KR100187915B1 - 필드 에미션 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필드에미션 디바이스에서 방출되는 전자의 모멘텀을 크게하기 위해 제어전극을 부가한 필드에미션 디바이스에 관한 것이다. 이를위한 본 발명은, 기판과, 이 기판상에 돌출되어 필드에미션에 의해 전자를 방출하는 다수의 필드에미터 팁과, 상기 팁주위에 배치되어 그 주변에 전기장이 형성되도록 소정의 전압이 인가되는 다수의 게이트 전극을 구비한 필드에미션 디바이스에 있어서, 상기 방출전자를 제어하는 복수개의 층으로 된 제어전극을 구비하며, 상기 제어전극의 각 층에 교번전압을 인가함으로써, 상기 팁에서 방출되는 전자에 가해지는 지그재그회전력에 의해 상기 전자의 비월시간이 증가되어 상기 전자의 속도 및 모멘텀이 증가되도록 함으로써, 에노드전극에서의 발광효율을 향상시킬 수 있다.

Description

필드에미션 디바이스

제1도는 일반적인 필드에미션 디스플레이의 기본 단위구성을 도시한 구성도.

제2도는 금속 또는 실리콘 표면에 있어서의 터널링 효과를 설명하기 위한 밴드 다이아그램.

제3도는 종래 필드에미션 디바이스를 개략적으로 도시한 단면도.

제4도는 편향전극을 구비한 종래 필드에미션 디바이스를 개략적으로 도시한 단면도.

제5도는 본 발명에 따른 필드에미션 디바이스를 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

51 : 기판 52 : 제1절연층

53 : 게이트전극 54 : 제2절연층

55 : 제어전극 56 : 에노드전극

57 : 에미터 팁 58 : 제1전도층

59 : 전자비월공간 61 : 제어부

본 발명은 필드에미션 디스플레이(Field Emission display)에 사용되는 필드에미션 디바이스에 관한 것으로서, 더 상세하게는 필드에미션 디바이스에서 방출되는 전자의 모멘텀 및 속도를 크게 하기위해 독립적이고 개별적으로 작용하는 여러층으로 이루어진 제어전극을 부가한 필드에미션 디바이스에 관한 것이다.

일반적으로 필드에미션 디스플레이는 진공관과 달리 전자를 방출하기 위해 열적방출을 이용하는 것이 아니라 실리콘이나 금속팁을 캐소오드로 이용하고 게이트전극을 상기 팁 가까이 위치시킴으로써 팁 끝에 형성된 강한 전기장으로 전자를 방출시키는 필드에미션을 이용한다.

상기와 같은 필드에미션 디스플레이의 기본구성을 제1도에 나타내보였다. 제1도를 참조하면, 필드에미션 디스플레이를 구성하는 최소단위는 마이크로 단위의 3극 진공관의 형태와 유사하다. 즉, 그 표면상에 형광체(4)가 도포 또는 증착된 투명전극(2;또는 에노드전극), 게이트(8), 기판(12)의 팁(6)은 CRT의 에노드, 그리드, 캐소드와 각각 대응된다고 볼 수 있다. 이와 같이 필드에미션 디스플레이의 구성에 있어서, 팁(6)(또는, 필드에미터 팁)과 게이트(8)간에 충분한 전압이 인가되면 강한 전계에 의하여 전자들이 필드에미터 팁(6)으로부터 터널링되어 외부로 방출된다. 필드에미터 팁(6)으로부터 방출된 전자들은 게이트(8)를 통과하면서 가속이 되어 에노드전극(2)상의 형광체(4)의 화소에 높은 에너지를 가지고 충돌하여 해당 형광체를 발광시키게 된다. 이때, 필드에미터 팁(6)에서 방출되는 전자들은 게이트(8)에 거의 흡수되지 않고 형광체(4)에 도달하기 때문에 필드에미션 디스플레이는 높은 발광 효율을 갖게 된다. 여기서, 부재번호 10은 기판(12)과 게이트(8)사이에 개재되어 이들을 절연하는 절연체이다.

상기와 같이 필드이미터 팁(6)에서 전자들이 터널링되어 방출되는 원리를 제2도에 나타내 보였다. 제2도는 금속표면 또는 실리콘 표면의 밴드 다이아그램으로서, 이것을 참조하면, 정상상태(바이어스가 없는 상태의 진공레벨)에서 금속표면의 전도대에 있는 전자는 진공장벽에 의해 금속표면 밖으로 방출되지 못하지만, 금속표면에 강한 전기장이 형성(바이어스상태의 진공레벨)되면 진공장벽의 두께가 얇아지면서 전자가 금속표면밖으로 터널링될 수가 있게 된다. 이러한 터널링은 홀러-노드하임(Fowler-Nordheim) 이론으로 설명될 수 있으며, 이를 수학적인 공식으로 표현하면 아래와 같다.

