KR100838069B1 - 전자 방출 소자, 이를 구비한 전자 방출형 백라이트 유닛및 그 제조 방법 - Google Patents

전자 방출 소자, 이를 구비한 전자 방출형 백라이트 유닛및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 균일한 전자 방출이 가능한 전자 방출 소자를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 전자 방출 소자를 구비하여 애노드 전극에 고전압을 인가할 수 있고 필요한 휘도를 확보할 수 있는 전자 방출형 백라이트 유닛을 제공하는 것이다. 또한, 제조 공정이 단순화된 새로운 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 배치된 제2 전극; 및 상기 제1전극 및 제2전극 중 하나 또는 각각에 전기적으로 연결되어 형성되고, 카바이드 유도 탄소가 포함된 전자 방출층을 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다. 또한, 이를 구비한 전자 방출형 백라이트 유닛과 이 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공한다.

Description

전자 방출 소자, 이를 구비한 전자 방출형 백라이트 유닛 및 그 제조 방법{Electron emission device, electron emission type backlight unit, and method of fabricating electron emission device}
도 1은 종래의 전자 방출형 백라이트 유닛의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 부분 절개 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 전자 방출 소자를 구비한 전자 방출형 백라이트 유닛의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시예1에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 보여주는 도면.
도 9 내지 도 16은 본 발명의 실시예2에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 보여주는 도면.
도 17 내지 도 22는 본 발명의 실시예3에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 110: 베이스 기판 20, 120: 제1 전극
30, 130: 제2 전극 40, 50, 150: 전자 방출층
60: 스페이서 70: 형광체층
80: 애노드 전극 90: 전면 기판
100, 200: 전자 방출형 백라이트 유닛
101, 201: 전자 방출 소자 102: 전면 패널
140: 저항층
본 발명은 전자 방출 소자(electron emission device), 이를 구비한 전자 방출형 백라이트 유닛 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 균일한 전자 방출이 가능한 전자 방출 소자, 이러한 전자 방출 소자를 구비한 전자 방출형 백라이트 유닛 및 이러한 전자 방출 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자 방출 소자는 전자 방출원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는, FED(Field Emission device)형, SCE(Surface Conduction Emitter)형, MIM(Metal Insulator Metal)형 및 MIS (Metal Insulator Semiconductor)형, BSE(Ballistic electron Surface Emitting)형 등이 알려져 있다.
상기 FED형은 일함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수가 높은 물질을 전자 방출원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주된 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁(tip)구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소계 물질 그리고 최근 나노 튜브(Nano Tube)나 나노와이어(Nano Wire)등의 나노 물질을 전자 방출원으로 적용한 소자가 개발되고 있다.
상기 SCE형은 베이스 기판 위에 서로 마주보며 배치된 제1전극과 제2전극 사이에 도전 박막을 제공하고 상기 도전 박막에 미세 균열을 제공함으로써 전자 방출원을 형성한 소자이다. 상기 소자는 상기 전극들에 전압을 인가하여 상기 도전 박막 표면으로 전류를 흘려 미세 균열인 전자 방출원으로부터 전자가 방출되는 원리를 이용한다.
상기 MIM형과 MIS형 전자 방출 소자는 각각 금속-유전층-금속(MIM)과 금속-유전층-반도체(MIS) 구조로 이루어진 전자 방출원을 형성하고, 유전층을 사이에 두고 위치하는 두 금속 또는 금속과 반도체 사이에 전압을 인가할 때 높은 전자 전위를 갖는 금속 또는 반도체로부터, 낮은 전자 전위를 갖는 금속 방향으로 전자가 이동 및 가속되면서 방출되는 원리를 이용한 소자이다.
상기 BSE형은 반도체의 사이즈를 반도체 중의 전자의 평균 자유 행정 보다 작은 치수 영역까지 축소하면 전자가 산란하지 않고 주행하는 원리를 이용하여, 오믹(Ohmic) 전극 상에 금속 또는 반도체로 이루어지는 전자 공급층을 형성하고, 전자 공급층 위에 절연체층과 금속 박막을 형성하여 오믹 전극과 금속 박막에 전원을 인가하는 것에 의하여 전자가 방출되도록 한 소자이다.
도 1에는 종래의 전자 방출 소자를 포함하는 전자 방출형 백라이트 유닛의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 전자 방출형 백라이트 유닛(100)은, 전자 방출 소자(101)와 전면 패널(102)을 구비한다. 상기 전면 패널은 전면 기판(90), 상기 전면 기판(90)의 하면에 형성된 애노드 전극(80), 상기 애노드 전극(80)상에 도포된 형광체층(70)을 구비한다.
