KR100658667B1 - 카본 에미터층을 갖는 삼극관형 전계 방출 표시소자의제조 방법 - Google Patents

Abstract

후막과 박막 공정을 적절하게 활용하여 정밀도가 높은 삼극관 구조를 실현하면서 전자 방출원으로 사용되는 카본 에미터층의 높이를 조절하여 전자의 퍼짐 현상을 억제할 수 있도록 한 전계 방출 표시소자의 제조 방법에 관한 것으로서,

제 1기판 윗면에 투명한 캐소드 전극 라인을 형성하고; 캐소드 전극 위 에미터 형성 부위에 홀을 갖는 불투명한 절연층을 형성하며; 에미터 형성 부위를 제외한 상기 절연층 위로 게이트 전극 라인을 형성하고; 카본 물질과 네가티브(negative) 감광성 물질을 혼합한 에미터 페이스트를 제 1기판 전면에 도포하며; 제 1기판의 뒷면을 통해 노광하여 절연층의 홀에 채워진 에미터 페이스트를 선택적으로 경화시켜 카본 에미터층을 형성하고; 제 2기판에 애노드 전극과 형광막을 형성하며; 상기 제 1 및 제 2기판을 시일재로 밀봉하고 내부를 배기시키는 과정을 포함하는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법을 제공한다.

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Description

카본 에미터층을 갖는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법 {Method of making triode type field emission display device with carbon emission layer}

도 1∼도 8은 본 발명의 제 1실시예에 의한 전계 방출 표시소자의 제조 과정을 설명하기 위한 확대 단면도.

도 9∼도 14는 본 발명의 제 2실시예에 의한 전계 방출 표시소자의 제조 과정을 설명하기 위한 확대 단면도.

도 15와 도 16은 카본 에미터층의 높이에 따른 전자의 퍼짐 현상을 설명하기 위한 전계 방출 표시소자의 확대 단면도.

본 발명은 전계 방출 표시소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 후막과 박막 공정을 적절하게 활용하여 고정밀 삼극관 구조를 실현하면서 전자 방출원으로 사용되는 카본 에미터층의 높이를 조절하여 전자의 퍼짐 현상을 억제할 수 있도록 한 전계 방출 표시소자의 제조 방법에 관한 것이다.

초기에 제안된 전계 방출 표시소자는 캐소드 전극에 마이크로 단위의 금속 팁(대표적으로 몰리브덴 팁)을 형성하고, 금속 팁 주위에 게이트 전극을 형성하여 금속 팁으로부터 전자를 방출시키며, 방출된 전자를 애노드 전극에 부착된 형광막으로 가속시켜 이미지를 구현하는 구조를 주로 사용하였다.

그러나 금속 팁을 갖는 구조는 고가의 반도체 장비를 사용해야 하기 때문에 표시소자의 가격이 상승하고, 제조 공정이 복잡하여 대면적 디스플레이 구현이 어려울 뿐만 아니라 금속 팁이 표시소자 내부의 잔류 가스와 결합하여 표시 성능과 신뢰성을 저하시키는 단점을 갖는다.

따라서 최근들어 전계 방출 표시소자의 전자 방출원으로서, 저전압 구동이 가능하고 면타입 제작이 용이한 카본 물질의 사용이 활발하게 연구되고 있다. 특히 최근에 발견된 카본 나노튜브(carbon nanotube)는 끝단의 곡률 반경이 대략 100Å 정도로 극히 미세하여 10∼50V 정도의 외부 전압에서도 전자 방출이 원활하게 일어나는 것으로 알려져 이상적인 전자 방출원으로 기대되고 있다.

이러한 카본 물질의 특성을 이용하기 위한 방안으로, 캐소드 전극에 후막 공정으로 카본 에미터층을 형성하고, 애노드 전극과의 전압 차를 이용하여 카본 에미터층으로부터 전자를 방출시키는 이극관(diode) 구조가 제안되었다. 상기한 이극관 구조는 제조가 용이한 반면, 전자 가속에 필요한 고전압을 애노드 전극에 인가할 수 없으므로 형광막의 휘도가 불충분하고, 다계조 칼라 이미지를 구현하기 어려운 한계가 있다.

