KR20050109369A - 고 효율 전계발광 면광원 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 효율 전계발광 면광원 소자에 관한 것으로, 종래 전계발광 면광원은 하판 기판 상에 전자방출원을 형성하고, 광이 방출되는 상판 기판에 애노드 전극과 형광체 및 반사 금속층을 형성하므로 상기 애노드 전극을 투명 금속을 이용해야 하기 때문에 전류 손실이 많고, 전자 방출원으로부터 방출되는 전자가 반사 금속층을 투과하여 형광체에 도달해야 하므로 효율이 낮은 문제점이 있었다. 또한, 전자가 충돌하는 형광체에서 발생된 광이 중첩된 상부 형광층을 투과해야 하므로 광이 손실되어 휘도가 낮아지고, 형광체의 발열이 발산되기 어려운 구조를 가지므로 형광체에서 발생하는 열로 소자가 변형되는 문제점이 있었다. 상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 하판에 저항이 낮고 반사 효과가 높은 금속으로 두꺼운 애노드 전극을 형성하고, 그 상부에 형광체를 형성하며, 상판에 캐소드 전극 및 전자 방출부를 형성하도록 하여, 전자 방출부로부터 제공되는 전자가 하판 상의 형광체를 발광시켜 반사되는 광이 상기 상판을 통해 방출되도록 함으로써, 전자가 직접적으로 형광체에 도달하도록 함과 아울러 발생되는 광이 다른 형광층을 거치지 않도록 하여 발광 효율을 높이고, 공정을 용이하게 하여 수율 및 비용을 개선하며, 애노드 전극의 전기적 특성을 향상시켜 소비 전력 효율을 높일 뿐만 아니라, 발열에 의한 신뢰성 문제 역시 해결할 수 있는 획기적인 효과가 있다.

Description

고 효율 전계발광 면광원 소자{HIGH EFFICIENCY FIELD EMISSION FACE LIGHT SOURCE DEVICE}

본 발명은 고 효율 전계발광 면광원 소자에 관한 것으로, 특히 전자 방출원으로부터 방출되는 전자가 형광체를 여기시킴으로써 발광을 실시하는 전계발광 면광원의 구조를 변경하여 효율을 크게 높이도록 한 고 효율 전계발광 면광원 소자에 관한 것이다.

최근 다양한 디스플레이 장치들이 개발됨에 따라 광원의 중요성이 높아지고 있다. 이러한 광원으로는 필라멘트를 가열하는 밸열전구로부터 가스 방전을 이용한 것, 형광체 발광을 이용한 것 등에 이르기 까지 대단히 다양한 종류의 것이 사용되고 있다. 이러한 광원은 단순한 조명 기기로 사용되기도 하지만, 면광원 형태로 제작되어 엘씨디와 같은 디스플레이의 백라이트로 사용되기도 한다.

이러한 엘씨디용 백라이트는 높은 휘도와 고른 발광 영역을 제공하는 냉음극관(Cold Cathode Flourescent Lamp:CCFL)이 주로 사용된다. 이는 유리관 내면에 형광물질을 도포하고 유리관의 양쪽 끝에 전극을 형성한 후 불활성 가스와 수은을 램프에 봉입하여 제조한다. 그리고, 램프의 양단에 고전압을 인가하면 상기 유리관 안에 존재하는 전자가 고속으로 전극을 향해 이동하면서 전극과 전자의 충돌로 발생된 2차 전자에 의해 방전이 개시되고, 전극에서 발산된 전자는 수은 원자와 충돌하면서 수은으로부터 자외선을 발생시키게 된다. 상기 자외선이 유리관 내면에 도포된 형광체를 여기시켜 가시광선을 발생시키게 된다.

하지만, 이러한 CCFL은 엘씨디의 크기가 대형화되면서 더 밝은 휘도와 높은 효율이 요구됨에 따라 사용 상 한계를 가지게 되었다. 또한, 환경 보호 차원에서 수은의 사용이 점차 규제되고 있으므로 수은을 사용하지 않으면서 CCFL 이상의 휘도와 효율을 가지는 새로운 면광원이 요구되게 되었다.

