KR20060060483A - 전자 방출 소자 - Google Patents

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KR20060060483A
KR20060060483A KR1020040099557A KR20040099557A KR20060060483A KR 20060060483 A KR20060060483 A KR 20060060483A KR 1020040099557 A KR1020040099557 A KR 1020040099557A KR 20040099557 A KR20040099557 A KR 20040099557A KR 20060060483 A KR20060060483 A KR 20060060483A
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이병곤
전상호
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 제1 기판 상에 설정된 유효 영역의 최외곽 부위에서 발생하는 이상 전기장이나 전기장 왜곡을 억제하여 화면의 표시 품질을 높일 수 있는 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 상에 제공되며 전자들을 방출하는 전자 방출 유닛과, 제2 기판 상에 제공되며 전자들로 가시광을 방출하는 발광부와, 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되고 전자빔 통과를 위한 개구부들이 형성된 유공부 및 유공부를 둘러싸는 무공부를 구비하는 그리드 전극을 포함한다. 이 때, 그리드 전극의 무공부는 적어도 일부가 제1 기판 상에 설정되는 유효 영역 및 제2 기판 상에 설정되는 유효 영역 외측에 대응하여 배치된다.
전자방출부, 캐소드전극, 게이트전극, 그리드전극, 애노드전극, 형광층, 유공부, 무공부

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 그리드 전극의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자에서 제1 기판과 그리드 전극의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자에서 제2 기판과 그리드 저극의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자의 평면도이다.
본 발명은 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공 구조체 내부에 그리드 전극을 설치하여 전자빔을 집속시킴과 아울러 아크 방전에 의한 전자 방출 구조물의 손상을 방지하도록 구성한 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 2개의 기판 중 제1 기판 위에 전자 방출부와 구동 전극들을 형성하고, 제2 기판 위에 형광층과 더불어 제1 기판 측에서 방출된 전자들이 제2 기판을 향해 양호하게 가속되도록 하는 애노드 전극을 구비하고 있다.
이로써 전자 방출 소자는 제1 기판에 마련된 전자 방출부로부터 전자들을 방출시키고, 이 전자들이 애노드 전극에 인가된 고전압(대략 수백 내지 수천 볼트의 (+)전압)에 이끌려 제2 기판으로 향하면서 대응되는 형광층에 충돌함으로써 소정의 발광 또는 표시 작용을 하게 된다.
그런데 종래의 전자 방출 소자는 구동시 제1 기판 상에 제공되는 전자 방출 구조물의 최외곽 부위, 즉 전자 방출이 일어나는 유효 영역의 최외곽 부위에서 구조물의 연속성이 끊어짐으로 인해 다른 부위보다 강한 전기장이 인가되거나 전기장이 왜곡되는 현상이 일어나게 된다.
이러한 현상은 특히 전계를 이용하여 전자 방출부로부터 전자를 방출시키는 FEA형 전자 방출 소자에서 더욱 심각하게 발생한다.
상기 문제점을 해소하기 위하여 유효 영역의 최외곽 부위에 실질적으로 전자 방출에 기여하지 않는 여분의 전극들, 즉 더미 전극들을 형성한 구조가 제안되었다.
그러나 최근의 전자 방출 소자가 화면 휘도를 높이기 위해 애노드 전극에 보다 큰 전압을 인가하는 추세에 있으므로, 종래의 전자 방출 소자는 전술한 더미 전극들을 구비함에도 불구하고 유효 영역의 최외곽 부위에서 발생하는 이상 전기장이나 전기장 왜곡을 효과적으로 예방하기 어려우며, 그 결과 화면의 가장자리 부위에서 표시 품질이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 애노드 전극에 고전압을 인가하는 경우에 있어서도 유효 영역의 최외곽 부위에서 발생하는 이상 전기장이나 전기장 왜곡을 효율적으로 억제하여 화면의 표시 품질을 높일 수 있는 전자 방출 소자를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 상에 절연층을 사이에 두고 배치되는 제1 전극들 및 제2 전극들과, 제1 전극들에 전기적으로 연결되는 전자 방출부들과, 제2 기판 상에 제공되는 적어도 하나의 애노드 전극과, 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되고 전자빔 통과를 위한 개구부들이 형성된 유공부 및 유공부를 둘러싸는 무공부를 구비하는 그리드 전극을 포함하며, 그리드 전극의 무공 부는 적어도 일부가 제1 기판 상에 설정되는 유효 영역 및 제2 기판 상에 설정되는 유효 영역 외측에 대응하여 배치되는 전자 방출 소자를 제공한다.
