KR101100816B1 - 열전자 방출용 전자 방출원, 이를 구비한 전자 방출 소자,이를 구비한 평판 디스플레이 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

열전자 방출용 전자 방출원, 이를 구비한 전자 방출 소자,이를 구비한 평판 디스플레이 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자 방출원의 수명이 길고, 전자 방출량이 많은, 즉 전류 밀도가 높은 전자 방출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 상술한 에디슨 효과에 따른 열음극에서의 전자 방출 원리를 FED형의 전자 방출 소자에 적용하여 수발광 소자의 백라이트 유닛이나 디스플레이 장치 등으로 활용될 수 있는 전자 방출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 침상 구조를 가지는 카본 나노 튜브 본체; 상기 카본 나노 튜브 표면에 형성된 베이스 메탈층; 및 상기 베이스 메탈 층의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층을 포함하는 열전자 방출용 카본 나노 튜브를 제공하고, 이를 전자 방출원으로 활용하는 전자 방출 소자와, 이를 구비한 평판 디스플레이 장치를 제공한다.

Description

열전자 방출용 전자 방출원, 이를 구비한 전자 방출 소자, 이를 구비한 평판 디스플레이 장치 및 그 제조 방법{Electron emission source for emitting thermal electron, electron emission device having the same, flat display apparatus having the same, and method of manufacturing the same}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자와 이를 이용한 평판 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도.
도 3은 도 1 및 도 2의 전자 방출원의 표면을 보여주는 확대도.
도 4는 도 3의 IV 부분의 확대도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 방출 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 방출 소자와 이를 이용한 평판 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 전자 방출 소자를 백라이트 유닛으로 이용하는 평판 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도.
도 8은 도 7의 평판 디스플레이 장치가 결합된 상태에서 도 7의 VIII-VIII 선을 따라 취한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
60: 스페이서 70: 형광체층
80: 애노드 전극 90: 제2 기판
100: 평판 디스플레이 장치
101, 201: 전자 방출 소자 102: 전면 패널
103: 발광 공간 110: 제1 기판
120: 캐소오드 전극 130: 제1 절연체층
131: 전자 방출 영역 135: 제2 절연체층
140: 게이트 전극 145: 집속 전극
150: 전자 방출원
151: 열전자 방출용 카본 나노 튜브 152: 카본 나노 튜브 본체
161: 열전자 방출 물질 코팅층 162: 베이스 메탈층
본 발명은 전자 방출원(electron emission source), 이를 구비한 전자 방출 소자(electron emission device), 이를 구비한 평판 디스플레이 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉음극과 열음극으로 동시에 사용될 수 있고 수명이 향상된 전자 방출원과, 이를 구비하여 전류 밀도가 크게 높아진 전자 방출 소자, 이러한 전자 방출 소자를 구비한 평판 디스플레이 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자 방출 소자에는 전자 방출원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다.
열음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자에서는 에디슨 효과를 이용한다. 에디슨 효과라 함은 높은 온도로 가열된 금속이나 반도체 표면에서 전자(電子)가 방출되는 현상으로, 리처드슨 효과 또는 열전자방출(熱電子放出) 현상이라고도 한다. 열에 의해 에너지를 얻은 전자가 원자의 구속에서 벗어나 고체 표면에서 튀어나오는 것으로, 각종 통신용 진공관이나 쿨리지관(Coolidge tube)(X선관의 일종) 등 일반적으로 열전자관이라고 하는 진공관 또는 방전관에 응용된다. 에디슨 효과에 의해 금속 표면에서 방출되는 전자를 열전자, 방출하는 물체를 열음극(熱陰極), 열음극에 대해 높은 전위를 가진 양극을 두었을 때 열전자의 이동에 의해 생기는 전류를 열전자전류라고 한다.
일반적으로 열음극의 전자방출은 온도가 증가함에 따라 많아지는데, 열음극의 종류나 표면 상태에 따라 차이가 있으며, 예를 들면 알칼리토금속의 산화물 등은 순수한 금속보다도 낮은 온도에서 열전자를 방출한다. 이 때문에 비교적 낮은 저전압에서 사용되는 소형진공관의 음극은 텅스텐이나 토륨이 섞인 텅스텐으로 되어 있으며, 이런 종류의 금속산화물을 사용한 것이 많다. 또한, 에디슨 효과는 그 물질로부터 전자를 떼어내는 데 필요한 에너지의 크기로 표시하는 일함수(work function)로 나타낸다. 텅스텐은 2700 K(일함수는 4.5 정도), 토륨-텅스텐은 1900 K(일함수는 2.6 정도) 정도에서 전자를 방출한다.
한편, 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는, FED(Field Emission Device)형, SCE(Surface Conduction Emitter)형, MIM(Metal Insulator Metal)형 및 MIS (Metal Insulator Semiconductor)형, BSE(Ballistic electron Surface Emitting)형 등이 알려져 있다.
