KR100228763B1 - 전계 방출 표시기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출 표시기(field emission display) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 전계 방출 표시기의 전자 전계 방출 전극으로 다결정 다이아몬드 박막을 이용하는데, 증착 조건에 따라서 다결정 다이아몬드의 우선 성장 결정면이 달라지는 것에 이용하여 전계에 의한 전자의 방출이 용이하도록 하기 위하여 다결정 다이아몬드의 (110)면이 우선 성장되고 이와 함께 정삼각형으로 보이는 다이아몬드의 (111)면이 성장되어 피라미드 구조로 전계 방출 전극을 형성하여, 구동전압을 낮추어 소모전력을 감소시키고, 낮은 구동전압에서도 고휘도의 영상표시를 할 수 있는 것이다.

Description

전계 방출 표시기 및 그 제조방법

제1(a)도 내지 제1(e)도는 본 발명의 제1실시예에 따른 전계 방출표시기제조 과정을 도시한 단면도.

제2(a)도 및 제2(b)도는 본 발명에 의해 제조되는 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막의 형상을 도시한 단면도 및 평면도.

제3도는 본 발명의 실시예에 의해 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막을 증착할 때 이용되는 피.이 화학기상증착(Plasma Enhanced CVD) 장비를 개략적으로 도시한 도면.

제4(a)도 내지 제4(d)도는 본발명의 제2실시예에 의해 전계방출역할과 전류가 흐르는 전극 역할을 하면서 단일층으로 이루어진 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막을 제조하고 패턴닝하는 단계를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,21 : 투명지지판 2' : 투명음전극

3 : 다결정 다이아몬드 박막 4 : 격벽

5 : 형광물질층 6 : 투명양전극

7 : 투명지지판 23 : 감광막패턴

22 : 도전성 다이아몬드 음전극 40 : 다결정 다이아몬드 박막의 (111)면

본 발명은 전계 방출 표시기(field emission display; 이하 FED라 칭함)및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 표면에서 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막을 증착하여 저전압에서 전자 방출이 용이하도록 한 FED 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 타 응용분야는 증착 조건에 따라 다결정 다이아몬드의 우선성장 결정면이 바뀌는 것을 이용하여, 일반적으로 표면거칠기가 수인 다이아몬드 박막(100)면이 우선 성장되는 증착조건으로 박막을 형성시키면 다결정 형태가 정방향으로 형성되어 표면거칠기를 수십㎚ 이하로 낮출 수 있어 이러한 박막을 고집적회로의 금속배선 후 최종 보호막으로 사용하면 초고집적회로에서 문제가 되는 내부 회로 보호 및 내부에서 발생된 열방출을 효과적으로 수행하며 박막의 증착중 3족 혹은 5족원소의 불순물을 혼입에 의하여, 실리콘과 같은 반도체로 이용할 수 있다.

음극선관에 의한 영상표시장치는 그 구조상 대형화면(40인치 이상)을 만드는데 기술적 어려움이 크고, 그 두께가 화면크기만큼 증가하는데, 40인치 이상의 대형화면을 구현할 수 있고 그 두께가 수 ㎝정도의 벽걸이형 차세대 영상표시장치로 액정 표시기(Liquid Crystal Display), 플라즈마 영상 표시판(Plasma Display Panel), FED 등을 들 수 있다.

상기 FED는 두 전극사이에 강한 직류 전계를 인가하여 전계에 의해 음극 물질에서 방출되는 고에너지 전자들이 양극이 코팅되어 있는 형광물질과 충돌하여 우리가 볼 수 있는 가시광선의 빛을 외부로 방출시켜 영상을 표시한다.

기존의 FED에서 전계 방출 전극인 음극물질로는 실리콘이나 비정질 다이아몬드 박막(Nalin Kumar, et al., Solid State Tech., May(1995) Page 71 참조)을 이용하는데 전자의 경우 전계에 의한 전자 방출 계수가 상당히 낮기 때문에 전자방출을 높이기 위하여 전극모양을 원뿔형으로 가공하거나 증착하지만 이렇게 형성시킨다 하더라도 10⁶V/㎝정도의 방출 전계가 필요하다. 또한 후자의 경우에는, 비정질 다이아몬드의 조성이 탄소의 sp3결합을 갖는 다이아몬드 구조와 sp2결합을 갖는 흑연상구조가 혼합되어 있는 구조인데, 전계방출이 2×10⁵V/㎝ 이하로 낮은 이유는 그 속에 포함된 sp3 다이아몬드 구조의 음전극자친화도가 타 물질에 비하여 상당히 크기 때문이다.

