KR101030531B1 - 전계방출장치, 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

전계방출장치, 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전계방출장치, 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 전계방출장치는, i) 기판, ii) 기판 위에 위치하는 전극, iii) 전극 위에 위치하고 하나 이상의 개구부를 가지는 마스크층, 및 iv) 개구부를 통하여 전극 위에 위치하고, 방사상으로 뻗어서 형성되는 복수의 나노 구조체들을 포함한다. 복수의 나노 구조체들은 전극으로부터 전압을 인가받아 전계를 방출하도록 적용된다.
전계방출장치, 전계방출 표시장치, 나노 구조체

Description

전계방출장치, 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법 {FIELD EMISSION DEVICE, FIELD EMISSION DISPLAY DEVICE AND METHODS FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전계방출장치, 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 방사상으로 뻗은 복수의 나노 구조체들을 구비한 전계방출장치, 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
원하는 정보를 쉽게 얻을 수 있는 정보화 시대로 진입하면서 휴대가 간편하고 이동성을 가진 휴대용 기기가 주목을 받고 있다. 따라서 휴대하기 쉬우면서 얇고 가벼운 표시 장치들이 개발되고 있다.
따라서 휴대용 기기에 주로 LCD(liquid crystal display, 액정표시장치)가 사용되고 있지만, LCD는 낮은 선명도 및 낮은 응답속도를 가지며, 그 시야각이 좁은 단점이 있다. 따라서 이를 대체하기 위한 표시 장치로서 전계방출 표시장치(field emission display)가 개발되고 있다. 전계방출 표시장치는 높은 선명도를 가지고, 그 시야각이 넓으며, 얇고 가볍다.
전자 방출 효율이 우수한 나노 구조체를 포함하는 전계방출장치를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 나노 구조체를 포함하는 전계방출 표시장치를 제공하고자 한다. 그리고 전술한 전계방출장치 및 전계방출 표시장치의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출장치는, i) 기판, ii) 기판 위에 위치하는 전극, iii) 전극 위에 위치하고 하나 이상의 개구부를 가지는 마스크층, 및 iv) 개구부를 통하여 전극 위에 위치하고, 방사상으로 뻗어서 형성되는 복수의 나노 구조체들을 포함한다. 복수의 나노 구조체들은 전극으로부터 전압을 인가받아 전계를 방출하도록 적용된다.
복수의 나노 구조체들 중 상호 이웃한 나노 구조체들은 상호간에 20° 내지 60°의 각도를 형성할 수 있다. 상호 이웃한 나노 구조체들간에 형성되는 각도는 실질적으로 동일할 수 있다. 복수의 나노 구조체들은 기판의 판면과 실질적으로 직각을 이루면서 뻗은 하나 이상의 나노 구조체를 포함하고, 다른 나노 구조체들은 하나 이상의 나노 구조체를 중심으로 상호 대칭 형태로 위치할 수 있다.
복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체의 단부는 뾰족한 형상을 가질 수 있다. 나노 구조체의 길이 방향으로 단부를 자른 경우, 단부는 이등변 삼각형 형상을 가지고, 이등변 삼각형의 밑변 길이에 대한 높이의 비는 2 내지 4일 수 있다.
복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체는 나노막대, 나노튜브, 나노선 및 나노벽으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 형상을 가질 수 있다. 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체를 기판의 판면에 평행인 방향으로 자른 길이에 대한 나노 구조체를 기판의 판면에 수직인 방향으로 자른 길이의 비는 10 이상일 수 있다.
복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체와 기판의 판면은 30° 내지 150°의 각도를 형성할 수 있다. 복수의 나노 구조체들은 기판의 판면과 실질적으로 직각을 이루면서 뻗은 복수의 나노 구조체들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출장치는 기판 및 마스크층 사이에 형성된 씨드층을 더 포함하고, 나노 구조체들의 소재와 씨드층의 소재는 동일할 수 있다. 나노 구조체들은 씨드층으로부터 성장할 수 있다.
복수의 나노 구조체들 중에서 하나 이상의 나노 구조체는 산화아연(ZnO), 산화인듐(InO), 산화 주석(SnO), 산화텅스텐(WO), 산화철(Fe2O3), 산화카드뮴 (CdO), 산화마그네슘(MgO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 황화구리(CuS), 산화구리(CuO), 황화몰리브덴(MoS2), 이산화몰리브덴(MoO2), 삼산화몰리브덴(MoO3), 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다. 하나 이상의 나노 구조체는 Al, Mg, Cd, Ni, Ca, Mn, La, Ta, Ga, Ln, Cr, B, N, 및 Sn 으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출 표시장치는, i) 제1 기판, ii) 제1 기판 위에 위치하는 제1 전극, iii) 제1 전극 위에 위치하고 하나 이상의 개구부를 가지는 마스크층, iv) 제1 전극 위에 위치하고, 개구부에 방사상으로 뻗어서 형성되는 복수의 나노 구조체들, v) 제1 기판과 이격되어 위치하고, 복수의 나노 구조체들과 대향하는 면에 형광체층이 형성된 제2 기판, 및 vi) 제1 기판과 대향하고, 제2 기판 위에 위치한 제2 전극을 포함한다. 복수의 나노 구조체들은 제1 전극으로부터 전압을 인가받아 전계를 방출하고, 전계가 형광체층에 충돌하여 제2 기판을 통해 가시광선이 발산되도록 적용된다.
복수의 나노 구조체들 중 상호 이웃한 나노 구조체들은 상호간에 20° 내지 60°의 각도를 형성할 수 있다. 상호 이웃한 나노 구조체들간에 형성되는 각도는 실질적으로 동일할 수 있다. 복수의 나노 구조체들은 기판의 판면과 실질적으로 직각을 이루는 하나의 나노 구조체를 포함하고, 다른 나노 구조체들은 하나의 나노 구조체를 중심으로 상호 대칭 형태로 위치할 수 있다.
복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체의 단부는 뾰족한 형상을 가질 수 있다. 나노 구조체의 길이 방향으로 뾰족한 형상을 자른 경우, 뾰족한 형상은 이등변 삼각형 형상을 가지고, 이등변 삼각형의 밑변 길이에 대한 높이의 비는 2 내지 4일 수 있다. 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체와 기판은 30° 내지 90°의 각도를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출장치의 제조 방법은, i) 챔버내에 기판 을 제공하는 단계, ii) 기판 위에 전극을 제공하는 단계, iii) 전극 위에 마스크층을 제공하는 단계, iv) 마스크층을 식각하여 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계, 및 v) 방사상으로 뻗어서 형성되는 복수의 나노 구조체들을 개구부를 통하여 전극 위에 형성하는 단계를 포함한다.
