KR101071882B1 - 도전성 중간막을 포함하는 아노드를 가진 전계 방출 소자 - Google Patents

도전성 중간막을 포함하는 아노드를 가진 전계 방출 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도전성 중간막을 포함하는 아노드를 가진 전계 방출 소자에 관한 것이다. 본 발명에 의한 도전성 중간막을 포함하는 아노드를 가진 전계 방출 소자는 기존의 삼극 구조 전계 방출 소자에서 형광막의 상부에 도전성 중간막을 형성하고, 반사판 역할을 하는 금속 반사막을 캐소드 전극이 지지된 배면 기판의 상부에 형성함으로써 캐소드 전극의 전기적 전도도를 향상시킨다.
전계 방출 소자, FED

Description

도전성 중간막을 포함하는 아노드를 가진 전계 방출 소자{FIELD EMISSION DEVICE COMPRISING ANODE WITH CONDUCTIVE FILM}
본 발명은 도전성 중간막을 포함하는 아노드를 가진 전계 방출 소자(Field Emission Device; FED)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 삼극 구조 전계 방출 소자에서 형광막의 상부에 도전성 중간막을 형성하고, 반사판 역할을 하는 금속 반사막을 캐소드 전극이 지지된 배면 기판의 상부에 형성함으로써 캐소드 전극의 전기적 전도도를 향상시킨 전계 방출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
인가된 전압에 의하여 전자들이 전자 방출원으로부터 전계장으로 방출되는 원리를 평판 디스플레이나 조명 등에 적용하는 전계 방출 소자에 대한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다.
전계 방출 소자에서 캐소드 전극과 게이트 전극 사이에 임의의 전압(Vg)이 인가되면, 전자 방출원에 강한 전장이 인가되어 전자가 전자 방출원으로부터 진공 속으로 방출되며, 진공 속으로 방출된 전자들은 아노드 전극과 캐소드 전극 사이에 인가되는 전압(Va)에 의해 가속되어 형광체에 충돌하게 됨으로써 그 형광체로부터 고유의 빛이 발생하게 되며, 이 빛을 이용하여 원하는 영상정보를 평면상에 디스플레이하거나 조명장치로 활용할 수 있게 된다. 열에 의한 전자의 방출과 달리, 열을 수반하지 않기 때문에 전계 방출 소자는 냉음극(cold cathode) 소자의 특성을 갖는다.
이러한 전계 방출 소자는 CRT(cathode Ray Tube)의 고선명성과 LCD(Liquid Crystal Display)의 경박형의 장점을 모두 갖추고 있어 차세대 표시장치로서 주목받고 있다. 즉, LCD는 하나의 단위 화소라도 불량이 발생되면 제품 전체가 불량 처리되지만, 전계 방출 소자는 하나의 화소 그룹에 그보다 작은 다수개의 단위 화소들이 형성되어 있어 한두개의 단위 화소에 불량이 발생하여도 화소 그룹의 동작에는 이상이 없어 제품 전체의 수율이 향상된다. 또한, 전계 방출 소자는 LCD에 비해 구조가 간단하고, 소비 전력이 작아 단가가 낮고, 휴대형 표시 장치에 적합한 등의 이점이 있다.
도 1은 기존의 카본 나노 튜브를 이용한 삼극 구조 전계 방출 소자의 개략적 구조를 보여주는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 기존의 카본 나노 튜브를 이용한 삼극 구조 전계 방출 소자는 스페이서(300)를 사이에 두고 일정한 간격을 유지하면서 서로 대향하는 배면 기판(100) 및 전면 기판(200)을 구비하고, 이들 사이에 전자 방출원(130)인 카본 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극(110), 상기 캐소드 전극(110) 상부에 패터닝화되어 적층된 절연층(115), 게이트 전극(120), 반사막(230), 형광막(220) 및 아노드 전극(210)을 구비하고 있다. 글라스 프릿(310)을 통해 전면 기판(200)및 배면 기판(100)의 양단부와 스페이서(300)를 연결하고 내부 공간이 진공상태를 유지하도록 한다. 캐소드 전극(110) 상에 전자 방출원(130)과 절연층(115)이 패터닝화 되어 형성되어 있고, 상기 절연층(115) 상에는 게이트 전극(120)이 형성되어 있어 게이트 전극(120) 간 일종의 개구부가 형성되므로, 전자 방출원(130)으로부터 방출된 전자가 아노드 전극(210)으로 흐를 수 있도록 한다.
