KR101098799B1 - 습식공정으로 제작된 음극부를 포함하는 전자 방출 장치 - Google Patents

습식공정으로 제작된 음극부를 포함하는 전자 방출 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101098799B1
KR101098799B1 KR1020100107876A KR20100107876A KR101098799B1 KR 101098799 B1 KR101098799 B1 KR 101098799B1 KR 1020100107876 A KR1020100107876 A KR 1020100107876A KR 20100107876 A KR20100107876 A KR 20100107876A KR 101098799 B1 KR101098799 B1 KR 101098799B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cathode
emitter
electron
silicon wafer
substrate
Prior art date
Application number
KR1020100107876A
Other languages
English (en)
Inventor
김정일
전석기
김근주
김재홍
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020100107876A priority Critical patent/KR101098799B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101098799B1 publication Critical patent/KR101098799B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304—Field-emissive cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304—Field-emissive cathodes
    • H01J1/3042—Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type
    • H01J1/3044—Point emitters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2201/00—Electrodes common to discharge tubes
    • H01J2201/30—Cold cathodes
    • H01J2201/304—Field emission cathodes
    • H01J2201/30446—Field emission cathodes characterised by the emitter material
    • H01J2201/30453—Carbon types
    • H01J2201/30469—Carbon nanotubes (CNTs)

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

본 발명은 습식공정으로 제작된 음극부의 요철에 의해 낮은 전계에서도 방출되는 전자의 전류 밀도를 향상시킬 수 있는 전자 방출 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 전자 방출 장치는, 전자를 발생하여 양극부로 보내기 위한 음극부를 포함하고, 상기 음극부는, 금속막을 사이에 두고 접합된 상부 실리콘 웨이퍼와 하부 실리콘 웨이퍼 상에서 상기 상부 실리콘 웨이퍼를 식각하여 형성한 요철 형태의 광결정들을 가지는 기판, 및 상기 광결정들의 돌출부분에 형성된 에미터를 포함한다.

Description

습식공정으로 제작된 음극부를 포함하는 전자 방출 장치{Electron Emitting Device including Cathode Fabricated by Wet Etching}
본 발명은 전자 방출 장치에 관한 것으로서, 특히, 습식공정으로 제작된 음극부의 요철에 의해 낮은 전계에서도 방출되는 전자의 전류 밀도를 향상시킬 수 있는 전자 방출 장치에 관한 것이다.
대표적인 전자 방출 장치 기반의 냉음극 마그네트론 발진기는, 진공 밀봉된 내부에 열전자 방출 음극(열음극)과 이차전자 방출 음극 (냉음극)으로 구성된 음극부와 공진회로로 구성된 양극부가 설치되어 있고, 열음극에서 발생된 열전자가 이차전자 방출 냉음극에 충돌하여 냉음극부에서 발생된 전자가 음극과 양극 사이에 인가된 전기장과 축 방향으로 외부에서 인가된 자기장에 의해 회전운동을 하고, 회전 운동하는 전자빔과 각 방향으로 형성된 공진회로와의 상호작용을 통해 일정 주파수의 전자기파가 발생되는 현상을 이용하고 있다. 이와 같이 이차전자 방출 음극에서 전자를 발생시키기 위해 열전자 방출을 위한 열음극을 사용해오고 있다.
또한, 전자 방출 장치 기반의 X-선관은 진공 밀봉된 벌브 내부에 음극부와 양극부가 설치되어 있고 음극부에서 발생된 전자가 음극부와 양극부 사이에 인가되는 고전압에 의해 가속되어 양극부의 타깃에 충돌하면서 X-선이 발생하는 현상을 이용하고 있다. 이와 같이 음극부에서 전자를 발생시키는 종래의 대표적인 X-선관으로서는 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 발생시키는 열전자 방출 음극 구조를 갖는 X-선관을 들 수 있다.
그러나 이러한 열전자 방출 현상을 이용하는 경우 필라멘트를 가열할 때 생기는 열적 문제 때문에 필라멘트 및 접속부에서 발생하는 탈기체 및 내부 가열로 인해 진공도가 떨어지며, 필라멘트의 가열 시 증발된 텅스텐이 타깃 표면, 진공 챔버 내벽 등에 증착되어 고압 절연을 저하시키고 투과 방사선량을 감소시키는 등의 문제점이 발생한다.
