KR20040111451A - 전계 전자방출 물질 및 그를 이용한 장치 - Google Patents

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KR20040111451A
KR20040111451A KR10-2004-7015462A KR20047015462A KR20040111451A KR 20040111451 A KR20040111451 A KR 20040111451A KR 20047015462 A KR20047015462 A KR 20047015462A KR 20040111451 A KR20040111451 A KR 20040111451A
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비숍휴
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Abstract

전계 전자방출 물질을 생성하는 방법에서, 적어도 102cm-2의 평균 밀도로 기판의 각각의 영역들에 다수의 방출 사이트를 생성시키기 위하여 기판의 각각의 영역들에 바나듐 또는 바나듐 화합물이 배치된다. 바람직하게는, 바나듐 또는 바나듐 화합물은 입자 형태를 가진다.

Description

전계 전자방출 물질 및 그를 이용한 장치{Field electron emission materials and devices}
고전적인 전계 전자방출에 있어서, 물질 표면에서의 전계가, 예를 들어 약 3×109Vm-1로 높으면 전자가 양자역학적 터널링에 의해 물질로부터 방출될 수 있는 포인트(point)로 표면 전위장벽의 두께를 감소시킨다. 원자적으로 뾰족한 포인트를 이용하여 필요한 조건을 실현함으로써 거시적인 전계를 집중시킬 수 있다. 낮은 일함수를 갖는 표면을 이용하여 전계 전자방출 전류를 더 증가시킬 수 있다. 전계 전자방출 매트릭스는 널리 알려져 있는 파울러-노르드하임(Fowler-Nordheim)식으로 표시된다.
뾰족한 포인트(팁)로부터의 전계 전자방출을 이용하는 전자 이미터 및 방출 어레이(electron emitters and emitting arrays)와 관련된 종래 기술이 많이 있다. 당업자들의 주요 목적은 100V 또는 그 이하의 인가 전위를 이용해서 필요한 정도의 높은 전계를 달성할 수 있도록 어퍼쳐(게이트)를 구비한 전극을 각각의 단일 방출 팁으로부터 1마이크로미터 미만 이격하여 위치시키는 것이다 - 이러한 이미터를 게이트 어레이라고 한다. 이것을 가장 먼저 실용적으로 실현한 경우는 캘리포니아의 스탠포드 리서치 인스티튜트에 근무하는 씨. 에이. 스핀트(C. A. Spindt)에 의해서 이었다(J Appl. Phys. 39, 7, pp 3504-3505, (1968)). 그 때 이후로, 이러한 이미터 어레이에 대한 개선이 제안되어져 오고 있는데, 그 중에는 양전기를 띤 성분들로 팁의 벌크 및 표면을 도우핑하는 것도 포함된다(US 5,772,488).
모든 팁 형태 방출 시스템의 주요한 문제점은 이온 폭격, 고 전류에서의 저항 가열 및 장치에서의 전기적인 고장으로 인해 야기되는 엄청난 손실에 의하여 시스템이 손상될 가능성이 많다는 것과 대면적의 장치를 제조하는 것은 어렵고 비용이 많이 소요된다는 사실이다.
1985년경에, 명목상으로 평평한 전계 이미터(flat field emitter) - 즉, 신중하게 고안된 팁을 요구하지 않는 전계 이미터를 제공하도록 다이아몬드 박막이 성장될 수 있다는 것이 발견되었다. 3MVm-1정도의 낮은 전계로 넓은 면적의 다이아몬드로부터 전계 전자방출 전류를 얻을 수 있다는 것이 왕(Wang) 등에 의하여 보고되었다(Electron. Lett., 27, pp 1459-1461(1991)). 일부 당업자들은 이러한 성능이 다이아몬드 면(111)의 낮은 전자 친화도와 국소적이고 우연적인 고밀도 그래파이드 함유물의 복합적인 효과 때문이라고 믿고 있으나(Xu, Latham and Tzeng: Electron. Lett., 29, pp 1596-159(1993)), 다르게 설명되기도 한다. 그 이후에 곧, 탄소 나노튜브(CNTs)가 전형적인 전계 방출 구조물로서 알려지게 되었다. 이러한 구조물이 전계 방출을 하는 것을 실현함으로써 높은 전계에서 그것들의 성장이 해명되어졌을 뿐만이 아니라(Colbert et al. : Science, 266, pp 1218-1222(1994)), CNTs를 포함하는 전자 소스가 보고되었다(Rinzler et al. : Science, 269, pp 1550-1553(1995)).
순수하게 탄소가 주가 되는 방출 시스템의 주요한 문제점은 산화에 의하여 시스템이 손상을 입기가 쉽다는 것과, 일부 탄소가 주가 되는 막은 준안정 상태이고 기술적으로 유용한 전계 방출 소자를 제조하는데 요구되는 진공 파괴와 밀봉 공정에 적합하지 않다는 것이다. 게다가, CNTs를 벌크 성장시키게 되면 분리하거나 정화하기가 어려운, 다양한 여러 가지 타입의 나노 튜브가 엉켜있는 꾸러미가 생성되기 때문에, CNTs는 소자에 통합시키기가 어렵다. 이에 대한 대안으로서 제시된 방법인 인-시츄 촉매 성장 기술(in-situ catalytic growth technique)은 아직까지는 문제점을 내포하고 있는데, 왜냐하면 최고의 전계 방출 특성을 제공하는 아주 높은 수준의 결정성을 가지는 단일 벽 나노튜브 구조물 (또는 실제로는 단지 10층 정도의 흑연층으로 구성된 다중 벽 나노 튜브 구조물)을 만들어낼 수 있는 조건을 찾아내는 것이 아직까지는 가능하지 않았기 때문이다. 대신에, 상기 구조물은, 정열도가 떨어지는 흑연층으로 구성된 상대적으로 큰 직경의 탄소 섬유 또는 스터브(stub)이다.
