KR20050075809A - 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법에 관한 것으로, 특히 이상발광을 방지하기 위해 이차전자 방출계수가 1에 근접하며 적절한 비저항의 전자 전도특성을 가지는 크롬옥사이드를 이용하여 스페이서를 제조하도록 한 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법에 관한 것이다. 종래 전계방출 소자용 스페이서는 에미터로부터 방출되는 전자와 충돌하거나 전극과 접합되는 부분에서 전자를 방출하여 +로 대전되기 쉽고, 이는 전자빔을 왜곡시켜 색순도 및 휘도를 낮추는 문제점이 있으며, 이를 방지하기 위해 구조를 변경하는 경우 공정이 복잡해지고 비용이 상승하는 문제점이 있었다. 또한, 대전되는 +전하를 외부로 이동시키기 위해 절연 특성을 만족하면서 약한 도전 특성을 가지는 소재를 개발하여야 한다. 그러나 이러한 전도성 만으로는 전자방출량이 많아지거나 장시간 구동시 문제점이 발생하게 된다. 상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 환원분위기 소결을 통해 크롬옥사이드 스페이서를 제조함으로써, 대전이 어렵고 전도성을 통한 대전 전하의 외부 이동이 가능하며 이차전자의 방출이 1에 가까우며 물리적 강도가 높은 스페이서를 복잡하고 비용이 많이 발생하는 후공정 없이도 대량 생산할 수 있도록하여 특성 및 비용을 모두 만족시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

전계방출 소자용 스페이서 제조 방법{SPACER MANUFACTURING METHOD FOR FIELD EMISSION DEVICE}

본 발명은 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법에 관한 것으로, 특히 이상발광을 방지하기 위해 이차전자 방출계수가 1에 근접하며 적절한 비저항의 전자 전도특성을 가지는 크롬옥사이드를 이용하여 스페이서를 제조하도록 한 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법에 관한 것이다.

정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고 있으며, 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 전계방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.

상기 전계방출소자는 현재 개발 혹은 양산중인 평판 디스플레이들(LCD와 PDP, VFD등)의 단점을 모두 극복한 차세대 정보 통신용 평판 디스플레이로 주목을 받고 있다. 전계방출소자 디스플레이는 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.

전계방출소자는 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.

도 1은 종래의 팁(Tip)형 에미터를 구비하는 전계방출소자의 기본구조를 나타낸 단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 전계방출소자는 기판(20) 상에 형성된 캐소드 전극(22)과, 캐소드 전극(22) 위에 팁 형태로 형성된 에미터(24)와, 에미터(24)를 사이에 두고 캐소드 전극(22) 상에 순차적으로 적층된 절연체(26) 및 게이트 전극(28)과, 스페이서(Spacer)(30)를 사이에 두고 기판(20)에 대향되게 배치된 상부 기판(32)과, 상부 기판(32) 상에 형성된 애노드 전극(34)과, 애노드 전극(34) 및 상부기판(32) 상에 도포된 형광체(36) 및 블랙 매트릭스(38)로 이루어진다.

상기 도시된 3전극 구조의 전계방출소자에서 가시광이 발생되는 과정을 살펴보면, 먼저 캐소드 전극(22)과 게이트 전극(28)에 인가된 전압에 의해 캐소드 전극(22)과 게이트 전극(28) 사이에 고전계가 형성된다. 이러한 고전계에 의해 에미터(24)는 진공 중으로 전자들을 방출시키고, 상기 방출된 전자들은 캐소드 전극(22)과 애노드 전극(34) 간에 인가되는 전압에 의해 가속되어 상부 기판(32) 상에 형성된 형광체(36)에 충돌한다. 이 때 형광체(36)가 여기되어 가시광을 방출함으로써 전계방출소자의 화상이 구현된다. 화소단위를 이루는 각각의 화소셀(44)은 상판(42)에 형성된 블랙 매트릭스(38)에 의해 서로 구분되며, 각각의 화소셀(44)마다 서로 다른 형광체, 즉 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 형광체가 각각 도포되어 이들 각 형광체(36)로부터 발생한 가시광들의 혼합에 의해 화면의 색상을 구현하게 된다.

전계방출소자에서 상기 에미터(24)를 통해 방출되는 전자의 집속은 전계방출소자의 화상 품질을 좌우하는 중요한 요소 중의 하나로서, 에미터(24)에서 방출되는 전자는 정확하게 그에 대응하는 형광체(36)에 도달해야만 한다. 만일 전계 왜곡등에 의해 방출되는 전자가 인접하는 형광체(36)를 발광시키게 되면 색순도가 낮아지며 해당 형광체의 휘도 역시 감소하여 표시 품질에 막대한 영향을 주게 된다.

