KR100377284B1 - 전자 방출 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전자 방출 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전자 방출 소자는 적어도, 전자 이송부재(1), 전자 방출부재(3), 및 전자 이송부재(1)와 전자 방출부재(3) 사이에 형성된 전계집중 영역(2)을 포함한다. 예를 들면, 전자 이송부재(1)는 도전층일 수 있고, 전계 집중 영역(2)은 도전층 상에 형성된 절연층으로 형성될 수 있으며, 전자 방출부재(3)는 절연층 상에 제공된 입자들로 형성될 수 있다. 전계 집중 영역(2) 내 전계집중에 기인하여, 전자는 전자 이송부재(1)에서 전자 방출부재(3)로 쉽게 주입된다.

Description

전자 방출 소자 및 이의 제조 방법{Electron emitting device and method of producing the same}
최근에, 박형 디스플레이 소자용 전자 방출원 및 고속으로 동작할 수 있는 미세 진공소자의 이미터로서 미세 전자 방출 소자가 활발하게 개발되었다. 종래에 사용된 전자 방출 소자는 고온으로 가열된 텅스텐 등의 물질에 고전압을 인가하는 "열방출형"이다. 최근엔, 고온으로 가열될 필요가 없고 따라서 저전압에서도 전자를 방출할 수 있는 "냉음극형" 전자 방출 소자의 연구 및 개발이 활발하게 수행되었다.
냉음극형 전자 방출 소자(이하, "냉음극소자"라 함)는 저전압 및 저전력 소비로 구동될 필요가 있고 큰 전류량을 안정하게 얻을 필요가 있다. 이러한 냉음극형 전자 방출 소자로서, 전자방출 영역(이미터)용으로 다이아몬드를 사용하는 소자가 최근에 제안되었다. 이러한 소자는 다이아몬드가 넓은 금지대(5.5eV)를 갖는 반도체 재료이며, 예를 들면 고경도, 고 내마모성, 고열전도율, 화학적 비활성 등 전자 방출 소자용 물질에 매우 적합한 특성을 가지며, 전도대의 끝의 에너지 레벨을 진공 영역의 에너지 레벨보다 낮게 만들기 위해서 표면 상태를 제어함으로써 음의 전자 친화성을 얻을 수 있다는 사실을 이용하여 제안되었다. 특히, 음의 전자 친화성 특성은 전자를 다이아몬드의 전도대에 주입함으로써 전자가 쉽게 방출될 수 있다는 것을 의미한다.
다이아몬드를 사용한 전자 방출 소자는 예를 들면 일본 공개공보 7-282715에 개시되어 있다. 이 공보에 개시된 구조를 도 29에 간단하게 도시하였다.
특히, 도 29에 도시한 구조에서, 전극으로서 작용하는 도전층(1112)은 기판(1111) 위에 형성되고, 다이아몬드 입자(1113)로 형성된 전자방출영역(1114)은 도전층(1112) 상에 형성된다. 다이아몬드 입자(1113) 각각은 규정된 처리의 결과로서 음전자 친화성을 갖는다. 대향 전극(도시생략)은 다이아몬드 입자(1113)로 형성된 전자방출영역(1114)에 면하도록 제공된다. 전자는 대향 전극에 전위를 공급함으로써 각각의 다이아몬드 입자(1113)로부터 방출된다.
도 29에 도시한 종래의 구조에서, 다이아몬드 입자(1113)의 표면의 전자 친화성은 음이다. 따라서, 도전층(1112)으로부터 다이아몬드 입자(1113)로 이동하는전자는 쉽게 다이아몬드 입자(1113)로부터 방출될 것이다. 그러므로, 이론적으로, 전자는 대향 전극(도시생략)에 고전압을 인가함이 없이 다이아몬드 입자(1113)로부터 방출될 수 있다.
그러나, 실제로, 이전의 구조에서처럼 도 29에 도시한 구조로 전자가 방출되게 하기 위해선 대향전극에 고전압이 인가되어야 한다.
본 발명은 전자 방출원(이미터)으로서 적합한 물질(예를 들면, 다이아몬드 입자들)를 사용하여 전자를 방출하는 전자 방출 소자, 이의 제조 방법, 및 이러한 전자 방출 소자를 포함하는 이미지 디스플레이 장치, 및 이러한 이미지 디스플레이 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 전자 방출 소자를 구동하는 방법에 관한 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 제1 예에서 전자 방출 소자의 개략적인 단면도.
도 1b는 전계 집중 영역이 존재할 때 도 1a에 도시한 구조에서 전계(등전위선)의 개략도.
도 1c는 전계 집중 영역이 존재하지 않을 때 도 1a에 도시한 구조에서 전계(등전위선)의 개략도.
도 1d는 본 발명에 따른 제1 예에서 전자 방출 소자의 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 1e는 본 발명에 따른 제1 예에서 전자 방출 소자의 또 다른 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 제1 예에서 전자 방출 소자의 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 제1 예에서 전자 방출 소자의 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 제2 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 5a는 본 발명에 따른 제3 예에서 전자 방출 소자의 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 5b는 본 발명에 따른 제3 예에서 전자 방출 소자의 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 6a는 본 발명에 따른 제4 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 6b는 본 발명에 따른 제4 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 제5 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 제6 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 제7 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 제8 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 11은 본 발명에 따른 제9 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 12는 본 발명에 따른 제9 예에서 전자 방출 소자의 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 13은 본 발명에 따른 제9 예에서 전자 방출 소자의 또 다른 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 14는 본 발명에 따른 제10 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 15는 본 발명에 따른 제11 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 16은 본 발명에 따른 제12 예에서 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
도 17은 본 발명에 따른 제10 예에서 전자 방출 소자의 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 18은 본 발명에 따른 제11 예에서 전자 방출 소자의 수정된 구조의 개략적인 단면도.
도 19(a) 내지 (c)는 도 1a에 도시한 전자 방출 소자 제조단계를 개략적으로 도시한 단면도.
도 20(a) 내지 (d)는 도 4에 도시한 전자 방출 소자 제조단계를 개략적으로 도시한 단면도.
도 21(a) 내지 (c)는 도 5a에 도시한 전자 방출 소자 제조단계를 개략적으로 도시한 단면도.
도 22(a) 내지 (d)는 도 6a에 도시한 전자 방출 소자 제조단계를 개략적으로 도시한 단면도.
도 23(a) 내지 (c)는 도 7에 도시한 전자 방출 소자 제조단계를 개략적으로도시한 단면도.
도 24(a) 내지 (d)는 도 8에 도시한 전자 방출 소자 제조단계를 개략적으로 도시한 단면도.
도 25(a) 내지 (c)는 도 9에 도시한 전자 방출 소자 제조단계를 개략적으로 도시한 단면도.
도 26(a) 내지 (d)는 도 10에 도시한 전자 방출 소자 제조단계를 개략적으로 도시한 단면도.
도 27은 본 발명에 따른 제13 예에서 이미지 디스플레이 장치의 구조의 개략적인 단면도.
도 28(a) 내지 (d)는 도 27에 도시한 이미지 디스플레이 장치를 제조하는 단계를 개략적으로 도시한 단면도.
도 29는 종래의 전자 방출 소자의 구조의 개략적인 단면도.
(발명의 개시)
종래 기술의 전술한 문제에 비추어 행해진 본 발명은 (1) 저전압으로 구동될 때 큰 전류량을 안정하게 제공할 수 있는 전자 방출 소자 및 이를 제조하는 방법, (2) 이러한 전자 방출 소자를 포함하는 이미지 디스플레이 장치 및 이를 제조하는 방법, 및 (3) 이러한 전자 방출 소자 구동방법을 제공하는 목적을 갖는다.
본 발명에 따른 전자 방출 소자는 적어도, 전자 이송부재, 전자 방출부재 및 상기 전자 이송부재와 상기 전자 방출부재 사이에 형성된 전계 집중 영역을 포함한다.
상기 전자 이송부재는 도전층일 수 있다.
상기 전계 집중 영역은 절연층으로 형성될 수 있다.
상기 전자 방출부재는 입자들로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재는 도전층이며, 상기 전계 집중 영역은 상기 도전층 상에 형성된 절연층으로 형성되며, 상기 전자 방출부재는 상기 절연층 상에 설치된 입자들로 형성된다.
일 실시예에서, 전자 방출 소자는 상기 전자 방출부재에 관하여 규정된 위치에 설치되고 상기 전자 방출부재로부터 전자를 추출하기 위한 전위가 공급되는 추출 전극을 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재의 표면은 볼록 및 오목부를 갖도록 거칠게 되어 있고 상기 전자 방출부재는 상기 볼록 및 오목부의 적어도 볼록부를 개재하여 상기 전자 이송부재의 상기 거친 표면 상에 설치된다.
일 실시예에서, 전자 방출 소자는 상기 전자 이송부재로 전류를 흐르게 하는 회로를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전계 집중 영역은 상기 전자 방출부재를 형성하는 입자들의 표면 상에 형성된 절연층으로 형성되며, 상기 입자들은 상기 절연층을 개재하여, 상기 전자 이송부재 상에 설치된다.
또 다른 실시예에서, 상기 전자 이송부재는 도전층이며, 상기 전계 집중 영역은 상기 도전층 상에 형성된 절연층으로 형성되며, 상기 전자 방출부재는 상기 절연층 내에 부분적으로 매립되도록 설치된 입자들로 형성된다.
바람직하게, 상기 전계 집중 영역은 1000Å 이하의 두께를 갖는다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재는 서로간에 접촉되지 않게 독립적으로 설치된 복수의 입자들로 형성된다.
바람직하게, 상기 전자 방출부재는 음의 전자 친화성을 갖는 물질의 입자들로 형성된다.
상기 입자들은 다이아몬드 입자들일 수 있다. 예를 들면, 상기 다이아몬드 입자들은 인조 다이아몬드 입자들이다. 대안으로, 상기 다이아몬드 입자들은 기상법(vapor phase technique)으로 합성된 다이아몬드 입자들이다.
대안으로, 상기 입자들은 다이아몬드 구조를 부분적으로 갖는 탄소 입자들이다.
상기 다이아몬드 입자들의 최외곽 표면층은 수소가 결합된 종단 구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 상기 다이아몬드 입자는 600℃ 이상의 수소 분위기에 노출되어 형성된다.
상기 다이아몬드 입자는 불순물을 포함할 수 있다.
상기 불순물은 이온 주입에 의해 형성될 수 있다.
상기 불순물은 1 x 1013/cm3이상의 밀도를 갖는다.
상기 전자 이송부재는 작은 일함수를 갖는 물질로 형성된 도전층일 수 있다.
본 발명의 또 다른 면에 따른 전자 방출 소자는 적어도, 전자 이송부재, 전자 방출부재 및 상기 전자 이송부재와 상기 전자 방출부재 사이에 형성된 전계 집중 영역을 포함하는 전자 방출 소자로서, 상기 전자이송부재는 규정된 낮은 DC 전압이 공급될 때 전기적으로 절연 혹은 높은 저항부분을 포함한다.
바람직하게, 상기 전자 이송부재는 상기 전자 이송부재에서 가장 높은 전계강도를 1mV/㎛ 이하로 하기 위해서 약한 전계가 공급될 때 1㏀cm 이상의 전기저항을 갖는 부분을 포함한다.
상기 전자 방출부재는 음의 전자 친화성을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
상기 전자 방출부재는 적어도 탄소 혹은 이의 입자를 함유하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전자 방출부재는 흑연입자를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재는 3.5 eV 이상의 밴드갭을 갖는 적어도 넓은 밴드갭 반도체 입자를 포함한다.
예를 들면, 상기 전자 방출부재는 다이아몬드 입자를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재는 입자들로 형성되고, 상기 입자들 각각은 일변이 1nm인 입방체보다 크며 일변이 1mm인 입방체 내에 수용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재는 3.5eV 이상의 밴드갭을 갖는 넓은 밴드갭 반도체 재료의 입자들 혹은 박막으로 형성되며, 상기 전자 방출부재는 넓은 밴드갭 반도체 재료의 입자들 혹은 박막의 표면 상에 형성된다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재 및 상기 전자 방출부재 각각은 기상 성장법으로 형성된 다이아몬드 물질의 입자들 혹은 박막으로 형성된다.
상기 전자 방출부재는 수소화된 다이아몬드 물질의 입자들 혹은 박막의 표면 도전층일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재 및 상기 전자 방출부재 각각은 다이아몬드 박막으로 형성되며 상기 다이아몬드 박막은 10nm 이상 10㎛ 이하의 두께를 갖는다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재는 다이아몬드 입자로 형성되고, 상기 전자 방출부재는 상기 전자 이송부재를 형성하는 다이아몬드 입자들의 표면의 적어도 일부 상에 형성된 다이아몬드 함유 탄소계 박막 혹은 입자들로 형성된다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재 및 상기 전자 이송부재 중 적어도 하나는 3.5eV 이상의 밴드갭을 갖는 넓은 밴드갭 반도체 재료로 형성되며, 상기 넓은 밴드갭 반도체 재료는 질소 화합물 및 Ga, Al, In 및 B 중 적어도 하나이다.
바람직하게, 상기 전자 주입부재 및 상기 전자 이송부재는 서로 옴접촉된다.
상기 전자 이송부재는 500nm 이하의 두께를 갖는 절연층을 포함한다.
