KR100699800B1 - 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전계방출 표시장치는 절연성 기판 상에 위치하는 캐소드 전극 및 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극을 덮는 절연층을 포함한다. 상기 절연층 상에 에미터가 위치한다. 본 발명에 의하면, 발광 충실도가 향상되고, 에미터의 수명이 연장된다.
전계방출 표시장치, 에미터, 게이트 전극, 캐소드 전극, 절연층

Description

전계방출 표시장치 및 그 제조 방법{FIELD EMISSION DISPLAY AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
도 1은 종래의 래터럴 게이트 방식의 전계방출 표시장치의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 래터럴 게이트 방식의 전계방출 표시장치의 단면도,
도 3a 내지 도3c는 본 발명에 따른 래터럴 게이트 방식의 전계방출 표시장치의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
♧ 도면의 주요부분에 대한 참조부호의 설명 ♧
110 : 절연성 기판 120c : 캐소드 전극
120g : 게이트 전극 125 : 절연층
130 : 에미터 EF : 전계
본 발명은 표시 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 정보전달매체의 중요 부분인 표시장치의 대표적인 활용 분야로는 개인용 컴퓨터의 모니터와 텔레비젼 수상기 등을 들 수 있다. 이러한 표시장치는 고속 열전자 방출을 이용하는 음극선관(CRT:cathode ray tube)과, 최근에 급속도로 발전하고 있는 액정표시장치(LCD:liquid crystal display), 플라즈마 표시장치(PDP:plasma display panel) 및 전계방출 표시장치(FED:field emission display) 등과 같은 평판 표시장치(Flat Panel Display)로 크게 분류될 수 있다.
이중에서 전계방출 표시장치는 다른 평판 표시장치들의 단점을 극복할 수 있는 차세대 정보 통신용 평판 표시장치로 주목을 받고 있다. 전계방출 표시장치는 전극 구조가 간단하고, CRT와 같은 원리로 고속동작이 가능하며, 소비전력, 효율, 휘도 등의 면에서 뛰어나다.
이러한 전계방출 표시장치는 캐소드 전극 위에 일정한 간격으로 배열된 에미터에 강한 전계를 인가함으로써 에미터로부터 전자를 방출시키고, 이 전자를 애노드 전극의 표면에 도포된 형광체에 충돌시켜 발광되도록 한다. 즉, 진공 속의 에미터에 강한 전계가 인가될 때 전자들이 에미터로부터 진공 밖으로 나오는 양자역학적 터널링 현상을 이용한 것이다. 이때, 전계방출 표시장치는 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의하여 전류-전압 특성을 나타내게 된다.
전계방출 표시장치는 에미터가 배치된 캐소드 전극과 형광체가 배치된 애노드 전극으로 구성되는 2전극 구조와 게이트 전극을 더 포함하는 3전극 구조가 있 다.
2전극 구조는 절연층이나 게이트 전극과 같은 3전극 구조의 적층들이 구비될 필요가 없으므로 낮은 비용으로 쉽게 제작될 수 있으나, 단순한 2극구조로서는 전자방출을 제어하기 어려워 균일한 발광특성을 얻을 수 없으며, 전계방출 표시장치의 장점인 고효율화를 이룰 수 없다.
종래의 일반적인 3전극 구조는 기판 상에 저항층, 절연층, 및 게이트 전극이 위치하고, 절연층 및 게이트 전극을 일부 식각하여 형성된 홀에 에미터가 위치한다. 이에 대하여 언더(under) 게이트 방식은 게이트 전극이 캐소드 전극 아래 위치하고, 그리드(grid)형 게이트 방식은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 구멍이 뚫린 게이트 전극이 배치된다. 이러한 방식들은 다수의 공정을 거쳐야 하기 때문에 제조 공정이 복작하고, 생산비가 높다.
이에 비해, 래터럴 게이트 방식은 게이트 전극이 캐소드 전극 측면에 위치하는 방식으로 다른 방식에 비하여 제조가 용이하고, 생산비가 저렴하는 등의 장점이 있다.
