KR20040012930A - 전계 방출 장치 - Google Patents

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KR20040012930A
KR20040012930A KR10-2003-7016329A KR20037016329A KR20040012930A KR 20040012930 A KR20040012930 A KR 20040012930A KR 20037016329 A KR20037016329 A KR 20037016329A KR 20040012930 A KR20040012930 A KR 20040012930A
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distance
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KR10-2003-7016329A
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베닝폴제이
나이트윌리암알
레간마이클제이
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휴렛-팩커드 컴퍼니(델라웨어주법인)
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Abstract

전자 렌즈는 캐소드(10)로부터 애노드(30)로 전자를 집속하는데 사용된다. 렌즈는 캐소드(10)로부터 제 1 거리(48)에 제 1 개구(38)를 갖는 제 1 전도층(36)을 포함한다. 제 1 전도층(36)은 제 1 전압으로 유지된다. 또한, 렌즈는 제 1 전도층(36)으로부터 제 2 거리(46)에 또한 애노드(30)로부터 제 3 거리(24)에 제 2 개구(34)를 갖는 제 2 전도층(32)을 포함한다. 제 2 전도층(32)은 애노드(30)의 전압과 실질적으로 동일한 제 2 전압으로 유지된다. 제 1 및 제 2 개구(38, 34)는 제 1 전압, 제 2 전압, 제 1 거리(48), 제 2 거리(46) 및 제 3 거리(24)에 근거하여 선택된다. 개구는 캐소드(10)로부터 방출된 전자를 바람직하게 40나노미터 미만의 스폿 크기로 애노드(30)상에 집속시킨다. 캐소드(10)와 애노드(30) 사이에 형성된 힘은 렌즈의 구조에 의해 최소화된다.

Description

전계 방출 장치{FOCUSING LENS FOR ELECTRON EMITTER}
컴퓨터 기술은 보다 많은 능력을 제공하면서 보다 저가로 되도록 발전하고 있다. 컴퓨터 기술이 이들 긍정적인 추세를 지속하기 위해, 매스 저장 및 표시 장치와 같은 주변 장치가 계속 진보하여야 한다. 동시대의 퍼스널 컴퓨터내에 있는 마이크로프로세서의 진보 속도를 따라가기 위해서, 몇 개를 지적하면 디스크 드라이브, CD-ROM 및 DVD 드라이브와 같은 매스 저장 장치의 결핍에 대하여 많은 비판을 경제 신문(trade press)에서 하고 있다. 예를 들면, 하드 디스크 드라이브는 지난 10년에 걸쳐 저장 밀도를 엄청나게 증대시킬 수 있었지만, 지금은 추가적인 발전을 저해하는 물리적 한계에 직면하고 있다. 일부 하드 디스크 드라이브가 휴대용 장치에서 작동하도록 소형화되었지만, 고전력을 필요로 하여 여전히 보다 장시간의 배터리 작동을 제한한다. 보다 에너지 효율이 높은 고밀도 저장 장치가 요구된다.
LCD 모니터와 같은 표시 장치는 그 제조의 복잡성으로 인해 거의 무결점에 대한 요구를 충족시키기 곤란하였다. 또한, 패시브 LCD 기술을 사용함으로써, 상이한 주변 광 상태에서 보는 것을 허용하기 위해 배면광(backlight)을 추가할 필요가 있다. 이들 배면광은 추가적인 전력을 필요로 하여 장시간의 배터리 작동을 더욱 제한한다.
전자 빔 기술은 텔레비전(TV) 브라운관 및 컴퓨터 모니터와 같은 소비자 제품에 오랫동안 사용되고 있다. 이들 장치는, 가시 스크린으로 지향되고 스크린상에 집속되는 전자의 소스를 생성하기 위해 열 캐소드(hot cathode) 전극으로 알려진 것을 사용한다. 수많은 새로운 기술 분야에서 연구가 이루어졌고, 스핀트-팁(Spindt-tip) 및 평면 이미터와 같은 냉 캐소드(cold cathode) 전자 이미터 분야가 많은 제조자들의 주의를 끌었다. 이러한 냉 캐소드 기술을 제품화하는데 몇가지 문제가 존재한다. 하나의 문제는 매스 저장 및 표시 장치에서와 같이 고밀도의 전자 방출 장치를 필요로 하는 여러 적용에 사용될 수 있는 전자 집속 구조의 생성이다. 보통, 이들 적용은 전자 발생원(보통 캐소드로 불림)과 매체 또는 가시 표면(보통 애노드로 불림) 사이에 높은 전위를 필요로 한다. 그러나, 콤팩트 장치를 제조할 때, 애노드와 캐소드가 단지 매우 짧은 거리로 분리될 것이다. 이러한 짧은 거리 때문에, 캐소드 소스로부터 애노드상으로의 전자의 밀착 초점을 달성하기 어렵다. 밀착 초점이 달성가능하면, 보다 좁은 비트 거리 때문에 보다 높은 저장 밀도가 가능하다. 애노드 및 캐소드가 차별적으로 높은 전위로 유지되기 때문에, 높은 전위에 의해 생성된 정전기력이 애노드와 캐소드 사이에 인력을 형성한다. 이러한 인력은 특히 매체 표면 매스 저장 장치와 같이 이러한 힘을 극복해야 하는 가동성 구성요소에서 추가적인 문제를 발생한다. 사실상, 매체 표면을 제어하는 모터는 추가적인 전력을 소비해야 하며, 이에 의해 휴대용 제품의 배터리 수명에 영향을 미친다. 표시 장치에 있어서, 원하지 않는 이러한 힘은 바람직하지 않은 굴곡 및 비틀림 응력을 발생할 수 있다. 이러한 바람직하지 않는 인력이 감소되거나 제거되지 않는다면, 냉 캐소드 전자 방출 기술의 사용은 지연될 수 있다. 따라서, 애노드 및 캐소드 구조체 사이의 인력을 최소화하면서 제조 공정 편차에 대한 허용 오차를 유지하는 새로운 렌즈 구조체에 대한 필요성이 존재한다.
