JP2006049290A - 電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 集束電極を支持する絶縁層が高い縦横比の開口部を有するようにして、電子ビームの集束効率を高めて、高解像度の実現に有利な、電子放出素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明による電子放出素子は、互いに対向配置される第１基板及び第２基板、第１基板上に形成されるカソード電極、カソード電極に形成される電子放出部、第１絶縁層を間に置いて、カソード電極上に形成されるゲート電極、第２絶縁層を間に置いて、第１絶縁層及びゲート電極上に形成される集束電極を含む。この時、第１絶縁層、ゲート電極、第２絶縁層、及び集束電極は、電子放出部が第１基板上に露出されるようにする各々の開口部を形成する。そして、第１絶縁層に向かう第２絶縁層の一面で測定される開口部の大きさが、第２絶縁層に向かう第１絶縁層の一面で測定される開口部の大きさより小さく形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は電子放出素子に関し、より詳しくは、電子ビームの集束のために提供される集束電極及び集束電極を支持する絶縁層の構造を改善した、電子放出素子及びその製造方法に関する。

一般に、電子放出素子は、電子源の種類によって、熱陰極（hot cathode）を利用する方式と冷陰極（cold cathode）を利用する方式とに分類することができる。

ここで、冷陰極を利用する方式の電子放出素子としては、電界放出アレイ（field emitter array；ＦＥＡ）型、表面電導エミッション（surface-conduction emission；ＳＣＥ）型、金属−絶縁層−金属（metal-insulator-metal；ＭＩＭ）型、及び金属−絶縁層−半導体（metal-insulator-semiconductor；ＭＩＳ）型などが知られている。

前記電子放出素子は、その種類によって細部の構造が異なるが、基本的には、真空容器を構成する両基板のうちの第１基板上に電子放出部及び画素別の電子放出を制御する駆動電極を形成し、第２基板上に蛍光層及びアノード電極を形成して、所定の発光または表示動作行う。

このような電子放出素子において、電子ビームの経路を目的の方向に誘導して、表示特性を向上させようという努力が行われている。例えば、第１基板側から放出された電子が第２基板に向かって拡散して進む場合には、目的とする色の蛍光層を正確に発光させることができないばかりか、隣接する他の色の蛍光層を発光させるようになる。

したがって、電子ビームの制御のための手段の一つとして、集束電極が提案された。集束電極は、電子放出部を囲んで、第１基板の構造物の最上部に位置する。この時、集束電極の下部には、絶縁層が形成されて、駆動電極及び集束電極の間の通電を防止する。絶縁層及び集束電極には、電子放出部が基板上で露出されるようにする各々の開口部が形成されて、電子ビームの移動経路を提供する。

一方、電子放出素子を製造する工程において、前記絶縁層に開口部を形成する時には、主に湿式エッチングを行っている。ところが、湿式エッチングは、等方的にエッチングが進められるため、絶縁層を深くエッチングするほど開口部の幅が大きくなる問題点がある。つまり、湿式エッチングでは、高い縦横比の開口部を形成するのが難しい。ここで、縦横比は、開口部の幅に対する深さの比を意味する。

特に、公知のＦＥＡ型電子放出素子のように、一対の駆動電極の間に第１絶縁層が位置して、いずれか一つの駆動電極及び集束電極の間に第２絶縁層が位置する場合、湿式エッチングによって第２絶縁層及び第１絶縁層の開口部を順次に形成すると、第２絶縁層は第１絶縁層の開口部が完成するまで持続的にエッチングが行われるので、意図した開口部より大きな幅の開口部が形成されるようになる。つまり、第２絶縁層には、第１絶縁層の開口部より大きな幅の開口部が形成されるようになる。

その結果、従来の電子放出素子は、高集積化が難しくて、解像度を高めるのに限界があり、電子ビームの経路に対して集束電極が遠く位置して、電子ビームの集束効率が低下する問題点がある。さらに、電子放出部に対して集束電極の高さを高くするほど、電子ビームの集束効率が高まるが、前述のように第２絶縁層に大きな縦横比の開口部を形成するのが難しいという工程の特性上、電子ビームの集束効率を高めるのに限界がある。

