KR100732874B1 - 전자 방출 입자들 및 절연 입자들을 포함하는 전계 방출캐소드들 - Google Patents

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Abstract

전기 영동 침착은 전계 방출 캐소드(10)를 제조하는 효과적인 프로세스를 제공한다. 절연 물질의 입자들(18)과 혼합된 전자 방출 물질의 입자들(19)은 절연층 위에 놓인 도전층 상에 전기 영동 침착에 의해 침착되어 캐소드를 생성한다. 침착조의 구성을 제어하고, 방출 입자들(19)과 절연 입자들(18)을 혼합함으로써, 전기 영동 침착 프로세스는 공간적으로 및 시간적으로 안정한 전계 방출을 제공하는 전계 방출 캐소드들을 효과적으로 생성하는데 사용될 수 있다. 전계 방출 캐소드용 침착조는 알콜, 충전염, 물, 및 분산제를 포함한다. 전계 방출 캐소드들은 전계 방출 디스플레이 장치의 전계 방출 소스의 전자 소스로서 사용될 수 있다.
Figure 112002004235718-pct00005
침착조, 충전염, 캐소드, 전계, 분산제

Description

전자 방출 입자들 및 절연 입자들을 포함하는 전계 방출 캐소드들{Field emission cathodes comprised of electron emitting particles and insulating particles}
본 발명은 통상적으로 전계 방출 디스플레이 장치들에 관한 것으로서, 특히, 전계 방출 디바이스들을 위한 캐소드들을 제조하는 방법에 관한 것이다.
전계 방출 디스플레이들(FED들)은 종래의 음극선관들(CRT들)의 성능과 액정 디스플레이들(LCDs)의 크기 및 휴대성 이점을 조합한 평면 패널 디스플레이 디바이스들이다. FED 디바이스들은 통상적으로 인들(phosphors)로 코팅된 평면 스크린에 대향하여 위치한 전계 방출 캐소드를 포함한다. 인들은 캐소드로부터의 전자들에 의한 충격에 대응하여 광을 방출하여 이미지를 생성한다. 전계(electric field)의 강도가 충분한 경우, 전계 방출 캐소드는 전자들을 방출한다. 캐소드는 통상적으로 스크린의 각 픽셀에 대해 수천개의 미세한 방출기 팁들(emitter tips)을 포함한다. CRT의 시야각(viewing angle), 밝기(brightness) 및 응답 속도와 함께 LCD의 얇고, 평평한 스크린 특성들을 FED에 부여하는 것이 주로 캐소드의 방출 특징이다.
FED가 잠재적으로는 매우 매력적인 디바이스지만, 그 기술의 광범위한 채택에 있어서 제한 요소는 상기 장치들 특히, FED 캐소드들을 제조하기 어렵다는 것이다. 전계 방출 캐소드들은 알려져 있다. 예컨대, Spindt et al. J. of Appl. Phys. 47,5248(1976)을 참조한다. 여기에 기술된 전계 방충 캐소드들은 통상적으로 수십 나노미터 정도의 팁 반경을 갖는 몰리브덴 원추와 같은, 예리한 팁 금속 전자 방출기들(sharp-tip metal electron emitters)을 포함한다. 반도체 제조 기술들을 사용하여 도전성 기판상에 Mo 원추형 방출기들(Mo cone emitters)을 갖는 이러한 캐소드들을 제조하는 방법은 예컨대, Watanabe 등에 의한 U.S. 특허 제 5,332,627 호에 기술된다. 방출기 원추형 구조들(emitter cone structures)을 제조하기 위한, 패터닝 및 에칭을 포함하는 반도체 제조 기술들의 사용의 또다른 예는 Haven 등에 의한 미국 특허 제 5,755,944호에 제공된다.
전계 방출 캐소드 내의 방출 물질로서 흑연 또는 다이아몬드의 형태의 탄소를 사용하는 이점이 인지되었다. 예컨대, 화학 기상 증착(CVD) 또는 연소 침착(flame deposition), 또는 대안적으로 종래의 다이아몬드 가루 및 분말의 침착에 의한 다이아몬드 방출기 본체를 원위치에 성장시키는 것을 포함하는 제조 프로세스는 Eom 등에 의해 미국 특허 제 5,747,918 호에 기술된다. 탄소-기반 전계 방출기(carbon-based field emitter)를 제조하는 또다른 방법은 다이아몬드 CVD를 피하고 상술한 일부 방법들보다 더 적은 반도체 프로세싱 단계들을 사용하는, Twichell 등에 의한 미국 특허 제 5,608,283호에 주어진다.
발전된 전계 방출 캐소드들을 생성하는 다양한 프로세스에도 불구하고, 상술한 종래 방법들의 복잡성을 피하는 개선된 제조 기술들이 필요하다. 큰 전계 방출 디스플레이들이 결함없이 적당한 비용으로 제조될 수 있도록 전계 방출 캐소드들이 스케일가능하게 되는 개선된 방법들이 바람직하다.
