KR101166015B1 - 전자 방출원, 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자방출원의 제조 방법 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자방출 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 카본계 물질 및 하기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 하기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 하기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상의 경화 및 열처리 결과물을 포함한 전자 방출원, 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원의 제조 방법 및 상기 전자 방출원은 구비한 전자 방출 소자에 관한 것이다:
<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
상기 화학식들 중, R1 내지 R22, m 및 n에 관한 설명은 발명의 상세한 설명을 참조한다. 전술한 바와 같은 실리콘계 물질의 경화 및 열처리 결과물을 포함한 전 자 방출원은 기판과의 부착력이 우수하므로, 이를 구비한 전자 방출 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
Description
도 1은 본 발명을 따르는 전자 방출 소자 및 전자 방출 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이고,
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도이고,
도 3 및 4는 본 발명을 따르는 전자 방출원의 일 구현예를 관찰한 광학 현미경 사진이고,
도 5는 종래의 전자 방출원을 관찰한 광학 현미경 사진이다.
<도면 부호의 간단한 설명>
60: 스페이서 70: 형광체층
80: 애노드 전극 90: 제2 기판
100: 전자 방출 디스플레이 장치
101: 전자 방출 소자
102: 전면 패널 103: 발광 공간
110: 제1기판 120: 캐소드 전극
130: 제1절연체층 131: 전자 방출원 홀
140: 게이트 전극 150: 전자 방출원
본 발명은 전자 방출원, 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원의 제조 방법 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 카본계 물질 및 실리콘계 물질의 경화 및 열처리 결과물을 포함한 전자 방출원, 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원의 제조 방법 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자에 관한 것이다. 상기 전자 방출원은 카본계 물질 외에 실리콘계 물질의 경화 및 열처리물을 포함하는 바, 향상된 기판과의 부착력을 가질 수 있다.
일반적으로 전자 방출 소자는 전자 방출원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는, FEA(Field Emitter Array)형, SCE(Surface Conduction Emitter)형, MIM(Metal Insulator Metal)형 및 MIS (Metal Insulator Semiconductor)형, BSE(Ballistic electron Surface Emitting)형 등이 알려져 있다.
상기 FEA형은 일함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수(β Function)가 높은 물질을 전자 방출원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전 자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주된 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁(tip)구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소계 물질 그리고 최근 나노 튜브(Nano Tube)나 나노와이어(Nano Wire)등의 나노 물질을 전자 방출원으로 적용한 소자가 개발되고 있다.
상기 SCE형은 제1기판 위에 서로 마주보며 배치된 제1전극과 제2전극 사이에 도전 박막을 제공하고 상기 도전 박막에 미세 균열을 제공함으로써 전자 방출원을 형성한 소자이다. 상기 소자는 상기 전극들에 전압을 인가하여 상기 도전 박막 표면으로 전류를 흘려 미세 균열인 전자 방출원으로부터 전자가 방출되는 원리를 이용한다.
상기 MIM형과 MIS형 전자 방출 소자는 각각 금속-유전층-금속(MIM)과 금속-유전층-반도체(MIS) 구조로 이루어진 전자 방출원을 형성하고, 유전층을 사이에 두고 위치하는 두 금속 또는 금속과 반도체 사이에 전압을 인가할 때 높은 전자 전위를 갖는 금속 또는 반도체로부터, 낮은 전자 전위를 갖는 금속 방향으로 전자가 이동 및 가속되면서 방출되는 원리를 이용한 소자이다.
상기 BSE형은 반도체의 사이즈를 반도체 중의 전자의 평균 자유 행정 보다 작은 치수 영역까지 축소하면 전자가 산란하지 않고 주행하는 원리를 이용하여, 오믹(Ohmic) 전극 상에 금속 또는 반도체로 이루어지는 전자 공급층을 형성하고, 전자 공급층 위에 절연체층과 금속 박막을 형성하여 오믹 전극과 금속 박막에 전원을 인가하는 것에 의하여 전자가 방출되도록 한 소자이다.
이중에서 FEA형 전자 방출 소자는 캐소드 전극과 게이트 전극의 배치 형태에 따라 크게 탑 게이트형(top gate type)과 언더 게이트형(under gate type)형으로 나눌 수 있으며, 사용되는 전극의 개수에 따라 2극관, 3극관 또는 4극관 등으로 나눌 수 있다.
