电子发射装置 本申请要求申请号为第2003-0098109号、于2003年12月27日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请的优先权和权益，其内容在此引作参考。
【技术领域】
本发明涉及一种电子发射装置，更特别地涉及一种优化地建立电子发射区域到栅极的电子束通道孔的位置关系以便增强屏幕亮度和色彩表示性能的电子发射装置。
背景技术
通常，电子发射装置为一种平板显示器，其使得从形成在第一基板上的电子发射源所发出的电子撞击形成在第二基板上的荧光层，进而发光并显示所需图像。热或冷阴极可以用作电子发射源。
在使用冷阴极的电子发射装置中，存在电场发射器阵列(FEA)型、金属-绝缘体-金属(MIM)型、金属-绝缘体-半导体(MIS)型以及表面传导电子发射(SCE)型。
MIM和MIS电子发射装置分别具有包含MIM构造的电子发射区域和包含MIS构造的电子发射区域。当对中间插有绝缘层的两个金属层或金属层和半导体层施加电压时，所发出的电子从处于高电势的金属或半导体层朝向处于低电势的金属层移动并加速。
关于SCE电子发射装置，第一和第二电极彼此平行地形成在阴极基板上，而传导层分别地形成在第一和第二电极上。电子发射区形成在具有微裂缝的传导层之间，并且使电流平行于电子发射区地表面，从而发射电子。
对于FEA电子发射装置，电子发射区被形成在阴极电极上，阴极电极具有金属材料如钼(Mo)，或含碳材料如石墨，或纳米大小的材料如碳纳米管(CNT)，石墨纳米光纤(GNT)，和纳米丝。在电子发射区上形成栅极。当由于阴极电极和栅极之间的电压差在电子发射区上施加一电压时，从所述电子发射区发出电子。
如上所述，对于使用冷阴极的电子发射装置，第一基板基本地具有一个电子发射区以及用于控制电子发射区的电子发射的驱动电极。此外，在第二基板上形成加速电极(或阳极电极)，使得从第一基板上的电子发射区发出的电子朝向第二基板上的荧光层被有效地加速。在操作中，具有荧光层的第二基板的表面保持高电势。
对于某些电子发射装置，从电子发射区发出的电子以某一角度朝向第二基板散射，并很容易击打不相关的邻近像素的错误彩色荧光体。此外，当在用于所述装置的真空室内部产生电弧放电时，形成在第一基板上的构造部件很容易由于电弧放电而被毁坏。就此而言，提出了将栅极设置在第一和第二基板之间的构造，用于聚集电子并防止第一基板由于电弧放电而毁坏。
当在配置于第一基板上的像素区中设置电子发射区时，栅极具有多个对应所述像素区的电子束通道孔。栅极被设置在第一和第二基板之间，并通过间隔物与第二基板相隔开。
对于常规的电子发射装置，当所述栅极与第一基板对准时，所述对准被任意地进行使得电子束通道孔设置在电子发射区上。也就是说，当从平面侧观看时，电子发射区被设置在电子束通道孔的内部。
当施加外电压来驱动所述电子发射装置时，从电子发射区发出的电子通过栅极的束通道孔，并到达相关像素的荧光层。可是，一些电子撞击所述栅极，并进而被阻断或散射。被散射的电子到达不相关的邻近像素中的错误荧光层，并激发该荧光层。
因此，对于常规的电子发射装置，像素的发光保真度被劣化，并且激发错误彩色荧光层以发光，从而导致差的色彩表示性能和屏幕质量。
【发明内容】
在本发明的一个示意性实施例中，提供一种电子发射装置，其优化电子发射区到栅极束通道孔的位置关系，进而增强屏幕亮度和色彩表示性能。
在本发明的一个示意性实施例中，电子发射装置包括具有长轴和短轴并彼此相对的第一和第二基板，和形成在第一基板上的第一和第二电极。电子发射区接触第二电极，并对应于配置在第一基板上的像素区被定位。栅极被设置在第一和第二基板之间，并具有对应于相应电子发射区的多个电子束通道孔，以及设置在电子束通道孔之间的桥。当从平面侧观看时，电子发射区与第一基板的短轴方向上的电子束通道空隙的几何中心分开距离δ，并且距离δ满足以下公式1和2中的任一公式：
max(-Pv2,-Pv2+Ws2)≤δ≤-189Pv(g+t)500(Pv-b)VgkVmk---(1)]]>
+111Pv(g+t)500(Pv-b)VgkVmk≤δ≤min(+Pv2,+Pv2-Ws2)---(2)]]>
