KR100254826B1 - 3극관형 전계 방출 표시소자 - Google Patents

Abstract

목적 : 흑연으로 음극을 형성하여 공정의 단순화와 음극의 물성 안정화를 도모하고, 낮은 전계에서도 전자 방출이 이루어지는 3극관형 전계 방출 표시소자를 제공한다.

구성 : 기판 글라스 상에 소정 패턴의 음전극을 적층 형성하고, 그 상면으로 페이스트상의 흑연 분말을 스크린 인쇄하여 소정 개소마다 흑연층이 형성 배열되게 한 다음, 상기 기판 글라스의 상명 전체에 걸쳐 절연층을 인쇄하고 열처리하여 고착화시킨 후에 상기 절연층의 상면을 제한적으로 미케니컬 폴리싱 또는 케미컬 미케니컬 폴리싱하여 상기 흑연층을 형성하는 흑연 입자의 표층부가 노출되게 하여 놓고, 상기 흑연층의 주변으로 도전성 금속을 스퍼터링 증착하여 소정 개소마다 그리드 전극이 배치되게 한 구성을 포함한 것이다.

효과 : 음극에 페이스트상의 흑연 분말로 스크린 인쇄하여 형성되는 흑연층이 부가되어 전자 방출 통로가 설치됨에 따라 제조가 간단하게 되고, 또 저진공에서도 가스 이온이나 아크 등의 충격에 내구성을 가져 사용 수명이 연장되는 한편 낮은 전계에서도 충분히 전자 방출을 일으키게 된다.

Description

3극관형 전계 방출 표시소자

본 발명은 전계 방출 표시소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흑연의 물성을 이용한 음극의 층 두께를 고르게 하여 화소별로 균등하게 전자 비임의 방출이 이루어질 수 있게 하는 3극관형 전계 방출 표시소자에 관한 것이다.

전계 방출 표시소자는 상호 대향 배치되어 기밀스럽게 밀봉되는 글라스 사이로 음극과 형광체를 배열한 구성을 포함하는 것이며, 상기 음극과 형광체는 각각 일정의 패턴을 이루게 되어 있다. 이러한 구성에서 상기 음극과 양극의 방출면 사이가 높은 전압 구배로 되게 하면 쇼트키 효과에 의한 직접 전자 방출이 일어나고, 발생된 전자 방출은 형광체를 여기시켜 빛을 발하게 되는 영상표시소자이다.

이러한 전계 방출 표시소자는 구조에 따라 2극관과 3극관이 공지되어 있고, 3극관은 음극과 양극 사이로 그리드가 더 추가된 구성으로 되어 있다.

상기 전계 방출 표시소자는 대화면용 표시소자에 적합할 뿐만 아니라 전력소비가 작고 양질의 화상을 얻을 수 있는 이점이 있다.

전계 방출 표시소자에서 화면의 밝기는 음극으로부터 방출되는 전자의 량에 좌우되고 전자의 방출량이 큰 음극은 요철면에 의해 표면적이 극대화된 특징을 가진다.

초기에 전계 방출 표시소자의 음극은 기판에 텅스텐, 몰리브덴 등의 고융점 금속 박막을 형성하고 이를 에칭 처리하여 날카로운 팁이 형성되게 하여 왔으나, 이 방법은 정교하게 노광하고 에칭해야 하는 고난도의 공정을 거쳐야 하므로 넓은 화면을 가지는 전계 방출 표시소자에는 적당치 않다. 또 상기와 같이 하여 형성된 팁은 가스 이온이나 아크의 충격에 취약하여 사용 수명이 짧으며 동작 전압도 높은 문제점이 있다.

한편, 마루오에 의해 제안된 미국 특허 제5,382,867호는 톱니모양의 표면을 가지는 음극 구조를 개시하고 있지만, 이것은 복잡하고 난해한 금속 박막의 팁을 톱니모양으로 하는 것이므로 여전히 정교한 노광과 에칭 작업을 거쳐야 한다.

또 케인에 의해 제안된 미국 특허 제5,430,348호는 다이아몬드 면으로 된 음극에 반전층을 형성한 구조를 개시하고 있고, 다른 한편으로 커마에 의해 제안된 미국 특허 제5,548,185호와 제5,601,966호는 아모르픽 다이아몬드 필름을 사용한 전계 방출 표시소자를 개시하고 있다.