전술한 바와 같은 전자 방출 소자 중, 전자를 방출시키는 전자 방출원을 이루는 물질로서, 카본계 물질, 예를 들면, 카본나노튜브가 사용될 수 있다. 상기 카본나노튜브는 전도성 및 전계 집중 효과가 우수하고, 일함수가 낮고 전계 방출 특성이 우수하여 저전압 구동이 용이하고, 대면적화가 가능하므로 전자 방출 소자의 이상적인 전자 방출원으로 기대되고 있다.
카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원 제조 방법은 예를 들면, CVD법 등을 이용하는 카본나노튜브 성장법, 카본나노튜브 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 이용하는 페이스트법 등을 포함한다. 상기 페이스트법을 이용하면 제조 단가가 낮고, 대면적으로 전자 방출원을 형성할 수 있다. 카본나노튜브를 포함한 전자 방출원 형성용 조성물은 예를 들면, 미국 특허 제6,436,221호에 기재되어 있다.
그러나, 종래의 페이스트법을 이용할 경우, 전자 방출원 형성용 조성물의 현상 공정 또는 전자 방출원 중 카본계 물질을 수직 배향시키는 활성화(activation) 공정 중, 전자 방출원이 기판과 박리되는 문제점이 있는 바, 이의 개선이 필요하다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 과제를 해결하기 위한 것으로서, 카본계 물질 및 실리콘계 물질의 경화 및 열처리 결과물을 포함한 전자 방출원, 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원의 제조 방법 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 본 발명의 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제1태양은, 카본계 물질 및 하기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 하기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 하기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상의 경화 및 열처리 결과물을 포함한 전자 방출원을 제공한다:
<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
상기 화학식들 중,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21 및 R22는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1-C20알킬기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알케닐기, 할로겐 원자, 히드록실기 또는 머캅토기이고,
m 및 n은 서로 독립적으로, 0 또는 1 내지 1000의 정수이다.
상기 본 발명의 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제2태양은,
카본계 물질; 하기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 하기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 하기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상; 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제공한다:
<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
상기 화학식들 중,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21 및 R22는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1-C20알킬기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알케닐기, 할로겐 원자, 히드록실기 또는 머캅토기이고,
m 및 n은 서로 독립적으로, 0 또는 1 내지 1000의 정수이다.
상기 본 발명의 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제3태양은, 전술한 바와 같은 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 단계와, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 기판에 인쇄하는 단계와, 상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물을 열처리하는 단계를 포함하는 전자 방출원 제조 방법을 제공한다.
상기 본 발명의 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제4태양은, 제1기판과, 상기 제1기판 상에 배치된 캐소드 전극 및 전자 방출원과, 상기 캐소드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 절연체층을 포함하고, 상기 전자 방출원이 전술한 바와 같은 전자 방출원인 전자 방출 소 자를 제공한다.
본 발명을 따르는 전자 방출원은 기판과의 접착력이 우수하다. 또한, 본 발명을 따르는 전자 방출원 형성용 조성물을 이용하여 전자 방출원을 제조할 경우, 전자 방출원 형성용 조성물의 현상 공정시 및/또는 열처리 후 카본계 물질의 수직 배향을 위한 활성화 공정시, 전자 방출원이 기판으로부터 박리되는 것이 방지될 수 있어, 결과적으로 신뢰성이 향상된 전자 방출 소자를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명을 따르는 전자 방출원은 카본계 물질 외에, 상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상의 경화 및 열처리 결과물을 포함한다.
상기 카본계 물질은 전도성 및 전자 방출 특성이 우수하여 전자 방출 소자 작동시 형광체층으로 전자를 방출시켜 형광체를 여기시키는 역할을 한다. 이러한 카본계 물질의 비제한적인 예에는 카본나노튜브, 그라파이트, 다이아몬드, 플러렌 및 탄화규소(SiC) 등이 포함된다. 이 중, 카본나노튜브가 바람직하다.
카본나노튜브는 그라파이트 시트가 나노 크기의 직경으로 둥글게 말려 튜브형태를 이루고 있는 카본동소체(allotrope)로서, 단일벽 나노튜브(single wall nanotube) 및 다중벽 나노튜브(multi wall nanotube)를 모두를 사용할 수 있다. 본 발명의 카본나노튜브는 열(Thermal) 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: 이하, "CVD법"이라고도 함), DC 플라즈마 CVD법, RF 플라즈마 CVD법, 마이크로파 플라즈마 CVD법과 같은 CVD법을 이용하여 제조된 것일 수 있다.
