KR20010020673A - 전자방출원의 제조방법 및 전자방출원 - Google Patents

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KR20010020673A
KR20010020673A KR1020000014601A KR20000014601A KR20010020673A KR 20010020673 A KR20010020673 A KR 20010020673A KR 1020000014601 A KR1020000014601 A KR 1020000014601A KR 20000014601 A KR20000014601 A KR 20000014601A KR 20010020673 A KR20010020673 A KR 20010020673A
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다키카와히로후미
이토시게오
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니시무로 아츠시
후다바 덴시 고교 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 제조가 용이하고 전자방출특성에 우수한 전자방출원의 제조방법 및 전자방출원을 제공하는 것.
(해결수단) 쳄버(101)를 압력 1Pa의 He 분위기로 하여, 직류 100A의 아크전류를 흐르게 하여 1초간 아크방전시켜 음극(102)을 극소적으로 가열시키면, 음극(102)을 구성하는 음극재료가 비산하여, 표면에 다수의 카본나노튜브가 형성된 카본입자가 생긴다. 상기 카본입자를 수집하여 전자방출원의 이미터로서 사용한다.

Description

전자방출원의 제조방법 및 전자방출원{METHOD OF PREPARING ELECTRON EMISSION SOURCE AND ELECTRON EMISSION SOURCE}
본 발명은 전자방출원의 제조방법 및 이로 인하여 제조한 전자방출원에 관한 것이다.
전계(전자)방출원은, 열에너지를 이용하는 전자원(열전자방출원)에 비하여, 에너지절약형으로 수명 장기화가 가능하는 등, 우수한 점이 많다. 현재 잘 사용되고 있는 전계방출원의 재료로서는, 실리콘(Si) 등의 반도체, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등의 금속 Diamond-Like Carbon(DLC) 등이 알려져 있다.
전계방출현상은, 금속 또는 반도체표면의 인가전계를 109V/m 정도로 하면 터널효과에 의하여 장벽을 통과하여 상온에서도 진공중에 전자방출이 행해진다. 이 때문에 이미션부(이하 이미터라 함)에 인출전극부(이하 게이트전극부라 함)로부터, 어떤 방법으로 높은 전계를 거는가가 그 인출전류를 결정한다. 이 때문에 이미터가 예리한 선단을 가질수록 그 이미터에 인가되는 전계강도가 높게 되는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 상기의 반도체, 금속의 전자방출부의 선단을 예리한 침상으로 가공하는 것이 필요하게 된다.
또, 전계방출을 안정되게 행하기 위해서, 그의 동작분위기를 10-8Torr 이상의 고진공으로 유지할 필요가 있다. 이 점에서, 최근 카본나노튜브가 전계방출원재료로서 주목되어 가는 형편이다. 카본나노튜브는 그 외경이 10∼수 10nm, 길이가 수 ㎛로 형상적으로는 저전압으로 전계방출을 행하게 함에 충분한 구조형태를 갖고, 그 재료인, 카본은 화학적으로 안정, 기계적으로도 강인하다는 특징을 갖기 때문에, 전계방출원으로서는 이상적인 재료이다.
종래의 카본나노튜브의 제조방법으로서는, 일본특개평 6-280116호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 압력 200Torr∼2,500Torr의 He 등의 고압가스분위기중에서, 카본직류(DC) 아크방전에 의하여 음극의 카본전극에 카본나노튜브를 함유한 카본퇴적물을 만드는 방법이 있다. 카본나노튜브는, 상기 카본퇴적물의 무정형탄소의 껍질(셸(Shell))의 내부(코어(Core))에 집적된 묶음으로 되어 형성되어 있고, 통상은 이 코어를 초음파 분산시켜, 필터 등으로 카본나노튜브 등을 추출분급하여 채집한다.
상기 종래의 카본나노튜브의 제조방법에 있어서는, DC 아크방전에 의한 음극의 카본퇴적물로부터 카본나노튜브를 채집하기 때문에, 카본나노튜브의 채집율이 극히 낮고, 또 그의 제조방법도 복잡하게 된다라는 문제가 있었다. 따라서, 상기와 같이 하여 얻어진 카본나노튜브는 극히 고가이고, 이를 사용하여 전자방출원을 제조하는 것은, 코스트적으로도 채산이 맞지 않는다는 문제점이 있었다.
