KR20110056115A - 카바이드 유도 탄소, 이를 포함하는 냉음극용 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자 - Google Patents

카바이드 유도 탄소, 이를 포함하는 냉음극용 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카바이드 유도 탄소, 이를 포함하는 냉음극용 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소로서, XRD 분석 결과 결정화도 값(q)이 9 내지 40의 범위인 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소, 이를 포함하는 냉음극용 전자 방출원 및 이를 구비한 전자 방출 소자에 관한 것이다:
여기서, 상기 결정화도 값(q)은 식 (1)에 의한 값으로서
q = (I002/I100)*100/14.3　　　　　　 식 (1)
I002는 (002)면의 상대 강도 (relative intensity)를 나타내고, I100은 (100)면의 상대 강도 (relative intensity)를 나타낸다.

Description

카바이드 유도 탄소, 이를 포함하는 냉음극용 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자{Carbide derived carbon, electron emitter for cold cathode comprising the same and electron emission device comprising the electron emitter}
본 발명은 카바이드 유도 탄소, 이를 포함하는 냉음극용 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 구비한 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 함수가 높은 물질을 전자 방출원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주재질로 하는 선단이 뾰족한 팁(tip)구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소 계 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 이용한다.
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 나 눌 수 있다.
상술한 바와 같은 전자 방출 소자 중, 전자를 방출시키는 전자 방출원을 이루는 물질로서, 카본계 물질, 예를 들면, 전도성, 전계 집중 효과 및 전계 방출 특성이 우수하고, 일함수가 낮은 카본나노튜브가 널리 사용되고 있다.
그러나, 카본나노튜브는 필드 강화 인자 (field enhancement factor, β)가 큰 파이버 형태의 것이 일반적이며, 이러한 형태를 갖는 재료는 재료의 균일성 (uniformity) 및 수명 등에서 많은 문제점을 갖고 있다.　 또한, 페이스트, 잉크 또는 슬러리 등으로 제조시에 이러한 파이버 형태로 인하여 입자 형태의 타 재료보다 불리한 공정상 문제점들을 지니고 있으며, 더욱이 원재료 자체가 매우 고가의 물질이라는 문제점을 안고 있다.
최근에, 카본나노튜브의 이러한 단점을 해결하고자 저가의 카바이드 계열 화합물들로부터 카본나노튜브를 대체할 수 있는 물질을 개발하기 위한 연구들이 진행되고 있으며, 예를 들어 카바이드를 탄소 전구 물질로 사용하여 운반 공극율을 갖는 작업편을 형성하고, 열화학 처리에 의해서 상기 작업편에 나노크기의 공극을 형성하는 단계를 포함하는 다공성 탄소 제품의 제조방법 및 상기 제조된 다공성 탄소 제품을 전기층 캐패시터에서 전극 물질로 사용하는 경우도 있다.　
한편, 가장 대표적인 방출원으로서 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT)는 고방출 성능 (high emission performance)으로 인해 FED, X-선 튜브, LCD용 BLU 등과 같은 진공전자디바이스 적용을 위해 많은 연구가 되고 있다. 고종횡비로 인해 CNT의 고전계방출이 가능하지만, 이로 인한 극복하기 어려운 다양한 문제가 발생하고 있다. 그 예로, 화소간 불균일성, 아크, 저수명 등이 있을 수 있다. 일반적인 LCD용 BLU의 요구 물성은 고휘도, 고효율, 장수명 등이다. 그러나 특히, FED형 BLU에 적용되기 위해서는 다른 BLU 타입과 달리 추가적인 요구 물성이 존재한다. 고휘도, 고효율을 얻기 위해서는 애노드 동작전압이 가능한 높아야 하고, 애노드에 도달하는 전류밀도는 가능한 적어야 한다. 고종횡비를 갖는 CNT는 고전압 인가가 어려우며, 인가 전기장이 증가함에 따라 인출되는 전자가 많아 이러한 조건을 충족시키기가 어렵다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 비침상형의 탄소 재료들에 대한 연구가 진행중이다. 더 작은 β-인자의 탄소 방출원으로서는 카본 블랙, 흑연 (graphite), 활성 탄소 (activated carbon), 풀러렌 (fullerene), 카바이드 유도 탄소 등의 비침상형 카본 (non-needle shaped carbon) 등이 있다. 대부분의 비침상형 카본 물질은 저전압에서 원하는 전류밀도를 얻을 수 없다. 이러한 물질은 본질적으로 전계 강화를 시킬 수 있는 β-인자가 없다. 그러나 CDC (카바이드로부터 메탈의 추출을 통해 만들어진 카본을 CDC라 부름)의 방출 성능은 BLU에서 요구하는 전류밀도를 낼 수 있다. 그러나, 모든 CDC 물질의 방출 성능이 좋은 것이 아닌 것은 당연할 것이다. 특정 전구체로부터 특정 합성 요인을 적용했을 때 적용 가능한 CDC를 얻는 것이 중요하다. 이러한 CDC 물질의 경우 턴-온 전계 (turn-on field)는 CNT와 유사하고 상대적으로 인가 전기장 상승에 따른 전류밀도의 증가폭은 작아 고효율 측면에서 CNT대비 유리한 장점을 갖고 있다. 또한, CNT의 형상은 캐소드 구조의 설계에 제한을 가한다. 왜냐하면, CNT는 노출되는 팁 (tip)의 높이가 높아 전극의 높이가 높아야 안정적인 구동이 가능하기 때문에 단일 게이트, 더블 게이트 등의 구조와 같은 제 한적인 설계가 요구되는 문제점이 있기 때문이다. 반면, CDC는 그러한 제한이 없다.
