KR100674693B1 - 전자방출소자 및 이것을 사용한 화상표시장치 - Google Patents

Abstract

그리드전극에의 필요인가전압을 작게 하고, 또한 캐소드전극으로부터의 전자방출을 정확하고 또한 미세하게 제어할 수 있는 전자방출소자를 제공한다.

이 목적은, 그리드전극(3)과 애노드전극과의 사이에 존재하는 전계가 그리드전극(3)의 전자통과용 개구에서 캐소드전극(2)측으로 스며 나오고, 이 스며 나온 전계가 상기 캐소드전극(2)과 그리드전극(3)의 사이에 존재하는 전계와 상호작용을 하여 복합전계를 형성하도록 하고, 또한 상기 캐소드전극(2)과 상기 애노드전극과 상기 그리드전극(3)의 최소한 하나의 전극의 전위를 변화시킴으로써 상기 복합전계의 강도를 변화시키는 전자방출제어수단을 구비한 전계방출형 전자방출소자에 의해 달성할 수 있다.

캐소드전극, 애노드전극, 그리드전극, 전자방출, 인가전압, 복합전계

Description

전자방출소자 및 이것을 사용한 화상표시장치{ELECTRON-EMITTING DEVICE AND IMAGE DISPLAY DEVICE USING ELECTRON-EMITTING DEVICE}

이 발명은 전자를 전계 방출시키는 냉음극형 전자방출소자 및 이것을 사용하여 구성한 화상표시장치에 관한 것이다.

근래, 디스플레이의 박형ㆍ콤팩트화의 요망이 높아지는 동시에, 고속동작이 가능한 미소(微小)전자방출소자의 개발이 활발화되고 있다.

전자방출소자의 개발은「열방출형」이 선행되고 있었지만, 고온으로 가열할필요가 없고, 저전압으로도 전자를 방출할 수 있다는 것으로, 근래「냉음극형」의 미소전자방출소자의 연구 개발이 활발하게 되고 있다.

이와 같은 배경에서 일본국 특개평10(1998)-199398호 공보에서는, 종래보다 더 한층 저(低)전압ㆍ저소비전력구동으로 안정적으로 고전류가 얻어지고, 또한 선택적으로 선정된 위치에서 전자를 방출시킬 수 있는 냉음극형의 소자구조가 제안되고 있다.

이 소자는 도 8a에 나타낸 바와 같이, 기판(211)상에 캐소드전극인 그래파이 트층(212)을 라인형으로 배치하고, 그 위에 카본나노튜브층으로 이루어지는 전자방출층(213)을 형성하고, 또한 전자방출층(213)의 양측에 절연영역(214)을 형성하고, 그 위에 라인형의 그리드전극(215)을 전자방출층(213)에 직교하도록 배치하는 구조를 채용하고 있다.

이와 같은 구조이면, 그리드전극(215)에 정(正), 캐소드전극(212)에 부(負)의 전압을 인가한 경우, 양자가 교차하는 부분에 전계가 발생하여 교차부분의 캐소드전극에서 전자가 인출(引出)된다.

따라서, 전압을 인가하는 라인을 선택함으로써, 선택적으로 선정된 위치에서 전자를 방출시킬 수 있다.

또, 이 소자는 방출특성이 우수한 카본나노튜브로 전자방출층이 구성되어 있으므로, 저(低)진공, 저전압으로 안정되게 대(大)전류를 얻을 수 있게 된다.

그러나, 이 소자구조에는 다음과 같은 과제가 내재되어 있다. 즉,

1) 이 소자는 전자 인출의 제어를 캐소드와 그리드와의 사이의 전위차만으로 행하고 있으므로, 전자인출을 위해 그리드전극에 충분한 전압을 인가해야 한다. 따라서, 충분한 저(低)구동전압을 실현하기 어렵다.

2) 이 소자에서는 캐소드전극과 그리드전극이 교차하는 대향면 사이에 전계를 발생시키므로, 캐소드전극면에서 방출된 전자의 대다수는 그 대향면인 그리드전극에 유입된다.

따라서, 그리드전극의 위쪽에 배치되는 애노드에 도달하는 전자는 전자통과공의 중심부를 지나는 극히 일부에 지나지 않는다. 따라서, 방출전자의 이용효율 이 나쁘다.

3) 이 소자에서는 그리드전극의 위쪽에 애노드전극이 배치되게 되지만, 애노드전극에 전위가 부가되면 그리드전극의 가장자리부에 전계집중이 일어나므로, 그리드(215)의 가장자리부로부터의 이상(異常)방전이 발생하기 쉽다. 이상방전은 전자방출소자의 신뢰성을 현저하게 저하시킨다.

(발명의 개시)

본 발명은, 상기 과제를 해결하는 것을 목적으로서 이루어진 것이다.

본 발명자들은 예의 연구한 결과, 애노드전극과 캐소드전극의 사이 및 그리드전극과 캐소드전극 사이의 전계를 복합시키면, 매우 효율적으로 전자방출재료(캐소드전극)에서 전자를 인출할 수 있는 것 및 그리드전극의 배치와 형상을 연구함으로써, 그리드전극의 가장자리부분으로부터의 이상방전을 방지할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시켰다.

본 발명은 다음의 구성을 갖는다.

(1) 전자반송부재와, 상기 전자반송부재에 고착된 전자방출부재로 이루어지는 캐소드전극과, 상기 캐소드전극으로부터 이격하여 배치된 애노드전극과, 상기 캐소드전극과 상기 애노드전극과의 사이에 배치된, 전자통과용 개구를 가지는 그리드전극을 구비한 전자방출소자로서,

상기 캐소드전극과 애노드전극과 그리드전극의 3자의 공간적 위치 및 각각의 형상은, 상기 그리드전극과 상기 애노드전극과의 사이에 존재하는 전계가 상기 전자통과용 개구에서 캐소드전극측으로 스며 나오고, 이 스며 나온 전계가 상기 캐소드전극과 그리드전극 사이에 존재하는 전계와 상호작용을 하여 복합전계를 형성하도록 구성되어 있으며, 상기 캐소드전극과 상기 애노드전극과 상기 그리드전극의 최소한 하나의 전극의 전위를 변화시킴으로써 상기 복합전계의 강도를 변화시켜서, 상기 캐소드전극으로부터의 전자방출량을 제어하는 전자방출제어수단을 구비한다.

이 구성은 캐소드전극측으로 스며 나온 전계와, 캐소드전극과 그리드전극 사이에서 발생된 전계로 복합전계를 형성시키고, 이 복합전계의 강도를 변화시킴으로써, 캐소드전극으로부터의 전자의 전계방출을 제어하는 것을 특징으로 한다.

이 제어방식의 소자는 종래의 전계방출소자에 비교하여 현격하게 효율적으로 전계방출시킬 수 있다.

따라서, 저전압구동으로 응답성이 양호하고, 안정적으로 전자방출을 행하게 할 수 있다. 이와 같은 본 발명의 전자방출소자의 기본원리를 도 1에 따라 설명한다.

본 발명의 전자방출소자는, 복합전계가 형성되도록 캐소드전극과 애노드전극과 그리드전극의 3자의 공간적 위치 및 각각의 형상이 적정하게 규제되고 있으며, 또한 전자방출제어수단에 의해 상기 복합전계의 강도를 제어하여 캐소드전극으로부터의 전자의 방출량을 제어하는데, 이 복합전계의 특성 및 기술적 의의는 도 1에 의해 명백해진다.

도 1은 그리드전극에 애노드전극보다 휠씬 낮은 동일 극성의 전압을 인가한 경우를 상정하고, 이 경우의 복합전극의 상태를 등(等)전위면(10)‥으로 표현한 개념도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 그리드전극(3)과 애노드전극과의 사이에 존재하는전계는, 그리드전극(3)의 전자통과용 개구에서 캐소드전극측으로 스며 나오고, 또한 이 스며 나온 전계가 캐소드전극(2)과 그리드전극(3) 사이에서 발생한 전계와 상호작용을 하여, 캐소드전극측으로 볼록한 등(等)전위면 집합군을 형성한다. 이 등전위면 집합군이 복합전계이다.