또, 종래의 카본나노튜브를 전자방출원으로서 실장하는 공정으로서는 카본나노튜브를 페이스트화하여 소정 전극상에 인쇄형성하는 시도도 행해지고 있지만, 인쇄페이스트의 용제의 점도, 첨가물 때문에 인쇄후의 카본나노튜브는 기판에 따라 넘어져 있는 것이 대부분이고, 이 때문에 유효한 전계방출효과를 얻을 수 없고, 인출전압이 높고, 인출전류가 작은 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 제조가 용이하고, 전자방출특성에 우수한 전자방출원의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
또, 본 발명은, 전자방출특성에 우수하고 동시에 기판에의 실장이 용이하고 제조가 용이한 전자방출원을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 전자방출원의 제조방법에 사용하는 장치의 개략도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 제조방법에 의하여 생성된 카본입자를 나타내는 주사전자현미경사진,
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 제조방법에 의하여 생성된 카본입자를 투과형 전자현미경에 의하여 관찰한 사진의 부분도,
도 4는 본 발명 실시형태에 관한 전자방출원을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 전자방출원의 제조방법에 사용하는 장치의 개략도,
도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 제조법에 의하여 제조된 기판의 주사전자현미경사진,
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 제조법에 의하여 제조된 기판의 확대된 주사전자현미경사진,
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 전자방출원의 제조방법을 설명하기 위한 부분측단면도,
도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 전자방출원의 제조방법을 설명하기 위한 부분측단면도.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
101, 501: 쳄버 102, 502: 음극
104: 글라스제 기판
402, 802, 902: 제1의 전극으로서의 캐소드전극
403, 803: 저항층 404, 804: 절연층
405, 805, 905: 제2의 전극으로서의 게이트전극
406, 808: 오목부 506: 기판고정대
800: 기판으로서의 전자방출원용 기판
806: 리프트오프막 904: 이미터
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명에 의하면 소정가스압 10Torr로부터 10-6Torr의 분위기중에서, 그래파이트 또는 소정의 촉매금속을 함유하는 그래파이트로 이루어지는 고체 또는 분말재료를 플라즈마중 고온순간 가열함으로서, 카본을 단원자레벨로 분해하고, 다시 결정핵을 중심으로 카본나노튜브, 나노캡슐 혹은 플라렌이 재결정화된다.
이 때문에, 상기 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물을 포함하는 탄소계 물질, 혹은 그 표면에 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌중의 적어도 하나가 성장한 카본미립자를 포함하는 탄소계 물질이 생성한다. 상기 탄소계 물질은 전계의 작용에 의하여 전자를 방출하는 전자방출재료로서 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전자방출재료를 이미터로서 복수의 전극간에 배열설치하여 이루는 전자방출원의 제조방법에 있어서, 상기와 같이 얻어진 상기 전자방출재료를 절연체, 반도체 또는 금속체로 이루어지는 기판상에 피착시켜, 이미터로서 사용하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 전자방출원이 제공된다.
소정의 가스압 10Torr로부터 10-6Torr의 분위기중에서의 고온순간가열방법에서는 진공아크방전법, 진공열플라즈마법, 레이저애브레이션(abrasion=마멸)법이, 더욱더 보조가열로서, 저항가열이나 레이저가열, 램프가열이 있다.
여기서 진공아크방전법이란, 음극아크 및 양극아크를 포함하고 있는 것이고, 더욱더 이들은 직류, 교류, 단발펄즈 및 반복펄즈전류아크형이 이용된다. 종래의 아크방전법은 열적으로 압축된 양광주(陽光柱)를 갖고, 양극, 음극 모두 활성으로서, 그 표면에 전극점을 갖는다.
이에 대하여 진공아크방전법은 확산방전이라고도 불리우는 것으로, 일반으로, 음극만 활성이고, 음극점은 존재하지만, 양극점이나 양광주는 존재하지 않는다. 다만, 양극을 음극에 비하여 상당히 작게 하면, 양극점이 형성되어 양극아크로 된다. 이에 대하여 음극진공아크플라즈마법은 그래파이트 또는 소정의 촉매금속을 함유하는 그래파이트로 이루어지는 고체 또는 분말재료를 음극으로 하고, 그것을 둘러쌓는 용기내벽이 양극의 역할을 감당한다.
따라서, 음극점만이 존재하고, 음극재료만이 증발하여 플라즈마를 구성하는 입자를 공급한다. 또, 상기 음극진공아크플라즈마방식으로서, 그 음극점 및 아크플라즈마영역을 자계에 의하여 압축하고, 전류밀도를 올려, 음극점의 온도를 올려서, 보다 많은 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌중의 적어도 하나를 포함하는 탄소계 물질이 표면에 성장한 카본입자를 생성할 수가 있다.
