KR101018345B1 - 전자 방출원 형성용 조성물, 이를 이용한 전자 방출원제조 방법 및 전자 방출원 - Google Patents

전자 방출원 형성용 조성물, 이를 이용한 전자 방출원제조 방법 및 전자 방출원 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카본계 물질 및 비이클을 포함하며, 상기 비이클은 하기 화학식 1로 표시되는 유니트를 가지며 5,000 내지 300,000의 중량 평균 분자량을 갖는 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물에 관한 것이다:
<화학식 1>
Figure 112004034670671-pat00001
상기 화학식 1 중, R1, R2 및 R3에 관한 정의는 발명의 상세한 설명을 참조한다. 상기 전자 방출원 형성용 조성물은 우수한 인쇄 특성을 갖는다. 이러한 본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물을 이용하면 우수한 전류 밀도를 갖는 전자 방출원을 얻을 수 있다.

Description

전자 방출원 형성용 조성물, 이를 이용한 전자 방출원 제조 방법 및 전자 방출원{A composition for preparing an electron emission source, a method for preparing an electron emission source using the same and an electron emission source}
도 1은 본 발명의 화학식 1로 표시된 유니트를 갖는 고분자의 요변성을 다른 유니트를 갖는 고분자의 요변성과 함께 나타낸 그래프이고,
도 2는 본 발명의 화학식 1로 표시된 유니트를 갖는 고분자의 요변성을 분자량 별로 나타낸 그래프이고,
도 3은 본 발명의 전자 방출 소자의 일실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
<도면 부호의 간단한 설명>
2...제1 기판 4...제2 기판
5...게이트 전극 6...캐소드 전극
8...절연막 8a...비아 홀
10...게이트 아일랜드 12...전자 방출원
14...애노드 전극 16...형광막
본 발명은 전자 방출원 형성용 조성물, 전자 방출원 제조 방법 및 전자 방출원으로서, 보다 구체적으로는 메타크릴레이트계 고분자를 포함하여 우수한 인쇄 특성을 갖는 전자 방출원 형성용 조성물, 이를 이용한 전자 방출원 제조 방법 및 높은 전류 밀도를 갖는 전자 방출원에 관한 것이다. 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자에도 관한 것이다.
전자 방출 소자(Electron Emission Device)란, 전자 방출원에 강한 전계(electric field)를 형성하여 터널링 효과에 의하여 냉전자를 방출시키고, 방출된 전자는 진공 속을 이동하여 애노드부의 형광막에 충돌하여 형광체를 발광시키는 소자이다.
전자 방출 소자의 마이크로팁으로 이용되는 금속 또는 반도체 물질은 큰 일함수(work function)를 가지기 때문에 높은 전압을 게이트 전극에 인가하여야 한다. 또한, 진공에서의 잔류 가스 입자들 또는 전자에 의해 충돌되어 떨어져 나온 형광체 입자들은 마이크로팁을 오염시킬 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 전자 방출원에 카본계 물질을 이용하고 있다. 카본계 물질은 전계 방출 전압이 낮고 화학적 안정성이 우수하며, 기계적으로도 강한 특성을 가지기 때문에 기존의 금속이나 반도체 물질을 대체할 것으로 기대되고 있다.
이러한 카본계 물질 중에서도 특히, 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원을 형성하기 위한 조성물은 예를 들면, 대한민국 특허 공개 번호 제2003-0083790호에 개시되어 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄 특성 및 전자 방출원 형성용 조성물을 이용하여 제조한 전자 방출원의 전류 밀도는 만족할 만한 수준에 이르지 못하고 있는 바, 전자 방출원 및 이를 구비한 전자 방출 소자의 신뢰성 향상을 위하여 이를 개선할 필요성이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 인쇄 특성 및 전류 밀도를 향상시킬 수 있는 고분자를 포함한 비이클을 사용하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 이용한 전자 방출원 제조 방법, 상기 방법으로 제조된 전자 방출원 및 이를 구비한 전자 방출 소자 또한 제공한다.
