KR20130050833A - 전계 방출 에미터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20130050833A
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이순일
Tuan Hong Nguyen
안영환
홍정택
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아주대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터는, 벌크 형태의 전자 방출부; 및 상기 전자 방출부 내에서 수직 방향으로 형성되며 서로 이격되는 복수의 오목부를 구비한다. 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터의 제조 방법은, 벌크 형태의 전계 방출부를 형성하는 단계; 및 상기 전자 방출부 내에 수직 방향으로 형성되며 서로 이격되는 복수의 오목부를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

전계 방출 에미터 및 이의 제조 방법 {EMITTER FOR FIELD EMISSION AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전계 방출 에미터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
전계 방출 에미터는 강한 전계가 인가되면 터널링 효과에 의하여 표면으로부터 전자 방출을 일으킨다. 이러한 전계 방출 에미터는 백라이트 유닛, 디스플레이 장치, 엑스레이 생성 장치, 질량 분석용 이온화 장치, 고주파 증폭 소자 등에 적용될 수 있다.
일반적으로 전자 방출이 원활하게 일어날 수 있도록 전계 방출 에미터의 선단을 뾰족하게 형성하고, 이 뾰족한 선단에 전계를 집중시켜 전자가 방출되도록 한다. 이와 관련하여 제1 단과 이보다 좁은 직경을 가지는 제2 단을 포함하여 선단을 좀더 뾰족하게 하여 효율을 향상하고자 한 전계 방출 에미터가 일본 공개특허 제2009-231289호에 개시되어 있다.
그런데 이러한 형상으로 전계 방출 에미터를 형성하면, 제조 공정이 많이 복잡하고 제조 비용이 많이 들며, 전계 방출 효율 또한 크게 우수하지 않은 문제가 있다. 또한, 안정성이 부족하여 강한 전계가 반복하여 인가되면 전계 방출 에미터가 손상되는 등의 문제가 발생될 수 있다.
본 발명은 전계 방출 효율 및 안정성이 우수하며 간단한 공정으로 제조할 수 있는 전계 방출 에미터 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 전계 방출 에미터는, 벌크 형태의 전자 방출부; 및 상기 전자 방출부 내에서 서로 이격되는 복수의 오목부를 구비한다.
상기 복수의 오목부들이 규칙적으로 배열될 수 있다.
서로 이웃한 상기 복수의 오목부들의 중심이 삼각형, 사각형, 또는 육각형을 이루도록 배열될 수 있다.
상기 전자 방출부가 카본 나노 튜브(CNT)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 오목부들의 직경이 30~135㎛일 수 있다.
상기 복수의 오목부들의 간격이 75~150㎛일 수 있다.
상기 복수의 오목부들의 깊이가 150㎛ 이하일 수 있다.
상기 오목부들은 상기 전계 방출부를 관통하는 홀 형상일 수 있다.
상기 전계 방출 에미터는, 0.80 V/㎛ 이하에서 0.1㎂의 방출 전류를 가지고, 2.30~2.50 V/㎛에서 2.00 mA 이상의 방출 전류를 가질 수 있다.
상기 전계 방출부의 외곽부가 디스크 형태를 가질 수 있다.
실시예에 따른 전계 방출 에미터의 제조 방법은, 벌크 형태의 전계 방출부를 형성하는 단계; 및 상기 전계 방출부 내에 서로 이격되는 복수의 오목부를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 복수의 오목부를 형성하는 단계에서는 레이저를 이용하여 상기 복수의 오목부를 형성할 수 있다.
상기 레이저가 티타늄-사파이어 레이저일 수 있다.
상기 전계 방출 에미터가 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다.
상기 복수의 오목부들의 직경이 30~135㎛일 수 있다.
상기 복수의 오목부들의 간격이 75~150㎛일 수 있다.
상기 복수의 오목부들의 깊이가 150㎛ 이하일 수 있다.
상기 오목부들은 상기 전계 방출 에미터를 관통하는 홀 형상일 수 있다.
상기 전계 방출 에미터는, 0.80 V/㎛ 이하에서 0.1㎂의 방출 전류를 가지고, 2.30~2.50 V/㎛에서 2.00 mA 이상의 방출 전류를 가질 수 있다.
