KR100922743B1 - 전계방출소자 - Google Patents

Abstract

전계방출소자에 관해 개시된다. 캐소드 전극 상에 형성되는 것으로 CNT를 포함하는 전자방출물질과; 상기 전자방출물질으로부터 전자를 추출하는 게이트 전극을 구비하며, 상기 전자방출물질 위에 상기 CNT를 보호하며 CNT 로부터 전자방출을 안정화하는 안정화물질층이 형성되어 있다. 본 발명에 따르면, 전계방출소자의 CNT 에미터의 표면 또는 이의 주된 구성요소인 CNT의 표면, 특히 방출단에 전자방출구조를 안정화시키고 그리고 방출단을 보호하는 안정화물질이 코팅됨으로써 과전류 또는 전자방출 과정 주 일어나는 CNT의 마모 등을 억제한다. 따라서 이러한 마모의 억제를 통해 CNT의 수명을 연장한다. 이러한 CNT의 안정화 및 수명의 연장은 전계방출소자의 신뢰성 및 상품적 가치를 크게 높이게 된다.

전계, 방출, 안정, 보호, CNT

Description

전계방출소자{Field emission device}

도 1 은 종래 전계방출소자의 개략적 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 전계방출소자의 제1실시예의 개략적 단면도이다.

도 3는 본 발명에 따른 전계방출소자의 제2실시예의 개략적 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 전계방출소자의 제3실시예의 개략적 단면도이다.

도 5는 캐소드 전극 상에서 수직으로 성장된 CNT 의 주사전자사진(SEM)이다.

도 6 내지 8은 본 발명에 따라 각 CNT의 방출단에 약 200Å, 500Å 및 1000Å의 두께로 SiO₂ 안정화물질이 스퍼터링법에 의해 코팅된 상태를 보이는 주사전자사진이다.

도 9는 캐소드 전극 상에 성장된 CNT에 안정화물질층이 형성되지 않은 샘플, 본 발명에 따라 SiO₂ 가 안정화물질로서 CNT의 방출단에 50Å, 100Å, 200Å, 450Å 및 1000Å의 두께로 코팅되어 있는 샘플들의 전류-전압 비교 그래프들이다.

도 10은 안정화물질이 코팅되지 않은 CNT의 시간-전류 변화그래프이다.

도 11 내지 도 13은 본 발명에 따라, 성장된 CNT의 방출단에 안정화물질로서 MgO가 120Å, 180Å, 400Å 두께로 코팅된 샘플 들의 시간-전류 변화그래프이다.

도 14 내지 16은 본 발명에 따라, CNT의 방출단에 안정화물질로서 SiO₂가 200Å, 450Å 및 1000Å의 두께로 형성된 샘플들의 시간-전류 변화를 각각 보이는 그래프이다.

본 발명은 전계방출소자에 관한 것으로서, 전자방출 안정성 및 내구성이 향상된 전계방출소자에 관한 것이다.

카본나노튜브(CNT)는 작은 직경과 튜브 끝의 날카로움으로 인해 전계 방출이 대단히 낮은 전압에서도 이루어지는 재료이다. 미국특허 6,339,281에는 전자방출물질 혼합 페이스트를 이용한 전계방출어레이 및 제조방법에 관해 개시하며, 미국특허 6,440,761호에는 성장법에 의해 얻어진 CNT를 에미터로 이용하는 전계방출어레이 및 그 제조방법을 개시한다. 일반적으로 에미터를 성장법에 의해 형성하는 것보다 페이스트를 이용해 형성하는 것이 용이하기 때문에 후자의 방법이 주로 선호된다.

이러한 종래 방법에 의해 얻어진 CNT 에미터는 캐소드 또는 캐소드 상에 형성되는 고전도성 물질층 상에 형성된다. 도 1은 3극(triode)형 종래 CNT FEA의 전형적인 예를 보이는 도면이다.

도 1을 참조하면, 기판(1) 상에 캐소드 전극(2) 이 형성되고 그 위에 게이트 절연층(3)이 형성된다. 게이트 절연층(3)에는 관통공(3a)이 형성되어 있고, 그 바닥 부분에 다수의 CNT 로 된 CNT 에미터(5)가 마련되어 있다. CNT 에미터(5)는 관 통공(3a) 바닥으로 노출된 케소드 전극(2) 상에 형성된다. 상기 게이트 절연층(3) 상에는 상기 CNT 에미터(5)로부터 전자를 추출(extract)하는 게이트 홀(4a)을 가지는 게이트 전극(4)이 형성된다.

