KR100581134B1 - 전자방출소자, 전자원, 화상형성장치, 텔레비전, 및 전자방출소자 및 전자원의 제조방법 - Google Patents

전자방출소자, 전자원, 화상형성장치, 텔레비전, 및 전자방출소자 및 전자원의 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄소를 주성분으로 함유하는 전자원부재와, 전자방출부재에 근접하여 배치된 인출전극을 가진 전자방출소자에 있어서, 전자는 인출전극에 근접한 전자방출부재의 영역에 의해서만 실질적으로 방출할 수 있다. 휘도비균일성과 이상점등에러는 전자방출소자가 전자로 구성되는 화상형성장치에서 감소시킬 수 있다. 전자방출부재의 전자방출한계값전계는 인출전극에 가까운 부분에서 낮게 설정하고 인출전극으로부터 떨어진 부분에서는 높게 설정한다.

Description

전자방출소자, 전자원, 화상형성장치, 텔레비전, 및 전자방출소자 및 전자원의 제조방법{ELECTRON-EMITTING DEVICE, ELECTRON SOURCE, IMAGE FORMING APPARATUS, TELEVISION, AND METHOD OF MANUFACTURING ELECTRON-EMITTING DEVICE AND ELECTRON SOURCE}
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 의한 기본전자방출소자의 예를 도시하는 도.
도 2는 본 발명의 전자방출소자제조방법에 있어서 한계값전계제어공정을 설명하는 도.
도 3은 본 발명에 의해 전자방출소자가 동작하는 경우 구성을 도시하는 도.
도 4a, 4b, 4c, 4d, 4e 및 4f는 실시예 1에 의한 전자방출소자 제조공정을 도시하는 도.
도 5는 실시예 2에 의한 전자방출소자를 도시하는 도.
도 6은 본 발명에 의한 복수의 전자방출소자를 사용하는 매트릭스회로의 구성을 도시하는 도.
도 7은 종래의 적층형 FE소자를 도시하는 도.
도 8은 섬유형상의 탄소의 형상을 도시하는 도.
도 9는 섬유형상의 탄소의 다른 형상을 도시하는 도.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
1 : 기판 2 : 인출전극
3 : 음극전극 4 : 전자방출부재
5 : 도전성재료 20 : 진공용기
21 : 양극기판 22 : 양극전극
23 : 등전위선 24 : 최상위면
25 : 진공배기장치 26 : 용기
53 : 층간절연막 61 : 전자운기판
62 : X방향배선 63 : Y방향배선
64 : 전자방출소자 65 : 접속
71 : 기판 72 : 하부전극
73 : 절연층 74 : 상부전극
75 : 탄소나노뷰브 76 : 양극
<발명의 배경>
<발명의 분야>
본 발명은 전자방출소자, 그것을 이용한 전자원 및 텔레비전방송의 표시장치, 비디오회의시스템 또는 컴퓨터의 표시장치 또는 감광성드럼 등을 사용한 광프린터로서 화상형성장치에 관한 것이다.
<관련된 배경 기술>
106V/cm 이상의 고전계를 금속에 인가함으로써 금속표면으로부터 전자를 방출시킨 FE(Field Emission)전자방출소자가 냉전자원의 하나로서 크게 주목받고 있다.
최근, 표시장치 등의 화상형성장치에 있어서 액정을 사용하는 평판형 표시장치는 CRT로 대체되고 있다. 평판형표시장치는 자기발광형이 아니기 때문에 블랙광을 필요로 함으로써 자기발광표시장치에 대한 요구가 생긴다.
FE냉전자원이 실용화되면, 평판형 자기발광화상표시장치가 가능하게 되어, 소비전력이 저감되고 경량화에 공헌한다.
수직FE전자원의 공지예는, C.A. Spindt, "Physical Properties of Thin-Film Field Emission Cathodes with Molybdenum Cones", Appl. Phys., 47, 5248(1976)에 개시되어 있다.
탄소 나노튜브가 전극의 일단에 근접하여 형성된 다이오드구조가 SID(Society for Information Display) Digest p. 386, 2000에 개시되어 있다. 전자방출부재를 전극의 일단에 이동시킴으로써, 전극의 중심 보다 높은 전계를 전극의 단부에 형성한다. 고전계영역은 전자방출영역의 단부에만 형성되어 있어, 방출된 전자의 궤도를 좁혀서, 작은 전자빔스폿을 얻는다.
또한, 3극관구성(단면만)의 전자방출소자가 2000년 17회 IDW(International Display Workshop) Digest P. 1005에 제안되어 있다. 이 구조는 도 7에 도시되었다. 도 7에서, 전자방출부재는 기판(71), 하부전극(게이트전극)(72), 절연층(73), 상부전극(음극)(74), 및 탄소나노뷰브(75)로부터 형성된다. 양극(형광체)(76)는 전자방출부재 위쪽에 배치된다.
절연층(73)은, SiO₂및 폴리이미드절연층인, 2종류로 형성된다. 이 소자에 있어서, 하부전극(72)은 고전위를 설정하여 상부 및 하부전극 사이에 고전계를 형성한다. 전계는 상부전극(74)위에 형성된 탄소 나노튜브(75)가 전자를 방출하게 하고, 형광체인 양극(76)에 도달한다.
<발명의 요약>
종래 탄소나노뷰브는 전자방출을 위하여 필요한 한계값 전계는 수 V/㎛이라는 것에 대하여 보고하고 있다. 3극관구조를 가진 전자방출소자에 대한 저한계값전계를 가지는 전자방출재료의 사용은, 전자방출을 위한 필요한 전압을 감소시킨다. 이것은, 구동장치의 비용 및 전력소비를 감소시킨다.
그러나, 고전압이 양극과 음극사이에 인가되면, 어떠한 전압을 게이트전극에 인가하지 않아도 음극과 양극 사이에 형성된 전계에 의해 초래되는 조건에 따라서 전자는 음극상의 전자방출부재에 의해 직접 방출되어 양극에 도달하기도 한다. 이 상황에 있어서, 전자의 궤도는 게이트에 전압을 인가함으로써 방출된 전자의 것과는 다르다. 전자는 양극상의 기대되는 영역에 도달하지 않고, 게이트전극에 의한 변조를 달성할 수 없다. 이것은 이상점등이 되어 화상형성장치에서의 컬러어긋남이 초래되어 화질이 악화된다. 이 현상이 화상형성장치에서 일부분에서만 일어나도 장치의 결함이 발생되어 화상형성장치의 설계폭이 좁아진다.
