KR20070037944A - 전자 방출 소자, 이를 구비한 전자 방출 디스플레이 장치및 그 제조 방법 - Google Patents

전자 방출 소자, 이를 구비한 전자 방출 디스플레이 장치및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 전자를 균일하게 방출할 수 있고, 제조 공정이 간단하여 제조비용이 감소되는 전자 방출 소자와, 이를 구비하여 화소간의 균일도가 향상된 디스플레이 장치를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 전자 방출 소자를 간이한 공정으로 제조하는 제조 방법을 제공하여 전자 방출 소자의 제조 단가를 감소시키는데 기여하는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치된 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극; 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 절연체층; 상기 캐소오드 전극이 드러나도록 상기 절연체층과 상기 게이트 전극에 형성된 전자 방출원 홀; 상기 전자 방출원 홀 내에 배치된 전자 방출원; 및 상기 전자 방출원과 상기 캐소오드 전극에 모두 접하도록 배치되고, 반도체 카본 나노 튜브를 포함하는 저항층을 포함하는 전자 방출 소자, 이를 구비한 디스플레이 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.

Description

전자 방출 소자, 이를 구비한 전자 방출 디스플레이 장치 및 그 제조 방법{Electron emission device, electron emission display apparatus having the same, and method of manufacturing the same}
도 1은 종래 전자 방출 소자 및 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자 및 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 4는 도 3의 IV 부분의 확대도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 방출 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 방출 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
60: 스페이서 70: 형광체층
80: 애노드 전극 90: 제2 기판
100, 200: 전자 방출 디스플레이 장치
101, 201: 전자 방출 소자
102: 전면 패널 103: 발광 공간
110: 제1 기판 120: 캐소오드 전극
125, 225: 저항층 130: 제1 절연체층
131, 231: 전자 방출원 홀 135: 제2 절연체층
140: 게이트 전극 145: 집속 전극
150, 250: 전자 방출원
본 발명은 전자 방출 소자(electron emission element), 이를 구비한 전자 방출 디스플레이 장치(electron emission display apparatus) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자 방출원에 인가되는 전압이 균일하게 분포되는 새로운 구조의 전자 방출 소자와, 이를 구비하여 화소간의 균일도가 향상된 전자 방출 디스플레이 장치와, 이러한 전자 방출 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자 방출 소자는 전자 방출원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는, 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.
상기 FEA형은 일함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수(β Function)가 높은 물질을 전자 방출원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주된 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁(tip)구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소계 물질 그리고 최근 나노 튜브(Nano Tube)나 나노와이어(Nano Wire)등의 나노 물질을 전자 방출원으로 적용한 소자가 개발되고 있다.
상기 SCE형은 제1 기판 위에 서로 마주보며 배치된 제1 전극과 제2 전극 사이에 도전 박막을 제공하고 상기 도전 박막에 미세 균열을 제공함으로써 전자 방출원을 형성한 소자이다. 상기 소자는 상기 전극들에 전압을 인가하여 상기 도전 박막 표면으로 전류를 흘려 미세 균열인 전자 방출원으로부터 전자가 방출되는 원리를 이용한다.
상기 MIM형과 MIS형 전자 방출 소자는 각각 금속-유전층-금속(MIM)과 금속-유전층-반도체(MIS) 구조로 이루어진 전자 방출 원을 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 금속 방향으로 전자가 이동 및 가속되면서 방출되는 원리를 이용한 소자이다.
상기 BSE형은 반도체의 사이즈를 반도체 중의 전자의 평균 자유 행정 보다 작은 치수 영역까지 축소하면 전자가 산란하지 않고 주행하는 원리를 이용하여, 오믹(Ohmic) 전극 상에 금속 또는 반도체로 이루어지는 전자 공급층을 형성하고, 전자 공급층 위에 절연체층과 금속 박막을 형성하여 오믹 전극과 금속 박막에 전원을 인가하는 것에 의하여 전자가 방출되도록 한 소자이다.
이중에서 FEA형 전자 방출 소자는 캐소드 전극과 게이트 전극의 배치 형태에 따라 크게 탑 게이트형(top gate type)과 언더 게이트형(under gate type)형으로 나눌 수 있으며, 사용되는 전극의 개수에 따라 2극관, 3극관 또는 4극관 등으로 나눌 수 있다. FEA형 전자 방출 소자를 이용하여 디스플레이 장치를 구현하는 경우의 예가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.