또 아크플라즈마법에서는, 직류전류를 연속적 혹은 간헐적으로 인가하는 또는 펄스전류를 인가하는 방식을 사용하여, 상기 가스로서는 CXHYOZNW계(X, Y, Z, W≥0)로 표시되는 가스 혹은 희가스를 사용할 수가 있다. 또 촉매금속으로서는 Ni, Y, Fe, Co, Pt, Rh, W, V, Pd 및 그들의 혼합물을 사용할 수 있다.
또 그 촉매금속함유방법으로서는 고체 또는 분체재료중에의 혼합 또는 고체중에의 고체촉매금속을 매설한다.
더욱이, 상기 절연체, 반도체 또는 금속체로 이루어지는 기판은, 상기와 같이 하여 전자방출원을 생성하기 위한 생성용 재료의 근방에 배열설치되고, 생성한 카본나노튜브나 카본입자 등의 전자방출재료를 직접 피착함으로서 상기 전자방출원을 형성하는 것도 가능하다.
또 상기 기판에는, 직류바이어스 또는 RF바이어스를 인가하여, 형성효율을 개선할 수도 있다.
더욱 또 상기 기판에 상기 전자방출원을 페이스트상으로 하여, 인쇄법, 전착법, 슬러리 형성법, 독터블레이드법, 침강법, 잉크제트인쇄법 등에 의하여 형성하든가 또는 분체상태로 정전흡착피착시키므로서 상기 전자원층을 형성하여도 좋다.
또 상기 기판은, 제1의 전극, 절연층, 제2의 전극 및 리프트오프층이 퇴적됨과 동시에, 상기 제1의 전극이 노출하도록 오목부가 형성되어 있고, 상기 기판에 상기 전자방출재료를 피착하여 이미터를 형성한 후 상기 리프트오프층을 제거한다.
또는 제1의 전극, 저항층, 절연층, 제2의 전극 및 리프트오프층이 퇴적됨과 동시에, 상기 저항층이 노출하도록 오목부가 형성되어 있고, 상기 전자방출재료를 기판에 피착하여 이미터를 형성한 후, 상기 리프트오프층을 제거한다. 이로서 제작한 전자방출원의 제 1 전극과 제 2 전극간에 소정의 전압을 인가함으로서 전계방출현상에 의하여, 상기 전자방출재료에 포함되는 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌의 선단 또는 상기 카본입자표면의 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌의 선단으로부터 전자가 방출된다.
더욱이, 플라즈마를 사용한 경우에는, 열분해로 얻어지는 것보다도 더욱더 저분자의 래디칼 분자가 생성하고, 반응성을 향상, 제어할 수가 있다.
(발명의 실시형태)
도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 전자방출원의 제조방법에 사용하는 음극진공아크플라즈마법에 사용하는 장치의 개략도이다.
도 1에 있어서, SUS304로 형성되고, 양극으로서 기능하는 쳄버(101)내에는 음극(102) 및 Mo제의 트리거전극(103)이 배열설치되어 있다.
카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물을 포함하는 물질, 혹은 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌중 적어도 하나가 표면에 성장한 입자(카본입자)를 포함하는 탄소계 물질을 생성하기 위한 생성용 재료인 음극(102)의 재료로서, 예를 들면, 그래파이트(순도 99.998wt%)나 Ni-Y 함유 그래파이트(Ni: 14.6wt%, Y: 4.9wt%), Y 함유 그래파이트(Y: 0.82wt%), Fe 함유 그래파이트(Fe: 3.0wt%) 또는 Co 함유 그래파이트(Co: 3.0wt%) 등의 촉매금속을 함유하는 그래파이트 등, 그래파이트를 사용한 여러가지 재료를 이용할 수 있다.
또, 쳄버(101)의 외부에는, 절연부재(104)를 통하여 보호저항(105), 아크방전시에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류계(106) 및 아크방전을 행하기 위한 전원(도시하지 않음)이 설치되어 있다.
쳄버(101)를 압력 1Pa의 He 분위기로 하여 직류 100A의 아크전류를 흐르게 하여 1초간 아크방전시켜서, 음극(102)을 국소적으로 가열시키면, 음극(102)을 구성하는 음극재료가 고온플라즈마중에서 용융비산하여 미소의 카본입자인 비산소적(Droplet)이 생겨, 이것이 기판인 쳄버벽에 비산부착하고, 박막 또는 미소의 카본입자층이 형성된다.