진공 하에서의 전극간 전기 단락과 관련된 메커니즘을 연구 - 그리고 회피-하기 위하여 많은 연구가 이루어졌는데(e.g. Latham and Xu, Vacuum, 42, 18, pp 1173-1181(1991)), 금속-절연체-진공(MIV) 구조인 활성 사이트에서 상대적으로 평평한 표면을 전자들이 이탈하는 것으로 알려져 있다. 이것들은 매립된 유전체 입자 또는 금속의 표면 산화막과 같은 절연성 패치 상에 위치하는 도전성 플레이크(conducting flake)에 의하여 형성된다. 과학 논문, 예컨대 Latham, High Voltage Vacuum Insulation, Academic Press(1995)에 이러한 것들이 상세하게 기술되어 있다. 유사한 맥락으로, 베르너(Werner) 등의 의하여 최근에 보고된 바와 같이(Particle Accelerator Conference, 2001), 구리 또는 니오브(niobium) 전극 상에 위치하는 분쇄된 바나듐의 끝이 뾰족한 입자들은 전기적인 단락과 높은 전계 방출 전류 밀도를 야기하는 소망하지 않는 사이트(cite)를 형성시킨다.
그러한 연구 내용들에서 칭해지는 방출 사이트들은 소망하지 않는 결점들로서, 아주 작은 숫자로 간헐적으로 발생하며 그리고 진공 절연을 이용한 연구에서 주요한 목적은 이러한 소망하지 않은 결점들을 피하는 것이다. 예를 들어, 양적으로 평가했을 때, 그러한 방출 사이트들은 제곱 센티미터 당 단지 2-3개가 존재할 수 있으며, 그리고 103또는 104의 눈에 보이는 표면 결함 중에서 단지 하나가 그러한 소망하지 않고 예측할 수 없는 방출을 제공할 수도 있다.
따라서, 그러한 연구 내용들의 가르침은 진공 절연을 사용하는 방법을 개선하기 위하여 수많은 기술(예, 입자 가속기)에 채용되어 왔다.
본 발명은 전계 전자방출 물질 및 이 물질을 이용하는 장치에 관한 것이다.
본 발명을 보다 완전히 이해하고 본 발명의 실시예들이 구체화되는 방법을 보여주기 위하여 예시적으로 도시되어 있는 첨부된 도식적인 다음과 같은 도면을 참조한다:
도 1은 그 상부에 바나듐을 함유한 전구체가 증착되어 있으며, 후속 공정에서 열처리되어 상기 전구체가 배치되었던 영역에 바나듐을 함유한 위스커를 생성시키는 기판을 보여주는 도면이다.
도 2는 배면 콘택(back contact) 전극(캐소드)을 형성할 도전성 트랙이 그 상부에 증착되어 있으며, 다음으로 이 트랙의 일 영역 상에 바나듐을 함유한 전구체가 증착되어 있으며, 그 다음으로 상기 어셈블리를 열처리하여 상기 전구체가 배치되었던 영역에 바나듐을 함유한 위스커가 생성되는 것을 보여주는 도면이다.
도 3은 배면 콘택 전극(캐소드)을 형성할 도전성 트랙이 그 상부에 증착되어 있으며, 다음으로 상기 도전성 트랙의 일 영역 상부에 중간 전기 저항층(intermediate electrically resistive layer)이 배치되며, 그 다음으로 이 저항층의 일 영역 상에 바나듐을 함유한 전구체가 증착되며 그리고 상기 어셈블리를 열처리함으로써 상기 전구체가 배열되었던 영역에 바나듐을 함유한 위스커가 생성되는 것을 보여주는 도면이다.
도 4는 배면 콘택 전극(캐소드)을 형성할 도전성 트랙이 그 상부에 증착되어 있으며, 다음으로 상기 도전성 트랙의 일 영역 상부와 부분적으로 정렬되어서 상기 도전성 트랙의 일 측면 쪽으로 연장되도록 중간 전기 저항층이 배치되어 있으며, 그 다음으로 이 저항층의 일 영역 상에 바나듐을 함유한 전구체가 증착되며 그리고 상기 어셈블리를 열처리하여 상기 전구체가 배열되었던 영역에 바나듐을 함유한 위스커가 생성되는 것을 보여주는 도면이다.
도 5는 열처리에 의하여 배면 콘택 전극(캐소드)과 바나듐을 함유한 위스커 둘 다가 형성되는, 바나듐을 함유한 전구체를 가지는, 도전성 트랙이 그 상부에 증착되어 있는 기판을 보여주는 도면이다.
