KR101965813B1 - Stable amorphous electron emission materials in air and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전자방출(electron emitting) 물질 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 낮은 일함수 특성으로 낮은 구동 전압에서 방출 전류를 크게 할 수 있으며, 공기 중에서 안정한 비정질 전자방출 물질 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electron emitting material and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to an amorphous electron-emitting material stable in air and capable of increasing an emission current at a low driving voltage with a low work function, and a manufacturing method thereof.
필드 이미션 디스플레이(FED, Field Emission Display)는 전자를 방출하는 물질로 형광체를 발광하여 화상을 표시하는 장치로 박형화의 장점이 있어 대면적 디스플레이의 핵심 기술 중 하나이다. 또한 형광관이나 조명장치는 강한 전류에 의해 전자를 방출시키는 전자 이미터를 구비한 미소 전자원을 사용하고 있어 전자방출 특성이 우수한 물질을 이용하여 관의 직경을 작게 하면 고휘도화는 물론 장치의 소형화를 가능하게 하므로 액정 등의 비발광형 디스플레이 장치의 백라이트로의 응용이 가능하다. Field Emission Display (FED) is a device that emits electrons and displays images by emitting phosphors. It is one of the core technologies of large-area displays because of its advantage of thinness. In addition, since a fluorescent tube or an illumination device uses a micro electron source having an electron emitter that emits electrons by a strong current, by using a material having excellent electron emission characteristics and reducing the diameter of the tube, So that it can be applied to a backlight of a non-light emitting type display device such as a liquid crystal display.
FED 또는 형광관에 이용되는 종래 기술은 전자 이미터와 전극 물질 사이에 고전압을 인가함에 의해 전자 이미터로부터 전자선이 발출되고 형광체가 여기되어 발광하는 원리를 이용한다. 전자방출 물질로는 Mo 등의 금속 또는 카본계 물질이 주로 사용된다. The prior art used in a FED or a fluorescent tube uses a principle in which an electron beam is emitted from an electron emitter by applying a high voltage between an electron emitter and an electrode material and excited by a phosphor to emit light. As the electron emission material, a metal such as Mo or a carbon-based material is mainly used.
미소 전자원의 구동을 용이하게 하기 위해서는 저전압에서 구동하는 것이 요구되며, 특히 FED와 같이 구동 전압의 온/오프에 의해 전자방출을 제어하는 경우에는 구동 전압을 낮게 하는 것이 필수적이다.In order to facilitate the driving of the minute electron source, it is required to drive at a low voltage. Especially when the electron emission is controlled by on / off of the driving voltage like the FED, it is necessary to lower the driving voltage.
따라서 낮은 구동 전압에서 전자 이미터로부터의 방출 전류를 크게 할 수 있는 일함수가 작은 물질 개발이 필요하다. 현재 사용되고 있는 Mo 등 금속 또는 카본계 물질은 전자방출의 용이성과 직접 연관된 일함수가 4 eV 수준으로 크기 때문에 낮은 전압에서 전자방출을 위해서는 미세한 침상 구조를 형성하여 집중을 유도하는 방법이 사용된다. Therefore, it is necessary to develop a material having a small work function capable of increasing the emission current from the electron emitter at a low driving voltage. Currently used metal or carbon-based materials such as Mo have a work function which is directly related to easiness of electron emission, which is as large as 4 eV, so that a method of inducing concentration by forming a fine needle-shaped structure for electron emission at a low voltage is used.
예를 들어, Mo의 경우 높이 1 μm 정도의 원뿔형 형태로 가공이 필요하며, 카본의 경우 탄소나노튜브와 같은 직경이 수십 nm인 구조체를 사용하는 것이 필요하다. 그러나 이러한 형상의 전자 이미터 구조체는 전극 가공이 어렵고, 또한 전극 간격을 좁게 하면 소자 제작이나 구동 신뢰성에 문제를 수반하게 된다.For example, in the case of Mo, it needs to be processed into a cone shape with a height of 1 μm. In the case of carbon, it is necessary to use a structure having a diameter of several tens of nanometers, such as carbon nanotubes. However, the electron emitter structure of this shape is difficult to process the electrode, and if the interval between the electrodes is narrowed, there arises a problem in device fabrication and driving reliability.