이에 최근에는 열전자 방출 현상 대신에 높은 전기장을 인가하였을 때 전자가 고체 표면의 전위 장벽(일함수)을 넘어서 방출되는 전계 방출 현상을 이용하는 X-선관에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전자 방출 전압이 1 ~ 3 V/㎛로서 다른 금속 팁보다 수십 배 정도 낮은 탄소나노튜브(carbon nanotube, 이하 CNT)를 전자 방출원의 재료로서 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
CNT는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 기다란 관형을 이룬 것으로, 관 지름이 수십 나노미터에 불과하여 높은 종횡비(Aspect ratio) 구조를 이루고 있다. 탄소 원소로 구성되어 있어 일함수(Work function)가 낮을 뿐만 아니라, 높은 종횡비에 의해 전계방출의 임계전기장(Threshold electric field)이 다른 전계방출원보다 낮아 전자방출에 유리하다.
탄소나노튜브 팁 한 가닥에서도 수 ㎂의 전류가 발생되기 때문에(N.de Jonge, et. al., Nature 420 권 393-395 페이지) 전자 인출면적이 좁으면서도 전류밀도가 높은 고휘도 전자빔원으로 개발되고 있다. CNT를 전계 방출 소자로 이용하면 전자 방출 전압을 크게 낮출 수 있으므로 기존의 스핀트형 팁이나 실리콘 팁 등과 같은 전계방출소자를 이용하는 것보다 구동전압을 낮출 수 있다. CNT의 전계 방출 전압이 낮은 이유는 직경이 nm로 아주 작아 전계강화효과(Field Enhancement Factor)가 커서 전자방출이 일어나는 임계전계(Turn-on Field)가 1~3V/㎛로 낮기 때문이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 냉음극 마그네트론 발진기를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 초기 전자빔 발생을 위해 열음극(11)을 사용하는 냉음극 마그네트론 발진기는, 열음극(11)에서 발생된 초기 전자빔은 냉음극(14)의 이차전자 방출 물질(13)에 충돌하여 이차전자빔을 발생시키고, 공진회로로 구성된 양극(12)과 상호작용을 통해 전자기파를 발생시킨다. 이와 같이, 종래기술은 열음극을 사용하고 있고, 열음극 사용을 통한 문제들이 발생한다.
도 2는 종래 기술에 따른 CNT 에미터를 이용한 X 선관을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 종래의 CNT 에미터를 이용한 X 선관은, 그리드 전극(7)의 전자 방출 유도에 따라 음극부(5)에 형성된 CNT 에미터(3)로부터 전자가 방출되면, 방출된 전자가 집속 렌즈(8)에 의해 집속되어, 양극부(9)에서 전자가 충돌하여 X선(L)이 발생된다. 즉, 양극부(9)와 음극부(5) 사이에 전자 방출을 유도하는 그리드 전극(7)이 구비되어 3극형 구조를 갖는다. 하지만, 종래의 CNT 에미터를 이용한 X 선관에 있어서, 음극부(5)의 기판(1)은 표면이 평탄하게 형성되어 있는데, 이러한 평탄한 기판(1) 위에 형성된 CNT 에미터(3)로부터의 전자 방출 특성이 그다지 좋지 않은 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 전계방출 특성이 향상되고 우수한 전기적 특성을 지닌 음극부를 습식공정으로 제작하고, 음극부의 요철에 의해 단위 면적당 방출 전류를 최대화시킬 수 있는 전자방출 소자를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전자 방출 장치는, 전자를 발생하여 양극부로 보내기 위한 음극부를 포함하고, 상기 음극부는, 금속막을 사이에 두고 접합된 상부 실리콘 웨이퍼와 하부 실리콘 웨이퍼 상에서 상기 상부 실리콘 웨이퍼를 요철 형태로 식각하여 형성한 광결정들을 가지는 기판, 및 상기 광결정들의 위에 형성된 에미터를 포함한다.
상기 광결정들은 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 통하여 형성된다.