한편, 본 발명을 따르는 전자 방출원은, 하기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 하기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 하기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상의 경화 및 열처리 결과물을 포함한다:
<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
전술한 바와 같은 실리콘계 물질의 경화 및 열처리 결과물은 전자 방출원과 기판, 예를 들면, ITO 캐소드 전극 사이의 부착력을 증대시키는 역할을 한다. 따라서, 본 발명을 따르는 전자 방출원은 기판으로부터 박리되는 것이 방지되는 바, 이를 구비한 전자 방출 소자의 내구성이 향상될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상의 "경화 및 열처리 결과물"이란, 후술될 본 발명을 따르는 전자 방출원 형성용 조성물 및 전자 방출원의 제조 방법과 관련하여 이해될 수 있는 것으로서, 보다 구체적으로는, 상기 실리콘계 물질의 "경화 및 열처리 결과물"은 상기 실리콘계 물질을 통상의 UV광 또는 열로 경화시킨 다음, 이를 약 400℃ 내지 500℃의 온도 하에서 열처리한 결과물일 수 있다.
상기 화학식 1, 2 및 3 중, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21 및 R22는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1-C20알킬기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알케닐기, 할로겐 원자, 히드록실기 또는 머캅토기일 수 있다. 바람직하게는, 치환 또는 비치환된 C1-C10알킬기, 치환 또는 비치환된 C1-C10알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1-C10알케닐기 또는 할로겐 원자일 수 있다.
상기 R1 내지 R22가 될 수 있는 알킬기, 알콕시기 또는 알케닐기는 비치환되거나 치환될 수 있는데, 치환될 경우, 치환기는 예를 들면, 아미노기, 히드록실기, 할로겐 원자, 카르복실기, 에폭시기, C1-C20알콕시기, C6-C20사이클로알킬기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
m 및 n은 서로 독립적으로, 0 또는 1 내지 1000의 정수이다.
상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 또는 상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질은 각각 1,000 내지 100,000, 바람직하게는 1,000 내지 10,000의 중량 평균 분자량을 가질 수 있다. 상기 실리콘계 물질의 중량 평균 분자량이 1,000 미만인 경우, 만족스러운 정도의 전자 방출원 부착력 향상 효과를 얻을 수 없고, 상기 실리콘계 물질의 중량 평균 분자량이 100,000를 초과할 경우, 전자 방출원 형성용 조성물에 효과적으로 분산되기 곤란할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질은, 하기 화학식 1a를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다:
<화학식 1a>
한편, 상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질은, 하기 화학식 2a를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다:
<화학식 2a>
상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질은, 예를 들면, 하기 화학식 3a를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다:
<화학식 3a>
이 밖에도, 화학식 1, 2 또는 3을 갖는 실리콘계 물질은 전술한 바와 같은 범위 내에서 다양하게 변경가능함은 물론이다.
이와 같은 본 발명을 따르는 전자 방출원을 제조하는 방법은, 예를 들면, 카본계 물질, 전술한 바와 같은 실리콘계 물질 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물의 제공 단계; 상기 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄 단계; 및 상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물의 열처리 단계를 포함한다.
먼저, 카본계 물질; 상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상; 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 준비한다. 이 중, 카본계 물질 및 전술한 바와 같은 실리콘계 물질에 대한 상세한 설명은 전술한 바를 참조한다.
이 때, 상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상의 함량은, 카본계 물질 100중량부 당 20중량부 내지 400중량부, 바람직하게는 33중량부 내지 330중량부일 수 있다. 상기 실리콘계 물질의 함량이 카본계 물질 100중량부 당 20중량부 미만인 경우, 만족스러운 정도의 전자 방출원 부착력 향상 효과를 얻을 수 없고, 상기 실리콘계 물질의 함량이 카본계 물질 100중량부 당 400중량부를 초과할 경우, 상대적으로 카본계 물질의 함량이 감소하여 전자 방출원의 전계 방출 특성이 저하될 수 있으며, 노광 감도가 저하되어 전자 방출원 패턴의 해상도가 불량해 질 수 있기 때문이다.