도 1에는 종래의 탑 게이트형 전자 방출 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보여주는 부분 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 종래의 전자 방출 디스플레이 장치(100)는 나란하게 배치되어 진공인 발광 공간(103)을 형성하는 전자 방출 소자(101) 및 전면 패널(102)과, 상기 전자 방출 소자(101) 및 전면 패널(102) 사이의 간격을 유지하여 주는 스페이서(60)를 구비한다.
상기 전자 방출 소자(101)는, 제1 기판(110), 상기 제1 기판(110) 상에 교차되도록 배치된 게이트 전극(140)들과 캐소오드 전극(120)들 및 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소오드 전극(120) 사이에 배치되어 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소오드 전극(120)을 전기적으로 절연하는 절연체층(130)을 구비한다.
상기 게이트 전극(140)들과 상기 캐소드 전극(120)들이 교차하는 영역들에는 전자 방출원 홀(131)들이 형성되어 있으며, 그 내부에 전자 방출원(150)이 배치되어 있다.
상기 전면 패널(102)은 제2 기판(90), 상기 제2 기판(90)의 저면에 배치된 애노드 전극(80), 상기 애노드 전극(80)의 저면에 배치된 형광체층(70)을 구비한다.
이와 같이 FEA형 전자 방출 소자를 활용하여 화상을 구현하는 디스플레이 장치를 만드는 경우에, 화소간의 휘도 균일도가 떨어지는 경우가 있다. 각각의 전자 방출원에 인가되는 전압이 편차가 생기는 경우에 발생할 수 있는 문제인데, 이러한 문제가 있음으로 해서 디스플레이 장치의 품위를 크게 저해할 수 있어 디스플레이 장치의 품질 향상을 위해서는 반드시 해결되어야 하는 문제이다. 이에 이러한 화소간의 균일도가 저하되는 문제를 해결할 수 있는 방안을 강구할 필요성이 크게 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전자를 균일하게 방출할 수 있고, 제조 공정이 간단하여 제조비용이 감소되는 전자 방출 소자와, 이를 구비하여 화소간의 균일도가 향상된 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
또한, 이러한 전자 방출 소자를 간이한 공정으로 제조하는 제조 방법을 제공하여 전자 방출 소자의 제조 단가를 감소시키는데 기여하는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치된 캐소 오드 전극; 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극; 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 절연체층; 상기 캐소오드 전극이 드러나도록 상기 절연체층과 상기 게이트 전극에 형성된 전자 방출원 홀; 상기 전자 방출원 홀 내에 배치된 전자 방출원; 및 상기 전자 방출원과 상기 캐소오드 전극에 접하도록 설치되고, 반도체 카본 나노 튜브를 포함하는 저항층을 포함하는 전자 방출 소자를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극은 서로 교차하는 방향으로 연장되어 배치될 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치된 복수 개의 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극들과 교차하도록 배치된 복수 개의 게이트 전극; 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극들과 상기 게이트 전극들을 절연하는 절연체층; 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극이 교차하는 지점에 형성된 전자 방출원 홀; 상기 전자 방출원 홀 내에 배치된 전자 방출원; 및 상기 전자 방출원과 상기 캐소오드 전극에 접하도록 설치되고, 반도체 카본 나노 튜브를 포함하는 저항층을 포함하고, 상기 제1 기판과 실질적으로 평행하게 배치되는 제2 기판; 상기 제2 기판에 배치된 애노드 전극; 및 상기 애노드 전극에 배치된 형광체층을 포함하는 전자 방출 디스플레이 장치를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 저항층은 반도체 카본 나노 튜브를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 저항층은 전자 방출원과 상기 캐소오드 전극 사이에 배치되거나 상기 전자 방출원의 측면과 상기 캐소오드 전극의 상면에 각각 접하도록 배치될 수도 있다.
