KR20070044578A - 전자 방출 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 기판과, 상기 기판 위에 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극들 및 게이트 전극들과, 상기 캐소드 전극들과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들을 포함한다. 여기서, 상기 절연층은 상기 캐소드 전극과 게이트 전극 사이에 미세 전류가 흐르도록 고저항을 갖는다. 이때, 절연층은 10⁹ ~ 10¹² Ωcm 범위 내의 비저항 값을 가질 수 있다.

전자 방출, 절연층, 고저항, 캐소드 전극, 게이트 전극

Description

전자 방출 디바이스{ELECTRON EMISSION DEVICE}

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

도 2는 도 1에 도시된 전자 방출 표시 디바이스의 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 요부를 확대한 단면도이다.

본 발명은 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캐소드 전극과 게이트 전극을 서로 절연시키는 전자 방출 디바이스의 절연층에 관한 것이다.

일반적으로 전자 방출 소자(electron emission element)는 전자원의 종류에 따라 열음극(hot cathode)을 이용하는 방식과 냉음극(cold cathode)을 이용하는 방식으로 분류될 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 중 FEA형 전자 방출 소자는 전자 방출부와 이 전자 방출부의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들로서 하나의 캐소드 전극과 하나의 게이트 전극을 구비하며, 전자 방출부의 물질로 일 함수(work function)가 낮거나 종횡비가 큰 물질, 일례로 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물이나, 탄소 나노튜브와 흑연 및 다이아몬드상 탄소와 같은 탄소계 물질을 사용하여 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한다.

한편, 전자 방출 소자는 일 기판에 어레이를 이루며 형성되어 전자 방출 디바이스(electron emission device)를 구성하고, 전자 방출 디바이스는 형광층과 애노드 전극 등으로 이루어진 발광 유닛이 구비된 다른 기판과 결합하여 전자 방출 표시 디바이스(electron emission display device)를 구성한다.

즉, 통상의 전자 방출 디바이스는 전자 방출부와 더불어 주사 전극들과 데이터 전극들로 기능하는 복수의 구동 전극들을 구비하여 전자 방출부와 구동 전극들의 작용으로 화소별 전자 방출의 온/오프와 전자 방출량을 제어한다. 그리고 전자 방출 표시 디바이스는 전자 방출부에서 방출된 전자들로 형광층을 여기시켜 소정의 발광 또는 표시 작용을 한다.

상기 전자 방출 디바이스는 캐소드 전극과 게이트 전극의 절연을 위해 그 사이에 절연층을 구비한다. 이 절연층은 크게 박막 증착, 페이스트의 인쇄 등을 이용하여 형성된다.

절연층은 전자 방출부에서 방출된 전자들의 충돌 등으로 인하여 국부적인 차징(charging)이 발생하는데, 이러한 절연층의 차징은 주위의 전계를 변화시켜 전자 방출 디바이스의 작동을 불안정하게 하여 아킹을 유발하는 원인이 된다. 아킹은 전극 및 절연층의 기판 상에 노출된 모서리에서 더욱 발생하기 쉬우며, 전자 방출 표시 디바이스의 경우, 애노드 전극에 수천 볼트(V)의 고압이 인가되므로 아킹이 발생할 확률은 더욱 증가한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구동 전극들 사이에 미세 전류를 흐르게 하여 절연층의 국부적인 차징을 억제함으로써 보다 안정적인 구동 특성을 확보할 수 있는 전자 방출 디바이스를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 기판과, 상기 기판 위에 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극들 및 게이트 전극들과, 상기 캐소드 전극들과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들을 포함한다. 여기서, 상기 절연층은 상기 캐소드 전극과 게이트 전극 사이에 미세 전류가 흐르도록 고저항을 갖는다.

또한, 상기 절연층은 10⁹ ~ 10¹² Ωcm 범위 내의 비저항 값을 가질 수 있다.