전기 영동 침착(electrophoretic deposition)은 전계 방출 캐소드를 제조하는 효과적인 프로세스를 제공한다. 전자 방출 물질의 입자들은 절연층 위에 놓인 도전층 상에 전기 영동 침착에 의해 침착되어 캐소드를 생성한다. 본 발명의 특징에 따라, 절연 입자들이 침착층 내의 전자 방출 입자들과 혼합된다. 전계 방출 캐소드의 원하는 특성들은, 도전층에 대한 방출 입자들의 필요한 응착력, 전계가 캐소드에 인가될 때의 충분한 방출, 및 전계 방출의 공간적 및 시간적인 안정성을 포함한다. 본 발명의 또다른 특징에 따라, 침착조(deposition bath)의 구성을 제어하고, 방출 입자들과 절연 입자들을 혼합함으로써, 전기 영동 침착 프로세스는 원하는 특성들을 갖는 전계 방출 캐소드들을 효과적으로 생성하는데 사용될 수 있다. 방출 입자들에 사용될 수 있는 전자 방출 물질들은 금속, 반도체들, 금속-반도체 화합물들, 및 탄소 형태들을 포함한다. 예컨대, 그래파이트 탄소, 다이아몬드, 비결정질 탄소, 몰리브덴, 주석, 및 실리콘은 모두 분말 형태로 방출 입자들로서 사용되는 것이 유리하다. 유리한 입자 크기는 약 0.05㎛ 내지 약 20㎛이다. 균일하기 보다는 분산된 입자 크기 분포는 패킹을 개선하는데 바람직하다.
절연 입자들은 약 2 eV 이상인 밴드갭을 갖고, 분말 형태로 이용가능한 물질로 구성된다. 절연 입자들이 사용된 절연 물질들의 특정 예들은 γ-알루미나, 다른 알루미늄 상태들, 실리콘 카바이드, 및 티타늄과 지르코늄의 산화물들을 포함한다. 최상의 결과는 방출 입자들의 특징적인 크기의 약 1/4 내지 약 1/2인 절연 입자들에 의해 달성된다. 절연 입자들에 대한 방출 입자들의 비율은 약 0.1중량% 내지 약 99중량%의 방출 입자들에서 변화하고, 특정 물질들에 따라서는 약 5중량%와 약 50중량%의 방출 입자들에서 변화하는 것이 바람직하다. 방출 입자들로서 그래파이트 탄소 입자들 및 절연 입자들로 γ-알루미나 입자들에 대해, 약 20중량%의 그래파이트 탄소 입자들을 갖는 혼합물이 유리한 결과를 제시한다.
전기 영동 침착에서, 침착조 내에 부유하는 입자들은 전계의 영향 하에 도전 기판 상에 침착된다. 침착조의 구성은 전기 영동 침착 프로세스 내에 중요한 역할을 한다. 본 발명의 특징에 따라, 전계 방출 캐소드용 침착조는 알콜, 충전염(charging salt) 물, 및 분산제를 포함한다. 침착조의 주요 구성성분은 프로페놀, 뷰타놀, 또는 옥타놀과 같은 상당히 친수성의 알콜이다. 약 10-5 내지 10-1 몰/리터의 농도로 Mg(NO3)2, La(NO3)2, 또는 Y(NO3)2와 같은 충전염은 알콜에 부가된다. 금속 질산염들은 알콜에서 부분적으로 해리되고, 양극 해리 생성물은 방출 입자들 및 절연 입자들상에 흡착되어 이들을 양극으로 충전한다. 물의 함량(content)은 도전층에 대한 입자들의 응착력 및 입자들 서로간의 응착력에 상당한 영향을 끼친다. 용해된 충전염은 물의 환원으로부터의 수산화 이온들과 반응하여, 접합제로 역할하는 수산화물을 형성한다. 약 1체적% 내지 약 30체적%의 물의 함량은 침착된 입자들의 응착력을 증가시키는데 사용된다. 또한, 침착조는 침착조의 1체적%부터 20체적%의 농도의 분산제, 예컨대, 글리세린을 포함한다. 특히, 유리한 결과들은 3체적%의 물과 1체적%의 글리세린과 함께 10-3 몰 Mg(NO3)2를 함유한 이소프로필 알콜의 침착조 내에서 약 0.05㎛의 γ-알루미나 입자들과 20:80의 중량 비율로 혼합된 약 0.1 내지 1.0㎛의 크기 범위의 그래파이트 탄소 입자들의 침착에 의해 획득된다.
본 발명의 방법에 따라 생성된 전계 방출 캐소드들은 우수한 공간적이고 시간적인 안정성을 갖는 방출을 나타낸다. 방출층은 균일한 침착물이며 아래에 놓인 기판에 우수한 응착력을 가진다. 이와 같이 생성된 전계 방출 캐소드들은 전계 방출 디스플레이 장치 내에 전자 소스로 사용될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 특징에 따른 전계 방출 캐소드를 도시하는 개략적인 단면도.
도 1b는 전계 방출 캐소드의 도전 물질에 속박된 방출 입자들을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 특징들이 실행된 전기 영동 침착 셀을 도시하는 개략도.
도 3은 본 발명의 특징에 따른 ln(J/E2) 대 1/E를 도시하는 도면으로서, J는 전류 밀도이고 E는 캐소드에 인가된 전계이며, 점들은 측정값들을 나타내고, 직선은 데이터에 대한 최소제곱인 도면.
