KR101107133B1 - 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시디바이스 - Google Patents

전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자 방출부별로 에미션 전류량에 차이를 유발하는 외부 요인이 존재할 때 이로 인한 특정 전자 방출부의 전압 강하를 최소화할 수 있는 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자 방출 디바이스는 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과, 캐소드 전극들과 절연되어 위치하는 게이트 전극들과, 캐소드 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출부들을 포함하며, 각각의 캐소드 전극은 기판에 설정되는 단위 화소마다 개구부를 형성하는 주 전극과, 개구부 내측에서 주 전극과 이격되어 위치하며 전자 방출부가 놓이는 다수의 격리 전극들과, 주 전극과 격리 전극들을 전기적으로 연결하는 저항층을 포함한다. 이때 적어도 하나의 격리 전극이 같은 단위 화소에 위치하는 다른 격리 전극에 대해 주 전극과 상이한 이격 거리를 가진다.
전자방출부, 캐소드전극, 게이트전극, 절연층, 저항층, 집속전극, 전압강하

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 3과 도 4는 각각 도 1에 도시한 전자 방출 디바이스의 부분 평면도이다.
본 발명은 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 방출부들의 에미션 특성을 균일하게 제어하는 저항층을 구비한 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 방출부와 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 일 기판에 어레이를 이루며 배치되어 전자 방출 디바이스(electron emission device)를 구성하고, 전자 방출 디바이스는 형광층과 애노드 전극 등으로 이루어진 발광 유닛이 구비된 다른 기판과 결합하여 전자 방출 표시 디바이스(electron emission display device)를 구성한다.
상기한 전자 방출 디바이스는 그 작용시 전자 방출부와 전기적으로 연결되어 전자 방출에 필요한 전류를 공급하는 전극(이하, 편의상 '제1 전극'이라 한다)에 불안정한 구동 전압이 인가되거나, 제1 전극의 전압 강하로 인해 전자 방출부들에 인가되는 전압에 차이가 발생할 수 있다. 이 경우 전자 방출부들의 에미션 특성이 불균일하게 되어 화소별 발광 균일도 저하로 이어진다.
상기 문제점을 해소하기 위하여 제1 전극 내부에 각 단위 화소마다 개구부를 형성하고, 개구부 내에 격리 전극들을 형성하고, 각각의 격리 전극 위로 전자 방출 부를 형성하고, 격리 전극들의 양 측면에서 제1 전극과 격리 전극들 사이에 저항층을 형성하여 저항층에 의해 전자 방출부들의 에미션 특성을 균일화하는 기술이 제안되어 사용되고 있다.
그런데 전술한 구조에서 전자 방출부별로 에미션 전류량에 차이를 유발하는 외부 요인이 존재하는 경우, 외부 요인을 적게 받는 전자 방출부들에서 저항층에 의해 전압 강하가 발생할 수 있다.
가령 전자 방출 디바이스가 집속 전극을 구비할 때, 특정 위치의 전자 방출부들이 집속 전계의 영향을 받아 에미션 전류량이 낮아질 수 있다. 그러면 집속 전극의 영향을 크게 받는 전자 방출부와 그렇지 않은 전자 방출부 사이의 에미션 전류 차이 만큼 전압 보정이 이루어져 집속 전극의 영향을 적게 받는 전자 방출부에서 전압 강하가 크게 발생한다.
그 결과 전자 방출부들의 에미션 전류량이 전체적으로 낮아져 화면의 휘도가 저하되고, 구동 전압을 높여서 이를 보상해야 하는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자 방출부별로 에미션 전류량에 차이를 유발하는 외부 요인이 존재할 때 이로 인한 특정 전자 방출부의 전압 강하를 최소화하여 에미션 전류량을 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 캐소드 전극들과, 캐소드 전극들과 절연되어 위 치하는 게이트 전극들과, 캐소드 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출부들을 포함하며, 각각의 캐소드 전극이 기판에 설정되는 단위 화소마다 개구부를 구비하는 주 전극과, 개구부 내측에서 주 전극과 이격되어 위치하며 전자 방출부가 놓이는 다수의 격리 전극들과, 주 전극과 격리 전극들을 전기적으로 연결하는 저항층을 포함하고, 적어도 하나의 격리 전극이 같은 단위 화소에 위치하는 다른 격리 전극에 대해 주 전극과 상이한 이격 거리를 가지는 전자 방출 디바이스를 제공한다.
상기 개구부는 일정한 폭으로 형성되고, 격리 전극들이 이웃한 격리 전극들과 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다. 그리고 저항층은 격리 전극들의 윗면 일부를 덮으면서 일정한 폭으로 형성될 수 있다.
