KR20010104960A - 전계방출소자용 캐소드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계방출소자(field emission device)를 구성하는 핵심요소인 전자방출용 캐소드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판과; 상기 하부기판상에 전기적 도전성을 갖는 물질로 형성되는 캐소드전극; 및 상기 캐소드전극의 위에 패터닝되어 부착되는 에미터로 구성되는 전계방출소자용 캐소드를 제공한다. 또한 전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판에 전기적 도전성을 갖는 물질로 캐소드전극을 형성시키는 공정과; 형성된 캐소드전극 위에 에미터 재료를 사진식각(photolithography) 공정으로 패터닝하여 에미터를 부착시키는 공정으로 이루어지며, 상기 에미터 부착 공정은, 낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터 재료와 자외선에 감광되는 물질인 감광제(photo-sensitizer)를 함유하는 혼합체(mixture) 용액을 제조하는 단계; 제조된 혼합체 용액을 균일한 두께로 캐소드전극을 함유한 하부기판에 균일하게 도포하여 혼합체막을 형성하는 단계; 상기 혼합체막에 마스크를 사용하여 선별적으로 자외선을 조사하는 단계; 및 자외선에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분에 있던 혼합체막을 선택적으로 제거하는 현상 단계를 포함하는 전계방출소자용 캐소드의 제조방법을 제공한다.

Description

전계방출소자용 캐소드 및 그 제조방법 {Cathode for field emission device and its fabrication method}

본 발명은 평판 디스플레이(flat panel display) 장치, 일명 전계방출 디스플레이(Field Emission Display: FED)의 제조와 관련된 것으로, 상세하게는 전계방출소자(field emission device)를 구성하는 핵심요소인 전계방출소자용 캐소드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 종래의 브라운관(cathode ray tube: CRT)을 대체할 수 있는 평판 디스플레이로서 활발하게 연구 개발되고 있는 전계방출 디스플레이는 캐소드를 가진 하부기판(lower plate)과 형광체(phosphor)를 가진 상부기판(upper plate)을 서로 평행하게 좁은 간격(2 mm 이내)으로 진공패키징(vacuum packaging)하여 제작하며, 하부기판의 캐소드로부터 방출된 전자를 상부기판의 형광체에 충돌시켜 형광체의 음극 발광(cathodoluminescence)으로 화상을 표시하는 장치이다.

이와 같은 전계방출소자(전계방출 디스플레이) 하부기판의 핵심 구성 요소인 캐소드는 소자 구조, 에미터 물질, 에미터 모양에 따라 전자 방출 효율이 크게 달라진다. 현재 전계방출소자의 구조는 크게 캐소드전극와 아노드전극로 구성된 2극형(diode)과 캐소드전극, 게이트전극, 아노드전극로 구성된 3극형(triode)으로 분류할 수 있다. 또 에미터 물질로는 주로 금속, 실리콘, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(Diamond Like Carbon), 카본나노튜브(carbon nanotube) 등이 사용되고 있으며, 일반적으로 금속과 실리콘은 3극형 구조로, 다이아몬드 또는 카본나노튜브 등은 2극형 구조로 제작되고 있다. 2극형 캐소드는 주로 작은 전계에서 전자방출 특성이 우수한 다이아몬드 또는 카본나노튜브를 막(film) 혹은 입자(분말 포함)의 형태로 사용하며, 3극형에 비해서 전자 방출의 제어성 및 저전압 구동 측면에서 불리하지만 제작 공정이 간단하고 또한 전자 방출의 신뢰성이 높다는 장점을 가진다.

도 1은 Brandes 등의 미국특허 No. 5,900,301(특허권자: Candescent Technologies Corporation, 명칭: Structure and fabrication of electron-emitting devices utilizing electron-emissive particles which typically contain carbon, 등록일: May 4, 1999)에 개시된 전계방출소자용 종래의 2극형 캐소드의 구성을 보여주는 개략 단면도이다.

이를 간략하게 설명하면, 캐소드(100)는 하부기판(120) 상에 캐소드전극(140)과 상기 캐소드전극(140)에 입자(particle)형의 에미터(160)와, 상기 입자형의 에미터(160)를 하부기판(140)에 본딩시키는 본딩제(170)로 구성된다. 하부기판(120)의 재료로는 유리기판이 많이 사용되고 있으며, 캐소드전극(140)의 제작은 금속을 유리기판에 스파터공정 혹은 전자빔공정 등의 방법으로 증착한 후 사진식각공정을 통하여 선택적으로 에칭함으로써 달성할 수 있다. 캐소드전극(140)의 재료로는 전기가 잘 통하는 금속이면 가능하고, 현재는 크롬(Cr), 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 등이 사용되고 있다. 에미터(160) 재료로는 낮은 전계에서 전자방출 특성이 우수한 재료가 많이 사용되고 있으며, 카본(carbon)을 주성분으로 하는 물질인 다이아몬드, 다이아몬드성 카본(Diamond Like Carbon : DLC), 비정질카본, 카본나노튜브, 카본나노입자 등이 있다. 본딩제(170)는 에미터(160)를 캐소드전극(140)에 전기적으로 연결시키는 역할을 해야하기 때문에 전기적으로 도전성을 갖는 도전체 재료가 적당하다. 또한 본딩제(170)는 입자상의 에미터(160)를 캐소드전극(140)으로부터 떨어지지 않도록하는 역할을 동시에 수행해야 한다. 때문에 이 특허에서는 본딩제(170)의 재료로 티탄(Ti), 그래파이트(graphite), 니켈(Ni) 혹은 그 합금을 사용하으며, 본딩력 증가를 위해서 본딩제 도포후 열처리를 하여 에미터(160)와 캐소드전극(140)의 사이에 카바이드(carbide)상을 형성시키는 기술을 사용하였다.

