KR20020041497A - cathode structure and its manufacturing method for a CRT using an electron emission source of carbon nano tube - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄소나노튜브 전자방출원을 이용한 음극선관용 음극의 제조방법과그 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CRT용 음극으로서 고온 CVD법으로 실리콘 기판위에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는데 있어서 전자방출의 균일성을 향상시키기 위하여 마스크를 이용하여 금속파티클을 일정한 패턴으로 기판 위에 형성시키고 그 형성된 금속 파티클 위에 탄소나노튜브를 성장시키는 방법과 이러한 방식으로 형성된 탄소나노튜브가 전자방출원으로 사용되는 CRT의 음극에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a cathode for a cathode ray tube using a carbon nanotube electron emission source, and more particularly to a structure for producing a cathode for a cathode ray tube. In order to improve uniformity, metal particles are formed on a substrate using a mask in a predetermined pattern, and carbon nanotubes are grown on the formed metal particles, and CRT cathodes in which carbon nanotubes formed in this manner are used as electron emission sources. It is about.
일반적으로 사용되어지고 있는 음극선관(CRT)용 음극은, 외부로부터 인가되는 전압에 의해 가열되는 히터를 이용하여 음극을 가열하며, 그 가열된 음극으로부터 열전자가 방출되고, 또한 전계를 인가함으로써 원하는 소정의 전류량을 얻을 수 있었다.A cathode for a cathode ray tube (CRT), which is generally used, heats a cathode by using a heater heated by a voltage applied from the outside, and heat electrons are emitted from the heated cathode, and a desired predetermined value is applied by applying an electric field. The amount of current was obtained.
그러나 위와 같은 일반적인 음극선관용 음극에는, 그 음극을 가열하기 위한 히터를 필요로 함에 따라 열적인 문제 즉, 금속 부분의 열변형과 함께 히터 사용에 따른 에너지 소모 등의 문제가 있으며, 또, 고전류 동작이 불가능한 문제점이 있다. 이들 문제를 해결하고자 냉음극을 사용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.However, the cathode for a typical cathode ray tube as described above requires a heater for heating the cathode, which leads to thermal problems, that is, thermal deformation of a metal part and energy consumption due to the use of a heater. There is an impossible problem. In order to solve these problems, studies are being actively conducted to use cold cathodes.
이러한 이유로 하여 음극선관용 음극으로 냉음극을 사용하게 되는 경우, 상기의 금속부분의 열변형 및 에너지소모 등의 문제가 해결될 뿐만 아니라, 고 전류동작, 포커스 특성개선, 음극선관의 전장단축, 및 음극선관의 제조비용이 절감되는 등의 장점을 가지게 된다.For this reason, when the cold cathode is used as the cathode for the cathode ray tube, not only problems such as thermal deformation and energy consumption of the metal parts are solved, but also high current operation, improved focus characteristics, shortening of the cathode ray tube, and cathode ray. The manufacturing cost of the pipe is reduced and the like.
도 1에는 종래의 음극선관용 냉음극 구조를 설명하기 위한 개략부분단면도가 도시되며, 도 1에 도시된 바와 같이, 패널(2), 펀넬(3), 전자총그리드(4), 슬리브(5), 및 냉음극전자방출에미터(6)를 포함하여 구성된다.1 is a schematic partial cross-sectional view illustrating a conventional cold cathode structure for a cathode ray tube, and as shown in FIG. 1, the panel 2, the funnel 3, the electron gun grid 4, the sleeve 5, And a cold cathode electron emission emitter 6.
또한, 음극선관(1)에는 잔류가스(8)와 형광체로부터 나온 설파이드(Sulfide)계 가스 등이 존재하며, 그 설파이드 계 가스 및 잔류가스(8)가 상기 음극선관(1)내에서 이온 운동된다.In the cathode ray tube 1, a residual gas 8 and a sulfide gas from the phosphor are present, and the sulfide gas and the residual gas 8 are ion-moved in the cathode ray tube 1. .
