KR20070014680A - 전자 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에미션 효율을 높이기 위해 전자 방출부 형상을 개선한 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 서로 대향하여 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극과, 캐소드 전극의 일부 표면을 노출시키는 개구부를 각각 구비하며 캐소드 전극 위에 순차적으로 형성되는 절연층 및 게이트 전극과, 개구부 내로 캐소드 전극 위에 배치되며 내부에 적어도 하나의 개구부를 구비하여 그 윗면에 적어도 2개의 가장자리를 형성하는 전자 방출부를 포함한다.

전자방출부, 캐소드전극, 게이트전극, 절연층, 집속전극, 에미션효율, 애노드전극

Description

전자 방출 소자 {ELECTRON EMISSION DEVICE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자를 나타낸 부분 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자를 나타낸 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자를 나타낸 부분 평면도이다.

본 발명은 전자 방출 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에미션 효율을 높이기 위하여 전자 방출부의 형상을 개선한 전자 방출 소자에 관한 것이다.

일반적으로, 전자 방출 소자는 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)형, 금속-절연층-금속(Metal-Insulator-Metal; MIM)형 및 금속-절연층-반도체(Metal-Insulator-Semiconductor; MIS)형 등이 알려져 있다.

이 가운데 FEA형 전자 방출 소자는 일 함수(work function)가 낮거나 종횡비 (aspect ratio)가 큰 물질을 전자원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계에 의해 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로서, 최근 들어 카본 나노튜브와 흑연 및 다이아몬드상 카본과 같은 카본계 물질로 전자 방출부를 형성한 예가 개발되고 있다.

통상의 FEA형 전자 방출 소자는 진공 용기를 구성하는 두 기판 중 제1 기판 위에 전자 방출부와 이 전자 방출부의 전자 방출을 제어하는 구동 전극들로서 캐소드 전극과 게이트 전극을 구비하고, 제2 기판 위에 형광층과 더불어 제1 기판 측에서 방출된 전자들이 형광층을 향해 효율적으로 가속되도록 하는 애노드 전극을 구비하여 소정의 발광 또는 표시 작용을 하는 구조로 이루어진다.

캐소드 전극은 전자 방출부와 전기적으로 연결되어 전자 방출에 필요한 전류를 전자 방출부에 공급한다. 그리고 캐소드 전극과 게이트 전극은 두 전극간 전압 차를 이용해 전자 방출부 주위에 전계를 형성하여 전자 방출의 온/오프와 전자 방출량을 제어하는 역할을 한다.

상기한 전자 방출 소자에서, 게이트 전극은 절연층을 사이에 두고 캐소드 전극 상부에 형성되고, 캐소드 전극과 게이트 전극의 교차 영역마다 게이트 전극과 절연층에 개구부가 각각 형성되며, 이 개구부 내측으로 캐소드 전극 위에 전자 방출부가 형성되는 것이 일반적이다.

상술한 구조에서는 전자 방출부의 윗면 가장자리가 형상적으로 날카로운 부위를 이루고 게이트 전극과 가장 가까운 거리를 두고 위치하기 때문에 전자 방출 소자의 작용 시 전자 방출부의 윗면 가장자리로 전계가 집중되고 이 부분에서 대부분의 전자 방출이 이루어지게 된다.

그런데, 통상의 전자 방출부는 도트(dot) 형상을 가지기 때문에 전계가 주로 집중되는 전자 방출부의 가장자리 면적이 제한적이어서 전자 방출량 증대에 한계가 있다. 그 결과 종래 전자 방출 소자에서는 에미션 효율이 높지 않아 화면의 충분한 휘도를 확보하기가 어려운 문제가 있다.

이에 대하여 종래 전자 방출 소자에서는 구동 전압을 높여 전자 방출부의 에미션 효율을 높이고 있으나, 이 경우 전자 방출부의 열화가 빠르게 진행되어 수명이 감소되고 소비 전력이 증가되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전자 방출부의 에미션 효율을 높이고 구동 전압을 낮출 수 있는 전자 방출 소자를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

서로 대향하여 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과, 제1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극과, 캐소드 전극의 일부 표면을 노출시키는 개구부를 각각 구비하며 캐소드 전극 위에 순차적으로 형성되는 절연층 및 게이트 전극과, 개구부 내로 캐소드 전극 위에 배치되며 내부에 적어도 하나의 개구부를 구비하여 그 윗면에 적어도 2개의 가장자리를 형성하는 전자 방출부를 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다.

상기 전자 방출부와 개구부는 원형의 평면 형상을 가지며, 각각의 전자 방출 부에 하나의 개구부가 형성될 수 있다.

상기 캐소드 전극은 보조 전극층과 저항층 가운데 적어도 하나를 더욱 포함할 수 있다.

