전기영동법에 의한 FED용 형광체 screen제조

전병수, 강상원, 유재수, 이종덕*

중앙대학교 화학공학과, 서울대학교 전기전자공학부*

Electrophoretic deposition for FED phosphor screens

Byung Soo Jeon, Sang Won Kang, Jae Soo Yoo, and Jong Duk Lee*

Dept. of Chemical Engineering, Chung-Ang University

Dept. of Electrical Engineering, Seoul National University*

서론

최근에 새로운 평판디스플레이로써 개발되고 있는 FED(field emission display)는 전자총으로써 200Å미만의 금속이나 실리콘 바늘을 만들어 전자를 방출시키는 장치이다.  특히 FED 제조기술중에서 형광체의 작은 입자들로 이루어진 anode부분에서는 아직도 많은 문제점을 보이고 있다.[1]  Anode라 함은 전극으로써 ITO가 코팅된 glass위에 음극으로부터 방출된 전자에 의해 발광되는 형광체를 도포한 평판을 말한다.  즉 기존의 CRT와는 달리 저전압에서 발광층에 입사되는 전자들의 침투깊이가 수 Å정도이기 때문에[2] 형광체표면의 결함은 발광표면에 관한 가장 큰 영향을 미칠수 있다.  또한 형광체 powder를 screening하는데 있어서 고해상도와 고휘도를 얻는 것이 중요한데[3]  이를 위한 고해상도 screen은 packing density와 균일한 막형태가 얻어져야 함은 물론이다.

이에 전도성 기질인 ITO-glass위에 screen을 제조하기 위해 전기영동법이 시도되고 있다.  전기영동법이란 형광체 입자들이 전해질 용액에 현탁되어 표면전하를 띄고 전장하에서 기질위에 증착되는 것을 말한다.  대개의 물질은 극성용매속에서 전해질과 접촉시키면 이때 일어날 수 있는 현상중의 하나가 이온흡착 현상인데 형광체의 경우 입자표면에 전해질 이온에 의한 표면전하를 띄게 된다.  따라서 하전된 표면과 전해질 용액사이의 전위차 즉 zeta potential을 갖게 된다.  전기영동현상은 하전된 입자를 포함한 용액의 전위분포와 움직임을 의미한다.  이러한 방법으로 CRT screen, 자동차 body 등에 응용되고 있다.  이는 기존의 screening 공정보다 재현성과 균일도가 좋고 접착력면에서 우수한 장점을 보여준다.[4,5]

본 연구에서는 전기영동법에 의해 ZnO:Zn 형광체입자를 이용하여 FED에 적합한 anode를 제작하고 공정변수와 그 광학적인 특성들을 살펴보고자 하였다.

실험

실험장치는 다음 그림 1과 같이 용기내에 음극으로써 ITO가 코팅된 sodalime glass와 양극으로써 stainless steel이 수직으로 세워져 있다.  전극간의 거리는 3cm이며 전극은 고전압 공급기와 연결되어 있다.  증착용액은 극성용매인 IPA(Isopropyl alcohol)내에 0.3∼1g/l 농도의 ZnO:Zn 형광체와 Mg(NO3)2·6H2O가 용해되어 있다.  Mg(NO3)2·6H2O 농도는 10-5M∼10-3M 범위이며 전압은 400V, 증착시간 2∼10min의 여러 공정변수하에서 실험이 수행되었다.  3x3cm2 기질위에 증착된 sample은 50℃와 450℃에서 순서대로 baking하여 oxide로 전환된다.  증착된 sample은 XRD, SEM과 FT-IR등에 의해 분석되었다.  광학특성은 음극선발광을 이용하였는데 UHV chamber내에 장착된 열이온 전자방출 전자총에 의해 형광체를 발광시켜 광도계(Minolta CS-100)를 통해 휘도가 측정되었다.

결과 및 토론

형광체 입자등은 전기장과 Mg(NO3)2의 영향하에서 우선 Mg(NO3)2 농도에 의한 형광체의 하전되는 정도를 살펴보기 위해서 형광체의 함유없이 증착실험을 행하였다.  그림 2는 5분동안 400V에서 Mg(NO3)2 농도에 따른 MgO의 증착량을 보여준다.  MgO의 양은 모든 Mg(NO3)2 농도범위에서 전압에 따라 뚜렷한 증가를 보였다.  이는 전압이 가해졌을때 전류는 음극을 향한 염이온의 이동도와 Mg(OH)2를 형성하는 OH-기를 낳는 전기분해의 향상을 가져온다는 것을 의미한다.  그러나 그림 2에서 보는바와 같이 형광체가 함께 현탁되었을때 형광체의 증착량은 Mg(NO3)2 농도에 역으로 비례한다.  이는 Shane et. al[6]에 의하면 다음과 같이 설명된다.  IPA에서 Mg(NO3)2는 우선 MgNO3+와 NO3-로 이온화하며 MgNO3+는 Mg2+와 NO3-로 이온화한다.  따라서 ITO-glass위에 증착된 MgO는 용액내에서 양이온의 양에 따라 증가하리라고 기대된다.  그러나 형광체 입자가 Mg(NO3)2와 현탁되었을때 MgNO3+ 이온이 입자표면에 강하게 흡착되어 양으로 하전된 형광체는 전기장하에서 증착되기 시작한다.  형광체를 함유하지 않은 용매내에서의 Mg(OH)2만의 증착과는 달리, 형광체를 증착시킬때에는 형광체 입자들사이에 ionic force가 중요해진다.  즉, Mg(NO3)2 농도가 증가할수록 하전된 입자들사이에 커다란 반발력이 입자이동도를 감쇠시키고 그 결과 형광체 증착이 줄어들게 된다.

