KR101107132B1 - 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자빔 스폿 형상을 보다 세밀하게 조정하여 형광층의 발광 균일도와 발광 효율을 높인 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자 방출 디바이스는 기판과, 기판 위에 형성되는 전자 방출부들과, 기판 위에 제공되어 전자 방출부들의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들과, 구동 전극들 상부에서 구동 전극들과 절연되어 위치하고 전자빔 통과를 위한 개구부들을 형성하는 집속 전극을 포함한다. 이때 집속 전극은 전기적으로 분리된 적어도 2개의 집속부로 구성되어 서로 다른 방향에서 전자빔에 집속 효과를 부여한다.

전자방출부, 캐소드전극, 게이트전극, 절연층, 집속전극, 집속부, 형광층, 애노드전극

Description

전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스 {ELECTRON EMISSION DEVICE AND ELECTRON EMISSION DISPLAY DEVICE USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 단면도이다.

도 3은 도 1에 도시한 전자 방출 디바이스의 부분 평면도이다.

도 4와 도 5 및 도 6은 각각 종래 기술에 의한 전자 방출 표시 디바이스에서 형광층과 전자빔 스폿을 도시한 개략도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스에서 형광층과 전자빔 스폿을 도시한 개략도이다.

도 8은 집속 전극의 변형예를 도시한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 부분 평면도이다.

본 발명은 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자빔 집 속 효율을 높이기 위하여 집속 전극의 형상을 개선한 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스에 관한 것이다.

일반적으로 전자 방출 소자(electron emission element)는 전자원의 종류에 따라 열음극(hot cathode)을 이용하는 방식과 냉음극(cold cathode)을 이용하는 방식으로 분류할 수 있다.

여기서, 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는 전계 방출 어레이(Field Emitter Array; FEA)형, 표면 전도 에미션(Surface-Conduction Emission; SCE)형, 금속-절연층-금속(Metal-Insulator-Metal; MIM)형 및 금속-절연층-반도체(Metal-Insulator-Semiconductor; MIS)형 등이 알려져 있다.

이 중 FEA형 전자 방출 소자는 전자 방출부 및 전자 방출부의 전자 방출을 제어하는 구동 전극으로서 하나의 캐소드 전극과 하나의 게이트 전극을 구비하며, 전자 방출부의 구성 물질로 일 함수(work function)가 낮거나 종횡비가 큰 물질, 일례로 탄소 나노튜브와 흑연 및 다이아몬드상 카본과 같은 탄소계 물질을 사용하여 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한다.

전자 방출 소자는 제1 기판에 어레이를 이루며 배치되어 전자 방출 디바이스(electron emission device)를 구성하고, 전자 방출 디바이스는 형광층과 애노드 전극 등으로 이루어진 발광 유닛이 구비된 제2 기판과 결합하여 전자 방출 표시 디바이스(electron emission display device)를 구성한다.

상기 전자 방출 표시 디바이스에 있어서, 전자빔 경로를 목적하는 방향으로 유도하여 표시 특성을 향상시키려는 노력이 있어왔다. 예를 들어 전자 방출부에서 방출된 전자들이 제2 기판을 향해 퍼지며 진행하는 경우에는 이 전자들이 대응하는 화소의 형광층 뿐만 아니라 이웃한 흑색층 및 다른 화소의 타색 형광층에 함께 도달하여 타색 발광을 유발한다.

이로써 전자빔 제어를 위한 수단의 하나로 집속 전극이 제안되었다. 집속 전극은 일반적으로 전자 방출 디바이스의 최상부에 위치하며, 전자빔 통과를 위한 개구부를 형성하여 이 개구부를 통과하는 전자들을 전자빔 다발의 중심부로 집속시킨다.

그런데 종래에는 집속 전극이 단일의 몸체로 구성되고, 단일한 집속 전압을 이용하여 전자빔을 집속시키고 있으므로 전자빔 스폿 형상을 보다 정밀하게 제어하기 어려운 문제가 있다. 즉 형광층에 도달하는 전자빔 스폿의 형상을 화면의 수평 방향과 수직 방향으로 각각 제어하기가 불가능하며, 전자빔 집속 효율이 낮은 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자빔 집속을 화면의 수평 방향과 수직 방향으로 개별적으로 제어할 수 있도록 하여 전자빔 집속 효율과 표시 품질을 높일 수 있는 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

기판과, 기판 위에 형성되는 전자 방출부들과, 기판 위에 제공되어 전자 방 출부들의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들과, 구동 전극들 상부에서 구동 전극들과 절연되어 위치하고 전자빔 통과를 위한 개구부들을 형성하는 집속 전극을 포함하며, 집속 전극이 전기적으로 분리된 적어도 2개의 집속부로 구성되어 서로 다른 방향에서 전자빔에 집속 효과를 부여하는 전자 방출 디바이스를 제공한다.

