KR100237273B1 - 전계 방사형 냉음극 - Google Patents

Abstract

(a) 게이트 전극(2), (b) 게이트 전극(2)과 같은 수평면에 배치되고 게이트 전극(2)을 둘러싸는 집속 전극(3), 그리고 (c) 게이트 전극(2)과 같은 수평면에 형성된 급전선(9)을 포함하되, 급전선(9)은 게이트 전극(2)으로부터 집속 전극(3)을 통하여 집속 전극(3)과 상호 교합적인 형상이 되게 이어져 이미터 전극(1)의 중심 주위의 모든 반경 방향에 집속 전극(3)이 존재하도록 하는 것을 특징으로 하는 전계 방사형 냉음극이 제공된다. 이 발명은 작은 발산과 고도의 축 대칭성을 가진 전자원을 제공하는데, 이것은 집속 전극이 없는 종래의 전계 방사형 냉음극을 제조하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 따라서, 이 발명은 전자관과 전자 빔 이미터용의 전자원에 적합한 저비용의 고품질 음극을 제공하는 것을 가능케 한다.

Description

전계 방사형 냉음극

본 발명은 전계 방사형 냉음극(field-emission type cold cathode)에 관한 것으로, 특히, 방사되는 전자 빔의 발산각을 작게 하고 전자 빔의 진행 방향의 축에 대한 대칭성을 향상시키는 전계 방사형 냉음극의 개선에 관한 것이다.

열전자 방출(thermionic emission)을 이용한 열음극(hot cathod)을 대체하는 전자원으로서, 전계 방사형 냉음극이 개발되어 있다. 전계 방사형 냉음극을 두 개의 전극을 포함하는데, 그중 하나는 첨단(尖端, pointed end)을 가진다. 전극들 간에 2x10⁷V/cm에서 5x10⁷V/cm이상의 세기를 가진 높은 전계가 발생됨에 따라 전자가 공간에 방출된다. 따라서, 전계 방사형 냉음극을 포함하는 장치의 성능은 첨단의 첨예도(sharpness)에 좌우된다. 일반적으로, 전계 방사형 냉음극은 수백 옹스트롬 이하의 곡률 반경을 갖는 첨단을 가질 필요가 있다고 한다. 또한, 전계를 발생하기 위해, 두 개의 전극은 서로 1㎛이하의 간격으로 떨어져 있어야 하고, 수십에서 수백 볼트의 전압이 두 전극에 걸쳐 인가되어야 한다.

실제 사용에서는, 수천에서 수만 개의 상기 음극들이 하나의 기판 위에 어레이 형태로 형성된다. 따라서, 전계 방사형 냉음극들은 일반적으로 미세한 회로 패턴을 갖는 반도체 제조 기술에 의해 제조된다.

상기한 전계 방사형 냉음극의 일례가 C. A. Spindt(스핀드)에 의해 J. Applied Physics, Vol. 39, No. 7, June 1968, pp. 3504-3505의 “A Thin-Film Field-Emission Cathode”에 소개되어 있다. 스핀드에 의하면, 전계 방사형 음극의 첨단은 도전성 기판 위에 몰리브덴(molybdenum)과 같은 고융점 금속을 퇴적함으로써 형성된다.

제1도는 스핀드에 의해 개발된 전계 방사형 음극의 구조를 예시하고 있다. 도전성 기판(35) 위에 절연층(34)이 형성되고, 절연층(34)은 도전성 게이트 전극(32)으로 덮여 있다. 게이트 전극(32)과 절연층(34)를 통과하여 기판(35)에 이르는 약 1㎛의 직경을 갖는 개구(36)가 형성되어 있다. 이 개구(36) 안에 이미터(emitter) 전극(31)이 배치되어 있는데, 이 이미터 전극(31)는 기판과 전기적으로 접속되고 이미터 전극(31)의 첨단은 게이트 전극(32)의 내측 모서리 가까이 배치된다.

애노드 전극(11)이 이미터 전극(31)을 마주 보고 배치되어 있다. 애노드 전극(11)은 유리 기판(12), 유리 기판(12) 위에 형성된 도전성 투명막(13), 그리고 투명막(13)위에 형성된 형광 박막(14)으로 이루어져 있다. 도전성 투명막(13)과 기판(35) 사이에, 그리고 게이트 전극(32)과 기판(35) 사이에 전원(37)이 배치되어 있다.

투명막(13)과 게이트 전극(31)에는 양의 전압을 그리고 기판(35)과 이미터 전극(31)에는 음의 전압을 인가함에 따라, 이미터 전극(31)의 첨단으로부터 전자 빔(15)이 방사된다. 예시된 음극은 종형 전계 방사 냉음극(vertical type field-emission cold cathode)으로 불린다.

