KR100532999B1 - 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자에 관한 것으로, 종래 탄소 나노튜브를 이용하는 다양한 구조는 고전압 형광체가 충분히 발광할 수 있도록 애노드에 고전압을 가해야 하기 때문에 애노드 전압에 의해 발생하는 전계가 에미터인 탄소 나노튜브에 영향을 미치게 되어 소자가 턴 오프되었음에도 불구하고 전자를 방출시켜 이상 발광이 빈번하게 발생하게 되며, 이를 방지하기 위해 애노드 전압을 낮은 임계치로 제한하게 되면 휘도가 낮아져 표시 소자가 출력하는 영상이 어두워지는 치명적인 문제점이 있었다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 전압 인가가 가능하고 에미터로부터 방출되는 전자가 투과할 수 있는 영역이 포함된 전계 차폐판을 애노드 상판과 캐소드 하판 사이에 적용한 후 적절한 전압을 인가할 수 있도록 한 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자를 제공함으로써, 에미터인 탄소 나노튜브에 대한 애노드 전계 영향을 차폐할 수 있어 이상 발광 없이 애노드 전압을 높여 휘도를 개선할 수 있고, 가해진 차폐 전압에 의해 전자 투과 영역을 통과하는 전자빔을 집속하여 소자의 선명도를 높일 수 있는 것은 물론이고 전계 차폐판 상부에 스패이서를 직접 형성할 수 있으므로 스패이서 하부 전극으로 사용할 수 있으며 스패이서에 의한 압력을 분산할 수 있어 신뢰성을 개선할 수 있는 다양한 효과가 있다.

Description

전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자{CARBON NANOTUBE FIELD EMISSION DEVICE HAVING A FIELD SHIELDING PLATE}

본 발명은 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자에 관한 것으로, 특히 전계방출 에미터로 탄소 나노튜브를 이용하는 구조에서 탄소 나노튜브가 애노드의 전압에 영향을 받아 원하지 않는 전자 방출이 발생하는 현상을 억제할 수 있도록 전압 인가가 가능하고 전자의 통과가 가능한 도전성 전계 차폐판을 에미터와 애노드 전극 사이에 적용한 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자에 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 전계방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.

상기 전계방출소자는 현재 개발 혹은 양산중인 평판 디스플레이들(LCD와 PDP, VFD등)의 단점을 모두 극복한 차세대 정보 통신용 평판 디스플레이로 주목을 받고 있다. 전계방출소자 디스플레이는 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.

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

최근 들어 탄소 나노튜브가 기계적으로 강하고, 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서 전자방출특성이 우수한 이유로 인해 이를 이용한 전계방출소자의 중요성이 인식되고 있다. 이와같은 탄소 나노튜브는 작은 직경(약, 1.0∼ 수십[nm])을 갖기 때문에 종래의 마이크로팁형(spindt형) 전계방출 팁에 비해 전계강화효과(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. 종래 전계방출소자의 구조를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 3전극 구조를 나타낸 것으로, 도시한 바와 같이 실리콘기판(1) 상부에 순차적으로 저항층(2), 절연층(4) 및 게이트전극(5)을 형성하고, 사진식각을 통해 게이트전극(5) 및 절연층(4) 일부를 식각하여 홀을 형성한 다음 증착(evaporation)을 통해 홀 바닥의 저항층(2) 상부에 촉매전이금속층(3)을 형성하고, 실리콘기판(1) 전체를 600∼900[℃] 정도의 온도범위로 가열하여 탄화수소(hydrocarbon) 가스를 이용한 열(thermal) 화학기상증착 또는 플라즈마(plasma) 화학기상증착 방법을 통해 촉매전이금속층(3) 상부에만 선택적으로 탄소 나노튜브(6)를 형성한다.