한편, 금속 팁을 대신하여 카본 에미터층을 구비한 삼극관(triode) 구조가 제안되었으나, 상기한 카본 에미터층을 박막 공정으로 제작하는 경우에는 게이트 전극과의 쇼트 발생 없이 카본 에미터층을 캐소드 전극 위에 접합시키기 곤란한 제 조상의 어려움이 있으며, 이를 후막 공정으로 제작하는 경우에는 후막 공정의 특성상 정밀한 패턴 형성이 불가능하고, 전자의 퍼짐 현상이 두드러지는 문제가 나타난다.

도 15와 도 16은 카본 에미터층의 높이에 따른 전자의 퍼짐 현상을 설명하기 위한 전계 방출 표시소자의 확대 단면도로서, 공지의 스크린 인쇄법으로 제작된 카본 에미터층(1)을 도시하였다. 상기한 카본 에미터층(1)은 절연층(3)에 제공된 공간에 채워져 캐소드 전극(5) 위에 부착되며, 절연층(3)에는 카본 에미터층(1)의 전자 방출을 제어하기 위한 게이트 전극(7)이 형성된다.

여기서, 후막 공정으로 제작되는 카본 에미터층(1)은 도시한 바와 같이 게이트 전극(7)보다 높게 형성되거나, 게이트 전극(7)과 동일한 높이로 형성된다. 따라서 카본 에미터층(1)에서 방출된 전자는 해당 형광막 뿐만 아니라 인접한 여러개의 형광막을 향해 동시에 발산되는 퍼짐 현상이 발생하여 실제 디스플레이로 활용하기 어려우며, 별도의 집속 수단을 구비해야 한다.

한편, 카본 나노튜브를 에미터로 구비하는 삼극관 구조의 전계 방출 표시소자와 관련하여, 미국특허 제 6,062,931호의 도 5 및 도 6은 캐소드 전극 위에 촉매 기판층을 형성하고, 게이트 전극 위에 희생층을 형성한 다음, 촉매 기판층 위에 촉매층을 형성하며, 촉매층을 불연속층으로 가공한 뒤, 불연속층 위에 카본 나노튜브를 정렬시키는 제조 방법을 개시하고 있다.

상기 특허는 카본 나노튜브와 게이트 전극의 쇼트를 억제하면서 카본 나노튜브의 날카로운 끝단을 게이트 전극 주위에 배치하여 전자 방출 특성이 좋아지는 장 점이 있지만, 촉매층과 희생층을 공지의 박막 공정으로 제작하고, 카본 나노튜브를 초고주파 플라즈마 인헨스드 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 형성함에 따라, 연속되는 박막 공정으로 인하여 표시소자의 제조 비용을 상승시키고, 제조 공정이 복잡하여 대면적 디스플레이 구현에 불리한 한계를 갖는다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서,

본 발명의 목적은 후막과 박막 공정을 적절하게 활용하여 제조 과정이 용이하면서도 높은 정밀도의 삼극관 구조를 제작할 수 있는 전계 방출 표시소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전자 방출원으로 사용되는 카본 에미터층을 후막 공정으로 제작하면서도 높이 조절이 가능하여 전자의 퍼짐 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 전계 방출 표시소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

제 1기판 윗면에 투명한 캐소드 전극 라인을 형성하고, 캐소드 전극 위 에미터 형성 부위에 홀을 갖는 불투명한 절연층을 형성하며, 에미터 형성 부위를 제외한 상기 절연층 위로 게이트 전극 라인을 형성하고, 카본 물질과 네가티브(negative) 감광성 물질을 혼합한 에미터 페이스트를 제 1기판 전면에 도포하며, 제 1기판의 뒷면에서 빛을 제공하여 절연층의 홀에 채워진 에미터 페이스트를 선택적으로 경화시켜 카본 에미터층을 형성하고, 제 2기판에 애노드 전극과 형광막을 형성하며, 상기 제 1 및 제 2기판을 시일재로 밀봉하고 내부를 배기시키는 과정을 포함하는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법을 제공한다.

