KR20050077969A - 전계 방출 표시장치 - Google Patents

Abstract

빔퍼짐을 최소화하고 타색발광을 방지하여 고품위의 화면품질을 얻을 수 있도록, 그리드 플레이트와 애노드 전극 사이의 간격을 셀갭의 대략 85∼95% 정도의 범위에서 설정하고, 그리드 플레이트와 캐소드 전극 사이의 간격을 셀갭의 대략 5∼15% 정도의 범위에서 설정하는 전계 방출 표시장치를 제공한다.

Description

전계 방출 표시장치 {Field Emission Display Device}

본 발명은 전계 방출 표시장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 사이의 간격을 적절한 범위로 유지하므로 빔퍼짐을 방지하고 타색 발광을 최소화하여 화면의 표시품위를 향상시킨 전계 방출 표시장치에 관한 것이다.

일반적으로 전계 방출 표시장치(FED;Field Emission Display)는 양자역학적인 터널링 효과를 이용하여 캐소드 전극에 형성된 에미터로부터 전자를 방출시키고, 방출된 전자를 애노드 전극에 형성된 형광막에 충돌시켜 발광시키는 것에 의하여 소정의 영상을 구현하는 평판 표시장치로서, 캐소드 전극과 게이트 전극 및 애노드 전극으로 이루어지는 3극관 구조가 널리 사용되고 있다.

종래 3극관 구조의 전계 방출 표시장치는 제1기판과 제2기판을 밀봉재에 의해 일체로 접합하여 진공용기를 구성하고, 제1기판 상에 절연층을 사이에 두고 다수의 게이트 전극과 캐소드 전극을 서로 교차하는 방향으로 배열하여 스트라이프 패턴으로 형성하고, 캐소드 전극과 연결되도록 전자를 방출하는 에미터를 형성하고, 제2기판 상에 ITO 박막 등의 투명 전극으로 애노드 전극을 형성하고, 애노드 전극 위에 블랙매트릭스를 사이에 두고 적색(R)과 녹색(G) 및 청색(B)의 형광막을 교대로 배열하여 형성한다.

상기와 같이 구성되는 전계 방출 표시장치는 캐소드 전극과 게이트 전극에 소정의 구동전압을 인가하고, 애노드 전극에 수백∼수천V의 (+)전압을 인가하면, 캐소드 전극과 게이트 전극의 전압 차에 의해 에미터 주위에 전계가 형성되며 이에 의하여 전자가 방출되고, 방출된 전자가 고전압이 인가된 애노드 전극쪽으로 이동하여 대응하는 형광막에 충돌하여 발광시키는 것에 의하여 소정의 영상 표시가 이루어진다.

그리고 종래 전계 방출 표시장치에 있어서, 상기 제1기판 및 제2기판 사이에는 다수의 스페이서가 장착되어 진공용기에 가해지는 압력에 대응하여 제1기판 및 제2기판의 간격을 일정하게 유지하도록 구성하고, 상기 에미터에서 방출되는 전자빔의 집속 성능을 높이기 위하여 다수의 빔통과공이 소정의 간격으로 형성된 메시(mesh)형태의 그리드 플레이트를 설치한다.

종래 전계 방출 표시장치의 경우에 상기 제1기판 및 제2기판 사이의 간격(실제적으로는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 간격)인 셀갭(cell gap)을 대략 1∼9mm 정도의 범위에서 설정하여 형성한다.

그러나 종래 전계 방출 표시장치에 있어서는 셀갭에 따른 각 전극 사이의 간격에 대한 적절한 범위가 정해지지 않았다. 따라서 캐소드 전극과 그리드 플레이트 사이의 간격이 좁은 경우에는 단락이 발생하여 캐소드 전극이 손상되고, 넓은 경우에는 그리드 플레이트 하단에서의 빔퍼짐이 심해지는 문제가 발생한다. 또 애노드 전극과 그리드 플레이트 사이의 간격이 좁은 경우에는 다이오드에미션(Diode emission)에 의해 원하지 않는 캐소드 전극(에미터)에서의 전자 방출이 발생하고, 넓은 경우에는 그리드 플레이트 상단에서의 빔퍼짐이 심해지는 문제가 발생한다.

