JP2006073510A - 電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高解像度実現に有利な電子放出素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 本発明は、基板と、基板上に形成されるカソード電極と、カソード電極に電気的に連結される電子放出部と、第1絶縁層を隔ててカソード電極上に形成され、電子放出部が基板上に露出されるようにする複数の開口部を有するゲート電極と、第2絶縁層を隔てて第1絶縁層及びゲート電極上に形成され、ゲート電極の開口部に対応する位置で、ゲート電極の開口部より小さい開口部を形成する集束電極とを含む電子放出素子を開示する。
【選択図】 図1

Description

本発明は電子放出素子に係り、より詳しくは、電子ビームの集束のために提供される集束電極と、この集束電極を支持する絶縁層の形状を改善した電子放出素子及びその製造方法に関するものである。
一般的に電子放出素子は、電子源の種類によって熱陰極(hot cathode)を利用する方式と冷陰極(cold cathode)を利用する方式とに分類することができる。
ここで、冷陰極を利用する方式の電子放出素子としては、電界エミッタアレイ(field emitter array;FEA)型、表面電導放出(surface conduction emission;SCE)型、金属−絶縁層−金属(metal−insulator−metal;MIM)型、金属−絶縁層−半導体(metal−insulator−semiconductor;MIS)型などが知られている。
この中でFEA型は、仕事関数(work function)が低くいか又は縦横比(aspect ratio)の大きな物質を電子源として使用する場合に真空中で電界によって容易に電子が放出される原理を利用し、モリブデン(Mo)又はシリコン(Si)などを主材質とする先端の尖ったチップ構造物、カーボンナノチューブ、黒鉛、及びダイアモンド状カーボンのようなカーボン系物質を電子源に適用した例が開発されている。
冷陰極を利用する電子放出素子は、基本的に真空容器を構成する二つの基板のうちの第1基板上に、電子放出部と共に電子放出部の電子放出を制御する駆動電極を備え、第2基板上に、蛍光層と共に、第1基板側から放出された電子が蛍光層に向かって効率的に加速されるようにする電子加速電極を備えて、所定の発光又は表示作用をする。
このような電子放出素子において、電子ビームの経路を所望の方向に誘導して素子特性を向上させようとする努力が行われてきた。例えば、電子放出部から放出された電子が第2基板に向かって広く広がって進行する電子放出素子の場合、電子は目的する蛍光層以外にその蛍光層と隣接した他色の蛍光層を同時に発光させるために、画面の色純度が低下する。
したがって、電子ビームの制御のための手段の一つとして集束電極が提案された。通常、集束電極は電子放出部を囲み、電子放出のための構造物の最上部に位置する。この時、駆動電極と集束電極との間には絶縁層が備えられて駆動電極と集束電極との間の通電を防止し、集束電極が電子放出部に対して一定の高さを確保するようにする。また、絶縁層及び集束電極には、電子放出部が第1基板上に露出されるようにする各々の開口部が形成され、電子ビーム移動経路を提供する。
前記絶縁層に開口部を形成する際には主に湿式エッチング工程が適用される。湿式エッチングは、エッチング液に被エッチング体を浸して除去しようとする部位をエッチングする工程であって、等方性エッチング特性を有するため、絶縁層を深くエッチングするほど開口部の幅が広くなる問題点がある。したがって、湿式エッチング工程によっては大きい縦横比の開口部は形成し難しい。
公知のFEA型電子放出素子では、カソード電極上に電子放出部が形成され、第1絶縁層及びゲート電極が、電子放出部が露出されるようにする各々の開口部を有しながらカソード電極上に形成され、第1絶縁層及びゲート電極上に第2絶縁層及び集束電極が形成される。この場合、第2絶縁層と第1絶縁層とを順にエッチングして各絶縁層に開口部を形成すると、第2絶縁層は自己の開口部が形成された後にも第1絶縁層に開口部が形成されるまで持続的なエッチングが行われる。
その結果、第2絶縁層は第1絶縁層よりも大幅の開口部を有するようになり、これは、集束電極がゲート電極よりも大幅の開口部を有することを意味する。このような構造では、電子ビーム経路に対して集束電極が遠く位置するため、電子ビームの集束効率が低下する。