이와 같이 본 발명은 카본 물질과 네가티브 감광성 물질을 혼합하여 에미터 페이스트를 제조하고, 제 1기판의 뒷면을 통해 노광하여 이를 경화시킴에 따라, 카본 에미터층의 높이 조절이 용이하여 전자의 퍼짐이 발생하지 않는 높이로 카본 에미터층을 형성할 수 있는 장점을 갖는다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 제 1실시예에 의한 전계 방출 표시소자의 제조 방법에 대해 설명하면, 도 1에 도시한 바와 같이 투명한 제 1기판(2)을 준비하고, 이 기판의 윗면에 투명한 캐소드 전극(4) 라인을 형성한다. 상기 캐소드 전극(4)은 일례로 ITO(Indium Tin Oxide)막으로 이루어지며, 이 물질을 기판에 증착한 다음 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 패터닝하여 라인 패턴의 캐소드 전극(4)을 형성한다. 여기서, 도면은 캐소드 전극(4)과 평행한 축을 기준으로 절개한 단면을 도시한 것이다.

그리고 캐소드 전극(4) 위 제 1기판(2) 전면에 절연 물질을 스크린 인쇄하여 절연층(6)을 형성하고, 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 에미터 형성 부위에 홀(6a)을 형성한다. (도 2 참고) 이 때, 상기 절연층(6)은 불투명한 것이어야 하며, 이 절연층(6)은 폴리이미드(polyimide)가 소성되어 진한 붉은색을 띄는 막으로 이루어질 수 있다. 물론 상기한 폴리이미드 이외에 불투명한 특성을 갖는 다른 절 연 물질을 절연층(6)으로 사용할 수 있다.

다음으로, 절연층(6) 위 제 1기판(2) 전면에 게이트 전극이 될 금속 물질을 진공 증착하고, 이를 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 게이트 전극(8) 라인을 형성한다. (도 3과 도 4 참고) 상기 게이트 전극(8) 라인은 에미터 형성 부위를 둘러싸면서 캐소드 전극(4) 라인과 수직으로 교차하도록 패터닝되며, 이로서 캐소드 전극(4)과 게이트 전극(8)의 교차 영역이 에미터가 형성되는 화소 영역에 대응한다.

그리고 카본 물질과 네가티브(negative) 감광성 물질을 혼합하여 에미터 페이스트(10)를 제조하고, 이를 제 1기판(2)의 전면에 스크린 인쇄한다. (도 5 참고) 상기 카본 물질로는 카본 나노튜브, 그라파이트(graphite) 또는 다이아몬드 파우더 등을 사용하며, 이러한 카본 물질이 카본 에미터층 내부에서 실질적으로 전자를 방출하는 에미터로 기능하게 된다. 상기 네가티브 감광성 물질은 빛을 받아 경화하는 특성이 있으므로, 이후의 노광 공정에서 에미터 페이스트(10)가 빛에 의해 선택적으로 경화되도록 하는 역할을 한다.

이와 같이 에미터 페이스트(10)는 카본 물질과 네가티브 감광성 물질의 혼합으로 이루어지며, 이들 이외에 인쇄에 적합한 점도를 갖도록 바인더(binder) 등의 유기물을 더욱 함유할 수 있다.

이어서 제 1기판(2)을 도시하지 않은 노광대에 위치시키고, 이 기판의 뒷면을 통해 노광하면, 불투명한 절연층(6)이 노광 마스크로 기능하여 절연층(6)의 홀(6a)에 채워진 에미터 페이스트만이 빛에 노출된다. 따라서 제 1기판(2)에 제공 된 빛은 투명한 캐소드 전극(4)을 통해 절연층(6)의 홀(6a)에 채워진 에미터 페이스트만을 선택적으로 경화시켜 이를 캐소드 전극(4) 위에 접합시킨다.

이러한 결과로, 노광 이후 제 1기판(2)을 현상하여 경화되지 않은 나머지 에미터 페이스트(10)를 제거하면, 도 6에 도시한 바와 같이 캐소드 전극(4) 위, 절연층(6)의 홀(6a) 내부에 낮은 높이로 카본 에미터층(12)을 형성할 수 있다.

이 때, 카본 에미터층(12)의 높이(즉, 형성 두께)는 노광 시간에 따른 함수로서, 노광 시간이 길어질수록 그 높이가 증가하며, 일례로 자외선 파장의 빛을 12mW/cm²의 광량으로 방출하는 수은 램프를 사용하는 경우, 다음의 표 1에 노광 시간에 따른 카본 에미터층(12)의 평균 높이를 나타내었다.