상기 집속 전극은 그 내부에 개구부들을 형성하며 기판의 일 방향을 따라 위치하는 제1 집속부들과, 제1 집속부들 사이에서 제1 집속부들과 이격되어 위치하는 제2 집속부들을 포함할 수 있다.

상기 제1 집속부들은 서로 전기적으로 연결되어 공통의 제1 전위를 형성하고, 제2 집속부들 또한 서로 전기적으로 연결되어 제1 전위와 다른 공통의 제2 전위를 형성할 수 있다.

상기 제1 집속부들은 각각의 개구부 사이에서 양 측면에 한 쌍의 오목부를 형성하고, 제2 집속부들은 양 측면에 한 쌍의 돌기부를 형성하여 돌기부가 오목부 내측에 위치하도록 할 수 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 위에 형성되는 전자 방출부들과, 제1 기판 위에 제공되어 전자 방출부들의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들과, 구동 전극들 상부에서 구동 전극들과 절연되어 위치하고 전자빔 통과를 위한 개구부들을 형성하는 집속 전극과, 제2 기판의 일면에 형성되는 형광층들과, 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극을 포함하며, 집속 전극이 전기적으로 분리된 적어도 2개의 집속부로 구성되어 서로 다른 방향에서 전자빔에 집속 효 과를 부여하는 전자 방출 표시 디바이스를 제공한다.

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

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도와 부분 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 전자 방출 디바이스의 부분 평면도이다.

도면을 참고하면, 전자 방출 표시 디바이스는 소정의 간격을 두고 평행하게 대향 배치되는 제1 기판(10)과 제2 기판(12)을 포함한다. 제1 기판(10)과 제2 기판(12)의 가장자리에는 밀봉 부재(도시하지 않음)가 배치되어 두 기판을 접합시키며, 내부 공간이 대략 10^-6 torr의 진공도로 배기되어 제1 기판(10)과 제2 기판(12) 및 밀봉 부재가 진공 용기를 구성한다.

상기 제1 기판(10) 중 제2 기판(12)과의 대향면에는 전자 방출 소자들이 어레이를 이루며 배치되어 제1 기판(10)과 함께 전자 방출 디바이스(100)를 구성하고, 전자 방출 디바이스(100)가 제2 기판(12) 및 제2 기판(12)에 제공된 발광 유닛(110)과 결합하여 전자 방출 표시 디바이스를 구성한다.

먼저, 제1 기판(10) 위에는 제1 전극인 캐소드 전극들(14)이 제1 기판(10)의 일 방향을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극들(14)을 덮으면서 제1 기판(10) 전체에 제1 절연층(16)이 형성된다. 제1 절연층(16) 위에는 제2 전극인 게이트 전극들(18)이 캐소드 전극(14)과 직교하는 방향을 따라 스트라이프 패턴으 로 형성된다.

상기 캐소드 전극들(14)과 게이트 전극들(18)의 교차 영역이 단위 화소를 이루며, 캐소드 전극들(14) 위로 각 단위 화소마다 전자 방출부들(20)이 형성된다. 그리고 제1 절연층(16)과 게이트 전극들(18)에는 각 전자 방출부(20)에 대응하는 개구부(161, 181)가 형성되어 제1 기판(10) 상에 전자 방출부(20)가 노출되도록 한다.

전자 방출부(20)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터(nm) 사이즈 물질로 이루어질 수 있다. 전자 방출부(20)는 탄소 나노튜브(CNT), 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(DLC), C₆₀, 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질을 포함할 수 있으며, 그 제조법으로 스크린 인쇄, 직접 성장, 스퍼터링 또는 화학기상증착(CVD) 등을 적용할 수 있다.

다른 한편으로, 전자 방출부는 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물로 이루어질 수 있다.