상기 전계 방출부의 외곽부가 디스크 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터는 벌크 형태의 전계 방출부에 복수의 오목부를 형성하는 것에 의하여 전계가 집중되는 부분을 형성하여 안정성과 전계 방출 효율을 동시에 향상할 수 있다. 이때, 오목부의 깊이, 직경, 간격, 배열 등을 좀더 조절하여 전계 방출 효율을 더욱 향상할 수 있다.
그리고 본 실시예에 따르면 벌크 형태의 전계 방출부를 형성한 다음 여기에 오목부를 형성하여, 간단한 제조 공정에 의하여 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터의 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 전계 방출 에미터의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 변형예에 따른 전계 방출 에미터의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 7은 실험예 1에 따른 전자 방출부, 그리고 오목부가 형성된 전계 방출 에미터의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 비교예 1에 따른 전계 방출 에미터의 주사전자현미경 사진이다.
도 9는 전계 방출 이후에 비교예 1에 따른 전계 방출 에미터의 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 실험예 1에 따른 전계 방출 에미터에서 위치에 따른 국소 전계(local field)를 비교예 2에 따른 값(점선)과 함께 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예 1에 따른 전계 방출 에미터에서 위치에 따른 국소 전계(local field)를 비교예 2에 따른 값(점선)과 함께 나타낸 그래프이다.
도 12는 실험예 1 및 비교예 2에 따른 전계 방출 에미터에서 인가 전계에 따른 합전류의 그래프이다.
도 13은 실험예 2에서 오목부(홀)의 직경 및 간격에 따른 전계강화 효과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 오목부(홀)의 직경 및 깊이에 따른 전계강화 효과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 도면에서는 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함" 한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라서 본 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전계 방출 에미터(100)에서는, 벌크 형태의 전계 방출부(10)에 서로 이격되며 수직 방향으로 연장되는 복수의 오목부(20)가 형성된다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
벌크 형태의 전계 방출부(10)는, 기판(도 1에 도시하지 않음, 도 3의 참조부호 30, 이하 동일) 상에서 수직 방향으로 조밀하게 성장된 전계 방출 물질로 이루어질 수 있다. 전계 방출 물질로는 나노 수준의 크기를 가지는 카본 재료일 수 있다. 일례로, 카본 나노 튜브(carbon nano tube, CNT), 카본 나노 파이버(carbon nano fiber), 카본 나노 월(carbon nano wall), 카본 나노 필라멘트(carbon nano filament), 카본 나노 코일(carbon nano coil), 카본 나노 혼(carbon nano horn) 등을 들 수 있다.
이러한 나노 수준 크기의 카본 재료는 화학적 안정성 및 전기 전도성이 우수하고, 높은 방출 전류를 가지며, 낮은 전계에서 전자를 방출할 수 있다. 이 중에서도 카본 나노 튜브를 사용할 수 있다.
이러한 전계 방출부(10)는 외곽부가 디스크(disk) 형태를 가질 수 있다. 이에 따라 전계 방출부(10)를 형성하기가 용이하고, 직육면체 형상으로 제조할 경우 발생할 수 있는 불필요한 에지 효과(edge effect)를 방지할 수 있다. 에지 효과에 대해서는 후술한다.
본 발명자는, 전계 방출부(10)에 형성되는 오목부(20)에 의하여 형성된 에지(edge)에서 전계가 집중되어 국부적으로 전기장이 강화되는 것을 발견하였다. 즉, 전계 방출부(10)의 상면의 평면부보다 오목부(20)의 에지 부분에서 전계가 더 높게 형성되는 것을 발견하였다. 이하에서는 오목부(20)의 에지에 의한 국부적인 전기장 강화 효과를 에지 효과라 한다. 에지 효과는 오목부(20)가 깊어질수록 커지기는 하나, 증가 정도가 점차 작아져 결국 수렴하는 형태를 보인다. 예를 들어 직경 30 mm 이상의 구멍에 대해서 깊이가 150 mm 이상이 되면 더 이상 깊이에 따른 에지 효과의 변화가 나타나지 않는다. 이러한 에지 효과에 의해 적은 전계를 가하여도 합전류(net current)를 더 높게 얻을 수 있다.
