WO2013009083A2

WO2013009083A2 - 전계 방출원 및 이를 적용하는 소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: WO2013009083A2
Application number: PCT/KR2012/005480
Authority: WO
Inventors: 이철진; 신동훈; 신지홍
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2013-01-17
Also published as: WO2013009083A3; US20140191650A1; US9269522B2; KR20130007904A; KR101239395B1

Abstract

전계 방출원은, 나노 크기의 전자 방출 물질을 포함하는 것으로 제1면과 그 반대 면인 제2면을 가지는 전자방출필름 그리고 상기 전자방출필름의 일단부를 고정하는 것으로 상기 전자방출필름의 제1면과 제2면에 각각 대응하는 제1블록과 제2블록을 포함하는 캐소드; 를 구비한다.

Description

전계 방출원 및 이를 적용하는 소자 및 그 제조방법

전계 방출원 및 전계 방출 소자에 관련하는 것으로, 상세하게 나노 물질 필름을 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관해 기술된다.

종래의 입자 또는 막대 형태의 나노 크기의 전자방출물질((Nano-sized electron emitter material, 이하 나노물질)을 이용한 전계 방출원의 제작 방법으로는 나노물질을 캐소드 기판 위에 직접 성장시키는 방법[(Science vol.283, 512, 1999), (Chemical Physics Letters.312, 461, 1999), (Chemical Physics Letters.326, 175, 2000), (Nano Letter vol.5, 2153, 2005), US006350488B1, US006514113B1]과, 현탁액 필터링법[(Science vol.268, 845, 1995), (Applied Physics Letters vol.73, 918, 1998)], 스크린 프린팅법[(Applied Physics Letters vol.75, 3129, 1999), 공개번호 10-2007-0011808], 전기영동법[(Advanced Materials vol.13, 1770, 2001), (Nano Letter vol.6, 1569, 2006), US006616497B1, US20060055303A1], 자기 조립법[(Advanced Materials vol.14, 8990, 2002), US006969690B2], 스프레이법[(Mat. Res. Soc. Symp. Proc. vol.593, 215, 2000), (Carbon vol.44, 2689, 2006), (The Journal of Physical Chemistry C.111, 4175, 2007), US006277318B1, 공개특허 10-2007-0001769], 잉크젯 프린팅법[Small. vol.2, 1021, 2006), (Carbon vol.45, 27129, 2007), US20050202578A1]과 같이 합성된 분말형태의 나노물질을 캐소드 기판 위에 다양한 방법으로 부착시키는 방법으로 나누어질 수 있다.

직접 성장법은 나노물질의 직경, 길이, 밀도, 패턴화 조절 등의 구조제어가 용이하지만, 촉매 금속 증착의 대면적에 대한 균질성 확보와 촉매 금속 입자의 크기 제어가 어려울 뿐만 아니라, 성장된 나노물질과 캐소드 기판 사이의 접착력이 약하다는 단점이 있다. 상기와 같이 나노물질과 캐소드 기판 사이의 접착력 문제와 물성제어의 어려움 등을 극복하기 위하여 여러 가지 합성방법으로 제조된 분말 형태의 나노물질을 정제/분산/기능화 시켜 페이스트화 하거나 용매 및 계면활성제에 분산시킨 현탁액을 다양한 캐소드 기판에 부착시키는 방법들이 개발 되어 왔다. 그 중에서 나노물질 분말, 폴리머, 바인더, 고분자, 유기용매, 금속충전제 및 기타 첨가제 등을 포함하는 페이스트 조성물을 캐소드 기판에 인쇄하여 건조, 노광, 소성 및 표면 돌출 처리 등의 과정을 거쳐 전계 전자 구조물을 제작하는 스크린 프린팅법은 캐소드 기판과 전계 방출 구조물 사이의 접착력이 좋고 대면적화에 유리하지만, 활성 전자 방출 사이트의 밀도 조절이 어렵고 각종 유/무기물 바인더 및 고분자들 때문에 전계 전자 방출 특성이 쉽게 저하될 뿐만 아니라, 공정 절차가 까다롭다는 단점을 가지고 있다.

전기 영동법은 상온에서 선택적 증착이 가능하고 대면적화 하기 쉬우나, 두께와 밀도 조절이 어렵고 균질성과 재현성이 좋지 못할 뿐 아니라 캐소드 기판과의 접착력이 좋지 않아 전계 전자 방출 시 신뢰성과 안정성 문제가 대두되고 있다.

