KR19990030320A - 전자 방출원 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전자 방출원은 적어도 기둥형 흑연층으로 형성된 카본 나노튜브를 포함한다. 상기 카본 나노튜브의 선단으로부터 전자가 방출된다.

Description

전자 방출원 및 그 제조 방법
본 발명은 진공 속에서 배열되어 전압을 인가 받으면 전자를 방출하는 전자 방출원 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전자 방출원은 화상관, 예를 들어 텔레비젼의 구성 요소인 전자총(electron gun)에 이용된다. 그러한 전자총(음극)은 도 14에 보인 바와 같은 기본 배열을 갖는데, 여기서 전자 방출층(1402)은 음극 실린더(1401)의 폐쇄된 원위 말단(distal end)에 형성된다. 음극 실린더(1401)는 히터(1403)를 포함하고 있다.
음극 실린더(1401)는 마그네슘이나 실리콘과 같은 환원제(reducing agent)로 도핑된 고순도 Ni로 만들어지고, 그 두께는 약 0.1mm이다. 전자 방출층(1402)은 산화 바륨, 산화 칼슘, 그리고 산화 스트론튬의 소위 3원 산화물로 만들어진다. 전자 방출층(1402)이 히터(1403)에 의해 약 800℃로 가열될 때, 바륨은 주로 환원 및 유리(liberated)된다. 자유 바륨은 전자 방출층(1402) 표면을 향해 이동하여 전자 방출을 용이하게 한다. 방출된 전자빔은 제1 그리드(grid, 1404)에 의해 수집되고, 제2 그리드(1405), 제3 그리드(1406), 집속 전극(focusing electrode)으로 기능하는 제4 그리드(1407), 그리고 제5 그리드(1408)를 거쳐 형광면(phosphor screen, 1409)에 집속된다(도 14B).
이러한 방식으로, 전자 방출원은 진공 속에서 사용된다. 그러한 전자 방출원은 화상관의 전자총에서뿐만 아니라 진공 형광 표시 장치(vacuum fluorescent display apparatus)에도 이용된다. 이 표시 장치는, 전자 방출원에 의해 방출된 전자로 적어도 하나의 투명 말단을 가지는 진공 용기 내의 형광체에 충격을 줌으로써 얻어진 방출 빛을 이용하는 전자관(electron tube)이다. 많은 경우에서, 진공 형광 표시 장치는 전자의 이동을 제어하기 위한 그리드를 갖는 3극관(triode) 구조를 이용한다. 진공 형광 표시 장치에서, 필라멘트라 불리는 음극은 종래 방법에서 전자 방출원으로 이용되어 왔고, 음극에서 방출된 열전자(thermoelectron)는 형광체에 충격을 가하여 빛을 발하게 된다.
그러한 형광 표시 장치는 대형 스크린 표시 장치의 픽셀을 구성하는 영상관을 포함한다. 영상관에 이용되는 전자 방출원의 배열이 도 15를 참조로 하여 기술되겠다.
영상관의 각 요소는 진공 용기를 구성하는 원통형 유리 밸브(1501) 내에 들어 있다. 유리 밸브(1501)는 전자 방출원으로 기능하는 음극 구조체(1510)를 포함하고 있다. 음극 구조체(1510)는 다음과 같은 배열을 갖는다. 배면 전극(back electrode, 1512)이 세라믹 기판(1511)의 중심에 형성된다. 필라멘트 음극(1513)이 소정 간격으로 배면 전극(1512) 상부에 고정된다. 메쉬부(mesh portion, 1514a)가 있는 타원형 그리드 하우징(1514)이 세라믹 기판 위해 설치되어 배면 전극(1512)과 필라멘트 음극(1513)을 덮는다. 메쉬부(1514a)는 유리 밸브(1501) 내에 배열된 형광면을 향하여 구형으로 돌출되어 있다(미도시).
이러한 배열을 갖는 영상관은 다음과 같은 방식으로 음극 구조체(1510)로부터 전자를 방출한다. 소정 전압이 필라멘트 음극(1513)에 인가되어 열전자를 방출시킨다. 필라멘트 음극(1513)에 대한 음전압(negative voltage)이 배면 전극(1512)에 인가된다. 필라멘트 음극(1513)에 대한 양전압(positive voltage)이 그리드 하우징(1514)에 인가된다. 그다음, 그리드 하우징(1514)의 메쉬부(1514a)로부터 전자빔이 방출된다. 전자빔은 형광면에 닿아(미도시) 형광면은 빛을 발하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 전자 방출 기판을 이용한 열전자 방출은 기본적으로, 전자의 충격시 형광체에 의한 방출을 이용하는 화상관이나 진공 형광 표시 장치와 같은 장치에 사용되는 종래의 전자 방출원에서 이용된다. 전자 방출 기판은 산화 바륨, 산화 칼슘, 그리고 산화 스트론튬의 소위 3원 산화물로 만들어진다. 이 3원 산화물에서 바륨은 사용중 가스와의 반응에서 소모되고, 따라서 관은 항상전자 방출층에서 나오는 바륨으로 충진진다. 그러나, 많은 전류가 흘러 전자를 많이 방출시킨다 하더라도 바륨으로 충진되는 것으로는 충분하지 않다. 게다가, 전자 방출 물질(electron-emitting substance)은 전자 방출에 의해 가열되지만 열에 의해 질이 떨어진다.
전자 방출 물질을 구성하는 산화물은 대기 중에서 매우 불안정하다. 이 때문에, 종래의 전자 방출원을 제조하는데 있어서, 전자 방출층은 우선 바륨 탄산염, 칼슘 탄산염, 그리고 스트론튬 탄산염과 같은 소위 탄산염으로부터 형성되어, 다른 요소와 함께 진공 용기 내에 포함되게 되고, 그리고 진공 용기가 진공 및 에이징되는 동안 산화된다. 따라서, 종래의 전자 방출원을 제조하는 것은 많은 단계를 필요로 한다.
종래의 전자 방출원에 의해 방출된 전자류(electron flow)는 전자 방출원의 온도에 크게 의존한다. 전자 방출원의 온도가 장소에 따라 변하면, 전자류 또한 변한다.
위에서 기술된 바와 같이, 종래의 전자 방출원은 전잔 방출 물질로 만들어진다. 그러나 이 물질은 진공 형광 표시 장치의 진공 용기 안에서 생겨나는 가스에 대해 약하고 짧은 시간내에 열화될 수 있다.
요약하자면, 종래의 전자 방출원은 제조 공정이 성가시다는 점, 방출된 전자류가 변한다는 것, 환경 내성(environment resistance)이 낮다는 것, 그리고 구조가 약하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 더 많은 수의 전자를 방출할 수 있고 용이하게 제작될 수 있는 내성이 있는 전자 방출원을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 형태에 따르면, 상기 전자 방출원은 기둥형 흑연층으로 이루어진 카본 나노튜브(carbon nanotubes)로 만들어진다. 상기 카본 나노튜브는 선단이 개방되어 있는 다층의 흑연 기둥으로 형성될 수도 있다. 일반적으로, 다수의 카본 나노튜브가 집합하여 바늘 모양 구조체를 이룬다.
이와같은 구성에 의해, 진공중에서 카본 나노튜브에 전압이 인가되면, 카본 나노튜브의 선단으로부터 전자가 방출될 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 상기 전자 방출원은 도전성 접착제를 사용해서 상기 카본 나노튜브를 기판에 고정시킴으로써 구성된다.
이와같은 구성에 의해, 진공중에서 상기 기판을 통해 카본 나노튜브에 전압이 인가되면, 카본 나노튜브의 선단으로부터 전자가 방출될 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 상기 전자 방출원은 기판에 요부(recess)를 만들고, 상기 요부에 다수의 카본 나노튜브를 충진함으로써 구성된다.
이와같은 구성에 의해, 진공중에서 상기 기판을 통해 카본 나노튜브에 전압이 인가되면, 카본 나노튜브의 선단으로부터 전자가 방출될 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 도전성 점성 용액에, 상기 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진 다수의 바늘 모양 구조체를 분산시켜 얻은 페이스트를 준비하고, 이러한 페이스트의 패턴을 기판상에 형성한다. 바늘 모양 구조체를 제외한 부분은 상기 패턴의 표면에서 소정량에 의해 제거되어 상기 바늘 모양 구조체가 적어도 부분적으로 노출됨에 따라, 기판에 카본 나노튜브가 고정되어 있는 전자 방출원이 제조된다. 상기 바늘 모양 구조체를 제외한 부분은 레이저 조사 또는 플라즈마 공정에 의해 제거된다.
이러한 공정에 의해, 바늘 모양 구조가 노출될 수 있다. 레이저 조사에 의해, 카본 나노튜브를 제외한 바늘 모양 구조체의 일부가 제거되어 전자 방출용 선단이 노출된다.
본 발명의 또다른 형태에 따르면, 도전성 점성 용액에, 각각 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진 다수의 바늘 모양 구조체를 분산시켜 얻은 페이스트를 준비하고, 이러한 페이스트의 패턴을 기판상에 형성한다. 바늘 모양 구조체를 제외한 부분은 상기 패턴의 표면에서 소정량에 의해 제거되어 바늘 모양 구조체가 적어도 부분적으로 노출된다. 또한, 카본 나노튜브를 제외한 부분은 바늘 모양 구조체의 선단에서 소정량에 의해 제거되어 카본 나노튜브의 선단이 노출됨에 따라, 카본 나노튜브가 기판에 고정되어 있는 전자 방출원이 제조된다. 바늘 모양 구조체를 제외한 부분은 상기 패턴이 산소 또는 수소 가스 플라즈마에 노출됨으로써 제거된다.
이러한 공정에 따라, 전자 방출 선단이 노출될 수 있다.
도 1A 내지 1F는 본 발명 제 1 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 전자총의 배열을 보여주는 도면이다.
도 2A 내지 2D는 제 1 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 전자총을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명 제 2 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 전자총의 주요부분의 배열을 보여주는 도면이다.
도 4A 및 4B는 본 발명 제 3 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 진공 형광 표시 장치의 영상관의 배열을 보여주는 단면도이다.
도 5A 내지 5D는 본 발명 제 4 실시예에 따른 전자 방출원을 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 6A 내지 6E는 본 발명 제 5 실시예에 따른 전자 방출원을 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 7A, 7C, 및 7F는 본 발명 제 6 실시예에 따른 전자 방출원을 제조하는 방법을 설명하는 단면도이다.
도 7B, 7D, 및 7E는 주사 전자 현미경 사진(scanning electron micrographs)이다.
도 8은 본 발명 제 7 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 영상관의 배열을 보여주는 단면도이다.
도 9A 및 9B는 본 발명 제 8 실시예에 따른 전자 방출원을 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 10A 내지 10C는 본 발명 제 9 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 FED의 배열을 보여주는 단면도이다.
도 11은 본 발명 제 9 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 FED의 배열을 보여주는 평면도이다.
