KR20010051096A - 정렬된 나노와이어들을 포함하는 장치 및 그 장치를제조하기 위한 프로세스 - Google Patents

정렬된 나노와이어들을 포함하는 장치 및 그 장치를제조하기 위한 프로세스 Download PDF

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KR20010051096A
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Abstract

에미터 어레이에서 나노와이어들의 유용한 정렬을 허용하도록 자성재료로 코팅된 나노와이어들로부터 에미터 구조들을 제조하기 위한 개선된 프로세스가 제공되며, 최종 구조에서 상기 정렬된 나노와이어들의 바람직한 돌출을 제공하기 위한 기술들이 이용된다. 일실시예에서, 자성재료에 의해 적어도 부분적으로 코팅된, 약 0.1 ㎛에서 약 10,000 ㎛까지의 평균길이를 갖는 나노와이어들이 제공된다. 상기 나노와이어들은 액체 매개물내에서 혼합되며, 자기장이 상기 나노와이어들을 정렬하기위해 가해진다. 상기 액체 매개물에는 고체 매트릭스로 경화시킬 수 있는 프리커서 재료, 예를들어 도전성 입자들 또는 금속 염이 제공되며, 상기 매트릭스는 정렬된 방향의 나노와이어들을 고정한다. 상기 정렬된 나노와이어들의 일부분은, 예를들어 상기 매트릭스 재료의 표면 부분을 에칭하여, 바람직한 나노와이어 팁 돌출을 제공하기 위해 노출된다.

Description

정렬된 나노와이어들을 포함하는 장치 및 그 장치를 제조하기 위한 프로세스 {Article comprising aligned nanowires and process for fabricating article}
본 발명은 나노와이어들을 포함하는 장치들, 특히, 전계(field) 에미터 구조들에 관한 것이다.
전계 에미터들은 마이크로웨이브-증폭기들, 플랫-패널, 전계-방출 디스플레이들을 포함하는 다양한 응용들에 유용하다.
전력 증폭기와 같은 마이크로웨이브 진공 튜브 장치들은 원격통신, 레이더, 전자전, 운항 시스템을 포함하는 많은 현대 마이크로웨이브 시스템들의 필수적인 요소들이다. 반도체 마이크로웨이브 증폭기들이 이용가능하지만, 이것들은 일반적으로 대부분의 마이크로웨이브 시스템들에서 요구되는 전력 능력을 결여하고 있다.마이크로 웨이브 튜브 증폭기들은 대조적으로 더 높은 전력 레벨에서 마이크로웨이브 에너지를 제공한다. 튜브 장치들의 더 높은 전력 레벨들은 전자들이 반도체내에서보다 진공에서 더 빠른 속도로 이동한다는 사실의 결과이다. 상기 더 높은 속도는 동일한 주행시간(transit time)을 갖는 더 큰 구조들의 사용을 허용한다. 더 큰 구조들은, 차례차례, 더 큰 전력 레벨들을 허용한다.
마이크로웨이브 튜브 장치들은 통상적으로 전자들의 빔을 상기 빔이 입력 신호와 상호작용하는 영역으로 도입하고, 그다음에 조절된 전자빔으로부터 출력신호를 끌어내어서 오퍼레이팅한다. 예를들어, A.W.Scott, Understanding Microwaves, Ch. 12, John Wiley ＆ Sons(1993)을 보면, 그 명세서는 본 출원에서 참조로서 통합되었다. 마이크로웨이브 튜브 장치들은 진행파(traveling wave) 튜브들, 그리드된 (gridded) 튜브들, 클라이스트론, 크로스-전계 증폭기들, 및 자이로트론을 포함한다. 마이크로웨이브 튜브 장치를 위한 전자들의 통상의 공급원은 통상적으로 텅스텐 캐소드들로부터 형성되고, 선택적으로 바륨산화물로 코팅되거나 토륨 산화물과 혼합된 열전자 방출 캐소드이다. 상기 캐소드는 제곱센티미터당 암페어의 차수로 열전자 방출을 생성하기 위해 1000 ℃의 온도로 가열된다.
열전자 캐소드(thermionic cathode)의 필수적인 가열은 다수의 문제들을 일으킨다. 캐소드 라이프타임은 바륨 산화물과 같은 캐소드의 주요 성분이 높은 오퍼레이팅 온도에서 증발하기 때문에 제한되고, 바륨이 결핍될 때, 상기 캐소드 (그리고 따라서 상기 튜브)는 더이상 수행될 수 없다. 많은 진행파 튜브들(TWTs)은 예를들어, 1년보다 적은 오퍼레이팅 라이프를 가진다. 또한, 상기 캐소드를 상기 오퍼레이팅 온도로 올릴 필요로 인해 방출 지연을 수 분이상으로 하는데, 이것은 대부분의 상업적 응용들에서 수용될 수 없는 것이다. 부가하면, 상기 고온 오퍼레이션은 일반적으로 팬(fan)과 같은 주위의 냉각 시스템을 요구하여, 전체 장치 또는 시스템의 크기를 증가시킨다. 그러므로, 그와같은 고온 오퍼레이션을 필요로 하지 않는 마이크로웨이브 튜브 장치들, 예를들어, 콜드 캐소드(cold cathode) 장치를 개발하는 것이 바람직할 것이다.
전계 에미터의 다른 유망한 응용은 얇고, 매트릭스-어드레스가능하고, 평평한 패널 디스플레이들이다. 예를들어, Semiconductor International,1991년 12월, p.46; C.A.Spindt등.,IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.38, 2355(1991); I.Brodie와 C.A.Spindt,Advances in Electronics and Electron Physics,P.W.Hawkes 에 의해 편집됨, Vol.83, pp.1(1992); 와 J.A.Costellano, Handbook of Display Technology, Academic Press,254(1992); 와 U.S.특허 제4,940,916호;제5,129,850호 ;제 5,138,237호와 제5,283,500호를 보면, 명세서의 내용에 참조로서 통합되어 있다.
다양한 특성들이 전계 방출 장치의 캐소드 재료에 대해 유리하다는 것인 공지되어 있다. 상기 방출 전류는 드라이버 전압이 "기성" 의 집적회로로부터 얻을 수 있는 범위내의 드라이버 전압들과 함께, 유리하게 전압 제어가능하다. 통상적 장치 디멘젼(예를들어, 1 ㎛ 게이트-투-캐소드 간격)에 대해서, 25 V/㎛ 또는 그 이하의 전계에서 방출하는 캐소드는 일반적으로 통상적인 CMOS 회로에 대해 바람직하다. 상기 방출 전류 밀도는 양호하게 평평한 패널 응용에 대해 1-10 mA/cm2이고 마이크로웨이브 전력 증폭기 응용들에서는 〉100mA/cm2의 범위에 있다. 상기 방출 특성들은 양호하게 한 공급원으로부터 다른 공급원으로 재생가능하며, 양호하게 매우 긴 주기의 시간에 대해(수만 시간) 안정하다. 상기 방출 변동(노이즈)은 양호하게 장치 특성을 제한하는 것을 피하기에 충분히 작다. 상기 캐소드는 이온 충돌, 잔여 가스와의 화학적 반응, 극단적 온도, 아킹(arcing)과 같은 진공 분위기에서의 원하지 않는 사건에들에 유리하게 저항성이 있다. 마지막으로, 상기 캐소드 제작은 유리하게도 비싸지 않은데, 예를들어 매우 중대한(critical) 프로세스가 없으며 다양한 범위의 응용들에 적응될 수 있다.
종래의 전계 방출 캐소드 재료들은 통상적으로 서브 마이크론 크기의 팁(tip) 을 가진 금속(Mo 같은) 또는 반도체 재료(Si 같은)로 만들어진다. 유용한 방출 특성들이 상기 재료들에 대해 증명되었지만, 방출에 필요한 제어 전압은 그것들의 높은 일함수들과 불충분하게 날카로운 팁들 때문에 상대적으로 높다(약 100 V). 상기 고 전압 오퍼레이션은 이온 충돌로 인한 손상을 주는 불안정과 상기에미터 팁들에서의 표면 확산을 증가시키며, 요구되는 방출 전류 밀도를 생산하기 위해 외부 공급원으로부터 공급되는 높은 전력 밀도를 필요로 한다. 균일한 팁의 제조는 특히 넓은 영역에 대해서 어렵고, 지루하며, 비싸다. 부가하면, 예를 들어, 이온 충돌, 화학적으로 활성인 종류들과의 반응, 및 극한의 온도인 통상의 오퍼레이팅 환경의 조건에서의 상기 재료들의 취약성이 관심사항이다.
탄소 재료들(다이아몬드 및 탄소 나노튜브들)은 최근에 잠재적으로 유용한 전계 에미터로 나타났다. 다이아몬드는 수소로 끝난 표면에 네거티브 또는 낮은 전자 친화도로 인한 잇점들을 제공하지만, 기술적 진보는 방출 비균일성과 예를들어, 약 30 mA/cm2이상의 증가된 방출 전류들에서의 다이아몬드 에미터내의 흑연화에의 경향으로 인해 약간 느려졌다.
탄소 나노튜브는 높은 종횡비(〉1,000)와 작은 팁의 곡률 반경(∼5-50 nm)을 특징으로 한다. 상기 작은 관들의 높은 기계적 강도와 화학적 안정성과 결합된상기 기하학적 특성들은 탄소 나노튜브를 전계 에미터로서 매력적이게 한다. 예를들어, 독일 특허 제 4,405,768호; Rinzler 등, Science, Vol.269, 1550(1995); De Heer 등, Science, Vol.270, 1179(1995); Saito 등, Jpn.J.Appl.Phys., Vol.37, L346(1998); Wang 등, Appl.Phys.Lett., Vol. 70, 3308(1997); Saito 등, Jpn.J. Appl.Phys., Vol.36, L1340(1997); 및 Wang 등, Appl.Phys.Lett.,Vol. 72, 2912 (1998)를 보면, 상기 밝혀진 내용들이 본 명세서에 참조로서 통합되어 있다. 그러나, 탄소 나노튜브들은 쉽게 또는 편리하게 전계 에미터 장치 구조로 통합되지 않는 바늘같은 또는 스파게티 같은 분말들의 형태로 통상적으로 이용가능하다. 그리고 상기 랜덤한 구성으로 인해, 전자 방출 능력들은 완전히 이용되지 않는다. 부가하면, 도전선 기판으로의 박막 나노튜브들의 부착은 상기 나노튜브 재료가 상기 기판에의 화학적 결합을 어렵게 하면서 대개 댕글링(dangling) 결합과 고 에너지 사이트가 없기 때문에 문제가 된다. 다른 형식의 작은 지름을 가진 나노 스케일 와이어들도 또한 존재한다. 실리콘 또는 게르마늄의 반도체 또는 금속 나노와이어들은, 예를들어, 레이저 프로세싱, 증기-액상(vapor-liquid) 접근법 또는 CVD 증착을 포함하는 다수의 서로다른 방법들에 의해 제조될 수 있다. 예를들어, A.M.Morales와 C.M.Lieber, Science, Vol.279,208(1998); A.J.Read등, Phys.Rev.Lett.,Vol.69, 1232(1992);J. Westwater등, J.Vac.Sci.Technol.,Vol.B15,554(1997); 및 T.J. Trentler 등,Science,Vol.270, 1791(1995)를 본다. 그러나, 그와같은 나노와이어들이 전계 방출 구조로의 성공적인 통합이 가능한지는 분명하지 않다(본 명세서에 사용된 바와같이, 나노와이어들은 평균 지름이 약 0.5 nm 에서 약 50 nm에 걸치며 종횡비가 약 100에서 약 10,000인 와이어를 표시한다).
