KR20040031756A - 전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20040031756A
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박상식
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우형수
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Abstract

탄소 나노 튜브 및 게이트 전극 간의 단락 및 전계 방출되는 전자빔의 퍼짐을 동시에 해결할 수 있는 전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조방법이 개시된다. 전계 방출 디스플레이 장치는 기판, 기판 상에 형성된 하부 전극, 하부 전극 상에 형성되며 상기 디스플레이 장치의 화소 위치에 대응하여 형성된 홀을 포함하는 절연층 패턴, 홀의 입구 주변에 형성되는 내부 전극, 내부 전극을 수용하면서 하부 전극과 교차하는 방향으로 형성된 상부 전극, 그리고 상부 전극 또는 내부 전극 상에 형성된 에미터층을 포함한다. 에미터층이 형성된 위치에 따라 게이트 전극 및 캐소드 전극이 달라질 수 있지만, 게이트 전극 및 에미터층 간의 단차에 의해서 단락이 발생되지 않으며, 원형 또는 비연속 등각형으로 형성된 에미터층을 이용하여 전자빔의 셀프 포커싱을 수행할 수가 있어 전자빔의 퍼짐을 극복할 수 있다.

Description

전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조 방법 {Field emission display device and method for manufacturing the device}
본 발명은 전계 방출 디스플레이에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄소 나노 튜브와 게이트와의 단락 문제와 전자빔이 퍼져 나가는 문제를 동시에 해결하는 전계 방출 디스플레이 장치에 관한 것이다.
전계 방출 디스플레이(FED: Field Emission Display)는 CRT 및 평판 디스플레이(LCD 등)의 장점을 모두 갖춘 표시장치로 일정한 전압 차가 형성되면 미세한 에미터 팁(emitter tip)으로부터 전자들이 방출되는 양자역학적인 터널링 효과를 이용한 것이다. 즉, 금속 또는 반도체와 같이 도전성 물질로 구성된 팁을 제공하고, 캐소드 전극과 연결된 그 팁에 강한 전계(electric field)를 인가하면, 팁으로부터 전자가 방출된다. 방출된 전자는 형광 물질이 도포된 애노드 전극에 충돌함으로써 빛을 발할 수가 있다. 이러한 특성을 이용하여 에미터 팁을 매트릭스 형태로구성하고, 정해진 회로에 따라 특정 에미터 팁에 전계를 인가하여 전자를 방출시킨 후, 방출된 전자를 형광체 스크린에 충돌시킴으로써 형광체 스크린을 통해 특정 영상을 디스플레이하게 된다.
일반적으로 전계 방출 디스플레이 장치는 그 구동 방식에 따라 2극관(diode) 및 3극관(triode) 구조로 구분된다. 2극관 구조는 캐소드 및 애노드 전극에 소정의 구동 전압을 각각 인가하여 양 전극 사이에 전계를 형성하고, 그 전계를 이용하여 에미터로부터 전자를 방출시키는 구조이다. 2극관 구조는 제조가 용이한 반면, 전자를 가속하기 충분한 고전압을 애노드 전극에 인가할 수 없으므로 형광막의 휘도가 불충분하고, 다계조 칼라 이미지를 구현하기 어려운 한계가 있다. 이와는 달리, 3극관 구조의 전계 방출 디스플레이 장치는 캐소드 전극과 게이트 전극에 소정의 구동 전압을 인가하여 양 전극 사이에 강한 전계를 형성하고, 그 전계를 이용하여 전자를 방출시킨 후, 일단 방출된 전자들은 애노드 전극에 의해서 추가되는 전계에 의해 형광체 쪽으로 가속되는 구조이다.
또한, 금속 에미터 또는 실리콘 에미터를 사용하는 종래의 전계 방출 디스플레이 장치에서는 약 100V 이상의 구동 전압을 인가하여야 하기 때문에, 디스플레이 장치의 구동 등이 어려웠으며, 수명이 짧고 안정성이 떨어진다는 문제점이 있다. 하지만, 최근에는 탄소 나노 튜브(Carbon NanoTube; CNT)를 에미터로 이용하는 기술이 개발되었으며, 약 10~50V 정도의 구동 전압에서 용이하게 전자를 방출시킬 수 있어, 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 디스플레이 장치는 소비전력, 수명 및 안정성에서 크게 개선된 특성을 갖고 있다.
탄소 나노 튜브(Carbon Nanotube)는 하나의 탄소가 다른 탄소 원자와 결합되어 튜브 형태를 이루고 있는 물질이다. 상기 탄소 나노 튜브는 직경이 나노미터 수준으로 극히 작은 영역의 물질로서 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계 방출 특성 및 고효율의 수소 저장 매체 특성 등을 지니며 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다. 따라서 탄소 나노 튜브는 전기 전도성이 우수하고 단단한 물질이므로 전계 방출 디스플레이의 전자 방출원 소재로서 충분한 가능성을 가지고 있다.
