KR100343557B1 - 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총 - Google Patents

카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총 Download PDF

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Abstract

본 발명은 니켈/철 합금 기판에 형성된 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총에 관한 것으로서, 소정의 코발트(Co)가 포함된 니켈(Ni), 철(Fe)을 혼합한 니켈/철 합금 기판을 사용하여 가공한 상기 캐소드 캡 상부에 카본 나노 튜브를 형성시킨 캐소드를 장착함으로써, 음극선관(CRT) 전자총 제조 공정을 이용하여 냉음극 전자총을 제조할 수 있으며, 또한 상기 카본 나노 튜브 전계 방출 소자는 따로 열을 발생시키는 히터를 필요로 하지 않기 때문에 열변형에 의해서 야기되는 여러 문제점을 근본적으로 해결할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총{Electric-gun using arbon nano tube field emission degauss}
본 발명은 전자 방출 장치에 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 적용한 것으로, 특히 음극선관(Cathode Ray-Tube, 이하 CRT라 칭함) 전자총의 열 음극 부분을 대체하여 낮은 소비전력, 매우 짧은 전자방출 워밍업 시간(Time of Emission Warming-up, 이하 TEW라 칭함) 및 내구성 있는 높은 전류밀도를 얻기 위한 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총에 관한 것이다.
일반적으로 원통형 카본 나노 튜브를 생성시키기 위해 필요한 촉매 금속(Catalytic metal)으로 니켈/철(Ni/Fe), 철/니켈(Fe/Ni), 니켈/코발트(Ni/Co), 코발트/니켈(Co/Ni) 등이 사용되는데, 상기 촉매금속 표면의 열처리(600∼900℃) 혹은 수소(H2) 플라즈마 방법으로 드랍플릿(Droplet)을 생성한 후 그 생성된 드랍플릿을 기초로 원통형의 카본 나노 튜브를 성장시킬 수 있다.
도 1 은 종래의 열음극을 탑재한 전자총의 단면 구성도로서, 원통형의 슬리브(102) 내부에 있는 히터(101)에 소정의 전위를 인가하면 열전자가 방출되어 방출된 전자빔은 제 1 그리드(103)로 모아지고 제 2 그리드(104), 제 3 그리드(105), 포커스 전극(Focus Electrode)인 제 4 그리드(106), 제 5 그리드(107), 제 6 그리드(108) 및 쉴드 컵(109)을 통과하여 양극인 형광면에 부딪혀 빛을 내게 된다.
한편 종래의 음극선관(Cathode Ray-tube, 이하 CRT라 칭함)에 사용되는 열음극에는 직경 7∼30㎛ 텅스텐 세선의 히터와 캐소드 캡(Cap) 상부에 산화바륨, 산화칼슘, 산화스트론튬과 같은 전자 방사성 물질을 도포하여 구성함에 따라 다음과 같은 문제점을 갖는다.
먼저 상당히 두께가 가는 히터를 가공 및 설치하고 조립해야 하기 때문에 취급에 불편이 따르며, 또한 히터를 만들기 위해서 상당히 많은 공정이 필요한데 상기 열음극으로부터 방출된 전자수는 히터의 온도에 좌우되며, 열음극 양단 지지부에서의 방열에 의한 변형이 발생되고 화면 얼룩의 원인으로 작용하며, 방열에 의한 G1 그리드의 변형으로 오버 슛(Over shut) 혹은 에코(Ekco)의 변화를 나타내며 이를 방지하기 위하여 상기 G1 그리드를 코이닝(Coinning) 구조 혹은 경사가지도록 어려운 가공을 하기도 한다.
