KR19990083386A - 전자방출소자및화상형성장치의제조방법,및이들의제조장치 - Google Patents

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KR19990083386A
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Abstract

한 쌍의 전극 사이에 배치된 전자 방출부를 구비한 도전막을 포함하는 전자 방출 소자를 제조하는 방법에 있어서, 유기 물질 내의 불순물을 제거하는 제거 단계; 및 상기 유기 물질을 함유하는 분위기에서 상기 전극을 통해 상기 도전막에 전압을 인가하는 전압 인가 단계를 포함하는 전자 방출 소자 제조 방법이 개시된다. 전자 방출 소자는 화상 형성 장치에서 전자 빔 소스로 적합하다.

Description

전자 방출 소자 및 화상 형성 장치의 제조 방법, 및 이들의 제조 장치{METHODS FOR MAKING ELECTRON EMISSION DEVICE AND IMAGE FORMING APPARATUS, AND APPARATUS FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 전자 방출 소자 및 화상 형성 장치의 제조 방법, 및 이들의 제조 장치에 관한 것이다.
종래의 전자 방출 소자들은 열적 전자 소스 소자들 및 냉음극 전자 소스 소자들로 분류된다. 냉음극 전자 소스 소자들은 전계 방출(이하 FE라 함)형, 금속-절연-금속(이하 MIM이라 함)형, 및 표면 전도형을 포함한다.
FE형 소자들은, 예를 들어, W. P. Dyke & W. W. Dolan ("Field Emission", Advances in Electron Physics, Vol. 8, 89 (1956)), 및 C. A. Spindt ("Physical Properties of Thin-Film Field Emission Cathodes with Molybdenum Cones", J. Appl. Phys., Vol. 47, 5248 (1976))에 개시되어 있다. MIM형 소자들은, 예를 들어, C. A. Mead ("The Thunnel-Emission Amplifier", J. Appl. Phys., Vol. 32, 646 (1961))에 개시되어 있다. 표면 전도형 소자들은, 예를 들어, M. I. Elinson (Radio Eng. Electron Phys., Vol. 10, 1290 (1965))에 개시되어 있다.
표면 전도 전자 방출 소자들에서는, 표면 상에 형성된 작은 영역을 가진 박막의 평면을 따라 전류가 흐를 때, 전자가 방출된다. 표면 전도 전자 방출 소자로서 개시된 박막의 일례들은 상술한 바와 같이 Elinson에 의한 SnO2박막, G. Dittmer에 의한 골드 박막(고체 박막, Vol. 9, 317-328 (1972)), M. Hartwell 및 C. G. Fonstad에 의한 In2O3/SnO2박막(IEEE Trans. ED Conf., p. 519 (1975)), 및 H. Araki 등에 의한 탄소 박막(Sinku(Vacuum), Vol. 26, No. 1, 22 (1983))을 포함한다.
도 25는 표면 전도 전자 방출 소자의 전형적인 예로서 M. Hartwell에 의한 상기 소자의 구성을 나타낸다. H형태의 도전막(4)이 기판(1) 상에 형성된다. 도전막(4)은 상술한 복합 금속 산화물로 구성된다. 도전막(4)은 전자 방출부(5)를 형성하기 위해서 일반적으로 "통전 포밍(electrifying forming)"이라 불리는 통전 공정을 필요로 한다. 도면에서, 두 개의 소자 전극들은 0.5 내지 1.0mm 범위의 전체 길이 L와, 대략 0.1mm의 폭 W'을 갖는다.
표면 전도 전자 방출 소자에서, 전자 방출부(5)는 전자 방출에 앞서 도전막(4)의 "통전 포밍" 공정에 의해 일반적으로 형성된다. 통전 포밍에서, 전압이 도전막(4)의 두 단부에 인가되어 도전막(4)을 국부적으로 파괴하고, 변형시키거나 변조시킨다. 결과적으로, 고 전기 저항을 갖는 전자 방출부(5)가 형성된다. 전자 방출부(5)는 크랙(crack)을 가지며, 전자들이 크랙 부근에서 방출된다.
많은 표면 전도 전자 방출 소자들의 배열로는, 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 64-31332, 1-283749, 및 2-257552에 개시되어 있는 사다리형 전자 소스가 있으며, 이들 전자 소스에는 표면 전도 전자 방출 소자들의 많은 라인들이 배열되어 있고, 각 소자들의 두 단부들(전극들)이 리드 라인(공통 리드 라인)에 접속되어 있다.
표면 전도 전자 방출 소자의 배열은 액정 디스플레이 소자와 유사한 평면 디스플레이 소자의 제조를 가능하게 한다. 미국 특허 제 5,066,883호는 많은 표면 전도 전자 방출 소자들을 포함하는 전자 소스와 가시광을 방출하기 위해서 전자 소스로부터 전자로 조사된 형광 코팅의 결합을 구비한 이러한 디스플레이 소자를 개시한다.
바람직하게는, 전자 방출 특성을 향상시키기 위해서, 통전 포밍(electrifying forming) 처리된 전자 방출 소자에 유기 물질을 함유한 분위기에서 전압을 인가한다(이하 활성화 단계라 함). 활성화 단계에 인가된 전압은 포밍 단계에 인가된 전압과 실제적으로 동일하다. 탄소 및/또는 탄소 화합물은, 예를 들어, 유럽 특허 출원 공개 제 0660357호에 개시된 바와 같이, 활성화 단계 동안 전자 방출부(5) 상에 그리고 그 근방에 배치된다.
본 발명의 목적은 우수한 전자 방출 특성을 갖는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 전자 방출 소자를 이용한 화상 형성 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 전자 방출 소자의 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 고품질의 화상을 형성할 수 있는 화상 형성 장치의 제조 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
한 쌍의 전극 사이에 배치된 전자 방출부를 구비한 도전막을 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법은 유기 물질 내의 불순물을 제거하는 제거 단계, 및 유기 물질을 함유한 분위기에서 전극을 통해 도전막에 전압을 인가하는 전압 인가 단계를 포함한다.
상기 방법의 한 실시예에서, 제거 단계는, 전압 인가 단계를 수행하기 위하여 유기 물질 공급원에서 처리 유닛으로 유기 물질이 유입될 때 유기 물질 내에 함유된 산소 및 질소와 같은 대기 성분을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
유기 물질 내에 함유된 대기 성분은 결빙 융해법에 의해 제거되는 것이 바람직하다. 유기 물질은 유기 물질에 함유된 대기 성분이 제거된 후 공기와의 접촉없이 처리 유닛으로 유입되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 양태로는 적어도 하나의 전자 방출 소자 - 이 전자 방출 소자는 상술한 방법으로 제조됨 - 및 전자 방출 소자로부터 방출된 전자에 의해 화상을 형성하기 위한 화상 형성 부재를 구비한 화상 형성 장치의 제조 방법이 있다.
본 발명의 다른 양태로는 한 쌍의 전극 및 상기 전극 간에 배치된 전자 방출부를 갖고 있는 도전막을 구비하는 전자 방출 소자를 제조하는 제조 장치가 있다. 이 장치는 한 쌍의 전극 및 상기 전극 사이에 배치된 도전막을 포함하는 기판을 수용하는 용기(container), 상기 용기를 배기시키기 위한 제1 배기 수단, 상기 전극 간에 전압을 인가하기 위한 전압 인가 수단, 공급원으로부터 증발된 유기 물질을 용기로 공급하기 위한 가스 공급 수단, 및 상기 공급원의 내부를 배기시키기 위한 제2 배기 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 양태로는 한 쌍의 전극 및 상기 전극 사이에 배치된 전자 방출 부를 구비한 도전막을 포함하는 전자 방출 소자의 제조 장치가 있다. 이 장치는 한 쌍의 전극 및 상기 전극 사이에 배치된 도전막을 포함하는 기판을 수용하는 용기, 상기 용기를 배기시키기 위한 배기 수단, 상기 전극 간에 전압을 인가하기 위한 전압 인가 수단, 공급원으로부터 증발된 유기 물질을 용기로 공급하기 위한 가스 공급 수단, 및 용기를 통하지 않고 배기 수단으로부터 공급원의 내부를 배기시키기 위한 가스 배기관을 포함한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한, 바람직한 실시예들에 대한 다음 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1a 및 1b는 각각, 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 실시예의 개략 평면도 및 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 다른 실시예의 개략 단면도.
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 제조 방법의 단계를 나타내는 도면.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 통전 포밍 동안 인가된 전압 파형의 그래프.
도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 활성화 단계동안 인가된 전압 파형의 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 전자 방출 소자를 평가하기 위한 테스팅 장치의 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 활성화 단계에 사용된 진공 처리 시스템의 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 방출 전류 Ie와 소자 전류 If대 소자 전압 Vf의 관계를 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 단순 매트릭스 전자 소스의 개략도.
도 10은 본 발명에 따른 화상 형성 장치의 디스플레이 패널의 개략도.
도 11a 및 11b는 형광막의 개략도.
도 12는 NTSC 텔레비젼 신호에 대응하는 화상 형성 장치에서 디스플레이를 실행하기 위한 구동 회로의 블록도.
도 13은 본 발명에 따른 사다리형 전자 소스의 개략도.
도 14는 본 발명에 따른 화상 형성 장치의 디스플레이 패널의 개략도.
도 15는 본 발명에 따른 활성화 단계에 사용된 진공 시스템의 개략도.
도 16은 본 발명에 따른 포밍 및 활성화를 위한 접속의 개략도.
도 17a 내지 17e, 18f 내지 18j 및 19k 내지 19o는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 생산 공정 단계의 단면도.
도 20은 본 발명에 따른 유기 물질의 공급 시스템에서 가스 제거 장치(deaeration unit)의 개략도.
도 21은 본 발명에 따른 전자 소스의 평면도.
도 22는 도 21의 선 XXII-XXII를 따라 절취된 단면도.
도 23a 내지 23d 및 24e는 본 발명에 다른 전자 소스의 제조 방법의 단면도.
도 25는 종래의 표면 전도 전자 방출 소자의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기판
2, 3 : 소자 전극
4 : 도전막
5 : 전자 방출부
본 발명에 따른 바람직한 실시예가 첨부한 도면을 참조하여 설명된다.
본 발명에 따른 전자 방출 소자는 두 개의 기본 구조를 갖는데, 말하자면, 평면형 구조 및 수직형 구조이다. 먼저, 평면형 전자 방출 소자가 설명된다.
도 1a 및 1b는 각각, 본 발명에 따른 평면형 전자 방출 소자의 실시예의 개략 평면도 및 단면도이다. 전자 방출 소자는 기판(1) 상에 형성되고, 두 개 전극(2 및 3), 도전막(4), 및 전자 방출부(5)을 포함한다. 전자 방출부(5)는, 도전막(4) 내에 형성된 갭(gap), 이를테면 크랙을 포함하고, 탄소나 탄소 화합물로 구성된 박막(7)이 갭(6)을 좁히기 위해서 도전막(4) 상에 형성된다.
기판(1)은 석영 유리, 나트륨 성분과 같은 불순물 함유량이 감소된 정제 유리, 청색 판유리, 상기 청색 판유리와 스퍼터링 공정 등에 의해 그 위에 피착된 SiO2층으로 구성된 복합 유리 기판, 알루미늄과 같은 세라믹, 또는 실리콘 기판으로 구성될 수 있다.
