JP2007173227A - 表面電子放出素子及びそれを備えたディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】表面電子放出素子及びそれを備えたディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】順次に積層された下部電極、絶縁層及び上部電極、上部電極上に形成されたナノ構造層を備える表面電子放出素子。
【選択図】図3
【解決手段】順次に積層された下部電極、絶縁層及び上部電極、上部電極上に形成されたナノ構造層を備える表面電子放出素子。
【選択図】図3
Description
本発明は、表面電子放出素子及びそれを備えたディスプレイ装置に係り、より詳細には、金属−絶縁体−金属−絶縁体−金属構造の表面電子放出素子及びディスプレイ装置に関する。
一般的に、電界放出ディスプレイは、アノード電極に数十kVの電圧をかけてエミッタからの電子で前記アノード電極上の蛍光層を励起させて発光させる。電界放出ディスプレイでは、アノード電極とエミッタ間のスパーキングを防止するために、アノード電極とカソード電極(前記エミッタが位置する)間の間隔を広げる。例えば、1〜3mmに維持し、したがってディスプレイが大きくなる。
アノード電極に印加される電圧を低くし、構造が単純な電子放出素子は、カソード電極に対応する金属層−絶縁層−金属層(Metal−Insulator−Metal:以下、MIMという)構造を有する。MIM素子は、上部電極と下部電極との間に絶縁層を備える。上部電極と下部電極との間に所定の電圧を印加すれば、絶縁層に高電場が誘導されて、下部電極からの電子が絶縁層を通過して上部電極を通じて外部に放出される。上部電極の表面から放出された電子を表面電子またはホット電子という。表面電子の放出効率を高めるためには絶縁層の厚さを薄くせねばならず、上部電極の厚さも薄くして仕事関数を減らさねばならない。
しかし、前記上部電極と下部電極との間に数十ボルトの電圧を印加すれば絶縁層が損傷しがちであり、また上部電極の寿命が短いという問題が発生しうる。
一方、非特許文献1には、金属層−絶縁層−金属層−絶縁層−金属層(Metal−Insulator−Metal−Insulator−Metal:以下、MIMIMという)構造の発光素子を開示した。しかし、このようなMIMIM構造の発光素子も前述したMIM素子の問題点を持っている。
EH.Z.Taheriらの論文"Experiments on M−I−M−I−M triode structures using SiOx/B2O3 as the insulating material"(Int.J.Electronics,1975,Vol.39,No.3,257−273)
一方、非特許文献1には、金属層−絶縁層−金属層−絶縁層−金属層(Metal−Insulator−Metal−Insulator−Metal:以下、MIMIMという)構造の発光素子を開示した。しかし、このようなMIMIM構造の発光素子も前述したMIM素子の問題点を持っている。
EH.Z.Taheriらの論文"Experiments on M−I−M−I−M triode structures using SiOx/B2O3 as the insulating material"(Int.J.Electronics,1975,Vol.39,No.3,257−273)
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来の問題点を改善するためのものであり、MIMまたはMIMIM構造で上部電極が損傷することを防止できる表面電子放出素子及びディスプレイ装置を提供するところにある。
前記技術的課題を達成するために、本発明の一実施形態による表面電子放出素子は、順次に積層された下部電極、絶縁層及び上部電極と、前記上部電極上に形成されたナノ構造層と、を備えることを特徴とする。
前記ナノ構造層は、炭素ナノ構造層であることが望ましく、さらに望ましくは、フラーレン層である。
前記ナノ構造層は、0.2〜20nm厚さに形成される。
前記絶縁層は、酸化アルミニウム層、NiO層、ZrO2層、ZnO層及びTiO2層からなる群のうち選択されたいずれか一つである。
前記下部電極及び前記上部電極のうち少なくともいずれか一つは、金層、銅層、アルミニウム層、ニオブ層、銀層、タングステン層、コバルト層及びニッケル層からなる群のうち選択されたいずれか一つである。
