KR100516605B1 - 전계 방출형 표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출형 표시소자(FED; Field Emission Display)에 관한 것으로서, 특히 음극부와 상기 음극부 상에 도포되어지는 에미터가 모두 평면 구조로 이루어지도록 하는 전계 방출형 표시소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자는 전자방출 위한 에미터가 형성된 음극부와, 상기 음극부로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극과, 상기 게이트전극으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부로 이루어진 전계 방출형 표시소자에 있어서,

상기 에미터와 게이터전극 사이에 형성되는 전계 강도가 게이터전극과 양극부 사이의 전계 강도 보다 작게 형성되도록 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 음극부와 에미터가 모두 평면 구조이므로 제작이 매우 쉬워지고, 에미터에 요철구조가 없기 때문에 게이트 홀과의 정렬이 매우 용이해짐으로 인해 조립공정이 빨라지게 되며, 전류가 에미터의 넓은 면에서 상대적으로 낮은 밀도로 방출되므로, 과 전류로 인한 에미터의 국소적 손상이 일어날 확률이 적어, 에미터의 동작 수명연장이 가능하고, 방출된 전자빔이 양극부에 자체 집속되므로 형광면이 형성된 양극부에서의 전자빔 크기 조절이 용이해지는 등의 효과를 갖는다.

Description

전계 방출형 표시소자{Field Emission Display}

본 발명은 전계 방출형 표시소자(FED; Field Emission Display)에 관한 것으로서, 특히 음극부와 상기 음극부 상에 도포되어지는 에미터가 모두 평면 구조로 이루어지도록 하는 전계 방출형 표시소자에 관한 것이다.

일반적으로, 차세대 디스플레이로 주목을 받고 있는 전계방출형 표시소자(FED)는 비자발광인 LCD에 비하여 자발광의 특성으로 인하여 화질이 CRT 정도로 매우 우수하고, CRT와 유사한 전자선을 이용하기 때문에 동작속도도 매우 빠른 특성을 지니고 있어 LCD의 경량 박형의 장점과 더불어 CRT수준의 성능을 가진 차세대 AV급 평판 디스플레이로 많은 주목을 받고 있다.

또한, 시야 각이 넓고, 한 서브 픽셀에 수백 개에서 수천 개의 전자방출 소자가 만들어져 있기 때문에 수명이 길고, 소비전력도 LCD보다 낮거나 같은 수준으로 차세대 디스플레이로서 상당히 유리한 위치를 점유하고 있다.

상기와 같은 전계 방출형 표시소자의 기본 원리는 진공관과 같은 3극 튜브지만 열 음극(thermal cathode)을 이용하지 않고, 첨예한 에미터(emitter)에 고전계(electric field)를 집중하여 양자역학적인 터널링(tunnelling) 효과에 의하여 전자를 방출시키는 냉 음극(cold cathode)을 이용하고 있다.

이렇게 하여 방출된 전자를 양극/음극간의 인가전압으로 가속시킨 후, 이를 양극에 형성된 형광체 막에 충돌시킴으로서 발광이 이루어지게 된다.

도 1은 종래의 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도이다.

동 도면에서 보여지는 바와 같이 종래의 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조는, 전자방출을 위한 에미터(11)가 형성된 음극부(10)와, 상기 음극부(10)로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극(20)과, 상기 게이트전극(20)으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부(미도시)로 이루어진다.

이때, 상기 음극부(10)를 구성하는 전자방출 물질인 탄소나노튜브(CNT)에서 전자를 인출하기 위하여 탄소나노튜브의 바로 위에 위치하는 전자인출 전극인 게이트전극(20)에 전압을 인가하여 탄소나노튜브의 끝단에 강한 전계를 형성하도록 한다.

이렇게 형성된 전계에 의하여 탄소나노튜브의 끝단에서는 전자가 방출되어 양극부 쪽으로 당겨진다.

그리고, 상기와 같은 방식으로 전자를 방출시키기 위하여 전자 방출부인 에미터(11)와 전자 인출전극인 게이터전극(20) 사이의 전계가 게이터전극(20)과 양극부(미도시) 사이의 전계보다 강하게 형성되는 구성으로 이루어진다.

상기 탄소나노튜브는 역학적, 화학적으로 대단히 안정된 물질이며, 직경이 나노미터(nanometer) 단위에 불과하여 나노튜브의 끝단에서 형성되는 높은 전계에 의하여 전계방출이 쉽게 일어날 수 있는 물질이다.

이러한, 특징을 갖는 탄소나노튜브(CNT)는 전압을 인가하기 위해 설치된 음극부(10) 상에 평편한 원형으로 프린팅하여 전자방출을 위한 에미터(11)를 형성하게 된다.

