KR20060060119A - 전자 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스페이서에 전하가 축적되지 않도록 하여 전자빔 경로 왜곡을 방지하고, 전자 방출부에서 방출되는 전자들을 집속시켜 타색 발광을 최소화하는 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 제1 기판 위에 형성되는 게이트 전극들과, 절연층을 사이에 두고 게이트 전극들 위에 형성되고 제1 기판의 일 방향을 따라 형성되는 라인부 및 라인부의 일측면으로부터 연장된 연장부들을 포함하는 캐소드 전극들과, 각 연장부와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 전자 방출부와, 게이트 전극과 전기적으로 연결되면서 절연층 위에서 각각의 연장부와 한 쌍의 전자 방출부를 둘러싸도록 형성되는 대향 전극과, 제1 기판과 제2 기판의 사이 공간에 배치되고 라인부와 직교하는 방향을 따라 전자 방출부와 이격되어 위치하는 스페이서들을 포함한다.

스페이서, 전자차징, 캐소드전극, 게이트전극, 전자방출부, 애노드전극

Description

전자 방출 소자 {ELECTRON EMISSION DEVICE}

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

도 2는 도 1의 조립 상태를 나타내는 부분 단면도이다.

도 3은 도 1에 도시한 제1 기판의 부분 평면도이다.

본 발명은 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 방출부와 구동 전극들 및 스페이서의 배열 구조를 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.

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

공지된 FEA형 전자 방출 소자의 일 구조는, 제1 기판 위에 게이트 전극과 절연층 및 캐소드 전극이 순차적으로 형성되고, 캐소드 전극의 일측 가장자리에 전자 방출부가 위치하며, 제1 기판에 대향하는 제2 기판의 일면에 형광층과 애노드 전극이 형성된 구조이다.

상기 구조에서 캐소드 전극과 게이트 전극에 소정의 구동 전압을 인가하면, 두 전극간 전압 차에 의해 전자 방출부 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 애노드 전극에 인가된 고전압(대략 5kV)에 이끌려 대응되는 형광층에 충돌함으로써 이를 발광시킨다.

이 때 제1 기판과 제2 기판 사이에는 다수의 스페이서가 배치되어 두 기판을 일정한 간격으로 유지시키며, 진공 구조체에 가해지는 압축력을 지지하여 진공 구조체의 변형 또는 파손을 방지하는 역할을 한다.

그런데 최근의 전자 방출 소자가 고해상도화 함에 따라, 제1 기판 상에 구동 전극들과 전자 방출부가 보다 조밀하게 배치되고 있으며, 이로 인해 스페이서 주위로 다량의 전자들이 진행하게 된다. 따라서 스페이서에 전자들이 부딪혀 스페이서가 차징되고, 차징된 스페이서는 그 주위를 진행하는 전자빔 경로를 왜곡시켜 오발 광을 일으키는 등 화면 품질을 저하시킨다.

또한 상기 구조에서는 전자 방출부 주위로 전자빔 집속에 관여하는 전극 또는 이를 위한 구조물 등이 마련되어 있지 않기 때문에, 전자들이 제2 기판을 향해 직진성을 갖지 못하고 제1 기판으로부터 임의의 경사각을 두고 비스듬하게 퍼지며 진행하는 경향이 있다. 이로써 특정 화소의 전자 방출부에서 방출된 전자들이 해당 화소의 형광층 뿐만 아니라 이웃 화소의 타색 형광층을 함께 발광시켜 화면의 색재현율이 저하되는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 스페이서에 전하가 축적되지 않도록 하여 전자빔 경로 왜곡을 방지하고, 전자 방출부에서 방출되는 전자들을 집속시켜 타색 발광을 최소화할 수 있는 전자 방출 소자를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 위에 형성되는 게이트 전극들과, 절연층을 사이에 두고 게이트 전극들 위에 형성되고 제1 기판의 일 방향을 따라 형성되는 라인부 및 라인부의 일측면으로부터 연장된 연장부들을 포함하는 캐소드 전극들과, 각 연장부와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 전자 방출부와, 게이트 전극과 전기적으로 연결되면서 절연층 위에서 각각의 연장부와 한 쌍의 전자 방출부를 둘러싸도록 형성되는 대향 전극과, 제1 기판과 제2 기판의 사이 공간에 배치되고 라인부와 직교하는 방향을 따라 전자 방출부와 이격되어 위치하는 스 페이서들을 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다.

상기 캐소드 전극은 라인부의 일측면으로부터 각 대향 전극 사이에 위치하도록 연장된 풋싱 전극부를 더욱 포함한다. 이 때 풋싱 전극부는 라인부와 전자 방출부간 최대 거리보다 큰 길이를 가지며 형성된다.

