KR100207571B1 - 패드와 핀 사이의 전기적 접속 구조가 안정화된 전계 전자 방출 어레이 전자총 - Google Patents

Abstract

전계 전자 방출 어레이 셀의 단자 패드와 캐소우드 지지체의 핀 사이에 안정적인 전기적 접속 구조를 갖는 전계 전자 방출 어레이 전자총이 개시되어 있다.

전계 전자 방출 어레이 전자총에서 4개의 캐소우드 핀과 3개의 캐소우드용 패드 및 게이트 층과 연결된 1개의 패드 사이의 전기적 연결이 미세한 와이어에 의해 이루어짐으로써, 사용 중 고전류나 충격 등에 의해서 쉽게 단선되는 문제가 있었다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 전자총 용도에 적합하도록 와이어 대신에 띠 형상의 금속제 커넥터를 사용하고 용접에 의해 패드에 접합하였다.

이와 같은 전계 전자 방출 어레이 전자총은 텔레비젼이나 모니터 등의 브라운관에 사용될 수 있다.

Description

패드와 핀 사이의 전기적 접속 구조가 안정화된 전계 전자 방출 어레이 전자총{FEA gun(s) having stable electrical connectors between terminal pads pins}

본 발명은 칼러 브라운관의 전자총에 있어서 전계 전자 방출 어레이 셀의 패드와 캐소우드 지지체의 핀 사이에 안정화된 전기 접속 구조를 갖는 전계 전자 방출 어레이 전자총에 관한 것이다.

칼러 브라운관은 고진공 상태의 진공관으로 영상을 표시하는 중요한 디스플레이 장치로서, 일반적으로 캐소우드에서 전자를 방출하고 이 전자 빔은 전자총의 각 전극들에 의해서 가속 집속되어 스크린의 형광면에 투사되고 최종적으로 스크린의 형광체가 발광하여 그 영상을 볼 수 있는 장치이다.

도 1은 종래의 기술에 의해 전자총의 캐소우드 구조체가 캐소우드 지지체에 조립된 상태를 보여주는 부분 절제 사시도이다. 도시된 바와 같이, 3개의 캐소우드 구조체(1)가 캐소우드 지지체(2)에 조립되어 있다. 종래의 기술에서 통상적으로 사용되는 전자총의 캐소우드 구조체(1)는 열전자를 방출하기 위한 캐소우드(3)와 이 캐소우드(3)를 가열하기 위한 히터(4)를 주요 구성 요소로 포함하며, 캐소우드(3)는 발열원인 히터(4)에 의해 가열되면 그 표면에 도포된 BaCO₃, CaCO3, SrCO3 등과 같은 3원탄산염으로 구성된 전자 방출 물질에서 전자가 방출되게 하는 열음극 방식이었다. 이와 같은 캐소우드는 작동 중에 약 800℃ 온도 수준으로 가열된 상태를 유지하므로, 이로부터 방출되는 열에 의해 전자총의 구조에 열변형이 발생되며, 제작시 설정된 전자 빔의 특성에도 변화가 발생된다. 또한 히터는 약 4와트 정도의 전력을 소비한다. 열음극 방식의 또 다른 단점은 히터와 캐소우드가 가열되어지는 시간이 소요되므로 텔레비젼 등을 처음으로 동작시킬 때, 전자 방출이 제대로 이루어지지 않으므로 점진적으로 화면이 선명해지는 현상을 나타내는 것이다.

이와 같은 이유와 새로운 기술의 개발에 따라, 일종의 냉음극 방식의 전계 전자 방출 어레이(FEA, Field Emission Array)를 캐소우드로 사용하는 전자총이 개발되었다. 이처럼 반도체 기술은 집적 회로 칩을 만드는 데에 이용될 뿐만 아니라, 전력용으로도 개발되어 기존의 전력용 부품들을 대체하며 사용되고 있다. 예를 들어, 사이리스터(SCR)는 다양한 전기 장치에서 오래 전부터 사용되어 왔으며, 수천 볼트의 고전압에서 사용될 수 있는 전력용 트랜지스터도 개발되어 사용되고 있다.