대향 전극(2 및 3)은 일반적으로 전도성 또는 반전도성 물질로 구성될 수 있다. 이러한 물질의 예는, Ni, Cr, Au, Mo, W, Pt, Ti, Al, Cu, 및 Pd의 금속 및 이들의 합금; 유리와 같은 기판 상에 인쇄된 예를 들어, Pd, Ag, Au, RuO2, 및 Pd-Ag등의 금속 및 금속 산화물을 포함하는 인쇄 도체; In2O3-SnO2와 같은 투명 도체; 및 폴리실리콘과 같은 반도체를 포함한다.
전극(2 및 3)간의 거리 L, 전극(2 및 3) 간의 폭 W, 및 도전막(4)의 형태는 소자의 응용분야를 고려하여 결정될 수 있다. 일반적으로, 전극(2 및 3)간의 거리 L는 수백 nm 내지 수백 ㎛의 범위에 있고, 이들 전극(2 및 3)에 인가된 전압을 고려해 볼때 수 ㎛ 내지 수십 ㎛가 바람직하다. 전극(2 및 3)의 폭 W은 전극(2 및 3)의 저항 및 전자 방출 특성을 고려하여 수 ㎛ 내지 수백 ㎛의 범위이다. 전극(2 및 3)의 두께 d는 수 십 nm 내지 수 ㎛의 범위에 있다.
상기 구성이외에, 도전막(4) 다음에 두 개의 대향 전극(2 및 3)이 상기 기판(1) 상에 배치될 수 있다.
도전막(4)을 구성하는 물질은, 예를 들어 Pd, Pt, Ru, Ag, Au, Ti, In, Cu, Cr, Fe, Zn, Sn, Ta, W 및 Pb 등의 금속; PdO, SnO2, In2O3, PoO, 및 Sb2O3등의 산화물; HfB2, ZrB2, LaB6, CeB6, YB4, 및 GdB4등의 붕화물; TiC, ZrC, HfC, TaC, SiC 및 WC 등의 탄화물; TiN, ZrN, 및 HfN 등의 질화물; Si 및 Ge 등의 반도체 및 탄화질 물질을 포함한다.
도전막(4)은 우수한 전자 방출 특성을 갖는 미립자를 함유하는 미립자 박막으로 구성되는 것이 바람직하다. 도전막(4)의 두께는 전극(2 및 3)에 대한 스텝 커버리지 및 전극(2 및 3)의 저항을 고려하여 결정될 수 있다. 이 두께는 수 Å 내지 수백 nm의 범위가 바람직하고, 1 nm 내지 50 nm가 보다 바람직하다. 전극(2 및 3)의 시트 저항 Rs는 102내지 107Ω의 범위에 있다. 상기 시트 저항은 수학식 R = Rs(l/w)으로 결정되고, 여기서 Rs는 저항, w는 폭, 그리고l은 도전막(4)의 길이이다.
"미립자막(fine-particle film)"은 다수의 미립자를 포함하는 막을 의미한다. 이들 미립자들은 미립자가 막 내에 개별적으로 분산되거나 섬(islands)을 형성하도록 집적되는 미세 조직을 가질 수 있다. 미립자의 크기는 수 Å 내지 수백 nm의 범위이고, 1nm 내지 20nm가 바람직하다.
본 발명에서 자주 나오는 "미립자"의 의미가 이제 설명된다. 작은 직경을 가진 입자들을 미립자로 부르고, 미립자보다 작은 직경을 갖는 입자를 "초미립자(ultrafine particle)"라 부른다. 초미립자보다 작은 직경을 가지고, 수백개의 원자들을 포함하는 입자를 "클러스터(cluster)"라 한다. 이들 입자들 및 클러스터 간에 어떤 엄밀한 경계가 없으므로, 이러한 분류는 입자의 양상에 따른다. 본 발명에서의 "미립자"는 "미립자" 및 "초미립자" 모두를 포함한다.
다음 설명은 "실험 물리학 제14권, 표면 & 미립자"(Koreo Kinoshita 편집, Kyoritsu Shuppan 1986년 9월 1일 발행)에 인용되었다. 이 책에서 "미립자"는 대략 2 내지 3㎛에서 10nm까지의 직경 범위를 가지며, 초미립자는 대략 10nm에서 2 내지 3nm까지의 직경 범위를 갖는다. 미립자와 초미립자 사이의 경계는, 어떤 경우에는 모두를 "미립자"로 부르기때문에 엄밀하지 않고, 단지 표준일 뿐이다. 두 개의 원자에서 수십개의 원자 또는 수백개의 원자를 포함하는 입자는 클러스터라 부른다(195쪽, 22 내지 26행).
게다가, 일본 연구 개발 회사의 Hayashi 초미립자 프로젝트에서의 "초미립자"의 정의에 따르면, 입자 크기의 하한은 다음과 같이 보다 작다. "창조 과학 기술 추진 제도"의 '초미립자 프로젝트'에서는, 대략 1 내지 100nm 범위 내의 입자 크기를 갖는 입자들은 '초미립자'라 한다. 그러므로, 초미립자는 대략 100 내지 108개의 원자로 구성된다. 원자의 관점에서, 초미립자는 큰 입자 내지 거대 입자이다."("창조 과학 기술에서의 초미립자", Chikara Hayashi, Ryoji Ueda, 및 Akira Tazaki 편집, 2쪽, 1 내지 4행, Mita Shuppan(1998)) "초미립자보다 작은, 이를테면, 수 내지 수백개의 원자로 구성된 것은 일반적으로 "클러스터"라 한다."(ibid., 2쪽 12 내지 13행) 이러한 설명을 고려하여, 본 발명에서의 "초미립자"는 많은 원자 또는 분자로 구성된 집합체를 의미하고, 수 Å 내지 대략 1 nm 범위의 입자 크기의 하한과 수 ㎛의 상한을 갖는다.
전자 방출부(5)는 탄소나 탄소 화합물로 구성된 박막(7)으로 형성된 갭(6)을 포함하고, 갭(6) 부근을 포함한다. 갭(6)은 내부에 수 Å 내지 수십 nm 범위의 입자 크기를 갖는 전도성 미립자를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 전도성 미립자는 도전막(4)의 일부 또는 전체를 차지할 수 있다.
수직 전자 방출 소자(upright electron emission device)가 이제 설명된다. 도 2는 본 발명에 따른 수직 전자 방출 소자의 개략도이다. 도 1과 동일한 기능을 가지는 부분은 동일한 도면 부호로 나타낸다. 이 소자는 기판(1), 전극(2 및 3), 도전막(4), 갭(6), 박막(7), 및 전자 방출부(5) 이외에, SiO2와 같은 절연 물질로 구성되고 진공 증착 공정, 인쇄 공정, 또는 스퍼터링 공정에 의해 형성된 단차부(step section)(21)를 가지며, 이들은 상기 평면형 전자 방출 소자에서와 동일한 물질로 구성된다. 단차부(21)의 두께는 상기 평면형 전자 방출 소자 내의 전극(2 및 3) 사이의 간격에 대응하고 수백 nm 내지 수십 ㎛의 범위에 있으며, 단차부(21)의 제조 방법 및 전극(2 및 3) 간에 인가된 전압을 고려하여 수십 nm 내지 수 ㎛가 바람직하다.
본 발명에 따른 전자 방출 소자는 다양한 방법으로 생성될 수 있다. 도 3a 내지 3c는 이들 방법 중 하나를 도시한 단면도이다. 도 1과 동일한 기능을 가지는 부분은 동일한 도면 부호로 나타낸다.
1) 도 3a를 참조하면, 기판(1)은 세정제, 순수 및 유기 용매를 사용하여 철저히 세정된다. 전극 물질은 진공 증착 공정 또는 스퍼터링 공정에 의해서 그 위에 피착된 후, 포토리소그래피 공정에 의해 소자 전극(2 및 3)을 형성하도록 패터닝된다.
2) 도 3b를 참조하면, 유기 금속 용액이 전극(2 및 3)을 제공하는 기판(1) 상에 도포되어 유기 금속 박막을 형성한다. 유기 금속 용액은 주로 도전막(4)을 형성하는데 사용된 금속으로 구성된 유기 금속 화합물을 함유한다. 유기 금속 박막은 베이킹된 후 도전막(4)을 형성하기 위해서 리프트-오프(lift-off) 또는 에칭 공정에 의해 패터닝된다. 코팅 공정 대신에, 도전막(4)은 또한 진공 증착 공정, 스퍼터링 공정, 화학 증착 공정, 분산 코팅 공정, 디핑(dipping) 공정 또는 스핀(spinning) 공정에 의해 형성될 수 있다.
3) 도 3c를 참조하면, 기판은 도전막(4)에서의 크랙과 같은 갭(6)이 형성되도록 통전 포밍처리 된다.
도 4a 및 4b는 통전 포밍 시에 인가된 펄스 전압의 파형도이다. 도 4a 및 4b에서 도시된 바와 같은 펄스 전압이 바람직하다. 도 4a에서는, 정전압을 갖는 펄스가 연속적으로 인가되고, 이에 반하여, 도 4b에서는 점차적으로 증가하는 전압을 갖는 펄스가 지속적으로 인가된다. 도 4a 및 4b에서, T1은 펄스 폭을 나타내고, T2는 펄스 간격을 나타낸다.
도 4a에 도시된 방법에서, 삼각파의 높이 또는 피크 전압은 전자 방출 소자의 종류에 따라 결정된다. 펄스는 일반적으로 수 초 내지 수십 분간 이러한 조건하에서 인가된다. 삼각파 이외의 임의의 다른 펄스파, 예를 들어, 직각파가 또한 사용될 수 있다. 도 4b에 도시된 방법에서, 삼각파의 높이는 예를 들어, 각 펄스에 대해 0.1V씩 증가된다.
통전 포밍 처리는 도전막(4)이 선정된 저항을 가지기 전에 실행된다. 저항은 다음과 같이 측정된다. 국부 파괴 또는 변형을 일으키지 않는 저전압이 펄스 간의 휴지기(pause time) 즉, 펄스 간격 T2 동안 도전막(4)에 인가되고, 전도된 전류가 측정된다. 예를 들어, 대략 0.1 volts의 전압이 도전막(4) 내의 전류를 검출하기 위해서 인가된다. 저항이 1㏁ 이상 도달할 때, 통전 포밍 처리가 종료된다.
포밍 처리 후에 소자를 활성화 처리하는 것이 바람직하다. 소자 전류 If및 방출 전류 Ie는 활성화 단계동안 상당히 변화한다. 활성화 단계에서, 펄스는 통전 포밍 처리에서와 같이 유기 가스 분위기 내에 반복적으로 인가된다. 도 1a 내지 1b에 도시된 바와 같이, 유기 물질에서 추출된 탄소 또는 탄소 화합물이 도전막(4) 상에 피착된다. 이렇게 얻어진 박막(7)은 소자 전류 If및 방출 전류 Ie에 상당한 변화를 일으킨다.
여기서, 용어 "탄소 및/또는 탄소 화합물"은, 예를 들어, 흑연(graphite) 및 비결정 탄소를 포함한다. 흑연의 예는 고 배향된 증착 흑연(highly orientated pyrolytic graphite: HOPG), 증착 흑연(PG) 및 흑연화 탄소(GC)를 포함한다. HOPG는 실질적으로 완전 흑연으로 구성된 결정 구조를 가지며, PG는 대략 200Å의 결정 입자 크기를 갖는 약간 무질서한 결정 구조를 가지며, GC는 대략 20Å의 결정 입자 크기를 갖는 상당히 무질서한 결정 구조를 갖는다. 비결정 탄소는 비결정 탄소와 미정질(microcrystal) 흑연의 혼합을 포함한다. 탄소 및/또는 탄소 화합물의 두께는 500Å 이하가 바람직하고, 300Å이하가 보다 바람직하다.