도 12는 본 발명 제 10 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 FED의 배열을 보여주는 단면도이다.
도 13은 본 발명 제 11 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 FED의 배열을 보여주는 단면도이다.
도 14A 및 14B는 종래의 전자 방출원을 이용하는 전자총의 배열을 보여주는 도면이다.
도 15는 종래의 전자 방출원을 이용하는 영상관의 배열을 보여주는 단면도이다.
첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예가 상세히 기술되겠다.
제 1 실시예
도 1A, 1B, 1C는 본 발명 제 1 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 전자총의 배열을 보여준다.
이 전자총은 베이스(base, 101)위에서 x, y 방향으로 이동 가능한 스테이지(102)를 포함한다. 바늘 모양 이미터(emitter, 전자 방출원, 103)가 가동 스테이지(movable stage, 102) 위에 배열된다. 인출 전극(104)이 바늘 모양 이미터(103)의 선단에서부터의 연장선에 있는 베이스(101)에 고정된다. 인출 전극(104)은 개구(104a)를 갖는다.
좀더 구체적으로, 전자총은 바늘 모양 이미터(103) 및 인출 전극(104)으로 만들어진 전계 방출 유형의 냉음극 전자원(field emission type cold cathode electron source)에 의해 구성된다. 개구(104a)에 대해 가동 스테이지(102)를 이동시킴으로써 그리고 바늘 모양 이미터(103)의 선단의 위치와 방향을 제어함으로써 전자 인출 효율이 최적화될 수 있다.
제 1 실시예에서, 전자 방출원으로 기능하는 바늘 모양 이미터(103)는 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진다. 좀더 구체적으로, 바늘 모양 이미터(103)는 카본 나노튜브의 집합체로 만들어지고 길이가 수십 μm 인 다수의 바늘 모양 흑연 기둥(바늘 모양 구조)을 묶음으로써 구성될 수 있는데, 기둥의 종방향은 실질적으로 서로 일치한다. 바늘 모양 이미터(103)는 길이가 약 5mm이고 직경이 1-3mm 정도이며, 바늘 모양 이미터(103)의 일부는 그 선단에서부터 약 0.5-1mm 테이퍼져 잇다.
카본 나노튜브가 설명되겠다. 도 1D에 보인 바와 같이, 이 카본 나노튜브는 직경이 약 4-50nm이고 길이가 1μm 인 완전히 흑연화된 실린더이다. 도 1E에 보인 바와 같이, 카본 나노튜브의 선단은 5원환에 의해 폐쇄되어 있다. 선단은 구부러질 수 있고 개방되어 있음을 주목해야 한다.
두 개의 탄소 전극이 약 1-2mm의 간격으로 헬륨 가스 안에 위치되고, DC 아크 방전(arc discharge)이 야기될 때, 양극측 탄소 전극의 탄소 증발(evaporation)시 음극측 탄소 전극의 원위 말단에 집합된 퇴적물에 카본 나노튜브가 형성된다.
즉, 탄소 전극 사이의 간격이 약 1mm로 유지된 상태에서 안정된 아크 방전이 지속적으로 헬륨 내에서 이루어진다면, 양극측 탄소 전극의 퇴적 기둥과 거의 같은 직경의 퇴적 기둥이 음극측 탄소 전극의 원위 말단에 형성된다.
퇴적 기둥은 두 부분, 즉, 외부 경피(hard husk)와 검은색의 내부 연핵(fragile core)으로 만들어진다. 내부 핵은 퇴적 기둥의 높이 방향으로 연장된 섬유 조직을 갖는다. 섬유 조직은 상기의 흑연 기둥이다. 흑연 기둥은 퇴적 기둥을 절단함으로써 얻어질 수 있다. 외부 경피는 다결정 흑연이다.
흑연 기둥은 탄소 나노폴리헤도론(nanopolyhedorons)과 함께 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진다. 도 1F에 보인 바와 같이, 흑연 기둥(131)은 거의 같은 방향의 카본 나노튜브(132)의 집합체로부터 형성된 바늘 모양 구조이다. 도 1E는 흑연 기둥의 중간 부분의 단면을 보여준다.
도 1D와 1E는 단일 흑연층이 원통형으로 폐쇄된 흑연 기둥을 개략적으로 보여준다. 그러나, 흑연 기둥은 이 모양에 국한되지 않고, 다수의 흑연층이 내포 구조(nested structure)로 겹칠 수도 있으며, 또 각 흑연층은 원통형으로 폐쇄되어 있어서 동축의 다층 구조를 이룬다. 구조의 중심은 비어 있다.
제 1 실시예에서, 전자총은 카본 나노튜브로부터 형성된 바늘 모양 이미터(103)와 인출 전극(104)으로 만들어진 전계 방출 유형의 냉음극 전자원에 의해 구성된다. 제 1 실시예에 따라, 전류 밀도(방출량)는 10 A/cm2가 되며, 이론적으로는 400 A/cm2이다.
바늘 모양 이미터(103)의 위치가 가동 스테이지(102)에 의해 제어가 가능하기 때문에, 바늘 모양 이미터(103)의 선단이 열화되고 닳게 된다 하더라도, 바늘 모양 이미터는 인출 전극(104)을 향하여 이동될 수 있고, 또 전자 방출의 높은 효율이 쉽게 유지될 수 있다.
상기의 배열에서, 종방향이 서로 실질적으로 일치하는 흑연 기둥을 묶음으로써 이미터가 구성되지만, 이미터는 이 배열에 국한되지 않는다. 도 2A와 2B에 보인 바와 같이, 다수의 흑연 기둥(202)이 음극 실린더(201)의 원위 말단에 배열되고, 전계가 음극 실린더(210)와 인출 전극 사이(203)에 인가되어 흑연 기둥(202)로부터 전자를 인출하게 된다. 흑연 기둥(202)은 예를 들어 도전성 접착제로 음극 실린더(201)에 고정된다. 도전성 접착제는, 예를 들어, 고정 바인더(fixing binder)인 저연화점 프릿(low-softening-point frit) 글래스 입자에 더하여 비히클(vehicle)의 은입자를 분산시킴으로써 제조되는 은 페이스트(paste)이다. 비히클은 수지가 용매에 녹아 있는 점성의 액체이고, 열 분해성과 휘발성이 우수하다. 통상의 비히클은 에틸 셀룰로오스를 테르피네올(terpinel)에 용해시킴으로써 제조된다.
이 경우에, 도 2A에 보인 봐와 같이, 흑연 기둥(202)의 종방향은 가능한 한 전자 인출 방향과 배열되어 있다.
도 2C는 흑연 기둥의 종방향에 따른 방출량의 차이를 보여준다. 도 2C에서 (c-1)은, 도 2A에처럼 흑연 기둥(202)의 종방향이 실질적으로 전자 인출 방향과 일치할 때의 방출량을 나타낸다. (c-2)는, 도 2B에서처럼 흑연 기둥(202)의 종방향이 전자 인출 방향과 그다지 일치하지 않을 때의 방출량을 나타낸다.
도 2C에서 명백히 알 수 있듯이, 흑연 기둥의 종방향이 전자 인출 방향과 일치할 때 큰 방출량이 얻어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 카본 나노튜브는 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있고, 이 구조에서 선단은 5원환에 의해 폐쇄되거나, 5원환 없이 그 선단이 개방되어 있다. 도 2D에서 ο으로 표시한 바와 같이, 그 선단이 개방된 다층의 카본 나노튜브가 사용될 때, 다수의 전자가 방출될 수 있다. 도 2D에서, △는 단층 카본 나노튜브에 의해 방출된 전자의 전류 대 전압 특성을 나타내고, ●는 5원환에 의해 그 선단이 폐쇄된 다층 카본 나노튜브에 의해 방출된 전자의 전류 대 전압 특성을 나타낸다. 도 2D에서, 전류는 직경이 1mm인 탐침 홀(probe hole)을 이용하여 측정된 탐침 전류(IP)이다. 전류는 전체의 방출 전류가 아니다. 탐침 홀 사이의 거리는 60mm이다.
제 2 실시예
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전자 방출원을 보여준다.
제 2 실시예에서, 전면에 다수의 요부(recesses, 301a)를 갖는 디스크 모양 원위 말단부(301)가 원통형 음극(302)의 원위 말단에 부착되어 있고, 원위 말단부(301)의 요부(301a)는 카본 나노튜브의 집합체로 채워져 있다.
좀더 구체적으로, 요부(301a)는, 카본 나노튜브의 집합체로 만들어지고 길이가 수십 μm 인 다수의 바늘 모양 흑연 기둥으로 채워져 있는데, 기둥의 종방향은 실질적으로 서로 일치한다. 원위 말단부(301)의 두께는 약 5mm이며 그 직경은 약 5mm이고, 홀 직경이 약 0.5mm인 다수의 요부(301a)를 포함한다. 기판으로 기능하는 원위 말단부(301)를 형성하기 위한 재료로서, 니켈 합금, 스테인리스 강, 또는 426-합금이 이용가능하다.
카본 나노튜브의 집합체로 만들어진 흑연 기둥 파우더가 약 5-6 kgw의 압력으로 요부(301a) 내에 채워진다. 예를 들어, 원위 말단부(301)의 요부(301a) 형성면은 흑연 기둥 파우더로 덮이고, 파우더가 롤러(roller)와 같은 것으로 눌려진다. 흑연 기둥 파우더는 닥터 블레이드(doctor blading)에 의해 요부(301a) 내에서 인쇄될 수 있다.
제 2 실시예에서, 전자 방출원은 카본 나노튜브로 채워진 요부(301a)를 갖는 원위 말단부에 의해 구성된다. 원위 말단부(301)가 도 1A, 1B, 1C에 보인 이미터(103)를 대신하면, 제 1 실시예와 비슷하게, 전자총은 전계 방출 유형의 냉음극 전자원에 의해 구성될 수 있다. 전자총을 구성하는데 있어서, 원위 말단부(301)의 요부(301a) 형성면은 도 1A, 1B, 1C에 보인 인출 전극(104)을 향하도록 배열된다. 이런 방식으로 전자총이 구성되었을 때, 전류 밀도(방출량)는 10 A/cm2또는 그 이상이 되며, 이론적으로는 400 A/cm2이다.
카본 나노튜브는 바인더를 쓰지 않고 요부(301a)에 채워져서 고정된다. 카본 나노튜브는 바인더로 덮이지 않는데, 이것은 카본 나노튜브의 선단으로부터의 방출을 용이하게 한다.
전자총이 예시되었으나, 전자 방출원의 응용은 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 전자 방출원은 다음과 같은 진공 형광 표시 장치에 응용될 수 있다.
이 경우에, 전자 방출원은 진공 형광 표시 장치를 구성하는 진공 용기 내에 배열된다. 형광층을 갖는 양극이 진공 용기 내에 배열되어 전자 방출원을 마주 보게 된다. 전자 방출원으로부터 방출된 전자로 형광층에 충격을 가한다. 양극은 인출 전극으로 이용될 수 있고, 또는 인출 전극은 형광층과 전자 방출원 사이에 배열될 수 있다.
