KR100588738B1 - Electron emitter and manufacturing method of electron emitter - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나의 기판에 배치된 절연층 내에 전도성 실린더 영역을 구비하는 전자방출기에 관한 것이다. 상기 전도성 실린더 영역은 절연층의 표면에 대하여 수직으로 배치되고, 상기 절연층의 두께 전체에 걸쳐 직선 형태로 서로 평행하게 정렬되며 균일한 전도성 채널로 형성된다. 이러한 전자방출기를 만들기 위한 본 발명의 방법에 따르면, 두께가 40 ㎚ 내지 1000 ㎚ 사이인 절연층을 기판상에 설치한다. 그 다음에 상기 절연층을 상기 절연층의 표면에 대하여 수직으로 에너지가 많은 중이온에 균일하게 노출시킨다. 상기 이온의 에너지는 상기 절연층의 두께 전체에 걸쳐 절연층의 구조를 바꾸기에 충분한 고에너지 증착을 보장한다. 또한 상기 이온의 조사량은 상기 절연층에 통계학적으로 스트라이킹되는 이온의 평균 간격을 지니고, 상기 간격은 20 ㎚ 및 1000 ㎚ 사이이다.The present invention relates to an electron emitter having a conductive cylinder region in an insulating layer disposed on one substrate. The conductive cylinder regions are disposed perpendicular to the surface of the insulating layer, are arranged in parallel with one another in a straight line form throughout the thickness of the insulating layer and are formed of uniform conductive channels. According to the method of the present invention for making such an electron emitter, an insulating layer having a thickness of between 40 nm and 1000 nm is provided on the substrate. The insulating layer is then uniformly exposed to energetic heavy ions perpendicular to the surface of the insulating layer. The energy of the ions ensures high energy deposition sufficient to alter the structure of the insulating layer throughout the thickness of the insulating layer. In addition, the irradiation amount of ions has an average interval of ions statistically striated on the insulating layer, and the interval is between 20 nm and 1000 nm.

Description

전자방출기 및 전자방출기의 제조방법{ELECTRON EMITTER AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}ELECTRON EMITTER AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME

본 발명은 하나의 기판에 배치된 절연층내에, 그 절연층의 표면에 대하여 수직으로 설치되는 전도성 실린더 영역(conductive cylindrical areas)을 구비하는 전자방출기 및 전자방출기를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electron emitter and a method for manufacturing an electron emitter having conductive cylindrical areas provided perpendicularly to the surface of the insulating layer in an insulating layer disposed on one substrate.

카본-나노관(carbon-nano tube)으로 이루어진 평면 스크린용 전자방출기에 대하여 사이언스(SCIENCE), VOL. 270, 1995. 11. 17, pp. 1179-1180에 기재되어 있다. 하나의 전도성 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 베이스 상에 있는 수만 개의 나노관을 기판에 나란히 배치할 수 있다. 기판 재료의 표면에 대하여 대체로 수직 방향에 있는 나노관들로부터 대형 평면 필름이 생겨나고, 나노관의 직경은 약 10 ±5 ㎚ 이고 길이는 약 1 ㎛ 이었다. 여러 개의 벽으로 이루어진 카본-나노관은 고강도의 카본-아크를 이용하여 헬륨 대기에서 만들어지고, 이에 이어서 추출되며, 초음파를 이용하여 에타놀에 분산되었다. 이렇게 얻어진 나노관-현수(nanotube- suspension)의 액상은 세라믹 필터를 이용하여 제거하였다. 이때 필터의 표면에 형성된 필름은 최종적으로 PTFE 포일에 압착되고 그곳에 부착된다. 그러나 제조 방법상 모든 나노관을 기판에 수직으로 배열하지는 못한다. 따라서 균일하지 못한 방출이 생겨 전자방출층이 불안정해진다.For flat screen electron emitters consisting of carbon-nanotubes SCIENCE, VOL. 270, November 17, 1995, pp. 1179-1180. Tens of thousands of nanotubes on one conductive PTFE (polytetrafluoroethylene) base can be placed side by side on the substrate. Large flat films resulted from nanotubes generally perpendicular to the surface of the substrate material, the nanotubes having a diameter of about 10 ± 5 nm and a length of about 1 μm. Multi-walled carbon-nanotubes were made in the helium atmosphere using high-strength carbon-arc, followed by extraction and dispersed in ethanol using ultrasonic waves. The liquid phase of the nanotube-suspension thus obtained was removed using a ceramic filter. At this time, the film formed on the surface of the filter is finally pressed into the PTFE foil and attached thereto. However, not all nanotubes are arranged perpendicular to the substrate due to the manufacturing method. Therefore, uneven emission occurs and the electron emitting layer becomes unstable.