한편, Blanchet-Fincher 등의 미국특허 No. 5,948,465(특허권자: E.I.duPontde Nemours and Company, 명칭: Process for making a field emitter cathode using a particulate field emitter material, 등록일: Sep. 7, 1999)에서는 에미터(160)를 캐소드전극(140)에 부착시키는 본딩제(170)의 재료로 금속화합물(metal-compound)를 사용하였다. 이 특허에서 본딩제(170)로 사용된 금속화합물은 AgNO₃이며, 본딩제(170) 형성방법의 일 예는 다음과 같이 요약된다. 중량비로 25%의 AgNO₃, 3%의 PVA(polyvinyl alcohl), 71.9%의 증류수(DI water)와 0.1%의 계면활성제를 사용해서 혼합체 용액을 만든 후 캐소드전극에 도포시켜 혼합체막을 형성시킨다. 이어서 입자상의 에미터 재료를 도포된 혼합체막에 균일하게 흩뿌린후 열처리한다. 열처리하는 동안 혼합체막은 분해되어 혼합체 용액을 구성하던 비금속 성분은 제거되고 금속만 남게된다. AgNO₃를 금속화합물로 사용한 경우는 은(Ag)이 본딩제로 남게 되며 에미터와 캐소드전극을 전기적으로 연결하는 역할뿐만 아니라 기계적으로 본딩하는 역할을 하게 된다.

도 2는 Jin 등의 미국특허 No. 5,623,180(특허권자: Lucent Technologies Inc., 명칭: Electron field emitters comprising particles cooled with low voltage emitting material, 등록일: Apr. 22, 1997)에 개시된 종래의 2극형 전계방출소자용 캐소드의 구성을 보여주는 개략 단면도이다.

이를 간략하게 설명하면, 도면에서 보듯이 캐소드(200)는 하부기판(220) 위에 띠 형태로 배열된 캐소드전극(240)과, 상기 캐소드전극(240) 위에입자(particle)형의 입자형기판(265)과, 상기 입자형기판(265)의 표면에 에미터(260)가 부착되어 구성된다. 여기서 하부기판(220)의 재료로는 고온에서 잘 견디는 절연체를 주로 사용하며, 캐소드전극(240)은 전기적 도전성이 우수한 도전체를 사용해서 형성시킨다. 에미터(260) 재료로는 낮은 전계에서 전자방출 특성이 우수한 재료가 많이 사용되고 있다. 대표적인 에미터(260) 재료로는 결함을 가진 다이아몬드, 세라믹입자들(ceramic particles) 예를 들면 산화물입자들, 질화물입자들, 탄화물입자들 및 반도체재료도 사용이 가능하다. 도 2와 같이 입자형기판(265)에 부착된 에미터(260)는 입자형기판(265)을 완전히 둘러싸는 연속상일 경우도 있지만, 다수개의 에미터 입자가 불연속적으로 입자형기판(265)에 부착되는 경우도 있다. 입자형기판(265)의 재료로는 금속입자가 주로 사용되며 몰리브텐(Mo)과 같이 카바이드를 잘 형성하는 금속이거나 혹은 융점이 500℃ 이상으로 고온특성이 우수한 금속이 주로 사용된다. 입자형기판(265)의 크기는 지름이 0.1∼100미크론(micron) 범위의 것이 요구되지만 바람직하게는 0.2∼5미크론 범위의 입자크기를 갖는다.

도 2에서의 캐소드전극(240)은 그 형성방법에 있어 도 1에서의 캐소드전극(140)과 큰 차이를 보인다. 그 이유는, 도 2의 캐소드전극(240)은 에미터(260)에 전기적 신호를 전달해주는 역할과 동시에 에미터(260)와 입자형기판(265)을 캐소드전극(240)으로부터 떨지지 않도록 본딩시키는 역할을 해야하기 때문이다. 따라서, 도 2에서의 캐소드전극(240) 형성방법은 도 1에서의 본딩제(170) 형성방법과 유사하며, 이를 요약하면 다음과 같다.

입자형기판(265)에 부착된 에미터(260)를 아세톤 등의 액체, 유기성바인더(organic binder), 금속 혹은 도전성산화물 입자들 중에서 일부를 소정의 비율로 선택하여 혼합하여 슬러리(slurry)상의 혼합체를 만든다. 금속입자로는 은(Ag)을 주성분으로 하는 재료가 많이 쓰이며, 도전성산화물 입자로는 낮은 온도에서 쉽게 환원되는 산화물인 산화동(CuO) 입자가 많이 쓰인다. 후속공정인 열처리공정에서 유기성 재료는 제거되고 열처리공정이 끝나면 에미터(260)가 부착된 입자형기판(265)과 금속만 남게된다. 도 2에서 보듯이 열처리 공정후 남은 에미터(260)가 부착된 입자형기판(265)은 불연속적으로 연속상인 금속막에 박혀(insertion) 있는 구조를 가지며, 연속상인 금속막은 캐소드전극(240) 역할을 한다. 도 2에서 각각의 에미터(260)는 일부가 노출되어야 전계방출소자로 사용할 수 있기 때문에 열처리공정후 에미터(260)를 돌출시키기 위해서 표면처리를 할 수 있다. 표면처리 방법으로는 화학적에칭 혹은 기계적인 폴리싱 방법 등이 사용된다.

