KR20060060116A - 전자 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자빔의 중앙부가 볼록해지는 현상을 개선하여 타색 발광을 억제할 수 있는 전자 방출 소자에 관한 것으로서,

본 발명에 따른 전자 방출 소자는 기판 위에서 제1 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극 및 게이트 전극과, 캐소드 전극과 전기적으로 연결되면서 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 기판의 일 방향을 따라 복수개로 구비되는 전자 방출부와, 제2 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극 및 게이트 전극 위에 형성되면서 복수의 전자 방출부를 둘러싸는 단일의 개구부를 형성하는 집속 전극을 포함한다. 이 때 집속 전극의 개구부는 그 중앙부에서 측정되는 폭이 개구부의 다른 부위에서 측정되는 폭보다 작은 값을 가진다.

전자방출부, 캐소드전극, 게이트전극, 애노드전극, 형광층, 집속전극, 절연층, 개구부

Description

전자 방출 소자 {ELECTRON EMISSION DEVICE}

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

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

도 3은 도 1에 도시한 제1 기판의 부분 평면도이다.

도 4는 집속 전극 개구부의 다른 실시예를 나타낸 집속 전극의 부분 평면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자에서 형광층에 도달하는 전자빔 형상을 나타낸 제2 기판의 부분 평면도이다.

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

일반적으로 전자 방출 소자는 전자원의 종류에 따라 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식으로 분류할 수 있다.

여기서, 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는 전계 방출 어레이(field emitter array; FEA)형, 표면 전도 에미터(surface conduction emitter; SCE)형, 금속-유전체-금속(metal-insulator-metal; MIM)형, 금속-유전체-반도체(metal-insulator-semiconductor; MIS)형 및 밸리스틱 전자 표면 방출(Baallistic electron Surface Emitting; BSE)형 등이 알려져 있다.

상기한 전자 방출 소자들은 그 종류에 따라 세부적인 구조가 상이하지만, 기본적으로는 진공 구조체를 구성하는 두 기판 중 제1 기판 위에 전자 방출부와 구동 전극들을 형성하여 전자 방출부로부터 전자들을 방출시키고, 제2 기판 위에 형광층을 구비하여 소정의 발광 또는 표시 작용을 하게 된다.

이러한 전자 방출 소자에 있어서 전자빔 경로를 목적하는 방향으로 유도하여 화면 특성을 향상시키려는 노력이 있어왔다. 일례로 제1 기판 측에서 방출된 전자들이 제2 기판에 마련된 형광층에 충돌하여 이를 발광시킬 때, 상기 전자들이 퍼지며 진행하는 경우에는 목적하는 형광층을 온전하게 발광시킬 수 없음은 물론 이웃한 다른 색의 형광층에 도달하여 이를 발광시키게 된다.

따라서 전자빔 제어를 위한 수단의 하나로 집속 전극이 제안되었다. 집속 전극은 전자 방출부를 둘러싸면서 전자 방출을 위한 구조물의 최상부에 위치하는 것이 일반적이며, 수 내지 수십 볼트의 (-)전압을 인가받아 전자빔이 집속 전극의 개구부를 통과할 때 전자들이 퍼지지 않고 일정한 직진성을 갖도록 집속시키는 역할을 한다.

그런데 종래의 전자 방출 소자는 전술한 집속 전극을 구비함에도 불구하고 전자빔이 통과하는 집속 전극의 개구부가 최적의 형상을 이루지 못하면, 형광층에 도달하는 전자빔의 형상을 목적하는 형상으로 구현하기 어려운 단점이 있다.

즉, 통상의 경우 제2 기판에는 적색, 녹색 및 청색의 형광층이 제2 기판에 설정되는 화소 영역마다 화면의 수직 방향을 따라 긴 슬릿 또는 스트라이프 모양으로 형성되므로, 제2 기판에 도달하는 전자빔의 형상 또한 각 형광층 형상에 맞게 슬릿 모양을 갖추는 것이 이상적이다.