상기와 같이 종래의 CRT에 사용되는 전자총의 캐소드 부분은 열음극을 사용했기 때문에 고온에 의한 열변형 및 그 특성이 변화하는 문제점이 발생하게 된다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 음극선관(CRT)에 사용되는 전자총의 캐소드 캡 상에 원통상의 흑연(Graphite)으로 된 카본 나노 튜브를 이용한 전자총을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 소정의 코발트(Co)가 포함된 니켈(Ni), 철(Fe)을 혼합한 니켈/철 합금 기판을 사용하여 가공한 상기 캐소드 캡 상부에 카본 나노 튜브를 형성시킨 캐소드를 장착한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 카본 나노 튜브를 이용한 전계방출 소자는 따로 열을 발생시키는 히터를 필요로 하지 않기 때문에 열변형에 의해서 야기되는 여러 문제점을 근본적으로 해결할 수 있으며, 상기 CRT의 음극부분중 니켈(Ni) 캐소드 캡(Cap)을 니켈/철 합금 기판을 가공한 캐소드 캡으로 대체하고 그 상부에 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 형성함으로써, 기존 CRT 전자총 제조 공정을 이용하여 냉음극 전자총을 제작할 수 있으며, 더불어 카본 나노 튜브를 형성하기 위한 필수 조건인 촉매금속을 기판에 따로 형성할 필요없이 니켈/철 합금 기판을 가공한 캐소드 캡 상에 카본 나노 튜브 형성시킬 수 있기 때문에 전자총 제조공정의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기존의 전자총 제조공정에서 니켈 캐소드 캡 대신 니켈/철 합금으로 가공된 캐소드 캡을 사용함으로써 별도의 제조공정의 변화가 필요 없으므로 냉음극을 채용한 전자총의 양산 공정에서도 높은 생산성을 기대할 수 있다.
도 1 은 종래의 열음극을 탑재한 전자총의 단면 구조도,
도 2 는 본 발명이 적용되는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총의 구성도,
도 3 은 본 발명에 따른 니켈 캐소드 캡 상에 형성된 카본 나노 튜브의 전자현미경(SEM) 특성도,
도 4 는 본 발명에 따른 니켈/철 합금 기판을 가공한 캐소드 캡 상에 형성된 카본 나노 튜브의 전자현미경(SEM) 특성도,
도 5 는 본 발명의 니켈/철 합금 기판을 가공한 캐소드 캡 상에 형성된 카본 나노 튜브의 전자투과 현미경(TEM)의 특성도,
도 6 은 본 발명의 니켈 캐소드 캡 상과 니켈/철 합금 기판을 가공한 캐소드 캡 상에 형성된 카본 나노 튜브의 방출 전류 비교 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
210 : 슬리브(Sleeve) 221 : 캐소드 캡(Cap)
222 : 카본 나노 튜브 전계 방출 소자 223 : 금속 그물망
230 : 제 1 그리드 240 : 제 2 그리드
250 : 제 3 그리드 260 : 제 4 그리드
270 : 제 5 그리드 280 : 제 6 그리드
290 : 쉴드 컵(Shield Cup)
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명이 적용되는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총의 구성도로서, 미량의 코발트(Co: ∼0.05%)가 포함된 니켈(Ni)∼40%,철(Fe)∼60%을 혼합한 니켈/철 합금 기판으로 가공된 캐소드 캡 상부에 카본 나노 튜브(103)를 형성시킨 캐소드를 장착한 전자총을 나타낸 것으로 그 예로 인바42(Invar42)를 들 수 있다.
그 구성을 보면 먼저, 원통형 슬리브(Sleeve)(210) 상부에 니켈/철 합금 기판으로 가공된 캐소드 캡(221)이 용접되어 고정되고, 상기 캐소드 캡 상부에 H2플라즈마를 이용하여 드랍플릿(Droplet)을 형성한 후 상기 드랍플릿을 기초로 카본 나노 튜브(222)를 성장시키며, 그 위에 공경 내부에 금속 그물망(223)을 포함한 제 1 그리드(230)를 고정하고 상기 제 1 그리드 위에 제 2 그리드(240)를 고정하며, 상기 제 2 그리드(240) 상부에 차례로 제 3 그리드(250), 포커스 전극(Focus Electrode)인 제 4 전극(260), 제 5 그리드(270), 제 6 그리드(280) 및 쉴드 컵(290)을 고정하는데, 상기 제 2 그리드(260)의 이상의 여러 그리드는 종래의 CRT 전자총의 구조와 거의 마찬가지이다.