본 발명이 이루고자 하는 제 1 기술적 과제는 고방출 성능을 갖는 카바이드 유도 탄소를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 제 2 기술적 과제는 상기 카바이드 유도 탄소를 포함하는 냉음극용 전자 방출원을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 제 3 기술적 과제는 상기 전자 방출원을 채용한 전자 방출 소자를 제공하는 것이다.
상기 제 1 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소로서, XRD 분석 결과 결정화도 값(q)이 9 내지 40의 범위인 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소를 제공한다.
여기서, 상기 결정화도 값(q)은 식 (1)에 의한 값으로서
q = (I002/I100)*100/14.3　　　　　　 식 (1)
I002는 (002)면의 상대 강도 (relative intensity)를 나타내고, I100은 (100)면의 상대 강도 (relative intensity)를 나타낸다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 카바이드 유도 탄소의 BET는 900 내지 1800 m2/g 인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 카바이드 유도 탄소의 XRD 분석 결과 20° 내지 30° 사이에 위치한 피크의 반폭치는 0.9 내지 7인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 카바이드 유도 탄소는 X선 회절 분석 결과 2θ = 26°에서 그래파이트 (002) 면의 단일 피크를 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 카바이드 화합물은 탄소와 주기율표의 Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족 또는 Ⅵ족 원소와의 화합물인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 카바이드 화합물은 실리콘 카바이드 (Si-C), 보론 카바이드 (B-C), 티타늄 카바이드 (Ti-C), 지르코늄 카바이드 (Zr-C), 알루미늄 카바이드 (Al-C), 칼슘 카바이드 (Ca-C), 티타늄-탄탈륨 카바이드 (Ti-Ta-C), 몰리브덴-텅스텐 카바이드(Mo-W-C), 티타늄 카보나이트라이드 (Ti-C-N) 및 지르코늄 카보나이트라이드 (Zr-C-N)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 카바이드 화합물인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 할로겐족 원소 함유 기체는 Cl2, TiCl4 또는 F2 기체인 것이 바람직하다.
상기 제 2 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
상기 카바이드 유도 탄소를 포함하는 냉음극용 전자 방출원을 제공한다.
상기 제 3 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자를 제공한다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 저렴한 비용으로 제조가능할 뿐만 아니라, 우수한 전자방출 특성을 갖는 카바이드 유도 탄소 및 이를 이용한 전자 방출원, 그리고 이러한 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소는 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조될 수 있다.　 상기 방법은 대한민국 공개특허공보 제2001-13225호에 개시된 바와 같이, ⅰ) 카바이드 화합물의 입자들에 소정의 운반 공극율을 갖는 작업편을 형성하는 단계, 및 ⅱ) 350℃ 내지 1200℃ 범위의 온도로 할로겐족 원소 함유 기체 중에서 상기 작업편을 열화학적으로 처리하여 상기 작업편 중의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써, 상기 작업편 전체에 걸쳐서 나노 공극율을 갖는 카바이드 유도 탄소를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에서는, 상기 방법에 의해서 제조된 카바이드 유도 탄소 중에서,　 XRD 분석 결과 결정화도 값(q)이 9 내지 40의 범위인 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소가 우수한 전자 방출 특성을 갖는다는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.　 여기서, 상기 결정화도 값(q)은 아래의 식 (1)에 의한 값으로서 I002는 (002)면의 상대 강도 (relative intensity)를 나타내고, I100은 (100)면의 상대 강 도 (relative intensity)를 나타낸다.
