KR100943192B1 - 전계방출 표시소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 전계방출 표시소자는, 기판; 기판 위의 동일 평면 상에 형성되는 음극 전극 및 집속전극; 음극 전극 및 집속 전극의 일부를 노출시키면서 음극 전극 및 집속 전극 위에 형성되는 절연층; 음극 전극의 노출된 부분에 마련되는 전계방출원; 및 절연층 위에 형성되는 게이트 전극;을 구비한다.
Description
도 1은 종래 전계방출 표시소자의 단면을 도시한 도면이다.
도 2는 종래 다른 전계방출 표시소자의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 종래 또 다른 전계방출 표시소자의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 표시소자의 평면을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 A부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ'를 따라 본 단면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출 표시소자의 단면을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출 표시소자의 단면을 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 표시소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10a 내지 도 10d, 도 11a 및 11b는 컴퓨터 시뮬레이션 실험을 위한 본 발명에 따른 전계방출 표시소자의 구조를 도시한 도면들이다.
도 12a 및 도 12b, 도 13a 및 도 13b, 도 14a 및 도 14b, 도 15, 도 16은 본 발명에 따른 전계방출 표시소자들에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 실험결과들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110... 기판 112... 음극 전극(cathode)
113... 집속 전극(focus electrode) 114... 절연층
116... 게이트 전극(gate electrode) 120... 전계 방출원(field emitter)
130... 에미터 홀(emitter hole)
본 발명은 전계방출 표시소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 그 구조 및 제조공정이 간단하면서도 전자빔의 집속 효과를 높일 수 있는 전계방출 표시소자 및 그 제조방법에 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, 음극 전극(cathode) 위에 일정한 간격으로 배열된 전계방출원(field emitter)과 게이트 전극 사이에 강한 전기장을 형성함으로써 상기 전계방출원으로부터 전자를 방출시키고, 이 전자를 양극 전극(anode)의 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, 음극 전극으로부터 방출된 전자가 가속되어 양극 전극(anode)에 충돌하게 되면, 양극 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.
전계방출 표시소자의 일반적인 구조가 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 전계방출 표시소자는 하부에는 기판(10) 상에 형성되는 음극 전극(12)이 존재하고, 상부에는 전자 추출을 위한 전극으로서 절연층(14) 위에 형성되는 게이트 전극(16)이 존재하는 구조를 가진다. 그리고, 상기 음극 전극(12)의 일부를 노출시키는 홀 내부에는 전계방출원(19)이 존재한다.
그러나, 상기와 같은 구조의 전계방출 표시소자에서, 전자빔의 궤적이 제어되지 않으면 원하는 화소에서 원하는 색상을 정확하게 발현시킬 수 없게 된다. 따라서, 전계방출원(19)으로부터 방출된 전자가 형광체가 코팅된 양극 전극 상의 원 하는 화소에 정확하게 전달되도록 하는 전자빔 궤적 제어기술이 필요하게 된다.
전자빔의 궤적을 제어하는 기술은 크게 두 가지로 나뉠 수 있다.
첫째는, 전자빔 궤적 제어를 위한 전극을 음극 전극이 형성된 하부 기판과는 별도로 제작하여 하부 기판으로부터 일정 거리만큼 이격시켜 배치시키고, 이 전극에 전압을 인가함으로써 전자빔의 궤적을 제어하는 기술이다. 이 기술에서, 전자빔 궤적 제어를 위한 전극은 하부 기판과는 별도로 금속망을 이용하여 제작되기 때문에 리모트(remote)전극이라고 하기도 한다. 이 기술은 별도의 금속망만 설치하면 되므로 제작 공정상의 이점이 있으나, 실제 금속망을 하부 기판으로부터 일정한 거리만큼 이격시키는 공정, 이격 거리를 균일하게 제어하는 공정, 진공 상태에서 상,하부 기판과 금속망을 정렬시키는 공정 등에서 난점이 많이 존재하게 된다.
둘째는, 전자빔 궤적 제어를 위한 전극을 하부 기판 상에 함께 제작하는 기술이다. 이 기술은 전술한 기술에서의 난점을 해결할 수 있기 때문에 다양한 방법의 전극 구조 디자인이 시도되고 있다.