상기 박막이나 카본입자층의 표면에는 한번 용융한 탄소집합체가 급냉되는 경우에 재결정하여, 탄소 혹은 탄소와 촉매금속의 화합물을 핵으로하여, 다수의 카본나노튜브, 나노튜브, 플라렌중의 적어도 하나를 포함하는 탄소계 물질이 그 표면에 성장한다.
또 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중 어느 것인가의 혼합물을 포함하는 탄소계 물질도 생성된다.
쳄버(101)의 내벽에 부착한 상기 카본입자를 수집하여 전자방출원용 기판에 피착시킨다. 혹은, 쳄버(101)에 그 기판을 비산소적의 비산방향으로 배열설치하여 여기에 상기 카본입자를 직접 피착시키는 등의 방법에 의하여 상기 카본입자를 전계에 의하여 전자를 방출하는 전자방출재료로서의 기능을 갖고, 이미터로서 전자방출원에 적용할 수가 있다. 금회의 시작에서는, 상기 비산소적은 음극면에서 30도의 방향에 가장 많이 방출되었다. 따라서, 기판의 위치, 사이즈, 막두께의 균일성에 대하여는 그의 방출분포에 맞추어서 조정할 필요가 있다.
도 2는 상기 조건하에서 생성된 상기 카본입자를 수집하여 주사형 전자현미경(SEM)에 의하여 관찰한 사진이다. 미세한 선상으로 보이는 것이 카본나노튜브이다. 상기 방법에 의하여 그 표면이 다수의 카본나노튜브에 의하여 덮여져 있는 것을 알 수 있다.
도 3은 상기 카본입자를 쳄버벽으로부터 수집하여, 투과형 전자현미경(TEM)에 의하여 관찰한 사진의 일부를 도시하는 도면이다. 다층카본나노튜브가 생성하고 있는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 전자방출원을 도시하는 도면으로, 상기 방법에 의하여 생성한 카본입자를 수집하여, 이것을 전자방출재료로서 이미터에 이용한 전자방출원의 부분단면도이다. 도 4에 있어서 글라스제기판(401), 제1의 전극으로서의 캐소드전극(402), 저항층(403), 절연층(404) 및 제2의 전극으로서의 게이트전극(405)이 적층 배열설치됨과 동시에, 저항층(403)이 노출하도록 오목부(407)가 형성되어 있다. 더욱이, 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물을 포함하는 물질을 수집하여, 이것을 전자방출재료로서 이미터에 이용한 경우에도 동일한 구성으로 된다.
기판(401)으로서, 세라믹제의 기판이나 반도체성이나 도전성의 기판, 또 플라스틱 기판 등도 사용할 수가 있다. 또, 기판(401)에 직류 바이어스나 RF(Radio Frequency) 바이어스를 가하여, 생성조건을 제어할 수도 있다.
오목부(407)내의 저항층(403)상에는 상술과 같이 하여 얻어진 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물을 포함하는 전자방출재료, 혹은 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌중의 적어도 하나가 성장한 카본입자(406)를 포함하는 전자방출재료를 페이스트상으로 하여, 후막인쇄, 혹은 전착법, 슬러리형성법, 독터블레이드법, 침강법 등, 혹은 분체도포의 방법 등에 의하여 피착되어, 전계방출원의 이미터를 형성하고 있다. 더욱이, 과전류에 의한 이미터 파괴방지를 위한 저항층(403)을 사용할 필요가 없는 경우에는, 카본입자(406)는 캐소드전극(402)상에 직접 피착된다.
이상과 같이 구성된 전자방출원은, 캐소드전극(402)과 게이트전극(405) 사이에 전압을 인가함으로서, 전계방출현상에 의하여, 이미터를 형성하는 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌층 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물의 선단, 혹은 카본입자(406) 표면의 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌의 선단으로부터 전자가 방출된다. 이는 전계방출디스플레이나 진공마이크로디바이스의 캐소드로서 사용할 수가 있다.
더욱이, 본 실시형태에 있어서는, 쳄버(101)를 압력 1Pa의 He 분위기에서 행하였지만, O2, H2, N2혹은 Ar 등의 희가스중에서, 10Torr 이하의 저진공으로부터 10-3∼10-6Torr의 중고진공까지의 분위기중에서 행하는 것이 가능하다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 전자방출원의 제조방법에 사용하는 장치의 개략도이다.