したがって、本発明は、前記問題点を解消するためのものであって、本発明の目的は、集束電極を支持する絶縁層が高い縦横比の開口部を有するようにして、電子ビームの集束効率を高めて、高解像度の実現に有利な、電子放出素子及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、互いに対向配置される第１基板と第２基板、第１基板上に形成されるカソード電極、カソード電極に形成される電子放出部、第１絶縁層を間に置いて、カソード電極上に形成されるゲート電極、第２絶縁層を間に置いて、第１絶縁層及びゲート電極上に形成される集束電極を含み、第１絶縁層、ゲート電極、第２絶縁層、及び集束電極は、電子放出部が第１基板上に露出されるようにする各々の開口部を形成して、第１絶縁層に向かう第２絶縁層の一面で測定される開口部の大きさが、第２絶縁層に向かう第１絶縁層の一面で測定される開口部の大きさより小さく形成される、電子放出素子を提供する。

前記第１絶縁層に向かう第２絶縁層の一面で測定される開口部の大きさが、ゲート電極の開口部の大きさより小さく形成されるのが好ましい。

前記第１絶縁層の開口部及び第２絶縁層の開口部は、第１基板の厚さ方向に沿って幅が変化して、第２絶縁層の開口部の最小幅が、第１絶縁層の開口部の最大幅より小さく形成されるのが好ましい。

前記第２絶縁層の開口部の最大幅が前記第１絶縁層の開口部の最大幅より小さく形成され、前記第２絶縁層の開口部の最小幅が前記第１絶縁層の開口部の最小幅より小さく形成されるのが好ましい。また、第２絶縁層の開口部の最大幅が、ゲート電極の開口部の幅より小さいか同一に形成されるのが好ましい。

前記第２絶縁層及び集束電極の開口部は、第１絶縁層及びゲート電極の開口部と一対一に対応配置されるのが好ましい。

前記第２絶縁層は、第１絶縁層より小さいエッチング率を有して、第１絶縁層のエッチング率の１/３倍より小さいか同一なエッチング率を有するのが好ましい。

また、前記目的を達成するために、本発明は、基板上にカソード電極を形成する段階、カソード電極を覆いながら、基板全体に第１絶縁層を形成する段階、第１絶縁層上に開口部を有するゲート電極を形成する段階、第１絶縁層及びゲート電極上に第１絶縁層より小さいエッチング率を有する絶縁物質で第２絶縁層を形成する段階、第２絶縁層上に開口部を有する集束電極を形成する段階、集束電極及びゲート電極をマスクとして使用して、第２絶縁層及び第１絶縁層を湿式エッチングすることによって、第２絶縁層に開口部を形成すると同時に、第１絶縁層に第２絶縁層の開口部より大きいか同一な大きさの開口部を形成する段階、開口部内のカソード電極上に電子放出部を形成する段階を含む、電子放出素子の製造方法を提供する。

このように、本発明による電子放出素子は、第２絶縁層及び集束電極の開口部の形状によって、電子ビームの直進性を高め、電子ビームの集束効率を高めることができる。したがって、本発明の電子放出素子は、画面の色再現率を高めるなど、画面品質を向上させる効果があり、電子放出のための構造物を構成する各要素を固執的に配置することができて、高解像度の実現に有利な効果がある。

以下、添付した図面を参考にして、本発明の好ましい実施形態について、より詳細に説明する。

図１乃至図３を参考にすれば、電子放出素子は、所定の間隔をおいて互いに対向配置される第１基板２及び第２基板４を含む。前記基板のうちの第１基板２には、電子放出のための構造物が提供され、第２基板４には、電子によって可視光を放射して所定の発光または表示動作を行う構造物が提供される。

まず、第１基板２上には、カソード電極６が第１基板２の一方向（図面のｙ軸方向）に沿ってストライプパターンを形成し、カソード電極６を覆いながら第１基板２全体に第１絶縁層８が形成される。第１絶縁層８上には、ゲート電極１０がカソード電極６と直交する方向（図面のｘ軸方向）に沿ってストライプパターンを形成する。

