KR20020035424A

KR20020035424A - 탄소 박체, 탄소 박체 형성 방법 및 전계 방출형 전자원

Info

Publication number: KR20020035424A
Application number: KR1020010039955A
Authority: KR
Inventors: 호소노아키히코; 나카타슈헤이; 히라키마사아키
Original assignee: 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시; 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2002-05-11
Also published as: JP2002146533A; US20020053864A1; KR100429126B1; TWI238431B; US6946780B2

Abstract

간편한 방법에 의해 면 형상 전자원을 제작할 수 있는 구조를 갖는 탄소 박체, 탄소 박체의 제조 방법, 탄소 박체를 이용한 전계 방출형 전자원이 얻어진다. 소정 두께 t를 갖고, 표면과 이면을 구비한 박막 형상의 탄소 박체(9)에서, 평면적으로 보아, 적어도 표면 측(3c) 부분에 있어서, 곡선 형상의 벽(3)이 이어지고, 대략 그물코 형상 구조를 형성하고 있다.

Description

탄소 박체, 탄소 박체 형성 방법 및 전계 방출형 전자원{CARBON THIN BODY, PROCESS FOR PRODUCING THE CARBON THIN BODY, AND ELECTRIC FIELD EMISSION TYPE ELECTRON SOURCE USING THE CARBON THIN BODY}

본 발명은 특이한 구조를 갖는 탄소 박체, 그 형성 방법 및 그 탄소 박체를 이용한 전계 방출형 전자원에 관한 것으로, 특히, 디스플레이 장치의 전자 발생원으로서 이용이 기대되는 탄소 박체, 그 형성 방법 및 그 탄소 박체를 이용한 전계 방출형 전자원에 관한 것이다.

탄소 박체의 특이한 구조로서, 종래부터, 예컨대 탄소 나노튜브가 알려져 있다. 탄소 나노튜브는, 도 25에 도시하는 바와 같이, 선단(先端)이 닫혀진 튜브 형상의 탄소(113)가 기판(102)으로부터 수직 방향으로 연장되도록 형성되어 있다. 이 탄소 나노튜브는 이용 목적을 한정하여 형성된 것이 아닐 뿐만 아니라, 발견 당시에는 무엇에 이용될 수 있을지도 판명되지 않았다. 그러나, 상기 나노튜브를 면 형상으로 배치함으로써, 조밀하고 고성능인 면 형상의 전계 방출형 전자원을 얻을 수 있게 되었다. 면 형상의 전계 방출형 전자원에서는, 전자원의 선단부는 예리하게 되어 있는 쪽이 그 선단부 부근으로 전자를 끌어당기는 강한 전계가 형성되기 쉽다. 상기 전계에 대한 전자 방출 수의 효율이 좋음을 나타내는 지표로서, 전계 증폭률이 이용된다. 또한, 전자 방출점이 되는 뾰족한 선단부의 밀도도 높게 할 필요가 있다. 전계 방출형 전자원 성능의 지표인 방출 전류(emission current)는, 상기 전계 증폭률과, 전자 방출점의 밀도와, 전자원 면적의 곱에 비례한다. 상기 방출 전류는, 도 26에 나타내는 수직 배향 탄소 나노튜브의 모델 중의 탄소 나노튜브의 직경 W와, 탄소 나노튜브의 간격 d를 이용하여 시뮬레이션에 의해서 정밀도 좋게 평가할 수 있다.

이 탄소 나노튜브의 탄소 박체는 면 형상 전자원으로서의 이용이 확대되고 있지만, 그 특이한 구조 때문에 미지의 용도가 있을 것으로 생각되고 있다.

그러나, 상기 탄소 나노튜브는 (a)기판 온도를 소정 온도 이상으로 하지 않으면 형성되지 않고, (b)형성 시에 고가인 촉매를 필요로 하고, (c)탄소 나노튜브의 구조에 기인하여, 기판으로의 밀착력이 작으며, (d)면 형상 전자원으로서 이용하는 경우, 각 나노튜브는 전기적으로 독립하고 있기 때문에, 도전성이 있는 기판을 이용하거나 또는, 비도전성 기판 상에 도전성막을 형성한 후에 탄소 나노튜브를 형성할 필요가 있다. 즉, 도 27에 도시하는 바와 같이, 수직 배향 탄소 나노튜브(113)에 전류나 전압을 공급하기 위해서는, 기판(102)이 절연성을 가진 경우에, 그 기판(102) 위에 도전성막(105)을 퇴적하고, 그 위에 수직 배향 탄소 나노튜브를 형성할 필요가 있다. 전류나 전위는 상기 도전성막(105)에 전류원 또는 전압원으로부터 공급되게 된다.

상기 (a)의 기판 온도는, 예컨대 면 형상 전자원에 이용하는 경우, 저렴한 유리 기판을 이용할 수 없어, 그렇지 않아도 고가인 탄소 나노튜브 이용의 장해 요인이 되고 있다. 또한, (b) 및 (d)의 결점도, (a)와 같이, 탄소 나노튜브를 면 형상 전자원에 이용하는 경우에 제작비용을 증대시키는 원인이 되고 있다.

본 발명의 제 1 목적은 간편한 방법으로 면 형상 전자원을 제작할 수 있는 구조를 갖는 탄소 박체, 그 탄소 박체의 제조 방법 및 그 탄소 박체를 이용한 전계 방출형 전자원을 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 제 2 목적은 상기 이용에 도움이 될 수 있고, 또한 그 밖에, 미지의 용도로 이용할 수 있는 특이한 구조의 탄소 박체 및 그 제조 방법을 발견하는 것에 있다.

본 발명의 탄소 박체는 소정의 두께를 갖고, 표면과 이면을 구비한 박막 형상의 탄소 박체로서, 평면적으로 보아, 적어도 표면 측 부분에서, 곡선 형상의 벽이 연결되고, 대략 그물코 형상 구조를 형성하고 있다.

상기 탄소 박막은 적어도 표면 측 부분에서, 곡선 형상의 벽이 대략 그물코 형상 구조를 형성한다. 이 때문에, 전계 증폭률은 수직 배향 탄소 나노튜브에는 못 미칠지도 모르지만, 전자 방출점 밀도가 높기 때문에, 전자원 전체로서는 수직 배향 탄소 나노튜브보다도 높은 방출 전류를 얻을 수 있다. 또한, 이 대략 그물코 형상 구조는 곡선 형상의 벽이 연결되어 있기 때문에, 탄소 박체의 각 부분은 전기적으로 도통되어 있다. 이 때문에, 수직 배향 탄소 나노튜브를 전자원에 이용하는 경우와 같이, 도전막을 형성하거나, 도전성 기판을 이용하거나, 탄소 박체의 각 부분을 도통시킬 필요가 없다. 이 결과, 간편하게 저렴한 전계 방출형 전자원을 제작할 수 있다. 또한, 대략 그물코 형상 구조란, 다른 부분과 연결되지 않은 채로, 단부로 되어 그 대략 그물코 형상 구조 내로 연장되어 있는 벽 부분을 갖는 경우를포함하는 그물코 형상 구조를 가리킨다. 즉, 그물코 형상 구조라면, 반드시 단부로 되어 그 대략 그물코 형상 구조 내로 연장되어 있는 벽 부분을 갖고 있지 않더라도 무방하고, 또한 단부로 되어 그 대략 그물코 형상 구조 내로 연장되어 있는 벽 부분을 갖고 있더라도 무방하다.

또한, 상기 탄소 박체의 구조는 지금까지 발견되지 않았던 것으로, 그 특이한 구조 때문에, 상기 전계 방출형 전자원 이외의 미지의 이용 분야를 가질 것으로 기대된다.

상기 본 발명의 탄소 박체에서는, 곡선 형상의 벽은 평면적으로 보아, 소정 공극부를 곡선 형상으로 대략 둘러싸고, 공극부 대략 가장자리를 구성하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다.