상기 그리드 전극은 다음의 조건을 만족하도록 형성된다.
Figure 112004056459737-PAT00001
여기서, W는 무공부의 폭을 나타내고, d_am은 애노드 전극과 그리드 전극간 거리를 나타내며, d_mc는 그리드 전극과 제1 전극간 거리를 나타낸다. Va와 Vm 및 Vc는 각각 애노드 전극과 그리드 전극 및 제1 전극에 인가되는 전압을 나타내며, 단위는 볼트(V)이다.
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 단면도이다.
도면을 참고하면, 전자 방출 소자는 내부 공간부를 사이에 두고 서로 대향 배치되는 제1 기판(1)과 제2 기판(2)을 포함한다. 이 기판들 중 제1 기판(1)에는 전자 방출을 위한 구조물인 전자 방출 유닛(10)이 제공되고, 제2 기판(2)에는 전자에 의해 가시광을 방출하는 발광부(20)가 제공된다.
보다 구체적으로, 제1 기판(1) 위에는 제1 전극(11, 이하 '캐소드 전극'이라 한다)이 제1 기판(1)의 일 방향(도면의 y축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극(11)을 덮으면서 제1 기판(1) 전체에 절연층(12)이 형성된다. 절연층(12) 위에는 제2 전극(13, 이하 '게이트 전극'이라 한다)이 캐소드 전극(11)과 직교하는 방향(도면의 y축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.
상기 구성에서 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(13)의 교차 영역마다 게이트 전극(13)과 절연층(12)에는 적어도 하나의 개구부(13a, 12a)가 형성되어 캐소드 전극(11)의 일부 표면을 노출시키며, 개구부(12a, 13a) 내측으로 캐소드 전극(11) 위에 전자 방출부(14)가 형성된다.
본 실시예에서 전자 방출부(14)는 진공 중에서 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 및 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질이 있으며, 전자 방출부(14)의 제조법으로는 직접 성장, 스크린 인쇄, 화학기상증착 또는 스퍼터링 등이 적용될 수 있다.
한편, 도시는 생략하였으나 전자 방출부는 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기에서는 절연층(12)을 사이에 두고 게이트 전극(13)이 캐소드 전극(11) 상부에 위치하는 경우를 설명하였으나, 게이트 전극이 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극 하부에 위치하는 경우도 가능하다. 이 경우, 캐소드 전극의 일측 가장자리에 전자 방출부가 위치할 수 있다.
그리고 제1 기판(1)에 대향하는 제2 기판(2)의 일면에는 형광층(21)과 흑색 층(22)이 형성되고, 형광층(21)과 흑색층(22) 위로는 증착에 의한 금속막(예를 들어 알루미늄막)으로 이루어지는 애노드 전극(23)이 형성된다. 애노드 전극(23)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 전압을 인가받으며, 형광층(21)으로부터 제1 기판(1)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(2) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높이는 역할을 한다.
이 때, 애노드 전극은 금속막이 아닌 인듐 틴 옥사이드(ITO)와 같은 투명 도전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 애노드 전극(도시하지 않음)은 제2 기판(2)에 대향하는 형광층(21)과 흑색층(22)의 일면에 형성되며, 소정의 패턴으로 구분되어 복수개로 형성될 수 있다.
또한 제1 기판(1)과 제2 기판(2) 사이에는 전자빔 집속을 위한 그리드 전극(30)이 위치한다. 그리드 전극(30)은 도 3에 도시한 바와 같이 전자빔 통과를 위한 개구부들(31a)이 마련되는 유공부(31)와, 유공부(31)의 네 가장자리를 둘러싸는 무공부(32)로 구성되며, 일정한 두께를 갖는 얇은 금속판으로 이루어진다.
이러한 그리드 전극(30)은 제1 스페이서들(3)과 제2 스페이서들(4)에 의해 제1 기판(1) 및 제2 기판(2)과 일정한 간격을 유지하며 위치하거나, 절연성 접착제를 이용해 제1 기판(1) 상 구조물의 최상부에 부착될 수 있다. 후자의 경우 도시는 생략하였다.
그리드 전극(30)에는 캐소드 전극(11) 및 게이트 전극(13)의 구동 전압보다 높고 애노드 전압보다 낮은 중간 단계의 전압이 인가될 수 있다. 그리드 전극(30)은 제1 기판(1) 측에서 제2 기판(2)을 향해 진행하는 전자빔을 집속시키고, 애노드 전극(23)에 인가된 고전압에 의해 소자 내부에서 아크 방전이 발생할 때에 아크 방전에 의한 전자 방출 유닛(10)의 손상을 방지하는 역할을 한다.