전자 방출부들(20)은 각 단위 화소에서 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18) 중 어느 한 전극, 일례로 캐소드 전극(14)의 길이 방향을 따라 일렬로 위치할 수 있으며, 원형의 평면 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 단위 화소별 전자 방출부들(20)의 배열 형상과 전자 방출부(20)의 평면 형상은 도시한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다.

또한, 상기에서는 제1 절연층(16)을 사이에 두고 게이트 전극들(18)이 캐소드 전극들(14) 상부에 위치하는 구조에 대해 설명하였으나, 게이트 전극들이 제1 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극들 하부에 위치하는 구조도 가능하며, 이 경우 전자 방출부들은 제1 절연층 위에서 캐소드 전극의 측면에 형성될 수 있다.

그리고 게이트 전극들(18)과 제1 절연층(16) 위로 제3 전극인 집속 전극(22)이 형성된다. 집속 전극(22) 하부에는 제2 절연층(24)이 위치하여 게이트 전극들(18)과 집속 전극(22)을 절연시키고, 집속 전극(22)과 제2 절연층(24)에도 전자빔 통과를 위한 개구부(221, 241)가 마련된다.

집속 전극의 개구부(221)는 단위 화소마다 하나씩 형성되어 집속 전극(22)이 하나의 단위 화소에서 방출되는 전자들을 포괄적으로 집속하거나, 각 게이트 전극 개구부(181)마다 하나씩 형성되어 각 전자 방출부(20)에서 방출되는 전자들을 개별적으로 집속할 수 있다. 도면에서는 일례로 전자(前者)의 경우를 도시하였다.

본 실시예에서 집속 전극(22)은 전기적으로 분리된 적어도 2개의 집속부로 구성되어 서로 다른 방향에서 전자빔 경로에 집속 효과를 부여함으로써 전자빔 형상을 보다 세밀하게 조정하도록 한다.

보다 구체적으로, 집속 전극(22)은 단위 화소들에 대응 배치되어 그 내부에 전술한 개구부들(221)을 형성하면서 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18) 중 어느 한 전극, 일례로 게이트 전극(18)과 나란하게 위치하는 제1 집속부들(26)과, 제1 집속부들(26) 사이에서 제1 집속부(26)와 이격되어 위치하는 제2 집속부들(28)로 이루어진다.

제1 집속부들(26)은 주로 전자 방출부들(20)의 좌우 양측에 위치하여 화면의 수평 방향(도면의 x축 방향)으로 전자들을 집속시키며, 서로 전기적으로 연결되어 수평 방향 집속을 위한 공통의 제1 집속 전압(V1)을 인가받는다. 제2 집속부들(28)은 주로 전자 방출부들(20)의 상하 양측에 위치하여 화면의 수직 방향(도면의 y축 방향)으로 전자들을 집속시키며, 서로 전기적으로 연결되어 수직 방향 집속을 위한 공통의 제2 집속 전압(V2)을 인가받는다.

다음으로, 제1 기판(10)에 대향하는 제2 기판(12)의 일면에는 형광층(30), 일례로 적색과 녹색 및 청색의 형광층들(30R, 30G, 30B)이 서로간 임의의 간격을 두고 형성되고, 각 형광층(30) 사이로 화면의 콘트라스트 향상을 위한 흑색층(32)이 형성된다. 형광층(30)은 제1 기판(10)에 설정된 단위 화소마다 하나의 형광층(30)이 대응하도록 배치된다.

그리고 형광층(30)과 흑색층(32) 위로 알루미늄(Al)과 같은 금속막으로 이루어진 애노드 전극(34)이 형성된다. 애노드 전극(34)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가받아 형광층(30)을 고전위 상태로 유지시키며, 형광층(30)에서 방사된 가시광 중 제1 기판(10)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(12) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높인다.

한편, 애노드 전극은 금속막이 아닌 ITO(indium tin oxide)와 같은 투명 도전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 애노드 전극은 제2 기판(12)을 향한 형광층(30)과 흑색층(32)의 일면에 위치한다. 또한 애노드 전극으로서 전술한 투명 도전막과 금속막을 동시에 사용하는 구조도 가능하다.

그리고 제1 기판(10)과 제2 기판(12) 사이에는 진공 용기에 가해지는 압축력을 지지하고 두 기판의 간격을 일정하게 유지시키는 다수의 스페이서들(36, 도 2 참고)이 배치된다. 스페이서들(36)은 형광층(30)을 침범하지 않도록 흑색층(32)에 대응하여 위치한다.