상기 전자 방출 소자(101)는 상기 전면 기판(90)과 대향하여 평행하게 배치된 베이스 기판(10), 상기 베이스 기판(10)상에 스트라이프 형태로 형성된 제1 전극(20), 상기 제1 전극(20)과 평행하게 스트라이프 형태로 형성된 제2 전극(30), 상기 제1 전극(20)과 제2 전극(30)의 주위에 배치된 전자 방출층(40, 50)을 구비한다. 상기 제1 전극(20)과 상기 제2 전극(30)을 둘러싸는 전자 방출층(40, 50)들의 사이에는 전자 방출 갭(G)이 형성되어 있다.
상기 전면 패널(102)과 전자 방출 소자(101)의 사이에는 대기압보다 낮은 진공 공간(103)이 형성되며, 상기 전면 패널(102)과 전자 방출 소자(101)사이의 진공 상태에 의해 발생되는 압력을 지지하기 위해 상기 전면 패널(102)과 상기 전자 방출 소자(101)의 사이에는 소정 간격으로 스페이서(60)들이 배치된다.
이러한 구성을 가지는 종래의 전자 방출 소자에서는, 제1 전극(20)과 제2 전극(30) 사이에 형성되는 전계에 의해 상기 전자 방출층(40, 50)으로부터 전자가 방출된다. 제1 전극(20) 및 제2 전극(30) 중 음극으로 작용하는 전극 주위에 배치된 전자 방출층(40 또는 50)에서 전자가 방출된다. 방출된 전자는 초기에 양극으로 작용하는 전극을 향해 진행하다가 애노드 전극(80)의 강한 전계에 이끌려 형광체 층(70)을 향하여 가속되게 된다.
그런데, 종래에는 전자 방출층의 소재로 사용된 소재가 주로 탄소계 물질로 이루어지는 세장비(aspect ratio)가 큰 물질이어서 애노드 전극 측으로 불규칙하게 돌출된 전자 방출 물질이 다수 존재하였다. 이에 따라 전자 방출이 제1 전극(20)과 제2 전극(30) 사이에 형성된 전계에 의해 제어되지 않고, 전자 방출 물질로부터 음극으로 작용하는 전극과 애노드 전극(80) 사이에 형성되는 애노드 전계에 의해 전자가 방출되는 다이오드(diode) 방전이 일어나는 문제점이 발생하였다. 특히, 애노드 전극(80)에 가해지는 높은 전압에 의해 핫 스팟(hot spot)이나 아크가 발생하여 균일한 전자 방출이 이루어지기 어려웠다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 균일한 전자 방출이 가능한 전자 방출 소자를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 전자 방출 소자를 구비하여 애노드 전극에 고전압을 인가할 수 있고 필요한 휘도를 확보할 수 있는 전자 방출형 백라이트 유닛을 제공하는 것이다. 또한, 제조 공정이 단순화된 새로운 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은,
제1 전극;
상기 제1 전극에 대향하여 배치된 제2 전극; 및
상기 제1전극 및 제2전극 중 하나 또는 각각에 전기적으로 연결되어 형성되 고, 카바이드 유도 탄소가 포함된 전자 방출층을 포함하는 전자 방출 소자를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 카바이드 유도 탄소의 표면에 형성된 나노 포어의 평균 직경은 0.4nm 내지 5nm의 범위에 속할 수 있다.
여기서, 상기 전자 방출층과, 상기 전자 방출층과 전기적으로 연결된 제1 전극 또는 제2 전극의 사이에는 저항층이 개재될 수 있다.
여기서, 상기 저항층은 비정질 실리콘 또는 반도체 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전자 방출층은 제1 전극 또는 제2 전극의 상측에 소정 간격으로 불연속적으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 전자 방출층은 제1 전극 및 제2 전극의 상측에 소정 간격으로 불연속적으로 형성되고, 상기 제1 전극에 전자 방출층이 형성된 부분과 대향하는 제2 전극 상의 부분에는 전자 방출층이 형성되지 않으며, 상기 제1 전극에 전자 방출층이 형성되지 않은 부분과 대향하는 제2 전극 상의 부분에는 전자 방출층이 형성되어 두 전극 사이에서 전자 방출층이 형성된 부분이 서로 엇갈리도록 형성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항의 전자 방출 소자;
상기 전자 방출 소자의 전자 방출층에 대향하는 위치에 배치된 형광체층; 및
상기 형광체층을 향하여 전자 방출 소자에서 방출된 전자를 가속시키는 애노 드 전극을 포함하는 전자 방출형 백라이트 유닛을 제공함으로써 달성된다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 베이스 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계(a);
상기 제1 전극 및/또는 제2 전극 상에 저항층을 형성하는 단계(b); 및
상기 제1 전극 또는 제2 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출층을 형성하는 단계(c)를 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 단계(b)는,
상기 베이스 기판, 제1 전극 및 제2 전극을 덮도록 저항층을 형성할 소재를 적층하고, 저항층 소재를 패터닝하여 제1 전극 및/또는 제2 전극의 소정의 위치에만 저항층을 형성하도록 할 수 있다.