자기조립법은 공정이 간단하고 상온에서 대면적화가 용이 하지만, 전기영동법과 마찬가지로 형성된 나노물질 박막과 캐소드 기판과의 접착력이 좋지 않고 많은 시간이 소요된다는 단점을 가지고 있다.

스프레이법도 마찬가지로 공정이 간단하고 상온에서 대면적화하기 용이하지만, 노즐에서 캐소드 기판까지 분사액의 이동 중 현탁액 증발 정도에 따라 박막 표면 상태가 결정되게 되므로 나노물질 박막 두께, 밀도 조절 및 고른 박막 증착이 용이하지 않기에 균질성과 재현성이 떨어지며, 캐소드 기판과의 약한 접착력으로 인해 전계 전자 방출이 진행되는 동안 탈착이 쉽게 발생하는 단점을 가지고 있다.

그리고, 잉크젯 프린팅법은 두께와 밀도 조절이 쉽고 선택적 패턴화를 실현할 수 있으며 상온에서 대면적화에 유리하지만, 프린팅된 나노물질과 캐소드 기판 사이의 접착력이 약한 문제점이 있다.

본 발명은 안정된 전자방출물질 지지구조를 가지는 전계 방출원 및 이를 적용하는 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 한 유형에 따른 전계 방출원: 은

나노 크기의 전자 방출 물질을 포함하는 것으로 제1면과 그 반대 면인 제2면을 가지는 전자방출필름;

상기 전자방출필름의 일단부를 고정하는 것으로 상기 전자방출필름의 제1면과 제2면에 각각 대응하는 제1블록과 제2블록을 구비하는 캐소드; 를 구비한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 전계 방출 필름의 양단부에 상기 캐소드가 마련될 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시 예에 따르면, 상기 제1블록 및 제2블록 중 적어도 하나는 도전성을 가지며, 바람직하게는 금속성 재료에 의해 형성된다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 전자방출필름의 전자 방출 물질은 별도의 바인더가 없이 분자력에 의해 상호 결합되어 있는 구조를 가진다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 전계 방출원은 상기 제1블록을 지지하는 베이스를 더 구비하며, 상기 전자방출필름의 제1면은 상기 베이스의 표면에 나란하게 배치된다.

본 발명의 다른 유형에 따른 전계 방출 소자: 는

상기 전자방출필름의 일단부를 고정하는 것으로, 전자방출필름의 제1면과 제2면에 각각 대응하는 제1블록과 제2블록을 구비하는 캐소드;

상기 캐소드를 지지하는 상기 기판; 그리고

상기 전자방출필름에 대향하여 상기 기판 타측에 형성되는 애노드; 를 구비한다.

본 발명의 제조방법에 따르면,

기판의 일 측에 캐소드의 한 요소인 제1블록을 형성하는 단계;

기판에서 제1블록이 형성되지 않은 부분에 상기 제1블록과 같은 높이의 표면을 가지는 희생층을 형성하는 단계;

상기 제1블록과 희생층의 표면에 전자방출물질로 전자방출필름을 형성하는 단계;

상기 전자방출필름 위에, 상기 제1블록에 대응하는 제2블록을 형성하는 단계; 그리고

상기 희생층을 제거하여, 상기 전자방출필름이 상기 기판으로부터 뜬 상태에서, 그 일단부가 상기 제1블록과 제2블록의 사이에 끼인 상태에서 고정되도록 하는 단계; 를 포함하는 전계 방출 소자의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 상기 전자방출필름과 애노드의 사이에 게이트가 마련된다.

상기 게이트는 상기 침상 전자방출물질과 애노드 사이의 전자 이동경로 하방에 위치할 수 있다.

또한, 상기 게이트는 전자방출물질과 상기 애노드 사이의 전자진행 경로의 양측에 위치하는 게이트 부재를 구비할 수 있다.

상기 애노드는 상기 전자방출물질로부터의 전자가 충돌하는 측면을 가질 수 있다.

상기 전자방출물질은 CNT, 카본나노플레이트, 나노와이어, 그래핀(Graphene) 중 어느 하나를 포함한다.