상기 탄소 나노 튜브를 전자 에미터로 이용하는 방법에는 탄소 나노 튜브를 선택적으로 성장시키는 방법과 탄소 나노 튜브 페이스트를 사용하는 방법이 있다.
도 1a 는 촉매 금속을 이용하여 탄소 나노 튜브를 선택적으로 성장시킨 방법을 설명하기 위한 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이며, 도 1b는 탄소 나노 튜브 페이스트를 이용하여 방법을 설명하기 위한 SEM 사진이다.
도 1a를 참조하면, 탄소 나노 튜브는 촉매 금속 상에 선택적으로 성장되어 있다. 탄소 나노 튜브를 선택적으로 성장시키는 방법은 대부분 촉매 금속을 필요로 한다. 촉매 금속은 대부분 니켈, 코발트 또는 철을 사용하는데, 일반적으로 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 통해 촉매 금속 상에 탄소 나노 튜브를 성장시킬 수 있다. 예를 들어, 촉매 금속이 증착된 기판을 물로 희석시킨 불산(HF) 용액 속에서 약140초 동안 담근(Dipping) 후, 약 950℃의 온도를 유지시키면서 약 100 sccm의 NH3가스를 약 20 분간 흘려서 기판 위에 촉매금속 파티클을형성시킨다. 그 다음으로 약 20 sccm의 C2H2가스를 약 10 분간 흘리면 탄소 나노 튜브를 합성할 수 있다. 상기와 같은 방법으로 성장 탄소 나노 튜브를 합성시키면, 도 1a에서 도시된 바와 같이 촉매 금속 상에 탄소 나노 튜브가 수직으로 배향되며, 탄소 나노 튜브는 수직으로 배향될 경우에 전자 방출 효율이 높아지게 된다.
도 1b를 참조하면, 탄소 나노 튜브를 페이스트 상에서 수직하게 배향되어 있다. 에미터층을 형성하기 위해서 우선 탄소 나노 튜브 페이스트를 스크린 프린팅으로 도포하고, 후속의 열처리 공정을 통해 페이스트에 묻혀있는 탄소 나노 튜브를 수직하게 세워 전자 방출 효율을 높일 수 있다. 상기와 같은 후막 공정은 간단하고 경제적인 장점이 있으나, 상기 공정으로 인하여 오염이 될 수 있고, 선택적으로 성장시킨 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 디스플레이에 비해 해상도가 떨어진다는 단점이 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전계 방출 디스플레이 장치(10)는 기판(20), 캐소드 전극(30), 절연층 패턴(25), 에미터(32), 게이트 전극(40), 스페이서(45) 및 형광 스크린(50)을 포함한다. 기판(20) 상에 캐소드 전극(30)이 형성되고, 캐소드 전극(30)상에 절연층이 적층된 후, 식각 공정을 통해 홀을 포함하는 절연층 패턴(25)이 형성된다. 절연층 패턴(25) 상에 게이트 전극(40)이 형성되고, 게이트 전극(40) 및 절연층 패턴(25)에 형성된 홀(27)을 통해 홀(27) 내에 탄소 나노 튜브를 선택적으로 성장시켜 에미터(32)를 생성한다. 그 다음, 게이트 전극(40)이 형성된 기판(20) 상에 스페이서(45)를 두고, 그 위에 형광물질(52)이 도포된 형광 스크린(50)을 덮은 후, 기판(20) 및 형광 스크린(50) 사이를 진공 상태로 만들어 전계 방출 디스플레이 장치(10)를 제조한다.
하지만, 에미터(32)를 생성하는 과정에서 탄소 나노 튜브를 모두 수직하게 세워진다고 할 수 없으며, 홀(27) 내의 직경은 수 ㎛이기 때문에 탄소 나노 튜브가 약간이라도 편향된다면 게이트 전극(40)과 단락될 가능성이 매우 크다. 에미터(32)와 게이트 전극(40)이 서로 가깝게 인접해 있는 경우, 전계 방출 디스플레이 장치에 전압이 인가될 때, 탄소 나노 튜브 에미터와 게이트 전극 상이의 단락이 발생할 수 있으며, 이러한 단락은 장치의 수명 단축, 영상 표시의 불안정, 화소 불량 등 디스플레이 장치로서 치명적인 결함 등을 발생시키는 원인이 될 수 있다.
또한, 에미터(32)로부터 방출된 전자빔이 퍼져서 정밀한 영상 표현을 방해할 수가 있다. 특히, 탄소 나노 튜브 페이스트를 이용한 열처리 공정에 의해 형성된 에미터의 경우, 전자빔의 퍼짐 현상은 더욱 심하여 인접한 다른 화소의 형광 스크린(50)으로 방출되어 정밀한 디스플레이를 방해할 수 있다. 촉매 금속을 이용하여 탄소 나노 튜브를 성장시킨 에미터 역시 약간의 전자빔 퍼짐 현상이 있기 때문에 이를 개선할 필요가 있다.