도 1의 복합전계영역(11)은 삼출(渗出)전계의 영향범위, 즉 복합전계의 범위를 나타낸다. 복합전계영역(11)내의 등전위면 집합군의 각각의 간격은 도 1에 나타낸 바와 같이, 각각의 등전위면의 선단(골)을 연결하는 선상(골선상)에서 가장 좁고, 골선에서 좌우로 멀어짐에 따라 등전위면 간격이 넓어지고 있다.

즉, 골선상이 가장 전위차가 큰 점(点)의 집합으로 되어 있으며, 골선에서 좌우로 멀어짐에 따라 전위차가 작아지고 있다.

또, 이 골선은 애노드전극면 및 캐소드전극에 직교하고 있다. 복합전계의 이와 같은 성상은 전자방출시에 다음과 같은 효과를 가진다.

먼저, 골선은 다른 부위보다 전위차가 크므로, 골선이 캐소드전극과 교차하는 골선부분에 있어서, 캐소드전극으로부터의 전자인출효과가 커진다.

그리고, 인출된 전자는 가장 전위차가 큰 골선에 유도되어, 애노드전극에까지 도달한다. 따라서, 그리드전극에 흡수되는 것에 의한 전자이용효율의 저하가 적다.

즉, 복합전계를 이용하는 본 발명의 방식에 의하면, 골선이 캐소드전극에서방출된 전자를 안정적으로 애노드전극에까지 유도하는, 이른바 전자비행용 터널로서 기능하므로, 더욱 낮은 그리드전극전압으로 전자를 인출할 수 있는 동시에, 인출된 전자를 효율적으로 애노드전극에까지 도달시킬 수 있다.

복합전계를 이용하면 캐소드전극으로부터의 전자인출효과 등이 현저하게 높아지는 것은 실험적으로 확인되고 있지만, 개개의 전계와 복합전계와의 관계와 복합전계내의 전위분포상태 등에 대해서는 현재로서는 충분히 명백해지지 않고 있다.

그리고, 복합전계를 이용하지 않는 종래의 소자에서의 전위차는, 도 1의 복합전계영역(11)의 외측에 나타낸 등전위면 간격이 된다.

이상 설명한 바와 같이, 상기 본 발명의 구성에 의하면, 애노드전극 및 그리드전극에 인가하는 전압을 캐소드전극으로부터의 전자인출에 매우 유효하게 활용할 수 있으므로, 종래 구조의 전계방출형 소자에 비교하여, 더욱 적은 전력으로 보다 더 많은 전자를 안정적으로 인출할 수 있다.

(2) 본 발명은, 또한 다음과 같이 구성할 수 있다.

상기 그리드전극의 최소한 애노드전극측면의 일함수는, 상기 캐소드전극의 일함수보다 큰 것으로 할 수 있다. 이 구성이면 그리드전극면에서 애노드전극방향으로 전자가 이상방전되는 것을 방지할 수 있다.

또, 상기 그리드전극은 접지측으로부터 전자가 흐르지 않는 전기회로를 통하여 접지된 것으로 할 수 있다. 이 구성이면 그리드전극으로부터의 이상방전을 방 지할 수 있다.

또, 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이를 d로 하고, 캐소드전극면에서 상기 그리드전극의 캐소드전극측면까지의 수직거리를 Z1로 할 때, 상기 그리드전극은 최소한 d ≥Z1인 관계가 성립하도록, 상기 캐소드전극과 애노드전극 사이에 배치되어 있는 것으로 할 수 있다.

이 구성이면, 애노드전극과 그리드전극 사이의 전계를 그리드전극의 전자통과용 개구에서 잘 스며 들게 한다.

또, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구 가까이에는, 상기 애노드전극으로부터의 전계집중을 완화하는 전계집중 완화수단이 형성되어 있는 것으로 할 수 있고, 이 전계집중 완화수단으로서는, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 애노드전극측의 주위가장자리 각부(角部)의 일함수를, 그리드전극의 다른 부분의 일함수보다 크게 하는 구성을 채용할 수 있다.

또, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 최소한 애노드전극측의 주위가장자리 각부를 모따기하는 구성을 채용할 수 있다. 이들 구성의 채용에 의해, 전자통과용 개구 가까이로부터의 이상방전을 방지할 수 있다.

또, 본 발명의 구성에 있어서의 상기 전자방출 제어수단은, 상기 캐소드전극에 대한 상기 애노드전극의 전위를 일정하게 하고, 상기 그리드전극의 전위를 변화시킴으로써, 상기 복합전계의 강도를 변화시키는 것으로 할 수 있다.

본 발명에서는, 애노드전극측의 전계를 그리드전극의 개구에서 캐소드전극측으로 스며 나오게 하여, 그리드전극과 캐소드전극과의 사이에 발생시킨 전계를 복 합화시키는 구성을 채용하고 있는데, 이 구성이면 그리드전극의 전위만을 변화시킴으로써, 복합전계의 특성이나 강도를 변화시킬 수 있고, 이로써 캐소드전극으로부터의 전자의 방출량을 변화시킬 수 있다.

따라서, 애노드전극의 전위를 적절하게 설정함으로써, 캐소드전극으로부터의 전자방출량을 제어하는 전위로서의 그리드전극 전위를 매우 작게 할 수 있다.

또, 상기 전자방출제어수단은, 상기 캐소드전극에 대한 상기 애노드전극의 전위를, 이 전위만으로는 상기 캐소드전극에서 상기 애노드전극방향으로 전자를 전계 방출시킬 수 없는 전위로 하고, 상기 그리드전극의 전위를 상기 애노드전극과 동(同)극성으로 하고 이 전위를 변화시킴으로써, 상기 복합전계의 강도를 변화시키는 것으로 할 수 있다.

캐소드전극에 대한 상기 애노드전극의 전위가 이 전위만으로는 상기 캐소드전극에서 애노드전극방향으로 전자를 전계 방출시킬 수 없는 전위라도, 캐소드전극과 애노드전극과 그리드전극의 3자의 공간적 위치 및 각각의 형상을 적정하게 배치 등을 함으로써, 그리드전극의 전자통과용 개구로부터 전계를 스며 나오게 하고, 이 스며 나온 전계를 그리드전극과 애노드전극과의 사이에 존재하는 전계에 작용시켜서 복합전계를 형성시킬 수 있다.

그리고, 이 복합전계의 강도 등은, 전자방출제어수단으로 그리드전극전위를 변화시킴으로서 변화시킬 수 있다. 이로써, 원활하게 캐소드전극으로부터의 전자방출을 제어할 수 있다.

또, 상기 전자방출제어수단은, 상기 캐소드전극에 대한 상기 애노드전극의 전위를, 이 전위만으로 상기 캐소드전극에서 상기 애노드전극방향으로 전자를 전계방출시킬 수 있는 전위로 하고, 상기 그리드전극의 전위를 변화시킴으로써, 상기 복합전계의 강도를 변화시키는 것으로 할 수 있다.

이 구성에 있어서도 상기와 동일하게 캐소드전극으로부터의 전자방출을 제어할 수 있지만, 이 구성에서는 그리드전극에 인가하는 전압을 플러스∼0∼마이너스의 범위에서 변화시켜서 전계방출을 제어할 수 있다.

구체적으로는, 캐소드전극으로부터의 전자의 방출을 제한하는 경우에는, 그리드전극에 애노드전극과 역(逆)극성의 전압을 인가하고, 인출전자량을 더욱 증강시키고자 하는 경우에는, 동(同)극성의 전압을 인가하게 된다.

