KR20060019846A - 전자 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자빔 집속 효율을 높이기 위하여 집속 전극과, 집속 전극을 지지하는 절연층의 구조를 개선한 전자 방출 소자에 관한 것으로서,

전자 방출 소자는 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과; 제1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과; 캐소드 전극과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들과; 제1 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극들 위에 형성되며, 전자 방출부들이 제1 기판 상에 노출되도록 하는 복수의 개구부를 갖는 게이트 전극들과; 제2 절연층을 사이에 두고 제1 절연층 및 게이트 전극들 위에 형성되고, 게이트 전극의 개구부와 대응되는 위치에서 게이트 전극의 개구부보다 작은 크기의 개구부를 형성하는 집속 전극을 포함한다.

전자방출소자, 캐소드전극, 게이트전극, 절연층, 전자방출부, 집속전극, 그리드전극, 스페이서

Description

전자 방출 소자 {ELECTRON EMISSION DEVICE}

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

도 2는 도 1의 결합 상태를 나타내는 전자 방출 소자의 부분 단면도이다.

도 3은 도 2의 부분 확대도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 소자 중 제2 절연층의 개구부 형성 과정을 설명하기 위해 도시한 개략도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 소자 중 2차 전자 방출층의 기능을 설명하기 위해 도시한 부분 단면도이다.

도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전자 방출 소자를 도시한 부분 단면도이다.

본 발명은 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자빔 집속을 위해 제공되는 집속 전극의 구조를 개선한 전자 방출 소자에 관한 것이다.

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

상기한 전자 방출 소자들은 그 종류에 따라 세부적인 구조가 상이하지만, 기본적으로는 진공 용기를 구성하는 두 기판 중 일측 기판에 전자 방출부와 구동 전극들을 포함하는 전자 방출 구조물을 형성하며, 타측 기판에 형광층과 전자 가속 전극을 구비하여 소정의 발광 또는 표시 작용을 하게 된다.

상기한 전자 방출 소자에 있어서, 전자빔 경로를 목적하는 방향으로 유도하여 소자 특성을 향상시키려는 노력이 있어왔다. 예를 들어 제1 기판 측에서 방출된 전자들이 제2 기판에 마련된 형광층에 충돌하여 이를 발광시키는 구조에서, 제1 기판 측에서 방출된 전자들이 퍼지며 진행하는 경우에는 목적하는 형광층을 온전하게 발광시킬 수 없게 된다.

따라서 전자빔 제어를 위한 수단의 하나로 집속 전극이 제안되었다. 통상의 집속 전극은 전자 방출부를 둘러싸며 전자 방출 구조물의 최상부에 위치하는데, 이 때 전자 인출 전극과 집속 전극 사이에는 절연층이 형성되어 전자 인출 전극과 집속 전극간 통전을 방지하고, 집속 전극이 전자 방출부에 대해 일정한 높이를 확보하도록 한다. 절연층과 집속 전극에는 전자 방출부가 기판 상에서 노출되도록 하는 각각의 개구부가 형성되어 전자빔 이동 경로를 제공한다.

그런데 종래의 전자 방출 소자에서 상기 절연층에 개구부를 형성할 때에 주로 습식 식각 공정이 적용되고 있다. 습식 식각은 식각액에 피식각체를 담가 에칭하는 것으로서, 등방성 에칭 특성을 가지기 때문에 절연층을 큰 깊이로 식각할수록 개구부 폭이 커지는 문제가 있다. 따라서 습식 식각으로는 높은 종횡비(폭에 대한 높이의 비)의 개구부를 형성하는데 어려움이 있다.

특히 공지의 FEA형 전자 방출 소자에서와 같이, 전자 방출부가 캐소드 전극 위에 형성되고, 제1 절연층과 게이트 전극이 전자 방출부가 노출되도록 하는 각각의 개구부를 가지면서 캐소드 전극 위에 형성되고, 제1 절연층과 게이트 전극 위에 제2 절연층과 집속 전극이 형성되는 경우, 습식 식각 공정을 통해 제2 절연층의 개구부와 제1 절연층의 개구부를 순차적으로 형성하는 과정에서, 제2 절연층은 개구부가 형성된 이후에도 제1 절연층에 개구부가 완성될 때까지 식각액에 의해 지속적인 식각이 이루어지므로, 제2 절연층은 제1 절연층보다 큰 폭의 개구부를 형성하게 된다.