전기 영동 침착은 전계 방출 캐소드를 제조하는 효과적인 프로세스를 제공한다. 전자 방출 물질의 입자들은 전기 영동 침착에 의해 도전층에 침착되어 캐소드를 생성한다. 전기 영동 침착에서, 비-수성 매체(non-aueous medium)에 부유하는 입자들은 전계의 영향하에 도전 기판상에 침착된다. 전계 방출 캐소드의 원하는 특성들은 도전층에 대한 방출 입자들의 충분한 응착 강도, 전계가 캐소드에 인가될 때의 충분한 방출, 및 전계 방출의 공간적 및 시간적인 안정성을 포함한다. 본 발명의 특징에 따라, 침착조(deposition bath)의 구성을 제어하고 방출 입자들과 절연 입자들을 혼합함으로써, 전기 영동 침착 프로세스는 원하는 특징들을 갖는 전계 방출 캐소드들을 효과적으로 생성하는데 사용될 수 있다.
도 1은 절연 기판(12) 상에 지지된 도전 물질(14)을 포함하는 전계 방출 캐소드(10)의 개략적인 단면도이다. 기판(12) 및 도전 물질(14)은 캐소드 지주(cathode support; 16)를 공동으로 구성한다. 도전 물질(14)은 기판(12)을 완벽히 덮거나 기판(12) 상에 패턴(pattern)을 형성할 수 있다. 전자 방출 물질의 입자들(18)은 도전 물질(14)에 부착(bond)된다. 입자들(18)은 절연 입자들(19)에 의해 서로 분리된다. 절연 입자들(19)의 존재는 전계 방출 캐소드(10)의 특성을 개선한다.
임의의 이론에 구속되지 않고, 절연 입자들(19)의 유익한 효과는 다음과 같이 설명된다. 전계 방출 캐소드(10)가 진공에서 애노드에 대향하여 위치되고, 진공에서 애노드로부터 이격될 때, 캐소드(10)와 애노드 간에 전압이 인가되어 전자 방출 물질의 입자들(18)은 전계 방출에 의해 전자들을 배출한다. 다수의 입자들(18)이 서로 접촉하면, 입자들(18)은 단일 방출 사이트(single emission site)를 구성한다. 도 1b에서, 예컨대, 입자들(18a, 18b 및 18c)은 단일 방출 사이트로 작용한다. 절연 입자들(19)이 서로로부터 방출 입자들을 고립시킬 때, 각 방출 입자(18)는 별도의 방출 사이트를 잠재적으로 제공할 수 있다. 절연 입자들이 사용될 때, 방출 전류 및 방출의 시간적 안정성의 증가가 관찰된다.
전계 방출 캐소드(10)의 기판(12)은 유리, 세라믹, 또는 플라스틱과 같은 경성의(rigid) 절연 물질로 이루어진다. 금속들 및 금속 산화물들은 도전 물질(14)을 위해 사용된다. 도전 물질(14)에 사용된 도전 물질들의 특정 예들은 방출 인듐 주석 산화물(ITO), 금, 크롬, 알루미늄, 및 크롬 산화물을 포함한다. 전계 방출 디바이스들에서 사용될 수 있는 전자 방출 물질들은 금속들, 반도체들, 금속-반도체 화합물들, 및 흑연, 다이아몬드 및 비결정질 탄소와 같은 탄소 형태들을 포함한다. 예컨대, 그래파이트 탄소(graphite carbon), 몰리브덴, 주석 및 실리콘 모두는 분말 형태로 캐소드(10)의 방출 입자들(18)로서 사용되는 것이 유리하다. 부가적인 방출기 물질들은 다량으로(heavily) 도핑된 n형 기판 상의 텅스텐, 텅스텐으로 코팅된 지르코늄 산화물, n형 도핑된 실리콘, 다공성 실리콘(porous silicon), 금속 규화물, 갈륨 질화물과 같은 질화물들, 및 갈륨 비화물을 포함한다. 유익한 입자 크기들은 약 0.05㎛ 내지 약 20㎛이다. 균일하기보다는 분산된 입자 크기 분포들은 패킹(packing)을 개선하는데 바람직하다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 절연 입자들(19)은 방출 입자들(18) 보다 크기면에서 더 작다. 최상의 결과는 발광 입자들의 특징적인 크기의 약 1/2 내지 약 1/4 의 절연 입자들에 의해 달성된다. 절연 입자들(19)은 약 2 전자 볼트 이상의 밴드갭을 갖는 물질로 구성되며 분말 형태로 사용가능하다. 형태가 거의 구형 또는 입방(cubic)인 절연 입자들이 사용된다. 입자들(19)이 사용된 절연 물질들의 특정한 예들은 γ-알루미나, α-, β-, δ- 및 ζ- 알루미나와 같은 다른 알루미나 상태들, 실리콘 탄화물, 및 티타늄 및 지르코늄의 산화물들을 포함한다. 절연 입자들(19) 대 방출 입자들(18)의 비는 선택된 물질들에 의존한다. 입자 구성은 방출 입자들의 약 0.1중량% 내지 약 99중량%에서 변화하고, 방출 입자들이 약 5중량% 내지 약 50중량%에서 변화하는 것이 바람직하다. 예컨대, 방출 입자들(18)로서 그래파이트 탄소 입자들 및 절연 입자들(19)로서 γ-알루미나 입자들에 대해, 약 20중량%의 그래파이트 탄소 입자들을 갖는 혼합물은 유리한 결과를 제공한다.