상술한 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명의 일 목적은 전계 방출에 있어서 탄소 나노 튜브와 게이트 전극의 접촉에 의한 단락을 방지하고, 그와 동시에 방출된 전자의 퍼짐을 개선할 수 있는 전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 기존의 삼극관 구조의 전계 방출 소자의 문제점을 극복하고, 보다 손쉬운 공정으로 제조할 수 있어 대면적의 디스플레이를 구현할 수 있는 전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조방법를 제공하는 것이다.
도 1a 는 촉매 금속을 이용하여 탄소 나노 튜브를 선택적으로 성장시킨 방법을 설명하기 위한 SEM 사진이다.
도 1b는 탄소 나노 튜브 페이스트를 이용하여 방법을 설명하기 위한 SEM 사진이다.
도 2는 종래 기술에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 디스플레이 장치를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 구성도들이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치의 사용 상태를 설명하기 위한 부분 확대 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 구성도들이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치의 사용 상태를 설명하기 위한 부분 확대 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100：전계 방출 디스플레이 장치110：기판
120p：하부 전극막120：하부 전극
130p：절연층130：절연층 패턴
140p：상부 전극막140：상부 전극
145：내부 전극150, 250：에미터층
152, 252：촉매 금속 패턴154, 254：탄소 나노 튜브
160：형광 스크린
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 전계 방출 디스플레이 장치는 기판, 기판 상에 형성된 하부 전극, 하부 전극 상에 형성되며 디스플레이 장치의 화소 위치에 대응하여 형성된 홀을 포함하는 절연층 패턴, 홀의 입구 주변에 형성되며 하부 전극과 연결되는 내부 전극, 내부 전극으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 그 외부에 형성되는 상부 전극 및 화소 위치에 대응하여 형성된 에미터층을 포함한다. 상기 에미터층은 내부 전극 또는 내부 전극 주변의 상부 전극 상에 연속적 또는 비연속적으로 형성되어, 인접한 게이트 전극과 단락이 발생하지 않으며 홀 주변을 따라 형성되어 화소 위치에 정확하게 셀프 포커싱(self forcusing)이 될 수 있다.
하부 전극 및 내부 전극이 게이트 전극으로 기능을 하는 경우, 내부 전극에 인접한 상부 전극 상에 에미터층이 형성되며, 에미터층은 상부 전극의 내부 형상에 따라 대략 원형 또는 다각형의 형상으로 형성될 수 있다. 하나의 홀 주변에 형성되는 에미터층은 연속적으로 형성되어 폐곡선을 형성할 수도 있지만, 등각 또는 비등각으로 형성되어 부분적으로 단절될 수도 있다. 에미터층이 화소의 중심이 되는 홀의 주변을 따라 형성되어 있고, 에미터층에서부터 방출되는 전자들은 상호 작용에 의해서 전자빔의 퍼짐 현상 없이 대상 화소를 향해 정확하게 방출될 수 있다.
이와 다르게, 상부 전극이 게이트 전극으로 기능할 수 있으며, 이 경우 홀 입구 주변의 내부 전극 상에 에미터층이 형성된다. 역시, 에미터층은 내부 전극의 외곽 형상에 따라 대략 원형 또는 다각형의 형상으로 형성될 수 있으며, 연속적 또는 비연속적으로 형성될 수 있다. 에미터층이 내부 전극 상에 형성됨으로써, 게이트 전극과의 단락을 피할 수 있으며 홀의 주변에서 동시에 방출되는 전자들의 상호 작용에 의해 전자빔의 퍼짐 현상을 현저하게 줄일 수가 있다.
본 발명에 따른 전계 방출 디스플레이 장치는 형광 물질이 도포된 페이스 플레이트(face plate), 애노드 전극(anode electrode) 및 스페이서(spacer) 등에 대한 자세한 설명을 생략하고 있지만, 전계 방출 디스플레이 장치는 상기 구성요소들을 더 포함할 수 있으며, 이들 구성은 종래의 전계 방출 디스플레이 장치들의 다양한 구조를 참조하여 본 발명에 적용할 수가 있다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 전계 방출 디스플레이 장치의 제조방법은 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계, 하부 전극이 형성된 기판 상에 절연층을 형성하는 단계, 디스플레이 장치의 화소 위치에 대응하여 하부 전극의 일부가 노출될 때까지 절연층을 부분적으로 제거하여 홀을 형성하고, 그 홀을 포함하는 절연층 패턴을 형성하는 단계, 기판 상에 위치한 절연층 패턴에 상부 전극막을 형성하는 단계, 상부 전극막을 부분적으로 식각하여 하부 전극과 교차하는 방향으로 형성된 상부 전극 및 상부 전극 내에 형성되며 상기 홀을 통해 하부 전극과 전기적으로 연결된 내부 전극을 형성하는 단계, 및 화소 위치에 대응하여 상부 전극 및 내부 전극 중 어느 하나 상에 홀 입구의 주변을 따라 연속적 또는 비연속적으로 형성된 에미터층을 형성하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이, 상부 전극 상에 에미터층이 형성되면, 내부 전극이 게이트 전극이 되고 상부 전극이 캐소드 전극이 된다. 반대로, 내부 전극 상에 에미터층이 형성되면, 상부 전극이 게이트 전극이 되며 내부 전극이 캐소드 전극이 된다. 본 발명은 상기 2구조를 모두 포함하며, 게이트 전극 및 에미터층의 상단부가 서로 측면에 위치하여 탄소 나노 튜브를 생성하는 과정에서 단락을 방지할 수 있다. 또한, 에미터층이 홀 입구의 주변에서 원형 또는 다각형의 형상으로 연속적 또는 비연속적으로 형성되어 상호 작용에 의한 셀프 포커싱(self focusing)을 수행할 수 있으며, 전계 방출 디스플레이 장치의 고질적인 문제인 전자빔의 퍼짐 현상을 극복할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 구성도들이며, 도 4는 제1 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치의 사용 상태를 설명하기 위한 부분 확대단면도이다.
