KR20060020021A - 전자 방출 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 게이트 전극의 개구부가 균일한 내벽면을 갖도록 하면서 게이트 전극이 절연층의 개구부 위에 걸쳐 있는 현상을 방지하여, 화면의 표시 품질을 개선할 수 있는 전자 방출 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 서로 대향하여 배치되는 제 1 기판 및 제 2 기판, 제 1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극, 캐소드 전극 위에 형성되는 전자 방출부, 캐소드 전극을 덮으면서 제 1 기판 위에 형성된 제 1 절연층, 및 제 1 절연층 위에 형성된 게이트 전극을 포함하고, 제 1 절연층과 게이트 전극이 전자 방출부를 노출시키는 개구부를 각각 구비하며, 게이트 전극의 개구부가 제 1 절연층의 개구부보다 큰 전자 방출 소자에 의해 달성될 수 있다.

FEA, 게이트 전극, 절연층, 개구부, 습식식각, 리세스

Description

전자 방출 소자 및 그 제조방법{ELECTRON EMISSION DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 소자를 나타낸 부분 분해 사시도.

도 2는 도 1의 전자 방출 소자의 조립 상태를 나타낸 부분 단면도.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 소자의 제조방법을 설명하기 위한 순차적 공정 단면도.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 소자의 게이트 전극을 나타낸 부분 평면도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 방출 소자를 나타낸 부분 분해 사시도.

도 7은 도 6의 전자 방출 소자의 조립 상태를 나타낸 부분 단면도.

도 8은 종래 전자 방출 소자의 게이트 전극을 나타낸 부분 평면도.

본 발명은 전자 방출 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화면의 표시 품질을 개선할 수 있는 전자 방출 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전자 방출 소자는 전자원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다.

여기서, 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는 전계 방출 어레이(Field Emitter Array; FEA)형, 표면 전도 방출(Surface Conduction Emitter; SCE)형, 금속-유전체-금속((Metal-Insulator-Metal; MIM)형, 금속-유전체-반도체(Metal-Insulator-Semiconductor; MIS)형 및 밸리스틱 전자 표면 방출(Ballistic electron Surface Emitting; BSE)형 등이 알려져 있다.

이러한 전자 방출 소자들은 그 종류에 따라 세부적인 구조가 상이하지만, 기본적으로는 진공 용기를 구성하는 두 기판 중 일측 기판에 전자 방출부와 전자 인출 전극을 포함하는 전자 방출 구조물을 형성하며, 다른 측 기판에 형광층과 전자 가속 전극을 구비하여 발광 또는 표시 작용을 하게 된다.

이 중 FEA형 전자 방출 소자는 통상적으로 일측 기판 위에 캐소드 전극이 형성되고, 캐소드 전극에 전자 방출부가 형성되며, 절연층과 게이트 전극이 전자 방출부가 노출되도록 각각의 개구부를 가지면서 캐소드 전극 위에 형성된 구조를 갖는다.

그런데, 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 절연층은 대형화 및 공정단가 등을 감안하여 후막 형성 방식에 의해 대부분 1㎛ 이상의 두꺼운 두께로 형성하고, 절연층의 개구부는 게이트 전극의 패터닝 및 개구부 형성 후 습식식각(wet etching)에 의해 절연층을 식각하여 형성한다.

이러한 습식식각은 식각액에 피식각체를 담가 식각하는 것으로 공정 고유의 특성 상 등방성으로 식각이 이루어지기 때문에, 절연층의 개구부가 게이트 전극의 개구부보다 크게 형성되므로 게이트 전극이 절연층의 개구부 중앙을 향해 돌출되어 절연층의 개구부 위에 걸쳐 있게 된다.

또한, 습식식각은 절연층의 개구부에 언더컷(undercut)을 유발하기 때문에,절연층의 개구부 내벽면이 불균일해지고 이로 인해 절연층 상부에 형성되는 게이트 전극의 개구부 내벽면도 불균일해짐으로써, 도 8과 같이 게이트 전극이 불균일한 패턴으로 형성된다.

