KR20070010806A - 전자 방출 소자, 이를 구비한 평판 디스플레이 장치 및 그제조 방법 - Google Patents

전자 방출 소자, 이를 구비한 평판 디스플레이 장치 및 그제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 효과적으로 애노드 전극과 캐소오드 전극 사이에 형성되는 전계를 차단하고, 낮은 게이트 전압에 의해 전자를 지속적이고 안정적으로 방출할 수 있으며, 발광 균일성과 발광 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 전자 방출 소자를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 전자 방출 소자를 간편한 공정으로 제작할 수 있는 제조 방법을 제공하고, 이러한 전자 방출 소자를 백라이트 유닛으로 채용한 평판 디스플레이 장치를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 전자 방출 소자를 간편한 공정으로 제작할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 애노드 전극 및 형광체층 구비하는 제1 기판; 상기 제1 기판과 소정의 거리에 배치된 제2 기판; 상기 제2 기판의 일면에 배치되고 전자 방출원 홈이 형성된 절연체층; 상기 전자 방출원 홈의 일측에 배치된 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결되고 상기 절연체층으로부터 상기 제1 기판 방향으로 돌출된 캐소오드 보조 전극; 상기 전자 방출원 홈을 기준으로 상기 캐소오드 전극과 대향되어 설치된 게이트 전극; 상기 게이트 전극과 전기적으로 연결되고 상기 절연체층으로부터 상기 제1 기판 방향으로 돌출된 게이트 보조 전극; 및 상기 캐소오드 전극의 적어도 일부분에 배치된 전자 방출층을 포함하는 전자 방출 소자와 이를 구비한 평판 디스플레이 장치를 제공하고, 그 제조 방법을 제공한다.

Description

전자 방출 소자, 이를 구비한 평판 디스플레이 장치 및 그 제조 방법{Electron emission device, flat display apparatus having the same, and method of manufacturing the same}
도 1은 종래 전자 방출 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 3 내지 도 9는 도 2에 도시된 전자 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 보여주는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 평판 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 보여주는 사시도.
도 11은 도 10의 XI-XI 선을 따라 취한 부분 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
5, 101: 제1 패널 6, 102: 제2 패널
10, 210: 제 2 기판 20, 230: 캐소오드 전극
30, 220: 절연체층 31: 전자 방출원 홀
40, 240: 게이트 전극 50: 금속 팁
60: 스페이서 70: 형광체층
80: 애노드 전극 90: 제1 기판
103: 발광 공간 221: 전자 방출원 홈
235: 캐소오드측 보조 전극 245: 게이트측 보조 전극
250: 전자 방출층 270: 마스크 패턴
700: 액정 디스플레이 패널
본 발명은 전자 방출 소자(electron emission device), 이를 구비한 평판 디스플레이 장치 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자의 효율이 향상되고, 발광 균일성이 향상된 전자 방출 소자와 이를 백라이트 유닛으로 구비하는 평판 디스플레이 장치 및 전자 방출 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자 방출 소자는 전자 방출원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는, FEA(Field Emitter Array)형, SCE(Surface Conduction Emitter)형, MIM(Metal Insulator Metal)형 및 MIS (Metal Insulator Semiconductor)형, BSE(Ballistic electron Surface Emitting)형 등이 알려져 있다.
상기 FEA형은 일함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수(β Function)가 높은 물질을 전자 방출원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주된 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁(tip)구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소계 물질 그리고 최근 나노 튜브(Nano Tube)나 나노와이어(Nano Wire)등의 나노 물질을 전자 방출원으로 적용한 소자가 개발되고 있다.
상기 SCE형은 제1 기판 위에 서로 마주보며 배치된 제1 전극과 제2 전극 사이에 도전 박막을 제공하고 상기 도전 박막에 미세 균열을 제공함으로써 전자 방출원을 형성한 소자이다. 상기 소자는 상기 전극들에 전압을 인가하여 상기 도전 박막 표면으로 전류를 흘려 미세 균열인 전자 방출원으로부터 전자가 방출되는 원리를 이용한다.
상기 MIM형과 MIS형 전자 방출 소자는 각각 금속-유전층-금속(MIM)과 금속-유전층-반도체(MIS) 구조로 이루어진 전자 방출 원을 형성하고, 유전층을 사이에 두고 위치하는 두 금속 또는 금속과 반도체 사이에 전압을 인가할 때 높은 전자 전위를 갖는 금속 또는 반도체로부터, 낮은 전자 전위를 갖는 금속 방향으로 전자가 이동 및 가속되면서 방출되는 원리를 이용한 소자이다.
상기 BSE형은 반도체의 사이즈를 반도체 중의 전자의 평균 자유 행정 보다 작은 치수 영역까지 축소하면 전자가 산란하지 않고 주행하는 원리를 이용하여, 오믹(Ohmic) 전극상에 금속 또는 반도체로 이루어지는 전자 공급층을 형성하고, 전자 공급층 위에 절연체층과 금속 박막을 형성하여 오믹 전극과 금속 박막에 전원을 인가하는 것에 의하여 전자가 방출되도록 한 소자이다.
