KR20040067679A - 전계 방출형 표시소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출형 표시소자(FED; Field Emission Display)에 관한 것으로서, 특히 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 삼전극형태의 전계 방출형 표시소자의 에미터 및 게이트 홀의 형상을 선형(線形)으로 형성한 전계 방출형 표시소자에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자는 전자방출 위한 에미터가 형성된 음극부와, 상기 음극부로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극과, 상기 게이트전극으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부로 이루어진 전계 방출형 표시소자에 있어서,

상기 에미터 및 상기 에미터와 대응하는 게이트전극 상의 게이트 홀을 선형(線形)으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 에미터와 게이트 홀을 모두 선형으로 제작함으로써, 길이 방향으로의 정렬공정이 쉬워지게 된다.

또한, 에미터와 게이트 홀을 띠 모양으로 제작하는 것도 둥근 형태로 제작하는 기존 방식에 비해 훨씬 간단하면서도 정밀성을 높일 수 있는 장점이 있으며, 동작 특성의 안정화에 크게 기여하는 효과를 갖게 된다.

Description

전계 방출형 표시소자{Field Emission Display}

본 발명은 전계 방출형 표시소자(FED; Field Emission Display)에 관한 것으로서, 특히 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 삼전극형태의 전계 방출형 표시소자의 에미터 및 게이트 홀의 형상을 선형(線形)으로 형성한 전계 방출형 표시소자에 관한 것이다.

일반적으로, 차세대 디스플레이로 주목을 받고 있는 전계방출형 표시소자(FED)는 비자발광인 LCD에 비하여 자발광의 특성으로 인하여 화질이 CRT 정도로 매우 우수하고, CRT와 유사한 전자선을 이용하기 때문에 동작속도도 매우 빠른 특성을 지니고 있어 LCD의 경량 박형의 장점과 더불어 CRT수준의 성능을 가진 차세대 AV급 평판 디스플레이로 많은 주목을 받고 있다.

또한, 시야 각이 넓고, 한 서브 픽셀에 수백 개에서 수천 개의 전자방출 소자가 만들어져 있기 때문에 수명이 길고, 소비전력도 LCD보다 낮거나 같은 수준으로 차세대 디스플레이로서 상당히 유리한 위치를 점유하고 있다.

상기와 같은 전계 방출형 표시소자의 기본 원리는 진공관과 같은 3극 튜브지만 열 음극(thermal cathode)을 이용하지 않고, 첨예한 에미터(emitter)에고전계(electric field)를 집중하여 양자역학적인 터널링(tunnelling) 효과에 의하여 전자를 방출시키는 냉 음극(cold cathode)을 이용하고 있다.

이렇게 하여 방출된 전자를 양극/음극간의 인가전압으로 가속시킨 후, 이를 양극에 형성된 형광체 막에 충돌시킴으로서 발광이 이루어지게 된다.

도 1은 종래의 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도로서, (a)는 평면도를 나타내고, (b)는 단면도를 나타낸다.

동 도면에서 보여지는 바와 같이 종래의 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조는, 전자방출을 위한 에미터(11)가 형성된 음극부(10)와, 상기 음극부(10)로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극(20)과, 상기 게이트전극(20)으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부(미도시)로 이루어진다.

이때, 상기 음극부(10)를 구성하는 전자방출 물질인 탄소나노튜브(CNT)에서 전자를 인출하기 위하여 탄소나노튜브의 바로 위에 위치하는 전자인출 전극인 게이트전극(20)에 전압을 인가하여 탄소나노튜브의 끝단에 강한 전계를 형성하도록 한다.

이렇게 형성된 전계에 의하여 탄소나노튜브의 끝단에서는 전자가 방출되어 양극부 쪽으로 당겨진다.

그리고, 상기와 같은 방식으로 전자를 방출시키기 위하여 전자 방출부인 에미터(11)와 전자 인출전극인 게이터전극(20) 사이의 전계가 게이터전극(20)과 양극부(미도시) 사이의 전계보다 강하게 형성되는 구성으로 이루어진다.

상기 탄소나노튜브는 역학적, 화학적으로 대단히 안정된 물질이며, 직경이나노미터(nanometer) 단위에 불과하여 나노튜브의 끝단에서 형성되는 높은 전계에 의하여 전계방출이 쉽게 일어날 수 있는 물질이다.