이 방법들을 보면 크게 두가지로 나뉠 수 있다. 첫째는, 도 2에 도시된 바와 같이 게이트 전극(26) 위에 제2 절연층(27)을 추가로 증착한 후, 그 위에 다시 전자빔 궤적 제어를 위한 집속 전극(focus electrode,28)을 형성하는 방법이다. 도 2에서 참조부호 20,22,24,29는 각각 기판, 음극 전극, 제1 절연층, 전계방출원을 나타낸다. 그러나, 이 방법은 제2 절연층(27) 및 집속 전극(28)의 추가적인 형성 공정, 홀 형성을 위한 최소 1회의 패터닝 공정이 필요하여 추가 비용이 발생하게 된다. 둘째는, 도 3에 도시된 바와 같이 전자빔 궤적 제어를 위한 집속 전극(38)을 게이트 전극(36)과 같은 평면에 형성하는 방법이다. 도 3에서 참조부호 30,32,34,39는 각각 기판, 음극 전극, 절연층, 전계방출원을 나타낸다. 이 방법은 추가의 막 형성이나 추가의 패터닝 공정이 필요하지 않다는 장점은 있으나 아직까지 이 방법을 이용하여 효과적인 전자빔의 집속 결과는 보고되지 않은 실정이다. 그 이유는 집속 전극의 전기장과 게이트 전극의 전기장이 상호 나쁜 영향을 미치기 때문인 것으로 해석된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 추가의 막 공정이나 패터닝 공정을 최소화하여 음극 전극과 집속 전극을 동일 평면 상에 형성함으로써 그 구조 및 제조공정이 간단하면서도 전자빔의 집속 효과를 높일 수 있는 전계방출 표시소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명에 따른 전계방출 표시소자는,
기판;
상기 기판 위의 동일 평면 상에 형성되는 음극 전극 및 집속전극;
상기 음극 전극 및 집속 전극의 일부를 노출시키면서 상기 음극 전극 및 집속 전극 위에 형성되는 절연층;
상기 음극 전극의 노출된 부분에 마련되는 전계방출원; 및
상기 절연층 위에 형성되는 게이트 전극;을 구비한다.
상기 음극 전극과 집속 전극은 동일한 물질로 이루어지고, 동시에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 음극 전극과 상기 집속 전극은 서로 교대로 다수 형성되며, 이때 상기 음극 전극들 및 집속 전극들은 스트라이프 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전계방출원은 상기 집속 전극과 마주보는 상기 음극 전극의 일측에 마련된다. 이때, 상기 전계방출원은 상기 음극 전극과 동일 평면 상에 마련될 수도 있으며, 상기 음극 전극의 일측 단부의 상면에 마련될 수도 있다.
상기 전계방출원은 카본나노튜브, 흑연나노입자, 나노 다이아몬드, 보론나이트라이드(BN), 비정질탄소(DLC), 산화세슘(CsO), 금(Au), 실리콘(Si), 백금(Pt), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 산화마그네슘(MgO)로 이루어진 그룹에서 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 게이트 전극은 상기 음극 전극 및 집속 전극과 교차하도록 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 게이트 전극에는 상기 전계방출원으로부터 전자를 추출시키기 위한 전자추출부가 상기 전계방출원을 중심으로 하여 비대칭으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전자추출부는 상기 게이트 전극의 일측면으로부터 측방향으로 돌출되어 형성될 수 있으며, 이때 상기 전자추출부는 상기 음극 전극의 상부에 위치하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 전계방출 표시소자의 제조방법은,
기판 상에 전극 물질을 코팅하는 단계;
상기 전극 물질을 패터닝하여 상기 기판 위의 동일 평면상에 음극 전극과 집속 전극을 형성하는 단계;
상기 집속 전극과 마주보는 상기 음극 전극의 일측에 전계방출원을 형성하는 단계;
상기 음극 전극, 집속 전극 및 전계방출원 위에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 위에 게이트 전극 물질을 코팅하고, 이를 패터닝하여 상기 음극 전극 및 집속 전극이 위치하는 상기 절연층 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및
상기 게이트 전극을 통하여 노출된 상기 절연층을 식각하여 상기 음극 전극, 집속 전극 및 전계방출원의 일부를 노출시키는 단계;를 포함한다.
