KR20100123143A - 전계방출소자 및 이를 채용한 전계방출 표시소자 - Google Patents

전계방출소자 및 이를 채용한 전계방출 표시소자 Download PDF

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Abstract

전계방출소자 및 이를 채용한 전계방출 표시소자가 개시된다. 개시된 전계방출소자는 순차적으로 적층된 제1 전극, 절연층 및 제2 전극을 구비하며, 제2 전극은 카본 시트(carbon sheet)로 이루어진다.

Description

전계방출소자 및 이를 채용한 전계방출 표시소자{Field emission device and field emission display device having the same}
전계방출소자와 이를 채용한 전계방출 표시소자가 제공된다.
전계방출소자는 음극으로부터 전자를 방출시키는 소자로서, 액정 디스플레이 장치용 백라이트 유닛(backlight unit), 전계방출 표시장치(field emission display device) 등과 같은 디스플레이 장치 분야 뿐만 아니라 X-ray tube, microwave 증폭기, 램프 등과 같은 전자 방출을 이용한 다양한 종류의 시스템에 적용되고 있다.
이러한 전계방출소자는 그 구조에 따라 MIM(Metal Insulator Metal)형 전계방출소자, BEA(Field Emitter Array)형 전계방출소자, SCE(Surface Conduction Emitter)형 전계방출소자, 및 MIS (Metal Insulator Semiconductor)형 전계방출소자, BSE(Ballistic electron Surface Emitting)형 전계방출소자 등으로 나눌 수 있다.
상기 MIM 형 전계방출소자는 음극에 해당하는 하부전극과 절연막, 그리고 양극에 해당하는 상부전극이 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 상기 하부전 극 및 상부전극은 금속으로 이루어진다. 이와 같은 구조에서, 하부전극과 상부 전극 사이에 소정 전압이 인가되면, 하부전극으로부터 방출된 전자들의 일부가 터널링 효과에 의해 절연막 및 상부전극을 통과하면서 진공 내로 방출된다. 이러한 MIM 형 전계방출소자는 구동 전압이 낮고, 전자빔의 퍼짐 현상이 적으며, 전자빔의 균일도도 우수하다는 장점이 있다.
한편, MIM 형 전계방출소자의 성능을 향상시키기 위해서는 절연막 내에서와 절연막과 상부 전극의 사이의 계면에서의 전자 스캐터링(electron scattering)은 최소화하고, 전자 투과(electron penetration)는 최대화할 필요가 있는데, 이를 위해서는 절연막과 상부 전극은 그 두께를 10nm 이하로 매우 얇게 형성하여야 한다. 그러나, 금속으로 이루어진 상부 전극을 매우 얇은 두께로 형성하게 되면, 전류 흐름에 따른 열 안정성이 충분히 확보되지 못하게 되어 상부전극으로부터 절연막으로 금속 물질의 확산(diffusion)이 발생되거나, 절연막 또는 상부 전극 내에서 금속 물질의 덩어리짐(agglomeration) 현상이 발생될 수 있으며, 이는 전계방출소자의 특성을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시예는 전계방출소자와 이를 채용한 전계방출 표시소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 절연층;
상기 절연층 상에 형성되는 것으로, 카본 시트(carbon sheet)로 이루어진 제2 전극;을 구비하는 전계방출소자가 개시된다.
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전압이 인가되면, 전자들이 터널링 효과(tunneling effect)에 의하여 상기 제1 전극으로부터 상기 절연층 및 제2 전극을 투과하여 나갈 수 있다.
상기 카본 시트는 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNTs, carbon nanotubes) 또는 고정렬 열분해 흑연(HOPG, higly oriented pyrolitic graphite)을 포함할 수 있다. 이러한 카본 시트는 대략 1nm ~ 10nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 전극은 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 절연층은 산화물을 포함할 수 있으며, 대략 1nm ~ 10nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서,
서로 일정간격으로 이격되게 배치되는 하부기판 및 상부기판;
상기 하부기판의 상면에 형성되는 제1 전극;
상기 제1 전극의 상면에 형성되는 절연층;
상기 절연층의 상면에 형성되는 것으로, 카본 시트(carbon sheet)로 이루어진 제2 전극;
상기 상부기판의 하면에 형성되는 제3 전극; 및
상기 제3 전극의 하면에 형성되는 형광체층;을 포함하는 전계방출 표시소자가 개시된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 제1 전극, 절연층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조의 전계방출소자에서, 상기 제2 전극을 높은 전기전도도 및 열전도도를 가지는 카본계 물질로 이루어진 카본 시트로 형성함으로써, 제2 전극의 내열성 및 전계방출소자의 특성을 향상시키고, 또한 전계방출소자의 수명을 증대시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계방출소자를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전계방출소자(100)는 순차적으로 적층된 제1 전극(112)과, 절연층(114)과, 제2 전극(116)을 구비한다. 하부 전극인 상기 제1 전극(112)은 음극으로서, 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 전극(112)은 예를 들면, Pt, Ag, Mo 또는 Au 등으로 이루어질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 전극(112) 상에는 절연층(114)이 박막 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 절연층(114)은 대략 1 ~ 10nm 정도의 두께로 형성될 수 있다. 이러한 절연층(114)은 예를 들면 산화물을 포함할 수 있다.
