KR20060095333A - 전자 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 방출부 주위에 전계를 보다 효율적으로 집중시켜 전자 방출 효율을 높이기 위한 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 개구부를 가지며 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과, 일부가 캐소드 전극과 접촉하며 개구부 내측에서 캐소드 전극과 이격되어 위치하는 전자 방출부들과, 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극들 상부에 형성되며 기판 상에 전자 방출부들을 노출시키기 위한 개구부들을 갖는 게이트 전극들을 포함한다. 이 때, 전자 방출부는 양단이 캐소드 전극과 접촉하면서 캐소드 전극의 개구부 중심을 가로지르며 위치하고, 측면이 기판의 면 방향을 따라 캐소드 전극과 이격 거리를 가진다.

캐소드전극, 게이트전극, 전자방출부, 애노드전극, 형광층, 절연층

Description

전자 방출 소자 {ELECTRON EMISSION DEVICE}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도이다.

도 3은 도 1에 도시한 캐소드 전극과 전자 방출부의 부분 평면도이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 방출 소자 중 캐소드 전극과 전자 방출부의 부분 절개 사시도이다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 방출 소자 중 캐소드 전극과 전자 방출부의 부분 절개 사시도이다.

본 발명은 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 방출 효율을 높이기 위하여 캐소드 전극과 전자 방출부의 구조를 개선한 전자 방출 소자에 관한 것이다.

일반적으로 전자 방출 소자는 전자원의 종류에 따라 열음극(hot cathode)을 이용하는 방식과 냉음극(cold cathode)을 이용하는 방식으로 분류할 수 있다.

여기서, 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는 전계 방출 어레이(field emitter array; FEA)형, 표면 전도 에미션(surface conduction emission; SCE)형, 금속-절연층-금속(metal-insulator-metal; MIM)형 및 금속-절연층-반도체(metal-insulator-semiconductor; MIS)형 등이 알려져 있다.

이 가운데 FEA형 전자 방출 소자는 일 함수(work function)가 낮거나 종횡비가 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.

통상의 FEA형 전자 방출 소자는 진공 용기를 구성하는 두 기판 중 제1 기판 위에 전자 방출부가 형성되고, 전자 방출부의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들로서 캐소드 전극과 게이트 전극이 형성되며, 제1 기판에 대향하는 제2 기판의 일면에 형광층과 더불어 형광층을 고전위 상태로 유지시키는 애노드 전극이 마련된 구성으로 이루어진다.

여기서, 전자 방출부는 캐소드 전극과 전기적으로 연결되어 전자 방출에 필요한 전류를 공급받으며, 게이트 전극은 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극과 다른 층, 일례로 캐소드 전극의 상부에 위치하여 캐소드 전극과 절연 상태를 유지한다. 이로써 전자 방출 소자 작용시 캐소드 전극과 게이트 전극에 소정의 전압 차를 갖는 구동 전압을 인가하면, 두 전극간 전압 차에 의해 전자 방출부 주위에 전계가 형성되어 전자 방출부로부터 전자가 방출된다.

전술한 캐소드 전극과 게이트 전극을 구비하는 전자 방출 소자에서는 통상의 경우 전자 방출부가 캐소드 전극과 면접촉을 이루도록 캐소드 전극 위에서 임의 두께의 전자 방출층을 이루며 형성된다.

그런데 상기한 캐소드 전극과 전자 방출부 구조에서는 전자 방출 소자 작용시 전자 방출부 주위에 전계가 효율적으로 집중되지 못하고, 전자 방출부의 일부 영역, 특히 게이트 전극과 최단 거리를 유지하는 전자 방출부의 상측 가장자리에 전계가 집중되어 이로부터 국부적인 전자 방출이 이루어지는 경향을 나타낸다.

그 결과, 종래의 전자 방출 소자는 전자 방출 효율이 우수하지 못하여 구동 전압이 높아지고, 전자 방출부의 장 수명이 보장되지 못하는 등, 고효율 소자 제작에 불리한 점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자 방출부 주위에 전계를 보다 효율적으로 집중시켜 전자 방출 효율을 높일 수 있는 전자 방출 소자를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

개구부를 가지며 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과, 일부가 캐소드 전극과 접촉하며 개구부 내측에서 캐소드 전극과 이격되어 위치하는 전자 방출부들과, 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극들 상부에 형성되며 기판 상에 전자 방출부들을 노출시키기 위한 개구부들을 갖는 게이트 전극들을 포함하는 전자 방출 소자를 제 공한다.