전압이 활성화 단계에서 인가되고, 동시에 시간에 따른 전압, 인가된 전압의 극성, 또는 전압의 파형을 변화시킨다. 전압은 포밍 처리에서와 같이, 정전압 모드 또는 증가된 전압 모드로 인가될 수 있다. 인가된 전압의 극성은 도 5a에 도시된 바와 같이 구동 모드 동안 동일할 수 있고, 또는 도 5b에 도시된 바와 같이 교번하여 변화될 수 있다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 탄소막이 크랙의 양측 상에 형성되기 때문에, 후자의 경우가 바람직하다. 전자의 경우에서는, 소자 구성이 후자의 경우와 유사할지라도, 저 전위측에 증착된 박막(7)의 체적이 고 전위측에서의 체적보다 적다. 예를 들어, 사인파, 사각파, 직각파, 및 톱니파 중에서 직각파 이외의 임의의 다른 펄스파가 또한 사용될 수 있다. 활성화 단계의 종료는 소자 전류 If및 방출 전류 Ie를 측정함으로써 적절히 결정된다.
활성화 단계에서, 유기 가스를 진공 시스템으로 유입하므로써 유기 가스 분위기가 형성된다.
도 6은 측정 유닛으로도 작용하는 진공 유닛의 개략도이고, 여기서 전기적 프로세스에 의해 처리될 전자 방출 소자가 전력원 및 진공 유닛 내의 관련된 부분과 접속된다. 도 1에서와 동일한 기능을 하는 부분은 동일한 도면 부호로 나타낸다. 도 6에서, 진공 유닛은 진공 챔버(55) 및 진공 시스템(56)을 구비한다. 전자 방출 소자는 진공 챔버(55) 내에 위치된다. 진공 유닛은 소자 전압 Vf을 전자 방출 소자에 인가하기 위한 전력원(51), 및 전극(2 및 3) 사이의 도전막(4)에 흐르는 소자 전류 If를 검출하기 위한 전류계(50), 및 전자 방출부(5)로부터 방출 전류 Ie를 모으기 위한 양극(anode)(54)를 구비한다. 전압은 고 전압 전력원(53)을 통해 양극(54)에 인가된다. 전류계(52)는 전자 방출부(5)에서 방출 전류 Ie를 검출한다. 측정이 실행되어, 예를 들어, 양극(54)의 전압은 1kV 내지 10kV이고, 양극(54)과 전자 방출 소자 간의 거리 H는 2 내지 8 mm이다.
전자 방출 소자 및 양극(54)은 진공 챔버(55)를 배기시키기 위한 펌프가 제공되는 진공 챔버(55) 내에 위치되고, 전자 방출 소자는 요구된 진공 압력 하에서 배기된다. 진공 시스템(56)은 무오일(oilless) 진공 시스템이다. 예를 들어, 진공 시스템(56)은 자기 부상형 터보 펌프 및 건식 펌프의 종래의 고진공 시스템 이외에 이온 펌프를 포함하는 초 고진공 시스템이다. 진공 시스템은, 압력을 측정하고 진공 시스템 내의 가스를 확인하기 위해서, 도면에 도시되지 않은, 압력계 및 질량 필터형 가스 분석기(4극 질량 분석기)가 더 제공된다. 전체 진공 시스템 및 소자 기판은 도면에 도시되지 않는 히터에 의해 가열될 수 있다.
활성화 단계에서의 분위기는, 자기 부상형 터보 펌프 및 건식 펌프에 의해 충분한 고진공 압력으로 예비 배기된 진공 챔버 내에 소정의 유기 가스를 유입시킴으로써 준비된다.
도 7을 참조하면, 진공 챔버(55)는 유기 물질(57)의 공급원으로서 앰플(ampoule)(58)에 접속된다. 가스통(gas cylinder)이 또한 공급원으로서 사용될 수 있다. 공급원 내의 유기 물질(57)은, 활성화 단계를 위해 분위기를 준비하기 위한 흐름 제어 수단과 같이, 니들 밸브(needle valve)를 통해 진공 챔버(55)로 유입된다. 질량 흐름 제어기가 니들 밸브(59) 대신에 사용될 수 있다. 진공 챔버 내의 압력은 공급원으로부터의 가스 유속 및 진공 펌프의 배기율 간의 균형에 의해 조절된다. 공급원으로부터의 가스 유속은 니들 밸브(59)(또는 질량 흐름 제어기)에 의해 제어된다. 진공 펌프의 배기율은 진공 펌프 및 진공 챔버 간의 컨덕턴스를 조정하기 위해서 제공된 밸브에 의해 제어된다.
유기 가스 물질의 바람직한 압력은 진공 챔버의 형태, 유기 물질의 종류 등에 의해 결정된다. 일반적으로, 유기 가스의 바람직한 부분 압력은 1 Pa 내지 10-5Pa의 범위이다.
본 발명에서는, 임의의 종래 유기 물질이 사용될 수 있다. 유기 가스 물질의 예로는, 알칸, 알켄, 및 알킨과 같은 지방성 탄화수소; 방향 탄화수소; 알코올; 알데히드; 케톤; 아민; 페놀, 카르복시산과 같은 유기산; 및 술폰산; 및 이들의 유도체가 있다. 이들 화합물의 예로는, 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로필렌, 부타디엔, n-헥산, l-헥산, n-옥탄, n-데칸, n-도데칸, 벤젠, 톨루엔, 옥실렌, 벤조니트릴, 클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 메타놀, 에타놀,이소프로필 알코올, 에틸렌 글리콜, 글리세린, 포름알데히드, 아세트알데히드, 프로파날, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 디에틸 케톤, 메틸아민, 에틸아민, 에틸렌 디아민, 페놀, 포름산, 아세트산, 및 프로피온산이 있다.
활성화 단계에서, 전자 방출 소자의 전자 방출 특성은 소자를 포함하는 진공 챔버내의 분위기에서 유기 물질 및 유기 물질 이외의 성분의 농도에 의해 결정된다. 예를 들어, 탄소 및 탄소 화합물은 유기 물질의 농도가 대기 중에 높을 때 보다 빠르게 피착된다. 그러므로, 피착물은 전압이 고정된 시간동안 전극간에 인가될지라도 다른 체적 또는 다른 결정체를 갖는다. 따라서, 전자 방출 소자는 다른 전자 방출 특성을 갖는다.
대기 중의 산소 및 물과 같은 추적 성분(trace constituent)은 활성화 단계에 영향을 미친다. 예를 들어, 탄소 또는 탄소 화합물의 피착이 감소하고, 활성화에 큰 초기 시간이 요구되며, 활성화에 의한 전자 방출 특성이 불충분하다.
활성화 단계에서 사용된 대기는 일반적으로 공급원으로부터의 유기 물질을 외부 대기와 격리될 수 있는 장치내로 유입시킴으로써 형성된다. 유기 물질이 액체 또는 고체일 때, 유기 물질의 증기가 장치내로 유입된다. 상업적으로 이용할 수 있는 유기 물질은 보존 상태에서의 물질의 안정성을 보장하기 위해서 아르곤과 같은 불활성 가스를 함유한다. 더욱이, 대기 가스 성분은, 유기 물질이 공급원으로 공급될 때 유기 물질내에 함유된다. 유기 물질 내의 가스 성분은 유기 물질의 불안정한 증발 및 공급원에서의 불안정한 급송을 일으켜, 활성화 대기 중의 유기 물질의 농도가 시간에 따라 변화한다. 더욱이, 어떤 용존 가스(dissolved gas) 성분은 탄소 또는 탄소 화합물의 피착에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 공급원 내의 유기 물질의 불순물이 유기 물질이 진공 챔버에 공급되기 전에 제거되는 것이 바람직하다.
불순물의 예로는, 먼지, 물, 질소, 및 산소와 같은 대기 불순물; 라세믹 화합물(racemic compound)과 같은 이성체(isomer); 다이머(dimer), 올리고머(oligomer)와 같은 폴리머; 및 반응 생성물이 있다. 불순물의 종류는 유기 물질의 화학적 특성 및 물질의 제조 방법에 크게 의존하다.
유기 물질 내의 불순물은, 예를 들어, 끓는점 차이에 의한 증류 또는 부분 증류; 용융점 차이에 의한 융해 분류; 건조제 의한 탈수를 포함하는 흡착제를 사용한 흡수, 여과법, 및 재결정화에 의해 제거될 수 있다. 다른 정화 공정이 본 발명에서 또한 채용될 수 있다. 유기 물질의 바람직한 순도는 99%이상이다.
활성화 단계에서 사용된 유기 물질이 액체 또는 고체인 경우, 이 유기 물질은 일반적으로 공급원에서 기화된 후, 진공 챔버로 유입된다. 이 유기 물질이 가스 상태의 성분을 함유하거나 또는 불순물이 공급원의 사각 지대 내에 함유된다면, 유기 물질의 부분 압력은 대기 중에서 감소된다. 특히, 산소는 전자 방출 특성을 감소시킨다.
상술한 바와 같이, 진공 챔버 내의 유기 물질의 공급률은 니들 밸브 또는 질량 흐름 제어기와 같은 제어 수단에 의해서 제어된다. 실온에서 고체 또는 액체 유기 물질은 일반적으로 질량 흐름 제어기의 동작에 충분한 압력(1 kg/㎠ 이상)보다 낮은 저 증기 압력을 갖는다. 그러므로, 공급률은 니들 밸브 개구를 약간 조정함으로써 제어된다.
니들 밸브 내의 가스의 컨덕턴스는 가스의 분자 무게의 근(root)의 역수에 비례한다. 유기 물질이 저 분자 무게를 갖는 불순물을 함유할 때, 불술물은 니들 밸브를 통해 압도적으로 빠져나간다. 결과적으로, 진공 챔버 내의 활성화 대기는농축된 불순물을 함유한다.
불순물의 농도가 장기간의 공급 동안에 감소되면, 유기 물질의 유속은 상대적으로 증가한다. 그러므로, 유기 물질의 부분 압력은 진공 챔버 내에서 변화될 것이다.
실온에서 고체 또는 액체 유기 물질이 보다 큰 분자 무게를 가져 질소 및 산소와 같은 대기 성분의 증기 압력 보다 낮은 증기 압력을 갖기 때문에, 대기 불순물은 활성화 단계에 상당한 영향을 미친다. 유기 물질 내의 용존 가스 성분은, 예를 들어, 결빙 융해법에 의해 제거될 수 있다. 임의의 다른 공정이 본 발명에서 또한 사용될 수 있다. 결빙 융해법은 액체 내의 용존 가스, 특히 질소 및 산소를 효과적으로 제거할 수 있다.
산소는 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 전자 방출 특성을 열화시킨다. 그러므로, 유기 물질 내의 용존 산소를 결빙 융해법으로 제거해야, 활성화 단계가 효과적으로 달성된다.
대기 성분인 질소의 제거는 유기 물질의 공급의 안정성을 보장하고, 그러므로 진공 챔버 내에 일정 농도의 유기 물질을 유지한다. 대기 성분의 제거는 또한 공급원에서의 유기 물질의 화학적 안정성에 효과적이다.
불순물 없는 유기 물질은, 바람직하게 대기 성분과 접촉하지 않고 진공 챔버로 유입된다. 유기 물질이, 산소 및 질소와 같은 대기 성분에 의해 오염된다면, 활성화에 영향을 미친다.