이때 상기 제 1 그리드(230)에 (+) 전압이 인가되고 캐소드 캡(102)에 0 또는 - 전압이 인가되면 양전극의 전계에 의하여 카본 나노 튜브(222)에서 전자가 방출되며, 방출된 전자는 상기 제 1 그리드(230)의 공경에 위치한 금속 그물망(223)을 통과한 후 제 2 그리드(240)의 공경을 지나 제 3, 4, 5 및 6 그리드(250, 260, 270, 280)를 통과하고 쉴드 컵(290)을 통과하여 양극인 형광면에 부딪혀 빛을 내게 된다.
도 3 은 본 발명에 따른 니켈 캐소드 캡 상에 형성된 카본 나노 튜브의 전자현미경(SEM) 특성도, 도 4 는 본 발명에 따른 니켈/철 합금 기판을 가공한 캐소드캡 상에 형성된 카본 나노 튜브의 전자현미경(SEM) 특성도로서, 상기 도 3 및 도 4를 참조하여 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총을 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명에서는 마이크로 웨이브 플라즈마 화학기상증착(Micro Wave Plasma Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 카본 나노 튜브를 생성하는데, 이때 챔버 내부에 마련된 기판 지지대에 기판을 장착한 후, 진공 펌프를 이용하여 챔버를 ∼10-3torr로 유지하고, 이후 수소(H2)를 반응 챔버에 투입하여 진공도를 0.5∼10torr의 압력에서 상기 마이크로 웨이브(주파수: 2∼3㎓)를 사용하여 상기 기판의 표면 처리 역할을 수행하는, 즉 수소 플라즈마에 의해 카본 나노 튜브 성장의 기초가 되는 드랍플릿을 생성시키는데, 상기 드랍플릿을 생성시키기 위해서는 촉매 금속층이 존재하여야 하며 보통 Ni/Fe, Fe/Ni, Co/Ni 박막 등이 사용된다.
상기 드랍플릿 생성 후 수소+메탄(H2+CH4) 혹은 수소+아세틸렌(H2+C2H2) 혼합가스를 반응 챔버에 투입하여 진공도를 0.5∼10torr로 유지하고, 상기 마이크로웨이브를 이용하여 상기 혼합가스를 여기시켜 반응시키면 기판에 존재하는 드랍플릿을 기초로 카본 나노 튜브가 생성되는데, 이때 카본 나노 튜브를 기판에 수직으로 성장시키기위하여 기판에 별도의 (-) 전압을 인가한다.
상기 도 3은 기존 캐소드의 니켈 캐소드 캡 상에 성장된 카본 나노 튜브의 전자현미경(SEM) 사진을 나타내는데, 니켈만으로는 카본 나노 튜브가 성장되는데 기초가 되는 드랍플릿이 잘 형성되지 않으므로 카본 나노 튜브 또한 잘 형성되지못하고 그라파이트 덩어리로서 형성하지만, 상기 도 4와 같이 니켈/철 합금 기판으로 가공된 캐소드 캡 상에는 수소(H2) 플라즈마에 의하여 직경 20∼40㎚ 크기의 드랍플릿이 ∼600개/㎛2생성되며 그 수에 비례하여 수소+메탄(H2+CH4) 플라즈마를 이용하여 수직으로 배열된 카본 나노 튜브를 생성시킬 수 있는데, 이때 상기 카본 나노 튜브의 직경은 20∼40㎚, 크기는 1∼10㎛ 정도이다.
따라서 본 발명에서는 별도의 촉매 금속층이 필요없는 카본 나노 튜브를 성장시킬 수 있다.
