KR20070039257A - 전자 방출 디바이스와 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 방출부 형성 공정을 개선한 전자 방출 디바이스의 제조 방법 및 이 방법에 의해 제작된 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자 방출 디바이스는, 기판 위에 캐소드 전극과 절연층 및 게이트 전극을 순차적으로 형성하고, 게이트 전극과 절연층에 캐소드 전극의 일부 표면이 노출되도록 하는 개구부를 형성하고, 기판에 제공된 구조물 표면 전체에 마스크층을 형성한 다음 이를 패터닝하여 전자 방출부 형성 위치에 개구부를 형성하고, 기판에 제공된 구조물 위 전체에 전자 방출 물질을 함유한 페이스트상 혼합물을 도포하고, 도포된 혼합물 가운데 상기 마스크층의 개구부에 채워진 부위를 제외하고 마스크층의 표면에 도포된 부위를 스퀴지로 밀어내고, 혼합물의 일부를 경화시킨 다음 경화되지 않은 혼합물을 제거하여 전자 방출부를 형성하는 단계들을 포함한다.

전자방출부, 마스크층, 스퀴지, 캐소드전극, 게이트전극, 절연층

Description

전자 방출 디바이스와 이의 제조 방법 {ELECTRON EMISSION DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 각 단계에서의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도이다.

본 발명은 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 방출부 형성 공정을 개선한 전자 방출 디바이스의 제조 방법 및 이 방법에 의해 제작된 전자 방출 디바이스에 관한 것이다.

일반적으로 전자 방출 소자(electron emission element)는 전자원의 종류에 따라 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식으로 분류된다.

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

이 중 FEA형 전자 방출 소자는 전자 방출부와 이 전자 방출부의 전자 방출을 제어하는 구동 전극으로서 하나의 캐소드 전극과 하나의 게이트 전극을 구비하며, 전자 방출부의 구성 물질로 일 함수(work function)가 낮거나 종횡비가 큰 물질, 일례로 탄소 나노튜브와 흑연 및 다이아몬드상 카본과 같은 탄소계 물질을 사용하여 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한다.

한편, 전자 방출 소자는 일 기판에 어레이를 이루며 형성되어 전자 방출 디바이스(electron emission device)를 구성하고, 전자 방출 디바이스는 형광층과 애노드 전극 등으로 이루어지는 발광 유닛이 구비된 다른 기판과 결합하여 전자 방출 표시 디바이스(electron emission display device)를 구성한다.

즉 통상의 전자 방출 디바이스는 전자 방출부와 더불어 주사 전극들과 데이터 전극들로 기능하는 복수의 구동 전극들을 구비하여 전자 방출부와 구동 전극들의 작용으로 화소별 전자 방출의 온/오프와 전자 방출량을 제어한다. 그리고 전자 방출 표시 디바이스는 전자 방출부에서 방출된 전자들로 형광층을 여기시켜 소정의 발광 또는 표시 작용을 이루게 된다.

전술한 FEA형 전자 방출 디바이스에 있어서, 전자 방출부를 형성하는 공정으로 전자 방출 물질을 캐소드 전극 위에 직접 성장시키는 방법과, 전자 방출 물질을 함유하는 페이스트상 혼합물을 캐소드 전극 위에 스크린 인쇄하는 방법이 알려져 있다.

직접 성장법은 고밀도의 전자 방출부를 형성할 수 있는 장점이 있지만, 고가의 장비를 이용한 고온 성장 공정이라는 공정상의 단점이 있다. 반면, 스크린 인쇄법은 직접 성장법에 비해 공정이 단순하고, 제조 비용이 낮으며, 대면적 디바이스 제작에 유리한 장점이 있다.

보다 구체적으로, 스크린 인쇄법은 전자 방출 물질과 감광성 물질을 함유하는 페이스트상 혼합물을 제작하고, 기판에 제공된 구조물 표면 전체에 마스크층을 형성한 다음 이를 패터닝하여 전자 방출부 형성 위치에 개구부를 형성하고, 기판 위 전체에 상기 혼합물을 스크린 인쇄하고, 노광을 통해 개구부에 채워진 혼합물을 선택적으로 경화시킨 다음 현상을 통해 경화되지 않은 혼합물을 제거하고, 마스크층을 박리하는 과정들로 이루어진다.