본 발명은 이중 FEA형의 전자 방출 소자와 관련된다.
FEA형 전자 방출 소자는 일함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수(β Function)가 높은 물질을 전자 방출원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주된 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁(tip)구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소계 물질 그리고 최근 나노 튜브(Nano Tube)나 나노와이어(Nano Wire)등의 나노 물질을 전자 방출원으로 적용한 소자가 개발되고 있다.
FEA형 전자 방출 소자는 캐소드 전극과 게이트 전극의 배치 형태에 따라 크게 탑 게이트형(top gate type)과 언더 게이트형(under gate type)형으로 나눌 수 있으며, 사용되는 전극의 개수에 따라 2극관, 3극관 또는 4극관 등으로 나눌 수 있다.
도 1에는 종래의 FEA형 전자 방출 소자의 일례의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 전자 방출 소자(3)는 제1 패널(1)과 제2 패널(2)을 구비하며, 상기 제1 패널(1)은 제1 기판(90), 상기 제1 기판(90)의 하면에 형성된 애노드 전극(80), 상기 애노드 전극(80)상에 도포된 형광체층(70)을 구비한다.
상기 제2 패널(2)은 상기 제1 기판(90)과 대향하여 평행하게 배치된 제2 기판(10), 상기 제2 기판(10)상에 스트라이프 형태로 형성된 캐소드 전극(20), 상기 캐소오드 전극(20)과 평행하게 스트라이프 형태로 형성된 게이트 전극(30), 상기 캐소오드 전극(20)과 게이트 전극(30)의 주위에 배치된 전자 방출층(40, 50)을 구 비한다. 상기 캐소오드 전극(20)과 상기 게이트 전극(30)을 둘러싸는 전자 방출층(40, 50)들의 사이에는 전자 방출 갭(G)이 형성되어 있다.
상기 제1 패널(1)과 제2 패널(2)사이에는 대기압보다 낮은 진공상태가 유지되며, 상기 제1 패널(1)과 제2 패널(2)사이의 진공상태에 의해 발생되는 압력을 지지하고, 발광공간(103)을 확보하기 위해 상기 제1 패널(1)과 상기 제2 패널(2) 사이에는 스페이서(60)가 배치된다.
이러한 구성을 가지는 종래의 전자 방출 소자에서, 게이트 전극(30)과 캐소오드 전극(20) 사이에 형성되는 전계에 의해 상기 전자 방출층(40, 50) 중 캐소오드 전극측에 배치된 전자 방출층(40)에서 전자가 방출되고, 방출된 전자는 초기에 게이트 전극(30)을 향해 진행하다가 애노드 전극(80)의 강한 전계에 이끌려 애노드 전극(80)을 향하여 움직이게 된다.
그런데, 애노드 전극(80)과 캐소오드 전극(20) 사이에 형성되는 전계가 게이트 전극(30)과 캐소오드 전극(20)간에 형성되는 전계에까지 침범하여 애노드 전계에 의해 전자 방출 및 전자 가속이 동시에 이루어지는 다이오드(diode) 발광 현상이 발생한다.
한편, 형광체의 발광 특성상 형광체에 입사된 하나의 전자에 의해 발광이 이루어지는 소정 간격의 시간 동안에는 다른 전자가 입사하여도 발광에 기여하지 못한다. 따라서, 무조건 많은 전자가 지속적으로 형광체층에 입사하는 것만이 발광 효율에 기여하는 것은 아니며, 높은 애노드 전압에 의해 전자 방출이 이루어지는 것은 오히려 에너지 효율 면에서 바람직하지 못하다. 즉, 낮은 게이트 전압에 의 한 안정적이고 효율적인 전자 방출과 동시에 방출된 전자에 의한 균일한 가속이 이루어져야 하는데, 강한 애노드 전압에 의해 전자의 방출이 이루어지면 이러한 효율적인 전자 방출 및 발광이 불가능하게 되는 문제점을 가지게 된다.
이에, 효과적으로 애노드 전극(80)과 캐소오드 전극(20) 사이에 형성되는 전계를 차단할 수 있는 새로운 구조의 전자 방출 소자를 개발할 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 효과적으로 애노드 전극과 캐소오드 전극 사이에 형성되는 전계를 차단하고, 낮은 게이트 전압에 의해 전자를 지속적이고 안정적으로 방출할 수 있으며, 발광 균일성과 발광 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 전자 방출 소자 및 이를 백라이트 유닛으로 채용한 평판 디스플레이 장치를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 전자 방출 소자를 간편한 공정으로 제작할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 애노드 전극 및 형광체층 구비하는 제1 기판; 상기 제1 기판과 소정의 거리에 배치된 제2 기판; 상기 제2 기판의 일면에 배치되고 전자 방출원 홈이 형성된 절연체층; 상기 전자 방출원 홈의 일측에 배치된 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결되고 상기 절연체층으로부터 상기 제1 기판 방향으로 돌출된 캐소오드 보조 전극; 상기 전자 방출원 홈을 기준으로 상기 캐소오드 전극과 대향되어 설치된 게이트 전극; 상기 게이트 전극과 전 기적으로 연결되고 상기 절연체층으로부터 상기 제1 기판 방향으로 돌출된 게이트 보조 전극; 및 상기 캐소오드 전극의 적어도 일부분에 배치된 전자 방출층을 포함하는 전자 방출 소자를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 전자 방출원 홈의 단면은 실질적으로 반원형이고, 상기 캐소오드 전극은 상기 절연체층의 상면에서 전자 방출원 홈에 걸쳐 배치되며, 상기 전자 방출층은 그 표면이 상기 게이트 전극의 단부로부터 실질적으로 동일한 거리에 위치하도록, 상기 게이트 전극의 단부로부터 멀리 위치하는 부분은 두께가 두껍게 형성되고, 가까운 부분은 두께가 얇게 형성된 것이 바람직하다.