이때, 상기 탄소 나노튜브(6)는 촉매전이금속층(3) 상부에만 선택적으로 형성되므로, 촉매전이금속층(3)의 면적이 클수록 탄소 나노튜브(6)의 면적도 커진다. 이와같이 탄소 나노튜브(6)의 면적이 커지게 되면, 게이트전극(5)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, 또한 비대칭적인 전계분포에 의해 게이트전극(5)으로의 누설전류가 많은 문제점을 안고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하면서 보다 기계적인 구성을 가지도록 한 구조를 도 2에 도시한다.

도 2는 종래 탄소 나노튜브를 이용한 3전극 전계방출소자의 다른 예를 보인 단면도로서, 이에 도시한 바와같이 제 1기판(10) 상에 스크린 프린팅(screen printing) 또는 박막 패턴 등의 방법을 통해 일정하게 이격되는 캐소드전극(11)을 형성한 다음 탄소 나노튜브 분말을 바인더(binder) 및 전도성 필러(filler) 등과 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 만들어 스크린 프린팅 등과 같은 방법으로 도포하고, 일련의 바인더 제거과정을 거쳐 캐소드전극(11) 상부에 탄소 나노튜브(12)가 노출되도록 한다.

상기 캐소드전극(11) 및 탄소 나노튜브(12)가 형성된 결과물의 상부에 일정한 공간이 이격되도록 금속 그리드(metal grid)를 형성하여 게이트전극(13)으로 적용하며, 이때 게이트전극(13)으로 적용되는 금속 그리드는 탄소 나노튜브(12)가 형성된 영역과 이격되도록 정렬하여야 한다.

한편, 제2 기판(14) 상에 순차적으로 ITO(indium tin oxide) 애노드전극(15)과 발광층(16)을 적층하여 일정하게 이격되도록 형성한 다음 상기 게이트전극(13)이 형성된 결과물의 상부에 일정한 공간이 이격되며, 발광층(16)이 상기 탄소 나노튜브(12)와 마주보도록 정렬한다.

상기한 바와같은 종래 탄소 나노튜브를 이용한 3전극 전계방출소자의 다른 예는 상기 게이트전극(13)으로 적용되는 금속 그리드의 이격영역과 패터닝된 캐소드전극(11)과의 정렬이 어렵다. 즉, 상기와 같은 금속 그리드로 형성된 게이트(13)를 각 픽셀마다 독립 구동되도록 형성해야 하며 작은 조각의 금속 구조물들이 인접 픽셀들과 전기적으로 이격되도록 위치시켜야 하므로 조립공정이 대단히 복잡하고 정확한 정렬을 달성하기 어렵게 된다. 또한, 탄소 나노튜브(12)에서 방출되는 전자들의 많은 양이 금속 그리드의 게이트전극(13)을 통하여 누설되기 때문에 방출전자의 효율이 낮은 문제점이 있었다.

상기와 같은 고전적인 종래 탄소 나노튜브를 사용한 전계방출소자들(도 1 및 도 2)에서는 캐소드 전극보다 높이 형성된 게이트 전극이 애노드 전계를 다소 차단할 수 있지만 캐소드 전극의 위치나 탄소 나노튜브의 위치등에 따라 전계 차단 효과가 상이하므로 고전압 형광체의 사용에 따른 높은 애노드 전압이 에미터에 영향을 주어 소자가 이상 발광할 수 있다. 그에 따라 사용할 수 있는 애노드 전압의 임계치가 낮게 설정되어 소자의 휘도를 높이는데 한계가 있게 된다.

또한, 상기 종래의 전계 방출 소자들(도 1 및 도 2)은 제조상 공정이 복잡하여 대면적화에 불리한 문제점을 가지게 된다. 이러한 제조상의 어려움을 개선하기 위해서 게이트의 위치를 캐소드와 같거나 더욱 낮은 위치에 형성한 탄소 나노튜브 전계방출소자의 구조들이 제시되었다.