상기 설명한 문제점을 해결하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 의하면, 주성분으로 탄소를 함유하는 전자방출부재와; 전자방출부재 근접하여 배치된 인출전극과를 구비하고 있는 전자방출소자에 있어서,
상기 전자방출부재의 전자방출한계값전계(전자방출를 개시하기 위해 필요한 한계값전계)는 인출전극과 가까운 부분에서는 낮으며 인출전극으로부터 떨어진 부분에서는 높은 전자방출소자를 제공한다.
본 발명에 의하면, 주성분으로 탄소를 함유하는 전자방출부재, 및 전자방출부재에 근접하여 배치된 인출전극을 가진 전자방출소자의 제조방법으로서,
인출전극으로부터의 거리에 좌우되는 다른 값을 전자방출부재의 전자방출한계값전계에 인가하도록 이행공정의 한계값전계제어공정을 포함하는 전자방출소자의 제조방법을 제공한다.
상기 설명한 전자방출소자에 있어서, 주성분으로 탄소를 함유하는 전자방출부재의 예는, 복수의 섬유형상의 탄소원자를 포함하고, 상기 섬유형상의 탄소원자는, sp²결합을 가지며, 그래파이트 나노파이버, 탄소 나노튜브 및 비결정질 탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료, 또는, 그래파이트 나노파이버, 탄소 나노튜브 및 비결정질 탄소로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 두종류의 물질의 혼합물을 포함한다. 주성분으로 탄소를 함유하는 전자방출부재의 다른 예는, sp³결합을 갖으며 다이아몬드, 다이아몬드형상의 탄소 및 비결정질탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 재료, 또는, 다이아몬드, 다이아몬드형상의 탄소 및 비결정질탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 두종류 재료의 혼합물로 형성된 박막으로 이루어진다.
상기 설명한 제조방법에 있어서, 한계값전계제어공정의 예는, 전자방출부재와 화학적으로 반응할 수 있는 물질의 분위기하에서 전자방출부재를 부분적으로 에칭하는 공정을 포함한다.
전자방출부재와 화학적으로 반응할 수 있는 물질의 예는, 물, 산소 및 이산화탄소를 포함한다. 한계값전계제어공정에 있어서, 전자방출부재는 전자를 방출할 수 있다. 이때에, 전자방출부재에 관한 부의 전위를 인출전극에 인가하고, 전자방출부재에 관한 정의 전위는, 진공을 개재하여, 전자방출부재에 대향하여 배치된 양극에 인가된다.
서로 평행하는 상기 설명한 복수의 전자방출소자를 배치하고, 전자 방출소자를 접속함으로써 구성된 적어도 하나의 전자방출소자어레이로 구성된 전자원을 제공한다.
상기 설명한 복수의 전자방출소자를 배치하고 구성된 적어도 하나의 전자방출소자어레이로 이루어진 전자원에 있어서,
상기 전자방출소자를 구동하는 저전위공급배선과 고전위공급배선은 매트릭스배치되는 전자원을 제공한다. 상기 전자원으로 이루어진 화상형성장치, 및 전자원에 의해 방출된 전자에 의해 화상을 형성하는 화상형성부재에 있어서, 상기 전자원의 각각의 전자방출소자의 전자방출양은 정보신호에 의해 제어되는 화상형성장치를 제공한다.
복수의 전자방출소자중 적어도 1열이 절연기판위에 배치되고, 전자방출소자 를 구동하는 저전위공급배선과 고전위공급배선이 매트릭스 배치된 전자원제조방법에 있어서, 전자방출소자는 상기 설명한 제조방법에 의해 제조된다. 한계값 전계제어공정의 예는, 전자방출소자의 어레이를 선택하고 각각의 어레이를 구동함으로써 선순차적으로 행해진다. 한계값 전계제어공정의 다른 예는, 전자방출소자를 선택하고 선택된 소자를 구동함으로써 점순차적으로 행해진다.
본 발명에 의한 전자방출소자 및 전자원은 전자방출부재에 근접한 인출전극의 실질적인 영역으로부터만 전자를 방출할 수 있다. 전자원을 사용하여 구성된 화상형성장치는 휘도비균일성과 이상점등에러가 거의 없는 고화질 화상을 형성할 수 있다.
<바람직한 실시예의 상세한 설명>
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 이하 설명하지만, 본 발명은 이 실시예에 제한되지 않는다.
본 발명의 인출전극으로부터의 거리에 좌우되는 다른 전자방출 한계값 전계를 가진 전자방출부재를 형성하는 하나의 방법에 대하여 도 2를 참조하면서 설명한다.
도 2에 있어서, 인출전극(또한, "게이트전극" 또는 "게이트"라고 칭함)(2), 음극전극(또한 "에미터전극"이라 칭함)(3), 전자방출부재(4), 및 도전성재료(5)는 배면기판(1)위에 형성된다. 이 전자방출소자는 진공용기(20)에 설치된다. 양극전극(22)은 양극기판(21)위에 형성된다. 등전위선(23)은 양극과 전자방출소자 사이에 형성되고, 주어진 전위를 표시한다. 전자방출부재의 최상위면(24)은 게이전 전극으로부터 높이 s로 규정된다. 진공용기(20)는 진공배기장치(25)에 접속되고, 용기(26)는 전자방출부재와 화학적 또는 물리적으로 작용하는 물질을 함유한다. 양극전극(3)과 도전성재료(5)의 양자는 음극전극이라고 칭하기도 한다.(또한, "에미터전극"이라 칭함).
전극 (2) 및 (3) 사이의 갭은 거리 d로 규정한다. 배면기판(1)과 양극기판(21) 사이의 거리는 거리 h로 정의한다.
