KR20070046663A - 전자 방출 표시 디바이스 - Google Patents

전자 방출 표시 디바이스 Download PDF

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KR20070046663A
KR20070046663A KR1020050103526A KR20050103526A KR20070046663A KR 20070046663 A KR20070046663 A KR 20070046663A KR 1020050103526 A KR1020050103526 A KR 1020050103526A KR 20050103526 A KR20050103526 A KR 20050103526A KR 20070046663 A KR20070046663 A KR 20070046663A
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유승준
장철현
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Abstract

본 발명은 전자 방출 표시 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 상기 제1 기판 위에 제공되는 구동 전극들과, 상기 구동 전극들에 의해 제어되는 전자 방출부들과, 상기 구동 전극들 상부에서 구동 전극들과 절연되어 위치하고, 전자빔 통과를 위한 개구부들을 형성하는 집속 전극과, 상기 제2 기판의 일면에 형성되는 적색, 녹색 및 청색의 형광층들과, 상기 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극 및 상기 제1 기판과 제2 기판의 간격을 유지시키는 복수의 스페이서들을 포함하고, 상기 집속 전극은 포텐셜 웰을 형성하는 전위 제어부를 구비하며, 상기 전위 제어부와 스페이서가 상기 전자빔 통과를 위한 개구부들을 사이에 두고 서로 대응하는 위치에 배치된다.
전자방출, 포텐셜웰, 전위제어부, 집속전극, 스페이서