カソード電極６及びゲート電極１０の交差領域がサブピクセル領域をなし、カソード電極６上に、各サブピクセル領域ごとに一つ以上の電子放出部１２が形成される。そして、第１絶縁層８及びゲート電極１０には、電子放出部１２に対応する各々の開口部８１、１０１が形成されて、第１基板２上に電子放出部１２が露出されるようにする。

前記電子放出部１２は、電界が加えられると電子を放出する物質、例えばカーボン系の物質またはナノメートルサイズの物質からなるのが好ましい。電子放出部１２に使用される物質としては、カーボンナノチューブ、グラファイト（graphite）、グラファイトナノファイバー、ダイヤモンド状カーボン、Ｃ_６０、シリコンナノワイヤー、及びこれらの組み合わせからなる物質が好ましく、その製造法としては、直接成長、スクリーン印刷、化学気相蒸着、またはスパッタリングなどが好ましい。

前記ゲート電極１０及び第１絶縁層８上に、第２絶縁層１４及び集束電極１６が形成される。第２絶縁層１４及び集束電極１６にも、第１基板２上に電子放出部１２が露出されるようにする各々の開口部１４１、１６１が形成されるが、集束電極１６は、各電子放出部１２から放出される電子ビームの経路を囲んで、ビームの集束効率を高めることができるように、各電子放出部１２に対応する開口部１６１を形成する。つまり、本実施形態において、第２絶縁層及び集束電極の開口部１４１、１６１は、第１絶縁層及びゲート電極の開口部８１、１０１と一対一に対応配置される構造である。

図面では、集束電極１６が第１基板２全体に形成されることを示したが、集束電極１６は、任意のパターンに区分されて複数が形成されることもできる。この場合にも、第２絶縁層１４及び集束電極１６には、前述と同一な開口部１４１、１６１が形成されて、第１基板２上に電子放出部１２が露出されるようにする。

ここで、本実施形態の電子放出素子は、第１絶縁層８に向かう第２絶縁層１４の一面で測定される開口部１４１の大きさが、第２絶縁層１４に向かう第１絶縁層８の一面で測定される開口部８１の大きさより小さく形成される構造である。特に、本実施形態において、第１絶縁層８に向かう第２絶縁層１４の一面で測定される開口部１４１の大きさが、ゲート電極１０の開口部１０１より小さく形成される。

これにより、カソード電極６及びゲート電極１０の間の電位差によって電子放出部１２の周囲に電界が形成されて、これから電子が放出される時に、第２絶縁層１４によって第２基板４に向かって進む電子ビームの通過部位が狭くなり、集束電極１６が電子ビームの移動経路と近接して、これを囲む構造になる。

前記第１絶縁層８の開口部８１及び第２絶縁層１４の開口部１４１は、湿式エッチング工程によって完成することができる。この場合、湿式エッチングの等方性エッチング特性により、二つの絶縁層８、１４の開口部８１、１４１は、第１基板２から遠くなるほどその幅が漸進的に大きくなる傾斜面を形成するようになる。

図３を参考にすれば、第２絶縁層の開口部１４１の最小幅（Ｗ１）が、第１絶縁層の開口部８１の最大幅（Ｗ４）より小さく形成される。また、第２絶縁層の開口部１４１の最大幅（Ｗ２）が、第１絶縁層の開口部８１の最大幅（Ｗ４）より小さく形成され、第２絶縁層の開口部１４１の最小幅（Ｗ１）が、第１絶縁層の開口部８１の最小幅（Ｗ３）より小さく形成され、第２絶縁層の開口部１４１の最大幅（Ｗ２）が、ゲート電極の開口部１０１の幅（Ｗ５）より小さいか同一に形成される。したがって、第２絶縁層１４の開口部１４１全体がゲート電極１０の開口部１０１より小さいか同一な幅を有する。

前記第１絶縁層８及び第２絶縁層１４は、任意のエッチング液に対して互いに異なるエッチング率を有する物質からなり、この場合、一度のエッチング工程によって前述した形状特性を満たす開口部８１、１４１を得ることができる。このために、第２絶縁層１４が第１絶縁層８より小さいエッチング率を有し、好ましくは、第２絶縁層１４のエッチング率は、第１絶縁層８のエッチング率の１/３倍以下である。第１絶縁層８及び第２絶縁層１４のエッチング率の差が大きいほど、第１絶縁層８の開口部８１と比べて第２絶縁層１４に、より大きさの小さい開口部１４１を形成することができる。