탄소 나노튜브는 일단이 가늘게 되어 막혀 있는 데 비하여, 상기 본 발명의 탄소 박체에서는, 곡선 형상의 벽이 소정 공극부를 대략 둘러싸고 있다. 이 때문에, 표면 측 부분의 선단벽의 단위 면적 당 밀도가 높아져, 전계 방출형 전자원에 이용한 경우, 상기 방출 전류를 높게 할 수 있다. 또한, 두께 방향으로 유동체를 흘려 탄소 박체를 통과시켜, 필터에 이용하는 것 등이 기대된다. 즉, 공극부의 직경을 작게 함으로써, 큰 기체 분자와 작은 기체 분자의 혼합 기체를, 큰 기체 분자의 기체와 작은 기체 분자의 기체로 분리하는 데 이용할 가능성도 있다. 또한, 「대략 둘러쌈」이란, 곡선 형상의 벽 부분에 의해서 완전히 둘러싸여 있는 공극부도 있지만, 일부 둘러싸여지지 않고 개방되어 있는 공극부도 있는 것을 의미한다.

상기 본 발명의 탄소 박체에서는, 탄소 박체는 물체면의 위에 위치하고, 탄소 박체의 이면은 그 물체면에 접하며, 곡선 형상의 벽이 물체면으로부터 입벽(standing-wall) 형상으로 세워져 있다.

이 구성에 의하면, 탄소 박체를 물체면의 위에 접하도록 형성할 수 있다. 따라서, 이 탄소 박체를, 예컨대 전계 방출형 전자원으로서 이용하는 경우, 전계 방출형 전자원을 구성하는 부재 위에 직접 형성할 수 있다. 이 경우, 이 탄소 박체는 물체면 위에 곡선 형상의 벽이 서도록 접촉하여 형성되어, 수직 배향 탄소 나노튜브와 같이 점 형상 접촉으로 형성되는 일은 없다. 이 때문에, 본 발명의 탄소 박체는 물체면으로의 밀착성을 수직 배향 나노튜브보다도 향상시킬 수 있다. 또한, 상기의 물체면은 평면이어도 곡면이어도 좋고, 종류에 관계없이 각종 기판을 이용할 수 있다.

상기 본 발명의 탄소 박체에서는, 예컨대, 탄소 박체 이면 측의 소정 범위인 베이스부에서, 공극부가 메워지도록 연속막 형상으로 형성되어 있는 경우가 있다.

본 발명의 탄소 박체에서는, 상기한 바와 같이, 베이스부에는 공극부가 없이, 탄소에 의해서 대략 그물코 형상 구조의 바닥부가 메워져 있는 것도 포함된다. 이 구조를 갖는 탄소 박체에 있어서는, 탄소 박체의 강도가 향상되고, 또한 탄소 박체의 면 내 전기 전도성이 향상된다.

본 발명의 탄소 박체에서는, 곡선 형상의 벽은, 육방정계의 결정 구조를 갖고, 육방정의 바닥면이 박막면에 교차하는 방향으로 평행하게 배치되어 있는 것이 바람직하다.

육방정의 결정 구조를 갖는 탄소는 흑연이고, 상기 구성에서는, 곡선 형상의벽면에 평행하게 육방정의 바닥면이 배치된다. 흑연은 탄소 원자가 공유 결합에 의해 결합되어 그물코 형상으로 배열되고, 그 그물코끼리가 반데르발스의 힘에 의해 결합하고 적층되어 있다. 이 그물코 형상의 면은, 육방정의 바닥면에 평행하게 배치되어 있다. 반데르발스의 힘은 비교적 약하기 때문에, 바닥면의 간극이 넓다. 이 때문에, 전기 전도나 열전도는 그물코 내에 전달되기 쉽고, 또한 강도 면에서 그물코간에 분리되기 쉽다.

상기 탄소 박체의 결정 배치의 경우, 박체를 평면적으로 복수의 영역으로, 기계적으로, 용이하게 분할할 수 있다. 이 때문에, 대면적의 박체로부터 소면적의 박체로 용이하게 분리할 수 있다. 또한, 전기 전도성이 벽면 내에서 높기 때문에, 전계 방출형 전자원으로서 이용하는 경우, 캐소드 인출 전극으로부터 탄소 박체 표면의 선단부에 전자를 공급하기 쉽다. 또한, 캐소드 인출 전극을 탄소 박체의 일부에 접속하면, 탄소 박체의 전체 표면에 전자를 공급할 수 있다.

상기 본 발명의 탄소 박체에서는, 곡선 형상벽의 평균 두께가 100㎚ 이하인 것이 바람직하다.

곡선 형상벽의 평균 두께가 100㎚를 초과하면, 전계 방출형 전자원에 이용한 경우의 전계 증폭률이 저하하고, 또한, 전자 방출 개소의 밀도도 저하하고, 따라서, 방출 전류가 저하한다. 또한, 상기 평균 두께를 50㎚ 이하로 하면, 전계 증폭률이 증대하고, 전자 방출 개소의 밀도도 충분히 높기 때문에, 보다 바람직하게는 50㎚ 이하로 한다.

상기 본 발명의 탄소 박체에서는, 박체의 임의 2개소간에 전기적으로 도통되어 있는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의해, 이 탄소 박체를 도체로서 취급할 수 있다. 이 때문에, 전계 방출형 전자원에 이용한 경우, 캐소드 인출 전극의 형상을 소형화할 수 있기 때문에, 배면 인출 전극에 의해서 형성하는 전계의 쉴딩을 억제할 수 있다. 이 결과, 전자의 방출 밀도를 박체 전면에 걸쳐 균일화할 수 있다.

상기 본 발명의 탄소 박체에서는, 물체면을 유리 기판의 표면으로 할 수 있다.

유리 기판 상에 탄소 박체를 배치하는 구성으로 함으로써, 대면적의 탄소 박체를 저렴하게 형성할 수 있다. 이 때문에, 예컨대, 휴대 전화 등의 휴대 단말기나 텔레비전, 퍼스널 컴퓨터 등의 표시 장치로의 이용이 용이해진다.

본 발명의 탄소 박체 형성 방법은 자장과 전자파가 가해지고, 탄소 화합물을 포함하는 기체로 형성된 플라즈마를 이용하여, 화학 기상 성장법에 의해서 물체면 상에 탄소 박체를 형성하는 탄소 박체 형성 방법이다. 이 탄소 박체 형성 방법에서는, 자장과 전자파가, 플라즈마 중의 전자에 대한 공명 조건을 실질적으로 만족시키고 있다.

상기 구성에 의해 전자는 전자파로부터 에너지를 흡수하여, 자장 주위에 나선 운동을 하면서 완화 과정을 반복하고, 탄소 이온에도 운동 에너지를 부여한다. 운동 에너지가 부여된 탄소 이온도 자장 주위를 나선 운동하면서, 물체 면상으로 유도된다. 전자의 나선 운동 축이 물체면에 교차하는 방향을 따르고 있으면, 전자 운동량의 물체면에 수직인 성분은 작기 때문에, 물체면에 충돌되어 물체면을 손상시키는 것을 피할 수 있다. 이 때문에, 물체 표면이 적절히 여기된 상태에서 적절하게 운동 에너지를 얻은 탄소 이온이 흡착되어 적절히 이동하기 때문에, 육방정계의 바닥면이 물체면에 서는 것과 같이 흑연이 성장된다. 즉, 공유 결합이 물체면을 따라 성장되는 것이 아니라, 물체면에 교차하는 방향을 따라 형성된다.

상기한 바와 같이, 전자에 대한 공명 조건이 만족되지 않는 경우에는, 물체면에는, 다이아몬드 형상 탄소(DLC : Diamond Like Carbon)나 다이아몬드 박막이 형성된다. 즉, 공유 결합에 의해서 결합된 탄소가 물체면을 따라 형성된다.