상기 전자 방출원 조성물에 포함된 비이클은 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄성 및 점도를 조절하며, 카본계 물질 및 전술한 바와 같은 실리콘계 물질을 운반하는 역할을 한다. 상기 비이클은 수지 성분 및 용매 성분을 포함할 수 있다.
상기 수지 성분은 예를 들면, 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스 등과 같은 셀룰로오스계 수지; 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 우레탄 아크릴레이트 등과 같은 아크릴계 수지; 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 에테르 등과 같은 비닐계 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 수지 성분 중 일부 이상은 후술하는 바와 같은 감광성 수지의 역할도 할 수 있다.
상기 용매 성분은 예를 들면, 터피네올(terpineol), 부틸 카르비톨(butyl carbitol:BC), 부틸 카르비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate:BCA), 톨루엔(toluene) 및 텍사놀(texanol) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 중, 터피네올을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 수지 성분의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 100 내지 500중량부, 보다 바람직하게는 200 내지 300중량부일 수 있다. 한편, 상기 용매 성분의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 500 내지 1500중량부, 바람직하게는 800 내지 1200중량부일 수 있다. 상기 수지 성분과 용매 성분으로 이루 어진 비이클의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄성 및 흐름성이 저하되는 문제점이 생길 수 있다. 특히, 비이클의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 건조시간이 지나치게 길어질 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물은 필요에 따라 감광성 수지 및 광개시제, 접착 성분, 필러 등을 더 포함할 수 있다.
상기 감광성 수지는 전자 방출원 형성시 패터닝에 사용되는 물질로서, 예를 들면, 아크릴레이트계 모노머, 벤조페논계 모노머, 아세토페논계 모노머, 또는 티오크산톤계 모노머 등이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로는 에폭시 아크릴레이트, 폴리에스테르 아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, n-프로필아크릴레이트, 이소프로필아크릴레이트, n-부틸아크릴레이트, sec-부틸아크릴레이트, 이소-부틸아크릴레이트, 알릴아크릴레이트, 벤질아크릴레이트, 부톡시에틸아크릴레이트, 부톡시트리에틸렌글리콜아크릴레이트, 글리세롤아크릴레이트, 글리시딜아크릴레이트, 2-히드록시에틸아크릴레이트, 이소보르닐아크릴레이트, 2-히드록시프로필아크릴이트, 2,4-디에틸옥산톤(2,4-diethyloxanthone), 또는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 등이 사용될 수 있다.
상기 감광성 물질의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 300 내지 1000중량부, 바람직하게는 500 내지 800중량부일 수 있다. 감광성 수지의 함량이 카본계 물질 100중량부를 기준으로 300중량부 미만인 경우에는 노광 감도가 떨어지고, 카본계 물질 100중량부를 기준으로 1000중량부를 초과하는 경우에는 현상이 잘 되지 않기 때문에 바람직하지 못하다.
본 발명을 따르는 전자 방출원 형성용 조성물은 광개시제를 더 포함할 수 있다. 상기 광개시제는 상기 감광성 물질이 노광될 때 감광성 물질의 가교결합을 개시하는 역할을 하는 것으로서, 공지된 물질 중에서 선택될 수 있다. 예를 들면, 벤조페논, o-벤조일벤조산 메틸, 4,4-비스(디메틸아민)벤조페논, 4,4-비스(디에틸아미노)벤조페논, 4,4-디클로로벤조페논, 4-벤조일-4-메틸디페닐케톤, 디벤질케톤, 2,2-디에톡시아세토페논, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 2-히드록시-2-메틸프로피오페논, 티오크산톤, 2-메틸티오크산톤, 2-클로로티오크산톤, 2-이소프로필티오크산톤, 디에틸티오크산톤, 벤질디메틸케탄올, 벤질메톡시에틸아세탈 등이 사용될 수 있다.
상기 광개시제의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 300 내지 1000중량부, 바람직하게는 500 내지 800중량부일 수 있다. 광개시제의 함량이 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 300중량부 미만인 경우에는 효율적인 가교결합이 이루어지지 않아 패턴 형성에 문제가 생길 수 있고, 카본계 물질 100중량부를 기준으로 1000중량부를 초과하면 제조비용 상승의 원인이 될 수 있기 때문이다.