대기 성분에서 유기 물질의 고립은 다음과 같은 이점이 있다:
(1) 활성화 대기는, 활성화 단계에 반대 영향을 미치는 산소 및 물과 같은 물질을 함유하지 않는다.
(2) 정화된 유기 물질은 대기 성분의 함유물로부터 보호된다.
활성화된 전자 방출 소자는 안정화 처리되는 것이 바람직하다. 이 단계는 진공 챔버 내의 유기 물질의 배기를 포함한다. 진공 챔버를 배기시키기 위한 진공 유닛은 무오일형이 바람직하다. 바람직한 진공 유닛의 예는 흡착 펌프 및 이온 펌프를 포함한다.
진공 챔버 내의 유기 성분의 부분 압력은 1x10-6Torr 이하, 바람직하게 1x10-8Torr이하인 것이 바람직하여, 탄소 및/또는 탄소 화합물이 이 단계에서 더이상 증착하지 않는다. 진공 챔버의 내벽 및 전자 방출 소자에 흡수된 유기 분자가 쉽게 제거되고 배기되도록 진공 챔버가 안정화 단계 중에 가열되는 것이 바람직하다. 가열은 80 내지 250℃의 온도, 바람직하게는 150℃ 이상의 온도에서 가능한 오랜동안 수행된다. 그러나, 가열 조건은 진공 챔버의 크기 및 형태 그리고 전자 방출 소자의 구성에 따른 제한 없이 변화될 수 있다. 진공 챔버 내의 압력은 가능한 많이 감소되어, 1x10-5Torr이하가 바람직하고, 1x10-6Torr 이하가 보다 바람직하다.
안정화 단계에서의 대기가 전자 방출 소자의 구동 모드에서 유지되는 것이 바람직하다. 그러나, 진공 정도가 약간 감소되었을 때라도 유기 성분을 충분히 제거하는한 충분히 안정적인 특성을 얻을 수 있다. 탄소 또는 탄소 화합물이 더이상 피착하지 않기 때문에, 소자 전류 If및 방출 전류 Ie가 안정화될 수 있다.
본 발명에 따른 전자 방출 소자의 기본 특성이 도 8을 참조하여 이제 설명된다. 도 8은 도 6 및 7에 도시된 진공 유닛에 의해 측정된 방출 전류 Ie또는 소자 전류 If및 소자 전압 Vf간의 관계를 도시한 개략 그래프이다. 방출 전류 Ie가 소자 전류 If보다 상당히 작기 때문에, 이들 전압은 도 8에서와 같이 임의 단위(arbitrary unit)로 표현된다. 수직축 및 수평축은 선형 스케일이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 방출 전류 Ie에 대해 다음의 세가지 특성을 갖는다.
(1) 방출 전류 Ie는 임계 전압 Vth보다 크게 인가된 전압에 대해 급하게 증가하는 반면(도 8 참조), 방출 전류 Ie는 임계 전압 Vth보다 낮은 소자 전압에 대해서는 실질적으로 검출되지 않는다. 그러므로, 소자는 방출 전류 Ie에 대해서 명확한 입계 전압 Vth를 갖는 비선형형이다.
(2) 방출 전류 Ie는 소자 전압 Vf가 증가함에 따라 단조 증가를 나타내기 때문에, 소자 전압 Vf는 방출 전류 Ie를 제어할 수 있다.
(3) 양극(54)에서 모아진 전하량은 소자 전압 Vf의 인가 시간과 함께 변화한다. 바꾸어 말하면, 소자 전압 Vf의 인가 시간은 양극(54)에서 선택된 전하를 제어한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자 방출 소자에 있어서, 전자 방출 특성은 입력 신호에 따라 손쉽게 제어될 수 있다. 이러한 특성은 다양한 소자의 응용 분야, 예를 들어, 전자 소스 및 복수의 전자 방출 소자의 배열을 포함하는 화상 형성 장치를 허용한다. 도 8은 소자 전압 Vf에 대해서 소자 전류 If에서의 단조 증가를 나타낸다(이하 MI 특성이라 함). 도면에는 도시되지 않았지만, 몇몇 소자들은 전압 제어된 음의 저항 특성(이하 VCNR 특성이라 함)을 갖는다. 소자의 이 특성은 상기 단계를 제어함으로써 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 화상 형성 장치는 기판 상에 형성된 전자 방출 소자의 배열을 포함하는 전자 소스와, 전자 소스에서의 전자 방사에 의해 화상을 형성하는 화상 형성 부재의 결합에 의해 생성될 수 있다.
전자 방출 소자의 배열에서, 전자 방출 소자는 X 및 Y 방향에서의 매트릭스로 배열되고, 각각의 전자 방출 소자의 전극 중 하나는 X 방향에서의 공통 리드 라인에 접속되고, 각각의 전자 방출 소자의 다른 전극은 Y 방향에서의 공통 리드 라인에 접속된다. 이와 같은 배열을 단순 매트릭스 배열이라 한다.
본 발명에 따른 전자 방출 소자의 단순 매트릭스 배열을 갖는 전자 소스용 기판(또는 전자 소스 기판)이 도 9를 참조하여 이제 설명된다. Dx1, Dx2, ... Dxm(여기서 m은 양의 정수)을 포함하는 X축 리드 라인(72)은 금속과 같은 전도성 물질로 구성되고 진공 증착, 인쇄, 또는 스퍼터링 공정에 의해 전자 소스 기판(71) 상에 형성된다. 리드 라인의 물질, 두께, 및 폭은 응용 분야에 따라 적절하게 결정될 수 있다. Dy1, Dy2, ... Dyn(여기서 n은 양의 정수)을 포함하는 Y축 리드 라인(73)은 또한 X축 리드 라인(72)에서와 같이 형성된다. X축 리드 라인(72)은 그 사이에 제공된 절연 중간층(도면에 도시되지 않음)에 의해 Y축 리드 라인(73)으로부터 전기적으로 분리된다. 절연 중간층은, 예를 들어, SiO2로 구성되고, 전자 소스 기판(71)의 부분 또는 전체에서 진공 증착, 인쇄, 또는 스퍼터링 공정에 의해 형성된다. 절연 중간층용 물질 및 공정, 그리고 형태 및 두께는 절연 중간층이 X축 리드 라인(72)과 Y축 리드 라인(73) 사이의 전위차에 대한 내구성을 갖도록 결정된다. 각각의 X축 리드 라인(72)의 한 단부 및 각각의 Y축 리드 라인(73)의 한 단부는 외부 단자로서 추출된다. 매트릭스(mxn)내의 각각의 전자 방출 소자(74)는, 전자 방출 소자(74)의 두 단부 상에 제공된 한 쌍의 전극(도면에 도시되지 않음) 및 전도성 금속 등으로 구성된 접속선(75)을 통해 대응하는 X축 리드 라인(72) 및 대응하는 Y축 리드 라인(73)과 접속된다.
전자 방출 소자(74)는 수평형 또는 수직형 중 하나일 수 있다. 이들 라인(72, 73, 및 75) 및 전극은 부분적으로 또는 실질적으로 동일한 전도성 물질, 또는 다른 전도성 물질로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 전자 방출 소자는 상기 특성 (1) 내지 (3)을 갖는다. 즉, 전자 방출 소자의 방출 전류는, 전압이 임계 전압 보다 크게 인가될 때 두 전극 사이에 인가된 펄스 전압의 높이 및 폭에 의해 제어된다. 대조적으로, 전자는 임계 전압 이하의 전압에서는 실질적으로 방출되지 않는다. 또한, 전자 방출 소자의 배열에서, 각각의 전자 방출 소자 방출 전류는 전자 방출 소자에 인가된 펄스 신호 전압에 따라 독립적으로 제어된다.
Y축 리드 라인(73)은 스캐닝 신호 응용 수단(도면에 도시되지 않음)에 접속된다. 스캐닝 신호 응용 수단은 스캐닝 신호를 Y 방향으로 배열된 전자 방출 소자(74)의 선택 라인에 인가한다. X축 리드 라인(72)은 변조 신호 응용 수단(도면에 도시되지 않음)에 접속된다. 변조 신호 응용 수단은 변조 신호를 입력 신호에 대응하여 X 방향으로 배열된 전자 방출 소자(74)의 행에 인가한다. 각각의 전자 방출 소자에 인가된 구동 전압은 소자에 인가된 스캐닝 신호 및 변조 신호 간의 차동 전위에 대응한다.
이와 같은 구성에서, 단순 매트릭스 배선 시스템은 개별 전자 방출 소자를 독립적으로 구동할 수 있다. 단순 매트릭스 배열을 갖는 전자 소스를 이용한 화상 형성 장치는 도 10, 11a 11b 및 12를 참조하여 기술될 것이다.
도 10은 화상 형성 장치의 디스플레이 패널의 개략 등축도이다. 도 10에서, 배면판(81)으로서의 전자 소스 기판에 도 1에 도시된 바와 같이 전자 방출 소자(74)의 매트릭스가 제공된다. X축 리드 라인(72) 및 Y축 리드 라인(73)은 각각의 전자 방출 소자 내의 한쌍의 전극에 접속된다. 도면 부호 86은 형광막(84) 및 메탈백 층(85)이 유리 기판(83)의 내면 상에 형성된 전면판을 나타낸다. 도면 부호 82는 저 용융점을 갖는 프릿 유리를 사용한 배면판(81) 및 전면판(86)에 접착된 프레임을 나타낸다.
엔빌로프(88)는 전면판(86), 프레임(82), 및 배면판(81)을 포함한다. 배면판(81)이 기판(71)을 강화하기 위해서 제공되기 때문에, 기판(71)이 충분한 세기를 가질 때는 생략될 수 있다. 이러한 경우에, 프레임(82)은 엔빌로프(88)가 전면판(86), 프레임(82), 및 기판(71)로 구성되도록 기판(71)에 직접 접착된다. 스페이서(도면에 도시되지 않음)라 불리는 지지대가 제공되면, 엔빌로프(88)는 대기압에서 충분한 세기를 갖는다.
도 11a 및 11b는 형광막의 개략적 도면이다. 단색 형광막은 형광 물질만을 포함할 수 있다. 칼라 형광막은 전도성 흑색 띠(91a)(도 11a에서) 또는 전도성 흑색 매트릭스(91b)(도 11b에서) 및 형광 물질의 배열에 따른 형광체(92)를 구비할 수 있다. 흑색 띠 또는 매트릭스는 3원색에 대응하는 인접 형광체(92) 간의 혼합 및 형광막에 의해 외부 광의 반사에 기인한 휘도의 억제를 방지한다. 흑색 띠 또는 매트릭스용 물질은 낮은 광 투과 및 반사성을 갖는 주 성분 및 전도성 성분으로서 흑연을 포함한다.
도 10을 참조하면, 단색 또는 칼라 형광체는 침전 또는 인쇄 공정에 의한 형광막(84)을 형성하기 위해 유리 기판(83) 상에 증착될 수 있다. 메탈백 층(85)은 일반적으로 형광막(84)의 내부 표면에 제공된다. 메탈백 층(85)은 전면판(86)을 향해 형광 물질로부터 방출된 광을 반사하는 미러로서 역할하여 휘도를 개선시킨다. 도한, 메탈백 층(85)는 전자 빔 가속 전압을 인가하기 위한 전극으로서 기능하며 실장시 발생하는 음 이온의 충돌에 기인한 손상으로부터 형광 물질을 보호한다. 메탈백 층(85)은 일반적으로 내부 표면의 평탄화 처리(통상 "필름밍(filming)"라 함)를 수행한 후 진공 증착 공정으로 형광막(84)의 내면 상에 알루미늄을 증착함으로써 형성된다.
