JP2006019282A - 電子放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子ビームの経路上に集束電極を配置する時に、集束電極の構造を改善して電子ビームの集束効果を高めて、製造工程を容易にすることができる、電子放出素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明による電子放出素子は、基板上に形成された電子放出部と、電子放出部の電子放出を制御する複数の駆動電極と、駆動電極のうちのいずれか一つの駆動電極と同一平面上でこの駆動電極と所定の距離をおいて配置された、少なくとも一部がこの駆動電極より大きな厚さを有する集束電極とを含む。この時、同一平面上に配置された集束電極及び駆動電極は、各々互いに平行に形成されたライン部と、ライン部から互いに向かって延長された複数の延長部とからなり、基板の一方向に沿って集束電極の延長部及び駆動電極の延長部が交互に繰り返し配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は電子放出素子に関し、より詳しくは、電子ビームの集束のために使用される集束電極の構造を改善した電子放出素子及びその製造方法に関する。

一般に、電子放出素子は、電子源として熱陰極を利用する方式及び冷陰極を利用する方式に分類することができる。
この中でも、冷陰極を利用する方式の電子放出素子としては、電界放出アレイ（field emitter array；ＦＥＡ）型、表面伝導エミッション（surface-conduction emission；ＳＣＥ）型、金属-絶縁層-金属（metal-insulator-metal；ＭＩＭ）型、及び金属-絶縁層-半導体（metal-insulator-semiconductor；ＭＩＳ）型などが知られている。

前記電子放出素子は、その種類によって細部の構造は異なるが、基本的には、互いに接合されて真空容器を形成する第１基板及び第２基板、第１基板上に提供されて第２基板に向かって電子を放出する電子放出ユニット、及び第２基板のうちの第１基板との対向面に提供されて前記電子によって可視光を放出する発光ユニットを含む。

電子放出ユニットは、駆動電極及び駆動電極によって画素別に電子放出量が制御される電子放出部を含む。発光ユニットは、蛍光層及び電子放出部から放出された電子が蛍光層に向かって良好に加速されるようにするアノード電極を含む。

ところで、前記電子放出部から電子を放出させて蛍光層を発光させる過程で、前記電子は、対応する画素の蛍光層ではなくて隣接する他の画素の蛍光層に向かって広がって進むことがあり、この場合、画面の色純度が低下する。

したがって、従来の技術で、電子ビームを制御するための手段として、電子ビームの経路上にグリッド電極または集束電極を配置する構造が提案された。グリッド電極は、複数の電子ビーム通過孔を有する金属プレートであって、スペーサを利用して第１基板及び第２基板と一定の間隔をおいて両基板の間に設置される。集束電極は、絶縁層によって駆動電極と絶縁された状態を維持して、電子放出ユニットの最上部に配置される。

ところが、前記電子放出素子がグリッド電極を備える場合には、第１基板または第２基板上にスペーサを設置して、両基板を高度に位置合わせしてグリッド電極を配置した後で、これら基板を一つに接合して真空容器を製作する作業が非常に難しいため、製造工程が複雑になる問題点がある。

そして、電子放出素子が集束電極を備える場合には、電子放出源に対する集束電極の高さを大きくするほど電子ビームの集束効果は優れるが、集束電極を支持する絶縁層の厚さを大きくすると、絶縁層及び集束電極に電子ビームの通過のための開口部を形成する時に高い縦横比（開口部の幅に対する高さの比）の開口部を形成しなければならないので、製造工程の実現が難しい問題点がある。

したがって、本発明は、前記問題点を解消するためのものであって、本発明の目的は、電子ビームの経路上に集束電極を配置する時に、集束電極の構造を改善して電子ビームの集束効果を高めて、製造工程を容易にすることができる、電子放出素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一実施例によれば、前記電子放出素子は、基板上に形成された電子放出部と、電子放出部の電子放出を制御する複数の駆動電極と、駆動電極のうちのいずれか一つの駆動電極と同一平面上でこの駆動電極と所定の距離をおいて配置され、少なくとも一部がこの駆動電極より大きな厚さを有する集束電極とを含む。前記同一平面上に配置された集束電極及び駆動電極は、各々互いに平行に形成されたライン部及びライン部から互いに向かって延長された複数の延長部からなり、基板の一方向に沿って集束電極の延長部及び駆動電極の延長部が交互に繰り返し配置されている。
前記駆動電極の延長部は、基板上に設定される画素領域に対応して配置されている。

