KR20080024900A - 전자 방출 표시 디바이스 - Google Patents

전자 방출 표시 디바이스 Download PDF

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김창욱
임지순
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Abstract

본 발명은 부피를 증가시키지 않으면서 동작 시 내부에 열이 발생하는 것을 방지할 수 있는 전자 방출 표시 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 전자 방출 표시 디바이스는, 제1 기판, 제1 기판 위에 절연층을 사이에 두고 형성되는 캐소드 전극 및 게이트 전극, 캐소드 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출부, 캐소드 전극과 전자 방출부 사이에 형성되는 열전 소자, 제1 기판에 대향하여 배치되는 제2 기판, 및 제2 기판에 형성되는 발광 유닛을 포함한다.
전자방출표시디바이스, 열전소자, 전자방출부, 캐소드전극

Description

전자 방출 표시 디바이스{ELECTRON EMISSION DISPLAY DEVIC}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디비이스의 부분 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스의 부분 단면도이다.
본 발명은 전자 방출 표시 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자를 구비한 전자 방출 표시 디바이스에 관한 것이다.
일반적으로, 전자 방출 소자(electron emission element)는 전자원으로 열음극(hot cathode)을 이용하는 방식과 냉음극(cold cathode)을 이용하는 방식이 있다.
여기서, 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는 전계 방출 어레이(Field Emitter Array; FEA, 이하 FEA라 칭함)형, 표면 전도 에미션(Surface Conduction Emission; SCE, 이하 SCE라 칭함)형, 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal; MIM, 이하 MIM이라 칭함)형 및 금속-절연체-반도체(Metal- Insulator-Semiconductor; MIS, 이하 MIS라 칭함)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 전극이 구비되는 구성을 가진다. 상기 FED형 전자 방출 소자는 전자 방출부의 물질로 일 함수(work function)가 낮거나 종횡비(aspect ratio)가 큰 물질, 일례로 몰리브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뽀죡한 팁 구조물이나, 탄소 나노튜브와 흑연 및 다이아몬드상 탄소와 같은 탄소계 물질을 사용하여 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한다.
상기 전자 방출 소자는 일반적으로 캐소드 전극과 게이트 전극이 절연층을 사이에 두고 서로 교차하는 방향을 따라 순차적으로 형성되고, 두 전극간 교차 영역의 게이트 전극과 절연층에 개구부가 각각 형성되고 이 개구부 내측으로 캐소드 전극 위에 전자 방출부가 형성되는 구조로 이루어져, 캐소드 전극과 게이트 전극에 인가되는 전압에 따라 전자 방출부에서 전자 방출이 이루어지게 된다.
상기 전자 방출 소자는 일 기판에 어레이를 이루어 전자 방출 디바이스(electron emission device)를 구성한다. 이 경우 캐소드 전극과 게이트 전극 중 어느 하나의 전극에 주사 신호 전압이 인가되고 다른 하나의 전극에 데이터 신호 전압이 인가되어, 캐소드 전극과 게이트 전극간 전압 차가 임계치 이상인 전자 방출 소자들에서 전자 방출부 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자 방출이 이루어지게 된다.
상기 전자 방출 디바이스는 일면에 형광층과 애노드 전극으로 이루어지는 발 광 유닛이 구비된 다른 기판과 결합하여 진공 용기를 이룸으로써 전자 방출 표시 디바이스를 구성한다. 이 경우 전자 방출 소자들로부터 방출되는 전자들이 애노드 전극에 의해 해당 형광층으로 가속되어 소정의 발광 또는 표시 작용을 하게 된다.
그런데, 전자 방출 표시 디바이스에서 발광 및 표시 작용을 위해 전자 방출부로부터 전자들이 방출될 때, 전자 방출부에 캐소드 전극, 게이트 전극 및 애노드 전극 등에 의해 강한 전계가 걸리면서 열이 발생하며, 이러한 열은 전자 방출 표시 디바이스의 집적도가 높아지면서 더욱 더 심하게 발생한다.
또한, 전자 방출부 물질로 탄소 나노튜브 등을 이용하는 경우 전자 방출부와 이 전자 방출부가 위치하는 캐소드 전극 사이에서 접촉 저항에 의해 발생하는 국부적인 열로 인해 전자 방출부가 손상되어, 결국 전자 방출 표시 디바이스의 동작 안정성 저하 및 수명 특성 저하가 유발된다.
