KR20070055783A - 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기장을 이용하여 전자들을 집속시키는 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전자 방출 디바이스는 기판과, 기판 위에 제공되는 전자 방출부들과, 기판에 구비되어 단위 화소별로 전자 방출부들의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들과, 절연층을 사이에 두고 구동 전극들과 절연되어 위치하는 집속 전극을 포함한다. 집속 전극은 절연층을 수회 관통하며 기판의 일 방향을 따라 감겨 형성되는 코일부와, 전자빔 경로의 일측에서 한 쌍의 코일부 사이에 위치하며 소정의 전류 흐름으로 전자빔 편향을 위한 자기력을 생성하는 집속부와, 단위 화소 사이 영역에서 코일부들을 연결하는 연결부를 포함한다.

전자방출부, 구동전극, 집속전극, 자기장, 캐소드전극, 게이트전극, 코일부, 집속부, 연결부

Description

전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스 {ELECTRON EMISSION DEVICE AND ELECTRON EMISSION DISPLAY DEVICE USING THE SAME}

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도와 부분 단면도이다.

도 3은 도 1에 도시한 전자 방출 디바이스의 부분 확대 평면도이다.

도 4는 집속 전극의 전자빔 집속 원리를 설명하기 위해 도시한 개략도이다.

본 발명은 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자빔 집속을 위해 제공되는 집속 전극의 구조를 개선한 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스에 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 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 중 전계 방출 어레이(FEA)형 전자 방출 소자는 전자 방출부와 전자 방출부의 전자 방출을 제어하는 구동 전극으로서 하나의 캐소드 전극과 하나의 게이트 전극을 구비하며, 전자 방출부의 구성 물질로 일 함수가 낮거나 종횡비가 큰 물질, 일례로 탄소 나노튜브와 흑연 및 다이아몬드상 탄소와 같은 탄소계 물질을 사용하여 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한다.

전자 방출 소자는 제1 기판에 어레이를 이루며 배치되어 전자 방출 디바이스(electron emission device)를 구성하고, 전자 방출 디바이스는 형광층과 애노드 전극 등으로 이루어진 발광 유닛이 구비된 제2 기판과 결합하여 전자 방출 표시 디바이스(electron emission display device)를 구성한다.

상기 전자 방출 표시 디바이스에 있어서 전자빔 경로를 특정 방향으로 유도하여 표시 특성을 향상시키려는 노력이 있어왔다. 예를 들어 전자 방출부에서 방출된 전자들이 제2 기판을 향해 퍼지며 진행하는 경우에는 이 전자들이 대응하는 단위 화소의 형광층 뿐만 아니라 이웃한 다른 단위 화소의 타색 형광층에 함께 도달하여 타색 발광을 유발한다.

따라서 전자빔 제어를 위한 수단의 하나로 집속 전극이 제안되었다. 종래의 집속 전극은 전자 방출 디바이스의 최상부에 위치하며 전자빔 통과를 위한 개구부를 구비하고, 0V 또는 수 내지 수십 볼트의 음의 직류 전압을 인가받아 개구부를 통과하는 전자들에 척력을 부여함으로써 이 전자들을 전자빔 다발의 중심부로 집속시킨다.

그런데 종래와 같이 전기장을 이용하여 전자빔을 집속시키는 방식에서는 집속 전극에 의한 전기장이 표시 디바이스 내부의 다른 전극들에서 발생하는 전기장과 상호 영향을 미치며, 제2 기판을 향한 전자 투과도를 저하시킨다.

예를 들어 전계 방출 어레이(FEA)형 전자 방출 표시 디바이스에서는 캐소드 전극과 게이트 전극의 전압 차에 의해 전자 방출부 주위에 전계를 형성하여 전자 방출을 유도하고, 집속 전계를 이용해 전자들을 집속시키는데, 이 과정에서 전자 방출을 유도하는 게이트 전계가 집속 전계에 의해 약화될 수 있다. 그 결과 전자 방출량이 낮아져 화면 휘도가 저하되고, 이를 개선하기 위해 구동 전압을 높여야 하는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 집속 전극이 표시 디바이스 내부의 다른 전극들에서 발생하는 전기장과 상호 영향을 미치지 않도록 하고, 제2 기판을 향한 전자 투과도를 높여 화면의 휘도를 향상시킬 수 있는 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