전계 방출 캐소드(10)를 생성하기 위해 사용된 전기 영동 침착 셀(20)은 도 2에 종합적으로 도시된다. 음의 전극(캐소드; 26) 및 양의 전극(애노드; 24)은 액체 침착조(22) 내에 부유된다. 양으로 충전된 입자들(28)은 침착조 내에 부유된다. 입자들이 충전되는 방법은 하기에 논의된다. 전압원(30)은 양극 전극(14)과 음극 전극(12) 사이의 영역에 전계(E)를 생성하는 전압을 인가한다. 전계(E)의 영향하에서, 양으로 충전된 입자들(28)은 음으로 충전된 전극(26)쪽을 향한다. 전계 방출 캐소드(10)를 생성하기 위해, 충전된 입자들(28)은 방출 입자들(18)과 절연 입자들(19)의 원하는 혼합물을 포함한다. 도 1의 캐소드 지주(16)는 음극 전극(26)으로 사용된다. 전계(e)의 영향 하에서, 입자들(18, 19)의 혼합물은 캐소드 지주(16) 상에 침착되어 전계 방출 캐소드(10)를 생성한다.
침착조(22)의 구성은 전기 영동 침착 프로세스에서 중대한 역할을 한다. 본 발명의 특징에 따라, 침착조(22)는 알콜, 충전염(charging salt), 물, 및 분산제(dispersant)를 포함한다. 침착조(22)의 주요 구성성분은 프로페놀(propanol), 뷰타놀(butanol), 또는 옥타놀(octanol)과 같은 상당히 친수성의 알콜이다. 물과 섞일수 있는 임의의 알콜이 사용될 수 있다. Mg(NO3)2와 같은 충전염은 알콜에 용해된다. 충전염의 한가지 효과는 방출 입자들(18) 및 절연 입자들(19)에 전하를 나누는 주는 것이다. Mg(NO3)2는 알콜에서 2 단계로 부분적으로 해리된다:
Mg(NO3)2 → Mg(NO3)+ + NO3 -
Mg(NO3)+ → Mg2+ + NO3 -
Mg(NO3)+ 이온은 양으로 충전하도록 방출 입자들(18) 및 절연 입자들(19)로 흡착된다. 약 10-5 내지 약 10-1 몰/리터의 충전염 농도가 사용된다.
침착조(22)의 물의 함량은 체적 도전 물질(14)에 대한 침착된 방출 입자들(18)과 절연 입자들(19)의 응착력 및 서로에 대한 입자들의 응착력에 상당한 영향을 끼친다. 물이 침착조의 일부로 존재할 때, 용해된 충전염이 반응하여 접합제로 역할하는 수산화물(hydroxide)을 형성한다. 예컨대, 충전염으로 Mg(MO3)2와의 반응은:
2H2O + 2e- → H2(g)↑ + 2OH-
Mg(NO3)+ + 2OH- → Mg(OH)2 + NO3 -
수산화 마그네슘의 형태가 된다. 약 1체적% 내지 약 30체적%의 침착조의 물의 함량은 응착 강도를 증가시키는 것이 발견되었다. 물의 함량이 너무 높은 경우, 수소 가스의 방출은 도전 물질(14) 상에 입자 침착을 방해한다. 그러므로, 금속의 염이 선택된 용제(주로 알콜)에 녹을 수 있지만 수산화 금속(metal hydroxide)은 선택된 용제에 녹지않도록 충전염이 선택된다. 충전염들의 다른 예들은 란탄(lanthanum) 및 이트륨(yttrium)의 질산염들(nitrates)을 포함한다.
최종적으로, 침착조는 또한 응착 강도를 증가시키는 것으로 밝혀진 글리세린(glycerin)과 같은 분산제를 포함한다. 대안적인 분산제들은 카르복실기 메틸 셀루로스(carboxy methyl cellulose), 니트로 셀룰로스(nitro cellulose), 및 수산화 암모니아(ammonium hydroxide)를 포함한다. 침착조 내의 분산제를 포함하면, 패턴화된 도전 물질(14) 상에 입자들의 패킹 밀도(packing density)가 높아지게 된다. 수산화물 분산제(hydroxide binder)가 입자들 간의 격자간 영역들(interstitial regions)에 침착되고, 응착력은 입자들 간의 접촉점들에 기인하는 것으로 제안된다. 침착의 패킹 밀도를 증가시킴으로써, 접촉점들의 수가 증가되고, 따라서, 더 높은 응착 강도가 달성된다. 분산제 농도가 침착조의 약 1체적%부터 약 20체적%까지 변화할 수 있다. 침착조의 상이한 성분들의 최적 퍼센트는 발광 입자들, 절연 입자들, 및 개별 성분들의 일치(identity)에 의존한다. 아래의 예에서 도시되는 바와 같이, 1체적%의 글리세린과 3체적% 물과 함께 10-3 몰 Mg(NO3)2를 함유한 이소프로필 알콜의 침착조 내에서 20:80의 중량 비율로 0.05㎛ γ-알루미나 입자 및 약 0.1 내지 1.0㎛의 크기 범위의 그래파이트 탄소 입자들의 침착에 대해 유리한 결과들이 얻어진다.
