KR0153551B1 - 전자빔장치 - Google Patents

전자빔장치

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KR0153551B1 KR1019940014739A KR19940014739A KR0153551B1 KR 0153551 B1 KR0153551 B1 KR 0153551B1 KR 1019940014739 A KR1019940014739 A KR 1019940014739A KR 19940014739 A KR19940014739 A KR 19940014739A KR 0153551 B1 KR0153551 B1 KR 0153551B1
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이찌로 노무라
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도시히꼬 다께다
다쯔야 이와사끼
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미따라이 하지메
캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

대향 전극들 사이에 전자 방출 영역을 갖는 전자 방출 소자가 배치된 봉입부를 구비하는 전자 빔 장치에 있어서, 전자 방출 소자는 방출 전류가 소자 전압에 관련하여 특이하게 결정되는 특성을 나타낸다. 봉입부의 내부는 전자 방출 소자의 구조적 변화를 방지하기에 효과적인 기압하에 유지된다. 화상 형성 장치는 전자원 및 화상 형성 부재가 배치되는 봉입부를 구비하고, 전자원을 상기 전자 방출 소자를 구비한다. 방출 전류는 방출되는 전자의 양에 있어서 매우 적은 변화로 안정하고, 선명한 화상이 높은 콘트라스트로 발생되며, 계조 제어가 용이하게 달성될 수 있다.

Description

전자 빔 장치
제1a도와 제1b도는 본 발명의 실시예와 예(1 내지 3)데 따른 플래너형 표면 전도형 전자 방출 조사의 개략도.
제2a도 내지 제2c도는 본 발명의 실시예와 예(1 내지 3)에따른 표면 전도 전자 방출 소자의 연속하는 제조 공정 단계를 도시하는 단면도.
제3도는 본 발명에 사용하기 위한 측정 장치의 개략도.
제4a도와 제4b도는 파형의 형성을 도시하는 도표.
제5도는 소자 전류와 방출 전류의 활성화 공정 시간에 대한 의존성을 도시하는 그래프.
제6도는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 표면 전도형 전자 방출 소자의 개략도.
제7도는 약 1×10-6Torr정도의 진공하에서 전형적인 I-V특성을 도시하는 그래프.
제8도는 본 발명의 실시예에 따른 표면 전도형 전자 방출 소자에서 방출 전류 대 소자 전압(I-V특성)을 도시하는 그래프.
제9도는 본 발명의 실시예와 예(4)에 따른 단일 매트릭스 어레이를 도시하는 것으로 전자원 기판에 대한 개략도.
제10도는 본 발명의 실시예와 예(4)에 따른 화상 형성 장치의 개략도.
제11a도와 제11b도는 본 발명의 실시예와 예(4)에 따른 화상 형성 장치의 형광 막에 대한 도면.
제12도는 예(4)에 따른 전자원 기판을 도시하는 개략 평면도.
제13도는 예(4)에 따른 전자원 기판을 도시할는 개략 평면도에서 A-A'선을 따라 절취한 단면도.
제14a도 내지 제14d도 및 제15a도 내지 제 15d도는 예(4)에 따른 전자원 기판의 연속하는 제조 공정 단계를 도시하는 단면도.
제16도는 예(5)에 따른 표시 장치의 블럭도.
제17도와 제18도는 예(6)에 따른 화상 형성 장치용 전자원 기판을 도시하는 개략도.
제19도와 제22도는 예(6)에 따른 화상 형성 장치의 패널 구성에 대한 사시도.
제20도와 제23도는 예(6)에 따른 화상 형성 장치를 구동시키기 위한 전자 회로의 블럭도.
제21A도 내지 제21F도와 제24A도 내지 제24I도는 예(6)에 따른 화상 형성 장치의 동작을 설명하는 타이밍도.
제25도는 종래의 표면 전도형 전자 방출 소자를 도시하는 개략도.
제26도는 종래의 표면 전도형 전자 방출 소자에서 대기 시간에 따른 방출 전류의 변화를 도시하는 그래프.
제27도는 종래의 표면 전도형 전자 방출 소자에서 펄스폭에 따른 방출 전류의 변화를 도시하는 그래프.
제28도는 종래의 표면 전조 전자 방출 소자에서 방출 전류 대 소자 전압(즉, 소자 전압에 따른 방출 전류의 변화)의 특성을 도시하는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2,4 :박막
3 : 전자 방출 영역 5,6 : 소자 전극
21 : 계단 형성부 30,32 : 전류계
31 : 전원 34 : 애노드 전극
81 : 전자원 기판 82 : X방향 배선
83 : Y방향 배선 84 : 표면 전도형 전자 방출 소자
85 : 연결 리드 91 : 배면판
92 : 지지용 프레임 93 : 유리 기판
94 : 형광막 95 : 금속 후면
96 : 전면 판 98 : 봉입부
101 : 전도체 102, 103 : 형광 물질
142 : 접촉 구멍 1000 : 표시 패널
1001 : 디코더 1002 : 직/병렬 변환 회로
1003 : 라인 메모리 1004 : 변환 신호 발생 회로
1005 : 타이밍 제어 회로 1006 : 주사 신호 발생 회로
본 발명은 전자 빔 장치와 이 전자 빔 장치가 이용되는 표시 장치와 같은 화상 형성 장치에 관한 것이다.
지금까지, 열 전자원(thermal electron source)과 냉 음극 전자원(cold cathode electron source)이라는 두 가지 유형의 전자 방출 소자가 공지되어 있다. 냉 음극 전자원은 전계 방출형(이하 FE형이라 약칭함), 금속/ 절연층/ 금속형(이하 MIM이라 약칭함) 및 표면 전도형 (이하 SCE이라 약칭함) 등의 전자 방출 소자를 포함한다.
FE형 소자의 예는 첨단 전자 물리학, 8,89 (1956), 더블류.피.디크 돌란의 전계방출과 응용 물리학 저널., 47, 5248 (1976), 씨.에이.스핀트의 몰리브데니움콘(cone)을 사용한 박막 전계 방출 음극선의 물리적 성질에 서술되어 있다.
MIM형 소자의 한 가지 예는 응용 물리학 저널., 32, 646 (1961), 씨.에이.미드의 터널 방출 증폭기 등에 서술되어 있다.
표면 전도형 전자 방출 소자의 한 가지 예는 엠.아이.엘린손의 무선 공학 전자 물리학., 10(1965)에 서술되어 있다.
표면 전도형 전자 방출 소자는, 작은 면적을 갖는 박막이 기판 상에 형성되고 이 박막에 나란하게 전류가 인가될 때 그것으로부터 전자가 방출되는 현상을 이용한다. 이와 같은 표면 전도형 전자 방출 소자에 대한 것과 같이, 예를 들면, 상술된 바와 같은 엘린손에 의한 SnO₂의 박막을 이용하는 것, Au박막을 이용하는 것[지.디터 : 고체 박막:, 9,317 (1972)], In2O₃/SnO2의 박막을 이용하는 것 [엠.마트웰과 씨.지.폰스태드 :IEEE트랜잭션 ED 컨포런스, 519(1975)] 및 탄소 박막을 이용하는 것 [히사시 아라끼 등 : 진공, Vol. 26, No. 1, p22(1983)]등이 보고되고 있다.
이와 같은 표면 전도형 전자 방출 소자의 전형적인 구성으로써, 제25도는 상술한 논문에서 엠.마트웰이 제안한 소자의 구성을 도시한다. 제25도에서, 참조번호(1)로 표시된 것은 절연 기판이다. 2는 예를 들면 H형태의 패턴으로 스퍼터링함으로써 형성된 금속 산화물 박막을 구비하는 전자 방출 영역을 형성하기 위한 박막이다. 전자 방출 영역(3)은 에너지 공급 공정 즉, 형성(이하에 서술됨)이라고 하는 전류를 흘림으로써 형성된다. 4는 전자 방출 영역을 포함하는 박막이라고 불리울 것이다. 도면에서 L1과 W으로 가리켜진 치수는 각각 0.5 - 1㎜과 0.1㎜로 설정되어 있다. 전자 방출 영역(3)은 그 위치와 형태가 확실하지 않기 때문에 도식적으로 도시되어 있다.
이와 같은 전도형 전자 방출 소자에서는, 박막(2)을 형성하는 전자 방출 영역이 전자의 방출을 시작하기 전에 전자 방출 영역(3)을 미리 형성하기 위해 형성(forming)이라고 하는 에너지 공급 공정이 수행된다. 형성이라는 용어는 국부적으로 파괴, 변형 또는 성질을 바꿈으로써 전기적으로 고저항 상태로 변형된 전자 방출 영역(3)을 형성하기 위해 박막(2)을 형성하는 전자 방출 영역 양단에 예를 들면 1볼트/분의 속도로 매우 느리게 상승하는 전압 또는 DC전압을 인가하는 공정을 뜻한다. 전자 방출 영역(3)은 박막(2)을 형성하는 전자 방출 영역의 일부분에서 생성된 균열부분(crack)근처로부터 전자를 방출한다.
형성 공정에 의해 형성된 전자 방출 영역(3)을 포함하는 전자 방출 영역 형성 박막(2)는 본 발명에서 전자 방출 영역을 포함하는 박막(4)으로 일컬어질 것이다. 형성 공정후의 표면 전도형 전자 방출 소자에서, 소자에 전류를 공급하기 위해 박막(4)을 포함하는 전자 방출 영역에 전압이 인가됨으로써, 전자 방출 영역(3)으로부터 전자가 방출된다.
상기 표면 전도형 전자 방출 소자는 구조가 간단하고 제조가 용이하므로, 큰 면적을 갖는 어레이에 다수의 소자가 형성될 수 있는 장점이 있다. 그래서, 이와 같은 장점을 이용하는 여러 가지 응용이 연구되고 있다. 이와 같은 응용의 예는 충전된 빔원과 전자 빔 머시닝 장치와 같은 전자 빔 장치와 표시 장치이다.
다수의 표면 전도형 전자 방출 소자가 어레이로 형성되는 예로서, 소자의 양단이 어레이의 한 행을 형성하기 위해 각각의 리드에 의해 상호 연결되어 있고 표면 전도형 전자 방출 소자가 나란하게 배열되어 있는 전자원이 있고, 어레이를 형성하기 위해 다수의 행이 배열되어 있다(일본 특허출원 공개 제 64-31332호를 참조). 화상 표시 소자와 같은 화상 형성 장치 분야에서, 특히, 액정을 사용하는 플랫형 표시 소자가 최근에 CRT 대신에 각광을 받고 있지만, 그들은 방출형이 아니고 후광(backlight) 또는 그와 같은 것을 필요로 하는 문제가 있다. 그래서 자기 발광형 표시장치의 연구가 요구되고 있다. 다수의 표면 전도형 전자 방출 소자의 어레이를 갖는 전자원과 전자원으로부터 방출된 전자가 충돌할 때 가시광선을 복사(radiate)하는 형광재료가 서로 결합되어 표시 소자를 형성하는 화상 형성 장치는 비교적 제조가 용이하고 대형크기의 화면을 제공하면서 표시 질이 우수한 자기 발광(self-luminous) 소자이다(즉, 미국특허 제5,066,883호 참조).
다수의 표면 전도형 전자 방출 소자를 구비하는 종래의 전자원에서, 형광재료로 하여금 빛을 복사하게 하는 전자를 방출하는 바람직한 소자는, 나란히 배열된 다수의 표면 전도형 전자 방출 소자의 양단 모두를 상호연결하는 배선(행 방향 배선이라고 함), 행 방향 배선에 수직인 방향(열 방향이라고 함)으로 놓이도록 형광재료 사이의 공간에 배치되어 있는 제어 전극(그리드라고 함). 및 행 방향 배선과 그리드에 인가된 적당한 구동 신호의 조합으로써 선택된다(일본 특허출원 공개 제1-283749호를 참조).
전자 방출 소자는 진공에서 처리되지만, 진공하에서 표면 전도형 전자 방출 소자의 전자 방출 특성의 세부사항은 아직 명확하지 않다.
지금부터 상술된 바와 같이 종래의 표면 전도형 전자 방출 소자 및 그것을 이용하는 화상 형성 장치에 유발된 문제에 대해 설명한다.
[문제 1]
만약 종래의 전자 방출 소자가 화상 형성 장치에서 또는 내부의 진공을 유지하기 위한 봉입부에서 놓여진채 구동되지 않는다면, 전자 방출 소자의 전기적 특성(전류-전압)은 변하고 소자로부터의 방출 전류가 일시적으로 증가된다. 방출 전류의 변화 속도는 소자가 구동되지 않는 동안인 시간 주기(즉, 대기시간), 진공 기압(진공의 정도와 잔류 개스의 종류), 구동 전압 등에 달려 있다.
[문제 2]
종래의 전자 방출 소자에서, 만약 소자에 인가된 전압의 펄스 폭이 변한다면, 방출 전류가 변하고, 그래서 방출된 전자의 양을 펄스 폭으로 제어하기가 힘들다.
[문제 3]
종래의 전자 방출 소자에서, 만약 소자에 인가된 정압의 값이 변한다면, 그 전기적 특성이 변하고 또한 이에 대등하여 방출 전류가 변한다. 그래서 방출된 전자의 양을 전압 값으로 제어하기가 힘들다.
[문제 4]
문제1을 갖는 종래의 전자 방출 소자가 화상 형성 장치에 사용될 때, 전자빔의 세기가 변하기 때문에 형성된 화상의 명암과 선명도가 저하된다. 특히, 형성된 화상가 형광 빔일 때, 형광 화상의 밝기와 컬러가 변한다.
[문제 5]
문제 2와 3을 갖는 종래의 전자 방출 소자가 화상 형성 장치에 사용될 때, 소자에 인가된 전압과 펄스 폭으로 전자 빔의 세기를 제어하기가 힘들기 때문에 형성된 화상을 계조적으로 제어하기가 힘들게 된다. 특히, 형성된 화상이 형광 화상일 때, 형광 화상의 밝기와 컬러를 제어하기가 힘들다.
상술된 문제에 비추어, 본 발명의 목적을 소자가 구동도지 않는 동안의 시간주기(즉, 대기시간)와 진공 기압에 따라 방출된 전자의 양이 극히 적게 변하면서 방출 전류가 안정한 전자 방출 소자와 전자 빔 발생 회로를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적을 명암도가 높고 선명한 화상을 발생할 수 있는 화상 형성 장치 특히, 밝기가 적게 변하는 발광 화상을 형성할 수 있는 화상 형성 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 제어를 계조적으로 수행할 수 있는 화상 형성 장치 특히, 발광 밝기와 컬러를 제어하기가 용이한 화상 형성 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 이하에 요약된 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 한 특성에 따르면, 대향 전극들 사이에 전자 방출 영역을 갖는 전자 방출 소자가 배치된 봉입부를 구비하는 전자 빔 장치가 제공되는 데. 여기서 상기 전자 방출 소자는 소자 전압에 대해 방출 전류가 독특하게 결정되는 것과 같은 특성을 나타낸다.
