KR100893684B1 - 전계 방출 표시장치 - Google Patents

Abstract

전자 방출원이 전자 방출 기능과 저항층의 기능을 동시에 수행하도록 하여 전자 방출 균일도를 향상시키고, 공정 수율을 높이는 전계 방출 표시장치에 관한 것으로서, 전계 방출 표시장치는 임의의 간격을 두고 대향 배치되어 진공 용기를 구성하는 제1, 2 기판과; 제1, 2 기판 중 어느 한 기판에 마련되는 전자 방출원과; 전자 방출원으로부터 전자를 방출하기 위한 전자 방출 수단과; 제1, 2 기판 중 다른 한 기판에 구비되어 전자 방출원에서 방출된 전자에 의해 이미지를 구현하도록 발광하는 발광 수단을 포함하며, 전자 방출원은 카본계 전자 방출 물질을 구비함과 아울러 1∼10⁷Ωcm의 비저항 값을 갖는 저항성 도전 물질로 이루어져 전자 방출 기능과 저항층의 기능을 동시에 수행한다.

전계방출, 전자방출원, 카본나노튜브, 비저항, 저항층, 캐소드, 게이트

Description

전계 방출 표시장치{FIELD EMISSION DISPLAY DEVICE}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 방출 표시장치의 부분 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 A 화살표 방향에서 바라본 전계 방출 표시장치의 부분 결합 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 방출 표시장치의 변형예를 나타낸 개략도이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계 방출 표시장치의 부분 분해 사시도이다.

도 5는 도 4의 B 화살표 방향에서 바라본 전계 방출 표시장치의 부분 결합 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계 방출 표시장치의 변형예를 나타낸 개략도이다.

본 발명은 전계 방출 표시장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 방출 기능과 저항층의 기능을 동시에 수행하는 전자 방출원을 구비하여 전자 방출 균일도를 향상시키는 전계 방출 표시장치에 관한 것이다.

초기에 제안된 전계 방출 표시장치(FED; field emission display)는 캐소드 전극 위에 몰리브덴(Mo)이나 실리콘(Si) 등의 물질을 적층하여 선단을 뾰족하게 구성한 마이크로팁 에미터를 배치하고, 에미터의 선단부 주위에 게이트 전극을 형성하여 캐소드 전극과 게이트 전극의 전압 차를 이용해 에미터의 전자 방출을 유도하는 구성으로 이루어진다.

그러나 전술한 전계 방출 표시장치는 에미터의 크기가 마이크로미터(㎛) 단위로 매우 작아서 고정밀도의 제조 기술이 요구되고, 제조 프로세스가 복잡하여 대화면 표시장치 제작에 적용하기 어려운 한계가 있다.

또한 전술한 전계 방출 표시장치는 공정 편차에 의해 생기는 각 전극들의 치수 편차가 표시장치의 화면 품질에 큰 영향을 미치는데, 대표적으로 에미터간 치수 편차에 의해 각 에미터의 지엽적인 전계 강화 효과가 달라져 모든 에미터가 균일한 동작을 하지 못하게 된다. 그 결과, 단위 면적당 에미터의 밀도를 높이더라도 에미터간 전자 방출 균일도가 저하된다.

따라서 전자 방출 균일도를 높이기 위한 방안으로 캐소드 전극과 에미터 사이에 저항층을 사용하는 구조에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 이와 관련한 종래 기술로는 미국특허 5,194,780호에 개시된 전자 방출원을 들 수 있다.

그러나 종래의 마이크로팁 에미터는 주로 금속 물질로 이루어지고, 에미터와 다른 물질, 주로 비정질 실리콘을 이용하여 저항층을 형성하게 된다. 따라서 선행 특허에 개시된 전자 방출원은 캐소드 전극 위에 저항층을 형성하고, 저항층 위에 마이크로팁 에미터를 배치하고 있으며, 이러한 구조는 저항층이 없는 구조에 비해 한번의 성막 공정과 패터닝 공정이 추가되어야 하므로 제조 공정이 복잡해지고 공정 수율이 저하되는 단점을 안고 있다.

