KR100287116B1 - 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 상기 전계방출 표시장치는 기판(11)위에 캐소드 전극(12), 저항체층(13), 절연체층(14) 및 게이트 전극(15)을 순차적으로 형성시키고 상기 게이트 전극의 애퍼처(16) 사이에 전계방출 캐소드(17)를 형성시켜서 된 전계방출 표시장치에 있어서, 상기 전계방출 캐소드(17)의 선단부를 웨지형태로 형성시켜서 된 것으로 구성된다. 따라서, 본 발명은 저전압 구동(약 50V)이 가능함과 동시에 수십배 이상의 전자밀도 및 수명을 증가시킬 수 있는 효과가 있으며, 제조공정적인 측면에서 볼때 공정수율을 기존의 스핀트방식보다 2배이상 올릴 수 있으며 설비투자 규모를 줄일 수 있는 잇점이 있다.

Description

저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치 및 이의 제조방법
제1도는 종래의 전계방출 표시장치의 단면도이고,
제2도는 본 발명의 전계방출 표시장치의 단면도이며,
제3도는 제2도의 사시도이고,
제4a~d도는 본 발명의 전계방출 표시장치의 제조공정도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1, 11 : 기판 2, 12 : 캐소드 전극
3, 13 : 저항체층 4, 14 : 절연체층
5, 15 : 게이트 전극 6, 16 : 게이트 전극 에퍼처
7, 17 : 전계방출 캐소드 18 : 절연체층 애퍼처
19 : 분리층 20 : 희생층
본 발명은 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치(field emission display devices) 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 평판 표시소자(flat panel display)에 적용할 수 있는 전계방출 화상표시장치의 제조시, 전자를 방출하는 전계방출 캐소드를 기존의 포인트(point) 캐소드에서 웨지(wedge) 캐소드로 바꿈으로써 전자밀도 및 수명특성을 향상시키며 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 화상 표시장치는 크게 음극선관인 CRT(Cathode Ray Tube)와 최근 급격히 각광을 받고 있는 평판 표시소자인 액정 표시 소자(LCD), 플라즈마 표시소자(PDP), 형광 표시소자(VFD)등으로 구분할 수 있다.
CRT의 경우, 화질 및 밝기의 측면에서 상당히 양호한 성능을 가지고 있으나, 이의 크기가 증가함에 따라 부피 및 무게측면에서 매우 불리한 단점을 가지고 있다. 반면에, 평판 표시소자의 경우에는 부피 및 무게의 측면에서는 CRT보다 매우 유리한 장점을 가지고 있으나, 화질 및 밝기 측면에서는 CRT보다 아직까지 떨어지는 단점을 가지고 있다.
최근에 와서 반도체 제작기술이 급격히 발전함에 따라 전계방출 표시장치의 제작시 전계방출 캐소드를 미세패턴 형성기술을 이용하여 미세가공하여 제작함으로써 화상 표시소자에 적용할 수 있게 되었으며, CRT와 동일한 화질성능을 가짐과 동시에 평판 표시소자의 형태를 유지시킬 수 있는 전계방출 표시장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 발명도 또한 이러한 평판 표시소자에 적용할 수 있는 전계방출 화상표시장치의 구조 및 제조방법에 관계된 것이다.
제1도는 종래의 전계방출 표시장치의 단면도를 나타낸 것으로, 종래의 전계방출 표시장치는 기판(1)위에 캐소드 전극(2), 저항체층(3), 절연체층(4) 및 게이트 전극(5)을 순차적으로 형성시키고 상기 게이트 전극의 애퍼처(aperture, 6) 사이에 예리한 선단부를 가지는 전계방출 캐소드(7)를 형성시켜서 된 구조이다.
한편, 이러한 구조의 전계방출 표시장치의 제조시에는 전계방출 캐소드의 대표적인 제조방법인 스핀트(Spindt) 방식이 적용되고 있는데, 가장 핵심이 되는 기술로는 서브-미크론(sub-micron) 크기의 선단을 가지는 캐소드 팁(cathode tip) 형성기술과 게이트 전극위에 형성되는 게이트 전극의 애퍼처 형성기술이 매우 큰 비중을 차지하고 있다. 그중에서 게이트 전극의 애퍼쳐 형성기술에는 사진식각(lithography)기술에 의한 미세패턴 형성공정이 현재 적용되고 있다.