전술한 제1 기판(1)과 제2 기판(2)은, 그 사이에 그리드 전극(30)과 제1 및 제2 스페이서들(3, 4)을 배치한 상태에서 프릿(frit)과 같은 실링 물질에 의해 가장자리가 일체로 접합되고, 내부 공간부를 배기시켜 진공 상태로 유지함으로써 전자 방출 소자를 구성한다.
이와 같이 구성되는 전자 방출 소자에서 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(13)에 소정의 구동 전압을 인가하면, 두 전극간 전압 차에 의해 전자 방출부(14) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 애노드 전극(23)에 인가된 고전압에 이끌려 제2 기판(2)으로 향하면서 그리드 전극(30)에 의해 집속된 이후 대응되는 형광층(21)에 충돌하여 이를 발광시킨다.
여기서, 제1 기판(1)으로부터 실제 전자들이 방출되는 영역과, 제2 기판(2)으로부터 실제 가시광이 방출되어 소정의 발광 또는 표시에 기여하는 영역을 유효 영역이라 하면, 본 실시예에서 그리드 전극(30)의 무공부(32)는 제1 기판(1) 및 제2 기판(2)의 유효 영역 외측에 대응하여 임의의 폭을 가지도록 배치된다.
도 4는 제1 기판과 그리드 전극의 평면도이고, 도 5는 제2 기판과 그리드 전극의 평면도이며, 도 6은 전자 방출 소자의 평면도이다.
도 4를 참고하면, 제1 기판(1) 상에는 캐소드 전극과 게이트 전극 및 전자 방출부가 제공되어 실제 전자들이 방출되는 유효 영역(40)이 설정된다. 도면에서 부호 15는 외부의 회로 장치와 연결되어 캐소드 전극들에 구동 전압을 인가하는 캐 소드 단자부를 나타내고, 부호 16은 게이트 전극들에 구동 전압을 인가하는 게이트 단자부를 나타낸다. 부호 33은 그리드 전극에 구동 전압을 인가하는 그리드 단자부를 나타낸다.
도 5를 참고하면, 제2 기판(2) 상에는 애노드 전극과 형광층이 제공되어 실제 가시광이 방출되는 유효 영역(50)이 설정된다. 도면에서 부호 24는 외부의 회로 장치와 연결되어 애노드 전극에 구동 전압을 인가하는 애노드 단자부를 나타낸다.
그리고 도 6에서 부호 5는 제1 기판(1)과 제2 기판(2)의 접합 부위를 나타내며, 두 기판 사이로 이 접합 부위에 일정 높이를 갖는 사이드 기판(도시하지 않음)이 제공될 수 있다.
도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 그리드 전극(30)의 무공부(32)는 제1 기판(1)의 유효 영역(40)과 제2 기판(2)의 유효 영역(50) 외측에 임의의 폭을 가지며 대응 배치된다.
이 때, 제1 기판(1)의 유효 영역(40)과 제2 기판(2)의 유효 영역(50)은 그 크기가 같거나 어느 한쪽이 크게 형성될 수 있으며, 모든 경우 무공부(32)는 두 기판(1, 2)에 설정된 유효 영역(40, 50)보다 크게 형성된다. 또한 그리드 전극(30)의 유공부(31)는 두 기판(1, 2)의 유효 영역(40, 50) 중 어느 하나의 유효 영역에 대응하여 이와 동일한 면적으로 형성될 수 있다.
전술한 구성에서 그리드 전극(30)의 무공부(32)가 제1 기판(1) 및 제2 기판(2)의 유효 영역(40, 50)보다 크게 형성됨에 따라, 제1 기판(1) 상 유효 영역(40)의 최외곽 부위는 제2 기판(2)의 유효 영역(50)과 직접 대향 배치되지 않고 그리드 전극(30)의 무공부(32)와 대향 배치되며, 그리드 전극(30)이 제1 기판(1) 상 유효 영역(40)의 최외곽 부위에 대한 애노드 전계의 영향을 차단시킨다.
이로써 본 실시예의 전자 방출 소자는, 애노드 전극(23)에 인가되는 고전압과 제1 기판(1) 상 유효 영역(40)의 최외곽 부위에서 구조물의 연속성이 끊어짐으로 인해 발생하는 이상 전기장이나 전기장 왜곡을 억제하여 제1 기판(1)의 유효 영역(40) 전체에서 균일한 전자 방출이 일어나도록 할 수 있다.
