KR100595511B1 - 표면 전도형 전계방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 전도형 전계방출 소자에 관한 것으로, 종래의 표면 전도형 전계방출 소자는 에미터 산화 공정 중에 상기 에미터와 접촉하는 전극 표면이 산화되는 경우 에미터와 전극 간 접촉 저항이 증가하고 포밍 공정에서 상기 접촉부 또한 포밍되는 치명적인 문제점이 발생하기 때문에 산화막이 형성되지 않는 고가의 귀금속으로 전극을 형성해야만 하며, 낮은 전자 방출 효율을 가지는 표면 전도형 전계방출 소자에 충분한 전류를 제공하기 위해 충분한 두께의 전극을 형성해야 하므로 귀금속 사용량이 증가하여 비용이 상승하는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 에미터 물질과 접촉하는 영역에만 제한적으로 귀금속 박막을 형성하고 그 외의 부분은 일반적인 저가의 금속 박막을 형성하도록 한 다층구조의 전극으로 캐소드 및 게이트 전극을 형성한 표면 전도형 전계방출 소자를 제공함으로써, 저가의 일반 금속 박막을 통해 전류를 충분히 제공하도록 하면서 에미터와 접촉하는 전극 영역에서의 산화막 생성을 방지하여 소자의 특성을 유지하면서도 제조 원가를 대폭 줄일 수 있어 소자의 가격 경쟁력을 획득할 수 있도록 하는 뛰어난 효과가 있다.

Description

표면 전도형 전계방출 소자{SURFACE CONDUCTION ELECTRON EMITTING DEVICE}

도 1은 종래 전계방출 소자의 일반적인 구조를 보이는 단면도.

도 2는 종래 표면 전도형 전계방출 소자의 기본 동작 원리를 보이는 단면도.

도 3a내지 도 3d는 종래 잉크젯 분사 방식의 표면 전도형 전계방출부 제조 공정을 보이는 수순단면도.

도 4a 및 도 4b는 본 발명 실시예들을 보인 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 유리기판 11: 게이트 전극

12: 캐소드 전극 20: 에미터

25: 에미터 간극 30: 애노드 상판

40: 잉크젯 분사구 45: Pd용액 방울

50: 전류 전도 전극층 60: 에미터 접촉 전극

본 발명은 표면 전도형 전계방출 소자에 관한 것으로, 특히 고가의 귀금속 만으로 형성하던 전극을 전류 전도를 위한 일반 금속층과 산화 방지를 위한 에미터 접촉 귀금속층으로 분리하여 형성하는 것으로 귀금속 전극 사용량을 획기적으로 줄여 제조 원가를 줄일 수 있도록 한 표면 전도형 전계방출 소자에 관한 것이다.

정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고, 요구되는 디스플레이 모습 또한 다양해 지고 있다. 그 예로 휴대형 정보기기와 같이 이동성이 강조되는 환경에서는 무게, 부피 및 소비전력이 작은 디스플레이가 요구되며, 대중을 위한 정보 전달매체로 사용되는 경우에는 시야각이 넓은 대화면의 디스플레이 특성이 요구된다. 또한, 이와 같은 요구를 만족시켜 나가기 위해 전자 디스플레이는 대형화, 저가격화, 고성능화, 고정세화, 박형화, 경량화 등의 조건이 필수적이어서, 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 기존의 CRT를 대체할 수 있는 가볍고 얇은 평판 디스플레이 장치의 개발이 절실히 필요하게 되었다. 이러한 다양한 표시 소자의 요구에 따라 최근에는 전계방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.

상기 전계방출 소자는 현재 개발 혹은 양산중인 평판 디스플레이들(LCD와 PDP, VFD등)의 단점을 모두 극복한 차세대 정보 통신용 평판 디스플레이로 주목을 받고 있다. 전계방출 소자 디스플레이는 전극 구조가 간단하고, CRT와 같은 원리로 고속동작이 가능하며, 무한대의 칼라, 무한대의 그레이 스케일, 높은 휘도, 높은 비디오(video rate) 속도 등 디스플레이가 가져야 할 장점들을 고루 갖추고 있다.

