KR19990076057A - 전계방출 이미터 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대면적의 전계방출 디스플레이 장치의 구현에 적합한 전계방출 이미터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 전계방출 이미터는 기판의 표면에 형성된 이미터 전극과, 이미터 전극 상에 형성되어 환형의 첨예부를 가지는 팁을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 증착 및 식각공정과 같은 간단한 공정을 이용하여 대면적에 팁을 균일하게 형성할 수 있으므로 대면적의 전계방출 디스플레이 장치를 쉽게 구현할 수 있다.

Description

전계방출 이미터 및 그의 제조방법(Field Emission Emitter and Fabrication Method thereof)

본 발명은 전계방출 디스플레이 장치에 관한 것으로, 특히 대면적의 전계방출 디스플레이 구현에 적합한 전계방출 이미터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

최근들어, 맨-머신 인터페이스(Man-Machine Intertace)의 주요한 역할을 담당하는 디스플레이 장치로써, 기존의 음극선관(CRT)의 부피 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 액정디스플레이(LCD) 장치의 시야각이나 휘도에 따르는 문제점을 해결할 수 있는 특징을 지닌 전계방출 디스플레이(Field Emission Display; FED) 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

전계방출 디스플레이 장치는 음극선관(CRT)과 같이 전자선 여기 형광체 발광을 이용하는 것으로 첨예한 음극(즉, 이미터)에 고전계를 집중해 양자역학적인 터널(Tunnel) 효과에 의하여 전자를 방출하는 냉음극을 이용하고 있다. 그리고, 방출된 전자를 양극 및 음극간의 전압으로 가속시켜 양극에 형성한 형광체막에 충돌 및 여기시켜 발광시킨다. 현재 대부분의 전계방출 디스플레이 장치는 박막공정 및 포토리소그라피 공정에 의해 형성된 전계방출 이미터, 예를 들어 수 마이크로미터(㎛)의 미소팁이나 평면상으로 이루어지는 재료에 전압을 인가시켜 전계방출 이미터 외부의 진공속으로 전자가 방출되도록 한다. 이 방출된 전자는 상부 유리기판 상에 형성된 형광체에서 인가되는 전압에 의해 가속되어 형광체에 충돌함으로써, 형광체에서는 빛이 발생하게 된다.

여기서, 종형 구조를 가지는 전계방출 이미터, 즉 팁은 회전 증착법 이른바 스핀트(Spindt) 법으로 형성되어진다. 다시 말하여, 전계방출용 팁은 유리기판 상에 하부전극을 형성하고 그 위에 절연층과 게이트층을 형성한 후, 포토리소그라피(Photolithography) 공정에 의해 마련된 팁의 형성 공간에 진공증착법 등의 방식으로 형성된다. 그런데, 이와 같이 팁을 형성하기 위해서는 기판을 회전시켜 입사각을 정밀하게 조절해야 하므로 공정상 대면적의 기판상에 균일한 팁을 형성하는 것이 어려움에 따라 대면적의 디스플레이 장치에 응용하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 공정상 고가의 장비를 사용하여야 하는 단점을 가지고 있다. 이하, 첨부도면을 참조하여 상술한 종래기술의 단점을 상세히 살펴보기로 한다.

도 1은 종래의 스핀트법에 의한 전계방출용 팁의 제조공정을 단계적으로 나타내는 도면이다.

