KR100837096B1 - 전계 방출 디바이스를 위한 균일한 방출 전류 - Google Patents
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Abstract
전계 방출 디스플레이(100)의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법은, 전자 이미터(116)를 적어도 부분적으로 규정하는, 제 1 탄소 나노 튜브(119)와 제 2 탄소 나노 튜브(118)를 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 탄소 나노 튜브(119)는 제 1 방출 전류 능력을 특징으로 하며 제 2 탄소 나노 튜브(118)는 제 1 방출 전류 능력보다 작은 제 2 방출 전류 능력을 특징으로 한다. 방법은, 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 길이를 제 1 비율로 감소시키는 단계와, 동시에, 제 2 탄소 나노 튜브(118)의 길이를 제 1 비율보다 작고 0과 같을 수 있는 제 2 비율로 감소시키고, 그에 의해 제 2 방출 전류 능력과 제 1 방출 전류 능력 사이의 차이를 감소시키는 단계를 포함하며, 따라서, 방출 전류의 균일성을 개선한다. 길이에서의 선택적인 감소들은 전자 이미터(116)에 의해 번인 전류를 방출시키는 단계를 수행함으로써 양호하게 달성된다.
탄소 나노 튜브, 방출 전류 능력, 전자 이미터, 번인 전류
Description
본 발명은 전계 방출 디바이스들의 영역에 관한 것으로, 특히, 전계 방출 디스플레이의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법들에 관한 것이다.
표면 전자 이미터들을 갖는 전계 방출 디바이스들은 이 기술 분야에 공지되어 있다. 표면 이미터들이 팁 이미터들(tip emitter)보다 더 큰 전류 밀도를 생성할 수 있기 때문에 표면 전자 이미터들이 스핀드 팁 이미터들(Spindt tip emitters)이상의 이점들을 제공하는 것은 또한 이 기술 분야에 인식되어 있다. 표면 이미터들은 또한, 더 큰 디바이스 규격들의 사용을 허용하며, 그에 의해 에러 공차들(error tolerances)을 완화시킨다.
그러나, 종래 기술의 표면 이미터들은 일반적으로 방출 표면들 위에 불균일한 방출 전류들로 문제가 된다. 불균일성을 처리하기 위한 한 종래 기술의 스킴은 발명의 명칭이 "전계 방출을 균일화하기 위한 재료들의 처리(Processing of Materials for Uniform Field Emission)"인 미국 특허 제 5,857,882 호에서 팬(Pan)등에 의해 논의되었다. 팬 등은 또한, 그 표면을 컨디셔닝(conditioning)함으로써 막의 방출 균일성을 개선하는 것을 제시한다. 팬 등은 컨디셔닝이 막의 표면 위에 금속 전극을 스캐닝함으로써 이루어질 수 있음을 제시한다. 이러한 설계는 막의 유닛 영역 당 방출 사이트들의 수를 증가시키는 것으로 생각된다. 그러나, 각각 개개의 방출 사이트는 사이트 전류를 방출할 수 있다. 전체 방출 전류의 불균일성은 사이트 전류들 중에서의 불균일성에 기인할 수 있다. 팬 등은 사이트 전류들 중에서 균일성을 개선하기 위한 쉽게 제어 가능한 방법을 제시하지 못한다. 더욱이, 팬 등에 의해 제시된 설계는, 시간 소모적이며, 아크(arcing)에 기인하여 전계 방출 디바이스에 손상을 일으킬 수 있다.
따라서, 표면 이미터들을 갖는 전계 방출 디바이스의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법에 대한 요구가 존재한다.
예증의 단순화 및 명백화를 위해, 도면들에 도시된 구성 요소들이 비례하게 도시될 필요가 없다는 것은 인식될 것이다. 예컨대, 몇몇 구성 요소들의 크기들은 서로 관련되어 과장된다. 더욱이, 적절하게 고려되는 참조 부호들은 대응하는 구성 요소들을 가리키는 도면들 중에 반복된다.
양호한 실시예들의 설명
본 발명은 전계 방출 디바이스의 방출 전류의 균일성을 개선시키기 위한 방법이다. 본 발명의 방법은, 개개의 탄소 나노 튜브들(carbon nanotubes)사이에서 방출 전류의 균일성을 보다 크게 하는 방식으로, 표면 전계 이미터를 양호하게 규정하는 탄소 나노 튜브들을 제공하는 단계와, 탄소 나노 튜브들의 길이들을 제어 가능하게 및 선택적으로 감소시키는 단계를 포함한다.