본 발명에 따른 전자 방출 소자 제조 방법은 기판 상에 전자 이송부재를 형성하는 단계 및 전계 집중 영역을 개재하여, 상기 전자 이송부재와 접촉하는 전자 방출부재를 제공하는 단계로서, 전계 집중 영역이 이들 사이에 개재되어 있는, 전자 방출 부재 제공 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재는 상기 기판 상에 형성된 도전층이며, 상기 전자 방출부재는 사이에 개재된 전계 집중 영역으로서 작용하는 절연층에 접촉하여 설치된 입자들로 형성된다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 전자 방출부재로부터 전자를 추출하기 위한 전위가 공급되는 추출 전극을 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 추출 전극은 상기 전자 방출부재에 관하여 규정된 위치에 설치된다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 전자 이송부재의 표면을 거칠게 하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 전류가 상기 전자 이송부재에 흐르게 하는 회로를 설치하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재를 설치하는 단계는, 상기 전자 이송부재로서 작용하는 도전층 상에 상기 전계 집중 영역으로 작용하는 절연층을 형성하는 단계 및 상기 절연층 상에 상기 전자 방출부재로서 작용하는 입자들을 설치하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재를 제공하는 단계는, 상기 전자 이송부재로서 작용하는 입자들의 표면 상에 상기 전계 집중 영역으로 작용하는 절연층을 형성하는 단계 및 상기 전자 방출부재로서 작용하는 도전층 상에 입자들을 설치하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재를 제공하는 단계는, 액체 경화 절연 물질 및 규정된 입자들의 혼합물을 상기 전자 이송부재로서 작용하는 도전층에 부착시키는 단계, 상기 액체 경화 절연 물질을 경화시키는 단계, 및 상기 혼합물 내 포함된 입자들의 일부분이 노출되게 상기 경화된 절연 물질의 표면 부분만을 선택적으로 제거함으로써 상기 입자들의 노출된 부분이 상기 전자 방출부재로서 작용하게 하는 단계를 포함한다.
상기 선택적 제거단계는 화학적 에칭에 의해 수행된다. 예를 들면, 상기 화확적 에칭은 수소 플라즈마 조사공정으로 수행된다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재를 설치하는 단계는, 상기 이송부재로서 작용하는 도전층 상에 상기 전계집중 영역으로서 작용하는 절연층을 형성하는 단계, 분산된 입자를 함유하는 용액 내에 절연층이 형성된 기판을 제공하는 단계 및 상기 용액 내에 입자들이 상기 절연층에 부착되도록 상기 용액에 초음파 진동을 인가하는 단계를 포함하며, 상기 절연층에 부착된 입자들은 전자 방출부재로서 작용한다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재를 제공하는 단계는, 상기 전자 이송부재로서 작용하는 도전층 상에 상기 전계집중 영역으로서 작용하는 절연층을 형성하는 단계, 및 분산된 입자를 함유하는 용액을 상기 절연층에 도포하여 입자들이 상기 절연층에 부착되도록 하는 단계를 포함하며, 상기 절연층에 부착된 입자들은 전자 방출부재로서 작용한다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재를 제공하는 단계는, 상기 전자 이송부재로서 작용하는 도전층 상에 상기 전계 집중 영역으로서 작용하는 절연층을 형성하는 단계, 및 분산된 입자를 함유하는 용액을 사용한 전기영동 공정을 사용하여 입자들이 상기 절연층에 부착되도록 하는 단계를 포함하며, 상기 절연층에 부착된 입자들은 전자 방출부재로서 작용한다.
일 실시예에서, 상기 전자방출 부재를 제공하는 단계는, 상기 전자 이송부재로서 작용하는 입자의 표면 상에 상기 전계 집중 영역으로서 작용하는 절연층을 형성하는 단계, 및 전자 이송부재로서 작용하는 도전층이 형성된 기판을 분산된 입자를 함유하는 용액에 제공하는 단계, 및 상기 용액 내 입자가 상기 도전층에 부착되도록 상기 용액에 초음파 진동을 인가하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재를 제공하는 단계는, 상기 전자 이송부재로서 작용하는 입자의 표면 상에 상기 전계 집중 영역으로서 작용하는 절연층을 형성하는 단계, 및 분산된 입자를 함유하는 용액을 상기 전자 이송부재로서 작용하는 도전층에 도포하여 입자들이 상기 절연층에 부착되도록 하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 방출부재를 제공하는 단계는, 상기 전자 이송부재로서 작용하는 입자의 표면 상에 상기 전계 집중 영역으로서 작용하는 절연층을 형성하는 단계, 및 분산된 입자를 함유하는 용액을 사용한 전기영동 공정을 사용하여 상기 전자 이송부재로서 작용하는 도전층에 입자들이 부착되도록 하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재의 표면을 거칠게 하는 단계는 열 스프레이 기술로 상기 전자 이송부재로서 작용하는 도전층을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재의 표면을 거칠게 하는 단계는, 상기 전자 이송부재로서 작용하는 평탄한 도전층을 형성하는 단계, 및 상기 평탄한 도전층의 표면을 거칠게 하는 단계를 포함한다. 예를 들면, 상기 평탄한 도전층의 표면을 거칠게 하는 단계는 블라스팅(blasting)에 의해 수행된다. 대안으로, 상기 평탄한 도전층의 표면을 거칠게 하는 단계는 화학적 에칭에 의해 수행된다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 기판의 표면을 거칠게 하는 단계를 더 포함하며, 상기 전자 이송부재는 상기 전자 이송부재의 표면을 거칠게 하기 위해서 상기 기판의 거칠게 한 표면 상에 형성된다.
일 실시예에서, 상기 전자 이송부재 및 상기 전자 방출부재 중 적어도 하나는 기상성장법으로 성장된 다이아몬드 박막이며, 방법은 사전 기상법으로서 1 x 1010/cm2의 분포 밀도를 갖는 다이아몬드 성장 핵을 분포시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 면에 따라서, 적어도, 전자 이송부재, 전자 방출부재 및상기 전자 이송부재와 상기 전자 방출부재 사이에 형성된 전계 집중 영역을 포함하는 전자 방출 소자를 구동하는 방법으로서, 상기 전자 이송부재는 규정된 낮은 DC 전압이 공급될 때 전기적으로 절연 혹은 높은 저항부분을 포함하며, 상기 방법은 시간적으로 변하는 전위를 상기 전자 방출 소자에 인가하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 시간적으로 변하는 전위는 상기 전자 방출부재가 DC로 전자 주입부재로부터 절연된 상태에서 상기 전자 방출부재에 인가된다.
일 실시예에서, 상기 시간적으로 변하는 전위는 상기 전자 주입부재에 관하여 상기 전자 방출부재를 양의 전위를 갖게 하는 DC전압을 규정된 AC전압에 중첩시켜 형성된다.
일 실시예에서, 진공영역을 통해 상기 전자방출부재에 전계를 인가하기 위해서 DC전압을 추출 전극에 공급하며, 상기 전계는 상기 전자 방출부재로부터 전자들이 방출되게 하기 위해서 인가됨으로써, 상기 전자 주입부재는 음의 전위를 갖게 되고 상기 추출 전극은 양의 전위를 갖는다.
본 발명에 따른 이미지 디스플레이 장치는, 적어도, 전자 방출원 및 상기 전자 방출원로부터 방출된 전자들에 의해 이미지를 형성하기 위한 이미지 형성부를 포함하며, 상기 전자 방출원은 각각이 복수의 전자 방출 소자들을 적어도 포함한다.
본 발명에 따른 이미지 디스플레이 장치 제조 방법은, 복수의 전자 방출 소자들을 형성하는 단계, 복수의 전자 방출 소자들을 사용한 전자 방출원을 형성하고 규정된 위치에 상기 전자 방출원을 설치하는 단계 및 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자들에 의해 이미지를 형성하는 이미지 형성부를, 상기 전자 방출원과의 규정된 위치관계로 설치하는 단계를 포함하며, 상기 각각의 복수의 전자 방출 소자들은 전술한 방법으로 형성된다.
본 발명자의 연구에 따르면, 전술한 바와 같이 도 29에 도시한 종래의 구조를 갖는 전자 방출 소자로부터 실제로 전자가 방출되게 하기 위해서 고전압을 대향전극에 인가되어야 하는 이유는 도전층(1112)과 다이아몬드 입자(1113)간 계면에 전자 장벽이 존재하기 때문이다.
도전층(1112) 및 다이아몬드 입자(1113)가 옴 접촉을 형성할 때, 전술한 문제는 일어나지 않는다. 그러나, 일반적으로 도전층과 다이아몬드의 물질특성 때문에 다이아몬드와 옴 접촉을 형성하기란 어려우며, 실제로는 쇼트키 접촉이 형성된다. 따라서, 전자를 도전층(1112)에서 다이아몬드 입자(1113)로 전자를 주입하기 위해서, 전자는 도전층(1112)과 다이아몬드 입자(1113)간 계면에 전자장벽을 넘어 이동할 필요가 있다. 그러므로, 전자엔 대향전극에 고전압을 인가함으로써 충분한 량의 에너지가 공급되어야 한다.
전술한 이유에 기인하여, 도 29에 도시한 종래의 구조로는 도전층(1112)에서 다이아몬드 입자(1113)로 전자를 효율적으로 주입하기가 어렵다. 따라서, 전자는 충분한 양으로 얻어질 수 없다.
이하, 본 발명자들에 의한 연구에 기초하여 행해진 본 발명의 몇가지 실제 예를 첨부한 도면을 참조하여 기술한다.
(예1)
도 1a는 본 발명에 따른 제1 예에서 전자 방출 소자의 단면도를 도시한 것이다. 도 1a에 도시한 구조를 다이아몬드 구조라 칭한다.
도 1a에서, 전자 이송부재(1)는 기판 상에 형성되며, 전자방출 영역(4)을 형성하는 전자방출 부재(23)는 전자 이송부재(1)상에 설치되고 이들 사이엔 전계 집중 영역(2)이 개재된다. 전자방출 부재(3)는 도전층(1)으로 형성될 수 있고, 전자방출 부재(3)는 입자들로 형성될 수 있고, 전계 집중 영역(2)은 절연층으로 형성될 수 있으나 물질은 이들 물질로 구체적으로 제한되지 않는다.
전압이 전자방출 부재(3)에 면하는 전극(도시생략)에 인가될 때, 전계는 전자 이송부재(1)와 도시생략된 전극 사이에서 발생된다. 전계 레벨은 전압과 전자 이송부재(1)와 전극간 거리에 의해 결정된다. 예를 들면, 전자방출 부재(3)가 존재하는 경우, 등전위 선들은 전자방출 부재(3)를 피해 발생된다. 도 1c에 도시한 바와 같이 각각의 전자방출 부재(3)가 전자 이송부재(1) 바로 위에 설치되고 전계 집중 영역(2)이 이들 사이에 존재하지 않는 경우, 전계(등전위선)는 한 위치에만, 즉 전자방출 부재(3)와 전자방출 부재(3)(전자방출 부재(3)의 팁 근처)에 면하는 전극(도시생략) 사이에만 집중한다. 도 1b에 도시한 바와 같이, 전계 집중 영역(2)이 설치된 경우, 전계(등전위 라인)는 전자방출 부재(3)와 전자방출 부재(3)에 면하는 전극(도시생략) 사이에 그리고 전자 방출부재(3)와 전자 이송부재(1) 사이의 전계 집중 영역(2)에도 집중한다. 전계 집중 영역(2)에 집중된 전계의 존재로 전자 이송부재(1)에서 전자방출 부재(3)로 전자가 용이하게 주입된다.
이러한 구조에 의한 전자방출 과정을 이하 기술한다.
전계집중 영역(2)은 전자방출 부재(3)와 대향전극(도시생략)간 거리보다 충분히 작은 두께를 갖는다. 따라서, 전계집중 영역(2)에 집중된 전계는 전계 방출 부재(3)의 팁 근처에 집중된 전계보다 강하다. 그러므로, 전자는 먼저 전계집중 영역(2)을 터널링하여 전자 이송부재(1)에서 전자 방출부재(3)로 주입된다.
충분한 양의 전자가 주입된 상태에서, 전자 방출 부재(3)는 전자 이송부재(1)의 전위와 동일한 전위를 갖는다. 전위에 대해서, 전자 방출 부재(3)는 전자 이송부재(1)에 존재하는 돌출부와 같다. 이 점에서, 전계 집중 영역(2) 내 전계의 집중은 사라진다.
이어서, 전자는 전자방출 부재(3)와 대향전극(도시생략)간에 야기된 전계 집중에 의해 전자방출 부재(3)로부터 대향전극을 향하여 방출된다. 이 점에서, 전자방출 소자는 초기 상태로 돌아간다.
이어서, 다시, 전계는 2개의 위치, 즉 전계 집중 영역(2) 내에 그리고 전자방출 부재(3)와 대향전극(전자방출 부재(3)의 팁 근처) 사이에 집중된다.
전술한 동작을 반복함으로써, 전자는 전자이송부재(1)로부터 이송된다.
상기 설명에서, 전자방출 부재(3)에서 대향전극으로 전자가 방출되게 하는 전자방출 부재(3)와 대향전극간의 전계집중도를 개선하기 위해서 전자방출 부재(3)는 입자와 같다. 그러나, 전자방출 부재(3)는 전자 이송부재(1)에서 전자 방출부재(3)로 전자주입 효율을 향상시키는 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 입자와 같을 필요는 없다. 예를 들면, 도 1d에 도시한 바와 같이, 층과 같은 전자방출 부재(전자방출층)(3)는 전자 이송부재(1) 상에 설치될 수 있고 이들 사이에 전계집중 영역(2)이 개재된다. 전술한 구조의 효과와 유사한 효과가 제공될 수 있다.
