KR102032291B1 - 광전물질이 포함된 전계방출 에미터를 갖는 전계방출소자 및 그 제조방법 - Google Patents

광전물질이 포함된 전계방출 에미터를 갖는 전계방출소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전계방출소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 전계방출소자는 대향하는 아노드 전극과 캐소드 전극, 상기 아노드 전극 상에 제공된 카운터층; 및 상기 캐소드 전극 상에 제공되고 상기 카운터층을 바라보는 전계방출 에미터를 포함한다. 상기 전계방출 에미터는 냉전자를 방출하는 탄소나노튜브 그리고 광전자를 방출하는 광전물질을 포함한다.

Description

광전물질이 포함된 전계방출 에미터를 갖는 전계방출소자 및 그 제조방법{FIELD EMISSION DEVICES HAVING FIELD EMISSION EMITTERS INCLUSIVE OF PHOTOELECTRIC MATERIAL AND MEHTODS FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 전계방출소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광전물질이 포함된 전계방출 에미터를 갖는 전계방출소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전계방출소자는 진공 속에서 전계방출 에미터에 전계를 인가하여 전자를 방출시키고 방출된 전자를 양극으로 가속하는 구조를 가지며, 충돌시 발생하는 빛 또는 엑스선을 이용한다.
전계방출소자의 성능은 전자를 방출할 수 있는 전계방출 에미터에 의해 크게 좌우된다. 고성능의 전계방출 에미터를 이용한 소자는 냉음극형 엑스선 튜브, 전계방출 램프, 전계방출 디스플레이, 트래블링 웨이브 튜브, 테라헤르츠 발생기 등이 대표적이다. 그 중에서 냉음극형 엑스선 튜브, 트래블링 웨이브 튜브, 테라헤르츠 발생기의 경우 높은 전류, 또는 높은 전류 밀도가 요구된다.
상기 소자들은 높은 전류밀도가 요구되며 높은 전류밀도를 얻기 위해선 전계방출 에미터당 요구되는 방출 전자수가 많아져 전계 방출 에미터에 줄 열(Joule heating)이 발생할 수 있다. 줄 열이 발생하면 전계방출 에미터가 열화되어 전계방출 에미터로서의 역할을 할 수 없게 되어 전계방출소자가 요구하는 수명이나 안정성 등에서 원하는 성능을 기대할 수 없게 된다.
본 발명의 목적은 우수한 특성을 갖는 전계방출 에미터를 포함하는 전계방출소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 높은 전류밀도를 구현할 수 있는 전계방출 에미터를 포함하는 전계방출소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전계방출소자 및 그 제조방법은 광전물질이 포함된 전계방출 에미터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자는: 대향하는 아노드 전극과 캐소드 전극; 상기 아노드 전극 상에 제공된 카운터층; 및 상기 캐소드 전극 상에 제공되고 상기 카운터층을 바라보는 전계방출 에미터를 포함하고, 상기 전계방출 에미터는 냉전자를 방출하는 탄소나노튜브 그리고 광전자를 방출하는 광전물질을 포함할 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 캐소드 전극과 상기 전계방출 에미터 사이에 제공된 제1 광전물질층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 광전물질층은 상기 아노드 전극을 바라보는 상기 캐소드 전극의 표면 전체 혹은 일부를 덮을 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 광전물질과 상기 제1 광전물질층 중 적어도 어느 하나는: 포타슘옥사이드(potassium oxide), 세슘옥사이드(Cesium oxide), 갈륨포스파이드(gallium phosphide), 갈륨나이트라이드(gallium nitride), 알루미늄(aluminum), 인듐아세나이드(indium arsenide), 게르마늄(germanium), 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 세슘텔루라이드(cesium telluride), 세슘아이오다이드(cesium iodide), 세슘-칼륨-텔륨(Cs-K-Te), 칼륨-텔륨(K-Te), 은-산소-세슘(Ag-O-Cs), 인듐-갈륨-비소(In-Ga-As), 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 카운터층은 형광층 혹은 금속타겟을 포함할 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이에 제공된 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 아노드 전극을 바라보는 상기 게이트 전극의 표면 상에 제공된 제2 광전물질층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 제2 광전물질층은 상기 제1 광전물질층과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 제2 광전물질층은 상기 아노드 전극을 바라보는 상기 게이트 전극의 표면 전체 혹은 일부를 덮을 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 전계방출 에미터는 상기 캐소드 전극 상에 분산된 복수개의 국부 전계방출 에미터들을 포함할 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 게이트 전극은 상기 복수개의 국부 전계방출 에미터들과 정렬된 복수개의 게이트 홀들을 포함할 수 있다.
