KR20070098490A

KR20070098490A - 전계 방출 장치

Info

Publication number: KR20070098490A
Application number: KR1020070018871A
Authority: KR
Inventors: 정진우; 송윤호; 김대준
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2007-10-05
Also published as: US20090058309A1; US8018169B2; KR100865384B1

Abstract

본 발명은 전계 발광 장치에 관한 것으로, 본 전계 발광 장치는 표면에 형성된 애노드 전극과, 상기 애노드 전극 상에 형성된 형광체를 구비하는 애노드 기판; 상기 애노드 기판과 소정 간격을 두고 대향 배치되며, 상기 애노드 기판을 향해 형성되는 적어도 하나의 캐소드 전극과 상기 각 캐소드 전극 상에 형성되는 전계 에미터를 포함하는 캐소드 기판; 및 일면이 상기 캐소드 기판과 접촉하며, 상기 각 전계 에미터를 둘러싸며 상기 각 전계 에미터를 노출시키기 위해 형성된 복수의 개구를 구비한 게이트 절연체와, 상기 게이트 절연체 상의 상기 각 개구 주위에 상호 전기적으로 절연되도록 형성된 복수의 게이트 전극을 포함하는 게이트 기판을 포함한다. 이에 따라, 복수개의 게이트 전극의 전압 차에 의해 전계 에미터에서 방출된 전자빔 궤적이 시간에 따라 빠르게 변화할 때 잔상 효과에 의해 전자빔 주사 영역을 확장할 수 있으며, 전자빔 산란 효과 및 선 방향 빔 퍼짐 효과로 인해 전자빔 균일도가 높아져 형광체의 발광 균일도를 높일 수 있다.

전계 방출, 백라이트 유닛, 게이트 전극, 캐소드, 애노드, 궤적, 전자빔

Description

전계 방출 장치{Field Emission Device}

도 1은 2극형 전계 방출 장치를 나타내는 도면이다.

도 2는 3극형 전계 방출 장치를 나타내는 도면이다.

도 3은 변형된 3극 구조의 전계 방출 장치를 나타내는 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 도 2의 3극 구조의 전계 발출 장치의 다른 실시 예에 대한 평면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 전계 발광 장치의 개략적인 부분 확대 사시도이다.

도 6은 도 5의 캐소드와 게이트 기판 영역을 확대한 평면도이다.

도 7은 도 5의 Ⅶ-Ⅶ선에 따른 측단면도이다.

도 8(a, b), 도 9(a , b) 및 도 10(a, b)은 본 발명에 따른 2개의 게이트 전극을 가지는 캐소드 기판 측의 단위 구조도와 2개의 게이트 전극 전압 차에 의한 전자빔 궤적 시뮬레이션을 나타내는 도면이다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 2개의 게이트 전극 구조에서 게이트 전압 인가 방법의 실시 예를 나타낸 시간-전압 그래프이다.

도 12는 도 11에 따른 두 개의 제1 게이트 전극과 제2 게이트 전극의 전압 차에 의한 전자빔 궤적 모식도이다.

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 전극들 간의 전압 변화에 의한 전자빔 퍼짐을 나타내는 도면이다.

도 14 내지 도 16은 본 발명에 따른 다른 실시 예들의 부분 확대 측단면도이다.

도 17, 도 18 및 도 19는 본 발명에 따른 실시 예들에 대한 부분 확대 평면도이다.

