KR20050057486A - 광방사 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가시광선 영역 뿐만 아니라, 자외선 영역이나 적외선 영역의 빛을 높은 휘도로 발광시킬 수 있으며, 더구나 소형화가 가능한 광방사 소자를 저비용으로 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에서는, 광방사극(4)과 냉음극(3)을 대향시킨 광방사 소자(1)에 있어서, 광방사극(4)을 금속 산화물의 휘스커(15)를 갖는 금속 산화물 구조체로 구성한다. 휘스커를 구성하는 금속 산화물로서는, 이의 금지대 폭이 1.5 내지 7.7eV인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 광방사극과 냉음극은 진공의 용기내 또는 기체가 봉입된 용기내에 배치한다.

Description

광방사 소자{Light-emitting device}

본 발명은 각종 디스플레이, OA 기기의 광원, 조명기구 등에 사용되는 광방사 소자에 관한 것이다.

전자 방출 소자와 발광체를 구비한 발광 장치로서는, 예를 들면, 브라운관이 공지되어 있지만, 이의 전자 방출 소자로서는 열음극 소자가 사용되고 있으며, 열 에너지에 의해 전자를 방출시키기 때문에 에너지 효율이 낮다는 결점이 있다.

이러한 결점을 해소하기 위해, 전자 방출 소자로서 열 에너지를 사용하지 않는 냉음극 소자를 구비한 발광 장치가 개발되었으며, 예를 들면, 냉음극 소자로서 미소한 삼각추상 이미터 칩을 다수 배치한 스핀트형이라고 불리는 냉음극을 사용하는 것이 공지되어 있다.

그러나, 종래의 스핀트형 냉음극 소자는 다수의 이미터 칩을 정밀하게 제조하는 것이 곤란하며, 방출 전자량이 변동되거나 소자의 수명이 짧은 등의 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 개선하기 위해, 전자 방출 소자인 냉음극을 금속 산화물 등으로 이루어진 휘스커로 구성하는 것이 제안되어 있다[참조: 일본 공개특허공보 제2001-35424호 및 일본 공개특허공보 제2001-357771호].

도 1은, 본 발명의 광방사 소자의 광방사극과 냉음극을 구성하는 재료를 제조하는 대기 개방형 CVD 장치의 일례를 도시한 모식도이다.

도 2는, 본 발명의 광방사 소자의 광방사극과 냉음극을 구성하는 재료를 제조하는 대기 개방형 CVD 장치의 다른 예를 도시한 모식도이다.

도 3은, 본 발명의 광방사 소자의 일례를 도시한 모식도이다.

도 4는, 본 발명의 광방사 소자의 다른 예를 도시한 모식도이다.

도 5는, 본 발명의 광방사 소자의 또 다른 예를 도시한 모식도로서, 도 5A는 사시도이고, 도 5B는 단면도를 나타낸다.

도 6은, 본 발명의 광방사 소자의 또 다른 예를 도시한 모식도이다.

발명의 실시하기 위한 최량의 형태

본 발명은 광방사극과 냉음극을 대향시킨 광방사 소자의 광방사극을 금속 산화물의 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체로 구성함을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에서의 휘스커란, 원근사 단면 직경이 0.01 내지 100㎛(평균치: 이하 동일)이고, 원근사 단면 직경에 대한 길이의 비(종횡비)가 1 이상인 대략 막대상의 구조를 갖는 것을 의미한다. 또한, 휘스커의 길이란, 휘스커가 면 위에서 실질적으로 돌기하는 위치(기부)로부터 선단부까지의 길이를 의미하며, 원근사 단면 직경은 휘스커 길이의 1/2의 위치에서 측정한다. 이러한 원근사 단면 직경은, 예를 들면, 화상해석 등에 의한 종래 공지된 방법으로 단면적을 구하고, 수득된 면적을 원주율(π)로 나눈 것의 평방근의 2배의 값으로 나타내어진다.

휘스커의 원근사 단면 직경이 0.01 미만인 경우에는, 성장한 휘스커를 수득하는 것이 곤란하고, 100㎛을 초과하는 경우에는, 표면적 증가에 의한 목적하는 특성을 수득하는 것이 어려워진다. 이러한 원근사 단면 직경은 0.05 내지 50㎛, 특히 0.1 내지 10㎛로 하는 것이 바람직하다.

휘스커의 길이는 사용하는 용도에 따라 임의로 선택되지만, 통상적으로는 0.1 내지 1,000㎛(평균치), 바람직하게는 1 내지 500㎛이다. 또한, 종횡비는 1 이상, 바람직하게는 5 이상이고, 종횡비가 지나치게 작으면 휘스커에 의한 표면적 증가의 효과가 나타나지 않는다.

휘스커는 1O㎛ ×10㎛의 면적당 0.1 내지 10,000개, 특히 1 내지 1,000개의 비율로 밀집상으로 존재하는 것이 바람직하다. 이러한 비율이 작은 경우에는 휘스커에 의한 표면적 증가의 효과가 부족하고, 지나치게 큰 경우에는 성장한 휘스커를 수득하는 것이 곤란해진다.