도 6은 제1 열처리에 의하여 부착성(adherent) 배면 콘택 전극이 형성되고, 그리고 후속 열처리에 의해서는 바나듐을 함유한 섬유가 성장될 수 있는 바나듐을 함유하는 전구체를 보여주는 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 대기 환경에서 바나듐을 함유한 전구체를 열처리하는데 사용되는 3개의 온도 프로파일을 보여주는 그래프와 그 각각에 대응하는 최종적인 결과물인 바나듐을 함유한 위스커의 모폴로지(morphology)를 보여주는 주사 전자 마이크로그래프(scanning electron micrograph)를 보여주는 도면이다.
도 8은 프로브(probe)를 사용하여 측정한 전계 방출 데이터의 진동수 히스토그램을 보여주는 그래프이다.
도 9a 내지 도 9c는 넓은 면적의 전계 전자 이미터의 실시예를 이용하는 장치의 예를 보여주는 도면이다.
이와는 대조적으로, 본 발명의 실시예에서는, 우연적이고 소망하지 않는 산발적인 이미터(sporadic emitter)를 성기게 포함하는 것과는 반대로, 상당히 큰 밀도의 방출 사이트를 의도적으로 가지도록 고안된 방출 물질을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예는, 장치 구조물에 통합될 수 있으며, 카본 나노튜브의 이점과 유사한 이점을 가지며, 그리고 균일하게, 자유롭게 제어할 수 있으며 비용이 저렴하게 기판에 적용될 수 있으며, 그리고 장치를 밀봉하는 것을 실현하기 위하여 열이 가해지는 대기 및 진공 분위기에 적용될 수 있는 개선된 전계 전자방출 이미터 물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예는, (다른 것들 중에서) 다음과 같은 것을 포함하는 장치들에 사용될 수 있는 개선된 전계 전자방출 물질 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다: 전계 전자방출 디스플레이 패널; 전자 MASERS 및 자이어로트론(gyrotrons)과 같은 고전력 펄스 소자; CFAs와 같은 크로스-필드 마이크로파튜브(crossed-field microwave tube); 클리스토론(klystrons)과 같은 선형 빔 튜브; 플래시 엑스-레이 튜브; 유도형 스파크 갭(triggered spark gaps) 및 관련 소자; 스테릴리제이션(sterilization)용 대면적 엑스-레이 소스; 진공 게이지; 우주선용 이온 반동추진 엔진; 입자 가속기; 램프; 오존 발생기(ozonizer); 및 플라즈마 반응기.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전계 전자방출 물질을 생성시키는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 적어도 102cm-2의 평균 밀도로 기판의 영역들에 다수의 방출 사이트를 생성시키기 위하여 상기 각각의 기판의 영역에 바나듐 또는 바나듐 화합물을 배치하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 바나듐 또는 바나듐 화합물은 입자 형태일 수 있다.
상기한 바람직한 방법은 다음의 단계를 포함할 수 있다:
상기 기판에 바나듐을 함유한 물질을 도포하는 도포 단계(application step); 및
상기 방출 사이트를 생성시키기 위하여 상기 기판에 도포한 후에 상기 바나듐을 함유한 물질을 처리하는 처리 단계(processing step).
바람직하게는, 상기 처리 단계는 상기 바나듐을 함유한 물질을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 처리 단계는 100 내지 1000℃ 범위의 온도로 상기 바나듐을 함유한 물질을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 처리 단계는 300 내지 800℃ 범위의 온도로 상기 바나듐을 함유한 물질을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 처리 단계는 500 내지 550℃ 범위의 온도로 상기 바나듐을 함유한 물질을 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 처리 단계는 5 내지 300분 범위의 시간 동안 상기 온도를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 처리 단계는 5 내지 60분 범위의 시간 동안 상기 온도를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 처리 단계는 10 내지 30분 범위의 시간 동안 상기 온도를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 처리 단계는 상기 바나듐 또는 바나듐 화합물의 위스커(whisker)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 도포 단계는 상기 기판 상에 상기 바나듐을 함유한 물질을 직접적으로 또는 간접적으로 프린팅(printing)하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 도포 단계는 상기 기판 상의 상기 캐소드 트랙(cathode track) 상에 상기 바나듐을 함유한 물질을 프린팅하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 바나듐을 함유한 물질은 유기금속 화합물(organometallic compound) 및 바나듐 화합물을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 유기금속 화합물은 금, 팔라듐(palladium) 및 백금 중에서 선택된 하나 또는 그 이상의 금속을 함유할 수 있다.
상기 바나듐을 함유한 물질은 상기 유기금속 화합물에 포함된 금속의 중량에 대하여 0.01 내지 10중량%의 바나듐을 함유할 수 있다.
상기 바나듐을 함유한 물질은 상기 유기금속 화합물에 포함된 금속의 중량에 대하여 0.5 내지 5중량%의 바나듐을 함유할 수 있다.
상기 바나듐을 함유한 물질은 상기 유기금속 화합물에 포함된 금속의 중량에 대하여 0.8 내지 2.5중량%의 바나듐을 함유할 수 있다.
상기 바나듐을 함유한 물질은 바나듐 나프테네이트 산화물(vanadium naphthenate oxide)을 포함할 수 있다.
상기 바나듐을 함유한 물질은 상기 방출 사이트와 그 상부에 상기 방출 사이트가 배치되는 층(layer)을 둘 다 생성시키는 물질을 함유할 수 있다.
