KR20070079250A - 전자 방출 소자 - Google Patents

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KR20070079250A
KR20070079250A KR1020060009818A KR20060009818A KR20070079250A KR 20070079250 A KR20070079250 A KR 20070079250A KR 1020060009818 A KR1020060009818 A KR 1020060009818A KR 20060009818 A KR20060009818 A KR 20060009818A KR 20070079250 A KR20070079250 A KR 20070079250A
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정광석
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Abstract

본 발명의 목적은 전자 방출원에 전압이 고르게 인가될 수 있고, 저항층에서 발생하는 열에 의한 손상이나 변성을 예방할 수 있는 전자 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상부에 형성된 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극에 접하도록 형성된 저항층; 상기 저항층에 접하도록 형성된 방열층; 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극; 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 제1절연체층; 및 상기 제1절연체층과 상기 게이트 전극에는 전자 방출원 홀이 형성되어 상기 캐소오드 전극의 일부가 노출되고, 상기 전자 방출원 홀 내에서 상기 캐소오드 전극과 통전되도록 배치된 되며, 전자 방출 물질을 구비한 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다.

Description

전자 방출 소자{Electron emission device}
도 1은 전자 방출 소자의 일례의 구성을 개략적으로 보여주는 부분 절개 사시도.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 전자 방출 소자의 구조를 간략히 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 전자 방출 소자의 구성을 간략히 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
60: 스페이서 70: 형광체층
80: 애노드 전극 90: 전면 기판
100: 전자 방출 표시 소자 101, 201, 301: 전자 방출 소자
110: 베이스 기판 120, 220: 캐소오드 전극
130: 제1절연체층 131: 전자 방출원 홀
135: 제2절연체층 140: 게이트 전극
145: 집속 전극 150: 전자 방출원
255: 저항층 256: 방열층
본 발명은 전자 방출 소자(Electron emission device)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자 방출 효율이 향상되고, 수명이 향상되며 전자 방출 균일도가 향상된 전자 방출 소자에 관한 것이다.
일반적으로 전자 방출 소자는 전자 방출원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는, FED(Field Emission device)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 FED형은 일함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수가 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 베이스 기판 위에 서로 마주보며 배치된 제1전극과 제2전극 사이에 도전 박막을 제공하고 상기 도전 박막에 미세 균열을 제공함으로써 전자 방출원을 형성한 소자이다. 상기 소자는 상기 전극들에 전압을 인가하여 상기 도전 박 막 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) 전극 상에 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.
도 1에는 이중 FED형의 전자 방출 소자의 일례를 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 전자 방출 소자(101)는, 베이스 기판(110), 캐소오드 전극(120), 게이트 전극(140), 제1절연체층(130) 및 전자 방출원(150)을 포함한다.
상기 베이스 기판(110)은 소정의 두께를 가지는 판상의 부재이다. 상기 캐소오드 전극(120)은 상기 베이스 기판(110) 상에 일 방향으로 연장되도록 배치된다. 상기 게이트 전극(140)은 상기 캐소오드 전극(120)과 상기 절연체층(130)을 사이에 두고 배치된다. 상기 절연체층(130)은, 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소오드 전극(120) 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극(120)과 게이트 전극(140)을 절연한다.
상기 전자 방출원(150)은 상기 캐소오드 전극(120)과 통전되도록 배치된다. 상기 전자 방출원(150)의 재료로는 카본 물질 또는 나노 물질이 사용된다.