본 발명의 다른 특성에 따르면, 대향 전극들 사이에 전자 방출 영역을 갖는 전자 방출 소자가 배치된 봉입부(enclosure)를 구비하는 전자 빔 장치가 제공되는데, 여기서 상기 봉입부의 내부는 전자 방출 소자가 구조적으로 변하는 것을 방지하기 위한 기압하에서 유지된다.
본 발명의 또 다른 특성에 따르면, 전자원과 화상 형성 부재가 배치되어 있는 봉입부를 구비하는 화상 형성 장치가 제공되는 데, 상기 장치는 입력 신호에 응답하여 화상을 발생하고, 상기 전자원은 대향 전극들 사이에 전자 방출 영역을 갖는 전자 방출 소자를 구비하고, 상기 전자 방출 소자는 소자 전압에 대해 방출 전류가 독특하게 결정되는 것과 같은 특성을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 특성에 따르면, 전자원과 화상 형성 부내가 배치되어 있는 봉입부를 구비하는 화상 형성 장치가 제공되는 데, 상기 장치는 입력 신호에 응답하여 화상을 발생하고, 상기 전자원은 대향 전극들 사이에 전자 방출 영역을 갖는 전자 방출 소자를 구비하고, 상기 봉입부의 내부는 전자 방출 소자의 구조적 변형을 방지할 수 있는 기압하에서 유지된다.
오랜시간 동안 집중적으로 연구한 결과, 발명자는 주로 표면 전도형 전자 방출 소자 표면의 상에 존재하는 유기 재료 양과 소자 둘레의 진공 기압의 변화로 인해 방출 전류와 소자 전류가 변한다는 것과, 탄소 화합물 특히, 유기 재료의 부분적인 압력을 낮게 함으로써 특히 가능한 한 낮게 함으로써 방출 전류와 소자 전류를 변화시키지 않고 안정한 전자 방출 특성이 달성된다는 것에 기초하여 본 발명을 달성하였다.
본 발명의 바람직한 실시예는 이하에 서술될 것이다.
본 발명은 전자원과 화상 형성 장치의 응용은 물론, 표면 전도형 전자 방출 소자, 전자원 및 표면 전도형 전자 방출 소자를 이용하는 화상 형성 장치에 대한 신규한 구조 및 공정에 관한 것이다.
표면 전도형 전자 방출 소자의 기본 구조는 플래너형과 수직형으로 나뉘어진다.
제1a도와 제1b도는 각각 본 발명에 따른 표면 전도형 전자 방출 소자의 기본 구조를 도시하는 평면 및 단면도이다. 본 발명에 따른 소자의 기본 구조에 대해서는 서술되지 않을 것이다.
제1a도와 제1b도에서, 참조번호 1로 명시된 것은 기판이고, 5와 6은 소자 전극이며, 4는 박막을 포함하는 전자 방출 영역이고 3은 전자 방출 영역이다.
기판(1)은 예를 들면, 석영 유리 즉, Na와 같은 적은 양의 불순물을 갖는 유리, 소다 석회 유리 및 스퍼터링에 의해 그 위에 적층된 SiO2를 갖는 소다 석회 유리로 만들어진 유리 기판 또는 알루미나로 만들어진 세라믹 기판일 수 있다.
반대 방향으로 배열된 소자 전극(5,6)은 전도성을 갖는 임의의 재료로 만들어 질 수 있다. 전극 재료의 예는 Ni,Cr,Au,Mo,W,Pt,Ti,Al,Cu 및 Pd 또는 그 합금과 같은 금속이고, 프린팅된(printed) 전도체는 Pd,Ag,Au,RuO₂ 및 Pd-Ag 또는 그 산화물, 유리들과 같은 금속, In2O3와 같은 투명 전도체 및 다결정 실리콘과 같은 반도체를 구비한다.
소자 전극 간의 간격(L1)은 수백 Å내지 수맥 마이크론 범위이고, 소자 전극의 제조 공정 즉, 노출 머신과 에칭 방법의 성능과, 소자 전극 사이에 인가된 전압과 전자를 방출할 수 있는 전계의 세기와 같은 소자 변수에 대한 기초한 광 석판 기술에 따라 정해진다. 바람직하게, 간격(L1)은 몇 마이크론 내지 수십 마이크론 범위이다.
소자 전극(5,6)의 길이(W1)와 막 두께(d)는 전극의 저항값, 상술된 바와 같은 X-와 Y-방향 배선 연결, 및 전체 전자빔을 형성하는 다수의 소자의 배열에 있어서의 문제를 고려하여 적절하게 설계된다. 흔히, 소자 전극의 길이(W1)는 몇 마이크론 내지 수백 마이크론 범위이고, 소자 전극(5,6)의 막 두께(d)는 수백 Å재지 몇 마이크론 범위이다.
기판(1) 상에 배치된 대향하는 소자 전극(5,6) 사이 및 소자 전극(5,6) 상에 배치된 전자 방출 영역을 포함하는 박막(4)은 전자 방출 영역(3)을 포함한다. 전자 방출 영역을 포함하는 박막(4)은 제1b에 도시된 구조에 한정되어 있지 않고, 소자 전극(5,6) 모두 위에 배치되지 않아도 된다. 이 경우는 박막(2)을 형성하는 전자 방출 영역과 대향 소자 전극(5,6)이 절연 기판(1)상에 이 순서로 적층되지 않기 때문에 생기는 결과이다. 선택적으로, 대향 소자 전극(5,6) 간의 전체 영역은 제조 공정에 따라 전자 방출 영역으로써의 기능을 할 수 있다. 전자 방출 영역을 포함하는 박막(4)은 바람직하게 몇 Å 내지 수천 Å, 바람직하게는 10 Å 내지 500 Å 범위의 두께를 갖는다. 막 두께는 소자 전극(5,6) 위의 스텝 커버리지(step coverage), 전자 방출 영역(3)과 소자 전극(5,6) 간의 저항값, 전자 방출 영역(3)의 분말 크기의 전도성 미세 입자, 및 에너지 공급 공정(이하에 서술함) 조건 등을 고려하여 적절하게 정해진다. 전자 방출 영역을 포함하는 박막(4)은 103내지 107Ω/?의 판 저항값을 갖는다.
전자 방출 영역을 포함하는 박막(4) 재료의 특수한 몇 가지 예는, Pd, Ru, Ag, Au, Ti, In, Cu, Cr, Fe, Zn, Sn, Ta, W 및 Pb와 같은 금속, PdO, SnO2, In2O3, PbO, Sb2O3와 같은 산화물, HfB2, ZrB2, LaB6, CeB6, YB4, 및 GdB3와 같은 붕화물, TiC, ZrC, HfC, TaC, SiC 및 Wc와 같은 탄화물, TiN, ZrN, HfN과 같은 질화물, Si와 Ge와 같은 반도체, 탄소, AgMg 및 NiCu이다. 박막(4)은 우수한 전자 방출 특성을 제공하기 위해 바람직하게 미세한 입자의 막이다.
본 발명에서 사용된 미세 입자 막 이라는 용어는 함께 응집된 다수의 미세 입자를 포함하는 막을 뜻하며, 미세한 입자가 개별적으로 분포되어 있을 뿐아니라 인접하거나 또는 서로 겹쳐있는 (아일런드 상태(island state)를 포함) 미세구조(microstructures)를 갖는 막을 포함한다. 미세 입자의 그레인 크기는 수 Å 내지 수천 Å, 바람직하게 10 Å 내지 200 범위이다.
전자 방출 영역(3)은 바람직하게 수 Å 내지 수천 Å, 바람직하게 10 Å 내지 500 Å 범위의 그레인 크기를 갖는 다수의 전도성 미세 입자로 만들어진다. 전자 방출 영역(3)의 두께는 전자 방출 영역을 포함하는 박막(4)의 두께와 에너지 공급 공정(이하에 서술됨)의 조건을 포함하는 제조 공정에 달려있고, 적절한 범위로 정해 진다. 전자 방출 영역(3)의 재료는 박막 재료의 각 구성 요소에 대한 전자 방출 영역을 포함하는 박막(4)의 재료 일부 또는 전부와 동일하다.
지금부터 본 발명의 표면 전도형 전자 방풀 소자의 다른 유형으로 수직형 표면 전도형 전자 방출 소자에 대해 서술된다. 제6도는 본 발명에 따른 수직형 표면 전도형 전자 방출 소자의 기본 구조를 도시하는 개략도이다.
제6도에서, 기판(1), 소자 전극(5,6), 전자 방출 영역을 포함하는 박막(4) 및 전자 방출 영역(3)은 상술한 플래너형 표면 전도형 전자 방출 소자에 대해 사용된 것과 동일한 재료로 만들어진다. 계단 형성부(21)는 진공 증착, 프린팅, 스퍼티링등과 같은 것에 의해 SiO2와 같은 절연재료로 형성된다. 계단 형성부(21)의 두께는 상술한 플래너형 표면 전도형 전자 방출 소자의 소자 전극 사이의 간격(L1)에 대응한다. 계단 형성부의 제조 공정, 소자 전극 사이에 인가된 전압과 전자를 방출할 수 있는 전계의 세기에 따라, 계단 형성부(21)의 두께는 보통 수 십 나노미터 내지 수십 마이크론 양호하게는 수십 나노미터 내지 수 마이크론 범위로 정해진다.
전자 방출 영역을 포함하는 박막(4)이 소자 전극(5,6)과 계단 형성부(21)를 제조한 수 형성되기 때문에, 박막(4)은 소자 전극(5,6)상에 적층된다. 비록 제6도에 전자 방출 영역(3)이 선형인 것으로 도시되었지만, 영역(3)의 형태와 위치는 예시된 것에 한정되어 있지 않으며, 제조 조건, 형성 공정에서의 에너지 공급 조건 등에 달려 있다.
비록 전자 방출 영역을 포함하는 전자 방출 소자가 여러 가지 방법으로 제조될 수 있지만, 그 제조 공정의 일예가 제2도에 도시되어 있다. 제2도의 참조번호(2)는 예를 들면 미세한 입자의 막으로 형성된 전자 방출 영역을 가리키고 있다는 것에 유의한다.
제조 공정은 제1a도와 제1b도 및 제2a도 내지 제2c도를 참조하여 순서대로 이하에 서술된다.
1) 절연 기판(1)은 세제, 맑은 물 및 유기 용제로 충분히 세척된다. 이때, 소자 전극 재료는 진공 증착, 스퍼터링 또는 소정의 다른 적절한 방법으로 기판(1)상에 침전된다. 다음에, 소자 전극(5,6)은 인쇄석판 기술(제2A도)에 의해 절연 기판(1)의 표면상에 형성된다.
2) 절연 기판(1) 상에 제공된 소자 전극(5,6) 사이에서는, 유기 금속 박막이 소자 전극(5,6)으로 형성된 절연 기판(1) 상에 유기 금속 용액을 코팅함으로써 형성되며 이 코팅을 현상태로 유지한다. 유기 금속 용액은 중요한 원소로소 Pd, Ru, Ag, Au, Ti, In, Cu, Cr, Fe, Zn, Sn, Ta, W 및 Pb와 같은 소정의 상술한 금속을 포함하는 유기 화합물의 용액이다. 이 후, 유기 금속 박막은 소결을 위해 가열되어 박막(2)를 형성하는 전자 방출 영역을 형성하도록 리프트-오프(lift-off)또는 에칭함으로서 패턴화된다(제2b도). 유기 금속 박막이 유기 금속 용액을 내부에 코팅함으로써 형성되지만, 이 형성 방법은 코팅에 한정되지 않으며, 유기 금속 박막은 진공 증착, 스퍼터링, 화학적 기상 성장법, 확산 코팅, 디핑(dipping) 및 스피닝(spinning)와 같은 소정의 다른 방법으로 형성될 수 있다.
3) 다음에, 형성이라 불리는 에너지 공급 공정은 전원(도시되지 않음)으로부터 소자 전극(5 및 6)사이에 펄스형 전압을 인가함으로써 수행된다. 이로 인해, 전자 방출 영역 형성 박막(2)은 전자 방출 영역(3)을 형성하도록 그 구조가 국부적으로 변경된다(제2c도). 에너지 공급 공정에 의해 변형 또는 변성되어 구조가 국부적으로 파괴되는 전자 방출 영역 형성 박막(2)의 일부는 전자 방출 영역(3)으로 칭한다. 상술한 바와 같이, 발명자는 전자 방출 영역(3)을 관찰함으로써 영역(3)이 전도성 미세 입자들로 이루어진다는 것을 발견하였다.
형성 공정 또는 활성화 공정과 같은 전기적인 공정은 제3도에 도시된 측정(평가)장치에서 실행된다. 이 측정 장치를 이하에 설명하겠다.
제3도는 제1도에 도시한 바와 같이 구성된 소자의 전자 방출 특성을 측정하기 위한 측정 장치의 개략도이다. 제3도에서, 1은 기판, 5 및 6은 소자 전극, 4는 전자 방출 영역을 포함하는 박막, 및 3은 전자 방출 영역이다. 또한, 31은 소자에 소자 전압(Vf)을 인가하는 전원, 30은 소자 전극(5 및 6)사이에 전자 방출 영역을 포함하는 박막(4)를 통해 흐르는 소자 전류(IF)를 측정하기 위한 전류계(ammeter), 34는 소자의 전자 방출 영역(3)으로부터 방출된 방출 전류(Ie)를 포획하기 위한 애노드 전극, 33은 애노드 전극(34)에 전압을 인가하기 위한 고전압 전원, 및 32는 소자의 전자 방출 영역(3)으로부터 방출된 방출 전류(Ie)를 측정하기 위한 전류계이다.
전자 방출 소자의 소자 전류(IF) 및 전류(Ie) 및 방출 전류(Ie)를 측정하기 위해서, 전원(31) 및 전류계(30)는 소자 전극(5,6)에 연결되고, 에노드 전극(34)은 전원(33)에 연결되며 전류계(32)는 전자 방출 소자 상에 배치된다. 전자 방출 소자 및 애노드 전극(34)은 진공 펌프 및 진공 게이지와 같이 부수적으로 필요한 유니트(도시되지 않음)로 제공되는 진공 장치내에 배치되므로, 소자는 소정의 진공하에서 측정되고 평가된다. 진공 펌프는 터보(turbo) 펌프 및 회전 펌프로 구성되는 표준 고진공 장치 시스템을 포함하며, 초 진공 장치 시스템은 수착(sorption)펌프와, 진공으로 하기 위해 오일을 사용하는 이온 펌프를 포함하는 데. 이들 2개의 시스템은 선택적으로 전환된다. 더욱이, 진공 장치 내의 잔류 가스를 측정하기 위해 4배 질량 분광계(도시 없음)가 설치된다. 모든 진공 장치 및 전자원 기판은 가열기(도시되지 않음)에 의해 200 C까지 가열될 수 있다.
보통 애노드 전극에 인가된 전압을 1㎸ 내지 10㎸의 범위가 되도록 설정 함으로써 측정이 수행되며, 애노드 전극과 전자 방출 소자 사이의 간격(H)은 2㎜ 내지 8㎜ 범위이다.