상기 층은 전극을 제공할 수 있다.
상기 층은 밸러스트 저항체(ballast resistor)로서의 역할을 하는 저항층을 제공할 수 있다.
상기 처리 단계는 상기 층과 상기 방출 사이트를 동시에 생성시키는 조건에서 상기 바나듐을 함유한 물질을 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 처리 단계는 상기 층을 생성시킬 수 있는 제1 조건과 계속해서 상기 층 상에 상기 방출 사이트를 생성시키는 제2 조건에서 상기 바나듐을 함유한 물질을 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 처리 단계는 상기 전계 전자방출 재료를 전계 전자방출 장치 내에 밀봉시키는 밀봉 단계와 동시에 수행할 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 의한 전계 전자방출 재료를 생성시키는 방법은, 기판 상에 금속 산화물을 배치시키는 단계 및 상기 기판 상의 영역들에 상기 금속 산화물로부터 위스커를 성장시키고, 그 결과 상기 영역들에 다수의 방출 사이트를 생성시키는 조건에서 상기 금속 산화물을 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 방출 사이트는 적어도 102cm-2의 평균 밀도를 가질 수 있다.
바로 이전에 서술한 2개의 단락 중에서 하나의 단락에 따른 방법은 또한 본 발명의 전술한 측면들 중에서 어느 하나의 측면과 조화될 수 있다.
본 발명은 전술한 본 발명의 측면들 중의 어느 하나의 측면에 따른 방법에 의하여 생성된 전계 전자방출 물질로 확장될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전계 전자방출 물질은 적어도 102cm-2의 평균 밀도로 기판의 영역들에 다수의 방출 사이트를 생성시키기 위하여 상기 각각의 영역에 도포되어 있는 바나듐 또는 바나듐 화합물을 포함한다.
바람직하게는, 상기 바나듐 또는 바나듐 화합물은 다수의 입자들로 이루어진 형태일 수 있다.
상기한 본 발명의 측면들 중의 어느 하나에 의하면, 상기 바나듐 화합물은 바나듐 산화물, 바나듐 실리사이드, 바나듐 질화물, 바나듐 실리케이트, 바나듐 카바이드, 바나듐 붕소화물, 바나듐 황화물 및 바나듐 티탄화물을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다.
바람직하게는, 상기 사이트는 상기 전계 전자방출 물질에 무작위로 분포될 수 있다.
바람직하게는, 상기 사이트는 적어도 103cm-2, 104cm-2또는 105cm-2의 평균 밀도로 상기 전계 전자방출 물질에 분포될 수 있다.
바람직하게는, 상기 사이트는 상기 전계 전자방출 물질에 실질적으로 균일하게 분포될 수 있다.
1mm의 직경을 가지는 원형 영역의 어디에서도 상기 사이트의 밀도가, 전체 전계 전자방출 물질에 대한 상기 사이트의 분포 평균 밀도로부터 20%를 벗어나지 않는 것과 같은 균일성을 가지도록 상기 사이트는 상기 전계 전자방출 물질에 배열될 수 있다.
1mm의 직경을 가지는 원형 측정 영역을 사용할 경우에, 상기 전계 전자방출 물질에 분포되어 있는 상기 사이트는 실질적으로 이항 분포(Binomial distribution)이거나 또는 푸아송 분포(Poisson distribution)일 수 있다.
4㎛의 직경을 가지는 원형 영역의 어디에도 적어도 하나의 방출 사이트가 존재할 확률이 적어도 50%는 되는 정도의 균일성을 가지도록 상기 사이트는 상기 전계 전자방출 물질에 배열될 수 있다.
10㎛의 직경을 가지는 원형 영역의 어디에도 적어도 하나의 방출 사이트가 존재할 확률이 적어도 50%는 되는 정도의 균일성을 가지도록 상기 사이트는 상기 전계 전자방출 물질에 배열될 수 있다.
본 발명은 전술한 본 발명의 어느 하나의 측면에 따른 전계 전자방출 물질을 함유하고 있는 전계 전자방출 이미터, 및 상기 이미터가 전자를 방출하도록 하기 위하여 상기 이미터에 전계를 가하는 수단을 포함하는 전계 전자방출 장치에도 확장하여 적용될 수 있다.
이러한 전계 전자방출 장치는 상기 전계 전자 이미터 패치의 어레이를 가진 기판, 및 정렬된 어퍼쳐의 어레이를 가진 제어 전극을 포함할 수 있는데, 이러한 제어 전극은 절연층에 의하여 상기 이미터 패치의 상부로 지지된다.
바람직하게는, 상기 어퍼쳐는 슬롯(slot) 형태일 수 있다.
전술한 장치는 플라즈마 반응기, 코로나 방전 장치, 사일런트(silent) 방전 소자, 오존 발생기, 전자 소스, 전자 총, 전자 장치(electron device), 엑스-레이 튜브, 진공 게이지, 가스 충전 소자(gas filled device) 또는 이온 반동추진 엔진(ion thruster)일 수 있다.
상기 전계 전자 이미터는 상기 장치의 작동을 위한 총 전류를 제공할 수 있다.
상기 전계 전자 이미터는 상기 장치의 시동, 트리거링(triggering) 또는 프라이밍(priming) 전류를 제공할 수 있다.
전술한 장치는 디스플레이 장치일 수 있다.