본 발명자들은 낮은 일함수 특성의 전자방출 물질에 대해 연구하던 중 Mo 및 카본계 물질 대비 일함수가 20% 이상 낮은 비정질 Hf2S1-y를 개발하였다. The inventors of the present invention have developed amorphous Hf 2 S 1-y having a work function lower than that of Mo and a carbon material by 20% while studying electron-emitting materials having low work function properties.
이러한 비정질 Hf2S1 -y는 결정질 물질 표면에 수 내지 수십 nm 두께로 형성된다. 또한 결정질 Hf2S1 -y가 표면이 쉽게 산화되어 HfO2 층을 만들어 일함수가 낮아지고 도전성이 줄어드는 등 특성이 열화되지만, 비정질 Hf2S1-y는 결정질 물질에 비해 표면 구조의 유지가 용이하여 특성 열화를 최소화할 수 있다. The amorphous Hf 2 S 1 -y is formed to a thickness of several to several tens of nanometers on the surface of the crystalline material. In addition, the crystalline Hf 2 S 1- y easily oxidizes the surface to form a HfO 2 layer, thereby lowering the work function and decreasing the conductivity. However, the amorphous Hf 2 S 1-y has a higher surface structure retention So that the deterioration of characteristics can be minimized.
본 발명은 상기 비정질 Hf2S1 -y를 포함하는 전자방출 물질 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide an electron-emitting material containing the amorphous Hf 2 S 1 -y and a process for producing the same.
본 발명은, Hf 및 S를 포함하고 하기 화학식 1로 표시되는 조성의 비정질 전자방출 물질을 제공한다. The present invention provides an amorphous electron emitting material comprising Hf and S and having a composition represented by the following formula (1).
<화학식 1>≪ Formula 1 >
Hf2S1 -y (-0.2 ≤ y ≤ 0.2)Hf 2 S 1 -y (-0.2 ≤ y ≤ 0.2)
본 발명의 일 구현예에서, 상기 화학식 1 조성의 물질 표면은 Hf와 S가 대략 2:1의 조성비로 분포하지만 국소적으로 S의 양이 과도하거나 부족할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the material surface of the composition of Formula 1 has a composition ratio of Hf and S of about 2: 1, but the amount of S may be locally excessive or deficient.
또한, 본 발명은 상기 비정질 전자방출 물질 분말을 표면에 노출되게 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 이미터를 제공한다.The present invention also provides an electronic emitter comprising the amorphous electron emission material powder exposed on the surface.
또한, 본 발명은 상기 전자 이미터를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 형광관을 제공한다.Further, the present invention provides a fluorescent tube comprising the above-described electronic emitter.
또한, 본 발명은 열처리 공정에 의해 화합물 원료를 제조하는 제1 단계; 제1 계 얻어진 원료를 용융-냉각하여 균질성이 높은 전자방출 물질을 제조하는 제2 단계; 및 제3 단계에서 얻어진 물질의 표면을 깎아내고 분쇄하는 제3 단계를 포함하는 비정질 전자방출 물질 분말 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method for producing a compound, comprising: a first step of preparing a compound raw material by a heat treatment step; A second step of melting and cooling the obtained raw material to prepare an electron emitting material having high homogeneity; And a third step of grinding the surface of the material obtained in the third step and pulverizing the surface of the amorphous electron emission material powder.
구체적으로, Hf 분말 및 S 분말을 혼합한 후 450 내지 600 oC의 온도로 2일 내지 4일 동안 열처리하여 화합물 원료를 얻는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 얻어진 화합물 원료를 용융하고 냉각하는 제2 단계; 및 상기 제2 단계에서 제조된 물질의 표면을 깎아내고 분쇄하는 제3 단계를 포함하는 비정질 전자방출 물질의 제조방법을 제공한다.Specifically, a first step of mixing a Hf powder and an S powder and then heat-treating the mixture at a temperature of 450 to 600 ° C for 2 to 4 days to obtain a compound raw material; A second step of melting and cooling the compound raw material obtained in the first step; And a third step of grinding and crushing the surface of the material produced in the second step.