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 내부 공간부를 사이에 두고 서로 대향 배치되는 제1 기판(2)과 제2 기판(4)을 포함한다. 이 기판들 중 제1 기판(2)에는 전자 방출을 위한 구조물이 제공되고, 제2 기판(4)에는 전자에 의해 가시광을 방출하는 구조가 제공된다.

먼저, 제1 기판(2) 위에는 게이트 전극들(6)이 제1 기판(2)의 일방향(도면의 y축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 게이트 전극들(6)을 덮으면서 제1 기판(2) 전체에 절연층(8)이 형성된다. 절연층(8) 위에는 캐소드 전극들(10)이 기본적으로 게이트 전극(6)과 직교하는 방향(도면의 x축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.

각각의 캐소드 전극(10)은 게이트 전극(6)과 직교하는 라인부(10a)와, 라인부(10a)의 일측면으로부터 라인부(10a)와 직교하는 방향을 따라 연장된 다수의 연 장부들(10b)로 이루어진다. 본 실시예에서 게이트 전극(6)과 캐소드 전극(10)의 교차 영역을 화소 영역으로 정의하면, 연장부(10b)는 각 화소 영역마다 하나가 구비되고, 그 위치는 각 게이트 전극(6)의 중심부 위가 바람직하다.

상기 연장부(10b)는 게이트 전극(6)의 길이 방향에 따른 장변과, 라인부(10a)의 길이 방향에 따른 단변을 갖는 장방형으로 이루어지며, 전자 방출부(12)가 연장부(10b)의 두 장변측 가장자리에서 이와 접촉하며 형성된다.

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

그리고 제1 기판(2) 위에는 캐소드 전극(10)과 같은 층에 위치하면서 게이트 전극(6)과 전기적으로 연결되는 대향 전극(14)이 형성된다. 대향 전극(14)은 화소 영역마다 하나가 구비되며, 절연층(8) 위에서 연장부(10b)와 한 쌍의 전자 방출부(12)를 둘러싸도록 형성된다.

즉, 대향 전극(14)은 연장부(10b)의 단변측 가장자리와 이격되어 위치하면서 절연층(8)에 형성된 비어 홀(via hole, 8a)을 통해 게이트 전극(6)과 접촉하여 이와 전기적으로 연결되는 통전부(14a)와, 통전부(14a)로부터 라인부(10a)를 향해 연 장되어 전자 방출부(12)와 이격되어 위치하는 한 쌍의 돌출부(14b)로 이루어진다.

대향 전극(14)은 전자 방출 소자 구동시, 게이트 전극(6)에 소정의 구동 전압이 인가되어 전자 방출부(12) 주위로 전자 방출을 위한 전계를 형성할 때, 그 자신도 전자 방출부(12)를 향해 전자 방출을 위한 전계를 추가로 형성함에 따라, 게이트 전극들(6)에 구동 전압을 적게 걸면서도 전자 방출부(12)로부터 전자들이 양호하게 방출되도록 하는 역할을 한다.

또한, 절연층(8) 위로 각 대향 전극(14) 사이에는 라인부(10a)의 일측면으로부터 라인부(10a)와 직교하는 방향을 따라 연장된 풋싱 전극부(16)가 형성된다. 즉, 풋싱 전극부(16)는 도면의 x축 방향을 따라 각 화소 영역의 경계 지점에 위치하며, 바람직하게 라인부(10a)와 전자 방출부(12)간 최대 거리(d1, 도 3 참고)보다 큰 길이(d2, 도 3 참고)를 가지며 형성된다.

이러한 풋싱 전극부(16)는 전자 방출 소자 구동시 특정 화소의 전자 방출부(12)로부터 전자들이 방출될 때에 캐소드 전극(10)에 인가된 음의 주사 신호로 인해 상기 전자들을 풋싱하여 화소 영역별 전자빔의 직진성을 높이는 역할을 한다.

다음으로, 제1 기판(2)에 대향하는 제2 기판(4)의 일면에는 형광층(18)과 흑색층(20)이 형성되고, 형광층(18)과 흑색층(20) 위로는 증착에 의한 금속막(예를 들어 알루미늄막)으로 이루어지는 애노드 전극(22)이 형성된다. 애노드 전극(22)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가받으며, 형광층(18)으로부터 제1 기판(2)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(4) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높이는 역할을 한다.

한편, 애노드 전극은 금속막이 아닌 인듐 틴 옥사이드(ITO)와 같은 투명 도전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 애노드 전극은 제2 기판(4)에 대향하는 형광층(18)과 흑색층(20) 일면에 형성되며, 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, 두 기판 사이의 비발광 영역에 다수의 스페이서(24)를 위치시킨 상태에서 그 사이에 형성되는 내부 공간을 배기시켜 진공 상태로 유지함으로써 전자 방출 소자를 구성한다.

이 때, 스페이서(24)는 게이트 전극(6)의 길이 방향을 따라 전자 방출부(12)와 이격되어 위치하고, 더욱 바람직하게는 게이트 전극(6)의 길이 방향을 따라 전자 방출부(12)와 동일 선상에 위치하여 스페이서(24)가 전자빔 경로로부터 가능한 멀리 위치하도록 한다.