다이아몬드는 탄소가 주성분으로 된 가장 안정적인 물질의 하나로 되는 것이고, 이것은 도 4로 나타내고 있듯이 정방정계(正方晶系; tetragonal)의 (111)면을 가지고 있는 결정체로 되어서 강한 2중 결합을 하고 있고 그 끝부분의 끊어진 결합이 전자의 방출 통로로 이용될 수 있다.

즉, 상기 (111)면에 보론, 질소 등을 불순물로 도핑하면 (111)면에서 부전자친화(Negative Electron Affinity) 현상이 발생하여 전도대의 에너지 레벨이 진공 중의 자유전자가 가지는 에너지 레벨보다 높아져 자발적인 전자 방출이 일어나게 되고 이 현상은 저전압 구동을 가능케 하는 특징이 있다.

그러나 다이아몬드 또는 다이아몬드에 유사한 카본을 음극으로 형성하려면 플라즈마 증착하여 소정 두께의 박막을 얻고, 이를 레이저 엡레이션으로 미세 가공해야 하기 때문에 상기 금속 박막과 마찬가지로 고난도의 공정을 거쳐야 하며, 특히 원자재 값이 비싸 전계 방출 표시소자의 보급을 어렵게 하는 요인으로 작용한다.

한편, 흑연은 상기 다이아몬드와 마찬가지로 흑연이 주성분으로 되는 물질이고, 도 5로 나타낼 수 있듯이 다이아몬드의 결정에 유사한 육각형의 (0001)면을 포함하고 있으나, 상기 (0001)면의 방향은 강한 이중 결합으로 되어 있고 그 면 사이는 약한 반데르발스 결합으로 되어 있어서 물리적으로 강한 이방성을 가지는 특성이 있다. 또한 상기 (0001)면으로는 전기, 열 등의 전도도가 양호하지만 그 직각 방향으로는 좋지 않고 게다가 상기 (0001)면 사이의 약한 결합상태로 인하여 쉽게 깨지는 단점이 있다.

그러나 흑연 분말의 표면에는 강한 공유 결합을 하는 (0001)면의 모서리가 무수히 존재하고 있으며 이 모서리들은 천연적인 전자 방출 팁으로 이용될 수 있다.

게다가 흑연 분말은 외력을 받아 깨지더라도 그 파단면은 여전히 (0001)면의 새로운 모서리로 형성되어 일종의 자기 회복성을 가지므로 이를 통한 전자 방출도 지속적으로 행해질 수 있고, 어느 정도의 질소 불순물도 함유하고 있기 때문에 상기 부전자친화 현상이 야기되어 저전계 전자 방출도 기대할 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 흑연으로 음극을 형성하여 공정의 단순화와 음극의 물성 안정화를 도모하면서도 저전계 구동이 가능하고, 또 음극의 층 두께를 고르게하여 화소별로 균등하게 전자 비임의 방출이 이루어질 수 있게 하는 전계 방출 표시소자의 제조 방법을 제공함에 있다.

상기의 목적에 따라 본 발명은 기판 상에 도전 패턴을 적층 형성하고 그 상면으로 페이스트상의 흑연 분말을 스크린 인쇄하여 소정 개소마다 음극이 형성 배열되게 하고, 이를 소성하여 고착화한 다음 그 상면으로 절연층을 전면 인쇄하여 소정 두께 도포하고 열처리로 고착화시킨 후에 상기 절연층의 상면을 미케니컬 폴리싱 또는 케미컬 미케니컬 폴리싱으로 면 절삭하되, 상기 음극을 형성하는 흑연입자의 최소 크기까지 제거되게 하고, 다시 그 위로 도전성 금속을 스퍼터링 증착하여 소정 개소마다 그리드 전극이 배치되게 한 다음, 전면 유리의 대향면에는 ITO로 된 양극을 증착 형성하고, 그 위로 형광체를 도포하여 놓고 상기 기판과 전면 유리를 상호 대향되게 배치시켜서 밀봉하는 공정으로 행해진다.

상술한 구성의 본 발명에서 흑연 분말은 입자 크기가 0.5~50㎛ 범위 내의 것이 적용되고, 이것은 5~30%의 무기질 바인더와 혼합되어 페이스트상으로 된다.