또한, 상기 절연층은 절연 물질에 도전성 물질이 첨가되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 절연 물질은 산화 규소(SiO₂)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 집속 전극이 포함된 경우에도 적용될 수 있다. 보다 상세하세 본 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 기판과, 상기 기판 위에 제1 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극들 및 게이트 전극들과, 상기 캐소드 전극들과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들 및 상기 전자 방출부들에서 방출된 전자빔을 집속시키도록 제2 절연층을 사이에 두고 상기 캐소드 전극들 및 게이트 전극들 상부에 위치하는 집속 전극을 포함한다. 여기서, 상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층 중 적어도 어느 하나는 그 상하 배치된 전극들 사이에 미세 전류가 흐르도록 고저항을 갖는다.

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 부분 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 전자 방출 디바이스의 부분 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 요부를 확대한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 전자 방출 표시 디바이스는 소정의 간격을 두고 평행하게 대향 배치되는 제1 기판(2)과 제2 기판(4)을 포함한다. 제1 기판(2)과 제2 기판(4)의 가장자리에는 밀봉 부재(도시하지 않음)가 배치되어 두 기판을 접합시키며, 내부 공간이 대략 10-6 torr의 진공도로 배기되어 제1 기판(2)과 제2 기판(4) 및 밀봉 부재가 진공 용기를 구성한다.

상기 제1 기판(2) 중 제2 기판(4)과의 대향면에는 전자 방출 소자들이 어레이를 이루며 배치되어 제1 기판(2)과 함께 전자 방출 디바이스를 구성하고, 전자 방출 디바이스가 제1 기판(2) 및 제2 기판(4)에 제공된 발광 유닛과 결합되어 전자 방출 표시 디바이스를 구성한다.

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 덮는 절연층(8)이 제1 기판(2) 전체에 형성된다. 절연층(8) 위에는 게이트 전극들(10)이 캐소드 전극(6)과 직교하는 방향(도면의 x축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.

여기서, 절연층(8)은 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10) 사이에 미세 전류가 흐르도록 고저항을 갖는다. 이를 위해 절연층(8)은 그 자체로 고저항 물질로 이루어지거나, 절연 물질에 도전성 물질을 첨가하여 형성될 수 있다. 절연 물질로는 유리계 재료인 산화 규소(SiO₂) 또는 아몰포스 실리콘이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 무기질 재료, 섬유질 재료 등 다양한 물질이 사용될 수 있다.

보다 구체적으로, 절연층(8)은 아몰포스 실리콘에 인(P)을 도핑하여 증착할 수 있으며, 인(P)은 PH3 가스량으로 조절될 수 있다. 절연층(8)이 고저항체로 되기 위해서 PH3 가스량은 일례로 30 ppm 이하로 흘려주게 된다. 또한, 절연층(8)은 SOG(spin on glass) 용액에 Pt, Ag 등 나노 금속 물질 등을 분산시켜 형성될 수 있다.

또한, 절연층(8)은 고저항 물질인 Cr₂O₃, TiN, ZnS 등으로 증착되어 형성될 수 있다.

또한, 절연층(8)은 비저항 값은 10⁹ ~ 10¹² Ωcm 범위 내에 들도록 형성되는 것이 바람직하다. 절연층(8)의 비저항 값이 10⁹ Ωcm보다 작으면, 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10) 사이에 흐르는 전류가 증가하게 되며, 이는 누설(leakage) 전류의 증가로 이어져 결국 전자 방출 표시 디바이스의 소비 전력을 증가시켜 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있고, 절연층(8)의 비저항 값이 10¹² Ωcm보다 크면, 미세 전류가 절연층(8)의 차징을 방지할 수 있는 정도로 흐르지 못하므로 아킹을 방지하기 어려운 문제점이 있기 때문이다.

상기 구성에서 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)의 교차 영역마다 캐소드 전극(6) 위로 하나 이상의 전자 방출부(12)가 형성되고, 절연층(8)과 게이트 전극(10)에는 각 전자 방출부(12)에 대응하는 개구부(82, 102)가 각각 형성되어 제1 기판(2) 상에 전자 방출부(12)가 노출되도록 한다.