상기 본 발명의 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제1태양은, 카본계 물질 및 비이클을 포함하며, 상기 비이클은 하기 화학식 1로 표시되는 유니트를 가지며 5,000 내지 300,000의 중량 평균 분자량을 갖는 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제공한다:
<화학식 1>
Figure 112004034670671-pat00002
상기 화학식 1 중,
R1은 치환 또는 비치환된 C1-20알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2-20알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C3-20사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6-20아릴렌기, 치환, 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬렌기 또는 치환 또는 비치환된 C5-19헤테로아릴렌기이고;
R2는 결합, 치환 또는 비치환된 C1-20알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2-20 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C3-20사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6-20아릴렌기, 치환, 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬렌기 또는 치환 또는 비치환된 C5-19헤테로아릴렌기이고;
R3는 치환 또는 비치환된 C1-20알킬기, 치환 또는 비치환된 C2-20알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3-20사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-20아릴기, 치환 또는 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C5-19헤테로아릴기이다.
상기 본 발명의 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제2태양은, 전술한 바와 같은 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 단계;
기판 상에 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하는 단계; 및
상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물을 소성하는 단계;
를 포함하는 전자 방출원 제조 방법을 제공한다.
상기 본 발명의 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제3태양은 상기 전자 방출원 제조 방법에 의하여 제조되며, 5V/μm에서의 전류 밀도가 200 내지 600μA/cm2인 전자 방출원을 제공한다.
상기 본 발명의 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제4태양은, 서로 대향되게 배치된 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판 상에 형성된 캐소드 전극; 상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성된 전자 방출원; 상기 제2 기판 상에 형성된 애노드 전극; 및 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자에 의하여 발광하는 형광층;을 구비하고, 상기 전자 방출원이 전술한 바와 같은 전자 방출원 제조 방법에 의하여 제조되며, 5V/μm에서의 전류 밀도가 200 내지 600μA/cm2인 전자 방출 소자를 제공한다.
본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물은 우수한 인쇄 특성을 가지며, 이를 이용하여 제조된 전자 방출원은 높은 전류 밀도를 갖는다. 상기 전자 방출원을 이용하면 신뢰성이 향상된 전자 방출 소자를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
상기 본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물은 카본계 물질 및 비이클을 포함한다.
상기 카본계 물질은 전도성 및 전자 방출 특성이 우수하여 전자 방출 소자 작동시 애노드부의 형광막으로 전자를 방출시켜 형광체를 여기시키는 역할을 한다. 이러한 카본계 물질의 비제한적인 예에는 카본나노튜브, 그라파이트, 다이아몬드, 플러렌 및 탄화규소(SiC) 등이 포함된다. 이 중, 카본나노튜브가 바람직하다.
카본나노튜브는 그라파이트 시트가 나노 크기의 직경으로 둥글게 말려 튜브형태를 이루고 있는 카본동소체(allotrope)로서, 단일벽 나노튜브(single wall nanotube) 및 다중벽 나노튜브(multi wall nanotube)를 모두를 사용할 수 있다. 본 발명의 카본나노튜브는 열(Thermal) 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: 이하, "CVD법"이라고도 함), DC 플라즈마 CVD법, RF 플라즈마 CVD법, 마이크로파 플라즈마 CVD법과 같은 CVD법을 이용하여 제조된 것일 수 있다.
전자 방출원 형성용 조성물 중 비이클은 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄성 및 점도를 조절하는 역할을 한다. 본 발명의 비이클은 하기 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자를 포함한다.
