KR100522092B1

KR100522092B1 - 냉음극 전자원과 그 구동방법 및 필드 에미션 디스플레이

Info

Publication number: KR100522092B1
Application number: KR10-2003-7004361A
Authority: KR
Inventors: 이데테츠야; 사와하타쥬니치; 우라야마마사오
Original assignee: 샤프 가부시키가이샤
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2005-10-18
Also published as: US20040085009A1; DE60135476D1; EP1329927A4; EP1329927A1; JPWO2002027745A1; KR20030045813A; EP1329927B1; US7078863B2; WO2002027745A1

Abstract

전자빔의 이용효율을 향상시킬 수 있고, 간단한 구조에 의해 실현할 수 있는 냉음극 전자원을 제공한다.

본 발명의 냉음극 전자원은, 기판(2)상에 절연층(3)을 통해 형성된 게이트전극(4)과, 이 절연층(3) 및 게이트전극(4)을 관통하여 제공된 게이트 개구부에 제공된 에미터(6)를 구비하고, 상기 에미터(6)로부터의 전자방출시에는, 애노드-에미터간 거리를 Ha [μm], 애노드-에미터간 전압을 Va [V], 게이트-에미터간 거리를 Hg [μm], 게이트-에미터간 전압을 Vg [V]로 한 경우, 10 [V/μm] ≥ (Va - Vg) / (Ha - Hg) ≥ Vg/Hg를 만족하고, 또한, Vg/Hg [V/μm] ≥ Va × 10^-4× (9.7 - 1.3 × ln(Hg)) × (1000/Ha)^0.5를 만족한다.

Description

냉음극 전자원과 그 구동방법 및 필드 에미션 디스플레이{COLD-CATHODE ELECTRON SOURCE AND DRIVING METHOD THEREOF, AND FIELD-EMISSION DISPLAY}

본 발명은 냉음극 전자원에 관한 것으로, 특히, 전자빔의 이용효율을 향상시킬 수 있는 냉음극 전자원 및 이 전자원을 사용한 필드 에미션 디스플레이에 관한 것이다.

전자방출에는, 열전자방출 이외에, 전계전자 방출, 2차전자 방출, 광전자 방출, 등이 있다. 냉음극은 전계전자 방출에 의해 전자방출을 행하는 음극이다. 전계전자 방출은, 물질의 표면 근방에 강전계(10⁹V/m)를 가하고, 표면의 포텐셜 장벽을 내림으로써 터널 효과에 의해 전자방출을 행하는 것이다.

냉음극은, 열음극과 같이 가열을 필요로 하지 않고, 그 전류-전압 특성은 파울러 노드하임 식에 근사할 수 있다. 전자방출부는, 절연을 유지하면서 강전계를 인가하기 위해, 전계집중정수를 크게하는 구조(침상(針狀) 등)를 갖고 있다.

초기의 냉음극은, 위스커와 같은 침상 단결정을 전계연마하여 사용한 2극관 구조였으나, 최근, 집적회로 또는 박막의 분야에 사용되고 있는 미세가공기술에 의해, 고전계에서 전자를 방출하는 전계방출형 전자원(필드 에미션 디스플레이) 제조기술의 진보는 현저하며, 특히 극소형의 구조를 갖는 전계방출형 냉음극이 제조되고 있다.

이와 같은 종류의 전계방출형 냉음극은, 3극관의 초소형 전자관 또는 초소형 전자총을 구성하는 주요부품중, 가장 기본적인 전자방출 디바이스이다. 구조의 미세화가 진행됨으로써, 전자원으로서는 열음극과 비교하여 높은 전류밀도를 얻을 수 있는 이점이 있다.

냉음극을 사용한 필드 에미션 디스플레이(FED)는 자발광형 플랫 패널 디스플레이에의 응용이 기대되고, 전계방출형 전자원의 연구, 개발이 활발히 행해지고 있다.

이와 같은 전계방출형 전자원의 동작 및 제조방법은, Stanford Research Institute의 C. A. Spindt 등에 의한 Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 12, pp.5248∼5263(1976)에 발표된 연구보고에 의해 공지되어 있고, 또한, C. A. Spindt 등에 의한 미국 특허 제3,665,241호의 명세서 및, H. F. Gray 등에 의한 미국 특허 4,307,507호의 명세서 등에 개시되어 있다.

이들 문헌에 개시된 전계방출형 전자원은, 모두 반도체기판이나 금속기판상에 형성된 돌기상의 전자방출부(에미터)를 갖고, 에미터의 주변에는 전자를 인출하는 전계를 인가하기 위한 게이트가 형성되어 있다. 게이트로의 전압인가에 의해 에미터로부터 방출된 전자는, 도8a와 같이 에미터 상방에 형성된 애노드를 향해 진행한다.

이들 냉음극전자원에서는, 전자를 방출시키기 위해 게이트-에미터간에 에미터로부터 전자를 방출시킬 수 있는 만큼의 높은 전계를 걸고, 애노드는 방출된 전자를 집속시키기 위해, 정(+)의 전압을 걸고 있으나, 애노드-게이트간의 전계는 게이트-에미터간의 전계보다 약하기 때문에, 방출된 전자가 확산되는 문제가 있다.

최근에는, 일본국 특개평 5-282990호 공보에 개시된 바와 같이, 에미터 부분에 다이아몬드 등의 저전계로 전자를 방출하는 재료를 사용하여, 애노드에 인가하는 전압에 의해 에미터로부터 전자를 인출하고, 게이트전극을 전자방출의 제어에 사용하는 공핍모드 전자방출장치용의 전자원이 개시되어 있다.

