KR100548257B1 - 전계 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출 에미터로 탄소 나노 튜브를 사용하는 언더게이트 구조에서 게이트 전극과 절연층의 절연을 강화하고, 전극들 간의 단락을 방지하기에 적합한 전계 방출 소자에 관한 것으로, 하부 기판 상에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극 상부에 형성되고, 단락 방지 및 절연을 위한 확산 방지막과, 상기 확산 방지막 상부에 순차적으로 형성된 절연층 및 일부 영역에 탄소 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극을 포함하여 구성함으로써, 게이트 전극간에 발생할 수 있는 단락 및 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 단락을 방지하고, 절연층과 게이트 전극의 절연을 강화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전계 방출 소자{FIELD EMISSION DEVICE}

도1은 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 3전극 전계 방출 소자의 하판 구조에 대한 일 예를 도시한 단면도.

도2는 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조를 도시한 평면도와 단면도.

도3은 본 발명 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조를 도시한 단면도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

20:유리기판 21:게이트 전극

22:절연층 23:캐소드 전극

24:탄소 나노 튜브 25:확산 방지막

본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히 전계 방출 에미터로 탄소 나노 튜브를 사용하는 언더게이트 구조에서 게이트 전극과 절연층의 절연을 강화하고, 전극들 간의 단락을 방지하기에 적합한 전계 방출 소자에 관한 것이다.

정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고, 요구되는 디스플레이 모습 또한 다양해 지고 있다. 그 예로 휴대형 정보기기와 같이 이동성이 강조되는 환경에서는 무게, 부피 및 소비전력이 작은 디스플레이가 요구되며, 대중을 위한 정보 전달매체로 사용되는 경우에는 시야각이 넓은 대화면의 디스플레이 특성이 요구된다.

또한, 이와 같은 요구를 만족시켜 나가기 위해 전자 디스플레이는 대형화, 저가격화, 고성능화, 고정세화, 박형화, 경량화 등의 조건이 필수적이어서, 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 기존의 CRT를 대체할 수 있는 가볍고 얇은 평판 디스플레이 장치의 개발이 절실히 필요하게 되었다.

이러한 다양한 표시 소자의 요구에 따라 최근에는 전계 방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.

상기 전계 방출 소자는 현재 개발 혹은 양산중인 평판 디스플레이들(LCD와 PDP, VFD등)의 단점을 모두 극복한 차세대 정보 통신용 평판 디스플레이로 주목을 받고 있다. 전계 방출 소자는 전극 구조가 간단하고, CRT와 같은 원리로 고속동작이 가능하며, 무한대의 칼라, 무한대의 그레이 스케일, 높은 휘도, 높은 비디오(video rate) 속도 등 디스플레이가 가져야 할 장점들을 고루 갖추고 있다.

전계 방출 소자는 진공 속의 금속 또는 도체 표면(에미터)상에 고전계가 인가될 때 전자들이 금속 또는 도체로부터 진공 밖으로 나오는 양자역학적 터널링 현 상을 이용한 것이다. 이 때 소자는 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의하여 전류-전압 특성을 나타내게 된다. 전계 방출 소자는 전자 방출 원인 에미터와 방출된 전자가 충돌하여 발광하는 애노드부, 상하판 사이를 지지하는 스페이서, 그리고 진공기밀을 유지하기 위한 실링부 등으로 구성되어 있다.

최근 들어 탄소 나노 튜브(CNT)가 기계적으로 강하고, 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서 전자방출 특성이 우수한 이유로 인해 이를 이용한 전계 방출 소자의 중요성이 인식되고 있다. 이와 같은 탄소 나노 튜브는 작은 직경(약 1.0∼수십[nm])을 갖기 때문에 종래의 마이크로팁형(spindt형) 전계 방출 팁에 비해 전계 강화 효과(field enhancement factor)가 상당히 우수하여 전자방출이 낮은 임계 전계(turn-on field, 약 1∼5[V/㎛])에서 이루어질 수 있게 되므로, 전력손실 및 생산단가를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도1은 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 3전극 전계 방출 소자의 하판 구조에 대한 일 예를 도시한 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 실리콘기판(11) 상부에 순차적으로 저항층(12), 절연층(14) 및 게이트 전극(15)을 형성하고, 사진식각을 통해 게이트 전극(15) 및 절연층(14) 일부를 식각하여 홀을 형성한 다음 증착(evaporation)을 통해 홀 바닥의 저항층(12) 상부에 촉매전이금속층(13)을 형성하고, 실리콘기판(11) 전체를 600∼900[℃] 정도의 온도범위로 가열하여 탄화수소(hydrocarbon) 가스를 이용한 열(thermal) 화학기상증착 방법 또는 플라즈마(plasma) 화학기상증착 방법을 통해 촉매전이금속층(13) 상부에만 선택적으로 탄소 나노 튜브(16)를 형성한다.

