KR20080037255A - 전자 방출 디바이스 및 이를 구비한 발광 장치 - Google Patents

전자 방출 디바이스 및 이를 구비한 발광 장치 Download PDF

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KR20080037255A
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Abstract

본 발명은 전자 방출부의 정렬 오차를 최소화하고 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 절연 특성을 개선할 수 있는 전자 방출 디바이스 및 이를 구비한 발광 장치를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는 기판, 기판 위에 형성되는 캐소드 전극, 캐소드 전극에 전기적으로 연결되어 형성되는 복수개의 전자 방출부들, 및 전자 방출부들에 대응하는 각각의 개구부를 구비하며 상기 캐소드 전극 위에 순차적으로 형성되는 절연층 및 게이트 전극을 포함한다. 그리고, 캐소드 전극이 개구부를 가지는 주 전극과, 주 전극과 분리되어 개구부 내측에 3 내지 4개로 형성되며 전자 방출부들이 위치하는 격리 전극들과, 주 전극과 격리 전극들을 전기적으로 연결하는 저항층을 포함한다.
전자방출디바이스, 발광장치, 캐소드전극, 저항층, 격리전극, 주전극

Description

전자 방출 디바이스 및 이를 구비한 발광 장치{ELECTRON EMISSION DEVICE AND LIGHT EMISSION DEVICE HAVING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 장치의 부분 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 발광 장치의 부분 단면도이다.
도 3은 도 1의 발광 장치의 캐소드 전극에 대한 부분 평면도이다.
본 발명은 발광 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자 방출 디바이스 및 이를 구비한 발광 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전자 방출 디바이스(electron emission device)는 전자 방출 소자(electron emission element)들이 일 기판에 어레이를 이루어 구성되며, 전자 방출 소자로서 주로 전계 방출 어레이(field emitter array; FEA, 이하 'FEA'라 칭함)형을 적용한다.
FEA형 전자 방출 소자는 전자 방출부와 이 전자 방출부의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들로서 캐소드 전극과 게이트 전극을 구비한다. 그리고, 전자 방출부의 구성 물질로 일함수(work function)가 낮거나 종횡비가 큰 물질, 일례로 몰리 브덴(Mo) 또는 실리콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물이나 탄소계 물질을 사용하여 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한다.
또한, 전자 방출 디바이스는 형광층과 애노드 전극 등으로 이루어진 발광 유닛이 구비된 다른 기판과 결합하여 발광 장치를 구성할 수 있다.
한편, 발광 장치는 그 작용 시 구동 전극들에 불안정한 구동 전압이 인가되거나 구동 전극들의 내부 저항으로 인해 전압 강하를 발생하는 등 전자 방출부들에 인가되는 전압에 의도하지 않은 차이가 발생할 수 있다. 이 경우 전자 방출부들의 에미션 특성이 불균일하게 되어 발광 특성 저하로 이어진다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 캐소드 전극이 개구부를 가지는 주 전극과 개구부 내에 전자 방출부의 개수만큼 배치되는 격리 전극들 및 격리 전극들과 주 전극 사이를 전기적으로 연결하는 저항층으로 이루어지고, 격리 전극마다 전자 방출부가 하나씩 형성되는 구조가 제안되었다. 또한, 이 구조에서는 캐소드 전극 위로 전자 방출부에 대응하는 개구부들을 각각 구비하며 절연층과 게이트 전극이 순차적으로 형성되어 일 기판 위로 전자 방출부가 노출되도록 하고 있다.
상술한 구조에서는 전자 방출부가 저항층을 통해 안정화된 전류를 인가 받음에 따라 전자 방출부들의 에미션 특성이 균일해지는 효과가 있어 발광 특성 저하를 예방할 수 있다.
그런데, 상술한 구조는 제조 과정에 있어서 전자 방출부가 절연층과 게이트 전극에 개구부들이 먼저 형성된 후 이들의 개구부들 내에 전자 방출 물질이 도포되고 노광법 등에 의해 패터닝되어 형성된다. 따라서, 격리 전극이 전자 방출부의 개수만큼 형성되고 전자 방출부가 격리 전극마다 하나씩 형성되는 상기 구조에서는, 전자 방출부에 대응하여 절연층과 게이트 전극에 개구부들을 형성할 때 격리 전극과의 정렬 오차가 쉽게 발생할 수 있다. 이러한 개구부들의 정렬 오차는 전자 방출부의 정렬 오차로 이어지게 되어 결국 발광 특성 저하를 유발하게 된다.