또, 본 발명의 구성에 있어서의 상기 캐소드전극이, 기둥형으로 형성된 전자방출부재로 이루어지고, 상기 기둥형의 전자방출부재가 그 선단방향의 연장선이 상기 전자통과용 개구를 지나서 상기 애노드전극면에 직교하도록 배치되어 있는 것으로 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 상기 도 1에 나타낸 바와 같이 전위차가 큰 골선이 애노드전극에 대하여 수직으로 형성된다. 따라서, 전자방출부재를 기둥형으로 하고, 이 부재를 바람직하게는 골선에 일치시켜서 배치하면, 기둥형의 전자방출부재의 선단부분에 전계집중이 생기므로, 이 부분으로부터의 전자방출이 용이해지는 동시에, 기둥의 측면에 있어서도 등전위면 밀도가 높으므로 효율적으로 방전시킬 수 있다.

즉, 상기 구성이면 전위차가 큰 영역를 유효하게 활용할 수 있으므로, 더욱 낮은 구동전압으로 대전류의 방전이 가능해진다. 그리고, 도 1의 복합전계의 개념 형상으로 보아, 기둥형의 전자방출부재를 복합전계영역내에서 골선에 병행으로 배치하면, 평면형의 전자방출부재를 사용하는 경우보다 방전효율이 양호해진다.

또, 상기 기둥형의 전자방출부재는, 선단 각부의 곡률 반경을 r로 하고, 기둥의 최대폭을 D로 할 때, r ≤ 0.3D인 관계가 성립하는 형상으로 하는 것이 좋다. 이 형상이면 전자방출부재의 선단에 전계집중이 일어나므로 바람직하다.

또, 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이를 d로 하고, 기둥형의 전자방출부재의 선단에서 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때, 상기 그리드전극과 상기 캐소드전극은 d ≥Z1인 관계가 성립하도록 구성할 수 있다. d ≥Z1로 하면 애노드전위의 스며듬이 커지므로 바람직하다.

또, 상기 기둥형 전자방출부재의 상기 전자반송부재면으로부터의 높이를 L로 하고, 그 선단으로부터 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때, 상기 그리드전극과 상기 캐소드전극은 Z1 ≤0.25L인 관계가 성립하도록 구성하는 것이 좋다. 이 조건이면 애노드전위의 스며 드는 것을 한층 유효하게 활용할 수 있고, 전자방출부재에 대한 전계집중을 높일 수 있다.

또, 상기 기둥형 전자방출부재는 그 선단 각부의 곡률 반경을 r로 하고, 기둥의 최대폭을 D로 할 때, r ≤0.3D인 관계가 성립하는 형상이며, 상기 기둥형의 전자방출부재의 상기 전자반송부재면으로부터의 높이를 L로 하고, 그 선단부로부터 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때, 상기 그리드전극은 Z1 ≤0.25L인 관계가 성립하도록 배치되어 있으며, 또한 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이를 d로 할 때, d ≥Z1인 관계가 성립하도록, 상기 전자통과용 개구의 크기가 규정된 구성으로 할 수 있다. 이 구성이면 복합전계를 매우 유효하게 활용할 수 있으므로, 저전압구동으로 대전류방전을 얻을 수 있는 전자방출소자를 실현할 수 있다.

또, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 카본계 재료로 이루어지는 것으로 할 수 있다.

또, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 6탄소환의 σ결합이 끊긴 그래파이트를 주성분으로 하는 것으로 할 수 있다. 6탄소환의 σ결합이 끊긴 그래파이트는 전자방출에 지향성(指向性)이 있고, 전자방출재로서 가장 적합하다.

또, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 수염결정성(crystal whis kers)의 물질을 주성분으로 할 수 있다. 수염결정성의 물질은 전자방출성이 우수하므로 바람직하다.

또, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 탄소섬유를 주성분으로 할 수 있다. 탄소섬유는 방출특성이 우수하고 또한 저가인 점에서 바람직하다.

또, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 카본나노튜브를 주성분으로 할 수 있다. 카본나노튜브는 선단이 둥글고 전자방출성이 우수하므로 바람직하다.

또, 상기 캐소드전극은, 기둥형의 전자방출부재가 상기 전자반송부재면에 복수 고착되어 이루어지는 것이며, 상기 복수의 기둥형 전자방출부재 상호의 간격을 P로 하고, 수직 높이가 가장 높은 기둥형의 전자방출부재의 선단에서 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때, 상기 복수의 기둥형 전자방출부재와 상기 그 리드전극 사이에 P ≥ 0.5L, Z1 ≤ 0.25L인 관계가 성립하도록 구성된 것으로 할 수 있다.

복수의 전자방출부재를 배설한 캐소드전극을 사용하면, 단일의 경우에 비교하여 동일한 구동전압하에서 전자방출량을 증가시킬 수 있다.

그러나, 복수의 전자방출부재의 배열간격이 그 길이의 절반 미만으로 되면, 각각의 전자방출부재에 대한 전계집중이 약해지므로, 복수의 전자방출부재를 형성한 효과가 상쇄된다.

그러므로, 복수의 전자방출부재를 배설한 효과를 충분히 얻기 위해서는, 바람직하게는 P ≥0.5L, Z1 ≤0.25L이 성립하도록 구성한다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 그리드전극의 최소한 애노드전극측면의 일함수는, 상기 캐소드전극의 일함수보다 큰 것으로 할 수 있다. 그리드전극의 애노드전극측의 일함수를 크게 하면, 그리드전극으로부터의 이상방전을 방지할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이를 d로 하고, 수직높이가 L인 기둥형의 상기 전자방출부재의 선단에서 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이 d가 d ≥Z1인 관계가 성립하도록 형성된 것으로 할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구에는, 상기 애노드전극으로부터의 전계집중을 완화하는 전계집중 완화 수단이 형성된 것으로 할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 전계집중 완화수단이, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 애노드전극측의 주위가장자리각부의 일함수를, 그리드전극의 다른 부분의 일함수보다 크게 한 것으로 할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 전계집중 완화수단이, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 최소한 애노드전극측의 주위가장자리각부에 모따기를 행한 것으로 할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 그리드전극은 접지측으로부터 전자가 흐르지 않는 전기회로를 통하여 접지되어 있는 것으로 할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 카본계 재료로 이루어지는 것으로 할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 6탄소환의 σ결합이 끊긴 그래파이트를 주성분으로 할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 수염결정성의 물질을 주성분으로 하는 것으로 할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 탄소섬유를 주성분으로 하는 것으로 할 수 있다.

또, 전자방출부재를 복수 배치한 경우에 있어서도, 상기 캐소드전극을 구성 하는 전자방출부재는 카본나노튜브를 주성분으로 하는 것으로 할 수 있다.

(3) 본 발명의 화상표시장치는, 다음과 같이 구성된다.

복수의 전자방출소자와, 상기 전자방출소자의 각각에 접속되고 또한 상기 각각의 전자방출소자에 전자방출을 위한 전기신호를 전달하는 회로와, 상기 전자방출소자에서 방출된 전자에 의해 화상을 형성하는 화상형성부를 구비한 화상표시장치에 있어서, 상기 전자방출소자가 상기 청구항 1 내지 32의 어느 하나에 기재한 전자방출소자를 이용한다.

이 구성이면, 상기 청구항 1 내지 32의 어느 하나에 기재한 전자방출소자가 상기한 작용 효과를 발휘하므로, 저구동전압으로 고정밀도의 화상을 얻을 수 있는 화상표시장치를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2는 실시예 1에 관한 전자방출소자의 단면 모식도이다.

도 3은 실시예 2에 관한 전자방출소자의 캐소드전극부분의 단면 모식도이다.

도 4는 실시예 4에 관한 전자방출소자의 단면 모식도이다.