케미칼 피직스 레터즈(Chemical Physics Letters), 299(1999), 97-102 는 정렬된 개방형 나노관들이 화학증기증착(CVD;Chemical Vapour Deposition)에 의하여 직접 커지는 것에 관하여 보고하고 있다. 대체로 수직 배열되고 분리된 나노관들을 제조하는 데에는 비교적 많은 비용이 든다. 또한 비용을 많이 들인다 해도 나노관의 비균일적인 정렬이 잔존하기 때문에 전자방출층의 안정성을 근본적으로 개선할 수 없었다. 또한 앞의 두 가지 방법에 따라 제조되고 나노관들만 포함하는 층들이 기계적으로 불안정하기 때문에, 전기적 불안정성 역시 초래된다.Chemical Physics Letters, 299 (1999), 97-102, report on the direct growth of aligned open nanotubes by chemical vapor deposition (CVD). In general, it is relatively expensive to manufacture vertically aligned and separated nanotubes. In addition, even if the cost is high, the non-uniform alignment of the nanotubes remains, so the stability of the electron emission layer cannot be fundamentally improved. In addition, electrical instability is also caused because the layers prepared according to the above two methods and containing only nanotubes are mechanically unstable.

유럽특허 EP 0 609 532에 기재된 전자방출기의 경우, 전자를 방출하는 층은 다이아몬드 또는 다이아몬드류 카본 재료에서 나온 수화층이다. 이 수화층은 전기 및/또는 전자활성 결함부위(active defect)를 내포한다. 이 결함부위는 수화층에서 수화층의 표면과 간격을 두고 떨어져 있거나, 정렬된 필라멘트로서 수화층의 표면에 대하여 45°내지 90°각도로 배열되기도 한다. 예를 들어, 빈 자리, 장애가 있는 자리, 중간 격자 자리 등도 결함 부위가 된다. 이러한 결함 부위는 수화층이 팽창하는 동안 이온주입(ion implantation)을 통하여 나중에라도 생겨날 수 있다. 이러한 경우 결정 격자의 결합 구조가 바뀜으로써 결함 부위들이 생겨난다.In the case of the electron emitter described in EP 0 609 532, the layer emitting electrons is a hydration layer derived from diamond or diamond-like carbon material. This hydration layer contains electrical and / or electroactive defects. These defects may be spaced apart from the surface of the hydration layer in the hydration layer, or may be arranged at an angle of 45 ° to 90 ° with respect to the surface of the hydration layer as aligned filaments. For example, a vacant position, an impaired position, an intermediate lattice position, and the like also become defective sites. Such defect sites can occur later through ion implantation while the hydration layer is expanding. In this case, defect sites are generated by changing the bonding structure of the crystal lattice.