여기서, 상기 저항층의 저항값은 1,000Ω㎝ 내지 100,000Ω㎝의 범위에 속하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 게이트 전극의 상측을 덮는 제2 절연체층과, 상기 제2 절연체층에 의해 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 기판, 캐소오드 전극, 절연체층 및 게이트 전극을 형성하는 소재를 순차적으로 형성하는 단계(a); 상기 게이트 전극 소재의 상면에 소정의 두께로 포토 레지스트로 마스크 패턴을 형성하는 단계(b); 상기 마스크 패턴을 이용하여 게이트 전극, 절연체층 및 캐소오드 전극을 부분 식각하여 전자 방출원 홀을 형성하는 단계(c); 전자 방출윈 및 저항층에 사용될 카본 나노 튜브를 반도체 카본 나노 튜브와 도체 카본 나노 튜브로 분리하여 준비하는 단계(d); 상기 단계(d)에서 분리된 반도체 카본 나노 튜브와 네가티브 감광성 물질을 포함한 저항층용 카본 페이스트를 상기 전자 방출원 홀에 도포하는 단계(e); 도체 카본 나노 튜브와 네가티브 감광성 물질을 포함한 전자 방출용 카본 페이스트를 상기 저항층용 카본 페이스트 상에 도포하는 단계(f); 도포된 카본 페이스트를 선택적으로 노광하여 경화시키는 단계(g); 및 경화되지 않고 남아 있는 카본 페이스트와 포토레지스트를 제거하는 단계(h)를 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 단계(e), (f), (g)는, 순차적으로 수행되어, 상기 단계(g)는 한번의 노광 공정으로 상기 저항층용 카본 페이스트 중 저항층을 형성할 부분과, 상기 전자 방출용 카본 페이스트 중 전자 방출원을 형성할 부분을 동시에 경화시키거나, 또는 상기 단계(e), (f), (g)는, 상기 단계(e)가 수행된 후 단계(g)가 수행되어 상기 저항층용 카본 페이스트 중 저항층을 형성할 부분이 선택적으로 경화되고, 다시 상기 단계(f)가 수행된 후 단계(g)가 한 번 더 수행되어 상기 전자 방출용 카본 페이스트 중 전자 방출원을 형성할 부분을 선택적으로 경화시키도록 진행될 수 있다.
여기서, 상기 단계(d)는, 나이트로늄 이온(NO2+)이 포함된 용액에 카본 나노 튜브를 섞는 단계; 카본 나노 튜브가 담긴 위의 용액에 초음파를 가하여 금속성 카본 나노 튜브를 파괴하는 단계; 및 초음파 처리가 완료된 용액을 필터에 걸러 반도체 카본 나노 튜브를 얻는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 저항층용 카본 페이스트에 함유되는 반도체 카본 나노 튜브의 함량을 조절하여 저항층의 최종 저항값을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자와 이를 이용하여 구현한 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 4 에는 도 3의 IV 부분의 확대도가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자(201)는, 제1 기판(110), 캐소오드 전극(120), 게이트 전극(140), 제1 절연체층(130), 전자 방출원(250) 및 저항층(125)을 포함한다.
상기 제1 기판(110)은 소정의 두께를 가지는 판상의 부재로, 석영 유리, 소량의 Na과 같은 불순물을 함유한 유리, 판유리, SiO2가 코팅된 유리 기판, 산화 알루미늄 또는 세라믹 기판이 사용될 수 있다. 또한, 플랙서블 디스플레이 장치(flexible display apparatus)를 구현하는 경우에는 유연한 재질이 사용될 수도 있다.
상기 캐소오드 전극(120)은 상기 제1 기판(110) 상에 일 방향으로 연장되도록 배치되고, 통상의 전기 도전 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, 유리 및 Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물로 구성된 인쇄된 도전체, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘(polysilicon) 등의 반도체 물질로 만들어 질 수 있다.
상기 게이트 전극(140)은 상기 캐소오드 전극(120)과 상기 절연체층(130)을 사이에 두고 배치되고, 상기 캐소오드 전극(120)과 같이 통상의 전기 도전 물질로 만들어질 수 있다.
상기 절연체층(130)은, 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소오드 전극(120) 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극(120)과 게이트 전극(140)을 절연함으로써 두 전극 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지한다.
상기 전자 방출원(250)은 상기 캐소오드 전극(120)과 통전되도록 배치되고, 상기 게이트 전극(140)에 비해서는 높이가 낮게 배치된다. 상기 전자 방출원(250)의 재료로는 침상 구조를 가진 것이면 어떤 것이라도 사용될 수 있다. 특히, 일함수가 작고, 베타 함수가 큰 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube: CNT), 그래파이트, 다이아몬드 및 다이아몬드상 카본 등의 탄소계 물질로 만들어지는 것이 바람직하다. 특히, 카본 나노 튜브는 전자 방출 특성이 우수하여 저전압 구동이 용이하므로, 이를 전자 방출원으로 사용하는 장치의 대면적화에 유리하다.
상기 저항층(125)은 상기 전자 방출원(250)과 상기 캐소오드 전극(120) 모두에 접하도록 설치된다. 특히, 도 3과 같이 사이에 배치되는 것이 공정을 간단히 할 수 있어 바람직하고, 상기 전자 방출원(250)에 인가되는 전압이 균일하게 인가될 수 있도록 하는 기능을 한다. 즉, 저항층이 배치됨으로써 인가되는 전압이 강하되고 이에 따라 전자 방출원(250) 내에서 전면적에 대해 편차가 작은 전압이 인가되고, 디스플레이 장치로 구성되는 경우에도 인접한 전자 방출원(250) 간에 편차가 작은 전압이 인가되게 된다.