그런데 전술한 방법은 도포되는 혼합물 양에 비해 전자 방출부로 사용되는 혼합물 양이 매우 적기 때문에 재료 낭비가 심하고, 현상 공정 시 현상액 속에 부유하는 많은 양의 전자 방출 물질들로 인해 의도하지 않은 부위에 전자 방출 물질이 남아 이상 발광을 일으키는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 전자 방출 디바이스가 게이트 전극들 이외에 전자빔 집속을 위한 집속 전극 등을 구비하여 전자 방출부가 위치할 영역이 큰 종횡비의 개구부로 둘러싸이는 경우, 몇몇의 개구부에 혼합물이 채워지지 않는 에어 트랩(air trap)과 같은 미주입부가 발생할 수 있다. 그러면 미주입부가 발생한 곳에서 전자 방출부가 형성되지 않는 제조 불량이 일어나게 된다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적 은 페이스트상 혼합물을 이용하여 스크린 인쇄법으로 전자 방출부를 형성할 때, 재료 낭비를 줄이고, 의도하지 않은 부위에 전자 방출 물질이 남지 않도록 하며, 미주입부 발생을 억제할 수 있는 전자 방출 디바이스 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

기판 위에 캐소드 전극과 절연층 및 게이트 전극을 순차적으로 형성하고, 게이트 전극과 절연층에 캐소드 전극의 일부 표면이 노출되도록 하는 개구부를 형성하고, 기판에 제공된 구조물 표면 전체에 마스크층을 형성한 다음 이를 패터닝하여 전자 방출부 형성 위치에 개구부를 형성하고, 기판에 제공된 구조물 위 전체에 전자 방출 물질을 함유한 페이스트상 혼합물을 도포하고, 도포된 혼합물 가운데 상기 마스크층의 개구부에 채워진 부위를 제외하고 마스크층의 표면에 도포된 부위를 스퀴지로 밀어내고, 혼합물의 일부를 경화시킨 다음 경화되지 않은 혼합물을 제거하여 전자 방출부를 형성하는 단계들을 포함하는 전자 방출 디바이스의 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 전자 방출 디바이스를 제공한다.

상기 전자 방출부를 형성하는 단계는, 기판의 후면에 전자 방출부 형성위치에 대응하는 개구부를 갖는 노광 마스크를 배치하고, 기판의 후면을 통해 자외선을 조사하여 마스크층의 개구부에 주입된 혼합물의 아래 부분을 소정 두께로 경화시키고, 현상을 통해 경화되지 않은 혼합물을 제거하고, 경화된 혼합물을 건조 및 소성하는 과정을 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 각 제조 단계에서의 개략도이다.

먼저 도 1a를 참고하면, 기판(2) 위에 도전막을 형성하고 이를 패터닝하여 스트라이프 형상의 캐소드 전극들(4)을 형성하고, 캐소드 전극들(4) 위로 기판(2) 전체에 절연 물질을 증착 혹은 스크린 인쇄하여 제1 절연층(6)을 형성한다. 그리고 제1 절연층(6) 위로 도전막을 형성하고 이를 패터닝하여 캐소드 전극(4)과 직교하는 스트라이프 형상의 게이트 전극들(8)을 형성한다.

이어서 게이트 전극들(8) 위로 기판(2) 전체에 절연 물질을 증착 혹은 스크린 인쇄하여 제2 절연층(10)을 형성하고, 제2 절연층(10) 위에 도전 물질을 코팅하여 집속 전극(12)을 형성한다. 그리고 집속 전극(12)과 제2 절연층(10), 게이트 전극(8)과 제1 절연층(6)을 순차적으로 부분 식각하여 개구부(14)를 형성함으로써 전자 방출부가 위치할 캐소드 전극(4)의 일부 표면을 노출시킨다.

이때, 제2 절연층(10)과 집속 전극(12)은 선택적인 추가 사항이므로 제1 기판(2) 위에 캐소드 전극(4), 제1 절연층(6) 및 게이트 전극(8)만 형성하여도 무방하다.

다음으로 도 1b와 도 1c에 도시한 바와 같이, 기판(2)에 제공된 구조물 위 전체에 마스크층(16)을 형성하고, 이 마스크층(16)을 패터닝하여 전자 방출부 형성 위치에 개구부(16a)를 형성한다. 도포되는 마스크층(16)은 포토레지스트층으로 이 루어질 수 있으며, 노광과 현상 과정을 통해 용이하게 패터닝할 수 있다.