제 3 실시예
본 발명의 제 3 실시예가 설명되겠다.
도 4A는 제 3 실시예에 따른 전자 방출원을 이용하는 진공 형광 표시 장치인 영상관의 배열을 보여준다.
도 제 3 실시예의 영상관의 배열 및 제조 방법이 기술되겠다. 유리 화면(faceplate, 402)이 저용융 프릿(low-melting frit) 유리로 원통형 유리 밸브(401)에 고정되어 진공 용기(엔벨로프)를 구성한다.
진공 용기는 형광면(404), 양극 구조체(405), 그리고 전자 방출원으로 기능하는 음극 구조체(406)를 포함하고 있다. 당연히, 형광면(404), 양극 구조체(405), 그리고 전자 방출원으로 기능하는 음극 구조체(406)가 배열된 후에 유리 화면(402)은 유리 밸브(401)에 점착 및 고정된다.
볼록 렌즈 모양의 구면부(spherical portion, 402a)가 유리 화면(402)의 정면측에 형성되고, 칼라형 단차부(collar step portion, 402b)가 주변부에 형성된다. 도시되지는 않았지만, 유리 화면(402)의 내부 표면(inner surface, 402c)의 주변부는 부분적으로 요부가 만들어져 있다. 형광면(404)이 내부 표면(402c)의 대부분의 표면에 형성되고, 알루미늄 금속후면막(Al metal-back film, 407)이 형광면(404)의 표면에 형성된다.
요부에는, 형광면(404)이 형성되지 않고, 알루미늄 금속후면막(407)만이 형성된다. 요부에는, 프레스 성형(press-molding)에 의해 형성된 탄성 접속편(407a)의 한 말단, 예를 들어, 얇은 스테인리스 강판이 삽입되어 있다. 접속편(407a)은, 탄소 또는 은 그리고 프릿 유리의 혼합물과 같은 도전성 접착제로 요부에 점착 및 고정되어 있다. 접속편(407a)의 다른 말단은 유리 밸브(401)의 내벽으로 연장되어 있다.
형광면(404)은, 예를 들어, 백색 형광체로서 Y2O2S : Tb + Y2O3: Eu 의 형광체 혼합물을 용매에 용해시켜서 제조되는 용액을 인쇄에 의해 약 20μm 두께로 내부 표면(402c)에 도포하여 건조시킴으써 형성된다.
알루미늄 금속후면막(407)은 형광면(404)의 표면에 약 150nm 의 두께로 알루미늄막을 증착시킴으로써 형성된다. 요부에 형광면(404)이 형성되지 않기 때문에, 알루미늄 금속후면막(407)만이 형성된다.
알루미늄 금속후면막이 너무 얇으면, 핀홀(pinholes)이 형광면에 의한 반사를 약하게 한다; 알루미늄 금속후면막이 너무 두꺼우면, 전자 빔의 전자가 형광면(404)으로 들어가는 것이 방해되고, 방출된 빛이 약해진다. 따라서, 알루미늄 금속후면막(407)의 두께를 조절하는 것이 중요하다. 알루미늄 금속후면막(407)의 바람직한 두께는 상술한 바와 같이 약 150nm 이다.
형광면(440)과 알루미늄 금속후면막(407)이 형성된 후에, 유리 화면(402)을 전기로 같은 것에 의해 대기 중에서 560℃로 약 30분 동안 소성(calcinated)시켜, 도포한 막에 함유한 용매 따위를 제거한다.
유리 화면(402)의 주변부에 형성된 칼라형 단차부(402b)는 두 개의 말단이 절단되어 있고 직경이 약 20mm이고 길이가 약 50mm 인 유리 밸브(401)의 한쪽 개방단에 저용융 프릿 유리(403)로 점착 및 고정된다.
납핀(lead pin, 409)이 유리 밸브(401)의 하부를 구성하는 스템 글래스(stem glass, 408)에 삽입되어 있고, 스템 글래스(408)는 펌프관(pumped tube, 408a)과 일체형으로 형성되어 있다. 양극 납(anode lead, 410)이 납핀(409)의 선단에 용접으로 고정되어 있고, 원통형 양극 구조체(전자 가속 전극, 405)가 양극 납(410)의 선단에 용접으로 고정되어 있다.
양극 구조체(405)는 다음과 같은 것에 의해 구성된다: 스테인리스 강 와이어(직경: 약 0.5mm)를 링 모양으로 둥글게 하여 제조되는 링 모양 양극(405a); 그리고, 얇은 직사각형 스테인리스 강판(두께: 0.01-0.02mm)을 링 모양 양극(405a)의 외부 표면에 감음으로써, 그리고 겹치는 두 부분을 용접과 같은 방법으로 고정시킴으로써 형성되는 원통형 양극(405b).
링 모양 양극(405a)이 양극 납(410)의 선단의 소정 부분에 용접되도록, 그리고 양극 납(410)의 선단과 접속하는 원통형 양극(405a)의 내부 부분이 용접되도록 양극 구조체(405)가 고정된다. 바륨 게터(Ba getter, 405c)가 링 모양 양극(405a)의 일부에 용접으로 부착되어 있다. 도 4A는 양극 구조체(405)와 납핀(409)의 단면을 보여주지 않는다.
상기의 배열은 종래 영상관의 배열과 거의 같다.
납핀(409a, 409b)은 또한 스템 글래스(408) 안에 삽입되어 있다. 음극 납(411a, 411b)이 납핀(409a, 409b)의 선단에 용접으로 고정되어 있고, 음극 구조체(406)는 음극 납(411a, 411b)의 선단에 용접으로 고정되어 있다.
음극 구조체는 다음의 배열을 갖는다. 전극(도전성 플레이트, 406a)이 세라믹 기판(406a)의 중심에 배열된다. 도 4B에 보인 바와 같이, 수십 μm 에서 수 mm에 이르는 길이를 가지며 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진 바늘 모양 흑연 기둥(421)이 전극(406b) 위에서 직경이 3mm 되는 영역에 고정되는데, 그 종방향이 형광면(404)을 향한 방향과 실질적으로 일치한다.
제 3 실시예에서, 흑연 기둥(421)은 도전성 접착제(422)로 고정된다. 도전성 접착제(422)로 고정된 전극(406b)과 흑연 기둥(421)은 전자 방출원을 구성한다.
전극(406b)과 흑연 기둥(421)은 메쉬부(전자 인출 전극, 406e)를 갖는 하우징(406d)으로 덮인다.
이러한 방식으로, 카본 나노튜브로 만들어진 흑연 기둥(421)을 전극(406b)에 고정시킴으로써, 그리고 이들을 덮도록 세라믹 기판(406a) 위에 하우징(406d)을 설치함으로써 음극 구조체(406)가 구성된다.
메쉬부(406e)는 형광면(404)을 향하여 약간 구형으로 돌출되어 있다. 메쉬부(406e)는 평평할 수도 있다. 하우징(406d)은 스테인리스 강판을 약 100μm 의 두께로 프레스 성형함으로써 형성된다. 메쉬부(406e)는 길이가 약 6mm이고, 폭이 약 4mm이고, 그리고 높이가 약 1.25mm이다. 메쉬부(406e)는 흑연 기둥(421)의 선단으로부터 약 0.5-1mm 떨어져 있다. 이들 사이의 간격은 서로 접촉되지 않을 적도로 좁은 것이 좋다.
상기의 배열을 갖는 제 3 실시예의 영상관에서, 외부 회로에서 납핀(409a, 409b)으로 전압이 인가되어 음극 납(411a, 411b)을 통해 전극(406)과 하우징(406d) 사이에 전계를 인가하게 된다. 이것은, 전극(406)에 고정된 흑연 기둥(421)의 카본 나노튜브의 선단에 높은 전계를 집중시켜 전자를 인출해서 메쉬부(406e)로부터 전자를 방출시킨다. 즉, 제 3 실시예에서, 음극 구조체(406)는 전계 방출 유형 냉음극 전자원(전자 방출원)으로서, 흑연 기둥(421)을 구성하는 카본 나노튜브(421a)를 이미터로 이용한다.
높은 전압이 외부 회로에서부터 납핀(409)에, 그리고 양극 납(410), 양극 구조체(원통형 양극, 405b), 접속편(407a)을 통해 알루미늄 금속후면막(407)에 인가된다. 그다음, 방출된 전자는 원통형 양극(405b)에 의해 가속되고 알루미늄 금속후면막(407)을 통해 형광면(404)에 충돌한다. 그 결과, 형광면(404)은 전자 충격에 의해 여기되어 형광면(404)을 구성하는 형광체에 해당하는 색채의 빛을 유리 화면(402)을 통해 전면 스크린으로 방출하게 된다.
또한, 제 3 실시예에서, 전자-방출원은 탄소 나노뉴브로 만들어지고 전계 방출 유형 냉음극 전자원으로 이용된다. 제 3 실시예에 따라, 전자 방출원은 필라멘트 같은 약한 요소가 없기 때문에 진공 용기 안에 발생되는 가스로 인해 열화되는 일이 없이 쉽게 이용될 수 있다.
필라멘트 가열 전력 공급이 필요하지 않기 때문에, 납핀의 수를 감소시킬 수 있고, 또 전력 소비를 줄일 수 있다.
제 3 실시예는 영상관을 예로 들었으나 이에 국한되는 것은 아니다. 전자 방출원은 또한 진공 용기 내에 형광체로 만들어진 빛-방출부를 갖는 다른 진공 형광 표시 장치에 응용될 수 있다.
예를 들어, 유리 화면과 형광면 사이의 광학 필터로 방출 빛을 변화시키는 영상관, 그리고 단일 진공 용기 내의 다수 형광면으로 다색 표시를 구현하는 영상관에 이 전자 방출원이 마찬가지로 응용될 수 있다.
게다가, 원하는 모양의 형광면으로써 캐릭터를 원하는 모양으로 표시하는 평평한 관에 전자 방출원이 응용될 수도 있다.
제 4 실시예
제 3 실시예에서, 전자 방출원은 도전성 접착제로 흑연 기둥을 전극에 고정시킴으로써 제조된다. 그러나, 제조 방법이 이에 국한되는 것이 아니다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 전자 방출원을 제조하는 방법이 기술되겠다.
상술한 바와 같이, 두 개의 탄소 전극이 약 1-2mm 간격으로 헬륨 가스 안에 위치되고, DC 아크 방전이 야기될 때, 양극측 탄소 전극의 탄소 증발시 음극측 탄소 전극의 원위 말단에 집합된 퇴적물에 카본 나노튜브가 형성된다.
이에 대해서 좀더 자세히 설명한다.
