KR100991875B1

KR100991875B1 - 전자 방출식 발광소자 및 발광방법

Info

Publication number: KR100991875B1
Application number: KR1020070132432A
Authority: KR
Inventors: 정-유 리; 스-푸 첸; 이-핑 린; 웨이-츠 린; 리앤-이 초
Original assignee: 인더스트리얼 테크놀로지 리서치 인스티튜트
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2010-11-04
Also published as: KR20080056667A; DE602007012407D1; JP2008153229A; EP1936661A1; JP5035684B2; US20080143241A1; EP1936661B1; JP2008153228A; KR20080056668A; KR100899430B1

Abstract

본 발명은 전자 방출식 발광소자에 관한 것으로서, 음극구조, 양극구조, 형광층 및 저압 기체층을 포함한다. 형광층은 상기 음극구조와 상기 양극구조 사이에 위치하게 된다. 저압 기체층은 상기 음극구조와 양극구조 사이에 충진되며, 음극을 유도하여 균일하게 전자를 방출하도록 하는 기능을 가진다. 저압 기체층에는 전자 평균 자유 경로가 있어서 적어도 충족한 수량의 전자가 작동 전압 하에서 직접 형광층에 충돌하는 것을 허용한다.

디스플레이 장치, 화소, 발광소자

Description

전자 방출식 발광소자 및 발광방법{ELECTRON EMISSION DEVICE AND LIGHT EMITTING METHOD}

본 발명은 발광소자에 관한 것으로서, 특히 전자 방출식 발광방법과 소자 및 그 응용에 관한 것이다.

현재 대량 생산되는 광원장치 또는 디스플레이 장치에서 주로 두 가지 큰 부류의 발광구조를 사용하는데 그것들은 다음과 같다.

1. 기체 방전 광원: 예를 들면 플라즈마 패널 또는 기체 방전 램프 등에 응용되며, 주로 음극과 양극 사이의 전계를 이용하여 방전 챔버 내에 충진된 기체로 하여금 이온화 되도록 하며, 기체 글로 방전(glow discharge)챔버에 의하여 전자로 하여금 기체에 충돌한 후 전이하면서 자외선을 생성하도록 하며, 동시에 방전 챔버 내의 형광층은 자외선을 흡수하여 가시광선을 발생한다.

2. 전계 방출 광원: 예를 들면 탄소 나노 튜브 전계 방출 디스플레이 등에 응용되며, 주로 고진공 환경을 제공하며, 음극에 탄소나노재질의 전자 방출단자(electron emitter)를 제작함으로써 전자 방출 단자에서의 높은 가로세로 비(high aspect ratio)의 마이크로구조를 이용하여 전자로 하여금 음극의 일함 수(work function)를 극복하여 음극을 이탈하도록 한다. 그 외에, 산화 인듐 주석(ITO)으로 제작된 양극에 형광층을 도포함으로써, 음극과 양극 사이의 높은 전계에 의하여 전자로 하여금 음극의 탄소 나노 튜브를 이탈하도록 한다. 이렇게 함으로써 전자는 진공 환경에서 양극의 형광층을 충돌하여 가시광선을 발생시킨다.

그러나 상기 두 가지 발광 구조는 모두 단점을 갖는다. 예를 들어 설명하면, 자외선을 조사한 후의 감쇄 문제로 인하여 기체 방전 광원 내의 재료 선택은 특수한 요구 사항을 가지게 된다. 그 외에, 기체 방전의 발광 메커니즘은 두 개의 과정을 거쳐야만 가시광선으로 생성되기 때문에, 에너지의 소모가 비교적 많으며, 만약 과정 중에서 플라즈마를 생성하여야 할 경우 더 많은 전력을 소모하게 된다. 또한, 전계 방출 광원은 음극에 균일하게 성장 또는 도포된 전자 발사 단자를 필요로 하는데, 현재 상기 형태의 대면적 음극 구조를 생산하는 기술이 아직 완벽하지 않으며, 전자 발사단자의 균일도와 생산 효율의 높지 않은 병목현상이 나타나고 있다. 그 외에 전계 방출 광원의 음극과 양극 사이의 간격이 정밀하게 제어되어야 하는데, 높은 진공도의 패키지도 매우 어려우며, 이는 상대적으로 제작 원가를 증가시키게 된다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 양호한 발광 효율을 가지는 발광 방법 및 용이하게 제작 가능한 전자 방출식 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 양호하고 균일한 광원을 제공하고 비교적 낮은 제작 원가와 비교적 좋은 생산효율을 가지는 상기 전자 방출 방식의 발광소자를 응용한 광원장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 전자 방출 방식의 발광소자를 응용하여 디스플레이 화소로 사용하여, 양호한 디스플레이 품질을 제공하며 제작시의 원가와 난이도를 감소시키는 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 음극 구조, 양극구조 및 형광층을 포함하는 소자에 사용하는 전자 방출식 발광방법을 제공하는데, 이 방법은 상기 음극구조와 양극구조 사이에 저압 기체층을 충진하여 상기 음극을 유도하고 균일하게 전자를 방출하여 형광층을 충돌시키도록 하는 단계를 포함한다.