도 3a를 참조하면, 기판(110)은 투명한 재질로 구성되며, 일반적으로 유리기판이 사용된다. 기판(110) 상에는 스퍼터링, 화학기상증착(CVD) 또는 스크린 프린팅 등의 방법에 의해서 하부 전극막(120p)이 형성된다.
도 3b를 참조하면, 포토 레지스트를 이용하여 하부 전극막(120p) 상에 마스크를 형성하고, 하부 전극막(120p)을 부분적으로 식각하여 하부 전극(120)을 형성한다. 하부 전극(120)은 디스플레이 장치의 화소 구분에 따라 스트라이프(stripe) 형상으로 병렬로 형성되지만, 도면에서는 그 일부만 확대하여 도시하고 있다.
도 3c를 참조하면, 하부 전극(120)이 형성된 기판(110) 상에 화학 기상 증착 방법에 의해서 약 1 ㎛ 이상의 두께로 절연층(130p)이 적층된다. 본 실시예와 같은, 유리기판에서는 약 500℃ 이하에서의 저온 증착이 요구되므로, 플라즈마 인핸스드 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)에 의한 방법이 바람직하다. 본 실시예에서는 유리 기판을 사용하지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기판으로 실리콘 기판이 사용될 수 있으며, 열산화 반응 등을 통해서 기판 상에 실리콘 산화막을 생성할 수 있다.
플라즈마 화학기상 증착은 반응 물질을 진공상태의 챔버에 주입하고, 전장을 형성하여 플라즈마를 유도하는 증착 방법이다. 상기 전장에 의해 높은 에너지를 얻은 전자가 중성상태의 가스분자와 충돌하여 가스분자를 분해하고, 분자의 분해에 의해 생성된 가스원자가 기판에 부착되는 반응을 이용하여 기판(110)상에 박막을 형성한다. 플라즈마 화학기상 증착은 플라즈마를 이용하기 때문에, 그만큼 열에너지를 줄일 수 있게 되어 저온에서 절연층을 형성할 수 있다.
또한, 부가적으로 에미터층이 형성되는 부위에 대응하여 절연층(130p)을 소정의 깊이로 식각할 수 있다. 에미터층에 대응되는 부분을 부분적으로 식각함으로써 게이트 전극이 되는 부분과 에미터층의 상단부를 대략 동일선상에 위치시킬 수 있다. 에미터층에 대응하여 절연층(130p)의 일부를 소정의 깊이로 식각하기 위해서는 후술되는 촉매 금속 마스크와 네가티브 포토레지스트(negative photoresist)가 사용된다. 네가티브 포토레지스트막을 절연층(130p) 상에 적층하고, 촉매 금속 마스크를 이용하여 포토레지스트 막을 노광시킨다. 그리고, 촉매 금속 마스크에 의해서 가려진 부분을 제외한 부분을 제거하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 포토레지스트 패턴을 마스크로 습식 또는 건식 식각을 통해 절연층(130p)의 상단부를 부분적으로 식각한다. 절연층의 일부를 소정의 깊이로 식각하는 것은 전자의 방출을 더 용이하게 하기 위한 것으로서, 본 발명에 있어 필수적인 것은 아니며 생산자의 선택에 따라 적용 여부를 달리할 수도 있다.
도 3d를 참조하면, 전계 방출 디스플레이 장치의 화소 위치에 대응하여 하부 전극(120)과 후술할 내부 전극(145)을 연결하기 위한 홀(132)을 형성하고, 홀(132)을 생성함으로써 절연층 패턴(130)을 생성한다.
