KR20010015636A - 원주형 구조를 가진 음극발광 스크린 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스크린의 발방요소가 빛을 안내하는 단일 투명 종렬(column)의 역할을 하는 투명 기질(substrate) 위에 형성된 음극발광 모자이크스크린에 관한 것이다. 액상 페이즈(liquid phase)로 코팅된 기질 위에 발광물질을 증착시키는 스크린의 제조방법이 제시되었다.

Description

원주형 구조를 가진 음극발광스크린 및 그 제조방법 {CATHODOLUMINESCENT SCREEN WITH A COLUMNAR STRUCTURE, AND THE METHOD FOR ITS PREPARATION}

기존의 발광스크린들은 대체로 평평한 유리기질 위에 증착단계를 거쳐 준비되는 투명한 필름형태로 생산된다.

증착을 위하여는 진공속에서 재료를 기화하고, 승화하며, 화학적이동 및 음극방전을 시키는 등의 기법이 사용된다.

이러한 모든 기법에는 매끈하고 구조물이 없는 기질 위에 통제되지 않은 방법으로, 동질적으로 또는 이질적으로, 투명발광재료(형광체)를 응집하는 과정을 거친다. 이 경우, 그 형광체들(phosphors)은 통상 작은 (미크론 또는 서브미크론) 투명분말의 집합이며, 보통 공모양의 균질한 가루들이 하나씩 포개어 진다 (도면 1). 이같은 시스템에서는, 투명분말 속에서 생성되는 빛(즉, 교차적으로 지정되는 빛)은 반복적으로 형광체 분말로 둘러싸인 미로 속에서 산란되어 흩어진다. 이러한 현상은 스크린의 해상도를 나쁘게 한다.

또 한가지의 문제는, 투명분말을 구성하는 필름 스크린의 모든 공간이 형광체로 채워지지 않는다는 점에 있다. 이러한 것들은 스크린의 효과를 떨어뜨리고, 열전도 및 전기전도성을 나쁘게 한다.

이러한 스크린은 대략 공모양의 투명분말이 기질과 오로지 "점 접촉"만을 하기 때문에 기질과의 접착성이 나쁘다.

본 발명은 진공마이크로전자학을 포함한 전자재료 및 마이크로전자분야에 관한 것으로, 특히, 전계방출디스플레이, 진공형광디스플레이, 음극발광램프 등과 같은 전계방출에 기초하는 장치들에 관한 것이다.

본 발명에서는, [1] 형광체로서 단일투명재료 (판모양 또는 에피택셜층)를 사용한다. 그래서 스크린의 특징의 재현성을 개선하며 그 효과성 (빛을 여기시키는 데 소모되는 에너지에 대한 빛 에너지의 비율)을 증진시킨다. 그러나, 이 경우, 방사되는 빛은 형광판 (또는 에피택셜층)을 따라 흩어지며, 이로 인해 스크린의 해상도와 효과성이 나빠진다.

또한 본 발명의 다른 하나는, [2] 묽은 용해도에서 형광체를 국부적으로 집적하거나, 구멍속에 형광체를 채워넣고 그 외벽을 금속으로 막아서 발광스크린의 이웃지역으로 빛이 침투하는 것을 방지하는 방법이 제시되었다. 그러나, 이 경우, 이미지의 선명도 차이는 단지 50% 정도만 좋아진다. 바꾸어 말하면, 발광스크린을 따라서 빛이 흩어지는 것이 제거되지는 않는다.

이러한 결점들은 발광스크린을 원주형의 투명체로 만들되, 길쭉하게 뽑는 방향은 스크린의 평면에 수직한 방향으로 함으로써 제거할 수 있다. 이러한 아이디아는 본 특허의 디자인에 나타나 있다. 이 경우 원주형 투명형광체에서 여기된 빛은 투명체의 상단 방향으로 전파되며, 투명체는 빛 안내자로서의 역할을 하게된다. 그러나, 액상 투명체에서 이러한 스크린을 준비하는 방법은 많은 중요한 경우에 있어서, 즉, 전계방출디스플레이에 사용되는 얇고 (0.1 - 1 마이크로미터 두께) 평평한 발광스크린에는 적합하지 않다.

다른 특허중에는 원주형 투명체 가까이에 빛을 발하지 않는 흑체를 삽입, 배치한 원주형 투명스크린이 제시되어 있다. 이러한 삽입으로, 삽입물에 직접 가깝게 위치한 종렬 (column)의 이미지 선명도를 높일 수 있으며, 반면 삽입물과 멀리 떨어진 (접촉되지 않는) 다른 종렬 들의 선명도는 높아지지 않는다. 또한, 본 특허 는 그러한 스크린을 준비하는 방법은 제시하지 않는다.