また、電子放出部に対して集束電極が大きな高さを確保するほど、電子ビームの集束効率が良くなるが、従来の電子放出素子は、前述のように第2絶縁層に大きい縦横比の開口部を形成するのは難しいため、集束電極の高さを大きくするには一定の限界がある。
したがって、本発明は前記問題点を解消するためのものであって、本発明の目的は、集束電極が電子ビーム経路にさらに近く位置して電子ビームの集束効率を高め、集束電極を支持する絶縁層に大きな縦横比の開口部を形成することによって、高解像度実現に有利な電子放出素子及びその製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するために本発明は、基板と、基板上に形成されるカソード電極と、カソード電極に電気的に連結される電子放出部と、第1絶縁層を隔ててカソード電極上に形成され、電子放出部が基板上に露出されるようにする複数の開口部を有するゲート電極と、第2絶縁層を隔てて第1絶縁層及びゲート電極上に形成され、ゲート電極の開口部に対応する位置で、ゲート電極の開口部よりも小さな開口部を形成する集束電極と、を含む電子放出素子を提供する。
また、前記目的を達成するために本発明は、互いに対向配置される第1基板及び第2基板と、第1基板上に形成されるカソード電極と、カソード電極に電気的に連結される電子放出部と、絶縁層を隔ててカソード電極上に形成され、電子放出部が第1基板上に露出されるようにする複数の開口部を有するゲート電極と、第1基板及び第2基板と一定の間隔をおいて両基板の間に設置され、ゲート電極の開口部と対応する位置で、ゲート電極の開口部よりも小さな開口部を形成するグリッド電極と、を含む電子放出素子を提供する。
また、前記目的を達成するために本発明は、基板上にカソード電極、第1絶縁層及びゲート電極を順に形成する段階と、ゲート電極及び第1絶縁層に開口部を形成する段階と、第1絶縁層及びゲート電極上に、任意のエッチング液に対してエッチング率が大きな絶縁層からエッチング率が小さな絶縁層の順に異種絶縁層を2階以上積層し、第2絶縁層を形成する段階と、第2絶縁層上に集束電極を形成し、集束電極にゲート電極の開口部よりも小さな開口部を形成する段階と、集束電極の開口部によって露出された第2絶縁層部位をエッチングして、基板に行くほどその幅が広くなる開口部を形成する段階と、を含む電子放出素子の製造方法を提供する。
本発明による電子放出素子は、前述の集束電極の開口部形状によって電子ビームの直進性を高め、電子ビームの集束効率を高める。したがって、本発明による電子放出素子は、画面の色再現率を高めるなど画面品質を向上させる効果があり、電子放出構造物を構成する各要素を固執的に配置することができるので高解像度実現に有利である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。
図1及び図2を参照すれば、電子放出素子は、内部空間部を隔てて互いに平行に配置される第1基板2と第2基板4とを含む。これら基板のうち、第1基板2には電子放出のための構成が提供され、第2基板4には、電子によって可視光を放出して所定の発光又は表示を行う構成が提供される。
より具体的に、第1基板2上には、カソード電極6が第1基板2の一方向(図面のy軸方向)に沿ってストライプパターンを形成し、カソード電極6を覆いながら第1基板2全体に第1絶縁層8が形成される。第1絶縁層8上には、ゲート電極10がカソード電極6と直交する方向(図面のx軸方向)に沿ってストライプパターンを形成する。
カソード電極6とゲート電極10とが交差するサブ−ピクセル領域ごとに、カソード電極10上に少なくとも一つの電子放出部12が形成される。そして、第1絶縁層8及びゲート電極10には、電子放出部12に対応する各々の開口部8a、10aが形成されて、第1基板2上に電子放出部12が露出されるようにする。
前記電子放出部12は、真空中で電界が加われば電子を放出する物質、例えばカーボン系物質又はナノメートルサイズの物質からなることができる。電子放出部12として使用可能な物質には、カーボンナノチューブ、黒鉛、黒鉛ナノファイバー、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン、C60、シリコンナノワイヤー、及びこれらの組み合わせ物質がある。