더욱이 종래의 전자 방출원은 전술한 바와 같이 에미터의 형상 특성에 의해 지엽적인 전계 강화 효과가 달라져 일부의 에미터에서만 전자가 방출된다. 이에 따라 개별 에미터가 방출하는 전류, 즉 개별 에미터에 가해지는 전류 부하(current load)가 증가하여 에미터의 수명 특성이 저하되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 별도의 저항층을 사용하지 않고도 전자 방출원이 저항층의 기능을 수행하도록 하여 전자 방출 균일도를 향상시키고, 공정 수율을 증가시키며, 전자 방출원의 수명 특성을 향상시키는 전계 방출 표시장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

임의의 간격을 두고 대향 배치되어 진공 용기를 구성하는 제1, 2 기판과, 제1, 2 기판 중 어느 한 기판에 마련되는 전자 방출원과, 전자 방출원으로부터 전자를 방출하기 위한 전자 방출 수단과, 제1, 2 기판 중 다른 한 기판에 구비되어 전자 방출원에서 방출된 전자에 의해 이미지를 구현하도록 발광하는 발광 수단을 포함하며, 전자 방출원이 카본계 전자 방출 물질을 구비함과 아울러 1∼10⁷Ωcm의 비저항 값을 갖는 저항성 도전 물질로 이루어져 전자 방출 기능과 저항층의 기능을 동시에 수행하는 전계 방출 표시장치를 제공한다.

상기 전자 방출 수단은 전자 방출원이 마련되는 일 기판 상에 스트라이프 패턴으로 형성되며, 도전 물질을 배제한 에미터 수용부를 형성하여 에미터 수용부에 전자 방출원이 위치하는 캐소드 전극들과, 전자 방출원을 제외하고 캐소드 전극들을 덮으면서 일 기판의 전면에 형성되는 절연층과, 전자 방출원을 노출시키기 위한 관통부를 구비하면서 절연층 위에서 캐소드 전극들과 수직한 스트라이프 패턴으로 형성되는 게이트 전극들로 이루어진다.

다른 실시예로서 상기 캐소드 전극은 에미터 수용부 없이 스트라이프 패턴으로 형성되고, 전자 방출원이 캐소드 전극 위에 형성될 수 있다.

또한 다른 실시예로서 상기 전자 방출 수단은 전자 방출원이 마련되는 일 기판 상에 스트라이프 패턴으로 형성되는 게이트 전극들과, 게이트 전극들을 덮으면서 일 기판의 전면에 형성되는 절연층과, 절연층 위에서 게이트 전극들과 수직한 스트라이프 패턴으로 형성되며, 일측 가장자리에 도전 물질을 배제한 에미터 수용부를 형성하여 여기에 전자 방출원이 위치하는 캐소드 전극들로 이루어진다.

그리고 상기 전자 방출 수단은 캐소드 전극과 임의의 간격을 두고 캐소드 전극들 사이에 위치하는 대향 전극을 더욱 포함하며, 대향 전극은 절연층에 형성된 비아 홀을 통해 게이트 전극과 접촉하여 게이트 전극과 전기적으로 연결된다.

바람직하게, 상기 전자 방출원의 모서리는 캐소드 전극의 모서리보다 캐소드 전극 내부를 향해 위치하여 캐소드 전극에 의한 집속 효과를 유도한다.

상기 전자 방출원의 카본계 전자 방출 물질은 카본 나노튜브, 그라파이트, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀(fulleren) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지며, 전자 방출원은 카본 나노튜브, 비정질 카본, 프릿(firt) 및 유기물의 소성체로 이루어진다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 방출 표시장치의 부분 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 A 화살표 방향에서 바라본 전계 방출 표시장치의 부분 결합 단면도이다.

도시한 바와 같이, 전계 방출 표시장치는 내부 공간부를 갖도록 임의의 간격을 두고 대향 배치되는 제1 기판(이하, 편의상 '후면 기판'이라 한다)과 제2 기판(이하, 편의상 '전면 기판'이라 한다)을 포함하며, 후면 기판(2)에는 전계 형성으로 전자를 방출하는 구성이, 그리고 전면 기판(4)에는 전자에 의해 소정의 이미지를 구현하는 구성이 제공된다.

보다 구체적으로, 후면 기판(2) 위에는 에미터 수용부(6a)를 갖는 캐소드 전극들(6)이 후면 기판(2)의 일방향(도면의 Y 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극들(6)을 덮으면서 후면 기판(2) 전면에 절연층(8)이 위치하며, 절연층(8) 위에는 게이트 전극들(10)이 캐소드 전극(6)과 직교하는 방향(도면의 X 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.

본 실시예에서 전계 방출 표시장치의 화소 영역을 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)의 교차 영역으로 정의할 때, 각 화소마다 게이트 전극(10)과 절연층(8)을 관통하는 관통부(12)가 형성되어 캐소드 전극(6)을 노출시키며, 관통부(12)에 의해 노출된 캐소드 전극(6)의 각 화소 영역에는 캐소드 전극(6)을 구성하는 도전 물질을 배제한 일종의 구멍인 에미터 수용부(6a)가 형성되어 여기에 전자 방출원(14)이 위치하도록 한다.

