场致发射装置及其驱动方法

专利名称：场致发射装置及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及场致发射装置和驱动该场致发射装置的方法，其具有在后衬底的第 一和第二电极两者上形成的双发射极的三极结构以消除栅极与阴极之间的差别，从 而实现双场致发射。在这种场致发射装置中，在阳极与后衬底的第一和第二电极的 点之间形成地线，并且向其施加方波以便在第一和第二电极中交替地产生场致发 射，从而增大发光区域且提高发射效率、降低驱动电压和功耗、节省制造成本和制 造时间以及实现较长的寿命。
背景技术：
当前正在使用的场致发射装置，比如场致发射型背光、场致发射平面灯
(FEFL)、场致发射显示器等，使用快冷阴极作为发射用于激发磷光体的加速 电子的装置，而不是用于常规阴极射线管的热阴极。换言之，通过将高电场集 中在构成冷阴极的发射极上藉由量子力学的隧道效应发射电子。授权给Donald 0. Smith等人的美国专利NO. 3970887公开一种结构，其中硅(Si)微型尖端 在半导体衬底中形成并且电场通过栅电极施加到该尖端，从而发射电子。这种 场致发射装置的问题在于它需要非常高的栅电压用于电子发射，因为用于微型 尖端的材料的功函数较大，并且微型尖端容易损坏。
因而，最近金刚石薄膜在聚光灯中用作发射极。近年来，对碳纳米管(CNT) 进行了积极的研究，碳纳米管甚至在强度低于用于金刚石薄膜电子发射的电场 约1/10的电场中也发射电子。
不管使用哪种发射极，实际上仅在实现了宽发光区域、高亮度、较长寿命 以及简化的过程时才可使用。
现有场致发射装置包括两极或三极结构。在两极结构中，使用一种通过在 阳极电极和阴极电极之间施加高电压从场致发射材料提取电子并用电子激发 磷光体以发光的方法。两极结构的优点在于它需要低制造成本、容易制造它们、 可容易地制造宽的发光区域，但是其问题在于它需要高驱动电压并且它具有可被稳定地产生的低亮度以及低发射效率。
韩国专利公开No. 2000-74609、美国专利No. 5773834、'韩国专利公开No. 2001-84384以及韩国专利公开No. 2004-44101公开了具有三极结构的场致发射 装置。在三极结构中，被称为栅电极的辅助电极与阴极电极以几十纳米(nm) 到几毫米(mm)的距离间隔开以便从场致发射材料容易地提取电子。通过在 阳极电极和阴极电极之间施加高电压用所提取的电子激发在阳极电极一侧的 磷光体从而发光。该三极结构可显著降低驱动电压并产生高亮度，但是其问题 在于制造成本相对较高、制造时间长且发光区域小。


图1示出在韩国专利公开No. 2004-44101中公开的横向栅型场致发射装 置。参考图1，在后衬底5的表面上形成阴极电极10。在阴极电极10上形成 由碳纳米管组成的发射极20。栅极电极25与阴极电极10以预定间隔分开，并 且通过绝缘层15的媒介邻近后衬底5。磷光体层30、由铟锡氧化物(ITO)形 成的阳极电极35、前衬底40等被设置为与后衬底5相对。
在包括横向栅型的具有三极结构的常规场致发射装置中，因电子不是从栅 极电极25发射而出现亮度不规则，并且因电子仅从阴极电极10上形成的发射 极20发射而给予发射极20重负载。因此，其问题在于寿命短且亮度低。
本发明的申请人先前提交的、以便解决这些常规问题的韩国专利申请No. 2004-70871的优点在于它可提高亮度并节省制造成本，但是在驱动具有双发射 极的场致发射装置的方法中不能实现根据本发明的接地驱动方法的优点。

发明内容
技术问题
因此，本发明致力于解决现有技术中出现的以上问题，并且本发明的一个 目的是提供场致发射装置以及驱动该装置的方法，其中在阳极与后衬底的第一 和第二电极的点之间形成地线，并且施加方波以产生场致发射，从而增大发光区域 且提高发射效率、降低驱动电压和功耗、节省制造成本和制造时间以及实现较长的 寿命。
技术解决方案
本发明的以上目的通过场致发射装置实现，其包括以预定间隔彼此分开的前 衬底和后衬底；存在于前衬底上的阳极电极；存在于阳极电极上的磷光体；按照以 预定间隔彼此分开的方式设置在后衬底上的第一电极和第二电极；以及在第一电极和第二电极中的一个或多个上形成的发射极，场致发射装置还包括用于向阳极电极 施加功率的DC反相器；以及用于将AC波的中间电势接地到DC反相器并将功率 施加到第一和第二电极的AC反相器。