소책자 " VDI 기술공학센터 물리기술공학(VDI Technologiezentrum Physikal- ische Technologien) / 기술공학 조기 인식(Technolgiefruherkennung) / '나노관' 전문가 워크샵 결과(Ergebnisse des Expertenworkshops 'Nanorohren') 1998.7.2. / 미래의 기술공학(Zukunftige Technologien) 제27호(P. 82 ff.) " 에서는 이미 언급된 방식대로 진공 아크를 이용한 카본의 분리 외에, 레이저-아크 코팅에 대해서도 다루고 있다. 이 방법 역시 완벽하게 균일한 층을 제공하지는 못하므로 불안정성을 초래한다. 또한 이 소책자에 나타난 구상에 따르면, 최적의 층구조는 표면에 대하여 수직 방향에 있는 흑연(따라서 전도성이 있는) 나노 실린더로 이루어질 수 있는데, 이 나노 실린더는 다이아몬드와 유사한(따라서 절연체인) 매트릭스내로 삽입된다. 그러나 종래의 기술에 따라 알려진 방법들로는 최적의 구조를 실현할 수 없다.Booklet "VDI Technologiezentrum Physikal-ische Technologien / Technology early recognition (Technolgiefruherkennung) / Results of the 'Nano-tube' expert workshop (Ergebnisse des Expertenworkshops 'Nanorohren') 1998.7.2. (Zukunftige Technologien) No. 27 (P. 82 ff.) Deals with laser-arc coating in addition to the separation of carbon with vacuum arc in the manner already mentioned. This method also does not provide a perfectly uniform layer, resulting in instability. Also, according to the concept shown in this booklet, the optimal layer structure can be made of graphite (and therefore conductive) nanocylinders that are perpendicular to the surface, which are inserted into a diamond-like (and thus insulator) matrix. do. However, the methods known in the prior art cannot realize the optimum structure.

따라서 본 발명의 목적은 하나의 기판에 배치된 절연층 내에, 그 절연층의 표면에 대하여 수직으로 설치되는 전도성 실린더 영역을 구비하는 기계적 및 전기적으로 균일하고 안정적인 전자방출기 및 그 전자방출기를 제조하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.It is therefore an object of the present invention to manufacture a mechanical and electrical uniform and stable electron emitter and an electron emitter having an electrically conductive cylinder region installed perpendicularly to the surface of the insulating layer in an insulating layer disposed on one substrate. To provide a way.

본 발명의 목적은 이와 같은 전자방출기의 전도성 실린더 영역들이 절연층의 전체 두께에 걸쳐 직선 형태로 서로 평행하게 정렬되며 균일한 전도성 채널로 형성됨으로써 달성된다.The object of the present invention is achieved by the conductive cylinder regions of such electron emitters being aligned in parallel with one another in a straight line over the entire thickness of the insulating layer and formed into uniform conductive channels.

본 발명의 실시 형태에서, 절연층은 다이아몬드류 카본층이거나 입방체의 붕 산 질화물(boron nitride)로 이루어진 층이다. 균일한 전도성 채널이 삽입된 다이아몬드류 카본층의 두께는 100 ㎚인 것이 바람직하다.In an embodiment of the present invention, the insulating layer is a diamond-like carbon layer or a layer made of cubic boron nitride. The thickness of the diamond-like carbon layer in which the uniform conductive channel is inserted is preferably 100 nm.

전도성 실린더 영역들은 서로 평행이고 절연층의 표면에 대하여, 수직으로 형성되며, 그 절연층 내에 삽입되는 균일한 전도성 채널로 형성하면, 절연층이 기계적 및 전기적으로 안정되어서 절연층의 균일하고 안정적인 방출이 보장된다.The conductive cylinder regions are formed parallel to each other and perpendicular to the surface of the insulating layer, and formed into a uniform conductive channel inserted into the insulating layer, the insulating layer is mechanically and electrically stable so that uniform and stable release of the insulating layer is achieved. Guaranteed.

