KR20050048964A - 전계 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출 에미터로 탄소 나노 튜브를 사용하는 언더게이트 구조에서 캐소드 전극의 일측 또는 좌우측 동일 평면상에 집속 전극을 형성하여 누화를 방지하고, 절연층에 쌓이는 전자의 양을 줄여 이상 발광 현상을 방지할 수 있으며 방출전압을 낮출 수 있는 전계 방출 소자에 관한 것으로, 하부기판(유리기판) 상에 순차적으로 형성된 게이트 전극 및 절연층과, 상기 절연층 상부에 형성되고, 일부 영역에 탄소 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극과 동일 평면상에 형성되고, 상기 탄소 나노 튜브에서 방출된 전자를 집속시키는 집속 전극을 포함하여 구성함으로써, 탄소 나노 튜브에서 방출되는 전자빔을 집속시켜 누화를 방지할 수 있고, 절연층에 쌓이는 전자의 양을 줄여 이상 발광 현상을 방지할 수 있으며 방출전압을 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

전계 방출 소자{FIELD EMISSION DEVICE}

본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히 전계 방출 에미터로 탄소 나노 튜브를 사용하는 언더게이트 구조에서 캐소드 전극의 일측 또는 좌우측 동일 평면상에 집속 전극을 형성하여 누화를 방지하고, 절연층에 쌓이는 전자의 양을 줄여 이상 발광 현상을 방지할 수 있으며 방출전압을 낮출 수 있는 전계 방출 소자에 관한 것이다.

정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고, 요구되는 디스플레이 모습 또한 다양해 지고 있다. 그 예로 휴대형 정보기기와 같이 이동성이 강조되는 환경에서는 무게, 부피 및 소비전력이 작은 디스플레이가 요구되며, 대중을 위한 정보 전달매체로 사용되는 경우에는 시야각이 넓은 대화면의 디스플레이 특성이 요구된다.

또한, 이와 같은 요구를 만족시켜 나가기 위해 전자 디스플레이는 대형화, 저가격화, 고성능화, 고정세화, 박형화, 경량화 등의 조건이 필수적이어서, 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 기존의 CRT를 대체할 수 있는 가볍고 얇은 평판 디스플레이 장치의 개발이 절실히 필요하게 되었다.

이러한 다양한 표시 소자의 요구에 따라 최근에는 전계 방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.

상기 전계 방출 소자는 현재 개발 혹은 양산중인 평판 디스플레이들(LCD와 PDP, VFD등)의 단점을 모두 극복한 차세대 정보 통신용 평판 디스플레이로 주목을 받고 있다. 전계 방출 소자는 전극 구조가 간단하고, CRT와 같은 원리로 고속동작이 가능하며, 무한대의 칼라, 무한대의 그레이 스케일, 높은 휘도, 높은 비디오(video rate) 속도 등 디스플레이가 가져야 할 장점들을 고루 갖추고 있다.

전계 방출 소자는 진공 속의 금속 또는 도체 표면(에미터)상에 고전계가 인가될 때 전자들이 금속 또는 도체로부터 진공 밖으로 나오는 양자역학적 터널링 현상을 이용한 것이다. 이 때 소자는 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의하여 전류-전압 특성을 나타내게 된다. 전계 방출 소자는 전자 방출 원인 에미터와 방출된 전자가 충돌하여 발광하는 애노드부, 상하판 사이를 지지하는 스페이서, 그리고 진공기밀을 유지하기 위한 실링부 등으로 구성되어 있다.

최근 들어 탄소 나노 튜브(CNT)가 기계적으로 강하고, 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서 전자방출 특성이 우수한 이유로 인해 이를 이용한 전계 방출 소자의 중요성이 인식되고 있다. 이와 같은 탄소 나노 튜브는 작은 직경(약 1.0∼수십[nm])을 갖기 때문에 종래의 마이크로팁형(spindt형) 전계 방출 팁에 비해 전계 강화 효과(field enhancement factor)가 상당히 우수하여 전자방출이 낮은 임계 전계(turn-on field, 약 1∼5[V/㎛])에서 이루어질 수 있게 되므로, 전력손실 및 생산단가를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도1은 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 3전극 전계 방출 소자의 하판 구조에 대한 일 예를 도시한 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 실리콘기판(11) 상부에 순차적으로 저항층(12), 절연층(14) 및 게이트 전극(15)을 형성하고, 사진식각을 통해 게이트 전극(15) 및 절연층(14) 일부를 식각하여 홀을 형성한 다음 증착(evaporation)을 통해 홀 바닥의 저항층(12) 상부에 촉매전이금속층(13)을 형성하고, 실리콘기판(11) 전체를 600∼900[℃] 정도의 온도범위로 가열하여 탄화수소(hydrocarbon) 가스를 이용한 열(thermal) 화학기상증착 방법 또는 플라즈마(plasma) 화학기상증착 방법을 통해 촉매전이금속층(13) 상부에만 선택적으로 탄소 나노 튜브(16)를 형성한다.