상술한 전계 방사형 음극은 평판 디스플레이, 마이크로 진공관, 마이크로웨이브 튜브와 음극선관(CRT) 같은 전자관들, 및 여러 가지 센서들을 위한 전자원으로서 사용될 수 있다.

이미터 전극(31)의 첨단으로부터 방사된 전자들은 기판(35)에 수직하게 진행할 뿐만 아니라 이미터 전극(31)의 부근에서는 약 20°에서 30° 범위의 발산 반각(divergence half angle)으로 퍼진다. 따라서, 전자 빔에 의해 여기되는 형광막을 가진 장치에서는 소망한 것보다 큰 발광 영역(emission area)을 갖게 될 것이다. 예시된 전계 방사형 음극이 전자관용 전자원으로 사용될 경우, 이미터 전극(31) 부근에서의 방출 확장은 전자 렌즈에 의해 수행되는 빔 집속에 악영향을 미칠 것이다.

이런 문제점들의 한 가지 해결책은 장치에 부가적인 집속 전극(들)을 제공함으로써 발산각을 작게 하는 것으로, W. Dawson Kesling 등에 의해 IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 42, No. 2, February 1995, pp. 340-347에 소개되어 있다. 이 해결책은 두 가지 형태로 대별된다.

한 가지 형태는, 제2도에 예시된 것처럼, 기판(5)과 이 기판(5) 위에 제1절연층(4), 게이트 전극(2), 제2절연층(4a) 및 집속 전극(3)의 순서로 퇴적된 다층 구조를 포함한다. 집속 전극(3), 제2절연층(4a), 게이트 전극(2) 및 제1절연층(4)을 통과하여 기판(5)에 이르는 개구(36a)가 형성되어 있다. 개구(36a) 안에는 첨단을 가진 원뿔형 이미터 전극(1)이 배치되어 있다. 게이트 전극(2)의 전압보다 낮은 전압을 집속 전극(3)에 인가함으로써, 집속 전극(3)에 의해 발생되는 전계에 의해 전자빔이 집속된다. 예를 들어, 이미터 전극(1)을 0V로 하면, 게이트 전극(2)에는 70V가, 집속 전극(3)에는 10V가 인가된다.

다른 형태는, 제3도에 예시된 것처럼, 기판(5), 기판 위에 형성된 절연층(4), 절연층(4) 위에 형성된 고리 형상의 게이트 전극(2), 및 절연층(4) 위에 게이트 전극(2)과 같은 수평면에 게이트 전극(2)을 둘러싸고 형성된 집속 전극(3)을 포함한다. 게이트 전극(2)과 제1절연층(4)을 통과하여 기판(5)에 이르는 개구(36b)가 형성되어 있다. 개구(36b) 안에는 첨단을 가진 원뿔형 이미터 전극(1)이 배치되어 있다. 이미터 전극(1)의 전압보다 낮은 전압을 집속 전극(3)에 인가함으로서, 집속 전극(3)에 의해 발생되는 전계에 의해 전자 빔이 집속된다. 예를 들어, 이미터 전극(1)을 0V로 하면, 게이트 전극(2)에는 70V가, 집속 전극(3)에는 -20V가 인가된다.

만약 이미터 전극(1)으로부터 방사되는 전자 빔의 발산각을 작게 하기 위하여 제2도에 예시된 것과 같은 전계 방사형 냉음극이 사용될 경우, 제2절연층(4a)과 집속 전극(3)을 형성하기 위한 부가적인 단계가 수행된다. 또한, 게이트 전극(2)과 집속 전극(3)으로부터 이어진 전력 공급을 위한 급전선(給電線, feeder line)을 그 전극들과 전기적으로 절연된 상태로 형성할 필요가 있기 때문에, 배선 패턴(wiring pattern)의 형성을 위한 포토리소그래피(photolithography) 및 에칭(etching)의 단계의 수행이 불가피하다.

만약 이미터 전극(1)이 안에 배치되는 개구(36a)가 단 한 번의 포토리소그래피에 의해 형성될 경우에는, 집속 전극이 없는 전계 방사형 음극의 에칭 심도 (etching depth)에 비하여 에칭 심도를 거의 두 배로 할 필요가 있을 것이다. 따라서, 기상(氣相) 에칭(dry etching)에서는 마스크로서 작용하는 포토레지스트 층에 대한 에칭 심도의 선택비를 적당히 결정하기가 어려울 것이며, 액상(液相) 에칭(wet etching)에서는 사이드 에칭(side etching)을 제어하기가 어려울 것이다. 만약 집속 전극(3)과 게이트 전극(2)이 포토리소그래피를 두 번 수행함으로써 따로따로 패터닝된다면, 상기 문제점들이 해결될 수 있다. 그러나, 두 패턴들 간의 맞춤 불일치(misregistration)를 제거하기가 무척 어렵다거나 또는 거의 불가능하다고 하는 또 다른 문제점이 발생할 것이며, 따라서 그런 맞춤 불일치는 집속 효과의 대칭성에 악영향을 미칠 것이다.

