KR20060019854A - 전자 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화면의 수평 해상도를 높이고, 전자 방출량을 늘여 화면 휘도를 향상시키기 위한 전자 방출 소자에 관한 것으로서,

기판 위에 형성되는 게이트 전극과; 게이트 전극을 덮으면서 기판 위에 형성되는 절연층과; 절연층 위에 형성되는 캐소드 전극과; 캐소드 전극의 일측면으로부터 연장되고 기판 상에 설정되는 화소 영역들 중 이웃한 두 화소 영역의 경계에 위치하는 제1 연장부 및 제1 연장부의 양측면으로부터 상기 두 화소 영역의 내부를 향해 연장되는 적어도 2개의 제2 연장부를 포함하는 연장부와; 캐소드 전극 및 연장부에 전기적으로 연결되는 전자 방출부와; 절연층 위에서 상기 연장부 및 전자 방출부와 이격되어 위치하고, 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 대향 전극을 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다.

캐소드전극, 게이트전극, 전자방출부, 애노드전극, 형광층, 대향전극

Description

전자 방출 소자 {ELECTRON EMISSION DEVICE}

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

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 평면도이다.

본 발명은 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화면의 수평 해상도를 높이기 위하여 전자 방출부와 구동 전극들의 배열 구조를 개선한 전자 방출 소자에 관한 것이다.

일반적으로 전자 방출 소자는 전자원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 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 Emitter)형 전자 방출 소자 등이 알려져 있다.

상기한 전자 방출 소자들은 그 종류에 따라 세부적인 구조가 상이하지만, 기 본적으로는 진공 용기 내에 전자 방출을 위한 구조물을 형성하여 이로부터 전자를 방출시키며, 이 전자를 이용하는 대상물로서 형광층을 구비하는 경우 소정의 발광 또는 표시 작용을 하게 된다.

상기한 전자 방출 소자들 가운데 FEA형은 일 함수(work function)이 낮거나 종횡비(aspect ratio)가 큰 물질을 전자원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로서, 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물이나 카본 나노튜브, 흑연, 다이아몬드상 카본과 같은 카본계 물질을 전자원으로 적용한 예가 개발되고 있다.

상기 FEA형 전자 방출 소자의 공지된 일 구조로서 제1 기판 위에 게이트 전극들과 절연층 및 캐소드 전극들이 순차적으로 형성되고, 캐소드 전극의 일측 가장자리에 전자 방출부가 형성되며, 제2 기판 위에 형광층과 애노드 전극이 형성된 구조가 있다. 게이트 전극들과 캐소드 전극들은 서로 교차하는 스트라이프 패턴으로 형성된다. 또한, 절연층 위에는 게이트 전극과 전기적으로 연결되며 전자 방출부와 임의의 거리를 두고 위치하는 대향 전극이 더욱 형성될 수 있다.

전술한 구조에서, 캐소드 전극과 게이트 전극에 소정의 구동 전압을 인가하면, 두 전극간 전위 차에 의해 전자 방출부 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 애노드 전극에 인가된 고전압에 이끌려 형광층에 충돌함으로써 이를 발광시킨다.

그런데 상기 전자 방출부로부터 전자가 방출될 때, 캐소드 전극 방향(통상 화면의 수평 방향)을 따라 전자빔 퍼짐이 발생하게 된다. 이러한 전자빔 퍼짐은 게이트 전극과 캐소드 전극의 교차 영역을 화소 영역으로 정의할 때, 해당 화소의 형광층 뿐만 아니라 이웃 화소의 타색 형광층을 함께 발광시키는 결과로 이어진다. 따라서 종래의 전자 방출 소자는 캐소드 전극 방향을 따라 화소간 거리를 충분히 확보해야 하므로 화면의 수평 해상도가 낮은 단점이 있다.

또한, 종래의 전자 방출 소자는 대게 화소마다 하나의 전자 방출부를 형성하고 있으므로 전자 방출량이 충분하지 못한 실정이며, 더욱이 실제 전자 방출 소자 구동시 전자들은 대향 전극과 마주보는 전자 방출부의 일측 가장자리에서 집중적으로 방출되는 경향을 나타낸다. 이로써 종래의 전자 방출 소자는 전자 방출부로부터 실제 전자가 방출되는 에미션 사이트가 충분하지 않아 화면의 휘도를 높이는데 한계가 있다.

