총 설
안정화제가 무기 전계발광 디스플레이 소자 성능에 미치는 영향
신동혁·임종주*,†
동국대학교물리학과
100-715 서울시중구필동 3-26
*동국대학교생명·화학공학과
100-715 서울시중구필동 3-26 (2007년 3월 29일접수, 2007년 4월 7일채택)
Effect of Stabilizers on Performance of Electroluminescence Display Device
DongHyuk Shinand JongChoo Lim*,†
Department of Physics, Dongguk Univ., 3-26, Pil-dong, Chung-gu, Seoul 100-715, Korea
*Department of Chemical and Biochemical Engineering, Dongguk Univ., 3-26, Pil-dong, Chung-gu, Seoul 100-715, Korea (Received 29 March 2007; accepted 7 April 2007)
요 약
전계발광(EL) 소자제조용액상페이스트용액의안정성은사용한안정화제의종류및첨가량에크게영향을받았
으며, 본실험에서사용한안정화제중에서 Disperbyk-180이형광체액상페이스트에대하여넓은첨가량범위에서 90
일이상의안정성을보였다. 안정화제 Disperbyk-180을형광체및유전체페이스트용액에첨가하여인쇄실험을수
행한결과, 층분리현상은일어나지않았으며, 균일도는기존사용페이스트보다우수한것으로나타났고인쇄시기 포발생과점도변화가매우작았다. 특히형광체페이스트의경우균일성과휘도가기존의페이스트에비하여상당히 향상되었으며, ITO 기판과의접착성도우수하였다. 안정화제 Disperbyk-180이첨가된페이스트를사용하여제조한 EL
소자는 100 V, 400 Hz에서 57.6 cd/m2의휘도를나타내었으며, 주파수변화에따라서급격한휘도변화는나타내지않
았다. 또한 EL 소자의수명을측정한결과반감기는 1,250시간으로외국에서수입되어시판되고있는페이스트를사
용한경우와유사한수명을나타내었다.
Abstract −The stability of paste solutions for electroluminescence display(ELD) device was found to be greatly affected by kind and dosage of a stabilizer used. The stabilizer Disperbyk-180 showed the best stability performance against phosphor paste solutions among the stabilizers used during this study. The phosphor paste solutions remained stable over 90 days with a wide range of added amounts of Disperbyk-180. Based on the above results, screen printing test was performed. The addition of Disperbyk-180 into phosphor and dielectric paste solutions produced improved qualities such as no phase separation, no bubble generation and no significant viscosity change during printing process.
Especially for the phosphor paste solution, both uniformity and brightness were significantly improved and the excellent adhesion onto the ITO film was found. The ELD device fabricated using the above same paste solutions showed bright- ness of 57.6 cd/m2 at 100V and 400 Hz. The half lifetime of ELD device was measured as 1,250 hours and almost the same value observed with imported commercial paste solutions.
Key words: ELD, Stability, Paste Solution, Wetting Property, Brightness, Life Time
1. 서 론
최근사회가급속히정보화되어감에따라정보관련전자제품에 사용되는디스플레이도점차평판화, 대형화, 고효율화및저전력화 된방향으로발전되어가고있다. 이에따라, 액정디스플레이(liquid crystal display; LCD), 플라스마디스플레이패널(plasma display
panel; PDP), 전계방출디스플레이(field emission display; FED) 및
전계발광디스플레이(electroluminescence display; ELD)에대한연
구가기술선진국을중심으로상당히활발히진행되어왔다. 특히
ELD는 LCD, FED, PDP와는달리, 완전고체상의평판디스플레이
로서넓은사용온도범위, 내충격성, 넓은시야각, 고속응답, 저전
력, 제조의용이함등의장점때문에차세대디스플레이시장의중
요한부분을차지할것으로기대되고있다.
전계발광(electroluminescence, EL) 디스플레이소자는사용재료
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
에따라무기물형광체(phosphor)를사용하는무기물소자와저분 자량유기물이나공액고분자를사용하는유기물소자로구분할수 있다. 유기계및고분자계 EL 소자에서의발광현상은 1960년대부
터알려져왔으나이에대한연구는무기물 EL 소자가청색발광에
어려움을겪던 1987년에이르러서야 Tang 등에의하여본격적으로
시도되었다[1]. 유기물 EL 소자는대형면적의디스플레이제작에 무기물에비해용이하고경제적이며, 유기물의화학적구조를변화
시키거나브랜딩에의하여색조정(color tuning)과안정성(stability)
향상을도모할수있고, 고분자계의경우굴절률이무기물에비해 상당히작아서내부전반사에의한광손실이적고휘도가높으므로
향후 full-color 디스플레이의중요한후보로서가능성을인정받고
있다. 그러나유기물 EL 소자는열안정성이좋지않아수명이짧고, 기 계적강도가좋지않은단점이있으며, 고분자 EL 소자는기계적 강도는좋으나효율과안정성이아직상용화수준에미치지못하고 있다[2, 3].