이러한 CNT 에미터를 이용한 FED에서 가장 시급한 과제는 고르게 분포된 각 CNT의 선단부 즉, 전자 방출단(emission end)들이 오랫동안 손상되지 않고 안정된 전자방출이 그대로 유지되도록 하는 신뢰성 향상이다. 페이스트에 의해 형성되는 CNT 에미터는 저항성 물질과 전도성 물질이 함께 섞여 있고 이러한 물질을 통하여 CNT의 방출점으로 전자가 공급된다. 이때 CNT에 공급되는 전자의 경로는 몇 개의 전도성이 좋은 경로로 한정되고 따라서 이러한 경로로 과전류가 흐른다. 이러한 과전류에 의해 전자방출 시 CNT의 방출점에서의 전기화학적 포텐셜 증가로 전자방출이 일어나는 CNT의 방출점의 마모(degradation)등과 같은 손상이 유도된다. 현재 이러한 마모의 원인이 확실하게 규명되지는 않았으나, 알려진 문헌에 따르면, 방출 전류(emission current)의 흐름, 특히 과전류의 흐름으로 인한 온도 상승이 CNT의 방출점 주위에 존재하는 반응성 있는 물질, 예를 들어 산소의 반응성을 증가시킴으로써 상기 방출점의 분해를 촉진하는 것으로 이해되고 있다. 이러한 CNT의 방출점의 마모 등과 같은 CNT의 손상은 화상 품질의 격하, 수명단축을 초래한다.

본 발명은 CNT의 방출점을 효과적으로 보호하고 따라서 안정적인 전자방출이 가능한 전계방출소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 한 유형(aspect)에 따르면,

기판과;

상기 기판 상에 형성되는 캐소드 전극과;

상기 캐소드 전극 상에 형성되는 것으로 CNT를 포함하는 전자방출물질과;

상기 전자방출물질으로부터 전자를 추출하는 게이트 전극을 구비하는 전계방출소자에 있어서,

상기 전자방출물질 위에 상기 CNT를 보호하며 CNT 로부터 전자방출을 안정화하는 안정화물질층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출소자가 제공된다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 유형(aspect)에 따르면,

기판과;

상기 기판 상에 형성되는 캐소드 전극과;

상기 캐소드 전극 상에 형성되는 것으로 전자방출단을 가지는 CNT를 다수 포함하는 전자방출물질과;

상기 CNT의 방출단으로부터 전자를 추출하는 게이트 전극을 구비하는 전계방출소자에 있어서,

상기 각 CNT의 표면에 CNT를 보호하며 CNT 로부터 전자방출을 안정화하는 안정화물질층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출소자가 제공된다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 유형(aspect)에 따르면,

기판과;

상기 기판 상에 형성되는 캐소드 전극과;

상기 캐소드 전극 상에 형성되는 것으로 전자방출단을 가지는 CNT를 다수 포함하는 전자방출물질과;

상기 CNT의 방출단으로부터 전자를 추출하는 게이트 전극을 구비하는 전계방출소자에 있어서,

상기 각 CNT의 전자방출단에 CNT를 보호하며 CNT 로부터 전자방출을 안정화하는 안정화물질층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출소자가 제공된다.

상기 본 발명의 전계방출소자에 있어서, 상기 전자방출물질에 도전성 물질이 더 포함되어 있는 것이 바람직하며, 상기 도전성 물질은 은(Ag)인 것이 더 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전계방출소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

<< 제 1 실시예 >>

도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 캐소드 전극(20) 이 형성되어 있고, 그 위에 게이트 절연층(30)이 형성되어 있다. 상기 게이트 절연층(30)에는 CNT 에미터(50)가 수용되는 관통공(30a)이 형성되어 있고, 관통공(30a)의 바닥 부분에 전자 방출을 위한 CNT 에미터(50)가 마련되어 있다. 상기 에미터(50)는 관통공(30a) 바닥으로 노출된 캐소드 전극(20) 상에 형성된다. 상기 CNT 에미터(50)는 다수의 CNT(50a)를 포함하며 여기에서 CNT(50a)에 대한 보다 효과적인 전류 공급을 위하여 도전성 물질, 예를 들어 은(Ag) 파티클이 더 포함될 수 있 다.