도 1은 일반적인 전계방출 소자의 구조를 설명하기 위한 간단한 단면도로서, 유리 기판(1)에 소자층(2)을 형성한 캐소드 하판과, 상기 소자층(2)에 형성된 전극에 의해 제공되는 전자와 전계에 의해 전자를 외부로 방출하는 에미터(3)와, 상기 에미터(3)로부터 방출되는 전자 빔의 포커스를 맞추는 집속전극(4)과, 상기 방출되는 전자에 방향성을 부여하기위해 고전압이 인가되는 애노드 상판(7)과, 상기 방출된 전자빔이 충돌하여 발광이 일어나도록 하는 형광판(8)과, 상기 캐소드 하판과 상기 애노드 상판(7) 사이를 지지하며 그 내부를 진공상태로 만들기 위한 스페이서(5)와, 상기 캐소드 하판과 애노드 상판(7)을 물리적으로 지지하기 위한 프릿(6)으로 구성된다.

상기와 같은 구성을 가지는 전계방출 표시소자는 진공 속의 금속 또는 도체 표면(에미터(3))상에 고전계가 인가될 때 전자들이 금속 또는 도체로부터 진공 밖으로 나오는 양자역학적 터널링 현상을 이용한 것이다. 이 때 소자는 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의하여 전류-전압 특성을 나타내게 된다.

캐소드 하판은 전자 방출이 가능하고 전자가 방출되는 위치가 조절될 수 있는 다양한 구조로 이루어질 수 있으며, 상기 도시된 구조는 캐소드 하판(1,2,3)이 평면형인 경우를 나타낸 것이다. 그 외에 애노드가 원뿔형태로 이루어진 마이크로 팁(Micro-tip)형의 전계 방출 소자가 있는데, 전자가 방출되는 팁(tip)이 전계 집중이 일어날 수 있도록 날카롭게 되어 있으며 전자 방출을 일으킬 때는 게이트 전극에 전압을 인가하여 전자를 방출 시킨다. 상기 마이크로 팁 형태로 제작된 에미터는 우수한 전자 방출 특성을 갖고 있지만 20인치 이상의 대면적 표시 소자를 만들기 위해서는 큰 규모의 장비 투자가 필요하고 제조 공정이 복잡하여 다른 표시 소자에 비하여 경쟁력이 많이 떨어진다.

그에 비해 표면 전자 방출형 표시 소자는 대부분 단순한 제조 공정과 구조로 이루어져 있으며 대형화에도 큰 장벽이 존재하지 않는다. 여기서는 이러한 표면 전자 방출형 전계 방출 소자 중에서 표면 전도형 전계방출 소자의 동작을 살펴 보도록 한다.

도 2는 표면 전도형 전계방출 소자의 동작 개념을 보기 위한 구조로서, 통상 PdO로 형성되는 전자 방출부(에미터)(20)는 고전압을 인가하는 포밍(forming) 공정을 통하여 그 일부에 좁은 간극을 형성한다. 이러한 에미터 간극(25)의 양쪽 끝 단(게이트 전극(11)과 캐소드 전극(12))에 전압을 인가하면 간극 사이에 고 고전계가 인가되고 이로 인하여 전자 방출이 이루어 진다. 방출된 전자는 애노드 상판(30)의 고전압에 의하여 가속되어 형광체(미도시)와 충돌하게 된다.

도시한 바와 같이, 상기 표면 전도형 전계방출 소자는 그 구조에 있어 대단히 단순한 구조를 가지기 때문에 대형화 하기 쉽고 구조물 형성 공정이 단순하다. 하지만, 상기 PdO로 형성되는 에미터(20)의 형성 공정은 전극 구조물의 형성 공정에 비해 까다롭고 시간이 많이 걸리는 공정을 이용하는데, 일반적으로 Pd 용액을 정확히 에미터 형성 부위에 적용한 후 열처리하여 산화물인 PdO를 성막하는 과정을 거치게 된다. 이를 좀더 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 종래 표면 전도형 전계 방출 소자의 에미터를 제조하는 과정을 나타낸 수순단면도로서, 도시한 바와 같이 유리기판(10) 상에 전극(11, 12)을 형성한 후 그 사이에 Pd 용액을 잉크젯 분사 방식으로 분사하여 PdO 에미터(20)를 형성한 다.

