KR100730108B1 - 냉음극을 채용한 전자총 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉음극을 채용한 전자총에 관한 것으로서, 기판과, 상기 기판 상에 형성되는 음극과, 다수개의 캐비티가 형성된 절연층과, 상기 캐비티에 해당되는 음극의 상부에 형성되는 전자방출원 및 상기 절연층의 상부에 형성되는 게이트전극을 포함하며, 상기 절연층은 상기 음극과 게이트 전극과의 단락을 방지하기 위한 제 1 절연층과, 옥사이드 형태의 세라믹 물질로 이루어진 제 2 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총을 제공한다.

본 발명에 따른 냉음극을 채용한 전자총을 이용하게 되면 절연층의 절연 특성 약화로 발생되는 음극과 게이트전극간의 단락 현상을 방지할 수 있어, 단락 현상없이 전자총을 장시간 사용할 수 있는 잇점이 있다.

Description

냉음극을 채용한 전자총{Electron gun applying cold cathode}

도 1은 종래의 냉음극 구조의 일부를 도시한 단면도이다.

도 2는 종래의 냉음극의 구조에서 전자방출원 부분을 제외한 나머지 부분의 층별 구성을 나타내는 단면도이다.

도 3는 본 발명에 따른 전자총을 도시한 분리사시도이다.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 냉음극을 도시한 단면도이다.

도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉음극을 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

10, 30, 40...전자총 11...도전성 기판

12, 31, 46...전자방출원 13, 47...캐비티

14, 24, 45...게이트전극 15, 23...절연층

21, 41...기판 22, 42...음극

25...핀홀(pin hole) 32...음극구조체

33...포커스전극 34...최종가속전극

33a, 33b, 34a...전자빔 통과공 43...제1 절연층

44...제2 절연층

본 발명은 냉음극을 채용한 전자총에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극과 게이트전극 사이에 개재되는 절연층의 절연 특성 약화로 발생하는 단락 현상을 방지하기 위하여 음극과 게이트전극 사이의 절연 특성을 향상시킨 냉음극을 채용한 전자총에 관한 것이다.

통상적으로, 음극선관에 사용되는 전자총은 별도의 히이터가 요구되는 열음극형(heated cathode type)을 음극구조체로 사용하였다. 이러한 전자총은 음극구조체와 각 전극에 소정의 전위가 인가됨에 따라서 음극구조체로부터 열전자가 방출됨과 동시에 각 전극사이에 전자렌즈가 형성된다. 이에 따라, 전자빔은 각 전극사이에 형성된 전자렌즈를 통과하면서 집속 및 가속된다. 그런데, 열음극형을 채용한 전자총은 히이터에 전압이 인가되는 시점에서 전자방출원(emitter)으로부터 전자들이 방출되는 시점까지 걸리는 시간이 길어서 화상이 형성되는 시간이 길고, 히이터의 구동전력으로 인하여 전체적인 소비전력이 크다. 또한, 적, 녹, 청색용의 3개의 전자방출원의 전자방출특성이 서로 큰 차이를 가진다.

최근에는 이러한 열음극형 전자총에 대한 구조적 단점을 제거하기 위하여 히이터를 사용하지 않는 냉음극형(cold cathode type)의 전자총이 개발되고 있다. 이러한 전자총은 전계방출표시소자(field emission display; FED)를 이용한 음극구조체를 사용하는데, 전계방출표시소자는 게이트전극과 음극간의 전압인가에 의하여 음극상에 돌출된 마이크로팁(micro-tip)에 강한 전기장을 형성시켜서 전계방출현상 으로 방출되는 전자빔을 집속시켜 형광체를 발광시키는 표시소자를 말한다. 상기 냉음극형의 전자총에 사용되는 전계방출표시소자를 이용한 음극구조체는 전자방출물질을 가열하여 열전자를 발생시키는 음극구조체와는 달리, 금속성의 마이크로팁에 강한 전기장을 형성시켜 양자역학적인 투과현상을 이용하여 전자방출원으로부터 전자를 방출시키도록 되어 있다.

한국공개특허공보 제96-32537호에는 이러한 전자총의 일 예가 개시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전자총은 도전성의 기판(11)과, 상기 기판(11)상에 배치되는 원추형 전자방출원(12)과, 상기 전자방출원(12)이 배치될 적어도 하나의 캐비티(13)를 가지는 게이트전극(14)과, 상기 기판(11)과 게이트전극(14) 사이에 삽입된 절연층(15)으로 이루어진 냉음극(10)을 포함한다. 이때, 상기 전자방출원(12)들의 단부 주위의 게이트전극(14)의 영역(A)과, 상기 영역(A) 이외의 게이트전극(14)의 영역(B)은 서로 다른 전압강하특성을 가진다.

