KR20060001506A - 그리드전극을 구비하는 전자방출소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그리드전극을 구비하는 전자방출소자에 관한 것으로, 기판, 기판 상에 소정 형상으로 형성되는 제1 전극, 제1 전극 상부에 형성되며 적어도 제1 전극의 일부를 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층, 절연층 상부에 형성되는 제2 전극, 제2 전극과 접촉하는 전자방출부, 비아홀을 통해서 제1 전극과 전기적으로 연결되며 전자방출부와 임의의 간격을 두고 대향 배치된 제3 전극, 및 전자방출부로부터 방출된 전자를 집속하는 제4 전극을 포함하며, 제4 전극은 전자방출부를 가리는 구조를 가진 전자방출소자를 제공한다.

전자방출소자, 캐소드전극, 전자방출부, 그리드전극, 애노드전극

Description

그리드전극을 구비하는 전자방출소자{ELECTRON EMISSION DEVICE HAVING GRID ELECTRODE}

도 1은 종래 기술에 의한 전자방출 표시장치 일부의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 그리드전극을 구비하는 전자방출소자의 단면도이다.

도 3은 도 2의 전자방출소자에 채용된 그리드전극의 평면도이다.

본 발명은 전자방출소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전계차폐구조를 갖는 전자방출소자에 관한 것이다.

일반적으로, 전자방출소자(Electron Emission Device)는 전자원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자방출소자로는 FEA(Field Emitter Array)형, SCE(Surface Conduction Emitter)형, MIM(Metal-Insulator-Metal)형 및 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)형, BSE(Ballistic electron Surface Emitting)형 등이 알려져 있다.

FEA 형 전자방출소자는 일 함수(Work Function)가 낮거나 β Function이 높은 물질을 전자 방출원으로 사용하여 진공 중에서 전계차에 의하여 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 선단이 뾰족한 팁 구조물이나 탄소계 물질 또는 나노물질을 전자 방출원을 적용한 소자가 개발되고 있다.

SCE 형 전자방출소자는 기판 상에 서로 마주보며 배치된 2개의 전극 사이에 도전 박막을 제공하고 상기 도전 박막에 미세 균열을 제공함으로써 전자 방출부를 형성한 소자이다. 상기 소자는 전극에 전압을 인가하여 도전 박막 표면으로 전류를 흘려 상기 미세 갭인 전자 방출부로부터 전자가 방출되는 원리를 이용한다.

MIM 형과 MIS형 전자방출소자는 각각 금속-유전층-금속(MIM)과 금속-유전층-반도체(MIS) 구조로 이루어진 전자 방출부를 형성하고, 유전층을 사이에 두고 위치하는 두 금속 또는 금속과 반도체 사이에 전압을 인가할 때 높은 전자 전위를 갖는 금속 또는 반도체로부터 낮은 전자 전위를 갖는 금속쪽으로 전자가 이동 및 가속되면서 방출되는 원리를 이용한 소자이다.

BSE 형 전자방출소자는 반도체의 사이즈를 반도체 중의 전자의 평균자유행정 보다 작은 치수 영역까지 축소하면 전자가 산란하지 않고 주행하는 원리를 이용하여 오믹 전극 상에 금속 또는 반도체로 이루어지는 전자공급층을 형성하고, 전자공급층위에 절연층과 금속박막을 형성하여 오믹전극과 금속박막에 전원을 인가하는 것에 의하여 전자가 방출되도록 한 소자이다.

이와 같은 전자방출소자들을 이용하면, 전자방출 표시장치, 각종 백라이트, 리소그라피용 전자빔 장치 등을 구현할 수 있다. 이 중에서 전자방출 표시장치는, 전자방출소자를 구비하여 전자를 방출하는 전자방출 영역과 방출된 전자를 형광층에 충돌시켜 발광시키기 위한 화상표현 영역을 구비하여 구성된다. 일반적으로, 전자방출 표시장치는 제1 기판 위에 다수개의 전자방출소자와 이들의 전자 방출을 제어하는 구동전극들을 구비하고, 제1 기판에서 방출된 전자들이 제2 기판에 형성된 형광층을 향해 효율적으로 가속될 수 있도록 형광층과 이에 접속된 전극을 구비하게 된다.