또한, 캐소드 전극의 주 전극과 격리 전극들의 배치로 인해 존재하는 미세 갭으로 인하여 캐소드 전극 위로 형성되는 절연층에 대하여 우수한 스텝 커버리지 특성을 확보하기가 어려우므로, 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 절연 특성 저하가 야기될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전자 방출부의 정렬 오차를 최소화하고 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 절연 특성을 개선할 수 있는 전자 방출 디바이스를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상술한 전자 방출 디바이스를 구비하여 발광 특성을 개선할 수 있는 발광 장치를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 디바이스는, 기판, 기판 위에 형성되는 캐소드 전극, 캐소드 전극에 전기적으로 연결되어 형성되는 복수개의 전자 방출부들, 및 전자 방출부들에 대응하는 각각의 개구부를 구비하며 상기 캐소드 전극 위에 순차적으로 형성되는 절연층 및 게이트 전극을 포함한다. 그리고, 캐소드 전극이 개구부를 가지는 주 전극과, 주 전극과 분리되어 개구부 내측에 3 내지 4개로 형성되며 전자 방출부들이 위치하는 격리 전극들과, 주 전극과 격리 전극들을 전기적으로 연결하는 저항층을 포함한다.
또한, 전자 방출부들이 격리 전극 당 3 내지 4개씩 격리 전극의 중심 방향으로 집중하여 형성될 수 있다.
또한, 격리 전극들이 주 전극의 길이 방향을 따라 배치될 수 있다.
또한, 전자 방출 디바이스가 게이트 전극 위로 게이트 전극과 절연되어 형성되는 집속 전극을 더욱 포함할 수 있다.
또한, 전자 방출부가 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, C60(fullerene) 및 실리콘 나노와이어로 구성되는 그룹 중 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 발광 장치는 상술한 전자 방출 디바이스, 기판에 대향 배치되는 다른 기판, 및 다른 기판의 일면에 형성되는 발광 유닛을 포함한다.
또한, 발광 유닛이 형광층과 애노드 전극을 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하 는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에서, 발광 장치는 외부에서 볼 때 광이 출사된다는 것을 인식할 수 있는 모든 장치를 포함한다. 따라서 기호, 문자, 숫자 및 영상을 표시하여 정보를 전달하는 모든 디스플레이 장치도 발광 장치에 포함된다. 또한 발광 장치는 수광형 표시 패널에 광을 제공하는 광원으로도 이용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 장치의 부분 분해 사시도 및 부분 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 캐소드 전극의 부분 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 발광 장치는 소정의 간격을 두고 서로 평행하게 대향 배치되는 제1 기판(10)과 제2 기판(20)을 포함한다. 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 가장 자리에는 밀봉 부재(미도시)가 배치되어 두 기판을 접합시키며, 내부 공간이 대략 10-6 Torr의 진공도로 배기되어 제1 기판(10), 제2 기판(20) 및 밀봉 부재가 진공 용기를 구성한다.
제1 기판(10) 중 제2 기판(20)과의 대향 면에는 전자 방출 소자들로 이루어지는 전자 방출 유닛(100)이 제공되고, 제2 기판(20) 중 제1 기판(10)과의 대향 면에는 형광층(210)과 애노드 전극(230) 등으로 이루어지는 발광 유닛(200)이 제공된다. 여기서, 전자 방출 소자는 FEA형으로 이루어질 수 있고 제1 기판(10)에 어레이를 이루어 배치될 수 있다. 전자 방출 소자는 하나의 캐소드 전극(110)과 하나의 게이트 전극(130) 및 이들의 교차 영역에 위치하는 제1 절연층(120)과 전자 방출부들(140)로 이루어질 수 있으며, 제1 기판(10)과 전자 방출 유닛(100)이 전자 방출 디바이스를 구성하게 된다.