도 2는 종래의 냉음극의 구조에서 전자방출원 부분을 제외한 나머지 부분의 층별 구성을 나타내는 단면도이다.

종래 전계방출표시소자를 이용한 냉음극의 제조시에 인쇄 방법을 이용할 경우 기판(21)상의 음극(22) 위에 절연층(23)을 인쇄한 후 다시 게이트전극(24)을 인쇄 또는 박막 공정에 의해 형성하게 된다. 이때 상기 절연층(23)을 인쇄한 후 소성하는 공정에서 음극(22)과 절연층(23)간의 습윤성(wettability)의 차이 또는 인쇄막 자체의 특성 등에 기인하여, 도 2의 원부분을 확대한 도면에 도시된 바와 같이 미세한 핀홀(pin hole)(25)이 발생한다. 이러한 핀홀(25)로 인하여, 이후에 게이트전극(24)을 형성할 때 음극(22)과 게이트전극(24)간에 단락 현상이 발생하는 문제점이 발생한다.

이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 상기 절연층외에 또 다른 절연층을 구비하여 단락 현상을 방지하고자 하였고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 음극과 게이트전극 사이에 개재되는 절연층의 미세한 핀홀에 의하여 발생하는 단락 현상을 방지하기 위하여 음극과 게이트전극 사이의 절연 특성을 향상시킨 냉음극을 채용한 전자총을 제공하는데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은,

기판과, 상기 기판 상에 형성되는 음극과, 다수개의 캐비티가 형성된 절연층과, 상기 캐비티에 해당되는 음극의 상부에 형성되는 전자방출원 및 상기 절연층의 상부에 형성되는 게이트전극을 포함하며, 상기 절연층은 상기 음극과 게이트 전극과의 단락을 방지하기 위한 제 1 절연층과, 옥사이드 형태의 세라믹 물질로 이루어진 제 2 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따른 냉음극을 채용한 전자총에 있어서, 상기 제 1 절 연층이 상기 음극과 접하고, 상기 제 2 절연층이 상기 게이트 전극과 접하도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 냉음극을 채용한 전자총에 있어서, 상기 제 2 절연층이 상기 음극과 접하고, 상기 제 1 절연층이 상기 게이트 전극과 접하도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 냉음극을 채용한 전자총에 있어서, 상기 음극의 재질로 전기를 통하는 전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 냉음극을 채용한 전자총에 있어서, 상기 제 1 절연층은 물질의 저항이 1㏁/㎛ 이상인 세라믹 물질을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 세라믹 물질은 SiO, SiO_2, Si₃N₄, BN 으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 물질인 것이 바람직하며, 또한 상기 제 1 절연층은 두께가 500nm 내지 2㎛의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 냉음극을 채용한 전자총에 있어서, 상기 제2 절연층의 물질이 Pb, Si, B 및 Al로 이루어진 그룹에서 선택된 둘 이상의 산화물인 것이 바람직하고, 상기 제2 절연층은 소성 후 그 두께가 2 내지 20㎛의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 냉음극을 채용한 전자총에 있어서, 상기 제 1 절연층은 스퍼터링(sputtering)이나 화학증착법(chemical vapor deposition) 또는 증발(evaporation)의 방법으로 제조될 수 있고, 상기 음극은 인쇄 또는 증착 방법 으로 제조될 수 있으며, 상기 제 2 절연층은 인쇄 방법으로 제조하는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 냉음극을 채용한 전자총을 상세하게 설명하고자 한다.

도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 냉음극을 채용한 전자총을 도시한 분리사시도이다. 도면을 참조하면, 상기 전자총(30)은 전자방출원이 전계방출표시소자인 냉음극(31)을 구비하는 음극구조체(32)와 상기 음극구조체(32)의 전방에 설치되며 상기 냉음극(31)으로부터 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키기 위한 포커스전극(33)과, 상기 포커스전극(33)의 전방에 설치되는 최종가속전극(34)으로 이루어져 있다. 여기에서, 상기 냉음극(31)은 적, 녹, 청색별로 복수개 마련되어 있고, 상기 포커스전극(33) 및 최종가속전극(34)의 일면에 형성된 적, 녹, 청색의 전자빔 통과공(33a)(33b)(34a)과 대응되도록 설치되어 있다.

여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 전자총을 구성하는 냉음극을 제조하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

도 4a를 참조하면, 먼저 유리나 웨이퍼로 된 기판(41)을 마련하고, 상기 기판(41)의 상부에 음극(42)을 형성한다. 상기 음극의 재질로는 은 페이스트 등과 같은 전기를 통하는 전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 음극의 형성시 화학증착(chemical vapor deposition)법이나 스퍼터링(sputtering)법과 같이 박막을 형성할 수 있는 방법이면 제한없이 사용할 수 있으나, 특히 인쇄 방법을 사용하는 것이 제조비용 절감 측면에서 바람직하다.