우선, 도 1a에 도시된 바와 같이 하부 유리기판(10) 상에 이미터 전극(12)과 저항층(14) 및 절연층(16)을 순차적으로 형성하고, 절연층(16) 위에 게이트 전극(18)을 이루는 금속막을 형성한다. 이어서, 게이트 전극(18)과 절연층(16)에 대한 순차적인 식각공정에 의해 절연층(16)과 게이트 전극(18)에 걸친 팁의 형성 공간(A)을 마련한다. 그 다음, 유리기판(10)을 도 1a에 도시된 바와 같은 회전축을 중심으로 회전시키면서 게이트 전극(18)의 표면에 금속물질을 소정의 각도(θ)로 경사지게 증착시킴으로써 금속층(20), 예컨데 니켈(NI)층을 형성한다. 그리고, 상기와 동일하게 유리기판(10)을 회전시키면서 경사지게 팁(24)을 이루는 물질을 증착시킴에 따라 도 1b에 도시된 바와 같이 순차적으로 입사입자가 들어가는 입구(22)가 줄어들게 되고 팁 형성공간(A)에는 원추형상의 팁(24)이 형성되게 된다. 끝으로, 게이트 전극(18)을 보호하기 위하여 형성된 금속층(20)과 팁 물질층(24a)을 제거함으로써 도 1c에 도시된 바와 같은 팁(24)을 포함하는 전계방출 이미터 어래이(FEA)를 완성하게 된다.

도 2는 상기와 같이 완성된 전계방출 이미터 어래이를 포함하는 전계방출 디스플레이 장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 2의 전계방출 디스플레이 장치에 있어서, 도 1과 같은 제조공정에 의해 하부 유리기판(10) 상에 형성된 전계방출 이미터 어래이(Array, 26)에는 상부 유리기판(34) 상에 양(+)의 전극(Anode, 32) 및 형광물질층(30)이 차례대로 적층된 구조가 유리 스페이서(Spacer, 28)에 의해 소정의 이격거리(예컨데, 30∼50㎛)를 갖고 대향하여 위치하고 가용성(Fusible) 유리 실(Seal)(36)에 의해 부착된다. 여기서, 전계방출 디스플레이 장치에 마련되는 내부공간은 고진공상태를 유지하게 된다.

그런데, 상기와 같은 원추 형상의 팁 형성 방법은 기판을 회전시키면서 입사각을 정밀하게 조절해야할 뿐만 아니라 공정상 고가의 장비를 사용해야만 하는 단점을 가지고 있다. 또한, 한 화소당 다수개 예컨데, 1024개의 팁이 형성되는 디스플레이 장치의 제조공정에 있어서 팁물질 각각의 입사각을 똑같게 하는 것은 곤란하다. 이에 따라, 대면적의 기판상에 균일한 형상의 팁을 형성하는 것은 곤란하므로 대면적의 디스플레이 장치에 응용하기 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 대면적의 전계방출 디스플레이 장치의 구현에 적합한 전계방출 이미터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 대면적의 기판상에 균일한 형상의 이미터를 형성할 수 있는 전계방출 이미터 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조공정을 간소화함과 아울러 대량생산에 적합한 전계방출 이미터 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 예리한 팁부를 환형으로 형성하여 유효단면적을 넓힘으로써 전계방출 디스플레이 장치의 발광효율을 높일 수 있는 전계방출 이미터 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 스핀트법에 의한 전계방출용 팁의 제조공정을 단계적으로 나타내는 단면도.

도 2는 도 1에 도시된 전계방출 이미터 어래이를 포함하는 전계방출 디스플레이 장치의 단면도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전계방출 이미터 팁의 형상을 나타낸 사시도와 단면도.

도 4는 도 3의 팁이 적용된 전계방출 디스플레이 장치의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 팁의 제조공정에 사용되는 환형띠의 마스크와 이를 이용하여 형성된 팁의 모양을 나타내는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 팁의 제조공정에 사용되는 원형의 마스크와 이를 이용하여 형성된 팁의 모양을 나타내는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 팁의 제조방법을 단계별로 설명하는 단면도.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 팁의 다양한 형태를 나타내는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10, 40 : 하부 유리기판 12, 62 : 이미터 전극

