KR100580645B1 - 이중 캐소드 전극을 가진 전계방출소자 및 전계방출표시소자 - Google Patents

Abstract

이중 캐소드전극을 구비한 전계방출소자 및 전계방출 표시소자가 개시된다. 개시된 전계방출소자는, 기판 상에 형성된 제1 캐소드전극과, 상기 제1 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극의 일부를 노출시키는 제1 캐버티를 가진 캐소드 절연층과, 상기 제1 캐버티의 바닥에 노출된 상기 제1 캐소드전극 위에 마련되는 전자방출원과, 상기 캐소드 절연층 상부에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 캐소드 홀이 형성된 제2 캐소드전극과, 상기 제2 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 부위에 제2 캐버티가 형성된 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층 상에 형성되며, 상기 제2 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트전극을 구비한다.

Description

이중 캐소드 전극을 가진 전계방출소자 및 전계방출 표시소자{Field emission device with double cathodes electrode and display adopting the same}

도 1은 종래의 전계방출소자의 일례를 도시한 단면도이다.

도 2는 종래의 전계방출소자의 다른 예를 도시한 단면도이다.

도 3은 게이트전극으로부터 이격된 위치에서의 전자의 속도를 시뮬레이션한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전계방출소자의 구조를 도시한 단면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자방출 표시소자를 도시한 도면이다.

도 6 및 도 7은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 전계방출 표시소자에 있어서의 전자빔 방출에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.

도 8은 전자빔의 직경을 좌우하는 제2 캐소드전극의 반경(A)과, CNT 에미터 및 제2 캐소드전극 사이의 전자방출거리(B)의 관계를 도시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 기판(배면기판) 120: 제1 캐소드전극

130: 캐소드 절연층 140: 제2 캐소드 전극

140a: 캐소드 홀 150: 게이트 절연층

160: 게이트전극 160a: 게이트 홀

171,172: 캐버티 190: 전자방출원(CNT 에미터)

210: 전면기판 220: 애노드전극

230: 형광층 240: 블랙 매트릭스

본 발명은 이중 캐소드 전극을 구비한 전계방출소자 및 전계방출 표시소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 게이트 전극 하부에 이중으로 캐소드 전극을 구비한 전계방출소자 및 전계방출 표시소자에 관한 것이다.

종래의 정보전달매체의 중요 부분인 표시장치의 대표적인 활용 분야로는 개인용 컴퓨터의 모니터와 텔레비젼 수상기 등을 들 수 있다. 이러한 표시장치는 고속 열전자 방출을 이용하는 음극선관(CRT; Cathode Ray Tube)과, 최근에 급속도로 발전하고 있는 평판표시장치(Flat Panel Display)로 크게 분류될 수 있다. 평판표시장치로는 액정표시장치(LCD; Liquid Crystal Display), 플라즈마 표시장치(PDP; Plasma Display Panel), 전계방출 표시소자(FED; Field Emission Display) 등이 있다.

상기 전계방출 표시소자는, 캐소드전극 위에 일정한 간격으로 배열된 전자방출원에 게이트로부터 강한 전기장을 인가함으로써 전자방출원으로부터 전자를 방출 시키고, 이 전자를 애노드전극의 형광물질에 충돌시켜 발광되도록 하는 표시장치이다. 이러한 전계방출소자의 전자방출원으로서 종래에는 몰리브덴(Mo)과 같은 금속으로 이루어진 마이크로 팁이 많이 사용되었으나, 최근에는 탄소나노튜브(CNT; Carbon NanoTube)가 주로 사용되고 있다. 탄소나노튜브를 사용하는 전계방출소자는 넓은 시야각, 높은 해상도, 저전력 및 온도 안정성 등에 있어서 장점을 가지므로, 자동차 항법(var navigation) 장치, 전자적인 영상장치의 뷰 파인더(view finder) 등의 다양한 분야에 이용 가능성이 있다. 특히, 개인용 컴퓨터, PDA(Personal Data Assistants) 단말기, 의료기기, HDTV(High Definition Television) 등에서 대체 디스플레이 장치로서 이용될 수 있다.