전면판(86)에는 형광막(84)의 전도성을 증가시키기 위해 형광막(84)의 외부 면에 투명 전극(도면에 도시되지 않음)이 제공될 수 있다.
칼라 시스템에서, 칼라 형광체 및 전자 방출 소자는 봉합전에 정확하게 정렬되어야 한다.
도 10에 도시된 화상 형성 장치는 다음과 같이 제조된다. 도 15는 공정에 사용되는 장치의 개략적 도면이다. 화상 형성 장치(131)는 배기관(132)을 통해 진공 챔버(133)에, 게이트 밸브(134)를 통해 진공 시스템(135)에 연결되어 있다. 진공 챔버(133)는 압력계(136) 및 4극 질량 분석기(137)를 갖는데, 이는 대기중의 내압 및 성분의 부분 압력을 결정한다. 화상 형성 장치(131)의 엔빌로프(88)의 내부 압력을 직접 측정하는 것은 어렵기 때문에, 진공 챔버의 내부 압력이 처리 상태를 조절하기 위해 측정된다. 진공 챔버(133)는 진공 챔버내의 대기압를 제어하기 위해 필요한 가스를 유입시키는 가스 유입선(138)에 연결되어 있다. 가스 유입선(138)의 다른 단부는 재료가 유입될 공급원(140)에 연결되어 있다. 재료는 앰플(ampoule : 140a) 및 실린더(140b)에 비축되어 있다. 유입 조절 수단(139)은 재료의 유입율을 조절하기 위해 가스 유입선(138)에 제공된다. 유입 제어 수단으로서, 슬로우 리크 밸브(slow leak valve)와 같은 밸브가 누수 가스의 흐름율을 제어할 수 있고, 질량 흐름 제어기가 재료의 형태에 따라 사용될 수 있다.
엔빌로프(88)의 내부는 도 15에 도시된 장치를 사용하여 배기되어 형성 처리된다. 도 16을 참조하면, Y축 리드 라인(73)이 공통 전극(141)에 접속되고, 펄스 전압이 상기 장치들을 동시에 형성하기 위한 전원(142)으로부터 X축 리드 라인중 하나에 접속된 장치에 인가된다. 펄스 형태 및 처리 완료와 같은 형성 조건은 하나의 장치에 상기 기술된 방법에 따라 결정된다. 다른 위상을 갖는 펄스는 Y축 리드 라인에 접속된 장치가 동시에 형성 처리되도록 (스크롤링에 의해) Y축 리드 라인에 순차 인가될 수 있다. 도면에서, 도면 부호 143 및 144는 전류를 측정하기 위해 사용된, 저항 및 오실로스코프를 각각 나타낸다.
포밍 단계 다음으로 활성화 단계가 이어진다. 엔빌로프(88)는 완전히 배기된 다음, 가스 제거 유기 물질로 이루어진 가스가 공급원으로부터 가스 유입선(138)을 통해 유입된다. 전압이 유기 분위기에서 각 전자 방출 소자에 인가될 때, 탄소 및/또는 탄소 화합물이 상기 기술된 바와 같이 전자 방출 소자 상에 증착된다.
전자 방출 소자는 바람직하게 상기 기술된 단일 전자 방출 소자에서와 같이, 안정화 단계 처리된다. 엔빌로프(88)는 80℃ 내지 250℃의 온도를 유지하는 동안 이온 펌프 또는 흡착 펌프와 같은, 무오일 진공 유닛을 사용하여 배기관(132)을 통해 열처리 및 배기된다. 엔빌로프(88)가 완전히 배기된 후, 배기관(132)은 버너를 이용하여 봉입된다. 엔빌로프(88)는 밀봉 엔빌로프의 압력을 유지하기 위해 게터 처리(getter treatment)될 수 있다. 게터 처리에서, 엔빌로프에서의 소정 위치에 제공된 게터(도시되지 않음)는 증착에 의한 증착막을 형성하기 위해 엔빌로프(88)의 밀봉 전후 즉시 열처리된다. 게터는 일반적으로 바륨으로 구성되고, 증착막은 엔빌로프(88)에서의 대기압이 유지되도록 흡착 효과를 갖는다.
도 12는 간단한 매트릭스 배열을 갖는 전자 소스를 포함하여 디스플레이 패널을 구비한 NTSC 텔레비젼 디스플레이용 구동 회로의 블럭도이다. 회로도는 화상 디스플레이 패널(101), 스캐닝 회로(102), 제어 회로(103), 시프트 레지스터(104), 라인 메모리(105), 동기 신호 분리 회로(106), 변조 신호 발생기(107) 및 DC 전압원(Vx및 Va)를 포함한다.
디스플레이 패널(101)은 단자 Dox1내지 Doxm및 Doy1내지 Doyn, 및 고 전압 단자 Hv를 통해 외부 전기 회로에 접속되어 있다. 스캐닝 신호는 디스플레이 패널(101)에 제공된 전자 소스를 구동시키기 위해, 즉, 표면 전도형 전자 방출 소자의 매트릭스(m×n)의 각 라인(n 장치를 포함하여)을 연속적으로 구동시키기 위해 단자 Dox1내지 Doxm에 인가된다. 변조 신호는 각 전자 방출 소자로부터 출력된 전자 빔의 세기를 제어하기 위해 단자 Doy1내지 Doyn에 인가된다. 예를 들어 10kV의 DC 전압은 DC 전압원 Va를 통해 고 전압 단자 Hv에 인가된다. DC 전압은 전자 방출 소자로부터 방출된 전자빔을 형광체를 여기시킬수 있는 레벨까지 가속하는 가속 전압에 대응한다.
스캐닝 회로(102)는 도면에 개략적으로 도시된 바와 같이, m개의 스위칭 소자(S1내지 Sm)를 갖는다. 각 스위칭 소자는 DC 전압원 Vx로부터의 출력 전압 또는 접지 전압(0V)중 어느 하나를 선택하고, 스위칭 소자(S1내지 Sm)는 디스플레이 패널(101)에서, 단자 Dox1내지 Doxm에 각각 접속된다. 스위칭 소자 S1내지 Sm은 제어 회로(103)로부터 출력된 제어 신호 Tscan에 기초하여 동작한다. 각 스위칭 소자는 예를 들어 FET를 포함한다. DC 전압원 Vx는 전자 방출 소자의 특성에 기초하여, 스캐닝되지 않은 장치에 인가된 구동 전압이 전자 방출의 임계 전압보다 낮도록 일정 전압을 출력한다.
제어 회로(103)는 소정의 표시가 외부 화상 신호에 기초하여 얻어질 수 있도록 개별 유닛의 매칭을 제어한다. 제어 회로(103)는 동기 분리 회로(106)로부터 송신된 동기 신호 Tscan에 응답하여 제어 신호 Tscan, Tsft, 및 Tmry를 발생시킨다. 동기 분리 회로(106)는 전형적인 주파수 분리 회로(필터)를 포함하고, 외부 NTSC 텔레비젼 신호를 동기 신호 성분 및 휘도 신호 성분으로 분리한다. 동기 신호 성분은 수직 동기 신호와 수평 동기 신호를 포함하고, 본 발명에서는 "Tsync"로 표현된다. 휘도 신호 성분은 "DATA 신호"로 표현된다. DATA 신호는 시프트 레지스터(104)에 입력된다.
시프트 레지스터(104)는 화상의 각 라인에 대응하여 시간 별로 입력된 DATA 신호를 직렬 대 병렬 변환하고, 제어 회로(103)로부터 제어 신호 Tsft에 응답하여 동작한다. 다시 말해, 제어 신호 Tsft는 시프트 레지스터(104)용 시프트 클럭으로서 기능한다. 화상의 한 라인에 대응하는 직렬 대 병렬 변환 데이타는 n개 전자 방출 소자를 구동하기 위해 시프트 레지스터(104)로부터 n개 병렬 신호 Id1내지 Idn으로서 출력한다.
라인 메모리(105)는 제어 회로(103)로부터 송신된 제어 신호 Tmry의 제어 하에 화상의 한 라인에 대응하는 n 데이타 Id1내지 Idn을 일시적으로 기억한다. 기억 데이타는 Id'1내지 Id'n으로서 변조 신호 발생기(107)로 출력된다.
변조 신호 발생기(107)는 화상 데이타 Id'1내지 Id'n에 응답하여 전자 방출 소자를 구동하기 위한 출력 신호를 생성하고, 출력 신호는 단자 Doy1내지 Doyn을 통해 디스플레이 패널에서의 전자 방출 소자에 인가된다.
상기 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 방출 전류 Ie에 대해 다음 기본적인 특성을 갖는다. 전자 방출은 임계 전압 Vth보다 더 큰 전압이 장치에 인가될 때 일어나고, 방출 전류, 즉 전자 빔의 세기는 임계 전압 Vth보다 더 높은 전압에 따라 단조롭게 가변한다. 전자 방출은 임계 전압 Vth보다 더 낮은 인가 전압에서는 일어나지 않는다. 임계 전압 Vth보다 더 높은 펄스 전압이 인가될 때, 방출 전자 빔의 세기는 펄스 높이 Vm에 의해 제어된다. 전자 빔의 총량은 펄스 폭 Pw에 의해 제어된다.
입력 신호에 응답하는 전자 방출 소자용 변조 시스템은 예로 전압 변조 시스템 및 펄스 폭 변조 시스템을 포함한다. 전압 변조 시스템은 입력 데이타에 응답하여 선정된 길이를 갖는 전압 펄스의 높이를 변조시키는 전압 변조 회로를 포함하는 변조 신호 발생기(107)를 사용한다. 펄스 폭 변조 시스템은 입력 데이타에 응답하여 선정된 길이를 갖는 전압 펄스의 폭을 변조시키는 펄스 폭 변조 회로를 포함하는 변조 신호 발생기(107)를 사용한다.
시프트 레지스터(104) 및 라인 메모리(105)는 화상 신호의 직렬 대 병렬 변환이 선정된 시간 내에 수행되는 한, 디지털 신호형 또는 아날로그 신호형 어느 것이라도 좋다. 디지털 신호형 시프트 레지스터(104) 및 라인 메모리(105)가 사용될 때, 동기 분리 회로(106)로부터의 출력 신호 DATA는 동기 분리 회로(106)의 출력부에 제공되는 A/D 변환기를 사용하여 디지털화되어야 한다. 변조 신호 발생기(107)에서의 회로는 라인 메모리로부터의 디지털 신호 및 아날로그 신호 간에 부분적으로 차이가 있다. 예를 들어, 디지털 신호에 의한 전압 변조 시스템에서, 변조 신호 발생기(107)는 필요하다면 D/A 변환 회로 및 증폭 회로를 갖는다. 펄스 폭 변조 시스템에서, 변조 신호 발생기(107)는 고속 오실레이터, 오실레이터로부터 출력된 파형 수를 카운트하는 카운터, 및 카운트로부터의 출력 값과 메모리로부터의 출력 값을 비교하기 위한 비교기를 갖는다. 변조 신호 발생기(107)는 비교기로부터 펄스 폭 변조 신호를 표면 전도형 전자 방출 소자의 구동 전압까지 전압 증폭하기 위한 증폭기를 구비할 수 있다.