상기 에미터는 CNT, 카본 필름(Carbon films), 카본 관 나노 코일(Carbon Tubule Nanocoils), 알루미늄 질화물 나노로드(Aluminum nitride nanorods) 중 어느 하나로 형성된다.
상기 금속막은 금(Au)막을 포함한다.
상기 상부 실리콘 웨이퍼 상에 미리 형성된 유전체층을 일정 패턴으로 식각하고, 식각된 상기 유전체층을 마스크로 이용하여, 상기 광결정들을 형성한다.
상기 유전체층은 SiN, 또는 SiO2막을 포함한다.
상기 금속막이 드러나도록 상기 상부 실리콘 웨이퍼를 식각하여 상기 광결정들을 형성한다.
상기 금속막을 상기 음극부의 전극으로 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 전자 방출 장치에 따르면, 음극부의 요철에 의해 낮은 전계에서도 에미터로부터 방출되는 전자의 전류 밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 종래 기술에 따른 냉음극 마그네트론 발진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 종래 기술에 따른 CNT 에미터를 이용한 X 선관을 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명에 따른 요철이 형성된 음극부를 가진 엑스 선관의 단면도이다.
도 4은 본 발명에 따른 요철이 형성된 음극부를 가진 엑스 선관의 주요 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 음극부의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 음극부의 기판에 요철이 형성된 모습을 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 바둑판 형태의 요철이 형성된 음극부의 평면도 및 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 음극부의 제조 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9a는 기존 음극부에서의 전위분포이고, 도 9b는 본 발명의 음극부에서의 전위분포이다.
도 10은 도 9a와 도 9b의 전위 분포 결과를 도시한 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 3를 참조하면, 도 3는 본 발명에 따른 요철이 형성된 음극부(210)를 가진 엑스 선관의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엑스 선관의 구조는 전자 방출원으로서의 에미터(도 4의 230 참조)가 형성되어 있는 음극부(200)를 구비한다. 여기에서 음극부(200)는 상부에 에미터(230)가 형성된 기판(210)을 포함한다. 기판(210)의 주변에는 음극부(200)를 절연시키기 위한 제1절연 케이싱(330)이 형성되는데, 이러한 제1절연 케이싱(330)에는 음극부(200)에서 발생되는 전자빔이 양극부(100)로 향하도록 개구(340)가 형성될 수 있다. 여기서 양극부(100)는 전자가 직접적으로 충돌하는 부분이며, X-선의 생성 효율이 좋은 텅스텐, 구리 등의 물질로 형성될 수 있다. 제1절연 케이싱(330)은 절연에 좋으며 진공 상태에서 진공도를 유지할 수 있는 세라믹과 같은 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 음극부(200)로부터의 전자를 방출시키기 위한 그리드 전극(500)이 음극부(200)의 상부에 형성되어 있으며, 방출된 전자를 양극부(100)에 집속시키기 위한 접자빔 집속부(350)가 그리드 전극(500) 상부에 형성될 수 있다. 전자빔 집속부(350)는 그리드 전극(500)을 통과한 전자빔을 순차적으로 마이크로 수준으로 집속하기 위한 다수의 전자 집속 렌즈들(300)과, 이 전자 집속 렌즈들(300) 사이에 샌드위치되어 형성되며, 다수의 전자 집속 렌즈들(300)의 절연을 위한 다수의 절연층들(320) 및 전자빔이 관통되는 개구(340)를 제외한 나머지 부분을 에워싸도록 형성된 제2절연 케이싱(310)을 포함할 수 있다. 이때 전자 집속 렌즈들(300)은 그 내경을 각각 달리하여 다수 개 적용될 수 있다. 따라서 전자 집속 렌즈들(300)을 통과하는 전자들이 받는 힘을 일정 거리 내에서 불연속적으로 받게 함으로써 양극부(100)에 집속되는 면적을 효율적이고 용이하게 감소시킬 수 있다.
