KR100355388B1 - 아크 방지 전계 방출 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소자 구동에 따라 게이트 종단부와 양극 사이에 생성되는 아크(arcing)로부터 전극 손상(damage)을 방지하기 위한 아크 방지 전계 방출 소자 를 기재한다. 본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자는 전자 방출 영역(active area)의 게이트 말단을 밀봉(sealing) 영역이 까지 연장하여 게이트 말단을 가장자리 양극으로부터 멀리 떨어지게 하거나 혹은 게이트 말단에 절연층(산화물층; oxide layer)을 형성한 후 방전 전극을 형성하여 게이트 말단에 충전되는 전하들을 방전 전극을 통하여 배출함으로써 게이트 말단과 가장자리 양극 간의 아킹을 방지한다.

Description

아크 방지 전계 방출 소자{Arc-protection field emission display}
본 발명은 소자 구동에 따라 게이트 종단부와 양극 사이에 생성되는 아크(arcing)로부터 전극 손상(damage)을 방지하기 위한 아크 방지 전계 방출 소자{Arc-protection Field Emission Display}에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 각각 기존의 일반적인 전계 방출 소자의 개략적 구조를 나타내는 분해 사시도, 부분 발췌 수직 단면도 및 개략적 투시 평면도이다. 도시된 바와 같이, 일반적인 전계 방출 소자는 일정한 간격을 두고 서로 대향하는 배면기판(10) 및 전면기판(20) 사이에 진공 공간을 확보하고 그 대향면 상에 음극들(11)과 게이트들(13) 및 양극들(14)을 각각 매트릭스 형상으로 형성한 구조를 갖는다. 특히, 배면 기판(10) 상에는 스트라이프 상의 음극들(11)과 함께 절연층(12)을 사이에 두고 게이트들(13)이 음극들(11)과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 배치된다. 그리고 도 1b에 도시된 바와 같이, 두 기판(10, 20) 사이의 간격을 스페이서(16)들에 의해 유지되며, 음극들(11)을 덮고 있는 절연층(12)에는 음극들이 노출되도록 하는 홀들(12a)이 형성되어 그 속에 전자를 방출하는 마이크로팁들(11')이 형성된다. 게이트들(13)에는 홀들(12a)에 대응하는개구부들(13a)이 형성되어 마이크로팁으로부터 방출된 전자들이 양극(14)으로 방출되도록 한다. 즉, 양극으로 향하는 전자들이 양극들(14) 상에 도포된 형광체(15)들에 부딪히면서 발광하게 된다.
이러한 전계 방출 소자의 발광 구동을 위하여 음극과 게이트 및 음극과 양극 간에는 적절한 전압이 선택적으로 인가되어 표시하고자 하는 영상을 표시하게 된다.