복수의 나노 구조체들을 전극 위에 형성하는 단계에서, 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체의 직경에 대한 개구부의 직경의 비는 10 이상일 수 있다. 복수의 나노 구조체들을 전극 위에 형성하는 단계는 반응 전구체를 챔버내에 주입하는 단계를 포함하고, 반응 전구체는 질산아연(zin nitrate) 및 헥사메틸메타크릴레이트(hexamethylmethacrylate)를 포함하는 수용액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출장치의 제조 방법은 전극 바로 위에 씨드층을 제공하는 단계를 더 포함하고, 마스크층을 제공하는 단계에서, 마스크층은 씨드층 바로 위에 제공되며, 복수의 나노 구조체들을 전극 위에 형성하는 단계에서, 복수의 나노 구조체들은 씨드층으로부터 성장하여 형성될 수 있다. 씨드층을 제공하는 단계에서, 씨드층의 형성 온도는 상온 내지 450℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출표시장치의 제조 방법은, i) 챔버내에 제1 기판을 제공하는 단계, ii) 제1 기판 위에 제1 전극을 제공하는 단계, iii) 제1 전극 위에 마스크층을 제공하는 단계, iv) 마스크층을 식각하여 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계, v) 방사상으로 뻗어서 형성되는 복수의 나노 구조체들을 개구부를 통하여 제1 전극 위에 형성하는 단계, vi) 기판 위에 스페이서(spacer)를 제공하는 단계, vii) 스페이서 위에 제2 전극을 제공하는 단계, 및 viii) 제2 전극 위에 복수의 나노 구조체들과 대향하는 면에 형광체층이 형성된 제2 기판을 제공하는 단계를 포함한다.
복수의 나노 구조체들을 제1 전극 위에 형성하는 단계에서, 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체의 직경에 대한 개구부의 직경의 비는 10 이상일 수 있다. 복수의 나노 구조체들을 제1 전극 위에 형성하는 단계는 반응 전구체를 챔버내에 주입하는 단계를 포함하고, 반응 전구체는 질산아연 및 헥사메틸메타크릴레이트를 포함하는 수용액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출표시장치의 제조 방법은 제1 전극 바로 위에 씨드층을 제공하는 단계를 더 포함하고, 마스크층을 제공하는 단계에서, 마스크층은 씨드층 바로 위에 제공되며, 복수의 나노 구조체들을 제1 전극 위에 형성하는 단계에서, 복수의 나노 구조체들은 씨드층으로부터 성장하여 형성될 수 있다. 씨드층을 제공하는 단계에서, 씨드층의 형성 온도는 상온 내지 450℃일 수 있다.
복수의 나노 구조체들을 기판위에 대면적으로 제공하므로, 전계방출장치의 전자 방출 효율이 매우 우수하다. 또한, 전계방출장치의 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는 것을 이해할 수 있다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 좀더 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90°회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
사시도 및 단면도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 예를 들면, 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거칠거나/거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다. 또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.
이하에서 설명하는 나노 다발은 복수의 나노 구조체들의 집합을 의미한다. 나노 다발은 어떠한 형상으로도 변형될 수 있으며, 특정 형상에 국한되지는 않는다.
이하에서는 도 1 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계방출장치(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 전계방출장치(100)는 나노 크기를 가져서 실제로는 매우 작으므로, 도 1에는 이를 확대하여 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전계방출장치(100)는, 기판(10), 전극(30), 나노 다발(20), 씨드층(40) 및 마스크층(50)을 포함한다. 전계방출장치(100)를 제조시 경우에 따라 씨드층(40)은 생략할 수 있다. 나노 다발(20)은 복수의 나노 구조체들(201)을 포함한다.
기판(10)의 소재로는 비정질 쿼츠, 파이렉스 또는 폴리머를 사용할 수 있다. 이러한 소재로 된 기판(10)을 사용하는 경우, 전계방출장치(100)의 제조 비용이 낮으므로 대면적을 가진 기판을 사용할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 기판(10) 위에는 전극(30)을 형성한다. 전극(30)으로서 ITO(indium tin oxide, 인듐 틴 옥사이드) 박막을 기판(10)의 전면에 형성할 수 있다. 반대로, 전극(30)을 나노 다발(20)이 위치하는 부분에만 부분적으로 형성할 수도 있다. 전극(30)은 도전성 소재로 형성되므로, 외부로부터 전력을 공급받아 나노 다발(20)에 전압을 인가시킨다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전극(30) 위에는 씨드층(40)이 위치한다. 씨드층(40)은 이방적 표면 에너지를 가진다. 씨드층(40)은 나노 구조체(201)을 지지하는 기초 박막으로서 작용한다. 씨드층(40)의 소재로는 실리콘, 산화 알루미늄, 비소화 갈륨, 스피넬, 실리콘, 인화 인듐, 인화 갈륨, 인화 알루미늄, 질화 갈륨, 질 화 인듐, 질화 알루미늄, 산화 아연, 산화 마그네슘, 산화인듐(InO), 산화 주석(SnO), 산화텅스텐(WO), 산화철(Fe2O3), 산화카드뮴 (CdO), 실리콘 카바이드, 산화 티타늄, 황화구리(CuS), 산화구리(CuO), 황화몰리브덴(MoS2), 이산화몰리브덴(MoO2) 삼산화몰리브덴(MoO3), 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo)을 사용할 수 있다. 나노 구조체(20)의 소재는 씨드층(40)의 소재와 동일할 수 있다.
씨드층(40)의 결정 방향을 조절하여 나노 구조체(201)의 성장 방향을 조절할 수 있다. 예를 들면, 씨드층(40)의 결정 방향이 z축 방향으로 배향된 경우, 씨드층(40)에서 성장한 나노 구조체(201)도 z축 방향으로 뻗어서 씨드층(40)과 나란하게 형성된다. 따라서, 씨드층(40)의 결정 방향을 조절하여 나노 구조체(201)의 공간적 배열을 조절할 수 있다. 또한, 씨드층의 형성 온도를 상온 내지 450℃의 비교적 낮은 온도에서 조절하여 원하는 형태를 가진 나노 다발(20)을 제조할 수 있다.
마스크층(50)은 씨드층(40) 위에 위치한다. 마스크층(50)은 복수의 개구부들(501)을 가진다. 복수의 개구부들(501)은 상호 이격되어 일정한 패턴을 가지면서 형성된다. 따라서 복수의 나노 다발들(20)을 기판(10) 위에 규칙적으로 배열할 수 있다. 마스크층(50)을 적절하게 사용함으로써 나노 다발(20)들의 위치, 간격, 밀도 및 배열 등을 조절할 수 있다. 그 결과, 나노 다발(20)의 전자 방출 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 복수의 나노 구조체들(201)은 상호 이격되어 하나 의 다발(flower)을 형성한다. 복수의 나노 구조체들(201)은 방사상으로 뻗어서 상호 이격되어 형성되므로, 외부에서 공급된 전기장이 각 나노 구조체(201)에 효율적으로 잘 인가되어 각 나노 구조체(201)가 전자를 잘 방출할 수 있다. 더욱이, 선택 성장법을 이용해서 복수의 나노 구조체들(201) 사이의 간격을 조절하므로, 외부로부터 공급된 전기장이 효율적으로 각 나노 구조체(201)에 인가될 수 있다. 즉, 높은 전기장을 인가하지 않고도 낮은 전기장을 인가해서 각 나노 구조체(201)로부터 전자를 방출시킬 수 있다. 또한, 도 1에는 도시하지 않았지만 나노 구조체(201)는 다발이 아닌 단수로도 형성될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 나노 다발(20)은 일방향, 즉, x축 방향 및 y축 방향을 따라 배열된다. 복수의 나노 다발(20)은 x축 방향 및 y축 방향을 따라 규칙적으로 배열된다. 따라서 복수의 나노 다발들(20) 중에서 상호 이웃하는 나노 다발(20)의 거리는 실질적으로 동일하다. 그 결과, 복수의 나노 다발들(20)의 공간 배열을 효과적으로 조절할 수 있으므로, 나노 다발(20)의 전자 방출 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 나노 구조체(201)는 나노 막대 형상을 가질 수 있다. 또한, 도 1에는 도시하지 않았지만, 나노 구조체는 나노튜브, 나노선 또는 나노벽 등의 다양한 형상을 가질 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 나노 구조체(201)는 산화아연(ZnO), 산화인듐(InO), 산화 주석(SnO), 산화텅스텐(WO), 산화철(Fe2O3), 산화카드뮴(CdO), 산화 마그네슘(MgO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 황화구리(CuS), 산화구리(CuO), 황화몰리브덴(MoS2), 이산화몰리브덴(MoO2), 삼산화몰리브덴(MoO3), 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo)으로 제조될 수 있다. 또한, 나노 구조체(201)는 Al, Mg, Cd, Ni, Ca, Mn, La, Ta, Ga, Ln, Cr, B, N 또는 Sn을 더 포함할 수 있다.