상술한 바와 같은 전자방출 표시장치는 전자가 방출되는 동안 애노드기판과 캐소드기판에 의해 한정되는 내부공간에 아크방전(arcing)이 발생할 수가 있다. 이러한 가능성은 애노드 전압이 증가됨에 따라 높아지며 1kV 이상의 애노드 전압이 인가되면 아킹의 발생이 보다 쉽게 유도되며, 종래의 캐소드기판과 애노드기판이 스페이서에 의해서 결합되는 구조에서는, 고전압에서 안정적인 고휘도를 유지하기가 어렵다. 따라서, 고전압 인가에 따른 아크방전의 발생을 방지할 수 있는 구조를 갖는 그리드전극을 구비하는 전자방출 표시장치가 제안되었다.

상술한 바와 같은 그리드전극을 적용한 전자방출 표시장치의 일예가 한국 공개 특허공보 제2001-0081496호에 개시되어 있으며, 이하에서는 종래 기술에 의한 전자방출 표시장치를 설명한다.

도 1은 종래 기술에 의한 그리드전극을 구비하는 전자방출 표시장치를 개략적으로 도시하는 단면구조도이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 전자방출 표시장치에 있어서, 애노드기 판(11)과 캐소드기판(21)을 구비하며, 이 기판 사이에 스페이서(34)를 배치하여 일정한 간격을 유지하는 구조를 가진다. 캐소드기판(11) 상에는 스트라이프 상의 캐소드전극(22), 절연층(24), 캐소드전극(22)과 교차하는 방향의 스트라이프상의 게이트전극(26)이 순차적으로 적층되어 있으며, 캐소드전극(22) 상에는 전자방출부인 마이크로팁(23)이 형성되어 있다. 캐소드기판(11)과 대향하는 애노드기판(21) 상에는 캐소드전극(22)과 교차하는 방향의 스트라이프 상으로 애노드전극(12)이 형성되며, 애노드전극(12) 상에는 형광층(14)이 형성되어 있다. 게이트전극(26)과 애노드전극(12) 사이에는 마이크로팁(23)으로부터 방출되는 전자를 제어하는 그리드전극(36)이 형성되어 있다.

이에 따라, 예시된 바와 같은 구성에서, 고전압을 인가하더라도 게이트전극(26)에 걸리는 전기장이 작아져 아크가 비교적 잘 방지되며 애노드 전압 일부가 캐소드전극(22)에 인가되는 현상을 방지한다.

하지만, 이와 같은 구조는 상부게이트 전자방출 표시장치에 한정되어 적용된 것으로, 다른 구조를 갖는 전자방출 표시장치에도 적용가능하다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고전압 인가에 따른 아크방전을 방지할 수 있는 구조를 갖는 그리드전극을 구비하는 전자방출소자를 제공하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명은 기판, 기판 상에 소정 형상으로 형성되는 제1 전극, 제1 전극 상부에 형성되며 적어도 제1 전극의 일부를 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층, 절연층 상부에 형성되는 제2 전극, 제2 전극과 접촉하는 전자방출부, 비아홀을 통해서 제1 전극과 전기적으로 연결되며 전자방출부와 임의의 간격을 두고 대향 배치된 제3 전극, 및 전자방출부로부터 방출된 전자를 집속하는 제4 전극을 포함하며, 제4 전극은 전자방출부를 가리는 구조를 가진 전자방출소자를 제공한다.

바람직하게는, 제2 전극 또는 제3 전극 중 적어도 하나 이상은 제4 전극에 의해 가려진다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 의한 그리드전극을 구비하는 전자방출소자를 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 그리드전극을 구비하는 전자방출소자를 포함하는 전자방출 표시장치의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전자방출소자는 기판(121), 기판(121) 상에 소정 형상으로 형성되는 제1 전극(126), 제1 전극(126) 상부에 형성되며 적어도 제1 전극(126)의 일부를 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층(124), 절연층(124) 상부에 형성되는 제2 전극(122), 제2 전극(122)과 접촉하는 전자방출부(123), 비아홀을 통해서 제1 전극(126)과 전기적으로 연결되며 전자방출부(123)와 임의의 간격을 두고 대향 배치된 제3 전극(125), 및 전자방출부(123)로부터 방 출된 전자를 집속하는 제4 전극(136)을 포함하며, 제4 전극(136)은 전자방출부(123)를 가리는 구조를 가진 전자방출소자를 제공한다.