도 5A에 보인 바와 같이, 양극측 탄소 전극(502) 및 음극측 탄소 전극(503)이 밀폐 용기(501) 안에 배열된다. 탄소 전극(502)은 전류 유입단(current inlet terminal, 502a)에 연결되어 있고, 탄소 전극(503)은 전류 유입단(503a)에 연결되어 있다. 선형 이동이 가능한 가동 메카니즘(504)을 약간 이동시킴으로써 탄소 전극(502)은 도 5A의 좌우 방향으로 이동가능하다. 저압 헬륨 가스가 밀페 용기(501) 안에 충진된다.
이 배열에서, 전류 유입단(502a)은 단자(+)에 연결되고, 전류 유입단(503a)은 단자(-)에 연결된다. 전극(502, 503)이 약 1mm의 간격으로 놓인 상태에서, DC 전류가 유입되어 아크 방전을 야기한다. 그다음, 도 5A에 보인 바와 같이, 양극측 탄소 전극(502)의 탄소가 증발한다. 증발한 탄소는 재결정화되어 음극측 탄소 전극(503)의 원위 말단부에 퇴적물(505)을 형성한다.
퇴적물(505)과 탄소 전극(502)의 간격을 항상 1mm 정도로 유지하도록, 퇴적물(505)의 증가와 함께 가동 메카니즘(504)을 약간 이동시킴으로써 전극(502)이 이동된다. 그러므로, 도 5B에 보인 바와 같이, 퇴적물(505)이 탄소 전극(503)의 원위 말단 위에 퇴적 기둥(506)으로 증가한다. 퇴적 기둥(506)은 두 부분, 즉 외부 경피(506a)와 검은색의 내부 연핵(506b)으로 만들어진다. 내부 핵은 퇴적 기둥의 높이 방향으로 연장된 섬유 조직을 갖는다. 섬유 조직은 상기의 카본 나노튜브의 집합체인 흑연 기둥이다. 흑연 기둥은 탄소 나노폴리헤도론과 함께 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진다.
도 5C에 보인 바와 같이, 퇴적 기둥(506)은 소정 길이로 절단되어 흑연 기둥의 집합체인 퇴적체(506c)를 형성한다. 도 5D에 보인 바와 같이, 퇴적체(506C)는 절단면이 위를 향한 상태에서 도전성 접착제(508)로 전극(507)의 상부 표면에 고정되고, 이로써 전자 방출원을 형성한다. 이런 방식으로 제조된 전자 방출원 역시 흑연 기둥(421)이 도전성 접착제(422)로 전극(406b)에 고정된 제 3 실시예에 따른 전자 방출원의 장소에서 이용될 수 있다.
제 4 실시예에 따른 전자 방출원에서, 다수의 카본 나노튜브의 종방향은 전극(507) 수평면의 기준선(normal line)과 일치한다.
제 5 실시예
본 발명의 제 5 실시예에 따른 전자 방출원을 제조하는 방법이 기술되겠다.
도 6A에 보인 바와 같이, 소정 모양의 판형 기판(601)을 납 프레임(601a)에 연결하도록 금속판이 처리된다.
도 6B에 보인 바와 같이, 은 페이스트와 같은 도전성 접착제(602)를 기판(601) 표면의 소정 영역에 바른다.
도 6C에 보인 바와 같이, 흑연 기둥(603)의 종방향이 기판(601)의 수평면에 수직이 되도록 흑연 기둥(603)이 도전성 접착제(602) 위에 형성된다. 도전성 접착제(602)는, 예를 들어 산소를 포함한 대기 중에서 약 400℃ 내지 600℃로 가열함으로써 소성시키는데, 이렇게 함으로써 흑연 기둥(603)이 기판(601)에 고정된다.
도전성 접착제(602)의 패턴은 감광 레지스트(photosensitive resist)를 이용한 포토리소그래피(photolithography)에 의해 형성될 수 있다. 이 경우에, 도전성 접착제는 감광성이어야 하는데, 이것은 디아조늄염(diazonium salts) 및 염화아연(zinc chloride)같은 것을 첨가함으로써 구현될 수 있다.
도 6D에 보인 바와 같이, 흑연 기둥(603)을 갖는 기판(601)은 프레임(601a)으로부터 절단된다.
도 6E에 보인 바와 같이, 기판(601)의 두 말단은 구부러져서 기판 표면에 고정된 흑연 기둥(603)과 함께 전극(604)을 형성한다. 즉, 전자 방출원이 형성된다. 이 절차에서, 미리 고정된 흑연 기둥을 갖는 다수의 전극이 전자 방출원으로 형성될 수 있다. 각 전극은, 예를 들어 제 3 실시예의 영상관의 음극 구조체(406)로 이용될 수 있다. 제조된 전자 방출원의 전자 방출 특성을 미리 검사할 수 있고, 오직 우수한 특성만이 이용된다.
도 6C에서 기판(601) 위에 흑연 기둥(603)을 형성하는 것은, 흑연 기둥(603)의 미세한 파우더를 분사구(nozzle)로써 기판(601)에 불어 보내는 것으로 변형될 수 있다. 이 경우에, 흑연 기둥(603)의 종방향은 기판(601)의 수평면에 수직으로 만들어지도록 한다. 예로서 사용된 분사구는, 직경이 약 0.1 내지 수 mm인 구멍을 갖는 선단을 향하여 테이퍼진 분사구이다. 분사구의 공기 방출 압력은 약 1 내지 수 kg/cm-2이다. 사용된 공기는 습도가 낮은 보통의 공기 또는 질소 가스와 같은 건조한 공기이다.
이러한 조건에서, 흑연 기둥(603)의 종방향이 기판(601)의 수평면에 거의 수직을 이루면서 흑연 기둥(603)이 도전성 접착제(602)에 불어 보내진다.
도 6C에서 기판(601) 위에 흑연 기둥(603)이 형성되는 것은 또한 다음과 같이 변형될 수 있다.
흑연 기둥 파우더가 기판(601)과 프레임(601a)에 흩뿌려져서 그 위에 흑연 기둥 파우더층을 형성한다. 흑연 기둥 파우더층은 도전성 접착제(602) 뿐만 아니라 남아 있는 영역 위에도 증착된다. 공기를 불어 보냄으로써 흑연 기둥 파우더층이 도전성 접착제(602)를 제외한 영역에서 제거되고, 이렇게 해서, 도 6C에 보인 것처럼, 흑연 기둥(603)이 도전성 접착제(602)에만 남게 된다.
흑연 기둥(603)은 도 6B에 보인 상태의 도전성 접착제의 형성면을 흑연 기둥 파우더에 눌러서 형성할 수 있다.
도 6C에서 기판(601) 위에 흑연 기둥(603)을 형성하는 것은 또한 다음과 같이 변형될 수 있다.
흑연 기둥 페이스트의 패턴이 기판(601) 표면의 소정 영역에 형성되고, 표면의 일부를 제거함으로써 적어도 흑연 기둥의 일부가 표면에 노출된다. 그 결과, 흑연 기둥(603)이 기판(601)에 고정된다.
흑연 기둥 페이스트는 공지된 은 페이스트(도전성 페이스트)에 흑연 기둥을 혼합하여 제조한다. 패턴은 페이스트를 잉크로 사용하는 스크린 인쇄(screen printing)에 의해 형성된다. 인쇄 같은 것으로 페이스트 패턴을 형성하고 난 후에, 페이스트의 용매 따위가 휘발하고, 그 결과의 페이스트가 대기 중에서 400-600℃로 15-60분 동안 가열함으로써 소성되어 패턴을 단단하게 만든다. 소성은 가령 1 내지 10-3토르(Torr) 정도의 진공에서 수행될 수 있다.
형성된 페이스트 패턴에서, 흑연 기둥은 다른 페이스트 요소로 덮힌다. 이 때문에, 패턴의 상부를 연마(polishing)함으로써 흑연 기둥의 일부가 노출될 수 있다.
흑연 기둥 페이스트를 이용하여 흑연 기둥(603)이 기판(601) 위에 형성될 때, 흑연 기둥 일부가 다음 제 6 실시예에서 기술된 바와 같이 노출될 수 있다.
제 6 실시예
본 발명의 제 6 실시예에 따른 전자 방출원을 제조하는 방법이 기술되겠다.
페이스트 패턴의 상부가 절단되고 연마되어 페이스트 패턴의 흑연 기둥의 일부가 노출되면, 절단된 찌꺼기가 발생되어 이를 없애야 한다. 게다가, 흑연 기둥의 표면에 탄소 나토튜브를 균일하게 절단하고 노출시키는 것은 어려운 일이다.
제 6 실시예에서, 전자 방출원을 구성하는 카본 나노튜브는 레이저 조사(laser irradiation)에 의해 균일하게 노출된다.
전자 방출원의 제조가 설명되겠다.
주로 카본 나노튜브를 포함하며 길이가 10 μm 정도인 바늘 모양 번들(흑연 기둥)과, 은 페이스트(도전성 점성 용액)를 1:1 의 혼합 비율로 혼합(kneading)함으로써 번들 페이스트(bundle paste)가 제조된다. 은 페이스트는 유체 페이스트로서, 약 1 μm 직경의 은 입자(금속 입자)가 약 1 μm 직경의 유리 입자와 함께 수지를 용매에 녹여서 얻어진 점성의 비히클에 분산되어 있다. 비히클로서, 대기 중에서 약 300-400℃로 가열하여 제거될 수 있는 분해성과 휘발성이 우수한 재료가 사용된다. 유리 입자로, 약 300-400℃에서 용융되는 유리 입자가 이용된다.
번들 페이스트는 니켈 합금, 스테인리스강, 또는 426-합금과 같은 것으로 만들어진 소정의 금속 디스크(금속판)의 패턴에 스크린 인쇄로 도포한다. 금속판과 함께, 그 위에 형성된 페이스트 패턴은 소정 시간 동안 약 450℃로 가열함으로써 소성된다. 그 결과, 도 7A에 보인 바와 같이, 유리 입자를 용융시켜서 얻어진 바인더(702)에 의해 결합된 은 입자(703)로 번들(704)이 덮이도록 인쇄된 패턴(710)이 금속판(기판, 701) 위에 형성된다.
번들(704)로 만들어진 인쇄된 패턴(710)은 페이스트를 인쇄함으로써 원하는 모양으로 쉽게 형성할 수 있다. 전자 방출원은 전류를 흐르게 해야 하기 때문에, 은 입자(703)를 첨가함으로써 전체의 전자 방출원은 도전성으로 만들어진다. 번들 페이스트에서, 번들(704)과 은 입자(703)는 실질적으로 균일하게 분산되어 있다. 그러므로, 또 인쇄된 패턴(710)에서, 다수의 번들(704)이 거의 균일하게 분산되어 있다.
번들(704)을 구성하는 카본 나노튜브는 전계 방출 유형 냉음극 전자원으로서 이용된다. 카본 나노튜브는 직경이 약 4-50 nm이고 길이가 1μm 인 미세한 바늘 모양 구조이다. 따라서, 카본 나노튜브의 집합체인 다수의 번들(704)로 구성된 전자 방출원은 많은 전계 방출 유형 냉음극 전자원을 포함한다. 즉, 전자 방출원은 많은 전자 방출단을 포함한다.