前記ゲート電極10及び第1絶縁層8上に、第2絶縁層14と集束電極16とが形成される。第2絶縁層14及び集束電極16にも、第1基板2上に電子放出部12が露出されるようにする各々の開口部14a、16aが形成される。この時、集束電極16には、各電子放出部12から放出される電子ビームの経路を囲んでビームの集束効率を高めるように、電子放出部12に一対一に対応する開口部16aを形成する。
図面では、集束電極16が第1基板2全体に形成される場合を示したが、他の実施例として、集束電極が任意パターンに区分されて複数で形成されることができる。また、集束電極16は蒸着による金属膜からなるか、あるいは機械加工又はエッチング工程などを通じて開口部16aが形成された薄い金属板からなることができる。
本実施例では、集束電極16にゲート電極10の開口部10aよりも小さな開口部16aを形成して、集束電極16を通過する電子ビーム通過部位の直径を減少させる。そして、第2絶縁層14は第1絶縁層8よりも大きな厚さで形成されて、集束電極16が電子放出部12に対して大きな高さを確保するようにする。
前記集束電極16の開口部16aは、電子放出部12よりも広いか又は同一な幅を有して形成される。図1及び図2では、一例として集束電極16の開口部16aが電子放出部12と同一な幅を有して形成された場合を示した。
前記第2絶縁層14の開口部14aは、ゲート電極10に向かった下側面から集束電極16の位置する上側面に行くほどその幅が漸進的に狭く形成される。これにより、電子放出素子の断面をみた場合、第2絶縁層14の開口部14aは、その側壁が所定の傾きを有する傾斜面に形成される。このような形状の第2絶縁層14は集束電極16全体を安定的に支持し、電子放出構造物の安定性を高める役割を果たす。
前記第2絶縁層14は、任意のエッチング液に対して互いに異なるエッチング率を有する異種絶縁層の多層構造からなる。つまり、図3に示したように、第2絶縁層14は2個以上(図面では4個)の異種絶縁層18a、18b、18c、18dからなり、これら絶縁層18a、18b、18c、18dは集束電極16から遠くなるほど大きなエッチング率を有する。これにより、第2絶縁層14を湿式エッチングすれば、集束電極16から遠い絶縁層であるほど大幅の開口部が形成される。
このように本実施例で第2絶縁層14は、電子ビームの移動経路を第1基板2から遠くなるほどその幅が狭くなる逆漏斗形状に形成し、集束電極16は、第2絶縁層14上で、ゲート電極10の開口部10aよりも狭い幅の開口部16aを有して形成される。前記構造では、集束電極16の小さくなった開口部16aの大きさにより、電子が集束電極16の開口部16aを通過しながら一定の直進性を有するようになり、電子ビームの経路に対して集束電極16が近く位置することができるので、電子ビームの集束効率が高まる。
一方、第2絶縁層14の開口部14a側壁には、図4に示したように2次電子放出層20を形成することができる。2次電子放出層20は、電子放出部12から放出された電子が第1絶縁層8とゲート電極10とを通過した後、第2絶縁層14の開口部14a側壁に突き当たる場合、2次電子を放出して電子量を倍加させる役割を果たす。2次電子放出層20はMgOなどの酸化物からなることができる。
次に、第1基板2に対向する第2基板4の一面には、蛍光層、例えば赤色、緑色及び青色の蛍光層22R、22G、22Bが相互間任意の間隔をおいて形成され、各蛍光層22の間には、画面のコントラスト向上のための黒色層24が形成される。
前記蛍光層22及び黒色層24上には、アルミニウムのような金属膜からなるアノード電極26が形成される。アノード電極26は、外部から電子ビームの加速に必要な高電圧の印加を受け、蛍光層22から放射された可視光のうち、第1基板2に向かって放射された可視光を第2基板4側に反射させて、画面の輝度を高める役割を果たす。
一方、アノード電極は金属膜でないITO(Indium Tin Oxide)のような透明な導電膜からなることができる。この場合、アノード電極は第2基板に向かった蛍光層及び黒色層の一面に位置し、所定のパターンに区分されて複数で形成することができる。
前述の第1基板2及び第2基板4は、その間にスペーサ28を配置した状態で、低融点ガラスであるガラスフリット(glass frit)によって縁部が一体に接合され、内部空間部を真空状態に維持することによって電子放出素子を構成する。この時、スペーサ28は、黒色層24が位置する非表示領域に対応して位置する。