발명의 요약
전자 렌즈는 캐소드로부터 애노드로 전자를 집속하는데 사용된다. 렌즈는 캐소드로부터 제 1 거리에 제 1 개구를 갖는 제 1 전도층을 포함한다. 제 1 전도층은 제 1 전압으로 유지된다. 또한, 렌즈는 제 1 전도층으로부터 제 2 거리에 또한 애노드로부터 제 3 거리에 제 2 개구를 갖는 제 2 전도층을 포함한다. 제 2 전도층은 애노드의 전압과 실질적으로 동일한 제 2 전압으로 유지된다. 제 1 및 제 2 개구는 제 1 전압, 제 2 전압, 제 1 거리, 제 2 거리 및 제 3 거리에 근거하여 선택된다. 캐소드와 애노드 사이에 형성된 힘은 렌즈의 구조에 의해 최소화된다.
본 발명은 전자 이미터, 특히 많은 전자 장치에 결합되는 매스 저장 및 표시 장치에 사용되는 이들 전자 이미터용 렌즈 디자인에 관한 것이다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하며 보다 잘 이해된다. 도면의 요소는 반드시 서로에 대해 일정한 비율의 축척을 갖는 것은 아니다. 오히려, 본 발명을 명확하게 나타내는 것을 중요시하고 있다. 또한, 동일 참조 부호는, 몇 개 도면을 통해 반드시 꼭 들어맞는 부품이 아닐지라도, 대응하는 유사 요소를 지시한다.
도 1a는 전자 이미터용 집속 전자 렌즈의 평면도,
도 1b는 도 1a의 선 Ⅰ-Ⅰ을 따라 취한 집속 전자 렌즈의 단면도,
도 2a는 본 발명의 실시예를 포함하는 집속 전자 렌즈의 평면도,
도 2b는 도 2a의 선 Ⅱ-Ⅱ을 따라 취한 집속 전자 렌즈의 단면도,
도 3은 작동시의 도 2a의 집속 전자 렌즈 및 대표적인 등전위면의 도면,
도 4는 평면 이미터 캐소드를 갖는 본 발명의 제 1 실시예의 도면,
도 5는 다수의 스핀트-팁 전자 이미터를 갖는 본 발명의 제 2 실시예의 도면,
도 6은 표시 장치에 사용된 본 발명의 제 3 실시예의 도면,
도 7은 표시 장치에 사용된 본 발명의 제 4 실시예의 도면,
도 8은 매스 저장 장치에 사용된 본 발명의 제 5 실시예의 도면,
도 9는 매스 저장 장치에 사용된 본 발명의 제 6 실시예의 도면,
도 10은 본 발명의 실시예들을 포함하는 장치를 구비하는 전자 장치의 블록도.