** 도면의 주요부분에 대한 구체적인 설명**

110: 애노드 기판 120: 애노드 전극

130: 형광체 140: 캐소드 기판

150: 캐소드 전극 160: 전계 에미터

170, 171, 172: 절연체 180: 게이트 전극

181: 제1 게이트 전극 182: 제2 게이트 전극

190: 개구 200, 210, 220: 궤적

h: 절연체 높이 W: 게이트 전극간 거리

Ｉ: 궤적 중첩 영역 183, 184: 게이트 전극

201, 202, 203, 204, 205, 212, 212: 게이트 전극

160a, 160b: 전계 에미터

본 발명은 전계 방출 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 전계 방출 발광 장치(Field Emission Lamp)는 전기적으로 분리된 복수의 게이트 전극 구조를 취하여 고효율의 발광 특성을 얻을 수 있는 전계 방출 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전계 방출 장치는 전계 에미터를 구비한 캐소드 기판과 형광체를 가진 애노드 기판이 특정 거리로 떨어져 서로 대향되도록 진공 패키징(vacuum packaging)되어, 상기 캐소드 기판의 전계 에미터로부터 방출된 전자를 애노드 기판의 형광체에 충돌시켜 형광체의 음극 발광(cathodoluminescence)으로 빛을 내는 장치이다. 최근 전계 방출 발광 장치는 종래의 액정표시장치(Liquid Crystal Display : LCD)의 백라이트유닛(Back Light Unit), 면 발광 장치 및 기존의 조명기구를 대체할 수 있는 조명장치로 크게 연구 개발되고 있다. 특히, 백라이트유닛에는 냉음극 형광램프(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)나 발광다이오드(LED : Light Emitting Diode)가 일반적으로 사용되고 있다.

그러나, 백라이트 유닛을 사용하는 경우에는 여러 가지 장점에도 불구하고 제조비용이 높고 전력소모가 크거나 환경오염 혹은 표시장치의 대형화 시 발광 균일도 확보 등의 어렵다는 단점을 갖고 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 비교적 간단한 구조의 전계 방출형 백라이트 유닛이 제안되고 있다. 전계 방출형 백라이트 유닛은 냉음극 형광램프에 비해 제 조비용이 저렴하고 수은을 사용하지 않으므로 환경 친화적이며 전력소모가 적다는 장점을 가지고 있다.

전계 방출 발광 장치의 일종인 종래 전계 방출형 백라이트 유닛은, 도 1, 도 2 및 도 3과 같이 다양하게 분류할 수 있다.

도 1은 2극형 전계 방출 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 2극형 전계 방출 장치의 일종인 전계 방출형 백라이트 유닛은 애노드 기판(110)과 소정 이격 거리를 두고 대향 배치된 캐소드 기판(140)을 포함한다. 애노드 기판(110)상에는 캐소드 기판(140) 측으로 전극(120)과 형광체(130)가 형성되어 있으며, 캐소드 기판(140) 상에는 애노드 기판(110)측으로 전극(150)과 전계 에미터(160)가 형성되어 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 전계 방출형 백라이트 유닛에서 캐소드 기판(140)상의 전극(150) 상에 형성된 전계 에미터(160)(예를 들면, 탄소나노튜브(CNT) 등)는 캐소드 기판(140)에 일정한 간격으로 대향 배치된 애노드 기판(110)상의 전극(120)에 인가된 전압에 의해 전자가 유도 및 가속되고, 전계 에미터(160)에서 나온 전자빔이 애노드 전극(110)에 형성된 형광체(130)와 충돌할 때 형광체(130)가 전자의 에너지를 흡수하여 가시광선을 발산한다.

2극형 전계 방출형 백라이트는 그 구조가 간단하여 제작이 용이하다는 장점이 있으나 캐소드 기판(140)과 애노드 기판(110) 사이의 자유공간에서 아크 방전 등이 발생할 수 있어, 애노드 전극(120)에 고전압을 인가하는 것이 어렵고, 이로 인해 형광 효율이 떨어지는 단점이 있다. 또한 전계 에미터(160)에서 방출되는 전 자빔의 균일도가 떨어져서, 형광체(130)를 포함하는 기판 면 전체에서 고른 발광을 기대하기 어렵다.

도 2는 3극형 전계 방출 장치를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 3극형 전계 방출 장치의 일종인 전계 방출형 백라이트 유닛은 애노드 전극(120)과 형광체(130)가 형성된 애노드 기판(110)과 캐소드 기판(140)을 포함한다. 캐소드 기판(140) 상에는 캐소드 전극(150)이 형성되고, 캐소드 전극(150)을 사이에 두고 복수의 절연체(170)가 형성된다. 캐소드 전극(150) 상에는 전계 에미터(160)가 형성되고, 각각의 절연체(170) 상에는 게이트 전극(180)이 각각 형성되며, 게이트 전극(180) 사이에는 전계 에미터(160)를 노출시키는 개구(190)가 형성된다.