또한, 일본국 특개 2000-156147호 공보에 개시된 바와 같이, 애노드, 게이트 및 에미터로 이루어지는 전계방출형 소자에 있어서, 애노드-에미터간의 전계에 의해 전자방출을 행하고, 게이트-에미터간의 전계에 의해 전자빔의 집속을 행하는 냉음극 전계전자방출 소자가 개시되어 있다. 이 소자에 있어서, 게이트 개구의 면적은, 게이트 개구 저면의 면적보다 크게 제공된다. 또한, 구조에 관계없이 등전위선의 조건이 기재되어 있다.

FED에 사용되는 전계방출형 전자원의 재료는 다양하게 알려지고 있으나, 종래의 재료는 충분한 전자방출을 얻기 위해 실효치로서 1000 V/μm의 전계강도를 필요로 하기 때문에, 전술한 바와 같은 전계집중 정수를 크게하는 구조에 의해, 실 인가전계 강도로서 100 V/μm 정도의 값을 얻고 있다.

한편, 근년, 전자방출 재료로서, 카본 나노튜브(Carbon Nanotube)를 비롯한 탄소재료가 극히 적은 전계강도로 전자방출을 행하는 것이 확인되어, 주목되고 있다. 이세전자(伊勢電子)의 상촌(上村) 등은 SID 98 DIGEST, pp.1052∼1055에 있어서, 에미터에 카본 나노튜브를 사용하고, 도8e와 같은 게이트전극을 메쉬 또는 그리드 형태로 한 전계방출형 전자원을 제안하고 있다.

종래의 돌기상의 전자방출부를 갖는 냉음극 전자원에서는, 쌍엽전자(雙葉電子)의 이등벌생(伊藤筏生) 등이 일본 특개평 7-29484호 공보에 개시하고 있는 바와 같이, 도8b와 같은 집속전극을 제공하여 전자가 확산되는 것을 억제하고 있다. 이 때문에 제조공정이 증가하고 구조가 복잡하게 되는 문제가 있다.

또한, 에미터에 전자를 방출하기 쉬운 재료를 사용하는 경우는, 애노드-에미터간의 전계로 충분히 전자를 방출시킬 수 있기 때문에, 일본 특개평 5-282990호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 공핍모드로 동작시키는 것도 고려된다. 공핍모드는, 에미터로부터의 전자방출을 제어하는 전압을 게이트전극에 인가하여 전자의 통로를 좁게하여, 전자의 방출을 제어하는 수법이기 때문에, 게이트 근방의 에미터영역에서는 전자방출이 행해지지 않고, 도8c와 같이 전계가 강한 영역이 게이트홀 중심 부근의 에미터에 한정되기 때문에 에미터상에서 전자를 방출하는 영역이 좁아지게 되어, 에미터의 이용효율이 나쁘다.

또한, 일본 특개 2000-156147호 공보에 있어서는, 게이트전극은 전자빔의 집속을 위해 이용되고 있고, 도8d와 같이 게이트 개구의 면적을 게이트 개구 저면의 면적보다 크게하는 구조를 취하기 때문에, 애노드로부터의 전계를 완전히 억제하는 것이 곤란하며, 제조공정도 복잡해진다. 또한, 등전위선의 조건만으로는 집속에 관한 일반조건뿐으로 정확한 해석이 행해지지 않는다.

또한, SID 98 DIGEST, pp. 1052∼1055에 있어서는, 도8e와 같이, 메쉬 또는 그리드 형태의 게이트전극을 사용하기 때문에, 게이트전극을 에미터에 근접시키는 것이 곤란하며, 또한 게이트 개구 바로아래 이외에도 에미터가 존재하기 때문에, 게이트전극에 흐르는 전류가 증가하게 된다. 애노드전극에 도달하고, 형광체를 발광시키는 전자 이외는 손실로 되기 때문에 효율이 저하하게 된다.

본 발명의 목적은, 전자빔의 이용효율을 향상시킬 수 있고, 간단한 구조에 의해 실현할 수 있는 냉음극전자원 및 이 전자원을 사용한 필드 에미션 디스플레이를 저렴하게 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 냉음극전자원과 애노드전극(1)에 의해 구성되는 장치를 설명하는 도면이다.

도2는 본 발명의 제1 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 애노드전압 5000V, 애노드-에미터간의 거리 1000 μm, 게이트전압 Vg를 5V∼60V로 변화시켰을 때의 빔궤도를 설명하는 도면이다.

도3은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 게이트-에미터간의 거리를 50μm ∼ 250μm 까지 변화시키고, 2Ra=Dg를 만족하는 게이트-에미터간의 거리와 게이트-에미터간의 전계강도를 플로트한 도면이다.

도4는 본 발명의 제1 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 게이트-에미터간의 전계강도와 빔스폿 및 전류밀도의 변화를 플로트한 도면이다.

도5는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 냉음극전자원과 애노드전극(1)에 의해 구성되는 장치를 설명하는 도면이다.

도6은 본 발명의 냉음극전자원을 사용한 전자원 어레이도이다.

도7은 본 발명의 제3 실시형태의 단면도이다.

도8은 종래 기술을 설명하는 도면으로, 도8a는 콘형 에미터를 사용한 냉음극전자원의 등전위면의 단면도, 도8b는 집속전극을 사용한 냉음극전자원의 등전위면의 단면도, 도8c는 공핍모드를 사용한 냉음극전자원의 등전위면의 단면도, 도8d는 집속용 게이트전극을 사용한 냉음극전자원의 등전위면의 단면도, 도8e는 메쉬형태 게이트를 사용한 냉음극전자원의 등전위면의 단면도, 도8f는 집속용 게이트전극을 사용한 냉음극전자원의 등전위면의 단면도이다.