이러한, 특징을 갖는 탄소나노튜브(CNT)는 전압을 인가하기 위해 설치된 음극부(10) 상에 평편한 원형으로 프린팅하여 전자방출을 위한 에미터(11)를 형성하게 된다.

그리고, 상기 에미터(11)로부터 일정간격 떨어진 상부에 전자 인출 전극인 게이트전극(20)이 위치하게 되는데, 상기 에미터(11)와 게이트전극(20) 사이에 전압을 인가하여 에미터(11)에서 전자의 전계 방출을 일으키도록 하는데, 상기 에미터(11)와 게이트전극(20) 사이의 전압을 조절함으로써 에미터(11)로부터 전계 방출되는 전류의 양을 조절한다.

도 2는 종래의 전계 방출형표시소자의 동작특성을 시뮬레이션한 결과도로서, (a)는 에미터에서 방출되는 전류밀도 분포를 에미터 바로 위에서 계산하여 나타낸 것이다.

상기 도면에서 보여지는 바와 같이 에미터(11)가 평편한 원형으로 음극부(10) 상에 약간 솟아 있으므로, 원형의 가장자리 부분의 전계가 가장 강하게 나타나고, 이 곳에서의 전계방출이 집중적으로 이루어지게 된다.

여기서, 상기 에미터(11)에서 방출된 전자들이 통과할 수 있도록 게이트전극(20) 상에는 에미터(11)의 형상과 동일한 원형의 게이트 홀(21)이 형성되어진다.

이때, 상기 게이트 홀(21)의 직경은 방출전류를 통과시킬 수 있도록 충분히커야 한다.

그리고, 도 2의(b)는 에미터로부터 방출된 전자의 방출궤적을 나타낸 것으로서, 상기 도면을 통해 방출전자 빔의 반경이 증가, 즉 빔이 발산하는 형태를 볼 수 있다.

그리고, 상기 도면에서 밝게 표시된 부분의 전류밀도가 가장 높다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 종래의 전계 방출형 표시소자의 구조는 특히, 에미터(11)와 이에 대응하는 게이트 홀(21)의 형상을 모두 원형으로 형성하고 있는 것으로서, 이러한 구조의 동작특성은 원형의 에미터(11)와 원형의 게이트 홀(21)이 얼마나 정확히 정렬되는지 여부에 크게 의존하게 된다.

이러한 동작특성에 대해 보다 자세히 설명하면, 원형 에미터(11)와 원형의 게이트 홀(21)이 정확히 동심으로 정렬되는 경우 전계는 에미터(11)의 가장자리 부분에 강하고 고르게 형성되고, 이곳에서 전계 방출이 집중적으로 일어나게 된다.

그러나, 반대로 상기 에미터(11)와 게이트 홀(21)이 동심으로 정렬되지 않는 경우에는, 에미터(11)의 둥근 가장 자리 부분의 전계가 고르지 않게 되므로 방출전자의 균일한 분포를 기대할 수 없게 되는 문제가 있다.

그러므로, 상기와 같은 종래의 전계 방출형 표시소자에서 우수한 동작특성을 얻기 위해서는, 에미터(11)와 게이트전극(20)의 조립 시에 동심원을 맞추기 위한 세밀한 작업공정이 요구되어지는 것이지만, 실제 이로 인한 불량 발생률이 매우 높게 나타나고 있는 현실이다.

또한, 상기 음극부(10)에 프린팅 된 에미터(11)의 형상이 얼마나 원형에 가까운 정도로 이루어지느냐에 따라서도 동작특성이 크게 영향을 받게 되는 것으로 이에 따른 에미터들의 모양을 아주 균일하게 제작하기 위한 세심한 주의도 요구되는 것이다.

또한, 에미터(11)에서 방출된 전자빔은 도 2의 (b)와 같이 발산하는 모양을 가지므로 게이트 홀(21)과 에미터(11) 가장자리와의 간격을 잘 조정하지 않으면 게이트전극(20)으로 전류가 누출되어 양극부에 도달하는 전류가 적어져서 디스플레이의 밝기가 저하되고 소비전력이 높아지는 등 동작특성이 아주 나빠지는 문제가 발생하게 된다.