본 발명에 의한 전자방출기를 제조하기 위한 방법에 따르면, 우선 하나의 기판에 두께가 40 ㎚ 내지 1000 ㎚ 사이인 절연층을 설치하고, 이에 이어서 그 절연층을 그 표면에 대하여 수직으로 에너지가 많은 중이온(heavy ion)에 균일하게 노출시킨다. 여기에서 이온은 절연층의 전체 두께에 걸쳐 절연층의 구조를 바꾸기에 충분한 고에너지 증착을 보장하는 에너지를 가진다. 이온의 조사량(dose)은 상기 절연층에 통계학적으로 스트라이크(strike)되는 이온들의 평균 간격을 지니며, 그 간격은 20 ㎚ 내지 1000 ㎚ 사이이다.According to the method for manufacturing an electron emitter according to the present invention, first, an insulating layer having a thickness of between 40 nm and 1000 nm is provided on one substrate, and then the insulating layer is energized with heavy ions perpendicular to the surface thereof. even exposure to heavy ions. The ions here have energy to ensure high energy deposition sufficient to alter the structure of the insulating layer over the entire thickness of the insulating layer. The dose of ions has an average spacing of ions that are statistically striked in the insulating layer, the spacing being between 20 nm and 1000 nm.

본 발명에 따른 방법으로 인하여 처음으로 나노 전선의 제조가 가능해졌다. 즉 절연층에서 절연층 전체 두께에 걸쳐 전기 전도성의 얇은 채널(이온 트랙)의 제조가 가능해진 것이다. 이 채널들의 단부는 얇은 첨예부로 작용한다. 전기장을 인가하면 이 첨예부에서 자장력이 현저히 증가한다. 이렇게 제조된 나노 전선은 직선이고 서로 평행하게 형성되며 기판에 대하여 수직으로 배치됨으로써, 전기적 균일성이 양호하고 방출 품질에 나타나는 편차가 확실하게 작아진다. 본 발명에 의한 방법으로 제조된 전자방출기의 안정성은 나노 전선을 대단히 안정적인 절연 결정 구조 내에 삽입함으로써 보장된다. 본 발명에 의한 방법으로 대략 직경이 동 일하고 구조가 동일한 전도성 채널의 제조가 가능해진다. 이로써 균등한 방출에 더욱 도움이 된다.The process according to the invention makes for the first time the manufacture of nanowires. In other words, it is possible to manufacture an electrically conductive thin channel (ion track) over the entire thickness of the insulating layer. The ends of these channels act as thin sharp edges. Applying an electric field significantly increases the magnetic field force in this sharp part. The nanowires thus produced are straight, parallel to each other, and disposed perpendicular to the substrate, so that the electrical uniformity is good and the variation in emission quality is surely small. The stability of the electron emitter produced by the method according to the invention is ensured by inserting the nanowires into a highly stable insulating crystal structure. The method according to the invention makes it possible to produce conductive channels of about the same diameter and the same structure. This further aids in even release.

본 발명에 의한 방법은 예를 들어 평면 스크린을 위해 대형 평면의 안정적인 전계 방출 음극(field emission cathode)을 제조하는 데 적합하다.The method according to the invention is suitable for producing large planar, stable field emission cathodes, for example for flat screens.

본 발명의 실시형태에서는 에너지가 많은 중이온으로, 에너지가 240 MeV이고 조사량이 5 ×1010 입자/㎠인 크세논-이온을 사용한다.In the embodiment of the present invention, xenon-ions having energy of 240 MeV and irradiation amount of 5 × 10 10 particles / cm 2 are used as heavy ions having high energy.

또 다른 실시형태에서는 절연층으로 다이아몬드류 카본층을 사용한다. 다이아몬드류 카본층에 에너지가 많은 중이온으로 충격을 가하면, 국부적 에너지 증착 때문에 카본층의 전체 두께에 걸쳐 그 흔적을 따라 카본-원자의 배열이 변경된다. 이때 다이아몬드류의 절연성 sp3 결합은 흑연류의 전기 전도성 sp2 결합으로 바뀐다. 이온 자체는 기판에서 비로소 정지한다.In another embodiment, a diamond-like carbon layer is used as the insulating layer. When a diamond-like carbon layer is bombarded with energetic heavy ions, the arrangement of carbon-atoms changes along its traces over the entire thickness of the carbon layer due to local energy deposition. At this time, the insulating sp 3 bond of diamonds is changed to the electrically conductive sp 2 bond of graphite. The ions themselves stop at the substrate.

