KR20070056610A - 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과, 상기 캐소드 전극들 위에 위치하는 촉매 금속층과, 상기 촉매 금속층 위에 성장되는 전자 방출부와, 상기 전자 방출부를 둘러싸며 형성되어 상기 전자 방출부의 성장 경로 이탈을 방지하는 배리어 및 상기 캐소드 전극들과 절연되어 위치하는 게이트 전극들을 포함한다.

전자방출부, 캐소드전극, 촉매금속층, 배리어, 성장

Description

전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스 {ELECTRON EMISSION DEVICE AND ELECTRON EMISSION DISPLAY DEVICE USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 전자 방출 표시 디바이스의 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출부, 촉매 금속층 및 배리어를 나타낸 부분 절개 사시도이다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 제조 방법을 개략적으로 나타내기 위한 공정 단면도이다.

본 발명은 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매 금속층 위에 전자 방출부를 성장시키는 구조에 관한 것이다.

일반적으로 전자 방출 소자(electron emission element)는 전자원의 종류에 따라 열음극(hot cathode)을 이용하는 방식과 냉음극(cold cathode)을 이용하는 방 식으로 분류할 수 있다.

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 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 탄소과 같은 탄소계 물질을 사용하여 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한다.

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

최근의 FEA형 전자 방출 소자 분야에서는 저전압 조건에서도 전자를 양호하게 방출하는 탄소계 물질을 이용하여 전자 방출부를 형성하는 기술이 연구 개발되고 있다. 전자 방출부에 적합한 탄소계 물질로는 탄소 나노튜브, 흑연 및 다이아몬드상 탄소 등이 있으며, 특히 탄소 나노튜브는 끝단의 곡률 반경이 100Å 정도로 극히 미세하여 1 내지 10 V/㎛의 낮은 전계에서도 전자를 양호하게 방출함에 따라 이상적인 전자 방출 물질로 기대되고 있다.

상기 탄소계 물질을 이용한 전자 방출부의 제조 방법 중 하나로 직접 성장법이 있다. 직접 성장법에는 전기 방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법 및 열 화학기상증착법 등이 있으며, 이 방법들은 주로 촉매 금속층 위에 탄소계 물질을 성장시켜 전자 방출부를 얻는다.

그런데, 촉매 금속층 위에 탄소계 물질을 성장시키는 과정에서 팁의 불균일성으로 인하여 일부 탄소계 물질이 촉매 금속층 위로 곧게 성장하지 못하고 정해진 성장 경로를 이탈하는 문제가 발생한다. 이러한 탄소계 물질의 성장 이탈은 전자 방출부와 게이트 전극을 단락시키는 문제를 유발할 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자 방출부를 형성함에 있어서 전자 방출 물질의 성장 경로 이탈을 방지하는 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 기판과, 상기 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과, 상기 캐소드 전극들 위에 위치하는 촉매 금속층과, 상기 촉매 금속층 위에 성장되는 전자 방출부와, 상기 전자 방출부를 둘러싸며 형성되어 상기 전자 방출부의 성장 경로 이탈을 방지하는 배리어 및 상기 캐소드 전극들과 절연되어 위치하는 게이트 전극들을 포함한다.

또한, 상기 배리어는 상기 촉매 금속층 위 가장자리를 따라 형성될 수 있으며, 특히, 상기 배리어는 내부에 홀을 구비한 링 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 전자 방출부는 상기 배리어에 밀착 형성될 수 있다.

또한, 상기 전자 방출부는 상기 배리어보다 높게 형성될 수 있다.

또한, 상기 배리어는 10⁴ Ω㎝ 이상의 비저항값을 가질 수 있다.

또한, 상기 전자 방출부는 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드상 탄소 및 플레렌(C₆₀)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.

또한, 상기 전자 방출부는 전기 방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법 및 열 화학기상증착법 중 어느 하나의 방법으로 성장될 수 있다.

또한, 상기 촉매 금속층은 철, 니켈, 코발트 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 발광 및 표시 작용을 하는 전자 방출 표시 디바이스에 적용될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 상기 전자 방출 디바이스와, 상기 기판에 대향 배치되는 타측 기판과, 상기 타측 기판의 일면에 형성되는 형광층들 및 상기 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극을 포함할 수 있다.

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 전자 방출 표시 디바이스의 부분 단면도이며, 도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출부, 촉매 금속층 및 배리어를 나타낸 부분 절개 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 전자 방출 표시 디바이스는 소정의 간격을 두고 평행하게 대향 배치되는 제1 기판(10)과 제2 기판(12)을 포함한다. 제1 기판(10)과 제2 기판(12)의 가장자리에는 밀봉 부재(도시하지 않음)가 배치되어 두 기판을 접합시키며, 내부 공간이 대략 10^-6 torr의 진공도로 배기되어 제1 기판(10), 제2 기판(12) 및 밀봉 부재가 진공 용기를 구성한다.