먼저, 소자는 진공용기내(20)에 배치되고, 진공은 진공배기장치(25)를 사용하여 형성한다. 인출전극(2)에 저전위를 인가하고 전자방출부재(4)에 고전위를 인가하도록 전압이 소자에 인가된다. 다음에, 전자방출부재(4)의 것보다 높은 전위(Va)가, 기판(1)이 거리(H)만큼 떨어져서 대향하는 양극(22)에 인가된다. 이때에, 도 2에 도시한 바와 같은 등전위선(23)이 형성된다.
도 2로부터 명백한 바와 같이, 특정 전위를 가진 등전위선(23)이 전자방출부재(4)위에 형성되어, 등전위선(23)이 게이트전극(2)에 가장 근접한 영역의 전자방출부재(4)로부터 떨어지고, 선(23)이 게이트전극(2)으로부터 멀어짐에 따라서 전자방출부재(4)에 근접하게 된다. 즉, 전자방출부재(4)의 표면에 있어서, 게이트전극(2)에 가까운 영역에서 전계강도는 약하게 되고 게이트전극(2)과 떨어진 영역에서는 높게된다.
이 상태에 있어서, 양극전압(Va) 및 높이(H)가 적합한 조건하에서, 게이트전극으로부터 떨어진 영역에서의 전계세기는 전자를 방출하기에 충분한 전계강도(세기)에 도달한다. 전자는 게이트전극과 떨어진 영역의 전자방출부재로부터 방출되는 반면에, 게이트전극에 가까운 영역에서 방출되는 전자는 없다.
이 상황에 있어서, 전자방출부재(4)와 반응하는 물질을 함유하는 용기(26)의 밸브(도시하지 않음)는 개방되어 미량의 반응물질이 진공용기내(20)로 도입된다.
전자방출부재(4)와 반응하는 물질은 두 종류의 물질, 즉 화학적으로 반응하는 물질과 물리적으로 반응하는 물질을 주로 함유한다. 화학적으로 반응하는 물질의 예는, 탄소전자방출부재(4)에 대한 O2, H2O 및 CO2이다. 물리적으로 반응하는 물질은, 전자빔에 의해 대전입자로 변환되고, Ar 등의 비교적 질량수가 큰 물질이 바람직하다. 물질가스의 도입압력은, 가스의 종류에 따라서 변하지만, 전자방출동안 전자방출부재(4)와 화학적으로 반응시키기 위하여 일반적으로 약 1 x 10-4 Pa 내지 1 x 101 Pa이며, 물리적으로 반응시키기 위하여 약 1 x 10-6 Pa 내지 1 x 101 Pa이다.
이 상황에 있어서, 전자가 방출하는 부분은 고온 등으로 인하여 화학적 활성이 높다. 이 부분에서, 전자방출부재와의 화학적 반응은, 방출되는 전자가 없는 영역보다 높은 속도로 진행된다. 전자방출부재가 화학적으로 에칭, 제거되어 그 형태가 변하거나 없어짐으로써 전자방출한계값전계가 증가한다.
전자를 방출하는 부분에서, 방출된 전자는 진공으로 도입된 물질의 가스를 이온화하여 물리적으로 반응시킨다. 이온은 전자방출부에 충돌한다. 다음에, 전자방출부는 에칭, 제거되어 그 형태가 변하거나 소실되어 전자방출한계값 전계가 증가한다.
본 발명에 의한 전위인가를 동반하는 한계값전계제어공정에 있어서, 용이하게 전자를 방출하는 부분(용이하게 전계강도를 증가시킴)을 집중적으로 반응시켜서 전자방출영역이 에칭되어 전계가 과도하게 집중되는 부분을 제거한다. 그 결과, 다른 전자방출한계값전계를 갖는 전자방출부재가 게이트로부터의 거리방향으로 형성된다.
본 발명에 있어서, 복수의 섬유형상 탄소의 덩어리가 전자방출부재(4)로서 사용되는 것이 바람직하다. 따라서 섬유형상탄소는 가로세로비가 매우 크므로 전계강도가 용이하게 향상된다. 따라서, 섬유형상탄소는 저전압에서 전자를 방출할 수 있으며, 본 발명의 전자방출부재(4)로서 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 "섬유형상탄소"는 "주성분으로 탄소를 함유하는 기둥형상물질" 또는 "주성분으로 탄소를 함유하는 선형상물질" 또는 "탄소섬유"로 칭할 수 있다. "섬유형상의 탄소"는 "주성분으로 탄소를 함유하는 파이버"로서 또한 칭할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 본 발명에서 "섬유형상탄소"는 탄소 나노튜브, 그래파이트 나노파이버 및 비결정질탄소섬유를 포함한다. 이들 재료중에서, 그래파이트 나노파이버는 전자방출부재로서 가장 바람직하다.
전자방출부재(4)로서 바람직하게 이용되는 재료는, 복수의 탄소섬유의 덩어리이다.
섬유형상탄소(탄소섬유)는 수 V/㎛의 한계값 전계를 갖는다. 도 8 및 도 9는 섬유형상의 형상을 도시한다. 도 8 및 도 9에 있어서, 광학 현미경레벨(∼1,000배까지)에서 관찰되는 형상을 좌측에 개략적으로 도시하였고; 주사전자현미경(SEM) 레벨(∼30,000배 까지)에서 관측된 형상을 중심에 도시하였고; 투과전자현미경(TEM)레벨(∼1,000,000배까지)에서 관측된 탄소형상을 우측에 도시하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 그래핀의 원통형형상(다층원통형구조를 다중벽나노튜브라 칭함)를 탄소나노튜브라고 칭하고, 그 한계값 전계는, 튜브의 말단부가 개방되는 구조에서 가장 감소한다. 더욱 구체적으로는, 탄소나노튜브는, 긴축방향(섬유축방향)으로 튜브를 둘러싸도록(원통형상) 그래핀이 배치된 섬유형상의 물질이다. 바꿔말하자면, 탄소나노튜브는, 그래핀이 섬유축과 실질적으로 평행하게 배치되는 섬유형상물질이다.
