KR20050043212A - 전계 방출 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

전계 방출 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20050043212A KR1020030078029A KR20030078029A KR20050043212A KR 20050043212 A KR20050043212 A KR 20050043212A KR 1020030078029 A KR1020030078029 A KR 1020030078029A KR 20030078029 A KR20030078029 A KR 20030078029A KR 20050043212 A KR20050043212 A KR 20050043212A
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Abstract

본 발명은 스페이서에 축적된 전하에 의해 발생하는 전자빔 왜곡현상을 방지하여 화질을 향상시킬 수 있는 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 종래 전계 방출 소자는 애노드부와 캐소드부를 지지하는 스페이서가 캐소드부에서 방출하는 전자를 축적하여 전자빔 왜곡 현상을 발생시키는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 비저항이 낮아 충돌되는 전하가 축적되지 않고, 애노드부와 캐소드부를 지지하는 금속 스페이서와, 상기 금속 스페이서와 애노드부, 상기 금속 스페이서와 캐소드부를 전기적으로 절연시키는 절연성 프릿을 포함하여 구성함으로써, 스페이서에 축적되는 전자를 없애 전자빔 왜곡 현상을 방지하고, 이로 인해 화질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전계 방출 소자 및 그 제조 방법{FIELD EMISSION DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 스페이서에 축적된 전하에 의해 발생하는 전자빔 왜곡현상을 방지하여 화질을 향상시킬 수 있는 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고, 요구되는 디스플레이 모습 또한 다양해 지고 있다. 그 예로 휴대형 정보기기와 같이 이동성이 강조되는 환경에서는 무게, 부피 및 소비전력이 작은 디스플레이가 요구되며, 대중을 위한 정보 전달매체로 사용되는 경우에는 시야각이 넓은 대화면의 디스플레이 특성이 요구된다.
또한, 이와 같은 요구를 만족시켜 나가기 위해 전자 디스플레이는 대형화, 저가격화, 고성능화, 고정세화, 박형화, 경량화 등의 조건이 필수적이어서, 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 기존의 CRT를 대체할 수 있는 가볍고 얇은 평판 디스플레이 장치의 개발이 절실히 필요하게 되었다.
이러한 다양한 표시 소자의 요구에 따라 최근에는 전계 방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.
상기 전계 방출 소자는 현재 개발 혹은 양산중인 평판 디스플레이들(LCD와 PDP, VFD등)의 단점을 모두 극복한 차세대 정보 통신용 평판 디스플레이로 주목을 받고 있다. 전계 방출 소자는 전극 구조가 간단하고, CRT와 같은 원리로 고속동작이 가능하며, 무한대의 칼라, 무한대의 그레이 스케일, 높은 휘도, 높은 비디오(video rate) 속도 등 디스플레이가 가져야 할 장점들을 고루 갖추고 있다.
전계 방출 소자는 진공 속의 금속 또는 도체 표면(에미터)상에 고전계가 인가될 때 전자들이 금속 또는 도체로부터 진공 밖으로 나오는 양자역학적 터널링 현상을 이용한 것이다. 이 때 소자는 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의하여 전류-전압 특성을 나타내게 된다. 전계 방출 소자는 전자 방출 원인 에미터와 방출된 전자가 충돌하여 발광하는 애노드부, 상하판 사이를 지지하는 스페이서, 그리고 진공기밀을 유지하기 위한 실링부 등으로 구성되어 있다.
도1은 일반적인 탄소 나노 튜브(CNT) 전계 방출 소자(FED)의 구조를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 하부 기판(1) 상에 탄소 나노 튜브(3)가 도포된 하부 전극(2)과 절연층(4) 그리고 게이트 전극(5)이 순차적으로 형성된 캐소드부와, 상부 기판(9) 상에 애노드 전극(8)과 형광체(7)가 순차적으로 형성되고, 상기 캐소드부에서 방출한 전자(e)에 의해 발광하는 애노드부와, 상기 애노드부와 캐소드부 사이를 지지하는 스페이서(6)와, 진공기밀을 유지하기 위한 실링부(10)로 구성된다.
상기 스페이서(6)는 절연성 물질이나 세라믹 재질로 구성된다.
