KR20060012782A - 전계방출소자와, 이를 적용한 전계방출 표시소자 - Google Patents

전계방출소자와, 이를 적용한 전계방출 표시소자 Download PDF

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KR20060012782A
KR20060012782A KR1020040061422A KR20040061422A KR20060012782A KR 20060012782 A KR20060012782 A KR 20060012782A KR 1020040061422 A KR1020040061422 A KR 1020040061422A KR 20040061422 A KR20040061422 A KR 20040061422A KR 20060012782 A KR20060012782 A KR 20060012782A
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electrode
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Abstract

본 발명은 전계방출소자 및 전계방출 표시소자에 대하여 개시한다. 개시된 전계방출소자는, 기판 상에 형성된 제1 캐소드전극과, 상기 기판 상에서 상기 제1 캐소드전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 오목한 부분을 형성하는 절연층과, 상기 절연층 상에 형성된 제2 캐소드전극과, 상기 제1 캐소드전극 상에서 상기 절연층에 의해 노출된 부분에 형성된 전자방출원과, 상기 제2 캐소드전극 상에서 상기 오목한 부분에 연통된 캐버티가 형성된 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

전계방출소자와, 이를 적용한 전계방출 표시소자{Field emission device and display adopting the same}
도 1은 전계방출소자의 일반적인 구조의 개략 단면도이다.
도 2는 포커싱 게이트 전극을 구비한 전계방출 표시소자의 일반적인 구조의 개략 단면도이다.
도 3은 도 2의 전계방출소자로부터의 전자빔의 궤적을 시뮬레이션한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자의 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 FED 의 전자방출원으로부터의 전자빔의 궤적을 시뮬레이션한 결과이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출소자의 일부 단면도이다.
도 7은 도 6의 FED 의 전자방출원으로부터의 전자빔의 궤적을 시뮬레이션한 결과이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자방출 표시장치의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 9는 도 8의 전자방출 표시소자로부터 방출된 전자빔의 궤적을 시뮬레이션한 결과이다.
도 10 내지 도 23은 본 발명의 전계방출소자의 제조방법을 단계별로 보여주는 단면도들이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110,210,410: 유리기판 111,211,311,411: 제1 캐소드전극
112,212,312,412: 절연층 120,220,320,420: 캐소드전극
122,222,322,422: 비정질 실리콘층 130,230,330,430: 게이트 전극
130a,230a,330a,430a: 게이트 홀 132,232,332,432: 게이트 절연막
140,240,340,440: 포커싱 게이트전극
140a,240a,340a,440a: 포커싱 게이트 홀
142,242,342,442: 포커싱 게이트 절연막
150,250,350,450: CNT 에미터 310: 배면기판
370: 배면기판 380: 애노드 전극
390: 형광층 392: 블랙 매트릭스
C: 캐버티 EP; 노출된 부분
W: 오목한 부분
본 발명은 전계방출소자와, 이를 적용한 전계방출 표시소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자빔의 집속 효과를 증가시키는 전계방출소자와, 이를 적용한 전계방출 표시소자에 관한 것이다.
종래의 정보전달매체의 중요 부분인 표시장치의 대표적인 활용 분야로는 개인용 컴퓨터의 모니터와 텔레비젼 수상기 등을 들 수 있다. 이러한 표시장치는 고속 열전자 방출을 이용하는 음극선관(CRT; Cathode Ray Tube)과, 최근에 급속도로 발전하고 있는 평판 표시장치(Flat Panel Display)로 크게 분류될 수 있다. 상기 평판 표시장치로는 액정 디스플레이(LCD; Liquid Crystal Display), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP; Plasma Display Panel), 전계방출 표시소자(FED; Field Emission Display) 등이 있다.
전계방출 표시소자는, 캐소드전극 위에 일정한 간격으로 배열된 전계방출원(field emitter)과 게이트 전극 사이에 강한 전기장을 형성함으로써 상기 전계방출원으로부터 전자를 방출시키고, 이 전자를 애노드 전극 상의 형광물질에 충돌시켜 발광되도록 하는 표시장치이다. 이러한 전계방출 표시소자는 박형의 표시소자로서 전체 두께가 수 ㎝에 불과하며, 넓은 시야각, 낮은 소비전력, 낮은 제조비용 등의 장점을 갖기 때문에 액정 디스플레이, 플라즈마 디스플레이 패널과 함께 차세대 표시소자로 주목받고 있다.