휘스커의 형상으로서는, 근원(根元) 부분에서 선단 부분까지 직경이 변하지 않는 것, 근원 부분에서 어느 거리까지 직경이 변하지 않는 것, 휘스커의 근원 부분의 직경이 작고 선단부로 갈수록 한번 직경이 커진 다음 다시 직경이 조금씩 감소되어 가는 것, 휘스커의 근원 부분에서 선단 부분으로 갈수록 직경이 조금씩 감소되어 가는 것, 선단 부근의 어느 거리로부터 각추(角錐) 또는 각추대, 원추 또는 원추대 또는 반구와 같은 형상을 취하고 있는 것 등 및 이들의 조합을 들 수 있다. 바람직한 형상으로서는, 원주상 외에 각주상, 또는 휘스커 근원 부분의 직경이 작으며 일단 직경이 커진 다음 각주상의 형상을 취하는 것 등을 들 수 있다. 각주상의 경우, 구체적인 형상은 결정구조에 따라 다르지만, 예를 들면, 금속 산화물이 산화아연인 경우는 육각주, 산화 이트륨의 경우는 사각주 또는 육각주, 산화티탄의 경우에는 사각주로 되는 경우가 많다. 또한, 이 이외의 다각형의 단면 형상을 갖는 각주라도 지장은 없다. 한개의 각주 중에서, 마주보는 면끼리 상호 평행하지 않아도 양호하다.

본 발명에서 휘스커를 구성하는 금속 산화물로서는, 금속 종이 주기율표에 있어서 수소를 제외한 1족, 2족, 붕소를 제외한 13족, 탄소를 제외한 14족, 질소, 인 및 비소를 제외한 15족 및 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 및 12족에 속하는 각 원소의 산화물을 들 수 있다. 금속 종으로서는, 예를 들면, Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Po, Sc, Y, La, Th, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg 등을 들 수 있고, 이 중에서도 바람직하게는 Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Ti, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Sc, Y, La, Ce, Th, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Eu, Tb, Tm 및 Yb이고, 더욱 바람직하게는 Li, K, Hf, Ca, Sr, Ba, Al, In, Si, Sn, Pb, Th, Y, Ce, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Zn, Ga, W, Eu, Tb, Tm 및 Yb를 들 수 있다.

바람직한 금속 종으로서는 Y, Eu, Tb, Tm, Ba, Ca, In, Al, Mn, Zn, Ti, Sn, Sr, Hf, Zr, Cr, Ce, Pb 및 W가 예시된다. 이러한 금속 종은 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 휘스커 중에 휘스커를 구성하는 모재와는 다른 원소를 부활제로서 함유시킴으로써, 발광 특성을 개선하도록 해도 양호하다.

바람직한 금속 산화물로서는, 예를 들면, ZrO₂, Al₂O₃, In₂O₃, SiO₂, SnO₂, TiO₂, ZnO, 바륨티타네이트, SrTiO₃, LiNiO₃, PZT, YBCO, YSZ, YAG, ITO(In₂O₃/SnO₂)등을 들 수 있다. 또한, ZnO 중에 Al₂O₃가 도핑되어 있는 것이라도 양호하다. 또한, KTaO₃나 NbLiO₃와 같은 복합 산화물이라도 양호하다.

금속 산화물 중에서도, 금지대 폭이 1.5 내지 7.7eV인 금속 산화물을 사용하여 대기 개방형 CVD법에 의해 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체를 제조한 경우에는, 금지대 폭과 거의 동일한 에너지의 자유 여기자 발광이 수득되기 때문에, 특히 바람직하다.

자유 여기자 발광은 자외선이나 청색의 강력한 발광을 발생시키기 때문에, OA 기기나 광통신용 광원 등으로서 유용하다.

금지대 폭이 1.78 내지 3.11eV인 금속 산화물로부터 수득된 휘스커는, 400 내지 700nm의 가시광 영역에 강한 발광을 나타내고, 이러한 금속 산화물로서는 산화인듐(2.7eV)이나 Cu₂O(2.0eV) 등을 들 수 있다.

또한, 금지대 폭이 3.11 내지 6.23eV인 금속 산화물로부터 수득된 휘스커는 200 내지 400nm의 자외선 영역에 강한 발광을 나타내고, 이러한 금속 산화물로서는 ZnO(3.2eV), CoO(4.0eV), Cr₂O₃(3.3eV), MnO(3.6eV), NiO(4.2eV), SnO₂(3.6eV), Ta₂O₅(4.2eV), Y₂O₃(5.5eV), ZrO₂(5.0eV), HfO₂(6.OeV) 등을 들 수 있다.

본 발명의 광방사 소자의 광방사극을 구성하는 금속 산화물의 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체는, 예를 들면, 도 1에 도시되어 있는 대기 개방형 CVD 장치를 사용하여 제조할 수 있다.

도 1은, 본 발명에서 사용하는 금속 산화물 구조체를 제조하는 장치의 모식도이다.

도 1에 있어서, 부호(100)은 제조장치, 부호(101)은 캐리어 가스로 되는 건조 질소를 공급하는 봄베 등의 건조 질소 공급원, 부호(102)는 유량계, 부호(103)은 금속 산화물 막을 형성하는 원료 기화기를 나타낸다. 또한, 부호(104)는 소정 폭의 슬릿(105)을 설치한 노즐을 나타내며, 부호(106)은 기재, 부호(107)은 기재(106)의 가열대를 나타낸다. 또한, 기화기(103), 노즐(104), 기재(106) 및 가열대(107)는 방호 챔버(108)에 의해 덮여 있고, 방호 챔버(108)에는 아크릴 수지 등으로 이루어진 문(109)가 설치되어 있다.