상기 음극 전극 및 집속 전극은 동시에 형성되고, 동일한 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 음극 전극과 상기 집속 전극은 서로 교대로 다수 형성되며, 이때 상기 음극 전극들 및 집속 전극들은 스트라이프 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전계방출원은 상기 음극 전극과 동일 평면 상에 형성될 수도 있으며, 상기 음극 전극의 일측 단부의 상면에 형성될 수도 있다.
상기 게이트 전극은 상기 음극 전극 및 집속 전극과 교차하도록 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 게이트 전극에는 상기 전계방출원으로부터 전자를 추출시키기 위한 전자추출부가 상기 전계방출원을 중심으로 하여 비대칭으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전자추출부는 상기 게이트 전극의 일측면으로부터 측방향으로 돌출되어 형성될 수 있으며, 이때 상기 전자추출부는 상기 음극 전극의 상부에 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 다른 전계방출 표시소자의 제조방법은,
기판 상에 전극 물질을 코팅하는 단계;
상기 전극 물질을 패터닝하여 상기 기판의 동일 평면상에 음극 전극과 집속 전극을 형성하는 단계;
상기 음극 전극 및 집속 전극 위에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 위에 게이트 전극 물질을 코팅하고, 이를 패터닝하여 상기 음극 전극 및 집속 전극이 위치하는 상기 절연층 위에 게이트 전극을 형성하는 단계;
상기 게이트 전극을 통하여 노출된 상기 절연층을 식각하여 상기 음극 전극 및 집속 전극의 일부를 노출시키는 단계; 및
상기 집속 전극과 마주보는 상기 음극 전극의 노출된 부분에 전계방출원을 형성하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 게이트 전극에는 상기 전계방출원으로부터 전자를 추출시키기 위한 전자추출부가 상기 전계방출원을 중심으로 하여 비대칭으로 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 표시소자의 평면을 도시한 도면이다. 그리고, 도 5에는 도 4의 A부분이 확대되어 도시되어 있으며, 도 6에는 도 5의 Ⅵ-Ⅵ'선을 따라 본 단면이 도시되어 있다.
도 4, 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 표시소자는 기판(110)과, 상기 기판(110) 위의 동일 평면 상에 형성되는 음극 전극(cathode,112) 및 집속 전극(focus electrode,113)과, 상기 음극 전극(112) 및 집속 전극(113) 위에 형성되는 절연층(114)과, 전계방출원(field emitter,120)과, 상기 절연층(114) 위에 형성되는 게이트 전극(gate electrode,116)을 구비한다.
상기 기판(110)은 음극 전극(112)이 형성되는 하부 기판으로서, 주로 유리 기판이 사용된다. 상기 음극 전극(112)은 기판(110) 위에 스트라이프(stripe) 형태로 다수개 형성된다. 이러한 음극 전극(112)은 도전성이 있는 투명한 물질인 ITO(Indium Tin Oxide)나 크롬(Cr)과 같은 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 집속 전극(113)은 전계방출원(120)으로부터 방출되는 전자빔의 궤적을 제어하기 위한 전극으로서, 기판(110) 위의 음극 전극(112)과 동일 평면상에 형성된다. 상기 집속 전극(113)은 상기 음극 전극(112)과 동시에 형성되며, 상기 음극 전극(112)과 동일한 물질로 이루어진다. 그리고, 상기 집속 전극(113)은 상기 음극 전극(112)과 마찬가지로 스트라이프 형태로 다수개 형성된다. 이때, 상기 음극 전극들(112)과 집속 전극들(113)은 도 4에 도시된 바와 같이 서로 교대로 배치되도록 형성된다. 그리고, 상기 음극 전극들(112)과 집속 전극들(113)은 기판(110)의 서로 반대쪽에 형성된 패드(pad, 미도시)들에 각각 연결된다. 여기서, 상기 집속 전극들(113)은 공통 라인에 연결될 수도 있다. 이와 같은 집속 전극들(113)에 인가되는 전압을 변화시키게 되면, 전자빔의 궤적을 자유롭게 제어할 수 있게 된다.