本发明的以上目的通过驱动场致发射装置的方法实现，其包括以下步骤将
DC功率施加到在前衬底上形成的阳极电极；将AC波的中间电势接地到DC反相 器以将方波和AC脉冲施加到在后衬底上形成的第一和第二电极上；允许在第一和 第二电极中的一个或多个上形成的发射极交替地发射电场；以及激发在前衬底上形
成的磷光体。
有益效果
按照根据本发明的场致发射装置和驱动该装置的方法，在栅电极和其中发射极 被分别地形成的阴极电极之间形成虚拟地线(在单个变压器的情况下，在次级线圈
中间抽头部分；以及在两个变压器的情况下，在两个变压器的每个中间抽头部分)， 并且虚拟地线与前衬底的电源单元(DC反相器) 一起接地。
因此，第一，可增大发光区域。第二，在制造成本和制造时间方面可实现很多 优点，因为在栅极和阴极之间没有差别。第三，可保证较长的寿命。第四，可降低 功耗和驱动电压。
此外，如果将该接地驱动方法应用于常规横向栅结构，则可降低驱动电压，可 节省功耗，以及可增大亮度和发射效率。
附图简述
图l示出常规场致发射装置；
图2到图4示出根据本发明的场致发射装置；
图5是示出根据本发明的电流密度与根据现有技术的电流密度的比较的曲线
图6到图21示出根据本发明的接地方法的驱动电路和波形；
图22示出其中将本发明的接地方法应用于常规场致发射装置结构的示例；
图23到图25是示出根据本发明的接地方法与常规驱动方法的比较的曲线以及
图26到图29是示出根据本发明的接地方法与常规场致发射装置结构中的常规 驱动方法的比较的曲线图。<对主要附图标记的描述>
100:后衬底
105:第一电极
110:第二电极
115:发射极
117:隔离绝缘膜
119:绝缘层
200:前衬底
205:阳极电极
210:磷光体
300:隔离物
305:密封剂
DC反相器
402:AC反相器
404、406、 408:变压器
本发明的实施方式
因此参考示出本发明优选实施例的附图并根据以下详细描述将清楚地理 解本发明的目的和技术构造以及作用效果。
图2示出根据本发明的场致发射装置的结构。
本发明的场致发射装置包括在后衬底100上形成的第一电极105和第二电 极110，以及在第一电极105和第二电极110上形成的发射极115。以上结构 的发射极115在第一电极105和第二电极110两者上形成，基本上消除了现有 技术中栅极电极与阴极电极之间的差别。第一电极105和第二电极110取决于 驱动电压可用作栅电极或阴极电极。这样，可实现增大的发光区域、提高的发 射效率、均匀发射、高亮度以及较长的寿命。
后衬底IOO可包括玻璃、氧化铝(A1203)、石英、塑料、硅(Si)衬底等， 更优选地是包括玻璃衬底。
第一电极105和第二电极IIO可由金属形成，比如银(Ag)、铬(Cr)、 铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、锌(Zn)、钛(Ti)、铂(Pt)、钨(W)、 ITO或其合金。第一电极105和第二电极IIO可通过丝网印刷方法或者烧结金属粉末的方法或诸如溅射方法、真空沉积方法和化学汽相沉积(CVD)之类的 薄膜沉积方法适当地形成。
发射极115可由碳纳米管、金刚石、金刚石状碳(DLC)、富勒烯或氧化 钯(PdO)形成，更优选地是由可在相对较低的电压发射电子的碳纳米管形成。
透明电极205和磷光体210在前衬底200之上形成。隔离物300用于保持 前衬底200和后衬底IOO之间的距离。后衬底IOO和前衬底200之间的空间用 诸如玻璃料之类的密封剂305密封，并且其内部保持大约10—7托的高真空。
前衬底200可由玻璃、石英、塑料等形成，更优选地是玻璃衬底。此外， 当后衬底100和前衬底200两者由塑料衬底形成时，它们可用作滚动液晶显示 器的背光。 -
可通过将诸如ITO之类的透明导电材料沉积、涂敷或印刷在前衬底200上 形成透明电极205。磷光体210优选地包括白色磷光体，比如其中红色、绿色 和蓝色磷光体以一定比例混合的氧化物或硫化物，并且可通过丝网印刷方法形 成。