도 9는 비교적 저온에서 생성될 수 있는 섬유형상탄소를 도시한다. 이 형상을 가진 섬유형상의 탄소는 그래핀다층부재(이른바 "그래파이트 나노파이버"라 칭함)로 구성된다. 더욱 상세하게는, 그래파이트 나노파이버는, 그래핀이 긴방향(섬유축방향)으로 적층되는 섬유형상의 물질을 의미한다. 바꿔말하자면, 그래파이트 나노파이버는, 그래핀이 섬유축에 평행하지 않게 배치되는 섬유형상물질이다.
그래파이트의 1매의 평면(시트)은 "그래핀" 또는 "그래핀시트"라 칭한다. 더욱 구체적으로는, 그래파이트는 복수의 적층되거나 겹쳐진 탄소평면으로 이루어진다. 각각의 탄소평면은 각각의 그 정점에서 탄소원자를 가지고 그 각각의 측을 따라서 공유결합을 가진 반복된 6각형으로 이루어진다. 공유결합은 탄소원자의 sp²혼성궤도에 의해 초래된다. 이상적으로, 이웃탄소평면 사이의 거리(간격)가 3.354 x 10-10m이다. 각각의 탄소평면은 "그래핀" 또는 "그래핀 시트"라 칭한다.
에테르섬유형상탄소는 약 1 내지 10V/㎛의 전자방출한계값전계를 가지며, 본 발명에 있어서 전자방출부재(4)의 재료로서 바람직하다.
특히, 그래페파이트나노파이버집합체를 사용하는 전자방출소자는 저전계로 전자를 방출하여, 커다란 방출전류를 얻을 수 있으며, 용이하게 제조되어 안정된 전자방출특성을 갖는 전자방출소자를 제공할 수 있다. 복수의 탄소나노뷰브(탄소나노뷰트 덩어리)로 구성된 전자방출소자에 비해서, 복수의 그래파이트 나노파이버(그래파이트 나노파이버의 덩어리)로 이루어진 전자방출소자는, 더욱 많은 전자방출전류 및/또는 안정된 전자방출을 얻을 수 있는 것을 기대할 수 있다.
예를 들면, 에미터로서 그래파이트나노파이버를 사용하고 상기 에미터로부터 전자방출을 제어하는 전극을 제조함으로써 전자방출소자를 형성할 수 있다. 램프 등의 발광장치는, 그래파이트 나노파이버에 의해 방출된 전자의 조사에 의해 광을 방출하는 발광부재를 사용함으로써 형성될 수 있다. 또한, 그래파이트 나노파이버를 사용하는 복수의 전자방출소자를 어레이하고 형광체 등의 발광부재를 갖는 양극전극을 제조함으로써 디스플레이 등의 화상표시장치를 구성할 수 있다.
그래파이트 나노파이버 또는 탄소 나노튜브를 사용하는 전자방출장치, 발광장치 및 화상표시장치는, 종래의 전자방출소자와는 달리, 초고진공으로 내부를 유지하지 않고도 전자를 안정하게 방출할 수 있다. 전자는 저전계로 방출되므로, 고신뢰성 장치를 매우 용이하게 제조할 수 있다. 이와 같은 사실로부터, 본 발명의 제조방법은 그래파이트 나노파이버 또는 탄소 나노뷰트를 사용하는 소자에 적용하는 것이 바람직하다.
섬유형상탄소는 촉매(탄소의 퇴적을 촉진시키는 재료)를 사용하는 탄화수소가스를 분해함으로써 형성할 수 있다. 탄소 나노뷰브 및 그래파이트 나노파이버는 촉매종류 및 분해온도에 좌우되어 변한다.
촉매재료로서, Fe, Co, Pd, Ni 또는 그들로부터 선택된 적어도 2종류의 합금을, 섬유형상탄소를 형성하는 핵(촉매)로서 이용할 수 있다.
특히, Pd 및 Ni는 저온(400℃ 이상의 온도)에서 그래파이트 나노파이버를 생성할 수 있다. Fe 및 Co를 사용하는 탄소 나보튜브의 생성온도는 800℃ 이상이어야 하고, Pd 및 Ni를 사용하는 그래파이트 나노파이버재료의 저온형성은 다른 부재에의 영향 및 제조비용의 관점에서 바람직하다.
산소가 저온(실온)에서 수소에 의해 환원되는 특성을 이용해서, 핵형성재료로서 산화 팔라듐을 이용할 수 있다.
산화팔라듐에 대한 수소환원처리는, 일반적인 핵형성방법으로서 종래에 사용되는 금속박막의 열응집 또는 초미립자의 생성 및 증착을 이용하지 않고도 비교적 저온에서 초기응집핵을 형성할 수 있다.
탄화수소가스의 예는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 프로판 및 프로필렌 등의 탄화수소가스, CO가스, CO2가스 및 에탄올 또는 아세톤 등의 유기용매의 증기이다.
섬유형상탄소를 전자방출부재(4)로 사용하는 경우, 촉매입자를 소망의 영역( 음극전극(3))에 도포하고, 도입된 탄화수소가스를 열적으로 분해한다. 그 결과, 복수의 탄소섬유의 덩어리를 촉매입자를 개재하여 음극전극(3)위에서 직접성장시킬 수 있다. 또한, 탄소섬유를 개별적으로 형성할 수 있다. 이 경우에 있어서, 탄소섬유는 잉크 또는 페이스트에서 혼합되고 프린팅 또는 코팅에 의해 음극전극(3)위에 도포된다. 도포된 잉크 또는 페이스트는 가열되어 음극전극(3)위에서 탄소섬유의 덩어리를 형성한다. 프린팅 또는 코팅에 따라서, 다양하고 일반적인 프린팅방법을 적용할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 스크린프린팅, 분배자 코팅, 및 잉크젯프린팅 등의 공지의 방법을 이용할 수 있다. 도 2의 예에 있어서, 음극전극(3) 및 도전성재료(5)는 분리부재이다. 그러나, 도전성재료(5)는 항상 필수적이지 않지만, 음극전극(3)의 것과 동일한 재료로 구성되어도 된다.
