KR100322732B1 - 수평전계효과전자방출소자및그제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평면형 화상 표시 소자로서 음극 및 양극의 배치 구조가 수평하게 이루어진 수평 전계 효과 전자 방출 소자(field emission display) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 스트라이프 상의 음극들과 스트라이프 상의 게이트들을 서로 교차하게 형성하는 동시에 게이트에 스트라이프 상의 음극 및 양극 사이에서 솟아오르게 하는 돌출부를 형성함으로써, 방출된 전자의 제어가 용이한 매트릭스 어드레스 방식의 구동이 가능한 장점이 있다.

Description

수평 전계 효과 전자 방출 소자 및 그 제조 방법
본 발명은 평면형 화상 표시 소자로서 음극 및 양극의 배치 구조가 수평하게 이루어진 수평 전제 효과 전자 방출 소자(field emission display) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 기존 텔리비젼 수상기의 CRT(cathode ray tube)를 대신할 수 있는 화상 표시 소자로서 평면형 화상 표시 소자의 개발이 활발히 검토되어지고 있으며, 향후 벽걸이 텔리비젼 및 HDTV용 화상 표시 소자적용을 목표로하여 개발이 진행되고 있다. 이와 같은 평면형 화상 표시소자로서는 액정 표시 소자(Liquid Crystal Device), 플라즈마 표시소자(Plasma Display Panel), 그리고 전계 방출 표시 소자(Field Emission Device) 등이 있으며, 그 중에서 화면의 밝기 및 저소비 전력에 있어서 전계 방출 표시 소자가 크게 주목을 받고 있다.
제1도는 종래의 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 수직 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 수평 전계 효과 전자 방출 소자는, 기판(1) 상에 쐐기 모양의 뾰족한 팁(3a)들을 갖는 음극(3), 스트라이프 상의 게이트(4) 및 스트라이프 상의 양극(5)이 각각 절연층(2a,2b,2c)들을 사이에 두고 수평으로 나란하게 일정한 간격으로 배열된 구조로 되어 있다.
이러한 구조의 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법은 다음과 같다.
기판(1) 상에 절연물질을 성장시킨 다음, 음극, 게이트 및 양극용의 금속을각각 증착하여 리액티브 이온 에칭법으로 에칭함으로써, 제1도에 도시된 바와 같은 쐐기형의 마이크로 팁(3a)을 갖출 음극(3)을 형성한다. 다음에 게이트(4) 및 양극(5)도 유사한 방법으로 각각 형성하고, 이들을 마스크로하여 상기 성장된 절연물질을 패턴하는 방법으로 제조한다.
그러나, 이와 같은 구조의 수평 전계 효과 전자 방출 소자를 구동할 경우, 제1도에 도시된 바와 같이, 단지 라인 만을 주사(scanning)할 수 있는 라인 어드레싱 방법 만을 사용할 수 있는 평면 구조여서, 표시소자로서 사용하더라도 매트릭스 어드레싱 구동 방법은 사용할 수 없다.
한편, 상기와 같은 매트릭스 어드레싱 구동 방법이 용이하게 적용될 수 있는 종래의 수직 전계 효과 전자 방출 소자가 제2도에 도시되어 있다. 제2도에 도시된 바와 같이, 종래의 수직 전계 효과 전자 방출소자는, 기판(1) 상에 음극층(3)이 마련되고, 음극층(3)의 위에는 마이크로 팁(3a)이 형성되어 있다. 마이크로 팁(3a)은 상기 적층의 위에 마련되는 절연층(3)의 관통공(3p) 내에 마련된다. 그리고 상기 절연층(2)의 위에는 상기 관통공(3a)에 대응하는 관통공(4p)을 가지는 게이트 전극(4)이 적층되어 있다.
이상과 같은 구조의 수직 전계 효과 전자 방출 소자는 음극층(3)과 게이트 전극(4) 사이의 전위차에 의해 유도된 전계에 의해 마이크로팁(3a)으로부터 전계 방출이 이루어진다. 그러나, 하나의 게이트(4)에 의해 마이크로 팁(3a)과의 사이에 전계가 형성되므로, 이때에 전계가 마이크로 팁(3a)의 상단 부분에만 집중적으로 걸리기 때문에 터널링효과에 의한 전자 방출이 팁(3a)에서 쉽게 이루어지지 않는다.