<화학식 1>
Figure 112004034670671-pat00003
상기 화학식 1 중,
R1은 치환 또는 비치환된 C1-20알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2-20알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C3-20사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6-20아릴렌기, 치환, 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬렌기 또는 치환 또는 비치환된 C5-19헤테로아릴렌기이고;
R2는 결합, 치환 또는 비치환된 C1-20알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2-20 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C3-20사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6-20아릴렌기, 치환, 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬렌기 또는 치환 또는 비치환된 C5-19헤테로아릴렌기이고;
R3는 치환 또는 비치환된 C1-20알킬기, 치환 또는 비치환된 C2-20알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3-20사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-20아릴기, 치환 또는 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C5-19헤테로아릴기이다.
본 발명의 화학식 1에서 사용된 비치환된 C1-20알킬기의 구체적인 예로는 메틸, 에틸, 프로필, 이소부틸, sec-부틸, 펜틸, iso-아밀, 헥실 등을 들 수 있고, 상기 알킬기 중 적어도 하나 이상의 수소 원자는 할로겐 원자, 니트로기, 시아노기, C1-20알킬기, C2-20알케닐기, C6-30아릴기, C7-20아릴알킬기, C2-20헤테로아릴기, 또는 C3-30헤테로아릴알킬기로 선택적으로 치환될 수 있다.
본 발명의 화학식 1에서 사용된 비치환된 C2-20알케닐기는 상기 정의된 바와 같은 알킬기의 중간이나 맨 끝단에 탄소 이중결합을 함유하고 있는 것을 의미한다. 예로서는 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 헥실렌 등이 있다. 이들 알케닐기 중 적어도 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하 다.
본 발명의 화학식 1에서 사용된 비치환된 C3-20사이클로알킬기의 예로 사이클로헥실기, 사이클로펜틸기 등이 있고, 사이클로알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
본 발명의 화학식 1에서 사용된 비치환된 C6-20아릴기는 단독 또는 조합하여 사용되어, 하나 이상의 고리를 포함하는 탄소원자수 6 내지 20개의 카보사이클 방향족 시스템을 의미하며 상기 고리들은 펜던트 방법으로 함께 부착되거나 또는 융합될 수 있다. 아릴이라는 용어는 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸과 같은 방향족 라디칼을 포함한다. 상기 아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
본 발명의 화학식 1에서 사용된 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 C인 고리형 탄화수소이다. 상기 헤테로사이클로알킬기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
본 발명에서 사용하는 비치환된 C5-19헤테로아릴기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 1, 2 또는 3개의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 C인 1가 모노사이클릭 또는 비사이클릭 방향족 유기 화합물을 의미한다. 상기 헤테로아릴기 중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
본 발명의 화학식 1 중, 알킬렌기, 알케닐렌기, 사이클로알킬렌기, 아릴렌기, 헤테로사이클로알킬렌기 및 헤테로아릴렌기란 상술한 알킬기, 알케닐기, 사이클로알킬기, 아릴기, 헤테로사이클로알킬기 및 헤테로아릴기 각각과 동일한 구조를 갖는 2가 라디칼을 가리키는 것이다. 따라서, 예를 들면, C1-20알킬렌기의 비제한적인 예에는 메틸렌기, 에틸렌기, 프로필렌기, 부틸렌기, 헥실렌기 등이 포함되고, C6-20사이클로알킬렌기의 비제한적인 예에는 사이클로헥실렌기, 사이클로헵타닐렌기 등이 포함되고, C6-20아릴렌기의 비제한적인 예에는 페닐렌기 등이 포함될 수 있다.