형성 공정은 그 펄스 최대 값이 일정하게 유지되는 전압 펄스 또는 그 펄스 최대 값이 증가하는 전압 펄스를 인가함으로써 실행된다. 펄스 최대 값이 일정하게 유지되는 전압 펄스를 잊가하는 경우에 사용된 전압 파형은 제4A도에 도시되어 있다.
제4a도에서, 전압 파형의 펄스 폭 및 간격을 나타내는 T1 및 T2는 1-6초 내지 10-6초와 10-6초 내지 100-3초의 범위에서 각각 설정된다. 삼각파의 최대 값(즉, 형성하는 동안의 최대 값)은 적절히 선택된다. 형성 공정은 약 10-5Torr 내지 10-6Torr의 진공 기압하에서 수행된다.
펄스 최대 값이 증가하는 전압 펄스를 인가하는 경우에 사용된 전압 파형이 제4B도에 도시되어 있다.
제4b도에서, 전압 파형의 펄스 폭 및 간격을 나타내는 T1 및 T2는 1-6초 내지 10-3초 몇10-6초 내지 100-3초의 범위에서 각각 설정된다. 예를 들면, 삼각파의 최대값(즉, 형성하는 동안의 최대 값)은 0.1V만큼 증가한다. 형성 공정은 진공 기압하에서 수행된다.
예를 들면, 전자 방출 영역 형성 박막(2)을 국부적으로 파괴하거나 변형시키지는 않는 약 0.1V의 전압을 인가하고, 펄스 간격(T2) 동안에 또는 소자로부터 전자를 실질적으로 방출하기 위해 인가되는 구동 전압까지 전압이 더 증가된 후에 소자를 측정한 결과, 저항 값이 약 1MΩ을 초과할 때 형성 공정을 종료된다. 형성 처리는 다른 방법으로 종료 될 수 있다. 저항 값이 1MΩ을 초과하는 전압은 형성 전압(Vform)을 형성한다고 칭한다.
비록 형성 공정이 전자 방출 영역을 형성하는 상술한 단계에서 소자 전극 사이에 삼각파를 인가함으로써 수행되고, 소자 전극 사이에 인가된 펄스는 삼각 파형에 제한되지 않지만 구형 파형과 같은 소정의 다른 파형일 수 있다. 또한, 펄스의 최대 값, 폭 및 간격은 상술한 값에 제한되지는 않지만, 전자 방출 영역이 만족스럽게 형성되도록 전자 방출 소자 등의 저항 값에 따라 소정의 값으로 선택될 수 있다.
4) 형성 공정후에, 양호하게는 소자는 수위 활성화 처리를 할 수 있다. 활성화 공정은 정전압의 최대 값을 갖는 펄스가 형성 공정과 같은 소자에 반복적으로 인가되는 공정을 의미하지만, 예를 들어 약10-4내지 10-5Torr 정도의 진공하에서 처리된다. 활성화 공정에서, 탄소 및/또는 탄소 화합물은 소자 전류(If) 및 방출 전류(Ie)가 크게 변경되도록 진공 내에 존재하는 유기 재료로부터 침전된다.
특히, 활성화 공정은 소자 전류(If) 및 방출 전류(Ie)를 측정하는 동안 수행되며, 방출 전류(Ie)가 포화될 때 종료된다. 제5도는 활성화 공정시의 소자 전류(If) 및 방출 전류(Ie)의 의존성의 예를 도시한다.
활성화 공정의 결과, 이때의 소자 전류(If) 및 방출 전류(Ie)의 의존성 및 형성 공정에 의해 변형되어 변성된 박막 근처에 형성된 코팅 막의 상태는 진공의 정도, 소자에 인가된 펄스 전압 등에 따라 변한다.
활성화 공정에서 인가된 전압은 흔히 형성 전압(Vform) 보다 큰 전압인 최대 값으로 설정된다. 예를 들면, 실제로 소자를 구동하기 위해 인가된 전압 근처의 값으로 설정된다.
FESEM 및 TEM에 의해 활성화 처리된 후, 소자의 표면 상태를 관측하면 형성 처리에 의해 변형되어 변성된 영역(3)의 일부 및 주위 상에 탄소 및 탄소 화합물이 침전된 것이 나타났다. 더 크게 확대해서 관측하면 탄소 및/또는 탄소 화합물은 미세 입자들 상에 그리고 주위에도 침전된 것이 나타났다. 더욱이, 대향하는 소자 전극 사이의 간격에 따라서, 소정의 경우 탄소 및 탄소 화합물은 소자 전극상에 침전되었다. 침전 막의 두께는 양호하게는 500 Å 이하, 더 양호하게는 300 Å 이하이다.
활성화 공정중에 침전된 탄소 및 또는 탄소 화합물은 TEM 및 라만(Raman) 분광 광도계를 사용하여 분석한 결과 흑연(단결정과 다결정 형태를 포함) 및 비정질 탄소(비정질 탄소 및 다결정 흑연의 혼합물을 포함)로서 식별된다.
인가된 전압이 형성 공정에서 구동 전압 가까이 증가될 때, 활성화 공정은 필요 없을 수 있다.
5) 그러므로, 제조된 전자 방출 소자는 형성 공정 및 활성화 공정에서 보다 높은 진공 기압하에서 구동된다. 여기서, 형성 공정 및 활성화 공정에서 보다 높은 진공 기압은 약 10-6Torr 이상의 진공 기압을 의미하고, 양호하게는 탄소 및/ 또는 탄소 화합물이 감지할 수 있을 정도로 새롭게 침전되지 않는 정도의 진공 기압인 초 고진공 기압이다.
따라서, 탄소 및/ 또는 탄소 화합물을 더욱 침전시키는 것이 억제될 수 있기 때문에 소자 전류(If) 및 방출 전류(Ie)가 일정 레벨로 안정화된다.
상술한 바와 같이 구성되고 제조된 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 기본 특성은 제7도를 참조하여 이하에 서술된다.
제7도는 제3도에 도시한 측정 장치에 의해 정상적인 동작의 전압 범위에서 측정된 방출 전류(Ie)와 소자 전류(If)와 소자 전압(Vf)간의 관계에 대한 전형적인 예를 도시한다. 제7도의 그래프는 방출 전류(Ie)가 소자 전류(If) 보다 훨씬 작기 때문에 임의의 단위로 구성된다는 것을 유의한다. 제7도로부터 명확한 바와 같이, 본 발명의 전자 방출 소자는 방출 전류(Ie)와 관련하여 3가지 특성을 갖는다.
첫째, 소정의 값(제7도에서 임계 전압(Vth)이라 함)보다 더 큰 소자 전압이 인가될 때 방출 전류(Ie)는 갑자기 증가하지만, 임계 전압(Vth) 이하에서는 두드러지게 검출되지 않는다. 그러므로, 본 발명의 소자는 방출 전류(Ie)에 대해 한정된 임계 전압(Vth)를 갖는 비선형 소자이다.
둘째, 방출 전류(Ie)는 소자 전압(Vf)에 의존하므로, 방출 전류(Ie)는 소자 전압(Vf)에 의해 제어될 수 있다.
셋째, 애노드 전극(34)에 의해 포획된 방출 전하는 소자 전압(Vf)이 인가되는 동안의 시간에 의존한다. 그로므로, 애노드 전극(34)에 의해 포획된 전하의 양은 소자 전압(Vf)이 인가되는 동안 시간에 따라 제어될 수 있다.
다른 한편, 소자 전류(If)는 소자 전압(Vf)(제7도에 실선으로 나타냄)에 대해 단조롭게 증가하는 특성(MI 특성이라 함)을 나타내거나, 소자 전압(Vf)에 대해 전압이 제어된 음저항 특성(VCNR 특성이라 함)을 나타낸다. 소자 전류의 이러한 특성은 제조 공정, 측정 조건 등에 의존한다. VCNR 특성이 나타나는 경계 전압은 Vp로 주어진다. 특히, 소자가 표준 진공 장치 시스템 내에서 형성 처리될 때 소자 전류(If)의 VCNR 특성이 나타나고, 형성 공정에서의 전기적 조건과 진공 장치 시스템의 기압 조건 뿐 아니라 형성 처리되는 전자 방출 소자를 측정하는 데 사용된 진공 장치 시스템의 진공 기압 조건, 전기적 측정 조건[예를 들어, 전자 방출 소자의 전류-전압 특성을 얻기 위하여 소자에 인가된 전압이 낮은 값에서 높은 값으로 소사(掃射)되는 소사율(sweep rate)], 및 전자 방출 소자가 진공 장치내의 대기 상태로 남는 동안의 시간에 따라 크게 변화된다는 것을 알았다. 소자 전류가 VCNR 특성을 나타낼 때, 방출 전류(Ie)도 MI 특성을 나타낸다.
예를 들면, 일본국 특허 출원 공개 제1-279542호에 기술되어 있는 바와 같이, 표준 진공 장치 시스템 내에서 소자를 형성 처리하는 경우에, 소자에 인가된 전압이 낮은 값에서 높은 값으로 비교적 빠르게 소사될 때, 이제까지 소자 전류(If)의 특성은 단조롭게 증가하는 것으로 관찰되었다. 그러나, 합성 전류 값은 초 고진공 시스템에서 형성 처리된 소자의 소자 전류(If) 및 방출 전류(Ie)의 값과는 다르기 때문에 소자의 상태는 2가지 경우 모두 사이에서 다르다고 가정된다.
종래의 표면 전도형 전자 방출 소자의 특성을 이하에 설명하겠다. 전자 방출 소자는 회전 펌프 및 터보 펌프와 같은 배출 장치를 사용하여 약 1×10-5의 진공도로 진공 장치를 배출한 후에 흔히 구동된다.
제26도는 종래의 전자 방출 소자가 구동되지 않을 때 결과적인 대기 시간(이 특성은 대기 시간 의존 변화로 칭함)에 따른 방출 전류(Ie) 및 소자 전류(If)의 변화를 개략적으로 도시한 것이다. 절대 값이 다르더라고, 방출 전류 및 소자 전류는 거의 비슷하게 변화된다.
제26도로부터 명백한 바와 같이, 방출 전류 및 소자 전류는 각각 대기 시간(T) 이후에 일시적으로 증가된 후, 수 초 내지 수 분의 시 상수 후 대기 이전의 값으로 복귀한다. 일시적인 증가(Is-I)의 크기는 대기 시간, 진공도, 진공 내에 존재하는 잔류 가스, 및 소자 구동 전압과 같은 여러 가지 조건에 의존하고, 약 50%정도 일 수 있다. 일반적으로, 전자 방출 소자로부터 방출된 전자의 양은 소자에 인가된 전압의 폭 또는 전압 값을 변화시킴으로써 변화되고 변조될 수 있다.
제27도는 종래의 표면 전도형 전자 방출 소자에서 방출 전류와 펄스 폭 간의 관계를 개략적으로 도시한 것이다. 제27도로부터 명백한 바와 같이, 방출 전류는 펄스 폭이 좁아짐에 따라 증가된다. 그러므로, 종래의 표면 전도형 전자 방출 소자에 있어서, 방출된 전자의 양은 펄스 폭에 비례하지 않으므로 제어되기 어렵다(이 특성은 펄스 폭 의존 변화로 칭함).
제28도는 종래의 표면 전도형 전자 방풀 소자에서 방출 전류와 소자 전압 간의 관계를 개략적으로 도시한 것이다. 예시적인 방출 전류 대 소자 전압(즉, Ie-Vf 특성) 특성은 방출 전류가 포화될 때까지 소자에 100-3초 이하의 펄스 폭으로 삼각 전압을 계속적으로 인가함으로써 달성된다. 제28도에서, 방출 전류가 포화될 때까지 소자에 14V의 전압을 인가할 때의 결과인 Ie-Vf특성이 도시되어 있고, 방출 전류가 포화될 때까지 소자에 12V의 전압을 인가할 때의 결과인 Ie-Vf 특성이 도시되어 있다.
제28도로부터 분명한 바와 같이, 방출 전류 대 소자 전압의 특성은 소자 전압에 따라 변하기 때문에 제어되기 어렵다. 이러한 변화는 소자 전압 의존 변화에 동일하게 적용된다.
본 발명은 상기 종래의 특성들을 참조하여 이루어졌다. 다시 말하면, 발명자는 방출 전류(Ie) 및 소자 전류(If)가 전자 방출 소자의 표면상 및 소자 주위의 진공 기압에 존재하는 유기 재료 양의 변화로 인해 변화된다는 것과, 방출 전류(Ie() 및 소자 전류(If)는 유기 재료의 부분 압력을 가능한 한 낮게 감소시킴으로써 변화없이 소자 전압에 관해 거의 일의적(一義的)으로 결정되며 정상적인 동작 동안 전압 범위에서 단조 증가(MI) 특성을 나타낸다는 것을 처음 발견하였다. 여기서, 진공 기압은 내부의 진공을 유지하기 위한 봉입부(또는 진공 장치)의 기압과 동일하다.
또한, 방출 전류와 소자 전류의 변화는 소자의 제조 공정에 의존한다는 것을 발견하였다. 정상적인 동작 동안의 전압 범위는 전자 방출 소자의 재료, 구조 및 다른 특징에 따라 설정되며, 전자 방출 소자가 전계, 열 등에 의해 파괴되지 않는 범위를 의미한다.
그러므로, 발명자는 표준 진공 장치에서 동작될 때 다양한 종류의 불안정성을 갖는 전자 방출 소자가 초 고진공 시스템에 의해 배출된 진공 장치에서 동작할 때, 극히 적은 상기 대기 시간 의존 변화, 펄스 폭 의존 변화 및 소자 전압 의존 변화를 갖는 전자 방출 특성을 나타낸다는 것을 발견하였고, 전자 방출 소자의 소자 전류는 상술한 일본국 특허 출원 공개 공보 제1-279542호에 개시된 전자 방출 소자와는 달리 전압 소사율과 같은 측정 조건에 의해 거의 영향을 받지 않는다는 것을 발견하였다.
질량 분광계로서 특성의 변화 원인을 연구한 결과, 진공 장치의 유기 재료의 부분 압력은 양호하게는 1×10-8Torr 이하이고, 더 양호하게는 1×10-10Torr이하이다. 또한, 진공 장치의 압력은 양호하게는 5×10-6Torr이하이고, 더 양호하게는 1×10-7Torr 이하이며, 가장 양호하게는 1×10-8Torr 이하이다. 진공 장치를 배출하기 위한 진공 배출 장치는 장치로부터 발생되는 오일(oil)에 의해 소자 특성이 영향을 받지 않도록 오일을 사용하지 않는 유형이 바람직하다. 실제로 적합한 진공 배출 장치는, 예를 들어, 수착 펌프와 이온 펌프를 포함한다. 초 고진공 배출 시스템으로써 진공 장치를 배출할 때, 소자 표면 상 및 진공 장치 상에 흡수된 유기 재료가 용이하게 배출되기 때문에 전자 방출 소자 및 진공 장치를 가열하면서 배출하는 것이 특히 양호하다. 가열 조건은 양호하게는 5시간 또는 그 이상으로 80 C내지 200 C의 온도 범위에서 설정되지만 이들 값에 제한되지는 않는다. 유기 재료의 부분 압력은 주로 탄소와 수소로 구성된 유기 분자의 부분 압력을 측정한 다음 측정된 부분 압력을 가압함으로써 결정되며, 질량 분광계를 사용하여 분석한 결과10 내지 200의 질량을 갖는다.