여기서, 상기 게이트 전극은 상기 절연체층의 상면에 스트라이프 형태로 형성되고, 상기 캐소오드 전극은 상기 게이트 전극과 교차하는 방향으로 연장된 스트라이프 형태로 형성된 주전극부와, 상기 주전극부로부터 직교하는 방향으로 연장된 부전극부를 포함하여 구성될 수 있다.
또는 여기서, 상기 캐소오드 전극은 상면에 스트라이프 형태로 형성되고, 상기 게이트 전극은 상기 캐소오드 전극과 교차하는 방향으로 연장된 스트라이프 형태로 형성된 주전극부와, 상기 주전극부로부터 직교하는 방향으로 연장된 부전극부를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 전자 방출층은 침상의 전자 방출원인 것이 바람직하고, 상기 캐소오드 보조 전극 및 상기 게이트 보조 전극은 Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, 유리 및 Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘 등의 반도체 물질로 이루어지는 그룹에서 선택된 소재로 만들어진 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은 여기서 언급한 전자 방출 소자 중 어느 하나와, 상기 전자 방출 소자의 전방에 설치되어, 상기 전자 방출 소자로부터 공급되는 광을 제어하여 화상을 구현하는 수발광 소자를 포함하는 디스플레이 패널을 구비하는 평판 디스플레이 장치를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 수발광 소자는 액정일 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 기판을 준비하고, 상기 기판의 상면에 절연체층을 형성하는 단계(a); 상기 절연체층 소재의 상면에 포토 레지스트로 마스크 패턴을 형성하는 단계(b); 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 절연체층을 부분 식각하여 전자 방출원 홈을 형성하는 단계(c); 상기 절연체층의 상면과 상기 전자 방출원 홈의 내측에 걸쳐 배치되는 캐소오드 전극과, 상기 전자 방출원 홈을 기준으로 상기 캐소오드 전극과 대향되는 위치에서 상기 절연체층의 상면에 배치되는 게이트 전극을 형성하는 단계(d); 상기 캐소오드 전극의 적어도 일부분 이상 전자 방출층을 배치하는 단계(e); 및 상기 절연체층의 상측에 배치된 상기 캐소오드 전극의 부분 및 상기 게이트 전극의 상측에 각각의 보조 전극을 배치하는 단계(f)를 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 단계(a)의 절연체층 형성 공정은, 스크린 프린팅에 의해 수행될 수 있고, 상기 단계(b)의 마스크 패턴의 형성은, 포토레지스트를 도포하고 UV나 이-빔을 이용하여 선택적으로 경화시켜 패턴을 형성하는 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의해 수행될 수 있으며, 상기 단계(c)의 전자 방출원 홈 형성 공정은 식각 가스 또는 식각액을 이용하는 등방성 식각 공정에 의해 수행될 수 있다.
특히, 상기 단계(c)의 전자 방출원 홈의 단면은 실질적으로 반원형으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 여기서, 상기 단계(d)는 마스크 패턴을 제거한 후에 이루어질 수 있고, 상기 단계(d)에서 캐소오드 전극 및 게이트 전극의 형성 공정은 화학기상증착(Chemical Vaspor Deposition: CVD), 물리기상증착(Physical Vapor Deposition: PVD) 또는 스크린 프린팅(screen pinting)에 의해 수행될 수 있으며, 상기 단계(e)에서 상기 전자 방출층은 침상의 전자 방출원인 것이 바람직하다.
한편 상기 단계(e)에서 상기 전자 방출층은 상기 게이트 전극의 단부로부터의 거리가 실질적으로 동일하도록 두께가 다르게 형성된 것이 바람직하고, 상기 보조 전극은 Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, 유리 및 Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘 등의 반도체 물질로 이루어지는 그룹에서 선택된 소재로 만들어진 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하에서 언급되는 부재 중 종래기술에서 언급한 부재와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부재번호를 사용한다.
도 2에는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 개략적인 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 전자 방출 소자(100)는 나란하게 배치되어 진공인 발광 공간(103)을 형성하는 제1 패널(101) 및 제2 패널(102)과, 상기 제1 패널(101) 및 제2 패널(102) 사이의 간격을 유지하여 주는 스페이서(60)를 구비한다.