도 2a는 종래의 기술에 의해 전기적 접속이 이루어진 전계 전자 방출 어레이 전자총을 보여주는 사시도이고, 도 2b는 도 2a에서 A-A 선에 따른 부분 확대 단면도이다. 도시된 바와 같이, 전계 전자 방출 어레이 셀(5)은 절연 부재인 밀봉 유리 부재(6) 상부에 배열되어 접합된다. 이때 접합은 일반적으로 공지된 세라믹 본드를 이용하여 후처리(curing)하여 고정하는 방식으로 이루어진다. 접합이 이루어진 후, 캐소우드 지지체(7)를 관통하여 캐소우드 지지체(7)의 면까지 연장되어 있는 캐소우드 리드 단자인 4개의 캐소우드 핀(8)과 게이트 층에 전기적으로 연결된 1개의 패드(11) 및 3개의 캐소우드에 상응하여 형성된 캐소우드 층(13)의 각각의 부분에 연결된 3개의 패드(11)를 각각 전기적으로 접속시켜야 한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 4개의 캐소우드 핀(8)과 4개의 패드(11) 간의 접속은 와이어 본딩에 의해 이루어진다. 이때 사용되는 와이어(9)의 굵기는 약 1mil 내지 2mil 정도로 상당히 미세하여 외부의 충격, 바람, 전기적인 쇼크에 의해서도 쉽게 끊어질 수 있다.

물론, 이처럼 와이어가 끊어지는 경우에, 전자총은 물론이고 브라운관 전체가 비정상적인 상태가 된다. 즉, 예를 들어 캐소우드 신호 전압이 가해지는 와이어 중의 어느 하나 또는 두 개의 와이어가 끊어지는 경우에는 해당 캐소우드의 작동이 비정상 상태로 색조가 비정상적으로 나타나고, 만일, 캐소우드로 연결된 3개의 와이어가 모두 끊어진 경우라면 화상이 화면에 형성되지 않게 될 것이다.

이처럼 와이어의 단선은 전자총의 작동은 물론이고 브라운관의 작동에 직접 영향을 줄 수 있으며, 브라운관의 고장의 원인이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 전자총은 진공 상태의 브라운관 내에 설치되므로, 와이어 단선 상태를 수리하기 위해서 쉽게 전자총을 분해할 수 있는 것이 아니다. 따라서, 와이어의 단선은 바로 브라운관의 고장을 의미하는 것이다.

그런데, 브라운관의 전자총에서는 고전류의 고전압이 사용되므로, 상기에서 언급한 바와 같이 미세한 와이어를 사용하는 것은 와이어의 단선을 초래하며 이것이 브라운관의 고장의 주요 원인이 될 수 있다.

본 발명의 목적은 안정적인 작동을 위한 캐소우드 단자의 전기적 접속 방법과 이를 채용하여 전기적 접속이 이루어진 전계 전자 방출 어레이 전자총을 제공하는 것이다.

본 발명의 전계 전자 방출 어레이 전자총은 기판, 상기 기판 상에 형성되어 있는 캐소우드 층, 상기 캐소우드 층 위에 복수 개의 어레이로 형성되며 캐소우드 층에 가해지는 전압에 의해 전극을 형성하여 전자를 방출하는 마이크로 팁, 상기 기판과 상기 캐소우드 층의 상부에 형성되는 절연층, 상기 절연층의 상부에 형성되며 상기 마이크로 팁의 첨단부 주변에는 소정 직경의 개구부가 형성되어 있는 게이트 층을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 전계 전자 방출 어레이 캐소우드, 및