상기 화학식 1 중, 바람직하게, R1은 치환 또는 비치환된 C1-5알킬렌기일 수 있고, R2는 결합 또는 치환 또는 비치환된 C1-5알킬렌기일 수 있고, R3 는 치환 또는 비치환된 C1-10알킬기일 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자의 중량 평균 분자량은 5,000 내지 300,000, 바람직하게는 150,000 내지 300,000일 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자의 중량 평균 분자량이 300,000을 초과하는 경우에는 최종 형성된 전자 방출원 중 잔탄의 함량이 증가할 수 있다는 문제점이 있고, 상기 화학식 1로 표시되는 고분자의 중량 평균 분자량이 5,000 미만인 경우에는 인쇄 특성이 저하될 수 있는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
보다 구체적으로, 본 발명을 따르는 화학식 1로 표시되는 유니트는 하기 화학식 2로 표시되는 바와 같이, R1은 에틸렌기이고; R2는 결합이고; R3는 이소부틸기 인 것이 바람직하다:
<화학식 2>
Figure 112004034670671-pat00004
상기 화학식 2로 표시되는 유니트를 포함하고 5,000 내지 300,000의 중량 평균 분자량을 갖는 고분자는 예를 들면, (이소부틸)메타크릴레이트의 자유 라디칼 개시 연쇄 중합 반응에 의하여 제조될 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 포함하는 고분자의 함량은 전자 방출원 형성용 조성물에 포함되는 전체 비이클 100중량부 당 5 내지 30 중량부, 바람직하게는 10 내지 30 중량부일 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자의 함량이 전체 비이클 100중량부 당 5 중량부 미만인 경우에는 소망하는 인쇄 특성 향상 및 전류 밀도 향상 효과를 달성할 수 없다는 문제점이 있고, 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자의 함량이 전체 비이클 100중량부 당 30 중량부를 초과하는 경우에는 인쇄성 및 점도를 만족할 만한 수준으로 얻을 수 없다는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물이 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 포함하는 고분자를 포함함으로써, 인쇄 특성이 향상될 수 있다는 사실은 도 1 및 도 2의 요변성(Thixotropy : 틱소트로피) 그래프로부터 확인할 수 있다. 인쇄 특성은 점도, 토크, 흐름성, 요변성 등으로 결정될 수 있는데, 이 중 요변성이 클수 록 인쇄 특성은 향상된다. 요변성이란 진동이나 교반으로 겔이 유동성 있는 졸로 변하고, 이를 방치하면 또 다시 겔로 되돌아가는 성질을 가리킨다. 도 1 및 도 2의 그래프들의 기울기가 해당 고분자의 요변성에 대응되는 것이다.
도 1은 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 포함하는 고분자인 폴리이소부틸 메타크릴레이트의 요변성을 폴리아크릴레이트의 요변성과 함께 나타낸 것이다. 폴리이소부틸 메타크릴레이트의 요변성은 폴리아크릴레이트의 요변성보다 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있다.
도 2는 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 포함하는 고분자인 폴리이소부틸 메타크릴레이트의 요변성을 폴리이소부틸 메타크릴레이트의 분자량에 따라 나타낸 것이다. 도 2 중, PIM30, PIM16, PIM13 및 PIM7은 중량 평균 분자량이 각각 300,000, 160,000, 130,000 및 70,000인 폴리이소부틸 메타크릴레이트를 표시한 것이다. 도 2에 따르면, 분자량이 증가할수록 요변성은 증가하는 것을 알 수 있으나, 전술한 바와 같이, 화학식 1로 표시되는 유니트를 포함하는 고분자의 분자량은 최종 제조된 전자 방출원에 포함되는 잔탄의 함량을 고려하여 결정되어야 한다.
본 발명의 비이클은 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자 외에도 여러가지 비이클을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 비이클은 수지 성분과 용매 성분으로 이루어질 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자 외에 사용가능한 다른 수지 성분의 비제한적인 예에는 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스 등과 같은 셀룰로오스계 수지; 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 우레탄 아크릴레이트와 같은 아크릴계 수지; 및 비닐계 수지 등이 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자는 이러한 수지 성분으로 분류될 수 있다. 상기 수지 성분 중 일부 이상은 감광성 수지로서의 역할을 동시에 할 수 있다
용매 성분의 예에는 터피네올(terpineol), 부틸 카르비톨(butyl carbitol:BC), 부틸 카르비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate:BCA), 톨루엔(toluene) 및 텍사놀(texanol) 등이 있다. 이들 중 2 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이 중, 용매 성분으로는 터피네올이 바람직하다.
