KR100357348B1 - 전계방출표시소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계방출표시소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 후면발광형 FED에서 애노드전극과 그 상부의 형광층을 노출시키는 에미터홀 측의 촉매금속층의 에지 부분에 CNT를 형성하여 전계방출되도록하였으므로, CNT의 방전 산란에 의한 크로스 토크가 원천적으로 방지되며, 전면기판은 별도의 공정을 거지지 않아도 되고 따라서 전면기판을 유리나 플라스틱 등의 재질을 사용할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있고, CNT가 에미터홀상에 링형상으로 형성되어 CNT의 고효율의 전계방출 성능을 효과적으로 이용할 수 있어 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

전계방출표시소자 및 그 제조방법{A field emission display and manufacturing method for it}

본 발명은 전계방출표시소자(Field Emission Display; 이하 FED라 칭함) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 형광체와 애노드전극이 후면기판에 위치하는후면 발광형 FED에서 상기 후면기판에 캐소드전극을 형성할 때 카본나노튜브(cabon nano tube; 이하 CNT 라 칭함)를 촉매금속층의 에지 부분에 형성하여 크로스 토크(crosstalk)를 방지하여 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 FED 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

박막형 전계 방출소자는 팁의 날카로운 부분에 전계가 집중되는 현상을 이용하여 비교적 낮은 전압을 인가하여 터널효과에 의한 냉전자를 방출시키는 소자로서, 이를 이용하여 형성되는 FED는 CRT의 고선명성과 액정표시장치(liquid crystal display; 이하 LCD라 칭함)의 경박형의 장점을 모두 갖추고 있어 차세대 표시장치로서 주목받고 있다. 특히 FED는 경박형의 제작이 가능할 뿐만 아니라, LCD의 결정적인 단점인 공정수율, 제조단가 및 대형화의 문제점들을 해결할 수 있다.

즉 LCD는 하나의 단위화소라도 불량이 발생되면 제품전체가 불량 처리되지만, FED는 하나의 화소 그룹에 그보다 작은 다수개의 에미터 팁들이 형성되어 있어 한 두개의 에미터 팁에 불량이 발생하여도 화소 그룹의 동작에는 이상이 없어 제품 전체의 수율이 향상된다.

또한 FED는 LCD에 비해 구조가 간단하고, 소비전력이 작아 단가가 낮아 휴대형 표시장치에 적합한 몇 가지 이점이 있다.

초기의 FED는 공동에 의해 외부로 노출되어 있으며, 날카로운 부분을 갖는 원뿔형 에미터(emitter) 팁과, 상기 에미터의 양측에 정렬되어 있어 전류량을 조절하는 게이트와, 상기 게이트와 일정간격 이격되어 형광판이 부착되어 있는 애노드전극으로 구성되어 각각이 CRT의 캐소드, 그리드 및 애노드와 대응된다.

상기의 FED는 소정전압, 예를 들어 500∼10㎸ 정도의 전압이 인가되면 에미터 팁의 꼭지부에 집중된 전계에 의해 전자가 방출되며, 상기의 방출된 전자는 양의 전압이 인가된 애노드에 의해 인도되어 애노드에 도포되어있는 형광물질을 발광시키고, 상기 게이트는 전자의 방향 및 양을 조절한다.

그러나 상기와 같은 원뿔형 캐소드를 구비하는 초기의 FED는 방출된 전자들중의 일부가 게이트로 유도되어 게이트 전류가 흘러 전자의 제어가 어렵고, 캐소드와 애노드의 사이에서 전자와 충돌하여 형성된 양이온이 캐소드와 충돌하여 소자가 파괴되므로, 이를 방지하기 위하여 소자의 내부를 고진공 상태로 유지하여야하는데 이러한 고진공 유지가 어렵고, 날카로운 원뿔형 캐소드의 균일한 제작이 어려운 등의 문제점이 있다.

또한 애노드 및 게이트 전극에 고전압이 필요하므로 휴대용 표시장치에의 적용이 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 박막형 전계 방출소자가 제안되어 있는데, 기판 도체 상에 서로 절연되어 있는 세개의 도전박막을 순차적으로 설치하고, 세개의 도전박막의 일부가 공동을 통하여 돌출 되도록 형성한 후, 그 상측에 외부 전극을 설치하여 애노드의 구실을 하는 구조를 제안하였다.