원료 기화기(103) 내에서 가열 증발시킨 원료는 질소 가스와 함께 노즐(104)로 보내지고, 노즐(104)에 설치한 소정 폭의 슬릿(105)으로부터 대기중으로 분출시켜, 가열된 기재(106)의 표면으로 흡부된다. 흡부된 원료는 공기 중에서 분해되어, 기재 표면에 금속 산화물 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체를 형성한다.

휘스커 중에 휘스커를 구성하는 모재와는 다른 원소를 함유하는 금속 산화물 구조체는, 예를 들면, 도 2에서 볼 수 있는 것과 같은 제조장치를 사용하여 제조할 수 있다.

이러한 제조장치(111)는, 캐리어 가스로 되는 질소 가스 공급원(112), 금속 산화물 휘스커를 구성하는 모재의 기화기(113), 당해 모재와는 다른 원소의 기화기(114), 기화시킨 모재 및 이종 원소를 캐리어 가스와 함께 균일하게 혼합하는 원료 혼합기(115), 혼합 원료 가스를 분출하는 노즐(119) 및 기재(120)의 가열대(121)를 구비한다.

금속 산화물 휘스커를 구성하는 모재 및 당해 모재와는 다른 원소는, 각각 기화기(113 및 114)로 가열 기화되어 질소 가스와 함께 원료 혼합기(115) 내의 원료 혼합 탱크(116)로 보내지고, 히터(117)의 외주에 설치된 코일상 가열 혼합기(118)에 의해 캐리어 가스와 함께 균일하게 혼합된다. 균일하게 혼합된 원료 가스는 노즐(119)로부터 대기압 개방하에 히터(122)를 갖는 가열대(121) 위에서 가열된 기재(120)의 표면으로 흡부되고, 기재 표면에 금속 산화물 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체를 형성한다.

본 발명에서 광방사극으로서 사용하는 금속 산화물 구조체를 구성하는 원료로 되는 금속 화합물은, 목적으로 하는 구조체의 금속 산화물 중의 금속을 가지며, 산소, 물 등의 대기중에 포함되는 화합물과 반응하여 산화물을 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 금속 화합물을 흡부되는 대기에, 예를 들면, 오존 등의 통상 대기중에 존재하지 않는 물질을 공급하여 존재시키고, 이들과 반응하여 산화물을 형성하는 것이라도 양호하다.

이러한 금속 화합물로서, 예를 들면, 금속 또는 금속 유사 원소의 원자에 알콜의 하이드록실 그룹의 수소가 금속으로 치환된 알콕사이드류, 금속 또는 금속 유사 원소의 원자에 아세틸아세톤, 에틸렌디아민, 비피페리딘, 비피라진, 사이클로헥산디아민, 테트라아자사이클로데트라데칸, 에틸렌디아민테트라아세트산, 에틸렌비스(구아니드), 에틸렌비스(살리실아민), 테트라에틸렌 글리콜, 아미노에탄올, 글리신, 트리글리신, 나프틸리딘, 페난트로닌, 펜탄디아민, 피리딘, 살리실알데히드, 살리실리덴아민, 포르피린, 티오요소 등으로부터 선택된 배위자를 1종 또는 2종 이상 갖는 각종 착체, 배위자로서 카보닐 그룹을 갖는 Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Mo, V, W, Ru 등의 각종 금속 카보닐, 또한 카보닐 그룹, 알킬 그룹, 알케닐 그룹, 페닐 또는 알킬페닐 그룹, 올레핀 그룹, 아릴 그룹, 사이클로부타디엔 그룹을 비롯한 공액 디엔 그룹, 사이클로펜타디에닐 그룹을 비롯한 디에닐 그룹, 트리엔 그룹, 아렌 그룹, 사이클로헵타트리에닐 그룹을 비롯한 트리엘 그룹 등으로부터 선택된 배위자를 1종 또는 2종 이상 갖는 각종 금속 화합물 또는 할로겐화 금속 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 그 밖의 금속 착체도 사용할 수 있다. 이 중에서도, 금속 아세틸아세토네이트 화합물, 금속 알콕사이드 화합물 등이 보다 바람직하게 사용된다.

다른 바람직한 착체로서는, 금속에 β-디케톤류, 케토에스테르류, 하이드록시카복실산류 또는 이의 염류, 각종 시프 염기류, 케토알콜류, 다가 아민류, 알칸올아민류, 에놀성 활성 수소 화합물류, 디카복실산류, 글리콜류, 페로센류 등의 배위자가 1종 또는 2종 이상 결합된 화합물을 들 수 있다.

휘스커 중에 휘스커를 구성하는 모재와는 다른 원소를 함유시키는 경우에는, 이종(異種) 원소의 함유량에 특별히 제한은 없지만, 통상적으로는 모재를 구성하는 원소에 대하여 0.1 내지 20원자% 정도로 하는 것이 바람직하다.

캐리어 가스로서는, 사용하는 금속 화합물과 반응하는 것이 아니면, 특별히 한정되지 않는다. 구체적인 예로서, 질소 가스나 헬륨, 네온, 아르곤 등의 불활성 가스, 탄산 가스, 유기 불소 가스 또는 헵탄, 헥산 등의 유기물질 등을 들 수 있다. 이 중에서 안전성 및 경제성 면에서 불활성 가스가 바람직하다. 질소 가스가 경제성 면에서 가장 바람직하다.