유용한 나노와이어 방출 구조를 얻기 위한 제조 기술이 그러므로 요구된다.
도 1a-1f는 본 발명에 따른 전계(field) 에미터 구조를 제조하기 위한 실시예를 도시한 도면.
도 2a와 2b는 본 발명에 따른 전계 에미터 구조를 제조하기 위한 다른 실시예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 전계 에미터 구조에서 돌출되며, 균일한 높이의, 나노와이어 팁들을 생성하기 위한 기술을 도시한 도면.
도 4a-4c는 본 발명에 따른 전계 에미터들의 어레이의 제조를 도시한 도면.
도 5a와 5b는 본 발명에 따른 복수의 에미터들을 준비하기 위한 실시예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 개구가 있는(apertured) 나노와이어 캐소드의 형성을 도시한 도면.
도 7은 통상적인 진행파 튜브(TWT) 구조를 도시한 도면.
도 8은 도 7의 TWT의 전자총 구조를 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 나노와이어 캐소드 표면으로부터 전자빔을 추출하고, 가속하며, 촛점을 맞추기 위한 다수의 그리드(grid) 구조를 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 다층 그리드 구조의 준비를 도시한 도면.
도 11은 본 발명에 따른 다층 그리드 구조의 준비를 위한 다른 기술을 도시한 도면.
도 12는 본 발명에 따른 나노와이어 에미터 구조를 포함하는 평평한 패널 전계 방출 디스플레이를 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11, 15, 25 : 나노와이어 16 : 매개물
18 : 기판 19 : 중간층
본 발명은 나노와이어들로부터 에미터 구조들을 제조하기 위한 개선된 프로세스를 제공한다. 특히, 상기 나노와이어들은 상기 에미터 어레이에서 와이어들의 유용한 정렬을 허용하기 위해 자성 재료로 코팅되고, 기술들이 최종 구조에서 정렬된 나노와이어의 바람직한 돌출부를 얻기위해 이용된다(정렬되었다는 것은 나노튜브가 돌출하는 표면상의 점에서 지지표면에 수직인 완전한 정렬로부터의 평균 편차가 예를들어 고배율 주사 전자 현미경을 사용하여 결정된 바와같이 45。 보다 작다는 것을 표시한다). 일실시예에서 자성 재료로 적어도 부분적으로 코팅된, 약 0.1 ㎛에서 약 10,000 ㎛ 의 평균 길이를 갖는 나노와이어들이 제공된다. 상기 나노와이어들은 액체 매개물에서 혼합되며, 자기장이 상기 나노와이어들을 정렬시키기 위해 가해진다. 상기 액체 매개물에는 고체 매트릭스로 경화(consolidation)시킬 수 있는 프리커서 재료, 예를들어 도전성 입자들 또는 금속 염이 제공되며, 상기 매트릭스는 나노와이어들을 정렬된 방향으로 되게 한다. 상기 정렬된 나노와이어들의 일부분은 상기 나노와이어들의 평균 길이의 적어도 2배의 평균 돌출부를 제공하기 위해, 예를들어 상기 매트릭스 재료의 표면 일부분을 에칭하여, 노출된다. 유익하게, 기판이 정렬 단계동안 제공되어서 각각의 나노와이어의 한쪽 끝이 자기장에 의해 기판쪽으로 또는 반대로 당겨지며, 그리하여 나노와이어의 팁들을 실질상 단일 평면에 따른 방향을 갖게 한다(예를들어, 도 1e와 도 1f를 본다).
결과적인 구조는 몇가지 유리한 성질들을 제공한다. 상기 돌출부는 향상된 전계 방출을 제공한다; 복합물을 형성하기 위한 나노와이어들의 매트릭스 재료와의 상호혼합은 다른 형성 기술들에 비교하여 상대적으로 높은 밀도의 나노와이어 팁들을 제공한다; 상대적으로 균일한 높이의 나노와이어들은 방출에 참가하는 나노와이어들의 수를 증가시킨다; 그리고 상기 복합재료는 상기 에미터들과 상기 아래에 있는 금속 캐소드 사이의 상대적으로 안정한 전기적 및 기계적 접점(contact)을 제공한다. 더욱이, 모든 이러한 잇점들은 다양한 상업적 응용들에 즉시 적응될 수 있는 간단한(straightforward) 프로세스에 의해 얻어진다.
나노와이어 구조 및 제조방법
효율적이고, 강력하며, 신뢰성있는 전계에미터의 디자인과 제조에서, 에미터 밀도, 전계-집중 구조, 및 에미터-전극 접점의 안정성에 대한 3개의 파라미터들에 대한 높은 값들이 일반적으로 요구된다. 상기 파라미터들의 역할은 다음과 같다.
높은 방출 전류 밀도는 바람직하고, 상기 에미터 표면상에 나노와이어의 밀도를 증가시켜서 얻어질 수 있다. 에미터 표면상의 고 밀도 나노와이어들을 제공하는것은 상대적으로 어려웠는데, 부분적으로는 나노와이어들이 일반적으로 느슨하게 얽힌 바늘들의 집합체 또는 비균일한 높이의 스파게티 모양의 와이어를 일반적으로 닮기 때문이고, 부분적으로는 나노와이어들을 도전성 기판에 부착시키는 문제때문이다.
전계 방출은 날카로운 팁들 부근의 전기장의 집중때문에 상기 에미터의 기하학적 형태가 작게 만들어질때 향상된다. 예를들어 1.3 nm 정도로 작은, 나노와이어의 작은 지름은 효과적인 전계 집중 형태를 제공한다. 그러나, 나노와이어의 단부는, 특히 부러졌을때, 향상된 전계 집중 및 전자 방출을 위한 더 작은 곡률 반경을 제공한다. 사실상, 나노와이어 팁들로부터의 전자 방출은 측면들로부터의 방출보다 더 쉬운데, 예를들어, 팁 방출은 더 낮은 전계 레벨에서 발생한다. 그러므로, 증가된 숫자의 노출된 나노와이어 끝부분를 가진 나노와이어 전계 에미터 구조를 형성하는 것이 유리하며, 여기서 끝점들이 애노드(anode)로 향할때 유리하다. 그러나, 나노 팁은, 도전성 재료에 묻혀진다면(즉, 팁을 제외한 재료에 의해 완전히 둘러싸임), 요구되는 전계 집중을 제공하지 않는다. 예를들어, 나노와이어 및 금속 매트릭스로 구성되는 복합물 구조가 이용된다면, 상기 나노와이어들은 상기 요구되는 전계 집중 효과를 갖기 위해 적어도 대략 팁의 곡률반경의 치수에 의해 상기 복합물 구조의 표면을 벗어나서 유리하게 돌출하도록 된다. 향상된 전계 방출을 위해, 상기 나노와이어들은 상기 전계집중을 증가시키고 현재의 에미터들보다 더 낮은 가해진 전계들에서 유용한 레벨의 방출을 유도하기 위해서 상기 팁 반경보다 더 돌출하는 것이 유리하다. 과도한 돌출은, 그러나, 상기 도전성 매트릭스로부터 나노와이어 단부까지의 증가된 전기 저항(즉, 전자 공급의 증가된 어려움)때문에 바람직하지 않다. 부가하면, 돌출부가 더 길수록, 나노와이어 길이를 따라서 구조적인 결함, 예를들어 높은 저항률 영역,을 만날 가능성이 더 높아진다. 일반적으로 돌출부의 길이는, 그러므로, 10 ㎛ 이하이며, 더 유리하게는 1 ㎛ 이하이다.
돌출된 나노와이어를 갖는 나노와이어 전계 에미터의 다른 중요한 구조적 특징은 기판의 표면으로부터의 팁들의 높이이다. 돌출부의 균일성은 방출에 참가한 나노와이어의 숫자를 증가시키기 위해 중요하다. 특히, 가장 높은 돌출 팁들에 의한 국소 전기 전계의 차폐로 인해 상기 전계 방출에의 기여는 상기 가장 높은 팁들에 의해 지배되며, 가까이의 덜 돌출된 팁들은 감소된 기여를한다. 그래서 돌출부에서의 평균 변화는 유리하게 인자 2보다 작다.
고 전류 밀도와 전계 방출에 부가하여, 상기 캐소드 전극으로의 나노와이어 에미터들의 안정적인 전기적 및 기계적 접점이 요구된다. 그와같은 안정적인 접점은 낮은 저항 가열로 상기 에미터 표면에 효율적인 전자 수송을 제공하며, 예를들어, 상기 방출된 나노와이어들로부터 충분한 열손실을 제공하여, 상기 에미터 구조의 신뢰성도 개선시킨다. 이것은 특히 상업적 응용에서 중요한데, 여기서는, 예를들어, 주변 온도가 변동하는동안 또는 상기 전계 에미터 장치의 반복된 온-오프 오퍼레이션동안 포함된 재료들의 열적 팽창 부정합에 의해 유도된 피할 수 없고, 반복된 계면(interface) 스트레스가 존재한다.
상기 이유에 대해, 본 발명의 나노와이어 전계 에미터들은 정렬된 팁 구조 및 전기적으로 도전성 있는 매트릭스로의 바람직한 습윤도(wettability)과 함께, 개선된 에미터 밀도, 방출 전류 밀도, 전기적 접점, 및 신뢰성을 제공하는 구조를 갖고 있다. 상기 에미터 구조의 제조는 다음과 같다.