먼저 도 3a에 도시한 바와 같이 유리기판(10) 상에 캐소드 전극(12)과 게이트 전극(11)을 형성한다. 상기 전극(11, 12)은 표면 산화막이 형성되지 않도록 귀금속인 백금등을 이용하여 형성하는 것이 일반적이다. 이후 형성되는 에미터 물질(PdO)이 수 nm 두께의 박막이기 대문에 전극의 표면에 산화막이 수nm라도 형성되면 에미터 물질에 존재하는 캐리어(carrier)가 산화막으로 이동하여 에미터 물질 자체의 캐리어가 줄어드는 현상이 발생하여 디플리션(depletion) 영역이 형성되기 때문이다. 이러한 디플리션 영역이 형성되면 에미터 물질과 전극간에 접촉 저항이 증가하며 에미터에 대한 포밍 공정 중에 접촉 영역에서도 포밍이 발생하게 된다. 상기 에미터 물질의 두께가 두꺼운 경우라면 자체 내에 충분한 캐리어를 가지고 있으므로 큰 영향이 없으나 도시된 표면 전도형 전계방출 소자와 같이 에미터가 대단히 얇은 박막으로 형성되는 경우에는 치명적인 문제점이 될 수 있다. 따라서, 이와 같은 전극 표면 산화막의 문제를 해결하고자 표면에 산화막이 형성되지 않는 귀금속 물질을 전극으로 사용하게 된다.

또한, 표면 전도형 전계 방출 소자는 전자 방출 효율이 낮기 때문에 충분한 양의 전자가 방출되도록 하기 위해 많은 양의 전류를 전극을 통해 제공해야 하므로 수백 nm 정도의 두께로 전극을 형성해야만 한다. 이는 많은 양의 귀금속을 필요로하기 때문에 제조 원가가 상승하는 원인이 된다.

그 다음, 도 3b에 도시한 바와 같이 잉크젯 분사구(40)를 통해 상기 전극의 사이에 Pd를 함유한 Pd 용액 방울(45)을 분사한다.

그 다음, 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 분사한 Pd 용액 방울(45)을 열처리하면서 산화 시켜 PdO 에미터(20) 박막을 형성한다. 이러한 산화 과정에서 귀금속으로 형성된 전극들(11, 12)의 표면은 산화되지 않는다. 알루미늄등과 같은 저가의 금속을 전극으로 사용하게 되면 에미터 산화 공정 중에 전극 표면도 산화되므로 전술한 문제점을 야기할 수 있다.

그 다음, 도 3d에 도시한 바와 같이 PdO 에미터(20) 박막에 고전압을 인가하는 포밍(forming) 공정을 실시하여 PdO 에미터(20) 박막에 간극을 형성한다.

전술한 바와 같이 종래의 표면 전도형 전계방출 소자는 고가의 귀금속 전극을 두껍게 형성해야 하므로 제조 비용이 높아지게 된다.