이러한 전자 방출 소자(101)는 가시광선을 발생하여 화상을 구현하는 전자 방출 표시 소자(100)에 이용될 수 있다. 표시 소자로 구성하기 위해서는 상기 전자 방출 소자(101)의 전면에 형광체층(70)을 더 구비한다. 상기 형광체층(70)은 상기 형광체층(70)을 향하여 전자를 가속시키는 애노드 전극(80)과 상기 애노드 전극(80) 및 형광체층(70)을 지지하는 전면 기판(90)과 함께 설치되는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 가지는 전자 방출 표시 소자(100)에서, 상기 전자 방출원에 전압이 고르게 인가되도록 하기 위해 상기 캐소오드 전극과 접하는 저항층(155)을 형성하기도 한다. 그런데, 저항층이 형성되는 경우, 캐소오드 전극에 전압이 인가되면 상기 저항층에서 열이 많이 발생하는 문제점이 있다. 이 열에 의해 저항층에 포함된 수소원자 농도가 감소되어 저항층의 변성을 야기하고, 전자 방출 표시 소자에 열에 의한 변형이 발생할 수 있게 된다. 따라서, 이러한 문제를 해결하면서도 전자 방출원에 전압이 고르게 인가될 수 있도록 하는 새로운 구조의 전자 방출 소자를 개발할 필요성이 크게 대두되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전자 방출원에 전압이 고르게 인가될 수 있고, 저항층에서 발생하는 열에 의한 손상이나 변성을 예방할 수 있는 전자 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상부에 형성된 캐소오드 전극; 상기 캐소오드 전극에 접하도록 형성된 저항층; 상기 저항층에 접하도록 형성된 방열층; 상기 캐소오드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극; 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 제1절연체층; 및 상기 제1절연체층과 상기 게이트 전극에는 전자 방출원 홀이 형성되어 상기 캐소오드 전극의 일부가 노출되고, 상기 전자 방출원 홀 내에서 상기 캐소오드 전극과 통전되도록 배치된 되며, 전자 방출 물질을 구비한 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 저항층은 적어도 일부분이 상기 캐소오드 전극의 아래에 배치된 것이 바람직하다.
여기서, 상기 방열층은 적어도 일부분이 상기 저항층 아래에 배치될 수 있고, 특히 상기 방열층은 상기 베이스 기판에 접하고, 상기 저항층에 의해 덮인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 방열층은 금속박막으로 형성된 것이 바람직하다.
여기서, 상기 게이트 전극의 상측에는 상기 게이트 전극과 절연되도록 배치된 집속 전극과, 상기 집속 전극 및 상기 게이트 전극을 절연하는 제2절연체층이 더 배치된 것이 바람직하다.
이어서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이하에서 종래 기술을 설명하면서 언급한 부재와 실질적으로 동일한 부재에 대해서는 동일한 부재 번호를 사용한다.
도 3에는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자 방출 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 전자 방출 소자(101)는, 베이스 기판(110), 캐소오드 전극(120), 게이트 전극(140), 제1절연체층(130), 전자 방출원(150), 저항층(255) 및 방열층(256)을 포함한다.
상기 베이스 기판(110)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. 또한, 플랙서블 디스플레이 장치(flexible display apparatus)를 구현하는 경우에는 유연한 재질이 사용될 수도 있다.
상기 캐소오드 전극(120)은 상기 베이스 기판(110) 상에 일 방향으로 연장되도록 배치되고, 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, Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물과 유리로 구성된 인쇄된 도전체, ITO, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘(polysilicon) 등의 반도체 물질로 만들어 질 수 있다.
상기 게이트 전극(140)은 상기 캐소오드 전극(120)과 상기 절연체층(130)을 사이에 두고 배치되고, 상기 캐소오드 전극(120)과 같이 통상의 전기 도전 물질로 만들어질 수 있다.
상기 제1절연체층(130)은, 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소오드 전극(120) 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극(120)과 게이트 전극(140)을 절연함으로써 두 전극 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지한다.
상기 제1절연체층(130) 및 상기 게이트 전극(140)에는 상기 캐소오드 전극(120)의 일부가 드러나도록 하는 전자 방출원 홀(131)이 형성되어 있고, 상기 전자 방출원은 상기 전자 방출원 홀의 내부에 상기 캐소오드 전극(120)과 통전되도록 배치된다.