그와 같이 구성되는 음극선관용 냉음극 구조는, 외부에서 인가되는 전압에 의해 냉음극전자방출에미터(6)에서 전자빔(7)이 방출되며, 전자총그리드(4)에서는 상기 냉음극전자방출에미터(6)에서 방출된 전자빔(7)을 제어하고, 집속 및 가속시켜 패널(2)을 향해 방출시키게 된다. 이에 따라 상기 패널(2)의 내면에 형성된 형광층(도시하지 않음)이 발광되어 화면을 구현하게 된다.In the cold cathode structure for a cathode ray tube configured as described above, the electron beam 7 is emitted from the cold cathode electron emission emitter 6 by a voltage applied from the outside, and in the electron gun grid 4, the cold cathode electron emission emitter. The electron beam 7 emitted from 6 is controlled, focused and accelerated to emit toward the panel 2. Accordingly, the fluorescent layer (not shown) formed on the inner surface of the panel 2 emits light to implement the screen.
종래의 음극선관용 냉음극 구조는, 서멀 CVD(thermal chemical vapor deposition)법으로 금속 기판 위에 일정한 간격을 두지 않고, 촘촘히 직접 탄소나노튜브를 성장시키는 것이다. 그 이외에 실리콘으로 제조된 스핀트타입(spindt type)의 냉음극이나, 탄소봉을 소정의 가스분위기에서 아크 방전시켜 제조한 카본 나노튜브를 소정의 정제공정을 거쳐 불순물을 제거하고 이를 소정의 용매에 현탁시켜 음극 구조체위에 실크 스크린과 같은 방법으로 코팅하여 사용하고 있다.The conventional cold cathode structure for cathode ray tubes is to grow carbon nanotubes densely and directly without space at regular intervals on a metal substrate by thermal CVD (thermal chemical vapor deposition). In addition, spindt-type cold cathodes made of silicon or carbon nanotubes prepared by arc discharge of carbon rods in a predetermined gas atmosphere are subjected to a predetermined purification process to remove impurities and suspended in a predetermined solvent. It is used to coat the cathode structure by the same method as silk screen.
그러나, 스핀트타입의 경우 전자 방출특성이 관내 잔류가스에 따라 상당히 변화가 심하고 이온충격에 약하여 관내 진공도가 나쁠 경우 전자가 방출되는 팁(tip)이 이온충격으로 손상되어 전자 방출 특성이 현저히 저하되는 단점이 있다. 따라서, 이의 실용화를 위해서는 CRT의 진공도를 기존보다 상당히 향상시키지 않으면 사용이 불가능하다.However, in the case of spin type, the electron emission characteristics vary considerably depending on the residual gas in the tube, and if the vacuum in the tube is poor because the electron emission characteristics are weak, the tip of the electron is damaged by ion bombardment and the electron emission characteristic is significantly degraded. There are disadvantages. Therefore, for its practical use, it cannot be used unless the vacuum degree of the CRT is significantly improved than before.
또, 아크로 성장시킨 카본 나노튜브를 사용하는 경우, 즉, 탄소봉을 소정 가스분위기에서 방전시켜 탄소나노튜브를 성장시킬 경우, 불순물이 상당 포함되므로 정제 공정이 필요하고, 또한 정제후 이를 소정 용매에 분산시킨 다음, 바인더와 섞어야 원하는 금속 위에 코팅할 수 있으므로 금속과 탄소나노튜브의 접촉 저항이 커져 전자방출도중 접촉부에 쥬울(joule)열 발생으로 인해 전자 방출특성의 경시변화가 발생하는 단점이 있다.In addition, when using carbon nanotubes grown by arc, that is, when carbon nanotubes are grown by discharging carbon rods in a predetermined gas atmosphere, a purification process is required because impurities are substantially included, and after purification, they are dispersed in a predetermined solvent. After mixing with the binder to coat the desired metal, the contact resistance between the metal and the carbon nanotube increases, resulting in a change in electron emission characteristic due to the generation of joule heat in the contact portion during the electron emission.