방출 입자들 및 절연 입자들은 캐소드 지주(16) 상에 침착되어 전기 영동 침착의 병렬 플레이트 방법(parallel plate method)을 사용하여 전계 방출 캐소드(10)를 생성한다. 병렬 플레이트 침착에서, 캐소드 지주(16)와 동일한 크기 및 형상의 양극 전극(24)과 같은 카운터 전극은 캐소드 지주(16)와 병렬로 위치하고, 캐소드 지주(16)로부터 이격된다. 예컨대, 캐소드 지주(16)로서 ITO 패턴화된 5cm의 정사각형 유리 플레이트에 대해, 스테인레스 스틸 양극 전극(24)은 대략 3cm로 이격된다. 상술된 침착조는 알콜, 충전염, 물, 및 분산제를 조합하여 준비된다. 방출 입자들 및 절연 입자들의 혼합물이 침착조에 부가된다. 적절한 입자 혼합물(loadings)은 약 0.01 내지 약 10 그램/리터이며, 거의 3-4 g/l가 대표적이다. 입자들은 침착조에 부가되기 이전에, 임의의 덩어리들(agglomerates)을 부수기 위해 유리 구슬들(glass beads)로 구형으로 분쇄될 수 있다. 예컨대, 약 0.1 내지 1.0㎛ 크기 범위의 탄소 입자들은 침착 전에 거의 4시간동안 3mm 유리 구슬들로 구형으로 분쇄된다.
캐소드 지주(16) 및 카운터 전극(24)은 입자가 혼합된 침착조에 배치되고, 약 0.5에서 약 2㎃/㎠의 전류 밀도를 획득하기 위해 도전 물질(14)과 카운터 전극(24) 간에 DC 전압이 인가된다. 침착 두께는 전압이 인가된 시간의 양에 비례한다. 시간 및 전압들은 침착조 구성 및 캐소드 패턴에 의해 변화할 수 있다. 예컨대, 90초 동안 인가된 200V의 전압은 패턴화된 알루미늄 층으로 구성된 도전 물질(14) 상에 25㎛ 두께의 탄소/알루미나를 침착시킨다. 전압이 턴 오프된 후에, 캐소드는 알콜, 예컨대, 대기중에서 건조되고 충전염으로부터 형성된 수산화물을 산화물로 변환하기 위해 약 10분 내지 2시간동안 약 400 내지 500℃의 온도로 소성되는 침착조(22)의 알콜 성분으로 씻어낸 조(bath)로부터 제거된다.
상술한 전기 영동 방법으로 생성된 전계 방출 캐소드(10)는 시각적 검사에 대해 균일하게 나타난다. 또한, 입자들(18, 19)의 침착된 층은 적절한 응착력을 나타낸다. 손가락이 "핑거 와이프(finger wipe)" 테스트로 칭해진 절차에서 표면을 닦을 때 층이 제거된다. 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 전기 영동으로 침착된 층들의 우수한 응착력을 달성하는 것은 종래의 기술적인 문제점에 대한 도전이었다. 결국, 전계 방출 캐소드(10)는 우수한 방출 특징들을 나타낸다.
전계 방출 캐소드(10)의 방출 특징들은 제 2 병렬 플레이트 구조로 측정된다. 측정 구조의 일예에서, 캐소드(10)는 카운터 전극, 여기에서는 애노드를 구성하는, 유사한 형상의 인광 물질로 코팅된 투명 도전체로부터 약 150㎛로 이격된다. 캐소드(10) 및 애노드는 적절한 전원에 접속되고, 거의 10-5 내지 10-6 토르의 진공에 놓여진다. 약 200부터 약 1500V(1.3-10V/㎛)까지 변화하는 양 전위는 애노드에 인가되고, 방출 전류는 인가된 전압의 함수로서 기록된다. 전계 방출을 위한 방출 전류는 파울러 노드하임 방정식(Fowler Nordheim equation)을 따른다:
ln(J/E2) = a(1/E) + b
여기에서, J는 전류 밀도이고, E는 인가된 전계이며, a 및 b는 상수이다. 상술한 전기 영동 방법에 따라 준비되고 제 2 병렬 플레이트 구조에서 측정된, 전계 방출 캐소드(10)에 대해 도 3의 ln(J/E2) 대 1/E의 플롯(plot)은 전계 방출의 선형 의존 특성을 나타낸다. 애노드 상의 인광 물질들은 전계 방출 사이트들의 식별을 허용한다. 본 발명에 따른 전계 방출 캐소드(10)는 방출이 계속적으로 나타나는 도전 기판(14)의 가장자리들(edges)을 따라 형성된 방출 사이트들의 충분한 밀도를 입증한다. 결국, 제 2 병렬 플레이트 구조에서 측정된 바와 같이, 캐소드(10)의 방출은 일시적인 안정성을 나타낸다. 예컨대, 아래의 예 7에 나타나는 바와 같이, 캐소드(10)는 한 시간에 걸쳐 방출 전류의 5% 미만의 편이를 나타낸다.