본 발명은 또한 전자 방출식 발광소자를 제공하는데, 상기 전자 방출식 발광소자는 음극 구조, 양극구조, 상기 음극구조와 상기 양극구조 사이에 위치하는 형광층, 및 상기 음극구조와 양극구조 사이에 충진되며, 상기 음극을 유도하여 균일하게 전자를 방출하도록 하는 작용을 가지는 저압 기체층을 포함한다.

본 발명은 또한 전자 방출식 발광소자를 제공하는데, 상기 전자 방출식 발광소자는, 음극 구조, 양극구조, 상기 음극구조와 상기 양극구조 중 적어도 하나에 위치하는 방전·유발 구조층, 상기 음극구조와 상기 양극구조 사이에 위치하는 형광층, 및 상기 음극구조와 양극구조 사이에 충진되며, 음극을 유도하여 균일하게 전자를 방출하도록 하는 작용을 가지는 저압 기체층을 포함한다.

본 발명은 또한 전자 방출식 발광소자를 제공하는데, 상기 전자 방출식 발광소자는 기판, 상기 기판에 설치되는 적어도 하나의 음극 구조, 상기 기판에 설치하는 적어도 하나의 양극구조; 상기 기판에 배치되며, 적어도 하나의 음극 구조와 적어도 하나의 양극 구조 사이에 위치하는 형광층, 및 적어도 하나의 음극 구조와 적어도 하나의 양극 구조 사이에 충진되며, 음극을 유도하여 균일하게 전자를 방출하도록 하는 작용을 가지는 저압 기체층을 포함한다.

위에서 서술한 바와 같이 본 발명은 희박한 기체를 이용하여, 전자로 하여금 음극에서 용이하게 방출되도록 하기 때문에, 음극 상에서 전자 방출 단자를 제작할 때 발생 가능한 문제를 면할 수 있다. 그 외에, 사용되는 기체가 희박한 기체이므로, 전자 평균 자유 경로(mean free path)가 비교적 크기 때문에, 대량의 전자가 기체에 충돌하기 전에 직접 형광층과 반응하여 광선을 발생시킨다. 다시 말하면 본 발명의 전자 방출식 발광소자는 비교적 높은 발광 효율을 가지며, 또한 제작이 용이하고 비교적 높은 생산 효율을 가진다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작을 설명한다.

본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자는 종래의 기체 방전 광원과 전계 방출 광원의 장점을 모두 가지고 있으며 이 두 가지 종래 발광구조의 단점을 모두 해결하였다. 도 1을 참조하면 도 1은 상기 두 가지 종래의 발광 구조와 본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자의 발광 메커니즘 비교도이다. 더 자세히 설명하면, 종래의 기체 글로 방전 광원은 음극과 양극 사이의 전계를 이용하여 방전 챔버 내에 가득 찬 기체를 이온화하여 기체 전도하는 방법으로 전자로 하여금 기타 기체 분자를 충돌하여 자외선을 생성하도록 하며, 형광층은 자외선을 흡수하여 가시광선을 발생시킨다. 그 외, 종래의 전계 방출 광원은 고도의 진공 환경에서 음극 상의 전자 방출단자의 높은 가로세로 비 구조에 의하여 전자로 하여금 음극의 일함수를 극복하여 음극을 이탈하도록 한다. 그 후, 전자는 음극과 양극 사이의 높은 전계에 의하여 음극의 전자 방출단자로부터 이탈하며, 동시에 양극의 형광층을 충돌하여 가시광선을 발생한다. 다시 말하면 형광층의 재료는 설계 메커니즘의 요구에 따라 가시광선이나 적외선, 또는 자외선 등을 방출하는 재료를 사용할 수 있다.

본 발명의 전자 방출식 발광소자가 상기 두 가지 종래의 발광 메커니즘과 다른 것은 본 발명의 전자 방출식 발광소자는 전자 방출 단자를 형성할 필요가 없으며, 또한 희박한 기체를 이용하여 전자로 하여금 음극에서 용이하게 이탈하게 하여, 전자로 하여금 직접 형광층과 충돌하여 광선을 방출하도록 한다.

종래의 기체 글로 방전 광원과 비교하면, 본 발명의 전자 방출식 발광소자 내에 충진한 기체의 양은 전자를 음극에서 이탈하게 할 만큼의 양만 필요하며, 또 한 자외선을 이용하여 형광층에 비추어 광선을 생성하는 것이 아니기 때문에 소자 내의 재료가 자외선에 비추어 감쇄되는 문제가 발생할 염려가 없다. 실험과 이론 검증으로 알 수 있듯이, 본 발명의 전자 방출식 발광소자 내의 기체는 비교적 희박하기 때문에 전자의 평균 자유 경로는 약 5mm 또는 5mm 이상에 도달할 수 있다. 다시 말하면 대부분의 전자가 기체의 분자에 충돌되기 전에 직접 형광층에 충돌되어 광선을 방출한다. 그 외에, 본 발명의 전자 방출식 발광소자는 두 가지 과정을 거쳐 광선을 생성하지 않아도 되기 때문에 발광 효율이 비교적 높으며, 에너지 소모를 줄일 수 있다.