그러나 종래의 전자 방출 소자는 집속 전극이 전자빔을 집속시킴에도 불구하고 제1 기판 측에서 방출된 전자들이 두 기판 사이의 진공 영역을 가로질러 제2 기판에 도달할 때에는 일정 부분 빔퍼짐이 발생하게 된다. 그 결과, 전자빔의 가운데 부분이 화면의 수평 방향을 따라 볼록한 항아리 모양을 갖추게 되어 여전히 타색 발광의 위험이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 집속 전극의 개구부 형상을 최적화하여 전자빔의 중앙부가 볼록해지는 현상을 개선하고, 타색 발광을 억제하여 화면 품질을 높일 수 있는 전자 방출 소자를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

제1 기판 위에 형성된 전자 방출부로부터 전자 방출을 제어하기 위한 적어도 하나의 구동 전극과, 전자 방출부로부터 방출된 전자들을 집속시키기 위한 집속 전극을 포함하는 전자 방출 소자에 있어서, 전자 방출부는 제1 기판의 일 방향을 따라 복수개로 구비되고, 집속 전극은 이 전자 방출부들을 둘러싸는 단일의 개구부를 형성하며, 집속 전극의 개구부는 그 중앙부에서 측정되는 폭이 개구부의 다른 부위에서 측정되는 폭보다 작은 값을 가지는 전자 방출 소자를 제공한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 위에서 제1 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극 및 게이트 전극과, 캐소드 전극과 전기적으로 연결되면서 제1 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 제1 기판의 일 방향을 따라 복수개로 구비되는 전자 방출부와, 제2 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극 및 게이트 전극 위에 형성되고, 복수의 전자 방출부를 둘러싸는 단일의 개구부를 형성하는 집속 전극을 포함하며, 집속 전극의 개구부는 그 중앙부에서 측정되는 폭이 개구부의 다른 부위에서 측정되는 폭보다 작은 값을 가지는 전자 방출 소자를 제공한다.

상기 집속 전극의 개구부는 제1의 폭을 갖는 중앙부와, 중앙부와 이어지면서 중앙부로부터 멀어질수록 점진적으로 확대되는 폭을 갖는 사선부와, 사선부와 이어지면서 제1의 폭보다 큰 제2의 폭을 갖는 제1 및 제2 주변부를 포함한다.

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 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시한 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 구조가 제공되어 제2 기판(4)을 향해 전자를 방출하며, 제2 기판(4)에는 전자에 의해 가시광을 방출하는 구조가 제공된다.

보다 구체적으로, 제1 기판(2) 위에는 캐소드 전극들(6)이 제1 기판(2)의 일 방향(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 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) 위로 각각의 화소 영역마다 복수의 전자 방출부(12)가 형성되고, 제1 절연층(8)과 게이트 전극(10)에는 각각의 전자 방출부(12)에 대응하는 개구부(8a, 10a)가 형성되고 제1 기판(2) 상에 전자 방출부(12)가 노출되도록 한다.

상기 전자 방출부들(12)은 각 화소 영역마다 캐소드 전극(6)의 길이 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있으며, 각 전자 방출부(12)의 평면 형상은 원형으로 이루어질 수 있다. 이 경우 제1 절연층(8)과 게이트 전극(10)의 개구부(8a, 10a) 또한 전자 방출부(12)의 평면 형상에 대응하여 원형으로 이루어진다.

전자 방출부(12)는 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 카본계 물질 또는 나노미터(nm) 사이즈 물질로 이루어진다. 전자 방출부(12)로 사용 바람직한 물질로는 카본 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀, 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질이 있으며, 전자 방출부(12)의 제조법으로는 직접 성장, 스크린 인쇄, 화학기상증착 또는 스퍼터링 등을 적용할 수 있다.

상기에서는 제1 절연층(8)을 사이에 두고 게이트 전극(10)이 캐소드 전극(6) 상부에 위치하는 경우를 설명하였으나, 그 반대의 경우, 즉 캐소드 전극이 게이트 전극 상부에 위치하는 경우도 가능하다. 이 때에는 전자 방출부가 캐소드 전극의 일측 가장자리에서 캐소드 전극과 접촉하며 위치한다.