먼저, 전자 방출 유닛(100)의 구성을 살펴보면, 제1 기판(10)의 일 방향을 따라 캐소드 전극들(110)이 스트라이프 패턴으로 형성된다. 캐소드 전극(110) 위로 제1 기판(10) 전체에 제1 절연층(120)이 형성되고, 제1 절연층(120) 위로 게이트 전극들(130)이 캐소드 전극(110)과 직교하는 방향을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다. 그리고, 제1 절연층(120)과 게이트 전극(130)에는 전자 방출부(140)에 대응하는 개구부들(120a, 130a)이 각각 형성되어 제1 기판(10) 위로 전자 방출부(140)를 노출시킨다.
여기서, 캐소드 전극(110)은 게이트 전극(110)과의 교차 영역에 대응하는 개구부(114a)를 가지는 주 전극(114)과, 주 전극(114)과 분리되어 개구부(114a) 내측에 위치하는 복수개의 격리 전극들(112)과, 격리 전극들(112)의 양측에서 주 전극(114)과 격리 전극들(112)을 전기적으로 연결하는 저항층(116)을 포함한다. 그리고, 격리 전극들(112) 위로 전자 방출부들(140)이 형성된다.
이때, 격리 전극들(112)은 주 전극(114)의 개구부(114a) 당 3 내지 4개씩 배치될 수 있고, 전자 방출부들(140)은 격리 전극(112) 당 3 내지 4개씩 격리 전극(112)의 중심 방향으로 집중하여 배치될 수 있다. 도 1 및 도 3은 격리 전극(112) 및 전자 방출부(140)가 각각 3개씩 배치되는 경우를 나타낸다.
이처럼 본 실시예에서는 전자 방출부(140)의 개수와 관계없이 격리 전극(112)의 개수는 3 내지 4개로 감소시키고 각 격리 전극(112) 마다 복수개씩 전자 방출부(140)를 형성한다. 그러면, 전자 방출부(140)에 대응하여 제1 절연층(120) 과 게이트 전극(130)에 개구부들(120a, 130a)을 형성할 때 격리 전극(112)과 개구부들(120a, 130a) 사이의 정렬 마진을 충분히 확보할 수 있어 이들 사이의 정렬 오차를 최소화할 수 있다. 또한, 주 전극(114)과 격리 전극들(112)의 배치로 인해 존재하는 미세 갭 영역이 최소화되어 제1 절연층(120)의 스텝 커버리지 특성이 개선될 수 있으므로 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(130) 사이의 절연 특성도 개선될 수 있다.
또한, 도시되지는 않았지만, 주 전극(114)은 그 일단이 외부 회로와 연결되어 이로부터 구동 전압을 인가 받으며, 격리 전극들(112)은 제1 기판(10)의 일 방향, 일례로 주 전극(114)의 길이 방향(도면의 y축 방향)을 따라 배치될 수 있다.
저항층(116)은 일정한 폭을 가지면서 주 전극(114)의 길이 방향을 따라 스트라이프 패턴으로 주 전극(114)의 폭 방향(도면의 x축 방향)에 따른 격리 전극들(112)의 좌우 양측에 배치될 수 있다. 저항층(116)은 대략 10,000 내지 100,000Ω㎝의 비저항값을 가지며, 일례로 p형 또는 n형의 도핑된 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.
전자 방출부(140)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 탄소계 물질 또는 나노미터 사이즈 물질로 이루어질 수 있다. 일례로, 전자 방출부(140)는 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, C60(fullerene) 및 실리콘 나노와이어로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한, 전자 방출부(140)는 몰리브덴(Mo) 또는 실리 콘(Si) 등을 주 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁 구조물로 이루어질 수도 있다.
도 1에서는 전자 방출부(140)와 제1 절연층(120) 및 게이트 전극(130) 개구부들(120a, 130a)의 평면 형상이 원형인 경우를 도시하였으나 이들의 평면 형상은 도시한 예에 한정되지 않는다.
한편, 제1 기판(10)에 게이트 전극(130) 위로 제2 절연층(150)과 집속 전극(160)이 순차적으로 더 형성될 수 있다. 이 경우 제2 절연층(150)과 집속 전극(160)에도 전자빔 통과를 위한 개구부(150a, 160a)가 마련되는데, 일례로 이 개구부(150a, 160a)는 전자 방출 소자 당 하나로 구비되어 집속 전극(160)이 하나의 전자 방출 소자에서 방출되는 전자들을 포괄적으로 집속할 수 있다.