탄소 나노 튜브들은 처음에, 낮은 방출 나노 튜브들과 높은 방출 나노 튜브들을 포함한다. 즉, 높은 방출 나노 튜브들은 디바이스 전압들의 주어진 구성에 대해 낮은 방출 나노 튜브들보다 더 높은 방출 전류들을 방출하기 위한 능력을 특징으로 한다. 방출 전류 능력들에서의 이러한 불균일성은 표면 전계 이미터 위에 방출 전류의 불균일성을 초래하며 개개의 표면 전계 이미터들 중에 방출 전류의 불균일성을 초래할 수 있다. 본 발명의 방법은 낮은 방출 나노 튜브들의 길이들이 감소되는 비율들보다 더 큰 비율들로 높은 방출 나노 튜브들의 길이들을 감소시키는 단계를 포함한다.
일반적으로, 이는, 각각의 탄소 나노 튜브의 방출성의 엔드(emissive end)에 존재하는 전계 강도의 더 큰 불균일성을 초래하며, 따라서, 각각의 탄소 나노 튜브로부터의 개개의 방출 전류의 더 큰 불균일성을 초래한다. 본 발명의 방법은 나노 튜브의 길이가 감소되는 비율이 그 방출성의 엔드에 전계 강도에 의존하며, 따라서, 나노 튜브의 방출 전류 능력에 의존하기 때문에 주로 자체 제어(self-controlling)한다.
도 1은 본 발명에 따라, 전계 방출 장치의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법의, 번인 전류(burn-in current)를 이용하는 양호한 예의 타이밍 다이어그램.
도 2는 탄소 나노 튜브들로부터 이루어진 전자 이미터를 갖는 전계 방출 디스플레이의 횡단면도.
도 3은 도 2의 전계 방출 디스플레이의 횡단면도, 및 그 위에 도 1의 양호한 실시예에 따른 다양한 단계들의 성능(performance)을 부가하여 도시하는 도면.
도 4는 도 2의 전계 방출 디스플레이의 횡단면도, 및 그 위에 탄소 나노 튜브들의 방출 전류 능력(emission current capability)을 전계 방출 디바이스의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 본 발명의 방법에 따른 단계들의 성능에 수반하여 부가하여 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따라, 전계 방출 디바이스의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법의, 탄소 나노 튜브들의 역 분극(reverse polarization) 및 네거티브 충전된 반응성 종(negative charged reactive species)을 이용하는 다른 예의 타이밍 다이어그램.
도 6은 도 2의 전계 방출 디스플레이의 횡단면도, 및 도 5의 예에 따른 다양한 단계의 성능을 그 위에 부가하여 도시하는 도면.
도 1은 본 발명에 따라 전계 방출 디바이스의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법의, 번인 전류를 이용하는 양호한 예의 타이밍 다이어그램이다. 도 1의 타이밍 다이어그램은 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 아래에 기술된다. 특히, 도 2는 시간들(t1과 t2) 사이의 타이밍 다이어그램에 대응하고, 도 3은 시간들(t3과 t4) 사이의 타이밍 다이어그램에 대응하며, 도 4는 시간들(t5와 t6) 사이의 타이밍 다이어그램에 대응한다.
도 2는 탄소 나노 튜브들로 이루어진 전자 이미터(116)를 갖는 전계 방출 디스플레이(field emission display; FED)의 횡단면도이다. 비록 도 2가 디스플레이 디바이스를 도시하고 있지만, 본 발명의 범위는 디스플레이 디바이스들에 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명의 방법은 어떤 종류의 전계 방출 디바이스에서 방출 균일성을 개선하기 위해 유용할 수 있다. 더군다나, 본 발명의 방법의 단계들이 수행되는 전계 방출 디바이스의 전극 구성은 도 2에 도시된 바와 같은 트라이오드 구성(triode configuration)에 제한되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 방법은 본 명세서에 기술된 것과 다른 다이오드 구성 또는 트라이오드 구성을 갖는 전계 방출 디바이스의 방출 균일성을 개선하기 위해 유용하다.
FED(100)는 캐소드 플레이트(102)와 애노드 플레이트(104)를 포함한다. 캐소드 플레이트(102)는 그 사이에 인터스페이스 영역(107)을 규정하도록 애노드 플레이트(104)로부터 공간적으로 떨어진다. 캐소드 플레이트(102)는 유리, 실리콘, 세라믹 등으로 이루어질 수 있는 기판(108)을 포함한다. 캐소드(110)는 기판(108) 상에 배치된다. 캐소드(110)는 제 1 전압 소스(126)에 접속된다. 유전체 층(112)은 캐소드(110) 상에 배치되며 이미터 웰(114)을 규정한다.