상기 절연층(114)은 게이트 전극(116)과 음극 전극(112), 게이트 전극(116)과 집속 전극(113) 사이의 전기적 절연을 유지하기 위한 층이다. 상기 절연층(114)은 실리콘 산화물(SiO2) 등과 같은 절연물질로 이루어지며, 보통 5 ~ 10㎛ 정도의 두께로 형성된다. 그러나, 상기 절연층(114)은 그 형성방법이나 재질에 따라 다양한 두께로 형성할 수도 있다.
상기 절연층(114)에는 상기 음극 전극(112) 및 집속 전극(113)의 일부를 노출시키는 에미터 홀(emitter hole,130)이 형성되어 있다. 상기 에미터 홀(130)에 의하여 서로 마주보는 음극 전극(112)과 집속 전극(113)의 측면이 노출된다.
상기 전계방출원(120)은 음극 전극(112)의 노출된 부분, 즉 상기 집속 전극(113)과 마주보는 음극 전극(112)의 일측에 마련된다. 이때, 상기 전계방출원(120)은 상기 음극 전극(112)과 동일 평면상에 마련된다. 상기 전계방출원(120)은 평판 형태로 전자를 방출하는 물질로 이루어지며, 이러한 평판형 전자방출물질은 카본나노튜브(CNT; Carbon NanoTube), 흑연나노입자, 나노 다이아몬드, 보론나이트라이드(BN), 비정질탄소(DLC; Diamond Like Carbon), 산화세슘(CsO), 금(Au), 실리콘(Si), 백금(Pt), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 산화마그네슘(MgO)로 이루어진 그룹에서 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 한편, 도 7에 도시된 바와 같이 전계방출원(120')은 상기 집속 전극(113)과 마주보는 음극 전극(112)의 일측 단부의 상면에 형성될 수도 있으며, 도 8에 도시된 바와 같이 전계방출원(120")은 음극 전극(112)과 동일 평면 상에서 상기 절연층(114)의 측면으로부터 돌출되어 마 련될 수도 있다.
상기 게이트 전극(116)은 상기 절연층(114)의 상면에 다수개로 형성되며, 이때 상기 게이트 전극들(116)은 상기 음극 전극들(112) 및 집속 전극들(113)과 교차하도록 형성된다. 상기 게이트 전극(116)은 도전성이 있는 금속, 예컨대 크롬(Cr) 등으로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 게이트 전극(116)에는 상기 전계방출원(120)으로부터 전자를 추출시키기 위한 전자추출부(116a)가 형성되는데, 이때 상기 전자추출부(116a)는 상기 전계방출원(120)을 중심으로 하여 비대칭으로 형성된다. 도 5를 참조하면, 상기 전자추출부(116a)는 게이트 전극(116)의 일측면으로부터 측방향으로 돌출되게 형성되며, 이때 상기 전자추출부(116a)는 음극 전극(112)의 상부에 위치하는 것이 바람직하다. 이와 같은 전자추출부(116a)는 게이트 전극(116)에 다수개로 형성되고, 이에 따라 게이트 전극(116)은 빗 모양과 같은 형상을 가지게 된다.
다음으로, 상기와 같은 전계방출 표시소자의 작동과정을 설명하기로 한다.
먼저, 음극 전극(112)과 게이트 전극(116)에 전압을 인가한다. 여기서, 음극 전극(112)에는 상대적으로 마이너스 전압, 게이트 전극(116)에는 상대적으로 플러스 전압이 인가되면, 음극 전극(112) 상의 전계방출원(120)으로부터 전자가 방출되기 시작한다. 그리고, 이렇게 방출된 전자는 상부 기판에 형성된 양극 전극을 향하여 가속되어 양측 전극에 코팅된 형광체를 여기시킴으로써 빛을 발하게 된다. 이때, 전자빔은 전자 방출 지점으로부터 수직에 가깝게 위치한 형광체를 가격하게 되는데, 이는 전자빔이 전기장의 등전위선 간격이 가장 좁은 부위를 따라 움직이기 때문이다.