여기서, 전자빔 집속부(350)의 전자 집속 렌즈들(300)은 전압 인가가 용이한 스테인리스 강으로 구성되고, 전자빔 집속부(350)의 절연층들(320)은 절연에 좋으며 진공 상태에서 진공도를 유지할 수 있는 세라믹 등과 같은 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고 제1절연 케이싱(330)과 전자빔 집속부(350) 사이에는 텡스텐 그물망을 구비하고 고전압 인가가 가능한 금속 재질로 이루어진 그리드 전극(500)이 위치되어 있다.
본 발명에 이용되는 음극부 기판(210)의 하부에는 기판(210)을 지지하기 위한 기판 지지대(360)가 마련된다. 한편, 양극부(100), 음극부(200) 및 전자빔 집속부(350)는 하우징(20) 내에 수용되어 보호되는데, 하우징(20)은 진공의 유지가 가능한 파이렉스, 유리, 세라믹 또는 스테인리스 강 중 어느 하나로 제작되는 것이 바람직하다. 그리고 지지대(600)는 음극부(200) 및 전자빔 집속부(350)를 하우징(20) 내에 고정 및 지지하는 역할을 하는데, 강도가 좋은 스테인레스 강 또는 세라믹 등으로 형성함이 바람직하다. 도시된 바와 같이, 하우징(20)에는 내부를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 펌프(30)가 부착되어 있는데 이 진공 펌프(30)는 필요할 때마다 혹은 실시간으로 진공을 유지시켜주므로 시간이 지남에 따라 자연적으로 발생하는 진공파괴에 대한 문제를 해결할 수 있다.
도 3에서 10은 X-선이 방출되는 윈도우로서 쿼츠(Quartz)유리, 일반 유리, 비 윈도우(Be 윈도우) 등으로 제작될 수 있고, 101은 양극부(100)에 전원을 인가하기 위한 전원 공급선이며, 50과 60은 그리드 전극(500)과 전자 집속 렌즈들(300)에 전압을 인가하기 위한 연결 단자 및 전원 공급선을 각각 나타낸 것이다. 여기서 전원 공급선(101)은 전자가 양극부(100) 표면에 충돌하면서 생성되는 열을 외부로 잘 전도하기 위해 열전도도가 좋은 텅스텐, 구리 등의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명은 도 3에 도시한 바와 같이 윗부분에 양극부(100)가 장착되고, 전원 공급선(101)이 양극부(100)에 연결되도록 한 상태에서 작동시키면, 양극부(100) 보다 낮은 전압 또는 접지된 기판(210)의 에미터에서 전자가 방출되는 바, 이러한 전자빔은 전자 집속 렌즈들(300)을 거쳐 양극부(100)로 진행하게 된다. 따라서 최대 마이크로 수준의 집속 면적을 가져 최종적으로 얻는 이미지의 고분해능이 가능하게 한다.
도 4은 본 발명에 따른 요철이 형성된 음극부(200)를 가진 엑스 선관의 주요 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 4을 참조하면, 음극부(200)는 그 표면에 요철(도 6참조)이 형성되어 있는 기판(210)을 포함한다. 또한, 기판(210)의 상부에는 전자빔을 발생하여 전자 방출원으로 사용되는 에미터(230)가 형성된다. 여기서 에미터(230)는 CNT로 형성하는 것이 바람직하며, CNT 이외에 카본 필름(Carbon films), 카본 관 나노 코일(Carbon Tubule Nanocoils), 알루미늄 질화물 나노로드(Aluminum nitride nanorods) 중 어느 하나로도 형성할 수 있다.
에미터(230)로 CNT를 사용하는 경우, CNT를 기판(210) 위에 형성하는 방법은 다양하다. 즉, 기판(210)에 촉매를 형성한 후 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 CNT를 수직 성장시키는 방법, 여러 합성방법으로 제조된 CNT를 액상의 용매와 배합 후 스핀 코터(spin coater)나 스프레이, 잉크젯을 사용하여 형성하는 방법, 점성이 있는 고분자 수지와 용매, 충진제, 기타 첨가물 등을 CNT와 배합하여 페이스트를 만든 후 스크린 인쇄하는 방법 등이 있다. 기판(210)의 형상은 원반형으로 형성되는 것이 바람직하나, 삼각형, 사각형, 오각형 등 그 형상에 제약이 없다.