상기 수지 성분의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 100 내지 500중량부, 보다 바람직하게는 200 내지 300중량부일 수 있다. 한편, 상기 용매 성분의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 500 내지 1500중량부, 바람직하게는 800 내지 1200중량부일 수 있다. 비이클의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄성 및 흐름성이 저하되는 문제점이 생길 수 있다. 특히, 비이클의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 건조시간이 지나치게 길어질 수 있다는 문제점이 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자는 상기 수지 성분과 용매 성분의 함량을 합한 전체 비이클의 함량을 고려하여, 전술한 바와 같은 함량으로서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물은 필요에 따라 접착 성분, 통상의 감광성 수지와 광개시제 또는 필러 등을 더 포함할 수 있다.
상기 접착 성분은 전자 방출원을 기판에 부착시키는 역할을 하는 것으로서, 무기 바인더 등일 수 있다. 이러한 무기 바인더의 비제한적인 예에는 프리트, 실 란, 물유리 등이 포함되며, 이들 중 2 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 프리트는 예를 들면, 산화납-산화아연-보론옥사이드(PbO-ZnO-B2O3) 성분으로 이루어질 수 있다. 상기 무기 바인더 중 프리트가 바람직하다.
전자 방출원 형성용 조성물 중 무기 바인더의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 10 내지 50중량부, 바람직하게는 15 내지 35중량부 일 수 있다. 무기 바인더의 함량이 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 10중량부 미만인 경우에는 만족할 만한 접착력을 얻을 수 없고, 50중량부를 초과하는 경우에는 인쇄성이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
상기 감광성 수지는 전자 방출원의 패터닝에 사용되는 물질이다. 상기 감광성 수지의 비제한적인 예에는 아크릴레이트계 모노머, 벤조페논계 모노머, 아세토페논계 모노머, 또는 티오크산톤계 모노머 등이 있으며, 보다 구체적으로는 에폭시 아크릴레이트, 폴리에스테르 아크릴레이트, 2,4-디에틸옥산톤(2,4-diethyloxanthone), 또는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 등을 사용할 수 있다. 상기 감광성 수지의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 300 내지 1000중량부, 바람직하게는 500 내지 800중량부일 수 있다. 감광성 수지의 함량이 카본계 물질 100중량부를 기준으로 300중량부 미만인 경우에는 노광 감도가 떨어지고, 카본계 물질 100중량부를 기준으로 1000중량부를 초과하는 경우에는 현상이 잘 되지 않기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 광개시제는 상기 감광성 수지가 노광될 때 감광성 수지의 가교결합을 개시하는 역할을 한다. 상기 광개시제의 비제한적인 예에는 벤조페논 등이 있다. 상기 광개시제의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 300 내지 1000중량부, 바람직하게는 500 내지 800중량부일 수 있다. 광개시제의 함량이 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 300중량부 미만인 경우에는 효율적인 가교결합이 이루어 지지 않게 되어 패턴 형성에 문제가 생길 수 있고, 카본계 물질 100중량부를 기준으로 1000중량부를 초과하면 제조비용 상승의 원인이 될 수 있기 때문이다.
상기 필러는 기판과 충분히 접착하지 못한 카본계 물질의 전도성을 향상시키는 역할을 하는 물질로서 이의 비제한적인 예에는 Ag, Al, Pd 등이 있다.
인쇄 전 최종적으로 형성된 전자 방출원 형성용 조성물의 점도는 3,000 내지 50,000cps, 바람직하게는 5,000 내지 30,000cps일 수 있다. 전자 방출원 형성용 조성물의 점도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 작업성이 불량해지는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 전자 방출원 제조 방법은 전술한 바와 같은 전자 방출원 형성용 조성물의 제공 단계; 상기 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄 단계; 및 상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물의 현상 단계로 이루어진다.