전자 이미터(116)는 이미터 웰(114) 내에 배치된다. 본 발명의 방법은 전자 이미터(116)를 규정하는 복수의 탄소 나노 튜브들을 제공하는 단계를 포함한다. 도 2의 실시예에 있어서, 전자 이미터(116)는 이미터 웰(114)의 평면의 바닥 표면상에 배치된다. 그러나, 본 발명의 범위는 평면 구조들로의 사용에 제한되지 않는다. 예컨대, 탄소 나노 튜브들은 비 평면 표면상에 배치될 수 있다.
이해를 쉽게 하기 위해, 도 2는 폭들이 매우 과장된 단지 3 개의 탄소 나노 튜브들을 도시한다. 그러나, 임의의 수의 탄소 나노 튜브들은 전자 이미터(116)를 규정하기 위해 이용될 수 있다. 양호하게는, 탄소 나노 튜브들의 표면 밀도는 높다. 예컨대, 표면 밀도는 cm2당 약 108 탄소 나노 튜브들일 수 있다.
일반적으로, 각각의 탄소 나노 튜브는 이미터 웰 내에 방출성의 엔드를 배치하도록 지향된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 탄소 나노 튜브(119), 제 2 탄소 나노 튜브(118), 및 제 3 탄소 나노 튜브(117)는 이미터 웰(114) 내에 배치되는 엔드들(123, 129, 115)을 각각 규정한다. 탄소 나노 튜브들(119, 118, 및 117)은 캐소드(110)에 접속된다.
탄소 나노 튜브들을 만들기 위한 방법들은 당업자에게 잘 알려져 있다. 탄소 나노 튜브들은 몇 가지 편리한 침착 방법들 중 하나를 사용함으로써 침착될 수 있다. 예컨대, 탄소 나노 튜브들은 바인더와 함께 혼합되며 그후에 스크린 인쇄(screen-printed)된다. 대안적으로, 그들은 이미터 웰(114) 내로 전기 영동적으로 침착된다. 캐소드 플레이트(102)는 유전체 층(112) 상에 배치되고 제 2 전압 소스(127)에 접속되는 게이트 추출 전극(121)을 더 포함한다.
애노드 플레이트(104)는 고체의 투명 재료로 이루어진 유리와 같은 투명 기판(120)을 포함한다. 블랙 매트릭스(122)는, 투명 기판(120) 상에 배치되고, 크롬 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다. 인광 물질(phosphor; 124)은 블랙 매트릭스(122)에 이해 규정된 개구(130) 내에 배치된다. 인광 물질(124)은, 캐소드 발광성(cathodoluminescent)이고, 전자 이미터들(116)에 의해 방출되는 전자들에 의해 액티베이션(activation) 상에 광을 방출한다.
알루미늄으로 이루어지는 것이 바람직한 애노드(125)는 인광 물질(124)과 블랙 매트릭스(122)을 덮는 블랭킷 층(blanket layer)을 규정한다. 애노드(125)는 제 3 전압 소스(128)에 접속된다. 매트릭스 어드레스 가능한 FED들에 대한 캐소드 플레이트들과 애노드 플레이트들을 제조하기 위한 방법들은 당업자에게 공지되어 있다.
FED(100)는 전자 이미터(116)로 하여금 전자들을 방출하게 하도록 선택된 전위들을 캐소드(110) 및 게이트 추출 전극(121)에 인가함으로써 동작된다. 예컨대, 전형적인 스캐닝 모드 전압들은 캐소드(110)에서의 그룹 전위와 게이트 추출 전극(121)에서의 약 100 볼트를 포함한다. 스캐닝 모드는 인광 물질(124)이 활성화되는 FED(100)의 동작의 모드이다. 애노드(125)에서의 전압은 전계 방출된 전자들을 유인하고 디스플레이 이미지의 원하는 밝기 레벨을 제공하도록 선택된다.
도 2에서의 화살표들은 탄소 나노 튜브들(119, 118, 및 117)의 초기의 방출 전류 능력들을 나타낸다. 일반적으로, 나노 튜브의 방출 전류 능력은, 전자 이미터가 전압 유도 방출 구성(emission-causing voltage configuration)인 경우, 그 나노 튜브에 의해 방출될 수 있는 방출 전류로서 규정된다. 전압 유도 방출 구성은 방출 전류 능력들을 규정하기 위해, 나노 튜브들로부터 탄소를 제거(removal)하지 않는다.