본 발명에서 광방사극으로서 사용하는 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체를 제조할 때의 기재로서는, 예를 들면, 소석회 유리 등의 무기 유리, 스테인레스강 등의 금속, 실리콘 등의 반도체 결정 및 산화알루미늄, 산화마그네슘, 스트론튬티타네이트 등의 금속 산화물을 들 수 있다. 이 경우의 결정은, 1종 이상의 단결정, 다결정, 비결정부과 결정부를 동시에 갖는 1종 이상의 반결정성 물질 및 이들의 혼합물일 수 있다.

바람직한 기재로서는, 실리콘을 포함하는 금속, 금속 산화물 및 ZnTe, GaP, GaAs, InP 등의 반도체 단결정 등을 들 수 있다.

금속 산화물이나 반도체의 단결정으로 이루어진 기재를 사용하는 경우에는, 기재의 단결정 종으로서 이의 격자 정수가 기재면 위에 에피택셜 성장시키는 금속 산화물(휘스커)의 결정 종의 격자 정수와 가까운 것을 선택하는 것이 바람직하다. 격자 정수의 측정은 광각 X선 회절법 등의 종래 공지된 방법으로 실시할 수 있다. 기재를 이루는 단결정 종으로서는, 돌기(휘스커)를 이루는 단결정 종의 기재와의 접촉면의 격자 정수(A)와 기재를 이루는 단결정 종의 돌기와의 접촉면의 격자 정수(B)의 비(A/B)가 0.8 내지 1.2로 되는 것을 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 비(A/B)가 0.9 내지 1.1인 것을 선택하는 것이 더욱 바람직하고, 0.95 내지 1.05로 되는 것을 선택하는 것이 특히 바람직하다.

기재로 되는 단결정 종으로서 특히 바람직하게 사용되는 것은, 실리콘이나 산화알루미늄, 산화마그네슘, SrTiO₃ 등의 금속 산화물이다. 기재는 1종류 이상의 단결정으로 이루어진 것 또는 다결정으로 이루어진 것이라도 양호하다. 비결정부와 결정부를 동시에 갖는 1종류 이상의 반결정성 물질로 이루어진 것이라도 양호하다. 또한, 이들의 혼합물이라도 양호하다. 그러나, 1종류의 단결정으로 이루어진 것이 가장 바람직하다.

휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체가 형성되는 기재의 온도는, 기재 근방 및 표면에서 금속 산화물이 형성되는 온도이면 특별히 한정되지 않지만, 기재 표면으로 흡부되는 원료 가스의 온도보다 높은 온도로 설정하는 것이 바람직하고, 통상적으로는 100 내지 700℃로 설정된다.

휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체를 형성하는 데 필요한 반응시간은 원료의 종류나 반응조건, 목적으로 하는 구조체의 용도 등에 따라 적절하게 선택된다.

휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체는, 통상적으로 휘스커가 밀집상으로 형성된 상태로 수득되지만, 각각의 휘스커 사이에는 공극이 존재한다. 따라서, 이러한 구조체는 사용하는 형태 등에 따라서는 사용시에 변형이 일어날 가능성이 있다. 즉, 물리적 응력에 의해 많은 휘스커가 차례로 쓰러지는 상황으로 될 가능성이 있다. 이것을 방지하기 위해서, 발광을 방해하지 않는 물질, 예를 들면, 열가소성 수지, 열경화성 수지, 탄성중합체, 시아노아크릴레이트와 같은 순간 접착제 등의 유기 물질, 유리, 세라믹 등의 무기 물질, 금속 등으로 휘스커 사이를 충전 고정시킬 수도 있다.

휘스커 사이를 충전 고정하기 위해 사용되는 열가소성 수지로서는 저·중·고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체(이하「SAN 수지」라고 약기한다), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(이하「ABS 수지」라고 약기한다), 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리페닐렌 에테르, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리에스테르이미드, 폴리아릴레이트, 폴리페닐렌 설파이트, 스티렌-부타디엔 공중합체 및 이의 수소 첨가 조성물 등 및 이들 2종류 이상이 조합된 중합체 배합물 및 공중합체, 예를 들면, 폴리카보네이트와 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리페닐렌에테르와 폴리스티렌 등을 들 수 있다.

또한, 휘스커 사이를 충전 고정하기 위해 사용되는 열경화성 수지로서는 에폭시 수지, DFK 수지, 크실렌 수지, 구아나민 수지, 디알릴프탈레이트 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 푸란 수지, 폴리이미드, 폴리(P-하이드록시벤조산), 폴리우레탄, 말레산 수지, 멜라민 수지, 유리아 수지 등을 들 수 있다. 휘스커를 고정하기 위해 사용되는 탄성중합체로서는, 천연 고무나 부타디엔 고무, 실리콘 고무, 폴리이소프렌 고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 부틸 고무, 이소부틸렌 고무, 스티렌·부타디엔 고무, 스티렌·이소프렌·스티렌 블록 공중합체 고무, 아크릴 고무, 아크릴로니트릴·부타디엔 고무, 염산 고무, 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무, 다황화 고무 등의 합성 고무 등을 들 수 있다. 기타 폴리테트라플루오로에틸렌, 석유 수지, 알키드 수지 등도 사용할 수 있다.

본 발명의 광방사 소자는, 상기에서 설명한 금속 산화물의 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체로 이루어진 광방사극과 냉음극을 대향시켜, 진공의 용기내 또는 기체가 봉입된 용기내에 배치함으로써 구성된다.