즉, 전자는 마이크로 팁(3a)의 하단에서 상단으로 이동하는데 전계가 마이크로 팁(3a)의 상단부분에 주로 걸리기 때문에 다수의 전기적 장벽이 형성되고, 따라서 전자가 마이크로 팁(3a)의 상단 부분에 잘 모이지 않는다. 장벽에 의해 전자의 이동성 저하의 문제를 극복하기위해서는 자연히 전계 형성을 위한 전압이 높아져야하고 이로 인해 소모전력이 크게 되게 되며 이때에 줄 열 (Joule heat)이 다량 발생되어 열적 열화가 일어날 수 있다. 또, 고전압이 인가됨에 따라 음극층(3)과 게이트전극(4) 사이에 개재된 SiO2등으로 만들어진 절연층(2)을 통한 누설전류가 다량 발생될 수 있는 문제도 있다.
게이트 절연층(2)을 통해 전류 누설을 방지하기 위해서 예를 들어 미국 특허 5,064,396호에 개시된 바와 같이 게이트 절연층(3)의 두께를 일정치 이상이 되도록 제한해야 하는데, 이와 같이 절연층의 두께가 두꺼워지게 되면 절연층에 스트레스가 국부적으로 다수 발생되어 소자의 수명이 단축될 수 있다.
이상과 같이, 수직 전계 효과 전자 방출 소자는 마이크로 팁의 제조시 균일하게 제조하기가 어렵고, 홀을 패턴하는 방법에 따라 마이크로 팁의 제조 수율이 등락되므로, 대형 표시 소자의 패널로의 응용이 어렵고, 공정이 어려워 양산시 고수율을 얻기가 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 매트릭스 어드레싱 구동 방법을 사용할 수 있는 구조의 수평 전계 효과전자 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자는,
기판;
상기 기판 상에 아아치 모양의 단면을 가지며, 제1방향으로 나란하게 스트라이프 상으로 형성한 제1절연층들;
상기 제1절연층들에 의해 솟아오른 부분을 갖도록 상기 기판 상에 상기 제1방향과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된 게이트;
상기 굴곡진 부분 양쪽의 게이트 상에 상기 제1절연층과 나라한 방향의 스트라이프 상으로 각각 형성된 제2절연층들 및 제3절연층들;
상기 제2절연층 상에 상기 게이트의 굴곡부와 대향하는 방향으로 쐐기형의 마이크로 팁을 갖도록 형성된 음극들;
상기 제3절연층 상에 스트라이프 상으로 형성된 양극들;을
구비하여 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 음극은 W 혹은 Mo으로 형성된 것이 바람직하며,
상기 제1절연층의 최고 두께는 1~2㎛인 것이 바람직하며,
상기 제2절연층 및 제3절연층은 동일 물질의 산화막으로 형성된 것이 바람직하며,
상기 양극 상에 형광 물질을 도포하여 형광체층을 더 형성한 것이 바람직하다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수평전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법은,
기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 제1방향으로의 스트라이프 상의 제1마스크를 형성하는 단계;
상기 제1마스크를 이용하여 상기 절연층을 식각하여 그 단면이 아치형으로 테이퍼링된 스트라이프 상의 제1절연층을 형성하는 단계;
상기 제1마스크를 제거하는 단계;
상기 제1절연층 부분이 솟아오르도록 스트라이프 상으로 상기 기판상에 금속을 증착하여 게이트를 형성하는 단계;
상기 게이트 상에 제2절연층을 형성하는 단계;
상기 제2절연층 상에 금속을 증착하여 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 상에 마이크로 팁 및 양극 형성용의 제2마스크를 형성하는 단계;
그리고 상기 제2마스크를 이용하여 상기 금속층 및 상기 제2절연층을 식각하여 마이크로 팁을 갖는 음극 및 양극을 형성하는 단계;를