도 1a-1f는 자기적으로 정렬된 나노와이어들을 포함하는 전계 에미터 구조를 제조하기 위한 일실시예를 도시한 것이다. 제 1 단계는 이미 기술된 임의의 공지된 합성 기술에 의해 탄소 나노튜브들 또는 반도체 나노와이어들과 같은 나노와이어들을 제공하는 것이다. 그러한 나노와이어들이 도 1a에 도시된 바와 같이 길고, 얽힌 구성들(10) 또는 상대적으로 짧고 일직선인 구성들(12)을 보이는 것이 가능하다. 탄소 나노튜브들은, 예를들어, 아크 방전, 화학 기상 증착, 및 레이저 어블레이션 (ablation)을 포함하는 다수의 서로다른 합성 기술들에 의해 준비된다. 단일 벽 (wall) 나노튜브들은 1에서 5 nm 차수의 통상적 지름을 보이며, 종종 다발(bundle)의 형태로 만들어진다. 다중 벽 나노튜브들은 많은 동심원의 그라파이트 실린더들을 포함하며, 10에서 50 nm 차수의 통상적 지름을 보인다. 둘다의 형식에 대한 종횡비는 통상적으로 100에서 10,000이며 둘다의 형식은 전계 방출에 유용한 날카롭고, 전계 집중인 팁들을 갖는 경향이 있다. 실리콘 및 게르마늄 나노와이어들은 이미 상술된 바와 같이 비교할만한 기하학적 형태로 형성될 수 있다. 효율적인 자기적 정렬의 목적을 위한, 길고, 스파게티 형식인 와이어들은 유리하게 관리 가능한 길이, 예를들어 약 100 ㎛보다 작은, 유리하게는 약 10 ㎛보다 작은, 평균길이로, 자성 층으로의 코팅전에 그라인딩, 고주파음에 의한 분해, 또는 산(acid) 에칭과 같은 것에 의해, 부러진다. 상기 길이들은 본 명세서에 기술된 각각의 실시예에 대해 요구된다(대안으로, 상기 나노와이어들이 본 명세서에 논의된 바와같이 자성 재료로 먼저 코팅되고 그다음에 기계적으로 그와같은 길이로 부러지는 것이 가능하다).
도 1b에 반영된 다음 단계는 상기 나노와이어들(11)을 자성 재료(14)로 코팅하는 것이다(자성 재료는 적어도 100 가우스의 포화 자화를 가진 재료를 표시한다). 강(ferro)자성 재료(예를들어, Co,Fe,Ni,및 그들의 다양한 원소들과의 합금들) 또는 페리(ferri) 자성 재료(예를들어, Fe,Co,Ni,Zn,Mn,Ba,Sr 및 다른 원소들을 포함하는 페라이트들)와 같은 강한 자성 재료들은, 예를들어 2000에서 2400 가우스인, 그들의 상대적으로 높은 포화 자화로 인해 유리하다. 일렉트로리스 플레이팅(electroless plating), 전기도금(electroplating), 물리 기상 증착법(예를들어, 증착(evaporation), 스퍼터링(sputtering)), 및 화학 기상 증착법을 포함하는 다수의 서로다른 기술들에 의해 상기 자기 코팅이 상기 나노와이어 표면에 적용되는 것이 가능하다. 상기 자기 코팅의 요구되는 두께는 적어도 0.5 nm이며, 유리하게는 적어도 2 nm이다. 나노와이어들 간의 들러붙는 것을 감소시키고 최종 정렬된 구조에서 나노와이어 부피 분율을 증가시키기 위해, 상기 자기 코팅 재료의 상대적 양이 부피 분율에서 약 0.95보다 적은 것, 유리하게는 상기 코팅된 나노와이어의 부피분율에서 0.75보다 적게 포함하도록, 코팅의 두께가 선택된다. 다발 형태로 종종 합성되는 단일 벽 탄소 나노튜브들의 경우에, 상기 자기 코팅은 전체적인 다발 구조의 표면에 적용된다.
자기적(magnetic) 정렬을 위해, 상기 코팅이 상기 나노와이어들의 전체 길이의 전체 주위의 표면을 커버하는 것은 필요하지 않다. 예를들어, 증발 또는 스퍼터링과 같은 조준선(line-of-sight) 박막 퇴적(deposition)에서 통상적으로 얻어지는바와 같이, 와이어 표면의 부분상의 연속 길이가 커버되는 한, 상기 나노와이어들은 단일축 자기장에 반응하며 그에의해 정렬된 구조를 형성한다. 상기 전계 정렬에 대해 상기 요구되는 자기적(magnetic) 형태 이방성(anisotropy)을 주기위해 상기 자성 층으로 연속적으로 코팅된(전체적 주변을 반드시 커버하는 것은 아닌) 상기 나노와이어 길이의 적어도 25 %를 가지는 것이 바람직하다.
도 1c에 반영된 다음 단계는 혼합 및 활발한 휘저음으로 낮은 점성도 액체 매개물(16)내에서 상기 자성 코팅된 나노와이어들(15)을 분산시키는 것이다. 수성의(aqueous) 및 비수성의(예를들어, 알콜 또는 아세톤) 액체 매개물들 둘다 적당하다. 그와같은 매개물들에서 용해된 바인더(binder) 또는 접착 재료(adhesive)(예를들어, 폴리비닐 알콜)을 포함하는 것이 가능하다. 존재하는 상기 바인더 또는 접착 재료의 양은 상기 종료된 정렬된 복합물 구조에서 통상적으로 0.1-40 vol.%의 범위에 있으며, 유리하게는 0.5-20 vol.%의 범위에 있다. 퉁상적으로 도전성 재료로 형성될 수 있는 프리커서는 매개물(16)에 포함되어 있다(도전성 재료는, 경화(consolidation)후에, 상기 재료가 약 1000 ohm-cm보다 적은 전기 저항률을 나타낸다는 것을 표시한다). 예를들어, 상기 나노와이어에 대해 전기적으로 도전성이 있고 기계적으로 안정된 매개물을 제공하도록 나중에 분해될 수 있는 CuCl2, CuSO4, AgNO3, SnCl2, InCl3, 또는 FeCl3와 같은 용해된 하나 이상의 물에 용해가능한 금속염을 가진 수성 용액을 사용하는 것이 가능하다. 예를들어, 본질적으로 도전성인 폴리머들 또는 금속이 채워진 도전성 폴리머들 같은 적어도 하나의 전기적으로 도전성인 폴리머를 포함하는 용매에 기초한 용액을 사용하는 것도 가능하다. 상기 폴리머는, 상기 나노와이어들이 정렬되고 상기 용매가 증발되어버린 후에, 전기적으로 도전성이며 기계적으로 안정한 매개물을 비슷하게 제공한다. 다른 부가물들도 또한 가능하다. 초기에 상기 나노와이어들을 불이나 비수성의 용매로 혼합하는 것이 가능하다. 그와같은 경우에, 분해후에 전기적 도전율을 제공하는 적당한 바인더/접착 재료 및/또는 프리커서 재료는, 여전히 존재하는 정렬 전계와 함께 양호하게, 자기적 정렬후와 액체 캐리어의 부분적 또는 완전한 증발후에 천천히 그리고 주의깊게 첨가된다. 매트릭스 도전율을 제공하는 프리커서재료들은 도전성 폴리머들, 금속염 용액, 또는 용해된 금속을 포함한다.
절연성 바인더 또는 접착제를 가진 나노와이어들의 상대적으로 큰 부피 분율을 이용하여, 도전성 매트릭스 재료를 위한 필요없이 상기 나노와이어들 중에서 필요한 물리적 및 전기적 접점들을 유도하는 것도 가능하다. 그와같은 접점들은 상기 입자 크기가 작고 상기 부피 분율이 높을 때 종종 만나게 되는 자기적 상호작용과 응집때문에 자기장의 존재하에서 실질적으로 향상된다. 뛰어나게 정렬된 나노와이어들의 상기 접속된 집합체는 용매 제거시에 건조된 바인더 또는 접착 재료에 의해 움직이지 않게 된다.
도 1d에 반영된 다음 단계는 상기 코팅된 나노와이어들(15)을 자기적으로 정렬하는 것이다. 정자기장의 에너지를 감소시키려는 경향때문에, 액체 매개물 내의 이동가능한 연장된 자기적 몸체들은 가해진 자기장의 방향을 따라 정렬되며, 인접하는 자기적 쌍극자에 의한 반발의 결과로서 평행하며, 측면으로 간격이 있는 정렬구조를 갖는 경향이 있다. 예를들어, S.Jin 등, Science, Vol.255,446(1992), 및 S.Jin 등,J.Appl.Phys., Vol.64,6008(1988)을 본다. 자기적 응집을 감소시키기 위해 상기 복합물 구조내의 나노와이어들의 너무 높은 부피 분율은 회피되어야 한다. 복합물내의 나노와이어들의 요구되는 부피 분율은 50 %이하이고, 유리하게는 30 %이하, 더 유리하게는 10%이하이다.
자기적 정렬에 대해, 경사(gradient)있는 자기장이 균일한 자기장에 비해 유리하다(비록 어느쪽 형식을 사용하는 것도 가능하지만). 선택적으로, 균일한 자기장이 상기 경사진 자기장이 걸리기 전에 일시적인 처리과정의 부분으로서 사용된다. 상기 경사진 자기장은 도 1d에 도시된 바와같이 그와같은 전계가 나노와이어들(15)을 정렬하고 또한 그들의 팁들을 매끄러운 표면(평평하던지 또는 오목하던지)쪽으로 및 반대로 당긴다는 점에서 유리하다. 상기 나노와이어들을 상기 기판(18) 표면으로 끌어당겨서, 최종 보가합물 구조에서 나노와이어들의 상대적으로 균일한 높이를 제공하는 것이 가능하다. 그와같은 균일성은 이미 논의된 바와같이 바람직하다. 상기 기판(18)으로 당겨지는 나노와이어 팁 근처의 자기장의 요구되는 세기는 통상적으로 10에서 10,000 Oe의 범위에 있으며, 유리하게는 100에서 5000 Oe에 있다. 상기 요구되는 전계 경사도는 통상적으로 수직 거리의 인치당 적어도 10 Oe이고 유리하게는 인치당 100 Oe이다.
