alumina)등의 불투명 기판(12) 위에 예컨대 W, Mo 등의 내화 금속(13)이 형성되고, 그 금속전극(13)의 위에 제1절연층(8)을 형성하며, 그 제1절연층(8)의 위에 본 발명에 의한 방법으로 제조한 Pb2+발광중심이온을 포함한 형광체 박막(9)이 형성된다. 그리고 형광체 박막(9)위에 제2절연막(10)이 형성되고, 그 제2절연막(10)의 상부에 투명전극(7)이 형성되는 구조를 갖는다. 이는 형광체 박막(9)에서 발광된 빛이 투명전극(7)을 통해서 발산된다.In addition, referring to FIG. 6B, an inverted active-driven thin film EL device includes a refractory metal 13 such as W or Mo, for example, on an opaque substrate 12 such as silicon (Si) or alumina (Alumina). And a thin film of phosphor containing Pb 2+ luminescent center ions formed by the method according to the present invention, the first insulating layer (8) being formed on the metal electrode (13). (9) is formed. The second insulating film 10 is formed on the phosphor thin film 9, and the transparent electrode 7 is formed on the second insulating film 10. The light emitted from the phosphor thin film 9 is emitted through the transparent electrode 7.
상기 형광체 박막(9)을 형성하는 방법은, 전술한 바와 같이 도 2에 도시된 바와 같은 장치를 이용하여 원자층 증착법이나 화학증착법등을 모두 이용할 수 있으며, 이는 Pb의 금속 유기 화합물 전구체와 H2X(X=S, Se)와의 반응을 이용한 PbX 박막의 성장방법을 활용한 것이다.As described above, the method of forming the phosphor thin film 9 may use both the atomic layer deposition method and the chemical vapor deposition method using the apparatus as shown in FIG. 2, which is a metal organic compound precursor of Pb and H 2. It utilizes the growth method of PbX thin film using reaction with X (X = S, Se).
본 발명은 교류-구동형 박막 전계 발광소자 기술 분야에서 천연색을 구현하는 데에 필요한 고 휘도 청색 형광 층을 제조하는 방법을 제시하고, 또한 그 방법을 활용하여 청색 능동-구동형 박막 전계 발광소자를 제조할 수 있다. 그리고 상기 형광체 박막(9)을 삼원색 형광막 중의 어느 하나로 구현하여 천연색 전계발광소자를 제공할 수 있고, 상기 형광막이 백색을 내고 필터에 의해 천연색을 발광하도록 할 수 있다.The present invention proposes a method of manufacturing a high luminance blue fluorescent layer required for realizing natural colors in the field of AC-driven thin film electroluminescent device technology, and also uses the method to provide a blue active-driven thin film electroluminescent device. It can manufacture. In addition, the phosphor thin film 9 may be implemented as one of three primary color fluorescent films to provide a color electroluminescent device, and the phosphor film may emit white color by a filter.
본 발명의 주요 결과물인 PbS 박막은 전계발광소자 외에 태양전지, 적외선 감지기 등으로 유용하게 이용되는 재료이다.PbS thin film, which is the main result of the present invention, is a material that is usefully used as a solar cell, an infrared detector, etc. in addition to an electroluminescent device.
본 실시예의 전계발광소자 구조에서 형광체 박막(9)의 모재료가 CaS, SrS, ZnS, BaS, MgS 중 두 종류 이상의 박막이 다층구조로 이루어진 구조를 가진 형광층이 사용될 수도 있다. CaS, SrS, ZnS, BaS, MgS 다결정박막은 모두 큐빅 구조를 가지므로 특히 결정성이 우수한 ZnS는 이웃하는 박막들의 결정성을 향상시키는 역할과 전하의 과한 흐름을 제한하는 역할을 한다. PbS는 이중 한 종류의 모재료 내 또는 일부 모재료 내에만 첨가될 수도 있고, 모든 모재료 박막 내에 균일하게 첨가될 수도 있다.In the electroluminescent device structure of the present embodiment, a fluorescent layer having a structure in which two or more kinds of thin films of CaS, SrS, ZnS, BaS, and MgS has a multilayer structure as a parent material of the phosphor thin film 9 may be used. Since CaS, SrS, ZnS, BaS, and MgS polycrystalline thin films all have cubic structures, ZnS, which is particularly excellent in crystallinity, improves crystallinity of neighboring thin films and restricts excessive flow of charge. PbS may be added only in one type of parent material or in some parent materials, or may be added uniformly in all the parent material thin films.
