KR20030081665A - 냉음극 전자원과 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

카본 나노튜브의 개수를 증가시켜 전자빔의 전류 밀도를 향상시키는 냉음극 전자원을 제공한다. 상기 냉음극 전자원은 기판과; 기판 위에 형성되는 제 1촉매 금속층과; 제 1촉매 금속층 위에 교대로 적층되는 다수의 절연층 및 다수의 추가 촉매 금속층과; 최상의 절연층 위에 형성되는 게이트 금속층과; 게이트 금속층과 절연층 및 추가 촉매 금속층을 관통하여 제 1촉매 금속층의 표면과 추가 촉매 금속층의 벽표면을 노출시키는 홀부와; 홀부에 의해 노출된 제 1촉매 금속층의 표면과 추가 촉매 금속층의 벽표면으로부터 성장한 다수의 카본 나노튜브로 이루어진 에미터를 포함한다.

Description

냉음극 전자원과 이의 제조 방법 {A cold cathode emission source and a manufacturing method of the emission source}

본 발명은 전계 방출 표시장치 등에 사용되는 냉음극 전자원에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카본 나노튜브를 이용한 전계 방출 효과에 의해 전자를 방출하는 냉음극 전자원 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전계 방출 표시장치와 음극선관 등과 같이 전자 충돌에 의해 형광막을 여기시켜 소정의 이미지를 구현하는 표시장치는 내부에 전자 방출원을 구비하여 이로부터 전자를 방출시키는데, 전자 방출원 가운데 전계 방출 효과에 의해전자를 방출하는 구조를 냉음극 전자원이라 한다.

초기에 제안된 냉음극 전자원은 예리한 선단을 갖는 이른바 스핀트 타입의 마이크로 팁(주로 몰리브덴 등의 금속으로 제작)을 에미터로 사용하였다. 그러나 마이크로 팁은 제조 프로세스가 복잡하고, 외부 환경에 의해 쉽게 열화되며, 대화면 제작에 불리한 단점이 있다.

따라서 최근에는 제조 프로세스를 단순화하고, 저전압(대략, 10∼50V) 조건에서 전자 방출이 일어날 수 있도록 일함수(work function)가 작으면서 화학적으로 안정한 물질을 사용하여 에미터를 필름 형태로 제작하는 기술이 연구되고 있다. 상기한 에미터로는 카본계 물질, 대표적으로 그라파이트, 다이아몬드상 카본, 카본 나노튜브 등이 적합한 것으로 알려져 있다.

이 가운데 특히 카본 나노튜브는 끝단의 곡률 반경이 대략 100Å 정도로 극히 미세하여 전계를 집중시키는데 충분한 예리함을 갖기 때문에, 냉음극 전자원으로 가장 이상적인 물질로 기대되고 있으며, 도 6에 카본 나노튜브를 이용한 종래 기술에 의한 냉음극 전자원을 도시하였다.

상기 냉음극 전자원(1)은 실리콘 또는 유리 기판(3) 위에 촉매 금속층(5)을 형성하고, 촉매 금속층(5) 위에 절연층(7)과 게이트 금속층(9)을 형성한 다음, 공지의 포토리소그래피 공정으로 게이트 금속층(9)과 절연층(7)을 관통하는 홀부(H)를 형성하여 촉매 금속층(5)을 노출시킨 후, 화학기상증착법 등을 이용하여 촉매 금속층(5) 위에 카본 나노튜브를 성장시켜 에미터(11)를 형성한 구성으로 이루어진다.

이로서 게이트 금속층(9)과 촉매 금속층(5) 사이의 전위 차에 의해 카본 나노튜브의 끝단에 전계가 집중되면서 이 끝단으로부터 전자가 방출된다. 상기 구조에 의해 냉음극 전자원(1)은 촉매 금속층(5)에 카본 나노튜브를 많이 성장시키고, 홀부(H)로 카본 나노튜브의 끝단을 많이 노출시킬수록 우수한 전자 방출 효과를 나타낸다.