광방사 소자의 냉음극을 구성하는 재료로서는, 특별히 제한은 없으며, 통상적으로 냉음극으로서 사용되는 재료는 어느 것이나 사용할 수 있지만, 바람직한 재료로서는 광방사극에 사용되는 금속 산화물의 휘스커(모재와는 다른 원소를 함유하는 휘스커를 포함)를 갖는 금속 산화물 구조체나, 당해 금속 산화물 구조체의 휘스커의 선단부에 전기전도성 물질을 피복한 것 등을 들 수 있다. 또한, 다른 바람직한 재료로서는, 카본 나노 튜브, 플라렌, 다이아몬드 입자, 흑연 입자 및 탄소섬유 등의 탄소계 재료를 들 수 있다.

다음에, 도면에 기초하여 본 발명의 광방사성 소자에 관해서 추가로 설명하지만, 이하의 구체적인 예는 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

도 3은, 본 발명의 광방사 소자의 일례를 도시하는 모식도이다. 이러한 광방사 소자(1)는, 진공의 유리관(2) 내에 냉음극(3)과 광방사극(4)을 대향시켜 배치한 것이다. 냉음극(3)은 금속 기재(11)의 표면에 대기 개방형 CVD법에 의해 금속 산화물의 휘스커(12)를 형성한 재료로 구성되어 있다. 또한, 광방사극(4)은 유리 기재(13)의 표면에 ITO, SnO₂, ZnO 등으로 이루어진 투명한 전기전도성 막(14)을 설치하고, 이의 표면에 대기 개방형 CVD법에 의해 금속 산화물의 휘스커(15)를 형성한 재료로 구성되어 있다. 냉음극(3)과 광방사극(4) 사이에는, 직류 전원(5)을 설치하여 바이어스 전압을 인가한다. 직류 전원 대신에 고주파 전원을 사용할 수도 있다(이하의 광방사 소자에 있어서도 동일하다).

전압이 인가된 냉음극(3)의 휘스커(12)의 선단으로부터는 진공중에 전자가 방출되고, 이러한 방출된 전자가 직류 전원(5)에 의한 전계에 의해서 가속되어 광방사극(4)의 금속 산화물의 휘스커(15)와 충돌하고, 휘스커를 구성하는 금속 산화물의 금지대 폭과 대략 동일한 에너지의 자유 여기자 발광을 발생시킨다. 이러한 자유 여기자 발광은 매우 강력한 것이며, 광방사극(4)의 유리 기재(13)가 강력한 발광면이 된다. 이러한 유리 기재(13)는 유리관(2)의 관벽 자체에 의해 구성하도록 해도 양호하다.

도 4는, 본 발명의 광방사 소자의 다른 예를 도시하는 모식도이다. 이러한 광방사 소자(1)에서는, 냉음극(3)과 광방사극(4) 사이에 전자 가속 전극(6)을 설치하고, 직류 전원(7)에 의해서 전압을 인가함으로써, 냉음극(3)의 휘스커(12)의 선단에서 방출된 전자를 더욱 가속하도록 구성하였다. 전자 가속 전극(6)으로서는, 예를 들면, 구리, SUS 등의 금속 재료에 의해 구성된 메쉬재 등을 사용할 수 있다. 이러한 메쉬재의 크기에 특별히 제한은 없지만, 예를 들면, 메쉬를 구성하는 선재의 두께가 1O 내지 500㎛ 정도이며, 종횡의 선재에 의해 형성되는 각 메쉬의 각 변이 0.5 내지 10mm 정도인 것을 사용할 수 있다.

광방사 소자(1)의 다른 구성은 도 3의 광방사 소자와 동일하다.

도 5는 본 발명의 광방사 소자의 또 다른 예를 도시하는 모식도이고, (A)는 사시도를 나타내고 (B)는 단면도를 나타낸다.

이러한 광방사 소자(21)에서는, 진공의 원통상 유리관(22)의 내면에 금속 산화물 등으로 이루어진 전기전도성 막(23)을 설치하고, 당해 전기전도성 막(23)의 표면에 대기 개방형 CVD법에 의해서 금속 산화물의 휘스커(24)를 형성하여 광방사극(4)을 구성한 것이다. 또한, 유리관(22)의 중심부에는 원주상의 전기전도성 기재(25)의 표면에 대기 개방형 CVD법에 의해서 금속 산화물의 휘스커(26)를 형성한 냉음극(3)을 배치하고, 냉음극(3)과 광방사극(4) 사이에는 직류 전원(5)을 설치하여 바이어스 전압을 인가하도록 구성되어 있다.

이러한 광방사 소자(21)에서는, 유리관(22)의 중심부에 배치된 냉음극(3)의 휘스커(26)의 선단부에서 방출된 전자는 유리관(22)의 내벽면에 설치된 휘스커(24)와 충돌하여, 휘스커를 구성하는 금속 산화물의 금지대 폭과 대략 동일한 에너지의 자유 여기자 발광을 유리관(22)의 관벽 전체 면에서 발생시킨다.

도 6은 본 발명의 광방사 소자의 또 다른 예를 도시하는 모식도이다. 이러한 광방사 소자(31)에서는, 광 불투과성의 진공 용기(32) 내에, 기재(33)의 표면에 대기 개방형 CVD법에 의해 금속 산화물의 휘스커(34)를 형성한 재료로 구성한 냉음극(3)과, 기재(35)의 표면에 대기 개방형 CVD법에 의해 금속 산화물의 휘스커(36)를 형성한 재료로 구성한 광방사극(4)을 대향시켜 배치하였다. 냉음극(3)과 광방사극(4) 사이에는 직류 전원(5)을 설치하여 바이어스 전압을 인가하도록 구성되어 있다. 또한, 냉음극(3)과 광방사극(4)에 의해 구획되는 공간의 한 측면에는 미러 등의 반사판(37)을 설치하고, 다른 측면에는 하프 미러 등의 광 반투과성 판(38)이 설치되어 있다.