보다 상세히 설명하면, 전자방출소자(120)를 구비하는 전자방출 표시장치(100)는 대향 배치된 제1 기판(111) 및 제2 기판(121)을 포함하고, 이들 사이에 스페이서(134)를 배치하여 일정한 간격을 유지한다. 제1 기판(111) 위에는 스트라이프 패턴을 가지는 게이트 전극(126), 절연층(124) 및 게이트전극(126)과 교차하는 방향의 스트라이프 패턴을 가지는 캐소드전극(122)이 순차적으로 형성되어 있다. 전자방출부(123)가 캐소드전극(122) 영역에 이와 전기적으로 도통되어 형성된다. 전자방출부(123)가 형성된 캐소드전극(122)에는 이격되어 대향 전극(125)이 형성되어 있다. 대향 전극(125)은 절연층(124)에 형성된 홀을 통하여 게이트전극(126)과 접속된다. 캐소드전극(122) 상부에는 전자방출부(123)로부터 방출된 전자의 집속을 제어하는 그리드전극(136)이 형성되어 있다. 이와 같이, 하부 게이트구조의 전자방출소자(120)는 게이트전극(126)이 캐소드전극(122)보다 아래에 위치한다.

제2 기판(121)의 내측 대향면에는 선택적 구성요소인 광차폐막(116) 및 애노드전극(112)이 위치한다. 애노드전극(112)은 스트라이프 패턴을 가질 수도 있으며 전면 일체형 구조도 가능하다. 애노드전극(112)은 ITO 등의 투명전극 금속박막 전극으로 형성가능하다. 형광층(114)은 전자방출부(123)에서 방출된 전자가 충돌할 때 적색, 녹색, 또는 청색의 빛을 발광한다.

스페이서(134)는 애노드기판(111)과 캐소드기판(121) 사이에 고정되어 일정한 간격을 유지하도록 한다. 한편, 프릿(미도시)을 도포하고 소성처리함으로써 애 노드 기판(111)과 캐소드 기판(121) 사이에 공간이 한정된다.

상술한 전자방출 표시장치는 다음과 같이 동작한다. 게이트 전극(126)과 캐소드전극(122)에 소정의 전압(수십 V)을 인가하면 양 전극간의 전압 차이에 의해 강한 전계가 형성되는데, 이에 따라 전자방출부(123)에서 양자 역학적으로 터널링되어 전자가 방출되며, 방출된 전자들은 애노드 전압(수백 V ~ 수 kV)에 의한 추가의 전기장에 의해 형광층(114)이 형성되어 있는 애노드전극(112)으로 이동하여 형광층(114)에 충돌한다. 이 충돌 에너지에 의해 형광층(114) 내의 특정 원소 내에 있는 전자들이 여기되었다가 바닥상태로 떨어지면서 빛을 발생시킴으로써 소정의 화상이 구현된다.

예시된 바와 같이, 그리드전극(136)은 애노드전극(112)측에서 바라볼 때 전자방출부(123)를 가리는 구조를 가진다. 또한, 상술한 바와 같은 그리드전극(136)을 구비하는 전자방출소자(120)에서는 전자가 대향 전극(125)에 의해 형광층(114)을 향해 휘어져 진행하므로, 전자의 진행 경로를 방해하지 않는다.

따라서, 상술한 바와 같은 그리드전극(136)에 의해서, 그리드전극(136)과 애노드 전압 사이에는 5 V/㎛의 전계에 의해 그리드전극(136)과 애노드전극(112) 사이의 간격이 1.1mm 이면 대략 5.5kV를 인가할 수 있으며, 이러한 고전압 인가시에도 그리드전극(136)에 의한 전계차폐로 인해서 다이오드 발광이 발생하지 않으며 아크방전에 의한 기계적 손상 및 애노드전압 일부가 캐소드전극(122)에 인가되는 전기적 손상이 억제된다.