상기 접착 성분은 전자 방출원을 기판에 부착시키는 역할을 하는 것으로서, 예를 들면, 무기 바인더 등일 수 있다. 이러한 무기 바인더의 비제한적인 예에는 프리트, 물유리 등이 포함되며, 이들 중 2 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 프리트는 예를 들면, 산화납-산화아연-보론옥사이드(PbO-ZnO-B2O3) 성분으로 이루어 질 수 있다. 상기 무기 바인더 중 프리트가 바람직하다.
전자 방출원 형성용 조성물 중 무기 바인더의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 10 내지 50중량부, 바람직하게는 15 내지 35중량부 일 수 있다. 무기 바인더의 함량이 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 10중량부 미만인 경우에는 만족할 만한 접착력을 얻을 수 없고, 50중량부를 초과하는 경우에는 인쇄성이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
상기 필러는 기판과 충분히 접착하지 못한 카본계 물질의 전도성을 향상시키는 역할을 하는 물질로서 이의 비제한적인 예에는 Ag, Al, Pd 등이 있다.
전술한 바와 같은 물질을 포함하는 본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물은 3,000 내지 50,000cps, 바람직하게는 5,000 내지 30,000cps의 점도를 가질 수 있다. 상기 점도 범위를 벗어나는 경우, 작업성이 불량해 지는 문제점이 발생할 수 있다.
이 후, 상기 제공된 전자 방출원 형성용 조성물을 기판에 인쇄한다. 상기 "기판"이란 전자 방출원이 형성될 기판으로서, 형성하고자 하는 전자 방출 소자에 따라 상이할 수 있으며, 이는 당업자에게 용이하게 인식가능한 것이다. 예를 들면, 상기 "기판"이란, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 게이트 전극이 구비된 형태의 전자 방출 소자를 제조하는 경우에는 캐소드 전극이 될 수 있다.
전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하는 단계는 감광성 수지를 포함하는 경우와 감광성 수지를 포함하지 않은 경우에 따라 상이하다. 먼저, 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하는 경우에는 별도의 포토레지스트 패턴이 불필요 하다. 즉, 기판 상에 감광성 수지를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 도포한 다음, 이를 원하는 전자 방출원 형성 영역에 따라 노광(예를 들면, UV 노광)하여 경화시킨 후 현상한다.
한편, 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하지 않는 경우에는, 별도의 포토레지스트 패턴을 이용한 포토리소그래피 공정이 필요하다. 즉, 포토레지스트막을 이용하여 포토레지스트 패턴을 먼저 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄로 공급한 다음, 전자 방출원 형성 영역에 배치된 전자 방출원 형성용 조성물을 열 또는 광을 이용하여 경화시킨다.
이 때, 전술한 바와 같은 실리콘계 물질을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 이용하므로, 현상 공정 중, 전자 방출원 패턴에 따라 경화된 전자 방출원 형성용 조성물 부분(즉, 전자 방출원이 될 부분)이 기판으로부터 박리되는 것이 방지될 수 있다. 상기 현상 공정은 미경화된 전자 방출원 형성용 조성물을 제거하는 공정인데, 이 때, 전자 방출원 형성 영역에 남아 있어야 할 경화된 전자 방출원 형성용 조성물 부분까지 제거되는 경우가 있다. 그러나, 본 발명을 따르는 전자 방출원 형성용 조성물은 전술한 바와 같은 실리콘계 물질을 포함하는 바, 상기 현상 공정 중에도 경화된 부분은 제거되지 않고 기판에 단단히 부착되어 있을 수 있다.
전술한 바와 같이 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물은 열처리 단계를 거친다. 열처리 단계를 통하여 전자 방출원 형성용 조성물 중 카본계 물질은 기판과의 접착력이 향상될 수 있고, 일부 이상의 비이클은 휘발되고, 다른 무기 바인더 등이 용융 및 고형화되어 전자 방출원의 내구성 향상에 기여할 수 있게 된다. 열처리 온도는 전자 방출원 형성용 조성물에 포함된 비이클의 휘발 온도 및 시간을 고려하여 결정되어야 한다. 통상적인 열처리 온도는 400℃ 내지 500℃, 바람직하게는 450℃이다. 열처리 온도가 400℃ 미만이면 비이클 등의 휘발이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 발생할 수 있고, 열처리 온도가 500℃를 초과하면 제조 비용이 상승하고, 기판이 손상될 수 있다는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
상기 열처리 단계는 카본계 물질의 열화를 방지하기 위하여 불활성 가스의 존재 하에서 수행될 수 있다. 상기 불활성 가스는 예를 들면, 질소 가스, 아르곤 가스, 네온 가스, 크세논 가스 및 이들 중 2 이상의 혼합 가스일 수 있다.
