1-12) 박막 전계 발광 소자(TFELD) 소개

 

출처; Cochief Industrial Co.

 

 

전계 발광(EL) 소자는 그 세부적인 적용 원리에 따라 LED와 OLED, 그리고, 지금은 다소 친숙하지 않은 전계 발광 소자(ElectroLuminescent Devics, ELD)로 구분됩니다. LED는 반도체의 p-n 접합 부근에서 발생하는 전자-정공 재결합 과정의 복사성 전이를 이용하고, OLED 역시 유기 물질 내에서 전자-정공쌍의 결합을 이용하는데 비하여, ELD는 발광 중심이 첨가된 매질 내에서 고에너지의 전자가 생성되고 이러한 전자들이 발광 중심을 충격 여기(impact excitation)할 때 발생되는 현상을 이용합니다. 특히 전자가 높은 전기장 내에서 에너지를 얻기 때문에 '고전계 EL' 로 설명되며, 이러한 고전계 EL 소자는 다수 운반자인 전자가 우선적으로 소자의 물리적인 거동을 결정하게 됩니다.

 

 

 

고전계 EL 현상을 이용한 교류 구동형 TFELD(Alternating Current TFELD, AC-TFELD)는 화면역할을 하는 유리 기판 위에 빛이 나오는 방향인 투명 전극인 인듐 주석 산화물((Indium Tin Oxide, ITO)이 형성되고 다음으로 절연층, 발광층, 절연층이 순차적으로 박막 기술로 증착된 다음에 끝으로 후면 전극인 금속이 만들어지는 구조입니다. 투명 전극과 후면 전극 사이에 임계치를 넘는 교류 전압이 인가되면 발광층에서 빛이 발생하고 이 빛은 투명한 박막 층들을 지나서 투명 전극이 있는 유리 기판 쪽으로 나오게 되죠. 이외에도 직류 EL(Direct Current EL, DC-EL), 분말 공정을 이용하는 후막(thick film) EL 등이 있는데, 상징성이 강한 AC-TFELD로 설명을 이어갑니다.

 

 

교류 구동형 박막 전계 발광 소자

 

AC-TFELD의 발광 현상을 설명하면, 1MV/cm 이상의 높은 전기장에서 에너지를 얻은 전자들(hot electrons)이 발광 중심을 여기, 완화시키는 과정으로 설명됩니다. 즉, 발광층 내부에 형성되는 1차 전자들은 발광층과 절연층 사이의 계면 준위(interface states)로부터의 터널링 효과, 발광층 내부의 깊은 준위로부터의 Poole-Frenkel 효과, 그리고 격자 결함에 의한 정공 포획 준위들로부터 발생되는 것으로 보고되는데, 특히 주요 과정은 절연층과 발광층 사이의 계면 준위에 포획된 전자의 터널링이라 할 수 있습니다. 즉, 계면 전계에 의해 발광층의 전도대로 주입된 1차 전자들은 발광층내의 전계에 의해서 에너지를 얻어 가속되고, 가속된 전자는 발광 중심 이온의 내각 전자를 직접적으로 충돌 여기(direct impact excitation)를 시키며 에너지를 획득한 내각 전자는 높은 에너지 준위로 여기되었다가 다시 기저 상태로 천이하면서 복사 과정을 일으키는 것으로 설명이 되죠. 이 과정에서 에너지를 잃은 전자들은 반대편의 계면에 포획되었다가 외부 전압의 극성이 반전되면 같은 과정이 다시 반복되면서 연속해서 발광 과정이 진행됩니다. 따라서, AC-TFED는 구동 주파수가 높을수록 휘도가 증가합니다.

 

AC-TFELD의 동작 원리

 

고전계 EL 현상은 1936년 프랑스의 연구자, Destriau에 의해 처음으로 관측된 후, 면광원이 가능하다는 점으로 주목을 받았으나 빛의 밝기와 수명 등의 문제가 있었고, 1950년대에 투명 전극이 등장하고 박막(thin film) 기술의 급속한 발전으로 본격적인 개발이 시작된 바 있습니다. 1974년에는 일본의 샤프가 2중 절연층 구조의 TFELD 구조를 개발하였고, 이후 1980년대와 90년대에 이르러 미국의 Planar사가 제품에 가까운 시제품을 발표하는 등, 미국의 Lite tech과 Luxell, 캐나다의 Westaim 등, TFELD 회사들이 속속 등장하였습니다. 당시에는 완전한 고체 디스플레이로써 내구성, 얇고 가벼움 등의 특징으로 마이크로 디스플레이, 군사용 디스플레이, 워크 스테이션 모니터 등으로 장래가 기대되었으나, 동작 전압이 높고, 고품질 박막 형성하는 과정에서의 생산성 문제, 그리고 경쟁 기술이었던 LCD의 비약적인 발전 등으로 한계에 이르러 2000년대에 넘어오면서는 뒤로 물러서는 디스플레이가 되었습니다. 다만, EL 현상과 관련하여 축적된 지식과 아이디어들이 지금도 앞으로도 EL 계열의 디스플레이들, 즉, LED와 OLED의 발전에 뒷받침이 되고 있음은 자명합니다.

 

 

 

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# 더! 생각해보기

a. AC-TFELD는 무기물, 박막, 유리 기판 등 유리한 특징들에도 불구하고 아직까지 왜 성공하지 못하였을까

b. 학교, 연구소의 연구와 기업의 생산 사이에는 어떤 장벽들이 존재할까

 

 

# 수식과 이론, 퀴즈

 

 

1-12. 박막 전계 발광 소자(TFELD) 소개-복사.pdf

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