도 1은 종래의 래터럴 게이트 방식의 전계방출 표시장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 캐소드 전극(20c)과 게이트 전극(20g)이 위치한다. 이러한 래터럴 게이트 방식은 캐소드 전극(20c)과 게이트 전극(20g)을 동시에 형성할 수 있어 제조가 용이하나, 게이트 전극(20g)이 캐소드 전극(20c) 측면에 위치하기 때문에 에미터(30)의 유효면적이 작아져서 발광효율이 떨어진다. 발광효율을 향상시키기 위해서는 캐소드 전극(20c)과 게이트 전극(20g)의 선폭 및 두 전극(20c,20g) 사이의 간격을 최대한 줄여 미세 패턴으로 라인수를 최대로 하여야 한다. 이렇게 두 전극(20c,20g) 사이의 간격이 짧아지면 캐소드 전극(20c)과 게이트 전극(20g)간에 형성되는 전계(EF:electric field)가 기판(10)에 대하여 수평으로 형성되기 때문에 에미터(30)의 가장자리에서 주로 전자방출이 일어나게 되고 이때, 에미터(30)의 가장자리에 과도한 전류가 흐르게 된다. 또한, 캐소드 전극(20c) 및 게이트 전극(20g)의 소재로 사용되는 금속은 그 전도성이 우수하여 전자방출시 전계(EF)가 에미터(30) 중에서 전자방출 특성이 우수한 쪽으로 집중된다. 이에 의해, 전자방출시 발광 충실도가 불량해질 수 있고, 에미터(30)의 수명이 단축될 수 있다. 그리고, 미세 패턴화된 전극 모서리에서 아킹이 발생할 수 있다.
본 발명은 이상에서 언급한 상황을 고려하여 제안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 충실도가 향상되고, 에미터의 수명을 연장시킬 수 있는 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전계방출 표시장치는 절연성 기판 상에 위치하는 캐소드 전극 및 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극을 덮는 절연층을 포함한다. 상기 절연층 상에 에미터가 위치한다.
상기 에미터는 탄소 나노튜브일 수 있다.
상기 에미터는 상기 캐소드 전극 상에 위치하거나, 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극 상에 위치할 수 있다.
상기 절연층의 두께는 0.01 ~ 20㎛일 수 있다.
상기 절연층은 저온유리가루(frit)와 불활성무기입자가 혼합되어 이루어질 수 있으며, 이때 상기 불활성무기입자는 알루미나, 실리카, 실리콘, 이산화티탄, 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 불활성무기입자의 평균직경은 0.01 ~ 5㎛일 수 있다.
상기 캐소드 전극 및 게이트 전극은 서로 구조와 크기가 동일할 수 있다.
상기 캐소드 전극 및 게이트 전극은 스트라이프형일 수 있다. 이때, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극은 각각 하나씩 교대로 배치될 수 있다. 상기 에미터도 스트라이프형일 수 있으며, 이때 상기 에미터의 폭이 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극의 폭보다 작을 수 있다.
상기 캐소드 전극 및 게이트 전극은 Ag, Cr, Al, Ni, Co, Pt, Au, Ti, W, Zn, ITO, 및 이들의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 전계방출 표시장치의 제조 방법은 절연성 기판 상에 캐소드 전극 및 게이트 전극을 형성하고, 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극을 덮는 절연층을 형성하고, 상기 절연층 상 에 에미터를 형성하는 것을 포함한다.
상기 캐소드 전극 및 게이트 전극은 같은 크기의 스트라이프형으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극은 각각 하나씩 교대가 되도록 형성될 수 있다. 상기 에미터도 스트라이프형으로 형성될 수 있으며, 상기 에미터의 폭이 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극의 폭보다 작게 형성될 수 있다.
상기 절연층은 0.01 ~ 20㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기 에미터는 상기 캐소드 전극 상에 형성되거나, 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극 상에 형성될 수 있다.
