KR20060000316A - 미세 홀이 형성된 전극을 구비하는 전자방출소자 및 이의제조방법 - Google Patents

미세 홀이 형성된 전극을 구비하는 전자방출소자 및 이의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세 홀 패턴이 형성된 전극을 구비하는 전자방출소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 기판, 기판 상에 소정 형상으로 형성되는 제1 전극, 제1 전극 상부에 형성되며 적어도 제1 전극의 일부를 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층, 비아홀을 통해서 노출되며 제1 전극에 접촉하는 면전자 방출부, 및 절연층 상부에 형성되며 면전자 방출부와 대향하는 영역에 미세 홀 패턴을 구비하는 제2 전극을 포함하는 전자방출소자를 제공한다.
전자방출소자, 캐소드전극, 면전자 방출부, 게이트전극, 그리드전극, Ag

Description

미세 홀이 형성된 전극을 구비하는 전자방출소자 및 이의 제조방법{ELECTRON EMISSION DEVICE HAVING FINE HOLE-FORMED ELECTRODE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 종래 기술에 의한 전자방출소자 일부의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 게이트전극을 구비하는 전자방출소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 그리드전극을 구비하는 전자방출소자의 단면도이다.
도 4a 내지 4g는 도 2의 게이트전극을 구비하는 전자방출소자를 형성하는 단계를 도시하는 공정 단면도 및 평면도이다.
본 발명은 전자방출소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전계차폐 구조를 갖는 미세 홀이 형성된 게이트전극 또는 그리드전극을 구비하는 전자방출소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전자방출소자(Electron Emission Device)는 전자원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자방출소자로는 FEA(Field Emitter Array)형, SCE(Surface Conduction Emitter)형, MIM(Metal-Insulator-Metal)형 및 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)형, BSE(Ballistic electron Surface Emitting)형 등이 알려져 있다.
FEA 형 전자방출소자는 일 함수(Work Function)가 낮거나 β Function이 높은 물질을 전자 방출원으로 사용하여 진공 중에서 전계차에 의하여 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 선단이 뾰족한 팁 구조물이나 탄소계 물질 또는 나노물질을 전자 방출원을 적용한 소자가 개발되고 있다.
SCE 형 전자방출소자는 기판 상에 서로 마주보며 배치된 2개의 전극 사이에 도전 박막을 제공하고 상기 도전 박막에 미세 균열을 제공함으로써 전자 방출부를 형성한 소자이다. 상기 소자는 전극에 전압을 인가하여 도전 박막 표면으로 전류를 흘려 상기 미세 갭인 전자 방출부로부터 전자가 방출되는 원리를 이용한다.
MIM 형과 MIS형 전자방출소자는 각각 금속-유전층-금속(MIM)과 금속-유전층-반도체(MIS) 구조로 이루어진 전자 방출부를 형성하고, 유전층을 사이에 두고 위치하는 두 금속 또는 금속과 반도체 사이에 전압을 인가할 때 높은 전자 전위를 갖는 금속 또는 반도체로부터 낮은 전자 전위를 갖는 금속쪽으로 전자가 이동 및 가속되면서 방출되는 원리를 이용한 소자이다.
BSE 형 전자방출소자는 반도체의 사이즈를 반도체 중의 전자의 평균자유행정 보다 작은 치수 영역까지 축소하면 전자가 산란하지 않고 주행하는 원리를 이용하 여 오믹 전극 상에 금속 또는 반도체로 이루어지는 전자공급층을 형성하고, 전자공급층위에 절연층과 금속박막을 형성하여 오믹전극과 금속박막에 전원을 인가하는 것에 의하여 전자가 방출되도록 한 소자이다.
이와 같은 전자방출소자들을 이용하면, 전자방출 표시장치, 각종 백라이트, 리소그라피용 전자빔 장치 등을 구현할 수 있다. 이 중에서 전자방출 표시장치는, 전자방출소자를 구비하여 전자를 방출하는 전자방출 영역과 방출된 전자를 형광층에 충돌시켜 발광시키기 위한 화상표현 영역을 구비하여 구성된다. 일반적으로, 전자방출 표시장치는 제1 기판 위에 다수개의 전자방출소자와 이들의 전자 방출을 제어하는 구동전극들을 구비하고, 제1 기판에서 방출된 전자들이 제2 기판에 형성된 형광층을 향해 효율적으로 가속될 수 있도록 형광층과 이에 접속된 전극을 구비하게 된다.