Description

전자 방출 표시 디바이스 {ELECTRON EMISSION DISPLAY DEVICE}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전자 방출 표시 디바이스의 부분 단면도이다.
도 3은 전위 제어부 주위에 포텐셜 웰이 형성된 등전위선을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 전자 방출 디바이스의 부분 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 부분 평면도이다.
본 발명은 전자 방출 표시 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 방출부에서 방출된 전자빔을 집속하는 집속 전극에 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; 이하 'FEA'라 함)형, 표면 전도 에미션(Surface-Conduction Emission; 이하 'SCE'라 함)형, 금속-절연층-금속(Metal-Insulator-Metal; 이하 'MIM'이라 함)형 및 금속-절연층-반도체(Metal-Insulator-Semiconductor; 이하 'MIS'라 함)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.
전자 방출 표시 디바이스는 진공 용기를 구성하는 두 기판의 간격을 유지시키도록 내부에 다수의 스페이서들을 구비한다. 이 스페이서는 전자의 흐름이 지속적으로 발생하는 진공의 내부 공간에 노출되어 전자 방출부에서 방출되는 전자들과 충돌하여 차징된다.
차징된 스페이서는 전자 방출부에서 방출되는 전자들을 한쪽으로 밀거나 끌어당겨 전자빔의 경로를 왜곡시키며, 이에 따라 형광층의 비발광 영역을 증가시킨다. 이와 같은 스페이서로 인한 전자빔 왜곡 현상을 방지하기 위해 스페이서 표면에 코팅층을 부가하거나, 스페이서와 전극을 연결하는 구조가 개시된바 있으나, 이는 스페이서에 차징된 전하를 전극을 통하여 외부로 방전(discharging)시키는 구조이다.
그러나, 상기와 같은 스페이서는 전극과의 접촉 불량 등으로 인하여 차징된 전하를 효율적으로 방전시키는 데에는 한계가 있으며, 이에 따라 전자빔의 직진성을 확보하기 어렵다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자빔 주위의 등전위선을 변화시켜 스페이서의 차징에 의한 전자빔의 왜곡 현상을 보상할 수 있는 전자 방출 표시 디바이스를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 상기 제1 기판 위에 제공 되는 구동 전극들과, 상기 구동 전극들에 의해 제어되는 전자 방출부들과, 상기 구동 전극들 상부에서 구동 전극들과 절연되어 위치하고, 전자빔 통과를 위한 개구부들을 형성하는 집속 전극과, 상기 제2 기판의 일면에 형성되는 적색, 녹색 및 청색의 형광층들과, 상기 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극 및 상기 제1 기판과 제2 기판의 간격을 유지시키는 복수의 스페이서들을 포함하고, 상기 집속 전극은 포텐셜 웰을 형성하는 전위 제어부를 구비하며, 상기 전위 제어부와 스페이서가 상기 전자빔 통과를 위한 개구부들을 사이에 두고 서로 대응하는 위치에 배치된다.
또한, 상기 전위 제어부는 상기 집속 전극의 일부를 제거하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 전위 제어부는 상기 집속 전극의 하부에 형성된 절연층을 상기 진공 용기의 내부 공간에 노출시키는 또 다른 개구부로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 집속 전극은 단일의 몸체로 이루어지고, 이때 상기 스페이서는 집속 전극 위에 위치할 수 있다.
또한, 상기 스페이서는 벽체형으로 형성될 수 있으며, 이때 상기 전위 제어부는 상기 스페이서의 길이 방향을 따라 일체로 형성되거나 그 길이 방향을 따라 적어도 2개 이상 분리 형성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 전자 방출 표시 디바이스의 부분 단면도이고, 도 3은 전위 제어부 주위에 포텐셜 웰이 형성된 등전위선을 보여주는 도면이며, 도 4는 도 1에 도시된 전자 방출 디바이스의 부분 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 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 제2 기판(4) 및 제2 기판(4)에 제공된 발광 유닛과 결합하여 전자 방출 표시 디바이스를 구성한다.
먼저, 제1 기판(2) 위에는 제1 구동 전극인 캐소드 전극들(6)이 제1 기판(2)의 일 방향(도 1에서 y축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극들(6)을 덮으면서 제1 기판(2) 전체에 제1 절연층(8)이 형성된다. 제1 절연층(8) 위에는 제2 구동 전극인 게이트 전극들(10)이 캐소드 전극(6)과 직교하는 방향(도 1에서 x축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.
상기 캐소드 전극들(6)과 게이트 전극들(10)의 교차 영역이 단위 화소를 이루며, 캐소드 전극들(6) 위로 각 단위 화소마다 전자 방출부들(12)이 형성된다. 그 리고 제1 절연층(8)과 게이트 전극들(10)에는 각 전자 방출부(12)에 대응하는 개구부(82, 102)가 형성되어 제1 기판(2) 상에 전자 방출부(12)가 노출되도록 한다.
전자 방출부(12)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터(nm) 사이즈 물질로 이루어질 수 있다. 전자 방출부(12)는 탄소 나노튜브(CNT), 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(DLC), 플러렌(C60), 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질을 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 전자 방출부는 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물로 이루어질 수 있다.
전자 방출부들(12)은 각 단위 화소에서 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10) 중 어느 한 전극, 일례로 캐소드 전극(6)의 길이 방향을 따라 일렬로 위치할 수 있으며, 원형의 평면 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 단위 화소별 전자 방출부들(12)의 배열 형상과 전자 방출부(12)의 평면 형상은 도시한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다.
또한, 상기에서는 제1 절연층(8)을 사이에 두고 게이트 전극들(10)이 캐소드 전극들(6) 상부에 위치하는 구조에 대해 설명하였으나, 게이트 전극들이 제1 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극들 하부에 위치하는 구조도 가능하며, 이 경우 전자 방출부들은 제1 절연층 위에서 캐소드 전극의 측면에 형성될 수 있다.
그리고 게이트 전극들(10)과 제1 절연층(8) 위로 집속 전극(14)이 형성된다. 집속 전극(14) 하부에는 제2 절연층(16)이 위치하여 게이트 전극들(10)과 집속 전극(14)을 절연시키고, 집속 전극(14)과 제2 절연층(16)에도 전자빔 통과를 위한 개구부(142, 162)가 각각 마련된다.