무기형광체가높은전기장에서발광하게되는무기물 ELD는유
기 EL 소재에비하여비교적오랜개발역사를갖고있으나 1993
년에이르러서야높은색순도의청색발광형광체를발표함으로써
full-color ELD의본격적인상용화가이루어져오늘날에이르고있
다[4, 5]. ZnS 및 SrS 계와같은형광체를이용하여제작된무기
ELD는박막의두께와구동방식에의하여세분되어교류박막 EL,
교류후막 EL, 직류후막 EL 등으로분류되어진다[6, 7]. 박막 ELD
재료들은 E-beam 혹은 sputtering 법으로박막화한후에칭혹은
lift-off 공정을거쳐사용되고있으며[7, 8], 탁월한시각효과, 고체
상태및제조의용이성등의장점을갖고있으나발광세기의향상,
소모전력의감소, 구동전압의저하등해결해야할문제점이많이 남아있다. 반면에후막 EL 재료들은주로인쇄공정을통하여이용
이되고있으며, 소자자체의두께가얇고, flexible하여설치장소
의구애를받지않는큰장점을갖고있어최근 LCD 후면발광
(backlight) 소자로이용되면서많은관심이집중되고있다[9-12].
후막 EL 재료는수분침투방지층이약 0.5~1 µm 두께만큼코팅
된 ZnS 형광체입자를휘발성이적은용매와바인더역할을담당
하는고분자수지의혼합물에기계적인힘에의하여분산시켜서만 들어진액상페이스트의형태로프린팅공정에이용된다. 형광체와 의혼합에사용하는페이스트용바인더는높은유전율과절연강도,
양호한가공성, 형광체를균일하게분산시킬수있을것등의특성
이요구되며, 또한형광체발광시투과특성이양호해야되므로투
명도가높고수분흡수성이적어야한다[13, 14]. 따라서최종만들
어지는후막 EL 소자의성능은전극, 유전막, 형광막의기능을담 당하는최적무기재료들의선정뿐아니라액상페이스트의물리적,
화학적및유변학적특성에따라서큰영향을받게된다[15, 16]. 예
를들면액상페이스트내의형광체입자의균일성과안정성은후 막 EL 소자의휘도의균일도와대면적화등에큰영향을끼치게되 며, 이러한특성은액상페이스트제조시의용매및고분자수지종
류, 온도, 점도, 교반방법, 소성온도등의여러실험변수들에의 하여주로결정되므로이들실험변수들에따른후막 EL 소자의성 능특성에관한체계적인연구가요구된다.
대부분의콜로이드분산계는열역학적으로불안정하나전기적,
기계적, 입체적 barrier를제공할경우 kinematically 안정한 metastable
상태를유지할수있다. 일반적으로분산계의안정성을부여하는방 법으로유화제(emulsifier) 또는안정화제(stabilizer)의첨가가요구 되며, 이러한첨가제는분산계형성에필요한에너지를낮추거나계
면에흡착하여막형성또는응집의 barrier로작용하게된다. 액상
페이스트의안정성은첨가제외에도제조시에사용하는용매및 고분자수지종류외에분산입자의크기및농도, 온도, 점도, 교반 방법, 소성온도등의여러실험변수들에의하여주로결정되며, 최
종제품의품질을좌우하는결정적인역할을한다[17-24].
따라서본연구에서는국내에서시판되고있는다양한종류의안 정화제를사용하여형광체액상페이스트를제조한후액상페이스 트용액의안정성을평가하여최적의안정화제를선정하고접촉각
을통한젖음물성(wetting property) 측정과코팅에적합한점도조
건을조사하였으며, 열분석측정을통하여페이스트용액의건조조 건을확립하였다. 또한이러한결과들을바탕으로기본 EL 소자를 제작하고발광효율과수명에대한성능을평가하였다.
2. 실 험
2-1.실험재료
본실험에서사용된안정화제는예비 screening test를통하여본
연구에적합한안정화제 8 종류를선정하였고, Table 1에실험에사 용한안정화제의특성및실험에사용한조건을나타내었다. 여기 서 SN Dispersant 9228은에스테르비이온계분산제이며, Cerasperse
5468 CF는폴리카르복실산암모니아염을 40% 함유한음이온분
산제이다. 한편 BYK의 Disperbyk 안정화제는고분자공중합체로
서주로코팅이나안료분산에널리사용되고있다. 형광체액상페 이스트용액제조에사용한고분자바인더로는불소계 elastomer PR510A(Daikim, Japan)를사용하였고, 용매로는 butyl cellusolve acetate(대정화학, 99%)를사용하였다. 또한형광체로는직경 15~40 µm
의 Cu와 Cl이도핑(dopping)된 ZnS 파우더를사용하였으며, 절연막 으로강유전체인 BaTiO3분말을페이스트로만들어도포하였고후 면전극은은과그래파이트(graphite) 페이스트를사용하였다.