FED의 음전극물질로 탄소의 sp3 결합구조를 갖는 다이아몬드가 가장 적절하나 현재의 기술로는 박막형 단결정 다이아몬드를 합성하는 기술이 불가능함으로 FED의 전계방출 음전극 물질로 주로 실리콘을 이용하게 된다. 이와 같이 실리콘을 이용하되 가장 간단한 평편한 표면구조로 음전극을 형성하는 경우에 양·음극사이의 전계분포가 균일하므로, 수 십간격의 전극구조상에서의 전계에 의한 전자방출이 이려워 10⁶V/㎝이상의 고전압을 인가해야 하기 때문에, 전계를 한 곳에 집중시킬 수 있는 형태로 실리콘을 가공(원뿔형 음전극)하여 방출전압을 낮추는데, 이러한 경우에도 전자방출에 의한 영상을 구현하는 구동전계는 10⁶V/㎝정도로 상당히 높고 이러한 형상의 실리콘 전극을 형성하기가 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 전자 방출 계수가 비정질 다이아몬드보다 더 큰 다결정 다이아몬드의 (110)면이 우선 성장되고, 이와함께 정삼각형으로 보이는 다이아몬드의 (111)면이 성장되어 피라미드 구조를 갖는 전자 방출 전극을 구비하는 FED 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에서는 FED의 전자 전계 방출 전극으로 다결정 다이아몬드 박막을 이용하는데, 증착 조건에 따라서 다결정 다이아몬드의 우선 성장 결정면이 달라지는 것에 착안, 전계에 의한 전자의 방출이 용이하도록 하기 위하여 피라미드 구조로 전계 방출 전극을 형성하여, 소정의 구동전압 이하로 구동전압을 낮추어 소모전력을 감소시키고, 낮은 구동전압에서도 고휘도의 영상표시를 할 수 있는 것이다.

상기 다이아몬드의 열적 특성은 구리와 비슷한 값의 열전도도를 가지며 열전도도 특성이 우수하며 불순물 혼입에 의한 반도체적 특성이 우수하다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 FED 제조방법에 있어서, 투명지지판의 상부에 음극으로 이용되는 투명전극층을 증착하는 단계와, 상기 투명전극층의 일정부분을 제거하여 투명음전극으로 패터닝하는 단계와, 전체구조 상부에 전자방출원으로 표면이 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막을 증착하는 단계와, 상기 투명 음전극과 투명음전극 사이에 있는 상기 다결정 다이아몬드 박막의 상부에 인접 영상요소와의 절연을 위해 격벽을 형성하는 단계와, 상기 격벽의 상부에 전자에 의해 발광되는 형광물질층을 형성하는 단계와, 형광물질층상부에 투명양전극과 투명지지판을 적층하는 단계로 이루어진다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 FED에 있어서, 투명 지지판 위에 구비되는 투명음전극과, 상기 투명음전극과 투명지지판 상부에 구비된 표면이 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막과, 상기 투명 음전극과 투명음전극 사이에 있는 상기 다결정 다이아몬드 박막의 상부에 인접 영상요소와의 절연을 위해 구비된 격벽과, 상기 격벽의 상부에 구비된 전자에 의해 발광되는 형광물질층과, 형광물질층상부에 구비된 투명양전극과 투명지지판으로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

제1(a)도 내지 제1(e)도는 본 발명의 제1실시예에 의해 다결정 다이아몬드 박막을 구비한 FED를 제조하는 과정을 도시한 단면도이다.

제1(a)도는 다이아몬드를 지지할 수 있는 두께 25㎜정도의 투명지지판(1) 위에 음극으로 이용되는 투명전극층(2)을 증착한 단면도이다.

제1(b)도는 상기 투명전극층(2)의 일정부분을 제거하여 투명음전극(2')으로 패터닝한 단면도이다.

제1(c)도는 전자방출원으로 이용될 0.1-10두께의 다결정 다이아몬드 박막(3)을 플라즈마 여기 화학기상증착법(Plasma Enhanced CVD: 이하에서는 PECVD라 함)으로 증착한 단면도이다.