상기에서 빔퍼짐이 발생하면 타색발광이 발생할 가능성이 높다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 적절한 범위의 애노드 전극과 그리드 플레이트 사이의 간격 및 캐소드 전극과 그리드 플레이트의 간격을 설정하여 빔퍼짐을 최소화하고 타색발광을 방지하여 고품위의 화면 품질을 얻을 수 있는 전계 발광 표시장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 제안하는 전계 방출 표시장치는 그리드 플레이트와 애노드 전극 사이의 간격을 셀갭의 대략 85∼95% 정도의 범위에서 설정하고, 그리드 플레이트와 캐소드 전극 사이의 간격을 셀갭의 대략 5∼15% 정도의 범위에서 설정하여 이루어진다.

상기에서 셀갭(cell gap)은 제1기판에 형성되는 캐소드 전극과 제2기판에 형성되는 애노드 전극 사이의 간격을 의미하며 애노드 전극에 인가되는 전압의 세기에 따라 소정의 간격으로 설정한다.

상기 제2기판에 형성되는 애노드 전극에 인가되는 전압의 세기는 수∼수십kV로 설정하며, 셀갭은 1∼5mm 정도의 범위에서 설정한다.

다음으로 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치의 일실시예는 도 1∼도 2에 나타낸 바와 같이, 소정의 간격을 두고 대향 배치되는 제1기판(20) 및 제2기판(22)과, 상기 제1기판(20) 상에 절연층(25)을 사이에 두고 서로 교차하는 패턴으로 형성되는 게이트 전극(24) 및 캐소드 전극(26)과, 상기 게이트 전극(24)과 교차하는 부분의 캐소드 전극(26) 위에 형성되는 에미터(28)와, 상기 제2기판(22) 상에 형성되는 애노드 전극(32)과, 상기 애노드 전극(32)의 일면에 소정의 패턴으로 형성되는 형광막(34)과, 상기 제2기판(22)의 형광막(34) 사이에 형성되는 블랙매트릭스(50)와, 상기 제1기판(20)과 제2기판(22) 사이에 설치되고 다수의 빔통과공(42)이 소정의 패턴으로 배열되어 형성되는 그리드 플레이트(40)를 포함하여 이루어진다.

상기 게이트 전극(24) 및 캐소드 전극(26)은 스트라이프 패턴으로 형성하며, 서로 직교하는 방향으로 배열하여 형성한다. 예를 들면 상기 게이트 전극(24)은 도 1의 Y축 방향을 따라 스트라이프 패턴으로 형성하고, 상기 캐소드 전극(26)은 도 1의 X축 방향을 따라 스트라이프 패턴으로 형성한다.

상기 게이트 전극(24) 및 캐소드 전극(26)의 사이에는 제1기판(20)의 전체 면적에 걸쳐서 절연층(25)을 형성한다.

상기 게이트 전극(24)과 캐소드 전극(26)이 교차하는 영역마다 캐소드 전극(26)의 한쪽 가장자리에 전자 방출원인 상기 에미터(28)를 형성한다.

상기 에미터(28)는 균일한 두께로 형성되는 면전자원으로서, 대략 10∼100V정도의 저전압 구동조건에서 전자를 양호하게 방출하는 카본계 물질을 이용하여 형성한다.

상기 에미터(28)를 형성하는 카본계 물질로는 그라파이트(graphite), 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(DLC;Diamond Liked Carbon), 카본 나노튜브(CNT;Carbon Nanotube), C₆₀(fulleren) 등에서 선정하여 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용 가능하다. 특히 카본 나노튜브는 끝단의 곡률 반경이 수∼수십nm 정도로 극히 미세하여 1∼10V/㎛ 정도의 낮은 전계에서도 전자를 양호하게 방출하므로 이상적인 전자 방출원으로 알려져 있다.

상기에서는 에미터(28)를 카본계 물질을 이용한 면전자원으로 형성하는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 콘(cone)형이나 웨지(wedge)형, 박막필름에지(thin film edge)형 등 다양한 형상의 에미터를 적용하는 것도 가능하다.