상기 에미터는 탄소 나노튜브로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 발광효율이 향상되고, 에미터의 수명이 연장된다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
도면들에 있어서, 층(막) 또는 영역들의 두께 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 또한, 층(막)이 다른 층(막) 또는 기판 상(위)에 있다 고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층(막) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층(막)이 개재될 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 래터럴 게이트 방식의 전계방출 표시장치의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 절연성 기판(110) 상에 캐소드 전극(120c)과 게이트 전극(120g)이 위치한다. 절연성 기판(110)은 유리, 알루미나, 석영, 실리콘 등이 사용될 수 있으나, 전계방출 표시장치의 공정 및 대면적화를 고려하면 유리 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g)은 Ag, Cr, Al, Ni, Co, Pt, Au, Ti, W, Zn, ITO, 및 이들의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다. 캐소드 전극(120c)과 게이트 전극(120g)은 서로 크기와 구조가 동일한 스트라이프(stripe)형이며, 캐소드 전극(120c)과 게이트 전극(120g)은 각각 하나씩 교대로 배치된다.
절연층(125)이 캐소드 전극(120c)과 게이트 전극(120g)을 덮는다. 절연층(125)의 두께는 0.01 ~ 20㎛이다. 절연층(125)의 두께가 0.01㎛이하에서는 충분한 절연특성을 발휘할 수 없었으며, 20㎛이상에서는 전극(120c,120g)과 에미터(130)간의 전기적 단락으로 전계방출이 극히 불량해졌다. 절연층(125)은 저온유리가루와 불활성무기입자가 혼합되어 이루어지는데, 이때 불활성무기입자는 알루미나, 실리카, 실리콘, 이산화티탄, 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 불활성무기입자의 평균직경은 0.01 ~ 5㎛이다.
이러한 절연층(125)은 캐소드 전극(120c)과 게이트 전극(120g)간의 전계곡선(EF)이 애노드 전극(150) 쪽으로 형성되도록 하여 에미터(130)의 가장자리에 전계(EF)가 집중되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 절연층(125)은 적절한 저항체 역할을 하여 전자방출시 전계(EF)가 에미터(130) 중에서 전자방출 특성이 우수한 쪽으로 집중되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 에미터(130)의 수명이 연장되고, 발광 충실도가 향상된다. 또한, 절연층(125)이 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g)을 덮고 있기 때문에 미세 패턴화 되어 있는 전극들의 모서리에서 발생하는 아킹을 방지할 수 있다. 또한, 형광체(140)에서 발생하는 가스로부터 전극을 보호할 수 있다. 특히, 형광체(140)가 황화물계인 경우에 황가스를 발생시키는데, 절연층(125)이 이러한 황가스로부터 전극을 보호한다.
캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g) 상에 에미터(130)가 위치한다. 에미터(130)는 스트라이프형이고, 에미터(130)폭이 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g)의 폭보다 작다. 에미터(130)는 탄소 나노튜브일 수 있다. 에미터(130)가 두 전극(120c,120g) 상에 위치하기 때문에 유효 발광면적이 넓어진다. 물론 에미터(130)는 캐소드 전극(120c) 상에만 배치될 수 있다. 에미터(130)가 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g) 상에 모두 위치하는 전계방출 표시장치를 구동하기 위해서 캐소드 전극(120c)을 접지로 하여 0볼트의 전압이 되게 하고, 게이트 전극 (120g)에는 (+),(-)의 양방향(bipolar) 펄스형 전압을 인가할 수 있다. (+)전압이 인가된 때에는 캐소드 전극(120c) 상의 에미터(130)로부터 게이트 전극(120g) 상의 에미터로 전자가 방출되고, (-)전압이 인가된 때에는 게이트 전극(120g) 상의 에미터(130)로부터 캐소드 전극(120c) 상의 에미터로 전자가 방출된다. 이렇게 전자가 양쪽에서 교대로 방출되는 동안 애노드 전극에 고전압이 인가되면 방출된 전자가 가속되고, 가속된 전자가 애노드 전극(150) 상에 도포된 형광체(140)와 충돌하여 발광하게 된다.