이러한 새로운 면광원 중에서 전계발광(Field Emission:FE)을 이용한 면광원이 크기, 휘도 및 효율 면에서 두각을 나타내게 되었다. 이러한 전계발광 기법은 전계발광 소자등에 사용되는 바와 같이 다양한 형태의 전계 방출원을 형성한 후, 상기 전계 방출원으로부터 방출되는 전자가 대면된 형광체에 충돌하여 발광을 실시하는 개념으로서, 비교적 간단한 구성을 통해 높은 휘도의 광원을 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 기본적인 전계 방출 면광원 소자의 구조를 보인 단면도로서, 도시한 바와 같이 하판 유리기판(10) 상부에 캐소드 전극(20)을 형성하고, 그 상부에 전자 방출원(30)을 형성한다. 그리고, 별도의 공정으로 상판 유리기판(40) 상부에 고전압 인가가 가능하도록 애노드 전극(50)을 형성하고, 그 상부에 형광체(61)와 에멀전(62) 및 반사 금속층(metal back)(63)으로 이루어진 형광부(60)를 형성한다. 이후, 상기 하판 부분과 상판 부분을 마주보도록 배치하여(스페이서와 프릿(미도시) 등으로 지지) 전계발광 면광원 구조를 완성한다. 상기 전자 방출원(30)과 형광부(60) 사이는 진공을 유지한다.

상기 전자 방출원(30)은 널리 알려진 바와 같이 마이크로 팁(Micro Tip)형, 금속 경계(Metal Edge)형, 탄소 나노튜브(Carbon Nano Tube:CNT)형 등이 사용될 수 있다.

상기와 같은 전계발광 면광원은 높은 휘도와 효율을 가지는 백색광을 비교적 낮은 가격으로 제조할 수 있으며 수은 등의 규제 물질이 사용되지 않는 친환경적이기 때문에 많은 관심이 집중되고 있다.

비록, 상기 도시된 구조는 애노드 전극(50)에 고전압을 인가하여 직접 전자를 방출시키는 다이오드형이지만, 상기 전자 방출원(30)에 인접하도록 게이트 전극을 부가하는 3전극형을 사용할 수도 있다.

도시된 구조는 다이오드형이므로 상기 애노드 전극(50)에 높은 고전압을 인가하게 되면 상기 전자 방출원(30)으로부터 전자(점선)가 방출되고, 방출된 전자는 반사 금속층(63)과 에멀전(62)을 투과하여 형광체(61)를 여기시켜 발광이 이루어지게 된다. 상기 형광체(61)에서 발생하는 광은 상기 애노드 전극(40) 및 상판 유리기판(40) 쪽으로 방출되며, 상기 반사 금속층(63) 쪽으로 향하는 광은 반사 금속층(63)에서 반사되어 효율을 높이게 된다. 상기 반사 금속층(63)은 두꺼울 수록 반사 효율이 높아지게 되며, 얇을 경우 광이 반사되지 않고 투과해 버릴 수 있다. 여기서, 상기 에멀전(62)은 상기 반사 금속층(63)이 평탄하게 형성되도록 하기 위해 형광체(62) 상부에 코팅하는 층이다.

도 2는 도 1에 설명한 종래의 전계발광 면광원을 장착한 엘씨디 구조를 보인 것으로, 도시된 바와 같이 전계발광 면광원을 이루는 하판과 상판을 스페이서(70)와 프릿(75)을 이용하여 패키징한 후, 그 상부에 엘씨디 모듈(90)을 배치한다. 그 사이에 균일한 광퍼짐을 위해 확산판(80)이나 프리즘(미도시) 등을 더 배치하기도 한다. 특히, 이러한 종래 구조에서는 전자 방출부(30)로부터 방출되는 전자가 상판의 형광부(60)로 직진하기 때문에 전자가 충돌하는 부분이 비교적 밝아지고 전자가 충돌하지 않는 부분은 상대적으로 어두워지게 되어 전체적으로 고른 발광 상태를 보이기 어렵기다. 따라서, 대부분의 경우 고른 발광 상태를 얻기 위해 확산판(80)을 더 부가해야만 한다.