이러한 구조의 박막형 전계 방출소자는 중앙에 위치하는 도전박막인 캐소드에 음의 전압을 인가하고, 상기 캐소드의 양측에 위치하는 게이트 도전박막에는 교류전압을 인가하여 전자를 방출시키고, 상기 기판 도체에는 강한 음의 전압을 인가하여 상기 캐소드로부터 방출되는 전자가 외부 전극인 애노드를 때리게 한다.

상기의 종래 기술에 따른 박막형 전계방출표시소자로서, 제조방법 및 재료선택이 용이하여 실리콘을 기판 및 전극으로 사용하는 소자가 주목받고 있는데, 이러한 실리콘소자는 실리콘기판상에 다결정실리콘으로된 캐소드 팁을 질화막 패턴을 식각 마스크로 사용한 습식식각방법으로 형성하고, 전면에 산화막과 금속막을 도포하고, 상기의 질화막 패턴을 리프트 오프(lift off) 방법으로 제거하여 상기의 캐소드와 절연된 게이트를 구성하는 방법을 사용하였다.

상기와 같은 종래 기술에 따른 실리콘 재료를 사용한 리프트 오프 공정에 의한 전계방출표시소자의 제조방법은 팁과 게이트간의 단락이 발생하기 쉽고, 팁이 손상되며, 공정의 재현성 및 균일성이 떨어져 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 떨어뜨리는 등의 문제점이 있다.

상기 문제를 해결하기 위하여, 다이아몬드나 유사다이아몬드(Diamind-Like Carbon ; 이하 DLC 라 칭함) 물질이 화학적 안정성, 낮은 전자 친화도, 이온에 대한 높은 저항성 등의 특성을 가진 것을 이용하여 이를 전계방출소자에 적용하여 팁의 상부에 코팅하는 방법을 사용하거나, 전계방출 특성이 특히 우수한 CNT를 에미터로 이용하는 방법 등이 연구되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 FED의 단면도로서, CNT를 에미터로 사용하는 FED의 단위 화소만을 도시한 예이다.

먼저, 실리콘이나 유리등의 재질로된 후면기판(10)상에 캐소드전극(12)이 형성되어 있고, 상기 캐소드전극(12) 상에 에미터가 되는 촉매금속층(14)과 CNT(16)가 형성되어있으며, 그 상부에는 전면기판(20)상에 형성된 애노드전극(22)과 형광체(24)가 형성되어있다.

상기와 같은 종래 기술에 따른 FED에 사용되는 CNT는 우수한 전계방출 특성이 주로 에지 부분에만 나타나게되어 별도의 게이트전극을 형성하여 전류 방향을 조절하여도 상당한 각도로 퍼지게 되어 옆화소로 색이 번지는 크로스 토크가 일어나게 되어 화질이 떨어지고 심한 경우 불량 처리되어 공정수율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 후면 발광형 FED에서 CNT를 캐소드전극 부분에 형성하여 크로스 토크를 방지하고 전계방출 효율을 증가시켜 저전압 구동이 가능하도록 하여 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 FED 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래기술에 따른 CNT를 사용하는 FED의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 FED를 설명하기 위한 단면도.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 FED의 제조공정도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10,30 : 후면기판 12,38 : 캐소드전극

14,36 : 촉매금속층 16,44 : CNT

20,50 : 전면기판 22,32 : 애노드전극

24,42 : 형광체 34 : 절연막

40 : 에미터홀 48 : 캐소드금속층

52 : 감광막 패턴

이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전계방출 표시소자의 특징은,

애노드전극과 형광체 및 캐소드전극이 형성되어있는 후면기판과, 그 상부에 결합되어 있는 전면기판을 구비하는 후면발광형 전계방출 표시소자에 있어서,

후면기판상에 형성되어있는 애노드전극과,

상기 구조상에 순차적으로 형성되어있으며, 상기 애노드전극을 노출시키는 에미터홀을 구비하는 절연막과,

상기 에미터홀에 의해 노출되어있는 애노드전극 상에 형성되어있는 형광체와,

상기 절연막 상에 순차적으로 형성되되, 상기 에미터홀 측으로 에지부분이 노출되어있는 촉매금속층 및 캐소드전극과,

상기 촉매금속층의 에미터홀측 에지 부분에 형성되어있는 CNT와,

상기 후면기판상에 결합되어 상기 형광체에서 방지되는 빛을 투과시키는 전면기판을 구비함에 있다.