포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 절연층은 1~2㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하며,
제1마스크는 포토레지스트 혹은 감광성 폴리머로 형성된 것이 바람직하며,
상기 제1절연층은 플라즈마를 이용한 리액티브 이온 에칭법으로 상기 절연층을 단면이 아치형인 스트라이프 상의 구조로 테이퍼링되는 형태로 식각하여 형성된 것이 바람직하며,
상기 게이트는 DC 마그네트론 스퍼트링법으로 금속을 증착하여 형성하는 것이 바람직하며,
상기 제2절연층은 플라즈마 강화 화학 기상 중착팁을 사용하여 산화물을 증착하여 형성하는 것이 바람직하며,
상기 금속층은 Mo 혹은 W을 스퍼터링법으로 증착하여 형성하는 것이바람직하며,
상기 제2마스크를 A1을 증착한 다음 패터닝하여 형성하는 것이 바람직하며,
상기 마이크로 팁을 갖는 음극 및 양극을 형성하는 단계는,
상기 제2마스크를 사용하여 CF4/O2플라즈마를 이용한 리액티브 이온에칭법으로 상기 금속층에 이방성 식각을 행하여 상기 마이크로 팁을 갖는 음극 및 양극을 형성하는 단계;
상기 제2마스크를 식각하여 제거하는 단계: 및
상기 음극 및 양극을 마스크로하여 상기 제2절연층을 식각하여 상기 게이트 굴곡부를 노출시키는 단계;를
포함하는 것이 바람직하며,
상기 마이크로 팁을 갖는 음극 및 양극을 형성하는 단계 다음에 상기 양극상에 전자 포레틱법으로 형광체를 도포하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출소자 및 그 제조 방법을 설명한다.
제3도는 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 개략적 사시도이고, 제4도는 개략적 투시 평면도이다. 이 도면들을 참조하여 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.
기판(11)과, 이 기판(11) 상에 제1수평 방향으로 일정한 간격을 두고 아아치형의 단면을 가지고 제1방향과 교차하는 제2방향으로의 스트라이프 상으로 형성된 제1절연층(12b)들과, 기판(11) 상에 제1수평방향으로 뾰족한 마이크로-팁(13a)들을 갖추고 제2수평 방향의 스트라이프 상으로 형성된 음극(13)들과, 제1수평 방향으로 일정한 간격을 두고 제2방향으로의 스트라이프 상으로 형성된 제1절연층(12b)들에 의해 제2수평 방향으로의 스트라이프 상으로 돌출부(14a)가 마이크로 팁(13a)과 대량되게 형성된 게이트(14)들, 제2수평 방향의 스트라이프 상으로 마이크로-팁(13a)들과 대향되는 제1수평 방향으로 게이트(14)들의 돌출부(14a)로부터 일정한 간격을 두고 이격되어 형성된 양극(15)들과, 이 게이트(14)들 및 양극(15)들을 게이트(14)들과 각각 전기적으로 격리하기 위한 제2절연층(12a)들 및 제3절연층(12c)들을 구비한다. 여기서, 음극(13)들 및 양극(15)들은 텅스텐(W) 혹은 몰리브덴(Mo)으로 형성된다. 그리고 그 하부의 제2절연층(12a) 및 제3절연층(12c)은 동일 물질의 산화막으로 형성되며, 그 최대 두께는 1~2㎛로 한다. 특히, 제2방향으로의 스트라이프 상의 돌출부(14a)를 갖는 제1방향으로의 스트라이프 상의 게이트(14)들은 마이크로팁(13a)을 갖춘 제2방향으로의 스트라이프 상의 음극(13)들과 음극(13)들과 나라한 방향으로의 스트라이프 상으로 형성된 양극(15)과 교차하도록 형성된 점에 특징이 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 수평전계 효과 전자 방출 소자는 음극(12)들과 게이트(14)들을 입체적으로 서로 교차하게 형성함으로써 매트릭스 어드레스 방식의 구동이 가능해진다.