상기 전자 방출 소자는 게이트 전극 위에 형성되며 전자빔 통과를 위한 개구부를 구비하는 집속 전극을 더욱 포함할 수 있다. 또한, 상기 전자 방출 소자는 제2 기판에 형성되는 형광층과, 형광층의 일면에 형성되는 애노드 전극을 더욱 포함할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자를 나타낸 부분 분해 사시도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전자 방출 소자의 부분 평면도이다.

도면을 참조하면, 전자 방출 소자는 소정의 간격을 두고 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 대향면에는 제2 기판(20)을 향해 전자들을 방출하는 전자 방출 유닛(100)이 제공되고, 제2 기판(20) 중 제1 기판(10)과의 대향면에는 상기 전자들에 의해 가시광을 방출하여 임의의 발광 또는 표시를 행하는 발광 유닛(200)이 제공된다.

보다 구체적으로, 제1 기판(10) 위에는 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(112)이 형성된다. 제1 절연층(112) 위에는 게이트 전극들(114)이 캐소드 전극(110)과 직교하는 방향(도면의 x축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성된다.

캐소드 전극(110)은 하나의 전극층으로 이루어지거나, 저항에 의한 전압 강하를 억제하기 위하여 전기 전도도가 높은 재질로 형성된 보조 전극층(도시하지 않음)을 더욱 포함하거나, 전압 강하에 의한 화소별 에미션 균일도 저하를 방지하기 위하여 저항층(도시하지 않음)을 더욱 포함할 수 있다. 또한, 캐소드 전극(110)은 보조 전극층과 저항층을 동시에 형성할 수도 있다.

본 실시예에서 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(114)이 교차하는 영역을 화소 영역으로 정의하면, 각 화소 영역마다 제1 절연층(112)과 게이트 전극(114)에 적어도 하나의 개구부(112a, 114a)가 각각 형성되어 캐소드 전극(6)의 일부 표면을 노출시킨다.

그리고 개구부(112a, 114a) 내로 캐소드 전극(110) 위에 하나 이상의 전자 방출부(116)가 형성된다. 본 실시예에서 각각의 전자 방출부(116)는 그 중앙에 개구부(116a)를 구비한다. 이로써 전자 방출부(116)는 그 윗면에 2개의 가장자리, 즉 외측 가장자리와, 개구부(116a)를 둘러싸는 내측 가장자리를 형성하여 전계가 집중되는 가장자리 길이를 효과적으로 증가시킨다.

도면에서는 일례로 평면 형상이 원형인 전자 방출부(116)에 평면 형상이 원 형인 하나의 개구부(116a)가 형성되어 전자 방출부(116)가 도넛의 평면 형상을 가지며, 이러한 전자 방출부(116)가 각 화소 영역마다 캐소드 전극(110)의 길이 방향을 따라 3개 위치하는 경우를 도시하였으나, 전자 방출부(116) 및 개구부(116a)의 평면 형상과 이들의 개수는 도시한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다. 또한, 각각의 전자 방출부에는 두개 또는 그 이상의 개구부가 형성될 수 있다.

전자 방출부(116)는 진공 중에서 전계가 가해지면 전자를 방출하는 물질들, 가령 카본계 물질 또는 나노미터 사이즈 물질로 이루어진다. 전자 방출부(116)는 카본 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, C₆₀, 실리콘 나노와이어 중 어느 하나 또는 이들의 조합 물질로 이루어질 수 있으며, 그 제조법으로는 스크린 인쇄, 직접 성장으로는 스크린 인쇄, 직접 성장, 화학기상증착 또는 스퍼터링 등을 적용할 수 있다.

그리고 제1 절연층(112)과 게이트 전극(114) 위로 제2 절연층(118)과 집속 전극(120)이 형성된다. 제2 절연층(118)과 집속 전극(120)에도 전자빔 통과를 위한 개구부(118a, 120a)가 마련되는데, 일례로 개구부(118a, 120a)는 집속 전극(120)이 하나의 화소에서 방출되는 전자들을 포괄적으로 집속하도록 전자 방출부(116)의 개수에 관계없이 화소 영역 당 하나가 구비될 수 있다.

도면에서는 집속 전극(120)은 제1 기판(10) 전체에 형성되는 경우를 도시하였으나, 이러한 집속 전극(120)은 소정의 패턴으로 나뉘어 복수개로 형성될 수 있다. 또한, 집속 전극(120)은 제2 절연층(118) 위에 코팅된 도전막으로 이루어지거 나 개구부(120a)를 구비한 금속 플레이트로 이루어질 수 있다.

다음으로, 제1 기판(10)에 대향하는 제2 기판(20)의 일면에는 형광층(210)과 흑색층(212)이 형성되고, 형광층(210)과 흑색층(212) 위로 알루미늄과 같은 금속막으로 이루어진 애노드 전극(214)이 형성된다. 애노드 전극(214)은 외부로부터 전자빔 가속에 필요한 고전압을 인가 받으며, 형광층(210)에서 방사된 가시광 중 제1 기판(10)을 향해 방사된 가시광을 제2 기판(20) 측으로 반사시켜 화면의 휘도를 높이는 역할을 한다.