또한 FED의 다른 특징은, 상기 후면기판이 실리콘 웨이퍼 또는 유리 재질로 형성되며, 상기 절연막은 산화막 또는 질화막으로 형성되고, 상기 촉매금속층이 Co, Ni 또는 Fe로 형성되고, 상기 캐소드금속층이 Cr으로 형성되며, 상기 전면기판이 유리, 석영 또는 플라스틱으로 형성되고,

본 발명에 따른 FED 제조방법의 특징은,

후면기판상에 애노드전극을 형성하는 공정과,

상기 구조의 전표면에 절연막과 촉매금속층 및 캐소드금속층을 순차적으로 형성하는 공정과,

상기 캐소드금속층상에 에미터홀을 형성하기 위한 감광막 패턴을 형성하는 공정과,

상기 감광막 패턴에 의해 노출되어있는 캐소드금속층에서 절연막까지를 순차적으로 식각하여 애노드전극을 노출시키는 에미터홀을 형성하는 공정과,

상기 노출되어있는 애노드전극과 상기 감광막 패턴 상에 형광체를 도포하는 공정과,

상기 감광막 패턴과 그 상부의 형광체를 제거하는 공정과,

상기 에미터홀 측의 촉매금속층의 에지 부분에 CNT를 성장시키는 공정을 구비함에 있다.

이하, 본 발명에 따른 FED 및 그 제조방법에 관하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 FED의 단면도로서, 후면 발광형 FED로서, 단위화소만을 도시한 예이다.

먼저, 실리콘이나 유리등과 같은 후면기판(30)상에 애노드전극(32)이 형성되어있으며, 상기 애노드전극(32)상에 에미터홀(40)을 구비하는 절연막(34)이 형성되어있고, 상기 에미터홀(4)에 의해 노출되어있는 애노드전극(32)상에 형광체(42)가 형성되어있으며, 상기 절연막(34) 상에 에미터홀(40) 측으로 에지부분이 노출되어있는 촉매금속층(36)과 캐소드전극(38)이 순차적으로 형성되어있고, 상기 촉매금속층(36)의 에미터홀(40)측 에지 부분에 CNT(44)가 형성되어있다. 여기서 상기 후면기판(30)은 실리콘 웨이퍼나 유리등의 재질로 형성되고, 상기 절연막(34)은 산화막이나 질화막 재질로 형성되며, 상기 촉매금속층(36)은 CNT 성장이 용이한 금속, 예를 들어 Co, Ni 또는 Fe 등으로 형성되고, 상기 캐소드금속층(48)은 Cr등과 같은 저저항금속으로 형성되어 있다.

또한 상기 후면기판(30)의 상부에 투명한 유리나 석영 또는 플라스틱등으로된 전면기판(50)이 설치되어있어 상기 후면기판(30)의 형광체(42)에서 방사된 빛이 통과되어 화면을 구성하게 된다.

이러한 FED는 상기 애노드전극(32)과 캐소드전극(38)에 전압이 인가되면, 상기 CNT(44)에서 전자가 방출되어 애노드전극(32)상의 형광체(42)를 때리게되고, 이때 발생된 빛이 전면기판(50)으로 방사되어 화면을 구성한다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 FED의 제조공정도로서, 후면기판 부분만을 도시한 예이다.

먼저, 후면기판(30)상에 애노드전극(32)을 형성하고, 전체 상부에 절연막(34)과 촉매금속층(36) 및 캐소드금속층(48)을 순차적으로 형성한다. 여기서 상기 후면기판(30)은실리콘 웨이퍼나 유리등의 재질로 형성되고, 상기 절연막(34)은 산화막이나 질화막 재질로 형성되며, 상기 촉매금속층(36)은 CNT 성장이 용이한 금속, 예를 들어 Co, Ni 또는 Fe 등으로 1∼100㎛ 정도 두께로 형성되고, 상기 캐소드금속층(48)은 Cr등과 같은 저저항금속으로 형성되어 있다. (도 3a 참조).