상기 절연층(114) 상에는 상부 전극인 제2 전극(116)이 형성되어 있다. 본 실시예에서, 상기 제2 전극(116)은 높은 전기전도도 및 열전도도를 가지는 카본계 물질을 포함하는 카본 시트(carbon sheet)로 이루어질 수 있다. 이러한 카본 시트는 대략 1 ~ 10nm 정도의 두께를 가질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 카본 시트는 그래핀(graphene)으로 이루어질 수 있다. 그래핀은 탄소 원자가 2차원적으로 배열된 수 nm 두께의 박막 물질로서, 15,000 cm2/V/S 정도의 높은 전기전도도와 1000W/mK 정도의 높은 열전도도를 가진다. 한편, 본 실시예에서 상기 카본 시트는 그래핀 뿐만 아니라 다른 높은 전기전도도 및 열전도도를 가지는 카본계 물질, 예를 들면 탄소나노튜브(CNTs, carbon nanotubes) 또는 고정렬 열분해 흑연(HOPG, higly oriented pyrolitic graphite) 등으로 이루어질 수도 있다. 상기 카본 시트가 탄소나노튜브로 이루어지는 경우에는 상기 탄소나노튜브는 제1 전극(112)에 거의 나란하게 배열될 수 있다. 이와 같이, 상부전극인 제2 전극(116)을 그래핀 등과 같이 높은 전기전도성 및 열전도성 카본계 물질로 이루어진 카본 시트로 형성하게 되면, 제2 전극(116)을 금속 전극으로 형성하였을 때 발생될 수 있는 열 안정성 문제가 해결될 수 있다.
상기와 같은 구조의 전계방출소자(100)에서, 음극인 제1 전극(112)과 양극인 제2 전극 사이(116)에 소정 전압(예를 들면, 대략 10V 정도)을 인가하게 되면, 제1 전극(112)으로부터 전자들(e-)이 나오게 되고, 이렇게 나온 전자들(e-)은 터널링 효과(tunneling effect)에 의해 절연층(114) 및 제2 전극(116)을 투과한 다음, 제2 전극(116)의 외부 공간으로 방출된다. 이때, 전자들(e-)이 이동하면서 제2 전극(116) 내에 전류의 흐름에 의한 열 문제가 발생될 수 있으나, 본 실시예에서는 상기 제2 전극(116)을 그래핀 등과 같이 높은 전기전도도 및 열전도도를 가지는 카본계 물질인 카본 시트로 형성함으로써, 이러한 열 발생 문제를 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 제2 전극(116)의 내열성 및 전계방출소자(100)의 특성이 향상될 수 있고, 전계 방출소자(100)의 수명이 증대될수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 전계방출소자를 채용한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출 표시소자(200)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 하부기판(211)과 상부기판(251)이 일정한 간격으로 서로 이격되게 배치되어 있다. 여기서, 상기 하부기판(211)과 상부기판(251) 사이는 예 를 들면 진공으로 밀봉될 수 있다. 상기 하부기판(211)과 상부기판(251)으로는 예를 들면, 유리 기판 또는 플라스틱 기판 등과 같은 투명 기판이 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 하부기판(211)의 상면에는 전계방출소자가 마련되어 있다. 여기서, 상기 전계방출소자는 하부기판(211)의 상면에 순차적으로 적층된 제1 전극(212), 절연층(214) 및 제2 전극(216)을 포함한다. 상기 제1 전극(212)은 예를 들면, Pt, Ag, Mo 또는 Au 등과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 절연층(214)은 대략 1 ~ 10nm 정도의 두께를 가지며, 예를 들면 산화물을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 절연층(214) 상에는 제2 전극(216)이 형성되어 있다. 상기 제2 전극(216)은 높은 전기전도도 및 열전도도를 가지는 카본계 물질, 예를 들면 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNTs) 또는 고정렬 열분해 흑연(HOPG, higly oriented pyrolitic graphite)등을 포함하는 카본 시트(carbon sheet)로 이루어질 수 있다. 이러한 카본 시트는 예를 들면, 대략 1 ~ 10nm 정도의 두께를 가질 수 있다.
상기 상부기판(251)의 하면에는 제3 전극(252)이 마련되어 있다. 이러한 제3 전극(252)은 하부기판(211) 상에 마련된 전계방출소자로부터 방출된 전자들을 유도하는 것으로, 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 제3 전극(252)의 하면에는 형광체층(253)이 형성되어 있다.
상기와 같은 전계방출 표시소자(200)에서, 제1, 제2 및 제3 전극(212,216,252)에 소정 전압을 인가하게 되면, 제1 전극(212)과 제2 전극(216) 사 이에 인가된 전압에 의해 제1 전극(212)으로부터 전자들(e-)이 나오게 되고, 이렇게 나온 전자들(e-)은 터널링 효과에 의해 절연층(214) 및 제2 전극(216)은 투과한 다음, 제2 전극(216) 상부의 진공 공간으로 방출된다. 그리고, 이렇게 방출된 전자들은 제3 전극(252)에 인가된 전압에 의하여 제3 전극(252)의 하면에 형성된 형광체층(253)과 충돌하면서 소정 색상을 빛을 방출하고, 이렇게 방출된 빛이 제3 전극(252) 및 상부기판(251)을 투과하여 나감으로써 화상을 형성하게 된다. 한편, 이상에서 설명된 전계방출 표시장치(200)는 당업자에 의해 전계방출형 백라이트 유닛이나 조명으로도 얼마든지 변형하여 실시될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 하부 전극, 절연층 및 상부 전극이 순차적으로 적층된 구조의 전계방출소자에서, 상부 전극을 높은 전기전도도 및 열전도도를 가지는 카본계 물질로 이루어진 카본 시트로 형성함으로써, 상부 전극의 내열성 및 전계방출소자의 특성을 향상시키고, 또한 전계방출소자의 수명을 증대시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출 표시소자를 도시한 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100... 전계방출소자 112,212... 제1 전극
114,214... 절연층 116,216... 제2 전극
200,.. 전계방출 표시소자 211... 하부기판
251... 상부기판 252... 제3 전극
253... 형광체층