기판(10)을 전원과 연결한 후 전력을 공급하면 나노 구조체들(201)은 기판(10)으로부터 전압을 인가받아 전계를 방출한다. 이러한 방법을 이용하여 전계방출장치(100)로부터 전계를 방출시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 II-II선을 따라 나노 다발(20)을 자른 단면 구조를 나타낸다. 도 2에 도시한 복수의 나노 구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)은 특정한 위치 및 각도를 가지는 나노 구조체들만을 의미하는 것은 아니므로, 모든 나노 구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)에 적용할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 나노 다발(20)은 복수의 나노 구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)을 포함한다. 나노 구조체(201a)는 기판(10)의 판면(101)과 실질적으로 직각을 이루면서 뻗어 있다. 즉, 나노 구조체(201a)는 z 방향을 향하여 뻗어 있다. 도 1에는 z 방향으로 뻗은 나노 구조체(201a)를 하나만 도시하였지만, 복수의 나노 구조체들을 z 방향으로 뻗어서 형성시킬 수도 있다.
나노 구조체(201a)를 제외한 나머지 나노 구조체들(201b, 201c, 201d, 201e)은 나노 구조체(201a)를 중심으로 상호 대칭 형태로 위치한다. 즉, 나노 구조 체(201b)는 나노 구조체(201a)를 중심으로 나노 구조체(201d)와 대칭으로 위치하고, 나노 구조체(201c)는 나노 구조체(201a)를 중심으로 나노 구조체(201e)와 대칭으로 위치한다. 따라서 나노 다발(20)은 규칙적인 형상을 가지므로, 우수한 전계 방출을 가진다.
도 2에 도시한 바와 같이, 개구부(501)의 직경(D)은 나노 구조체(201a)의 직경(d)보다 크게 형성된다. 즉, 개구부(501)의 직경(D)은 나노 구조체(201a)의 직경(d)의 10배 이상일 수 있다. 이 경우, 개구부(501)에서 나노 구조체(201a)를 다발 형태로 형성할 수 있다. 즉, 개구부(501)의 직경(D)과 나노 구조체(201a)의 직경(d)의 상대적 크기 차이를 이용해서 나노 다발(20)을 형성한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 나노 구조체(201a)의 직경(d)에 대한 나노 구조체(201)의 높이(H)의 비는 10 이상이다. 따라서 표면적이 큰 나노 다발(20)을 이용하여 전계 방출 효율이 높은 전계방출장치(100)(도 1에 도시)를 제조할 수 있다. 여기서, 나노 구조체(201a)의 직경(d)은 나노 구조체(201)를 기판(10)의 판면(101)에 평행인 방향으로 자른 길이를 의미하고, 나노 구조체(201a)의 높이(H)는 나노 구조체(201a)를 기판(10)의 판면(101)에 수직인 방향으로 자른 길이를 의미한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상호 이웃한 나노 구조체들(201a, 201d, 201e)은 상호 간에 각(θ1, θ2)을 형성한다. 여기서, 각(θ1, θ2)은 20° 내지 60°일 수 있다. 각(θ1, θ2)이 20° 미만이거나 60°보다 큰 경우, 전계 방출 효율이 다소 저하될 수 있다. 또한, 각(θ1)과 각(θ2)은 실질적으로 동일할 수도 있다. 따라서 규칙적인 형상을 가지는 나노 다발(20)을 형성할 수 있다.
한편, 나노 구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)과 기판(10)의 판면(101)은 30° 내지 150°의 각을 형성할 수 있다. 나노 구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)과 기판(10)의 판면(101)이 30°보다 작거나 150°보다 큰 각을 이루는 경우, 나노구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)이 거의 기판(10) 위에 누운 형상을 가지므로, 전계방출장치(100)(도 1에 도시)의 전자 방출 효율이 저하된다. 따라서 나노 구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)과 기판(10)의 판면(101)간의 각도를 전술한 범위로 유지하므로, 나노 구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)은 공간적으로 잘 분산된 구조를 가진다.
도 2에 도시한 바와 같이, 나노 구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)은 씨드층(40)으로부터 성장할 수 있다. 이 경우, 씨드층(40) 및 나노 구조체들(201a, 201b, 201c, 201d, 201e)은 상호 동일한 소재를 포함한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계방출장치(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 전계방출장치(200)는 나노 다발(22)에 포함된 나노 구조체(221)를 제외하고는 도 1의 전계방출장치(100)와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하며 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 그 단부가 뾰족한 형상을 가지는 나노 구조체(221)를 씨드층(40) 위에 형성한다. 나노 구조체(221)의 단부가 뾰족한 형상을 가지므로, 전자를 잘 방출할 수 있다.
도 4는 도 3의 IV-IV선을 따라 나노 다발(22)을 자른 단면 구조를 나타낸다. 도 4의 확대원에는 나노 다발(22)에 포함된 나노 구조체(221)의 단부(2211)를 확대 하여 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, 나노 구조체(221)의 단부(2211)는 뾰족한 형상을 가진다. 여기서, 나노 구조체(221)의 단부(2211)는 나노 구조체(221)의 직경이 실질적으로 동일하게 유지되다가 작아지기 시작하는 부분의 경계점부터 나노 구조체(221)의 끝 부분까지의 영역을 의미한다.
나노 구조체(221)의 단부(2211)는 이등변 삼각형 형상을 가진다. 여기서, 이등변 삼각형의 밑변 길이(d)에 대한 높이(h)의 비는 2 내지 4 일 수 있다. 이등변 삼각형의 밑변 길이(d)에 대한 높이(h)의 비가 2보다 작은 경우, 전자 방출 효율이 다소 저하될 수 있다. 또한, 이등변 삼각형의 밑변 길이(d)에 대한 높이(h)의 비가 4보다 큰 구조를 가지는 나노 구조체(221)를 제조하기는 어렵다. 이등변 삼각형 형상으로 인하여 나노 구조체(221)의 단부(2211)로부터 전자가 잘 방출된다.