본 발명에 따르면, 전자 방출 구조를 매우 확고하게 고정할 수 있는 전계 방출원 및 이를 적용하는 전자 방출 소자를 얻을 수 있다. 이는 전자방출부를 필름형태로 제조하고, 이 전자방출필름의 단부를 캐소드의 제1블록과 제2블록에 의해 고정하는 것에 의해 달성된다. 이러한 본 발명에 따르면, 스페이서가 필요 없는 횡형 전자 방출 구조의 구현이 가능한 전계 방출원 및 전자 방출 소자를 얻을 수 있다. 기존의 종형 구조에서 요구되었던 스페이서가 배제되며 따라서 스페이서를 형성하는 공정이 생략할 수 있다. 특히 전체 구조가 하나의 기판 상에 형성되기 때문에 전체 제조 공정이 종래에 비해 단축될 수 있다. 또한 하나의 기판에 형성되므로 집적화된 다수 전계 전자방출 소자 어레이 구조를 얻을 수 있고, 필요에 따라 이들 어레이를 개별 소자 단위로 분리함으로써 대량의 개별 전계 방출 소자의 제조가 가능하다. 이러한 구조의 전계 전자방출 소자는 예를 들어, 램프, 표시장치, 평판 디스플레이용 백라이트 장치, 고출력 마이크로 웨이브용 전자 소스 등이 있다. 또한 선택적인 개별 소자의 독립 구동이 가능하고 개별 소자 간의 연결이 가능함으로써 고체 반도체 소자와 유사한 형태의 집적화된 진공 전자방출 소자 구현이 가능하다.

도 1a 내지 도 1d는 다양한 실시 예에 다른 전계방출원을 개략적으로 도시한다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계방출원의 제조방법을 예시한다.

도 3a 내지 도 3j는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자방출소자의 제조방법을 예시한다.

도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전자방출소자의 제조방법을 예시한다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전자방출소자의 개략적 사시도 및 측면도이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 전자방출소자의 개략적 사시도 및 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예들에 따른 전계 방출원의 기본적인 구조를 설명한다.

먼저 도 1a을 참조하면, 다양한 형태의 전자방출필름(10)은 캐소드(20)에 고정된다. 이때에, 캐소드(20)는 제1블록(20a)과 제2블록(20b)을 가지며, 이들 제 1, 제2블록(20a, 20b)의 사이에 상기 전자방출필름(10)의 일단부가 끼워져 있다. 상기 전자방출필름(10)은 제1면(10a, 도면에서 저면)과 그 반대인 제2면(도10b, 면에서 상면)을 구비한다. 전자방출필름(10)의 제1면(10a)은 제1블록(20a)의 상면에 대면하며, 제2면(10b)은 제2블록(20b)의 저면을 마주 대한다. 구조적으로 상기 전자방출필름(10)의 일단부 일정 폭이 상기 제1블록(20a)과 제2블록(20b)의 사이에 끼워져 있으며, 따라서 전자방출 구조체인 전자방출필름(10)은 캐소드(20)에 매우 확고하게 고정되어 있다. 도 1b, 1c는 상기 전자방출필름(10)의 다른 변형 예(10', 10")를 보인다. 도 1b에서의 전자방출필름(10')은 삼각형의 형상을 가지고, 도 1c의 전자방출필름(10")은 가늘고 긴 스트립 형상을 가진다. 한편, 도 1d는 전자방출필름(10)의 양단에 캐소드(20)가 마련되는 구조를 가지는 전자 방출 원을 예시한다. 상기와 같은 전자방출필름(10, 10', 10")은 CNT, 나노와이어 또는 그래핀 등의 다양한 전자방출물질로 형성되며, 본 발명의 기술적 범위는 상기 전자방출물질의 특정 재료에 제한되지 않는다. 한편, 상기 캐소드(20)의 구성요소인 제1블록(20a)과 제2블록(20b)은 모두 도전성을 가질 수 있으며, 다른 실시 예에 따르면, 어느 하나만 도전성을 가질 수 있다. 또한, 상기 전자방출필름(10, 10', 10")의 일단부 또는 양단부를 고정하는 제1블록(20a) 제2블록(20b)들 각각은 단일 물질층 또는 다른 기능성 요소를 포함하는 다층의 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1블록(20a)과 전자방출필름(10, 10', 10")의 제1면은 직접 접촉될 수 도 있으나, 이들 사의 사이에 별도의 층이 하나 또는 그 이상 존재할 수 있다. 제2블록(20b)과 전자방출필름(10, 10', 10")의 제2면도 역시 직접 접촉될 수 도 있으나, 이들 사이에 별도의 층이 하나 또는 그 이상 존재할 수 있다. 위의 실시 예의 설명에서, 캐소드를 구성하는 제1블록과 제2블록이 모두 도전체인 것으로 설명되었다. 그러나, 캐소드가 두 개의 블록으로 분리되고 이들 사이에 전자방출필름의 일단이 고정된다는 발명의 사상을 고려했을 때, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 제1블록과 제2블록 중 어느 하나만 도전체이고 나머지 하나는 단순히 전자방출필름을 고정하기 위한 수단으로서 절연물질로도 형성될 수 도 있다. 이하의 실시 예에서는 제1블록과 제2블록이 모두 도전체인 것으로 설명되며, 그러나, 위에서 언급한 바와 같이 어느 하나의 블록을 절연체일 수 있음으로 자명하며, 이에 따라 후술하는 제조공정의 일부는 수정되어야 할 것이다.