상술한 바와 같은 전자방출 표시장치는 전자가 방출되는 동안 애노드기판과 캐소드기판에 의해 한정되는 내부공간에 아크방전(arcing)이 발생할 수가 있다. 이러한 가능성은 애노드전극의 전압이 증가됨에 따라 높아지며 1kV 이상의 전압이 인가되면 아크방전의 발생이 보다 쉽게 유도되며, 종래의 캐소드기판과 애노드기판이 스페이서에 의해서 결합되는 구조에서는, 고전압에서 안정적인 고휘도를 유지하기가 어렵다. 따라서, 고전압 인가에 따른 아크방전의 발생을 방지할 수 있는 구조를 갖는 그리드전극을 구비하는 전자방출 표시장치가 제안되었다.
상술한 바와 같은 그리드전극을 적용한 전자방출 장치의 일예가 한국 공개 특허공보 제2001-0081496호에 개시되어 있으며, 이하에서는 종래 기술에 의한 전자 방출 표시장치를 설명한다.
도 1은 종래 기술에 의한 그리드전극을 구비하는 전자방출 표시장치를 개략적으로 도시하는 단면구조도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 전자방출 표시장치에 있어서, 제1 기판(11)과 제2 기판(21)을 구비하며, 이 기판 사이에 스페이서(34)를 배치하여 일정한 간격을 유지하는 구조를 가진다. 제2 기판(21) 상에는 스트라이프 상의 캐소드전극(22), 절연층(24), 캐소드전극(22)과 교차하는 방향의 스트라이프상의 게이트전극(26)이 순차적으로 적층되어 있으며, 캐소드전극(22) 상에는 전자 방출부인 마이크로팁(23)이 형성되어 있다. 제2 기판(21)과 대향하는 제1 기판(11) 상에는 캐소드전극(22)과 교차하는 방향의 스트라이프상으로 애노드전극(12)이 형성되며, 애노드전극(12) 상에는 형광층(14)이 형성되어 있다. 게이트전극(26)과 애노드전극(12) 사이에는 마이크로팁(23)으로부터 방출되는 전자를 제어하는 그리드전극(36)이 형성되어 있다.
이에 따라, 도시된 바와 같은 구성에서, 고전압을 인가하더라도 게이트전극(26)에 걸리는 전기장이 작아져 아크가 비교적 잘 방지되며 애노드 전압 일부가 캐소드전극(22)에 인가되는 현상을 방지한다.
하지만, 상술한 바와 같은 구성을 이루는 전자방출 표시장치에서는, 그리드전극을 통해서 전자의 집속과 전계의 차폐를 이루지만, 이를 더 단순하며 효율적인 구조로 개선할 수 있는 여지가 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전계차폐 및 전자집속을 이룰 수 있는 전극을 구비하는 전자방출소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명은 기판, 기판 상에 소정 형상으로 형성되는 제1 전극, 제1 전극 상부에 형성되며 적어도 제1 전극의 일부를 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층, 비아홀을 통해서 노출되며 제1 전극에 접촉하는 면전자 방출부, 및 절연층 상부에 형성되며 면전자 방출부와 대향하는 영역에 미세 홀 패턴을 구비하는 제2 전극을 포함하는 전자방출소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판, 기판 상에 소정 형성으로 형성되는 제1 전극, 제1 전극 상부에 형성되며 적어도 제1 전극의 일부를 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층, 절연층 상부에 형성되는 제2 전극, 비아홀을 통해서 노출되며 제1 전극에 접촉하는 면전자 방출부, 및 제2 전극 상부에 형성되며 면전자 방출부와 대향하는 영역에 미세 홀을 구비하는 제3 전극을 포함하는 전자방출소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 기판 상부에 제1 전극을 형성하는 단계, 제1 전극 상부에 제1 전극을 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층을 형성하는 단계, 비아홀을 통해서 노출되며 제1 전극과 접촉하는 면전자 방출부를 형성하는 단계, 면전자 방출부 상부에 중간막을 형성하는 단계, 절연층 및 중간막 상부에 제2 전극을 형성하는 단계, 제2 전극을 식각하여 상기 비아홀에 대응하는 영역에 미세 홀을 형성하는 단계, 및 중간막을 소성하여 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 미세 홀이 형성된 제2 전극을 구비하는 전자방출소자의 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 제2 전극은 Ag 로 이루어진다.
