KR100868531B1 - 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치에 관한 것으로, 캐소드 기판을 다층으로 구성하여 각 캐소드 기판 상에 배선들을 다층으로 배치함으로써, 캐소드 블록의 개수 제한 없이 다수의 캐소드 블록에 의해 미세한 로컬 디밍이 가능한 것을 특징으로 한다. 또한, 배선 설계에 따라 각 캐소드 블록의 RC 지연시간을 동일하게 맞출 수 있으므로, 이에 따라 각 캐소드 블록에 전달되는 전류 제어 신호가 동일한 타이밍에 도달할 수 있어 전계 방출 장치의 특성이 향상되는 것을 특징으로 한다.

전계, 전계 방출 램프, FED, FEL, 로컬 디밍, 전계 에미터, 대조비, 잔상

Description

미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치{The Field Emission Device with Fine Local Dimming}

본 발명은 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 다수의 캐소드 블록에 전류를 인가하기 위한 캐소드 기판상의 배선을 다층 구조로 형성하여 미세한 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치에 관한 것이다.

통상적으로 평판 표시 장치(flat panel display)는 크게 발광형 표시 장치와 수광형 표시 장치로 분류될 수 있다.

발광형 표시 장치로는 음극선관(CRT : Cathode Ray Tube), 플라즈마 표시 장치(PDP : Plasma Display Panel) 및 전계 방출 표시 장치(FED : Field Emission Display) 등이 있으며, 수광형 표시 장치로는 액정 표시 장치(LCD : Liquid Crystal Display)가 있다.

액정 표시 장치는 무게가 가볍고 소비 전력이 적은 장점이 있으나, 그 자체가 발광하여 화상을 형성하지 못하고, 외부로부터 빛이 입사되어 화상을 형성하는 수광형 표시 장치이므로, 어두운 곳에서는 화상을 관찰할 수 없는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 액정 표시 장치의 배면에는 백라이트 유닛(BLU; Back-Light Unit)이 설치된다.

종래 백라이트 유닛으로는 선 광원으로서 냉음극 형광 램프(CCFL : Cold Cathode Fluorescent Lamp)와 점 광원으로서 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)가 주로 사용되어 왔다.

그러나, 이러한 백라이트 유닛은 일반적으로 그 구성이 복잡하여 제조 비용이 높아질 뿐만 아니라, 광원이 측면에 위치하고 있어서 광의 반사와 투과에 따른 전력 소모가 큰 단점이 있다. 특히, 액정 표시 장치가 대형화될수록 휘도의 균일성을 확보하기 힘든 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 평면 발광 구조를 가진 전계 방출 백라이트 유닛이 개발되고 있다. 이러한 전계 방출 백라이트 유닛은 기존의 냉음극 형광 램프 등을 이용한 백라이트 유닛에 비해 전력 소모가 적고, 넓은 범위의 발광 영역에서도 비교적 균일한 휘도를 나타내는 장점이 있다.

일반적으로 전계 방출 백라이트 유닛은 전계 에미터가 형성된 캐소드(Cathode) 기판과 형광체가 형성된 아노드(Anode) 기판이 일정한 거리를 두고 서로 대향 되도록 위치한 상태에서 진공 패키징(vacuum packaging)되고, 전계 에미터로부터 방출된 전자가 아노드 기판의 형광체에 충돌되어 형광체의 음극 발광(cathodoluminescence)으로 빛을 내게 된다.

상기와 같은 종래의 전계 방출 장치에 대하여 도 1을 참조하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 전계 방출 장치를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 아노드 기판(100)의 일면에는 아노드 전극(110)이 형성되고, 아노드 전극(110)의 일면에는 형광체(120)가 위치한다. 아노드 기판(100)에 대향하는 캐소드 기판(200)의 일면에는 캐소드 전극(210)이 형성되고, 캐소드 전극(210)의 일면에는 전계 방출 에미터(220)가 위치한다. 캐소드 전극(210)과 전계 방출 에미터(220)가 설치된 캐소드 기판(200)의 상부에는 게이트 전극(400)이 위치하며, 각 전계 방출 에미터(220)는 게이트 전극(400)의 경사 개구부(400a)를 통해 형광체(120)에 대향하여 노출되어 있다. 그리고, 상기 게이트 전극(400) 및 아노드 전극(110)간, 상기 게이트 전극(400) 및 캐소드 전극(210)간의 간격 유지를 위해 다수의 스페이서(310, 320)가 각각 형성되어 있다.

