KR101266055B1 - 전계방출 표시장치와 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전계방출 표시장치와 그 제조 방법에 관한 것으로, 그 전계방출 표시장치는 상부 기판 상에 형성된 애노드 전극과 형광체를 포함한 상판; 하부 기판 상에 형성된 캐소드 전극, 탄소나노튜브들, 및 게이트전극을 포함한 하판; 및 상기 상판과 하판 사이의 진공 공간 갭을 유지하도록 상기 상판과 상기 하판 사이에서 글라스 프릿을 통해 상기 상판과 상기 하판에 접합되는 매트릭스 형태의 스페이서를 포함한다. 상기 상부 기판, 상기 하부 기판 및 상기 스페이서는 유리 기판이나 세라믹 기판을 포함한다.

Description

전계방출 표시장치와 그 제조 방법{Field Emission Display and Fabricating Method thereof}
본 발명은 스페이서를 포함한 전계방출 표시장치와 그 제조 방법에 관한 것이다.
음극선관(Cathode Ray Tube)의 단점인 무게와 부피를 줄일 수 있는 각종 평판 표시장치들(Flat Panel Display, FPD)이 개발되고 있다. 이러한 평판 표시장치는 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel, PDP), 전계발광소자(Electroluminescence Device), 전계 방출 표시장치(Field Emission Display, FED) 등이 있다.
전계방출 표시장치(FED)는 캐소드 전극 위에 일정한 간격으로 배열된 전자 방출원(Field Emitter)과 게이트전극 사이에 전기장을 형성하여 전자 방출원으로부터 전자의 방출을 유도하고, 이 전자를 애노드 전극 상의 형광물질에 충돌시킴으로써 화상을 표시한다. 전계방출 표시장치는 경박단소에 유리하고, 광시야각, 낮은 소비전력 등의 장점으로 인하여 액정표시소자, 플라즈마 디스플레이 패널 등과 함께 차세대 표시장치로 주목받아 왔다.
전계방출 표시장치(FED)의 표시패널은 애노드 전극과 형광체가 형성된 상판, 전자 방출원과 캐소드전극이 형성된 하판, 및 상판과 하판 사이에 형성된 스페이서 등을 포함한다.
스페이서는 상판과 하판 사이의 진공 공간 갭(Gap)을 일정하게 유지하는 구조체로서, 전계방출 표시장치(FED)의 성능과 수명에 큰 영향을 끼친다. 스페이서 물질은 표시패널의 내부 진공상태와 표시패널의 외부 대기압 간의 압력차를 견딜 수 있는 정도의 기계적 강도를 가져야 하고 또한, 애노드 전압에 견딜 수 있는 절연내력을 가져야 한다. 또한, 스페이서는 표시패널의 픽셀들에서 유효 개구면을 침범하지 않는 정밀한 구조로 제작되어야 하고 전자선 왜곡을 유발하지 않도록 적절한 체적 저항을 가져야 한다.
스페이서의 개발 이력을 살펴 보면, 미국의 Candescent 사는 알루미나 기반에 희토류를 혼합한 스페이서 물질을 리본(ribbon) 또는 세그먼트 월 타입(segment wall type) 구조로 제작하는 스페이서와 그 제조 방법을 제안하였다. 그런데 이 방법은 하나의 표시패널 내에 많은 스페이서들이 필요하고 스페이서 각각의 구조가 가늘고 길기 때문에 금형 제작이 어렵고 직진도와 형상 정밀도를 유지하기가 어렵다. 또한, 이 방법은 하나의 표시패널 내에 얇고 긴 구조의 스페이서들을 조립하여야 하므로 그 조립 공정이 어렵다. 이러한 문제들로 인하여, Candescent 사는 스페이서의 상용화에 실패하였다.
미국의 cDream 사는 알루미나 기반에 희토류를 혼합한 스페이서 물질을 원통형 타입의 구조로 제작하는 스페이서와 그 제조 방법을 제안하였다. 그런데 이 방법 역시 하나의 표시패널 내에 많은 원통형 구조의 스페이서들이 필요하므로 스페이서 제작과 조립이 어렵다. 이러한 문제들로 인하여, cDream 사 역시 스페이서의 상용화에 실패하였다.