次に、第１基板２に対向する第２基板４の一面には、蛍光層１８、例えば赤色、緑色、及び青色の蛍光層が任意の間隔をおいて形成されて、蛍光層１８の間に画面のコントラストの向上のための黒色層２０が形成される。

蛍光層１８及び黒色層２０上には、アルミニウム（Al）のような金属膜からなるアノード電極２２が形成される。アノード電極２２は、外部から電子ビームの加速に必要な電圧の印加を受けて、蛍光層１８から放射された可視光のうちの第１基板２に向かって放射された可視光を第２基板４側に反射させて、画面の輝度を高める役割を果たす。

一方、アノード電極は、金属膜でないＩＴＯ（indium tin oxide）のような透明な導電膜からなることもできる。この場合、アノード電極は、第２基板に向かう側の蛍光層及び黒色層の一面に位置して、所定のパターンに区分されて複数を形成することができる。

前記第１基板２及び第２基板４は、その間にスペーサ２４を配置した状態で、ガラスフリットのような密封材により周囲が一体に接合されて、内部空間を排気して真空状態に維持することによって、電子放出素子を構成する。この時、スペーサ２４は、黒色層２０が位置する非発光領域に対応して配置される。

前記構成の電子放出素子は、外部からカソード電極６、ゲート電極１０、集束電極１６、及びアノード電極２２に所定の電圧を供給して駆動する。例えば、カソード電極６及びゲート電極１０には数乃至数十ボルトの電圧差を有する駆動電圧（走査信号電圧及びデータ信号電圧）が印加され、集束電極１６には数乃至数十ボルトの（−）電圧が印加され、アノード電極２２には数百乃至数千ボルトの（＋）電圧が印加される。

したがって、カソード電極６及びゲート電極１０の間の電圧差が臨界値以上であるサブピクセルで、電子放出部１２の周囲に電界が形成されて電子が放出され、放出された電子は、集束電極１６を通過しながら電子ビームの束の中心部に集束された後、アノード電極２２に印加された高電圧に引張られて対応する蛍光層１８に衝突することによって、これを発光させる。

前記駆動過程において、本実施形態の電子放出素子は、狭くなった第２絶縁層１４の開口部１４１によって電子放出部１２から放出された電子のうちの拡散して進む電子の一定の部分が、第２絶縁層１４によって遮断されて、ビームの直進性を高めることができる。また、第２絶縁層１４の開口部１４１を通過した電子は、電子ビームの経路上に近接して位置する集束電極１６によって強い集束力の印加を受けて、電子ビームの集束効率が高まる長所が予想される。

次に、図４Ａ乃至図４Ｅを参考にして、本発明の一実施形態による電子放出素子の製造方法について説明する。

まず、図４Ａに示したように、第１基板２上に第１基板２の一方向に沿ってカソード電極６を形成し、カソード電極６を覆いながら第１基板２全体に第１絶縁層８を形成する。第１絶縁層８は、スクリーン印刷、乾燥、及び焼成過程を数回繰り返して、ほぼ５〜３０μｍの厚さに形成することができる。

そして、第１絶縁層８上にカソード電極６と交差する方向に沿ってゲート電極１０を形成するが、カソード電極６及びゲート電極１０の交差領域、つまり画素領域ごとに、ゲート電極１０の内部に少なくとも一つの開口部１０１を共に形成する。

次に、図４Ｂに示したように、第１絶縁層８及びゲート電極１０上に、第２絶縁層１４を形成する。第２絶縁層１４も、スクリーン印刷、乾燥、及び焼成過程を数回繰り返して、ほぼ５〜３０μｍの厚さに形成することができる。そして、第２絶縁層１４上に導電物質をコーティングしてパターニングし、開口部１６１を有する集束電極１６を形成する。

前記第１絶縁層８及び第２絶縁層１４は、任意のエッチング液に対して互いに異なるエッチング率を有する物質からなり、好ましくは、第１絶縁層８のエッチング率の１/３倍以下のエッチング率を有する物質で第２絶縁層１４を形成する。