이상과 같은 구조의 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 제5도에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상에 절연 물질을 성장시켜 게이트의 돌출부 형성을 위한 제1절연충(12b) 형성용의 절연층(12)를 형성한 다음, 포토레지스트나 다른 감광성 폴리머로 된 제1마스크(17)를 형성한다. 여기서, 절연층(12)은 1~2㎛ 정도의 두께로 형성한다.
다음에, 제1마스크(17)를 이용하여 플라즈마를 이용한 리액티브이온 에칭법으로 절연층(12)을 단면이 아치형인 스트라이프 상의 구조가 되도록 테이퍼링(tapering)되는 형태로 식각하여, 제6도에 도시된 바와같이, 제2방향으로의 스트라이프 상의 제1절연층(12b)들을 형성한다.
다음에, 제1마스크(17)를 제거하고, DC 마그네트론 스퍼트링법으로 금속을 증착하여, 제7도에 도시된 바와 같이, 제2방향으로의 스트라이프사의 돌출부(14a)를 갖는 제1방향으로의 스트라이프 상의 게이트(14)들을 형성한다. 다음에, 제7도에 도시된 바와 같이, 게이트(14)들 상에 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD; plasma enhanced chemical vapor deposition)법을 사용하여 산화물을 증착하여 제2절연층(12')을 형성한다.
다음에, 제8도에 도시된 바와 같이, Mo 혹은 W을 스퍼터링법으로 증착하여 음극(13) 및 양극(15) 형성용의 금속층(18)을 형성한 다음, 금속층(18) 상에 A1을 증착하여 패터닝하여 마이크로 팁을 갖춘 음극(13) 및 양극(150 형성용의 제2마스크(17a,17b)를 형성한다.
다음에, 제9도에 도시된 바와 같이, 제2마스크(17a,17b)를 이용하여 금속층(18) 및 제2절연층(12')을 식각하여 마이크로 팁을 갖는 음극(13)및 양극(15)을 형성한다. 이 때, 음극(13) 및 양극(15)의 형성은 A1 제2마스크(17a,17b)를 사용하여 CF4/O2플라즈마를 이용한 리액티브 이온 에칭법으로 금속층(18)에 이방성 식각을 행하여 형성한다. 다음에 제2마스크(17a,17b)를 식각하여 제거한 다음, 음극(13) 및 양극(15)을 마스크로하여 제2절연충(12')을 식각하여, 제10도에 도시된 바와 같이, 게이트 굴곡부(14a)를 노출시켜 소자의 기본적 구조를 완성시킨다.
다음에, 양극에 바이어스 전압을 인가한 다음 형광체를 도포하는 전자 포레틱법으로, 제11도에 도시된 바와 같이, 양극 상에 형광체(16)를 도포하여 소자를 완성한다. 이와 같이, 전자 포레틱법으로 형광체를 도포하게 되면, 형광체가 자동으로 양극에만 선택적으로 도포되게 된다.
이상과 같이 제조된 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 상부를 투명기판을 덮고 밀봉하여 공기를 뽑아내어 진공 상태로 한다음, 제11도에 도시된 바와 같이, 게이트에 0~5V의 바이어스 전압을 인가하고, 음극들에-바이어스 전압을 인가하는 동시에 양극들에 +100V~+200V의 바이어스전압을 인가하면, 마이크로 팁들로부터 전계 효과에 의한 전자들의 방출이 일어나고, 방출된 전자들은 양극들에 이끌려 형광체에 부딪히게 된다 이 형광체에 부딪히는 전자들의 운동 에너지(충돌 에너지)에 의해 형광체가 빛을 내게된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출소자는 스트라이프 상의 음극들과 스트라이프 상의 게이트들을 서로 교차하게 형성하는 동시에 게이트에 스트라이프 상의 음극 및 양극 사이에서 솟아오르게 하는 돌출부를 형성함으로써, 방출된 전자의 제어가 용이한 매트릭스 어드레스 방식의 구동이 가능한 장점이 있다.
제1도는 종래의 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 개략적 사시도.