캐소드와 애노드 사이의 인력을 최소화하는 하나의 기술은 도 1a 및 도 1b에 도시된 전계 방출 장치(field emission device)에 나타낸 바와 같이 공면(co-planar)의 렌즈 및 쉴드를 사용하는 것이다. 도 1a는 전계 방출 장치의 평면도이다. 도 1b는, 대표적인 애노드(30)를 함께, 도 1a의 선 Ⅰ-Ⅰ을 따라 취한 전계 방출 장치의 단면도이다. 캐소드(10)는 전자 빔을 형성하기 위해 캐소드상에 또는 그 내부에 배치된 전자 이미터(20)를 갖는다. 캐소드상에는 절연 및 바람직하게 단열을 제공하기 위해 유전층(12)이 배치되는 것이 바람직하다. 유전층(12)상에는 공면 렌즈(16) 및 바람직하게는 공면 쉴드(14)가 배치된다. 쉴드-렌즈 간격(22)은 공면 렌즈(16)와 공면 쉴드(14)를 분리한다. 공면 렌즈(16)내에는 공면 렌즈 개구(18)가 있으며, 이 공면 렌즈 개구는, 바람직하게 공면 렌즈(16)와 공면 쉴드(14)로부터 쉴드-렌즈 간격(24)에 의해 분리된 애노드(30)상에 전자 이미터(20)로부터 전자 빔을 집속시킴으로써 전자 빔에 영향을 미치는 정전기장을 형성하는데 사용된다. 바람직하게, 공면 쉴드(14)는 애노드(30)의 전위로 또는 그에 근접하게 유지되며, 애노드(30) 및 캐소드(10) 구조체 사이의 인력을 최소화하는데 사용된다. 이러한 구조가 애노드(30) 및 캐소드(10) 구조체 사이의 인력을 감소시키지만, 인력(26)은 공면 렌즈(16)와 애노드(30) 사이의 상이한 전위로 인해 남아있다. 이러한 인력(26)은 애노드(30)와 캐소드(10) 사이의 간격을 제한한다. 매스 저장 장치에서와 같이 애노드(30)가 매체 표면인 경우, 매체 표면을 이동하는데 사용되는 모터는 인력(26)을 극복하기 위해 보다 많은 동력을 가해야 하며, 이에 의해 보다 대형의 모터 및/또는 보다 많은 전력을 소비한다. 애노드(30)가 표시 표면인 경우, 인력은 보다 두꺼운 표시 기판 또는 보다 많은 스페이서 재료를 필요로 하여, 제조 비용 및 중량 모두를 증가시킨다. 넓은 거리로 분리된애노드(30) 및 전자 렌즈를 보유함으로써, 인력을 최소화한다. 그러나, 이러한 넓은 거리는, 제조 공정에 의해 영향을 받는 렌즈 및 쉴드의 기하학적 형상의 작은 편차에 대해 매우 민감한 애노드(30)상에 집속된 스폿의 크기를 만든다. 제조 공정에 의해 야기되는 부품간 기대 편차는 스폿 크기를 몇가지 적용에서 요구되는 것보다 큰 값으로 제한한다.
도 2a 및 도 2b는 보다 작은 인력, 바람직하게는 0.03N/㎠, 및 제조 공정 편차에 대해 보다 큰 허용 오차를 갖는 전자 렌즈의 구조 및 디자인을 도시한다. 도 2a는 본 발명의 렌즈 구조체를 결합한 전계 방출 장치의 평면도이다. 도 2b는 도 2a의 선 Ⅱ-Ⅱ을 따라 취한 것으로 애노드(30)의 구조를 포함하는 전계 방출 장치의 단면도이다. 캐소드(10)는 그상에 또는 그내에 위치된 전자 이미터(20)를 구비한다. 전자 이미터는 쉴드층(32)과 캐소드(10) 사이에 위치된 렌즈층(36)을 사용하여 애노드(30)상에 집속 전자의 빔을 형성한다. 쉴드층(32)은 렌즈층(36)과 애노드(30) 사이에 위치된다. 렌즈층(36)은 애노드(30)상에 전자 빔을 집속시키는데 사용되는 렌즈 개구(38)를 구비한다. 쉴드층(32)은, 바람직하게 전자 빔이 애노드(30)상으로 쉴드층(32)을 통과하게 하는 렌즈 개구(38)와 동일한 직경인 쉴드 개구(34)를 구비한다. 렌즈층(36)은 바람직하게 제 1 유전층(13)상에 배치된다. 쉴드층(32)은 바람직하게 제 2 유전층(15)상에 배치된다. 렌즈층(36), 제 1 유전층(13), 제 2 유전층(15) 및 쉴드층(32)은 반도체 또는 표시 박막 기술을 사용하여 캐소드(10)상에 통합되어 캐소드 구조체(11)를 형성한다. 렌즈층(36)은 캐소드(10)로부터 제 1 거리(48)만큼 분리된다. 쉴드층(32)은 렌즈층(36)으로부터 제2 거리(46)만큼 분리된다. 쉴드층(32)은 애노드(30)로부터 제 3 거리(24)만큼 분리된다.
바람직하게, 제 2 거리(46)와 제 3 거리(24)의 합은 제 1 거리(48)의 약 1배 내지 2배의 거리내에 있다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 제 1 거리(48) 및 제 2 거리(46)는 서로 실질적으로 동일하고, 캐소드 구조체(11)로부터 애노드(30)를 분리하는 제 3 거리(24)보다 크다. 렌즈 개구(38) 및 쉴드 개구(34)의 치수는 전자 이미터(20)로부터 방출된 전자가 40나노미터보다 작은 애노드(30)상의 스폿 이미지를 형성하도록 선택된다. 또한, 스폿 크기는 캐소드(10)에 인가된 전압에 대하여 렌즈층(36), 쉴드층(34) 및 애노드(30)에 인가된 전압에 의해 영향을 받는다. 또한, 상이한 층에 인가된 전압은 인력(26)에 영향을 미칠 것이다.