여기에서 본 발명의 특징에 따라 상기 CNT 에미터(50)의 위에는 CNT를 보호하며 CNT 로부터 전자방출을 안정화하는 안정화물질층(51)이 코팅되어 있다. 여기에서 안정화물질층(51)은 CNT 로 부터의 전자의 방출을 허용하면서도 에미터의 표면에서 CNT(50a)를 커버한다. 이러한 안정화물질로는 SiO_2, MgO, TiO₂, BN 등이 사용될 수 있으며, 전자방출을 허용하기 위하여 1 내지 500nm 의 두께로 형성된다.

한편, 상기 게이트 절연층(30) 상에는 상기 에미터(50)의 전자방출물질층(52)로 부터 전자를 추출(extract)하는 게이트 홀(40a)을 가지는 게이트 전극(40)이 형성되어 있다.

본 실시예에서, 상기 에미터(50)는 페이스트 상태의 CNT를 스크린 프린팅 또는 스핀코팅 이후 리프트 오프 등에 의해 형성되며, CNT 에미터(50) 상의 안정화물질층(51)은 안정화물질 페이스를 이용한 스크린 인쇄(screen printing), 졸-겔법에 의한 스핀 코팅(spin coating), 스퍼터링(sputtering) 또는 증착(evaporation) 등에 의해 형성될 수 있다.

<< 제 2 실시예 >>

도 3를 참조하면, 기판(10) 상에 캐소드 전극(20) 이 형성되어 있고, 그 위에 게이트 절연층(30)이 형성되어 있다. 상기 게이트 절연층(30)에는 CNT 에미터(50)가 수용되는 관통공(30a)이 형성되어 있고, 관통공(30a)의 바닥 부분에 전자 방출을 위한 CNT 에미터(50)가 마련되어 있다. 상기 에미터(50)는 관통공(30a) 바닥으로 노출된 캐소드 전극(20) 상에 형성된다. 상기 CNT 에미터(50)는 다수의 CNT(50a)를 포함하며 여기에서 CNT(50a)에 대한 보다 효과적인 전류 공급을 위하여 도전성 물질, 예를 들어 은(Ag) 파티클이 더 포함될 수 있다.

여기에서 본 발명의 특징에 따라 상기 각 CNT 에미터(50)의 표면에는 각 CNT(50a)로부터 전자방출을 안정화하는 안정화물질층(51a)이 코팅되어 있다. 여기에서 안정화물질로는 SiO_2, MgO, TiO₂, BN 등이 사용될 수 있으며, 전자방출을 허용하기 위하여 1 내지 500nm 의 두께로 형성된다.

한편, 상기 게이트 절연층(30) 상에는 상기 에미터(50)의 전자방출물질층(52)로 부터 전자를 추출(extract)하는 게이트 홀(40a)을 가지는 게이트 전극(40)이 형성되어 있다.

본 실시예에서, 상기 에미터(50)는 페이스트 상태의 CNT를 스크린 프린팅 또는 스핀코팅 이후 리프트 오프 등에 의해 형성되며, 상기 CNT(50a) 표면에 형성되는 안정화물질층(51a)은 CNT 분말을 슬러리 상태로 만든 다음 이를 안정화물질이 수용되어 있는 용액 내 투입함으로써 슬러리 상태의 CNT의 표면에 반응물을 코팅하는 졸-겔법 등에 의해 형성될 수 있다.

<< 제 3 실시예 >>

도 4를 참조하면, 기판(10) 상에 캐소드 전극(20) 이 형성되어 있고, 그 위 에 게이트 절연층(30)이 형성되어 있다. 상기 게이트 절연층(30)에는 CNT 에미터(50)가 수용되는 관통공(30a)이 형성되어 있고, 관통공(30a)의 바닥 부분에 전자 방출을 위한 CNT 에미터(50)가 마련되어 있다. 상기 에미터(50)는 관통공(30a) 바닥으로 노출된 캐소드 전극(20) 상에 형성된다. 상기 CNT 에미터(50)는 캐소드 전극(20) 상에 성장된 다수의 CNT(50b)를 포함한다.