도 5는 실시예 7에 관한 전자방출소자의 단면 모식도이다.

도 6a, 6b, 6c는 실시예 7에 관한 전자방출소자의 제조공정을 설명하기 위한 단면 모식도이다.

도 7a, 7b, 7c는 실시예 8에 관한 화상표시장치의 제조공정을 설명하기 위한 단면 모식도이다.

도 8a 및 8b는 종래기술에 관한 전자방출소자의 구조를 나타낸 도면이며, 도 8a는 전체구조를 나타낸 사시도이며, 도 8b는 부분 단면도이다.

(발명을 실시하기 위한 최적의 형태)

실시예에 따라 본 발명의 내용을 구체적으로 설명한다. 그리고, 다음에서 사용하는 각 도면에 있어서는, 동일 기능의 구성부재에는 동일한 부호를 붙여서, 각 실시예마다의 설명을 생략한다.

(실시예 1)

도 2에 따라 실시예 1의 전자방출소자를 설명한다. 도 2는 소자의 개략 단면도이다. 도면중, 5는 소다유리 등으로 이루어지는 절연성 기판이다. 1은 기판(5)의 위에 형성된 도전층으로 이루어지는 전자반송부재이다. 2는 전자반송부재(1)의 위에 고착된 전자방출부재로 이루어지는 캐소드전극이다. 3은 캐소드전극(2)과 애노드전극(4)과의 사이에 배치된 그리드전극이다. 6은 캐소드전극으로부터의 전자방출량을 제어하기 위한 전자방출제어부(전자방출제어수단)이다.

전자방출제어부(6)는 외부입력신호와 미리 설정된 프로그램에 따라서 각 전극에 인가되는 전압을 가변하는 전기회로를 갖는다. 이 회로는 동일 극성내에서 전압을 변화시키는 것만이 아니라, 극성의 반전을 포함하는 정(正)에서 부(負)까지의 넓은 범위에서 전압을 가변할 수 있도록 구성되어 있다.

상기 각 부재의 공간배치 및 형상은 다음과 같다.

전자방출부재로 이루어지는 캐소드전극(2)은, 길이(높이)(L), 최대폭(D)의 기둥형상물이며, 그 선단부분은 R형상이다. 그리고, 이 R형상의 곡률반경(r)은, 폭(D)과의 사이에 r ≤0.3D 가 성립하도록 구성되어 있다.

그리드전극(3)은 직경(d)의 전자통과용 개구를 갖고 있으며, 이 개구가 기둥형의 캐소드전극(2)의 선단의 연장선 위에 오도록 위치 맞춤되고, 또한 캐소드전극 (2)의 선단에서 그리드전극측면까지의 수직거리가 Z1이 되도록 위치맞춤되어 배치되어 있다.

또한, 상기 개구직경(d)은 수직거리(Z1)와의 사이에 d ≥Z1이 성립하도록 미리 설계되어 있으며, 캐소드전극(2)의 길이(L)는 상기 Z1과의 사이에는 Z1 ≤ 0.25L이 성립하도록 미리 설계되어 있다.

애노드전극(4)은 상기 그리드전극(3)의 상면에서 수직거리(Z2)의 위치에 배치되어 있다.

또한, 실시예 1의 전자방출소자를 상세하게 설명한다.

전자반송부재(1)는 캐소드전극(2)에 전자를 반송ㆍ공급하는 도전성의 층이며, 금속 등의 얇은막ㆍ두꺼운막으로 형성되고, 그 구조는 일층, 다층의 어느 것이라도 되지만, 이 실시예에서는 일층의 알루미늄막으로 구성되어 있다.

캐소드전극(2)은 전자방출능력을 갖는 각종 재료를 사용할 수 있고, 이와 같 은 재료로서는 예를 들면 탄소섬유, 그래파이트, 카본나노튜브, 다이아몬드 등을 예시할 수 있다.

캐소드전극(2)의 형상에 대해서는 평면적이어도 되지만, 전자방출효율의 점에서 기둥형(각주형, 원주형 또는 바늘형)으로 하는 것이 바람직하고, 또 그 선단부분을 둥글게 하는 것이 좋다.

또한, 캐소드전극(전자방출부재)의 형상을 기둥형으로 한 경우에는, 기둥형의 캐소드전극의 중심축을 포함하는 선이 애노드전극과 직교하도록 배치하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 상기 중심축선이 상기 도 1의 골선에 일치하도록 배치하는 것이 좋다. 이와 같이 배치한 경우, 이미 설명한 바와 같이 캐소드전극의 선단부분에 전계집중이 일어나므로 전자인출이 용이한 동시에, 전자가 도중에 그리드전극에 유입되지 않고 골선을 따라 애노드전극에까지 유도되므로, 현격하게 전자의 이용효율이 높아진다.

여기서, 이 실시예에서는 카본나노튜브끼리를 결착하여 L = 2mm, D = 0.2mm의 봉형으로 하고, 그 선단부를 곡률반경 r = 0.04mm 정도의 R형상으로 형성한 기둥형의 캐소드전극이 사용되고 있다.

또, 그리드전극(3)으로서는 직경 3mm의 전자통과용 개구(구멍)가 형성된 판두께 0.1mm의 SUS판(Ni - Cr강판)이 사용되고 있다. 그리고, 이 그리드전극(3)은 캐소드전극(2)의 선단에서 Z1 = 0.5mm(Z1≤0.25L)의 위치에 배치되어 있다.

또, 애노드전극(4)은, 예를 들면 ITO(indium tin oxide) 등의 투명도전체로 구성되고, 그 표면에 예를 들면 고속형광체(P22)의 층이 형성되어 있다. 캐소드전 극으로부터의 전자를 받아서 발광시키기 위함이다.

또, 이 실시예의 애노드전극(4)은 그리드전극(3)에서 거리(Z2)를 1mm로 하고 있다.

그리고, 상기의 고속형광체는 6∼10kV의 고전압으로 전자를 끌어 당겨 발광시키는데 정도가 좋은 발광체이다.

전자반송부재(1)에 대한 전자방출부재(캐소드전극(2))의 고착방법에 대해서는 특별한 제한은 없지만, 예를 들면 진공중에서의 사용실적이 많은 비클을 사용하여 결착하는 것이 좋다.

또, 예를 들면 인쇄법이나 포토마스크법, 에칭법 등을 이용하여 직접 전자반송부재(1) 위에 전자방출부재를 형성할 수도 있다.

그리고, 상기 비클로서는, 예를 들면 아세트산 이소아밀 99％와 니트로셀룰로스 1％의 혼합물을 예시할 수 있다.

다음에, 이와 같이 하여 제작된 전자방출소자를 실제로 동작시켜서 그 성능을 검증하였다.

구체적으로는, 상기 방법으로 제작한 소자의 애노드전극(4)에, 단독으로 캐소드전극에서 전자를 전계방출시킬 수 있는 전계를 약간 하회하는 전위로서 8kV(일정)의 전압을 인가하였다.

그리고, 이 조건하에서 그리드전극의 전압을 0에서 100V 정도의 범위에서 변화시켰다. 그 결과, 그리드전극(3)에 30V의 정(正)전압을 인가했을 때, 캐소드전극의 방출전류가 1㎂로 되었다.

한편, 애노드전극(4)에 전압을 인가하지 않고 그리드전극(3)에만 전압을 인가하는 조건, 즉 애노드전극으로부터의 스며 드는 전계가 전혀 없는 조건에서, 그리드전극(3)의 인가전압을 가변한 바, 캐소드전극에서 전자를 방출시키기 위해서는, 600V의 전압의 인가가 필요하였다.

이상의 실험 결과의 비교에서, 실시예 1의 전자방출소자는 복합전계를 이용하지 않는 종래방식에 비하여, 저전압으로 구동시킬 수 있는 것이 확인되었다.