q = (I002/I100)*100/14.3　　　　　　 식 (1)
14.3은 비정질 성분이 없는 고밀도 열분해 카본 (pyrolitic carbon)에서의 I002/I100 비율을 나타내는 수치이다.
일반적으로, X선 회절 분석 결과 등은 결정화도에 대한 척도로서 자주 사용되는데, 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소는 상술한 바와 같은 분석 결과를 가짐으로써, 그 구조가 단범위 (short range order)에서 결정화도를 갖는 비정질 탄소에 근접한 구조적 특성을 갖게 된다.　 이와 같이, 단범위에서 결정화도를 갖는 비정질 탄소의 경우, 구부러진 그래파이트 시트 및 비6원환 (non-6-membered ring) 구조의 개공 (open pore)이 혼재된 구조를 갖는다고 보고된 바 있으며 (Enn Lust et al., J. electroanalytical Chem., vol. 586, pp 247, 2006), 도 1에는 상기 문헌에서 제안한 비정질 탄소의 나노 구조를 모식적으로 나타내었다.　 이러한 구조를 갖는 카바이드 유도 탄소는 우수한 전계 방출 특성을 가지며, 전계 방출은 표면에 수직 방향인 비6원환 구조의 개공에서 발생되는 것으로 추정된다.
또한, 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소는 BET가 900 내지 1800 m2/g 이며, XRD 분석 결과 20°내지 30°사이에 위치한 피크, 예를 들어, 26°근처의 피크의 반폭치가 0.9 내지 7이며,　 X선 회절 분석 결과 2θ = 26°에서 그래파이트 (002) 면의 단일 피크를 나타낸다는 특성을 보인다.
도 2에는 본 발명의 일 구현예에 따른 카바이드 유도 탄소에 대한 X선 회절 분석 결과를 도시하였으며, 도 2를 참조하면, 상기 카바이드 유도 탄소는 2θ = 26°에서 그래파이트 (002) 면의 약 피크가 나타나는 것을 알 수 있다.　 그래파이트 (002) 면의 피크란, 도 4에 도시된 바와 같이, 그래파이트 결정의 구조를 육각 기둥 모양으로 가정한 경우, 육각 기둥의 상면에 평행한 방향으로 입사되는 X선 회절로 야기되는 피크를 의미하며, 도 5에 도시된 바와 같이, 일반적으로 결정질 그래파이트는 2θ = 26°의 위치에서 매우 강한 피크를 나타낸다.　 그러나, 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소는 2θ = 26°의 위치에서 약한 피크를 나타내며, 따라서 결정질 그래파이트와는 상이한 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소를 제조하기 위한 카바이드 화합물은 탄소와 주기율표의 Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족 또는 Ⅵ족 원소와의 화합물로서 더욱 바람직하게는, 실리콘 카바이드 (Si-C), 보론 카바이드 (B-C), 티타늄 카바이드 (Ti-C), 지르코늄 카바이드 (Zr-C), 알루미늄 카바이드 (Al-C), 칼슘 카바이드 (Ca-C), 티타늄-탄탈륨 카바이드 (Ti-Ta-C), 몰리브덴-텅스텐 카바이드(Mo-W-C), 티타늄 카보나이트라이드 (Ti-C-N) 및 지르코늄 카보나이트라이드 (Zr-C-N)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 카바이드 화합물이며, 할로겐족 원소 함유 기체는 Cl2, TiCl4 또는 F2 기체일 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소를 포함하는 냉음극용 전자 방출원을 제공한다.