FED형 전자 방출 소자는 일함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수(β Function)가 높은 물질을 전자 방출원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주된 재질로 하는 선단이 뾰족한 첨단(尖端) 팁(tip)구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소계 물질 그리고 최근 나노 튜브(Nano Tube)나 나노와이어(Nano Wire)등의 나노 물질을 전자 방출원으로 적용한 소자가 개발되고 있다.
그러나, 이러한 카본 나노 튜브를 이용하는 FED형 전자 방출 소자의 경우, 전자 방출원의 수명이 짧고 전자 방출량이 작은 문제, 즉 전류 밀도가 낮은 문제가 있어 상용화에 어려움을 겪고 있다. 이렇게 전자 방출량이 작은 전자 방출 소자를 이용하여 디스플레이 장치에 사용할 경우 휘도가 낮고 발광 효율이 떨어지는 문제가 있다. 이에 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 전자 방출원으로서의 카본 나노 튜브와 이를 구비한 전자 방출 소자 및 평판 디스플레이 장치를 개발할 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 전자 방출원의 수명이 길고, 전자 방출량이 많은, 즉 전류 밀도가 높은 전자 방출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 상술한 에디슨 효과에 따른 열음극에서의 전자 방출 원리를 FED형의 전자 방출 소자에 적용하여 수발광 소자의 백라이트 유닛이나 디스플레이 장치 등으로 활용될 수 있는 전자 방출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 전자 방출원 본체; 상기 전자 방출원 본체 표면에 형성된 베이스 메탈층; 및 상기 베이스 메탈층의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층을 포함하는 열전자 방출용 전자 방출원을 제공함으로써 달성된다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은 카본 나노 튜브 본체; 상기 카본 나노 튜브 표면에 형성된 베이스 메탈층; 및 상기 베이스 메탈층의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층을 포함하는 열전자 방출용 카본 나노 튜브를 제공함으로써 달성된다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 기판; 상기 기판에 설치된 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결된 전자 방출원; 상기 캐소오드 전극 상에 배치된 제1 절연체층; 및 상기 제1 절연체층에 의해 상기 캐소오드 전극과 절연되도록 배치된 게이트 전극을 포함하고, 상기 전자 방출원은, 전자 방출원 본체; 상기 전자 방출원 본체 표면에 형성된 베이스 메탈층; 및 상기 베이스 메탈층의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층을 포함하는 열전자 방출용 전자 방출원을 제공함으로써 달성된다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 기판; 상기 기판에 설치된 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결된 전자 방출원; 상기 캐소오드 전극 상에 배치된 제1 절연체층; 및 상기 제1 절연체층에 의해 상기 캐소오드 전극과 절연되도록 배치된 게이트 전극을 포함하고, 상기 전자 방출원은, 카본 나노 튜브 본체; 상기 카본 나노 튜브 표면에 형성된 베이스 메탈층; 및 상기 베이스 메탈층의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층을 포함하는 전자 방출 소자를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극은 서로 교차하는 방향으로 배치될 수 있고, 상기 게이트 전극의 상측에 설치된 제2 절연체층과 집속 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 제1 기판; 상기 제1 기판에 설치된 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극과 교차되는 방향으로 연장된 복수 개의 게이트 전극; 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 게이트 전극을 전기적으로 절연하는 제1 절연체층; 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극이 교차하는 부분에서 상기 게이트 전극 및 제1 절연체층에 형성되어 상기 캐소오드 전극을 노출시키는 전자 방출원 홀; 및 상기 전자 방출원 홀에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결되고, 베이스 메탈층과 열전자 방출 물질 코팅층을 구비하는 전자 방출원 본체 포함하는 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자와, 상기 전자 방출원에 대향되는 위치에 배치된 애노드 전극과, 전자를 받아서 가시광선을 발생시키는 형광체층이 형성된 제2 기판을 포함하는 전면 패널을 포함하는 평판 디스플레이 장치를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 게이트 전극의 상측에 설치되는 제2 절연체층; 및 집속 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 제1 기판; 상기 제1 기판에 설치된 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결되고, 베이스 메탈층과 열전자 방출 물질층을 구비하는 전자 방출원 본체를포함하는 전자 방출원; 상기 캐소오드 전극 상에 배치된 제1 절연체층; 및 상기 제1 절연체층에 의해 상기 캐소오드 전극과 절연되도록 배치된 게이트 전극을 포함하는 전자 방출 소자와, 상기 전자 방출원에 대향되는 위치에 배치된 애노드 전극과, 전자를 받아서 가시광선을 발생시키는 형광체층이 형성된 제2 기판을 포함하는 전면 패널과, 상기 전면 패널의 전방에 설치되어, 상기 형광체층에서 발생된 가시광선을 공급받아 이를 제어하여 화상을 구현하는 수발광 소자를 포함하는 평판 디스플레이 장치를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 수발광 소자는 액정일 수 있고, 상기 게이트 전극의 상측에 설치되는 제2 절연체층; 및 집속 전극을 더 포함할 수 있다.