또한, 각각의 전자 방출부는 공정 산포에 의해 그 형상에 있어 약간의 불규칙한 특성을 갖게 되는데, 상기와 같이 화소마다 하나의 전자 방출부가 위치하는 구조에서는 이로 인해 화소별 전자 방출 특성이 불균일하게 될 수 있으며, 이는 곧 화소별 발광 균일도 저하로 이어진다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 캐소드 전극 방향을 따라 화소간 거리를 좁혀 화면의 수평 해상도를 높이고, 각 화소내 에미션 사이트를 늘려 화면의 휘도를 향상시키며, 화소별 에미션 특성을 균일하게 제어할 수 있는 전자 방출 소자를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

기판 위에 형성되는 게이트 전극과, 게이트 전극을 덮으면서 기판 위에 형성되는 절연층과, 절연층 위에 형성되는 캐소드 전극과, 캐소드 전극의 일측면으로부터 연장되고 기판 상에 설정되는 화소 영역들 중 이웃한 두 화소 영역의 경계에 위치하는 제1 연장부 및 제1 연장부의 양측면으로부터 두 화소 영역의 내부를 향해 연장되는 적어도 2개의 제2 연장부를 포함하는 연장부와, 캐소드 전극 및 연장부에 전기적으로 연결되는 전자 방출부와, 절연층 위에서 연장부 및 전자 방출부와 이격되어 위치하고 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 대향 전극을 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다.

상기 게이트 전극과 캐소드 전극은 서로 교차하는 스트라이프 패턴으로 형성되며, 제1 연장부가 한 쌍의 게이트 전극 사이에 대응 배치된다.

상기 제2 연장부는 각각의 화소 영역에서 제1 연장부의 연장 방향을 따라 적어도 2개가 평행하게 배치되며, 전자 방출부는 제2 연장부와 접촉하며 위치할 수 있다.

상기 제2 연장부는 제1 연장부로부터 캐소드 전극 방향을 따라 연장되어 상기 캐소드 전극과 평행한 장변을 가지며, 전자 방출부는 제2 연장부의 장변측 양측면과 접촉하며 위치할 수 있다.

상기 대향 전극은 절연층에 형성된 비아 홀(via hole)을 통해 게이트 전극과 접촉하는 통전부를 포함하며, 연장부와 2개의 빗이 맞물리는 형상으로 이루어진다. 상기 통전부는 연장부의 최외곽 제2 연장부 바깥에 위치할 수 있으며, 대향 전극은 제2 연장부들 사이 그리고 제2 연장부와 캐소드 전극 사이에 위치하는 전계 인가부들과, 통전부와 전계 인가부들을 연결하며 제1 연장부와 평행한 연결부를 더욱 포함한다.

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 부분 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시한 전자 방출 소자 중 제1 기판의 부분 평면도이다.

도면을 참고하면, 전자 방출 소자는 진공 영역을 사이에 두고 서로 대향 배치되는 제1 기판(2)과 제2 기판(4)을 포함한다. 제1 기판(2)에는 전자 방출을 위한 구조물이 제공되어 제2 기판(4)을 향해 전자를 방출하며, 제2 기판(4)에는 전자에 의해 가시광을 방출하는 발광부가 제공된다.

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

본 실시예에서 게이트 전극(6)과 캐소드 전극(10)의 교차 영역을 화소 영역으로 정의하면, 캐소드 전극(10)의 일측면에는 2개 화소에 걸쳐 위치하는 연장부들 (12)이 형성된다. 이 연장부(12)는 캐소드 전극(10) 및 전자 방출부(14)와 전기적으로 연결되고, 다음에 설명하는 대향 전극(16)과 2개의 빗이 맞물리는 구조로 이루어져 대향 전극(16)과 함께 전자 방출부(14) 주위에 전자 방출에 필요한 전계를 형성하는 역할을 한다.