그러나, 현재 광범위하게 적용되고 있는 사진식각기술의 일종인 포토리소그래피(photolithography)공정에서는 원하는 형상의 패턴 노광장치에서 사용되는 자외선 파장의 경우, 선 자체의 선폭한계에 의해서 최소패턴 형성에 한계가 있으므로 전계방출 캐소드의 전자방출을 위하여 요구되는 강전계 값은 게이트 전극의 애퍼처에서 약 5 × 107V/cm정도의 강전계의 형성에 필요한 약 1.2±0.2㎛정도의 게이트 전극 애퍼처의 직경이 요구되므로 게이트 전극의 애퍼처 패턴 형성공정에서 게이트 전극 애퍼처의 직경이 약 2.0±0.2㎛정도로 커지는 문제점에 따라 전계의 형성이 불완전해져 전계방출 캐소드의 구동전압이 매우 높이 올라가는 문제점이 있었으며, 이와 동시에 캐소드 선단부분의 형성시 선단 부분의 반경이 약 500Å정도가 요구되면서 서브-미크론 크기의 조절이 요구됨에 따라 일정 표시면적의 전자방출 균일성(uniformity)의 확보등에 많은 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결할 뿐만 아니라 전자밀도 및 수명특성을 향상시킬 수 있는 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 전계방출 표시장치의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전계방출 표시장치는, 기판위에 캐소드 전극, 저항체층, 절연체층 및 게이트 전극을 순차적으로 형성시키고 상기 게이트 전극의 애퍼처 사이에 전계방출 캐소드를 형성시켜서 된 전계방출 표시장치에 있어서, 상기 전계방출 캐소드의 선단부를 웨지형태로 형성시켜서 된 것으로 구성된다.
본 발명의 전계방출 표시장치의 제조방법은, 기판위에 캐소드 전극, 저항체층, 절연체층 및 게이트 전극을 박막형태로 순차적으로 형성시키고 상기 게이트 전극의 애퍼처 사이에 전계방출 캐소드를 형성시키는 전계방출 표시장치의 제조방법에 있어서, 기판을 회전시켜 전계방출 캐소드의 선단부가 게이트 전극 애퍼처와 1㎛이내의 거리로 유지되도록 하면서 게이트 전극 애퍼처의 단면 중앙에 일치되는 높이까지 증착시켜 웨지형태의 선단을 가지는 전계방출 캐소드를 제작하는 것으로 이루어진다.
이하 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
평판 표시소자에 적용할 수 있는 전계방출 표시장치는 전술한 바와 같이 CRT와 동일한 화질성능을 가짐과 동시에 평판 표시소자의 형태를 유지시킬 수 있으므로 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 전계방출 캐소드에서의 구동전압이 상승하거나 전자방출의 균일성 확보의 어려움등 많은 문제점이 있었다.
본 발명자는 이러한 문제점을 감안하여 연구를 거듭한 결과, 전계방출 캐소드의 선단부를 기존의 포인트 형태에서 웨지형태로 바꿈으로써 전자밀도 및 수명특성을 향상시키고 저전압 구동이 가능한 본 발명의 전계방출 표시장치 및 이의 제조방법을 개발한 것이다.
제2도는 본 발명의 전계방출 표시장치의 단면도이고, 제3도는 제2도의 사시도이며, 제4(a)~(d)도는 본 발명의 전계방출 표시장치의 제조공정도를 나타낸 것으로 도면중 부호 11은 기판, 12는 캐소드 전극, 13은 저항체층, 14는 절연체층, 15는 게이트 전극, 16은 게이트 전극 애퍼처, 17은 전계방출 캐소드, 18은 절연체층 애퍼처, 19는 분리층, 20은 희생층이다.