따라서, 이상적으로는 에미터(24)로부터 방출되는 전자빔이 캐소드 전극(22) 면에 수직하게 이동하여 대응하는 형광체(36) 만을 여기시켜야 한다. 근본적으로 전자 빔은 등 전위 면에 수직하게 이동하는 힘을 받게 되므로 평행하게 마주보고 있는 하판과 상판 사이에 전압이 인가되면 상기 두 판과 평행인 등전위면이 형성되고, 전자빔은 상기 언급한 바와 같이 캐소드 전극(22)이 형성된 하판과 수직하게 이동해야 하지만, 실제 전계 방출소자에서는 이러한 전자빔의 이동을 방해하여 빔의 왜곡을 발생시키는 요소들이 존재하게 된다.

도 2는 이러한 전자빔의 왜곡에 가장 심각한 영향을 주는 스페이서에 의한 전자빔의 왜곡을 보이는 개념도이다. 도시한 바와 같이, 하판의 캐소드 전극(50)과 상판의 애노드 전극(70)을 지지하는 스페이서(60)는 기본적으로 절연체로 구성되어야 하는데, 절연체는 이차 전자 방출 계수가 1이상이므로 인접한 에미터(55)로부터 방출되는 전자가 충돌(A)하는 경우 2차 전자가 스페이서(60)로부터 방출되어 스페이서(60) 자체는 +로 대전되게 된다. 이러한 스페이서(60)의 + 대전은 스페이서(60) 주변의 전계를 왜곡하며, 그로인해 전자빔의 왜곡이 발생하게 된다.

보다 정확하게, 상기 스페이서(60)는 도시된 바와 같이 에미터(55)로부터 방출되어 충돌하는 부분(A)의 전자 방출과 스페이서 전극(65)이 형성된 삼중점(B)에서의 전자 방출에 의해 +로 대전되게 되는 것이다.

이러한 스페이서(60)의 대전을 방지하기 위하여, 도시된 바와 같이 스페이서에 스페이서 전극(65)을 형성하여 스페이서(60)에 대전된 전자를 외부로 이동시켜 전계 왜곡을 방지할 수 있는 구조들이 사용되고 있는데, 이러한 경우 절연 특성을 가지는 스페이서 재료를 30~200㎛ 두께로 형성한 후 그 상하면에 전극으로 사용될 도전성 물질을 제조해야 하며, 만일 이러한 전극이 스페이서의 측면 부분에까지 형성되면 전계 불균일을 발생시키므로 공정이 정밀해야 하므로 공정이 어렵다.

또한, 약한 전도성을 가지는 재료(비저항 10⁶~10¹²Ω㎝)를 이용하여 스페이스를 형성하여, 스페이서에 대전되는 +전하를 외부로 이동시키고자 하는 경우 해당하는 특성을 가지는 재료를 이용하여 높은 물리적인 강도를 가지는 스페이서를 제조하기 어렵다.

그 외에, 스페이서(60)의 옆면에 이차전자 방출계수가 낮은 물질을 증착하는 방법, 스페이서(60) 옆면에 전도성 박막을 증착하는 방법, 스페이서(60) 옆면에 금속의 전극띠를 형성하는 방법, 스페이서(60) 자체에 소정의 전도성을 부여하는 방법등이 제안되었다. 하지만, 이러한 방법들은 후 공정 처리를 통해 실시되는 것으로 제조 단가가 상승하고, 공정이 어려워진다.