전계방출 표시소자는 음극선관과 유사한 물리적 원리를 이용하고 있다. 즉, 캐소드전극으로부터 방출된 전자가 가속되어 애노드 전극(anode)에 충돌하게 되면, 애노드 전극 상에 코팅된 형광체가 여기됨으로써 특정 색상의 빛이 발광하게 된다. 하지만, 전계방출 표시소자는 음극선관의 경우와는 달리 전자방출원이 냉음극(cold cathode) 물질로 이루어져 있다는 차이가 있다.
도 1 및 도 2에는 전계방출소자의 일반적인 구조가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전계방출 표시소자는 하부에는 기판(10) 상에 형성되는 캐소드전극(12)이 존재하고, 상부에는 전자 추출을 위한 전극으로서 절연층(14) 위에 형성되는 게이트 전극(16)이 존재하는 구조를 가진다. 그리고, 상기 캐소드전극(12)의 일부를 노출시키는 홀 내부에는 전자방출원(19)이 존재한다.
그러나, 상기와 같은 구조의 전계방출 표시소자에서, 전자빔의 궤적이 제어되지 않으면 원하는 위치의 형광층을 여기시키지 못하여 원하는 색상을 정확하게 발현시킬 수 없게 된다. 따라서, 전자방출원(19)으로부터 방출된 전자가 형광체가 코팅된 애노드 전극 상의 원하는 위치에 정확하게 전달되도록 하는 전자빔 궤적 제어기술이 필요하게 된다.
도 2는 전자빔 궤적 제어를 위한 포커싱 게이트 전극을 구비하는 전자방출 에미터의 일예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 게이트 전극(26) 위에 제2 절연층(27)을 추가로 증착한 후, 그 위에 다시 전자빔 궤적 제어를 위한 포커싱 게이트 전극(focusing gate electrode, 28)을 형성한 구조이다. 도 2에서 참조부호 20,22,24,29는 각각 기판, 캐소드전극, 제1 절연층, 전자방출원을 나타낸다.
도 3은 포커싱 게이트를 구비하는 전계방출소자로부터의 전자빔의 궤적을 시뮬레이션한 결과이다.
도 3을 참조하면, 오버 포커스된 전자가 대상 형광층 영역으로부터 벗어나서 다른 영역의 형광층을 여기시키며, 이에 따라서 색의 순도가 나빠지는 결과가 초래 된다.
한편, 이러한 문제를 회피하기 위해, 미국특허 제5,920,151호에는 임베디드 포커싱 구조(imbeded focusing structure)를 갖는 FED를 개시하고 있으나, 포커싱 게이트 전극이 유기물인 폴리이미드(polyimide) 상에 형성되기 때문에, 상기 폴리이미드로부터 휘발되는 가스를 배출하기 위한 아웃개싱(outgassing) 공정이 필요하며, 대형 디스플레이이에는 적용하기 어려운 문제가 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 전자빔의 포커싱이 우수한 전계방출소자와, 이를 구비한 전계방출 표시소자를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자는:
기판;
상기 기판 상에 형성된 제1 캐소드전극;
상기 기판 상에서 상기 제1 캐소드전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 오목한 부분을 형성하는 절연층;
상기 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드전극;
상기 제1 캐소드전극 상에서 상기 절연층에 의해 노출된 부분에 형성된 전자 방출원;
상기 제2 캐소드전극 상에서 상기 오목한 부분에 연통된 캐버티가 형성된 게이트 절연막; 및
상기 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트 전극;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 오목한 부분은 반구 형상인 것이 바람직하다.
상기 제2 캐소드전극 및 상기 게이트절연막 사이에 상기 노출된 부분에 해당되는 홀이 형성된 비정질 실리콘막이 더 형성될 수 있다.