상기 격리 전극들은 주 전극의 길이 방향을 따라 일렬로 위치하고, 한 쌍의 저항층이 격리 전극들의 양측에 제공될 수 있다.
상기 게이트 전극들 상부에서 집속 전극이 게이트 전극들과 절연되어 위치할 수 있으며, 이 경우 집속 전극은 단위 화소마다 전자빔 통과를 위한 하나의 개구부를 형성할 수 있다.
상기 집속 전극이 위치하는 경우, 격리 전극들은 단위 화소의 주변부에서 단위 화소의 중앙부를 향해 큰 폭으로 형성되고, 저항층이 격리 전극들의 윗면 일부를 덮으면서 일정한 폭으로 형성될 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과, 캐소드 전극들과 절연되어 위치하는 게이트 전극들과, 캐소드 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출부들과, 제2 기판에 형성되는 형광층들과, 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극을 포함하며, 각각의 캐소드 전극이 기판에 설정되는 단위 화소마다 개구부를 구비하는 주 전극과, 개구부 내측에서 주 전극과 이격되어 위치하며 전자 방출부가 놓이는 다수의 격리 전극들과, 주 전극과 격리 전극들을 전기적으로 연결하는 저항층을 포함하고, 적어도 하나의 격리 전극이 같은 단위 화소에 위치하는 다른 격리 전극에 대해 주 전극과 상이한 이격 거리를 가지는 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 3과 도 4는 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 구성하 고, 전자 방출 디바이스(100)가 제2 기판(12) 및 제2 기판(12)에 제공된 발광 유닛(110)과 결합되어 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 패턴으로 형성된다.
상기에서 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18)의 교차 영역이 하나의 단위 화소를 이루며, 각각의 캐소드 전극(14)은 각 단위 화소에 대응하여 그 내부에 개구부(20)를 형성하는 주 전극(141)과, 개구부(20) 내측에서 주 전극(141)과 이격되어 위치하는 다수의 격리 전극들(142)과, 격리 전극들(142)의 양측에서 주 전극(141)과 격리 전극들(142)을 전기적으로 연결하는 한 쌍의 저항층(143)으로 이루어진다.
격리 전극들(142)은 개구부(20) 내측에서 제1 기판(10)의 어느 일 방향, 일례로 주 전극(141)의 길이 방향을 따라 일렬로 위치하고, 주 전극(141)의 폭 방향에 따른 격리 전극들(142)의 좌우 양측에 저항층(143)이 위치한다.
저항층(143)은 대략 10,000 내지 100,000 Ωcm의 비저항값을 갖는 물질로서 주 전극(141)과 격리 전극(142)을 구성하는 통상의 도전 물질보다 큰 저항을 가지며, 일례로 p형 도핑된 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 저항층(143)은 일정한 폭을 가지면서 바람직하게 주 전극(141)과 격리 전극들(142)의 윗면 일부를 덮도록 형성되어 주 전극(141) 및 격리 전극들(142)과의 접촉 저항을 줄인다.
그리고 각각의 격리 전극(142) 위로 전자 방출부(22)가 형성된다. 전자 방출부(22)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터 사이즈 물질로 이루어질 수 있다. 전자 방출부(22)는 일례로 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C60, 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질을 포함할 수 있다.
다른 한편으로 전자 방출부는 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물로 이루어질 수 있다.
전술한 구조에서 주 전극(141)은 그 일단이 도시하지 않은 외부 회로와 연결되어 이로부터 구동 전압을 인가받으며, 저항층(143)은 주 전극(141)에 불안정한 구동 전압이 인가되거나 주 전극(141)에 전압 강하가 발생하는 경우, 전자 방출부들(22)에 동일한 조건의 구동 전압이 인가되도록 하여 에미션 특성을 균일화시키는 역할을 한다.
상기 제1 절연층(16)과 게이트 전극(18)에는 각 전자 방출부(22)에 대응하는 개구부(161, 181)가 형성되어 제1 기판(10) 상에 전자 방출부(22)가 노출되도록 한다. 도면에서는 전자 방출부(22)와 개구부(161, 181)가 원형인 경우를 도시하였으나, 전자 방출부(22)와 개구부(161, 181)의 평면 형상은 도시한 예에 한정되지 않는다.
그리고 게이트 전극들(18)과 제1 절연층(16) 위로 제3 전극인 집속 전극(24)이 형성된다. 집속 전극(24) 하부에는 제2 절연층(26)이 위치하여 게이트 전극들 (18)과 집속 전극(24)을 절연시키며, 제2 절연층(26)과 집속 전극(24)에도 전자빔 통과를 위한 개구부(261, 241)가 마련된다. 이 개구부(261, 241)는 일례로 단위 화소마다 하나씩 형성되어 집속 전극(24)이 한 단위 화소에서 방출되는 전자들을 포괄적으로 집속하도록 한다.
