KR20070099842A - 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 방출 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 기판, 상기 기판 위에서 제1 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극들과 게이트 전극들, 상기 캐소드 전극들에 전기적으로 연결되면서 상기 기판 상에 설정되는 단위 화소마다 복수개로 형성되는 전자 방출부들, 상기 캐소드 전극들과 게이트 전극들 상부에 형성되며, 상기 단위 화소마다 복수의 전자 방출부들을 노출시키는 개구부를 구비하는 제2 절연층 및 상기 제2 절연층 위에 위치하면서 상기 제2 절연층의 개구부 내벽 일부에 걸쳐 연장 형성되는 집속 전극을 포함한다.

전자방출, 집속전극, 절연층, 단면각

Description

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

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 부분 평면도이다.

본 발명은 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 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.

상기한 전자 방출 표시 디바이스에 있어서, 전자 방출부에서 방출되는 전자 빔은 등전위선의 왜곡 등으로 인하여 형광층을 향해 퍼지면서 진행하는 경향이 있다. 이러한 전자빔의 경로에 따라 일부 전자들은 목적하는 형광층에 도달하지 못하고 이웃한 다른 색의 형광층에 도달하여 이들을 발광시키며, 이는 전자 방출 표시 디바이스의 색순도와 콘트라스트 특성을 저하시키는 원인이 되어왔다.

이와 같은 문제점을 개선하고자 전자빔 제어를 위한 수단의 하나로 집속 전극이 제안되었다. 이 집속 전극은 통상 전자 방출을 위한 구조물의 최상부에 위치하며, 수 내지 수십 볼트의 음 전압을 인가받아 전자빔이 집속 전극의 개구부를 통과할 때 전자들이 퍼지지 않고 일정한 직진성을 갖도록 집속시키는 역할을 한다.

그런데, 집속 전극은 일반적으로 수 마이크로미터(㎛)의 박막으로 형성되므로 집속 전극의 개구부를 통과하는 전자빔에 충분한 전기장을 걸어주는 데에 한계가 있으며, 개구부를 통과하는 일부 전자빔을 굴절시켜 부차 발광을 발생시키는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자빔의 집속력을 강화시키고 부차발광을 억제할 수 있도록 구조가 개선된 집속 전극을 포함하는 전자 방출 디바이스 및 이를 이용한 전자 방출 표시 디바이스를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 기판, 상기 기판 위에서 제1 절연층을 사이에 두고 배치되는 캐소드 전극들과 게이트 전극들, 상기 캐소드 전극들에 전기적으로 연결되면서 상기 기판 상에 설정 되는 단위 화소마다 복수개로 형성되는 전자 방출부들, 상기 캐소드 전극들과 게이트 전극들 상부에 형성되며, 상기 단위 화소마다 복수의 전자 방출부들을 노출시키는 개구부를 구비하는 제2 절연층 및 상기 제2 절연층 위에 위치하면서 상기 제2 절연층의 개구부 내벽 일부에 걸쳐 연장 형성되는 집속 전극을 포함한다.

또한, 상기 제2 절연층의 개구부 내벽과 상기 기판 사이에 형성되는 단면각은 15° ~ 75°범위 내에 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2 절연층 개구부는 단위 화소마다 하나씩 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2 절연층은 2 ㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 상기 기판으로부터 캐소드 전극들, 제1 절연층 및 게이트 전극들이 순차적으로 형성되고, 상기 캐소드 전극들과 게이트 전극들이 서로 교차하는 방향을 따라 형성될 수 있다. 이때, 상기 전자 방출부들은 상기 캐소드 전극들 위에 형성되고, 상기 게이트 전극들과 제1 절연층에는 각 전자 방출부에 대응하여 이 전자 방출부가 기판 상에 노출되도록 하는 각각의 개구부가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 발광 및 표시 작용을 하는 전자 방출 표시 디바이스에 적용될 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 상기 전자 방출 디바이스와, 상기 기판에 대향 배치되는 타측 기판과, 상기 타측 기판의 일면에 형성되는 형광층들 및 상기 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극을 포함할 수 있다.

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

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 전자 방출 표시 디바이스의 부분 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 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 디바이스(100)를 구성하고, 전자 방출 디바이스가 제2 기판(4) 및 제2 기판(4)에 제공된 발광 유닛(110)과 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 이 루며, 캐소드 전극들(6) 위로 각 단위 화소마다 복수의 전자 방출부들(12)이 형성된다. 그리고 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 탄소(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.

본 발명의 실시예에 따르면, 집속 전극(14)은 제2 절연층(16)의 상부 표면과 제2 절연층(16)의 개구부(162) 내벽 일부에 걸쳐 소정 길이(L) 연장 형성된다. 집속 전극(14) 중 제2 절연층(16)의 개구부 내벽 일부에 연장된 부분은 전자빔 통과를 위한 개구부(142)를 이루게 된다. 또한, 집속 전극(14)은 게이트 전극들(10)과 단락되지 않도록 연장된다.

