KR19980019139A

KR19980019139A - 전계 방출형 표시장치(field enission display device)

Info

Publication number: KR19980019139A
Application number: KR1019970042519A
Authority: KR
Inventors: 사토시 야마구치; 하루히사 히라카와; 가즈히코 즈부라야; 마사하루 도미타; 다츠오 야마우라
Original assignee: 니시무로 아츠시; 후바다 덴시 고교 가부시키가이샤
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1998-06-05
Also published as: JP3171121B2; US5955850A; KR100282035B1; FR2753002B1; FR2753002A1; TW386233B; JPH1074473A

Abstract

고휘도로 동시에 누설발광이 없고, 방출된 전자를 효율좋게 애노드에 도달시키는 고애노드전압 타입의 전계 방출형 표시장치를 제공한다.

캐소드기판(1)상에 설치된 캐소드 전극상에 콘상의 이미터가 형성되어 이미터가 형성되어 있지 않는 부분에는 절연층, 제1 게이트 전극이 형성되어 있다. 제1 게이트 전극위에는 더욱 절연층이 형성되어 있고 그 위에 개구부(20)를 갖는 제2 게이트 전극(집속전극)(7)이 설치되어 있다. 1화소에 대응하는 이미터 영역(30)에는 상기 개구부(20)가 복수열 병렬로 형성되어 있고, 그 각 개구부(20)의 내부에는 상기 이미터가 배치되어 있다. 도시하지 않는 애노드전극에는 2kV ∼5kV의 애노드전압이 인가되어 있고, 이미터로부터 방출된 전자는 상기 집속전극에 의하여 집속되어 애노드에 도달한다.

Description

전계 방출형 표시장치

본 발명은 전자방출원으로서 전계방출캐소드(FEC: Field Emission Cathode)을 사용한 표시장치(이하, 전계방출형 표시장치(FED: Field Emission Display)라함)에 관한 것이다.

금속 또는 반도체 표면의 인가전계를 10⁹[V/m] 정도로 하면, 터널효과에 의하여 전자가 장벽을 통과하여 상온에서도 진공중에 전자방출이 행해진다. 이를 전계방출(Field Emission)이라 하고, 이와같은 원리로 전자를 방출하는 캐소드를 전계방출형 캐소드(FEC)라 한다.

도 19에 그의 일예인 스핀트(Spindt)형이라 하고 FEC를 도시한다. 이 도면에서 글라스등의 캐소드기판(101)상에 알루미늄등의 금속으로 형성된 캐소드전극(102)이 설치되어 있고, 이 캐소드전극(102)상에 몰리브덴 등의 금속으로 이루어지는 콘상의 이미터(105)가 형성되어 있다. 캐소드전극(102)상에 이미터(105)가 형성되어 있지 않는 부분에는 2산화실리콘(SiO₂)등으로 이루어지는 절연층(103)이 형성되어 있고, 더욱 그위에 게이트전극(인출 게이트전극)(104)이 형성되어 있다. 게이트전극(104) 및 절연층(103)에는 개구부(106)가 설치되어 있고, 그 속에 상기 콘상의 이미터(105)가 위치하고 있다. 즉, 이 콘상의 이미터(105)의 선단부분이 개구부(106)로부터 향하는 구성으로 되어 있다.

이 콘상의 이미터(105) 사이의 피치는 10㎛ 이하로 할 수가 있고, 수만으로 수십만개의 이미터(105)를 1매의 기판상에 설치할 수가 있다. 더욱, 게이트전극(104)과 이미터(105)의 콘의 선단과의 거리를 서브미크론 단위로 할 수있기 때문에 게이트전극(104)과 이미터(105)와의 사이에 불과 수십 볼트의 게이트-이미터간 전압 Vg를 인가함으로서, 전자를 이미터(105)로부터 전계방출할 수가 있다. 게이트전극(104) 상에 이격하여 양의 전압 Va이 인가된 애노드전극(109)을 대향하여 설치하여 두면, 이미터(105)로부터 전계방출된 전자를 이 애노드전극(109)에 의하여 포집할 수가 있다. 이 경우, 애노드전극(109)에 형광체를 설치하여두면 이미터(105)로부터 전계방출된 전자가 포집되는 애노드전극(109)의 형광체의 부분을 발광시킬수가 있다. 이와같은 원리를 이용함으로서, FEC를 사용한 표시장치를 만들수가 있다. 이 표시장치를 전계방출형 표시장치라 부른다.

또, 상기 이미터(105)로부터 방출되는 전자의 궤도는 소정의 퍼짐각을 갖고있기 때문에 방출된 전자를 집속하는 수단을 설치하여 고정세 표시를 행하는 경우라도 누설발광이 생기지 않게 FED 가 몇 개 제안되어 있다.

도 20에 이와같은 FED 의 1구성예를 도시한다(일본 특개평 7-104579호 공보 참조). 이 FED는 각 화소에 대응하는 복수개의 이미터로 이루어지는(이미터 어레이)마다 제2의 게이트전극(집속전극)을 형성하고, 이 제2 게이트 전극에 음의 전위를 부여함으로서 이미터 어레이로부터 방출되는 전자를 집속시키는 것이다. 즉 도 20에 있어서, 제2의 게이트전극(107)은 복수의 이미터(105)로 이루어지는 배열을 둘러싸도록 격자상으로 형성되어 있다. 그리고 애노드전극(109)과 제1의 게이트전극(104)은 양의 동 전위로 되어 있고, 제2의 게이트전극(107)에는 음의 전위가 부여되어 있다. 캐소드전극(102)은 도시하는 바와같이 1화소를 구성하는 복소개의 이미터(105)가 그 위에 배치되는 단위 영역으로 되어 있고, 111은 캐소드전극(102)을 매트릭스 구동하기 위한 TFT (Thin Film Transister : 박막 트랜지스터)부이다. 이로서 선택된 단위영역에서 방출된 전자는 제2의 게이트전극(107)에 의하여 집속되어 확산하는 일 없이 애노드(109)에 형성된 형광체(108)에 사돌하는 것으로 된다.