도 5에 있어서, SUS(304)로 형성되고, 양극으로서 기능하는 쳄버(501)내에는 음극(502), 차폐판(503), Mo제 트리거전극(505), 기판고정대(506)가 배열설치되어 있다. 기판고정대(506)는 절연부재(507)에 의하여 전기적으로 플로트한 상태에서 쳄버(501)에 고정되어 있고, 또 기판고정대(506)에는 Si, Ni, Co 또는 Fe에 의하여 형성된 기판(504)이 고정되어 있다. 기판(504)은 음극(502)의 근방에 배열설치되어 있고, 예를 들면, 음극(502)의 표면으로부터 85mm 정도 이간한 위치에 배열설치되어 있다.
카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물을 포함하는 전자방출재료 혹은 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌중 적어도 하나가 표면에 성장한 카본입자를 포함하는 전자방출재료를 생성하기 위한 생성용 재료인 음극(502)의 재료로서는, 제1의 실시형태와 동일하게 그래파이트(순도 99.998wt%)나 Ni-Y 함유 그래파이트(Ni: 14.6wt%, Y: 4.9wt%), Y 함유 그래파이트(Y: 0.82wt%), Fe 함유 그래파이트(Fe: 3.0wt%) 또는 Co 함유 그래파이트(Co: 3.0wt%) 등의 촉매금속을 함유하는 그래파이트 등, 그래파이트를 사용한 여러가지 재료를 이용할 수 있다.
쳄버(501)의 외부에는, 절연부재(507)를 통하여 보호저항(510) 및 아크방전시에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류계(509)가 접속되어 있고, 또 아크방전이 생기는 영역을 자계에 의하여 소정의 범위내로 제한하기 위한 자석(508) 및 아크방전을 행하기 위한 전원(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 또, 가스도입구(513)로부터는 He가 주입되도록 되어 있고, 또 가스배출구측에는 격막진공계(511) 및 오토밸브(512)가 설치되어 있다.
우선, 가스도입구(513)로부터 He를 공급함으로써 쳄버(501)내를 압력 0.5Pa의 He 분위기로 한 후, 직류 100A의 아크전류를 흐르게 한다. 더욱이, 아크방전을 생기게 하는 방식으로서 직류전류를 연속적 혹은 간헐적으로 인가한다. 또는 펄스전류를 인가하는 방식을 사용하여도 좋다. 이로써 자석(508)에 의하여 제한된 영역내에서 아크방전시켜, 음극(502)을 국소적으로 가열시키면 음극(502)을 구성하는 음극재료가 비산하고, 미소한 카본입자인 비산소적이 생성된다.
도 1에 관하여 설명한 것과 동일하게, 상기 음극재료표면의 용융부로부터, 고온플라즈마에 의하여 한번 용융한 탄소집합체가 주위의 분위기로 급냉되는 경우에 재결정화하여 탄소 혹은 탄소와 촉매금속의 화합물을 핵으로, 다수의 카본나노튜브, 나노캡슐 혹은 플라렌의 결정성장이 행해진다. 또, 비교적 큰 카본용융입자가 비산한 경우, 그 표면의 원자상 탄소가 급냉되어, 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물이 그 입자표면에 성장하여 카본입자가 생성한다. 상기 카본입자는 음극(502)의 근방에 배열설치된 기판(504)에 피착한다.
도 6은 성막시간을 1분간으로 하고, 상기 조건하에서 상기 카본입자가 피착한 기판(504)을 SEM 관찰한 사진으로 도 7은 그 확대사진이다. 미세한 선상으로 보이는 것이 카본나노튜브로 상기 카본입자표면이 다수의 카본나노튜브로 덮혀져 있는 것을 알 수 있다.
도 8은, 도 5에 도시한 장치를 사용한 전자방출원의 제조방법을 설명하기 위한 부분단면도이다. 도 8에 있어서 기판으로서의 전자방출원용 기판(800)은 글라스제의 기판(801), 제 1 전극으로서의 캐소드전극(802), 저항층(803), 절연층(804), 제 2 전극으로서의 게이트전극(805) 및 리프트오프막(806)이 적층 배열설치됨과 동시에, 저항층(803)이 노출하도록 오목부(807)가 형성되어 있다.
더욱이, 기판(801)으로서 글라스제의 기판 외에 세라믹제의 기판이나, 반도체성이나 도전성의 기판, 또는 플라스틱기판 등도 사용할 수가 있다.