일 실시예의 소자에 있어서, 상기 전계방출 에미터는 나노와이어를 더 포함할 수 있고, 상기 나노와이어는 금(Au), 은(Ag), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출소자는: 카운터층이 제공된 아노드 전극; 상기 아노드 전극과 이격되며, 상기 카운터층과 대면하는 전계방출 에미터가 제공된 캐소드 전극; 및 상기 캐소드 전극과 상기 전계방출 에미터 사이에 제공된 제1 광전물질층을 포함할 수 있다. 상기 전계방출 에미터는: 광전물질과 금속입자가 용융되어 경화된 전계방출 페이스트; 및 상기 전계방출 페이스트에 제공되고, 상기 전계방출 페이스트로부터 상기 아노드 전극을 향해 돌출된 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 탄소나노튜브로부터는 전계효과에 따른 냉전자방출이 발생되고, 상기 광전물질로부터는 입사광에 따른 광전자방출이 발생될 수 있다.
다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 전계방출 에미터는 상기 전계방출 페이스트에 제공되고 그리고 상기 전계방출 페이스트로부터 돌출된 나노와이어를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이에 제공되고, 그리고 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극과 이격된 게이트 전극을 더 포함할 수 있고, 상기 게이트 전극은 상기 전계방출 에미터로부터 발생되는 상기 냉전자방출과 상기 광전자방출이 통과하는 게이트 홀을 포함할 수 있다.
다른 실시예의 소자에 있어서, 상기 아노드 전극을 바라보는 상기 게이트 전극의 표면 전체 혹은 일부를 덮는 제2 광전물질층을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 광전물질층은 상기 제1 광전물질층과 동일한 물질을 포함할 수 있다.
상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자의 제조방법은: 캐소드 전극 상에탄소나노튜브, 광전물질, 금속입자, 유기바인더 및 용매가 혼합된 탄소나노튜브 페이스트를 형성하고; 상기 탄소나노튜브 페이스트를 건조시켜 상기 용매를 제거하고; 상기 탄소나노튜브 페이스트를 소성하여 상기 유기바인더를 제거하고 그리고 상기 광전물질과 상기 금속입자를 용융시키고; 그리고 상기광전물질과 상기 금속입자가 용융되어 형성된 전계방출 에미터를 표면 활성화처리하는 것을 포함하고, 상기 광전물질은 상기 전계방출 에미터에 입사되는 광의 진동수보다 낮은 임계진동수를 가지는 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예의 방법에 있어서, 상기 광전물질은: 포타슘옥사이드(potassium oxide), 세슘옥사이드(Cesium oxide), 갈륨포스파이드(gallium phosphide), 갈륨나이트라이드(gallium nitride), 알루미늄(aluminum), 인듐아세나이드(indium arsenide), 게르마늄(germanium), 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 세슘텔루라이드(cesium telluride), 세슘아이오다이드(cesium iodide), 세슘-칼륨-텔륨(Cs-K-Te), 칼륨-텔륨(K-Te), 은-산소-세슘(Ag-O-Cs), 인듐-갈륨-비소(In-Ga-As), 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예의 방법에 있어서, 상기 캐소드 전극과 대향하는 아노드 전극을 제공하고; 그리고 상기 아노드 전극 상에 상기 전계방출 에미터를 바라보는 카운터층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 카운터층은 형광층 혹은 금속타겟을 포함할 수 있다.
일 실시예의 방법에 있어서, 상기 탄소나노튜브 페이스트를 형성하기 이전에, 상기 캐소드 전극 상에 제1 광전물질층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예의 방법에 있어서, 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이에, 상기 캐소드 전극 및 상기 아노드 전극과 이격되는 게이트 전극을 형성하고; 그리고 상기 게이트 전극 상에 상기 카운터층을 바라보는 제2 광전물질층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 탄소나노튜브 페이스트에 광전물질과 나노와이어를 첨가하면 전계방출소자에서 냉전자방출뿐만 아니라 광전자방출이 발생할 수 있다. 냉전자방출과 광전자방출을 이용하므로써 높은 전류나 전류밀도를 요구하는 전계방출소자의 조건을 쉽게 만족시킬 수 있다. 뿐만 아니라 전계방출 에미터당 요구되는 전류의 양 또한 줄일 수 있다.
캐소드 전극이나 게이트 전극 혹은 다극형 구조의 각 전극에 광전물질층을 형성하면 추가적인 광전류를 발생시킬 수 있다. 따라서, 냉전자방출 전류와 광전자방출 전류를 동시에 사용하므로 우수한 전류 특성을 갖는 전계방출소자를 구현할 수 있다.
도 1a 내지 1e는 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 에미터의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 1f는 도 1e의 변형예를 도시한 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
도 2c는 도 2b의 변형예를 도시한 사시도이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자의 전계방출 모드를 도시한 단면도들이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다.