한편, 애노드 전극(214)은 제2 기판(20)을 향한 형광층(210)과 흑색층(212)의 일면에 형성될 수 있으며, 이 경우 형광층(210)에서 방사된 가시광을 투과시킬 수 있도록 애노드 전극이 ITO와 같은 투명 도전층으로 이루어진다.

또 다른 한편으로는, 제2 기판(20) 상에 투명 재질의 애노드 전극과 반사 효과에 의해 휘도를 높이는 금속 박막이 모두 형성될 수도 있다.

형광층(210)은 제1 기판(10) 상에 설정된 화소 영역에 일대일로 대응하여 배치되거나 화면의 수직 방향(도면의 y축 방향)을 따라 스트라이프 패턴으로 형성될 수 있고, 흑색층(212)은 크롬 또는 크롬 산화물과 같은 불투명 재질로 이루어질 수 있다.

상술한 제1 기판(10)과 제2 기판(20) 사이에는 다수의 스페이서들(300)이 배치되어 두 기판(10, 20) 사이의 간격을 일정하게 유지시킨다. 이때, 스페이서들(300)은 흑색층(212)이 위치하는 비발광 영역에 대응하여 배치된다.

이와 같이 구성되는 전자 방출 소자에서는 애노드 전극(214)에 수백 내지 천 볼트의 (＋) 전압을 인가하고, 집속 전극(120)에 수 내지 수십 볼트의 (-) 전압을 인가하며, 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(114) 중 어느 하나의 전극에 주사 신호 전압을 인가함과 동시에 다른 하나의 전극에 데이터 신호 전압을 인가하여 구동한다.

그러면, 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(114) 사이의 전압차가 임계치 이상인 화소들에서 전자 방출부(116) 주위에 전계가 형성되어 이로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들은 집속 전극(120)을 통과하면서 이로부터 척력을 인가받아 전자빔 다발의 중심부로 집속된 후 애노드 전극(214)에 인가된 고전압에 이끌려 대응하는 화소의 형광층(212)에 충돌하여 이를 발광시킨다.

이 과정에서 본 실시예의 전자 방출 소자는 전자 방출부(116)에 형성된 개구부(116a)에 의해 전자 방출부(116) 윗면의 가장자리 길이가 확대됨에 따라, 이 가장자리에 전계가 집중되어 에미션 효율을 높일 수 있다. 즉, 전자 방출부(116) 윗면의 외측 가장자리뿐만 아니라 내측 가장자리에도 전계가 집중되어 이로부터 전자들이 방출되므로 동일한 구동 조건에서 보다 많은 양의 전자들을 방출시킬 수 있다.

그 결과, 본 실시예의 전자 방출 소자는 화면의 휘도를 높일 수 있고, 구동 전압을 낮추어 소비 전력을 저감시킬 수 있으며, 전자 방출부의 우수한 수명 특성을 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 소자는 전자 방출부에 개구부를 형성하여 전자 방출부 윗면에 보다 효율적으로 전계를 집중시켜 에미션 효율을 높일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 화면의 휘도를 높일 수 있고, 구동 전압을 낮추어 소비 전력을 저감시킬 수 있으며, 전자 방출부의 우수한 수명 특성을 확보할 수 있다.

Claims (7)

1. 서로 대향하여 배치되는 제1 기판 및 제2 기판과;

   상기 제1 기판 위에 형성되는 캐소드 전극과;

   상기 캐소드 전극의 일부 표면을 노출시키는 개구부를 각각 구비하며 상기 캐소드 전극 위에 순차적으로 형성되는 절연층 및 게이트 전극과;

   상기 개구부 내로 상기 캐소드 전극 위에 배치되며, 내부에 적어도 하나의 개구부를 구비하여 그 윗면에 적어도 2개의 가장자리를 형성하는 전자 방출부

   를 포함하는 전자 방출 소자.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 전자 방출부와, 전자 방출부의 개구부가 원형의 평면 형상을 가지며, 상기 각각의 전자 방출부가 하나의 개구부를 구비하는 전자 방출 소자.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 절연층과 상기 게이트 전극의 개구부 내측에 상기 전자 방출부가 다수개로 배치되는 전자 방출 소자.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 전자 방출부가 카본 나노튜브, 흑연, 흑연 나노파이버, 다이아몬드, 다 이아몬드상 카본, C₆₀, 실리콘 나노와이어 중 어느 하나 또는 이들의 조합 물질로 이루어지는 전자 방출 소자.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 캐소드 전극이 보조 전극층과 저항층 가운데 적어도 하나를 더욱 포함하는 전자 방출 소자.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 게이트 전극 위에 형성되며 전자빔 통과를 위한 개구부를 구비하는 집속 전극을 더욱 포함하는 전자 방출 소자.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 제2 기판에 형성되는 형광층; 및

   상기 형광층의 일면에 형성되는 애노드 전극을 포함하는 전자 방출 소자.

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