前記技術的課題を達成するために、本発明の一実施形態による表面電子放出素子は、順次に積層された下部電極、第1絶縁層、中間電極、第2絶縁層及び上部電極と、前記上部電極上に形成されたナノ構造層と、を備える。
前記技術的課題を達成するために、本発明のさらに他の実施形態による表面電子放出素子を備えたディスプレイ装置は、所定の間隔をおいて平行に設置された上部基板及び下部基板と、前記下部基板に対向する上部基板の内面に形成されたアノード電極と、前記アノード電極上に形成された蛍光層と、前記下部基板上に形成された表面電子放出素子と、を備え、前記表面電子放出素子は、順次に積層された下部電極、絶縁層及び上部電極と、前記上部電極上に形成されたナノ構造層と、を備えることを特徴とする表面電子放出素子を備える。
前記技術的課題を達成するために、本発明のさらに他の実施形態による表面電子放出素子を備えたディスプレイ装置は、所定の間隔をおいて平行に設置された上部基板及び下部基板と、前記下部基板に対向する上部基板の内面に形成されたアノード電極と、前記アノード電極上に形成された蛍光層と、前記下部基板上に形成された表面電子放出素子と、を備え、前記表面電子放出素子は、順次に積層された下部電極、第1絶縁層、中間電極、第2絶縁層及び上部電極と、前記上部電極上に形成されたナノ構造層と、を備えることを特徴とする表面電子放出素子を備える。
本発明のMIMまたはMIMIM素子は、上部電極上に引張強度の高いフラーレン層を備える。このフラーレン層は、上部電極の仕事関数を低くして上部電極からの電子放出効率を向上させ、また上部電極を保護して上部電極の寿命を延長させることができる。
MIMまたはMIMIM素子を備えたディスプレイは、低い真空度でパッケージングされ、したがって、上部基板と下部基板との間隔を縮めることができる。
以下、本発明の実施形態による金属層−絶縁層−金属層(MIM)構造の表面電子放出素子(以下、MIM素子という)及び金属層−絶縁層−金属層−絶縁層−金属層(MIMIM)構造の表面電子放出素子(以下、MIMIM素子という)と、これらを利用したディスプレイ装置を添付された図面を参照して詳細に説明する。図面に図示された層や領域の厚さは明細書の明確性のために誇張して図示されたものである。
図1は、本発明の第1実施形態によるMIM素子を図示した断面図である。
図1を参照すれば、基板110上にMIM素子が形成されている。MIM素子は、順次に形成された下部電極112、絶縁層114、上部電極116と、前記上部電極116上に形成されたフラーレン層120を備える。
前記下部電極112は、導電物質、例えば、アルミニウム(Al)で形成される。下部電極112は数百nm厚さに形成されうる。
前記絶縁層114は、酸化アルミニウム層、例えば、Al2O3層でありうるが、酸化アルミニウム層以外の他の絶縁層、例えばNiO層、ZrO2層、ZnO層、TiO2層でありうる。絶縁層114がアルミナ層である時、絶縁層114の厚さは2〜20nm程度である。絶縁層114の厚さは使われる絶縁物質によって変わりうる。
前記上部電極116は、仕事関数の低い金属で形成されることが望ましい。例えば、上部電極116は金(Au)で形成され、約10〜30nm厚さに形成されうる。上部電極116は、金以外の他の金属に形成されることもできるが、例えば、銅(Cu)層、アルミニウム(Al)層、ニオブ(Nb)層、銀(Ag)層、タングステン(W)層、コバルト(Co)層、ニッケル(Ni)層で形成されうる。
前記フラーレン層120は、炭素ナノ構造層の一例であり、したがって、第1フラーレン層120は、他の炭素ナノ構造層あるいは他のナノ構造層に代替されることもある。フラーレン層120は、所定のフラーレン分子でコーティングされたものでありうる。ここで、フラーレン分子はC60でもあり、C60以外の他のフラーレン分子ファミリー、例えばC70、C72、C74、C76、C82、C84、C86、C116、…でもある。フラーレン層120は、0.2〜20nm厚さに形成されうる。前記MIM素子を10−4〜10−5Torr真空度の真空チャンバで、前記上部電極116と下部電極112間の電圧(V1)が2〜25Vになるように上部電極116に正電圧、下部電極112に負電圧を印加すれば、下部電極112からの電子がトンネリング効果により絶縁層114を通過して上部電極116に移動し、この電子が上部電極116の仕事関数より大きいエネルギーを持てば、上部電極116の表面から放出される。このような放出電子を表面電子またはホット電子という。前記電圧(V1)は、絶縁層114の種類及び厚さ、上部電極116の仕事関数によって決まりうる。