도 2a 내지 도 2f는 상기한 전계 방출원을 단품 형태로 제조하는 방법의 일 례를 개략적으로 도시한다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 평탄한 표면을 가지는 희생 기판(Sacrificial plate or substrate, 1)을 준비한다. 희생 기판으로서는 필터 멤브레인(filter membrane), 유리(glass), 알루미나(alumina) 등 다양한 형태의 평탄한 소재가 사용될 수 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 희생 기판(1) 위에 전자방출필름(2)을 형성한다. 전자방출필름(2)의 제조는 다양한 공지의 방법, 예를 들어 현탁액 필터링, 단순 현탁액 도포법, 전기영동법, 전사법을 적용할 수 있다. 이때에 전자방출필름에는 전자방출물질을 결합하는 바인더가 포함되지 않고, 이들이 분자력, 즉 반데르발스힘(Van der Waals Force)에 의해 상호 결합되는 것이 바람직하다.

전자방출물질로서는 전계 하에서 전자방출이 가능한 나노 크기의 물질, 예를 들어 CNT, 나노와이어, 그래핀이 사용될 수 있다.

희생기판(1)상기 필터 멤브레인은 현탁액 필터링 법에 의해 전자방출필름을 제조할 때 사용되며, 유리, 알루미나 등의 기판은 일반적인 현탁액 도포, 전기영동법, 전사법 등에 의해 전자방출필름을 제조할 때 사용한다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 전자방출필름(2) 위(제1면)에 캐소드의 한 요소인 제1블록(3a)을 형성한다. 제1블록(3a)은 도전성 물질, 예를 들어, Au, Ag 등의 금속으로 형성된다. 이러한 제1블록(3a)의 제조에는 일반적인 패터닝법이 응용되는 성막법 또는 패턴 마스크를 이용한 금속 진공 증착법 등이 이용될 수 있다. 성막법으로서는 열 증착법, 전자빔 증착법, 또는 스퍼터링법 등의 물리적 증착법이 적합하다.

도 2d에 도시된 바와 같이, 전자방출필름(2)의 제조에 사용되었던 희생기판(2)을 제거한 후, 도 2e에 도시된 바와 같이 희생기판(2)이 제거된 면(제2면)에, 제1면의 제1블록(3a)에 대응하는 제2블록(3b)을 전술한 바와 같은 도전성물질로 형성한다. 도 2e에 도시된 구조의 전계 방출원은 전술한 도 1에 도시된 형태의 전계 방출원이다. 도 2e에 도시된 전계 방출원으로부터, 도 1a에 도시된 형태의 전계 방출원을 얻기 위해서 도 2f에 도시된 바와 같이 전자방출필름(2)의 중앙부분을 절개하고, 경우에 따라 도 1b, 도 1c에 도시된 바와 같은 형태로 전자방출필름을 기계적으로 가공한다. 가공법으로서는 레이저 가공이 적절하다 할 수 있다.

도 3a 내지 도 3i는 2 극 구조의 전계 방출 소자의 제조방법의 일 례를 도시한다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 평탄한 표면을 가지는 표면에 자연 산화막 또는 실리콘 표면의 열처리에 의해 얻은 이산화실리콘(SiO2) 등의 절연층(100a)이 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼(100)를 준비한다.

도 3b에 도시된 바와 같이 상기 절연층(100a) 위의 양측에 캐소드의 한 요소인 제1블록(20a)과 애노드의 한 요소인 제1애노드 층(40a)을 형성한다. 이때에 제1블록(20a)과 제1애노드 층(40a)은 동일한 도전성 물질, 예를 들어, Au, Ag 등의 금속으로 형성된다. 이러한 제1블록(20a)과 제1애노드 층(40a)의 제조에는 일반적인 패터닝법이 응용되는 성막법 또는 패턴 마스크를 이용한 금속 진공 증착법 등이 이용될 수 있다. 성막법으로서는 열 증착법, 전자빔 증착법, 또는 스퍼터링법 등의 물리적 증착법이 적합하다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 제1블록(20a)과 제1애노드 층(40a)의 사이의 공간에, 예를 들어 PMMA(Polymethyl metacrylate), 실리콘질화물(SiNx) 등의 절연물질을 채워 넣어 상기 제1블록(20a)과 제1애노드 층(40a)의 사이에 평탄한 표면을 제공하는 희생층(1a)을 형성한다.