이와 같이 전계 방출 소자는 캐소드 전극과 아노드 전극으로 이루어진 이극 구조, 또는 이들 전극들 사이에 게이트 전극을 위치시킨 삼극 구조의 형태로 캐소드 전극에서 방출되는 전자량을 제어하게 된다. 최근에는 캐소드 전극 상에서 형성되는 전자를 방출하도록 하는 전자 방출원으로서 카본 나노 튜브가 각광받고 있는데, 카본 나노 튜브는 큰 종횡비(aspect ratio)(>100), 도체와 같은 전도성을 갖는 전기적 특성 및 안정된 기계적 특성을 갖고 있어, 현재 전계 방출 소자의 전자 방출원으로 많이 사용되고 있다.
기존의 전계 방출 소자는 아노드 전극이 코팅된 전면 기판 상에 형광막을 형성하고, 그 상부에 반사막의 평탄화를 위한 중간막을 형성한 다음 금속 반사막을 형성한 형태를 취하고 있는데, 이러한 형태의 전계 방출 소자가 제대로 구동되기 위해서는 전자가 형광체까지 도달하여 반응을 일으켜야 하므로 고전압 인가가 불가피한 상황이다. 그러나 고전압 인가를 위해서는 제조가격이 상승하는 문제점이 뒤따를 수 밖에 없고, 고 전계에 의하여 전자 방출원이 파괴되는 현상이 발생하여 제품의 신뢰도가 저하되는 문제가 발생하게 되는바 이러한 문제점을 해결하기 위한 기술 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 도전성 중간막을 포함하는 아노드를 가진 전계 방출 소자를 제공하며, 보다 구체적으로는 기존의 삼극 구조 전계 방출 소자에서 형광막의 상부에 도전성 중간막을 형성하고, 반사판 역할을 하는 금속 반사막을 캐소드 전극이 지지된 배면 기판의 상부에 형성함으로써 캐소드 전극의 전기적 전도도를 향상시킨 전계 방출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전계 방출 소자는, 일정한 간격으로 서로 대향하도록 배치된 배면 기판 및 전면 기판; 상기 두 기판의 대향면 상에 각각 배치된 캐소드 전극 및 아노드 전극; 상기 아노드 전극 상에 형성된 형광막; 상기 두 기판의 간격을 유지하면서 그 내부를 진공 밀봉하는 스페이서; 상기 캐소드 전극 상에 형성된 전자 방출원; 및 상기 전자 방출원으로부터 방출되는 전자를 제어하는 게이트 전극;을 구비한 전계 방출 소자에 있어서, 상기 배면 기판과 캐소드 전극 사이에는 상기 형광막으로부터 발생되는 빛을 상기 전면기판 측으로 반사시키기 위한 반사막이 형성되고, 상기 반사막의 상부에는 상기 게이트 전극이 적층되는 절연층이 패터닝화되어 절연층이 차지하는 부분 외에는 캐소드 전극이 반사막의 상부에 적층되고, 상기 형광막의 상부에는 도전성 중간막이 형성되어, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이, 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이 및 상기 아노드 전극 및 상기 도전성 중간막 사이에 전압이 인가되는 경우, 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자가 상기 아노드 전극과 상기 도전성 중간막 사이에서 가속되어 상기 형광막 내부에 침투하도록 구성되어, 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이에서 전자의 가속 전압을 낮추도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전계 방출 소자 는 상기 전자 방출원이 카본 나노 튜브로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전계 방출 소자는, 상기 도전성 중간막이 In2O3, SnO2, ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종을 증착함으로써 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전계 방출 소자는, 상기 도전성 중간막이 분산용액에 나노 분산된 카본 나노 튜브, 전도성 고분자, 발포체, 바인더를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 전계 방출 소자는 형광막을 사이에 두고 아노드 전극과 도전성 중간막을 형성하여 이들 간에 전압을 인가함으로써 형광막 표면의 차징 및 열화 현상을 방지하고, 캐소드 전극과 아노드 전극간의 가속 전압을 낮춤으로써, 형광체의 발광효율 및 수명을 증가시킬 수 있다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 전계 방출 소자에 관해 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확하게 표현하기 위한 목적으로 기재되는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 목적 및 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변형시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 기판, 층 또는 막 등의 '상부에' 다른 기판, 층 또는 막이 위 치한다는 표현은 다른 기판, 층 또는 막이 바로 위치한다는 의미는 물론, 상기 기판, 층, 또는 막 상에 제 3의 막이 더 개재될 수도 있다는 의미로 사용되었다.