대한민국 공개 특허 제10-2004-0075510(2004. 08. 30)는 그린 시트들을 다수 적층하여 타공한 방법으로 스페이서를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 그린 시트들을 적층할 때 접착제가 필요하므로 접착제로 인하여 원가를 상승시키고 그 접착제를 통해 외부 공기가 표시패널 내부로 유입되므로 진공도를 떨어 뜨릴 수 있다. 또한, 적층된 그린 시트들을 소성하기 위하여 표시패널을 그린 시트들의 소성 온도 이상, 예컨대 600°℃ 이상 가열하여야 하는데 이 경우에, 표시패널 내의 절연막의 절연 성능 저하와 형광체 성능이 저하될 수 있다. 또한, 이 방법은 적층된 그린 시트들을 미세 천공하기 위하여, 100μm × 100μm 크기의 고 정도를 갖는 천공용 금형을 개발하여야 하는데, 그 금형 개발 비용이 높다. 금형 개발이 가능하다 하더라도 천공용 커터가 마모되면 공차가 커져서 천공 불량율이 높아진다. 따라서, 그린 시트들을 적층한 후에 천공하는 방법으로 스페이서를 제작하는 방법은 상용화될 수 없었다.
대한민국 공개 특허 제10-1997-0008263호(1997. 02. 24.)는 실리콘 기판을 격자 형상으로 가공하고 그 실리콘 기판을 상판과 하판에 정전 접합 방법으로 접합하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 실리콘 웨이퍼(Wafer)가 고가의 재료이므로 원가를 상승시키고, 웨이퍼 크기가 제한되므로 대화면 표시패널에 적용될 수 없는 단점이 있다. 따라서, 대한민국 공개 특허 제10-1997-0008263호(1997. 02. 24.)에 개시된 스페이서는 상용화될 수 없었다.
본 발명은 안정된 구조를 가지며 제조가 쉬운 스페이서를 포함하는 전계방출 표시장치와 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 전계방출 표시장치는 상부 기판 상에 형성된 애노드 전극과 형광체를 포함한 상판; 하부 기판 상에 형성된 캐소드 전극, 탄소나노튜브들, 및 게이트전극을 포함한 하판; 및 상기 상판과 하판 사이의 진공 공간 갭을 유지하도록 상기 상판과 상기 하판 사이에서 글라스 프릿을 통해 상기 상판과 상기 하판에 접합되는 매트릭스 형태의 스페이서를 포함한다.
상기 상부 기판, 상기 하부 기판 및 상기 스페이서는 유리 기판이나 세라믹 기판을 포함한다.
상기 하판은 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 실리콘 화합물 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하여 상기 캐소드전극 상에 형성되는 확산 차단층; 니켈(Ni)과 철(Fe) 중 어느 하나로 상기 확산 차단층 상에 형성되는 씨드 금속층; 및 상기 탄소나노튜브들을 덮는 게이트 절연층을 포함한다.
삭제
상기 캐소드전극은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr) 또는 이들 합금 중에서 하나 이상의 금속을 포함한다.
상기 게이트전극은 상기 게이트 절연층 상에 형성되고 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr) 또는 이들 합금 중에서 하나의 이상의 금속을 포함한다.
상기 탄소나노튜브들의 하부가 상기 게이트 절연층 내에 매립되고 상기 탄소나노튜브들의 상단은 상기 게이트전극을 관통하는 게이트홀을 통해 상기 게이트 절연층 위로 노출된다.
상기 상부 기판, 상기 하부 기판 및 상기 스페이서는 동일한 재료와 동일한 두께를 갖는다.
상기 스페이서는 상기 개구공들을 구획하기 위한 격벽들; 및 상기 격벽들에 소정 깊이로 형성되어 배기로를 형성하는 배기 홈들을 포함한다.
상기 전계방출 표시장치의 제조 방법은 상부 기판 상에 형성된 애노드 전극과 형광체를 포함한 상판을 제작하는 단계; 하부 기판 상에 형성된 캐소드 전극, 탄소나노튜브들, 및 게이트전극을 포함한 하판을 제작하는 단계; 포토리소그래피공정과 비등방성 식각 방법을 이용하여 유리기판과 세라믹기판 중 어느 하나를 메쉬 형태로 패터닝하여 개구공들을 포함한 매트릭스 형태의 스페이서를 제작하는 단계; 및 글라스 프릿을 이용하여 상기 상판과 상기 하판에 상기 스페이서를 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명은 포토리소그래피공정과 식각 방법을 이용하여 유리기판과 세라믹기판 중 어느 하나를 메쉬 형태로 패터닝함으로써 메쉬 형태의 스페이서를 제작한다. 그 결과, 본 발명은 안정된 구조를 가지며 제조가 쉽고 저가의 전계방출 표시장치용 스페이서를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 표시장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 상판, 하판 및 스페이서를 분해하여 보여 주는 사시도이다.