상기 제1 기판(10) 중 제2 기판(12)과의 대향면에는 전자 방출 소자들이 어레이를 이루며 배치되어 제1 기판(10)과 함께 전자 방출 디바이스(100)를 구성하고, 전자 방출 디바이스(100)가 제2 기판(12) 및 제2 기판(12)에 제공된 발광 유닛(120)과 결합되어 전자 방출 표시 디바이스를 구성한다.

먼저, 제1 기판(10) 위에는 제1 구동 전극인 캐소드 전극들(14)이 제1 기판(10)의 일 방향(도 1에서 y축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극들(14)을 덮으면서 제1 기판(10) 전체에 제1 절연층(16)이 형성된다. 제1 절연층(16) 위에는 제2 구동 전극인 게이트 전극들(18)이 캐소드 전극(14)과 직교하는 방향(도 1에서 x축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.

본 발명의 실시예에서는 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18)의 교차 영역이 하나의 단위 화소(sub-pixel)를 이루며, 캐소드 전극(14) 위로 단위 화소마다 하나 이상의 촉매 금속층(20)이 형성된다. 이 촉매 금속층(20)은 철(Fe), 니켈(Ni), 코 발트(Co) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.

촉매 금속층(20) 위에는 전자 방출부(22)와 이 전자 방출부를 둘러싸는 배리어(24)가 형성된다. 이 배리어(24)는 촉매 금속층(22) 위에 전자 방출 물질이 성장하는 과정에서 일부가 성장 경로에서 이탈하는 것을 방지한다. 즉, 배리어(24)는 전자 방출부(22)가 직접 성장법에 의해 형성되는 경우, 전자 방출 물질의 성장 경로를 수직 방향(도 2에서 z축 방향)으로 유지시켜 준다. 이 제조 방법에 대해서는 후술하기로 한다.

배리어(24)는 도 3에 도시된 바와 같이, 촉매 금속층(20)의 가장자리 둘레를 따라 소정 높이(H₁)를 가지며 위치하여 내부에 홀(241)을 구비한 링 형상으로 형성될 수 있다. 도면에서는 배리어(24)가 촉매 금속층(20) 위에 형성되고, 원형의 링 형상으로 형성되었으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 배리어(24)는 캐소드 전극(14) 위에서 촉매 금속층(20)을 둘러싸며 형성될 수 있으며, 그 평면 형상도 다각형 등 다양하게 변형될 수 있다.

그리고, 배리어(24)는 10⁴ Ω㎝ 이상의 비저항값을 가져 저항층으로 기능할 수 있다.

전자 방출부(22)는 배리어(24)의 홀(241) 내부에 채워져 배리어(24)와 밀착 형성될 수 있으며, 그 높이(H₂)는 배리어(24)의 높이(H₁)보다 높게 형성되는 것이 전자 방출에 유리하다.

또한, 전자 방출부(22)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물 질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터 사이즈 물질로 이루어질 수 있다. 전자 방출부(22)는 일례로 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, 플러렌(C₆₀), 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질을 포함할 수 있다.

제1 절연층(16)과 게이트 전극(18)에는 각 전자 방출부(22)에 대응하는 개구부(161, 181)가 형성되어 제1 기판(10) 상에 전자 방출부(22)가 노출되도록 한다. 이때, 게이트 전극(18)의 개구부(181)는 제1 절연층(16)의 개구부(161)보다 작게 형성될 수 있다. 이는 게이트 전극(18)이 전자 방출부(22) 성장시 마스크 역할을 하도록하기 위함이다.

도면에서는 전자 방출부(22)와 개구부(161, 181)가 원형인 경우를 도시하였으나, 전자 방출부(22)와 개구부(161, 181)의 평면 형상은 도시한 예에 한정되지 않는다.

그리고 게이트 전극들(18)과 제1 절연층(16) 위로 집속 전극(26)이 형성된다. 집속 전극(26) 하부에는 제2 절연층(28)이 위치하여 게이트 전극들(18)과 집속 전극(26)을 절연시키며, 제2 절연층(28)과 집속 전극(26)에도 전자빔 통과를 위한 개구부(281, 261)가 마련된다. 이 개구부(281, 261)는 일례로 단위 화소마다 하나씩 형성되어 집속 전극(26)이 한 단위 화소에서 방출되는 전자들을 포괄적으로 집속하도록 한다.