도 3은 종래 탄소 나노튜브를 이용한 언더게이트(under gate) 구조 전계방출소자의 단면도를 보인 것으로, 도시한 바와 같이 전자 방출을 일으키는 전기장을 나노 튜브(24)의 하부에 있는 게이트 전극(21)으로 인가하는 방식이다. 이는 유리기판(20) 상부에 게이트 전극(21)을 형성한 후 그 상부에 차례로 절연층(22), 캐소드 전극(23)을 형성한 다음, 상기 캐소드 전극(23) 상부에 탄소 나노튜브 혼합 슬러리를 스크린 프린팅법 등으로 도포하고 일련의 바인더 제거공정을 통해 탄소 나노튜브(24)를 형성한다. 이는 그 제조 공정이 대단히 단순하기 때문에 종래의 다른 방법들에 비해 대면적 표시부에 적용하기 쉽다.

하지만, 이러한 경우 게이트 전극(21)이 캐소드 전극(24) 하부에 위치하기 때문에 턴온 전압이 상대적으로 높은 단점이 있으며 이후 형성되는 상판 애노드 전극(미도시)에 의해 이상 발광이 나타날 수 있다는 문제점이 있다.

도 4는 종래 탄소 나노튜브를 이용한 코플래너(coplanar) 구조 전계방출소자의 단면도로서, 도시한 바와 같이 게이트 전극(33)과 캐소드 전극(34)이 동일층에 형성되는 형태이다. 비록 제조 공정은 상기 도 3에 도시한 언더게이트 구조에 비해 관통홀 형성 공정이 더 부가되므로 다소 복잡해지지만 이러한 구조적 배치에 의해 나노튜브(35)에서 전자 방출이 일어나는 턴온 전압이 낮아서 구동 전압을 낮출 수 있는 장점이 있다.

상기 도 3과 도 4의 구조는 기존의 기본적인 3극 구조(도 1 및 도 2)보다 간단하고 제조가 용이하여 다면적화에 유리하지만 탄소 나노튜브가 상부에 노출되어 있으므로 상판 애노드 전극의 전압에 대단히 큰 영향을 받는다. 현재 사용되는 애노드 상판의 형광체가 고전압형광체이기 때문에 높은 애노드 전압이 인가될 수록 형광 효율이 좋아져 휘도가 높아지게 된다. 그에 따라, 높은 애노드 전압을 사용하는 경우 소자를 턴 오프 했음에도 불구하고 애노드 전압에 의해 발생하는 전계로 인해 탄소 나노튜브가 전자를 방출시키는 현상이 발생하게 된다. 실질적으로 수 kV의 애노드 전압에 거의 모든 탄소 나노튜브가 발광하게 된다. 이러한 구조의 전계방출 소자에서 애노드에 가할 수 있는 전압의 임계치는 상대적으로 작아지므로 휘도에 제한을 받게 되어 전체적으로 표시소자에 출력되는 영상이 어두워진다.

상기한 바와같은 종래 탄소 나노튜브를 이용하는 다양한 구조는 고전압 형광체가 충분히 발광할 수 있도록 애노드에 고전압을 가해야 하기 때문에 애노드 전압에 의해 발생하는 전계가 에미터인 탄소 나노튜브에 영향을 미치게 되어 소자가 턴 오프되었음에도 불구하고 전자를 방출시켜 이상 발광이 빈번하게 발생하게 되며, 이를 방지하기 위해 애노드 전압을 낮은 임계치로 제한하게 되면 휘도가 낮아져 표시 소자가 출력하는 영상이 어두워지는 치명적인 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명은 전압 인가가 가능하고 에미터로부터 방출되는 전자가 투과할 수 있도록 형성한 전계 차폐판을 애노드 상판과 캐소드 하판 사이에 적용한 후 전압을 인가하는 것으로 애노드 전계가 에미터인 탄소 나노튜브에 영향을 미치지 못하도록 함과 동시에 스패이서 하부 전극의 역할과 전자의 집속 전극 역할까지 수행할 수 있도록 한 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