본 발명의 전자방출소자의 게이트전극에 방출된 전자의 산란을 억제하기 위하여, 전자방출부재(4)의 표면을 포함하고 기판(1)의 표면에 실질적으로 평행하는 평면은, 게이트전극(2)의 표면의 부분을 포함하고 기판(1)의 표면에 실질적으로 평행하는 평면보다 기판표면으로부터 더욱 떨어진 위치에 배치되는 것이 바람직하다(도 2참조). 바꿔말하자면, 본 발명의 전자방출장치에 있어서, 전자방출부재(4)의 표면의 부분을 포함하고 기판(1)의 표면에 실질적으로 평행하는 평면은, 게이트전극(2)의 표면의 일부를 포함하고 기판(1)의 표면에 실질적으로 평행하는 평면과 양극전극(22) 사이에 배치된다(도 2참조).
본 발명의 전자방출소자에 있어서, 전자방출부재(4)는 게이트전극(2)에 있어서 실질적으로 산란이 발생하지 않는 높이 s(게이트전극(2)의 표면의 일부를 포함 하고 기판(1)에 실질적으로 평행하는 평면과 전자방출부재(4)의 표면을 포함하고 기판(1)의 표면에 실질적으로 평행하는 평면 사이의 거리로 규정된다(도 2참조))에 배치된다.
높이 s는 수평전계세기에 대한 수직전계세기의 비(수직전계세기/수평전계세기)에 좌우된다. 비가 커짐에 따라서 높이는 작아지고, 비가 작아짐에 따라서 높이는 커진다. 높이 s의 실질적인 범위는 10nm 이상 10㎛ 이하이다.
본 발명에 있어서 "수평전계"는 기판(1)의 표면에 실질적으로 평행하는 전계이거나, 게이트전극(2)과 음전극(3)이 서로 대향하는 방향으로의 전계"이다.
본 발명에 있어서 "수직전계"는 "기판(1)의 표면에 실질적으로 수직하는 방향으로의 전계"이거나, "기판(1)과 양전극(22)이 서로 대향하는 방향으로의 전계"이다.
본 발명의 전자방출장치에 있어서, 도 2에 도시한 바와 같이, 음전극(3)과 게이트전극(2) 사이의 간격을 d, Vf는 전자방출소자를 구동할 때의 전위차(음극전극(3)과 게이트전극(2) 사이의 전압)이고, H는 소자가 배치되는 기판(1)의 표면과 양전극(22) 사이의 거리이고, Vb는 양극전극(22)과 음극전극(3) 사이의 전위차라고 설정한다. 이 경우에 있어서, 구동시의 전계세기(수평전계세기) : E1 = Vf/d는 양극-음극전계세기(수직 전계세기) : E2 = Va/H 의 1배이상 또는 50 배이하로 설정한다.
이 설정은, 양극전극(3) 및 게이트전극(2)에 충돌함으로써 방출되는 전자의 비를 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 방출된 전자빔의 확산을 적게하는 고효율전자 방출을 얻을 수 있다.
전자방출한계값전계가 다른 전자방출부재를 갖는 본 발명의 전자방출소자의 구동에 대하여, 도 3을 참조하면서 설명한다. 도 3에 있어서, 도 2와 동일한 참조번호는 동일한 부분을 표시한다.
도 3에 있어서, 소자는 진공용기(20)에 배치되고, 진공은 장치(25)는 배기장치(25)를 사용하여 생성된다. 도 2의 것과는 반대의 전위, 즉, 게이트전극(2)에 고전위 및 전자방출부재(4)에의 저전위를 인가하도록 소자에 전압이 인가된다. 이 때에 도 3에 도시된 등전위선(23)이 형성된다.
도 3으로부터 명백한 바와 같이, 특정 전위를 갖는 등전위선(23)이 전자방출부재(4)의 표면에 형성되어 등전위선(23)은 게이트전극(2)에 가장 근접한 영역의 전자방출부재(4)에 근접하게 되고, 선(23)이 게이트전극(2)으로부터 떨어짐에 따라서 전자방출부재(4)로부터 떨어진다. 즉, 전자방출부재(4)의 표면에서는, 전계세기가 게이트전극(2)에 근접한 영역에서 높으며 게이트전극(2)과 떨어진 영역에서는 낮다.
이러한 이유 때문에, 전자는 영역(24)으로부터 주로 방출시킬 수 있다. 즉, 전자방출부재(4)의 표면의 상기 설명한 전자방출한계값전계를 변화시키는 공정은, 실제로 구동하기 위해 필요한 전계세기(강도) 보다 동일하거나 높은 전계세기(강도)가 인가된 상태에서 사용된다. 전자는 게이트전극(2)에 근접한 영역의 전자방출부재(4)로부터 주로 방출되고, 게이트전극(2)으로부터 떨어진 전자방출부재영역으로부터 실질적으로 방출되는 전자는 없다.
이와 같은 사실은, 화상형성장치에서의 문제점인, 게이트전극에 어떠한 전위를 인가하지 않아도 전자가 방출되는 이상점등상태 등의 현상을 방지할 수 있다.
[실시예]
본 발명의 예에 대하여 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
도 1a는 소자 상부로부터 본 경우 실시예1에서 제조된 전자방출소자의 상태를 도시한다. 도 1b는 선 1b-1b를 따라서 취한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b에 있어서, 전자방출소자는 절연기판(1), 인출전극(2), 음극전극(3), 전자방출부재(에미터재료)(4), 및 섬유형상탄소가 성장할 수 있는 도전층(5)으로 형성된다.
실시예 1의 전자방출소자제조공정에 대하여 도 4a 내지 도 4f를 참조하면서 상세하게 설명한다.
(공정 1)
기판(1)으로서 석영기판을 이용하여 완전히 세정한다. 그 후, Ti 및 Pt의 각각을 게이트전극(2)과 음극(에미터)전극(3)으로서, 두께 5nm 및 30nm로 연속적으로 스퍼터링한다.
레지스트패턴을 포토리소그래피에 의해 포지티브 포토레지스트(AZ1500 크라리안트사 제품)를 사용하여 형성한다.
Pt 및 Ti층은 마스크로서 패턴화된 포토레지스트를 사용한 Ar가스에 의해 건식에칭함으로써 전극 갭 d가 5㎛인 인출전극(게이트전극)(2)과 음극전극(3)을 형성 한다(도 4a).