Claims (15)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 절연층;
    상기 절연층 상에 형성되는 것으로, 카본 시트(carbon sheet)로 이루어진 제2 전극;을 구비하는 전계방출소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전압이 인가되면, 전자들이 터널링 효과(tunneling effect)에 의하여 상기 제1 전극으로부터 상기 절연층 및 제2 전극을 투과하여 나가는 전계방출소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 시트는 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNTs, carbon nanotubes) 또는 고정렬 열분해 흑연(HOPG, higly oriented pyrolitic graphite)을 포함하는 전계방출소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 시트는 1nm ~ 10nm의 두께를 가지는 전계방출소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 금속으로 이루어진 전계방출소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 산화물을 포함하는 전계방출소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 1nm ~ 10nm의 두께를 가지는 전계방출소자.
  8. 서로 일정간격으로 이격되게 배치되는 하부기판 및 상부기판;
    상기 하부기판의 상면에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극의 상면에 형성되는 절연층;
    상기 절연층의 상면에 형성되는 것으로, 카본 시트(carbon sheet)로 이루어진 제2 전극;
    상기 상부기판의 하면에 형성되는 제3 전극; 및
    상기 제3 전극의 하면에 형성되는 형광체층;을 포함하는 전계방출 표시소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전압이 인가되면, 전자들이 터널링 효과(tunneling effect)에 의하여 상기 제1 전극으로부터 상기 절연층 및 제2 전극을 투과하여 나가는 전계방출 표시소자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 카본 시트는 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNTs, carbon nanotubes) 또는 고정렬 열분해 흑연(HOPG, higly oriented pyrolitic graphite)을 포함하는 전계방출 표시소자.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 카본 시트는 1nm ~ 10nm의 두께를 가지는 전계방출 표시소자.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 금속으로 이루어진 전계방출 표시소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 산화물을 포함하는 전계방출 표시소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은 1nm ~ 10nm의 두께를 가지는 전계방출 표시소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부기판은 투명 기판을 포함하는 전계방출 표시소자.
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