전술한 바와 같이 종래의 전계발광 면광원은 기존의 전계방출 소자의 구조를 그대로 이용하고 있기 때문에 전자 방출부를 통해 방출되는 전자가 형광체까지 도달하기 위해서 반사 금속층과 에멀전을 투과해야 하므로 효율이 감소하게 되며, 반사 효율을 높이기 위해 그 두께를 두껍게 할 수도록 전자가 투과하는 효율은 더욱 낮아지게 된다. 또한, 전자가 충돌하는 형광체는 가장 하단부에 위치한 형광체이고, 하단부 형광체에서 발생되는 광은 충첩된 상부 형광체를 거쳐 방출되어야 하므로 광 손실이 발생할 수 있다. 그리고, 전자가 형광체에 충돌하게 되는 경우 형광체가 발열하게 되는데, 종래의 구조에서는 발생되는 열이 방출되기 어렵기 때문에 상부에 형성되는 확산판이나 엘씨디 모듈이 열에 의해 변형될 수 있다. 그리고, 상기 애노드층의 경우 광이 투과해야 하므로 효율이 나쁜 투명 전극을 이용할 수 밖에 없어 고전압이 인가되는 경우 전력 손실이 발생할 수 있다.

상기한 바와같은 종래 전계발광 면광원은 하판 기판 상에 전자방출원을 형성하고, 광이 방출되는 상판 기판에 애노드 전극과 형광체 및 반사 금속층을 형성하므로 상기 애노드 전극을 투명 금속을 이용해야 하기 때문에 전류 손실이 많고, 전자 방출원으로부터 방출되는 전자가 반사 금속층을 투과하여 형광체에 도달해야 하므로 효율이 낮은 문제점이 있었다. 또한, 전자가 충돌하는 형광체에서 발생된 광이 중첩된 상부 형광층을 투과해야 하므로 광이 손실되어 휘도가 낮아지고, 형광체의 발열이 발산되기 어려운 구조를 가지므로 형광체에서 발생하는 열로 소자가 변형되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 하판에 저항이 낮고 반사 효과가 높은 금속으로 두꺼운 애노드 전극을 형성하고, 그 상부에 형광체를 형성하며, 상판에 캐소드 전극 및 전자 방출부를 형성하도록 하여, 전자 방출부로부터 제공되는 전자가 하판 상의 형광체를 발광시켜 반사되는 광이 상기 상판을 통해 방출되도록 함으로써, 전자가 직접적으로 형광체에 도달하도록 함과 아울러 발생되는 광이 다른 형광층을 거치지 않도록 하여 효율을 높일 수 있는 고 효율 전계발광 면광원 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하판 유리기판 상부에 저항이 낮고 반사 효과가 높은 금속을 고전압 인가 효율 및 반사 효율이 설계 기준 이상이 되는 두께로 형성한 애노드 전극과; 상기 애노드 전극 상부에 형성된 형광체층과; 상기 형광체층과 마주보면서 이격된 전자 방출부와; 상기 전자 방출부가 배치된 투명 캐소드 전극과; 상기 투명 캐소드 전극이 형성된 상판 유리기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하판 유리기판 하부에 상기 형광체로부터 발생하는 열을 효과적으로 발산하기 위한 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같은 본 발명을 일 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명 일 실시예에 적용되는 전계발광 면광원의 원리를 설명하기 위한 기본 구조를 보인 단면도로서, 도시한 바와 같이 전자 방출원(150)이 형성된 상판 유리기판(130) 쪽으로 광이 방출되는 것을 알 수 있다.