이 때, 전술한 효과를 더욱 높이기 위해서는 제1 기판(1)의 유효 영역(40)이 제2 기판(2)의 유효 영역(50)보다 크게 형성되고, 그리드 전극(30)의 유공부(31)가 제2 기판(2)의 유효 영역(50)과 일치하며, 그리드 전극(30)의 무공부(32)가 제1 기판(1) 상 유효 영역(40)의 최외곽 부위와 일부 겹치도록 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 그리드 전극(30)의 무공부(32) 폭(W)은 전극들간 거리와 각 전극에 인가되는 전압 조건에 따라 다음의 조건으로 설정된다.
Figure 112004056459737-PAT00002
여기서, d_am은 애노드 전극(23)과 그리드 전극(30)간 거리를 나타내고, d_mc는 그리드 전극(30)과 캐소드 전극(11)간 거리를 나타낸다. Va와 Vm 및 Vc는 각각 애노드 전극(23)과 그리드 전극(30) 및 캐소드 전극(11)에 인가되는 전압을 나타내며, 단위는 볼트(V)이다.
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 표면 전도 에미터(SCE)형, 금속-유전체-금속(MIM)형, 금속-유전체-반도체(MIS)형 및 밸리스틱 전자 표면 방출(BSE)형 등 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 그리드 전극 구성에 의해 제1 기판 상 유효 영역의 최외곽 부위가 제2 기판의 애노드 전극과 직접 대향 배치되지 않고 그리드 전극의 무공부와 대향 배치되도록 한다. 따라서 본 발명의 전자 방출 소자는 제1 기판 상 유효 영역의 최외곽 부위에서 발생할 수 있는 이상 전기장이나 전기장 왜곡을 최소화하여 제1 기판의 유효 영역 전체에서 균일한 전자 방출이 일어나도록 함으로써 화면의 표시 품질을 높일 수 있다.

Claims (8)

  1. 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과;
    상기 제1 기판 상에 제공되며 전자들을 방출하는 전자 방출 유닛과;
    상기 제2 기판 상에 제공되며 상기 전자들로 가시광을 방출하는 발광부; 및
    상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되고, 전자빔 통과를 위한 개구부들이 형성된 유공부 및 유공부를 둘러싸는 무공부를 구비하는 그리드 전극을 포함하며,
    상기 그리드 전극의 무공부는 적어도 일부가 상기 제1 기판 상에 설정되는 유효 영역 및 상기 제2 기판 상에 설정되는 유효 영역 외측에 대응하여 배치되는 전자 방출 소자.
  2. 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과;
    상기 제1 기판 상에 절연층을 사이에 두고 배치되는 제1 전극들 및 제2 전극들과;
    상기 제1 전극들에 전기적으로 연결되는 전자 방출부들과;
    상기 제2 기판 상에 제공되는 적어도 하나의 애노드 전극; 및
    상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되고, 전자빔 통과를 위한 개구부들이 형성된 유공부 및 유공부를 둘러싸는 무공부를 구비하는 그리드 전극을 포함하며,
    상기 그리드 전극의 무공부는 적어도 일부가 상기 제1 기판 상에 설정되는 유효 영역 및 상기 제2 기판 상에 설정되는 유효 영역 외측에 대응하여 배치되는 전자 방출 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 그리드 전극이 다음의 조건을 만족하는 전자 방출 소자.
    Figure 112004056459737-PAT00003
    여기서, W는 무공부의 폭을 나타내고, d_am은 애노드 전극과 그리드 전극간 거리를 나타내며, d_mc는 그리드 전극과 제1 전극간 거리를 나타낸다. Va와 Vm 및 Vc는 각각 애노드 전극과 그리드 전극 및 제1 전극에 인가되는 전압을 나타내며, 단위는 볼트(V)이다.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그리드 전극의 유공부가 상기 제1 기판 상의 유효 영역 및 상기 제2 기판 상의 유효 영역 중 어느 하나의 영역에 대응하여 배치되는 전자 방출 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 기판 상의 유효 영역이 상기 제2 기판 상의 유효 영역보다 크게 형성되고, 상기 그리드 전극의 유공부가 제2 기판 상의 유효 영역에 대응하며, 상기 그리드 전극의 무공부가 제1 기판 상 유효 영역의 최외곽 부위와 일부 겹치도록 배치되는 전자 방출 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전극들이 상기 절연층을 사이에 두고 상기 제1 전극들 상부에 배치되고, 제2 전극들과 절연층에 제공된 개구부 내측으로 제1 전극들 위에 상기 전자 방출부가 배치되는 전자 방출 소자.
  7. 제2항 또는 제6항에 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.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 어느 일면에 형성되는 형광층을 더욱 포함하는 전자 방출 소자.
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