제8도는 상술한 본 발명의 표면 전도형 전자 방출 소자의 방출 전류와 소자 전압 간의 관계를 도시한다.
제8도로부터 명백한 바와 같이, 방출 전류는 소자 전압에 관하여 거의 독특하게 결정된 단조 증가(MI) 특성을 갖는다.
종래의 전자 방출 소자에서 상술한 여러 가지 종류의 불안정성은 소자의 제조가 소량으로 존재하는 유기 분자에 의해 변화된 후 전자 방출 영역에서 관찰된 흑연 및 비정질 탄소의 미세 구조, 또는 유기 분자와 이의 변성된 물질이 전자 방출 특성에 흡수된 것에 기인한다. 그러므로, 매우 안정한 특성을 갖는 전자 방출 소자는 특성 변화에 원인이 있는 이러한 유기 재료를 제거함으로써 달성된다.
상술한 특성 변화의 원인은 유기 재료에 제한되지 않고, 소정의 탄소 화합물에 의해 이와 유사한 특성 변화가 유발될 수 있다.
충분히 상술한 바와 같이, 본 발명의 전자 방출 소자는 그 전자 방출 특성이 대기 시간과 진공 기압에 따라 거의 변화되지 않는 매우 안정한 전자 방출 소자이다. 또한, 본 발명의 전자 방출 소자는 그 전자 방출 특성이 구동 전압(소자 전압)의 펄스 폭과 전압 값의 파형에 따라 변화되지 않기 때문에 방출된 전자들의 양을 제어하기가 용이한 전자 방출 소자이다.
표면 전도형 전자 방출 조사의 기본 구조 및 제조 공정이 상술되었지만, 본 발명은 발명의 원리에 따른 상기 실시예에 제한되지는 않으며, 특히 방출 전류가 소자 전압에 대해 독특하게 결정된 단조 증가 특성을 나타내는 특징을 갖는 상술한 3가지 기본적인 특성을 갖는 소정의 다른 표면 전도형 전자 방출 소자는 전자 원과 표시 장치(이하에 설명)와 같은 화상 형성 장치에도 적용될 수 있다.
본 발명의 전자원 및 화상 형성 장치를 이하에 설명하겠다.
전자원 또는 화상 형성 장치는 본 발명의 다수의 표면 전도형 전자 방출 소자를 기판 상에 배열함으로써 만들어질 수 있다. 한 가지 방법으로, 종래 기술과 관련하여 이전에 상술한 바와 같이. 다수의 표면 전도형 전자 방출 소자는 나란하게(행 방향으로) 배열되어 전자 방출 소자의 행을 형성하도록 배선함으로써 그 양 단부내에서 상호 연결되는 데, 전자 방출 소자의 이 행은 다수로 배열되어 있고, 제어 전극(그리드라고 함)은 행 방향 배선에 수직방향(열 방향이라 함)으로 놓기 위해 소자의 구동 전압을 제어함으로써 상기 전자원 상의 공간에 배치된다. 이하에 상술된 다른 방법으로써, Y방향 배선의 n개 라인은 그 사이에 내부 절연층을 갖는 X방향 배선의 m개 라인에 배치되며, X방향 배선 및 Y방향 배선은 표면 전도형 전자 방출 소자의 각각의 소자 전극 쌍에 연결된다. 후자의 경우는 이하에 단일 매트릭스 어레이라고 불리울 것이다. 단일 매트릭스 어레이에 대해서는 상세히 설명하지 않겠다.
본 발명에 따른 표면 전도형 전자 방출 소자의 기본 특성 중 상술한 3가지 특징으로써, 단일 매트릭스 어레이의 표면 전도형 전자 방출 소자의 각각으로부터 방출된 전자는 또한 인가된 전압이 임계값보다 높을 때 대향 소자 전극 사이에 인가된 펄스형 전압의 최대 값 및 폭에 따라 제어된다. 한편, 임계값보다 낮은 전압에서는 전자가 거의 방출되지 않는다. 이러한 특성에 기초하여, 다수의 전자 방출 소자가 어레이로 배치되더라도, 임의의 표면 전도형 전자 방출 소자를 선택할 수 있고, 각각 대응하는 소자에 펄스형 전압을 적절히 인가함으로써 입력 신호에 응답하여 그것으로부터 방출된 전자의 양을 제어할 수 있다.
상기 원리에 따라 배열된 전자원 기판(81)의 구조는 공통 실시예를 도시하는 제9도를 참조하여 이하에 서술될 것이다. 81은 전자원 기판, 82는 X방향 배선, 83은 Y방향 배선, 84는 표면 전도형 전자 방출 소자, 및 85는 연결 리드를 나타낸다. 표면 전도형 전자 방출 소자(84)는 플래너(planar) 또는 수직 형태일 수 있다.
제9도에서, 상술한 바와 같이 전자원 기판(81)은 유리 기판 또는 그와 같은 것 일 수 있다. 배열될 다수의 표면 전도형 전자 방출 소자(84)와 각 조가의 설계형태는 응용에 따라서 적절하게 설정된다.
다음에, DX1, DX2, …, DXm으로 나타낸 방향 배선(82)의 m개 라인은 전도성 금속 등으로 만들어지고 진공 증착, 프린팅, 스퍼터링 등에 의해 절연기판(81)상에서 소정의 패턴으로 형성된다. 배선(82)의 재료, 막 두께 및 폭은 가능한 한 균일한 전압이 다수의 모든 표면 전도형 전자 방출 소자에 공급될 수 있도록 설정된다. 또한, DY1, DY2, …, DYn으로 나타낸 Y방향 배선(83)의 n개 라인은 전도성 금속 등으로 만들어지고 X방향 배선(82)과 같이 진공 증착, 프린팅, 스퍼터링 등에 의해 절연 기판(81) 상에 소정의 패턴으로 형성된다. 또한, 배선(83)의 재료, 막 두께 및 폭은 가능한 한 균일한 전압이 다수의 모든 표면 전도형 전자 방출 소자에 공급될 수 있도록 설정된다. 내부 절연층(도시되지 않음)은 배선(82,83)을 전기적으로 서로 격리시켜 매트릭스 배선을 만들기 위하여 방향 배선(82)의m개라인과 Y방향 배선(83)의 n개 라인 사이에 삽입된다(m, n은 각각 양의 정수인 것에 주의).
도시되지 않은 내부 절연층은 SiO2, 또는 X방향 배석(82)이 그 위에 형성된 절연 기판(81)의 전체 또는 일부 표면을 덮도록 진공 증착, 프린팅, 스퍼터링 등에 의해 소정의 형태로 형성되는 것으로 만들어진다. 내부 절연층의 두께, 재료 및 제조 공정은 X방향 배선(82)의 m개 라인 및 Y방향 배선(83)의 n개 라인이 서로 교차되는 부분의 전위차를 견디도록 적절히 설정된다. X방향 배선(82) 및 Y방향 배선(83)은 외부 단자를 제공하기 위해 리드 아웃(are led out)된다.
더욱이, 배선에 유사하게 표면 전도형 전자 방출 소자(84)의 각 대향 전극(도시되지 않음)은 전도성 금속등으로 만들어지는 연결 리드(85)에 의해 X방향 배선 (82)(DX1, DX2, …, DXm)의 m개 라인과 Y방향 배선(83)(DY1, DY2, …, DYn)의 n개 라인에 전기적으로 연결되어 진공 증착, 프린팅, 스퍼터링 등에 의해 형성된다.
방향 배선(82)의 m개 라인, Y방향 배선(83)의 n개 라인, 연결 리드(85) 및 대향 소자 전극에 사용된 전도성 금속 또는 다른 재료는 구성 요소의 일부 또는 전부와 동일하거나 또는 서로 다를 수 있다. 특히, 필요하다면, 이들 금속은 Ni, Cr, Au, Mo, W, Pt, Ti, AI, Cu 및 Pd또는 그 합금과 같은 금속으로부터 선택되고, 프린팅 전도체는 Pd, Ag, Au, RuO2및 Pd-Ag 또는 그 산화물, 유리등과 같은 금속, In2O3-SnO2과 같은 투명 전도체, 및 다결정체와 같은 반도체를 포함한다. 의도적으로, 표면 전도형 전자 방출 소자는 절연 기판(81)상에 또는 재부 절연층(도시되지 않음)상에 형성될 수 있다.
이후 상세히 설명되지만, X방향으로 배열된 X방향 배선(82)은 표면 전도형 전자 방출 소자(84)의 각 행을 주사하기 위해 입력 신호에 응답하여 주사 신호를 인가하는 주사 신호 발생기(도시되지 않음)에 전기적으로 연결되어 있다.
한편, T방향 배선(83)은 Y방향으로 배열된 표면 전도형 전자 방출 소자(84)의 각 열을 변조하기 위해 입력 신호에 응답하여 변조 신호를 인가하는 변조 신호 발생기(도시되지 않음)에 전기적으로 연결되어 있다.
부수적으로는, 표면 전도형 전자 방출 소자의 각각에 인가된 구동 전압은 상기 소자에 모두 인가된 주사 신호와 변조 신호 사이에 차동 전압으로서 공급된다.
상기와 같이 제조된 전자원이 표시 및 다른 목적을 위해 사용되는 화상 형성 장치의 제10도, 제11a도 및 제11b도를 참조하여 설명하겠다. 제10도는 화상 형성 장치의 기본 구조를 도시하며, 제11a도와 제11b도는 각각은 형광막을 도시한다.
제10도에서, 81은 다수의 표면 전도형 전자 방출 소자가 상기와 같이 그 위에 제조되는 전자원 기판, 91은 전자원 기판(81)이 고정되는 배면 판, 96은 유리 기판(93)의 내부 표면 상에 형광막(94)과 금속 후면(95)을 적층함으로써 제조된 전면판, 및 92는 지지용 프레임을 나타낸다. 배면 판(91), 지지용 프레임(92) 및 전면 판(96) 사이의 접합 부분에 프릿(frit) 유리 등을 적층한 후, 접합 부분을 접합시키기 위해 10분 또는 그 이상 동안 400℃내지 500℃의 기압 또는 질소 가스 내에서 소결됨으로써, 봉입부(98)가 만들어진다.
제10도에서, 참조 번호(3)는 제1도의 전자 방출 영역을 나타내고, 참조 번호(82, 83)는 전도형 전자 방출 소자의 각 소자 전극 쌍에 연결된 X 및 Y방향 배선을 나타낸다. 소자 전극과 동일한 재료로 배선이 만들어질 때,소자 전극에 연결된 배선도 역시 소자 전극이라고 한다는 것을 주의하라.
봉입부(98)는 예시된 실시예에서 전면 판(96), 지지용 프레임(92) 및 배면 판(91)으로 이루어진다. 그러나, 기판(81)의 강도를 보강할 목적으로 배면 판(91)이 주로 제공되기 때문에, 기판(81) 자체가 충분한 강도를 가질 때 분리된 배면 판(91)을 제거할 수 있다. 이 경우, 지지용 프레임(92)은 기판(81)에 직접 접합되어 결합될 수 있으므로, 전면 판(96), 지지용 프레임(92) 및 기판(81)으로써 봉입부(98)를 만들 수 있다. 선택적으로, 스페이서(spacer)라고 하는 도시되지 않은 지지물은, 봉입부(98)가 가압에 대해 충분한 강도를 가질 수 있도록 전면 판(96)과 배면 판(91) 사이에 배치될 수 있다.
제11a도 및 제11b도 각각은 형광막을 도시한다. 제10도의 형광막(94)은 흑백의 경우에 형광 물질만을 포함한다. 컬러 화상을 발생하는 경우에, 형광막은 흑색 전도체(101)와 형광물질(102)을 조합하여 형성되는 데, 상기 흑색 전도체는 이들 사이의 형광물질의 배열에 따라 흑색 줄무늬(stripe) 또는 흑색 매트릭스라고 불린다( 제11a도 및 제11b도). 흑색 줄무늬와 흑색 매트릭스를 제공하는 것은 컬러 표시에 필요하고 컬러 혼합이 덜 눈에 띄게 하는 3원색에 대한 형광물질(103)간의 갭(gap)을 흑색으로 만들기 위한 것이고, 형광막(94) 상에 외부 빛을 반사함으로써 발생된 콘트라스트의 감소를 억제하기 위한 것이다. 흑색 줄무늬의 재료는 흔히 사용되는 주성분으로서 흑연을 포함하는 재료에 제한되지 않지만, 이 재료가 전도성이 있고 작은 광 투막율 값 및 반사율 값을 갖는 한 다른 임의의 재료일 수 있다.
형광물질은 화상이 흑백지 컬러인지에 관계없이 첨전 또는 프린팅법에 의해 유리 기판(93) 상에 코팅된다.
형광막(94)의 내부 표면 상에, 보통 금속 후면(95)이 배치된다. 금속 후면(95)은 형광물질로부터 앞쪽의 전면 판(96)을 향해 방출되는 광을 미러 반사(mirror-reflecting)함으로써 밝기를 증가시키는 기능을 가지며, 전자 빔 가속 전압을 인가하는 전극의 역할을 하여 형광물질을 봉입부에 발생된 음 이온과 충돌하여 손상되지 않도록 보호한다. 형광막을 형성한 후, 금속 후면은 형광막(이 단계는 막 형성 과정(filming)이라고 불리움)의 내부 표면을 매끄럽게 한 후 진공 증착으로써 그 위에 A1을 침전시킴으로써 제조될 수 있다.
형광막(94)의 전도성을 증가시키기 위해, 소정의 경우에 형광막(94)의 외부 표면 상에서 전면 판(96)이 투명 전극(도시되지 않음)을 구비할 수 있다.
상기 결합 이전에, 컬러의 경우 각 컬러인 형광 물질과 전자 방출 소자가 서로 정확하게 정렬되어야 하기 때문에 각 부분을 조심스럽게 정렬할 필요가 있다.
약 10-6Torr에서 진공을 만들기 위해 배출 튜브(도시되지 않음)을 통해 봉입부(98)가 배출된 후 밀봉하여 봉인된다.
예를 들어, 먼저 형성 공정은 그 펌프 시스템이 회전 펌프 및 터보 펌프로 구성된 표준 진공 장치 시스템에 의해 배출 튜브(도시되어 있지 않음)을 통해 봉입부를 배출하면서 봉입부의 외부로 연장하는 단자(Doxl 내지 Doxm 내지 Doyl 내지 Doyn)을 통해 소자 전극(5 및 6) 사이에 전압을 인가함으로써 실행되고, 다음에 약 10-5Torr의 진공하에서 활성화 공정이 수행된다. 그 후, 배출 시스템은 그 펌프 시스템이 이온 펌프 또는 오일을 사용하지 않는 펌프를 구비하는 초 고진공 장치 시스템으로 전환되어, 충분한 시간 동안 80℃내지 200℃의 온도에서 봉입부가 소결된다. 결과적으로, 전자 방출 영역(3)이 형성되어 있는 다수의 전자 방출 소자의 어레이를 구비하는 전자원이 완성된다.