다른 양태에서, 종래의 전계 방출 광원과 비교해 보면, 음극에 전자 방출 단자로서의 마이크로 구조를 형성하여야 하며, 이 마이크로 구조는 대량 제작 공정에서 제어가 어렵게 된다. 가장 많이 사용되는 마이크로 구조는 탄소 나노 튜브(carbon nanotube)인데, 음극에 도포에 있어서 탄소튜브의 길이가 일정하지 않으며 집중되는 문제도 생겨 발광면에 암영 부분이 존재하게 되며, 발광 균일성이 좋지 않은 것은 줄곧 전계 방출 광원의 기술 병목현상과 원가문제가 되고 있다. 본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자는 기체에 의하여 전자로 하여금 음극으로부터 균일하게 이탈하도록 하며, 간단한 음극 평면 구조만으로, 4" 전자 방출식 발광 패널의 발광 균일성을 75% 정도에 도달하게 하며, 종래 전계 방출 발광소자의 발광 균일성이 제고하지 못하는 병목을 해결하였다. 그렇기 때문에 제작 원가를 크게 절약할 수 있으며, 제조 공정도 비교적 간단하다. 그 외에, 본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자 내에 희박한 공기를 채우기 때문에, 고도의 진공환경이 필요하지 않 으며, 고도의 진공 패키징 시에 발생하던 어려운 문제점을 면할 수 있게 된다. 그 외, 실험을 통하여 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자는 기체의 도움으로 턴온 전압(turn on voltage)을 0.4V/μm로 낮출 수 있는데 이는 일반적인 전계 방출 광원의 1~3V/μm의 턴온 전압보다 많이 낮다.

또한, 종래의 Child-Langmuir 방정식에 근거하여 본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자의 실제 관련 데이터를 대입하여 계산하면 본 발명의 전자 방출식 발광소자의 음극의 암영 부분 분포 범위가 약 10~25센티미터(cm) 사이에 있음을 계산해 낼 수 있는데, 이것은 양극과 음극 사이의 간격보다 훨씬 크다. 다시 말하면 본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자는 기체를 이용하여 음극의 전자를 이탈시키며, 다시 전자가 직접 형광층과 작용함으로써 발광한다.

도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 전자 방출식 발광소자의 기본 프레임을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전자 방출식 발광소자(200)는 주로 양극(210), 음극(220), 기체(230) 및 형광층(240)을 포함하며, 여기에서 기체(230)는 양극(210)과 음극(220) 사이에 위치하며, 기체(230)가 전계의 작용을 받은 후 적당한 양의 정전하 이온(204)을 생성하여, 음극(220)으로 하여금 많은 전자(202)를 방출하게 한다. 여기에서 주의해야 할 점은 본 발명의 기체(230)가 존재하는 환경의 기압은 8×10^- ¹토르(torr)에서 10^-3토르(torr) 사이에 있으며, 바람직하게는, 기압이, 예를 들면 2×10^- ²토르(torr)에서 10^- ³토르(torr) 사이 또는 2×10^- ²토르(torr)에서 1.5×10^-1토르(torr)사이이다. 그외에, 형광층(240)은 전자(202)의 이동 경로 에 배치되며, 전자(202)와 작용하여 광선(L)을 방출한다.

본 실시예에서 형광층(240)은 예를 들면, 양극(210)의 표면에 도포된다. 그 외에, 양극(210)은 예를 들면, 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)로 제작되어, 광선(L)으로 하여금 양극(210)을 지나 전자 방출 발광소자(200)에 방출되게 하며, 여기에서, 선택 사용될 수 있는 투명 전도성 산화물로는 산화인듐주석(ITO), 불소 도핑 산화주석(FTO), 산화인듐아연(IZO) 등 쉽게 볼 수 있는 재료들이다. 물론 기타 실시예에서 양극(210)과 음극(220)은 금속 또는 기타 양호한 전도 특성을 가지는 재질로 제작할 수도 있다.

본 발명이 사용하는 기체(230)는 특성에 있어서 특별한 요구는 없으며, 질소(N₂), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe) 등 불활성 기체일 수 있으며, 또는 수소(H₂), 이산화탄소(CO₂) 등 해리된 후 양호한 전도 특성을 가지는 기체일 수 있으며, 또는 산소(O₂), 공기(Air)등 일반적인 기체일 수 있다. 그 외, 형광층(240) 종류의 선택을 통하여 전자 방출식 발광소자(200)로 하여금 가시광선, 적외선 또는 자외선 등 서로 다른 유형의 광선을 방출하도록 할 수 있다.