상기 캐소드 전극(210)과 게이트 전극(400) 및 아노드 전극(110)에 소정의 구동 전압을 인가하면, 전계 방출 에미터(220)로부터 전자빔이 방출되어 방사상으로 퍼지며 진행하게 된다. 그 결과, 전계 방출 에미터(220)에서 방출된 전자빔은 해당 화소에 대응하는 형광체(120)에 도달하여 발광하게 된다.

그러나, 이와 구성을 갖는 냉음극 형광 램프(CCFL)의 경우 동작 속도가 느려 부분적인 휘도의 감소(dimming)나 펄스 구동이 어려우며 콘트라스트 비를 높이거나 동적인 화면에서 잔상을 제거하는데 한계가 존재한다.

이를 위해 최근 LED를 사용하는 백라이트 유닛의 경우 화면에 표시되는 영상에 따라 휘도를 조절하거나 펄스 구동을 통해 높은 콘트라스트비와 깨끗한 동영상을 구현하고 있다. 하지만, 이러한 LED 백라이트 유닛은 제조 단가가 높고 구동 회로가 복잡한 동시에 수명적인 문제와 더불어 면발광이 쉽지 않은 단점이 존재한다.

이를 해결하기 위하여 다수의 캐소드 전극을 캐소드 블록으로 블록화하여 로컬 디밍(Local Dimming, '계조 표현'이라고도 함)이 가능한 전계 방출 램프가 활발히 연구 개발되고 있으나, 정밀한 로컬 디밍을 위해 캐소드 블록의 개수를 증가시키는 경우 캐소드 블록과 외부 전극과의 배선이 복잡해지는 문제점이 발생하게 된다.

이와 같은 문제로 인하여 통상 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 램프에 있어서 캐소드 블록의 개수는 제한되며, 이는 정밀한 로컬 디밍이 불가능하게 만드는 중요한 요소가 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 캐소드 기판을 다층으로 구성하여 각 캐소드 기판 상에 배선들을 다층으로 배치함으로써, 캐소드 블록의 개수 제한 없이 다수의 캐소드 블록에 의해 더욱 미세한 로컬 디밍이 이루어질 수 있는 전계 방출 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치는, 아노드 기판의 일면에 형성된 아노드 전극 및 형광체와, 상기 아노드 기판에 대향하는 캐소드 기판의 일면에 형성된 다수의 캐소드 전극 및 전계 방출 에미터와, 상기 아노드 기판과 상기 캐소드 기판 사이에 형성된 게이트 전극을 포함하되, 서브 픽셀 혹은 특정 영역별로 상기 다수의 캐소드 전극이 블록화되어 다수의 캐소드 블록을 구성하며, 상기 캐소드 기판이 다층으로 형성되어, 상기 각 층의 캐소드 기판상에 상기 각 캐소드 블록과 외부 전극의 연결을 위한 배선이 다층으로 적층되어 배치된 것을 특징으로 한다.

여기에서, 특정 영역의 미세 로컬 디밍을 위해 상기 특정 영역에 해당하는 캐소드 블록에 전류 제어 신호가 전달된 경우, 상기 캐소드 블록의 개별적인 전자빔 조절에 따라 상기 아노드 기판의 특정 영역에서만 발광이 이루어진다.

또한, 상기 배선은 내부 전극 및 비아홀을 통해 상기 각 층의 캐소드 기판상에 적층되어 배치되며, 상기 각 캐소드 블록에 전달되는 전류 제어 신호가 동일한 타이밍에 도달할 수 있도록 상기 배선의 선폭 및 비아홀의 직경이 변화될 수 있다.

