KR100822206B1 - 카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출원 형성용조성물, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 이용한 전자방출원의 제조방법, 상기 방법에 의해서 제조된 전자방출원 및 상기 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자 - Google Patents

카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출원 형성용조성물, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 이용한 전자방출원의 제조방법, 상기 방법에 의해서 제조된 전자방출원 및 상기 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자 Download PDF

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김재명
문희성
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Abstract

본 발명은 카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 이용한 전자 방출원의 제조방법, 상기 방법에 의해서 제조된 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소, 유기 용매 및 분산제를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 이용한 전자 방출원의 제조방법, 상기 방법에 의해서 제조된 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 균일성이 뛰어나고, 장수명을 지니는 전자 방출원을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 탄소나노튜브를 채용하는 경우에 비해서 훨씬 저렴한 비용으로 전자 방출원을 제조할 수 있으며, 별도의 패터닝 공정이 없이도 잉크젯 방식에 의해서 최종 전자 방출원의 크기를 용이하게 조절하면서 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 종래 인쇄 방식의 현상 과정에서 발생되는 잔사로 인한 불균일 에미션을 방지할 수 있고, 특히, 판상의 카바이드 유도 탄소를 채용하여 잉크젯 방식에 용이하게 적용이 가능하고, 고전계에서도 아크 발생이 거의 없는 미세 전극을 편리하게 제조할 수 있다.
카바이드 유도 탄소, 전자 방출원, 잉크젯 방식

Description

카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 이용한 전자 방출원의 제조방법, 상기 방법에 의해서 제조된 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자{Composition for preparing electron emitter, method for preparing the electron emitter utilizing the composition, the electron emitter prepared using the method and electron emission device comprising the electron emitter}
도 1은 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따라서 제조된 카바이드 유도 탄소의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진 및 투과 전자 현미경 (TEM) 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 발광 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 전기장에 따른 전류 밀도를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 하면기판 120: 캐소드 전극
130: 절연체층 140: 게이트 전극
160: 전자 방출원 169: 전자 방출원 홀
170: 형광체층 180: 애노드 전극
190: 상면기판 192: 스페이서
200: 전자 방출 소자 201: 상판
202: 하판 210: 발광공간
본 발명은 카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 이용한 전자 방출원의 제조방법, 상기 방법에 의해서 제조된 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 균일성이 뛰어나고, 장수명을 지니는 전자 방출원을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 탄소나노튜브를 채용하는 경우에 비해서 훨씬 저렴한 비용으로 전자 방출원을 제조할 수 있으며, 별도의 패터닝 공정이 없이도 잉크젯 방식에 의해서 최종 전자 방출원의 크기를 용이하게 조절하면서 패턴을 형성할 수 있는 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 이용한 전자 방출원의 제조방법, 상기 방법에 의해서 제조된 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자에 관한 것이다.
일반적으로 전자 방출 소자는 전자 방출원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는, FEA(Field Emitter Array)형, SCE(Surface Conduction Emitter)형, MIM(Metal Insulator Metal)형 및 MIS (Metal Insulator Semiconductor)형, BSE(Ballistic electron Surface Emitting)형 등이 알려져 있다.
상술한 바와 같은 전자 방출 소자 중, 전자를 방출시키는 전자 방출원을 이루는 물질로서, 카본계 물질, 예를 들면, 전도성, 전계 집중 효과 및 전계 방출 특성이 우수하고, 일함수가 낮은 카본나노튜브가 널리 사용되고 있다.
그러나, 카본나노튜브는 필드 강화 인자 (field enhancement factor, β)가 큰 파이버 형태의 것이 일반적이며, 이러한 형태를 갖는 재료는 재료의 균일성 (uniformity) 및 수명 등에서 많은 문제점을 갖고 있다. 또한, 페이스트, 잉크 또는 슬러리 등으로 제조시에 이러한 파이버 형태로 인하여 입자 형태의 타 재료보다 불리한 공정상 문제점들을 지니고 있으며, 더욱이 원재료 자체가 매우 고가의 물질이라는 문제점을 안고 있다.