이때, 상기 탄소 나노튜브(16)는 촉매전이금속층(13) 상부에만 선택적으로 형성되므로, 촉매전이금속층(13)의 면적이 클수록 탄소 나노 튜브(16)의 면적도 커진다. 이와 같이 탄소 나노 튜브(16)의 면적이 커지게 되면, 게이트 전극(15)을 통하여 가해지는 전계가 집중되지 않아 방출전자의 빔이 퍼지게 될 뿐만 아니라 전자방출영역도 고르지 못하여 전계가 제일 강한 홀의 주변에서만 국부적으로 전자방출이 일어날 가능성이 높고, 비대칭적인 전계 분포에 의해 게이트 전극(15)으로의 누설전류가 많은 문제점을 안고 있다.

상기와 같은 문제점을 개선하기 위해서 게이트 전극의 위치를 캐소드 전극보다 낮은 위치에 형성한 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자의 구조가 제시되었다.

도2는 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트(under gate) 구조의 전계 방출 소자에서 하판 구조에 대한 일 예의 평면도와 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 유리기판(20) 상에 게이트 전극(21)과 캐소드 전극(23)이 절연층(22)을 사이에 두고 서로 직교하는 매트릭스 구조로 되어 있으며, 전자 방출을 일으키는 전기장을 탄소 나노 튜브(24)의 하부에 있는 게이트 전극(21)으로 인가하는 방식이다.

이러한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조의 제조 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유리기판(20) 상에 ITO(Indium-Tin-Oxide) 투명 전극을 120[nm] 정도의 두께로 증착하고, 사진식각방법을 이용하여 게이트 전극(21)을 형성한 후, 그 게이트 전극(21) 상부에 페이스트 형태의 유전체 분말을 스크린 프린팅법으로 코팅 하고, 약 580[℃]에서 소성하여 절연층(22)을 형성한다.

상기 절연층(22) 상부에 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr) 등의 전도성 금속을 소정의 두께로 증착한 후 사진식각방법을 이용하여 상기 게이트 전극(21)과 수직 교차시켜 캐소드 전극(23)을 형성하고, 그 캐소드 전극(23)의 가장 자리 위치에 탄소 나노 튜브(24)를 형성한다.

하지만, 상기 유전체 분말의 소성을 통해 형성된 절연층(22)에 핀홀(pinhole)이 발생하고, 캐소드 전극(23) 형성 시 상기 핀홀을 통해 게이트 전극(21)과 단락이 될 수 있는 문제가 있다.

또한, 게이트 전극(21)으로 사용하는 ITO 전극에 포함된 주석(Sn) 성분이 소성에 따라 ITO 전극 모재로부터 빠져 나와 게이트 전극의 저항이 급증하고, 유리기판(20) 구성분 중에서 Na+이 확산되어 게이트 전극간 단락을 발생시킬 수도 있는 문제가 있다.

상기와 같이 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자는 유전체 분말을 소성하여 형성된 절연층에 핀홀(pinhole)이 발생하고, 캐소드 전극 형성 시 상기 핀홀을 통해 절연층 하부에 기 형성된 게이트 전극과 단락이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 게이트 전극으로 사용하는 ITO 전극에 포함된 주석(Sn) 성분이 절연층의 소성에 따라 ITO 전극 모재로부터 빠져 나와 게이트 전극의 저항이 급증하고, 유리기판 구성분 중에서 Na⁺이 확산되어 게이트 전극간 단락이 발생할 수 있는 문제점이 있었다.