상기 전자 방출부는 양단이 캐소드 전극과 접촉하면서 캐소드 전극의 개구부 중심을 가로지르며 위치하고, 측면이 상기 기판의 면 방향을 따라 캐소드 전극과 이격되어 위치한다.

상기 캐소드 전극은 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 복수개의 개구부를 형성할 수 있다. 이 경우, 각 개구부 내측에 전자 방출부가 개별적으로 위치할 수 있다.

또한, 상기 캐소드 전극은 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 하나의 개구부를 형성할 수 있다. 이 경우, 각 개구부 내측에 복수의 전자 방출부들이 서로간 임의의 거리를 두고 위치하거나, 하나의 전자 방출부가 위치할 수 있다.

상기 전자 방출부는 카본 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀ 및 실리콘 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며, 스크린 인쇄법, 직접 성장법, 화학기상증착법 또는 스퍼터링법 등으로 제작된다.

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

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 분해 사시도와 부분 단면도이고, 도 3은 캐소드 전극과 전자 방출부의 평면도이다.

도면을 참고하면, 전자 방출 소자는 내부 공간부를 사이에 두고 서로 평행하 게 대향 배치되는 제1 기판(2)과 제2 기판(4)을 포함한다. 이 기판들 중 제1 기판(2)에는 전자 방출을 위한 구성이 제공되고, 제2 기판(4)에는 전자에 의해 가시광을 방출하여 임의의 발광 또는 표시를 행하는 구성이 제공된다.

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

본 실시예에서 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)의 교차 영역을 화소 영역으로 정의하면, 각 화소 영역마다 캐소드 전극(6)에 둘 이상의 전자 방출부(12)가 형성되고, 절연층(8)과 게이트 전극(10)에는 전자 방출부(12)에 대응하는 개구부(8a, 10a)가 형성되어 제1 기판(2) 상에 전자 방출부(12)가 노출되도록 한다.

여기서, 캐소드 전극(6)은 화소 영역마다 그 내부에 개구부들(6a)을 형성하여 이를 통해 제1 기판(2)의 표면을 노출시킨다. 그리고 전자 방출부(12)는 캐소드 전극(6)의 상부가 아닌 개구부(6a) 내측의 제1 기판(2) 위에 형성되어 캐소드 전극(6)과 실질적으로 같은 층에 위치하며, 그 일부가 캐소드 전극(6)과 접촉하여 이와 전기적으로 연결된다.

상기 캐소드 전극(6)의 개구부(6a)는 일례로 사각형으로 형성되고, 캐소드 전극(6)의 길이 방향을 따라 일렬로 배열된다. 개구부(6a)의 형상과 화소별 개수 및 배열 형태 등은 전술한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다. 전자 방출 부(12)는 각 개구부(6a)에 개별적으로 배치되며, 양단이 캐소드 전극(6)과 접촉한 상태에서 캐소드 전극(6)의 폭 방향(도면의 x축 방향)을 따라 개구부(6a) 중심을 가로지르며 위치한다.

이러한 전자 방출부(12)는 임의의 폭과 임의의 두께를 가지며 제1 기판(2) 위에 형성되고, 캐소드 전극(6)의 폭 방향에 따른 한 쌍의 장변(12a)과, 이와 수직한 한 쌍의 단변(12b)을 구비한다. 전자 방출부(12)의 장변(12a)은 캐소드 전극(6)의 길이 방향(도면의 y축 방향)을 따라 캐소드 전극(6)과 d(도 3 참고)의 이격 거리를 가지며, 단변(12b)은 캐소드 전극(6)의 측면 및 상면 일부에 걸쳐 형성된다.

전술한 구조는 전자 방출부(12) 주위의 캐소드 전극(6)을 일부 제거한 효과를 나타내어 전자 방출 소자 작용시 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)간 전압 차에 의해 전자 방출부(12) 주위에 전계가 형성될 때, 캐소드 전극(6)의 개구부(6a) 내측으로 전계 침투가 이루어지도록 한다.

따라서, 상기 구조에서는 전자 방출부(12)의 윗면 뿐만 아니라 그 측면, 특히 전자 방출부(12)의 장변부(12a) 측면에서도 전자 방출을 위한 전계가 형성되어 전자 방출부(12) 주위에 전계를 더욱 효율적으로 집중시키는 결과를 얻을 수 있다.