한편, 오목부(20)의 직경, 간격, 배열, 등에 따라 정전 차폐(electric shielding)에 의해 발생되는 스크리닝 효과(screening effect)가 증가하여 합전류에서 손실이 발생할 수 있다. 즉, 여러 개의 오목부(20)가 배열되어 있는 경우에는, 각 오목부(20)의 에지에 의한 국부적인 전기장 강화 효과가 인접한 오목부(20)의 에지에 의하여 간섭을 받아 약화될 수 있다.
본 발명자는 오목부(20)의 직경, 간격, 깊이, 배열 등에 따라 에지 효과, 스크리닝 효과 등이 서로 연관되어 전기장 강화 효과를 저하시키거나 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 즉, 오목부(20)의 직경, 간격, 깊이, 배열 등을 조절하여 전계 방출 효율을 좀더 향상할 수 있다.
좀더 구체적으로, 오목부들(20)의 직경이 커지면 에지 효과가 증가하고, 직경이 작아지면 에지 효과가 작아질 수 있다. 그리고 오목부들(20)의 간격이 작아지면 전계방출부(10) 면적 내 오목부(20)의 수(이하 “유효 전계방출부 면적”)은 늘어나지만 스크리닝 효과가 커져 문제될 수 있다. 이와 반대로, 오목부들(20)의 간격이 커지면 스크리닝 효과 문제는 완화시킬 수 있는 반면 유효 전계방출부 면적이 줄어들 수 있다. 또한, 배열 형태에 따라 하나의 오목부(20)에 인접한 오목부(20)의 수가 많을수록 유효 전계 방출부(10)의 유효 면적은 늘어날 수 있지만 간섭에 의한 스크리닝 효과가 커지는 문제가 있다. 즉, 오목부들(20)의 직경, 간격, 배열 등은 에지 효과와 스크리닝 효과 및 유효 전계방출부 면적의 상관관계를 고려하여 합전류가 증가할 수 있는 일정 범위 내의 수치를 가지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 오목부들(20)은 직경이 30~135㎛일 수 일 수 있다. 직경이 30 ㎛ 미만이면 작은 직경에 의하여 에지 효과가 너무 약할 수 있으며, 직경이 135 ㎛를 초과하면, 에지 효과는 크지만 유효전계방출부 면적을 극대화하며 스크리닝 효과를 극소화시키기 위해 필요한 간격을 갖도록 레이저 가공하기에 문제가 있을 수 있다. 또한, 오목부들(20)의 직경은 레이저 공정 조건을 변경하여 조정이 가능하며, 일례로 본 실시예에서는 30~60㎛ 사이의 직경으로 오목부들(20)을 형성하여 레이저를 이용한 가공을 용이하도록 할 수 있다.
그리고 오목부들(20)의 간격이 75~150㎛일 수 있다. 즉, 오목부들(20) 사이의 간격이 증가할수록 전기장 강화 효과는 증가하지만, 간격이 150㎛를 초과하면 더 이상 전기장 강화 효과의 변화가 나타나지 않을 수 있다. 일례로, 직경이 60㎛이고 오목부들(20)의 간격이 150㎛일 때, 전기장 강화 효과가 대략 39% 정도로 향상된 값에서 포화될 수 있다. 또한, 오목부들(20) 사이의 간격이 증가하면 유효 전계방출부 면적이 줄어드는 문제가 있다. 오목부들(20) 사이의 간격이 150㎛ 미만이면, 레이저에 의하여 오목부(20)를 형성할 때 인접한 오목부(20)가 손상될 수 있으며 잔존하는 전계 방출부(10) 부분이 너무 작아 내구성이 저하될 수 있다.
오목부(20)의 깊이는 전계 방출에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다. 그러나, 오목부(20)가 너무 얕게 형성되면 전계 방출에 도움이 되지 않을 수 있고, 너무 깊은 경우 에지 효과에 차이가 없을 수 있으므로, 오목부(20)의 깊이가 150㎛ 이하일 수 있다. 오목부(20)의 깊이는 벌크 전게방출부의 높이에 의해 제한되며, 깊이 팔수록 공정이 까다롭고 복잡한 (시간이 걸리는) 문제가 있을 수 있다. 한편, 레이저 공정의 단순화를 위해 일례로, 본 실시예에서는 오목부(20)가 전계 방출 에미터(100)(또는 전계 방출부(10))를 관통하는 홀 형상을 가질 수 있다.