다음으로, 도 1d에 도시한 바와 같이 전자 방출 물질을 함유한 페이스트상 혼합물(18)을 기판(2) 위 전체에 스크린 인쇄하여 마스크층(16)의 개구부(16a)에 넘칠 정도로 주입한다. 이 혼합물(18)은 분말 형태의 전자 방출 물질에 비히클과 바인더 등의 유기물 및 감광성 물질을 혼합하여 인쇄에 적합한 점도를 갖도록 제작한다.

이때 전자 방출 물질은 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터 사이즈 물질로 이루어질 수 있다. 전자 방출 물질은 일례로 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C_60, 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질을 포함할 수 있다.

그리고 스퀴지(20)를 이용하여 마스크층(16) 표면에 일정 두께로 도포된 혼합물(18)을 밀어낸다. 그러면 몇몇의 마스크층(16) 개구부(16a)에 상기 혼합물(18)이 채워지지 않은 미주입부가 발생하더라도 상기 과정을 통해 미주입부에 혼합물(18)을 채울 수 있다. 또한, 스퀴지(20)로 밀어낸 혼합물(18)은 별도로 저장하여 추후 재사용한다.

다음으로, 도 1e와 도 1f에 도시한 바와 같이 마스크층(16)의 개구부(16a)에 채워진 혼합물(18)의 일부를 경화시켜 전자 방출부(22)를 형성한다.

이를 위해 기판(2)의 후면에 전자 방출부(22) 형성 위치에 대응하는 개구부(24a)를 갖는 노광 마스크(24)를 배치하고, 기판(2)의 후면을 통해 자외선을 조사 하여 마스크층(16)의 개구부(16a)에 주입된 혼합물(18)의 아래 부분을 소정 두께로 경화시킨 후, 현상을 통해 경화되지 않은 혼합물(18)을 제거하고, 경화된 혼합물(18)을 건조 및 소성하는 과정을 적용할 수 있다. 이때, 기판(2)은 투명 기판으로 준비하고, 캐소드 전극(4)은 ITO와 같은 투명 도전막으로 형성한다.

이와 같이 기판(2)의 후면을 통해 자외선을 조사하여 전자 방출부(22)를 형성하면, 전자 방출부(22)가 캐소드 전극(4)의 표면으로부터 경화되므로 캐소드 전극(4)과 전자 방출부(22)의 접착력을 우수하게 확보할 수 있다.

마지막으로 도 1g에 도시한 바와 같이, 기판(2) 상에 제공된 구조물 위 전체에 점착성 테이프(26)를 부착하고, 점착성 테이프(26)를 구조물로부터 떼어내는 표면 활성화 단계를 진행한다. 이 단계를 통해 전자 방출부(22)는 상부 표면층이 제거되어 전자 방출 물질들이 표면으로 노출됨과 아울러, 각각의 전자 방출 물질이 기판(2) 면에 대해 수직한 방향으로 정렬되어 그 뾰족한 끝단을 노출시킴에 따라 전자 방출 효율을 배가시킬 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 제조 방법에 따르면, 스퀴지(20)를 이용하여 마스크층(16) 위에 도포된 혼합물(18)을 밀어냄으로써 혼합물(18)이 주입되지 않은 마스크층(16) 개구부들(16a)에 상기 혼합물(18)을 용이하게 주입시킬 수 있는 동시에, 밀어낸 혼합물(18)을 재사용할 수 있어 재료비가 절감되는 장점이 예상된다.

이하, 도 2를 참고하여 전술한 방법을 통해 제작된 전자 방출 디바이스를 이용한 전자 방출 표시 디바이스의 구성에 대해 설명한다.

도면을 참고하면, 전자 방출 표시 디바이스는 소정의 간격을 두고 서로 평행 하게 대향 배치되는 제1 기판(2)과 제2 기판(28)을 포함한다. 제1 기판(2)과 제2 기판(28)의 가장자리에는 밀봉 부재(도시하지 않음)가 배치되어 두 기판을 접합시키며, 내부 공간이 대략 10^-6 torr의 진공도로 배기되어 제1 기판(2)과 제2 기판(28) 및 밀봉 부재가 진공 용기를 구성한다.