전계집중 영역(2)은 전술한 절연물질로 형성될 필요는 없다. 예를 들면, 도 1e에 도시한 바와 같이, 매우 좁은 갭이 전자 이송부재(1)와 전자방출 부재(3) 사이에 형성될 수 있다. 갭, 즉 진공 공간 영역(2)은 전계 집중 영역(2)으로서 작용한다. 따라서, 전술한 구조의 효과와 유사한 효과가 제공될 수 있다.
어느 구조이든, 전계집중 영역(2) 내 전자들은 터널링 효과에 의해 이동한다. 따라서, 전계집중 영역(예를 들면, 절연층)(2)은 바람직하게는 예를 들면 약 1000Å 이하의 전자 터널링이 되게 하는 두께를 갖는다.
도 1a에 도시한 예에서, 전자방출 영역(4)을 형성하는 전자방출 부재(3)로서의 입자(3)는 전자이송 부재(1)로서 도전층(1) 상에 설치되어 전계 집중 영역(2)으로서의 절연층(2)이 이들 사이에 개재된다. 그러나, 본 발명을 실현하는 구조는 이 구조로 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이, 표면에 절연층(2)을 갖는 입자(3)는 도전층(1)에 고착되어 설치될 수 있다. 대안으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 입자(3)는 도전층(1)에 형성된 절연층(2) 내에 부분적으로 매립될 수 있다.
전자방출 영역(4)으로부터 방출된 전류는 입자(3)로부터 방출된 총 전자들이다. 따라서, 전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(3)는 바람직하게는 서로 접촉되지 않게 독립적으로 고착하여 시간 및 공간적으로 균일하고 안정한 큰 전류량을 얻는다.
특히 다이아몬드가 입자(3)에 사용될 때, 입자(3)의 물질 특성은 안정화되며 따라서 시간적으로 전자 방출의 안정성이 더 향상된다. 공업용 다이아몬드 형태는 예를 들면 기상 합성법으로 합성된 인조 다이아몬드를 포함한다. 일반적으로 다이아몬드의 전자 친화성이 다이아몬드의 표면을 수소로 종단시켜 음으로 된다. 따라서, 다이아몬드로 형성되고 이의 표면이 수소로 종단된 입자(3)는 본 발명의 효과를 더 향상시킬 수 있다. 다이아몬드 입자는 600℃ 이상의 수소 분위기에 다이아몬드를 노출시키거나 다이아몬드 입자를 수소 플라즈마에 노출시킴으로써 수소로 종단될 수 있다.
부분적으로 다이아몬드 구조를 갖는 탄소 입자를 입자(3)로서 사용할 때, 유사한 효과가 제공될 수 있다. 이 경우에도 본 발명의 효과는 수소-종단에 의해 향상될 수 있다. 수소종단은 다이아몬드 입자의 경우와 유사한 방식으로 수행될 수있다.
다이아몬드 입자(3) 혹은 다이아몬드 구조를 부분적으로 갖는 탄소입자(3)가 불순물을 함유하는 경우, 이 입자의 전기저항은 감소되고 따라서 전류량을 증가시키는 효과가 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 효과는 향상될 수 있다. 불순물은 이온 주입 등의 기술로 입자(3) 내에 존재하게 인위적으로 제어될 수 있다. 불순물 밀도는 바람직하게는 예를 들면 1 x 1013/cm3이상이다.
전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(3)에 전자를 공급하는 전극으로서 작용하는 도전층(1)은 예를 들면 일반적인 금속 등의 임의의 도전물질로 형성된 후막 혹은 박막일 수 있다. 본 발명의 효과는 도전층(1)이 단일 층구조이든지 복수층 구조이든 관계없이 명백하게 얻어질 수 있다. 전자방출 소자의 구조가 허용할 때, 기판(11)은 도전층(1)으로서 작용할 수 있다.
본 발명에 따른 제1 예에서 특정예의 구조 및 이를 제조하는 방법을 이하 기술한다.
먼저, 도 19(a)에 도시한 바와 같이, 도전층(1)은 Si 기판(11)의 표면 상에 형성된다. 다음에, 도 19(b)에 도시한 바와 같이, 500Å의 두께를 갖는 SiO2층(2)은 도전층(1) 상에 형성된다. 이어서, 도 19(c)에 도시한 바와 같이, 10㎛의 평균 입자직경을 갖는 다이아몬드 입자(3)를 SiO2층(2)에 부착되도록 하여 전자 방출 영역(4)을 형성한다.
다이아몬드 입자(3)는 용액에서 다이아몬드 입자(3)를 혼합하고 스핀 코팅을수행하고, 분산된 입자(3)를 함유하는 용액에 도 19(b)의 기판(11)을 담그고 초음파 진동을 용액에 가하여 용액 내 입자(3)가 기판(11)에 고착되도록 하거나, 전기영동을 수행함으로써 고착된다. 어느 기술이든 이 기술에 의해 입자(3)는 고착조건을 적합하게 설정함으로써 서로 접촉되지 않게 하면서 기판(11)에 고착될 수 있다.
이 상태에서, 대향전극은 Si 기판(11)으로부터 1mm 떨어져 설치되었으며 전압은 대향전극에 인가되었다. 1㎂/cm2이상의 방출전류가 약 3kV의 전압에서 얻어졌다.
대안으로, 도 2에 도시한 바와 같이 기판 상에 산화층으로 형성된 절연층(2)을 갖는 Cu 입자(3)가 도전층(1)에 고착할 수 있다.
대안으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 산화층(2)이 인듐층(1)의 표면 위에 도전층(1)으로서 형성된 후에, 다이아몬드 입자(3)는 산화층(2)을 파괴시키지 않도록 산화층(2) 내에 매립될 수 있다. 대안이 되는 기술에 따라, 입자는 액체 경화가능 절연물질에 혼합되고, 혼합물을 도전층에 고착하여 경화되게 한다. 이어서, 표면 및 이의 근처에 절연물질을 선택적으로 제거하여 입자 부분을 노출시킨다. 유사한 효과가 제공된다.
전술한 공정 어느 것이든(공정들에 의해 얻어진 구조), 복수의 입자(3)는 서로간에 접촉되지 않으면서 도전층(1)에 고착된다. 결국, 입자(3) 각각은 전자 방출원(이미터)으로서 작용한다. 그러므로, 전자방출 영역(4)으로부터 방출된 전류량(전자)은 모든 입자(3)로부터 방출된 총 전자량이다. 결과적인 전자방출 소자는큰 양의 전류를 제공할 수 있다.
위에서 사용된 다이아몬드는 예를 들면, 기상 합성법으로 합성된 인조 다이아몬드이다. 다이아몬드는 600℃의 수소 분위기에 노출되었으며 이의 표면은 수소로 종단되었다. 전자 방출이 시작되는 전압의 감소가 관찰되었다. 다이아몬드 입자를 수소 플라즈마에 노출시킴으로써 유사한 효과가 관찰되었다.
일반적으로 품질이 안좋은 것으로 간주되는 흑 다이아몬드 입자는 실제로는 부분적으로 다이아몬드 구조를 갖는 탄소입자이다. 흑 다이아몬드 입자가 입자(3)로서 사용될 때라도, 유사한 효과가 제공될 수도 있을 것이다. 이 경우, 흑 다이아몬드 입자의 표면을 전술한 바와 유사한 공정으로 수소 종단시켜, 다이아몬드 입자의 경우에 얻어진 것과 유사한 효과가 제공되었다.
다이아몬드 입자 혹은 부분적으로 다이아몬드 구조를 갖는 탄소 입자는 불순물을 함유한다. 그러므로, 그 전기저항이 감소되었으며, 따라서 전류량 증가가 관측되었다. 대안으로, 불순물은 이온 주입에 의해 입자(3) 내에 존재하게 불순물을 인위적으로 제어함으로써 전자방출 특성이 제어될 수 있다. 예를 들면, 보론을 불순물로서 1 x 1013/cm3이상 주입함으로써, 방출특성 개선이 관측되었다.
전술한 구조에서 전자 이송부재(1)는 바람직하게는 다음의 이유로 최소 가능한 일함수를 갖는 물질로 형성된다. 전자는 전자 이송부재(1)로부터 추출되어 전계 집중 영역(2)에 발생된 전계 집중에 의해 전자 방출 부재(3)에 주입된다. 그러므로, 전자 이송부재(1)를 형성하는 물질의 일함수가 작을수록, 전자는 더 효율적으로 추출될 수 있다(전자 방출부재(3)에 주입). 유사한 구조를 갖는 본 발명의 다른 예는 이러한 특징을 가질 수 있다.
(예2)
도 4는 본 발명에 따른 제2 예에서 전자방출 소자의 단면도를 도시한 것이다.
도 4에 도시한 구조에서, 도전층(전자 이송부재)(1)은 기판(11) 위에 형성된다. 절연층(전계집중 영역)(2)은 도전층 상에 형성된다. 입자(전자방출 부재)(3)는 전자방출 영역(4)을 형성하기 위해서 절연층(2)에 고착한다. 전자방출 영역(4)에 대응하는 위치에 개구부(5a)를 갖는 추출 전극(5)은 전자방출 영역으로부터 규정된 거리로 설치된다.
도 4에 도시한 구조는 일반적으로 3극 구조라 칭한다. 추출 전극(5)에 전압을 인가함으로써, 전계는 전자를 추출하고 전자 e가 개구부(5a)를 통과하게 전자방출 영역의 표면에 집중된다. 이에 따라, 전자 e가 추출된다. 제1 예에서 다이오드 시스템의 구조보다 약간 보다 복잡한 구조를 가질지라도, 3극 시스템의 전자방출 소자에 의해서, 전자 e를 추출하기 위한 추출 전극(5)에 인가되는 전압은 형광체(도시생략)가 광을 방출하게 하기 위해서 대향전극(도시생략)에 인가되는 전압으로부터 독립적으로 설정할 수 있다. 따라서, 추출 전극(5)은 전자방출 영역(4)의 근처에 제공될 수 있으며, 결국 전자 e는 저전압에서 추출될 수 잇다.
추출 전극(5)에 설치된 개구부(5a)의 형상은 임의의 특정한 형상으로 제한되지 않으며, 원형, 사각형 다각형을 포함하는 다양한 형상 중 어느 것이 될 수 있다. 대안으로, 개구부는 슬릿과 유사할 수 있다. 간단하게 하기 위해서, 도 4의단면은 개구부(5a)가 원형 혹은 다각형일 때 보여지는 개구부의 단부를 보이고 있지 않다. 이것은 본 발명의 임의의 다른 유사한 도면에 적용된다.
본 발명에 따른 제2 예에서 특정예의 구조 및 이를 제조하는 방법을 이하 기술한다.
먼저, 도 20(a)에 도시한 바와 같이, 도전층(1)은 Si 기판(11)의 표면 상에 형성된다. 다음에, 도 20(b)에 도시한 바와 같이, 500Å의 두께를 갖는 SiO2층(2)은 도전층(1) 위에 형성된다. 이어서, 도 20(c)에 도시한 바와 같이, 10㎛의 입자직경을 갖는 다이아몬드 입자(3)는 SiO2층(2)에 고착시켜, 전자방출 영역(4)을 형성한다.
다이아몬드 입자(3)는 예를 들면 다이아몬드 입자(3)를 용액에서 혼합하여 스핀코팅을 수행하고, 분산된 입자(3)를 함유하는 용액에 도 20(b)의 기판(11)을 담그고 초음파 진동을 용액에 가하여 용액 내 입자(3)가 기판(11)에 고착되도록 하거나, 전기영동을 수행함으로써 고착된다. 어느 기술이든 이 기술에 의해 입자(3)는 고착조건을 적합하게 설정함으로써 서로 접촉되지 않게 하면서 기판(11)에 고착될 수 있다.
전술한 공정 어느 것이든(공정들에 의해 얻어진 구조), 복수의 입자(3)는 서로간에 접촉되지 않으면서 도전층(1)에 고착된다. 결국, 입자(3) 각각은 전자 방출원(이미터)으로서 작용한다. 그러므로, 전자방출 영역(4)으로부터 방출된 전류량(전자)은 모든 입자(3)로부터 방출된 총 전자량이다. 결과적인 전자방출 소자는큰 양의 전류를 제공할 수 있다.
개구부(5a)를 갖는 추출 전극(5)은 이 상태에서 적합한 금속물질의 박판으로 형성된다. 이어서, 도 20(a)에 도시한 바와 같이, 추출 전극(5)은 개구부(5a)가 전자방출 영역(4)에 대응하는 위치에 배치되도록 전자방출영역(4)에서 1mm의 거리에 배치된다. 전압이 추출 전극(5)에 인가되었을 때, 1㎂/cm2이상의 방출전류가 약 3kV의 전압에서 얻어졌다.
전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(3)는 개구부(5a)를 갖는 추출 전극(5)이 규정된 위치에 배치된 후 고착되도록 할 수 있다. 이 경우, 입자(3)가 추출 전극(5)에 고착되는 것을 방지하는 것이 필요하다.
이 예의 구조에서, 전압은 전자 e를 추출하기 위해 인가된 전압과는 무관하게 애노드 전극(도시생략)에 인가될 수 있다. 예를 들면, 개선된 휘도를 갖는 이미지 디스플레이는 애노드 전극에 10kV의 전압을 인가함으로써 얻어졌다.