노광 시간(sec)	50	100	200	500
카본 에미터층의 평균높이 (㎛)	2.5	3.5	4.5	4.5

이와 같이 본 실시예는 노광 시간을 조절하여 카본 에미터층(12)의 높이를 용이하게 제어할 수 있으므로, 박막 공정에서와 같이 게이트 전극(8)보다 낮은 높이로 카본 에미터층(12)을 형성할 수 있다. 따라서 제조 과정에서 발생할 수 있는 게이트 전극(8)과의 쇼트를 미연에 방지하고, 도 7에 도시한 바와 같이 구동 과정에서 전자의 퍼짐 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.

그리고 제 1기판(2)과 별도의 공정으로, 투명한 제 2기판(14) 위에 애노드 전극(16)과 형광막(18)을 형성하고 (도 8 참고), 시일재(20)를 통해 제 1기판(2)과 제 2기판(14)의 둘레부를 밀봉한 다음, 도시하지 않은 배기 장치를 이용하여 그 내 부를 배기시키는 과정을 거쳐 카본 에미터층(12)을 갖는 삼극관형 전계 방출 표시소자를 완성한다.

다음으로, 본 발명의 제 2실시예에 의한 전계 방출 표시소자의 제조 방법에 대해 설명하며, 앞선 실시예와 동일한 부재에 대해서는 동일 부호를 사용한다.

먼저, 도 9에 도시한 바와 같이 투명한 제 1기판(2)에 캐소드 전극(4) 라인을 형성하고, 절연 물질을 도포하여 절연층(6)을 형성한 다음 이를 패터닝하여 에미터 형성 부위에 홀(6a)을 형성하는 과정은 앞선 실시예와 동일하게 이루어진다.

그리고 카본 물질과 네가티브 감광성 물질을 혼합한 에미터 페이스트(10)를 제 1기판(2)의 전면에 스크린 인쇄법으로 도포한다. (도 10 참고) 이로서 상기 에미터 페이스트(10)는 절연층(6)의 홀(6a) 내부 뿐만 아니라 절연층(6) 위에도 일정한 두께로 형성된다.

이어서 제 1기판(2)을 도시하지 않은 노광 장치에 장착하고, 이 기판의 뒷면을 통해 빛을 제공하면, 불투명한 절연층(6)이 노광 마스크로 기능하여 절연층(6)의 홀(6a)에 채워진 에미터 페이스트만을 선택적으로 경화시키고, 제 1기판(2)을 현상하여 카본 에미터층(12)을 완성한다. (도 11 참고)

이 때, 카본 에미터층(12)의 높이는 전술한 바와 같이 노광 시간에 따라 용이하게 제어할 수 있으므로, 구동 과정에서 전자의 퍼짐 현상이 발생하지 않도록 게이트 전극보다 낮은 높이로 카본 에미터층(12)을 형성할 수 있다.

다음으로 카본 에미터층(12) 위의 절연층 홀(6a) 내부에 보호층(22)을 형성한다. (도 12 참고) 상기 보호층(22)은 이후 진행되는 게이트 전극 형성 과정에서 카본 에미터층(12)과의 쇼트 발생을 방지하기 위한 것으로서, 상기 보호층(22)은 일례로 포토레지스트 물질로 이루어진다. 이 경우, 제 1기판(2) 전면에 포토레지스트 물질을 도포하고 경화시킨 다음, 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 카본 에미터층(12) 위에 선택적으로 보호층(22)을 잔류시킬 수 있다.

이어서 제 1기판(2) 전면에 게이트 전극이 될 금속 물질을 증착하고, 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 게이트 전극(8) 라인을 형성한다. (도 13과 도 14 참고) 전술한 실시예와 같이, 상기 게이트 전극(8) 라인은 캐소드 전극(4) 라인과 수직으로 교차하면서 보호층(22) 위로 홀을 형성하여 상기 보호층(22)을 노출시킨다.

그리고 상기한 보호층(22)을 제거하면, 도 6에 도시한 제 1기판(2)의 구조를 완성하며, 다음으로 진행되는 제 2기판(14)에 대한 애노드 전극(16)과 형광막(18)의 형성 과정과, 제 1 및 제 2기판(2, 14)의 밀봉 및 배기 과정은 전술한 실시예와 동일하게 이루어진다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명은 증착과 같은 박막 공정과, 스크린 인쇄와 같은 후막 공정을 적절하게 활용하여 제조 과정이 용이하면서 정밀도가 높은 삼극관 구조를 제 작할 수 있다. 특히 불투명한 절연층을 사용하고, 카본 물질과 네가티브 감광성 물질을 혼합한 에미터 페이스트를 제 1기판의 뒷면 노광을 통해 경화시킴에 따라, 노광 시간에 따라 카본 에미터층의 높이를 용이하게 제어할 수 있다. 따라서 카본 에미터층을 후막 공정으로 제작하면서도 게이트 전극보다 낮은 높이로 형성하여 게이트 전극과의 쇼트 방지는 물론 전자의 퍼짐 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.