상기 저항층(125)은 특히 반도체 성질을 가지는 카본 나노 튜브를 주성분으로 만들어진다. 일반적으로 금속 촉매를 사용하여 합성된 카본 나노 튜브에는 반도체와 도체인 카본 나노 튜브가 혼재되어 있는데, 이 중에서 반도체 성질을 가지는 카본 나노 튜브를 분리하여 얻고 이 반도체 카본 나노 튜브를 저항층(125)의 주 원료로 사용한다. 반도체 카본 나노 튜브를 얻는 방법에 대해서는 추후에 다시 설명한다.
상기 저항층(125)은 1,000Ω㎝ 내지 100,000Ω㎝의 저항값을 가지는 것이 바람직하다. 만약 저항값이 1,000Ω㎝ 이하인 경우에는 저항층을 사용하여 캐소오드 전극에 인가되는 전압을 균일하게 함으로써 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 없다. 즉, 각각의 전자 방출원(250)에서 전자 방출이 고르게 이루어지도록 하는 효과나, 이로 인해 화면의 얼룩을 예방하고 균일한 발광을 가능하게 하는 효과를 얻을 수 없다. 또한, 저항층(125)의 저항값이 100,000Ω㎝를 초과하는 경우에는 저항층을 형성함으로써 얻는 효과에 무관하게 소비전력이 지나치게 증가하여 실용적이지 못하게 된다.
한편, 상기 저항층의 저항값은 저항층에 함유된 반도체 카본 나노 튜브의 함량을 조절하여 조절할 수 있다. 또한, 반도체 카본 나노 튜브의 일부에 도핑(doping)을 하여 저항값을 조절할 수도 있다.
지금까지 설명한 것과 같은 구성을 가지는 전자 방출 소자(201)는 캐소오드 전극에 (-) 전압을 인가하고, 게이트 전극에 (+) 전압을 인가하여 상기 전자 방출원으로부터 전자가 방출되도록 할 수 있다.
한편, 지금까지 설명한 전자 방출 소자는 기시광선을 발생하여 화상을 구현하는 디스플레이 장치에 이용될 수 있다. 디스플레이 장치로 구성하기 위해서는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 제1 기판(110)과 나란하게 배치되는 제2 기판(90), 상기 제2 기판(90) 상에 설치되는 애노드 전극(80) 및 상기 애노드 전극(80) 에 설치된 형광체층(70)을 더 포함한다.
또한, 단순히 램프로서 가시광선을 발생시키는 것이 아니라 화상을 구현하기 위해서는 상기 캐소오드 전극(120) 및 상기 게이트 전극(140)이 서로 교차하도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 게이트 전극(140)들과 상기 캐소드 전극(120)들이 교차하는 영역들에는 전자 방출원 홀(131)들이 형성하여, 그 내부에 전자 방출원(250)을 배치한다.
상기 제1 기판(110)을 포함하는 전자 방출 소자(201)와 상기 제2 기판(90)을 포함하는 전면 패널(102)은 서로 소정의 간격을 유지하면서 대향되어 발광 공간을 형성하고, 상기 전자 방출 소자(201)와 전면 패널(102) 사이의 간격의 유지를 위해 스페이서(60)들이 배치된다. 상기 스페이서(60)는 절연물질로 만들어질 수 있다.
또한, 내부의 진공을 유지하기 위해 프리트(frit)로 전자 방출 소자(201)와 전면 패널(102)이 형성하는 공간의 둘레를 밀봉하고, 내부의 공기 등을 배기한다.
이러한 구성을 가지는 전자 방출 디스플레이 장치는 다음과 같이 동작한다.
전자 방출을 위해 캐소오드 전극(120)에 (-) 전압을 인가하고, 게이트 전극(140)에는 (+) 전압을 인가하여 캐소오드 전극(120)에 설치된 전자 방출원(250)으로부터 전자가 방출될 수 있게 한다. 또한, 애노드 전극(80)에 강한 (+)전압을 인가하여 애노드 전극(80) 방향으로 방출된 전자를 가속시킨다. 이와 같이 전압이 인가되면, 전자 방출원(250)을 구성하는 침상의 물질들로부터 전자가 방출되어 게이트 전극(140)을 향해 진행하다가 애노드 전극(80)을 향해 가속된다. 애노드 전 극(80)을 향하여 가속된 전자는 애노드 전극(80)측에 위치하는 형광체층(70)에 부딪히면서 가시광선을 발생시키게 된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예의 전자 방출 소자에서 사용된 저항층(125)에 의해 화소를 이루는 전자 방출원들에 인가되는 전압이 균일하게 되어 화소간의 휘도 균일도가 높아지고, 화상의 품위가 향상된다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법에 대해 설명한다. 이하에서 설명되는 제조 방법은 일 실시예일 뿐이고 반드시 아래의 방법으로 제조되어야 하는 것은 아니다.