번들 페이스트로부터 형성된 인쇄된 패턴(710)에서, 많은 번들(704)이 균일하게 분산되어 있다. 제 6 실시예의 전자 방출원은, 인쇄된 패턴(710)이 금속판(701) 위에 형성된 구조를 가지며, 많은 전자 방출원이 인쇄된 패턴(710)의 표면에 형성되어 있다.
그러나, 도 7A에 보인 바와 같이, 번들(704)은 인쇄된 패턴(710)의 표면에 좀처럼 노출되지 않는다. 도 7B의 현미경 사진에 보인 바와 같이, 이 표면은 전자 현미경으로 관찰되는데, 바인더에 의해 결합된 은입자만이 발견된다. 이 경우에, 전자 방출단을 갖는 카본 나노튜브는 가려져 있다. 인쇄된 패턴(710)에 전계를 인가했을 때라도, 전자는 거의 방출되지 않는다. 이 때문에, 적어도 번들(704)은 인쇄된 패턴(710)의 표면에 노출되어야 한다.
제 6 실시예에서, 도 7C에 보인 바와 같이, 인쇄된 패턴(710)의 표면이 레이저빔으로 조사되어 은입자(703)와 바인더(702)를 표면에서 선택적으로 제거하여 번들(704)을 노출시킨다. 도 7D의 전자 현미경 사진에 보인 바와 같이, 이 상태가 전자 현미경으로 관찰되어 표면에 노출된 번들의 선단이 발견된다. 도 7E의 전자 현미경 사진에 보인 바와 같이, 은 입자(703)를 레이저 조사에 의해 제거하여 카본 나노튜브를 번들 표면에 노출시킨다.
상술한 바와 같이, 번들은 탄소 나노폴리헤도론과 함께 많은 카본 나노튜브의 집합체이다. 번들 표면에는, 카본 나노튜브만이 아니라 탄소 나노폴리헤도론 역시 노출되어 있다. 탄소 나노폴리헤도론은 전자를 방출하지 않기 때문에, 카본 나노튜브가 번들 표면에 노출되면, 많은 수의 전자가 방출될 수 있다.
카본 나노튜브 이외의 탄소 성분인 카본 나노폴리헤도론이 레이저 조사에 의해 번들 표면으로부터 선택적으로 제거되기 때문에, 카본 나노튜브만이 번들 표면에 균일하게 노출된다.
레이저 조사에서, 500V의 전압, 약 1.1 J, 그리고 0.6 내지 0.7 ms의 간격으로, 예를 들어 YAG 레이저를 이용하여 펄스가 공급된다. 이용되는 레이저는 YAG 레이저에 국한되지 않고 탄소 이산화물 가스 레이저(carbon dioxide gas laser)가 될 수도 있다. 이 레이저 조사에서, 조사력이 불충분하면, 그들을 결합하고 있는 은 입자와 유리 입자가 표면에 남게 되고, 이것은 전자 방출을 방해하게 된다; 레이저 조사력이 지나치면, 카본 나노튜브 또한 용융하여 흩어지고 감소할 것이다.
제6 실시예에 따르면, 전자 방출원을 구성하는 인쇄 패턴(710)을 가진 금속판(701)에서, 인쇄 패턴(710)의 표면에는 많은 번들(bundles)(704)이 노출되어 있다. 또한, 상기 번들(704)의 표면에는 카본 나노튜브(705)가 균일하게 노출되어 있다.
따라서 제6 실시예로, 실제로 전자가 방출되는 단부를 가진 복수의 카본 나노튜브가 기판(금속판)의 표면에 균일하게 노출되어 있는 전자 방출원을 실현시킬 수 있다. 카본 나노튜브가 균일하게 노출되어 있는 번들이 도전성 입자로서의 은입자와 함께 기판에 고정됨에 따라, 전압이 거의 모든 번들을 통해 거의 모든 카본 나노튜브에 인가될 수 있다.
이러한 전자 방출원은 스크린 인쇄 등에 의한 패턴 형성, 소성, 그리고 레이저 조사처리의 순서인 간편한 방법에 의해 제조될 수 있다.
제6 실시예에서, 카본 나노튜브는 레이저 조사에 의해 노출되기 때문에, 번들을 감싸는 은 입자 및 바인더의 절삭 찌꺼기가 발생하지 않는다. 카본 나노튜브는 번들내에서 균일하게 노출될 수 있다.
제6 실시예에서, 인쇄 패턴은 금속판상에 형성되지만, 절연 기판상에 형성될 수도 있다. 이러한 경우에는, 인쇄 패턴에 전압을 인가하기 위한 배선(interconnection)이 요구된다. 이러한 실시예에서, 도전성 점성 용액으로 은 페이스트가 사용되지만, 다른 도전성 페이스트를 사용해도 된다. 예를 들면, 은 입자를 에폭시 수지에 분산시켜 제조한 도전성 접착제, 은과 구리의 합금으로 된 입자를 사용한 도전성 페이스트, 또는 도전성 중합체 등을 사용할 수 있다.
번들 및 카본 나노튜브는 레이저 조사에 의해 노출되지만, 노출 방법은 이에 한정되는 것은 아니다. 그것들은 아래에서 설명되는 플라즈마를 이용한 선택적 드라이 에칭법에 의해 노출될 수도 있다.
예를 들면, 도 7A에 도시된 인쇄 패턴(710)은 예를 들면 아르곤 가스 플라즈마에 노출되어 도 7F에서 처럼, 표면에서 특히 은 입자(703)가 선택적으로 에칭된다. 이러한 에칭에서, 인쇄 패턴(710)의 표면은 아르곤 플라즈마(다른 비활성 가스 플라즈마를 사용할 수도 있다)를 사용하여 주로 스퍼터링에 의해 드라이 에칭된다. 상기 드라이 에칭에서, 은 에칭 속도는 탄소 에칭 속도보다 약 20배가 더 높다. 이런 이유로, 카본 번들(704)은 어렵게 에칭되는 반면, 은 입자(703)는 선택적으로 에칭될 수 있다. 그 결과, 번들(704)은 플라즈마 에칭 인쇄 패턴(710a)의 표면상에 노출된다.
표면에서 은 입자를 제거시키면, 전압이 인가된 인쇄 패턴(710a)의 표면상에 번들(704)을 구성하는 카본 나노튜브에 의한 전계의 집중이 용이해 진다. 만약 많은 은 입자들이 표면에 존재하거나, 또는 표면이 실질적으로 은 입자로 싸여 있다면, 인쇄 패턴에 전압이 인가될 때 상기 전계는 표면의 은 입자에 의해 흩어진다. 도 7A에 도시된 인쇄 패턴(710)의 상태에서, 실제로 전자를 방출하기 위해 카본 나노튜브로의 전계 집중은 억제된다.
하지만, 만약 번들(704)이 표면상에 노출되고, 도전성 은 입자(703)가 표면에 거의 존재하지 않는다면, 전계는 인쇄 패턴(710a)상에 번들(704)을 구성하는 카본 나노튜브(705)에 용이하게 집중됨에 따라, 전자를 더욱 용이하게 방출한다.
아르곤 가스 플라즈마 처리공정에 이어 산소 가스 플라즈마 처리공정이 진행될 수 있다. 산소 가스 플라즈마 처리공정은 번들 표면에 카본 나노튜브를 균일하게 노출시킨다. 이러한 플라즈마 처리공정에서는, 산소 가스 대신 수소 가스가 사용될 수 있다.
산소 가스 플라즈마를 이용하는 드라이 에칭에서, 에칭 대상물은 상기 에칭 대상물의 구성 원소 및 산소가 휘발성 화합물을 구성한다는 점을 고려하여 에칭된다. 수소 가스 플라즈마를 이용한 드라이 에칭에서, 에칭 대상물은 유사하게 에칭된다.
상기 번들이 산소 플라즈마 또는 수소 플라즈마에 노출될 때, 상기 번들을 구성하는 카본 나노튜브 보다도 오히려 기타 탄소 조성물인 카본 나노폴리헤도론(nanopolyhedorons)이 산소 또는 수소와 선택적으로 반응하고 이산화 탄소 또는 탄화수소로 기화되고, 에칭되어 버린다.
따라서, 아르곤 가스 플라즈마 처리공정에 이은 산소 플라즈마 처리공정은 노출된 번들의 표면에 카본 나노튜브의 선단을 균일하게 노출시킬 수 있다.
위에서 설명된 레이저 조사와 유사하게, 아르곤 가스 플라즈마 처리공정 및 산소 플라즈마 처리공정에 의해, 많은 전자 방출단을 가진 구조가 제조될 수 있다.
또한 이러한 경우에, 전자 방출원은 스크린 인쇄 등에 의한 패턴 형성, 소성, 그리고 플라즈마 처리공정의 순서인 간편한 방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 전자 방출원은 진공 형광 표시 장치 등에 적용될 수 있다.
이러한 경우에, 전자 방출원은 진공 형광 표시 장치를 구성하는 진공 용기내에 배치된다. 형광체층을 구비한 양극은 상기 진공 용기내에서 전자 방출원을 향하도록 배치된다. 전자 방출원에 의해 방출된 전자는 형광체층에 충격을 가한다. 상기 양극이 인출 전극으로 사용되어도 좋고, 또는 형광체층과 전자 방출원 사이에 인출 전극이 배치되어도 좋다.
상기 실시예에서, 카본 나노튜브의 집합체로서 번들이 사용되지만, 사용된 번들을 분쇄하여 사용해도 좋다. 다르게는, 바인더가 분해되어 단일체 카본 나노튜브가 제조될 수 있다.
위에서 설명한 대로, 카본 나노튜브는 단층 또는 다층 구조, 오원환에 의해 선단이 폐쇄된 구조, 또는 오원환없이 선단이 개방된 구조를 가진다. 선단이 개방된 다층 카본 나노튜브가 사용될 때, 더 많은 수의 전자가 방출될 수 있다.
제7 실시예
본 발명의 제7 실시예에 따른 전자 방출원이 설명된다.
제7 실시예는 제3 실시예(도 4A)에서 설명된 영상관의 음극 구조체(406)를 변형한 것이다.
제7 실시예에서, 유리 밸브(801)내에 배치된 음극 구조체(810)는 도 8에 도시된 것처럼 구성된다.
절연재로 만들어진 실린더(812)는 세라믹 기판(811)상에 설치되고, 전극막(813)은 실린더(812)의 내부 저면과 내부 측면상에 형성된다. 비록 도시되어 있지 않지만, 전극막(813)은 음극납에 연결되어 있다.