Table 1. Experimental materials used for stability test during this study
Stabilizer Manufacturer and main function Typical experimental conditions
SN Dispersant 9228 San Nopco Korea (Korea) dispersion agent 2.3~9.6 g per 1,000 mL of paste
Cerasperse 5468 CF San Nopco Korea (Korea) dispersion agent 15~10 wt% based on phosphor or dielectric material Disperbyk-110 BYK Chemie GmbH (Germany) wetting and dispersion agent 13~10 wt% based on phosphor or dielectric material Disperbyk-112 BYK Chemie GmbH (Germany) wetting and dispersion agent 10~15 wt% based on phosphor or dielectric material Disperbyk-161 BYK Chemie GmbH (Germany) wetting and dispersion agent 13~5 wt% based on phosphor or dielectric material Disperbyk-180 BYK Chemie GmbH (Germany) wetting and dispersion agent 10~15 wt% based on phosphor or dielectric material Disperbyk-405 BYK Chemie GmbH (Germany) wetting and dispersion agent 10~15 wt% based on phosphor or dielectric material Disperbyk-410 BYK Chemie GmbH (Germany) wetting and dispersion agent 10~15 wt% based on phosphor or dielectric material
2-2.실험방법
2-2-1. 분산안정성
무기 ELD 제조용액상페이스트의분산안정성은최대 rpm이분
당 1,000 회인기계적교반기(mechanical stirrer)를사용하여 3시간 동안상온에서교반하여실험을수행하였다. 액상페이스트는바인
더역할을담당하는고분자수지와파우더를질량기준으로 3:1.4의
비율로고정하여제조하였다. 즉, 고분자수지 60 g과파우더28 g을
혼합하여액상페이스트를 88 g으로동일하게한뒤에액상페이스 트에안정화제를종류및첨가한양을변화시키면서분산안정성을 육안관찰에의하여상분리유무를판단하여측정하였다. 제조한액 상페이스트용액이 90일동안상분리가일어나지않고균일하게
유지된시료를분산안정성이있는것으로간주하였다. 2-2-2. 건조및코팅실험
분산안정성실험에서 90일동안상분리가일어나지않고균일하
게유지된액상페이스트에대하여건조및코팅조건을선정하기 위한실험을수행하였다. 이를위하여건조는질량감소(thermal gravimetric; TG)에따른열분석(differential thermal analysis; DTA)
을통하여조건을규명하였으며, 이를위하여 MAC사의 TG/DTA 2000을사용하였다. 액상페이스트용액의젖음물성을측정하기위
하여 ITO 기판위에액상페이스트한방울을떨어뜨린후필름을
상온에서 goniometer(Kruss, DSA 100M) 지지대에올려놓고디지
털카메라로이미지를촬영하여접촉각을측정하였다. 또한액상페 이스트용액의젖음물성과점도와의상관관계를규명하기위하여 액상페이스트용액의점도를 concentric viscometer(Brookfield, DV-II)
를사용하여측정하였다. 2-2.3. EL 소자제작
EL 소자제작을위하여형광체로는직경 15~40µm의 Cu와 Cl이
도핑된 ZnS 파우더를사용하였으며, high-field를형성하기위하여
ZnS가위치한양쪽전극사이에절연체를도포하고, 절연막으로강
유전체인 BaTiO3분말을페이스트로만들어도포하였다. 후면전극은
은과그래파이트페이스트를사용하였으며, EL 소자는평균 0.6 nf/cm2
의정전용량을유지하면서상온과 60~70%의상대습도하에서구동 조건에따른특성을평가하였다. 교류발전기(F-3252, Able Electron)
를이용하여 sinusoidal 신호를 40~4 kHz, 0~250 V로변화시키면서
휘도(brightness), 전류밀도(current density), x와 y축방향의색좌 표(color coordinate) 및발광파장을측정하였다. 전류밀도는 electrometer
(Keithley-2000, HP-34401A)를 이용하였으며, 휘도와 색좌표는
luminometer(NL-1, Nippon Denshoku)를사용하여각각측정하였다.
소자의휘도와전류밀도는주로 100 V, 400 Hz의구동조건에서
구동하였을때를기준으로 삼았으며, 실제생활에서 구동되는
inverter와구동 deriver로구동할때의구동조건을고려하여, 100 V-400 Hz, 150 V-400 Hz, 100 V-800 Hz로동작할때의반감기및전기적
특성을비교하였다.
EL 소자의반감기(half-lifetime)는 100 V, 400 Hz의구동조건에 서소자를연속구동시키면서측정하였으며, 반감기는처음의휘도 에서 24시간경과후의휘도대비 50%가되는시점으로정의하였
다. EL 소자의동작온도를변화시키면형광체내부의활성에너지
가증가하여전하의이동량이증가하여전류밀도가증가하고휘도 가증가하지만형광체의수명이단축된다. 따라서구동조건을고정
하고온도를 -20~90oC 범위에서변화시킬때의발광특성을파악
하였다. 이를위하여항온항습조의습도를 50% 이하로유지하고온 도를 -20oC에서 90oC까지변화시키면서소자의특성변화를관찰
하였다. 이때구동전압과주파수를 100 V, 400 Hz로고정한상태
에서실험을수행하여온도에따른휘도와전류밀도를측정하였다. 3. 결과 및 고찰
3-1.안정성실험
본연구에서다루는액상페이스트는근본적으로열역학적인관 점에서는불안정하므로안정성여부는 kinematic 관점에서판단하
여야한다. 따라서액상페이스트의안정성을상이분리되지않고 안정성이유지되는기간을기준으로하여판단하였으며, 페이스트 용액을제조한후 90일동안상분리가일어나지않는경우에대하 여안정성이유지되는것으로간주하였다.