상기 용융은 비활성 기체 분위기에서 진행되는 것이 바람직하다.It is preferable that the melting proceeds in an inert gas atmosphere.
상기 제2 단계는 1회 또는 2회 이상 반복하여 수행될 수 있다.The second step may be repeated one or more times.
상기 제3 단계에서 상기 제2 단계에서 제조된 물질의 표면을 깎아내는 것은 화학적 에칭 또는 기계적 연마를 통해 수행될 수 있다.In the third step, the surface of the material produced in the second step is scraped off by chemical etching or mechanical polishing.
상기 제3 단계에서 상기 제2 단계에서 제조된 물질의 표면을 깎아내는 것은진공, 알곤 또는 질소 분위기 등의 산화를 방지하기 위한 불활성 기체 분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다.In the third step, it is preferable that the surface of the material produced in the second step is scraped off in an inert gas atmosphere to prevent oxidation such as a vacuum, argon or nitrogen atmosphere.
상기 분쇄는 볼 밀링, 어트리션 밀링, 고에너지 밀링, 제트 밀링 또는 막자 사발을 이용한 분쇄를 이용하여 이루어질 수 있다. The milling may be accomplished using ball milling, attrition milling, high energy milling, jet milling, or grinding using a mortar.
상기 분쇄는 가스 원자화에 의해 이루어질 수 있다.The pulverization may be carried out by gas atomization.
상기 제1 단계에서 상기 S 분말은 상기 Hf 분말 2몰 대비 0.8 내지 1.2의 비율로 첨가될 수 있다.In the first step, the S powder may be added in a ratio of 0.8 to 1.2 based on 2 moles of the Hf powder.
상기 제3 단계의 분쇄 공정은 진공 또는 불활성 기체 분위기에서 수행될 수 있다.The pulverizing step in the third step may be performed in a vacuum or an inert gas atmosphere.
본 발명의 전자방출 물질은 비정질 Hf2S1 -y 물질의 국재화된 전자층의 존재로부터 낮은 일함수 특성이 발현되어 매우 큰 전자방출 효과를 나타낸다. The electron emission material of the present invention exhibits a very large electron emission effect due to the manifestation of low work function properties from the presence of the localized electron layer of the amorphous Hf 2 S 1 -y material.
본 발명의 전자방출 물질에 포함되는 Hf2S1 -y는 일함수가 y 값에 크게 의존하지 않으며, 약 3.0eV의 값을 나타낸다. 이는 상용 전자방출 소재인 Mo 및 카본의 약 4.3 eV 수준의 일함수와 비교하여 30% 이상 낮은 특성으로 FED 및 형광관에 적용하면 기존 디바이스 구조의 변경 없이 낮은 구동 전압에서 큰 방출 전류를 얻을 수 있다. Hf 2 S 1 -y contained in the electron-emitting material of the present invention has a work function which does not depend on the y value and exhibits a value of about 3.0 eV. This is a characteristic that is lower than the work function of Mo and carbon of commercial electron emission material by about 4.3 eV and is 30% or less. When applied to FED and fluorescent tube, a large emission current can be obtained at a low driving voltage without changing the existing device structure .
본 발명에서 제공되는 Hf2S1 -y 전자방출 물질 제조방법은, 단순한 열처리, 용융-응고 및 기계적 분쇄 공정으로 물질을 대량으로 용이하게 제조할 수 있다.The method for producing Hf 2 S 1- y electron-emitting materials provided in the present invention can easily mass-produce materials by simple heat treatment, melt-solidification and mechanical grinding processes.
본 발명에서 제공되는 전자방출 물질은, 제조가 용이하고 낮은 구동전압으로 전자를 방출할 수 있다. 따라서 동일한 인가전압 기준으로 상대적으로 큰 방출 전류를 형성하는 전자 이미터의 구현을 가능하게 하여 저전압 구동 FED, 형광관 및 조명장치에 효과적으로 적용될 수 있다. The electron emission material provided in the present invention is easy to manufacture and can emit electrons with a low driving voltage. Therefore, it enables the implementation of an electronic emitter that forms a relatively large emission current on the same applied voltage basis, which can be effectively applied to low-voltage driven FEDs, fluorescent tubes and lighting devices.
