KR100298381B1 - 전계방출형디스플레이 - Google Patents

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이데이 노부유끼
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Abstract

본 발명은 전계 방출형 디스플레이에 관한 것으로서, 상기 전계 방출형 디스플레이는 전자빔을 방출하는 다수의 전계 방출형 캐소드, 그리고 투명 전극과, 상기 전계 방출형 캐소드로부터의 전자빔 충돌에 의해 발광이 이루어지는 상기 투명 전극 위에 배열된 다수의 형광체 도포부와, 상기 형광체 도포부 사이에 배열된 다수의 검은색 절연층과, 상기 검은색 절연층상에 상기 각 형광체 도포부 사이에 배치되고 상기 검은색 절연층에 의해 상기 투명 전극으로부터 전기적으로 절연된 다수의 도전층으로 이루어지는 형광면으로 이루어진다. 검은색 절연층은 형광체 사이에 블랙 마스크를 구성함으로써 콘트라스트비를 개선하고, 도전체층은 전자빔의 이용율을 개선시켜 표시된 화상의 고품위 및 고해상도를 실현한다. 이들의 이점은 블랙마스크부의 차지업이나 2차 전자의 경로 이탈(迷走)로 의한 불안정한 화상표시를 초래하지 않는다.

Description

전계방출형 디스플레이
본 발명은 저속 전자빔(電子線; electron beam) 형광체를 전계 방출형(電界放出型) 캐소드로부터의 전자빔 충돌을 이용하여 형광면을 발광시켜서 표시를 행하는 전계 방출형 디스플레이에 관한 것이다.
종래, 전자빔 여기형(勵起型)의 전계 방출형 디스플레이 장치에는, 저속 전자빔 형광체를 사용하는 형광 표시관(VFD; vacuum fluorescent display)이나, 아이켄(Aiken)관 ·거버(Gerber)관 등이 있고, 근년에는 2차 전자 증배관형(secondary electron multiplier)의 평판 디스플레이(fala display)나, 매트릭스 드라이브 시스템(matrix drive system)에 의한 디스플레이 등이 알려져 있다.
이들 디스플레이의 대부분은 고전압 여기이므로, 저소비 전력화를 도모하기 어렵다.
저전압 여기형의 디스플레이로서는 상술한 VFD가 있지만, 이 VFD는 현재 상황에서는 TV 표시를 수행하는 기술수준은 아니고 비교적 해상도가 낮으므로, NTSC나 하이비전 등의 고품위· 고해상도화를 의도하여 고 콘트라스트(contrast)화를 도모하는 사례는 보고되어 있지 않다.
이에 대하여, 저전압 여기이고 비교적 해상도가 높은 디스플레이로서, 전계 방출형 마이크로 캐소드를 사용한 이른바 FED(field-emission display)형 평판 디스플레이의 연구개발이 진행되고 있다.
이 FED형 평판 디스플레이는 미세 가공에 의해 제작한 미세한 원추형캐소드, 이른바 마이크로 팁 캐소드로(microtip cathod)부터 전자를 방출하여, 대향하는 형광체를 여기시킴으로써 신호 표시를 행하는 초박형(超薄型)디스플레이이다. 이 일 예의 개략적인 확대 사시도를 제1도에 도시한다.
제1도에 도시된 FED형 평판 디스플레이에서, (1)은 유리 등으로 이루어지는 캐소드 패널이고, 이 위에 예를 들면 Cr 등으로 이루어지는 다수의 캐소드 전극(2)이 스트라이프형으로 패턴 형성되고, SiO2등으로 이루어지는 절연층(3)을 개재하여, Mo, W 등으로 이루어지는 다수의 게이트전극(4)이 예를 들면 캐소드 전극(2) 위에 적층된 절연층(3) 상에 캐소드 전극(2)에 직교하는 스트라이프형으로 패턴 형성된다. 그리고, 각 캐소드 전극(2) 및 게이트 전극(4)의 교차부에 단수 또는 복수((도시의 예에서)의 미세한 구멍부(5)가 설치되어, 각 구멍부(5) 내부에 캐소드가 형성되어 구성된다.