이하에서는 도 5 내지 도 12을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계 방출장치(100)의 제조 방법을 순서대로 설명한다. 여기서, 도 5는 전계방출장치(100)의 제조 방법의 순서도를 나타내고, 도 6 내지 도 12는 전계 방출장치(100)의 제조 방법의 각 단계별 공정을 개략적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계방출장치(100)의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 단계(S10)에서는 챔버(미도시)내에 위치한 기판(10) 위에 전극(30)을 형성한다. 기판(10)은 세정하여 그 표면에 불순물이 존재 하지 않도록 만든 후 건조시킨다. 기판(10)의 소재로는 유리 또는 유기 물질을 사용할 수 있다. 기판(10) 위에 전극 형성용 모재를 준비한 후 증착함으로써 기판(10) 위에 전극(30)을 형성한다.
도 6은 도 5의 단계(S10)을 개략적으로 나타낸다. 도 6에 도시한 바와 같이, 기판(10)을 준비한 후 증착 방법 등을 통하여 기판(10) 위에 전극(30)을 형성한다. 전극(30)은 기판(10)에 의해 외부와 전기적으로 절연된다.
다음으로, 도 5의 단계(S20)에서는 전극(30) 위에 씨드층(40)을 형성한다. 씨드층(40)을 증착하여 전극(30) 위에 형성할 수 있다. 씨드층(40)의 소재로는 산화아연을 이용할 수 있다. 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD), 유기금속 화학증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 스퍼터링(sputtering), 전자빔 진공증착법(electron beam evaporization), 가열식 진공증착법(thermal evaporization), 펄스 레이저 진공증착법(pulsed laser deposition), 분자빔 증착법(molecular beam epitaxy), 화학빔 진공증착법(chemical beam evaporization), 또는 수열합성법(hydrothermal synthesis)를 사용하여 기판(10) 위에 씨드층(40)을 증착할 수 있다.
도 7은 도 5의 단계(S20)를 개략적으로 나타낸다. 도 7에 도시한 바와 같이, 전극(30) 위에 산화아연으로 된 씨드층(40)을 형성한다. 나노 구조체(201)가 전극(30) 위에 잘 형성되는 경우, 씨드층(40)을 형성할 필요가 없다. 따라서 단계(S20)를 생략할 수도 있다.
다음으로, 도 5의 단계(S30)에서는 씨드층(40) 위에 마스크층(50)을 형성한 다. 나노 구조체(201)를 선택적으로 성장시키기 위하여 씨드층(40) 위에 마스크층(50)을 형성한다.
도 8은 도 5의 단계(S30)를 개략적으로 나타낸다. 도 8에 도시한 바와 같이, 씨드층(40) 위에 마스크층(50)이 부착된다. 씨드층(40) 위에 마스크층(50)을 코팅함으로써 원하는 패턴을 형성할 수 있다. 마스크층(50)으로는 감광 수지, 예를 들면 포토리지스트층를 사용할 수 있다.
다음으로, 도 5의 단계(S40)에서는 광 또는 전자빔을 마스크층(50)에 조사한다. 따라서 마스크층(50)에 패턴을 형성할 수 있다.
도 9는 도 5의 단계(S40)을 개략적으로 나타낸다. 예를 들면, 도 9에 도시한 바와 같이, 광이나 전자빔을 마스크층(50)에 조사한다. 다음으로, 조사된 부분을 식각하여 제거할 수 있다.
도 5의 단계(S50)에서는 마스크층(50)에 개구부(501)가 형성된다. 마스크층(50)에서 광 또는 전자빔이 조사된 부분만 박리함으로써 복수의 개구부들(501)을 형성하여 패턴화된 마스크층(50)을 제조할 수 있다.
도 10은 도 5의 단계(S50)를 개략적으로 나타낸다. 마스크층(50)을 현상하는 경우, 광이나 전자빔이 조사된 부분이 박리되면서 개구부(501)가 형성되어 씨드층(40)이 외부로 노출된다. 플라스마를 사용한 물리적 식각 방법이나 화학 용액을 사용한 화학적 식각 방법을 이용하여 마스크층(50)을 식각할 수 있다.
다음으로, 도 5의 단계(S60)에서는 반응 전구체를 챔버내에 주입한다. 반응 전구체는 성장시키려는 나노 구조체(201)의 소재에 부합하는 수용액을 사용할 수 있다.
도 11은 도 5의 단계(S60)를 개략적으로 나타낸다. 반응 전구체가 개구부(501)를 통하여 씨드층(40)에 접촉함으로써 씨드층(40)으로부터 나노 구조체(201)가 성장한다.
다음으로, 도 5의 단계(S70)에서는 복수의 나노 구조체들(201)을 포함하는 나노 다발(20)이 형성된다. 따라서 전계방출장치(100)(도 12에 도시)를 제조할 수 있다.
도 12는 도 5의 단계(S70)를 개략적으로 나타낸다. 나노 구조체(201)는 개구부(501)를 통하여 외부로 노출된 씨드층(40) 위에 형성된다. 나노 구조체(201)는 마스크층(50)으로 인해 개구부(501) 위에서만 성장한다.
나노 구조체(201)가 산화아연으로 제조된 경우, 반응 전구체로는 아연 니트레이트, 아연 아세테이트 또는 이들의 유도체와 헥사메틸렌테트라아민 또는 암모니아수를 이용한다. 소정 농도의 반응 전구체를 포함하는 용액과 챔버내에 주입한다. 이 경우, 반응 전구체가 씨드층(40)과 반응하여 산화아연으로 된 나노 구조체를 성장시킨다.
또한, 챔버내의 반응 조건에 따라서 나노 구조체(20)의 형상을 변화시킬 수도 있다. 즉, 챔버내의 온도 또는 압력을 조절하거나 반응 전구체의 양을 조절하여 나노 구조체(201)의 길이 또는 직경을 변형시킬 수 있다. 예를 들면, 각각 0.1M의 질산아연 및 헥사메틸메타크릴레이트를 사용하여 나노 구조체의 직경을 수 ㎛로 조절할 수 있다. 또한, 0.025M의 질산 아연 및 헥사메틸메타크릴레이트를 사 용하여 나노 구조체의 직경을 100nm로 조절할 수도 있다.
나노 구조체(201)는 선택 성장 특성을 나타내면서 개구부(501)를 통해서만 성장한다. 나노 구조체(201)가 성장할 수 있는 역할을 하는 씨드층(40)에서는 결정 성장이 일어난다. 핵생성 역할을 하지 않는 마스크층(50)에서는 나노 구조체(201)가 성장하지 않는다. 나노 구조체(201)의 성장 방향과 씨드층(40)의 성장 방향은 실질적으로 동일하다. 따라서 씨드층(40)의 결정 성장 방향을 조절하면, 성장하는 나노 구조체(201)의 성장 방향을 조절할 수 있다. 그 결과, 나노 구조체(20)의 공간적인 배열을 조절할 수 있다.
도 13은 도 1의 전계방출장치(100)의 작동 상태를 개략적으로 나타낸다.
도 13에 도시한 바와 같이, 전계방출장치(100) 내부를 진공으로 밀폐화한 후 전극(30)에 전원(400)을 연결하여 전극(30)에 전압을 인가한다. 이 경우, 나노 다발(20)로부터 전자가 방출되면서 전계가 형성된다. 전술한 방법을 이용하여 제조한 전계방출장치(100)를 전자 방출원이 필요한 각종 기기에 적용할 수 있다.