이로써 종래의 전자 방출 소자는 집속 전극이 게이트 전극보다 큰 폭의 개구부를 형성하게 되며, 그 결과 전자빔 경로에 대해 집속 전극이 멀리 위치하게 되어 전자빔 집속 효율이 저하되는 문제가 있다. 또한 전자 방출부에 대해 집속 전극의 높이를 크게 확보할수록 전자빔 집속 효율이 우수해지나, 종래의 전자 방출 소자는 전술한 바와 같이 공정 특성상 제2 절연층에 높은 종횡비의 개구부를 형성하기 어려운 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적 은 집속 전극이 전자빔 경로 상에 보다 가깝게 위치하도록 하여 전자빔 집속 효율을 높이고, 집속 전극을 지지하는 절연층이 높은 종횡비의 개구부를 갖도록 하여 고해상도 구현에 유리한 전자 방출 소자를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과, 캐소드 전극과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들과, 제1 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극들 위에 형성되면서 전자 방출부들이 제1 기판 상에 노출되도록 하는 복수의 개구부를 갖는 게이트 전극들과, 제2 절연층을 사이에 두고 제1 절연층 및 게이트 전극들 위에 형성되면서 게이트 전극의 개구부와 대응되는 위치에서 게이트 전극의 개구부보다 작은 크기의 개구부를 형성하는 집속 전극을 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다.

상기 제2 절연층은 제1 절연층보다 큰 두께를 가지며 형성될 수 있다. 제2 절연층은 집속 전극의 개구부와 관통되는 개구부를 형성하며, 제2 절연층의 개구부는 집속 전극으로부터 제1 기판을 향할수록 그 폭이 점진적으로 커지게 형성될 수 있다.

상기 제2 절연층의 개구부 측벽에는 산화물로 이루어진 2차 전자 방출층이 형성될 수 있다. 제2 절연층은 서로 다른 식각률을 갖는 이종(異種) 절연층의 다층 구조로 이루어질 수 있으며, 집속 전극과 먼 절연층일수록 큰 식각률을 갖는다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과, 캐소드 전극과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들과, 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극들 위에 형성되면서 전자 방출부들이 제1 기판 상에 노출되도록 하는 복수의 개구부를 갖는 게이트 전극들과, 제1 기판 및 제2 기판과 일정한 간격을 두고 양 기판 사이에 설치되면서 게이트 전극의 개구부와 대응되는 위치에서 게이트 전극의 개구부보다 작은 크기의 개구부를 형성하는 그리드 전극을 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다.

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 조립 상태를 나타내는 전자 방출 소자의 부분 단면도이며, 도 3은 도 2의 부분 확대도이다.

도면을 참고하면, 전자 방출 소자는 진공의 내부 공간을 사이에 두고 서로 평행하게 배치되는 제1 기판(2)과 제2 기판(4)을 포함한다. 상기 기판들 중 제1 기판(2)에는 전자 방출을 위한 구조물이 제공되고, 제2 기판(4)에는 전자에 의해 가시광을 방출하는 발광부가 제공된다.

보다 구체적으로, 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) 전체에 제1 절연층(8)이 형성된다. 제1 절연층(8) 위에는 게이트 전극들(10)이 서 로간 임의의 간격을 두고 캐소드 전극(6)과 교차하는 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) 위로 각각의 화소 영역마다 적어도 하나의 전자 방출부(12)가 형성된다. 그리고 제1 절연층(8)과 게이트 전극(10)에는 전자 방출부(12)에 대응하는 각각의 개구부(8a, 10a)가 형성되어 제1 기판(2) 상에 전자 방출부(12)가 노출되도록 한다.