그 외, 소위 음극과 양극은 저전압과 고전압의 두 개의 전압원을 말하는데, 필요한 작동 전압 차이 또는 대응되는 전계 강도를 생성한다. 그렇기 때문에 일반적으로 양극(210)에 정전압을 인가하고 음극(220)에 그라운드 전압을 인가한다. 그러나 양극(210)에 그라운드 전압을 인가하고 음극(220)에 음전압을 인가할 수도 있다. 이렇게 하여도 발광의 효과가 있을 수 있다. 그 외, 저압 기체의 압력도 작동 전압과 관련이 있다. 실제 설계에 있어서 기체 압력과 작동 전압은 적당한 조건을 선택할 수 있다. 실험으로 검증한 결과에 의하면, 예를 들어, 양극이 0V이고 음극이 약 -7KV, 음양극 거리 >2cm이며 저압 기체가 약 2×10^-2torr인 조건에서, 또는 양극이 약 0V, 음극이 약 -7KV, 음양극 거리=1cm이며 저압 기체가 약 1.3×10^-1torr인 조건에서 필요한 광원을 방출할 수 있다. 그러나 저압 기체가 1.2×10^-4torr이면 발광하지 않으며, 실제 기체 압력과 작동 전압은 음양극의 거리, 기체 종류와 구조가 상이함에 따라 다르다.

일반적으로 음극이 금속 평면형으로 된 설계는 첨단(尖端)형 구조를 가지는 음극처럼 비교적 쉽게 전자를 방출시킬 수 없어서, 만약 전압이 너무 작거나 또는 기압이 너무 낮으면 전계 방출 효과를 일으키지 못하여 충분한 양의 광선을 발생시키지 못하고, 심지어는 광선을 발생시키지 못하기도 한다.

도 2에 나타낸 실시예 외에, 본 발명은 발광 효율을 제고하기 위하여, 음극에 전자를 쉽게 생성하는 재료를 형성하여 별도의 전자원을 제공할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예의 전자 방출식 발광소자(300)는, 그 음극(320)에 예를 들면, 2차 전자원 재료층(secondary electron source material layer)(322)을 형성한다. 상기 2차 전자원 재료층(322)의 재질은 산화마그네슘(MgO), 산화테르븀(Tb₂O₃), 산화란타늄(La₂O₃) 또는 산화세륨(CeO₂) 등의 재료를 사용할 수 있다. 기체(330)가 이온화된 이온(304)을 생성할 수 있고, 이온(304)은 정전하를 띠어, 양극(310)을 멀리하여 음극(320) 쪽으로 이동하기 때문에, 이온(304)이 음극(320) 상의 2차 전자원 재료층(322)에 충돌할 때 별도의 2차 전자(302')를 생성하게 된다. 비교적 많은 전자(원시 전자(302)와 2차 전자(302')를 포함한다)와 형광층(304)이 작용하여 발광 효율을 제고할 수 있다. 여기에서 주의해야 할 점은 상기 2차 전자원 재료층(322)은 2차 전자를 생성하는 데에 도움이 될 뿐만 아니라 음극(320)을 보호하여 이온(304)의 과도한 충돌을 면하도록 한다.

그 외, 본 발명은 양극 또는 음극 중 하나를 선택하거나 또는 동시에 양극과 음극에 전계 방출 광원과 유사한 전자 방출단자의 구조를 형성하여 전극 상의 작동전압을 낮출 수 있으며 더욱 쉽게 전자를 생성할 수 있다. 도 4a-4c는 각각 본 발명에 따른 여러 가지 방전 유발 구조의 전자 방출식 발광소자를 나타내는데, 여기에서 동일한 기호로 유사한 부재를 나타내며 이러한 부재에 대하여 일일이 다시 설명하지는 않는다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 전자 방출식 발광소자(400a)의 음극(420)에는 방전 유발 구조(452)가 형성되는데, 예를 들면 금속재, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소나노월(carbon nanowall), 다공성 나노탄소(carbon nanoporous), 다이아몬드 박막, 기둥형 산화아연(ZnO), 산화아연(ZnO) 등의 재료로 구성된 마이크로구조이다. 또한 방전 유발 구조(452)는 상기 2 차 전자원 재료층을 더 증가하여 결합할 수 있다. 그 외, 기체(430)는 양극(410)과 음극(420) 사이에 위치하며, 형광층(440)은 양극(410)의 표면에 배치된다. 방전 유발 구조(452)에 의하여 양극(410)과 음극(420) 사이의 작동 전압을 낮출 수 있으며, 전자(402)를 더욱 용이 하게 생성할 수 있다. 전자(402)는 형광층(440)과 작용하여 광선(L)을 생성하게 된다.

도 4b가 나타내는 전자 방출식 발광소자(400b)는 도 4a에 도시된 것과 유사하나, 비교적 분명한 차이점은 양극(410)에 방전 유발 구조(454)를 배치한 것인데, 상기 방전 유발 구조(454)는 상술한 바와 같이, 금속재료, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소나노월(carbon nanowall), 다공성 나노탄소(carbon nanporous), 다이아몬드박막, 기둥형 산화아연(ZnO), 산화아연(ZnO) 등 재료로 구성된 마이크로 구조이다. 또한 방전 유발 구조(452)는 상기 2차 전자원 재료층을 더 증가하여 결합할 수 있다. 그 외, 형광층(440)은 방전 유발 구조(452)에 배치된다.