집속 전극(14)의 개구부(142)는 단위 화소마다 하나씩 형성되어 집속 전극(14)이 하나의 단위 화소에서 방출되는 전자들을 포괄적으로 집속하거나, 각 게이트 전극(10) 개구부(102)마다 하나씩 형성되어 각 전자 방출부(12)에서 방출되는 전자들을 개별적으로 집속할 수 있다. 도면에서는 일례로 전자(前者)의 경우를 도시하였다.
또한, 집속 전극(14)은 제1 기판(2) 전체에 단일의 몸체를 이루며 형성되거나 소정의 패턴으로 나뉘어 복수개로 분리 형성될 수 있다.
다음으로, 제1 기판(2)에 대향하는 제2 기판(4)의 일면에는 형광층(18), 일례로 적색, 녹색 및 청색의 형광층들(18R, 18G, 18B)이 서로간 임의의 간격을 두고 형성되고, 각 형광층(18) 사이로 화면의 콘트라스트 향상을 위한 흑색층(20)이 형성된다. 형광층(18)은 제1 기판(2)에 설정된 단위 화소마다 하나의 형광층(18)이 대응하도록 배치될 수 있다.
그리고 형광층(18)과 흑색층(20)의 일면에는 알루미늄(Al)과 같은 금속막으로 이루어진 애노드 전극(22)이 형성된다. 애노드 전극(22)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가받아 형광층(18)을 고전위 상태로 유지시키며, 형광층(18)에서 방사된 가시광 중 제1 기판(2)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(4) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높인다.
한편, 애노드 전극은 금속막이 아닌 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO)와 같은 투명 도전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 애노드 전극은 제2 기판(4)을 향한 형광층(18)과 흑색층(20)의 일면에 위치한다. 또한 애노드 전극은 전술한 투명 도전막과 금속막을 동시에 사용하는 구조도 가능하다.
그리고 제1 기판(2)과 제2 기판(4) 사이에는 진공 용기에 가해지는 압축력을 지지하고 두 기판의 간격을 일정하게 유지시키는 스페이서들(24)이 배치된다. 스페이서들은 스페이서들(24)은 형광층(18)을 침범하지 않도록 흑색층(20)에 대응하여 위치한다. 스페이서들은 벽체형, 원 기둥형 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 도 1에서는 일례로 벽체형 스페이서를 도시하였다.
본 실시예에서 집속 전극(14)은 전자빔의 직진성을 부여하도록 포텐셜 웰(potential well)을 형성하는 전위 제어부를 구비한다. 전위 제어부는 도 1에 도시된 바와 같이, 집속 전극(14)의 일부가 제거되어 제2 절연층(16)을 제1 기판(2)상에 노출시키는 또 다른 개구부(144)로 이루어질 수 있다. 이하, 편의상 전자빔 통과를 위한 개구부를 제1 개구부라 하고, 전위 제어부를 구성하는 개구부를 제2 개구부라 한다.
제2 개구부(144)는 집속 전극(14)의 표면을 따라 형성되는 등전위선을 주위보다 낮은 전위를 갖도록 제2 기판(4)을 향해 오목하게 형성된 포텐셜 웰을 형성한다. 이 포텐셜 웰은 제2 기판(4)을 향해 진행하는 전자빔을 끌어당기며, 이에 따라 어떤 원인에 의해 직진하지 못하고 포텐셜 웰로부터 멀어지려는 전자빔을 끌어당겨 전자빔 경로의 직진성을 향상시키는 기능을 한다.
도 3은 전위 제어부 주위에 포텐셜 웰이 형성된 등전위선을 보여주는 도면으로서, 등전위선이 제1 기판(2)을 향해 볼록하게 형성된 모습을 보여준다. 화살표는 전자 방출부(12)에서 방출된 전자가 전위 제어부(144)에 의해 받는 힘의 방향을 나타낸다.
제2 개구부(144)는 제1 개구부들(142)을 사이에 두고 스페이서(24)와 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 이는 2차 전자 방출 등으로 인하여 양전하로 차징된 스페이서(24)가 제1 개구부(142)를 통과하는 전자빔을 끌어당겨 전자빔의 경로를 왜곡시키는 것을 방지하기 위함이다. 즉, 제1 개구부(142)를 중심으로 스페이서(24)와 마주하는 위치에 포텐셜 웰을 형성하여 스페이서(24)가 제1 개구부(142)를 통과하는 전자빔을 끌어당기는 힘과 포텐셜 웰에 의해 끌어당기는 힘이 서로 균형을 이뤄 전자빔의 직진성을 유지하도록 하는 것이다.
도 4는 벽체형 스페이서(24)의 길이 방향을 따라 포텐셜 웰이 형성되도록 제2 개구부(144)가 일체로 형성된 것을 보여 준다. 제2 개구부(144)는 도 4에 도시된 바와 같이, 장방형으로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 방출 디바이스의 부분 평면도로서, 제2 개구부(146)가 스페이서(24)의 길이 방향을 따라 다수로 분리 형성된 것을 보여준다. 이때, 제2 개구부(146)는 제1 개구부(142)와 서로 일대일 대응하며 형성될 수 있다.
도시는 생략하였지만, 원 기둥형 스페이서가 배치된 경우에도 집속 전극은 상기 벽체형 스페이서와 마찬가지로 제1 개구부들을 중심으로 스페이서와 대응하는 위치에 전위 제어부를 구비할 수 있다.
제2 개구부의 형상, 위치, 배열 및 크기는 스페이서의 형상, 차징된 전하의 종류, 전자빔의 왜곡 정도 등에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
상기한 구성의 전자 방출 표시 디바이스는 외부로부터 캐소드 전극(6), 게이트 전극(10), 집속 전극(14) 및 애노드 전극(22)에 소정의 전압을 공급하여 구동한다.
일례로 캐소드 전극(6)과 게이트 전극(10) 중 어느 한 전극들이 주사 구동 전압을 인가받아 주사 전극들로 기능하고, 다른 한 전극들이 데이터 구동 전압을 인가받아 데이터 전극들로 기능한다. 그리고 집속 전극(14)은 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 단위 화소들에서 전자 방출부(12) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자들이 방출된다. 방출된 전자들은 집속 전극(14)의 제1 개구부(142)를 통과하면서 전자빔 다발의 중심부로 집속되며, 애노드 전극(22)에 인가된 고전압에 이끌려 대응하는 단위 화소의 형광층(18)에 충돌함으로써 이를 발광시킨다.
전술한 구동 과정에 있어서, 스페이서(24)가 양전하로 차징되어 제1 개구부(142)를 통과하는 전자빔을 끌어당기더라도 그 반대편에 제2 개구부(144, 146)가 포텐셜 웰을 형성하여 전자빔을 끌어당기므로 스페이서가 작용하는 인력과 포텐셜 웰이 작용하는 인력이 서로 상쇄되어 전자빔은 어느 한쪽으로 치우치지 않고 본래의 전자빔 경로를 유지하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 전계 방출 어레이(FEA)형에 대해서만 적용되었으나, 이에 한정되지 않으며, 표면 전도 에미션(SCE)형, 금속-절연층-금속(MIM)형 및 금속-절연층-반도체(MIS)형 등 다양하게 적용될 수 있다.
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.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 집속 전극에 포텐셜 웰을 형성하는 전위 제어부를 구비함으로써, 스페이서의 차징으로 인하여 발생하는 전자빔의 왜곡 현상을 제거하고, 이에 따라 형광층의 비발광 영역을 줄여줄 수 있어 고화질의 영상을 구현할 수 있다.