Claims (16)

1. 제 1기판의 윗면에 투명한 캐소드 전극 라인을 형성하는 단계;

   상기 캐소드 전극 위 에미터 형성 부위에 홀을 갖는 불투명한 절연층을 형성하는 단계;

   상기 에미터 형성 부위를 제외한 상기 절연층 위로 게이트 전극 라인을 형성하는 단계;

   카본 물질과 네가티브(negative) 감광성 물질을 혼합한 에미터 페이스트를 상기 제 1기판의 전면에 도포하는 단계;

   상기 제 1기판의 뒷면을 통해 노광하여 절연층의 홀에 채워진 에미터 페이스트를 선택적으로 경화시켜 카본 에미터층을 형성하는 단계;

   제 2기판에 애노드 전극과 형광막을 형성하는 단계; 및

   상기 제 1 및 제 2기판을 시일재로 밀봉하고 내부를 배기시키는 단계를 포함하는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 절연층은 폴리이미드(polyimide)를 소성한 막으로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 절연층을 형성하는 단계가,

   절연 물질을 스크린 인쇄하고, 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 에미터 형성 부위에 홀을 형성하는 것으로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 게이트 전극 라인을 형성하는 단계가,

   금속 물질을 증착하고, 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 캐소드 전극 라인과 수직으로 교차하면서 에미터 형성 부위에 홀을 형성하는 것으로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 카본 물질은 카본 나노튜브(carbon nanotube), 그라파이트(graphite) 또는 다이아몬드 파우더로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 에미터 페이스트의 도포는 스크린 인쇄법으로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 노광 시간을 조절하여 카본 에미터의 높이를 제어하는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
8. 제 1기판 윗면에 투명한 캐소드 전극 라인을 형성하는 단계;

   상기 캐소드 전극 위 에미터 형성 부위에 홀을 갖는 불투명한 절연층을 형성하는 단계;

   카본 물질과 네가티브(negative) 감광성 물질을 혼합한 에미터 페이스트를 제 1기판 전면에 도포하는 단계;

   상기 제 1기판의 뒷면을 통해 노광하여 절연층의 홀에 채워진 에미터 페이스트를 선택적으로 경화시켜 카본 에미터층을 형성하는 단계;

   상기 카본 에미터층을 제외한 절연층 위로 게이트 전극 라인을 형성하는 단계;

   제 2기판에 애노드 전극과 형광막을 형성하는 단계; 및

   상기 제 1 및 제 2기판을 시일재로 밀봉하고 내부를 배기시키는 과정을 포함하는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 절연층은 폴리이미드(polyimide)를 소성한 막으로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 절연층을 형성하는 단계가,

    절연 물질을 스크린 인쇄하고, 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 에미터 형성 부위에 홀을 형성하는 것으로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 카본 물질은 카본 나노튜브(carbon nanotube), 그라파이트(graphite) 또는 다이아몬드 파우더로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
12. 제 8항에 있어서,

    상기 에미터 페이스트의 도포는 스크린 인쇄법으로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
13. 제 8항에 있어서,

    상기 노광 시간을 조절하여 카본 에미터의 높이를 제어하는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
14. 제 8항에 있어서,

    상기 게이트 전극을 형성하기 전, 카본 에미터층 위로 보호층을 형성하고, 게이트 전극을 형성한 다음, 상기 보호층을 제거하는 단계를 더욱 포함하는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
15. 제 14항에서,

    상기 보호층을 형성하는 단계가,

    제 1기판 전면에 포토레지스트 물질을 도포하고, 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 카본 에미터층 위에 선택적으로 보호층을 잔류시키는 것으로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.
16. 제 8항에 있어서,

    상기 게이트 전극 라인을 형성하는 단계가,

    금속 물질을 증착하고, 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 캐소드 전극 라인과 수직으로 교차하면서 카본 에미터층이 형성된 부분을 노출시키는 것으로 이루어지는 삼극관형 전계 방출 표시소자의 제조 방법.

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