이와 같이, 본 발명을 따르는 전자 방출원은 전술한 바와 같은 경화 단계 및 열처리 단계를 거치게 된다. 따라서, 전자 방출원 형성용 조성물에 포함된 실리콘계 물질은 전술한 바와 같은 경화 단계 및 열처리 단계를 거치는 동안 물리적, 화학적으로 변형되며, 그 결과물이 본 발명을 따르는 전자 방출원에 포함될 수 있다.
이와 같이 열처리된 결과물 표면은 선택적으로, 카본계 물질의 수직배향, 표면 노출 등을 위하여 활성화 단계를 거친다. 상기 활성화 단계의 일 구현예에 따르면, 열처리 공정을 통하여 필름 형태로 경화될 수 있는 용액, 예를 들면 폴리이미드계 고분자를 포함하는 전자 방출원 표면 처리제를 상기 열처리 결과물 상에 도포한 후, 이를 열처리한 다음, 상기 열처리로 형성된 필름을 박리한다. 활성화 단계의 다른 구현예에 따르면 소정의 구동원으로 구동되는 롤러 표면에 접착력을 갖는 접착부를 형성하여 상기 열처리 결과물 표면에 소정의 압력으로 가압함으로써 활성화 공정을 수행할 수도 있다. 이러한 활성화 단계를 통하여 카본계 물질이 전자 방출원 표면으로 노출되거나 수직배향되도록 제어될 수 있다.
전술한 바와 같은 활성화 공정 중, 열처리 결과물이 기판으로부터 박리될 수 있다. 그러나, 본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물은 전술한 바와 같은 실리콘계 물질을 포함하는 바, 전술한 바와 같은 활성화 공정 중에도 실질적으로 기판으로부터 박리되지 않는다.
따라서, 본 발명을 따르는 전자 방출원 형성용 조성물을 이용할 경우, 전자 방출원 제조시 수반되는 현상 및 활성화 공정 중 기판으로부터의 박리 현상이 최소화될 수 있는 바, 제품 불량률을 현저히 감소시킬 수 있고, 재료 손실도 방지할 수 있다.
본 발명을 따르는 전자 방출원은, 전술한 바와 같은 본 발명을 따르는 전자 방출원 제조 방법에 따라 제조된 전자 방출원일 수 있다.
본 발명을 따르는 전자 방출 소자는, 제1기판과, 상기 제1기판 상에 배치된 캐소드 전극 및 전자 방출원과, 상기 캐소드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 절연체층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 전자 방출원은 전술한 바와 같이 카본계 물질 및 전술한 바와 같은 실리콘계 물질의 경화 및 열처리 결과물을 포함한다. 한편, 상기 전자 방출원은 전술한 바와 같은 본 발명을 따르는 전자 방출원 제조 방법에 따라 제조된 전자 방출원일 수 있다.
상기 전자 방출 소자는, 상기 게이트 전극의 상측을 덮는 제2절연체층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 절연체층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함할 수 있는 등, 다양한 변형예가 가능하다.
상기 전자 방출 소자는 다양한 전자 장치, 예를 들면, LCD(Liquid Crystal Display) 등의 백라이트 유니트 등으로 사용되거나, 전자 방출 디스플레이 장치에 사용될 수 있다.
이 중, 본 발명을 따르는 전자 방출 디스플레이 장치는, 제1기판과, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수 개의 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극들과 교차하도록 배치된 복수 개의 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소드 전극들과 상기 게이트 전극들을 절연하는 절연체층과, 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극이 교차하는 지점에 형성된 전자 방출원 홀과, 상기 전자 방출원 홀 내에 배치된 전자 방출원과, 상기 제1 기판과 실질적으로 평행하게 배치되는 제2기판과, 상기 제2 기판에 배치된 애노드 전극과, 상기 애노드 전극에 배치된 형광체층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 전자 방출원은 전술한 바와 같은 카본계 물질 및 전술한 바와 같은 실리콘계 물질의 경화 및 열처리 결과물을 포함한다. 한편, 상기 전자 방출원은 전술한 바와 같은 본 발명을 따르는 전자 방출원 제조 방법에 따라 제조된 전자 방출원일 수 있다.