이러한 열 발생을 방지하기 위해 전자 방출 표시 디바이스에 열싱크(heal sink) 또는 팬(fan) 등을 장착하여 열을 외부로 방출하는 방법이 제시되었으나, 이 경우 전자 방출 표시 디바이스의 부피를 증가시켜 박형화를 저해할 뿐만 아니라 외부로 열을 방출하는데 어느 정도 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 부피를 증가시키지 않으면서 동작 시 내부에 열이 발생하는 것을 방지할 수 있는 전자 방출 표시 디바이스를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1 기판, 제1 기판 위에 절연층을 사이에 두고 형성되는 캐소드 전극 및 게이트 전극, 캐소드 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출부, 캐소드 전극과 전자 방출부 사이에 형성되는 열전 소자, 제1 기판에 대향하여 배치되는 제2 기판, 및 제2 기판에 형성되는 발광 유닛을 포함하는 전자 방출 표시 디바이스를 제공한다.
여기서, 열전 소자는 N형 도핑된 제1 도전층과 P형 도핑된 제2 도전층이 직렬 연결되어 하나의 쌍을 이루어 적어도 1층 이상 병렬로 연결된 구조를 가질 수 있고, 제1 도전층과 제2 도전층은 열전도 특성 상수(ZT)가 0.1 내지 4 정도로 열전 효율이 높은 물질로 이루어질 수 있다.
일례로, 제1 도전층과 제2 도전층은 Bi2Te 및 PbTe 계열의 합금, Al-Ge 및 GaAs-Ga1-xAlxAs 등의 슈퍼격자, Ce3Pt3Sb5, CePd3, Celn3 및 CeFe4P12 계열의 합금, 희토 산화물(rareearth)인 Ru4Sb12 계열의 합금, Ba8Ni6Ge40의 조성비를 조정하여 얻어지는 물질, 및 FeSb2-xSnx 중 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 전자 방출부는 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, C60(fullerene), 실리콘 나노와이어 중 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합 물질로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 표시 디바이스를 나타낸 부분 분해 사시도 및 부분 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전자 방출 표시 디바이스는 소정의 간격을 두고 서로 평행하게 대향 배치되는 제1 기판(10)과 제2 기판(20)을 포함한다. 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 가장자리에는 밀봉 부재(도시하지 않음)가 배치되어 두 기판을 접합시키며, 제1 기판(10)과 제2 기판(20) 및 밀봉 부재가 진공 용기를 구성한다.
제1 기판(10) 중 제2 기판(20)과의 대향 면에는 제2 기판(20)을 향해 전자들을 방출하는 전자 방출 유닛(100)이 제공되고, 제2 기판(20) 중 제1 기판(10)과의 대향 면에는 상기 전자들에 의해 가시광을 방출하여 임의의 발광 또는 표시를 행하는 발광 유닛(200)이 제공된다.
보다 구체적으로, 제1 기판(10) 위에는 전자 방출을 제어하기 위한 제1 전극으로서 캐소드 전극들(110)이 제1 기판(10)의 일 방향(도면의 y축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성되고, 캐소드 전극들(110)을 덮으면서 제1 기판(10) 전체에 제1 절연층(120)이 형성된다. 제1 절연층(120) 위에는 전자 방출을 제어하기 위한 제2 전극으로서 게이트 전극들(130)이 캐소드 전극(110)과 직교하는 방향(도면의 x축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.
그리고, 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(130)이 교차하는 영역마다 캐소드 전극(110) 위로 전자 방출부(140)가 형성되고, 제1 절연층(120)과 게이트 전극(130)에는 각 전자 방출부(140)에 대응하는 개구부(120a, 130a)가 각각 형성되어 제1 기판(10) 위로 전자 방출부(140)가 노출된다. 캐소드 전극(110)과 전자 방출부(140) 사이에 전자 방출부(140)로부터 전자가 방출될 때 발생되는 열을 제거하는 열전 소자(500)가 형성된다.
여기서, 하나의 캐소드 전극(110), 하나의 게이트 전극(130) 및 이들의 교차 영역에 위치하는 제1 절연층(120)과 전자 방출부(140)가 하나의 전자 방출 소자를 이루게 되며, 이러한 전자 방출 소자가 제1 기판(10)에 어레이(array)를 이루어 전자 방출 디바이스를 구성하게 된다.
전자 방출부(140)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터 사이즈 물질, 일례로 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, C60, 실리콘 나노와이어 중 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합 물질로 이루어질 수 있으며, 그 제조법으로는 스크린 인쇄, 직접 성장, 화학기상증착 또는 스퍼터링 등을 적용할 수 있다.