本発明の他の一実施例によれば、前記電子放出素子は、所定の間隔をおいて互いに対向配置された第１基板及び第２基板と、第１基板上に形成されたカソード電極と、カソード電極に電気的に連結された電子放出部と、絶縁層を間に置いてカソード電極及び電子放出部の上部に形成され、第１基板上に設定される画素領域アレイ毎に、このアレイの一側でこのアレイと平行に配置された第１ライン部及び第１ライン部から延長されて各画素領域に配置された第１延長部を含むゲート電極と、絶縁層上に第１延長部の端部と所定の距離をおいて第１ライン部と平行に配置された第２ライン部及び第２ライン部から第１ライン部に向かって延長されて第１延長部の間に配置された第２延長部を含み、少なくとも一部が前記ゲート電極より大きな厚さを有する集束電極とを含む。

前記カソード電極及び第１ライン部は互いに直交し、第１延長部はカソード電極と重なって配置されている。
前記集束電極は、ゲート電極と同一の厚さを有して形成された第１電極層と、第２延長部に対応する第１電極層部位上に第１電極層より大きな厚さを有して形成された第２電極層とを含むことができる。
一方で、前記集束電極は、ゲート電極と同一の厚さを有して形成された第１電極層と、第１電極層上に第１電極層より大きな厚さを有して形成された第２電極層とを含むこともできる。
前記ゲート電極及び集束電極の間の距離は、第２絶縁層の厚さの２倍以下である。

本発明の一実施例によれば、前記電子放出素子の製造方法は、基板上にカソード電極を形成し、カソード電極および基板全体に絶縁層を形成し、絶縁層上に導電物質を塗布し、これをパターニングしてゲート電極及び集束電極の第１電極層を形成し、ゲート電極及び絶縁層にゲートホールを形成してカソード電極の一部表面を露出させ、第１電極層上の所定の位置に第１電極層の厚さより大きな厚さになるように導電物質を塗布して集束電極の第２電極層を形成し、ゲートホールの内側であってカソード電極上に電子放出部を形成する工程を含む。
前記集束電極の第１電極層及び前記ゲート電極は、金属物質を真空蒸着またはスパッタリングして形成することができる。前記集束電極の第２電極層は、導電物質をスクリーン印刷して乾燥及び焼成するか、メッキして形成することができる。

このように、本発明による電子放出素子は、絶縁層上に前記集束電極を形成することによって電子ビームの集束効率が高まり、製造工程を容易にすることができる。したがって、本発明による電子放出素子は、画面の色純度が向上して、高画質素子を製造することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。
図１乃至図３に示すように、電子放出素子は、所定の間隔をおいて互いに平行に対向配置される第１基板２及び第２基板４を含む。第１基板２及び第２基板４の周縁には側面隔壁（図示せず）が配置されていて、第１基板２及び第２基板４と共に真空の内部空間を形成している。

前記第１基板２のうちの第２基板４との対向面には、第２基板４に向かって電子を放出する電子放出ユニット１００が設けられていて、第２基板４のうちの第１基板２との対向面には、前記電子によって可視光を放出する発光ユニット２００が設けられている。
第１基板２上には、カソード電極６が第１基板２の一方向に沿ってストライプパターンに形成され、カソード電極６を覆いながら第１基板２全体に絶縁層８が形成されている。絶縁層８上には、ゲート電極１０がカソード電極６と直交する方向に沿って複数形成されている。

本実施例で、カソード電極６及びゲート電極１０の交差領域を画素領域として定義すれば、ゲート電極１０は、第１ライン部１０１と、第１ライン部１０１から各々の画素領域に向かって延長された第１延長部１０２とからなる。つまり、ゲート電極１０は、カソード電極６と交差する方向に沿って形成された第１ライン部１０１と、第１ライン部１０１からカソード電極６方向に沿って延長されて各々の画素領域に対応して配置された第１延長部１０２とからなる。

前記第１延長部１０２及び第１延長部１０２の下側の絶縁層８には、ゲートホール１１が形成されてカソード電極６の一部表面を露出させ、ゲートホール１１の内側でカソード電極６上に電子放出部１２が形成されている。

本実施例で、電子放出部１２は、電界が加えられると電子を放出する物質、たとえばカーボン系物質またはナノメートルサイズの物質からなる。電子放出部１２は、カーボンナノチューブ、黒鉛、黒鉛ナノファイバー、ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、Ｃ_６０、及びシリコンナノワイヤーのうちのいずれか一つまたはこれらを組み合わせた物質を含むことができ、電子放出部１２の製造法としては、スクリーン印刷、直接成長、化学気相蒸着、またはスパッタリングなどを適用することができる。