안정화제 SN Dispersant 9228의첨가실험결과, SN Dispersant 9228의첨가는형광체액상페이스트의안정성에도움을주지못하 는것을알수있었다. 본실험에서교반시간으로설정한 3시간이 되기도전에제대로혼합조차되지않았으며, 기계적교반이끝난
뒤에는바로두개의상으로상분리가일어났다. 안정화제 Cerasperse
5468 CF를페이스트용액 88 g에 0.88~1.58 g 첨가한시료가 90일
이상안정성이유지됨을관찰할수있었다. 그러나 Cerasperse 5468
CF 안정화제를 1.58 g 이상으로과량첨가한경우에는안정성이도
리어감소한것으로나타났는데이는안정화제를과량으로첨가한 경우안정화제의 bridge formation에의하여안정성이감소하는것 으로판단된다.
BYK 사의안정화제 Disperbyk 첨가실험에서는 Disperbyk 161, 405는액상페이스트의안정성에도움을주지못하는것으로나타
났으며, Disperbyk-410 또한그다지만족스러운결과를얻지못하
였다. 즉, Disperbyk 161, 405는 1~2일이내에페이스트용액의상 분리현상이일어났으며, Disperbyk-410의경우에도 14일이내에액 상페이스트용액의안정성이파괴되었다. BYK 사의안정화제첨
가실험에사용한안정화제중에서 Disperbyk-110, 112, 180을각각 사용한액상페이스트만이 90일이상안정성이유지되었다. 안정화 제 Disperbyk-110의경우페이스트 88 g을기준으로하여 0.2~0.35 g의 안정화제를첨가한시료들이 90일이상안정성을유지하였고, 안정
화제 Disperbyk-180의경우 0.3~0.35 g의안정화제를첨가한시료 가 90일이상안정성이유지되었다. 그리고페이스트 88 g을기준 으로하여안정화제 Disperbyk-112를 0.3~0.35 g 첨가한시료들이 액상페이스트에대하여가장우수한안정성(180일이후에도안정
성유지)을나타내었다. 그러나 88 g의페이스트에 0.35 g 이상의
Disperbyk-112를첨가한경우에는 30일이경과한후상분리현상이
관찰되었으며, 이는첨가량의작은차이에도안정성결과가크게달 라질수있음을의미하는것이다.
BYK 사의안정화제 Disperbyk-110, 112, 180을각각사용하여 제조한액상페이스트용액에있어서교반속도와교반시간이용액 의안정성에미치는영향에관하여살펴보았다. 앞의결과로부터액 상페이스트용액의안정성이 90일이상유지된조건을선정하여
실험에사용하였다. 즉, 형광체액상페이스트 88 g을기준으로하 여 0.2~0.35 g의 Disperbyk-110, 0.3~0.35 g의 Disperbyk-180, 그리 고 0.3~0.35 g의 Disperbyk-112를각각첨가한시료들을실험에사
용하였다. 우선교반시간을 3시간으로일정하게하고교반속도를 변화시켰는데, 교반속도를 250 rpm, 333 rpm, 500 rpm으로각각감
소시킨경우, 최대교반속도 1,000 rpm을사용한경우와비교하여
짧은시간내에페이스트용액의상분리현상이일어났다. 교반속
도를 1,000 rpm의최대로유지한상태에서교반시간을 1시간, 2시
간으로각각변화시킨경우에는기존에사용한교반시간을 3시간으 로한경우에비하여더빨리상분리가일어났다. 한편교반시간을 3시간이상으로한경우, 첨가한안정화제의양이일정한조건에서 는액상페이스트용액의안정성에큰영향을미치지못함을알수 있었다. 따라서페이스트코팅및건조, 현장적용, 그리고 EL 소자 특성분석등에관한실험에서는교반속도와교반시간을 1,000 rpm과 3시간으로각각고정시킨상태에서실험을수행하였다.
3-2.페이스트코팅및건조조건
안정화제를첨가한페이스트용액의코팅조건을찾기위하여
ITO 기판에안정화제가첨가된페이스트용액을한방울떨어뜨린 후접촉각을측정하였으며, 그결과를 Table 2에요약하여나타내었 다. 88 g의페이스트에 Cerasperse 5468 CF 1.13 g을첨가한경우 에는 접촉각이 22.17~28.66°를나타내었으며, Disperbyk-112를 0.3 g 첨가한경우에는 16.86~27.44°를나타내었다. 반면에 0.3 g의
Disperbyk-180을첨가한경우에는접촉각이 29.82~34.18°로비교적 다른안정화제에비하여접촉각이크고변화가적으므로액상페이 스트용액의코팅및인쇄에적합할 것으로판단되었다. 그러나
Table 2의결과에서살펴볼수있듯이페이스트용액에첨가한안
정화제의종류와첨가량에상관없이측정된접촉각은큰차이를나 타내지않았다.