또, 스트라이프상의 게이트 전극간에 설치한 집속전극 및 인접 애노드전극을 오프레벨로 스위치함으로서 이미터 어레이로부터 방출된 전자의 궤도를 집속시키는 것도 제안되어 있다(일본 특개평 6-338274호 공보 참조). 도 21은 이의 전계방출형 표시장치를 설명하기 위한 도면이고, a 는 그의 단면도, b 는 이미터 어레이로부터 방출되는 전자의 궤도를 설명하기 위한 도면이다.

이 도면에 있어서, 캐소드전극(102)은 캐소드기판(101)상에 스트라이프상으로 형성되어 있고, 게이트전극(104)은 상기 캐소드전극(102)상에 절연체를 통하여 그 캐소드전극(102)과 직교하도록 스트라이프상으로 형성되어 있다. 그리고 상기 게이트전극(104)의 각 스트라이프 사이에는 스트라이프상의 집속전극(107)이 배치되어 있다. 또, 제1의 애노드전극(118)과 제2의 애노드전극(119)은 모두 함께 스트라이프상으로 애노드기판(110)상에 형성되어 있고, 각 애노드전극에는 각각 R, G, B의 형광체가 순차 설치되어 있다. 더욱 130은 상기 제1의 애노드전극(118)의 각 스트라이프가 접속된 애노드 인출전극(A1, 131)은 상기 제2의 애노드전극(119)의 각 스트라이프가 접속된 애노드 인출전극(A2, 134)은 상기 캐소드전극(102)의 각 스트라이프로부터 인출된 캐소드 인출전극이다.

그리고, 전극(135)을 통하여 상기 스트라이프상으로 형성된 집속전극(117)에 음의 일정 전압을 상시 인가함으로서 동 도 b 에 도시하는 바와같이 각 이미터 어레이(112)로부터 방출되는 전자의 궤도를 집속시킴과 동시에 애노드전극(118) 및 (119)도 스트라이프상으로 형성하여 구동되어 있지 않는 편의 애노드전극에 0[V]를 인가함으로서 누설발광을 저지하는 것이다. 더욱, 도 21b에 있어서 실선은 전위분포를 도시하고, 파선은 전자궤도를 도시하고 있다.

다음에 방출된 전자빔을 집속하기 위한 수단을 캐소드측의 각 이미터마다 설치한 전계방출형 표시장치의 일예를 도 22에 도시한다(일본 특개평 7-29484호 공보 참조). 도시하는 바와같이 이 예에 있어서는 게이트전극(인출 게이트전극)(104)상에 다시 절연층(103')을 설치하고, 그 상부에 원형의 개구부(120)을 갖는 집속전극(제2 게이트 전극) 107을 설치하고 있다. 이 예에 있어서는 상기 집속전극(107)은 각 이미터(105)마다 이를 둘러싸고 있도록 설치되어 있다. 그리고 이 집속전극(107)을 게이트전극(104) 보다도 저전위로 함으로서, 이미터(105)로부터 방출되는 전자빔을 집속하도록 되어 있다. 이로서 낱낱의 이미터(105)로부터 방출된 전자는 각각 개별로 상기 집속전극(107)에 의하여 집속하게 되는 것이다.

더욱, 이미터(105)로부터 방출된 전자중의 일부가 상기 집속전극(107)에 포착되어 애노드에 도달하는 전자의 양이 감소하고, 무효전류가 증가하는 것, 및 집속 전극의 전위에 의하여 제1 게이트전극에 의하여 생기는 전계가 영향을 받아 이미터로부터 방출되는 전자의 양이 감소하는 것을 방지하기 위하여 상기 일본 특개평 7-29484호 공보에 기재된 발명에 있어서는 상기 집속 전극 107에 설치된 개구부(120)의 직경 D₂와 상기 인출게이트전극(104)에 설치된 개구부(106)의 직경 D₁과의 관계를 D₂= (1.2∼2) x D₁로 되도록 하고 있다. 이로서, 이미터로부터 방출된 전자를 집속하면서 집속전극(107)에 흐르는 무효전류를 적게할 수가 있다.

그런데, 이와같이 방출된 전자는 상술한 바와같이 애노드에 도달하여 그 애노드에 도포된 형광체를 발광시키게 되는 것으로 된다. 그의 형광체의 1예로서 대표적인 풀컬러 디스플레이에 있어서 애노드전극에 형성되는 형광체 도트의 1예를 도 23에 도시한다. 이 도면에서 S₁은 1화소에 대응하는 면적을 나타내고, 그의 사이즈는 세로 300㎛, 가로 100㎛로 되어 있고, S₂는 그의 내부에 설치되어 있는 형광체 도트를 나타내고, 그의 사이즈는 세로 220㎛, 가로 80㎛의 직사각형으로 되어 있다.

상술한 바와같은 종래의 FED에 있어서는 애노드를 1kV 이하의 낮은 전압으로 구동시키고 있는 것이 통상이다. 애노드전압으로서 이와같이 낮은 애노드전압을 채용하므로서, 애노드와 캐소드와의 간격을 150㎛∼ 300㎛ 정도로 좁게 할 수 있고, 매우 박형의 표시장치를 실현할 수가 있다.

그리고 캐소드-애노드간의 거리가 짧기 때문에 이미터로부터 방출된 전자는 비교적 작은 퍼짐폭을 갖고 애노드에 도달하는 것으로 된다. 따라서, 방출전자를 집속시키는 경우에 있어서도 상술한 도 20의 예와같이 1도트분의 이미터 어레이를 둘러싸도록 집속전극을 설치함으로서 대략 그의 목적을 달성할 수 있었다.

또, 더욱 고정세의 디스플레이의 경우에는 상기 도 21에 도시한 바와같이 인접게이트 및 인접애노드를 오프레벨로 스위치함으로서, 이미터 어레이로부터 방출전자를 일괄하여 집속할 수 있었다.