앞서 설명한 도 1 및 도 2의 종래 전계방출소자에서 사용된 2극형 캐소드는 원추형 3극 캐소드와는 달리 게이트 및 게이트 절연막이 필요 없기 때문에 구조가 간단하고 제작 공정이 용이한 장점을 가진다. 또한, 2극형 캐소드는 전자 방출시 스퍼터링 효과에 의한 캐소드의 파괴 확률이 매우 낮기 때문에 소자의 신뢰성이 높을 뿐만 아니라, 3극형 캐소드에서 크게 문제가 되는 게이트 및 게이트 절연체의 파괴 현상이 전혀 없다.

또한 본 출원의 발명자들이 발명한 선행 대한민국 특허출원 제99-31976호(명칭: "2극형 전계 에미터를 가진 전계 방출 디스플레이")에서 보듯이 액티브구동 2극형 전계방출소자의 개발에 대한 새로운 개념으로 2극형 캐소드의 필요성은 더욱 커지고 있다.

그러나, 2극형 캐소드를 가진 전계방출소자는 전자 방출에 필요한 높은 전계를 상당한 간격으로 떨어진 상부기판과 하부기판(통상 50㎛ ~ 2㎜임)에 설치된 전극을 통하여 인가시켜 주어야 하기 때문에 낮은 전계에서도 전자방출이 잘 일어나는 물질을 에미터 재료로 사용해야 한다는 제한점을 가진다. 한편, 현재까지 알려진 에미터용 재료로는 카본을 주성분으로 하는 다이아몬드, 다이아몬드상카본, 비정질카본, 카본나노튜브, 카본나노입자 등이 있으며, 산화물, 질화물, 탄화물, 반도체 재료까지 에미터 재료로 사용될 수 있음이 보고되고 있지만, 어느 한가지도 아직 전계방출소자로 실용화된 예는 없다. 그 이유는 카본나노튜브를 포함한 우수한 전자방출 특성을 갖는 에미터 재료는 대부분 500℃ 이상의 고온공정으로 형성되는데, 이러한 고온공정에 견딜수 있는 하부기판의 선택에 제한이 많기 때문이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 별도의 고온공정, 예를 들면 아크디스차지(arc discharge) 방법 등으로 입자상의 에미터 재료를 형성시킨후, 입자상의 에미터 재료를 캐소드전극에 부착시키는 방법에 관한 기술 개발이 필요하였다. 몇몇 미국특허들(No. 5,900,301; No. 5,948,465; No. 5,623,180)에서 보듯이 입자상의 에미터 재료를 사용한 2극형 캐소드의 제조의 필요성은 매우 크지만, 현재까지 입자형 에미터 재료의 패터닝(patterning) 기술이 개발되지 못하여 2극형 캐소드가 실용화 되지 못하고 있다.

물론, 종래의 기술인 스크린프린팅(screen printing), 스프레이코팅(spraycoating), 디핑(dipping) 방법을 이용할 수는 있지만 이들을 이용하여서는 고정세(high resolution) 전계방출 표시소자에 적합한 에미터를 제작하는데 많은 문제점이 있다. 그 이유는 스크린프린팅의 원리는 구멍(hole)이 형성된 마스크(mask)에 비교적 점도가 낮은 페이스트(paste)를 스퀴징(squeezing) 시키기 때문에 스크린프린팅시 기존의 소자가 파손될 수 있으며, 또한 마스크구멍을 통과한 페이스트가 퍼지기 때문에 미세패턴을 형성하기가 어렵다. 그리고, 스프레이코팅과 디핑 방법은 전체면적을 균일하게 코팅하기 위해 방법으로, 아직까지 코팅 후 패터닝 하는 방법은 알려져 있지 않다. 종래의 또 다른 기술인 전기영동(electrophoretic) 방법을 적용하기 위해서는 입자형 에미터 재료에 전하(charge)를 띠도록 해야 하기 때문에 자형 에미터 재료와 첨가제의 선택에 있어서 제한점이 많다.

상기와 같은 종래 2극형 전계방출소자용 캐소드 제조방법의 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은, 낮은 전계에서 전자방출특성이 우수한 에미터 재료들을 고온공정으로 형성시킨 후, 감광제를 사용한 사진식각 공정으로 저온공정이 요구되는 하부기판상의 캐소드전극에 부착 및 패터닝함으로써 전자방출소자의 하부기판 선택의 제한을 완화시키고, 전자방출소자를 대면적화 및 고정세화 할 수 있는 전계방출소자용 캐소드 제조방법과 이에 의해 제조되는 전계방출소자용 캐소드를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 2극형 전계방출소자용 캐소드의 구성을 보여주는 개략 단면도.

도 2는 종래의 2극형 전계방출소자용 캐소드의 구성을 보여주는 개략 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자용 캐소드 제조방법을 보인 개략 단면도.

도 4는 도 3의 방법으로 제조한 전계방출소자용 캐소드의 구조를 보여주는 개략 사시도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출소자용 캐소드 제조방법을 보인 개략 단면도.

도 6은 도 5의 방법으로 제조한 전계방출소자용 캐소드의 구조를 보여주는 개략 사시도.