예를 들면, 도 3은 도 2a 및 도 2b의 전계 방출 장치상의 전자 렌즈에 대해 형성된 예시적인 전계(42)를 나타낸다. 캐소드(10), 렌즈층(36), 쉴드(32) 및 애노드(30)에 다른 전압을 인가함으로써 생성된 정전기력은 전계(42)를 형성한다. 전계(42)를 형성함으로써, 전계 방출 장치(20)는 집속식 전자 이미터(130)가 된다. 전계(42)는 전자 이미터(20)에 의해 방출된 전자 빔의 방향을 변경하여, 애노드(30)상에 이미지 스폿(44)을 형성하는 집속 빔(40)을 형성한다. 바람직하게, 제 1 유전층(13)과 제 2 유전층(15)의 재료는 전계(42)에 최소한으로 영향을 미치도록 선택된다. 제 1 유전층(13) 및 제 2 유전층(15)은 동일하거나 또는 다른 유전 재료일 수 있다.
전자 렌즈 및 이미터는 반도체 장치 기술로 제조되는 것이 바람직하다. 본발명의 장치는 광범위한 반도체 장치 기술에 적용가능하며, 다양한 반도체 재료로부터 제조될 수 있다. 하기의 상세한 설명은 실리콘 기판에서 이행된 것과 같은 본 발명의 반도체 장치의 현재의 몇 개의 바람직한 실시예를 기술하며, 이는 현재 이용가능한 반도체 장치의 대부분이 실리콘 기판에서 제조되며, 본 발명의 가장 일반적인 적용이 실리콘 기판을 포함할 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 또한 갈륨 아세나이드(gallium arsenide), 게르마늄 및 다른 반도체 재료에 유리하게 이용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 실리콘 반도체 재료에 제조되는 그들 장치에 한정되지 않고, 하나 또는 그 이상의 이용가능한 반도체 재료에 제조되는 그들 장치와, 유리 기판상의 폴리실리콘을 사용하는 박막 트랜지스터(TFT) 기술과 같이 본 기술분야에 숙련된 자에게 유용한 기술을 포함한다.
도면이 실제 스케일과 일치하지 않는다는 것이 중요하다. 또한, 실제 요소의 다양한 부품이 실제 스케일로 도시되지 않았다. 어떤 치수는 본 발명의 보다 명확한 도시 및 이해를 제공하도록 다른 치수에 대해 과장되어 있다.
또한, 본원에 도시된 실시예가 깊이 및 폭을 갖는 여러 영역으로 2차원 도면으로 도시되어 있지만, 이들 영역은 실제로 3차원 구조체인 장치의 단지 일부를 나타내는 것이 명확하게 이해되어야 한다. 따라서, 이들 영역은 실제 장치상에 제조될 경우에 길이, 폭 및 깊이를 포함하는 3개의 치수를 갖는다. 더욱이, 본 발명이 실제 장치와 관련된 바람직한 실시예에 의해 나타내었지만, 이들 예시가 본 발명의 범위 또는 응용성을 제한하려고 의도된 것은 아니다. 본 발명의 실제 장치가 도시된 물리적 구조체에 제한되는 것은 아니다. 이들 구조체는 본 발명의 이용 및 적용을 현재의 바람직한 실시예로 설명하기 위한 것이다.
도 4는 전자 소스로서 평면 이미터(21)를 사용하는 본 발명의 제 1 실시예의 예시적인 도면이다. 평면 이미터(21)는, 다른 전도성 기판이 사용가능하지만 바람직하게 실리콘 기판인 기판(54)으로부터, 몇 개의 예를 들어보면 TiOx, SiC 또는 SiN과 같은 절연층(56)에 의해 분리되는 평면 이미터 캐소드(58)를 구비한다. 몇 개의 다른 절연층 재료가 있으며, 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지되어 있다. 이미터 전압 소스(62)는 접점(52)을 통해 기판(54)에, 그리고 평면 이미터 캐소드(58)에 접속된다. 인가된 전압은 전형적으로 5V 내지 20V이며, 이러한 전위는 절연층(56)을 가로지르는 전자의 터널링(tunneling)을 형성한다. 터널링된 전자의 충분한 수가 충분한 에너지를 가져, 평면 이미터 캐소드(58)를 탈출하여 전자 방출(50)을 형성한다. 렌즈층(36)은 평면 이미터 캐소드(58)로부터 제 1 거리(48), 예를 들어 약 5마이크로미터에 위치된다. 렌즈층(36)은 렌즈 전압 소스(64)에 접속된다. 렌즈층에 인가된 전압은 평면 이미터 캐소드(58)로부터의 전자 방출(50)을 집속시키도록 렌즈 개구(38)내에 전계(42)를 형성하는데 사용된다. 예를 들면, 렌즈층(36)의 전압은 약 0V로 설정되는 것이 바람직하다. 쉴드층(32)은 렌즈층(36)과, 표시 또는 매체 표면과 같은 애노드(30) 사이에 제 2 거리, 예를 들어 약 5마이크로미터에 위치된다. 애노드(30)는 쉴드층(32)을 지나 제 3 거리, 예를 들어 2마이크로미터 미만에 배치된다. 바람직하게, 쉴드층(32) 및 애노드(30)는, 도시된 바와 같이, 바람직하게 500V 초과, 예를 들어 약 700V인동일한 애노드 전압 소스(66)에 접속된다. 선택적으로, 쉴드층(32) 및 애노드(30)는 조립하는 전기 회로에서 흔히 나타나는 전압 강하 또는 다른 손실을 없애도록 작은 전압차를 가질 수 있다. 또한, 쉴드층(32)과 애노드(30) 사이의 전압차를 약간 조정함으로써, 집속이 미세하게 튜닝될 수 있다. 쉴드층(32) 및 애노드층(30)이 실질적으로 동일한 전위를 가짐으로써, 애노드와 캐소드 사이의 정전기적 인력의 크기가 근접 애노드(30)를 쉴드층(32)에 대해 제 3 간격(24)을 허용하도록 최소화된다.