상기 제1 패널(101)은 제1 기판(90), 상기 제1 기판(90)의 저면에 배치된 애노드 전극(80), 상기 애노드 전극(80)의 저면에 배치된 형광체층(70)을 구비한다.
상기 제2 패널(102)은, 내부의 발광 공간(103)을 갖도록 소정의 간격을 두고 상기 제1 기판(90)과 대향하여 평행하게 배치되는 제2 기판(210), 곡선 단면을 가지는 소정의 전자 방출 홈(221)이 형성되고 상기 제2 기판(210)상에 배치된 절연체층(220), 상기 절연체층의 상면과 상기 전자 방출원 홈(221)에 걸쳐서 배치된 캐소오드 전극(230), 상기 캐소오드 전극(230)과 대향되는 위치에 마주하여 설치된 게이트 전극(240), 상기 캐소오드 전극(230) 중 상기 전자 방출원 홈(221)에 형성된 부분상에 배치된 전자 방출층(250), 상기 캐소오드 전극(230) 중 상기 절연체층(220) 상에 배치된 부분에 설치된 캐소오드측 보조 전극(235) 및 상기 게이트 전극 상에 설치된 게이트측 보조 전극(245)을 포함한다.
상기 전자 방출층(250)은 상기 절연체층(220)의 상면과 상기 전자 방출원 홈 (221)에 걸쳐서 배치된 캐소오드 전극(230) 중 상기 전자 방출원 홈(221)에 위치하는 캐소오드 전극(230)의 부분에 배치되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 제1 패널(101)과 제2 패널(102) 사이의 발광 공간(103)은 대기압보다 낮은 압력의 진공으로 유지되며, 진공에 의해 발생하는 상기 제1 패널(101)과 제2 패널(102) 간의 압력을 지지하고 발광 공간(103)을 구획하도록 스페이서(60)가 상기 제1 패널(101)과 제2 패널(102) 사이에 배치된다. 상기 스페이서(60)는 전기전도성이 없는 소재로 만들어진다.
상기 애노드 전극(80)은 상기 전자 방출층(250)에서 방출된 전자의 가속에 필요한 고전압을 인가하여, 전자가 상기 형광체층(70)에 고속으로 충돌할 수 있도록 한다. 상기 형광체층(70)은 전자에 의해 여기되어 고에너지 레벨에서 저에너지 레벨로 떨어지면서 가시광을 방출한다.
상기 게이트 전극(240)은 상기 전자 방출층(250)에서 전자가 용이하게 방출될 수 있도록 하는 기능을 담당하며, 상기 절연체층(220)은 상기 전자 방출원 홈(221)을 구획하고, 상기 전자 방출층(250)과 상기 게이트 전극(240)을 절연하는 기능을 담당한다.
상기 캐소오드측 보조 전극(235)은 상기 절연체층(220)의 높이보다 더 높게 형성되는 것이 바람직하고, 상기 캐소오드 전극(230)과 전기적으로 연결되어 동일한 전위가 인가된다. 상기 게이트측 보조 전극(245)은 상기 절연체층(220)의 높이보다 더 높게 형성되는 것이 바람직하고, 상기 게이트 전극(240)과 전기적으로 연결되어 동일한 전위가 인가된다. 상기 캐소오드측 및 게이트측 보조 전극(235, 245)들에 의해 형성되는 전계는 상기 제1 기판의 애노드 전극(80)에 의해 형성되는 전계가 전자 방출원 홈(221)에까지 침범하여 게이트 전극(240)에 인가되는 전위로 전자 방출을 제어하는 것을 어렵게 하는 단점을 제거하기 위해 설치된 것으로, 애노드 전극(80)과 캐소오드 전극(230) 사이의 전계를 차단하는 기능을 한다. 그럼으로써, 게이트 전극(240)과 캐소오드 전극(230) 사이의 전계가 강화되고, 게이트 전극(240)에 인가되는 전위에 의해 전자 방출을 제어하기 용이하게 된다.
이하에서는 이상의 구조를 가지는 전자 방출 소자를 구성하는 각 구성요소들의 재료에 대해 설명한다.
상기 제1 기판(90) 및 제2 기판(210)은 소정의 두께를 가지는 판상의 부재로, 석영 유리, 소량의 Na과 같은 불순물을 함유한 유리, 판유리, SiO2가 코팅된 유리 기판, 산화 알루미늄 또는 세라믹 기판이 사용될 수 있다.
상기 캐소오드 전극(230) 및 상기 캐소오드측 보조 전극(235)은 통상의 전기 도전 물질로 만들어질 수 있고, 예를 들어 Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, 유리 및 Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물로 구성된 인쇄된 도전체, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘(polysilicon) 등의 반도체 물질로 만들어 질 수 있다.
상기 게이트 전극(240) 및 상기 게이트측 보조 전극(145)은 통상의 전기 도전 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, 유리 및 Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물로 구성된 인쇄된 도전체, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘(polysilicon) 등의 반도체 물질로 만들어 질 수 있다.