도 1에는, 본 발명을 따르는 전자 방출 디스플레이 장치 중 탑 게이트형 전자 방출 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보여주는 부분 사시도가 도시되어 있 고, 도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 전자 방출 디스플레이 장치(100)는 나란하게 배치되어 진공인 발광 공간(103)을 형성하는 전자 방출 소자(101) 및 전면 패널(102)과, 상기 전자 방출 소자(101) 및 전면 패널(102) 사이의 간격을 유지하여 주는 스페이서(60)를 구비한다.
상기 전자 방출 소자(101)는, 제1기판(110), 상기 제1기판(110) 상에 교차되도록 배치된 게이트 전극(140)들과 캐소드 전극(120)들 및 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소드 전극(120) 사이에 배치되어 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소드 전극(120)을 전기적으로 절연하는 절연체층(130)을 구비한다.
상기 게이트 전극(140)들과 상기 캐소드 전극(120)들이 교차하는 영역들에는 전자 방출원 홀(131)들이 형성되어 있으며, 그 내부에 전자 방출원(150)이 배치되어 있다.
상기 전면 패널(102)은 제2기판(90), 상기 제2기판(90)의 저면에 배치된 애노드 전극(80), 상기 애노드 전극(80)의 저면에 배치된 형광체층(70)을 구비한다.
본 발명을 따르는 전자 방출 디스플레이 장치는 상기 도 1 및 도 2를 예로 들어 설명하였으나, 제2절연체층 및/또는 집속전극을 더 포함하는 전자 방출 디스플레이 장치 등과 같은 다양한 변형예가 가능함은 물론이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재되는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예
1
먼저, 터피네올 10g에 카본나노튜브 분말(CNI 사 제품임) 1g, 글라스 프리트(8000L, 신흥요업사 제품) 0.2g, 디클로로옥타메틸테트라 실록산(dichloro octamethyl siloxane, 중량 평균 분자량은 2,000임, 상기 화학식 2a 참조) 0.5g, 폴리에스테르 아크릴레이트 5g, 벤조페논 5g을 첨가한 다음 교반하여, 30,000cps의 점도를 갖는 전자 방출원 형성용 조성물을 제조하였다. 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 Cr 게이트 전극, 절연체층 및 ITO 캐소드 전극이 구비된 기판을 준비한 상에 도포한 다음, 2000 mJ/cm2의 노광 에너지로 평행 노광기를 이용하여 조사하여, 전자 방출원 형성 영역에 따라 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 경화시켰다. 이 후, 아세톤을 이용하여 현상하여, 전자 방출원 형성 영역에 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하였다. 이 후, 450℃의 온도 및 질소 가스의 존재 하에서 열처리한 다음, 그 결과물 표면에 3M Tape 필름을 마련한 후, 상기 필름을 박리함으로써 활성화 공정을 수행함으로써 전자 방출원을 형성하였다. 상기 전자 방출원을 관찰한 광학 현미경 사진은 도 3을 참조한다. 도 3을 참조하면, 활성화 공정 수행 후에도 전자 방출원이 기판으로부터 탈착되지 않고 모두 남아 있음을 확인할 수 있다.
실시예
2
상기 실시예 1 중, 디클로로옥타메틸테트라 실록산 대신 헥사메틸디실리잔(hexamethyldisilizane, 중량 평균 분자량은, 2,000임, 화학식 3a 참조)을 사용 하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전자 방출원을 형성하였다. 상기 전자 방출원을 관찰한 광학 현미경 사진은 도 4를 참조한다. 도 4를 참조하면, 활성화 공정 수행 후에도 전자 방출원이 기판으로부터 탈착되지 않고 모두 남아 있음을 확인할 수 있다.
비교예
상기 실시예 1 중, 디클로로옥타메틸테트라 실록산을 첨가하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전자 방출원을 형성하였다. 상기 전자 방출원을 관찰한 광학 현미경 사진은 도 5를 참조한다. 도 5를 참조하면, 활성화 공정 수행 후 일부 이상의 전자 방출원이 기판으로부터 탈착되어 남아 있지 않음을 확인할 수 있다.