図１及び図３には、画素領域毎に、カソード電極６方向に沿って４個のゲートホール１１及び電子放出部１２が形成され、ゲートホール１１及び電子放出部１２の平面形状が円形である場合を示したが、ゲートホール１１及び電子放出部１２の個数及びその形状はこれに限定されず、多様に変形することができる。

そして、絶縁層８上には、集束電極１４がゲート電極１０と任意の距離をおいて配置され、集束電極１４の一部はゲート電極１０より大きな厚さを有して形成されている。本実施例で、集束電極１４は、ゲート電極１０と同一平面上に配置され、その一部がゲート電極１０より大きな厚さを有して形成されているので、電子ビームの集束に有利な構造である。

より具体的に、集束電極１４は、第１延長部１０２の端部と任意の距離をおいてカソード電極６と交差する方向に沿って形成された第２ライン部１４１と、第２ライン部１４１から第１ライン部１０１に向かって延長された第１延長部１０２の間に配置された第２延長部１４２とからなる。すなわち、第１延長部１０２及び第２延長部１４２は、第１ライン部１０１及び第２ライン部１４１の長さ方向に沿って交互に繰り返し配置されている。

特に、集束電極１４は、ゲート電極１０と同一の厚さを有して形成されている第１電極層１６と、第１電極層１６上に第１電極層１６より大きな厚さを有して形成されている第２電極層１８との積層構造からなる。第１電極層１６は、ゲート電極１０と同一な導電物質を使用してゲート電極１０と同時に形成されることができる。第２電極層１８は、そのものの高さによって電子ビームの経路を一定の高さを有して囲んで電子ビームを集束させる役割を果たし、第１電極層１６上の一部に形成されている。

前記第２電極層１８は、第２延長部１４２に設けられてカソード電極６と平行な方向に沿って形成されていたり、これとは異なって、図４に示したように、第２電極層１８´は、第２ライン部１４１´及び第２延長部１４２´の全てに設けられてカソード電極６と平行な方向及びこれと直交する方向に沿って全て形成されることができる。

前者の場合、第２電極層１８は、図面で電子放出部１２の左右両側に配置されているので、電子放出部１２から電子が放出される時に電子ビームの経路の左右両側で電子ビームの集束を補助する。後者の場合、第２電極層１８´は、電子ビームの経路の左右両側だけでなく電子ビームの経路の上側で電子ビームの集束を補助して、ビームが拡散するのを抑制する。

前記第２電極層１８は、スクリーン印刷のような公知の厚膜工程やメッキ方式によって形成され、一例として３乃至２０μｍの厚さに形成されることができる。
前記構造の集束電極１４を利用して電子ビームを集束するためには、集束電極１４に（−）電圧を印加しなければならず、集束電極１４の厚さが薄い場合には、より大きな電圧を印加することにより同一な集束効果を得ることができる。反対に、集束電極１４の厚さが大きい場合には、集束電極１４に印加される電圧は低くすることができるが、製造工程上の理由により集束電極１４の厚さには一定の限界がある。

このような理由により、集束電極１４の厚さを調整し、集束電極１４に数十ボルト以内の（−）電圧を印加して、所定の目的を達成するが、集束電極１４に印加される電圧は、ゲート電極１０及び集束電極１４の間の距離（ｄ）に比例して集束電極１４の厚さに反比例する特性を有する。つまり、前記電極間の距離（ｄ）及び集束電極１４の厚さは互いに補償関係にある。

これを考慮する時、集束電極１４及びゲート電極１０の間の距離（（ｄ）、図２参照）は、第２電極層１８の厚さ（（ｔ）、図２参照）の２倍以下に設定することができ、この場合、集束電極１４に数十ボルト以内の（−）電圧を印加しても、電子ビームの集束効果を得ることができる。

次に、第１基板２に対向する第２基板４の一面には、蛍光層２０、一例として赤色、緑色、及び青色の蛍光層２０が任意の間隔をおいて形成され、蛍光層２０の間に画面のコントラスト向上のための黒色層２２が形成されている。蛍光層２０及び黒色層２２上には、アルミニウムのような金属膜からなるアノード電極２４が形成されている。

アノード電極２４は、外部から電子ビームの加速に必要な高電圧の印加を受けて、蛍光層２０から放出される可視光のうちの第１基板２に向かって放射された可視光を第２基板４側に反射させて、画面の輝度を高める役割を果たす。一方で、アノード電極２４は、ＩＴＯ（indium tin oxide）のような透明導電膜からなることもでき、この場合、アノード電極２４は、第２基板４に向かう蛍光層２０及び黒色層２２の一面に配置されている。