도 3을 참고하면, 연장부(12)는 캐소드 전극(10)의 일측면으로부터 게이트 전극(6) 방향을 따라 연장되며 한 쌍의 게이트 전극(6) 사이에 대응 배치되는 제1 연장부(12a)와, 제1 연장부(12a)의 양측면으로부터 제1 연장부(12a) 좌측의 화소 영역과 제1 연장부(12a) 우측의 화소 영역을 향해 각각 연장되는 제2 연장부(12b)로 이루어진다.

상기 제2 연장부(12b)는 각각의 화소 영역에서 게이트 전극(6) 방향을 따라 적어도 2개가 평행하게 배치되는 것이 바람직하며, 도면에서는 일례로 게이트 전극(6) 방향을 따라 3개의 제2 연장부(12b)가 위치하는 구성을 도시하였다. 제2 연장부(12b)는 제1 연장부(12a)로부터 캐소드 전극(10) 방향을 따라 연장되어 캐소드 전극(10)과 평행한 장변을 가진다.

그리고 제2 연장부(12b)에는 적어도 일부가 제2 연장부(12b)와 접촉하며 위치하는 전자 방출부(14)가 형성된다. 전자 방출부(14)는 각각의 화소 영역마다 복수개로 구비되는데, 바람직하게 전자 방출부(14)는 캐소드 전극(10)과 평행한 제2 연장부(12b)의 장변측 양측면과 접촉하면서 절연층(8) 위에 형성되고, 제2 연장부(12b)와 마주보는 캐소드 전극(10)의 일측면 부위에서 이와 접촉하면서 절연층(8) 위에 형성된다.

상기 전자 방출부(14)는 제2 연장부(12b)의 길이 방향을 따라 길게 배치되며, 각 화소 영역마다 3개 이상의 전자 방출부(14)가 위치한다.

본 실시예에서 전자 방출부(14)는 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 카본계 물질 또는 나노미터(nm) 사이즈 물질로 이루어진다. 전자 방출부(14)로 사용 바람직한 물질로는 카본 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀, 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질이 있다. 전자 방출부(14)의 제조법으로는 직접 성장, 스크린 인쇄, 화학기상증착 또는 스퍼터링 등을 적용할 수 있다.

또한, 절연층(8) 위에는 캐소드 전극(10) 및 연장부(12)와 이격되어 위치하면서 게이트 전극(6)과 전기적으로 연결되는 대향 전극(16)이 형성된다. 대향 전극(16)은 각각의 화소 영역마다 제공되며, 절연층(8)에 형성된 비아 홀(via hole, 8a)을 통해 게이트 전극(6)과 접촉하여 이와 전기적으로 연결되는 통전부(16a)와, 제2 연장부들(12b) 사이 그리고 제2 연장부(12b)와 캐소드 전극(10) 사이에 위치하도록 통전부(16a)로부터 연장되는 전계 인가부들(16b)로 이루어진다.

특히 대향 전극(16)은 연장부(12)의 최외곽 제2 연장부(12b) 바깥에 통전부(16a)를 위치시키고, 통전부(16a)와 전계 인가부들(16b) 사이에 제1 연장부(12a)와 평행한 연결부(16c)를 형성한 구성으로 이루어진다. 이러한 대향 전극(16) 구조에서는 캐소드 전극(10) 방향(통상 화면의 수평 방향)을 따라 측정되는 화소 영역의 폭을 효과적으로 축소시킬 수 있다.

이로써 전자 방출 소자를 평면으로 보았을 때, 연장부(12)의 제2 연장부들(12b)과 대향 전극(16)의 전계 인가부들(16b)은 2개의 빗이 서로 맞물리는 형상으로 이루어진다. 이 때, 대향 전극(16)의 전계 인가부들(16b)은 전자 방출부(14)와 쇼트가 일어나지 않을 정도의 미세 간격을 두고 위치하는 것이 바람직하다.

상기 대향 전극(16)은 전자 방출 소자 구동시, 게이트 전극(6)에 소정의 구동 전압이 인가되어 전자 방출부(14) 주위로 전자 방출을 위한 전계를 형성할 때, 그 자신도 전자 방출부(14)를 향해 전자 방출을 위한 전계를 추가로 형성한다. 이에 따라 대향 전극(16)은 게이트 전극들(6)에 구동 전압을 적게 걸면서도 전자 방출부(14)로부터 전자들이 양호하게 방출되도록 하는 역할을 한다.