그리고 오목부들(20)은 전계가 집중되는 가장자리가 규칙적으로 존재할수록 있도록 규칙적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 이웃한 복수의 오목부(20)의 중심들이 사각형을 이루면서 배치될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 이웃한 복수의 오목부(20)의 중심들이 삼각형을 이루면서 배치될 수도 있다. 또는, 도 4에 도시된 바와 같이, 서로 이웃한 복수의 오목부(20)의 중심들이 육각형(벌집모양)을 이루면서 배치될 수도 있다. 하나의 오목부(20)에 인접한 오목부(20)의 수는 삼각형, 사각형, 육각형 배열에 대해 각각 6개, 4개, 3개로 상이하다. 인접한 오목부(20) 간의 간섭에 의한 스크리닝 효과는 인접한 오목부(20)의 수가 많을수록 커지므로 스크리닝 효과는 삼각형 배열이 가장 크며, 육각형 배열이 가장 작다. 다만, 직경이 60 μm 이상이고 간격이 150 μm 이상이면 전기장 강화 효과가 직경과 간격에 무관하게 일정하므로, 방출 전류의 크기는 주어진 전계방출부(10) 면적 내 오목부(20)의 수(유효 전계방출부 면적)에 비례하게 된다. 즉, 직경이 60 μm 이상이고 간격이 150 μm 이상인 구멍들을 갖는 에미터(100)의 경우에는 구멍의 삼각배열이 방출 전류의 크기를 증가시키는데 유리하다.
직경이 D이고 간격이 L인 구멍들로 이루어진 에미터(100)의 전체면적 대비 오목부(20)의 면적비율은 삼각형, 사각형, 육각형 배열에 대해 각각
Figure pat00001
,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
와 같이 주어지므로, 직경 60 μm 간격 150 μm라면 14%, 12%, 9%가 된다. 그러나 직경이 60 μm인 오목부의 간격을 75 μm로 줄이면 에미터(100)의 전체면적 대비 오목부(20)의 면적비율은 삼각형, 사각형, 육각형 배열에 대해 각각 56%, 48%, 36%가 된다. 출력 280 mW 레이저로 인접한 두 오목부(20)의 테두리를 손상 없이 가공할 수 있는 오목부 간격 하한 값은 75 μm이다. 75 μm 이하의 간격으로 가공하는 경우에는 남아 있는 CNT 부분이 너무 얇아져 오목부 배열 구조로 CNT 에미터를 만들 때 기대되는 내구성 증진의 효과를 많이 잃어버리게 된다.
상술한 설명 및 도면에서는 각 오목부(20)의 평면 형상이 원형인 것을 예시하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 각 오목부(20)의 형상은 타원형, 다각형 등 다양하게 변형이 가능함은 물론이다. 이 경우 상술한 직경은 타원형 또는 다각형의 변, 대각선 중에 가장 큰 것으로 볼 수 있다.
본 실시예에 따른 전계 방출 에미터(100)는 벌크 형태의 전계 방출부(10)에 복수의 오목부(20)를 형성하는 것에 의하여 에지 영역을 증가시켜 전계 방출 효율을 향상할 수 있다. 더욱이, 오목부(20)의 직경, 간격, 면적 비율, 배열 등을 좀더 조절하여 전계 방출 효율을 더욱 향상할 수 있다.
일례로, 본 실시에에 따른 전계 방출 에미터는 0.80 V/㎛ 이하에서 전자를 방출할 수 있으며, 1.70~2.00 V/㎛에서 2.00 mA 이상의 방출 전류를 가질 수 있다.
그리고 본 실시예에 따르면 벌크 형태의 전계 방출부(10)를 형성한 다음 여기에 오목부(20)를 형성하여, 간단한 제조 공정에 의하여 제조될 수 있으며 벌크 형태의 넓은 면적에 의하여 전계 방출 후에도 파괴되지 않는 높은 안정성을 가질 수 있는데, 이에 대해서는 도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터의 제조 방법을 도시한 흐름도이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 에미터의 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 이하에서는, 이미 설명한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 제조 방법을 위주로 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전계 방출 에미터의 제조 방법은, 벌크 형태의 전계 방출부를 형성하는 단계(ST10) 및 복수의 오목부를 형성하는 단계(ST20)을 포함한다.
먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이, 벌크 형태의 전계 방출부를 형성하는 단계(ST10)에서는, 기판(30) 상에서 전계 방출 물질, 일례로 나노 크기 수준의 카본 재료 등을 수직 성장시킨다. 일례로, 기판(30)은 고농도로 도핑된 실리콘 기판일 수 있다. 카본 나노 튜브 등의 성장에는 다양한 방법이 사용될 수 있는데, 일례로 핫 필라멘트 화학 기상 증착법(hot filament chemical vapor deposition, HFCVD)이 사용될 수 있다. 핫 필라멘트 화학 기상 증착법에서는 기판(30)을 고온(일례로 750℃)로 가열한 상태에서 메탄 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 사용하여 카본 재료(일례로, 카본 나노 튜브)를 성장시킬 수 있다. 이때, 카본 재료의 성장을 촉진시킬 수 있는 촉매층(일례로, 알루미늄(Al) 층과 철(Fe) 층의 이중층)을 스퍼터링 등으로 형성할 수 있다.
이어서, 도 6b에 도시한 바와 같이, 복수의 오목부를 형성하는 단계(ST20)에서는 레이저(40)를 이용하여 수직 방향으로 형성되는 복수의 오목부(20)를 형성한다. 즉, 레이저(40)가 수직 성장된 전자 방출부(10)의 일부를 태워서 복수의 오목부(20)가 형성된다. 이와 같이 레이저(40)를 사용하면, 수직 성장된 카본 재료로 구성된 전계 방출부(10)를 손상하지 않으면서도 원하는 형상의 오목부(20)를 쉽게 형성할 수 있다. 이때, 레이저(40)로는 다양한 레이저를 사용할 수 있는데, 일례로 티타늄-사파이어 레이저를 사용할 수 있다.
본 실시예에서는 벌크 형태의 전계 방출부(10)를 형성한 다음 레이저(40)를 이용하여 오목부(20)를 형성한다. 종래에는 카본 나노 튜브 등을 컬럼 형상으로 형성하였는데, 이에 따르면 많은 시간 및 비용이 들며, 작은 면적으로 성장을 시켜야 해서 성장 중에 또는 전계 인가에 의하여 파괴 되는 등의 문제가 있었다. 그러나 본 실시예에서는 벌크 형태의 전계 방출부(10)를 형성한 다음 오목부(20)를 형성하여 간단한 공정으로 전계가 집중되는 에지 영역들을 충분히 형성할 수 있다. 또한, 벌크 형태에서 오목부(20)에 해당하는 부분을 제거하는 음각 형태를 가지므로 기초가 되는 전계 방출부(10)의 면적이 넓어 높은 안정성을 가지므로 성장 중에 또는 전계 인가에 의해 파괴되는 등의 문제가 발생하지 않는다.
이하, 본 발명의 실험예들을 참조하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 제조예는 본 발명을 상세하게 설명하기 위하여 예시한 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
실리콘 기판에 스퍼터링을 하여 알루미늄 10nm 및 철 3nm로 이루어지는 촉매층을 형성하였다. 30 토르의 압력, 750℃의 온도에서 20 sscm(cubic centimeter per minute)의 메탄 가스 및 30 sscm의 수소 가스가 혼합된 가스를 이용하여, 핫 필라멘트 화학 기상 증착법을 수행하였다. 이에 의하여 카본 나노 튜브를 수직 성장시켜 250㎛ 두께, 1.5mm의 직경을 가지는 디스크 형태의 전자 방출부를 형성하였다.
이어서, 92MHz의 반복률, 280 mW 전력의 티타늄-사파이어 레이저를 전자 방출부에 조사하여 100㎛ 간격으로 40㎛ 직경의 오목부(홀)을 164개 형성하여 전계 방출 에미터를 형성하였다.
<비교예 1-1>
포토리소그래피 및 리프트 오프 법에 의하여 실리콘 기판에 100㎛ 간격으로 40㎛ 직경을 가지는 컬럼 형태의 카본 나노 튜브를 포함하는 전계 방출 에미터를 제조하였다. 좀더 구체적으로는, 포토리소그래피에 의하여 전계 방출부를 형성한 후에, 촉매를 형성하고, 리프트 오프 법에 의하여 포토레지스터를 제거한 다음, 열처리에 의하여 촉매 전처리를 하고 화학 기상 증착에 의하여 카본 나노 튜브를 수직 성장시킨다.