도 5는 전자 이미터가 전자 방출(50)을 형성하기 위해 하나 또는 그 이상의 스핀트-팁 이미터(60)의 그룹인 본 발명의 제 2 실시예이다. 스핀트-팁 이미터(68)는 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지된 몇가지 공정중 어느 공정을 사용하여 기판(54), 바람직하게 실리콘 기판상에 형성된다. 기판(54)은 스핀트-팁 이미터(68), 렌즈층(36), 쉴드층(32) 및 애노드(30)상의 전압을 설정하기 위한 기준 점을 제공하기 위한 접점(52)을 구비한다. 스핀트-팁 이미터(68)는 이미터 전압(62), 바람직하게 약 5V 내지 약 20V로 설정된다. 스핀트-팁의 뾰족한 형상 때문에, 전계는 증가되며, 전자는 팁으로 이동되고, 전자 방출(50)을 형성하도록 방출된다. 렌즈층(36)은 전자 방출(50)이 통과하는 개구(38)를 구비하며, 이 전자 방출(50)은 바람직하게는 직경이 40나노미터 미만, 보다 바람직하게는 10나노미터 미만의 스폿 크기로, 애노드(30)상에 집속 빔(40)을 형성하도록 집속된다. 개구(38)는 본 예시적인 실시예에서 약 7.2마이크로미터인 것이 바람직하다. 렌즈층(36)은 바람직하게 약 0V의 렌즈 전위로 유지되지만, 전계 방출 장치의 구조에선택된 실제 치수에 따라 다른 값이 사용될 수도 있다. 렌즈층(36), 쉴드층(32), 애노드(30) 및 스핀트-팁 이미터(60) 사이의 전위차로 인해, 전계(42)가 렌즈 개구(38)의 영역내에 형성된다. 이러한 전계(42)는 전자 방출(50)을 다시 지향시켜 집속시킨다. 렌즈층(36)은 스핀트-팁 이미터(68) 팁으로부터 제 1 거리(48)에 배치된다. 애노드층(30)은 바람직하게 500V보다 크고, 보다 바람직하게 약 700V인 애노드 전위(66)로 유지된다. 이러한 애노드 전위(66)는 전자를 애노드(30)의 표면상으로 끌어당긴다. 애노드와 캐소드 구성요소 사이의 정전기적 인력을 방지하기 위해, 쉴드층(32)이 렌즈층(36)과 애노드(30) 사이에 개재된다. 쉴드층(32)은 바람직하게 렌즈 개구(38)와 동일한 기하학적 형상 및 크기를 갖는 쉴드 개구(34)를 구비한다. 쉴드층(32)은 렌즈층으로부터 제 2 거리(46)로 그리고 애노드층(30)으로부터 제 3 거리(24)로 이격된다. 제 1 거리는 바람직한 실시예에서 약 5마이크로미터인 것이 바람직하다. 제 2 거리는 제 1 거리, 즉 5마이크로미터와 실질적으로 동일한 것이 바람직하며, 제 3 거리는 약 2마이크로미터 미만인 것이 바람직하다.
도 6은 개념적인 표시(70)에 있어서 본 발명의 제 3 변형 실시예이다. 표시는 바람직하게 화소(pixel)(72)의 어레이로 이루어지며, 보다 바람직하게는 적색, 파란색, 초록색 순서로 배열되지만, 단색 색상일 수도 있다. 화소(72)는 스크린(74)상에 형성된다. 이미터 기판(78)은 직사각형 형상의 평면 이미터로서 도시된 하나 또는 그 이상의 전자 이미터(20)를 구비하며, 이 전자 이미터(20)는 전기 방출(50)을 형성하도록 개별적으로 제어된다. 전자 방출(50)은 알루미늄,금, 또는 다른 금속 또는 반도체 박막과 같은 재료의 전도층으로 제조되는 것이 바람직한 렌즈층(36)을 사용하여 집속된다. 렌즈층(36)은 스크린(74)과 방출 기판(78) 사이에 배치된다. 전형적으로, 스크린(74)은 500V보다 크고, 예를 들어 700V인 전위로 유지되어 전자 방출(50)을 끌어당긴다. 렌즈층(36)은 스크린(74)상에 화소(72)상의 스폿 크기로 전자 방출(50)을 집속시키는 렌즈 개구(38)를 갖는다. 렌즈층(36)은 -20V와 같은 이미터 표면에 대한 전위로 유지되어, 렌즈 개구(38) 주위에 또한 그 내에 전계를 형성하여 전자 렌즈를 형성한다. 스크린(74)과 이미터 기판(78)과 렌즈층(36) 사이의 전위차는 정전기적 인력을 생성하며, 이 인력은 스크린(74)이 렌즈층(36) 및 이미터 기판(78)으로 끌어당겨지게 한다. 이러한 인력을 최소화하기 위해, 쉴드층(32)이 스크린(74)과 렌즈층(36) 사이에 배치된다. 쉴드층(32)은 바람직하게 렌즈 개구(38)와 동일한 기하학적 형상 및 크기를 갖는 쉴드 개구(34)를 구비하여, 전자 방출(50)이 스크린(74)으로 쉴드층(32)을 통과하게 한다.