다음으로, 제1 기판(2)에 대향하는 제2 기판(4)의 일면에는 형광층(18), 예를 들어 적색과 녹색 및 청색의 형광층이 임의의 간격을 두고 형성되고, 형광층(18) 사이로 화면의 컨트라스트 향상을 위한 흑색층(20)이 형성될 수 있다. 형광층(18)과 흑색층(20) 위로는 증착에 의한 금속막(예를 들어 알루미늄막)으로 이루어지는 애노드 전극(22)이 형성된다.

상기 애노드 전극(22)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 전압(대략, 수백~수천 볼트의 (+)전압)을 인가받으며, 메탈 백(metal back) 효과에 의해 화면의 휘도를 높이는 역할을 한다.

한편, 애노드 전극(22)은 금속막이 아닌 투명한 도전막, 예를 들어 ITO(indium tin oxide)막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 제2 기판(4) 위로 투명한 도전막으로 이루어진 애노드 전극(도시하지 않음)을 먼저 형성하고, 그 위에 형광 층(18)과 흑색층(20)을 형성하며, 필요에 따라 형광층(18)과 흑색층(20) 위에 금속막을 형성하여 화면의 휘도를 높이는데 이용할 수 있다. 이러한 애노드 전극은 제2 기판(4) 전체에 형성되거나, 소정의 패턴으로 구분되어 복수개로 형성될 수 있다.

상기한 구성의 제1 기판(2)과 제2 기판(4)은 캐소드 전극(10)과 애노드 전극(22)이 서로 마주한 상태에서 임의의 간격을 두고 그 둘레에 도포되는 프릿(frit)과 같은 실링 물질에 의해 접합되며, 그 사이에 형성되는 내부 공간을 배기시켜 진공 상태로 유지함으로써 전자 방출 소자를 구성한다. 이 때, 제1 기판(2)과 제2 기판(4) 사이에는 다수의 스페이서(24)가 배치되어 양 기판의 사이 간격을 일정하게 유지시킨다.

이와 같이 구성되는 전자 방출 소자는, 캐소드 전극(10)과 게이트 전극(6)에 소정의 구동 전압을 인가하면, 두 전극간 전위 차에 의해 전자 방출부(14) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 애노드 전극(22)에 인가된 고전압에 이끌려 제2 기판(4)으로 향하면서 해당 화소의 형광층(18)에 충돌하여 이를 발광시킨다.

전술한 구동 과정에서, 캐소드 전극(10)과 전기적으로 연결된 하나의 연장부(12)가 2개의 화소 영역에 걸쳐 위치하지만, 캐소드 전극(10)과 게이트 전극(6)간 전압 차가 임계치 이상인 화소 영역에 한해 전자 방출이 선택적으로 일어나므로, 본 실시예의 전자 방출 소자는 화소별 구동 특성은 그대로 유지한채 캐소드 전극(10) 방향을 따라 측정되는 화소 영역의 폭을 줄일 수 있어 화면의 수평 해상도를 높이는데 유리한 장점을 갖는다.

또한, 캐소드 전극(10)에 인가되는 구동 전압이 게이트 전극(6)에 인가되는 구동 전압보다 낮은 경우, 2개 화소 영역에 걸쳐 위치하는 연장부(12)가 이 연장부(12)를 공유하는 이웃한 2개의 화소 영역에 대하여 전자빔 퍼짐을 억제하는 풋싱(pushing) 전극으로 기능할 수 있다.

일례로, 캐소드 전극(10)에는 수~수십 볼트의 (-)주사 신호가 인가되고, 게이트 전극(6)에는 수~수십 볼트의 (+)데이터 신호가 인가될 수 있다. 이로써 캐소드 전극들(10)에 순차적으로 주사 신호를 인가하고, 선택된 캐소드 전극(10)에 대응하는 게이트 전극들(6)에 선택적으로 데이터 신호를 인가하면, 두 전극간 전위 차가 임계치 이상인 화소에서 전자 방출이 일어난다.