한편, 상기 전자빔의 탄착점은 집속 전극(113)의 전압을 변화시켜 줌에 따라 이동하게 된다. 즉, 상기 집속 전극(113)에 마이너스 전압이 인가되면, 집속 전압(113)의 전압이 전자를 밀어내게 되어 전자가 집속 전극(113)으로부터 멀어지는 방향으로 탄착점이 이동하게 된다. 따라서, 집속 전극(113)에 적절한 마이너스 값의 전압을 인가하면, 충분한 전류밀도를 가지면서도 전자빔의 탄착점이 전계방출원(120)으로부터 수직한 위치에 도달할 수 있게 된다. 또한, 게이트 전극(116)의 전자추출부(116a)가 절연층(114)을 사이에 두고 음극 전극(112)의 상부에만 존재하는 비대칭 구조이기 때문에 종래 대칭 구조의 게이트 전극에 비해 전자를 게이트 전극(116) 쪽으로 이동시키기가 용이하고, 이에 따라 전자빔의 탄착점을 전계방출원(120)으로부터 수직한 위치에 수월하게 도달시킬 수 있다.
그리고, 상기 집속 전극(113)에 플러스 전압이 인가되면, 집속 전극(113)은 제2의 게이트 전극의 역할을 할 수 있기 때문에 방출되는 전자의 양을 더욱 크게 할 수 있는 부수적인 잇점이 있다. 이 경우에는, 전자빔의 탄착점이 전계방출원(120)으로부터 수직한 위치에서 상당히 떨어진 위치에 도달하게 되나, 전자빔의 탄착점이 덜 중요하고 방출 전류량이 더욱 중요한 표시 소자에서는 우수한 특성을 얻을 수 있다.
이하에서는, 도 9a 내지 도 9d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 표시소자의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이 기판(110) 상에 음극 전극(112), 집속 전극(113) 및 전계방출원(120)을 형성한다. 상세하게는, 기판(110) 상에 음극 전극(112) 및 집속 전극(113)의 형성을 위한 전극 물질을 소정 두께로 코팅한다. 여기서, 상기 기판(110)으로는 일반적으로 유리기판이 사용되며, 상기 전극 물질은 도전성있는 투명한 물질인 ITO(Indium Tin Oxide)나 크롬(Cr)과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 이어서, 상기 전극 물질을 패터닝하여 다수의 음극 전극(112) 및 집속 전극(113)을 상기 기판(110) 위의 동일 평면 상에 형성한다. 따라서, 상기 음극 전극들(112) 및 집속 전극들(113)은 동시에 형성되고, 또한 동일 물질로 이루어지게 된다. 상기 음극 전극들(112) 및 집속 전극들(113)은 소정 형상, 예컨대 스트라이프 형상으로 형성될 수 있으며, 이때 상기 음극 전극들(112) 및 집속 전극들(113)은 서로 교대로 배치되도록 형성된다. 상기 패터닝은 일반적으로 포토레지스트의 도포, 노광 및 현상에 의한 식각 마스크의 형성과, 이 식각 마스크를 이용한 식각 공정을 통하여 수행될 수 있으나, 그 외의 다른 방법도 이용될 수 있다.
다음으로, 상기 집속 전극(113)과 마주보는 상기 음극 전극(112)의 일측면에 전계방출원(120)을 형성한다. 이때, 상기 전계방출원(120)은 상기 음극 전극(112)과 동일 평면 상에 형성된다. 한편, 상기 전계방출원(120)은 도 7에 도시된 바와 같이 음극 전극(112)의 일측 단부의 상면에 형성될 수도 있다. 상기 전계방출원(120)은 카본나노튜브, 흑연나노입자, 나노 다이아몬드, 보론나이트라이드(BN), 비정질탄소(DLC), 산화세슘(CsO), 금(Au), 실리콘(Si), 백금(Pt), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 산화마그네슘(MgO)로 이루어진 그룹에서 적어도 하나로 이 루어진 평판형 전자방출물질로 이루어질 수 있다. 상기 전계방출원(120)을 카본나노튜브를 이용하여 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)법으로 형성하는 경우에는 먼저 촉매층을 코팅하고 패터닝하는 방법이 사용된다. 이때, 상기 촉매층에는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 또는 이들의 합금, 그리고 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 등과 물질이 추가될 수도 있다.