먼저, 전자 방출원 형성용 조성물은 전술한 바와 같은 성분 및 함량으로 준비된다. 이와 관련된 상세한 설명은 전술한 바와 같으므로 생략한다.
이 후, 상기 제공된 전자 방출원 형성용 조성물을 기판에 인쇄한다. 상기 "기판"이란 전자 방출원이 형성될 기판으로서, 형성하고자 하는 전자 방출 소자에 따라 상이할 수 있으며, 이는 당업자에게 용이하게 인식가능한 것이다. 예를 들 면, 상기 "기판"이란, 캐소드부와 애노드부 사이에 게이트 전극이 구비된 형태의 전자 방출 소자를 제조하는 경우에는 캐소드부가 될 수 있으며, 캐소드부 하부에 게이트 전극이 구비된 형태의 전자 방출 소자를 제조하는 경우에는 캐소드부와 게이트 전극을 절연시키는 절연층이 될 수 있다.
인쇄 방식은 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하는 경우와 감광성 수지를 포함하지 않은 경우에 따라 상이하다. 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하는 경우에는 별도의 포토레지스트 패턴이 불필요하다. 즉, 기판 상에 감광성 수지를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄로 코팅하고, 이를 원하는 전자 방출원 형성 영역에 따라 노광 및 현상한다.
한편, 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하지 않는 경우에는, 별도의 포토레지스트막 패턴을 이용한 포토리소그래피 공정이 필요하다. 즉, 포토레지스트막을 이용하여 포토레지스트막 패턴을 먼저 형성한 후, 상기 포토레지스트막 패턴을 이용하여 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄로 공급한다. 본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물은 전술한 바와 같은 화학식 1로 표시되는 유니트를 갖는 고분자를 포함하는 바, 우수한 인쇄 특성을 갖는다.
전술한 바와 같이 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물은 소성 단계를 통하여 카본계 물질과 기판과의 접착력이 향상될 수 있고, 일부 이상의 바인더의 용융 및 고형화에 의하여 내구성 등도 향상될 수 있으며, 아웃개싱(outgasing)도 최소화될 수 있다. 소성 온도는 전자 방출원 형성용 조성물에 포함된 비이클의 휘발 및 바인더의 소결가능 온도 및 시간을 고려하여 결정되어야 한다. 통상적인 소성 온도 는 400 내지 500℃, 바람직하게는 450℃이다. 소성 온도가 400℃ 미만이면 비이클 등의 휘발이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 발생할 수 있고, 소성 온도가 500℃를 초과하면 카본계 물질이 손상될 수 있다는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다. 한편, 소성 단계는 카본계 물질의 열화를 최소화하기 위하여 불활성 가스, 예를 들면, 질소 가스 등의 존재 하에서 수행되는 것이 바람직하다.
이와 같이 소성된 소성 결과물 표면의 카본계 물질은 선택적으로, 활성화 단계를 거친다. 상기 활성화 단계의 일 구현예에 따르면, 열처리 공정을 통하여 필름 형태로 경화될 수 있는 용액, 예를 들면 폴리이미드계 고분자를 포함하는 전자 방출원 표면 처리제를 상기 소성 결과물 상에 도포한 후, 이를 열처리한 다음, 상기 열처리로 형성된 필름을 박리한다. 활성화 단계의 다른 구현예에 따르면 소정의 구동원으로 구동되는 롤러 표면에 접착력을 갖는 접착부를 형성하여 상기 소성 결과물 표면에 소정의 압력으로 가압함으로써 활성화 공정을 수행할 수도 있다. 이러한 활성화 단계를 통하여 전자 방출원 표면으로 카본계 물질이 노출되거나 수직배향 상태를 조절될 수 있다.
전술한 바와 같이 제조된 전자 방출원은 5V/μm에서 200 내지 600μA/cm2의 전류 밀도를 갖는다. 상기 전류 밀도를 갖는 본 발명의 전자 방출원은 디스플레이 소자 또는 백라이트 유니트로 이용될 수 있는 전자 방출 소자에 사용되기에 적합하다.