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, 이 개구부(14a, 16a)는 일례로 화소 영역당 하나가 구비되어 복수개 전자 방출부(12)를 둘러싸는 구조를 이룬다. 이러한 집속 전극(16)은 도면에 나타낸 바와 같이 제1 기판(2) 전체에 형성될 수 있으며, 다른 예로서 소정의 패턴으로 나뉘어 형성될 수 있다.

다음으로, 제1 기판(2)에 대향하는 제2 기판(4)의 일면에는 형광층(18), 예를 들어 적색과 녹색 및 청색의 형광층이 임의의 간격을 두고 형성되고, 각 형광층(18) 사이로 화면의 컨트라스트 향상을 위한 흑색층(20)이 형성된다. 형광층(18)과 흑색층(20) 위로는 증착에 의한 금속막(예를 들어 알루미늄막)으로 이루어지는 애노드 전극(22)이 형성된다. 각 형광층(18)은 게이트 전극(10)과 직교하는 방향을 따라 긴 슬릿 또는 스트라이프 모양으로 형성될 수 있다.

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(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.

참고로, 도 2에서 인용 부호 26은 제1 기판(2)과 제2 기판(4)의 사이 간격을 일정하게 유지시키는 스페이서를 나타낸다.

본 실시예의 전자 방출 소자는 집속 전극(16)이 캐소드 전극(6)의 길이 방향을 따라 긴 개구부(16a)를 형성할 때, 이 개구부(16a)가 그 중앙부(24a)에서 가장 작은 폭을 갖도록 형성한다. 즉, 개구부(16a)의 중앙부(24a)에서 게이트 전극(10)의 길이 방향을 따라 측정되는 폭이 다른 부위에서 측정되는 폭보다 작은 값을 갖도록 한다.

보다 구체적으로, 집속 전극(16)의 개구부(16a)는 W1의 폭을 갖는 중앙부(24a)와, 중앙부(24a)를 사이에 두고 위치하면서 W1보다 큰 W2의 폭을 갖는 제1 및 제2 주변부(24b, 24c)로 이루어진다. 그리고 중앙부(24a)와 제1 및 제2 주변부(24b, 24c) 사이에는 중앙부(24a)로부터 제1 및 제2 주변부(24b, 24c)를 향하여 개구부(16a) 폭이 점진적으로 커지는 사선부(24d)가 마련되어 개구부(16a) 폭이 완만하게 변화하도록 한다.

이러한 집속 전극(16)의 개구부(16a) 형상은 추후 설명하는 전자 방출 소자 의 구동시 한 화소 영역에서 방출되는 전자빔 다발 중 그 중앙부에 위치하는 전자빔들에 집속 전극(16)을 가깝게 위치시켜 이 전자빔들에 보다 큰 집속력을 부여하기 위한 것이다.

이 때 캐소드 전극(6)의 길이 방향을 따라 측정되는 중앙부(24a)의 길이(L1, 도 3 참고)와, 사선부(24d)의 길이(L2, 도 3 참고) 및 제1, 제2 주변부(24b, 24c)의 길이(L3, 도 3 참고)는 서로 다른 값을 갖도록 형성되거나, 도 4에 도시한 바와 같이 모두 같은 값을 갖도록 형성될 수 있다.

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(22)에 인가된 고전압에 이끌려 제2 기판(4)으로 향하면서 해당 화소의 형광층(18)에 충돌하여 이를 발광시킨다.

이 때 본 실시예의 전자 방출 소자는 전술한 집속 전극(16)의 개구부(16a) 형상에 의해 한 화소 영역에서 방출되는 전자빔 다발 중 그 중앙부에 위치하는 전자빔들에 보다 큰 집속력을 부여한다. 이로써 도 5에 도시한 바와 같이 하나의 화소를 구동시켜 이로부터 방출된 전자빔들이 형광층(18)에 도달할 때, 이 전자빔들은 그 중앙부가 볼록해지지 않고 전자빔 좌우의 외곽 형상이 실질적인 직선을 이루어 대응하는 형광층(18) 안에 온전하게 도달할 수 있다. 도 5에서 전자빔의 외곽 형상을 점선으로 나타내었다.