其中Pv表示第一基板短轴方向上的像素节距，Ws表示第一基板短轴方向上用于支撑栅极的支撑体宽度，g表示第一基板和栅极之间的距离，t表示栅极的厚度，b表示第一基板短轴方向上电子束通道孔之间的桥长度，Vgk表示第一和第二电极之间的电势差，Vmk表示第二电极和栅极之间的电势差，Pv、Ws、g、t和b都是以μm单位为基数，Vgk和Vmk都是以V单位为基数，正(+)方向指示从第二电极中心朝向电子发射区的方向，负(-)方向为正方向的相反方向，且支撑体被设置在第一基板和栅极之间以支撑所述栅极。
所述电子发射区具有一个边缘，所述距离δ被定义为所述边缘到电子束通道孔几何中心的距离。
栅极的电子束通道孔具有沿第一基板短轴方向行进的长边，以及沿第一基板长轴方向行进的短边。
当电子发射区到电子束通道孔几何中心的距离δ满足公式2的条件时，电子发射区在功能上对应于沿正(+)方向的电子发射区上与电子束通道孔相邻设置的电子束通道孔。
【附图说明】
图1为根据本发明一个实施例的电子发射装置的部分分解透视图；
图2为图1所示电子发射装置的部分截面图，其说明了装置的组合状态；
图3为图2中所示电子发射装置的局部放大图；
图4和5示意性地说明了电子发射区与栅极电子束通道孔的位置关系；
图6为说明了作为电子发射区到束通道孔的距离的函数的亮度特性的图表；
图7为说明了作为电子发射区到束通道孔的距离的函数的色彩表示性能的图表；
图8为当电子发射区到束通道孔的距离满足预定条件时，荧光层的发光图案的照片；
图9为在电子发射区到束通道孔的距离不满足预定条件时，荧光层的发光图案的照片；
图10示意性地说明了在电子发射区到束通道孔的距离不满足预定条件时，电子束的轨迹。
【具体实施方式】
参照图1-3，根据本发明的电子发射装置的一个示意性实施例，包括彼此之间以预定距离相对并形成一个真空室的第一和第二基板2和4，和在第一基板2和第二基板4之间设置的、具有多个电子束通道孔6的栅极8。在第一基板2上设置用于发射电子的构件，并在第二基板4上设置用于将电子发射所引起的可见光线发射到显示器的构件。
特别地，多个第一电极10(在下文称作“栅电极”)在第一基板2上形成为条形图案，并同时以预定的距离彼此隔开，并沿第一基板2的短轴方向(图中的Y轴方向)行进。在第一基板2的整个内表面上形成覆盖栅电极10的绝缘层12。彼此之间以预定距离隔开的多个第二电极14(在下文称作“阴极电极”)在绝缘层12上形成为条形图案，并沿第一基板2的长轴方向(图中的X轴方向)行进。
电子发射区16被设置在阴极电极14处，并与阴极电极14相接触使得它们在此电气连接。电子发射区16可以分别对应设置在第一基板2上的像素区。在本实施例中，当像素区被限定在栅电极10和阴极电极14的相交区域时，电子发射区16可形成在各个像素区中阴极电极14的一侧周缘上。
运用丝网印刷、化学汽相淀积(CVD)或溅射技术，使用在施加电场的情况下能够发射电子的材料来形成电子发射区16，所述材料如碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、C60、纳米金属丝或其混合物。电子发射区16被设置在阴极电极14的顶部和侧边上，并具有对应阴极电极周缘的边缘16a。
对电极18被设置在第一基板2上以便提高绝缘层12上方栅电极10的电场。所述对电极通过形成在绝缘层12中的通孔12a与栅电极10相接触并同时与其电气连接，而且在邻近阴极电极14之间与电子发射区16隔开预定距离。
当预定的驱动电压被施加到阴极电极14和栅电极10上以在电子发射区16附近形成电场时，对电极18附加使所述电场指向电子发射区16。如电子发射区16一样，对电极18可以对应设置在第一基板2上的像素区。
阳极电极20形成在面向第一基板2的第二基板4的表面上，并且在阳极电极20上形成具有红色、绿色和蓝色荧光层22以及光吸收层24的荧光屏26。用透明材料，如铟锡氧化物(ITO)形成阳极电极20。同时，可在荧光屏26上形成金属层(未示出)，以便由金属层的金属反光效应来增强屏幕亮度。在这种情况下，当金属层用作阳极电极时，可以省略透明电极。