전술한 장치는 램프일 수 있다.
상기 램프는 실질적으로 평평한 램프일 수 있다.
상기 이미터는 전류를 제한하는 밸러스트 저항기(ballast resistor)를 경유하여 전기 구동 수단에 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 밸러스트 저항기는 상기 방출 패치 각각의 하부에 위치하는 저항 패드로서 응용될 수 있다.
바람직하게는, 주사 조명 라인(scanning illuminated line)을 생산하도록 전기 구동 수단에 의하여 어드레스(address)되게 배열되어 있는 일차원 또는 그 이상의 차원을 가지는 도전성 트랙의 어레이 상에 상기 이미터 물질 및/또는 형광체가 코팅되어 있을 수 있다.
바람직하게는, 상기 전계 전자방출 장치는 상기 전기 구동 수단을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전계 이미터는 가스, 액체, 고체 또는 진공의 환경에 배치되어 있을 수 있다.
상기한 전계 전자방출 장치는 광학적으로 반투명한 캐소드를 포함할 수 있는데, 상기 캐소드로부터 방출된 전자가 애노드에 충돌하여 상기 애노드에 전기-발광(electro-luminescence)을 야기할 수 있도록 상기 애노드와 관련하여 상기 캐소드가 정렬되어 있을 수 있으며, 상기 전자 발광(electro-luminescence)은 광학적으로 반투명인 캐소드를 통하여 볼 수가 있다.
도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 또는 상응하는 구성 요소를 나타낸다.
바나듐 산화물은 많은 수의 서로 다른 화학양론으로 존재할 수 있는 물질이다. 이러한 것들에는 VO2, V2O3및 V2O5가 포함된다. 게다가, 그 물질은 서로 간에 광범위하게 차이가 나는 특성을 가진다. VO2는 비금속(저온)으로부터 금속으로 변하는 전이 온도를 가지며, 그리고 V2O3은 압력이 가해진 상태에서 유사한 전이를 보여주며, 그리고 ∼150K의 온도에서의 금속 전이에 대하여 자성 절연체(magnetic insulator)로서의 특성을 보여준다. 금속 상태일 경우에, V2O3는 3000Ωcm의 비저항과 ∼2213K 정도의 높은 녹는점을 나타낸다. V2O5는 2.2eV의 밴드-갭을 가지는 반도체 특성을 보여준다. 그리고 V2O5의 녹는점은 ∼963K이다. 이들 물질의 복잡한 물질적인 특성이 아직 완전히 알려져 있지 않다는 것을 아는 것은 놀라운 일이 아니다(Transition Metal Oxides, P.A. Cox, Oxford University Press, 1992, and Leisenberger et al.: J. Vac. Sci. Technol. A, 17, pp. 1743-1749 (1999)). 그러나, 바나듐은 여러 가지 기술적인 장치에 응용되고 있는데, 여기에는 광학적인 스위칭 코팅(optical switching coating)과 광학적인 스토리지 박막이 포함된다. 솔-겔 공정을 사용하여 추출된 V2O5리본의 전기적인 특성은 이미 보고되었다(Muster et al.:, Adv. Mater., 12, pp. 420-424 (2000)).
당업계에서 공지되어 있는 V2O5를 제조하는 방법 중의 하나는 약 850℃의 대기 환경에서 바나듐 잔류물을 NaCl과 함께 가열하여 NaVO3를 생성시키는 것이다. 이것을 산성화시키면 V2O5로 산화될 수 있다. 이러한 공정의 단점은 디스플레이와 같은 저렴한 대면적 소자를 제조하는데 일반적으로 사용되는 보로실리케이트 글래스 또는 높은 응력점(strain point)을 가지는 글래스 기판과 조화되지 않는다는 것이다. 그러나, 이것은 알루미나 타일과 같은 내화성 세라믹 기판이나 구리와 같은 상대적으로 고융점의 금속과는 조화될 수 있다.
바나듐 산화물이 나노튜브 구조물의 형태로 성장할 수 있다는 것도 흥미로운 사실이다(H. J. Mubt et al.: Adv. Mater., 12, pp. 231-234 (2000)). 이 논문에서는, 바나듐 산화물이 주가 되는 나노튜브 시스템(VOx-NT)은 저온의 소프트 화학 합성 기술을 사용하여 생산될 수 있기 때문에 CNTs에 비하여 우수하다는 점이 주목을 받았다. 예를 들어, 알킬 아민 및 알킬 디아민은 바나듐 알콕사이드와 반응하여 정렬이 잘 되어 있는 우수한 결정 상태의 나노 튜브를 그램 단위의 양(gram quantities)으로 생성시킬 수 있다. 이들 물질은 리튬 배터리의 전극으로서 사용하기 위하여 연구가 되었는데(M. E. Spahr et al.: Electrochem. Soc. 146, pp. 2780-2783 (1999)), 그러나 열악한 온도 안정성을 가지고 있기 때문에 250℃ 이상의 온도에서 비정질 바나늄 산화물로 붕괴되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면에서는, 열적으로 성장된, 바나듐을 함유하는 섬유를 전계전자방출 물질로서 이용한다. 예를 들어, 막대기 같은 V2O5의 모폴로지와 그것의 반도체적인 특성을 이용하면 낮은 거시적인 쓰레쉬홀드 전계에서 동작할 수 있는 유용한 전계 전자방출 물질을 얻을 수가 있다. 그러한 물질을 도전체 상에 배치시킴으로써, 양호한 전계 전자 이미터를 만들 수가 있다.