아날로그 신호에 의한 전압 변조 시스템에서, 변조 신호 발생기(107)는 필요하다면 연산 증폭기, 및 레벨 시프트 회로를 구비한다. 펄스 폭 변조 시스템에서, 변조 신호 발생기(107)는 전압 조절 오실레이터(VCO), 및 필요하다면 펄스 폭 변조 신호를 표면 전도형 전자 방출 소자의 구동 전압까지 전압 증폭하기 위한 증폭기를 구비한다.
본 발명에 따른 이러한 화상 형성 장치에서, 각 전자 방출 소자는 외부 단자 Dox1내지 Doxm및 Doy1내지 Doyn을 통해 장치에 인가된 전압에 응답하여 전자 빔을 방출한다. 전자 빔은 고 전압 단자 Hv를 통해 메탈백 층 전극(도시되지 않음)에 인가된 높은 전압에 의해 가속된다. 가속 전자 빔은 형광막(84)과 충돌하여 형광 화상을 형성한다.
화상 형성 장치의 구성의 다양한 변형은 본 발명의 기술적 개념의 범위내에서 유용하다. 예를 들어, 입력 신호는 PAL 시스템, SECAM 시스템, 또는 MUSE 시스템과 같은 더 많은 수의 스캐닝 라인을 갖는 고 화질 TV 시스템으로 이루어질 수 있다.
다음, 사다리형 전자 소스 및 화상 형성 장치가 도 13 및 14를 참조하여 기술된다. 도 13은 사다리형 전자 소스의 개략적 도면이다. 전자 소스는 전자 소스 기판(110), 전자 소스 기판(110) 상에 배열된 전자 방출 소자(111), 및 전자 방출 소자(111)에 접속된 공통 리드선(112)(Dx1내지 Dx10)을 포함한다. 전자 방출 소자(111)는 복수의 장치 배선을 형성하기 위해 수평(X축) 방향으로 직렬 배열된다. 그래서, 전자 소스는 복수의 수평 장치 배선을 구비한다. 각 장치 배선은 장치 배선에 접속된 두개의 공통 리드선에 인가되는 구동 전압에 의해 독립적으로 구동된다. 다시 말해, 전자 방출에 대한 임계 전압보다 높은 전압이 전자 빔의 방출을 필요로 하는 배선에 인가되는 반면, 임계 전압보다 낮은 전압은 전자 빔의 방출을 필요로 하지 않는 다른 배선에 인가된다. 장치 배선 간에 배치된 공통 리드선 Dx2내지 Dx9중에, 예를 들어 리드선 Dx2및 Dx3가 공통 리드선으로 대체될 수 있다.
도 14는 사다리형 전자 소스가 제공된 화상 형성 장치 패널의 개략적 도면으로, 도면 부호 120은 그리드 전극을 표현하고, 도면 부호 121은 전자의 통과를 허용하는 개구를 표현한다. 화상 형성 장치는 또한 외부 단자 Dox1, Dox2, ..., Doxm, 그리드 전극(120)에 접속된 외부 그리드 단자 G1, G2, ..., Gn, 및 전자 방출 소자용 단일 공통 전극이 구비된 전자 소스 기판(110)을 구비한다. 도 10 및 13과 동일한 기능을 갖는 부분은 동일 도면 부호로 지칭된다. 도 14에 도시된 화상 형성 장치는 전자 소스 기판(110) 및 전면판(86) 간에 그리드 전극(120)을 갖는다는 점에서 도 10에 도시된 단일 매트릭스 화상 형성 장치와는 기본적으로 다르다. 그리드 전극(120)은 전자 방출 소자(111)로부터 방출된 전자 빔을 변조한다. 각 그리드 전극(120)은 원형 개구(121)를 갖는다. 개구(121)의 수는 장치의 수와 동일하다. 전자 빔은 사다리형 장치 배선에 수직으로 제공되는 띠 전극을 향하여 개구(121)를 통과한다. 그리드의 형태 및 위치는 도 14에 도시된 것에 제한되지 않는다. 예를 들어, 그리드는 많은 개구 또는 통로를 갖는 메쉬(mesh)를 포함할 수 있다. 그리드는 전자 방출 소자의 주변 또는 근처에 배열될 수 있다.
외부 단자 Dox1, Dox2, ..., Doxm, 그리드 단자 G1, G2, ..., Gn은 제어 회로(도시되지 않음)에 접속된다. 본 실시예의 화상 형성 장치에서, 화상의 한 배선에 대응하는 일련의 변조 신호가 그리드 전극 행에 동기적으로 인가되는 동안 각 장치 배선은 구동되거나 스캐닝된다. 형광체는 방출 전자 빔으로 방사되어 화상의 한 배선에 대응하여 다양한 휘도를 갖는 형광을 유발한다.
본 발명에 따른 화상 형성 장치는 텔레비젼 방송, 텔레비젼 회의, 및 컴퓨터 시스템용 표시 장치, 및 감광성 드럼이 구비되는 광 프린터에 적용될 수 있다.
<실시예>
본 발명은 이제 아래의 실시예를 참조하여 더 상세히 설명된다. 본 발명은 이러한 실시예들에 의해 제한되지 않으며, 이 실시예들에 비추어 본 발명의 수정 및 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
제1 실시예
제1 실시예에 따른 전자 방출 소자는 도 1에 도시된 구조를 갖고 있다. 이 전자 방출 소자를 제조하는 방법이 도 17a 내지 17e, 18f 내지 18j, 및 19k 내지 19o를 참조하여 설명된다.
제1 단계) 도 17a를 참조하면, 절연 기판(1)인 석영 기판이 세정제, 순수 및 유기 용매로 철저히 세정된다. 도 17b를 참조하면, 스핀 코팅 공정으로 2500 rpm으로 40초 동안 절연 기판(1) 상에 레지스트(10)(히타치 케미칼 사의 RD-2000N)가 코팅된 다음, 80℃에서 25분 동안 프리 베이킹된다. 도 17c를 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같은 2 μm의 전극 간격 및 500 μm의 전극 폭(W)의 전극 패턴을 가진 마스크(11)가 레지스트(10)에 접촉된다. 레지스트(10)는 마스크(11)를 통해 노광된 후 RD-2000N을 위한 배타적 현상액으로 현상된다. 포스트 베이킹을 위해 절연 기판(1)이 120℃에서 20분 동안 가열된다. 도 17d를 참조하면, 저항 가열 증발 시스템에서 0.3 nm/sec의 피착 속도로 100 nm의 두께를 가진 니켈막(12)이 절연 기판 상에 피착된다. 도 17e를 참조하면, 리프트 오프 기술에 의해 아세톤으로 잔여 레지스트(10)가 그 위에 형성된 니켈막(12)과 함께 제거된 다음, 절연 기판(1)이 아세톤, 이소프로필 알콜로 세정된 후, 부틸 아세테이트로 세정되고, 그 후 건조된다. 이에 따라, 도 17e에 도시된 바와 같이, 절연 기판(1) 상에 2개의 전극(2, 3)이 형성된다.
제2 단계) 도 18f를 참조하면, 증착 공정에 의해 전체 기판 상에 50 nm 두께의 크롬막(13)이 형성된다. 도 18g를 참조하면, 스핀 코팅 공정에 의해 2500 rmp으로 30초 동안 절연 기판 상에 레지스트(14)(Hoechst AG에 의해 제조된 AZ1370)가 코팅된 다음, 90℃에서 30분 동안 프리 베이킹된다. 도 18h를 참조하면, 레지스트(14)가 도전막 패턴을 가진 마스크(15)를 통해 노광된다. 도 18i를 참조하면, 현상액 MIF312로 레지스트(14)가 현상된다. 도 18j를 참조하면, 17g의 NH4Ce(NO3)6, 5 ml의 HClO4, 및 100 ml의 H2O를 함유하는 용액에 30초 동안 기판을 담금으로써 크롬막(13)이 에칭된다. 도 19k를 참조하면, 기판은 레지스트를 제거하기 위하여 아세톤 속에서 10분 동안 초음파로 교반(agitated)된다.
도 19i를 참조하면, 800 rmp으로 30분 동안 스핀 코팅 공정에 의해 기판 상에 유기 팔라듐 화합물(오꾸노 케미칼 공업사에 의해 제조된 ccp4230)이 코팅된 다음, 7 nm의 평균 입자 크기를 가진 팔라듐 산화물(PdO)로 구성된 미립자 도전막(4)을 전극들(2, 3) 사이에 형성하기 위하여 300℃에서 10분 동안 베이킹된다. 도전막(4)은 10 nm의 두께와 (시트당) 5×104Ω의 시트 저항을 갖는다.
도 19m에 도시된 바와 같이 도전막(4)을 형성하기 위하여 리프트 오프 기술로 크롬막(13)이 제거된다.
제3 단계) 도 6 및 7에 도시된 진공 처리 시스템의 진공 챔버(55) 안에 소자가 배치된 다음, 진공 펌프(자기 부상형 터보 펌프 64)에 의해 배기된다. 도 19n을 참조하면, 진공 챔버 내의 압력이 약 2.7×10-6Pa에 도달한 후, 도 4b에 도시된 바와 같은 펄스 소자 전압(Vf)이 전원(51)을 통해 전극들(2, 3) 사이에 인가된다. 도 19o를 참조하면, 통전 처리(포밍 처리)에 의해 도전막(4)에 크랙(6)이 형성된다.
이 예에서, 펄스 소자 전압(Vf)은 1 msec의 펄스폭과 10 msec의 펄스 간격(T2)을 가진다. 펄스 높이는 포밍 단계 동안 0.1V의 증분에 의해 증가된다. 포밍 단계에서, 소자의 저항을 측정하기 위하여 펄스 간격(T2) 내에 0.1V 펄스가 삽입된다. 저항이 약 1 MΩ 이상에 이를 때, 포밍 처리가 종료된다. 포밍 전압(VF)은 약 5V이다. 포밍 처리에 의해 형성된 크랙(6)의 폭은 약 150 nm이다.
도 7에서 아세톤이 니들 밸브(59)를 통해 진공 챔버(44) 안으로 유입된다. 진공 압력은 약 1.3×10-3Pa이다. 진공 챔버(55) 내 산소의 부분 압력은 검출 한계(1.3×10-8Pa)보다 낮다. 도 5a에 도시된 펄스 전압이 활성화를 위해 전극들(2, 3) 사이에 인가된다. 펄스는 100 μsec의 폭과 10 msec의 간격(T2) 및 14V의 펄스 높이를 가진다. 진공 챔버는 약 1.3×10-6Pa로 배기된다.
진공 챔버(55) 안으로 아세톤이 유입되기 전에, 공급원인 아세톤 함유 앰플(58)은 아래와 같이 도 7에 도시된 장치를 사용하여 결빙 융해법으로 용존 가스가 제거된다. 파이렉스 유리 앰플(58) 안으로 기시다 케미칼 사에서 제조된 순도 99.5%의 아세톤 20 ml가 유입되고, 앰플(58)은 도 7에 도시된 바와 같이 니들 밸브(59)에 연결된다. 가스 제거는 다음과 같이 실시된다.
A. 제2 밸브(62)가 폐쇄된다(니들 밸브(59) 및 제1 밸브(61)는 이미 폐쇄되어 있다).
B. 앰플(58) 내의 아세톤이 액체 질소(60)에 의해 결빙된다.
C. 제2 밸브(62)가 완전히 개방되며, 앰플(58)은 무오일 건식 펌프에 의해 20분 동안 배기된다.
D. 제2 밸브(62)가 폐쇄된다.
E. 아세톤이 실온으로 가열되어 녹는다.
F. B 내지 E 과정이 두세번 반복된다.
활성화 단계 후 소자 전류(If)는 3 mA이다. 그 다음, 니들 밸브(59)가 폐쇄되고, 진공 챔버 및 소자가 진공에서 200℃에서 12시간 동안 가열된다. 실온으로 냉각된 후 진공 챔버의 압력은 약 1×10-6Pa이다.