그러나 종래의 냉음극 전자원(1)은 홀부(H)의 바닥면, 즉 홀부(H)에 의해 노출된 촉매 금속층(5)의 표면에만 카본 나노튜브가 존재하므로, 카본 나노튜브의 수를 증가시키는데 한계가 있으며, 냉음극 전자원(1)에서 방출되는 전자에 의한 전류 밀도가 낮아 고휘도 화면에 대응하기 어려운 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 냉음극 전자원의 구조 개선을 통해 카본 나노튜브의 수를 증가시켜 전자의 전류 밀도를 증가시키고, 그 결과 고휘도 화면을 용이하게 실현할 수 있는 냉음극 전자원 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉음극 전자원의 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 냉음극 전자원과 종래 기술에 의한 냉음극 전자원 각각에서 측정한 전류 밀도를 나타낸 그래프.

도 3∼도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉음극 전자원의 제조 과정을 설명하기 위한 각 단계에서의 개략도.

도 6은 종래 기술에 의한 냉음극 전자원의 단면도.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

기판 위에 형성되는 제 1촉매 금속층과, 제 1촉매 금속층 위에 교대로 적층되는 다수의 절연층 및 다수의 추가 촉매 금속층과, 최상의 절연층 위에 형성되는 게이트 금속층과, 게이트 금속층과 절연층 및 추가 촉매 금속층을 관통하여 제 1촉매 금속층의 표면과 추가 촉매 금속층의 벽표면을 노출시키는 홀부와, 홀부에 의해노출된 제 1촉매 금속층의 표면과 추가 촉매 금속층의 벽표면으로부터 성장한 다수의 카본 나노튜브로 이루어진 에미터를 포함하는 냉음극 전자원을 제공한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

기판 위에 촉매 금속층과 절연층을 교대로 증착하여 제 1촉매 금속층과 다수의 추가 촉매 금속층을 형성하는 단계와, 최상의 절연층 위에 게이트 금속층을 증착하는 단계와, 포토리소그래피 공정을 이용하여 게이트 금속층과 추가 촉매 금속층 및 절연층의 일부를 제거하여 홀부를 형성하는 단계와, 홀부가 형성된 기판을 화학기상증착 반응기에 장착하고, 탄화수소가스를 분해하여 홀부에 의해 노출된 제 1촉매 금속층의 표면과 추가 촉매 금속층의 벽표면으로부터 카본 나노튜브를 성장시켜 에미터를 형성하는 단계를 포함하는 냉음극 전자원의 제조 방법을 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉음극 전자원의 단면도로서, 냉음극 전자원(2)은 실리콘 또는 유리 기판(4)과, 기판(4) 위에 형성되는 제 1촉매 금속층(6)과, 절연층(8)을 사이로 제 1촉매 금속층(6) 위에 적층되는 다수의 추가 촉매 금속층(10, 12)과, 최상의 절연층(8) 위에 형성되는 게이트 금속층(14)과, 게이트 금속층(14)과 절연층(8) 및 추가 촉매 금속층(10, 12)을 관통하는 홀부(H)와, 홀부(H)에 의해 노출된 제 1촉매 금속층(6)의 표면과 추가 촉매 금속층(10, 12)의 벽표면에 형성되는 에미터(16)를 포함한다.

상기 추가 촉매 금속층(10, 12)은 적어도 한층 이상으로 구비되어 냉음극 전자원(2)의 촉매 금속층을 다층화한다. 본 실시예에서 추가 촉매 금속층(10, 12)은 일례로 2층으로 구성되며, 설명의 편의를 위해 한쌍의 추가 촉매 금속층을 제 2, 3촉매 금속층(10, 12)으로 명칭한다.