먼저, 상기한 바와같은 본 발명은 탄소 나노튜브를 에미터로 구성한 전계 방출 소자가 형성된 캐소드 하판과; 상기 전계방출 소자 상부에 절연을 위해 형성한 이격 절연층 상에 형성되며, 별도의 전계 차폐 전극과 상기 탄소 나노튜브의 위치에 대응하여 그로부터 방출되는 전자가 통과할 수 있는 투과 영역을 가지는 전계 차폐판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 캐소드 하판 상에 구성된 전계방출 소자는 방출되는 전자가 상기 전계 차폐판에 가해지는 전계를 지나도록 하기 위해 게이트 전극의 위치가 캐소드 전극의 위치보다 높게 형성된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같은 본 발명에 의한 전계방출소자 및 그 제조방법의 실시예들을 첨부한 도면들을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 특징적인 구조를 보이는 바람직한 실시예의 단면도 및 일부인 전계 방출부 확대 단면도를 보인 것이다.

먼저, 도 5a는 본 발명 일 실시예를 이용한 전계 방출 소자를 나타낸 것으로 캐소드 하판(40)에 본 발명의 전계 차폐판이 적용되어 있는 모습이다. 상기 전계 차폐판 상부에는 스패이서(55)가 위치하고, 이를 이용하여 애노드 상판(60)이 이격되어 위치된다. 상기 실시예에 적용되는 전계 차폐판은 외부에서 전압 인가가 가능한 도전성 단일 판으로 형성되며, 하부 픽셀의 전자 방출을 위해 대응되는 부분에는 원형 투과 영역(홀)이 형성되어 있다.

본 발명 전계 차폐판 상부에 스패이서(55)가 놓이는 상기 실시예의 구조는 이후 본 발명의 부가적인 효과를 설명하기위해 다시한번 언급할 것이다.

이제, 전계 방출이 발생하는 전계방출부(A)를 좀더 확대하여 본 발명의 구체적인 구성과 동작을 설명하도록 한다.

도 5b는 상기 도 5a의 전계방출부(A)를 확대한 단면도로서, 도시한 바와 같이 탄소 나노튜브(45)를 적용한 전계방출부와 소정 부분 이격하여 전계 차폐판(50)이 형성되어 있다. 상기 전계 차폐판(50)은 도전성 단일 판으로 형성되어 외부에서 인가되는 전압으로 전계를 형성할 수 있으며, 이러한 전계는 애노드 전압에 의해 인가되는 전계를 차폐하여 상기 탄소 나노튜브(45)가 애노드 전압에 영향을 받지 않도록 한다. 상기 전계 차폐판(50)은 전압을 인가할 수 있는 모든 전도성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 알루미늄, 구리 등의 단원자 금속판, 합금 금속판, 전도성 산화물질, 질화물, 혹은 탄화물 등이 사용될 수 있다.

상기 전계 차폐판의 구조는 캐소드 하판의 영역을 덮는 얇은 판상이며 전계 차폐판(50)과 에미터가 정렬되었을 경우 각각의 에미터에 해당하는 위치에는 전자가 통과할 수 있는 전자 투과 영역(홀)이 형성된다. 이때 형성되는 투과 영역의 크기는 작을 수록 애노드 전압에 의한 전계를 차폐하는 효과가 커진다. 상기 전계 차폐판(50)의 두께는 100nm에서 수mm인 것이 바람직하다. 그리고 상기 전계 차폐판에 인가되는 전압은 음전압, 접지전압, 애노드 전계보다 약한 양전압이 인가 가능하다. 차폐 효과는 음전압이 인가될때가 가장 크며 그 다음으로 접지, 그리고 애노드 전계보다 약한 양전압의 순이다.

상기 전계 차폐판(50)에 인가되는 전압이 음전압인 경우 상기 전계 차폐판(50)은 애노드 전계의 차폐 역할 뿐만 아니라 에미터인 탄소 나노튜브(45)에서 방출되는 전자를 집속하는 역할도 동시에 수행할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다. 즉, 본 발명은 애노드 전압을 높일 수 있도록 하여 소자의 휘도를 높일 뿐만 아니라 빛 번짐을 억제하여 선명도 역시 높일 수 있다.