이상에서, 상기 열전자 방출 물질 코팅층은, BaO, SrO 및 CaO로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 베이스 메탈층은, Ni합금으로 이루어지되, 0.01 중량% 내지 0.5 중량%의 Mg 또는 Si를 포함하며, 상기 베이스 메탈층 및 상기 열전자 방출 물질 코팅층의 두께의 합은 1nm 내지 1000nm인 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 카본 나노 튜브, 전자 방출 소자, 평판 디스플레이 장치 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한 다.
제1 실시예
도 1에는 탑 게이트형 전자 방출 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보여주는 부분 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 2의 전자 방출원 표면의 확대도가 도시 되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 전자 방출 디스플레이 장치(100)는 나란하게 배치되어 진공인 발광 공간(103)을 형성하는 전자 방출 소자(101) 및 전면 패널(102)과, 상기 전자 방출 소자(101) 및 전면 패널(102) 사이의 간격을 유지하여 주는 스페이서(60)를 구비한다.
상기 전자 방출 소자(101)는, 제1 기판(110), 상기 제1 기판(110) 상에 교차되도록 배치된 게이트 전극(140)들과 캐소오드 전극(120)들 및 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소오드 전극(120) 사이에 배치되어 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소오드 전극(120)을 전기적으로 절연하는 절연체층(130)을 구비한다.
상기 게이트 전극(140)들과 상기 캐소드 전극(120)들이 교차하는 영역들에는 전자 방출원 홀(131)들이 형성되어 있으며, 그 내부에 전자 방출원(150)이 배치되어 있다.
상기 전면 패널(102)은 제2 기판(90), 상기 제2 기판(90)의 저면에 배치된 애노드 전극(80), 상기 애노드 전극(80)의 일면에 배치된 형광체층(70)을 구비한다.
상기 제1 기판(110) 및 제2 기판(90)은 소정의 두께를 가지는 판상의 부재로, 석영 유리, 소량의 Na과 같은 불순물을 함유한 유리, 판유리, SiO2가 코팅된 유리 기판, 산화 알루미늄 또는 세라믹 기판이 사용될 수 있고, 상기 스페이서는 절연물질로 만들어질 수 있다.
상기 캐소오드 전극(120) 및 게이트 전극(140)은, 통상의 전기 도전 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, 유리 및 Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물로 구성된 인쇄된 도전체, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘(polysilicon) 등의 반도체 물질로 만들어 질 수 있다.
도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 전자 방출 소자의 제1 기판과 상기 전면 패널(102)의 제2 기판은 가장자리를 프리트(frit)를 사용하여 내부의 발광 공간(103)이 밀폐될 수 있게 된다. 또한, 상기 발광 공간(103)은 진공으로 유지된다.
한편, 디스플레이 장치로 사용되기 위해서는 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소오드 전극(120)이 앞서 언급한 것과 같이 서로 교차되는 방향으로 배치되는 것이 화소를 정의하고 화상을 구현하도록 제어하기에 용이하므로 더욱 바람직하다.
도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 전자 방출원은 표면에 코팅층이 형성된 열전자 방출용 전자 방출원 본체(152)로 만들어진다. 상기 코팅층은 전자 방출원 본체(152)의 표면과 접하는 베이스 메탈층(162)과, 상기 베이스 메탈층(162)의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층(161)을 포함한다. 상기 전자 방출원 본체(152)는 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 화이버, 카본, 흑연, DLC 등의 전자 방 출 물질이면 모두 가능하다. 이중 카본 나노 튜브가 바람직하며, SWCNT(Single-Walled Carbon Nano tube), MWCNT(Multi-Walled Carbon Nano tube) 중 어느 것이라도 가능하지만, MWCNT인 것이 더 바람직하다. 상기 베이스 메탈층(162)은 Ni합금인 것이 바람직하고, 필수적으로 0.01 내지 0.5 중량% 이상의 Mg 또는 Si를 함유한다. 상기 열전자 방출 물질 코팅층(161)은 BaO, SrO, CaO 중의 어느 하나 이상의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 열전자 방출 물질 코팅층(161)은 통상 600℃ 내지 800℃의 온도에서 열전자를 방출시킨다.
상기 열전자 방출 물질 코팅층(161)은 제조 과정에서부터 상술한 바와 같은 형태로 존재하지 않을 수 있다. 즉, 제조 과정에서 BaCO3, SrCO3 및/또는 CaCO3 등의 탄산염으로 전자 방출원 본체를 코팅한 후, 디스플레이 내부를 진공으로 만들기 위한 배기 공정중에 상기 캐소오드 전극(120)에 전류를 흘려 상기 전자 방출원 본체의 단부가 800℃ 정도로 가열될 때, CO2가 빠져나가면서 위의 물질들로 이루어진 코팅층이 완성된다.
BaCO3, SrCO3 및/또는 CaCO3 등의 탄산염으로 전자 방출원 본체를 코팅하는 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니고, 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리적 증착 방법 또는 Ba, Sr, Ca 등을 포함하는 유기 용매에 넣어 액상 코팅하는 방법을 사용한다. 이러한 방법을 사용할 수 있으므로 코팅층의 형성이 매우 간이한 공정으로 이루어 질 수 있다.