도 7은 본 발명에 의해 제조한 전계방출소자용 캐소드를 2극형 전계방출 디스플레이에 적용한 일예를 보여주는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100, 200, 300, 500 : 캐소드 120, 220, 320, 520 : 하부기판

140, 240, 340, 540 : 캐소드전극 160, 260, 360, 560 : 에미터

170 : 본딩제 265 : 입자형기판

350, 550 : 혼합체막 380 : 마스크

390 : 자외선 530 : 절연체

535 : 픽셀홈 785 : 스페이서

790 : 애노드 792 : 상부기판

794 : 애노드전극 796 : 형광체

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자용 캐소드는 전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판과; 상기 하부기판상에 전기적 도전성을 갖는 물질로 형성되는 캐소드전극; 및 상기 캐소드전극의 위에 사진식각공정으로 패터닝되어 부착되는 에미터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 전계방출소자용 캐소드의 제조방법은 전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판에 전기적 도전성을 갖는 물질로 캐소드전극을 형성시키는 공정과; 형성된 캐소드전극위에 에미터 재료를 사진식각(photolithography) 공정으로 패터닝하여 에미터를 부착시키는 공정으로 이루어지며, 상기 에미터 부착 공정은, 낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터 재료와 자외선에 감광되는 물질인 감광제(photo-sensitizer)를 함유하는 혼합체(mixture) 용액을 제조하는 단계; 제조된 혼합체 용액을 균일한 두께로 캐소드전극을 함유한 하부기판에 균일하게 도포하여 혼합체막을 형성하는 단계; 상기 혼합체막에 마스크를 사용하여 선별적으로 자외선을 조사하는 단계; 및 자외선에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분에 있던 혼합체막을 선택적으로 제거하는 현상 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적과 에미터와 캐소드전극의 부착력을 더욱 향상시키고 에미터 파손을 줄이기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출소자용 캐소드는, 전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판; 상기 하부기판상에 전기적 도전성을 갖는 물질로 형성되는 캐소드전극; 상기 캐소드전극을 함유한 상기 하부기판에 형성되고 바닥면에 상기 캐소드전극이 존재하는 픽셀홈을 가지며, 에미터와 캐소드전극 사이의 부착력을 강화시키고 에미터 파손을 줄여주는 절연체; 및 상기 픽셀홈 내의 노출된 상기 캐소드전극 상에 사진식각공정으로 패터닝 되어 부착되는 낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기한 전계방출소자용 캐소드의 제조방법은, 전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판에 전기적 도전성을 갖는 물질로 캐소드전극을 형성시키는 공정; 에미터와 캐소드전극 사이의 부착력을 강화시키고, 후속공정에서의 에미터 파손을 줄이기 위하여 상기 캐소드전극을 갖는 상기 하부기판에 전기적으로 부도체인 절연체를 형성시키는 공정; 상기 절연체를 선택적으로 식각하여 상기 캐소드전극을 바닥면으로 하는 픽셀홈을 형성시키는 공정; 및 상기 픽셀홈에 입자형 에미터 재료를 사진식각공정으로 패터닝하여 에미터를 부착시키는 공정으로 이루어지며, 상기 에미터 부착 공정은, 낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터 재료와 자외선에 감광되는 물질인 감광제를 함유하는 혼합체 용액을 제조하는 단계; 제조된 혼합체 용액을 균일한 두께로 캐소드전극을 함유한 하부기판에 균일하게 도포하여 혼합체막을 형성하는 단계; 상기 혼합체막에 마스크를 사용하여 선별적으로 자외선을 조사하는 단계; 및 자외선에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분에 있던 혼합체막을 선택적으로 제거하는 현상 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 하부기판은 전기적 부도체인 유리기판을 사용하고, 상기 캐소드전극은 전기적 도전성이 우수한 물질을 물리적증착 또는 화학적증착 방법으로 형성시키는 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하게는 상기 캐소드전극의 재료로는 금속재료를 사용하고, 에미터의 재료로는 낮은 전계에서 전자방출 특성이 우수한 재료로서 카본을 주성분으로 하는 물질인 카본나노튜브, 카본나노입자, 결함을 가진 다이아몬드; 세라믹입자들(ceramic particles)로서 산화물입자들, 질화물입자들, 탄화물입자들; 및 반도체재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 특징을 보다 자세하게 설명한다.

전계방출소자용 캐소드에 있어서 에미터는 원하는 위치에만 존재해야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 에미터용 재료를 사진식각 공정으로 캐소드전극에 패터닝하며, 에미터용 재료를 캐소드에 부착시키기 위해서 요구되는 에미터용 재료를 포함하는 혼합체 용액을 제조한다. 여기서 혼합체 용액이란 에미터용 재료와 감광제가 초순수에 혼합된 용액으로, 혼합체 용액은 점도를 조절하기 위한 바인더와 미량의 첨가제를 추가로 포함하기도 한다. 혼합체 용액의 점도와 퍼짐성은 바인더, 계면활성제 및 첨가제의 양으로 조절이 가능하다.

혼합체 용액이 제조되면 캐소드전극을 갖는 하부기판에 균일한 두께로 혼합체막을 형성시킨 후, 사진식각 공정으로 패터닝한다. 즉, 원하는 패턴이 존재하는 마스크(mask)를 사용해서 자외선(UV-light)을 혼합체막에 선택적으로 노광(exposure)시킨다. 이어서 현상(development) 공정을 통하여 선택적으로 자외선에 노출된 부분 혹은 노출되지 않은 부분에 존재하는 혼합체막을 제거함으로써에미터의 패터닝을 달성한다.

이와 같이 본 발명에서는 사진식각 공정으로 에미터용 재료를 부착시키고 패터닝하기 때문에 캐소드전극에 형성시키는 에미터용 재료를 수십미크론의 범위까지 원하는 위치에 정밀하게 패터닝 할 수 있다. 본 발명은 입자형 에미터를 적용한 고정세(high resolution) 전계방출소자용 에미터의 제작에 반드시 필요한 패터닝 기술을 제공함으로써 2극형 전계방출소자의 제작을 가능하게 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자용 캐소드의 제조방법을 에미터의 부착 및 패터닝 공정 부분을 중심으로 나타낸 개략 단면도이다.