<비교예 1-2>
비교예 1-1에서 포토리소그래피 및 리프트 오프 법에 의하여 실리콘 기판에 200㎛ 간격으로 150㎛ 직경을 가지는 컬럼 형태의 카본 나노 튜브를 포함하는 전계 방출 에미터를 제조한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
<비교예 2>
실리콘 기판에 스퍼터링을 하여 알루미늄 10nm 및 철 3nm로 이루어지는 촉매층을 형성하였다. 30 토르의 압력, 750℃의 온도에서 20 sscm(cubic centimeter per minute)의 메탄 가스 및 30 sscm의 수소 가스가 혼합된 가스를 이용하여, 핫 필라멘트 화학 기상 증착법을 수행하였다. 이에 의하여 카본 나노 튜브를 수직 성장시켜 250㎛ 두께, 1.5mm의 직경을 가지는 디스크 형태의 전자 방출 에미터를 형성하였다.
실험예 1에 따른 전자 방출부의 사진을 도 7의 (a)에, 오목부가 형성된 전계 방출 에미터의 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 7의 (b)에 나타내었다. 비교예 1-1에 따른 전계 방출 에미터의 주사전자현미경 사진을 도 8에 나타내었고, 합전류 2mA 수준의 높은 전계 방출 후에 비교예 1-1에 따른 전계 방출 에미터의 주사전자현미경 사진을 도 9에 나타내었다.
그리고 실험예 1 및 비교예 1-2에 따른 전계 방출 에미터에서 위치에 따른 국소 전계(local field)를 각기 도 10 및 도 11에 비교예 2에 따른 값(점선)과 함께 나타내었다.
또한, 실험예 1 및 비교예 2에 따른 전계 방출 에미터에서 인가 전계에 따른 합전류의 그래프를 도 12에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 실험예 1에 따른 전계 방출 에미터는 안정성을 가지고 오목부가 매우 균일하게 형성되었음을 알 수 있다. 반면, 도 8을 참조하면, 비교예 1-1에 따른 전계 방출 에미터는 컬럼 형태의 카본 나노 튜브가 균일하게 형성되지 않았으며, 도 9를 참조하면 컬럼 형태의 카본 나노 튜브가 높은 전계 방출 후에 파괴된 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 간단한 공정으로 구조적 안정성을 가지는 전계 방출 에미터를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 10을 참조하면, 실험예 1에 따른 전계 방출 에미터에서는 전체적인 국소 전계가 비교예 2보다 낮은 부분부터 높은 부분이 혼재되어 있으며, 전계가 집중되는 부분이 규칙적으로 나타나고 있다. 그리고 비교예 2에 비하여 오목부의 주변부에서 전기장이 약 37% 증가된 것을 알 수 있다. 반면, 도 11을 참조하면, 비교예 1-2에 따른 전계 방출 에미터에서는 국소 전계가 전체적으로 비교예 2보다 높으나 고전류 전계 방출에 필요한 전류 및 발생하는 열의 흐름이 일부 면적에 국한되어 안정성이 떨어질 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 국소 전계를 안정화하여 전계 방출 효율을 높일 수 있는 전계 방출 에미터를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 비교예 2에 따른 전계 방출 에미터는 1.00 V/㎛에서 0.1 ㎂의 합전류를 가지는 반면, 실험예 1에 따른 전계 방출 에미터는 0.76 V/㎛에서 0.1 ㎂의 합전류를 가짐을 알 수 있다. 또한, 실험예 1에 따른 전계 방출 에미터는 1 mA 이상의 전류에서도 안정적인 전자방출 특성을 보인다. 그리고, 실험예 1에 따르면 2.79 V/㎛에서 2.46 mA의 높은 합전류를 가질 수 있다.
<실험예 2>
실험예 1과 기본적으로 동일한 방법으로, 오목부(홀)의 직경을 오목부(홀)의 직경을 30㎛, 40㎛, 50㎛, 60㎛, 70㎛, 80㎛로, 오목부(홀)의 간격을 75㎛, 100㎛, 150㎛, 200㎛으로 하여 전계 방출 에미터를 형성하였다.
<실험예 3>
실험예 1과 기본적으로 동일한 방법으로, 오목부(홀)의 직경을 30㎛, 40㎛, 50㎛, 60㎛, 70㎛, 80㎛로, 오목부(홀)의 깊이를 50㎛, 100㎛, 150㎛, 200㎛으로 하여 전계 방출 에미터를 형성하였다.