위의 과정을 거쳐 제작된 전자 방출원 본체의 베이스 메탈층 및 열전자 방출 물질 코팅층의 두께의 합은 1nm 내지 1000nm인 것이 바람직하다. 만약 베이스 메탈층(162) 및 열전자 방출 물질 코팅층(161)의 두께가 1nm 미만이거나 1000nm를 초과하면 열전자 방출이 거의 이루어지지 못하여 바람직하지 못하다.
이러한 구성을 가지는 상기 열전자 방출용 전자 방출원 본체(152)에 전류가 흐르는 경우, 상기 탄산염 물질들의 산화물은 전류활성화 단계를 통하여 베이스 메탈층(162)에 포함되어 있는 Si 또는 Mg과의 환원 반응을 통하여 Ba2 +, Sr2 +, Ca2 + 이온이 되며, 전자를 내놓게 된다.
지금까지 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자 및 평판 디스플레이 장치는 다음과 같은 방식으로 작동한다.
전자 방출을 위해 캐소오드 전극(120)에 (-) 전압을 인가하고, 게이트 전극(140)에는 (+) 전압을 인가하여 캐소오드 전극(120)에 설치된 전자 방출원(150)으로부터 전자가 방출될 수 있게 한다. 또한, 애노드 전극(80)에 강한 (+)전압을 인가하여 애노드 전극(80) 방향으로 방출된 전자를 가속시킨다. 이와 같이 전압이 인가되면, 전자 방출원(150)으로부터 전자가 방출되어 게이트 전극(140)을 향해 진행하다가 애노드 전극(80)을 향해 가속된다. 애노드 전극(80)을 향하여 가속된 전자는 애노드 전극(80)측에 위치하는 형광체층(70)에 부딪히면서 가시광선을 발생시키게 된다. 이와 같이 전자 방출원에서 전자가 방출되면서 전자 방출원 본체의 단부는 800℃ 이상으로 가열된다. 이러한 열에 의해 열전자 방출 물질에서 열전자가 동시에 방출되고, 이에 따라 전자 방출원에서 방출되는 전 자의 방출량 즉 전류 밀도가 급격히 증가하게 된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자를 제작하는 방법을 설명한다. 이하에서 설명되는 제조 방법은 일례일 뿐이고 반드시 아래의 방법으로 제조되어야 하는 것은 아니다.
먼저, 제1 기판, 캐소오드 전극, 절연체층 및 게이트 전극을 형성하는 소재를 순서대로 소정 두께로 적층한다. 적층은 스크린 프린팅과 같은 공정으로 수행하는 것이 바람직하다.
그 다음, 상기 게이트 전극의 상면에 소정의 두께로 마스크 패턴(mask pattern)을 형성한다. 상기 마스크 패턴의 형성은 전자 방출원 홀을 형성하기 위한 것으로 포토레지스트(Photo Resist: PR)를 도포하고 UV나 이-빔(E-beam)을 이용하여 패턴을 형성하는 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의해 수행된다.
그 다음, 상기 마스크 패턴을 이용하여 게이트 전극, 절연체층 및 캐소오드 전극을 식각하여 전자 방출원 홀을 형성한다. 식각 공정은 게이트 전극, 절연체층 및 캐소오드 전극의 재료, 두께 등에 따라 식각액을 이용하는 습식 식각이나, 부식성 가스를 이용하는 건식 식각 또는 이온 빔(ion beam) 등을 이용하는 마이크로 머시닝 방식에 의해 이루어질 수 있다.
그 다음, 전자 방출원 페이스트를 제조한다. 전자 방출원 페이스트에는 앞서 언급한 것과 같은 방법으로 열전자 방출 물질이 코팅된 전자 방출원을 사용하는 것이 전자 방출 효율을 증가시키는데 획기적으로 도움이 된다.
그 다음 전자 방출원을 전자 방출원 홀에 도포한다. 도포 공정은 스크린 프 린팅에 의해 수행될 수 있다.
그 다음으로는, 상기 전자 방출원 페이스트 중 전자 방출원을 형성할 부분을 경화시키는 공정을 수행한다.
이 공정은 전자 방출원 페이스트에 감광성 수지가 포함된 경우와 그렇지 않은 경우가 각각 다르게 수행된다. 먼저, 감광성 수지가 포함된 경우에는 노광 공정을 이용한다. 예를 들어, 네가티브 감광성을 가지는 감광성 수지를 포함한 경우, 네가티브 감광성 수지는 빛을 받으면 경화하는 특성을 가지므로, 포토리소그래피 공정으로 포토레지스트를 도포한 후 빛을 선택적으로 조사하여 카본 페이스트 중 필요한 부분만을 경화시켜 전자 방출원을 형성하는 것이 가능하다. 그 다음은, 노광 이후 현상하여 경화되지 않고 남아 있는 카본 페이스트와 포토레지스트를 제거하여 전자 방출 소자를 완성한다.
한편, 전자 방출원 페이스트에 감광성 수지를 포함하지 않는 경우에는 다음과 같은 방법으로 전자 방출원을 형성할 수 있다.