이러한 광방사 소자(31)에서는, 냉음극(3)의 휘스커(34)의 선단부에서 방출된 전자는 광방사극(4)의 휘스커(36)와 충돌하여, 휘스커를 구성하는 금속 산화물의 금지대 폭과 대략 동일한 에너지의 자유 여기자 발광을 발생시키고, 이러한 빛은 측면에 설치한 반사판(37)으로 반사되어, 다른 측면의 광 반투과성 판(38)을 투과하여 화살표 방향으로 레이저광으로서 방사된다.

이상의 각 예에서는, 광방사 소자의 냉음극을 광방사극과 동일하게 금속 산화물의 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체에 의해 구성한 예에 관해서 설명하였지만, 냉음극을 구성하는 재료로서, 카본 나노 튜브, 플라렌, 다이아몬드 입자, 흑연 입자 및 탄소섬유 등의 탄소계 재료 등의 다른 재료를 사용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 냉음극 및 광방사극을 수용하는 용기로서 진공의 용기 대신에 가스를 봉입한 용기도 물론 사용할 수 있다.

이러한 특허문헌에 기재되어 있는 기술에서는 스핀트형 음극 소자에 있어서의 제조상 문제점은 어느 정도 해소할 수 있지만, 용도에 따라서는 발광 장치에 필요한 휘도가 수득되지 않거나, 또는 장치에서 발광되는 빛의 파장으로서는 청색까지의 파장이 한계이며, 자외선 영역의 빛을 수득할 수 없었다. 또한, 장치를 소형화하는 것이 곤란한 등의 결점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해소하여 가시광선 영역 뿐만 아니라, 자외선 영역이나 적외선 영역의 빛을 높은 휘도로 발광시킬 수 있으며, 또한 소형화 가능한 광방사 소자를 저비용으로 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 예의 검토한 결과, 광방사극(발광체)과 냉음극을 대향시킨 광방사 소자에 있어서, 광방사극을 금속 산화물의 휘스커로 구성함으로써, 상기의 과제가 해소되는 것을 밝혀내고, 본 발명을 완성한 것이다.

즉, 본 발명은 다음과 같은 구성을 채용하는 것이다.

1. 광방사극과 냉음극을 대향시킨 광방사 소자에 있어서, 광방사극을 금속 산화물의 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체로 구성함을 특징으로 하는 광방사 소자.

2. 휘스커를 구성하는 금속 산화물의 금지대(禁止帶) 폭이 1.5 내지 7.7eV임을 특징으로 하는, 위의 1에 기재된 광방사 소자.

3. 휘스커의 원근사 단면 직경이 0.01 내지 100㎛이며, 원근사 단면 직경에 대한 길이의 비가 1 내지 10,000임을 특징으로 하는, 위의 1 또는 2에 기재된 광방사 소자.

4. 휘스커가 금속 산화물면 위의 10㎛ ×10㎛ 면적당 0.1 내지 10,000개의 밀도로 존재함을 특징으로 하는, 위의 1 내지 3 중의 어느 하나에 기재된 광방사 소자.

5. 휘스커가, 휘스커를 구성하는 모재(母材)와는 다른 원소를 포함함을 특징으로 하는, 위의 1 내지 4 중의 어느 하나에 기재된 광방사 소자.

6. 휘스커가, 금속 산화물을 기판면 위에 에피택셜 성장시킴으로써 수득됨을 특징으로 하는, 위의 1 내지 5 중의 어느 하나에 기재된 광방사 소자.

7. 휘스커를 구성하는 모재로서 산화아연을 사용함을 특징으로 하는, 위의 1 내지 6 중의 어느 하나에 기재된 광방사 소자.

8. 광방사극이, 유기물질, 무기물질 및 금속으로부터 선택된 재료로 휘스커 사이를 충전한 금속 산화물 구조체로 구성됨을 특징으로 하는, 위의 1 내지 7 중의 어느 하나에 기재된 광방사 소자.

9. 냉음극이, 금속 산화물의 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체로 구성됨을 특징으로 하는, 위의 1 내지 8 중의 어느 하나에 기재된 광방사 소자.

10. 냉음극이, 카본 나노 튜브, 플라렌, 다이아몬드, 흑연 및 탄소섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 탄소계 재료로 구성됨을 특징으로 하는, 위의 1 내지 9 중의 어느 하나에 기재된 광방사 소자.

11. 광방사극과 냉음극을 진공의 용기내 또는 기체가 봉입된 용기내에 배치함을 특징으로 하는, 위의 1 내지 10 중의 어느 하나에 기재된 광방사 소자.

12. 용기내에 판상 광방사극과 판상 냉음극을 대향시켜 배치함을 특징으로 하는, 위의 1 내지 10 중의 어느 하나에 기재된 광방사 소자.

13. 광방사극과 냉음극에 의해 구획되는 공간의 한 측면에 반사판을 설치함을 특징으로 하는, 위의 12에 기재된 광방사 소자.