도 1과 도 2에는 종래의 전계방출소자의 두 가지 구조가 도시되어 있다.

먼저 도 1을 참조하면, 종래의 전계방출소자는 기판(10)과, 기판(10) 상에 순차 적층된 캐소드전극(11), 제1 절연층(12), 제1 게이트전극(13), 제2 절연층(14) 및 제2 게이트전극(15)을 구비한다. 상기 제1 및 제2 절연층(12, 14)에는 소정 직경을 가진 캐버티(cavity, 17)가 형성되어 있으며, 이 캐버티(17)에 대응하여 제1 및 제2 게이트전극(13, 15)에는 각각 제1 게이트 홀(13a)과 제2 게이트 홀(15a)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 캐버티(17)를 통해 노출된 캐소드전극(11) 위에는 전자방출원(19)이 마련되어 있다. 여기에서, 상기 기판(10)으로는 글래스 기판이 주로 사용되며, 상기 캐소드전극(11)은 투명한 도전성 물질인 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진다. 그리고, 상기 전자방출원(19)은 전술한 바와 같이 탄소나노튜브 또는 금속 팁으로 이루어진다.

그리고, 도 2에 도시된 종래의 전계방출소자도 기판(20)과, 기판(20) 상에 순차 적층된 캐소드전극(21), 제1 절연층(22), 제1 게이트전극(23), 제2 절연층(24) 및 제2 게이트전극(25)을 구비한다. 그리고, 제1 절연층(22)과 제1 게이트전극(23)에는 동일한 직경을 가진 제1 캐버티(27)와 제1 게이트 홀(23a)이 각각 형성되고, 제2 절연층(24)과 제2 게이트전극(25)에는 제1 캐버티(27)의 직경보다 큰 직경을 가진 제2 캐버티(28)와 제2 게이트 홀(25a) 각각 형성된다. 전자방출원(29)으로서 탄소나노튜브 또는 금속 팁은 제1 캐버티(27) 내부에 마련된다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 이중 게이트 구조를 전계방출소자는, 제2 게이트전극(15, 25)에 인가되는 전압을 조절함으로써 전자방출원(19, 29)으로부터 방출되는 전자빔의 확산(divergence)을 방지할 수 있다. 이에 따라, 전자빔이 애노드전극의 원하는 위치에 보다 작은 크기의 빔스폿으로 집속(focusing)되어 보다 선명한 화질의 구현이 가능한 장점을 가진다. 또한, 상기한 전계방출소자에 있어서는, 애노드전극과의 사이에 발생될 수 있는 전기적 아크가 애노드전극에 보다 가까운 제2 게이트전극(15, 25)을 통해 방전될 수 있다. 따라서, 상기 전기적 아크가 전자빔의 방출 기능을 하는 전자방출원(19, 29)과 캐소드전극(11, 21) 및 제1 게이트전극(13, 23)에 직접 영향을 미치지 않게 되는 장점도 있다.

특히, 도 1에 도시된 구조를 가진 전계방출소자는 좁고 깊은 캐버티(17)와 게이트 홀(13a, 25a)를 가짐으로써 전자방출원(19)으로부터 방출되는 전자빔의 포커싱 특성이 보다 우수한 장점이 있으며, 도 2에 도시된 구조를 가진 전계방출소자는 넓은 제2 캐버티(28)와 제2 게이트 홀(25a)를 가짐으로써 그 제조가 보다 용이 한 장점이 있다.

도 3은 게이트전극으로부터 이격된 위치에서의 전자의 속도를 시뮬레이션한 그래프이다. 도 3을 보면, 게이트전극으로부터 추출된 전자는 대향하는 애노드전극으로 가면서 그 속도가 가속되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 전자빔의 집속률을 향상시키기 위해서는 전자가 방출되는 초기에 전자빔을 집속시켜주는 것이 효과적이다.