14, 64 : 저항층 16, 68 : 절연층

18, 70 : 게이트 전극 20 : 금속층

22 : 입구 24, 66 : 팁

26, 42 : 이미터 어래이 28, 44 : 스페이서

30, 52 : 형광물질층 32 : 양의 전극

34, 50 : 상부 유리기판 36, 48 : 가용성 유리 실

46 : 측벽 54 : 블랙 매트릭스

56 : 반사막 58 : 포커스 벽

60 : 포커스 그리드 72 : 제2 절연층

80 : 환형패턴 82 : 원형패턴

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전계방출 이미터는 기판의 표면에 형성된 이미터 전극과, 이미터 전극 상에 형성되어 환형의 첨예부를 가지는 팁을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전계방출 이미터 제조방법은 기판 상에 순차적으로 적층된 이미터 전극과 저항층을 형성하는 제1 단계와, 이미터 전극 상에 환형의 첨예부를 갖는 팁을 형성하는 제2 단계와, 팁 외측의 이미터 전극상에 적층된 구조로 절연층과 게이트 전극을 형성하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도 3 내지 도 8을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전계방출 이미터, 즉 팁의 형상을 나타낸 것으로, 도 3a와 도 3b 각각은 상면에서 바라본 전계방출형 팁의 사시도와 단면도를 나타낸 것이다.

도 3a에 도시된 전계방출형 팁은 종래의 팁이 원뿔 모양을 갖는 반면에 분화구(Volcano) 형상으로써 전자가 방출되는 부위는 환형의 첨예부로 이루어진다.

도 4는 도 3의 전계방출형 팁이 적용된 전계방출 디스플레이 장치의 단면도를 개략적으로 나타내는 것이다.

도 4의 전계방출 디스플레이 장치는 하부 유리기판(40) 상에 형성된 전계방출 이미터 어래이(42)와, 이미터 어래이(42)와 소정의 길이를 갖는 스페이서(Spacer)(44)에 의해 이격되어 측벽(46)과 가용성 유리 실(48)에 의해 부착된 상부 유리기판(50)으로 구성된다. 상부 유리기판(50)의 내측에는 서로 인접하게 배치된 적(R)·녹(G)·청(B) 형광체(52a, 52b, 52c)와, 적(R)·녹(G)·청(B) 형광체(52a, 52b, 52c) 각각의 사이에 임의의 단차를 가지며 위치하는 블랙 매트릭스(54)와, 적(R)·녹(G)·청(B) 형광체(52a, 52b, 52c)와 블랙 매트릭스(54)의 표면에 균일한 두께로 알루미늄(Al) 반사막(56)이 형성되어 있다. 그리고, 이미터 어래이(42) 상에는 각 이미터(66) 사이에서 이미터(66)에 인접하게 배치되어 임의의 단차를 갖는 포커스(Focus) 벽(58)과, 포커스 벽(58) 임의의 위치로부터 포커스 벽(58)을 감싸는 형태로 포커스 그리드(Focus Grid)(60)가 형성되어 있다. 이 포커스 벽(58)과 포커스 그리드(60)는 이미터(66)로부터 방출된 전자가 분산되는 것을 억제하는 역할을 하게 된다. 도 4의 큰 원은 이미터 어래이(42) 중 한 개의 이미터, 즉 화산형상의 팁(66)을 포함하는 부분만을 상세하게 나타내는 단면도로써, 하부 유리기판(40) 상에 임의의 단차를 갖도록 형성된 이미터 전극(62)과, 이미터 전극(62)과 하부 유리기판(40)의 표면에 형성된 저항층(64)과, 이미터 전극(62)의 저항층(64) 상에 형성된 팁(66)으로 구성된다. 그리고, 팁(66) 외측부의 저항층(64) 상에는 절연층(68) 및 게이트전극(70)이 차례대로 적층되고, 이 게이트 전극(70)과 포커스 벽(58) 사이에는 제2 절연층(72)이 형성되어 있다.

여기서, 전자의 방출부인 팁(66)의 첨예한 끝부에 인접하게 형성된 게이트 전극(70)에 의한 강한 전기장이 작용하여 진공중으로 전자가 방출되게 된다. 방출된 전자는 형광체(52)에 인가되는 전압에 의해 가속되고 포커스 벽(58) 및 포커스 그리드(60)에 의해 단속되어 상부에 위치하는 형광체에 충돌 및 발광됨으로써 디스플레이 역할을 하게 된다.