이 때, 본 실시예에 의한 전자 방출원(14)은 카본계 전자 방출 물질을 구비함과 아울러 1∼10⁷Ωcm의 비저항 값을 갖는 저항성 도전 물질로 이루어져 전자 방출 물질에 의한 전자 방출 기능과 더불어 전술한 비저항 값에 의한 저항층의 기능을 동시에 수행한다.

본 발명에서 상기 카본계 물질은 카본 나노튜브, 그라파이트, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀(fulleren) 또는 이들의 조합 물질로 이루어지고, 본 실시예에서는 카본 나노튜브(16)를 적용하고 있다.

본 실시예에서 카본 나노튜브들(16)은 전자 방출원(14)의 표면에 많은 수가 노출되어 있으며, 노출된 각각의 카본 나노튜브들(14)이 전계 방출 에미터로 작용하여 후술하는 구동 과정에서 전자를 방출하게 된다. 이로서 전자 방출원(14)에 구비된 각각의 카본 나노튜브들(16)이 종래의 마이크로팁 에미터 하나에 해당한다고 볼 수 있다.

이러한 전자 방출원(14)은 캐소드 전극(6)의 측면과 접촉하여 캐소드 전극(6)과 수평 방향으로 연결된다. 따라서 전자 방출원(14)을 구성하는 저항성 도전 물질이 캐소드 전극(6)과 각각의 카본 나노튜브(16)를 연결하는 저항층의 역할을 수행한다.

그리고 전술한 전자 방출원(14)은 전자 방출 물질로 기능하는 카본 나노튜브와, 저항성 도전 물질로 기능하는 비정질 카본, 프릿(frit) 및 유기물 등을 포함하는 감광성 카본 나노튜브 페이스트를 후면 기판(2) 위에 인쇄 및 건조하고, 노광과 현상 과정을 거쳐 패터닝한 다음, 소성하는 과정을 통해 얻어질 수 있다.

이 때, 전자 방출원(14)의 물성치는 카본 나노튜브 페이스트의 구성 물질에 관계되는데, 카본 나노튜브(16)의 함량과 전자 방출원(14)의 비저항 값이 반비례하므로 물성치 조절의 한 방법으로써 카본 나노튜브(16)의 함량을 변화시켜 전자 방출원(14)의 비저항 값을 조절할 수 있다.

한편, 후면 기판(2)에 대향하는 전면 기판(4)의 일면에는 투명한 애노드 전극(18)과 더불어 캐소드 전극 방향(도면의 Y 방향)을 따라 R, G, B 형광막들(20)이 임의의 간격을 두고 위치하며, 각각의 R, G, B 형광막(20) 사이로 콘트라스트 향상을 위한 블랙 매트릭스막(22)이 위치한다.

그리고 형광막(20)과 블랙 매트릭스막(22) 위에는 알루미늄 등으로 이루어진 금속 박막층(24)이 위치할 수 있는데, 이 금속 박막층(24)은 전계 방출 표시장치의 내전압 특성과 휘도 특성 향상에 도움을 주는 역할을 한다.

이와 같이 구성되는 전면 기판(4)과 후면 기판(2)은, 게이트 전극(10)과 형광막(20)이 직교하도록 마주한 상태에서 임의의 간격을 두고 실링 물질에 의해 접합되며, 그 사이에 형성되는 내부 공간을 배기시켜 진공 상태로 유지함으로써 전계 방출 표시장치를 구성한다.

상기한 전계 방출 표시장치는 외부로부터 캐소드 전극(6), 게이트 전극(10) 및 애노드 전극(18)에 소정의 전압을 공급하여 구동하는데, 일례로 캐소드 전극(6)에는 수∼수십V의 (-)전압이, 게이트 전극(10)에는 수∼수십V의 (+)전압이, 그리고 애노드 전극(18)에는 수백∼수천V의 (+)전압이 인가된다.

이로서 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)의 전압 차에 의해 전자 방출원(14) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 애노드 전극(18)에 인가된 고전압에 이끌려 해당 화소의 형광막(20)에 충돌하여 이를 발광시킴으로써 소정의 이미지를 구현한다.

여기서, 상기 전자 방출원(14)은 표면으로 노출된 카본 나노튜브(16)를 통해 전자를 방출함과 아울러, 전술한 비저항 값을 갖는 저항성 도전 물질에 의해 캐소드 전극(6)과 개개의 카본 나노튜브들(16)을 저항으로 연결하게 된다.