초 고진공 장치 시스템으로의 전환과 소결은, 각 표면 전도형 전자 방출 소자의 소자 전류(If)와 방출 전류(Ie)가 소자 전압에 관해 일의적으로 결정되는 단조 증가(MI) 특성을 만족시키기 위한 것이며, 그 방법 및 조건에 있어서 상기 실시예에 제한되지 않다.
부수적으로, 봉입부를 밀봉하여 봉인한 후 봉입부(98) 내의 진공도를 유지하기 위하여, 봉입부가 레터링(gettering)될 수 있다. 이 처리는, 봉인 직전 또는 직후에, 게터(getter)의 증착막을 형성하도록 저항 열 또는 유도 열로 봉입부(98)의 선정된 위치(도시되지 않음)에 배치된 게터를 가열함으로써 수행된다. 일반적으로, 게터는 주 성분으로서 Ba 등을 포함한다. 증착 막과 초 고진공 장치의 흡수 작용의 결합에 의해 1×10-7Torr이상의 진공도에서 봉입부(98)가 유지될 수 있다.
이렇게 완성된 본 발명의 화상 표시 장치에서, 봉입부의 외부로 연장하는 단자(Doxl 내지 Doxm 및 Doyl 내지 Doyn)을 통해 소정의 전자 방출 소자에 전압이 인가됨으로써 소자로부터 전자를 방출한다. 이와 동시에, 수㎸ 또는 그 이상의 고전압은, 전자빔이 가속되어 형광막(94)에 충돌하도록 고전압 단자(Hv)를 통해 금속 후면(95) 또는 투명 전극(도시되지 않음)에 인가된다. 결국, 화상을 표시 하기 위해 형광물질이 역이 되어 광이 복사된다.
상술한 정렬은 표시 및 다른 목적에 적합한 화상 형성 장치를 제조하는 데 필요한 최소한의 개요이다. 장치의 세부사항, 예를 들어, 성분의 재료는 상술한 것이 제한되지는 않지만, 필요하다면, 화상 형성 장치를 사용하는 데 적합도록 선택될 수 있다.
본 실시예의 화상 형성 장치는 대기 시간 의존 변화가 아주 작은 매우 안정한 화상 형성 장치이다. 또한 이 화상 형성 장치는 계조 특성과 모든 색의 표시 특성이 우수하고, 높은 콘크라스트를 갖는다.
상술한 화상 형성 장치 이외에도, 본 발명은 봉입부에 배열된 전자 방출 소자로 구비하고 전자 빔 드로잉(drawing) 장치, 전자 빔 용접 장치 및 전자 빔 분석기와 같은 전자 빔 응용 장치에 더 응용할 수 있다.
[예]
여러 가지 예들과 관련하여 이하에 본 발명이 보다 상세히 서술될 것이다.
[예1]
이 예의 표면 전도형 전자 방출 소자의 기본 구조는 제1a 및 제1b도의 평면 및 단면도에 도시한 것과 유사하다.
이 예의 표면 전도형 전자 방출 소자의 제조 공정은 기본적으로 제2a도 내지 제2c도에 도시한 것과 같다.
지금부터 제1a도와 제1b도 및 제2a도 내지 제2c도를 참조하여 이 예의 소자에 대한 기본 구조 및 제조 공정에 대해 서술될 것이다.
제1a도 및 제1b도에서, 참조 번호(1)는 기관이고, 참조 번호(5 및 6)는 소자 전극이며, 참조 번호(4)는 전자 방출 영역을 포함하는 박막이고, 참조 번호(3)는 전자 방출 영역이다.
제조 공정은 제1a도와 제1b도 및 제2a도 내지 제2c도를 참조하여 연속적인 단계로 상세히 설명하겠다.
[단계-a]
0.5μ 두께인 실리콘 산화막이 기판(1)으로써 스퍼터링에 의해 세척된 소다석회 유리 상에 형성된다. 그 사이에 소자 전극(5, 6)과 갭(Ll)을 한정하는 패턴은 포토레지스트(히다찌 화학(주)가 제조한 RD-2000N-41)로서 형성되었다. 다음에 5㎚ 두께인 Ti 막과 100㎚두께인 Ni 막이 기판(1) 상에 진공 증착에 의해 순서대로 침전되었다. 포토레지스트 패턴은 리프트오프(liftoff)에 의해 침전된 Ni/Ti 막을 남기도록 유기 용제에 의해 용해된다. 이렇게 해서 3μ의 전극 갭(L1)과 300μ의 전극 폭을 갖는 소자 전극(5, 6)이 형성되었다.
[단계-b]
다음에, 박막(2)을 형성하는 전자 방출 영역을 소정 형태로 패턴화 하기 위해, 일반적으로 사용되는 증착 마스크가 조사 전극 상에 침전되고, 마스크에 의해 패턴화될 100㎚ 두께의 Cr 진공 증착으로 패턴되었다. 유기성 Pd(오꾸노 제약 회사가 제조한 ccp 4230)은 스피너를 사용하여 회전하는 동안 침전되어 10분 동안 300℃에서 소결하기 위해 가열되었다. 이렇게 형성되고 주 성분 원소로소 미세한 pd 입자를 포함하는 전자 방출 영역은 두께가 10㎚이고 판 저항 값이 3 10-4Ω/?이다. 여기서 사용된 미세 입자 막이라는 용어는, 상술한 바와 같이, 다수의 미세 입자들이 함께 응집된 막을 의미하고, 미세 입자들이 각각 분산되어 있을 뿐만 아니라 서로 인접하거나 중복된 미세 구조를 갖는 막을 포함한다[아일랜드(island) 상태를 포함)
다음에, Cr 막과 박막(2)을 형성하는 전자 방출 영역은 소결후 소정 패턴으로 형성되도록 산성 에칭제로서 에칭되었다.
상기 단계의 결과, 소자 전극(5, 6) 박막(2)을 형성하는 전자 방출 영역은이 기판(1)상에 형성되었다.
[단계-c]
다음에, 제3도의 측정 장치에 설정되었던 소자는 2 10-5Torr 의 진공도로 진공 펌프에 의해 배출된다. 이후, 소자 전압(Vf)을 소자에 인가하기 위해 전원(31)로부터 소자 전극(5, 6)사이에 전압이 인가되어 에너지 공급 공정(형성 공적)을 수행한다. 형성 공정에 대한 전압 파형이 제4b도에 도시된다.
제4b도에서, T1 및 T2는 전압 파형의 펄스 폭 및 간격을 나타낸다. 이 예에서, 형성 공정은 T1 및 T2를 0.5 10-3초 및 10 10-3초로 각각 설정함으로써 수행되며, 0.1V 단계로 삼각파(즉, 형성하는 동안의 최대 전압)의 최대 값을 증가시킨다. 형성 공정 동안, 0.1V의 전압에서 저항을 측정하는 펄스가 저항을 측정하기 위해 간격(T2)에 삽입되었다. 형성 공정은 저항 측정 펄스에 의해 측정된 값이 약1MΩ을 초과할 때 종료되었다. 이와 동시에, 소자에 대한 전압 인가도 역시 종료되었다. 각 소자에 대한 형성 전압(Vf)은 5.5V이었다.
[단계-d]
다음에, 형성 처리된 소자는 14V의 최대 값을 갖는 구형파로서 활성화 처리되었다. 활성화 공정에서, 상술한 바와 같이, 소자 전류(If) 및 방출 전류(Ie)를 측정하면서 제3도의 형성 장치의 소자 전극 사이에 펄수 전압이 인가되었다. 이때, 제3도의 측정 장치의 진공도는 1.0 10-5Torr이었다. 다음에 방출 전류는 1.5μA에서 약 20분 후에 포화되는 경향이 있었고, 활성화 처리도 종료되었다. 1.5μA에서 약 20분 후에 포화되는 경향이 있었고, 활성화 처리도 종료되었다.
다음에, 전자 방출 영역(3)이 그 위에 형성된 전자 방출 소자가 제조되었다(제2C도).
상기 단계를 통해 제조된 표면 전도형 전자 방출 소자를 전자 현미경으로 관찰하면, 활성화 공정후 전자 방출 영역 상에 형성된 코팅된 막이 나타낸다. 더 크게 확대해서 FESEM으로 관찰하면, 코팅된 막은 금속성 미세 입자 주위와 사이에서도 형성된 것으로 보였다.
TEM과 분광 광도계를 사용하여 관찰한 결과, 흑연 및/ 또는 비정질 탄소로 구성된 탄소 코팅 막이 관찰되었다.
더욱이, 상기 단계를 통해 제조된 표면 전도형 전자 방출 소자에서, 실시예와 관련하여 상술한 대기 시간 의존 변화, 펄스 폭 의존 변화 및 소자 전압 의존 변화는 제3도의 측정 장치를 사용하여 측정되었다.
애노드 전극과 전자 방출 소자 사이의 간격은 4㎜으로 설정되고, 애노드 전극의 전위는 1㎸로 설정되었다. 전자 방출 특성을 측정할 때 진공 장치의 진공도는 종래의 전자 방출 소자를 위한 고진공 배출 장치에 의해 약 2 10-6Torr(유기 재료의 부분 압력 : 5×10-7Torr)로 설정되었고, 본 발명의 전자 방출 소자를 위한 초 고진공 배출 장치에 의해 약 1×10-9Torr (유기 재료의 부분 압력 : 1×10-10Torr 보다 더 높다)로 설정되었다.
첫째, 이 예의 전자 방출 소자의 방출 전류 대 소자 전압(실시예와 관련하여 상술된 포화 값)의 특성은 14V 및 12V의 소자 전압(최대 값) 및 1×10-3초의 펄스 폭을 갖는 삼각파를 인가하여 측정된다. 결국, 제8도에 도시한 바와 같이, 방출전류는 거의 조사 전압에 관련하여 독특하게 결정되며 단조 증가 특성을 나타내었고, 소자 전압 의존 변화는 문제 범위 이하였다. 종래의 전자 방출 소자는 제28도에 도시된 특성을 나타내었다. 그러므로, 방출 전류는 소자 전압(소사 전압)의 최대 값의 12V와 14V사이에서 30% 이상 다르다. 또한 이 예의 전자 방출 소자의 방출 전류도 거의 조사 전압에 관련하여 독특하게 결정되는 단조 증가 특성을 나타내었다.
다음에, 이 예의 전자 방출 소자의 대기 시간 의존 변화는 소자 전압을 14V로 설정하고 펄스 폭을 100 10-6초로 설정하며 대기 시간을 10분으로 설정하여 측정되었다. 결국, 대기 시간(제26도 참조) 후에 방출 전류의 증가 크기[(Is-I)/I×100]는 3% 이하였다. 이 크기는 종래의 전자 방출 소자에 대해 약 35% 였다.
또한 이 예의 전자 방출 소자의 펄스 폭 의존 변화는 소자 전압을 14V로, 펄스 폭을 1×10-6초 및 100×10-6초로 설정함으로써 측정되었다. 결국, 최대의 방출 전류에서 펄스 폭 의존 변화는 2% 이하였다. 종래의 전자 방출 소자에 대한 대응하는 값은 약 20%였다.
상술한 바와 같이, 이 예의 전자 방출 소자는 전자 방출 특성의 변화가 작은 안정한 전자 방출 소자이며, 방출된 전자의 양은 구동 전압(소자 전압) 파형의 펄스 폭 및 전압 값으로 제어될 수 있다.
[예 2]
이 예의 전자 방출 소자는 오일을 사용하지 않는 초 고진공 배출 장치로서 배출하면서 소자 및 모든 측정 장치가 소결하기 위해 10시간 동안 100℃로 가열된다는 점에서 예 1의 소자와는 다르다. 이 때 장치의 진공도는 약 1×10-8Torr 였다(유기 재료의 부분 압력 : 검출할 수 있는 한계 이하인 1×10-10Torr 이상).
이 예의 전자 방출 소자는 대기 시간 의존 변화와 펄스 폭 의존 변화가 예1의 전자 방출 소자보다 작은 안정한 전자 방출 소자였다.
[예 3]
예 1에서, 형성 공정은 다음과 같이 수행되었다.
전압 파형은 구형파였고, 펄스 폭(T1) 및 펄스 간격(T2)은 0.5 10-3초 및 10 10-3초로 각각 설정되었고, 전압 값은 0.1V씩 0V에서 14V까지 증가되었다.
전자 방출 특성을 측정하는 데 사용된 진공 장치는 진공 장치 내에서 약 7×10-7Torr(유기 재료의 부분 압력 : 1×10-8Torr 이상)의 진공도를 달성하기 위해 오일을 사용하지 않는 초 고진공 배출 장치에 의해 배출되었다. 이러한 조건하의 전자 방출 특성을 측정한 결과, 이 예의 전자 방출 소자의 방출 전류 및 소자 전류는 거의 소자 전압에 관련하여 독특하게 결정되는 단조 증가 특성을 각각 나타내었다. 최대의 방출 전류에서 펄스 폭 의존 변화는 5% 이하였다. 그러므로, 결과적인 전자 방출 소자는 종래의 전자 방출 소자보다 전자 방출 특성의 변화가 작은 안정한 전자 방출 소자였다. 또한 방출된 전자의 양은 1.1μA였다.
이 예의 전자 방출 소자는 전자 방출 특성의 변화가 작은 안정한 전자 방출 소자이며, 방출된 전자의 양은 구동 전압(소자 전압) 파형의 펄스 폭 및 전압 값으로 제어될 수 있다.
[예 4]
이 예는 다수의 표면 전도형 전자 방출 소자가 단일 매트릭스 어레이로 배열된 화상 형성 장치에 관한 것이다.
제12도는 전자원 부분의 평면도를 도시하고, 제13도는 제12도의 A-A'선을 따라 절취한 단면도를 도시한다. 제12도, 제13도, 제14a도 내지 14d도, 및 제15e도 내지 제15h도의 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 가리킨다는 것에 유의하라. 이들 도면에서, 81은 기판이고, 82는 제9도의 Dxn에 대응하는 X방향 배선(또는 하부 배선이라 함)이며, 83은 제9도의 DYn에 대응하는 Y방향 배선(또는, 상부 배선이라 함)이고, 4는 전자 방출 영역을 포함하는 박막이고, 5 및 6은 소자 전극이고, 141은 내부 절연층이며, 142는 소자 전극(5)과 하부 배선(82)사이를 전기적으로 연결하기 위한 접촉 구멍이다.
지금부터 제14a도 내지 제14d도 및 제15e도 내지 제15h도를 참조하여 연속적인 단계의 순서대로 제조공정이 상세히 서술된다.