그리고, 도 4의 전계방출 디스플레이 장치는 이미터 어래이(42) 상에 배치되어 내부공간에 잔류하는 가스성분을 흡수하여 고진공 상태를 유지시키는 게터(Getter)(74)를 포함한다.

본 발명에 따른 전계방출 이미터의 제조공정은 크게 기판상에 형성된 금속막을 도 5a에 도시된 바와 같은 환형띠 형상의 마스크를 사용하여 도 5b에 도시된 바와 같이 원뿔대 모양으로 식각을 하는 공정과, 여기에 팁부가 과다하게 식각되는 것을 방지하기 위하여 식각방지층을 형성하고 도 5b에 도시된 바와 같은 팁의 상부 중앙부분을 도 6a에 도시된 바와 같은 원형 마스크를 이용하여 식각해내어 도 6b에도시된 바와 같은 환형의 팁을 갖는 전계방출 이미터를 형성하는 공정으로 구분될 수 있다.

이를 상세히 하면, 도 7에 도시된 팁의 제조방법을 단계별로 설명하는 단면도들과 같다.

도 7a를 참조하면, 유리기판(40) 상에 이미터 전극(62)과 저항층(64)이 차례대로 적층된다. 저항층(64)의 표면에는 도 7b에 도시된 바와 같이 균일 두께의 팁을 형성할 물질층, 즉 금속층(66a)이 박막 제조공정이나 도금 등의 기타 코팅방식으로 형성된다. 금속층(66a)의 표면에는 도 7c에 도시된 바와 같이 환형패턴(80)이 형성된다. 이 환형패턴(80)은 금속층(66a)의 표면에 균일한 두께의 식각방지 물질층을 형성하고 그 식각방지 물질층을 도 5a에 도시된 바와 같은 환형띠 마스크를 이용하여 패터닝함으로써 형성되게 된다. 이어서, 도 7d에 도시된 바와 같이 환형패턴(80)에 의해 환형으로 노출된 금속층(66a)을 식각시킨 후, 도 7e에 도시된 바와 같이 환형패턴(80)을 제거한다. 이에 따라, 저항층(64)의 표면에는 도 5b에 도시된 바와 같은 원뿔대 형상의 의사팁(66b)이 형성되게 된다.

원뿔대 형상의 의사팁(66b)이 형성된 저항층(64)의 표면에는 도 7f에 도시된 바와 같이 원형패턴(82)이 형성된다. 이 원형패턴(82)은 상기 환형패턴(80)의 형성과정과 비슷하게 원뿔대 형상의 팁(66b)이 형성된 저항층(64)의 표면에 식각방지 물질층을 형성하고 그 식각방지 물질층을 도 6a에 도시된 바와 같은 원형 마스크를 이용하여 패터닝함으로써 형성되게 된다. 이어서, 도 7g에 도시된 바와 같이 원형패턴(82)에 의해 노출된 의사팁(66b)의 원형 노출부위를 식각시킨후, 도 7h에 도시된 바와 같이 원형패턴(82)을 제거한다. 이에 따라, 저항층(64)의 표면에는 도 6b에 도시된 바와 같은 화산형상의 팁(66)이 형성되게 된다.

화산형상의 팁(66)이 형성된 저항층(64)의 표면에는 도 7i에 도시된 바와 같이 절연 물질층(68a)이 형성된다. 이 절연 물질층(68a)의 표면에는 도 7j에 도시된 바와 같이 증착공정을 통하여 게이트전극 물질층(70a)이 형성된다. 끝으로, 팁(66)의 상부에 위치하는 절연 물질층(68a)과 게이트전극 물질충(70a)를 식각공정에 의해 제거하여 도 7k에 도시된 바와 같이 절연층(68) 및 게이트전극(70)을 형성함으로써 전계방출 이미터를 완성한다. 이와 같이, 본 발명에 따른 전계방출 이미터는 증착 및 식각공정을 이용하여 간단하고 쉽게 형성할 수 있으므로 대면적의 디스플레이 장치의 구현에 적합하다.