본 발명을 따르는 전자 방출 소자의 일 실시예는 도 3을 참조한다. 도 3의 전자 방출 소자에서, 외관을 형성하는 제1 기판(2)과 제2 기판(4)은 내부 공간부가 형성되도록 소정의 간격을 두고 배치되어 있고, 상기 제2 기판(4)에는 전자 방출을 이룰 수 있는 구성이, 상기 제1 기판(2)에는 상기 전자 방출에 의한 전자에 의해 소정의 이미지를 구현할 수 있는 구성이 구비되어 있다.
먼저, 제2 기판(4)에는 다수의 게이트 전극(5)이 소정 패턴, 예를 들면 스트라이프 패턴으로 형성되어 있고, 이 게이트 전극(5)을 덮도록 절연막(8)이 형성된다. 이 절연막(8)은 예를 들면, 실리콘 옥사이드계 물질로 형성될 수 있는데, 복수 개의 비아 홀(8a)을 갖도록 형성된다. 상기 절연막(8) 상부에는 상기 비아 홀(8a)에 채워지도록 게이트 아일랜드(10)가 형성된다.
상기 절연막(8) 위에는 캐소드 전극(6)이 형성된다. 캐소드 전극(6)은 상기 게이트 전극(5)과 수직으로 교차하도록 스트라이프 패턴으로 형성될 수도 있다. 상기와 같은 게이트 전극(5)과 캐소드 전극(6)의 패턴은 이 외에도 다양하게 형성될 수 있다.
한편, 상기 절연막(8) 위에는 캐소드 전극(6)의 측부에 접하도록 전자 방출원(12)이 형성된다. 본 발명의 전자 방출원(12)은 전술한 바와 같이 제조되므로, 이의 제조 방법 등에 관한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 전자 방출 소자는 도 3에 도시된 바와 같은 3극관 구조의 전자 방출 소자를 예로 하여 설명하였으나, 본 발명은 3극관 구조 뿐만 아니라, 2극관 구조를 비롯한 다른 구조의 전자 방출 소자도 포함한다. 뿐만 아니러, 게이트 전극이 애노드부와 캐소드 전극 사이에 배치되는 전자 방출 소자, 방전 현상에 의하여 발생되는 것으로 추정되는 아크에 의한 게이트 전극 및/또는 캐소드 전극의 손상을 방지하고, 전자 방출원으로부터 방출되는 전자의 집속을 보장하기 위한 그리드/메쉬를 구비하는 전자 방출 소자에도 사용될 수 있다. 이러한 본 발명의 전자 방출 소자는 전자 방출 디스플레이 소자로 응용되거나, 수발광 소자의 백라이트 유니트로 응용될 수 있는 등, 다양하게 사용될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재되는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예
터피네올 10g에 카본나노튜브 분말(MWNT, 일진 나노텍사 제품) 1g, 프리트(8000L, 신흥요업사 제품) 0.2g, 약 170,000의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리(이소부틸 메타크릴레이트) 20g, 폴리에스테르 아크릴레이트 5g, 벤조피논 5g을 첨가하여 교반하여, 30,000cps의 점도를 갖는 전자 방출원용 조성물을 제조하였다. 상기 전자 방출원 형성용 조성물을, Cr 게이트 전극, 절연막 및 ITO 전극이 구비된 기판 상의 전자 방출원 형성 영역에 인쇄한 후, 패턴 마스크를 이용하여 2000 mJ/cm2의 노광 에너지로 평행 노광기를 이용하여 조사하였다. 노광 후 스프레이하여 현상하고, 450℃의 온도에서 소성하여 전자 방출원을 형성하였다. 이 후, 형광막과 애노드 전극으로서 ITO를 채용한 기판을 상기 전자 방출원이 형성된 기판과 배향되게 배치하고, 양 기판 사이에는 기판 간 셀 갭을 유지하는 스페이서를 형성하였다. 상기 전자 방출 소자를 샘플 1이라고 한다.