이러한 구성을 갖는 CNT FED의 동작을 살펴보면, 게이트 전극(5)과 하부 전극(2) 사이에 소정의 전압이 인가되면 전자들이 CNT(3) 첨단으로부터 방출되고, 그 방출된 전자들(e)은 애노드 전극(8)에 인가된 애노드 전압에 의해 가속되며 형광체(7)에 충돌한다.
전자와 형광체(7)의 충돌에 의해 발생한 에너지에 의해 형광체(7)에 있는 전자가 여기 되었다가 떨어지면서 발광하게 된다.
그러나, 상기 방출된 전자들은 애노드부와 캐소드부 사이를 지지하는 스페이서(6)에 충돌하게 되어 스페이서(6)에 전하가 축적되고, 이로 인해 전자빔 왜곡 현상을 유발시키게 된다.
도2는 스페이서(6) 상에서 표면 전하의 축적이 없는 경우(a)와 있는 경우(b)의 스페이서 위치에 따른 전압 분포를 나타낸 것이다.
스페이서(6) 상에 표면 전하의 축적이 없는 경우에 대한 전압 분포는 수학식1로 표현된다.
여기서, VHV는 애노드 전극에 인가되는 전압이고, x는 캐소드부와 애노드부 사이의 수직 위치이고, d는 스페이서의 높이이다.
스페이서(6) 상에 표면 전하의 축적이 없는 경우의 스페이서 높이에 따른 전압 분포는 도2a에 도시된 바와 같이, 직선으로 나타난다.
스페이서(6) 상에 표면 전하의 축적이 있는 경우에 대한 전압 분포는 수학식2로 표현된다.
여기서, V0(x)는 수학식1이고, 는 전자빔 충돌에 의한 빔의 왜곡량을 나타내며, 상기 에 대한 수식을 수학식3에 나타내었다.
여기서, ρs는 스페이서 표면의 면저항이고, j는 스페이서 표면으로 충돌되는 전류 밀도이고, δ는 이차 전자 방출 계수이고, x는 캐소드부와 애노드부 사이의 수직 위치이고, d는 스페이서의 높이이다.
스페이서(6) 상에 표면 전하의 축적이 있는 경우의 스페이서 높이에 따른 전압 분포는 도2b에 도시된 바와 같이, 직선과 포물선이 더해져서 나타난다.
상기 수학식3에서 알 수 있듯이 전자빔 왜곡 현상을 줄이는 방법 중 하나로 면저항을 낮추면 된다. 즉, 스페이서를 면저항이 낮은 재질로 제작하여 전자빔 왜곡 현상을 줄일 수 있다. 그러나, 스페이서의 면저항을 많이 낮추게 되면 전계 방출 소자의 소비 전력이 증가되는 문제점이 있다.
전자빔 왜곡 현상을 줄일 수 있는 또 다른 방법은 스페이서 재질의 이차 전자 방출 계수를 1로 낮추는 것인데, 전도성 세라믹 물질들은 대부분 이차 전자 방출 계수가 1보다 훨씬 크다.
상기와 같이 종래 전계 방출 소자는 애노드부와 캐소드부를 지지하는 스페이서가 캐소드부에서 방출하는 전자를 축적하여 전자빔 왜곡 현상을 발생시키는 문제점이 있었다.
따라서, 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 전계 방출 소자를 비저항이 낮고, 충돌되는 전하가 축적되지 않는 금속 스페이서와, 애부드부와 상기 금속 스페이서 그리고 캐소드부와 상기 금속 스페이서를 절연시키기 위한 절연성 프릿을 포함하여 구성함으로써, 스페이서에 축적되는 전자를 없애 전자빔 왜곡 현상을 방지하고, 이로 인해 화질을 향상시킬 수 있는 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 전계 방출 소자는 비저항이 낮아 충돌되는 전하가 축적되지 않고, 애노드부와 캐소드부를 지지하는 금속 스페이서와, 상기 금속 스페이서와 애노드부, 상기 금속 스페이서와 캐소드부를 전기적으로 절연시키는 절연성 프릿이 포함되어 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 절연성 프릿의 높이는 수십 ㎛이며, 상기 금속 스페이서와 상하 절연성 프릿의 직렬 저항은 기가옴(GΩ) 이상인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 전계 방출 소자 제조 방법은 캐소드부와 애노드부에 절연성 프릿을 코팅하는 단계와, 상기 캐소드부 또는 애노드부에 코팅된 절연성 프릿에 금속 스페이서를 부착하고, 가소 및 소결하여 고정시킨 후 다른 부분을 정렬시켜 가소 및 소결하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.
도3은 본 발명에 대한 일 실시예로서, 탄소 나노 튜브(CNT) 전계 방출 소자에 대한 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 하부 기판(1) 상에 탄소 나노 튜브(3)가 도포된 하부 전극(2)과 절연층(4) 그리고 게이트 전극(5)이 순차적으로 형성된 캐소드부와, 상부 기판(9) 상에 애노드 전극(8)과 형광체(8)가 순차적으로 형성되고, 상기 캐소드부에서 방출된 전자(e)에 의해 발광하는 애노드부와, 상기 애노드부와 캐소드부 사이를 지지하고, 비저항이 낮아 충돌되는 전하가 축적되지 않는 금속 스페이서(20)와, 상기 금속 스페이서(20)와 애노드부 그리고 금속 스페이서(20)와 캐소드부를 전기적으로 절연시키는 절연성 프릿(30)과, 진공기밀을 유지하기 위한 실링부(10)로 구성한다.