도 1은 본 발명의 전자방출 물질인 비정질 Hf2S1 - y(0.2 ≤ y ≤ 0.2) 의 TEM 미세구조 사진이다. 비정질 Hf2S1 -y 물질은 결정질 Hf2S 표면에 수 - 수십 nm 두께로 형성된다. 비정질 층 원자들 사이에 국재화된 전자가 존재하며, 이는 낮은 일함수 특성의 근원이 된다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 비정질 Hf2S1-y에 대한 X-선 광전자 분광법 (XPS) 분석 결과이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 비정질 Hf2S1 - y 의 core level X-선 광전자 분광법 분석 결과이다. 각 그래프의 면적을 구해 물질 Hf2S1-y의 조성을 구할 수 있다.
도 4은 실시예 1에서 제조된 비정질 Hf2S1-y에 대한 자외선 광전자 분광법 (UPS) 분석 결과이다.
도 5는 도 2에서 측정한 XPS/UPS 결과와 측정한 원료를 30일 후에 재측정한 분석 결과이다.
도 6은 결정질과 비정질 Hf2S1 -y 원료의 도전률을 산화되기 전후로 비교한 그래프이다. 이를 통해 결정질 원료의 도전률 열화가 심한데 비해 비정질 원료의 도전률 열화 폭이 적음을 확인할 수 있다.
도 7은 실시예 1 공정에서 산화된 표면을 연마하여 제거하기 전 상태의 전자화물 시료를 X 선 광전자 분광법으로 측정한 결과를 나타낸 도면이다. 표면에 산화로 인한 픽이 확연하게 보임을 확인할 수 있다.FIG. 1 is a TEM microstructure photograph of amorphous Hf 2 S 1 - y (0.2 ≦ y ≦ 0.2), which is an electron emission material of the present invention. An amorphous Hf 2 S 1 -y material is formed on the surface of crystalline Hf 2 S to a thickness of several to several tens of nanometers. There are localized electrons between the amorphous layer atoms, which is a source of low work function properties.
FIG. 2 shows X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis results of amorphous Hf 2 S 1-y prepared in Example 1. FIG.
FIG. 3 shows the core level X-ray photoelectron spectroscopic analysis of the amorphous Hf 2 S 1 - y prepared in Example 1. FIG. The area of each graph is determined to obtain the composition of the material Hf 2 S 1-y .
4 is a result of ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) analysis of the amorphous Hf 2 S 1-y prepared in Example 1. FIG.
FIG. 5 shows the XPS / UPS results measured in FIG. 2 and the results of the re-measurement of the measured raw materials after 30 days.
6 is a graph comparing the conductivity of the crystalline and amorphous Hf 2 S 1 -y raw materials before and after oxidation. As a result, it can be seen that the deterioration of the conductivity of the crystalline raw material is severe, while the deterioration of the conductivity of the amorphous raw material is small.
FIG. 7 is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopic measurement of an electron carrier sample before polishing the oxidized surface in the process of Example 1 and removing it. FIG. It can be seen that the pick due to oxidation is clearly visible on the surface.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다.However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in various forms.
본 명세서에서 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. Only.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적 설명이 생략될 수 있다.Thus, in some embodiments, well-known components, well known operations, and well-known techniques may be omitted in order to avoid obscuring the present invention.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, the singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise, and the constituents and acts referred to as " comprising (or comprising) " do not exclude the presence or addition of one or more other constituents and actions .
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적 으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 구현예에 따라, Hf 및 S를 포함하고 하기 화학식 1로 표시되는 조성의 비정질 전자방출 물질이 제공된다. According to one embodiment of the present invention, there is provided an amorphous electron emitting material comprising Hf and S and having a composition represented by the following formula (1).