전계 형성에 의해 전자를 방출하는 상기 전자 방출층(250)의 소재와 관련하여서는 침상 구조를 가지는 것이면 어떤 것이라도 전자 방출층으로 사용될 수 있다. 특히, 일함수가 작고, 베타 함수가 큰 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube: CNT), 그래파이트, 다이아몬드 및 다이아몬드상 카본 등의 탄소계 물질로 만들어지는 것이 바람직하다. 특히, 카본 나노 튜브는 전자 방출 특성이 우수하여 저전압 구동이 용이하므로, 이를 전자 방출층으로 사용하는 장치의 대면적화에 유리하다.
도 3 내지 도 9에는 도 2에 도시된 본 발명에 의한 전자 방출 소자의 제조방법을 순차적으로 보여하는 도면이 도시되어 있다. 특히, 종래 기술과 구별되는 제2 패널(102)을 제조하는 방법을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
먼저, 도 3에 도시된 것과 같이 유리 등의 소재로 된 제2 기판(210)을 준비하고, 도 4에 도시된 것과 같이 상기 제2 기판(210)의 상면에 절연체층(220)을 형성한다. 상기 절연체층(220)의 형성 공정은 스크린 프린팅과 같은 공정으로 수행하는 것이 바람직하다.
그 다음, 도 5에 도시된 것과 같이 상기 절연체층(220)의 상면에 소정의 두께로 마스크 패턴(mask pattern)(270)을 형성한다. 상기 마스크 패턴(270)의 형성 은 전자 방출원 홈을 형성하기 위한 것으로 포토레지스트(Photo Resist: PR)를 도포하고 UV나 이-빔(E-beam)을 이용하여 패턴을 형성하는 포토리소그래피 공정에 의해 수행된다.
그 다음, 도 6에 도시된 것과 같이 상기 마스크 패턴(270)을 이용하여 절연체층(220)을 부분적으로 식각하여 전자 방출원 홈(221)을 형성한다. 식각 공정은 등방성 식각으로 이루어지도록 하고, 식각 가스를 이용하는 건식 식각이나 식각액을 이용하는 습식 식각이나 어떤 것이라도 사용될 수 있다.
그 다음은, 식각 공정을 위해 형성하였던 포토레지스트(270)를 제거하고, 도 7에 도시된 것과 같이 캐소오드 전극(230) 및 게이트 전극(240)을 형성한다. 상기 캐소오드 전극(230)은 절연체층(220)의 상면과 상기 전자 방출원 홈(221)에 걸쳐서 형성하고, 상기 게이트 전극(240)은 상기 캐소오드 전극(230)과 마주하는 위치의 절연체층(220)의 상면에 형성한다. 이 공정은 화학기상증착, 물리기상증착 등의 공정에 의해 수행될 수도 있고, 스크린 프린팅에 의해 수행될 수도 있다.
그 다음은, 도 8에 도시된 것과 같이 상기 캐소오드 전극(230)의 상면에 전자 방출층(250)을 형성한다. 특히, 상기 전자 방출층(250)의 표면과 상기 게이트 전극(240)의 단부로부터의 거리가 일정하도록 두께를 조절하여 상기 전자 방출원 홈(221) 측에 배치된 캐소오드 전극(230)의 상면에 형성한다. 즉, 도 8에 도시된 것과 같이 상기 전자 방출층(250)의 최상단부의 표면과 게이트 전극(240) 단부까지의 거리(Ra)와 상기 전자 방출층(250)의 최하단부의 표면과 게이트 전극(240) 단부까지의 거리(Rb)를 포함한 전자 방출원(250)의 표면까지의 거리들이 실질적으로 동 일하도록 상기 전자 방출층(250)의 두께가 조절된다. 이렇게 함으로써, 상기 전자 방출원(250)의 전체 길이에 걸쳐 전자의 방출이 고르게 이루어질 수 있다.
상기 전자 방출층(250)은 침상의 표면을 가지는 것이면 어떤 것이라도 가능한데, 특히 카본 나노 튜브와 같은 카본계 물질이 일함수가 작고 베타 함수가 커서 전자 방출이 원활하게 일어날 수 있으므로 더욱 바람직하다. 카본계 물질로 전자 방출층(250)을 형성하는 경우 다음과 같은 방식으로 전자 방출층의 형성 공정이 이루어질 수 있다.
즉, 우선 카본 물질과 네가티브(negative) 감광성 물질을 혼합한 카본 페이스트를 상기 캐소오드 전극(230)에 도포한다. 도포 공정은 스크린 프린팅에 의해 수행될 수 있다. 상기 카본 페이스트에는 스크린 프린팅에 적합한 점도를 가지도록 바인더 등의 유기물이 더 함유될 수 있다. 그 다음으로는, 노광을 실시하여 상기 카본 페이스트 중 전자 방출층(250)을 형성할 부분만 경화시킨다. 상기 네가티브 감광성 물질은 빛을 받으면 경화하는 특성을 가지므로, 포토리소그래피 공정으로 포토레지스트를 도포한 후 빛을 선택적으로 조사하여 카본 페이스트 중 전자 방출층(250)이 될 부분을 경화시키는 것이 가능하다. 그 다음에는, 노광 이후 현상하여 경화되지 않고 남아 있는 카본 페이스트와 포토레지스트를 제거한다.