전술한 구조를 통해, 전계 에미터(160)는 절연체(170)에 의해 캐소드 전극(150)과 전기적으로 절연된 게이트 전극(180)에 인가된 전압에 의해 전자가 유도되고, 방출된 전자는 애노드 전극(120)에 인가된 전압으로 가속되어 형광체(130)와 충돌하게 된다. 원리적으로 전계 에미터(160)에서 방출되는 전자의 양은 캐소드 전극(150)에 의해 좌우되고, 애노드 전극(120)에 인가된 전압은 방출된 전자의 가속에만 기여를 해야 하지만, 일반적으로 박막공정으로 제작되고 절연체(160) 사이에 형성된 개구(190)에 비해 얇게 절연체(170)가 제작되기 때문에, 게이트 전극(180)은 애노드 전극(120)에 의해 형성되는 전계를 완전히 차단하지 못하여 완전한 3극 동작은 기대하기 어려우며 2극의 경우와 같이 높은 애노드 전압을 인가하기 어렵다는 단점이 있다.

도 3은 변형된 3극 구조의 전계 방출 장치를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 3극 구조의 전계 방출 장치의 일종인 전계 발광형 백라이트 유닛은 애노드 전극(120) 및 형광체(130)가 형성된 애노드 기판(110)과, 캐소드 기판(140)을 포함한다. 캐소드 기판(140) 상에는 평면적으로 인접하게 배치된 캐소드 전극(150)과 게이트 전극(180)이 형성되어 있다. 캐소드 전극(150)과 게이트 전극(180) 상에는 전계 에미터(160)가 형성되어 있다. 두 전극(150, 180) 간의 전압 차에 의해 캐소드 전극(150)이나 게이트 전극(180)으로 동작 될 수 있으며, 전극(150,180) 일면에 형성된 전계 에미터(160)에서 방출된 전자는 애노드 전극(120)에 의해 가속되어 형광체(130)와 충돌한다. 도 2와 같은 일반적인 3극 구조에 비해 제작이 용이하며 교류 신호에 의해 구동할 수 있어 발광 특성을 향상시킬 수 있다는 장점은 있으나, 상기 변형된 3극 구조 역시 근본적으로 고압의 애노드 전압에 취약하다는 단점이 있다.

또한, 일반적으로 고전압 CRT(cathode ray tube)에 사용되는 형광체는 고전압으로 가속된 전자가 부딪힐 때 고유의 발광특성을 나타낸다. 현재까지 알려진 바로는 저전압 하에서 우수한 특성을 보이는 형광체가 존재하지 않으므로 고전압 형광체의 고유특성을 얻기 위해서는 애노드 전극(120)의 전압을 충분히 높일 필요가 있다. 그러나, 도 2 의 일반적인 3극 구조의 전계 방출형 백라이트 유닛의 경우 게이트 개구(190)에 비해 게이트 절연체(170)의 두께가 얇아 애노드 전압을 높일 경우, 아크 방전 등의 영향으로 전계 에미터(160)가 파괴되거나 완벽한 3극 동작이 이루어지지 않아 게이트 전압에 관계없이 애노드 전압에 의해 전자 방출이 좌 우되는 단점이 있다.

도 4a 및 도 4b는 도 2의 일반적인 3극 구조의 전계 방출 장치의 평면도이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 다양한 형태의 개구(190)를 갖는 게이트 전극(180)이 전계 에미터(160) 주위를 둘러싸고 있는 형태이다. 이때 게이트 전극(180)에 인가된 전압에 의해 방출된 전자빔은 선택의 여지없이 애노드 전극(120, 도 2 참조) 쪽으로 곧바로 이끌리게 되고 전자빔이 못 미치는 전계 에미터(160) 사이의 공백을 메우기 위해서는 전자빔의 방출을 위해 형성된 단위 개구(190)의 수를 늘리거나 애노드 기판(110)과 캐소드 기판(140) 사이의 거리를 멀리하여 전자빔을 퍼지게 해야 한다. 그러나, 개구(190)의 개수 또는 전계 에미터(160)가 늘어날 경우, 공정 수율이나 균일한 특성의 에미터 배열을 얻는 것이 용이하지 않고, 애노드 기판(110)과 캐소드 기판(140) 간의 간격도 구조적인 문제로 무한정 늘일 수 없기 때문에 높은 균일도의 발광 특성을 얻는 것이 용이하지 않다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명은 전기적으로 분리된 복수의 게이트 전극 구조를 취하여 전자빔 궤적 및 전자빔 면적을 조절하는 전계 방출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 게이트 절연체의 높이와 게이트 전극의 높이를 합한 높이가 게이트 기판에 형성된 개구(전계 에미터 노출 개구) 혹은 게이트 전극 간 간격 보 다 높게 형성함으로써, 애노드 전압을 높게 인가하였을 때 아크 방전 등의 영향을 최소화시킬 수 있는 전계 방출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 전계 방출 장치는 표면에 형성된 애노드 전극과, 상기 애노드 전극 상에 형성된 형광체를 구비하는 애노드 기판; 상기 애노드 기판과 이격되도록 대향 배치되며, 상기 애노드 기판을 향해 형성되는 적어도 하나의 캐소드 전극과 상기 각 캐소드 전극 상에 형성되는 전계 에미터를 포함하는 캐소드 기판; 및 일면이 상기 캐소드 기판과 접촉하며, 상기 각 전계 에미터를 둘러싸며 상기 각 전계 에미터를 노출시키기 위해 형성된 복수의 개구를 구비한 게이트 절연체와 상기 게이트 절연체 상의 상기 각 개구 주위에 상호 전기적으로 절연되도록 형성된 복수의 게이트 전극을 포함하는 게이트 기판을 포함한다.