도 5b는 도 5a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
도 6c는 도 6b의 변형예를 도시한 사시도이다.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다.
도 7b는 도 7a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
도 8a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다.
도 8b는 도 8a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다.
도 9b는 도 9a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 광전물질이 포함된 전계방출 에미터를 갖는 전계방출소자 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.
<전계방출 에미터의 제조방법의 예>
도 1a 내지 1e는 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 에미터의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 도 1f는 도 1e의 변형예를 도시한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 캐소드 전극(100)을 제공할 수 있다. 캐소드 전극(100)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag) 혹은 이들의 합금과 같은 금속을 포함할 수 있다. 다른 예로, 캐소드 전극(100)은 실리콘 계열 혹은 인듐주석옥사이드(ITO)와 같은 투명성 전도체를 포함할 수 있다. 캐소드 전극(100) 상에 스크린 프린팅, 디핑, 스퍼터링, 혹은 화학기상증착법을 이용하여 광전물질층(110)을 형성할 수 있다.
광전물질층(110)은 광의 입사에 의해 전자를 방출할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 가령, 광전물질층(110)은 포타슘옥사이드(potassium oxide), 세슘옥사이드(Cesium oxide), 갈륨포스파이드(gallium phosphide), 갈륨나이트라이드(gallium nitride), 알루미늄(aluminum), 인듐아세나이드(indium arsenide), 게르마늄(germanium), 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 세슘텔루라이드(cesium telluride), 세슘아이오다이드(cesium iodide), 세슘-칼륨-텔륨(Cs-K-Te), 칼륨-텔륨(K-Te), 은-산소-세슘(Ag-O-Cs), 인듐-갈륨-비소(In-Ga-As), 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 광전물질층(110) 상에 탄소나노튜브 페이스트(250a)를 제공할 수 있다. 탄소나노튜브 페이스트(250a)는 전계방출원(210), 무기충전제(220), 유기바인더 및 용매를 포함할 수 있다. 탄소나노튜브 페이스트(250a)의 형성시 전계방출원(210), 무기충전체(220), 및/또는 유기바인더는 파우더 혹은 페이스트 형태로 첨가될 수 있다. 일례에 따르면, 탄소나노튜브 페이스트(250a)는 스크린 프린팅(screen printing) 혹은 디핑(dipping)을 이용하여 광전물질층(110) 상에 도포할 수 있다.
전계방출원(210)은 단일벽탄소나노튜브(SWNT), 다중벽탄소나노튜브(MWNT), 이중벽탄소나노튜브(DWNT), 얇은다중벽탄소나노튜브(thin-MWNT) 혹은 이들의 조합과 같은 탄소나노튜브(211: CNT)를 포함할 수 있다.
탄소나노튜브(CNT)는 낮은 일함수(low work function)과 높은 종횡비(high aspect ratio)의 기하학적 구조를 가진다. 그러므로, 탄소나노튜브는 비교적 우수한 전계방출(field emission) 특성을 가질 수 있다. 전계방출의 원리는 에미터에 전계(electric field)를 인가하면 전계가 에미터에 집중되어 전자가 방출되는 것이다. 탄소나노튜브(211)는 전계강화인자(field enhancement factor)가 비교적 높기 때문에 낮은 전계에서도 전자를 쉽게 방출할 수 있다.
전계방출원(210)으로서 탄소나노튜브(211) 이외에 나노와이어(213: nanowire)를 더 포함할 수 있다. 나노와이어(213)는 금(Au), 은(Ag), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다. 나노와이어(213)는 높은 종횡비의 기하학적 구조를 가지며 비교적 낮은 일함수를 가질 수 있어 전계방출원(210)으로 사용될 수 있다.
무기충전제(220)는 마이크로 혹은 나노 크기를 갖는 광전물질(221)과 금속, 금속화합물, 카바이드계 물질 혹은 이들의 조합과 같은 나노입자(223)를 포함할 수 있다.
광전물질(221)은 입사된 광자의 진동수보다 낮은 고유의 임계진동수를 가지고 있어 입사광에 의해 전자를 방출할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 일례로 광전물질(221)은, 광전물질층(110)과 동일하거나 유사하게, 포타슘옥사이드(potassium oxide), 세슘옥사이드(Cesium oxide), 갈륨포스파이드(gallium phosphide), 갈륨나이트라이드(gallium nitride), 알루미늄(aluminum), 인듐아세나이드(indium arsenide), 게르마늄(germanium), 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 세슘텔루라이드(cesium telluride), 세슘아이오다이드(cesium iodide), 세슘-칼륨-텔륨(Cs-K-Te), 칼륨-텔륨(K-Te), 은-산소-세슘(Ag-O-Cs), 인듐-갈륨-비소(In-Ga-As), 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다.