이렇게 얻은 전자 방출 소자의 특성을 1 kV의 양극 전압 및 4 mm의 양극과 전자 방출 소자간의 간격(H)에서 측정하였다. 소자 전류(If)는 2 mA이고, 방출 전류(Ie)는 14V의 소자 전압(Vf)에서 1.2 μA이었다. 따라서, 전자 방출 효율 η(=Ie/If)는 0.06%이었다.
제2 실시예
포밍 처리후 소자는 활성화 단계로서 벤조니트릴 함유 분위기에서 통전 처리된다. 앰플 내에 함유된 순도 99%의 벤조니트릴(20ml)(기시다 케미칼 사 제조)은 아래와 같이 도 20에 도시된 장치를 사용한 결빙 융해법으로 용존 가스가 제거된다.
A. 니들 밸브(159)가 닫힌다.
B. 스테인레스 스틸 앰플(158) 내의 벤조니트릴이 액체 질소(160)에 의해 결빙된다.
C. 니들 밸브(159)가 완전히 개방되고, 앰플(158)이 자기 부상형 터보 펌프(164)를 사용하여 20분 동안 배기된다.
D. 니들 밸브(159)가 닫힌다.
E. 벤조니트릴이 실온으로 가열되어 녹는다.
F. 과정 B 내지 E가 두세번 반복된다.
니들 밸브(159)를 가진 벤조니트릴 함유 앰플(158)은 가스 제거 장치와 분리되어 도 7에 도시된 진공 처리 시스템에 부착된다. 진공 챔버 뒤에, 가스 라인과 사각 지대가 진공 챔버 내의 진공 압력이 약 1×10-5Pa에 도달할 때까지 자기 부상형 터보 펌프에 의해 철저히 배기된다.
포밍 처리후, 니들 밸브가 닫혀 벤조니트릴 증기가 소자가 들어 있는 진공 챔버 안으로 유입되며, 진공 챔버는 자기 부상형 터보 펌프에 의해 배기되어, 니들 밸브를 조절함으로써 진공 압력이 약 1×10-4Pa로 유지된다.
4극 질량 분석기에 따른 진공 챔버 내 산소 및 질소의 부분 압력은 각각 1×10-9Pa 이하 및 1×10-8Pa 이하이다.
도 5b에 도시된 바와 같은 사각 전압이 한 시간 동안 전극들(2, 3) 사이에 인가된다. 이 전압의 펄스폭(T1)과 펄스 간격(T2)은 각각 1 msec 및 10 msec이다. 사각 전압의 펄스 높이는 14V이다. 활성화 단계 후의 소자 전류(If)는 6 mA이다. 그 다음, 니들 밸브가 닫히고, 진공 챔버 및 소자가 진공에서 200℃에서 12시간 동안 가열된다. 실온으로 냉각된 후 진공 챔버의 압력은 약 1×10-6Pa이다.
소자 전류(If) 및 방출 전류는 제1 실시예에서와 같이 측정되었다. 소자 전류(If)는 14V의 소자 전압(Vf)에 대해 4 μA이었다. 따라서, 전자 방출 효율 η는 0.1%이었다.
제1 비교예
전자 방출 소자가 용존 가스가 제거되지 않은 아세톤을 사용하는 제1 실시예에서와 같이 평가되었다.
활성화 단계후 소자 전류(If)는 2 mA이다. 소자 전류와 방출 전류는 제1 실시예에서와 같이 측정되었다. 소자 전류(If)는 1.5 mA이고, 방출 전류(Ie)는 14V의 소자 전압(Vf)에 대해 0.2 μA이다. 따라서, 전자 방출 효율은 0.013%이다.
제2 비교예
제1 실시예에서와 같이 용존 가스가 제거된 벤조니트릴을 함유하는, 니들 밸브를 갗춘 앰플이 도 20에 도시된 가스 제거 장치로부터 제거된다. 니들 밸브는 2초 동안 대기에 개방된 후 폐쇄된다. 다음 처리는 제1 실시예에서와 같이 실시된다.
진공 챔버 내 산소 및 질소의 부분 압력은 각각 1×10-7Pa 및 5×10-7Pa이다.
소자 전류 및 방출 전류는 제1 실시예에서와 같이 측정된다. 소자 전류(If)는 1.5 mA이고, 방출 전류는 14V의 소자 전압(Vf)에 대해 0.2 μA이다. 따라서, 전자 방출 효율은 0.013%이다.
제3 실시예
기판상에 형성된 복수의 전자 방출 소자 라인을 포함하는 도 13에 도시된 사다리형 전자 소스 기판(110)를 사용하여 도 14에 도시된 화상 형성 장치가 제조된다. 한 쌍의 전극(2, 3)과 이들 사이에 형성된 도전막(14)을 각각 구비한 소자들(111)(도 19m 참조)이 제1 실시예에서와 같이 준비된다.
전자 소스 기판(110)은 도 14에 도시된 배면판에 고정되고, 개구(121)를 가진 그리드 전극(변조 전극)이 전자 소스 기판(110)상의 공통 리드 라인(112)에 수직으로 배치된다.
전면판(86)(내부면에 형광막과 메탈백 층이 형성된 유리 기판)이 프레임(82)에 의해 전자 소스 기판(110)의 전자 방출 소자상에 정확히 정렬되어, 전면판(84)은 전자 방출 소자로부터 5 mm 떨어진다. 프릿 유리가 전면판(86), 프레임(82) 및 배면판(81) 사이의 접속부에 부착되고, 430℃에서 10분 이상 동안 용융되어 접속부를 밀봉한다. 전자 소스 기판(110)은 프릿 유리를 사용하여 배면판(81)에 고정된다.
도 11a에 도시된 바와 같이, 형광막(84)은 칼라 화상 형성 장치를 위해 띠형 패턴을 가진다. 흑색 띠(91a)가 형성되고, 칼라 형광체(92)가 흑색 띠들(91a) 사이의 틈새에 부착된다. 흑색 띠(91a)는 주성분으로 흑연을 포함한다.
형광막(84)의 내면을 평탄화(필름밍)한 후 그 위에 진공 증착 공정으로 알루미늄을 증착하여 메탈백 층(85)이 형광막(84)의 내면상에 형성된다.
메탈백 층(85)은 본 실시예에서 높은 전도성을 갖기 때문에 형광막(84)의 전도성을 향상시키는 투명 전극이 형광막(84)의 외측면상에 형성되지 않는다.
이렇게 얻은 유리 용기(엔빌로프)는 진공 펌프에 의해 배기 튜브(도시되지 않음)를 통해 충분한 진공 압력으로 배기된다. 도 19o에 도시된 바와 같이, 소자의 도전막(4)에 크랙(6)을 형성하기 위해 외부 단자(Dox1내지 Doxm)를 통해 각 소자의 전극(2, 3) 사이에 전압이 인가된다. 포밍 조건은 제1 실시예에서와 같다.
유리 용기 안으로, 제1 실시예에서와 같이 가스가 제거된 1.3×10-2Pa의 아세톤이 유입된 후, 활성화를 위해 외부 단자(Dox1내지 Doxm)를 통해 각 소자의 전극들(2, 3) 사이에 전압이 인가된다. 탄소 화합물이 각 소자상에 피착된다. 유리 용기는 아세톤을 제거하기 위하여 약 6.7×10-5Pa의 진공 압력으로 배기되고, 배기 튜브(도시되지 않음)가 밀봉된 후 가스 버너에 의해 절단된다. 밀봉된 유리 용기는 고진공을 유지하기 위해 무선 주파수 가열 처리에 의해 게터링 처리된다.
이렇게 얻은 화상 형성 장치에서, 전자를 방출하기 위하여 외부 단자(Dox1내지 Doxm)를 통해 전자 방출 소자에 전압이 인가된다. 방출된 전자는 변조 전극(120)의 개구(121)를 통과하여, 고전압 단자(Hv)로부터 메탈백 층(85)에 인가된 수 kV 이상의 고전압에 의해 가속되고, 형광막(84)과 충돌하여 광을 방출시킨다. 화상 신호에 응답하여 개구(121)를 통과하는 전자 빔을 제어하기 위하여 외부 단자(G1내지 Gn)를 통해 변조 전극(120)에 전압이 동시에 인가된다.
본 실시예에서, 변조 전극(120)은 50 μm 직경의 개구를 갖고 있으며 전자 방출 소자(110)로부터 10 μm 떨어진 위치에 배치되고, SiO2절연층(도시되지 않음)이 변조 전극과 전자 소스 기판(110) 사이에 배치된다. 6 kV의 가속 전압이 인가될 때, 전자 빔의 온/오프 모드는 50V의 변조 전압 안에서 제어 가능하다.
제4 실시예
본 실시예에서는, 도 9에 도시된 바와 같이 간단한 매트릭스 형태로 배열된 전자 방출 소자를 포함하는 전자 소스 기판을 사용하여 도 10에 도시된 화상 형성 장치가 제조된다. 도 21은 전자 소스 기판의 부분 평면도이다. 도 22는 도 21에서 XXII-XXII 라인을 따라 취한 단면도이다. 도 23a 내지 23d 및 24e 내지 24h는 전자 소스 기판의 제조 단계를 나타낸다. 이 도면에서, 도면 부호 71은 전자 소스 기판을 나타내고, 72는 도 9에서 라인 Dxm에 대응하는 X축 리드 라인(또는 하부 라인)을, 73은 도 9에서 라인 Dyn에 대응하는 Y축 리드 라인(또는 상부 라인)을 나타낸다. 도면 부호 151은 층간 절연층을, 152는 전극(2)과 하부 리드 라인(72)을 전기적으로 접속시키기 위한 접촉 구멍을 나타낸다.
전자 소스 기판은 X축 리드 라인(72)상에 300개의 전자 방출 소자를 가지며, Y축 리드 라인(73)상에 100개의 전자 방출부를 가진다.
이제, 전자 소스 기판을 제조하기 위한 방법이 도 23a 내지 23d 및 24e 내지 24h를 참조하여 설명된다. 아래의 단계 A 내지 H는 도 23a 내지 23d 및 24e 내지 24h에 도시된 단계에 대응한다.
단계 A) 기판(71)을 형성하기 위하여 스퍼터링 공정에 의해 0.5 μm 두께의 실리콘 산화막이 2.8 mm 두께의 청색 판유리상에 형성된다. 그 위에 5 nm 두께의 크롬 및 600 nm 두께의 금이 피착된다. Hoechst AG 사에 의해 제조된 포토레지스트 AZ1370이 스핀 코팅에 의해 코팅되고 베이킹된 후, 포토마스크를 통해 노광된 다음 현상되어 하부 리드 라인(72)을 위한 레지스트 패턴이 형성된다. 금-크롬 막이 습식 공정에 의해 에칭되어 선정된 패턴을 가진 하부 리드 라인(72)이 형성된다.
단계 B) 그 위에 0.1 μm 두께의 실리콘 산화물 층간 절연층(151)이 RF 스퍼터링 공정에 의해 피착된다.
단계 C) 그 위에 포토레지스트 패턴이 형성된 다음, 가스 CH4및 H2를 사용하는 RIE 공정에 의해 마스크로서 포토레지스트 패턴을 사용하여 층간 절연층(151)이 에칭되어, 층간 절연층(151)에 접촉 구멍(152)이 형성된다.