먼저, 제1 기판(110), 캐소오드 전극(120), 절연체층(130) 및 게이트 전극(140)을 형성하는 소재를 순서대로 소정 두께로 적층한다. 적층은 스크린 프린팅과 같은 공정으로 수행하는 것이 바람직하다.
그 다음, 상기 게이트 전극(140)의 상면에 소정의 두께로 마스크 패턴(mask pattern)을 형성한다. 상기 마스크 패턴의 형성은 전자 방출원 홀을 형성하기 위한 것으로 포토레지스트(Photo Resist: PR)를 도포하고 UV나 이-빔(E-beam)을 이용하여 패턴을 형성하는 포토리소그래피 공정에 의해 수행된다.
그 다음, 상기 마스크 패턴을 이용하여 게이트 전극(140), 절연체층(130) 및 캐소오드 전극(120)을 식각하여 전자 방출원 홀을 형성한다. 식각 공정은 게이트 전극(140), 절연체층(130) 및 캐소오드 전극(120)의 재료, 두께 등에 따라 식각액을 이용하는 습식 식각이나, 부식성 가스를 이용하는 건식 식각 또는 이온 빔(ion beam) 등을 이용하는 마이크로 머시닝 방식에 의해 이루어질 수 있다.
그 다음, 카본 물질을 포함하는 카본 페이스트를 제조한다. 카본 페이스트는 저항층 형성용과 전자 방출원용을 별도로 제조한다. 저항층 형성용 카본 페이스트에는 카본 물질로 반도체 성질을 가지는 카본 나노 튜브를 혼합한다. 상기 전자 방출원용 카본 페이스트에는 통상의 반도체와 도체 카본 나노 튜브가 혼재하는 카본 나노 튜브 파우더를 혼합한다. 그리고, 상기 저항층 형성용 카본 페이스트를 상기 전자 방출원 홀에 도포한다. 그 다음 상기 저항층 형성용 카본 페이스트의 위에 전자 방출원용 카본 페이스트를 도포한다. 도포 공정은 스크린 프린팅에 의해 수행될 수 있다.
그 다음으로는, 상기 저항층 형성용 카본 페이스트 중 저항층을 형성할 부분과, 상기 전자 방출원용 카본 페이스트 중 전자 방출원을 형성할 부분을 각각 경화시키는 공정을 수행한다.
이 공정은 카본 페이스트에 감광성 수지가 포함된 경우와 그렇지 않은 경우가 각각 다르게 수행된다. 먼저, 감광성 수지가 포함된 경우에는 노광 공정을 이용한다. 예를 들어, 네가티브 감광성을 가지는 감광성 수지를 포함한 경우, 네가티브 감광성 수지는 빛을 받으면 경화하는 특성을 가지므로, 포토리소그래피 공정으로 포토레지스트를 도포한 후 빛을 선택적으로 조사하여 카본 페이스트 중 필요한 부분만을 경화시켜 저항층과 전자 방출원을 형성하는 것이 가능하다.
그 다음은, 노광 이후 현상하여 경화되지 않고 남아 있는 카본 페이스트와 포토레지스트를 제거하여 전자 방출 소자를 완성한다.
한편, 카본 페이스트에 감광성 수지를 포함하지 않는 경우에는 다음과 같은 방법으로 전자 방출원 및 저항층을 형성할 수 있다.
카본 페이스트가 감광성 수지를 포함하지 않는 경우에는, 별도의 포토레지스트 패턴을 이용한 포토리소그래피 공정이 필요하다. 즉, 포토레지스트 막을 이용하여 포토레지스트 패턴을 먼저 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 카본 페이스트를 인쇄로 공급한다.
전술한 바와 같이 인쇄된 카본 페이스트는 산소 가스 또는 1000 ppm 이하, 특히 10ppm 내지 500ppm의 산소가 존재하는 질소 가스 분위기 하에서 소성 단계를 거친다. 이러한 산소 가스 분위기하에서의 소성 단계를 통하여 카본 페이스트 중 카본 나노 튜브는 기판과의 접착력이 향상될 수 있고, 비이클은 휘발, 제거되고, 다른 무기 바인더 등이 용융 및 고형화되어 전자 방출원의 내구성 향상에 기여할 수 있게 된다.