그런데, 상기 동작예와 같이 애노드전극에, 단독으로 캐소드전극에서 전자를 전계 방출시킬 수 있는 전위를 약간 하회하는 전위를 부여해두고, 이 조건하에서 그리드전극(3)의 전압을 변화시키면, 저전압의 인가로 캐소드전극(1)으로부터의 전자방출량을 용이하게 변화시킬 수 있는데, 그 이유는 다음과 같이 생각할 수 있다.

캐소드전극(2)으로부터 전자를 인출하는데는, 전계방출하는 임계치 이상의 전계를 캐소드전극(전자방출부재)에 작용시키는 것이 필요하지만, 상기 구성의 소자에서는 애노드전극(4)에 인가된 전압에 의해 발생하는 전계가 그리드전극의 전자통과용 개구에서 캐소드전극측에 스며 나오고 있다.

그리고, 이 스며 나온 전계는 그리드전극에의 전압 인가에 의해 발생한 전계와 복합하여 복합전계를 형성하고 있다.

이 복합전계는, 상기 도 1에서 설명한 바와 같이, 등전위면이 치밀한 골선을 가지고 있으며, 이 골선이 캐소드전극면에서 전자를 인출하는데 기여하므로, 작은 그리드전극 전위에서 매우 효율적으로 캐소드전극면에서 전자를 인출할 수 있다. 또, 전자를 효율적으로 애노드전극에까지 도달시킬 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이 실시예 1의 전자방출소자는, 애노드전극과 그리드전극의 양쪽에 전압을 인가함으로써, 복합전계가 형성되도록 구성되어 있으며, 또 이 복합전계의 분포상태나 강도를 전자방출제어수단(6)으로 제어할 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같은 구조의 소자이면, 종래에 없는 우수한 전계방출특성을 얻을 수 있다.

(실시예 2)

실시에 2에서는, 캐소드전극(2)을 기둥형의 전자방출부재를 복수 사용하여 구성하였다.

구체적으로는, 도 3에 나타낸 바와 같이 길이(L), 최대폭(D)의 전자방출부재를 각각 기둥의 중심축까지의 간격을 P로 하고, 복수개의 전자방출부재(2')를 전자반송부재(1) 위에 고착하여 캐소드전극(2)으로 하였다.

더욱 상세하게는 최대폭 D = 0.2mm, 길이 L = 2mm, 선단의 곡률반경 r = 0.04mm의 카본나노튜브로 이루어지는 원주형의 전자방출부재를 5개 준비하여, 각각의 전자방출부재 사이의 중심축까지의 간격 P = 1mm 로 하여, 전자반송부재(1) 위에 병행으로 고착하였다.

이와 같이 하여 제작한 캐소드전극(2)을 사용하고, 다른 조건에 대해서는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 2에 관한 전자방출소자를 제작하였다.

여기서, 상기 간격(P)은 서로 인접한 전자방출부재 상호의 간섭을 적게 하 여, 각각의 전자방출부재에 전계를 효과적으로 집중시키는 관점에서, 바람직하게는 P ≥0.5L을 충족시키도록 구성한다.

이 조건을 충족하는 경우에는, 그렇지 않은 경우에 비교하여 전계방출이 효율적으로 진행되는 것이 실험적으로 확인되고 있기 때문이다.

P ≥0.5L을 충족시키도록 구성한 실시예 2에 관한 전자방출소자에 대하여 실시예 1에서와 동일한 조건, 즉 애노드전극의 전압을 8kV(일정)로 하고, 그리드전극에 전압을 인가한 바, 동일한 그리드전극전압에 있어서는, 실시예 1의 소자의 약 3배의 방전전류가 얻어지는 것이 확인되었다.

그리고, 복수개의 기둥형의 전자방출부재를 배치한 캐소드전극은, 전자방출부재를 1개 배치한 캐소드전극에 비교하여, 소자의 조립에서의 위치 맞춤(전자방출부재 선단과 그리드전극의 전자통과용 개구와의 위치 맞춤 등)정밀도의 허용 범위가 커지므로, 그만큼 제조 작업성이 양호해진다.

(실시예 3)

실시예 3의 전자방출소자는, 애노드전극(4)의 전위만으로 캐소드전극에서 전자를 전계 방출시킬 수 있는 전위를 애노드전극(4)에 부가하는 구성으로 한 점에서 상기 실시예 1과 다르다.

그 외 다른 사항에 대해서는 실시예 1과 마찬가지이다.

그리고, 이 구성은 전자방출제어수단(6)을 통하여 애노드전극(4)에 소정의 전압을 인가하도록 함으로써 실현된다.

애노드전극(4)의 전위만으로 캐소드전극에서 전자를 전계 방출시킬 수 있는 전위가 애노드전극(4)에 부가되어 있는 경우에는, 그리드전극(3)에 전압을 인가하지 않아도 캐소드전극(2)에서 애노드전극(4)을 향하여 전자가 방출된다.

따라서, 전자방출량을 억제하는데는, 그리드전극(3)에 애노드전극과 다른 극성의 전위(부(負)전위)를 부가하게 된다.

한편, 캐소드전극으로부터의 방출량을 더욱 증대시키고자 하는 경우에는, 그리드전극(3)에 애노드전극과 동일 극성의 전위(정(正)전위)를 부가한다.

그러므로, 이 구성의 소자는 그리드전극(3)에 인가하는 전위의 종류, 크기를 변화시킴으로써 캐소드전극으로부터의 전자방출량을 크게 변화시키는 것이 가능해진다.

즉, 이 구성에 의하면, 매우 응답성이 양호한 전계방출소자를 실현할 수 있다.

또, 그리드전극에 부여된 역극성의 전위(부(負))는, 그리드전극의 전자통과용 개구에 전자빔을 수속(收束)시키도록 작용하므로, 이 구성에 의하면 방출전자를 효율적으로 애노드전극에까지 도달시킬 수 있다.

다음에, 실시예 3의 소자를 실제로 구동하여 그 성능을 검증하였다. 즉, 그 전압만으로 캐소드전극(2)에서 전자를 전계 방출시킬 수 있는 전위보다 약간 높은 전위인 10kV을 애노드전극(4)에 인가하여, 그리드전극(3)의 전위를 변화시켰다.

그 결과, 그리드전극(3)에 50V의 부(負)전압을 인가했을 때, 캐소드전극(2)에서 1㎂의 전류가 방출되는 것이 확인되었다.

한편, 애노드전극의 전압을 0V로 하고, 캐소드전극으로부터 전자를 인출하는데 필요한 그리드전극의 전압을 조사한 바, 그 전압은 600V였다.

이 실험결과의 비교에 의해, 실시예 3의 소자 구성에 의하면, 매우 작은 구동전압으로 전자의 인출을 제어할 수 있는 것을 실증할 수 있었다.

(실시예 4)

실시예 4에서는 그리드전극(3)의 전자통과용 개구(3a)의 주위가장자리에 모따기를 행하고, 그 외의 사항에 대해서는 실시예 1과 동일한 구조의 전자방출소자를 제작하였다.

이 소자의 개략 단면도를 도 4에 나타낸다.

여기서, 모따기라는 것은 모서리에 경사면 또는 둥글게 한 것이다. 이와 같은 모따기를 전자통과용 개구(3a)의 주위가장자리 모서리에 행하면, 주위가장자리각에서의 전계의 집중이 완화된다.

따라서, 개구각으로부터의 이상방전이 억제되는 동시에, 개구각에 우선하여 캐소드전극(2)의 선단에 전계집중이 일어나므로, 캐소드전극(2)으로부터의 방전이 원활하게 이루어지게 된다.

상기 모따기의 방법에 대해서는 특별한 제한은 없지만, 모서리에 경사면을 주는 모따기에 있어서는 애노드전극측의 모서리에 행하는 것이 효과적이다. 이상방전은 애노드전극측에서 생기기 쉽기 때문이다.