상기 방법들의 단점을 극복하기 위하여 탄소나노튜브를 실리콘이나 금속 기판 위에 직접 성장시키는 방법이 도입되었다. 이 방법은 주로 실리콘이나 금속기판위에 열산화막을 형성시킨 다음, 그 위에 코발트, 니켈, 철 등의 전이금속을 스파터링이나 전자빔 증착법을 이용하여 필름을 형성하고 약 800℃로 기판을 승온시켜 금속 핵을 형성한 후 메탄이나 아세틸렌 등의 탄소화합물 개스를 흘려주어 금속 핵 위에 탄소나노튜브를 형성한다. 그러나 이렇게 형성된 탄소나노튜브는 밀도 조절이 어렵고 밀도가 너무 높아 전계방출 물질로 사용할 때 전계집중이 잘 안되며 주로 가장자리에서만 전자가 방출되는 단점을 지니고 있다.In order to overcome the drawbacks of the above methods, a method of directly growing carbon nanotubes on a silicon or metal substrate has been introduced. This method mainly forms a thermal oxide film on silicon or a metal substrate, and then forms a film on the transition metal such as cobalt, nickel, iron, etc. by sputtering or electron beam evaporation and heats the substrate to about 800 ° C. After forming the carbon nanotubes by flowing a carbon compound gas such as methane or acetylene to form a carbon nanotube on the metal nucleus. However, the formed carbon nanotubes are difficult to control the density and the density is so high that when used as a field emission material, the field concentration is not good, and electrons are emitted only at the edge.
따라서, 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 탄소나노튜브를 실리콘 기판 위에 직접 성장시키는데 있어 탄소나노튜브의 밀도를 조절하므로써 전체 기판 면적에 걸쳐 전계 집중이 잘되어 전자방출이 용이하도록 하고, 나아가, 고전류동작특성 및 포커스특성을 개선시키며, 음극선관의 전장을 단축시킬 수 있고, 음극선관의 제조비용을 절감시킬 수 있는 탄소나노튜브 전자방출원을 이용한 음극선관용 음극의 제조방법과 그 구조를 제공하는 데에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been invented to solve the above problems, and by controlling the density of carbon nanotubes in growing carbon nanotubes directly on a silicon substrate, the electric field is well concentrated over the entire substrate area, resulting in electron emission. A method of manufacturing a cathode for a cathode ray tube using a carbon nanotube electron emission source capable of facilitating, further improving the high current operating characteristics and focus characteristics, shortening the electric field of the cathode ray tube, and reducing the manufacturing cost of the cathode ray tube. And its purpose is to provide the structure.
도 1은 종래의 음극선관용 냉음극 구조를 도시한 개략부분단면도,1 is a schematic partial cross-sectional view showing a cold cathode structure for a conventional cathode ray tube;
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 이용한 음극선관용 음극의 제조방법의 과정과 그 구조를 도시한 개략부분단면도.2 to 4 are schematic partial cross-sectional views showing a process and a structure of a method of manufacturing a cathode for a cathode ray tube using a carbon nanotube electron emission source according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1: 음극선관2: 패널1: cathode ray tube 2: panel
3: 펀넬4: 전자총그리드3: Funnel 4: electron gun grid
5: 슬리브6: 냉음극전자방출에미터5: sleeve 6: cold cathode electron emission emitter
7: 전자빔8: 잔류가스7: electron beam 8: residual gas
10: 실리콘 기판14: 탄소나노튜브10 silicon substrate 14 carbon nanotube
12: 금속핵20: 마스크12: metal core 20: mask
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 이용한 음극선관용 음극의 구조는, 음극선관(1)의 패널(2)에 화면을 구현하기 위해 전자빔(7)을 방출하는 냉음극전자방출에미터(6)을 형성하는 음극선관용 음극의 구조에 있어서: 실리콘기판(10) 위에 소정의 패터닝으로 형성된 금속핵(12)과, 그 금속핵(12) 및 실리콘기판(10)사이에 성장된 탄소나노튜브(14)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The structure of the cathode for the cathode ray tube using a carbon nanotube electron emission source according to an embodiment of the present invention to achieve this object, the electron beam (7) to implement a screen on the panel 2 of the cathode ray tube (1) In the structure of a cathode for a cathode ray tube which forms a cold cathode electron-emitting emitter 6 to emit: A metal core 12 formed by predetermined patterning on a silicon substrate 10, the metal core 12 and a silicon substrate ( 10) characterized in that it comprises a carbon nanotube (14) grown between.