도9는 본 발명의 제1 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 애노드전압 5000V, 애노드-에미터간의 거리 1000 μm, 게이트개구폭 20μm, 에미터폭 16μm, 게이트-에미터간의 거리 20 μm, 게이트 두께 10μm, 게이트전압 20V ∼ 100V로 변화시켰을 때의 빔스폿 직경을 설명하는 도면이다.

도10은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 애노드전압 5000V, 애노드-에미터간의 거리 1000 μm, 게이트개구폭 3μm, 에미터폭 2.6μm, 게이트-에미터간의 거리 3 μm, 게이트 두께 0.5μm, 게이트전압 3V ∼ 15V로 변화시켰을 때의 빔스폿 직경을 설명하는 도면이다.

도11은 본 발명의 제1 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 원형의 게이트개구를 형성, 제작, 평가한 전자원의 구성, 빔스폿 직경이 최소로 되는 전계강도, 빔스폿 직경 ≤ 게이트개구 직경을 만족하는 게이트 : 에미터간 전계강도 영역 및 빔스폿 직경 ≤ (2 × 게이트개구 직경)을 만족하는 게이트 : 에미터간 전계강도 영역을 정리한 도면이다.

본 발명의 냉음극 전자원은, 기판상에 절연층을 통해 형성된 게이트와, 이 절연층 및 게이트전극을 관통하여 제공된 게이트 개구부에 제공된 에미터를 구비하고, 상기 에미터로부터의 전자방출시에는, 애노드-에미터간 거리를 Ha [μm], 애노드-에미터간 전압을 Va [V], 게이트-에미터간 거리를 Hg [μm], 게이트-에미터간 전압을 Vg [V]로 한 경우,

10 [V/μm] ≥ (Va - Vg) / (Ha - Hg) ≥ Vg/Hg

를 만족하고, 또한,

Vg/Hg [V/μm] ≥ Va × 10^-4× (9.7 - 1.3 × ln(Hg)) × (1000/Ha)^0.5

를 만족하는 것이다.

또한, 상기 게이트 개구부의 개구폭을 Dg로 한 경우, Dg/Hg ≤ 5/3을 만족함으로써, 애노드-게이트간의 전계강도가 게이트-에미터간의 전계강도보다 높은 경우에 에미터로부터의 전자방출을 억제할 수 있다.

또한, 상기 에미터로부터의 전자방출시에는,

(Va-Vg) / (Ha - Hg) ≒ Vg/Hg

를 만족함으로써, 에미터로부터 방출된 전자는, 애노드를 향해 실질적으로 평행하게 진행하기 때문에, 게이트 개구의 직경과 실질적으로 같은 크기대로 애노드에 도달시킬 수 있다.

또한, 상기 게이트 개구부의 개구폭을 Dg로 한 경우, Dg/Hg ≤ 2/1을 만족함으로써, 애노드-게이트간의 전계강도가 게이트-에미터간의 전계강도보다 높은 경우에 에미터로부터의 전자방출을 억제할 수 있다.

다른 관점에 있어서 본 발명은, 상기 냉음극 전자원이 2차원 매트릭스형태로 형성되어 있는 필드 에미션 디스플레이이다.

본 발명의 냉음극 전자원은, 애노드-게이트간의 전계를 게이트-에미터간의 전계보다 강하게 함으로써 전계의 방향을 전자가 집속하는 방향으로 향하게 하고, 게이트전극을 집속전극으로서도 기능하도록 한다. 이에 따라, 집속전극을 별도로 마련할 필요가 없어, 제조공정을 단순화함과 동시에, 평면상의 에미터를 사용한 경우, 게이트전극에는 전자가 실질적으로 방출되지 않도록 할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 애노드-에미터간 거리를 Ha [μm], 애노드 전압을 Va [V], 게이트-에미터간을 Hg [μm], 게이트 전압을 Vg [V]로 한 경우,

Vg/Hg [V/μm] ≥ Va × 10^-4× (9.7 - 1.3 × ln(Hg)) × (1000/Ha)^0.5

를 만족함으로써, 집속된 전자빔이 애노드면에 초점을 맺지 않아도, 애노드면에 있어서의 빔 스폿 사이즈가, 에미터면적 또는 게이트 개구면적보다 크게되지 않는 것을 가능하게 하는 것이다.

또한, 바람직하게는, 표시화소의 휘도가 피크 휘도의 1/1000로 될때 까지, 전자빔의 애노드 도달시의 스폿 사이즈가 에미터면적 또는 게이트개구 면적보다 크게 되지 않는 조건으로 함으로써, 크로스토크의 방지를 가능하게 하는 것이다.