前記フラーレン層120は、前記上部電極116の仕事関数を低くし、したがって、従来のMIM素子に印加される電圧より低い電圧が使われうる。また、前記フラーレン層120は、引張強度が高いので前記上部電極116の破損を防止する役割も行う。
図2は、本発明の第2実施形態によるMIM素子を備えたディスプレイ装置を図示した断面図であり、第1実施形態のMIM素子の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ名称を使用しているので詳細な説明は省略する。
図2を参照すれば、下部基板210上にMIM素子が形成されており、上部基板260上にはアノード電極262及び蛍光層270が形成されている。前記アノード電極262及び上部基板260は、光が透過するようにそれぞれ透明電極及びガラス基板で形成できる。
図2のディスプレイの内部は、約10−4〜10−5Torr真空度に維持される。前記下部基板210と上部基板260との間隔は0.5mm程度に小さく形成されうる。
前記MIM素子は、順次に形成された下部電極212、絶縁層214、上部電極216と、上部電極216上のフラーレン層220を備える。
前記下部電極212は、導電物質、例えばAlから形成される。下部電極212は数百nm厚さに形成されうる。
前記絶縁層214は、酸化アルミニウム層、例えばAl2O3層であるが、酸化アルミニウム層以外の他の絶縁層、例えばNiO層、ZrO2層、ZnO層、TiO2層でありうる。絶縁層214がアルミナ層である時、絶縁層214の厚さは2〜20nm程度である。絶縁層214のこの厚さは使われる絶縁物質によって変わりうる。
前記上部電極216は、仕事関数の低い金属で形成されたことが望ましい。例えば、上部電極216はAuで形成され、約10〜30nm厚さに形成されうる。上部電極216は、金以外の他の金属で形成されることもあるが、例えば、Cu層、Al層、Nb層、Ag層、W層、Co層、Ni層で形成されうる。
前記フラーレン層220は、炭素ナノ構造層の一例であり、したがって、第1フラーレン層220は他の炭素ナノ構造層あるいは他のナノ構造層に代替されることもある。フラーレン層220は、所定のフラーレン分子でコーティングされたものでありうる。ここで、フラーレン分子はC60でもあり、C60以外の他のフラーレン分子ファミリー、例えばC70、C74、C76、C72、C82、C84、C86、C116…でもありうる。フラーレン層220は、0.2〜20nm厚さに形成できる。
前記上部電極216と下部電極212間の電圧(V1)が2〜25Vなるように上部電極216に正電圧、下部電極212に負電圧を印加すれば、下部電極212からの電子が絶縁層214を通過して上部電極216に移動し、次いで、上部電極216の表面から表面電子230が放出される。この時、アノード電極262に所定の電圧(V2)、例えば、グラウンド電圧または数〜数十ボルトの正の電圧をかければ、前記表面電子230は、前記アノード電極262に向かって進行しつつ蛍光層270を励起して光を放出する。前記上部電極216と下部電極212とは直交するように配置されたストライプ状の電極であり、前記上部電極216及び下部電極212をアドレッシングすれば、アドレッシングされた部分の上部電極216から表面電子が放出されて隣接した蛍光層270を発光させる。前記上部電極216及び下部電極212の幅と、前記蛍光層270の面積とを一つのピクセルまたはサブピクセルR、G、Bに対応するように形成すれば、図2のディスプレイ装置で画像を表示できる。前記ピクセルまたはサブピクセルに対応する蛍光層270は、図示されていないブラックマトリックスによって区分されるように形成されることが望ましい。
本発明によるディスプレイ装置は、相対的に低い真空度にパッケージングしても作動でき、またアノード電極262にかかる電圧が非常に低いためにスパーキングが起きないので、上部基板260と下部基板210との間隔を0.5mm程度に維持できる。
図3は、本発明の第3実施形態によるMIMIM素子を図示した断面図である。
図3を参照すれば、基板310上にMIMIM素子が形成されている。MIMIM素子は順次に形成された下部電極312、第1絶縁層314、中間電極316、第2絶縁層318、上部電極319と、前記上部電極319上に形成されたフラーレン層320を備える。