나노입자(223)를 구성하는 금속은 니켈(Ni), 탄탈륨(Ta), 구리(Cu), 타이타늄(Ti), 납(Pd), 아연(Zn), 금(Au), 철(Fe), 은(Ag) 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다. 나노입자(223)를 구성하는 카바이드계 물질은 실리콘카바이드(SiC), 타이타늄카바이드(TiC), 하프늄카바이드(HfC), 지르코늄카바이드(ZrC), 텅스텐카바이드(WC), 크롬카바이드(CrxCy), 몰리브덴카바이드(Mo3C2) 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다.
유기바인더는 아크릴레이트계, 아크릴, 셀룰로오스계 물질 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다. 용매는 이소프로필알코올(IPA: isopropyl alcohol), 테피네올(terpineol) 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일례에 따르면, 유기바인더는 에틸셀룰로오스를 용매는 테피네올을 포함할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 탄소나노튜브 페이스트(250a)를 건조시킬 수 있다. 가령, 대기 분위기에서 탄소나노튜브 페이트스(250a)를 약 90 내지 120℃로 열처리할 수 있다. 상기 열처리에 의해 용매가 증발되어 탄소나노튜브 페이스트(250a)로부터 제거될 수 있다.
도 1d를 참조하면, 탄소나노튜브 페이스트(250a)를 소성할 수 있다. 일례로, 대기 분위기에서 탄소나노튜브 페이트스(250a)를 약 300 내지 500℃로 열처리하여 경화할 수 있다. 상기 소성에 의해 유기바인더가 버닝아웃되어 제거되고 무기충전제(220)가 용융될 수 있다.
도 1e를 참조하면, 상기 소성에 의해 탄소나노튜브 페이스트(250a)는 전계방출 에미터(250)로 형성될 수 있다. 전계방출 에미터(250)의 표면활성화를 위해 표면처리할 수 있다. 가령, 전계방출 에미터(250)를 플라즈마처리, 고전계처리, 테이핑처리, 혹은 롤링처리할 수 있다. 상기 표면활성화 처리에 의해 탄소나노튜브(211)는 수직 정렬될 수 있다.
상기 일련의 과정을 통해 제조된 전계방출 에미터(250)는 전자를 방출할 수 있는 탄소나노튜브(211)와 광전물질(221)을 포함할 수 있다. 그러므로, 전계방출 에미터(250)는 전계효과에 의해 탄소나노튜브(211)로부터 냉전자방출(cold electron emission) 및 빛에 의해 광전물질(221)로부터 광전자방출(photo electron emission)을 단독으로 혹은 동시에 발생시킬 수 있다. 나노와이어(213)는 냉전자방출과 광전자방출을 동시에 발생시킬 수 있다.
도 1f를 참조하면, 상기 전계방출 에미터(250)의 제조시 도 1a에 도시된 것과 같은 광전물질층(110)을 형성하는 과정을 생략할 수 있다. 탄소나노튜브 페이스트(250a)의 형성시 도 1b에 도시된 것과 같은 나노와이어(213)를 첨가하지 않을 수 있다.
<전계방출소자의 예1>
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다. 도 2b는 도 2a의 일부를 확대 도시한 사시도이다. 도 2c는 도 2b의 변형예를 도시한 사시도이다.
도 2a를 참조하면, 전계방출소자(10)는 서로 대향하는 캐소드 전극(100)과 아노드 전극(400), 캐소드 전극(100) 상에 형성된 광전물질층(110)과 전계방출 에미터(250), 그리고 아노드 전극(400) 상에 형성된 카운터층(410)을 포함하는 2극 구조(diode structure)를 가질 수 있다. 전계방출 에미터(250)는 도 1a 내지 1e에서 설명한 바와 동일하거나 유사한 공정으로 제조될 수 있다.
아노드 전극(400)은 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 혹은 이들의 합금과 같은 금속을 포함하거나 혹은 인듐주석옥사이드(ITO)와 같은 투명한 전도체를 포함할 수 있다.
카운터층(410)은 형광층 혹은 금속타겟일 수 있다. 일례로, 전계방출소자(10)가 전계방출 디스플레이에 응용되는 경우 카운터층(410)은 형광층을 포함할 수 있다. 형광층은 백색 형광체의 단일막 구조를 갖거나 혹은 적색, 녹색, 청색 형광체들이 광차폐막에 의해 이격되어 있는 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 전계방출 소자(10)가 전계방출 엑스선 튜브에 응용되는 경우 카운터층(410)은 금속타겟일 수 있다. 금속타겟은 전자의 충돌에 의해 엑스선이 발생되는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 이트륨(Y), 탄탈륨(Ta), 은(Ag) 등을 포함할 수 있다.