Claims (13)

  1. 서로 대향 배치되어 진공 용기를 구성하는 제1 기판 및 제2 기판과;
    상기 제1 기판 위에 제공되는 구동 전극들과;
    상기 구동 전극들에 의해 제어되는 전자 방출부들과;
    상기 구동 전극들 상부에서 구동 전극들과 절연되어 위치하고, 전자빔 통과를 위한 개구부들을 형성하는 집속 전극과;
    상기 제2 기판의 일면에 형성되는 적색, 녹색 및 청색의 형광층들과;
    상기 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극; 및
    상기 제1 기판과 제2 기판의 간격을 유지시키는 복수의 스페이서들을 포함하고,
    상기 집속 전극은 포텐셜 웰을 형성하는 전위 제어부를 구비하며,
    상기 전위 제어부와 스페이서가 상기 전자빔 통과를 위한 개구부들을 사이에 두고 서로 대응하는 위치에 배치되는 전자 방출 표시 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전위 제어부는 상기 집속 전극의 일부가 제거되어 형성되는 전자 방출 표시 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전위 제어부는 상기 집속 전극의 하부에 형성된 절연층을 상기 진공 용기의 내부 공간에 노출시키는 또 다른 개구부로 이루어지는 전자 방출 표시 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 집속 전극은 단일의 몸체로 이루어지고,
    상기 스페이서가 상기 집속 전극 위에 위치하는 전자 방출 표시 디바이스.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서가 벽체형으로 형성되는 전자 방출 표시 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전위 제어부가 상기 스페이서의 길이 방향을 따라 일체로 형성되는 전자 방출 표시 디바이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전위 제어부가 상기 스페이서의 길이 방향을 따라 적어도 2개 이상 분리 형성되는 전자 방출 표시 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전위 제어부가 상기 전자빔 통과를 위한 개구부와 서로 일대일 대응하면서 형성되는 전자 방출 표시 디바이스.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서가 기둥형으로 형성되는 전자 방출 표시 디바이스.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 전위 제어부가 장방형으로 형성되는 전자 방출 표시 디바이스.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 구동 전극들이 절연층을 사이에 두고 서로 다른 층에 위치하면서 서로 교차하는 방향을 따라 형성되는 캐소드 전극들과 게이트 전극들을 포함하고,
    상기 전자 방출부들이 상기 캐소드 전극과 게이트 전극의 교차 영역마다 캐소드 전극 위에 형성되는 전자 방출 표시 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전자빔 통과를 위한 개구부가 상기 캐소드 전극과 게이트 전극의 교차 영역마다 하나씩 형성되는 전자 방출 표시 디바이스.
  13. 제11항에 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 표시 디바이스.
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