이와 같은 구성의 본 발명은 미케니컬 폴리싱 또는 케미컬 미케니컬 폴리싱에 의해 음극의 층 두께가 고르게 되어 각 화소마다의 전자의 방출량이 균일하게 되어 화질도 향상되는 이점이 있다.

제1도는 본 발명이 적용된 3극관형 전계 방출 표시소자의 구성을 나타내는 분리 상태의 측단면도.

제2도는 인쇄된 흑연층의 외부로 피복된 절연층의 면삭 공정을 나타내는 측면도.

제3도는 면삭에 의한 흑연층의 표면 노출 예를 보여주는 측면도.

제4도는 종래의 음극으로 적용되어 왔던 다이아몬드의 결정 구조도.

제5도는 본 발명을 구현하는 흑연의 결정 구조도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

2 : 전면 글라스 4 : 기판 글라스

6 : 양전극 8 : 음전극

10 : 형광체 8 : 흑연층

14 : 절연층 16 : 스텐실

18 : 그리드

상술한 구성의 본 발명을 첨부 도면에 따른 바람직한 실시예로서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 3극관형 전계 방출 표시소자의 구성을 나타내는 측단면도이며, 전면 글라스(2)와 기판 글라스(4) 사이의 대향면에는 각각 양전극(6)과 음전극(8)이 소정의 패턴을 이루도록 형성되어서 매트릭스상을 이루게 대향 배치된다.

상기 전면 글라스(2)의 양전극(6)은 ITO 증착에 의해 형성되는 것이고, 그 위로는 R, G, B 패턴에 따른 형광체(10)가 도트상으로 도포 배열된다.

그리고 상기 양전극(6)에 대응하는 기판 글라스(4)의 음전극(8)은 은 페이스트를 스크린 인쇄하여 소정의 패턴상으로 형성되고, 열처리를 통해 고착된 후에는 다시 그 상면으로 흑연층(12)이 스크린 인쇄법을 통해 도포된다.

상기 흑연층(12)은 0.5~50㎛의 흑연 분말에 5~30%의 무기질 바인더를 혼합시킨 흑연 페이스트에 의해 도트상으로 적층 형성된다.

상기 흑연 분말과 혼합되는 무기질 바인더는 종래부터 여러 가지 타입으로 공지되어 있다.

이렇게 흑연층(12)이 적층 형성된 후에 기판 글라스(4)는 소성 공정을 거쳐 상기 흑연층(12)을 안정화시키게 된다. 상기 흑연층(12)은 도 2로 나타낸 바와 같이 첨예한 부분이 다수 표면에 돌출된 결정 구조를 가지고 있고, 상기 첨예한 부분을 통해 전자 비임이 방출되는 것이다.

이와 같이 형성된 기판 글라스(4)의 상면 전체에 걸쳐 글라스 성분의 절연층(14)이 피복된다. 상기 절연층(14)은 글라스 분말을 용제에 혼합하여 인쇄 도포함으로써 형성되는 것이며, 그 도포 두께는 상기 흑연층(12)의 상면을 약간 피복시키는 정도로 되게 하는 것이 좋다.

이렇게 절연층(14)의 도포가 끝나면 기판 글라스(4)의 상면에 상기 흑연층(12)의 상방이 제한적으로 노출되게 하는 스텐실(16)을 씌우고 미케니컬 폴리싱 또는 케미컬 미케니컬 폴리싱을 행하여 상기 절연층(14)의 소정 부위가 면삭되게 한다.

미케니컬 폴리싱은 상기 절연층(14)에 기계적 연마를 가하여 면삭되게 하는 방법이고, 또 케미컬 미케니컬 폴리싱은 상기 미케니컬 폴리싱을 행할 때에 절연층(14)을 용해시키는 용제를 투여하여 면삭의 효율을 높이면서 행하는 방법이다.

이러한 미케니컬 폴리싱 또는 케미컬 미케니컬 폴리싱에 의해 스텐실(16)로 쉴드되지 않은 흑연층(12)의 상방만이 제한적으로 면삭되고, 그 결과로 도 3에 도시한 바와 같이 절연층(14)은 상기 흑연층(12)의 상면을 피복하고 있는 부분만이 절삭 제거되며, 이러한 면삭은 흑연층(12)에 함유된 흑연입자가 전체면에 걸쳐 고르게 노출되는 수준까지 행해지는 것이며, 이 때문에 상기 흑연층(12)의 높이 오차는 2㎛ 이하로 조절될 수 있다.

