KR100286454B1 - 전계방출 이미터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저전압 고전류 밀도를 갖는 다이아몬드상 카본재질을 이용한 전계방출 이미터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 전계방출 이미터는 전자를 방출하는 머리부와 머리부를 지지하는 네크부로 이루어진 이미터와, 이미터에 전계를 인가하기 위한 이미터전극을 구비하는 것으로써, 상기 이미터의 재질은 다이아몬드상 카본인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 미세패턴화가 가능한 감광성수지 패턴에 의해서 미세패턴화가 곤란했던 다이아몬드상 카본 전계방출 이미터를 형성함으로써, 저전압하에 고전류 밀도를 갖는 다이아몬드상 카본 전계방출 이미터를 구현할 수 있다.

Description

전계방출 이미터 및 그 제조방법(Field Emission Emitter and Fabrication Method thereof )

본 발명은 다이아몬드상 카본막을 이용한 전계방출 디스플레이 장치에 관한 것으로, 특히 저전압 고전류 밀도를 갖는 다이아몬드상카본 전계방출 이미터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근들어, 전계방출디스플레이(Field Emission Display; 이하, FED라 한다)는 차세대 평면디스플레이로 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있고 소형디스플레이인 경우는 부분적으로 실용화가 되고 있다.

FED의 대형화가 어려운 것은 현재 이미터의 주된 제조공정이 미세팁에 의한 전자방출을 이용하고 있고 이 팁의 제조방법이 스핀트 등에 의해 고안된 스핀트법을 활용하고 있는데 이것은 팁을 제조할 때 팁이 형성될 작은 구멍을 만들어 두고 팁물질을 전자빔증착법에 의해 형성되는 부위를 회전시키면서 팁이 형성되는 입구를 줄임으로써 최종적으로 미세팁을 형성하므로 장비의 정밀제어 뿐만 아니라 대면적화하는 데는 어려움이 있다. 또한, 이 스핀트법에 의해 형성된 팁간의 팁상단 곡률(즉, 팁의 상단부 주위의 게이트의 곡률)이 각각 달라 전계방출 특성을 제어하는데 어려움이 있다. 더불어, 이미터 팁의 재질로써 금속을 이용하는데 이 금속재질 팁의 대부분은 디스플레이의 내부공간에 존재하는 잔류가스를 흡착함으로써 전자방출 특성이 저하되는 문제점이 대두되고 있다.

한편, 다른 방법에 따른 전계방출 이미터는 실리콘 기판을 식각하여 만드는데 이 방식은 실리콘 팁의 안정성에 문제가 있으며 대면적화에 적용하기 어려운 문제점을 가지고 있다.

그리고, 상기 금속이나 실리콘 모두 일함수가 높으므로 이를 이용하여 전자가 방출되기 위해서는 높은 전압을 인가할 필요가 있다.

이에 따라, 가스와의 반응이 어려운 화학적인 안정성과 저전압에 의해서도 전자방출특성이 우수한 전계방출 이미터가 요구되고 있다.

이와 같은 어려움을 해결하기 위하여 다이아몬드나 다이아몬드상 카본을 이용한 평면형의 전자방출소자에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

이를 위하여, 화학적인 안정성과 저전압에서도 전자가 방출되는 다이아몬드 및 다이아몬드상 카본계 전자방출이미터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 다이아몬드 및 다이아몬드상 카본계 물질은 팁 형태가 아니더라도 전자방출이 일어나므로 종래와 같이 별도의 팁을 만들 필요가 없는 장점이 있다.

그런데, 이 다이아몬드 및 다이아몬드상 카본을 전계방출이미터로 이용하기 위해서는 별도의 미세한 패턴을 형성하여야 하는데 다이아몬드가 갖는 화학적, 기계적 안정성으로 인하여 패턴 형성이 어려운 단점이 있다. 특히, 다이아몬드 및 다이아몬드상 카본을 박막으로 형성한 후 습식에칭을 하는 것은 거의 불가능하므로수소이온이나 산소이온을 이용하는 반응성이온에칭법을 이용하는데 이 방식에 의해서도 정밀한 패턴을 형성하는 것이 어렵다.