일반적으로, 본 발명의 방법은 적어도 최고 방출 나노 튜브들의 방출 전류 능력을 선택적으로 감소시킨다. 본 발명의 방법은 제 1 탄소 나노 튜브 및 제 2 탄소 나노 튜브를 제공하는 단계를 포함하며, 제 1 탄소 나노 튜브는 제 1 방출 전류 능력을 특징으로 하며, 제 2 탄소 나노 튜브는 제 1 탄소 나노 튜브의 제 1 방출 전류 능력보다 작은 제 2 방출 전류 능력을 특징으로 한다. 본 발명의 방법은 제 1 탄소 나노 튜브의 길이를 제 1 비율로 감소시키고, 동시에 제 2 탄소 나노 튜브의 길이를 제 1 탄소 나노 튜브의 길이를 감소시키는 제 1 비율보다 작은 제 2 비율로 감소시키는 단계들을 더 포함한다. 일반적으로, 나노 튜브의 길이의 감소는 나노 튜브의 방출 전류 능력을 감소하게 한다. 따라서, 동시 발생하는 단계들은, 제 2 방출 전류 능력과 제 1 방출 전류 능력 사이의 차이를 감소시키는데 사용될 수 있으며, 그에 의해 방출의 균일성을 개선할 수 있다.
단지 제 1 탄소 나노 튜브의 방출 전류 능력이 감소되고, 제 2 탄소 나노 튜브의 방출 전류 능력이 일정하게 하기 위해, 제 2 탄소 나노 튜브의 길이가 감소되는 제 2 비율이 0일 수 있음을 이해하는 것은 바람직하다. 이러한 방식으로, 방출 전류 능력들 사이의 차이는 감소될 수 있다.
균일성에서의 유사한 개선은 제 1 탄소 나노 튜브의 방출 전류 능력이 제 2 탄소 나노 튜브의 방출 전류 능력이 감소되는 것보다 더 큰 비율로 감소되게 함으로써 달성될 수 있다. 이는 제 1 탄소 나노 튜브의 길이가, 제 2 탄소 나노 튜브의 길이가 감소되는 것보다 더 큰 비율로 감소되게 함으로써 달성될 수 있다.
균일성을 개선하는 이들 접근법들 모두는 도 2에서 도 4의 진행에서 도시된다. 제 1 및 제 2 탄소 나노 튜브들(119, 118)의 방출 전류 능력들은 감소되는 반면, 제 3 탄소 나노 튜브(117)의 방출 전류 능력은 일정하게 남는다. 상기 감소는 전체 전류를 최대화하는 것이 바람직한 방출 전류 능력들 사이의 차이들을 감소시키는데 충분한 정도(extent)로 수행된다. 동시에, 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 길이는 제 2 탄소 나노 튜브(118)의 길이가 감소되는 비율보다 더 큰 비율로 감소된다. 도 1 내지 도 4의 특정 예에 있어서, 이 선택적인 길이 감소는 제 1 및 제 2 탄소 나노 튜브들(119, 118)의 방출 전류 능력들 사이의 차이의 감소를 초래한다.
본 발명의 범위는 본 명세서에 기술된 바와 같이 길이에서의 선택적인 감소들을 달성하기에 적합한 어떤 설계(scheme)를 포함한다. 도 1의 예는 길이에서의 선택적인 감소들을 실현하도록 번인 전류(IB)를 이용한다. 일반적으로, 전자 이미터는 최대 방출 전류 능력을 특징으로 한다. 최대 방출 전류 능력은 그 특정 전자 이미터를 규정하는 탄소 나노 튜브들 중에서 방출 전류 능력의 최대값이다. 번인 전류는 최대 방출 전류 능력을 특징으로 하는 적어도 탄소 나노 튜브들의 엔드들로부터 탄소를 제거하기에 충분하다.
도 1은, 전자 이미터(116)에 의해 방출되는 전체 방출 전류(I)의 그래프(150), 반응성 종(X+)의 부분 압력(pX+)의 그래프(160), 전자 이미터(116)가 배치되는 환경의 온도(T)의 그래프(170)와, 게이트 추출 전극(121)에서 게이트 전압(VG)의 그래프(180)를 포함한다.