안정화제를첨가한페이스트용액의적정한건조조건을찾기위
하여시료에대한 TGA 측정을실시하였다. TGA 측정결과에따
르면페이스트용액에첨가한안정화제의종류와첨가량에상관없 이유사한질량감소경향을나타내었다. 예를들어, 88 g의형광체
페이스트용액에 0.3 g의안정화제 Disperbyk-180이첨가된페이스
트에대하여 TGA 측정을한경우, 페이스트용액의질량감소는
45oC 근처에서시작하여 120oC에도달하면더이상질량감소가
나타나지않았다. 또한안정화제 Disperbyk-112를 0.306 g 첨가한 액상페이스트의경우에도질량감소는 45~125oC의비교적좁은 영역에서급격히일어나는것을관찰할수있었다.
3-3.현장적용실험
위의결과들을바탕으로 EL 제조용페이스트에안정화제및소 량의기타첨가제(소포제, 습윤분산제, 표면개질제, 습윤레벨링
(leveling)제등)를첨가하여안정성과상용성을증가시켜인쇄수율
과작업성을증가시키고안정성을확보하기위한실험을수행하였 다. 여기서사용한안정화제는액상페이스트용액의안정성을증 가시키는목적으로사용하였으며, 습윤및레벨링제는액상페이스
트용액의젖음물성개선을통하여인쇄작업성을향상시키는목 적으로사용되었다. 그리고소포제는인쇄전후에발생되는공기방
울을제거하여핀홀(pinhole) 현상발생원인을제거하는목적으로
사용되었다. 안정화제로는앞의액상페이스트용액의안정성실험 에서사용한 SN Dispersant 9228, Cerasperse 5468 CF, Disperbyk- 110, 112, 161, 180, 405, 410 등을본실험에서사용하였다. 각안 정화제의첨가비율은액상페이스트용액의안정성실험에서얻은 결과를기준으로하여실험에사용하였다.
현장적용실험에서는총 4단계로나누어실험을진행하였다. 1
단계에서는페이스트제조실험과습윤분산제첨가실험을수행하 였다. 페이스트제조실험에서는투명도실험을통하여선별된제
품만을실제유전체페이스트에사용하여인쇄실험을진행하였으 며, 전기, 광학, 신뢰성시험도병행하였다. 그리고첨가제비율조 절실험에서는일차실험이종결된제품들을중심으로여러가지 특성을부여할수있는제품을혼합하는실험과사용비율에대한 실험을진행하였으며, 아울러전기, 광학, 신뢰성시험도병행하였다.
페이스트안정성실험은습윤안정화 → 인쇄레벨링(levelling)→ 소포제 → 표면개질(접착력, 표면장력저하측정)의과정을통하 여수행하였으며, 페이스트제조용바인더에첨가제, 형광체파우더,
용매등을첨가하여시료를준비하였다. 우선바인더수지에첨가
제를첨가하여교반기를사용하여 500 rpm으로 10분간혼합한후
색상변화를육안으로비교관찰하는투명도실험과안정화실험을 동시에진행하였다.
상용성실험완료페이스트에대해서는습윤분산제첨가실험을 수행하였다. 첨가제를각비율에맞추어액상페이스트에첨가한후 전용교반기로 15분간혼합하였다. 형광체파우더를액상페이스트 제조비율에따라첨가제가포함된바인더수지에혼합한후전용 교반기로 6시간이상교반하였다. 제조된시료에대해서는점도, 온
도등을측정하고핸드프린팅(hand printing) 시험을통하여최종
적으로실험을진행할시료를선정하였으며, 선정된시료에대한인 쇄실험에서는인쇄작업성, 두께증가추이, 핀홀발생유무, 필름 접착성, 잉크내림성등을확인하였고전기적, 광학적특성분석및
신뢰성시험을진행하였다.
2단계실험에서는신규첨가제에대한상용성실험과적용가능 첨가제혼합실험을수행하였다. 아울러소포제적용실험에서는
EL 소자제조및 1단계신뢰성실험을반복하였다. 3단계에서는양
산을위한적용실험을수행하였다. 형광체페이스트적용실험에 서는 1단계적용실험을사용량기준을중심으로하여반복실험을 수행하였으며, EL 소자제조후 1단계신뢰성실험을반복하여결 과를확인하였다. 마지막으로 4단계에서는최종적용실험으로서실
제유전체와형광체페이스트에적용하여최종 EL 소자의특성을 파악하였다.