즉, 도시된 실시예에서는 광이 방출되지 않는 하판 유리기판(100) 상부에 애노드 전극(110) 및 형광체(120)를 별도의 에멀젼이나 반사 금속층 없이 형성하도록 하고, 상판 유리기판(130)에 캐소드 전극(140) 및 전자 방출부(150)를 형성한 후, 상기 하판 유리기판(100) 상의 형광체(120)와 상기 상판 유리기판(130) 상의 전자 방출부(150)가 대향하도록 이격 배치한다.

상기한 바와 같이 본 발명 일 실시예의 구조는 종래 구조에 비해 에멀젼이나 반사판을 형광체(120)에 적용할 필요가 없으므로 공정이 쉬워지고 제조 비용이 낮아지는 기본적인 효과를 얻을 수 있다.

비록, 상기 구조가 종래의 구조에 비해 단순화 되었다 할지라도 면광원으로 사용하고자 하는 목적에는 더욱 적합하게 되는데, 이를 위해 본 발명이 가지는 발상의 전환에 주목할 필요가 있다.

종래의 전계발광 면광원은 전계발광 소자로부터 비롯된 기술로서, 전계발광 소자를 단순한 백색광의 일괄 방출을 위한 소자로 변환한다는 목표로부터 시작되었다. 즉, 종래의 전계발광 소자의 기본적인 구조를 그대로 계승하면서 개별적인 구동이 아닌 전체적인 구동을 위해 전극의 결선 정도만 변경한 것을 그대로 사용하고 있기 때문에 셀에 대한 초점이 중요한 관건이 되는 전계발광 소자의 비효율적 구조에 의한 문제점까지 그대로 계승하게 된 것이다.

이에, 본 발명에서는 발광면에 대한 초점 보다는 균일한 발광이 중요한 면광원의 특징에 더욱 적합한 전계발광 구조를 제안하면서 기존의 문제점을 모두 해결할 수 있도록 하였다.

이제, 본 발명의 구조적 변경이 가져오는 기능상 개선점들을 하나씩 설명해 나가도록 한다.

먼저, 하판 유리기판(100) 상부에 형성하는 애노드 전극(110)에 관해 살펴보면, 본 발명에서 애노드 전극(110)은 발광되는 광의 진행 경로가 아니기 때문에 투명한 금속으로 형성할 필요가 없고, 두께에도 영향을 받지 않으므로 저항이 낮은 불투명 금속을 고전압이 인가되는 경우 전력 손실이 없을 정도의 두께로 형성할 수 있다. 또한, 상기 애노드 전극(110) 상부에 형광체(120)를 형성할 것이기 때문에 형광체(120)로부터 애노드 전극(110) 방향으로 방출되는 빛을 반사할 수 있도록 하면 애노드 전극(110)은 반사층의 역할도 동시에 수행할 수 있게 된다. 특히, 반사층의 경우 두께가 반사 효율에 직접적인 영향을 주기 때문에 충분히 두꺼운 애노드 전극(110)을 저항이 낮고 반사 효율이 높은 금속으로 형성한다면 고전압 인가에 따른 전력 손실을 줄이면서 광을 반사하는 효율도 높일 수 있게 된다.

이제, 형광체(120)의 배치에 관해 살펴보면, 기존의 구조는 전자가 형광체 적층(보통 2~3개 층으로 적층된 구조)의 하단부에 충돌하여 발생한 광이 상기 적층된 상부 형광체를 투과하여 방출되기 때문에 광의 손실이 발생할 수 있으나, 본 발명에서는 상판의 전자 방출부(150)로부터 제공되는 전자가 충돌하는 부분이 형광체(120)의 가장 상단 부분이며, 이 부분에서 발생되는 광은 그대로 반사되어 상판 기판(130)을 통해 방출되기 때문에 적층된 형광체에 의한 휘도 감소가 발생할 수 없다. 그리고, 불규칙한 형광체(120) 표면에 따라 발생하는 광은 사방으로 퍼지게 되는데, 이는 전계 방출 소자로서는 사용할 수 없는 특성이지만, 면 광원으로서는 고른 휘도 분포를 제공할 수 있는 최적의 특성이 된다.