애노드기판(111) 및 캐소드기판(121)은 특별히 한정되지 않은 다양한 종류가 가능하며, 예를 들어 유리 또는 Na등의 불순물이 감소된 유리 등의 재질로 구성될 수 있으며, 상부에 SiO₂등의 절연층을 형성한 실리콘 기판, 세라믹 기판 등을 이용될 수 있다.

전자 방출부(123)는 카본계 물질, 예컨대 카본 나노튜브, 흑연, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본 또는 이들의 조합이나 기타 나노튜브 또는 Si, SiC 등의 나노 와이어로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 카본 나노튜브를 이용할 수 있다.

도 3은 도 2의 전자방출소자에 채용된 그리드전극의 평면도이다.

도 3을 참조하면, 애노드전극(미도시) 측면에서 그리드전극(136)을 통해서 캐소드전극을 바라본 것을 도시한 것으로, 절연층(124) 상부에 위치하여 게이트전극과 도통되는 대향 전극(125)이 그리드전극(136)에 형성된 개구부를 통해서 노출되어 있으며, 전자방출부(미도시)는 그리드전극(136)에 의해 가려져 있음을 알 수 있다.

본 실시예에서 그리드전극(136)은 스테인리스강으로 형성되어 있으나, 이에 한정되지 않으며, 소성 공정중 그리드전극(136)은 산화되므로 이를 방지하기 위해서 알루미늄 금속을 그리드전극(136)의 양면에 코팅하여 전기 전도도 및 표면 특성을 유지하기도 한다. 또한, 그리드전극(136)의 재질로는 스테인리스강인 서스(Suss) 또는 인바(Inva)강을 사용하기도 한다. 인바강은 열팽창 계수가 서스에 비 하여 상당히 작으며 이는 소성 공정시 발생하는 열응력을 줄이는데 특히 효과적이다. 한편, 그리드전극(136)은 그리드전극(136) 하부에 절연층을 형성하지 않고, 기판 가장자리에 마련되어 그리드전극(136)을 지지하는 홀더(미도시)에 고정되어 설치되기도 한다.

따라서, 상술한 바와 같이 애노드전극 측면에서 바라볼 때 그리드전극에 의해 전자방출부가 노출되지 않는 구조를 이룸으로써, 고전압 인가에 의한 아크방전을 최소화할 수 있으며 이로 인한 이상 발광을 억제할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전자방출소자는, 특히, 캐소드기판 상부에 게이트전극, 캐소드전극, 대향전극, 및 그리드전극이 형성된 구조를 갖는 것으로 예시되어 있으나, 전자방출부로부터 전자를 방출하여 애노드기판의 형광층에 충돌할 수 있는 구조를 가지면 특별히 한정되지 않고 다양한 종류를 가지는 전자방출소자에 적용가능할 수 있음은 당연하다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 전자방출소자는 애노드전극 측면에서 바라볼 때 그리드전극에 의해 전자방출부가 노출되지 않는 구조를 이룸으로써, 고전압 인가에 의한 아크 방전을 최소화할 수 있으며 이로 인한 이상 발광을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 기판;

   상기 기판 상에 소정 형상으로 형성되는 제1 전극;

   상기 제1 전극 상부에 형성되며 적어도 상기 제1 전극의 일부를 노출시키는 비아홀을 구비하는 절연층;

   상기 절연층 상부에 형성되는 제2 전극;

   상기 제2 전극에 접촉하는 전자방출부;

   상기 비아홀을 통해서 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되며 상기 전자방출부와 임의의 간격을 두고 대향 배치된 제3 전극; 및

   상기 전자방출부로부터 방출된 전자를 집속하는 제4 전극을 포함하며,

   상기 제4 전극은 상기 전자방출부를 가리는 구조를 가진 전자방출소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 전극 또는 제3 전극 중 적어도 하나 이상은 상기 제4 전극에 의해 가려지는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전자방출부는 카본 나노튜브, 흑연, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본 또는 이들의 조합이나, 나노튜브 또는 Si, SiC의 나노 와이어로 이루어진 것을 특징 으로 하는 전자방출소자.

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