또한, 저온 동시 소성 세라믹(LTCC), 고온 동시 소성 세라믹(HTCC), 적층 스크린 프린팅 중 어느 하나의 방법에 의해 상기 캐소드 기판이 다층으로 형성되고 각 캐소드 기판에 배선이 다층으로 배치된다.

본 발명에 따르면, 캐소드 기판을 다층으로 구성하여 각 캐소드 기판 상에 배선들을 다층으로 배치함으로써, 캐소드 블록의 개수 제한 없이 다수의 캐소드 블록에 의해 미세한 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치를 구현할 수 있다. 따라서, 전계 방출 장치의 로컬 디밍에 대한 기술적 한계를 극복할 수 있으므로, 높은 콘트라스트비와 깨끗한 동영상 재생이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 배선 설계에 따라 각 캐소드 블록의 RC 지연시간을 동일하게 맞출 수 있으므로, 각 캐소드 블록에 전달되는 전류 제어 신호가 동일한 타이밍에 도달할 수 있어 전계 방출 장치의 특성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명을 설명하기에 앞서 본 발명의 이해를 돕기 위해 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 미세한 로컬 디밍을 위하여 m × n 개의 캐소드 블록이 형성된 전계 방출 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치의 경우, 다수의 캐소드 전극(210)은 서브 픽셀 혹은 특정 영역별로 블록화되어 캐소드 블록(CB)에 포함되어 있다.

즉, 게이트 전극(400)과 아노드 전극(110)에 인가되는 전압이 고정된 상태에서, 각 캐소드 블록(CB)에 인가되는 전류의 양을 조절하면, 각 캐소드 블록(CB)에 포함된 캐소드 전극(210)을 통해 전계 방출 에미터(220)로부터 방출되는 전자빔의 양이 조절되어 특정 영역의 계조 표현, 다시 말해서 로킬 디밍(Local Dimming)이 가능해진다.

여기에서, 각 캐소드 블록(CB)에 인가되는 전류량은 TFT, 혹은 MOSFET 등과 같은 반도체 스위칭 회로(미도시)를 이용하여 조절할 수 있다. 또한, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation:PWM) 방식 혹은 펄스 진폭 변조(Pulse Amplitude Modulation: PAM) 방식을 이용하여 조절하는 것도 가능하다.

한편, 액정 디스플레이 장치에 있어서 풀(full) HD급 이상의 고해상도 출력, 높은 콘트라스트 비와 동영상 재생시의 잔상문제 해결을 위해서는 더욱 정밀한 로컬 디밍이 필요하며, 이를 위해서는 도 3에 도시된 바와 같이 가능한 다수개의 캐소드 블록(CB)을 확보해야 한다.

하지만, 도 2에서와 같이 캐소드 블록(CB)의 개수가 4개 정도로 많지 않은 경우에는 외부 전극(E)과 각 캐소드 블록(CB)을 연결하기 위한 배선(L)이 단일 평면 위에 간단히 구현되지만, 도 3에서와 같이 정밀한 로컬 디밍을 위해 캐소드 블 록(CB)의 개수를 증가시키는 경우, 배선(L)의 개수도 m × n 개로 증가하게 되며, 이로 인해 배선 연결이 매우 복잡해져 단일 평면상에 배선을 배치시키는 것이 매우 어려워진다.

또한, 전계 방출 에미터(220)로부터 방출된 전자의 불필요한 충전(Charging) 및 방전(Dis-charging)으로 인한 아킹(Arcing)을 막기 위하여 캐소드 블록(CB)들은 최대한 서로 인접하여 배치되어야 하는데, 캐소드 기판(200)이 단일 기판으로 구현되어 있기 때문에, m × n개의 캐소드 블록(CB)들을 m × n개의 외부 전극(E)과 연결하기 위해서는 배선(L)의 선폭을 아주 미세하게 형성해야 한다.

그러나, 배선(L)의 선폭을 아주 미세하게 형성하는 경우, 각 배선(L)들의 저항이 크게 나타날 뿐만 아니라, 배선(L)들끼리의 저항 차이도 크게 나타나서, 각 캐소드 블록(CB)들을 조절하기 위한 전류 제어 신호가 RC 지연 차이에 의해 원하는 타이밍에 도달하지 못하는 문제가 야기될 수도 있다.