도면에서 보듯이, 본 실시예의 방법은 처음에, 도 3의 (a)와 같이 유리와 같은 전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판(320)에 전기적 도전성을 갖는 물질로 일정한 간격으로 띠형의 캐소드전극(340)을 형성시킨다.

다음에 형성된 캐소드전극(340) 위에 에미터를 부착하여 전계방출소자용 캐소드를 완성하는데, 에미터를 부착하는 공정은 캐소드전극(340) 위에 입자형의 에미터 재료를 사진식각공정으로 패터닝하며 다음과 같다.

즉, 낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터 재료와 자외선에 감광되는 물질인 감광제를 함유하는 혼합체 용액을 제조하는 단계; 도 3의 (b)와 같이제조된 혼합체 용액을 균일한 두께로 캐소드전극(340)을 함유한 하부기판(320)에 균일하게 도포하여 혼합체막(350)을 형성하는 단계; 도 3의 (c)와 같이 상기 혼합체막(350)에 마스크(380)를 사용하여 선별적으로 자외선(390)을 조사하는 단계; 및 도 3의 (d)와 같이 자외선(390)에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분에 있던 혼합체막(390)을 선택적으로 제거하는 현상 단계를 순차적으로 수행한다.

각 공정을 보다 자세하게 설명한다.

하부기판(320)에 띠형의 캐소드전극(340)을 형성하는 공정에서, 캐소드전극(340)은 전기적 도전성이 우수한 금속재료로 만들어지며, 물리적증착(physical vapor deposition) 혹은 화학적증착(chemical vapor deposition) 방법으로 소정의 두께를 갖는 막형으로 형성될 수 있다. 도 3의 (a)에서 띠형의 캐소드전극(340)은 선폭이 일정한 것으로 제한을 받지는 않는다. 캐소드전극(340)의 패터닝은 일반적으로 사용되는 포토레지스트(photoresist) 물질을 사용해서 금속막의 건식식각 혹은 습식식각 방법으로 쉽게 할 수 있다.

도 3의 (b)에서 패터닝에 의해 에미터를 형성할 혼합체막(350)을 형성하는 방법은 다음과 같다.

혼합체막(350)을 형성시키기 위해서는 이에 앞서 에미터 재료를 포함하는 콜로이드(colloid) 상태의 혼합체 용액을 제조해야 한다. 혼합체막(350) 형성에 사용되는 혼합체 용액은 입자형의 에미터 재료와 감광제 및 초순수(DI water)로 구성되며, 점도를 조절하기 위한 바인더와 혼합체막의 형성을 용이하게 하기 위한 첨가제로서 계면활성제를 추가로 포함할 수 있다. 혼합체 용액의 점도와 퍼짐성은 바인더, 계면활성제 및 첨가제의 양으로 조절이 가능하다.

그리고 에미터 재료로는 낮은 전계에서 전자방출 특성이 우수한 입자형(분말형 포함)재료가 사용되는데, 예를 들면 카본을 주성분으로 하는 물질인 카본나노튜브, 카본나노입자, 결함을 가진 다이아몬드; 세라믹입자들(ceramic particles), 특히 산화물입자들, 질화물입자들, 탄화물입자들; 및 반도체재료들이 있다. 입자형 에미터 재료의 형상은 구형, 괴상형, 막대형 혹은 판상형 등이 있으며, 형상에 제한을 받지 않는다. 또한 혼합체 용액을 구성하는 감광제로는 중크롬산(ADC, amonium dichromate)이 사용될 수 있으며, 바인더로는 폴리비닐알콜(PVA, polyvinyl alcohol) 혹은 터피네올(terpineol) 등이 사용될 수 있다. 계면활성제로는 이소프로필알콜(Iso-Propyl Alcohol)등이 사용될 수 있다.

제조된 혼합체 용액을 캐소드전극(340)을 함유한 하부기판(320)에 도포시켜 혼합체막(350)을 형성하는 방법으로는 스핀코팅(spin coating), 닥터블레이드(Doctor Blade) 방법 등이 사용될 수 있다.

도 3의 (c)에서 혼합체막(350)의 패터닝에 사용되는 마스크(380)는 자외선(390)이 투과하는 영역과 투과하지 못하는 부분으로 구성되는 패턴을 갖는다. 감광제로 중크롬산을 사용한 경우 사진식각 공정시 자외선에 노출된 부분의 혼합체막(350)은 감광제인 중크롬산 때문에 마치 음성(negative) 포토레지스트와 처럼 반응한다. 즉, 현상공정시 자외선에 노출된 부분은 남고 자외선에 노출되지 않은 부분의 혼합체막은 제거된다. 도 3의 (c)에서 자외선 조사(exposure)는 혼합체막(350)이 건조된 상태에서 하는 것이 바람직하며, 혼합체막(350)의 건조는 일반적으로 50℃내지 70℃에서 5분간 핫플레이트(hot plate)를 사용해서 수행한다. 자외선 조사시 사용하는 파장은 280nm에서 380nm의 범위를 갖는 것이 적당하며, 사용되는 마스크(380)의 패턴은 혼합체막(350)의 형상을 결정하기 때문에 중요하다. 에미터가 형성될 부분인 픽셀에만 자외선이 조사되도록 하는 것이 바람직하다.