본 발명의 또 다른 실시형태에서 나타나는 바와 같이 입방체의 붕산 질화물로 이루어진 층을 절연층으로 사용하면, 중이온으로 인한 충격이 있을 때 이온 트랙을 따라 화학량론(stoichiometry)이 바뀐다. 이것은 복합된 다른 재료들에도 해당되고, 결국 이 채널의 전도 능력을 변화시킨다.As shown in another embodiment of the present invention, when a layer made of a borosilicate nitride of the cube is used as the insulating layer, stoichiometry changes along the ion track when there is an impact due to heavy ions. This also applies to other composite materials, which in turn change the conducting capacity of this channel.

어떤 실시형태에서는 이온 증착을 이용하여 다이아몬드류 카본층을 도핑 (dope) 처리된 규소 기판상에 설치한다. 또한 다이아몬드류 카본층의 두께는 100 ㎚인 것이 바람직하다.In some embodiments, a diamond-like carbon layer is installed on a doped silicon substrate using ion deposition. Moreover, it is preferable that the thickness of a diamond-like carbon layer is 100 nm.

본 발명은 하기의 실시예를 통해 보다 상세히 설명된다.The invention is explained in more detail through the following examples.

0.3 ㎚의 두께로 도핑 처리된 규소 기판상에, 실온에서 에너지 간격이 50 eV 내지 400 eV일 때 카본-이온의 직접적인 증착을 이용하여 두께가 100 ㎚인 다이아몬드류 카본층을 설치한다. 기판은 적어도 부분적으로 전극 공급에 적합하거나, 또는 이미 트리거 장치(trigger)를 포함할 수도 있다. 이에 이어서 다이아몬드류 카본층에, 에너지가 240 MeV이고 조사량이 5 ×1010 입자/㎠ 인 크세논-이온으로 충격을 준다. 크세논-이온의 스트라이킹은 통계학적으로 이루어지고, 노출된 평면 전체에 균일하게 분산된다. 노출된 평면의 원하는 크기는 상응하게 선택된 이온 빔의 횡단면 및/또는 노출될 평면의 스캔을 통하여 달성할 수 있다. 이온의 에너지는 에너지 손실이 다이아몬드류 카본층의 전체 두께에 걸쳐 실현될 수 있도록 선택된다. 본 실시예에서는 크세논-이온이 약 20 keV/㎚을 저장함으로써, 이온 트랙에서 카본 원자의 배열이 바뀌고, 다이아몬드류의 절연성 sp3 결합은 흑연의 전기 전도성 sp2 결합으로 바뀐다. 이로써 절연성 다이아몬드류 카본층 내에서 생성되는 전도성 나노 전선은 카본층을 둘러싸는 다이아몬드류 카본-매트릭스의 표면에 대해 수직으로 정렬된다.On a silicon substrate doped with a thickness of 0.3 nm, a diamond-like carbon layer having a thickness of 100 nm is installed by direct deposition of carbon-ions at an energy interval of 50 eV to 400 eV at room temperature. The substrate may be at least partially suitable for electrode supply, or may already include a trigger. Subsequently, the diamond-like carbon layer is bombarded with xenon-ions having an energy of 240 MeV and an irradiation amount of 5 × 10 10 particles / cm 2. Strike of the xenon-ions is statistical and is uniformly distributed throughout the exposed plane. The desired size of the exposed plane can be achieved through a cross section of the correspondingly selected ion beam and / or a scan of the plane to be exposed. The energy of the ions is selected such that energy loss can be realized over the entire thickness of the diamondlike carbon layer. In this embodiment, xenon-ion stores about 20 keV / nm, so that the arrangement of carbon atoms in the ion track is changed, and the insulating sp 3 bond of diamonds is changed to the electrically conductive sp 2 bond of graphite. Thus, the conductive nano wires generated in the insulating diamond-like carbon layer are vertically aligned with the surface of the diamond-like carbon-matrix surrounding the carbon layer.