기판과, 기판 위에 제공되는 전자 방출부들과, 기판에 구비되어 단위 화소별로 전자 방출부들의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들과, 절연층을 사이에 두고 구동 전극들과 절연되어 위치하는 집속 전극을 포함하며, 집속 전극이 절연층을 수회 관통하며 기판의 일 방향을 따라 감기는 코일부와, 전자빔 경로의 일측에서 한 쌍의 코일부 사이에 위치하며 소정의 전류 흐름으로 전자빔 편향을 위한 자기력을 생성하는 집속부와, 단위 화소 사이 영역에서 코일부들을 연결하는 연결부를 포함하는 전자 방출 디바이스를 제공한다.

상기 절연층은 전자빔 통과를 위한 개구부를 구비하며, 상기 집속 전극은 이 개구부의 양측에서 대칭으로 위치한다.

상기 코일부와 집속부 및 연결부는 구동 전극들 중 어느 한 구동 전극의 길이 방향을 따라 연속으로 배치된다.

상기 개구부를 사이에 두고 위치하는 한 쌍의 집속 전극은 서로 반대측 일 끝단에 전압 인가부를 형성하여 전류 흐름이 반대 방향이 되도록 한다.

상기 절연층은 복수의 비아 홀을 형성하며, 상기 코일부는 절연층의 윗면과 비아 홀 내부 및 절연층의 아랫면에 걸쳐 코일 모양으로 감겨 형성된다.

상기 구동 전극들은 기판의 일 방향을 따라 형성되는 캐소드 전극들과, 캐소드 전극들과 절연을 유지하며 캐소드 전극들과 교차하는 방향을 따라 형성되는 게이트 전극들을 포함할 수 있으며, 캐소드 전극들과 게이트 전극들의 교차 영역이 단위 화소를 구성한다.

상기 절연층은 단위 화소마다 하나의 개구부를 형성할 수 있으며, 코일부와 집속부 및 연결부가 개구부의 양측에서 캐소드 전극들의 길이 방향을 따라 연속으로 배치될 수 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

서로 대향 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 위에 제공되는 전자 방출부들과, 제1 기판에 구비되어 단위 화소별로 전자 방출부들의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들과, 절연층을 사이에 두고 구동 전극들과 절연되어 위치하는 집속 전극과, 제2 기판의 일면에 형성되는 형광층들과, 형광층들의 일면에 형성되는 애노드 전극을 포함하며, 집속 전극이 절연층을 수회 관통하며 제1 기판의 일 방향을 따라 감기는 코일부와, 전자빔 경로의 일측에서 한 쌍의 코일부 사이에 위치하며 소정의 전류 흐름으로 전자빔 편향을 위한 자기력을 생성하는 집속부와, 단위 화소 사이 영역에서 코일부들을 연결하는 연결부를 포함하는 전자 방출 표시 디바이스를 제공한다.

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

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도와 부분 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 전자 방출 디바이스의 부분 평면도이다.

도면을 참고하면, 전자 방출 표시 디바이스는 소정의 간격을 두고 평행하게 대향 배치되는 제1 기판(10)과 제2 기판(12)을 포함한다. 제1 기판(10)과 제2 기판(12)의 가장자리에는 밀봉 부재(도시하지 않음)가 배치되어 두 기판을 접합시키며, 내부 공간이 대략 10^-6 torr의 진공도로 배기되어 제1 기판(10)과 제2 기판(12) 및 밀봉 부재가 진공 용기를 구성한다.

상기 제1 기판(10) 중 제2 기판(12)과의 대향면에는 전자 방출 소자들이 어레이를 이루며 배치되어 제1 기판(10)과 함께 전자 방출 디바이스(100)를 구성하고, 전자 방출 디바이스(100)가 제2 기판(12) 및 제2 기판(12)에 제공된 발광 유닛(110)과 결합하여 전자 방출 표시 디바이스를 구성한다.

먼저, 제1 기판(10) 위에는 제1 전극인 캐소드 전극들(14)이 제1 기판(10)의 일 방향을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극들(14)을 덮으면서 제1 기판(10) 전체에 제1 절연층(16)이 형성된다. 제1 절연층(16) 위에는 제2 전극인 게이트 전극들(18)이 캐소드 전극(14)과 직교하는 방향을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.