상기 제1 기판(2) 중 제2 기판(28)과의 대향면에는 전자 방출 소자들이 어레이를 이루며 배치되어 전자 방출 디바이스(100)를 구성하고, 전자 방출 디바이스(100)가 제2 기판(28) 및 제2 기판(28)에 제공된 발광 유닛(110)과 결합되어 전자 방출 표시 디바이스를 구성한다.

먼저, 제1 기판(2) 위에는 제1 전극인 캐소드 전극들(4)이 제1 기판(2)의 일방향(도면의 y축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극들(4)을 덮으면서 제1 기판(2) 전체에 제1 절연층(6)이 형성된다. 제1 절연층(6) 위에는 제2 전극인 게이트 전극들(8)이 캐소드 전극(4)과 직교하는 방향(도면의 x축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.

본 실시예에서 캐소드 전극(4)과 게이트 전극(8)의 교차 영역을 화소 영역으로 정의하면, 캐소드 전극(4) 위로 각 화소 영역마다 하나 이상의 전자 방출부(22)가 형성되고, 제1 절연층(6)과 게이트 전극(8)에는 각 전자 방출부(22)에 대응하는 개구부(6a,8a)가 형성되어 제1 기판(2) 상에 전자 방출부(22)가 노출되도록 한다.

전자 방출부(22)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터 사이즈 물질로 이루어질 수 있다. 전자 방출부 (22)는 일례로 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C_60, 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질을 포함할 수 있으며, 전술한 스크린 인쇄법으로 형성된다.

도면에서는 전자 방출부들(22)이 원형으로 형성되고, 각 화소 영역에서 캐소드 전극(4)의 길이 방향을 따라 일렬로 배열되는 구성을 도시하였다. 그러나 전자 방출부(22)의 평면 형상과 화소 영역당 개수 및 배열 형태 등은 도시한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다.

그리고 게이트 전극(8)과 제1 절연층(6) 위로 제3 전극인 집속 전극(12)이 형성될 수 있다. 집속 전극(12) 하부에는 제2 절연층(10)이 위치하여 게이트 전극(8)과 집속 전극(12)을 절연시키며, 제2 절연층(10)과 집속 전극(12)에도 전자빔 통과를 위한 개구부(10a,12a)가 마련된다. 도 2에서는 화소 영역마다 하나의 개구부(10a,12a)가 구비되어 집속 전극(12)이 한 화소 영역에서 방출되는 전자들을 포괄적으로 집속하는 구성을 도시하였다.

다음으로, 제1 기판(2)에 대향하는 제2 기판(4)의 일면에는 형광층(30), 일례로 적색과 녹색 및 청색의 형광층들(30R,30G,30B)이 임의의 간격을 두고 형성되고, 각 형광층(30) 사이로 화면의 콘트라스트 향상을 위한 흑색층(32)이 형성된다. 형광층(30)은 제1 기판(2)에 설정되는 화소 영역에 한가지 색의 형광층(30R,30G,30B)이 대응하도록 형성될 수 있다.

형광층(30)과 흑색층(32) 위로는 알루미늄과 같은 금속막으로 이루어진 애노 드 전극(34)이 형성된다. 애노드 전극(34)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가받으며, 형광층(30)에서 방사된 가시광 중 제1 기판(2)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(28) 측으로 반사시켜 휘도를 높이는 역할을 한다.

한편, 애노드 전극은 금속막이 아닌 ITO(indium tin oxide)와 같은 투명 도전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 애노드 전극은 제2 기판(28)을 향한 형광층(30)과 흑색층(32)의 일면에 위치하며, 소정의 패턴으로 구분되어 복수개로 형성될 수 있다. 또한 애노드 전극으로서 전술한 투명 도전막과 금속막이 형광층(30)과 흑색층(32)의 양면에 동시에 형성되는 구조도 가능하다.

상기 제1 기판(2)과 제2 기판(28) 사이에는 스페이서들(도시하지 않음)이 배치되어 진공 용기에 가해지는 압축력을 지지하고, 두 기판의 간격을 일정하게 유지시킨다. 스페이서들은 형광층(30)을 침범하지 않도록 흑색층(32)에 대응하여 위치한다.