이후 상기 음극(42)의 상부에 제1 절연층(43)을 형성한다.

상기 제1 절연층(43)은 일반적으로 산화규소(SiO, SiO₂), 질화규소(Si₃N₄) 또는 질화붕소(boron nitride, BN)와 같은 절연물질로 형성되는데, 상기 제 1절연층(43)의 두께가 500nm 미만이면 제 1절연층의 충분한 절연특성을 확보할 수 없고, 2㎛을 초과하면 제조비용이 상승하는 문제점이 있다. 이 때, 제 1절연층(43)을 형성하는 방법으로는 상기 음극층을 형성할 때와 같이 박막을 형성할 수 있는 방법이면 제한없이 사용할 수 있으나 구체적으로는 스퍼터링이나 화학증착법 또는 증발(evaporation)의 방법으로 제조하는 것이 바람직하며, 비용절감을 위해 인쇄방법을 사용할 수도 있다.

상기 제1 절연층(43) 중에서 일부는 상기 음극(42)을 덮지 않는 개방된 캐비티(47)를 형성한다. 상기 캐비티(47)를 통하여 상기 음극(42)의 상부에는 전자를 방출하는 전자방출원(46)이 적, 녹, 청색별로 각각 형성된다.

상기 전자방출원(46)으로서는 전도성이 우수하고, 전자의 방출량이 많은 탄소재를 사용하는 것이 바람직한데, 이를테면, 카본나노튜브(carbon nano tube)나, 흑연(graphite)이나, 탄소성 다이아몬드(diamond like carbon, DLC)와 같은 소재가 적당하다.

이후, 상기 제1 절연층(43)의 상부에 옥사이드 형태의 세라믹 물질로 이루어진 제2 절연층(44)을 형성한다.

상기 제 2 절연층(44)의 물질은 Pb, Si, B 및 Al로 이루어진 그룹에서 선택 된 둘 이상의 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 제2 절연층(44)을 형성하는 방법으로는 상기 음극층을 형성할 때와 같이 박막을 형성할 수 있는 방법이면 제한없이 사용할 수 있으나, 특히 인쇄 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 이상과 같은 방법으로 형성된 제 2 절연층(44)의 두께는 초기 구동전압을 조절할 수 있도록 대략 2 내지 20㎛의 범위인 것이 바람직하다.

종래의 절연층처럼, 제2 절연층(44) 없이 제 1 절연층(43)만을 2 내지 20㎛ 범위로 사용하면 상기 절연층을 인쇄한 후 소성 공정에서 상기 절연층의 하부에 위치하는 음극과 상기 절연층의 상부에 형성되는 게이트전극간에 습윤성의 차이 또는 인쇄막 자체의 특성 등에 기인하여 미세한 핀홀 등이 발생하게 되고, 이러한 핀홀로 인하여 음극과 게이트전극간에 단락 현상이 발생하게 된다. 본 발명은 상기 단락 현상을 방지하기 위하여 제 1 절연층(43)을 절연성 향상막으로서 사용하고 제2 절연층(44)을 냉음극 본래의 절연층 용도로 사용하는 데에 특징이 있다.

상기 옥사이드 형태의 세라믹 물질로 이루어진 제2 절연층(44)은 상기 물질의 저항이 1㏁/㎛ 이상인 물질을 사용하는 것이 바람직한데, 상기 물질의 저항이 1㏁/㎛ 미만이면 전자방출원(46)으로부터 전자를 방출시키기 위한 게이트(45) 전압을 충분히 인가시킬 수 없는 문제점이 있다. 구체적으로 상기 옥사이드 형태의 세라믹 물질은 Pb, Si, B 및 Al로 이루어진 그룹에서 선택된 둘 이상의 산화물을 포함하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 제2 절연층(44)의 상부에 금속재의 그리드로 이루어진 게이트전극(45)을 형성한다.

상기와 같은 전자방출원을 포함하는 전자총은 음극(42)과, 제1 절연층(43) 및 제2 절연층(44)의 상부에 부착된 금속재의 그리드로 된 게이트전극(45)사이에 전압이 인가되면, 상기 전자방출원(46)으로부터 전자가 방출된다.

다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자총을 구성하는 냉음극의 구조를 도 4b를 참조하여 살펴보기로 한다.

도 4b는 제2 절연층(44)이 형성된 위치가 도 4a에 도시된 제2 절연층(44)이 형성된 위치와 다른 것을 제외하고는 도 4a와 동일하다.