상기 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18)의 교차 영역이 하나의 단위 화소(sub-pixel)을 구성하며, 캐소드 전극들(14) 위로 각 단위 화소마다 전자 방출부들(20)이 형성된다. 그리고 제1 절연층(16)과 게이트 전극들(18)에는 각 전자 방출부(20)에 대응하는 개구부(161,181, 도 2 참고)가 형성되어 제1 기판(10) 위에 전자 방출부(20)가 노출되도록 한다.

전자 방출부(20)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터(nm) 사이즈 물질로 이루어질 수 있다. 전자 방출부(20)는 일례로 탄소 나노튜브(CNT), 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(DLC), 훌러렌(C₆₀), 실리콘 나노와이어 및 이들의 조합 물질을 포함할 수 있으며, 그 제조법으로 스크린 인쇄, 직접 성장, 화학기상증착(CVD) 또는 스퍼터링 등을 적용할 수 있다.

다른 한편으로 전자 방출부는 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물로 이루어질 수 있다.

도면에서는 전자 방출부(20)가 원형으로 형성되고 캐소드 전극(14)의 길이 방향을 따라 일렬로 위치하는 구성을 도시하였으나, 전자 방출부(20)의 형상과 단위 화소당 개수 및 배열 형태 등은 도시한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다.

그리고 게이트 전극들(18)과 제1 절연층(16) 위로 전자빔 통과를 위한 개구부(221)를 갖는 제2 절연층(22)이 형성되고, 제2 절연층(22) 위로 자기장을 이용하여 전자들을 집속시키는 집속 전극(24)이 위치한다. 제2 절연층(22)의 개구부(221)는 전자 방출부(20)마다 하나씩 형성되거나 단위 화소마다 하나씩 형성될 수 있으며, 도면에서는 두 번째 경우를 도시하였다.

본 실시예에서 집속 전극(24)은 제2 절연층(22)을 수회 관통하며 제1 기판(10)의 일 방향을 따라 감겨 형성되는 코일부(241)와, 전자빔 경로의 일측에서 한 쌍의 코일부(241) 사이에 위치하고 소정의 전류 흐름으로 전자빔 편향을 위한 자기력을 생성하는 집속부(242)와, 단위 화소 사이 영역에서 코일부들(241)을 연결하는 연결부(243)를 포함한다.

상기 코일부(241)와 집속부(242) 및 연결부(243)로 이루어진 집속 전극(24)은 제2 절연층(22) 개구부(221)의 양측에 대칭으로 위치하며, 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18) 중 어느 한 전극, 일례로 캐소드 전극(14)의 길이 방향을 따라 연속으로 배치된다. 이로써 집속 전극(24)은 캐소드 전극(14)의 길이 방향을 따라 위치하는 제2 절연층(22) 개구부들(221) 어레이에 대응하여 이 개구부들(221)의 좌측과 우측에 한 쌍으로 구비된다.

보다 구체적으로, 코일부(241)는 단위 화소의 주변부, 즉 도 3을 기준으로 제2 절연층(22) 개구부(221)의 상하측에 위치할 수 있으며, 제2 절연층(22)에 형성된 복수의 비아 홀(via hole)(222)을 통해 제2 절연층(22)의 윗면과 비아 홀(222) 내부 그리고 제2 절연층(22)의 아랫면에 걸쳐 코일 모양으로 형성된다. 그리고 집속부(242)는 제2 절연층(22) 개구부(221)와 소정의 거리를 두고 제2 절연층(22) 개구부(221)의 좌우 양측에 위치한다.

전술한 구성에서 제2 절연층(22) 개구부(221)의 일측에 위치하는 집속부(242)와 반대편 일측에 위치하는 집속부(242)는 서로 반대 방향으로 소정의 전류를 공급받아 자기장을 생성하며, 로렌츠 법칙에 따라 제2 절연층(22) 개구부(221)를 통과하는 전자들에 힘을 가하여 이 전자들을 전자빔 다발의 중심부로 집속시킨다.