시간들(t1과 t2) 사이에서, 그래프(150)는 전압들의 스캐닝 모드 구성을 위한 전자 이미터(116)의 초기의 전체 방출 전류(Ii)를 도시한다. 즉, 캐소드(110)에서의 전위는 그라운드 전위일 수 있는 그 스캐닝 모드 값과 같으며, 게이트 추출 전극(121)에서의 전위는 약 100 볼트일 수 있는 그 스캐닝 모드 값(VG,S)과 같다. 이러한 타이밍 다이어그램의 일부는 탄소 나노 튜브들(119, 118, 및 117)의 초기의 누적하는 방출 전류 능력을 도시하고, 본 발명의 방법에 기인하여 발생하는 전체 방출 전류에서의 감소를 도시하도록 포함된다. 본 발명의 방법이 전자 이미터(116)로 하여금 나노 튜브들의 길이들을 선택적으로 감소하는 단계에 우선하여 방출하게 하는 별개의 단계를 요구하지 않는 것을 이해하는 것은 바람직하다. 도 2는 시간들(t1과 t2) 사이에 있는 도 1의 타이밍 다이어그램의 일부에 대응한다.
시간들(t3과 t4) 사이에서, 그래프(150)는 본 발명의 방법의 양호한 예를 도시한다. 도 1의 예에 있어서, 제 1 탄소 나노 튜브의 길이를 제 1 비율로 감소시키고 제 2 탄소 나노 튜브의 길이를 제 2 비율로 감소시키는 단계들은 전자 이미터(116)에 의해 번인 전류(burn-in current)를 방출시키는 단계를 포함한다. 이러한 단계는 도 3에 의해 또한 나타난다.
본 발명에 따라, 번인 전류(IB)는 적어도 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 엔드(123)로부터 탄소를 제거하기에 충분하다. 도 1 및 도 3의 예에 있어서, 번인 전류는 제 3 탄소 나노 튜브(117)를 제외하고 제 1 탄소 나노 튜브(119) 및 제 2 탄소 나노 튜브(118)로부터 탄소를 제거한다. 양호하게, 탄소 제거는, 약 1 마이크로암페어보다 더 크게 선택적으로 번(burn)되는 각각의 나노 튜브에 의해 방출되게 함으로써 달성된다.
번인 전류는 탄소 전개(carbon evolution) 및 증가된 전류 균일성이 실현될 때까지 전체 방출 전류를 점진적으로 증가시킴으로써 달성된다. 번인 단계 동안 증가의 초과 비율(excessive rate) 또는 전체 방출 전류의 초과 최종 값(excessive final value)은 누적하는 방출 전류 능력에서의 아크(arc) 또는 초과 감소를 초래하며, 그러므로, 피해야 한다. 전체 방출 전류에서의 증가는 그라운드 전위와 같을 수 있는 초기 값(VG,0)에서 번인 값(VG,B)까지 게이트 전압을 증가시킴으로써 실현된다. 번인 전류는 아크를 방지하도록 제어되며, 그렇지 않으면 FED(100)에 돌이킬 수 없는 손상을 일으킬 수 있다. 탄소 전개는 짧은 시간 동안 일어나도록 허용되며, 방출 균일성은 그 후에 측정된다.
번인 단계가 애노드 플레이트(104)의 부재 시에 캐소드 플레이트(102) 상에 수행된다면, 방출 균일성은 전자 이미터(116)로 하여금 인광 물질을 활성화시키게 하고, 이어서, 인광 물질에 의해 방출되는 광의 밝기의 균일성을 측정함으로써 측정될 수 있다. 대안적으로, 번인 단계는 FED(100)가 밀봉하여 실링(sealing)된 후에 수행될 수 있다. 그러한 경우에, 균일성은 인광 물질(124)로 하여금 광을 방출하게 함으로써 측정될 수 있다. 밝기의 균일성을 측정하기 위한 방법들은 당업자에게 공지되어 있다.
나노 튜브로부터 탄소의 제거가 적어도 일부 탄소의 전계 탈착(field desorption)에 기인하는 것으로 여겨진다. 전계 탈착은 나노 튜브들의 온도에서의 증가에 의해 강화된다. 나노 튜브들의 온도에서의 증가는 번인 전류의 높은 값에 의해 일어난다. 본 발명의 방법에 따라, 탄소 제거는 실온(room temperature)보다 더 큰 온도를 특징으로 하는 환경에 전자 이미터(116)를 놓는 단계를 이용함으로써 더 강화될 수 있다. 도 1의 양호한 예는 번인 주기(시간들(t3 내지 t4)) 동안 실온과 같을 수 있는 초기 값(TO)에서 상승된 번인 온도까지 온도를 증가시키는 단계를 포함한다.