그 다음, 도 9에 도시된 것과 같이 캐소오드 전극(230)의 상면과 게이트 전극(240)의 상면에 각각 캐소오드측 보조 전극(235) 및 게이트측 보조 전극(245)을 배치하여 제2 패널(102)의 제작을 완료한다. 상기 캐소오드측 보조 전극(235)은 상기 캐소오드 전극(230) 중 상기 절연체층(220)의 상면에 배치된 부분에 설치된 다. 여기서, 상기 캐소오드측 및 게이트측 보조 전극(235, 245)을 배치하는 공정은 별로도 제작된 보조 전극(235, 245)들을 상기 캐소오드 전극(230) 및 상기 게이트 전극(240)의 상면에 부착하는 방식으로 이루어질 수도 있고, 도금 공정과 같은 공정을 통해 형성할 수도 있다.
지금까지 설명한 것과 같은 구성을 가지는 전자 방출 소자는, 전자 방출을 위해 캐소오드 전극(230)에 (-) 전압을 인가하고, 게이트 전극(240)에는 (+) 전압을 인가하여 캐소오드 전극(230)에 설치된 전자 방출층(250)으로부터 전자가 방출될 수 있게 한다. 또한, 애노드 전극(80)에 강한 (+)전압을 인가하여 애노드 전극(80) 방향으로 방출된 전자를 가속시킨다. 이와 같이 전압이 인가되면, 전자 방출층(250)의 카본 물질들로부터 전자가 방출되어 게이트 전극(240)을 향해 진행하다가 애노드 전극(80)을 향해 가속된다. 이때, 상기 캐소오드측 보조 전극(235) 및 게이트측 보조 전극(245)이 배치됨으로써, 애노드 전극(80)에 의해 형성되는 전계가 캐소오드 전극(230)과 게이트 전극(240) 사이의 전계로 침범하는 것을 막을 수 있다. 그리하여, 애노드 전극(80)에 의해서는 전자의 가속만이 이루어지고, 게이트 전극(240)에 의해서 전자 방출이 이루어지도록 제어하기에 용이하게 되며, 이에 따라 발광 균일성(uniformity)과 형광체의 발광 효율 극대화가 가능하다.
이와 같은 구성을 가지는 전자 방출 소자(100)는 소정의 면적을 가지는 면광원으로 사용될 수도 있다. 특히, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 면광원으로 사용되어 액정 디스플레이 장치(Liquid Crystal Display: LCD)의 백라이트 유닛(Back Light Unit: BLU)으로 사용될 수 있는데, 이 경우 상기 캐소오드 전극(120) 및 상기 게이트 전극(130)이 서로 평행하게 배치된다. 또한, 형광체층은 필요로 하는 색상의 가시광선을 방출하는 형광체가 사용되거나, 또는 백색광선을 얻기 위해 빛의 삼원색인 적색 발광, 녹색 발광, 청색 발광의 형광체가 적절한 비율로 배치될 수 있다.
도 10에는 본 발명에 따른 전자 방출 소자가 백라이트 유닛으로 기능하는 평판 디스플레이 장치의 구성을 보여주는 사시도가 도시되어 있고, 도 11에는 도 10의 XI-XI 선을 따라 취한 부분 단면도가 도시되어 있다.
도 10에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 평판 디스플레이 장치는 수발광형의 디스플레이 패널로서 액정 디스플레이 패널(700)과 상기 액정 디스플레이 패널(700)에 광을 공급하는 백라이트 유닛을 포함한다. 상기 액정 디스플레이 패널(700)에는 화상신호를 전달하는 연성인쇄회로기판(720)이 부착되어 있고, 상기 액정 디스플레이 패널(700)의 후방에 배치되는 백라이트 유닛과의 사이의 간격을 유지하기 위한 스페이서(730)가 배치된다.
상기 백라이트 유닛은 앞서 설명한 본 발명에 따른 전자 방출 소자(100)로서, 연결케이블(104)을 통해 전원을 공급받고, 상기 전자 방출 소자 전면의 제1 패널(90)을 통하여 가시광선(V)을 방출시켜, 방출된 가시광선(V)이 상기 액정 디스플레이 패널(700)에 공급되도록 한다.
도 11을 참조하여, 액정 디스플레이 장치의 구성과 작동 원리에 대해 설명한다.
도 11에 도시된 전자 방출 소자(100)는 상술한 본 발명 따른 전자 방출 소자 중의 어느 하나일 수 있다. 도 11에 도시된 것과 같이, 상기 전자 방출 소자(100)는 제1 패널(101)과 제2 패널(102)이 소정의 간격을 이루면서 결합되어 이루어진다. 상기 제1 패널(101) 및 제2 패널(102)의 구성은 앞서 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 구성을 설명하면서 언급한 내용과 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다. 그리고, 상기 제2 패널(102)에 설치된 캐소오드 전극(120)과 게이트 전극(130)에 형성된 전계에 의해 전자가 방출되고, 상기 제1 패널(101)에 설치된 애노드 전극(80)에 의해 형성되는 전계에 의해 전자가 가속되어 형광체층(70)에 부딪히면서 가시광선(V)이 발생된다. 발생된 가시광선(V)은 전면의 액정 디스플레이 패널(700)을 향해 진행한다.