상기 전계 차폐판(50)은 단일 도전성 판이므로 캐소드 하판의 외곽 부분에서 절연성 물질인 프릿 글래스등으로 높이를 설정하여 고정할 수 있으므로 도시된 실시예의 구조와 같이 전계 차폐판(50)을 게이트 전극(44)과 이격된 상부에 형성할 수 있다. 이러한 전계 차폐판(50)의 물리적인 조립은 당 업자에게 명백한 일이며, 난이도가 높지 않은 공정을 통해 실시될 수 있다.

상기 도시된 탄소 나노튜브 전계방출소자는 코플래너 게이트 구조에서 게이트 전극(44)을 절연층(43)을 이용하여 캐소드 전극(42)보다 높인 것이다. 본 발명의 전계 차폐판(50)이 적용될 수 있는 탄소 나노튜브 전계방출소자 구조는 게이트 전극(44)이 캐소드 전극(42)보다 높이 형성된 구조이다. 기본적인 3전극 구조(normal gate 구조)에 적용될 수있으며, 평면형의 경우 도시된 바와 같이 게이트 전극(44)의 위치를 캐소드 전극(42)보다 높인다면 본 발명을 적용할 수 있다. 만일, 게이트 전극(44)의 위치가 캐소드 전극(42)보다 높지 않은 구조에 본 발명의 전계 차폐판(50)을 적용하게 되면 애노드 전계가 차폐되기 때문에 게이트에 의해 방출된 전자가 애노드 전극 방향으로 가속되는 방식을 사용할 수 없게 되기 때문이다.

본 발명의 전계 차폐판(50)은 도시한 바와 같이 전계 방출부 전극들(게이트 전극 및 캐소드 전극)과 공간을 두고 이격되어 고정되는 방식으로 제한되지는 않으며, 하부 전극들과 절연을 유지하는 다양한 방법으로 형성될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예들을 보이는 단면도이다.

도 6a는 상기 도 5b에 도시한 바와 같이 전계 차폐판(50)을 하부 소자로부터 이격시키는 것이 아니라 하부 소자와 전계 차폐판(50) 사이에 이격 절연층(46)을 형성하여 구성한 것이다. 상기 이격 절연층(46)은 상기 소자 상부에 절연층(46)을 형성한 후 적절히 식각하는 방식을 이용할 수 있지만, 상기 전계 차폐판(50) 하부에 이격 절연층(46)을 설치한 후 조립하는 방법을 이용하는 경우 공정이 보다 간단해진다.

상기 이격 절연층(46)이 하는 일은 상기 전계 차폐판(50)이 물리적으로 전계방출 소자 전극들(42, 44)과 이격되도록 하며, 탄소 나노튜브(45)와의 이격 거리를 조절하는 것이므로 이격 절연층(46) 자체의 폭이나 형태 등이 다양해질 수 있다.

도 6b는 상기 도 6a의 이격 절연층(46)을 다른 형태로 구성한 것으로 도시한 바와 같이 이격 절연층(46)의 폭이 더 좁아진 것을 알 수 있을 것이다. 이는 상기 이격 절연층(46)의 공정 여유가 많아질 수 있다는 의미이며, 상기 전계 차폐판(50)과 함께 형성된 다음에 기 형성된 전계방출 소자와 조립될 수 있다는 것을 뜻한다.

또한, 도시된 바와 같이 이격 절연층(46)을 일정한 규칙으로 배열하지 않더라도 전계 차폐판(50)이 단일 판상의 형태를 가지므로 임의의 위치에 산발적으로 배치하면 그것 만으로도 충분한 물리적인 지지 강도를 유지할 수 있다.

도 7은 본 발명 일 실시예의 전계 차폐판(50)을 캐소드 하판(40) 상에 고정시키는 방법과 이 경우 적용할 수 있는 차폐판 전극(51) 및 차폐판 전압 인가 전극(48)의 구조를 보이는 단면도이다.