<화학식 1>≪ Formula 1 >
Hf2S1-y (-0.2 ≤ y ≤ 0.2) Hf 2 S 1-y (-0.2 ≤ y ≤ 0.2)
상기 화학식 1에 나타낸 전자방출 물질은 비정질 물질의 특성상 국소적으로 S의 조성이 많거나 적을 수 있지만, 전체 조성은 Hf2S 조성에 수렴하며 그 전자방출 특성이 S 양에 민감하지 않다.The electron emission material shown in Formula 1 may be locally rich or small in the composition of S due to the nature of the amorphous material, but the entire composition converges on the Hf 2 S composition and its electron emission characteristic is not sensitive to the amount of S.
상기 전자방출 물질은 국재화된 고밀도의 전자를 포함하여 낮은 일함수 특성에 의해 큰 전자방출 효과를 발현한다.The electron emission material includes a localized high-density electron and exhibits a large electron emission effect by a low work function property.
상기 전자방출 물질은 분말 또는 벌크상 표면에 수 내지 수십 nm 범위로 존재하는 비정질층일 수 있다.The electron emission material may be an amorphous layer present in the range of several to several tens of nanometers on the surface of the powdery or bulk phase.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따라, (a) 열처리 공정에 의해 화합물 원료를 제조하는 단계; 및 (b) 단계 (a)에서 얻어진 원료를 용융-냉각하여 균질성이 높은 전자방출 물질을 제조하는 단계; 및 (c) 단계 (b)에서 얻어진 물질을 분쇄하는 단계를 포함하는 비정질 전자방출 물질 분말을 제조방법이 제공된다. Further, according to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) preparing a compound raw material by a heat treatment process; And (b) melt-cooling the raw material obtained in step (a) to produce an electron-emitting material having high homogeneity; And (c) pulverizing the material obtained in step (b).
상기 단계 (a)는, 전자방출 물질 제조를 위해 용융공정 이전에 seed 상 합성을 위하여 각 원료 물질의 혼합물을 열처리하는 단계이다.The step (a) is a step of heat-treating the mixture of the starting materials for the seed phase synthesis before the melting process for producing the electron emission material.
구체적으로, silica tube에 진공 봉입한 Hf 및 S 원료를 furnace에 넣고 450 내지 600 ℃ 에서 2일 내지 4일 열처리한다. Specifically, Hf and S raw materials vacuum-sealed in a silica tube are placed in a furnace and heat-treated at 450 to 600 ° C for 2 to 4 days.
상기 단계 (b)는 전자방출 물질의 순도 및 균질성을 높이는 단계이다. The step (b) is a step for increasing the purity and homogeneity of the electron emission material.
구체적으로, 단계 (a)에서 제조한 열처리된 혼합물을 arc melting 설비 챔버에 넣고 진공 분위기 형성 후 arc 구동이 가능한 수준의 알곤 등의 불활성 가스 분위기를 형성한다. 이후 arc를 인가하여 열처리된 혼합물을 용융 후 응고하여 전자방출 물질을 제조한다.Specifically, the heat-treated mixture prepared in step (a) is placed in an arc melting furnace chamber, and an atmosphere of an inert gas such as argon is formed at a level capable of arc driving after forming a vacuum atmosphere. Then arc is applied to melt the heat-treated mixture and solidify to produce an electron-emitting material.
상기 용융법은 통상적으로 사용되는 용융법, 예를 들어, 고온 tubular furnace, 초고온 전기로 등으로 이루어진 군에서 선택된 공정에 의해 수행될 수 있으며, 바람직하게는 arc 용융에 의행 수행될 수 있다. 다만, 반드시 이러한 방법들에 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 용융법으로 사용될 수 있는 것이라면 모두 가능하다. arc 용융법을 사용함에 의하여 전자방출 물질의 산업적인 대량 생산이 가능하며, arc 용융법이 아닌 일반적인 용융법이 사용되는 경우에도 향상된 물성이 얻어질 수 있다.The melting process may be performed by a process selected from the group consisting of a commonly used melting process, for example, a high-temperature tubular furnace, an ultra-high-temperature furnace, and the like, and may preferably be performed in arc melting. However, the present invention is not necessarily limited to these methods, and any method can be used as the melting method in the related art. The use of the arc melting method enables industrial mass production of the electron emission material, and improved properties can be obtained even when a general melting method other than the arc melting method is used.