(공정 2)
기판온도는 300℃로 유지하고, Ar속에서 질소를 혼합함으로써 제조된 에칭가스에 의해 Ti를 스퍼터링하는 반응성 스퍼터링에 의해 500nm두께로 TiN층(5')을 증착한다(도 4b).
(공정 3)
기판이 실온에서 충분히 냉각된 후, 공정 2에서의 것과 동일한 배기장치에 의해 Ar가스를 사용하여 스퍼터링함으로서 섬형상을 형성하기에 충분한 양만큼 Pd를 증착시킴으로써 섬형상의 Pd층(41)을 형성한다(도 4c).
(공정 4)
레지스트패턴을 포토리소그래피에 의해 포지티브 포토레지스트(AZ1500 크라리안트사 제품)를 사용하여 형성한다.
섬형상의 Pt층(41)과 TiN층 (5')를 마스크로서 패턴화된 포토레지스트를 사용하여 CF4가스에 의해 건식에칭함으로써 한쪽의 전극(예를 들면, 음극전극(3))상에 금속촉매(섬형상의 Pd층(4))가 형성되도록 한다(도 4d).
(공정 5)
계속해서, 생성된 기판을, 대기압에서 질소희석한 1%수소와 질소희석한 0.1%아세틸렌을 1:1에서 혼합함으로써 제조된 기류중에서 500℃, 10분간 가열처리한다. 구조를 주사전자현미경에 의하여 관찰하면, Pd형성영역에서 구부러지고 섬유형상으 로 확장된 직경 약 5nm 내지 250nm의 많은 섬유형상 탄소소자(전자방출부재(4))가 발견되었다. 이 때에, 섬유형상탄소의 두께는 약 5㎛이다.
도 2에 도시된 바와 같이 소자를 진공용기(20)에 설치하고, 진공용기(20)의 내부를 진공배기장치(25)에 의해 2 x 10-5 Pa까지 충분하게 배기하였다. 다음에, H2O에칭가스(26)용 밸브를 개방하여 진공용기(20)의 진공도를 1 x 10-4Pa로 설정하였다.
양극전압 Va = 2kV를 H = 0.1mm만큼 소자로부터 떨어진 양극(양극전극)(22)에 인가하였다. 이때, 음극전극(3)을 그라운드전위로 설정하고, Vf = -10V 내지 -100V의 범위에 있는 DC전압을 게이트전극(2)에 인가한다.
이 공정의 초기에 있어서, 전자는 게이트전극(2)과 떨어진 전자방출부재(4)의 영역으로부터 방출되고, 약 50㎂의 전자전류를 관찰하였다. 이 전류는 1nA까지 점진적으로 감소하였다.
이 상태에 있어서, 게이트전극(2)과 떨어진 섬유형상탄소(전자방출부재(4))의 영역에 있어서 형성된 섬유형상탄소의 평균두께 보다도 지나치게 긴 파이버가 감소된 소자형상이 발견되는 것을 관찰하였다. 양극전압 Va, 거리 H, 및 인가전압 Vf에 좌우되어, 초기 섬유형상탄소의 평균두께가 섬유형상탄소가 게이트전극(2)으로부터 떨어짐에 따라서 감소하는 경향이 있다(도 4f 참조).
도 3에 도시한 바와 같이 소자를 진공용기(20)에 설치하였고, 진공용기(20) 의 내부를 진공배기장치(25)에 의해 2 x 10-5 Pa까지 충분하게 배기하였다.
다음에, 양극전압 Va = 10kV를 H = 2mm만큼 소자로부터 떨어진 양극(양극전극)(22)에 인가하였다. 이때, 음극전극(3)을 그라운드전위로 설정하고, Vf = +20V 내지 +100V의 범위에 있는 펄스전압을, 게이트전극(2)에 인가한다. 소자길이 (도 1a) 300㎛에 대하여, 10㎂의 전자방출전류가 관찰되었다.
전자는 도 3에 도시된 부분(24)만에 의하여 방출하고, 형광체가 양극 측에 설정되는 경우 하나의 빔스폿만을 확인하였다.
[실시예 2]
도 5는 실시예 2에 있어서의 전자방출소자를 도시하는 도이다. 도 5에 있어서, 전자방출소자는 기판(1), 하부전극(게이트전극)(2), 상부전극(음극전극)(3), 섬유형상탄소가 성장할 수 있는 도전층(5), 탄소재료로 구성된 전자방출부재(4), 및 층간절연막(53)으로 구성된다.
실시예 2에 있어서, 소다 라임계 고변형점유리기판이 기판(1)로서 사용된다.
두께가 3㎛이고 폭이 약 350㎛의 은계배선으로 구성된 하부전극(2)이 스크린 프린팅을 사용하여 기판(1)위에 형성된다.
SiO2를 전체기판표면위에 약 1㎛의 두께까지 층간유전체막재료로서 스퍼터한다. 연속적으로, Ti를 SiO2의 밀착층으로 5nm(작은 두께이기 때문에 도시되지 않음)까지 스퍼터하고, Pt를 약 100nm두께로 상부전극재료로서 퇴적한다.
Ti를 섬유형상탄소가 성장할 수 있는 도전층(5)으로 5nm두께로 스퍼터한 다. Pd를 촉매층으로 두께가 5nm 이하인 섬형상막이 되도록 스퍼터한다.
상부전극(3)의 형상에 따른 패턴을 포토리소그래피 레지스틀를 사용하여 형성한다.
기판을 건식에칭기판에 설정한다. 촉매층으로 Pb 및 섬유형상 탄소 성장가능한 도전층(5)으로 Ti는, 마스크로서 레지스트패턴을 사용함으로써 SF6가스에 의해 건식에칭하여 제거한다. 상부전극재료로 Pt는 Ar가스를 사용하여 건식에칭하여 제거하고, SiO2접촉층으로서 Ti는 HBr가스를 사용하여 제거된다.