상기 공식에서 J는 필드에미션 전류밀도(A/㎠), E와 Ф는 각각 에미터 팁의 표면 전기장의 세기(V/㎝) 및 일함수(eV)이며, y는 일함수 장벽의 쇼트키 로워링(Schottky lowering)함수이다. 상기 공식으로부터 에미터 팁에서의 필드에미션 전류밀도(J)는 그 표면에서의 전기장(E) 및 그 팁을 구성하는 물질의 일함수(Ф)에 관계됨을 알 수 있으며, 이때 전기장의 세기(E)는 게이트 전극에 인가되는 전압과 전극의 위치 및 에미터 팁의 기하하적 모양에 의해 결정된다. 따라서, 필드에미션 소자의 전기적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 사용된 팁 물질의 일함수 및 팁 모양과 팁과 게이트간의 거리등과 같은 기하하적 구조이다. 즉, 에미터 팁을 뾰족하게 하고, 일함수가 작은 물질을 사용해야만 전류밀도가 증가할 수 있다는 것이 보고되고 있다.

상술한 바와 같은 필드에미션 디스플레이를 구성하는 필드에미션 디바이스를 제3도에 나타내 보였는데, 한 필드에미션 디스플레이에는 수십만 내지 수백만개의 필드에미션 디바이스가 포함된다. 도시되어 있는 바와 같은 필드에미션 디바이스의 게이트(38)에 소정의 전압이 인가되면, 팁(36)에서 전자가 방출되어 에노드전극(2)의 형광체에 충돌하게 된다. 여기서, 부재번호 30은 기판(32)과 각 게이트 전극사이에 개재되어 이들을 절연하는 절연체이다.

제1도 및 제3도에 도시되어 있는 에미터 팁(6,36)에서 방출되는 전자는 소정의 운동량을 가지고 진행하다가 에노드전극(2;제1도), 즉 형광체(4)에 충돌하게 되는데, 상기 운동량은 게이트 전극(38)에 인가되는 전압의 크기에 비례하게 된다. 또한, 에미터 팁에서 방출된 전자는 직진하여 소정의 에노드전극에 충돌하는 것이 바람직하지만, 그 일부는 퍼져나가게 되는데, 이들은 에노드전극에서의 발광효율을 저하시키게 된다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 종래의 기술로서 미국특허 US 5,191,217호가 있는데, 이를 제4도에 나타내 보였다. 제4도를 참조하면, 이는 게이트 전극(43; 또는 추출전극) 이외에 상기 에미터 팁(47)에서 방출되는 전자중에서 직진하지 않는 전자 및 에미터 팁에서 방출된 전자의 방향성을 제어하는 편향전극(45)을 더 구비하여 상기와 같은 문제점을 해결하고 있다. 즉, 편향전극(45)은 에미터 팁(47)에서 방출되는 전자빔의 직진성과 평행성을 향상시키기 위한 작용을 한다. 여기서, 설명되지 않은 부재번호 41, 42, 44, 46, 48, 49는 각각 지지기판(41), 제1절연층(42), 제2절연층(44), 에노드전극(46;또는, 투명전극), 제1도전층(48), 전자의 비월공간(49)이다.

그러나, 상기와 같은 종래기술은 편향전극을 구비함으로써 에미터 팁에서 방출되는 전자빔의 직진성 및 평행성의 정도를 개선할 수 있지만, 에노드 전극에 충돌하는 전자의 속도, 운동량 및 모멘텀을 증가시키지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 에미터 팁에서 방출된 전자의 속도 및 모멘텀을 증가시켜 에노드 전극에 충돌하는 충격량의 크기를 효과적으로 증가시킬 수 있는 필드에미션 디바이스를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 필드에미션 디바이스는, 기판과, 이 기판상에 돌출되어 필드에미션에 의해 전자를 방출하는 다수의 필드에미터 팁과, 상기 팁주위에 배치되어 그 주변에 전기장이 형성되도록 소정의 전압이 인가되는 다수의 게이트 전극을 구비한 필드에미션 디바이스에 있어서, 상기 방출전자를 제어하는 복수개의 층으로 된 제어전극을 구비하며, 상기 제어전극의 각 층에 교번전압을 인가함으로써, 상기 팁에서 방출되는 전자에 가해지는 지그재그회전력에 의해 상기 전자의 비월시간이 증가되어 상기 전자의 속도 및 모멘텀이 증가되도록 하는 것에 그 특징이 있다.