중간막은 SOG(Spin On Glass)등의 실리카계 재료, 아크릴 에멀젼(acryl emulsion), 또는 래커(lacquer)액 등으로 이루어져 대략 400 내지 450 ℃ 온도의 소성공정 중 분해되어 제거되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 의한 미세홀 패턴이 형성된 전극을 구비하는 전자방출소자 및 이의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 게이트전극을 구비하는 전자방출소자의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자방출소자는 기판(121), 기판(121) 상에 소정 형상으로 형성되는 제1 전극(122), 제1 전극(122) 상부에 형성되며 적어도 제1 전극(122)의 일부를 노출시키는 비아홀(124a)을 구비하는 절연층(124), 비아홀(124a)을 통해서 노출되며 제1 전극(122)에 접촉하는 면전자 방출 부(123), 및 절연층(124) 상부에 형성되며 면전자 방출부(123)와 대향하는 영역에 미세 홀 패턴(126a)을 구비하는 제2 전극(126)을 포함하는 전자방출소자(100)를 제공한다.
보다 상세히 전자방출소자(100)에 대해서 설명하면, 기판(121)의 내측에는 소정의 패턴, 가령 스트라이프 상의 캐소드전극(122)을 형성하고, 그 위에 절연층(124)을 형성한 다음, 그 위에 캐소드전극(122)과 교차하는 방향의 스트라이프상으로 게이트전극(126)이 형성되어 있다. 캐소드전극(122) 상부의 절연층(124)에는 비아홀(124a)이 형성되고 이 홀(124a)에 의해 노출된 캐소드전극(122) 상에는 전자 방출을 위한 면전자 방출부(123)가 형성되어 있다. 게이트전극(126)에는 비아홀(124a)에 대응하는 미세 홀(126a)이 형성되어 있어 면전자 방출부(123)로부터 방출된 전자들이 애노드전극(미도시)쪽으로 집속될 수 있도록 하며, 홀(126a) 이외의 영역은 애노드전극에 인가되는 전압에 의해 형성되어 면전자 방출부(123)로 향하는 전계를 차폐한다. 또한, 미세 홀(126a) 패턴이 형성된 게이트전극(126)은 면전자 방출부(123)로부터 전자를 수직으로 인출하여 애노드기판(미도시)에 형성된 형광층(미도시)으로 가속시킨다.
한편, 스페이서(134)는 애노드기판과 캐소드기판(100) 사이에 고정되어 일정한 간격을 유지하도록 한다. 한편, 프릿(frit)(132)을 도포하고 소성처리함으로써, 애노드 기판과 캐소드 기판(100) 사이에 공간이 한정된다.
이와 같은 구조를 가지는 전자방출소자(100)에서 면전자 방출부(123)로부터 방출되어 애노드전극 쪽으로 진행하는 전자들이 형광층(미도시)에 충돌하여 소정의 화상을 구현하게 된다.
상술한 바와 같은 전자방출소자(100)에 인가 가능한 전압을 살펴보면, 일례로서, 게이트 전극(126)에는 대략 10 내지 120V 의 스캔 전압을 인가하고, 캐소드전극(122)에는 대략 -120 내지 -10V의 데이터 전압을 인가한다. 면전자 방출부(123)로부터 방출된 전자가 가속될 수 있도록 애노드전극에는 1 내지 수 kV의 전압을 인가한다. 여기서, 게이트 전극(126)과 캐소드전극(122)에 각각 데이터 전압과 스캔 전압이 바뀌어 인가될 수 있는 여지가 있음은 당연하다.
기판(121)은 특별히 한정되지 않은 다양한 종류가 가능하며, 예를 들어 유리 또는 Na의 불순물이 감소된 유리의 재질로 구성될 수 있으며, 상부에 SiO2의 절연층을 형성한 실리콘 기판, 세라믹 기판 등을 이용될 수 있다.