본 실시예에서 하나의 단위 화소에 위치하는 여러개의 격리 전극들(142)은 주 전극(141)과의 이격 거리가 서로 다르게 이루어져 전자 방출부(22)별로 주 전극(141)과 격리 전극(142) 사이의 저항값을 차별화한다.
상기한 구성은 전자 방출부(22)별로 에미션 전류량에 차이를 유발하는 외부 요인에 대해 이로 인한 특정 전자 방출부(22)의 전압 강하를 최소화하기 위한 것으로서, 전압 강하가 발생하는 전자 방출부(22) 일수록 이 전자 방출부(22)가 놓이는 격리 전극(142)과 주 전극(141)의 이격 거리를 작게 하여 주 전극(141)과 격리 전극(142) 사이의 저항값을 감소시킨다.
일례로 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이 하나의 단위 화소에 5개의 전자 방출부(22)가 일렬로 위치하고, 집속 전극(24)이 5개의 전자 방출부(22)를 동시에 노출시키는 하나의 개구부를 형성할 때, 단위 화소의 주변부에 위치하여 집속 전극(24)에 둘러싸이는 면적이 가장 큰 제1 전자 방출부(221)와 제5 전자 방출부(225)는 집속 전계의 영향을 크게 받고, 단위 화소의 중앙부에 위치하는 제3 전자 방출부(223)는 집속 전계의 영향을 비교적 적게 받게 된다.
이로써 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18) 및 집속 전극(24)에 소정의 구동 전압을 인가하면, 제1 전자 방출부(221)와 제5 전자 방출부(225)에서는 전자 방출 에 필요한 전계가 집속 전계에 의해 약화되어 에미션 전류량이 낮아지고, 저항층(143)이 제1 전자 방출부(221)와 제3 전자 방출부(223) 사이 또는 제5 전자 방출부(225)와 제3 전자 방출부(223) 사이의 에미션 전류 차이 만큼 전압 보정을 행하여 제3 전자 방출부(223)에서 전압 강하가 가장 크게 발생하게 된다.
본 실시예에서 제3 전자 방출부(223)가 위치하는 격리 전극(142)이 가장 큰 폭으로 형성되어 주 전극(141)과 d1의 이격 거리를 유지하고, 제1 전자 방출부(221)와 제5 전자 방출부(225)가 위치하는 격리 전극(142)이 가장 작은 폭으로 형성되어 주 전극(141)과 d2의 이격 거리를 유지한다. 그리고 제2 전자 방출부(222)와 제4 전자 방출부(224)가 위치하는 격리 전극(142)은 주 전극(141)과 d1보다 크고 d2보다 작은 d3의 이격 거리를 유지한다.
이때 저항층(143)이 격리 전극들(142)의 좌우 양측에서 일정한 폭으로 형성되더라도 실제 저항층(143)에 의한 저항값은 주 전극(141)과 격리 전극(142)의 이격 거리에 의해 좌우되므로 제3 전자 방출부(223)에서 주 전극(141)과 격리 전극(142) 사이에 가장 작은 저항값을 가진다.
이와 같이 전압 강하가 크게 발생하는 제3 전자 방출부(223)에 대해 주 전극(141)과 격리 전극(142) 사이의 저항값을 감소시킴에 따라, 제3 전자 방출부(223)의 전압 강하를 최대로 억제할 수 있다. 이러한 격리 전극들(142)의 폭 변화는 주 전극(141)의 길이 방향을 따라 점진적으로 이루어진다.
다음으로, 제1 기판(10)에 대향하는 제2 기판(12)의 일면에는 형광층(28), 일례로 적색과 녹색 및 청색의 형광층들(28R, 28G, 28B)이 서로간 임의의 간격을 두고 형성되고, 각 형광층(28) 사이로 화면의 콘트라스트 향상을 위한 흑색층(30)이 형성된다. 형광층(28)은 제1 기판(10)에 설정되는 단위 화소에 한가지 색의 형광층이 대응하도록 배치된다.
그리고 형광층(28)과 흑색층(30) 위로 알루미늄(Al)과 같은 금속막으로 이루어진 애노드 전극(32)이 형성된다. 애노드 전극(32)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가받아 형광층(28)을 고전위 상태로 유지시키며, 형광층(28)에서 방사된 가시광 중 제1 기판(10)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(12) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높인다.
한편 애노드 전극은 ITO(indium tin oxide)와 같은 투명 도전막으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 애노드 전극은 제2 기판(12)을 향한 형광층(28)과 흑색층(30)의 일면에 위치한다. 또한 애노드 전극으로서 전술한 투명 도전막과 금속막을 동시에 형성하는 구조도 가능하다.