제3도에 예시된 전계방사형 냉음극에서는, 게이트 전극(2)과 동시에 패터닝함으로서 집속 전극(3)을 형성할 수 있다. 따라서, 이 경우에는 제2도에 예시된 음극에서 발생할 수 있는 문제점들이 발생하지 않을 것이다.

그러나, 제3도에 예시된 전계 방사형 냉음극은 또 다른 문제점을 갖고 있다. 제4(a)도는 일본 미심사 특허 공개 제7-14501호에 개시된 전계 방사형 냉음극을 예시하고 있다. 예시된 냉음극은 원 형상의 게이트 전극(2), 게이트 전극(2)과 함게 형성된 개구 내에 각각 배치된 복수의 이미터 전극(1), 게이트 전극(2)을 둘러싸는 고리 형상의 집속 전극(3), 게이트 전극(2)과 집속 전극(3)의 바깥쪽에 형성된 두 개의 집속 패드(7,8)로 구성되어 있다. 예시된 것처럼, 게이트 전극(2)은 급전선(9)을 통하여 게이트 패드(7)에 연결되고, 집속 패드(8)는 급전선(9a)을 통하여 집속 전극(3)에 연결된다.

예시된 냉음극에서, 만약 급전선(9)이 게이트 전극(2) 및 집속 전극(3)과 같은 수평면에 형성될 경우, 집속 전극(3)의 안쪽에 배치된 게이트 전극(2)으로부터 집속 전극(3)의 바깥쪽에 배치된 게이트 패드(7)로 급전선(9)을 인출하기 위하여 집속 전극(3)을 부분적으로 자른다. 집속 전극(3)을 부분적으로 자름에 따라, 급전선(9)이 이어진 방향으로는 집속 전극(3)이 존재하지 않는다. 따라서, 집속 전극(3)에 인가되는 전압에 의해 발생되는 전계에 비대칭이 생겨서, 급전선(9)의 전압에 전자들이 유인된다. 그 결과, 전자 빔은 급전선(9)이 이어진 방향으로 퍼진다.

예를 들어, 애노드 전극(11) 위에 형성된 형광막(14)이 전자 빔(15)에 의해 여기되는 제1도에 예시된 것과 같은 장치에서는, 제4(b)도에 예시된 것처럼 장치의 발광 영역(27)이 집속 전극(3)이 부분적으로 잘린 방향으로 퍼진다. 즉, 제4(a)도에 예시된 장치들이 한 평면에 배열되어 디스플레이 장치로서 사용된다면 해상도가 악화되고 전자 빔 원으로서 사용되는 경우에는 빔의 축 대칭성이 악화된다고 하는 문제점들이 발생할 것이다.

제3도에 예시된 것처럼, 게이트 전극(2)을 둘러싸는 고리 형상의 집속 전극(3)을 포함한 장치에서 게이트 전극(2)으로부터 집속 전극(3)을 통하여 급전선(9)을 인출하는 방법들 중의 일례가 1995년 42차 응용 물리학 관계 연합 강연회 논문집 30p-T-5의 “Microtip electron Beam Refocusing by Surrounding Ring”에 Christophe Py등에 의해 소개되어 있다. 제5(a)도는 소개된 구조를 예시한 것으로서, 게이트 전극(2), 게이트 전극(2)과 함께 형성된 개구 내에 배치된 이미터 전극(1), 게이트 전극을 거의 둘러싸는 집속전극(3), 집속 전극의 바깥쪽에 배치된 게이트 패드(7), 그리고 게이트 전극(2)으로부터 게이트 패드(7)로 이어진 한 쌍의 급전선(9)을 포함한다. 예시된 것처럼, 급전선들(9)은게이트 전극(2)의 주위에 집속 전극(3) 이 부분적으로 잘린 좌우 방향으로 대칭되게 이어져 있다.

제5(b)도는 제5(a)도에 예시된 이미터 전극(1)으로부터 방사된 전자 빔에 의해 애노드 전극(11)(제1도 참조) 상에 형성된 형광막(14) 상에 형성된 발광 영역(28)을 예시하고 있다. 제5(a)도에 예시된 이미터 전극(1)으로부터 방사된 전자 빔은 면대칭성 절단면을 갖고 있다. 그러나, 발광 영역(28)은 집속 전극(3)이 부분적으로 잘린 방향을 따라 퍼지고, 따라서 집속 전극(3)의 집속 성능이 그다지 많이 개선되지 않았다.