그리고, 상기 에미터(11)로부터 일정간격 떨어진 상부에 전자 인출 전극인 게이트전극(20)이 위치하게 되는데, 상기 에미터(11)와 게이트전극(20) 사이에 전압을 인가하여 에미터(11)에서 전자의 전계 방출을 일으키도록 하는데, 상기 에미터(11)와 게이트전극(20) 사이의 전압을 조절함으로써 에미터(11)로부터 전계 방출되는 전류의 양을 조절한다.

도 2는 종래의 전계 방출형표시소자의 동작특성을 시뮬레이션한 결과도로서, (a)는 에미터에서 방출되는 전류밀도 분포를 에미터 바로 위에서 계산하여 나타낸 것이다.

상기 도면에서 보여지는 바와 같이 에미터(11)가 평편한 원형으로 음극부(10) 상에 약간 솟아 있으므로, 원형의 가장자리 부분의 전계가 가장 강하게 나타나고, 이 곳에서의 전계방출이 집중적으로 이루어지게 된다.

여기서, 상기 에미터(11)에서 방출된 전자들이 통과할 수 있도록 게이트전극(20) 상에는 에미터(11)의 형상과 동일한 원형의 게이트 홀(21)이 형성되어진다.

이때, 상기 게이트 홀(21)의 직경은 방출전류를 통과시킬 수 있도록 충분히 커야 한다.

그리고, 도 2의(b)는 에미터로부터 방출된 전자의 방출궤적을 나타낸 것으로서, 상기 도면을 통해 방출전자 빔의 반경이 증가, 즉 빔이 발산하는 형태를 볼 수 있다.

그리고, 상기 도면에서 밝게 표시된 부분의 전류밀도가 가장 높다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 종래의 전계 방출형 표시소자의 구조는 특히, 에미터(11)와 이에 대응하는 게이트 홀(21)의 형상을 모두 원형으로 형성하고 있는 것으로서, 이러한 구조의 동작특성은 원형의 에미터(11)와 원형의 게이트 홀(21)이 얼마나 정확히 정렬되는지 여부에 크게 의존하게 된다.

이러한 동작특성에 대해 보다 자세히 설명하면, 원형 에미터(11)와 원형의 게이트 홀(21)이 정확히 동심으로 정렬되는 경우 전계는 에미터(11)의 가장자리 부분에 강하고 고르게 형성되고, 이곳에서 전계 방출이 집중적으로 일어나게 된다.

그러나, 반대로 상기 에미터(11)와 게이트 홀(21)이 동심으로 정렬되지 않는 경우에는, 에미터(11)의 둥근 가장 자리 부분의 전계가 고르지 않게 되므로 방출전자의 균일한 분포를 기대할 수 없게 되는 문제가 있다.

그러므로, 상기와 같은 종래의 전계 방출형 표시소자에서 우수한 동작특성을 얻기 위해서는, 에미터(11)와 게이트전극(20)의 조립 시에 동심원을 맞추기 위한 세밀한 작업공정이 요구되어지는 것이지만, 실제 이로 인한 불량 발생률이 매우 높게 나타나고 있는 현실이다.

또한, 상기 음극부(10)에 프린팅 된 에미터(11)의 형상이 얼마나 원형에 가까운 정도로 이루어지느냐에 따라서도 동작특성이 크게 영향을 받게 되는 것으로 이에 따른 에미터들의 모양을 아주 균일하게 제작하기 위한 세심한 주의도 요구되는 것이다.

또한, 에미터(11)에서 방출된 전자빔은 도 2의 (b)와 같이 발산하는 모양을 가지므로 게이트 홀(21)와 에미터(11) 가장자리와의 간격을 잘 조정하지 않으면 게이트전극(20)으로 전류가 누출되어 양극부에 도달하는 전류가 적어져서 디스플레이의 밝기가 저하되고 소비전력이 높아지는 등 동작특성이 아주 나빠지는 문제가 발생하게 된다.

그리고, 발산되는 전자빔을 모아주는 부가적인 장치가 없으면, 옆에 있는 에미터(11)의 존재로 인하여 픽셀 사이의 cross-talk 현상이 생겨서 디스플레이 제작 시에 선명도가 현저하게 떨어지게 되는 문제가 아울러 발생 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 이용한 삼전극형태의 전계 방출형 표시소자의 양극과 게이트 전극 사이의 전계가 게이트 전극과 에미터 사이의 전계보다 강하게 형성되도록 구성함으로써, 소자의 제작이 용이하고, 조립 허용오차를 크게하여 균일한 전자방출 특성을 가지는 전자방출 에미터를 쉽게 제작할 수 있도록 하는 전계 방출형 표시소자를 제공하는데 목적이 있다.