图3是示出第一电极105和第二电极110的排列的横截面图。第一电极105 和第二电极110可相等间隔地设置，如图3a所示。第一电极105和第二电极 110可相互靠近为一对以便降低驱动电压，如图3b所示。可在第一电极105和 第二电极110之间设置隔离绝缘膜117以便防止两个电极短路，如图3c所示。 第一电极105和第二电极110可被形成为具有高度间距，如图3d所示。绝缘 层119可在图3d的第二电极IIO之下形成。
图4是根据本发明的场致发射装置的后衬底的平面图。参考图4，第一电 极105和第二电极110以耙形并列。第一电极105和第二电极IIO取决于相差 而被交替地施加不同极性的电压，使得电子从设置在电极上的发射极115发射。 因为电子从上述两个电极发射，所以与三极结构的常规横向栅型场致发射装置 相比，其可在同一电场下获得较高的电流密度，如图5所示。当然，第一电极 105或第二电极IIO还可用作栅电极。
本发明的场致发射装置包括用于产生施加到前衬底上的阳极电极205以驱 动阳极电极205的功率的直流(DC)反相器400，以及用于产生施加到第一电 极和第二电极的功率的交流(AC)反相器402。
AC反相器402的内部构造可按各种方式改变，这取决于前衬底200的大 小和/或第一和第二电极的构造。图6到图21显示示出根据本发明的驱动场致发射装置的方法的驱动电路
和驱动波形。根据本发明，透明电极205和磷光体210在前衬底200上形成， 并且前衬底200与后衬底100被介入其间的隔离物300间隔开。前衬底200与 后衬底IOO之间的空间保持大约10—7托的高真空并由诸如玻璃料之类的密封剂 305密封。在此状态下，前衬底200连接到DC反相器400，并且后衬底100 连接到AC反相器402且被施加AC脉冲。
图6示出图7、图13和图14的驱动电路。来自输入功率源401的功率首 先被施加到AC反相器402。通过功率滤波器单元402a过滤不规则的波形。经 由电源单元402b通过功率驱动级402c的功率器件以各种方式修正为期望形状 的功率被施加到高电压发生器402d，该发生器随后产生驱动脉冲。施加到高电 压发生器402d的功率通过变压器被施加到电极1 105、电极2 IIO和透明电极 (阳极衬底)205,从而驱动场致发射装置。
图7示出AC反相器402的高电压发生器402d的实施例。在图7的高电压 发生器402d中，第一和第二电极各自的驱动分布负载(distribution duty)是50 %。这是通过将AC波的中间电势接地到DC反相器来完成的。在图7的情况 下，变压器404的次级线圈的中间抽头区域和DC反相器400以及整个反相器 的组成元件都被共同地接地和驱动。"接地"优选地釆用其中可获得稳定输出 的虚拟接地方法。
图8到图12示出从图7的高电压发生器402d产生的驱动波形。图8示出 施加到前衬底200的阳极电压波形。可以看出，DC波形是通过DC反相器400 施加的。
图9示出施加到后衬底100的阴极电压波形。因为变压器404的次级线圈 的中间抽头区域和DC反相器400如参考图7所述的那样被共同地接地和驱动， 所以施加到第一和第二电极的波形具有相同的大小和振幅，但是极性不同。通 过在波形的每个周期或半个周期设置延迟时间来驱动第一和第二电极。延迟时 间被优选地设置为50ms或更少(0到50ms)。
图10示出根据驱动分布负载的所施加的脉冲。该图示出根据图7所示的 第一和第二电极中每一个的驱动分布负载为50%的脉冲波形。
图11和图12示出通过使用图7的AC反相器402中的功率驱动级402c的 功率半导体器件而被不同地修正的波形。功率半导体器件取决于反相器的类型
和容量可包括二极管、晶闸管、晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或门电路可关断晶闸管(GTO)。
图13是用于当由于前衬底200的大小增大而使容量增大时驱动两个相互 连接的变压器404的电路图。在这种情况下，两个变压器的中间部分和DC反 相器400按与图7相同的方式被共同地接地和驱动。这种情况下的驱动波形与 图8到图12所示的相同。
图14是当第一和第二电极的高度被不同地设置时高电压发生器402d的电 路图。当用作栅极的电极的位置被设置为比用作发射极的电极的位置高时，可 提高效率。因而，第一和第二电极之间的高度被不同地设置。