상기 경사있는 자기장은 임의의 적당한 방법에 의해 제공된다. 예를들어, 하나 이상의 영구자석들(20)을 분산된 나노와이어들을 포함하는 배스(bath) 근처에, 예를들어 배스의 옆이나 중간에 위치시키는 것이 가능하다. 후자의 경우에, 동시 퇴적을 위해 상기 배스내에 복수의 기판들을 담그는 것이 가능하다. 잘 알려진 바와같이, 영구자석의 극으로부터의 자기장의 세기는, 일반적으로 역자승 관게를 따르면서, 상기 극(pole) 면(face)으로부터 벗어난 거리의 함수로서 감소한다. 그러므로, 상기 극 면 근처에 존재하는 경사 전계가 있다. 상기 경사 자기장 전계의 강도는, 예를들어, 자석 재료를 바꾸고, 자석 치수를 바꾸고, 또는 상기 극 면과 상기 나노와이어-수집하는 기판 사이의 갭을 변화시켜서, 필요한 대로 조절된다. 영구자석 대신에, 상기 경사 전계를 제공하기 위해 전자석을 사용하는 것도 가능한데, 솔레노이드 엣지 근처의 경사 전계는 이용될 수 있다. 대안으로, 더 제어가능한 경사도가, 경사 권선(winding)을 가진 솔레노이드를 사용하거나(즉, 솔레노이드의 길이에 따라 도체 권선의 감긴 수의 비균일적 분포) 가해진 전류의 점진적으로 변하는 크기를 가진 분할된 솔레노이드를 사용하여, 얻어진다.
상기 나노와이어들(15)이 배열된 기판(18)은 자기적 정렬과 응집 프로세스 후에 나노와이어로부터 쉽게 유리하게 껍질이 벗겨질 수 있다. 예를들어, 유연한 기판이나 기판으로부터 쉽게 분리될 수 있는, 예를들어, 테플론TM(TeflonTM) 또는 그리스(grease)같은 코팅을 사용하는 것이 가능하다. 대안으로, 기판표면에 테플론TM테이프 또는 왁스(wax) 페이퍼와 같은 얇고 벗겨질수 있는 중간 층(19)을 위치시키는 것이 가능하다.
도 1e에 도시된 다음 단계는, 예를들어 상온에서, 상기 자기장을 유지하는 동안 매개물(16)의 액체 캐리어(즉, 물 또는 용매)가 중발하도록 하거나, 더 높은 온도에서(그러나, 상기 정렬된 나노와이어 구조를 교란시키지 않기 위해 액체의 끓는점 아래에서) 상기 프로세스를 가속시키는 것이다. 정렬된 나노와이어들(15)과 도전성 프리커서, 예를들어, 금속염을 가진, 상기 건조된 매개물(22)은 그다음에 상기 기판(18)으로부터 벗겨져나가고, 상기 정렬된 나노와이어들(15)을 고정하는 도전성 지지(supporting) 매트릭스(24)를 얻기 위해, 예를들어 불활성 또는 환원 분위기에서 베이킹되거나(baked) 소결되는(sintered) 것과 같이, 처리된다. 금속염들 대신에 폴리머에 기초한 바인더들, 접착제(adhesive), 또는 도전성 폴리머들의 경우에는, 상기 분해 열 처리가 일반적으로 경화(curing) 단계를 위해 생략된다.
도 1f에 도시된 마지막 단계는, 예를들어 산 용해(acid dissolution), 이온 밀링(예를들어, 이온에칭), 레이저 빔 스캐닝, 증발, 또는 다른 기술들에 의해, 정렬하는 동안 상기 지지 기판(18)에 접촉하는 복합물의 표면으로부터(즉, 도 1e의 복합물의 바닥면), 예를들어, 금속 또는 도전성 폴리머인, 매트릭스 재료(24)의 얇은 층을 에칭하는 것이다. 상기 에칭 단계는 도 1f에 도시된 바와같이 돌출된 나노와이어들(25)에 상대적으로 같은 높이들을 제공한다. 도 1f에 반영된 바와같이, 자성 코팅을 상기 나노와이어들(25)의 돌출부분으로부터 제거하는 것도 가능하다. 코팅의 제거는 상기 팁 지름이 그에의해 감소된다는 점에서 유리하며, 이것은 전기장 증대를 제공한다. 상기 매트릭스 재료의 얇은 층의 에칭에 뒤따라서, 상기 복합물을 수평적으로 연마하거나 분할하는 것도 가능하다.
전계 에미터 이용을 위한 상기 매트릭스 위의 나노와이어들의 요구되는 돌출부 높이는 상기 마노와이어의 지름의 적어도 2배인데, 상기 나노와이어 팁에서 효율적인 전계 집중을 제공하기 위해서는 유리하게는 적어도 20 nm, 더 유리하게는 적어도 100 nm이다. 본 발명의 프로세스는 상기 노출된 팁 높이가 실질상 균일하며, 평균 돌출 높이의 변화가 통상적으로 40 %이하, 유리하게는 20 %이하인 점에서 유리하다. 나노튜브들의 부피는 통상적으로 적어도 0.01 vol.%, 유리하게는 적어도 1 vol.%이며 상기 나노와이어들이 돌출한 표면으로부터 적어도 2 ㎛깊이이다.
도 1a-1f의 실시예들이, 예를들어 용해된 도전성 폴리머가 있는 용매 또는 용해된 금속염이 있는 수성 용액인, 액체 캐리어 내의 용해를 통해 매트릭스 프리커서를 제공하지만, 도 2a 및 2b에 반영된 바와같이, 초미세 미립자 프리커서(30)를 사용하는 것도 가능하다. 특히, 도 2a에 도시된 바와같이, 자성 코팅된 나노와이어들(34)을 포함하는 액체캐리어(32)는 Ag, Cu, Ni, Fe, Au, CuO, Fe2O3, AgO와 같은 것이 부가된 금속 또는 금속 프리커서의 나노-스케일 입자들(30)이 혼합된다(상술된 바와같이 다른 프리커서 재료들도 가능하다). 활발한 혼합이 균일한 분산을위해 유리하다. 그와같은 나노-스케일 금속, 산화물, 또는 다른 화합물 입자들은 상업적으로 이용가능하다. 상기 요구되는 입자 크기(예를들어, 지름)는 1-1000 nm 범위에 있으며, 유리하게는 2-50 nm 범위에 있다. 이미 합성된 입자들, 예를들어, 건조 및 공기에의 노출없이 그들의 액체 매개물에 놓인 화학적으로 침전된 입자들을 이용하는 것이 일반적으로 유리하다. 그와같은 이용은 입자 응집 및 입자들의 산화 둘다를 감소시킨다(그들중 몇몇은 자연히 연소되는(pyrophoric) 것일수 있다).
상기 혼합은 그다음에, 상술된 바와같이, 상기 나노와이어들(34)을 정렬하고 평평하거나 굴곡된 표면(36)에 대해 그것들을 당기기 위해, 도 2b에 반영된 바와같이, 예를들어 자석(38)에 의해, 상기 경사 전계 프로세싱을 받게된다. 상기 프리커서 나노입자들(30)는 도 2b에 도시된 바와같이, 안정되는 것이 허용된다. 상기 복합물은 그다음에, 예를들어 릴리스(release) 테이프 층(35)의 사용에 의해, 기판에서 떨어진, 자기장 존재하의 고체 물체로 건조되며, 경화된 매트릭스를 형성하기 위해 처리된다. 특정 프리커서에 의존하여, 상기 처리들은 분해(예를들어, 산화물 또는 염 미립자를 금속으로 환원하는 것), 소결, 및/또는 경화를 포함한다. 부가적인 경화시키기도 가능한데, 예를들어 상기 복합물을 녹이거나 가소적으로 (plastically) 변형하는 것이다. 상기 복합물은 그다음에, 상술된 바와 같이, 상기 나노와이어들이 상대적으로 균일한 팁 높이로 돌출하도록 허용하기 위해 표면 에칭 프로세스를 받도록 한다.
도 3은 자기적으로 정렬된 나노와이어 구조를 제조하기 위한 다른 기술을 예시한 것이다. 자기적으로 코팅된 나노와이어들(40)은 고체 도전성 매트릭스(예를들어, 금속 또는 도전성 폴리머)로 변환될 수 있는 프리커서 재료를 포함하는 액체 캐리어(42)로 혼합된다. 상기 나노와이어들(40)은 상술된 바와같이, 평평한 기판 (44)표면에 대해 경사를 가지며 정렬된다. 상대적으로 균일하고, 얇고, 연하고 (soft), 겔(gel) 형의 층(46)이 상기 자기장 정렬 프로세스가 시작되기 전에 상기 기판(44) 표면에 제공된다. 상기 자기적 경사의 힘은 상기 기판(44)에 대해 수직적으로 정렬된 나노와이어들(40)을 아래로 당겨서 상기 나노와이어들(40)의 바닥 끝은 상기 겔 형의 층(46)을 통과하여 실질상 아래에 있는 기판(44)에 접촉한다. 상기 액체(42)내의 프리커서 도체 재료는 나노와이어들(40)의 남아있는, 노출된 길이를 둘러싸지만, 겔(46)을 통과하지는 않는다. 상기 프리커서 재료는 그다음에 고체화된다. 상기 고체화된 복합물을 기판으로부터, 예를들어 이미 상술된 바와같이 벗겨질 수 있는 중간 층(48)을 사용하여, 분리하면, 상기 나노와이어의 실질적으로 균일한 돌출이 상기 겔 층의 제거를 하여 얻어진다(상기 겔 형의 층으로부터의 그와같은 분리는 본 명세서에서 돌출된 팁들의 노출을 구성하는 고려된다). 상기 제조 프로세스의 나머지는 상술된 바와 같다. 상기 나노와이어 팁들에서 임의의 남아있는 부스러기 또는 남아있는 겔 형의 재료는 후속 프로세싱 단계들에 의해 세척되거나 용해되어버린다.