다음으로, 제1 기판(10)에 대향하는 제2 기판(12)의 일면에는 형광층(26), 일례로 적색과 녹색 및 청색의 형광층들(26R,26G,26B)이 서로간 임의의 간격을 두고 형성되고, 각 형광층(26) 사이로 화면의 콘트라스트 향상을 위한 흑색층(28)이 형성된다. 형광층(26)은 제1 기판(10)에 설정되는 단위 화소에 하나의 형광층(26R,26G,26B)이 대응하도록 배치된다.

상기 형광층(26)과 흑색층(28) 위로 알루미늄(Al)과 같은 금속막으로 이루어 진 애노드 전극(30)이 형성된다. 애노드 전극(30)은 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가받아 형광층(26)을 고전위 상태로 유지시키며, 형광층(26)에서 방사된 가시광 중 제1 기판(10)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(12) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높인다.

한편 애노드 전극은 금속막이 아닌 ITO(indium tin oxide)와 같은 투명 도전막으로 이루어질 수 있다. 이 경우 애노드 전극은 제2 기판(12)을 향한 형광층(26)과 흑색층(28)의 일면에 위치한다. 또한 애노드 전극으로서 전술한 투명 도전막과 금속막을 동시에 형성하는 구조도 가능하다.

그리고 제1 기판(10)과 제2 기판(12) 사이에는 스페이서들(도시하지 않음)이 배치되어 진공 용기에 가해지는 압축력을 지지하고, 제1 기판(10)과 제2 기판(12)의 간격을 일정하게 유지시킨다. 스페이서들은 형광층(26)을 침범하지 않도록 흑색층(28)에 대응하여 위치한다.

전술한 구성의 전자 방출 표시 디바이스는 외부로부터 캐소드 전극들(14), 게이트 전극들(18), 집속 전극들(24) 및 애노드 전극(30)에 소정의 전압을 공급하여 구동한다.

일례로 캐소드 전극들(14)과 게이트 전극들(18) 중 어느 한 전극들이 주사 구동 전압을 인가받아 주사 전극들로 기능하고, 다른 한 전극들이 데이터 구동 전압을 인가받아 데이터 전극들로 기능한다. 애노드 전극(30)은 전자빔 가속에 필요한 전압, 일례로 수백 내지 수천 볼트의 양의 직류 전압을 인가받으며, 제2 절연층(22) 개구부(221)를 사이에 두고 위치하는 한 쌍의 집속 전극(24)은 서로 반대 방 향의 전류 흐름을 가질 수 있도록 반대측 일 끝단에 전압 인가부를 형성하여 이로부터 소정의 전압을 인가받는다.

그러면 캐소드 전극(14)과 게이트 전극(18)의 전압 차가 임계치 이상인 단위 화소들에서 전자 방출부(20) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자들이 방출된다. 방출된 전자들은 제2 절연층(22)의 개구부(221)를 통과하면서 집속부(242)에서 생성된 자기장에 의해 힘을 받아 전자빔 다발의 중심부로 집속되고, 애노드 전극(30)에 인가된 고전압에 이끌려 대응하는 단위 화소의 형광층(26)에 충돌함으로써 이를 발광시킨다.

도 4는 전자빔 집속 원리를 설명하기 위해 도시한 개략도로서, 도 3을 기준으로 제2 절연층 개구부의 우측에 위치하는 하나의 집속 전극을 도시하였다.

도 4에서 A 화살표는 도면의 z축 방향에 따른 전자빔 진행 방향을 나타내고, B 화살표는 도면의 (-y)축 방향에 따른 집속부(242)의 전류 방향을 나타낸다. 코일부(241)와 집속부(242)의 전류 흐름에 의해 (-y)축 방향으로 자기장이 생성되며(C 화살표 참고), D 화살표가 자기장에 의해 전자가 받는 힘의 방향을 나타낸다. 따라서 전자들은 D 화살표 방향으로 편향되고, 이와 같이 집속된 전자빔 경로를 E 화살표로 도시하였다.

한편 도 3을 기준으로 제2 절연층(22) 개구부(221)의 좌측에 위치하는 집속 전극(24)은 상기와 반대의 전류 흐름을 가짐에 따라, 자기장에 의해 전자들에 가해지는 힘은 이 집속 전극(24)의 집속부(242)로부터 멀어지는 방향이 되고, 상기와 같은 원리로 전자들을 편향시켜 전자빔 다발의 중심부로 집속시킨다.