상기에서는 전자 방출부가 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들로 이루어지고, 캐소드 전극과 게이트 전극으로 이루어진 구동 전극들이 전자 방출을 제어하는 FEA형에 대해서만 설명하였지만, 본 발명은 이러한 FEA형에만 한정되지 않고 다양하게 변형이 가능하다.

또한, 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 전술한 집속 전극 형상에 의해 형광층에 도달하는 전자빔이 좌우로 볼록해지는 현상을 억제하며, 한 화소 영역에서 방출된 전자빔 다발들이 대응되는 형광층 안에 온전하게 도달한다. 따라서 본 발명에 의한 전자 방출 소자는 타색 침범을 최소화하여 화면의 색 재현율이 높아지는 효과가 구현된다.

Claims (10)

1. 제1 기판 위에 형성된 전자 방출부로부터 전자 방출을 제어하기 위한 적어도 하나의 구동 전극과, 전자 방출부로부터 방출된 전자들을 집속시키기 위한 집속 전극을 포함하는 전자 방출 소자에 있어서,

   상기 전자 방출부는 상기 제1 기판의 일 방향을 따라 복수개로 구비되고, 상기 집속 전극은 이 전자 방출부들을 둘러싸는 단일의 개구부를 형성하며, 집속 전극의 개구부는 그 중앙부에서 측정되는 폭이 개구부의 다른 부위에서 측정되는 폭보다 작은 값을 가지는 전자 방출 소자.
2. 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과;

   상기 제1 기판 위에서 제1 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극 및 게이트 전극과;

   상기 캐소드 전극과 전기적으로 연결되면서 상기 제1 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 제1 기판의 일 방향을 따라 복수개로 구비되는 전자 방출부; 및

   제2 절연층을 사이에 두고 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극 위에 형성되고, 상기 복수의 전자 방출부를 둘러싸는 단일의 개구부를 형성하는 집속 전극

   을 포함하며,

   상기 집속 전극의 개구부는 그 중앙부에서 측정되는 폭이 개구부의 다른 부위에서 측정되는 폭보다 작은 값을 가지는 전자 방출 소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1 기판으로부터 상기 캐소드 전극, 제1 절연층 및 게이트 전극이 순차적으로 형성되고, 캐소드 전극과 게이트 전극이 서로 직교하는 방향을 따라 형성되는 전자 방출 소자.
4. 제3항에 있어서,

   상기 전자 방출부들이 상기 캐소드 전극 위에 형성되고, 상기 게이트 전극과 제1 절연층이 각 전자 방출부에 대응하여 이 전자 방출부가 제1 기판 상에 노출되도록 하는 각각의 개구부를 형성하는 전자 방출 소자.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 상기 캐소드 전극의 길이 방향을 따라 복수개로 구비되고, 상기 집속 전극의 개구부가 상기 전자 방출부의 배열 방향을 따라 긴 슬릿 형상으로 이루어지는 전자 방출 소자.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 집속 전극의 개구부는 제1의 폭을 갖는 중앙부와, 중앙부와 이어지면서 중앙부로부터 멀어질수록 점진적으로 확대되는 폭을 갖는 사선부와, 사선부와 이어지면서 제1의 폭보다 큰 제2의 폭을 갖는 제1 및 제2 주변부를 포함하는 전자 방출 소자.
7. 제6항에 있어서,

   상기 일 방향을 따라 상기 중앙부와 사선부 및 제1, 제2 주변부가 상이한 길이를 가지며 형성되는 전자 방출 소자.
8. 제6항에 있어서,

   상기 일 방향을 따라 상기 중앙부와 사선부 및 제1, 제2 주변부가 동일한 길이를 가지며 형성되는 전자 방출 소자.
9. 제2항에 있어서,

   상기 제2 기판 위에 형성되는 적어도 하나의 애노드 전극과, 애노드 전극의 어느 일면에 형성되는 형광층을 더욱 포함하는 전자 방출 소자.
10. 제1항 또는 제2항에 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.

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