[단계-a]
0.5μ 두께인 실리콘 산화막이 기판(81)으로서 스퍼터링에 의해 세척된 소다 석회 유리 상에 형성되었다.다음에 50 Å두께인 Cr 막 및 6000 Å두께인 Au 막이 진공 증착에 의해 순서대로 기판(81)상에 적층되었다. 포토레지스트[호에치스트(Hoechst)사가 제조한 AZ1370]은 스피너를 사용하여 회전시에 코팅된 후 소결되었다. 이후, 포토마스크 화상을 노출하고 현상함으로써 하부 배선(82)에 대한 레지스트 패턴이 형성되었다. 침전된 Au/Cr 막은 소정 패턴으로 하부 배선(82)를 형성하도록 습식 에칭에 의해 선택적으로 제거되었다(제14a도).
[단계-b]
다음에, 10μ 두께인 실리콘 산화막으로 형성된 내부 절연층(141)은 RF 스퍼터링에 의해 전체 기판 상에 침전되었다(제14b도).
[단계-c]
단계-b에서 침전된 실리콘 산화막에 접촉 구멍(142)를 형성하기 위한 포토레지스트 패턴이 코팅되고, 이 패턴을 마스크로 사용하여, 내부 절연층(141)은 접촉 구멍(142)를 형성하기 위해 선택적으로 에칭되었다. 이 에칭은 CF4및 H2의 가스 혼합물을 사용한 RIE(Reactive Ion Etching; 반은성 이온 에칭) 공정에 의해 실행되었다(제14c도).
[단계-d]
포토레지스트[히다찌 화학(주)가 제조한 RD-2000N-4I]는 소자 전극(5, 6)과 갭(G)사이를 정의하는 패턴으로 형성되었다. 다음에, 50 Å 두께인 Ti 막 및 1000 Å 두께인 Ni막이 진공 증착에 의해 순서대로 침전되었다. 포토레지스트패턴은 리프트-오프에 의해 침전된 Ni/Ti 막을 남기도록 유기 용제에 의해 용해됨으로써, 각각의 소자(5, 6)는 3μ의 전극 갭(G) 및 300μ의 전극 폭(W1)을 갖는 (제14d도).
[단계-e]
상부 배선(83)에 대한 포토레지스트패턴이 소자 전극(5 및 6)상에 형성되었다. 다음에, 50 Å 두께인 Ti 막 및 5000 Å 두께인 Au 막이 전공 증착에 의해 순서대로 침전되었다. 불필요한 포토레지스트 패턴은 상부 배선(83)을 형성하도록 리프트-오프에 의해 제거되었다(제15e도).
[단계-f]
제15F도는 이 단계에서 전자 방출 소자의 전자 방출 영역 형성 박막(2)을 형성하는 데 사용된 마스크의 부분 단면도이다. 마스크는 소자 전극과 그 주면 사이의 갭(G)을 덮는 구멍을 갖는다. 1000 Å 두께인 Cr 막(151)이 진공 증착에 의해 침전되고 마스크를 사용하여 패턴화되었다. 유기Pd[ccp4230, 오꾸노 제약(주)가 제조]는 스피너를 사용하여 회전시에 코팅된 후 소결하기 위해 10분 동안 300℃로 가열되었다. 이렇게 형성되고 주 구성 원소로서 미세한 Pd입자를 구비하는 전자 방출 영역 형성 박막(2)은 100 Å의 두께와 4.2 104Ω/?의 판 저항 값을 가졌다. 여기서 사용된 미세 입자 막이라는 용어는, 상술한 바와 같이, 함께 응집된 다수의 미세 입자로 구성된 막을 의미하고, 미세 입자가 각각 분산되었을 뿐만 아니라 서로 인접하거나 중복된 미세 구조를 갖는 막을 포함한다(아일랜드 상태 포함). 그레인 크기는 상기 입자 조건하에서 미세 입자의 형태를 식별할 수 있는 직경을 의미한다(제15f도).
[단계-g]
소결후 Cr막(151)과 방출 영역 형성 박막(2)이 소정의 패턴으로 형성되도록 산 에칭제에 의해 에칭되었다.(제15g도)
[단계-h]
레지스트는 접촉 구멍(142) 이외의 표면을 덮도록 패턴으로 코팅되었다. 그 다음에 50 Å두께인 Ti막과 5000 Å 두께인 Au막은 진공 증착에 의해 순서대로 침전되었다. 불필요한 포토레지스패턴은 리프트 오프에 의해 침전물로 채워진 접촉 구멍(142)를 만들도록 제거되었다.(제15h도)
상기 단계의 결과, 하부 배선(82), 내부 절연층(141), 상부 배선(83), 전극 소자(5, 6), 전자 방출 영역 형성 박막(2)등이 절연 기판(81) 상에 형성되었다.
제10도와 제11a도 및 제11b도를 참조하면, 지금부터 기술되는 것은 상기와 같이 제조된 전자원을 사용하여 만들어지는 표시 소자의 예이다.
상기 단계를 통해 다수의 플래너형 표면 전도형 전자 방출 소자가 그 위에 제조되는 기판(81)은 후면 판(91)에 고정되어 있다. 그 다음에, 전면 판(95)[유리 기판(93)의 내부 표면에 적층된 형광판(94)와 금속 배면(95)을 포함한다]은 지지용 프레임(92)를 통해 기판(81)의 5㎜위에 배치되고, 전면 판(96), 지지용 프레임(92) 및 배면 판(91)간에 결합된 부분으로 유리 혼합물(frit glass)를 도포한 후, 결합된 부분을 결합하기 위해 15분동안 400℃에서 분위기에서 소결되었다(제10도). 유리 혼합물은 또한 배면 판(91)에 기판(81)을 고정시키는 데 사용되었다.
제10도에서, 84로 표시된 것은 전자 방출 소자이고, 82, 83은 각각 X와 Y방향 배선이다.
형광막(94)는 단색의 경우 단지 형광 물질만을 포함한다. 칼라 화상을 생성하기 위해, 이 예는 형광 물질의 줄무늬 패턴을 사용한다. 그러므로, 형광판(94)은 먼저 흑색 줄무늬를 형성한 후 흑색 줄무늬 간의 갭에 각각의 컬러를 갖는 형광물질을 코팅함으로써 제조되었다. 흑색 줄무늬는 흔히 사용되는 주 원소로서 흑연을 포함하는 재료를 사용하여 형성되었다. 형광물질은 슬러리(slurry)방법에 의해 유기판(93) 상에 코팅되었다.
형광막(94)의 내부 표면에는, 흔히 금속 배면(95)이 배치된다. 형광막을 형성 한 후에, 금속 배면(95)은 형광막[이 단계는 흔히 막형성 과정(filming)이라 불림]의 내부 표면을 매끄럽게 한 후 진공 증착으로써 그 위에 A1을 침전시킴으로써 제조되었다. 형광막(94)의 전도성을 증가하기 위해, 일부 경우에 전면 판(96)에는 형광막(94)의 외부 표면 상에 투명 전극(도시되지 않음)이 제공될 수도 있다. 금속 배면의 경우에만 충분한 전도성이 얻어지기 때문에 이러한 투면 전극은 이 예에서는 제공되지 않았다.
상기 결합 이전에, 컬러인 경우 각 컬러의 형광물질과 전자 방출 소자가 서로에 대해 상호 다르게 정확하게 정렬되어야 하기 때문에 각 부분의 정령은 조심스럽게 수행되었다.
이렇게 완성된 유리 봉입부의 기압은 배출 튜브(도시되지 않음)을 통해 진공 펌프에 의해 배출되었다. 충분한 진공도에 도달한 후, 전자 방출 영역 형성 박막(2)의 형성 공정을 통해 전자 방출 영역(3)을 생성하기 위해 봉입부의 외부로 연장하는 단자(Doxl 내지 Doxm과 Doyl 내지 Doyn)을 통해 전자 방출 소자(84)의 전극(5와 6사이에 전압이 인가되었다. 형성 공정에 사용된 전압 파형은 제4b도에 도시된 것과 같았다. 더 상세하게, 형성 공정은 T1과 T2를 각각 1 10-3초와 10 10-3초로 설정하고 약 1×10-5Torr의 진공 기압을 만듦으로써 이 예에서 실행되었다(제15e도).
그 다음에, 형성 공정에서와 동일한 구형 파형에서 14V의 최대값까지 인가된 전압을 상승시킴으로써, 소자 전류(If)와 방출 전류(Ie)는 2×10-5Torr의 진공도로 되었다.
이렇게 형성된 전자 방출 영역(3)은 주 구성 원소로서 파라디움을 포함하는 미세한 입자가 내부에 분산되어 30Å의 평균 그레인 크기를 갖는 조건에서 형성되었다. 그 후, 배출 시스템은 그 펌프 시스템이 이온 펌프 또는 오일을 사용하지 않는 종류를 포함하는 초 고진공 장치 시스템으로 전환되고, 봉입부는 충분한 시간 동안 120℃에서 소결되었다. 소결 후 진공도는 약 1×10-8Torr 였다.
그 다음에, 배출 튜브(도시되지 않음)가 가열되고 봉입부를 밀봉하기 위해 가스 버너를 사용하여 함께 응융 되었다.
마지막으로, 밀봉 후 진공도를 유지하기 위해, 봉입부는 고주파 가열 방법에 의해 게터링되었다.
이렇게 완성된 본 발명의 화상 표시 장치에서, 신호 발생 수단(도시도지 않음)으로부터 소정의 전자 방출 소자로 봉입부의 외부로 연장하는 단자(Doxl 내지 Doxm과 Doyl 내지 Doyn)를 통해 주사 신호와 변조 신호가 인가되었다. 이와 동시에, 수 ㎸ 또는 그 이상의 고전압은, 전자 빔이 가속되어 형광막(94)에 충돌할 수 있도록 고전압 단자(Hv)를 통해 금속 배면(95) 또는 투면 전극(도시되지 않음)에 인가되었다. 그로 인해 화상을 표시하기 위해 형광물질이 여기되어 광을 복사하였다.
이 실시예의 화상 형성 장치는 대기 시간 의존 변화가 매우 안정한 화상 형성 장치였다. 또한, 이 화상 형성 장치는 계조 특성과 모든 컬러 표시 특성이 우수하고, 높은 콘트라스트를 가졌다.
[예 5]
제16도는 전자 빔에 상술된 표면 전도형 전자 방출 소자를 사용하는 표시 패널이 예를들어 TV방송을 포함하는 다양한 화상 정보원으로부터 제공된 화상 정보를 표시할 수 있도록 정렬되어 있는 표시 소자의 한 가지 예를 도시하는 블록도이다.
제16도에서, 17100은 표시 채널, 17101은 표시 채널용 위한 구동 회로, 17102는 표시 제어 회로,17103은 멀티플랙서, 17104는 디코더, 17105는 입력/출력 인터페이스, 17106은 CPU, 18107은 화상 발생 회로, 17108, 17109 및 17110은 화상 메모리 인터페이스, 17111은 화상 입력 인터페이스, 17112와 17113은 TV신호 수상기, 및 17114는 입력 유니트이다.
본 발명의 표시 장치는 비디오 정보와 음성 정보 모두를 포함하는 TV신호를 수신할 때, 물론 표시 장치는 화상으로 표시하고 이와 동시에 음성을 재생한다. 그러나, 본 발명의 특징에 직접적으로 관련되어 있지 않은 음성 정보를 수신, 분리, 재생, 처리, 저장 등을 하는 데 필요한 회로, 스피커등은 여기서 기술되지 않는다.
상기 부분의 기능은 화상 신호의 흐름을 따라 아래에 기술될 것이다.
우선, TV 신호 수상기(17113)는 예를 들어 전자 파 또는 공간 광 통신 형태로 무선 전송 시스템을 통해 전송된 TV 화상 신호를 수신하기 위한 회로이다. 수신될 TV 신호의 형식은 특수한 것으로 한정되어 있지 않지만, 예를 들면, 임의의 NTSC-PAL- 및 SECAM-표준 형식일 수 있다. 상기 형식보다 많은 주사선을 갖는 다른 형식의 TV 신호(즉, MUSE-표준 형을 포함하는 소위 고화질 TV 신호)는 화면 크기와 픽셀 수를 증가시키는 데 적당한 상기 표시 패널의 장점을 이용하는 데 적합한 신호원이다. TV 신호 수상기(17113)에 의해 수신된 TV 신호는 디코더(17104)로 출력된다.
그 다음에, TV 신호 수상기(17112)는 동축 케이블 또는 광섬유의 형태로 유선 전송 시스템을 통해 전송된 TV 화상 신호를 수신하기 위한 회로이다. TV 신호 수상기(17113)에서와 같이, TV 신호 수상기(17112)에 의해 수신된 TV 신호의 형식은 특수한 것으로 한정되어 있지 않다. 또한 수상기(17112)에 의해 수신된 TV 신호는 디코더(17104)로 출력된다.
화상 입력 인터페이스(17111)은 예를 들어 TV 카메라 또는 화상 판독 주사기와 같은 화상 입력 장치로부터 공급된 화상 신호를 받아들이기(taking in)위한 회로이다. 인터페이스(17111)에 의해 접수된 화상 신호는 디코더(17104)로 출력된다.
화상 메모리 인터페이스(17110)는 비디오 테이프 레코더(약칭 VTR)에 저장된 화상 신호를 받아들이기 위한 회로이다. 인터페이스(17110)에 의해 받아들인 화상 신호는 디코더(17104)로 출력된다.
화상 메모리 인터페이스(17109)는 비디오 디스크에 저장된 화상 신호를 받아 들이기 위한 회로이다. 인터페이스(17109)에 의해 접수된 화상 신호는 디코더(17104)로 출력된다.
화상 메모리 인터페이스(17108)은 정지 화상 디스크와 같은 정지 화상 데이터를 저장하는 장치로부터 화상 신호를 받아들이기 위한 회로이다. 인터페이스(17108)에 의해 접수된 화상 신호는 디코더(17104)로 출력된다.
입력/출력 인터페이스(17105)는 외부 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크에 표시 장치 또는 프린터 같은 출력 장치를 접속하기 위한 회로이다. 화상 데이터와 문자/그림 정보의 입력/출력 뿐만아니라 어떤 경우에 표시 장치의 CPU(17106)와 외부 간에 제어 신호 및 숫자 데이터의 입력/출력을 실행할 수 있다.
화상 발생기(17107)은 입/출력 인터페이스(17105)를 거쳐 외부로부터 입력된 화상 데이터와 문자/그림 정보 또는 CPU(17106)로부터 출력된 화상 데이터와 문자/그림 정보에 기초하여 표시 화상 데이터를 발생하기 위한 회로이다. 예를 들면, 화상 발생 회로(17106)에 일체화되어 있는 것은 화상 데이터와 문자/그림 정보를 저장하기 위한 재 기록가능 메모리, 문자 코드에 대응하여 화상 패턴을 저장하기 위한 판독 전용 메모리, 화상 처리를 위한 프로세서, 및 화상을 발생하기 위한 다른 회로이다.
화상 발생 회로(17107)에 의해 발생된 표시 화상 데이터는 보통 디코더(17104)로 출력되지만 또한 어떤 경우 외부 컴퓨터 네트워크 또는 입력/출력 인터페이스(17105)를 거쳐 프린터로 출력될 수 도 있다.