次に、図４Ｃ及び図４ｄに示したように、集束電極１６及びゲート電極１０をマスクとして使用して、１連の湿式エッチング工程によって第２絶縁層１４及び第１絶縁層８をエッチングする。

まず、図４Ｃに示したように、集束電極の開口部１６１によって露出された第２絶縁層１４の部位を湿式エッチングする。この過程で、湿式エッチングの等方性エッチング特性により、第２絶縁層１４の開口部１４１は任意の傾斜を有するようになる。

次に、図４Ｄに示したように、第２絶縁層１４の開口部１４１が第１絶縁層８に到達して第１絶縁層８の表面が露出されれば、第１絶縁層８がエッチングされて開口部８１が形成される。この過程で、前述した第１絶縁層８及び第２絶縁層１４のエッチング率の差によって、第１絶縁層８が第２絶縁層１４より多量にエッチングされて除去されて、第１絶縁層８の開口部８１が第２絶縁層１４の開口部１４１より大きな幅を有するようになる。

したがって、第２絶縁層１４及び集束電極１６には、第１絶縁層８の開口部８１より小さな開口部１４１、１６１が形成され、第２絶縁層の開口部１４１の最小幅をゲート電極の開口部１０１の幅より小さく形成することができる。前記第１絶縁層８及び第２絶縁層１６のエッチング率の差を大きくするほど、第１絶縁層の開口部８１及び第２絶縁層の開口部１４１の大きさの差を大きくすることができる。

次に、第１絶縁層の開口部８１によって露出されたカソード電極６上に、電子放出部を形成する。電子放出部を形成する過程は、一例として、図４Ｅに示したように、（１）粉末状の電子放出物質にビヒクルやバインダーなどの有機物及び感光性物質を混合して、印刷に適した粘度のペースト状の電子放出物質を形成し、（２）第１基板２の構造物の最上部に電子放出物質を任意の厚さでスクリーン印刷し（点線表示参考）、（３）第１基板２の後面に開口部２６１を有する露光マスク２６を配置し、（４）第１基板２の後面から紫外線を照射して電子放出物質を選択的に硬化し、（５）硬化されない電子放出物質を除去した後に、乾燥及び焼成する過程が行われる。

前記のように、第１基板２の後面から露光を進めれば、カソード電極６に対する電子放出部１２の接着力が高まって、精巧なパターニングが可能になる。この時、第１基板２は透明基板で形成し、カソード電極６はＩＴＯ（Indium Tin Oxide）のような透明導電膜で形成する。

このように、本実施形態の製造方法によると、第１絶縁層８の開口部８１及び第２絶縁層１４の開口部１４１を１度のエッチング工程で完成することができて、別途のパターニング工程を行わないでも、第２絶縁層１４の開口部１４１を第１絶縁層８の開口部８１より小さいか同一に形成することができ、製造工程を容易にすることができる。

前記では、ＦＥＡ型電子放出素子について説明したが、本発明はＦＥＡ型に限定されず、それ以外の他の電子放出素子にも容易に適用可能である。

また、前記では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であって、これも本発明の範囲に属するのは当然である。

本発明の実施形態による電子放出素子の部分分解斜視図である。 本発明の実施形態による電子放出素子の部分断面図である。 図２の部分拡大図である。 本発明の実施形態による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各段階での概略図である。 本発明の実施形態による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各段階での概略図である。 本発明の実施形態による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各段階での概略図である。 本発明の実施形態による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各段階での概略図である。 本発明の実施形態による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各段階での概略図である。

符号の説明

２ 第１基板
４ 第２基板
６ カソード電極
８ 第１絶縁層
１０ ゲート電極
１２ 電子放出部
１４ 第２絶縁層
１６ 集束電極
１８ 蛍光層
２０ 黒色層
２２ アノード電極
８１、１０１、１４１、１６１ 開口部

Claims (14)