본 발명의 다른 측면에서는, 프린팅법으로 유용한 바나듐 화합물 이미터 구조물을 생산하는 방법을 제공한다. 터크(Tuck), 테일러(Taylor) 및 라담(Latham)(UK 특허 2,304,989)은, 가열되었을 경우에, 유전성 매트릭스 형태로 흩어져 있는 도전성 또는 반도체성 입자의 분산(dispersion)을 포함하는 방출 표면을 생산하는 잉크를 사용하여 에어리어(area) 전계 이미터를 생산하는데 이를 수 있는 프린터할 수 있는 루트를 제안하였다. 이것을 개선한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 프린터된 바나듐을 함유하는 에어리어 이미터를 달성하기 위한 루트는 프린팅에 적합한 수송 수단에서 바나듐을 함유한 전구체(예컨대, 바나듐 잔류물, 바나듐 졸-겔, 또는 바나듐 나프텐 산화물(vanadium naphthenate oxide))를 사용하는 것이다. 리올로지(rheology)를 제어하는 입자들을 아주 많이는 함유하지 않은 적합한 스크린-프린팅 공식은 WO 02/03413에 개시되어 있으며, 이 공식은 이러한 물질들에 응용될 수 있다. 그러나, 잉크-젯 프린팅, 페인팅, 및 ??-코팅(dip-coating)과 같은 다른 응용 방법에 보다 적합하도록 공식은 유추될 수 있다.
도 1에는 보로실리케이트 글래스와 같은 기판(1)의 소정의 영역에 바나듐을 함유하는 전구체(2)를 배치하고, 그리고 그 결과물을 열적으로 처리함으로써 섬유형태의 소망하는 방출 위스커를 어떻게 생산하는지를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 열 처리의 일 예로서 대기 환경에서 550℃의 온도로 가열하는 것인데, 이것은 글래스 기판(1)과 양립될 수 있다. 열처리를 하는 시간을 조절하면, 바나듐을 함유한 섬유(3)의 길이를 제어하면서 성장시킬 수 있다. 일 예로서, 약 1시간 동안 상기 물질을 가열하여 550℃의 온도까지 상승시키고, 550℃의 온도로 20분 동안 유지시키며 다음으로, 약 2시간 동안 냉각하여 실온이 되게 할 수 있다. 이러한 예를 적용하면, 수 마이크로미터의 길이를 갖는 섬유를 제조할 수가 있다.
게다가, 상기 전구체에 첨가되는 바나듐의 농도를 변화시켜서 상기 프린터된 층으로부터 생성되는 섬유의 사이트 밀도와 모폴로지를 제어하는 것이 가능하다. 상기 전구체가 배열되는 기판의 화학적 조성도 또한 중요할 수가 있다. 우리는 보로실리케이트 글래스가, 그것의 조성면에서 나트륨과 보론 함유물을 포함하고 있기 때문에, 사용하기에 여러 가지 이점이 있다는 것을 알아내었다. 상기한 이점을 주는 물질이 기판에 함유되어 있지 않거나, 또는 전극과 같이 그 상부에 위치하는 층이 전구체와 기판 사이에서 장벽층으로서 역할을 하는 경우에는, 이러한 물질들은 직접 전구체에 첨가되거나 전구체가 그 상부에 배열되는 중간층에 첨가될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 접근법은 소자의 캐소드 전극(4) 상에 직접 바나듐을 함유하는 이미터(3)를 성장시켜서, 상기 이미터가 전기적으로 접촉되고 어드레스되는데 이용될 수도 있다. 게다가, 도 3은 전류를 조절하고 그 결과 방출 물질(3)의 균일성을 향상시키는 것을 도와주도록 밸러스트 저항체로서 역할을 하는 전기 저항성 막(5)에 전구체(2)를 적용할 수도 있다는 것을 보여주고 있다.이것을 대체할 수 있는 다른 배열은 도 4에 도시되어 있는데, 도 4를 참조하면 전구체(4)가 오프세트(offset)이어서 측면 저항체가 전기 저항성 막(5)에 의하여 형성된다. 상기한 나트륨 또는 보론과 같이 반응에 촉매 작용을 하는 첨가물은 이미터 전구체(3), 전극(4) 또는 저항성 막(5)으로서의 역할을 하는 중간층에 통합될 수 있다는 점에 대하여 유의하라.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 단 한 번의 단계에서 바나듐 전구체와 캐소드 전극을 프린팅하여 공정 단계를 감소시키는 방법이 제공된다. 이러한 실시예는 도 5에 도시되어 있는데, 도 5를 참조하면, 바나듐 이미터 전구체를 함유하고 있는 도전성 전구체(6)가 기판(1) 상에 증착되어 있다. 다음으로, 이 결과물을 열처리하여 도전성 막과 바나듐을 함유하는 이미터 물질(7)을 생성시킨다.