그러한 이러한 전계 방출 소자를 구동함에 있어서, 게이트 전극의 말단부에서 아크(Arcing)이 발생하기 쉽다. 아킹의 원인은 정확하게 규명되어 있지 않으나, 패널(panel) 내부에서 발생되는 아웃개싱(outgassing) 등에 의하여 순간적으로 많은 가스가 이온(ion)화(avalanche phenomena)된 방전(discharge) 현상에 의하여 생기는 것으로 사료된다. FEA's를 제조하여 챔버 시험(chamber testing) 또는 밀봉(sealing)된 FED 시험(testing)시에 1KV이상의 양극(anode) 전압을 인가할 시에는 고진공에서도 아킹(arcing)이 일어난다. 아킹(Arcing)이 일어난 후에 FEA's의 표면을 광학 현미경(optical microscope)으로 관찰하면 아킹(arcing)에 의한 손상(damage)이 도 1c에 도시된 바와 같이 게이트 말단(gate edge) 쪽에서 주로 일어남을 알 수 있다. 이는 도 1a에 도시된 바와 같이 게이트 말단(gate edge) 부분이 날카롭게 되어 있기 때문에 높은 전장(high electirc field)이 인가되어 이 부분에서 아킹(arcing)이 일어나는 것으로 사료된다. 아킹(Arcing)은 양극(anode)과 게이트(gate)의 순간적 전기적 단락 현상을 일으키므로, 게이트에 높은 전압(양극 구동 전압)이 걸리게 되므로, 결국 음극과 게이트 간에 순간적으로 음극과 양극 간에 인가되는 전압과 같은 큰 전압이 인가되는 결과를 초래하므로 게이트 산화물(gate oxide)(절연층)(12) 및 저항층(resistive layer)에 손상(damage)을 주게 된다. 이러한 가능성은 양극(anode) 전압이 증가됨에 따라 더욱 심하게 일어나며 결국은 1kV이상의 양극(anode) 전압 인가시 아킹(arcing) 가능성이 커져서, 현재의 음극(cathode)과 양극(anode)이 스페이서(spacer)로 결합되어 있는 단순한 구조에서는 고전압에서 안정적으로 동작하는 FED, 즉 고휘도 FED를 얻기가 어렵게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 전자 방출 영역(active area) 즉 표시 영역(display area)의 게이트 끝단을 가장자리 양극을 지나 기판 밀봉(sealing) 영역이 만나는 부분까지 연장하거나 게이트의 가장자리 부분을 절연층으로 덮어여 방전 전극을 형성하여 게이트 끝단의 아킹을 방지함으로써 소자를 보호하고 안정적인 동작을 유지하는 아크 방지 전계 방출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 각각 기존의 일반적인 전계 방출 소자의 개략적 구조를 나타내는 분해 사시도, 부분 발췌 수직 단면도 및 개략적 투시 평면도이고,
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자의 제1실시예의 개략적 구조를 나타낸 분해 사시도 및 제1실시예의 전극 구조를 나타내는 개략적 투시 평면도이며,
그리고 도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자의 제2실시예의 개략적 구조를 나타낸 분해 사시도 및 제2실시예의 전극 구조를 나타내는 개략적 투시 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10. 배면 기판 11. 음극들
12. 절연층 13. 게이트들
20. 전면기판 14. 양극들
100. 배면 기판 111. 음극들
112. 절연층 113. 게이트들
200. 전면기판 141. 양극들
300. 배면 기판 311. 음극들
312. 절연층 313. 게이트들
350. 말단부 절연층 360. 아킹 방지용 접지 전극
400. 전면기판 441. 양극들
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자는, 일정한 간격을 두고 서로 대향하도록 배치되고 그 가장자리가 밀봉되어 내부에 진공공간을 형성하는 전면 기판 및 배면기판; 상기 배면 기판 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극들; 상기 음극들을 덮도록 상기 배면기판 상에 적층된 절연층; 상기 절연층 상에 상기 음극들과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된게이트들; 상기 전면기판 상에 스트라이프 상으로 형성된 양극들; 상기 양극들 상에 도포된 형광체들; 및 상기 전면기판 및 배면 기판의 간격을 유지하는 스페이서들;을 구비한 전계 방출 소자에 있어서, 상기 게이트들의 양측 말단들 중 구동 전원과 연결되지 않는 말단은 상기 양극들의 가장자리를 지나 상기 두 기판의 밀봉영역 영역까지 연장된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자의 제작 방법은, 일정한 간격을 두고 서로 대향하도록 배치되고 그 가장자리가 밀봉되어 내부에 진공공간을 형성하는 전면 기판 및 배면기판; 상기 배면 기판 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극들; 상기 음극들을 덮도록 상기 배면기판 상에 적층된 절연층; 상기 절연층 상에 상기 음극들과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된 게이트들; 상기 전면기판 상에 스트라이프 상으로 형성된 양극들;
상기 양극들 상에 도포된 형광체들; 및 상기 전면기판 및 배면 기판의 간격을 유지하는 스페이서들;을 구비한 전계 방출 소자에 있어서, 상기 게이트들의 양측 말단들 중 구동 전원과 연결되지 않는 말단들을 덥도록 스트립 상으로 상기 절연층 상에 적층된 말단부 절연층; 및 상기 말단부 절연층 속에 상기 게이트 말단들과 접촉되지 않도록 스트라이프 상으로 형성된 아킹 방지용 접지 전극;을 더 구비한 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자를 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와같이, 전자 방출 영역(active area)의 게이트 말단을 밀봉(sealing) 영역이 까지 연장하여 게이트 말단을 가장자리 양극으로부터 멀리 떨어지게 함으로써 게이트 말단과 가장자리 양극 간에 일어나는 아킹을 방지하거나, 혹은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 게이트 말단에 절연층(산화물층; oxide layer)을 형성한 후 방전 전극을 형성하여 게이트 말단에 충전되는 전하들을 방전 전극을 통하여 배출함으로써 소자를 보호하고 안정적인 동작을 유지한다.