본 발병에서는 보다 최적화된 성능을 지닌 음극발광 모자이크스크린을 제시한다. 또한, 이러한 스크린을 제조하는 기술을 제시한다.

원주형의 구조로 된 스크린이 제안 되었으며, 스크린내의 각 종렬(column)은 그 종렬과 같은 축의 틈(GAP)으로 둘러싸이고, 그 틈은 전기전도성의 비 발광 물질로 채워진다. 스크린내의 종렬의 바깥 끝 부분은 빛 방사 발광층으로 코팅되며, 그 두께는 최소한 그 규모에 있어 종렬의 높이 보다 작다. 발광층은 종렬에 있어서 에피택셜이 될 수 있다.

이 발명에는 발광스크린의 준비방법이 제시되어 있다. 이 방법에는 발광물질의 증착이 포함되는데, 우선 기질 위에 투명화 온도에서 액상페이즈 형태이면서 발광물질은 아닌 중간체가 집적된다. 그 다음, 기질 위에 발광물질이 집적된다. 중간체의 두께는 10 나노미터 이상이고, 1 마이크로미터 보다 작다. 액상페이즈는, 중간체와 기질간의 상호접촉에 의하여 형성된다.

중간체는 하나 이상의 화확적 요소로 형성된다. 적어도 화학적 요소의 하나 이상이 발광촉진체 또는 공동촉진체로 작용한다. 이 발광촉진제 또는 공동촉진제는 이온 이식 방법에 의하여 발광물질 속으로 안내된다.

구조상의 비 동질성의 미세한 융화 또는 화학적 합성이 기질 상에서 일어나며, 여기의 비 동질성은 규칙적인 성격의 것이고, 결정학적으로 대칭인 특성을 가진다.

발광물질은 전자가 통과할 수 있는 얇은 투명재 층으로 코팅되며, 이 투명재는 다이아몬드 또는 유사다이아몬드 재료가 사용된다.

종전기술에 제시된 원주형 구조의 음극발광스크린이 제2도 및 제3도에 설명되어 있다. 본 발명에 의한 음극발광스크린은 제4도부터 제9도 까지이다. 제4도에 있는 종렬의 전형적 높이는 약 5 마이크로미터이다. 종렬의 전형적인 높이 대 직경의 비율은 1:1부터 100:1의 범위에 속한다.

통상 전계방출디스플레이에서 처럼, 평형음극관으로부터 가속된 전자빔이 스크린에 도달하여 제5도의 표면층으로 침투한다. 전계방출디스플레이의 전형적 가속 전압에서 (예를들면, 1에서 3 kV), 그 침투 두께는 약 100 나노미터이다(제5도에 그림자층으로 표시). 따라서, 빛 방사 발광층으로 코팅된 원주형 구조의 스크린을 사용하는 것이 제안되었다(제6도 참조).

종렬들은 종렬과 동축의 갭("틈")으로 싸여있다. 원주 구조의 연속된 단면이 제7도에 있다. 이에 상당하는 스크린의 전자스캔 마이크로그래프(평단도)가 제8도에 있다. 보이는 바와 같이, 종렬들은 갭으로 둘러싸여 있다. 그 갭들은 전기전도성의 비 발광물질로 채워져서 방사되는 빛의 약 20% 이상을 흡수하는 작용을 한다. 채워진 스크린의 모양이 제9도에 있다. 갭을 채우는 것은 스크린의 전도성을 좋게하고, 음극발광모드 속에서 발광스크린이 작용할 때 충전현상(charging phenomena)을 방지해 준다.

이러한 스크린들은 여러 가지의 특징과 이점을 갖는데, 특히 저전압 전계방출디스플레이에서 이점이 있다.

1. 본 발명으로 높은 빛과 에너지 출력이 실현된다. 종렬의 벽으로 부터의 전체 내부 반사 때문에 빛 안내 효과(light-guide effect)가 발생된다: 빛은 우선적으로 종렬을 따라서 퍼지며, 종렬들을 뛰어 넘거나 이웃 종렬로 들어가지 않는다.

2. 빛이 종렬을 따라 확산되는 동안 빛이 적게 흩어진다. 그래서 해상도가 높아지며, 해상도는 단위 길이 당 빛 방사 요소의 수와 같다.

3. 종렬의 밑둥치가 투명기질에 강하게 접착된다. 즉, 기질의 넓은 범위에 빛 방사 요소가 접착된다. 이는 특히 전계의 넓은 부분이 기질로부터 스크린 분자들을 얻어내야 하는 다이오드 타입 전계방출디스플레이에서 더욱 중요하다.

원주 구조를 가진 음극발광스크린의 이점은 제안된 생산기술로 실현된다. 이 기술은 화학적 또는 물리적 증착에 기초하며, 가장 중요성을 지닌 증착단계에서 액상페이즈(liquid phase)를 개입시킨다. 이 기술은 발광물질인 카드뮴과 설파이드의 원주 구조가 나타나 있는 제4도에 표현되어 있다.