이에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이 미리 패턴을 형성하여 두고 패턴부위에 선택적으로 다이아몬드나 다이아몬드상 카본막을 형성함으로써 원하는 미세한 패턴을 형성하고 있다.

도 1은 종래의 다이아몬드상 카본막 제조방법을 단계적으로 나타내는 단면도로써, 이는 가장 많이 시도되고 있는 다이아몬드상 카본막 제조방법이다.

우선, 도 1a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(10) 상에 절연층(SiO₂)(12)을 형성한다. 이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이 절연층(12) 상에 게이트전극을 이루는 금속층(Mo)(14) 을 형성한다. 그 다음, 도 1c에 도시된 바와 같이 게이트 금속층(14) 상에 분리용 금속층(Al)(16)을 형성한다. 그리고, 도 1d에 도시된 바와 같이 분리 금속층(16) 상에 감광성수지 패턴(18)을 형성한다. 이 감광성수지 패턴(18)은 게이트 금속층(16)에 감광성수지막을 형성한후 포토리소그라피 공정에 의해 패턴화함으로써 형성되게 된다. 이 감광성수지 패턴(18)을 통해 분리금속층을 식각한 후 그 감광성수지 패턴(18)를 제거함으로써 도 1e에 도시된 바와 같이 게이트 금속층(14) 상에 분리층 패턴(16a)을 형성한다. 이 분리층 패턴(16a)을 통하여 게이트 금속층(14)과 절연층(12)을 순차적으로 식각해내어 도 1f에 도시된 바와 같이 기판(10) 상에 순차적으로 적층된 절연층 패턴(12a)과 게이트전극 패턴(14a) 및 분리층 패턴(16a)을 형성한다. 여기에, 다아아몬드상카본 물질을 물리증착법으로 형성함으로써 도 1g에 도시된 바와 같이 패턴 내의 기판(10)과 분리층 패턴(16a) 상에 다이아몬드상카본(20)이 형성되게 된다. 끝으로, 분리층 패턴(16a)과 그 위에 형성된 다이아몬드상카본(20b)를 제거함으로써 도 1h에 도시된 바와 같이 패턴 내의 기판(10) 상에 다이아몬드상카본 이미터(20a)가 형성된 전계방출 어래이를 완성한다.

이와 같이 종래의 다이아몬드상 카본 이미터 제조방법은 에칭공정에 의해 형성된 금속과 절연체 패턴을 통하여 다이아몬드상 카본 패턴을 형성한다. 여기서, 저전압으로 구동될 수 있는 미세한, 즉 마이크로미터(㎛)의 다이아몬드상 카본 패턴을 형성하기 위해서는 상기 금속층과 절연체 박막의 물성을 정밀하게 제어하여 식각해내야만 한다. 그런데, 현재까지의 기술로는 상기 금속층 및 절연체 박막의 미세패턴화는 낮은 수준의 마이크로패턴화가 가능한 정도로써 정밀한 다이아몬드상 카본 패턴을 형성하는 것이 어려운 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 저전압하에서 전자방출특성이 우수한 전계방출 이미터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 높은 전계방출전류를 지니는 전계방출 이미터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 대면적의 FED를 구현할 수 있는 전계방출 이미터 및 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 다이아몬드상 카본 이미터를 형성하는 공정을 단계적으로 나타내는 단면도.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다이아몬드상 카본 이미터를 형성하는 공정을 단계적으로 나타내는 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명〉