본 발명에 따른 전자 방출원은 냉음극용 전자 방출원으로서, 가열에 의해서 열전자를 방출하는 것이 아니라, 이온 충격에 의한 2차 전자 방출과 이온의 재결합에 의해 생기는 광전자 방출 또는 전기장 방출 등으로 전자를 방출하게 되며, 상술한 바와 같이 우수한 전자 방출 특성을 갖는 카바이드 유도 탄소를 포함함으로써 그 전자 방출 효율이 매우 우수하다.
본 발명에 따른 전자 방출원은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 상기 카바이드 유도 탄소를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제조한 후 이를 기판에 인쇄 및 소성하는 등의 방법에 의해서 제조될 수 있으며, 이를 설명하면 하기와 같다.
먼저, 상술한 카바이드 유도 탄소 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제조하는데, 상기 비이클은 전자 방출원 형성용 조성물의 인쇄성 및 점도를 조절하며, 수지 성분 및 용매 성분을 포함한다.　 또한, 전자 방출원 형성용 조성물은 필요에 따라 감광성 수지 및 광개시제, 접착 성분, 필러 등을 더 포함할 수도 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 있다.
전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하는 단계는 감광성 수지를 포함하는 경우와 감광성 수지를 포함하지 않은 경우에 따라 상이하다.　 먼저, 전자 방출원 형성 용 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.
상술한 바와 같이 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물은 소성 단계를 거친다.　 소성 단계를 통하여 전자 방출원 형성용 조성물 중 카바이드 유도 탄소는 기판과의 접착력이 향상될 수 있고, 일부 이상의 비이클은 휘발되고, 다른 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.　 소성 단계는 카바이드 유도 탄소의 열화를 방지하기 위하여 불활성 가스의 존재 하에서 수행될 수 있으며, 상기 불활성 가스는 예를 들면, 질소 가스, 아르곤 가스, 네온 가스, 크세논 가스 및 이들 중 2 이상의 혼합 가스일 수 있다.
이와 같이 소성된 소성 결과물 표면은 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 형 성된 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 카바이드 유도 탄소가 전자 방출원 표면으로 노출되거나 수직배향 되도록 제어될 수 있다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 전자 방출원을 포함하는 전자 방출 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 전자 방출 소자는, 제1 기판과, 상기 제1 기판 상에 배치된 캐소드 전극 및 전자 방출원과, 상기 캐소드 전극과 전기적으로 절연되도록 배치된 게이트 전극과, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극의 사이에 배치되어, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극을 절연하는 절연체층을 포함할 수 있다.　 이 때, 상기 전자 방출원은 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소를 포함한다.
상기 전자 방출 소자는, 상기 게이트 전극의 상측을 덮는 제2 절연체층을 더 포함할 수 있고, 상기 제2 절연체층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되고, 상기 게이트 전극과 나란한 방향으로 배치된 집속 전극을 더 포함할 수 있는 등, 다양한 변형예가 가능하다.
상기 전자 방출 소자는 다양한 전자 장치, 평판 디스플레이, 텔레비젼, X선 튜브, 에미션 게이트 증폭기 (Emission gate amplifiers) 등과 같은 진공 전자 장치에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
도 6에는, 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도로서, 대표적으로 3극관 구조의 전자 방출 소자를 도시하였다.
도시한 바와 같이, 전자 방출 소자 (200)는 상판 (201)과 하판 (202)을 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 내부 공간을 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 배치되는 전자방출원 (160)을 구비한다.
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 형광체층은 상기 전자에 의해 여기되어 고에너지 레벨에서 저 에너지 레벨로 떨어지면서 가시광을 방출한다.　 칼라 전자 방출 소자의 경우에는 단위화소를 이루는 복수의 상기 발광공간 (210) 각각에 적색 발광, 녹색 발광, 청색 발광의 형광체층이 상기 애노드 전극의 하면 (180a)에 배치된다.
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.
전계 형성에 의해 전자를 방출하는 상기 전자방출원 (160)은 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소를 포함한다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
카바이드 유도 탄소의 제조
실시예 1.
탄소 전구체로서 평균 입경 10㎛의 Al4C3 100g을 사용하고 그라파이트 반응챔버, 트랜스포머 (transformer) 등으로 구성된 고온전기로를 이용하여 1000℃에서 분당 1.5ℓ의 Cl2가스를 흘려 열화학 반응을 5시간 동안 유지함으로써 Al을 전구체로부터 추출함으로써 카바이드 유도 탄소를 제조하였다.
상기 카바이드 유도 탄소에 대한, XRD 분석을 수행하였으며, 그 결과 26°부근 피크의 반폭치, 결정화도(q) 및 비정질 분율(α)을 표 1에 나타내었다.　 또한, 합성 후 비표면적은 1000 m2/g의 값을 나타내었다.
실시예 2.
출발 카바이드 화합물로서, 평균 입경이 5㎛인 Mo2C 100g를 사용하고 600℃에서 5 시간 동안 열화학반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해서 카바이드 유도 탄소를 제조하였으며, 상기 카바이드 유도 탄소에 대한, XRD 분석을 수행하였고, 그 결과 26°부근 피크의 반폭치, 결정화도(q) 및 비정질 분율(α)을 표 1에 나타내었다.　 또한 합성 후 비표면적은 1740㎡/g의 값을 보였다.
실시예 3.
출발 카바이드 화합물로서, 평균 입경이 0.8㎛인 a-SiC, 100g를 사용하고 1000℃에서 9시간 동안 열화학반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해서 카바이드 유도 탄소를 제조하였으며, 상기 카바이드 유도 탄소에 대한, XRD 분석을 수행하였고, 그 결과 26°부근 피크의 반폭치, 결정화도(q) 및 비정질 분율(α)을 표 1에 나타내었다.　 합성 후 비표면적은 1000㎡/g의 값을 보였다.
실시예 4.
출발 카바이드 화합물로서, 평균 입경이 2㎛인 B4C 100g를 사용하고 1100℃에서 5 시간 동안 열화학 반응시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해서 카바이드 유도 탄소를 제조하였으며, 상기 카바이드 유도 탄소에 대한, XRD 분석을 수행하였고, 그 결과 26°부근 피크의 반폭치, 결정화도(q) 및 비정질 분율(α)을 표 1에 나타내었다.　 합성 후 비표면적은 1310㎡/g의 값을 보였다.
비교예 1.
활성 탄소 (activated carbon) (제품명: 동양카본 제조, Bamboo제품)에 대해　 XRD 분석을 수행하였고, 그 결과 26°부근의 peak를 찾을 수가 없어서 피크의 반폭치, 결정화도(q) 및 비정질 분율(α)을 구할 수 없었고,　 비표면적은 890 ㎡/g의 값을 보였다.
상기 활성 탄소의 XRD 측정 결과를 도 7에 나타내었다.
전자 방출원 및 전자 방출 소자의 제작
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 카바이드 유도 탄소 1g, 아크릴레이트 바인더 6.5g, 에톡시레이트 트리메틸올프로판 트리아클레이트 5.5g, 텍사놀 5.5g, 광개시제 1g 및 가소제로서 디옥틸 프탈레이트 1g을 혼합한 후, 3롤 밀을 사용하여 균일한 페이스트 상의 전자방출원 형성용 조성물을 얻을 때까지 혼련하였다 (8회 반복).　 얻어진 조성물을 ITO 전극이 코팅된 투명 유리 기판에 스크린 인쇄하고 (10 ×10 mm), 노광 (500mJ) 및 현상한 후, 450℃의 질소 분위기 하에서 소성하고, 활성화 과정을 거쳐서 IV 측정용 냉음극 캐소드를 제조하였다.　 상기 냉음극 캐소드에, 100㎛ 두께의 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름을 스페이서로, 구리 플레이트를 애노드 전극으로 사용하여 전자 방출 소자를 제작하였다.
전자 방출 소자의 성능 측정
제작된 전자 방출 소자에 대하여 펄스 폭이 20㎲, 주파수가 100Hz인 1/500 듀티율로 펄스 전압을 인가하여 방출 전류 밀도를 측정하였다.　 그 결과, 실시예 1에 따른 카바이드 유도 탄소를 이용한 전자 방출 소자의 경우, 턴-온 필드 (turn- on field)가 약 4.7 V/㎛이고, 약 6.0 V/㎛에서 100㎂/cm2에 도달하는 우수한 전자 방출 성능을 나타내었으며, 그 결과를 도 3에 도시하였다.
나머지 카바이드 유도 탄소들에 대해서도 동일한 성능 측정 실험을 수행하였으며, 그 결과를 상기 표 1에 요약하였다.