상기 본 발명의 탄소 박체 형성 방법에 따르면, 자장 중심으로부터 물체면에 이르기까지의 시간, 또는 자장 중심으로부터 물체면에 이르는 거리가 중요해진다. 이 사이에, 전자가 전자파로부터 흡수한 에너지를 완화 과정을 통하여 탄소 이온이 적절히 얻어지기 때문이다. 따라서, 상기 본 발명의 탄소 박체 형성 방법에서는, 상기 전자에 대한 공명 조건 이외에는, (a)자장 중심으로부터 물체면에 이르는 거리, (b)물체(기판) 온도, (c)물체(기판) 바이어스 전압, (d)반응 가스로서의 탄소 함유물과 수소 가스의 혼합비, 등이 중요한 제어 인자로 된다.

또, 상기 전자에 대한 공명 조건은 전자의 사이클로트론 운동의 공명 조건식인 다음 식에 의해서 나타낼 수 있다. 전자파의 주파수 ω, 자장의 자속 밀도 B, 전자의 전하 e, 전자의 질량 m_e이라 할 때, ω=(e·B) /m_e로 나타낼 수 있다. 그러나, 자장의 자속 밀도는 장소적으로 불균일하기 때문에, 상기 전자파의 주파수가 어긋나더라도, 어느 장소에서 전자에 대한 공명 조건을 만족시키고 있고, 상기 본발명의 탄소 박체를 형성할 수 있다. 따라서, 플라즈마의 어느 위치에서 전자에 대한 공명 조건이 만족되고 있으면, 본 발명에 해당한다.

상기 본 발명의 탄소 박체 형성 방법에서는, 예컨대 자장의 방향과, 전자파의 진행 방향이 서로 평행하고, 동시에 물체면에 교차하는 방향으로 하는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의해, 탄소 원자(이온)가 물체면에 적절한 방향 및 크기의 운동량을 갖고 흡착되고, 상기 배향을 갖는 흑연을 퇴적하여, 상기 대략의 그물코 형상의 벽 구조를 형성할 수 있다.

상기 본 발명의 탄소 박체 형성 방법에서는, 전자파로서, 예컨대, 마이크로파를 사용하는 것이 바람직하다.

전자에 대한 공명 조건에 있어서, 전자파의 주파수와 자장의 강도는 비례 관계에 있다. 즉, 전자파의 주파수를 높게 하면, 공명 조건을 만족시키기 위해서는, 그에 따라 자장의 강도도 높게 해야 한다. 마이크로파의 주파수에서, 전자가 공명하기 위해 필요한 자장의 강도는 다른 장치에 기인하는 자장 등과는 명백히 다른 높은 자장이기는 하지만, 통상의 전자석 또는 영구 자석을 이용하여 형성되는 레벨 범위의 자장이기 때문에, 상기 탄소 박체 형성 장치를 저렴하고 소형인 것으로 할 수 있다. 또, 상기 마이크로파는, 파장 영역 5×10^-1∼1×10^-4m의 전자파를 가리킨다. 또한, 마이크로파의 도입 등의 취급도, 도파관(導波管) 등의 주지의 것을 이용하여 용이하게 실행할 수 있다.

상기 본 발명의 탄소 박체 형성 방법에서는, 플라즈마를 형성하는 원료 가스는, 예컨대, 탄소 함유 화합물과 수소를 포함하고, 해당 원료 가스 중 수소 가스의 비율을, 25%∼75% 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

탄소 함유 화합물은 마이크로파와 자장에 의해 플라즈마 상태로 되어 좋고, 또한 방전에 의해 플라즈마 상태로 되어도 좋다. 이 플라즈마 중에서 탄소는 탄소 이온 또는 탄소 함유 분자 이온의 형태로 존재하고, 물체면 상 부근에서 전자의 교환을 하여, 흑연을 형성해 간다. 수소는 흑연 중에 취입된 것이 있어도 뽑아내기 쉽고, 또한 산소 등의 다른 불순물과 결합하여 배기되기 때문에, 환원 작용을 가져 흑연을 보호한다. 이 때문에, 통상 순도의 탄소 함유 화합물과 수소를 이용하여, 고순도로 결정성이 우수한 흑연을 형성할 수 있다. 수소 가스의 비율이 25% 미만에서는 대략 그물코 형상의 벽 구조의 탄소 박체가 형성되지 않고, 또한 수소 가스의 비율이 75%에서는 탄소가 기판에 흡착되지 않아, 어떠한 형태의 탄소막도 형성되지 않게 된다. 대략 그물코 형상 벽 구조의 탄소 박체를 안정되게 얻기 위해서는, 상기 수소의 비율은 35%∼65%로 하는 것이 한층 더 바람직하다.

상기 본 발명의 탄소 박체 형성 방법에서는, 물체면으로서 유리 기판의 표면을 이용할 수 있다.

상기 박체 형성 방법에서는, 탄소 박체는, 통상, 가열된 기판 상에 형성된다. 상기 본 발명의 탄소 박체 형성 방법에서는, 기판의 가열 온도를 낮게 하여도 소정의 흑연을 형성할 수 있기 때문에, 종래의 방법보다도 기판 가열 온도를 낮게 할 수 있다. 이 때문에, 예컨대 700℃를 초과하여 800℃정도까지의 온도 범위의가열 처리를 견딜 수 없는 물체면을 700℃ 정도 이하로 가열하여, 그 물체면에 소망하는 흑연을 형성하는 것이 가능해진다. 이 결과, 물체면으로서, 예컨대 저렴한 기판을 이용함으로써, 대 면적의 탄소 박체를 저렴하게 형성할 수 있다. 유리 기판을 이용하여, 가열 온도를 더 낮게, 예컨대 600℃ 이하로 가열하여도 좋다. 이 경우에는, 자장 중심으로부터 기판까지의 거리가 소정 범위 내로 들어가도록 관리하는 것이 필요하다. 기판 가열 온도를 600℃ 이하로 가열하여 소망하는 흑연을 형성할 수 있으면, 범용적인 저렴한 유리 기판을 이용할 수 있다. 이 결과, 대 면적의 탄소 박체를 저렴하게 형성할 수 있어, 대 화면의 디스플레이 장치용의 전계 방출형 전자원을 저렴하게 제공할 수 있게 된다.

본 발명의 전계 방출형 전자원은 적어도 표면 측 부분에 있어서, 곡선 형상의 벽이 대략 그물코 형상의 구조를 갖고 있는 탄소 박체를, 전방으로 전자를 방출하는 전자 방출 부재로 이용하고 있다.

전계 방출형 전자원에서는, 전자원의 전방에 전자를 방출시키기 위한 전계를 형성한다. 이 전계를 잡아당겨, 전자원의 표면으로부터 전방에 전자가 방출되지만, 전자원의 표면을 예리하게 한 만큼 효율 좋게 많은 전자가 방출된다. 본 발명의 전계 방출형 전자원에서는, 곡선 형상의 벽이 연결되어 대략 그물코 형상의 구조를 보이고 있기 때문에, 벽의 선단으로부터 효율적으로 전자를 방출할 수 있다. 이 대략 그물코 형상의 벽은 전계 방출형 전자원의 전체 표면에 걸쳐 균일하게 형성되고, 또한 상기 탄소 박체는 모든 위치가 도통 상태로 있다. 이 때문에, 상기 전계 방출형 전자원의 1개소에 전기 접속하여 소정 전위로 하는 것에 의해, 탄소박체의 모든 위치에 동일 전위로 할 수 있다. 그 결과, 디스플레이 장치용 전계 방출형 전자원으로서 이용한 경우, 도전용 막을 새롭게 형성하는 일없이, 또는 도전 기판을 이용하는 일없이, 균일한 표시를 조밀한 구조로 저렴하게 얻는 것이 용이하다.

상기 본 발명의 전계 방출형 전자원에서는, 대략 그물코 형상의 구조에 있어서의 벽에 의해 둘러싸이는 공극부의 직경이 벽 높이보다 큰 것이 바람직하다.

공극부의 직경이 작고 벽의 높이(탄소 박체의 두께)보다도 짧으면, 전자를 인출하기 위한 적절한 전계를 벽의 선단에 걸 수 없다. 이 때문에, 벽의 간격을 상기와 같이 크게 함으로써, 전자를 벽 선단으로부터 인출하기 쉽게 하여 유효한 전계 방출형 전자원으로서 이용할 수 있다. 또한, 「공극부의 직경」은 대략 그물코 형상의 구조를 평면적으로 보아, 공극부의 평균적인 직경을 가리킨다.

