KR100317891B1 - Field emmision device using vitreous carbon and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 평판 표시 소자, 진공 전자 소자 등에 사용되는 전계 방출 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to field emission devices used in flat panel display devices, vacuum electronic devices, and the like.
본 발명은 전기적 특성과 기계적 특성이 우수한 유리화 비정형 탄소를 전계 방출 소자의 음극으로 사용한다. 본 발명에 사용되는 유리화 비정형 탄소는 다량의 결함을 가지고 있는 유리질의 고상 탄소 재료로서, 전기 전도도가 우수하면서 기계적 강도가 뛰어나다는 장점을 가지고 있다.The present invention uses vitrified amorphous carbon having excellent electrical and mechanical properties as a cathode of a field emission device. The vitrified amorphous carbon used in the present invention is a glassy solid carbon material having a large amount of defects, and has the advantage of excellent electrical conductivity and excellent mechanical strength.
본 발명에 따르면, 유리화 비정형 탄소의 분말을 유리 기판 위에 형성된 금속 전극상에 전기 영동법으로 도포함으로써, 평판 표시 소자나 진공 전자 소자에 적합한 전계 방출 음극을 제조하게 되며, 이러한 음극은 전계 방출의 효율이나 안정성 면에서 뛰어난 효과를 나타낸다.According to the present invention, by applying a powder of vitrified amorphous carbon on a metal electrode formed on a glass substrate by electrophoresis, a field emission cathode suitable for a flat panel display device or a vacuum electronic device is manufactured. Excellent effect in terms of stability.
Description
본 발명은 평판 표시 소자 및 진공 전자 소자에 필수적인 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리화 비정형 탄소(Vitreous Carbon)를 전기 영동법으로 기판에 코팅하여 전계 방출 음극으로 사용함으로써 안정된 다량의 전자 방출 소자를 구현할 수 있는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a field emission device essential for a flat panel display device and a vacuum electronic device, and a method for manufacturing the same, and more particularly, a stable amount by vitrifying amorphous carbon coated on a substrate by electrophoresis and used as a field emission cathode. The present invention relates to a method for implementing an electron emitting device.
전계 방출은 강한 전기장의 인가에 의해 재료의 표면에서 전자가 방출되는 현상으로서, 현재 평판 표시 소자나 진공 전자 소자 등에의 활용을 위해 전계 방출 소자에 대한 많은 연구 개발이 진행되고 있다.Field emission is a phenomenon in which electrons are emitted from the surface of a material by the application of a strong electric field. Currently, many researches and developments on field emission devices have been conducted for use in flat panel display devices and vacuum electronic devices.
전계 방출 소자의 음극 재료로는 대부분 Mo, Si 등을 사용하지만, 이들 재료는 높은 전자 친화도(electron affinity)를 가지고 있기 때문에 전계 방출을 일으킬 수 있는 충분한 전기장의 형성을 위해서는 날카로운 팁(tip)의 형태로 사용되어야 한다. 그러나, 이러한 음극 팁을 사용하는 경우에는 잔류 가스에 의한 백 스퍼터링(back sputtering)이나 화학적 반응에 의해 전자 방출 성능이 점차 저하되는 등 음극의 안정성에 많은 문제가 있다.Most of the cathode materials of the field emission device are Mo, Si, etc., but since these materials have high electron affinity, the sharp tip is required to form a sufficient electric field to cause field emission. It should be used in the form. However, when using such a negative electrode tip, there are many problems in the stability of the negative electrode, such as the electron emission performance is gradually reduced by back sputtering or chemical reaction by residual gas.