이러한 실시예의 일 예로서, 첨가되는 바나듐 전구체와 함께 액체의 빛나는 (또는 수지 처리된(resinate)) 금, 팔라듐 또는 백금을 사용한다. 이러한 빛나는 금속 화합물은 많은 트레이스 금속 및 화합물(trace metal and compound)이 첨가되어져 왔던 금, 팔라듐 또는 백금의 유기금속 화합물에 기초한 것이다. 이것들은 자기류 및 유리 제조 산업에서 장식을 위한 코팅에 널리 사용되고 있는 것이다. 기판 상에 재료를 페인팅하거나 프린팅함으로써 금속층이 형성되고, 다음으로 상기 결과물에 480℃ 및 920℃ 사이의 온도의 대기 환경 하에서 열을 가하는데, 상기 온도 범위에서는 유기 금속 화합물이 분해되어서 100 내지 200나노미터 두께의 순수한 금속 막이 생성된다. 첨가물의 역할은 금의 입자 크기를 제어하고 접착을 촉진시키는 것이다. 바나듐 화합물은, 특별히 제어된 열적 조건 하에서 표면으로부터성장하는 바나듐을 함유하는 섬유를 생성시킬 수 있는, 양립할 수 있는 첨가물의 전형적인 일 예이다. 충분한 양의 바나듐이 존재하는 것을 보장함으로써, 가열 조건 하에서 과다한 섬유가 성장하는데, 이러한 가열 조건은 전기적으로 도전성인 금속막을 형성하고 유지시키는 것과도 또한 양립할 수 있다.
이러한 전구체를 사용하는 이점은, 단 한번의 프린팅 단계와 단 한번의 가열 단계에서 프린트된 캐소드 전극과 프린트된 이미터 구조물의 자기 결합체(self-assembly)가 제공된다는 것이다. 이것은 종래에 Tuck 등에 의하여 개발된 비용이 저렴한 전계 효과 소자(Field Effect Device, FET)(GB 2,330,687)를 보다 더 개선한 것이지만, 이것은 또한, 예컨대 Chalamala & Gnade에 의하여 IEEE Spectrum, April, pp. 42-51 (1998)에 발표된 것과 같은 스퍼터링과 플라즈마 증착 공정을 사용하여 증착된 보다 더 오래된 3극 진공관 구조물과 결합해서도 사용될 수도 있다. 이러한 방법으로 성장된 위스커는 전계 방출 디스플레이를 대기 환경 하에서 열처리하고 밀봉(air-bake and seal)하는데 요구되는 온도에서도 또한 안정성이 있다. 이것은 전술한 VOx-NTs와는 대조되는 특성이다.
이러한 접근법의 다른 이점은, 캐소드 트랙을 한정한 다음에, 금막을 형성하고 그것을 기판에 부착하는데는 적합하지만 그러나 소망하는 바나듐을 함유한 이미터 구조물을 성장시키는 것을 촉진하는데는 적합하지 않는 대기 조건 하에서, 캐소드 트랙을 가열할 가능성이 있다는 것이다. 이러한 조건은 피크 온도와 지속 시간을 조심스럽게 제어함으로써 달성할 수가 있다. 이러한 공정은 도 6에 도시되어있는데, 도 6을 참조하면, 캐소드 및 이미터 전구체(6)를 기판(1)에 도포한 다음에, 접착성 막을 형성하도록 열처리를 한다. 그 다음에, 게이트 유전체(8) 및 게이트 전극(9)과 같은 그 상부에 위치하는 소자 구조물을 증착하고, 계속해서 상기 소자를 관통하는 이미터 홀(10)을 에치 백으로 형성하여, 하부에 위치하는 캐소드 전극과 활성화되지 않은 바나듐 전구체를 노출시킨다. 다음으로, 열처리하는 단계를 한번 더 실시하여, 상기 홀의 밑면으로서 전자 방출(12)을 위한 바람직한 위치와 정확하게 일치하는 곳에, 소망하는 바나듐을 함유하는 섬유(11)를 성장시킬 수가 있다. 게다가, 이러한 가열 단계는 최종 소자 조립체를 제조하는데 사용되는 대기-베이킹 및 밀봉 단계와 결합될 수도 있다. 이와 같이 하면, 공정 단계를 보다 더 감소시킬 수가 있다.
이러한 공정을 이용하면, 이미터 홀을 형성하기 위한 후속 공정 단계에서 식각 정지점으로서의 역할을 하는 중간층을, 프린트된 바나듐을 함유하는 물질의 상부에 형성할 수 있는 이점이 있다.
전술한 방법의 일 변형예에서는, 밸러스트 저항체로서의 역할을 하는 중간 저항층과 함께 바나듐 전구체가 한 번의 단계에서 프린트된다. 이것은 바나듐을 함유하는 전구체와 저항층을 형성하는데 사용되는 물질을 통합시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 방법은 한 번의 단계에서 바나듐 전구체와 캐소드 전극을 프린트하는 방법과 유사한 점이 있다. 저항층은 도전성 기판 상에 배열되거나 배열되지 않을 수도 있다. 전술한 예와 마찬가지로, 바나듐 위스커를 성장시키는 것은 나중으로 연기될 수 있는데, 장치 구조물을 제조하는 공정으로 연기될 수 있다.