제2도에 의하면, 본 발명의 전계방출 표시장치는 기판(11)위에 캐소드 전극(12), 저항체층(13), 절연체층(14) 및 게이트 전극(15)을 순차적으로 형성시키고 상기 게이트 전극의 애퍼처(16) 사이에 전계방출 캐소드(17)를 형성시켜서 된 전계방출 표시장치에 있어서, 상기 전계방출 캐소드(17)의 선단부를 웨지형태로 형성시켜서 된 구조이다.
한편, 본 발명의 전계방출 표시장치에 적용되는 전계방출 캐소드 부분의 제조방법을 제4(a)~(d)도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기판(11)위에 캐소드 전극(12)을 선전극 형태로 x-방향전극으로 패터닝공정에 의해 형성시키고 그 위에 비정질 재질의 전류제한용 저항체층(13)과 SiO2절연체층(14)을 형성시킨다. 이때 상기 저항체층(13)과 절연체층(14)은 PECVD법에 의해 형성되지만, 이러한 방법에 극한되는 것은 아니다. 그 다음, 전자빔 증착법에 의해 게이트 전극(15) 및 분리층(19)을 순차적으로 형성시킨다. 이때 상기 게이트 전극(15)은 Mo 또는 Nb성분이며, 분리층(19)은 Al성분이다.
상기 게이트 전극(15)을 선전극 형태로 y-방향 전극으로 패터닝 시킨 다음, 전계방출 캐소드(17)가 형성될 부분에 반응성 이온에칭법을 이용한 애퍼처 에칭공정을 수행하여 분리층(19)으로부터 절연체층(14)까지 에칭시켜 애퍼처(16)를 형성시킨다.
그후, 방향성 증착이 가능한 전자빔 증착기를 사용하여 기판(11)을 회전시키면서 전계방출 캐소드(17)를 제작한다. 이때 전계방출 캐소드(17)의 제조공정은 전계방출 캐소드(17)의 선단부를 게이트 전극 애퍼처(16)와 1㎛이내의 거리, 바람직하기로는 0.5㎛이내의 거리로 유지시키면서 게이트 전극 애퍼처(16)의 단편 중앙에 일치될 수 있는 높이까지 증착시켜 수행된다.
최종적으로, 리프트 오프(lift off)공정에 의해 분리층(19)을 제거하므로써 본 발명의 전계방출 표시장치의 제작이 완료된다.
한편, 전술한 공정에 의해 제작된 본 발명의 전계방출 표시장치의 동작원리를 제3도에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
제3도에 도시한 바와 같이, 캐소드 전극(12)과 게이트 전극(15)에 전원을 공급하여 상기 전극들 사이에 80V정도의 전위치가 인가되면 전계방출 캐소드(17)의 선단부와 게이트 전극의 애퍼처(16) 사이에 5 × 107V/cm정도의 강전계가 유지되면서 전계방출 캐소드(17)의 선단부에서 전자들이 방출되고 이러한 방출 전자들이 형광체층이 형성되어 있는 애노드 전극으로 가속되어 충돌되므로써 원하는 화상표시를 수행할 수 있게 된다. 이때, 전자들이 이동되는 영역에는 10-6~10-7torr정도의 진공도가 유지되어 있으며 전자방출에 필요한 구동전압은 강전계 형성값에 크게 의존하며, 이러한 강전계 형성을 좌우하는 요인으로 전자방출 캐소드 선단부와 게이트 전극 애퍼처와의 거리가 큰 요인으로 작용하는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 전계방출 캐소드의 선단부에서 게이트 전극 애퍼처까지의 거리를 1㎛이내, 바람직하기로는 0.5㎛ 이내로 유지시키고 있으며, 동시에 전계방출 캐소드 선단부에서 전자방출영역을 넓게 유지시키므로써 전계방출 캐소드의 수명을 향상시킬 수 있는 것이다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하지만, 이것이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
글래스 기판위에 InSnO2을 패터닝공정에 의해 박막형태로 형성시켜 x축방향의 캐소드 전극을 제작하였다. 그 위에 PECVD법에 의해 비정질 실리콘으로 이루어진 저항체층과 SiO2성분의 절연체층을 형성시킨 다음, E-빔 증착법에 의해 Mo성분의 게이트 전극과 Al성분의 분리층을 형성시켰다.