본 발명에서는 도 2에 보인 트레블링 웨이브 리액터 타입 원자층 증착법, 화합물 빔을 이용하는 원자층 증착법, 화학증착법 중의 한 기술을 이용하여 PbX(X=S, Se) 박막을 유기금속화합물 전구체와 H2X의 반응을 통하여 증착하고, 또한 이를 활용하여 전술한 형광체를 원자층 증착법 또는 화학증착법으로 성장하는 것을 특징으로 한다. 그리고 이를 전계발광소자 및 음극선발광소자 등에 응용한 것을 그 특징으로 한다.In the present invention, a PbX (X = S, Se) thin film is formed of an organometallic compound precursor and H 2 X by using one of the traveling wave reactor type atomic layer deposition method, the atomic layer deposition method using a compound beam, and the chemical vapor deposition method shown in FIG. It is characterized in that the deposition through the reaction of, and by using this to grow the above-mentioned phosphor by atomic layer deposition or chemical vapor deposition. And it is characterized in that applied to the electroluminescent device and cathode light emitting device.
이와 같이 본 발명에서는 4가의 공유결합을 하고 있는 Pb-전구체 들을 사용하여 원자층 증착법과 화학증착법으로 H2X와 반응을 시킴으로써 PbX 박막을 성장하는 방법을 제안하였다. 또, CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS, MgSe 등의 II-VI족 화합물반도체 모재료 성장 공정에 일정 주기로 PbX 등의 IV-VI족 화합물 성장 공정을 추가하여 형광층을 성장할 수 있다. 그리고 특히 일정한 조건 범위 내에서는 발광중심이온인 Pb2+이온이 선택적으로 다이머 상태로 존재하는 형광체를 제조할 수 있다.As such, the present invention proposes a method of growing a PbX thin film by reacting with H 2 X by atomic layer deposition and chemical vapor deposition using Pb-precursors with tetravalent covalent bonds. In addition, II-VI compound semiconductor growth processes such as CaS, CaSe, SrS, SrSe, ZnS, ZnSe, BaS, BaSe, MgS, and MgSe are added to IV-VI compound growth processes, such as PbX, at regular intervals. The layer can be grown. In particular, a phosphor in which a Pb 2+ ion, which is a light emitting center ion, is selectively present in a dimer state within a certain range of conditions may be manufactured.
한편, 본 발명의 구체적인 실시예로서 설명하지는 않았지만 전계발광소자의 제조방법에 있어서, 다음과 같이 다양한 응용 및 변형 예를 가질 수 있다.On the other hand, although not described as a specific embodiment of the present invention, in the method of manufacturing an electroluminescent device, it can have a variety of applications and modifications as follows.
상기 형광층은, Pb가 첨가된 CaS, SrS, ZnS, BaS, MgS, CaSe, SrSe, ZnSe, BaSe, MgSe 중 어느 하나를 모재료로 사용하는 다결정박막, 또는 이들의 다층 박막의 원자층 증착 공정에서 Pb의 전구체로서 테트라-알킬 납(tetra-alkyl lead)(IV)(alkyl = methyl, ethyl, propyl, isopropyl, cyclohexyl), 테트라-아릴 납(tetraaryl lead)(IV), 알킬아릴 납, 다이싸이클로펜타디에닐 납(dicyclopentadienyl lead)(II) 또는 비스트리알킬실릴 납 등을 사용할 수 있다.The fluorescent layer is an atomic layer deposition process of a polycrystalline thin film, or a multilayer thin film thereof, using any one of CaS, SrS, ZnS, BaS, MgS, CaSe, SrSe, ZnSe, BaSe, and MgSe added Pb. Tetra-alkyl lead (IV) (alkyl = methyl, ethyl, propyl, isopropyl, cyclohexyl), tetraaryl lead (IV), alkylaryl lead, dicyclo Dicyclopentadienyl lead (II) or bistrialkylsilyl lead and the like can be used.