상기 전자방출원은 CNT 에미터인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 제1 캐소드전극은 상기 오목한 부분에 대응되는 투명전극 물질의 도트이다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 제1 캐소드전극은 다수의 상기 오목한 부분에 대응되게 형성된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출소자는:
기판;
상기 기판 상에 형성된 제1 캐소드전극;
상기 기판 상에서 상기 제1 캐소드전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 오목한 부분을 형성하는 절연층;
상기 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드전극;
상기 제1 캐소드전극 상에서 상기 절연층에 의해 노출된 부분에 형성된 전자방출원;
상기 제2 캐소드전극 상에서 상기 오목한 부분에 연통된 캐버티가 형성된 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트 전극;
상기 게이트 전극 상에서 상기 캐버티에 연통되는 포커싱 게이트 절연막; 및
상기 포커싱 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 포커싱 게이트 홀이 형성된 포커싱 게이트 전극;을 구비한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출 표시소자는:
배면기판;
상기 배면기판에 형성된 제1 캐소드전극;
상기 기판 상에서 상기 제1 캐소드전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 오목한 부분을 형성하는 절연층;
상기 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드전극;
상기 제1 캐소드전극 상에서 상기 절연층에 의해 노출된 부분에 형성된 전자방출원;
상기 제2 캐소드전극 상에서 상기 오목한 부분에 연통된 캐버티가 형성된 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트 전극;
상기 배면기판으로부터 소정 거리 이격되게 배치된 전면패널;
상기 전면패널 상에서 상기 전자방출원을 향하는 면에 형성된 애노드 전극;
상기 애노드 전극 상에서, 상기 전자방출원을 향하는 면에 도포된 형광층;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출소자는:
배면기판;
상기 배면기판에 형성된 제1 캐소드전극;
상기 기판 상에서 상기 제1 캐소드전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 오목한 부분을 형성하는 절연층;
상기 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드전극;
상기 제1 캐소드전극 상에서 상기 절연층에 의해 노출된 부분에 형성된 전자방출원;
상기 제2 캐소드전극 상에서 상기 오목한 부분에 연통된 캐버티가 형성된 게이트 절연막;
상기 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트 전극;
상기 게이트 전극 상에서 상기 캐버티에 연통되는 포커싱 게이트 절연막;
상기 포커싱 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 포커싱 게이트 홀이 형성된 포커싱 게이트 전극;
상기 배면기판으로부터 소정 거리 이격되게 배치된 전면패널;
상기 전면패널 상에서 상기 전자방출원을 향하는 면에 형성된 애노드 전극; 및
상기 애노드 전극 상에서, 상기 전자방출원을 향하는 면에 도포된 형광층;을 구비한다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 전계효과 방출소자, 이를 구비한 디스플레이 및 그 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자의 일부 단면도이다.
도 4를 참조하면, 유리기판(110) 상에 제1 캐소드전극(111)이 형성되어 있으며, 기판(110) 상에서 제1 캐소드전극(111)이 노출되게 제1 캐소드전극(111)을 덮는 절연층(112), 예컨대 실리콘 옥사이드층이 형성되어 있다. 이 절연층(112)에는 오목한 부분(W), 예컨대 반구형 형상이 형성되어 있으며, 오목한 부분(W)의 중앙부에서 제1 캐소드전극(111)이 노출된다. 절연층(112) 상에는 제2 캐소드전극(120)이 제1 캐소드전극(111)과 전기적으로 연결되게 형성되어 있다.
상기 절연층(112)은 상기 캐소드전극(120)에 오목한 부분(W)을 형성하기 위한 것이며, 2~10 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 캐소드전극(111) 및 제2 캐소드전극(120)은 투명전극, 예컨대 ITO(Indium Tin Oxide) 로 형성되는 것이 바람직하다. 제2 캐소드전극(120) 상에는 비정질 실리콘층(122)이 형성되어 있다. 비정질 실리콘층(122)은 제1 및 제2 캐소드전극(111, 120) 상의 전류의 흐름을 균일하게 한다. 또한, 일반 가시광선에 투명하나, 자외선에 불투명한 광학적 특성을 갖는 물질층으로 후술하는 자외선 백노광시 마스크 역할을 한다. 상기 노출된 제1 캐소드전극(111) 상에는 전자방출원인 CNT 에미터(150)가 형성되어 있다.
비정질 실리콘층(122) 상으로 게이트 절연막(132) 및 게이트 전극(130)이 순차적으로 적층되어 있다.
상기 게이트 절연막(132)에는 소정 직경을 가지는 캐버티(cavity, C)가 형성되어 있으며, 이 캐버티(C)에 대응하여 게이트 전극(130)에는 게이트 홀(130a)이 형성되어 있다.
상기 게이트 절연막(132)은 게이트 전극(130)과 캐소드전극(120) 사이의 전기적 절연을 유지하기 위한 층이다. 상기 게이트 절연막(132)은 실리콘 산화물(SiO2) 등과 같은 절연물질로 이루어지며, 보통 5 ~ 10㎛ 정도의 두께로 형성된다.
게이트 전극(130)은 0.25㎛ 정도 두께의 크롬으로 제조되는 것이 바람직하다. 게이트 전극(130)은 CNT 에미터(150)로부터 전자빔을 추출(extraction)하는데 사용된다. 이에 따라 게이트 전극(150)에 소정의 게이트 전압, 예를 들면 +80 V 의 게이트 전압이 인가될 수 있다.