상기 구성의 전자 방출 표시 디바이스는 외부로부터 캐소드 전극들(4), 게이트 전극들(8), 집속 전극(12) 및 애노드 전극(34)에 소정의 전압을 공급하여 구동한다.

일례로 캐소드 전극들(4)과 게이트 전극들(8) 중 어느 한 전극들이 주사 구동 전압을 인가받아 주사 전극들로 기능하고, 다른 한 전극들이 데이터 구동 전압을 인가받아 데이터 전극들로 기능한다. 그리고 집속 전극(12)은 전자빔 집속에 필요한 전압, 일례로 0V 또는 수 내지 수십 볼트의 음의 직류 전압을 인가받으며, 애노드 전극(34)은 전자빔 가속에 필요한 전압, 일례로 수백 내지 수천 볼트의 양의 직류 전압을 인가받는다.

그러면 캐소드 전극(4)과 게이트 전극(8)간 전압 차가 임계치 이상인 화소들에서 전자 방출부(22) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자들이 방출된다. 방출된 전자들은 집속 전극(12)의 개구부를 통과하면서 전자빔 다발의 중심부로 집속되며, 애노드 전극(34)에 인가된 고전압에 이끌려 대응하는 형광층(30)에 충돌함으로써 이를 발광시킨다.

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 디바이스는 전자 방출 물질을 포함하는 페이스트상 혼합물을 이용하여 스크린 인쇄법으로 전자 방출부를 형성할 때, 스퀴지를 이용하여 상기 혼합물을 기판 상 구조물 위에 고르게 펴줌으로써 전자 방출부가 각 형성 위치에 모두 형성될 수 있도록 한다. 또한, 스퀴지로 밀어낸 혼합물을 재사용할 수 있기 때문에 재료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 기판 위에 캐소드 전극과 절연층 및 게이트 전극을 순차적으로 형성하고;

   상기 게이트 전극과 절연층에 상기 캐소드 전극의 일부 표면이 노출되도록 하는 개구부를 형성하고;

   상기 기판에 제공된 구조물 표면 전체에 마스크층을 형성한 다음 이를 패터닝하여 전자 방출부 형성 위치에 개구부를 형성하고;

   상기 기판에 제공된 구조물 위 전체에 전자 방출 물질을 함유한 페이스트상 혼합물을 도포하고;

   상기 도포된 혼합물 가운데 상기 마스크층의 개구부에 채워진 부위를 제외하고 마스크층의 표면에 도포된 부위를 스퀴지로 밀어내고;

   상기 혼합물의 일부를 경화시킨 다음 경화되지 않은 혼합물을 제거하여 전자 방출부를 형성하는 단계들을 포함하는 전자 방출 디바이스의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 마스크층이 포토레지스트층으로 이루어지고, 노광과 현상을 통해 패터닝하여 상기 개구부를 형성하는 전자 방출 디바이스의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전자 방출 물질이 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C_60, 실리콘 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전자 방출 디바이스의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 혼합물이 비히클과 바인더 및 감광성 물질을 더욱 포함하는 전자 방출 디바이스의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 전자 방출부를 형성하는 단계가,

   상기 기판의 후면에 전자 방출부 형성위치에 대응하는 개구부를 갖는 노광 마스크를 배치하고,

   상기 기판의 후면을 통해 자외선을 조사하여 상기 마스크층의 개구부에 주입된 혼합물의 아래 부분을 소정 두께로 경화시키고,

   현상을 통해 경화되지 않은 혼합물을 제거하고,

   상기 경화된 혼합물을 건조 및 소성하는 과정을 포함하는 전자 방출 디바이스의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 기판을 투명 기판으로 형성하고, 상기 캐소드 전극들을 투명 도전막으 로 형성하는 전자 방출 디바이스의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 전자 방출부를 형성한 다음,

   상기 기판에 제공된 구조물 위 전체에 점착성 테이프를 부착하고;

   상기 점착성 테이프를 상기 구조물로부터 떼어내어 상기 전자 방출부의 표면을 활성화 과정을 더욱 포함하는 전자 방출 디바이스의 제조 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 마스크층을 형성하기 전, 상기 게이트 전극들 상부에 추가 절연층과 집속 전극을 형성하고, 집속 전극과 추가 절연층에 각자의 개구부를 형성하는 과정을 더욱 포함하는 전자 방출 디바이스의 제조 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 전자 방출 디바이스.

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