상기 겔 형의 층(46)이 상기 나노와이어들을 포함하는 특정 액체 용액에서 실질적으로 용해되지 않는 다수의 서로다른 형식들의 유기 또는 무기 재료들로부터 형성되는 것이 가능하다. 예를들어, 젤라틴, 벌꿀, 또는 경화되지 않은 폴리머들과 같은 재료들이 적당하게 사용된다. 상기 재료는 스핀-코팅, 스프레이 코팅, 또는 닥터-블레이드 코팅과 같은 공지된 기술들에 의해 얇은 층으로서 기판상에 코팅된다. 용매의 증발을 통해 매우 얇은 층을 얻기위해 용매-희석된 겔 재료들을 사용하는 것도 가능하다. 상기 겔 형의 층의 두께를 제어하여, 팁 돌출의 정도가 비슷하게 제어된다. 상기 실시예의 장점은 상기 요구된 나노와이어 돌출이 본 명세서에 논의된 형식의 표면 에칭 단계의 필요없이 달성된다는 것이다.
에칭 단계없이 상기 요구된 돌출을 얻기위한 다른 프로세싱 접근은 서로다른 형식의 재료들의 시계열적 스택킹(sequential stacking)이다. 특히, 도전성 프리커서 재료없이, 물 또는 용매(예를들어, 에탄올)와 같은 액체 캐리어내의 나노와이어들은 상술된 바와같이 자기적으로 정렬되며, 상기 액체는, 선택적으로, 증발해버리는 것이 허용된다. 상기 정렬된 나노와이어들을 위치에서 유지하기 위해 상기 경사 자기장을 유지하는 동안, 제거가능한 층(예를들어, 용매-희석된 겔 형의 액체) 또는 한 층의 실질적으로 구형인 나노입자들(예를들어, 에탄올에서의 Al2O3또는 Ag의 1-5 nm 지름 입자들의 희석된 분산)은 상기 정렬된 나노튜브들에 대해 천천히 그리고 주의깊게 부어지며, 유리하게는 상기 정렬된 나노와이어 집합체의 측면으로부터 시작하여 상기 액체 레벨(level)이 상기 나노와이어들의 바닥 부분을 잠기게하고 커버하기위해 올라간다. 상기 용매는 그다음에 얇은 장벽 층을 형성하기 위해 부분적으로 또는 완전히 증발한다. 프리커서 도체 재료는 그다음에 부가되며 고체화된다. 결과적인 나노와이어 복합물이 기판으로부터 분리되면, 상기 제거가능한 층 또는 나노입자들의 층은, 상술된 바와같이, 실질상 균일한 높이를 갖는 나노와이어 팁들을 노출하기 위해 제거되거나 떨어지게 된다.
본 발명에 따른 대량의(bulk), 정렬된 나노와이어 구조를 얻기 위한 다른 접근이 도 4a-4c에 도시되어 있다. 특히, 나노와이어들(50)은 우선 프리커서 도전성 재료(51)와 혼합되는데, 예를들어, 수성의 또는 비수성의 액체 캐리어(52)와 함께 있는, 도전성 금속 나노입자들, 프리커서 금속염 입자들(또는 그것에 관한 용액), 금속-산화물 입자들, 또는 도전성 폴리머(고유의, 또는 금속이 채워진)가 있다. 상기 결과적인 슬러리(slurry)는, 예를들어 구리 또는 플라스틱 튜브인, 긴 수직 튜브 (53)에 위치한다. 상기 슬러리의 혼합후에, 수직인, 경사 자기장이 도 4a에 도시된 바와같이 상기 도체 또는 프리커서 도체(51)와 함께, 상기 자성 코팅된 나노와이어들(50)을 바닥으로 당기기 위해 가해진다. 나노와이어(50) 이동의 속도와 바닥에서의 정렬된 쌓임(pile up)은 상기 자기장의 강도와 경사도를 조절하고, 포함된 재료의 부피 분율, 크기, 또는 점성도와 같은 재료 파라미터들을 변경하고, 및/또는 상기 자성 코팅의 성질을 변경시켜서 제어된다. 상기 나노와이어(50) 이동의 속도는 중력에 의해 상기 도체 미립자들(51)의 동시 침전을 허용하도록 선택된다. 상기 처리장치의 위쪽 영역에서, 부가적인 나노와이어들(50) 및 도체 재료(51)는, 상기 정렬된 재료들이 바닥에 축적됨에 따라, 필요하다면, 다시 공급되게 된다. 나노와이어 정렬의 프로세스와 튜브의 패킹이 완료된 후에, 상기 액체 캐리어(52)는 증발되고, 복합물 구조는 금속 도체 매트릭스의 경우에는 소결, 녹임, 및/또는 플라스틱 변형에 의해, 또는 폴리머에 기초한 도체 매트릭스의 경우에는 건조 및/또는 경화에 의해 경화된다. 상기 결과적인 고체 막대 재료(54)는 그다음에 도 4b에 도시된 바와같이 임의의 요구되는 두께를 가진 다수의 에미터 몸체들(55, 56, 57)로 분할된다. 각각의 분할된 몸체(59)의 표면들중 하나는 도 4c에 도시된 바와같이 돌출된 나노와이어 팁들(58)을 제공하기 위해, 상술된 바와같이, 그다음에 가볍게 에칭된다.
평평한 패널 디스플레이들과 같은, 어떤 응용들에 대해서 에미터들(화소들)의 많은 세분된 영역들의 x-y 매트릭스 어레이가 요구된다. 효율적인 전계 방출을 위해 수직으로 정렬되어 있고 돌출된 그 팁들을 가진 나노와이어들의 그와같은 어레이는 도 5a와 5b에 도시된 바와같이 본 발명에 따라 제조된다. 특히, 자성 코팅된 나노와이어들(62)의 낮은-점성도 슬러리(60), 하나 이상의 도전성 재료들(은-에폭시, 은 페이스트, 도전성 폴리머, 또는 솔더(solder) 합금 입자들과 같은), 및 알콜과 같은 액체 캐리어는, 도 6a에 도시된 바와같이, 스핀 코팅, 스루(through) 마스크 스프레이 코팅, 또는 스크린 프린팅과 같은 분배(dispensing) 및 패턴화 기술들을 사용하여, 예를들어 100 ㎛ × 100 ㎛ 패드들과 같은, 기판(66)에 위치한 미리 정의된 어레이 접촉 패드들(64)상에 얇은 층으로서 분배된다. 상기 어레이 구조의 후 (post)처리 정의를 위한 기초 캐리어 액체로서 광-정의가능(photo-definable) 폴리머를 사용하는 것도 가능하다. 상기 퇴적된 슬러리 층에서 상기 자성적으로 코팅된 나노와이어들(62)은 그다음에 자기장을 가하여 평행한 막대로서 수직적으로 정렬된다. 상기 슬러리(60)는 그다음에 건조되며, 상기 남아있는 구성부분들은 경화된다. 상기 솔더 입자들이 슬러리에서 이용될 때, 경화는 상기 접촉 패드에 본딩을 유도하고(이것은 통상적으로 솔더 본딩가능 표면을 포함한다) 상기 정렬된 나노와이어들을 장소에서 움직이지 않게 하기위해, (통상적으로 자기장의 존재하에서) 녹임 또는 소결 단계를 일반적으로 포함한다. 상기 슬러리의 성질로 인해, 상기 액체의 제거되고 남아있는 구성요소가 경화되면, 상기 나노와이어들 (60)의 적어도 일부분이 도 6b에 반영된 바와같이, 상기 경화된 재료로부터 돌출할 것이다. 돌출의 정도는 상기 퇴적된 슬러리의 두께를 변경하고, 상기 슬러리의 희석의 정도를 바꾸고, 및/또는 상기 자기장 세기를 조정하여 적어도 어느정도 제어가능하다. 유리하게, 상기 용매는 상기 정렬시키는 자기장을 유지하는 동안 증발한다. 몇몇 경우에서, 용매가 제거되는 프로세스는 상기 나노와이어들의 돌출을 도입하는데에도 적당할 것이다. 상기 나노와이어 어레이의 요구되는 두께는 상기 시작하는 나노와이어 재료의 평균길이에 의존한다. 어레이에서의 사용을 위한 나노와이어들의 통상적인 평균 길이는 0.1에서 100 ㎛ 범위에 있으며, 유리하게는 0.5 - 20 ㎛이고, 길이 분포의 통상적 퍼짐(spread)은 인자 5이고, 유리하게는 인자 2이다. 요구되는 돌출의 정도는 통상적으로 0.1 - 10 ㎛ 이며, 유리하게는 0.1 - 1 ㎛이다. 폴리머 또는 금속의 남아있는, 표면을 커버하는 원자층들을 제거하기위해 산, 용매, 플라즈마, 또는 레이저로 가벼운 에칭을 하여 상기 프로세싱된 나노와이어 어레이의 표면을 처리하는 것이 가능하다.
본 발명에 따라 준비된 상기 정렬된 나노와이어 구조는 본 명세서에 논의된 바와같이 전기적, 진공-관련된, 및 구조적인 부분들를 포함하는, 통합되는 그리드 (grid), 애노드(anode), 형광체(phosphor)(디스플레이를 위해), 및 다른 구성요소들에 의해 전계 방출 장치들을 위한 배치로 조립된다.
나노와이어 에미터 구조들을 통합하는 장치들
상술된 바와같이 형성된 에미터 구조들은 마이크로웨이브 진공 튜브 장치들 및 평평한 패널 전계 방출 장치들을 포함하는, 다양한 장치들에 유용하다. 낮은 인가 전압에서 효율적인 전자 방출이 방출 공급원에 가까이 근접한(통상적으로 약 1-10 ㎛ 거리) 가속 게이트 전극의 존재에 의해 통상적으로 달성되기 때문에, 상기 구조의 성능을 향상시키기 위해 에미터 구조내의 다수의 게이트 개구(aperture)들을 갖는 것이 유리하다. 특히, 다수의 게이트 개구들을 갖는 미세한-스케일, 마이크론-크기의 게이트 구조가 높은 방출 효율을 얻는데 유리하다.
따라서, 본 발명의 방출 장치들에서, 그리드 구조가 본 명세서에 기술된 상기 나노와이어 에미터 구조의 앞에 형성된다. 상기 그리드는 상기 전자 방출 캐소드와 상기 애노드사이에 위치한 도전성 구성요소이다. 이것은 상기 캐소드와 분리되어 있으나 방출을 발생시키기 위해 상기 나노와이어 에미터에 충분히 가까이 있으며(통상적으로 상기 방출 나노와이어 팁들의 10 ㎛ 내에서), 그럼에도 불구하고, 상기 가까운 간격은 상기 에미터 팁들이 상대적으로 균일한 높이를 가질 때에만 가능하다. 이미 논의된 바와같이, 본 발병의 제조 프로세스는 그와같은 균일성을 나타내는 나노와이어 팁들을 제공한다.