상기 제1 캐소드전극(111)은 하나의 캐버티(C) 또는 오목한 부분(W)에 대응되게 하나의 도트(dot), 예컨대 ITO 도트 형상으로 형성될 수도 있으며, 또한, 다수의 캐버티(C)에 해당하는 영역, 예컨대 표시소자의 하나의 서브픽셀 영역에 대응하여 하나의 제1 캐소드전극(111)이 형성될 수도 있다.
한편, 도 4의 참조번호 E는 게이트 전극(130) 및 제2 캐소드전극(120)에 전압을 인가시 CNT 에미터(150)로부터 방출되는 전자빔을 가리킨다. 참조부호 F는 곡면 형상의 캐소드전극(120)에 의해서 형성되는 전자장(electric field)의 등전위를 나타낸다. CNT 에미터(150)로부터 방출된 전자들은 등전위의 전자장에서 수직으로 진행되며, 따라서 전자들이 집속된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 FED 의 전자방출원으로부터의 전자빔의 궤적을 시뮬레이션한 결과이다.
도 5를 참조하면, 전자빔이 게이트 전극을 벗어나기 이전에 집속되는 것을 볼 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출소자의 일부 단면도이다.
도 6을 참조하면, 유리기판(210) 상에는 제1 캐소드전극(211)이 형성되어 있으며, 기판(210) 상에서 제1 캐소드전극(211)이 노출되게 제1 캐소드전극(211)을 덮는 절연층(212), 예컨대 실리콘 옥사이드층이 형성되어 있다. 이 절연층(212)에는 오목한 부분(W), 예컨대 반구형 형상이 형성되어 있으며, 오목한 부분(W)의 중 앙부에서 제1 캐소드전극(211)이 노출된다. 절연층(212) 상에는 제2 캐소드전극(220)이 제1 캐소드전극(211)과 전기적으로 연결되게 형성되어 있다.
상기 절연층(212)은 상기 캐소드전극(220)에 오목한 구면을 형성하기 위한 것이며, 2~10 ㎛ 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1 캐소드전극(211) 및 제2 캐소드전극(220)은 ITO(Indium Tin Oxide) 투명전극인 것이 바람직하다. 제2 캐소드전극(220) 상에는 비정질 실리콘층(222)이 형성되어 있다. 비정질 실리콘층(222)은 제1 및 제2 캐소드전극(211, 220) 상의 전류의 흐름을 균일하게 한다. 또한, 일반 가시광선에 투명하나, 상기 자외선에 불투명한 광학적 특성을 갖는 물질층으로 후술하는 자외선 백노광시 마스크 역할을 한다. 상기 오목한 부분(W) 상에는 전자방출원인 CNT 에미터(250)가 형성되어 있다.
비정질 실리콘층(222) 상으로 게이트 절연막(232), 게이트 전극(230), 포커싱 게이트 절연막(242) 및 포커싱 게이트 전극(240)이 순차적으로 적층되어 있다.
게이트 절연막(232) 및 포커싱 게이트 절연막(242)에는 캐버티(cavity, C)가 형성되어 있으며, 이 캐버티(C)에 대응하여 게이트 전극(230) 및 포커싱 게이트 전극(240)에는 각각 게이트 홀(230a) 및 포커싱 게이트 홀(240a)이 형성되어 있다.
상기 게이트 절연막(232)은 게이트 전극(230)과 캐소드전극(220) 사이의 전기적 절연을 유지하기 위한 층이다. 상기 게이트 절연막(232)은 실리콘 산화물(SiO2) 등과 같은 절연물질로 이루어지며, 보통 5 ~ 10 ㎛ 정도의 두께로 형성된다.
게이트 전극(230)은 0.25 ㎛ 정도 두께의 크롬으로 제조되는 것이 바람직하 다. 게이트 전극(230)은 CNT 에미터(250)로부터 전자빔을 추출(extraction)하는데 사용된다. 이에 따라 게이트 전극(250)에 소정의 게이트 전압, 예를 들면 80 V 의 게이트 전압이 인가될 수 있다.
포커싱 게이트 절연막(242)은 게이트 전극(230)과 포커싱 게이트 전극(240)을 절연시킨다. 포커싱 게이트 전극(240)은 2 ~ 15 ㎛ 로 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다.