최근에, 카본나노튜브의 이러한 단점을 해결하고자 저가의 카바이드 계열 화합물들로부터 카본나노튜브를 대체할 수 있는 물질을 개발하기 위한 연구들이 진행되고 있으며, 구체적으로 대한민국 공개특허공보 제2001-13225호는 카바이드를 탄소 전구 물질로 사용하여 운반 공극율을 갖는 작업편을 형성하고, 열화학 처리에 의해서 상기 작업편에 나노크기의 공극을 형성하는 단계를 포함하는 다공성 탄소 제품의 제조방법 및 상기 제조된 다공성 탄소 제품을 전기층 캐패시터에서 전극 물질로 사용하는 것을 개시하고 있다. 또한, 러시아 공개특허공보 제2,249,876호에 따르면, 소정의 크기를 갖는 나노 기공들이 분포된 나노 다공성 탄소를 냉음극으로 채용하는 것을 개시하고 있다.
한편, 전자 방출원을 형성하는 방법과 관련해서는, 전자 방출원 형성용 페이 스트 조성물을 제조하고, 이를 기판 상에 인쇄, 소성 및 활성화시키는 방법, 기판 상에 카본계 물질을 직접 성장시키는 방법 등이 알려져 있으며, 특히 최근에는 전자 방출원 형성용 잉크 조성물을 제조한 후, 이를 잉크젯 방식에 의해서 기판 상에 분사함으로써 전자 방출원을 형성하는 방법도 알려진 바 있다 (대한민국 공개특허공보 제2002-80393호).
이러한 잉크젯 방식에 의한 전자 방출원 형성 방법은 별도의 노광 및 현상 공정을 요하지 않는다는 점에서 공정 단축에 유리하며, 공정 도중 재료의 손실을 피할 수 있고, 원치 않는 위치의 잔사 (미현상 전자 방출원)에 의한 불균일한 전자 방출을 방지할 수 있다는 점에서 기타 전자 방출원 형성 방법보다 유리하다.
그러나, 종래 통상적인 전자 방출원 형성용 잉크 조성물에서 사용되는 탄소나노튜브, 그래파이트 섬유 등은 종횡비 (aspect ratio)가 매우 커서 필드 강화 인자 값 (field enhancement factor, β)이 크고, 결과적으로 잉크젯 기록 방식에 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하여, 종래 탄소나노튜브를 채용하는 경우에 비해서 훨씬 저렴한 비용으로 전자 방출원을 제조할 수 있으며, 별도의 패터닝 공정이 없이도 잉크젯 방식에 의해서 최종 전자 방출원의 크기를 용이하게 조절하면서 패턴을 형성할 수 있는 전자 방출원 형성용 조성물, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 이용한 전자 방출원의 제조방법, 상기 방법에 의해서 제조된 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위해서,
카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소, 유기 용매 및 분산제를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제공한다.
본 발명은 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위해서,
카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소, 유기 용매 및 분산제를 포함하는 현탁액을 교반하여 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 단계;
상기 전자 방출원 형성용 조성물을 노즐을 구비한 잉크젯 프린터를 사용하여 기판 상에 분사하는 단계; 및
상기 분사 결과물을 소성하는 단계
를 포함하는 전자 방출원의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위해서,
상기 전자 방출원의 제조방법에 따라서 제조된 전자 방출원을 제공한다.
이하, 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따르면, 전자 방출원의 제조비용을 획기적으로 절감할 수 있으며, 카본나노튜브에 비해서 잉크젯 방식의 전자 방출원 제조방법에 더욱 적합한 전자 방출원 형성용 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 전자 방출원 형성용 조성물은, 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소, 유기 용매 및 분산제를 포함한다.
상기 카바이드 유도 탄소는 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조될 수 있다. 이는, 대한민국 공개특허공보 제2001-13225호에 개시된 바와 같이, ⅰ) 카바이드 화합물의 입자들에 소정의 운반 공극율을 갖는 작업편을 형성하는 단계, 및 ⅱ) 350℃ 내지 1200℃ 범위의 온도로 할로겐족 원소 함유 기체 중에서 상기 작업편을 열화학적으로 처리하여 상기 작업편 중의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써, 상기 작업편 전체에 걸쳐서 나노 공극율을 갖는 카바이드 유도 탄소를 제조하는 단계에 의해서 수행될 수 있다.