도 4c는 방전 유발 구조(454)와 방전 유발 구조(452)를 모두 구비한 전자 방출식 발광소자(400c)를 나타낸 것이다. 여기에서, 방전 유발 구조(454)는 양극(410)에 배치되고, 형광층(440)은 방전 유발 구조(454)에 배치되며, 방전 유발 구조(452)는 음극(420)에 배치된다. 기체(430)는 양극(410)과 음극(420) 사이에 배치된다.

상기 여러 가지 방전 유발 구조(452) 및/또는 방전 유발 구조(454)를 구비하고 있는 전자 방출식 발광소자(400a, 400b, 400c)는 도 3에 도시되니 바와 같은 2차 전자원 재료층(322)의 설계와 통합할 수 있으며, 음극(420)에 2차 전자원 재료층을 형성할 수 있으며, 만약 음극(420)에 방전 유발 구조(454)가 이미 형성되어 있을 경우, 2차 전자원 재료층으로 하여금 방전 유발 구조(454)를 덮도록 할 수 있다. 이렇게 함으로써, 양극(410)과 음극(420) 사이의 작동 전압을 낮출 수 있을 뿐 만 아니라 전자(402)의 생성도 더욱 용이하게 할 수 있으며, 또한 2차 전자원 재료층에 전자(402)의 수량을 증가함으로써, 발광효율을 높일 수 있다.

평행판 구조 외에 본 발명이 제공하는 전자 방출식 발광소자는 발광구조로서 서로 다른 외형의 발광구조를 가질 수 있다.

먼저, 도 5는 또 다른 수평 방출식(in-plane emission type)의 발광구조(600)를 나타내는데, 주로 양극(610), 음극(620) 및 형광층(640)을 하나의 기판(substrate)(680)에 배치한다. 예를 들면 기판(680)의 동일 측에 배치한다. 상기 기판(680)은 예를 들면 유리 기판일 수 있으며, 양극(610)과 음극(620)의 재질은 예를 들면 금속일 수 있다. 형광층(640)은 양극(610)과 음극(620) 사이에 위치하며, 기체(630)에 의하여 유발된 전자(602)는 형광층(640)을 지나며 광선(L)을 방출하도록 한다. 기타 소자에 관련된 설명은 상술한 실시예를 참조하면 되기 때문에, 여기에서는 다시 기술하지 않는다. 또한, 어떻게 기체(630)의 밀폐 환경을 유지하는가 하는 것은, 예를 들면 일반적인 기술로 달성할 수 있다. 그 방법에 대해서는 여기에서 자세히 기술하지 않도록 한다.

여기에서 주의해야 할 점은, 상기 도 5의 발광구조는 예를 들어 설명한 것일 뿐, 본 발명의 응용 가능한 발광구조의 외형을 제한하는 것은 아니다. 기타 실시예에서 서로 다른 변수에 따라, 예를 들면, 상기 발광구조를 도 3의 2차 전자원 재료층(322) 또는 4a-4c의 방전 유발 구조(452와 454)와 결합하여 서로 다른 요구를 만족시킬 수 있다.

본 발명의 전자 방출식 발광소자는 광원장치를 제작하는데 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 여러 개의 실시예 중 임의의 일종의 전자 방출식 발광소자로 구성되어 광원을 제공하는데 사용할 수 있다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 일종의 광원장치를 나타낸다. 도 6에 도시한 바와 같이, 광원장치(800)는 면광원(S)을 제공하기 위한 어레이로 배열된 복수 개의 전자 방출식 발광소자(800a)를 포함한다. 본 실시예에서 사용된 전자 방출식 발광소자(800a)의 설계는 예를 들면, 상기 여러 개의 실시예 중 임의의 한 개를 포함한다. 예를 들어 설명하면, 광원장치(800)는 도 6의 발광구조(600)의 설계와 유사할 수 있으며, 기판(880)에 여러 조합의 양극(810), 음극(820) 및 형광층(840)의 구조를 제작하여 대형화의 목적에 도달할 수 있다.

물론, 상기 제공한 여러 가지 전자 방출식 발광소자는 디스플레이 장치에 응용할 수 있다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 디스플레이 장치(900)의 각 디스플레이 화소(902)는 전자 방출식 발광소자로 구성되며, 복수 개의 디스플레이 화소(902)로 하나의 디스플레이 도면을 형성하고, 정지상태 또는 동작상태 화면을 나타낸다. 전자 방출식 발광소자로 디스플레이 화소(902)를 나타내기 때문에, 전자 방출식 발광소자에서 예를 들면 적색 광, 녹색 광과 남색 광을 방출하는 형광층을 선택 사용함으로써, 적색 디스플레이 화소(R), 녹색 디스플레이 화소(G) 및 남색 디스플레이 화소(B)를 구성하며, 더 나아가 모든 색상의 디스플레이 효과에 도달하게 된다.