상기 소성 온도는 카본 페이스트에 포함된 비이클의 휘발 온도 및 시간을 고려하여 결정되어야 한다. 통상적인 소성 온도는 350℃ 내지 500℃, 바람직하게는 450℃이다. 소성 온도가 350℃ 미만이면 비이클 등의 휘발이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 발생할 수 있고, 소성 온도가 500℃를 초과하면 제조비용이 상승하고, 기판이 손상될 수 있다는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
이와 같이 소성된 소성 결과물은 필요에 따라 활성화 단계를 거친다. 상기 활성화 단계의 일 구현예에 따르면, 열처리 공정을 통하여 필름 형태로 경화될 수 있는 용액, 예를 들면 폴리이미드계 고분자를 포함하는 전자 방출원 표면 처리제를 상기 소성 결과물 상에 도포한 후, 이를 열처리한 다음, 상기 열처리로 형성된 필 름을 박리한다. 활성화 단계의 다른 구현예에 따르면 소정의 구동원으로 구동되는 롤러 표면에 접착력을 갖는 접착부를 형성하여 상기 소성 결과물 표면에 소정의 압력으로 가압함으로써 활성화 공정을 수행할 수도 있다. 이러한 활성화 단계를 통하여 나노 사이즈를 갖는 무기물은 전자 방출원 표면으로 노출되거나 수직 배향되도록 제어될 수 있다.
한편, 상기 카본 페이스트에는 카본 나노 튜브 외에 카본 페이스트의 인쇄성 및 점도를 조절하기 위해 비이클을 더 포함한다. 상기 비이클은 수지 성분 및 용매 성분으로 이루어질 수 있다.
상기 수지 성분은 예를 들면, 에틸 셀룰로오스, 니트로셀룰로오스 등과 같은 셀룰로오스계 수지; 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 우레탄 아크릴레이트 등과 같은 아크릴계 수지; 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 에테르 등과 같은 비닐계 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전술한 바와 같은 상기 수지 성분 중 일부는 감광성 수지의 역할을 동시에 할 수 있다.
상기 용매 성분은 예를 들면, 터피네올(terpineol), 부틸 카르비톨(butyl carbitol:BC), 부틸 카르비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate:BCA), 톨루엔(toluene) 및 텍사놀(texanol) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 중, 터피네올을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 용매 성분의 함량이 지나치게 적거나 많은 경우에는 카본 페이스트의 인쇄성 및 흐름성이 저하되는 문제점이 생길 수 있다. 특히, 비이클의 함량 이 지나치게 많은 경우에는 건조시간이 지나치게 길어질 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 카본 페이스트는 필요에 따라 감광성 수지와 광개시제, 필러 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
한편, 앞서 언급한 감광성 수지의 비제한적인 예에는 아크릴레이트계 모노머, 벤조페논계 모노머, 아세토페논계 모노머, 또는 티오크산톤계 모노머 등이 있으며, 보다 구체적으로는 에폭시 아크릴레이트, 폴리에스테르 아크릴레이트, 2,4-디에틸옥산톤(2,4-diethyloxanthone), 또는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 등을 사용할 수 있다.
상기 광개시제는 상기 감광성 수지가 노광될 때 감광성 수지의 가교결합을 개시하는 역할을 한다. 상기 광개시제의 비제한적인 예에는 벤조페논 등이 있다.
상기 필러는 기판과 충분히 접착하지 못한 나노 사이즈를 갖는 무기물의 전도성을 보다 향상시키는 역할을 하는 물질로서 이의 비제한적인 예에는 Ag, Al, 등이 있다.
한편, 지금까지의 설명에서 카본 페이스트를 사용하여 전자 방출원과 저항층을 형성하는 방법만을 설명하였으나, 이러한 방법 외에 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 성장 방법을 이용하여 전자 방출원을 형성할 수도 있다. 다만, 반도체 카본 나노 튜브를 포함하는 저항층은 CVD 성장 방법으로 형성하기 곤란할 수 있으므로, 전자 방출원을 CVD 성장 방법으로 형성하는 경우에도 저항층의 경우에는 카본 페이스트를 만들고 이를 인쇄하는 방식으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 카본 페이스트를 만들고 이를 인쇄하는 방식으로 저항층과 전자 방출원 을 모두 제작하는 것이 공정을 간단하게 할 수 있다는 점에서 더 바람직하다.
본 발명에서 저항층의 주 재료로 사용되는 반도체 카본 나노 튜브를 얻는 방법은 다음과 같다.