이러한 카바이드 유도 탄소는 종래 전자 방출원의 재료로 사용되는 카본나노튜브에 비해서 잉크젯 방식의 전자 방출원 제조 방법에 더욱 적합한데, 이는 카본나노튜브의 경우 종횡비가 매우 큰 파이버 형태를 갖지만, 카바이드 유도 탄소의 경우는 가로 길이와 세로 길이의 비가 거의 1에 가까운 판상형을 갖고, 결과적으로 필드 강화 인자 (field enhancement factor, β)가 매우 작기 때문이다. 더욱이, 카바이드 유도 탄소의 경우는 전자 방출원의 전구 물질인 카바이드의 선택적 적용을 통해서 최종 전자 방출원의 크기를 용이하게 조절할 수 있다는 장점도 갖는다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소를 제조하기 위한 카바이드 화합물은 탄소와 주기율표의 Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족 또는 Ⅵ족 원소와의 화합물로서, 더욱 바람직하게는, SiC4 또는 B4C와 같은 다이아몬드류 카바이드; TiC 또는 ZrCx와 같은 금속류 카바이드; Al4C3 또는 CaC2와 같은 염류 카바이드; TixTayC 또는 MoxWyC와 같은 착물 카바이드; TiNxCy 또는 ZrNxCy와 같은 카보나이트라이드; 또는 상기 카바이드 물질들의 혼합물이며, 할로겐족 원소 함유 기체는 Cl2, TiCl4 또는 F2 기체일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전자 방출원 형성용 조성물은 분산제를 포함하며, 본 발명에서 사용될 수 있는 분산제로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 알킬아민, 카르복실산 아미드 및 아미노카르복실산염으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물을 예로 들 수 있다.
상기 알킬아민의 구체적인 예로는, 부틸아민, 옥틸아민, 도데실아민, 헥사도데실아민, 옥타데실아민, 코코아민, 타로아민, 수소화타로아민, 올레일아민, 라우릴아민, 및 스테아릴아민 등과 같은 제1급 아민; 디코코아민, 디수소화 타로아민, 및 디스테아릴아민 등과 같은 제2급 아민; 및 도데실디메틸아민, 디도데실모노메틸아민, 테트라데실디메틸아민, 옥타데실디메틸아민, 코코디메틸아민, 도데실테트라데실디메틸아민 및 트리옥틸아민 등과 같은 제3급 아민; 또는 나프탈렌디아민, 스테아릴프로필렌디아민, 옥타메틸렌디아민 및 노난디아민 등과 같은 디아민을 들 수 있다.
또한, 상기 카르복실산 아미드 및 아미노카르복실산염의 구체적인 예로는, 스테아르산 아미드, 팔미틴산 아미드, 라우린산 라우릴아미드, 올레인산 아미드, 올레인산 디에탄올아미드, 올레인산 라우릴아미드, 스테아라닐리드, 올레일아미노에틸글리신 등을 들 수 있다. 상기 알킬아민, 카르복실산 아미드 또는 아미노카르복실산염은 1종 이상을 사용할 수 있고, 본 발명에 따른 조성물 내에서 안정한 분산제로서 작용한다.
본 발명에 따르면, 상기 분산제의 함량은 상기 카바이드 유도 탄소 100 중량부에 대해서 10 내지 100 중량부인 것이 바람직한데, 분산제의 함량이 10 중량부 미만인 경우에는 조성물 중에서 카바이드 유도 탄소를 충분히 분산시킬 수 없다는 문제점이 있고, 분산제의 함량이 100 중량부를 초과하는 경우에는 분산제 자체의 응집으로 인해서 입자 간의 반발력을 감소시키는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 조성물에 포함되는 유기 용매로는, 잉크젯 방식의 전자 방출원 제조방법에 사용되기에 적합한 통상의 유기 용매들이 사용될 수 있으며, 그 구체적인 예로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 운데칸, 도데칸, 트리데칸, 트리메틸펜탄 등의 직쇄형 알칸, 시클로헥산, 시클로헵탄, 시클로옥탄 등의 환상 알칸, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 트리메틸벤젠, 도데실벤젠 등의 방향족 탄화수소, 헥산올, 헵탄올, 옥탄올, 데칸올, 시클로헥산올, 터피네올, 시트로네올, 게라니올, 페네틸알콜 등의 알콜을 들 수 있으며, 이들 유기 용매는 단독 및 혼합 사용이 가능하다.