페이스트첨가제별사용비율에따라점도를측정한결과, 실험 에서사용한첨가제비율에따른액상페이스트용액의점도가스
Table 2. Results for contact angle measurement with three different types of stabilizers to phosphor paste solutions where 0.3 g of each stabilizer was added to 88 g of paste solution
Stabilizer Contact angle (°)
1 2 3 4 5 6 7 8 Avg.
Cerasperse 5468 CF 27.44 22.17 26.39 24.77 26.16 28.66 27.68 25.60 26.11
Disperbyk-112 22.37 27.44 21.56 16.86 23.42 21.22 17.13 25.36 21.92
Disperbyk-180 33.21 34.18 33.02 34.17 31.78 29.82 30.17 31.93 32.29
크린프린팅공정에서요구되는 5,000 ~ 30,000 cP의조건을모두 만족하는것을알수있었다. 투명도실험을통하여첨가제와바인더 수지사이의상용성시험을수행한결과, 안정화제로 Disperbyk-110
과 180을각각사용한경우를제외하고나머지안정화제를페이스 트용액에각각첨가한경우에는불투명한외관을나타내었다. 일 반적인첨가제실험결과에의하면첨가한안정화제와바인더수지 와의상용성이떨어질경우에투명도가떨어지는특성을나타내며,
따라서투명도가떨어지는제품은이후실험진행에서제외시켰다.
또한 Disperbyk-110과 180을각각사용하여제조한페이스트의경
우, 기존페이스트를사용한경우에문제가되었던기포는발생하 지않았다. 두께의변화추이는 1층에서 1 ~ 2µm, 2층에서 5 ~ 7µm,
3층에서 11 ~ 15µm로, 기존의페이스트용액을사용한경우와별
다른차이가없음을알수있었다.
2단계실험에서는유전체페이스트를사용하여점도와 ITO 기판 과의접착력측정을통하여첨가제에대한상용성실험과실제적 용가능첨가제혼합실험을수행하였다. 안정화제 Disperbyk-110을
사용한액상페이스트용액의점도는 11,200 ~ 12,600 cP로서프린
팅공정에적합한값을가지며, ITO 기판과의접착력도우수하였다
. 안정화제 Disperbyk-180을사용한경우, 점도는 11,500 cP에서인
쇄후 17,400 cP로상승하나 ITO 기판과의접착력은향상되는것
을알수있었다. 반면에안정화제 Disperbyk-110과 180을제외한 나머지안정화제를사용한경우에는갈색으로변색되는문제점이 관찰되었으며, ITO 기판과의접착력도매우약한것으로나타났다
. 또한 Disperbyk-110과 180을각각사용하여제조한페이스트를사
용하여인쇄를수행한결과균일도와휘도는기존의상용페이스트 경우와비교하여큰차이가없었으며, 핸드프린팅한후층별인쇄 결과에서도 1 ~ 3층모두특별한문제가없었다.
안정화제 Disperbyk-180와 Disperbyk-110을각각첨가할경우의
제품특성조사를위하여다음과같은 a~d 형의 4종류시료를준비
하였다.
a형; 형광체페이스트: 일반, 유전체페이스트: Disperbyk-110 첨가
b형;형광체페이스트: Disperbyk-180 첨가, 유전체페이스트 : Disperbyk-110 첨가
c형; 형광체페이스트: 일반, 유전체페이스트: Disperbyk-180 첨가
d형;형광체페이스트: Disperbyk-180 첨가, 유전체페이스트
: Disperbyk-180 첨가
안정화제 Disperbyk-180와 Disperbyk-110을각각첨가할경우의 제품에대하여고압테스트시발광면흑점발생비율, 절단단면의 들뜸현상, 균일도상대비교, 전기광학특성(휘도, 전류밀도, 커 패시턴스(capacitance), 임피던스(impedance) 등), 유전체건조면의
접착강도, 항온항습테스트등의항목에대하여검사를수행하였 다. 안정화제 Disperbyk-180와 Disperbyk-110을각각첨가할경우 의제품에대한검사결과를요약하면다음과같다. 4종류모두고 압테스트시발광면의흑점발생은없었으며, 절단단면의들뜸현
상은 a type이가장심하고다음으로 c type 그리고 b≈c type의순 서로나타났다. 균일도상대비교실험에서는 b type이가장우수하
고다음으로 d type, a≈c type 순이었고전기광학특성과유전체
건조면접착강도는 4종류모두기존의유전체와비슷한경향이
나타났다.
0.3 g의안정화제 Disperbyk-180이 88 g의유전체페이스트에첨 가된용액의점도를상온에서시간에따라측정한결과, 제조시
13,000 cp에서 2일및 3일경과후각각 16,800 cp와 20,000 cp로
나타났다. 다시페이스트용액을 2분간교반한후점도는 14,100 cp
로상승하였고제조일기준으로 6일및 7일경과후각각 15,000 cp
와 15,400 cp로나타났다. 또한 15일경과후 15,000 cp와 23일경
과후 15,100 cp로서시간이지남에따라페이스트용액의점도변
화가비교적심한것을알수있었다.