그리고, 모따기방법으로서는, 예를 들면 그리드전극의 개구부분을 에칭액에 담그는 방법을 예시할 수 있다.

실시예 4의 전자방출소자에 대하여, 실시예 1과 동일한 조건, 즉 애노드전극 (4)에 단독으로는 캐소드전극(2)에서 전자를 인출할 수 없는 전위(8kV)를 부가하고, 그리드전극(3)에 각종의 정전압을 인가하는 조건에서, 실제로 구동하여 그 성능을 검증하였다.

그 결과, 그리드전극(3)에 40V의 전압을 인가했을 때, 캐소드전극(2)에 1㎂정도의 방전전류가 생기는 것 및 전자통과 개구(3a)에서 이상방전이 전혀 발생하지 않는 것이 확인되었다.

그런데, 실시예 4에서는, 전계집중 완화수단으로서 모따기를 행하였지만, 전계 집중에 의한 개구각의 이상방전은, 개구의 주위가장자리의 일함수를 다른 부분보다 크게 함으로써도 방지할 수 있다. 일함수가 커지면 방전되기 어렵기 때문이다.

부분적으로 일함수를 바꾸는 방법으로서는, 예를 들면 전자통과용 개구(3a)의 가까이에 일함수가 큰 부재를 접착(도포를 포함)하면 된다. 또, 모따기한 면에 일함수가 큰 부재를 접착할 수도 있다.

(실시예 5)

실시예 4와 동일한 구조로 하고, 단독으로 캐소드전극에서 전자를 방출시킬수 있는 전압을 애노드전극에 인가하고, 그리드전극(3)에 인가하는 전압을 가변하는 전자방출제어수단을 구비한 전자방출소자를 구성하였다. 이 소자를 실제 작동 시켜서 그 성능을 검증하였다.

구체적으로는, 단독으로 캐소드전극에서 전자를 방출시킬수 있는 약간 상회하는 10kV의 전압을 애노드전극에 인가하여, 그리드전극(3)의 인가전압을 변화시켰다.

그 결과, 그리드전극(3)에 50V의 부(負)전압(애노드와 역극성)을 인가했을 때, 캐소드전극(2)에 1㎂의 방전전류가 확인되었다.

또, 그리드전극의 전압을 부(負)에서 정(正)의 범위에서 변화시켜도 전자통과용 개구(3a)로부터의 이상방전은 전혀 발생하지 않았다.

(실시예 6)

실시예 6에 관한 전자방출소자는, 기본적으로는 실시예 1과 동일한 구조이지만, 캐소드전극과 그리드전극의 일함수를 규정한 점에 있어서, 실시예 1과 다르다.

즉, 그리드전극(3)의 재료로서 일함수가 캐소드전극(2)을 구성하는 전자방출부재의 일함수보다 큰 것을 사용하여 소자를 구성하였다.

구체적으로는, 카본나노튜브로 구성된 캐소드전극(2)에 대하여, 니켈판으로 그리드전극(3)을 구성하였다.

여기서, 그리드전극(3)의 일함수를 캐소드전극의 일함수보다 크게 하는 조건은, 반드시 단일 재료로 충족시킬 필요는 없다.

예를 들면, 캐소드전극이 카본나노튜브 등의 탄소계의 전자방전부재로 구성되어 있을 때, 전자통과용 개구를 형성한 판두께 0.1mm의 SUS판(Ni - Cr강판)의 한 쪽면에 5000Å의 산화알루미늄막을 형성한 것을 그리드전극으로 한다.

그리고, 이 그리드전극의 산화알루미늄막 측면을 애노드전극에 대향 배치하여 그리드전극(3)으로 한다. 이로써, 상기 조건을 충족시킬 수 있다.

이 경우, 전자통과용 개구(3a)의 내주면에는, 산화알루미늄막이 형성되지 않도록 하는 것이 좋다. 산화알루미늄은 유전체이므로 전자궤도의 가까이, 즉 전자통과용 개구의 내측면에 산화알루미늄이 존재하면, 대전(帶電)이 발생하는 경우가 있어, 이 경우에는 전자인출능력이 저하되기 때문이다.

한편, 상기와는 반대로, 전자통과용 개구를 형성한 판두께 0.5mm의 산화알루미늄판의 한쪽면에만 5000Å 두께의 알루미늄막을 형성하고, 알루미늄막면을 캐소드전극측에 배치하여 그리드전극(3)으로 할 수도 있다.

이 경우에는, 전자통과용 개구(3a)의 내주면에 알루미늄막을 형성하는 것이 좋다.

단, 이상방전을 방지하는 관점에서, 알루미늄막은 산화알루미늄판의 애노드전극측의 상단면보다 약간 내려간 위치까지로 하는 것이 좋다.

이와 같이 하여 제작한 실시예 6의 소자는, 그리드전극(3)의 최소한 애노드전극의 측면의 일함수를 캐소드전극보다 크게 하고 있으므로, 전계집중에 의한 전자의 터널링은 캐소드전극(2)(전자방출부재)에 일어나기 쉽다.

즉, 그리드전극으로부터의 이상방전이 잘 생기지 않는데, 이것은 구동 실험에 의해서도 확인되었다.

(실시예 7)

실시예 7의 전자방출소자는, 그리드전극(3)에 접지측으로부터 전자가 유입되지 않도록 하는 전기회로가 내장되어 있다는 점에 특징을 갖는다. 그 외의 다른 사항에 대해서는 상기 실시예 1과 마찬가지로 하였다.

실시예 7의 소자의 개략 단면도를 도 5에 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 그리드전극(3)에는 접지측으로부터 전자가 유입되지 않도록, 다이오드 등의 전기회로가 내장되어 있다.

이 구성의 소자의 제조방법을 도 6a∼6c에 따라 설명한다.

먼저, 소다유리로 이루어지는 기판(5) 위에 알루미늄막(전자반송부재(1))을 형성하였다(도 6a).

다음에, 전자반송부재(1) 위에 카본나노튜브로 이루어지는 전자방출부재를 고착하고, 이것을 캐소드전극(2)으로 하였다(도 6b).

상기 전자방출부재는 복수의 카본나노튜브를 길이(높이)(L)＝2mm, 최대폭(D) ＝0.2mm의 형상으로 결착하고, 그 선단을 곡률반경(r)＝0.04mm로 가공한 것이며, 전자반송부재(1)에의 고착은 아세트산 이소아밀 99％와 니트로셀룰로스 1％의 혼합물을 전자반송부재(1) 위에 도포하고, 그 위에 카본나노튜브로 이루어지는 전자방출부재를 배설하는 방법으로 했다.

또한 도 6c에 나타낸 바와 같이, 전자방출부재(캐소드전극(2))의 선단에서 수직거리(Z1)＝0.5mm의 간격을 두고 그리드전극(3)을 배치하였다.

그리드전극(3)은 판두께 0.1mm, 전자통과용 개구공의 구멍직경(d)＝φ3mm의 SUS판(Ni - Cr동판)을 사용하였다.

또한, 캐소드전극과의 대향면에 형광체가 도포된 애노드를 그리드전극(3)으로부터 수직거리(Z2)＝0.5mm로 배치하였다.

마지막으로, 각 전극에의 인가전압을 제어하는 전자방출제어부(전자방출제어수단)를 전자반송부재(1), 그리드전극(3), 애노드전극(4)에 접속하여, 실시예 7의 전자방출소자를 완성시켰다.

여기서, 상기 전자방출제어부는 애노드전극(4)에 전자가속전압으로서, 그 단독(그리드전극전압 0의 경우)으로 캐소드전극(2)에서 전자를 전계방출시킬수 있는 전위보다 약간 낮은 전위가 인가되도록 구성되어 있으며, 그리드전극(3)에는 전자인출에 대하여 순(順)방향이 되는 가변전압(정(正)전압)이 인가되도록 구성되고, 또한 그리드전극(3)에 접지측으로부터 전자가 유입되지 않는 구성(다이오드의 내장)으로 되어 있다.