대안으로서, 제6도에 예시된 것처럼, 집속 전극(3)을 급전선(9) 위에 부분적으로 입체적으로 형성하여 집속 전극(3)과 급전선(9) 사이에 절연층(9)으로 채움으로써 집속 전극(3)이 부분적으로 잘리는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 절연층(24)의 형성 공정 및 패터닝의 공정들이 수행되어 공정 수가 증가하게 되므로 집속 전극(3)이 부분적으로 잘리는 것이 방지되는 장점이 사라진다.

상술한 바와 같이, 게이트 전극(2)과 같은 수평면에 고리 형상의 집속 전극(3)을 갖는 제3도에 예시된 음극은 제조 공정을 간단히 할 수 있다는 장점을 제공하기는 하지만, 게이트 전극(2)으로부터 이어진 급전선(9)이 집속 전극(2)을 자르게 되어 전자 빔을 집속하는 성능이 악화되고 전자 빔의 축 대칭성도 악화된다고 하는 문제점이 있다.

전술한 문제점들의 관점에서, 본 발명이 목적은 전자 빔 발산을 작게 할 수 있고 즉, 전자 빔 집속 성능을 향상시킬 수 있고, 또한 전자 빔의 축 대칭성이 악화되지 않도록 할 수 있는 전계 방사형 냉음극을 제공하는 것이다.

(a) 적어도 한 표면은 도전성을 가진 기판(substrate), (b) 상기 기판 위에 형성된 절연층(insulating layer), (c) 상기 절연층 위에 형성된 도전성 게이트 전극(gate electrode), (d) 상기 게이트 전극과 절연층을 통하여 형성된 개구 안에 배치된 거의 원뿔형의 끝이 예리한 이미터 전극(emitter electrode), (e) 상기 게이트 전극과 같은 수평면에 배치되고 상기 게이트 전극을 둘러싸도록 상기 절연층 위에 형성된 집속 전극(focusing electrode), 그리고 (f) 상기 게이트 전극과 같은 수평면에 형성된 급전선(feeder line)을 포함하되, 상기 급전선은 상기 게이트 전극으로부터 상기 집속 전극을 통하여 상기 집속 전극과 상호 교합적(相互咬合的)인 형상이 되게 이어져서 상기 이미터 전극의 중심 주위의 모든 반경 방향(radial direction)에 상기 집속 전극이 존재하도록 하는 것을 특징으로 하는 전계 방사형 냉음극이 제공된다.

상기 급전선과 상기 집속 전극간의 상호 교합 형상은 상술한 조건을 만족시키는 한 어떤 형상으로든 정의될 수 있다. 예를 들면, 상호 교합부는 직선형 세그먼트, 곡선형 세그먼트, 또는 그들의 조합으로 이루어진다.

특히, 상호 교합부는 적어도 하나의-형상부를 포함한다. 상호 교합부는 반경 방향으로 이어진 선들과 원주 방향으로 이어진 선들의 조합으로 이루어질 수 있다. 대안으로서, 상호 교합부는 게이트 전극의 반경과 각을 이루는 적어도 하나의 선을 포함할 수 있다.

상술한 전계 방사형 냉음극은 게이트 전극과 함께 형성된 적어도 하나의 보정 패턴(compensation pattern)을 더 포함할 수 있다. 보정 패턴은 급전선의 일부와 회전 대칭되게 배치된다.

예를 들면, 보정 패턴은 급전선과 협력하여 풍차 형상을 형성하도록 형상화된다.

상술한 본 발명에 따르면, 게이트 전극으로부터 집속 전극을 통하여 이어진 급전선에 의해 집속 전극이 부분적으로 잘리지만, 이미터 영역 주위의 모든 반경 방향으로 집속 전극이 존재하고, 이에 따라 전자 빔을 집속하는 전계의 축 대칭성이 보장된다.

따라서, 본 발명은 작은 전자 빔 발산과 고도의 축 대칭성을 갖는 전자원을 제공하며, 이것은 집속 전극이 없는 종래의 전계 방사형 냉음극을 제조하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 따라서, 본 발명은 전자관과 전자 빔 이미터용의 전자원에 적합한 저비용의 고품질 음극을 제공하는 것을 가능케 한다.

제1도는 종래의 전계 방사형 냉음극의 부분 단면도.

제2도는 또 다른 종래의 전계 방사형 냉음극을 예시하는 사시도.

제3도는 또 다른 종래의 전계 방사형 냉음극을 예시하는 사시도.

제4(a)도는 또 다른 종래의 전계 방사형 냉음극을 예시하는 평면도.

제4(b)도는 제4(a)도에 예시된 전계 방사형 냉음극의 이미터 전극으로부터 형광막으로 전자 빔이 방사될 때 형성되는 발광 영역을 도시하는 도면.