광전물질층(110)은 도 2b에 도시된 바와 같이 캐소드 전극(100)의 표면 전체를 거의 혹은 완전히 덮을 수 있다. 전계방출 에미터(250)는 복수개 제공될 수 있다. 복수개의 전계방출 에미터들(250)은 광전물질층(110)의 표면 상에 규칙적으로 배열될 수 있다. 도 2b와 같은 구조를 갖는 전계방출소자(10)는 전자빔 집속이 필요하지 않는 전계방출 램프(field emission lamp)에 응용될 수 있다.
다른 예로, 광전물질층(110)은 도 2c에 도시된 바와 같이 캐소드 전극(100)의 국부 영역에 제한적으로 형성될 수 있다. 이러한 구조를 갖는 전계방출소자(10)는 전자빔 집속이 필요한 전계방출 엑스선 튜브(field emission X-ray tube)에 응용될 수 있다.
<전계방출 모드의 예>
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자의 전계방출 모드를 도시한 단면도들이다.
도 2a를 다시 참조하면, 아노드 전극(400)이 캐소드 전극(100)에 비해 높은 전위를 갖도록 전계방출 에미터(250)의 문턱전계를 넘는 전계를 인가하면, 전계방출 에미터(250)에서 전계방출된 전자가 아노드 전극(400)으로 이끌린다. 즉, 캐소드 전극(100)으로부터 아노드 전극(400)을 향하는 냉전자방출(310), 즉 전자빔이 발생될 수 있다. 냉전자방출(310)은 탄소나노튜브(211)와 나노와이어(213)로부터 발생될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전계방출소자(10)에 전계를 인가하지 아니하고 외부로부터 빛(330)을 조사하면 광전자방출(320)이 일어날 수 있다. 예컨대, 외부로부터 제공된 빛(330)이 전계방출 에미터(250)에 조사되면 전계방출 에미터(250)의 광전물질(도 1d의 221)로부터 광전자방출(320)이 일어날 수 있다. 광전자방출(320)은 나노와이어(213) 및/또는 광전물질층(110)에서도 발생될 수 있다. 도 2b에서와 같이 광전물질층(110)이 캐소드 전극(100)의 표면 전체에 형성된 경우 광전자방출(320)이 극대화될 수 있다. 도 2c에서와 같이 광전물질층(110)이 캐소드 전극(100)의 표면 일부에 형성된 경우 전자빔 집속을 방해하지 않으면서 광전자방출(320)을 효과적으로 얻을 수 있다.
빛(330)은 광발광(photoluminescence), 음극선발광(cathodoluminescene), 혹은 엑스선(X-ray)으로부터 제공될 수 있다. 빛(330)은 전계방출 에미터(250)로 직접 제공되거나 혹은 전계방출 에미터(250)가 형성된 캐소드 전극(100)의 표면의 반대면으로부터 에너지 전달 방식을 통해 제공될 수 있다.
도 4를 참조하면, 아노드 전극(400)과 캐소드 전극(100) 사이에 전계를 인가한 상태에서 빛(330)이 외부로부터 제공되면 냉전자방출(310)과 광전자방출(320)이 동시에 발생할 수 있다. 이에 따라 전계방출소자(10)는 비교적 높은 전류 혹은 전류밀도를 얻을 수 있다. 나노와이어(213)는 냉전자방출(310)과 광전자방출(320)을 동시에 발생시킬 수 있으므로 전계방출소자(10)의 전류 향상에 기여할 수 있다.
<전계방출소자의 예2>
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다. 도 5b는 도 5a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 도 1f를 참조하여 설명한 바와 같이 광전물질층(110)의 형성 공정을 생략하여 2극 구조의 전계방출소자(20)를 제조할 수 있다. 복수개의 전계방출 에미터들(250)이 캐소드 전극(100)의 표면 상에 규칙적으로 배열될 수 있다. 전계방출소자(20)에 전계를 인가하면 전계방출 에미터(250)로부터 냉전자방출(310)이 발생될 수 있다.
다른 예로, 도 3에서 설명한 바와 같이 전계 인가가 없는 빛의 제공으로써 나노와이어(213) 및/또는 전계방출 에미터(250) 내의 광전물질(도 1f의 221)로부터 광전자방출(320)이 발생할 수 있다. 또 다른 예로, 도 4에서 설명한 바 같이 전계 인가 및 빛의 제공으로써 전계방출소자(20)는 냉전자방출(310)과 광전자방출(320)을 동시에 발생시킬 수 있다.
<전계방출소자의 예3>
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다. 도 6b는 도 6a의 일부를 확대 도시한 사시도이다. 도 6c는 도 6b의 변형예를 도시한 사시도이다.