前記下部電極312は、導電物質、例えば、Alで形成される。下部電極312は、数百nm厚さに形成されうる。
前記第1絶縁層314及び第2絶縁層318は酸化アルミニウム層、例えば、Al2O3層であるが、酸化アルミニウム層以外の他の絶縁層、例えばNiO層、ZrO2層、ZnO層、TiO2層でありうる。絶縁層314、318がアルミナ層である時、絶縁層314、318の厚さは2〜20nm程度である。絶縁層314、318のこの厚さは使われる絶縁物質によって変わりうる。
前記中間電極316は、仕事関数の低い金属で形成され、約10〜30nm厚さに形成される。例えば、中間電極316は、アルミニウム(Al)層、金(Au)層、銅(Cu)層、ニオブ(Nb)層、銀(Ag)層、タングステン(W)層、コバルト(Co)層、ニッケル(Ni)層で形成されうる。
前記上部電極319は、仕事関数の低い金属で形成されることが望ましい。例えば、上部電極319は、Auで形成され、約10〜30nm厚さに形成されうる。上部電極319は金以外の他の金属で形成されることもできるが、例えばCu層、Al層、Nb層、Ag層、W層、Co層、Ni層で形成できる。
前記フラーレン層320は、炭素ナノ構造層の一例であり、したがって、第1フラーレン層320は他の炭素ナノ構造層あるいは他のナノ構造層に代替されることもある。フラーレン層320は、所定のフラーレン分子でコーティングされたものでありうる。ここで、フラーレン分子はC60でもあり、C60以外の他のフラーレン分子ファミリー、例えば、C70、C72、C74、C76、C82、C84、C86、C116…でもありうる。フラーレン層320は0.2〜20nm厚さに形成できる。
前記MIMIM素子を10−4〜10−5Torr真空度の真空チャンバで、前記上部電極319と下部電極312間の電圧(V1)が2〜25Vなるように上部電極319に正電圧、下部電極312に負電圧を印加すれば、下部電極312からの電子が絶縁層314、中間電極316、第2絶縁層318を通過して上部電極319に移動し、次いで上部電極319の表面から放出される。このような放出電子を表面電子またはホット電子という。前記電圧(V1)は、絶縁層314、318の種類及び厚さ、上部電極319の仕事関数によって決まりうる。
前記フラーレン層320は、前記上部電極319の仕事関数を低くし、したがって、従来のMIM素子に印加される電圧より低い電圧が使われうる。また、前記フラーレン層320は前記上部電極319を保護する役割も行う。
図4は、第4実施形態によるMIMIM素子を備えたディスプレイ装置を図示した断面図であり、第3実施形態のMIMIM素子の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ名称を使用しているので詳細な説明は省略する。
図4を参照すれば、下部基板410上にMIMIM素子が形成されており、上部基板460上にはアノード電極462及び蛍光層470が形成されている。前記アノード電極462及び上部基板460は、光が透過するようにそれぞれ透明電極及びガラス基板で形成されうる。
図4のディスプレイの内部は、約10−4〜10−5Torr真空度に維持される。前記下部基板410と上部基板460間の間隔は0.5mmまたはそれ以上である。
前記MIMIM素子は、順次に形成された下部電極412、第1絶縁層414、中間電極416、第2絶縁層418、上部電極419と、前記上部電極419上に形成されたフラーレン層420を備える。
前記下部電極412は、導電物質、例えばAlで形成される。下部電極412は数百nm厚さに形成されうる。
前記第1絶縁層414及び第2絶縁層418は、酸化アルミニウム層、例えばAl2O3層であるが、酸化アルミニウム層以外の他の絶縁層、例えばNiO層、ZrO2層、ZnO層、TiO2層でありうる。絶縁層414、418がアルミナ層である時、絶縁層414、418の厚さは2〜20nm程度である。絶縁層414、418のこの厚さは使われる絶縁物質によって変わりうる。
前記中間電極416は、仕事関数の低い金属で形成され、約10〜30nm厚さに形成される。例えば、中間電極416は、Al層、Au層、Cu層、Nb層、Ag層、W層、Co層、Ni層で形成されうる。前記中間電極416は、上部電極419のようなストライプ状に形成されうる。