상기 전자 방출원(150)은 다수의 전자 방출 물질을 포함한다. 상기 전자 방출원의 형성 방법에 따라, 상기 전자 방출원은 잔탄 또는 촉매층을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 전자 방출원(150)의 최상부는 상기 게이트 전극(140)에 비해서 높이가 낮게 배치된다. 상기 전자 방출원(150)에 사용되는 전자 방출 물질(153)은 카본 물질이나 나노 물질이 사용되는 것이 바람직하다. 카본 물질로는 일함수가 작고, 베타 함수가 큰 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube: CNT), 그래파이트, 다이아몬드 및 다이아몬드상 카본 등이 바람직하다. 또한, 사용될 수 있는 나노 물질로는 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 로드 등이 있다. 특히, 카본 나노 튜브는 전자 방출 특성이 우수하여 저전압 구동이 용이하므로, 이를 전자 방출원으로 사용하는 장치의 대면적화에 유리하다.
상기 저항층(255)은 상기 캐소오드 전극에 접하도록 형성된다. 상기 저항층은 상기 캐소오드 전극에 인가되는 전압이 전자 방출원에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 기능을 한다.
상기 방열층(256)은 상기 저항층에 접하도록 형성되고, 바람직하게는 상기 저항층에 의해 덮이도록 형성된다. 상기 방열층은 열전도도가 높은 소재라면 어떤 소재로라도 만들어질 수 있고, 제조 공정의 편리함을 고려할 때 금속 재료를 증착한 금속박막으로 만들어지는 것이 바람직하다. 한편 상기 방열층은 상기 캐소오드 전극처럼 일방향으로 연장되도록 형성되고 전자 방출 소자의 단부에서 외부의 히트 싱크(heat sink)에 연결되도록 구성될 수 있다. 이 경우 저항층에서 발생한 열을 외부로 발산시킬 수 있게 된다. 상기 히트 싱크로는 외부에 배치된 방열판, 방열 핀(fin) 등을 포함한 공지의 히트 싱크가 사용될 수 있다.
지금까지 설명한 것과 같은 구성을 가지는 전자 방출 소자(101)는 캐소오드 전극에 (-) 전압을 인가하고, 게이트 전극에 (+) 전압을 인가하여 상기 캐소오드 전극(120)과 상기 게이트 전극(140) 사이에 형성되는 전계에 의해 상기 전자 방출 원으로부터 전자가 방출되도록 할 수 있다. 물론 상기 캐소오드 전극에 (+) 전압이 인가되고, 상기 게이트 전극에 상기 캐소오드 전극에 인가되는 전압보다 높은 전압이 인가되는 방식으로도 구동될 수 있다.
또한, 지금까지 설명한 전자 방출 소자(101)는 가시광선을 발생하여 화상을 구현하는 전자 방출 표시 소자(100)에 이용될 수 있다. 표시 소자로 구성하기 위해서는 상기 전자 방출 소자(101)의 전면에 형광체층(70)을 더 구비하여야 한다. 상기 형광체층(70)은 상기 형광체층을 향하여 전자를 가속시키는 애노드 전극(80)과 상기 애노드 전극 및 형광체층을 지지하는 전면 기판(90)과 함께 설치되는 것이 바람직하다.
상기 전면 기판(90)은 상기 베이스 기판(110)과 마찬가지로 소정의 두께를 가지는 판상의 부재로, 상기 베이스 기판(110)과 동일한 소재로 만들어질 수 있다. 상기 애노드 전극(80)은 상기 캐소오드 전극(120) 및 게이트 전극(140)과 마찬가지로 통상의 전기 도전성 물질로 만들어진다.
상기 형광체층(70)은 가속된 전자에 의해 여기되어 가시광선을 방생시키는 CL(Cathode Luminescence)형 형광체로 만들어진다. 상기 형광체층(70)에 사용될 수 있는 형광체로는 예를 들어, SrTiO3:Pr, Y2O3:Eu, Y2O3S:Eu 등을 포함하는 적색광용 형광체나, Zn(Ga, Al)2O4:Mn, Y3(Al, Ga)5O12:Tb, Y2SiO5:Tb, ZnS:Cu,Al 등을 포함하는 녹색광용 형광체나, Y2SiO5:Ce, ZnGa2O4, ZnS:Ag,Cl 등을 포함하는 청색광용 형 광체가 있다. 물론 여기에 언급한 형광체들로 한정되는 것은 아니다.
