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무기 EL 디스플레이 ETC. Resource


무기 EL 디스플레이


1. 머리말

○ 박형 TV 시장이 대형화되고 수퍼하이비젼 방식으로 초정밀화가 진행되면 더욱 저소비 전력화가 중요한 과제로 된다. 그래서 백라이트의 효율을 높여서 LCD의 특성을 개선하거나 FED(Field Emission Display)와 같은 새로운 디스플레이의 개발이 진행되고 있다. 그 중에서도 유기EL(Electro-Luminescence) 디스플레이에 대한 기대가 크다.

○ EL은 무기 형광체에 전계를 인가해서 얻는 발광이다. 유기물에 캐리어를 주입해서 발광을 얻는 유기 EL소자가 주목을 받는 관계로 EL은 유기 EL이라는 인식이 생겼다. 종래의 EL을 굳이 「무기 EL」이라고 구별을 하게 되었다.

○ 컬러 TV 방송이 시작되었을 때에는 벽걸이 디스플레이의 유력한 후보는 무기 EL이었으나 반세기가 지난 지금에는 그 존재감이 느껴지지 않고 있다. 그러나 무기 EL의 기술은 착실히 발전해서 LCD와 PDP와 시장경쟁을 할 수 있는 디스플레이로 성장해 오고 있다.


2. 무기 EL 개발의 장해

○ 무기 EL의 개발과정은 1950년부터 20년 주기로 3단계로 나누어 생각할수 있다. 제1세대 초기에는 투명전극이 발표되고 곧 전극을 통해서 빛을 추출하는 발광소자가 개발된 것이 무기 EL 연구의 시작이다. 이것은 분산형(분말) EL」이라고 부르며 분말 형광체에 전계를 인가한다.

○ 분말 형광체를 박막상태로 한 연구도 있었으나 대부분은 무기물질(무기분산형)이나 비교적 유전율이 높은 유기물질(유기 분산형)에 형광체 분말을 분산시켜 막 상태로 전극위에 도포한 것이다. 이 EL 소자는 현재에도 여러 제품에 이용되고 있으나 어둡고 수명이 짧은 문제가 있었다.

최근에 들어서 분산형 EL소자의 특성도 많이 개선되고 있다.

○ 제 2세대에 들어서 다행히 미국의 벨연구소에서 박막 EL의 원형이 되는 연구발표가 있었고 무기 EL에 대한 관심이 재연되었다. 벽걸이 TV의 실현을 향한 연구개발이 활성화되었다. 이 박막 EL은 희토류를 첨가한 ZnS 박막으로부터 RGB 3원색 발광을 얻고 휘도도 분산형에 비해서 높았다.

○ 당시에는 무기 EL의 발광은 풀 컬러디스플레이로서 실용화될 수 있다는 가능성이 전혀 없는 상황이어서 제 2세대가 끝나는 무렵부터 무기EL의 연구자들이 급격히 사라져갔다. 그 시대에 계속 종사했던 사람들은 지금은 FPD분야에 있어 핵심적이고 지도적 입장에서 활약하고 있다. 현재 실용화되고 있는 무기 EL 디스플레이는 제 2세대에 개발된것도 있으며 이때의 기술에는 현재에도 이야기되는 것이 많이 있다.

○ 무기 EL이 여러 가지 문제와 과제를 안고 있어서 1990년 이후(제3세대)는 연구자가 매우 적어졌다. 10년 정도 지난 2000년경부터 무기 EL TV가 본격화되었고 휘도, 수명과 컬러화의 문제가 완전히 극복되었다. 높아지고 있는 환경문제에 대응하기 위해서라도 초고효율·초저소비 전력디스플레이를 향한 노력이 계속되고 있다.


3. 무기 EL 디스플레이 구성

○ 무기 EL 소자의 기본구조는 두께 300~1000㎚의 형광체 박막을 유전체막 사이에 넣고 이 유전체 막에 전계를 인가하도록 전극을 배치한다.

소자 자체는 컨덴서 성질을 보이고 있으나 전압이 높아질수록 형광체막은 컨덴서 성질을 잃고 저항의 성질을 보인다.

○ 높은 전계 중에서 형광체 막을 이동하는 캐리어가 형광체를 구성하는 모체재료에 미량 첨가된 발광중심에 충돌해서 발광이 얻어진다. 발광은 전극을 통해서 얻기 때문에 전극이 투명해야 한다. 형광체 박막의 재료에 따라 발광색이 변화한다.

○ EL 디스플레이는 소자의 앞면과 뒷면에 각각 전극을 격자모양으로 배치해서 단순 매트릭스구동으로 작동시킨다. 컬러화에는 몇 가지 방법이 있다. 백색 발광 소자에 컬러필터를 거치는 방법(Color by white)과 적·록·청색 발광 소자를 나란히 배치하는 방법이 있으나 현재는 청색 발광소자와 색변환 소자를 조합하는 방법(Color by blue; CBB)이 실용적인 방법이라 생각된다.

○ CBB는 성능 면과 제조비용 면에서 큰 이점이 있다. 발광의 면내 분포를 균일하게 하기 쉽고 형광안료를 도포하는 것만으로 패턴닝 공정이 간단하게 이루어진다.


4. 고휘도 청색 발광 소자 실현

○ 1999년에 Al2S4:Eu 청색 형광체가 발표되었는데 색도와 휘도가 탁월하였다. 이 청색 형광체 개발이 계속되었고 녹색과 적색 형광체 개발도 착실히 계속되었다.