또한, 바람직하게는, 10 V/μm 이하의 전계강도로 전자방출을 행하는 재료를 에미터에 사용함으로써, 방전 등에 의한 절연파괴의 방지를 가능하게 하는 것이다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 예는, Va ≒ 1000 [V], Ha ≒ 200 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]에 있어서, 5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 1.5 [V/μm]의 식을 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 2500 [V], Ha ≒ 500 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]에 있어서, 5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 1.8 [V/μm]의 식을 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 5000 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]에 있어서, 5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 3.3 [V/μm]의 식을 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 7500 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]에 있어서, 7.5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 5.0 [V/μm]의 식을 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 10000 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]에 있어서, 10 [V/μm] ≒ Vg/Hg를 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 7500 [V], Ha ≒ 1500 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]에 있어서, 5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 3.7 [V/μm]의 식을 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 15000 [V], Ha ≒ 1500 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]에 있어서, 10 [V/μm] ≒ Vg/Hg의 식을 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 1000 [V], Ha ≒ 200 [μm], Dg ≒ 3 [μm], Hg ≒ 1.8 [μm]에 있어서, 5 [V/μm] ≒ Vg/Hg ≥ 2 [V/μm]의 식을 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 5000 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 3 [μm], Hg ≒ 1.8 [μm]에 있어서, 5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 3.75 [V/μm]의 식을 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 7500 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 3 [μm], Hg ≒ 1.8 [μm]에 있어서, 7.5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 4.9 [V/μm]의 식을 만족한다. 본 발명의 냉음극전자원의 구동방법의 다른 예는, Va ≒ 10000 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 3 [μm], Hg ≒ 1.8 [μm]에 있어서, 10 [V/μm] ≒ Vg/Hg ≥ 7 [V/μm]의 식을 만족한다.

본 명세서는 본원의 우선권의 기초인 일본국 특허출원 특원 2000-296787호의 명세서 및/또는 도면에 기재된 내용을 포함한다.

이하, 본 발명의 실시형태를 첨부 도면과 대응하여 상세히 설명한다.

본 전자원은 기판(2) 상에 형성되는 절연층(3), 이 절연층(3)상에 형성되는 게이트전극(4)에 의한 적층구조를 갖고 있고, 절연층(3)과 게이트전극(4)을 관통하는 홀(게이트개구부)에는, 기판(2)상에 에미터(6)가 형성되어 있다.

에미터(6)에는, 카본 나노튜브 10wt%를 시판되는 소성형(燒成型) 은페이스트에 분산시킨 것을 스크린인쇄에 의해 도포한 것을 사용했다. 에미터재료는 10 V/μm 이하의 전계강도로 10 mA/cm² 정도의 전류밀도가 얻어지는 재료이면, 카본 나노튜브에 한정되지 않는다. 또한, 에미터 형성수단도 스크린 인쇄에 한정되지 않는다.

애노드-게이트간의 전계강도가, 게이트-에미터간의 전계강도보다 강할 때, 게이트홀의 개구직경이 크면 게이트전압 Vg가 0 V에서도 에미터(6)로부터 전자가 방출되기 때문에, 게이트의 개구폭 Dg(2Re)와 게이트-에미터간 거리 Hg와의 비는, 본 실시형태에서는 Dg/Hg ≤ 5/3을 만족하는 것이 바람직하다.

다음, 스크린인쇄에 의해 20μm 두께의 절연층(3)을 형성하고, 그 상부에 5μm 두께의 게이트전극(4)을 형성했다. 본 실시형태에서는, 게이트는, 20μmφ의 원형의 개구를 갖는 형상으로 했으나, 와플형이나 스트라이프형도 좋으며, 그 형상은 특별히 한정되지 않는다.

애노드전극(1)에는, CRT(Cathode Ray Tube)에 사용되는 형광체 P22를 도포하고, 그 위에 메탈백을 형성한 기판을 사용했다.

전자빔(8)은, 게이트전압에 의한 집속효과로 노드면보다 앞에 초점을 형성하는 경우, 도1에 보인 초점 Lc를 형성하고, 그 후는 역으로 확산하며, 애노드전극(1)의 위치 La에 있어서 반경 Ra의 스폿을 형성한다.

도2는 본 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 애노드전압 Va = 5000V, 애노드-에미터간의 거리 Ha = 1000 μm, 게이트전압을 10V∼60V로 변화시켰을 때의 전자빔의 궤도를 설명하는 도면이다.

여기에서는, 도1의 L을 종축으로, 빔스폿 반경 Rs를 횡축으로 취해 빔궤도룰 나타내고 있다. Vg ＜ 60V에서는, 초점 Lc 통과후의 빔의 확산에 의해 애노드면에 있어서 그의 스폿 2Ra가 넓어지는 결과를 보이고 있다.

도3은 본 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 게이트-에미터간 거리를 50 μm∼250μm 까지 변화시킨 구성에 있어서, 2Ra=Dg를 만족하는 게이트-에미터간 거리와 게이트-에미터간의 전계강도를 플로트한 도면이다.

여기에서는, 20μmφ의 구멍가공을 행하고, 게이트의 개구폭 Dg를 20μm로 한 50μm 두께의 절연시트를 적층하고, 그의 최상부에 게이트전극을 형성한 것을 에미터(6)상에 배치함으로써, 게이트의 높이를 10μm∼300μm 까지 변화시킨 구성에 있어서, 애노드면에서의 빔스폿 2Ra와 게이트의 개구폭 Dg가, 2Ra = Dg를 만족하는 게이트 높이와 게이트-에미터간의 전계강도를 플로트하고 있다

그의 변화량은 대수근사에 근사할 수 있다. 근사곡선보다도 위의 영역이, 애노드면에서의 빔스폿 2Ra가, 게이트 개구폭 Dg보다도 작은 영역으로 되고, 그 조건을 만족하는 구성이 선택되는 것이 바람직하다.

또한, 게이트 개구폭, 에미터-애노드간의 거리가 일정한 경우, 게이트 높이를 높게 함으로써, 보다 낮은 전계강도로 동일한 효과를 얻을 수 있어, 게이트-에미터간의 절연유지에는 유리하나, 동작전압이 높아지기 때문에, 구동면에서는 바람직하지 않다.