아울러, 한 층 이상의 박막들로 구성된 형광체로 구성할 수도 있으며, 그 다층 구조는 ZnS층과 CaS:Pb 층이 1회 이상 반복적으로 성장되어 있는 구조, SrS:Pb 층과 CaS:Pb 층이 1회 이상 반복적으로 성장되어 있는 구조, ZnS 층과 SrS:Pb 층과 CaS:Pb 층이 1회 이상 반복적으로 성장되어 있는 구조 등을 가질 수 있다. 또한, 다층 구조에서 납(IV)-유기금속화합물(MO) 또는 납(II)-유기금속화합물(MO) 전구체를 사용할 수 있다.In addition, it may be composed of a phosphor composed of one or more thin films, the multilayer structure is a structure in which the ZnS layer and the CaS: Pb layer is repeatedly grown one or more times, SrS: Pb layer and CaS: Pb layer once It may have a structure that is repeatedly grown above, a structure in which the ZnS layer, the SrS: Pb layer and the CaS: Pb layer are repeatedly grown one or more times. In addition, a lead (IV) -organic metal compound (MO) or lead (II) -organic metal compound (MO) precursor may be used in a multilayer structure.
또한, 상기 형광층은, 한층 이상의 다층 구조로 이루어지고, 적어도 한층이 PbX(X = S, Se) 가 0.2 - 4.0 mol % (Pb의 량은 0.1 - 2.0 at.%에 해당) 첨가된 CaX(X = S, Se) 다결정박막으로 구성될 수 있으며, 적어도 한 층이 PbX(X = S, Se)가 0.2 - 4.0 mol % (Pb의 량은 0.1 - 2.0 at.%에 해당) 첨가된 SrX(X=S, Se) 다결정 박막으로도 구성될 수 있다.In addition, the fluorescent layer has a multilayer structure of at least one layer, and at least one layer of CaX (with PbX (X = S, Se) added 0.2-4.0 mol% (amount of Pb corresponds to 0.1-2.0 at.%)) X = S, Se) polycrystalline thin film, at least one layer of PbX (X = S, Se) 0.2-4.0 mol% (Pb amount is 0.1-2.0 at.%) Added SrX ( X = S, Se) It may also be composed of a polycrystalline thin film.
한 실시 예로서 CaS에 테트라 에틸 납(tetraethyl lead) 전구체를 사용하여 성장한 형광층에서 PbS가 0.2 - 4.0 mol.% 정도의 상대량을 가지도록 하여 제조한 전계발광소자는 색도(x, y)가 x = 0.12 - 0.19, y=0.07 - 0.20 정도의 순수 청색의빛을 발생하였다. 특히 선택적으로 Pb2+이온-다이머(dimer)에서 빛의 발생하도록 제조한 경우 색도는 (0.14, 0.07)-(0.15, 0.15)의 좁은 범위 내로, EL 피크 최대치가 440-450 nm 사이에서 나타나는 순수 청색 형광체를 제조할 수 있었다. 휘도는 60Hz에서 100 cd/m2이상의 값을 나타내었다. 이 결과는 기존의 배위 화합물을 이용하여 제조한 결과의 수배-수십배 이상의 휘도를 나타낸다.As an example, an electroluminescent device manufactured by using a tetraethyl lead precursor in CaS having a relative amount of PbS of about 0.2 to 4.0 mol.% In a fluorescent layer grown in CaS has a chromaticity (x, y). Pure blue light of x = 0.12-0.19 and y = 0.07-0.20 was generated. In particular, when selectively prepared for the generation of light in Pb 2+ ion-dimers, the chromaticity is within the narrow range of (0.14, 0.07)-(0.15, 0.15), with a pure EL peak showing a peak between 440-450 nm. Blue phosphors could be prepared. The luminance showed a value of 100 cd / m 2 or more at 60 Hz. This result shows the brightness several times tens or more times the result prepared using the existing coordination compound.