이어서, 도 9b에 도시된 바와 같이 음극 전극(112), 집속 전극(113) 및 전계방출원(120)이 형성된 기판(110) 상에 절연층(114)을 형성한다. 상기 절연층(114)은 실리콘 산화물(SiO2) 등과 같은 절연물질로 이루어지며, 보통 5 ~ 10㎛ 정도의 두께로 형성된다. 그러나, 상기 절연층(114)은 그 형성방법이나 재질에 따라 다양한 두께로 형성할 수도 있다. 상기 절연층(114)을 후막 공정에 의해 형성하는 경우에는, 페이스트(paste) 상태의 절연물질을 스크린 프린팅법에 의해 소정 두께로 도포한 뒤 소정 온도에서 소성함으로써 상기 절연층(114)을 형성한다. 한편, 상기 절연층(114)을 박막 공정에 의해 형성하는 경우에는, 화학기상증착법에 의해 절연물질을 증착함으로써 상기 절연층(114)을 형성한다.
다음으로, 도 9c에 도시된 바와 같이 상기 절연층(114) 위에 게이트 전극(116)을 형성한다. 여기서, 상기 게이트 전극(116)은 상기 음극 전극들(112) 및 집속 전극들(113)과 교차하도록 상기 절연층(114) 위에 다수개로 형성된다. 상세하게는, 상기 게이트 전극(116)은 상기 절연층(114) 위에 도전성이 있는 금속, 예컨대 크롬(Cr) 등으로 이루어진 게이트 전극 물질을 스퍼터링(sputtering)에 의 해 소정 두께로 증착한 후, 이를 소정 형상으로 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 게이트 전극(114)은 상기 음극 전극(112) 및 집속 전극(113)이 위치하는 절연층(114)의 상면에 형성된다. 한편, 이 과정에서, 상기 게이트 전극(116)에는 전계방출원(120)으로부터 전자를 추출시키기 위한 전자추출부(116a)가 상기 전계방출원(120)을 중심으로 하여 비대칭으로 형성된다. 즉, 상기 전자추출부(116a)는 도 5에 도시된 바와 같이 게이트 전극(116)의 일측면으로부터 측방향으로 돌출되게 형성되며, 이때 상기 전자추출부(116a)는 음극 전극(112)의 상부에 위치하게 된다. 이와 같은 전자추출부(116a)는 게이트 전극(116)에 다수개로 형성되고, 이에 따라 게이트 전극(116)은 빗 모양과 같은 형상을 가지게 된다.
마지막으로, 도 9d에 도시된 바와 같이 상기 게이트 전극(116)을 통하여 노출된 상기 절연층(114)을 건식 또는 습식 식각하여 음극 전극(112), 집속 전극(113) 및 전계방출원(120)의 일부를 노출시키는 에미터 홀(emitter hole,130)을 형성한다. 이 경우, 상기 게이트 전극(116)이 식각 마크스로 이용된다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이 전계방출원(120")이 절연층(114)으로부터 돌출되어 형성된 전계방출 표시소자를 제조하는 경우에는, 상기 전계방출원(120")이 마지막에 형성될 수도 있다. 도 8에 도시된 전계방출 표시소자의 제조방법은 전술한 제조방법과 유사하므로, 그 차이점을 중심으로 설명하기로 한다. 먼저 기판(110) 상에 전극 물질을 코팅하고, 이를 패터닝하여 상기 기판(110)의 동일 평면 상에 음극 전극(112) 및 집속 전극(113)을 형성한다. 그리고, 상기 음극 전극(112) 및 집속 전극(113)이 형성된 기판(110) 상에 절연층(114)을 형성한다. 이어서, 상기 절연층(114) 위에 게이트 전극 물질을 코팅하고, 이를 패터닝하여 상기 음극 전극(112) 및 집속 전극(113)이 위치하는 절연층(114) 위에 게이트 전극(116)을 형성한다. 다음으로, 상기 게이트 전극(116)을 통하여 노출된 절연층(114)을 식각하여 상기 음극 전극(112) 및 집속 전극(113)의 일부를 노출시킨다. 마지막으로, 상기 집속 전극(113)과 마주보는 음극 전극(112)의 노출된 부분에 전계방출원(120")을 형성한다. 상기 전계방출원(120")을 카본나노튜브를 이용하여 화학기상증착법으로 형성하는 경우에는, 상기 음극 전극(112)의 노출된 부분에 카본나노튜브를 직접 성장시킴으로써 상기 전계방출원(120")을 형성할 수 있다. 한편, 상기와 같은 과정에서, 상기 게이트 전극(116)에는 전계방출원(120")으로부터 전자를 추출시키기 위한 전자추출부(116a)가 상기 전계방출원(120")을 중심으로 하여 비대칭으로 형성된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전계방출 표시소자에 대한 컴퓨터 시뮬레이션(simulation) 실험 결과를 설명하기로 한다.