在这种情况下，容易从具有较高高度的电极向具有较低高度的电极发射， 但是难以从具有较低高度的电极向具有较高高度的电极发射。换言之，从第一 电极105到第二电极IIO的场致发射是容易的，但是从第二电极IIO到第一电 极105的场致发射变得困难。因此，变压器不具有与图13所示的相同的匝数 比，但是变压器406、 408具有不同的匝数比，使得短场致发射可被补偿。此 外，可通过减小第一电极105的发光区域来进一步提高效率，如图15所示。
在图15的构造中，可通过增大第二电极110的区域并减小具有高电场发 射电压的第一电极105的区域来提高发射效率。因为第一电极105被放置为比 第二电极,110高，所以与其中第一电极105和第二电极IIO被放置为相同高度 的常规横向栅结构相比，其优点在于可降低驱动电压。此外，其优点在于可加 宽发光区域，因为在第一电极105中也产生场致发射。
图16示出图14的高电压发生器402d的另一实施例。即，在图16中，并 未应用可在图15中看到的第二电极110的增大区域，但是在第一电极105之 下形成绝缘层119，使得电子也可从第一电极发射并且相应地可加宽发光区域。 绝缘层119也可在图15的结构中形成。
图17到图21示出在图15和图16的驱动电路中出现的驱动波形。图17 示出施加到前衬底200的阳极电压波形。从图17可以看出，DC波形是通过 DC反相器400施加的。
图18示出施加到后衬底IOO的阴极电压波形。变压器406、 408之间的中 间区域和DC反相器400如参考图15和图16所述的那样被共同地接地和驱动。 因而，施加到第一和第二电极的波形具有相同的大小和振幅，但是极性不同。 利用在波形的每个周期或半个周期所设置的延迟时间来驱动第一和第二电极。 延迟时间优选地设置为0到50ms。
10在图15和图16中，与从第二电极110到第一电极105的场致发射相比， 从第一电极105到第二电极IIO的场致发射相对较大。这是因为由于施加到阳 极的电压方向使得通过将较高(+ )电压施加到第二电极IIO来发射电子成为 必要。因此，电路被配置成比施加到第一电极105的电压高(+ )的电压被施 加到第二电极110。可连接如上所述确定的0伏特点和阳极电压的负号端子以 实现双向场致发射。
图19示出根据驱动分布负载为50%的所施加的脉冲。该图示出根据图15 和图16所示的第一和第二电极中每一个的驱动分布负载为50%的脉冲波形。
图20和图21示出通过使用图15和图16的驱动电路中的功率驱动级402c 的功率半导体器件按各种方式修正为期望形状的波形。功率半导体器件取决于 反相器的类型和容量可包括二极管、晶闸管、晶体管、MOSFET、 IGBT或GTO。
图22示出其中将本发明的虚拟接地方法应用于常规横向栅型三极结构的 结构。该结构看起来与图1所示的结构类似，但是其通过将图14所示的反相 器的匝数比应用于变压器来驱动，并且其所寻求的虚拟接地方法是通过加宽第 一电极105的区域或提高第一电极105的电压来产生更多的场致发射，这与图 1的驱动方法完全不同。
图23到图25示出双发射极结构中的虚拟接地方法的驱动结果与常规横向 栅型的驱动结果的比较。这些附图示出阳极电压被确定为3千伏的双发射极结 构中的驱动方法的比较。
图23是示出根据栅极电压(第一电极或第二电极)的电流特性的曲线图。 从该曲线图中可以看出，在同一栅极电压下虚拟接地驱动方法中的阳极电流值 较高。
图24是示出根据栅极电压的亮度的曲线图。从该曲线图中可以看出，在 同一栅极电压下虚拟接地驱动方法的亮度是几乎三倍高。
图25示出根据栅极电压的效率。从该曲线图中可以看出，在同一栅极电 压下虚拟接地驱动方法的效率是大约两倍高。
图26到图27示出横向栅结构中的虚拟接地方法的驱动结果与常规横向栅 型的驱动结果的比较。这些附图示出阳极电压被固定为2千伏的横向栅结构中 的驱动方法的比较。图26示出同一栅极电压下的阳极电流值。可以看出，虚 拟接地驱动方法中有更多的电流流动。
图27示出同一栅极电压下的亮度。可以看出，在同一栅极电压下虚拟接地驱动方法的亮度是几乎两倍高。
从图28可以看出，在同一功率下虚拟接地方法的亮度至多是几乎两倍高。 从图29可以看出，在同一功率下虚拟接地方法的效率至多是几乎两倍高。