그리고, 제2 절연층(16)의 개구부(162)는 집속 전극(14)과 접하는 상부폭(PW₁)이 게이트 전극(10)과 접하는 하부폭(PW₂)보다 넓게 형성될 수 있고, 상부폭(PW₁)에서 하부폭(PW₂)까지 점진적으로 좁아지게 형성될 수 있다.

이에 따라, 제2 절연층(16)의 개구부(162) 내벽은 제1 기판(2)에 경사지게 형성될 수 있으며, 제2 절연층(16)의 개구부(162) 내벽과 제1 기판(2)이 이루는 단면각(θ)은 15° ~ 75°범위 내(바람직하게는 45°)에 형성되는 것이 전자빔 집속 효과 증진에 유리하다. 즉, 단면각이 15°미만이 되면, 집속 전극 개구부(142)의 상부와 하부의 내경 차이가 커지고, 경사각이 너무 작아 집속 효과를 기대할 수 없고, 단면각이 75°를 초과하는 경우, 공정이 어렵고, 실질적으로 단면각이 90°인 경우와 집속 효과에 있어서 차이가 없다.

단면각(θ)은 제2 절연층(16) 형성시 마스크층 패턴의 크기 및 식각 공정 등으로 변화시킬 수 있다. 이 단면각(θ)은 연장된 집속 전극(14)과 제1 기판(2)이 이루는 단면각과 동일하다. 집속 전극(14)이 제2 절연층(16)의 개구부(162) 내벽에 밀착 형성되기 때문이다. 이에 따라, 제2 절연층(16)의 개구부(162) 내벽에 형성된 집속 전극(14)은 깔때기 형상을 이룬다.

그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 집속 전극(14)과 제2 절연층(16)의 개구부(142, 162)는 단위 화소마다 복수개의 전자 방출부들을 둘러싸도록 형성되어 각 전자 방출부에서 방출되는 전자빔을 포괄적으로 집속시켜 형광층(18)에 도달하는 전자빔의 분포를 균일하게 형성할 수 있다. 특히 개구부(142, 162)는 단위 화소마다 하나씩 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) 측 으로 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.

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, 집속 전극(14)은 제2 절연층(16)의 개구부(162) 내벽에 경사지게 형성되어 개구부(16)를 통과하는 전자빔의 집속력을 강화하여 전자빔에 직진성을 더욱 부여한다.

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 박막으로 집속 전극을 형성함에도 불구하고 집속 전극을 두껍게 형성하는 것과 같은 효과를 제공하여 집속 전극의 집속력을 강화하고, 전자빔의 굴절에 의한 부차발광을 억제한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이 스는 색순도 및 콘트라스트 특성이 향상된 고화질의 영상을 구현한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 집속 전극에 의해 차단되는 전자를 감소시켜 전자 투과도를 높임으로서 휘도를 향상시키고, 수명을 연장시킨다.

Claims (8)

1. 기판;

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

   상기 캐소드 전극들에 전기적으로 연결되면서 상기 기판 상에 설정되는 단위 화소마다 복수개로 형성되는 전자 방출부들;

   상기 캐소드 전극들과 게이트 전극들 상부에 형성되며, 상기 단위 화소마다 복수의 전자 방출부들을 노출시키는 개구부를 구비하는 제2 절연층; 및

   상기 제2 절연층 위에 위치하면서 상기 제2 절연층의 개구부 내벽 일부에 걸쳐 연장 형성되는 집속 전극

   을 포함하는 전자 방출 디바이스.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 절연층의 개구부 내벽과 상기 기판 사이에 형성되는 단면각이 15° ~ 75°범위 내에 형성되는 전자 방출 디바이스.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 절연층 개구부가 단위 화소마다 하나씩 형성되는 전자 방출 디바이스.
4. 제2항에 있어서,

   상기 제2 절연층이 2 ㎛ 이상의 두께를 가지는 전자 방출 디바이스.
5. 제2항에 있어서,

   상기 기판으로부터 캐소드 전극들, 제1 절연층 및 게이트 전극들이 순차적으로 형성되고, 상기 캐소드 전극들과 게이트 전극들이 서로 교차하는 방향을 따라 형성되는 전자 방출 디바이스.
6. 제5항에 있어서,

   상기 전자 방출부들이 상기 캐소드 전극들 위에 형성되고, 상기 게이트 전극들과 제1 절연층에 각 전자 방출부에 대응하여 이 전자 방출부가 기판 상에 노출되도록 하는 각각의 개구부가 형성되는 전자 방출 디바이스.
7. 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.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전자 방출 디바이스와;

   상기 기판에 대향 배치되는 타측 기판과;

   상기 타측 기판의 일면에 형성되는 형광층들; 및

   상기 형광층들의 어느 일면에 형성되는 애노드 전극

   을 포함하는 전자 방출 표시 디바이스.

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