절연층(130p)을 식각하여 홀(132)을 형성하기 위해서, 역시 포토레지스트 식각방법이 사용된다. 노광을 통해 포토레지스트 패턴을 생성하고, 그 포토레지스트 패턴을 마스크로 불산(HF) 용액 등을 이용하여 습식 식각을 진행한다. 식각 과정은 하부 전극(120)이 노출될 때까지 진행되며, 습식 식각을 통해 절연층(130p)을 통과하는 홀(132)이 생성되고, 그 결과 홀(132)을 포함하는 절연층 패턴(130)이 생성된다. 또한, 본 실시예의 다른 실시예에 따르면, 절연층 패턴(130)을 스크린 프린팅 방법으로 생성할 수가 있다. 스크린 프린팅 방법은 스퀴지를 이용하며 패턴화된 스크린을 통해 원하는 패턴을 형성하는 것으로서 대면적의 디스플레이 장치를 제조하는 과정에서 유용하게 적용될 수가 있다.
도 3e를 참조하면, 절연층 패턴(130) 상에 상부 전극막(140p)이 증착된다. 상부 전극막(140p)은 금속과 같은 도전성 물질로 구성되며, 식각에 의해서 노출된 하부 전극(120)은 물론, 홀(132) 내부 및 절연층 패턴(130)을 포함하는 모든 면에 스퍼터링(sputtering), 전자선 층착법(electron beam evaporation), 화학기상증착(CVD), 스크린 프린팅 등의 방법에 의해서 형성된다. 본 과정의 주요 목적 중 하나는 홀(132)을 통해 하부 전극(120)과 상부 전극막(140p)을 전기적으로 연결하는 것이며, 후술하는 내부 전극(145)은 하부 전극(120)이 상호 연결되어 게이트 전극 또는 캐소드 전극이 된다. 상부 전극막(140p)을 구성하는 금속으로는 몰리브덴, 크롬, 코발트 및 알루미늄 등이 있으며, 절연층 패턴(130) 상에 약 0.3 ㎛ 의 두께로 형성된다.
도 3f를 참조하면, 상부 전극막(140p)을 부분적으로 식각하여 내부 전극(145) 및 상부 전극(140)을 형성한다. 내부 전극(145)은 아래로는 하부 전극(120)과 연결되며, 위로는 절연층 패턴(130)의 상면에 노출되어 홀(142)의 입구에서 링(ring) 형상으로 형성된 상면을 갖는다. 상부 전극(140)은 내부 전극(145)이 외부에 형성되어 내부 전극(145)을 수용하되, 내부 전극(145)으로부터소정의 간격만큼 이격되어 내부 전극(145)과 전기적으로 분리되어 있다. 또한, 상부 전극(140) 역시 스트라이프(stripe) 형상으로 병렬로 형성되며, 하부 전극(120)과 수직으로 교차하는 방향으로 형성된다.
내부 전극(145) 및 상부 전극(140)을 형성하기 위해서 일반적으로 포토레지스트 식각 방법이 사용된다. 우선 상부 전극막(140p) 상에 포토레지스트 막을 형성한 후, 내부 전극(145) 및 상부 전극(140)을 형성하기 위한 형상 마스크(shaping mask)를 이용하여 포토레지스트 막을 노광시킨 후, 현상(developing)을 통해 노광지역과 비노광지역을 구분하여 포토레지스트 패턴을 생성한다. 그 다음 포토레지스트 식각 공정으로 통해 상부 전극막(140p)을 부분적으로 제거하여 내부 전극(145) 및 상부 전극(140)을 형성한다. 최종적으로 포토레지스트 패턴을 제거한다.
도 3g를 참조하면, 상부 전극(140) 상에 촉매 금속 패턴(152)을 생성한다. 본 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치에서 상부 전극(140)은 캐소드 전극으로 사용되며, 내부 전극(145)은 하부 전극(120)과 연결되어 게이트 전극으로 사용된다. 따라서, 상부 전극(140) 상에 에미터층(150)이 형성되며, 이를 위해 상부 전극(140)에는 홀(142)의 입구 주변을 따라, 즉 내부 전극(145)에 인접하게 상부 전극(140)의 내주를 따라 촉매 금속 패턴(152)이 형성된다.
촉매 금속 패턴(152)을 구성하는 촉매 금속으로는 니켈(Ni), 철(Fe), 및 코발트(Co) 등이 있으며, 경우에 따라서는 이들 금속 중 적어도 하나를 혼합하여 사용할 수 있다. 여기서, 촉매 금속 패턴(152)도 스퍼터링, 전자선 증착법 등의 방법을 통하여 약 10~50nm의 두께로 형성된다.
도 3h를 참조하면, 촉매 금속 패턴(152) 상에 탄소 나노 튜브(154)를 선택적으로 성장시킨다. 탄소 나노 튜브(154)를 성장시키기 위해서 화학 기상 증착 방법(CVD)이 사용된다. 상기 증착 방법에 사용되는 기체는 수소(H2) 및 메탄(CH4)의 혼합 가스 또는 암모니아(NH3)와 아세틸렌(C2H2)의 혼합가스가 사용된다. 탄소 나노 튜브가 성장하기 위해서는 촉매 금속이 필요하므로 상기 촉매 금속 패턴 상에만 선택적으로 성장 될 수 있다.