그러나, 상기와 같은 저전압 타입의 FED에 있어서는 소정의 휘도를 얻기위해서는 큰 애노드전극(예를들면, 50mA/cm²∼100mA/cm²정도의 애노드 전류밀도)이 필요로 되지만, 일반적으로 형광체는 대전류시에는 발광효율이 낮아진다라는 성질을 갖고 있다.

거기서, 근년 더욱 저소비 전력으로 고휘도를 얻기위하여, 수 kV 이상의 애노드 전압을 사용하는 FED 의 개발이 진행되고 있다. 이와같은 고전압 타입의 디스플레이에 있어서는 캐소드-애노드 간의 방전을 방지하기 위하여 애노드기판과 캐소드기판의 간격을 500㎛∼ 5mm 정도로 넓게하는 것이 필요하게 된다. 이 때문에 이미터로부터 방출되는 전자를 집속하기 위한 수단이 필요하게 된다.

이때, 상기 도 21에 도시한 바와같이 애노드를 스트라이프상으로 패터닝하여 이를 스위칭하는 것은 애노드전압이 고전압으로 되어 있기 때문에 곤란하다.

또 상기 도 22에 도시한 이미터마다 집속전극을 설치하는 방법에 의하면 애노드를 스위칭하지 않기 때문에 이와같은 문제는 생기지 않지만, 이 경우에는 제1 또는 제2게이트에 흐르는 무효전류가 크게되고, 애노드에 도달하는 전자가 적어진다라는 문제점이 있다. 즉 상기 도 22에 도시한 예에 있어서는, 제1 게이트 전극에 설치되는 개구부의 크기와 제2 게이트전극에 설치되는 개구부의 크기에 대하여는 그 관계를 규정하고 있지만, 이미터로부터 방출되는 전자의 퍼짐에 대하여는 고려되어 있지 않기 때문에 방출된 전자를 집속할 수 있더라도 제2 게이트전극에 흐르는 무효전류를 그다지 작게할 수 없는 경우가 있다.

거기서, 본 발명은 애노드에 고전압을 인가하는 타입의 FED에 있어서, 이미터로부터 방출되는 전자류의 감소를 최소한으로 억제하고, 동시에 무효전류가 증가하는 일없이 집속시키는 것을 목적으로 하고 있다.

도 1은 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 1실시형태에 있어서 캐소드기판을 경사진 상방에서 본 사시도

도 2는 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 1실시형태에 있어서 캐소드기판의 1화소에 대응하는 부분을 확대하여 도시하는 사시도

도 3은 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 1실시형태에 있어서 일부 단면도

도 4는 본 발명의 전계 방출형 표시장치에 있어서 집속전극의 개구부의 크기를 설명하기 위한 도면

도 5는 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 1실시형태에 있어서 전자빔의 궤도를 설명하기 위한 도면

도 6은 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 1실시형태에 있어서 집속전극의 개구부의 크기를 변화시켰을때의 분배율(Ia/Ic) 및 발광스포트의 크기를 설명하기 위한 도면

도 7은 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 다른 실시형태에 있어서, 캐소드기판의 사시도 및 그의 일부 확대도

도 8은 전계 방출형 표시장치의 다른 형태에 있어서 집속 전극의 개구부의 크기를 변화시켰을 때의 분배율(Ia/Ic) 및 발광스포트의 크기를 설명하기 위한 도면

도 9는 본발명의 전계 방출형 표시장치의 더욱 더 다른 실시형태에 있어서 전계 방출캐소드의 구성을 도시하는 도면

도 10은 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 더욱 다른 실시형태에 있어서 전자빔의 궤도 해석도

도 11은 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 더욱 다른 실시형태에 있어서 전계 방출형 캐소드의 구성을 도시하는 도면

도 12는 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 더욱 다른 실시형태에 있어서 전계 방출형 캐소드의 구성을 도시하는 도면

도 13은 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 더욱 다른 실시형태에 있어서 전자빔의 궤도를 설명하기 위한 도면

도 14는 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 1실시형태에 있어서 상하 방향의 전류밀도분포를 도시하는 도면

도 15는 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 더욱 다른 실시형태에 있어서 전계 방출 캐소드의 구성을 도시하는 도면

도 16은 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 더욱 다른 실시형태에 있어서 전계 방출형 캐소드의 구성을 도시하는 도면

도 17은 본 발명의 전계 방출형 표시장치의 더욱 다른 실시형태에 있어서 전계 방출형 캐소드의 구성을 도시하는 도면

도 18은 2열의 이미터 전극의 외측에만 집속 전극을 설치한 경우에 있어서 전자의 궤도를 설명하기 위한 도면

도 19는 전계 방출형 표시장치의 개략구성을 도시하는 사시도

도 20은 전계 방출형 표시장치의 1 예를 도시하는 도면

도 21은 종래의 전계 방출형 표시소자의 다른 예를 도시하는 도면

도 22는 종래의 전계 방출형 표시소자의 더욱 다른 예를 도시하는 도면

도 23은 대표적인 풀컬러 디스플레이에 있어서, 형광체 도트사이즈를 설명하기 위한 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 101 : 캐소드기판2, 102 : 캐소드전극

3, 3', 103, 103' : 절연층4, 104 : 제1 게이트 전극(인출전극)

5, 51, 52, 53, 54, 105 : 이미터

7, 71, 107 : 제2 게이트전극(집속전극)

8, 108 : 형광체층9, 109 : 애노드전극

10, 110 : 애노드 기판20, 21, 23, 24 : 개구부

30 : 이미터 어레이

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전계방출형 표시장치는 캐소드전극이 설치된 캐소드기판과, 상기 캐소드전극상에 배치된 이미터와 상기 이미터의 근방에 설치된 전자 인출용의 제1 게이트전극과, 상기 제1의 게이트전극의 상방에 상기 제1 게이트전극에서 거리 L₂만큼 떨어진 위치에 설치된 개구부로서 그 개구의 단부와 상기 이미터의 중심과의 최단거리가 d₁로된 개구부를 갖는 전자집속용의 제2의 게이트전극과, 상기 캐소드 기판에 대향하도록 배치되어 형광체가 도포된 애노드전극을 갖는 애노드 기판과를 갖는 전계방출형 표시장치로서, 상기 거리 d₁는, 상기 제2의 게이트전극이 설치되어 있지 않을때의 상기 이미터로부터의 거리가 상기 L₂의 위치에 있어서 상기 이미터로부터 방출되는 전자의 궤도의 퍼짐의 반경을 d로 하였을 때, 0.5d≤d₁≤3d 로 되어 있는 것이다.