CPU(17106)는 주로 표시 화상의 발생, 선택, 및 편집에 관련된 작업과 표시 장치의 동작 제어를 수행한다.
예를 들면, CPU(17106)는 필요하다면 표시 패널 상에 표시된 화상 신호중에 하나를 선택 또는 결합하기 위한 멀티플렉서(17103)로 제어 신호를 출력한다. 이 결합에서, 또한 CPU(17106)는 표시될 화상 신호에 따라 표시 패널 제어 회로(17102)로 제어 신호를 출력함으로써, 화상 표시 주파수의 동작, 주사 모드(즉, 인터레이스 또는 비인터레이스), 화상당 주사선의 수를 적절히 제어한다.
더욱이, CPU(17106)는 화상 데이터와 문자/그림 정보를 화상 발생 회로(17107)로 직접 출력하거나, 화상 데이터와 문자/그림 정보를 입력하기 위한 입력/출력 인터페이스(17105)를 거쳐 외부 컴퓨터 또는 메모리에 억세스한다. CPU(17106)가 상술된 것과 다른 목적을 위한 임의의 적절한 작업에 관련하여 사용될 수도 있는 것은 당연한 일이다. 예를 들면,CPU(17106)는 개인용 컴퓨터 또는 워드프로세서에서와 같이 정보를 생성 또는 처리하는 기능에 직접 관련될 수 도 있다. 선택적으로, CPU(17106)는 상기 언급된 것처럼, 외부 장치와 협동하여 수치 계산 또는 다른 작업을 실행하기 위해 입력/출력 인터페이스(17105)를 거쳐 외부 컴퓨터 네트워크에 접속될 수도 있다.
입력 유니트(17114)는 사용자가 명령어, 프로그램, 데이터 등을 CPU(17106)로 입력할 때 사용되고 키보드, 마우스, 조이 스틱, 바코드 판독기, 및 음성 인식 장치값은 임의의 여러 가지 입력 장치일 수 도 있다.
디코더(17104)는 회로(17107)에서 나오는 여러 가지 화상 신호 입력을 삼원색 용 신호 또는 휘도 신호, I신호 및 Q신호로 역-변환하기 위한 회로이다. 도면에 점선으로 표시된 것처럼, 디코더(10104)는 내부에 화상 메모리를 포함한다. 그 이유는 디코더(17104)가 예를 들면 역-변환하기 위한 화상 메모리를 필요로 하는 MUSE 표준형을 포함하는 TV 신호를 처리하기 때문이다. 게다가, 화상 메모리를 제공함으로써 정지 화상을 쉽게 표시하거나, 화상 발생 회로(17107)와 CPU(17106)에 협동하여 박형, 내삽, 확대, 축소, 및 합성같은 화상 처리와 편집을 쉽게 실행할 수 있는 이점이 있다.
멀티플렉서(17103)는 필요하다면 CPU(17106)로부터 입력된 제어 신호 입력에 따라 표시 화상을 선택한다. 즉, 멀티플렉서(17103)는 디코더(17104)로부터 입력된 소정의 역-변환된 화상 신호 입력중 하나를 선택하고 구동 회로(17101)로 출력한다. 이 접속에서, 한 화상을 위한 표시 시간에서 두 개 이상의 화상 신호를 전환하여 선택함으로써, 다른 화상도 역시 멀티스크린 텔레비젼이라 칭하는 것과 함께 한 화면을 분할하여 정의된 복수의 각 영역으로 표시될 수 있다.
표시 패널 제어 회로(17102)는 CPU(17106)로부터 입력된 제어 신호에 따라 구동 회로(17101)의 작동을 제어하기 위한 회로이다.
표시 패널의 기본 작동에 관련된 기능으로써, 제어 회로(17102)는 예를 들면, 표시 패널을 구동하는 전원(도시되지 않음)의 작동 순서를 제어하기 위한 신호를 구동 회로(17101)로 출력한다. 또한, 표시패널을 구동하는 방법에 관련된 기능으로써, 제어 회로(17102)는 예를 들면, 화상 표시 주파수와 주사 모드(즉, 인터레이스 또는 비인터레이스)를 제어하기 위한 신호를 구동 회로(17101)로 출력한다.
경우에 따라서, 제어 회로(17102)는 휘도, 콘트라스트, 톤 및 표시 화상의 선명도에 의 해 화상 질을 조정하기 위한 제어 신호를 구동 회로(17101)로 출력할 수도 있다.
구동 회로(17101)는 표시 패널(17100)으로 인가된 구동 신호를 생성하기 위한 회로이다. 구동 회로(17101)는 멀티플렉서(17103)로부터 입력된 화상 신호와 표시 패널 제어 회로(17102)로부터 입력된 제어 신호에 따라 작동된다.
제16도에 도시된 것처럼 배열된 여러 가지 구성요소와 상술된 기능을 갖는, 표시 장치는 표시 패널(17100)상에 다양한 화상 정보원으로부터 입력된 화상 정보를 표시할 수 있다. 더 상세하게, TV 방송 신호를 포함하는 여러 가지 화상 신호는 디코더(17104)에 의해 역-변환되고 이들 중 적어도 한 개가 필요에 따라 멀티플렉서(17103)에 의해 선택된 다음, 구동 회로(17101)로 입력된다. 한편, 표시 제어 회로(17102)는 표시될 화상 신호에 따라 구동 회로(17101)의 작동을 제어하기 위한 제어 신호를 낸다. 구동 회로(17101)는 화상 신호와 제어 신호 모두에 따라 표시 패널(17100)로 구동 신호를 인가한다. 그로 인해 화상이 표시패널(17100)상에 표시된다. 상기 언급된 일련의 동작은 CPU(17106)의 감독하에 제어된다.
디코더(17104), 화상 발생 회로(17107) 및 CPU(17106)에서 만들어진 화상 메모리의 도움으로 복수의 행으로부터 선택된 화상 정보를 간단하게 표시하는 것이외에, 이 표시 장치는 또한 표시될 화상 정보에 대해 확대, 축소, 회전, 이동, 에지 강조, 박형, 내삽, 컬러 변환, 및 화상 종횡비의 변환같은 화상 처리뿐아니라, 합성, 삭제, 결합, 교치, 및 삽입같은 화상 편집을 수행할 수 있다. 이 예의 설명이 상세하게 서술되지 않았지만, 상술된 화상 처리와 편집을 위한 회로뿐아니라 음성 정보 처리 및 편집 전용의 회로가 제공될 수 도있다.
따라서, 본 표시 장치의 단일 신호 유니트는 TV 방송을 위한 표시 장치, TV 회의를 위한 단말기, 정지와 운동 화상을 처리하는 화상 편집기, 컴퓨터 단말기, 워드 프로세서를 포함하는 사무 자동화 단말기, 게임기 등의 기능을 가질 수 있다 ; 그러므로, 매우 광범위한 산업분야와 가정 분야에 응용될 수 있다.
제16도는 전자 빔원이 표면 전도형 전자 방출 장치를 포함하는 표시 패널을 사용하는 표시 장치 구성의 일 예만을 도시하고, 본 발명은 예시된 구성에 제한되어 있지 않다는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들어, 사용 목적상 필요하지 않는 제16도에 도시된 구성 요소의 회로는 없어도 무방하다. 한편, 의도하는 사용 목적에 따라 다른 구성요소가 부가될 수도 있다. 본 발명의 표시 장치가 예를 들면, TV 전화기 같은 것에 사용될 때, 부수적인 구성요소, TV 카메라, 음성 마이크로폰, 조명기, 및 모뎀을 포함하는 송/수신 회로로 제공하는 것이 적합하다.
특히, 본 발명의 장치에서, 표면 전도형 전자 방출 장치를 포함하는 전자 빔원을 갖는 표시 패널의 두께가 쉽게 감소될 수 있기 때문에, 표시 장치는 짧은 깊이를 갖는다, 부가적으로, 표면 전도형 전자 방출 장치를 포함하는 전자 빔원을 갖는 표시 패널이 화면 크기를 쉽게 증가시키고 또한 고휘도와 우수한 뷰잉 각 특성을 제공할 수 있기 때문에, 이 표시 장치는 우수한 시청도로 좀 더 현실적이고 뚜렷한 화상을 표시 할 수 있다.
[예 6]
이 예는 다수의 표면 전도형 전자 방출 장치와 제어 전극(격자)를 포함하는 화상 형성 장치에 관한 것이다.
이 예의 화상 형성 장치는 예4에서 사용된 것과 거의 동일한 공정으로 제조 된다. 그러므로, 그것의 제조 공정은 여기서 기술하지 않는다.
먼저 기판 상에 배치된 다수의 표면 전도형 전자 방출 소자와 전자원을 사용하는 표시 장치를 포함하는 전자원에 대해 서술된다.
제17도와 제18도는 기판 상에 배치된 다수의 표면 전도형 전자 방출 소자를 포함하는 전자원의 두 가지 예를 설명하기 위한 개략도이다.
제17도에서, S는 유리로 만들어진 절연 기판을 나타낸다. 예를 들어, 점선으로 둘러싼 ES는 기판(S)상에 형성된 표면 전도형 전자 방출 소자를 나타내고, E1 내지 E10는 표면 전도형 전자 방출 소자를 상호 연결하기 위한 배선 전극을 나타낸다. 표면 전도형 전자 방출 소자는 방향(이 행은 이하 소자 행이라고 불리운다)으로 연장하는 복수의 행으로 기판 상에 형성된다. 각 소자 행을 구성하는 표면 전도형 전자 방출 소자는 양쪽 상의 배선 전극에 의해 상호 나란하게 전기적으로 연결된다(예를들어, 제1행의 소자가 그 양쪽 상의 배선 전극(E1 과 E2)에 의해 상호 연결된다).
이 예의 전자원에서, 소자 행은 각각의 배선 전극 간에 고유 구동 전압을 인가함으로써 독립적으로 다르게 구동될 수 있다. 특히, 전자 방출 임계를 초과하는 고유 전압은 전자 빔이 방출될 상기 소자 행에 인가되고, 전자 방출 임계를 초과하지 않는 고유 전압(즉,0[V])은 전자빔이 방출되지 않을 상기 소자 행에 인가된다(다음 설명에서, 전자 방출 임계를 초과하는 고유 전압은 VE[V]로 주어진다.)
제18도에 도시된 전자원의 다른 예에서, S는 유리로 만들어진 절연 기판을 나타낸다. 예를 들어, 점선으로 둘러싸인 ES는 기판(S)상에 형성된 표면 전도형 전자 방출 소자를 나타내고, E'1 내지 E'6은 표면 전도형 전자 방출 소자를 상호 연결하기 위한 X배선 전극을 나타낸다. 제17도의 예에서와 같이, 이 예에서 표면 전도형 전자 방출 소자는 방향으로 연장하는 복수의 행으로 기판이 형성되고, 각 소자 행의 표면 전도형 전자 방출 소자는 배선 전극에 의해 나란하게 전기적으로 상호연결된다. 게다가, 이 예에서, 예를 들면, 배선 전극(E'2)은 제1소자 행에서 전자 방출 소자의 한 종단 뿐만아니라 제2장치 행에서 전자 방출 소자의 한 종단에도 상호 연결을 제공하도록, 두 개의 인접한 소자에서 전자 방출 소자가 만나는 종단은 단일 배선 전극에 의해 상호 연결되어 있다. 제18도의 전자원은 표면 전도형 전자 방출 소자와 동일한 구성인 배선 전극이 사용될 때, Y방향에서 소자 행 간의 공간은 제17도의 전자원에서 보다 작게 되는 이점이 있다.
제18도의 전자원에서, 또한 소자 행은 각 배선 전극 간에 고유 구동 전압을 인가함으로써 독립적으로 서로 다르게 구동될 수 있다. 상세하게,VE[V]의 전압은 전자가 방출될 상기 소자 해엥 인가되고 0[V]의 전압은 전자가 방출되지 않을 상기 소자 행에 인가된다. 단지 제3소자 행이 구동될 때, 예를 들면, 0[V]의 전위 전압은 배선 전극(E'1 내지 E'3)에 인가되고, VE[V]의 전위 전압은 배선 전극(E'4 내지 E'6)으로 인가된다. 결과적으로, VE-0=VE[V]의 전압은 제3 소자 행으로 인가되고 반면에, 0-0=0[V]또는 VE-VE=0[V]의 전압은 다른 소자 행으로 인가된다. 제2와 제5 소자 행이 유사하게 구동될 때, 예를 들면, 0[V]의 전위 전압은 배선 전극)E'1, E'2 및 E'6)으로 인가되고, VE[V]의 전위 전압은 배선 전극(E'3,E'4 및 E'5)로 인가된다. 이러한 방법에서, 제18도에서와 같이 전원에서 임의의 원하는 소자 행을 선택적으로 구동하는 것이 가능한다.
편의상 총 12개의 표면 전도형 전자 방출 소자가 예시된 제17도와 제18도의 전자원에서 행당 X방향에 배열되면, 소자의 수는 더 큰 수로 배열될 수도 있기 때문에 12개로 한정되어 있지 않다. 또한, 5개의 소자 행이 Y방향에 배열되면, 소자 행의 수는 더 큰 수로 배열될 수 있으므로 5개로 한정되어 있지 않다.
이제 상기 전자원을 사용하는 플랫형(flat type) CRT의 예에 대해 서술한다.
제19도는 W[17도의 전자원을 갖는 플랫형 CRT의 패널 구조를 도시한다. 제19도에서, VC는 유리로 만들어진 진공 용기를 나타내고, 진공 용기의 일부로써 FP는 표시 표면 상의 전면 판을 나타낸다. 예를 들어 ITO로 만들어진 투명 전극은 전면 판(FP)의 내부 표면 상에 형성되고 적, 녹, 및 청의 형광물질은 모자이크 또는 줄무늬 패턴으로 투명 전극 상에 각각 코팅된다. 도면을 간단히 하기 위해, 투명 전극과 형광물질 모두는 제19도에서와 같이 PH로 표시된다. CRT의 분야에서 공지된 흑섹 매트릭스 또는 흑색 줄무늬는 각 컬러인 형광물질 사이에 배치되거나 기술분야에 공지된 금속 배면 층은 형광물질 위에 형성될 수 도 있다. 투명 전극은 전자 빔을 가속하기 위한 전압이 인가될 수도 있도록 단자(EV)를 통해 진공 용기의 외부에 전기적으로 접속된다.
게다가, S는 진공 용기(VC)의 내부 상부 표면에 고정된 전자원 기판을 나타내고 상술된 제17도의 접속에서 따라, 표면 전자 방출 소자는 기판상에 배열된다. 이 예에서, 나란하게 상호 접속된 200개의 소자를 포함하는 200개의 각 소자 행이 있다. 2개의 배선 전극의 각 소자 행은 패널의 양쪽 표면 모두에 제공된 전극 단자(Dpl 내지 Dp200과 Dm1 내지 Dm200)에 선택적으로 연결되므로, 전기적인 구동 신호가 배선 전극에 인가될 수도 있다.