온도를 증가시키는 단계는, 캐소드(110)와 직렬로 접속될 수 있는 안정 저항기들(ballast resistors)에 기인하는 저항들과 같은 직렬 저항들(series resistances)을 낮추는 부가적인 이점을 초래할 수 있다. 감소된 직렬 저항기들은 무엇보다도 번인 전류를 달성하기 위한 전력 요구를 개선한다.
본 발명의 방법에 따라, 탄소의 제거는 탄소의 제거를 용이하게 하도록 선택된 종을 제공하는 단계를 수행함으로써 더 용이해질 수 있다. 예컨대, 아르곤과 같은 이온화된 비활성 가스가 제공될 수 있다. 이온화된 비활성 가스는 스퍼터링(sputtering)에 의해 탄소를 제거하는 무거운 가스로서 기능한다. 다른 예에 있어서, 탄소의 제거를 용이하게 하도록 선택된 종을 제공하는 단계는 탄소의 제거를 용이하게 하도록 선택된 반응성 종을 제공하는 단계를 포함한다. 반응성 종은 O2, CO, CO2, O3, NO, NO2, H2O, N2O, 등과 같은 산소 함유 종인 것이 바람직하다.
도 1 및 도 3의 양호한 예는 탄소의 제거를 용이하게 하도록 선택되는 반응성 종(X+)을 제공하는 단계를 더 포함한다. 반응성 종의 부분 압력(pX+)은 그래프(160)에 의해 나타난 바와 같이 번인 값(pX+,B)으로 번인 주기 동안 증가된다. 양호하게, 반응성 종은 산소 함유 종이다. 산소 함유 종은 전자 이미터(116)로부터 방출된 전자들에 의해 이온화된다. 이온화된 산소 함유 종은 각각 제 1 및 제 2 나노 튜브들(119 및 118)의 엔드들(123 및 129)에서 탄소로 유인되어 반응한다.
본 발명의 방법의 다른 예에 있어서, 전자 이미터(116)는 전자 이미터(116)에 의해 번인 전류를 방출시키는 단계 동안 진공 환경에 배치된다. 양호하게, 진공 환경은 약 10 내지 5 파스칼보다 작거나 같은 압력을 특징으로 한다. 예컨대, 번인 전류를 방출시키는 단계는 FED(100)의 배기(evacuation) 및 기밀 실링(hermitic sealing)에 수반하여 수행될 수 있다.
도 4는, 도 2의 FED(100)의 횡단면도이며, 전계 방출 디바이스의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 본 발명의 방법에 따라 단계들의 수행에 수반하여 그 위에 탄소 나노 튜브들(119, 118, 및 117)의 방출 전류 능력들을 또한 나타낸다. 도 4는 또한, 시간들(t5와 t6) 사이에 있는 도 1의 타이밍 다이어그램의 부분에 대응한다. 도 4에서의 사선들은 번인 주기 동안 제거되는 제 1 및 제 2 탄소 나노 튜브들(119 및 118)의 부분들을 나타낸다. 도 4에서의 화살표들은 탄소 나노 튜브들(119, 118, 및 117)의 방출 전류 능력들을 나타낸다. 도 2와 도 4의 비교는 방출 전류 능력들이 선택적인 탄소 제거 단계에 기인하여 더 균일하다는 것을 드러낸다. 도 1의 그래프(150)는 전압들의 스캐닝 모드 구성을 위한 전체 방출 전류(I)가 선택적인 탄소 제거 단계에 기인하여 스캐닝 모드 값(IS)으로 떨어지는 것을 또한 도시한다(시간들(t5 내지 t6)).
본 발명의 다른 실시예에 따라, 제 1 탄소 나노 튜브의 길이를 제 1 비율로 감소시키고 제 2 탄소 나노 튜브의 길이를 제 2 비율로 감소시키는 단계들은 제 1 탄소 나노 튜브의 엔드에서 양 전위(positive potential) 및 제 1 전계 강도를 제공하는 단계이며, 여기서 제 1 전계 시기는 제 1 탄소 나노 튜브의 엔드로부터 탄소를 제거하기에 충분하고, 제 2 탄소 나노 튜브의 엔드에서 양 전위 및 제 2 전계 강도를 제공하는 단계를 포함하며, 여기서 제 1 전계 강도는 제 2 전계 강도보다 더 크다. 이러한 실시예에 있어서, 탄소 제거는 탄소 나노 튜브들의 역 분극(reverse polarization)에 의해 달성된다. 어떠한 부가적인 반응성 종들도 필요로 되지 않는다.