도 3의 (d)는 본 실시예에서 사진식각공정으로 에미터 패터닝을 했을 때 현상공정 후 패터닝된 에미터(360)의 단면을 보여주는 개략도이다. 본 실시예에서 현상은 혼합체를 구성하는 바인더가 물에 녹는 수용성이기 때문에 물을 현상액으로 사용하는 것을 특징으로 한다. 즉, 자외선에 조사시킨 후 상기 혼합체막(350)이 코팅된 하부기판(320)을 물(water)에 디핑(dipping)시켜 현상을 할 수도 있지만, 현상의 속도를 가속시키기 위해서는 40℃ 내지 50℃의 온수를 스프레이(spray) 분사시켜 현상하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 현상시 물을 현상액으로 사용해 선택적으로 패터닝이 가능한 이유는, 자외선에 노출된 혼합체막(350) 부분은 감광제와 바인더가 반응하여 물에 쉽게 녹지 않은 반면, 자외선에 노출되지 않은 부분의 혼합체막(350)은 물에 쉽게 녹는 특성을 갖기 때문이다.

도 3의 (d)에서는 음성 감광제를 사용하였기 때문에 자외선(390)에 노출된부분의 에미터만 남아 있지만, 양성 감광제를 사용해서 에미터를 패터닝할 수도 있다. 현상공정 후 남아 있는 혼합체막(350)은 수분과 바인더, 감광제 등을 함유하고 있기 때문에 열처리를 해서 사용한다. 열처리를 하는 이유는 에미터(365)를 제외한 혼합체막(350)의 구성 성분인 수분, 바인더 및 감광제를 태워서 제거해야 하기 때문이다. 이 때 열처리 온도는 혼합체 용액의 제조시 사용한 바인더 종류에 따라 다르지만 일반적으로 200℃에서 400℃의 범위를 갖는다.

열처리 공정후는 에미터 재료만 픽셀부분에 남아있기 때문에 픽셀부분의 캐소드전극(340)과 에미터(360)의 부착력이 낮아서 에미터가 박리되는 문제가 발생할 수 있다. 때문에 본 실시예에서는 에미터(360)와 캐소드전극(340)의 부착력을 증가시키기 위한 방법으로 혼합체 용액의 제조시 금속화합물을 첨가시킨다.

대표적인 금속화합물로는 마그네슘나이트레이트(Mg(NO₃)₂)와 실버나이트레이트(AgNO₃)가 있는데, 이들 금속화합물은 열처리시 환원되어 금속은 남게 되며, 입자형 에미터(360)를 캐소드전극(340)의 픽셀부분에 강하게 부착시키는 본딩제 역할을 한다. 이 밖에도 혼합체막(350)의 형성을 용이하게 하기 위해서 혼합체 용액에 미량의 계면활성제를 추가로 넣을 수 있으며, 계면활성제로는 이소프로필알콜 등이 사용 될 수 있다.

도 4는 앞서 설명한실시예 1의 방법(도 3 참조)으로 제조한 전자방출용 캐소드의 구조를 보여주는 개략 사시도로서, 유리기판으로 구성된 하부기판(320) 위에 금속막의 캐소드전극(340)이 띠형으로 형성되며, 상기 캐소드전극(340) 위에 소정의 크기를 갖는 에미터(360)가 패터닝 되어 있다. 여기서, 상기 캐소드전극(340)의 형상은 반드시 띠형일 필요는 없다. 또한 에미터(360)의 형상, 크기 및 개수는 특정하게 제한될 필요는 없다.

[실시예 2]

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출소자용 캐소드 제조방법을 보여주는 개략 단면도로서, 본 실시예는 앞서 설명한실시예 1의 제조방법에 비해서 에미터와 캐소드전극 사이의 부착력을 강하게 할 수 있는 장점과 후속공정에서 에미터의 파손을 줄이는 장점을 갖도록 고안된 것이다.

도 5의 (a)에서 보듯이 유리와 같은 전기적 부도체 재료로 구비된 하부기판(520)에, 전기적 도전성을 갖는 물질로 띠형의 캐소드전극(540)을 형성시킨다. 여기서 캐소드전극(540) 형성에 사용되는 기술, 재료 등은 앞서 설명한실시예 1(도 3 참조)과 동일하게 적용될 수 있다.

이어서, 캐소드전극(540)을 포함한 상기 하부기판(520) 상에 절연체(530)를 형성시킨다. 이 때 절연체(530)의 형성은 물리적증착 방법 혹은 화학적증착 방법 등으로 가능하다. 그리고, 절연체(530)의 두께는 캐소드전극(540)의 두께보다 두텁게 하여 후술하는 픽셀홈(535)을 형성한 후에 절연체(530)가 캐소드전극(540)에 비해 표면으로 돌출되도록 형성시키는 것이 바람직하다.

계속하여, 형성된 절연체(530)를 사진식각공정 등의 방법으로 선택적으로 식각하여 픽셀홈(535)을 형성한다. 이 때 도 5의 (a)에서 보듯이, 상기 픽셀홈(535)은 캐소드전극(540) 상에 위치하며, 픽셀홈(535)의 바닥에 캐소드전극(540)이 존재하도록, 즉 캐소드전극(540)이 노출되도록 충분히 깊게 식각해야 한다.

도 5의 (a) 이후의 공정은 상기 절연체(530)의 픽셀홈(535)에 의해서 노출된 캐소드전극(540)에 입자형 에미터 재료를 패터닝하여 부착시키는 공정으로, 자세한 공정은 앞서 설명한실시예 1에서와 동일한 단계로 이루어진다.

즉, 낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터 재료와 자외선에 감광되는 물질인 감광제를 함유하는 혼합체 용액을 제조하는 단계; 도 5의 (b)와 같이 제조된 혼합체 용액을 캐소드전극(540)과 절연체(530)를 함유한 하부기판(520)에 균일하게 도포하여 혼합체막(550)을 형성하는 단계; 도 5의 (c)와 같이 상기 혼합체막(550)에 마스크(580)를 사용하여 선별적으로 자외선(590)을 조사하는 단계; 및 도 5의 (d)와 같이 자외선(590)에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분에 있던 혼합체막(550)을 선택적으로 제거하는 현상 단계를 순차적으로 수행한다.