이 예의 구조는 절연층(전계 집중 영역)(2)을 개재하여, 전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(전자방출 부재)(3)를 도전층(전자 이송부재)(1)에 고착함으로써 제1 예의 효과와 유사한 효과를 제공한다. 이 예의 구조의 절연층(2), 입자(3) 및 기타 다른 구성성분의 실제 물질 및 수정, 결과적인 효과, 전자 방출 메카니즘 등은 제1 예의 것들과 유사하다.
이 예의 구조는 입자(3) 혹은 전자방출 부재(3)로서의 입자(3)의 집합(4)이 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 위에 전자방출 부재(3)가 설치된 도 4에 도시한 구조로 한정되지 않는다. 예를 들면, 절연층(2)이 표면에 형성된 입자(3)는 도전층(1) 상에 설치될 수 있으며, 혹은 입자(3)는 제1 예와 같이, 도전층(1) 상에 형성된 절연층 내에 부분적으로 매립될 수 있다.
(예3)
도 5a는 본 발명에 따른 제3 예의 전자방출 소자의 단면도를 도시한 것이다.
도 5a에 도시한 구조에서, 도전층(전자 이송부재)(1)은 기판(11) 상에 형성된다. 도전층(1)의 표면은 거칠게 되어 볼록 및 오목부를 갖는다. 절연층(전계 집중 영역)(2)은 볼록 및 오목부를 따라 형성된다. 입자(전자 방출 부재)(3)는 입자(3) 각각이 볼록부 중 적어도 하나와 접촉하여 전자 방출 영역(4)을 형성하도록 절연층(2)에 부착한다.
도 5a에 도시한 구조는 일반적으로 다이오드 구조라 칭한다. 특히 도 5a에 도시한 구조에서, 전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(3)는 절연층(2)을 개재하여 표면이 거칠게 된 도전층에 부착한다. 그러므로, 입자(3)와 도전층(1)이 절연층(2)이 개재되게 평면으로 서로 접촉하여 있는 제1 예의 구조보다 전계는 도전층(1)과 입자(3) 사이에 더 집중된다. 결국, 전계 집중 효과는 전계 집중 영역(2)에 의해서 그리고 볼록 및 오목부분들에 의해서 제공된다. 입자(3)에 전자주입이 더 쉽기 때문에, 전자 e는 낮은 인가 전압에서 방출될 수 있다.
본 발명에 따른 제3 예에서 특정예의 구조 및 이를 제조하는 방법을 이하 기술한다.
먼저, 도 21(a)에 도시한 바와 같이, 표면이 거칠게 된 도전층(1)은 Si 기판 상에 형성된다.
도전층(1)의 표면을 거칠게 하는 기술은 열 스프레이하여 도전층(1)을 형성하는 것이다. 이러한 방법으로 얻어진 볼록 및 오목부(표면 거칠기)의 크기는 열 스프레이 조건을 조정하여 제어될 수 있다. 약 10㎛의 표면 거칠기를 최대로 얻을 수 있다. 열 스프레이는 진공처리가 아니고 대기압에서 막을 형성하는 특징을 가지므로, 도전층(1)을 형성하는 비용이 감소될 수 있다.
대안으로, 평탄면을 갖는 도전층(1)을 형성한 후 샌드 블라스팅(sand blasting)에 의해 표면을 거칠게 하는 것도 가능하다. 샌드 블라스팅은 도전층(1)의 표면에 예리한 돌기를 형성할 수 있다.
또한 평탄면을 갖는 도전층(1)을 형성한 후 화학적 에칭에 의해 표면을 거칠게 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 습식 에칭을 사용할 때, 약 2㎛의 표면 거칠기를 갖는 볼록 및 오목부는 규정된 에칭액으로 도전층(1)의 표면을 스프레이하여 형성될 수 있다.
또 대안으로, 볼록 및 오목부는 먼저 기판(11)의 표면을 거칠게 한 후 이 거칠게 한 표면 위에 도전층(1)을 형성함으로써 도전층(1)의 표면에 형성될 수 있다. 기판(1)의 표면은 전술한 샌드 블라스팅 혹은 에칭에 의해 거칠게 할 수 있다.
이어서, 도 21(b)에 도시한 바와 같이, 500Å의 두께를 갖는 SiO2층(2)은 도전층(1)의 결과적인 볼록 및 오목부 상에 형성된다. 이어서, 도 21(c)에 도시한 바와 같이, 10㎛의 평균 입자직경을 갖는 다이아몬드 입자(3)를 SiO2층(2)에 고착되도록 하여 전자방출 영역(4)을 형성한다.
다이아몬드 입자(3)는 용액에서 다이아몬드 입자(3)를 혼합하고 스핀 코팅을 수행하고, 분산된 입자(3)를 함유하는 용액에 도 21(b)의 기판(11)을 담그고 초음파 진동을 용액에 가하여 용액 내 입자(3)가 기판(11)에 고착되도록 하거나, 전기영동을 수행함으로써 고착된다. 어느 기술이든 이 기술에 의해 입자(3)는 고착조건을 적합하게 설정함으로써 서로 접촉되지 않게 하면서 기판(11)에 고착될 수 있다.
전술한 공정 어느 것이든(공정들에 의해 얻어진 구조), 복수의 입자(3)는 서로간에 접촉되지 않으면서 도전층(1)에 고착된다. 결국, 입자(3) 각각은 전자 방출원(이미터)으로서 작용한다. 그러므로, 전자방출 영역(4)으로부터 방출된 전류량(전자)은 모든 입자(3)로부터 방출된 총 전자량이다. 결과적인 전자방출 소자는 큰 양의 전류를 제공할 수 있다.
이 상태에서, 대향전극(5)은 기판(11)에서 1mm의 거리에 설치되었으며 전압이 대향전극(5)에 인가되었다. 1㎂/cm2이상의 방출전류가 약 2kV의 전압에서 얻어졌다.
이 예의 구조의 도전층(전자 이송부재)(1), 절연층(전계집중 영역)(2), 입자(전자방출 부재)(3) 및 기타 다른 구성성분의 실제 물질 및 수정, 결과적인 효과, 전자방출 메카니즘 등은 제1 예의 것들과 유사하다.
이 예의 구조는 전자방출 부재(3)로서의 입자(3)가 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 위에 설치된 도 5a에 도시한 구조로 한정되지 않는다. 예를 들면, 절연층(2)이 표면에 형성된 입자(3)는 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 설치될 수 있으며, 혹은 입자(3)는 앞의 예들과 같이, 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 내에 부분적으로 매립될 수 있다.
입자형 전자방출 부재(3) 대신에, 층형(즉, 층구조를 갖는) 전자방출 부재(3)는 절연층(2)을 사이에 개재하여 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 설치될 수 있다. 유사한 효과가 제공될 수 있다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 전자방출층(3)은 절연층(2)을 사이에 개재하여 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1)의 볼록부분의 상부에만 설치될 수 있다. 이 구조는 도 5a에 도시한 구조와 유사한 효과를 제공할 수 있다.
(예4)
도 6는 본 발명에 따른 제4 예에서 전자방출 소자의 단면도를 도시한 것이다.
도 6a에 도시한 구조에서, 도전층(전자 이송부재)(1)은 기판(11) 상에 형성된다. 도전층(1)의 표면은 거칠게 되어 볼록 및 오목부를 갖는다. 절연층(전계 집중 영역)(2)은 볼록 및 오목부를 따라 형성된다. 입자(전자방출 부재)(3)는 입자(3) 각각이 복수의 볼록부와 접촉하여 전자 방출 영역(4)을 형성하도록 절연층(2)에 부착한다. 전자 방출 영역(4)에 대응하는 위치에 개구부(5a)를 갖는 추출 전극(5)은 전자 방출 영역(4)으로부터 규정된 거리에 설치된다.
도 6a에 도시한 구조는 일반적으로 3극 구조라 칭한다. 추출 전극(5)에 전압을 인가함으로써, 전계는 전자 e를 추출하고 전자 e가 개구부(5a)를 통과하게 전자방출 영역의 표면에 집중된다. 이에 따라, 전자 e가 추출된다. 제3 예에서 다이오드 시스템의 구조보다 약간 보다 복잡한 구조를 가질지라도, 3극 시스템의 전자방출 소자에 의해서, 전자 e를 추출하기 위한 추출 전극(5)에 인가되는 전압은 형광체(도시생략)가 광을 방출하게 하기 위해서 대향전극(도시생략)에 인가되는 전압으로부터 독립적으로 설정할 수 있다. 따라서, 추출 전극(5)은 전자방출 영역(4)의 근처에 제공될 수 있으며, 결국 전자 e는 저전압에서 추출될 수 있다.
본 발명에 따른 제4 예에서 특정예의 구조 및 이를 제조하는 방법을 이하 기술한다.
먼저, 도 22(a)에 도시한 바와 같이, 표면을 거칠게 한 도전층(1)은 Si 기판(11)의 상에 형성된다.
도전층(1)의 표면을 거칠게 하는 기술은 열 스프레이하여 도전층(1)을 형성하는 것이다. 이러한 방법으로 얻어진 볼록 및 오목부(표면 거칠기)의 크기는 열 스프레이 조건을 조정하여 제어될 수 있다. 약 10㎛의 표면 거칠기를 최대로 얻을 수 있다. 열 스프레이는 진공처리가 아니고 대기압에서 막을 형성하는 특징을 가지므로, 도전층(1)을 형성하는 비용이 감소될 수 있다.
대안으로, 평탄면을 갖는 도전층(1)을 형성한 후 샌드 블라스팅에 의해 표면을 거칠게 하는 것이 가능하다. 샌드 블라스팅은 도전층(1)의 표면에 예리한 돌기를 형성할 수 있다.
또한 평탄면을 갖는 도전층(1)을 형성한 후 화학적 에칭에 의해 표면을 거칠게 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 습식 에칭을 사용할 때, 약 2㎛의 표면 거칠기를 갖는 볼록 및 오목부는 규정된 에칭액으로 도전층(1)의 표면을 스프레이하여 형성될 수 있다.
또 대안으로, 볼록 및 오목부는 먼저 기판(11)의 표면을 거칠게 한 후 이 거칠게 한 표면 위에 도전층(1)을 형성함으로써 도전층(1)의 표면에 형성될 수 있다. 기판(1)의 표면은 전술한 샌드 블라스팅 혹은 에칭에 의해 거칠게 할 수 있다.
이어서, 도 22(b)에 도시한 바와 같이, 500Å의 두께를 갖는 SiO2층(2)은 도전층(1)의 결과적인 볼록 및 오목부 상에 형성된다. 이어서, 도 22(c)에 도시한 바와 같이, 10㎛의 평균 입자직경을 갖는 다이아몬드 입자(3)를 SiO2층(2)에 고착되도록 하여 전자방출 영역(4)을 형성한다.
다이아몬드 입자(3)는 용액에서 다이아몬드 입자(3)를 혼합하고 스핀 코팅을 수행하고, 분산된 입자(3)를 함유하는 용액에 도 22(b)의 기판(11)을 담그고 초음파 진동을 용액에 가하여 용액 내 입자(3)가 기판(11)에 고착되도록 하거나, 전기영동을 수행함으로써 고착된다. 어느 기술이든 이 기술에 의해 입자(3)는 고착조건을 적합하게 설정함으로써 서로 접촉되지 않게 하면서 기판(11)에 고착될 수 있다.
전술한 공정 어느 것이든(공정들에 의해 얻어진 구조), 복수의 입자(3)는 서로간에 접촉되지 않으면서 도전층(1)에 고착된다. 결국, 입자(3) 각각은 전자 방출원(이미터)으로서 작용한다. 그러므로, 전자방출 영역(4)으로부터 방출된 전류량(전자)은 모든 입자(3)로부터 방출된 총 전자량이다. 결과적인 전자방출 소자는큰 양의 전류를 제공할 수 있다.
개구부(5a)를 갖는 추출 전극(5)은 이 상태에서 적합한 금속물질의 박판으로 형성된다. 이어서, 도 22(d)에 도시한 바와 같이, 추출 전극(5)은 개구부(5a)가 전자방출 영역(4)에 대응하는 위치에 배치되도록 전자방출영역(4)에서 1mm의 거리에 배치된다. 전압이 추출 전극(5)에 인가되었을 때, 1㎂/cm2이상의 방출전류가 약 2kV의 전압에서 얻어졌다.
전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(3)는 개구부(5a)를 갖는 추출 전극(5)이 규정된 위치에 배치된 후 고착되도록 할 수 있다. 이 경우, 입자(3)가 추출 전극(5)에 고착되는 것을 방지하는 것이 필요하다.
이 예의 구조에서, 전압은 전자 e를 추출하기 위해 인가된 전압과는 무관하게 애노드 전극(도시생략)에 인가될 수 있다. 예를 들면, 개선된 휘도를 갖는 이미지 디스플레이는 애노드 전극에 10kV의 전압을 인가함으로써 얻어졌다.
이 예의 구조는 절연층(전계 집중 영역)(2)을 개재하여, 전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(전자방출 부재)(3)를 표면이 거칠게 된 도전층(전자 이송부재)(1)에 부착함으로써 제3예의 효과와 유사한 효과를 제공한다. 이 예의 구조의 절연층(2), 입자(3) 및 기타 다른 구성성분의 실제 물질 및 수정, 결과적인 효과, 전자 방출 메카니즘 등은 제1예의 것들과 유사하다.
이 예의 구조는 전자방출 부재(3)로서의 입자(3)가 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 위에 설치된 도 6a에 도시한 구조로 한정되지 않는다. 예를 들면, 절연층(2)이 표면에 형성된 입자(3)는 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 설치될 수 있으며, 혹은 입자(3)는 앞의 예들과 같이, 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 내에 부분적으로 매립될 수 있다.