또한, 본 발명은, 음극선관(1)의 패널(2)에 화면을 구현하기 위해 전자빔(7)을 방출하는 냉음극전자방출에미터(6)을 형성하는 음극선관용 음극의 제조방법에 있어서: 마스크(20)를 통해 실리콘기판(10) 위에 금속을 코팅하여 패터닝된 금속 필름을 형성하는 단계; 그 금속필름의 온도를 높여서 둥근 형태의 균일한 크기의 금속핵(12)을 형성하는 단계; 그리고, 그 금속핵(12)위에 탄화수소 기체를 흘려주어 탄소나노튜브(14)가 성장하도록 하는 단계를 포함하여 구성됨으로써 그 탄소나노튜브(14)가 성장된 실리콘기판(10)을 음극선관의 음극으로 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전자방출원을 이용한 음극선관용 음극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention, in the method for producing a cathode for a cathode ray tube to form a cold cathode electron emission emitter (6) for emitting an electron beam (7) to implement a screen on the panel 2 of the cathode ray tube (1): Coating a metal on the silicon substrate 10 through the mask 20 to form a patterned metal film; Raising the temperature of the metal film to form a metal core 12 of uniform size in a round shape; And flowing a hydrocarbon gas over the metal nucleus 12 to allow the carbon nanotubes 14 to grow, thereby allowing the silicon substrate 10 on which the carbon nanotubes 14 have been grown to have the cathode of the cathode ray tube. It provides a method for producing a cathode for a cathode ray tube using a carbon nanotube electron emission source, characterized in that used as.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 이용한 음극선관용 음극의 구조가 도시된다.6 shows a structure of a cathode for a cathode ray tube using a carbon nanotube electron emission source according to an embodiment of the present invention.
그 음극의 구조는, 도 6에서 실리콘기판(10)의 상면에 소정의 패터닝으로 금속핵(12)이 형성되고, 그 금속핵(12)의 아래로 금속핵(12)을 밀어올리면서 탄소나노튜브(14)가 성장되어 구성된다. 그 탄소나노튜브(14)가 성장된 실리콘기판(10)이 냉음극전자방출에미터(6)로서 사용되는 것이다.In the structure of the cathode, the metal nucleus 12 is formed on the upper surface of the silicon substrate 10 by a predetermined pattern in FIG. 6, and the carbon nano 12 is pushed up under the metal nucleus 12. The tube 14 is grown and constructed. The silicon substrate 10 on which the carbon nanotubes 14 are grown is used as the cold cathode electron emission emitter 6.
이를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 마스크(20)를 통해 실리콘기판(10) 위에 금속을 코팅하여 패터닝된 금속 필름을 형성한다.In the method according to the present invention for manufacturing this, first, as shown in Figure 2, by coating a metal on the silicon substrate 10 through the mask 20 to form a patterned metal film.
그 코팅은, 전자빔 증발(electron beam evaporation) 혹은 스파터링에 의해 마스크(20)의 구멍을 통해 증착되어 패터닝된 금속필름을 형성할 수 있으며, 금속은 Co, Ni, Fe 중에서 선택되고, 금속필름은 실리콘이나 기판 위에 3∼30A 두께로 증착한다. 또, 마스크(20)의 형태는 일예로서 사각형 형태의 열린 구조로 하고, 변의 길이를 5에서 200㎛, 피치를 10에서 200㎛으로 한다.The coating can be deposited through holes in the mask 20 by electron beam evaporation or spattering to form a patterned metal film, the metal being selected from Co, Ni, Fe, and the metal film Deposit 3-30 A thick on silicon or substrate. As an example, the shape of the mask 20 is an open structure in the form of a rectangle, and the length of the sides is 5 to 200 µm and the pitch is 10 to 200 µm.