이때, 상기 절연성 프릿(30)의 높이는 수십 ㎛이며, 상기 금속 스페이서(20)와 상하의 절연성 프릿(30)의 직렬 저항은 기가옴(GΩ) 이상이다.
이러한 구성을 갖는 본 발명 전계 방출 소자 제조 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명 전계 방출 소자 제조 방법에 대한 설명에 앞서, 본 발명의 전계 방출 소자를 구성하는 캐소드부와 애노드부에 대한 제조 방법은 기존의 방법을 사용하여 제조할 수 있으며, 이러한 기술은 동업계에 종사하는 사람이면 누구나 알 수 있는 공지된 기술사항이므로 상세한 설명은 하지 않는다. 즉, 본 발명의 제조 방법을 완성된 캐소드부와 애노드부 상에 절연성 프릿(30)과 금속 스페이서(30)를 구성하는 과정으로 설명한다.
먼저, 제조가 완성된 캐소드부와 애노드부 상에 소정의 방법, 예를 들어, 스크린 프린팅법을 이용하여 절연성 프릿(30)을 코팅한다. 여기서, 상기 캐소드부와 애노드부 상에 코팅된 절연성 프릿(30)과 결합될 금속 스페이서(20)의 직렬저항이 기가옴 이상이 되도록 상기 절연성 프릿(30)의 높이를 수십 ㎛로 코팅한다.
비저항이 낮아 전하가 축적되지 않는 금속 스페이서(20)를 지그를 사용하여 캐소드부(또는 애노드부) 상에 코팅된 절연성 프릿(30)에 부착하여 가소 및 소결시킨다.
상기 금속 스페이서(20)가 부착되어 가소 및 소결된 캐소드부와 절연성 프릿(30)이 코팅된 애노드부를 정렬시켜 금속 스페이서(20)를 상기 애노드부에 코팅된 절연성 프릿(30)에 부착하여 가소 및 소결시킨다.
이러한 과정을 통해 제조된 본 발명의 전계 방출 소자는 금속 스페이서를 사용하기 때문에 이차 전자 방출 계수가 1에 가깝고, 이로 인해 종래 스페이서에 의해 발생하던 전자빔 충돌에 의한 빔의 왜곡량인 값(수학식3)이 0에 가깝게 되어 빔의 왜곡이 발생하지 않는다.
본 발명은 절연성 프릿의 높이로 절연성 프릿과 금속 스페이서의 직렬저항 조절이 용이할 뿐만 아니라 제조 공정도 간단한 장점이 있다.
본 발명에 대한 적용은 CNT 전계 방출 소자에 한정하지 않고, 전계 방출을 이용한 모든 소자에 적용될 수 있다는 것을 인지하여야 한다.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 전계 방출 소자를 비저항이 낮고, 충돌되는 전하가 축적되지 않는 금속 스페이서와, 애부드부와 상기 금속 스페이서 그리고 캐소드부와 상기 금속 스페이서를 절연시키기 위한 절연성 프릿을 포함하여 구성함으로써, 스페이서에 축적되는 전자를 없애 전자빔 왜곡 현상을 방지하고, 이로 인해 화질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도1은 종래 기술에 대한 일 실시예인 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자에 대한 단면도.
도2는 도1에 도시한 스페이서 상에서 표면 전하의 축적이 없는 경우(a)와 있는 경우(b)에 대한 전압 분포도.
도3은 본 발명에 대한 일 실시예인 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자에 대한 단면도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1:하부 기판 2:하부 전극
3:탄소 나노 튜브(CNT) 4:절연층
5:게이트 전극 6:스페이서
7:형광층 8:애노드 전극
9:상부 기판 10:실링부
20:금속 스페이서 30:절연성 프릿

Claims (4)

  1. 비저항이 낮아 충돌되는 전하가 축적되지 않고, 애노드부와 캐소드부를 지지하는 금속 스페이서와; 상기 금속 스페이서와 애노드부, 상기 금속 스페이서와 캐소드부를 전기적으로 절연시키는 절연성 프릿이 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연성 프릿의 높이는 수십 ㎛인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 스페이서와 상하 절연성 프릿의 직렬 저항은 기가옴(GΩ) 이상인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  4. 캐소드부와 애노드부에 절연성 프릿을 코팅하는 단계와; 상기 캐소드부 또는 애노드부에 코팅된 절연성 프릿에 금속 스페이서를 부착하고, 가소 및 소결하여 고정시킨 후 다른 부분을 정렬시켜 가소 및 소결하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.
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KR100698408B1 (ko) * 2005-07-29 2007-03-23 학교법인 포항공과대학교 스패이서 및 그의 제조방법

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