도 4에서, 기판(210)과 일정 거리 이격된 위치에 전자(400)의 방출을 위한 그리드 전극(500)이 형성되어 있는데, 그리드 전극(500)은 전자(400)의 추출이 용이하도록 그물망의 굵기는 얇으면서 개구량이 넓도록 형성되며, 텅스텐이나 스테인레스 강 등의 물질로 형성된다. 그리드 전극(500)을 통과한 전자(400)는 전자 집속 렌즈들(300)을 통과하며 집속되어 양극부(100)로 향한다. 양극부(100)에 도달한 전자(400)는 양극부(100)에 충돌하여 X선을 방출한다.
도 5는 도 4에 도시된 음극부(200)의 단면도이다. 기판(210) 위에 에미터(230)가 형성되어 있는데, 여기서 에미터(230)는 CNT, 카본 필름(Carbon films), 카본 관 나노 코일(Carbon Tubule Nanocoils), 알루미늄 질화물 나노로드(Aluminum nitride nanorods) 중 어느 하나로 형성할 수 있다. 에미터(230)가 CNT로 형성된 경우, 각종 첨가물과 CNT 분말을 배합하여 페이스트를 만든 후 상기 기판(210) 위에 스크린 인쇄하여 상기 에미터(230)를 형성할 수 있다. 에미터(230)는 전자 방출원으로서, 상기 에미터(230)로부터 전자빔(450)이 형성되어 양극부(100)로 향하게 된다.
도 6는 본 발명에 따른 음극부(200)의 기판(210)에 요철이 형성된 모습을 보여주는 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기판(210)에 요철이 형성되어 있으며, 기판(210)에 형성된 요철은 돌출부(215)와 오목부(217)를 가진다. 기판(210)에 형성되는 요철은 전계 강화 효과를 가지는 한, 어떠한 형태로도 형성될 수 있다. 따라서 도 5에서 설명한 바와 같이, CNT 페이스트를 상기 기판(210)에 스크린 인쇄하게 되면 수 마이크로 미터 두께의 CNT 에미터(230)는 기판(210)의 돌출부(215)에 코팅될 수 있다. 즉 전자가 방출되는 부분이 기판(210)의 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)로 제한되게 되고, 따라서 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)에 전계가 강하게 형성되어 방출되는 전자수가 증가하게 된다. 그리하여 낮은 전계에서도 높은 전류밀도의 전자빔을 획득할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 바둑판 형태의 요철이 형성된 기판(210)을 포함하는 음극부(200)의 평면도 및 사시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 습식 공정을 통하여 기판(210)에 바둑판 모양의 요철을 형성할 수 있다. 즉, 가로와 세로로 여러 줄의 오목부(217)를 형성하여 바둑판 모양의 돌출부(215)를 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 음극부(200)의 제조 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, (100) 결정의 제1 실리콘 웨이퍼 상하부와 제2실리콘 웨이퍼의 상하부에, 에칭 마스크(Etching mask)로 사용될 유전체층(Dielectric layer)(71)으로서 SiO2 혹은 SiN 막을 PECVD 장비를 이용하여 증착시킨다(S1). 경우에 따라서 제1 실리콘 웨이퍼의 비저항이 제2실리콘 웨이퍼의 비저항보다 크게 선택될 수 있다.
다음에, 제1실리콘 웨이퍼 하부와 제2 실리콘 웨이퍼의 상부에 CMP(Chemlcal Mechanical Polishing) 공정을 진행하여 두께를 감소 시킨다(S2). 그 이후, 상부에 유전체층(71)이 남아있는 제1실리콘 웨이퍼와 하부에 유전체층(71)이 남아있는 제2 실리콘 웨이퍼를 공정에 필요한 크기로 적절히 자른다(S3).
다음에, 제1 실리콘 웨이퍼의 하부와 제2 실리콘 웨이퍼의 상부에 금(Au)막(72)을 형성한 후(S4), 금(Au)막(21)을 사이에 두고(금막이 접촉하도록) 제1 실리콘 웨이퍼와 제2 실리콘 웨이퍼을 접합한다(S5).