본 발명에 따르면, 상기 유기 용매의 함량은 상기 카바이드 유도 탄소 100 중량부에 대해서 50 내지 200 중량부인 것이 바람직한데, 유기 용매의 함량이 50 중량부 미만인 경우에는 점도가 높아서 잉크젯 프린터의 헤드로부터의 분사 토출이 어려울 뿐만 아니라 노즐 막힘이 발생하는 등의 문제점이 있고, 유기 용매의 함량이 200 중량부를 초과하는 경우에는 원하는 두께의 패턴을 얻기 어려우며, 보관 및 유지 시에 침전이 발생하는 등의 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 조성물은, 카바이드 유도 탄소, 분산제 및 유기 용매 이외에도, 필요에 따라 유기 바인더 또는 첨가제를 더 포함할 수도 있으며, 이러한 유기 바인더의 구체적인 예로는 에틸 셀룰로오즈, 아크릴레이트, 아크릴 코폴리머, 멜라민 수지, 우레아 유도체, 페놀 수지, 로진 (Rosin) 수지 등과 같은 열가망성 수지 등을 들 수 있고, 첨가제의 구체적인 예로는 탈포제, 가소제, 소포제, 평활제, 증점제, 가망제, 자외선 흡수제 등을 들 수 있다. 상기 유기 바인더는 흡수층이 없는 곳에 잉크의 망점이 유지되게 하고, 표면 장력에 의하여 잉크의 퍼짐을 방지하는 역할을 한다.
특히, 기판과 잉크젯 용액의 부착성 문제를 해결하기 위해서 고온 소성 공정이 필요한데, 이때 첨가되는 물질로는 비닐트리메톡시실란, 비닐트리메틸실란 등과 같은 실리콘계 무기 바인더 또는 글래스 프릿 등이 있다.
본 발명에 따른 조성물은, 카바이드 유도 탄소, 분산제 및 유기 용매의 고분산 현탁액을 통상의 기계적 교반, 초음파 처리, 볼 밀, 샌드 밀 등의 방법에 의해서 제조한 후, 상기 유무기 바인더 및 기타 첨가제를 혼합하여 재교반함으로써 제 조할 수도 있고, 다른 한편으로는, 처음부터 모든 구성 성분들을 혼합하는 방법에 의해서 제조할 수도 있다.
한편, 본 발명은 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 이용하여 전자 방출원을 제조하는 방법을 제공하며, 이는, 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소, 유기 용매 및 분산제를 포함하는 현탁액을 교반하여 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 단계; 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 노즐을 구비한 잉크젯 프린터를 사용하여 기판 상에 분사하는 단계; 및 상기 분사 결과물을 소성하는 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 전자 방출원은, 잉크젯 프린터용 잉크로서 본 발명에 따른 전자 방출원 형성용 조성물을 사용한다는 점을 제외하고는, 통상의 잉크젯 방식에 따라서 제조될 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 잉크젯 방식에 의해서 전자 방출원을 제조하므로, 투명재질의 전극 기판을 사용하지 않고도 전자 방출원을 제조할 수 있으며, 별도의 패턴 공정을 필요로 하지 않으므로 공정 단축 및 재료 절감을 도모할 수 있고, 종래 인쇄 방식의 현상 과정에서 발생되는 잔사로 인한 불균일 에미션을 방지할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 판상의 카바이드 유도 탄소를 채용하여 잉크젯 방식에 용이하게 적용이 가능하고, 고전계에서도 아크 발생이 거의 없는 미세 전극을 편리하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 따라서 제조된 전자 방출원을 제공한다.
본 발명에 따른 전자 방출원은 냉음극용 전자 방출원으로서, 가열에 의해서 열전자를 방출하는 것이 아니라, 이온 충격에 의한 2차 전자 방출과 이온의 재결합에 의해 생기는 광전자 방출 또는 전기장 방출 등으로 전자를 방출하게 되며, 우수한 전자 방출 특성을 갖는 카바이드 유도 탄소를 포함하는 관계로 그 전자 방출 효율도 매우 우수하다.
본 발명에 따른 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자는, 제1 기판과, 상기 제1 기판 상에 배치된 캐소드 전극 및 전자 방출원과, 상기 캐소드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 절연체층을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 전자 방출원은 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소를 포함한다.
상기 전자 방출 소자는, 상기 게이트 전극의 상측을 덮는 제2 절연체층을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 절연체층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함할 수 있는 등, 다양한 변형예가 가능하다.
상기 전자 방출 소자는 다양한 전자 장치, 평판 디스플레이, 텔레비젼, X선 튜브, 에미션 게이트 증폭기 (Emission gate amplifiers) 등과 같은 진공 전자 장치에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
도 1에는, 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도로서, 대표적으로 3극관 구조의 전자 방출 소자를 도시하였다.
도시한 바와 같이, 전자 방출 소자 (200)는 상판 (201)과 하판 (202)을 구비하고, 상기 상판은 상면기판 (190), 상기 상면기판의 하면 (190a)에 배치된 애노드 전극 (180), 상기 애노드 전극의 하면 (180a)에 배치된 형광체층 (170)을 구비한다.
