KR20050112819A - 전자 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 방출부와 게이트 전극간 미세 갭을 확보하여 저전압 구동을 실현하고, 전자빔 집속에 유리한 구조를 갖는 전자 방출 소자에 관한 것으로서,

전자 방출 소자는 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과; 캐소드 전극들과 전기 접촉을 이루며 형성되는 전자 방출부들과; 전자 방출부들을 개방시키면서 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극들 위에 형성되는 게이트 전극들과; 캐소드 전극과 소정의 간격을 두고 이와 동일 평면 상에 위치하며, 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 대향 전극을 포함한다.

Description

전자 방출 소자 {ELECTRON EMISSION DEVICE}

본 발명은 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 방출부와 구동 전극들의 구조를 개선한 전자 방출 소자에 관한 것이다.

일반적으로 전자 방출 소자는 전자원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 이 가운데 냉음극(cold cathode)을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는 FEA(Field Emitter Array)형, SCE(Surface Conduction Emitter)형, MIM(Metal-Insulator-Metal) 또는 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)형 및 BSE(Ballistic electron Surface Emitter)형 전자 방출 소자 등이 알려져 있다.

상기한 전자 방출 소자들은 그 종류에 따라 세부적인 구조가 상이하지만, 기본적으로는 진공 용기 내에 전자 방출을 위한 구조물, 즉 전자 방출 유닛을 마련하여 이로부터 방출되는 전자들을 이용하며, 전자 방출 유닛과 대향 배치되도록 진공 용기 내측에 형광층을 구비할 때 소정의 발광 또는 표시 작용을 하게 된다.

상기한 전자 방출 소자들 가운데 FEA형은 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들로 전자 방출부를 형성하고, 전자 방출부 주위에 구동 전극들, 예를 들어 캐소드 전극과 게이트 전극을 구비하며, 두 전극간 전압 차에 의해 전자 방출부 주위에 전계가 형성될 때 이로부터 전자가 방출되는 원리를 이용한다.

상기 FEA형 전자 방출 소자의 전형적인 구조는, 일 기판 위에 캐소드 전극과 절연층 및 게이트 전극을 순차적으로 형성하고, 절연층과 게이트 전극에 각각의 개구부를 형성하여 캐소드 전극의 일부 표면을 노출시킨 후, 개구부 내로 캐소드 전극 위에 전자 방출부를 형성한 구조이다.

일반적으로 FEA형 전자 방출 소자에서는 전자 방출부와 게이트 전극간 거리를 작게 할수록 전자 방출부에 인가되는 전계 세기가 높아져 저전압 구동에 유리해진다. 그러나 전술한 구조에서는 전자 방출부와 게이트 전극간 갭이 커서 이 둘 사이에 미세 갭을 확보하는데 어려움이 있다.

또한 상기 구조에서는 게이트 전극 위로 전자빔 집속에 기여하는 구조가 마련되지 않아 전자 방출부에서 전자가 방출될 때, 전자들이 소정의 경사각을 가지고 퍼지며 진행하게 된다. 따라서 특정 화소에서 방출된 전자들이 다른 화소에 위치하는 형광층에 도달하여 이를 발광시킴으로써 화면의 색 재현성을 저하시킬 수 있다.

상기한 문제를 해결하기 위해 종래의 전자 방출 소자 분야에서는 게이트 전극 위에 별도의 절연층을 두고 그 위에 집속 전극을 형성하거나, 진공 용기를 구성하는 두 기판 사이에 금속 메쉬(mesh) 형태의 그리드 기판을 장착한 구조들이 제안되었다.

그러나 집속 전극을 형성할 때에는 전자빔 통과를 위한 개구부를 높은 종횡비(aspect ratio, 개구부 폭에 대한 높이의 비)로 형성하는데 어려움이 있어 집속 전극의 효율을 높이는데 문제가 있으며, 그리드 기판을 장착할 때에는 진공 용기를 구성하는 두 기판과의 조립 과정에서 그리드 기판의 취급과 정렬이 매우 어려운 제조 상의 문제를 안고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제를 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자 방출부와 게이트 전극간 미세 갭을 확보하여 저전압 구동을 실현하고, 집속 전극과 그리드 기판을 구비하지 않고도 전자빔을 효율적으로 집속시킬 수 있는 전자 방출 소자를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과, 캐소드 전극들과 전기 접촉을 이루며 형성되는 전자 방출부들과, 전자 방출부들을 개방시키면서 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극들 위에 형성되는 게이트 전극들과, 캐소드 전극과 소정의 간격을 두고 이와 동일 평면 상에 위치하며 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 대향 전극을 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다.