전자 방출원 페이스트가 감광성 수지를 포함하지 않는 경우에는, 별도의 포토레지스트 패턴을 이용한 포토리소그래피 공정이 필요하다. 즉, 포토레지스트막을 이용하여 포토레지스트 패턴을 먼저 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 카본 페이스트를 스크린 프린팅으로 도포한다.
전술한 바와 같이 인쇄된 전자 방출원 페이스트는 산소 가스 또는 1000 ppm 이하, 특히 10 내지 500ppm의 산소가 존재하는 질소 가스 분위기 하에서 소성 단계를 거친다. 이러한 산소 가스 분위기 하에서의 소성 단계를 통하여 전자 방출원은 기판과의 접착력이 향상될 수 있고, 비이클은 휘발, 제거되고, 다른 무기 바인더 등이 용융 및 고형화되어 전자 방출원의 내구성 향상에 기여할 수 있게 된다.
상기 소성 온도는 전자 방출원 페이스트에 포함된 비이클의 휘발 온도 및 시간을 고려하여 결정되어야 한다. 통상적인 소성 온도는 350 내지 500℃, 바람직하게는 450℃이다. 소성 온도가 350℃ 미만이면 비이클 등의 휘발이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 발생할 수 있고, 소성 온도가 500℃를 초과하면 제조 비용이 상승하고, 기판이 손상될 수 있다는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
이와 같이 소성된 소성 결과물은 필요에 따라 활성화 단계를 거친다. 상기 활성화 단계의 일 구현예에 따르면, 열처리 공정을 통하여 필름 형태로 경화될 수 있는 용액, 예를 들면 폴리이미드계 고분자를 포함하는 전자 방출원 표면 처리제를 상기 소성 결과물 상에 도포한 후, 이를 열처리한 다음, 상기 열처리로 형성된 필름을 박리한다. 활성화 단계의 다른 구현예에 따르면 소정의 구동원으로 구동되는 롤러 표면에 접착력을 갖는 접착부를 형성하여 상기 소성 결과물 표면에 소정의 압력으로 가압함으로써 활성화 공정을 수행할 수도 있다. 이러한 활성화 단계를 통하여 나노 사이즈를 갖는 무기물은 전자 방출원 표면으로 노출되거나 수직배향되도록 제어될 수 있다.
한편, 상기 전자 방출원 페이스트에는 인쇄성 및 점도를 조절하기 위해 비이클을 더 포함한다. 상기 비이클은 수지 성분 및 용매 성분으로 이루어질 수 있다.
상기 수지 성분은 예를 들면, 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스 등과 같은 셀룰로오스계 수지; 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 우레 탄 아크릴레이트 등과 같은 아크릴계 수지; 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 에테르 등과 같은 비닐계 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전술한 바와 같은 상기 수지 성분 중 일부는 감광성 수지의 역할을 동시에 할 수 있다.
상기 용매 성분은 예를 들면, 터피네올(terpineol), 부틸 카르비톨(butyl carbitol:BC), 부틸 카르비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate:BCA), 톨루엔(toluene) 및 텍사놀(texanol) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 중, 터피네올을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 전자 방출원 페이스트는 필요에 따라 감광성 수지와 광개시제, 필러 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
한편, 앞서 언급한 감광성 수지의 비제한적인 예에는 아크릴레이트계 모노머, 벤조페논계 모노머, 아세토페논계 모노머, 또는 티오크산톤계 모노머 등이 있으며, 보다 구체적으로는 에폭시 아크릴레이트, 폴리에스테르 아크릴레이트, 2,4-디에틸옥산톤(2,4-diethyloxanthone), 또는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 등을 사용할 수 있다.
상기 광개시제는 상기 감광성 수지가 노광될 때 감광성 수지의 가교결합을 개시하는 역할을 한다. 상기 광개시제의 비제한적인 예에는 벤조페논 등이 있다. 상기 광개시제의 함량은 카본계 물질 1 중량부를 기준으로 하여 3 내지 10 중량부, 바람직하게는 5 내지 8 중량부일 수 있다. 광개시제의 함량이 3 중량부 미만인 경우에는 효율적인 가교결합이 이루어지지 않아 패턴 형성에 문제가 생길 수 있고, 10 중량부를 초과하면 제조비용이 상승하는 문제점이 발생한다.
상기 필러는 기판과 충분히 접착하지 못한 부분의 전도성을 보다 향상시키는 역할을 하는 물질로서 이의 비제한적인 예에는 Ag, Al, 등이 있다.