탄소 나노 튜브(154) 및 촉매 금속 패턴(152)에 의해서 에미터층(150)이 형성되며, 탄소 나노 튜브(154)는 캐소드 전극인 상부 전극(140)과 전기적으로 연결되며, 전계가 형성되는 경우 단부로부터 전자를 방출할 수 있다.
본 실시예서는 촉매 금속을 이용한 선택적 성장을 통해 탄소 나노 튜브를 형성하였지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 탄소 나노 튜브 페이스트를 이용한 후속 열처리 공정을 통해 탄소 나노 튜브를 수직하게 배향시킬 수 있으며, 상기 공정을 통해 에미터층을 형성할 수도 있다. 이때 촉매 금속을 사용하지 않기 때문에 페이스트를 이용할 때에는 촉매 금속 패턴을 형성할 필요가 없다. 또한, 본 실시예에서 에미터층(150)은 상부 전극(140) 상에서 원형의 폐곡선으로 형성되어 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다각형을 이루며 연속적으로 형성될 수도 있고, 원형 또는 다각형을 이루며 비연속적으로 형성될 수도 있다. 에미터층이 비연속적으로 형성되는 경우 각각의 에미터라인은 등각 또는 비등각 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 전계 방출 디스플레이 장치(100)는 기판(110), 하부 전극(120), 절연층 패턴(130), 내부 전극(145), 상부 전극(140), 에미터층(150) 및 형광 스크린(160)을 포함한다.
기판(110)은 유리기판으로서, 기판(110) 상에는 스트라이프 형상의 하부 전극(120)이 병렬로 배치된다. 하부 전극(120)이 형성된 기판(110) 상에는 절연층 패턴(130)이 형성되며, 상기 절연층 패턴(130)은 디스플레이 장치의 화소 위치에 대응하여 형성된 홀을 포함한다. 절연층 패턴(130)의 홀은 상부 전극(140) 및 하부 전극(120)의 교차 부위에 형성되며, 홀을 통해 하부 전극(120)과 내부 전극(145)은 상호 전기적으로 연결된다. 이때 내부 전극(145)의 외부로 상부 전극(140)이 형성되며, 내부 전극(145) 및 상부 전극(140)은 소정의 거리만큼 이격되어 전기적으로 분리되어 있다. 에미터층(150)은 홀의 입구 주변을 따라 상부 전극(140) 상에 원형으로 형성되며, 에미터층(150)은 촉매 금속 패턴(152) 및 그 위에 성장된 탄소 나노 튜브(154)를 포함한다. 형광 스크린(160)은 그 상부에 위치하며, 형광 스크린(160)의 저면에는 형광 물질이 도포되어 있고, 형광 스크린(160) 및 기판(110) 사이에는 진공 상태를 유지한다.
전계 방출 디스플레이 장치(100)에 전원이 인가되면서, 제어부의 제어에 따라 게이트 전극인 하부 전극(120) 및 내부 전극(145)으로 인가되는 전압이 조절될 수 있으며, 전압에 따라 에미터층(150)으로부터 전자 방출을 제어할 수 있다.
우선, 도시된 바와 같이, 게이트 전극인 내부 전극(145)이 에미터층(150)의 상단으로부터 수평하게 이격되어 있으며, 측면 하부에 위치하기 때문에 내부전극(145) 및 탄소 나노 튜브(154) 간의 단락을 방지할 수 있다.
또한, 상부 전극(140) 상에 에미터층(150)이 원형으로 형성되어, 탄소 나노 튜브(154)를 통해서 방출된 전자는 상호 작용 또는 내부 전극(145) 등에 의해서 중심으로 모이게 되고, 포커싱된 상태로 상부에 위치한 형광 스크린(160)을 향해 방출된다. 이와 같은 구조는 전자빔이 가운데로 모여 집속되므로 셀프 포커싱이라 할 수 있다.
종래의 전계 방출 디스플레이 장치에서는 전자빔을 집속하기 위하여 게이트 전극의 상단에 별도의 게이트를 추가하는 더블 게이트(double gate) 구조 또는 금속 메쉬를 사용하여 전자빔의 통과를 제한 메쉬(mesh) 구조를 사용하기도 하지만, 더블 게이트 구조 및 메쉬 구조는 제조 과정이 복잡하고, 부품 간의 정밀한 배치(arrangement)가 필요하며, 디스플레이 장치를 얇게 만드는 데에 한계가 있다.
이에 비해, 본 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치(100)는 3극관 구조의 고질적인 문제인 단락 및 빔의 퍼짐 현상을 해결할 수 있으며, 구조가 간단하여 제조 과정이 간단하고, 정렬이 용이하여 대면적의 디스플레이 장치를 제조하는 데에 아주 유리하다. 또한, 별도의 게이트 또는 메쉬 등을 설치할 필요가 없어 디스플레이 장치를 더욱 슬림하게 제조할 수도 있다.