제5(a)도는 또 다른 종래의 전계 방사형 냉음극을 예시하는 평면도.

제5(b)도는 제5(a)도에 예시된 전계 방사형 냉음극의 이미터 전극으로부터 형광막으로 전자 빔이 방사될 때 형성되는 발광 영역을 도시하는 도면.

제6도는 급전선 위에 부분적으로 입체적으로 형성된 집속 전극을 포함하는 또 다른 종래의 전계 방사형 냉음극을 예시하는 사시도.

제7(a)도는 본 발명의 제1실시예에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극을 예시하는 평면도.

제7(b)도는 제7(a)도의 라인 A-A에 따라 자른 부분 단면도.

제8(a)도는 제7(a)도에 예시된 전계 방사형 냉음극의 동작을 보여주기 위한 단면도.

제8(b)도는 제8(a)도에 예시된 전계 방사형 냉음극의 이미터 전극으로부터 형광막으로 전자 빔이 방사될 때 형성되는 발광 영역을 도시하는 도면.

제8(c)도는 제8(b)도와 비교하기 위한 도면으로, 종래의 전계 방사형 냉음극의 이미터 전극으로부터 형광막으로 전자 빔이 방사될 때 형성되는 발광 영역을 도시하는 도면.

제9도는 게이트 전극과 이 게이트 전극을 둘러싸는 고리 형상의 집속 전극을 가진 전계 방사형 냉음극의 동작에 대한 시뮬레이션의 결과를 도시하는 도면.

제10도는 제1실시예에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극의 변형을 예시하는 평면도.

제11(a), 11(b)도 그리고 제11(c)도는 제1실시예에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극의 다른 변형들을 예시하는 평면도.

제12(a)도는 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극을 예시하는 평면도.

제12(b)도는 제12(a)도에 예시된 전계 방사형 냉음극의 이미터 전극으로부터 형광막으로 전자 빔이 방사될 때 형성되는 발광 영역을 도시하는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 이미터 전극 2 : 게이트 전극

3 : 집속 전극 4 : 절연층

5 : 도전성 기판 6 : 기판 노출부

7 : 게이트 패드 8 : 집속 패드

9 : 게이트 급전선 (gate feeder line)

본 발명의 제1실시예에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극(10)을 예시하는 제7(a)도와 제7(b)도를 보면, 첨단을 갖는 원뿔형 이미터 전극(1)이 도전성 기판(5) 위에 형성되어 있다. 이미터 전극(1) 주위에 절연층(4)이 형성되고, 절연층(4) 위에 고리 형상의 게이트 전극(2)이 형성되는데 게이트 전극(2)은 이미터 전극(1)의 첨단과 동축이 되게 배치된다. 절연층(4) 위에 형성된 집속 전극(3)은 게이트 전극(2)과 같은 수평면에 배치되고 게이트 전극(2)을 둘러싼다. 즉, 이미터 전극(1)은 게이트 전극(2)과 집속 전극(3) 모두에 의해 둘러싸인다. 이미터 전극(1)은 기판(5)의 표면 또는 기저 표면(bottom surface)에 위치한 기판(5)의 노출부(6)에 연결되고, 더 나아가 이 노출부(6)를 통하여 외부 회로에 연결된다. 유사하게, 게이트 전극(2)은 급전선(9)을 통하여 기판(5)의 표면에 위치한 게이트 패드(7)에 연결되고, 더 나아가 이 게이트 패드(7)를 통하여 외부 회로에 연결된다. 집속 전극(3)은 집속 패드(8)를 통하여 외부 회로에 연결된다.

게이트 전극(2)과 집속 전극(3)이 서로 동축이 되게 배치된 구조에서, 게이트 전극(2)으로부터 이어진 게이트 급전선(9)은 게이트 패드(7)에 도달하기 위해 집속 전극(3)을 통과해야 한다. 이 때문에, 게이트 급전선(9)은-형상에 있어 집속 전극과 상호 교합적으로 설계된다. 다시 말해, 집속 전극(3)은 부분적으로 잘리고, 그에 따라 홈(참조 부호가 없음)이 형성된다. 집속 전극의 잘린 모서리들은 상호 교합적으로 마주 보고, 따라서 그들 사이에 홈이 만들어진다. 게이트 급전선(9)은 상기 홈을 따라 이어지고, 따라서 게이트 급전선(9)도 집속 전극(3)의 잘린 모서리들과 형상에 있어 상호 교합적이다. 게이트 급전선(9)과 집속 전극(3)간의 상호 교합부는 이미터 전극(1) 주위의 모든 반경 방향에 집속 전극(3)이 존재하도록 보장해 준다.