바람직하게, 상기 게이트 전극은 상기 게이트 절연체 상에 전기적으로 절연되며 교대로 형성된 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극을 포함한다. 상기 각 게이트 전극은 서로 다른 전계 또는 동일한 전계를 인가할 수 있다. 상기 게이트 절연체 및 상기 게이트 전극을 포함하는 상기 게이트 기판의 높이는 상기 개구의 직경보다 크게 형성된다. 상기 게이트 기판의 높이는 상기 개구 직경, 특히, 개구의 최소 직경의 0.5배~ 10배이다.

상기 게이트 절연체 및 상기 전계 에미터가 노출되는 상기 개구의 단면 형태 가 직사각형태, 사다리꼴 형태, 및 역 사다리꼴 형태 중 하나이다. 상기 게이트 기판은 별도로 제작하여 상기 캐소드 기판에 부착한다. 상기 각 전계 에미터는 상기 각 개구 면적 보다 작게 형성된다. 상기 절연체 기판을 상기 캐소드 기판 상에 형성한 후, 상기 게이트 전극을 상기 절연체 기판 상에 형성할 수 있다. 상기 전계 에미터는 카본 나노튜브. 카본 나노 섬유 및 카본계 합성 물질 중 하나로 형성된다.

또한, 본 전계 방출 장치는 상기 각 게이트 전극에 인가되는 전압을 시간에 따라 사인파 형태로 변화시켜 상기 전계 에미터에서 방출되는 전자빔의 궤적을 조절하고, 각 게이트 전극에 모두 전압이 인가될 때 상기 전계 에미터에 미치는 게이트 전압의 합이 상기 각 게이트 전극의 최대 전압과 같아지도록 상기 사인파의 위상을 조절한다. 또한, 전계 방출 장치는 상기 각 게이트 전극에 전압이 인가되지 않는 휴지 기간을 두어 펄스 구동을 가능하게 한다.

이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 실시 예에서는 게이트 기판의 높이를 개구의 직경보다 크게 형성하기 위하여, 게이트 절연체의 높이를 게이트 전극에 비해 상대적으로 증가시킨 형태를 기준으로 설명하지만, 게이트 기판의 전체 높이를 높이기 위해 게이트 전극의 두께를 증가시켜 유사한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 게이트 기판의 전체 높이는 게이트 절연체 또는 게이트 전극의 높이 중 어느 하나를 증가시켜 형성할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계 방출 장치의 개략적인 부분 확대 사시도이고, 도 6은 도 5의 캐소드 기판 영역을 확대한 평면도이며, 도 7은 도 5의 Ⅶ-Ⅶ선에 따른 측단면도이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 전계 방출 장치의 일종인 전계 발광형 백라이트 유닛은, 애노드 기판(110), 애노드 기판(110)과 상호 이격 거리를 가지며 대향 배치되는 캐소드 기판(140)과, 애노드 기판(110)과 캐소드 기판(140) 사이에 형성되는 게이트 기판(170)을 포함한다. 애노드 기판(110) 상에는 캐소드 기판(140) 측을 향하는 애노드 전극(120) 및 형광체(130)가 형성되어 있다.