실시예 2
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조방법을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 구성도들이며, 도 6은 제2 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치의 사용 상태를 설명하기 위한 부분 확대단면도이다.
제2 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치 및 제조방법을 설명함에 있어, 제1 실시예의 설명 및 도면을 참조할 수 있다. 특히, 제조방법 중 도 3a부터 도 3f까지 설명된 과정 및 구성요소는 본 실시예의 설명에서 동일하게 적용될 수 있으며, 반복되는 내용은 생략될 수 있다. 참고로, 본 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치(200)에서 내부 전극(145)는 캐소드 전극으로 사용되어 내부 전극(145) 상에 에미터층(250)이 형성되며, 에미터층(250)의 측면 하부에는 상부 전극(140)이 배치되어 게이트 전극으로 사용된다.
도 5a를 참조하면, 내부 전극(145) 상에 촉매 금속 패턴(252)을 생성한다. 본 실시예에 따른 전계 방출 디스플레이 장치에서 내부 전극(140)은 캐소드 전극으로 사용되며, 상부 전극(140)은 게이트 전극으로 사용된다. 따라서, 내부 전극(145) 상에 에미터층(250)이 형성되며, 이를 위해 내부 전극(145)에는 홀(142)의 입구 주변을 따라 촉매 금속 패턴(252)이 원형으로 형성된다. 촉매 금속 패턴(252)을 구성하는 촉매 금속으로는 역시 니켈(Ni), 철(Fe), 및 코발트(Co) 등이 있으며, 이들 금속을 혼합하여 사용할 수도 있다.
도 5b를 참조하면, 촉매 금속 패턴(252) 상에 탄소 나노 튜브(254)를 선택적으로 성장시킨다. 탄소 나노 튜브(254)를 성장시키기 위해서 화학 기상 증착 방법(CVD)이 사용된다.
탄소 나노 튜브(254) 및 촉매 금속 패턴(252)에 의해서 에미터층(250)이 형성되며, 탄소 나노 튜브(254)는 캐소드 전극인 내부 전극(145) 및 하부 전극(120)과 전기적으로 연결되며, 전계가 형성되는 경우 단부로부터 전자를 방출할 수 있다.
본 실시예서는 촉매 금속을 이용한 선택적 성장을 통해 탄소 나노 튜브를 형성하였지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 탄소 나노 튜브 페이스트를 이용한 후속 열처리 공정을 통해 탄소 나노 튜브를 수직하게 배향시킬 수 있으며, 에미터층은 내부 전극(145) 상에서 원형 또는 다각형의 형상으로 연속적 또는 비연속적으로 형성될 수 있다. 에미터층이 비연속적으로 형성되는 경우 각각의 에미터라인은 등각 또는 비등각 간격으로 이격되어 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 전계 방출 디스플레이 장치(200)는 기판(110), 하부 전극(120), 절연층 패턴(130), 내부 전극(145), 상부 전극(140), 에미터층(250) 및 형광 스크린(160)을 포함한다.
기판(110)은 유리기판으로서, 기판(110) 상에는 스트라이프 형상의 하부 전극(120)이 병렬로 배치된다. 하부 전극(120)이 형성된 기판(110) 상에는 절연층 패턴(130)이 형성되며, 상기 절연층 패턴(130)은 디스플레이 장치의 화소 위치에 대응하여 형성된 홀을 포함한다. 절연층 패턴(130)의 홀은 상부 전극(140) 및 하부 전극(120)의 교차 부위에 형성되며, 홀을 통해 하부 전극(120)과 내부 전극(145)은 상호 전기적으로 연결된다. 이때 내부 전극(145)의 외부로 상부 전극(140)이 형성되며, 내부 전극(145) 및 상부 전극(140)은 소정의 거리만큼 이격되어 전기적으로 분리되어 있다. 에미터층(250)은 홀의 입구 주변을 따라 내부 전극(145) 상에 원형으로 형성되며, 에미터층(250)은 촉매 금속 패턴(252) 및 그 위에 성장된 탄소 나노 튜브(254)를 포함한다. 형광 스크린(160)은 그 상부에 위치하며, 형광 스크린(160)의 저면에는 형광 물질이 도포되어 있고, 형광 스크린(160) 및 기판(110) 사이에는 진공 상태를 유지한다.
전계 방출 디스플레이 장치(200)에 전원이 인가되면서, 제어부의 제어에 따라 게이트 전극인 상부 전극(140)으로 인가되는 전압이 조절될 수 있으며, 전압에 따라 에미터층(250)으로부터 전자 방출을 제어할 수 있다.
제1 실시예와는 다르게 게이트 전극 및 캐소드 전극이 전환되어도, 게이트 전극인 상부 전극(140)이 에미터층(250)의 상단으로부터 수평하게 이격되어 있으며, 구체적으로는 측면 하부에 위치하기 때문에 상부 전극(140) 및 탄소 나노 튜브(254) 간의 단락을 방지할 수 있다.