이 결과 및 일반적으로 진공갭에서의 절연내압이 10kV/μm이고, Vg/Hg가 (Va-Hg)/(Ha-Hg)보다 크게 되는 경우, 게이트전압에 의해 전자가 인출되기 때문에, 전자빔이 확산되어버리는 것을 고려하여, 스폿 직경이 애노드면에 있어서 넓어지지 않는 조건식으로서,

10 [V/μm] ≥ (Va - Vg) / (Ha - Hg)

≥ Vg/Hg

≥ Va × 10^-4× (9.7 - 1.3 × ln(Hg))

× (1000/Ha)^0.5 ....... (1)

이 도출된다.

본 실시형태에서는, 상기 조건식을 만족하는 구성으로서, 애노드전압 Va = 5000V, 애노드-에미터간의 거리 Ha는 1000μm, 게이트 높이 Hg=20μm, 게이트 전압 Vg=60V를 선택했다. 메탈백을 형성한 형광체 P22에 있어서, 충분한 전자투과율 및 발광휘도가 얻어지는 애노드전압과, 스크린인쇄로 형성이 용이한 게이트 높이로서 이 구성을 선택했으나, 이 구성에 한정되는 것은 아니다.

여기에서, 게이트개구부 저면에 형성하는 에미터의 면적을 바닥면적의 64%로 하고, 또한 게이트개구부의 중심에 위치함으로써, 애노드면에서의 스폿 사이즈를 변화시키지 않고, 게이트전압 Vg를 60V로부터 40V로 저전압화 할 수 있다.

도4는, 본 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 게이트-에미터간의 전계강도와 빔스폿 및 전류밀도의 변화를 플로트한 도면이다.

여기에서는, 3V/μm의 전계강도에 있어서, 10mA/cm²의 전류밀도의 에미션이 얻어지는 카본 나노튜브 에미터를 사용하여, 게이트전압을 변화시켰을 때의 빔스폿 및 전류밀도의 변화를, 전계강도를 종축에 취해 플로트하고 있다.

전계강도가 2.5 V/μm로 되었을 때, 스폿직경은, 1.75배로 되나, 전류밀도가 3 V/μm시의 4% 정도로 되고, 휘도는 전류밀도와 거의 비례관계에 있기 때문에, 이 상태에서는 크로스토크도 그만큼 두드러지지 않게 된다. 게이트전압 Vg를 60∼40V 사이에서 변화시킴으로써 전자의 방출량을 콘트롤할 수 있어, FED에 사용하면 계조를 취할 수 있다.

다음, 게이트개구부 형상이 정방형인 경우에 에미터폭 2Re를 게이트개구폭 Dg보다 작게한 경우의 실시예를 개시한다.

도9는 본 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 애노드전압 Va = 5000V, 애노드-에미터간의 거리 Ha = 1000 μm, 게이트-에미터간 거리 Hg = 20 μm, 게이트개구폭 Dg = 20μm, 에미터폭 2Re = 16μm, 게이트 두께 10μm, 게이트전압을 20V ∼ 100V로 변화시켰을 때의 전자빔의 애노드에서의 스폿 직경(2Ra)을 플로트한 도면이다.

이 경우, 스폿 직경(2Ra)은, 이하의 식에 근사될 수 있다.

(2Ra) = 0.017 × Vg² - 2.7 × Vg + 112

이 경우, 게이트전압 Vg = 35V(게이트-에미터간 전계강도 Eg = 1.75V/μm)로 되었을 때, 스폿직경은 2배로 되나, 전류밀도가 게이트전압 Vg = 52V(게이트-에미터간 전계강도 Eg = 2.6V/μm) 시의 4% 정도로 되고, 휘도는 전류밀도와 거의 비례관계에 있기 때문에, 이 상태에서는 크로스토크도 그만큼 두드러지지 않게 된다. 게이트전압 Vg를 52V∼35V 사이에서 변화시킴으로써 전자의 방출량을 콘트롤할 수 있어, FED에 사용하면 계조를 취할 수 있다.

또한, 에미터폭 2Re가, 게이트개구폭 Dg와 같은 경우의 게이트전압 Vg의 변화범위 60V ∼ 40V에 대하여, 동작전압의 저전압화가 가능하게 된다.

다음, 게이트-에미터간 거리를 더욱 근접시키고, 에미터폭 2Re를 게이트개구폭 Dg보다 작게한 경우에 대한 실시예를 개시한다.

이 경우의 게이트절연막은, 졸겔법에 의해 형성하고, 게이트개구는 노광장치에 의한 패터닝에 의해 형성했다. 게이트절연막의 제작법은 졸겔법에 한정되지 않고, 절연필름을 라미네이트하여도 좋고, 감광성 폴리이미드 등도 사용하여, 도포, 패터닝하여도 좋다. 이 수법은 특별히 한정되지 않는다.

도10은 본 실시형태에 의한 전자원에 있어서, 애노드전압 Va = 5000V, 애노드-에미터간의 거리 Ha = 1000 μm, 게이트-에미터간 거리 Hg = 3 μm, 게이트개구폭 Dg = 3μm, 에미터폭 2Re = 2.6μm, 게이트 두께 0.5μm, 게이트전압을 3V ∼ 15V로 변화시켰을 때의 전자빔의 애노드에서의 스폿 직경(2Ra)을 플로트한 도면이다.

이 경우, 스폿 직경(2Ra)은, 이하의 식에 근사될 수 있다.