상기 전자 방출부(12)는 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 카본계 물질 또는 나노미터(nm) 사이즈 물질로 이루어질 수 있다. 전자 방출부(12)로 사용 바람직한 물질로는 카본 나노튜브, 그라파이트(graphite), 그라파이트 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(diamond-like carbon), C₆₀, 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질이 있다.

상기 게이트 전극(10)과 제1 절연층(8) 위로 제2 절연층(14)과 집속 전극(16)이 형성된다. 제2 절연층(14)과 집속 전극(16)에도 제1 기판(2) 상에 전자 방출부(12)가 노출되도록 하는 각각의 개구부(14a, 16a)가 형성되는데, 집속 전극(16)은 각 전자 방출부(12)에서 방출되는 전자빔 경로를 둘러싸 전자빔 집속 효율을 높일 수 있도록 각 전자 방출부(12)에 대응하는 개구부(16a)를 형성할 수 있다.

도면에서는 집속 전극(16)이 제1 기판(2) 전체에 형성되는 경우를 나타내었으나, 다른 실시예로서 집속 전극은 임의의 패턴으로 구분되어 복수개로 형성될 수 있다. 또한 집속 전극(16)은 증착에 의한 금속막으로 이루어지거나, 기계 가공 또는 식각 공정 등을 통해 개구부(16a)가 형성된 얇은 금속판으로 이루어질 수 있다.

여기서, 본 실시예의 전자 방출 소자는 집속 전극(16)이 게이트 전극(10)의 개구부(10a)보다 작은 크기의 개구부(16a)를 형성하여 집속 전극(16)을 지나는 전자빔 통과 부위의 직경을 감소시키고, 제2 절연층(14)이 제1 절연층(8)보다 큰 두께로 형성되어 집속 전극(16)이 전자 방출부(12)에 대해 큰 높이를 확보하는 구조를 제공한다.

상기 집속 전극(16)의 개구부(16a)는 전자 방출부(12)보다 크거나 같은 폭으로 형성될 수 있으며, 제2 절연층(14)은 전자 방출부(12)와 게이트 전극(10)으로부터 집속 전극(16)이 제2 기판(4)을 향해 높게 위치할 수 있도록 제1 절연층(8) 두께보다 큰 두께로 형성될 수 있다. 도 2와 도 3에서는 일례로 집속 전극(16)의 개구부(16a)가 전자 방출부(12)와 동일한 폭으로 형성된 경우를 도시하였다.

상기 제2 절연층(14)의 개구부(14a)는 제1 기판(2)으로부터 집속 전극(16)을 향할수록 그 폭이 점진적으로 작게 형성되어 전자 방출 소자를 단면으로 보았을 때, 제2 절연층(14)의 개구부(14a) 측벽이 소정의 기울기를 갖는 경사면으로 형성될 수 있다. 이러한 제2 절연층(14)은 집속 전극(16) 전체를 안정적으로 지지하여 전자 방출 구조물의 안정성을 높이는 역할을 한다.

상기 제2 절연층(14)은 임의의 식각액에 대해 서로 다른 식각률을 가지는 이종(異種) 절연층의 다층 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이 제2 절연층(14)은 2개 이상(도면에서는 4개)의 이종 절연층으로 이루어지며, 이들 절연층(18a, 18b, 18c, 18d)은 집속 전극(16)으로부터 멀어질수록 큰 식각률을 가진다. 상기 구조에 기초하여, 일례로 집속 전극(16)을 마스크로 사용하여 제2 절연층(14)을 습식 식각하면, 집속 전극(16)으로부터 먼 절연층일수록 큰 폭의 개구부가 형성되어 제2 절연층(14)은 전술한 형상의 개구부를 형성할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에서 제2 절연층(14)은 전자빔 이동 경로를 제1 기판(2)으로부터 멀어질수록 그 폭이 좁아지는 역 깔때기 모양으로 형성하며, 집속 전극(16)은 제2 절연층(14) 위에서 게이트 전극(10)의 개구부(10a)보다 작은 폭의 개구부(16a)를 가지며 형성된다. 상기 구조에서는 집속 전극(16)의 작아진 개구부(16a) 크기로 인해 전자들이 집속 전극(16)의 개구부(16a)를 통과하면서 일정한 직진성을 가지게 되고, 전자빔 경로에 대해 집속 전극(16)이 가깝게 위치할 수 있어 전자빔 집속 효율이 높아진다.