여기에서 본 발명의 특징에 따라 상기 캐소드 전극(20) 상에서 수직으로 성장된 CNT(50b)의 상단부 즉 전자 방출단에 전자방출을 안정화하는 안정화물질층(51b)이 코팅되어 있다. 여기에서 안정화물질로는 SiO_2, MgO, TiO₂, BN 등이 사용될 수 있으며, 전자방출을 허용하기 위하여 1 내지 500nm 의 두께로 형성된다. 도 4에서 CNT(50b)의 방출단에 형성된 안정화물질층(51b)이 이해를 돕기위해 과장되게 도시되어 있다.

한편, 상기 게이트 절연층(30) 상에는 상기 에미터(50)의 전자방출물질층(52)로 부터 전자를 추출(extract)하는 게이트 홀(40a)을 가지는 게이트 전극(40)이 형성되어 있다.

본 실시예에서, 상기 에미터(50)의 CNT(50b)는 일반적인 성장법에 의해 형성되며, 상기 CNT(50b) 표면에 형성되는 안정화물질층(51b)은 스퍼터링법 또는 증착법 등에 의해 형성된다. 상기와 같이 CNT(50b)의 방출단에만 안정화물질층(51b)이 형성되는 것은 안정화물질 스퍼터링 또는 증착 등에 따른 결과이다.

도 5는 캐소드 전극 상에서 수직으로 성장된 CNT 의 주사전자사진(SEM)이며, 도 6, 7 및 도 8은 각각 CNT의 방출단(선단부)에 약 200Å, 500Å 및 1000Å의 두께로 SiO₂ 안정화물질이 스퍼터링법에 의해 코팅된 상태를 보이는 주사전자사진이다.

도 9는 캐소드 전극 상에 성장된 CNT에 안정화물질층이 형성되지 않은 샘플과, SiO₂ 가 안정화물질로 CNT의 방출단에 50Å, 100Å, 200Å, 450Å 및 1000Å의 두께로 코팅되어 있는 샘플들의 전류-전압 비교 그래프이다.

이 실험에 따르면 SiO₂ 코팅의 두께가 아주 적거나(50Å) 200Å 이상인 경우 턴온 필드(turn-on field) 는 코팅이 되지 않은 샘플에 비해 높고 그 코팅두께가 커짐에 따라 더 높아진다. 그러나 SiO₂ 가 100Å 두께로 코팅되어 있는 샘플의 경우에는 전계방출특성이 가장 좋게 나타나며 이것은 전혀 코팅되지 않은 샘플에 비해서도 턴온필드가 낮다. 따라서 안정화 물질층의 코팅에는 최적두께가 존재하며 그 것은 각 샘플의 조건 및 공정에 따라 변화되나 1000Å 이하의 영역에 있으리라 기대되고 이 실험의 조건에서는 100Å임을 알 수 있다.

도 10 내지 도 13은 성장된 CNT에 의한 샘플별 시간-전류 변화그래프이다. 여기에서 도 10은 안정화물질이 코팅되지 않은 CNT의 시간-전류 변화그래프이며, 도 11 내지 도 13 은 각각 안정화물질로서 MgO 가 120Å, 180Å, 400Å 두께로 코팅된 샘플 들의 시간-전류 변화그래프이다. 그리고 도 14 내지 도 16은 안정화물질로서 SiO₂가 200Å, 450Å 및 1000Å의 두께로 형성된 샘플들의 시간-전류 변화를 각각 보이는 그래프이다.

이 도면들은 측정분위기가 고진공 상태에서 적은양의 산소를 불어넣어 주는 상태로 전환되었다가 다시 고진공 상태로 변화되었을 때 각 샘플의 전계방출 전류의 변화를 측정한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 코팅이 전혀 되지 않은 CNT에서의 전계방출전류는 산소분위기에서 감소되었다가 다시 고진공 상태가 되어도 회복되지 않는다. 그러나 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, MgO가 120Å 및 180Å 코팅되었을 때 또는 도 14에 도시된 바와 같이, SiO₂가 200Å 코팅되었을 때 CNT의 전계방출전류는 산소분위기에서는 감소되나 다시 고진공 상태가 되었을 때 거의 원상태의 전류로 회복됨을 알 수 있다.