FED형 평판 디스플레이의 캐소드부에 대한 개략적인 확대 단면도를 제2도에 도시한다. 각 캐소드 전극(2), 게이트 전극(4) 및 절연층(3)이 각각 스퍼터링, 진공 증착 등에 의해 순차 적층 형성된 후, 예를 들면 습식에칭(wet etching)을 행하여 구멍부(5)를 형성한다. 또한, 예를 들면 캐소드 패널(1)을 회전하면서 경사 방향으로 증착, 스퍼터링 등을 이용하여 피착시킴으로써, 구멍부(5) 내에 일반적으로 W 등으로 이루어지는 원추형 전계 방출형 캐소드(5)가 형성된다.
한편, 유리 등으로 이루어지는 전방 패널(11)의 내측에는, 예를 들면 컬러 표시를 행하는 경우에는, ITO(In, Sn 혼합 산화물) 등으로 이루어지는 투명 전극(12)을 통해 각 색 즉, R(적), G(녹) 및 B(청)의 형광체가 예를 들면 스트라이프 형태로 형성된다. 그리고, 도시하지 않지만, 패널(1, 11) 사이에 소정 크기, 예를 들면 수백 μm 정도의 스페이서를 개재하여, 시일재 등으로 패널(1, 11)을 기밀하게 밀봉하여, 패널(1, 11) 사이에 소정의 진공도가 유지되는 평판 디스플레이가 구성된다.
이 경우, 전계 방출형 캐소드(6)와 게이트 전극(4) 사이에 전계 강도로 106V/cm∼108V/cm 정도, 전압으로 수 10V∼100V 정도의 전계를 인가하면, 캐소드(6)의 선단부로부터 전자가 전계 방출 효과에 의해 방출되어, 대향하는 형광체측의 투명 전극(12)을 소정 전위, 예를 들면 300V 정도의 전위을 갖게 하여, R, G, B 형광체에 전자가 조사(照射)되어, 발광 표시가 행해진다.
이와 같은 FED형 평판 디스플레이에서, 콘트라스트의 향상을 도모하기 위해, 예를 들면 통상적인 음극선관(CRT)에서 블랙 마스크로 사용되고 있는 검은색 카본층을 설치하려고 하면, 이 검은색 카본 페이스트가 도전성을 가지므로, 컬러 형광체의 RGB가 쇼트되어 버린다는 문제가 있다.
또, 절연층(3)을 사용하면 이것에 전자가 충돌함으로써, 이 절연층재료의 2차 전자 방출비가 높으면 플러스(+)로, 낮으면 마이너스(-)로 차지업(charge up)되어 버리므로, R, G, B 형광체의 발광이 시간에 따라 변화되어 표시가 불안정하게 되어버린다 또, 2차 전자가 정확하게 충돌되지 않아(迷走) 전계의 교란도 생길 우려가 있다.
또한, 콘트라스트를 증가시키기 위해, 절연성을 갖고 스크린 인쇄 등에 사용되는 통상적으로 시판되는 검은색 유리 페이스트를 첨가하면, 디스플레이 패널이 충분히 검게 되지 않는다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 표시의 불안정성이나, 특히 컬러 표시를 행하는 경우 각 형광체간의 쇼트 등의 문제점이 생기지 않고 콘트라스트비를 개선하는 동시에, 전자빔의 이용율 개선도 도모하여, 고 품위 및 고 해상화를 도모하는 전계 방출형 디스플레이를 제공하는 것이다.
제1도는 전계 방출형 캐소드를 사용한 평판 전계 방출형 디스플레이에 대한 일 예의 개략적인 확대 사시도.
제2도는 제1도의 평판 전계 방출형 디스플레이의 캐소드에 대한 일예의 개략적인 확대 사시도.
제3도는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출형 디스플레이의 부분 단면도.
제4도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 방출형 디스플레이의 부분 단면도.
제5도는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출형 디스플레이의 전자 궤도 계산 해석 결과를 나타낸 단면도.