도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 제1블록(20a), 제1애노드 층(40a) 및 희생층(1a)의 표면 전체에 완성 전 초기형태의 전자방출필름(2)을 형성한다. 전자방출필름(2)의 제조는 전술한 실시 예의 설명에서 언급된 바와 같이 다양한 공지의 방법, 예를 들어 현탁액 필터링, 단순 현탁액 도포법, 전기영동법, 전사법을 적용할 수 있다. 이때에 전자방출필름에는 전자방출물질을 결합하는 바인더가 포함되지 않고, 이들이 분자력, 즉 반데르발스힘(Van der Waals Force)에 의해 상호 결합되는 것이 바람직하다. 전자방출물질로서는 전계 하에서 전자방출이 가능한 나노 크기의 물질, 예를 들어 CNT, 카본나노플레이트, 나노와이어, 그래핀이 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 실시 예와는 달리 전자방출물질을 결합하는 바인더가 포함될 수 도 있다.

도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 전자방출필름(2) 위(제1면)에 캐소드의 한 요소인 제2블록(20b)을 형성한다. 제2블록(20b)은 제1블록(20a)과 같은 재료의 도전성 물질, 예를 들어, Au, Ag 등의 금속에 의해 제1블록(20a)과 같은 제조방법으로 형성될 수 있다.

도 3f, 도 3g, 도 3 h에 도시된 바와 같이, 제2블록(20b)에 덮이지 않은 전자방출필름(10)을 목적하는 형태로 적절히 가공하여, 전자방출필름(2)을 제1애노드 층(40a)으로부터 분리함으로써 목적하는 형태로 완성된 전자방출필름(10, 10', 10")을 얻는다.

도 3i에 도시된 바와 같이, 제1애노드 층(40a) 위에, 패턴 마스크를 이용한 증착법 또는 일반적으로 알려진 포토리소그래피법, 전자빔 리소그래피 등의 다양한 패터닝 방법에 의해 제2애노드 층(40b)을 형성 하여, 제 1, 2애노드 층(40a, 40b)을 갖는 애노드(40)을 완성한다. 상기 애노드는, 제 1, 2애노드 층(40a, 40b)에 의해, 상기 전자방출필름(10)의 단부를 마주 대하는 측면을 제공한다. 이러한 애노드(40)의 상기 제2애노드 층(40b)는 상기 도 3g, 3h에 도시된 구조에도 동일하게 형성된다.

도 3j에 도시된 바와 같이, 상기 전자방출필름(10)의 하부를 지지하는 희생층(1a)을 제거하여, 목적하는 2 극 구조의 전자방출 소자를 완성한다.

도 4a내지 도 4h는 도 1d에 도시된 전자방출원 구조를 응용하는 2 극 구조의 전계 방출 소자의 제조공정을 개략적으로 도시한다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 평탄한 표면을 가지는 표면에 자연 산화막 또는 실리콘 표면의 열처리에 의해 얻은 이산화실리콘(SiO2) 등의 절연층(100a)이 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼(100)를 준비한다.

도 4b에 도시된 바와 같이 상기 절연층(100a) 위의 일 측(도면에서 후방 측)에 양 캐소드의 한 요소인 두 제1블록(20a)을 소정간격을 두고 형성하고, 타측(도면에서 전방 측)에 제1애노드 층(40a)을 형성한다. 이때에 제1블록(20a, 20a)과 제1애노드 층(40a)은 동일한 도전성 물질, 예를 들어, Au, Ag 등의 금속으로 형성된다. 이러한 제1블록(20a)과 제1애노드 층(40a)의 제조에는 일반적인 패터닝법이 응용되는 성막법 또는 패턴 마스크를 이용한 금속 진공 증착법 등이 이용될 수 있다. 성막법으로서는 열 증착법, 전자빔 증착법, 또는 스퍼터링법 등의 물리적 증착법이 적합하다.

도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 제1블록(20a, 20a)들과 제1애노드 층(40a)의 사이의 공간에, 예를 들어 PMMA(Polymethyl metacrylate), 실리콘질화물(SiNx) 등의 절연물질을 채워 넣어 상기 제1블록(20a, 20a)과 제1애노드 층(40a)의 사이에 평탄한 표면을 제공하는 희생층(1a)을 형성한다.