상기한 바와 같이 종래의 표면 전도형 전계방출 소자는 에미터 산화 공정 중에 상기 에미터와 접촉하는 전극 표면이 산화되는 경우 에미터와 전극 간 접촉 저항이 증가하고 포밍 공정에서 상기 접촉부 또한 포밍되는 치명적인 문제점이 발생하기 때문에 산화막이 형성되지 않는 고가의 귀금속으로 전극을 형성해야만 하며, 낮은 전자 방출 효율을 가지는 표면 전도형 전계방출 소자에 충분한 전류를 제공하기 위해 충분한 두께의 전극을 형성해야 하므로 귀금속 사용량이 증가하여 비용이 상승하는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 에미터 물질과 접촉하는 영역에만 제한적으로 귀금속 박막을 형성하고 그 외의 부분은 일반적인 저가의 금속 박막을 형성하도록 한 다층 구조의 전극을 제공하는 것으로 상기 저가의 금속 박막을 통해 전류를 충분히 제공하도록 하면서 산화막 생성을 방지하기 위해 에미터와 접촉하는 부분의 전극만을 귀금속으로 형성하도록 하여 귀금속 사용량을 획기적으로 줄일 수 있도록 한 표면 전도형 전계방출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은, 유리 기판 상부의 동일한 평명 상에 형성된 캐소드 전극 및 게이트 전극과 상기 전극들과 접촉하도록 형성된 산화물의 전계방출 물질을 가진 표면 전도형 전계방출 소자에 있어서, 상기 전계방출 물질과 접촉하는 영역은 귀금속 소재로 형성하고 그 외의 부분은 귀금속이 아닌 일반 금속 소재로 형성한 다층구조의 전극층으로 이루어진 캐소드 전극 및 게이트 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 다층구조의 전극층은 전계방출 물질이 전극 하부에서 접촉하는 경우 전극의 하부층으로 표면 산화가 발생하지 않는 귀금속 소재를 접촉 영역의 두께에 따라 형성하고, 그 상부에 전류 전도를 위한 일반 금속 소재를 상기 귀금속 소재보다 두껍게 형성한 것을 특징으로 한다.

상기 다층구조의 전극층은 전계방출 물질이 전극 상부에서 접촉하는 경우 접촉되지 않는 하부층으로 전류 전도를 위한 일반 금속 소재를 두껍게 형성한 후 그 상부에 표면 산화가 발생하지 않은 귀금속 소재를 상기 일반 금속소재의 두께보다 얇게 형성한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명 실시예들을 나타낸 것으로, 전계방출 물질인 에미터와 접촉하는 캐소드 및 게이트 전극의 전극 구조를 종래의 단층 귀금속 전극에서 일반 전극을 사용하며 부분적으로만 귀금속 전극을 적용한 다층 구조로 변경한 것을 보이고 있다.

도 4a는 형성된 전극(50, 60) 상부에 전계방출 물질인 에미터가 접촉하는 구조에서 적용할 수 있는 다층구조의 전극으로서, 도시한 바와 같이 전극의 하부층을 일반적인 금속층으로 형성한다. 상기 금속층은 표면 전도형 전계방출 소자의 낮은 발광 효율을 보완하기위해 제공하는 큰 전류를 흘려주기위한 전류 전도 전극층(50)의 역할을 하게 되며, 본 실시예에서는 전류특성이 좋고 가격이 저렴한 알루미늄을 이용하였다. 상기 금속층 상부에는 에미터 물질과 실제 접촉하는 부분이므로 귀금속을 이용하여 에미터 접촉 전극층(60)을 형성한다. 상기 귀금속은 백금등과 같이 이후 실시되는 에미터 물질(Pd)의 산화 공정에서도 표면 산화가 발생하지 않는 귀금속을 사용한다. 본 실시예에서, 상기 전류 전도 전극층(50)은 약 수백 nm의 두께로 형성하고, 귀금속으로 형성하는 에미터 접촉 전극층(60)은 약 수십 nm~수 백nm의 두께로 형성하도록 하여 귀금속으로 형성되는 에미터 접촉 전극층(60)보다 일반 금속으로 형성하는 전류 전도 전극층(50)의 두께가 두껍도록 한다. 이를 통해 귀금속의 전체 사용량을 절반 이하에서 수십분의 일로 줄일 수 있게 된다.

도 4b는 형성된 전극(50, 60) 하부에 전계방출 물질인 에미터가 접촉하는 구조에서 적용할 수 있는 다층구조의 전극으로서, 도시한 바와 같이 전극의 하부층으로 귀금속을 이용한 에미터 접촉 전극층(60)을 형성하고, 그 상부에 일반 금속으로 전류 전도 전극층(50)을 형성한 것이다. 상기 에미터 접촉 전극층(60)의 두께는 수nm 정도인 에미터의 두께에 맞추어 적당히 설정하고, 그 상부에 형성되는 전류 전도 전극층(50)은 상기 에미터 접촉 전극층(60)보다 두껍게 형성하여 충분한 전류를 흘려줄 수 있도록 한다.