즉, 이와 같은 문제로 인하여 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치에 있어서 캐소드 블록(CB)의 개수는 통상 10개 미만으로 제한되며, 이는 정밀한 로컬 디밍이 불가능하게 만드는 중요한 요소가 된다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명에서는 캐소드 기판을 다층으로 구성하는 한편, 각 캐소드 기판 상에 배선들을 다층으로 적층하여 배치함으로써, 캐소드 블록의 개수 제한 없이 다수의 캐소드 블록에 의해 미세한 로컬 디밍이 가능하도록 하며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 전계 방출 장치의 특징을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전계 방출 장치는, 캐소드 기판(200a)이 다층의 캐소드 기판(200)으로 이루어져 있으며, 각 캐소드 기판(200) 상에는 각 캐소드 블록(CB)과 외부 전극(E)을 연결하기 위한 배선(L)이 적층되어 배치되어 있다.

여기에서, 상기 배선(L)은 내부 전극(201) 및 비아홀(202)을 통해 각 캐소드 기판(200) 내부에 적층되어 배치된다.

이와 같이, 다층의 각 캐소드 기판(200) 상에 각 캐소드 블록(CB)과 외부 전극(E)을 연결하기 위한 배선(L)을 적층하여 배치하면, 배선(L)들의 배치 자유도가 크게 증가하게 된다.

즉, 다수개의 캐소드 블록(CB)이 존재하는 경우에도 각 캐소드 블록(CB)과 외부 전극(E)을 연결하기 위한 배선(L)이 각 캐소드 기판(200) 상에 다층으로 적층될 수 있기 때문에, 캐소드 기판(200)의 개수에 따라서 얼마든지 많은 수의 캐소드 블록(CB)을 구현할 수 있으므로, 미세한 로컬 디밍이 가능하게 되는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 전계 방출 장치는, 상기와 같이 캐소드 블록(CB)의 개수 제한이 없어지는 잇점 이외에, 배선(L)의 선폭 및 비아홀(202)의 직경을 조절하는 것에 의해 각 캐소드 블록(CB)의 RC 지연시간을 동일하게 맞출 수 있으며, 이에 따라 각 캐소드 블록(CB)에 전달되는 전류 제어 신호가 동일한 타이밍에 도달하도록 제어할 수 있다.

한편, 캐소드 기판(200a)을 다층으로 구현하고 배선(L)을 다층으로 배치하는 방법으로는 다음과 같은 2가지의 기술을 이용할 수 있다.

첫번째로, 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic, 이하 'LTCC'라 함) 혹은 고온 동시 소성 세라믹(High Temperature Co-fired Ceramic, 이하 'HTCC'라 함)과 같이 다층 레이어 구현이 가능한 기술을 이용할 수 있다.

구체적으로, 그린 시트(Green sheet)라 불리우는 각각의 벌크 세라믹 레이어에 펀칭과 스크린 프린팅으로 내부 전극(201)과 비아홀(202)을 형성하고, 이를 적층(Lamination)시킨 후 소성한다.

여기에서, 통상 LTCC에서는 전극으로 은(Ag) 및 은/팔라듐 합금(Ag/Pd)을 사용하고, HTCC에서는 전극으로 텅스텐(W)을 사용하며, 기판 자체는 세라믹을 사용한다. 일반적으로 LTCC의 경우 약 900℃, HTCC의 경우 약 1600℃의 소성 온도를 가지며, 개별 세라믹 레이어의 두께는 최소 10 ㎛ 이다.

상기 LTCC 혹은 HTCC를 이용한 다층 레이어 구현 방법에 있어서, 개별 세라믹 레이어를 진공 실링에 대비한 외부 기판으로 사용하거나, 또는 개별 세라믹 레이어를 진공 실링에 적합한 유리 기판에 본딩하여 구현하는 방법 모두가 가능하다.

두번째로, 통상의 플라즈마 디스플레이(PDP)의 제조시 이용되는 적층 스크린프린팅 기술을 이용할 수 있다.