한편, 제2 절연층(14)의 개구부(14a) 측벽에는 도 3에 도시한 바와 같이 2차 전자 방출층(20)이 형성될 수 있다. 2차 전자 방출층(20)은 전자 방출부(12)에서 방출된 전자들이 제1 절연층(8)과 게이트 전극(10)을 통과한 후 제2 절연층(14)의 개구부(14a) 측벽에 부딪힐 때, 2차 전자를 방출하여 전자량을 배가시키는 역할을 한다. 상기 2차 전자 방출층(20)은 MgO 등의 산화물로 이루어질 수 있다.

다음으로, 제1 기판(2)에 대향하는 제2 기판(4)의 일면에는 형광층(22), 예를 들어 적색과 녹색 및 청색의 형광층이 임의의 간격을 두고 형성되고, 형광층(22) 사이로 화면의 컨트라스트 향상을 위한 흑색층(24)이 형성될 수 있다. 형광층(22)과 흑색층(24) 위로는 증착에 의한 금속막(예를 들어 알루미늄막)으로 이루어 지는 애노드 전극(26)이 형성된다. 애노드 전극(26)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)막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 제2 기판(4) 위로 투명한 애노드 전극(도시하지 않음)을 먼저 형성하고, 그 위에 형광층(22)과 흑색층(24)을 형성하며, 필요에 따라 형광층(22)과 흑색층(24) 위에 금속막을 형성하여 화면의 휘도를 높이는데 이용할 수 있다. 이러한 애노드 전극은 제2 기판(4) 전체에 형성되거나, 소정의 패턴으로 구분되어 복수개로 형성될 수 있다.

참고로, 도 2에서 인용 부호 28은 제1 기판(2)과 제2 기판(4)의 사이 간격을 일정하게 유지시키는 스페이서를 나타낸다.

이와 같이 구성되는 전자 방출 소자는, 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)에 소정의 구동 전압을 인가하면, 두 전극간 전압 차에 의해 전자 방출부(12) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 집속 전극(16)에 인가된 전압, 예를 들어 수십 볼트의 (-)전압에 의해 발산각이 작아지는 방향으로 힘을 받아 집속되며, 애노드 전극(26)에 인가된 고전압에 이끌려 제2 기판(4)으로 향하면서 해당 화소의 형광층(22)에 충돌하여 이를 발광시킨다.

상기한 구동 과정에서, 도 5에 도시한 바와 같이 전자 방출부(12)로부터 소정의 경사각을 가지고 퍼지면서 방출된 전자들과, 집속 전극(16)의 좁아진 개구부(16a)를 통과하지 못하고 차단된 전자들은 그 대부분이 2차 전자 방출층(20)에 부 딪히게 되고, 2차 전자 방출층(20)은 상기 전자들을 제공받아 다량의 2차 전자들을 생성한다. 이로써 본 실시예의 전자 방출 소자는 상기 전자들이 제2 절연층(14)의 개구부(14a) 내에서 증폭된 후 집속 전극(16)의 좁아진 개구부(16a)를 통과하면서 일정한 직진성을 가지게 되므로 전자빔 집속 효율이 높아지는 장점이 예상된다.

도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도이다. 도면을 참고하면, 본 실시예의 전자 방출 소자는 전술한 실시예의 제2 절연층을 구비하지 않고, 전술한 실시예의 집속 전극 대신 금속 메쉬(mesh) 형상의 그리드 전극(30)을 구비한 것을 제외하고는 전술한 실시예의 구성과 동일하게 이루어진다.