상기 적어도 하나의 전계 전자 방출 어레이 캐소우드에 상응하여 상기 캐소우드 층 및 상기 게이트 층과 전기적으로 연결된 복수 개의 패드를 포함하여 구성되는 전계 전자 방출 어레이 셀; 림전극과 그 내부에 삽입 설치되어 있는 절연 부재를 구비하여 전계 전자 방출 어레이 셀을 지지하는 캐소우드 지지체; 상기 캐소우드 지지체의 절연 부재에 매설되어 있으며 일단의 단면은 캐소우드 지지체의 셀 부착면으로 노출되어 있으며 다른 일단은 캐소우드 지지체의 외부로 소정 거리만큼 연장되어 있는 복수 개의 핀; 및 상기 복수 개의 단자용 패드와 상기 캐소우드 지지체의 셀 부착면에 노출된 상기 복수 개의 핀의 일단을 전기적으로 접속하고 있으며 전자총 신호 전압의 크기에 적합하도록 제작된 띠 형상의 금속제 커넥터를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 구성을 갖는 전계 전자 방출 어레이 전자총에서는 전계 전자 방출 어레이 셀에서 캐소우드 층 및 게이트 층과 접속된 복수 개의 패드와 복수 개의 핀 사이의 전기적 접속이 전자총의 용도에 적합하도록 개선됨으로써 고전류에 의한 연결 도선의 파괴, 사용에 의해 약화된 도선의 진동과 충격에 의한 파괴 등이 발생되지 않도록하여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 의해 전자총의 캐소우드 구조체가 캐소우드 지지체에 조립된 상태를 보여주는 부분 절제 사시도,

도 2a는 종래의 기술에 의해 전기적 접속이 이루어진 전계 전자 방출 어레이 전자총을 보여주는 사시도,

도 2b는 도 2a에서 A-A 선에 따른 부분 단면도,

도 3은 본 발명에 사용되는 전계 전자 방출 어레이 셀의 일례를 보여주는 정면도,

도 4는 도 3에서 B로 표시된 부분의 확대 사시도,

도 5는 도 4에서 C로 표시된 부분의 확대 단면도,

도 6a는 본 발명에 따라 전기적 접속이 이루어진 전계 전자 방출 어레이 전자총을 보여주는 사시도, 그리고,

도 6b는 도 6a에서 D-D 선에 따른 부분 단면도,

도 7은 본 발명에 따른 전기적 접속을 전기 저항 용접에 의해 수행하는 모습을 보여주는 부분 확대 단면도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 캐소우드 구조체 2. 캐소우드 지지체

3. 캐소우드 4. 히터

5. 전계 전자 방출 어레이 셀 6. 밀봉 유리 부재

7. 캐소우드 지지체 8. 핀

9. 와이어 10. 커넥터

11. 패드 12. 기판

13. 캐소우드 층 14. 이산화 규소 절연층

15. 마이크로 팁 16. 게이트 층

17. 용접부 18. 림전극

19. +극 용접 전극 20. -극 용접 전극

도면을 참조하여 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명한다. 먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여 전계 전자 방출 어레이를 이용한 캐소우드의 구조를 살펴본다.

도 3은 본 발명에 사용되는 전계 전자 방출 어레이 캐소우드의 일례를 보여주는 정면도이고, 도 4는 도 3에서 B로 표시된 부분의 확대 사시도, 도 5는 도 4에서 C로 표시된 부분의 확대 단면도이다.

도 3에는 일직선 상으로 배치된 각각 R, G, B용의 전계 전자 방출 어레이 캐소우드가 도시되어 있다. 물론, 델타 형으로 전계 전자 방출 어레이 캐소우드를 배열하여 형성할 수도 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 캐소우드 층(13)과 전기적으로 접속된 3개의 단자용 패드(11)와 게이트 층(16)과 전기적으로 접속된 하나의 패드(11)가 형성되어 있다.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 전자를 방출하는 마이크로 팁(15)은 어레이 형상으로 배열되어 있으며, 개구부와 개구부 간의 거리, 즉, 마이크로 팁(15)과 인접한 마이크로 팁(15) 사이의 거리는 약 5μm이며, 마이크로 팁(15)의 주위로 형성된 개구부의 직경은 1μm 내지 1.5μm이며 이 개구부를 통하여 금속의 미세한 원추형 팁, 즉, 마이크로 팁(15)을 형성한다. 이러한 원추형 팁은 일반적으로 SPINDT 팁이라고 한다. 여기서 제시한 치수는 실례로서 제시된 것이며 설계에 따라 변경될 수 있는 것이므로 본 발명이 적용될 수 있는 전계 전자 방출 어레이 캐소우드는 특정한 치수에 국한되는 것은 아니다.