또한, 본 발명에 따른 전계방출 팁의 형태는 도 7과 같은 팁의 제조공정에서 팁을 형성하는 금속막의 두께와 환형패턴과 원형패턴 사이의 거리, 즉 원형패턴의 직경 및 식각공정 시간을 적절하게 조절함에 따라 도 8에 도시된 바와 같이 다양하게 형성될 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 상기 원형패턴의 직경과 식각공정의 시간을 증가시키면서 형성한 팁의 형태를 나타내고 있다. 여기서, 전계방출 디스플레이 장치에 가장 적합한 팁의 형태는 도 8a에 도시된 바와 같이 환형 첨예부의 직경이 작은 것이 바람직하다. 또한, 도 8c에 도시된 바와 같이 중앙부가 관통된 형상의 팁의 경우 전자의 방출을 쉽게 하기 위하여 팁의 외측부 뿐만 아니라 내부에도 게이트 적극을 형성하여 게이트 전압을 낮출 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전계방출 이미터 및 그의 제조방법에 의하면, 대면적의 균일한 팁을 제조함에 있어 증착 및 식각공정과 같은 월등히 간단한 공정을 이용하고 있으므로 대량생산 및 비용절감의 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 대면적의 팁을 균일하게 제조할 수 있으므로 대면적의 전계방출 디스플레이 장치를 쉽게 제조할 수 있는 효과가 있다. 더불어, 본 발명에 의하면 팁의 첨예부를 보다 예리하게 만들 수 있을 뿐만 아니라 팁의 첨예부가 환형으로 이루어지므로 이로부터 방출되는 전자의 양이 증가되어 디스플레이의 발광효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (6)

1. 기판의 표면에 형성된 이미터 전극과,

   상기 이미터 전극 상에 형성되어 환형의 첨예부를 가지는 팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이미터 전극과 팁 사이에 형성된 저항층과,

   상기 팁 주위의 저항층 상에 순차적으로 적층된 절연층과 게이트 전극을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 이미터.
3. 기판 상에 순차적으로 적층된 이미터 전극과 저항층을 형성하는 제1 단계와,

   상기 이미터 전극 상에 환형의 첨예부를 갖는 팁을 형성하는 제2 단계와,

   상기 팁 외측의 상기 이미터 전극상에 적층된 구조로 절연층과 게이트 전극을 형성하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미터 전극 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 2단계는

   상기 저항층 상에 평탄한 팁 금속층을 형성하는 단계와,

   환형띠 마스크를 사용하여 상기 팁 금속층을 식각함으로써 원뿔대 형상의 의사 팁을 형성하는 단계와,

   원형마스크를 이용하여 상기 의사 팁의 중심부를 식각함으로써 환형의 첨예부를 갖는 팁을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미터 전극 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 의사 팁을 형성하는 단계는

   상기 팁 금속층 상에 식각방지 물질층을 형성하는 단계와,

   상기 환형마스크를 이용하여 상기 식각방지 물질층을 패터닝함으로써 환형패턴을 형성하는 단계와,

   상기 환형패턴을 통하여 상기 팁 금속층을 식각함으로써 원뿔대 형상의 의사 팁을 마련하는 단계와,

   상기 환형패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미터 전극 제조 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 팁을 형성하는 단계는

   상기 의사 팁이 형성된 저항층 상에 식각방지 물질층을 형성하는 단계와,

   상기 원형마스크를 이용하여 상기 식각방지 물질층을 패터닝함으로써 원형패턴을 형성하는 단계와,

   상기 원형패턴을 통하여 상기 의사팁 상면의 중심부를 식각함으로써 상기 첨예부를 갖는 팁을 형성하는 단계와,

   상기 원형패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미터 전극 제조 방법.