또 기판에 직류바이어스나 RF바이어스를 가하여 생성조건을 제어할 수도 있다.
전자방출원을 제조하는 경우에는, 도 5에 있어서 기판(504) 대신에 상기 전자방출원용 기판(800)을 기판고정대(506)에 고정하고, 음극(502)의 근방에 배열설치한다. 이 상태에서 상술과 같이 아크방전을 일으켜 카본입자(808)을 생성하고, 카본입자(808)를 전자방출원용 기판(800)에 피착시킨다.
이로서 도 8에 도시하는 바와 같이, 저항층(803) 및 리프트오프막(806)에 카본입자(808)가 피착한다. 이 상태에서 리프트오프막(806)을 박리제거함으로서 도 4와 동일하게, 카본입자(808)가 저항층(803)에만 피착한 이미터가 형성되고, 전자방출원이 생긴다. 이 경우에도, 과전류에 의한 이미터 파괴방지를 위하여 저항층(803)을 사용하지 않는 경우에는 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌층 및 그들이 표면에 성장한 미소카본입자(808)는 캐소드전극(802)상에 직접 피착된다.
이상과 같이 구성된 전자방출원은, 캐소드전극(802)과 게이트전극(805) 사이에 전압을 인가함으로서, 전계방출현상에 의하여 이미터를 형성하는 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물층, 혹은 그들이 표면에 성장한 미소카본입자(808) 표면의 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌의 선단에서 전자가 방출된다. 이것을 전계방출 디스플레이나 진공 마이크로 디바이스의 캐소드로서 사용할 수가 있다.
더욱이, 본 실시의 형태에 있어서는, 쳄버(101)를 압력 0.5Pa의 He 분위기로 하여 행하였지만, O2, H2, N2혹은 Ar 등의 희가스중에서 10Torr 이하의 저진공에서 10-6Torr 까지의 고진공분위기중에서 행하는 것이 가능하다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 전자방출원의 제조방법을 설명하기 위한 부분단면도이다.
도 9에 있어서, 기판으로서의 글라스제의 절연성기판(901)상에는, 제1의 전극으로서의 캐소드전극(902) 및 제 2 전극으로서의 게이트전극(903)이 증착 등의 방법에 의하여 피착형성된다.
다음에, 상기 제1, 제2의 실시형태로 생성한 전자방출재료를 이미터(904)로서 캐소드전극과 게이트전극 사이에 있는 캐소드전극(902)의 상측면상에 피착형성함으로서 전자방출원이 완성한다. 더욱이, 이미터(904)는 캐소드전극(902)의 상측면상이 아니고, 캐소드전극(902)과 게이트전극(903) 사이에 있는 캐소드전극(902) 측벽부에 피착형성하도록 하여도 좋다.
캐소드전극(902)과 게이트전극(903) 사이에 소정의 전압을 인가함으로서, 이미터(904)에 포함되는 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌의 선단, 혹은 카본입자표면의 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌의 선단으로부터 전자가 방출된다.
이상 설명한 실시형태에 있어서는, O2, H2, N2혹은 He, Ar 등의 희가스중에서, 소정의 10Torr 이하의 저진공으로부터 10-3∼10-6Torr의 중고진공의 분위기까지 그래파이트 또는 소정의 촉매금속을 함유하는 그래파이트로 이루어지는 생성용 재료를 국소적으로 가열함으로서 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중 어느 것인가의 혼합물의 박막, 혹은 그들이 표면에 성장한 미소카본입자를 생성하고, 이것을 직접기판에 피착하여, 전계방출소자로서 사용하는 것을 특징으로 하고 있으므로, 종래의 DC 아크방전 등의 음극퇴적물의 껍질(Core)부로부터 카본나노튜브, 나노캡슐, 또는 플라렌을 추출정제하는 등의 작업이 불필요하게 되고, 대량생산이 용이한 전자방출원의 제조방법을 제공하는 것이 가능하게 된다.
또, 종래는 음극과 양극을 mm 오더로 대향이간시켜, 상기 양전극간에 안정한 전압을 인가함으로서, 아크방전을 유지시킬 필요가 있기 때문에, 극히 고도한 제어가 필요하였지만, 상기 각 실시의 형태에 의하면 음극의 표면상에 트리거전극으로 아크방전플라즈마를 발생시키는 것만인 간단한 제어로, 용이하게 장시간에 걸쳐서 안정하여 소정기판의 표면에 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물을 형성한 박막 또는 그들이 표면에 성장한 미소한 카본입자를 생성할 수가 있다.