이러한 구조들을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자의 제1실시예의 개략적 구조를 나타낸 분해 사시도 및 제1실시예의 전극 구조를 나타내는 개략적 투시 평면도이다. 도시된 바와 같이, 제1실시예는 전자 방출 영역(active area)의 게이트 말단을 밀봉(sealing) 영역이 까지 연장되도록 만든다(도면에서는 t 만큼 연장). 이와 같이 하여 게이트 말단을 가장자리 양극(141)으로부터 멀리 떨어지게 하면 게이트 말단에 많은 전하들이 충전되더라도 게이트 말단과 가장자리 양극 사이에 형성되는 전기장이 게이트와 양극 간의 가장 가까운 거리 사이에 형성되는 전기장 보다 약하기 때문에 게이트 말단과 가장자리 양극 사이에 아킹이 일어나지 않는다.
즉, 도 2a 및 도 2b에서, 전면기판(200) 및 배면 기판(100)은 일정한 간격을 두고 서로 대향하도록 배치된다. 그리고 그 가장자리는 밀봉되어 내부에 진공공간을 형성한다(밀봉된 가장자리 영역 미도시). 배면 기판(100)의 진공 공간 내측면 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극들(111)이 형성되고, 이 음극들(111)을 덮도록배면기판(100) 상에 절연층(112)이 적층된다. 절연층(112) 상에는 음극들(111)과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 게이트들(113)이 앞서 설명한 바와 같이 말단이 진공공간 밀봉영역 까지 연장되게 형성된다. 전면기판의 진공공간 내측면 상에는 스트라이프 상으로 양극들(141)이 형성된다. 이 양극들(141)은 대게 음극들(111)과 나란한 방향으로 형성되나 게이트들(113)과 나란한 방향으로 형성되어도 무방하다. 양극들(141) 상에 도포된 형광체들(미도시)이 도포된다. 그리고 전면기판(200) 및 배면 기판(100)의 사이에는 진공공간의 간격 유지를 위한 스페이서들(미도시)이 배치된다.
다음에, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자의 제2실시예의 개략적 구조를 나타낸 분해 사시도 및 제2실시예의 전극 구조를 나타내는 개략적 투시 평면도이다. 도시된 바와 같이, 제2실시예는 전자 방출 영역(active area)의 게이트 말단에 절연층(산화물층; oxide layer)(350)을 형성한 후 방전 전극(360)을 형성하여 게이트 말단에 충전되는 전하들을 방전 전극(360)을 통하여 제거한다. 즉, 방전전극(360)을 외부 접지선과 접속시키면 게이트(313) 말단에 비교적 많이 충전된 전하들을 방전전극(360)을 통하여 제거할 수 있으므로 게이트(313) 말단과 가장자리 양극(441) 사이에 아킹이 일어나기는 힘들게 된다.