상기한 구성의 전자 방출 소자는, 캐소드 전극(10)과 게이트 전극(6)에 소정의 구동 전압을 인가하면, 두 전극간 전압 차에 의해 전자 방출부(12) 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, 전자들이 라인부(10a)의 길이 방향을 따라 제2 기판(4)을 향해 진행하므로 스페이서(24) 주위로는 소량의 전자들이 진행하게 된다. 이 로 인해 본 실시예의 전자 방출 소자는 스페이서(24)에 전하가 축적되는 것을 억제하여 스페이서(24)의 전하 축적에 따른 전자빔 경로 왜곡을 최소화할 수 있다.

그리고 본 실시예의 전자 방출 소자는 화소 영역마다 2개의 전자 방출부(12)가 배치되어 이들로부터 동시에 전자가 방출되므로, 화소별 전자 방출량이 증가하여 고휘도 화면을 구현할 수 있다.

또한, 전자 방출 소자 구동시 전술한 풋싱 전극부(16)가 전자들을 집속시킬 수 있도록 캐소드 전극(10)에는 게이트 전극(6)에 인가되는 구동 전압보다 낮은 구동 전압이 인가된다. 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 전압 차가 임계치 이상인 화소에서 전자 방출이 일어난다.

상기에서 전자 방출이 일어나는 화소를 도 2에 도시한 3개의 화소 가운데 가운데 화소로 가정하면, 이 화소의 좌, 우측에 위치하는 2개의 풋싱 전극부(16)는 주사 신호에 따른 (-)전위를 유지한다. 따라서 이 2개의 풋싱 전극부(16)가 가운데 화소에서 방출되는 전자들을 풋싱하여 전자빔의 직진성을 높인다.

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 스페이서에 전하가 축적되는 것을 최소화하여 스페이서 차징에 의한 전자빔 왜곡과 이에 따른 오방전 등을 억제할 수 있다. 또한 본 발명에 의한 전자 방출 소자는 캐소드 전극으로부터 연장된 풋싱 전극부가 각 화소 영역에서 방출되는 전자빔의 직진성을 높여 화면의 색재현율을 향상시키는 효과를 갖는다.

Claims (11)

1. 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과;

   상기 제1 기판 위에 형성되는 게이트 전극들과;

   절연층을 사이에 두고 상기 게이트 전극들 위에 형성되고, 상기 제1 기판의 일 방향을 따라 형성되는 라인부 및 라인부의 일측면으로부터 연장된 연장부들을 포함하는 캐소드 전극들과;

   상기 각 연장부와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 전자 방출부와;

   상기 게이트 전극과 전기적으로 연결되면서 상기 절연층 위에서 각각의 연장부와 한 쌍의 전자 방출부를 둘러싸도록 형성되는 대향 전극; 및

   상기 제1 기판과 제2 기판의 사이 공간에 배치되고, 상기 라인부와 직교하는 방향을 따라 상기 전자 방출부와 이격되어 위치하는 스페이서들

   을 포함하는 전자 방출 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 게이트 전극과 상기 캐소드 전극의 라인부가 서로 직교하는 방향을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되는 전자 방출 소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 캐소드 전극의 연장부들이 상기 각 게이트 전극 상부에 대응하여 배치 되는 전자 방출 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 연장부가 상기 라인부와 직교하는 방향에 따른 장변과 라인부의 길이 방향에 따른 단변을 가지며, 상기 전자 방출부가 연장부의 두 장변측 가장자리에서 연장부와 접촉하며 위치하는 전자 방출 소자.
5. 제4항에 있어서,

   상기 대향 전극이 상기 연장부의 단변측 가장자리와 떨어져 위치하면서 절연층에 형성된 비어 홀을 통해 상기 게이트 전극과 접촉하는 통전부와, 통전부로부터 연장되어 상기 각 전자 방출부와 이격되어 위치하는 한 쌍의 돌출부를 포함하는 전자 방출 소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 라인부의 일측면으로부터 상기 각 대향 전극 사이에 위치하도록 연장된 풋싱 전극부를 더욱 포함하는 전자 방출 소자.
7. 제6항에 있어서,

   상기 풋싱 전극부가 상기 라인부와 전자 방출부간 최대 거리보다 큰 길이를 가지며 형성되는 전자 방출 소자.
8. 제1항에 있어서,

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

   상기 스페이서가 상기 캐소드 전극의 라인부와 직교하는 방향을 따라 상기 전자 방출부들과 동일 선상에 위치하는 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.
11. 제1항에 있어서,

    상기 캐소드 전극이 음의 주사 신호를 인가받고, 상기 게이트 전극이 양의 데이터 신호를 인가받는 전자 방출 소자.

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