[테마특강] 전계효과 전자방출 표시소자 기술동향

金鍾玟

80년 홍익대 전자공학과 졸업

86년 美 뉴저지 공과대학 전기공학 석사

91년 美 뉴저지 공과대학 전기공학 박사

83∼84년 금성사 OA사업부 엔지니어

88∼92년 미군연구소 연구소

93∼94년 美 FED사 선임 연구엔지니어

94∼96년 8월 삼성종합기술원 FED프로젝트팀장 수석연구원

96년 9월∼현재 삼성종합기술원 표시재료 Lab장

전계효과 전자방출 표시소자(FED;Field Emission Display)는 음극판 패널(Cathode)과 양극판 패널(Anode)로 구성되어 있다. 음극판 패널은 전자를 방출하는 마이크로 팁(FEA;Field Emitter Array)으로 구성됐고 양극판 패널은 형광체가 도포되어 사람이 볼 수 있는 영상을 나타내는 부분이다. 기본적으로 음극판에서 방출된 전자가 양극판의 형광체에 부딪혀 영상을 나타내도록 설계되어 있다. 작동방식이 기존 브라운관과 유사하면서도 평판으로 되어 있어 차세대 평판 브라운관으로 불린다.

FED의 제작공정을 보면 우선 유리기판 위에 전자를 방출하는 마이크로 팁 구조를 반도체공정으로 제작하고 양극판에 형광체를 도포한 후 스페이서(Spacer)라는 분리층을 만들어 고진공 패키징을 한다. 그리고 FEA 음극판의 게이트(Gate) 전극과 캐소드 전극에 적절한 양의 전압을 가하면 마이크로 팁에 강한 전기장이 형성되어 양자 역학적 터널효과에 의해 전자가 방출된다. 방출된 전자가 수백볼트의 전압이 가해진 양극판에 끌려 형광체를 때리면 이때 형광체 상에 발광이 되는 것이다.

FED의 핵심기술은 대략 5가지로 나눠진다. 첫째 중요한 기술은 FEA 제조법이다. 이 기술은 여러가지 핵심 단위기술을 포함하고 있다. 세부적으로 보면 FEA를 만들기 위한 마이크로 홀(Micro Hole)과 마이크로 팁(Micro­tip) 형성법, 그리고 마이크로 팁을 안정화하기 위한 저항체층 형성법 등이다. 마이크로 홀 형성법은 1미크론 정도의 홀 크기를 대면적 위에 균일하게 만들기 위해 마스크를 제작하는 방법과 이를 균일하게 기판(Substrate) 상에 형성하는 기술을 요구한다.

저항체층 형성법은 궁극적으로 전류-전압 특성을 안정화하는 장점이 있지만 공정이 복잡하고 수율이 낮으며 특히 어느 정도까지의 도핑(Doping)이나 적절한 박막이 적용되어야 하는지는 정확히 실험적으로 정립돼 있지 않다. 삼성종합기술원은 저항체층을 적용하지 않고 홀 형성기술을 정교하게 적용시켜 안정화하는 기술을 활용하고 있다. 이 기술이 현재까지는 실험적으로 충분한 안정성을 보이고 있으나 좀 더 검증되어야 할 것으로 보인다.

FEA에 대한 다른 대안으로 다이아몬드나 유사 다이몬드(DLC;Diamond Like Carbon), 카본 계열 등의 저일함수를 갖는 물질 및 강유전체물질(Ferro Electric Material), 갈륨나이트라이드(GaN) 등이 등장하고 있으나 현재로서는 실험적 수준에 머무르고 있다. FEA의 공정이 까다로워서 새로운 개념의 표면전도전자(Surface Conducting Electron)에 의한 FED로 일본 캐논이 최근 10.4인치급을 선보였다. 히타치, 파나소닉 등도 고효율 박막 전자방출원(Emission Source)에 의한 디스플레이를 제시하고 있으나 아직까지는 마이크로 팁과 저일함수 물질공정이 결합된 기술이 바람직한 선택으로 고려되고 있다.