0.3 g의안정화제 Disperbyk-180을 88 g의유전체페이스트에첨
가한용액을가지고인쇄실험을수행하였다. 인쇄공정에투입하
기전에핸드프린팅실험을수행한결과, ITO 필름과접착성이기
존액상페이스트에비해향상되었으며, 제조후 1일경과된페이 스트로인쇄실험을수행할경우초기에는기포가많이발생하였으 나인쇄후 5분이상경과한다음건조할경우기포가없어지는것 을관찰할수있었다. 또한 0.3 g의안정화제 Disperbyk-180을 88 g
의형광체페이스트와유전체페이스트에각각첨가하여인쇄실험 을수행한결과에의하면유전체페이스트의경우일주일이상방 치하였으나층분리현상은일어나지않았으며, 균일도는기존사용 페이스트보다좋은것으로나타났고인쇄시기포발생과점도변 화가매우작게나타났다. 형광체페이스트의경우에는균일도와휘 도가기존상용페이스트에비하여향상되었으며, ITO 기판과의접
착성도우수한것으로나타났다. 따라서안정화제 Disperbyk-180은
형광체페이스트뿐아니라유전체페이스트의안정성및인쇄특 성향상에도움을주는것을확인할수있었다.
3-4. EL소자특성분석
현장적용실험결과를바탕으로안정화제 Disperbyk-180을첨가
한페이스트용액을사용하여 EL 소자를제조하고그특성을측정 하였다. Fig. 1에발광색상이 greenish-blue 계열인형광체를사용하 여제작한 EL 소자의발광파장을나타내었다. 반폭치(full-width at half-maximum; FWHM)와피크는각각 90 nm와 500 nm이며, 구 동 IC(input 3 DCV, output 68 ACV, frequency 733 Hz)를사용하 였다. 측정결과에의하면형광체의발광파장과소자제조에따른 피크파장의변화는없었다. 0.3 g의안정화제 Disperbyk-180이 88 g
Fig. 1. Electroluminescence wavelength of ELD device using a phos- phor paste solution with addition of Disperbyk-180 stabilizer using typical experimental conditions.
의형광체페이스트에첨가된용액을사용하여제조한 EL 소자의 휘도-전압, 전류밀도-전압특성을 Fig. 2에나타내었다. 결과에서
볼수있듯이전압에따라휘도는 60 V부터선형적으로증가하며,
전류밀도는두구간으로뚜렷하게나뉘는형태를나타내었다. 특
히전압에따라지수적으로증가하던전류가특정전류밀도값에 서선형적으로증가하는형태로바뀌었다. 100 V, 400 Hz에서휘도 는 57.6 cd/m2, 전류밀도는 0.61 mA/cm2이며, 광변환효율은 0.29
L/W, 소모전력은 61 mW/cm2로서기존의상용페이스트를사용한
경우와비교하여대등한휘도를나타내었다.
Fig. 2의 EL 소자제조에사용된동일한페이스트를사용하여제
조한 EL 소자의주파수특성곡선을 Fig. 3에나타내었다. 주파수
특성에서도, 특정전류밀도이상의전류밀도일때전류의흐름역
학이변하고있음이보였다. 그러나주파수에따라서휘도는급격
한변화를보이지않았으며, 구동조건 100 V, 400 Hz에서휘도는
53.8 cd/m2, 전류밀도는 0.60 mA/cm2로각각나타났다. 이는기존 의상용페이스트를사용한경우와비교하여유사한주파수특성을 나타낸것이다. Fig. 4는안정화제 Disperbyk-180이첨가된페이스 트를사용하여제조한 EL 소자의동작시간에대한휘도곡선과 11 가 지색상종류의 EL 소자에대한시간에따른휘도곡선이다. 소자
의수명은초기 100시간을뺀후의휘도대비반감기(50%)를수명
으로하였을경우 10% 도달시간은약 9,000시간이며, 휘도는 6.3 cd/m2
로서야간에구별이가능한수준이었다. 또한반감기는 1,250시간 으로기존의상용페이스트를사용한경우와유사한반감기를나타 내었다.
Fig. 2. Voltage characteristic curve of ELD device using a phosphor paste solution with addition of Disperbyk-180 stabilizer using typical experimental conditions; (a) brightness versus voltage, (b) current density versus voltage.
Fig. 3. Frequence characteristic curve of ELD device using a phos- phor paste solution with addition of Disperbyk-180 stabilizer using typical experimental conditions; (a) brightness versus frequency, (b) current density versus frequency.
0.3 g의안정화제 Disperbyk-180을 88 g의유전체페이스트및형 광체페이스트용액에각각첨가한경우의제품에대한휘도, 전류 밀도, x와 y 축방향의색좌표및발광파장등의전기광학특성을
조사한결과를 Table 3과 4에요약하여나타내었다. 제품의전기광
학특성은교류발전기를이용하여 sinusoidal 신호를 40~4 kHz,
0~250 V로변화시키면서측정하였다. Table 3과 4에서볼수있듯
이제작된 EL의전기광학적특성은큰차이가없는것으로판단
된다. 즉, EL의광학적특성인휘도면에서보면유전체페이스트
의경우가형광체페이스트보다 3.28 cd 높게확인되었으나이정
도의휘도차이는일반양산제품에서형광체레이어의두께, 유전
체의두께의차이에따라발생될수있는정도이다. 색좌표의경우,
형광체고유의특성으로두시료모두동일한색좌표를나타내었다.