또 상기에서는 제1기판(20)에 게이트 전극(24)을 형성하고 그 위에 절연층(25)을 사이에 두고 캐소드 전극(26)을 형성하는 것으로 설명하였지만, 제1기판(20)에 캐소드 전극(26)을 형성하고 그 위에 절연층을 사이에 두고 게이트 전극(24)을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 캐소드 전극(26)과 게이트 전극(24)의 교차영역에 게이트 전극(24)과 절연층(25)을 관통하는 홀을 형성하고, 이 홀에 의해 노출된 캐소드 전극(26) 표면에 에미터(28)를 형성한다.

그리고 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치의 일실시예는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 이웃하는 상기 캐소드 전극(26) 사이에 각각의 에미터(28)와 소정의 간격을 두고 게이트 전극(24)의 전계를 절연층(25) 위로 끌어올리기 위하여 대향 전극(30)을 형성하는 것도 가능하다.

상기 대향 전극(30)은 절연층(25)에 형성되는 비어홀(via hole)(31)을 통하여 게이트 전극(24)과 접촉하여 전기적으로 연결되므로, 게이트 전극(24)에 소정이 구동전압이 인가되어 에미터(28)와의 사이에 전자 방출을 위한 전계를 형성할 때에, 게이트 전극(24)의 전압을 에미터(28) 주위로 끌어올려 에미터(28)에 보다 강한 전계가 인가되도록 하여 에미터(28)로부터 양호하게 전자가 방출되도록 하는 역할을 한다.

상기 제2기판(22)에 형성되는 애노드 전극(32)은 ITO 박막 등과 같이 광투과율이 우수한 투명전극으로 형성한다.

상기 제2기판(22)에 형성되는 형광막(34)은 게이트 전극(24) 방향(도 1에서 Y축 방향)을 따라 적색(R) 형광막(34R), 녹색(G) 형광막(34G), 청색(B) 형광막(34B)을 소정의 간격을 두고 차례로 교대로 배열하여 이루어진다.

또 상기 각각의 형광막(34R), (34G), (34B) 사이에는 콘트라스트 향상을 위하여 블랙매트릭스(50)를 형성한다.

상기 형광막(34)과 블랙매트릭스(50)는 스트라이프 패턴으로 형성하는 것도 가능하고, 매트릭스 패턴으로 형성하는 것도 가능하며, 픽셀 단위 또는 도트 단위로 닫힌 다각형이나 원형, 타원형 등의 다양한 패턴으로 형성하는 것도 가능하다.

그리고 상기 형광막(34R), (34G), (34B)과 블랙매트릭스(50) 위에는 알루미늄 등으로 이루어지는 금속박막층(36)을 형성하는 것도 가능하다. 상기 금속박막층(36)은 내전압특성과 휘도향상에 도움을 준다.

상기와 같이 구성되는 제1기판(20)과 제2기판(22)은 캐소드 전극(26)과 형광막(34)이 직교하도록 마주한 상태에서 소정의 간격을 두고 실링물질(밀봉재)에 의해 접합되며, 그 사이에 형성되는 내부 공간은 배기시켜 진공상태를 유지한다.

그리고 제1기판(20)과 제2기판(22)의 간격을 일정하게 유지시키기 위하여 스페이서(38)를 제1기판(20)과 제2기판(22)의 사이에 소정의 간격으로 배열하여 설치한다. 상기 스페이서(38)는 화소의 위치 및 전자빔의 경로를 피하여 설치하는 것이 바람직하다.

또 상기 스페이서(38)는 상기 제1기판(20)과 제2기판(22) 사이에 설치되는 그리드 플레이트(40)를 지지하는 역할도 담당한다.

그리고 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치의 일실시예는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 스페이서(38)에 의하여 유지되는 제1기판(20)과 제2기판(22) 사이의 간격인 셀갭(G)을 소정의 범위로 설정한다.

상기에서 셀갭(cell gap)은 제1기판(20)에 형성되는 캐소드 전극(26)과 제2기판(22)에 형성되는 애노드 전극(32) 사이의 간격을 의미하며 주로 애노드 전극(32)에 인가되는 전압의 세기에 따라 그 간격을 결정한다.

상기 제2기판(22)에 형성되는 애노드 전극(32)에는 수∼수십kV의 전압을 인가하므로, 상기 셀갭(G)은 대략 1∼5mm 정도의 범위에서 설정한다. 이 때 상기 그리드 플레이트(40)에는 대략 수십V의 전압을 인가한다.

