KR20070046629A - 전자 방출원 및 이를 구비하는 전기 방출 소자 - Google Patents

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KR20070046629A
KR20070046629A KR1020050103478A KR20050103478A KR20070046629A KR 20070046629 A KR20070046629 A KR 20070046629A KR 1020050103478 A KR1020050103478 A KR 1020050103478A KR 20050103478 A KR20050103478 A KR 20050103478A KR 20070046629 A KR20070046629 A KR 20070046629A
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최영철
박종환
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Abstract

본 발명은 전자 방출원 및 이를 구비하는 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 구체적으로는 상기 탄소계 물질의 형성이 용이하도록 촉매 금속의 표면을 개질한 전자 방출원 및 이를 구비하는 전자 방출 소자에 관한 것이다.
본 발명은 표면이 개질된, 즉 표면거칠기가 RMS 10 내지 100nm인 촉매금속 및 그 위에 탄소계 물질을 형성시킨 전자 방출원 및 이를 구비하는 전자 방출소자를 제공하며, 이와 같은 전자 방출원은 3극관 구조, 특히 더블게이트 형식을 갖는 전자 방출 소자에서 그 표면 상에 핵형성 자리가 증가하고 탄소계 물질이 저온에서도 용이하게 성장될 수 있어 신뢰성 및 안정성이 개선된다.

Description

전자 방출원 및 이를 구비하는 전기 방출 소자{Electron emitter and electron emission device}
도 1은 본 발명에 따른 전자 방출원의 구조를 나타내는 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명을 따르는 전자 방출 소자 및 디스플레이 장치의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 3은 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도이다.
<도면 부호의 간단한 설명>
10: 기판 20: 촉매 금속
60: 스페이서 70: 형광체층
80: 애노드 전극 90: 제2기판
100: 전자 방출 디스플레이 장치 101: 전자 방출 소자
102: 전면 패널 103: 발광 공간
110: 제1기판 120: 캐소드 전극
130: 제1절연체층 131: 전자 방출원 홀
135: 제2절연체층 140: 게이트 전극
145: 집속 전극 150: 전자 방출원
본 발명은 전자 방출원 및 이를 구비하는 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 구체적으로는 상기 탄소계 물질의 형성이 용이하도록 촉매 금속의 표면을 개질한 전자 방출원 및 이를 구비하는 전자 방출 소자에 관한 것이다.
일반적으로 전자 방출 소자는 전자 방출원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식이 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자 방출 소자로는, FEA(Field Emitter Array)형, SCE(Surface Conduction Emitter)형, MIM(Metal Insulator Metal)형 및 MIS (Metal Insulator Semiconductor)형, BSE(Ballistic electron Surface Emitting)형 등이 알려져 있다.
상기 FEA형은 일함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수(β Function)가 높은 물질을 전자 방출원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주된 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁(tip)구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소계 물질 그리고 최근 나노 튜브(Nano Tube)나 나노와이어(Nano Wire)등의 나노 물질을 전자 방출원으로 적용한 소자가 개발되고 있다.
상기 SCE형은 제1기판 위에 서로 마주보며 배치된 제1전극과 제2전극 사이에 도전 박막을 제공하고 상기 도전 박막에 미세 균열을 제공함으로써 전자 방출원을 형성한 소자이다. 상기 소자는 상기 전극들에 전압을 인가하여 상기 도전 박막 표면으로 전류를 흘려 미세 균열인 전자 방출원으로부터 전자가 방출되는 원리를 이 용한다.
상기 MIM형과 MIS형 전자 방출 소자는 각각 금속-유전층-금속(MIM)과 금속-유전층-반도체(MIS) 구조로 이루어진 전자 방출원을 형성하고, 유전층을 사이에 두고 위치하는 두 금속 또는 금속과 반도체 사이에 전압을 인가할 때 높은 전자 전위를 갖는 금속 또는 반도체로부터, 낮은 전자 전위를 갖는 금속 방향으로 전자가 이동 및 가속되면서 방출되는 원리를 이용한 소자이다.
상기 BSE형은 반도체의 사이즈를 반도체 중의 전자의 평균 자유 행정 보다 작은 치수 영역까지 축소하면 전자가 산란하지 않고 주행하는 원리를 이용하여, 오믹(Ohmic) 전극 상에 금속 또는 반도체로 이루어지는 전자 공급층을 형성하고, 전자 공급층 위에 절연체층과 금속 박막을 형성하여 오믹 전극과 금속 박막에 전원을 인가하는 것에 의하여 전자가 방출되도록 한 소자이다.
이중에서 FEA형 전자 방출 소자는 캐소드 전극과 게이트 전극의 배치 형태에 따라 크게 탑 게이트형(top gate type)과 언더 게이트형(under gate type)형으로 나눌 수 있으며, 사용되는 전극의 개수에 따라 2극관, 3극관 또는 4극관 등으로 나눌 수 있다. 예를 들면, 대한민국 특허공개공보 제2004-0057420호를 참조한다.
상기 전자 방출 소자에 사용되는 전자 방출원에는 탄소나노튜브를 포함하는 탄소계 물질을 페이스트법 혹은 직접성장법에 의해 기판 상에 형성하는 바, 종래에는 평면 형태의 기판 상에 화학기상증착법(CVD)을 사용하여 탄소계 물질을 형성하였으나, 최근에는 기술의 발전에 따라 삼극관 구조, 특히 더블게이트 형태의 구조를 갖는 전자 방출 소자를 채택함에 따라 이들이 원료의 흐름을 방해하여 공급되는 탄소계 물질의 원료 가스가 상기 전자 방출원 형성 홀 내부에 도달하기가 용이하지 않게 되어, 결과적으로 상기 탄소계 물질을 삼극관 구조의 기판 상에 형성하기가 용이하지 않다는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 표면 개질된 촉매금속 상에 형성된 탄소계 물질을 포함하는 전자 방출원을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
촉매금속; 및
상기 촉매 금속의 일표면 상에 형성된 탄소계 물질을 포함하며,
상기 촉매금속 일표면의 표면거칠기가 RMS 10 내지 100nm인 전자 방출원을 제공한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 촉매금속의 표면거칠기는 RMS 10 내지 20nm가 바람직하다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 촉매금속으로서는 Ni, Co, Fe, (Ni/Co)n, (Co/Ni)n 및 (Co/Ni/Co)n, (Ni/Co/Ni)n (식중, n=1,2,3) 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 탄소계 물질은 탄소나노튜브가 바람직하다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 탄소계 물질은 화학기상 증착법에 의해 상기 촉매금속의 표면 상에 직접 성장된 것이 바람직하다.
본 발명의 일구현에에 따르면, 상기 탄소계 물질은 수직 배향된 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
제1 기판과, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수 개의 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극들과 교차하도록 배치된 복수 개의 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소드 전극들과 상기 게이트 전극들을 절연하는 제1 절연체층과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극이 교차하는 지점에 형성된 전자 방출원 홀과, 상기 전자 방출원 홀 내에 배치된 상기 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자를 제공한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 전자 방출 소자는 게이트 전극의 상측을 덮는 제2 절연체층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 절연체층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함할 수 있다.
이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 전자 방출원은 카본계 물질이 직접 성장되는 촉매 금속의 일 표면 상에 형성된 핵생성 자리(nucleation site)를 개질시켜 상기 카본계 물질의 성장을 촉진시키게 된다. 상기 촉매 금속의 표면 처리 방법으로서는 이들의 표면 거칠기를 증가시켜 보다 많은 핵 생성 자리를 제공하게 되며, 특히 주변에 높은 방해물이 존재하여 원료가스의 함량이 감소한 상태에서도 이들을 효율적으로 사용하여 카본계 물질이 용이하게 성장될 수 있는 환경을 마련하게 된다.
본 발명에 따른 전자 방출원은 도 1에 나타낸 바와 같이 표면거칠기가 RMS 10 내지 100nm인 촉매 금속(20) 및 그 일표면 상에 형성된 탄소계 물질을 포함한다. 특히 핵생성자리(30)를 다수 포함하고 있어 다량의 탄소계 물질을 저온에서 용이하게 성장시킬 수 있다. 이와 같은 촉매 금속의 표면거칠기는 RMS(Root Mean Square) 10 내지 100nm, 바람직하게는 10 내지 20nm를 갖도록 처리된다. 상기 촉매 금속의 표면 거칠기가 RMS 100nm를 초과하는 경우에는 촉매금속의 입자크기가 너무 커서 카본계 물질의 성장이 곤란해지며, 표면 거칠기가 RMS 10nm 미만인 경우에는 핵형성 자리가 너무 적어져 충분한 함량의 탄소계 물질을 성장시키기 곤란하다는 문제가 있다. 상기 촉매금속의 표면 거칠기는 RMS 값을 측정인자로 하며, 원자힘 현미경(Atomic Force Microscopy:AFM)을 이용하여 정량적으로 측정할 수 있는 값에 해당한다.
상기 촉매금속은 탄소계 물질의 성장을 촉진시키기 위하여 사용되는 것으로서, 이와 같은 촉매금속은 DC 혹은 RF 스퍼터링법을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 방법을 이용하여 상기 촉매금속을 10 내지 100㎚의 두께로 증착한 후 증착된 소자를 반응로 안에 넣어서 400 내지 600℃의 온도에서 탄소나노튜브를 성장시킨 다. 이와 같은 촉매금속으로서는 Ni, Co, Fe, (Ni/Co)n, (Co/Ni)n 및 (Co/Ni/Co)n, (Ni/Co/Ni)n (식중, n=1,2,3) 등을 사용할 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 촉매금속을 표면처리하여 거칠기를 증가시키기 위해서는 상술한 촉매금속 형성 공정의 조건을 적절히 조절하여 형성하는 것도 가능하며, 이들을 성막한 후 후처리 공정에 의해 적절한 범위의 표면 거칠기를 얻는 것도 가능하다. 이와 같은 후처리 방법으로서는 암모니아 가스 노출에 의해 촉매금속의 표면을 부식시키는 방법, 상기 촉매 금속의 표면을 저온 플라즈마 처리하는 방법, 염산, 질산, 황산, 불산 등과 같은 산으로 상기 촉매금속의 표면을 처리하는 방법, 혹은 상기 촉매금속의 응집을 이용하는 300 내지 500℃ 정도의 열처리 공정을 예로 들 수 있다.
이와 같이 표면 처리된 촉매 금속의 표면 상에는 직접성장법, 예를 들어 화학기상증착 공정(CVD)을 이용하여 카본계물질, 예를 들어 탄소나노튜브를 성장시킨다. 화학 기상 증착법은 간단한 공정과 비교적 낮은 온도에서 탄소 나노 튜브를 성장시킬 수 있는 방법으로서 전자 방출원 홀 내에 안정되고 효율이 높은 탄소계 물질, 예를 들어 탄소 나노 튜브를 화학적으로 증착하여 수직성장시킴으로써 합성할 수 있다.
화학 기상 증착법에는 플라즈마를 이용한 플라스마 화학 기상 증착법(PECVD)과 열화학 기상 증착법(Thermal CVD)으로 크게 나눌 수 있다. 특히 플라즈마를 이 용한 화학 기상 증착법은 열을 이용한 화학 기상 증착법보다 낮은 온도에서 탄소 나노 튜브를 성장시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 플라즈마를 이용한 화학기상 증착법에도 탄소 나노 튜브의 수직배열 성장에 유리한 직류 바이아스를 채택한 dc-PECVD법과 합성 용기 내의 직류방전을 최소화하는 마이크로웨이브를 이용한 MPECVD법이 있다.
특히 본 발명에서와 같이 전자 방출 소자 등에 응용하려면 저온에서 수직배열된 탄소 나노 튜브를 합성하는 공정은 매우 중요하다. 탄소 나노 튜브의 효과적인 성장을 위해서는 고온에서 반응시키는 것이 바람직하지만, 기판상에 캐소오드 전극, 절연체, 캐소오드 전극 등이 이미 패터닝되어 있는 전자 방출 소자를 고온 상태에 두는 것은 소자의 안정성을 훼손한다는 점에서 바람직하지 못하다. 또한, 소자의 안정성만을 고려하여 저온에서 촉매금속을 성장시키게 되면 탄소 나노 튜브의 성장 효율이 저하된다는 문제점이 있기 때문에 저온에서 탄소 나노 튜브를 성장시키면서 효율을 개선하는 점이 중요하다.
직접 기판 위의 원하는 영역에 탄소 나노 튜브를 생성하기 위해서는 상술한 바와 같이 먼저 촉매역할을 하는 촉매금속이 필요하다. 그 재질로는 상술한 바와 같이 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 또는 이들의 합금 등이 주로 사용되고, 그 증착 방법은 주로 DC혹은 RF 스퍼터링법을 이용할 수 있다. 이러한 방법을 이용하여 상기 촉매금속을 10 내지 100㎚의 두께로 증착한 후 증착된 소자를 반응로 안에 넣어서 400 내지 600℃의 온도에서 탄소나노튜브를 성장한다. 통상적으로 탄소 나노 튜브만을 제조하기 위해서는 700 내지 950℃의 온도가 바람직하지만, 상기 설명한 바와 같이 소자의 안정성을 위해서 400 내지 600℃에서 CH2, C2H2, C2H4, 또는 CO과 같은 탄화가스를 반응로 내에 공급하여 탄소 나노 튜브를 성장시킨다.
일반적으로 캐소오드, 애노드, 및 게이트 전극을 갖는 3전극 구조의 전자 방출 소자에 있어서 400 내지 600℃의 저온으로 탄소 나노 튜브를 용이하게 합성하기 위해서는 CH2, C2H2, C2H4, 또는 CO과 같은 원료가스의 공급 및 분해가 잘 이루어져야 한다. 그러나, 전자 방출원 홀의 특성상 가스의 흐름이 홀 내부로 완전하게 이루어지지 않기 때문에 탄소 나노 튜브의 원료가 되는 촉매금속으로 공급되는 가스의 양이 적을 뿐만 아니라, 저온 상태에서 공급된 가스의 분해도 용이하지 않게 된다. 이와 같은 상황에서 표면이 개질된 촉매금속을 사용하여 탄소 나노 튜브의 성장 효율을 개선하여 공급된 가스를 효율적으로 사용하게 되면 생성된 전자 방출원의 신뢰도 및 안정성 등이 개선된다.
따라서, 본 발명은 카본 나노 튜브를 성장시킴에 있어서, 표면 거칠기가 RMS 10 내지 100nm인 촉매금속을 사용함으로써 탄소 나노 튜브가 성장하는 지역에서 원료가스의 성장을 용이하게 하는 것이고, 저온에서 화학 기상 증착법에 의하여 용이하게 탄소 나노 튜브를 성장시키게 된다.
이와 같은 카본계 물질의 성장은 주변에 전극이 존재하는 경우, 예를 들어 게이트 절연막 혹은 게이트 전극이 존재하는 경우, 그 홀 내부에서만 선택적으로 이루어질 수 있고, 상기 게이트 절연막과 게이트 전극 두께를 합친 두께 이상을 넘지 않도록 하는 것이 좋다. 만약 이들 두께를 초과하여 홀 밖으로 과도하게 성장할 경우 도통되어 이들을 구비한 전자 방출 소자가 동작하지 않게 될 우려가 있다.
상기 본 발명에 따른 전자 방출원에서 직접적인 전자의 방출원으로서 사용되는 탄소계 물질로서는 탄소나노튜브를 포함하는 카본계 물질이 주로 사용되는 바, 이들은 전도성 및 전계 집중 효과가 우수하고, 일함수가 낮고 전계 방출 성능이 우수하여 저전압 구동이 용이하고, 대면적화가 가능하므로 전자 방출 소자의 이상적인 전자 방출원 형성 재료로서 사용될 수 있다.
상술한 바와 같은 전자 방출원은 전자 방출 소자에 유용하게 적용될 수 있는 바, 본 발명에 따른 전자 방출 소자는, 제1기판과, 상기 제1기판 상에 배치된 캐소드 전극 및 전자방출원; 상기 캐소드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극; 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 절연체층을 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 상기 전자 방출원은 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 표면이 개질된 촉매금속 및 그 위에 형성된 카본계 물질을 포함한다.
본 발명을 따르는 전자 방출 소자는, 상기 게이트 전극의 상측을 덮는 제2절연체층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 절연체층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 전자 방출 소자는 각종 장치에서 이용될 수 있는데, 예를 들면, LCD 등의 백라이트 유니트로서 이용되거나, 전자 방출 디스플레이 장치 등으로 이용될 수 있다.
본 발명을 따르는 전자 방출 소자를 이용한 전자 방출 디스플레이 장치는, 제1기판과, 상기 제1기판 상에 배치된 복수 개의 캐소드 전극과, 상기 캐소오드 전극들과 교차하도록 배치된 복수 개의 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소드 전극들과 상기 게이트 전극들을 절연하는 절연체층과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극이 교차하는 지점에 형성된 전자 방출원 홀과, 상기 전자 방출원 홀 내에 배치된 전자 방출원과, 상기 제1 기판과 실질적으로 평행하게 배치되는 제2기판과, 상기 제2 기판에 배치된 애노드 전극과, 상기 애노드 전극에 배치된 형광체층을 포함할 수 있다. 상기 전자 방출 디스플레이 장치에 사용된 전자 방출원은 이미 상술한 바와 같은 표면이 개질되어 표면거칠기가 RMS 10 내지 100nm인 촉매금속 및 그 위에 형성된 카본계 물질, 예를 들어 탄소나노튜브로 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
상기 전자 방출 소자가 포함된 전자 방출 디스플레이 장치(100)는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 전자 방출 디스플레이 장치(100)는 나란하게 배치되어 진공인 발광 공간(103)을 형성하는 전자 방출 소자(101) 및 전면 패널(102)과, 상기 전자 방출 소자(101) 및 전면 패널(102) 사이의 간격을 유지하여 주는 스페이서(60)를 구비한다.
상기 전자 방출 소자(101)는, 제1기판(110), 상기 제1기판(110) 상에 교차되도록 배치된 게이트 전극(140)들과 캐소드 전극(120)들 및 상기 게이트 전극(140) 과 상기 캐소드 전극(120) 사이에 배치되어 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소드 전극(120)을 전기적으로 절연하는 절연체층(130)을 구비한다.
상기 게이트 전극(140)들과 상기 캐소드 전극(120)들이 교차하는 영역들에는 전자 방출원 홀(131)들이 형성되어 있으며, 그 내부에 전자 방출원(150)이 배치되어 있다. 이와 같은 전자 방출원(150)은 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 전자 방출원의 구조, 즉 RMS표면거칠기가 10 내지 100nm인 촉매금속(20) 및 그 위에 형성된 탄소계 물질을 갖는다. 상기 전면 패널(102)은 제2 기판(90), 상기 제2 기판(90)의 저면에 배치된 애노드 전극(80), 상기 애노드 전극(80)의 저면에 배치된 형광체층(70)을 구비한다.
상기 제1 기판(110)은 소정의 두께를 가지는 판상의 부재로, 석영 유리, 소량의 Na과 같은 불순물을 함유한 유리, 판유리, SiO2가 코팅된 유리 기판, 산화 알루미늄 또는 세라믹 기판이 사용될 수 있다. 또한, 플랙서블 디스플레이 장치(flexible display apparatus)를 구현하는 경우에는 유연한 재질이 사용될 수도 있다.
상기 캐소오드 전극(120)은 상기 제1 기판(110) 상에 일 방향으로 연장되도록 배치되고, 통상의 전기 도전 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, 유리 및 Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물로 구성된 인쇄된 도전체, In2O3 또는 SnO2 등의 투명 도전체, 또는 다결정실리콘(polysilicon) 등의 반도체 물질로 만들 어 질 수 있다.
상기 게이트 전극(140)은 상기 캐소오드 전극(120)과 상기 절연체층(130)을 사이에 두고 배치되고, 백금 또는 팔라듐으로 제조한다. 종래에는 게이트 전극이 크롬이나 몰리브덴을 재료로 사용하였으나, 저온 상태에서 전자 방출부(131)에 공급되는 원료가스의 분해를 더욱 용이하게 하기 위하여 백금 또는 팔라듐을 재료로 사용하였다.
상기 절연체층(130)은, 상기 게이트 전극(140)과 상기 캐소오드 전극(120) 사이에 배치되어 상기 캐소오드 전극(120)과 게이트 전극(140)을 절연함으로써 두 전극 간에 쇼트가 발생하는 것을 방지한다.
상기 제1 기판(110)을 포함하는 전자 방출 소자(201)와 상기 제2 기판(90)을 포함하는 전면 패널(102)은 서로 소정의 간격을 유지하면서 대향되어 발광 공간을 형성하고, 상기 전자 방출 소자(201)와 전면 패널(102) 사이의 간격의 유지를 위해 스페이서(60)들이 배치된다. 상기 스페이서(60)는 절연물질로 만들어질 수 있다.
또한, 내부의 진공을 유지하기 위해 프리트(frit)로 전자 방출 소자(201)와 전면 패널(102)이 형성하는 공간의 둘레를 밀봉하고, 내부의 공기 등을 배기한다.
이러한 구성을 가지는 전자 방출 디스플레이 장치는 다음과 같이 동작한다.
전자 방출을 위해 캐소오드 전극(120)에 (-) 전압을 인가하고, 게이트 전극(140)에는 (+) 전압을 인가하여 캐소오드 전극(120)에 설치된 전자 방출원(150)으로부터 전자가 방출될 수 있게 한다. 또한, 애노드 전극(80)에 강한 (+)전압을 인가하여 애노드 전극(80) 방향으로 방출된 전자를 가속시킨다. 이와 같이 전압이 인가되면, 전자 방출원(150)을 구성하는 침상의 물질들로부터 전자가 방출되어 게이트 전극(140)을 향해 진행하다가 애노드 전극(80)을 향해 가속된다. 애노드 전극(80)을 향하여 가속된 전자는 애노드 전극(80)측에 위치하는 형광체층(70)에 부딪히면서 가시광선을 발생시키게 된다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 방출 소자의 제조방법에 대해 설명한다. 이하에서 설명되는 제조방법은 일 실시예일 뿐이고, 반드시 아래의 방법으로 제조되어야 하는 것은 아니다.
먼저, 제1 기판(110), 캐소오드 전극(120), 절연체층(130) 및 게이트 전극(140)을 형성하는 소재를 순서대로 소정 두께로 적층한다. 적층은 스크린 프린팅과 같은 공정으로 수행하는 것이 바람직하다.
그 다음, 상기 게이트 전극(140)의 상면에 소정의 두께로 마스크 패턴(mask pattern)을 형성한다. 상기 마스크 패턴의 형성은 전자 방출원 홀을 형성하기 위한 것으로 포토레지스트(Photo Resist: PR)를 도포하고 UV나 이-빔(E-beam)을 이용하여 패턴을 형성하는 포토리소그래피 공정에 의해 수행된다.
그 다음, 상기 마스크 패턴을 이용하여 게이트 전극(140), 절연체층(130) 및 캐소오드 전극(120)을 식각하여 전자 방출원 홀을 형성한다. 식각 공정은 게이트 전극(140), 절연체층(130) 및 캐소오드 전극(120)의 재료, 두께 등에 따라 식각액을 이용하는 습식 식각이나, 부식성 가스를 이용하는 건식 식각 또는 이온 빔(ion beam) 등을 이용하는 마이크로 머시닝 방식에 의해 이루어질 수 있다.
이어서 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 또는 이들의 합금과 같은 촉매금속을 준비하고, 이들을 DC 혹은 RF 스퍼터링법을 이용하여 10 내지 100㎚의 두께로 증착하여 촉매금속을 형성한다. 이어서 상기 전자 방출원 홀 내의 촉매 금속 상에 화학적 기상증착법 (CVD법)에 의하여 탄소 나노 튜브를 수직성장시켜 전자 방출원을 형성할 수 있으며, 이에 대한 상세한 내용은 상기 설명한 바와 동일하다.
한편 상기 전자 방출 소자의 구조에 제2 절연체층 및 집속 전극을 추가할 수 있다. 상기 집속 전극은 상기 제2 절연체층에 의해 게이트 전극(140)과 전기적으로 절연되도록 설치된다. 또한, 캐소오드 전극(120)과 게이트 전극(140)에 의해 형성되는 전계에 의해 전자 방출원(150)에서 방출되는 전자들이 가능한 한 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같은 전면 패널(102)의 애노드 전극(80)을 향하여 직진하도록 하는 기능을 한다. 상기 집속 전극의 소재는 캐소오드 전극(120)등과 마찬가지로 전기 전도성이 우수한 소재로 만들어진다.
특히, 집속 전극을 더 포함하는 더블 게이트 구조의 전자 방출 소자에서는 전자 방출원 홀의 깊이가 더 깊게 형성되기 때문에 촉매금속까지 원료가스의 공급 및 분해의 면에서 싱글 게이트보다 불리하다. 따라서 더블 게이트 구조에서도 표면이 개질된, 즉 표면거칠기가 10 내지 100nm인 촉매금속을 사용함으로써 탄소 나노 튜브의 성장을 개선할 수 있다. 탄소 나노 튜브의 개선된 효율은 전자 방출 소자의 전류밀도를 증가시켜 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 전자 방출 소자를 채용한 디스플레이 장치에서 집속 전극에 의한 전자 집속 효과에 의한 균일한 전압 인가 효과가 어우러져 화소간의 균일성이 더욱 확보될 수 있다.
본 발명은 표면이 개질된, 즉 표면거칠기가 RMS 10 내지 100nm인 촉매금속 및 그 위에 탄소계 물질을 형성시킨 전자 방출원 및 이를 구비하는 전자 방출소자를 제공하며, 이와 같은 전자 방출원은 3극관 구조, 특히 더블게이트 형식을 갖는 전자 방출 소자에서 그 표면 상에 핵형성 자리가 증가하므로 탄소계 물질이 저온에서도 용이하게 성장될 수 있어 신뢰성 및 안정성이 개선된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예 등을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 촉매금속; 및
    상기 촉매 금속의 일표면 상에 형성된 탄소계 물질을 포함하며,
    상기 촉매금속 일표면의 표면거칠기가 RMS 10 내지 100nm인 전자 방출원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 촉매금속의 표면 거칠기가 RMS 10 내지 20nm인 전자 방출원.
  3. 제1항에 있어서, 상기 촉매금속이 Ni, Co, Fe, (Ni/Co)n, (Co/Ni)n, (Co/Ni/Co)n, 또는 (Ni/Co/Ni)n (식중, n=1,2,3) 인 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소계 물질이 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소계 물질이 상기 촉매금속의 표면 상에 CVD법을 통해 직접 성장된 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄소계 물질이 수직 배향된 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
  7. 제1 기판과, 상기 제1 기판 상에 배치된 복수 개의 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극들과 교차하도록 배치된 복수 개의 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어 상기 캐소드 전극들과 상기 게이트 전극들을 절연하는 제1 절연체층과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극이 교차하는 지점에 형성된 전자 방출원 홀과, 상기 전자 방출원 홀 내에 배치된 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전자 방출 소자가 게이트 전극의 상측을 덮는 제2 절연체층 및 상기 제2 절연체층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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