제2도는 종래의 수직 전계 효과 전자 방출 소자의 개략적 수진 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 개략적 사시도,
제4도는 제3도의 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 개략적 투시 평면도,
제5도 내지 제11도는 제3도의 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 단계별 개략적 사시도이고,
그리고 제12도는 제5도의 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 구동 방법에 관한 설명도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1. 기판 2a,2b,2c. 절연층
3. 음극 3a. 마이크로 팁
4. 게이트 5. 양극
11. 기판 12a, 12b, 12c. 절연층
13. 음극 13a. 마이크로 팁
14. 게이트 15. 양극
16. 형광체 17. 마스크

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 아아치 모양의 단면을 가지며, 제1방향으로 나란하게 스트라이프 상으로 형성한 제1절연층들;
    상기 제1절연층들에 의해 솟아오른 부분을 갖도록 상기 기판 상에 상기 제1방향과 교차하는 방향이 스트라이프 상으로 형성된 게이트;
    상기 굴곡진 부분 양쪽의 게이트 상에 상기 제1절연층과 나란한 방향의 스트라이프 상으로 각각 형성된 제2절연층들 및 제3절연층들;
    상기 제2절연층 상에 상기 게이트의 굴곡부와 대향하는 방향으로 쐐기형의 마이크로 팁을 갖도록 형성된 음극들;
    상기 제3절연층 상에 스트라이프 상으로 형성된 양극들;을
    구비하여 된 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극은 W 혹은 Mo으로 형성된 것을 특징으로 하는 수평 전계효과 전자 방출 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1절연층의 최고 두께는 1~2㎛인 것을 특징으로 하는 수평전걔 효과전자 방출 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2절연층 및 제3절연층은 동일 물질의 산화막으로 형성된 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양극 상에 형광 물질을 도포하여 형광체층을 더 형성한 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자.
  6. 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 제1방향으로의 스트라이프 상의 제1마스크를 형성하는 단계;
    상기 제1마스크를 이용하여 상기 절연층을 식각하여 그 단면이 아치형으로 테이퍼링된 스트라이프 상의 제1절연층을 형성하는 단계;
    상기 제1마스크를 제거하는 단계;
    상기 제1절연층 부분이 솟아오르도록 스트라이프 상으로 상기 기판상에 금속을 증착하여게이트를 형성하는 단계;
    상기 게이트 상에 제2절연층을 형성하는 단계;
    상기 제2절연충 상에 금속을 증착하여 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층 상에 마이크로 팁 및 양극 형성용의 제2마스크를 형성하는 단계;
    그리고 상기 제2마스크를 이용하여 상기 금속층 및 상기 제2절연층을 식각하여 마이크로 팁을 갖는 음극 및 양극을 형성하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 절연충은 1~2㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 수평전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    제1마스크는 포토레지스트 혹은 감광성 폴리머로 형성된 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1절연층은 플라즈마를 이용한 리액티브 이온 에칭법으로 상기 절연층을 단면이 아치형인 스트라이프 상의 구조로 테이퍼링되는 형태로 식각하여 형성된 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출소자의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 게이트는 DC 마그네트론 스퍼트링법으로 금속을 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2절연층은 플라즈마 강화 화학 기상 증착법을 사용하여 산화물을 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자방출 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 금속층은 Mo 혹은 W을 스퍼터링법으로 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2마스크를 A1을 증착한 다음 패터닝하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 마스크로 팁을 갖는 음극 및 양극을 형성하는 단계는,
    상기 제2마스크를 사용하여 CF4/O2플라즈마를 이용한 리액티브 이온 에칭법으로 상기 금속층에 이방성 식각을 행하여 상기 마이크로 팁을 갖는 음극 및 양극을 형성하는 단계;
    상기 제2마스크를 식각하여 제거하는 단계; 및
    상기 음극 및 양극을 마스크로하여 상기 제2절연층을 식각하여 상기 게이트 굴록부를 노출시키는 단계:를
    포함하는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 마이크로 팁을 갖는 음극 및 양극을 형성하는 단계 다음에 상기 양극 상에 전자 포레틱법으로 형광체를 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 전계 효과 전자 방출 소자의 제조방법.
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