즉, 도 4a에서는 상기 제2 절연층(44)이 형성된 위치가 제1 절연층(43)과 게이트전극(45) 사이인데 비해, 도 4b에서는 음극(42)과 제1 절연층(43)의 사이에 형성된다는 점에 차이가 있다. 상기 제2 절연층(44)은 앞서 언급한 바와 같이, 제1 절연층(43)에 발생하는 미세한 핀홀에 의해 야기되는 음극과 게이트전극간의 단락 현상을 방지하기 위하여 형성하는 층인바, 상기 제2 절연층(44)의 위치는 음극(42)과 게이트전극(45)의 사이에 형성되기만 하면 무방하고, 경우에 따라 상기 제2 절연층(44)은 상기 제1 절연층(43)의 양면에 형성될 수도 있다.

상기 제2 절연층(44)에 사용되는 물질, 형성방법 및 형성두께 등은 상기 언급된 본 발명의 일실시예에서 사용된 그것과 동일하다.

이처럼, 상기 제2 절연층(44)을 먼저 형성한 후에, 상기 제1 절연층(43)을 상기 제2 절연층(44)의 상부에 형성하더라도 음극(42)과 게이트전극(45)간의 단락 현상의 방지 효과는 동일하다.

구체적으로, 본 발명에 따라 제조된 냉음극에서의 단락 방지 효과를 도 4b의 구조를 갖는 냉음극의 일예를 들어 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유리로 된 기판(41)의 상부에 인쇄 또는 증착 방법을 사용하여 음극을 형성하고, 상기 음극의 상부에 Pb, Si 및 B의 산화물(PbO-B₂O₃-SiO₂)로 이루어진 제2 절연층(44)을 15㎛의 두께로 인쇄한 후, 약 580℃에서 소성하였다.

이후, 상기 제2 절연층(44)의 상부에 물질의 저항이 1.2㏁/㎛인 SiO₂를 약 0.1㎛의 두께로 증착하여 제1 절연층(43)을 형성하였다. 그리고 나서, 알루미늄(Al)으로 게이트 전극(45)을 약 0.1㎛의 두께로 형성한 후, 포토리쏘그래피 공정으로 캐비티(47)를 형성하고 최종으로 에미터부(46)를 형성하였다.

이렇게 제조된 본 발명에 따른 냉음극에서의 캐소드와 게이트 사이의 저항을 실측한 결과는 "100㏁ ~ 무한대"이었고, 다수개에 대해 반복 측정한 결과의 평균은 200㏁으로서 양호한 절연특성을 나타내었다.

이에 반해, 본 발명에 따른 제2 절연층을 형성하지 않은 종래의 냉음극의 경우에는 "0 ~ 10㏁"의 범위를 나타내었으며, 다수개에 대해 반복 측정한 결과의 평균은 5㏁으로서 절연성이 불완전하였다.

본 발명에 따른 냉음극을 채용한 전자총을 이용하게 되면 절연층의 절연 특성 약화로 발생되는 음극과 게이트전극간의 단락 현상을 방지할 수 있어, 단락 현상없이 전자총을 장시간 사용할 수 있는 잇점이 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것 에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

1. 기판과, 상기 기판 상에 형성되는 음극과, 다수개의 캐비티가 형성된 절연층과, 상기 캐비티에 해당되는 음극의 상부에 형성되는 전자방출원 및 상기 절연층의 상부에 형성되는 게이트전극을 포함하며, 상기 절연층은 상기 음극과 게이트 전극과의 단락을 방지하기 위한 제 1 절연층과, 옥사이드 형태의 세라믹 물질로 이루어진 제 2 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총으로서, 상기 제 2 절연층의 물질이 Pb, Si, B 및 Al로 이루어진 그룹에서 선택된 둘 이상의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
2. 제1항에 있어서, 상기 제 1 절연층이 상기 음극과 접하고, 상기 제 2 절연층이 상기 게이트 전극과 접하는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
3. 제1항에 있어서, 상기 제 2 절연층이 상기 음극과 접하고, 상기 제 1 절연층이 상기 게이트 전극과 접하는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
4. 제1항에 있어서, 상기 음극의 재질로 전기를 통하는 전도성 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
5. 제1항에 있어서, 상기 제 1 절연층은 산화규소(SiO, SiO₂), 질화규소(Si₃N₄) 및 질화붕소(BN)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 제 1 절연층은 소성 후 그 두께가 500nm 내지 2㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
7. 제1항에 있어서, 상기 제 2 절연층은 물질의 저항이 1㏁/㎛ 내지 200㏁/㎛인 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 제 2 절연층은 소성 후 그 두께가 2 내지 20㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
10. 제1항에 있어서, 상기 음극이 인쇄 또는 증착 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 절연층이 스퍼터링(sputtering)이나 화학증착법(chemical vapor deposition) 또는 증발(evaporation)의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.
12. 제1항에 있어서, 상기 제 2 절연층이 인쇄 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉음극을 채용한 전자총.

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