먼저, 테트라메틸렌 술폰(TetraMethylene Sulfone: TMS)/글로로 포름(chloroform) 용액에 NO2SbF6와 NO2BF4를 첨가한다. 이 용액에는 나이트로늄 이온(NO2 +)이 존재하게 된다.
그 다음, 이 용액에 반도체와 도체가 혼재되어 있는 카본 나노 튜브 파우더를 넣는다. 카본 나노 튜브 파우더가 담긴 상태로 용액을 저어주거나 또는 초음파를 가한다. 이 과정에서 금속성 카본 나노 튜브가 파괴되어 도체 성질을 가지는 카본 나노 튜브는 소실되게 된다. 그 다음, 용액으로부터 필터에 걸러 반도체 성질을 가지는 카본 나노 튜브만을 얻을 수 있다.
이렇게 얻어진 반도체 카본 나노 튜브로 페이스트를 제조하고, 이와 별도로 반도체와 도체가 혼재된 통상의 카본 나노 튜브 페이스트를 제조한다.
도 5에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 방출 소자의 개략적인 구성을 보여주는 부분 단면도가 보시되어 있다.
도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 방출 소자는 앞서 설명한 제1 실시예의 전자 방출 소자의 구조에 제2 절연체층(135) 및 집속 전극(145)이 추가된 것이다.
상기 집속 전극(145)은 상기 제2 절연체층(135)에 의해 게이트 전극(140)과 전기적으로 절연되도록 설치된다. 또한, 캐소오드 전극(120)과 게이트 전극(140)에 의해 형성되는 전계에 의해 전자 방출원(250)에서 방출되는 전자들이 가능한 한 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같은 전면 패널(102)의 애노드 전극(80)을 향하여 직진하도록 하는 기능을 한다. 상기 집속 전극(145)의 소재는 캐소오드 전극(120) 및 게이트 전극과 마찬가지로 전기 전도성이 우수한 소재로 만들어진다. 이와 같이 집속 전극(145)을 더 구비하는 전자 방출 소자의 경우에도 본 발명의 반도체 성질을 가지는 카본 나노 튜브로 만들어진 저항층(125)이 형성되는 경우 전자 방출원에 인가되는 전압이 균일하게 인가될 수 있고, 이에 따라 전자 방출이 균일하게 일어날 수 있다. 또한, 이러한 전자 방출 소자를 채용한 디스플레이 장치에서 집속 전극에 의한 전자 집속 효과와 저항층에 의한 균일한 전압 인가 효과가 어우러져 화소간의 균일성이 더욱 확보될 수 있다. 한편, 제조 공정 중에 저항층용 카본 페이스트에 함유되는 반도체 카본 나노 튜브의 양을 조절하여 저항층의 저항값을 조절하는 것이 가능하다.
도 6에는 본 발명의 제3 실시예의 전자 방출 소자의 개략적인 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제3 실시예의 전자 방출 소자와 앞에서 설명한 제2 실시예의 전자 방출 소자가 다른 점은 저항층(225)이 전자 방출원(150)과 캐소오드 전극(120)의 사이에 위치하는 것이 아니라, 캐소오드 전극(120)의 상면과 전자 방출원(150)의 측면에 접하도록 위치한다는 점이다. 이와 같이 캐소오드 전극(120)의 상면과 전자 방출원(150)의 측면에 저항층(225)이 접하도록 형성되 는 경우에도 캐소오드 전극(120)에 인가되는 전압이 각각의 전자 방출원(150)에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 저항층(225)을 반도체 카본 나노 튜브를 포함하는 저항층용 카본 페이스트를 만들고 이를 인쇄하여 형성하는 것이 가능하고, 저항층용 카본 페이스트에 함유되는 반도체 카본 나노 튜브의 양을 조절하여 저항층(225)의 저항값을 조절하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면 전자 방출원에 인가되는 전압이 균일하게 분포됨으로써 전자 방출원에서의 전자 방출이 균일하게 일어나고, 이러한 전자 방출 소자를 채용한 디스플레이 장치에서 화소간의 균일도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 집속 전극을 추가하고 반도체 성질을 가지는 카본 나노 튜브를 이용하여 저항층을 형성함으로써 이러한 균일한 전자 방출 효과가 더욱 배가될 수 있다.
또한, 반도체 성질을 가지는 카본 나노 튜브로 저항층을 형성함으로써 저항층을 형성하는 공정을 기존의 전자 방출원을 형성하는 공정을 그대로 적용할 수 있어 공정이 매우 간단하게 이루어질 수 있다.