본 발명의 전자 방출원은 카본계 물질 외에 실리콘계 물질의 경화 및 열처리 결과물을 포함하는 바, 기판과의 부착력이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명을 따르는 전자 방출원은 카본계 물질 외에 실리콘계 물질을 포함하는 바, 전자 방출원 제조 시 기판과 단단히 부착될 수 있어, 현상 또는 활성화 공정 수행 중에도 기판으로부터 박리되지 않을 수 있다. 이와 같은 전자 방출원 또는 상기 전자 방출원으로부터 제조된 전자 방출원을 이용하면 신뢰성이 향상된 전자 방출 소자를 얻을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예 등을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영 역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (17)
- 카본계 물질 및 하기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 하기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 하기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상의 경화 및 열처리 결과물을 포함하되,하기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 하기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 하기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상의 함량은 카본계 물질 100중량부 당 20중량부 내지 400중량부인 전자 방출원:<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
상기 화학식들 중,R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21 및 R22는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1-C20알킬기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알케닐기, 할로겐 원자, 히드록실기 또는 머캅토기이고,m 및 n은 서로 독립적으로, 0 또는 1 내지 1,000의 정수이다. - 제1항에 있어서,상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 또는 상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질이 각각 1,000 내지 100,000의 중량 평균 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
- 제1항에 있어서,상기 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기의 치환기가 아미노기, 히드록실기, 할로겐 원자, 카르복실기, 에폭시기, C1-C20알콕시기, C6-C10사이클로알킬기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
- 제1항에 있어서,상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질이 하기 화학식 1a를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출원:<화학식 1a>
- 제1항에 있어서,상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질이 하기 화학식 2a를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출원:<화학식 2a>
- 제1항에 있어서,상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질이 하기 화학식 3a를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출원:<화학식 3a>
- 카본계 물질; 하기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 하기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 하기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상; 및 비이클을 포함하되,하기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 하기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 및 하기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질 중 하나 이상의 함량은 카본계 물질 100중량부 당 20중량부 내지 400중량부이고,상기 비이클의 함량은 상기 카본계 물질 100중량부 당 600중량부 내지 2000중량부인 전자 방출원 형성용 조성물:<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
상기 화학식들 중,R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21 및 R22는 서로 독립적으로, 치환 또는 비치환된 C1-C20알킬기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1-C20알케닐기, 할로겐 원자, 히드록실기 또는 머캅토기이고,m 및 n은 서로 독립적으로, 0 또는 1 내지 1,000의 정수이다. - 제7항에 있어서,상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질, 상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질 또는 상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질이 각각 1,000 내지 100,000의 중량 평균 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
- 제7항에 있어서,상기 알킬기, 알콕시기 및 알케닐기의 치환기가 아미노기, 히드록실기, 할로겐 원자, 카르복실기, 에폭시기, C1-C20알콕시기, C6-C10사이클로알킬기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
- 제7항에 있어서,상기 화학식 1을 갖는 실리콘계 물질이 하기 화학식 1a를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물:<화학식 1a>
- 제7항에 있어서,상기 화학식 2를 갖는 실리콘계 물질이 하기 화학식 2a를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물:<화학식 2a>
- 제7항에 있어서,상기 화학식 3을 갖는 실리콘계 물질이 하기 화학식 3a를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물:<화학식 3a>
- 제7항에 있어서,상기 비이클은 수지 성분 및 용매 성분을 포함하되, 상기 수지 성분의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 100중량부 내지 500중량부이고, 상기 용매 성분의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 500중량부 내지 1500중량부인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
- 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항의 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 단계;상기 전자 방출원 형성용 조성물을 기판에 인쇄하는 단계; 및상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물을 열처리하는 단계;를 포함하는 전자 방출원 제조 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄 단계를 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 기판에 도포한 다음 전자 방출원 형성 영역에 따라 노광 및 현상시킴으로써 수행하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
- 제1기판;상기 제1기판 상에 배치된 캐소드 전극 및 전자 방출원;상기 캐소드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극; 및상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 절연체층;을 포함하고,상기 전자 방출원이 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전자 방출원인 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
- 제16항에 있어서,상기 게이트 전극의 상측을 덮는 제2절연체층과, 상기 제2 절연체층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
Priority Applications (6)
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