도 6a를 참조하면, 전계방출소자(30)는 카운터층(410)이 형성된 아노드 전극(400), 광전물질층(110)과 전계방출 에미터(250)가 형성된 캐소드 전극(100), 그리고 제2 광전물질층(510)이 형성된 게이트 전극(500)을 포함하는 3극 구조(triode structure)를 가질 수 있다. 전계방출 에미터(250)는 도 1a 내지 1e에서 설명한 바와 동일하거나 유사한 공정으로 제조될 수 있다. 제2 광전물질층(510)은 광전물질층(110)과 동일하거나 유사한 물질을 포함할 수 있다.
게이트 전극(500)은 캐소드 전극(100)과 아노드 전극(400) 사이에 그리고 캐소드 전극(100)과 아노드 전극(400)과 이격되어 제공될 수 있다. 게이트 전극(500)과 캐소드 전극(100) 간의 전계에 의해 전계방출 에미터(250)로부터 냉전자방출(310)이 발생되고 캐소드 전극(100)과 아노드 전극(400) 간의 전계에 의해 방출된 전자가 아노드 전극(400)으로 가속될 수 있다. 게이트 전극(500)에 걸린 전압에 비해 높은 전압이 아노드 전극(400)에 인가될 수 있다. 3극 구조의 전계방출소자(30)는 방출되는 전자의 양과 가속을 독립적으로 조절할 수 있다.
게이트 전극(500)은 도 6b에 도시된 것처럼 전계방출 에미터(250)와 수직하게 정렬된 복수개의 게이트 홀들(530)을 포함하는 평판 형태를 가질 수 있다. 제2 광전물질층(510)은 아노드 전극(400)을 바라보는 게이트 전극(500)의 표면 전체를 덮을 수 있다.
일례에 따르면 아노드 전극(400)과 게이트 전극(500) 사이의 공간에서 발생하는 광자(예: 외부로부터 제공된 빛)에 의해 광전자방출(320)이 발생할 수 있다. 예컨대, 광자는 제2 광전물질층(510)에 에너지를 전달할 수 있고, 아울러 게이트 홀(530)을 통과하여 전계방출 에미터(250)의 광전물질(도 1f의 211)과 광전물질층(110)으로 에너지를 전달할 수 있다. 따라서, 광전자방출(320)이 전계방출 에미터(250)의 광전물질(211), 광전물질층(110) 및 제2 광전물질층(510)으로부터 발생할 수 있다.
이처럼 3극 구조를 갖는 전계방출소자(30)는 냉전자방출(310)과 광전자방출(320)을 동시에 발생시킬 수 있어 방출전류를 극대화할 수 있다. 아울러 전계방출소자(30)는 냉전자방출(310)과 광전자방출(320)을 독립적으로 제어할 수 있다.
도 6b에 도시된 것처럼 제2 광전물질층(510)이 게이트 전극(500)의 표면 전체를 덮는 경우 광전자방출(320)이 극대화될 수 있다. 도 6b와 같은 구조를 갖는 전계방출소자(30)는 전자빔 집속이 중요하지 않는 전계방출 램프에 응용될 수 있다.
다른 예로, 도 6c에 도시된 바와 같이 제2 광전물질층(510)은 게이트 전극(500)의 표면 일부에 제한적으로 형성될 수 있어 전자빔 집속을 방해하지 않는 상태에서 광전자방출(320)이 효과적으로 얻어질 수 있다. 이러한 구조를 갖는 전계방출소자(30)는 전자빔 집속이 필요한 전계방출 엑스선 튜브에 응용될 수 있다.
상기 3극 구조 이외의 다극 구조를 갖는 전계방출소자의 경우 각 전극 상에 광전물질층을 형성하여 위와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
<전계방출소자의 예4>
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다. 도 7b는 도 7a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
도 7a를 참조하면, 전계방출소자(40)는 카운터층(410)이 형성된 아노드 전극(400), 전계방출 에미터(250)가 형성된 캐소드 전극(100), 그리고 제2 광전물질층(510)이 형성된 게이트 전극(500)을 포함하는 3극 구조(triode structure)를 가질 수 있다. 전계방출소자(40)는 전계방출소자(30)와 마찬가지로 냉전자방출(310)과 광전자방출(320)을 동시에 발생시킬 수 있다.
도 7b를 참조하면, 캐소드 전극(100) 상에는 도 6b에 도시된 것과 같은 광전물질층(110)이 형성되어 있지 않을 수 있다. 가령, 게이트 전극(500)에 도달하는 광자의 양과 게이트 홀(530)을 통과하여 캐소드 전극(100)에 도달하는 광자의 양은 게이트 전극(500)의 존재에 의해 많은 차이가 날 수 있다. 따라서, 캐소드 전극(100) 상에 광전물질층(110)을 형성하는 과정을 생략할 수 있다.