前記第１基板２及び第２基板４の間にはスペーサ２６が配置されて、両基板の間隔を一定に維持し、基板に加わる圧縮力を支持して基板の変形及び破損を抑制する。図２では、便宜上、一つのスペーサのみを示した。

このような構造の電子放出素子は、カソード電極６及びゲート電極１０に所定の駆動電圧が印加されると、二つの電極間の電圧差によって電子放出部１２の周囲に電界が形成されてこれから電子が放出され、放出された電子は、集束電極１４に印加された電圧、例えば数ボルト〜数十ボルトの（−）電圧によって集束される力を受けて直進性が高まる。そして、前記電子は、アノード電極２４に印加された高電圧に引っ張られて第２基板４に向かいながら当該画素の蛍光層２０に衝突して、これを発光させる。

次に、図５Ａ乃至図５Ｄを参照して、本発明の実施例による電子放出素子の製造方法について説明する。
図５Ａに示すように、第１基板２上に導電物質を塗布してこれをパターニングして、カソード電極６を形成する。そして、カソード電極６を覆いながら第１基板２全体に絶縁物質を塗布して、絶縁層８を形成する。次に、絶縁層８上に再び導電物質を塗布してこれをパターニングして、第１ゲートホール１１１を有するゲート電極１０及び集束電極の第１電極層１６を同時に形成する。

前記ゲート電極１０及び第１電極層１６は、金属膜、例えばクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはモリブデン（Ｍｏ）からなることができ、真空蒸着またはスパッタリングなどの方法で塗布されて、数千オームストロング（Å）の厚さを有して形成される。この時、ゲート電極１０及び第１電極層１６の間の距離（ｄ）は、後に形成される第２電極層の厚さの２倍以下に設定される。

図５Ｂに示すように、絶縁層８を部分エッチングして、第１ゲートホール１１１の下側でこれと連通する第２ゲートホール１１２を形成する。これにより、電子放出部の形成位置にゲートホール１１を形成してカソード電極６の一部表面を露出させる。
図５Ｃに示すように、第１電極層１６上の一部または全体に第２電極層１８を３乃至２０μｍの厚さを有して形成して、集束電極１４を形成する。図面では、一例として、第１電極層１６上の一部に第２電極層１８を形成した場合について示した。

第２電極層１８を形成する過程は、第１電極層１６上の所定の部位に選択的に導電物質を印刷してこれを乾燥及び焼成する工程からなったり、感光性導電物質を第１基板２の上面全体に印刷して露光してこれを部分的に硬化した後、現像して硬化されない残りの導電物質を除去して、硬化された導電物質を乾燥及び焼成する工程からなることができる。

そして、図５Ｄに示すように、ゲートホール１１の内側でカソード電極６上に電子放出部１２を形成して、電子放出ユニット１００を完成する。電子放出部１２を形成する過程は、ペースト状の電子放出物質を製作して、これを部分印刷したり、全面印刷した後にパターニングして乾燥及び焼成する工程からなることができ、前記方法以外に、直接成長、スパッタリング、または蒸着などの方法を適用することもできる。

このように、本実施例の製造方法によれば、ゲート電極１０と一定の距離を維持しながら少なくとも一部がゲート電極１０より大きな厚さを有する集束電極１４を容易に形成することができる。
以上に、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に当然属する。

本発明の一実施例による電子放出素子を示した部分分解斜視図である。 本発明の一実施例による電子放出素子の部分断面図である。 図１に示した電子放出ユニットの部分平面図である。 集束電極の変形例を説明するために示した電子放出素子の部分切開斜視図である。 本発明の一実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各段階での概略図である。 本発明の一実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各段階での概略図である。 本発明の一実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各段階での概略図である。 本発明の一実施例による電子放出素子の製造方法を説明するために示した各段階での概略図である。

符号の説明

２ 第１基板
４ 第２基板
６ カソード電極
８ 絶縁層
１０ ゲート電極
１１ ゲートホール
１２ 電子放出部
１４ 集束電極
１６ 第１電極層
１８ 第２電極層
２０ 蛍光層
２２ 黒色層
２４ アノード電極
２６ スペーサ
１００ 電子放出ユニット
１０１ 第１ライン部
１０２ 第１延長部
１１１ 第１ゲートホール
１１２ 第２ゲートホール
１４１ 第２ライン部
１４２ 第２延長部
２００ 発光ユニット