도전층(1)과 입자(3)사이에 일정하게 전계를 더 집중하는 효과를 얻기 위해서, 도전층(1)의 거칠게 한 표면의 표면 거칠기는 바람직하게는 입자(3)의 직경보다 충분히 작다.
입자형 전자방출 부재(3) 대신에, 층형(즉, 층구조를 갖는) 전자방출 부재(3)는 절연층(2)을 사이에 개재하여 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 설치될 수 있다. 유사한 효과가 제공될 수 있다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 전자방출층(3)은 절연층(2)을 사이에 개재하여 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1)의 볼록부분의 상부에만 설치될 수 있다. 이 구조는 도 6a에 도시한 구조와 유사한 효과를 제공할 수 있다.
(예5)
도 7은 본 발명에 따른 제5 예에서 전자방출 소자의 단면도를 도시한 것이다.
도 7에 도시한 구조는 도 1a에 도시한 구조에 더하여 도전층(1)에 규정된 전류량이 흐르게 하는 회로(6)를 포함한다. 도전층(1)에 흐르는 전류의 일부가 회로(6)에 의해 전자 방출 영역(4)으로부터 방출되게 함으로써, 도 1a에 도시한 구조에 의해 방출된 양보다 많은 양의 전류가 방출될 수 있다. 도 7에 도시한 구조는 나머지 구조에서 도 1a에 도시한 것과 동일하다. 도 1a에 도시한 구조에 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 부호를 붙이고 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 제5 예에서 특정예의 구조 및 이를 제조하는 방법을 이하 기술한다.
먼저, 도 23(a)에 도시한 바와 같이, 도전층(1)은 Si 기판(11)의 표면 상에 형성된다. 다음에, 도 23(b)에 도시한 바와 같이, 500Å의 두께를 갖는 SiO2층(2)은 도전층(1) 위에 형성되고, 규정된 량의 전류가 도전층(1)에 흐르게 하는 회로를 형성한다. 구체적으로, 적정값의 저항 등을 갖는 회로 구성요소(도시생략)는 약 1mA의 전류가 1.5V의 전압에서 도전층(1)에 흐르게 하는 회로(6)를 접속하는데 사용된다. 이이서, 도 23(c)에 도시한 바와 같이, 10㎛의 평균 입자직경을 갖는 다이아몬드 입자(3)는 SiO2층(2)에 고착시켜, 전자방출 영역(4)을 형성한다. 다이아몬드 입자(3)는 제1 예에 관련하여 기술된 기술 중 임의의 것에 의해서, 예를 들면 다이아몬드 입자(3)를 용액에서 혼합하여 스핀코팅을 수행함으로서 고착되도록 한다. 입자(3)는 고착조건을 적합하게 설정함으로써 서로 접촉되지 않게 하면서 기판(11)에 고착될 수 있다.
이 상태에서, 대향전극(도시생략)은 Si 기판(11)에서 1mm의 거리에 설치되었으며 전압이 대향전극(5)에 인가되었다. 2㎂/cm2이상의 방출전류가 약 3kV의 전압에서 얻어졌다.
이 예의 구조는 절연층(전계 집중 영역)(2)을 개재하여, 전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(전자방출 부재)(3)를 도전층(전자 이송부재)(1)에 고착함으로써 제1예의 효과와 유사한 효과를 제공한다. 이 예의 구조의 절연층(2), 입자(3) 및 기타 다른 구성성분의 실제 물질 및 수정, 결과적인 효과, 전자 방출 메카니즘 등은 전술한 예들의 것들과 유사하다.
이 예의 구조는 전자방출 부재(3)로서의 입자(3)가 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 위에 설치된 도 7에 도시한 구조로 한정되지 않는다. 예를 들면, 절연층(2)이 표면에 형성된 입자(3)는 도전층(1) 상에 설치될 수 있으며, 혹은 입자(3)는 앞의 예들과 같이, 도전층(1) 상에 형성된 절연층 내에 부분적으로 매립될 수 있다.
(예 6)
도 8은 본 발명에 따른 제6 예에서 전자방출 소자의 단면도를 도시한 것이다.
도 8에 도시한 구조는 도 4에 도시한 구조에 더하여 도전층(1)에 규정된 전류량이 흐르게 하는 회로(6)를 포함한다. 도전층(1)에 흐르는 전류(전자)의 일부가 회로(6)에 의해 전자방출 영역(4)으로부터 방출되게 함으로써, 도 4에 도시한 구조에 의해 방출된 량보다 큰 량의 전류가 방출될 수 있다. 도 8에 도시한 구조는 나머지 구조에서 도 4에 도시한 것과 동일하다. 도 1a에 도시한 구조에 대응하는 구성요소는 동일한 참조부호를 할당하고 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 제6 예에서 특정예의 구조 및 이를 제조하는 방법을 이하 기술한다.
먼저, 도 24(a)에 도시한 바와 같이, 도전층(1)은 Si 기판(11)의 표면 상에형성된다. 다음에, 도 24(b)에 도시한 바와 같이, 500Å의 두께를 갖는 SiO2층(2)은 도전층(1) 상에 형성되고, 규정된 량의 전류가 도전층(1)에 흐르게 하는 회로를 형성한다. 구체적으로, 적정값의 저항 등을 갖는 회로 구성요소(도시생략)는 약 1mA의 전류가 1.5V의 전압에서 도전층(1)에 흐르게 하는 회로(6)를 접속하는데 사용된다. 이어서, 도 24(c)에 도시한 바와 같이, 10㎛의 평균 입자직경을 갖는 다이아몬드 입자(3)는 SiO2층(2)에 고착시켜, 전자방출 영역(4)을 형성한다. 다이아몬드 입자(3)는 앞의 예들에 관련하여 기술된 기술 중 임의의 것에 의해서, 예를 들면 다이아몬드 입자(3)를 용액에서 혼합하여 스핀코팅을 수행함으로서 고착되도록 한다. 입자(3)는 고착조건을 적합하게 설정함으로써 서로 접촉되지 않게 하면서 기판(11)에 고착될 수 있다.
개구부(5a)를 갖는 추출 전극(5)은 이 상태에서 적합한 금속물질의 박판으로 형성된다. 이어서, 도 24(d)에 도시한 바와 같이, 추출 전극(5)은 개구부(5a)가 전자방출 영역(4)에 대응하는 위치에 배치되도록 전자방출영역(4)에서 1mm의 거리에 배치된다. 전압이 추출 전극(5)에 인가되었을 때, 1㎂/cm2이상의 방출전류가 약 2kV의 전압에서 얻어졌다.
전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(3)는 개구부(5a)를 갖는 추출 전극(5)이 규정된 위치에 배치된 후 고착되도록 할 수 있다. 이 경우, 입자(3)가 추출 전극(5)에 고착되는 것을 방지하는 것이 필요하다.
이 예의 구조에서, 전압은 전자 e를 추출하기 위해 인가된 전압과는 무관하게 애노드 전극(도시생략)에 인가될 수 있다. 예를 들면, 개선된 휘도를 갖는 이미지 디스플레이는 애노드 전극에 10kV의 전압을 인가함으로써 얻어졌다.
이 예의 구조는 절연층(전계 집중 영역)(2)을 개재하여, 전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(전자방출 부재)(3)를 도전층(전자 이송부재)(1)에 고착함으로써 제2 예의 효과와 유사한 효과를 제공한다. 이 예의 구조의 절연층(2), 입자(3) 및 기타 다른 구성성분의 실제 물질 및 수정, 결과적인 효과, 전자 방출 메카니즘 등은 앞의 예들의 것들과 유사하다.
이 예의 구조는 전자방출 부재(3)로서의 입자(3)가, 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 위에 설치된 도 8에 도시한 구조로 한정되지 않는다. 예를 들면, 절연층(2)이 표면에 형성된 입자(3)는 도전층(1) 상에 설치될 수 있으며, 혹은 입자(3)는 앞의 예들과 같이, 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 내에 부분적으로 매립될 수 있다.
(예 7)
도 9는 본 발명에 따른 제7 예에서 전자방출 소자의 단면도를 도시한 것이다.
도 9에 도시한 구조는 도 5a에 도시한 구조에 더하여 도전층(1)에 규정된 전류량이 흐르게 하는 회로(6)를 포함한다. 도전층(1)에 흐르는 전류(전자)의 일부가 회로(6)에 의해 전자방출 영역(4)으로부터 방출되게 함으로써, 도 5a에 도시한 구조에 의해 방출된 량보다 큰 량의 전류가 방출될 수 있다. 도 9에 도시한 구조는 나머지 구조에서 도 5a에 도시한 것과 동일하다. 도 5a에 도시한 구조에 대응하는 구성요소는 동일한 참조부호를 할당하고 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 제7 예에서 특정예의 구조 및 이를 제조하는 방법을 이하 기술한다.
먼저, 도 25(a)에 도시한 바와 같이, 표면을 거칠게 한 도전층(1)은 앞의 예들에 관련하여 기술된 기술 중 임의의 것을 사용하여 Si 기판(11)의 표면 상에 형성된다. 다음에, 도 25(b)에 도시한 바와 같이, 500Å의 두께를 갖는 SiO2층(2)은 표면을 거칠게 한 도전층(1) 상에 형성되고 도전층(1)에 규정된 양의 전류가 흐르게 하는 회로(6)가 형성된다. 구체적으로, 적정값의 저항 등을 갖는 회로 구성요소(도시생략)는 약 1mA의 전류가 1.5V의 전압에서 도전층(1)에 흐르게 하는 회로(6)를 접속하는데 사용된다. 이이서, 도 25(c)에 도시한 바와 같이, 10㎛의 평균 입자직경을 갖는 다이아몬드 입자(3)는 SiO2층(2)에 고착시켜, 전자방출 영역(4)을 형성한다. 다이아몬드 입자(3)는 앞의 예들에 관련하여 기술된 기술중 임의의 것에 의해서, 예를 들면 다이아몬드 입자(3)를 용액에서 혼합하여 스핀코팅을 수행함으로서 고착되도록 한다. 입자(3)는 고착조건을 적합하게 설정함으로써 서로 접촉되지 않게 하면서 기판(11)에 고착될 수 있다.
이 상태에서, 대향전극(도시생략)은 Si 기판(11)에서 1mm의 거리에 설치되었으며 전압이 대향전극(5)에 인가되었다. 2㎂/cm2이상의 방출전류가 약 2kV의 전압에서 얻어졌다.
이 예의 구조는 절연층(전계 집중 영역)(2)을 개재하여, 볼록 및 오목부를갖는 표면을 갖는 전자방출 영역(4)을 형성하는 입자(전자방출 부재)(3)를 도전층(전자 이송부재)(1)에 고착함으로써 제3 예의 효과와 유사한 효과를 제공한다. 이 예의 구조의 절연층(2), 입자(3) 및 기타 다른 구성성분의 실제 물질 및 수정, 결과적인 효과, 전자 방출 메카니즘 등은 전술한 예들의 것들과 유사하다.
이 예의 구조는 전자방출 부재(3)로서의 입자(3)가 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 위에 설치된 도 9에 도시한 구조로 한정되지 않는다. 예를 들면, 절연층(2)이 표면에 형성된 입자(3)는 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 설치될 수 있으며, 혹은 입자(3)는 제3 예와 같이, 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 형성된 절연층 내에 부분적으로 매립될 수 있다.
도 8에 도시한 구조는 말할 나위없이 제3 예에 관련하여 기술된 것과 유사한 방식으로 수정될 수 있다. 예를 들면, 전술한 회로(6)는 도 5b를 참조하여 기술된 구조에 접속될 수 있다.
(예 8)
도 10은 본 발명에 따른 제8 예에서 전자방출 소자의 단면도를 도시한 것이다.
도 10에 도시한 구조는 도 6a에 도시한 구조에 더하여 도전층(1)에 규정된 전류량이 흐르게 하는 회로(6)를 포함한다. 도전층(1)에 흐르는 전류(전자)의 일부가 회로(6)에 의해 전자방출 영역(4)으로부터 방출되게 함으로써, 도 6a에 도시한 구조에 의해 방출된 량보다 큰 량의 전류가 방출될 수 있다. 도 10에 도시한구조는 나머지 구조에서 도 6a에 도시한 것과 동일하다. 도 6a에 도시한 구조에 대응하는 구성요소는 동일한 참조부호를 할당하고 이에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 제8 예에서 특정예의 구조 및 이를 제조하는 방법을 이하 기술한다.
먼저, 도 26(a)에 도시한 바와 같이, 표면을 거칠게 한 도전층(1)은 앞의 예들에 관련하여 기술된 기술 중 임의의 것을 사용하여 Si 기판(11)의 표면 상에 형성된다. 다음에, 도 26(b)에 도시한 바와 같이, 500Å의 두께를 갖는 SiO2층(2)은 도전층(1) 상에 형성되고 도전층(1)에 규정된 양의 전류가 흐르게 하는 회로(6)가 형성된다. 구체적으로, 적정값의 저항 등을 갖는 회로 구성요소(도시생략)는 약 1mA의 전류가 1.5V의 전압에서 도전층(1)에 흐르게 하는 회로(6)를 접속하는데 사용된다. 이어서, 도 26(c)에 도시한 바와 같이, 10㎛의 평균 입자직경을 갖는 다이아몬드 입자(3)는 SiO2층(2)에 고착시켜, 전자방출 영역(4)을 형성한다. 다이아몬드 입자(3)는 앞의 예들에 관련하여 기술된 기술 중 임의의 것에 의해서, 예를 들면 다이아몬드 입자(3)를 용액에서 혼합하여 스핀코팅을 수행함으로서 고착되도록 한다. 입자(3)는 고착조건을 적합하게 설정함으로써 서로 접촉되지 않게 하면서 기판(11)에 고착될 수 있다.