즉, 도 3a 및 도 3b에서, 전면기판(400) 및 배면 기판(300)은 일정한 간격을 두고 서로 대향하도록 배치된다. 그리고 그 가장자리는 밀봉되어 내부에 진공공간을 형성한다(밀봉된 가장자리 영역 미도시). 배면 기판(300)의 진공 공간 내측면 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극들(311)이 형성되고, 이 음극들(311)을 덮도록배면기판(300) 상에 절연층(312)이 적층된다. 절연층(312) 상에는 음극들(311)과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 게이트들(313)이 형성된다. 전면기판(400)의 진공공간 내측면 상에는 스트라이프 상으로 양극들(441)이 형성된다. 이 양극들(441)은 대게 음극들(311)과 나란한 방향으로 형성되나 게이트들(313)과 나란한 방향으로 형성되어도 무방하다. 양극들(441) 상에 도포된 형광체들(미도시)이 도포된다. 그리고 전면기판(400) 및 배면 기판(300)의 사이에는 진공공간의 간격 유지를 위한 스페이서들(미도시)이 배치된다. 특히 게이트들(313)의 양측 말단들 중 구동 전원과 연결되지 않는 말단들을 덥도록 스트립 상으로 절연층(312) 상에 말단부 절연층(350)이 형성된다. 말단부 절연층(350) 속에는 게이트 말단들과 접촉되지 않도록 아킹 방지용 접지 전극(360)이 스트라이프 상으로 형성된다.
이상과 같은 구조의 아크 방지 전계 방출 소자의 제작 방법은 다음과 같다.
먼저, 배면 기판 상에 전계 방출 에미터 어레이(Field emitter arrays)를 형성한다.
식각된 팁(Etched tip) 및 스핀트형(Spindt type)으로 FEAs(Field emitter arrays)를 음극판(cathode plate)(배면기판) 상에 형성한다. 여기서, 게이트 형성시 게이트가 외부 전극과 접속되는 일측 말단부와 반대쪽의 말단(edge)이 충분히 멀리 떨어지도록 게이트 라인(gate line)을 형성한다.
또 다른 실시예로 게이트 말단(gate edge)을 연장하는 대신에 게이트 말단이 진공 공간에 직접 드러나지 않도록 절연층으로 덥고 그 위에 추가적으로 과도 전하를 방전시키기 위한 방전전극을 형성하여 만들어진 음극 플레이트(cathode plate)즉 배면 기판을 제작하는 것도 바람직하다.
다음에, 전면 기판 상에 스트라이프 상의 양극들과 형광체(Phophor) 및 블랙매트릭스(black matrix)를 형성한다. 전면 기판(Anode plate) 상에 전극 물질을 증착하고 패터닝(patterning)하여 양극들을 형성한 후, 양극들 상에 전기영동(Electrophoretic), 스크린 프린팅(screen printing) 및 슬러리(slurry)법 등으로 형광체(phosphor)를 도포한다.
또한, 블랙 매트릭스(black matrix)도 양극들 사이에 통상의 방법으로 형성시킨다.
다음에, 전면기판과 배면기판 사이의 간격을 유지하는 스페이서(Spacer)를 형성한다. 양극들이 형성된 다음에 전면 기판 상에는 두 기판 간의 간격 유지를 위한 스페이서(Spacer)를 형성하는데, 전면 기판의 양쪽에 스페이서 홀더(spacer holder)를 형성시킨다. 스페이서 홀더(spacer holder)에는 스페이서(spacer)를 끼울 수 있는 홈들을 형성시킨다. 스페이서 홀더(Spacer holder)는 통상의 유리로 제작하며 스페이서의 두께는 약 500μm로 만든다.
다음에, 두 기판을 접합하여 그 가장자리를 밀봉하는 패키징(Packaging) 공정을 실시한다. 앞서 형성된 전계 방출 에미터 어레이들(Field emitter Arrays)과 양극들을 통상의 방법으로 앞서 제작된 스페이서(spacer)를 장착하고 패키징(package)하여 FED를 얻는다. 이와 같이 제작된 전계 방출 소자의 게이트에는 통상 70~110V의 전압을 인가하고 양극들에는 통상 800~1200V의 전압을 인가하여 소자를 구동한다.