또한 절연층(14)은 면삭된 후의 높이가 60㎛ 정도로 되게 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 면삭은 행해진 후에 도 3으로 도시하는 바와 같이 흑연층(12)의 주변으로 되는 절연층(14)의 상면에는 그리드(18)가 증착 형성된다.

상기 그리드(18)는 도전 금속을 마스크법으로 스퍼터링하여 소정 부위에만 증착 형성되는 것이며 이것은 흑연층(12)과의 간격이 5~200㎛를 이루는 위치에 형성된다.

상기 전면 글라스(2)와 기판 글라스(4)는 그 사이가 스페이서 등에 의해 일정의 간격을 두고 대치하도록 중첩되어서 실링되고 진공 처리됨에 따라 도 1로 도시한 구조의 3극관형 전계 방출 표시소자로 된다. 이 때 그리드(18)와 양전극(6) 사이의 간격은 10~2000㎛ 범위로 되게 하는 것이 좋다.

이렇게 하여 얻어지는 3극관형 전계 방출 표시소자는 흑연층(12)의 각 입자가 절연층(14)에 매립 보전되는 구조이므로 대단히 안정화되어 외부 충격에 잘 견디는 특징을 갖추게 된다.

본 발명에 관련된 3극관형 전계 방출 표시소자의 구동은 종래의 3극관형 전계 방출 표시소자와 동일하게 흑연층(12)에서 방출되는 전자가 양전극(6)의 형광체(10)로 충돌하여 여기시킴에 따라 발광하게 된다. 그러나 음전극(8)의 상면에 적층된 흑연층(12)이 실질적인 전자 방출 통로로 됨에 따라 전자 방출량이 많아지게 되는 것이며, 또 보다 낮은 진공도로 봉합함에 따르는 빈번한 금속 이온의 충격으로 상기 흑연층(12)의 흑연 입자가 쉽게 파손되어도 새롭게 노출되는 면의 결정 구조는 파손되기 전과 동일한 결정 구조로 되면서 전자 방출량의 저하를 초래하는 일이 없으므로 그 사용 수명도 길어지게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 종래에 고융점금속을 증착 또는 레이저 엡레이션 하여 형성하였던 음극을, 취급이 용이하고 물성이 안정된 흑연 분말로 스크린 인쇄하여 형성한 것이므로 가스 이온이나 아크 등의 충격에 잘 견디어 사용 수명이 길고, 또 이를 형성하는 공정도 간단하고 용이하여 생산성이 향상되는 이점이 있으며, 특히 상기 흑연 분말은 낮은 전계에서도 충분히 전자 방출을 일으키는 특성을 가지므로 저전압에서의 구동도 가능하게 되는 한편, 상기 흑연층을 통한 전자 비임의 방출량이 종래의 것에 비해 대폭 증대되는 효과가 있어서 휘도가 향상된 3극관형 전계 방출 표시소자를 제공할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 기판 글라스 상에 소정 패턴의 음전극을 적층 형성하고 그 상면으로 페이스트상의 흑연 분말을 스크린 인쇄하여 도트상의 흑연층이 형성 배열되게 한 다음, 이를 소성하여 고착화시키고, 상기 기판 글라스의 상면 전체에 걸쳐 절연층을 인쇄하고 상기 절연층의 상면에서 상기 흑연층을 매립하고 있는 일정 부위를 미케니컬 폴리싱 또는 케미컬 미케니컬 폴리싱으로 면삭하여 상기 흑연층의 흑연 입자 표층부가 외부로 노출되게 하여 놓고, 다시 상기 흑연층의 주위에 도전성 금속을 스퍼터링 증착하여 소정 개소마다 그리드 전극이 배치되게 한 구성을 포함하고 있는 3극관형 전계 방출 표시소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 흑연층은 입자 크기가 0.5~50㎛인 흑연 분말에 5~30%의 무기질 바인더를 혼합시킨 흑연 페이스트로 형성되는 것임을 특징으로 하는 3극관형 전계 방출 표시소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 절연층의 면삭에 의해 상기 흑연층의 높이 오차가 2㎛ 이내로 균일화된 구성임을 특징으로 하는 3극관형 전계 방출 표시소자.

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