前記構成の電子放出素子は、外部からカソード電極6、ゲート電極10、集束電極16、及びアノード電極26に所定の電圧を供給して駆動するが、例えば、カソード電極6とゲート電極10とには数乃至数十ボルトの電圧差を有する駆動電圧が印加され、集束電極16には数十ボルトの(−)電圧が印加され、アノード電極26には数百乃至数千ボルトの(+)電圧が印加される。
したがって、カソード電極6とゲート電極10との間の電圧差が臨界値以上であるサブ−ピクセルで電子放出部12の周囲に電界が形成されて、これより電子が放出され、放出された電子は、集束電極16に印加された電圧によって発散角が小さくなる方向に力を受けて集束され、アノード電極26に印加された高電圧に率いられて第2基板4に向かいながら、対応する蛍光層22に衝突してこれを発光させる。
前記過程で、集束電極16の小さくなった開口部16Aの大きさにより、電子が集束電極16の開口部16aを通過しながら優れた直進性を有するようになり、電子ビームの経路に対して集束電極16が近くに位置するので、ビームの集束効率が高まる。
また、図5を参照すれば、電子放出部12から所定の傾斜角を有して広がって放出される電子と、集束電極16の開口部16aを通過できずに遮断された電子とは、そのほとんどが2次電子放出層20に突き当たるようになり、2次電子放出層20はこの電子を受け入れて多量の2次電子を生成する。これで第2絶縁層14の開口部14a内で電子が増幅されて電子放出量が大きくなり、増幅した電子は集束電極16の開口部16aを通過しながら直進性が高まる。
図6を参照すれば、本発明の他の実施例では前述の実施例の第2絶縁層を備えず、前述の実施例の集束電極の代わりに、金属メッシュ形状のグリッド電極を備える。
前記グリッド電極30は、上下部スペーサ32、34によって第1基板2及び第2基板4と一定の間隔を維持しながら両基板の間に配置され、ゲート電極10の開口部10aと対応する位置で、ゲート電極10の開口部10aよりも小さな開口部30aを形成する。グリッド電極30の小さくなった開口部30aの大きさによる電子ビームの集束効果は前述の実施例と同一であるので、詳細な説明は省略する。
図7A乃至図7Gを参照して、本発明の第1実施例による電子放出素子の製造方法について説明する。
図7Aを参照すれば、第1基板2上に導電膜をコーティングし、これをパターニングして、第1基板2の一方向に沿ってカソード電極6を形成し、第1基板2全体に絶縁物質を印刷して第1絶縁層8を形成する。カソード電極6は、例えばITOのような透明導電膜で形成し、第1絶縁層8は、スクリーン印刷を数回繰り返して大略5乃至20μmの厚さで形成することができる。
そして、第1絶縁層8上に導電膜をコーティングし、これをパターニングして、カソード電極6と直交する方向に沿ってゲート電極10を形成すると共に、カソード電極6との交差領域に開口部10aを形成する。
図7Bを参照すれば、第1絶縁層8及びゲート電極10上にフォトレジストパターン36を形成し、フォトレジストパターン36をマスク層として用いて第1絶縁層8をエッチングすることにより、第1絶縁層8に開口部8aを形成する。その後、フォトレジストパターン36を剥離して除去する。
図7Cを参照すれば、第1基板2に形成された構造物上の全体に犠牲層38を形成し、犠牲層38をパターニングして電子放出部の形成位置に開口部38aを形成した後、犠牲層38上に電子放出物質及び感光性物質を含むペースト状混合物40を塗布する。そして、第1基板2の後面から紫外線を照射して犠牲層38の開口部38aに満たされたペースト状混合物40を硬化させ、硬化されない混合物を除去した後、犠牲層38を除去して、図7Dに示した電子放出部12を完成する。
前記電子放出部12を形成する際に犠牲層38を用いれば、電子放出部12がカソード電極6とゲート電極10とにかけて形成されることを抑制して、二つの電極間のショット発生を防止することができる。電子放出部12を形成する方法は前述の例に限定されない。
図7Dを参照すれば、第1絶縁層8の開口部8aに、一例としてフォトレジスト物質を塗布し、電子放出部12を保護層42で覆う。