前記上部電極419は、仕事関数の低い金属で形成されることが望ましい。例えば、上部電極419はAuで形成され、約10〜30nm厚さに形成されうる。上部電極419は、金以外の他の金属で形成されることもあるが、例えば、Cu層、Al層、Nb層、Ag層、W層、Co層、Ni層で形成されうる。
前記フラーレン層420は炭素ナノ構造層の一例であり、したがって、第1フラーレン層420は他の炭素ナノ構造層あるいは他のナノ構造層に代替されることもある。フラーレン層420は、所定のフラーレン分子でコーティングされたものでありうる。ここで、フラーレン分子はC60でもあり、C60以外の他のフラーレン分子ファミリー、例えばC70、C74、C76、C72、C82、C84、C86、C116、…でもありうる。フラーレン層420は0.2〜20nm厚さに形成されうる。
前記上部電極419と下部電極412間の電圧(V1)が2〜25Vなるように上部電極419に正電圧、下部電極412に負電圧を印加すれば、下部電極412からの電子が絶縁層414、418を通過して上部電極419に移動し、次いで上部電極419の表面から表面電子430が放出される。この時、アノード電極462に所定の電圧(V2)、例えば、グラウンド電圧または数〜数十ボルトの正の電圧をかければ、前記表面電子430は、前記アノード電極462に向かって進行しつつ蛍光層470を励起して光を放出する。
前記上部電極419と下部電極412とは直交するように配置されたストライプ状の電極であり、前記上部電極419及び下部電極412をアドレッシングすれば、アドレッシングされた部分の上部電極419から表面電子が放出されて隣接した蛍光層470を発光させる。前記上部電極419及び下部電極412の幅と、前記蛍光層470の面積を一つのピクセルまたはサブピクセルR、G、Bに対応するように形成すれば、図4のディスプレイ装置で画像を表示できる。前記ピクセルまたはサブピクセルに対応する蛍光層470は、図示されていないブラックマトリックスによって区分されるように形成されることが望ましい。
本発明によるディスプレイ装置は、相対的に低い真空度でパッケージングしても作動でき、またアノード電極462にかかる電圧が非常に低いためにスパーキングが起きないので、上部基板460と下部基板410との間隔を0.5mm程度に維持できる。
本発明は図面を参照して実施形態を参考にして説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲に限って定められねばならない。
本発明は、ディスプレイ装置関連の技術分野に好適に用いられる。
310 基板
312 下部電極
314 第1絶縁層
316 中間電極
318 第2絶縁層
319 上部電極
320 フラーレン層
312 下部電極
314 第1絶縁層
316 中間電極
318 第2絶縁層
319 上部電極
320 フラーレン層
Claims (28)
- 順次に積層された下部電極、絶縁層及び上部電極と、
前記上部電極上に形成されたナノ構造層と、を備えることを特徴とする表面電子放出素子。 - 前記ナノ構造層は、炭素ナノ構造層であることを特徴とする請求項1に記載の表面電子放出素子。
- 前記炭素ナノ構造層は、フラーレン層であることを特徴とする請求項2に記載の表面電子放出素子。
- 前記ナノ構造層は、0.2〜20nm厚さに形成されたことを特徴とする請求項1に記載の表面電子放出素子。
- 前記絶縁層は、酸化アルミニウム層、NiO層、ZrO2層、ZnO層及びTiO2層からなる群のうち選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項1に記載の表面電子放出素子。
- 前記下部電極及び前記上部電極のうち少なくともいずれか一つは、金層、銅層、アルミニウム層、ニオブ層、銀層、タングステン層、コバルト層及びニッケル層からなる群のうち選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項1に記載の表面電子放出素子。
- 順次に積層された下部電極、第1絶縁層、中間電極、第2絶縁層及び上部電極と、
前記上部電極上に形成されたナノ構造層と、を備えることを特徴とする表面電子放出素子。 - 前記ナノ構造層は、炭素ナノ構造層であることを特徴とする請求項7に記載の表面電子放出素子。
- 前記炭素ナノ構造層は、フラーレン層であることを特徴とする請求項8に記載の表面電子放出素子。