전자방출부(123)는 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주재질로 하는 선단이 뽀족한 팁 구조물이나, 그라파이트(Graphite), 흑연, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본 또는 이들의 조합 의 탄소계 물질, 나노튜브(Nano Tube) 또는 나노 와이어(Nano Wire) 등의 나노 사이즈 물질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 탄소 나노튜브를 이용할 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 면전자 방출부(123)에 대응하는 게이트전극(126)에 미세 홀(126a) 패턴을 형성함으로써, 전자 방출부(123)로부터의 전자 인출, 애노드전극으로부터의 전계 차폐, 및 형광층으로의 전자 집속을 동시에 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 그리드전극을 구비하는 전자방출소자의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자방출소자(100)는 기판(121), 기판(121) 상에 소정 형성으로 형성되는 제1 전극(122), 제1 전극(122) 상부에 형성되며 적어도 제1 전극(122)의 일부를 노출시키는 비아홀(124a)을 구비하는 절연층(124), 절연층(124) 상부에 형성되는 제2 전극(126), 비아홀(124a)을 통해서 노출되며 제1 전극(122)에 접촉하는 면전자 방출부(123), 및 제2 전극(126) 상부에 형성되며 면전자 방출부(123)와 대향하는 영역에 미세 홀(128a)을 구비하는 제3 전극(128)을 포함하는 전자방출소자(100)를 제공한다.
제3 전극인 그리드전극(128)을 제외한 전자방출소자(100)에 대한 상세한 설명은 제1 실시예에 의한 상술한 설명과 동일하므로, 이하 생략하며 미세홀 패턴(128a)이 형성된 그리드전극(128)을 중심으로 설명한다.
절연층(127) 상부에 형성된 그리드전극(128)에는 비아홀(124a)에 대향하는 영역에 미세 홀(128a)이 형성되어 있어, 면전자 방출부(123)로부터 방출된 전자들이 애노드전극(미도시)쪽으로 집속될 수 있도록 하며, 미세 홀(128a) 이외의 영역은 애노드전극에 인가되는 전압에 의해 형성되어 면전자 방출부(123)로 향하는 전계를 차폐한다. 또한, 미세 홀(128a) 패턴이 형성된 그리드전극(128)은 면전자 방출부(123)로부터 전자를 수직으로 인출하여 애노드기판에 형성된 형광층(미도시)으로 가속시킨다.
도 4a 내지 4g는 도 2의 미세홀 패턴이 형성된 게이트전극을 구비하는 전자방출소자를 형성하는 단계를 도시하는 공정 단면도 및 평면도이다. 여기서, 제1 실시예에 의한 전자방출소자의 제조방법을 중심으로 설명하나, 제2 실시예에 의한 전자방출소자의 제조방법에도 본 발명의 기술적 사상이 동일하게 적용된다.
도 4a 내지 4g를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 게이트전극을 구비하는 전자방출소자를 형성하는 방법은 기판 상부에 제1 전극을 형성하는 단계, 제1 전극 상부에 제1 전극을 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층을 형성하는 단계, 비아홀을 통해서 노출되며 제1 전극과 접촉하는 면전자 방출부를 형성하는 단계, 면전자 방출부 상부에 중간막을 형성하는 단계, 절연층 및 중간막 상부에 제2 전극을 형성하는 단계, 제2 전극을 식각하여 상기 비아홀에 대응하는 영역에 미세 홀을 형성하는 단계, 및 중간막을 소성하여 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 미세 홀이 형성된 제2 전극을 구비하는 전자방출소자의 제조방법을 제공한다.