상기에서 전자 방출이 일어나는 화소를 도 3에 도시한 2개의 화소 영역 가운데 왼쪽 화소로 가정하면, 제1 연장부(12a)와 오른쪽 화소에 위치하는 제2 연장부들(12b)은 오른쪽 화소의 온/오프에 관계없이 주사 신호에 따른 (-)전위를 유지한다. 이러한 제1 연장부(12a)와 제2 연장부들(12b)이 왼쪽 화소에서 방출된 전자들을 풋싱하여 캐소드 전극(10) 방향에 따른 전자빔 퍼짐을 억제한다.

또한, 본 실시예의 전자 방출 소자는 각 화소마다 3개 이상의 전자 방출부(14)를 형성함에 따라, 한 화소 내에서 실제 전자를 방출하는 에미션 사이트를 효과적으로 증가시킬 수 있어 화면의 휘도를 높이고, 화소별 에미션 특성을 균일화하여 화소별 발광 균일도를 높이는 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 화소별 구동 특성은 유지한채 캐소드 전극 방향을 따라 측정되는 화소 영역의 폭을 줄일 수 있어 화면의 수평 해상도를 높이는데 유리하다. 또한 본 발명에 의한 전자 방출 소자는 각 화소마다 3개 이상의 전자 방출부를 형성함에 따라, 화면의 휘도를 높이고, 화소별 발광 균일도를 높이는 효과를 갖는다.

Claims (10)

1. 진공 영역을 사이에 두고 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과;

   상기 제1 기판 위에 형성되는 게이트 전극과;

   상기 게이트 전극을 덮으면서 상기 제1 기판 위에 형성되는 절연층과;

   상기 절연층 위에 형성되는 캐소드 전극과;

   상기 캐소드 전극의 일측면으로부터 연장되고 상기 제1 기판 상에 설정되는 화소 영역들 중 이웃한 두 화소 영역의 경계에 위치하는 제1 연장부와, 제1 연장부의 양측면으로부터 상기 두 화소 영역의 내부를 향해 연장되는 적어도 2개의 제2 연장부를 포함하는 연장부와;

   상기 캐소드 전극 및 상기 연장부에 전기적으로 연결되는 전자 방출부; 및

   상기 절연층 위에서 상기 연장부 및 전자 방출부와 이격되어 위치하고, 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결되는 대향 전극

   을 포함하는 전자 방출 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 게이트 전극과 캐소드 전극이 서로 교차하는 스트라이프 패턴으로 형성되며, 상기 제1 연장부가 한 쌍의 게이트 전극 사이에 대응 배치되는 전자 방출 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 연장부가 상기 각각의 화소 영역에서 상기 제1 연장부의 연장 방향을 따라 적어도 2개가 평행하게 배치되는 전자 방출 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 상기 제2 연장부와 접촉하며 위치하는 전자 방출 소자.
5. 제2항에 있어서,

   상기 제2 연장부가 상기 제1 연장부로부터 상기 캐소드 전극 방향을 따라 연장되어 상기 캐소드 전극과 평행한 장변을 가지며,

   상기 전자 방출부가 상기 제2 연장부의 장변측 양측면과 접촉하며 위치하는 전자 방출 소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2 연장부와 마주보는 상기 캐소드 전극의 일측면 부위에서 이와 접촉하며 위치하는 전자 방출부를 더욱 포함하는 전자 방출 소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 대향 전극이 상기 절연층에 형성된 비아 홀(via hole)을 통해 상기 게이트 전극과 접촉하는 통전부를 포함하며, 상기 연장부와 2개의 빗이 맞물리는 형 상으로 이루어지는 전자 방출 소자.
8. 제8항에 있어서,

   상기 통전부가 상기 연장부의 최외곽 제2 연장부 바깥에 위치하며, 상기 대향 전극이 상기 제2 연장부들 사이 그리고 제2 연장부와 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전계 인가부들과, 통전부와 전계 인가부들을 연결하며 상기 제1 연장부와 평행한 연결부를 더욱 포함하는 전자 방출 소자.
9. 제1항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 카본 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀ 및 실리콘 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전자 방출 소자.
10. 제1항에 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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