또, 상기 개구부는 원형으로 되어 있고, 하나의 그 원형 개구부중에 하나의 상기 이미터가 배치되어 있는 것이다.

더욱, 상기 이미터는 상기 원형 개구부의 중심위치로부터 벗어난 위치에 배치되어 있는 것이다.

더욱 또 원형개구부가 1화소당 복수열 배치되어 있는 것이다.

더욱 또 상기 개구부는 슬릿상으로 되어 있고, 하나의 이 슬릿상 개구부중에 복수개의 상기 이미터가 일렬로 배치되어 있는 것이다.

더욱 또 상기 이미터는 상기 슬릿상 개구부의 중심위치로부터 어긋난 위치에 배열되어 있는 것이다.

더욱 또 상기 슬릿상 개구부는 복수의 블록으로 간막이되어 구성되어 있는 것이다.

더욱 또 상기 슬릿상 개구부가 1화소당 복수개 병렬로 배치되어 있는 것이다.

더욱 또 슬릿상 개구부내에 일렬로 배치된 이미터중의 단부에 위치하는 이미터는 그 슬릿상 개구부의 단부에 근접하여 배치되어 있는 것이다.

더욱 또 상기 이미터의 좌우에 있어서 상기 제2의 게이트전극에 인가되는 전압이 다르게 되도록 되어 있는 것이다.

[발명의 실시형태]

본 발명의 전계방출형 표시장치에 있어서는 충분한 휘도를 얻기위하여 종래는 1kV 이하(많기는 200V∼ 500V)였던 애노드 전압 Va를 수 kV(많기는 2kV∼ 5kV)로 올리는 것을 전제로 하고 있다. 일반적으로 애노드 전압 Va 이 10배로되면 동일의 애노드 입력전력을 부여하기 위하여 애노드전류 Ia 는 1/1O 이면 좋은 것은 당연하지만 전류의 작은 영역에서 동시에 고전압에서 사용하는 경우에는 형광체의 발광효율은 일반적으로 5∼ 20배 개선된다. 이로서, 애노드 전류는 저 전압동작일때의 수 %로 감소시킬수가 있고, 따라서 이미터의 수도 수% 로 줄일 수가 있다. 이와같이 이미터의 수를 대폭으로 줄일수 있으므로, 후술하는 바와같이 집속전극을 구성하기 위하여 충분한 스페이스를 취할 수가 있고, 또 소수의 이미터를 집합하여 설치함으로서 축적 커패시턴스가 감소하고, 그 축적 커패시턴스의 충방전에 소비되는 무효한 소비전력을 대폭으로 감소시킬수가 있게 된다.

이와같은 본 발명의 전계방출형 표시장치의 제1 실시형태에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 전계방출형 표시장치의 제1 실시형태에 있어서 캐소드 기판의 개략사시도, 도 2는 그의 일부 확대도이고, 도 3은 그의 일부 단면도이다.

도 1에 있어서, 1은 캐소드기판, 7은 제2 게이트전극(집속전극), 20은 제2 게이트전극 7에 설치된 개구부, 파선으로 둘러싸인 30은 1화소에 대응하는 이미터의 영역(이미터 어레이)이다. 더욱, 이 도면에는 도시되어 있지 않지만, 캐소드기판(1)의 위에는 상술한 도 21의 경우와 같이 이미터가 설치된 캐소드전극, 그 캐소드전극상의 이미터가 설치되어 있지 않는 부분에 형성된 절연층, 그 절연층의 상부에 형성된 제1 게이트전극, 그 제1 게이트전극의 위에 형성된 제2의 절연층이 설치되어 있고, 그 제2의 절연층상에 상기 제2 게이트전극 7이 형성되어 있다. 도시하는 바와같이 이의 실시형태에 있어서는 원형의 형상으로된 상기 개구부(20)가 각 화소에 대응하는 이미터 어레이의 영역내에 예를들면 2열로 배열되어 있고, 하나의 개구부(20)의 내부에는 상술한 바와같이 하나의 상기 이미터가 배치되어 있다.

도 2는 상기 하나의 화소에 대응하는 이미터 어레이(30)를 확대하여 도시한 도면이다. 이 도면에 도시하는 바와같이 상기 제2 게이트전극(집속전극)(7)에 형성된 상기 개구부(20)는 2열로 배열되어 있고, 이들의 내부에는 상기 제1 게이트전극(인출 게이트 전극) 4에 형성된 개구부(6)를 통하여 상기 이미터(5)가 배치되어 있다. 더욱, 상기 각 이미터(5) 간의 좌우 방향의 거리(P1) 및 상하방향의 거리(P2)는 모두 3㎛∼ 20㎛로 되어 있다.

도 3은 상기 본 발명의 제1 실시형태인 전계방출형 표시장치의 단면도이고, 상술한 바와같이 1은 글라스 등으로 이루어지는 캐소드기판, 2는 그 캐소드기판(1)상에 알루미늄 등의 금속에 의하여 스트라이프 상으로 형성된 캐소드전극, 5는 그 캐소드전극(2)상에 몰리브덴 등의 금속에 의하여 형성된 콘상의 이미터, 3은 상기 캐소드기판 2상의 상기 콘상의 이미터(5)가 형성되어 있지 않은 부분에 형성된 2산화 실리콘(SiO₂) 등으로 이루어지는 절연층, 4은 그 절연층(3) 상에 형성된 제1 게이트전극(인출게이트전극)이고, 그 제1 게이트전극(4)에는 원형의 개구부(6)가 설치되어 있다. 그리고, 상기 콘상 이미터(5)의 선단부분이 그 개구부(6)에서 향하는 구성으로 되어 있다. 상기 제1 게이트전극(4)의 상부에는 더욱 제2의 절연층(3')이 형성되어 있고, 그 상부에 상기 제2의 게이트전극(집속전극)(7)이 형성되어있다.