상기 본 발명의 전계 방출형 전자원에서는, 탄소 박체에 전자를 공급하는 캐소드 인출 전극과, 그 탄소 박체로부터 전자를 방출시키는 전계를 형성하는 인출 전극을 구비하고, 탄소 박체가, 예컨대, 캐소드 인출 전극 상에 접하여 전방에 위치하고, 인출 전극이 평면적으로 보아, 상기 탄소 박체에 겹치지 않도록, 그 탄소 박체보다 전방에 위치하는 것이 좋다.

상기와 같이, 인출 전극을 탄소 박체 주위의 외측 전방에 배치하는 것에 의해, 탄소 박체의 표면부에 전자를 잡아당기는 전계를 형성하고, 그 잡아당겨진 전자의 전방으로의 운동에 장해로 되는 일은 없다. 또한, 상기 탄소 박체의 표면부에서는, 곡선 형상의 벽이 대략 그물코 형상으로 짜여져 배치되어 있기 때문에, 상기 전계에 대한 전자의 방출 수의 효율의 양호함의 지표인 전계 증폭률을 높일 수 있고, 낮은 전계에 의해 높은 전자 방출 수를 얻는 것이 가능해진다.

상기 본 발명의 전계 방출형 전자원에서는, 탄소 박체에 전자를 공급하는 캐소드 인출 전극과, 탄소 박체의 후방에 위치하여, 그 탄소 박체로부터 전자를 방출시키는 전계를 후방으로부터 형성하는 배면 인출 전극을 구비하고, 배면 인출 전극의 전방에 캐소드 인출 전극이 위치하고, 그 캐소드 인출 전극의 위에 접하여 전방에 탄소 박체가 위치하는 배치여도 무방하다.

상기와 같이, 탄소 박체의 후방에 배치한 배면 인출 전극을 마련함으로써, 인출용 전계가 후방으로부터 전방으로 형성된다. 이 때문에, 인출용 전계가 탄소 박체의 주변부로 한정되는 정도가 완화되고, 탄소 박체의 중앙부에도 전계가 걸리게 된다. 이 경향은 탄소 박체의 크기가 작을 수록 현저해지고, 탄소 박체의 외주 전방에 인출 전극을 마련하는 것보다도, 전자의 방출 위치가 탄소 박체의 주변부에 한정되지 않게 된다. 이 때문에, 비교적 균일성이 뛰어난 화면의 밝기를 얻을 수 있다.

상기 본 발명의 전계 방출형 전자원에서는, 캐소드 인출 전극은 탄소 박체의 주변 부분에 한정되어 배치된다.

캐소드 인출 전극은 도체이기 때문에, 그 후방에 배치된 배면 인출 전극에 의해 형성된 전계를 쉴딩한다. 이 때문에, 상기 전계는 캐소드 인출 전극의 외주부를 후방으로부터 둘러싸서 탄소 박체의 표면에 인출 전계를 형성한다. 이 경우, 탄소 박체의 주변부의 전계가 높아지고, 중앙부의 전계는 낮아지는 경향으로 된다.상기한 바와 같이, 탄소 박체의 일부에 소정 전위를 인가하면, 모든 박체의 전위는 동일 전위로 되기 때문에, 캐소드 인출 전극을 탄소 박체의 주변부에 국한시킬 수 있다. 이 때문에, 배면 인출 전극에 의해 형성되는 전계를, 캐소드 인출 전극에 의해, 그 국한되는 부분을 제외하고, 쉴딩되지 않도록 할 수 있다. 이 결과, 탄소 박체로부터의 전자 방출이 전체 표면에 걸쳐 균일화된다. 또한, 상기 탄소 박체의 근원부에 연속막이 형성되어 있는 경우에는, 이 연속막에 의해 인출용 전계가 쉴딩되기 때문에, 탄소 박체는 연속막을 갖지 않는 쪽이 바람직하다. 또한, 대략 그물코 형상의 구조에서의 벽에 의해 둘러싸이는 공극부의 직경은, 상술한 바와 같이, 벽의 높이 보다도 큰 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 전계 방출형 전자원에서는, 캐소드 인출 전극은 탄소 박체에 교차하는 방향을 따라서 보아, 배면 인출 전극과 겹치지 않도록, 그 배면 인출 전극의 외측에 배치하는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의해, 탄소 박체에 교차하는 방향을 따라서 보아, 배면 인출 전극과 캐소드 전극이 겹치지 않기 때문에, 탄소 박체의 표면 측으로 전자를 잡아당기는 전계를 직접적으로 형성할 수 있다. 이 때문에, 캐소드 인출 전극에 의해 국소적으로도 쉴딩되는 일없이, 전 표면을 균일화할 수 있다. 이 구성의 경우에도, 상기 탄소 박체의 근원부에 연속막이 형성되어 있으면, 이 연속막에 의해 인출용 전계가 쉴딩되기 때문에, 탄소 박체는 연속막을 갖지 않는 쪽이 바람직하다. 또한, 대략 그물코 형상의 구조에의 벽에 의해 둘러싸이는 공극부의 직경은 벽의 높이보다도 큰 것이 바람직하다.

도 1은 대략 그물코 형상벽(approximately netlike wall)을 가진 탄소 박체의 표면 측을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 사시도(2만배),

도 2는 도 1의 탄소 박체의 성장 방향에 평행한 단면 및 표면 측을 SEM 관찰한 사시도(5천배),

도 3은 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 모식적 사시도,

도 4는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체로의 전류 및 전압 공급 방법을 나타내는 도면,

도 5는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 제작에 이용한 전자 사이클로트론 공명 플라즈마 CVD 장치의 개략 구성도,

도 6은 기판 온도와, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체 표면부의 개구부 수와의 관계를 나타내는 도면(기판 위치 : 자장 중심으로부터 395㎜),

도 7은 기판 온도와, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체 표면부의 개구부 수와의 관계를 나타내는 도면(기판 위치 : 자장 중심으로부터 240mm),

도 8은 기판 온도와, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체 벽 두께와의 관계를 나타내는 도면(기판 위치 : 자장 중심으로부터 240mm),

도 9는 기판 바이어스 전압과, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체 표면부의 개구부 수와의 관계를 도시하는 도면,

도 10은 베이스부에 평탄막 형상 부분을 갖는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 모식적 사시도,

도 11은 반응 가스 중 수소 가스의 비율과, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체 표면부의 개구부 수의 관계를 도시하는 도면,

도 12는 전계 증폭률 및 방출 전류에 대한 시뮬레이션에 이용하는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체 모델의 사시도,

도 13은 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 전계 증폭률에 대한 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면(비교예로서, 수직 탄소 나노튜브의 전계 증폭률에 대한 시뮬레이션 결과를 함께 나타냄),

도 14는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 방출 전류에 대한 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면(비교예로서, 수직 탄소 나노튜브의 방출 전류에 대한 시뮬레이션 결과를 더불어 나타냄).

도 15는 2극 구조에 의한 방출 전류 측정 장치의 개략 구성도,

도 16은 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 방출 전류와 인출 전압의 관계를 도시하는 도면,

도 17은 본 발명의 실시예인 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체를 이용한전계 방출형 전자원의 제 1 예의 단면 구성도,

도 18은 도 17에 나타내는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 부분 단면 사시도,

도 19는 본 발명의 실시예인, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체를 이용한 전계 방출형 전자원의 제 2 예를 나타내는 단면 구성도,

도 20은 도 19에 나타내는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 부분 단면 사시도,

도 21은 본 발명의 실시예인, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체를 이용한 전계 방출형 전자원의 제 3 예를 나타내는 단면 구성도,

도 22는 도 21에 나타내는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 부분 단면 사시도,

도 23은 본 발명의 실시예인, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체를 이용한 전계 방출형 전자원의 제 4 예를 나타내는 단면 구성도,

도 24는 도 23에 나타내는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 부분 단면 사시도,

도 25는 종래의 수직 배향 탄소 나노튜브의 모식적 사시도,

도 26은 전계 증폭률 및 방출 전류에 대한 시뮬레이션에 이용하는 수직 배향 탄소 나노튜브 모델의 사시도,

도 27은 수직 배향 탄소 나노튜브로의 전류 및 전압 공급 방법을 나타내는 모식적 단면도.