제2 실시예
도 5에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 방출 소자의 단면도가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 방출 소자(201)는 기판(110), 캐소오드 전극(120), 게이트 전극(140), 절연체층(130) 및 전자 방출원(150)을 구비하는 앞서 설명한 전자 방출 소자(101)(도 1, 도 2)의 구성에 집속 전극(145)과 제2 절연체층(135)을 더 포함한다. 상기 집속 전극(145)은 제2 절연체층(135)에 의해 상기 게이트 전극(140)과 절연되고, 상기 게이트 전극(140) 및 상기 캐소오드 전극(120) 사이에 형성되는 전계에 의해 방출되는 전자를 집속하는 기능을 한다. 이러한 집속 전극이 더 배치되는 전자 방출 소자에서도 전자 방출원으로 열전자 방출 물질 코팅층을 구비하는 전자 방출원을 사용하는 경우에는 전자 방출량이 급격히 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
제3 실시예
도 6에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 방출 소자 및 이를 구비한 평판 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 평판 디스플레이 장치(3)는 전자 방출 소자(2)와 전면 패널(1)을 구비하며, 상기 전면 패널(1)은 제2 기판(90), 상기 제1 기판(90)의 하면에 형성된 애노드 전극(80), 상기 애노드 전극(80)상에 도포된 형광체층(70)을 구비한다.
상기 전자 방출 소자(2)는 상기 제2 기판(90)과 대향하여 평행하게 배치된 제1 기판(10), 상기 제1 기판(10)상에 스트라이프 형태로 형성된 캐소드 전극(20), 상기 캐소오드 전극(20)과 평행하게 스트라이프 형태로 형성된 게이트 전극(30), 상기 캐소오드 전극(20)과 게이트 전극(30)의 주위에 배치된 전자 방출층(40, 50)을 구비한다. 상기 캐소오드 전극(20)과 상기 게이트 전극(30)을 둘러싸는 전자 방출층(40, 50)들의 사이에는 전자 방출 갭(G)이 형성되어 있다.
상기 전면 패널(1)과 전자 방출 소자(2) 사이에는 대기압보다 낮은 진공상태가 유지되며, 상기 전면 패널(1)과 전자 방출 소자(2) 사이의 진공상태에 의해 발생되는 압력을 지지하고, 발광공간(103)을 확보하기 위해 상기 전면 패널(1)과 상기 전자 방출 소자(2) 사이에는 스페이서(60)가 배치된다.
이와 같은 구성을 가지는 전자 방출 소자 및 전자 방출 평판 디스플레이 장치의 전자 방출층에도 앞서 설명한 것과 같은 열전자 방출용 전자 방출원이 사용될 수 있다. 이 경우에도 전류 밀도가 크게 증가하여 전자 방출 효율이 증가하고, 디스플레이 장치의 휘도가 증가하며, 수명이 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 지금까지 설명한 제1 내지 제3 실시예의 전자 방출 소자(101, 201)들 은, 소정의 면적을 가지는 면광원의 백라이트 유닛으로 사용될 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 액정 디스플레이 장치(Liquid Crystal Display: LCD)와 같은 수발광 소자의 백라이트 유닛(Back Light Unit: BLU)으로 사용될 수 있다. 또한, 형광체층은 필요로 하는 색상의 가시광선을 방출하는 형광체가 사용되거나, 또는 백색광선을 얻기 위해 빛의 삼원색인 적색 발광, 녹색 발광, 청색 발광의 형광체가 적절한 비율로 배치될 수 있다.
도 7에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자가 백라이트 유닛으로 기능하는 평판 디스플레이 장치의 구성을 보여주는 사시도가 도시 되어 있고, 도 8에는 도 7의 VII-VII 선을 따라 취한 부분 단면도가 도시 되어 있다. 한편, 도 7 및 도 7을 참조하는 아래의 설명에서, 앞서 언급한 전자 방출 소자에 사용된 게이트 전극 및 스페이서 등과 동일한 명칭이 중복적으로 사용되지만 전자 방출 소자에 사용되는 용어인지 액정 디스플레이 패널에 사용되는 용어인지는 그 부재번호에 의해 명확히 구별된다.
도 7에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 평판 디스플레이 장치는 수발광형의 디스플레이 패널로서 액정 디스플레이 패널(700)과 상기 액정 디스플레이 패널(700)에 광을 공급하는 백라이트 유닛을 포함한다. 상기 액정 디스플레이 패널(700)에는 화상신호를 전달하는 연성인쇄회로기판(720)이 부착되어 있고, 상기 액정 디스플레이 패널(700)의 후방에 배치되는 백라이트 유닛과의 사이의 간격을 유지하기 위한 스페이서(730)가 배치된다.
상기 백라이트 유닛은 앞서 설명한 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자(101)와 도 1 및 도 2에 도시된 제2 패널(102)이 소정의 간격을 두고 배치되어 내부에 진공의 발광 공간을 형성하면서 결합되어 만들어질 수 있다. 상기 백라이트 유닛은 연결케이블(104)을 통해 전원을 공급받고, 상기 전자 방출 소자 전면의 제2 기판(90)을 통하여 가시광선(V)을 방출시켜, 방출된 가시광선(V)이 상기 액정 디스플레이 패널(700)에 공급되도록 한다. 제1 실시예의 전자 방출 소자(101)와 제2 패널(102)의 구성은 앞서 언급한 내용과 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다.
도 8을 참조하여, 액정 디스플레이 장치의 구성과 작동 원리에 대해 설명한다.