이 때, 전자 방출원(14) 표면에 노출되어 전자를 방출하는 개개의 카본 나노튜브들(16)을 전자 방출 사이트로 가정하면, 각각의 전자 방출 사이트는 형태상의 차이(일례로 카본 나노튜브의 수직 배열 정도와 돌출된 높이 등)로 인해 동일한 전계가 인가되어도 형상에 따라 지엽적인 전계 강화 효과가 달라져 저항층이 없는 경우, 일부의 전자 방출 사이트에서만 전자가 방출된다.

그러나 본 실시예는 전자 방출원(14)이 일정한 비저항 값을 갖고 있기 때문에, 방출 전류가 많은 전자 방출 사이트에서는 캐소드 전극(6)으로부터 전자 방출 사이트까지 전압 강하가 발생하여 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)간 전압 차가 감소하여 전류 방출량이 줄어들게 된다. 반면 방출 전류가 적은 전자 방출 사이트에서는 전압 강하가 발생하지 않거나 적게 발생하여 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)간 전압 차가 유지되므로 전류 방출량을 유지할 수 있다.

이상의 내용을 고려하여 볼 때, 본 실시예에서는 두 전자 방출 사이트간 전류 방출량 차이가 상대적으로 줄어들어 전자 방출 균일도가 향상되고, 개개의 전자 방출 사이트에 인가되는 전류 부하가 줄어들어 전자 방출원(14)의 수명 특성을 향상시키는 장점이 예상된다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 방출 표시장치의 변형예를 나타낸 개략도로서, 캐소드 전극(6)은 에미터 수용부 없이 후면 기판(2)의 일방향을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극(6) 위에 전술한 전자 방출원(14)이 형성된다.

이 경우에도 전자 방출원(14)이 전자를 방출하는 카본 나노튜브(16)와 더불어 1∼10⁷Ωcm의 비저항 값을 저항성 도전 물질로 이루어짐에 따라, 저항성 도전 물질이 캐소드 전극(6)과 개개의 카본 나노튜브(16)를 연결하는 저항층의 역할을 수행하여 전술한 효과를 구현한다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계 방출 표시장치의 부분 분해 사시 도이고, 도 5는 도 4의 B 화살표 방향에서 바라본 전계 방출 표시장치의 부분 결합 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 게이트 전극들(10)이 후면 기판(2)의 일방향(도면의 Y 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 게이트 전극들(10)을 덮으면서 후면 기판(2) 전면에 절연층(8)이 위치하며, 절연층(8) 위에는 캐소드 전극들(6)이 게이트 전극(10)과 직교하는 방향(도면의 X 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.

상기 캐소드 전극들(6) 사이에는 게이트 전극(10)의 전계를 절연층(8) 상부로 끌어올리는 대향 전극(26)이 캐소드 전극(6)과 임의의 간격을 두고 위치한다. 이러한 대향 전극(26)은 절연층(8)에 형성된 비아 홀(8a)을 통해 게이트 전극(10)과 접촉하여 이와 전기적으로 연결된다.

그리고 대향 전극(26)과 마주하는 캐소드 전극(6)의 일측 가장자리에는 캐소드 전극(6)을 구성하는 도전 물질을 배제한 일종의 홈인 에미터 수용부(6b)가 형성되고, 여기에 전자 방출원(14)이 위치한다.

상기 전자 방출원(14)은 전술한 실시예와 동일한 구성으로 이루어지며, 캐소드 전극(6)의 측면과 접촉하여 캐소드 전극(6)과 수평 방향으로 연결된다. 이로서 전자 방출원(14)을 구성하는 저항성 도전 물질이 캐소드 전극(6)의 모서리와 개개의 카본 나노튜브들(16)을 연결하는 저항층의 역할을 수행한다.

이로서 게이트 전극(10)과 캐소드 전극(6)에 소정의 구동 전압이 인가되면, 게이트 전극(10)의 전계가 대향 전극(26)을 통해 전자 방출원(14) 주위에 인가되어 전자 방출원(14)의 모서리, 특히 모서리에 존재하는 개개의 카본 나노튜브들(16)로부터 전자가 방출되는데, 이 과정에서 전자 방출원(14)의 저항성 도전 물질이 저항층으로 기능하며, 저항층에 의한 효과는 전술한 실시예와 동일하므로 본 실시예에서는 자세한 설명은 생략한다.