10,30 : 기판 12, 34 : 절연층

12a, 34a : 절연층 패턴 14 : 게이트전극

14a : 게이트전극 패턴 16 : 분리금속층

16a : 분리층 패턴 18, 36 : 감광성수지 패턴

20, 40 : 다이아몬드상 카본 박막 20a, 40a : 다이아몬드상 카본 이미터

32 : 이미터전극 38 : 도금패턴

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전계방출 이미터는 전자를 방출하는 머리부와 머리부를 지지하는 네크부로 이루어진 이미터와, 이미터에 전계를 인가하기 위한 이미터전극을 구비하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 이미터의 재질은 다이아몬드상 카본인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전계방출 이미터는 전자를 방출하는 평면 이미터와, 이미터에 전계를 인가하기 위한 이미터전극을 구비하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 이미터의 재질은 다이아몬드상 카본인 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 전계방출 이미터 제조방법은 임의의 기판을 마련하여 기판 상에 이미터 전극을 형성하는 제1 단계와, 이미터 전극 상에 적층된 절연층 패턴과 감광성수지 패턴을 형성하는 제2 단계와, 패턴사이의 이미터 전극 상에 도금패턴을 형성하는 제3 단계와, 도금패턴 상에 이미터를 형성하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 전계방출 이미터 제조방법은 임의의 기판을 마련하여 기판 상에 이미터 전극을 형성하는 제1 단계와, 이미터 전극 상에 감광성수지 패턴을 형성하는 제2 단계와, 감광성수지 패턴사이의 이미터 전극 상에 도금패턴을 형성하는 제3 단계와, 도금패턴 사이의 이미터 전극 상에 이미터를 형성하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

우선, 본 발명에 따른 전계방출 이미터의 재질로써 저전압하에서도 높은 전자방출특성을 지니는 다이아몬드 또는 다이아몬드상 카본을 이용한다.

이하, 도 2를 참조하여 초미세패턴화가 가능한 다이아몬드상 카본 이미터를 제조하는 방법을 단계적으로 설명하기로 한다.

도 2a를 참조하면, 기판(30) 상에 순차적으로 적층된 구조의 이미터전극(32)과 절연층(34)이 도시되어 있다. 이미터전극(32)과 절연층(34)은 통상의 박막공정에 의해 기판(30) 상에 순차적으로 적층되게 된다.

도 2b를 참조하면, 기판(30) 상에 형성된 이미터 전극(32)과, 이미터 전극(32) 상에 순차적으로 적층된 절연층 패턴(34a)과 감광성수지 패턴(36)이 도시되어 있다. 감광성수지 패턴(36)은 절연층(34) 상에 감광성수지막을 도포한 후 포토리소그라피 공정에 의해 감광성수지막을 패턴화함으로써 미세하게 형성되게 된다. 이때, 감광성수지막의 두께는 다음에 형성될 팁의 높이를 결정하는 중요한 요소가 되게 된다. 다시말하여, 팁의 높이는 이 감광성수지막의 두께에 의해 결정되게 된다. 절연층 패턴(34a)은 감광성수지 패턴(36)를 통하여 식각해냄으로써 미세하게 형성되게 된다.

도 2c를 참조하면, 미세한 절연층 패턴(34a)과 감광성수지 패턴(36)에 의해 노출된 이미터전극(32) 상에 형성된 'T'자 형상의 도금패턴(38)이 도시되어 있다. 이 도금패턴(38)은 금속재질로써 전기도금법에 의해 형성된 것으로써, 이미터전극(32)에 전압을 인가한 후 금속물질을 성장시킴에 따라 패턴 사이의 이미터전극(32) 상에 곡면의 표면을 갖는 도금패턴(38)이 형성되게 된다. 이때, 도금패턴(38)은 감광성수지 패턴(36)의 일부분을 도포하는 형태로 형성되며 감광성수지 패턴(36)의 표면에 형성되는 도금패턴(38)의 폭(a)은 도금패턴(38)의 형성조건에 따라 조절되게 된다.