전계 방출 캐소드는 구동 애노드 및 인광 물질로 코팅된 애노드와 조합되어 전계 방출 디스플레이를 생성할 수 있다. 구동 애노드는 종래의 전계 방출 캐소드들의 게이트 전극과 유사하다. 캐소드 및 게이트 전극의 적절한 패턴을 사용하여, 원하는 디스플레이 특성들이 달성될 수 있다. 그러한 디스플레이는 전기 영동 침착 기술들 및 장치가 방출 물질의 침착 동안 캐소드 전극 상에 균일한 전계를 제공하도록 적절히 스케일될 수 있기 때문에 대규모로 용이하게 스케일 될 수 있다. 이에 반하여, 캐소드들을 제조하기 위한 반도체 처리 기술들에 따른 기술들은 용이하게 스케일되지 않는다. 이와 같이 생성된 캐소드들의 특징 및 전계 방출 캐소드(10)의 전기영동 침착 방법들은 다음의 예에서 더 도시된다.
예 1
실시예
3mm 유리 구슬들로 4시간동안 구모양으로 분쇄되었던 0.1 - 10㎛의 크기 범위의 1.2g의 히다찌 GP-60S 탄소 흑연 분말은 이소프로필 알콜(IPA) 내의 300ml의 10-3M Mg(NO3)2에 부가되어 4g/l로 혼합된 침착조를 생성한다. 유리 지주 상에 2.5 x 5cm로 평탄화된 알루미늄 기판은 스테인레스 스틸 카운터 전극으로부터 3cm에 위치에 위치한 침착조에 배치된다. 200V의 DC 전압은 90초 동안 인가되어 25㎛의 침착물을 포함하는 전계 방출 캐소드를 기판 상에 생성한다. 캐소드는 IPA로 세척되고, 대기중에서 건조되어 20분 동안 425℃로 소성된다. 이와 같이 생성된 캐소드의 특성들 및 다음의 예들은 아래의 예 8에 기술된다.
예 2
실시예
IPA에 대해 1체적%의 글리세린을 부가하는 것을 제외하고 예 1에서와 같이 혼합된 침착조(loaded deposition bath)가 준비된다. 유리 지주 상에 2.5 x 5cm로 패턴화된 알루미늄 기판은 스테인레스 스틸 카운터 전극으로부터 3cm에 위치된 침착조에 위치된다. 125V의 DC 전압은 90초 동안 인가되어 25㎛ 침착물을 포함하는 전계 방출 캐소드를 기판 상에 생성한다. 캐소드는 IPA로 세척되고 대기중에서 건조되어 20분 동안 450℃에서 소성된다.
예 3
실시예
혼합된 침착조는 IPA에 3체적%의 물을 부가하는 것을 제외하고 예 1에서와 같이 준비된다. 유리 지주 상에 2.5 x 5cm로 패턴화된 알루미늄 기판은 스테인레스 스틸 카운터 전극으로부터 3cm에 위치된 침착조에 위치된다. 125V의 DC 전압은 90초 동안 인가되어 25㎛의 침착물을 포함하는 전계 방출 캐소드를 기판 상에 생성한다. 캐소드는 IPA로 세척되고 대기중에서 건조되어 20분 동안 450℃로 소성된다.
예 4
실시예
혼합된 침착조는 IPA에 대해 1체적%의 물과 1체적%의 글리세린을 부가하는 것을 제외하고 예 1에서와 같이 준비된다. 유리 지주 상에 2.5 x 5cm로 패턴화된 알루미늄 기판은 스테인레스 스틸 카운터 전극으로부터 3cm에 위치한 침착조에 배치된다. 100V의 DC 전압은 90초 동안 인가되어 25㎛의 침착물을 포함하는 전계 방출 캐소드를 기판 상에 생성한다. 캐소드는 IPA로 세척되고 대기중에서 건조되어 20분 동안 450℃에서 소성된다.
예 5
실시예
예 1에서와 같이 탄소 흑연 입자들은 탄소 대 알루미늄을 1:9의 중량 비율로 0.05㎛ γ-알루미나 입자들과 조합되어 도 1에서와 같이 구형으로 분쇄된다. 혼합된 입자들 중 1g은 1체적%의 물과 1체적%의 글리세린을 함유한 IPA를 포함하는 300ml의 침착조에 부가되어 3.33g/l로 혼합된 침착조를 생성한다. 125V의 DC 전압은 90초 동안 인가되어 25㎛의 침착물을 포함하는 전계 방출 캐소드를 기판 상에 생성한다. 캐소드는 IPA로 세척되고 대기중에서 건조되어 20분 동안 450℃에서 소성된다.