또한, 본 발명 필드에미션 디바이스에 있어서, 상기 제어전극의 각층은 독립적이고 개별적인 전압을 인가받으며, 상기 독립적이고 개별적인 전압은 소정의 제어부에서 바람직하게 출력될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 필드에미션 디바이스의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 필드에미션 디바이스는, 에미터 팁에서 방출된 전자에 회전력을 부가하여(이로써, 전자의 비월시간이 증가된다) 전자의 모멘텀 및 속도를 증가시키는 것으로서, 기판(51)과, 이 기판(51)상에 돌출되어 필드에미션에 의해 전자를 방출하는 다수의 필드에미터 팁(57)과, 상기 팁(57)주위에 배치되어 그 주변에 전기장이 형성되도록 소정의 전압이 인가되는 다수의 게이트 전극(53)을 구비한다.

또한, 본 발명에 따른 필드에미션 디바이스는, 상기 팁(57)에서 방출되는 전자의 비월시간을 증가시켜, 즉 상기 전자를 회전시켜 그것의 모멘텀 및 속도가 증가되도록 교번전압이 인가되는 복수층으로 구성된 제어전극들(55a,A)(55b,B)(55c,C)이 상기 게이트 전극(53) 위쪽에 더 형성되어 있다. 여기서, 상기 제어전극(55)에 의해 상기 팁(57)에서 방출된 전자가 회전될 수 있도록 소정의 교변전압을 제공하는 제어부(61a,A)가 상기 제어전극(55)과 관련되어 접속되어 있다. 여기서, 복수개의 층으로 구성된 제어전극(55)사이사이는 미도시된 절연층이 개재되어 있어야만 된다는 것은 물론이다.

도면상에 개시된 부재번호 51,52,54,56,58,59는 지지기판(51), 제1절연층(52), 제2절연층(54), 에노드전극(56;또는, 투명전극), 제1도전층(58), 전자의 비월공간(59)이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 필드에미션 디바이스의 작용 및 동작을 설명하면 다음과 같다.

우선, 게이트 전극(53)에 인가된 전압에 의해 에미터 팁(57)에서 방출된 전자의 힘을 F라하고, 상기 전자가 에노드전극(56)까지 비월하는 시간을 T라고 하면, 상기 전자의 모멘텀(M)은 하기와 같은 공식으로 표현될 수 있다.

따라서, 상기 공식에 의해 알 수 있는 바와 같이, 상기 전자의 비월시간을 크게 하면, 그 전자에 해당하는 모멘텀이 그만큼 커지게되고, 전자의 속도가 증가됨을 알 수 있다. 상기 전자의 비월시간(T)을 크게 하는 방법중에서 가장 바람직한 방법은 상기 직진되거나 편향되는 전자에 회전력을 주어 비월시간을 크게 할 수 있다. 즉, 에미터 팁(57)에서 전자가 방출된 직후, 제어부(61a,A)가 소정의 교번전압을 제어전극(55a,A),(55b,B),(55c,C)에 인가하면, 즉, 제어전극(55a,b,c)에 순서대로(-,+,-)의 전압을 인가하고 제어전극(55A,B,C)에 순서대로(+,-,+)의 전압을 인가하면, 방출전자는 상기와 같이 제공되는 교변전압에 의해 회전(실질적으로 지그재그운동)하면서 비월하게 된다.

상기와 같이 제어부(61a,A)에서 제공되는 교번전압에 의해 방출전자가 회전하게 되면, 비월시간이 증가하게 되고 이에 따라 모멘텀이 증가하게 되고, 전자의 모멘텀이 증가됨으로써 상기 에노드전극(56)에서 전자의 충돌효과를 크게 할 수 있게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 필드에미션 디바이스는 에미터 팁에서 방출되는 전자에 모멘텀 및 속도를 증가시켜 에노드 전극에서의 충돌에 따른 발광효율을 향상시킬 수 있는 이점을 제공한다.

Claims (2)

1. 기판과, 이 기판상에 돌출되어 필드에미션에 의해 전자를 방출하는 다수의 필드에미터 팁과, 상기 팁주위에 배치되어 그 주변에 전기장이 형성되도록 소정의 전압이 인가되는 다수의 게이트 전극을 구비한 필드에미션 디바이스에 있어서, 상기 방출전자를 제어하는 복수개의 층으로 된 제어전극을 구비하며, 상기 제어전극의 각 층에 교번전압을 인가함으로써, 상기 팁에서 방출되는 전자에 가해지는 지그재그회전력에 의해 상기 전자의 비월시간이 증가되어 상기 전자의 속도 및 모멘텀이 증가되도록 하는 것을 특징으로 하는 필드에미션 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어전극의 각 층은 독립적이고 개별적인 전압을 인가받으며, 상기 독립적이고 개별적인 전압은 제어부에서 출력되는 것을 특징으로 하는 필드에미션 디바이스.