또는 여기서, 상기 단계(b)는,
저항층이 형성될 위치만 제외하고 상기 베이스 기판, 제1 전극 및 제2 전극을 덮도록 UV 블로킹 레이어를 형성하는 단계;
상기 UV 블로킹 레이어 및 저항층이 형성될 위치를 덮도록 저항층 형성용 조성물을 인쇄하는 단계;
노광 공정을 통해 저항층 형성용 조성물 중 저항층을 형성할 부분만 경화시키는 단계;
경화된 부분을 제외한 저항층 형성용 조성물을 제거하는 단계; 및
UV 블로킹 레이어를 제거하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 단계(c)는,
전자 방출층 형성용 조성물을 잉크젯 방식으로 전자 방출층이 형성될 위치에만 인쇄하여 전자 방출층을 형성할 수 있다.
또는 여기서, 상기 단계(c)는,
전자 방출층이 형성될 위치만 제외하고 상기 베이스 기판, 제1 전극 및 제2 전극을 덮도록 UV 블로킹 레이어를 형성하는 단계;
상기 UV 블로킹 레이어 및 전자 방출층이 형성될 위치를 덮도록 전자 방출층 형성용 조성물을 인쇄하는 단계;
노광 공정을 통해 전자 방출층 형성용 조성물 중 전자 방출층을 형성할 부분만 경화시키는 단계;
경화된 부분을 제외한 전자 방출층 형성용 조성물을 제거하는 단계; 및
UV 블로킹 레이어를 제거하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
또는 여기서, 상기 단계(b) 및 단계(c)는,
저항층 및 전자 방출층이 형성될 위치만 제외하고 상기 베이스 기판, 제1 전극 및 제2 전극을 덮도록 UV 블로킹 레이어를 형성하는 단계;
상기 UV 블로킹 레이어와, 저항층이 형성될 위치를 덮도록 저항층 형성용 조성물을 인쇄하는 단계;
상기 저항층 형성용 조성물의 상측에 전자 방출층 형성용 조성물을 인쇄하는 단계;
노광 공정을 통해 저항층 형성용 조성물 중 저항층을 형성할 부분과 전자 방출층 형성용 조성물 중 전자 방출층을 형성할 부분만 경화시키는 단계;
경화된 부분을 제외한 저항층 형성용 조성물 및 전자 방출층 형성용 조성물을 제거하는 단계; 및
UV 블로킹 레이어를 제거하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 전자 방출층은 카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출층 형성용 조성물을 사용하여 형성할 수 있다.
여기서, 상기 카바이드 유도 탄소의 표면에 형성된 나노 포어의 평균 직경은 0.4nm 내지 5nm의 범위에 속하는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2에는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 부분 절개 사시도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 전자 방출 소자(201)는 베이스 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130) 및 전자 방출층(150)을 포함한다.
상기 베이스 기판(110)은 소정의 두께를 가지는 판상의 부재로, 석영 유리, 소량의 Na과 같은 불순물을 함유한 유리, 판유리, SiO2가 코팅된 유리 기판, 산화 알루미늄 또는 세라믹 기판이 사용될 수 있다. 또한, 플랙서블 디스플레이 장치(flexible display apparatus)를 구현하는 경우에는 유연한 재질이 사용될 수도 있다.
상기 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)은 각각 복수 개가 교대로 서로 이격되 어 상기 베이스 기판(110) 상에 일 방향으로 연장되도록 배치되고, 통상의 전기 도전 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금으로 만들어질 수 있다. 또는, Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속, 또는 금속 산화물과 유리로 구성된 인쇄된 도전체로 만들어질 수 있다. 또는, ITO, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘(polysilicon) 등의 반도체 물질로 만들어 질 수 있다.
상기 전자 방출층(150)은 상기 제1 전극(120)과 전기적으로 연결되도록 형성되고, 전자 방출 물질로서 카바이드 유도 탄소를 포함하여 형성된다. 카바이드 유도 탄소는 0.2nm 내지 10nm의 나노 포어가 다수 형성되고 탄소로 이루어진 물질이다. 바람직하게는 상기 포어의 평균 직경은 0.4nm 내지 5nm이다. 이러한 카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출층(150)이 음극에 형성되고 이에 대향하는 위치에 양극이 위치하면 카바이드 유도 탄소로부터 양극을 향하여 전자가 방출될 수 있다. 이는 카바이드 유도 탄소 표면의 나노 사이즈의 포어가 전자 통로로 기능하기 때문으로, 이러한 현상은 나노 튜브와 같은 세장비가 큰 나노 물질에 전계가 형성될 때 전자가 방출되는 첨단 방전 현상과 유사한 현상이다. 카바이드 유도 탄소는 구조적으로는 카본 나노 튜브와 반대의 형상을 가지는 구조이지만, 전계가 형성되는 경우에 이로부터 전자가 방출되는 특성을 가지는 점은 카본 나노 튜브와 마찬가지이다. 카바이드 유도 탄소를 만드는 방법 및 이를 전자 방출층으로 형성하는 공정에 대해서는 이후에 제조 방법을 설명하면서 보다 상세히 설명한다.