도 7은 집적 표시 장치(80)의 형태의 본 발명의 제 4 변형 실시예이다. 집적 표시 장치(80)는, 바람직하게 실리콘 기판이지만, 선택적으로 다른 타입의 반도체 또는 대안적으로 유리 기판인 캐소드로 형성된다. 이러한 재료의 몇 개의 가능한 기판이 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지되어 있다. 본 예시적인 구성에서의 캐소드(10)는, 캐소드(10)상에 형성된 박막층(28)의 적층체를 구비한다. 박막층(28)의 적층체는 바람직하게 스핀트-팁 이미터(68)의 어레이, 또는 선택적으로 평면 이미터의 어레이를 포함한다. 스핀트-팁 이미터(68)는 각 화소형광체(phosphor)(84)용 단일 스핀트-팁인 것으로 본원에 도시되어 있지만, 2개 이상의 스핀트-팁이 화소 형광체(84)마다 존재할 수도 있다. 각 스핀트-팁(68)은 박막층(28)의 적층체내에 매설되고 스크린 애노드(86)와 캐소드(10) 사이에 배치되는 렌즈층(36)에 의해 집속되는 전자 방출(50)을 형성할 수 있다. 또한, 박막층(28)의 적층체내에는 쉴드층(32)을 있으며, 이 쉴드층(32)은 렌즈층(36)과 치수가 실질적으로 동일하지만, 다른 전위로 유지되고, 바람직하게 얇은 유리 또는 다른 투명 기판으로 제조되는 것이 바람직한 스크린(82)상에 작용하는 정전기적 인력을 감소시키기 위해 스크린 애노드(86) 전위와 동일한 전위로 유지된다. 쉴드층(32)은 렌즈층(36)과 스크린 애노드(86) 사이에 개재된다. 스크린(82)은 박막층(28)의 적층체로부터 스페이서(88)에 의해 애노드-쉴드 간격 거리(24)로 이격된다. 스페이서(88)는 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지된 몇 개의 임의의 재료로부터 선택되어 조립된다. 바람직하게, 또한 스페이서(88)는 기밀 시일을 제공하지만, 선택적으로 대안적인 시일 또는 접착제가 집적 표시 장치(80)의 외주 둘레에 적용될 수도 있다.
도 8은 개념적인 매스 저장 장치(90)에 사용된 본 발명의 제 5 실시예이다. 개념적인 매스 저장 장치(90)는 수직 적층으로 배열된 3개의 기판을 갖는 것이 바람직한 것으로 예시적으로 도시되어 있다. 캐소드(10)는 전자 이미터(20), 렌즈층(36) 및 쉴드층(32)을 포함하는 하나의 표면상에 형성된 박막층(28)의 적층체를 구비한다. 전자 이미터(20) 및 렌즈층은, 캐소드(10)와 스테이터 기판(94) 사이에 배치된 로터 기판(92)상의 매체 표면(96)상에, 바람직하게 40나노미터 미만, 예를 들어 약 10나노미터인 작은 스폿 크기를 형성하는 집속 빔(40)을 형성한다. 로터 기판(92)상의 매체 표면(96)은 집속 빔(40)의 에너지에 의해 영향을 받는 상변화 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 상변화 재료는, 집속 빔(40)의 고전력 레벨을 사용하고 집속 빔(40)의 전력 레벨을 빠르게 감소시킴으로써, 결정 상태에서 비정질 상태(93)로 변할 수 있다. 상변화 재료는, 집속 빔(40)의 고전력 레벨을 사용하고, 매체 표면이 결정 상태로 어닐링되는 시간을 갖도록 전력 레벨을 느리게 감소시킴으로써, 비정질 상태(93)에서 결정 상태로 변할 수 있다. 예시적인 재료는 게르마늄 텔루라이드(GeTe) 및 GeTe계 3원 합금이다. 다른 예시적인 재료는 인듐 셀레늄(InSe)이다. 몇 개의 다른 상변화 재료가 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지되어 있으며, 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어남이 없이 대체될 수도 있다. 로터 기판(92) 및 스테이터 기판(94)은 전자 회로 구성부분을 수납하여, 단일 전자 이미터(20)가 매체 표면상의 다중 위치를 판독 및 기록하게 하도록 제 1 방향 및 바람직하게 제 2 방향으로 로터 기판(92)을 이동시킬 수 있다. 로터 기판(92)이 캐소드(10)로 끌어당겨지는 것을 방지하기 위해, 박막층의 적층체는 렌즈층(36)과 로터 기판(92) 사이에 배치된 쉴드층(32)을 포함한다.