보다 구체적으로, 상기 제 1∼3촉매 금속층(6, 10, 12)은 니켈, 코발트, 철 또는 이들의 합금으로 이루어지며, 상기 홀부(H)를 통해 제 1촉매 금속층(6)의 표면과 제 2, 3촉매 금속층(10, 12)의 벽표면이 노출된다. 이러한 제 1∼3촉매 금속층(6, 10, 12)은 냉음극 전자원(2)에서 캐소드 전극으로 기능하며, 절연층(8)을 통해 게이트 금속층(14)과 전기적으로 절연된다.

그리고 상기 에미터(16)는 홀부(H)에 의해 노출된 제 1촉매 금속층(6)의 표면과, 제 2, 3촉매 금속층(10, 12)의 벽표면으로부터 다수의 카본 나노튜브를 화학기상증착법 등으로 성장시킨 구조로 이루어진다.

상기 구성에 의해, 제 1∼3촉매 금속층(6, 10, 12)에 (-)전위를 인가하고, 게이트 금속층(14)에 (+)전위를 인가하면, 홀부(H)에 노출된 카본 나노튜브의 끝단에 전계가 집중되면서 카본 나노튜브의 끝단으로부터 전자 방출이 이루어진다.

여기서, 본 실시예에 의한 냉음극 전자원(2)은 제 2, 3촉매 금속층(10, 12)에 의해 에미터(16)를 구성하는 카본 나노튜브의 수를 증가시켜 전자빔의 전류 밀도를 증가시키는 장점을 갖는다.

도 2는 본 발명에 의한 냉음극 전자원(실시예)과 종래 기술에 의한 냉음극 전자원(비교예) 각각에서 전류 밀도를 측정하여 나타낸 그래프로서, 실시예와 비교예 모두에서 홀부의 직경은 4㎛, 절연층의 두께는 1㎛이고, 실시예에서 제 2, 3촉매 금속층의 두께는 0.5㎛이다.

도시한 바와 같이 동일한 게이트 전압에서 전자빔의 전류 밀도는 실시예의 냉음극 전자원이 전체적으로 우수한 효과를 나타내며, 실시예의 냉음극 전자원이 비교예의 냉음극 전자원과 비교하여 대략 50% 정도 전류 밀도가 증가하였음을 알 수 있다.

다음으로, 도 3∼도 5를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 냉음극 전자원의 제조 방법에 대해 설명한다.

먼저, 도 3에 도시한 바와 같이 실리콘 또는 유리 기판(4)을 준비하고, 기판(4)의 표면에 촉매 금속층과 절연층을 교대로 증착하여 제 1∼3촉매 금속층(6, 10, 12)을 형성한 다음, 최상의 절연층(8) 위에 게이트 금속층(14)을 형성한다.

상기 촉매 금속층(6, 10, 12)과 절연층(8) 및 게이트 금속층(14)의 증착에는 물리기상증착법(PVD; Physical Vapor Deposition) 또는 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 사용할 수 있다.

상기 제 1∼3촉매 금속층(6, 10, 12)은 니켈, 코발트, 철 또는 이들의 합금으로 이루어지며, 벽표면에 에미터를 형성하는 제 2, 3촉매 금속층(10, 12)은 대략 0.5∼1㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 절연층(8)은 실리콘 산화막으로 이루어지고, 게이트 금속층(14)은 크롬 또는 몰리브덴막으로 이루어지며, 제 3촉매 금속층(12)과 게이트 금속층(14) 사이의 절연막(8)은 제 3촉매 금속층(12)의 에미터(16)와 게이트 금속층(14) 사이의 간격을 고려하여 대략 1∼2㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 기판(4) 위에 상기 막들을 증착시킨 다음, 포토 레지스트 도포, 노광, 현상, 식각 및 포토 레지스트 박리 단계로 이루어지는 공지의 포토리소그래피 공정을 통해 도 4에 도시한 바와 같이 게이트 금속층(14)과 제 2, 3촉매 금속층(10, 12) 및 절연층(8)의 일부를 제거하여 홀부(H)를 형성한다. 이로서 제 1촉매 금속층(6)의 표면과 제 2, 3촉매 금속층(10, 12)의 벽표면이 홀부(H)로 노출된다.