상기 다결정 다이아몬드 박막(3)에는 다결정 다이아몬드 구조가 형성되는데 그 구조의 일반적인 형태는 8면체(octahedral)에서 입방(cubo)-8면체를 거쳐 정육면체(cubic)까지 다양한 모양을 갖는데, 특정 증착영역에서는 기판과 수직한 방향으로 다이아몬드의 (110)면이 우선 성장되면서 동시에 다이아몬드의 (111)면으로 성장되어 그 다결정 입자형태는 피라미드 구조로 증착된다.

참고로, 제2(a)도와 제2(b)도는 상기 제1(c)도의 공정에서 다결정 다이아몬드 박막(3)을 PECVD법으로 증착한 단면도와 평면도를 도시한 것으로, 투명지지판(1) 위에 음극으로 이용되는 투명음전극(2')과 다결정 다이아몬드 박막(3)이 적층된다.

상기 다결정 다이아몬드 박막(3)은 투명음전극(2)과 평행하게 다이아몬드의 (110)면이 성장되고, 이와 함께 정삼각형으로 보이는 다이아몬드의 (111)면 (제2(b)도의 40 참조)이 성장되어 피라미드 구조를 이룬다. 상기 피라미드 구조는 0.1수크기를 갖는다.

제3도는 상기 다결정 다이아몬드 박막(3)을 증착할 때 사용되는 PECVD 장비를 개략적으로 도시한 도면으로서, 11은 초고주파 소스, 12는 도파관, 13은 석영관, 14는 히타 또는 냉각기, 15는 플라즈마, 16은 기판, 17은 반응실, 18은 펌핑 포트를 도시한다.

상기 다결정 다이아몬드 박막(3)을 증착할 때 PECVD 장비에서 조건은 여기원으로 초고주파(2.45㎓)를 이용하고, 증착기체로는 희석기체 혹은 비다이아몬드 구조를 식각해내는 역할을 하는 수소기체와 다이아몬드원 기체로 임의의 탄소를 포함한 기체 예를 들어 CH₄, CO, C₂H₅OH 또는 CH₃OH 등을 포함시켜 이용하는데, 본 발명에서는 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)의 혼합기체를 예를 든다. 다이아몬드의 (110)면이 우선 성장되는 증착조건은, 전체 혼합기체에 대한 일산화탄소의 비율이 3070 vol.%이고, 압력은 수 mTorr수백 Torr, 초고주파 전력은 10010000W, 기판온도는 다이아몬드가 증착될 기판이 녹는 온도를 고려하여 그 이하의 온도인 상온-800℃정도로 조정한다. 또한 기판상에 피라미드 구조의 일정한 다결정 다이아몬드 입자 크기를 형성하기 위해서는 증착 초기 다이아몬드 핵생성과정에서 핵이 일정한 분포로 형성되기 위해서 핵생성 단계에서 증착공정과 달리 기판에 바이어스를 인가할 수 있다.

상기 다결정 다이아몬드 박막의 다결정 크기를 일정하게 하고, 그 방향성을 일정하게 하기 위하여 증착 초기의 다이아몬드 핵생성시 DC 혹은 RF(1㎑100㎑) 바이어스를 각각(0±1000V) 혹은 (01000W)로 인가할 수 있다.

제1(d)도는 상기 다결정 다이아몬드 박막(3)을 증착한 후, 일반적인 전계방출 표시기를 제조하는 방법과 같이 인접 영상요소와의 절연을 위하여 상기 투명음전극(2')과 투명음전극(2') 사이에 수 십높이의 격벽(4)을 형성한 단면도이다. 상기 격벽에 의해 둘러 싸이는 투명음전극(2')의 면적은 301000 ²

제1(e)도는 상기 격벽(4)의 상부에 전자에 의해 발광되는 형광물질층(5)이 코팅되어 있고, 그 상부에 투명양전극(6)과 투명지지판(7)을 적층한 단면도로서, 상기 격벽(4)에 의해 격리되는 위치에 있는 투명음전극(2')과 투명양전극(6)이 하나의 전계 발광 표시셀로 이용되는 것이다.