다음은 제안된 음극발광스크린의 주요 아이디아이다: 각 원주 요소에서의 빛의 전파방향은 빛을 여기시키는 전자빔 줄기의 방향과 평행인 반면, 대개 같은 규격의 분말의 중첩으로 형성된 알려진 기존의 (표준) 스크린은 음극발광으로 여기된 빛이 전자빔과 평행으로 전파되기도 하고 수직으로 전파되기도 하며, 또는 제 멋대로 전파되기도 한다(제1도 참조).

구체적인 전자장치에 원주형 스크린을 실현시켜 사용하여도 상기한 이점들이 실현되지 않는 경우가 있다.

(a) 본 발명의 서로 다른 분말 (본 발명의 경우는 종렬)의 밝기는 균일하게 된 반면, 종전의 음극발광스크린에서는 발광 분말의 크기의 차이에 따라 여러 분말의 밝기가 심하게 (25-30 마이크로미터 거리에서 50%까지) 차이가 난다; 이로 인해 품질 좋은 영상의 확보와 전달이 저해된다.

(b) 종전의 음극발광스크린과 비교 시, 원주 형광체에 의한 전기와 열의 확산이 현저하게 (5 내지 10배) 증가된다.

(c) 본 발명에서는 전자빔 스캔중 갑작스런 정전으로 원주형 스크린이 타버리는 것이 실질적으로 제거된다. 종전의 음극발광스크린에서는 전원이 스크린을 돌이킬 수 없도록 태우기에 충분한 0.1 W/엘리먼트(element) (본 발명에서는 엘리먼트가 화상 엘리먼트인 화소(pixel)임)인데 반하여, 제안된 원주형 스크린의 예비테스트 결과는 그 척도를 1W/엘리먼트 (여기서 엘리먼트는 종렬임)까지 올릴 수 있음을 나타내고 있다.

(d) 본 발명의 경우 강력한 광원 (태양, 전구 등)의 조명 하에서도 배면의 영상선명도는 증가된다. 표준 음극발광스크린은 k = bimage/b<5의 선명도 값을 가지며, 여기서 b는 배면의 밝기이며, bimage는 화소의 밝기이다. 제안된 원주형 형광체에 기초한 스크린의 시험결과는 k>10 to 20의 값을 보여준다.

종전의 스크린에 심하게 축적되는 전하는 보통 음극발광스크린의 표면에 형성시킨 0.1 - 0.5 μm 두께의 금속코팅 (예:알루미늄)에 의해서도 완전히 제거되지 않는다. 이 전하의 방전이 전자장치의 안정적인 작동을 방해한다는 것은 자명하다. 종렬들은 종렬과 동축의 갭들로 싸여있다(제7도부터 제9도 참조). 기질과 스크린의 잔여 부분들은 모두 전기전도성의 비 발광 물질로 채워져 있고, 이것이 방사되는 빛의 20% 이상을 흡수하는 작용을 한다.

상기한 원주형 스크린의 이점들은 실험용 크기 (10 x 10 mm) 및 상업용 크기 (25 x 25 또는 75 x 75 mm)에서 모두 입증되었다. 다시 말하면, 제안된 구조의 독특한 파라메터들은 크기와 관계가 없다.

발광요소의 단면의 크기 변화와 스크린의 특성에 관한 일반적 연구가 이루어 졌다. 발광요소의 단면 크기가 약 1μm, 피치 간격 2μm, 2.5.107 cm-2 이상의 발광요소가 포함된 구조의 빛 방사체가 준비되었다. 이 파라메터들은 알려진 모든 스크린들 보다 해상도가 뛰어나다. 또한, 피치 20μm의 원주형 구조는, 종렬 총수 2.5.105 cm-2에서 전자빔 장치 및 변환기(tranducer)의 스크린으로 중요하게 활용할 수 있다는 것을 발견하였다.

종렬 주변의 갭을 전기전도성 비 발광물질로 채우는 절차에는 적절한 산화물 및 설파이드 용액에 원주 구조물을 담그는 과정이 포함된다. 다른 방법으로는, 원주형 구조물을 저융점 합성물 속에 심는 것이다. 이를 위하여, 산화물로는 B2O3 (융점 4500C), V2O5 (융점 6700C), CdO (8260C), PbO2 (2900C), Bi2O3 (8170C), 설파이드로는 SnS (8820C), Sb2S3 (5500C)가 사용된다. 또한, 금속 공정물 (共晶物, eutectic)인 Cd-Bi-Pb-Sn (융점 650C) 및 Pb-Sn도 시험되었다. 상기 조합들은 모두 420에서 760 나노미터에 속하는 스펙트럴 서브레인지 (spectral subrange)의 빛을 흡수한다. 그러므로, 모자이크 원주 구조체에서는 종렬의 측면에서 나오는 빛과 투명 기질을 통과한 외부 빛의 흡수력 증가로 화상 선명도가 현저히 좋아진다.