단계 D) 그 위에 전극을 형성하기 위한 개구를 가진 포토레지스트 패턴이 히타치 케미칼 사에 의해 제조된 포토레지스트 RD-2000N-41을 사용하여 형성된다. 5 nm 두께의 티타늄 및 100 nm 두께의 니켈이 그 위에 피착된다. 유기 용매에 의해 포토레지스트 패턴이 제거되어 전극(2, 3)이 형성된다. 이렇게 얻은 전극(2, 3)은 5 μm의 전극 간격(L) 및 300 μm의 폭(W)을 갖는다.
단계 E) 그 위에 리드 라인(73)을 형성하기 위한 개구를 가진 포토레지스트 패턴이 형성된다. 5 nm 두께의 티타늄 및 500 nm 두께의 금이 그 위에 피착된다. 유기 용매에 의해 포토레지스트 패턴이 제거되어 리드 라인(73)이 형성된다.
단계 F) 그 위에 100 nm의 패터닝된 크롬막이 진공 증착 공정에 의해 도전막(4)을 형성하기 위한 개구를 가진 마스크를 통해 피착된다. 그 위에 스핀 코팅 공정에 의해 유기 팔라듐(오꾸노 케미칼 사에 의해 제조된 ccp4230)이 코팅되고 300℃에서 10분 동안 베이킹되어 미립자 PdO로 구성된 도전막(4)이 형성된다. 도전막(4)은 10 nm의 두께 및 시트당 5×104Ω의 시트 저항을 갖는다.
단계 G) 크롬막(153)이 산 에천트를 사용하여 습식 에칭되어 선정된 형상을 가진 도전막(4)이 형성된다.
단계 H) 접촉 구멍(152)과 다른 부분을 커버하기 위하여 레지스트막이 형성된다. 그 위에 접촉 구멍(152)을 채우기 위하여 진공 증착 공정에 의해 5 nm 두께의 티타늄 및 500 nm 두께의 금이 피착된다. 접촉 구멍과 다른 부분에 있는 티타늄-금 막은 리프트 오프 공정에 의해 제거된다.
이에 따라, 기판(71) 상에는 하부 리드 라인(72), 층간 절연막(161), 상부 리드 라인(73), 전극(2, 3) 및 도전막(4)이 형성된다.
상기 제조 단계에 의해 제조되어 매트릭스 형태로 배열된 복수의 합성막(4)을 구비한 전자 소스 기판(71)(도 21)을 사용하여 화상 형성 장치가 제조된다. 제조 과정이 이제 도 10 및 11을 참조하여 설명된다.
매트릭스 형태(도 21)로 배열된 복수의 합성막(4)을 구비한 전자 소스 기판(71)이 배면판(81) 위에 고정된다. 프레임(82)을 가진 전면판(86)이 전자 방출부(71) 상에 정확히 정렬되는데, 전면판(86)은 유리 기판(83)을 포함하며, 형광막(84)과 메탈백 층(85)은 유리 기판(83)의 내면에 형성되어 있다. 프릿 유리가 전면판(86), 프레임(82) 및 배면판(81) 사이의 접속부에 부착된 후 공기 중에서 430℃에서 10분 이상 동안 베이킹된다. 또한, 프릿 유리는 배면판(81) 및 전자 소스 기판(71)의 접속을 위해 사용된다.
형광막(84)은 칼라 화상 형성 장치를 위해 도 11a에 도시된 바와 같이 띠형 패턴을 갖는다. 흑색 띠(91a)가 형성되고, 흑색 띠들(91a) 사이의 틈새에 칼라 형광체(92)가 부착된다. 흑색 띠(91a)는 주성분으로서 흑연을 포함한다.
형광막(84)의 내면을 평탄화(필름밍)하고 진공 증착 공정에 의해 그 위에 알루미늄을 증착함으로써 형광막(84)의 내면상에 메탈백 층(85)이 형성된다.
본 실시예에서 메탈백 층(85)은 높은 전도성을 가지므로, 형광막(84)의 전도성을 향상시키는 어떠한 투명 전극도 형광막(84)의 외면상에 형성되지 않는다.
이렇게 얻은 엔빌로프(88)는 진공 펌프에 의해 배기 튜브(도시되지 않음)를 통해 1.3×10-4Pa의 압력으로 배기된다. 외부 단자(Dox1내지 Doxm및 Doy1내지 Doyn)를 통해 각 소자의 전극들(2, 3) 사이에 전압이 인가되어 포밍 처리에 의해 전자 방출부(5)를 형성한다. 포밍 조건은 제1 실시예에서와 같다.
전자 방출부(5)는 3 mm의 평균 입자 직경을 가진 분산 팔라듐 입자로 구성된다.
제1 실시예에서와 같이 가스가 제거된 1.3×10-1Pa의 아세톤이 제2 실시예에서와 같이 엔빌로프(88) 안으로 유입된 다음, 활성화를 위해 외부 단자(Dox1내지 Doxm및 Doy1내지 Doyn)를 통해 각 소자의 전극들(2, 3) 사이에 전압이 인가된다. 탄소 화합믈이 각 소자상에 피착된다. 엔빌로프(88)는 아세톤을 제거하기 위하여 배기된 후 120℃에서 10시간 동안 베이킹된다. 배기 튜브(도시되지 않음)가 밀봉된 후 가스 버너에 의해 절단된다. 밀봉된 엔빌로프(88)는 고진공을 유지하기 위하여 무선 주파수 가열 공정에 의해 게터링 처리된다.
이렇게 얻은 디스플레이 패널에서, 외부 단자(Dox1내지 Doxm(m=100) 및 Doy1내지 Doyn(n=300)) 및 고전압 단자(Hv)는 화상 형성 장치를 완성하기 위하여 대응하는 구동 시스템에 접속된다. 전자를 방출하기 위하여 외부 단자(Dox1내지 Doxm(m=100) 및 Doy1내지 Doyn(n=300))를 통해 전자 방출 소자에 스캐닝 신호 및 변조 신호가 인가된다. 방출된 전자는 고전압 단자(Hv)에서 메탈백 층(85)으로 인가된 수 kV 이상의 고전압에 의해 가속되어 형광막(84)과 충돌하여 광을 방출시킨다.
본 실시예의 화상 형성 장치는 얇은 디스플레이 패널을 사용하므로 작은 깊이를 가진다. 형성된 전자 방출 소자는 균일한 전자 방출 특성을 가지므로, 형성되는 화상은 고화질 및 고선명도를 가진다.
전술한 바와 같이, 전자 방출 소자상에 탄소 또는 탄소 화합물로 구성된 박막을 형성하는 단계 전에 유기 물질 내의 불순물이 미리 제거되므로, 우수한 전자 방출 특성을 가진 전자 방출 소자가 안정적으로 제조될 수 있다.
본 방법에 따른 화상 형성 장치는 휘도가 불균일하거나 감소되지 않는다. 따라서, 평면 칼라 텔레비젼과 같은 고화질의 화상 형성 장치가 얻어진다.
본 발명은 현재 바람직한 실시예라고 생각되는 것을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 국한되는 것은 아니다. 이와 반대로, 본 발명은 첨부된 청구 범위의 사상 및 영역 안에 포함된 다양한 변형 및 균등물을 커버하는 것으로 의도된다. 아래의 청구 범위의 영역은 가장 넓게 해석되어야 하며 모든 변형, 및 균등 구조 및 기능을 포함한다.

Claims (13)

  1. 한 쌍의 전극 사이에 배치된 전자 방출부를 구비한 도전막을 포함하는 전자 방출 소자를 제조하는 방법에 있어서,
    유기 물질 내의 불순물을 제거하는 제거 단계; 및
    상기 유기 물질을 함유하는 분위기에서 상기 전극을 통해 상기 도전막에 전압을 인가하는 전압 인가 단계
    를 포함하는 전자 방출 소자 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제거 단계는
    상기 전압 인가 단계를 실시하기 위하여 상기 유기 물질의 공급원으로부터 처리 유닛으로 상기 유기 물질이 유입될 때 상기 유기 물질 내에 함유된 대기 성분을 제거하는 단계를 포함하는 전자 방출 소자 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유기 물질 내에 함유된 대기 성분은 결빙 융해법(freeze and thawing method)으로 제거되는 전자 방출 소자 제조 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 유기 물질은 상기 유기 물질 내에 함유된 대기 성분이 제거된 후에 공기와의 접촉 없이 상기 처리 유닛 안으로 유입되는 전자 방출 소자 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제거 단계는
    상기 전압 인가 단계를 실시하기 위하여 상기 유기 물질의 공급원으로부터 처리 유닛으로 상기 유기 물질이 유입될 때 상기 유기 물질 내에 함유된 산소를 제거하는 단계를 포함하는 전자 방출 소자 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유기 물질 내에 함유된 산소는 결빙 융해법으로 제거되는 전자 방출 소자 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 유기 물질은 상기 유기 물질 내에 함유된 산소가 제거된 후에 공기와의 접촉 없이 상기 처리 유닛 안으로 유입되는 전자 방출 소자 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제거 단계는
    상기 전압 인가 단계를 실시하기 위하여 상기 유기 물질의 공급원으로부터 처리 유닛으로 상기 유기 물질이 유입될 때 상기 유기 물질 내에 함유된 질소를 제거하는 단계를 포함하는 전자 방출 소자 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 유기 물질 내에 함유된 질소는 결빙 융해법으로 제거되는 전자 방출 소자 제조 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 유기 물질은 상기 유기 물질 내에 함유된 질소가 제거된 후에 공기와의 접촉 없이 상기 처리 유닛 안으로 유입되는 전자 방출 소자 제조 방법.
  11. 적어도 하나의 전자 방출 소자와, 상기 전자 방출 소자로부터 방출된 전자들에 의해 화상을 형성하기 위한 화상 형성 부재를 포함하는 화상 형성 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 전자 방출 소자는 청구항 1에 따른 방법으로 제조되는 화상 형성 장치 제조 방법.
  12. 한 쌍의 전극과, 상기 전극들 사이에 배치된 전자 방출부를 구비한 도전막을 포함하는 전자 방출 소자를 제조하기 위한 장치에 있어서,
    한 쌍의 전극과, 상기 전극들 사이에 배치된 도전막을 포함하는 기판을 수용하기 위한 용기(container);
    상기 용기를 배기시키기 위한 제1 배기 수단;
    상기 전극들 사이에 전압을 인가하기 위한 전압 인가 수단;
    공급원으로부터 상기 용기로 증발된 유기 물질을 공급하기 위한 가스 공급 수단; 및
    상기 공급원의 내부를 배기시키기 위한 제2 배기 수단
    을 포함하는 전자 방출 소자 제조 장치.
  13. 한 쌍의 전극과, 상기 전극들 사이에 배치된 전자 방출부를 구비한 도전막을 포함하는 전자 방출 소자를 제조하기 위한 장치에 있어서,
    한 쌍의 전극과, 상기 전극들 사이에 배치된 도전막을 포함하는 기판을 수용하기 위한 용기;
    상기 용기를 배기시키기 위한 배기 수단;
    상기 전극들 사이에 전압을 인가하기 위한 전압 인가 수단;
    공급원으로부터 상기 용기로 증발된 유기 물질을 공급하기 위한 가스 공급 수단; 및
    상기 용기를 통하지 않고 상기 배기 수단으로부터 상기 공급원의 내부를 배기시키기 위한 가스 배기관
    을 포함하는 전자 방출 소자 제조 장치.
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