Claims (14)

1. 基板上に形成された電子放出部；
   前記電子放出部の電子放出を制御する複数の駆動電極；及び
   前記駆動電極のうちのいずれか一つの駆動電極と同一平面上にこの駆動電極と所定の距離をおいて配置され、少なくとも一部がこの駆動電極より大きな厚さを有する集束電極；を含み、
   前記同一平面上に配置された集束電極及び駆動電極は、各々互いに平行に形成されたライン部及びライン部から互いに向かって延長された複数の延長部からなり、前記基板の一方向に沿って前記集束電極の延長部及び前記駆動電極の延長部が交互に繰り返し配置されていることを特徴とする電子放出素子。
2. 前記駆動電極の延長部は、前記基板上に設定される画素領域に対応して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 前記集束電極は、前記駆動電極と同一の厚さを有して形成された第１電極層及び前記延長部に対応する第１電極層の部位上に第１電極層より大きな厚さを有して形成された第２電極層を含むことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
4. 前記集束電極は、前記駆動電極と同一の厚さを有して形成された第１電極層及び第１電極層上に第１電極層より大きな厚さを有して形成された第２電極層を含むことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
5. 所定の間隔をおいて互いに対向配置された第１基板及び第２基板；
   前記第１基板上に形成されたカソード電極；
   前記カソード電極に電気的に連結された電子放出部；
   絶縁層を間に置いて前記カソード電極及び電子放出部の上部に形成され、前記第１基板上に設定される画素領域アレイ毎に、このアレイの一側でこのアレイと平行に配置された第１ライン部及び第１ライン部から延長されて各画素領域に配置された第１延長部を含むゲート電極；及び
   前記絶縁層上に前記第１延長部の端部と所定の距離をおいて前記第１ライン部と平行に配置された第２ライン部及び第２ライン部から第１ライン部に向かって延長されて第１延長部の間に配置された第２延長部を含み、少なくとも一部が前記ゲート電極より大きな厚さを有する集束電極；を含むことを特徴とする電子放出素子。
6. 前記カソード電極及び前記第１ライン部が互いに直交し、前記第１延長部がカソード電極と重なって配置されていることを特徴とする請求項５に記載の電子放出素子。
7. 前記集束電極は、前記ゲート電極と同一の厚さを有して形成された第１電極層及び前記第２延長部に対応する第１電極層部位上に第１電極層より大きな厚さを有して形成された第２電極層を含むことを特徴とする請求項５に記載の電子放出素子。
8. 前記ゲート電極及び前記集束電極の間の距離は、前記第２電極層の厚さの２倍以下であることを特徴とする請求項７に記載の電子放出素子。
9. 前記集束電極は、前記ゲート電極と同一の厚さを有して形成された第１電極層及び第１電極層上に第１電極層より大きな厚さを有して形成された第２電極層を含むことを特徴とする請求項５に記載の電子放出素子。
10. 前記ゲート電極及び前記集束電極の間の距離は、前記第２電極層の厚さの２倍以下であることを特徴とする請求項９に記載の電子放出素子。
11. 前記電子放出部は、カーボンナノチューブ、黒鉛、黒鉛ナノファイバー、ダイヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、Ｃ_６０、及びシリコンナノワイヤーからなる群から選択される少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項５に記載の電子放出素子。
12. （ａ）基板上にカソード電極を形成し；
    （ｂ）前記カソード電極および前記基板全体に絶縁層を形成し；
    （ｃ）前記絶縁層上に導電物質を塗布し、これをパターニングしてゲート電極及び集束電極の第１電極層を形成し；
    （ｄ）前記ゲート電極及び前記絶縁層にゲートホールを形成して前記カソード電極の一部表面を露出させ；
    （ｅ）前記第１電極層上の所定の位置に第１電極層の厚さより大きな厚さになるように導電物質を塗布して集束電極の第２電極層を形成し；
    （ｆ）前記ゲートホールの内側であって前記カソード電極上に電子放出部を形成する；工程を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
13. 前記（ｃ）工程で、導電物質を塗布する時には、金属物質を真空蒸着またはスパッタリングすることを特徴とする請求項１２に記載の電子放出素子の製造方法。
14. 前記（ｅ）工程で、第２電極層を形成する時には、導電物質をスクリーン印刷して、これを乾燥及び焼成することを特徴とする請求項１２に記載の電子放出素子の製造方法。
    

Images