그리고, 발산되는 전자빔을 모아주는 부가적인 장치가 없으면, 옆에 있는 에미터(11)의 존재로 인하여 픽셀 사이의 cross-talk 현상이 생겨서 디스플레이 제작 시에 선명도가 현저하게 떨어지게 되는 문제가 아울러 발생 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 이용한 삼전극형태의 전계 방출형 표시소자의 에미터 및 게이트 홀의 형상을 띠 모양으로 구성함으로써, 제작이 용이하고, 조립 허용오차를 크게하여 균일한 전자방출 특성을 가지는 전자방출 에미터를 쉽게 제작할 수 있도록 하는 전계 방출형 표시소자를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 전자방출의 효율을 향상시키고 게이트전극에서의 누출전류를 최소화하여 저-전력, 고-효율의 전계 방출 디스플레이를 구현할 수 있도록 하는 전계 방출형 표시소자를 제공하는데 다른 목적이 있다.

도 1은 종래의 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도.

도 2는 종래의 전계 방출형 표시소자의 동작특성을 시뮬레이션 한 결과도.

도 3은 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도.

도 6은 본 발명에 따른 전계 방출형표시소자의 동작특성을 시뮬레이션 한 결과도.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출형 표시소자의 구조에서 예상되는 전류-게이트 전압 특성 곡선을 계산한 결과를 보인 그래프.

도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 구조에서 예상되는 전류-게이트 전압 특성 곡선을 계산한 결과를 보인 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

110: 음극부 111: 에미터

120: 게이트전극 121: 게이트 홀

Wc: 에미터 폭 Wg: 게이트 홀 폭

Hc: 에미터 높이

Hg: 음극부에서 게이트전극까지의 높이

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자는 전자방출 위한 에미터가 형성된 음극부와, 상기 음극부로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극과, 상기 게이트전극으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부로 이루어진 전계 방출형 표시소자에 있어서,

상기 에미터 및 상기 에미터와 대응하는 게이트전극 상의 게이트 홀을 선형(線形)으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도로서, (a)는 평면도를 나타내고, (b)는 단면도를 나타낸다.

동 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자는 전자방출 위한 에미터(111)가 형성된 음극부(110)와; 상기 음극부(110)로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극(120)과, 상기 게이트전극(120)으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부(미도시)로 구성된다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 전계방출형 표시소자가 종래 기술과 대별되어지는 점은 에미터(111)와 게이트 홀(120)의 형상을 선형(線形)으로 제작하는 점에 주안점이 있다.

즉, 본 발명에서는 탄소나노튜브로 이루어지는 에미터(111)를 음극부(110) 상에 선형(띠 모양)으로 프린팅하고, 이와 대응하는 게이트전극(120)의 게이트홀(121)을 선형으로 제작하여, 상기 게이트 홀(121)의 가장자리가 상기 에미터(111)의 형상과 평행하도록 배치한다.

상기와 같은 구조에서의 전계 방출은 전계가 강한 에미터의 양쪽 가장자리에서 주로 일어나게 된다.

이때, 어느 정도의 높이를 가진 음극부(110)를 선형으로 제작하고 그 위에 탄소나노튜브를 도포하면 전계 방출을 더욱 강하게 할 수 있다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 전계 방출형 표시소자의 작용을 설명하면 다음과 같다.

우선, 에미터(111)와 게이트전극(120) 사이에 일정전압을 걸어줌으로써 두 전극 사이에 전계를 형성시켜 전계 방출이 일어나도록 한다.

이때의 전계 방출은 게이트전극(120)의 게이트 홀(121)과 가까운 에미터(111)의 가장자리에서 집중적으로 일어난다.

이러한, 본 발명의 구조는 에미터(111) 형상의 길이 방향 정렬이 문제되지 않으므로 에미터(111)와 게이트전극(120)의 결합 공정이 매우 용이해지게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도 이다.

동 도면에서 보여지는 바와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조는 에미터(111)의 폭을 Wc라하고, 게이트 홀(121)의 폭을 Wg라하며, 에미터(111)의 높이를 Hc라하고, 음극부(110)로부터 게이트전극(120)까지의 높이를 Hg라고 할 때, Wc = 100 micron, Wg = 150 micron, Hc = 10 micron,Hg = 30 micron이 되도록 구성한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출형표시소자의 동작특성을 시뮬레이션 한 결과도 이다.

상기 도 6은 상기 도 4에서 보여지는 일 실시예에 따른 전계 방출형 표시소자가 가지는 전계방출 특성을 전산 시뮬레이션한 결과로서 (a)는 에미터에서 방출되는 전류의 공간적 분포를 에미터 바로 위에서 계산한 것이고, (b)는 방출전자의 궤적을 보여준다.