상기 게이트 전극을 선전극 형태로 y축방향 전극으로 패터닝 시킨 다음, 전계방출 캐소드가 형성될 부분에 반응성 이온에칭법을 이용한 애퍼처 에칭공정을 수행하여 분리층으로부터 절연체층까지 에칭시켜 애퍼처를 형성시켰다.
방향성 증착이 가능한 전자빔 증착기를 사용하여 기판을 회전시키면서 Mo성분의 전계방출 캐소드를 제작하였다. 이때 전계방출 캐소드의 제조공정은 전계방출 캐소드의 선단부를 게이트 전극 애퍼처와 0.5㎛의 거리로 유지시키면서 게이트 전극 애퍼처의 단면 중앙에 일치될 수 있는 높이까지 증착시켜 수행하였다.
그 다음, 리프트 오프공정에 의해 분리층을 제거하여 본 발명의 전계방출 표시장치의 제작을 완료하였다.
상기와 같은 공정에 의해 제작한 전계방출 표시장치를 평판 표시소자에 적용해 본 결과, 저전압으로도 구동가능하였고 전자밀도 및 수명특성에서도 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
그러므로, 본 발명의 전계방출 표시장치는 구조적인 측면에서 볼때 전자 방출에 필요한 강전계 형성이 용이하므로 저전압 구동(약 50V)이 가능함과 동시에 전계방출 캐소드 선단부의 전자 방출영역을 종래의 포인트 캐소드구조에서 웨지 캐소드구조로 바꿈으로써 수십배 이상의 전자밀도 및 수명을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 제조공정적인 측면에서 볼때, 종래의 스핀트방식에서 사용되는 특수사양의 전자빔 증착기 대신 일반적인 전자빔 증착기를 사용해서도 전계방출 캐소드부분을 제작할 수 있으며, 또한 분리층 형성을 위한 경사증착공정을 생략할 수 있으므로 공정수율을 기존의 스핀트방식보다 2배이상 올릴 수 있으며 설비투자 규모를 줄일 수 있는 잇점이 있다.

Claims (5)

  1. 기판(11)위에 캐소드 전극(12), 저항체층(13), 절연체층(14) 및 게이트 전극(15)을 순차적으로 형성시키고 상기 게이트 전극의 애퍼처(16) 사이에 전계방출 캐소드(17)를 형성시켜서 된 전계방출 표시장치에 있어서, 상기 전계방출 캐소드(17)의 선단부를 웨지형태로 형성시켜서 된 것을 특징으로 하는 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전계방출 캐소드(17)의 선단부가 게이트 전극의 애퍼처(16)와 약 1㎛이내의 거리로 유지됨을 특징으로 하는 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전계방출 캐소드(17)의 선단부가 게이트 전극의 애퍼처(16)와 약 0.5㎛이내의 거리로 유지됨을 특징으로 하는 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치.
  4. 기판(11)위에 캐소드 전극(12), 저항체층(13), 절연체층(14) 및 게이트 전극(15)을 박막형태로 순차적으로 형성시키고 상기 게이트 전극의 애퍼처(16) 사이에 전계방출 캐소드(17)를 형성시키는 전계방출 표시장치의 제조방법에 있어서, 기판(11)을 회전시켜 전계방출 캐소드(17)의 선단부가 게이트 전극 애퍼처(16)와 1㎛이내의 거리로 유지되도록 하면서 게이트 전극 애퍼처(16)의 단면 중앙에 일치되는 높이까지 증착시켜 웨지형태의 선단을 가지는 전계방출 캐소드(17)를 제작하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전계방출 캐소드(17)의 제작공정이 방향성 증착이 가능한 전자빔 증착기를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 저전압 구동이 가능한 전계방출 표시장치의 제조방법.
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