도 5 는 본 발명의 니켈/철 합금 기판을 가공한 캐소드 캡 상에 형성된 카본 나노 튜브의 전자투과 현미경(TEM)의 특성도로서, 생성된 카본 나노 튜브는 20∼30개의 원통형 그라파이트 판이 동축 다층 구조로 이루어져 있고, 중심부분은 공동으로 되어 있으며, 그리고 하단부에는 카본 나노 튜브 성장의 기초가 되는 드랍플릿을 포함하고 있다. 즉 별도의 촉매 금속층 없이 니켈/철 합금 기판만을 이용하여 효과적으로 카본 나노 튜브를 성장시킬 수 있다.
도 6 은 본 발명의 니켈 캐소드 캡 상과 니켈/철 합금 기판을 가공한 캐소드 캡 상에 형성된 카본 나노 튜브의 방출 전류 비교 파형도로서, 이때 제 1 그리드(G1)와 캐소드 캡과의 거리는 ∼100㎛ 이며, CRT 내부의 진공도는 ∼10-7torr이다.
기존의 니켈 캐소드 캡에는 카본 나노 튜브가 형성되지 않았기 때문에 전계에 의한 방출 전류는 거의 발생하지 않았으나, 본 발명에서와 같이 니켈/철 합금기판을 가공한 캐소드 캡에는 효과적으로 수직 배열된 카본 나노 튜브가 생성되었기 때문에 제 1 그리드 전압이 증가함에 따라 방출전류가 기하함수적으로 증가하는, 즉 별도의 촉매 금속층 없이 니켈/철 합금 기판을 가공한 캐소드 캡만을 이용하여 효과적으로 카본 나노 튜브를 성장시킬 수 있으며, 기존의 전자총 부분의 캐소드에 바로 적용시킬 수 있으므로, 기존의 CRT 전자총 제조공정으로 본 발명의 전자총을 제조할 수 있는 장점을 갖는다.
상술한 바와 같이 본 발명은, CRT의 음극부분 중 니켈(Ni) 캐소드 캡(Cap)을 니켈/철 합금으로 대체 가공하여 상기 캐소드 캡 상부에 수직 배열된 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 형성함으로써, 기존 CRT 전자총 제조 공정을 이용하여 냉음극 전자총을 제조할 수 있으며, 또한 상기 카본 나노 튜브 전계 방출 소자는 따로 열을 발생시키는 히터를 필요로 하지 않기 때문에 열변형에 의해서 야기되는 여러 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다.
이와 더불어 상기 카보 나노 튜브를 형성하기 위한 필수 조건인 촉매금속층(Ni/Co, Co/Ni, Ni/Fe 박막 등)을 캐소드 캡 상에 따로 형성할 필요가 없어 니켈/철 합금 기판을 가공하여 제작한 캐소드 캡만을 이용하여 카본 나노 튜브를 형성시킬 수 있기 때문에 냉음극을 채용한 전자총의 양산 공정에서도 공정 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 높은 생산성을 기대할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (7)

  1. 슬리브, 캐소드 캡, 전자 방출 소자를 포함하는 캐소드에 있어서,
    소정의 코발트(Co)가 포함된 니켈(Ni), 철(Fe)을 혼합한 니켈/철 합금 기판을 사용하여 가공한 상기 캐소드 캡 상부에 카본 나노 튜브를 형성시킨 캐소드를 장착한 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 카본 나노 튜브는
    수소(H2) 플라즈마를 이용하여 형성한 드랍플릿(Droplet)을 기초로 성장시킨 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드 캡은
    음극선관의 음극부분중 니켈/철 합금 기판을 가공한 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 캐소드 캡은
    소정량의 코발트(Co) 성분을 더 포함한 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브전계 방출 소자를 이용한 전자총.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 드랍플릿은
    니켈/철(Ni/Fe), 철/니켈(Fe/Ni), 코발트/니켈(Co/Ni) 박막을 사용한 촉매금속층을 포함한 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 카본 나노 튜브는
    동축구조로 이루어진 소정개수의 원통형 그라파이트 판, 공동으로 된 중심부 및 카본 나노 튜브 성장의 기초가 되는 드랍플릿을 하단부에 포함한 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 카본 나노 튜브는
    별도의 촉매금속층을 필요로 하지 않는 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 이용한 전자총.
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