상기 arc 용융법에서는 혼합 원료의 산화 방지를 위하여 불활성 가스 분위기에서 원료를 융점 이상으로 가열하여 액체 상태를 만드는 과정으로 용융한다. Arc melting 설비 챔버 내의 구리 재질로 제조한 샘플 장입부에 해당하는 크기와 형상의 전자방출 물질을 얻을 수 있다. 전자방출 물질의 순도 및 균질도를 높이기 위해 arc melting에 의한 용융을 반복 시행할 수 있다. In the arc melting method, the raw material is melted in an inert gas atmosphere in order to prevent the oxidation of the raw material by heating the raw material to a melting point or higher to form a liquid state. It is possible to obtain the electron emission material of the size and shape corresponding to the sample loading part made of the copper material in the arc melting facility chamber. Melting by arc melting can be repeated to increase the purity and homogeneity of the electron emission material.
상기 단계 (c)는 분말을 제조하는 단계이다. The step (c) is a step of producing a powder.
구체적으로, 단계 (b)에서 제조한 덩어리 형태의 물질 표면을 깎아내 공정 중 산화된 부분을 제거하고, 산화를 방지하는 분위기에서 ball milling 등 기계적 분쇄 공정을 이용하여 분말을 제조한다. Specifically, the surface of the lumpy material produced in step (b) is scraped off and the oxidized portion is removed in the process, and the powder is produced using a mechanical milling process such as ball milling in an oxidation preventing atmosphere.
이때, 물질 표면의 산화된 부분을 제거하는 방법으로는 불활성 기체 분위기에서 하프늄 산화물을 제거할 수 있는 화학적 에칭, 기계적 연마 등의 방법이 가능하다. 예를 들어 글러브 박스 안에서 불산 혹은 불산과 다양한 에테르계 유기 용매를 혼합한 것 등을 이용한 에칭이나 연마석, 연마지, 그라운더, 폴리셔 등을 이용한 연마의 이용이 가능하다.At this time, as a method of removing the oxidized portion of the material surface, a chemical etching or mechanical polishing method capable of removing hafnium oxide in an inert gas atmosphere is possible. For example, it is possible to use etching using a mixture of hydrofluoric acid or hydrofluoric acid with a variety of ether organic solvents in a glove box, polishing using a grinding stone, a polishing pad, a grounder, a polisher, or the like.
상기 용융-응고된 형태의 물질은 볼 밀링(ball milling), 어트리션 밀링(attrition milling), 고에너지 밀링(high energy milling), 제트 밀링(zet milling), 막자 사발 등에서 분쇄하는 방법 등으로 분쇄하여 분말 형태로 제조될 수 있으나, 반드시 이들로 한정되지 않으며, 건식 또는 습식으로 원료를 분쇄하여 분말을 제조하는 방법으로서 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 것이라면 모두 가능하다.The molten-solidified material may be pulverized by ball milling, attrition milling, high energy milling, zet milling, grinding in a mortar, or the like. However, the present invention is not limited thereto, and any method that can be used in the related art can be used as a method for producing powders by pulverizing raw materials by dry or wet methods.
상기 단계 (c)의 분말 분쇄 공정은 진공이나 알곤, 질소 등 불활성 기체 분위기에서 수행하여 물질의 산화를 방지하는 것이 바람직하다.The powder milling step of step (c) is preferably carried out in an inert gas atmosphere such as vacuum, argon, nitrogen or the like to prevent oxidation of the material.
또한, 상기 전자방출 물질 분말은 가스 원자화(gas atomization)에 의하여 준비될 수 있다. 가스원자화법은 용융법으로 제조한 상기 화합물 원료를 융점 이상으로 가열하여 액체 상태를 만들고 노즐을 통하여 상온의 진공 또는 아르곤 분위기의 공간으로 급속 분출하여 급랭시키면 구형태의 원료 분말을 얻을 수 있다.Further, the electron emission material powder may be prepared by gas atomization. In the gas atomization method, the raw material of the compound prepared by the melting method is heated to a melting point or higher to form a liquid state, and rapidly injected into a vacuum or argon atmosphere at room temperature through a nozzle to quench the raw material powder.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예를 이용하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples.