다음에 도면을 이용하여, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

(실시의 형태 1 -탄소 박체-)

SEM(Scanning Electron Microscopy)에 의해 배율 2만배로 관찰한 도 1을 참조하면, 탄소 박체(9)의 표면부에서, 곡선 형상의 벽(3a)이 개구부(공극부)(4)를 대략 둘러싸도록 형성되어 있다. 개구부(4)는 완전히 곡선 형상의 벽에 의해서 둘러싸여 있는 것도 있지만, 일부 개방 상태로, 완전히 둘러싸여 있지 않은 것도 있다.

또한, 도 2는 성장 방향으로 평행한 단면을 갖는 탄소 박체의 해당 단면부 및 표면부를 비스듬한 위 방향으로부터 관찰한 배율(5천배)의 SEM상의 모식도이다. 대략 그물코 형상벽(3)은 기판(1)에 그 베이스부(3b)를 접하여 기판(1)에 교차하는 방향으로 성장하고, 그 두께 t가 형성되어 있다. 베이스부(3b)와 표면부(3c)는 그 형태에 큰 차이는 인정되지 않지만, 베이스부(3b) 쪽이 대략 그물코 형상벽의 밀도가 높게 보인다. 그러나, 그 정도로 명확하게 인정되지는 않는다. 또한, 표면부(3c) 측에는, 상기 대략 그물코 형상벽(3)에 의해서 대략 둘러싸여 있는 개구부(공극부)(4)가 인정된다. 이 개구부(4)가 베이스부(3b)를 거쳐 기판까지 연속되어 있는지 여부는 명확하지 않다.

대략 그물코 형상벽은 기판면에 교차하는 방향을 따라서 성장하고 있다. 탄소 박체(9)를 구성하는 탄소 원자는 흑연과 같은 육방정계의 결정 구조를 갖고 있는 것이, 투과형 전자 현미경(TEM) 관찰 및 라만 산란의 측정으로부터 확인되고 있다. 또한, 이 육방정계의 결정은, 그 c축 방향을 기판 표면에 대략 평행하게 되도록 배치하고 있는 것도 확인되고 있다.

도 3은 상기 도 1 및 도 2에 나타낸 탄소 박체(9)의 모식적인 사시도이다. 이와 같은 대략 그물코 형상벽에 의해서 구성되는 탄소 박체(9)에서는, 기판(1)과 접하는 베이스부(3b) 부분이 곡선 형상인 경우가 많고, 수직 배향된 탄소 나노튜브에 서의 점 형상 접촉과는 다르다. 이 때문에, 접촉 면적은 단순한 직선보다도 대폭 증대하고, 밀착 강도의 증대는 점 형상 접촉의 탄소 나노튜브보다도 매우 높게 된다. 전계 방출형 전자원으로서 이용한 경우, 대략 그물코 형상벽의 표면 선단에서의 두께가 얇고, 뾰족한 칼끝과 같이 되어 있는 쪽이 전계 증폭률은 높게 된다. 또한, 상기 대략 그물코 형상벽의 선단부(3a)는 대략 그물코 형상으로 얽힌 곡선 형상이기 때문에, 수직 배향 탄소 나노튜브보다도 매우 높은 전자 방출점의 밀도를 얻을 수 있다.

종래의 수직 배향 탄소 나노튜브를 면 형상의 전자 장치로서 사용하는 경우, 각각의 탄소 나노튜브는 독립하여 형성되어 있다. 모든 탄소 나노튜브에 전압 또는 전류를 공급하기 위해서는, 도전성을 갖는 기판을 이용하든지, 또는 도 27에 도시하는 바와 같이, 절연성 기판 상에 도전성 박막을 형성할 필요가 있었다. 그러나, 도 4에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 실시의 형태 1에서의 탄소 박체를 이용하면, 각 부분은 곡선 형상의 벽에 의해 연속하고 있기 때문에, 절연성 기판(1) 위에 형성하여도, 탄소 박체(3)의 일부에, 전류 또는 전압원(36)으로부터 전류 또는전압을 공급함으로써, 탄소 박체 전체에 전류 또는 전압을 공급하는 것이 가능해진다.

(실시의 형태 2-탄소 박체의 형성-)

본 발명의 실시의 형태 2에서의 탄소 박체 형성 방법에서는, 탄소 박체는 플라즈마 CVD 법에 의해, 보다 바람직하게는 전자 사이클로트론 공명법(ECR-PCVD 법)에 의해 형성된다. 반응 가스는 탄소 함유 화합물 기체와 수소의 혼합 기체 이며, 탄소 함유 화합물 기체로는, 메탄, 에탄, 아세틸렌 등의 탄화수소 화합물, 메탄올, 에탄올 등의 산소 함유 탄화수소 화합물, 벤젠, 톨루엔 등의 방향족 탄화수소, 이산화탄소 및 이들 혼합물이다. 이들 반응 가스의 혼합비, 가스압, 기판 바이어스 전압 등의 조건을 적절히 선택함으로써, 기판 온도 400∼700℃의 범위에 있어서, 기판 상에 대략 그물코 형상벽 탄소 박체를 형성할 수 있다. 이 본 발명에서의 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 상기 제조 방법에서는, 종래의 수직 배향 탄소 나노튜브의 제조에 있어서 필요하게 되는 하기의 장치나 원료를 필요로 하지 않는다. (a)촉매인 Fe, Ni 등의 초미립자, (b)전용의 전계 인가형 플라즈마 CVD 장치, (c)700℃를 초과하는 기판 온도.

한편, 본 발명의 실시의 형태 2에서의 탄소 박체 형성 방법에서는, 촉매 없이, 범용의 ECR(Electron Cyclotron Resonance)-PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)장치를 이용하여, 600℃ 이하의 기판 온도를 채용할 수 있다. 이 때문에, 저가의 유리 기판을 이용하여, 상기 대략 그물코 형상벽 탄소 박체를 성장시키는 것이 가능하게 된다.

도 5를 참조하여, 이 ECR-PCVD 장치에서는, 진공실(37) 내에 기판 홀더(38)가 설치되어 있고, 기판(1)은 이 기판 홀더(38)에 탑재된다. 기판 홀더(38)의 내부에는 기판 가열용의 히터(39)가 배치되어, 히터용 전원(30)에 의해서 기판(1)의 가열을 할 수 있게 되어 있다. 또한 기판(1)에는, 기판 바이어스용 전원(11)에 의해 임의의 바이어스 전압이 가해지도록 되어 있다. 또한, 기판 홀더(38)는 이동 가능하게 되어 있고, 전자석(12)에 의해서 발생하는 자계의 중심으로부터 기판(1)까지의 거리를 변화시키는 것이 가능한 기구를 갖고 있다.

진공실(37)에는 반응 가스원(14), 진공 배기 장치(13), 플라즈마 발생실(15)이 접속되어 있다. 또한, 이 플라즈마 발생실(15)에는 마이크로파 발생 장치(17)가 접속되어 있고, 마이크로파 발생 장치(17)에 의해 발생하는 마이크로파(16)와 전자석(12)에 의해서 발생하는 자계에 의해, 플라즈마 발생실(15) 내에 반응 가스의 전자 사이클로트론 공명 플라즈마가 발생한다. 전자에 대한 공명 조건은 전자파의 주파수 ω, 자장의 자속 밀도 B, 전자의 전하 e, 전자의 질량 m_e이라고 할 때, ω=(e·B)/m_e로 나타낼 수 있다. 그러나, 자장의 자속 밀도는 장소적으로 불균일하기 때문에, 상기 전자파의 주파수가 어긋나더라도, 어딘가의 장소에서 전자에 대한 공명 조건을 만족시키고 있고, 상기 본 발명의 탄소 박체를 형성할 수 있다. 따라서, 플라즈마의 어딘가의 위치에서 전자에 대한 공명 조건이 만족되고 있으면, 본 발명에 해당한다. 이 전자 사이클로트론 공명 플라즈마를 진공실 내의 기판(1) 상으로 유도함으로써, 기판(1)상에 대략 그물코 형상벽 탄소 박체를 형성할 수 있다.