그렇지만 도 13에 도시된 바와 같이, MgO가 400Å 코팅되었을 때 또는 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, SiO₂가 450Å 이상 코팅되었을 때 CNT의 전계방출 전류는 산소분위기에서의 감소는 물론이고 다시 고진공 상태가 되어도 회복되지 않음을 알 수 있다. 이렇게 안정화 물질의 두께가 400Å 이상 코팅되었을 때 전계방출전류가 회복되지 않는 이유는 그 확실한 메커니즘이 아직 밝혀지지는 않았으나 코팅막이 고전압을 견디지 못하고 손상되었을 가능성이 있다. 즉, 코팅의 두께가 어느 정도 이상 (약 400Å 이상) 되면 도 10 내지 도 16에서처럼 1uA의 초기전류를 얻기 위해 5 V/um 이사의 전압이 가해져야 하는데 이 때 가해지는 전압이 코팅된 안정화물질의 브레이크다운(breakdown)을 유도하는 것으로 추정하고 있다.

따라서 안정화 물질층의 코팅은 전계방출전류에 큰 영향을 미칠 뿐 아니라 산소분위기에 의한 손상으로부터 방출물질을 보호하는데 있어서 최적의 코팅두께가 존재하며 그 최적두께는 각 샘플의 조건 및 공정에 따라 변화되나 1000Å 이하의 영역에 있으리라 기대되고 이 실험의 조건에서는 100Å 내지 200Å 사이임을 알 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따르면, 전계방출소자의 CNT 에미터의 표면 또는 이의 주된 구성요소인 CNT의 표면, 특히 방출단에 전자방출구조를 안정화시키고 그리고 방출단을 보호하는 안정화물질이 코팅됨으로써 과전류 또는 전자방출 과정 주 일어나는 CNT의 마모 등을 억제하고 따라서 이러한 마모의 억제를 통해 CNT의 수명을 연장한다. 이러한 CNT의 안정화 및 수명의 연장은 전계방출소자의 신뢰성 및 상품적 가치를 크게 높이게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

1. 기판과;

   상기 기판 상에 형성되는 캐소드 전극과;

   상기 캐소드 전극 상에 형성되는 것으로 CNT를 포함하는 전자방출물질과;

   상기 전자방출물질으로부터 전자를 추출하는 게이트 전극을 구비하는 전계방출소자에 있어서,

   상기 전자방출물질 위에 상기 CNT를 보호하며 CNT 로부터 전자방출을 안정화하는 안정화물질층이 형성되어 있으며, 상기 안정화물질층은 10 ~ 20nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전자방출물질에 도전성 물질이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 도전성 물질은 은인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 안정화물질층은 SiO₂, MgO 및 TiO₂ 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
5. 삭제
6. 삭제
7. 기판과;

   상기 기판 상에 형성되는 캐소드 전극과;

   상기 캐소드 전극 상에 형성되는 것으로 전자방출단을 가지는 CNT를 다수 포함하는 전자방출물질과;

   상기 CNT의 방출단으로부터 전자를 추출하는 게이트 전극을 구비하는 전계방출소자에 있어서,

   상기 각 CNT의 표면에 CNT를 보호하며 CNT 로부터 전자방출을 안정화하는 안정화물질층이 코팅되어 있으며, 상기 안정화물질층은 10 ~ 20nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 전자방출물질에 도전성 물질이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 도전성 물질은 은인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
10. 제 7 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 안정화물질층은 SiO₂, MgO 및 TiO₂ 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
11. 삭제
12. 삭제
13. 기판과;

    상기 기판 상에 형성되는 캐소드 전극과;

    상기 캐소드 전극 상에 수직으로 성장된 것으로 전자 방출단을 가지는 CNT를 다수 포함하는 전자방출물질과;

    상기 CNT의 방출단으로부터 전자를 추출하는 게이트 전극을 구비하는 전계방출소자에 있어서,

    상기 각 CNT의 전자방출단에 CNT를 보호하며 CNT 로부터 전자방출을 안정화하는 안정화물질층이 코팅되어 있으며, 상기 안정화물질층은 10 ~ 20nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 전자방출물질에 도전성 물질이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 도전성 물질은 은인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
16. 제 13 항 내지 제 15 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 안정화물질층은 SiO₂, MgO 및 TiO₂ 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
17. 삭제
18. 삭제

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