○ CBB방식에서는 청색 발광소자 특성에 의존하게 된다. BaAl2S4:Eu 청색형광체 박막을 형성하는 방법과 조건에 의해서 소자의 특성이 대폭 개선되었다. 현재에는 120㎐ 구동으로 인가전압 60V를 가하면 휘도 2,300cd/m2, 효율 2.5 lm/W 이상을 얻는다.

○ 무기 EL은 교류구동이기 때문에 휘도는 주파수와 인가전압에 의해서 변화한다. 주파수를 10배로 하면 휘도도 거의 10배가 된다. BaAl2S4:Eu 청색 EL소자는 1㎑에서 20,000 cd/m2이고 10㎑로 하면 200,000 cd/m2가 쉽게 얻어진다. 인가전압 80V(120㎐)에서 3,200 cd/m2가 된다. 인가 전압을 올리면 무기 EL의 휘도는 지수 함수적으로 올라간다.


5. 후막 유전체를 이용한 EL 디스플레이

○ 많은 연구자들이 무기 EL의 개발을 포기한 1990년대 전반부터 캐나다의 iFire사가 독자적 기술을 이용하여 무기 EL의 연구개발에 몰두하기 시작하였다. 초기에는 화면크기가 작았으나 해마다 커지고 컬러화가 이루어져서 1999년에는 8.5인치(Q-VGA) 풀 컬러가 발표되었고 개발이 가속화되었다.

○ 후막 유전체

– iFire사가 사용한 독자기술은 인쇄로 도포한 후막 유전체를 이용하는것에 있다. 페이스트상태로 조정된 재료를 도포나 인쇄방법으로 패널에 막을 형성하고 고온으로 소성해서 고체화한다. 두께는 수 ㎛이상이다.

– 후막 유전체를 이용하는 소자의 이점은 고유전율 재료를 형광체에 적층해서 휘도를 대폭 향상시킬 수가 있고 미세한 결함으로 기인되는 절연파괴를 피할 수 있으며 재현성과 수율이 높다는 것이다.

○ 무기 EL 디스플레이는 단순 매트릭스구동으로 작동되기 때문에 TFT가 필요치 않아서 동화상 흐려짐이 생기지 않고 응답속도가 빠르고 구동방법도 간단해서 PDP에서 보이는 의사윤곽도 생기지 않는다. 최근에는 발광효율과 구동회로를 개선하여 소비전력과 효율과 비용면에서도 결코 PDP에 불리하지 않다.


6. 맺음말

○ 등황색 빛을 내는 무기 EL 디스플레이는 1983년 양산을 시작하였는데 사용온도에 대해 내환경성이 높아서 우주왕복선에도 탑재한다. 또 의료기기와 같이 높은 신뢰성이 필요한 장치와 공장의 생산라인 및 편의점의 금전등록기와 같이 24시간 연속해서 사용되는 기기에 사용된다.

○ 다른 FPD와 비교해서 무기 EL은 컬러화에 있어 답보 상태이지만 요즈음에 풀 컬러디스플레이의 개발이 빠르게 진행되고 있다. 나노입자를 이용한 무기 EL 디스플레이와 분산형 EL 소자 및 플렉시블 디스플레이도 진척되고 있다.

○ 무기 EL에 관해서는 연구개발과 상품개발이 진행되기 위해서라도 앞으로는 한층 더 효율이 높은 형광체 재료를 찾는 일과 광 추출방법을 개선하는 일이 급선무이다.

출처 : 三浦登, “無機ELディスプレイ”, 「未來材料(日本)」, 9(7), 2009, pp.36~41


◃전문가 제언▹

○ 사회가 고도로 정보화되어 가면서 성능이 높은 발광 표시장치의 요구가 커지고 있다. 고효율과 고휘도 및 높은 연색성의 발광 소자를 개발하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.

○ 무기 EL의 발광 소자는 초기부터 2000년경까지는 휘도의 문제나 수명의 문제 등 여러 가지 난제가 있어 개발이 지연되었으나 ZnS:Mn 박막소자가 등장하면서 무기 EL 디스플레이에 대한 가능성으로 개발연구에 있어 활기를 다시 찾게 되었다.

○ 발광 소자의 분야에서는 유기 EL 소자와 GaN계의 무기 LED 소자와 관련기술이 빠르게 발전하고 있다. 무기 EL 소자는 유기 EL 소자에 비해서 높은 온도에서도 열적으로 안정되며 후막소자가 가능하여 보다 높은 휘도의 이점을 갖는다. 점발광원인 LED에 비해서 연속된 면발광원으로 연색성 및 휘도의 균일성에서 탁월하며 변형에 유연한 장점이 있다.

○ 무기 EL 디스플레이의 제조공정은 액정 디스플레이와 같은 고진공 프로세스와 초박막 도포기술이 필요하지 않고 대기 중에서 제조가 가능한 장점이 있다. 그러나 앞으로 신규 발광 소자가 크게 보급되려면 대량생산과 낮은 비용은 필수이다. 이를 가능토록 하는 제조 프로세스의 개발이 중요하게 된다. 아울러 관련된 기술의 개발참여가 경쟁력에서 우위를 차지하게 되는 기반을 획득하게 될 것으로 생각한다.

○ 소자의 성능향상에는 주된 재료뿐만 아니라 부수되는 주변재료의 중요성이 또한 크기 때문에 이들 재료개발과 밀접하게 연관된 제반사항에 대해서 깊이 연구할 필요가 있다. 발광 소자에서 높은 효율의 광 추출기술도 주재료의 개발에 못지않게 중요하므로 많은 연구가 필요하다고 생각된다.

한국과학기술정보연구원

전 문 연 구 위 원 김 국 배

(kbkimm@reseat.re.kr)

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