상기 그리드는 알루미늄 옥사이드 또는 실리콘 다이옥사이드와 같은 전기적을 절연성인 층에 의해 상기 캐소드로부터 일반적으로 분리되어있다. 유리하게, 본 발명의 상기 그리드 구조는 다수의 개구들을 가진 전기적으로 도전성인 층, 예를들어 박막 또는 얇은 호일(foil)을 포함한다. 각각의 개구내에서, 다수의 나노와이어들은 전계가 캐소드와 그리드 사이에 인가되었을때 전자들을 방출한다.
상기 그리드 개구들의 치수는 평균 최대 치수(예를들어, 지름)에서 0.05-100 ㎛ 범위에 있고, 유리하게는 적어도 0.1 ㎛이며, 더 유리하게는 제조를 쉽게 하기 위해 적어도 0.2 ㎛이다. 상기 평균 최대 치수는 1)그리드 개구들의 밀도를 증가시키고, 2)각각의 개구 면적들내에서 나노와이어 에미터들의 수를 증가시키고, 3)각의 빔 퍼짐을 감소시키기 위해서 유리하게는 20 ㎛보다는 커서는 안되며, 더 유리하게는 5 ㎛보다 커서는 안된다. 상기 그리드 개구가 임의의 모양, 예를들어 원형인 것이 가능하다. 상기 그리드 도체의 두께는 통상적으로 0.05-100 ㎛ 범위에 있으며, 유리하게는 0.1-10 ㎛ 범위에 있다. 상기 그리드 도체 재료는 Cu, Cr, Ni, Nb, Mo, W 또는 그것들의 합금들과 같은 금속들로부터 통상적으로 선택되지만, 옥사이드, 나이트라이드, 및 카바이드같은 도전성 세라믹 재료들의 사용도 가능하다. 상기 개구있는(또는 개구를 뚫은) 그리드 구조는 종래의 박막 퇴적 및 포토리소그래피 에칭에 의해 통상적으로 준비된다.
유리하게, 상기 그리드는 미국 특허 제 5,681,196 호 및 제 5,698,934 호에 기술된 바와같은 고밀도의 개구있는 게이트 구조이며, 그 명세서내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. 고밀도 게이트 개구 구조를 가진 매우 미세하며 고밀도인 나노와이어 에미터들의 조합은 서브마이크론 에미터들에서 특히 유리하다. 그와같은 고밀도 게이트 개구 구조는 마이크론 또는 서브마이크론 크기의 입자 마스크들을 이용하여 편리하게 형성된다. 특히, 상기 나노와이어 에미터 구조의 형성후에, 마스크 입자들(5 ㎛이하, 유리하게는 1 ㎛이하의 최대치수를 통상적으로 갖는 금속, 세라믹, 또는 플라스틱 입자들)이 예를들어 스피레이 또는 스프링클하여 상기 에미터 표면에 가해진다. SiO2또는 유리와 같은 유전체 막 층들이 증착(evaporation) 또는 스퍼터링에 의해 상기 마스크 입자들 위해 퇴적된다. Cu 또는 Cr과 같은 도전층이 상기 유전체에 퇴적된다. 새도우(shadow) 효과 때문에, 각각의 마스크 입자 아래에있는 에미터 영역들은 유전체 막을 갖지 않는다. 상기 마스크 입자들은 그다음에, 고밀도의 개구들을 갖는 게이트 전극들을 남기면서, 쉽게 털어지거나 날려버려진다. 도 6은 그와같은 입자 마스크 기술을 도시한 것이다. 상기 마스크 입자들(70)은 상기 돌출한 나노와이어 에미터들(71)위에 위치해 있다. 절연층(73)과 그리드 도전체 층(74)의 기판(76)상의 도전체(75)로의 퇴적이 이루어지면, 마스크 입자들(70)은 나노와이어 에미터들(71)의 일부분을 막는다. 상기 마스크 입자들 (70)이 제거될 때, 나노와이어들(71)은 결과적인 개구들을 통해 노출된다. 상기 결과적인 구조는 그다음에 장치로 통합될 수 있다.
도 7은 통상적인 마이크로웨이브 진공 튜브 장치-여기서 진행파 튜브(TWT)의 개략적인 단면도이다. 상기 튜브 장치는 진공이된 튜브(80), 전자총의 형태인 전자들의 공급원(81), 마이크로 웨이브 입력 신호를 도입하기 위한 입력 윈도우(82), 전자들이 입력신호와 상호작용하는 상호작용구조(83), 및 전자들로부터 얻어진 마이크로 웨이브 전력이 상기 튜브로부터 취해진 마이크로웨이브 출력 윈도우(84)를 포함한다. TWT의 경우, 다른 구성요소들은 상기 상호작용 구조(83)를 통해서 전자들의 빔을 촛점맞추기 위한 촛점맞추는 자석(도시되지 않음), 상기 출력 마이크로웨이브 전력이 생성된 후에 전자빔을 모으기 위한 컬렉터(85), 및 상기 출력에서의 부정합으로부터 상기 튜브로 되돌려진 마이크로웨이브 전력을 흡수하기 위한 내부 감쇠기(attenuator)(도시되지 않음)를 포함한다. TWT에 대해서, 상기 상호작용 영역(83)은 통상적으로 광대역 응용들을 위한 도전성 헬릭스 및 높은 전력 응용들을 위한 결합된 공동(coupled-cavity) 영역이다.
상기 전자총(81)은 전자가 총을 떠난 후에 요구되는 궤적을 따르기 위해 전자빔을 발생시키고, 가속시키고, 및 촛점을 맞추는 전자 공급원이다. 도 8은 열전자 캐소드(90), 전자들의 방출을 유도하기 위한 하나 이상의 그리드들(91), 상기 전자들을 빔으로 촛점맞추기 위한 촛점맞추는 전극들(92), 및 상기 빔(94)을 상호작용 구조(83)로 더 방향을 잡기위한 개구있는 애노드(93)를 개략적으로 도시한다. TWT 응용을 위해, 상대적으로 낮은 전압과 높은 전류 밀도에서의 길고 얇은 전자빔이 유리하다. 전자총들은 배치에서 평면 애노드에 의해 마주한 평면 캐소드로부터 피어스(Pierce) 총들, 원뿔형 다이오드 전극들, 동심원의 실린더들 또는 구형의 캔 캐소드들과 같은 더 정교한 디자인들까지의 범위에 걸쳐 있다(A.W.Scott,supra.를 본다).
도 7과 8에 도시된 장치의 오퍼레이션에서, 전자빔(94)은 그리드들(91)과 애노드(93)에 인가된 높은 전압에 의해 상기 캐소드(90)로부터 가속된다. 상기 전자빔은 그다음에 마이크로웨이브 입력 신호와 상호작용하는 상기 상호작용 구조(83)로 쏘게 되어서 상기 전자들과 상기 신호가 상기 상호작용 구조(83)를 통과하여 함께 진행함에 따라 상기 빔(94)는 증폭된다. 상기 전자들은 상기 상호작용 구조(83)상의 마이크로웨이브 신호와 같은 속도로 유리하게 진행한다. 상기 입력 신호의 전력은 상기 전자빔(94)을 변조하며, 상기 변조된 전자빔(94)은 출력(84)에서 입력신호의 증폭된 형태를 발생시킨다.
상기 캐소드(90) 및 그리드(91)는 도 6의 TWT내의 전자빔을 위한 전자들의 공급원이다. 상기 캐소드는 다음 성질들과 성능들을 유리하게 갖고 있다: (1)낮은 일함수를 나타내어서 그 표면은 가열 또는 충돌과 같은 외부 자극의 필요없이 자유롭게 전자들을 방출할 수 있다, (2)높은 전류 밀도를 공급한다, (3) 전자방출이 실질적으로 손상되지 않는 긴 오퍼레이팅 수명, (4)전자 운동량에서의 작은 퍼짐을 가진 좁은 빔의 생산을 허용한다, 및 (5)상기 캐소드에서의 또는 근처에서의 변조된 전자빔의 생산을 허용한다는 것이다. 종래의 열전자 캐소드에 대조적으로, 돌출한 나노와이어 에미터들을 포함하는 콜드(cold) 캐소드들은 상기 성질들을 나타낸다. 특히, 나노와이어에 기초한 콜드 캐소드들은 전기장이 인가되었을때, 빠른, 상온 방출을 할 수 있다. 그것들은 단축된 상호작용 영역의 사용을 허용하고, 더 가볍고 더 소형인 장치를 생성시키며, 수 마이크론의 거리에 대해(그리드들에 의해 직접 수행된 빔 변조의 경우처럼) 변조된 전자빔의 생산을 허용한다.
마이크로웨이브 진공 튜브 장치내의 나노와이어에 기초한 콜드 캐소드를 사용할 때, 전자빔이 타당한 레벨내에서 퍼지도록 유지하는 것이 요구된다. 전자들은 모든 3개의 직교좌표 방향들에서 속도의 맥스웰 분포를 가진 캐소드 표면으로부터 나온다. 환언하면, 전자들은 일반적으로 영이 아닌 속도와 표면 직각 방향에 대해 다양한 각도로 표면으로부터 나올것이다. 상기 전계 방출된 전자들은 그래서 전자빔 궤적의 방향으로 분포를 가지고 있다. 상기 효과들- 전자들의 랜덤한 방출, 상기 캐소드로부터 애노드까지의 경로에 수직인 바람직하지 않은 운동량, 및 미시적인 스케일 상의 전자 궤적들의 결과적인 교차 -은 모두 수렴 빔이 얻을수 있는 최소지름과 샷(shot) 노이즈를 발생시켜서 상기 마이크로웨이브 증폭기의 수행을 감소시킨다. 그러므로, 전자빔들이 거의 평행하지 않으면 그리드에서의 서로다른 개구들로부터의 전자빔들이 합해지는 것을 억제하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 빔들이 개별적으로 발산되는 동안 합해진다면, 상기 결과적인 빔의 위상 공간 밀도는 낮아질 것인데, 임의의 주어진 점에서 전자들은 다양한 다른 운동량들로 발견되기 때문이다.