도 1에서는 일례로 평면 형상이 원형인 전자 방출부(140)가 캐소드 전극(110)의 길이 방향을 따라 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(130)의 교차 영역 당 5개씩 배열되는 경우를 도시하였으나, 전자 방출부(140)의 평면 형상과 개수 및 배열 형태 등은 도시한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
열전 소자(500)는 반대의 도전 특성을 가지면서 직렬 연결되는 2 개의 도전층, 일례로 N형 도핑된 제1 도전층과 P형 도핑된 제2 도전층이 하나의 쌍을 이루어 캐소드 전극(110)과 전자 방출부(140)에 적어도 1층 이상 병렬로 연결된 구조로 이 루어질 수 있다.
상기 제1 도전층 및 제2 도전층은 열전 효율이 높은 물질, 바람직하게 열전도 특성 상수(ZT)가 0.1 내지 4, 더욱 바람직하게 0.5 내지 2 정도로 높은 물질, 일례로 Bi2Te 및 PbTe 계열의 합금, Al-Ge 및 GaAs-Ga1-xAlxAs 등의 슈퍼격자(superlattice), Ce3Pt3Sb5, CePd3, Celn3 및 CeFe4P12 계열의 합금, 희토 산화물(rareearth)인 Ru4Sb12 계열의 합금, Ba8Ni6Ge40의 조성비를 조정하여 얻어지는 물질, 및 FeSb2-xSnx 중 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이러한 열전 소자(500)는 캐소드 전극(110)으로부터 전압이 인가되어 캐소드 전극(110)과 열전 소자(500)의 접합부를 통해 내부로 흐르는 전류가 존재하면 그 크기에 비례하는 열전달이 이루어진다. 그러면, 캐소드 전극(110) 및 전자 방출부(140)에 접속된 부분 중 일 면은 냉각부로 작용하고 다른 일면은 발열부로 작용하는 이른 바 펠티에 효과(peltier effect)에 의해 전자 방출 시 전자 방출부(140)에서 방생되는 열이 제거될 수 있다.
또한, 열전 소자(500)가 열전 효율이 높은 물질로 이루어짐에 따라 전자 방출부(140)에서 전자 방출 시 발생되는 열이 더욱 더 빨리 효과적으로 제거될 수 있다.
본 실시예에서는 열전 소자(500)가 제1 절연층(120)의 개구부(120a) 측벽과 접촉하면서 캐소드 전극(110)과 전자 방출부(140) 사이에 형성되는 경우를 나타내었으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시예에서는 게이트 전극(130)이 제1 절연층(120)을 사이에 두고 캐소드 전극(110) 위로 위치하는 구조에 대해 설명하였지만, 캐소드 전극이 게이트 전극 위로 위치하는 구조도 가능하다. 이 경우 전자 방출부는 제1 절연층 위로 캐소드 전극의 일 측면에 형성될 수 있으며 열전 소자(500)는 본 실시예에서와 마찬가지로 캐소드 전극과 전자 방출부 사이에 형성될 수 있다.
제1 절연층(120)과 게이트 전극(130) 위로 제2 절연층(150)과 집속 전극(160)이 형성된다. 제2 절연층(150)과 집속 전극(160)에도 전자빔 통과를 위한 개구부(150a, 160a)가 마련되며, 일례로 개구부(150a, 160a)는 전자 방출 소자 당 하나로 구비되어 집속 전극(160)이 하나의 전자 방출 소자에서 방출되는 전자들을 포괄적으로 집속하도록 한다.
이때, 집속 전극(160)은 전자 방출부(140)와의 높이 차이가 클수록 우수한 집속 효과를 발휘하므로, 제2 절연층(150)의 두께를 제1 절연층(120)의 두께보다 크게 하는 것이 바람직하다.
또한, 집속 전극(160)은 제2 절연층(150) 위에 코팅된 도전막으로 이루어지거나 개구부(160a)를 구비한 금속 플레이트로 이루어질 수 있다.
한편, 제1 기판(10)에 대향하는 제2 기판(20)의 일면에는 형광층(210)과 흑색층(220)이 형성되고, 형광층(210)과 흑색층(220) 위로 알루미늄과 같은 금속막으로 이루어진 애노드 전극(230)이 형성된다. 애노드 전극(230)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가 받으며, 형광층(210)에서 방사된 가시광 중 제 1 기판(10)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(20) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높 이는 역할을 한다.
또한, 애노드 전극(230)은 제2 기판(20)을 향한 형광층(210)과 흑색층(220)의 일면에 형성될 수 있으며, 이 경우 형광층(210)에서 방사된 가시광을 투과시킬 수 있도록 애노드 전극이 ITO와 같은 투명 도전층으로 이루어진다.
다른 한편으로는, 애노드 전극(230)은 금속 박막과 투명 도전 물질이 모두 혀성되는 구조로 이루어질 수 있다.