포커싱 게이트 전극(240)은 0.25 ㎛ 정도 두께의 크롬으로 형성되는 것이 바람직하다. 포커싱 게이트 전극(240)에는 게이트 전극(230) 보다 낮은 전압이 인가되며, CNT 에미터(250)로부터 방출되는 전자빔을 집속한다.
상기 제1 캐소드전극(211)은 하나의 캐버티(C) 또는 오목한 부분(W)에 대응되게 하나의 도트(dot), 예컨대 ITO 도트 형상으로 형성될 수도 있으며, 또한, 다수의 캐버티(C)에 해당하는 영역, 예컨대 표시소자의 하나의 서브픽셀 영역에 하나의 제1 캐소드전극(211)이 형성될 수도 있다.
도 7은 도 6의 FED 의 전자방출원으로부터의 전자빔의 궤적을 시뮬레이션한 결과이다.
도 7를 참조하면, 전자빔이 게이트 전극을 통과하기 이전에 집속이 되며, 포커싱 게이트 전극을 벗어나면서 다시 집속되는 것을 볼 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자방출 표시장치의 구조를 보여주는 단면도이며, 도 6과 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 명칭을 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 전계방출 표시소자는 소정 간격을 두고 서로 마주보도록 배치된 전면 기판(370) 및 배면 기판(310)을 구비한다. 배면 기판(310) 및 전면 기판(370)은 이들 사이에 설치된 미도시된 스페이서에 의해 간격이 유지된다. 이러한 배면 기판(310) 및 전면기판(370)으로는 유리 기판이 사용된다.
상기 배면 기판(310) 상에는 전계 방출부가 형성되며, 상기 전면 기판(370) 상에는 상기 전계 방출부로부터 방출된 전자들에 의해 소저의 광을 방출하는 발광부가 형성되어 있다.
구체적으로, 배면 기판(310) 상에는 제1 캐소드전극(311)이 형성되어 있으며, 기판(310) 상에서 제1 캐소드전극(311)이 노출되게 제1 캐소드전극(311)을 덮는 절연층(312), 예컨대 실리콘 옥사이드층이 형성되어 있다. 이 절연층(312)에는 오목한 부분(W), 예컨대 반구형 형상이 형성되어 있으며, 오목한 부분(W)의 중앙부에서 제1 캐소드전극(311)이 노출된다. 절연층(312) 상에는 제2 캐소드전극(320)이 제1 캐소드전극(311)과 전기적으로 연결되게 형성되어 있다. 제2 캐소드전극(320)은 소정의 패턴, 예컨대 스트라이프(stripe) 형태로 서로 소정 간격으로 평행하게 배열된다.
상기 절연층(312) 상에서 상기 제1 캐소드전극(311)의 노출된 부분을 제외한 영역 상에 비정질 실리콘층(322)이 형성되어 있다. 비정질 실리콘층(322) 상에는 소정의 캐버티(C)에 대응하여 게이트 절연막(332), 게이트 전극(320), 포커싱 게이트 절연막(342) 및 포커싱 게이트 전극(340)이 순차적으로 적층되어 있다. 상기 오목한 부분(W)에는 전자방출원, 예컨대 CNT 에미터(350)가 형성되어 있다.
상기 제1 캐소드전극(311)은 하나의 캐버티(C) 또는 오목한 부분(W)에 대응되게 하나의 도트(dot), 예컨대 ITO 도트 형상으로 형성될 수도 있으며, 또한, 다수의 캐버티(C)에 해당하는 영역, 예컨대 표시소자의 하나의 서브픽셀 영역 또는 하나의 스트라이프 상의 제2 캐소드전극(320)에 대응되게 제1 캐소드전극(311)이 형성될 수도 있다.
상기 전면 기판(370) 상에는 애노드 전극(380)이 형성되어 있으며, 상기 애노드 전극(380) 상에는 형광층(390)이 도포되어 있다. 형광층(390) 사이에는 색순도 향상을 위한 블랙 매트릭스(392)가 형성되어 있다.
상기 구조의 전자방출 표시소자의 작용을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 먼저, 애노드 전극(380)에 2.5 kV 펄스 전압의 애노드 전압(Va)을 인가하고, 게이트 전극(330) 및 포커싱 게이트 전극(340)에는 각각 80 V, 30 V 전압의 게이트 전압(Vg) 및 포커싱 게이트 전압(Vf)을 인가한다. 이때 게이트 전압(Vg)에 의해서 CNT 에미터(350)로부터 전자가 방출된다. 이 전자들은 캐소드전극(320)의 오목한 형상에 의해서 집속된 상태로 방출되며, 포커싱 게이트 전압(Vf)에 의해서 다시 집속된다. 이렇게 집속된 전자들은 대응되는 위치의 형광층(392)을 여기하며, 형광층(390)은 소정의 가시광선(394)을 방출한다.