예 6
실시예
삭제
예 1에서와 같이 탄소 흑연 입자들은 탄소 대 알루미늄을 1:9의 중량 비율로 0.05㎛ γ-알루미나 입자들과 조합되어 도 1에서와 같이 구형으로 분쇄된다. 1g의 혼합된 입자들은 1체적%의 물과 1체적%의 글리세린을 함유한 IPA를 포함하는 300ml의 침착조에 부가되어 3.33g/l로 혼합된 침착조를 생성한다. 125V의 DC 전압은 90초 동안 인가되어 25㎛의 침착물을 포함하는 전계 방출 캐소드를 기판 상에 생성한다. 캐소드는 IPA로 세척되고 대기중에서 건조되어 20분 동안 450℃에서 소성된다.
예 7
침착조는 탄소 흑연 및 γ-알루미나 입자들이 탄소 대 알루미나를 2:8의 중량 비율로 조합되는 것을 제외하고 예 6에서와 같이 준비된다. 전계 방출은 <2V/㎛의 전계 강도로 이러한 조(bath)에서 준비된 캐소드로부터 관찰된다. 전류 편이는 한 시간에 걸쳐 5% 미만이다.
예 8
예 1 내지 7에 생성된 캐소드들은 시각적인 검사시 침착물의 균일성, 핑거 와이프 테스트 및 방출의 균일성에 의해 결정된 응착력에 따라 특징지어 진다. 침착된 물질이 도전 기판에 아래로 이동하지 않으면 응착력이 평균인 것으로 간주된다. cm 당 10개 이하의 개별 방출 사이트들이 도전 기판 가장자리를 따라 관찰되면 방출의 균일성은 낮은 것으로 판정된다. 20 내지 40 사이트/cm의 관찰은 평균 방출 균일성으로 고려되고 개별 사이트들에서 관찰될 수 없는 연속한 방출은 예외적인 방출 균일성으로 고려된다. 결과들은 표 1에 주어진다.
표 1. 캐소드 특징들
예 침착 균일성 응착력 방출 균일성
실시예 1 우수 평균 나쁨
실시예 2 우수 평균 나쁨
실시예 3 나쁨 평균 나쁨
실시예 4 우수 평균 나쁨
예5 우수 평균 우수
예6 우수 더욱 우수 우수
예7 우수 더욱 우수 예외적

이와 같이, 본 발명에 따른 전계 방출 캐소드는 우수한 공간적 시간적 안정성을 갖는 방출을 나타내는 것으로 보여진다. 방출층은 균일한 침착물이고 아래에 놓인 기판에 우수한 응착력을 가진다. 또한, 본 발명에 따른 전기 영동 침착 방법의 방법은 전계 방출 캐소드를 제조하기 위한 효과적인 프로세스를 제공하는 것으로 보여진다.
본 발명이 전계 방출 캐소드들의 특정한 예들을 참조하여 기술되었지만, 그 설명은 본 발명의 응용의 예일뿐이며, 거기에 제한되지 않는다. 개시된 예들의 특징들의 다양한 적응 및 조합들은 다음의 청구항에 의해 규정된 바와 같이 본 발명의 범위내에 있다.
삭제
삭제

Claims (35)

  1. 캐소드에 있어서,
    도전층, 및
    상기 도전층에 인접하고, 전자 방출 물질의 복수의 입자들 및 절연 물질의 복수의 입자들을 포함하는 방출층을 포함하고,
    절연 물질의 입자들의 특징적인 크기(characteristic size)는 방출 물질의 입자들의 특징적인 크기의 1/4 내지 1/2인, 캐소드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 방출 입자들은 상기 절연 입자들에 의해 서로 분리되는, 캐소드.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 방출 물질은 그래파이트 탄소(graphite carbon), 다이아몬드, 비결정질 탄소, 몰리브덴, 주석, 및 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 캐소드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 물질은 알루미나, 실리콘 카바이드, 티타늄 산화물, 및 지르코늄 산화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 캐소드.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 방출 물질은 그래파이트 탄소이고, 상기 절연 물질은 γ-알루미나이고, 그래파이트 탄소 입자들의 비율은 그래파이트 탄소 입자들 및 γ-알루미나 입자들의 총 중량의 5중량% 내지 50중량%인, 캐소드.
  7. 제 6항에 있어서,
    그래파이트 탄소 입자들의 비율은 그래파이트 탄소 입자들 및 γ-알루미나 입자들의 총 중량의 10중량% 내지 25중량%인, 캐소드.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 그래파이트 탄소 입자들의 특징적인 치수는 0.1㎛ 내지 1.0㎛의 범위에 있는, 캐소드.