기판 상에 형성되는 탄소 박체의 벽 간격이나 벽 두께 등의 구조에 대해서는, 그 밖의 제어 인자인 기판 온도, 기판 바이어스 전압, 반응 가스비 등의 성막 조건을 변화시킴으로써, 제어할 수 있다. 다음 실시예에서, 성막 조건을 변화시켜 벽 간격이 다른 대략 그물코 형상벽 탄소 박체를 형성한 예를 나타낸다. 벽 간격에 대해서는, 실제 탄소 박체에서는 벽이 대략 그물코 형상으로 짜여져 있기 때문에, 엄밀하게 구할 수 없다. 이 때문에, 상기 탄소 박체를 SEM에 의해서 표면을 관찰하고, 표면(선단부)에 있어서, 3㎛×3㎛의 사각형 영역에 존재하는, 대략 그물코 형상벽에 대략 둘러싸인 개구부의 수를 조사했다. 이 개구부 수가 많은 만큼 벽의 간격은 좁아진다.

또한, 다음의 실시예 1∼4에서는, 탄소 함유 화합물로서 메탄을 이용했지만, 다른 종류의 탄소 함유 화합물을 이용하여도 대략 그물코 형상벽 탄소 박체를 형성할 수 있다. 대략 그물코 형상벽 탄소 박체가 형성되는 제작 조건의 범위는, 탄소 함유 화합물의 종류에 따라서 조금씩 다르다. 따라서, 다음의 메탄을 이용하여 대략 그물코 형상벽 탄소 박체를 형성하는 경우와, 다른 종류의 탄소 함유 화합물을 이용한 경우에서는, 대략 그물코 형상벽 탄소 박체의 제작 조건이 다르다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적, 특징, 국면 및 이익 등은 첨부 도면을 참조로 하여 설명하는 이하의 상세한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다.

(실시예 1)

이 실시예 1에서는, 자계 중심으로부터 395㎜ 떨어진 위치에 기판을 배치하고, 반응 가스인 메탄 가스와 수소 가스의 비를 1:2로 하고, 총 가스압 5×10^-4Torr, 기판 바이어스 전압 0V, 마이크로파 파워 1㎾, 성막 시간 2시간의 조건으로 성막을 실행했다.

도 6에 따르면, 기판 온도 600℃ 미만인 경우에는, 기판 상에는 대략 그물코형상벽 탄소 박체는 말할 것도 없고, 탄소계의 박막은 형성되지 않는다. 600℃ 이상의 기판 온도에서 대략 그물코 형상벽 탄소 박체가 형성되고, 그 개구부 수는 기판 온도 상승과 함께 증대하여, 벽 간격이 짧게 된다.

(실시예 2)

본 발명의 실시예 2에서는, 기판을 자계 중심으로부터 240㎜ 떨어진 위치에 배치하고, 다른 조건은 실시예 1과 마찬가지로 했다. 즉, 반응 가스인 메탄 가스와 수소 가스의 비를 1:2로 하고, 총 가스압 5×10^-4Torr, 기판 바이어스 전압 0V, 마이크로파파워 1㎾, 성막 시간 2시간의 조건으로 성막을 실행했다. 도 7은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 대략 그물코 형상벽 탄소 박체의 개구부 수에 대한 기판 온도 의존성을 도시하는 도면이다.

도 7에 있어서, 기판 온도 400℃ 미만인 경우에는, 대략 그물코 형상벽 탄소 박체는 형성되지 않고, 직경이 100㎚ 정도의 수직 배향 탄소 나노튜브에 근사한 구조가 형성된다. 기판 온도 400℃ 이상에서는, 대략 그물코 형상벽 탄소 박체가 형성되고, 또한 기판 온도의 상승에 따라 개구부 수가 증대하여, 대략 그물코 형상벽의 간격이 좁아지게 된다. 실시예 1과 비교하는 것에 의해, 기판 위치의 자계 중심으로부터의 거리를 변화시켜, 해당 거리를 조정하는 것에 의해, 대략 그물코 형상벽 탄소 박체를 형성하는 기판 온도를 저감하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 한층 더 저렴한 유리 기판을 이용할 수 있는 600℃ 이하의 기판 온도를 채용하는 것이 가능해진다.

도 8에 따르면, 벽의 두께는 기판 온도의 상승에 따라 얇아지는 경향이 있다. 도 7 및 도 8에 따르면, 벽 간격이 짧아지는 만큼 벽 두께가 얇아지는 것을 알 수 있다. 대략 그물코 형상벽 탄소 박체에 있어서의 이 형태적 특징은 제작 조건을 변경한 경우에도 성립한다.

(실시예 3)

본 발명의 실시예 3에서는, 자계 중심으로부터 395㎜ 떨어진 위치에 기판을 배치하고, 반응 가스인 메탄 가스와 수소 가스의 비를 1:2로 하여, 총 가스압 5× 10^-4Torr, 기판 온도 700℃, 마이크로파 파워 1㎾, 성막 시간 2시간의 조건하에서, 기판 바이어스 전압을 변화시켜 성막하였다.

도 9에 따르면, 기판 바이어스 전압이-70V 미만에서는, 대략 그물코 형상벽탄소 박체는 형성되지 않고, 대신 탄소계의 평탄 연속막이 형성된다. 기판 바이어스 전압이 -70∼-50V의 범위 내에서는, 대략 그물코 형상벽 탄소 박체와 평탄 연속막이 혼재하는 천이 영역이 있다. 이 영역에서는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 베이스부(3b)에 있어서, 개구부(4)를 매립하도록 평탄한 연속막적인 부분(5)이 형성되어 있다. 이 도 10에 나타내는 바와 같은 형태를 갖는 탄소 박체도 본 발명의 대상에 포함된다는 것은 말할 것도 없다. 기판 바이어스 전압이 -50V∼+70V의 영역에서는, 대략 그물코 형상벽 탄소 박체가 형성되고, 기판 바이어스 전압의 증대에 따라 개구부(4)의 수가 감소하고, 벽 간격은 넓어지는 경향이 있다. 기판 바이어스 전압이 +70V를 초과하는 영역에서는, 기판 상에 아무 것도 형성되지 않는다.

(실시예 4)

본 발명의 실시예 4에서는, 자계 중심으로부터 395㎜ 떨어진 위치에 기판을 배치하여, 총 가스압 10^-4Torr, 기판 온도 700℃, 기판 바이어스 전압 0V 마이크로파 파워 1㎾, 성막 시간 2시간의 조건하에서, 반응 가스 중 수소 가스의 비율을 변화시켜 성막했다.

도 11에 따르면, 수소 가스의 비율이 25% 미만인 범위 내에서는, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체는 형성되지 않고, 대신에 탄소계의 평탄 연속막이 형성된다. 수소 가스의 비율이 25%∼35%인 범위 내에서는, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체와 평탄 연속막이 혼재하여 형성되는 천이 영역이 있고, 상술한 도 10과 같은 탄소 박체가 형성된다. 수소 가스 비율이 35%∼80%인 범위 내에서는, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체가 형성된다. 개구부 수는 수소 가스 비율이 증대하는 만큼 감소하고, 벽 간격이 넓어지는 경향이 있다. 수소 가스 비율이 80%를 초과하는 범위에는, 기판 상에 아무 것도 형성되지 않게 된다.