실험예 2에서 오목부(홀)의 직경 및 간격에 따른 전계강화 효과 측정하여 도 13에 나타내었다. 도 13을 참조하면, 주어진 직경에 대하여 전기장 강화 효과는 오목부의 간격이 증가하면 늘어나지만, 직경 30~80 μm 사이 구멍에 대해서 구멍 간 간격이 150μm 이상이 되면 더 이상 전기장 강화 효과의 변화가 나타나지 않는다. 구멍 간 간격이 150μm 이상인 경우에 나타나는 전기장 강화 효과도 증가율이 직경이 커짐에 따라 점차 작아져 직경 60 μm 이상일 때 대략 39%에서 전기장 강화 효과가 포화됨을 알 수 있다.
도 14를 참조하면, 오목부(홀)의 전기장 강화 효과는 깊이가 깊어질수록 커지기는 하나 증가 정도가 점차 작아져 결국 수렴하는 형태를 보인다. 예를 들어 주어진 직경에 대하여 깊이가 깊어질수록 전기장 강화 효과가 더 크지만, 깊이가 150μm 이상이 되면 더 이상 깊이에 따른 전기장 강화 효과의 변화가 나타나지 않는다. 일례로, 깊이가 150㎛일 때와 200㎛일 때는 전기장 강화 효과에 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 오목부(홀)의 직경, 간격, 깊이 등을 스크리닝 효과, 에지 효과, 합 전류 등을 고려하여 적절한 범위 내에 있도록 하여 전계 방출 효과를 좀더 향상할 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전계 방출 에미터
10: 전계 방출부
20: 오목부
30: 기판
40: 레이저

Claims (20)

  1. 벌크 형태의 전자 방출부; 및
    상기 전자 방출부 내에서 서로 이격되는 복수의 오목부를 구비하는 전계 방출 에미터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오목부들이 규칙적으로 배열되는 전계 방출 에미터.
  3. 제1항에 있어서,
    서로 이웃한 상기 복수의 오목부들의 중심이 삼각형, 사각형, 또는 육각형을 이루도록 배열되는 전계 방출 에미터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자 방출부가 카본 나노 튜브(CNT)를 포함하는 전계 방출 에미터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오목부들의 직경이 30~135㎛인 전계 방출 에미터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오목부들의 간격이 75~150㎛인 전계 방출 에미터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오목부들의 깊이가 150㎛ 이하인 전계 방출 에미터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 오목부들은 상기 전계 방출부를 관통하는 홀 형상인 전계 방출 에미터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전계 방출 에미터는, 0.80 V/㎛ 이하에서 0.1㎂의 방출 전류를 가지고, 2.30~2.50 V/㎛에서 2.00 mA 이상의 방출 전류를 가지는 전계 방출 에미터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전계 방출부의 외곽부가 디스크 형태를 가지는 전계 방출 에미터.
  11. 벌크 형태의 전계 방출부를 형성하는 단계; 및
    상기 전계 방출부 내에 서로 이격되는 복수의 오목부를 형성하는 단계
    를 포함하는 전계 방출 에미터의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 오목부를 형성하는 단계에서는 레이저를 이용하여 상기 복수의 오목부를 형성하는 전계 방출 에미터의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 레이저가 티타늄-사파이어 레이저인 전계 방출 에미터의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전계 방출 에미터가 카본 나노 튜브를 포함하는 전계 방출 에미터의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 오목부들의 직경이 30~135㎛인 전계 방출 에미터의 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 오목부들의 간격이 75~150㎛인 전계 방출 에미터의 제조 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 오목부들의 깊이가 150㎛ 이하인 전계 방출 에미터.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 오목부들은 상기 전계 방출 에미터를 관통하는 홀 형상인 전계 방출 에미터의 제조 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 전계 방출 에미터는, 0.80 V/㎛ 이하에서 0.1㎂의 방출 전류를 가지고, 2.30~2.50 V/㎛에서 2.00 mA 이상의 방출 전류를 가지는 전계 방출 에미터의 제조 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 전계 방출부의 외곽부가 디스크 형태를 가지는 전계 방출 에미터의 제조 방법.
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