도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 제1블록(20a, 20a), 제1애노드 층(40a) 및 희생층(1a)의 표면 전체에 완성 전 초기형태의 전자방출필름(2)을 형성한다. 전자방출필름(2)의 제조는 전술한 실시 예의 설명에서 언급된 바와 같이 다양한 공지의 방법, 예를 들어 현탁액 필터링, 단순 현탁액 도포법, 전기영동법, 전사법을 적용할 수 있다. 이때에 전자방출필름에는 전자방출물질을 결합하는 바인더가 포함되지 않고, 이들이 분자력, 즉 반데르발스힘(Van der Waals Force)에 의해 상호 결합되는 것이 바람직하다. 전자방출물질로서는 전계 하에서 전자방출이 가능한 나노 크기의 물질, 예를 들어 CNT, 나노와이어, 그래핀이 사용될 수 있다.

도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 전자방출필름(2) 위(제1면)에 캐소드(20)의 한 요소인 제2블록(20b)을 상기 양측 제1블록(20a, 20a)에 대응하게 형성한다. 양 제2블록(20b, 20b)은 제1블록(20a, 20a)과 같은 재료의 도전성 물질, 예를 들어, Au, Ag 등의 금속에 의해 제1블록(20a, 20a)과 같은 제조방법으로 형성될 수 있다.

도 4f 에 도시된 바와 같이, 양 제2블록(20b, 20b) 사이의 영역을 제외한 부분의 전자방출필름(10)을 제거하여 제1애노드 층(40a)으로부터 분리된 목적하는 형태로 완성된 전자방출필름(10)을 얻는다.

도 4g에 도시된 바와 같이, 제1애노드 층(40a) 위에, 패턴 마스크를 이용한 증착법 또는 일반적으로 알려진 포토리소그래피법, 전자빔 리소그래피 등의 다양한 패터닝 방법에 의해 제2애노드 층(40b)을 형성 하여, 제 1, 2 애노드 층(40a, 40b)을 갖는 소정 높이의 측면(전자 입사면)을 가지는 애노드(40)을 완성한다. 상기 애노드(40)는, 제 1, 2 애노드 층(40a, 40b)에 의해, 상기 전자방출필름(10)의 단부를 마주 대하는 측면을 제공한다.

도 4h에 도시된 바와 같이, 상기 전자방출필름(10)의 하부를 지지하고 애노드를 에워싸는 희생층(1a)을 제거하여, 목적하는 2 극 구조의 전자방출 소자를 완성한다.

위에서 설명된 구조 및 이를 제조하는 방법은 캐소드 구조체인 전자방출원 및 이를 응용하는 2 극 구조의 전계 방출 소자의 구조 및 이의 제조방법에 관해 설명되었다. 그러나, 위에서 설명된 구조 및 제조방법을 통해서 3 극 구조의 전계 방출 소자의 구조 및 제조는 용이하게 달성할 수 있을 것이다.

도 5a, 5b, 6a, 6b는 전술한 본 발명의 전자방출원을 적용한 3 극 구조의 전계 방출 소자의 실시 예를 보인다.

먼저 도 5a, 5b는 3 극(triode) 구조를 가지는 본 발명에 따른 횡형 전계 방출 소자를 개략적으로 도시하며, 도 2b는 그 측면도이다.

도 5a, 5b를 참조하면, 절연층(100a)이 마련된 기판(100) 상에 도전성 물질, 예를 들어 Au, Ag와 같은 금속으로 된 것으로 제1블록(20a)과 제2블록(20b)을 구비하는 2층 구조의 캐소드(20)와 제1애노드 층(40a)과 제2애노드 층(40b)을 포함하는 2층 구조의 애노드(40)가 상호 마주 대하게 일정 거리를 두고 마련된다. 캐소드(20)의 제1블록(20a, 20b)의 사이에는 기판(100)에 나란하게 배향되어 있는 전자방출필름(10)의 일단부가 끼워져 고정되어 있다. 캐소드(20)와 애노드(40) 사이에는 게이트(50)가 마련되어 있다. 게이트(50)는 전자방출필름(10)의 선단선단부터 일정 거리 이격되어 있으며, 그 표면의 높이는 전자방출필름(10)의 단부와 애노드(40) 사이의 전자 진행 경로(P) 상에 적절한 게이트(제어) 전계를 형성할 수 있는 정도의 높이를 가지며, 이 높이는 설계 요구에 따라 적절히 조절될 수 있다.