図7Eを参照すれば、第1絶縁層8及びゲート電極10上に第2絶縁層14を形成する。第2絶縁層14は、任意のエッチング液に対して互いに異なるエッチング率を有する異種絶縁層18a、18b、18c、18dの多層構造からなり、大きなエッチング率を有する絶縁層から小さなエッチング率を有する絶縁層の順で形成する。第2絶縁層14を形成する際には、第2絶縁層14の全体の厚さを第1絶縁層8の厚さよりも大きく形成して、その後に形成される集束電極の電子ビームの集束効果を高めるようにする。
図7Fを参照すれば、第2絶縁層14上に集束電極16を形成し、これをパターニングして、電子放出部12に対応する位置に開口部16aを形成する。この時、開口部16aは、ゲート電極10の開口部10aよりも小さくなるように形成する。
そして、エッチング液を用い、集束電極16の開口部16aによって露出された第2絶縁層14部位をエッチングする。そうすると、集束電極16から遠い絶縁層であるほど大幅の開口部が形成されて、第2絶縁層14が逆漏斗形状の開口部14aが形成される。そして、電子放出部12を覆っていた保護層42を除去し、図7Gに示した電子放出構造物を完成する。
前記電子放出構造物を備えた第1基板2は、その後の蛍光層22、黒色層24及びアノード電極26が形成された第2基板4と一体に組立てられ、内部空間部が排気されて電子放出素子を構成する。
前記では本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることではなく、特許請求の範囲、明細書及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。
本発明の第1実施例による電子放出素子の部分分解斜視図である。 本発明の第1実施例による電子放出素子の部分断面図である。 図2に示した第2絶縁層の部分拡大図である。 本発明の第2実施例による電子放出素子の部分拡大断面図である。 本発明の第2実施例による電子放出素子の部分拡大断面図である。 本発明の第3実施例による電子放出素子の部分断面図である。 本発明の第1実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各製造段階での概略図である。 本発明の第1実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各製造段階での概略図である。 本発明の第1実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各製造段階での概略図である。 本発明の第1実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各製造段階での概略図である。 本発明の第1実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各製造段階での概略図である。 本発明の第1実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各製造段階での概略図である。 本発明の第1実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各製造段階での概略図である。
符号の説明
2 第1基板
4 第2基板
6、6′ カソード電極
8 第1絶縁層
8a、10a、14a、16a、30a、38a 開口部
10 ゲート電極
12 電子放出部
14 第2絶縁層
16 集束電極
18 黒色層
18a、18b、18c、18d 異種絶縁層
20 電子放出層
22 蛍光層
24 黒色層
26 アノード電極
28 スペーサ
30 グリッド電極
36 フォトレジストパターン
38 犠牲層
40 ペースト状混合物
42 保護層

Claims (15)

  1. 基板と;
    前記基板上に形成されるカソード電極と;
    前記カソード電極に電気的に連結される電子放出部と;
    第1絶縁層を隔てて前記カソード電極上に形成され、前記電子放出部が基板上に露出されるようにする複数の開口部を有するゲート電極と;
    第2絶縁層を隔てて前記第1絶縁層及びゲート電極上に形成され、前記ゲート電極の開口部に対応する位置で、ゲート電極の開口部よりも小さい開口部を形成する集束電極と;
    を含むことを特徴とする電子放出素子。
  2. 前記集束電極の開口部が前記電子放出部の幅よりも広いか又は同一な幅を有することを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