도 5는 본 발명에 따라 FED(100)의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법의 다른 예의 타이밍 다이어그램이다. 도 5 및 도 6의 예는, 탄소 나노 튜브들(119, 118, 및 117)의 역 분극을 이용하며, 음으로 충전된 반응성 종(Y-)을 또한 이용한다. 도 5의 예는 번인 전류를 사용하지 않는다.
도 5의 타이밍 다이어그램은 캐소드(110)에서 캐소드 전압(VC)의 그래프(190)와 음으로 충전된 반응성 종(Y-)의 부분 압력(pY-)의 그래프(200)를 더 포함한다. 도 5의 예를 위한 번인 주기(시간들(t3 내지 t4))는 도 6을 참조하여 기술된다.
도 6은, 도 2의 FED(100)의 횡단면도이며, 도 5의 예에 따른 다양한 단계들의 수행을 그 위에 또한 도시한다. 도 5 및 도 6의 예에 있어서, 게이트 추출 전극(121) 및 전자 이미터(116)의 극성은 도 1의 예에 사용된 극성의 반대이다. 그래프들(180 및 190)에 의해 도 5에 도시된 바와 같이, 번인 주기(시간들(t3 내지 t4)) 동안의 게이트 전압(VG,0)은 그라운드 전위와 같을 수 있으며, 캐소드 전압은 그라운드 전위와 같을 수 있는 그 스캐닝 모드 값(VC,S)에서 번인 값(VC,B)까지 증가될 수 있다. 캐소드 전압의 번인 값은 음으로 충전된 반응성 종을 전자 이미터(116)에 유인하고 그들 사이에 반응을 용이하게 하도록 선택된다.
음으로 충전된 반응성 종의 부분 압력(pY-)은 그래프(160)에 의해 나타난 바와 같이 0이 될 수 있는 초기 값(pY-,S)에서 번인 값(pY-,B)까지 번인 주기 동안 증가된다. 음으로 충전된 반응성 종은 기체의 탄소 함유 생성물을 생성하도록 나노 튜브와 반응하고, 그에 의해 나토 튜브로부터 탄소를 제거한다. 양호하게, 음으로 충전된 반응성 종은 이온화된 과산화수소, 이온화된 산소, 등과 같은 이온화된 산소 함유 종이다.
일반적으로, 반응의 비율은 최고 전계 강도들을 갖는 나노 튜브들의 엔드들에서 가장 크다. 이들은 또한 일반적으로, 최고 방출 전류 능력들을 갖는 나노 튜브들이다. 따라서, 도 5 및 도 6의 예는 본 발명에 따라 최고 방출 나노 튜브들의 길이에서 선택적인 감소를 일으키며, 그에 의해 방출 전류 균일성을 개선한다.
개개의 나노 튜브들 중에서 방출 전류의 균일성을 개선하기 위해 본 명세서에 기술된 단계들이 또한 개개의 전자 이미터들(116) 중에서 방출 전류의 균일성을 개선하는데 유용하다는 것을 이해하는 것은 바람직하다.
요약하면, 본 발명은 전계 방출 디바이스의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법이다. 본 발명의 방법은, 방출의 더 큰 균일성을 초래하는 방식으로, 탄소 나노 튜브들을 제공하는 단계와, 탄소 나노 튜브들의 길이들을 제어 가능하게 선택적으로 감소시키는 단계를 포함한다. 탄소 나노 튜브들의 길이들에서의 선택적인 감소는, 예컨대, 탄소 나노 튜브들의 극성이 역으로 되는 동안 번인 전류를 이용하거나 또는 전계 의존 화학(field-dependent chemistry)을 이용함으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 방법은, 낮은 비용으로 쉽고 빠르게 수행될 수 있고, 주로 자체 제어이며, 전기 아크(electric arcing)에 기인한 전자 제품들에 대한 손상을 방지한다.
본 발명의 특정 예들만 도시하고 기술되었지만, 부가적인 변형들 및 개선들 이 당업자들에게 떠오를 것이다. 예컨대, 본 발명의 방법은 실온과 같은 온도를 특징으로 하는 환경에 전자 이미터를 놓아두는 동안 수행될 수 있다. 그러므로, 본 발명이 도시된 특정 형태들에 제한되지 않음을 이해하는 것이 바람직하며, 첨부된 청구범위는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 모든 변형들을 커버하는 것으로 의도된다.