그런데, 도 1과 도 2에 도시된 종래의 이중 게이트전극을 구비한 전계방출소자에 있어서는, 하나의 게이트전극을 사용하는 전계방출소자 보다 빔의 집속이 잘되지만, 제1 게이트전극으로부터 대략 5~10 ㎛ 이격된 곳에 위치한 제2 게이트전극으로 전자빔을 집속시, 이미 가속된 전자빔을 집속하는 효과가 감소되는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 특히 전자방출원으로부터 전자를 추출하는 게이트전극 하부에 2중 캐소드전극을 구비하여 전자빔의 집속을 초기단계에서 하여 전자빔의 집속율을 향상시킨 전계방출소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 전계방출소자를 구비하는 전자방출 표시소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이중 캐소드전극을 구비한 전계방출 소자는, 기판;

상기 기판 상에 형성된 제1 캐소드전극;

상기 제1 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극의 일부를 노출시키는 제1 캐버티를 가진 캐소드 절연층;

상기 제1 캐버티의 바닥에 노출된 상기 제1 캐소드전극 위에 마련되는 전자방출원;

상기 캐소드 절연층 상부에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 캐소드 홀이 형성된 제2 캐소드전극;

상기 제2 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 부위에 제2 캐버티가 형성된 게이트 절연층;

상기 게이트 절연층 상에 형성되며, 상기 제2 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트전극;을 구비한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전계방출 표시소자는,

서로 마주보며 소정 간격으로 배치된 전면기판 및 배면기판;

상기 전면기판의 내면에 순차적으로 적층된 애노드 전극 및 형광층;

상기 배면기판 상에 형성된 제1 캐소드전극;

상기 제1 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극의 일부를 노출시키는 제1 캐버티를 가진 캐소드 절연층;

상기 제1 캐버티의 바닥에 노출된 상기 제1 캐소드전극 위에 마련되는 전자방출원;

상기 캐소드 절연층 상부에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 캐소드 홀이 형성된 제2 캐소드전극;

상기 제2 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 부위에 제2 캐버티가 형성된 게이트 절연층;

상기 게이트 절연층 상에 형성되며, 상기 제2 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트전극;을 구비한다.

상기 캐소드 홀의 직경은 상기 제1 캐버티의 직경 보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 게이트 홀의 직경은 상기 제2 캐버티의 직경보다 큰 것이 바람직하다.

한편, 상기 제2 캐버티의 직경이 상기 제1 캐버티의 직경과 실질적으로 동일하며, 상기 게이트 홀의 직경은 상기 캐소드 홀의 직경 보다 큰 것이 바람직하다.

상기 전자방출원은 탄소나노튜브인 것이 바람직하다.

상기 캐소드 절연층의 높이는 상기 전자방출원의 높이보다 큰 것이 바람직하다.

상기 캐소드 절연층은 2~3 ㎛ 두께로 형성되며, 상기 제2 캐소드전극은 100~150 nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 및 제2 캐소드전극은 공통전극인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이중 캐소드전극을 가진 전계방출소자 및 전계방출 표시소자의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도 시된 것이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전계방출소자의 구조를 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전계방출소자는, 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 순차 적층된 제1 캐소드전극(120) 및 캐소드 절연층(130)과, 상기 캐소드 절연층(130) 상부에 마련된 제2 캐소드전극(140)을 구비한다. 상기 제2 캐소드전극(140) 상부에는 게이트 절연층(150) 및 게이트 전극(160)이 순차적으로 형성되어 있다.

상기 기판(110)으로는 절연물질인 글래스 기판이 주로 사용되며, 상기 제1 캐소드전극(120) 및 상기 제2 캐소드전극(140)은 도전성 물질, 예컨대 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 크롬(Cr)으로 제조된다. 이들 캐소드 전극(120,140)은 대략 100 ~ 150 ㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 캐소드 절연층(130) 및 게이트 절연층(150)은 제1 캐소드전극(120)의 일부를 노출시키는 각각 소정 직경의 캐버티(cavity)(171,172)를 가지며, 상기 캐버티(171,172)의 바닥에 노출된 제1 캐소드전극(120) 위에는 전자방출원(190)이 마련된다. 상기 캐버티(171,172)는 동일한 직경을 가지거나, 또는 캐버티(172)가 캐버티(171) 보다 큰 직경을 가지게 형성될 수 있다.