이어서, 감광성수지 패턴(36)를 제거하여 'T'자 형상으로 소정의 높이를 갖는 도금패턴(38)을 마련한 후 도 2d에 도시된 바와 같이 물리증착방식을 이용하여 다이아몬드상 카본 입자를 입사시켜 금속패턴(38) 및 절연층 패턴(34a)의 상부에 다이아몬드상 카본 박막(40)을 형성한다. 다이아몬드상 카본 박막(40)은 레이져 어블레이션, 플라즈마 제트 방식 등과 같은 물리증착방식에 의해 다이아몬드 카본 입자를 수직방향으로 입사시킴으로써, 도금패턴(38) 및 절연층 패턴(34a)의 상부에 다이아몬드상 카본 박막(40)이 형성되게 된다. 여기서, 도금패턴(38)의 상부에 형성된 다이아몬드상 카본 박막(40a)은 곡면형상으로써 전자를 방출하는 이미터 역할을 하게 된다. 또한, 절연층 패턴(34a) 상에는 도금패턴(38)의 머리부에 의한 새도우 효과로 인하여 절연층 패턴(34a) 상에는 다이아몬드상 카본 박막(40b)이 중앙부를 중심으로 부분적으로 형성되게 된다. 이에 따라, 절연층 패턴(34a) 상에 형성된 다이아몬드상 카본 박막(40b)은 전자방출에 큰 영향을 미치지 않게 된다. 또한, 상기 물리 증작공정에 의해 도금패턴(28)의 벽면에 다이아몬드상 카본막이 형성될 수 있지만 이는 극히 미량으로써 역시 전자방출에 영향을 미치지 않는다. 이에 따라, 본 발명의 전계방출 이미터 제조방법에 의하면 곡면의 전자방출표면을 갖는 전계방출 이미터가 완성되게 된다.

이와 같이, 곡면을 갖는 전계방출 이미터를 형성한 후 절연층 패턴(34a)과 그 위의 다이아몬드상 카본 박막(40b)을 제거하고 도금패턴(38) 사이에 절연층과 게이트전극을 형성함으로써, 이미터와 게이트 그리고 형광체가 형성된 애노드(Anode)를 구비하는 3극 FED를 구현할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 전계방출 이미터 제조방법의 다른 실시 예로써, 도 2a에 도시된 절연층(34)을 형성하지 않은 상태에서 도 2b에 도시된 감광성수지 패턴(36)을 형성한 후 전기도금을 실시하여 도금패턴(38)을 형성하고 다이아몬드상 카본 물질을 물리증착시킬 수 있다. 이에 따라, 도금패턴(38) 사이의 이미터전극(32)과 도금패턴(38)의 표면 각각에 다이아몬드상 카본 박막(40a, 40b)이 형성된다. 그리고, 제2 실시 예에 따른 전계방출 이미터 제조방법은 도 2에 도시된 제1 실시 예에 따른 전계방출 이미터 제조방법과는 달리 도금패턴(38) 상에 형성된 다이아몬드상 카본 박막(40a)을 도금패턴(38)과 함께 제거하여 이미터전극(32) 상에 미세한 다이아몬드상 카본 박막(40b)이 형성된 전계방출 이미터를 완성하게 된다. 이때, 이미터전극(32) 상에 형성된 미세한 다이아몬드상 카본 박막(40b)이 전자를 방출하는 이미터 역할을 하게 된다.

이와 같이, 본 발명은 감광성수지 패턴을 통하여 다이아몬드상 카본 패턴을 형성하므로 종래의 다이아몬드상 카본 패턴을 형성하는 방법보다 높은 수준의 선폭을 지니는 다이아몬드상 카본 패턴의 형성이 가능함으로써, 저전압하에서 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 다이아몬드상 카본 전계방출 이미터를 구현할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전계방출 이미터 및 그 제조방법에 의하면, 미세패턴화가 가능한 감광성수지 패턴에 의해서 화학적 안정성으로 인하여 미세패턴화가 곤란했던 다이아몬드상 카본 전계방출 이미터를 형성할 수 있다. 이에 따라, 극히 미세하여 저전압하에 고전류밀도를 갖는 다이아몬드상 카본 전계방출 이미터를 형성할 수 있으므로 FED의 고성능화를 도모할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 전계방출 이미터 제조방법은 일반화된 박막공정과 도금공정 및 포토리소그라피공정과 같은 간단한 제조공정을 이용함므로써 대면적의 FED에 응용할 수 있을 뿐만 아니라 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (24)