이러한 문제들을 해결하기 위하여 다이아몬드 또는 다이아몬드성탄소(diamond-like carbon: DLC) 등의 탄소계 재료를 음극 재료로 사용하려는 시도가 진행되어 왔다. 탄소계 음극 재료는 음의 전자 친화도를 가지고 있어 낮은 전기장에 의해서도 쉽게 전계 방출이 일어나는 것으로 알려져 있다. 따라서, Mo나 Si 처럼 팁의 형태로 제작할 필요가 없으므로 제작 공정을 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 기계적 특성이 우수하여 백 스퍼터링에 의한 손상을 줄일 수 있고, 화학적 안정성 등 우수한 물리 화학적 특성으로 인해 음극의 안정성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 이러한 탄소계 물질에서 일어나는 전계 방출은 아크(arc) 현상을 유발하고, 계속되는 사용에 의해 전계 방출 거동이 열화된다. 이러한 문제의 원인은 절연체인 다이아몬드 또는 다이아몬드성 카본 필름의 전기적 특성이 전자의 이동에 장애가 되기 때문이다.In order to solve these problems, attempts have been made to use a carbon-based material such as diamond or diamond-like carbon (DLC) as a cathode material. Carbon-based negative electrode material has a negative electron affinity, so it is known that field emission is easily caused by low electric field. Therefore, there is no need to manufacture in the form of a tip like Mo or Si, there is an advantage that can simplify the manufacturing process. In addition, it is expected to be able to reduce the damage due to the back sputtering excellent mechanical properties, and to significantly improve the stability of the negative electrode due to excellent physicochemical properties such as chemical stability. However, the field emission occurring in these carbonaceous materials causes an arc phenomenon and the field emission behavior is degraded by continued use. The cause of this problem is that the electrical properties of the diamond or diamond carbon film as an insulator interfere with the movement of electrons.
본 발명의 목적은 전기적 특성과 기계적 특성이 우수한 유리화 비정형 탄소(vitreous carbon)를 전계 방출 소자의 음극으로 사용하여, 탄소계 물질의 장점을 살리되 다이아몬드계 재료에서 관찰되는 전자의 공급이 원활하지 못한 문제를 해결하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to use vitrified amorphous carbon having excellent electrical and mechanical properties as a cathode of a field emission device, while utilizing the advantages of a carbon-based material, but the supply of electrons observed in a diamond-based material is not smooth. To solve the problem.
본 발명에 사용되는 유리화 비정형 탄소는 다량의 결함을 가지고 있는 유리질의 고상 탄소 재료로서, 전기 전도도가 우수하면서 기계적 강도가 뛰어나다는 장점을 가지고 있다.The vitrified amorphous carbon used in the present invention is a glassy solid carbon material having a large amount of defects, and has the advantage of excellent electrical conductivity and excellent mechanical strength.
도 1은 유리화 비정형 탄소의 도포에 이용되는 전기영동법을 설명하기 위한 모식도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The schematic diagram for demonstrating the electrophoresis method used for application | coating of vitrified amorphous carbon.
도 2는 본 발명에 따라 유리형 비정형 탄소가 도포된 시편의 표면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진.Figure 2 is a photograph of the surface of the specimen coated with glass amorphous carbon according to the present invention observed with a scanning electron microscope.
도 3은 시편의 전계 방출 거동을 측정하기 위해 사용되는 측정 장치를 나타내는 모식도.3 is a schematic diagram showing a measuring device used to measure the field emission behavior of a specimen.