이에 따라, 후속 공정의 수행 시 게이트 전극이 박리될 가능성이 높아 누설전류가 증가될 뿐만 아니라 전자 방출부에서의 전자 방출이 불균일해지며 전자 방출량이 감소되는 문제가 유발됨으로써, 결국 화면의 색재현성 및 휘도를 낮춰 표시 품질을 저하시키게 된다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 게이트 전극의 개구부가 균일한 내벽면을 갖도록 하면서 게이트 전극이 절연층의 개구부 위에 걸쳐 있는 현상을 방지하여, 화면의 표시 품질을 개선할 수 있는 전자 방출 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 본 발명의 목적은 서로 대향하여 배치되는 제 1 기판 및 제 2 기판, 제 1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극, 캐소드 전극 위에 형성되는 전자 방출부, 캐소드 전극을 덮으면서 제 1 기판 위에 형성된 제 1 절연층, 및 제 1 절연층 위에 형성된 게이트 전극을 포함하고, 제 1 절연층과 게이트 전극이 전자 방출부를 노출시키는 개구부를 각각 구비하며, 게이트 전극의 개구부가 제 1 절연층의 개구부보다 큰 전자 방출 소자에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 게이트 전극의 개구부는 균일한 내벽면을 가지며, 전자 방출부는 카본 나노튜브, 그라파이트, 다이아몬드상 카본, C60, 카본 나노튜브, 그라파이트 나노파이버, 실리콘 나노와이어 등의 나노미터 사이즈 물질 중 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진다.

또한, 제 2 기판 위에 형성되는 적어도 하나의 애노드 전극과, 애노드 전극의 어느 일면에 형성되는 형광층을 더욱 포함할 수도 있다.

또한, 게이트 전극을 덮으면서 상기 제 1 절연층 위에 형성된 제 2 절연층과 제 2 절연층 위에 형성된 집속 전극을 더욱 포함할 수도 있는데, 이때 제 2 절연층과 집속전극이 전자 방출부를 노출시키는 개구부를 각각 구비하며, 집속전극의 개구부가 제 2 절연층의 개구부보다 크고, 제 2 절연층의 개구부가 게이트 전극의 개구부보다 크다.

상술한 본 발명의 목적은 기판 위에 캐소드 전극을 형성하는 단계; 캐소드 전극을 덮도록 기판 위에 절연층을 형성하는 단계; 절연층 위에 게이트 전극 물질층을 형성하는 단계; 게이트 전극 물질층을 제 1 식각하여 게이트 전극 물질층에 개구부를 형성하는 단계; 개구부가 형성된 게이트 전극 물질층을 마스크로하여 절 연층을 식각하여 절연층에 개구부를 형성하는 단계; 및 개구부가 형성된 게이트 전극 물질층을 제 2 식각하여 게이트 전극을 형성함과 동시에 절연층의 개구부 위의 게이트 전극 물질층을 리세스시켜, 게이트 전극에 절연층의 개구부보다 크고 균일한 내벽면을 가지는 개구부를 형성하는 단계를 포함하는 전자 방출 소자의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 소자를 설명한다.

도면을 참조하면, 유리와 같은 투명한 재질로 이루어진 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)이 일정 간격을 두고 대향하여 배치된다.

제 1 기판(10)에는 전계 형성으로 전자를 방출하는 구조가 제공되고, 제 2 기판(20)에는 전자에 의해 가시광을 내어 이미지를 표시하는 구조가 제공된다.

좀 더 구체적으로, 제 1 기판(10)에는 캐소드 전극(11)들이 제 1 방향(도면의 y 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극(11)을 덮도록 제 1 기판(10) 상에 절연층(12)이 형성되며, 절연층(12) 상에는 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향(도면의 x 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 게이트 전극(13)들이 형성된다.

그리고, 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(13)이 교차하는 부분, 즉 화소영역의 캐소드 전극(11) 위에는 캐소드 전극(11)과 전기적으로 연결되는 전자 방출부 (14)가 형성되고, 절연층(12)과 게이트 전극(13)에는 전자 방출부(14)에 대응하는 개구부(12a, 13a)가 각각 형성되어 전자 방출부(14)가 노출된다.