14. 용기의 내벽면에 광방사극을 배치하고 용기의 중심부에 냉음극을 설치함을 특징으로 하는, 위의 11에 기재된 광방사 소자.

다음에, 실시예에 의해 본 발명을 추가로 설명하지만, 이하의 구체적인 예는 본 발명을 한정하는 것이 아니다.

본 발명의 광방사 소자에 있어서, 광방사극이나 냉음극을 구성하는 재료로서 사용되는 금속 산화물의 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체는, 예를 들면, 도 1 또는 도 2에 기재한 대기 개방형 CVD 장치를 사용하여, 통상적인 방법에 의해 제조할 수 있다.

실시예 1

도 1의 장치를 사용하고 원료로서 Zn(C₅H₇O₂)₂를 사용하여, 기화 온도 115℃, N₂ 가스 유량 1.2d㎥/분으로 기화시키고, 슬릿상의 노즐로부터 550℃로 가열된 투명 전기전도 막이 도포된 투명 유리 기재 위에 흡부시켜, <0001>로 배향한 ZnO 휘스커를 성장시켰다. 기재 표면에는 길이 40㎛ 및 직경 2㎛의 휘스커가 밀집하여 형성되고, 이것을 광방사극으로 하였다.

도 2의 장치를 사용하고 원료로서 Zn(C₅H₇O₂)₂와 Al(C₅H₇O₂)₃를 사용하여, 기화 온도 115℃, N₂ 가스 유량 1.2d㎥/분으로 기화시키고, 슬릿상의 노즐로부터 550℃로 가열된 알루미늄 기재 위에 흡부시켜, <0001>로 배향한 Al:ZnO 휘스커를 성장시켰다. 기재 표면에는 길이 40㎛ 및 직경 2㎛의 휘스커가 밀집하여 형성되었다. 또한, 플라스마 CVD 장치를 사용하여 질화탄소막을 Al:ZnO 휘스커의 표면에 20nm의 두께로 피복하고, 이것을 냉음극으로 하였다.

진공의 유리관 내에, 상기의 광방사극과 냉음극을 100㎛의 간격으로 대향시켜 배치함으로써 도 3의 광방사 소자를 형성하고, 직류 전압 2kV를 인가한 결과, 광방사극에서 중심 파장 378nm의 강한 자외선 방사가 수득되었다.

실시예 2

도 1의 장치를 사용하고 원료로서 Ti(OC₃H₇)₂를 사용하여, 기화 온도 115℃, N₂ 가스 유량 1.2d㎥/분으로 기화시키고, 슬릿상의 노즐로부터 550℃로 가열된 투명 전기전도 막이 도포된 투명 유리 기재 위에 흡부시켜, <112>로 배향한 TiO₂ 휘스커를 성장시켰다. 기재 표면에는 길이 20㎛ 및 직경 5㎛의 휘스커가 밀집하여 형성되고, 이것을 광방사극으로 하였다.

도 2의 장치를 사용하고 원료로서 Zn(C₅H₇O₂)₂과 Al(C₅H₇O₂)₃을 사용하여, 기화 온도 115℃, N₂ 가스 유량 1.2d㎥/분으로 기화시키고, 슬릿상의 노즐로부터 550℃로 가열된 알루미늄 기재 위에 흡부시켜, <0001>로 배향한 Al:ZnO 휘스커를 성장시켰다. 기재 표면에는 길이 4O㎛ 및 직경 2㎛의 휘스커가 밀집하여 형성되었다. 또한, 플라스마 CVD 장치를 사용하여 질화탄소막을 Al:ZnO 휘스커의 표면에 20nm의 두께로 피복하고, 이것을 냉음극으로 하였다.

진공의 유리관 내에, 상기의 광방사극과 냉음극을 5mm의 간격으로 대향시키고, 또한 양자간에 SUS316 메쉬상 가속 전극(두께 100㎛, 각 메쉬의 종횡은 1mm ×1mm)을 냉음극으로부터 100㎛ 떨어진 위치에 설치하여 도 4의 광방사 소자를 형성하고, 바이어스 전압에 직류 전압 2kV, 가속 전압에 직류 전압 5kV를 인가한 결과, 광방사극에서 중심 파장 383nm의 강한 자외선 방사가 수득되었다.

실시예 3

도 2의 장치를 사용하고 원료로서 In(C₅H₇O₂)₄와 Sn(C₅H₇O₂)₄를 사용하여, 기화 온도 125℃, N₂ 가스 유량 1.2d㎥/분으로 기화시키고, 슬릿상의 노즐로부터 550℃로 가열된 투명 원통상 유리관 내면으로 흡부시켜, <100>으로 배향한 Sn:In₂O₃ 휘스커를 성장시켰다. 유리관 내면에는 길이 40㎛ 및 직경 2㎛의 휘스커가 밀집하여 형성되었다.

도 2의 장치를 사용하고 원료로서 Zn(C₅H₇O₂)₂와 Al(C₅H₇O₂)₃를 사용하여, 기화 온도 115℃, N₂ 가스 유량 1.2d㎥/분으로 기화시키고, 슬릿상의 노즐로부터 550℃로 가열된 알루미늄 막대에 흡부시켜, <0001>로 배향한 Al:ZnO 휘스커를 성장시켰다. 기재 표면에는 길이 40㎛ 및 직경 2㎛의 휘스커가 밀집하여 형성되었다. 또한, 플라스마 CVD 장치를 사용하여 질화탄소막을 Al:ZnO 휘스커의 표면에 20nm의 두께로 피복하고, 이것을 냉음극으로 하였다.