또한, 형광층의 설계는 단층구조를 제외하고 같은 주파수의 빛을 생성하며, 여러 가지 서로 다른 형광재료를 사용할 수 있다. 이렇게 함으로써, 적층 구조 또 는 여러 구역에서 서로 다른 주파수의 빛을 생성할 수 있다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광원장치를 나타낸다. 도 8에서 나타내듯이 발광소자(200A)는 예를 들면 도 2의 구조를 기초로 하며, 형광층(242)은 예를 들면 여러 가지 형광층 재료로 구성되며, 서로 다른 주파수를 반영하여 혼합 광선을 생성한다.

또한, 형광층의 설계에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이 분리된 구역으로 구성할 수도 있다. 이 실시예에서 발광소자(200B)의 형광층(244)은 여러 개의 구역으로 구성된다. 그 매개 구역은 같은 주파수의 광선이거나 각각 서로 대응되는 주파수가 있는 광선을 방출할 수 있다.

또한 형광층의 설계에 따라, 도 10에 도시된 바와 같이 서로 다른 주파수의 형광층, 예를 들면 적층 방식으로 발광소자(200C)를 구성할 수 있다. 예를 들면, 적색, 녹색, 남색의 3종 형광층(246, 248, 250)으로 구성된 적층구조이며, 광선을 혼합 후 백색광을 생성할 수 있다. 이 또한 본 발명의 여러 가지 변화 중 하나인 실시예이다. 또한 예를 들면 서로 다른 형광층 재료를 혼합하여 하나의 형광 혼합층을 구성할 수도 있다.

그 외, 상기 기술한 여러 가지 실시예는 실제 설계의 요구에 따라 서로 다른 조합으로 변화시킬 수 있다.

본 발명의 실시예의 검증에 따르면, 90mm×110mm의 공간 면에 있어서, 면광원을 밑 부분 중간 위치에 배치하며, 5개의 측정점은 예를 들면 차례로 왼쪽 위 모서리(점 1), 오른쪽 위 모서리(점 2), 오른쪽 아래 모서리(점 3), 왼쪽 아래 모서리(점 4), 중간점(점 5)으로 할 수 있는데, 여기에서 얻은 밝기효과는 다음의 표 1 과 같다. 표 1에 보이는 바와 같이, 본 발명은 확실히 광원으로서의 설계에 도달할 수 있다. 점 5는 발광원의 바로 앞면에 위치하며 광원과 비교적 근접하기 때문에 가장 밝다. 점 3, 점 4는 밑 부분에 있고 또한 광원의 좌우 양측에 있기 때문에 가장 어둡다. 발광 균일도는 예를 들면 Min/Max로 계산하였는데 2790/3700=0.754의 정도에 도달하였다.

표 1

기압	점 1	점 2	점 3	점 4	점 5	균일도
1.2E-02	3480	3550	2790	2790	3700	0.754

이상에서 설명한 본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자 및 상기 장치를 응용한 광원장치와 디스플레이장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

상기와 같이 본 발명이 제공하는 전자 방출식 발광소자 및 상기 장치를 응용한 광원 장치와 디스플레이 장치는 모두 에너지를 절약하고 발광효율이 높으며, 응답시간(response time)이 짧으며, 제조하기 쉽고 환경을 보호(수은을 포함하지 않음)하는 등의 특징을 갖는다. 이렇기 때문에 시장에 또 다른 광원 장치와 디스플레이 장치의 선택을 제공할 수 있다. 종래의 발광구조에 비교하면 본 발명이 제공한 전자 방출식 발광소자는 구조가 간단하고, 음극은 평면 구조만으로도 정상적으로 작동할 수 있으며, 관련되는 2차 전자원 재료층 또는 방전 유발 구조는 선택적인 소자일 뿐 반드시 필요한 소자는 아니다. 그 외, 본 발명의 전자 방출식 발광소자는 고도의 진공 패키지를 하지 않아도 되며, 제작 공정을 간편화할 수 있고 대량 생산에 유리하다.

다른 일 양태에서, 본 발명의 전자 방출식 발광소자의 음극은 금속도 가능하 므로, 반사율을 제고하고 밝기와 발광 효과를 제고할 수 있다. 그 외, 전자 방출식 발광소자가 방출한 광 파장은 형광층의 종류에 따라 결정되므로, 광원 장치 또는 디스플레이 장치 등 상이한 용도에 따라, 서로 다른 파장 범위의 광원을 설계할 수 있다. 그 외, 본 발명의 전자 방출식 발광소자는 평면(planar)광원, 선형(linear)광원 또는 점(spot)광원으로 설계할 수 있으며, 디스플레이 장치, 광원 장치(예를 들면, 백라이트 모듈 또는 조명등)등의 서로 다른 용도의 요구에 부합된다.

위에서 본 발명의 바람직한 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래의 발광 구조와 본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자의 발광 메커니즘의 비교도를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 전자 방출식 발광소자의 기본 프레임을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예의 전자 방출식 발광소자를 나타낸다.