상기 캐소드 전극들과 게이트 전극들이 서로 직교하는 스트라이프 형상으로 이루어진다. 상기 캐소드 전극은 게이트 전극과의 교차 영역에서 그 내부에 캐소드 홀을 형성하고, 대향 전극은 캐소드 홀 내에 위치한다.

상기 대향 전극은 절연층으로 덮이며, 절연층에 형성된 비아 홀을 통해 게이트 전극과 접촉하여 이와 전기적으로 연결된다. 상기 전자 방출부는 캐소드 홀 내측에서 그 측면이 캐소드 전극의 측면과 접촉하며 위치할 수 있다.

상기 캐소드 홀 내측에서 캐소드 전극의 길이 방향을 따라 적어도 하나의 전자 방출부가 구비될 수 있으며, 전자 방출부는 대향 전극을 사이에 두고 캐소드 전극의 길이 방향을 따라 한쌍이 서로 대향 배치될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 조립 상태를 나타내는 부분 단면도이다. 그리고 도 3과 도 4는 각각 도 1에 도시한 전자 방출 유닛의 부분 평면도와 부분 확대 단면도이다.

도면을 참고하면, 전자 방출 소자는 임의의 크기를 갖는 제1 기판(2)과 제2 기판(4)을 내부 공간부가 형성되도록 소정의 간격을 두고 평행하게 배치하고, 이들을 하나로 접합시킴으로써 전자 방출 소자의 외관인 진공 용기를 구성하고 있다.

상기 기판들(2,4) 중 제1 기판(2)에는 전자 방출 유닛(100)이 제공되어 제2 기판(4)을 향해 전자를 방출하며, 제2 기판(4)에는 전자에 의해 가시광을 방출하는 발광부(200)가 제공되어 소정의 발광 또는 표시를 행한다.

먼저, 제1 기판(2) 위에는 소정의 패턴, 가령 스트라이프 형상을 취하는 캐소드 전극들(6)이 서로간 임의의 간격을 두고 제1 기판(2)의 일방향(도면의 Y축 방향)을 따라 복수로 형성되고, 캐소드 전극들(6)을 덮으면서 제1 기판(2)의 내면 전체에 절연층(8)이 형성된다. 절연층(8) 위에는 게이트 전극들(10)이 서로간 임의의 간격을 두고 캐소드 전극(6)과 직교하는 방향(도면의 X축 방향)을 따라 복수로 형성된다.

본 실시예에서 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)의 교차 영역을 화소 영역으로 정의하면, 캐소드 전극(6)에는 각각의 화소 영역마다 그 내부에 캐소드 전극(6)의 일부가 제거되어 이루어진 캐소드 홀(6a)이 형성된다. 그리고 캐소드 홀(6a)에 의해 노출된 제1 기판(2) 위로 전자 방출부(12)가 형성되는데, 전자 방출부(12)는 그 측면이 캐소드 전극(6)의 측면과 접촉하여 이와 전기적으로 연결된다.

본 실시예에서 전자 방출부(12)는 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 카본 나노튜브(carbon nanotube), 그라파이트(graphite), 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(diamond-like carbon), C₆₀, 실리콘 나노와이어 중 어느 하나 또는 이들의 조합 물질로 이루어지며, 그 제조법으로는 직접 성장, 스크린 인쇄, 화학기상증착(CVD) 또는 스퍼터링 등을 적용할 수 있다.

상기 캐소드 홀(6a) 내측에는 전자 방출부(12) 이외에 게이트 전극(10)의 전계를 캐소드 전극(6)과 동일 평면 상으로 끌어내리는 대향 전극(14)이 위치한다. 대향 전극(14)은 캐소드 홀(6a) 내측에서 캐소드 전극(6) 및 전자 방출부(12)와 일정한 간격을 유지하여 이들 부재와의 단락을 방지하며, 절연층(8)에 형성된 비아 홀(via hole, 8a)을 통해 게이트 전극(10)과 접촉하여 이와 전기적으로 연결된다.

상기 대향 전극(14)은 특히 전자 방출부(12)와 수∼수십㎛의 미세 갭(G, 도 2 참고)을 유지하며 형성된다. 이로써 대향 전극(14)은 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)에 소정의 구동 전압이 인가되어 전자 방출부(12) 주위에 전계를 형성할 때, 그 자신도 전자 방출부(12)를 향해 전자 방출을 위한 전계를 추가로 형성하여 전자 방출부(12)에 강한 전계가 인가되도록 하는 역할을 한다.