여기서, 게이트 전극(13)의 개구부(13a)는 균일한 내벽면을 가지면서 절연층(12)의 개구부(12a) 주변의 절연층(12)을 일부 노출시키도록 절연층(12)의 개구부(12a) 보다 큰 크기를 갖는다.

또한, 전자 방출부(14)는 카본 나노튜브, 그라파이트(graphit), 다이아몬드상 카본(Diamond Liked Carbon), C₆₀(fulleren) 등의 카본계 물질과, 카본 나노튜브, 그라파이트 나노파이버(Nano fiber), 실리콘 나노와이어(Nano wire) 등의 나노미터 사이즈 물질 중 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.

제 1 기판(10)에 대향하는 제 2 기판(20)의 일면에는 R, G, B 형광체로 구성된 형광층(21)이 임의의 간격을 두고 형성되고, 형광층(21) 사이로 화면의 콘트라스트 향상 등을 위한 차광층으로서 Cr과 같은 불투명 도전막으로 이루어진 흑색층(22)이 형성될 수 있다. 형광층(21)과 흑색층(22)을 덮으면서 제 2 기판(20)의 전면으로 알루미늄(Al)과 같은 금속 재질로 이루어진 애노드 전극(23)이 형성된다.

여기서, 애노드 전극(23)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 전압을 인가 받으며, 메탈백(metal back) 효과에 의해 화면의 휘도를 높이는 역할을 한다.

이러한 애노드 전극(23)은 금속재질 대신 ITO와 같은 투명재질로 형성될 수도 있는데, 이 경우에는 애노드 전극(23)이 제 2 기판(20) 상에 먼저 형성되고 그 위로 형광층(21)이 형성된다.

또 다른 한편으로는, 제 2 기판(20) 상에 투명재질의 애노드 전극(23)과 메탈백(metal back)으로서의 금속박막이 모두 형성될 수도 있다.

상술한 구성으로 이루어진 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)은 그 사이에 배치되는 다수의 스페이서(30)에 의해 일정 간격을 두고 서로 대향하며 배치되고, 이 양 기판(10, 20)은 밀봉재(미도시)에 의해 접합된 후 내부가 배기되어 진공 용기를 구성한다.

또한, 도시되지는 않았지만, 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20) 사이에 전자 방출부(14)에 대응하는 다수의 빔통과공이 형성된 메시 형태의 얇은 금속판의 그리드 전극이 배치될 수도 있는데, 이 그리드 전극은 스페이서(30)에 의해 지지되어 배치될 수도 있고, 그리드 전극의 제 1 기판(10)과의 대향면에 절연패턴을 형성한 후 제 1 기판(10)에 고착되어 배치될 수도 있다.

이와 같이 구성되는 전자 방출 소자는, 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(13)에 구동 전압을 인가하면, 두 전극간 전압차에 의해 전자 방출부(12) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들이 애노드 전극(23)에 인가되는 고전압에 이끌려 제 2 기판(20)으로 향하면서 해당 화소의 형광층(22)에 도달하고 여기되어 이미지를 구현한다.

이때, 게이트 전극(13) 개구부(13a)의 균일한 내벽면에 의해 전자 방출부(14)에서 전자들의 방출이 균일하게 이루어질 뿐만 아니라 전자 방출 방출량이 감소되는 현상이 방지된다.

다음으로, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자의 제조방법을 설명한다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 제 1 기판(10) 위에 제 1 방향으로 스트라이프 패턴으로 캐소드 전극(11)을 형성하고, 캐소드 전극(11)을 덮으면서 제 1 기판(10)의 전면에 절연층(12)을 형성한다. 여기서, 절연층(12)은 스크린 인쇄와 같은 후막 형성 방식이나 스프터링과 같은 박막 증착 방식에 의해 형성할 수 있다. 그 다음, 절연층(12) 상에 크롬(Cr)과 같은 금속 재질로 이루어진 게이트 전극 물질층(13-1)을 형성한다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1 노광 마스크(미도시)를 이용하여 게이트 전극 물질층(13-1)을 식각하여, 게이트 전극 물질층(13-1)에 절연층(12)을 일부 노출시키는 개구부(13-1a)를 형성한다. 그 다음, 노출된 절연층(12)을 습식식각에 의해 식각하여, 절연층(12)에 화소 영역의 캐소드 전극(11)을 일부 노출시키는 개구부(12a)를 형성한다.