그리고 제1 기판(10)과 제2 기판(12) 사이에는 진공 용기에 가해지는 압축력을 지지하고 두 기판의 간격을 일정하게 유지시키는 스페이서들(34, 도 2 참고)이 배치된다. 스페이서들(34)은 형광층(28)을 침범하지 않도록 흑색층(30)에 대응하여 위치한다.
전술한 구성의 전자 방출 표시 디바이스는 외부로부터 캐소드 전극들(14), 게이트 전극들(18), 집속 전극(24) 및 애노드 전극(32)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 집속 전극(24)은 전자빔 집속에 필요한 전압, 일례로 0V 또는 수 내지 수십 볼트의 음의 직류 전압을 인가받으며, 애노드 전극(32)은 전자빔 가속에 필요한 전압, 일례로 수백 내지 수천 볼트의 양의 직류 전압을 인가받는다.
그러면 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18)의 전압 차가 임계치 이상인 단위 화소들에서 전자 방출부(22) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자들이 방출된다. 방출된 전자들은 집속 전극(24)의 개구부(241)를 통과하면서 전자빔 다발의 중심부로 집속되고, 애노드 전극(32)에 인가된 고전압에 이끌려 대응하는 단위 화소의 형광층(28)에 충돌함으로써 이를 발광시킨다.
전술한 구동 과정에서 본 실시예의 전자 방출 표시 디바이스는 저항층(143)이 기본적으로 전자 방출부들(22)의 에미션 특성을 균일화하고, 전자 방출부(22)별로 에미션 전류량을 변화시키는 외부 요인에 의해 특정 전자 방출부(22)에서 전압 강하가 발생하더라도 주 전극(141)과 격리 전극(142)의 이격 거리 변화를 통해 전압 강하를 최소화할 수 있다. 따라서 전자 방출부들(22)의 에미션 효율을 높여 에미션 전류량을 증가시킬 수 있다.
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 전자 방출부별로 에미션 전류량을 변화시키는 외부 요인에 의해 특정 전자 방출부에서 전압 강하가 발생하더라도 주 전극과 격리 전극의 이격 거리 변화를 통해 전압 강하를 최소화할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 전자 방출 표시 디바이스는 전자 방출부의 에미션 전류량을 증가시켜 화면의 휘도를 높이고, 저전압 구동에 유리한 효과를 갖는다.

Claims (8)

  1. 기판과;
    상기 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과;
    상기 캐소드 전극들과 절연되어 위치하는 게이트 전극들; 및
    상기 캐소드 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출부들을 포함하며,
    상기 각각의 캐소드 전극이,
    상기 기판에 설정되는 단위 화소마다 개구부를 형성하는 주 전극과;
    상기 개구부 내측에서 상기 주 전극과 이격되어 위치하며 상기 전자 방출부가 놓이는 다수의 격리 전극들과;
    상기 주 전극과 격리 전극들을 전기적으로 연결하는 저항층을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 격리 전극이 같은 단위 화소에 위치하는 다른 격리 전극에 대해 상기 주 전극과 상이한 이격 거리를 가지고,
    상기 개구부가 일정한 폭으로 형성되고,
    상기 격리 전극들이 이웃한 격리 전극들과 서로 다른 폭으로 형성되는 전자 방출 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저항층이 상기 격리 전극들의 윗면 일부를 덮으면서 일정한 폭으로 형성되는 전자 방출 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 격리 전극들이 상기 주 전극의 길이 방향을 따라 일렬로 위치하고, 한 쌍의 저항층이 격리 전극들의 양측에 위치하는 전자 방출 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 게이트 전극들 상부에서 게이트 전극들과 절연되어 위치하는 집속 전극을 더욱 포함하며,
    상기 집속 전극이 상기 단위 화소마다 전자빔 통과를 위한 하나의 개구부를 형성하는 전자 방출 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 격리 전극들이 단위 화소의 주변부에서 단위 화소의 중앙부를 향해 큰 폭으로 형성되고, 상기 저항층이 격리 전극들의 윗면 일부를 덮으면서 일정한 폭으로 형성되는 전자 방출 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전자 방출부가 카본 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다 이아몬드상 카본, C60 및 실리콘 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전자 방출 디바이스.
  8. 제1항, 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 전자 방출 디바이스와;
    상기 기판에 대향 배치되는 타측 기판과;
    상기 타측 기판의 일면에 형성되는 형광층들; 및
    상기 형광층들의 일면에 형성되는 애노드 전극
    을 포함하는 전자 방출 표시 디바이스.
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