상기에서는 전자 방출부가 진공 중에서 전계에 의해 전자를 방출하는 물질들로 이루어진 전계 방출 어레이(FEA)형 전자 방출 표시 디바이스에 대해 설명하였으나, 본 발명은 FEA형에 한정되지 않고 전자빔 집속이 요구되는 다른 타입의 전자 방출 표시 디바이스에도 용이하게 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.

이와 같이 본 발명에 의한 전자 방출 표시 디바이스는 자기장을 이용하여 전자빔을 집속시킴에 따라 제2 기판을 향한 전자 투과도를 높여 화면 휘도를 향상시키며, 집속 전극에 의한 자기장이 다른 전극들에서 발생하는 전기장과 상호 영향을 미치지 않아 전자 방출부의 에미션 특성을 저하시키지 않는다. 또한 본 발명에 의한 전자 방출 표시 디바이스는 집속 전극에 인가하는 전류 세기를 조정하여 전자빔 집속 정도를 제어할 수 있으므로 최적의 전자빔 스폿 사이즈를 용이하게 구현할 수 있다.

Claims (11)

1. 기판과;

   상기 기판 위에 제공되는 전자 방출부들과;

   상기 기판에 구비되어 단위 화소별로 상기 전자 방출부들의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들과;

   절연층을 사이에 두고 상기 구동 전극들과 절연되어 위치하는 집속 전극을 포함하며,

   상기 집속 전극이,

   상기 절연층을 수회 관통하며 상기 기판의 일 방향을 따라 감기는 코일부와;

   전자빔 경로의 일측에서 한 쌍의 코일부 사이에 위치하며 소정의 전류 흐름으로 전자빔 편향을 위한 자기력을 생성하는 집속부와;

   상기 단위 화소 사이 영역에서 상기 코일부들을 연결하는 연결부를 포함하는 전자 방출 디바이스.
2. 제1항에 있어서,

   상기 절연층이 전자빔 통과를 위한 개구부를 구비하며, 상기 집속 전극이 이 개구부의 양측에 대칭으로 위치하는 전자 방출 디바이스.
3. 제2항에 있어서,

   상기 코일부와 집속부 및 연결부가 상기 구동 전극들 중 어느 한 구동 전극의 길이 방향을 따라 연속으로 배치되는 전자 방출 디바이스.
4. 제2항에 있어서,

   상기 개구부를 사이에 두고 위치하는 한 쌍의 집속 전극이 서로 반대측 일 끝단에 전압 인가부를 형성하는 전자 방출 디바이스.
5. 제1항에 있어서,

   상기 절연층이 복수의 비아 홀을 형성하며, 상기 코일부가 절연층의 윗면과 비아 홀 내부 및 절연층의 아랫면에 걸쳐 코일 모양으로 감겨 형성되는 전자 방출 디바이스.
6. 제5항에 있어서,

   상기 코일부가 상기 단위 화소의 주변부에 위치하는 전자 방출 디바이스.
7. 제1항에 있어서,

   상기 구동 전극들이 상기 기판의 일 방향을 따라 형성되는 캐소드 전극들과, 캐소드 전극들과 절연을 유지하며 캐소드 전극들과 교차하는 방향을 따라 형성되는 게이트 전극들을 포함하고,

   상기 캐소드 전극들과 게이트 전극들의 교차 영역이 상기 단위 화소를 구성 하는 전자 방출 디바이스.
8. 제7항에 있어서,

   상기 전자 방출부들이 상기 단위 화소마다 상기 캐소드 전극들과 접촉하며 위치하는 전자 방출 디바이스.
9. 제8항에 있어서,

   상기 절연층이 상기 단위 화소마다 하나의 개구부를 형성하며, 상기 집속 전극이 이 개구부의 양측에 대칭으로 위치하는 전자 방출 디바이스.
10. 제9항에 있어서,

    상기 코일부와 집속부 및 연결부가 상기 캐소드 전극들의 길이 방향을 따라 연속으로 배치되는 전자 방출 디바이스.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 전자 방출 디바이스와;

    상기 기판에 대향 배치되는 타측 기판과;

    상기 타측 기판의 일면에 형성되는 형광층들; 및

    상기 형광층들의 일면에 형성되는 애노드 전극

    을 포함하는 전자 방출 표시 디바이스.

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