栅极8被设置在第一基板2和第二基板4之间，具有多个电子束通道孔6。每个电子束通道孔6为矩形形状，其具有沿第一基板2短轴方向(图中Y轴方向)行进的长边，以及沿第一基板2长轴方向(图中X轴方向)行进的短边。在沿第一基板2的短轴方向设置的电子束通道孔6之间形成桥28。
栅极8通过插入下支撑体30与第一基板2相分隔，并通过插入上支撑体32与第二基板4相分隔。栅极8置于真空室内。为了说明简便，在图1中省略了上和下支撑体。
在操作中，对于上述构造的电子发射装置，从外部给栅电极10、阴极电极14、栅极8和阳极电极20施加预定电压。例如，给栅电极10施加几伏至几十伏的正(+)电压，给阴极电极14施加几伏至几十伏的负(-)电压，给栅极8施加几十至几百伏的正(+)电压，并给阳极电极20施加几百至几千伏的正(+)电压。
因此，由于栅电极10和阴极电极14之间的电压差，在电子发射区域16附近形成电场，使得电子从电子发射区16发出，并通过栅极8的电子束通道孔6导向至第二基板4。此时，所述电子按照以某一角度倾斜的轨迹朝向第二基板4行进。通过电子束通道孔6的电子被施加到阳极电极20上的高电压吸引，并击打和激发相应像素的荧光层22以发光，并显示所需图像。
对于根据本发明实施例的电子发射装置，以一种适当的方式确定电子发射区16和栅极8的电子束通道孔的位置关系，且从电子发射区16发出的电子完全地通过栅极8的电子束通道孔6，进而增强屏幕亮度和色彩表示性能。
图3为图2中所示电子发射装置的局部放大图。如图3所示，电子发射区16与第一基板的短轴方向(图中Y轴方向)上的电子束通道孔6的中心(由A线指示以表示几何中心)分开预定距离δ。特别地，电子发射区16的边缘16a(其在施加强电场的情况下起到主要发射电子的作用)与电子发射区6的中心分开所述预定距离。在图中，从阴极电极14的中心(由B线指示)朝向电子发射区16的y方向定为正(+)方向，而与所述正向相反的y方向定位负(-)方向。
此外，第一基板的短轴方向(图的Y轴方向)定为屏幕的垂直方向。在图中，Pv指示像素的垂直节距，而Ws指示下支撑体30的垂直宽度。此外，g指示第一基板2和栅极8之间的距离，其通过栅极8和绝缘层12之间的距离(或下支撑体30的高度)予以方便地测量。用t指示栅极8的厚度，而用b指示桥28的垂直长度。图3中说明了沿第一基板2的短轴方向设置的各个像素的中心对应于电子束通道孔6的中心。
电子发射区16到电子束通道孔6中心的距离δ被设定为满足以下公式1和2中任一公式：
max(-Pv2,-Pv2+Ws2)≤δ≤-189Pv(g+t)500(Pv-b)VgkVmk---(1)]]>
+111Pv(g+t)500(Pv-b)VgkVmk≤δ≤min(+Pv2,+Pv2-Ws2)---(2)]]>
其中Vgk指示阴极电极14和栅电极10之间的电势差，而Vmk指示栅极8和阴极电极14之间的电势差。
如图4所示，满足公式1条件的电子发射区16在负(-)方向与电子束通道孔6的中心间隔开，并且从电子发射区16发出的电子完全地通过电子束通道孔6，并朝向第二基板(未示出)行进。
如图5所示，满足公式2条件的电子发射区16在正(+)方向上与电子束通道孔6的中心分开，并且从电子发射区16发出的电子完全地通过位于电子发射区16上方、沿正(+)方向与电子束通道孔6相邻设置的电子束通道孔6′，并朝向第二基板(未示出)行进。
对于公式1的具体内容，假定电子发射区16和电子束通道孔6被设置在各像素区中，则电子发射区16到电子束通道孔6的中心的最大距离不超过垂直像素间距Pv的1/2。对于其上安装有下支撑体30的像素，应当考虑下支撑体的宽度Ws。相应地，电子发射区16到电子束通道孔6中心的最大距离可按照公式1的左侧予以限定。类似地，如图5所示，当电子发射区16在正(+)方向上与电子束通道孔6中心分开时，电子发射区16到电子束通道孔6中心的最大距离按照公式2的右侧予以限定。
在公式1和2中限定的电子发射区16到电子束通道孔6中心的最短距离是以实验结果为基础的，其中在改变电子发射区16位置的情况下，测定屏幕的亮度特性和对比于P22荧光体的色彩表示性能。
图6和7为说明根据电子发射区到电子束通道孔中心的距离，屏幕亮度特性和对比于P22荧光体的色彩表示性能的图表。实验是在Pv＝632μm，g＝200μm，t＝100μm以及b＝63.2μm的情况下进行的。此外，为阴极电极施加-80V电压，为栅电极施加70V电压，为栅极施加70V电压，以及为阳极电极施加4kV电压。