상기 개구에서의 정전기적 렌즈를 생성시켜서 각각의 개구로부터의 전자들의 발산 각을 감소시키는 것이 가능하다. 그러나, 리우빌의 정리(Liouville's Theorem)는 렌즈가 상기 수직 운동량 퍼짐을 감소기킬 수 있는 정도를 강제한다. 상기 방출 영역이 렌즈 개구와 같다면, 그다음에 실질적인 개선은 얻어지지 않는다. 상기 방출 영역이 렌즈 개구보다 더 작다면, 상기 방출 영역의 반지름과 상기 렌즈들의 반지름의 비에 의해 상기 수직 운동량 분포(적당한 렌즈 디자인으로)를 감소시키는 것이 가능하다.
그러므로, 각각의 개구의 중심 근처의 작은 점들로부터의 방출만을 허용하는 것(즉, 상기 영역의 많아야 70 %, 유리하게는 상기 개구의 영역의 많아야 50 %)이 바람직하다. 복수의 방출 개구들에 대해 작은 영역(개구 영역보다 작은)만이 전기적으로 도전성이 있도록 상기 기판을 패터닝하여 방출을 제어하는 것이 가능하다. 상기 방출 개구내의 중앙 영역만이 활성화되고 전자들을 방출하도록 하는 것은, 상기 나노와이어 통합 프로세스를 제어하여, 예를들어 상기 개구들의 중심을 제외한 모든 곳에서 상기 나노와이어 에미터들상에 방출하지 않는 오버층 (overlayer)을 퇴적시켜서, 가능하게 된다.
본 발명은 상기 발산 각을 감소시키기 위한 개선된 기술을 제공한다. 본 발명에 따라, 상기 제 1 그리드가 네거티브 포텐셜에서 오퍼레이팅하는 다층의 개구있는 그리드가 사용된다. 상기 제 1 그리드는 통상적으로 상기 캐소드위에서 평균 최대 개구 치수(예를들어, 둥근 개구의 경우는 지름)의 0.005에서 1사이에 있으며, 유리하게는 0.01에서 0.5사이에 있다. 통상적으로, 상기 개구들은 둥글며, 0.05에서 100 ㎛ 의 지름, 유리하게는 적어도 0.1 ㎛, 더 유리하게는 적어도 0.2 ㎛의 지름을 갖고 있다. 상기 제 1 그리드는 상기 구멍(hole)의 엣지 근처에서, 상기 캐소드 표면에서의 전기장을 감소시켜서, 그에의해 상기 엣지로부터 양호하게 방출을 억제한다. 연속된 그리드들은 통상적으로 상기 캐소드에 상대적인 포지티브 전압을 나타낸다. 상기 다층 그리드 구조는 도 9에 도시된 바와같이, 적어도 2개의 층들, 유리하게는 적어도 4개의 층들의 그리드 도체들을 갖고 있다. 그리드 도체들(100A, 100B, 100C , 100D)은 절연체들(101A, 101B, 101C, 101D)에 의해 분리되며, 정렬된 개구들 (102)를 정의한다. 각각의 개구(102)내에 위치한 나노와이어 에미터들(103)은 캐소드 도체(104)에 의해 지지되는데. 이것은 기판(105)상에 위치해 있다. 상기 그리드 도체들(100A-100D)은 진행(traveling)하는 동안 상기 전자빔들이 촛점이 잡히도록 허용한다. 상기 에미터들(100A)에 가장 가까운 상기 제 1 그리드 층은 상기 그리드 개구들(102)의 엣지 근처의 전계 방출의 억제를 통해 수직인 운동량을 감소시키기 위해 일반적으로 네거티브로 바이어스가 걸린다. 상기 다층으로 된 그리드 구조는 종래의 박박 퇴적과 포토리소그래픽 기술들에 의해 준비된다. 도 10과 11에 도시된 바와같이, 이미 논의된 바와같은 입자 마스크 기술들에 의해 도 9의 그리드 구조들을 준비하는 것도 가능하다. 상기 그리드 층들(100A-100D)의 두께는 통상적으로 0.05에서 100 ㎛ 범위에 있으며, 유리하게는 0.1에서 10 ㎛ 범위에 있다. 상기 그리드 도체 층들은 일반적으로 Cu, Cr, Ni, Nb, Mo, W 또는 그것들의 합금들과 같은 금속으로부터 선택되지만, 옥사이드들, 나이트라이드들, 및 카바이드들과 같은 도전성 세라믹들의 사용도 가능하다. 상기 절연체 층들(101A-101D)은 통상적으로 실리카 또는 유리와 같은 재료들로부터 형성된다.
도 10에서, 상기 마스크 입자들(106)은 통상적으로 강자성이다(예를들어, Fe, Ni, Co, 또는 그것들의 합금들). 바람직한 입자 크기는 통상적으로 평균지름이 0.1 - 20 ㎛ 범위에 있다. 예를들어 상기 나노와이어 에미터 구조에 스프링클하여, 상기 입자들을 위치시키는 동안, 수직 자기장이 인가되며, 이것은 강자성 입자들 (106)이 적어도 2개의 입자들을 포함하는 수직으로 늘여진(elongated) 구들의 체인(chain-of-spheres)을 형성하도록 한다. 몇몇 구들의 체인은 다른 것보다 많은 입자들을 가질 수 있지만, 이것은 다층 그리드 구조를 퇴적시키기 위한 목적을 위해서는 문제가 되지 않는다. 다층 스택들로의 절연 스페이서(spacer) 막(101A-101D)과 상기 그리드 도체 막(100A-100D)의 번갈아된 퇴적후에, 상기 강자성 입자들(106)은 예를들어 영구자석을 이용하여 자기적으로 당겨버리거나, 또는 화학적 에칭에 의해 제거된다.
대안의 입자 마스크 접근이 도 11에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 대안의 접근에서, 늘여지거나 또는 퍼진(prolate) 강자성 입자들(107)이 수직 자기장의 존재하에서 스프링클되어서 기판(105), 도체 층(104), 및 나노와이어 에미터들(103)상에 상기 다층 그리드 구조(100A-100D 및 101A-101D)를 퇴적하는 동안 마스크 입자들로 작용하기 위해 수직적으로 서있게 된다. 상기 입자 마스크는 그다음에 이미 논의된 바와같이 제거된다. 상기 늘여진 마스크 입자들(107)은 통상적으로, 예를들어 0.1-20 ㎛ 범위에 있는 지름인, 평균 축방향 최대 치수를 갖는다. 상기 나노와이어 에미터들 위에 요구되는 높이에 위치한 구멍있는 형판(template)(도시되지 않음)을 통한 마스크 재료의 박막 퇴적(예를들어, 스퍼터링, 증착(evaporation), 일렉트로리스 플레이팅(electroless plating))에 의해 상기 입자들(107)을 준비하는 것이 가능하다. 늘여진 마스크 입자들(107)을 위한 적당한 재료들은 Cu, Al, Ni와 같은 금속들, 쉽게 물이나 용매에 용해가능한 폴리머들(예를들어, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알콜, 폴리아크릴아미드, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 또는 ABS), 휘발성 폴리머들(예를들어, PMMA), 또는 쉽게 용해가능한 염들(예를들어, NaCl)을 포함한다. 상기 입자들의 퇴적후에, 상기 형판은 제거되고, 다층 그리드 구조가 형성된다.
마이크로웨이브 증폭기에서 사용된 바와같은 도 9의 캐소드 및 게이트 구조는 표면기하학적으로 반드시 평평한 것은 아니다. 고쳐만들어진 벌크(bulk) 나노와이어 복합물 에미터, 또는 그위에 퇴적된 박막 어레이 에미터들을 갖는 곡선이 된 기판을 사용하는 것이 가능하다. 상기 곡선이 된 기판은 예를들어 에칭 또는 기계적 연마에 의하거나(예를들어, Si와 같은 재료의 경우에) 또는 플라스틱 변형(예를들어, Cu, Mo, Nb, W, Fe, Ni과 같은 연성(ductile) 금속들, 또는 그것들의 합금들)에 의해서 준비된다.
유리하게, 도 9의 나노와이어-포함하는 캐소드 및 다층 그리드 구조는 열전자 방출 캐소드 대신에 TWT에서 사용된다. 또한, 도 9의 상기 캐소드/그리드 구조는 상기 방출된 전자들을 빔으로 촛점맞추기 위해 유리하게 약간 오목하다.
도 9의 상기 나노와이어 에미터 구조는 4개의 특징들로 인해 상기 캐소드로부터 방출하는 전자들의 수직 운동량 퍼짐(spread)을 감소시킨다. (1)낮은 전압 방출은 감소된 빔 퍼짐을 갖기 위해 바람직하다. 상기 에미터 구조가 일정하게 된다면, 상기 수직 운동량 퍼짐은 상기 방출 전압의 자승 루트에 따라 스케일된다. 돌출한 나노와이어 에미터들의 사용은 낮은 전압 방출과 그리하여 마이크로웨이브 증폭기 오퍼레이션에서 감소된 수직운동량을 허용한다. (2)전자 방출은 상기 중앙 영역 부분으로 제한되는데, 이것은 전체 그리드 개구보다 훨씬 더 작다. (3)상기 전자 빔은 다층 그리드 구조의 스택에 의해 촛점이 잡혀진다. (4)오목한 기판은 상기 전자빔을 더 촛점잡히게 한다.
평평한 패널, 전계 방출 디스플레이를 제조하기 위해 본 발명의 나노와이어에 기초한 에미터들을 사용하는 것도 가능하다. 그와같은 전계 방출 디스플레이는, 예를들어, 다이오드 디자인(즉, 캐소드-애노드 구성) 또는 트라이오드 (triode) 디자인(즉, 캐소드-그리드-애노드 구성)으로 제조된다. 유리하게, 그리드 전극이 사용되고, 더 유리하게는 이미 논의된 바와같이 상기 나노와이어 에미터 캐소드 근처에 위치한 고밀도 개구 게이트 구조가 사용된다.
디스플레이 응용들을 위해, 상기 디스플레이의 각각의 화소내의 에미터 재료(상기 콜드캐소드)는, 다른 것들 중에서, 상기 방출 특성들을 평균하고 디스플레이 품질에서 균일성을 보장하기 위한 목적으로, 다수의 에미터들로 바람직하게 구성된다. 상기 나노와이어들의 나노스코픽(nanoscopic) 성질때문에, 상기 에미터는, 10-100 nm의 미세관 지름과 50 %의 나노와이어 밀도를 가정하면, 100x100 ㎛2의 화소당 통상적으로 104개 이상의 방출 팁들인, 많은 방출 점들을 제공한다. 유리하게, 본 발명에서 상기 에미터 밀도는 적어도 1/㎛2이며, 더 유리하게는 적어도 10/㎛2이다. 낮은 인가 전압에서 효율적인 방출이 가까이 근접한(통상적으로 약 1 ㎛ 거리) 가속 게이트 전극의 존재에 의해 통상적으로 달성되므로, 다수의 에미터들의 성능을 이용하기 위해서 주어진 에미터 영역에 대해 다수의 게이트 개구들을 갖는 것이 유용하다. 증가된 방출 효율을 위해 가능한 많은 게이트 개구들을 갖는 미세-스케일, 마이크론 크기의 구조를 갖는 것이 바람직하다.