구체적으로, 각 개별 절연층에 내부 전극(201) 및 비아홀(202)을 프린팅한 후 건조하여 다시 프린팅하는 방법으로, 이러한 적층 스크린 프린팅 기술에 의해 각 캐소드 기판상에 배선이 적층되는 구조를 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 전계 방출 장치의 미세 로컬 디밍 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전계 방출 장치는, 각 캐소드 블록(CB)의 개별적인 전자빔 조절에 따라 아노드 기판(100)의 특정 영역에서만 발광이 이루어지도록 제어할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전계 방출 장치를 이용하여 고 해상도의 액정 디스플레이를 구현하는 경우, 매우 정밀한 로컬 디밍이 가능할 뿐만 아니라 더 나아가 LCD의 해상도 수준으로도 미세 로컬 디밍이 가능하며, 또한, 높은 콘트라스트 비와 동영상 재생시의 잔상문제도 해결할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 전계 방출 장치를 나타낸 도면이다.

도 2는 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 미세한 로컬 디밍을 위하여 m × n 개의 캐소드 블록이 형성된 전계 방출 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 전계 방출 장치의 특징을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 전계 방출 장치의 미세 로컬 디밍 동작을 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100: 아노드 기판 110: 아노드 전극

120: 형광체 200: 캐소드 기판

210: 캐소드 전극 220: 전계 방출 에미터

310, 320 : 스페이서

400: 게이트

L : 배선

E : 외부 전극

Claims (9)

1. 아노드 기판의 일면에 형성된 아노드 전극 및 형광체와, 상기 아노드 기판에 대향하는 캐소드 기판의 일면에 형성된 다수의 캐소드 전극 및 전계 방출 에미터와, 상기 아노드 기판과 상기 캐소드 기판 사이에 형성된 게이트 전극을 포함하되,

   서브 픽셀 혹은 특정 영역별로 상기 다수의 캐소드 전극이 블록화되어 다수의 캐소드 블록을 구성하며,

   상기 캐소드 기판이 다층으로 형성되어, 상기 각 층의 캐소드 기판상에 상기 각 캐소드 블록과 외부 전극의 연결을 위한 배선이 다층으로 적층되어 배치된 것을 특징으로 하는 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   특정 영역의 미세 로컬 디밍을 위해 상기 특정 영역에 해당하는 캐소드 블록에 전류 제어 신호가 전달된 경우,

   상기 캐소드 블록의 개별적인 전자빔 조절에 따라 상기 아노드 기판의 특정 영역에서만 발광이 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 캐소드 블록에 포함된 다수의 캐소드 전극을 통해 상기 전계 방출 에미 터로부터 방출되는 전자빔의 양이 조절되어 상기 아노드 기판의 특정 영역에서만 발광이 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 배선은 내부 전극 및 비아홀을 통해 상기 각 층의 캐소드 기판상에 적층되어 배치되는 것을 특징으로 하는 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 각 캐소드 블록에 전달되는 전류 제어 신호가 동일한 타이밍에 도달할 수 있도록 상기 배선의 선폭 및 비아홀의 직경이 변화되는 것을 특징으로 하는 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   저온 동시 소성 세라믹(LTCC), 고온 동시 소성 세라믹(HTCC), 적층 스크린 프린팅 중 어느 하나의 방법에 의해, 상기 캐소드 기판이 다층으로 형성되고 각 캐소드 기판에 배선이 다층으로 배치된 것을 특징으로 하는 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 또는 고온 동시 소성 세라믹(HTCC)에 사 용된 개별 세라믹 레이어가 진공 실링에 대비한 외부 기판으로 사용되거나, 또는 진공 실링에 적합한 유리 기판에 본딩된 것을 특징으로 하는 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 아노드 전극과 상기 게이트 전극 사이에 간격 유지를 위한 스페이서가 형성되고, 상기 게이트 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 간격 유지를 위한 스페이스가 형성된 것을 특징으로 하는 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 전계 방출 에미터는 카본 나노 튜브, 카본 나노 섬유 및 카본계 합성 물질 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세 로컬 디밍이 가능한 전계 방출 장치.

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