제6도는 비교예에 따른 전계 방출형 디스플레이의 전자 궤도 계산 해석 결과를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 캐소드 패널 2 : 캐소드 전극
3 : 절연층 4 : 게이트전극
5 : 구멍부 6 : 전계 방출형 캐소드
10 : 형광면 11 : 전방 패널
12 : 투명 전극 13 : 절연층
14 : 도전층 15 : 형광체 도포부
16 : 컬러 형광체 도포부 22,23,24 : 투명 전극
본 발명에 의하면, 전자빔을 방출하는 다수의 전계 방출형 캐소드, 그리고 투명 전극과, 상기 전계 방출형 캐소드로부터의 전자빔 충돌에 의해 발광이 이루어지는 상기 투명 전극 위에 배열된 다수의 형광체 도포부와, 상기 형광체 도포부 사이에 배열된 다수의 검은색 절연층과, 상기 검은색 절연층 상에 상기 각 형광체 도포부 사이에 배치되고 상기 검은색 절연층에 의해 상기 투명 전극으로부터 전기적으로 절연된 다수의 도전층으로 이루어지는 형광면을 포함하는 전계 방출형 디스플레이를 제공한다.
또, 본 발명은 상기 구성에서, 상기 투명 전극에 인가하는 전위 Vp보다 낮은 전압 Vf이 상기 도전층에 인가된다.
또한, 본 발명은 상기 구성에서, 상기 형광체 도포부는 각 색의 컬러형광체 도포부, 및 상기 컬러 형광체 도포부로 인가되는 전자빔을 전환하는 색 선별수단으로 이루어지고, 상기 도전층으로 인가되는 인가 전압 Vf는 색선별수단에 의한 상기 컬러 형광체 도포부로 인가되는 전자빔의 절환 동작에 따라서 변조(變調)된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전계 방출형 디스플레이에서, 그 형광체 도포부의 사이에 검은색 절연층을 개재하여 도전층을 설치함으로써, 양호한 콘트라스트비를 얻을 수 있는 동시에, 검은색 절연층의 차지업이나 2차 전자의 경로 이탈(迷走) 등을 회피할 수 있다.
또한, 특히 투명 전극의 전위보다 낮은 전압을 도전층에 인가함으로써, 형광면에 전자를 수속(收束)시키는 수속 기능을 가진 전극을 구성할 수 있다. 이로써, 전자빔의 이용율을 매우 크게 개선할 수 있다.
또한, 컬러 형광체(R, G, B)에 의한 컬러 형광체 도포부를 설치하고, 이 사이의 도전층에 색 선별된 예를 들면 R(또는 G, B) 형광체의 전위에 비해 낮은 전압을 인가함으로써, 이 선별된 형광체를 향하는 전자빔을 매우 효율적으로 수속시킬 수 있고, 또한 형광 패널의 발광의 균일하게 할수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출형 디스플레이를 제3도 및 제4도에 도시한다. 제3도 및 제4도의 각 전계 방출형 디스플레이는 상술한 제1도 및 제2도에서 설명한 전계 방출형 캐소드부를 사용하며, 전계 방출형캐소드(6)와 게이트 전극(4)과의 사이에 전계 방출이 가능한, 예를 들면 106V/cm∼108V/cm 정도의 강 전계(强電界)를 부여함으로써, 진공 장벽을 통과하여 진공 중에 방출되는 터널 전자(電子)를 형광 패널 유리 내면에 형성된 형광면에 가속 입사(加速入射)시켜서, 전자빔(電子線) 여기(勵起)하여 발광 표시를 행하는 것이다.
제3도에서는, 전계 방출형 캐소드를 사용한 평판 디스플레이 중, 특히 형광면측의 단면구성을 도시한다. 이 경우, 예로써, 단색 표시를 실행하고, 유리 등으로 이루어지는 전방 패널(11)의 내면측에, 각 형광체 도포부에 공통의 ITO 등으로 이루어지는 투명 전극(12)이 피착되어 이루어진다.