(2Ra) = 0.36 × Vg² - 8.7 × Vg + 54.2

이 경우, 게이트전압 Vg = 9V(게이트-에미터간 전계강도 Eg = 3V/μm)로 되었을 때, 스폿직경은 1.3배로 되나, 전류밀도가 게이트전압 Vg = 14V(게이트-에미터간 전계강도 Eg = 4.7V/μm) 시의 4% 정도로 되고, 휘도는 전류밀도와 거의 비례관계에 있기 때문에, 이 상태에서는 크로스토크도 그만큼 두드러지지 않게 된다. 게이트전압 Vg를 14V∼9V 사이에서 변화시킴으로써 전자의 방출량을 콘트롤할 수 있어, FED에 사용하면 계조를 취할 수 있다.

또한, 이 경우는, 동작전압이 14V이고, 기존의 드라이버를 사용할 수 있기 때문에, 구동회로의 저코스트화도 가능하게 된다.

에미터폭 2Re가, 게이트개구폭 Dg와 같은 경우, 게이트전압 Vg를 14V ∼ 9V 사이에서 변화시킨 경우, 스폿직경은 4배로 되기 때문에, 에미터폭 2Re를 게이트개구폭 Dg보다 작게한 경우, 크로스토크가 저감될 수 있다.

또한, 동일한 스폿직경의 변화량에서는, 게이트전압 Vg의 변화범위는 10V ∼ 6.7V도 좋으며, 동작전압의 저전압화가 가능하게 된다.

다음, 게이트 개구 형상이 원형인 경우의 실시예를 개시한다.

도11은 제작, 평가한 전자원의 구성, 빔스폿 직경이 최소로 되는 전계강도, 빔스폿 직경 ≤ 게이트개구 직경을 만족하는 게이트 : 에미터간 전계강도 영역 및 빔스폿 직경 ≤ (2 × 게이트개구 직경)을 만족하는 게이트 : 에미터간 전계강도 영역을 정리한 것이다.

여기에서의 빔스폿 직경은, 애노드(형광체)면에서의 빔스폿 직경이고, 게이트 : 에미터간 전계강도는, 게이트전압/(게이트:에미터간 거리)의 것이고, 애노드:에미터간 전계강도는 애노드전압/(애노드:에미터간 거리)의 것이다.

빔스폿 직경 ≤ 게이트개구 직경을 만족하는 게이트 : 에미터간 전계강도 영역이 없는 경우는, 무(無)로 표기함과 동시에, 최소의 빔스폿 직경으로 되는 전계강도 및 그 때의 빔스폿 직경/게이트개구 직경의 값을 기재하고 있다.

도11의 영역 1은, 스페이서 높이를 1.5 mm 까지 허용하고, 애노드전압을 고전압화함으로써, 휘도 확보가 용이하게 된다. 또한, 휘도 확보를 위해 필요한 전류량이 감소하기 때문에, 장수명화를 기대할 수 있다.

도11의 영역 2는, 저속전자선 여기 형광체를 사용한 FED, 또는 형광표시관 (VFD)에의 이용이 고려된다. 이 영역에서는, 빔스폿이 넓어지지 않는 게이트 : 에미터간 전계강도 영역을 넓게 취할 수 있기 때문에, 전자방출재료의 선택폭이 넓다.

또한, 금후, 고속전자선 여기 형광체(CRT용 P22 등)의 개량에 의한 저전압영역에서의 휘도개선이 도모되는 경우, 고속전자선 여기 형광체를 사용한 FED의 구성으로 되는 것도 고려된다.

도11의 영역 3은, 현상의 FED의 구성에 최적한 게이트 : 에미터간 전계강도 영역을 나타낸다.

각 구성에 있어서, 빔스폿 직경 ≤ 게이트개구 직경을 만족하는 게이트 : 에미터간 전계강도 영역에서의 사용이 바람직하나, 그 중에서도, 빔스폿 직경이 최소로 되는 전계강도보다도 높은 영역에서 사용함으로써, 방출전류 감소시(인가전압 감소시)의 빔스폿 직경의 확산을 방지할 수 있다.

또한, 빔스폿 직경 ≤ 게이트개구 직경을 만족하는 게이트 : 에미터간 전계강도 영역에서의 사용이 바람직하나, 에미터형성 영역에 대하여 애노드측의 화소영역의 면적이 큰 경우에는, 보다 넓은 게이트 : 에미터간 전계강도 영역에서 사용하는 것이 가능하게 된다.

예컨대, 빔스폿 직경이 게이트개구 직경의 2배까지 허용되면, 도11중의 빔스폿 직경 ≤ (2 ×게이트개구 직경)을 만족하는 게이트 : 에미터간 전계강도 영역을 사용할 수 있다.

특히, 게이트개구 직경 3μm의 경우와 같이 게이트를 에미터에 근접시킨 경우, 애노드:에미터간 거리가 1mm 이상에서는, 빔스폿 직경을 게이트 개구직경 이하로 하는 것은 곤란하며, 구동전압을 내리기 위해서는, 빔스폿 직경이 게이트 개구직경의 4∼5배 정도로 되는 것을 허용하는 구성으로 되도록, 화소사이즈를 에미터사이즈보다 크게 취하는 것이 바람직하다.

또한, 게이트높이 : 게이트직경비를 3 : 5로 한 경우, 방출전류를 제어할 수 있는 구성으로서는, 게이트절연층의 막두께를 최소로 할 수 있기 때문에 제작이 용이하게 된다.

또한, 게이트높이 : 게이트직경비를 1 : 1로 한 경우, 게이트높이 : 게이트직경비가 3 : 5인 경우와 비교하여, 빔스폿 직경이 넓어지는 것을 억제할 수 있다.

본 실시형태에 의한 전자원을 사용한 구동방법에 의해, 전계의 방향을 전자가 집속되는 방향으로 향하게 할 수 있어, 간단한 구조로 전자의 확산을 억제할 수 있다. 또한, 에미터 전체로부터 전자가 방출되어, 에미터의 면적이용효율을 높일 수 있다.