또한, 단순히 램프로서 가시광선을 발생시키는 것이 아니라 화상을 구현하기 위해서는 상기 캐소오드 전극(120) 및 상기 게이트 전극(140)이 서로 교차하도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 게이트 전극(140)들과 상기 캐소드 전극(120)들이 교차하는 영역들에는 전자 방출원 홀(131)들이 형성하여, 그 내부에 전자 방출원(150)을 배치한다.
상기 베이스 기판(110)을 포함하는 전자 방출 소자(100)와 상기 전면 기판(90)을 포함하는 전면 패널(102)은 서로 소정의 간격을 유지하면서 대향되어 발광 공간을 형성하고, 상기 전자 방출 소자(100)와 전면 패널(102) 사이의 간격의 유지를 위해 스페이서(60)들이 배치된다. 상기 스페이서(60)는 절연물질로 만들어질 수 있다.
또한, 내부의 진공을 유지하기 위해 프리트(frit)로 전자 방출 소자(101)와 전면 패널(102)이 형성하는 공간의 둘레를 밀봉하고, 내부의 공기 등을 배기한다.
이러한 구성을 가지는 전자 방출 표시 소자는 다음과 같이 동작한다.
전자 방출을 위해 캐소오드 전극(120)에 (-) 전압을 인가하고, 게이트 전극(140)에는 (+) 전압을 인가하여 캐소오드 전극(120)에 설치된 전자 방출원(150)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 방출원(150)을 구성하는 침상의 물질들로부터 전자가 방출되어 게 이트 전극(140)을 향해 진행하다가 애노드 전극(80)을 향해 가속된다. 애노드 전극(80)을 향하여 가속된 전자는 애노드 전극(80)측에 위치하는 형광체층(70)에 부딪히면서 형광체층을 여기시켜 가시광선을 발생시키게 된다.
도 4에는 본 발명의 제2실시예에 따른 전자 방출 소자의 구성을 개략적으로 보여주는 부분 단면도가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자 방출 소자(301)는 게이트 전극(140)의 상측을 덮는 제2절연체층(135)과 상기 제2절연체층(135)의 상측에 형성된 집속 전극(145)을 더 포함한다. 상기 집속 전극(145)을 더 포함함으로써 전자 방출원(150)에서 방출되는 전자가 형광체층(미도시)을 향하여 중앙으로 집속되도록 할 수 있고, 좌우 측방향으로 분산되는 것을 방지할 수 있다.
도 4에 도시된 제2실시예의 전자 방출 소자에서도 앞서 설명한 것과 같이 저항층(255)과 접하는 방열층(256)을 형성하여 저항열에 의한 저항층의 변성이나, 전자 방출 소자에서의 열변형 문제 등을 예방할 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어, 캐소오드 전극에서 전자 방출 물질이 배치된 부분이 양측 부분에 비해 더 낮게 형성된 경우만을 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 도면에 도시된 형상으로 한정되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따른 전자 방출 소자에서는 방열층을 형성함으로써 저항열을 외부로 배출시킬 수 있고, 저항열에 의한 문제를 예방할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 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 (6)

  1. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상부에 형성된 캐소오드 전극;
    상기 캐소오드 전극에 접하도록 형성된 저항층;
    상기 저항층에 접하도록 형성된 방열층;
    상기 캐소오드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극;
    상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 제1절연체층; 및
    상기 제1절연체층과 상기 게이트 전극에는 전자 방출원 홀이 형성되어 상기 캐소오드 전극의 일부가 노출되고, 상기 전자 방출원 홀 내에서 상기 캐소오드 전극과 통전되도록 배치된 되며, 전자 방출 물질을 구비한 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저항층은 적어도 일부분이 상기 캐소오드 전극의 아래에 배치된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방열층은 적어도 일부분이 상기 저항층 아래에 배치된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열층은 상기 베이스 기판에 접하고,
    상기 저항층에 의해 덮인 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열층은 금속박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전극의 상측에는 상기 게이트 전극과 절연되도록 배치된 집속 전극과,
    상기 집속 전극 및 상기 게이트 전극을 절연하는 제2절연체층이 더 배치된 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
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