도 12는 본 발명의 나노와이어 에미터 구조를 사용하여 평평한 패널 전계 방출 디스플레이를 도시한 것이다. 상기 디스플레이는 다수의 나노와이어 에미터들 (112)을 포함하는 캐소드(110)와 진공 실(seal)내에 상기 에미터들(112)로부터 간격있는 관계로 배치된 애노드(114)를 포함한다. 투명한 절연 기판(118)상에 형성된 애노드 도체(116)에는 형광층(12)이 제공되며 지지 필러(pillar)들(도시되지 않음)위에 놓여진다. 상기 캐소드와 애노드 사이에 구멍있는 도전성 게이트층(122)에 상기 에미터들로부터 가까이 위치해 있다. 편리하게, 상기 게이트(122)는 절연층 (124)에 의해 상기 캐소드(110)로부터 위치해 있다.
상기 애노드와 에미터 사이의 공간은 밀봉되고 진공이 되며, 전압은 전원 (126)에 의해 인가된다. 상기 나노와이어 에미터들(112)로부터 상기 전계 방출된 전자들은 상기 게이트 전극(122)에 의해 가속되며, 상기 애노드 도체 층(116)(통상적으로 인듐-주석 산화물과 같은 투명한 도체)으로 이동한다. 상기 가속된 전자들이 형광층(120)을 때림에 따라, 디스플레이 영상이 발생된다.
본 발명의 다른 실시예들은 여기 밝혀진 본 발명의 명세서와 실시를 고려하면 당업자에게 분명할 것이다.
본 발명은 나노와이어들로부터 에미터 구조들을 제조하기 위한 개선된 프로세스를 제공한다. 특히, 상기 나노와이어들은 상기 에미터 어레이에서 와이어들의 유용한 정렬을 허용하기 위해 자성 재료로 코팅되고, 기술들이 최종 구조에서 정렬된 나노와이어의 바람직한 돌출부를 얻기위해 이용된다(정렬되었다는 것은 나노튜브가 돌출하는 표면상의 점에서 지지표면에 수직인 완전한 정렬로부터의 평균 편차가 예를들어 고배율 주사 전자 현미경을 사용하여 결정된 바와같이 45。 보다 작다는 것을 표시한다). 일실시예에서 자성 재료로 적어도 부분적으로 코팅된, 약 0.1 ㎛에서 약 10,000 ㎛ 의 평균 길이를 갖는 나노와이어들이 제공된다. 상기 나노와이어들은 액체 매개물에서 혼합되며, 자기장이 상기 나노와이어들을 정렬시키기 위해 가해진다. 상기 액체 매개물에는 고체 매트릭스로 경화(consolidation)시킬 수 있는 프리커서 재료, 예를들어 도전성 입자들 또는 금속 염이 제공되며, 상기 매트릭스는 나노와이어들을 정렬된 방향으로 되게 한다. 상기 정렬된 나노와이어들의 일부분은 상기 나노와이어들의 평균 길이의 적어도 2배의 평균 돌출부를 제공하기 위해, 예를들어 상기 매트릭스 재료의 표면 일부분을 에칭하여, 노출된다. 유리하게, 기판이 정렬 단게동안 제공되어서 각각의 나노와이어의 한쪽 끝이 자기장에 의해 기판쪽으로 또는 반대로 당겨지며, 그리하여 나노와이어의 팁들을 실질상 단일 평면에 따른 방향을 갖게 한다(예를들어, 도 1e와 도 1f를 본다).
결과적인 구조는 몇가지 유리한 성질들을 제공한다. 상기 돌출부는 향상된 전계 방출을 제공한다; 복합물을 형성하기 위한 나노와이어들의 매트릭스 재료와의 상호혼합은 다른 형성 기술들에 비교하여 상대적으로 높은 밀도의 나노와이어 팁들을 제공한다; 상대적으로 균일한 높이의 나노와이어들은 방출에 참가하는 나노와이어들의 수를 증가시킨다; 그리고 상기 복합재료는 상기 에미터들과 상기 아래에 있는 금속 캐소드 사이의 상대적으로 안정한 전기적 및 기계적 접점(contact)을 제공한다. 더욱이, 모든 이러한 잇점들은 다양한 상업적 응용들에 즉시 적응될 수 있는 간단한(straightforward) 프로세스에 의해 얻어진다.

Claims (28)

  1. 자성 재료에 의해 적어도 부분적으로 코팅된 정렬된 나노와이어들을 포함하는 복합물 재료를 포함하는 장치로서, 상기 나노와이어들은 상기 복합재료내에 존재하는 상기 나노와이어들과 도전재료간의 접점중 적어도 하나의 접점에 의해 전기적으로 접속되며, 나노튜브들의 적어도 일부분이 상기 나노와이어들의 평균 지름의 적어도 2배의 평균 돌출만큼 상기 복합재료의 표면으로부터 돌출하며, 상기 나노와이어들은 약 0.1 ㎛ 에서 약 10,000 ㎛ 까지의 평균 길이를 갖는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 전계 방출 장치인, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출한 나노튜브들은 절단된 단부들을 포함하는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성재료는 상기 코팅된 나노와이어들의 약 0.95 vol.% 이하를 포함하는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자성 재료는 상기 코팅된 나노와이어들의 약 0.75 vol.% 이하를 포함하는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 평균 돌출 높이는 적어도 20 nm인, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    평균 돌출 높이는 적어도 100 nm인, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합물 재료는 상기 나노와이어들이 돌출하는 표면으로부터 적어도 2㎛ 의 깊이로 적어도 1 vol.% 나노와이어들을 포함하는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    평균 돌출 높이의 변화는 40 % 이하인, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합물 재료는 상기 도전재료를 포함하는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합물 재료는 어레이된 에미터 구조로서 기판상에 배치되는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합물 재료는 에미터 구조의 일부분이며, 상기 복합물 재료의 적어도 일부분상에 위치하여, 그리드층과 절연층을 포함하는 개구를 갖는(apertured) 그리드들을 더 포함하는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합물 재료는 에미터 구조의 일부분이며, 상기 에미터들의 적어도 일부분상에 위치하여 적어도 제 1 및 제 2 그리드 도체 층을 포함하는 개구를 갖는 그리드로서, 상기 제 1 그리드 도체층은 제 1 절연층에 의해 에미터 구조로부터 분리되고, 상기 제 1 및 제 2 그리드 도체층들은 제 2 절연층에 의해 분리되는, 상기 개구를 갖는 그리드를 더 포함하는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 개구를 갖는 그리드는 제 3 및 제 4 그리드 도체 층들을 더 포함하며, 상기 제 3 그리드 도체 층은 제 3 절연층에 의해 상기 제 2 그리드 도체층으로부터 분리되고, 상기 제 4 그리드 도체 층은 제 4 절연층에 의해 상기 제 3 그리드 도체 층으로부터 분리되는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 나노와이어들은 탄소, 실리콘, 및 게르마늄으로부터 선택되는, 복합물 재료를 포함하는 장치.
  16. 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스에 있어서,
    자성 재료로 적어도 부분적으로 코팅되며, 약 0.1 ㎛ 에서 약 10,000 ㎛의 평균길이를 갖는 나노와이어들을 제공하는 단계와,
    상기 나노와이어들을 액체 매개물로 혼합하는 단계와,
    상기 나노와이어들이 정렬되도록 자기장을 상기 나노와이어들에 인가하는 단계와,
    상기 정렬된 나노와이어들을 매트릭스로 고정하는 단계와,
    상기 나노와이어들의 평균 지름의 적어도 2배의 평균 돌출만큼 상기 매트릭스의 표면으로부터 돌출을 제공하기 위해 상기 정렬된 나노와이어들의 일부분을 노출하는 단계를 포함하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 자기장은 경사 자기장인, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 액체 매개물은 상기 매트릭스를 형성시키기 위해 처리될 수 있는 프리커서를 포함하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 액체 매개물은 바인더와 접착제중 적어도 하나를 포함하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  20. 제 16 항에 있어서.
    상기 매트릭스는 도전재료를 포함하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  21. 제 16 항에 있어서, 자기장의 인가는 정렬된 나노와이어들의 한쪽 단부가 기판과 실질적으로 접촉하는 정렬을 유도하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 노출 단계는 상기 매트릭스 재료의 표면 부분을 제거하는 단계를 포함하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  23. 제 16 항에 있어서, 상기 노출 단계는 제거가능한 층 및 입자 층 중 적어도 하나로부터 상기 나노와이어들을 포함하는 상기 매트릭스를 분리하는 단계를 포함하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 제거가능한 층은 겔 형의 층을 포함하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  25. 제 16 항에 있어서,
    상기 노출 단계는 상기 나노와이어들을 포함하는 상기 매트릭스를 분할하는 단계와 상기 결과적인 몸체로부터 상기 매트릭스 재료의 표면 부분을 제거하는 단계를 포함하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  26. 어레이된 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스에 있어서,
    도전성 금속 패드들의 어레이된 패턴을 포함하는 기판을 제공하는 단계와,
    액체, 도전재료, 및 자성재료에 의해 적어도 부분적으로 코팅된 나노와이어들을 포함하는 혼합물을 상기 금속 패드들상에 퇴적하는 단계와,
    나노와이어들이 정렬되도록 자기장을 상기 나노와이어들에 인가하는 단계와,
    나노와이어들의 일부분이 상기 매트릭스의 표면으로부터 돌출하도록 상기 혼합물의 액체 성분들을 제거하고, 상기 나노와이어들 주위에 매트릭스를 형성하기 위해 상기 도전 재료를 경화하는, 단계를 포함하는, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 매트릭스의 표면으로부터 상기 나노와이어들의 평균 돌출이 0.1에서 10 ㎛ 인, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 나노와이어들의 평균길이는 0.1에서 100 ㎛인, 전계 방출 구조를 포함하는 장치를 제조하기 위한 프로세스.
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