换言之，图26到图29示出如果使用虚拟接地驱动方法则可获得较高的阳 极电流、亮度和效率，即使在横向栅结构中亦是如此。
应当理解，因为本文所述的实际的示例性实施例和附图中示出构造仅仅是 最佳实施例，但是并不完全涵盖本发明的技术精神，所以在应用本发明时可以 存在能够替代它们的各种等效和修改。
权利要求
1.一种场致发射装置，包括以预定间隔彼此间隔开的前衬底和后衬底；存在于所述前衬底上的阳极电极；存在于所述阳极电极上的磷光体；按照以预定间隔彼此间隔开的方式设置在所述后衬底上的第一电极和第二电极；以及在所述第一电极和所述第二电极中的一个或多个上形成的发射极，所述场致发射装置包括用于向所述阳极电极施加功率的DC反相器；以及用于将AC波的中间电势接地到所述DC反相器并向所述第一和第二电极施加功率的AC反相器。
2. 如权利要求l所述的场致发射装置，其特征在于，所述AC反相器包括 用于从输入功率源接收功率并过滤不规则波形的功率滤波器单元； 用于将从所述功率滤波器单元施加到其上的所述功率提供给功率驱动级的电源单元；用于通过使用功率器件从所述电源单元施加到其上的所述功率产生具有期望 形状的功率并且产生驱动脉冲的功率驱动级；以及用于向所述第一电极、所述第二电极和所述前衬底提供从所述功率驱动级施加 到其上的所述功率的高电压发生器，其中所述高电压发生器被接地到所述DC反相 器。
3. 如权利要求1或2所述的场致发射装置，其特征在于，所述AC波的所述 中间电势通过在所述高电压发生器的一个或多个变压器的中间电势处形成抽头而 接地到所述DC反相器。
4. 如权利要求3所述的场致发射装置，其特征在于，当所述第一电极和所述 第二电极具有相同结构时，所述抽头在所述一个或多个变压器的中心处形成并且接 地到所述DC反相器。
5. 如权利要求3所述的场致发射装置，其特征在于，当所述第一电极和所述 第二电极的结构在高度或面积上不同时，所述抽头在所述一个或多个变压器中形成 并且接地到所述DC反相器使得可将较高的电压施加到较高或较宽电极。
6. 如权利要求1或2所述的场致发射装置，其特征在于，所述第一电极和所 述第二电极被施加以方波和来自所述AC反相器的具有延迟时间的AC脉冲。
7. 如权利要求6所述的场致发射装置，其特征在于，所述延迟时间被设置为50ms或更少。
8. —种驱动场致发射装置的方法，包括以下步骤 将DC功率施加到在前衬底上形成的阳极电极；将AC波的中间电势接地到DC反相器以将方波和AC脉冲施加到在后衬底上 形成的第一和第二电极；允许在所述第一和第二电极中的一个或多个上形成的发射极交替地发射电场；以及激发在所述前衬底上形成的磷光体。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方波和所述AC脉冲以这种 方式被施加到所述第一和第二电极，即在一个或多个变压器的中间电势处形成抽头 并且将所述抽头接地到用于向所述阳极电极施加功率的所述DC反相器。
10. 如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，当所述第一电极和所述第二 电极具有相同结构时，所述抽头在所述一个或多个变压器的中心处形成并且接地到 所述DC反相器。
11. 如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，当所述第一电极和所述第二 电极的结构在高度或面积上不同时，所述抽头在所述一个或多个变压器中形成并且 接地到所述DC反相器使得可将较高的电压施加到较高或较宽的电极。
全文摘要
本发明涉及场致发射装置和驱动该场致发射装置的方法，其具有在后衬底的第一和第二电极两者上形成的双发射极的三极结构以消除栅极与阴极之间的差别，从而实现双场致发射。在这种场致发射装置中，在阳极和后衬底的第一和第二电极的点之间形成地线，并且向其施加方波以便在第一和第二电极中交替地产生场致发射，从而增大发光区域且提高发射效率、降低驱动电压和功耗、节省制造成本和制造时间以及实现较长的寿命。
文档编号G09G3/30GK101558438SQ200680055754
公开日2009年10月14日 申请日期2006年9月6日 优先权日2006年9月6日
发明者梁东昱, 罗阳运 申请人:韩华石油化学株式会社