한편, 상기 전자 방출층(150)과 상기 제1 전극(120)의 사이에는 저항층(140)이 더 형성될 수 있다. 상기 저항층(140)은 전자 방출층(150)의 전체 영역에 보다 균일한 전압이 인가될 수 있도록 전체 전압 수준을 낮추는 기능을 하는 것으로, 비정질 실리콘이나 반도체 카본 나노 튜브 등으로 만들어질 수 있다.
한편, 도 2에서는 본 발명에 따른 전자 방출 소자(201)의 구성을 설명하면서 제1 전극(120)의 상측에서 소정의 간격을 두고 전자 방출층이 형성된 경우만을 도시하였으나, 제1 전극(120) 전체에 전자 방출층이 형성되는 경우도 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 전자 방출층이 제1 전극(120)에만 형성된 것을 도시하였으나, 제1 전극(120)과 대향하는 제2 전극(130)에도 전자 방출층이 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 전극(120)의 전자 방출층이 형성된 부분에 직접 대향하는 제2 전극(130) 상에는 전자 방출층이 형성되지 않고, 제1 전극(120)의 전자 방출층이 형성되지 않은 부분에 직접 대향하는 제2 전극(130) 상에 전자 방출층이 형성될 수 있다. 이와 같이 구성하는 경우에는 제1 전극(120)과 제2 전극(130)을 서로 역할을 교대하여 구동할 수 있어 전자 방출 소자의 수명을 두 배 이상 증대시킬 수 있게 된다.
도 3에는 도 2에 도시된 전자 방출 소자를 포함하는 전자 방출형 백라이트 유닛의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 전자 방출형 백라이트 유닛(200)는, 도 2에 도시된 전자 방출 소자(201)와 상기 전자 방출 소자(201)의 전방에 배치된 전면 패널(102)을 포함한다.
상기 전자 방출 소자(201)에 대해서는 도 2를 참조하여 설명하였으므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.
상기 전면 패널(102)은 가시광선을 투과할 수 있는 전면 기판(90), 상기 전면 기판(90)에 배치되고 상기 전자 방출 소자(201)에서 방출된 전자에 의해 여기되어 가시광선을 발생시키는 형광체층(70) 및 상기 형광체층을 향하여 상기 전자 방출 소자(201)에서 방출된 전자를 가속시키는 애노드 전극(80)을 포함한다.
상기 전면 기판(90)은 앞서 설명한 베이스 기판(110)과 동일한 재질로 만들어질 수 있고, 가시광선을 투과하는 성질을 가지는 것이 바람직하다.
상기 애노드 전극(80)은 앞서 설명한 제1 전극(120)이나 제2 전극(130)과 동일한 재질로 만들어질 수 있다.
상기 형광체층(70)은 가속된 전자에 의해 여기되어 가시광선을 방생시키는 CL(Cathode Luminescence)형 형광체로 만들어진다. 상기 형광체층(70)에 사용될 수 있는 형광체로는 예를 들어, SrTiO3:Pr, Y2O3:Eu, Y2O3S:Eu 등을 포함하는 적색광용 형광체나, Zn(Ga, Al)2O4:Mn, Y3(Al, Ga)5O12:Tb, Y2SiO5:Tb, ZnS:Cu,Al 등을 포함하는 녹색광용 형광체나, Y2SiO5:Ce, ZnGa2O4, ZnS:Ag,Cl 등을 포함하는 청색광용 형광체가 있다. 물론 여기에 언급한 형광체들로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 전자 방출형 백라이트 유닛(200)이 정상적으로 작동하기 위해서는 상기 형광체층(70)과 상기 전자 방출 소자(201) 사이의 공간은 진공으로 유지되어야 한다. 이를 위해 상기 형광체층(70)과 상기 전자 방출 소자(201)의 사이 간격을 유지하는 스페이서(60)와 진공 공간을 밀봉하는 글라스 프리트(glass frit)(미도시)가 더 사용될 수 있다. 상기 글라스 프리트는 위 진공 공간의 주위에 배치되어 진공 공간을 밀봉하는 기능을 한다.