도 9는 도 8의 전자방출 표시소자로부터 방출된 전자빔의 궤적을 시뮬레이션한 결과이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 전계방출소자로부터 방출된 전자빔이 해당되는 위치의 애노드 전극 상의 픽셀에 집중되어서 조사되는 것을 볼 수 있다. 따라 서, 본 발명에 따른 전계방출소자를 구비한 전계방출 표시소자에 적용하면, 색순도를 향상시킬 수 있다.
다음에는 본 발명에 따른 전계방출소자의 제조 방법에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 10을 참조하면, 유리기판(410) 상에 제1 캐소드전극(411), 예컨대 ITO 물질로 이루어진 도트(dot)를 형성한다.
도 11을 참조하면, 유리기판(410) 상에 플라즈마 기상 화학 증착방법(plazma enhanced chemical vapor deposition: PECVD) 방법으로 절연층(412)인 실리콘 산화물층을 6 ㎛ 두께로 형성한다. 이어서, 절연층(412) 상에 제1 감광막(P1)을 도포한다. 이어서, 제1 감광막(P1)에 자외선(UV)을 조사하는 노광을 실시한다. 노광은 별도의 마스크(미도시)를 사용하여 전면 노광 또는 백 노광을 할 수 있다. 자외선(UV)은 오목한 부분(도 6의 W)에 해당되는 부분의 제1 감광막(P1)에 입사된다. 따라서, 제1 감광막(P1) 중에서 오목한 부분(W) 상방에 위치한 영역(P1a)만 자외선(UV)에 노광된다. 노광된 영역(P1a)은 현상공정을 통해 제거된다. 이후 소정의 베이크 공정을 실시한다.
도 12는 상기 현상공정 및 베이크 공정을 순차적으로 거친 결과물을 보여준다. 노광된 영역(P1a)이 제거된 부분을 통해서 절연층(412)이 노출된다.
도 13을 참조하면, 절연층(412)의 일부를 노출시키는 제1 감광막(P1)을 식각 마스크로 사용하여 절연층(412)에 대해 소정의 에천트로 습식 식각을 실시한다. 소정 시간 식각을 계속하여 반구형 오목한 부분(W) 또는 우물을 형성한다. 이어서 제 1 감광막(P1)을 제거한다. 상기 노출된 부분(EP)은 CNT 에미터(도 6의 150)에 대응되는 위치로 직경이 대략 3 ㎛ 이다.
도 14를 참조하면, 절연층(412) 상에 제2 캐소드전극(420), 예컨대 ITO 투명전극을 스퍼터링하여 형성한다. 이어서, 제2 캐소드전극(420) 상에 비정질 실리콘막(422)을 PECVD 방법으로 증착한다. 이어서, 비정질 실리콘막(422) 상에 제2 감광막(P2)을 도포한 다음, 노출된 부분(EP)에 대응되는 영역(P2a)을 노광시킨다.
이어서, 노광된 영역(P2a)은 현상공정을 통해서 제거된다. 상기 노광된 영역(P2a)이 제거된 곳을 통해서 비정질 실리콘막(422)의 일부가 노출된다. 제2 감광막(P2)을 식각 마스크로 사용하여 비정질 실리콘막(422)의 노출된 부분을 습식식각한다.
도 15는 제2 감광막(P2)으로 노출된 비정질 실리콘막(422) 및 제2 캐소드전극(420)을 습식식각으로 제거한 후, 제2 감광막(P2)를 제거한 후의 모습을 보여준다.
도 16을 참조하면, 제2 감광막(P2)을 제거한 후, 비정질 실리콘층(422) 상으로 상기 오목한 부분(W)을 채우는 게이트 절연막(432)을 형성한다. 게이트 절연막(432)은 실리콘 산화막으로 형성하되, 5 ㎛ ∼ 10 ㎛ 정도의 두께로 형성한다. 이어서, 게이트 절연막(432) 상에 게이트 전극(430)을 형성한다. 게이트 전극(430)은 크롬을 스퍼터링 방법으로 0.25㎛ 정도의 두께로 형성한다. 이어서, 게이트 전극(430) 상에 제3 감광막(P3)을 도포한 다음, 오목한 부분(W)에 대응되는 영역(P3a)을 노광시킨다.