(실시의 형태 3-전계 방출형 전자원-)

본 발명의 실시예 3에서는, 상기 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체를 미소 전계 방출형 전자원에 이용한 예에 대하여 설명한다. 미소 전계 방출형 전자원으로서는, 종래에는 Mo나 Si의 스핀트형(Spindt type) 전자원이 이용되고 있었지만, 최근 저전압 동작 및 방출 전류의 안정성을 기대할 수 있는 탄소계의 전계 방출형 전자원이 개발되고 있다. 이들 탄소계의 미소 전계 방출형 전자원 중에서, 수직 배향 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브 선단의 곡률 반경이 매우 작고, 저전압 동작이 기대되고 있다. 그러나, 수직 배향 탄소 나노튜브에서는, 탄소 나노튜브의 밀도 제어가 매우 곤란하다. 수직 배향 탄소 나노튜브를 형성하기 위해서는, 일반적으로, 촉매로 되는 Fe, Ni 등의 금속 초미립자를 필요로 한다. 이 금속 초미립자의 분산 상태에 따라서 수직 배향 탄소 나노튜브의 밀도가 결정되지만, 이 금속 초미립자를 제어성 좋게 분산시키는 것은 매우 어렵다.

한편, 본 발명의 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체는, 상기 실시예 1∼4에 나타낸 바와 같이, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 벽 간격이나 벽 두께는, 성막 조건에 따라서 제어성 좋게 바꿀 수 있다. 본 발명의 탄소 박체를 전계 방출형 전자원으로서 이용한 경우의 이점을 나타내기 위해서, 전계 증폭률을 구하는 시뮬레이션을 실행했다. 도 12는 본 발명의 탄소 박체를 단순화한 모델을 나타내는 사시도이다. 두께 w의 평탄한 입벽(3s)이, 간격 d로 평행하게 배열되어 있다. 한편, 종래의 수직 배향 탄소 나노튜브를, 튜브 직경 w의 튜브가 간격 d로 규칙적으로 배열되어 있는 시뮬레이션 모델로 했다(도 26 참조).

전계 방출형 전자원에서는, 전자는 전자원의 선단으로부터 선단 부근의 전계에 의해 인출된다. 이 선단 부근의 전계는, 전자원 선단의 형상이나 배열 등에 따라 결정되는 증폭률을 곱한 만큼 외부 인가 전계로부터 증배된다. 일반적으로는, 전자원의 선단부 구조가 예리하게 되어 곡률 반경이 작고, 또한 그와 같은 뾰족한 부분의 밀도가 성긴 편이 전자원의 선단부에서의 증폭률은 커지게 된다. 도 13에, 수직 배향 탄소 나노튜브 및 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 규격화 피치와 전계 증폭률의 관계를 나타낸다. 이 규격화 피치는 상기 탄소 나노튜브 또는 대략 그물코 형상벽의 간격 d를 각각의 직경 또는 벽 두께로 규격화(제외)한 값이다. 이 도 13으로부터 하기의 것을 알 수 있다. (a)전계 증폭률은 수직 배향 탄소 나노튜브 쪽이 크다. (b)양쪽 모두 피치가 커짐에 따른 전계 증폭률은 단조롭게 증대한다. (c)증가 비율(구배)은, 수직 배향 탄소 나노튜브 쪽이 크다.

(a)의 수직 배향 탄소 나노튜브 쪽의 전계 증폭률이 큰 이유는, 탄소 나노튜브의 선단이 매우 작은 점인 데 비하여, 본 발명의 탄소 박체에서는 대략 그물코 형상벽의 선단이 선 형상인 것에 있다. 이 때문에, 상기 전자원 선단의 단위 면적 당 전자 방출량은 전계 증폭률이 큰 탄소 나노튜브 쪽이 커지게 된다. 한편, 전자원으로부터의 방출 전류는 상기 선단의 단위 면적 당 전자 방출량과 선단부의 총면적의 곱에 의해서 결정된다.

도 14를 참조하여, 다음을 알 수 있다. (a)수직 배향 탄소 나노튜브에서는 규격화 피치가 100까지, 또한 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체에서는 규격화 피치가 50까지, 각각 방출 전류가 증대한다. 이 범위에서는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 피치가 넓어짐에 따라서 선단에서의 전계 증폭률이 증대하기 때문에, 상기한 바와 같이, 방출 전류가 증대한다. (b)또한 피치가 넓어지게 되면 방출 전류는 감소하는 경향을 나타낸다. 이것은, 피치가 넓어짐에 따른 단위 면적 중에 점유하는 선단 부분의 면적 비율이 감소하는 것에 기인하고 있다. 즉, 전자 방출부 면적의 감소 비율이 선단부에서의 전계 증폭률의 증대 비율을 상회하기 때문이다. (c)모든 피치 영역에서, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체 쪽이, 수직 배향 탄소 나노튜브보다도 방출 전류는 크다. 이것은, 전계 증폭률은, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체 쪽이 작지만, 방출부가 점형상인 탄소 나노튜브보다도 선형상인 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체 쪽이, 전체적으로는 방출 면적이 큰 것에 기인하고 있다.

상기한 바와 같이, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박판 쪽이 형상 제어가 용이하고, 전계 방출형 전자원으로서 이용한 경우, 많은 전류를 얻을 수 있다. 계속하여, 다음 실시예 5∼9에 의해, 상기 실시의 형태 3에 대하여, 즉 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체를 이용한 전계 방출형 전자원의 제작 결과에 대하여 설명한다.

(실시예 5)

도 15는 본 발명의 실시예 5에서의 2극 구조에 의한 방출 전류 측정 장치를 나타내는 개략 구성도이다. 이 중 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체는, 다음과 같다. n형 실리콘웨이퍼(비저항 0.03Ω㎝)를 기판(1)으로 하고, ECR 플라즈마 CVD법에 의해 자계 중심으로부터 395㎜ 떨어진 위치에 기판을 배치했다. 반응 가스인 메탄 가스와 수소 가스의 비를 1:2, 총 가스압 5×10^-4Torr, 기판 온도 700℃, 마이크로파 파워 1㎾, 기판 바이어스 전압 0V, 성막 시간 2시간의 조건에 의해, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체를 형성했다. 이 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체(9)를 전자 방출원에 이용하고, 도 15에 나타내는 2극 구조를 제작했다. 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체(9)가 형성된 실리콘웨이퍼(1)와, 대향 전극(21)이 형성된 유리 기판(20) 사이의 거리는 150㎛ 이다. 이 유리 기판(20)에는, 인출 전극과 방출 전자를 포착하는 애노드 전극을 겸한 IT0(Indium Tin Oxide)막(21)이 형성되어 있다. 이 2극 구조에 있어서 인출 전압을 변화시켜 방출 전류(emission current) 측정을 한 결과를 도 16에 나타낸다.

도 16에 따르면, 직류 전원에 의해 ITO 막에 전압을 인가하면 약 0.8㎸로부터 탄소 박체로부터 전자 방출이 발생하고, 인출 전압의 증가와 함께 방출 전류는 급격히 증대한다. 인출 전압이 약 1.7㎸일 때, 250㎂를 초과하는 높은 방출 전류가 얻어진다. 이 전압 전류 특성(VI 특성)을 FN(Fawler-Nordheim) 플롯하면 거의 직선을 이루는 것으로부터, 이 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체로부터의 전자방출이 전계 방출인 것이 확인되었다.

(실시예 6)

전계 방출형 전자원에서는, 전자를 인출하는 데 필요한 전압은 낮은 것이 바람직하다. 그러기 위해서는, 전자를 인출하기 위한 인출 전극과, 전자를 포착하는 애노드 전극을 분리하여, 인출 전극을 전자 방출부(캐소드)에 접근시킨 구조로 하는 것이 바람직하다. 이 구조를 취하면, 전자원은 캐소드 전극과 인출 전극의 2극 구조로 된다.