이상과 같은 구조를 가지는 전자 방출형 백라이트 유닛(200)은 다음과 같은 방식으로 동작한다. 상기 전자 방출 소자(201)에 배치된 제1 전극(120)에는 (-) 전압이 인가되고, 제2 전극(130)에는 (+) 전압이 인가되어, 상기 제1 전극(120) 및 제2 전극(130) 사이에 형성된 전계에 의해 전자 방출층(150)에서는 제2 전극(130)을 향하여 전자가 방출된다. 이때, 상기 애노드 전극(80)에 상기 제2 전극(130)에 인가된 (+) 전압보다 휠씬 더 큰 (+) 전압이 인가되면, 상기 전자 방출층(150)에서 방출된 전자는 상기 애노드 전극(80)을 향하여 가속된다. 전자는 애노드 전극(80)과 인접한 형광체층(70)을 여기시켜 가시광선이 발생하게 된다. 이러한 전자의 방출은 상기 제2 전극(130)에 인가되는 전압에 의해 제어가 가능하다.
물론 제1 전극(120)에 반드시 (-) 전압이 인가되어야 하는 것은 아니며 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이에 전자 방출에 필요한 적절한 전위 차가 형성되기만 하면 된다.
도 3에 도시된 전자 방출형 백라이트 유닛(200)은 면광원으로서 TFT-LCD와 같은 수발광 표시 소자(non-emissive display device)의 백라이트 유닛(backlight unit)으로 사용될 수 있다. 또한, 단순히 면광원으로서 가시광선을 발생시키는 것이 아니라 화상을 구현하기 위해서, 또는 디밍(dimming) 기능을 갖는 백라이트 유닛을 구성하기 위해서는 상기 전자 방출 소자(201)의 제1 전극(120) 및 제2 전 극(130)이 서로 교차하도록 배치되는 것이 바람직하다. 이를 위해 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 중 하나가 주전극부와 가지전극부를 가지는 형태로 만들어져서 주전극부는 다른 전극과 서로 교차되고, 가지전극부는 주전극부로부터 돌출되어 다른 전극과 대향하도록 배치되며, 전자 방출층은 가지전극부 또는 가지전극부와 마주하는 부분에 형성되도록 만들어질 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 전자 방출 소자를 제조하는 방법은 기본적으로 카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출층 형성용 조성물을 사용하여 잉크젯 방식 또는 인쇄 방식으로 전자 방출층을 형성하는 공정을 포함한다. 이에 우선 카바이드 유도 탄소의 제조 방법과 전자 방출층 형성용 조성물에 대해 설명한 후 도면을 참조하여 전자 방출 소자를 제작하는 공정의 실시예들에 대해 설명한다.
본 발명에 따르면, 전자 방출 소자의 제조 방법에서는 다음과 같은 전자 방출층 형성용 조성물을 사용하여 전자 방출층을 잉크젯 방식 또는 인쇄 방식으로 형성할 수 있다. 잉크젯 방식은 기존에 카본 나노 튜브를 전자 방출층의 주요 성분으로 사용하던 경우에 사용된 CVD 직접 성장법이나 인쇄법에 비하여 공정이 단순하고 제조 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 방식이고, 인쇄 방식은 기존의 카본 나노 튜브를 사용하는 경우의 인쇄 방식과 유사하나 카본 나노 튜브에 비해 카바이드 유도 탄소의 분산성이 뛰어나므로 인쇄 방식을 사용하는 경우에도 카본 나노 튜브를 포함하는 경우에 비하여 인쇄 공정에 의한 전자 방출층의 형성 공정이 간편해진다.
상기 전자 방출층 형성용 조성물은, 카바이드 유도 탄소, 유기 용매 및 분산제를 포함한다.
상기 카바이드 유도 탄소는 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조될 수 있다. 이는, 대한민국 공개특허공보 제2001-13225호에 개시된 바와 같이, ⅰ) 카바이드 화합물의 입자들에 소정의 운반 공극율을 갖는 작업편을 형성하는 단계, 및 ⅱ) 350℃ 내지 1200℃ 범위의 온도로 할로겐족 원소 함유 기체 중에서 상기 작업편을 열화학적으로 처리하여 상기 작업편 중의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써, 상기 작업편 전체에 걸쳐서 나노 공극율을 갖는 카바이드 유도 탄소를 제조하는 단계에 의해서 수행될 수 있다.
이러한 카바이드 유도 탄소는 종래 전자 방출원의 재료로 사용되는 카본 나노 튜브에 비해서 잉크젯 방식으로 전자 방출층을 형성하기에 더욱 적합한데, 이는 카본 나노 튜브의 경우 종횡비가 매우 큰 파이버 형태를 갖지만, 카바이드 유도 탄소의 경우는 가로 길이와 세로 길이의 비가 거의 1에 가까운 판상형을 갖고, 결과적으로 필드 강화 인자 (field enhancement factor, β)가 매우 작기 때문이다. 더욱이, 카바이드 유도 탄소의 경우는 전자 방출 물질의 전구 물질인 카바이드의 선택적 적용을 통해서 최종 전자 방출 물질의 크기를 용이하게 조절할 수 있다는 장점도 갖는다.