또한, 기존의 전자 방출원을 형성하는 공정과 함께 저항층을 형성하는 공정을 수행함으로써 공정을 크게 변화시키지 않으면서도 위와 같은 효과들을 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균 등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치된 캐소오드 전극 및 전자방출부;
    상기 캐소오드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극;
    상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 절연체층;
    상기 캐소오드 전극에 접하도록 배치되고, 반도체 카본 나노 튜브를 포함하는 저항층을 포함하는 전자 방출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항층은 103Ω㎝ 내지 105Ω㎝의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항층은 전자 방출원과 상기 캐소오드 전극 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항층은 전자 방출원의 측면에 접하도록 배치된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 전극의 상측을 덮는 제2 절연체층과,
    상기 제2 절연체층에 의해 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극은 서로 교차하는 방향으로 연장되어 배치된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  7. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치된 복수 개의 캐소오드 전극;
    상기 캐소오드 전극들과 교차하도록 배치된 복수 개의 게이트 전극;
    상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극들과 상기 게이트 전극들을 절연하는 절연체층;
    상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극이 교차하는 지점에 형성된 전자 방출원 홀;
    상기 전자 방출원 홀 내에 배치된 전자 방출원; 및
    상기 전자 방출원과 상기 캐소오드 전극에 모두 접하도록 설치되고, 반도체 카본 나노 튜브를 포함하는 저항층을 포함하고,
    상기 제1 기판과 실질적으로 평행하게 배치되는 제2 기판;
    상기 제2 기판에 배치된 애노드 전극; 및
    상기 애노드 전극에 배치된 형광체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 디스플레이 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 저항층은 103Ω㎝ 내지 105Ω㎝의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 전자 방출 디스플레이 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 저항층은 전자 방출원과 상기 캐소오드 전극 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 전자 방출 디스플레이 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 저항층은 전자 방출원의 측면에 접하도록 배치된 것을 특징으로 하는 전자 방출 디스플레이 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 게이트 전극의 상측을 덮는 제2 절연체층과,
    상기 제2 절연체층에 의해 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 디스플레이 장치.
  12. 기판, 캐소오드 전극, 절연체층 및 게이트 전극을 형성하는 소재를 순차적으로 형성하는 단계(a);
    상기 게이트 전극 소재의 상면에 소정의 두께로 포토 레지스트로 마스크 패턴을 형성하는 단계(b);
    상기 마스크 패턴을 이용하여 게이트 전극, 절연체층 및 캐소오드 전극을 부분 식각하여 전자 방출원 홀을 형성하는 단계(c);
    전자 방출윈 및 저항층에 사용될 카본 나노 튜브를 반도체 카본 나노 튜브와 도체 카본 나노 튜브로 분리하여 준비하는 단계(d);
    상기 단계(d)에서 분리된 반도체 카본 나노 튜브와 네가티브 감광성 물질을 포함한 저항층용 카본 페이스트를 상기 전자 방출원 홀에 도포하는 단계(e);
    도체 카본 나노 튜브와 네가티브 감광성 물질을 포함한 전자 방출용 카본 페이스트를 상기 저항층용 카본 페이스트 상에 도포하는 단계(f);
    도포된 카본 페이스트를 선택적으로 노광하여 경화시키는 단계(g); 및
    경화되지 않고 남아 있는 카본 페이스트와 포토레지스트를 제거하는 단계(h)를 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 단계(e), (f), (g)는, 순차적으로 수행되어,
    상기 단계(g)는 한번의 노광 공정으로 상기 저항층용 카본 페이스트 중 저항층을 형성할 부분과, 상기 전자 방출용 카본 페이스트 중 전자 방출원을 형성할 부분을 동시에 경화시키는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 단계(e), (f), (g)는,
    상기 단계(e)가 수행된 후 단계(g)가 수행되어 상기 저항층용 카본 페이스트 중 저항층을 형성할 부분이 선택적으로 경화되고,
    다시 상기 단계(f)가 수행된 후 단계(g)가 한 번 더 수행되어 상기 전자 방출용 카본 페이스트 중 전자 방출원을 형성할 부분을 선택적으로 경화시키는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 단계(d)는,
    나이트로늄 이온(NO2 +)이 포함된 용액에 카본 나노 튜브를 섞는 단계;
    카본 나노 튜브가 담긴 위의 용액에 초음파를 가하여 금속성 카본 나노 튜브를 파괴하는 단계; 및
    초음파 처리가 완료된 용액을 필터에 걸러 반도체 카본 나노 튜브를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    저항층용 카본 페이스트에 함유되는 반도체 카본 나노 튜브의 함량을 조절하여 저항층의 최종 저항값을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
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