상기 캐소드 홀(6a)은 화소 영역마다 하나씩 위치할 수 있으며, 전자 방출부(12)는 캐소드 홀(6a) 내측에서 캐소드 전극(6)의 길이 방향을 따라 적어도 하나 이상 배치된다.

본 실시예에서 캐소드 홀(6a)과 대향 전극(14)의 평면 형상은 도시한 바와 같이, 캐소드 전극(6)의 길이 방향에 따른 한쌍의 장변과 캐소드 전극(6)의 폭 방향에 따른 한쌍의 단변을 갖는 장방형으로 이루어지며, 이 경우 전자 방출부(12)는 캐소드 홀(6a)의 두 단변측에 나란히 배치되어 대향 전극(14)을 사이에 두고 서로 대향 배치되는 구조를 이룬다.

상기 구조에서는 2개의 전자 방출부(12)가 하나의 대향 전극(14)을 공유하므로 하나의 화소 영역에서 캐소드 홀(6a)과 대향 전극(14)이 차지하는 면적을 최소화하면서 전자 방출 효과를 배가시킬 수 있다. 또한 소자 구동시 2개의 전자 방출부(12)에서 동시에 전자가 방출되어 나갈 때(도 4 참고), 그 방향성이 서로 반대가 되어 대향 전극(14)의 중심, 즉 화소 영역의 중심을 향해 전자들이 모이면서 진행함에 따라, 전자들이 퍼지지 않고 집속되는 효과를 이룰 수 있다.

도면에서는 캐소드 홀(6a)과 대향 전극(14)의 평면 형상이 장방형인 경우를 도시하였으나, 이의 형상은 여기에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 가능하다. 이 때, 전자 방출부(12)는 기본적으로 한쌍의 전자 방출부(12)가 대향 전극(14)을 공유하면서 캐소드 전극(6)의 길이 방향을 따라 대향 배치되는 것이 바람직하다.

그리고 게이트 전극(10)과 절연층(8)에는 전자 방출부(12)를 개방시키는 각각의 개구부(10a,8b)가 형성되는데, 전자빔 진행 공간을 충분히 확보하도록 캐소드 전극(6)과 대향 전극(14)의 일부도 함께 개방시키도록 개구부(8b,10a)를 형성하는 것이 바람직하다. 도면에서는 개구부(8b,10a)의 평면 형상이 사각형인 경우를 도시하였으나, 이의 형상은 여기에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다.

다음으로, 제1 기판(2)에 대향하는 제2 기판(4)의 일면에는 형광층, 일례로 적색, 녹색 및 청색의 형광층(16)이 임의의 간격을 두고 형성되며, 형광층(16) 사이에는 화면의 컨트라스트 향상을 위한 흑색층(18)이 형성될 수 있다. 형광층(16)과 흑색층(18) 위에는 금속막(대표적으로 알루미늄막)으로 이루어진 애노드 전극(20)이 형성된다. 애노드 전극(20)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 전압을 인가받으며, 메탈 백(metal back) 효과에 의해 화면의 휘도를 높이는 역할을 한다.

한편, 애노드 전극은 금속막이 아닌 투명한 도전막, 예를 들어 ITO(indium tin oxide)로 이루어질 수 있다. 이 경우 제2 기판(4) 위로 투명 도전막으로 이루어진 애노드 전극(도시하지 않음)을 먼저 형성하고, 그 위에 형광층(16)과 흑색층(18)을 형성하며, 필요에 따라 형광층(16)과 흑색층(18) 위에 금속막을 형성하여 화면의 휘도를 높이는데 이용할 수 있다. 이러한 애노드 전극은 제2 기판(4)의 일면 전체에 형성되거나, 소정의 패턴으로 구분되어 형성될 수 있다.

이와 같이 구성되는 제1 기판(2)과 제2 기판(4)은, 전자 방출 유닛(100)과 발광부(200)가 서로 마주한 상태에서 임의의 간격을 두고 그 둘레에 도포되는 프리트(frit)와 같은 실링(sealing) 물질에 의해 접합되고, 그 사이에 형성되는 내부 공간을 배기시켜 진공 상태로 유지함으로써 전자 방출 소자를 구성한다. 이 때, 제1 기판(2)과 제2 기판(4) 사이의 비발광 영역에는 다수의 스페이서(22)가 배치되어 양 기판(2,4)의 사이 간격을 일정하게 유지시킨다. 도 1에서는 도면의 간략화를 위해 스페이서를 생략하였다.