광방사극인 내면에 휘스커가 형성된 투명 원통 유리관 내부에, 알루미늄 막대 냉음극을 배치하여, 도 5의 광방사 소자를 형성하였다. 광방사 소자 내를 진공으로 하여 바이어스 전압에 직류 전압 2kV를 인가한 결과, 광방사극에서 중심 파장 378nm의 강한 자외선 방사가 수득되었다.

실시예 4

도 1의 장치를 사용하고 원료로서 Zn(C₅H₇O₂)₂를 사용하여, 기화 온도 115℃, N₂ 가스 유량 1.2d㎥/분으로 기화시키고, 슬릿상의 노즐로부터 550℃로 가열된 투명 전기전도 막이 도포된 투명 유리 기재 위에 흡부시켜, <0001>로 배향한 ZnO 휘스커를 성장시켰다. 기재 표면에는 길이 40㎛ 및 직경 2㎛의 휘스커가 밀집하여 형성되고, 이것을 광방사극으로 하였다.

도 2의 장치를 사용하고 원료로서 Zn(C₅H₇O₂)₂과 Al(C₅H₇O₂)₃를 사용하여, 기화 온도 115℃, N₂ 가스 유량 1.2d㎥/분으로 기화시키고, 슬릿상의 노즐로부터 550℃로 가열된 알루미늄 기재 위에 흡부시켜, <0001>로 배향한 Al:ZnO 휘스커를 성장시켰다. 기재 표면에는 길이 40㎛ 및 직경 2㎛의 휘스커가 밀집하여 형성되었다. 또한, 플라즈마 CVD 장치를 사용하여 질화탄소막을 Al:ZnO 휘스커의 표면에 20nm의 두께로 피복하고, 이것을 냉음극으로 하였다.

진공의 용기 내에, 상기의 광방사극과 냉음극을 100㎛의 간격으로 대향시키고, 광방사극과 냉음극에 의해 규정되는 공간의 양측면에, 미러와 하프 미러를 설치하여, 도 6의 광방사 소자를 형성하였다. 바이어스 전압에 직류 전압 2kV를 인가한 결과, 광방사극에서 중심 파장 378nm의 강한 자외선 레이저가 수득되었다.

본 발명에 의하면, 가시광선 영역 뿐만 아니라, 자외선 영역이나 적외선 영역의 빛을 높은 휘도로 발광시킬 수 있는 광방사 소자를 저비용으로 제조할 수 있다. 본 발명의 광방사 소자는, 광방사극을 구성하는 금속 산화물의 금지대 폭과 거의 동등한 에너지의 강력한 자유 여기자 발광이 수득되기 때문에, 종래의 광방사 소자에 비해 훨씬 장치를 소형화하는 것이 가능해진다. 따라서, 본 발명의 광방사 소자는 각종 디스플레이, OA기기, 광통신 장치 등의 광원이나 조명 기구 등에 광범위하게 사용할 수 있는 것이며, 실용적 가치가 매우 높은 것이다.

Claims (14)

1. 광방사극과 냉음극을 대향시킨 광방사 소자에 있어서, 광방사극을 금속 산화물의 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체로 구성함을 특징으로 하는 광방사 소자.
2. 제1항에 있어서, 휘스커를 구성하는 금속 산화물의 금지대 폭이 1.5 내지 7.7eV임을 특징으로 하는 광방사 소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 휘스커의 원근사 단면 직경이 0.01 내지 100㎛이고, 원근사 단면 직경에 대한 길이의 비가 1 내지 10,000임을 특징으로 하는 광방사 소자.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 휘스커가 금속 산화물면 위의 10㎛ ×10㎛ 면적당 O.1 내지 10,000개의 밀도로 존재함을 특징으로 하는 광방사 소자.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 휘스커가, 휘스커를 구성하는 모재와는 다른 원소를 포함함을 특징으로 하는 광방사 소자.
6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 휘스커가, 금속 산화물을 기판면 위에 에피택셜 성장시킴으로써 수득됨을 특징으로 하는 광방사 소자.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 휘스커를 구성하는 모재로서 산화아연을 사용함을 특징으로 하는 광방사 소자.
8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 광방사극이, 유기물질, 무기물질 및 금속으로부터 선택된 재료로 휘스커 사이를 충전한 금속 산화물 구조체로 구성됨을 특징으로 하는 광방사 소자.
9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 냉음극이, 금속 산화물의 휘스커를 갖는 금속 산화물 구조체로 구성됨을 특징으로 하는 광방사 소자.
10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 냉음극이, 카본 나노 튜브, 플라렌, 다이아몬드, 흑연 및 탄소 섬유로 이루어진 그룹으로부터 선택된 탄소계 재료로 구성됨을 특징으로 하는 광방사 소자.
11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 광방사극과 냉음극을 진공의 용기내 또는 기체가 봉입된 용기내에 배치함을 특징으로 하는 광방사 소자.
12. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 용기내에 판상 광방사극과 판상 냉음극을 대향시켜 배치함을 특징으로 하는 광방사 소자.
13. 제12항에 있어서, 광방사극과 냉음극에 의해 구획되는 공간의 한 측면에 반사판을 설치함을 특징으로 하는 광방사 소자.
14. 제11항에 있어서, 용기의 내벽면에 광방사극을 배치하고, 용기의 중심부에 냉음극을 설치함을 특징으로 하는 광방사 소자.