도면에서는 전자 방출부들(12)이 원형으로 형성되고, 캐소드 전극(6)의 길이 방향을 따라 일렬로 배열되는 구성을 도시하였다. 그러나 전자 방출부(12)의 평면 형상과 화소 영역당 개수 및 배열 형태 등은 도시한 예에 한정되지 않는다.

그리고, 전자 방출부(12)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터(nm) 사이즈 물질로 이루어진다. 전자 방출부(10)로 사용 바람직한 물질로는 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, 플러렌(C₆₀), 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질 이 있다.

한편, 상기에서는 절연층(8)을 사이에 두고 게이트 전극(10)이 캐소드 전극(6) 상부에 위치하는 구조를 설명하였으나, 그 반대의 경우, 즉 캐소드 전극이 게이트 전극의 상부에 위치하는 구조도 가능하다. 이 구조에서는 전자 방출부가 캐소드 전극의 일측면과 접촉하며 절연층 위에 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 집속 전극을 더욱 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10) 사이에 위치하는 절연층(8)을 제1 절연층이라 할 때, 게이트 전극(10)과 제1 절연층(8) 위에 제2 절연층(14)과 집속 전극(16)이 각각 형성된다.

제2 절연층(14)과 집속 전극(16) 역시 제1 기판(2) 상에 전자 방출부(12)가 노출되도록 하는 각각의 개구부(142, 162)를 형성하는데, 상기 개구부(142, 162)는 일례로 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)의 교차 영역당 하나씩 형성될 수 있다. 집속 전극(16)은 제2 절연층(14) 위에서 제1 기판(2) 전체에 형성되거나, 소정의 패턴으로 구분되어 복수개로 형성될 수 있으며, 후자의 경우 도시는 생략하였다.

제2 절연층(14)도 제1 절연층(8)과 같이 고저항 값을 가져 게이트 전극(10)과 집속 전극(16) 사이에 미세 전류가 흐르도록 형성될 수 있다.

즉, 집속 전극(16)이 형성되는 경우, 제1 절연층(8)과 제2 절연층(14)은 그 중 어느 하나만이 고저항을 갖도록 형성되거나, 모두 고저항을 갖도록 형성될 수 있다.

다음으로, 제1 기판(2)에 대향하는 제2 기판(4)의 일면에는 적색(R), 녹색 (G) 및 청색(B) 형광층들(18)이 서로 간 소정의 간격을 두고 형성되고, 이 형광층들(18) 사이에는 화면의 콘트라스트 향상을 위한 흑색층(20)이 형성된다. 상기 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 형광층들(18)은 각각 서브 픽셀마다 분리 형성될 수 있으나, 스트라이프 패턴으로 형성될 수도 있다.

그리고, 형광층(18)과 흑색층(20) 위로는 알루미늄과 같은 금속막으로 이루어지는 애노드 전극(22)이 형성된다. 애노드 전극(22)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 애노드 전압을 인가받으며, 형광층(18)에서 방사된 가시광 중 제1 기판(2)을 향해 방사된 가시광을 반사시켜 화면의 휘도를 높이는 역할을 한다.

한편, 애노드 전극은 금속막이 아닌 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO)와 같은 투명 도전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 애노드 전극은 제2 기판을 향한 형광층과 흑색층의 일면에 위치하며, 소정의 패턴으로 구분되어 복수개로 형성될 수 있다. 또한, 애노드 전극은 전술한 투명 도전막과 금속막을 동시에 형성하는 구조도 가능하다.

그리고, 제1 기판(2)과 제2 기판(4) 사이에는 다수의 스페이서(24)가 설치되어 진공 용기에 가해지는 압축력을 지지하고, 제1 기판(2)과 제2 기판(4)의 간격을 일정하게 유지시킨다. 스페이서(24)는 형광층(18)을 침범하지 않도록 흑색층(22)이 위치하는 비발광 영역에 대응하여 배치된다.