다음으로, 제1 기판(10)에 대향하는 제2 기판(12)의 일면에는 형광층(30), 일례로 적색과 녹색 및 청색의 형광층들(30R, 30G, 30B)이 서로간 임의의 간격을 두고 형성되고, 각 형광층(30) 사이로 화면의 콘트라스트 향상을 위한 흑색층(32)이 형성된다. 형광층(30)은 제1 기판(10)에 설정되는 단위 화소에 한가지 색의 형광층이 대응하도록 배치될 수 있다.

그리고 형광층(30)과 흑색층(32) 위로 알루미늄(Al)과 같은 금속막으로 이루어진 애노드 전극(34)이 형성된다. 애노드 전극(34)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가받아 형광층(30)을 고전위 상태로 유지시키며, 형광층(30)에서 방사된 가시광 중 제1 기판(10)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(12) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높인다.

한편 애노드 전극은 ITO와 같은 투명 도전막으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 애노드 전극은 제2 기판(12)을 향한 형광층(30)과 흑색층(32)의 일면에 위치한다. 또한 애노드 전극으로서 전술한 투명 도전막과 금속막을 동시에 형성하는 구조도 가능하다.

그리고 제1 기판(10)과 제2 기판(12) 사이에는 진공 용기에 가해지는 압축력을 지지하고 두 기판의 간격을 일정하게 유지시키는 스페이서들(36)이 배치된다. 스페이서들(36)은 형광층(30)을 침범하지 않도록 흑색층(32)에 대응하여 위치한다.

전술한 구성의 전자 방출 표시 디바이스는 외부로부터 캐소드 전극들(14), 게이트 전극들(18), 집속 전극(26) 및 애노드 전극(34)에 소정의 전압을 공급하여 구동한다.

일례로 캐소드 전극들(14)과 게이트 전극들(18) 중 어느 한 전극들이 주사 구동 전압을 인가받아 주사 전극들로 기능하고, 다른 한 전극들이 데이터 구동 전압을 인가받아 데이터 전극들로 기능한다. 그리고 집속 전극(26)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(14)과 게이트 전극(18)의 전압 차가 임계치 이상인 단위 화소들에서 전자 방출부(22) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자들이 방출된다. 방출된 전자들은 집속 전극(26)의 개구부(261)를 통과하면서 전자빔 다발의 중심부로 집속되고, 애노드 전극(34)에 인가된 고전압에 이끌려 대응하는 단위 화소의 형광층(30)에 충돌함으로써 이를 발광시킨다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 제조 방법을 개략적으로 나타내기 위한 공정 단면도이다.

먼저, 도 4a을 참고하면, 기판(10) 위에 도전막을 형성하고 이를 패터닝하여 스트라이프 형상의 캐소드 전극들(14)을 형성하고, 캐소드 전극들(14) 위로 기판(10) 전체에 절연 물질을 화학기상증착 또는 스크린 인쇄하여 제1 절연층(16)을 형성한다. 그리고 제1 절연층(16) 위에 도전막을 형성하고 이를 패터닝하여 캐소드 전극들(14)과 교차하는 스트라이트 형상의 게이트 전극들(18)을 형성한다.

상기 게이트 전극들(18) 위로 기판(10) 전체에 절연 물질을 화학기상증착 또는 스크린 인쇄하여 제2 절연층(28)을 형성하고, 그 후 제2 절연층(28) 위에 집속 전극(26)을 형성한다. 그리고 집속 전극(26), 제2 절연층(28), 게이트 전극들(18) 및 제1 절연층(16)을 순차적으로 부분 식각하여 각각 개구부(261, 281, 181, 161)를 형성함으로써 캐소드 전극들(14)의 일부 표면을 노출시킨다.

다음으로, 도 4b를 참고하면, 캐소드 전극(14) 위로 촉매 금속을 열 증착이나 스퍼터링으로 코팅한 다음 이 코팅막을 패터닝하여 캐소드 전극들(14) 위 전자 방출부 형성 위치에 선택적으로 촉매 금속층(20)을 형성한다.

촉매 금속층(20)은 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 또는 이 세가지 금속의 합금으로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 4c를 참고하면, 촉매 금속층(20) 위에 저항성 물질을 형성한 후 이를 패터닝하여 내부에 홀(241)을 구비한 배리어(24)를 형성한다.

이어서 직접 성장법, 즉 전기 방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 열 화학기상증착법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 도 4d에 도시한 바와 같이, 촉매 금속층(20) 위에 탄소계 물질, 특히 탄소 나노튜브를 성장시켜 전자 방출부(22)를 형성한다. 직접 성장법을 이용해 합성할 수 있는 탄소계 물질로는 탄소 나노튜브 이외에 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드상 탄소, 플러렌(C₆₀) 등이 있다.