매체 표면으로부터 판독하기 위해, 보다 낮은 에너지로 집속 빔(40)은 전자가 매체 기판(90)을 통해 흐르게 하는 매체상의 매체 표면을 가격하여 판독기 회로(98)가 전자를 검출한다. 검출된 전류의 양은 집속 빔(40)에 의해 가격된 매체 표면의 상태, 즉 비정질 또는 결정 상태에 따라 달라진다. 예시적인 판독기 회로(98)는 매체 표면(96)에 접속된 제 1 접점(91)과, 매체 기판(92)에 접속된 제 2접점(97)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 기판내에서 흐르는 전류는 증폭기(95)에 의해 전압으로 변환되어 판독기 출력(99)을 발생한다. 다른 판독기 회로는 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지되어 있으며, 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어남이 없이 대체될 수 있다.
도 9는 예시적인 집적 매스 저장 장치(100)에 의해 나타낸 본 발명의 제 6 실시예이다. 집적 매스 저장 장치(100)는 3개의 기판, 즉 캐소드(10), 로터 기판(92) 및 스테이터 기판(94)을 포함한다. 로터 기판(92)은, 바람직하게 스텝 모터 타입 기능에 있어서 정전기 회로(104)를 사용하여 바람직하게 제 1 및 제 2 방향으로 이동할 수 있는 기판의 일부상에 적어도 하나의 매체 표면을 구비한다. 가동성 매체 표면(96)은 바람직하게 로터 기판을 에칭함으로써 형성된 스프링(102)에 의해 지지된다. 가동성 매체 표면(96)을 제조하기 위한 몇 개의 다른 마이크로-기계 시스템(MEMs) 구조는 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지되어 있다.
스테이터 기판(94)과 로터 기판(92) 사이의 전기적 접촉은 접점(106)에 의해 수행된다. 바람직하게, 본딩 시일(108)은 로터 기판(92)을 스테이터 기판(94)에 부착하며, 바람직하게 내부를 밀봉하여 집적 매스 저장 장치(100)내를 진공 환경으로 유지한다. 또한, 로터 기판(92)은 기밀 시일인 것이 바람직한 스페이서(88)를 사용하여 캐소드(10)에 부착된다. 선택적으로, 대안적인 시일(89)은 스페이서 대신에 또는 스페이서와 결합하여 사용되어, 캐소드(10)를 로터 기판(92)에 부착 및/또는 밀봉할 수 있다.
캐소드(10)는 종래의 반도체 공정을 사용하여 도포되는 것이 바람직한 박막층(28)의 적층체를 포함한다. 박막층(28)의 적층체는 평면 이미터로서 본원에 도시되었지만 스핀트-팁 이미터가 사용될 수도 있는 한 세트의 전자 이미터(20)를 포함하며, 이 전자 이미터(20)는, 매체 표면(96)상에 집속 빔(40)을, 바람직하게 40나노미터 미만, 보다 바람직하게 10나노미터 미만의 스폿 크기로 형성하는 전계(42)를 발생하는 렌즈층(36)을 사용하여 집속된다. 렌즈층은 약 7.2마이크로미터의 렌즈 개구를 갖는 것이 바람직하다. 바람직하게, 캐소드(10)와 로터 기판(92)사의 공간은 공기가 바람직하게 10-3Torr 미만으로 배치되어, 전자 이미터(20)로터 방출된 전자가 전자 이미터(20)를 손상시킬 수 있는 가스 또는 다른 입자와 충돌하는 것을 방지한다. 전자 이미터(20)는 제 1 전위로 유지되어 바람직하게 터널링 기술에 의해 전자를 생성한다. 제 1 전위는 약 25V 미만인 것이 바람직하다. 렌즈층(36)은 접지에 대하여 제 2 전위, 바람직하게 약 0V로 유지되어, 전자를 집속하는데 사용되는 전계(42)를 형성한다. 매체 표면(96)은 바람직하게 500V보다 크고, 예를 들어 약 700V인 제 3 전위로 유지되어, 전자 이미터(20)로부터 방출된 전자를 끌어당기는 것이 바람직하다. 매체 표면(96)과 렌즈(36) 사이의 전위차는 로터 기판(92)의 가동성 매체 표면을 캐소드(10)를 향해 당기는 경향이 있는 정적기적 인력을 형성한다. 정전기 모터(104)는 이러한 힘을 극복해야 하며, 그에 따라 가능한 한 보다 큰 구성요소를 필요로 한다. 보다 큰 구성요소는 전력 소모를 증대시키고, 제조 비용을 상승시킨다. 전력 증대에 대한 이러한 요구를 배제하기 위해, 렌즈층(36)과 매체 표면(96) 애노드 사이의 박막층의 적층체에쉴드층(32)을 추가함으로써, 정전기적 인력을 최소화한다. 바람직하게, 쉴드층(32)은 매체 표면과 대략 동일한 전압으로 유지된다. 바람직하게, 쉴드층은 렌즈층과 동일한 기하학적 형상 및 크기의 개구를 가져, 집속 전자 빔(40)에 대한 쉴드층의 영향을, 바람직하게 전자 이미터(20)당 0.03N/㎠ 미만의 힘으로 최소화한다. 바람직하게, 렌즈층은 전자 이미터로부터 바람직하게 약 5마이크로미터의 제 1 거리로 분리되며, 쉴드층은 렌즈층으로부터 바람직하게 제 1 거리와 동일한 제 2 거리로 분리된다. 캐소드(10)와 애노드상의 매체 표면(96) 사이의 정전기력을 본질적으로 제거함으로써, 매체 표면(96)과 캐소드(10)의 표면 사이의 간격은 최소 거리, 예를 들어 2마이크로미터 미만으로 유지되어, 스페이서(88)가 종래의 박막 스퍼터링 기술을 사용하여 부착되게 할 수 있다.