도 3은 스페이서의 제1 실시예를 보여 주는 평면도이다.
도 4는 스페이서의 제2 실시예를 보여 주는 평면도이다.
도 5는 스페이서의 제3 실시예를 보여 주는 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 스페이서에 형성된 배기로의 제1 실시예를 보여 주는 사시도들이다.
도 7a 및 도 7b는 스페이서에 형성된 배기로의 제2 실시예를 보여 주는 사시도들이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스페이서의 제조 방법을 보여 주는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스페이서의 제조 방법을 보여 주는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스페이서의 제조 방법을 보여 주는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 비등방성 습식 식각 시스템을 보여 주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 표시장치에서 표시패널의 하판 전극 구조 일부를 보여 주는 평면도이다.
도 13은 도 12에서 선 "I-I'"을 따라 절취하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계방출 표시장치의 단면 구조를 보여 주는 단면도이다.
도 14는 도 12에서 선 "I-I'"을 따라 절취하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계방출 표시장치의 하판 단면 구조를 보여 주는 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 표시장치의 표시패널은 상판, 하판, 및 상판과 하판 사이에 형성된 스페이서(SP) 등을 포함한다.
상판은 상부 기판(SUBSU)에 형성된 애노드전극(AE), 애노드전극(AE)을 덮는 형광체(PHOS(R), PHOS(G), PHOS(B)), 및 블랙 매트릭스(BM) 등을 포함한다. 애노드전극(AE)에는 대략 10 KV 정도의 양의 전압이 인가된다.
하판은 하부 기판(SUBSL)에 형성된 캐소드전극(CE), 전자 방출원 등을 포함한다. 하판 구조에 대하여는 도 12 내지 도 14를 결부하여 상세히 설명하기로 한다.
스페이서(SP)는 유리 기판이나, 세라믹 기판을 기반으로 제작되어 상판과 하판 사이의 진공 공간 갭을 유지한다. 상판과 하판 사이에서 밀봉된 진공 공간의 진공도는 대략 10-5 ~ 10-7 torr이다.
스페이서(SP)는 하판의 픽셀들을 노출시키는 개구공들(10)이 매트릭스 형태로 배치되는 메쉬 형태로 패터닝된다. 이러한 스페이서(SP)는 글라스 프릿(FR)을 통해 상부 기판(SUBSU)과 하부 기판(SUBSL)에 접합될 수 있다. 표시패널의 픽셀 어레이에서, 스페이서(SP)의 격벽 상면은 블랙 매트릭스(BM)와 중첩되고, 스페이서(SP)의 격벽 하면은 금속 버스 라인(BUS)과 중첩된다. 금속 버스 라인(BUS)은 도 12와 같이 캐소드 버스 라인(CBL)과 게이트 버스 라인(GBL)을 포함한다.
본 발명은 사진 식각법(Photolithography)과 비등방성(또는 이방성) 식각 방법을 포함한 MEMS(Microelectromechanical Systems) 공정 기술, 또는 습식 식각 기술을 이용하여 유리기판이나 세라믹 기판을 메쉬(mesh) 형태로 가공한다. 유리 기판은 TFT LCD와 같은 평판 표시패널의 기판으로 널리 사용되는 0.7mm 두께의 유리 기판일 수 있다. 이 경우, 본 발명은 상부 기판(SUBSU), 하부 기판(SUBSL) 및 스페이서(SP)를 동일한 재료와 동일한 두께를 갖는 유리 또는 세라믹 기판으로 제작할 수 있으므로 기판 재료를 공용화할 수 있다. 세라믹 기판은 알루미나(Al2O3)를 기반으로 한 세라믹 기판일 수 있다.
표시패널의 하판에 매트릭스 형태로 배치된 픽셀들은 도 3 내지 도 5와 같이 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 서브 픽셀들을 포함할 수 있다. 스페이서(SP)는 개구공들(10)이 매트릭스 형태로 배열된 매쉬 구조로 제작된다. 스페이서(SP)의 개구공들(10)은 도 3과 같이 서브 픽셀(R, G, B) 단위로 구획되고, 서브 픽셀(R, G, B)의 가로 및 세로 피치와 실질적으로 동일한 가로 및 세로 피치(Px, Py)를 갖는다. 스페이서(SP)의 개구공들(10)은 격벽을 사이에 두고 구획된다. 스페이서(SP)의 격벽은 상판의 블랙 매트릭스(BM)와 하판의 금속 버스 라인(BUS)과 중첩된다.