도 10a 내지 도 10c는 본 실험에 사용된 전계방출 표시소자의 구조를 도시한 도면들이다. 도면들에서 참조부호 212a,212b,212c는 음극 전극, 참조부호 213a,213b,213c는 집속 전극, 참조부호 216a,216b,216c는 게이트 전극, 참조부호 220a,220b,220c는 전계방출원을 나타낸다. 그리고, 도 10a의 절연층(214a) 및 도 10c의 절연층(214c)은 5㎛의 높이를 가지고 있으며, 도 10b의 절연층(214b)은 8㎛의 높이를 가지고 있다.
도 12a 및 도 12b, 도 13a 및 도 13b, 도 14a 및 도 14b, 도 15, 도 16은 각 구조의 전계방출 표시소자에서 전자빔의 궤적을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 실험결과들이다. 도 12a 및 도 12b, 도 13a 및 도 13b, 도 14a 및 도 14b는 각각 도 10a, 도 10b, 도 10c 에 도시된 전계방출 표시소자들의 실험결과들로서, 상기 전계방출 표시소자들의 전자 방출 부분은 도 11a에 도시된 구조를 가지고 있다. 도 11a에서 참조부호 212,213,214,220은 각각 음극 전극, 집속 전극, 절연층, 전계방출원을 나타낸다. 그리고, 도 15, 도 16은 각각 도 10a, 도 10c에 도시된 전계방출 표시소자들의 실험결과들로서, 상기 전계방출 표시소자들의 전자 방출 부분은 도 11b에 도시된 구조를 가지고 있다. 도 11b에서 참조부호 312,313,314,320은 각각 음극 전극, 집속 전극, 절연층, 전계방출원을 나타낸다.
도 12a는 음극 전극(212a)에 -50V, 양극 전극에 50V, 집속 전극(213a)에 50V를 인가한 경우이고, 도 12b는 음극 전극(212a)에 -20V, 양극 전극에 70V, 집속 전극(213a)에 -60V를 인가한 경우인데, 집속 전극(213a)에 인가되는 전압의 변화에 따라 전자빔의 탄착점이 음극 전극(212a)의 수직 상부 지점으로 이동하는 것을 알 수 있다.
도 13a는 음극 전극(212b)에 -20V, 양극 전극에 70V, 집속 전극(213b)에 0V를 인가한 경우이고, 도 13b는 음극 전극(212b)에 -20V, 양극 전극에 70V, 집속 전극(213b)에 -20V를 인가한 경우인데, 집속 전극(213b)에 인가되는 전압의 변화에 따라 전자빔의 탄착점이 우측으로 이동하는 것을 알 수 있다.
도 14a는 음극 전극(212c)에 -20V, 양극 전극에 70V, 집속 전극(213c)에 -20V를 인가한 경우이고, 도 14b는 음극 전극(212c)에 -20V, 양극 전극에 70V, 집속 전극(213c)에 -30V를 인가한 경우인데, 집속 전극(213c)에 인가되는 전압이 -10V 정도 변화함에 따라 전자빔의 탄착점이 이동하는 것을 알 수 있다.
도 15는 음극 전극에 -20V, 양극 전극에 70V, 집속 전극에 -60V를 인가한 경우인데, 전자빔의 탄착점이 전자방출원의 수직 상부로 잘 정렬된 것을 알 수 있다.
도 16은 음극 전극에 -20V, 양극 전극에 50V, 집속 전극에 -30V을 인가한 경우(중간 그림 및 아래 그림)와 음극 전극에 -10V, 양극 전극에 50V, 집속 전극에 -30V를 인가한 경우(가장 위의 그림)인데, 전자빔의 탄착점이 서로 비슷한 위치에 정렬되는 것을 알 수 있다.