모자이크 원주 구조로 된 스크린의 발광 속성에 대한 전기전도체의 영향에 관한 연구가 있었다. 종렬 사이의 갭을 공정(共晶) 금속 페이즈(Phase)인 Cd-Bi-Pb-Sn으로 채우는 경우, 채워진 페이즈의 저항값은, 빛 흡수도 >105cm-2에서 1에서 20 옴(Ohm)이었다. 종렬들로 코팅된 기질 부분과 채워진 갭 부분의 비율이 5:1일 때, 스크린의 전면부로 부터의 빛 반사 계수는 20%인 반면, 전기전도성 물질로 채워지지 않은 다른 유사한 원주 구조체는 45에서 60% 였다.

종렬의 높이와 빛 흡수 페이즈의 높이 간의 상관관계에 대하여는 연구하지 않았다. 다른 실험에서 그 관계를 2:1로 했음에도, 흐르는 전자의 밀집도는 1에서 10 A/cm2 였다.

모자이크 스크린의 원주형 요소는 에너지가 5keV보다 큰 전자빔을 통과시키는 금속 (Al 또는 Ag)으로 추가 코팅할 수 있다.

본 발명은 종전의 발명보다 최적화 되고 성능이 우수한 음극발광 모자이크스크린을 제공하는 효과가 있다.

참조문헌

1. 버크스트레서와 브랜들 공저, 단일투명타깃의 음극관 (Cathode ray tube with single crystal targets), 유럽특허출원 232586, Cl. H01 J 29/26 (1987).

2. 두케노이스, 포아시어, 바우드리 공저, Ecran cathodoluminescent incruste a cavities restaurees et tube de visualisation utilisant un tei ecran. 유럽특허출원 170310, Cl.H01 J 29/24 (1988).

3. 코케인 저, 음극관 형광층 (Cathode ray tube phosphor layers), 유럽특허출원 062993 Cl. H01 J 29/20 (1982).

4. 가구끼 저, 전자관 형광스크린 (Fluorescent screen of electron tube), 일본특허 55088245, Cl. H01 J 29/20 (1980).

Claims (14)

1. 발광성, 빛 안내성, 절연성 및 전기전도형 빛 흡수성의 요소를 포함하고, 발광요소는 원주형의 투명체로서 실시되며, 스크린내의 각 종렬은 그 종렬과 같은 축의 틈(GAP)으로 둘러싸이고, 그 틈은 전기전도성의 비 발광물질로 채워지며, 빛 투과형 기질 위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크 스크린.
2. 제1항에 있어 스크린은, 스크린내의 종렬의 바깥 끝 부분이 빛 방사 발광층으로 코팅되고, 그 두께는 최소한 그 규모에 있어 종렬의 높이 보다 작은 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선 방출 모자이크 스크린.
3. 제2항에 있어 스크린은, 스크린내의 발광층이 종렬에 있어서 에피택셜로 된 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선 방출 모자이크 스크린.
4. 투명화 온도에서 우선 발광물질이 아닌 액상페이즈가 기질 위에 집적되고 난 다음, 그 위에 발광물질이 집적된 중간체를 포함하고, 기질 위에는 발광물질의 증착으로 형성된 단일의 투명 종렬을 포함하여 구성되는 발광스크린을 준비하는 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선 방출 모자이크스크린의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 중간체는, 그 두께가 10 나노미터 이상이고, 1 마이크로미터 보다 작은 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 액상페이즈는, 중간체와 기질간의 상호접촉에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.
7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 중간체는, 하나 이상의 화확적 요소로 형성되는 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 적어도 화학적 요소의 하나 이상이 발광촉진체 또는 공동촉진체로 작용하는 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.
9. 제4항에 있어서, 구조상의 비 동질성의 미세한 융화 또는 화학적 합성이 기질 상에서 일어나는 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 비 동질성은, 규칙적인 성격의 것임을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 비 동질성은, 결정학적으로 대칭인 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.
12. 제4항 또는 제8항에 있어서, 상기 발광촉진제 또는 공동촉진제는, 이온 이식 방법에 의하여 발광물질 속으로 안내되는 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.
13. 제11항에 있어서, 발광물질이 전자가 통과할 수 있는 얇은 투명재 층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 투명재는 다이아몬드 또는 유사다이아몬드 재료인 것을 특징으로 하는 원주형 구조를 가진 음극선방출 모자이크스크린의 제조방법.