바람직하게는, 여기서 사용되는 카바이드 화합물은 탄소와 주기율표의 Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족 또는 Ⅵ족 원소와의 화합물로서, 더욱 바람직하게는, SiC4, B4C 또는 Mo2C와 같은 다이아몬드류 카바이드; TiC 또는 ZrCx와 같은 금속류 카바이드; Al4C3 또는 CaC2와 같은 염류 카바이드; TixTayC 또는 MoxWyC와 같은 착물 카바이드; TiNxCy 또는 ZrNxCy와 같은 카보나이트라이드; 또는 상기 카바이드 물질들의 혼합물 등 일 수 있다. 또한 여기에 사용되는 할로겐족 원소 함유 기체는 Cl2(chloride), TiCl4, F2, Br2, I2 또는 HCl 등의 기체 또는 그 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 전자 방출층 형성용 조성물은 분산제를 포함하며, 본 발명에서 사용될 수 있는 분산제의 비제한적인 예로는 알킬아민, 카르복실산 아미드 및 아미노카르복실산염으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물 등이 있다.
상기 전자 방출층 형성용 조성물에 포함되는 유기 용매로는, 잉크젯 방식에 사용되기에 적합한 통상의 유기 용매들이 사용될 수 있으며, 이에 사용될 수 있는 비제한적인 예로는 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 운데칸, 도데칸, 트리데칸, 트리메틸펜탄 등의 직쇄형 알칸, 시클로헥산, 시클로헵탄, 시클로옥탄 등의 환상 알칸, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 트리메틸벤젠, 도데실벤젠 등의 방향족 탄화수소, 헥산올, 헵탄올, 옥탄올, 데칸올, 시클로헥산올, 터피네올, 시트로네올, 게라니올, 페네틸알콜 등의 알콜을 들 수 있으며, 이들 유기 용매는 단독 및 혼합 사용이 가능하다.
상기 전자 방출층 형성용 조성물은, 카바이드 유도 탄소, 분산제 및 유기 용매 이외에도, 필요에 따라 유무기 바인더 또는 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
상기 전자 방출층 형성용 조성물은, 카바이드 유도 탄소, 분산제 및 유기 용매의 고분산 현탁액을 통상의 기계적 교반, 초음파 처리, 볼 밀, 샌드 밀 등의 방법에 의해서 제조한 후, 상기 유무기 바인더 및 기타 첨가제를 혼합하여 재교반함으로써 제조할 수도 있고, 다른 한편으로는, 처음부터 모든 구성 성분들을 혼합하는 방법에 의해서 제조할 수도 있다.
본 발명에서는 이와 같이 잉크젯 방식에 의해서 전자 방출층을 제조하므로, 별도의 패턴 공정을 필요로 하지 않으므로 공정 단축 및 재료 절감을 도모할 수 있고, 종래 인쇄 방식의 현상 과정에서 발생되는 잔사로 인한 불균일 에미션을 방지할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 판상의 카바이드 유도 탄소를 채용하여 잉크젯 방식에 용이하게 적용이 가능하고, 고전계에서도 아크 발생이 거의 없는 미세 전자 방출층을 편리하게 제조할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 4 내지 도 8에는 본 발명의 실시예1에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 보여주는 단면도들이 도시되어 있다.
먼저, 베이스 기판(110) 상에 전극 재료(125)를 적층한다(도 4). 이 과정은 전극 재료가 금속인 경우 증착 등의 방법에 의해 이루어질 수 있다. 그 다음 적층된 전극 재료에 패터닝하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 형성한다(도 5). 그 다음, 베이스 기판(110) 및 전극을 덮도록 저항층을 형성할 소재(145)를 적층하고(도 6), 다시 저항층 소재를 패터닝하여 일측 전극에만 저항층(140)이 남도록 한 다(도 7). 그 다음, 저항층(140)이 형성된 일측 전극 상에 잉크젯 방식으로 앞서 설명한 전자 방출층 형성용 조성물(155)을 인쇄하여 전자 방출층(150)을 형성함으로써 전자 방출 소자를 완성한다(도 8).
실시예1에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법은 기본적으로 잉크젯 방식으로 전자 방출층(150)을 형성한다는 점이 이후에 설명할 실시예2 및 실시예3과 다른 점이다. 다만, 여기에 사용되는 전자 방출층 형성용 조성물은 실시예1 내지 실시예3의 제조 방법에 있어서 공통될 수 있다. 또는, 실시예1에 포함된 잉크젯 방식과 실시예 2 및 3에 포함된 페이스트를 이용하는 인쇄 방식에 사용되는 전자 방출층 형성용 조성물의 각 성분 요소들의 혼합 비율이나 추가적으로 포함되는 구성요소는 상이할 수 있고 이에 따라 점성 등의 물리적인 성질이 상이할 수도 있다.
도 9 내지 도 16에는 본 발명의 실시예2에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 보여주는 단면도들이 도시되어 있다.