캐소드 기판(140) 상에는 애노드 기판(110) 측을 향해 소정 간격을 두고 형성된 복수의 캐소드 전극(150)과, 각 캐소드 전극(150) 상에 형성된 전계 에미터(160)가 형성되어 있다. 캐소드 기판(140) 상에는 전계 에미터(160) 사이에 형성되어 전계 에미터(160) 들을 구획하는 절연체(171, 172)와, 각 절연체(171, 172) 상에 형성되는 게이트 전극(181, 182)을 포함하는 게이트 기판(170)을 포함한다. 본 실시 예에서 절연체(171, 172)는 상호 교차하는 매트릭스 형태이다. 절연체(172) 상에는 상기 전기적으로 분리된 복수의 게이트 전극(181, 182)이 형성된다. 도 5 및 도 6에는 제1 게이트 전극(181)과 제2 게이트 전극(182)이 형성되어 있다. 선형의 제1 및 제2 게이트 전극들(181, 182) 각각은 도 6에 나타낸 바와 같이 병렬로 서로 연결되고, 제1 게이트 전극(181)과 제2 게이트 전극(182)이 서로 교대로 형성되는 형태이다. 또한 상기 게이트 개구(190) 및 전계 에미터(160)는 도 6에 나타난 바와 같이, 제1 게이트 전극(181)과 제2 게이트 전극(182) 사이에 위치하여 각 전극(120, 150, 181, 182)에 인가된 전압에 의해 전자빔을 유도하고 전자빔의 궤적을 조절할 수 있다. 도 7을 참조하면, 절연체(172)의 높이(h)는 절연체(171) 와 절연체(172) 사이의 간격(w; 즉, 전계 에미터(160) 노출을 위한 개구(190)) 보다 크게 형성된다. 상기 게이트 절연체와 게이트 전극은 둘 중 어느 하나의 높이가 더 높게 형성되거나 두개의 높이가 동일하게 형성된다.

한편, 게이트 절연체(172, 171)와 게이트 전극(181, 182)을 포함하는 게이트 기판(170)은 별도로 제작한 후 캐소드 기판(140)에 부착할 수 있다. 또한, 게이트 절연체(171, 172)를 캐소드 기판(140) 상에, 스크린 프린팅 등을 이용하여 직접 형성한 다음, 게이트 절연체(171, 172) 상에 금속막(게이트 전극)을 형성함으로써 게이트 기판을 형성할 수 있다. 만약, 게이트 기판(170)을 별도로 제작한 후 캐소드 기판(140)과 부착하는 경우에는, 유리, 세라믹 혹은 절연체 기판(171, 172)에 개구(190)을 가공한 후 그 상부에 전극을 증착하거나, 금속판을 가공한 후 그 하부에 절연체를 부착하여 형성한 게이트 기판(170)을 전계 에미터(160)가 형성된 캐소드 기판(140) 상에 부착한다. 전자는 게이트 전극의 높이를 개구 직경보다 크게 하기 위해 절연체의 높이를 조절하는 경우이고, 후자는 게이트 전극의 높이를 조절하는 경우이다.

도 8(a, b), 9(a, b) 및 도 10(a, b)은 본 발명에 따른 2개의 게이트 전극을 가지는 캐소드 기판 측의 단위 구조도와 2개의 게이트 전극의 전압 차에 의한 전자빔 궤적 시뮬레이션을 나타내는 도면이다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 2개의 전극(181, 182)에 동일한 전압이 인가되면, 일반적인 단일 게이트 전극 구조와 같이 전계 에미터(160)의 중앙에서 방출된 전자는 게이트 전극(181, 182) 면에 수직한 방향으로 진행하게 된다. 즉, 양쪽 게이트 전극(181, 182)의 전압이 동일할 때는 도 8b와 같이 전계 분포가 균형을 이루어서 전계 에미터(160)에서 방출된 전자빔이 곧바로 애노드 기판(110) 측으로 이끌린다.

한편, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 2개의 전극(181, 182)에 상이한 전압이 인가되는 경우, 특히, 제1 게이트 전극(181)에 높은 전압이 인가되는 경우에는, 제1 게이트 전극(181) 측으로 전계 분포가 왜곡된다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 제2 게이트 전극(182)에 높은 전압이 인가되는 경우에는, 제2 게이트 전극(182) 측으로 전계 분포가 왜곡된다.