일반적으로, 상기 에미터 접촉 전극층(60)은 수십~수백nm 정도의 두께로 형성하며, 전류 전도 전극층(50)은 상기 에미터 접촉 전극등(60)보다 두꺼운 수백nm의 두께로 형성한다.

상기 2층 구조 외에도 일반 금속으로 이루어지는 전류 전도 전극층의 상하부에 귀금속 층들을 형성할 수도 있으며, 그 이상의 다층 구조로도 형성할 수 있다. 또한, 이렇게 층별로 귀금속층과 일반 금속층을 형성하는 것이 아니라 일반 금속층을 기준으로 형성한 후 에미터와 접촉되는 부분에만 부분적으로 귀금속 박막을 형성할 수도 있다. 따라서, 본 발명에서는 표면 산화가 발생하지 않아야 하는 부분에만 해당 특성을 가지는 고가의 귀금속 박막을 적용하도록 하는 것으로 귀금속의 사용을 크게 줄일 수 있도록 하여 제조 원가를 절감할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 표면 전도형 전계방출 소자는 에미터 물질과 접촉하는 영역에만 제한적으로 귀금속 박막을 형성하고 그 외의 부분은 일반적인 저가의 금속 박막을 형성하도록 한 다층 구조의 전극으로 캐소드 및 게이트 전극을 형성하도록 함으로써, 저가의 일반 금속 박막을 통해 전류를 충분히 제공하도록 하면서 에미터와 접촉하는 전극 영역에서의 산화막 생성을 방지하여 소자의 특성을 유 지하면서도 제조 원가를 대폭 줄일 수 있어 소자의 가격 경쟁력을 획득할 수 있도록 하는 뛰어난 효과가 있다.

Claims (5)

1. 유리 기판 상부의 동일한 평명 상에 형성된 캐소드 전극 및 게이트 전극과 상기 전극들과 접촉하도록 형성된 산화물의 전계방출 물질을 가진 표면 전도형 전계방출 소자에 있어서,

   상기 전계방출 물질과 접촉하는 영역은 귀금속 소재로 형성하고 그 외의 부분은 귀금속이 아닌 일반 금속 소재로 형성한 다층구조의 전극층으로 이루어진 캐소드 전극 및 게이트 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 전도형 전계방출 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전계방출 물질과의 접촉이 이루어지는 귀금속 소재는 산화공정에 노출되는 경우에도 표면 산화가 발생하지 않는 백금을 비롯한 귀금속으로 형성하고, 상기 전계방출 물질과 접촉하지 않는 일반 금속 소재는 전류 전도성이 좋은 알루미늄을 비롯한 일반 금속으로 형성하는 것을 특징으로 하는 표면 전도형 전계방출 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 다층구조의 전극층은 전계방출 물질이 전극 하부에서 접촉하는 경우 전극의 하부층으로 표면 산화가 발생하지 않는 귀금속 소재를 접촉 영역의 두께에 따라 형성하고, 그 상부에 전류 전도를 위한 일반 금속 소재를 상기 귀금속 소재보다 두껍게 형성한 것을 특징으로 하는 표면 전도형 전계방출 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 다층구조의 전극층은 전계방출 물질이 전극 상부에서 접촉하는 경우 접촉되지 않는 하부층으로 전류 전도를 위한 일반 금속 소재를 두껍게 형성한 후 그 상부에 표면 산화가 발생하지 않은 귀금속 소재를 상기 일반 금속소재의 두께보다 얇게 형성한 것을 특징으로 하는 표면 전도형 전계방출 소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 전계방출 물질은 수 nm 두께로 형성되고, 상기 전계방출 물질과 접촉하는 귀금속 소재는 수십~수백nm 두께로 형성하며, 상기 전류 전도를 위한 일반 금속 소재는 상기 귀금속 소재보다 두꺼운 수백nm의 두께로 형성한 것을 특징으로 하는 표면 전도형 전계방출 소자.

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