이와 동시에 고려되어야 하는 인자(factor)가 휘도(brightness)이다. Vgate(gate voltage)에 따른 Ia(anode current)를 보면, 색순도(color purity)를 얻기위하여, color purity와 brightness를 동시에 얻기 위하여 고려되어져야 할 가장 중요한 factor가 FEAs (Field emitter arrays)의 gate간의 거리는 적을수록 device의 e-beam trajectory가 좋음이 알려져있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 아크 방지 전계 방출 소자는 전자 방출 영역(active area)의 게이트 말단을 밀봉(sealing) 영역이 까지 연장하여 게이트 말단을 가장자리 양극으로부터 멀리 떨어지게 하거나 혹은 게이트 말단에 절연층(산화물층; oxide layer)을 형성한 후 방전 전극을 형성하여 게이트 말단에 충전되는 전하들을 방전 전극을 통하여 배출함으로써 게이트 말단과 가장자리 양극 간의 아킹을 방지함으로써 다음과 같은 장점을 갖는다.
첫째, 아킹(Arcing)시 음극(cathode)에 발생되는 손상(damage)이 없고, 아킹(arcing) 발생이 최소화됨으로써 양극(anode)에 기존의 전계 방출 소자에 비해 높은 전압의 인가가 가능하며, 휘도와 색순도가 향상된 FED를 얻을 수 있다.
둘째, 아킹(Arcing)을 방지할 목적으로 추가적인 구조나 적층이 필요치 않아 간결하게 제조가 가능하고, 디바이스의 수율을 높일 수 있다.

Claims (2)

  1. 일정한 간격을 두고 서로 대향하도록 배치되고 그 가장자리가 밀봉되어 내부에 진공공간을 형성하는 전면 기판 및 배면기판;
    상기 배면 기판 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극들;
    상기 음극들을 덮도록 상기 배면기판 상에 적층된 절연층;
    상기 절연층 상에 상기 음극들과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된 게이트들;
    상기 전면기판 상에 스트라이프 상으로 형성된 양극들;
    상기 양극들 상에 도포된 형광체들; 및
    상기 전면기판 및 배면 기판의 간격을 유지하는 스페이서들;을 구비한 전계 방출 소자에 있어서,
    상기 게이트들의 양측 말단들 중 구동 전원과 연결되지 않는 말단은 상기 양극들의 가장자리를 지나 상기 두 기판의 밀봉영역 영역까지 연장된 것을 특징으로 하는 아킹 방지 전계 방출 소자.
  2. 일정한 간격을 두고 서로 대향하도록 배치되고 그 가장자리가 밀봉되어 내부에 진공공간을 형성하는 전면 기판 및 배면기판;
    상기 배면 기판 상에 스트라이프 상으로 형성된 음극들;
    상기 음극들을 덮도록 상기 배면기판 상에 적층된 절연층;
    상기 절연층 상에 상기 음극들과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 형성된 게이트들;
    상기 전면기판 상에 스트라이프 상으로 형성된 양극들;
    상기 양극들 상에 도포된 형광체들; 및
    상기 전면기판 및 배면 기판의 간격을 유지하는 스페이서들;을 구비한 전계 방출 소자에 있어서,
    상기 게이트들의 양측 말단들 중 구동 전원과 연결되지 않는 말단들을 덥도록 스트립 상으로 상기 절연층 상에 적층된 말단부 절연층; 및
    상기 말단부 절연층 속에 상기 게이트 말단들과 접촉되지 않도록 스트라이프 상으로 형성된 아킹 방지용 접지 전극;을 더 구비한 것을 특징으로 하는 아킹 방지 전계 방출 소자.
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