이렇게 완성된 유리 용기(VC)는 (제19도) 배기 튜브(도시되지 않음)을 통해 진공 펌프에 의해 배출된다. 충분한 진공도에 도달한 후에, 형성 처리 하기 위한 용기의 외부로 연장하는 단자 (Dpl 내지 Dp200과 Dm1 내지 Dm200)를 통해 각각의 전자 방출 소자(ES)로 전압이 인가된다. 형성 처리 하는 데 사용된 전압 파형은 제4b도에 도시된 것과 같다. 상세하게, T1과 T2를 각각 1msec와 10msec로 설정함으로써 이 예에서 형성 처리가 수행되고, 약 1×10-5Torr의 진공 기압을 생성한다(제15e도).
그 다음에, 형성 공정에서와 같이 구형파에서 14V의 최고값으로 인가된 전압을 상승시킴으로써 소자 전류(If)와 방출 전류(Ie)는 2×10-5Torr의 진공도 이하로 된다.
이렇게 형성된 전자 방출 영역은 주요 구성 원소로서 파라디움을 포함하는 미세한 입자가 내부에 분산되어 있고 30Å의 평균 그레인 크기를 갖는 조건으로 형성되었다. 그후에, 배출 시스템은, 펌프 시스템이 이온 펌프와 오일을 사용하지 않는 종류를 포함하는 초 고진공 장치 시스템으로 전환되고, 용기는 충분한 시간동안 120℃에서 소결되었다. 소결 후에 진공도는 약 1×10-8Torr였다.
그 다음에, 배기 튜브(도시되지 않음)가 가열되고 용기를 밀봉한 가스 버너를 사용함으로써 함께 용해된다.
마지막으로, 밀봉후에 진공도를 유지하기 위해, 용기는 고주파 가열법에 의해 게터링되어, 화상 형성 장치를 완성한다.
기판(S)와 전면 판(FP)간에, 줄무늬 패턴으로 격자 전극(GR)이 제공된다. 총 200개의 격자 전극(CR)은 차례차례 수직으로 소자 행(즉,Y방향에서)으로 독립적으로 서로 다르게 배치되고, 통화하는 전자 빔을 수용하기 위한 소자(GH)는 각각의 격자 전극에 한정된다. 비록 원형 장치(GH)가 표면 전도형 전자 방출 소자와 관련하여 일대일로 정의된 것으로 도시되지만, 임의의 경우 메쉬(mesh)와 같은 소자의 중복도가 정의될 수도 있다. 격자 전극은 단자(G1 내지 G200)을 통해 진공도의 외측과 전기적으로 접속된다. 격자 전극이 표면 전도형 전자 방출 소자로부터 방출된 전자를 변조하는 동안 제19도에 도시된 것처럼 격자 전극의 모양과 설정 위치가 항상 한정되어 있지 않다. 예를 들어, 격자 전극은 표면 전도형 전자 방출 소자의 주위 또는 부근에 배치된다.
이 표시 패널에서, 200×200의 XY 매트릭스는 표면 전도형 전자 방출 소자의 행 및 격자 전극의 열로 구성된다. 그러므로, 소자 행을 하나씩 순차적으로 구동(주사)하고, 이와 동시에, 주사와 동기하여 격자 전극의 행에 한 라인의 화상에 대한 변조 신호를 인가함으로써, 형광 물질에의 전자 빔의 조사가 라인마다 화상을 표시 하도록 제어된다.
제20도는 제19도의 표시 채널을 구동시키기 위한 전기 회로를 블록도의 형태로 도시한 것이다. 제29도를 참조하면, 제19도의 표시 패널은 참조 번호(1000)로 표시되고, 참조 번호(1001)는 외부로부터 인가된 합성 화상 신호를 디코딩하기 위한 디코더이고, 참조 번호(1002)는 직렬/병렬 변환기이며 참조 번호(1003)은 라이 메모리이고, 참조 번호(1004)는 변조 신호 발생 회로이며, 참조 번호(1006)은 주사 신호 발생 회로이다. 표시 패널(1000)의 전극 단자는 대응하는 전기 회로에 연결된다. 즉, 단자(EV)는 10[KV]의 가속 전압을 발생시키기 위한 전압 원(HV)에 연결되고, 단자(G1 내지 G20O)는 변조 신호 발생 회로(1004)에 연결되며, 단자(1006)에 연결되고, 단자(Dm1 내지 Dm200)은 접지된다.
소자의 기능이 아래에 설명될 것이다. 디코더(1001)은 합성 화상 신호, 예를 들면 외부로부터 인가된 NTSC TV 신호를 디코딩하기 위한 회로이다. 그러므로, 디코더(1001)은 합성 화상 신호로부터 휘도 신호 성분 및 동기 신호 성분을 분리하고, 데이터 신호로서 전자의 성분을 직렬/별렬 변환 회로(1002)로 Tsynch 신호로서 후자의 성분을 타이밍 제어 회로(1005)로 출력한다. 바꾸어 말하면, 디코더(1001)은 표시 패널(100)의 컬러 픽셀 어레이와 정합하여 RGB의 각 컬러 성분에 대한 휘도 데이터를 준비하고 이들을 직렬/병렬 변환 회로(1002)에 순차적으로 출력하고, 디코더는 또한 수직 동기 신호 및 수평 동기 신호를 추출하여 이들을 타이밍 제어 회로(1005)에 출력한다. 타이밍 제어 회로(1005)는 동기 신호(Tsynch)에 기초한 소자의 동작 타이밍과 정합하기 위한 여러 가지 타이밍 제어 신호를 발생한다. 특히, 타이밍 제어 회로(1000)는 직렬/병렬 변환 회로(1002)에 Tsp를, 라인 메모리(1003)에 Tmry를, 변조 신호 발생 회로(1004)에 Tmod를. 주사 신호 발생 회로(1006)에 Tscan를 출력한다.
직렬/병렬 변환 회로(1002)는 타이밍 제어 회로(1005)로부터의 타이밍 신호 Tap 입력에 따라 순차적으로 디코더(1001)로부터의 휘도 신호 데이터 입력을 샘플하고, 샘플된 신호를 라인 메모리에 200개의 병렬 신호(I1 내지 I200)로서 출력한다. 한 라인의 데이터가 완전히 직렬/병렬 변환된 때에, 타이밍 제어 히로(1005)는 기입 타이밍 제어 신호 (Tmry)를 라인 메모리(1003)에 출력한다. Tmry를 수신할 때, 라인 메모리(1003)은 I1 내지 I200의 내용을 저장하여 이 내용을 I'1 내지 I'200으로서 변조 신호 발생 회로(1004)에 출력한다. I'1 내지 I'200은 다음의 기입 타이밍 제어 신호 (Tmry)가 라인 메모리에 인가될 때까지 라인 메모리 내에 유지된다.
변조 신호 발생 회로(1004)는 라인 메모리(1003)으로부터의 화상 입력의 일라인에 대한 휘도 데이터에 따라 표시 패널(1000)의 격자 전극에 인가된 변조 신호를 발생하기 위한 회로이다. 변조 신호는 타이밍 제어 회로(1005)에 의해 발생된 타이밍 제어 신호( Tmod)와 동기하여 동시에 변조 신호 단자(G1 내지 G200)에 인가된다. 변조 신호는 그 전압이 화상의 휘도 데이터에 따라 변화되는 전압 변조 신호 또는 그 주기가 휘도 데이터에 따라 변화되는 펄스폭 변조 신호일 수 있다.
주사 신호 발생 회로(1006)는 표시 패널(1000)내의 표면 전도형 전자 방출 소자의 행을 선택적으로 구동시키기 위해 전압 펄스를 발생하기 위한 회로이다. 특히 주사 신호 발생 회로(1006)는 타이밍 제어 회로(1005)에 의해 발생된 타이밍 제어 신호(Tscan)에 응답하여 내장된 스위칭 회로를 전환시켜, 정 전압원(DV)에 의해 발생되고 표면 전도형 전자 방출 소자의 전자 방출 임계값을 초과하는 적절한 구동 전압 VE[V],또는 접지 레벨(즉,O[V])를 단자(Dp1내지 Dp200)에 선택적으로 인가한다.
상술한 회로에서, 구동 신호는 제21A 내지 제21F도의 타이밍 챠트에 도시된 타이밍에서 표시 패널(1000)로 인가된다. 제21A도 내지 제21D도는 주사 신호 발생 회로(1006)로부터 표시 패널의 단자(Dp1내지 Dp200)에 인가된 신호의 부분을 도시하다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, VE[V]의 진폭을 갖는 전압 펄스는 화상의 한 라인 표시 시간의 단위의 순서로 단자(Dp1,Dp2,Dp3...)에 연속적으로 인가된다. 한편, 단지(Dm1내지 Dm200)은 항상 접지 레벨(O[V])에 연결된다. 그러므로, 소자 행은 전자 빔을 발생시키기 위해 제1행으로부터 연속적으로 구동 펄스에 의해 구동된다.
상기 구동 순차에 동기하여, 한 라인 화상에 대한 변조 신호는 점선으로 표시된 것과 같은 시간 관계로 변조 신호 발생 회로(1004)로부터 단자(G1 내지 G200)중의 한 단자에 동시에 인가된다. 그 다음, 변조 신호는 또한 한 프레임의 화상이 표시되도록 주사 신호의 쉬프팅과 동기하여 연속적으로 쉬프트된다. 상기 동작을 계속 반복함으로써, TV 이동 화면이 표시될 수 있다.
제17도의 전자원을 갖는 평탄형 CRT의 설명에 이어, 제18도의 전자원을 갖는 평탄형 CRT가 이제 제22도를 참조하여 설명될 것이다.
제22도의 평탄형 CRT는 제19도의 평탄형 CRT의 전자원을 제18도의 전자원으로 대체함으로써 구성된다. 200×200 XY 매트릭스는 표면 전도형 전자 방출 소자의 행 및 격자 전극의 열로 유사하게 구성된다. 그러나, 표면 전도 전자 방출소자의 200개의 행이 기입 전극(E×1 내지 E×201)의 201개의 라인에 의해 각 행에 대해 나란하게 상호 연결됨에 따라, 진공 용기는 201개의 전극 단자(E 1 내지 E 201)을 구비한다.
이렇게 완성된 유리 용기(VC)(제20도)는 배출 튜브(도시 안됨)를 통하여 진공 펌프에 의해 배출되었다. 충분한 정도의 진공에 도달한 후에, 전압은 형성 공정을 위해 용기의 외부로 연장하는 단자(E×1 내지 E×201)를 통해 각각의 전자 방출 소자(ES)에 인가되었다. 형성 공정에 사용된 전압 파형은 제4b도에 도시한 것과 동일하였다. 특히, 형성 공정은 본 예에서 T1 및 T2를 각각 1 msec 및 10 msec로 설정하고 약 1× 10-5Torr(제15e도)의 진공 기압을 생성함으로써 수행되었다.
다음에, 형성 공정에서의 것과 동일한 삼각 파형의 14V의 최대 값까지 인가된 전압을 상승시킴으로써, 소자 전류(If) 및 방출 전류(Ie)는 2×10-5Torr의 정도로 진공하에서 발생하였다.
이렇게 형성된 전자 방출 영역은 주 성분 요소로서 파라디움을 포함하는 미세한 입자들이 내부에 분산되고 30Å의 평균 입자 크기를 갖는 조건을 갖는다. 그 다음에, 배기 시스템은 초 고진공 시스템으로 전환되었는데, 그 펌프 시스템은 오일을 사용하지 않은 이온 펌프 등을 포함하고, 용기는 충분한 기간동안 120℃로 소결되었다. 소결 처리 후의 진공 정도는 약 1×10-8Torr이었다.
다음에, 배기 튜브(도시 안됨)가 가열되었고 용기를 밀봉시키도록 가스 버너를 사용함으로써 함께 용융되었다.
마지막으로, 밀봉 후에 진공 정도를 유지하기 위해, 용기는 고주파 가열법에의해 게터링되어서, 화상 형성 장치가 완성된다.
제23도는 표시 패널(1008)을 구동시키기 위한 전기 회로를 도시한다. 이 회로는 기본적으로 주사 신호 발생 회로(1007)를 제외하고 제20도에 도시한 것과 동일하다. 주사 신호 발생 회로(1007)은 정 전압원(DV)에 의해 발생되고 표면 전도 전자 방출 소자의 전자 방출 임계값을 초과하는 적절한 구동 전압 VE[V] 또는 접지 레벨(즉,O[V])을 표시 패널의 단자에 선택적으로 인가한다. 구동 전압이 인가되는 타이밍은 제24B도 내지 제24E도의 타이밍 차트에 도시되어 있다. 표시 패널이 제24A도에 도시한 시간 관계로 표시 동작을 수행하기 위해서, 제24B도 내지 제24E도에 도시된 구동 신호가 주사 신호 발생 회로(1007)로부터 전극 단자(EX1내지 EX4)에 인가된다. 결과적으로, 표면 전도형 전자 방출 소자의 행마다 연속적으로 구동되도록 제24F도 내지 제24H도에 도시한 시간 관계로 변조 신호 발생 회로(1004)로부터 출력되어, 화상이 연속적으로 표시된다.
본 예의 화상 형성 장치는 고정 시간 의존 변화가 작고 발생된 화상이 예4와 같이 매우 안정한 화상 형성 장치이었다. EH한, 화상 형성 장치는 계조 특성과 전색 표시 특성에 있어서 우수하였고 높은 콘트라스트를 가졌다.
상술한 바와 같은 본 발명이 표면 전도형 전자 방출 소자를 포함하는 전자 빔 장치에 따르면, 진공 장치내의 탄소 화합물의 양이 가능한 한 적게 감소되기 때문에, 전자 방출 소자의 방출 전류 및 소자 전류는 소자 전압에 관련하여 일의적으로 결정되는 단조 증가 특성을 각각 나타낸다. 또한, 소자가 구동되지 않게 유지되는 동안의 시간의 주기(즉, 고정 시간) 및 진공 정도에 따라 방출되는 전자의 양의 변화가 적은 매우 안정한 전자 방출 특성이 얻어진다. 또한, 방출된 전자의 양은 구동 전압(소자 전압)의 펄스 폭 및 전압 값으로 제어될 수 있다.
부수적으로, 본 발명의 표면 전도형 전자 방출 소자를 포함하는 화상 형성 장치는 고정 시간 의존 변화가 보다 적게 되도록 안정한 표시 화상을 발생시킬 수 있고, 또한 우수한 계조 및 콘트라스트로 전색 화상을 발생시킬 수 있다.

Claims (1)

  1. 대향 전극들 사이에 전자 방출 영역을 갖는 전자 방출 장치가 배치되어 있는 봉입부(encloser)를 구비하는 전자 빔 장치에 있어서, 주 성분으로서 탄소를 포함하는 재료가 적어도 전자 방출 영역에 존재하며, 상기 봉입부의 내부는 잔여 탄소 성분의 부분 압력이 1.0×10-6Pa(1×10-5Torr) 인 기압 하에 유지되는 것을 특징으로 하는 전자 빔 장치.
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