먼저, 상기 전계 차폐판(50)은 단일 판상의 도전성 물질이므로 캐소드 하판(40)의 소자 형성 영역 이외의 외곽 부분에서 절연성 물질로 고정될 수 있다. 이를 위해 전계 차폐판(50)의 외곽 부분과 그에 대응하는 캐소드 하판(40)의 외곽 부분에 각각 프릿 글래스(frit glass)(52)를 구성하여 이를 이용하여 물리적으로 고정할 수 있다. 이러한 프릿 글래스(52)를 이용한 고정 만으로도 충분한 기계적 강도를 유지할 수 있지만, 그 강도를 보강하기 위해서 상기 전계 차폐판(50) 하부에 이격 절연층을 둘 수 있다는 것은 이미 설명한 바 있다. 이를 통해 이후 형성되는 스패이서가 가하는 압력을 분산하여 스패이서에 의한 캐소드 전극의 손상을 방지할 수 있는 부가적인 효과도 기대할 수 있다.

상기 전계 차폐판(50)이 도전성 물질로 형성된 이유는 애노드 전계를 차폐하는 차폐 전압을 받아들여 차폐 전계를 생성하기 위해서이며, 이를 위해 상기 전계 차폐판(50)의 일부 영역에 전압 인가가 가능한 차폐판 전극(51)을 형성한다. 이는 상기 전계 차폐판(50)의 제조 단계에서 다양한 방법으로 형성될 수 있다.

상기 전계 차폐판(50)의 차폐판 전극(51)에 전압을 인가하기 위해서 상기 차폐판 전극(51)에 대응하는 캐소드 하판(40) 상부에 은(Ag) 페이스트 등의 도전성 페이스트를 형성하여 차폐판 전압 인가 전극(48)을 형성한다. 상기 차폐판 전압 인가 전극(48)은 별도로 형성한 차폐판 전압 인가용 배선과 연결되어 전계 차폐판(50)에 적절한 전압을 인가할 수 있다.

본 발명의 전계 차폐판(50)은 상기 전계 차폐판 전압 인가 전극(48)을 통해 제공되는 전압에 의해 애노드 전계를 차폐하는 전계를 발생시키면서 내부적으로 형성된 전자 투과 영역을 지나는 전자빔을 집속할 수 있다. 또한, 상기 전계 차폐판(50)은 도 5a에 도시한 물리적인 구조 상 그 상부에 직접 스패이서를 설치할 수 있으므로 스패이서에 축적되는 전자를 방전시키기 위한 스패이서 하부전극의 역할 역시 수행할 수 있다. 또한, 상기 전계 차폐판(50)은 물리적인 고정 강도를 하부 이격 절연층으로 조절할 수 있으며 하부의 전계방출 소자 전극(캐소드 전극)과 이격되어 있으므로 상기 전계 차폐판이 일종의 버퍼층 역할을 수행하기 때문에 스패이서 압력에 의한 소자 전극의 손상 역시 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 전계 차폐판(50)은 용이한 공정을 통해 도전성 판상 전계 차폐판을 설하는 것으로 에미터의 이상 동작을 방지하면서 애노드 전압을 높일 수 있어 휘도를 개선할 수 있으며, 전계 차폐판(50)에 형성된 전자빔 투과 영역이 집속 전극의 역할을 하므로 소자의 선명도가 높아지게 되어 전체적인 소자 성능 개선이 획기적으로 이루어질 수 있다. 또한, 스패이서 하부 전극을 별도로 형성할 필요가 없으므로 본 발명에 의한 추가 공정의 부담을 덜 수 있으며 스패이서 압력에 의한 소자 배선의 손상을 감소 시키므로 공정 수율과 신뢰성을 높일 수 있게 되는 부가적인 효과도 기대할 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 전계 차폐판(50)은 기본적인 3전극 구조와 같이 게이트 전극이 캐소드 전극보다 높이 형성된 구조에 적용하는 것이 바람직하여 적용 가능 소자에 제한이 있지만, 공정이 간단한 평면형 구조를 변형하여 게이트 전극의 위치를 캐소드 전극보다 높이게 되면 대면적화에 유리한 구조에도 본 발명을 적용할 수 있게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자는 전압 인가가 가능하고 에미터로부터 방출되는 전자가 투과할 수 있는 영역이 포함된 전계 차폐판을 애노드 상판과 캐소드 하판 사이에 적용한 후 적절한 전압을 인가할 수 있도록 함으로써, 에미터인 탄소 나노튜브에 대한 애노드 전계 영향을 차폐할 수 있어 이상 발광 없이 애노드 전압을 높여 휘도를 개선할 수 있고, 가해진 차폐 전압에 의해 전자 투과 영역을 통과하는 전자빔을 집속하여 소자의 선명도를 높일 수 있는 것은 물론이고 전계 차폐판 상부에 스패이서를 직접 형성할 수 있으므로 스패이서 하부 전극으로 사용할 수 있으며 스패이서에 의한 압력을 분산할 수 있어 신뢰성을 개선할 수 있는 다양한 효과가 있다.