이처럼, 도 9a 및 도 10a에 나타난 바와 같이, 어느 한쪽의 게이트 전극 전압이 다른 한쪽의 게이트 전극 전압에 비해 높을 경우, 전계 에미터(160)에서 방출된 전자는 높은 전압이 인가된 전극 쪽으로 그 이동 궤적이 휘어지게 된다. 이는 도 9b에 나타낸 전자빔 시뮬레이션 결과에서도 알 수 있는 바와 같이, 왼쪽, 즉, 제1 게이트 전극(181)의 전압이 제2 게이트 전극(182) 보다 높을 경우, 전자빔은 애노드 기판(110)에 도달할 때 까지 좌측으로 치우치게 된다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 우측, 즉, 제2 게이트 전극(182)의 전압이 제1 게이트 전극(181)보다 높을 경우, 전자빔은 애노드 기판(110)에 도달할 때까지 우측으로 치우치게 된다. 결과적으로, 제1 및 제2 게이트 전극(181, 182)에 인가되는 전압에 따라 전계 에미 터(160)로부터의 전계 분포가 왜곡되어 전자빔 궤적에 영향을 미친다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 2개의 게이트 전극 구조에서 게이트 전압 을 인가하는 방법의 실시 예를 나타낸 시간-전압 그래프이다. 도 11을 참조하면, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 전압을 나타낸다.

제1 게이트 전극(181) 및 제2 게이트 전극(182)은 전계 에미터(160)로부터 전자 방출을 유도할 수 있는 최소의 오프셋(offset) 전압이 인가된 상태(a)이고, 제1 게이트 전극(181)과 제2 게이트 전극(182)의 전압이 시간에 따라 주기적으로 교대로 변화하는 방식 (b) 및 (c)을 나타낸다. 이때, 제1 게이트 전극(181)과 제2 게이트 전극(182)의 전압의 위상은 (d) 만큼 차이가 나서 동시에 두 전극의 전압이 인가될 시간(f)에 두 전극 전압의 합이 각 전극 전압의 최대값(V0+dV)과 같아지게 된다. 이상적인 경우 각 전압의 파형은 사인파의 한쪽 극만 취한 형태를 띄며 위상차는 π/2가 된다. 또한 각 전압 파형 사이에 전압이 걸리지 않는 시간(e)을 두어 펄스 구동이 가능하도록 한다.

도 12는 도 11에 따른 두 개의 제1 게이트 전극과 제2 게이트 전극의 전압 차에 의한 전자빔 궤적 모식도이다. 전계 에미터(160)로부터 방출된 전자빔의 궤적은 제1 게이트 전극(181)의 전압이 높을 경우에는 (210)과 같은 궤적을 따르고 제2 게이트 전극(182)의 전압이 높을 경우에는 (220)과 같은 궤적을 따르고, 두 전극(181, 182)의 전압이 동일할 경우에는 (200)과 같은 궤적을 그리게 된다. 이러 한 과정을 시간에 따라 빠르게 반복하면 잔상 효과에 의해 전자빔의 궤적은 (300)의 영역으로 확대된다.

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 게이트 전극들 간의 전압 변화에 의한 전자빔 퍼짐을 나타내는 도면이다. 도 13을 참조하면, 게이트 전극들 간의 전압 변화에 의해 전자빔을 퍼지게 할 수 있으므로 전계 에미터(160) 간 거리를 넓힐 수 있어 캐소드 기판(140) 제조를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 애노드 기판(110)과 캐소드 기판(140) 사이의 거리를 좁혀 보다 더 얇은 형태의 장치를 제작할 수 있다. 또한, 도 13과 같이 전계 에미터(160) 사이에 위치한 게이트 전극(181, 182)에 의해 전자빔이 이끌리게 되어 인접한 전계 에미터(160)로부터 방출된 전자빔 궤적이 중첩될 경우(Ⅰ), 전자빔 산란 효과에 의해 밀집된 전자빔이 흩어지게 되고 이로 인해 전자빔 균일도는 더욱 증가하게 된다.