상기 투명음전극(2')은 종방향(y축)으로 길게 연장되어 있고, 투명양전극(6)은 횡방향(x축)으로 길게 연장되어 있으므로 x축과 y축으로 어드레스 신호를 인가하면 원하는 전계 발광 소자의 단위 영상요소를 얻을 수 있다.

상기 다결정 다이아몬드 박막은 광학적으로 가시광선 영역에서 투명하고, 실리콘과 같은 4족원소이므로, 3족 혹은 5족 원소의 불순물혼입에 의해 반도체성질을 갖는다. 불순물의 농도는 혼합기체중 0.1 vol.%이하 이므로, 불순물을 혼입한다 하더라도 (110)면이 우선 성장되는 PECVD조건은 바뀌지 않는다. 3족 혹은 5족 원소를 다결정 다이아몬드 합성기체에 혼입하여 PECVD장치에서 증착하면 전도성을 갖는 박막을 얻을 수 있는데, 기존의 전계방출박막/투명음전극 두 층 구조로 되어 있는 음전극을 전계 방출역할도 하고 전류를 흘릴 수 있는 단일층 전극구조로 간단히 형성할 수 있다.

제4(a)도 내지 제4(d)도는 본 발명의 제2실시예에 의해 전계방출 역할을 하는 동시에 전류를 흘릴 수 있도록 단일층 전극구조로 이루어진 다결정 다이아몬드 박막을 제조하고 패턴닝하는 단계를 도시한 단면도이다.

제4(a)도는 투명 지지판(21) 위에 다결정 다이아몬드 박막의 다결정 크기를 일정하게 하고, 그 방향성을 일정하게 하기 위하여 증착 초기의 다이아몬드 핵 생성시 DC 혹은 RF(고주파인 1㎑100㎒ 또는 초고주파인 1100㎓를 이용) 바이어스를 각각 (0±1000V) 또는 (01000W)로 인가하는 PECVD조건에서 혼합기체에 3족의 보론 혹은 5족의 포스포로스 원소기체를 전체 기체에 대하여 (0.0011vol.%) 혼입하여 반도체 특성과 (110)면이 우선성장 특성을 갖는 다결정 다이아몬드 박막(22)을 0.1100두께로 증착한다.

제4(b)도는 상기 다결정 다이아몬드 박막(22) 상부에 감광막패턴(23)을 형성한 것을 도시한 단면도이다.

제4(c)도는 상기 감광막패턴(23)을 마스크로 이용하여 건식식각(24)으로 노출된 다결정 다이아몬드 박막(22)을 식각하여 도전성 다이아몬드 음전극(22')을 형성한 단면도이다.

상기 다결정 다이아몬드 박막(22)의 일정 부분을 식각할 때 식각 기체를 산소 단일 기체 혹은 일정비율의 산소와 수소의 혼합기체를 이용하고, 반응성 이온식각으로 식각한다.

제4(d)도는 상기 감광막패턴(23)을 제거하여 도전성 다이아몬드 음전극(22')을 형성한 단면도이다.

그 이후의 공정은 제1(d)도 및 제1(e)도와 같이 격벽과 형광물질층, 투명양전극, 투명지지판을 형성하는 단계로 진행된다.

상기한 바와 같이 본 발명과 같이 (110)면으로 우선 증착되는 다결정 다이아몬드 박막을 FED의 전자가 방출되는 음전극 부분에 응용하는 것은, 다이아몬드의 높은 음전자 친화도로 인하여 기존의 실리콘을 이용하거나, 비정질 다이아몬드 박막을 전자방출 물질로 이용한 표시기에 비하여 같은 전계에 대하여 전자방출 비율이 높기 때문에 10⁶V/㎝ 이하로 구동전압을 낮출 수 있어 소모전력을 줄일 수 있고, 방출되는 전자의 밀도도 높아 고휘도의 영상을 구현할 수 있기 때문에 차세대 영상 표시기(액정표시기, 플라즈마 표시기, 전계방출 표시기등)에서의 가장 큰 문제점인 휘도 문제를 해결할 수 있다.