다음에, 포토(Photo) 공정을 하기 위해 접합된 웨이퍼를 클리닝(Cleaning) 한 후 Photo 공정용 PR(Photoresist)(73)을 스핀 코터(Spin coater)를 이용하여 제1 실리콘 웨이퍼의 유전체층(21) 위에 코팅시키고, PR 코팅 후 솔벤트(Solvent)를 제거하고 PR의 접착력을 향상시키기 위해 연화 건조(Soft bake) 공정을 이용한다. 그 후 PR에 원하는 광결정 구조를 패터닝 하기 위하여 포토마스크(Photomask)와 마스크 얼라이너(Maskaligner)를 이용하여 자외선 빛을 통해 패터닝 공정을 수행한 후, 현상공정을 통해 PR(73)에 광결정 구조를 형성한다(S6). 이와 같은 PR 패터닝 후 RIE(Reactive ion etching) 공정을 이용하여 유전체층(71)(SiN, SiO2 등)에 광결정 구조를 형성한다(S7).
이에 따라 PR(73)과 유전체층(71)에 광결정 구조가 형성되면, 유전체층(71) 상부에 남아있는 PR를 애셔(Asher) 장비를 이용해 제거한다. 이후 유전체층(71)을 에칭 마스크(Etching mask)로 이용하여 제1 실리콘 웨이퍼의 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정으로 금막(72)이 드러나도록 요철 형태로 식각하여 2차원 배열의 광결정들을 포함하는 실리콘 광결정 구조를 형성한다(S8). 예를 들어, 습식공정을 위해서 KOH 250g, Normal propanol 200g, H2O 800g를 혼합하여 사용할 수 있으며, 식각 시간은 100분 정도로 하여 습식 공정액의 섭씨 온도는 80 도씨를 유지하면서 습식공정을 진행할 수 있다. 결정 방향 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정으로 인하여 광결정 구조는, 실리콘 웨이퍼의 결정 방향 (111)과 (110)의 축 사이의 각도 54.74도를 갖는 광결정 구조가 형성될 수 있다. 금막(72)은 음극부(200)의 전극으로 사용될 수 있다.
이와 같이 광결정 구조가 형성된 후, 유전체층(71)을 전체적으로 제거하고(S9), 장치에 맞는 적절한 사이즈로 자른 후(S10), 요철 형태의 광결정 구조가 형성된 실리콘 기판을 음극부(200)의 기판(210)으로서 획득한다. 이후 실리콘 기판의 돌출부분(215) 상(광결정 위에)에 에미터(230)를 형성한다(S11). 위에서 기술한 바와 같이, 에미터(230)는 CNT, 카본 필름(Carbon films), 카본 관 나노 코일(Carbon Tubule Nanocoils), 알루미늄 질화물 나노로드(Aluminum nitride nanorods) 중 어느 하나로 형성할 수 있다. 에미터(230)가 CNT로 형성된 경우, 각종 첨가물과 CNT 분말을 배합하여 페이스트를 만든 후 상기 기판(210) 위에 스크린 인쇄하여 상기 에미터(230)를 형성할 수 있다.