내면에 형성된 전극막(813)을 구비한 실린더(812)는 각각 카본 나노튜브의 집합체로 만들어지고 수 ㎛에서 수 ㎜의 길이를 가진 바늘 모양 흑연 기둥(814)으로 충진되고, 흑연 기둥의 종방향은 형광면(도시되지 않았음)의 방향과 실질적으로 일치한다. 실린더(812) 및 흑연 기둥(814)은 메쉬부(전자 인출 전극)(815a)를 구비한 하우징(815)으로 감싸여 있다.
제7 실시예에서, 카본 나노튜브로 만들어진 흑연 기둥(814)이 충진된 실린더(812)가 전자 방출원으로 사용되고, 상기 실린더(812)가 세라믹 기판(811)에 고정되고, 그것들을 감싸는 하우징(815)이 세라믹 기판상에 장착됨으로써 음극 구조체(810)가 구성된다. 상기 메쉬부(815a)는 형광면(도시되어 있지 않음)을 향해 약간 구형으로 돌출되어 있다. 상기 메쉬부(815a)는 평평해도 된다. 상기 하우징(815)은 약 100㎛의 두께를 가진 스테인레스 강판을 프레스 성형함으로써 형성된다. 상기 메쉬부(815a)의 길이는 약 6㎜, 폭은 약 4㎜, 그리고 높이는 약 1.25㎜ 정도이다. 상기 메쉬부(815)는 실린더(812)의 상단에서 0.5 내지 1㎜ 떨어져 있다. 그 둘 사이의 간격은 서로 접촉하지 않을 때까지 좁히는 것이 바람직하다.
이와같이 배열된 제7 실시예에서 전자 방출원의 역할을 하는 음극 구조체(810)는 다음과 같이 전자를 방출한다. 전극막(813) 및 하우징(815) 사이에 전계가 인가된다. 이것은 전극막(813)과 닿아 있는 실린더(812)내에 충진된 흑연 기둥(814)의 카본 나노튜브의 선단에 높은 전계가 집중되어 전자를 인출하여 메쉬부(815a)로부터 방출되도록 한다. 즉, 제7 실시예에서, 음극 구조체(810)는 이미터(emitter)로서 흑연 기둥(814)의 카본 나노튜브를 사용하는 전계 방출형 냉음극 전자원의 역할을 한다.
제7 실시예에 따르면, 전자 방출원은 카본 나노튜브로 만들어진 흑연 기둥으로 충진된 실린더로 구성되고, 전계 방출 냉음극 전자원으로 사용된다.
제7 실시예에 따르면, 전자 방출원은 필라멘트와 같이 깨지기 쉬운 성분이 없기 때문에 진공 용기내에서 발생된 가스에 의해 열화되지 않고 용이하게 사용될 수 있다.
필라멘트를 가열하는 전원이 요구되지 않으므로, 다수의 납 핀은 감소될 수 있고, 전력 소비는 줄어들 수 있다.
또한, 카본 나노튜브가 실린더내에 충진되기 때문에, 실린더에 충진된 카본 나노튜브에 의해 방출된 전자는 실린더의 구멍(opening)을 통과한다. 즉, 상기 실린더의 구멍은 충진된 카본 나노튜브에 의해 방출된 전자의 이동 방향의 범위를 제한하는 스톱(a stop)으로 작용한다.
결국, 상기 실린더에 충진된 카본 나노튜브에 의해 방출된 다수의 전자는 도 8에 도시된 구조에서 형광면(도시되어 있지 않음)을 향해 이동한다. 상기 폐쇄 효과는 실린더(812)내에 카본 나노튜브를 실린더(812)의 구멍의 수평면에서 안쪽으로 충진함으로써 강화될 수 있다.
만약 카본 나노튜브가 실린더에 충진되지 않고 판형 전극내에 형성된다면, 형광면으로 이동하는 방출 전자의 비율은 약 10% 정도 낮아진다. 하지만, 만약 카본 나노튜브(흑연 기둥)가 전자 방출원으로서 실린더에 충진된다면, 형광면으로 이동하는 방출 전자의 비율은 60% 이상 증가될 수 있다. 결과적으로, 같은 전압을 가지고도, 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있고, 더 강한 빛을 방출할 수 있게 한다.
이와같은 실시예에서, 실린더는 절연재로 만들어지고, 내면에는 전극막이 형성된다. 하지만, 구조는 이에 한정되는 것이 아니고, 실린더는 도전성 재료 등으로 만들어질 수도 있다. 이러한 구조에서는 실린더의 내면에 새롭게 형성된 전극막을 제거시킬 수 있다.
제7 실시예는 영상관에 사용된 음극 구조체의 좋은 예가 되었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 또한 진공 용기내 형광체로 만든 발광부 및 상기 발광부가 발광하도록 하는 전자 방출원을 구비하고 있는 또 다른 진공 형광 표시 장치에 적용될 수 있다.
예를 들면, 본 발명은 유사하게 발광색을 유리 화면 및 형광면 사이에 광학 필터로 교체한 영상관, 그리고 단일의 진공 용기내에 다수의 형광면을 가진 다중칼라 표시 장치를 실현시키는 영상관에 적용될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 원하는 형태의 형광면을 가진 원하는 형태의 문자를 표시하는 평평한 관에도 적용될 수 있다.
제8 실시예
본 발명의 제8 실시예에 따른 전자 방출원을 제조하는 방법이 설명된다.
도 9A에 도시된 것처럼, 흑연 기둥(901)의 번들(902)을 준비한다. 만약 흑연 기둥(901)의 선단이 정렬되어 있지 않다면, 번들(902)의 전자 방출면(902a)은 고르지 않게 된다. 고르지 못한 전자 방출면(902a)은 전자를 균일하게 방출할 수 없다. 하지만, 선단이 정렬되도록 흑연 기둥(901)을 묶어, 균일한 전자 방출면을 형성하는 것은 어렵다.
도 9A에 도시된 것처럼, 상기 번들(902)은 레이저 빔(911)이 번들의 측면에서 수직으로 조사되어 절단됨으로써 레이저에 의해 절단된 면을 형성함에 따라, 균일한 전자 방출면을 가진 번들(902)을 얻게 된다.
절삭하는 동안, 번들(902)과 수직인 레이저 빔(911)은 절단면을 포함하는 평면상에 주사된다. 예를 들면, 약 60 내지 200 W의 출력과 약 10㎜/sec의 주사 속도로 직경이 약 100㎛인 CO2레이저 빔(연속 진동)이 반복해서 주사된다.
레이저 빔을 번들(902)의 전자 방출면(903)에 수직으로 주사하는 것은 전자 방출면의 전자 방출 효율을 증가시킬 수 있다. 전자 방출면상에서는 흑연 기둥(901)의 선단이 노출된다. 위에서 설명한 대로, 흑연 기둥(901)은 카본 나노튜브 및 카본 나노폴리헤도론의 집합체로 만들어진다. 전자는 카본 나노튜브의 선단에서 용이하게 방출된다. 이러한 이유로, 많은 카본 나노튜브의 선단이 전자 방출면상에 노출되는 것이 바람직하다.
카본 나노튜브 및 카본 나노폴리헤도론 파우더 등의 폴리카본 파우더는 상이한 분해 온도(연소 시작 온도)를 갖는다. 카본 나노튜브는 대기중에서 700℃ 이상으로 가열해야 분해와 연소를 시작한다. 카본 나노폴리헤도론 파우더 등의 폴리카본 파우더는 대기중에서 650℃ 이상으로 가열해야 분해와 연소를 시작한다.
따라서, 카본 나노튜브를 제외한 카본 파우더는 650℃보다 약간 더 높은 조사 부위 온도에서 레이저 조사에 의해 번들(902)의 평평한 전자 방출면으로부터 제거될 수 있다. 이어서, 전자 방출면상에 노출된 카본 나노튜브의 선단의 비율이 증가하고, 전자 방출면의 전자 방출 효율도 증가한다.
선택적으로 제거하기 위한 레이저 빔의 조사에서, 직경이 약 100 내지 200㎛인 CO2레이저 빔(펄스 진동)이 약 200W의 출력과 약 10㎜/sec의 주요 주사 속도로 전자 방출면에 수직으로 주사된다. 레이저 빔의 부차적인 주사 간격은 50 내지 100㎛ 흑연 기둥의 직경의 1/5 내지 5 배의 범위내에서 설정된다.
상기 방법으로 번들(902)이 형성된 후에, 도 9B에 도시된 것처럼, 상기 번들(902)은 도전성 접착제(905)로 전극(904)에 고정되어, 상기 선단이 정렬된 흑연 기둥의 번들(902)이 상기 전극(904)상에 형성되는 전자 방출원을 얻는다.
평평한 전극 방출면을 가진 번들(902)은 형성된 다음 전극(904)에 고정되지만, 형성 순서가 이에 한정되는 것은 아니라는 것을 주목한다. 고르지 않은 전자 방출면(902a)을 가진 번들(902)은 전극(904)에 고정된 다음 상기 처리 과정에 따라 전자 방출면이 평평하게 만들어질 수도 있다.
제8 실시예에서, 전자 방출원은 선단이 정렬된 흑연 기둥의 번들을 상기 전극에 고정시킴으로써 구성된다.
흑연 기둥을 묶고, 상기 번들의 말단이 균일해지도록 레이저 빔으로 절단함에 따라, 균일한 전자 방출면을 얻게 된다. 제8 실시예의 전자 방출원에서, 다수의 카본 나노튜브의 종방향은 소정의 방향과 일치하고, 상기 카본 나노튜브의 선단은 정렬된다. 또한, 더 많은 수의 카본 나노튜브는 제8 실시예에 따른 전자 방출원의 전자 방출면상에 노출된다.
제8 실시예에 따르면, 전자 방출원은 카본 나노튜브로 만들어지고 전계 방출형 냉음극 전자원으로 사용된다. 또한 제8 실시예에서, 전자 방출원은 필라멘트와 같이 깨지기 쉬운 성분이 없기 때문에 진공 용기내에서 발생된 가스에 의해 열화되지 않고 용이하게 사용될 수 있다.
필라멘트를 가열하는 전원이 요구되지 않으므로, 다수의 납 핀이 감소될 수 있고, 전력 소비는 줄어들 수 있다.
제8 실시예의 전자 방출원이 제3 실시예에서 설명된 영상관에 사용될 때, 전자는 전자 방출원을 구성하는 거의 모든 카본 나노튜브의 선단에서 방출되고, 형광면에 안내될 수 있으므로, 고휘도를 나타낸다.
제9 실시예
상기 실시예들은 전자 방출원이 화상관 또는 영상관의 전자총에 사용되는 경우를 예시한 것이다. 하지만, 본 발명의 전자 방출원은 이들에 한정되는 것이 아니고 다음과 같이 FED(전계 방출 표시장치)에 사용될 수도 있다.
FED에 사용된 본 발명의 전자 방출원은 도 10A 내지 도 11을 참고로 설명된다. 도 10A 내지 10C 및 도 11은 제9 실시예에서 FED의 기본 배열을 나타낸다. 도 10A 내지 10C에서, 도 10A는 도 11에서 A-A'선의 단면을 나타내고, 도 10B는 도 11에서 B-B'선의 단면을 나타내고, 도 10C는 도 11에서 C-C'선의 단면을 나타낸다.