도 4는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 인가 전압에 대한 전계 방출 전류를 나타내는 그래프.4 is a graph showing a field emission current with respect to an applied voltage of the field emission device according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 반복 측정에 따른 전계 방출 전류의 거동을 나타내는 그래프.5 is a graph showing the behavior of the field emission current according to the repeated measurement of the field emission device according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 2 kV에서 30분간 관찰된 전계 방출 전류의 안정성 시험 결과를 나타내는 그래프.6 is a graph showing the stability test results of the field emission current observed for 30 minutes at 2 kV of the field emission device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 전해조10: electrolytic cell
12 : 음극12: cathode
14 : 양극(구리판)14 positive electrode (copper plate)
16 : 유리 기판16: glass substrate
18 : Mo 박막18: Mo thin film
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
도 1은 유리화 비정형 탄소 분말을 전계 방출 소자의 전극상에 도포하기 위한 전기 분해 장치를 나타내는 모식도이다. 본 발명은 도 1의 장치를 이용하여 전계 방출 소자의 전극 표면에 전기 영동법으로 탄소를 도포한다. 본 발명에 따라 전계 방출 소자의 전극 표면에 탄소막을 형성하는 공정에 따르면, 먼저 전해조(10) 안에 전해질로서 에칠알콜 1ℓ와 Mg(NO3)210-3- 10-4몰(mole) 및 지름 10㎛ 이하의 유리화 비정형 탄소 분말 약 10g을 혼합한 용액을 채운 뒤, 초음파 세척기(도시되지 않음)로 2시간 가량 처리하여 분말이 용액 내에 고루 분산되도록 한다. 이 과정에서 용액 내의 탄소 분말 입자 표면에는 Mg(OH)+기가 흡착된다. 이 상태에서 전기 분해 장치의 음극에 Mo 박막(18)이 상부 표면에 피착되어 있는 전계 방출 소자용 유리 기판(16)을 연결하여 용액 속에 담근 후 양극(14)과 음극(12)을 통해 용액에 소정의 전압을 인가한다. 그러면, Mg(OH)+가 흡착된 탄소 분말 입자는 양극(14)과 음극(12)간에 인가된 전위차에 의해 음극인 기판(12)으로 이동하여 기판의 표면의 Mo 박막(18) 상에 도포된다. 본 발명의 일 실시예에서는 인가 전압 100V에서 2분간 처리하여 기판(12)의 Mo 박막(18) 상에 유리화 비정형 탄소를 도포되도록 하였다. 이때, 양극(14)으로는 구리판을 사용하였다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which shows the electrolysis apparatus for apply | coating vitrified amorphous carbon powder on the electrode of a field emission element. The present invention applies carbon to the surface of the electrode of the field emission device by electrophoresis using the apparatus of FIG. According to the process of forming a carbon film on the electrode surface of the field emission device according to the present invention, first, 1 L of ethyl alcohol and Mg (NO 3 ) 2 10 -3-10 -4 mole and diameter as electrolyte in the electrolytic cell 10 After filling a solution containing about 10 g of vitrified amorphous carbon powder of 10 μm or less, the solution is treated with an ultrasonic cleaner (not shown) for about 2 hours so that the powder is evenly dispersed in the solution. In this process, Mg (OH) + group is adsorbed on the surface of the carbon powder particles in the solution. In this state, the Mo thin film 18 is attached to the cathode of the electrolysis device, and the glass substrate 16 for the field emission device, which is deposited on the upper surface, is immersed in the solution, and then the solution is applied to the solution through the anode 14 and the cathode 12. A predetermined voltage is applied. Then, the carbon powder particles having Mg (OH) + adsorbed are transferred to the substrate 12, which is the cathode, by the potential difference applied between the anode 14 and the cathode 12 and applied onto the Mo thin film 18 on the surface of the substrate. do. In an embodiment of the present invention, the vitrified amorphous carbon is applied on the Mo thin film 18 of the substrate 12 by treating the applied voltage at 100 V for 2 minutes. At this time, a copper plate was used as the anode 14.
도 2는 본 발명에 따른 상기 공정에 의해 전계 방출 소자의 기판(16)의 Mo 박막(18) 상에 도포된 유리화 비정형 탄소막의 표면을 관찰한 전자 현미경 사진이다. 유리화 비정형 탄소 분말이 기판상에 균일하게 도포되어 있는 것을 확인할 수있다.2 is an electron micrograph of the surface of the vitrified amorphous carbon film coated on the Mo thin film 18 of the substrate 16 of the field emission device by the above process according to the present invention. It can be confirmed that the vitrified amorphous carbon powder is uniformly coated on the substrate.