특히 본 실시예에서 유효하게 적용할 수 있는 직접 성장법에는 플라즈마 화학기상증착법과 열 화학기상증착법이 있다. 플라즈마 화학기상증착법은 전자 방출 디바이스의 기판으로 주로 사용되는 소다라임 글라스의 변형 온도인 550℃ 이하에서 탄소계 물질을 합성할 수 있는 장점이 있고, 열 화학기상증착법은 고순도 탄소 계 물질을 합성하기에 적합하고 미세 구조를 용이하게 제어할 수 있으며 장치가 간단하고 대량 합성에 유리한 장점이 있다.

상기 플라즈마 화학기상증착법과 열 화학기상증착법을 적용하는 경우, 촉매층 금속층(20) 위에 탄소계 물질을 합성하기 전, 암모니아 가스와 수소 가스 등을 이용해 촉매 금속층(20) 표면을 식각하여 촉매 금속층(20) 표면에 나노미터 크기의 미세한 촉매 금속 파티클을 형성한다. 이는 탄소계 물질이 이 미세한 촉매 금속 파티클 위에서 합성되기 때문이다.

상기 플라즈마 화학기상증착법은 양 전극에 인가되는 직류 또는 고주파 전원에 의해 챔버 또는 반응로 내에 글로우 방전을 발생시켜 촉매 금속층의 미세 금속 파티클로부터 탄소계 물질을 합성시키며, 반응 기체로서 C₂H₂, CH₄, C₂H₄, C₂H₆ 또는 CO 가스를 사용한다. 상기 열 화학기상증착법은 히팅 코일이 설치된 석영 반응관 내에 기판(10)을 설치하고, 석영 반응관 내에 반응 가스를 흘려주는 과정을 통해 촉매 금속층(20)의 미세 금속 파티클로부터 탄소계 물질을 합성시킨다.

이와 같이 직접 성장법을 이용해 촉매 금속층(20)으로부터 탄소계 물질을 성장하는 과정에서 배리어(24)는 탄소계 물질의 성장 경계를 설정하여 탄소계 물질이 수직 방향으로 곧게 성장하도록 한다.

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 범 위에 속하는 것은 당연하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 전자 방출부를 둘러싸는 배리어를 구비함으로써, 전자 방출 물질을 촉매 금속층 위에 성장시킬 때 일부 전자 방출 물질의 지정된 성장 경로 이탈을 방지하여 전자 방출부를 수직 방향으로 고르게 성장시킨다.

Claims (11)

1. 기판과;

   상기 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과;

   상기 캐소드 전극들 위에 위치하는 촉매 금속층과;

   상기 촉매 금속층 위에 성장되는 전자 방출부와;

   상기 전자 방출부를 둘러싸며 형성되어 상기 전자 방출부의 성장 경로 이탈을 방지하는 배리어; 및

   상기 캐소드 전극들과 절연되어 위치하는 게이트 전극들

   을 포함하는 전자 방출 디바이스.
2. 제1항에 있어서,

   상기 배리어가 상기 촉매 금속층 위 가장자리를 따라 형성되는 전자 방출 디바이스.
3. 제2항에 있어서,

   상기 배리어가 내부에 홀을 구비한 링 형상으로 형성되는 전자 방출 디바이스.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 상기 배리어에 밀착 형성되는 전자 방출 디바이스.
5. 제4항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 상기 배리어보다 높게 형성되는 전자 방출 디바이스.
6. 제1항에 있어서,

   상기 배리어가 10⁴ Ω㎝ 이상의 비저항값을 가지는 전자 방출 디바이스.
7. 제1항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드상 탄소 및 플레렌(C₆₀)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 물질을 포함하는 전자 방출 디바이스.
8. 제7항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 전기 방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법 및 열 화학기상증착법 중 어느 하나의 방법으로 성장되는 전자 방출 디바이스.
9. 제1항에 있어서,

   상기 촉매 금속층이 철, 니켈, 코발트 또는 이들의 합금으로 이루어지는 전 자 방출 디바이스.
10. 제1항에 있어서,

    상기 게이트 전극들 상부에서 게이트 전극들과 절연되어 위치하는 집속 전극을 더욱 포함하는 전자 방출 디바이스.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전자 방출 디바이스와;

    상기 기판에 대향 배치되는 타측 기판과;

    상기 타측 기판의 일면에 형성되는 형광층들; 및

    상기 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극

    을 포함하는 전자 방출 표시 디바이스.

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