더욱이, 상기한 그래파이드 등의 재료표면을 국소적으로 가열용융시키는데, 보조가열법으로서 저항가열, 레이저조사, 램프가열 등의 편성도 적용할 수 있다.
또 상기 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물, 혹은 그들이 표면에 성장한 미소한 카본입자를 수집하여 페이스트상으로 하고, 인쇄법, 전착법, 슬러리형성법, 독터블레이드법, 침강법, 잉크제트인쇄법 등에 의하여 형성하든가, 또는 분체상태에서 정전흡착피착시키므로서 상기 이미터를 형성할 수 있게 되므로서, 제조가 용이한 전자방출원의 제조방법을 제공하는 것이 가능하게 된다.
더욱 또, 상기 기판에는 캐소드전극, 저항층, 절연층, 게이트전극 및 리프트오프층이 퇴적됨과 동시에, 상기 저항층이 노출하도록 오목부가 형성되어 있고, 상기 기판에 상기 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 또는 이들중의 어느 것인가의 혼합물의 박막, 혹은 그것이 표면에 성장한 미소한 카본입자를 피착시킨 후, 상기 리프트오프층을 제거하여 캐소드전극과 게이트전극에 소정의 전압을 인가함으로서, 상기 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌의 선단, 혹은 상기 카본입자표면의 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌의 선단에서 전자를 방출하는 기능을 갖는 전자방출원의 제조가 가능하게 된다. 이로서 낮은 임계값을 갖고, 고전류밀도의 에미션방출이 가능하게 되는 전자방출원이 얻어진다.
이와 같이 하여 얻어진 전자방출원은 미소카본 입자표면에 섬게상으로 다수의 카본나노튜브, 나노캡슐, 플라렌 혹은 이들의 혼합물이 형성되어 있으므로 이를 캐소드기판에 형성하는 경우에 어떠한 방향으로 상기 카본입자가 놓이더라도 항상 기판에 대하여 수직인 방향으로 향하고 있는 카본나노튜브가 일정한 비율 이상으로 고밀도로 존재하기 때문에, 전계방출전자원으로서 인출전계가 작고, 고전류밀도의 전자원이 얻어진다. 예를 들면 Spindt형 전계방출소자와 비교한 경우, 보다 낮은 구동전압으로 전자방출이 가능하게 됨과 동시에, 고전류밀도가 얻어져 제조코스트가 대폭으로 저감할 수 있다.
또, 상기 카본입자를 사용하여 전자방출원을 제조할 때에는, 스크린인쇄법, 잉크제트인쇄법, 전착법, 슬러리법, 침강법 등의 경우, 용제로의 분산이 용이하고 페이스트화가 용이하다라는 이점도 있다.
더욱이, 카본나노튜브, 나노캡슐이나 플라렌이 성장한 미소카본입자의 크기는 사용하는 재료, 밀도, 음극전극에 첨가 또는 혼합시키는 촉매금속재료, 플라즈마 생성조건 및 냉각고체화하는 조건에 따라 다르기 때문에 이들의 조건을 적당히 제어함으로서, 특정의 크기의 분포를 갖는 카본입자가 얻어진다.
따라서, 소정조건에 설정하여 생성한 카본입자를 수집하여, 소망의 크기의 카본입자를 더욱더 선택분급함으로서, 페이스트화, 정전도포 등에 의하여 적당한 재료로 할 수 있고, 이것을 사용함으로서 다시 전자방출특성이 우수한 전자방출원을 얻을 수 있다. 이것을 응용함으로써, 고휘도, 대화면 표시로 향한 전계방출 디스플레이가 가능하게 된다.
본 발명에 의하면 전자방출원의 보다 낮은 코스트, 대량생산이 용이한 제조방법을 제공하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명에 의하면 전자방출특성에 우수하고, 제조가 용이하고, 대면적화가 용이한 전자방출원을 제공하는 것이 가능하게 된다.