전술한 실시 예에서는 게이트 전극(181, 182)에 의한 전자빔 궤적 조정 및 균일도 향상 특성이 도 5에 개시된 Ⅶ-Ⅶ에 의해 확대된 횡단면에 관한 것이나, 그와 수직하는 방향, 즉, 종단면(Ⅶ'-Ⅶ')의 경우에도 전자빔이 발산되도록 하기 위해 에미터 형태 및 각 에미터에 대한 두 게이트 전극의 위치를 적절히 조절함으로서 가능하다. 일례를 도 19에 나타내었다.

도 14 내지 도 16은 본 발명에 따른 다양한 실시 예들의 부분 확대 측단면도이다. 도 14를 참조하면, 본 실시 예에서는 전계 에미터(160)의 표면으로부터 게 이트 전극(181, 182)까지 높이(h)가 게이트 전극(181, 182)이 위치한 게이트 전극(181, 182) 사이의 개구(190) 직경(w) 보다 상대적으로 크다. 구체적으로, 상기 높이(h)는 게이트 전극(181, 182) 간 거리에 비해 0.5배~ 10배 이상 더 크게 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 개구의 모양이 원형이 아닌 비대칭 형태의 경우 게이트 전극(181, 182)까지의 높이는 상기 개구(190)의 좁은 간격에 더 크게 영향을 받는다. 일례로, 개구(190)의 모양이 직사각형인 경우 상기 게이트 전극까지의 높이는 직사각형의 단변 길이에 의해 결정될 수 있다.

상기 개구부 보다 비교적 높은 게이트 기판의 제작은 게이트 절연체(172)를 높게 형성하거나 게이트 전극(181, 182)의 높이를 크게 함으로서 달성할 수 있다. 게이트 절연체(172)를 높게 하는 경우에는, 유리 혹은 세라믹판 등의 가공이나 스크린 프린팅 같은 후막 공정에 의해 제작된 판 형태의 절연체에 도전성 박막을 코팅하는 방법으로 제작될 수 있다. 다른 예로, 게이트 전극을 높게 하는 경우에는, 금속판에 개구를 먼저 형성 한 후 일면에 게이트 절연층을 형성함으로서 가능하다.

게이트 절연체(172)가 전극 간 개구(190) 보다 더 높은 경우, 다시 말해, 게이트 전극(181, 182) 간 거리(w)에 비해 높이(h)가 높을 경우 게이트 전극(181, 182)에 인가되는 전압에 의해 외부 전계, 즉 애노드 전압 또는 아크 방전에 의한 전계가 차단되어 애노드 전극에 안정적으로 고전압을 인가할 수 있다. 또한, 도면에 도시된 바에 따르면, 전계 에미터(160)의 면적은 개구(190)의 면적보다 작게 형성된다.

도 14는 절연체(172)의 형태가 변화없는 직사각 형태이나, 도 15 및 도 16은 절연체(170)의 형태가 약간 변화된 형태이다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 게이트 전극(181, 182)이 위치한 쪽 개구 직경이 절연체(170) 하부 영역 보다 더 좁거나 더 넓어 개구 측벽이 경사진 경우도 가능하다. 도 15과 같이 역경사 게이트 절연체의 경우 전극 코팅 시 개구 측벽에 전도성 금속 물질이 코팅되는 것을 막아 절연특성을 높일 수 있으며, 도 16과 같이 사다리꼴 형태인 경우 절연체(170) 측벽에 부딪히는 전자빔을 최소화하고 방출되는 전자빔의 양 및 발산 각을 크게 할 수 있다.

전술한 실시 예에서는 두 개의 게이트 전극으로 이루어져 있는 실시 예가 기재되어 있으나, 도 17에 개시된 바와 같이, 4개의 게이트 전극(183, 184, 185, 186)을 게이트 개구(190) 주위에 형성하고, 도 18에 개시된 바와 같이, 다수 개의 게이트 전극(201, 202, 203, 203, 205, ....)을 게이트 개구(190) 주위에 형성하여, 상기 개구(190)를 빠져나오는 전자빔의 궤적을 조정하는 구조를 제공할 수 있다. 도 17 및 도 18에 개시된 각각의 전극은 전기적으로 분리되어 다른 전압을 인가할 수 있으며 게이트 개구(190)의 모양 및 개구 주위 전극의 위치 및 모양은 조절할 수 있다. 도 19는 반복되는 전계 에미터 및 게이트 전극들의 기본 단위를 나타낸 그림이다. 각각의 게이트 전극(211, 212)은 상술한 바와 같이 전기적으로 분리되어있어 서로 다른 전압이 인가될 때, 두 개의 전계 에미터(160a)는 그림에서 상하 방향으로 그 궤적이 퍼지고 다른 두 개의 전계 에미터(160b)는 좌우 방향으로 퍼지게 되어 전술한 실시 예와 달리 전체 에미터 관점에서 볼 때 사방으로 고르게 전자빔이 퍼지는 효과를 얻을 수 있다.