도 14는 도 1의 전계방출장치(100)를 포함하는 전계방출 표시장치(1000)를 분해하여 개략적으로 나타낸다. 도 14의 확대원에는 전계방출장치(100)를 확대하여 나타낸다. 전계방출 표시장치(1000)는 디스플레이 장치에 사용된다.
도 14에 도시한 바와 같이, 전계방출 표시장치(1000)는 상호 대향하는 제1 기판(92) 및 제2 기판(94)을 포함한다. 제1 기판(92) 및 제2 기판(94) 사이에 형성된 공간은 약 10-6 torr 정도로 진공 배기되어 밀폐된다. 제1 기판(92) 및 제2 기판(94) 사이에 공간을 형성하기 위하여 제1 기판(92) 및 제2 기판(94)의 사이에 스페이서(950)를 배치한다. 제1 기판(92) 및 제2 기판(94)은 예를 들면 투명 유리로 제조할 수 있다.
전자 방출 소자(900)는 캐소드 전극들(922), 전계방출장치(100) 및 게이트 전극들(924)을 포함한다. 캐소드 전극들(922) 및 게이트 전극들(924)의 사이에는 절연층(926)을 위치시켜 캐소드 전극들(922) 및 게이트 전극들(924)간에 단락이 일어나는 것을 방지한다.
캐소드 전극들(922)은 상호 이격되어 제1 기판(92) 위에 배치된다. 각 캐소드 전극(922)은 데이터 구동 전압을 인가받아 데이터 전극으로서 기능할 수 있다. 캐소드 전극(922)과 게이트 전극(924)이 중첩되는 발광 화소에는 전계방출장치(100)가 위치한다. 전계방출장치(100)는 캐소드 전극(922)에 전기적으로 연결된다.
도 14의 확대원에 도시한 바와 같이, 전계방출장치(100)로부터 방출되는 전자가 통과하도록 절연층(926) 및 게이트 전극(924)에는 각각 개구부(9261, 9241)를 형성한다. 캐소드 전극(922)과 게이트 전극(924)에 인가되는 전압차에 의해 전계방출장치(100)로부터 전자가 방출된다.
제2 기판(94) 위에는 형광체층(932) 및 애노드 전극(930)이 위치한다. 애노드 전극(930)에는 높은 전압이 인가되므로, 전계방출장치(100)로부터 방출된 전자들이 이끌려서 형광체층(932)에 고속으로 충돌한다. 따라서 형광체층(932)에서 기시광선이 생성되어 제2 기판(94)을 통해 외부로 출사된다. 형광체층(932)은 백색 을 가지므로 백색광을 외부로 출사할 수 있다. 다른 한편으로, 형광체층(932)을 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)으로 형성하여 다양한 색의 광을 출사시킬 수도 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
기판 위에 전극으로서 ITO(indium tin oxide, 인듐 틴 옥사이드) 박막을 형성하였다. ITO 박막 위에는 씨드층을 형성하였다. 유기금속 화학증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)을 이용하여 유리로 제조된 기판 위에 산화 아연으로 된 씨드층을 형성하였다. 다음으로 씨드층 위에 마스크층을 형성하였다.
마스크층을 패터닝하기 위해 감광 수지로서 PMMA(polymethyl methacrylate, 폴리메틸 메타크릴레이트) 리지스트(resist)를 사용하였다. 마스크층 위에 스핀 코팅법으로 감광 수지를 형성한 후 베이킹하였다. 그리고 일정한 패턴으로 광에 감광 수지를 노출시켰다.
다음으로, 감광 수지를 현상액으로 식각하여 광에 노출된 부분만 제거하였다. 그 결과, 씨드층 일부가 마스크층에 형성된 개구부를 통해 외부로 노출되었다. 씨드층은 일정한 패턴을 가지면서 외부로 노출되었다.
도 15는 실험예 1에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 마스크층의 주사전 자현미경 사진을 나타낸다. 도 15에 도시한 바와 같이, 마스크층의 개구부를 통하여 씨드층이 일정한 패턴을 가지면서 외부로 노출되었다.
다음으로, 기판을 수열합성 반응기에 로딩하여 80℃ 이상의 온도에서 4시간 동안 유지함으로써 노출된 씨드층 위에 산화 아연으로 된 나노 막대를 성장시켰다. 반응 전구체로는 질산 아연과 암모니아수를 디이오나이즈(deionized)된 물에 녹여 사용하였다. 이 경우, 단부가 뾰족한 형상을 가지는 나노 구조체가 다발 형태로 얻어졌다. 나노 구조체의 직경은 수십 nm 내지 수백 nm이었고, 그 길이는 수 ㎛ 이었다.
도 16은 실험예 1에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 입체 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 도 16에 도시한 바와 같이, 산화 아연으로 된 나노 다발(nanoflower)이 생성되었다. 복수의 나노 구조체들은 상호 이격되어 일방향을 따라 규칙적으로 배열되었다.
도 17은 실험예 1에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 평면 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 도 17에 도시한 바와 같이, 나노 구조체들은 상호 이격되어 위치한다.
도 18은 도 16의 나노 구조체의 투과전자현미경 사진 및 전자회절패턴을 나타낸다. 투과전자현미경 사진을 찍기 위하여 나노 구조체를 기판으로부터 분리한 후 투과전자현미경 그리드 위에 놓고, 나노 구조체의 격자 구조를 관찰하였다.
도 18에 도시한 바와 같이, 나노 구조체에서는 점결함과 선결함이 거의 관찰되지 않았다. 따라서 나노 구조체가 우수한 결정성을 가진다는 것을 확인할 수 있 었다. 그리고 전자 회절 패턴을 통해서 나노 구조체는 [0001] 방향으로 성장하였음을 알 수 있었다.
비교예
전술한 본 발명의 실험예 1과의 비교를 위하여 마스크층을 형성하지 않고 전극 및 씨드층만 형성된 기판을 사용해서 나노 구조체를 성장시켰다. 비교예의 실험 조건은 마스크층을 사용하지 않은 것 이외에는 실험예 1의 실험 조건과 동일하였다.
도 19a 및 도 19b는 각각 비교예에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 입체 주사전자현미경 사진 및 평면 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
도 19a 및 도 19b에 도시한 바와 같이, 마스크층을 사용하지 않고 전계방출장치를 제조한 경우, 나노 구조체의 위치, 간격 및 배열이 일정하지 않고 랜덤한 것을 알 수 있다. 또한, 나노 구조체들은 다발 형상을 이루지 않고 전부 독립적으로 상호 이격되어 성장했으며, 그 형상은 바늘과 유사하였다.
실험예 1 및 비교예의 전계방출특성 실험
실험예 1 및 비교예에서 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 전계 방출 특성을 실험하여 상호 비교하였다. 10-6 torr의 고진공하에서 나노 구조체에 인가되는 전압에 따른 전계방출 전류밀도를 측정하여 전계 방출 특성을 관찰하였다.
실험예 1 및 비교예의 전계방출특성 실험 결과
도 20은 실험예 1 및 비교예에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 인가 전압에 따른 전계방출 전류밀도변화의 그래프를 나타낸다.