에미터 부착을 위한 각각의 단계 역시실시예 1의 기술, 재료 등을 동일하게 적용될 수 있다. 예를 들면, 혼합체막(550)을 형성시킨 후 건조단계를 가지며, 감광제로는 음성 감광제인 중크롬산을 사용할 수 있다. 또한 에미터 재료의 선택과 에미터와 캐소드전극의 부착력을 증가시키기 위해서 첨가제를 사용할 수 있다.

도 6은실시예 2(도 5)의 제조방법으로 제조한 전계방출소자용 캐소드의 구조를 보여주는 개략 사시도이다. 도면에서 보듯이, 사진식각 공정으로 제조한 전계방출소자용 캐소드(500)는 유리기판으로 구성된 하부기판(520)에 금속막의 캐소드전극(540)이 띠형으로 형성되며, 캐소드전극(540)을 함유한 하부기판(520)에 절연체(530)를 도포한 후, 캐소드전극 상에 형성된 절연체(530)를 선택적으로 식각하여 픽셀홈(535)을 형성시킨다. 이어서 상기 픽셀홈(535)을 통하여 캐소드전극(540)이 노출된 부분에 사진식각공정으로 패터닝하여 에미터(560)를 형성시킨다.

이와 같이 본 실시예에서는 패터닝된 에미터(560)는 아래로는 캐소드전극(540)과 부착되고, 측면으로는 픽셀홈(535)에 의해 보호되므로 외부의 물리적 자극에 의해 캐소드전극(540)과 에미터(560)가 박리되는 현상을 억제시킨다. 또한 에미터를 픽셀홈의 내부에 부착시킴으로써 후속공정시 픽셀홈(535)이 에미터(560)를 보호하는 역할을 하기 때문에 에미터의 손상을 방지할 수 있다. 이런 이유로 픽셀홈(535)을 갖는 절연체(530)의 두께는 캐소드전극(540)의 두께 보다 두텁게 하고, 에미터(560)의 표면이 절연체(530)의 표면보다 아래에 위치하도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 실시예에서는 에미터(560)와 픽셀홈(535) 사이에 일정한 공간을 두었지만, 에미터(560)와 픽셀홈(535)을 접하게 함으로써 에미터(560)의 캐소드전극(540)으로부터 박리되는 현상을 더욱 억제 시킬 수 있다. 또한 에미터(560)와 픽셀홈(535)이 접하는 면적을 증가시킬수록 에미터(560)의 박리현상을 더 한층 억제시킬 수 있기 때문에 한 개의 픽셀에 작은 다수개의 픽셀홈을 형성시킴으로써 에미터(560)의 박리현상을 줄이는 것이 더욱 바람직하다.

[실시예 3]

도 7은실시예 1에 의해 제조된 전계방출소자용 캐소드를 2극형 전계방출 디스플레이에 적용한 일예를 보여주는 개략도이다.

도면에서, 전계방출소자용 캐소드(300)는 스페이서(785)를 지지대로 하여 애노드(790)과 서로 마주보면서도 평행하게 진공패키징 한다. 애노드(790)는 유리기판으로 구성된 상부기판(792)에 띠 형태로 배열된 투명전극으로 구성된 애노드전극(794)과 애노드전극의 일부 위에 빨강(R), 녹색(G), 파랑색(B)의 형광체 (phosphor, 796)를 가진 상부기판(792)으로 구성된다. 그리고 하부기판상의 캐소드전극(340)과 애노드전극(794)은 서로 교차되도록 정렬하여 교차 영역이 하나의 픽셀(pixel)로 정의된다. 한편, 픽셀에서 서로 교차하는 캐소드전극(340)과 아노드전극(794)인 투명전극 사이에 전압를 인가하면, 전계(electric field)가 형성되고 소정 크기 이상의 전계에서는 에미터(360)에서 전자가 방출된다. 통상 사용되는 에미터 재료로는 10 V/㎛ 이하의 전계에서 쉽게 전자가 방출되는 물질을 사용한다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 전계방출소자용 캐소드를 입자형 에미터를 사용해서 사진식각 공정으로 캐소드전극을 함유한 하부기판의 원하는 소정의 위치에 정밀하게 패터닝할 수 있다. 때문에 고온공정으로 형성시킨 낮은 전계에서 전자방출 특성이 우수한 에미터 재료들 예를들면, 카본나노튜브, 카본나노입자, 결함을 가진 다이아몬드, 세라믹입자들을 저온공정이 요구되는 유리기판에 부착 및 패터닝할 수 있는 장점을 갖는다.

따라서 별도의 장치에서 합성온도와 기판의 형상에 제한을 받지 않고 전자방출특성이 우수한 입자형 에미터 재료를 합성하여, 본 발명의 사진식각 공정으로 입자형 에미터를 미세하고 정교하게 선택적으로 패터닝함으로써 전계방출소자의 하부기판 선택의 제한을 완화시킬 수 있으며, 전계방출소자의 대면적화 및 고정세화를 가능하게 한다. 즉, 유리기판을 하부기판으로 사용한 고정세 대면적 전계방출 디스플레이의 실용화가 가능하다.