如图6所示，当电子发射区到电子束通道孔中心的距离δ处于-126μm至-34μm的范围内时，屏幕亮度最低。
也就是说，亮度特性在此范围内劣化。如图7所示，当电子发射区到电子束通道孔中心的距离δ处于-126μm至-74μm的范围内时，屏幕的色彩表示性能下降至小于47％。也就是说，色彩表示性能在此范围内劣化。据估计，获得上述结果的原因是，当电子发射区到电子束通道孔中心的距离δ处于上述范围时，从电子发射区16发出的许多电子撞击栅极8的桥28，并因此被阻断或散射。
鉴于上述的实验结果，指示电子发射区16到电子束通道孔6中心的最短距离的公式1右侧简化了下列公式3，在公式3中，对上述实验结果施用修正系数，使得第一基板和栅极之间的距离g和栅极的厚度t被改变，并且栅极8的垂直孔径比和施加到阴极电极14、栅电极10和栅极8的电压也被改变：
-126×(g+t)300×0.9PvPv-b×VgkVmk---(3)]]>
在上述公式3中，为适应g和t变化结构的修正系数。当g和t值减小时，电子发射区16的期望位置范围朝向电子束通道孔6的中心延伸。在本实施例中，栅极8的垂直孔径比为90％，而上述公式3中的为用于调节栅极8的垂直孔径比被改变的结构的修正系数。当桥28的长度b被延长而减少垂直孔径比时，电子发射区16的所需位置范围因为其远离电子束通道孔6中心而进一步变窄。
最后，为用于调节电压变化的修正系数。对于栅电极10被设置在阴极电极14下面并插入绝缘层12的构造，由于阴极电极和栅电极之间的电势差Vgk变得更大，所以电子进一步水平地飞行，进而因为电子发射区16远离电子束通道孔6的中心使得电子发射区16的所需位置范围变窄。相反，当阴极电极和栅极之间的电势差Vmk变得更大时，电子朝向第二基板4垂直更远地飞行，使得电子发射区16的所需位置范围朝向电子束通道孔6的中心延伸。由于电子发射区16到电子束通道孔6中心的距离δ以及g与电场值成比例，所以它们与电压的平方根值成比例。上述修正系数用于修正这种电压变化关系。
类似地，指示电子发射区16到电子束通道孔6中心的最短距离的公式2左侧简化了下列公式4，在公式4中，对上述实验结果施用修正系数，使得g值和t值被改变，并且栅极8的垂直孔径比和施加到阴极电极14、栅电极10和栅极8的电压也被改变：
+74×(g+t)300×0.9PvPv-b×VgkVmk---(4)]]>
在公式1到4中，δ、g、Pv、b、t和Ws都以μm单位为基数，而Vgk和Vmk都以V单位为基数。
图8是在电子发射区到电子束通道孔中心的距离满足公式1(δ＝-286μm)时，荧光层的发光图案的照片。图9是在电子发射区到电子束通道孔中心的距离不满足公式1和2(δ＝-6μm)时，荧光层的发光图案的照片。图10是说明电子束预期轨迹的示意图。在实验中使用的电子发射装置的尺寸和电压特性，与前述测试亮度特性和色彩表示性能的实验中设定得相同。
如图8所示，当电子发射区到电子束通道孔中心的距离δ满足公式1的条件时，从电子发射区发出的电子完全地撞击相应像素中的目标荧光体，进而表现出优良的发光保真度。
相反，如图9所示，当电子发射区到电子束通道孔中心的距离δ不满足公式1和2的条件时，从电子发射区发出的电子没有完全地撞击相应像素中的目标荧光体，进而表现出差的发光保真度。亦即，如图10所示，从电子发射区16发出的许多电子撞击栅极8并进而被阻断或散射。散射的电子部分地击中不相关的相邻像素中的错误彩色荧光层22′进而使其发光，而不是相关像素中的正确荧光层22。
如上所述，对于根据本发明实施例的电子发射装置，以一种适当的方式确定电子发射区16到栅极8的电子束通道孔6的位置关系，以便防止从电子发射区16发出的电子撞击栅极8并偏离其轨道。因此，屏幕的亮度特性和色彩表示性能被增强而具有高屏幕质量。
尽管在上文已经详细地说明了本发明的示意性实施例，但应当清楚地理解，在此所教导的基本发明构思的一些变化和/或修改对于本领域技术人员来讲是明显的，仍落在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内。