상기 전자 방출 소자(101)에 설치된 캐소오드 전극(120)과 게이트 전극(140)에 의해 형성되는 전계에 의해 전자가 방출되고, 상기 집속 전극(145)에 의해 집속된 전자들의 흐름이 상기 제2 패널(102)에 설치된 애노드 전극(80)에 의해 가속되어 형광체층(70)에 부딪히면서 가시광선(V)이 발생된다. 발생된 가시광선(V)은 전면의 액정 디스플레이 패널(700)을 향해 진행한다.
한편, 상기 액정 디스플레이 패널(700)은 제2 기판(505)을 구비하고, 상기 제2 기판(505) 상에는 버퍼층(510)이 형성되고, 상기 버퍼층(510) 상에는 반도체층(580)이 소정의 패턴으로 형성된다. 상기 반도체층(580) 상에는 제1 절연층(520)이 형성되며, 상기 제1 절연층(520)상에는 게이트 전극(590)이 소정의 패턴으로 형성되고, 상기 게이트 전극(590) 상에는 제2 절연층(530)이 형성된다. 상기 제2 절연층(530)이 형성된 후에는, 드라이 에칭 등의 공정에 의해 상기 제1 절연층(520)과 제2 절연층(530)이 식각되어 상기 반도체층(580)의 일부가 노출되고, 상기 노출된 부분을 포함하는 소정의 영역에 소스 전극(570)과 드레인 전극(610)이 형성된다. 상기 소스 전극(570) 및 드레인 전극(610)이 형성된 후 제3 절연층(540)이 형성되며, 상기 제3 절연층(540) 상에 평탄화층(550)이 형성된다. 상기 평탄화층(550)상에는 소정의 패턴으로 제1 전극(620)이 형성되고, 상기 제3 절연층(540)과 상기 평탄화층(550) 일부가 식각되어 상기 드레인 전극(610)과 상기 제1 전극(620)의 도전통로가 형성된다. 투명한 제1 기판(680)은 상기 제2 기판(505)과 별도로 제조되고, 상기 제1 기판의 하면(680a)에는 칼라 필터층(670)이 형성된다. 상기 칼라 필터층(670)의 하면(670a)에는 제2 전극(660)이 형성되고, 상기 제1 전극(620)과 제2 전극(660)의 서로 대향하는 면들에는 액정층(640)을 배향하는 제1 배향층(630)과 제2 배향층(650)이 형성된다. 상기 제2 기판(505)의 하면(505a)에는 제1 편광층(500)이, 상기 제1 기판의 상면(680b)에는 제2 편광층(690)이 형성되고, 상기 제2 편광층의 상면(690a)에는 보호필름(695)이 형성된다. 상기 칼라 필터층(670)과 상기 평탄화층(550) 사이에는 상기 액정층(640)을 구획하는 스페이서(560)가 형성된다.
상기 액정 디스플레이 패널(700)의 작동원리에 관해 간단히 설명하면, 상기 게이트 전극(590), 소스 전극(570), 드레인 전극(610)에 의해 제어된 외부신호에 의해 상기 제1 전극(620)과 제2 전극(660) 사이에 전위차가 형성되고, 상기 전위차에 의해 상기 액정층(640)의 배열이 결정되며, 상기 액정층(640)의 배열에 따라서 상기 백라이트 유닛(100)에서 공급되는 가시광선(V)이 차폐 또는 통과된다. 상기 통과된 광이 칼라 필터층(670)을 통과하면서 색을 띠게 되어 화상을 구현한다.
도 8에는 액정 디스플레이 패널(특히, TFT-LCD)을 예시하였으나, 본 발명의 평판 디스플레이 장치를 구성하는 디스플레이 패널이 이에 한정되는 것은 아니며, 또한 상기 수발광 소자로는 상기와 같은 액정 디스플레이 패널 외에도 다양한 수발광형 디스플레이 패널이 적용될 수 있다.
상기와 같은 전자 방출 소자를 백라이트 유닛으로 구비한 평판 디스플레이 장치는 그 백라이트 유닛으로 사용되는 전자 방출 소자의 전류 밀도가 증가하고 전자 방출 효율이 크게 향상되며 휘도와 수명이 크게 향상됨에 따라, 이를 채용한 평판 디스플레이 장치의 화상의 휘도 향상은 물론 수명 증대의 효과를 가져올 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면 기존의 전자 방출 소자들에 비해 적은 소비 전력으로도 전류 밀도를 증가시킬 수 있어 수발광 소자를 위한 백라이트 유닛이나 자발광형의 디스플레이 장치를 구현하는 경우에 화상의 휘도를 증가시키고 발광 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 코팅된 전자 방출원을 사용함으로써 전자 방출 소자 및 이를 구비한 평판 디스플레이 장치의 수명을 크게 연장시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 전자 방출원 본체;
    상기 전자 방출원 표면에 형성된 베이스 메탈층; 및
    상기 베이스 메탈층의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층을 포함하는 열전자 방출용 전자 방출원.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전자 방출 물질 코팅층은,
    BaO, SrO 및 CaO로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전자 방출용 전자 방출원.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 메탈층은,
    Ni합금으로 이루어지고, 0.01 중량% 내지 0.5 중량%의 Mg 또는 Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전자 방출용 전자 방출원.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 메탈층 및 상기 열전자 방출 물질 코팅층의 두께의 합은 1nm 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 열전자 방출용 전자 방출원.