이 집속전극(7)에는 상술한 바와같이 원형의 개구부(20)가 형성되어 있고, 그 개구부(20)중에 상기 제1의 게이트전극(4)의 개구부(6) 및 상기 이미터(5)가 배치되어 있다.

또, 상기 집속전극(7)의 상방에는 글라스등으로 이루어지는 애노드기판(10)이 배치되어 있고, 그 애노드기판(10)에는 애노드전극(9)이 한결같이 형성되어 있다. 그리고, 이 애노드전극(9)에는 형광체층(8)이 설치되어 있다.

여기서, 상기 각 구성요소의 치수의 1예에 대하여 설명하면 상기 절연체층(3)의 두께 L₁및 상기 제2의 절연체층 3' 의 두께 L₂는 다같이 0.5㎛∼2㎛, 상기 집속전극(7)과 상기 형광체층(8)과의 사이의 거리 L₃은 1mm∼5mm, 상기 제1의 게이트전극(4) 및 상기 집속전극(7)의 두께 t는 0.2∼0.4㎛ 정도로 되어 있다. 또, 상기 제1의 게이트전극(4)에 설치된 원형의 개구부(6)의 직경은 1㎛∼2㎛, 상기 이미터(5)의 중심에서 상기 집속전극(7)에 형성된 원형의 개구부(20)의 단부와의 최단거리 d₁은 0.7㎛∼10㎛, 상기 개구부(20) 사이에 형성되어 있는 집속전극(71)의 폭 d₃은 4㎛∼19㎛ 정도로 되어 있다.

또, 상기 애노드전극(9)과 상기 캐소드전극(2)과의 사이에 인가되는 애노드전압 Va은 2kV∼10kV, 상기 제1의 게이트전극(4)과 상기 캐소드전극(2)과의 사이에 인가되는 제1 게이트전압 Vg1은 20∼200V, 상기 제2의 게이트전극(7)과 상기 캐소드전극(2)과의 사이에 인가되는 집속게이트 전압 Vg2 는 -10∼ 10V정도로 되어있다.

더욱, 상술한 1회소분의 이미터 어레이 30에 포함되는 이미터(5)의 수는 애노드전압 Va이 2kV일 때 2열 x 60개, 5kV일 때 2열 x 40개 정도로 되어 있다. 상술한 바와같이 애노드전압을 고전압으로 하고 있으므로 1화소에 대응하는 이미터수를 이와같이 적게하는 것이 가능하다.

이와같이 구성된 전계방출형 표시장치에 있어서 상기 각 파라미터를 제1의 게이트전극(4)에 설치된 개구부 6의 직경을 1㎛, 인접하는 이미터 열 간의 거리 P1 = 10㎛, 인접하는 이미터 5 사이의 거리 P2 = 5㎛, L₁= 1㎛, L₂= 1㎛, L₃= 1mm, t = 0.2㎛, d₁= 2.5㎛, d₃= 5㎛, Vg1 = 90V, Vg2 = OV, Va = 2kV로 하였을때의 전계 해석 시뮬레이션의 결과를 도 5에 도시한다. 이 도면에서 좌측에 기재되어 있는 것은 이미터 어레이로부터 방출된 전자궤도의 전체도이고, 우측에 기재되어 있는 것은 이미터 어레이의 근방에 있어서 전자궤도를 도시한 확대도이다.

이 도면에 도시하는 바와같이 좌우로 배치된 각 이미터로부터 방출된 전자는 각각 약간 내향으로 방출되어 교착하여 1mm 떨어진 애노드에 도달하여 있고, 그의 도달폭(스포트폭)은 약 100미크론으로 되어 있다. 도 23에 관하여 상술한 바와같이 풀컬러 디스플레이의 1도트의 폭은 80㎛ 정도이고, 애노드에 도달하는 전자의 폭은 80∼120㎛ 정도이면, 전자의 크로스 토크에 의한 혼색을 방지할 수 있음과 동시에, 역으로 형광체의 전면을 균일하게 발광시키는 점에서 바람직하다. 따라서, 도 5에 도시한 예에 있어서 100미크론 이라는 도달폭은 적절한 것이라고 할 수 있다.

다음에 상기 집속전극(7)에 설치되는 개구부(20)의 크기에 대하여 검토한다. 도 4a는 상기 도 19에 관하여 설명한 스핀트 형의 전계방출 이미터에 있어서 방출전자의 궤도를 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시하는 바와같이 이미터(5)로부터 방출된 전자는 B에서 도시하는 바와같은 퍼짐을 갖는 전자빔으로 된다. 도시하는 바와같이 이미터로부터 거리 L₂만큼 상방에 있어서 전자의 퍼짐각을 θ, 퍼짐폭을 d 라 하면, d = L₂tanθ로 된다. 또 동도 b는 본발명에 있어서 캐소드의 단면도를 도시하는 것으로, 상술한 바와같이 집속전극(7)과 제1 게이트전극(4)과의 거리 L₂, 이미터(5)의 중심부로부터 집속전극(7)의 개구부의 단부까지의 최단거리는 d₁로 되어 있다.

도 6은 상기 집속전극(7)의 개구부(20)의 반경 d1을 상기 d에 대하여 여러 가지 값으로 변화시켰을때의 분배율 및 발광 스포트의 크기의 변동상태를 도시하는 도면이다. 여기서, 분배율(Ia/Ic)은 캐소드로부터 방출된 전자와 애노드에 도달하는 전자와의 비율을 표시하고 있고, 이 값이 100% 가까울수록, 제1 게이트전극 및 제2 게이트전극에 흐르는 무효전류가 적은 것을 표시하고 있다. 도 6a는 상기 d₁을 0.5d, d, 1.5d, 2d, 3d 로 하였을때에 있어서, 분배율을 상기 제2게이트(집속전극) 전압 Vg2를 가로축에 취하여 플롯한 것이고, 동도 b는 꼭같이 발광 스포트의 크기를 플롯한 도면이다. 이들의 도면에서 알수 있는 바와같이 상기 집속전극(7)의 개구부의 크기 d₁을 d≤d₁≤3.0d 되도록 선정하였을때에는 제2 게이트전압 Vg2를 적절한 값으로 선정함으로서, 분배율(Ia/Ic)을 높게 보유하면서, 발광 스포트의 직경이 100㎛ 정도로 되는 소망의 집속을 얻을 수 있음을 알수 있다.