상기한 바와같은 종래 전계방출 소자용 스페이서는 에미터로부터 방출되는 전자와 충돌하거나 전극과 접합되는 부분에서 전자를 방출하여 +로 대전되기 쉽고, 이는 전자빔을 왜곡시켜 색순도 및 휘도를 낮추는 문제점이 있으며, 이를 방지하기 위해 구조를 변경하는 경우 공정이 복잡해지고 비용이 상승하는 문제점이 있었다. 또한, 대전되는 +전하를 외부로 이동시키기 위해 절연 특성을 만족하면서 약한 도전 특성을 가지는 소재를 이용하여야 한다. 그러나 비저항의 조절을 통해서 전자방출량이 증가하거나 장시간 구동시 문제가 발생하게 된다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 스페이서가 전기적으로 대전되는 것을 방지하기 위해 이차전자 방출계수가 1에 근접하고, 대전된 전자를 외부로 이동시키기에 적절한 비저항을 갖는 크롬옥사이드를 소정의 공정 조건을 이용하여 치밀한 소결체로 제조하도록 함으로써 특성 및 물리적 강도를 높이도록 한 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이차방출계수가 1에 근접하고 절연특성을 유지할 수 있는 비저항을 가지면서 대전된 전자를 외부로 이동시킬 수 있는 크롬옥사이드(Cr₂O₃) 재료를 준비하는 단계와; 상기 크롬옥사이드 재료를 치밀한 소결체로 제조 및 적절 비저항 부여를 위한 환원분위기에서 소결하여 스페이서 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 크롬옥사이드 재료를 소결하여 소결체를 제조하는 단계는 소결 공정중 산소와의 결합을 방지하기 위해 10^-2~10^-15 torr 진공도에서 소결을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 크롬옥사이드 재료를 소결하여 소결체를 제조하는 단계는 소결 공정중 고온에서 산소와 상기 재료가 반응하는 것을 방지하기 위해 환원 능력이 우수한 H₂ ,N₂, NH₃ 등의 분위기에서 소결을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 크롬옥사이드 재료를 소결하여 소결체를 제조하는 단계는 소결 공정중 고온에서 산소와 상기 재료가 반응하는 것을 방지하기 위해 크롬옥사이드 분말에 흑연(Graphite)이나 Mo를 포함하는 환원성이 강한 첨가제를 혼합하여 소결을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 환원성이 강한 첨가제의 첨가량은 0.01~20wt% 인 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같은 본 발명을 일 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 스페이서 구성을 위한 재료로서 스페이서의 대전이 어려운 재료를 이용하면서 해당 재료를 치밀한 소결체로 형성하여 전기적인 특성을 향상시키고 구조적인 강도를 높일 수 있도록 하고자 한다.

즉, 본 발명에서 사용할 수 있는 재료는 에미터로부터 방출되는 전자빔이 충돌하는 경우에도 스페이서가 대전되지 않도록 이차전자 방출계수가 1에 가까워야 한다. 그리고, 기본적인 특성인 절연성을 유지해야 함은 물론이고 약간의 전도성을 가져 대전된 +전하를 외부로 이동시킬 수 있어야 한다. 따라서, 비저항이 10⁶~10¹²Ω㎝ 영역이 되도록 소결체를 제조할 수 있어야 한다.

상기 언급한 조건에 적합한 재료로 크롬옥사이드(Cr₂O₃)가 있는데, 이는 이차전자 방출계수가 1에 근접하여 전자가 1개 입사시 1개의 이차전자를 방출함으로써 크롬옥사이드 자체는 항상 중성의 전기적 특성을 유지한다. 비록 전압에 따라 너무 높은 입사 에너지를 가지는 전자나 너무 낮은 에너지를 가지는 전자가 충돌하는 경우 +혹은 -로 대전이 가능하기는 하지만, 전계방출소자의 구동을 위한 환경에서 스페이서로 입사되는 전자의 에너지는 이론적으로 대부분 크롬옥사이드의 이차전자 방출계수가 1인 부근의 에너지값을 가진다.

만일 오랜시간동안 약간씩의 대전이 누적되는 경우가 발생할 수 있으므로 이렇게 축적된 전하들을 외부로 이동시킬 수 있는 전도성을 가지는 것이 바람직한데, 상기 크롬옥사이드로 제조되는 스페이서는 비저항이 10⁶~10¹²Ω㎝ 영역이 되도록 형성할 수 있어 절연성을 유지하면서도 전기 전도성을 가질 수 있다.

이러한 크롬옥사이를 이용하여 스페이서를 형성하는데 가장 큰 문제점은 일반적인 소결공정을 통해서 치밀한 소결체의 제조가 어렵다는데 있다. 즉, 소결을 위한 고온공정에서는 공기중의 산소와 상기 크롬옥사이드가 결합하여 다산소크롬산화물(CrO₅, CrO₆ 등)이 생성되며, 이는 휘발성을 가지므로 소결 공정중 휘발하여 균일하고 강도가 높은 스페이서를 제조할 수 없게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상기 크롬옥사이드가 공기중의 산소와 결합하여 다산소크롬산화물을 형성하지 못하도록 공정조건을 조절하여 치밀한 소결체를 제조하도록 한다.

다산소크롬산화물은 700℃이상에서 산소분압이 10^-8torr 이상이 존재하는 경우 발생하기때문에 이러한 분위기를 억제하면서 산소가 크롬옥사이드와 결합하는 것을 방지할 수 있는 분위기나 진공도, 혹은 첨가물을 소결 공정에 적용하도록 한다.