도 20에 도시한 바와 같이, 마스크층으로 인해 위치가 조절된 실험예 1의 나노 구조체는 마스크층이 없어서 위치가 조절되지 않은 비교예의 나노 구조체보다 전자 방출 특성이 훨씬 우수하다. 실험예의 경우에는 전자 방출에 의해 전류 밀도가 0.1㎂/cm2 이상 흐르는데 필요한 전기장은 0.13V/㎛ 이하로서 비교예의 7.6V/㎛에 비해서 훨씬 낮다. 또한, 외부 전기장으로서 9.0V/㎛를 실험예 1의 나노 구조체에 인가한 경우, 0.8mA/cm2의 전류 밀도가 생성된다.
1개의 나노 구조체에서 나오는 값으로서 전류를 환산하면, 실험예의 나노 구조체에서는 9.9pA의 전류가 나온다. 이는 비교예의 1개의 나노 구조체에서 나오는 전류인 7.4 x 10-5pA의 약 10,000배에 해당한다. 즉, 실험예 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 나노 구조체의 위치, 간격, 및 배열 등을 조절하여 전계방출 장치를 제조하는 경우 전계방출 장치의 전자 방출 효율을 높일 수 있다.
도 21은 실험예 1 및 비교예에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 그래프를 나타낸다.
도 21에서 도시한 바와 같이, 실험예 1의 나노 구조체의 전계 향상 계수(field enhancement factor, β) 값은 11,400으로 매우 크다. 이와는 대조적으로, 비교예의 나노 구조체는의 전계 향상 계수는 4,600으로 상대적으로 작다. 즉, 위치, 간격, 및 배열 등을 조절한 실험예 1의 나노 구조체의 전계 향상 계수는 랜 덤하게 제조된 비교예 2의 나노 구조체의 전계 향상 계수보다 훨씬 크다. 그 결과, 실험예 1의 나노 구조체는 전계방출 특성이 우수하며 전계방출용 소자로 이용하기에 적합하다는 것을 입증하였다.
전계방출 표시장치 실험
실험예 1의 전계방출장치를 이용하여 전계방출 표시장치를 제조하였다. 즉 도 16의 나노 구조체가 형성된 기판 위에 스페이서를 설치한 후, 스페이서 위에 전극과 형광체층이 도포된 또다른 기판을 설치하였다. 여기서, L자 형상으로 패터닝된 마스크층을 사용함으로써 나노 구조체를 L자 형상으로 형성하였다. 다음으로, 그 내부를 밀폐시킨 후 진공화함으로써 전계방출 표시장치를 제조하였다. 다음으로, 전계방출 표시장치의 양 기판에 전원을 연결한 후 양 기판에 전압을 인가하였다.
전계방출 표시장치 실험 결과
도 22a 및 도 22b는 각각 실험예 1의 전계방출장치를 이용하여 제조한 전계방출 표시장치에 포함된 나노 구조체의 작동 상태 사진을 나타낸다. 도 22a는 전계방출 표시장치 바로 위에 근접하여 촬영한 사진을 나타내고, 도 22b는 전계방출 표시장치 위로부터 약간 떨어져서 전계방출 표시장치를 촬영한 사진을 나타낸다.
도 22a 및 도 22b에 도시한 바와 같이, 나노 구조체가 위치한 부분에서 발광이 관찰되었다. 또한, 외부 조명하에서도 발광을 관찰할 수 있었으므로, 전계방출 표시장치의 특성이 우수함을 알 수 있었다. 그리고, L자 형태로 마스크층을 패터닝하여 나노 구조체를 형성한 결과, 전계방출 표시장치를 소형 디스플레 이(micropixel display)로서 제조할 수 있었다.
실험예 1의 전계효과 트랜지스터 실험
실험예 1의 나노 구조체가 우수한 전계방출 특성을 가지는 원인을 확인하기 위해서 나노 구조체의 전기적 특성을 분석하였다. 실험예 1의 나노 구조체를 칼로 긁어서 기판으로부터 분리하였다. 다음으로, 나노 구조체를 에탄올과 혼합한 후, SiO2/Si로 된 절연성 기판에 분산시키고, 전자현미경을 사용하여 정확한 위치에 배치시켰다. 그리고 나노 구조체의 단부에 열 혹은 전자빔 증발법을 이용하여 Ti (300Å)/Au(500Å)를 증착시킨 후 약 300℃에서 1분 동안 열처리하여 오믹전극을 형성하였다.
도 23은 전술한 방법으로 제조한 전계효과 트랜지스터의 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
전계효과 트랜지스터는 실험예 1의 전계방출장치를 이용하여 제조되었다. 도 23에 도시한 바와 같이, 전계효과 트랜지스터는 하나의 나노 구조체가 수평으로 배향된 형태를 가졌다.
실험예 1의 전계효과 트랜지스터 실험 결과
실리콘으로 된 기판을 게이트로 이용하여 전계효과 트랜지스터의 게이트 전압을 20V부터 -20V까지 20V 간격으로 측정하였다. 또한, 드레인 전압은 일정하게 고정하고, 게이트 전압을 -20V에서 20V로 변화시키면서 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류를 측정하였다.
도 24a 및 도 24b는 각각 각각 본 발명의 실험예 1의 전계방출장치를 이용하여 제조한 전계효과 트랜지스터의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 24a는 드레인 전압(Vd) - 드레인 전류(Id) 그래프이고, 도 24b는 게이트 전압(Vd) - 드레인 전류(Id) 그래프이다.
도 24a에 도시한 바와 같이, 드레인 전압(Vd) 및 드레인 전류(Id)는 상호 비례하는 선형으로 형성되었다. 이로부터 접촉저항이 매우 작은 오믹전극이 형성된 것을 알 수 있었다.
또한, 도 24b에 도시한 바와 같이, 게이트 전압(Vg)을 변화시켜도 드레인 전류(Id)는 변하지 않았다. 즉, 나노 구조체는 그 내부에 흐르는 전류의 크기가 변화하지 않는 금속과 같은 특성을 보인다. 그리고 산화아연으로 된 나노 구조체의 비저항(ρ)은 약 0.15mΩ로서 산화아연 박막의 비저항의 1/10 내지 1/100에 해당한다. 산화아연 나노 구조체의 비저항이 작은 이유는 수열 합성 용액에 존재하는 불순물들이 나노 구조체에 함입되면서 나노 구조체의 전하 운반자(carrier) 농도가 높아졌기 때문이다. 즉, 수열 합성 방법으로 제조한 나노 구조체의 전하 운반자 농도가 높으므로, 나노 구조체의 전자 방출 효율도 높아졌다.
실험예 1의 광학적 특성 실험
전술한 실험예 1의 나노 구조체의 광학적 특성을 실험하기 위하여 나노 구조체를 저온(10K) 측광(photoluminescence, PL) 측정하였다. PL 측정은 He-Cd 레이저의 325㎚ 파장을 광원으로 사용하여 측정하였다. PL 측정에서는 밴드갭내에서의 전자(electron)와 홀(hole)의 재결합을 통해 물질의 광학적 특성을 평가하였다.