도 2는 본 발명에 의한 전계 방출 소자의 실시예의 개략적 구조를 보여주는 단면도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 전계 방출 소자는 스페이서(300)를 사이에 두고 일정한 간격을 유지하면서 서로 대향하는 배면 기판(100) 및 전면 기판(200)을 구비하고, 상기 배면 기판(100)의 상부에 형성된 반사막(230)을 포함한다. 글라스 프릿(310)을 통해 전면 기판(200) 및 배면 기판(100)의 양단부와 스페이서(300)을 연결하고 내부 공간이 진공상태를 유지하도록 한다. 상기 반사막(230) 상부에는 게이트 전극(120)이 적층되는 절연층(115)이 패터닝화 되어 형성되고, 상기 절연층(115)이 차지하는 부분 외에는 전자 방출원(130)이 적층된 캐소드 전극(110)이 상기 반사막(230)의 상부에 적층되도록 형성된다.
또한, 상기 전면 기판(200)에는 상기 배면 기판(100)을 향하는 방향으로 아노드 전극(210) 및 형광막(220)이 순차적으로 적층되며, 상기 형광막(220)의 상부에는 도전성 중간막(240)이 형성된다. 상기 아노드 전극(210)은 면저항이 100Ω/sq 이하인 도전성 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는 산화인듐주석을 포함할 수 있다. 상기 형광막(220)은 형광체를 포함할 수 있으며, 상기 형광체는 전자와 충돌하여 빛을 방출할 수 있다.
본 발명에 의한 전계 방출 소자에서 상기 캐소드 전극(110)과 상기 게이트 전극(120) 사이에 임의의 전압(Vg)이 인가되면, 전자 방출원(130)에 강한 전장이 인가되어 전자가 전자 방출원(130)으로부터 진공 속으로 방출되며, 진공 속으로 방출된 전자들은 아노드 전극(210)과 캐소드 전극(110) 사이에 인가되는 전압(Va)에 의해 형광막(220)에 충돌하게 되는데, 이 때, 본 발명의 도전성 중간막(240)이 일종의 투명 전극과 같은 역할을 하게 되어, 아노드 전극(210)과 도전성 중간막(240) 간에 전압을 인가하여 주면 전자가 형광막(220)의 표면에 머무르지 않고 가속되어 형광막(220) 내부로 침투하게 되므로, 빛이 잘 발생하게 되어 형광막(220)의 발광 효율이 상승하고 수명 또한 길어지게 된다.
도 3은 본 발명의 특징부인 도전성 중간막(240)이 형성된 아노드 구조를 나타내는 도면이다. 도전성 중간막(240)은 In2O3, SnO2, ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 형광막(220)의 상부에 증착함으로써 형성하거나, 나노 분산된 카본 나노 튜브 분산용액과 전도성 고분자, 발포체 및 바인더를 혼합하여 형광막의 상부에 액상 코팅 또는 스크린 인쇄함으로써 형성한다. 상기 카본 나노 튜브 분산용액에 산화인듐주석을 첨가할 수도 있다. 이 때 형성된 도전성 중간막(240)은 20~100nm인 것이 바람직하다. 20nm 미만인 경우 도전성이 충분히 발현되지 못한다는 문제가 있고, 100nm 초과인 경우 전자빔의 침투가 용이하지 않다는 문제가 있기 때문이다.
상기 도전성 중간막(240)을 상기 형광막(220)의 상부에 증착하기 위하여 스퍼터링(sputtering), PLD(Pulsed Laser Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 전자빔 증착법을 이용할 수 있다.
도전성 물질을 포함하는 조성물을 액상 코팅 또는 스크린 인쇄하는 경우, 상기 조성물은 카본 나노 튜브를 분산용액에 나노 분산시키고 발포체를 혼합하여 제조하며, 상기 제조된 조성물을 전도성 고분자, 발포체 및 바인더를 혼합한 조성물과 혼합하여 공지의 액상 코팅 또는 스크린 인쇄법을 행한다. 상기 도전성 물질을 포함하는 조성물에는 산화인듐주석을 추가적으로 포함시킬 수 있다.
여기에서 상기 전도성 고분자, 발포체, 분산용액, 및 바인더는 본 발명이 속하는 기술 범위에서 통상적으로 사용하는 범위 내의 것이다.