- 前記ナノ構造層は、0.2〜20nm厚さに形成されたことを特徴とする請求項7に記載の表面電子放出素子。
- 前記絶縁層は、酸化アルミニウム層、NiO層、ZrO2層、ZnO層及びTiO2層からなる群のうち選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項7に記載の表面電子放出素子。
- 前記下部電極、中間電極及び前記上部電極のうち少なくともいずれか一つは金層、銅層、アルミニウム層、ニオブ層、銀層、タングステン層、コバルト層及びニッケル層からなる群のうち選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項7に記載の表面電子放出素子。
- 所定の間隔をおいて平行に設置された上部基板及び下部基板と、
前記下部基板に対向する上部基板の内面に形成されたアノード電極と、
前記アノード電極上に形成された蛍光層と、
前記下部基板上に形成された表面電子放出素子と、を備え、
前記表面電子放出素子は、
順次に積層された下部電極、絶縁層及び上部電極と、
前記上部電極上に形成されたナノ構造層と、を備えることを特徴とする表面電子放出素子を備えたディスプレイ装置。 - 前記ナノ構造層は、炭素ナノ構造層であることを特徴とする請求項13に記載のディスプレイ装置。
- 前記炭素ナノ構造層は、フラーレン層であることを特徴とする請求項14に記載のディスプレイ装置。
- 前記ナノ構造層は、0.2〜20nm厚さに形成されたことを特徴とする請求項13に記載のディスプレイ装置。
- 前記絶縁層は、酸化アルミニウム層、NiO層、ZrO2層、ZnO層及びTiO2層からなる群のうち選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項13に記載のディスプレイ装置。
- 前記下部電極及び前記上部電極のうち少なくともいずれか一つは、金層、銅層、アルミニウム層、ニオブ層、銀層、タングステン層、コバルト層及びニッケル層からなる群のうち選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項13に記載のディスプレイ装置。
- 前記下部電極及び前記上部電極は、互いに直交し、直交された部分に一つのピクセル領域を形成するストライプ状の電極であることを特徴とする請求項13に記載のディスプレイ装置。
- 前記上部電極及び前記上部基板は、光が透過するように透明な物質からなることを特徴とする請求項13に記載のディスプレイ装置。
- 所定の間隔をおいて平行に設置された上部基板及び下部基板と、
前記下部基板に対向する上部基板の内面に形成されたアノード電極と、
前記アノード電極上に形成された蛍光層と、
前記下部基板上に形成された表面電子放出素子と、を備え、
前記表面電子放出素子は、
順次に積層された下部電極、第1絶縁層、中間電極、第2絶縁層及び上部電極と、
前記上部電極上に形成されたナノ構造層と、を備えることを特徴とする表面電子放出素子を備えたディスプレイ装置。 - 前記ナノ構造層は、炭素ナノ構造層であることを特徴とする請求項21に記載のディスプレイ装置。
- 前記炭素ナノ構造層は、フラーレン層であることを特徴とする請求項22に記載のディスプレイ装置。
- 前記ナノ構造層は、0.2〜20nm厚さに形成されたことを特徴とする請求項21に記載のディスプレイ装置。
- 前記絶縁層は、酸化アルミニウム層、NiO層、ZrO2層、ZnO層及びTiO2層からなる群のうち選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項21に記載のディスプレイ装置。
- 前記下部電極、中間電極及び上部電極のうち少なくともいずれか一つは、金層、銅層、アルミニウム層、ニオブ層、銀層、タングステン層、コバルト層及びニッケル層からなる群のうち選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項21に記載のディスプレイ装置。
- 前記下部電極及び前記上部電極は、互いに直交し、直交された部分に一つのピクセル領域を形成するストライプ状の電極であることを特徴とする請求項21に記載のディスプレイ装置。
- 前記上部電極及び前記上部基板は、光が透過するように透明な物質からなることを特徴とする請求項21に記載のディスプレイ装置。
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