도 3a 내지 도3c는 본 발명에 따른 래터럴 게이트 방식의 전계방출 표시장치의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도 3a를 참조하면, 절연성 기판(110) 상에 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g)이 형성된다. 래터럴 게이트 방식의 전계방출 표시장치에서는 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g)이 한번의 사진 및 식각 공정에 의해 동시에 형성된다. 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g)은 같은 크기의 스트라이프형으로, 각각 하나씩 교대가 되도록 형성된다.
도 3b를 참조하면, 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g)을 덮는 절연층(125)이 형성된다. 절연층(125)은 0.01 ~ 20㎛의 두께로 형성될 수 있다. 절연층(125)은 저온유리가루와 불활성무기입자가 혼합물로 형성될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g) 상에 에미터(130)가 형성된다. 물론 에미터(130)는 캐소드 전극(120c) 상에만 형성될 수 있다. 에미터(130)는 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g)처럼 스트라이프형으 로 형성될 수 있고, 이때 에미터(130)의 폭이 캐소드 전극(120c) 및 게이트 전극(120g)의 폭보다 작게 형성될 수 있다. 에미터(130)는 탄소 나노튜브로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 본 발명에 의하면, 절연층에 의해 캐소드 전극과 게이트 전극간의 전계곡선이 애노드 전극쪽으로 형성되기 때문에 에미터의 가장자리에 전계가 과도하게 집중되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 절연층은 적절한 저항체 역할을 하여 전자방출시 전계가 에미터 중에서 전자방출 특성이 우수한 쪽으로 집중되는 것을 방지한다. 따라서, 에미터의 수명이 연장되고, 발광 충실도가 향상된다.
절연층이 캐소드 전극 및 게이트 전극을 덮고 있기 때문에 미세 패턴화 되어 있는 전극모서리에서 발생하는 아킹을 방지할 수 있다. 또한, 형광체에서 발생하는 가스로부터 전극을 보호할 수 있다.
에미터를 캐소드 전극뿐만 아니라 게이트 전극 상에도 형성할 경우, 유효 발광면적이 넓어지고, 에미터의 수명이 연장된다.

Claims (13)

  1. 절연성 기판 상에 서로 이격되어 배치되는 캐소드 전극 및 게이트 전극;
    상기 캐소드 전극 및 상기 게이트 전극을 덮는 절연층; 및
    상기 절연층 상에 위치하고, 상기 캐소드 전극 및 상기 게이트 전극 중 적어도 어느 하나 위에 배치되는 에미터를 포함하며,
    상기 절연층은 상기 에미터가 전계방출 특성을 유지할 수 있는 두께를 갖는 전계방출 표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 0.01 ~ 20㎛인 전계방출 표시장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에미터는 탄소 나노튜브인 전계방출 표시장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에미터는 상기 캐소드 전극 상에 위치하는 전계방출 표시장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에미터는 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극 상에 위치하는 전계방출 표시장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 절연층은 저온유리가루와 불활성무기입자가 혼합되어 이루어지는 전계방출 표시장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 불활성무기입자는 알루미나, 실리카, 실리콘, 이산화티탄, 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나인 전계방출 표시장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 불활성무기입자의 평균직경은 0.01 ~ 5㎛인 전계방출 표시장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극 및 게이트 전극은 서로 구조와 크기가 동일한 전계방출 표시장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극 및 게이트 전극은 스트라이프형인 전계방출 표시장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극은 각각 하나씩 교대로 배치되는 전계방출 표시장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 에미터는 스트라이프형이고, 상기 에미터의 폭이 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극의 폭보다 작은 전계방출 표시장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극 및 게이트 전극은 Ag, Cr, Al, Ni, Co, Pt, Au, Ti, W, Zn, ITO, 및 이들의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 전계방출 표시장치.
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