상기 FED의 배열에 대해서 설명될 것이다. 전극 배선층(1002)은 기판(1001)상에 형성되고, 절연막(1003)은 상기 전극 배선층(1002)상에 형성된다.
기판 측면 리브(substrate-side ribs)(1004)는 소정의 간격으로 상기 절연막(1003)상에 형성된다. 전자 방출원(1005)은 소정 간격으로 기판 측면 리브(1004) 사이에서 절연막(1003)의 일부에 형성된다. 각 전자 방출원(1005)은 상기 절연막(1003)에 형성된 관통홀을 통해 상기 전극 배선층(electrode interconnection layer)(1002)의 임의의 배선에 연결된다.
투명한 정면 유리 기판(1007)은 상기 기판(1001)을 향해있다. 상기 정면 유리 기판(1007) 및 상기 기판(1001)은 기판 측면 리브(1004) 및 그와 수직으로 놓인 정면 리브(1008)에 의해 소정의 거리로 이격된다. 상기 정면 유리 기판(1007) 및 상기 기판(1001) 사이의 갭은 진공으로 유지된다.
형광체로 만들어진 발광부(1010)는 상기 정면 유리 기판(1007)의 내면상에 상기 정면 리브(1008) 사이의 영역에 줄무늬로 형성된다. 알루미늄막을 증착함으로써 형성된 금속 후면막(1011)은 각 발광부(1010)의 표면에 형성된다.
발광부(1010)를 구성하는 형광체로는 4 내지 10 keV의 고에너지로 가속화된 전자의 충격이 있을 때 발광하는 CRT 등에 사용되는 것이 사용된다.
발광부(1010)를 구성하는 형광체로는 10 내지 150 eV의 저에너지로 가속화된 전자의 충격이 있을 때 발광하는 진공 형광 표시관 등에 사용되는 것이 사용된다. 이러한 경우에, 투명 전극은 금속 후면막(1011)을 형성하지 않고 발광부(1010) 및 정면 유리 기판(1007) 사이에 배치되고, 전압은 투명 전극에서 발광부(1010)로 인가된다.
이러한 배열에서, 양전압이 상기 금속 후면막(1011)에 인가되고, 음전압이 상기 전극 배선층(1002)의 소정의 배선에 인가될 때, 이 배선에 연결된 전자 방출원(1005)은 전자를 방출한다. 방출된 전자는 상기 전자 방출원(1005)을 향하고 있는 발광부(1010)에 도달하여 상기 발광부(1010)가 발광하도록 한다.
FED는 복수의 전자 방출원(1005)을 매트릭스로 설치함으로써 구성하여 줄무늬로 설치된 복수의 발광부(1010)를 향하도록 한다.
칼라 표시를 할 수 있는 FED는 적색광을 발하는 형광체의 발광부(1010), 인접한 청색광을 발하는 형광체의 발광부(1010), 다음으로 인접한 녹색광을 발하는 형광체의 발광부(1010)를 제공함으로써 실현될 수 있다는 것을 주목한다.
제9 실시예에서, 전자 방출원(1005)은 이하 설명되는 카본 나노튜브로 만들어진다.
더욱 상세하게는, 전자 방출원(1005)은 카본 나노튜브의 집합체로 만들어지고 길이가 수십 ㎛ 내지 수 ㎜인 바늘 모양 흑연 기둥(바늘 모양 구조체)을 도전성 접착제 등으로 소정의 영역에 고정됨으로써 형성된다. 전자 방출원(1005)은 흑연 기둥 페이스트를 사용하여 인쇄함에 따른 패턴 형성에 의해 형성될 수 있다. 흑연 기둥의 종방향은 발광부(1010)의 방향과 실질적으로 일치하는 것이 바람직하다.
상기 흑연 기둥은 거의 같은 방향으로 배향된 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진 바늘 모양 구조체이다.
상기 전자 방출원에서, 전자는 카본 나노튜브의 선단에서 방출된다.
제9 실시예에서, FED의 전자 방출원은 카본 나노튜브로 만들어진다.
제9 실시예에 따르면, 전자 방출원은 인쇄 등에 의해 아주 적은 비용으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 전자 방출원은 스크린 인쇄에 의해 흑연 기둥 페이스트를 기판의 소정 패턴내에 도포함으로써 형성될 수 있다.
예를 들면, 페이스트는 카본 나노튜브를 주로 함유하고 길이가 약 수 ㎛인 바늘 모양 흑연 기둥 및 은 페이스트(도전성 점성 용액)를 1 : 1의 혼합비(kneading ratio)로 혼합함으로써 마련된다. 상기 은 페이스트는 약 1㎛ 직경의 유리 입자와 함께 약 1 ㎛ 직경의 은 입자(금속 입자)가 용매에 수지를 용해시켜 얻은 점성 비히클에 분산되어 있는 유체 페이스트이다. 상기 비히클로는, 분해성 및 휘발성이 뛰어나고, 대기중에서 약 300 내지 400℃로 가열함으로써 제거될 수 있는 재료가 사용된다. 유리 입자로는 약 300 내지 400℃에서 용융되는 입자가 사용된다.
페이스트는 스크린 인쇄 등에 의해 기판의 소정 부분의 패턴으로 도포된다. 기판과 함께, 기판상에 형성된 페이스트 패턴은 소정의 시간동안 약 450℃에서 가열함으로써 소성된다. 그 결과, 인쇄 패턴은 카본 나노튜브가 유리 입자를 용융시켜 얻은 바인더에 의해 결합된 은 입자로 감싸지도록 형성된다.
흑연 기둥으로 만든 인쇄 패턴은 상기 페이스트를 인쇄함으로써 소정의 모양으로 용이하게 형성될 수 있다. 하지만, 흑연 기둥은 인쇄 패턴의 표면상에 좀처럼 노출되지 않는다. 이런 상태에서는 전자 방출단을 갖는 카본 나노튜브가 감추어진다. 심지어 전계가 인쇄 패턴에 인가될 때에도, 전자는 거의 방출되지 않는다. 이러한 이유로, 흑연 기둥은 레이저 조사 또는 플라즈마 처리공정 등과 같은 상기 처리공정에 의해 인쇄 패턴의 표면상에 노출된다.
위에서 설명한 대로, 복수의 카본 나노튜브가 전자 방출원에 존재하기 때문에, 단위 면적에 많은 전자 방출단이 존재한다. 따라서, 더 많은 수의 전자가 방출될 수 있다. 즉, 더 많은 전류가 형광면을 통해 흘러, 고휘도를 나타낼 수 있게 한다.
제10 실시예
본 발명의 제10 실시예가 이제 설명된다.
본 발명의 전자 방출원을 이용한 FED의 다른 예가 도 12를 참고로 설명된다. 도 12는 본 발명의 제10 실시예의 FED의 기본 배열을 나타낸다. 도 12는 도 11의 C-C'선의 단면을 나타낸다.
FED의 배열을 설명하면 다음과 같다. 전극 배선층(1202)은 기판(1201)상에 형성되고, 절연막(1203)은 상기 전극 배선층(1202)상에 형성된다.
기판 측면 리브(1204)는 소정의 간격으로 절연막(1203)상에 형성된다. 전자 방출원(1205)은 소정의 간격으로 기판 측면 리브(1204) 사이에서 절연막(1203)의 일부에 형성된다. 제10 실시예에서도, 제9 실시예와 유사하게, 각 전자 방출원(1205)은 카본 나노튜브로 만들어진다. 전자 방출원(1205)은 절연막(1203)에 형성된 관통홀을 통해 전극 배선층(1202)의 임의의 배선에 연결된다. 제10 실시예에서, 도 12에 도시된 것처럼, 전자 인출 전극(206)은 각 기판 측면 리브(1204)상에 형성된다.
투명한 정면 유리 기판(1207)은 상기 기판(1201)을 향하고 있다. 상기 정면 유리 기판(1207) 및 상기 기판(1201)은 기판 측면 리브(1204) 및 그와 수직으로 설치된 정면 리브(1208)에 의해 소정의 거리로 이격된다. 상기 정면 유리 기판(1207) 및 기판(1201) 사이의 갭은 진공으로 유지된다.
제9 실시예와 유사하게, 형광체로 만들어진 발광부(1210)는 상기 정면 유리 기판(1207) 내면의 정면 리브(1208) 사이의 영역에서 줄무늬로 형성된다. 알루미늄막을 증착함으로써 형성된 금속 후면막(1211)은 각 발광부(1210)의 표면상에 형성된다.
이러한 배열에서, 양전압이 상기 금속 후면막(1211)에 인가되고, 양전압이 상기 전자 인출 전극(1206)에 인가되고, 음전압이 상기 전극 배선층(1202)의 소정의 배선에 인가될 때, 이 배선에 연결된 전자 방출원(1205)은 전자를 방출한다. 방출된 전자는 상기 전자 방출원(1205)을 향해 있는 발광부(1210)에 도달하여 상기 발광부(1210)가 빛을 발하도록 한다. FED는 복수의 전자 방출원(1205)을 매트릭스로 설치함으로써 구성되어 줄무늬로 설치된 복수의 발광부(1210)를 향하도록 한다.
제10 실시예에서와 마찬가지로, FED의 전자 방출원은 카본 나노튜브로 만들어진다. 전자 방출원은 인쇄 등에 의해 매우 적은 비용으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 전자 방출원은 스크린 인쇄에 의해 흑연 기둥 페이스트를 기판상의 소정의 패턴내로 도포함으로써 형성될 수 있다.
전자 방출원은 위에서 설명한 대로, 복수의 흑연 기둥으로 만들어진다. 즉, 복수의 카본 나노튜브가 전자 방출원에 존재하기 때문에, 단위 면적에 많은 전자 방출단이 존재한다. 따라서, 제10 실시예의 FED와 마찬가지로, 전자 방출원에서 더 많은 수의 전자가 방출될 수 있다. 즉, 더 많은 전류가 형광면을 통해 흘러, 고휘도를 나타낼 수 있게 한다.
제11 실시예
비록 제9 및 제10 실시예가 기판 측면 및 정면 리브를 이용하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 상기 리브 중 어느 하나가 배치되면 된다.
본 발명의 제11 실시예는 리브가 한 측면에만 형성되는 경우를 설명한다.
더욱 상세하게는, 도 13에 도시된 것처럼, 전극 배선층(1302)은 기판(1301)상에 형성되고, 절연막(1303)은 전극 배선층(1302)상에 형성된다. 리브(1304)는 상기 절연막(1303)상에 소정의 간격으로 설치된다. 전자 방출원(1305)은 소정의 간격으로 리브(1304) 사이의 절연막(1303)의 일부에 형성된다. 각 전자 방출원(1305)은 절연막(1303)에 형성된 관통홀을 통해 전극 배선층(1302)의 임의의 배선에 연결된다. 전자 방출원(1305)은 카본 나노튜브로 만들어진다.