또한, 상판 구조를 보면, 상판 유리기판(130) 상부에 투명 금속으로 캐소드전극(140)을 형성하고, 그 상부에 전자 방출부(150)를 배치하고 있는데, 캐소드 전극(140)은 비교적 전류의 흐름이 미약하므로 얇은 두께로도 충분한 기능을 수행할 수 있고, 상기 전자 방출부(150)는 전체 발광 면적에 비해 상대적으로 작은 면적을 차지하기 때문에 실제로 광이 방출되어야 하는 전체 상판의 투명도는 종래에 두꺼운 애노드 전극이 형성된 상판에 비해 훨씬 높아진다. 상기 전자 방출부(150)는 탄소 나노튜브를 스크린 프린팅 등을 이용한 인쇄법으로 도트(dot) 형태로 형성하는데, 이를 통해 효율 및 공정 편의를 높일 수 있다. 또한, 탄소 나노튜브는 비교적 낮은 애노드 전압으로도 전자가 방출되므로 탄소 나노튜브를 전자 방출부(150)로 사용하는 것이 바람직하다. 물론, 다른 종류의 전자 방출원을 이용할 수도 있다.

상기 설명한 것 만으로도 본 발명의 구조를 사용하는 경우 얻을 수 있는 공정상 용이성, 전기적인 효율 개선 및 휘도의 향상을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명의 효과는 이러한 효율이나 휘도 향상 만으로 한정된 것이 아니며, 신뢰성을 향상시킨다는 또하나의 효과를 더 제공할 수 있다.

종래 기술에서는 전자의 충돌에 의해 열이 발생되는 형광체가 광이 방출되는 상판에 위치하고 있으므로 상판에 방열판을 구비할 수 없어 발열로 인한 소자의 변형이 우려되며, 특히, 이러한 전계발광 면광원을 백라이트로 사용하게 되면 상기 상판에 표시 모듈(엘씨디 모듈 등)을 최대한 근접시키기 때문에 표시 모듈에 열이 전달되어 고가의 표시 모듈 특성이 저하되고 변형이 발생하는 등의 문제점이 있었지만, 본 발명에서는 열이 발생하는 형광체(120)가 하판(100) 상에 위치하며, 상기 하판은 발광면이나 표시 모듈 접합면이 아니므로 상기 하판(100)에 방열판을 추가로 장착할 수 있어 발열에 의한 신뢰성 저하의 문제를 해결할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 오히려 간단해 보일 수 있는 구조적 변경으로 공정 효율, 전기적 효율, 발광 효율을 모두 개선하고 신뢰성 역시 높일 수 있다.

도 4는 상기 설명한 도 3의 전계발광 면광원을 장착한 엘씨디 구조를 보인 것으로, 도시된 바와 같이 전계발광 면광원을 이루는 하판과 상판을 스페이서(160)와 프릿(165)을 이용하여 패키징한 후, 그 상부에 엘씨디 모듈(90)을 배치한다. 그 사이에 균일한 광퍼짐을 위해 확산판(80)이나 프리즘(미도시) 등을 더 배치하기도 하는데, 본 발명에서는 면광원 자체의 광 퍼짐이 균일하기 때문에 상기 확산판(80)의 확산 정도를 낮출 수 있다. 이는 중요한 것으로, 확산판(80)의 확산 정도가 높을 수록 광 손실이 높기 때문에 낮은 확산 정도의 확산판(80)을 사용하거나 혹은 사용하지 않음으로써 부가적인 휘도 개선의 효과를 얻을 수 있다.

도 5는 상기 도 4에 도시한 면광원에 방열판(200)을 장착한 구조로서, 도시된 바와 같이 하판 기판(200)에 별도의 방열판(200)을 장착할 수도 있고, 상기와 같은 엘씨디 모듈과 면광원 전체를 패키징하는 표시부 모듈의 케이스나 제품의 외부 케이스에 하판 기판(200)이 넓은 면에서 접촉하도록 배치하여 발열 효과를 얻을 수도 있다.

