이번 포스팅은 FED에 대한 전반적인 내용이다. 성공만 하면 굉장히 경쟁력있는 좋은 기술이지만 삼성이 계속 연구하고 있는데 비해 실현가능성이 매우 어려운 기술이다.
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Field Emission(FE)
0.5V/Å 이상의 전기장이 금속의 표면에 가해지면, 표면에서의 surface barrier은 더 얇아지고, 전자는 tunneling에 의해 금속으로부터 방출된다. 보통 sharp tip의 필요성 때문에 CNT(탄소나노튜브)를 쓴다.
Field Emission 전류는 Fowler-Nordheim 방정식(F-N eq)로 표현할 수 있다.
위의 수식으로부터 전기장이 증가할수록 일함수는 감소하고, current density는 급격하게 증가한다는 것을 알 수 있다.
FED structure
FED의 구조를 전체적으로 보면 anode plate, cathode plate, pixels로 나눌 수 있다.
위의 그림에서 착각하지 말아야 할 것이 있는데, 위의 그림은 Red sub-pixel만의 emitter를 나타낸 것이다. R,G,B각각의 emitter set가 존재한다는 것 참고! gate에 전압을 걸어주면 전자들이 cathode로부터 방출되고, 이 전자들은 anode voltage로부터 가속(acceleration, momentum transfer)된다.
위의 그림에서 전자의 방향이 기울어질 경우(inclined), 다른 sub-pixel(phosphors)을 건드려서 color purity가 감소할 수 있다. ( 'blooming noise') 이는 ① Black matrix를 사용하거나, ② anode plate와 FEA사이의 gap을 줄임으로써 방지할 수 있다.
FED의 Components에는 (1)Emitter, (2)Spacer, (3)Phosphor가 있는데, 세 가지를 간단하게 정리해보자.
(1) Emitter
emitter란? cathode와 gate사이의 gap. tip의 반경, 표면의 일함수는 최소화 되어야 한다. 3가지 type을 정리해보자.
1) cone-type emitter(Spindt cathod라고도 함), 가장 흔하게 씀.
sharp tip⇒ easy to separate electron.
2) edge emitter, thin film and photo-mask
CNT 는 Vertical 하게 할 수 없으니 사용할 수 없음
3) surface conduction electron emitter
이는 Canon 카메라에 실제로 쓰이는 emitter라고 한다. Pt electrode가 PdO 박막으로 덮혀있고, 아주아주 미세한 PdO 입자를 사용. anode는 phosphor로 코팅되어있음. 하지만 이는 굉장히 작동하는데 비용이 많이 들고 소비전력이 크다는 단점이 있다. 두 번째 그림은 전자가 emitted, heated, accelerated to Phosphor. 이 단계를 거쳐 박막에 도달하는 것에 대한 설명이다. 이 때, 진공상태를 유지하는 것이 매우 중요한데, 그렇지 않으면 전자가 scattered되면서 plasma가 만들어지기 때문!
How to enhance uniformity of emission from the tip?
위에서 설명했듯, emitter구조가 결정되고 나면, 균일한 electron의 emission을 얻는 것이 중요하다. 같은 양의 electron이 방출되어야 한다는 뜻이고 이는 같은 강도의 밝기(intensity of brightness)를 구현할 수 있다는 뜻이다.
1) maximize the number of emitters.
: high production yield, high current를 얻기 위해 105-106개의 tip들을 pixel에 사용. emitters의 갯수를 최대한 증가시키면 tip들 사이의 균일한 gap이 얻어진다.
2) negative feedback system
Emitter tips와 metal conductor(electrode)사이에 resistive layer를 깔아주면 voltage drop이 생기고, 이것이 uniform brightness를 구현하게 해준다. (∵ tip들은 atomic scale에서 perfectly same하지 않기 때문에 이런 방법을 쓴다.)
"Negative feedback occurs when the output of a system acts to oppose changes to the input of the system, with the result that the changes are attenuated. If the overall feedback of the system is negative, then the system will tend to be stable."
human eyes 는 굉장히 예민해서 uniform brightness(contrast)가 아주 중요.
(2) Spacer
Why we need "Spacer"?
1) front plate와 bottom plate사이의 gap을 일정하게 유지하기 위해.
2) cracking, bending을 막기 위해.
< Requirements >
1) mechanical strength
2) small size
3) surface or material must be insulator
3) ⇒ 무슨 말이냐면, tip들이 완벽하게 aligned되어있지 않기 때문에 위의 그림처럼 spacer를 칠 수 있다. 이 때, spacer가 conductor라면 emitted electron이 spacer를 때려서 secondary electron가 생길 수 있다. 따라서 spacer가 insulating material이거나, 표면이라도 insulate해야함. (polyimide, glass ball(0.2mm in diameter), insulated Ni spacer를 써준다.)
LCD에서는 Photon이 phosphor을 heat했지만 이 경우 electron heat the phosphor. to release long wavelength light.
Eu, Tb, - phosphor 써줌.
(3) Phosphor
Phosphor의 uniform brightness(=same efficiency, uniform RGB)를 얻기위한 방법 2가지 방법?
1) control the size, efficiency가 낮은것은 크게 만들고, 높은 것은 작게 만들고.
2) control the number of sub-pixel.(green sub-pixel의 brightness가 낮으니 2개를 써줌)
1) 은 공정의 어려움이 있어 2)를 더 자주쓴다.
Importance of high vacuum condition
낮은 전압에서, 남아있는 기체는 aging behavior에 영향을 미치기 때문에 10^-8Torr보다 더 좋은 진공상태를 유지시켜 주어야 함.
그러니까, 남아있는 가스들의 이온화되고, 이 양이온의 bombardment는 plasma(= dry etching)을 의미하고 이것이 tip을 상하게 한다는 뜻!
여기까지 수업시간에 다룬 FED에 대해 정리해 보았다. 교수님이 중요하다고 하신 것들만 정리하고, 자세한 공정은 첨부하지 않았음! 이 단원은 너무 급하게 지나가서 뭔가 정리하기가 힘들었다. ㅠㅠ 시간이 나면 추가적인 내용도 정리해봐야지. 끝-!
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