다른 실시예로서, 스페이서(SP)의 개구공들(10)은 도 4와 같이 픽셀 단위로 구획되고, 픽셀의 가로 및 세로 피치와 실질적으로 동일한 가로 및 세로 피치(Px, Py)를 갖는다. 또 다른 실시예로서, 스페이서(SP)의 개구공들(10)은 도 5와 같이 두 개 이상의 픽셀 단위로 구획될 수 있다.
전계방출 표시장치의 제조공정은 표시패널 내부에 적정한 진공도를 유지하기 위하여 상판과 하판을 접합한 후에 상판과 하판 사이에 존재하는 내부 가스를 배기하는 배기 공정을 포함한다. 배기 공정에서 내부 가스의 배기가 원할하게 될 수 있도록 스페이서(SP)는 도 6a 및 도 6b와 같이 어느 한 방향(x 방향 또는 y 방향)의 격벽들에 형성된 홈들(12)을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 스페이서(SP)는 도 7a 및 도 7b와 같이 두 방향(x 및 y 방향)의 격벽들에 형성된 홈들(12)을 포함할 수 있다.
도 8 및 도 9는 스페이서(SP)의 제조 방법을 보여 주는 도면들이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스페이서(SP)의 제조 방법은 기판(GLS) 상에 포토레지스트(Photo-resist, PR)를 도포한 후에, 그 위에 포토 마스크(Photomask, PM)를 정렬한다.(S1 및 S2) 기판(GLS)은 유리 기판이나 세라믹 기판일 수 있다. 포토 마스크(PM)는 스페이서(SP)의 개구공(10)과 대향하는 광투과부와, 스페이서(SP)의 격벽 부분과 대향하는 광차단부를 포함한다. 스페이서(SP)의 격벽들에 배기로를 형성하기 위한 배기 홈(12)을 형성하는 경우에, 포토 마스크(PM)는 하프톤(Half tone) 마스크로 선택될 수 있다. 하프톤 마스크는 스페이서(SP)의 개구공(10)과 대향하는 광투과부, 스페이서(SP)의 격벽 부분과 대향하는 광차단부, 및 배기 홈(12)과 대향하는 하프 톤 투과부를 포함한다.
이어서, 본 발명의 실시예에 따른 스페이서(SP)의 제조 방법은 포토 마스크(PM)를 통해 포토레지스트(PR)를 노광한 후에 현상하여 기판(GLS) 상에 포토레지스트 패턴(PRP)을 잔류시킨다.(S3)
이어서, 본 발명의 실시예에 따른 스페이서(SP)의 제조 방법은 비등방성 식각 방법을 이용하여 기판(GLS)을 식각한다. 비등방성 식각 방법으로, 플라즈마 식각 방법과 같은 건식 식각 방법, 또는 습식 식각 방법이 적용될 수 있다. 건식 식각 방법에서 기판(GLS)을 식각할 수 있는 반응 가스는 HF6, NF3, HCl4, HNO3 등이 있다. 습식 식각 방법에서 기판(GLS)을 식각할 수 있는 식각액(etchant)은 HF 용액, BHF 용액 등이 있다. 습식 식각 방법은 공지된 비등방성 습식 식각 방법을 적용할 수 있고 또한, 본원 출원인에 의해 개발된 도 10 및 도 11의 습식 식각 방법을 적용할 수 있다. 이러한 식각 방법에서, 기판(GLS)의 두께 방향(또는 수직 방향)의 식각비(Etching ratio)는 기판(GLS)의 표면 방향(또는 수평 방향) 보다 높다. 이 때문에 기판(GLS)은 비등방성 식각 공정에서 포토레지스트 패턴(PRP) 이외의 부분에서 수평면보다 수직 깊이 방향으로 더 많이 식각된다. 식각 공정이 완료되면, 스트립(strip) 공정에서 포토레지스트 패턴(PRP)이 제거된다.(S4)
S1 내지 S4 공정을 거쳐 스페이서(SP)가 완성되면(S5), 이미 제작된 상판과 하판에 글라스 프릿(Glass frit)이 도포되고, 그 글라스 프릿 분말 상에 스페이서(SP)가 정렬된다. 이 상태에서 글라스 프릿이 소결되면, 글라스 프릿(FR)과 스페이서(SP)를 통해 표시패널의 상판과 하판이 접합된다.(S6) S6 단계는 진공 상태에서 처리될 수 있다. 스페이서(SP)가 상판과 하판에 접합되는 공정은, 진공도 10-5 ~ 10-7 torr 정도의 진공 챔버 내에서 실시될 수 있다. 이 진공 챔버는 글라스 프릿 분말의 소결이 가능한 소정의 온도인 대략 400℃ ~ 500℃로 가열된다. 본 발명은 글라스 프릿이 도포된 상판과 하판 중 적어도 어느 하나의 기판에 형성된 얼라인 키(Align key)에 스페이서(SP)에 형성된 얼라인 키가 일치되도록 스페이서(SP)를 상판과 하판에 정렬한 후에, 정렬된 스페이서(SP), 상판 및 하판을 가열된 진공 챔버 내에 로딩하고 고정한 다음 일정 시간 유지하면 글라스 프릿이 소결되어 스페이서(SP)가 상판과 하판에 견고하게 접합된다.