그 뒤, 그 금속필름의 온도를 높여서 도 3에 도시된 바와 같이 둥근 형태의 균일한 크기의 금속핵(12)을 형성한다. 구체적으로는 금속필름이 소정의 패턴으로 형성된 실리콘기판(10)을 석영 보트에 올린 다음, 석영 튜브 노안에 위치한 석영 튜브 반응기 안에 삽입하고, 노를 700℃이상의 온도(바람직하게는 약800℃)로 가열한다.Then, the temperature of the metal film is raised to form a metal core 12 of uniform size in a round shape as shown in FIG. Specifically, the silicon substrate 10 having a metal film formed in a predetermined pattern is placed on a quartz boat, and then inserted into a quartz tube reactor located in a quartz tube furnace, and the furnace is heated to a temperature of 700 ° C. or higher (preferably about 800 ° C.). Heat.
이와 같이 가열하여 도 3에서와 같이 금속핵(12)이 형성된 다음, 그 금속핵(12)위에 탄화수소 기체를 흘려주어 탄소나노튜브(14)를 성장시킨다. 그 탄화수소 기체는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄, 페로신(Ferrocene) 중에서 적어도 하나로 선택되어지며, 그 탄화수소 기체는 적어도 700℃이상의 온도에서 활성화되어 금속핵(12)을 촉매로 하여 탄소나노튜브(14)가 성장되게 된다.As such, the metal core 12 is formed as shown in FIG. 3, and then a hydrocarbon gas is flowed over the metal core 12 to grow the carbon nanotubes 14. The hydrocarbon gas is selected from at least one of acetylene, ethylene, methane, and ferrocene, and the hydrocarbon gas is activated at a temperature of at least 700 ° C. so that the carbon nanotubes 14 are catalyzed by the metal core 12. Will grow.
이와 같이 하여 탄소나노튜브(14)가 성장된 실리콘기판(10)을 음극선관의 음극으로 사용하는 것이다.In this way, the silicon substrate 10 on which the carbon nanotubes 14 are grown is used as the cathode of the cathode ray tube.
본 발명은 금속으로 패터닝된 실리콘 기판 위에 탄소나노튜브를 성장시키기 때문에 탄소나노튜브의 밀도를 조절하기 쉽고, 그 조절된 밀도로 인하여 전계집중 효과를 향상시킬 수 있어 전자방출능력을 향상시키고 전체면적에 걸쳐 균일하게 전자가 방출될 수 있다는 장점을 지닌다.The present invention is easy to control the density of the carbon nanotubes by growing the carbon nanotubes on the silicon substrate patterned with a metal, the field density effect can be improved due to the adjusted density to improve the electron emission ability and to the overall area It has the advantage that electrons can be emitted uniformly over.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 이용한 음극선관용 음극의 제조방법과 그 구조의 구성과 작용에 의하면, 마스크를 이용하여 금속파티클을 일정한 패턴으로 기판 위에 형성시키고 그 형성된 금속 파티클 위에 탄소나노튜브를 성장시키는 방법과 이러한 방식으로 형성된 탄소나노튜브가 전자방출원으로 사용함으로써 탄소나노튜브의 밀도를 조절할 수 있고 이에 따라 전체 기판 면적에 걸쳐 전계 집중이 잘 되어 전자방출이 용이하도록 하고, 나아가, 고전류동작특성 및 포커스특성을 개선시키며, 음극선관의 전장을 단축시킬 수 있고, 음극선관의 제조비용을 절감시킬 수 있는 등의 효과가 있다.According to the method of manufacturing a cathode for a cathode ray tube using a carbon nanotube electron emission source and the structure and function of the structure according to the embodiment of the present invention described above, a metal particle is formed on a substrate using a mask and formed on the substrate. By growing carbon nanotubes on metal particles and using carbon nanotubes formed as electron emission sources, the density of carbon nanotubes can be controlled and electron concentration is easily concentrated across the entire substrate area. In addition, it is possible to improve the high current operating characteristics and focus characteristics, to shorten the electric field of the cathode ray tube, and to reduce the manufacturing cost of the cathode ray tube.
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| KR100490112B1 (en) * | 2001-09-10 | 2005-05-17 | 캐논 가부시끼가이샤 | Method of producing fiber, and methods of producing electron-emitting device, electron source, and image display device each using the fiber |
| KR100806129B1 (en) * | 2006-08-02 | 2008-02-22 | 삼성전자주식회사 | Method of forming a carbon nanotube |
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