상기 전자방출원(190)으로는 몰리브덴(Mo)과 같은 금속으로 이루어진 마이크로 팁이 사용될 수도 있으나, 전술한 바와 같이 넓은 시야각, 높은 해상도, 저전력 및 온도 안정성 등에 있어서 여러가지 장점을 가진 탄소나노튜브(CNT)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 제2 캐소드전극(140)은 상기한 바와 같이 캐소드 절연층(130) 및 게이트 절연층(150) 사이에 마련된다. 이들 절연층(130,150)은 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. 상기 캐소드 절연층(130)은 증착공정으로 대략 2~3 ㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 제2 캐소드전극(140)에는 캐버티(171,172)의 직경보다 큰 직경을 가진 캐소드 홀(140a)이 형성된다. 즉, 제2 캐소드전극(140)의 캐소드 홀(140a)의 내주면과 캐버티(170)의 내주면 사이에 절연층을 이루는 물질이 개재된다. 따라서, 제2 캐소드전극(140)은 상기 캐버티(170)의 내주면에 노출되지 않는다.

상기 게이트전극(160)은 게이트 절연층(150) 위에 형성되며, 상기 캐버티(172)에 대응되는 부위에 형성된 게이트 홀(160a)을 가진다. 상기 게이트 홀(160a)의 직경은 상기 캐버티(172)의 직경과 같을 수 있으나, 캐버티(172)의 직경보다 큰 것이 바람직하다. 특히, 게이트 홀(160a)의 직경은 상기 캐소드 홀(140a)의 직경과 같거나 또는 더 큰 것이 더 바람직하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자방출 표시소자를 도시한 도면이며, 상기 실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

도 5를 참조하면, 전자방출 표시소자는 전자방출부와 발광부를 구비한다. 전자방출부에는 배면기판(110) 상에 상술한 전자방출소자가 형성되어 있다.

발광부는 전면기판(210)과 전면기판(210)의 내면에 형성된 애노드전극(220) 과, 상기 애노드전극(220) 상에 도포된 형광층(230)을 구비한다. 상기 형광층(230)의 사이에는 색순도를 향상시키기 위한 블랙 매트릭스(240)가 배치되어 있다.

상기 구조의 전자방출 표시소자의 작용을 도면을 참조하여 설명한다. 먼저, 애노드전극(220)에 1.5 kv 펄스전압을 인가하고, 제1 및 제2 캐소드전극(120,140)을 공통전극으로 하고, 게이트전극(160)에 80 V 전압을 인가한다. 이때 게이트전압에 의해서 CNT 에미터(190)로부터 전자가 방출된다. 이 전자들은 제2 캐소드전극(140)에 의해서 전자의 폭이 집속된 상태로 애노드전극(220)으로 향한다. 따라서, 전자들은 형광층(230)을 여기하며, 형광층(230)은 가시광선을 방출한다.

도 6 및 도 7은 도 5에 도시된 본 발명에 따른 전계방출 표시소자에 있어서의 전자빔 방출에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다. 이 시뮬레이션은 제1 및 제2 캐소드전극(120,140)은 공통전극으로 접지되었으며, 게이트전극(160)에는 80 V의 전압이 인가되었다. 그리고, 이 도면에서 전기장의 세기가 강한 부위일수록 붉은색으로 표시된다.

도 6을 참조하면, 전자방출원(190)에서 방출되는 전자가 제2 캐소드전극(140)에 의해서 포커싱되는 것을 볼 수 있다. 이는 도 3에서 설명한 바와 같이 초기 전자의 속도가 느리기 때문에 용이하게 집속이 이루어지는 것으로 판단된다.

도 7을 참조하면, 기판(110)으로부터 1.1 mm 이격된 애노드전극(220)으로 전자빔의 반경이 대략 17 ㎛ 로 집속된 것을 볼 수 있었다.

또한, 제2 캐소드전극(140) 및 게이트전극(160)이 전자로부터 직접 접촉이 되지 않으므로 이들 전극(140,160)이 전자빔으로부터 보호된다. 따라서, 전계방출소자의 안정성이 향상될 수 있다.