전기영동법에서 이온의 기능을 이해하기 위해서 증착후에 Mg(NO3)2 농도에 따른 pH값을 측정한 결과들로부터 증착후의 pH값들은 단지 이온이나 입자들의 증착량에만 의존한다는 것을 알 수 있다.  이는 OH-가 용액내에 존재하는 물로부터 생기며 그 공정은 Mg(NO3)2 전해질의 해리도와 MgNO3+이온의 소모에 제한된다는 사실을 의미하며 기존의 메카니즘을 잘 뒷받침해주는 결과이다[6].

한편, 형광체의 증착속도는 용기내에 형광체 농도, 전압, 용매와 전극간격등의 변수에 의존한다.  형광체의 settling의 영향을 무시하고 증착속도는 다음과 같이 표현될 수 있다.

[eqn: {dN_P}over{dt}=C_po □_e exp({-A_s □_e t_d}over{V})]

여기서 [eqn: N_p]는 증착량, [eqn: C_po]는 초기의 형광체 농도, 기질면적은[eqn: A_s]이며 [eqn: t_d]는 증착시간, □e가 electrophoretic velocity를 나타낸다.  평균최소자승법에 의해 결정된 입자이동속도(□e)는 Mg(NO3)2 농도, 전압과 형광체 농도에 의해 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.

한편 공정조건과 발광휘도와의 관계를 살펴보기 위해 CL측정은 3x10-7torr 진공하에서 500V, 30□A범위내에서 사용하되었다.  그림 3은 같은 증착량에서 증착속도에 따른 휘도차이를 보여준다.  증착속도가 어느정도 증가했을때 최대휘도를 보였다.  이는 packing density의 차이를 보여준다고 생각된다.

그림 4는 10-4M에서 10-3M까지의 범위내에서 Mg(NO3)2에 따라 같은 증착량하에서 휘도의 차이를 보여준다.  또한 binder가 함유되지 않은 VFD용 ZnO:Zn anode sample과 비교하였다.  휘도는 500V까지 ZnO:Zn 형광체의 포화현상없이 Mg(NO3)2 농도의 감소에 따라 선형적으로 증가한다.  VFD sample과 비교해서 binder를 포함해도 보다 좋은 휘도가 관찰되었다.

그림 5는 증착량에 따른 증착두께 및 밀도를 나타낸 것이다.  증착량이 증가할수록 증착두께는 증가하다가 다시 감소하는데 이때 밀도가 최대가 되며 이를 통하여 anode plate의 밀도를 증착량으로 제어하여 최적휘도를 얻을수 있을것으로 사료된다.

1□m의 입자크기를 가진 증착량에 따른 휘도를 그림 6에 나타내었다.  Anode 전압이 증가할수록 휘도는 저전압에서 포화현상없이 선형적으로 증가한다.  형광체는 최적도포량으로 코팅되어 있다는 것을 알 수 있다.  2.9mg/cm2의 증착량은 500V, 30□A에서 400cd/m2에 이른다.  그러나 3mg/cm2이상에서는 증착량에 따라 휘도가 감소하였다.

참고문헌

[1] Chang, D.C. Rao, R.P. and Talbot, J.B.: 1st International Conf. Sci. and Tech. of Display Phosphors, 291(1995).

[2] Yoo, J.S. and Lee, J.D.: Asia Display and SID, 647(1995).

[3] Ozawa, L.: Ltd, Tokyo, 1994.

[4] Siracuse, J.A. Talbot, T.B.  Kinney, B.G. Sluzky, E. and Hesse. K.R.: J. Coll. Interface Sci., 165, 334(1994).

[5] Grosso, P.F. Rutherford, R.E. and Sargent, D.E.: J. Electrochem. Soc., 117, 1456(1970).

[6] Shane, M.J. Talbot, T.B. Schreiber, R.D. Ross, C.L. Sluzky, E. and Hesse, K.R.: J. Coll. Interface Sci., 165, 325(1994).

그림 1. Electrophoretic apparatus        그림 2. 400V, 5분동안 salt농도에 따른

MgO(왼쪽)와 형광체(오른쪽)의 증착량                                         변화

그림 3. 2.6mg/cm2의 증착량하에서       그림 4. 2.6mg/cm2의 증착량하에서

증착속도에 따른 휘도변화               Mg(NO3)2 농도에 따른 휘도변화

그림 5. 증착량에 따른 두께 및 밀도  그림 6. 30□A에서 증착량에 따른 휘도차이

변화