본 발명은 상판과 하판의 기판과 동일한 유리 기판이나 세라믹 기판을 스페이서 재료로 사용함으로써 진공 씰링(sealing)을 하기 위한 글라스 프릿의 개발과 선택이 용이하고 스페이서를 통해 배기가 되지 않으므로 고진공 상태에서 추가 배기가 없다. 또한, 본 발명은 MEMS 공정 기술, 또는 습식 식각 기술 이용하여 스페이서를 제작하므로 100μm2 이하의 개구공을 갖는 고정세 스페이서도 저가로 정밀하게 제작할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스페이서의 제조 방법을 보여 주는 흐름도이다. 이 스페이서의 제조 방법은 도 11과 같은 습식 식각 시스템을 이용한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스페이서(SP)의 제조 방법은 기판(GLS) 상에 포토레지스트(PR)를 도포한 후에, 그 위에 포토 마스크(PM)를 정렬한다. 기판(GLS)은 유리 기판이나 세라믹 기판일 수 있다. 포토 마스크(PM)는 스페이서(SP)의 개구공(10)과 대향하는 광투과부와, 스페이서(SP)의 격벽 부분과 대향하는 광차단부를 포함한다. 스페이서(SP)의 격벽들에 배기로를 형성하기 위한 배기 홈(12)을 형성하는 경우에, 포토 마스크(PM)는 하프톤 마스크로 선택될 수 있다. 하프톤 마스크는 스페이서(SP)의 개구공(10)과 대향하는 광투과부, 스페이서(SP)의 격벽 부분과 대향하는 광차단부, 및 배기 홈(12)과 대향하는 하프 톤 투과부를 포함한다.
이어서, 본 발명의 실시예에 따른 스페이서(SP)의 제조 방법은 포토 마스크(PM)를 통해 포토레지스트(PR)를 노광한 후에 현상하여 기판(GLS) 상에 포토레지스트 패턴(PRP)을 잔류시킨다.
이어서, 본 발명의 실시예에 따른 스페이서(SP)의 제조 방법은 포토 레지스트 패턴(PRP)에 의해 덮여지지 않은 노출 부분에서 기판(GLS)에 레이져 빔(laser beam)을 조사하거나 기계적 가공 방법을 이용하여 기판(GLS)을 관통하는 미세 구멍(IH)을 형성한다. 미세 구멍(IH)은 도 2에 도시된 스페이서(SP)의 개구공(10) 보다 훨씬 작은 직경을 갖는다.
이어서, 본 발명은 노즐(NZ)을 미세 구멍(IH)에 정렬하고 그 노즐(NZ)을 통해 미세 구멍(IH)에 식각액을 분사한다. 미세 구멍(IH) 내로 주입된 식각액(ETC)은 그 미세 구멍(IH)을 통해 흘러 내려 외부로 배출되면서 미세 구멍(IH)의 측벽을 식각하여 그 미세 구멍(IH)의 크기를 확대한다. 도 10에서 노즐(NZ)은 실제 보다 작은 크기로 표현되어 있다. 노즐(NZ)을 통해 분사되는 식각액(ETC)은 이웃하는 다수의 미세 구멍들(IH)에 동시에 분사된다. 포토레지스트 패턴(PRP)은 식각액(ETC)으로부터 기판(GLS)을 보호하여 식각액(ETC)에 노출되는 개구공(10)의 크기와 형상을 정의한다. 식각 공정이 완료되면 스트립 공정에서 포토레지스트 패턴(PRP)이 제거된다.