　 BET 반폭치 결정화도 비정질 분율 턴온 전계(V/μm @1㎂/㎠) 전계 방출 특성(V/μm @100㎂/㎠)
실시예 1 1000 0.94 35 29 4.7 100㎂/㎠
@ 6.0 V/㎛
실시예 2 1740 0.95 39 30 5.5 6.5
실시예 3 1000 2.96 22 30 2.8 4
실시예 4 1310 6.69 9.6 26.4 3.2 5
비교예 890 　　no peak　　 no peak　　　　 　no peak　　　　 전자 방출 관찰 불가 전자 방출 관찰 불가
상기 표 1을 참조하면,　 본 발명에 따른 전자 방출 소자는 비교예의 전자 방출 소자에 비하여 애노드 동작 전압이 높고 애노드에 도달하는 전류밀도는 낮아서 FED형 백라이트 유니트 (BLU)가 요구하는 고휘도 및 고효율 특성을 충족시킬 수 있다.　 또한 본 발명에 따른 카바이드 유도 탄소는 비침상형이므로 고전압안정성이 우수하고 동일 인가 전압에서 CNT 대비 방출되는 전자가 적기 때문에 효율 측면에서 보다 우수하다.
도 1은 종래기술에 따른 비정질 탄소의 나노 구조를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카바이드 유도 탄소 재료의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다(A,B,C,D는 각각 실시예 1,2,3,4를 나타낸다).
도 3은 실시예 및 비교예에 따른 카바이드 유도 탄소의 전기장에 따른 전류 밀도를 도시한 그래프이다.
도 4는 그래파이트 결정 구조를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 5은 종래기술에 따른 결정질 그래파이트에 대한 X선 회절 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도이다.
도 7은 종래 기술에 의한 활성 탄소의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 하면기판　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　120: 캐소드 전극
130: 절연체층　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　140: 게이트 전극
160: 전자 방출원　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　169: 전자 방출원 홀
170: 형광체층　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　180: 애노드 전극
190: 상면기판　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　192: 스페이서
200: 전자 방출 소자　　　　　　　　　　　　 　　　　　201: 상판
202: 하판　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 210: 발광공간

Claims (9)

  1. 카바이드 화합물을 할로겐족 원소 함유 기체와 열화학 반응시켜서 상기 카바이드 화합물 내의 탄소를 제외한 나머지 원소를 추출함으로써 제조된 카바이드 유도 탄소로서, XRD 분석 결과 결정화도 값(q)이 9 내지 40의 범위인 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소:
    여기서, 상기 결정화도 값(q)은 식 (1)에 의한 값으로서
    q = (I002/I100)*100/14.3　　　　　　 식 (1)
    I002는 (002)면의 상대 강도 (relative intensity)를 나타내고, I100은 (100)면의 상대 강도 (relative intensity)를 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서,
    BET가 900 내지 1800 m2/g 인 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소.
  3. 제1항에 있어서,
    XRD 분석 결과 20°내지 30°사이에 위치한 피크의 반폭치가 0.9 내지 7인 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 카바이드 유도 탄소는 X선 회절 분석 결과 2θ = 26°에서 그래파이트 (002) 면의 단일 피크를 나타내는 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카바이드 화합물은 탄소와 주기율표의 Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족 또는 Ⅵ족 원소와의 화합물인 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 카바이드 화합물은 실리콘 카바이드 (Si-C), 보론 카바이드 (B-C), 티타늄 카바이드 (Ti-C), 지르코늄 카바이드 (Zr-C), 알루미늄 카바이드 (Al-C), 칼슘 카바이드 (Ca-C), 티타늄-탄탈륨 카바이드 (Ti-Ta-C), 몰리브덴-텅스텐 카바이드(Mo-W-C), 티타늄 카보나이트라이드 (Ti-C-N) 및 지르코늄 카보나이트라이드 (Zr-C-N)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 카바이드 화합물인 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 할로겐족 원소 함유 기체는 Cl2, TiCl4 또는 F2 기체인 것을 특징으로 하는 카바이드 유도 탄소.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 따른 카바이드 유도 탄소를 포함하는 냉음극용 전자 방출원.
  9. 제8항에 따른 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자.
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