다음에 본발명의 제2 실시형태에 대하여 설명한다. 도 7a는 이 제2의 실시형태에 있어서 캐소드기판의 개략사시도, b는 그의 일부 확대도이다. 도면에서 알 수 있는 바와같이 이 실시형태에 있어서는 상기 제2의 게이트전극(7)에 슬릿상의 개구부(21)가 설치되어 있고, 이 슬릿상 개구부(21)의 내부에 상기 제1 게이트전극(4)에 형성된 개구부(6) 및 이미터(5)가 1열로 배치되어 있다. 그리고 이 슬릿상 개구부(21)가 1화소당 2개 설치되어 있다.

이 도 7에 도시한 실시형태에 있어서 좌우 방향의 단면은 상기 도 3과 꼭같은 단면도로 된다. 따라서 이의 실시형태에 있어서도 상기 도 5에 도시한 바와 꼭같은 전자궤도를 갖고, 이미터(5)로부터 방출된 전자가 애노드에 도달하는 것으로 된다.

도 8은 이 제2의 실시형태에 있어서, 상기 이미터(5)로부터 상기 슬릿상 개구부(21)의 단부까지의 최단거리 d₁를 여러 가지 값으로 하였을때의 분배율 및 발광 스포트의 크기를 도시한다.

도 8a는 상기 d₁을 0.5d, 0.7d, d, 1.2d, 2.5d 로 하였을때에 있어서 분배율을 상기 제2게이트(집속 전극) 전압 Vg2를 가로축에 취하여 플롯한 것이고, 동도 b는 꼭같이 발광 스포트의 크기를 플롯한 도면이다. 이들의 도면에서 알 수 있는 바와같이 상기 집속전극(7)의 개구부의 크기 d₁을 0.5d≤d₁≤2.5d로 되도록 선정하였을때에는 제2 게이트전압 Vg2를 적절한 값으로 선정함으로서, 분배율(Ia/Ic)을 대략 100% 로 보유하면서 동시에 애노드의 도달폭이 100㎛ 정도로되는 소망의 집속을 얻을 수 있음을 알수 있다.

상술한 2개의 실시형태에 있어서는 애노드에 약 100㎛의 발광 스포트를 형성할 수가 있었다. 그러나, 상기 도 23에 도시한 바와같은 크기의 형광체 스포트에 전자를 사돌시키는 경우에는 발광 스포트의 크기를 약 80㎛ 정도로 되도록 집속시키는 것이 바람직하다.

상술한 바와같이 상기 도 5b에 도시한 전자궤적 해석도에 있어서, 좌우의 이미터로부터 각각 방출된 전자는 다소 내측에 교착하고 있었다. 즉 좌측의 이미터로부터 방출된 전자의 궤도는 다소 우로 편향하여 있고, 우측의 이미터로부터 방출된 전자의 궤도는 다소 좌로 편향하고 있다. 이는 상기 개구부(20) 또는 (21) 사이에 존재하는 집속전극(71)의 길이가 기타의 부분 즉 좌측의 개구부의 좌에 존재하는 집속전극(7) 및 우측의 개구부의 우에 존재하는 집속전극(7)에 비하여 짧기 때문에 상기 집속전극(71)에 의한 집속효과가 집속전극(7)의 상기 다른 부분에 의한 효과에 비하여 적어지기 때문에 생기는 현상이라고 고려된다. 거기서, 상기 집속전극(71)에 의한 집속효과와 상기 다른 부분의 집속전극(7)에 의한 집속효과의 차를 없애므로서 각 이미터로부터 방출되는 전자를 곧바로 위로 진행시킬수가 있고 집속도를 보다 향상시키는 것이 가능하게 된다.

이와같이 집속도를 보다 향상시킨 본발명의 제3의 실시형태에 대하여 설명한다. 도 9a는 본발명의 제3의 실시형태의 단면을 도시하는 도면이다. 이 도면에 있어서, 상기 도 3과 동일의 구성요소에는 동일한 번호를 붙이고, 설명의 중복을 생략한다. 이 실시형태에 있어서, 상기 이미터(5)의 선단과, 상기 양 이미터 사이에 존재하는 집속전극(71)과의 사이의 거리 d₂가 상기 양측의 집속전극(7)과의 거리 d₁보다도 짧게 되어있다(d₂d₁). 이로서 면적이 적은 집속전극(71)과 이미터와의 거리가 짧게되고, 집속전극(71)에 의한 집속효과가 유효하게 작용하여 상술한 집속효과의 차를 없이하는 것이 가능하게 된다.

도 9b는 상기 도 2에 도시한 실시형태와 같이 복수의 원형개구부(20)가 2열로 배열되어 있는 경우에 이 제3의 실시형태를 적용한 경우를 도시하는 평면도이고, 도시하는 바와같이 좌측의 열에 속하는 각 이미터는 이 개구부(20)의 중심부 보다도 우측의 위치에 배치되어 있고, 우측의 열에 속하는 각 이미터(5)는 이 개구부(20)의 중심부 보다도 좌로 어긋난 위치에 배치되어 있다.

또, 도 9c는 상기 도 7에 도시한 실시형태와 같이 슬릿상의 개구부(21)의 내부에 이미터(5)가 배치되어 있는 경우에 이 제3의 실시형태를 적용한 경우에 있어서 평면도이다. 이 경우에도 각 슬릿상의 개구부(21)내에 배열된 각 이미터는 각각 2개의 슬릿강 개구부(21)의 중간부에 가까운 위치에 배열되어 있다.