이렇게 완성된 스페이서(SP)는 글라스 프릿 분말을 통해 이미 제작된 상판과 하판에 접합된다.
식각액(ETC)은 도 11과 같이 미세 구멍(IH)을 통과하여 식각된 기판 입자와 함께 회수 용기(TNK)로 회수된 후에 필터를 통해 이물질이 제거된 후에 순환 배관(CIR)을 통해 노즐(NZ)로 공급되어 재활용된다. 필터(FIL) 내에서 걸려진 기판 입자는 포집기(COL)로 공급되어 기판 제작에 재활용될 수 있다. 따라서, 도 11과 같은 식각 시스템은 재료 낭비를 최소화하여 친환경적인 스페이서 제조 공정을 구현할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 표시장치에서 하판 전극 구조 일부를 보여 주는 평면도이다. 도 13은 도 12에서 선 "I-I'"을 따라 절취하여 전계방출 표시장치의 하판 단면 구조를 보여 주는 단면도이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 상판은 상부 기판(SUBSU)에 형성된 애노드전극(AE), 애노드전극(AE)을 덮는 형광체(PHOS) 등을 포함한다. 애노드전극(AE)에는 대략 10 KV 정도의 양의 전압이 인가된다. 상판 구조와 그 제조 방법은 기존의 전계방출 표시장치와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하에서, 하판 구조와 그 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
하판은 하부 기판(SUBSL)에 적층된 캐소드전극(CE), 확산 차단층(BAR), 씨드 금속층(SEED), 탄소나노튜브(CNT), 게이트 절연층(GI), 게이트전극(GE) 등을 포함한다.
캐소드전극들(CE)과 그 캐소드전극들(CE)을 연결하는 캐소드 버스 라인들(CBL)은 하부 기판(SUBSL) 상에 형성되고, 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr) 또는 그들 합금 중에서 하나 이상의 금속을 포함한다. 씨드 금속층(SEED)은 니켈(Ni), 철(Fe) 중 어느 하나를 포함한다. 확산 차단층(Barrier metal, BAR)은 캐소드전극(CE)과 씨드 금속층(SEED) 사이에 형성되어 씨드 금속이 확산되지 않은 금속 예를 들어, 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta) 중 하나 이상의 금속, 또는 실리콘(Si)이나 실리콘 화합물을 포함한다.
게이트전극(GE)은 절연막(GI) 상에 형성된다. 게이트전극들(GE)과 그 게이트전극들(GE)을 연결하는 게이트 버스 라인(GBL)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr) 또는 그들 합금 중에서 하나의 이상의 금속을 포함하고, 게이트홀(GHALL)이 형성되도록 부분적으로 식각된다. 캐소드 버스 라인들(CBL)과 게이트 버스 라인들(GBL)은 직교한다.
탄소나노튜브들(CNT)은 씨드 금속층(SEED) 상에 수직 성장된다. 탄소나노튜브들(CNT)은 게이트전압과 캐소드전압의 전압차가 문턱전압 이상일 때 양자역학적인 터널링 효과로 인하여 전자를 방출하는 전자 방출원이다.
게이트 절연층(GI)은 무기 절연물질 또는 유기 절연물질을 포함한다. 게이트 절연층(G1)은 캐소드전극(CE)과 게이트전극(GE) 사이에 형성되어 그 전극들(CE, GE)을 절연시키고 또한, 탄소나노튜브들(CNT)의 상단 아래 부분을 덮어 전자를 방출시키기 위한 문턱전압을 낮춘다.
게이트 절연층(GI)의 위로 노출된 탄소 나노튜브들(CNT)의 최상단은 게이트 절연층(GI) 형성 후에, 건식 식각(Dry Etching) 또는 에싱(Ashing)등의 방법을 통해 그 높이가 게이트 절연층(GI)의 가장 두꺼운 부분에서 그 게이트 절연층(GI)의 표면과 같거나 그 이하가 되도록 절단된다. 게이트 절연층(GI)은 게이트전극(GE)이 제거된 게이트홀(GHALL) 내에서 그 상면이 소정 깊이로 식각된다. 따라서, 게이트 절연층(GI)의 식각 공정을 통해 형성된 게이트홀(GHALL) 내에서 탄소나노튜브들(CNT)의 상단이 노출된다.