<전계방출소자의 예5>
도 8a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다. 도 8b는 도 8a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
도 8a 및 8b를 참조하면, 전계방출소자(50)는 카운터층(410)이 형성된 아노드 전극(400), 광전물질층(110)과 전계방출 에미터(250)가 형성된 캐소드 전극(100), 그리고 캐소드 전극(100)과 아노드 전극(400) 사이에 제공된 게이트 전극(500)을 포함하는 3극 구조(triode structure)를 가질 수 있다. 게이트 전극(500) 상에는 도 6b에 도시된 것과 같은 제2 광전물질층(510)이 형성되어 있지 않을 수 있다.
전계방출소자(50)는 전계효과에 의한 냉전자방출(310)과 게이트 홀(530)을 통과하여 광전물질층(110)에 도달하는 입사광에 의한 광전자방출(320)을 동시에 발생시킬 수 있다.
<전계방출소자의 예6>
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계방출소자를 도시한 단면도이다. 도 9b는 도 9a의 일부를 확대 도시한 사시도이다.
도 9a 및 9b를 참조하면, 전계방출소자(60)는 카운터층(410)이 형성된 아노드 전극(400), 전계방출 에미터(250)가 형성된 캐소드 전극(100), 그리고 캐소드 전극(100)과 아노드 전극(400) 사이에 제공된 게이트 전극(500)을 포함하는 3극 구조(triode structure)를 가질 수 있다. 캐소드 전극(100) 및 게이트 전극(500) 상에는 도 6b에 도시된 것과 같은 광전물질층(110)과 제2 광전물질층(510)이 형성되어 있지 않을 수 있다.
광전물질층이 형성되어 있지 않더라도 전계방출소자(60)는 전계효과에 의한 냉전자방출(310)과 게이트 홀(530)을 통과하여 전계방출 에미터(250)에 도달하는 입사광에 의한 광전자방출(320)을 동시에 발생시킬 수 있다.
본 명세서에 개시된 전계방출 에미터(250)는 앞서 설명한 전계방출 램프나 전계방출 엑스레이 튜브 이외에 전계방출 디스플레이(field emission display), 트래블링 웨이브 튜브(traveling wave tube), 테라헤르쯔 발생기(terahertz generator) 등에 응용될 수 있다.
상기 장치들은 높은 전류밀도가 요구된다. 높은 전류밀도를 얻기 위해선 탄소나노튜브당 방출 전자수가 많아져 탄소나노튜브에 줄 열(Joule heating)이 발생할 수 있다. 줄 열이 발생하면 탄소나노튜브가 열화되어 전계방출 에미터로서의 역할을 할 수 없게 되어 원하는 성능을 기대할 수 없게 된다. 본 실시예에 따르면 냉전자방출과 광전자방출을 동시에 얻을 수 있어 높은 전류밀도를 구현할 수 있다.
이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 대향하는 아노드 전극과 캐소드 전극;
    상기 아노드 전극 상에 제공된 카운터층;
    상기 캐소드 전극 상에 제공되고, 상기 카운터층을 바라보는 전계방출 에미터; 및
    상기 캐소드 전극과 상기 전계방출 에미터 사이에 제공된 제1 광전물질층을 포함하고,
    상기 전계방출 에미터는 냉전자를 방출하는 탄소나노튜브 그리고 광전자를 방출하는 광전물질을 포함하는 전계방출소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전물질층은 상기 아노드 전극을 바라보는 상기 캐소드 전극의 표면 전체 혹은 일부를 덮는 전계방출소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광전물질과 상기 제1 광전물질층 중 적어도 어느 하나는:
    포타슘옥사이드(potassium oxide), 세슘옥사이드(Cesium oxide), 갈륨포스파이드(gallium phosphide), 갈륨나이트라이드(gallium nitride), 알루미늄(aluminum), 인듐아세나이드(indium arsenide), 게르마늄(germanium), 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 세슘텔루라이드(cesium telluride), 세슘아이오다이드(cesium iodide), 세슘-칼륨-텔륨(Cs-K-Te), 칼륨-텔륨(K-Te), 은-산소-세슘(Ag-O-Cs), 인듐-갈륨-비소(In-Ga-As), 혹은 이들의 조합을:
    포함하는 전계방출소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 카운터층은 형광층 혹은 금속타겟을 포함하는 전계방출소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이에 제공된 게이트 전극을;
    더 포함하는 전계방출소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 아노드 전극을 바라보는 상기 게이트 전극의 표면 상에 제공된 제2 광전물질층을;
    더 포함하는 전계방출소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캐소드 전극과 상기 전계방출 에미터 사이에 제공된 제1 광전물질층을 더 포함하고,
    상기 제2 광전물질층은 상기 제1 광전물질층과 동일한 물질을 포함하는 전계방출소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 광전물질층은 상기 아노드 전극을 바라보는 상기 게이트 전극의 표면 전체 혹은 일부를 덮는 전계방출소자.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 전계방출 에미터는 상기 캐소드 전극 상에 분산된 복수개의 국부 전계방출 에미터들을 포함하는 전계방출소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 복수개의 국부 전계방출 에미터들과 정렬된 복수개의 홀들을 포함하는 전계방출소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전계방출 에미터는 나노와이어를 더 포함하고,
    상기 나노와이어는 금(Au), 은(Ag), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 혹은 이들의 조합을 포함하는 전계방출소자.