개구부(5a)를 갖는 추출 전극(5)은 이 상태에서 적합한 금속물질의 박판으로 형성된다. 이어서, 도 26(d)에 도시한 바와 같이, 추출 전극(5)은 개구부(5a)가 전자방출 영역(4)에 대응하는 위치에 배치되도록 전자방출영역(4)에서 1mm의 거리에 배치된다. 전압이 추출 전극(5)에 인가되었을 때, 1㎂/cm2이상의 방출전류가 약 2kV의 전압에서 얻어졌다.
이 예의 구조에서, 전압은 전자 e를 추출하기 위해 인가된 전압과는 무관하게 애노드 전극(도시생략)에 인가될 수 있다. 예를 들면, 개선된 휘도를 갖는 이미지 디스플레이는 애노드 전극에 10kV의 전압을 인가함으로써 얻어졌다.
이 예의 구조는 절연층(전계 집중 영역)(2)을 개재하여, 볼록 및 오목부를 갖게 표면을 거칠게 한 도전층(전자 이송부재)(1)에, 전자방출 영역(4)을 고착함으로써 제4 예의 효과와 유사한 효과를 제공한다. 이 예의 구조의 절연층(2), 입자(3) 및 기타 다른 구성성분의 실제 물질 및 수정, 결과적인 효과, 전자 방출 메카니즘 등은 전술한 예들의 것들과 유사하다.
이 예의 구조는 전자방출 부재(3)로서의 입자(3)가 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 형성된 절연층(2) 위에 설치된 도 10에 도시한 구조로 한정되지 않는다. 예를 들면, 절연층(2)이 표면에 형성된 입자(3)는 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 설치될 수 있으며, 혹은 입자(3)는 제4 예와 같이, 볼록 및 오목부를 갖는 표면을 갖는 도전층(1) 상에 형성된 절연층 내에 부분적으로 매립될 수 있다.
도 10에 도시한 구조는 말할 나위없이 제4 예에 관련하여 기술된 것과 유사한 방식으로 수정될 수 있다. 예를 들면, 전술한 회로(6)는 도 6b를 참조하여 기술된 구조에 접속될 수 있다.
(예9)
본 발명에 따른 제9 예의 전자방출 소자를 기술한다.
전자 이송부재(102) 및 도전성을 갖는 전자 방출부재(103)는 전자 주입전극(101) 상에 형성된다. 대향전극(104)이 설치되고, 이에 예를 들면 진공갭을 통해 전자방출 부재(103)로부터 전자방출을 야기하는 전계를 형성하는 전압이 인가된다. 전자방출 부재(103)의 표면으로부터 전자를 추출하기 위한 전계를 형성하기 위해서, 예를 들면 전자주입 전극(101)은 접지되고 양의 전압이 전원(105)을 사용하여 대향전극(104)에 인가된다. 이어서, 일단이 접지된 AC 전원(시간적으로 변하는 전압을 갖는 전원)(106)은 캐패시터(107)을 통해 전자방출 부재(103)에 접속된다. 따라서, AC 전압은 부하로서의 캐패시터(107) 및 또 다른 캐패시터를 사용하는 전자방출 부재(103)에 인가된다. 또 다른 캐패시터는 전자주입 전극(101), 도전성 전자방출 부재(103), 및 이들 사이에 개재된 절연 전자 이송부재(102)를 포함한다. 전압인가에 의해서, 충분히 서서히 변하는 전압에 대응하여 각각의 캐패시터에 전하가 축적되거나 감소된다.
AC 전원에 더 가까운 캐패시터(107)의 전극에 양전하가 축적되게 하는 극성을 갖는 전압이 인가될 때, 음전하는 캐패시터(107)의 타 전극에 축적되고, 양전하는 전자방출 부재(103)에 축적되며 음전하는 전자주입 전극(101)과 전자이송 부재(102)간 계면에 축적된다. 전자이송 부재(102)에 인가된 전계가 충분히 강해질 때, 전자주입 전극(101)과 전자이송 부재(102)간 계면에 축적된 전자들은 전자이송부재(102)에 터널링으로 주입되고 이어서 전계에 의해 이송되며, 이에 따라 도전성 전자 방출부재(103)에 도달한다. DC로 캐패시터(107)에 의해서 그리고 절연전자 이송부재(102)에 의해 절연된 전자 방출부재(103)는 음으로 충전된다. 이 충전에 의해 인가된 전압은 대향 전극(104)에 의해 인가된 전압에 중첩되며 이들 전압에 의해 전자 방출영역(103)에 인가된 전계는 전자방출 영역(103)에서 진공영역으로 방출한다.
도 12는 도 11에 도시한 구조의 수정예를 도시한 것이다. 도 11의 것들에 대응하는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용한다.
도 12에 도시한 바와 같이, 도전 방출부재(103)는 예를 들면 캐패시터(107)에 의해 DC로 전자주입 전극(101)으로부터 절연된다. 이 상태에서, AC 전원(106) 및 전자주입 전극(101)에 더 가까운 측에 음이고 전자방출 부재(103)에 더 가까운 측에 양인 DC 전원(108)은 직렬로 접속된다. AC 전원(106) 및 DC 전원(108)의 전압들은 중첩된 상태로 인가된다. 이것은 전자방출 부재(103)에 축적된 양전하의 양을 증가시키며 전자주입 전극(101)과 전자이송 부재(102)간 계면에 축적된 음전하의 양을 증가시킨다. 이 경우, 전자는 바람직한 전술한 메카니즘에 의해 보다 효율적으로 전자방출 부재에 주입된다.
이 예에서 전자방출의 전술한 원리에 있어서, 전자방출 부재(103)는 DC로 전자주입 전극(101)으로부터 주입되고 이에 따라 전기적으로 부동상태에 있게 하는 것이 중요하다. 이러한 절연상태는 전자이송 부재(102)에 충분히 약한 DC 전계가 공급될 때 전기적으로 절연된 부분 혹은 고저항 부분을 포함하게 함으로써 달성될 수 있다. 이러한 절연상태를 갖는 구조에 기인하여, 이 예의 원리에 따라 효율적인 전자방출이 일어난다.
도 11 혹은 12에 도시한 구조에서 바람직한 절연상태는 다음과 같다. 전자 주입전극(101)과 전자 방출 부재(103) 사이의 전자 이송부재(102)에는 충분히 약한 전계가 공급됨으로써 전계가 가장 집중되는 전자이송 부재(102)의 부분의 전계강도는 1mV 이하의 강도를 갖게 되고, 전자이송 부재(102)의 저항은 1㏀cm 이상이다. 이러한 상태에서, 전술한 DC 부동상태가 실현된다.
도 11 및 12에 도시한 구조에서, 캐패시터(107), AC 전원(106) 및 DC전원(108)이 전자방출 부재(103)에 접속되지 않을 때라도, 전자방출 부재(103)가 전기적으로 부동상태에 있는 한 전자주입 전극(101)으로부터 전자가 주입된다. 전자방출 부재(103)가 전기적으로 부동상태에 있을 때, 전자방출 부재(103)와 전자주입전극(101) 사이엔 절연 전자 이송부재(102)가 개재되어 있고 이들 사이에, 대향전극(104)에 인가된 DC 전압에 의해 전압이 유기되고, 따라서 전자는 전자주입 전극(101)으로부터 주입된다. 이 경우에서, 전자방출 부재(103)의 전위가 시간적으로 변하는 것이 또 다른 중요한 특징이다.
구체적으로, 전자 방출부재(103)의 양전위가 높게 될 때, 전자는 전자 주입 전극(101)에서 전자 이송 부재(102)로 주입된다. 전자가 전자 방출 부재(103)에 도달할 때, 전자 방출 부재(103)의 양전위는 음전위로 급속히 변한다. 전위의 이러한 변화는 전자 방출 부재(103)에서 진공 영역으로 전자 방출을 촉진한다. 따라서, 이 예에서 전자 방출 소자에서, 전자방출 부재(103)의 전위의 시간적 변화가 유발되는데, 이것은 전자방출을 촉진한다.
전자방출 부재(103)의 전위의 시간적 변화는 규정된 전압을 인가함으로써 야기될 수 있으며 혹은 자동적으로 유발될 수 있다. 예를 들면, 전위의 규정된 시간적 변화가 전자방출 부재(103)에서 야기되는 한, 캐패시터, AC전원 및 DC 전원이 도 13에 도시한 전자방출 부재(103)에 접속되지 않을 때라도 제공될 수 있다.
대안으로, 대향전극(104)이 설치되지 않고 이에 따라 대향전극(104)에 인가된 DC전압에 의해 발생된 전계가 없을 때라도, 전자는 전압이 전자방출부재(103)와 전자 주입전극(101) 사이에 인가되는 한 전자주입 전극(101)으로부터 주입된다. 이 경우, 전자방출 부재(103)가 음전하 친화성을 갖는 물질로 형성될 때, 전자는 전자방출부재(103)로부터 진공영역으로 쉽게 방출되며 이에 따라 전자방출 소자는 규정된 기능을 수행한다. 알 수 있는 바와 같이, 대향전극(104)은 전자방출에 절대적으로 필요한 것은 아니다. 대향전극(104)이 없어도, 진공영역으로의 전자방출이 야기될 수 있다. 방출된 전자는 매우 약한 전계에서도 진공영역으로 이동한다.
다시 도 11을 참조하여, 본 발명에 따른 제9 예에서 전자방출 소자의 특정 구조를 기술한다.
도 11에 도시한 구조는 다음과 같이 하여 얻어진다. 먼저, 전자주입 전극(101)의 기능을 갖는 몰리브덴(Mo) 기판은 0.02㎛의 평균 입자 직경을 갖는 다이아몬드 입자를 함유한 용액 내에 담근다. 이 상태에서, 초음파 진동을 용액에 인가하여 기판의 표면 상에 다이아몬드 성장을 위한 고밀도 성장 핵을 형성한다. 분산된 다이아몬드 입자를 함유하는 용액은 2g 다이아몬드 입자를 1리터의 순수에 두고, 2리터의 에탄올을 첨가하고 몇 방울의 하이드로플루오르 산을 떨어뜨려 얻어진 pH가 약 3인 액체이다. 10분동안 초음파 진동을 가한다. 기판의 표면상에 형성된 결과적인 다이아몬드 성장 핵의 밀도는 약 5 x 1010/cm-2이다.
이어서 다이아몬드 성장 핵이 형성된 기판은 마이크로파 CVD 장치 내에 둔다. 수소(1 내지 10%)로 희석된 CO가스를 장치에 공급하고, 다이아몬드 박막은 수백 와트의 전력과 25 내지 50 Torr의 진공에서 형성된다. 기판온도는 800 내지 900℃이다. 약 수분동안 CVD 성장을 수행함으로써, 0.2㎛ 두께의 다이아몬드 박막을 형성한다.
다이아몬드에 CVD 성장 공정에서 아무 것도 도핑되지 않을 때, 거의 완전하게 절연되는 다이아몬드 박막이 형성된다. 절연 다이아몬드 박막은 전자 이송부재(102)로서 작용한다. 피착되었을 때, 다이아몬드 박막의 표면은 수소화되며 표면영역에 도전층을 갖는다. 다이아몬드 박막의 표면영역 내 도전층은 도전 전자방출 부재(103)로서 작용한다.
이러한 방식으로 형성된 다이아몬드 박막의 도전층의 일부 위에 Ti 전극을 규정된 패턴을 갖는 금속 마스크를 사용하여 전자빔 증착에 의해 형성한다. Ti 전극 위에는 Au가 증착된다. Au 와이어 본딩에 의해 Au 전극으로부터 확장하여 리드가 형성된다. 리드는 유사한 방식으로 Mo 기판으로서의 전자 주입 전극(101)으로부터 확장하여 형성된다.
이와 같이 하여 형성된 다이아몬드 박막을 이용하는 전자방출 소자는 10-7Torr 이하로 유지된 진공을 갖는 진공 장치 내에 두고, 대향 전극(104)은 전자 방출 소자로부터 1mm 떨어져 제공된다.
Mo 기판으로서의 전자주입 전극(101)로부터 인출된 리드는 접지되며, 다이아몬드 박막의 표면영역 내 도전층으로서의 전자방출 부재(103)로부터 인출된 리드는 캐패시터(107)에 접속된다. 캐패시터(107)의 타 전극에 접속된 리드는 AC 전원(106)에 접속되며, AC 전원(106)의 타단은 접지된다.
이러한 방식으로 얻어진 도 11에 도시한 구조에 의해서, 10 V/60 Hz의 AC 전계는 캐패시터(106)를 통해 전자방출 부재(103)에 인가되었다. 전자방출은 1㎂/cm2의 전류밀도에서 일어남을 확인하였다.
DC 전원(108)을 포함하는 도 12에 도시한 구조에서, 2.5kV의 DC 전압은 DC 전원(108)에 의해 인가된 DC 전압이 10V인 상태에서 도 11에 구조에 관해 기술된 것들과 유사한 조건 하에서 대향 전극(104)과 접지 사이에 인가되었다. 전자방출은 1㎂/cm2이상의 전류밀도에서 일어남을 확인하였다.
캐패시터, AC 전원 및 DC 전원을 배제한 도 13에 도시한 구조에서, 7kV의 DC전압은 접지와 대향전극(104) 사이에 인가되었다. 전자방출은 1㎂/cm2이상의 전류밀도에서 일어남을 확인하였다.