도면에서는 절연층(8)과 게이트 전극(10)의 개구부(8a, 10a)가 각 전자 방출부(12)에 일대일로 대응하여 배치되는 경우를 도시하였다. 이 때, 개구부(8a, 10a)는 캐소드 전극(6)의 개구부(6a)와 같거나 이보다 큰 폭으로 형성되어 전자 방출부(12)와 더불어 캐소드 전극(6)의 개구부(6a)를 함께 노출시킨다. 한편, 도시는 생략하였으나, 절연층과 게이트 전극은 화소 영역마다 하나의 개구부를 형성할 수 있 다.

상기 전자 방출부(12)는 진공 중에서 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 스크린 인쇄, 직접 성장, 화학기상증착 및 스퍼터링 등이 적용될 수 있다.

다음으로, 제1 기판(2)에 대향하는 제2 기판(4)의 일면에는 형광층(14)과 흑색층(16)이 형성되고, 형광층(14)과 흑색층(16) 위로는 알루미늄과 같은 금속막으로 이루어지는 애노드 전극(18)이 형성된다. 애노드 전극(18)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가받으며, 형광층(14)에서 방사된 가시광 중 제1 기판(2)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(4) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높이는 역할을 한다.

한편, 애노드 전극은 금속막이 아닌 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명한 도전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 애노드 전극은 제2 기판을 향한 형광층과 흑색층의 일면에 위치하며, 소정의 패턴으로 구분되어 복수개로 형성될 수 있다.

전술한 제1 기판(2)과 제2 기판(4)은 그 사이에 스페이서들(20)을 배치한 상태에서 저융점 유리인 글래스 프릿에 의해 가장자리가 일체로 접합되고, 내부 공간부를 배기시켜 진공 상태로 유지함으로써 전자 방출 소자를 구성한다. 이 때, 스페 이서들(20)은 흑색층(14)이 위치하는 비발광 영역에 대응하여 배치된다.

상기 구성의 전자 방출 소자는 외부로부터 캐소드 전극(6), 게이트 전극(10) 및 애노드 전극(20)에 소정의 전압을 공급하여 구동하는데, 일례로 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10) 중 어느 하나의 전극에 스캔 전압이 인가되고, 두 전극 중 다른 하나의 전극에 스캔 전압과 수 내지 수십 볼트의 전압 차를 갖는 데이터 전압이 인가된다. 그리고 애노드 전극(18)에는 수백 내지 수천 볼트의 직류 전압이 인가된다.

따라서, 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)간 전압 차가 임계치 이상인 화소에서 전자 방출부(12) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 애노드 전극(18)에 인가된 고전압에 이끌려 대응되는 형광층(14)에 충돌함으로써 이를 발광시킨다.

전술한 구동 과정에서 본 실시예의 전자 방출 소자에서는 전자 방출부의 윗면 뿐만 아니라 그 측면으로도 용이하게 전계 침투가 이루어지므로 전자 방출부 주위, 특히 전자 방출부의 측면에 강한 전계가 집중되어 이로부터 다수의 전자들이 방출된다. 따라서 본 실시예의 전자 방출 소자는 전자 방출량이 높아지고, 구동 전압이 낮아지며, 전자 방출부의 장 수명이 확보되는 등, 고효율 소자 제작이 가능해지는 장점을 갖는다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 방출 소자 중 캐소드 전극과 전자 방출부의 부분 절개 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에서는 전술한 제1 실시예의 구성을 기본으로 하 면서 제1 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 캐소드 전극(6')에 하나의 개구부(6b)가 형성되고, 이 개구부(6b) 내측에 복수의 전자 방출부(12')가 서로 이격되어 위치한다.

캐소드 전극(6')의 개구부(6b)는 일례로 캐소드 전극(6')의 길이 방향(도면의 y축 방향)에 따른 한 쌍의 장변을 가진다. 전자 방출부들(12')은 양단이 캐소드 전극(6')과 접촉한 상태에서 캐소드 전극(6')의 폭 방향을 따라 형성되며, 개구부(6b)의 길이 방향을 따라 서로간 임의의 거리를 두고 일렬로 배열된다.