Claims (11)

하나의 기판에 배치된 절연층 내에, 상기 절연층의 표면에 대하여 수직으로 설치되는 전도성 실린더 영역을 구비하는 전자방출기로서,An electron-emitting device having a conductive cylinder region disposed perpendicularly to the surface of the insulating layer in an insulating layer disposed on one substrate, 상기 전도성 실린더 영역은 상기 절연층의 두께 전체에 걸쳐 직선 형태로 서로 평행하게 정렬되며 균일한 전도성 채널로 형성되는 전자방출기.Wherein the conductive cylinder regions are aligned parallel to each other in a straight line form throughout the thickness of the insulating layer and are formed as uniform conductive channels. 제1항에서, 상기 균일한 전도성 채널내에 삽입되는 상기 절연층이 다이아몬드류 카본층인 전자방출기.The electron emitter of claim 1, wherein the insulating layer inserted into the uniform conductive channel is a diamond-like carbon layer. 제2항에서, 상기 다이아몬드류 카본층의 두께가 100 ㎚인 전자방출기.The electron emitter of claim 2, wherein the diamond-like carbon layer has a thickness of 100 nm. 제1항에서, 상기 균일한 전도성 채널에 삽입되는 상기 절연층이 입방체의 붕산 질화물(BN)로 이루어진 층인 전자방출기.The electron emitter of claim 1, wherein the insulating layer inserted into the uniform conductive channel is a layer made of boron nitride (BN) of a cube. 제1항에서, 상기 기판을 규소로 형성하는 전자방출기The electron emission device of claim 1, wherein the substrate is formed of silicon. 제1항에 따른 전자방출기를 제조하는 방법으로서,A method of manufacturing an electron emitter according to claim 1, 하나의 기판에 두께가 40 ㎚ 내지 1000 ㎚ 사이인 절연층을 설치하고,An insulating layer having a thickness of between 40 nm and 1000 nm is provided on one substrate, 이에 이어서 상기 절연층을 그 표면에 대하여 수직으로 에너지가 많은 중이온에 균일하게 노출시키고, 상기 이온의 에너지는 상기 절연층의 두께 전체에 걸쳐절연층의 구조를 변경하기에 충분한 고에너지 증착을 보장하는 정도이며, 상기 이온의 조사량은 상기 절연층에 통계적으로 스트라이킹되는 이온들의 평균 간격을 지니고, 상기 간격이 20 ㎚ 내지 1000 ㎚ 사이인 전자방출기 제조방법.Subsequently, the insulating layer is uniformly exposed to energetic heavy ions perpendicular to its surface, and the energy of the ions ensures high energy deposition sufficient to alter the structure of the insulating layer throughout the thickness of the insulating layer. Wherein the dose of the ion has an average spacing of ions statistically striated on the insulating layer, and the spacing is between 20 nm and 1000 nm. 제6항에서, 에너지가 많은 중이온으로, 에너지가 240 MeV이고 조사량이 5 ×1010 입자/㎠ 인 크세논-이온을 사용하는 전자방출기 제조방법.7. The method of claim 6, wherein xenon-ion having a heavy energy of 240 MeV and an irradiation dose of 5 x 10 10 particles / cm 2 is used. 제6항에서, 상기 절연층에 적합한 재료로, 다이아몬드류 카본을 사용하는 전자방출기 제조방법.7. The method of manufacturing an electron emitter using diamond carbon as a material suitable for the insulating layer. 제6항에서, 상기 절연층에 적합한 재로로, 입방체의 붕산 질화물을 사용하는 전자방출기 제조방법.7. The method of claim 6, wherein a cubic borate nitride is used as a material suitable for the insulating layer. 제8항에서, 이온 증착을 이용하여 상기 다이아몬드류 카본 층을 도핑 처리된 규소 기판에 설치하는 전자방출기 제조방법.The method of claim 8, wherein the diamond-like carbon layer is installed on the doped silicon substrate using ion deposition. 제8항에서, 상기 다이아몬드류 카본층의 두께가 100 ㎚인 전자방출기 제조방법.The method of claim 8, wherein the diamond-like carbon layer has a thickness of 100 nm.
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