  12. 카운터층이 제공된 아노드 전극;
    상기 아노드 전극과 이격되며, 상기 카운터층과 대면하는 전계방출 에미터가 제공된 캐소드 전극; 및
    상기 캐소드 전극과 상기 전계방출 에미터 사이에 제공된 제1 광전물질층을 포함하고,
    상기 전계방출 에미터는:
    광전물질과 금속입자가 용융되어 경화된 전계방출 페이스트; 및
    상기 전계방출 페이스트에 제공되고 상기 전계방출 페이스트로부터 상기 아노드 전극을 향해 돌출된 탄소나노튜브를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브로부터는 전계효과에 따른 냉전자방출이 발생되고,
    상기 광전물질로부터는 입사광에 따른 광전자방출이 발생되는 전계방출소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전계방출 에미터는 상기 전계방출 페이스트에 제공되고 그리고 상기 전계방출 페이스트로부터 돌출된 나노와이어를;
    더 포함하는 전계방출소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이에 제공되고, 그리고 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극과 이격된 게이트 전극을 더 포함하고,
    상기 게이트 전극은 상기 전계방출 에미터로부터 발생되는 상기 냉전자방출과 상기 광전자방출이 통과하는 게이트 홀을 포함하는 전계방출소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 아노드 전극을 바라보는 상기 게이트 전극의 표면 전체 혹은 일부를 덮는 제2 광전물질층을 더 포함하고,
    상기 제2 광전물질층은 상기 제1 광전물질층과 동일한 물질을 포함하는 전계방출소자.
  16. 캐소드 전극 상에 탄소나노튜브, 광전물질, 금속입자, 유기바인더 및 용매가 혼합된 탄소나노튜브 페이스트를 형성하고;
    상기 탄소나노튜브 페이스트를 건조시켜 상기 용매를 제거하고;
    상기 탄소나노튜브 페이스트를 소성하여 상기 유기바인더를 제거하고 그리고 상기 광전물질과 상기 금속입자를 용융시키고;
    상기 광전물질과 상기 금속입자가 용융되어 형성된 전계방출 에미터를 표면 활성화처리하는 것;
    상기 캐소드 전극 상에, 상기 캐소드 전극과 이격되는 게이트 전극을 형성하고; 그리고
    상기 게이트 전극 상에 상기 캐소드 전극과 대향하는 방향을 바라보는 제2 광전물질층을 형성하는 것을 포함하고,
    상기 광전물질은 상기 전계방출 에미터에 입사되는 광의 진동수보다 낮은 임계진동수를 가지는 물질을 포함하는 전계방출소자의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광전물질은:
    포타슘옥사이드(potassium oxide), 세슘옥사이드(Cesium oxide), 갈륨포스파이드(gallium phosphide), 갈륨나이트라이드(gallium nitride), 알루미늄(aluminum), 인듐아세나이드(indium arsenide), 게르마늄(germanium), 실리콘(Si), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 세슘텔루라이드(cesium telluride), 세슘아이오다이드(cesium iodide), 세슘-칼륨-텔륨(Cs-K-Te), 칼륨-텔륨(K-Te), 은-산소-세슘(Ag-O-Cs), 인듐-갈륨-비소(In-Ga-As), 혹은 이들의 조합을:
    포함하는 전계방출소자의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 캐소드 전극과 대향하는 아노드 전극을 제공하고; 그리고
    상기 아노드 전극 상에 상기 전계방출 에미터를 바라보는 카운터층을 형성하는 것을 더 포함하고,
    상기 카운터층은 형광층 혹은 금속타겟을 포함하는 전계방출소자의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 페이스트를 형성하기 이전에,
    상기 캐소드 전극 상에 제1 광전물질층을 형성하는 것을;
    더 포함하는 전계방출소자의 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 캐소드 전극과 상기 아노드 전극 사이에 형성되고, 상기 캐소드 전극 및 상기 아노드 전극과 이격되고; 그리고
    상기 제2 광전물질층은 상기 게이트 전극 상에 상기 카운터층을 바라보는 전계방출소자의 제조방법.
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