도 9a는 기존 음극부에서의 전위분포이고, 도 9b는 본 발명의 음극부(200)에서의 전위분포이다. 음극부(200)와 일정 거리 떨어진 양극, 또는 그리드 사이에서, 도 9b의 경우가 도 9a의 경우보다 높은 전계가 형성됨을 알 수 있었다. 도 10에는 이와 같은 결과를 수치로 도시한 그래프가 도시되어 있다. 도 10과 같이 음극부(200)의 돌출부(215) 위에서 전위가 강하게 형성되므로 방출되는 전자수가 증가하게 됨을 알 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명이 음극부(200)가 도 1과 같은 마그네트론 발진기, 또는 도 2와 같은 엑스 선관에 적용되어 음극부(200)의 요철에 의해 낮은 전계에서도 에미터(230)로부터 방출되는 전자의 전류 밀도를 향상시킬 수 있다. 본 발명이 음극부(200)가 마그네트론 발진기 또는 엑스 선관에 적용되는 예를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 음극부(200)는 다양한 전자 방출 장치에서 열음극을 대체하도록 적용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 양극부
200: 음극부
300: 전자빔 집속 렌즈들
400: 전자
450: 전자빔
210: 기판
215: 돌출부
217: 오목부
230: 에미터
71: 유전체층
72: 금막
73: PR

Claims (8)

  1. 전자 방출 장치에 있어서,
    전자를 발생하여 양극부로 보내기 위한 음극부를 포함하고,
    상기 음극부는, 금속막을 사이에 두고 접합된 상부 실리콘 웨이퍼와 하부 실리콘 웨이퍼 상에서 상기 상부 실리콘 웨이퍼를 요철 형태로 식각하여 형성한 광결정들을 가지는 기판, 및 상기 광결정들의 위에 형성된 에미터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광결정들은 실리콘 결정 (100) 방향으로의 비등방적 습식공정을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에미터는 CNT, 카본 필름(Carbon films), 카본 관 나노 코일(Carbon Tubule Nanocoils), 알루미늄 질화물 나노로드(Aluminum nitride nanorods) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속막은 금(Au)막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상부 실리콘 웨이퍼 상에 미리 형성된 유전체층을 일정 패턴으로 식각하고, 식각된 상기 유전체층을 마스크로 이용하여, 상기 광결정들을 형성한 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유전체층은 SiN, 또는 SiO2막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속막이 드러나도록 상기 상부 실리콘 웨이퍼를 식각하여 상기 광결정들을 형성한 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속막을 상기 음극부의 전극으로 이용하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치.
KR1020100107876A 2010-11-01 2010-11-01 습식공정으로 제작된 음극부를 포함하는 전자 방출 장치 KR101098799B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100107876A KR101098799B1 (ko) 2010-11-01 2010-11-01 습식공정으로 제작된 음극부를 포함하는 전자 방출 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100107876A KR101098799B1 (ko) 2010-11-01 2010-11-01 습식공정으로 제작된 음극부를 포함하는 전자 방출 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101098799B1 true KR101098799B1 (ko) 2011-12-27

Family

ID=45506965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100107876A KR101098799B1 (ko) 2010-11-01 2010-11-01 습식공정으로 제작된 음극부를 포함하는 전자 방출 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101098799B1 (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5038109B2 (ja) 表面伝導型電子放出素子の製造方法、表面伝導型電子放出素子及び該電子放出素子を利用する電子源
US9053890B2 (en) Nanostructure field emission cathode structure and method for making
TWI539480B (zh) 反射式速調管及電子發射裝置
TWI467616B (zh) 場發射陰極裝置及場發射器件
TWI594286B (zh) 太赫茲反射速調管及微米太赫茲反射速調管陣列
JP2008130574A (ja) 表面伝導型電子放出素子及び該電子放出素子を利用する電子源
JP2008166257A (ja) 炭素ナノチューブ電界放出エミッター及びその製造方法
RU2455724C1 (ru) Структура и способ изготовления интегральных автоэмиссионных элементов с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий
KR101009983B1 (ko) 전자 방출 표시 소자
KR102288924B1 (ko) 원통형 엑스선 튜브 및 그 제조 방법
CN102254762B (zh) 场发射装置
US8159119B2 (en) Vacuum channel transistor and manufacturing method thereof
JP2001068012A (ja) 電界放射型電子源およびその製造方法
KR101098799B1 (ko) 습식공정으로 제작된 음극부를 포함하는 전자 방출 장치
US7317278B2 (en) Method of operating and process for fabricating an electron source
KR101121639B1 (ko) 전자 방출 장치의 음극부 구조
CN104992890B (zh) 一种电子发射体功函数可调的阴极及其阵列
TW201812824A (zh) 具有基於奈米管或奈米線的平面陰極的真空電子管
TWI287940B (en) Electron source and method for making same
JP2006210162A (ja) 電子線源
CN111613499B (zh) 一种晶圆级片上微型热电子源的制备方法
CN113555263B (zh) 一种片上微型的场助热发射电子源及制作方法
KR100724369B1 (ko) 자외선 차폐층을 구비한 전계방출소자 및 그 제조 방법
CN109545637B (zh) 一种冷阴极及其制备方法
KR100266224B1 (ko) 전계방출 소자 및 그 제조방법과 그를 이용한전계방출 디스플레이 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141223

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee