KR20070011808A - 금속 복합체를 포함한 전자 방출원, 이를 포함한 전자 방출소자 및 상기 전자 방출원 형성용 조성물 - Google Patents

금속 복합체를 포함한 전자 방출원, 이를 포함한 전자 방출소자 및 상기 전자 방출원 형성용 조성물 Download PDF

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KR20070011808A
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Abstract

본 발명은 금속 분말에 카본계 물질을 코팅하여 이루어지는 금속 복합체를 포함하는 전자 방출원, 이를 구비한 전자 방출 소자 및 전자 방출원 형성용 조성물을 제공한다. 본 발명을 따르는 전자 방출원은 금속 분말에 카본계 물질을 코팅함으로써 개선된 전계 방출 특성을 갖출 수 있어, 이를 이용하면 신뢰성이 향상된 전자 방출 소자를 얻을 수 있다.

Description

금속 복합체를 포함한 전자 방출원, 이를 포함한 전자 방출 소자 및 상기 전자 방출원 형성용 조성물{Electron emission source comprising metal composite, electron emission device comprising the same, an composition for preparing the electron emission source}
도 1은 카본나노튜브 및 금속 분말을 포함한 종래의 전자 방출원을 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 금속 분말에 카본나노튜브을 코팅하여 이루어진 금속 복합체을 도시한 본 발명의 일 구현예를 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 본 발명을 따르는 전자 방출 소자의 일 구현예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 4는 종래의 전자 방출원의 전류 밀도 그래프이고,
도 5는 본 발명을 따르는 전자 방출원의 일 구현예의 전류 밀도 그래프이다.
<도면 부호의 간단한 설명>
110 : 하면기판 120 : 캐소드 전극
130 : 절연체층 140 : 게이트 전극
160 : 전자 방출원 170 : 형광체층
180 : 애노드 전극 190 : 상면기판
본 발명은 전자 방출원, 전자 방출 소자 및 전자 방출원 형성용 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속 분말에 카본계 물질을 코팅한 금속 복합체를 포함한 전자 방출원, 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자 및 상기 전자 방출원 형성용 조성물에 관한 것이다. 본 발명을 따르는 전자 방출원은 종래의 전자 방출원에 비하여 우수한 전계 방출 성능을 갖는다.
전자 방출 소자 (Electron Emission Device)는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전압을 인가하여 전계를 형성함으로써 캐소드 전극의 전자 방출원으로부터 전자를 방출시키고, 이 전자를 애노드 전극 측의 형광 물질에 충돌시켜 발광되도록 하는 소자이다.
전자 전도성이 탁월한 탄소나노튜브 (Carbon Nano Tube: CNT)를 포함한 카본계 물질은 전도성 및 전계 집중 효과가 우수하고, 일함수가 낮고 전계 방출 특성이 우수하여 저전압 구동이 용이하고, 대면적화가 가능하므로 전자 방출 소자의 이상적인 전자 방출원으로서 기대되고 있다.
카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원 제조 방법은 예를 들면, CVD법 등을 이용하는 카본나노튜브 성장법, 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 이용하는 페이스트법 등을 포함한다. 상기 페이스트법을 이용하면 제조 단가가 낮고, 대면적으로 전자 방출원 형성이 가능하다. 카본나노튜브를 포함한 전자 방출원 형성용 조성물은 예를 들면, 미국 특허 제6,436,221호에 기재되어 있다.
도 1은 카본계 물질로서 카본나노튜브를 사용한 종래의 전자 방출원(18)을 개략적으로 도시한 것이다. 전자 방출원(18)은 기판(11) 상부에 형성되어 있으며, 카본나노튜브(13) 및 금속 분말(15)(전자 방출원 형성용 조성물 중 상기 카본계 물질 및 금속 분말을 제외한 나머지 성분들(예를 들면, 비이클 등)의 소성 결과물은 편의상 미도시함)을 포함한다. 통상적으로, 금속 분말(15)은 카본나노튜브(13)와 기판(11) 사이 또는 카본나노튜브들 사이의 접촉 저항을 낮추는 역할을 한다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이 구형 또는 타원형을 갖는 금속 분말(15)로는 만족할 만한 수준의 전계 방출 성능 향상 효과를 얻을 수 없는 바, 이의 개선이 필요하다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속 분말에 카본계 물질을 코팅하여 이루어진 금속 복합체를 포함한 전자 방출원, 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자 및 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제1태양은,
금속 분말에 카본계 물질을 코팅한 금속 복합체를 포함한 전자 방출원을 제공한다.
상기 본 발명의 다른 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제2태양은,
서로 대향되게 배치된 제1기판 및 제2기판;
상기 제1기판 상에 형성된 캐소드 전극;
상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성된, 금속 분말에 카본계 물질을 코팅하여 이루어지는 금속 복합체를 포함한 전자 방출원;
상기 제2기판 상에 형성된 애노드 전극; 및
상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자에 의하여 발광하는 형광층;
을 구비한 전자 방출 소자를 제공한다.
상기 본 발명의 또 다른 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제3태양은,
금속 분말에 카본계 물질을 코팅하여 이루어진 금속 복합체 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제공한다.
본 발명을 따르는 전자 방출원은 우수한 전계 방출 성능을 가질 수 있는 바, 이를 이용하면 신뢰성 있는 전자 방출 소자를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
종래에도 금속 분말을 사용하여 페이스트 조성물의 전도성 및 흐름성을 개선하기 위한 노력은 있었다. 그러나 금속 분말을 카본계 물질 및 비이클 성분과 함께 혼합 및 교반하여 페이스트를 조성하였다. 이 때, 사용되는 금속 분말은 평균 입경이 카본계 물질에 비하여 매우 작은 입자 크기의 미세 입자이며, 기타 성분과 함께 교반하므로 분산성에 문제가 발생되었다.
본 발명에 사용되는 금속 분말은 종래에 사용되는 금속 분말에 비하여 비교적 큰 평균 입경을 나타내며, 또한 미리 카본계 물질을 금속 분말에 코팅하여 금속 복합체를 제조한 다음 비이클 등을 혼합하여 페이스트 조성물을 제조한다는 점에서 종래기술과는 구별된다.
본 발명을 따르는 전자 방출원의 일 구현예는 도 2를 참조한다. 본 발명을 따르는 전자 방출원은 금속 분말에 카본계 물질을 코팅하여 이루어지는 금속 복합체를 사용하여 제조한다.
도 2를 참조하면, 본 발명을 따르는 전자 방출원(28)에 포함된 금속 복합체는 기판(21) 상부에 구비되어 있으며, 금속 분말(26)에 카본나노튜브(23)를 코팅하여 형성될 수 있다. 여기서는 편의상 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄 및 현상하고 소성하여 제조한 결과 남는 비이클 성분을 도시하지 않는다. 금속 복합체 중 금속 분말(26)은 카본나노튜브(23)와 기판(21) 또는 카본나노튜브들 사이의 접촉 저항을 낮추어 전계 방출 성능을 향상시키는 역할을 한다. 이 때, 상기 금속 분말(26)에 카본나노튜브(23)가 코팅되어 있어서 분산성을 개선할 수 있으므로 금속 표면은 보다 많은 카본나노튜브와 접촉하게 할 수 있다. 따라서, 종래의 전자 방출원보다 우수한 전계 방출 성능을 갖출 수 있다. 뿐만 아니라, 종래의 전자 방출원에 사용된 금속 분말보다 소량 사용하여도 우수한 전계 방출 성능을 나타낼 수 있어, 전자 방출원 제조시 원가 절감 효과도 기대할 수 있다.
본 발명의 전자 방출원에 포함된 금속 복합체는 금속 분말에 카본계 물질이 코팅된 것으로서, 상기 금속 분말은 바람직하게는 구형 또는 타원형의 형상을 갖는 다.
본 발명의 전자 방출원에 포함된 금속 복합체 중 금속 분말의 재질은 카본계 물질과 기판 또는 카본계 물질 들 사이의 접촉 저항을 감소시켜 줄 수 있도록 충분히 도전성을 갖는 물질이면 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에 사용할 수 있는 적합한 금속으로는 Ni, Co, Au, Pt, Pd, Ru, Ag, Cu, Zn, 및 Al로 이루어지는 군에서 선택된 하나일 수 있다. 바람직하게는 Ni, Ag, Co, Au, Pt, 또는 Cu이다.
금속 복합체를 제조하기 위하여 카본계 물질에 금속을 도입하는 방법은 젤라틴 코팅법, 용융법, 전기영동법, 및 교반법 등이 있다.
젤라틴(gelatin)은 동물의 가죽·힘줄·연골 등을 구성하는 천연 단백질인 콜라겐을 뜨거운 물로 처리하면 얻어지는 유도 단백질의 일종이다. 젤라틴은 찬물에는 팽창만 하지만, 온수에는 녹아서 졸(sol)이 되고, 2∼3% 이상의 농도에서는 실온에서 탄성이 있는 겔(gel)이 된다. 이러한 응고성을 이용하여 금속 분말에 카본계 물질을 코팅하여 금속 복합체를 제조할 수 있다. 후술하는 바와 같이 사용되는 금속 분말은 평균 입경이 카본계 물질에 비하여 상대적으로 매우 크다. 젤라틴은 유기 용매에 용해되지 않기 때문에 금속 표면에 카본나노튜브를 부착시키는 역할을 할 수 있다. 따라서 유기 용매에 카본계 물질을 넣어서 분산시키고 젤라틴을 추가하고 교반한 다음 여기에 금속 분말을 첨가하면 평균 입경이 큰 금속 표면에 카본나노튜브를 코팅할 수 있다.
용융법은 카본계 물질을 용융금속에 함침시키고, 건조하는 방법이다. 그러나, 용융금속은 높은 표면장력을 가지기 때문에 코팅되기에 부적당하고, 일반적으 로 금속은 고융점이기 때문에 용융금속과 카본계 물질의 접촉시에 화학 반응이 일어나고, 카본계 물질이 열화되어 버리는 단점이 있다. 따라서, 이와 같이 금속을 직접 이용하는 방법에는 일정한 한계가 있다.
전기영동은 전기장 안에서 하전된 입자가 양극 또는 음극 쪽으로 이동하는 현상을 말한다. 이 때 이동하는 속도는 입자의 전하량, 크기와 모양, 용액의 pH와 점성도, 용액에 있는 다른 전해질의 농도와 이온의 세기, 지지체의 종류 등 여러 가지 요인에 의해 결정된다. 본 발명에서는 액상으로 산화제, 니트로화제 또는 술폰화제로부터 선택되는 반응 시약과 금속 분말을 화학 반응시키고, 금속 분말을 산화처리하는 것에 의해 분말의 표면에 니트로기(NO2), 술폰기(SO3H), 카르복실기(COOH), 카르보닐기(CO), 에테르기(-COC-), 수산화기(OH) 등의 여러가지 관능기를 도입하는 것이다. 반응용액으로는 황산, 질산, 황산-질산 혼합용액 등이 사용된다. 본 발명에서는 액상 중에서 금속 분말의 표면 관능기와 카본나노튜브를 포함하는 이온과의 이온 교환 반응, 환원 반응 등을 통하여 금속 분말에 카본나노튜브를 코팅한다. 카본나노튜브의 말단이 측면에 비하여 반응성이 크기 때문에 카본나노튜브의 말단끝 부분은 금속 표면에 코팅되어 성게 형상의 금속 복합체가 형성될 수 있다.
본 발명의 전자 방출원에 포함된 금속 분말의 평균 입경은 0.1㎛ 내지 5㎛, 바람직하게는 0.05㎛ 내지 3㎛일 수 있다. 상기 금속 분말의 평균 입경이 0.1㎛ 미만일 경우, 금속 분말의 비표면적이 상대적으로 커서 응집이 발생하기 쉽고 분산 이 어려워 만족할 만한 수준의 전계 방출 향상 효과를 얻을 수 없고, 상기 금속 분말의 평균 입경이 5㎛를 초과할 경우, 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄성, 현상성 등이 저하될 수 있기 때문이다.
본 발명을 따르는 전자 방출원 중 상기 금속 분말의 함량은 카본계 물질 100중량부 당 100중량부 내지 9,000중량부, 바람직하게는 2,000중량부 내지 6,000중량부, 보다 바람직하게는 5,000중량부이다. 전자 방출원 중 상기 금속 분말의 함량이 카본계 물질 100중량부 당 100중량부 미만인 경우, 카본계 물질을 제대로 코팅할 수 없기 때문에 본 발명의 효과를 얻을 수 없고, 상기 금속 분말의 함량이 카본계 물질 100중량부 당 9,000중량부를 초과한 경우, 상대적으로 카본계 물질의 함량이 감소하여 전계 방출이 감소할 수 있다는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
본 발명을 따르는 전자 방출원에 포함된 카본계 물질은 전계 방출 특성이 우수한 물질들 중에서 선택한다. 예를 들면, 카본나노튜브, 그라파이트, 다이아몬드, 탄화규소 및 플러렌 등이 사용될 수 있다. 이 중, 카본나노튜브가 바람직하다. 카본계 물질은 통상적으로 사용될 수 있는 크기의 것을 사용할 수 있다. 본 발명에 따라 금속 복합체에 사용되기 위해서는 금속 분말보다 상대적으로 작은 것이 바람직하다.
본 발명을 따르는 전자 방출원은 전술한 바와 같은 금속 분말에 카본계 물질을 코팅한 금속 복합체를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물 다른 성분들(예를 들면, 비이클)을 포함할 수 있다. 상기 성분들은 후술할 전자 방출원 형성용 조성물의 성분들을 참조한다.
전술한 바와 같은 전자 방출원을 제조하는 방법의 일 구현예는 금속 분말에 카본계 물질을 코팅한 금속 복합체 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제공하는 단계와, 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 기판에 인쇄하는 단계와, 상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물을 소성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 금속 분말에 카본계 물질을 코팅한 금속 복합체 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 준비한다. 이 중, 금속 분말에 카본계 물질을 코팅한 금속 복합체 및 이의 함량은 전술한 바를 참조한다.
상기 전자 방출원 형성용 조성물에 포함된 비이클은 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄성 및 점도를 조절하는 역할을 한다. 상기 비이클은 수지 성분 및 용매 성분으로 이루어질 수 있다. 상기 수지 성분은 예를 들면, 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스 등과 같은 셀룰로오스계 수지; 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 우레탄 아크릴레이트 등과 같은 아크릴계 수지; 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 에테르 등과 같은 비닐계 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전술한 바와 같은 상기 수지 성분 중 일부는 감광성 수지의 역할을 동시에 할 수 있다.
상기 용매 성분은 예를 들면, 터피네올(terpineol), 부틸 카르비톨(butyl carbitol:BC), 부틸 카르비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate:BCA), 톨루엔(toluene) 및 텍사놀(texanol) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 중, 터피네올을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 수지 성분의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 100 내지 1000중량부, 보다 바람직하게는 300 내지 1000중량부일 수 있다. 한편, 상기 용매 성분의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 500 내지 5000중량부, 바람직하게는 800 내지 4000중량부일 수 있다. 상기 수지 성분과 용매 성분으로 이루어진 비이클의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄성 및 흐름성이 저하되는 문제점이 생길 수 있다. 특히, 비이클의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 건조시간이 지나치게 길어질 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물은 필요에 따라 접착 성분, 감광성 수지와 광개시제 또는 필러 등을 더 포함할 수 있다.
상기 접착 성분은 전자 방출원을 기판에 부착시키는 역할을 하는 것으로서, 예를 들면, 무기 바인더 등일 수 있다. 이러한 무기 바인더의 비제한적인 예에는 프리트, 실란, 물유리 등이 포함되며, 이들 중 2 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 프리트는 예를 들면, 산화납-산화아연-보론옥사이드(PbO-ZnO-B2O3) 성분으로 이루어질 수 있다. 상기 무기 바인더 중 프리트가 바람직하다.
전자 방출원 형성용 조성물 중 무기 바인더의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 10 내지 150중량부, 바람직하게는 30 내지 120중량부 일 수 있다. 무기 바인더의 함량이 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 10중량부 미만인 경우에는 만족할 만한 접착력을 얻을 수 없고, 150중량부를 초과하는 경우에는 인쇄성이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
상기 감광성 수지는 전자 방출원의 패터닝에 사용되는 물질이다. 상기 감광성 수지의 비제한적인 예에는 아크릴레이트계 모노머, 벤조페논계 모노머, 아세토페논계 모노머, 또는 티오크산톤계 모노머 등이 있으며, 보다 구체적으로는 에폭시 아크릴레이트, 폴리에스테르 아크릴레이트, 2,4-디에틸옥산톤(2,4-diethyloxanthone), 또는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논 등을 사용할 수 있다. 상기 감광성 수지의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 300 내지 1000중량부, 바람직하게는 500 내지 800중량부일 수 있다. 감광성 수지의 함량이 카본계 물질 100중량부를 기준으로 300중량부 미만인 경우에는 노광 감도가 떨어지고, 카본계 물질 100중량부를 기준으로 1000중량부를 초과하는 경우에는 현상이 잘 되지 않기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 광개시제는 상기 감광성 수지가 노광될 때 감광성 수지의 가교결합을 개시하는 역할을 한다. 상기 광개시제의 비제한적인 예에는 벤조페논 등이 있다. 상기 광개시제의 함량은 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 300 내지 1000중량부, 바람직하게는 500 내지 800중량부일 수 있다. 광개시제의 함량이 카본계 물질 100중량부를 기준으로 하여 300중량부 미만인 경우에는 효율적인 가교결합이 이루어지지 않아 패턴 형성에 문제가 생길 수 있고, 카본계 물질 00중량부를 기준으로 1000중량부를 초과하면 제조비용 상승의 원인이 될 수 있기 때문이다.
상기 필러는 기판과 충분히 접착하지 못한 카본계 물질의 전도성을 향상시키는 역할을 하는 물질로서 이의 비제한적인 예에는 Ag, Al, Pd 등이 있다.
전술한 바와 같은 물질을 포함하는 본 발명의 전자 방출원 형성용 조성물은 3,000 내지 50,000cps, 바람직하게는 5,000 내지 30,000cps의 점도를 가질 수 있다. 상기 점도 범위를 벗어나는 경우, 작업성이 불량해 지는 문제점이 발생할 수 있다.
이 후, 상기 제공된 전자 방출원 형성용 조성물을 기판에 인쇄한다. 상기 "기판"이란 전자 방출원이 형성될 기판으로서, 형성하고자 하는 전자 방출 소자에 따라 상이할 수 있으며, 이는 당업자에게 용이하게 인식가능한 것이다. 예를 들면, 상기 "기판"이란, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 게이트 전극이 구비된 형태의 전자 방출 소자를 제조하는 경우에는 캐소드 전극이 될 수 있으며, 캐소드 전극 하부에 게이트 전극이 구비된 형태의 전자 방출 소자를 제조하는 경우에는 캐소드 전극과 게이트 전극을 절연시키는 절연층이 될 수 있다.
전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하는 단계는 감광성 수지를 포함하는 경우와 감광성 수지를 포함하지 않은 경우에 따라 상이하다. 먼저, 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하는 경우에는 별도의 포토레지스트 패턴이 불필요하다. 즉, 기판 상에 감광성 수지를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 도포한 다음, 이를 원하는 전자 방출원 형성 영역에 따라 노광 및 현상한다.
한편, 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하지 않는 경우에는, 별도의 포토레지스트 패턴을 이용한 포토리소그래피 공정이 필요하다. 즉, 포토레지스트막을 이용하여 포토레지스트 패턴을 먼저 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄로 공급한다.
전술한 바와 같이 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물은 소성 단계를 거친다. 소성 단계를 통하여 전자 방출원 형성용 조성물 중 카본계 물질은 기판과의 접착력이 향상될 수 있고, 일부 이상의 비이클은 휘발되고, 무기 바인더 등이 용융 및 고형화되어 전자 방출원의 내구성 향상에 기여할 수 있게 된다. 소성 온도는 전자 방출원 형성용 조성물에 포함된 비이클의 휘발 온도 및 시간을 고려하여 결정되어야 한다. 통상적인 소성 온도는 400 내지 500℃, 바람직하게는 450℃이다. 소성 온도가 400℃ 미만이면 비이클 등의 휘발이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 발생할 수 있고, 소성 온도가 500℃를 초과하면 제조 비용이 상승하고, 기판이 손상될 수 있다는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
상기 소성 단계는 불활성 기체의 존재 하에서 수행될 수 있다. 상기 불활성 가스는 예를 들면, 질소 가스, 아르곤 가스, 네온 가스, 크세논 가스 및 이들 중 2 이상의 혼합 가스일 수 있다. 이는 소정 단계 중 카본계 물질의 열화를 최소화하기 위해서이다.
이와 같이 소성된 소성 결과물 표면의 카본계 물질은 선택적으로, 활성화 단계를 거친다. 상기 활성화 단계의 일 구현예에 따르면, 열처리 공정을 통하여 필름 형태로 경화될 수 있는 용액, 예를 들면 폴리이미드계 고분자를 포함하는 전자 방출원 표면 처리제를 상기 소성 결과물 상에 도포한 후, 이를 열처리한 다음, 상기 열처리로 형성된 필름을 박리한다. 활성화 단계의 다른 구현예에 따르면 소정의 구동원으로 구동되는 롤러 표면에 접착력을 갖는 접착부를 형성하여 상기 소성 결과물 표면에 소정의 압력으로 가압함으로써 활성화 공정을 수행할 수도 있다. 이러한 활성화 단계를 통하여 카본계 물질은 전자 방출원 표면으로 노출되거나 수 직배향되도록 제어될 수 있다.
전술한 바와 같은 전자 방출원은 전자 방출 소자에 적용될 수 있다. 본 발명을 따르는 전자 방출 소자는, 서로 대향되게 배치된 제1기판 및 제2기판과, 상기 제1기판 상에 형성된 캐소드 전극과, 상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성되며 전술한 바와 같은 금속 분말에 카본계 물질을 코팅한 전자 방출원과, 상기 제2기판 상에 형성된 애노드 전극과, 상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자에 의하여 발광하는 형광층을 구비한다.
이와 같은 전자 방출 소자의 일 구현예의 단면도는 도 3을 참조한다. 도 3은 본 발명을 따르는 다양한 전자 방출 소자 중에서도 3극관 구조의 전자 방출 소자를 개략적으로 도시한 것이다. 도 3에 도시된 전자 방출 소자(200)는 상판(201)과 하판(202)를 구비하고, 상기 상판은 상면기판(190), 상기 상면기판의 하면(190a)에 배치된 애노드 전극(180), 상기 애노드 전극의 하면(180a)에 배치된 형광체층(170)을 구비한다.
상기 하판(202)은 내부공간을 갖도록 소정의 간격을 두고 상기 상면기판(190)과 대향하여 평행하게 배치되는 하면기판(110), 상기 하면기판(110)상에 스트라이프 형태로 배치된 캐소드 전극(120), 상기 캐소드 전극(120)과 교차하도록 스트라이프 형태로 배치된 게이트 전극(140), 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소드 전극(120) 사이에 배치된 절연체층(130), 상기 절연체층(130)과 상기 게이트 전극(140)의 일부에 형성된 전자방출원 홀(169), 상기 전자방출원 홀(169)내에 배치되어 상기 캐소드 전극(120)과 통전되고 상기 게이트 전극(140)보다 낮은 높이로 배 치되는 전자 방출원(160)을 구비한다. 상기 전자 방출원(160)에 대한 상세한 설명은 전술한 바와 동일하므로 생략한다.
상기 상판(201)과 하판(202)은 대기압보다 낮은 압력의 진공으로 유지되며, 상기 진공에 의해 발생하는 상기 상판과 하판 간의 압력을 지지하고, 발광공간(210)을 구획하도록 스페이서(192)가 상기 상판과 하판 사이에 배치된다.
상기 애노드 전극(180)은 상기 전자방출원(160)에서 방출된 전자의 가속에 필요한 고전압을 인가하여 상기 전자가 상기 형광체층(170)에 고속으로 충돌할 수 있도록 한다. 상기 형광체층의 형광체는 상기 전자에 의해 여기되어 고에너지 레벨에서 저에너지 레벨로 떨어지면서 가시광 등을 방출한다.
상기 게이트 전극(140)은 상기 전자방출원(160)에서 전자가 용이하게 방출될 수 있도록 하는 기능을 담당하며, 상기 절연체층(130)은 상기 전자방출원 홀(169)을 구획하고, 상기 전자방출원(160)과 상기 게이트 전극(140)을 절연하는 기능을 담당한다.