예상되는 바와 같이 전류는 볼록하게 솟은 띠 모양 에미터(111)의 양쪽 가장자리에서 가장 강하게 방출된다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 구조에서 예상되는 게이트 전압-양극 전류 특성 곡선을 계산한 결과를 보인 그래프이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조를 보인 개략도 이다.

동 도면에서 보여지는 바와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 삼전극 구조는 에미터(111)의 폭을 Wc라하고, 게이트 홀(121)의 폭을 Wg라하며, 에미터(111)의 높이를 Hc라하고, 음극부(110)로부터 게이트전극(120)까지의 높이를 Hg라고 할 때, Wc = 30 micron, Wg = 80 micron, Hc = 10 micron, Hg = 30 micron이 되도록 구성한다.

이는 도 4에서 보여지는 일 실시 예에 비해서, 에미터(111)와 게이트 홀(121) 폭(Wc,Wg)을 줄인 구조로서, 상기와 같이 에미터(111) 및 게이트 홀(121)폭(Wc,Wg)을 줄인 이유는 무엇보다도 에미터(111) 근처의 전계가 더욱 강화되고 전계 방출이 더 용이해지도록 하기 위한 것이다.

실제로, 도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전계 방출형 표시소자의 구조에서 예상되는 게이트 전압-양극 전류 특성 곡선을 계산한 결과를 보인 그래프로서, 도 7에서 보여진 본 발명의 일 실시 예의 경우와 비교해 보면, 동일한 전류를 더 낮은 게이트 전압에서 얻을 수 있게 됨을 알 수 있다.

그리고, 예상되는 전류밀도의 분포와 궤적은 기본적으로 도 6에서 보인 일 실시 예의 경우와 유사하다.

본 발명은 에미터와 게이트 홀을 모두 선형으로 제작함으로써, 길이 방향으로의 정렬공정이 쉬워지게 된다.

또한, 에미터와 게이트 홀을 띠 모양으로 제작하는 것도 둥근 형태로 제작하는 기존 방식에 비해 훨씬 간단하면서도 정밀성을 높일 수 있는 장점이 있으며, 동작 특성의 안정화에 크게 기여하는 효과를 갖게 된다.

Claims (8)

1. 전자방출 위한 에미터가 형성된 음극부와, 상기 음극부로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극과, 상기 게이트전극으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부로 이루어진 전계 방출형 표시소자에 있어서,

   상기 에미터는 음극부 상에 전자방출 물질을 선형으로 도포시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 표시소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 에미터 상부에 설치되는 게이트전극의 게이트 홀을 선형으로 형성하고, 하부의 에미터 형성부 보다 큰 폭으로 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 표시소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전자 방출 물질은 탄소나노튜브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 표시소자.
4. 전자방출 위한 에미터가 형성된 음극부와, 상기 음극부로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극과, 상기 게이트전극으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부로 이루어진 전계 방출형 표시소자에 있어서,

   양극전류 2.3[ mu A]을 뽑아내는 게이터 전압을 80[V]이하로 유지하기 위하여 상기 에미터의 폭을 Wc라하고, 게이트전극 상에 형성되는 게이트 홀의 폭을 Wg라고 할 때, Wc = 100 micron 이하, Wg = 150 micron 이하로 유지하면서 Wg와 Wc의 차이가 50 micron 이하의 조건을 만족하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 전계방출형 표시소자.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 전자 방출 물질은 탄소나노튜브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 표시소자.
6. 전자방출 위한 에미터가 형성된 음극부와, 상기 음극부로부터 전자를 인출하는 전자 인출전극인 게이트전극과, 상기 게이트전극으로부터 인출된 전자를 가속하는 양극부로 이루어진 전계 방출형 표시소자에 있어서,

   상기 음극부는 일정한 높이와 폭을 갖는 선형의 전극라인들로 형성되고, 상기 전극라인 위에 전자방출 물질이 도포되도록 한 것을 특징으로 하는 전계 방출형표시소자.
7. 제 6항에 있어서,

   음극부를 구성하는 전극라인의 폭이 전자방출 에미터의 폭 보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 전계 방출형 표시소자.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 전자 방출 물질은 탄소나노튜브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방출형 표시소자.