이상과 같이 하여 구성된 실시예 7의 소자는, 애노드전극(4)에 인가한 전압에 의해 발생하는 전계가 전자통과용 개구(3a)로부터 캐소드전극측으로 스며 나와, 그리드전극(3)에 인가한 전압에 의해 발생하는 전계와 복합하여 복합전계를 형성하고, 이 복합전계의 분포 형상이나 강도가 변화하여, 캐소드전극(2)으로부터 방출되는 전자량을 제어하는 구성으로 되어 있다.

복합전계를 이용하여 전자 방출을 제어하는 이 소자는, 복합전계를 사용하지 않는 종래의 전자방출소자에 비교하여, 현격하게 낮은 구동전압으로 안정적으로 전자방출을 제어할 수 있다.

또한, 이 소자는 그리드전극(3)에 접지측으로부터 전자가 유입되지 않는 구성으로 되어 있으므로, 이상방전이 생기는 경우도 없다.

(실시예 8)

실시예 8은 화상표시장치에 관한 실시예이며, 이 실시예의 장치에는 실시예1∼7에 기재한 전자방출소자를 사용할 수 있다.

여기서는 실시예 1의 소자를 사용하였다.

먼저, 도 7c에 따라 실시예 8의 화상표시장치의 개요를 설명한다. 도 7a∼ 7c중, 101은 전자반송부재, 102는 전자방출부재(캐소드전극), 103은 그리드전극, 104는 애노드전극을 겸한 애노드측 기판, 105는 캐소드측 기판, 106은 측벽이다.

이 장치는 캐소드측 기판(105)과 애노드측 기판(104)과 측벽(106)으로 밀폐구조가 구축되어 있으며, 장치 내부는 진공으로 유지되어 있다.

또, 이 장치는 각각의 전자방출소자(110)…를 개별로 제어하는 개별제어수단을 가지고 있으며, 개별제어수단에 의해 선택된 그리드전극(3)에 전압이 인가되어, 이 그리드전극(3)이 속하는 전자방출소자(110)에 있어서, 전자방출이 이루어지도록 구성되어 있다.

또, 애노드전극(104)의 내측면(캐소드전극측면)에는 형광체층이 형성되어 있다. 따라서, 캐소드전극(102)에서 방출된 전자가 애노드전극(104)에 도달하면, 애노드전극면이 발광한다.

그리고, 이 장치에서는, 상기 개별제어수단에 의해 개개의 소자마다 발광의 유무나 정도를 제어할 수 있도록 구성되어 있으므로, 전체로서 임의의 영상을 표시할 수 있다.

다음에, 이 장치의 제조방법을 도 7a∼7c를 참조하면서 설명한다.

먼저, 캐소드측 기판(105) 위에 전자반송부재(101)…를 소정의 간격으로 형성하고(도 7a), 각각의 전자반송부재(101)…의 위에 기둥형의 전자방출부재(캐소드전극(102)…)을 고착한다.

이어서, 그리드전극(103)…을 상기 전자방출부재에 위치 맞춤하여 배치하고, 다시 측벽(106)을 배치한다(도 7b).

그 후, 외위기(外圍器)의 일부를 겸하는 애노드측 기판(104)을 배치하고, 각각의 전극에 개별제어수단을 접속하여 밀폐용기를 완성한다(도 7c). 그 후, 용기내의 공기를 빼고, 화상표시장치를 완성시킨다.

이 장치는 저(低)전압구동으로 대전류를 취출(取出)할 수 있는 복합전계방식의 실시예 1의 전자방출소자를 사용하고 있으므로, 낮은 소비전력으로 높은 휘도화상을 얻을 수 있다.

본 발명은 애노드전극으로부터의 삼출(渗出)전계와 그리드전극에서 발생시킨 전계를 복합시킨 복합전계를 이용하여, 캐소드전극에서 전자를 인출하는 방식을 채용하고, 또한 전자방출수단을 형성하여, 상기 복합전계의 분포형상 및 강도를 적정하게 변화시켜서, 캐소드전극으로부터의 전자의 방출을 제어하는 구성을 채용한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 복합전계가 전자의 인출에 매우 유효하게 작용하므로, 저(低)전압으로 정확하고 또한 미세하게 전자방출을 제어할 수 있는 전자방출소자를 실현할 수 있다.

또, 이와 같은 전자방출소자를 사용함으로써, 저(低)소비전력으로 고(高)휘도표시가 가능한 박형(薄型) 평면표시장치를 실현할 수 있다. 따라서, 본 발명의 산업상의 의의는 크다.

Claims (37)

1. 전자반송부재와,

   상기 전자반송부재에 고착된 전자방출부재로 이루어지는 캐소드전극과,

   상기 캐소드전극으로부터 이격하여 배치된 애노드전극과,

   상기 캐소드전극과 상기 애노드전극과의 사이에 배치된, 전자통과용 개구를 가지는 그리드전극을 구비한 전자방출소자로서,

   상기 캐소드전극과 애노드전극과 그리드전극의 3자의 공간적 위치 및 각각의 형상은,

   상기 그리드전극과 상기 애노드전극과의 사이에서 발생하는 전계의 최소한 그리드전극표면을 포함하는 등전위면이 상기 전자통과용 개구에서 캐소드전극측으로 볼록하게 되어 캐소드전극측으로 스며 나오고, 이 스며 나온 전계가 상기 캐소드전극과 그리드전극 사이에서 발생하는 전계와 상호작용을 하여 복합전계를 형성하도록 구성되어 있으며,

   또한 최소한 상기 그리드전극의 전위를 변화시킴으로써, 상기 복합전계의 강도를 변화시켜서 상기 캐소드전극으로부터의 전자방출량을 제어하는 전자방출제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 그리드전극의 최소한 애노드전극측면의 일함수는, 상기 캐소드전극의 일함수보다 큰 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 그리드전극은 접지측으로부터 전자가 흐르지 않는 전기회로를 통하여 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
4. 제1항에 있어서, 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이를 d로 하고, 캐소드전극면에서 상기 그리드전극의 캐소드전극측면까지의 수직거리를 Z1로 할 때, 상기 그리드전극은 최소한 d ≥Z1인 관계가 성립하도록, 상기 캐소드전극과 애노드전극 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구 가까이에는, 상기 애노드전극으로부터의 전계집중을 완화하는 전계집중 완화수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
6. 제5항에 있어서, 상기 전계집중 완화수단은, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 애노드전극측의 주위가장자리 각부(角部)의 일함수를, 그리드전극의 다른 부분의 일함수보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
7. 제5항에 있어서, 상기 전계집중 완화수단은, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 최소한 애노드전극측의 주위가장자리 각부를 모따기하는 것을 특징으로 하 는 전자방출소자.
8. 제1항에 있어서, 상기 전자방출 제어수단은, 상기 캐소드전극에 대한 상기 애노드전극의 전위를 일정하게 하고, 상기 그리드전극의 전위를 변화시킴으로써, 상기 복합전계의 강도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
9. 제1항에 있어서, 상기 전자방출제어수단은, 상기 캐소드전극에 대한 상기 애노드전극의 전위를, 이 전위만으로는 상기 캐소드전극에서 상기 애노드전극방향으로 전자를 전계 방출시킬 수 없는 전위로 하고,

   상기 그리드전극의 전위를 상기 애노드전극과 동극성으로 하고, 이 전위를 변화시킴으로써, 상기 복합전계의 강도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
10. 제1항에 있어서, 상기 전자방출제어수단은, 상기 캐소드전극에 대한 상기 애노드전극의 전위를 이 전위만으로 상기 캐소드전극에서 상기 애노드전극방향으로 전자를 전계방출시킬 수 있는 전위로 하고,