도 5에서 기저층으로 예를 들어, 유리 기판과 같은 기판(12)이 사용되며, 기판(12) 위에는 캐소우드 전류를 마이크로 팁(15)에 공급하기 위한 캐소우드 층(13)이 마이크로 팁(15)이 형성된 구역에 형성되어 있다. 이 캐소우드 층(13)의 위에는 어레이 형태로 마이크로 팁(15)이 통상적으로 원추 형상으로 형성되어 있으며, 이산화 규소 절연층(14)이 캐소우드 층(13) 또는 캐소우드 층(13)이 형성되지 않은 전계 전자 방출 어레이 캐소우드의 주변부 등의 부분은 기판(12)의 상부에 형성되어 있다. 또한 전자 방출이 이루어지는 마이크로 팁(15)의 주변은 절연층(14)이 제거되어 있다. 절연층(14)의 상부에는 게이트 층(16)이 형성되어 있으며, 이 게이트 층(16)에는 각각의 마이크로 팁(15)을 중심으로 소정 직경의 개구부가 형성되어 있어 전자 방출이 이루어질 수 있게 한다. 통상적으로 캐소우드 층(13)은 ITO 도전막으로 형성되고, 게이트 층(16)은 Cr 박막으로 형성된다.

여기서 게이트 층(16)과 캐소우드 층(13)에 각각 전압이 가해지면, 미세한 개구부 내의 마이크로 팁(15)의 첨두 부분에서 전계에 의한 전계 전자 방출이 일어난다. 일반적인 브라운관을 동작시키기 위해서는 3개의 캐소우드 각각에 대해 3mA 내지 6mA의 전류가 필요하며, 각각의 캐소우드에는 약 40,000 내지 70,000개의 마이크로 팁(15)이 필요하게 된다.

도 6a는 본 발명에 따라 전기적 접속이 이루어진 전계 전자 방출 어레이 전자총을 보여주는 사시도이고, 도 6b는 도 6a에서 D-D 선에 따른 부분 단면도이다. 도시된 바와 같이, 밀봉 유리 부재(6)가 림전극(18) 내에 삽입 설치되어 있으며, 이 밀봉 유리 부재(6) 상부에 전계 전자 방출 어레이 셀(5)이 접합된다. 이때 접합은 일반적으로 공지된 세라믹 본드를 이용하여 후처리(curing)하여 고정하는 방식으로 이루어진다. 접합이 이루어진 후, 캐소우드 지지체(7)를 관통하여 캐소우드 지지체(7)의 셀(5)이 부착되는 면까지 연장되어 있는 캐소우드 리드 단자인 4개의 캐소우드 핀(8)과 게이트 층(16)에 전기적으로 연결된 1개의 패드(11) 및 각각의 캐소우드 층(13)에 연결된 3개의 패드(11)를 각각 전기적으로 접속시켜야 한다. 본 발명에서 이와 같은 전기적 접속을 띠 형상의 금속제 커넥터를 전기 저항 용접을 사용하여 달성하였다. 전기 저항 용접에 의해 작업이 불가능할 정도로 용접 부위가 작은 경우에는 전자빔 용접(EBW)이나 레이저 용접을 하여도 된다. 또한, 사용되는 금속 커넥터가 알루미늄처럼 산화가 잘되는 금속인 경우에는 불활성 분위기에서 용접 작업을 수행하는 것이 바람직하다. 커넥터의 재료로서 사용될 수 있는 금속은 전기적인 특성에서 다소 열악하여도 기계적인 특성이 좋은 재료를 사용할 수도 있다. 이러한 재료로 예를 들면, 스테인레스 강, 니켈, INVAR, 탄탈리움, 니켈 크롬 합금이 사용될 수도 있다. 또한, 용접의 측면에서 가능하면 커넥터(10), 패드(11) 및 핀(8)의 재료가 동일하면 가장 바람직하며, 상호 용접이 가능한 재료를 선택하여야 한다.