도 4a-4c는 각각 본 발명에 따른 여러 가지 방전 유발 구조를 가지는 전자 방출식 발광소자를 나타낸다.

도 5는 본 발명에 따른 실시예의 수평 방출식의 발광구조를 나타낸다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광원 장치를 나타낸다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치를 나타낸다.

도 8~10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 방출식 발광소자를 나타낸다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

200, 300, 400a, 400b, 400c: 전자 방출식 발광소자

202, 302, 402, 502, 602, 702: 전자

204, 304, 504, 704: 이온

210, 310, 410, 510, 610, 810: 양극

220, 320, 420, 520, 620, 820: 음극

230, 330, 430, 630: 전도 기체

240, 340, 440, 640, 840: 형광층

242, 244, 246, 248, 250: 형광층

322: 2차 전자원 재료층

452, 454: 방전 유발구조

500, 600, 700: 발광구조

560: 간극물

570: 밀폐 공간

680, 880: 기판

800: 광원 장치

800a: 전자 방출식 발광소자

900: 디스플레이 장치

902: 디스플레이 화소

L: 광선

S: 면광원

R: 적색 디스플레이 화소

G: 녹색 디스플레이 화소

B: 남색 디스플레이 화소

Claims

음극구조, 양극구조, 및 상기 음극구조 및 상기 양극구조 사이에 위치하는 형광층을 포함하는 소자에 사용하는 전자 방출식 발광방법에 있어서,

상기 음극구조와 상기 양극구조 사이에 저압 기체층을 충진하여 상기 음극을 유도하고 균일하게 전자를 방출하여 형광층에 충돌하도록 하는 단계를 포함하되,

상기 저압 기체층의 기압은 2x10^-2토르(torr)에서 1.5x10^-1토르(torr) 사이이며, 상기 저압 기체층의 기체는 질소(N2), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 수소(H₂), 이산화탄소(CO₂), 산소(O₂) 또는 공기(Air)를 포함하는 전자 방출식 발광방법.
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제1항에 있어서,

상기 소자의 양극구조에 정전압을 인가하는 단계; 및

상기 소자의 음극구조에 그라운드 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 전자 방출식 발광방법.
제1항에 있어서,

상기 소자의 양극구조에 그라운드 전압을 인가하는 단계; 및

상기 소자의 음극구조에 부전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 전자 방출식 발광방법.
음극구조;

양극구조;

상기 음극구조와 상기 양극구조 사이에 위치하는 형광층; 및

상기 음극구조와 상기 양극구조 사이에 충진되어 음극을 유도하고 균일하게 전자를 방출하도록 하는 작용을 가지는 저압 기체층을 포함하되,

상기 저압 기체층의 기압은 2x10^-2토르(torr)에서 1.5x10^-1토르(torr) 사이이며, 상기 저압 기체층의 기체는 질소(N2), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 수소(H₂), 이산화탄소(CO₂), 산소(O₂) 또는 공기(Air)를 포함하는 전자 방출식 발광소자.
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제7항에 있어서, 상기 양극구조는 투명 전도성 재료를 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제10항에 있어서, 상기 투명 전도성 재료는 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 불소 도핑 산화주석(FTO) 또는 투명 전도성 산화물(TCO)을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제7항에 있어서, 상기 형광층은 상기 전자와 충돌한 후 형광을 생성하는 전자 방출식 발광소자.
제12항에 있어서, 상기 형광은 가시광, 적외선 또는 자외선을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제7항에 있어서, 상기 형광층은 동일한 주파수의 광을 생성하는 단층 구조인 전자 방출식 발광소자.
제7항에 있어서, 상기 형광층은 각각 대응되는 주파수의 광을 생성하는 복수 개의 형광 구역을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제7항에 있어서, 상기 형광층은 복수 종류의 상이한 형광 재료를 포함하는 적층 구조 또는 혼층(混層) 구조인 전자 방출식 발광소자.
제7항에 있어서, 상기 양극구조와 상기 음극구조의 적어도 하나는 금속 또는 전도성 재료인 전자 방출식 발광소자.
제7항에 있어서, 상기 양극구조와 상기 음극구조는 기판의 동일측에 있는 전자 방출식 발광소자.
제7항에 있어서, 상기 저압 기체층의 기체는 해리되어 전도 능력을 갖는 전자 방출식 발광소자.
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제7항에 있어서, 상기 음극구조와 상기 양극구조의 적어도 하나에는 방전 유 발 구조층이 포함되는 전자 방출식 발광소자.
제21항에 있어서, 상기 방전 유발 구조층은 금속재, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소나노월(carbon nanowall), 다공성 나노탄소(carbon nanporous), 다이아몬드 박막, 기둥형 산화아연(ZnO) 또는 산화아연(ZnO)을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제21항에 있어서,

상기 방전 유발 구조층은 상기 음극구조에 있는 제1 방전 유발 구조; 및

상기 양극구조에 있는 제2 유발 구조를 포함하는 전자 방출식 발광소자.
음극구조;

양극구조;