탄소나노튜브들(CNT)에서 상단 아래 부분들은 게이트 절연층(GI)에 의해 덮여 있어 노출되지 않는다. 이렇게 게이트 절연층(GI)으로 탄소나노튜브들(CNT)의 일부를 매립하면 탄소나노튜브(CNT)의 전자 방출 문턱전압을 낮출 수 있다.
이를 상세히 하면, 게이트 절연층(GI)은 게이트홀(GHALL) 내에 매립되어 탄소나노튜브 다발이 형성된 부분의 유전율을 탄소나노튜브 다발이 없는 부분의 유전율과 실질적으로 동일하게 한다. 게이트 절연층(GI)은 유전율이 2~8 정도인 유/무기 절연 물질로 선택될 수 있다. 이 경우에, 게이트 절연층(GI)에 의해 탄소나노튜브 다발이 형성된 부분의 유전율과, 탄소나노튜브 다발이 없는 부분의 유전율은 2~8 정도로 실질적으로 동일하게 된다. 그 결과, 상판과 하판 사이에 인가되는 전계 강도가 탄소나노튜브 다발이 형성된 부분과 그렇지 않은 부분에서 균일하게 되므로 전자 방출을 위한 문턱 전압이 낮아진다. 이렇게 문턱전압이 낮아지게 되면, 전자를 인출하기 위한 별도의 전극이 필요 없다. 따라서, 본 발명의 게이트전극(GE)은 전자 인출 전극이 아니라 음의 전압이 인가되어 전자빔을 집속(focus)하는 포커스 전극 역할을 한다. 본 발명에서 전자는 캐소드전극과 애노드전극 사이의 전계로 방출되고 가속된다.
종래 기술에서는 게이트 절연층(GI)이 게이트홀(GHALL)에 형성되지 않았다. 이 경우에, 탄소나노튜브 다발이 형성된 부분의 유전율이 탄소나노튜브 다발이 없는 부분보다 낮아져서 탄소나노튜브 다발이 형성된 부분에서 전계 강도가 낮아진다. 따라서, 종래 기술에서는 전자 방출을 위한 문턱 전압이 높기 때문에 게이트전극에 양전압을 인가하여 캐소드전극과 게이트전극 사이의 전계로 전자를 전자 방출원으로부터 인출시키고, 캐소드전극과 애노드전극 사이에 인가되는 전계로 전자를 애노드전극 쪽으로 가속시켰다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 전계방출 표시장치는 게이트전극(GE)에 음 전압을 인가하여 애노드전극(AE) 쪽으로 향하는 전자빔을 집속할 수 있으므로 별도의 포커스 전극을 필요로 하지 않는다. 본 발명의 전계방출 표시장치는 캐소드전극(CE)에 인가되는 비디오 데이터의 데이터전압에 따라 전자 방출양을 제어하여 입력 영상의 계조를 표현할 수 있다.
본 발명의 전계방출 표시장치에서 문턱전압(Vth)은 2 V/μm 이하이고, 5 V/μm 정도의 전계에서 포화 방출 조건에 도달한다. 애노드전극(AE)과 캐소드전극(CE) 사이의 간격을 0.5mm~2mm 로 설정하고, 애노드전극(AE)에 4~12 kV 정도의 직류 양전압(애노드 전압)을 인가하면 탄소나노튜브들(CNT)에 인가되는 전계는 전자 방출 포화 영역에 도달하게 되어 형광체(PHOS)는 최대 밝기로 발광한다. 게이트전극(GE)에는 전자빔의 집속을 위한 0V 이하의 음 전압 예를 들어 -50V ~ 0V 사이의 직류 전압이 인가된다. 캐소드전극(CE)에는 입력 영 데이터의 계조값에 따라 전압이 달라지는 비디오 데이터 전압(또는 캐소드전압)이 인가된다. 따라서, 본 발명의 전계방출 표시장치는 캐소드전압의 제어를 통해 탄소나노튜브들(CNT)에 인가되는 전계를 제어하고 그 결과, 형광체(PHOS)의 밝기를 조절하여 입력 영상의 계조를 표현할 수 있다.