도 10은 이와같이 구성된 전계방출형 표시장치에 있어서 전계해석도이다. 도시하는 바와같이 이 경우에는 상기 도 5에 도시한 경우와 비교하여 좌우에 있는 이미터로부터의 전자의 궤도가 교착하는 일없이 대략 수직으로 되어 있는 것을 알수 있다. 이로서, 발광 스포트는 75㎛ 로되고, 상술의 경우보다도 보다 높은 집속을 얻을 수 있게되어 있다.

이와같이 집속도를 향상할 수 있는 더욱 다른 실시형태에 대하여 설명한다. 도 11은 이 실시형태에 있어서 1 화소당의 이미터 어레이의 구성을 도시하는 사시도이다. 도시하는 바와같이 이 실시형태에 있어서는 상기 도 2에 도시한 실시형태와 꼭같은 원형의 개구부(20)가 2열로 배열되어 있는 것이지만, 상기 제2 게이트전극(집속전극)이, 상기 개구부(20)의 주변부분(7)과 중간부분(71)과의 2개로 분할되어 있는 점이 상술의 실시형태의 경우와 상이하고 있다.

이 실시형태에 있어서 단면도는, 상기 도 3에 도시한 단면도와 꼭같은 것으로 되지만 이 실시형태에 있어서는, 상술한 바와같이 집속전극의 중심부(71)와 주변부(7)가 분리되고 형성되어 있기 때문에 각각 다른 값의 제2 게이트 전압을 인가할 수가 있다. 따라서, 중간부의 집속전극(71)에 주변부의 집속전극(7) 보다도 낮은 게이트 전압 Vg3을 인가함으로서, 중간부의 집속전극(71)에 의한 집속효과를 강하게 할 수가 있고, 상술한 도 9의 실시형태의 경우와 꼭 같이 각 이미터로부터 방출된 전자를 집속하는 효과를 초래하는 것이 가능하게 된다.

도 12에 슬릿상의 개구부(21)로된 상기 도 7의 경우에 이 실시형태를 적용한 예를 도시한다. 도면에서 명백한 바와같이 이 경우에는 집속전극은 중간부분(71)과 주변부분(7)으로 분할되어 있다. 그리고 이 중간부분(71)에 인가한 게이트전압 Vg3을 주변부분(7)에 인가하는 게이트전압 Vg2 보다도 낮은 전압으로 하는 것이다.

이와같은 경우에 있어서, 전자궤도 해석도를 도 13에 도시한다. 이 도면에 도시하는 것은 상기 주변부(7)에 인가하는 게이트전압 Vg2를 0[V], 중간부(71)에 인가하는 게이트전압 Vg3을 -10[V]로 한 경우의 전자궤도를 도시하고 있다. 더욱 제1 게이트전압 Vg1 은 0[V], 애노드전압 Va 는 2[kV]이다. 도시하는 바와같이 이 경우에는 양 이미터로부터 방출된 전자의 궤도는 교착하는 일없이 대략 바로 위로 진행하고 있고, 1mm 떨어진 애노드에 도달하였을때의 스포트 폭은 75mm 로 되어 있다. 이와같이 이 실시형태에 있어서도 매우 좋은 집속을 얻을수가 있다. 이와같이 중간부분(71)에 인가하는 게이트전압 Vg3을 제어함으로서 애노드의 도달폭 즉 발광 스포트폭을 제어할 수가 있다.

더욱, 하나의 개구부(20)중에 이미터를 복수열 배치하는 경우, 즉 복수열의 이미터에 대하여 공통의 집속전극을 설치한 경우에는 집속전극의 근방에 있는 이미터 열로부터 방출된 전자에 대하여는 집속효과가 작용하지만, 집속전극의 반대측 방향의 전자에 대하여는 역으로 전자를 확산시키는 작용이 활동하는 것으로 된다. 또 근접하는 이미터이외에 대하여는 충분한 집속효과를 얻을수 없다. 따라서 하나의 개구부 중에 복수열의 이미터를 설치하는 것은 바람직하지 않다. 도 18은 개구부(20)중에 이미터를 2열 배열한 경우에 있어서 전계 해석결과를 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시하는 바와같이 2열의 이미터를 배열하였을때에는 방출된 전자는 충분히 집속되어 있지 않음을 알수 있다.

그런데, 지금까지는 2열로 형성된 개구부(20) 혹은 21의 단변방향(도면의 좌우방향)의 전자의 퍼짐에 대하여 설명하여 왔지만 원형의 개구부(20)의 열의 상하방향 혹은 슬릿상의 개구부(21)의 장변 방향의 전자의 퍼짐에 대하여 검토한다.

도 14에 상하 방향의 전류밀도 분포의 해석결과의 1예를 도시한다. 도 14a는 애노드-캐소드 간의 거리 L₃= 1mm, 애노드 전압 Va = 2kV 로 하였을때에 있어서 해석결과, b는 애노드-캐소드거리 L₃=2mm, 애노드전압 Va = 5kV 로 하였을때에 있어서 해석결과를 도시하여 있고, 어느 경우도 도 17에 도시한 대표적인 풀컬러 디스플레이에 있어서 각 형광체 도트의 상하방향의 길이 220㎛를 필요충분하게 커버하는 전자의 도달폭을 갖고 있고, 또 인접하는 형광체 도트에 있어서 누설발광은 충분히 낮은 레벨로 되어 있는 것을 알수 있다.

또, 상기 개구부의 구성을 변경함으로서 상하방향의 전자의 퍼짐을 정밀하게 제어하는 것도 가능하다.

도 15a 및 b는, 이와같은 상하 방향의 전자의 퍼짐폭을 보다 정밀히 제어할 수 있는 실시형태의 구성을 도시하는 사시도이다. 동 도 a는 상기 슬릿상의 개구부(21)를 복수의 블록으로 구분된 형상으로서 그 일부의 블록(22)에는 이미터를 배치하지 않도록한 예이다. 이와같이 이미터를 배열함으로서 대응하는 형광체 도트의 위치에 대응하는 장소에 이미터를 배열할 수 있다. 또 동 도 b는 복수의 블록에 간막이된 슬릿상의 개부구(21) 각각의 내부에 1 또는 복수의 적절한 개수의 이미터가 배열되어 있는 예이다. 이로서, 상하방향의 도달폭을 보다 정밀하게 컨트롤하는 것이 가능하게 된다.