형광층(210)은 제1 기판(10) 상에 정의된 전자 방출 소자에 일대일로 대응하여 배치되거나 화면의 수직 방향(도면의 y축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성될 수 있고, 흑색층(220)은 크롬 또는 크롬 산화물과 같은 불투명 재질로 이루어질 수 있다.
상술한 전자 방출 표시 디바이스에서 제1 기판(10)의 하나의 전자 방출 소자와 이에 대응하는 제2 기판(20)의 형광층(210)이 실질적인 화소를 이루게 된다.
제1 기판(10)과 제2 기판(20) 사이에 다수의 스페이서들(300)이 배치되어 두 기판(10, 20) 사이의 간격을 일정하게 유지시킨다. 이때, 스페이서들(300)은 흑색층(212)이 위치하는 비발광 영역에 대응하여 배치될 수 있다.
이와 같이 구성되는 전자 방출 표시 디바이스에서는, 일례로 애노드 전극(230)에 수백 내지 수천 볼트의 (＋) 전압을 인가하고, 집속 전극(160)에 수 내지 수십 볼트의 (－) 전압을 인가하며, 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(130) 중 어느 하나의 전극에 주사 신호 전압을 인가함과 동시에 다른 하나의 전극에 데이터 신호 전압을 인가하여 구동한다.
그러면, 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(130) 사이의 전압차가 임계치 이상인 전자 방출 소자들에서 전자 방출부(140) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 집속 전극(170)을 통과하면서 이로부터 척력을 인가 받아 전자빔 다발의 중심부로 집속된 후 애노드 전극(230)에 인가된 고전압에 이끌려 해당 형광층(220)에 충돌하여 이를 발광시킨다.
이 과정에서 본 실시예의 전자 방출 표시 디바이스는, 열전 소자(500)에 의해 전자 방출부(140)로부터 전자가 방출될 때 발생되는 열을 제거하여 열로 인한 전자 방출부(140)의 손상을 방지할 수 있어 우수한 동작 안정성 및 수명 특성 등을 확보할 수 있다.
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 따른 전자 방출 표시 디바이스는 전자 방출부와 캐소드 전극 사이에 열전도 효율이 높은 물질로 이루어지는 열전 소자를 형성하여 전자 방출부에서 전자가 방출될 때 발생되는 열을 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전자 방출 표시 디바이스는 부피 증가를 유발하지 않으면서 전자 방출부의 손상 및 이로 인한 동작 안정성 저하 및 수명 저하 등을 방지할 수 있어 우수한 표시 품질을 얻을 수 있다.

Claims (7)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 위에 절연층을 사이에 두고 형성되는 캐소드 전극 및 게이트 전극;
    상기 캐소드 전극에 전기적으로 연결되는 전자 방출부;
    상기 캐소드 전극과 상기 전자 방출부 사이에 형성되는 열전 소자;
    상기 제1 기판에 대향하여 배치되는 제2 기판; 및
    상기 제2 기판에 형성되는 발광 유닛
    을 포함하는 전자 방출 표시 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 열전 소자가 N형 도핑된 제1 도전층과 P형 도핑된 제2 도전층이 직렬 연결되어 하나의 쌍을 이루어 적어도 1층 이상 병렬로 연결된 구조를 가지는 전자 방출 표시 디바이스.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 도전층과 상기 제2 도전층이 열전도 특성 상수(ZT)가 0.1 내지 4 정도로 열전 효율이 높은 물질로 이루어지는 전자 방출 표시 디바이스.
  4. 제2 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 제1 도전층과 상기 제2 도전층이 Bi2Te 및 PbTe 계열의 합금, Al-Ge 및 GaAs-Ga1-xAlxAs 등의 슈퍼격자, Ce3Pt3Sb5, CePd3, Celn3 및 CeFe4P12 계열의 합금, 희토 산화물(rareearth)인 Ru4Sb12 계열의 합금, Ba8Ni6Ge40의 조성비를 조정하여 얻어지는 물질, 및 FeSb2-xSnx 중 선택되는 어느 하나로 이루어지는 전자 방출 표시 디바이스.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 방출부가 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, C60(fullerene), 실리콘 나노와이어 중 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합 물질로 이루어지는 전자 방출 표시 디바이스.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전극들 위로 상기 전극들과 전기적으로 절연되어 상기 제1 기판에 형성되는 집속 전극을 더욱 포함하는 전자 방출 표시 디바이스.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 발광 유닛이 형광층과 애노드 전극을 포함하는 전자 방출 표시 디바이 스.
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