도 1은 종래 탄소 나노튜브를 이용한 3전극 전계방출소자의 일 예를 보인 단면도.

도 2는 종래 탄소 나노튜브를 이용한 3전극 전계방출소자의 다른 예를 보인 단면도.

도 3은 종래 탄소 나노튜브를 이용한 언더게이트 구조 전계방출소자의 단면도.

도 4는 종래 탄소 나노튜브를 이용한 코플래너 게이트 구조 전계방출소자의 단면도.

도 5a는 본 발명에 따른 전계방출소자의 일 실시예를 나타낸 단면도.

도 5b는 상기 도 5a의 일부인 전자 방출부를 확대하여 나타낸 단면도.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 단면도.

도 7은 본 발명의 일 실시예의 적용 방법을 설명하기위한 단면도.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

41: 유리기판 42: 캐소드 전극

43: 절연층 44: 게이트 전극

45: 탄소 나노튜브 46: 이격 절연층

48: 차폐판 전압 인가 전극 50: 전계 차폐판

51: 차폐판 전극 52: 프릿 글래스

55: 스패이서 60: 애노드 상판

Claims (7)

1. 탄소 나노튜브를 에미터로 구성한 전계 방출 소자가 형성된 캐소드 하판과; 상기 전계방출 소자 상부에 절연을 위해 형성한 이격 절연층 상에 형성되며, 별도의 전계 차폐 전극과 상기 탄소 나노튜브의 위치에 대응하여 그로부터 방출되는 전자가 통과할 수 있는 투과 영역을 가지는 전계 차폐판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전계 차폐판은 단원자 금속판, 합금 금속판, 전도성 산화물, 질화물, 혹은 탄화물 등의 모든 전도성 물질인 것을 특징으로 하는 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 캐소드 하판 상에 구성된 전계방출 소자는 방출되는 전자가 상기 전계 차폐판에 가해지는 전계를 지나도록 하기 위해 게이트 전극의 위치가 캐소드 전극의 위치보다 높게 형성된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 전계 차폐판의 전계 차폐 전극은 캐소드 하판에 별도로 형성된 전계 차폐판 전압 인가 전극과 물리적으로 접촉하도록 구성하며, 이를 통해 음전압, 접지전압 또는 애노드 전압보다 작은 양전압이 제공되는 것을 특징으로 하는 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자.
6. 제 1항에 있어서, 상기 전계 차폐판 상부에는 스패이서가 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 전계 차폐판은 스패이서 하부 전극 및 압력 분산용 버퍼의 기능을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자.
7. 제 1항에 있어서, 상기 전계 차폐판에 형성된 투과 영역은 하부에 위치하는 전자 방출부에 대응하며, 인가되는 전계 차폐 전극이 음전압인 경우 방출되는 전자의 초점을 맞추는 집속 전극의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 전계 차폐판을 구비한 탄소 나노튜브 전계방출소자.