도5는 본 발명의 제2 실시형태에 의한 냉음극전자원과 애노드전극(1)에 의해 구성되는 장치를 설명하는 도면이다. 상술한 제1 실시형태와 동일한 구성에는 동일한 부호를 부기하고 설명을 생략한다.

본 전자원은, 기판(2)상에 형성되는 절연층(3), 이 절연층(3)상에 형성되는 게이트전극(4)에 의한 적층구조를 갖고, 절연층(3)과 게이트전극(4)을 관통하는 홀에는, 기판(2)상에 에미터(6)가 형성되어 있다.

본 실시형태에서는, 상기 식(1)에 대응하여,

10 [V/μm] ≥ (Va - Vg) / (Ha - Hg) = Vg/Hg ≥ 0 .... (2)

로 하고, 애노드-게이트간의 전계와 게이트-에미터간의 전계가 같게 되도록 한 게이트전압으로서 구동한다.

예컨대, FED에서 내압을 고려하고 애노드-게이트 사이를 넓게 한 경우를 고려하여, 애노드전압 Va = 5kV, 애노드-게이트간의 거리(Ha-Hg) = 1.7mm로 한다. 이 때의 애노드-게이트간의 전계는 3.0 V/μm로 된다.

게이트개구 직경이 크면 게이트전압 Vg가 0 V에서도 애노드로부터의 전계가 에미터면으로 진입하고, 에미터로부터 전자가 방출된다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 게이트의 개구폭 Dg와 게이트 상단으로부터 에미터까지의 거리 Hg의 비는, Dg/Hg ≤ 2/1을 만족하는 것이 바람직하다.

이 조건에서는, 게이트전압 Vg가 0 V시에 에미터면으로 진입하는 애노드로부터의 전계를 30% 이하로 억제할 수 있기 때문에, 애노드로부터의 전계만으로는 전계가 전자가 방출되지 않게 된다. 상술한 제1 실시형태에 의하 전자원에 의하면, 전압에 의해 전자의 수속량(收束量)이 변화하여 전자빔의 스폿사이즈가 변화하고, 또한 애노드-게이트간의 거리에 의해서도 전자빔의 스폿사이즈가 변화하나, 본 실시형태에서는, 전자가 애노드를 향해 거의 평행하게 진행하기 때문에, 전자빔은 애노드-에미터간의 거리에 의하지 않고, 게이트개구 직경과 거의 동일한 크기 대로 애노드에 도달한다.

도7은, 상술한 제1 또는 제2 실시형태에 의한 전자원을 사용하여 매트릭스 형태로 배치함으로써 구축한 FED를 설명하는 도면이다. 상술한 제1 또는 제2 실시형태와 동일한 구성에는 동일한 부호를 부기하고 그 설명을 생략한다.

도7에 보인 FED는, 2차원 매트릭스상에 배열된 각 화소에 대응하여 상기 전자원을 갖는 캐소드 패널(리어플레이트(10)상에 제공되는 구성 전체)와, 이 패널과 스페이서(16)를 통하여, 상기 전자원으로부터 전계방출되는 전자와의 충돌에 의해 여기되어 발행하는 형광체층을 갖는 애노드 패널(페이스 플레이트(12)상에 제공되는 구성 전체)에 의해 구성된다.

본 실시형태에서는, 페이스 플레이트(12)나 리어플레이트(10)는 글래스 기판을 사용하고, 블랙매트릭스(15)에 제공되는 형광체(14)는 CRT와 같이 P22를 사용한다.

게이트전극(4)이나 캐소드라인(11)은, 니오브를 증착으로 퇴적하여 형성하고 있으나 니오브 이외의 금속을 사용해도 좋고, 증착이 아닌 스퍼터링이나 스크린인쇄를 사용하여 배선해도 좋다.

에미터(6)의 재료에는, 카본 나노튜브를 사용했으나, 카본 나노튜브가 아니라도, 다이아몬드 등의 저전계로 전자를 방출하기 쉬운 물질을 사용하면 좋다.

도6은 도7에 보인 FED의 구동을 설명하기 위한 도면이다.

여기에 예시되어 있는 FED에는, 리어플레이트(10)상에 6본의 에미터라인(6)이 형성되어 있고, 각 에미터라인(6)에 인가되는 펄스전압이 도시되어 있다. 또한, 6본의 에미터라인(6)과 실질적으로 직교하도록 3본의 게이트라인(4)이 형성되어 있고, 각 게이트라인에 인가되는 펄스전압이 도시되어 있다.

이 FED는 게이트라인 전압을 순차 주사하고 있고, 에미터라인 전압을 변화시킴으로써 구동된다. 구체적으로는, 제1∼3단의 각 게이트라인에 펄스전압이 인가되고, 각 에미터라인 전압에 따라 전자가 애노드(도시하지 않음)의 방향으로 방출되어 형광층의 소정 위치가 발행한다. 여기에서는 계조를 에미터(6)의 전압을 변화시켜 취했으나, 에미터(6)의 전압을 고정하여 에미터라인의 전압펄스의 폭을 변화시켜 계조를 취해도 좋다.

본 실시형태에서는, 하나의 형광체(14)에 하나의 에미터(6)를 사용하는 구성으로 했으나, 하나의 형광체(14)에 복수의 에미터를 사용하는 구성으로 해도 좋다. 본 실시형태에서는, 게이트라인을 순차 조작하는 구동법을 취했으나 캐소드라인을 순차 구동하는 방법을 취해도 좋다.