투명한 정면 유리 기판(1307)은 기판(1301)을 향해 있다. 제11 실시예에서, 정면 유리 기판(1307) 및 기판(1301)은 리브(1304)에 의해 소정의 거리로 이격된다. 정면 유리 기판(1307) 및 기판(1301) 사이의 갭은 진공으로 유지된다.
형광체로 만들어진 발광부(1310)는 상기 정면 유리 기판(1307)의 내면상에 상기 정면 리브(1308) 사이의 영역에 줄무늬로 형성된다. 각 발광부(1310)의 표면상에는 알루미늄막을 증착함으로써 형성된 금속 후면막(1311)이 형성된다.
발광부(1310)를 구성하는 형광체로는 4 내지 10 keV의 고에너지로 가속화된 전자의 충격이 있을 때 발광하는 CRT 등에 사용되는 것이 사용된다.
제11 실시예에서, 발광부(1310)는 리브(1304) 사이의 영역에 형성된다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 상기 리브의 상부가 형성된 발광부의 상부와 접촉해도 된다.
위에서 설명했듯이, 본 발명의 전자 방출원은 기둥형 흑연층으로 형성된 카본 나노튜브로 만들어진다. 카본 나노튜브는 선단이 개방된 다층의 흑연 기둥으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 다수의 카본 나노튜브가 모여 바늘 모양 구조체를 이룬다.
이와 같은 구조에서, 진공중에서 전압이 카본 나노튜브에 인가될 때, 전자가 카본 나노튜브의 선단으로부터 방출될 수 있다. 카본 나노튜브를 이용한 전자 방출원은 내성 구조이다. 이는 더 높은 전압을 인가하게하기 때문에, 전자 방출원은 더 많은 전자를 방출할 수 있다. 카본 나노튜브는 좀처럼 산화되지 않는 강성 구조이기 때문에, 전자 방출원은 삼원 산화물로 만든 종래의 전자 방출 물질보다 더욱 용이하게 제조될 수 있다.
본 발명의 전자 방출원에서, 카본 나노튜브는 도전성 접착제로 기판에 고정된다.
이와같은 구조에서, 전자는 진공중에서 전압이 기판을 통해 카본 나노튜브로 인가될 때 카본 나노튜브의 선단으로부터 방출될 수 있다. 카본 나노튜브를 사용한 전자 방출원은 내성 구조이다. 이는 더 많은 전류를 흐르게하기 때문에, 전자 방출원은 더 많은 전자를 방출할 수 있다. 카본 나노튜브는 좀처럼 산화되지 않는 강성 구조이기 때문에, 전자 방출원은 삼원 산화물로 만든 종래의 전자 방출 물질보다 더욱 용이하게 제조될 수 있다.
본 발명의 전자 방출원에서, 기판에는 요부가 형성되고, 상기 요부는 복수의 카본 나노튜브로 충진된다.
이와같은 구조에서, 전자는 진공중에서 전압이 기판을 통해 카본 나노튜브로 인가될 때 카본 나노튜브의 선단으로부터 방출될 수 있다. 카본 나노튜브를 사용한 전자 방출원은 내성 구조이다. 이는 더 많은 전류를 흐르게하기 때문에, 전자 방출원은 더 많은 전자를 방출할 수 있다. 전자 방출원은 복수의 카본 나노튜브를 가지기 때문에, 이는 복수의 전자 방출단을 가짐에 따라 많은 전자를 방출할 수 있게 한다. 카본 나노튜브는 좀처럼 산화되지 않는 강성 구조이기 때문에, 전자 방출원은 삼원 산화물로 만든 종래의 전자 방출 물질보다 더욱 용이하게 제조될 수 있다.
본 발명의 전자 방출원을 제조하는 방법에 있어서, 도전성 점성 용액에 상기 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진 복수의 바늘 모양 구조체를 분산시켜 얻은 페이스트를 준비한다. 이러한 페이스트의 패턴을 기판상에 형성한다. 바늘 모양 구조체를 제외한 부분은 소정량에 의해 상기 패턴의 표면으로부터 제거되어 상기 바늘 모양 구조체가 적어도 부분적으로 노출됨에 따라, 기판에 카본 나노튜브가 고정되어 있는 전자 방출원을 제조하게 된다. 상기 바늘 모양 구조체를 제외한 부분은 레이저 조사 또는 플라즈마 공정에 의해 제거된다.
이러한 공정에 따라, 바늘 모양 구조체가 노출될 수 있다. 레이저 조사에 의해, 카본 나노튜브를 제외한 바늘 모양 구조체의 부분이 제거되어 전자 방출용 선단이 노출된다. 이는 전자 방출원이 더 많은 전류를 흐르게 하고 더 많은 전자를 방출하게 한다.
본 발명의 전자 방출원을 제조하는 방법에 있어서, 도전성 점성 용액에, 각각 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진 복수의 바늘 모양 구조체를 분산시켜 얻은 페이스트를 준비한다. 이러한 페이스트의 패턴을 기판상에 형성한다. 바늘 모양 구조체를 제외한 부분은 소정량에 의해 상기 패턴의 표면으로부터 제거되어 바늘 모양 구조체가 적어도 부분적으로 노출되도록 한다. 또한, 카본 나노튜브를 제외한 부분은 소정량에 의해 바늘 모양 구조체의 선단으로부터 제거되어 카본 나노튜브의 선단을 노출시킴에 따라, 기판에 카본 나노튜브가 고정되어 있는 전자 방출원을 제조한다. 상기 패턴이 산소 또는 수소 가스 플라즈마에 의해 노출됨으로써 바늘 모양 구조체를 제외한 부분은 제거된다.
이러한 공정에 따라, 전자 방출 선단이 노출될 수 있다. 이는 전자 방출원이 많은 전류를 흐르게 하고 더 많은 전자를 방출할 수 있도록 한다.
상기 내용에 포함

Claims (18)

  1. 기둥형 흑연층으로 형성된 카본 나노튜브(132)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 나노튜브는 선단이 개방되어 있는 다층의 흑연 기둥으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  3. 제 1 항에 있어서,
    카본 나노튜브의 집합체로 만들어진 바늘 모양 구조체(131)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  4. 제 3 항에 있어서,
    종방향들이 같은 방향으로 일치하고 있는 복수의 바늘 모양 구조체(131)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  5. 기판(406a, 507, 601, 701, 904)에 도전성 접착제(422, 508, 602, 710a, 905)로 고정된 기둥형 흑연층으로 형성된 카본 나노튜브(132)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 카본 나노튜브는 기판에 도전성 접착제로 고정되며, 상기 카본 나노튜브의 선단이 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  7. 요부(301a)를 구비하고 있는 기판(301, 812)과; 기둥형 흑연층으로 형성되어, 상기 요부에 충진되는 복수의 카본 나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  8. 제 6 항에 있어서,
    복수의 요부들이 상기 기판의 표면내에 형성되고 상기 복수의 카본 나노튜브로 충진되는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  9. 바늘 모양 구조체의 종방향들이 같은 방향으로 일치하고, 카본 나노튜브의 종방향들이 같은 방향으로 일치하고 기둥형 흑연층으로 형성된 카본 나노튜브의 집합체인 복수의 바늘 모양 구조체로 만들어진 중심부(506b)와; 상기 중심부를 감싸는 다결정질의 그래파이트(506a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  10. 카본 나노튜브의 종방향들이 같은 방향으로 일치하고 기둥형 흑연층으로 형성된 카본 나노튜브의 집합체로 복수의 바늘 모양 구조체를 묶음으로써 얻은 집합체(902)를 포함하고, 상기 바늘 모양 구조체의 선단은 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  11. 전자 방출원을 제조하는 방법에 있어서,
    도전성 점성 용액에서, 각각 기둥형 흑연층으로 형성된 카본 나노튜브의 집합체로 만든 복수의 바늘 모양 구조체(704)를 분산시킴으로써 얻은 페이스트를 준비하는 단계와; 상기 페이스트의 패턴(710)을 기판(701)상에 형성하는 단계와; 상기 바늘 모양 구조체를 적어도 부분적으로 노출시키기 위해서 상기 바늘 모양 구조체를 제외한 부분을 소정량에 의해 상기 패턴의 표면으로부터 제거하는 단계를 포함하여, 상기 카본 나노튜브가 상기 기판에 고정되어 있는 전자 방출원을 제조하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바늘 모양 구조체를 제외한 부분을 제거하는 단계는 상기 패턴의 표면을 레이저 빔으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 바늘 모양 구조체를 제외한 부분을 제거하는 단계는 상기 패턴의 표면을 비활성 가스 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 도전성 점성 용액은 복수의 유리 입자 및 복수의 금속 입자(703)를 수지가 용융되어 있는 점성 용매에 분산시킴으로써 형성되고, 상기 패턴은 상기 유리 입자를 페이스트내에 용융시키고 상기 금속 입자 및 상기 바늘 모양 구조체를 용융된 유리(702)로 기판에 고정시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
  15. 전자 방출원을 제조하는 방법에 있어서,
    도전성 점성 용액에서, 각각 기둥형 흑연층으로 형성된 카본 나노튜브의 집합체로 만들어진 복수의 바늘 모양 구조체(704)를 분산시켜 얻은 페이스트를 준비하는 단계와; 상기 페이스트의 패턴(710)을 기판(701)상에 형성하는 단계와; 상기 바늘 모양 구조체를 적어도 부분적으로 노출시키기 위해서 상기 바늘 모양 구조체를 제외한 부분을 소정량에 의해 상기 패턴의 표면으로부터 제거하는 단계와; 상기 카본 나노튜브를 제외한 부분을 소정량에 의해 상기 바늘 모양 구조체의 선단으로부터 제거하는 단계를 포함하여, 상기 카본 나노튜브가 상기 기판에 고정되어 있는 전자 방출원을 제조하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 바늘 모양 구조체를 제외한 부분을 제거하는 단계 및 상기 카본 나노튜브를 제외한 부분을 제거하는 단계는 상기 패턴의 표면을 레이저 빔으로 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 바늘 모양 구조체를 제외한 부분을 제거하는 단계는 상기 패턴의 표면을 비활성 플라즈마에 노출시키는 단계를 포함하고, 상기 카본 나노튜브를 제외한 부분을 제거하는 단계는 상기 패턴의 표면을 산소 또는 수소 가스 플라즈마에 노출시키는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 도전성 점성 용액은 복수의 유리 입자 및 복수의 금속 입자(703)를 수지가 용융되어 있는 점성 용매에 분산시킴으로써 형성되고, 상기 패턴은 상기 유리 입자를 페이스트에 용융시키고 상기 금속 입자 및 상기 바늘 모양 구조체를 용융된 유리(702)로 기판에 고정시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 방출원 제조 방법.
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