(예10)
도 14는 본 발명에 따른 제 10예의 전자 방출 소자의 구조를 도시한 것이다.
도전성을 갖는 전자방출 부재(103)가 입자를 함유하는 재료(109)(이하, 간단히 "입자(109)"라고 하며, 예를 들면, 탄소 입자)로 형성되는 경우, 전계는 입자(109)의 팁(110))에 집중하게 된다. 이에 따라, 전자는 팁(110)으로부터 쉽게방출된다. 도전성 전자방출 부재(103)가 흑연입자를 포함할 때, 전자는 바람직한 것인, 흑연의 c 평면의 sp2 평면의 에지로부터 쉽게 방출된다.
도전 전자방출 부재(103)를 형성하는 입자(109)가 적어도 3.5eV의 밴드갭을 갖는 넓은 밴드갭 반도체 입자일 때, 통상 수 eV인 전자 친화성은 작은 양의 값 혹은 음의 값을 갖는다. 전자 친화성 값만큼, 전도대에 주입된 전자들은 작은 활성화 에너지로 진공영역으로 방출된다. 도전 전자방출 부재(103)은 전자가 진공영역으로 쉽게 방출되기 때문에 음 전자 친화성을 갖는 물질(예를 들면, 다이아몬드)의 입자로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 이 경우, 전자방출 부재(103)가 음 혹은 작은 양의 전자 친화성을 보이고 이에 따라 전자방출이 쉽게 일어나므로 도전 전자방출 부재(103)가 질소 화합물 및 Ga, Al, In 및 B 중 적어도 한 원소를 포함하는 것이 바람직하다.
전자방출 부재(103)을 형성하는 입자(109) 각각은 일 변이 1nm인 입방체보다 크고 일변이 1mm인 입방체 내에 수용될 수 있는 것이 바람직하다. 입자(109) 각각이 일변이 1nm인 입방체보다 작을 때, 입자(109)는 너무 작아 결정질 구조를 유지할 수 없으므로 구조는 불안정하게 된다. 그러므로, 안정된 전자방출을 유지하기가 어렵다. 입자(109)가 일변이 1mm인 입방체보다 각각이 클 때, 전자가 방출되는 영역은 제한되고, 이러한 영역의 밀도가 낮아진다. 이것은 전자방출 소자로서는 바람직하지 않다.
도 14에 도시한 구조의 특정 예를 기술한다.
먼저, 1㎛의 입자 직경을 갖는 다이아몬드 입자는 표면에 수소화물을 형성하기 위해 1시간 동안 600℃로 수소 분위기에서 처리됨으로써 음 전자 친화성을 갖는 도전 표면층을 형성한다. 다이아몬드 입자는 5분 동안 900℃에서 공기중에서 처리되어 표면에 산화층을 형성한다. 이어서, 결과적인 다이아몬드 입자는 Ni전극에 가압되어 분산된다. Ni 전극은 전자주입 전극(101)으로서 작용하며, Ni 전극의 표면 상의 산화층은 절연 전자 이송부재(102)로서 작용하며, 다이아몬드 입자의 수소화된 표면은 전자방출 부재(103)로서 작용한다. 따라서, 도 14에 도시한 전자방출 소자가 얻어진다.
이와 같이 하여 형성된 다이아몬드 박막을 이용한 전자방출 소자는 10-7Torr 이하로 유지된 진공을 갖는 진공 장치 내에 두고, 대량전극(104)은 전자방출 소자로부터 1mm 떨어져 제공된다.
리드는 Ni 기판으로서 전자주입 전극(101)로부터 인출되어 접지되었으며, 7kV의 DC전압이 접지와 대향전극(104) 사이에 인가되었다. 전자방출은 1㎂/cm2이상의 전류밀도에서 일어남을 확인하였다.
다이아몬드 입자의 총 표면 영역에 관하여 수소화의 결과로서 얻어진 다이아몬드 입자의 도전성 표면영역의 비가 증가되고 다이아몬드 입자의 도전성 표면이 서로간에 접속될 때, 전자 방출부재(17) 내 존재하는 다이아몬드 입자의 집합은 전적으로 도전성을 나타낸다. 도 17에 도시한 바와 같이, 전자방출 부재(103) 및 캐패시터(107)로부터 리드가 인출되어, AC 전원(106) 및 DC 전원(108)은 리드에 직렬로 접속될 때, 도 12를 참조하여 제9 예에서 기술된 바와 같이, 매우 효율적인 전자방출이 일어난다.
(예11)
도 15는 본 발명에 따른 제11 예의 전자방출 소자의 구조를 도시한 것이다.
도 15에 도시한 바와 같이, 전자 이송부재(102)는 3.5eV 이상의 밴드갭을 갖는 넓은 밴드갭 반도체 입자로 형성되며, 도전 전자방출 부재(103)는 입자의 표면 상에 형성된다. 이 구조에서, 전자는 전자주입 전극(101)으로부터 전자이송 부재(102)의 반도체 입자의 전도대로 효율적으로 주입된다. 전도대에 주입된 전자는 전자방출 부재(103)로 이송되어, 작은 양의 값 혹은 음의 값의 전자 친화성을 갖는 전자 이송부재(102)를 형성하는 넓은 밴드갭 반도체 재료의 표면으로부터 진공영역으로 쉽게 방출된다. 또한 이 경우, 전자방출 부재(102)가 음 혹은 작은 양의 전자 친화성을 보이고 이에 따라 전자방출이 쉽게 일어나므로 전자이송부재(102)를 형성하는 3.5eV 이상의 밴드갭을 갖는 넓은 밴드갭 반도체 입자가 질소 화합물 및 Ga, Al, In 및 B 중 적어도 한 원소를 포함하는 것이 바람직하다.
전자 이송부재(102)가 3.5eV 이상의 밴드갭을 갖는 넓은 밴드갭 반도체 재료의 박막으로 형성되고 도전 전자방출 부재(103)가 박막의 표면 상에 형성될 때라도, 유사한 효과가 제공된다. 전자방출 부재(103)은 넓은 밴드갭 반도체 재료 및 전자 이송부재(102)로 형성될 수도 있다.
전자 이송부재(102) (및 전자방출 부재(103))는 다이아몬드의 음의 전자 친화성을 효과적으로 이용할 수 있으므로 기상 성장법으로 형성된 다이아몬드 박막으로 형성되는 것이 바람직하다. 전자 이송 부재(102) (및 전자방출 부재(103))를 형성하는 다이아몬드 박막은 1nm 이상 및 10㎛ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 다이아몬드 박막의 두께가 1nm 미만일 때는 절연체로서 전자 이송부재(102)를 유지하는 것이 어렵다. 다이아몬드 박막의 두께가 10㎛ 이상일 때, 전자 주입 전극(102)과 전자 방출부재(103) 사이에 인가된 전압에 의해 전자 이송부재(102)에 유기된 전계는 너무 약하여 터널링에 의한 전자 주입 전극(101)으로부터 전자들을 쉽게 주입시킬 수 없다.
수소화된 다이아몬드 입자의 표면영역 혹은 수소화된 다이아몬드 박막 내 도전층은 전자방출 부재(103)로서 작용하는 것이 바람직하다. 음의 전자 친화성을 갖는 전자 방출영역(103)은 전자 이송부재(102)로서 작용하는 수소화된 다이아몬드 입자 혹은 박막의 표면 상에 자동적으로 형성되기 때문에, 이 예에서 전자 방출 소자가 쉽게 제작된다.
도 15에 도시한 구조의 특정 예를 기술한다.
먼저, 1㎛의 입자직경을 갖는 다이아몬드 입자는 중합 접착제에 혼합되고, 결과적인 물질은 텅스텐(W) 전극 기판의 표면에 도포된다. 다음에, 기판은 마이크로파 CVD 장치 내에 놓여진다. 수소로 희석된 CO가스(1 내지 10%)는 장치에 공급되고, 다이아몬드 박막이 수백 와트의 전력과 25 내지 40 Torr의 진공에서 형성된다. 기판 온도는 800 내지 900℃이다. 약 수분 동안 CVD 성장을 수행함으로써, 0.2㎛의 두께를 갖는 다이아몬드 박막이 형성된다. 상기 형성 단계 동안, 중합 접착제는 수소 플라즈마로 에칭에 의해 표면으로부터 제거된다. 다이아몬드 입자들은 에칭 결과로서 노출된 다이아몬드 입자로 구성된 표면을 형성한다. 따라서, 접착 성분이 완전히 에칭으로 제거되었을 때 진공 영역에 더 가까운 다이아몬드 입자의 팁 부분만이 충분한 수소화 및 충분한 다이아몬드 성장의 결과로서 도전성으로 된다. 다이아몬드 입자와 W 전극간 계면과 이의 근처는 수소화 및 다이아몬드 성장이 불충분하여 절연으로 된다.
W 전극은 전자 주입 전극(101)으로서 작용한다. 수소화 및 다이아몬드 성장이 충분하지 않은 W 전극에 더 가까운 다이아몬드 입자의 절연부분은 전자 이송부재(102)로서 작용하며, 진공영역에 더 가까운 다이아몬드 입자의 도전 팁 부분은 전자방출 부재(103)로서 작용한다. 따라서, 이 예에서 전자방출 소자가 제공된다.
이와 같이 형성된 다이아몬드 입자를 이용하는 전자방출 소자는 10-7Torr 이하로 유지된 진공을 갖는 진공 장치 내에 두고, 대향 전극(104)은 전자방출 소자로부터 1mm 떨어져 제공된다.
리드는 W 기판으로서 전자주입 전극(101)으로부터 인출되어 접지되었으며, 7kV의 DC전압이 접지와 대향전극(104) 사이에 인가되었다. 전자방출은 1㎂/cm2이상의 전류밀도에서 일어남을 확인하였다.
수소화의 결과로서 얻어진 다이아몬드 입자의 밀도가 증가되고 다이아몬드 이자의 도전표면이 서로간에 접속될 때, 전자 방출부재(103) 내 존재하는 다이아몬드 입자의 집합은 전적으로 도전성을 나타낸다. 도 18에 도시한 바와 같이, 전자방출 부재(103) 및 캐패시터(107)로부터 리드가 인출되어, AC 전원(106) 및 DC 전원(108)은 리드에 직렬로 접속될 때, 도 12를 참조하여 제9 예에서 기술된 바와 같이, 매우 효율적인 전자방출이 일어난다.
(예12)
도 16은 본 발명에 따른 제 12 예의 전자 방출 소자의 구조를 나타낸다.
이 예에서의 전자 방출 소자의 구조는 앞의 예들에서 기술된 구조의 바람직한 수정이다. 구체적으로, 도 16에 도시한 바와 같이, 전자 이송부재(102)는 다이아몬드 입자(109)로 형성된다. 도전 전자 방출부재(103)는 다이아몬드 함유 탄소기반 박막이나, 전자 이송부재(102)를 형성하는 다이아몬드 입자(109)의 표면의 적어도 일부 상에 형성된 미세 입자(111)로 형성된다. 이 구조에서, 전자 이송부재(102)를 형성하는 다이아몬드 입자(109)는 전계 집중은 미세 표면구조를 갖는 전자 방출부재(103)에 효과적으로 작용하여 이에 따라 효율적인 전자 방출이 일어나므로, 다이아몬드 함유 탄소 기반 박막 혹은 전자 방출부재(103)를 형성하는 미세 입자(111)에 관하여 충분히 크다. 구체적으로, 전자 이송부재(102)를 형성하는 다이아몬드 입자(109) 각각이 약 0.1㎛ 내지 약 1㎛의 직경을 가지며 전자 방출부재(103)를 형성하는 박막 혹은 미세 입자(111) 각각은 0.01㎛ 내지 약 0.1㎛의 직경(두께)을 가질 때 바람직한 효과가 제공된다.
전자 방출부재(103)를 형성하는 박막 혹은 미세 입자(111)는 전자 이송부재(102)를 형성하는 다이아몬드 입자(109)의 표면의 일부 상에 형성될 수 있고 전 표면을 덮을 필요가 없다.
전자 주입 전극(101) 및 전자 이송부재(102)는 서로 옴접촉하여 있는 경우, 전자는 전자 주입 전극(101)으로부터 효율적으로 주입되기 때문에 바람직하다. 전계는 집중되게 절연층에 인가되고 제1예 등에서 전술한 바와 같이 전자가 효율적으로 주입되기 때문에, 전자 이송부재(102)에서 약 500nm 이하의 두께를 갖는 얇은 절연층을 형성하는 것이 바람직한 효과를 제공한다.
도 16에 도시한 구조의 특정 예를 기술한다.
먼저, 1㎛의 입자 직경을 갖는 다이아몬드 입자는 물에 혼합되고, 결과적인 물질은 텅스텐(W) 전극 기판의 표면에 도포된다. 다음에, 기판은 마이크로파 CVD 장치 내에 놓여진다. 수소로 희석된 CO가스(1 내지 10%)는 장치에 공급되고, 다이아몬드 박막이 수백 와트의 전력과 25 내지 40 Torr의 진공에서 형성된다. 기판 온도는 800 내지 900℃이다. 약 수분동안 CVD 성장을 수행함으로써, 0.1㎛의 두께를 갖는 다이아몬드 박막이 기판에 1㎛의 입자 직경을 갖는 다이아몬드 입자(109)의 표면 상에 형성된다.