도 10은 몇 개의 예를 들어보면 컴퓨터, 비디오 게임, 인터넷 응용, 단말기(terminal), MP3 플레이어, 또는 개인 데이터 보조 장치(personal data assistant)와 같은 전자 장치(110)의 예시적인 블록도이다. 전자 장치(110)는, 다른 프로세서가 존재하지만, Intel Pentium Processor(등록상표) 또는 호환성 프로세서와 같은 마이크로프로세서(112)를 포함하며, 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지되어 있다. 마이크로프로세서(112)는 데이터 및/또는 입력/출력 기능을 제어하기 위해 마이크로프로세서(112)에 의해 사용되는 컴퓨터 실행가능 명령을 가질 수 있는 컴퓨터 판독가능 메모리를 포함하는 메모리 장치(114)에 접속된다. 또한, 메모리(114)는 마이크로프로세서(112)에 의해 조작되는 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 마이크로프로세서(112)는 저장 장치(116) 또는 표시 장치(118), 또는 양자모두에 접속된다. 저장 장치(116) 및 표시 장치(118)는, 본 발명의 렌즈 구조체로 집속되고 쉴드되는 전계 방출 장치를 나타내는 앞서 설명된 도면 및 본문에서 예시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예를 수용할 수 있다.
많은 변형 및 변경이 본 발명으로부터 실질적으로 벗어남이 없이 개시된 실시예에서 이루어질 수 있다는 것이 본 기술분야에 숙련된 자에게 명확하다. 본원에서 이러한 모든 변형 및 변경은 하기의 청구범위에 개시된 바와 같이 본 발명의 범위내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 집속 전자 빔을 애노드(30)상에 생성하기 위한 전계 방출 장치에 있어서,
    적어도 하나의 전자 이미터(20)를 갖는 캐소드층(10)과,
    상기 캐소드층(10)상에 배치된 렌즈층(36)과, 상기 렌즈층(36)과 상기 애노드(30) 사이에 개재된 쉴드층(32)을 구비하는 집속 렌즈(38)를 포함하며,
    상기 렌즈층(36)과 상기 애노드(30) 사이의 정전기적 인력이 감소되는
    전계 방출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈층(36)과 상기 쉴드층(32) 사이의 거리와, 상기 쉴드층(32)과 상기 애노드(30) 사이의 거리의 합은 상기 렌즈층(36)과 상기 캐소드층(10) 사이의 거리의 약 1배 내지 약 2배인
    전계 방출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드층으로부터 상기 렌즈층의 거리와, 상기 렌즈층으로부터 상기 쉴드층의 거리가 실질적으로 동일한
    전계 방출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드층(10)으로부터 상기 렌즈층(36)의 거리가 약 5마이크로미터인
    전계 방출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈층(36) 및 상기 쉴드층(32)은 집속 전자 빔을 형성하기 위한 개구(34, 38)를 포함하며, 상기 개구(34, 38)는 실질적으로 동일한 직경을 갖는
    전계 방출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈층(36)내의 개구(38)의 직경이 약 7.2마이크로미터인
    전계 방출 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드층(10)과 애노드(30) 사이에 형성된 힘은 0.03N/㎠ 미만인
    전계 방출 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 집속 전자 빔(40)은 40나노미터 미만의 집속된 스폿 크기(44)를 상기 애노드(30)상에 형성하는
    전계 방출 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈층(36) 및 상기 쉴드층(32)은 500V보다 큰 전위차를 갖는
    전계 방출 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 쉴드층(32)과 상기 애노드(30) 사이의 거리는 약 2마이크로미터 이하인
    전계 방출 장치.
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