도 7에 400oC에서 원자층 증착법을 이용하여 제조한 CaS:Pb 청색 전계발광소자의 휘도 곡선을 나타내었다. 이 제조 조건에서 휘도는 문턱전압(threshold voltage)보다 25V 더 높은 구동 전압에서 85cd/m2을 보였으며, 최대 휘도는 훨씬 큰 값을 나타낸다. 이때 색도는 (0.15, 0.10)으로 순수 청색이었다. 이 휘도는 핀란드의 E. Nykanen의 결과보다 30배 이상 더 좋은 결과이다.FIG. 7 shows a luminance curve of a CaS: Pb blue electroluminescent device manufactured by using atomic layer deposition at 400 ° C. FIG. Under these manufacturing conditions, the luminance was 85 cd / m 2 at the driving voltage 25V higher than the threshold voltage, and the maximum luminance was much larger. At this time, the chromaticity was (0.15, 0.10) which was pure blue. This brightness is more than 30 times better than that of Finland's E. Nykanen.
본 발명에 기초하여 제작된 CaS:Pb 전계발광소자의 EL 스펙트럼을 Pb의 thd-화합물을 이용하여 제조한 결과와 비교하였다. 이 소자들은 같은 성장 장비와 같은 성장 조건을 가지며 단지 전구체 만이 서로 다르다. 도 8a와 도 8b는 각각 thd-화합물과 테트라에틸 납을 사용하여 제조한 전계발광소자들의 전계발광 스펙트럼 특성을 보여주는 결과이다. 도 8b에 나타난 바와 같이 테트라에틸 납을 사용하여 성장된 전계발광소자의 EL 피크 최대치의 파장은 440-445 nm이고 반치폭(full width at half maximum)은 60nm보다 좁다. 그러나 Pb(thd)2를 이용하여 제조한 소자의 스펙트럼은 매우 넓고 장파장으로 치우쳐 있다.The EL spectrum of the CaS: Pb electroluminescent device fabricated based on the present invention was compared with the results prepared using thd-compounds of Pb. These devices have the same growth conditions as the same growth equipment and only differ in precursors. 8A and 8B show electroluminescent spectral characteristics of electroluminescent devices prepared using thd-compound and tetraethyl lead, respectively. As shown in FIG. 8B, the wavelength of the EL peak maximum of the electroluminescent device grown using tetraethyl lead is 440-445 nm and the full width at half maximum is narrower than 60 nm. However, the spectrum of devices fabricated using Pb (thd) 2 is very broad and long wavelength.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 금속 유기물 전구체를 사용하면 배위 화합물을 사용하였을 때에 비하여 박막 균일도가 뛰어나고, +4가 결합상태의 전구체의 경우에도 반응 중에 +2가 결합 상태로 변화되어 정량적인 PbS가 성장되는 효과가 있다.As described in detail above, when the metal organic precursor according to the present invention is used, the thin film uniformity is superior to that of the coordination compound, and even in the case of the precursor of +4 bound state, +2 is changed to the bound state during the reaction. Phosphorus PbS is effective to grow.
특히 전구체가 반응 온도에서 안정하게 거동해야 하는 원자층 증착법의 경우, 대기 중에서 끓는점이 198℃이고 100℃ 이상에서는 일부 분해하는 테트라에틸 납(tetraethyl lead)의 경우에도 반응온도 300oC 이상에서도 매우 균일한 PbS 박막을 성장할 수 있는 효과가 있다.Particularly in the case of atomic layer deposition, in which the precursor must behave at a stable temperature at the reaction temperature, even in the case of tetraethyl lead, which has a boiling point of 198 ° C in the air and partially decomposes at 100 ° C or higher, the reaction temperature is very uniform even at a reaction temperature of 300 ° C or higher. There is an effect that can grow a PbS thin film.