도 3은 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 전계 방출 거동을 측정하기 위한 I-V 측정 장치를 나타낸다. 본 발명에 따라 제조된 전계 방출 소자를 도 3에 도시된 바와 같이 I-V 측정 장치에 설치하여 전계 방출 거동을 조사하였다. 전자 방출 소자 전극의 표면과 양극간의 거리는 200㎛였으며, 양극으로는 지름 6㎜의 베어링 스틸 볼을 사용하였다. 전계 방출 거동은 10-7Torr 이하의 고진공에서 측정하였으며, 인가 전압은 0 V에서 2000 V까지 초당 0.7 V의 속도로 증가시키면서 전계 방출 전류를 측정하고, 2000 V에서 30 분간 유지하면서 전계 방출 전류의 안정성을 조사하였다. 이러한 측정을 10회 반복함으로써 전극의 방출 수명을 조사하였다.Figure 3 shows an IV measuring device for measuring the field emission behavior of the field emission device according to the present invention. A field emission device prepared according to the present invention was installed in an IV measuring device as shown in FIG. 3 to investigate field emission behavior. The distance between the surface of the electron-emitting device electrode and the anode was 200 µm, and a bearing steel ball having a diameter of 6 mm was used as the anode. Field emission behavior was measured at high vacuum below 10 -7 Torr, and the applied voltage was measured at a rate of 0.7 V per second from 0 V to 2000 V, measuring the field emission current, and maintaining the field emission current for 30 minutes at 2000 V. The stability was investigated. This measurement was repeated 10 times to investigate the emission life of the electrode.
도 4는 도 3의 시험에서 인가 전압의 증가에 따른 전계 방출 전류의 변화를 보여주고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전계 방출의 시동 전기장은 7.5 MV/m였으며, 전기장의 증가에 따라 방출 전류는 급격히 증가하고 있다. 이러한 시험에서 파울러 노드하임 플롯의 직선적인 관계를 확인함으로써, 이러한 전류가 전계 방출에 의한 것임을 알 수 있었다. 다른 탄소계 재료나 금속 혹은 Si 팁에 비해 유리화 비정형 재료가 가지고 있는 장점은 전계 방출 거동을 반복 측정함으로써 확인할 수 있었다.FIG. 4 shows the change in field emission current with increasing applied voltage in the test of FIG. 3. As shown in FIG. 4, the starting electric field of the field emission was 7.5 MV / m, and the emission current is rapidly increasing with the increase of the electric field. In this test, the linear relationship of the Fowler Nordheim plots confirmed that these currents were due to field emission. The advantages of vitrified amorphous materials over other carbon-based materials, metals, or Si tips were confirmed by repeated measurements of field emission behavior.
도 5는 반복 측정에 따른 전계 방출 거동을 보여주고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 측정이 반복됨에 따라 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 전계 방출 특성은 다른 재료들과는 달리 오히려 개선되고 있음을 알 수 있다. 도 6은 2000 V에서 장시간 전계 방출 전류를 측정한 결과이다. 평균 전류는 8.4 ㎂였으며, 측정 시간대 내에서 10% 정도의 불안정성을 보여주고 있다. 이것은 다이아몬드성 탄소막이 코팅된 Si 팁에 비해 2배 이상 개선되었음을 나타낸다.5 shows the field emission behavior with repeated measurements. As shown in FIG. 5, it can be seen that as the measurement is repeated, the field emission characteristic of the field emission device according to the present invention is improved rather than other materials. 6 shows the result of measuring the field emission current for a long time at 2000V. The average current was 8.4 mA and showed about 10% instability within the measurement window. This indicates that the diamondaceous carbon film is more than two times improved over the coated Si tip.
본 발명에 따르면, 유리화 비정형 탄소의 분말을 유리 기판 위에 형성된 금속 전극상에 전기 영동법으로 도포함으로써, 평판 표시 소자나 진공 전자 소자에 적합한 전계 방출 음극을 제조하게 되며, 이러한 음극은 전계 방출의 효율이나 안정성 면에서 뛰어난 효과를 나타낸다.According to the present invention, by applying a powder of vitrified amorphous carbon on a metal electrode formed on a glass substrate by electrophoresis, a field emission cathode suitable for a flat panel display device or a vacuum electronic device is manufactured. Excellent effect in terms of stability.
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