보다 상세히 설명하면, 캐소드전극(122) 상부에 형성된 절연층(124)에 비아홀(Via-hole)(124a)을 형성한다(도 2a). 비아홀(124a)에 탄소나노튜브를 소성하고 액티베이션하여 면전자 방출부(123)를 형성한다(도 2b). 면전자 방출부(123)가 형성된 비아홀(124a)에 중간막(125)을 채운다(도 2c). 절연층(124) 및 중간막(125)이 채워진 비아홀(124a) 상부의 전면에 금속, 예컨대, 본 실시예에서는 Ag를 스퍼터 등의 박막 장비를 이용하여 금속층(126)을 형성한다(도 2d). 금속층(126) 상부에 미세 홀(127a)이 패터닝된 포토레지스트층(127)을 형성한다(도 2e). 홀(127a)이 패 터닝된 포토레지스트층(127)을 마스크로 하여 금속층(126)을 식각하여 마스크의 홀 패턴(127a)을 따라 금속층(126)에 홀(126a)을 형성한다(도 2f). 이후, 비아홀(124a)에 채워진 중간막(125)을 대략 400 내지 450 ℃의 온도에서 소성함으로써, 중간막(125)을 이루는 물질을 분해하여 제거한다. 이로써, 면전자 방출부(123)가 형성된 비아홀(124a)에 대응하는 상부에 미세 홀 패턴(126a)이 형성된 금속층, 즉, 게이트전극(126)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 미세 홀(126a)이 형성된 게이트전극(126)에서 홀(126a)이외의 영역은 애노드전극(미도시)에 인가되는 전압에 의해 형성되어 면전자 방출부(123)로 향하는 전계를 차폐하게 된다. 또한, 게이트전극(126)에 형성된 홀(126a)은 면전자 방출부(123)로부터 방출되는 전자를, 추가적인 그리드전극 없이, 제어하여 집속한다. 즉, 게이트전극(126)은 전자를 인출하기 위한 인출 전극 뿐만 아니라 전계 차폐 및 집속 전극 역할을 한다.
여기서, 중간막(125)은 입자가 치밀한 유기절연막으로서, SOG(Spin On Glass)등의 실리카계 재료, 아크릴 에멀젼(acryl emulsion), 또는 래커(lacquer)액으로 이루어져 중간막(125) 소성 공정중 분해되어 제거되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서, 게이트전극(126)을 이루는 금속은 Ag 로 이루어지며, 게이트전극(126)에 형성되는 홀(125a)의 위치와 수는 전자 인출, 전계 차폐 및 집속 효율을 최적화할 수 있도록 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전자방출소자는, 특히, 캐소드기판 상부 에 캐소드전극, 절연층, 게이트전극이 형성된 구조를 갖는 것으로 예시되어 있으나, 면전자 방출부로부터 전자를 방출하여 애노드기판의 형광층에 충돌할 수 있는 구조를 가지면 특별히 한정되지 않고 다양한 종류를 가지는 전자방출소자에 적용가능할 수 있음은 당연하다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 전자방출소자는, 면전자 방출부로부터의 전자 인출, 애노드전극으로부터의 전계 차폐, 및 형광층으로의 전자 집속을 동시에 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 소정 형상으로 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상부에 형성되며 적어도 상기 제1 전극의 일부를 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층;
    상기 비아홀을 통해서 노출되며 상기 제1 전극에 접촉하는 면전자 방출부; 및
    상기 절연층 상부에 형성되며 상기 면전자 방출부와 대향하는 영역에 미세 홀 패턴을 구비하는 제2 전극을 포함하는 전자방출소자.
  2. 기판;
    상기 기판 상에 소정 형성으로 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상부에 형성되며 적어도 상기 제1 전극의 일부를 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층;
    상기 절연층 상부에 형성되는 제2 전극;
    상기 비아홀을 통해서 노출되며 상기 제1 전극에 접촉하는 면전자 방출부; 및
    상기 제2 전극 상부에 형성되며 상기 면전자 방출부와 대향하는 영역에 미세 홀을 구비하는 제3 전극을 포함하는 전자방출소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 Ag 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  4. 기판 상부에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상부에 상기 제1 전극을 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층을 형성하는 단계;
    상기 비아홀을 통해서 노출되며 상기 제1 전극과 접촉하는 면전자 방출부를 형성하는 단계;
    상기 면전자 방출부 상부에 중간막을 형성하는 단계;
    상기 절연층 및 중간막 상부에 제2 전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 전극을 식각하여 상기 비아홀에 대응하는 영역에 미세 홀을 형성하는 단계; 및
    상기 중간막을 소성하여 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 미세 홀이 형성된 제2 전극을 구비하는 전자방출소자의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 Ag 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 홀이 형성된 제2 전극을 구비하는 전자방출소자의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 중간막은 SOG(Spin On Glass)등의 실리카계 재료, 아크릴 에멀젼(acryl emulsion), 또는 래커(lacquer)액으로 이루어져 대략 400 내지 450 ℃ 온도의 소성공정 중 분해되어 제거되는 것을 특징으로 하는 미세 홀이 형성된 전극을 구비하는 전자방출소자의 제조방법.
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