그리고, 전자방출의 효율을 향상시키고 게이트전극에서의 누출전류를 최소화하여 저-전력, 고-효율의 전계 방출 디스플레이를 구현할 수 있도록 하는 전계 방출형 표시소자를 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 전자빔이 자동적으로 집속되도록 동작시킴으로써 전자원과 형광 픽셀이 1:1 대응되는 전계방출 디스플레이의 구현이 용이하며, 전자빔의 자체 집속으로 빔의 크기가 아주 작아져서 밝고 선명한 디스플레이 제작이 가능하도록 하는 전계 방출형 표시소자를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자는 전자방출 위한 에미터가 형성된 음극부와, 상기 음극부로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극과, 상기 게이트전극으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부로 이루어진 전계 방출형 표시소자에 있어서,

상기 에미터와 게이터전극 사이에 형성되는 전계 강도가 게이터전극과 양극부 사이의 전계 강도 보다 작게 형성되도록 전압을 인가하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략 사시도 이다.

동 도면에서 보여지는 바와 같이 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자는 전자방출 위한 에미터(111)가 형성된 음극부(110)와, 상기 음극부(110)로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극(120)과, 상기 게이트전극(120)으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부(130)로 이루어진다.

이때, 상기 음극부(110)를 구성하는 전자방출 물질인 탄소나노튜브(CNT)에서 전자를 인출하기 위하여 탄소나노튜브의 바로 위에 위치하는 전자인출 전극인 게이트전극(120)에 전압을 인가하여 탄소나노튜브의 끝단에 강한 전계를 형성하도록 하는데, 특히 상기 에미터(111)와 게이터전극(120) 사이에 형성되는 전계 강도가 게이터전극(120)과 양극부(130) 사이의 전계 강도 보다 작게 형성되도록 전압을 인가하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자는 종래 기술과는 달리 음극부(110)가 평면전극으로 이루어지고, 상기 평면으로 이루어지는 음극부(110) 위에 탄소나노튜브(CNT) 등의 전계방출 물질이 평평하게 도포 또는 증착되어진 에미터(111)를 형성하게 된다.

상기 게이트전극(120) 상에는 방출전자가 통과할 수 있도록 원형이나 기타 적절한 모양의 게이트 홀(121)을 형성하여 상기 에미터(111)와 평행하게 배치되도록 한다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 전계 방출 표시소자의 작용에 대해 설명하면, 우선, 종래 기술의 경우와 마찬가지로 본 발명에서도 에미터(111)와 게이트전극(120) 사이에 전압을 걸어줌으로써, 두 전극 사이에 전계를 형성시켜 전계 방출이 일어나도록 한다.

그러나, 에미터(111)에서 방출되는 전자가 게이트전극(120)의 게이트 홀(121)을 통과해서 양극부(130)쪽으로 집속 및 가속 되도록 하려면, 양극부(130)와 게이트전극(120)의 전위가 다음의 조건을 만족하도록 전압을 인가해야 한다.

= (Va / L) / (Vg / H ) > 1

상기 관계식은 음극의 전압을 0이라 할 때, Va, Vg는 각각 양극부(130)와 게이트전극(120)의 전압이고, L은 양극부(130)와 에미터(111) 사이의 간격, H는 게이트전극(120)과 에미터(111) 사이의 간격을 나타낸다.

도 4의 (a)는 〉1인 경우의 게이트 홀 근처에서의 전위분포를 나타내고, (b)는 〉1인 경우의 방출전자의 궤적을 나타낸 시뮬레이션 결과도이다.

동 도면에서 보여지는 바와 같이 = (Va / L) / (Vg / H ) > 1의 조건이 만족되는 전압을 인가하면, 에미터(111) 표면의 전계는 도 4의 (a)에서와 같이 게이트 홀(121) 아랫부분에서 강하게 형성되어 이곳에서 전계 방출이 일어나게 된다.

그리고, 상기 방출전자는 도 4의 (b)에서와 같이 게이트 홀(121)을 통과하여 양극부(130) 쪽으로 진행하면서 대칭축 쪽을 향하여 편향되어 집속하게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략 사시도 이다.

동 도면에서 보여지는 바와 같이 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자는 전자방출 위한 에미터(111)가 형성된 음극부(110)와, 상기 음극부(110)로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극(120)과, 상기 게이트전극(120)으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부(130)로 이루어진다.