1. 기판 상에 형성된 이미터전극과, 상기 이미터전극으로부터 인가되는 전계에 의해 전자를 방출하는 머리부와 상기 머리부보다 얇은 직경을 가지는 네크부로 이루어진 이미터패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터.
2. 제1항에 있어서, 상기 이미터패턴들 사이에 노출된 상기 이미터전극 상에 형성된 절연체패턴과, 상기 절연체패턴 상에 형성된 게이트전극패턴을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터.
3. 제1항에 있어서, 상기 이미터패턴의 머리부는 표면이 곡면인 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터.
4. 제1항에 있어서, 상기 이미터패턴의 머리부에는 다이아몬드상 카본 재질의 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터.
5. 제1항에 있어서, 상기 이미터패턴은 그 단면이 T자 형상인 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터.
6. 기판 상에 형성된 이미터전극과, 다이아몬드상 카본 재질로 상기 이미터전극 상에 형성되어 상기 이미터전극으로부터 인가되는 전계에 의해 전자를 방출하는 평면 이미터패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터.
7. 제6항에 있어서, 상기 이미터패턴들 사이에 노출된 상기 이미터전극 상에 형성되며 상기 이미터와 소정의 이격거리를 갖는 절연체패턴과, 상기 절연체패턴 상에 형성된 게이트전극패턴을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터.
8. 임의의 기판을 마련하여 상기 기판 상에 이미터전극을 형성하는 제1 단계와, 상기 이미터전극 상에 적층된 절연체패턴과 감광성수지패턴을 형성하는 제2 단계와, 상기 적층된 절연체패턴과 감광성수지패턴 사이에 노출된 이미터전극 상에 전기도금법을 이용하여 금속을 성장시킴으로써 도금패턴을 형성하는 제3 단계와, 상기 도금패턴 상에 이미터패턴을 형성하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2단계는 상기 이미터전극 상에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층 상에 감광성수지막을 형성하는 단계와, 상기 감광성수지막을 포토리소그라피 공정에 의해 패턴화하여 상기 감광성수지 패턴을 형성하는 단계와, 상기 감광성수지 패턴을 통하여 상기 절연층을 패터닝하여 상기 절연체패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 도금패턴은 상기 감광성수지패턴의 일부분을 덮도록 형성되며 상기 도금패턴의 표면은 곡면인 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 전극도금조건을 조절하여 상기 감광성수지패턴을 덮는 상기 도금패턴의 폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 제3 단계는 상기 도금패턴이 형성된 후, 상기 감광성수지패턴을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 제4 단계에서 상기 이미터패턴은 기상물리증착공정을 이용하여 상기 도금패턴과 절연체패턴의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 절연체패턴과 그 위에 형성된 이미터패턴을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
15. 제8항에 있어서, 상기 이미터패턴의 재질은 다이아몬드상 카본인 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
16. 제8항에 있어서, 상기 도금패턴의 높이는 상기 감광성수지패턴의 두께로 조절하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
17. 제8항에 있어서, 상기 이미터패턴은 단면이 T자 형상인 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
18. 임의의 기판을 마련하여 상기 기판 상에 이미터전극을 형성하는 제1 단계와, 상기 이미터전극 상에 감광성수지 패턴을 형성하는 제2 단계와, 상기 감광성수지 패턴사이에 노출된 상기 이미터전극 상에 전기도금법을 이용하여 금속을 성장시킴으로써 도금패턴을 형성하는 제3 단계와, 상기 도금패턴 사이에 노출된 이미터전극 상에 이미터패턴을 형성하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 이미터 전극 상에 감광성수지막을 형성하는 단계와, 상기 감광성수지막을 포토리소그라피 공정에 의해 패터닝하여 상기 감광성수지패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
20. 제18항에 있어서, 상기 도금패턴은 상기 감광성수지 패턴의 일부분을 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
21. 제18항에 있어서, 상기 제3 단계는 상기 감광성수지 패턴을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
22. 제18항에 있어서, 상기 제4 단계는 상기 도금패턴과 절연체패턴의 표면에 기상물리증착공정을 이용하여 이미터물질층을 형성하는 단계와, 상기 도금패턴과 그 위에 형성된 이미터물질층을 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
23. 제18항에 있어서, 상기 이미터패턴의 재질은 다이아몬드상 카본인 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.
24. 제18항에 있어서, 상기 전기도금조건을 조절하여 상기 감광성수지패턴을 덮는 상기 도금패턴의 폭을 조절하여 상기 이미터의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터 제조방법.