그리고, 이 위에 검은색 절연층(13)으로서, 예를 들면 오꾸노세이야꾸(奧野製藥)(주) 제품의 G3-0428(상품명) 등의 절연유리 페이스트를 메시(mesh)형태나 스트라이프 형태로, 예를 들면 50μm 미만의 막 두께를 갖도록 인쇄등에 의해 패턴 형성한다. 다시 그 위에, 예를 들면 오꾸노세이야꾸(주)사제품의 G6-0082(상품명) 등의 도전성 페이스트 등으로 이루어지는 도전층(14)을, 예를 들면 검은색 절연층(13)과 동일한 패턴으로 인쇄 등에 의해 검은색 절연층(13) 상에 패턴 형성한다.
다음에, 도시하지 않지만 캐소드 패널과 전방 패널(11) 사이에 진공을 유지하기 위한 지주부(支柱部)를 전방 패널(11)에 인쇄 등에 의해 형성하여 소성(燒成)한다. 그 후, 투명 전극(12) 위에 형광체(15)를 전착(電着)에 의해 피착 형성하여, 형광면측의 패널을 형성할 수 있다.
이로써, 형광면(10) 바로 앞에 수속(收束) 기능을 가진 전극으로서 도전층(14)이 구성된다. 제3도에서는, 투명 전극(12)을 통하여 형광체 도포부(15)에, 예를 들면 300V의 전압을 인가하고, 또 도전층(14)에 300V 보다 낮은 예를 들면 -5OV의 전압을 인가했을 때, 전자빔이 수속되는 모양을 개략적으로 화살표 EB로 도시한다.
상술한 바와 같이, 예를 들면 형광체 도포부(15) 사이에 단지 검은색 절연 페이스트만을 피착하는 것만으로도 입사하는 전자빔에 의해 차지업이 발생하여, 형광체(15)로 전자빔 유입에 크게 영향을 미칠 우려가 있다.
이에 대하여, 본 발명에 의하면 검은색 절연층(13)을 설치하고, 또한 그 위에 도전층(14)을 형성하므로, 콘트라스트의 향상을 도모하는 동시에, 특히 상술한 바와 같이 도전층(14)에 적절한 전압을 인가함으로써, 전자빔을 매우 효율적으로 형광체 도포부(15)쪽을 향하게 할 수 있고, 전자빔의 이용율을 개선할 수 있다.
그리고, 투명 전극(12)과 도전층(14) 사이의 절연 내압(絶緣耐壓)은 상기 효과를 안정적으로 얻기 위해 매우 중요하며, 절연층(13)의 재료 및 그 막두께를 적절하게 정할 필요가 있다. 예를 들면, 상기 구성에서 절연층(13)으로 SiO2를 사용하는 경우, 절연층(13)을 50μm의 두께로 갖도록 했을 때에 2kV 이상의 내압(耐壓)을 확보할 수 있었다.
다음에, 제4도를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 제4도에서는, 전계 방출형 캐소드를 사용한 평판 디스플레이 중형광면측의 단면 구성을 도시한다. 이 예에서는, 컬러 표시를 수행하는 경우를 도시하고, 특히 각 컬러 형광체에 대해 1 체(體) 1 대응으로 캐소드 어레이를 배치하지 않고, RGB 형광체군에 대하여 하나의 캐소드군이 설치되는 예를 나타낸다. 이와 같은 구성으로 하는 경우, 예를 들면 각 RGB 형광체를 시분할로 선택하여 발광시킴으로써 컬러 표시를 행할 수 있다. 제4도에서, 제3도에 대응하는 부분에는 동일한 도면 부호를 부여하고, 중복적인 설명을 생략한다.
이 경우에서도 상술한 예와 같이, 형광체측의 패널에 대향하여, 예를 들면 상술한 제1도 및 제2도에서 설명한 예와 같은 구성을 갖는 전계 방출형 캐소드군이 형성된다. 그리고, 예를 들면 전계 강도가 107V/cm∼108V/cm 정도의 전계를 게이트 전극과 캐소드 전극 사이에 인가하여, 전계 방출 효과에 의해 캐소드로부터 방출되는 전자를 형광체에 가속 입사시킴으로써 형광체 발광이 이루어진다.