상기 음극구조에 위치하는 2차 전자원 재료층;

상기 음극구조와 상기 양극구조 사이에 위치하는 형광층; 및

상기 음극구조와 상기 양극구조 사이에 충전되어 음극을 유도하고 균일하게 전자를 방출하도록 하는 작용을 가지는 저압 기체층을 포함하되,

상기 저압 기체층의 기압은 2x10^-2토르(torr)에서 1.5x10^-1토르(torr) 사이이며, 상기 저압 기체층의 기체는 질소(N2), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 수소(H₂), 이산화탄소(CO₂), 산소(O₂) 또는 공기(Air)를 포함하는 전자 방출식 발광소자.
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제24항에 있어서, 상기 양극구조는 투명 전도성 재료를 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제27항에 있어서, 상기 투명 전도성 재료는 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 불소 도핑 산화주석(FTO) 또는 투명 전도성 산화물(TCO)을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 형광층은 상기 전자와 충돌한 후 형광을 생성하는 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 형광은 가시광, 적외선 또는 자외선을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 형광층은 동일한 주파수의 광을 생성하는 단층 구조인 것을 특징으로 하는 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 형광층은 각각 대응되는 주파수의 광을 생성하는 복수 개의 형광 구역을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 형광층은 복수 종류의 상이한 형광 재료를 포함하는 적층 구조 또는 혼층(混層) 구조인 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 양극구조와 상기 음극구조의 적어도 하나는 금속 또는 전도성 재료인 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 양극구조와 상기 음극구조는 기판의 동일측에 있는 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 저압 기체층의 기체는 해리되어 전도 능력을 갖는 전자 방출식 발광소자.
삭제
제24항에 있어서, 상기 2차 전자원 재료층은 산화마그네슘(MgO), 산화테르븀(Tb₂o₃), 산화란타늄(La₂O₃) 또는 산화세륨(CeO₂)을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 음극구조와 2차 전자원 재료층 사이에는 방전 유발 구조층이 더 포함되는 전자 방출식 발광소자.
제39항에 있어서, 상기 방전 유발 구조층은 금속재, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소나노월(carbon nanowall), 다공성 나노탄소(carbon nanporous), 다이아몬드 박막, 기둥형 산화아연(ZnO) 또는 산화아연(ZnO) 을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제24항에 있어서, 상기 양극구조에는 방전 유발 구조층이 더 포함되는 전자 방출식 발광소자.
기판;

상기 기판에 배치되는 적어도 하나의 음극구조;

상기 기판에 배치되는 적어도 하나의 양극구조;

상기 기판에 배치되며 적어도 하나의 상기 음극구조와 적어도 하나의 상기 양극구조 사이에 위치하는 형광층; 및

적어도 하나의 상기 음극구조와 적어도 하나의 상기 양극구조 사이에 충전되어 음극을 유도하고 균일하게 전자를 방출하도록 하는 작용을 가지는 저압 기체층을 포함하되,

상기 저압 기체층의 기압은 2x10^-2토르(torr)에서 1.5x10^-1토르(torr) 사이이며, 상기 저압 기체층의 기체는 질소(N2), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 수소(H₂), 이산화탄소(CO₂), 산소(O₂) 또는 공기(Air)를 포함하는 전자 방출식 발광소자.
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제42항에 있어서, 상기 형광층은 상기 양극의 표면에 위치하는 전자 방출식 발광소자.
제42항에 있어서, 상기 형광층은 상기 전자와 충돌한 후 가시광, 적외선 또는 자외선을 생성하는 전자 방출식 발광소자.
제42항에 있어서, 상기 형광층은 동일한 주파수의 광을 생성하는 단층 구조인 전자 방출식 발광소자.
제42항에 있어서, 상기 형광층은 각각 대응되는 주파수의 광을 생성하는 복수 개의 형광 구역을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제42항에 있어서, 상기 형광층은 복수 종류의 상이한 형광 재료를 포함하는 적층 구조 또는 혼층(混層) 구조인 전자 방출식 발광소자.
제42항에 있어서, 상기 양극구조는 투명 전도성 재료를 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제50항에 있어서, 상기 투명 전도성 재료는 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 불소 도핑 산화주석(FTO) 또는 투명 전도성 산화물(TCO)을 포함하는 전자 방출식 발광소자.
제42항에 있어서, 상기 양극구조와 상기 음극구조의 적어도 하나는 금속 또는 전도성 재료인 전자 방출식 발광소자.
제42항에 있어서, 상기 양극구조와 상기 음극구조는 기판의 동일측에 있는 전자 방출식 발광소자.
제42항에 있어서, 상기 저압 기체층의 기체는 해리되어 전도 능력을 갖는 전자 방출식 발광소자.
삭제
제42항에 있어서, 적어도 하나의 상기 음극구조와 적어도 하나의 상기 양극구조는 복수 쌍의 전극을 형성하여 각각 발광하는 전자 방출식 발광소자.
제42항에 있어서, 상기 음극구조에는 2차 전자원 재료층이 포함되는 전자 방출식 발광소자.