    상기 그리드전극의 전위를 변화시킴으로써, 상기 복합전계의 강도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
11. 제10항에 있어서, 상기 그리드전극의 전위가, 상기 애노드전극의 전위와 역 극성인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
12. 제1항에 있어서, 상기 캐소드전극은 기둥형으로 형성된 전자방출부재로 이루어지고,

    상기 기둥형의 전자방출부재는 그 선단방향의 연장선이 상기 전자통과용 개구를 지나서 상기 애노드전극면에 직교하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
13. 제12항에 있어서, 상기 기둥형의 전자방출부재는, 선단 각부의 곡률반경을 r로 하고, 기둥의 최대폭을 D로 할 때, r ≤0.3D인 관계가 성립하는 형상인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
14. 제12항에 있어서, 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이를 d로 하고, 기둥형의 전자방출부재의 선단에서 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때,

    상기 그리드전극과 상기 캐소드전극은 d ≥Z1인 관계가 성립하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
15. 제12항에 있어서, 상기 기둥형 전자방출부재의 상기 전자반송부재면으로부터의 높이를 L로 하고, 그 선단으로부터 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때,

    상기 그리드전극과 상기 캐소드전극은 Z1 ≤0.25L인 관계가 성립하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
16. 제12항에 있어서, 상기 기둥형 전자방출부재는, 그 선단각부의 곡률 반경을 r로 하고, 기둥의 최대폭을 D로 할 때, r≤0.3D인 관계가 성립하는 형상이며,

    상기 기둥형의 전자방출부재의 상기 전자반송부재면으로부터의 높이를 L로 하고, 그 선단부로부터 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때, 상기 그리드전극은 Z1 ≤0.25L인 관계가 성립하도록 배치되어 있으며,

    또한 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이를 d로 할 때, d ≥Z1인 관계가 성립하도록, 상기 전자통과용 개구의 크기가 규정되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
17. 제16항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 카본계 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
18. 제16항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 6탄소환의 σ결합이 끊긴 그래파이트를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
19. 제16항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 수염결정성 의 물질을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
20. 제16항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 탄소섬유를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
21. 제16항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 카본나노튜브를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
22. 제1항에 있어서, 상기 캐소드전극은 기둥형의 전자방출부재가 상기 전자반송부재면에 복수 고착되어 이루어지는 것이며,

    상기 복수의 기둥형 전자방출부재 상호의 간격을 P로 하고, 상기 기둥형 전자방출부재의 상기 전자반송부재면으로부터의 높이를 L로 하고, 수직 높이가 가장 높은 기둥형 전자방출부재의 선단에서 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때, 상기 복수의 기둥형 전자방출부재와 상기 그리드전극 사이에 P ≥ 0.5L, Z1 ≤0.25L인 관계가 성립하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
23. 제22항에 있어서, 상기 그리드전극의 최소한 애노드전극측면의 일함수는, 상기 캐소드전극의 일함수보다 큰 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
24. 제23항에 있어서, 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이를 d로 하 고, 수직높이가 L인 기둥형의 상기 전자방출부재의 선단에서 상기 그리드전극면까지의 수직거리를 Z1로 할 때,

    상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 최대개구길이 d가 d ≥Z1인 관계가 성립하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
25. 제24항에 있어서, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구에는, 상기 애노드전극으로부터의 전계집중을 완화하는 전계집중 완화수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
26. 제25항에 있어서, 상기 전계집중 완화수단이, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 애노드전극측의 주위가장자리 각부의 일함수를, 그리드전극의 다른 부분의 일함수보다 크게 한 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
27. 제25항에 있어서, 상기 전계집중 완화수단이, 상기 그리드전극의 전자통과용 개구의 최소한 애노드전극측의 주위가장자리 각부에 모따기를 행한 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
28. 제27항에 있어서, 상기 그리드전극은 접지측으로부터 전자가 흐르지 않는 전기회로를 통하여 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
29. 제28항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 카본계 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
30. 제28항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 6탄소환의 σ결합이 끊긴 그래파이트를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
31. 제28항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 수염결정성의 물질을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
32. 제28항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 탄소섬유를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
33. 제28항에 있어서, 상기 캐소드전극을 구성하는 전자방출부재는, 카본나노튜브를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
34. 복수의 전자방출소자와, 상기 전자방출소자의 각각에 접속되고 또한 상기 각각의 전자방출소자에 전자방출을 위한 전기신호를 전달하는 회로와, 상기 전자방출소자에서 방출된 전자에 의해 화상을 형성하는 화상형성부를 구비한 화상표시장치에 있어서,

    상기 전자방출소자가 상기 제1항 내지 제32항중 어느 한 항에 기재한 전자방출소자인 것을 특징으로 하는 화상표시장치.
35. 전자반송부재와,

    상기 전자반송부재에 고착된 전자방출부재로 이루어지는 캐소드전극과,

    상기 캐소드전극으로부터 이격하여 배치된 애노드전극과,

    상기 캐소드전극과 상기 애노드전극과의 사이에 배치되고, 또한 접지측으로부터 전자가 흐르지 않는 전기회로를 통하여 접지된 전자통과용 개구를 가지는 그리드전극을 구비한 전자방출소자로서,

    상기 캐소드전극과 애노드전극과 그리드전극의 3자의 공간적 위치 및 각각의 형상은,

    상기 그리드전극과 상기 애노드전극과의 사이에 존재하는 전계가 상기 전자통과용 개구에서 캐소드전극측으로 스며 나오고, 이 스며 나온 전계가 상기 캐소드전극과 그리드전극 사이에 존재하는 전계와 상호작용을 하여 복합전계를 형성하도록 구성되어 있으며,

    상기 캐소드전극과 상기 애노드전극과 상기 그리드전극의 최소한 하나의 전극의 전위를 변화시킴으로써 상기 복합전계의 강도를 변화시켜서, 상기 캐소드전극으로부터의 전자방출량을 제어하는 전자방출제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
36. 전자반송부재와,

    상기 전자반송부재에 고착된 전자방출부재로 이루어지는 캐소드전극과,

    상기 캐소드전극으로부터 이격하여 배치된 애노드전극과,

    상기 캐소드전극과 상기 애노드전극과의 사이에 배치된 전자통과용 개구를 가지는 그리드전극을 구비한 전자방출소자로서,

    상기 캐소드전극과 애노드전극과 그리드전극의 3자의 공간적 위치 및 각각의 형상은,

    상기 그리드전극과 상기 애노드전극과의 사이에 존재하는 전계가 상기 전자통과용 개구에서 캐소드전극측으로 스며 나오고, 이 스며 나온 전계가 상기 캐소드전극과 그리드전극 사이에 존재하는 전계와 상호작용을 하여 복합전계를 형성하도록 구성되어 있으며,

    상기 캐소드전극에 대한 상기 애노드전극의 전위를, 해당 전위만으로는 상기 캐소드전극에서 상기 애노드전극방향으로 전자를 전계 방출시킬 수 없는 전위로 하고, 상기 그리드전극의 전위를 상기 애노드전극과 동(同)극성으로 하고, 이 전위를 변화시킴으로써 상기 복합전계의 강도를 변화시켜서, 상기 캐소드전극으로부터의 전자방출량을 제어하는 전자방출제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
37. 복수의 전자방출소자와, 상기 전자방출소자의 각각에 접속되고 또한 상기 각각의 전자방출소자에 전자방출을 위한 전기신호를 전달하는 회로와, 상기 전자방출소자에서 방출된 전자에 의해 화상을 형성하는 화상형성부를 구비한 화상표시장치에 있어서,

    상기 전자방출소자가 상기 제35항 또는 제36항중 어느 한 항에 기재한 전자방출소자인 것을 특징으로 하는 화상표시장치.

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