예를 들면, 게이트 급전선(9)은 형상부 또는 거의 사각의 굴곡부(square bent portion)(20)를 포함한다. 집속 전극(3)과 급전선(9)의 세부 치수는 다음과 같다.

반경 방향으로 측정된 집속 전극(3)의 폭 : 200㎛

게이트 급전선(9)의 폭 : 10㎛

집속 전극의 반경 방향으로의 사각 굴곡부(20)의 폭 : 70㎛

반경 방향에 수직한 방향으로의 사각 굴곡부(20)의 길이 : 100㎛

제1실시예의 이해를 돕기 위하여 게이트 급전선(9)의 크기를 실제의 척도보다 크게 도시하였음에 주의하기 바란다.

집속 전극이 없는 종래의 전계 방사형 냉음극을 제조하는 방법과 같은 방법에 의해 제7(a)도와 제7(b)도에 예시된 전계 방사형 냉음극을 형성할 수 있다. 즉, 단순히 절연층 위에 형성된 게이트 층 상에 게이트 전극을 패터닝하는 데 사용되는 포토마스크의 패턴을 변경하는 것에 의해, 게이트 층은 게이트 전극(2)과 집속 전극(3)으로 분할될 수 있다.

이하, 제7(a)도와 제7(b)도에 예시된 전계 방사형 냉음극의 동작을 설명한다. 제8(a)도를 보면, 애노드 전극(11)이 전계 방사형 냉음극(10)을 마주 보고 배치되어 있다. 애노드 전극(11)은 유리 기판(12), 유리 기판(12) 위에 형성된 도전성 투명막(13), 그리고 투명막(13) 위에 형성된 형광 박막(14)으로 이루어져 있다. 도전성 투명막(13), 게이트 전극(2), 집속 전극(3) 각각과 기판(5) 사이에 전원(37)이 배치된다. 투명막(13), 게이트 전극(2), 집속 전극(3) 그리고 기판(5)에 전압을 인가하면, 이미터 전극(1)의 첨단으로부터 전자 빔이 방사되어 형광막(14) 위에 발광 영역이 형성된다. 특히, 이미터 전극(1)을 0V로 할 때, 게이트 전극(2)에는 약 70V가, 집속 전극(3)에는 이미터 전극(1)의 전압보다 작은 마이너스(-) 20V가, 그리고 애노드 전극(11)에는 100V에서 1000V까지의 전압이 인가된다.

제8(b)도는 전자 빔에 형성된 발광 영역을 도시하고 있다. 전자 빔(15)은 제8(a)도에 예시된 전계 방사형 냉음극(1)의 이미터 전극(1)의 첨단으로부터 게이트 전극(2)에 의해 발생되는 전계에 의해 방사되어 집속 전극(3)에 의해 발생되는 전계에 의해 집속되고, 그에 따라 애노드 전극(11)의 형광막(14) 위에 발광영역(16)이 형성된다.

제9도는 게이트 전극(2)을 둘러싸는 고리 형상의 집속 전극(3)을 가진 전계 방사형 냉음극의 동작에 대한 2차원 시뮬레이션의 결과를 도시하고 있다. 음극이 다음의 조건 즉, 이미터 전극(1)의 전압=0V; 게이트 전극(2)의 전압=70V; 그리고 집속 전극(3)의 전압=-20V에서 동작될 때, 전자 빔의 등전위선들(26)과 궤도(25)가 얻어진다. 이미터 전극(1)으로부터 방사된 전자들은 처음에는 바깥쪽으로 퍼지나, 집속 전극(3)에 의해 생성된 전계에 의해 발생되는 반발력에 의해 즉시 안쪽으로 향하게 된 후 집속된다. 한편, 이미터 전극으로부터 게이트 패드로 반경 방향으로 똑바로 이어진 게이트 급전선을 가진 전계 방사형 냉음극에서는, 이미터 전극을 통과하는 특정 평면에 집속 전극이 부재한다. 따라서, 그런 평면이 펼쳐지는 방향으로는 전자 빔을 집속하기 위한 전계가 약화된다. 또한, 동일한 방향으로 게이트 전극과 같은 전위를 갖는 게이트 급전선이 이어지기 때문에, 전자 빔들이 게이트 급전선에 유인되고, 그 결과 전자 빔은 게이트 급전선 쪽으로 퍼진다.

그 결과, 제8(c)도에 예시된 것처럼, 상기한 냉음극에 의해 형성되는 발광 영역(18)은 집속 전극이 없는 전계 방사형 냉음극에 의해 형성되는 발광 영역(17)보다 더 집속되기는 하지만, 게이트 급전선이 이어진 방향으로 퍼진다.