상기한 구성의 전자 방출 소자는, 외부로부터 캐소드 전극(6), 게이트 전극(10) 및 애노드 전극(20)에 소정의 전압을 공급하여 구동하는데, 예를 들어 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)에는 수십∼수백 볼트 전압차의 구동 전압이 인가되고, 애노드 전극(20)에는 수천 볼트의 (+)전압이 인가된다.

이로써 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)의 전압 차에 의해 전자 방출부(12) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 애노드 전극(20)에 인가된 고전압에 이끌려 해당 화소의 형광층(16)에 충돌하여 이를 발광시킴으로써 소정의 표시가 이루어진다.

상기한 과정에서, 본 실시예의 전자 방출 소자는 캐소드 전극(6)과 동일 평면 상에 대향 전극(14)이 위치함에 따라, 전자 방출부(12)와 대향 전극(14)간 미세 갭 확보가 용이하여 전자 방출부(12)에 인가되는 전계 세기를 높여 방출 전류량을 높임과 동시에, 저전압 구동에 유리한 장점을 갖는다.

또한 본 실시예의 전자 방출 소자는 한쌍의 전자 방출부(12)가 대향 전극(14)을 사이에 두고 서로 대향 배치되는 구조를 이룸에 따라, 화소 영역의 중심을 향해 전자들이 모이면서 진행하게 되어 별도의 집속 구조를 마련하지 않고도 전자빔 집속을 실현하는 장점이 예상된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명에 의한 전자 방출 소자는 캐소드 전극과 동일 평면 상에 대향 전극을 구비함에 따라, 전자 방출부와 대향 전극간 미세 갭을 형성할 수 있으며, 별도의 집속 구조를 마련하지 않고도 전자빔 집속을 실현할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 전자 방출 소자는 전자 방출부의 방출 전류량을 높임과 동시에 저전압 구동에 유리하고, 그 구성과 제조 공정을 단순화하며, 화면의 색 재현성을 높이는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자를 도시한 부분 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 조립 상태를 나타내는 부분 단면도이다.

도 3은 도 1에 도시한 전자 방출 유닛의 부분 평면도이다.

도 4는 도 1에 도시한 전자 방출 유닛의 부분 확대 단면도이다.

Claims (10)

1. 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과;

   상기 캐소드 전극들과 전기 접촉을 이루며 형성되는 전자 방출부들과;

   상기 전자 방출부들을 개방시키면서 절연층을 사이에 두고 상기 캐소드 전극들 위에 형성되는 게이트 전극들; 및

   상기 캐소드 전극과 소정의 간격을 두고 이와 동일 평면 상에 위치하며, 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 대향 전극

   을 포함하는 전자 방출 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 캐소드 전극들과 게이트 전극들이 서로 직교하는 스트라이프 형상으로 이루어지는 전자 방출 소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 캐소드 전극이 상기 게이트 전극과의 교차 영역에서 그 내부에 캐소드 홀을 형성하고, 상기 대향 전극이 캐소드 홀 내에 위치하는 전자 방출 소자.
4. 제3항에 있어서,

   상기 대향 전극이 상기 절연층으로 덮이며, 절연층에 형성된 비아 홀을 통해 상기 게이트 전극과 접촉하는 전자 방출 소자.
5. 제3항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 상기 캐소드 홀 내측에서 그 측면이 캐소드 전극의 측면과 접촉하며 위치하는 전자 방출 소자.
6. 제3항에 있어서,

   상기 캐소드 홀 내측에서 상기 캐소드 전극의 길이 방향을 따라 적어도 하나의 전자 방출부가 구비되는 전자 방출 소자.
7. 제6항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 상기 대향 전극을 사이에 두고 상기 캐소드 전극의 길이 방향을 따라 한쌍이 서로 대향 배치되는 전자 방출 소자.
8. 제1항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 카본 나노튜브, 그라파이트, 다이아몬드상 카본, C₆₀, 실리콘 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전자 방출 소자.
9. 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과;

   상기 캐소드 전극들과 전기 접촉을 이루며 형성되는 전자 방출부들; 및

   절연층을 사이에 두고 상기 캐소드 전극들 위에 형성됨과 아울러, 그 일부가 캐소드 전극과 소정의 간격을 두고 캐소드 전극과 동일 평면 상에 위치하는 게이트 전극들

   을 포함하는 전자 방출 소자.
10. 제1항 또는 제9항에 있어서,

    상기 전자 방출 소자가 발광부를 더욱 포함하며,

    상기 발광부가 적어도 하나의 애노드 전극과, 애노드 전극의 어느 일면에 위치하는 형광층을 포함하는 전자 방출 소자.