이때, 상기 탄소 나노튜브(16)는 촉매전이금속층(13) 상부에만 선택적으로 형성되므로, 촉매전이금속층(13)의 면적이 클수록 탄소 나노 튜브(16)의 면적도 커진다. 이와 같이 탄소 나노 튜브(16)의 면적이 커지게 되면, 게이트 전극(15)을 통하여 가해지는 전계가 집중되지 않아 방출전자의 빔이 퍼지게 될 뿐만 아니라 전자방출영역도 고르지 못하여 전계가 제일 강한 홀의 주변에서만 국부적으로 전자방출이 일어날 가능성이 높고, 비대칭적인 전계 분포에 의해 게이트 전극(15)으로의 누설전류가 많은 문제점을 안고 있다.

상기와 같은 문제점을 개선하기 위해서 게이트 전극의 위치를 캐소드 전극보다 낮은 위치에 형성한 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자의 구조가 제시되었다.

도2는 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트(under gate) 구조의 전계 방출 소자에서 하판 구조에 대한 일 예의 평면도와 단면도(평면도의 A-A')를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 유리기판(20) 상에 게이트 전극(21)과 캐소드 전극(23)이 절연층(22)을 사이에 두고 서로 직교하는 매트릭스 구조로 되어 있으며, 전자 방출을 일으키는 전기장을 탄소 나노 튜브(24)의 하부에 있는 게이트 전극(21)으로 인가하는 방식이다.

이러한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조의 제조 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유리기판(20) 상에 ITO(Indium-Tin-Oxide) 투명 전극을 120[nm] 정도의 두께로 증착하고, 사진식각방법을 이용하여 게이트 전극(21)을 형성한 후, 그 게이트 전극(21) 상부에 페이스트 형태의 유전체 분말을 스크린 프린팅법으로 코팅하고, 약 580[℃]에서 소성하여 절연층(22)을 형성한다.

상기 절연층(22) 상부에 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr) 등의 전도성 금속을 소정의 두께로 증착한 후 사진식각방법을 이용하여 상기 게이트 전극(21)과 수직 교차시켜 캐소드 전극(23)을 형성하고, 그 캐소드 전극(23)의 가장 자리 위치에 탄소 나노 튜브(24)를 형성한다.

하지만, 이러한 3극 언더게이트 구조의 전계 방출 소자는 도2에 도시된 바와 같이, 탄소 나노 튜브에서 방출된 전자빔의 퍼짐이 크게 되어 누화(crosstalk)가 발생할 수 있으며, 상기 방출된 전자가 절연층 위에 쌓이게 되어 이상 발광의 원인이 될 수 있다.

상기와 같이 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 3극 언더게이트 구조의 전계 방출 소자는 탄소 나노 튜브에서 방출된 전자빔의 퍼짐이 크기때문에 누화가 발생할 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 종래 기술은 탄소 나노 튜브에서 방출된 전자가 절연층 위에 쌓이게 되어 이상 발광 현상을 일으킬 수 있는 문제점이 있었다.

따라서, 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 언더게이트 전극 구조에서 절연층 상부에 형성된 캐소드 전극의 일측 또는 좌우측 동일 평면 상에 형성된 집속 전극을 포함하여 구성함으로써, 탄소 나노 튜브에서 방출되는 전자빔을 집속시켜 누화를 방지할 수 있고, 절연층에 쌓이는 전자의 양을 줄여 이상 발광 현상을 방지할 수 있으며 방출전압을 낮출 수 있는 전계 방출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하부기판(유리기판) 상에 순차적으로 형성된 게이트 전극 및 절연층과; 상기 절연층 상부에 형성되고, 일부 영역에 탄소 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극과; 상기 캐소드 전극과 동일 평면상에 형성되고, 상기 탄소 나노 튜브에서 방출된 전자를 집속시키는 집속 전극을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 집속 전극에 인가되는 전계의 극성은 상기 캐소드 전극에 인가되는 전계의 극성과 동일한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소 나노 튜브는 상기 캐소드 전극과 이격되어 형성된 집속 전극 쪽으로 치우쳐 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소 나노 튜브와 집속 전극은 상기 캐소드 전극을 중심으로 좌우 대칭으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명 전계 방출 소자에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.

도3은 본 발명 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조의 평면도 및 단면도(평면도의 B-B')를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 종래 언더게이트 구조를 갖는 전계 방출 소자의 하판 구조에서 캐소드 전극(23)과 동일 평면상에 집속 전극(25)이 첨가된 구조로서, 유리기판(20) 상에 형성된 게이트 전극(21)과, 상기 게이트 전극(21) 상부에 형성된 절연층(22)과, 상기 절연층(22) 상부에 형성되고, 일부 영역에 탄소 나노 튜브(24)가 형성된 캐소드 전극(23)과, 상기 캐소드 전극(23)의 일측 동일 평면상에 형성된 집속 전극(25)으로 구성한다.