다음으로, 발광 유닛(200)의 구성을 살펴보면, 제2 기판(20)에 형광층(210)이 형성되고, 형광층(210) 사이로 화면의 콘트라스트 향상을 위한 흑색층(220)이 형성된다. 형광층(210)은 제1 기판(10)의 전자 방출 소자에 대응하여 형성된다. 이때, 서로 대응하는 하나의 형광층(210)과 하나의 전자 방출 소자가 화소를 이루게 된다.
그리고, 형광층(210)과 흑색층(22) 위로 알루미늄과 같은 금속 박막으로 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 높인다.
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 도전 물질로 이루어진다.
다른 한편으로, 애노드 전극(230)은 금속 박막과 투명 도전 물질이 모두 형성되는 구조로 이루어질 수도 있다.
이와 같이 구성되는 발광 장치는 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(130) 중 어느 하나의 전극에 주사 신호 전압을 인가함과 동시에 다른 하나의 전극에 데이터 신호 전압을 인가하고, 집속 전극(160)에는 수 내지 수십 볼트의 (－) 전압을 인가하며, 애노드 전극(230)에 수백 내지 수천 볼트의 양(＋)의 직류 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 방출된다. 방출된 전자들은 집속 전극(160)의 개구부(160a)를 통과하면서 전자빔 다발의 중심부로 집속되어 애노드 전극(230)에 인가된 고전압에 이끌려 해당 형광층(210)에 충돌하여 이를 발광시킨다.
이 과정에서 캐소드 전극(110)을 이루는 저항층(116)이 전자 방출부들(140)에 동일한 조건의 구동 전압이 인가되도록 하여 전자 방출부들(140)의 에미션 특성을 균일화시키므로 발광 장치의 발광 특성이 향상됨을 예상할 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 범 위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 장치는 전자 방출부들의 에미션 특성을 균일화하면서 동시에 전자 방출부의 정렬 오차를 최소화하고 게이트 전극과 캐소드 전극 사이의 절연 특성을 개선할 수 있으므로 우수한 발광 특성을 얻을 수 있다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성되는 캐소드 전극;
    상기 캐소드 전극에 전기적으로 연결되어 형성되는 복수개의 전자 방출부들; 및
    상기 전자 방출부들에 대응하는 각각의 개구부를 구비하며 상기 캐소드 전극 위에 순차적으로 형성되는 절연층 및 게이트 전극을 포함하고,
    상기 캐소드 전극이
    개구부를 가지는 주 전극과,
    상기 주 전극과 분리되어 상기 개구부 내측에 3 내지 4개로 형성되며 상기 전자 방출부들이 위치하는 격리 전극들과,
    상기 주 전극과 상기 격리 전극들을 전기적으로 연결하는 저항층을 포함하는 전자 방출 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 방출부들이 상기 격리 전극 당 3 내지 4개씩 형성되는 전자 방출 디바이스.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전자 방출부들이 상기 격리 전극의 중심 방향으로 집중하여 형성되는 전자 방출 디바이스.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 격리 전극들이 상기 주 전극의 길이 방향을 따라 배치되는 전자 방출 디바이스.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 게이트 전극 위로 상기 게이트 전극과 절연되어 형성되는 집속 전극을 더욱 포함하는 전자 방출 디바이스.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 방출부가 탄소 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소, C60(fullerene) 및 실리콘 나노와이어로 구성되는 그룹 중 선택되는 어느 하나를 포함하는 전자 방출 디바이스.
  7. 제1 항에 내지 제6 항 중 어느 한 항에 기재된 전자 방출 디바이스;
    상기 기판에 대향 배치되는 다른 기판; 및
    상기 다른 기판의 일면에 형성되는 발광 유닛을 포함하는 발광 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 발광 유닛이 형광층과 애노드 전극을 포함하는 발광 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101028715B1 (ko) * 2009-05-28 2011-04-12 한국원자력연구원 3극형 대면적 전자빔 조사장치

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