이때, 습식식각에 의해 절연층(12)의 개구부(12a)가 게이트 전극 물질층(13-1)의 개구부(13-1a)보다 크게 형성되어 게이트 전극 물질층(13-1)이 절연층(12)의 개구부(12a) 중앙을 향해 돌출되어 절연층(12)의 개구부(12a) 위에 걸쳐 있게 된다. 또한, 습식식각에 의해 절연층(12)의 개구부(12a)에 언더컷이 발생되어 절연층(12)의 개구부(12a) 내벽면 뿐만 아니라 게이트 전극 물질층(13-1)의 개구부(13-1a) 내벽면이 불균일해지게 된다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 제 2 노광 마스크(미도시)를 이용하여 게이트 전극 물질층(13-1)을 식각하여 캐소드 전극(11)과 교차하는 제 2 방향을 따라 스트라 이프 패턴으로 게이트 전극(13)을 형성함과 동시에, 절연층(12)의 개구부(12a) 위의 게이트 전극 물질층(13-1)을 리세스(recess) 시켜 절연층(12) 개구부(12a) 주변의 절연층(12)을 일부 노출시키도록 절연층(12)의 개구부(12a) 보다 큰 크기를 가지는 개구부(13a)를 형성한다. 이때, 게이트 전극(13)의 개구부(13a)가 균일한 내벽면을 가지게 되어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(13)이 균일한 패턴으로 형성된다.

그 후, 절연층(12)의 개구부(12a)에 의해 노출된 캐소드 전극(11) 위로 전자 방출부(14; 도 2 참조)를 형성한다.

여기서, 전자 방출부(14)는 분말 상의 전자 방출 물질에 비히클과 바인더 등의 유기물과 감광성 물질을 혼합하여 인쇄에 의해 적합한 점도를 갖는 페이스트 상의 전자 방출 물질을 형성하고, 제 1 기판(10)의 전면 상에 이 전자 방출 물질을 스크린 인쇄한 후, 후면 노광을 실시하여 전자 방출 물질을 선택적으로 경화시킨 다음, 경화되지 않은 부분의 전자 방출 물질을 제거하고 건조 및 소성하는 과정에 의해 형성한다. 이 경우, 제 1 기판(10)은 투명 기판으로 이루어지고, 캐소드 전극(11)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 도전막으로 이루어진다.

이와 같이, 본 실시예의 제조방법에서는 게이트 전극(13) 형성을 위한 식각을 절연층(12)의 개구부(12a) 형성을 위한 습식식각 이후에 실시하고, 이때 절연층(12)의 개구부(12a) 위에 걸쳐있던 게이트 전극 물질층(13-1)도 동시에 리세스시켜 게이트 전극(13)에 절연층(12)의 개구부(12a) 보다 큰 개구부(13a)를 형성한다.

이에 따라, 후속 공정 시 게이트 전극(13)의 박리가 발생되지 않아 누설전류 가 감소되고, 게이트 전극(13)의 개구부(13a)가 균일한 내벽면을 가질 수 있게 되어, 전자 방출부(14)에서의 전자 방출이 균일해질 뿐만 아니라 전자 방출량 감소도 방지된다.

한편, 상기 실시예에서는 게이트 전극(13)의 개구부(13a) 형상에 대해서만 설명하였지만, 이러한 개구부 형상은 상기 실시예에 한정되지 않는다.