바람직하게는 상기 애노드 전극(32)에 4∼10kV의 전압을 인가하며, 상기 셀갭(G)은 대략 1∼2mm 정도의 범위에서 설정한다.

상기에서 셀갭(G)을 애노드 전극(32)에 인가하는 전압의 세기에 비하여 지나치게 크게 설정하면 전자빔이 충분한 가속도록 형광막에 충돌하지 않으므로 휘도가 낮아진다. 또 상기 셀갭(G)을 애노드 전극(32)에 인가하는 전압의 세기에 비하여 지나치게 작게 설정하면 애노드 전극(32)에 인가된 전압에 의한 전계가 캐소드 전극(26) 및 에미터(28)에 영향을 주어 원하지 않는 에미터(28)에서 전자빔이 방출되게 되고 타색발광의 원인이 되고, 애노드 전극(28)에 인가된 전압이 게이트 전극(24) 및/또는 캐소드 전극(26)쪽으로 누설 또는 방전되어 게이트 전극(24) 및 캐소드 전극(26)을 손상시킬 위험이 크게 증대된다.

따라서 예를 들면 상기 애노드 전극(32)에 4kV의 전압을 인가하는 경우에는 상기 셀갭(G)을 대략 1∼1.2mm 정도의 범위에서 설정하고, 상기 애노드 전극(32)에 10kV의 전압을 인가하는 경우에는 상기 셀갭(G)을 대략 1.5∼2mm 정도의 범위에서 설정한다.

그리고 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치의 일실시예는 상기 그리드 플레이트(40)와 애노드 전극(32) 사이의 간격(A)을 셀갭(G)의 대략 85∼95% 정도의 범위에서 설정하고, 그리드 플레이트(40)와 캐소드 전극(26) 사이의 간격(B)을 셀갭(G)의 대략 5∼15% 정도의 범위에서 설정하여 이루어진다.

상기에서 셀갭(G)을 1∼5mm의 범위에서 설정하는 경우에는 상기 그리드 플레이트(40)와 애노드 전극(32) 사이의 간격(A)은 0.85∼4.75mm의 범위에서 설정하며, 바람직하게는 0.9∼4.5mm의 범위에서 설정한다. 또 상기 그리드 플레이트(40)와 캐소드 전극(26) 사이의 간격(B)은 0.05∼0.75mm의 범위에서 설정하며, 바람직하게는 0.1∼0.5mm의 범위에서 설정한다.

또 상기 셀갭(G)을 1∼2mm의 범위에서 설정하는 경우에는 상기 그리드 플레이트(40)와 애노드 전극(32) 사이의 간격(A)은 0.85∼1.9mm의 범위에서 설정하며, 상기 그리드 플레이트(40)와 캐소드 전극(26) 사이의 간격(B)은 0.05∼0.3mm의 범위에서 설정한다.

상기에서 그리드 플레이트(40)와 애노드 전극(32) 사이의 간격(A)이 지나치게 작으면 다이오드에미션(Diode emission)에 의해 원하지 않는 에미터(28)에서 전자 방출이 이루어져 타색발광이 발생할 가능성이 높다. 또 그리드 플레이트(40)와 애노드 전극(32) 사이의 간격(A)이 지나치게 크면 그리드 플레이트(40)를 통과한 전자빔의 가속력이 저하되어 그리드 플레이트(40) 상단에서의 빔퍼짐이 심해진다. 이와 같이 그리드 플레이트(40) 상단에서의 빔퍼짐이 심해지면, 전자빔이 원하지 않는 형광체에 충돌하여 타색발광 및 색순도 저하가 발생한다.

또 상기에서 그리드 플레이트(40)와 캐소드 전극(26) 사이의 간격(B)이 지나치게 작으면 캐소드 전극(26)과 그리드 플레이트(40) 사이에 단락이 발생할 가능성이 높아 이로 인한 캐소드 전극(26)의 손상이 발생할 우려가 있다. 또 상기 그리드 플레이트(40)와 캐소드 전극(26) 사이의 간격(B)이 지나치게 크면 그리드 플레이트(40)를 통과하기 전의 전자빔의 가속력이 저하되어 그리드 플레이트(40) 하단에서의 빔퍼짐이 심해진다. 이와 같이 그리드 플레이트(40) 하단에서의 빔퍼짐이 심해지면, 전자빔이 이웃하는 다른 빔통과구멍(42)을 통과하여 다른 형광체에 충돌하여 타색발광 및 색순도 저하가 발생한다.