Claims (10)
- 전계 방출 디바이스(field emission device; 100)의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법에 있어서,제 1 탄소 나노 튜브(119) 및 제 2 탄소 나노 튜브(118)를 제공하는 단계로서, 상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)는 제 1 방출 전류 능력을 특징으로 하고 상기 제 2 탄소 나노 튜브(118)는 제 2 방출 전류 능력을 특징으로 하며, 상기 제 1 방출 전류 능력은 상기 제 2 방출 전류 능력보다 더 큰, 상기 제공하는 단계와;상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 길이를 제 1 비율로 감소시키는 단계와;상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 길이를 제 1 비율로 감소시키는 단계와 동시에, 상기 제 2 탄소 나노 튜브(118)의 길이를 제 2 비율로 감소시키는 단계를 포함하며, 상기 제 1 비율은 상기 제 2 비율보다 더 크고, 상기 제 1 비율은 0 보다 크고 상기 제 2 비율은 0 이상이며, 그에 의해 상기 제 2 방출 전류 능력과 상기 제 1 방출 전류 능력간의 차이를 감소시키는, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)는 엔드(123)를 규정하고, 상기 제 1 및 제 2 탄소 나노 튜브들(119, 118)은 전자 이미터(116)를 규정하고, 상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 길이를 제 1 비율로 감소시키는 단계 및 상기 제 2 탄소 나노 튜브(118)의 길이를 제 2 비율로 감소시키는 단계는 번인 전류(burn-in current)가 상기 전자 이미터(116)에 의해 방출되게 하는 단계를 포함하며, 상기 번인 전류는 적어도 상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 상기 엔드(123)로부터 탄소를 제거하기에 충분한, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 탄소의 제거를 용이하게 하도록 선택된 종(species)을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)는 엔드(123)를 규정하고 상기 제 2 탄소 나노 튜브(118)는 엔드(129)를 규정하며, 상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 길이를 제 1 비율로 감소시키는 단계 및 상기 제 2 탄소 나노 튜브(118)의 길이를 제 2 비율로 감소시키는 단계는:상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 상기 엔드(123)에서 양 전위 및 제 1 전계 강도를 제공하는 단계로서, 상기 제 1 전계 강도는 상기 제 1 탄소 나노 튜브(119)의 상기 엔드(123)로부터 탄소를 제거하기에 충분한, 상기 양 전위 및 제 1 전계 강도를 제공하는 단계와;상기 제 2 탄소 나노 튜브(118)의 상기 엔드(129)에서 양 전위 및 제 2 전계 강도를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 전계 강도는 상기 제 2 전계 강도보다 더 큰, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
- 전계 방출 디바이스(100)의 방출 전류의 균일성을 개선하기 위한 방법에 있어서,복수의 탄소 나노 튜브들(117, 118, 119)을 제공하는 단계로서, 상기 복수의 탄소 나노 튜브들(117, 118, 119)은 전자 이미터(116)를 규정하는, 상기 제공하는 단계와;번인 전류가 상기 전자 이미터(116)에 의해 방출되게 하는 단계를 포함하며, 상기 번인 전류는, 상기 탄소 나노 튜브들(117, 118, 119) 중 하나 이상의 길이를 감소시킴으로써, 상기 전자 이미터(116)상에서의 방출 전류의 균일성을 증가시키기에 충분한, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 복수의 탄소 나노 튜브들(117, 118, 119) 각각은 엔드(115, 129, 123)를 규정하고, 상기 복수의 나노 튜브들(117, 118, 119) 각각은 방출 전류 능력을 특징으로 하고, 상기 전자 이미터(116)는 최대 방출 전류 능력을 특징으로 하며, 상기 번인 전류는 상기 최대 방출 전류 능력을 특징으로 하는, 상기 복수의 탄소 나노 튜브들 중 적어도 탄소 나노 튜브(119)의 엔드들(123)로부터 탄소를 제거하기에 충분한, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
- 제 6 항에 있어서,번인 전류가 상기 전자 이미터(116)에 의해 방출되게 하는 상기 단계는 상기 최대 방출 전류 능력을 특징으로 하는 상기 복수의 탄소 나노 튜브들 각각(119)에 의해 1 마이크로암페어보다 더 크게 방출되는 단계를 포함하는, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 탄소의 제거를 용이하게 하도록 선택된 종을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 탄소의 제거를 용이하게 하도록 선택된 종을 제공하는 상기 단계는 이온화된 비활성 가스를 제공하는 단계를 포함하는, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
- 제 5 항에 있어서,번인 전류가 상기 복수의 탄소 나노 튜브들(117, 118, 119)에 의해 방출되게 하는 상기 단계는 상기 전계 방출 디바이스(100)의 기밀 실링(hermitic sealing) 후에 수행되는, 방출 전류의 균일성 개선 방법.
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