마지막으로 상기 기판(4)을 도시하지 않은 화학기상증착 반응기에 장착하고, 500∼1000℃ 온도에서 1∼30분 동안 탄화수소가스를 분해시키면, 도 5에 도시한 바와 같이 제 1촉매 금속층(6)의 표면과 제 2, 3촉매 금속층(10, 12)의 벽표면으로부터 카본 나노튜브들이 성장하여 일정 두께의 에미터(16)를 형성한다.

이와 같이 제 1촉매 금속층(6)의 표면 뿐만 아니라 제 2, 3촉매 금속층(10, 12)의 벽표면에 형성되는 에미터(16)는 냉음극 전자원(2)에 존재하는 카본 나노튜브의 수를 증가시켜 전자빔의 전류 밀도를 향상시키는 장점을 갖는다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명은 제 1촉매 금속층의 표면과 제 2, 3촉매 금속층의 벽표면으로부터 카본 나노튜브를 성장시켜 에미터를 형성함에 따라, 냉음극 전자원에존재하는 카본 나노튜브의 개수를 증가시켜 전자빔의 전류 밀도를 높인다. 따라서 본 발명에 의한 냉음극 전자원은 증가된 전류 밀도에 의해 고휘도 화면을 용이하게 실현할 수 있다.

Claims (9)

1. 기판과;

   상기 기판 위에 형성되는 제 1촉매 금속층과;

   상기 제 1촉매 금속층 위에 교대로 적층되는 다수의 절연층 및 다수의 추가 촉매 금속층과;

   최상의 절연층 위에 형성되는 게이트 금속층과;

   상기 게이트 금속층과 절연층 및 추가 촉매 금속층을 관통하여 제 1촉매 금속층의 표면과 추가 촉매 금속층의 벽표면을 노출시키는 홀부; 및

   상기 홀부에 의해 노출된 제 1촉매 금속층의 표면과 추가 촉매 금속층의 벽표면으로부터 성장한 다수의 카본 나노튜브로 이루어진 에미터

   를 포함하는 냉음극 전자원.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1촉매 금속층과 추가 촉매 금속층이 니켈, 코발트, 철 또는 이들의 합금으로 이루어지는 냉음극 전자원.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 추가 촉매 금속층이 0.5∼1㎛ 두께로 이루어지는 냉음극 전자원.
4. 기판 위에 촉매 금속층과 절연층을 교대로 증착하여 제 1촉매 금속층과 다수의 추가 촉매 금속층을 형성하는 단계와;

   최상의 절연층 위에 게이트 금속층을 증착하는 단계와;

   포토리소그래피 공정을 이용하여 상기 게이트 금속층과 추가 촉매 금속층 및 절연층의 일부를 제거하여 홀부를 형성하는 단계; 및

   상기 홀부가 형성된 기판을 화학기상증착 반응기에 장착하고, 탄화수소가스를 분해하여 상기 홀부에 의해 노출된 제 1촉매 금속층의 표면과 추가 촉매 금속층의 벽표면으로부터 카본 나노튜브를 성장시켜 에미터를 형성하는 단계

   를 포함하는 냉음극 전자원의 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 촉매 금속층과 절연층 및 게이트 금속층을 증착하는 단계가 물리기상증착법으로 이루어지는 냉음극 전자원의 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 촉매 금속층과 절연층 및 게이트 금속층을 증착하는 단계가 화학기상증착법으로 이루어지는 냉음극 전자원의 제조 방법.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 촉매 금속층이 니켈, 코발트, 철 또는 이들의 합금으로 이루어지는 냉음극 전자원의 제조 방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 추가 촉매 금속층이 0.5∼1㎛ 두께로 형성되는 냉음극 전자원의 제조 방법.
9. 제 5항에 있어서,

   상기 게이트 금속층 하단의 절연막이 1∼2㎛ 두께로 형성되는 냉음극 전자원의 제조 방법.