이 경우에도 먼저 베이스 기판(110) 상에 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 형성하고, 저항층(140)을 형성하는 공정까지는 도 4 내지 도 7에서와 동일하게 진행한다(도 9 내지 도 12). 그 다음, 도 13에 도시된 것과 같이 UV 블록킹 레이어(blocking layer)(165)를 형성한다. 이때 전자 방출층이 형성될 부분만 UV 블로킹 레이어(165)가 형성되지 않도록 한다. 그 다음 UV 블로킹 레이어(165)를 포함한 전체 영역에 카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출층 형성용 조성물(155)을 인쇄한다(도 14). 그 다음, 전면 노광(front-exposure)을 실시하여 전자 방출층 형성용 조성물 중 전자 방출층을 형성할 부분만 경화시키고, 경화되지 않은 부분을 현상하여 제거하여 전자 방출층(150)을 형성한다(도 15). 그 다음 UV 블로킹 레이어(165)를 에칭 등의 공정으로 제거하여 전자 방출 소자(201)를 완성한다(도 16). 이 과정에서 사용되는 전자 방출층 형성용 조성물에는 UV를 비추면 경화되는 네거티브 감광성을 가지는 감광성 수지가 포함되는 것이 바람직하다.
도 17 내지 도 22에는 본 발명의 실시예3에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 보여주는 단면도들이 도시되어 있다.
먼저, 베이스 기판(110) 상에 전극 재료(125)를 적층한다(도 17). 이 과정은 전극 재료가 금속인 경우 증착 등의 방법에 의해 이루어질 수 있다. 그 다음 적층된 전극 재료에 패터닝하여 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 형성한다(도 18). 그 다음, 도 19에 도시된 것과 같이, 저항층이 형성될 전극의 상면만 노출시키고 나머지 부분은 모두 UV 블록킹 레이어(165)로 덮는다. 그 다음 UV 블로킹 레이어(165)의 상면을 포함한 전체 영역에 저항층 형성용 조성물(146)을 도포한 후, 저항층 형성용 조성물(146)의 상면에 카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출층 형성용 조성물을 인쇄한다(도 20). 상기 저항층 형성용 조성물(146)에는 저항층 소재인 비정질 실리콘이나 반도체 카본 나노 튜브와 이를 페이스트 상태로 만들기 위한 유기 용매, 분산제 및 네거티브 감광성을 가지는 감광성 수지 등을 포함할 수 있다. 그 다음 전면 노광을 실시하여 전자 방출층 형성용 조성물(155) 중 전자 방출층을 형성할 부분 및 저항층을 형성할 부분만 경화시키고, 경화되지 않은 부분을 현상하여 제거하여 전자 방출층(150)과 저항층(140)을 형성한다(도 21). 그 다음 UV 블로킹 레이어(165)를 에칭 공정으로 제거하여 전자 방출 소자(201)를 완성한 다(도 22). 이 과정에서 사용되는 전자 방출층 형성용 조성물 및 저항층 형성용 조성물에는 UV를 비추면 경화되는 네거티브 감광성을 가지는 감광성 수지가 포함되는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명에 따른 전자 방출원의 제조 방법, 이에 의해 제작된 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자 및 이를 구비한 전자 방출 표시 소자에 의하면, 전자 방출원을 형성하는 공정이 단순화될 수 있어 효율적이다. 또한, 형성된 카바이드 유도 탄소 박막층의 전자 방출 효율이 우수하여 에너지 소비를 감소시키고 전자 방출 표시 소자의 휘도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 베이스　기판;　
    상기　베이스　기판　상에서　평면　형상을　가지고　일방향으로　간격을　두고　나란하게　형성되며　동일한　전압이　인가되는　복수의　제1　전극;　
    상기　베이스　기판　상에서　평면　형상을　가지고　상기　복수의　제1　전극들　사이　사이에　배치되고,　제1　전극들과는　다른　전압이　인가되는　복수의　제2　전극;　및　
    상기　제1　전극　상에　평면　형상을　가지고　전기적으로　연결되어　형성되고,　카바이드　유도　탄소　입자가　포함된　전자　방출층을　포함하고,
    상기　전자　방출층에　대향하는　위치에　배치된　형광체층;　및　
    상기　제1　전극　및　제2　전극　사이에　형성된　전계에　의해　상기　카바이드　유도　탄소　입자에서　방출된　전자를　상기　형광체층을　향하여　가속시키는　애노드　전극을　포함하는　전자　방출형　백라이트　유닛.