더욱, 도 15에는 슬릿상의 개구부 21에 적용된 예를 기재하였지만, 상기 도 2에 도시한 바와같은 원형의 개구부(20)의 배치의 경우에 있어서도 완전히 꼭같이 각 이미터 및 개구부(20)를 배치할 수 있다.

상하방향의 도달폭을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 더욱 다른 실시형태에 대하여 도 16을 참조하여 설명한다. 도 16a는 슬릿상의 개구부(21)내에 복수개의 이미터가 배열되어 있는 경우에 있어서 그의 상하방향의 단면을 도시한 도면이고, 동도 b는 그의 평면도이다. 도시하는 바와같이 이 실시형태에 있어서는 양단에 배치된 이미터(51) 및 (52)가 상기 슬릿상의 개구부(21)의 상단 혹은 하단에 근접하여 배치되어 있다. 이로서, a에 도시하는 바와같이 이미터(51) 및 (52)로부터 방출된 전자의 궤도는 상기 슬릿(21)의 단부의 집속전극(7)에 근접하고 있기 때문에 슬릿의 단부측에 있어서 그 영향을 크게 받는 것으로 된다. 따라서, 슬릿상의 개구부(21)내에 배열된 각 이미터로부터 방출된 전자는 상술한 실시형태의 경우와 비교하여 상하방향에 있어서도 보다 집속되어 애노드에 도달하는 것으로 된다.

또 도 16c는 이 실시형태를 원형의 개구부(20)를 복수개 배열한 실시형태의 경우에 적용한 예이다. 이 경우에는 이 이미터의 배열의 단부에 있는 이미터(53) 및 (54)가 대응하는 원형개구부 23 및 24의 중심위치보다도 이 이미터 배열의 끝에 편위한 위치에 설치되어 있다. 이로서 상술한 경우와 꼭같이 이 이미터(53) 및 (54)로부터 방출된 전자를 이미터가 병렬되어 있는 방향으로 확산시키는 일없고 애노드에 도달시키는 것이 가능하게 된다.

따라서 이 실시형태에 의하면 상술한 것보다도 보다 상하방향의 도달폭을 좁게할 수 있어 보다 고정세도의 표시장치를 실현할 수 있게 된다.

이상의 설명에 있어서는 보다 폭이 넓은 형광체 도트를 갖는 모노크로 디스플레이 등의 경우에는 이미터 열을 3열 이상으로 할 수도 있다. 도 17a는 이미터열은 3열로한 경우를 도시하고 있다. 더욱 이 도면에서는 슬릿상의 개구부(21)의 예를 도시하여 있지만, 원형의 개구부로된 경우에도 완전히 꼭같이 구성할 수가 있다.

더욱, 이상의 설명에 있어서는 이미터 형상이 콘상의 냉음극을 예로 설명하여 왔지만 본발명은 이와같은 형상의 이미터에 제한되지 않고, 여러 가지 타입의 냉음극에 적용할 수가 있다.

이상 설명한 바와같이 본발명에 의하면, 2kV 이상이란 높은 애노드 전압에 의하여 구동되는 전계방출형 표시장치에 있어서, 캐소드로부터 방출된 전자를 이 형광체 도트에 집속시켜 동시에 그 형광체 도트 전체에 적당히 분산하여 사돌시킬수가 있다.

또 이미터수를 적게할 수 있으므로 이미터를 소면적으로 집적할 수 있고 , 캐소드 및 게이트의 부유용량이 적어지고, 소비전력을 저감할 수가 있다.

더욱 또, 형광체의 발광효율이 높은 고전압, 소전류의 영역을 사용하고 있기 때문에 소비전력을 감소할 수 있어 캐소드-게이트간의 전압, 전류도 감소시킬수가 있다.

Claims

캐소드전극이 설치된 캐소드기판과, 상기 캐소드전극상에 배치된 이미터와 상기 이미터의 근방에 설치된 전자 인출용의 제1 게이트전극과, 상기 제1의 게이트전극의 상방에 상기 제1 게이트전극에서 거리 L₂만큼 떨어진 위치에 설치된 개구부로서, 그 개구의 단부와 상기 이미터의 중심과의 최단거리가 d₁로된 개구부를 갖는 전자집속용의 제2의 게이트전극과, 상기 캐소드 기판에 대향하도록 배치되어 형광체가 도포된 애노드전극을 갖는 애노드 기판과를 갖는 전계방출형 표시장치로서, 상기 거리 d₁는, 상기 제2의 게이트전극이 설치되어 있지 않을때의 상기 이미터로부터의 거리가 상기 L₂의 위치에 있어서 상기 이미터로부터 방출되는 전자의 궤도의 퍼짐의 반경을 d로 하였을 때, 0.5d≤d₁≤3d 로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 개구부는 원형으로 되어 있고, 하나의 그 원형 개구부중에 하나의 상기 이미터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.
제 2 항에 있어서, 상기 이미터는 상기 원형 개구부의 중심위치로부터 벗어난 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 원형개구부가 1화소당 복수열 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 개구부는 슬릿상으로 되어 있고, 하나의 그 슬릿상 개구부중에 복수개의 상기 이미터가 일렬로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.
제 5 항에 있어서, 상기 이미터는 상기 슬릿상 개구부의 중심위치로부터 어긋난 위치에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.
제 6 항에 있어서, 상기 슬릿상 개구부는 복수의 블록으로 칸막이되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.
제 5 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬릿상 개구부가 1화소당 복수개 병렬로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.
제 5 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 슬릿상 개구부내에 일렬로 배치된 이미터중의 단부에 위치하는 이미터는 이 슬릿상 개구부의 단부에 근접하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 이미터의 좌우에 있어서 상기 제2의 게이트전극에 인가되는 전압이 다르게되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시장치.