층간유전막재료로 SiO2는 CF4 및 H2의 적당한 양을 혼합함으로써 제조된 가스를 사용하여 건식에칭하여 제거된다. 마스크로서 사용되는 레지스트는 제거되어 소망패턴의 형상을 갖는 층간유전막(53)과 상부전극(3)을 형성한다.
기판을 노안에 설정하고, 노안의 가스를 충분히 배기한다. 그 후, 질소희석한 1%수소와 질소희석한 1%에틸렌을 1 : 1의 비율로 노안의 대기압이 될 때 까지 도입한다.
기판을 600℃까지 가열하여 노안을 30분 동안 유지하며, 흑색섬유형상탄소(전자방출부재)(4)를 전체 상부전극 위에 성장시킨다.
투과전자현미경에 의해 성장 섬유형상탄소를 관찰하였더니, 도 9의 우측위에 도시된 바와 같이, 그래핀이 다층구조로 형성된 것을 발견하였다.
전자방출부재의 전자방출한계값전계를 변화시키는 공정은 실시예 1의 것과 동일하다.
실시예 2에 있어서, 펄스전압은 게이트전극(2)에 저전위를 인가하기 위해 사용된다. 펄스가 중단되는 경우, 게이트전극(2)으로부터 떨어진 전자방출부재(4)의 영역의 전자방출한계값전계가 변한다. 또한, 게이트전극(2)에 근접한 전자방출부재(4)의 영역의 전자방출한계값전계가 증가한다. 따라서, 펄스방법을 사용에 의하여, 실시예 2와 마찬가지로, 소자 사이의 전자방출한계값전계는 소망값으로 설정될 수 있다. 상승시간의 증가율은 펄스듀티(pulse duty)를 변화시킴으로서 제어될 수 있다.
[실시예 3]
실시예 3은 본 발명의 복수의 전자방출소자를 배치함으로써 얻은 전자원을 사용하여 구성되는 화상형성장치에 관한 것이다. 전자원은 도 6을 참조하면서 설명한다.
도 6에 있어서, 전자원은, 전자원기판(61), X-방향배선(62), Y방향배선(63), 본 발명의 전자방출소자 및 접속(65)으로 이루어진다.
소자용량이 복수의 전자방출소자의 배치로 인하여 증가하는 경우, 펄스폭변조를 수반하는 단펄스를 인가하는 경우라도 용량성분에 의하여 파형이 둔감해지고, 기대되는 톤레벨을 얻을 수 없다. 실시예 3에 있어서, 층간유전막은 전자방출부분 이외의 부분에서 용량성분의 증가를 감소시키도록 배치된다.
도 6에 있어서, m개의 X방향배선(62)은 Dx1, Dx2,......Dxm을 포함하고, 진공증착에 의해 형성되어 두께가 약 1㎛이고 폭이 300㎛인 알루미늄계배선재료로 이루졌다. 배선재료, 막두께 및 폭은 적합하게 설계된다. Y방향배선(63)은 두께가 0.5㎛이고, 폭이 100㎛인 Dy1, Dy2,.....Dyn의 n배선을 포함하고, X방향배선(62)와 마찬가지로 형성된다. 층간절연막(도시하지 않음)은 m개의 X방향배선(62)과 n개의 Y방향배선(63) 사이에 개재되어 있고, 그들은 전기적으로 분리되어 있다. X 및 Y방향배선(62) 및 (63)은 외부단자로서 인출되어 있다. m과 n은 양의 정수를 표시한다.
층간유전막(도시하지 않음)은 스퍼터링등을 함으로써 약 5㎛의 두께의 SiO2에 의해 형성된다. X방향배선이 형성된 기판(61)의 표면의 전면 또는 일부면은 소망하는 형상으로 형성된다. X방향 및 Y방향배선(62),(63) 사이의 교차부의 전위차이를 억제하기 위해, 소자당 1pF이하의 소자용량 및 30V의 소자블레이크다운전압을 얻도록 층간유전막의 두께를 결정한다.
본 발명의 전자방출소자(64)를 구성하는 게이트전극 및 음극전극쌍(도시하지 않음)은 m개의 X방향배선(62), n개의 Y방향배선(63) 및 도전금속 등으로 이루어진 접속(65)에 의해 전기적으로 접속된다.
각각의 X방향배선(62)은 X방향으로 배열된 본 발명의 전자방출소자(64)의 행을 선택하는 주사신호를 인가하는 주사신호인가수단(도시하지 않음)에 접속된다. 각각의 Y방향배선(63)은 Y방향으로 배열된 본 발명의 전자방출소자(64)의 각각의 어레이를 입력신호에 따라서 변조하는 변조신호생성수단(도시하지 않음)에 접속된다. 각각의 전자방출소자에 인가된 구동전압은 소자에 공급된 변조신호와 주사 사이의 차이전압으로서 공급된다.
X방향행과 Y방향어레이가 도 6에 도시한 바와 같이 매트릭스로 증가하면, 각각의 소자에 대한 인가전압은, 매트릭스상의 전자방출소자를 전부 선택해서 일괄하여 한계값전계제어공정을 행하는 경우 전압이 하락함으로 인하여 변하게 된다. 이것을 방지하기 위해, 한계값전계제어공정은 선순차적으로 또는 점순차적으로 실행되는 것이 바람직하다.
선순차적한계값전계제어공정에 대하여 설명한다. 예를 들면, 동일한 전압이 n개의 Y방향배선 Dy1, Dy2, .....Dyn에 인가된다. Y방향배선에 대한 포지티브전압이 Dx1에 인가되어 Dx1행의 전자방출소자를 선택하여 한계값전계제어공정을 행한다. 다음에, 동일한 전압을 Dx2에 인가하여 Dx2행의 전자방출소자를 선택해서 한계값전계제어공정을 행한다. 마찬가지로, 행 Dx3, Dx4, Dxm이 선택되어 X방향에 있어서의 한계값전계제어공정을 행한다. 이 공정은 전압하락의 영향을 감소시킬 수 있다.