본 발명의 전자 방출 소자는 도 3에 도시된 바와 같은 3극관 구조의 전자 방출 소자를 예로 하여 설명하였으나, 본 발명은 3극관 구조 뿐만 아니라, 2극관을 비롯한 다른 구조의 전자 방출 소자도 포함한다. 뿐만 아니라, 게이트 전극이 캐소드 전극 하부에 배치되는 전자 방출 소자, 방전 현상에 의하여 발생되는 것으로 추정되는 아크에 의한 게이트 전극 및/또는 캐소드 전극의 손상을 방지하고, 전자 방출원으로부터 방출되는 전자의 집속을 보장하기 위한 그리드/메쉬를 구비하는 전자 방출 소자에도 사용될 수 있다. 한편, 상기 전자 방출 소자의 구조를 디스플레 이 장치 또는 백라이트 유니트로 응용하는 것도 물론 가능하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재되는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
실시예
에탄올 1리터에 카본나노튜브 1g(일진나노텍, MWNT)을 넣어서 분산시키고 젤라틴 5g을 추가하고 교반하였다. 여기에 평균 입경 1㎛인 Ag 분말(Ferro사 제품) 50g을 첨가함으로써 Ag 표면에 카본나노튜브를 코팅하였다. 에탄올을 휘발시키고 얻은 CNT가 코팅된 금속 복합체를 터피네올 40g을 섞고, 프리트(8000L, 신흥요업사 제품) 1g, 아크릴 수지(Elvacite사 제품임) 8g, 감광성수지(TMPTA, Aldrich사) 5g, 광개시제(HS-188, 동양잉크사 제품) 5g 을 첨가하여 교반한 다음, 30,000cps의 점도를 갖는 전자 방출원 형성용 조성물을 제조하였다.
상기 전자 방출원 형성용 조성물을 Cr 게이트 전극, 절연막 및 ITO 전극이 구비된 기판 상의 전자 방출원 형성 영역에 인쇄한 후, 패턴 마스크를 이용하여 2000 mJ/cm2의 노광 에너지로 평행 노광기를 이용하여 조사하였다. 노광 후 아세톤을 이용하여 현상하고, 450℃의 온도 및 질소 가스의 존재 하에서 소성하여 전자 방출원을 형성하였다. 이 후, 형광막과 애노드 전극으로서 ITO를 채용한 기판을 상기 전자 방출원이 형성된 기판과 배향되게 배치하고, 양 기판 사이에는 기판 간 셀 갭을 유지하는 스페이서를 형성하였다. 상기 전자 방출 소자를 샘플 1이라고 한다.
비교예
전자 방출원 형성용 조성물 제조시, CNT를 미리 Ag 분말에 코팅하는 공정을 제외하고는 제조예 1에 기재된 방법과 동일한 방법, 동일한 조성으로 전자 방출 소자를 제조하였다. 이를 샘플 A라고 한다.
평가예 - 전류 밀도 평가
상기 샘플 A 및 1의 전류 밀도를 Pulse power source와 전류계를 이용하여 측정하였다. 그 결과를 각각 도 4 및 5에 나타내었다.
도 4의 샘플 A는 5V/㎛에서 약 45㎂/cm2의 전류 밀도를 나타낸 반면, 도 5의 샘플 1은 5V/㎛에서 약 85㎂/cm2의 전류 밀도를 나타내었는 바, 이로써, 샘플 1은 샘플 A에 비하여 약 78% 증가된 전류 밀도를 가짐을 알 수 있다.
본 발명의 전자 방출원은 금속 분말에 카본계 물질을 코팅한 금속 복합체를 사용하는 바, 우수한 전계 방출 성능을 가질 수 있다. 상기 전자 방출원을 이용하면 신뢰성이 향상된 전자 방출 소자를 얻을 수 있다.

Claims (7)

  1. 금속 분말에 카본계 물질을 코팅하여 이루어지는 금속 복합체를 포함하는 전자 방출원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말은 Ni, Co, Au, Pt, Pd, Ru, Ag, Cu, Zn, 및 Al로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 복합체는 젤라틴 코팅법, 용융법, 전기영동법, 또는 교반법을 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말의 평균 입경이 0.1㎛ 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 분말의 함량이 카본계 물질 100중량부 당 100중량부 내지 9,000중량부인 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  6. 서로 대향되게 배치된 제1기판 및 제2기판;
    상기 제1기판 상에 형성된 캐소드 전극;
    상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성된 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 전자 방출원;
    상기 제2기판 상에 형성된 애노드 전극; 및
    상기 전자 방출원으로부터 방출된 전자에 의하여 발광하는 형광층;
    을 구비한 전자 방출 소자.
  7. 금속 분말에 카본계 물질을 코팅하여 이루어지는 금속 복합체 및 비이클을 포함한 전자 방출원 형성용 조성물.
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