상기와 같은 범위에서 설정되는 본 발명에 따른 셀갭(G), 그리드 플레이트(40)와 애노드 전극(32) 사이의 간격(A), 그리드 플레이트(40)와 캐소드 전극(26) 사이의 간격(B)은 전자빔의 방출과 진행경로에 대한 컴퓨터 시뮬레이션과 다양한 조합으로 각각의 값을 설정하여 이에 대한 반복적인 실험을 행하여 가장 바람직한 범위를 얻은 것이다.

다음으로 상기와 같이 구성되는 본 발명에 다른 전계 방출 표시장치의 작동과정을 설명한다.

먼저 외부로부터 게이트 전극(24), 캐소드 전극(26), 그리드 플레이트(40), 애노드 전극(32)에 소정의 전압을 인가하여 구동시킨다. 이 때 각 전극에 인가하는 전압은 예를 들면 게이트 전극(24)에는 수∼수십V의 (+)전압, 캐소드 전극(26)에는 수∼수십V의 (-)전압, 그리드 플레이트(40)에는 수십∼수백V의 (+)전압, 애노드 전극(32)에는 수백∼수천V의 (+)전압으로 설정한다.

상기와 같이 각 전극에 전압이 인가되면, 게이트 전극(24)과 캐소드 전극(26)의 전압 차에 의하여 에미터(28) 주위에 전계가 형성되어 에미터(28)로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자는 그리드 플레이트(40)에 인가된 (+)전압에 이끌려 제2기판(22)쪽으로 향하면서 그리드 플레이트(40)의 빔통과공(42)을 통과한 다음, 애노드 전극(32)에 인가된 고전압에 이끌려 해당 화소의 형광막(34)에 충돌하여 발광시키는 것에 의하여 소정의 영상을 구현한다.

상기에서는 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치에 의하면, 애노드 전극에 인가되는 전압의 세기에 따라 적절한 크기로 셀갭을 설정하는 것이 가능하므로, 방출되는 전자들에 의한 단락을 방지할 수 있는 거리를 유지하면서 에미터에서 방출되는 전자빔의 가속도를 충분하게 확보하여 휘도의 향상을 얻을 수 있으며, 방출된 전자빔이 인접한 빔통과공을 통과함에 따른 타색발광을 방지하는 것이 가능하다.

또 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치에 의하면, 그리드 플레이트와 애노드 전극 사이의 간격을 적절하게 유지하므로, 그리드 플레이트의 빔통과공을 통과한 전자빔의 빔퍼짐을 감소시켜 전자빔의 경로변화에 의한 타색발광 및 색순도저하를 최소화하는 것이 가능하고, 전자의 가속 및 전극 사이의 내전압특성을 유지하는 것이 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치에 의하면, 그리드 플레이트와 캐소드 전극 사이의 간격을 적절하게 유지하므로, 캐소드 전극과 그리드 플레이트 사이의 단락을 방지하는 것이 가능하고, 에미터에서 방출된 초기 전자빔의 빔퍼짐현상을 감소시켜 다른 빔통과구멍을 통과하여 타색발광을 일으키는 것을 최소화하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치의 일실시예를 나타내는 부분확대 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전계 방출 표시장치의 일실시예를 나타내는 부분확대 단면도이다.

Claims (4)

1. 그리드 플레이트와 애노드 전극 사이의 간격을 셀갭의 85∼95%의 범위에서 설정하고,

   그리드 플레이트와 캐소드 전극 사이의 간격을 셀갭의 5∼15%의 범위에서 설정하는 전계 방출 표시장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 셀갭은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 간격을 의미하며 애노드 전극에 인가되는 전압의 세기에 따라 1∼2mm의 범위에서 설정하는 전계 방출 표시장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 그리드 플레이트와 애노드 전극 사이의 간격은 0.85∼1.9mm의 범위에서 설정하는 전계 방출 표시장치.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 그리드 플레이트와 캐소드 전극 사이의 간격은 0.05∼0.3mm의 범위에서 설정하는 전계 방출 표시장치.