이어서, 노광된 영역(P3a)이 현상공정을 통해서 제거된다. 상기 노광된 영역(P3a)이 제거된 곳을 통해서 게이트 전극(330)의 일부가 노출된다. 제3 감광막(P3)을 식각 마스크로 사용하여 게이트 전극(430)의 노출된 부분을 습식식각한다.
도 17은 제3 감광막(P3)으로 노출된 게이트 전극(430)의 노출된 영역을 습식식각으로 제거한 후, 제3 감광막(P3)를 제거한 후의 모습을 보여준다. 게이트 홀(430a)이 형성된 것을 보여준다.
도 18을 참조하면, 제3 감광막(P3)을 제거한 후, 게이트 절연막(432) 상으로 게이트 홀(430a)을 채우는 포커싱 게이트 절연막(442)을 형성한다. 포커싱 게이트 절연막(442)은 실리콘 산화막으로 형성하되, 2 ㎛ ∼ 15 ㎛ 정도의 두께로 형성한다. 이어서, 포커싱 게이트 절연막(442) 상에 포커싱 게이트 전극(440)을 형성한다. 포커싱 게이트 전극(440)은 크롬을 스퍼터링 방법으로 0.25 ㎛ 정도의 두께로 형성한다. 이어서, 포커싱 게이트 전극(440) 상에 제4 감광막(P4)을 도포한 다음, 오목한 부분(W)에 대응되는 영역(P4a)을 노광시킨다.
이어서, 노광된 영역(P4a)은 현상공정을 통해서 제거된다. 상기 노광된 영역(P4a)이 제거된 곳을 통해서 포커싱 게이트 전극(440)의 일부가 노출된다. 제4 감광막(P4)을 식각 마스크로 사용하여 포커싱 게이트 전극(440)의 노출된 부분을 습식식각한다.
도 19는 제4 감광막(P4)으로 노출된 포커싱 게이트 전극(440)의 노출된 영역을 습식식각으로 제거한 후, 제4 감광막(P4)를 제거한 후의 모습을 보여준다. 포커싱 게이트 홀(440a)이 형성된 것을 보여준다.
도 20을 참조하면, 제4 감광막(P4)을 제거한 후, 포커싱 게이트 전극(440) 상에 제5 감광막(P5)을 도포한 다음, 오목한 부분(W)에 대응되는 영역(P5a)을 노광시킨다.
이어서, 노광된 영역(P5a)은 현상공정을 통해서 제거된다. 이어서, 제5 감광막(P5)을 식각 마스크로 사용하여 포커싱 게이트 절연막(442) 및 게이트 절연막(432)을 식각하여 캐소드전극(420)이 노출되게 한다.
도 21은 제5 감광막(P5)을 제거한 후의 모습을 보여준다.
도 22를 참조하면, 노출된 투명전극(42) 상에 네가티브 감광성 물질이 포함된 CNT 페이스트(452)를 도포한 후, 비정질 실리콘막(422) 사이에 노출된 감광 CNT 페이스트(452)를 노광시킨다. 이때 기판(410)의 아래쪽에서 기판(410)을 향하여 자외선(UV)을 조사하는 백노광을 실시할 수 있다. 비정질 실리콘막(422)은 자외선을 차단하므로, 제5 감광막(P5)에서 노출된 부분(EP)에 대응되는 영역 만이 노광된다. 이어서, 현상 및 베이킹 공정을 통해서 도 23에 도시된 바와 같이 제1 캐소드전극(411) 위에 CNT 에미터(450)를 형성한다.
상기 실시예에서는 도 6의 전계방출소자를 제조하는 방법을 설명하였지만, 포커싱 게이트 절연막 및 포커싱 게이트 전극을 형성하는 단계를 제외하면, 도 4의 전계방출소자를 제조하는 방법도 상술한 바로부터 설명될 수 있다.