Claims (18)

  1. 전자를 방출하는 전자방출재료를 이미터로서 복수의 전극간에 배열설치하여 이루는 전자방출원의 제조방법에 있어서, 소정가스압 10Torr로부터 10-6Torr의 분위기중에서, 그래파이트 또는 소정의 촉매금속을 함유하는 그래파이트로 이루어지는 입자형성용 재료를 가열시키므로서 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌 혹은 이들중의 어느 것인가의 혼합물을 포함하는 카본입자를 형성하고, 상기 카본입자를 기판상에 피착하여 이루는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  2. 전자를 방출하는 전자방출재료를 이미터로서 복수의 전극간에 배열설치하여 이루는 전자방출원의 제조방법에 있어서, 소정가스압 10Torr로부터 10-6Torr의 분위기중에서, 그래파이트 또는 소정의 촉매금속을 함유하는 그래파이트로 이루어지는 고체 또는 분말재료를 플라즈마중에서 가열시키므로서, 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌 혹은 이들중의 어느 것인가의 혼합물을 포함하는 전자방출재료를 생성하고, 상기 전자방출재료를 절연체, 반도체 또는 금속체로 이루어지는 기판상에 피착하여 이루는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  3. 전자를 방출하는 전자방출재료를 이미터로서 복수의 전극간에 배열설치하여 이루는 전자방출원의 제조방법에 있어서, 소정가스압 10Torr로부터 10-6Torr의 분위기중에서, 그래파이트 또는 소정의 촉매금속을 함유하는 그래파이트로 이루어지는 고체 또는 분말재료를 플라즈마중에서 가열시키므로서, 그 표면에 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌중 적어도 하나가 성장한 카본입자를 포함하는 전자방출재료를 생성하고, 상기 전자방출재료를 절연체, 반도체 또는 금속도체로 이루어지는 기판상에 피착시켜서 이루는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매금속은 그래파이트 분체재료중에의 혼합 또는 고체의 그래파이트에의 매설에 의하여, 상기 그래파이트에 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 플라즈마의 발생방법으로서,진공아크방전법, 진공열 플라즈마법, 레이저 애브레이션법을 사용하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전자방출재료는 그래파이트 또는 소정의 촉매금속을 함유하는 그래파이트로 이루어지는 고체 또는 분말재료를 음극으로 하고, 그것을 둘러쌓는 용기내벽이 양극의 역할을 감당하는, 그래파이트 음극점을 사용한 음극진공아크플라즈마법을 사용하여 생성하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 음극진공아크플라즈마법으로서, 전극에 직류전류를 간헐적으로 인가하는 또는 펄스전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터 제조방법.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 플라즈마중에서의 보조가열법으로서, 저항가열, 램프가열 또는 레이저가열을 사용하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 음극진공아크플라즈마 방식으로서, 그의 아크플라즈마영역의 제어에 자계를 사용하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 가스는 CXHYOZNW계(X, Y, Z, W≥0)로 표시되는 가스 혹은 희가스인 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매금속은 Ni, Y, Fe, Co, Pt, Rh, W, V 또는 Pd 혹은 이들중의 복수의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 기판에는 직류바이어스 또는 RF바이어스를 인가하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 기판은 상기 전자방출재료를 생성하기 위한 생성용 재료의 근방에 배열설치되고, 생성한 상기 전자방출재료를 직접 피착함으로서 이미터를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 기판에 상기 전자방출재료를 페이스트상 또는 분체상으로 피착시킴으로서 상기 이미터를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 기판은 제1의 전극, 절연층, 제2의 전극 및 리프트오프층이 퇴적됨과 동시에, 상기 제1의 전극이 노출하도록 오목부가 형성되어 있고, 상기 기판에 상기 전자방출재료를 피착시킨 후, 상기 리프트오프층을 제거하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 기판은 제1의 전극, 저항층, 절연층, 제2의 전극 및 리프트오프층이 퇴적됨과 동시에, 상기 저항층이 노출하도록 오목부가 형성되어 있고, 상기 기판에 상기 전자방출재료를 피착시킨 후, 상기 리프트오프층을 제거하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터의 제조방법.
  17. 제 1, 2 또는 3의 방법을 사용하여 제조된 전자방출원의 이미터.
  18. 절연성기판상에 형성된 제1의 전극 및 제2의 전극과 상기 제1의 전극과 제2의 전극간에 청구항 1 내지 13의 어느 것중 하나에 기재의 방법에 의하여 얻어지는 이미터를 배열설치하고, 상기 제1의 전극과 제2의 전극간에 소정의 전압을 인가함으로서, 상기 이미터에 포함되는 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌의 선단, 혹은 카본입자표면의 카본나노튜브, 나노캡슐 또는 플라렌의 선단으로부터 전자를 방출하는 것을 특징으로 하는 전자방출원의 이미터.
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