상기한 구성의 전자 방출 표시 디바이스는 외부로부터 캐소드 전극들(14), 게이트 전극들(18), 제1 집속부(26), 제2 집속부(28) 및 애노드 전극(34)에 소정의 전압을 공급하여 구동한다.

일례로 캐소드 전극들(14)과 게이트 전극들(18) 중 어느 한 전극들이 주사 구동 전압을 인가받아 주사 전극들로 기능하고, 다른 한 전극들이 데이터 구동 전압을 인가받아 데이터 전극들로 기능한다. 그리고 제1 집속부(26)와 제2 집속부(28)는 각각 전자빔의 수평 방향 집속과 수직 방향 집속에 필요한 전압, 일례로 0V 또는 수 내지 수십 볼트의 음의 직류 전압을 인가받으며, 애노드 전극(34)은 전자빔 가속에 필요한 전압, 일례로 수백 내지 수천 볼트의 양의 직류 전압을 인가받는다.

그러면 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18)간 전압 차가 임계치 이상인 단위 화소들에서 전자 방출부(20) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자들이 방출된다. 방출된 전자들은 제1 집속부(26)의 개구부(221)를 통과하면서 전자빔 다발의 중심부로 집속되며, 애노드 전극(34)에 인가된 고전압에 이끌려 대응하는 단위 화소의 형광층(30)에 충돌함으로써 이를 발광시킨다.

전술한 구동 과정에 있어서, 본 실시예의 전자 방출 표시 디바이스는 제1 집 속부(26)가 전자들을 화면의 수평 방향으로 집속시키고, 제2 집속부(28)가 전자들을 화면의 수직 방향으로 집속시킴에 따라, 제1 집속 전압(V1)과 제2 집속 전압(V2)을 적절하게 설정하여 형광층(30)에 도달하는 전자빔 스폿을 형광층(30) 형상에 맞게 세밀하게 보정할 수 있다.

도 4 내지 도 6은 집속 전극이 단일 몸체로 구성되는 종래 기술에 의한 전자 방출 표시 디바이스에서 집속 전극에 전압을 인가하지 않은 경우(도 4)와, 집속 전극에 -20V 전압을 인가한 경우(도 5), 그리고 집속 전극에 -50V 전압을 인가한 경우(도 6), 형광층에 도달한 전자빔 스폿을 나타낸 개략도이다.

도 4에 도시한 전자빔 스폿(BS1)은 화면의 수평 방향 및 수직 방향 모두에서 형광층(30)보다 큰 폭으로 형성되어 형광층(30)의 발광 효율을 저하시키고 있다. 도 5에 도시한 전자빔 스폿(BS2)은 도 4에 도시한 전자빔 스폿(BS1)보다 작은 크기로 형성되고 있으나, 여전히 형광층(30)보다 큰 폭으로 형성되어 형광층(30)의 발광 효율을 저하시키고 있다.

그리고 도 6에 도시한 전자빔 스폿(BS3)은 오히려 수평 사이즈가 형광층(30)의 수평 폭보다 작게 형성되어 형광층(30)에 전자빔이 도달하지 않은 영역이 발생함으로써 형광층(30)의 발광 균일도가 저하되는 결과를 초래하고 있다.

도 7은 본 실시예에 의한 전자 방출 표시 디바이스에서 제1 집속부에 -20V 전압을 인가하고, 제2 집속부에 -100V 이상의 전압을 인가한 경우, 형광층에 도달한 전자빔 스폿을 나타낸 개략도이다. 도 7에 도시한 전자빔 스폿(BS4)은 대응하는 형광층(30)에 가장 근접한 수평 폭과 수직 폭으로 형성되어 본 실시예의 전자 방출 표시 디바이스가 형광층(30)의 발광 효율과 발광 균일도를 동시에 높이고 있음을 알 수 있다.

도 8은 집속 전극의 변형예를 도시한 전자 방출 디바이스의 부분 평면도이다. 도 8을 참고하면, 제1 집속부(26')는 각각의 개구부(221) 사이로 양 측면에 한 쌍의 오목부(38)를 형성하여 제1 집속부(26') 폭을 감소시키고, 제2 집속부(28')는 양 측면에 한 쌍의 돌기부(40)를 형성하여 돌기부(40)가 오목부(38) 내측에 위치하도록 한다.