  2. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에서 일방향으로 간격을 두고 나란하게 형성되며 동일한 전압이 인가되는 복수의 제1 전극;
    상기 베이스 기판 상에서 상기 복수의 제1 전극들 사이 사이에 상기 제1 전극들과 대향하도록 배치되고, 제1 전극들과는 다른 전압이 인가되는 복수의 제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 제2 전극에 전기적으로 연결되어 형성되고, 카바이드 유도 탄소 입자가 포함된 전자 방출층을 포함하고,
    상기 전자 방출층에 대향하는 위치에 배치된 형광체층; 및
    상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 형성된 전계에 의해, 상기 제1 전극 또는 제2 전극 중 일측에 전기적으로 연결된 카바이드 유도 탄소 입자에서 방출된 전자를 상기 형광체층을 향하여 가속시키는 애노드 전극을 포함하는 전자 방출형 백라이트 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 카바이드 유도 탄소의 표면에 형성된 나노 포어의 평균 직경은 0.4nm 내지 5.0nm의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 전자 방출형 백라이트 유닛.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자 방출층과, 상기 전자 방출층과 전기적으로 연결된 제1 전극 또는 제2 전극의 사이에는 저항층이 개재된 것을 특징으로 하는 전자 방출형 백라이트 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저항층은 비정질 실리콘 또는 반도체 카본 나노 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출형 백라이트 유닛.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자 방출층은 해당 전자 방출층이 전기적으로 연결된 전극의 상측에 소정 간격으로 불연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 전자 방출형 백라이트 유닛.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 전자 방출층은 제1 전극 및 제2 전극의 상측에 소정 간격으로 불연속적으로 형성되고,
    상기 제1 전극에 전자 방출층이 형성된 부분과 대향하는 제2 전극 상의 부분에는 전자 방출층이 형성되지 않으며,
    상기 제1 전극에 전자 방출층이 형성되지 않은 부분과 대향하는 제2 전극 상의 부분에는 전자 방출층이 형성되어 두 전극 사이에서 전자 방출층이 형성된 부분이 서로 엇갈리도록 형성된 것을 특징으로 하는 전자 방출형 백라이트 유닛.
  8. 베이스 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계(a); 및
    상기 제1 전극 또는 제2 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출층을 형성하는 단계(b)를 포함하고,
    상기 단계(b)는,
    카바이드 유도 탄소 입자를 포함하는 전자 방출층 형성용 조성물을 잉크젯 방식으로 전자 방출층이 형성될 위치에만 인쇄하여 전자 방출층을 형성하는 것임을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  9. 베이스 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계(a); 및
    상기 제1 전극 또는 제2 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출층을 형성하는 단계(b)를 포함하고,
    상기 단계(b)는,
    전자 방출층이 형성될 위치만 제외하고 상기 베이스 기판, 제1 전극 및 제2 전극을 덮도록 UV 블로킹 레이어를 형성하는 단계;
    상기 UV 블로킹 레이어 및 전자 방출층이 형성될 위치를 덮도록 카바이드 유도 탄소 입자를 포함하는 전자 방출층 형성용 조성물을 인쇄하는 단계;
    노광 공정을 통해 전자 방출층 형성용 조성물 중 전자 방출층을 형성할 부분만 경화시키는 단계;
    경화된 부분을 제외한 전자 방출층 형성용 조성물을 제거하는 단계; 및
    UV 블로킹 레이어를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 베이스 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계(a);
    상기 제1 전극 및/또는 제2 전극 상에 저항층을 형성하는 단계(b); 및
    상기 제1 전극 또는 제2 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출층을 형성하는 단계(c)를 포함하고,
    상기 단계(c)는,
    카바이드 유도 탄소 입자를 포함하는 전자 방출층 형성용 조성물을 잉크젯 방식으로 전자 방출층이 형성될 위치에만 인쇄하여 전자 방출층을 형성하는 것임을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  12. 베이스 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계(a);
    상기 제1 전극 및/또는 제2 전극 상에 저항층을 형성하는 단계(b); 및
    상기 제1 전극 또는 제2 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출층을 형성하는 단계(c)를 포함하고,
    상기 단계(c)는, 전자 방출층이 형성될 위치만 제외하고 상기 베이스 기판, 제1 전극 및 제2 전극을 덮도록 UV 블로킹 레이어를 형성하는 단계;
    상기 UV 블로킹 레이어 및 전자 방출층이 형성될 위치를 덮도록 카바이드 유도 탄소 입자를 포함하는 전자 방출층 형성용 조성물을 인쇄하는 단계;
    노광 공정을 통해 전자 방출층 형성용 조성물 중 전자 방출층을 형성할 부분만 경화시키는 단계;
    경화된 부분을 제외한 전자 방출층 형성용 조성물을 제거하는 단계; 및
    UV 블로킹 레이어를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제8항, 제9항, 제11항 또는 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카바이드 유도 탄소는 카바이드 화합물에 할로겐족 원소 함유 기체로 열화학 처리하여 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 얻어진 나노 공극을 가지는 물질인 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  15. 제8항, 제9항, 제11항 또는 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카바이드 유도 탄소의 표면에는 평균 직경이 0.4nm 내지 5.0nm의 범위에 속하는 나노 포어가 다수 형성된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
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