또한, 내부 전극(145) 상에 에미터층(250)이 원형으로 형성되어, 탄소 나노 튜브(254)를 통해서 방출되는 전자빔의 퍼짐을 제한할 수 있으며, 별도의 게이트 또는 메쉬 등을 설치할 필요가 없다. 게다가, 전체 구조가 간단하여 제조 과정이 간단하고, 정렬이 용이하여 대면적의 디스플레이 장치를 제조하는 데에도 아주 유리하다.
본 발명에 따른 전계 방출 디스플레이 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 기본적으로 유사한 구조를 갖는 전극 구조에서 게이트 및 캐소드 전극의 위치에 따라 2종류의 3극관 전계 방출 소자를 제조할 수 있으며, 각 구조에 따른 장점을 얻을 수 있다.
또한, 스크린 프린팅 방법에 의하면 대면적의 디스플레이 장치를 구현할 수 있으며, 종래의 전계 방출 디스플레이 장치에서 문제점으로 지적되고 있는 전자빔 퍼짐의 방지 및 단락 방지를 한번에 해결 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전계 방출 디스플레이 장치의 제조 방법에 의하면, 선택적 성장 방법뿐만 아니라 페이스트를 사용한 방법으로도 에미터를 수직으로 배향시킴으로써 전자 방출 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 대형 디스플레이도 용이하게 제작할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 전계 방출 디스플레이 장치의 제조 방법에 있어서,
    기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극이 형성된 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 전계 방출 디스플레이 장치의 화소 위치에 대응하여 상기 하부 전극의 일부가 노출될 때까지 상기 절연층을 부분적으로 제거하여 홀을 형성하고, 상기 홀을 포함하는 절연층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 기판 상에 위치한 상기 절연층 패턴에 상부 전극막을 형성하는 단계;
    상기 상부 전극막을 부분적으로 식각하여 상기 하부 전극과 교차하는 방향으로 형성된 상부 전극 및 상기 상부 전극 내에 형성되며 상기 홀을 통해 상기 하부 전극과 전기적으로 연결된 내부 전극을 형성하는 단계;
    상기 화소 위치에 대응하여 상기 상부 전극 및 상기 내부 전극 중 선택된 하나 전극 상에 상기 홀 입구의 주변을 따라 연속적 또는 비연속적으로 에미터층을 형성하는 단계를 구비하는 전계 방출 디스플레이 장치의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에미터층을 형성하는 단계는 상기 에미터층이 형성되는 부위에 대응하여 촉매 금속 패턴을 형성하는 단계 및 상기 촉매 금속 패턴 상에 탄소 나노 튜브를 선택적으로 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 디스플레이 장치의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 금속 패턴은 니켈(Ni), 철(Fe), 및 코발트(Co)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나로 구성 되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 디스플레이 장치의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에미터층을 형성하는 단계는 상기 에미터층이 형성되는 부위에 대응하여 탄소 나노 튜브 페이스트 패턴을 형성하는 단계 및 후속 열처리 공정을 통해 상기 탄소 나노 튜브 페이스트 패턴에 포함된 탄소 나노 튜브를 수직으로 배향 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 디스플레이 장치의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연층 패턴을 형성하는 단계에서 상기 상부 전극은 상기 홀에서 상기 하부 전극과 교차하도록 형성되고, 상기 내부 전극은 상기 상부 전극의 내부에서 소정의 간격만큼 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 디스플레이 장치의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극막을 형성하기 전에, 상기 화소 위치의 주변에서 상기 에미터층이 형성되는 부위에 대응하여 상기 절연층 또는 상기 절연층 패턴을 부분적으로 식각하여, 상기 화소 위치 및 그 주변 간에 소정의 높이만큼 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 디스플레이 장치의 제조방법.
  7. 전계 방출을 이용한 디스플레이 장치에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 형성된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성되며, 상기 디스플레이 장치의 화소 위치에 대응하여 형성된 홀을 포함하여 상기 홀을 통해 상기 하부 전극을 부분적으로 노출시키는 절연층 패턴;
    상기 홀의 입구 주변에 형성되며 상기 하부 전극과 전기적으로 연결되는 내부 전극;
    상기 내부 전극으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 상기 내부 전극의 외부에 형성되며, 상기 하부 전극과 교차하는 방향으로 형성된 상부 전극;
    상기 화소 위치에 대응하여 상기 상부 전극 및 상기 내부 전극 중 선택된 하나의 전극 상에서 상기 홀 입구의 주변을 따라 연속적 또는 비연속적으로 형성된 에미터층을 구비하는 전계 방출 디스플레이 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 에미터층은 촉매 금속 패턴 및 상기 촉매 금속 패턴 상에 형성된 탄소 나노 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 디스플레이 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 에미터층은 탄소 나노 튜브가 수직하게 배향된 탄소 나노 튜브 페이스트 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 디스플레이 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 에미터층은 상기 화소 위치에 대응하는 상기 홀의 입구 주변에서 원형 또는 다각형의 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 디스플레이 장치.
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