도 4는 아노드 전극(210)과 도전성 중간막(240) 간에 전압을 인가하지 않은 경우의 모식도로서, 전자가 형광막(220) 표면에 머무르는 현상이 나타남을 알 수 있다. 전자가 형광막(220) 표면에 머무르지 않고 침투하여 형광막(220) 내의 형광체와 충돌하여야만 빛이 발생하는 것인데, 전자가 형광막(220) 표면에 머무르게 되면 빛이 발생하지 않고 표면에 차징이 생기면서, 전자가 형광막(220)을 침투하지 못하게 되는 악순환이 지속되어 표면에 쌓이는 전자로 인해 형광체의 열화가 발생하게 된다. 그 결과로 형광막(220)의 발광효율 및 수명이 저하되는 현상이 발생한다. 이러한 현상은 도전성 중간막(240)이 형성되지 않은 종래의 전계 방출 소자에서도 마찬가지이다.
이와 달리, 도 5는 본 발명에 의한 도전성 중간막(240)을 형성하고 아노드 전극(210)과의 사이에 전압을 인가한 경우의 모식도로서, 아노드 전극(210)과 도전성 중간막(240) 간에 전압을 인가하게 되면, 전자가 아노드 전극(210)과 도전성 중 간막(240) 사이에 발생하는 전계에 의하여 형광막(220) 표면을 통과하여 내부로 침투하여 형광막(220) 내부의 형광체와 충돌함으로써 빛이 잘 발생하게 된다.
본 발명에서는 아노드 전극(210)과 도전성 중간막(240) 사이에 전압을 인가하도록 하면서도 형광체에서 발생하는 빛을 반사하도록 하기 위하여 반사막(230)을 배면 기판(100) 바로 위에 적층하여 형성한다.
이와 같이 본 발명에 따른 전계 방출 소자는 형광막(220)을 사이에 두고 아노드 전극(210)과 도전성 중간막(240)을 형성하여 이들 간에 전압을 인가함으로써 형광막(220) 표면의 차징 및 열화 현상을 방지하고, 캐소드 전극(110)과 아노드 전극(210)간의 가속 전압을 낮추어 형광체의 발광효율 및 수명을 증가시킬 수 있다.
도 1은 기존의 카본 나노 튜브를 이용한 삼극 구조 전계 방출 소자의 개략적 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 전계 방출 소자의 실시예의 개략적 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 특징부인 도전성 중간막이 형성된 아노드 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 아노드 전극과 도전성 중간막 간에 전압을 인가하지 않은 경우의 모식도이다.
도 5는 본 발명에 의한 도전성 중간막을 형성하고 아노드 전극과의 사이에 전압을 인가한 경우의 모식도이다.
<도면 부호의 설명>
100 : 배면 기판 110 : 캐소드 전극
115 : 절연층 120 : 게이트 전극
130 : 전자 방출원 200 : 전면 기판
210 : 아노드 전극 220 : 형광막
230 : 반사막 240 : 도전성 중간막
300 : 스페이서 310 : 글라스 프릿

Claims (4)

  1. 일정한 간격으로 서로 대향하도록 배치된 배면 기판 및 전면 기판;
    상기 두 기판의 대향면 상에 각각 배치된 캐소드 전극 및 아노드 전극;
    상기 아노드 전극 상에 형성된 형광막;
    상기 두 기판의 간격을 유지하면서 그 내부를 진공 밀봉하는 스페이서;
    상기 캐소드 전극 상에 형성된 전자 방출원; 및
    상기 전자 방출원으로부터 방출되는 전자를 제어하는 게이트 전극;을 구비한 전계 방출 소자에 있어서,
    상기 배면 기판과 캐소드 전극 사이에는 상기 형광막으로부터 발생되는 빛을 상기 전면기판 측으로 반사시키기 위한 반사막이 형성되고, 상기 반사막의 상부에는 상기 게이트 전극이 적층되는 절연층이 패터닝화되어 절연층이 차지하는 부분 외에는 캐소드 전극이 반사막의 상부에 적층되고,
    상기 형광막의 상부에는 도전성 중간막이 형성되어,
    상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이, 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이 및 상기 아노드 전극 및 상기 도전성 중간막 사이에 전압이 인가되는 경우, 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자가 상기 아노드 전극과 상기 도전성 중간막 사이에서 가속되어 상기 형광막 내부에 침투하도록 구성되어, 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이에서 전자의 가속 전압을 낮추도록 구성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전자 방출원은 카본 나노 튜브로 형성한 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 도전성 중간막은 In2O3, SnO2, ZnO로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종을 증착함으로써 형성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 도전성 중간막은 분산용액에 나노 분산된 카본 나노 튜브, 전도성 고분자, 발포체, 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
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