실시예 1. 비정질 HfExample 1. Amorphous Hf 22 SS 1-y1-y (-0.2 ≤ y ≤ 0.2) 제조 및 특성 측정 (-0.2 ≤ y ≤ 0.2) Manufacturing and Characterization
갈아서 섞은 Hf, S 파우더를 펠렛화하여 silica tube에 진공 봉입한 뒤 furnace에 넣고 450 내지 600 ℃에서 2일 내지 4일 소결하였다. Hf2S1 -y는 고온에서 나타나는 상인데 비해 S는 기화점이 매우 낮은 물질이므로 합성을 위한 물질 용융 시 S의 손실을 최소화하기 위해 상기 소결과정을 통해 순수한 S를 Hf-S의 화합물로 만든다. 소결로 만들어진 중간 물질을 arc 용융법으로 용융 및 응고하여 합성한 뒤, 글러브 박스 안에서 산화된 표면을 연마하여 제거한 다음 ball milling을 이용하여 분쇄한다.The ground Hf and S powders were pelletized and vacuum-packed in a silica tube. The powder was placed in a furnace and sintered at 450 to 600 ° C for 2 to 4 days. Since Hf 2 S 1 -y is a phase at high temperature, S is a substance with very low vaporization point, so pure S is made into a compound of Hf-S through the above sintering process in order to minimize the loss of S during material melting for synthesis. The sintered intermediate material is melted and solidified by the arc melting method, and then the oxidized surface is removed by grinding in a glove box, followed by ball milling.
제조된 원료는 도 1에 나타낸 TEM 사진에서 확인할 수 있듯이 결정질 Hf2S 표면에 Hf2S1 -y 조성(0.2 ≤ y ≤ 0.2)의 비정질 물질이 자연스럽게 형성된다.As shown in the TEM photograph of FIG. 1, an amorphous material having a composition of Hf 2 S 1 -y (0.2 ≤ y ≤ 0.2) is naturally formed on the surface of the crystalline Hf 2 S.
제조된 원료의 산화 여부와 원소의 원자가 상태를 도 2와 같이 XPS를 이용해 측정하였다. 원료는 XPS 장비 내부에서 파쇄되었다. 데이터에 나타난 것과 같이 물질은 산화되지 않았으며, 따라서 산화에 따른 물질 열화가 없음이 확인된다.The oxidation state of the raw material and the valence state of the element were measured using XPS as shown in Fig. The raw material was shattered inside the XPS equipment. As shown in the data, the material is not oxidized, and therefore, it is confirmed that there is no material deterioration due to oxidation.
도 3에 나타낸 바와 같이 비정질 Hf2S1 -y의 y 값을 core level XPS 측정을 통해 구하였다. Hf과 S core level 그래프의 면적을 구해 다음 식에 대입하여 조성을 구할 수 있다.As shown in FIG. 3, the y value of amorphous Hf 2 S 1 -y was determined by core level XPS measurement. The area of the Hf and S core level graphs is obtained and substituted into the following equation to obtain the composition.
이때, ni Ii Si는 각각 i 원소에 대한 조성비, 그래프 면적, 기 보고된 sensitivity factor이다.In this case, n i I i S i is the composition ratio for the i element, the graph area, and the reported sensitivity factor.
도 4에 나타낸 바와 같이 비정질 Hf2S1 -y의 일함수는 3.0eV로 알칼리 금속의 일함수에 비해 약간 높지만 상용 제품의 일함수 보다 낮은 값으로 측정되었으며 0.2 ≤ y ≤ 0.2 범위에서 일함수의 변화가 거의 없었다.As shown in FIG. 4, the amorphous Hf 2 S 1 -y The work function was 3.0 eV, which was slightly higher than the work function of alkali metal but slightly lower than the work function of commercial products. There was almost no change in work function in the range of 0.2 ≤ y ≤ 0.2.
비교예 1. Mo 및 C 일함수 측정Comparative Example 1. Measurement of Mo and C work function
Mo 및 C에 대해 실시예 1과 동일한 방법으로 일함수를 측정하였다.The work function was measured in the same manner as in Example 1 for Mo and C, respectively.