또한 EL의전기적인특성인전류밀도의경우 0.003 mA/cm2의차 이로두샘플의특성이거의유사하다고할수있다. 결과적으로 0.3 g Fig. 4. Brightness of ELD device with time using a phosphor paste solution with addition of Disperbyk-180 stabilizer using typical experimental
conditions; (a) at 10% decay, (b) at half-life.
Table 3. Characteristics of electrical and optical properties of ELD device manufactured with addition of 0.3 g of Disperbyk-180 stabilizer to 88 g of dielectric paste solution
1 2 3 4 5 Average
Inverter D355A
3.5V
Brightness (cd/m2) 14.71 15.07 14.86 14.43 14.831 14.78
Color Index x 0.161 0.161 0.161 0.161 0.161 0.161
Color Index y 0.238 0.238 0.238 0.237 0.237 0.238
100 V/400 Hz Brightness (cd/m2) 35.7 36.7 36.4 35 36.1 35.98
Color Index x 0.159 0.158 0.159 0.16 0.159 0.159
Color Index y 0.205 0.205 0.205 0.204 0.204 0.205
Current Density (mA/cm2) 0.164 0.165 0.166 0.162 0.163 0.164
Capacitance (nF/cm2) 0.444 0.442 0.445 0.435 0.432 0.439
Impedance (kΩcm2) 6461.52 6592.32 6513.84 6627.2 6801.6 6599.30
Table 4. Characteristics of electrical and optical properties of ELD device manufactured with addition of 0.35 g of Disperbyk-180 stabilizer to 88 g of phosphor paste solution
1 2 3 4 5 Average
Inverter D355A 3.5V
Brightness (cd/m2) 15.48 15.63 15.68 15.35 51.38 15.50
Color Index x 0.161 0.161 0.16 0.161 0.161 0.161
Color Index y 0.24 0.204 0.242 0.24 0.239 0.233
100V/400Hz Brightness (cd/m2) 37.5 38.2 39.1 37.9 39.1 38.36
Color Index x 0.159 0.16 0.16 0.159 0.16 0.160
Color Index y 0.205 0.205 0.206 0.205 0.205 0.205
Current Density (mA/cm2) 0.175 0.165 0.166 0.159 0.169 0.167
Capacitance (nF/cm2) 0.425 0.414 0.431 0.415 0.433 0.424
Impedance (kΩcm2) 6487.68 6505.12 6191.2 6426.64 6313.28 6384.78
의안정화제 Disperbyk-180을각각첨가하여제조한유전체및형 광체페이스트로제작된 EL은안정화제첨가가 EL의고유특성인 휘도, 색좌표, 전류밀도, 커패시턴스등에큰영향을주지않는다는
것을확인할수있었다.
4. 결 론
본연구에서는액상페이스트제조시의안정화제의종류와첨가 량에따른페이스트용액의안정성을측정하고이결과를바탕으로 후막 EL 소자의성능특성에미치는영향에관하여연구를수행하 였다. 액상형광체페이스트용액의안정성은사용한안정화제의종
류및첨가량에크게영향을받았으며, 본실험에서사용한안정화
제중에서 Disperbyk-180이가장넓은첨가량범위에서 90일이상
의안정성을보였다. 안정화제 Disperbyk-180이페이스트용액의접
촉각은실험에사용한 ITO 기판에따라 29.82~34.18°의접촉각을
나타냈으며, 점도는 11,200~15,500 cp의값을나타내었다.
액상페이스트용액의안정성실험결과들을바탕으로현장적용 실험을수행하였다. 안정화제 Disperbyk-180을페이스트용액에첨 가하여인쇄실험을수행한결과, 층분리현상은일어나지않았으
며, 균일도는기존에사용한페이스트보다우수하였으며, 인쇄시 기포발생과점도변화가매우작았다. 특히형광체페이스트의균 일성과휘도가기존의페이스트에비하여향상되었으며, ITO 기판 과의접착성도우수하였다. 안정화제가첨가된페이스트를사용하
여제조한 EL 소자는 100 V, 400 Hz에서 57.6 cd/m2의휘도를나
타내었으며, 주파수변화에따라서급격한휘도변화는나타내지않
았다. 또한 EL 소자의수명을측정한결과반감기는 1,250시간으로
기존의페이스트를사용한경우와유사한수명을나타내었다. 따라
서안정화제 Disperbyk-180을액상페이스트제조에사용할경우
페이스트용액의안정성확보뿐아니라인쇄특성개선과 EL 소 자의균일성및휘도를증가시킬수있음을확인하였다.
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