이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 따라서, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

상기한 방법에 의하면, 복수개의 게이트 전극의 전압차에 의해 에미터에서 방출된 전자빔 궤적이 시간에 따라 빠르게 변화할 때 잔상 효과에 의해 전자빔 주사 영역을 확장할 수 있으며, 전자빔 산란 효과 및 선 방향 빔 퍼짐 효과로 인해 전자빔 균일도가 높아져 형광체의 발광 균일도를 높일 수 있으며, 에미터에서 게이트 전극까지의 높이가 게이트 개구 직경 보다 큰 절연체를 채택하여, 높은 아노드 기판에 고전압 인가가 가능하여 고효율의 발광 특성을 얻을 수 있다.

Claims

표면에 형성된 애노드 전극과, 상기 애노드 전극 상에 형성된 형광체를 구비하는 애노드 기판;

상기 애노드 기판과 이격되도록 대향 배치되며, 상기 애노드 기판을 향해 형성되는 적어도 하나의 캐소드 전극과 상기 각 캐소드 전극 상에 형성되는 전계 에미터를 포함하는 캐소드 기판; 및

일면이 상기 캐소드 기판과 접촉하고, 상기 각 전계 에미터를 둘러싸며 상기 각 전계 에미터를 노출시키기 위해 복수의 개구가 형성된 게이트 절연체와 상기 게이트 절연체 상의 상기 각 개구 둘레에 상호 전기적으로 절연되도록 형성된 복수의 게이트 전극을 포함하는 게이트 기판

을 포함하는 전계 방출 장치.
제1항에 있어서,

상기 게이트 전극은 상기 게이트 절연체 상에 교대로 형성된 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극을 포함하는 전계 방출 장치.
제2항에 있어서,

상기 각 게이트 전극은 서로 다른 전계 또는 동일한 전계를 인가할 수 있는 전계 방출 장치.
제1항에 있어서,

상기 게이트 절연체 및 상기 게이트 전극을 포함하는 상기 게이트 기판의 높이는 상기 개구의 직경보다 크게 형성되는 전계 방출 장치.
제4항에 있어서,

상기 게이트 기판의 높이는 상기 개구 직경의 0.5배~10배인 전계 방출 장치.
제1항에 있어서,

상기 게이트 절연체 또는 상기 개구는 단면 형태가 직사각형태, 사다리꼴 형태, 및 역 사다리꼴 형태 중 하나인 전계 방출 장치.
제1항에 있어서,

상기 게이트 기판을 별도로 제작하여 상기 캐소드 기판에 부착하는 전계 방 출 장치.
제1항에 있어서,

상기 각 전계 에미터는 상기 각 개구 면적 보다 작게 형성되는 전계 방출 장치.
제1항에 있어서

상기 게이트 절연체를 상기 캐소드 기판 상에 직접 형성한 후, 상기 게이트 전극을 상기 절연체 기판 상에 형성하는 전계 방출 장치.
제1항에 있어서,

상기 전계 에미터는 카본 나노튜브, 카본 나노 섬유 또는 카본계 합성 물질 중 하나로 형성된 전계 방출 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 각 게이트 전극에 인가되는 전압을 시간에 따라 사인파 형태로 변화시 켜 상기 전계 에미터에서 방출되는 전자빔의 궤적을 조절하는 전계 방출 장치.
제11항에 있어서,

상기 각 게이트 전극에 모두 전압이 인가될 때 상기 전계 에미터에 미치는 게이트 전압의 합이 상기 각 게이트 전극의 최대 전압과 같아지도록 상기 사인파의 위상을 조절하는 전계 방출 장치.
제11항에 있어서,

상기 각 게이트 전극에 전압이 인가되지 않는 휴지 기간을 두어 펄스 구동을 가능하게 하는 전계 방출 장치.