그다음 상기 캐소드금속층(48)상에 에미터홀을 형성하기 위한 감광막 패턴(52)을 형성하고, (도 3b 참조) 상기 감광막 패턴(52)에 의해 노출되어있는 캐소드금속층(48)에서 절연막(34)까지를 순차적으로 식각하여 애노드전극(32)을 노출시키는 에미터홀(40)을 형성한다. 여기서 상기 캐소드금속층(48)은 식각 공정에 의해 캐소드전극(38)이 되며, 상기 절연막(34) 식각 공정은 등방성식각으로 진행하여 상기 에미터홀(40)을 항아리 형상으로 형성한 것이다. 상기의 식각은 이방성으로 실시할 수도 있다. (도 3c 참조).

그 다음 상기 표면에 형광체(42)를 도포하면, 상기 노출되어있는 애노드전극(32)과 상기 감광막 패턴(52)상에 형광체(42)가 도포되고, (도 3d 참조)상기 감광막 패턴(52)과 그 상부의 형광체(42)를 제거하고, 상기 에미터홀(40)측의 촉매금속층(36)의 에지 부분에 CNT(44)를 성장시켜 FED의 후면기판(30)을 완성한다. 이때 상기 CNT(44)는 통상 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; 이하에서 CVD라 칭함) 방법으로 형성한다. (도 3e 참조).

그후 도시되어있지는 않으나 투명한 젼면기판과 봉합시키고, 봉합된 내부를 진공으로 유지시켜 실링하여 FED를 완성한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 FED 및 그 제조방법은 후면발광형 FED에서 애노드전극과 그 상부의 형광층을 노출시키는 에미터홀 측의 촉매금속층의 에지 부분에 CNT를 형성하여 전계방출되도록하였으므로, CNT의 방전 산란에 의한 크로스 토크가 원천적으로 방지되며, 전면기판은 별도의 공정을 거지지 않아도 되고 따라서 전면기판을 유리나 플라스틱 등의 재질을 사용할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있고, CNT가 에미터홀 상에 링형상으로 형성되어 CNT의 고효율의 전계방출 성능을 효과적으로 이용할 수 있어 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (8)

1. 애노드전극과 형광체 및 캐소드전극이 형성되어있는 후면기판과, 그 상부에 결합되어 있는 전면기판을 구비하는 후면발광형 전계방출 표시소자에 있어서,

   후면기판상에 형성되어있는 애노드전극과,

   상기 구조상에 순차적으로 형성되어있으며, 상기 애노드전극을 노출시키는 에미터홀을 구비하는 절연막과,

   상기 에미터홀에 의해 노출되어있는 애노드전극 상에 형성되어있는 형광체와,

   상기 절연막 상에 순차적으로 형성되되, 상기 에미터홀 측으로 에지부분이 노출되어있는 촉매금속층 및 캐소드전극과,

   상기 촉매금속층의 에미터홀측 에지 부분에 형성되어있는 CNT와,

   상기 후면기판상에 결합되어 상기 형광체에서 방지되는 빛을 투과시키는 전면기판을 구비하는 전계방출 표시소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 후면기판은 실리콘 웨이퍼 또는 유리 재질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 절연막은 산화막 또는 질화막으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 촉매금속층은 CNT 성장이 용이한 금속으로서 Co, Ni 및 Fe로 이루어지는 군에서 임의로 선택되는 하나의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐소드금속층은 Cr으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 전면기판은 유리, 석영 및 플라스틱으로 이루어지는 군에서 임의로 선택되는 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
7. 후면기판상에 애노드전극을 형성하는 공정과,

   상기 구조의 전표면에 절연막과 촉매금속층 및 캐소드금속층을 순차적으로 형성하는 공정과,

   상기 캐소드금속층상에 에미터홀을 형성하기 위한 감광막 패턴을 형성하는공정과,

   상기 감광막 패턴에 의해 노출되어있는 캐소드금속층에서 절연막까지를 순차적으로 식각하여 애노드전극을 노출시키는 에미터홀을 형성하는 공정과,

   상기 노출되어있는 애노드전극과 상기 감광막 패턴 상에 형광체를 도포하는 공정과,

   상기 감광막 패턴과 그 상부의 형광체를 제거하는 공정과,

   상기 에미터홀 측의 촉매금속층의 에지 부분에 CNT를 성장시키는 공정을 구비하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 CNT를 CVD로 형성하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.