상기 하판 (202)은 내부 공간을 갖도록 소정의 간격을 두고 상기 상면기판 (190)과 대향하여 평행하게 배치되는 하면기판 (110), 상기 하면기판 (110) 상에 스트라이프 형태로 배치된 캐소드 전극 (120), 상기 캐소드 전극 (120)과 교차하도록 스트라이프 형태로 배치된 게이트 전극 (140), 상기 게이트 전극 (140)과 상기 캐소드 전극 (120) 사이에 배치된 절연체층 (130), 상기 절연체층 (130)과 상기 게이트 전극 (140)의 일부에 형성된 전자방출원 홀 (169), 상기 전자방출원 홀 (169) 내에 배치되어 상기 캐소드 전극 (120)과 통전되고 상기 게이트 전극 (140)보다 낮은 높이로 배치되는 전자방출원 (160)을 구비한다.
상기 상판 (201)과 하판 (202)은 대기압보다 낮은 압력의 진공으로 유지되며, 상기 진공에 의해 발생하는 상기 상판과 하판 간의 압력을 지지하고, 발광공간 (210)을 구획하도록 스페이서 (192)가 상기 상판과 하판 사이에 배치된다.
상기 애노드 전극 (180)은 상기 전자방출원 (160)에서 방출된 전자의 가속에 필요한 고전압을 인가하여 상기 전자가 상기 형광체층 (170)에 고속으로 충돌할 수 있도록 한다. 상기 형광체층은 상기 전자에 의해 여기되어 고에너지 레벨에서 저에너지 레벨로 떨어지면서 가시광을 방출한다. 칼라 전자 방출 소자의 경우에는 단위화소를 이루는 복수의 상기 발광공간 (210) 각각에 적색 발광, 녹색 발광, 청 색 발광의 형광체층이 상기 애노드 전극의 하면 (180a)에 배치된다.
상기 게이트 전극 (140)은 상기 전자방출원 (160)에서 전자가 용이하게 방출될 수 있도록 하는 기능을 담당하며, 상기 절연체층 (130)은 상기 전자방출원 홀 (169)을 구획하고, 상기 전자방출원 (160)과 상기 게이트 전극 (140)을 절연하는 기능을 담당한다.
전계 형성에 의해 전자를 방출하는 상기 전자방출원 (160)은 상술한 바와 같이 카바이드 유도 탄소를 포함한다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
카바이드 유도 탄소의 제조
탄소 전구체로서 평균입경 0.7㎛의 α-SiC 100g을 사용하고 그라파이트 반응챔버, 트랜스포머 (transformer) 등으로 구성된 고온 전기로를 이용하여 1000℃에서 분당 0.5ℓ의 Cl2 가스를 흘려서, 열화학 반응에 의해 Si를 전구체로부터 추출함으로써 카바이드 유도 탄소 30g을 제조하였다.
도 2a 및 2b에는 상술한 방법에 따라서 제조된 카바이드 유도 탄소의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진 및 투과 전자 현미경 (TEM) 사진을 도시하였다.
전자 방출원 형성용 조성물의 제조
상기 카바이드 유도 탄소 20.5g, 분산제로서 카르복실산 에스테르 1.4g, 유기 용매로서 테트라데칸 35g, 유기 바인더로서 아크릴 수지 11g, 무기 바인더로서 비닐트리메톡시실란 1.5g 및 첨가제로서 인산 0.3g을 3롤 밀을 사용하여 균일하게 혼합 분산시킴으로써, 본 발명에 따른 전자 방출원 형성용 조성물을 제조하였다.
전자 방출원의 제조
상기 전자 방출원 형성용 조성물을 잉크로서 사용하고, 시중에서 시판되는 피에조 방식의 싱글 노즐을 갖는 잉크젯 프린터를 사용하여 보로실리케이트 유리 기판 상에 폭 20㎛, 도포 두께 3㎛, 길이 2인치로 분사하였다. 이어서, 전기로를 사용하여 400℃에서 30분간 소성함으로써 본 발명에 따른 전자 방출원을 제조하였다.
전자 방출 소자의 제작
상기 전자 방출원을 냉음극 캐소드로 사용하고, 100㎛ 두께의 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름을 스페이서로, 구리 플레이트를 애노드 전극으로 사용하여 전자 방출 소자를 제작하였다.
도 3에는 제작된 전자 방출 소자의 발광 사진을 도시하였다.