Claims (15)

1. 투명지지판의 상부에 음극으로 이용되는 투명전극층을 증착하는 단계와, 상기 투명전극층의 일정부분을 제거하여 투명음전극으로 패터닝하는 단계와, 전체구조 상부에 전자방출원으로 표면이 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막을 증착하는 단계와, 상기 투명 음전극과 투명 음전극 사이에 있는 상기 다결정 다이아몬드 박막의 상부에 인접 영상요소와의 절연을 위해 격벽을 형성하는 단계와, 상기 격벽의 상부에 전자에 의해 발광되는 형광물질층을 형성하는 단계와, 형광물질층상부에 투명양전극과 투명지지판을 적층하는 단계로 이루어지는 전자 방출 표시기 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 다결정 다이아몬드 박막은 플라즈마 여기 화학 증착법(Plasma Enhanced CVD)으로 0.110, 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출 표시기 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 다결정 다이아몬드 박막의 피라미드 구조는 8면체(octahedral), 입방(cubo)-8면체, 정육면체(cubic) 중 임의의 어느 한 형상으로 되는 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 다결정 다이아몬드 박막은 음전극과 평행하게 다이아몬드의 면(110)이 성장되고, 이와 함께 다이아몬드의 (111)면이 성장되도록 하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기 제조방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다결정 다이아몬드 박막의 다결정 크기를 일정하게 하고, 그 방향성을 일정하게 하기 위하여 증착 초기의 다이아몬드 핵생성시 DC 혹은 RF(1㎑100㎒) 바이어스를 각각 (0±1000V) 혹은 (01000W)로 인가하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기 제조방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다결정 다이아몬드 박막 증착시 증착기체로는 희석기체 혹은 비다이아몬드 구조를 식각해내는 역할을 하는 수소기체와 다이아몬드원 기체로 임의의 탄소를 포함한 기체인 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기 제조방법.
7. 투명지지판 위에 저자 방출 물질로 이용되는 동시에 음 전극으로 이용되는 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막을 PECVD 법으로 증착하는 단계와, 상기 다결정 다이아몬드 박막의 일정 부분을 식각하여 음전극을 형성하는 단계와, 상기 음전극과 음전극 사이에 있는 상기 다결정 다이아몬드 박막의 상부에 격벽을 형성하는 단계와, 상기 격벽의 상부에 전자에 의해 발광되는 형광물질층을 형성하는 단계와, 형광물질층상부에 투명양전극과 투명지지판을 적층하는 단계로 이루어지는 전자 방출 표시기 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 다결정 다이아몬드 박막을 PECVD 법으로 증착할 때 증착용혼합기체에 3족 혹은 5족 원소기체를 전체 기체에 대하여 0.0011 vol.% 혼입하여 증착하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기 제조방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 다결정 다이아몬드 박막을 PECVD 법의 플라즈마 발생 전원 주파수가 고주파(11000㎒) 또는 초고주파(1100㎓)를 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기 제조방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 다결정 다이아몬드 박막의 일정 부분을 식각할 때 식각 기체를 산소 단일 기체 혹은 일정비율의 산소와 수소의 혼합기체를 이용하는 반응성 이온식각인 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기 제조방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 다결정 다이아몬드 박막내의 다결정 크기를 일정하게 하고 그 방향성을 일정하게 하기 위하여 증착초기의 다이아몬드 핵성장시 DC 혹은 RF(1㎑100㎒) 바이어스를 각각 (0±1000V) 혹은 (01000W)로 인가하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기 제조방법.
12. 투명지지판 위에 구비되는 투명음전극과, 상기 투명음전극과 투명지지판 상부에 구비된 표면이 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막과, 상기 투명 음전극과 투명음전극 사이에 있는 상기 다결정 다이아몬드 박막의 상부에 구비된 인접 영상요소와의 절연을 위해 격벽과, 상기 격벽의 상부에 구비된 전자에 의해 발광되는 형광물질층과, 형광물질층상부에 구비된 투명양전극과 투명지지판으로 이루어지는 전자 방출 표시기.
13. 제12항에 있어서, 상기 다결정 다이아몬드 박막은 0.110두께인 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기.
14. 제12항에 있어서, 상기 격벽에 의해 둘러 싸이는 투명음전극의 면적은 301000 ²인 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기.
15. 제12항에 있어서, 상기 투명음전극과 피라미드 구조를 갖는 다결정 다이아몬드 박막이 전계 방출 역할과 전류가 흐르는 전극 역할을 동시에 수행하는 단일층으로 구비된 것을 특징으로 하는 전자 방출 표시기.