이로써 제2 집속 전압을 인가받는 돌기부(40)가 집속 전극(22')의 개구부(221)를 보다 넓은 면적으로 둘러싸게 되어 화면의 수직 방향으로 전자빔 집속 효율을 더욱 높일 수 있다.

상기에서는 전계를 이용하여 전자 방출부로부터 전자들을 방출시키는 전계 방출 어레이(FEA)형 전자 방출 표시 디바이스에 대해 설명하였으나, 본 발명은 이러한 FEA형에 한정되지 않고, 집속 전극을 구비하는 다른 타입의 전자 방출 표시 디바이스, 일례로 표면 전도 에미션(SCE)형, 금속-절연층-금속(MIM)형 및 금속-절연층-반도체(MIS)형 전자 방출 표시 디바이스에 모두 적용 가능하다.

또한, 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 의한 전자 방출 표시 디바이스는 집속 전극을 전기적으로 분리된 적어도 2개의 집속부로 형성하여 서로 다른 방향에서 전자빔 경로에 집속 효과를 부여함에 따라, 전자빔 스폿 형상을 보다 세밀하게 조정할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 전자 방출 표시 디바이스는 형광층 형상에 최대한 근접하는 전자빔 스폿을 형성할 수 있어 형광층의 발광 효율과 발광 균일도를 동시에 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 기판과;

   상기 기판 위에 형성되는 전자 방출부들과;

   상기 기판 위에 제공되어 상기 전자 방출부들의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들; 및

   상기 구동 전극들 상부에서 구동 전극들과 절연되어 위치하고, 전자빔 통과를 위한 개구부들을 형성하는 집속 전극을 포함하며,

   상기 집속 전극이 전기적으로 분리된 적어도 2개의 집속부로 구성되어 수평 방향과 수직 방향에서 상기 전자빔에 집속 효과를 부여하고,

   상기 집속 전극이 그 내부에 상기 개구부들을 형성하며 상기 기판의 일 방향을 따라 위치하는 제1 집속부들과, 제1 집속부들 사이에서 제1 집속부들과 이격되어 위치하는 제2 집속부들을 포함하는 전자 방출 디바이스.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 집속부들이 전기적으로 연결되어 공통의 제1 전위를 형성하고, 상기 제2 집속부들이 전기적으로 연결되어 제1 전위와 다른 공통의 제2 전위를 형성하는 전자 방출 디바이스.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 집속부들이 상기 각각의 개구부 사이에서 양 측면에 한 쌍의 오목부를 형성하고, 상기 제2 집속부들이 양 측면에 한 쌍의 돌기부를 형성하여 돌기부가 오목부 내측에 위치하도록 하는 전자 방출 디바이스.
5. 제1항에 있어서,

   상기 구동 전극들이 절연층을 사이에 두고 서로 다른 층에 위치하면서 서로 교차하는 방향을 따라 형성되는 캐소드 전극들과 게이트 전극들을 포함하고,

   상기 전자 방출부들이 상기 캐소드 전극과 게이트 전극의 교차 영역마다 캐소드 전극 위에 형성되는 전자 방출 디바이스.
6. 제5항에 있어서,

   상기 전자 방출부들이 상기 교차 영역마다 상기 캐소드 전극과 게이트 전극 중 어느 한 전극의 길이 방향을 따라 일렬로 위치하는 전자 방출 디바이스.
7. 제5항에 있어서,

   상기 집속 전극이 상기 교차 영역마다 상기 전자 방출부들을 동시에 노출시키는 하나의 개구부를 형성하는 전자 방출 디바이스.
8. 제5항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀ 및 실리콘 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전자 방출 디바이스.
9. 제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 전자 방출 디바이스와;

   상기 기판에 대향 배치되는 타측 기판과;

   상기 타측 기판의 일면에 형성되는 적색, 녹색, 청색의 형광층들; 및

   상기 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극을 포함하는 전자 방출 표시 디바이스.
10. 제9항에 있어서,

    상기 집속 전극이 상기 기판에 설정되는 단위 화소마다 하나의 개구부를 형성하고, 상기 형광층들이 상기 단위 화소마다 한가지 색 형광층이 대응하도록 배치되는 전자 방출 표시 디바이스.

Images