한편, 제1실시예에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극은 게이트 급전선(9)의 존재 때문에 집속 전극(3)의 형상에 관하여 거의 대칭성이 없지만, 집속 전극(3)이 이미터 전극(1) 주위의 모든 반경 방향으로 존재하게 할 수 있고, 그에 따라 뛰어난 집속 성능이 얻어진다. 그 결과, 제8(b)도에 예시된 것처럼, 제1실시예에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극은 형광막(14) 상에 고도의 축 대칭성을 갖는 발광 영역(16)을 형성한다.

고도의 축 대칭성 전자 빔을 갖기 위하여, 제3도에 예시된 전계 방사형 냉음극의 경우에도, 제6도에 예시된 것처럼, 집속 전극(3)을 부분적으로 자르지 않도록 집속 전극(3)을 게이트 급전선(9) 위에 부분적으로 입체적으로 형성할 수 있다. 그러나, 그런 음극을 제조하는 방법은 불가피하게 상당히 복잡해지기 마련이고, 따라서 그런 음극에 비하여 제1실시예에 따른 전계 방사형 냉음극은 보다 간단한 방법에 의해, 또한, 저비용으로 제조될 수 있다는 점에서 우수하다.

한평면에 어레이로 배열된 복수 개의 제8(a)도에 예시된 음극을 포함하는 디스플레이에서, 고도의 축 대칭성을 보증하는 상기한 집속 성능은 고해상도를 달성할 것이다. 따라서, 제8(a)도에 예시된 전계 방사형 냉음극이 전자총에 도입될 경우, 고도의 축 대칭성의 전자 빔과 고품질의 전자 빔 집속 성능이 얻어질 수 있을 것이다.

상술한 제1실시예는 단 하나의 이미터 전극(1)을 포함하고 있지만, 이미터 전극의 수는 이에 국한되지 않는다. 제10도에 예시된 것처럼, 본 발명에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극은 복수의 이미터 전극을 포함할 수 있다.

게이트 급전선(9)과 집속 전극(3)간의 상호 교합 형상은 제7(a)도에 예시된 제1실시예의 형상에 국한되지 않는다. 예를 들면, 제10도에 예시된 것처럼, 상호 교합부는 급전선(9)과 집속 전극(3)이 두 개의-형상부(20)를 포함하도록 정의될 수 있다. 대안으로서, 상호 교합부는 세 개 이상의-형상부(20)가 존재하도록 정의될 수 있다.

본질적으로, 급전선과 집속 전극간의 상호 교합 형상은 직선형 세그먼트(linear segment), 곡선형 세그먼트(curved-line segment), 또는 직선형 세그먼트와 곡선형 세그먼트의 조합으로 이루어질 수 있다. 상호 교합부의 특수한 예들이 제11(a)도 내지 제11(c)도에 도시되어 있다.

제11(a)도에 예시된 것처럼, 게이트 급전선(9)과 집속 전극(3)간의 상호 교합 형상은 반경 방향으로 이어진 제1직선형 세그먼트(40), 약 120도 정점각(apex angle)을 가지면서 원주 방향으로 이어진 제1아치형 세그먼트(41), 제1직선형 세그먼트(40)와 약 120도 각을 이루면서 반경 방향으로 바깥쪽으로 이어진 제2직선형 세그먼트(42), 그리고 약 120도 정점각을 가지면서 원주 방향으로 이어져 게이트 패드(7)에 이르는 제2아치형 세그먼트(43)로 이루어질 수 있다. 대안으로서, 제11(b)도에 예시된 것처럼, 게이트 급전선(9)과 집속 전극(3)간의 상호 교합 형상은 반경 방향으로 이어진 직선형 세그먼트(44) 및 약 180도 정점각을 가지면서 원주 방향으로 이어져 게이트 패드(7)에 이르는 아치형 세그먼트(45)로 이루어질 수 있다. 제11(c)도에 예시된 것처럼, 게이트 급전선(9)과 집속 전극(3)간의 상호 교합 형상은 수평으로 반경 방향으로 이어진 직선형 세그먼트(46) 및 직선형 세그먼트(46)와 각을 이루면서 게이트 패드(7)에 이르는 직선형 세그먼트(47)로 이루어질 수 있다.

게이트 급전선(9)과 집속 전극(3)간의 상호 교합 형상은 제11(a)도 내지 11(c)도에 도시된 것들에 국한되지 않고, 상호 교합부에 의해 집속 전극(3)이 이미터 전극(1) 주위의 모든 반경 방향으로 존재하게 되는 한 어떠한 형상으로든 정의될 수 있다.

제12(a)도는 본 발명의 제2실시예에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극을 예시하고 있다. 제1실시예의 소자들에 대응하는 소자들에는 동일한 참조 번호가 부여되었다. 제2실시예는 이후 상세히 언급될 보정 패턴이 더 구비된다는 점에서 제1 실시예와 다르다.