전자 방출 소자의 성능 측정
제작된 전자 방출 소자에 대하여 각각 1/500 듀티율 (duty ratio)로 펄스 전압을 인가하여 방출 전류 밀도를 측정하였다. 그 결과, 턴-온 필드 (turn-on field)가 약 4.6 V/㎛이고, 약 6.9 V/㎛에서 100㎂/cm2에 도달하는 우수한 전자 방출 성능을 나타내었으며, 그 결과를 도 4에 도시하였다.
본 발명에 따르면, 균일성이 뛰어나고, 장수명을 지니는 전자 방출원을 제공 할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 탄소나노튜브를 채용하는 경우에 비해서 훨씬 저렴한 비용으로 전자 방출원을 제조할 수 있으며, 별도의 패터닝 공정이 없이도 잉크젯 방식에 의해서 최종 전자 방출원의 크기를 용이하게 조절하면서 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 종래 인쇄 방식의 현상 과정에서 발생되는 잔사로 인한 불균일 에미션을 방지할 수 있고, 특히, 판상의 카바이드 유도 탄소를 채용하여 잉크젯 방식에 용이하게 적용이 가능하고, 고전계에서도 아크 발생이 거의 없는 미세 전극을 편리하게 제조할 수 있다.

Claims (12)

  1. 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소, 유기 용매 및 분산제를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 카바이드 화합물은 SiC4, B4C, TiC, ZrCx, Al4C3, CaC2, TixTayC, MoxWyC, TiNxCy 및 ZrNxCy로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 카바이드 화합물인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분산제는 알킬아민, 카르복실산 아미드 및 아미노카르복실산염으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 알킬아민은 부틸아민, 옥틸아민, 도데실아민, 헥사도데실아민, 옥타데실아민, 코코아민, 타로아민, 수소화타로아민, 올레일아민, 라우릴아민, 및 스테아릴아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 제1급 아민; 디코코아민, 디수소화 타로아민 및 디스테아릴아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 제2급 아민; 도데실디메틸아민, 디도데실모노메틸아민, 테트라데실디메틸아민, 옥타데실 디메틸아민, 코코디메틸아민, 도데실테트라데실디메틸아민 및 트리옥틸아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 제3급 아민; 나프탈렌디아민, 스테아릴프로필렌디아민, 옥타메틸렌디아민 및 노난디아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 디아민; 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  5. 제3항에 있어서, 상기 카르복실산 아미드는 스테아르산 아미드, 팔미틴산 아미드, 라우린산 라우릴아미드, 올레인산 아미드, 올레인산 디에탄올아미드, 올레인산 라우릴아미드 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것이고, 상기 아미노카르복실산염은 스테아라닐리드, 올레일아미노에틸글리신 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 분산제의 함량은 상기 카바이드 유도 탄소 100 중량부에 대해서 10 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매는 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸, 운데칸, 도데칸, 트리데칸 및 트리메틸펜탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 직쇄형 알칸; 시클로헥산, 시클로헵탄 및 시클로옥탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 환상 알칸; 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 트리메틸벤젠 및 도데실벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택된 방향족 탄화수소; 헥산올, 헵탄올, 옥탄올, 데칸올, 시클로헥산올, 터피네올, 시트로네올, 게라니올 및 페네틸알콜로 이루어진 군으로부터 선택된 알콜; 또는 그 혼 합물인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매의 함량은 상기 카바이드 유도 탄소 100 중량부에 대해서 50 내지 200 중량부인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 에틸 셀룰로오즈, 아크릴레이트, 아크릴 코폴리머, 멜라민 수지, 우레아 유도체, 페놀 수지 및 로진 (Rosin) 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 바인더; 실리콘계 무기 바인더 및 글래스 프릿으로 이루어진 군으로부터 선택된 무기 바인더; 또는 탈포제, 가소제, 소포제, 평활제, 증점제, 가망제 및 자외선 흡수제로 이루어진 군으로부터 선택된 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  10. 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소, 유기 용매 및 분산제를 포함하는 현탁액을 교반하여 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 단계;
    상기 전자 방출원 형성용 조성물을 노즐을 구비한 잉크젯 프린터를 사용하여 기판 상에 분사하는 단계; 및
    상기 기판 상에 분사된 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 소성하는 단계
    를 포함하는 전자 방출원의 제조방법.
  11. 제10항에 따른 방법에 의해서 제조된 전자 방출원.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전자 방출원은 냉음극용 전자 방출원인 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
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