1. 互いに対向配置される第１基板と第２基板；
   前記第１基板上に形成されるカソード電極；
   前記カソード電極に形成される電子放出部；
   第１絶縁層を間に置いて、前記カソード電極上に形成されるゲート電極；及び
   第２絶縁層を間に置いて、前記第１絶縁層及びゲート電極上に形成される集束電極；を含み、
   前記第１絶縁層、ゲート電極、第２絶縁層、及び集束電極は、前記電子放出部が第１基板上に露出されるようにする各々の開口部を形成して、
   前記第１絶縁層に向かう第２絶縁層の一面で測定される開口部の大きさが、前記第２絶縁層に向かう第１絶縁層の一面で測定される開口部の大きさより小さく形成される、電子放出素子。
2. 前記第１絶縁層に向かう第２絶縁層の一面で測定される開口部の大きさが、前記ゲート電極の開口部の大きさより小さく形成される、請求項１に記載の電子放出素子。
3. 前記第１絶縁層の開口部及び前記第２絶縁層の開口部は、前記第１基板の厚さ方向に沿って幅が変化して、前記第２絶縁層の開口部の最小幅が、前記第１絶縁層の開口部の最大幅より小さく形成される、請求項１に記載の電子放出素子。
4. 前記第２絶縁層の開口部の最大幅が前記第１絶縁層の開口部の最大幅より小さく形成され、前記第２絶縁層の開口部の最小幅が前記第１絶縁層の開口部の最小幅より小さく形成される、請求項３に記載の電子放出素子。
5. 前記第２絶縁層の開口部の最大幅が、前記ゲート電極の開口部の幅より小さいか同一に形成される、請求項３に記載の電子放出素子。
6. 前記第２絶縁層及び集束電極の開口部は、前記第１絶縁層及びゲート電極の開口部と一対一に対応配置される、請求項１に記載の電子放出素子。
7. 前記第２絶縁層は、前記第１絶縁層より小さいエッチング率を有する、請求項１に記載の電子放出素子。
8. 前記第２絶縁層は、前記第１絶縁層のエッチング率の１/３倍より小さいか同一なエッチング率を有する、請求項７に記載の電子放出素子。
9. 前記電子放出部は、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラファイトナノファイバー、ダイヤモンド状カーボン、Ｃ_６０、シリコンナノワイヤーのうちのいずれか一つ、またはこれらの組み合わせからなる、請求項１に記載の電子放出素子。
10. 前記第２基板上に形成される少なくとも一つのアノード電極、前記アノード電極のいずれか一面に形成される蛍光層をさらに含む、請求項１に記載の電子放出素子。
11. （ａ）基板上にカソード電極を形成する段階；
    （ｂ）前記カソード電極を覆いながら、前記基板全体に第１絶縁層を形成する段階；
    （ｃ）前記第１絶縁層上に開口部を有するゲート電極を形成する段階；
    （ｄ）前記第１絶縁層及びゲート電極上に第１絶縁層より小さいエッチング率を有する絶縁物質で第２絶縁層を形成する段階；
    （ｅ）前記第２絶縁層上に開口部を有する集束電極を形成する段階；
    （ｆ）前記集束電極及びゲート電極をマスクとして使用して、前記第２絶縁層及び第１絶縁層を湿式エッチングすることによって、第２絶縁層に開口部を形成すると同時に、第１絶縁層に第２絶縁層の開口部より大きいか同一な大きさの開口部を形成する段階；及び
    （ｇ）前記開口部内のカソード電極上に電子放出部を形成する段階；を含む、電子放出素子の製造方法。
12. 前記第２絶縁層を形成する時、前記第１絶縁層のエッチング率の１/３倍より小さいか同一なエッチング率を有する物質で形成する、請求項１１に記載の電子放出素子の製造方法。
13. 前記ゲート電極及び集束電極を形成する時、ゲート電極の開口部及び集束電極の開口部が一対一に対応配置されるように形成する、請求項１１に記載の電子放出素子の製造方法。
14. 前記電子放出部を形成する時、前記基板上の構造物上にペースト状の感光性電子放出物質を塗布して、露光により電子放出物質の一部を選択的に硬化して、硬化されない電子放出物質を除去した後に、乾燥及び焼成する過程を含む、請求項１１に記載の電子放出素子の製造方法。
    

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