도 6a는 도 5a, 5b에 도시된 3 극 구조의 전계 방출 소자와는 다른 게이트 구조를 가지는 횡형 전계 방출 소자를 개략적으로 도시하며, 도 6b는 그 평면도이다.

도 6a, 6b를 참조하면, 기판(100)의 일 측(도면에서 오른쪽)에는 전술한 바와 같이 Au, Ag와 같은 금속으로 된 제1애노드 층(40a,)과 제2애노드 층(40b)을 구비하는 애노드(40)가 배치되어 있고, 그 반대측에는 전자방출필름(10")을 횡형으로 고정하는 제1블록(20a)과 제2블록(20b)을 구비하는 캐소드(20)가 배치되어 있다.

그리고 기판(100)의 중앙에는 상기 전자방출필름(10")과 애노드(40) 간의 전자 진행 경로 양측에 위치하는 게이트 부재(51a, 51a)를 구비하는 게이트(51)가 마련되어 있다. 이들 게이트 부재(51a, 51b)는 전기적으로 상호 연결되며, 도면에서는 이러한 연결 구조가 생략되어 있다.

게이트 부재(51a, 51a)는 도전성 물질로써, 애노드(40)와 캐소드(20)와 같은 물질, 예를 들어 Au, Ag와 같은 금속으로 형성될 수 있다. 상기 양 게이트 부재(51a, 51a)는 전자 진행 경로(P)의 양측에서 전자 진행 경로(P)를 충분히 커버할 수 있는 두께(높이)로 위치하여 전자 진행 경로(P) 상에서 소정의 전자를 제어하는 전계를 형성한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 전술한 게이트 부재들은 별도로 제조된 후, 전자방출필름과 애노드 사이에 끼워지는 형태로 제조될 수 있다. 이러한 게이트에는 전자빔이 통과할 수 있는 망상 구조, 또는 메쉬 형태 게이트이며, 이러한 메쉬 형태의 게이트는 전자빔 진행 방향에 수직인 방향으로 그 평면이 배치될 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 전자방출 소자를 구현하는데 있어서, 본 발명에 따른 전자방출원은 두 개의 캐소드 블록의 사이에 전자방출필름의 일단부가 고정되어 있으므로, 종래의 그 어느 것보다도 전자방출구조물의 안정성이 뛰어나다. 특히, 전자방출필름은 바인더가 없이 순수한 전자방출물질로만 형성되므로 바인더 등에 의한 개스 방출(outgassing)의 염려가 없다.

또한, 본 발명의 한 실시 예에 따라, 나노물질 현탁액을 이용하여 전자방출필름이 제조되므로, 나노 크기의 전자방출물질 들은 반데르발스 힘과 서로 간의 얽힘에 의하여 횡방향으로 매우 강하게 결합하게 된다. 따라서, 종래와 같이 유기물 형태의 바인더를 함유하는 페이스트나 다른 접착제 없이도 강한 결합력을 달성함으로써 유기물에 의한 오염이나 아웃개싱(outgassing) 등의 문제가 없고, 전계 방출효율이 높으며 수명특성 또한 우수해진다. 또한, 전자방출필름에서, 전자방출물질은 이미 횡 방향으로 준정렬이 되어 있기 때문에 전계 방출원을 억지로 수직방향으로 세우기 위한 별도의 후처리 공정이 필요 없으며, 이는 공정의 단순화와 이물질로부터의 오염문제를 방지할 뿐만 아니라, 굉장히 많은 양의 전자방출물질이 실질적으로 전자방출에 기여하기 때문에 전계 방출효율과 매우 높아지고 소자의 수명이 길어진다. 한편, 그러나 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 바인더가 전자방출필름에 포함될 수 도 있다. 이러한 본 발명에 따라 제조된 필름은 박막 제작 후 커팅과정을 통해 다양한 형태의 전계 방출원 제작이 용이하며, 점 혹은 선광원의 제작이 가능하다.

상기한 바와 같은 다양한 실시 예를 통해 설명된 전계 방출원을 적용하는 횡형 전계 전자방출 소자는 기존의 종형 구조에서 요구하였던 스페이서가 배제되며 따라서 스페이서를 형성하는 공정이 생략할 수 있다. 특히 전체 구조가 하나의 기판 상에 형성되기 때문에 전체 제조공정이 간략화될 수 있다. 더욱이 하나의 기판에 형성되므로 다수 전계 전자방출 소자 어레이의 구조를 얻을 수 있고, 필요에 따라 이를 개별 소자 별로 분리함으로써 대량의 개별 전계 방출 소자의 제조가 가능하다.