도 3은 본 발명 일실시예에 적용될 수 있는 소결공정의 조건들을 나타낸 것으로 도시된 조건들 중 적어도 하나가 적용되는 경우 치밀한 크롬옥사이드 소결체를 제조할 수 있게 된다.

먼저, 상기 크롬옥사이드 재료를 소결하여 소결체를 제조하는 한 방법으로, 진공도를 다산소크롬산화물이 생성되지 않는 범위로 유지하도록 할 수 있는데, 이를 위해서 소결시 사용하는 진공도가 10^-7~10^-15 torr범위가 되도록 한다. 상기 범위 내에서는 비록 고온이라도 다산소크롬산화물의 생성을 억제할 수 있다.

그 다음, 다른 방법으로, 환원 능력이 우수한 가스(예를 들어, H₂)를 제공하면서 소결을 진행하여 고온에서 크롬옥사이드가 산소가 반응하는 것을 방지하는 방법이 있다. 예를 들어, H₂ 가스를 제공하면 크롬옥사이드 소결체 자체의 산소와 반응하거나 소결을 위한 반응로 내부에 존재하는 산소와 반응하여 H₂O를 형성하므로 다산소크롬옥사이드의 생성을 억제할 수 있다.

또다른 방법으로, 흑연(Graphite)이나 Mo등과 같이 환원성이 강한 첨가제를 크롬옥사이드 분말에 혼합하여 소결을 실시하는 방법이 있다. 상기 환원성이 강한 첨가제의 환원성에 따라 첨가량이 결정되며 약 0.01~5wt% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다. 특히, 이 경우 대기압이나 10^-7torr 이하의 진공도에서도 치밀한 소결체 제조가 가능해지므로 양산성 및 공정 단가가 낮아지는 이점을 얻을 수 있다.

상기와 같은 환원소결 공정을 통해 크롬옥사이드의 치밀한 소결체 제조가 가능해지며, 환원소결을 통한 반응에 의해 크롬옥사이드의 비저항은 10⁶~10¹²Ω㎝ 범위에 속하게 된다. 따라서, 이차전자 방출 특성이나 비저항 특성이 스페이서에 적합하며, 물리적인 강도 역시 치밀한 소결체 제조에 의해 원하는 목표값을 달성할 수 있게 된다.

상술한 바와같이 본 발명 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법은 환원분위기 소결을 통해 크롬옥사이드 스페이서를 제조함으로써, 대전이 어렵고 전도성을 통한 대전 전하의 외부 이동이 가능하며 이차전자의 방출이 1에 가까우며 물리적 강도가 높은 스페이서를 복잡하고 비용이 많이 발생하는 후공정 없이도 대량 생산할 수 있도록하여 특성 및 비용을 모두 만족시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

도 1은 일반적인 팁형태의 에미터를 구비한 전계방출소자의 기본 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 종래 스페이서에 의한 전계 왜곡을 보이는 개념도.

도 3은 본 발명에 적용 가능한 공정 조건을 보인 공정표.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

50: 캐소드 전극 55: 에미터

60: 스페이서 65: 스페이서 전극

70: 애노드 전극 75: 형광체

Claims (5)

1. 이차방출계수가 1에 근접하고 절연특성을 유지할 수 있는 비저항을 가지면서 대전된 전자를 외부로 이동시킬 수 있는 크롬옥사이드(Cr₂O₃) 재료를 준비하는 단계와; 상기 크롬옥사이드 재료를 산화물을 생성되지 않도록 환원분위기에서 소결하여 스페이서 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 크롬옥사이드 재료를 소결하여 소결체를 제조하는 단계는 소결 공정중 산소와의 결합을 방지하기 위해 10^-2~10^-15 torr 진공도에서 소결을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 크롬옥사이드 재료를 소결하여 소결체를 제조하는 단계는 소결 공정중 고온에서 산소와 상기 재료가 반응하는 것을 방지하기 위해 환원 능력이 우수한 H₂ , N₂ , NH₃ 등 분위기에서 소결을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 크롬옥사이드 재료를 소결하여 소결체를 제조하는 단계는 소결 공정중 고온에서 산소와 상기 재료가 반응하는 것을 방지하기 위해 크롬옥사이드 분말에 흑연(Graphite)이나 Mo를 포함하는 환원성이 강한 첨가제를 혼합하여 소결을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 환원성이 강한 첨가제의 첨가량은 0.01~5wt% 인 것을 특징으로 하는 전계방출 소자용 스페이서 제조 방법.