따라서, 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 언더게이트 구조의 전계방출소자에서 게이트 전극과 절연층 사이에 투과율이 높고, 절연성이 뛰어난 세라믹 재료를 사용하여 확산 방지막을 형성함으로써, 게이트 전극간에 발생할 수 있는 단락 및 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 단락을 방지하고, 절연층과 게이트 전극의 절연을 강화시킬 수 있는 전계 방출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하부 기판 상에 형성된 게이트 전극과; 상기 게이트 전극 상부에 형성되고, 단락 방지 및 절연을 위한 확산 방지막과; 상기 확산 방지막 상부에 순차적으로 형성된 절연층 및 일부 영역에 탄소 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 확산 방지막의 재료는 투과율이 높고, 절연성이 뛰어난 세라믹 재료인 것을 특징으로 한다.

상기 확산 방지막은 SiO₂ 또는 SiN_x로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명 전계 방출 소자에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.

도3은 본 발명 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 종래 언더게이트 구조를 갖는 전계 방출 소자의 하판 구조에서 게이트 전극과 절연층 사이에 확산 방지막이 첨가된 구조로서, 유리기판(20) 상에 형성된 게이트 전극(21)과, 상기 게이트 전극(21) 상부에 형성되고, 상기 게이트 전극(21)과 다른 전극(캐소드 전극)의 단락 방지 및 게이트 전극들 간의 단락 방지 그리고 절연을 위한 확산 방지막(25)과, 상기 확산 방지막(25) 상부에 형성된 절연층(22)과, 상기 절연층(22) 상부에 형성되고, 일부 영역에 탄소 나노 튜브(24)가 형성된 캐소드 전극(23)으로 구성한다.

상기 확산 방지막(25)은 SiO₂나 SiN_x 등의 투과율이 높고, 절연성이 뛰어나 세라믹 재료로 구성된다.

그럼, 이러한 구성을 갖는 본 발명에 대한 제조 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유리기판(20) 상에 ITO(Indium-Tin-Oxide) 투명 전극을 120[nm] 정도의 두께로 증착하고, 사진식각방법을 이용하여 게이트 전극(21)을 형성한다.

그 다음, 상기 게이트 전극(21) 상부에 SiO₂나 SiN_x 등의 세라믹 재료를 스퍼터링 방법이나 화학 기상 증착 방법 또는 침적(dipping)을 이용하여 확산 방지막(25)을 형성한다.

상기 확산 방지막(25) 상부에 페이스트 형태의 유전체 분말을 스크린 프린팅법으로 코팅하고, 약 580[℃]에서 소성하여 약 10[㎛]의 절연층(22)을 형성한다.

상기 절연층(22) 상부에 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr) 등의 전도성 금속을 300[nm] 정도의 두께로 증착한 후 사진식각방법을 이용하여 상기 게이트 전극(21)과 수직 교차시켜 캐소드 전극(23)을 형성하고, 그 캐소드 전극(23)의 가장 자리 위치에 탄소 나노 튜브(24)를 형성한다.

이때, 상기 캐소드 전극(23)의 가장 자리에 형성된 탄소 나노 튜브(24)는 페이스트 형태로 된 탄소 나노 튜브를 인쇄법으로 형성할 수도 있고, 리프트 오프(lift-off)법을 이용하여 정확히 섬(island) 형태로도 형성 가능하다.

이렇게 형성된 전계 방출 소자의 확산 방지막(25)은 상부에 형성된 유전체 분말을 소성할 때 게이트 전극(21) 모재에 포함된 주석(Sn) 성분의 이탈을 방지하여 게이트 전극(21)의 저항값이 커지는 것을 방지하고, 캐소드 전극(23) 형성 시 절연층(22)에 존재하는 핀홀을 통해 게이트 전극(21)과 단락되는 것을 방지할 수 있으며, 또한, 게이트 전극들 간의 단락을 방지할 수도 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 언더게이트 구조의 전계방출소자에서 게이트 전극과 절연층 사이에 투과율이 높고, 절연성이 뛰어난 세라믹 재료를 사용하여 확산 방지막을 형성함으로써, 게이트 전극간에 발생할 수 있는 단락 및 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 단락을 방지하고, 절연층과 게이트 전극의 절연을 강화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 하부 기판 상에 형성된 게이트 전극과; 상기 게이트 전극 상부에 형성되고, 단락 방지 및 절연을 위한 확산 방지막과; 상기 확산 방지막 상부에 순차적으로 형성된 절연층 및 일부 영역에 탄소 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 확산 방지막의 재료는 투과율이 높고, 절연성이 뛰어난 세라믹 재료인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 확산 방지막은 SiO₂ 또는 SiN_x로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.

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