이 때, 에미터 수용부(6b)에 위치하는 전자 방출원(14)은 도 6에 도시한 바와 같이 전자 방출원(14)의 모서리가 캐소드 전극(6)의 모서리보다 안쪽에 위치하도록 전자 방출원(14)의 모서리가 캐소드 전극(6)의 모서리로부터 캐소드 전극(6) 내부를 향해 임의의 간격(d)을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

이는 전계 방출 표시장치 구동시 캐소드 전극(6)에 수∼수십V의 (-)전압이 인가되므로, 전자 방출원(14)에서 나온 (-)전하의 전자들이 캐소드 전극(6)에 인가된 (-)전압에 의해 반발력을 받아 전면 기판(4)을 향해 퍼지지 않고 집속되는 힘을 받기 때문이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 저항층의 성막과 패터닝 공정을 생략할 수 있어 공정 수율이 높아지고, 제조 원가가 절감된다. 또한 전자 방출 사이트의 형태상 차이에도 불구하고 방출 전류가 다른 전자 방출 사이트간 전류 방출량 차이를 줄여 전자 방출 균일도가 향상되며, 개개의 전자 방출 사이트에 인가되는 전류 부하를 낮추어 전자 방출원의 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 임의의 간격을 두고 대향 배치되어 진공 용기를 구성하는 제1, 2 기판과;

   상기 제1, 2 기판 중 어느 한 기판에 마련되는 전자 방출원과;

   상기 전자 방출원으로부터 전자를 방출하기 위한 전자 방출 수단; 및

   상기 제1, 2 기판 중 다른 한 기판에 구비되어 상기 전자 방출원에서 방출된 전자에 의해 이미지를 구현하도록 발광하는 발광 수단을 포함하며,

   상기 전자 방출원이 카본계 전자 방출 물질과 1∼10⁷Ωcm의 비저항 값을 갖는 저항성 도전 물질을 함께 포함하여 전자 방출 기능과 저항층의 기능을 동시에 수행하는 전계 방출 표시장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전자 방출 수단이,

   상기 전자 방출원이 마련되는 일 기판 상에 스트라이프 패턴으로 형성되며, 도전 물질을 배제한 에미터 수용부를 형성하여 에미터 수용부에 전자 방출원이 위치하는 캐소드 전극들과;

   상기 전자 방출원을 제외하고 상기 캐소드 전극들을 덮으면서 상기 일 기판의 전면에 형성되는 절연층; 및

   상기 전자 방출원을 노출시키기 위한 관통부를 구비하면서 상기 절연층 위에 서 캐소드 전극들과 수직한 스트라이프 패턴으로 형성되는 게이트 전극들을 포함하는 전계 방출 표시장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전자 방출 수단이,

   상기 전자 방출원이 마련되는 일 기판 상에 스트라이프 패턴으로 형성되며, 표면에 전자 방출원이 위치하는 캐소드 전극들과;

   상기 전자 방출원을 제외하고 상기 캐소드 전극들을 덮으면서 상기 일 기판의 전면에 형성되는 절연층; 및

   상기 전자 방출원을 노출시키기 위한 관통부를 구비하면서 상기 절연층 위에서 캐소드 전극들과 수직한 스트라이프 패턴으로 형성되는 게이트 전극들을 포함하는 전계 방출 표시장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전자 방출 수단이,

   상기 전자 방출원이 마련되는 일 기판 상에 스트라이프 패턴으로 형성되는 게이트 전극들과;

   상기 게이트 전극들을 덮으면서 상기 일 기판의 전면에 형성되는 절연층; 및

   상기 절연층 위에서 게이트 전극들과 수직한 스트라이프 패턴으로 형성되며, 일측 가장자리에 도전 물질을 배제한 에미터 수용부를 형성하여 에미터 수용부에 전자 방출원이 위치하는 캐소드 전극들을 포함하는 전계 방출 표시장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 전자 방출 수단이, 상기 캐소드 전극과 임의의 간격을 두고 캐소드 전극들 사이에 위치하는 대향 전극을 더욱 포함하는 전계 방출 표시장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 대향 전극이 상기 절연층에 형성된 비아 홀을 통해 게이트 전극과 접촉하여 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 전계 방출 표시장치.
7. 제 4항에 있어서,

   상기 전자 방출원의 모서리가 캐소드 전극의 모서리보다 캐소드 전극 내부를 향해 위치하는 전계 방출 표시장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 카본계 전자 방출 물질이 카본 나노튜브, 그라파이트, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀(fulleren) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 전계 방출 표시장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 전자 방출원이 카본 나노튜브, 비정질 카본, 프릿(firt) 및 유기물의 소성체로 이루어지는 전계 방출 표시장치.

Images