전술한 구성의 전자 방출 표시 디바이스는 외부로부터 캐소드 전극(6), 게이트 전극(10), 집속 전극(16) 및 애노드 전극(22)에 소정의 전압을 인가받으며 구동된다. 일례로 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10) 중 어느 하나의 전극이 주사 구동 전압을 인가받아 주사 전극으로 기능하고, 다른 하나의 전극이 데이터 구동 전압을 인가받아 데이터 전극으로 기능한다. 그리고 집속 전극(16)은 전자빔 집속에 필요한 전압, 일례로 0V 또는 수 내지 수십 볼트의 음의 직류 전압을 인가받으며, 애노드 전극(22)은 전자빔 가속에 필요한 전압, 일례로 수백 내지 수천 볼트의 양의 직류 전압을 인가받는다.

그러면 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10)간 전압 차가 임계치 이상인 화소들에서 전자 방출부(12) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자들이 방출된다. 방출된 전자들은 집속 전극(16)의 개구부(162)를 통과하면서 전자빔 다발의 중심부로 집속되고, 애노드 전극(22)에 인가된 고전압에 이끌려 대응하는 화소의 형광층(18)에 충돌하여 이를 발광시킨다.

전술한 구동 과정에서, 전자 방출부(12)에서 방출된 전자들이 제1 절연층(8)과 제2 절연층(14)에 충돌하더라도 이 충돌한 전자들은 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10) 사이 및 게이트 전극(10)과 집속 전극(16) 사이에 흐르는 미세 전류에 의해 각 전극을 통하여 외부로 빠져나가므로 절연층에 차징되지 않는다.

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.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 고저항 절연층을 구비함으로써, 전극들 사이에 미세 전류가 흘러 절연층의 국부적인 차징을 억제한다. 이에 따라, 본 발명은 구동 전압과 애노드 전압에 의해 발생할 수 있는 아킹을 방지하고, 빔퍼짐도 개선되어 전체적으로 안정적인 구동 특성을 확보한 전자 방출 디바이스를 제공한다.

Claims (9)

1. 기판과;

   상기 기판 위에 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극들 및 게이트 전극들과;

   상기 캐소드 전극들과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들을 포함하며,

   상기 절연층이,

   상기 캐소드 전극과 게이트 전극 사이에 미세 전류가 흐르도록 고저항을 갖는 전자 방출 디바이스.
2. 제1항에 있어서,

   상기 절연층이 10⁹ ~ 10¹² Ωcm 범위 내의 비저항 값을 갖는 전자 방출 디바이스.
3. 제1항에 있어서,

   상기 절연층이 절연 물질에 도전성 물질이 첨가되어 형성되는 전자 방출 디바이스.
4. 제3항에 있어서,

   상기 절연 물질이 산화 규소(SiO₂) 또는 아몰포스 실리콘을 포함하는 전자 방출 디바이스.
5. 제1항에 있어서,

   상기 절연층이 고정항 물질인 Cr₂O₃, TiN, ZnS 및 이들의 조합 물질로 이루어지는 전자 방출 디바이스.
6. 기판과;

   상기 기판 위에 제1 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극들 및 게이트 전극들과;

   상기 캐소드 전극들과 전기적으로 연결되는 전자 방출부들; 및

   상기 전자 방출부들에서 방출된 전자빔을 집속시키도록 제2 절연층을 사이에 두고 상기 캐소드 전극들 및 게이트 전극들 상부에 위치하는 집속 전극을 포함하며,

   상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층 중 적어도 어느 하나가 그 상하 배치된 전극들 사이에 미세 전류가 흐르도록 고저항을 갖는 전자 방출 디바이스.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층이 10⁹ ~ 10¹² Ωcm 범위 내의 비저항 값 을 갖는 전자 방출 디바이스.
8. 제6항에 있어서,

   상기 절연층이 절연 물질에 도전성 물질이 첨가되어 형성되는 전자 방출 디바이스.
9. 제1항 또는 제6항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, 플러렌(C₆₀) 및 실리콘 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 전자 방출 디바이스.

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