한편, 상기 액정 디스플레이 패널(700)은 제1 기판(505)을 구비하고, 상기 제1 기판(505) 상에는 버퍼층(510)이 형성되고, 상기 버퍼층(510) 상에는 반도체층(580)이 소정의 패턴으로 형성된다. 상기 반도체층(580) 상에는 제1 절연층(520)이 형성되며, 상기 제1 절연층(520)상에는 게이트 전극(590)이 소정의 패턴으로 형성되고, 상기 게이트 전극(590) 상에는 제2 절연층(530)이 형성된다. 상기 제2 절연층(530)이 형성된 후에는, 드라이 에칭 등의 공정에 의해 상기 제1 절연층(520)과 제2 절연층(530)이 식각되어 상기 반도체층(580)의 일부가 노출되고, 상기 노출된 부분을 포함하는 소정의 영역에 소스 전극(570)과 드레인 전극(610)이 형성된다. 상기 소스 전극(570) 및 드레인 전극(610)이 형성된 후 제 3절연층(540)이 형성되며, 상기 제 3절연층(540) 상에 평탄화층(550)이 형성된다. 상기 평탄화층(550)상 에는 소정의 패턴으로 제1 전극(620)이 형성되고, 상기 제 3절연층(540)과 상기 평탄화층(550) 일부가 식각되어 상기 드레인 전극(610)과 상기 제1 전극(620)의 도전통로가 형성된다. 투명한 제2 기판(680)은 상기 제1 기판(505)과 별도로 제조되고, 상기 제2 기판의 하면(680a)에는 칼라 필터층(670)이 형성된다. 상기 칼라 필터층(670)의 하면(670a)에는 제2 전극(660)이 형성되고, 상기 제1 전극(620)과 제2 전극(660)의 서로 대향하는 면들에는 액정층(640)을 배향하는 제1 배향층(630)과 제2 배향층(650)이 형성된다. 상기 제1 기판(505)의 하면(505a)에는 제1 편광층(500)이, 상기 제2 기판의 상면(680b)에는 제2 편광층(690)이 형성되고, 상기 제2 편광층의 상면(690a)에는 보호필름(695)이 형성된다. 상기 칼라 필터층(670)과 상기 평탄화층(550) 사이에는 상기 액정층(640)을 구획하는 스페이서(560)가 형성된다.
상기 액정 디스플레이 패널(410)의 작동원리에 관해 간단히 설명하면, 상기 게이트 전극(590), 소스 전극(570), 드레인 전극(610)에 의해 제어된 외부신호에 의해 상기 제1 전극(620)과 제2 전극(660) 사이에 전위차가 형성되고, 상기 전위차에 의해 상기 액정층(640)의 배열이 결정되며, 상기 액정층(640)의 배열에 따라서 상기 백라이트 유닛(100)에서 공급되는 가시광선(V)이 차폐 또는 통과된다. 상기 통과된 광이 칼라 필터층(670)을 통과하면서 색을 띠게 되어 화상을 구현한다.
도 11에는 액정 디스플레이 패널(특히, TFT-LCD)을 예시하였으나, 본 발명의 평판 디스플레이 장치를 구성하는 디스플레이 패널이 이에 한정되는 것은 아니며, 또한 상기 수발광 소자로는 상기와 같은 액정 디스플레이 패널 외에도 다양한 수발광형 디스플레이 패널이 적용될 수 있다.
상기와 같은 전자 방출 소자를 백라이트 유닛으로 구비한 평판 디스플레이 장치는 그 백라이트 유닛의 휘도와 수명이 향상됨에 따라 상기 디스플레이 장치의 화상의 휘도 향상은 물론 수명 증대의 효과를 가져올 수 있게 된다.
또한, 앞서 설명한 것과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 화상을 구현하는 디스플레이 장치에도 사용될 수 있다. 이 경우에는 상기 게이트 전극과 상기 캐소오드 전극이 서로 교차되는 방향으로 연장된 스트라이프 형상으로 형성되는 것이 신호를 인가하여 화상을 구현하도록 제어하는데 유리하다. 예를 들어, 상기 캐소오드 전극이 일방향으로 연장된 스트라이프 형태로 형성될 때, 상기 게이트 전극은 상기 캐소오드 전극과 교차되는 방향으로 연장된 주전극부와, 상기 주전극부에서 연장되어 상기 캐소오드 전극과 마주하는 위치에 설치된 가지전극부를 구비하도록 형성될 수 있다. 물론, 여기서 캐소오드 전극과 게이트 전극의 배치가 서로 바뀌는 것도 가능하다. 또한, 칼라 디스플레이 장치를 구현하는 경우, 단위화소를 이루는 복수의 발광 공간(103) 각각에 대해 적색 발광, 녹색 발광, 청색 발광의 형광체가 상기 애노드 전극(80)의 저면에 배치된다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따르면 캐소오드측 보조 전극 및 게이트측 보조 전극이 배치됨으로써 애노드 전계가 캐소오드 전극과 게이트 전극 사이의 전계로 침범하는 것을 막을 수 있다. 그리하여, 애노드 전극에 의해서는 전자의 가속만이 이루어지고, 게이트 전극에 의해서 전자 방출이 이루어지도록 제어 하기에 용이하게 되며, 이에 따라 발광 균일성(uniformity)과 형광체의 발광 효율 극대화가 가능하다.