도 7은 전기 저항 용접에 의해 본 발명의 전기적 접속 방법을 수행하는 모습을 보여주는 부분 확대 단면도이다. 도시된 바와 같이, 전계 전자 방출 어레이 셀(5)의 상부의 패드(11)와 밀봉 유리 부재(6)에 매설되어 있는 핀(8)의 상면은 금속제 커넥터(10)를 사용하여 용접에 의해 접속된다. 이 실시예에서 사용된 방법은 + 용접 전극(19)과 - 용접 전극(20)의 두 개의 전극을 사용한 저항 용접이다. 용접부(17) 또는 용접점위 크기는 용접 전극 사이의 간격과 이를 통해 흐르는 전류의 크기, 재료의 저항값, 용접 시간 등에 의해 결정된다. 통상적으로 저항 용접이나 전자빔 용접, 레이저 용접은 용접봉이나 용접 와이어가 사용되지 않으므로, 용접성은 용접되는 두 재료 사이의 용접성에 의해 좌우된다.

상술한 실시예에서 사용된 전계 전자 방출 어레이 셀의 구조와 형상은 설명의 목적으로 인용된 것이며, 신호 전압이나 제어 전압이 가해지는 방식이 다르고 패드가 형성된 단자가 연결된 층이 실시예와 다른 경우에도 모두 적용될 수 있으며, 패드와 핀의 개수가 각각 4개인 경우를 설명하였지만, 본 발명은 전자총에서 핀과 패드 사이에 전기적인 접속이 이루어져야 하는 경우에 모두 적용될 수 있다.

상기에 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 전계 전자 방출 어레이 셀에 형성된 패드와 핀 사이의 전기적 접속이 안정적으로 이루어짐으로써, 궁극적으로 전계 전자 방출 어레이 전자총의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 기판, 상기 기판 상에 형성되어 있는 캐소우드 층, 상기 캐소우드 층 위에 복수 개의 어레이로 형성되며 캐소우드 층에 가해지는 전압에 의해 전극을 형성하여 전자를 방출하는 마이크로 팁, 상기 기판과 상기 캐소우드 층의 상부에 형성되는 절연층, 상기 절연층의 상부에 형성되며 상기 마이크로 팁의 첨단부 주변에는 소정 직경의 개구부가 형성되어 있는 게이트 층을 포함하여 구성되는 적어도 하나의 전계 전자 방출 어레이 캐소우드, 및 상기 적어도 하나의 전계 전자 방출 어레이 캐소우드에 상응하여 상기 캐소우드 층 및 상기 게이트 층과 전기적으로 연결된 복수 개의 패드를 포함하여 구성되는 전계 전자 방출 어레이 셀; 림전극과 그 내부 삽입 설치되어 있는 절연 부재를 구비하여 전계 전자 방출 어레이 셀을 지지하는 캐소우드 지지체; 상기 캐소우드 지지체의 절연 부재에 의해 매설되어 있으며 일단의 단면은 캐소우드 지지체의 셀 부착면으로 노출되어 있으며 다른 일단은 캐소우드 지지체의 외부로 소정 거리만큼 연장되어 있는 복수 개의 핀; 및 상기 복수 개의 단자용 패드와 상기 캐소우드 지지체의 셀 부착면에 노출된 상기 복수 개의 핀의 일단을 전기적으로 접속하고 있으며 전자총 신호 전압의 크기에 적합하도록, 스테인레스 강, 니켈, INVAR, 탄탈리움, 니켈 크롬 합금 중의 하나로 제작된 띠 형상의 금속제 커넥터를 포함하여 구성되는 전계 전자 방출 어레이 전자총.
2. 제1항에 있어서, 상기의 전기적 접속을 위한 용접이 전기 저항 용접에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출 어레이 전자총.
3. 제1항에 있어서, 상기의 전기적 접속을 위한 용접이 전자빔 용접에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출 어레이 전자총.
4. 제1항에 있어서, 상기의 전기적 접속을 위한 용접이 레이저 용접에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출 어레이 전자총.
5. 제2항 내지 제4항에 있어서, 상기 용접 작업이 진공 상태를 포함하는불활성 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출 어레이 전자총.