점순차적한계값제어공정은, 매트릭스배선을 사용하여, 각각의 소자를 선택하여 그들을 독립적으로 구동할 수 있게 하여, 전자방출소자에 대하여 하나씩 순차적으로 한계값전계제어공정을 행할 수 있게 하는 방법이다. 이 방법은 전압하락의 영향이 전혀 없지만, 공정시간이 소자의 개수에 비례한다. 따라서, 선순차공정, 점순차공정 및 동시공정은 전자원의 크기와 사용목적에 따라서 선택된다.
실시예 3에 있어서, 기판전면이 ITO막(인듐주석산화막화합물)에 의해 덮혀지는 양극을 상기 매트릭스기판에 높이 H = 0.3mm로 설정하고, 양극전압(Va)을 6kV로 설정한다.
다음에, 내부를 1 x 10-4 Pa로 설정되도록 O2를 진공용기에 도입한다. n개의 Y방향의 배선 Dy1, Dy2,....Dyn을 공통해서 그라운드한다. 펄스전압 Vf = -50V 내지 -100V(펄스전압폭 : 1msec, 펄스간격 : 10msec)를 Dx1에 인가해서 Dx1 행의 전자방출소자를 선택해서 한계값전계제어공정을 행한다. 동일한 전압을 Dx2에 인가해서 Dx2 행의 전자방출소자를 선택해서 한계값전계제어공정을 행한다. 마찬가지로, 행 Dx3, Dx4, ....Dxm을 선택해서 X방향에 있어서의 한계값전계제어공정을 순차적으로 행한다.
그 결과, 단순비트소자와 동일한 한계값전계제어를 소자 전부에 대하여 달성할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 전자방출소자 및 전자원은 인출전극에 근접한 전자방출부재의 영역만으로부터 전자를 방출할 수 있다.
본 발명의 전자원을 사용하여 구성된 화상형성장치는, 휘도비균일성과 이상점등착오가 거의 없는 고화질의 화상을 형성할 수 있다. 플레이트고선명컬러텔레비젼 등의 고화질화상형성장치를 실현할 수 있다.

Claims (18)

  1. 인출전극과,
    탄소를 함유하는 전자방출부재를 구비한 전자방출소자로서,
    상기 전자방출부재로부터 전자방출에 필요한 전계강도가, 상기 인출전극으로부터 떨어진 위치에서 높고, 상기 인출전극에 가까운 위치에서 낮은 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  2. 제 1항에 있어서, 탄소를 함유하는 상기 전자방출부재는, 복수의 탄소섬유를 포함하고, 상기 탄소섬유는, sp²결합을 가지고 그래파이트 나노파이버, 탄소나노튜브 및 비결정질 탄소로 구성된 군으로부터 선택된 재료, 또는, 그래파이트 나노파이버, 탄소 나노튜브 및 비결정질탄소로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 2종류의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  3. 제 1항에 있어서, 탄소를 함유하는 상기 전자방출부재는, 복수의 탄소섬유를 포함하고, 상기 각 탄소섬유는 각 탄소섬유의 축방향에 비평행으로 적층되어 있는 복수의 그래핀을 가지는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  4. 복수의 전자방출소자를 구비하는 전자원으로서,
    상기 복수의 전자방출소자의 각각이 제 1항 내지 제 3항의 어느 한항에 기재된 전자방출소자인 것을 특징으로 하는 전자원.
  5. 제 4항에 있어서, 매트릭스형상으로 배열된 저전위공급배선과 고전위공급배선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자원.
  6. 제 4항에 기재된 전자원과 상기 전자원에 의해 방출된 전자에 의해 화상을 형성하는 화상형성부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 화상형성장치.
  7. 탄소를 주성분으로 함유하는 전자방출부재와 전자방출부재에 근접하여 배치된 인출전극을 가진 전자방출소자를 제조하는 방법에 있어서,
    인출전극으로부터의 거리에 좌우되는 상이한 값을 전자방출부재의 전자방출한계값전계에 부여하도록 처리를 행하는 한계값전계제어공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 탄소를 주성분으로 함유하는 전자방출부재는, 복수의 섬유형상의 탄소원소를 포함하고, 상기 섬유형상의 탄소원소는, sp²결합을 가지고 그래파이트 나노파이버, 탄소나노튜브 및 비결정질탄소로 구성된 군으로부터 선택된 재료, 또는, 그래파이트 나노파이버, 탄소 나노튜브 및 비결정질탄소로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 2종류 재료의 혼합물로 형성된 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서, 탄소를 주성분으로 함유하는 전자방출부재는, 복수의 섬유형상의 탄소원소를 포함하고, 상기 섬유형상의 탄소원소는, sp³결합을 가지고 다이아몬드, 다이아몬드형상의 탄소 및 비결정질 탄소로 구성된 군으로부터 선택된 재료, 또는, 다이아몬드, 다이아몬드형상의 탄소 및 비결정질 탄소로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 2종류 재료의 혼합물로 이루어진 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제조방법.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 한계값전계제어공정은 전자방출부재와 화학적으로 반응할 수 있는 물질의 분위기에서 전자방출부재를 부분적으로 에칭하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 전자방출부재와 화학적으로 반응할 수 있는 물질은 물, 산소 및 이산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제조방법.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 한계값전계제어공정에서, 전자방출부재가 전자를 방출하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제조방법.
  13. 제 7항에 있어서, 상기 한계값전계제어공정에서, 전자방출부재에 대한 부의 전위가 인출전극에 인가되고, 전자방출부재에 대한 정의 전위가, 진공을 통하여 전자방출부재에 대향하여 배치된 양극에 인가되는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제조방법.
  14. 복수의 전자방출소자의 적어도 하나의 어레이가 절연기판위에 배치되고, 전자방출소자를 구동하는 저전위공급배선과 고전위공급배선이 매트릭스로 배치된 전자원의 제조방법에 있어서,
    제 7항에 기재된 제조방법에 의해 전자방출소자를 제조하는 것을 특징으로 하는 전자원의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 한계값전계제어공정은 전자방출소자의 어레이를 선택하고 각각의 어레이를 구동함으로써 선순차적으로 행하는 것을 특징으로 하는 전자원의 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 한계값제어공정은 전자방출소자를 선택하고 선택된 소자를 구동함으로써 점순차적으로 행하는 것을 특징으로 하는 전자원의 제조방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
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