도 8은 전자빔의 직경을 좌우하는 제2 캐소드전극((140)의 반경(A)과, CNT 에미터(190) 및 제2 캐소드전극(140) 사이의 전자방출거리(B)의 관계를 도시한 그래프이다. 도 7의 전자빔 폭을 형성하기 위해서는 제2 캐소드전극((140)의 반경(A) 및 전자방출거리(B) 의 비가 일정하여야 한다. 상기 그래프의 상관직선에서 오른쪽, 즉 A 비율이 증가하면 전자빔 폭이 증가하며, 상관직선에서 왼쪽으로 이동하면, 즉, B 비율이 증가하면 전바빔 폭이 감소한다.

본 발명은 개시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 전계방출소자는 전자방출원 보다 높은 위치에 제2 캐소드전극을 구비함으로써 제1 캐소드전극 위의 전자방출원으로부터의 전자를 1차적으로 집속시켜 전자빔의 집속율을 향상시킨다.

상기 전계방출소자를 구비한 전계방출 표시소자에 따르면, 색순도가 향상되므로, 동일한 크기의 스크린에서도 스캔라인을 증가시킬 수 있으므로, 고화질의 영상 구현이 가능해진다.

Claims (18)

1. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 제1 캐소드전극;

   상기 제1 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극의 일부를 노출시키는 제1 캐버티를 가진 캐소드 절연층;

   상기 제1 캐버티의 바닥에 노출된 상기 제1 캐소드전극 위에 마련되는 전자방출원;

   상기 캐소드 절연층 상부에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 캐소드 홀이 형성된 제2 캐소드전극;

   상기 제2 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 부위에 제2 캐버티가 형성된 게이트 절연층; 및

   상기 게이트 절연층 상에 형성되며, 상기 제2 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트전극;을 구비하며,

   상기 전자방출원은 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐소드 홀의 직경은 상기 제1 캐버티의 직경 보다 큰 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 게이트 홀의 직경은 상기 제2 캐버티의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제2 캐버티의 직경이 상기 제1 캐버티의 직경과 실질적으로 동일하며,

   상기 게이트 홀의 직경은 상기 캐소드 홀의 직경 보다 큰 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐소드 절연층의 높이는 상기 전자방출원의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 캐소드 절연층은 2~3 ㎛ 두께인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 캐소드전극은 100~150 nm 두께인 것을 특징으로 하는 전계방출소 자.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 캐소드전극은 공통전극인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
10. 서로 마주보며 소정 간격으로 배치된 전면기판 및 배면기판;

    상기 전면기판의 내면에 순차적으로 적층된 애노드 전극 및 형광층;

    상기 배면기판 상에 형성된 제1 캐소드전극;

    상기 제1 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐소드전극의 일부를 노출시키는 제1 캐버티를 가진 캐소드 절연층;

    상기 제1 캐버티의 바닥에 노출된 상기 제1 캐소드전극 위에 마련되는 전자방출원;

    상기 캐소드 절연층 상부에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 캐소드 홀이 형성된 제2 캐소드전극;

    상기 제2 캐소드전극 위에 형성되며, 상기 제1 캐버티에 대응되는 부위에 제2 캐버티가 형성된 게이트 절연층; 및

    상기 게이트 절연층 상에 형성되며, 상기 제2 캐버티에 대응되는 게이트 홀이 형성된 게이트전극;을 구비하며,

    상기 전자방출원은 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 캐소드 홀의 직경은 상기 제1 캐버티의 직경 보다 큰 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 게이트 홀의 직경은 상기 제2 캐버티의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 제2 캐버티의 직경이 상기 제1 캐버티의 직경과 실질적으로 동일하며,

    상기 게이트 홀의 직경은 상기 캐소드 홀의 직경 보다 큰 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
14. 삭제
15. 제 10 항에 있어서,

    상기 캐소드 절연층의 높이는 상기 전자방출원의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 캐소드 절연층은 2~3 ㎛ 두께인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
17. 제 10 항에 있어서,

    상기 제2 캐소드전극은 100~150 nm 두께인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
18. 제 10 항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 캐소드전극은 공통전극인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.

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