제12(a)도에 예시된 것처럼, 게이트 급전선(9)과 집속 전극(3)간의 상호 교합 형상은 게이트 전극(2)으로부터 반경 방향으로 이어진 제1직선형 세그먼트(48), 원주 방향으로 이어진 아치형 세그먼트(49), 그리고 반경 방향으로 이어져 게이트 패드(7)에 이르는 제2직선형 세그먼트(50)로 이루어져 있다. 예시된 냉음극에는 게이트 전극(2)으로부터 이어진 세 개의 보정 패턴(19)이 더 구비되어 있다. 보정 패턴들(19) 각각은 급전선(9)과 거의 같은 형상을 갖고 있다. 더 자세히 설명하면, 보정패턴들(19) 각각은 게이트 전극(2)으로부터 반경 방향으로 이어진 제1직선형 세그먼트(48), 원주 방향으로 이어진 아치형 세그먼트(49), 그리고 반경 방향으로 이어진 제2직선형 세그먼트(50)의 아주 짧은 부분으로 이루어져 있다. 보정 패턴들(19)과 게이트 급전선(9)은 서로 협력하여 풍차 형상을 형성한다.

보정 패턴들(19)을 부가함에 따라, 게이트 급전선(9)과 집속 전극(3)간의 상호 교합 형상에 의해서는 제거되지 않을 전자 빔 집속을 위한 전계에서의 비대칭성이 감소된다. 그 결과, 제12(b)도에 예시된 것처럼, 제12(a)도에 예시된 음극에 의해 형광막(14)상에 형성된 발광 영역(29)은 축 대칭성 면에서 개선되어 있고, 이는 전자 빔의 축 대칭성이 더욱 개선되게 해준다.

상술한 제2실시예는 단 하나의 이미터 전극(1)을 포함하고 있지만, 이미터 전극의 수는 이에 국한되지 않는다. 제1실시예와 유사하게, 제2실시예에 따라 제작된 전계 방사형 냉음극은 복수의 이미터 전극을 포함할 수 있다.

또한, 보정 패턴들이 수는 제12(a)도에 예시된 제2실시예에서와 같이 세 개에 국한되지 않는다. 보정 패턴의 바람직한 수는 그 보정 패턴들과 게이트 급전선이 서로 회전 대칭되게 배치되는 한 얼마든지 가능하다.

Claims (6)

1. (a) 적어도 한 표면은 도전성을 가진 기판(substrate)(5), (b) 상기 기판(5) 위에 형성된 절연층(insulating layer)(4), (c) 상기 절연층(4) 위에 형성된 도전성 게이트 전극(gate electrode)(2), (d) 상기 게이트 전극(2)과 절연층(4)을 통하여 형성된 개구 안에 배치된 거의 원뿔형의 끝이 예리한 이미터 전극(emitter electrode)(1), (e) 상기 게이트 전극(2)과 같은 수평면(plane)에 배치되고 상기 게이트 전극(2)을 둘러싸도록 상기 절연층(4) 위에 형성된 집속 전극(focusing electrode)(3), 및 (f) 상기 게이트 전극(2)과 같은 수평면에 형성된 급전선(feeder line)(9)을 포함하는 전계 방사형 냉음극(field-emission type cold cathode)에 있어서, 상기 급전선(9)은 상기 게이트 전극(2)으로부터 상기 집속 전극(3)을 통하여 상기 집속 전극(3)과 상호 교합적(相互咬合的)인 형상이 되게 이어지고, 그에 따라 상기 이미터 전극(1)의 중심 주위의 모든 반경 방향(radial direction)에 상기 집속 전극(3)이 존재하게 되는 것을 특징으로 하는 전계 방사형 냉음극.
2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 보정 패턴(compensation pattern)(19)이 상기 게이트 전극(2)과 함께 형성되고, 상기 보정 패턴(19)은 상기 급전선(9)의 일부와 회전 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 전계 방사형 냉음극.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 급전선(9)과 상기 집속 전극(3)간의 상호 교합 형상(complementariness in shape)은 직선형 세그먼트들(linear segments)(40,42,44,46,47), 곡선형 세그먼트들(curved-line segments)(41,43,45), 또는 그들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방사형 냉음극.
4. 제3항에 있어서, 상기 상호 교합부(complementariness)는 적어도 하나의- 형상부-(shaped portion)(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방사형 냉음극.
5. 제3항에 있어서, 상기 상호 교합부는 반경 방향으로 이어진 선들(40,42,44,46)과 상기 이미터 전극(1) 주위에 원주 방향으로 이어진 선들(41,43,45)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방사형 냉음극.
6. 제2항에 있어서, 상기 급전선(9)과 상기 보정 패턴(19)은 서로 협력하여 풍차 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방사형 냉음극.