FED에서 두번째 중요한 문제는 고전압 형광체와 저전압 형광체의 선택에 있다. 고전압 형광체는 기존 고휘도 CRT용 형광체를 사용할 수 있는 장점이 있다. 현재 미국 주요 FED연구소 및 제조회사가 이를 적용을 하고 있으나 실험적으로는 고전압 형광체 사용에 따라 고전압 방전효과에 의한 플래시오버(Flashover)현상-방전에 의해 아칭(Arching)이 발생해 소자가 죽는 현상-문제가 심각해 양극판과 음극판을 분리시켜주는 특수한 스페이서 제조기술이 필요하다. 칸데슨트 테크놀로지(구 실리콘 비디오 그래픽스) 등 대부분의 미국업체들은 이 문제를 해결하기 위해 고유한 고전압용 스페이서 기술을 적용하고 있으나 현재까지 정확한 신뢰성은 발표되지 않고 있다. 반면 저전압 형광체는 저전압 방전효과에 의한 플래시오버 현상이 줄어 신뢰도가 증가하나 효율을 낮고 또 황화물(Sulfides)계열의 형광체에서 잔류가스의 방출(Outgassing)에 의한 수율 감소가 있다. 이러한 이유에서 픽스테크(PixTech)사는 양쪽 개발을 병행하고 있는 실정이다.

형광체의 합성후 FED의 효율을 집중적으로 향상시키는 인자는 형광체 도포방법이다. 형광체 도포방법에 따라 형광체의 구조 및 구동 방법이 결정되고 휘도, 해상도 특성이 좌우되므로 이에 대한 집중적 연구도 필수적이다. 픽스테크는 양극판 구동(Anode Switching) 방법에 의한 저전압용 형광체를 시도했고, 칸데슨트 테크놀로지 등 미국 연구업체들은 게이트 구동(Gate Switching) 방법에 의한 고전압 형광체를 시도하고 있다. 형광체는 인쇄법, PVA 슬러리법, 전기영동법(Electrophoretic), 미세현상형성법(Photolithography) 등을 병용할 수 있으나 응용 및 구조에 따라 세심한 사전준비를 필요로 한다.

셋째 핵심기술 중 하나는 스페이서(spacer) 기술이다. 스페이서는 형광체를 가진 양극판과 FEA를 갖는 음극판를 분리해주는 역할을 한다. 픽스테크는 초기에 약 1대1 고정세(Aspect Ratio)를 갖는 기술을 보유했으나 지금은 1대4 또는 1대5의 고정세를 갖는 기술을 개발하고 있다. 삼성종합기술원의 경우 1대1에서 1대2 고정세 이상을 갖는 스페이서를 개발했는데 이는 모두 저전압용이다. 고전압 전용 스페이서는 칸데슨트 테크놀로지가 개발한 스페이서가 유용하다고 하나 자세한 프로토 타입은 발표된 바가 없다. 스페이서 재질로는 유리가루(Glass Powder)에 의한 방법이나 유리봉(Glass Bar), 유리구(Glass Ball)에 의한 방법 등이 쓰이고 있으나 저전압, 고전압 형광체의 종류 및 플래시오버 효과, 진공 패키징시 주어지는 압력차에 의한 스트레스 등에 의해 재질이 선택되고 공법이 결정된다. 대화면으로 응용하기 위해서는 압력에 따라 구조 및 스페이서의 수와 응력이 계산되어야 하고 해상도에 따라 고정세 등이 결정되므로 이에 대한 시뮬레이션이 선행돼야 한다.