도4는 본 발명에 대한 또 다른 실시예의 평면도 및 단면도(평면도의 C-C')를 도시한 것으로, 도3에 도시된 것과는 달리 탄소 나노 튜브가 캐소드 전극의 좌우측 상부에 형성되고, 집속 전극이 상기 캐소드 전극 좌우측의 동일 평면상에 형성되어 상기 탄소 나노 튜브에서 방출된 전자(e)를 집속시키는 기능을 수행하며, 집속 전극이 하나인 경우(도3)에 비해 보다 많은 방출 전류의 효과를 기대할 수 있다.

상기 캐소드 전극(23)과 집속 전극(25)은 동일한 공정을 이용하여 형성되며, 집속 전극(25)에 캐소드 전극(23)과 동일한 극성의 전계가 인가되면 탄소 나노 튜브(24)에서 방출된 전자빔을 집속시킬 수 있고, 반대 극성의 전계가 인가되면 방출 전압을 낮출 수 있다.

그럼, 이러한 구성을 갖는 본 발명에 대한 제조 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유리기판(20) 상에 ITO(Indium-Tin-Oxide) 투명 전극을 120[nm] 정도의 두께로 증착하고, 사진식각방법을 이용하여 게이트 전극(21)을 형성한다.

상기 게이트 전극(21) 상부에 페이스트 형태의 유전체 분말을 스크린 프린팅법으로 코팅하고, 약 580[℃]에서 소성하여 약 10[㎛]의 절연층(22)을 형성한다.

상기 절연층(22) 상부에 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr) 등의 전도성 금속을 300[nm] 정도의 두께로 증착한 후 사진식각방법을 이용하여 상기 게이트 전극(21)과 수직 교차시켜 캐소드 전극(23)과 상기 캐소드 전극(23) 일측 또는 좌우측에 집속 전극(25)을 형성하고, 상기 캐소드 전극(23) 상부의 일측 또는 좌우측 가장 자리 위치에 탄소 나노 튜브(24)를 형성한다.

이때, 상기 캐소드 전극(23)의 가장 자리에 형성된 탄소 나노 튜브(24)는 페이스트 형태로 된 탄소 나노 튜브를 인쇄법으로 형성할 수도 있고, 리프트 오프(lift-off)법을 이용하여 정확히 섬(island) 형태로도 형성 가능하다.

이렇게 형성된 전계 방출 소자의 집속 전극(25)은 캐소드 전극(23)과 동일한 마스크를 이용하여 동일한 층에 형성되며, 독립 전극 또는 공통 전극으로 형성시킬 수 있다. 이러한 집속 전극(25)은 탄소 나노 튜브(24)에서 방출된 전자빔의 집속 기능을 수행하거나 방출전압을 낮추는 기능을 수행한다. 예를 들어, 게이트 전극(21)에 양(+)의 전계를 인가하고, 캐소드 전극(23)에 0 또는 음(-)의 전계를 인가하면 탄소 나노 튜브(24)에서 전자가 방출되는데, 이때 집속 전극(25)에 음(-)의 전계를 인가하면 방출된 전자(e)는 도3 또는 도4에 도시된 바와 같이 집속되어 애노드 전극(미도시)으로 끌려간다.

또한, 상기 집속 전극에 음(-)의 전계가 아닌 양(+)의 전계를 인가하면 방출되는 전자의 문턱전압(방출전압)을 낮출 수 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 언더게이트 전극 구조에서 절연층 상부에 형성된 캐소드 전극의 일측 또는 좌우측 동일 평면 상에 형성된 집속 전극을 포함하여 구성함으로써, 탄소 나노 튜브에서 방출되는 전자빔을 집속시켜 누화를 방지할 수 있고, 절연층에 쌓이는 전자의 양을 줄여 이상 발광 현상을 방지할 수 있으며 방출전압을 낮출 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 3전극 전계 방출 소자의 하판 구조에 대한 일 예를 도시한 단면도.

도2는 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조를 도시한 평면도와 단면도.

도3은 본 발명 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조를 도시한 평면도 및 단면도.

도4는 본 발명 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 또 다른 실시예의 하판 구조를 도시한 평면도 및 단면도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

20:유리기판 21:게이트 전극

22:절연층 23:캐소드 전극

24:탄소 나노 튜브 25:집속 전극

Claims (4)

1. 하부기판(유리기판) 상에 순차적으로 형성된 게이트 전극 및 절연층과; 상기 절연층 상부에 형성되고, 일부 영역에 탄소 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극과; 상기 캐소드 전극과 동일 평면상에 형성되고, 상기 탄소 나노 튜브에서 방출된 전자를 집속시키는 집속 전극을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 집속 전극에 인가되는 전계의 극성은 상기 캐소드 전극에 인가되는 전계의 극성과 동일한 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 상기 캐소드 전극과 이격되어 형성된 집속 전극 쪽으로 치우쳐 형성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브와 집속 전극은 상기 캐소드 전극을 중심으로 좌우 대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.