상기 실시예에서는 프린팅 방법으로 CNT 에미터를 형성하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 캐소드전극(411)의 노출된 부분(EP)에 금속 촉매층을 형성한 후 메탄 개스와 같은 탄소 함유 개스를 증착시켜서 탄소나노튜브 를 성장시킬 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 전계방출소자는 CNT 에미터 주변의 캐소드전극이 오목하게 형성되어서 CNT 에미터로부터 방출되는 전자빔이 게이트 전극을 벗어나기 이전에 1차적으로 집속함으로써 집속효율을 증가시킨다. 또한, 본 발명에 따른 전계방출 표시소자는 집속효율이 증대되어 색순도가 향상된다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (24)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 캐소드전극;
    상기 기판 상에서 상기 제1 캐소드전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 오목한 부분을 형성하는 절연층;
    상기 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드전극;
    상기 제1 캐소드전극 상에서 상기 절연층에 의해 노출된 부분에 형성된 전자방출원;
    상기 제2 캐소드전극 상에서 상기 오목한 부분에 연통된 캐버티가 형성된 게이트 절연막; 및
    상기 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 오목한 부분은 반구 형상인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 캐소드전극 및 상기 게이트절연막 사이에 상기 노출된 부분에 해당되는 홀이 형성된 비정질 실리콘막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자방출원은 CNT 에미터인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 캐소드전극은 상기 오목한 부분에 대응되는 투명전극 물질의 도트인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 캐소드전극은 다수의 상기 오목한 부분에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 캐소드전극;
    상기 기판 상에서 상기 제1 캐소드전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 오목한 부분을 형성하는 절연층;
    상기 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드전극;
    상기 제1 캐소드전극 상에서 상기 절연층에 의해 노출된 부분에 형성된 전자방출원;
    상기 제2 캐소드전극 상에서 상기 오목한 부분에 연통된 캐버티가 형성된 게이트 절연막;
    상기 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에서 상기 캐버티에 연통되는 포커싱 게이트 절연막; 및
    상기 포커싱 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 포커싱 게이트 홀이 형성된 포커싱 게이트 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 오목한 부분은 반구 형상인 것을 특징으로 하는 전 계방출소자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 캐소드전극 및 상기 게이트절연막 사이에 상기 노출된 부분에 해당되는 홀이 형성된 비정질 실리콘막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 전자방출원은 CNT 에미터인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 캐소드전극은 상기 오목한 부분에 대응되는 투명전극 물질의 도트인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 캐소드전극은 다수의 상기 오목한 부분에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  13. 배면기판;
    상기 배면기판에 형성된 제1 캐소드전극;
    상기 기판 상에서 상기 제1 캐소드전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 오목한 부분을 형성하는 절연층;
    상기 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드전극;
    상기 제1 캐소드전극 상에서 상기 절연층에 의해 노출된 부분에 형성된 전자방출원;
    상기 제2 캐소드전극 상에서 상기 오목한 부분에 연통된 캐버티가 형성된 게이트 절연막;
    상기 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트 전극;
    상기 배면기판으로부터 소정 거리 이격되게 배치된 전면패널;
    상기 전면패널 상에서 상기 전자방출원을 향하는 면에 형성된 애노드 전극;
    상기 애노드 전극 상에서, 상기 전자방출원을 향하는 면에 도포된 형광층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 오목한 부분은 반구 형상인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 캐소드전극 및 상기 게이트절연막 사이에 상기 노출된 부분에 해당되는 홀이 형성된 비정질 실리콘막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출 표시 소자.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 전자방출원은 CNT 에미터인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 캐소드전극은 상기 오목한 부분에 대응되는 투명전극 물질의 도트인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 캐소드전극은 다수의 상기 오목한 부분에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  19. 배면기판;
    상기 배면기판에 형성된 제1 캐소드전극;
    상기 기판 상에서 상기 제1 캐소드전극을 덮되 그 일부를 노출시키는 오목한 부분을 형성하는 절연층;
    상기 절연층 상에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극과 전기적으로 연결된 제2 캐소드전극;
    상기 제1 캐소드전극 상에서 상기 절연층에 의해 노출된 부분에 형성된 전자 방출원;
    상기 제2 캐소드전극 상에서 상기 오목한 부분에 연통된 캐버티가 형성된 게이트 절연막;
    상기 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에서 상기 캐버티에 연통되는 포커싱 게이트 절연막;
    상기 포커싱 게이트 절연막 상에서 상기 캐버티에 대응되는 포커싱 게이트 홀이 형성된 포커싱 게이트 전극;
    상기 배면기판으로부터 소정 거리 이격되게 배치된 전면패널;
    상기 전면패널 상에서 상기 전자방출원을 향하는 면에 형성된 애노드 전극; 및
    상기 애노드 전극 상에서, 상기 전자방출원을 향하는 면에 도포된 형광층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 오목한 부분은 반구 형상인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제2 캐소드전극 및 상기 게이트절연막 사이에 상기 노출된 부분에 해당되는 홀이 형성된 비정질 실리콘막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출 표시 소자.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 전자방출원은 CNT 에미터인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 캐소드전극은 상기 오목한 부분에 대응되는 투명전극 물질의 도트인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 캐소드전극은 다수의 상기 오목한 부분에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
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