이상과 같은 실험 결과들을 종합해 보면, 본 발명에 따른 전계방출 표시소자에서는 집속 전극에 인가되는 전압을 적절히 조절함으로써 전자빔의 탄착점을 원하는 위치에 정렬시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 집속 전극에 인가되는 전압을 변화함으로써 전자빔의 궤적을 자유롭게 제어할 수 있다.
둘째, 음극 전극과 집속 전극을 상기 기판 위의 동일 평면 상에 형성함으로 써 구조를 간단하게 할 수 있다.
셋째, 막을 코팅하는 공정 및 광학 식각 공정 등이 기존 보다 줄어들어 제조공정을 단순화시킬 수 있다.
넷째, 집속 전극에 상대적으로 플러스의 전압을 인가하게 되면, 방출되는 전류의 양을 증가시킬 수 있다.
Claims (26)
- 기판;상기 기판 위의 동일 평면 상에 형성되는 이격되게 형성되는 음극 전극 및 집속전극;상기 집속 전극과 마주보는 음극 전극의 일측에 마련되는 전계방출원;상기 음극 전극, 집속 전극 및 전계방출원 위에 형성되는 것으로, 서로 마주보는 상기 음극전극과 집속전극의 일측 및 상기 전계방출원을 노출시키는 에미터홀이 형성된 절연층; 및상기 절연층 위에 형성되는 게이트 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 음극 전극 및 집속 전극은 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 음극 전극 및 집속 전극은 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 음극 전극과 상기 집속 전극은 서로 교대로 다수 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 음극 전극들 및 집속 전극들은 스트라이프 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 전계방출원은 상기 음극 전극과 동일 평면 상에 마련되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 전계방출원은 상기 음극 전극의 일측 단부의 상면에 마련되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 전계방출원은 카본나노튜브, 흑연나노입자, 나노 다이아몬드, 보론나이트라이드(BN), 비정질탄소(DLC), 산화세슘(CsO), 금(Au), 실리콘(Si), 백금(Pt), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 산화마그네슘(MgO)로 이루어진 그룹에서 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 게이트 전극은 상기 음극 전극 및 집속 전극과 교차하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 기판 상에 전극 물질을 코팅하는 단계;상기 전극 물질을 패터닝하여 상기 기판 위의 동일 평면상에 음극 전극과 집속 전극을 형성하는 단계;상기 집속 전극과 마주보는 상기 음극 전극의 일측에 전계방출원을 형성하는 단계;상기 음극 전극, 집속 전극 및 전계방출원 위에 절연층을 형성하는 단계;상기 절연층 위에 게이트 전극 물질을 코팅하고, 이를 패터닝하여 상기 절연층 위에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및상기 게이트 전극을 통하여 노출된 상기 절연층을 식각하여 서로 마주보는 상기 음극 전극과 집속 전극의 일측 및 상기 전계방출원을 노출시키는 에미터홀을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 음극 전극 및 집속 전극은 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방 출 표시소자의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 음극 전극 및 집속 전극은 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 음극 전극 및 집속 전극은 서로 교대로 다수 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
- 제 17 항에 있어서,상기 음극전극들 및 집속 전극들은 스트라이프 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 전계방출원은 상기 음극 전극과 동일 평면 상에 형성되는 것을 특징으로하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 전계방출원은 상기 음극 전극의 일측 단부의 상면에 형성되는 것을 특 징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 게이트 전극은 상기 음극 전극 및 집속 전극과 교차하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
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- 기판 상에 전극 물질을 코팅하는 단계;상기 전극 물질을 패터닝하여 상기 기판의 동일 평면상에 음극 전극과 집속 전극을 형성하는 단계;상기 음극 전극 및 집속 전극 위에 절연층을 형성하는 단계;상기 절연층 위에 게이트 전극 물질을 코팅하고, 이를 패터닝하여 상기 절연층 위에 게이트 전극을 형성하는 단계;상기 게이트 전극을 통하여 노출된 상기 절연층을 식각하여 서로 마주보는 상기 음극 전극과 집속 전극의 일측을 노출시키는 에미터홀을 형성하는 단계; 및상기 음극 전극의 노출된 일측에 전계방출원을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
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