상기 설명한 구조는 다이오드 구조를 기본으로 하였으나, 전자 방출부에 인접하면서 캐소드 전극과는 전기적으로 절연되도록 게이트 전극을 더 배치하는 경우 3전극 구조를 형성할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 전극 구조에 의해 제한되는 것이 아니라는데 주의한다.

도 6은 본 발명 일 실시예에 따른 전계 방출 면광원과 종래의 전계 방출 면광원의 애노드 전압에 따른 효율을 나타낸 그래프도로서, 본 측정을 위해 전자 방출원으로 탄소 나노튜브를 도트형태로 인쇄하여 구성하고, 형광체는 음극선관(CRT)용 P22 형광체를 사용하였다. 그리고, 본 발명의 실시예에서는 애노드 전극으로 알루미늄을 3000Å 성막하여 사용하였다.

도시된 애노드 전압에 따른 면광원의 효율을 보면, 본 발명의 효율이 기존 구조에 비해 획기적으로 높다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 애노드 전압이 10kV인 경우 기존 구조는 25lm/W의 효율을 보이는 반면에, 본 발명은 40lm/W의 효율을 보이므로 애노드 전압을 10kV로 사용하는 경우 약 60%의 효율 개선 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와같이 본 발명 고 효율 전계발광 면광원 소자는 하판에 저항이 낮고 반사 효과가 높은 금속으로 두꺼운 애노드 전극을 형성하고, 그 상부에 형광체를 형성하며, 상판에 캐소드 전극 및 전자 방출부를 형성하도록 하여, 전자 방출부로부터 제공되는 전자가 하판 상의 형광체를 발광시켜 반사되는 광이 상기 상판을 통해 방출되도록 함으로써, 전자가 직접적으로 형광체에 도달하도록 함과 아울러 발생되는 광이 다른 형광층을 거치지 않도록 하여 발광 효율을 높이고, 공정을 용이하게 하여 수율 및 비용을 개선하며, 애노드 전극의 전기적 특성을 향상시켜 소비 전력 효율을 높일 뿐만 아니라, 발열에 의한 신뢰성 문제 역시 해결할 수 있는 획기적인 효과가 있다.

도 1은 종래 전계발광 면광원 소자의 구조를 보인 단면도.

도 2는 종래 전계발광 면광원 소자를 백라이트로 장착한 엘씨디 구조를 보인 단면도.

도 3은 본 발명 일 실시예의 전계발광 면광원 소자의 구조를 보인 단면도.

도 4는 본 발명 일 실시예에 따른 전계발광 면광원 소자를 백라이트로 장착한 엘씨디 구조를 보인 단면도.

도 5는 본 발명 일 실시예에 따른 전계발광 면광원 소자에 방열판을 장착한 구조를 보인 단면도.

도 6은 본 발명 일 실시예에 따른 전계발광 면광원과 종래 전계발광 면광원의 효율을 보인 그래프도.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

80: 확산판 90: 엘씨디 모듈

100: 하판 기판 110: 애노드 전극

120: 형광체 130: 상판 기판

140: 캐소드 전극 150: 전자 방출부

160: 스페이서 165: 프릿

200: 방열판

Claims (4)

1. 하판 유리기판 상부에 저항이 낮고 반사 효과가 높은 금속을 고전압 인가 효율 및 반사 효율이 설계 기준 이상이 되는 두께로 형성한 애노드 전극과; 상기 애노드 전극 상부에 형성된 형광체층과; 상기 형광체층과 마주보면서 이격된 전자 방출부와; 상기 전자 방출부가 배치된 투명 캐소드 전극과; 상기 투명 캐소드 전극이 형성된 상판 유리기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 고 효율 전계발광 면광원 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전자 방출부는 탄소 나노튜브를 인쇄기법으로 인쇄하여 형성한 것을 특징으로 하는 고 효율 전계발광 면광원 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 전자 방출부에 인접하면서 상기 캐소드 전극과는 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 효율 전계발광 면광원 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 하판 유리기판 하부에 상기 형광체로부터 발생하는 열을 효과적으로 발산하기 위한 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고 효율 전계발광 면광원 소자.