  5. 카본 나노 튜브 본체;
    상기 카본 나노 튜브 표면에 형성된 베이스 메탈층; 및
    상기 베이스 메탈층의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층을 포함하는 열전자 방출용 전자 방출원.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전자 방출 물질 코팅층은,
    BaO, SrO 및 CaO로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전자 방출용 전자 방출원.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 메탈층은,
    Ni합금으로 이루어지고, 0.01 중량% 내지 0.5 중량%의 Mg 또는 Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전자 방출용 전자 방출원.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 메탈층 및 상기 열전자 방출 물질 코팅층의 두께의 합은 1nm 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 열전자 방출용 전자 방출원.
  9. 기판;
    상기 기판에 설치된 캐소오드 전극;
    상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결된 전자 방출원;
    상기 캐소오드 전극 상에 배치된 제1 절연체층; 및
    상기 제1 절연체층에 의해 상기 캐소오드 전극과 절연되도록 배치된 게이트 전극을 포함하고,
    상기 전자 방출원은,
    전자 방출원 본체;
    상기 전자 방출원 표면에 형성된 베이스 메탈층; 및
    상기 베이스 메탈층의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층을 포함하는 전자 방출 소자.
  10. 기판;
    상기 기판에 설치된 캐소오드 전극;
    상기 캐소오드 전극과 대향되도록 설치된 게이트 전극; 및
    상기 캐소오드 전극과 게이트 전극에 걸쳐 덮이고, 상기 캐소오드 전극에 덮인 부분과 상기 게이트 전극에 덮인 부분의 사이에 나노 갭이 형성된 전자 방출층을 포함하고,
    상기 전자 방출층은,
    전자 방출원 본체;
    상기 전자 방출원 표면에 형성된 베이스 메탈층; 및
    상기 베이스 메탈층의 표면에 형성된 열전자 방출 물질 코팅층을 포함하는 전자 방출 소자.
  11. 제1 기판;
    상기 제1 기판에 설치된 캐소오드 전극;
    상기 캐소오드 전극과 교차되는 방향으로 연장된 복수 개의 게이트 전극;
    상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 게이트 전극을 전기적으로 절연하는 제1 절연체층;
    상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극이 교차하는 부분에서 상기 게이트 전극 및 제1 절연체층에 형성되어 상기 캐소오드 전극을 노출시키는 전자 방출원 홀; 및
    상기 전자 방출원 홀에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결되고, 베이스 메탈층과 열전자 방출 물질 코팅층을 구비하는 전자 방출원 본체를 포함하는 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자와,
    상기 전자 방출원에 대향되는 위치에 배치된 애노드 전극과, 전자를 받아서 가시광선을 발생시키는 형광체층이 형성된 제2 기판을 포함하는 전면 패널을 포함하는 평판 디스플레이 장치.
  12. 제1 기판;
    상기 제1 기판에 설치된 캐소오드 전극;
    상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결되고, 베이스 메탈층과 열전자 방출 물질층을 구비하는 전자 방출원 본체를 포함하는 전자 방출원;
    상기 캐소오드 전극 상에 배치된 제1 절연체층; 및
    상기 제1 절연체층에 의해 상기 캐소오드 전극과 절연되도록 배치된 게이트 전극을 포함하는 전자 방출 소자와,
    상기 전자 방출원에 대향되는 위치에 배치된 애노드 전극과, 전자를 받아서 가시광선을 발생시키는 형광체층이 형성된 제2 기판을 포함하는 전면 패널과,
    상기 전면 패널의 전방에 설치되어, 상기 형광체층에서 발생된 가시광선을 공급받아 이를 제어하여 화상을 구현하는 수발광 소자를 포함하는 평판 디스플레이 장치.
  13. 제1 기판;
    상기 제1 기판에 설치된 캐소오드 전극;
    상기 캐소오드 전극과 대향되도록 설치된 게이트 전극; 및
    상기 캐소오드 전극과 게이트 전극에 걸쳐 덮이고, 상기 캐소오드 전극에 덮인 부분과 상기 게이트 전극에 덮인 부분의 사이에 나노 갭이 형성되어 있으며, 베이스 메탈층과 열전자 방출 물질층을 구비하는 전자 방출원 본체를 포함하는 전자 방출층을 포함하는 전자 방출 소자와,
    상기 전자 방출층에 대향되는 위치에 배치된 애노드 전극과, 전자를 받아서 가시광선을 발생시키는 형광체층이 형성된 제2 기판을 포함하는 전면 패널과,
    상기 전면 패널의 전방에 설치되어, 상기 형광체층에서 발생된 가시광선을 공급받아 이를 제어하여 화상을 구현하는 수발광 소자를 포함하는 평판 디스플레이 장치.
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