  9. 삭제
  10. 전계 방출층을 제조하는 방법에 있어서,
    전자 방출 물질의 복수의 입자들, 절연 물질의 복수의 입자들, 친수성 알콜(hydrophilic alcohol), 물, 충전염, 및 분산제를 포함하는 입자 혼합 침착조(particle loaded deposition bath)를 제공하는 단계,
    상기 입자 혼합 침착조내에서 도전층을 카운터 전극으로부터 이격시켜 배치하는 단계, 및
    상기 도전층과 상기 카운터 전극 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함하고, 상기 전압 인가에 의해 방출 물질의 상기 입자들 및 절연 물질의 상기 입자들이 상기 도전층 상에 침착되어 상기 전계 방출층을 생성하는, 전계 방출층 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    절연 물질의 상기 입자들의 특징적인 크기는 방출 물질의 상기 입자들의 특징적인 크기의 1/4 내지 1/2인, 전계 방출층 제조 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 방출 물질은 그래파이트 탄소, 다이아몬드, 비결정질 탄소, 몰리브덴, 주석, 및 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 전계 방출층 제조 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 절연 물질은 알루미나, 실리콘 카바이드, 주석 산화물, 지르코늄 산화물로 구성된 그룹으로부터 선택된, 전계 방출층 제조 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 방출 물질은 그래파이트 탄소이고, 상기 절연 물질은 γ-알루미나이고, 그래파이트 탄소 입자들의 비율은 그래파이트 탄소 입자들 및 γ-알루미나 입자들의 총 중량의 5중량% 내지 50중량%인, 전계 방출층 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    그래파이트 탄소 입자들의 비율은 그래파이트 탄소 입자들 및 γ-알루미나 입자들의 총 중량의 10중량% 내지 25중량%인, 전계 방출층 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 그래파이트 탄소 입자들의 특징적인 치수는 0.1㎛ 내지 1.0㎛의 범위에 있는, 전계 방출층 제조 방법.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 침착조 내의 물의 비율은 1체적% 내지 30체적%인, 전계 방출층 제조 방법.
  18. 제 10항에 있어서,
    상기 충전염은 Mg(NO3)2, La(NO3)2, 및 Y(NO3)2 로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 전계 방출층 제조 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 충전염은 리터 당 10-5 내지 10-1몰의 농도로 상기 침착조 내에 존재하는, 전계 방출층 제조 방법.
  20. 제 10항에 있어서,
    상기 침착조 내의 분산제의 비율은 1체적% 내지 20체적%인, 전계 방출층 제조 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 분산제는 글리세린(glycerin)인, 전계 방출층 제조 방법.
  22. 제 10항에 있어서,
    침착조의 리터 당 입자들의 총 중량은 리터 당 0.01 내지 10그램인, 전계 방출층 제조 방법.
  23. 캐소드를 제조하는 방법에 있어서,
    전자 방출 물질의 복수의 입자들, 절연 물질의 복수의 입자들, 친수성 알콜, 물, 충전염, 및 분산제를 포함하는 입자 혼합 침착조를 제공하는 단계,
    상기 입자 혼합 침착조 내에서 캐소드 지주를 카운터 전극으로부터 이격시켜 배치하는 단계로서, 상기 캐소드 지주는 절연층 상에 도전층을 포함하는, 상기 배치 단계, 및
    상기 도전층과 상기 카운터 전극 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함하고, 상기 전압 인가에 의해 방출 물질의 상기 입자들 및 절연 물질의 상기 입자들이 상기 도전층 상에 침착되어 상기 캐소드를 생성하는, 캐소드 제조 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    절연 물질의 상기 입자들의 특징적인 크기는 방출 물질의 상기 입자들의 특징적인 크기의 1/4 내지 1/2인, 캐소드 제조 방법.
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 방출 물질은 그래파이트 탄소, 다이아몬드, 비결정질 탄소, 몰리브덴, 주석, 및 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 캐소드 제조 방법.
  26. 제 23항에 있어서,
    상기 절연 물질은 알루미나, 실리콘 카바이드, 티타늄 산화물, 및 지르코늄 산화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 캐소드 제조 방법.
  27. 제 23항에 있어서,
    상기 방출 물질은 그래파이트 탄소이고, 상기 절연 물질은 γ-알루미나이고, 그래파이트 탄소 입자들의 비율은 그래파이트 탄소 입자들 및 γ-알루미나 입자들의 총 중량의 5중량% 내지 50중량%인, 캐소드 제조 방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    그래파이트 탄소 입자들의 비율은 그래파이트 탄소 입자들 및 γ-알루미나 입자들의 총 중량의 10중량% 내지 25중량%인, 캐소드 제조 방법.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 그래파이트 탄소 입자들의 특징적인 치수는 0.1㎛ 내지 1.0㎛의 범위에 있는, 캐소드 제조 방법.
  30. 제 23항에 있어서,
    상기 침착조 내의 물의 비율은 1체적% 내지 30체적%인, 캐소드 제조 방법.
  31. 제 23항에 있어서,
    상기 충전염은 Mg(NO3)2, La(NO3)2, 및 Y(NO3)2 로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 캐소드 제조 방법.
  32. 제 30항에 있어서,
    상기 충전염은 리터 당 10-5 내지 10-1몰의 농도로 상기 침착조 내에 존재하는, 캐소드 제조 방법.
  33. 제 23항에 있어서,
    상기 침착조 내의 분산제의 비율은 1체적% 내지 20체적%인, 캐소드 제조 방법.
  34. 제 33항에 있어서,
    상기 분산제는 글리세린인, 캐소드 제조 방법.
  35. 제 23항에 있어서,
    침착조의 리터 당 입자들의 총 중량은 리터당 0.01 내지 10 그램인, 캐소드 제조 방법.
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