이 예에서는, 제4도에 도시된 바와 같이 RGB 형광체(16)가 형광면(10)에 소정 배열을 가지고 스트라이프 형태로 배열된 경우이고, 전방 패널(11)의 내면에, 각각 별개로 ITO 등으로 이루어지는 투명 전극(22,23,24‥‥)이 설치된다(제4도에서는 3개만을 도시한다). 그리고, 이들 컬러 형광체 도포부(16) 사이의 전방 패널(11) 위에 절연층(13) 및 도전층(14)을 예를 들면 인쇄 등에 의해 패턴 형성한다. 이들 절연층(13) 및 도전층(14)의 재료로서는, 예를 들면 상술한 제3도에서 설명한 것과 같은 재료를 사용할 수 있다. 또한, 투명 전극(22,23,24)위에 각각 RGB 형광(16)가 전착 등에 의해 피착되어 형광면(10)이 구성된다.
이와 같은 구성에서, 예를 들면 R 형광체(16)를 선택하는 경우, 그 R 형광체(16)의 투명 전극(22)을 예를 들면 +300V의 전위를 갖게 하고, 다른 G 및 B 형광체(16)의 투명 전극(23,24)을 -50V의 전위를 갖게 함으로써, 캐소드로부터 출사되는 전자빔 EB이 R 형광체(16)만으로 향할 수 있도록 한다.
그리고 특히 본 발명에서는, 이 경우 도전층(14)에, 예를 들면 비선택 전극(23,24)의 전위인 -50V 이상, 또 R 형광체의 전위인 300V에 비해 적은 전압을 인가함으로써, 효율 높게 전자빔을 R형광체로 집중시켜 수속할 수 있도록 한다.
이경우에서도 절연층(13)은 상기한 바와 같이 투명 전극(22)~(24)과 도전층(14)과의 절연내압을 유지할 필요가 있고, 또 형광면을 선택할때 300V 정도의 전위와 비선택할 때 예를 들면 -50V의 전위 사이의 고속 스위칭을 견딜 수 있는 특성이 요구된다.
상기 실시예에서는, 검은색 절연층(13)을 설치하므로 전계 방출형 디스플레이의 콘트라스트비를 향상할 수 있는 동시에, 투명 전극의 쇼트를 회피하면서 상술한 바와 같이 전자의 이용 효율을 개선할 수 있다. 또, 검은색 절연층(13)의 차지업이나 2차 전자의 경로 이탈 등을 회피할 수 있다.
또한, 이와 같은 구성에서 전자빔 궤도 해석을 실행하여, 도전층(14)의 전위를 변조(變調)함으로써, 형광면(10)에 입사하는 전자빔의 수속효과, 이른바 전자빔의 랜딩 특성을 개선하는 효과가 얻어진다는 것을 확인하였다.
제5도에, 유한(有限) 요소법에 의한 전장(電場)계산과 궤도 추적과 같은 일반적인 2차원 해석 결과를 도시한다. 제5도에서는, 각 형광체를 생략하여, 도전층(14) 및 각 색의 형광체에 대응하는 투명 전극(22)∼(24), 그리고 전계 방출형 캐소드군의 게이트 전극(4)의 배치 구성을 개략적으로 도시하고 있으며, 이들 사이의 등전위선(等電位線)을 실선 Ve, 전자 궤도를 Eo로 도시한다. 이 예에서 선택 투명 전극(24)에 +300V, 비선택 투명 전극(22, 23)에 -5OV, 그리고 수속 전극을 구성하는 도전층(14)에 -5OV 이상 300V 미만의 예를 들면 -5OV의 전압을 인가한 경우를 도시한다.
또한, 비교예로서, 이와 같은 수속 전극으로서 도전층(14)을 설치하지 않은 경우에 대한 전자 궤도 해석 계산 결과를 제6도에 나타낸다. 제6도에서, 제5도에 대응하는 부분에는 동일한 도면 부호를 부여하고, 중복적인 설명은 생략한다.