또한, 본 발명은 트레블링 웨이브 리액터 타입 원자층 증착법, 화합물 빔을 이용하는 원자층 증착법, 화학증착법 중의 한 기술을 이용하여 PbS 박막을 유기금속화합물 전구체와 H2S의 반응을 통하여 증착할 수 있어서, 제조방법을 다양하게 선택 할 수 있는 효과가 있으며, 또한 이를 형광층의 성장방법으로 활용하여 특히 전계발광소자 및 음극선 발고앙소자에 응용할 경우 성능이 뛰어난 청색 전계발광소자 및 음극선 발광소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can deposit a PbS thin film by the reaction of the organometallic compound precursor and H 2 S by using one of the following techniques: traveling wave reactor type atomic layer deposition, atomic beam deposition using a compound beam, chemical vapor deposition, It is effective to select a variety of manufacturing methods, and also by using this as a growth method of the fluorescent layer can be produced excellent blue electroluminescent device and cathode light emitting device, especially when applied to the electroluminescent device and cathode ray-emitting device. It has an effect.
또한 본 발명에서는 MX(M=Ca, Sr, Zn, Ba 또는 Mg; X=S 또는 Se) 모재료에 PbX가 첨가된 형광막을 PbX의 상태를 선택적으로 Pb2+이온이 다이머 상태로 존재하도록 조절함으로써 Pb2+의 농도 0.2 - 4.0 mol.%인 조건하에서 색 순도가 매우 높고 휘도가 매우 큰 형광체를 제조하는 방법을 제시하였다. 본 발명에 의하면 Pb2+이온을 발광중심이온으로 포함하는 형광체 성장시 모재료 내에 Pb2+의 첨가 속도가 0.02 - 0.6 Å/cycle 인 반응계를 선택하고, 또한 Pb2+이온이 다이머(dimer) 상태로 반응에 참여하는 반응 전구체를 사용함으로써 색순도가 매우 높은 빛을 발광하는 고휘도 형광체를 제조할 수 있다.In addition, in the present invention, the fluorescent film to which PbX is added to the MX (M = Ca, Sr, Zn, Ba or Mg; X = S or Se) parent material is selectively adjusted so that PbX + ion is present in the dimer state. By presenting a method for producing a phosphor having a very high color purity and a very high brightness under the conditions of the concentration of 0.2-4.0 mol.% Of Pb 2+ . According to the present invention, when a phosphor containing Pb 2+ ions as a light emitting ion, a reaction system having a Pb 2+ addition rate of 0.02-0.6 Å / cycle in the parent material is selected, and the Pb 2+ ions are dimers. By using a reaction precursor that participates in the reaction in a state, it is possible to produce a high-luminance phosphor that emits light having a very high color purity.
본 발명의 실시예에서 얻은 결과로서, Pb2+다이머에 의한 빛만을 선택적으로 발생하는 청색 형광체인 CaS:Pb의 가장 우수한 색좌표는 (0.14, 0.07)로서 가장 이상적인 브라운관(Cathode ray tube)의 청색과 같은 값을 나타내었고, 전계발광소자에 응용시 AC-60Hz 구동 조건에서 최고 100 cd/m2이상의 휘도를 나타내었다. 이 값은 현재 발표된 바 있는 전계발광소자의 가장 우수한 청색 형광체의 수배에 해당하는 값으로서 농도가 커지면 클러스터링(clustering)에 의해 휘도가 크게 감소한 선행 연구결과들에 비하여 매우 우수한 결과이다.As a result obtained in the embodiment of the present invention, the best color coordinate of CaS: Pb, which is a blue phosphor selectively generating only light by Pb 2+ dimer, is (0.14, 0.07), which is the most ideal of the blue color of the cathode ray tube. The same value was obtained, and the brightness was higher than 100 cd / m 2 at the AC-60Hz driving condition when applied to the electroluminescent device. This value corresponds to a multiple of the best blue phosphor of the presently disclosed electroluminescent device, which is much superior to previous studies in which the luminance is greatly reduced by clustering when the concentration is increased.
그리고, 본 발명은, 공정의 재현성, 균일도 면에서도 매우 우수한 특성을 얻을 수 있고, 특히 테트라 알킬 납(Ⅳ) 등과 같은 액체 전구체의 경우 재료, 시간, 인력 측면에서의 공정 단가가 훨씬 절약되는 장점이 있다.In addition, the present invention can obtain very excellent properties in terms of reproducibility and uniformity of the process, and in particular, in the case of liquid precursors such as tetraalkyl lead (IV), the process cost in terms of material, time, and attraction is much reduced. have.
Claims (43)
Priority Applications (5)
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