도 14는 도 7에서 선 "I-I'"을 따라 절취하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계방출 표시장치의 하판 단면 구조를 보여 주는 단면도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계방출 표시장치는 게이트홀(GHALL)에서만 확산 차단층(BAR)과 씨드 금속층(SEED)이 잔류하도록 확산 차단층(BAR)과 씨드 금속층(SEED)이 패터닝된다. 이 이외의 다른 특징들은 전술한 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 13 및 도 14에 도시된 전계방출 표시장치의 하판 제조 방법은 본원 출원인에 의해 기출원된 대한민국 출원 제10-2011-0047395호(2011. 05. 19)에 상세히 설명되어 있으므로 생략하기로 한다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
SUBSL, SUBSE : 기판 AE : 애노드전극
PHOS : 형광체 CE : 캐소드전극
BAR : 확산 차단층 SEED : 씨드 금속층
CNT : 탄소나노튜브 GI : 절연층
GE : 게이트전극 GHOLE : 게이트홀
SP : 스페이서 FR : 글라스 프릿

Claims (8)

  1. 상부 기판 상에 형성된 애노드 전극과 형광체를 포함한 상판;
    하부 기판 상에 형성된 캐소드 전극, 탄소나노튜브들, 및 게이트전극을 포함한 하판; 및
    상기 상판과 하판 사이의 진공 공간 갭을 유지하도록 상기 상판과 상기 하판 사이에서 글라스 프릿을 통해 상기 상판과 상기 하판에 접합되고, 개구공들을 포함한 매트릭스 형태로 제작되는 스페이서를 포함하고,
    상기 상부 기판, 상기 하부 기판 및 상기 스페이서는 유리 기판이나 세라믹 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하판은,
    티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 실리콘 화합물 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하여 상기 캐소드전극 상에 형성되는 확산 차단층;
    니켈(Ni)과 철(Fe) 중 어느 하나로 상기 확산 차단층 상에 형성되는 씨드 금속층; 및
    상기 탄소나노튜브들을 덮는 게이트 절연층을 포함하고,
    상기 캐소드전극은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr) 또는 이들 합금 중에서 하나 이상의 금속을 포함하고,
    상기 게이트전극은 상기 게이트 절연층 상에 형성되고 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr) 또는 이들 합금 중에서 하나의 이상의 금속을 포함하며,
    상기 탄소나노튜브들의 하부가 상기 게이트 절연층 내에 매립되고 상기 탄소나노튜브들의 상단은 상기 게이트전극을 관통하는 게이트홀을 통해 상기 게이트 절연층 위로 노출되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    상기 개구공들을 구획하기 위한 격벽들; 및
    상기 격벽들에 소정 깊이로 형성되어 배기로를 형성하는 배기 홈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시장치.
  5. 상부 기판 상에 형성된 애노드 전극과 형광체를 포함한 상판을 제작하는 단계;
    하부 기판 상에 형성된 캐소드 전극, 탄소나노튜브들, 및 게이트전극을 포함한 하판을 제작하는 단계;
    포토리소그래피공정과 비등방성 식각 방법을 이용하여 유리기판과 세라믹기판 중 어느 하나를 메쉬 형태로 패터닝하여 개구공들을 포함한 매트릭스 형태의 스페이서를 제작하는 단계; 및
    글라스 프릿을 이용하여 상기 상판과 상기 하판에 상기 스페이서를 접합하는 단계를 포함하고,
    상기 상부 기판, 상기 하부 기판 및 상기 스페이서는 상기 유리 기판이나 상기 세라믹 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시장치의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하판은,
    티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 실리콘 화합물 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하여 상기 캐소드전극 상에 형성되는 확산 차단층;
    니켈(Ni)과 철(Fe) 중 어느 하나로 상기 확산 차단층 상에 형성되는 씨드 금속층; 및
    상기 탄소나노튜브들을 덮는 게이트 절연층을 포함하고,
    상기 캐소드전극은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr) 또는 이들 합금 중에서 하나 이상의 금속을 포함하고,
    상기 게이트전극은 상기 게이트 절연층 상에 형성되고 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 크롬(Cr) 또는 이들 합금 중에서 하나의 이상의 금속을 포함하며,
    상기 탄소나노튜브들의 하부가 상기 게이트 절연층 내에 매립되고 상기 탄소나노튜브들의 상단은 상기 게이트전극을 관통하는 게이트홀을 통해 상기 게이트 절연층 위로 노출되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시장치의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    상기 개구공들을 구획하기 위한 격벽들; 및
    상기 격벽들에 소정 깊이로 형성되어 배기로를 형성하는 배기 홈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시장치의 제조 방법.
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