그리고, 본 발명의 다른 실시예에서는 입자형 에미터가 절연체로 이루어지 픽셀홈에 형성되기 때문에 입자형 에미터와 캐소드전극 사이의 부착력을 강화시킬 수 있는 장점을 가진다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (18)

1. 캐소드를 가진 하부기판과 형광체를 가진 상부기판이 서로 평행하게 좁은 간격으로 진공패키징되어 하부기판의 캐소드로부터 방출된 전자를 상부기판의 형광체에 충돌시켜 형광체의 음극 발광으로 화상을 표시하는 전계방출소자용 캐소드에 있어서,

   전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판;

   상기 하부기판상에 전기적 도전성을 갖는 물질로 형성되는 캐소드전극; 및

   상기 캐소드전극의 위에 사진식각공정으로 패터닝 되어 부착되는 낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터를 포함하여 구성되어,

   전자방출소자의 하부기판 선택의 제한을 완화시키고, 전자방출소자를 대면적화 및 고정세화 할 수 있는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드.
2. 전계방출소자용 캐소드를 제조하는 방법에 있어서,

   전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판에 전기적 도전성을 갖는 물질로 캐소드전극을 형성시키는 공정;

   형성된 캐소드전극위에 입자형 에미터 재료를 사진식각 공정으로 패터닝하여 에미터를 부착시키는 공정으로 이루어지며,

   상기 에미터 부착 공정은, 낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터재료와 자외선에 감광되는 물질인 감광제를 함유하는 혼합체 용액을 제조하는 단계;

   제조된 혼합체 용액을 균일한 두께로 캐소드전극을 함유한 하부기판에 균일하게 도포하여 혼합체막을 형성하는 단계;

   상기 혼합체막에 마스크를 사용하여 선별적으로 자외선을 조사하는 단계; 및

   자외선에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분에 있던 혼합체막을 선택적으로 제거하는 현상 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항의 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
3. 캐소드를 가진 하부기판과 형광체를 가진 상부기판이 서로 평행하게 좁은 간격으로 진공패키징되어 하부기판의 캐소드로부터 방출된 전자를 상부기판의 형광체에 충돌시켜 형광체의 음극 발광으로 화상을 표시하는 전계방출소자용 캐소드에 있어서,

   전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판;

   상기 하부기판상에 전기적 도전성을 갖는 물질로 형성되는 캐소드전극;

   상기 캐소드전극을 함유한 상기 하부기판에 형성되고 바닥면에 상기 캐소드전극이 존재하는 픽셀홈을 가지며, 에미터와 캐소드전극 사이의 부착력을 강화시키고 에미터 파손을 줄여주는 절연체; 및

   상기 픽셀홈 내의 노출된 상기 캐소드전극 상에 사진식각공정으로 패터닝 되어 부착되는 낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터를 포함하여 구성되어,

   전자방출소자의 하부기판 선택의 제한을 완화시키고, 전자방출소자를 대면적화 및 고정세화 할 수 있는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드.
4. 전계방출소자용 캐소드를 제조하는 방법에 있어서,

   전기적 부도체 재료로 이루어진 하부기판에 전기적 도전성을 갖는 물질로 캐소드전극을 형성시키는 공정;

   에미터와 캐소드전극 사이의 부착력을 강화시키고, 후속공정에서의 에미터 파손을 줄이기 위하여 상기 캐소드전극을 갖는 상기 하부기판에 전기적으로 부도체인 절연체를 형성시키는 공정;

   상기 절연체를 선택적으로 식각하여 상기 캐소드전극을 바닥면으로 하는 픽셀홈을 형성시키는 공정; 및

   상기 픽셀홈에 입자형 에미터 재료를 사진식각공정으로 패터닝하여 에미터를 부착시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 제3항의 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 절연체의 두께는 상기 캐소드전극의 두께보다 두텁게 하여 픽셀홈을 형성한 후에 그 표면이 상기 캐소드전극에 비해 돌출되도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 픽셀홈 내에 패터닝되어 부착되는 에미터가, 그 표면이 절연체의 표면 보다 아래에 위치하도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
7. 제4항에 있어서,

   상기 에미터 부착 공정은,

   낮은 전계에서 전자방출이 용이한 입자형 에미터 재료와 자외선에 감광되는 물질인 감광제를 함유하는 혼합체 용액을 제조하는 단계;

   제조된 혼합체 용액을 균일한 두께로 캐소드전극을 함유한 하부기판에 균일하게 도포하여 혼합체막을 형성하는 단계;

   상기 혼합체막에 마스크를 사용하여 선별적으로 자외선을 조사하는 단계; 및

   자외선에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분에 있던 혼합체막을 선택적으로 제거하는 현상 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
8. 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 입자형 에미터가, 카본을 주성분으로 하는 물질인 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
9. 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 입자형 에미터가, 카본나노튜브, 카본나노입자, 결함을 가진 다이아몬드, 세라믹입자 혹은 반도체 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
10. 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 입자형 에미터가 구형, 괴상형, 막대형 혹은 판상형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
11. 제2항 또는 제7항에 있어서,

    상기 감광제는 중크롬산인 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
12. 제2항 또는 제7항에 있어서,

    상기 혼합체 용액이 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 바인더가 폴리비닐알콜 또는 터피네올인 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
14. 제2항 또는 제7항에 있어서,

    상기 혼합체 용액은 금속화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 금속화합물은 Mg(NO₃)₂또는 AgNO₃인 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
16. 제2항 또는 제7항에 있어서,

    상기 혼합체막은 스핀코팅 또는 닥터블레이드 방법으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
17. 제2항 또는 제7항에 있어서,

    상기 현상 단계는 현상액으로 물을 사용하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.
18. 제2항 또는 제7항에 있어서,

    상기 현상 단계 수행 후, 남아 있는 혼합체막에 잔존하는 수분, 바인더 및 감광제 등을 제거하기 위하여 패터닝된 혼합체막을 열처리하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자용 캐소드 제조방법.