이때, 양극부(130)와 에미터(111) 사이의 간격을 L이라 하고, 상기 게이트전극(120)과 에미터(111) 사이의 간격을 H라 하며, 상기 게이트전극(120) 상에 형성되는 게이트 홀(121)의 직경을 φ라 할 때, L = 500 ㎛, H = 20 ㎛, φ= 150 ㎛가 되도록 구성한다.

제 6도는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계방출 특성을 전산 시뮬레이션 한 결과도로서, (a)는 에미터 표면의 전계분포를 나타낸 것이고, (b)는 에미터로부터 방출되는 방출전류의 밀도분포를 에미터 바로 위에서 보인 것이다.

동 도면에서 보여지는 바와 같은 시뮬레이션 결과는 양극전압(Va)을 500V, 게이트 전압(Vg)을 15V로 사용하였고, 값은 1.33으로 하였을 경우의 결과로서, (a)에서 보여지는 바와 같이 전계 분포는 게이트 홀(121) 바로 아래 부분의 중앙에서 가장 강하고, 바깥쪽으로 감에 따라 부드럽게 감소되어짐을 볼 수 있다.

그리고, (b)에서 보여지는 바와 같이 상기 에미터로부터 방출되는 방출전류의 밀도분포도 이와 비슷하게 중앙부에서 가장 강하고 바깥쪽으로 가면서 부드럽게 감소한다.

제 7도는 본 발명의 일 실시 예에 따른 방출 전자들이 양극부로 진행하는 궤도를 시뮬레이션 한 결과도 이다.

동 도면을 통해, 전자빔이 전파되면서 그 직경이 점차 줄어드는 것을 알 수 있다. 이는 종래 기술을 보이는 도 2의 (b)에 보여지는 전자빔의 궤적이 발산되어지는 것과는 매우 대조적인 결과를 보이는 것이다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 갖게 된다.

첫째, 음극부와 에미터가 모두 평면 구조이므로 제작이 매우 쉬워지는 효과를 갖는다.

둘째, 에미터에 요철구조가 없기 때문에 게이트 홀과의 정렬이 매우 용이해짐으로 인해 조립공정이 빨라지게 되는 효과를 갖는다.

셋째, 전류가 에미터의 넓은 면에서 상대적으로 낮은 밀도로 방출되므로, 과 전류로 인한 에미터의 국소적 손상이 일어날 확률이 적어, 에미터의 동작 수명연장이 가능한 효과를 갖는다.

넷째, 방출된 전자빔이 양극부에 자체 집속되므로 형광면이 형성된 양극부에서의 전자빔 크기 조절이 용이해지는 효과를 갖는다.

다섯째, 전자방출의 효율을 향상시키고 게이트전극에서의 누출전류를 최소화하여 저-전력, 고-효율의 전계 방출 디스플레이를 구현할 수 있게 되는 효과를 갖는다.

도 1은 종래의 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도.

도 2는 종래의 전계 방출형 표시소자의 동작특성을 시뮬레이션 한 결과도.

도 3은 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략 사시도.

도 4의 (a)는 〉1인 경우의 게이트 홀 근처에서의 전위분포를 나타내고, (b)는 〉1인 경우의 방출전자의 궤적을 나타낸 시뮬레이션 결과도.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략 사시도.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계방출 특성을 전산 시뮬레이션 한 결과도.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 방출 전자들이 양극부로 진행하는 궤도를 시뮬레이션 한 결과도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

110: 음극부 111: 에미터

120: 게이트전극 121: 게이트 홀

130: 양극부 Va: 양극부 전압

Vg: 게이트전극 전압

L: 양극부와 게이트전극 사이 간격

H: 게이트전극과 에미터 사이 간격

Claims (4)

1. 전자방출 위해 전계방출 물질이 평평하게 도포된 에미터가 형성되며 평판전극으로 형성된 음극부와,

   상기 음극부로부터 전자를 인출하기 위하여 게이트 홀이 형성된 전자 인출전극인 게이트전극과,

   상기 게이트전극으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부가 포함되고,

   상기 에미터와 게이트전극 사이에 형성되는 전계 강도가 게이트전극과 양극부 사이의 전계 강도 보다 작게 형성되고, 상기 에미터 표면의 전계분포가 상기 게이트 홀 중앙부의 하측에서 가장 강하게 나타나고 상기 게이트 홀 주변부의 하측으로 갈수록 감소되도록 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 표시소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 에미터는 전자 방출 물질인 탄소나노튜브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 표시소자.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   음극부의 전압이 0인 경우, 양극부 전압을 Va라하고, 게이트 전극의 전압을 Vg라하며, 양극부와 에미터 사이의 간격을 H라 할 때, 다음의 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 표시소자.

   =(Va/L)/(Vg/H) > 1