실험예 1의 광학적 특성 실험 결과
도 25a 및 도 25b는 본 발명의 실험예 1에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 광학적 특성을 저온 광발광 분광 측정에 의해 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 25b는 도 25a의 나노 구조체의 PL 피크(peak)를 확대하여 나타낸다.
도 25a에 도시한 바와 같이, 저온(10K) PL 측정시 기판 위에서 성장한 나노 구조체에서 산화아연의 NBE(near-band edge emission) 피크를 확인할 수 있었다.
또한, 도 25b에 도시한 바와 같이, NBE 피크 중 대부분의 피크는 3.362eV에 해당되었다. 광발광 분광 결과에 따라 3.24eV, 3.30eV, 3.32eV 및 3.362eV의 에너지 위치에서 각각 4개의 주요 피크가 관찰되었다.
여기서, 3.362eV의 피크는 결정에서 뉴트럴 도너(neutral donor)에 결합된 여기자에 의한 발광이었다. 뉴트럴 도너(neutral donor)에 의한 발광 피크의 원인은 수소 도너(hydrogen donor)에 의해 얕은 도너 레벨(shallow donor lever)이 형성되기 때문인 것으로 추정되었다. 또한, 3.24eV, 3.30eV 및 3.32 eV의 피크는 나노 막대에서 발광된 피크로서 각각 two electron satellite transition, DAP (donor acceptor pair) transition 및 DAP의 LO(longitudinal optical) phonon relica에 의해 발광된 피크였다.
또한, 불순물 등의 결함에 의해 발생되는 딥 레벨 피크(deep level peak)의 크기는 매우 작았다. 금 등의 금속을 촉매로 이용하는 기상 이송 방법에 의해 성장시킨 산화아연으로 된 나노선에 비해 실험예 1의 나노 구조체의 딥 레벨은 매우 작게 관찰되었다. 따라서 나노 구조체이 결함이 매우 적고 그 광특성도 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다.
전술한 바와 같이, NBE의 대부분에서 뉴트럴 도너에 결합된 여기자들이 관찰된 사실과 10K의 저온에서도 자유 여기자가 관찰되지 않은 것은 실험예 1의 나노 구조체에 불순물이 많이 함입되어 얕은 도너 레벨(shallow donor level)이 형성되었다는 것을 알 수 있었다. 또한, 나노 구조체의 불순물에 의해 전하 운반자 농도가 증가하여, 나노 구조체가 우수한 전자 방출 특성을 나타내었다.
실험예 2
유기금속 화학기상증착 반응기 내에서의 씨드층의 증착 온도를 제외하고는 전술한 실험예 1과 동일한 방법으로 나노 구조체를 제조하였다. 즉, 유기금속 화학기상증착 반응기 내부를 450℃로 유지하면서 씨드층을 증착시켰고, 이 씨드층 위에서 나노 구조체를 성장시켰다.
도 26은 본 발명의 실험예 2에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 입체 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
도 26에 도시한 바와 같이, 실험예 2에서 나노 구조체와 기판이 이루는 각도는 실험예 1에서 나노 구조체와 기판이 이루는 각도와 상이하다. 즉, 제조된 나노 구조체들의 대부분은 기판의 판면에 수직인 방향으로 배향되었다. 또한, 전술한 온도 범위에서 기판에 수직인 나노 구조체와 기판과 30o 내지 60o 의 각도를 이루는 나노 구조체를 제조할 수 있었다.
실험예 3
유기금속 화학기상증착 반응기 내에서의 씨드층의 증착 온도를 제외하고는 전술한 실험예 2와 동일한 방법으로 나노 구조체를 제조하였다. 즉, 유기금속 화학기상증착 반응기 내부를 350℃로 유지하면서 씨드층을 증착시켰고, 이 씨드층 위에서 나노 구조체를 성장시켰다.
도 27은 본 발명의 실험예 3에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 입체 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
도 27에 도시한 바와 같이, 제조된 나노 구조체들의 대부분은 기판의 판면에 수직인 방향으로 배향되었다. 그러나 실험예 3의 나노 구조체들은 전술한 실험예 2의 나노 구조체들보다 수직 배향성이 다소 저하되었다.
실험예 4
유기금속 화학기상증착 반응기 내에서의 씨드층의 증착 온도를 제외하고는 전술한 실험예 2와 동일한 방법으로 나노 구조체를 제조하였다. 유기금속 화학기상증착 반응기 내부를 상온으로 유지하면서 씨드층을 증착시켰고, 이 씨드층 위에서 나노 구조체를 성장시켰다.
도 28은 본 발명의 실험예 4에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 입체 주사전자현미경 사진을 나타낸다.
도 28에 도시한 바와 같이, 대부분의 나노 구조체들은 기판과 30o 내지 60o의 각을 형성한다. 씨드층의 증착 온도에 따라 씨드층의 결정학적 방향을 결정하 여 나노 구조체의 공간적인 배열을 조절할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전계방출장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 따라 자른 단면도이다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전계방출장치의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 1의 전계방출장치의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6 내지 도 12는 도 5의 전계방출장치의 제조 방법의 각 단계를 순서대로 나타낸 도면이다.
도 13은 도 1의 전계방출장치의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 도 1의 전계방출장치를 포함하는 전계방출 표시장치의 개략적인 분해도이다.
도 15은 본 발명의 실험예 1에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 마스크층의 주사전자현미경 사진이다.
도 16 및 도 17은 각각 본 발명의 실험예 1에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 입체 주사전자현미경 사진 및 평면 주사전자현미경 사진이다.
도 18은 도 16의 나노 구조체의 투과전자현미경 사진 및 전자회절패턴이다.
도 19a 및 도 19b는 각각 비교예에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 입체 주사전자현미경 사진 및 평면 주사전자현미경 사진이다.
도 20은 실험예 1 및 비교예에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구 조체의 인가 전압에 따른 전계방출 전류밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 21은 실험예 1 및 비교예에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim)을 나타낸 그래프이다.
도 22a 및 도 22b는 각각 본 발명의 실험예 1의 전계방출장치를 이용하여 제조한 전계방출 표시장치에 포함된 나노 구조체의 작동 상태를 나타낸 사진이다.
도 23은 본 발명의 실험예 1의 전계방출장치를 이용하여 제조한 전계효과 트랜지스터의 주사전자현미경 사진이다.
도 24a 및 도 24b는 각각 도 23의 전계효과 트랜지스터에 포함된 나노 구조체의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 25a 및 도 25b는 본 발명의 실험예 1에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 광학적 특성을 저온 광발광 분광 측정에 의해 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 26 내지 도 28은 각각 본 발명의 실험예 2 내지 실험예 4에 따라 제조한 전계방출장치에 포함된 나노 구조체의 입체 주사전자현미경 사진이다.