상기 그리드 전극(30)은 다수의 상, 하부 스페이서들(32, 34)에 의해 제1 기판(2) 및 제2 기판(4)과 일정한 간격을 유지하면서 양 기판 사이에 배치되고, 게이트 전극(10)의 개구부(10a)와 대응하는 위치에서 게이트 전극(10)의 개구부(10a)보다 작은 크기의 개구부(10a)를 형성한다. 그리드 전극(30)의 작아진 개구부(30a) 크기로 인한 전자빔 집속 효과는 전술한 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

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. 다시 말해, 상기에서는 전자 방출 소자로 FEA형 전자 방출 소자를 예로 하여 설명하였으나, 본 발명은 FEA형에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다.

이와 같이 본 발명에 의한 전자 방출 소자는 전술한 2차 전자 방출층에 의해 전자량을 증폭시킬 수 있으며, 전술한 제2 절연층과 집속 전극의 개구부 형상에 의해 전자빔의 직진성을 높여 전자빔 집속 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 전자 방출 소자는 화면의 색재현율을 높이는 등 화면 품질을 향상시키는 효과가 있으며, 전자 방출 구조물을 구성하는 각 요소들을 고집적으로 배치할 수 있어 고해상도 구현에 유리한 효과가 있다.

Claims (12)

1. 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과;

   상기 제1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과;

   상기 캐소드 전극과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들과;

   제1 절연층을 사이에 두고 상기 캐소드 전극들 위에 형성되며, 상기 전자 방출부들이 제1 기판 상에 노출되도록 하는 복수의 개구부를 갖는 게이트 전극들; 및

   제2 절연층을 사이에 두고 상기 제1 절연층 및 게이트 전극들 위에 형성되고, 상기 게이트 전극의 개구부와 대응되는 위치에서 게이트 전극의 개구부보다 작은 크기의 개구부를 형성하는 집속 전극

   을 포함하는 전자 방출 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 집속 전극의 개구부 폭이 상기 전자 방출부의 폭보다 크거나 같게 형성되는 전자 방출 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 절연층이 상기 제1 절연층보다 큰 두께를 가지며 형성되는 전자 방출 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 절연층이 상기 집속 전극의 개구부와 관통되는 개구부를 형성하고, 제2 절연층의 개구부가 집속 전극으로부터 제1 기판을 향할수록 그 폭이 점진적으로 커지는 전자 방출 소자.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제2 절연층의 개구부 측벽에 제공되는 2차 전자 방출층을 더욱 포함하는 전자 방출 소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 2차 전자 방출층이 MgO를 포함하는 산화물로 이루어지는 전자 방출 소자.
7. 제1항 또는 제4항에 있어서,

   상기 제2 절연층이 서로 다른 식각률을 갖는 이종(異種) 절연층의 다층 구조로 이루어지는 전자 방출 소자.
8. 제7항에 있어서,

   상기 집속 전극과 먼 절연층일수록 큰 식각률을 가지는 전자 방출 소자.
9. 제1항에 있어서,

   상기 집속 전극이 금속막과 금속판 가운데 어느 하나로 이루어지는 전자 방출 소자.
10. 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과;

    상기 제1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과;

    상기 캐소드 전극과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들과;

    절연층을 사이에 두고 상기 캐소드 전극들 위에 형성되며, 상기 전자 방출부들이 제1 기판 상에 노출되도록 하는 복수의 개구부를 갖는 게이트 전극들; 및

    상기 제1 기판 및 제2 기판과 일정한 간격을 두고 양 기판 사이에 설치되고, 상기 게이트 전극의 개구부와 대응되는 위치에서 게이트 전극의 개구부보다 작은 크기의 개구부를 형성하는 그리드 전극

    을 포함하는 전자 방출 소자.
11. 제1항 또는 제10항에 있어서,

    상기 전자 방출부가 카본 나노튜브, 그라파이트, 그라파이트 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀, 실리콘 나노와이어 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 전자 방출 소자.
12. 제1항 또는 제10항에 있어서,

    상기 제2 기판 위에 형성되는 적어도 하나의 애노드 전극과, 애노드 전극의 어느 일면에 형성되는 형광층을 더욱 포함하는 전자 방출 소자.

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