도 4에 도시된 바와 같이 전자방출 물질로서 기존에 많이 사용되는 Mo나 카본계 물질의 경우 4.3 eV 근방의 일함수를 가지고 있다. 그러나 본 연구진이 합성한 비정질 Hf2S1 -y 원료의 경우 0.2 ≤ y ≤ 0.2 범위에서 y의 조성과 무관하게 3.0eV 근방의 일함수를 가지는 물질로서 Mo와 같은 금속이나 카본계 물질의 일함수보다 현저히 낮은 일함수를 가지므로 낮은 전압에서 전자방출이 비교적 용이하다.As shown in FIG. 4, Mo and carbon-based materials commonly used as electron emission materials have a work function near 4.3 eV. However, in the case of the amorphous Hf 2 S 1 -y raw material synthesized by the present inventors, the material having a work function near 3.0 eV regardless of the composition of y in the range of 0.2 ≦ y ≦ 0.2. The work function of a metal such as Mo or a carbon- Since it has a much lower work function, electron emission is relatively easy at low voltages.
아래 표 1은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 비정질 Hf2S1-y, Mo 및 C의 일함수 측정 결과이다.Table 1 below shows the results of work function measurements of amorphous Hf 2 S 1-y , Mo and C prepared in Example 1 and Comparative Example 1.
실시예Example 2. 2. HfHf 22 SS 1One -y-y 안정성 평가 Stability evaluation
Hf2S1 -y의 안정성을 평가하기 위하여 실시예 1에서 제조한 비정질 Hf2S1 -y 분말을 약 30일이 지난 후 다시 측정하였다. 도 5의 XPS와 UPS 결과에서 나타난 바와 같이 30일 이전/이후 데이터에서 유의미한 차이가 발견되지 않고 일함수 값의 열화가 없었다.In order to evaluate the stability of Hf 2 S 1 -y , the amorphous Hf 2 S 1 -y powder prepared in Example 1 was measured again after about 30 days. As shown in the XPS and UPS results of FIG. 5, there was no significant difference in data before / after 30 days and there was no deterioration of work function value.
또한, 도 6의 전도도 결과에서 나타난 바와 같이 30일 이전/이후 데이터에서 유사한 값이 나타나는 것을 확인하였다.Also, as shown in the conductivity results in Fig. 6, it was confirmed that similar values appear in the data before and after 30 days.
결정질 Hf2S 계 물질은 표면이 쉽게 산화되어 일함수가 크고 도전성이 낮은 HfO2 층을 형성한다. 따라서 결정질 Hf2S를 이용한 전자 방출 소자 제작 시 충분한 도전성을 얻을 수 없거나 특성의 열화가 생겨 원하는 특성을 얻을 수 없거나 소자의 신뢰성이 저하될 가능성이 있다.Crystalline Hf 2 S-based materials are easily oxidized to form HfO 2 layers with high work function and low conductivity. Therefore, when the electron-emitting device using the crystalline Hf 2 S is used, there is a possibility that sufficient conductivity can not be obtained or characteristics are deteriorated, and desired characteristics can not be obtained or the reliability of the device is lowered.
이에 비해 비정질 Hf2S1 -y의 표면 구조는 안정적으로 유지되기 때문에 물질 특성의 열화가 방지된다. 그 결과, 핸들링이 기존 결정질 Hf2S 계 물질에 비해 용이하고 신뢰성 높은 소자를 제작할 수 있다.In contrast, since the surface structure of amorphous Hf 2 S 1 -y is stably maintained, deterioration of the material properties is prevented. As a result, it is possible to manufacture a device that is easier and more reliable in handling than the conventional crystalline Hf 2 S-based material.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
Claims (12)
<화학식 1>
Hf2S1-y(-0.2 ≤ y ≤ 0.2)
An amorphous electron emitting material represented by the following formula (1).
≪ Formula 1 >
Hf 2 S 1-y (-0.2 ≤ y ≤ 0.2)
An electron emitter comprising the amorphous electron emission material powder of claim 1 exposed on the surface.
A fluorescent tube comprising the electron emitter of claim 2.
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