비교예
상기 폴리(이소부틸 메타크릴레이트) 대신 아크릴 수지(Elvacite 사 제품) 20g을 사용하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 전자 방출 소자를 제조하였다. 이를 샘플 A라고 한다.
평가예 1 - 전류 밀도 평가
상기 샘플 1 및 A의 전류 밀도를 Pulse power source와 전류계를 이용하여 측정하였다. 그 결과, 폴리(이소부틸 메타크릴레이트)를 포함한 비이클을 사용하여 형성된 전자 방출원을 구비한 샘플 1은 5V/㎛에서 500㎂/cm2의 전류 밀도를 얻었으나, 아크릴 수지를 포함한 비이클을 사용하여 형성된 전자 방출원을 구비한 샘플 A는 5V/㎛에서 190㎂/cm2의 전류 밀도를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 샘플 1의 전자 방출 특성이 샘플 A의 전자 방출 특성보다 높다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물을 이용하면 인쇄 특성 및 전류 밀도가 향상된 전자 방출원을 제조할 수 있는 바, 상기 전자 방출원을 이용하면 신뢰성이 향상된 전자 방출 소자를 얻을 수 있다.

Claims (8)

  1. 카본계 물질 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 포함하며, 상기 비이클은 하기 화학식 1로 표시되는 유니트를 가지며 5,000 내지 300,000의 중량 평균 분자량을 갖는 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물:
    <화학식 1>
    Figure 112004034670671-pat00005
    상기 화학식 1 중,
    R1은 치환 또는 비치환된 C1-20알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2-20알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C3-20사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6-20아릴렌기, 치환, 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬렌기 또는 치환 또는 비치환된 C5-19헤테로아릴렌기이고;
    R2는 결합, 치환 또는 비치환된 C1-20알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C2-20 알케닐렌기, 치환 또는 비치환된 C3-20사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6-20아릴렌기, 치환, 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬렌기 또는 치환 또는 비치환된 C5-19헤테로아릴렌기이고;
    R3는 치환 또는 비치환된 C1-20알킬기, 치환 또는 비치환된 C2-20알케닐기, 치 환 또는 비치환된 C3-20사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6-20아릴기, 치환 또는 비치환된 C2-19헤테로사이클로알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C5-19헤테로아릴기이다.
  2. 제1항에 있어서, R1은 치환 또는 비치환된 C1-5알킬렌기이고, R2는 결합 또는 치환 또는 비치환된 C1-5알킬렌기이고, R3는 치환 또는 비치환된 C1-10 알킬기인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중량 평균 분자량이 150,000 내지 300,000인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고분자의 함량이 전체 비이클 100중량부를 기준으로 5 내지 30중량부인 것을 특징으로 하는 전자 방출원 형성용 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 단계;
    기판 상에 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하는 단계; 및
    상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물을 소성하는 단계;
    를 포함하는 전자 방출원 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전자 방출원 형성용 조성물은 감광성 수지를 더 포함하고, 상기 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄 단계를 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 코팅한 다음 전자 방출원 형성 영역에 따라 노광 및 현상시킴으로써 수행하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
  7. 제5항의 방법에 의하여 제조되며, 5V/μm의 전계에서 200 내지 600μA/cm2의 전류 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  8. 서로 대향되게 배치된 제1 기판 및 제2 기판;
    상기 제1 기판 상에 형성된 캐소드 전극;
    상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성된 전자 방출원;
    상기 제2 기판 상에 형성된 애노드 전극; 및
    상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자에 의하여 발광하는 형광층;
    을 구비하고, 상기 전자 방출원이 제5항의 방법에 의하여 제조되며, 5V/μm의 전계에서 200 내지 600μA/cm2의 전류 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
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