이와 같이 구동함으로써, 등전위면(5)이 게이트 근방에 있어서 도1 또는 도5에 도시한 바와 같이 항상 에미터(6)측을 향해 볼록(凸) 또는 평행하게 된다. 전자는 등전위면(5)에 대해 수직방향으로 힘을 받기 때문에, 전자는 애노드를 향해 진행하면서 집속 또는 평행하게 나이가게 된다. 따라서, 에미터로부터 방출되는 전자를 용이하게 집속시킬 수 있어, 간단한 제조공정에 의해 실현할 수 있다.

본 발명에 의하면, 애노드-게이트간의 전계를 게이트-에미터간의 전계보다 강하게 하거나 적어도 동등한 강도로 하는 구동방법을 취함으로써, 게이트전극만으로 전자빔량의 제어 및 전자빔의 집속이 가능하게 된다.

또한, 에미터 전체로부터 전자가 방출되어, 에미터의 면적이용효율이 높아진다.

또한, 집속전극이 없는 간단한 구조에서도 전자의 확산을 제어할 수 있다.

또한, 게이트전극의 개구부 저면에 형성되는 에미터의 면적이 바닥면적보다도 작고, 또한, 게이트개구부의 중심에 위치함으로써 구동전압의 저전압화가 가능하게 된다.

또한, 애노드-게이트간의 전계를 게이트-에미터간의 전계와 동등한 강도로 한 경우, 전자가 평행하게 나아가기 때문에,애노드의 위치에 무관하게 도달 전자빔의 직경이 거의 일정하게 되어, FED의 구조의 설계가 용이하게 된다.

또한, 에미터를 평면으로 하여 특정 영역에 전자방출이 집중되지 않기 때문에, 에미터가 파괴되지 않게 된다. 전자의 방출영역이 넓기 때문에, 많은 전류를 취할 수 있도록 된다.

또한, 카본 나노튜브와 같은 저전계로 전자를 방출하는 재료를 사용함으로써, 전자를 방출시키는 데 필요한 게이트-에미터간의 전계보다도 애노드-게이트간의 전계를 강하게 할 수 있게 된다.

또한, 집속전극을 사용하지 않는 간단한 구조이면서, 전자가 확산되지 않기 때문에 크로스토크가 발생하지 않게 되고, 전자가 효율적으로 형광체에 당접되는 필드 에미션 디스플레이가 가능하게 된다.

본 명세서에서 인용한 모든 간행물, 특허 및 특허출원을 그대로 참고로서 본 명세서에 취입하는 것으로 한다.

본 발명은 전자빔의 이용효율을 향상시킬 수 있고, 간단한 구조에 의해 실현할 수 있는 냉음극 전자원을 제공한다.

Claims

기판상에 절연층을 통해 형성된 게이트와, 이 절연층 및 게이트전극을 관통하여 제공된 게이트 개구부에 제공된 에미터를 구비하고, 상기 에미터로부터의 전자방출시에는, 애노드-에미터간 거리를 Ha [μm], 애노드-에미터간 전압을 Va [V], 게이트-에미터간 거리를 Hg [μm], 게이트-에미터간 전압을 Vg [V]로 한 경우,

10 [V/μm] ≥ (Va - Vg) / (Ha - Hg) ≥ Vg/Hg

를 만족하고, 또한,

Vg/Hg [V/μm] ≥ Va × 10^-4× (9.7 - 1.3 × ln(Hg)) × (1000/Ha)^0.5

를 만족하며,

상기 게이트 개구부의 개구폭을 Dg로 한 경우, Dg/Hg ≤ 5/3을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자원.
삭제
제1항에 있어서, 상기 에미터로부터의 전자방출시에,

(Va - Vg) / (Ha - Hg) ≒ Vg/Hg

를 만족하고, 또한, 상기 게이트 개구부의 개구폭을 Dg로 한 경우, Dg/Hg ≤ 2/1을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자원.
제1항 또는 제3항에 기재된 냉음극전자원이 2차원 매트릭스 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 필드 에미션 디스플레이.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 1000 [V], Ha ≒ 200 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]일 때,

5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 1.5 [V/μm]의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 2500 [V], Ha ≒ 500 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]일 때,

5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 1.8 [V/μm]의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 5000 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]일 때,

5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 3.3 [V/μm]의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 7500 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]일 때,

7.5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 5.0 [V/μm]의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 10000 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]일 때,

10 [V/μm] ≒ Vg/Hg를 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 7500 [V], Ha ≒ 1500 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]일 때,

5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 3.7 [V/μm]의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 15000 [V], Ha ≒ 1500 [μm], Dg ≒ 20 [μm], Hg ≒ 12 [μm]일 때,

10 [V/μm] ≒ Vg/Hg의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 1000 [V], Ha ≒ 200 [μm], Dg ≒ 3 [μm], Hg ≒ 1.8 [μm]일 때,

5 [V/μm] ≒ Vg/Hg ≥ 2 [V/μm]의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 5000 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 3 [μm], Hg ≒ 1.8 [μm]일 때,

5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 3.75 [V/μm]의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 7500 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 3 [μm], Hg ≒ 1.8 [μm]일 때,

7.5 [V/μm] ≥ Vg/Hg ≥ 4.9 [V/μm]의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.
제3항에 기재한 냉음극 전자원의 구동방법에 있어서, Va ≒ 10000 [V], Ha ≒ 1000 [μm], Dg ≒ 3 [μm], Hg ≒ 1.8 [μm]일 때,

10 [V/μm] ≒ Vg/Hg ≥ 7 [V/μm]의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 냉음극전자원의 구동방법.