도 17 및 도 18에 따르면, 기판(1)상에 전자 방출부(캐소드)인 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체(9)에 전자를 공급하기 위한 캐소드 인출 전극(24)이 형성되어 있고, 이 캐소드 인출 전극(24) 상의 일부에 탄소 박체(9)가 형성되어 있다. 또한, 이 탄소 박체(9)를 둘러싸도록, 캐소드 인출 전극 상, 또는 캐소드 인출 전극이 형성되어 있지 않은 영역에서는 기판 상에, 절연막(23)이 형성되고, 이 절연막(23) 상에 인출 전극(25)이 형성되어 있다. 이러한 구조에서, 인출 전극용 전원(26)에 의해 인출 전극에 적절한 정 전위를 인가하면, 탄소 박체(9)의 대략 그물코 형상벽의 선단에 전계가 형성되고, 그 선단부로부터 전자가 방출된다. 이 방출 전자는 인출 전극(25)에 정 전압이 인가됨에 따라 발생하는 전계에 의해서 일어나기 때문에, 전계가 강한 탄소 박체의 대략 그물코 형상벽의 단부 쪽이 전자 방출량은 많고, 중앙부에 가까울수록 전자 방출량은 적어진다.

(실시예 7)

도 19 및 도 20에 따르면, 기판(1) 상에 배면 인출 전극(27)이 형성되어 있고, 또한 이 배면 인출 전극(27)을 덮어 절연막(23)이 형성되어 있다. 이 절연막(23) 상에는, 전자 방출부인 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체(9)에 전자를 공급하는 캐소드 인출 전극(24)이 적층되어 있다. 이 구조에 있어서, 인출 전극용 전원(28)으로부터 배면 인출 전극(27)에 적절한 정 전위를 인가하면, 탄소 박체(9)의 대략 그물코 형상벽의 표면 선단부에, 절연막(23)을 거친 전계가 형성되고, 이 선단부로부터 전자가 방출된다. 이 전자 방출은 정 전위의 배면 인출 전극(27)이 형성한 전계에 의해서 발생된다. 이 전계는 캐소드 전극의 단부에서 강하고, 캐소드 인출 전극에 의해서 차폐되는 중앙부에 가까울수록 약해지기 때문에, 전자 방출량은 전계의 강함에 비례하여, 캐소드 전극의 단부에서 많고, 중앙부에 가까울수록 적어진다.

(실시예 8)

도 21 및 도 22에 따르면, 상기 2극 구조 전자원에서는, 기판(1) 상에 배면 인출 전극(27)이 형성되고, 그 배면 인출 전극(27)을 덮도록 절연막(23)이 성막되어 있다. 캐소드 전극을 구성하는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체(9)는, 이 절연막 상에 형성된다. 이 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체의 일부와 절연막의 사이에는, 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체에 전자를 공급하기 위한 캐소드 인출 전극(24)이 마련되어 있다. 이 캐소드 인출 전극(24)은 절연막(23)을 거쳐서 배면 인출 전극(27)의 전방에 배치된다.

이 구조에 있어서, 인출 전극용 전원(28)에 의해 배면 인출 전극(27)에 적절한 정 전위를 인가하면, 탄소 박체(9)의 대략 그물코 형상벽의 표면 선단에, 절연막(23)을 거쳐서 전계가 형성되고, 이 전계에 의해서 상기 선단부로부터 전자가 방출된다. 이 구조에서는, 실시예 7과 마찬가지로 바로 아래에 캐소드 인출 전극(24)이 있는 부분 c에서는, 캐소드 인출 전극(24)에 의해서 전계가 차폐되기 때문에, 이 부분 c에 있어서의 전자 방출량은 상기 차폐가 없는 단부 a에서의 방출량보다 적어진다. 도 21에 나타내는 2극 구조 전자원에서는, 실시예 7과 비교하면, 캐소드 인출 전극(24)이 영역 c의 바로 아래에 국한되어 위치하고, 중앙부에는 배치되지 않기 때문에, 캐소드 전극 중앙부 b에서도 단부 c와 같은 정도의 강한 전계를 형성할 수 있다. 또한, 탄소 박체(9)가 양호한 도전성을 갖기 때문에, 캐소드 중앙부는 바로 아래에 캐소드 인출 전극(24)이 없더라도, 캐소드 인출 전극(24)으로부터 전자가 공급된다. 이 때문에, 캐소드 전극 중앙부 b에 있어서도, 단부 a와 같은 정도의 전자 방출을 생기게 할 수 있다. 이 때문에, 실시예 7의 2극 구조 전자원과 비교하면, 본 실시예 8의 2극 구조 전자원에서는, 전자원 전체로부터 방출되는 방출 전자량이 증대하고, 또한 전자 방출의 균일성을 향상시킬 수 있다.

도 23 및 도 24에 따르면, 본 실시예 9의 2극 구조 전자원에 있어서는, 기판(1) 상에 배면 인출 전극(27)이 형성되고, 그 배면 인출 전극(27)을 덮어 절연막(23)이 형성되고, 이 절연막(23) 상에 캐소드 전극을 구성하는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체(9)가 형성되어 있다. 이 탄소 박체(9)의 일부와 절연막(23)의 사이에는 탄소 박체(9)에 전자를 공급하기 위한 캐소드 인출 전극(24)이 마련되어 있다. 이 캐소드 인출 전극(24)은, 평면적으로 보아, 배면 인출 전극과 겹치지 않도록 배치되어 있다.

이 구조에 따르면, 배면 인출 전극용 전원(28)에 의해 배면 인출 전극(27)에 적절한 정 전위를 인가하면, 탄소 박체(9)의 대략 그물코 형상벽의 표면 선단 부근에 절연막(23)을 거쳐서 전계가 형성되고, 이 선단부로부터 전자가 방출된다. 본 실시예 9에서는, 실시예 7 및 실시예 8과 다르고, 배면 인출 전극(27)의 전방에 캐소드 인출 전극(24)이 배치되어 있지 않기 때문에, 배면 인출 전극(27)에 정 전위를 인가하여 형성되는 절연막(23)을 거친 전계는, 차폐되는 일이 없다. 이 때문에, 상기 전계는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체(9) 전체의 표면 선단과 같이 형성된다. 또한, 실시예 8의 경우와 마찬가지로, 전자는 캐소드 인출 전극(24)으로부터 탄소 박체(9) 전체에 공급되기 때문에, 바로 아래에 캐소드 인출 전극(24)이 없는 영역으로부터도 전자 방출이 발생한다.

상기한 바와 같이, 본 실시예 9의 2극 구조 전자원에 있어서, 캐소드 전극을 구성하는 대략 그물코 형상벽을 가진 탄소 박체(9)에서는, 전체 표면 선단에 전계가 동일하도록 형성되고, 전자의 공급도 충분히 실행되므로, 실시예 7 및 실시예 8의 전자원보다도 전자 방출량이 늘고, 전자 방출의 균일성이 향상한다.

본 발명의 탄소 박체 및 탄소 박체 형성 방법을 이용함으로써, 특이한 내부구조를 갖는 탄소 박체를, 낮은 기판 가열 온도 조건하에서 얻을 수 있기 때문에, 기판에 유리 기판을 이용할 수 있다. 이 때문에, 본 탄소 박체를 예컨대, 전계 방출형 전자원에 이용한 경우에는, 대변적의 전계 방출형 전자원을 용이하게 얻을 수 있고, 대면적의 디스플레이 장치를 저가(低價)에 제공하는 것이 가능하게 된다. 또한, 그 특이한 내부 구조 때문에, 미지의 분야에서의 이용이 기대된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

Claims

소정 두께를 갖고, 표면과 이면을 구비한 박막 형상의 탄소 박체로서,

평면적으로 보아, 적어도 표면 측 부분에 있어서, 곡선 형상의 벽이 이어져, 대략 그물코 형상 구조를 형성하고 있는 탄소 박체.
자장과 전자파가 가해져, 탄소 화합물을 포함하는 기체로부터 형성된 플라즈마를 이용하여, 화학 기상 성장법에 의해 물체면 상에 탄소 박체를 형성하는 탄소 박체 형성 방법으로서,

상기 자장과 전자파가 상기 플라즈마 중의 전자에 대한 공명 조건을 실질적으로 충족시키는 탄소 박체 형성 방법.
적어도 표면 측 부분에 있어서, 곡선 형상의 벽이 이어져 대략 그물코 형상의 구조를 갖고 있는 탄소 박체를, 전방으로 전자를 방출하는 전자 방출 부재로 이용한 전계 방출형 전자원.