이러한 구조의 전계 전자방출 소자는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 램프, 표시장치, 평판 디스플레이용 백라이트 장치, 고출력 마이크로 웨이브용 전자 소스 등이 있다. 또한 선택적인 개별 소자의 독립 구동이 가능하고 개별 소자 간의 연결이 가능함으로써 고체 반도체 소자와 유사한 형태의 집적화된 진공 전자방출 소자 구현이 가능하다.

Claims

나노 크기의 전자 방출 물질을 포함하는 것으로 제1면과 그 반대 면인 제2면을 가지는 전자방출필름; 그리고상기 전자방출필름의 일단부를 고정하는 것으로 상기 전자방출필름의 제1면과 제2면에 각각 대응하는 제1블록과 제2블록을 포함하는 캐소드; 를 구비하는 전계 방출원.
제1항에 있어서,상기 전계 방출 필름의 양단부에 상기 캐소드가 마련되는 것을 특징으로 하는 전계 방출원.
제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1블록과 제2블록 중 적어도 어느 하나가 절연물질과 금속성 재료 중의 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 전계 방출원.
제1항 또는 제2항에 있어서,상기 전자방출필름의 전자 방출 물질은 별도의 바인더가 없이 분자력에 의해 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전계 방출원.
제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제1블록을 지지하는 베이스를 더 구비하며, 상기 전계 방출 필름의 제1면은 상기 베이스의 표면에 나란하게 배치된 것을 특징으로 하는 전계 방출원.
나노 크기의 전자 방출 물질을 포함하는 것으로 제1면과 그 반대 면인 제2면을 가지는 전자방출필름;상기 전자방출필름의 일단부를 고정하는 것으로, 전자방출필름의 제1면과 제2면에 각각 대응하는 제1블록과 제2블록을 구비하는 캐소드;상기 캐소드를 지지하는 상기 기판; 그리고상기 전자방출필름에 대향하여 상기 기판 타측에 형성되는 애노드; 를 구비하는 전계 방출 소자.
제 6 항에 있어서,상기 캐소드와 애노드의 사이에 게이트가 더 마련되고,상기 전자방출필름의 단부는 상기 애노드의 일 측면을 대향하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
제 7 항에 있어서,상기 게이트는 상기 전자방출필름과 애노드 사이의 전자 진행 경로의 양측에 마련되는 게이트 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
제 7 항에 있어서,상기 게이트는 상기 전자방출필름과 애노드 사이의 전자 진행 경로의 하부에 위치하는 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
제 7 항에 있어서,상기 전계 방출 필름의 양단부에 상기 캐소드가 마련되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
제 7 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 전자방출필름의 전자 방출 물질은 별도의 바인더가 없이 분자력에 의해 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
기판의 일 측에 캐소드의 한 요소인 제1블록을 형성하는 단계;기판에서 제1블록이 형성되지 않은 부분에 상기 제1블록과 같은 높이의 표면을 가지는 희생층을 형성하는 단계;상기 제1블록과 희생층의 표면에 전자방출물질로 전자방출필름을 형성하는 단계;상기 전자방출필름 위에, 상기 제1블록에 대응하는 제2블록을 형성하는 단계; 그리고상기 희생층을 제거하여, 상기 전자방출필름이 상기 기판으로부터 뜬 상태에서, 그 일단부가 상기 제1블록과 제2블록의 사이에 끼인 상태에서 고정되도록 하는 단계; 를 포함하는 전계 방출 소자의 제조방법.
제 12 항에 있어서,상기 제1블록을 형성하는 단계에서, 상기 제1블록과 이격된 위치에 제1애노드를 동시에 형성하고,상기 희생층을 형성하는 단계에서, 상기 희생층은 상기 제1블록과 제1애노드의 사이의 영역에 형성하고, 그리고상기 전자방출필름을 형성하는 단계에서, 상기 제1블록, 제1애노드 및 희생층의 상면에 상기 전자방출필름을 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자의 제조방법.
제 13 항에 있어서, 제2블록을 형성하는 단계와 상기 희생층을 제거하는 단계의 사이에,상기 전자방출필름을 가공하여 상기 전자방출필름을 상기 제1애노드 층으로부터 분리하는 단계; 그리고상기 제1애노드 층 위에 상기 제2블록에 대응하는 높이의 제2애노드 층을 형성하는 단계; 를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자의 제조방법.