또한, 이러한 전자 방출 소자를 간편한 공정으로 제작할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전자 방출 소자를 사용하여 백라이트 유닛을 구성하는 경우에는 이 백라이트 유닛을 채용한 디스플레이 장치의 휘도 및 발광 효율이 증대되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 애노드 전극 및 형광체층 구비하는 제1 기판;
    상기 제1 기판과 소정의 거리에 배치된 제2 기판;
    상기 제2 기판의 일면에 배치되고 전자 방출원 홈이 형성된 절연체층;
    상기 전자 방출원 홈의 일측에 배치된 캐소오드 전극;
    상기 캐소오드 전극과 전기적으로 연결되고 상기 절연체층으로부터 상기 제1 기판 방향으로 돌출된 캐소오드 보조 전극;
    상기 전자 방출원 홈을 기준으로 상기 캐소오드 전극과 대향되어 설치된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극과 전기적으로 연결되고 상기 절연체층으로부터 상기 제1 기판 방향으로 돌출된 게이트 보조 전극;
    상기 캐소오드 전극의 적어도 일부분에 배치된 전자 방출층; 및
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이의 간격을 유지하는 스페이서를 포함하는 전자 방출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 방출원 홈의 단면은 실질적으로 반원형인 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소오드 전극은 상기 절연체층의 상면에서 전자 방출원 홈에 걸쳐 배치된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전자 방출층은 그 표면이 상기 게이트 전극의 단부로부터 실질적으로 동일한 거리에 위치하도록, 상기 게이트 전극의 단부로부터 멀리 위치하는 부분은 두께가 두껍게 형성되고, 가까운 부분은 두께가 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 절연체층의 상면에 스트라이프 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 캐소오드 전극은 상기 게이트 전극과 교차하는 방향으로 연장된 스트라이프 형태로 형성된 주전극부와, 상기 주전극부로부터 직교하는 방향으로 연장된 부전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소오드 전극은 상면에 스트라이프 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 캐소오드 전극과 교차하는 방향으로 연장된 스트라이프 형태로 형성된 주전극부와, 상기 주전극부로부터 직교하는 방향으로 연장된 부전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 방출층은 침상의 전자 방출원인 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소오드 보조 전극 및 상기 게이트 보조 전극은 Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, 유리 및 Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘 등의 반도체 물질로 이루어지는 그룹에서 선택된 소재로 만들어진 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 전자 방출 소자와,
    상기 전자 방출 소자의 전방에 설치되어, 상기 전자 방출 소자로부터 공급되는 광을 제어하여 화상을 구현하는 수발광 소자를 포함하는 디스플레이 패널을 구비하는 것을 특징으로 하는 평판 디스플레이 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 수발광 소자는 액정인 것을 특징으로 하는 평판 디스플레이 장치.
  13. 기판을 준비하고, 상기 기판의 상면에 절연체층을 형성하는 단계(a);
    상기 절연체층 소재의 상면에 포토 레지스트로 마스크 패턴을 형성하는 단계(b);
    상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 절연체층을 부분 식각하여 전자 방출원 홈을 형성하는 단계(c);
    상기 절연체층의 상면과 상기 전자 방출원 홈의 내측에 걸쳐 배치되는 캐소오드 전극과, 상기 전자 방출원 홈을 기준으로 상기 캐소오드 전극과 대향되는 위치에서 상기 절연체층의 상면에 배치되는 게이트 전극을 형성하는 단계(d);
    상기 캐소오드 전극의 적어도 일부분 이상 전자 방출층을 배치하는 단계(e); 및
    상기 절연체층의 상측에 배치된 상기 캐소오드 전극의 부분 및 상기 게이트 전극의 상측에 각각의 보조 전극을 배치하는 단계(f)를 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 단계(c)의 전자 방출원 홈 형성 공정은 식각 가스 또는 식각액을 이용하는 등방성 식각 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 단계(c)의 전자 방출원 홈의 단면은 실질적으로 반원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계(e)에서 상기 전자 방출층은 상기 게이트 전극의 단부로부터의 거리가 실질적으로 동일하도록 두께가 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계(e)에서 상기 전자 방출층은 침상의 전자 방출원인 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 보조 전극은 Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, 유리 및 Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘 등의 반도체 물질로 이루어지는 그룹에서 선택된 소재로 만들어진 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
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