예컨대, 도 6 및 도 7과 같이, 게이트 전극(13)과 캐소드 전극(11) 이외에 절연층(15)의 개재하에 게이트 전극(13) 위로 집속전극(16)이 더 형성되는 경우, 집속전극(16)의 개구부(16a)에도 적용할 수 있다.

이 경우에는, 도시된 바와 같이, 절연층(15) 및 집속전극(16)에 전자 방출부를 노출시키는 각각의 개구부(15a, 16b)가 형성되는데, 이때 절연층(15)의 개구부(15a)가 게이트 전극(13)의 개구부(13a) 보다 크고, 집속전극(16)의 개구부(16a)는 절연층(15)의 개구부(15a)보다 크다.

또한, 상기에서는 전자 방출부가 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들로 이루어지고, 캐소드 전극과 게이트 전극으로 이루어진 구동 전극들이 전자 방출을 제어하는 FEA형에 대해서만 설명하였지만, 본 발명은 이러한 FEA형에만 한정되지 않고 다양하게 변형이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명에 의한 전자 방출 소자는 게이트 전극의 개구부 형상에 의해 게이트 전극의 박리를 방지하여 누설 전류를 감소시키고, 전자 방출부에서 균일하게 전자 방출이 이루어질 수 있도록 하면서 전자 방출량 감소를 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 전자 방출 소자는 화면의 색재현성 및 휘도를 높일 수 있으므로 화면의 표시 품질을 개선할 수 있다.

Claims (8)

1. 서로 대향하여 배치되는 제 1 기판 및 제 2 기판;

   상기 제 1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극;

   상기 캐소드 전극 위에 형성되는 전자 방출부;

   상기 캐소드 전극을 덮으면서 상기 제 1 기판 위에 형성된 제 1 절연층; 및

   상기 제 1 절연층 위에 형성된 게이트 전극을 포함하고,

   상기 제 1 절연층과 게이트 전극이 상기 전자 방출부를 노출시키는 개구부를 각각 구비하며,

   상기 게이트 전극의 개구부가 상기 제 1 절연층의 개구부보다 큰 전자 방출 소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 게이트 전극의 개구부가 균일한 내벽면을 가지는 전자 방출 소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 카본 나노튜브, 그라파이트, 다이아몬드상 카본, C₆₀, 그라파이트 나노파이버, 실리콘 나노와이어 등의 나노미터 사이즈 물질 중 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 전자 방출 소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 기판 위에 형성되는 적어도 하나의 애노드 전극과, 상기 애노드 전극의 어느 일면에 형성되는 형광층을 더욱 포함하는 전자 방출 소자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 게이트 전극을 덮으면서 상기 제 1 절연층 위에 형성된 제 2 절연층과

   상기 제 2 절연층 위에 형성된 집속 전극을 더욱 포함하고,

   상기 제 2 절연층과 상기 집속전극이 상기 전자 방출부를 노출시키는 개구부를 각각 구비하며,

   상기 집속전극의 개구부가 상기 제 2 절연층의 개구부보다 큰 전자 방출 소자.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 2 절연층의 개구부가 상기 게이트 전극의 개구부보다 큰 전자 방출 소자.
7. 기판 위에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

   상기 캐소드 전극을 덮도록 상기 기판 위에 절연층을 형성하는 단계;

   상기 절연층 위에 게이트 전극 물질층을 형성하는 단계;

   상기 게이트 전극 물질층을 제 1 식각하여 상기 게이트 전극 물질층에 개구부를 형성하는 단계;

   상기 개구부가 형성된 게이트 전극 물질층을 마스크로하여 상기 절연층을 식각하여 상기 절연층에 개구부를 형성하는 단계; 및

   상기 개구부가 형성된 게이트 전극 물질층을 제 2 식각하여 게이트 전극을 형성함과 동시에 상기 절연층의 개구부 위의 게이트 전극 물질층을 리세스시켜, 상기 게이트 전극에 상기 절연층의 개구부보다 크고 균일한 내벽면을 가지는 개구부를 형성하는 단계를 포함하는 전자 방출 소자의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 절연층의 식각은 습식식각으로 수행하는 전자 방출 소자의 제조방법.

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