고진공 패키징 기술은 기본적으로는 유리가공 기술에 의해 이뤄진다. 일반적으로 소다라임 유리(Sodalime Glass)가 사용된다. 소다라임 글라스는 표면이 다공질이어서 수소나 헬륨 가스 등을 흡착하여 소자 누설현상(Leakage)을 심각하게 하고 이 특성 때문에 나트륨이온(Na) 등의 공동(Vacancies)이 심해 물, 이산화탄소 등 잔류가스 등을 쉽게 흡착한다. 만약 실리콘 산화막 등이 있으면 나트륨 이온에 심각히 오염될 염려가 있는 만큼 이에 대한 대책도 필요하다. 이런 과정을 거쳐 유리 기판이 선택되면 봉착유리 분말액(Frit Glass Paste)이 선택되어야 한다. 이 때는 열팽창 계수가 맞고 글라스와 유리분말액이 표면에 완전히 붙게 되는 점착현상(Wetting)이 필수적이다. 봉착 후 봉착 유리 분말액은 소성돼 고형화되는데 이때 중요한 것은 표면의 전기도전 문제다. 대부분의 봉착유리 파우더(Frit Glass Powder)는 융점(Melting)온도를 저하시키기 위해 많은 양의 산화납(PbOx)을 쓴다. 이는 전기도전성이 있고 높은 전기저항을 표면에 갖게 된다. 산화 납가루(PbOx powder)의 내용은 융점온도와 결정화 조건에 의존하고 특히 진공상태에서 도전이 잘되므로 1㎜의 양극판과 음극판의 1∼10㎸ 전압 차에 의해 큰 전기누설이(Leakage) 생길 수 있으므로 여러가지 조건이 연구되어야 한다.

FED 내부에서는 일반적으로 코로나방전(Corona Discharge)에 대한 영향이 많이 일어난다. 코로나 방전에 따른 팁을 보호해주려면 FEA가 고진공에 놓여져야 한다. 10 torr 이하에서의 잔류가스(residual gas)는 좋은 절연체가 된다. 그러나 잔류가스가 마이크로 홀내에 있을 때 방전의 원인이 되므로 최대한 잔류가스 효과를 줄여줘야 한다. 이를 위해서는 우선 배기가스를 확실히 제거해야 한다. 오염된 할로겐족 가스(불소, 염소)의 제거(Degassing)와 글라스 표면으로부터의 물분자 등은 보통기술로는 아주 어렵다. 특히 진공상태에서의 미세 틈새(Microcrack)나 홀 등은 물과 모세관현상 때문에 제거가 아주 힘들다. 이에 대한 최상의 방법이 전자빔 에이징(Electron Beam Aging), 가스에 의한 에이징(Gas Aging), 온도에 의한 에이징(Temperature Aging) 등이 추천되고 있다. 이와 함께 반드시 가스흡입제(Getter)에 의한 방법이 병행돼야 한다. 가스흡입제 사용은 진공도를 향상시키고 잔류가스 효과도 줄일 수 있다. 가스흡입제에는 증착형방법(Evaporable Type)과 비증착형 방법(Nonevaporable Type)이 있는데 대부분 이탈리아의 SAES가 독점하고 있어 독자적인 연구가 필요하다.

기술적으로 마이크로 팁과 저일함수 물질의 결합이 바람직하지만 이 분야는 앞으로 다양하고 강력한 신기술이 등장할 것으로 추정된다. 형광체는 궁극적으로 저전압 형광체의 채택이 바람직하나 고전압 형광체의 장점인 휘도 상업성 등을 고려할 때 당분간 강력한 옵션으로 존재할 것으로 예상된다. 이런 점을 감안할 때 국내에서는 스페이서, 가스흡입제 등 기술을 요소기술 개발차원에서 적극 고려돼야 한다.

FED는 차세대 평판기술이므로 당장 30년 이상의 개발역사를 가진 LCD나 PDP와의 직접 비교는 무리다. 다만 FED의 원리나 특성으로만 말하면 당연히 차세대 디스플레이의 선두주자라 할 만큼 타 디스플레이에 비해 뛰어난 성능을 갖추고 있고 잠재성 또한 높다. 그러나 디스플레이라는 것은 누구한테라도 쉽게 눈으로 검증을 받는 것이어서 좀 더 시간을 두고 신뢰도가 검증되어야 할 것으로 본다.