상기 형성 단계 동안, CVD 성장 공정에 의해 형성된 다이아몬드 입자(111)는 연속한 막을 형성하지 않는다. 특히, W 전극 기판에 고착한 다이아몬드 입자(109)와 W 전극 기판간 계면 및 이의 근처에서, 다이아몬드 입자(111)의 성장은 불충분하다. 결국, W 전극표면에 고착한 다이아몬드 입자(109)의 표면은 불충분한 수소화 및 불충분한 다이아몬드 성장에 기인하여 절연으로 된다. CVD 성장에 의해 형성된 다이아몬드 입자(111)의 표면만이 충분한 수소화 및 충분한 다이아몬드 성장의 결과로서 도전형으로 된다. 결국, 전자 방출부재(103)로서 작용하는 CVD로 성장된 다이아몬드 입자(111)는 W 전극 기판에 고착하고 낮은 레벨의 도전성을 갖는다이아몬드 입자(109)의 표면을 통해 전자 주입전극(101)에 전기적으로 접속된다.
W전극은 전자 주입전극(101)으로서 작용한다. W 전극에 고착한 절연 다이아몬드 입자(109)에서, W 전극에 가까워 충분한 수소화 혹은 충분한 다이아몬드 성장으로 처리되지 않은 부분들은 전자 이송부재(102)로서 작용한다. CVD로 성장된 다이아몬드 입자(111)는 도전 전자 방출 부재(103)로서 작용한다. 따라서, 이 예에서 전자 방출 소자가 제공된다.
이와 같이 하여 형성된 다이아몬드 박막을 이용한 전자방출 소자는 10-7Torr 이하로 유지된 진공을 갖는 진공 장치 내에 두고, 대향 전극(104)은 전자방출 소자로부터 1mm 떨어져 제공된다.
리드는 W 기판으로서 전자주입 전극(101)으로부터 인출되어 접지되었으며, 7kV의 DC전압이 접지와 대향전극(104) 사이에 인가되었다. 전자방출은 1㎂/cm2이상의 전류밀도에서 일어남을 확인하였다.
전술한 예들 중 일부 예에서, 전자 이송부재(102) 및 전자 방출부재(103)를 기상 성장법으로 형성하는 다이아몬드 박막을 성장시키는 공정은 바람직하게는 1 x 1010/cm2이상의 분포 밀도를 갖는 다이아몬드 성장 핵을 분포시키는 사전 성장 처리 단계를 포함한다. 이러한 사전 성장 처리 단계로 매우 얇은 연속한 다이아몬드 막이 형성되었으며, 절연층으로서의 500nm 이하의 두께를 갖는 다이아몬드 박막의 기상 성장이 먼저 실현되었다. 예를 들면, 다이아몬드 박막이 수소로 희석된 메탄을 사용한 마이크로파 CVD 기상 성장으로 형성될 때, 다이아몬드 박막의 표면은 수소화되어 도전성이 되고, 결국, 도전 전자 방출영역이 자동적으로 형성된다.
(예13)
도 27은 본 발명에 따른 제13 예의 이미지 디스플레이 장치의 개략적 단면도를 도시한 것이다. 이 이미지 디스플레이 장치는 전자 방출원으로서 전술한 본 발명에 따른 전자 방출 소자를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 복수의 전자 방출 소자(211)는 엔클로저(212)의 일부로서 작용하는 기판(212a) 상에 형성되어 전자 방출원(220)을 형성한다. 참조부호 213은 이미지 형성부를 나타내며, 이것은 예를 들면 전자 방출원(220)(전자 방출 소자들(211))으로부터 전자의 가속, 편향 및 변조 등, 및 엔클로저(212)의 일부(212b)의 내면에 고착한 형광체(213b)의 구동 및 제어를 수행하기 위한 전극 구동전극(213a)을 포함한다. 이미지 형성부(213)는 형광체(213b)가 구동된 전자에 의해 광을 방출하도록 함으로써 이미지를 디스플레이한다.
전자방출원(220)은 본 발명에 따라 전자 방출 소자(211)를 포함하기 때문에, 대량의 방출전류는 저전압에서 발생될 수 있다. 따라서, 저전압에서 구동될 수 있고 높은 휘도를 제공하는 평면형 이미지 디스플레이 장치가 실현된다.
도 28(a) 내지 28(d)는 이 예에서 이미지 디스플레이 장치를 제작하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
먼저, 도 28(a)에 도시한 바와 같이, 복수의 전자 방출 소자(211)는 본 발명의 예에서 기술된 임의의 방법에 의해 엔클로저(212)의 일부로서 작용하는기판(212a) 상에 형성되고, 그럼으로써 전자 방출원(220)을 형성한다. 이미지 형성부의 일부로서의 전자 구동전극(213a)이 설치된다(도 28(b)). 내면에 고착된 형광체(213b)를 갖는 엔클로저 부분(212b)이 설치된다(도 28(c)). 이어서, 도 27에 도시한 이 예에서 이미지 디스플레이 장치를 제공하도록 엔클러저(212) 내부에 진공이 가해진다(도 28(d)).
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라서, 예를 들면 입자 형태의 전자 방출부재는 절연층 등으로 형성된 전계 집중 영역이 개재되어, 전자 이송부재로서 도전층에 고착된다. 따라서, 전계는 전자 이송부재(도전층)과 전자 방출부재(입자) 사이에 전계 집중 영역(절연층)에 효율적으로 집중된다. 결국, 전자 이송부재(도전층)과 전자 방출부재(입자)간 계면에 존재하는 전자 장벽이 낮아지고, 이에 따라 전자는 전자 방출부재(입자)에 쉽게 주입된다. 결과적인 전자 방출 소자에 의해 전자는 저전압에서 방출될 수 있다.
본 발명에 따라서, 전자 이송부재는 전자 주입전극과 전자 방출부재 사이에 설치된다. 전자 이송부재는 전자 주입전극과 전자 방출부재간에 약한 DC 전계가 인가될 때 전기적으로 절연 혹은 높은 저항부분을 포함하도록 구성된다. 얻어진 전자 방출 소자는 전자 방출 소자에 요구되는 모든 특징, 즉 (1) 비교적 약한 전계에서 전자를 방출할 수 있으며(작은 전자 친화성을 갖는 전자 방출부재), (2) 안정된 전자방출을 유지하기 위해서 전자 방출부재의 표면에 충분한 화학적 안정성을 구비하며, (3) 내마모 및 내열 특성이 우수한 특징을 갖는다. 따라서, 얻어진 전자 방출 소자는 광범위하게 우수하다.

Claims (74)

  1. 전자 이송부재, 전자 방출부재, 상기 전자 이송부재와 상기 전자 방출부재 사이에 형성된 전계 집중 영역, 및 상기 전자 방출부재에 대향한 전극을 구비하는 전자 방출 소자로서,
    상기 전자 방출부재는 입자들로 형성되고,
    상기 전계 집중 영역은 절연층으로 형성되고,
    상기 전계는 상기 전극과 상기 전자 이송부재간의 전위차에 의해 발생된 전계에 의해 상기 전계 집중 영역에 집중되고,
    상기 전계 집중 영역에 집중된 전계는 상기 전자 방출부재와 상기 전극간에 집중된 전계보다도 크고,
    상기 전계 집중 영역에 집중된 전계에 의해 상기 전자 이송부재에서 상기 전자 방출부재로 전자들이 주입되는, 전자 방출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전자 이송부재는 도전층인 전자 방출 소자.
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  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전자 이송부재의 표면은 볼록한 부분과 오목한 부분들을 갖도록 거칠게 되어 있고, 상기 전자 방출부재는 상기 전자 이송부재의 상기 거친 표면상에 제공되고, 상기 볼록한 부분과 오목한 부분들 중 적어도 볼록한 부분이 이들 사이에 개재되어 있는 전자 방출 소자.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전자 이송부재로 전류를 흐르게 하는 회로를 더 구비하는 전자 방출 소자.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전계 집중 영역은 상기 전자 방출부재를 형성하는 입자들의 표면 상에 형성된 절연층으로 형성되고, 상기 입자들은 상기 전자 이송부재상에 제공되고 상기 절연층은 이들 사이에 개재되어 있는 전자 방출 소자.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전자 이송부재는 도전층이고, 상기 전계 집중 영역은 상기 도전층 상에 형성된 절연층으로 형성되며, 상기 전자 방출부재는 상기 절연층 내에 부분적으로 매립되도록 제공된 입자들로 형성되는 전자 방출 소자.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전계 집중 영역은 1000Å 또는 그 이하의 두께를 갖는 전자 방출 소자.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전자 방출부재는 서로간에 접촉되지 않게 독립적으로 제공된 복수의 입자들로 형성되는 전자 방출 소자.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전자 방출부재는 음의 전자 친화성을 갖는 물질의 입자들로 형성되는 전자 방출 소자.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 입자들은 다이아몬드 입자들인 전자 방출 소자.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 인조 다이아몬드 입자들인 전자 방출 소자.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 기상법(vapor phase technique)에 의해 합성된 다이아몬드 입자들인 전자 방출 소자.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 입자들은 부분적으로 다이아몬드 구조를 갖는 탄소 입자들인 전자 방출 소자.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들의 최외곽 표면층은 수소가 결합된 종단 구조(termination structure)를 갖는 전자 방출 소자.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 탄소 입자들의 최외곽 표면층은 수소가 결합된 종단구조를 갖는 전자 방출 소자.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 600℃ 또는 그 이상의 수소 분위기에 노출됨으로써 형성되는 전자 방출 소자.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 탄소 입자들은 600℃ 또는 그 이상의 수소 분위기에 노출됨으로써 형성되는 전자 방출 소자.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 불순물을 포함하는 전자 방출 소자.
  23. 제 17 항에 있어서, 상기 탄소 입자들은 불순물을 포함하는 전자 방출 소자.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 불순물은 이온 주입에 의해 형성되는 전자 방출 소자.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 불순물은 1 x 1013/cm3또는 그 이상의 밀도를 갖는 전자 방출 소자.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 불순물은 이온 주입에 의해 형성되는 전자 방출 소자.
  27. 제 23 항에 있어서, 상기 불순물은 1 x 1013/cm3또는 그 이상의 밀도를 갖는 전자 방출 소자.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 전자 이송부재는 작은 일함수를 갖는 재료로 형성된 도전층인 전자 방출 소자.
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  45. 전자 방출 소자 제조 방법에 있어서,
    기판 상에 전자 이송부재를 형성하는 단계, 및
    상기 전자 이송부재와 접촉하는 전자 방출부재를 제공하는 단계로서, 상기 전자 이송부재와 상기 전자 방출부재와의 사이에는 전계 집중 영역이 개재되어 있는, 전자 방출부재 제공 단계를 포함하고,
    상기 전자 방출부재 제공 단계는,
    액체 경화 절연 물질 및 규정된 입자들의 혼합물이 상기 전자 이송부재로서 작용하는 도전층에 부착하도록 하는 단계,
    상기 액체 경화 절연 물질을 경화시키는 단계, 및
    상기 혼합물에 포함된 입자들의 일부분이 노출되도록 상기 경화된 절연 물질의 표면 부분만을 선택적으로 제거함으로써 상기 입자들의 노출된 부분이 상기 전자 방출부재로서 작용하도록 하는 선택적 제거 단계를 포함하는, 전자 방출 소자 제조 방법.
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  53. 제 45 항에 있어서, 상기 선택적 제거 단계는 화학적 에칭에 의해 수행되는, 전자 방출 소자 제조 방법.
  54. 제 53 항에 있어서, 상기 화학적 에칭은 수소 플라즈마 조사 공정으로 수행되는 전자 방출 소자 제조 방법.
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  61. 전자 방출 소자 제조 방법에 있어서,
    기판 상에 전자 이송부재를 형성하는 단계,
    상기 전자 이송부재와 접촉하는 전자 방출부재를 제공하는 단계로서, 상기 전자 이송부재와 상기 전자 방출부재와의 사이에는 전계 집중 영역이 개재되어 있는, 전자 방출부재 제공 단계, 및
    상기 전자 이송부재의 표면을 거칠게 하는 단계를 포함하고,
    상기 전자 이송부재의 표면을 거칠게 하는 단계는 열 스프레이 기술(thermal spraying technique)로 상기 전자 이송부재로서 작용하는 도전층을 형성하는 단계를 포함하는, 전자 방출 소자 제조 방법.
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  65. 전자 방출 소자 제조 방법에 있어서,
    기판 상에 전자 이송부재를 형성하는 단계,
    상기 전자 이송부재와 접촉하는 전자 방출부재를 제공하는 단계로서, 상기 전자 이송부재와 상기 전자 방출부재와의 사이에는 전계 집중 영역이 개재되어 있는, 전자 방출부재 제공 단계, 및
    상기 전자 이송부재의 표면을 거칠게 하는 단계를 포함하고,
    상기 전자 이송부재의 표면을 거칠게 하는 단계는 상기 기판의 표면을 거칠게 하는 단계를 포함하며, 상기 전자 이송부재는 상기 기판의 거칠게 한 표면 상에 형성되는, 전자 방출 소자 제조 방법.
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  74. 제 1 항에 있어서, 전자들의 주입에 의해 상기 전자 방출부재와 상기 전자 이송부재가 동전위로 되면, 상기 전계 집중 영역에 집중된 전계가 소멸하고,
    상기 전자들이 상기 전자 방출부재와 상기 전극간에 집중된 전계에 의해 전극을 향해 인출되면, 상기 전자 방출부재와 상기 전극간에 집중된 전계보다도 큰 전계가 상기 전계 집중 영역에 다시 집중되는, 전자 방출 소자.
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