Claims (31)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 위치하는 전극,
    상기 전극 위에 위치하는 씨드층,
    상기 씨드층 위에 위치하고 하나 이상의 개구부를 가지는 마스크층, 및
    상기 개구부를 통하여 상기 씨드층으로부터 성장하고, 방사상으로 뻗어서 형성되는 복수의 나노 구조체들을 포함하고,
    상기 복수의 나노 구조체들 중에서 하나 이상의 나노 구조체는 산화아연(ZnO), 산화인듐(InO), 산화 주석(SnO), 산화텅스텐(WO), 산화철(α-Fe2O3), 산화카드뮴 (CdO), 산화마그네슘(MgO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 황화구리(CuS), 산화구리(CuO), 황화몰리브덴(MoS2), 이산화몰리브덴(MoO2), 삼산화몰리브덴(MoO3), 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며,
    상기 나노 구조체들의 소재와 상기 씨드층의 소재는 동일하고,
    상기 복수의 나노 구조체들 중 상호 이웃한 나노 구조체들은 상호간에 20° 내지 60°의 각도를 형성하며,
    상기 나노 구조체의 길이 방향으로 단부를 자른 경우, 상기 단부는 이등변 삼각형 형상을 가지고, 상기 이등변 삼각형의 밑변 길이에 대한 높이의 비는 2 내지 4이며,
    상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체를 상기 기판의 판면에 평행인 방향으로 자른 길이에 대한 상기 나노 구조체를 상기 기판의 판면에 수직인 방향으로 자른 길이의 비는 10 이상이며,
    상기 복수의 나노 구조체들은 상기 전극으로부터 전압을 인가받아 전계를 방출하도록 적용된 전계방출장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상호 이웃한 나노 구조체들간에 형성되는 각도는 동일한 전계방출장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들은 상기 기판의 판면과 직각을 이루면서 뻗은 하나 이상의 나노 구조체를 포함하고, 다른 나노 구조체들은 상기 하나 이상의 나노 구조체를 중심으로 상호 대칭 형태로 위치하는 전계방출장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체의 단부는 뾰족한 형상을 가지는 전계방출장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체는 나노막대, 나노선 및 나노벽으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 형상을 가지는 전계방출장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체와 상기 기판의 판면은 30° 내지 150°의 각도를 형성하는 전계방출장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들은 상기 기판의 판면과 직각을 이루면서 뻗은 복수의 나노 구조체들을 포함하는 전계방출장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 나노 구조체는 Al, Mg, Cd, Ni, Ca, Mn, La, Ta, Ga, Ln, Cr, B, N, 및 Sn 으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 더 포함하는 전계방출장치.
  15. 제1 기판,
    상기 제1 기판 위에 위치하는 제1 전극,
    상기 제1 전극 위에 위치하는 씨드층,
    상기 씨드층 위에 위치하고 하나 이상의 개구부를 가지는 마스크층,
    상기 개구부를 통하여 상기 씨드층으로부터 성장하고, 방사상으로 뻗어서 형성되는 복수의 나노 구조체들,
    상기 제1 기판과 이격되어 위치하고, 상기 복수의 나노 구조체들과 대향하는 면에 형광체층이 형성된 제2 기판, 및
    상기 제1 기판과 대향하고, 상기 제2 기판 위에 위치한 제2 전극을 포함하고,
    상기 복수의 나노 구조체들 중에서 하나 이상의 나노 구조체는 산화아연(ZnO), 산화인듐(InO), 산화 주석(SnO), 산화텅스텐(WO), 산화철(α-Fe2O3), 산화카드뮴(CdO), 산화마그네슘(MgO), 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 황화구리(CuS), 산화구리(CuO), 황화몰리브덴(MoS2), 이산화몰리브덴(MoO2), 삼산화몰리브덴(MoO3), 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하며,
    상기 나노 구조체들의 소재와 상기 씨드층의 소재는 동일하고,
    상기 복수의 나노 구조체들 중 상호 이웃한 나노 구조체들은 상호간에 20° 내지 60°의 각도를 형성하며,
    상기 나노 구조체의 길이 방향으로 뽀족한 형상을 자른 경우, 상기 뾰족한 형상은 이등변 삼각형 형상을 가지고, 상기 이등변 삼각형의 밑변 길이에 대한 높이의 비는 2 내지 4이며,
    상기 복수의 나노 구조체들은 상기 제1 전극으로부터 전압을 인가받아 전계를 방출하고, 상기 전계가 상기 형광체층에 충돌하여 상기 제2 기판을 통해 가시광선이 발산되도록 적용된 전계방출 표시장치.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서,
    상기 상호 이웃한 나노 구조체들간에 형성되는 각도는 동일한 전계방출 표시장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들은 상기 기판의 판면과 직각을 이루는 하나의 나노 구조체를 포함하고, 다른 나노 구조체들은 상기 하나의 나노 구조체를 중심으로 상호 대칭 형태로 위치하는 전계방출 표시장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체의 단부는 뾰족한 형 상을 가지는 전계방출 표시장치.
  20. 삭제
  21. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체와 상기 기판은 30° 내지 90°의 각도를 형성하는 전계방출 표시장치.
  22. 챔버내에 기판을 제공하는 단계,
    상기 기판 위에 전극을 제공하는 단계,
    상기 전극 위에 씨드층을 제공하는 단계,
    상기 씨드층 위에 마스크층을 제공하는 단계,
    상기 마스크층을 식각하여 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계, 및
    방사상으로 뻗어서 형성되는 복수의 나노 구조체들을 상기 개구부를 통하여 씨드층으로부터 성장시키는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 나노 구조체들을 상기 전극 위에 형성하는 단계에서 상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체의 직경에 대한 상기 개구부의 직경의 비는 10 이상이며,
    상기 씨드층을 제공하는 단계에서 상기 씨드층의 형성 온도는 상온 내지 450℃인 전계방출장치의 제조 방법.
  23. 삭제
  24. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들을 상기 전극 위에 형성하는 단계는 반응 전구체를 상기 챔버내에 주입하는 단계를 포함하고, 상기 반응 전구체는 질산아연(zin nitrate) 및 헥사메틸메타크릴레이트(hexamethylmethacrylate)를 포함하는 수용액인 전계방출장치의 제조 방법.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 챔버내에 제1 기판을 제공하는 단계,
    상기 제1 기판 위에 제1 전극을 제공하는 단계,
    상기 제1 전극 위에 씨드층을 제공하는 단계,
    상기 씨드층 위에 마스크층을 제공하는 단계,
    상기 마스크층을 식각하여 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계,
    방사상으로 뻗어서 형성되는 복수의 나노 구조체들을 상기 개구부를 통하여 상기 씨드층으로부터 성장시키는 단계,
    상기 기판 위에 스페이서(spacer)를 제공하는 단계,
    상기 스페이서 위에 제2 전극을 제공하는 단계, 및
    상기 제2 전극 위에 상기 복수의 나노 구조체들과 대향하는 면에 형광체층이 형성된 제2 기판을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 나노 구조체들을 상기 제1 전극 위에 형성하는 단계에서 상기 복수의 나노 구조체들 중 하나 이상의 나노 구조체의 직경에 대한 상기 개구부의 직경의 비는 10 이상이며,
    상기 씨드층을 제공하는 단계에서 상기 씨드층의 형성 온도는 상온 내지 450℃인 전계방출 표시장치의 제조 방법.
  28. 삭제
  29. 제27항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조체들을 상기 제1 전극 위에 형성하는 단계는 반응 전구체를 상기 챔버내에 주입하는 단계를 포함하고, 상기 반응 전구체는 질산아연 및 헥사메틸메타크릴레이트를 포함하는 수용액인 전계방출 표시장치의 제조 방법.
  30. 삭제
  31. 삭제
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