제5도 및 제6도에 도시된 결과를 비교하면, 본 발명에 의한 경우는 원하는 형광체 전극에 집중하여, 매우 효율적으로 그리고 균일하게 전자빔이 수속되고 있으며, 비교예에서는 선택 형광체의 주변부에 걸쳐 전자가 넓게 입사되어, 그 이용 효율은 매우 저하된다는 것을 알 수 있다. 특히, 제5도 및 제6도에 도시된 바와 같이 캐소드군에 대향하여 선택된 형광체가 경사 방향으로 되는 경우에서도, 본 발명에 의하면 그 선택 형광체에 대해 전체면에 걸쳐 전자가 균일하게 조사(照射)된다.
즉, 본 발명에 의하면, 투명 전극과는 별개로 수속 전극으로서의 도전층(14)을 사용하고, 이것에 적당한 전위를 인가함으로써, 소비되는 전자 즉 무효 전류를 감소시켜 선택적으로 원하는 형광체에 전자를 조사할 수 있는 동시에, 그 전자빔의 랜딩 조정이 가능하고, 형광면이 발광할 때 균질성 이른바 유니포미티(uni-formity)를 개선할 수 있다.
이로써, RGB 형광체의 고정세도화(高精細度化)(미세화(finess))에 의한 고품격화 및 고해상도화를 도모할 때에, 표시 상태를 최적 상태를 유지하는 간편한 조정 기능을 제공할 수 있고, 디스플레이 설계시의 자유도를 크게 향상시킬 수 있다.
그리고, 절연층(13) 및 도전층(14)의 재료구성, 및 형광체나 캐소드 패턴 등에 여러 가지 변형 및 변경이 가능한 것은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 블랙 마스크를 구성하는 절연층을 도입함으로써 콘트라스트비가 향상되고, 또한 이 절연층 위에 도전층을 설치하므로, 차지업이나 2차 전자의 경로 이탈 등을 회피하여, 안정된 표시를 행할 수 있다.
또한, 특히 도전층을 형광체 도포부의 투명 전극과 절연하여 설치하므로, 특히 컬러 표시를 행할 경우 형광체간의 쇼트를 방지할 수 있고, 또한 투명 전극과는 별개의 전극으로 사용하여, 예를 들면 형광면에 비해 낮은 전압을 도전층에 인가함으로써, 형광면에 입사하는 전자빔의 이용율을 크게 향상시킬 수 있다. 또, 이 도전층에 인가하는 전압을 변화시킴으로써, 전자빔의 랜딩 조정이 가능해져, 형광면이 발광할 때 균질성을 개선할 수 있다.
또한, RGB 형광체의 미세화에 의해 고품위화 및 고해상도화를 실현하여 표시 상태를 최적 상태로 유지할 수 있고, 예를 들면 NTSC나 하이비전 TV 등에 적용할 때 커다른 효과를 기대할 수 있다.
상술한 바와 같이, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구의 범위에 정의된 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 것을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 전자빔을 방출하는 다수의 전계 방출형 캐소드, 그리고 투명 전극과, 상기 전계 방출형 캐소드로부터의 전자빔 충돌에 의해 발광이 이루어지는 상기 투명 전극 위에 배열된 다수의 형광체 도포부와, 상기 형광체 도포부 사이에 배열된 다수의 검은색 절연층과, 상기 검은색 절연층 상에 상기 각 형광체 도포부 사이에 배치되고 상기 검은색 절연층에 의해 상기 투명 전극으로부터 전기적으로 절연된 다수의 도전층으로 이루어지는 형광면을 포함하는 전계 방출형 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 투명 전극에 인가하는 전위 Vp보다 낮은 전압 Vf이 상기 도전층에 인가되는 전계 방출형 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 형광체 도포부는 각 색의 컬러 형광체 도포부, 및 상기 컬러 형광체 도포부로 인가되는 전자빔을 전환하는 색 선별수단으로 이루어지고, 상기 도전층으로 인가되는 인가 전압 Vf는 색 선별수단에 의한 상기 컬러 형광체 도포부로 인가되는 전자빔의 절환 동작에 따라서 변조(變調)되는 전계 방출형 디스플레이.
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