상기 구조에서는 전술한 제1 실시예와 비교하여 화소 영역당 배치되는 전자 방출부(12')의 개수를 늘일 수 있으며, 전자 방출부들(12') 사이에 캐소드 전극(6') 부위가 없음으로 인해 전자 방출부들(12') 사이로 전계 침투를 보다 용이하게 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 방출 소자 중 캐소드 전극과 전자 방출부의 부분 절개 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에서는 전술한 제2 실시예의 구성을 기본으로 하면서 캐소드 전극(6")의 개구부(6b) 내측에 하나의 전자 방출부(12")가 위치한다. 즉, 본 실시예에서는 제1 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 하나의 캐소드 전극(6") 개구부(6b)와 하나의 전자 방출부(12")가 위치한다.

이 때, 전자 방출부(12")는 양단이 캐소드 전극(6")과 접촉하면서 캐소드 전극(6")의 길이 방향(도면의 y축 방향)을 따라 개구부(6b) 중심을 가로지르며 위치한다. 따라서, 전자 방출부(12")는 한 쌍의 장변부를 캐소드 전극(6")의 개구부 (6b)에 노출시켜 전자 방출 소자 작용시 이 장변부로부터 실질적인 전자 방출이 이루어지도록 한다.

전술한 제2 실시예와 제3 실시예에서 도시하지 않은 절연층과 게이트 전극은 화소 영역마다 하나의 개구부를 형성한다.

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 전자 방출부 주위에 전계를 보다 효율적으로 집중시켜 전자 방출 효율을 높인다. 따라서 본 발명에 의한 전자 방출 소자는 동일한 구동 조건에서 전자 방출량을 늘려 화면의 휘도를 높이거나, 동일한 전자 방출량 조건에서 구동 전압을 낮추며, 전자 방출부의 수명을 더욱 길게 확보할 수 있어 고효율 소자의 제작을 가능하게 한다.

Claims (11)

1. 개구부를 가지며 기판 위에 형성되는 캐소드 전극들과;

   일부가 상기 캐소드 전극과 접촉하며 상기 개구부 내측에서 캐소드 전극과 이격되어 위치하는 전자 방출부들; 및

   절연층을 사이에 두고 상기 캐소드 전극들 상부에 형성되며 상기 기판 상에 상기 전자 방출부들을 노출시키기 위한 개구부들을 갖는 게이트 전극들

   을 포함하는 전자 방출 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전자 방출부는 양단이 상기 캐소드 전극과 접촉하면서 캐소드 전극의 개구부 중심을 가로지르며 위치하고, 측면이 상기 기판의 면 방향을 따라 캐소드 전극과 이격 거리를 가지는 전자 방출 소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 캐소드 전극이 상기 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 복수개의 개구부를 형성하고, 각 개구부 내측에 상기 전자 방출부가 개별적으로 위치하는 전자 방출 소자.
4. 제3항에 있어서,

   상기 캐소드 전극의 개구부들이 캐소드 전극의 길이 방향을 따라 배열되고, 상기 전자 방출부가 캐소드 전극의 폭 방향을 따라 상기 개구부 중심을 가로지르는 전자 방출 소자.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 캐소드 전극이 상기 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 하나의 개구부를 형성하고, 각 개구부 내측에 복수개의 전자 방출부가 서로 이격되어 위치하는 전자 방출 소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 캐소드 전극의 개구부가 캐소드 전극의 길이 방향과 평행한 장변을 갖도록 형성되고, 상기 전자 방출부들이 캐소드 전극의 폭 방향을 따라 상기 개구부를 가로지르는 전자 방출 소자.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 캐소드 전극이 상기 기판 상에 설정되는 화소 영역마다 하나의 개구부를 형성하고, 이 개구부 내측에 하나의 전자 방출부가 위치하는 전자 방출 소자.
8. 제7항에 있어서,

   상기 캐소드 전극의 개구부가 캐소드 전극의 길이 방향과 평행한 장변을 갖 도록 형성되고, 상기 전자 방출부가 캐소드 전극의 길이 방향을 따라 상기 개구부 중심을 가로지르는 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 게이트 전극의 개구부가 상기 캐소드 전극의 개구부와 같거나 이보다 큰 폭으로 형성되는 전자 방출 소자.
11. 제1항에 있어서,

    상기 기판과 대향 배치되는 타측 기판에 형성되는 적어도 하나의 애노드 전극 및 애노드 전극의 어느 일면에 형성되는 형광층을 더욱 포함하는 전자 방출 소자.

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