  3. 前記第2絶縁層が前記第1絶縁層よりも大きい厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
  4. 前記第2絶縁層が、前記集束電極の開口部と貫通できる開口部を形成し、前記第2絶縁層の開口部が、前記集束電極から基板に行くほどその幅が漸進的に広くなることを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
  5. 前記第2絶縁層が、互いに異なるエッチング率を有する異種絶縁層の多層構造からなることを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。
  6. 前記集束電極と遠い絶縁層であるほど大きいエッチング率を有することを特徴とする請求項5に記載の電子放出素子。
  7. 前記第2絶縁層の開口部側壁に提供される2次電子放出層をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の電子放出素子。
  8. 前記電子放出部が、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラファイトナノファイバー、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン、C60、シリコンナノワイヤーのうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
  9. 前記基板に対向配置される他側基板に形成される少なくとも一つのアノード電極、及びアノード電極のいずれか一面に形成される蛍光層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。
  10. 互いに対向配置される第1基板及び第2基板と;
    前記第1基板上に形成されるカソード電極と;
    前記カソード電極に電気的に連結される電子放出部と;
    絶縁層を隔てて前記カソード電極上に形成され、前記電子放出部が第1基板上に露出されるようにする複数の開口部を有するゲート電極と;
    前記第1基板及び第2基板と一定の間隔をおいて両基板の間に設置され、前記ゲート電極の開口部と対応する位置で、ゲート電極の開口部よりも小さい開口部を形成するグリッド電極と;
    を含むことを特徴とする電子放出素子。
  11. 前記第2基板に形成される少なくとも一つのアノード電極、及びアノード電極のいずれか一面に形成される蛍光層をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の電子放出素子。
  12. (a)基板上にカソード電極、第1絶縁層、及びゲート電極を順に形成する段階と;
    (b)前記ゲート電極及び第1絶縁層に開口部を形成する段階と;
    (c)前記第1絶縁層及びゲート電極上に、任意のエッチング液に対してエッチング率が大きな絶縁層からエッチング率が小さな絶縁層の順で異種絶縁層を2層以上積層し、第2絶縁層を形成する段階と;
    (d)前記第2絶縁層上に集束電極を形成し、集束電極に前記ゲート電極の開口部よりも小さい開口部を形成する段階と;
    (e)前記集束電極の開口部によって露出された前記第2絶縁層部位をエッチングして、前記基板に行くほどその幅が広くなる開口部を形成する段階と;
    を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
  13. 前記(b)段階と(c)段階との間に、前記第1絶縁層の開口部内側で、前記カソード電極上に電子放出部を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の電子放出素子の製造方法。
  14. 前記第1絶縁層の開口部に保護層を形成して、保護層で前記電子放出部を覆い、前記第2絶縁層に開口部を形成した後で前記保護層を除去することを特徴とする請求項13に記載の電子放出素子の製造方法。
  15. 前記第2絶縁層を形成する際、第2絶縁層の全体の厚さを前記第1絶縁層の厚さよりも大きく形成することを特徴とする請求項12に記載の電子放出素子の製造方法。
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