이들 섬유의 성장을 잘 제어할 수 있으면, 바나듐을 함유하는 섬유의 길이 및 면 밀도(area density)가 소자에서의 게이트 셀의 높이 및 직경과 조화되게 하는 것을 보장할 수 있다. 도 7에는 대기 환경 하에서 바나듐을 함유하는 전구체를 가열하는데 사용될 수 있는 온도 프로파일이 3개 도시되어 있다. 각 온도 프로파일에 상응하는 주사 전자 마이크로그래프는 세 가지 공정 조건에 따른 결과로서 나타나는 위스커의 길이 및 밀도의 차이를 보여주고 있다. 최저 피크 온도에 상응하는 마이크로그래프는 두 세 개의 짧은 섬유를 보여주고 있으며, 중간의 피크 온도에 상응하는 마이크로그래프는 길이는 더 길지만 분산되어 있는 섬유를 보여주고 있으며, 그리고 최고의 피크 온도에 상응하는 마이크로그래프는 보다 더 조밀한 위스커의 뭉치(tuft)를 보여주고 있다. 방출 구조물이 게이트 홀 내에 잔류하고 게이트 전극과 단락되지 않는 경우에는, 위스커의 모폴로지를 자유롭게 제어할 수 있는 이러한 능력은 상당히 중요하다. 또한, 섬유가 게이트 홀의 상면으로부터 돌출되어서 애노드로부터 발생하는 전계에 의하여 현저하게 영향을 받게 되는 것을 방지하는 것도 중요하다.
이러한 바나듐을 함유하는 위스커가 우수한 전계 전자방출 특성을 나타내는 것을 보여주기 위하여, 도 8에는 바나듐을 함유하는 위스커의 샘플 상의 49개의 서로 분리되어 있는 테스트 영역에 대한 초기 전계(initiation field)에서의 진동수 히스토그램(검정색 기둥) 및 이어지는 쓰레쉬홀드 전계(threshold field)에서의 진동수 히스토그램(빗금친 기둥)이 도시되어 있다. 이것은 컴퓨터로 제어되는 진공 테스트 시스템에서, ∼350마이크로미터의 유효 직경을 가지는 프로브를 사용하여샘플의 표면 상부로 50마이크로미터 이격하여 주사함으로써 얻은 것이다. 이 시스템은 Burden 등에 의하여 기술되어 있다(J. Vac. Sci. Technol. B 18, pp. 900-904 (2000)). 이 데이터를 참조하면, 10nA의 전류에서 이들 이미터를 시작시키고 동작시키는데 요구되는 거시적인 전계는 각각의 경우에 20V/㎛이었으며, 그리고 최소 및 최대의 후속 초기 전계(subsequent initiation field) 사이의 스프레드(spread)는 6V/㎛이었다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 (다른 것들 중에서) 후술하는 것과 같은 소자들을 포함하는 장치에 사용될 수 있는 것으로서, 비용 경쟁력이 있는 넓은 면적의 전계 방출 물질 및 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다: 전계 전자방출 디스플레이 패널; 전자 MASERS 및 자이어로트론(gyrotrons)과 같은 고전력 펄스 소자; CFAs와 같은 크로스-필드 마이크로파 튜브(crossed-field microwave tube); 클리스토론(klystrons)과 같은 선형 빔 튜브; 플래시 엑스-레이 튜브; 유도형 스파크 갭(triggered spark gaps) 및 관련 소자; 스테릴리제이션(sterilization)용 대면적 엑스-레이 소스; 진공 게이지; 우주선용 이온 반동추진 엔진; 입자 가속기; 램프; 오존 발생기(ozonizer); 및 플라즈마 반응기.
이들 장치들의 일부에 대한 예는 도 9a, 도 9b 및 도 9c에 도시되어 있다.
도 9a에는 전계 방출 디스플레이에서 사용될 수 있는 것과 같은 어드레서블 게이트 캐소드(addressable gated cathode)가 도시되어 있다. 이 구조물은 절연성 기판(500), 캐소드 트랙(501), 바나듐을 함유하는 이미터층(502), 캐소드 트랙에 전기적으로 접속되어 있는 초점 격자층(focus grid layer, 503), 게이트 절연체(504), 및 게이트 트랙(505)을 포함하여 구성된다. 게이트 트랙과 게이트 절연체는 이미터 셀(506)에 의하여 구멍이 뚫려 있다. 선택된 캐소드 트랙에는 음의 바이어스가 인가되고 게이트 트랙에는 연관된 양의 바이어스가 인가되면, 애노드쪽으로 전자(507)가 방출된다(도시하지 않음). 전술한 바와 같이, 여기에서 초점 격자층(503)이 식각 정지층으로서의 역할을 한다. 대신에, 상기 층(503)은 식각 정지층으로서의 역할만을 할 수도 있는데, 이 경우에 상기 층(503)은 전기적으로 도전성이거나, 절연성이거나 또는 반도체적인 성질을 가질 수 있다.
본 출원인에 의한 특허 GB 2,330,687B에는 전계 효과 소자의 구성에 대하여 보다 자세한 설명이 되어 있다.
각 층 내의 전극 트랙은 융합되어서 제어할 수 있지만 어드레스할 수 없는 전자 소스를 형성할 수 있는데, 이 전자 소스는 수많은 장치에 응용이 될 수도 있다.
도 9b에는 글래스 프릿트 밀봉제(glass fritt seal, 513)를 사용하여 그것의 상부에 형광체 스크린(512)을 가지는 투명한 애노드판(511)에 상기한 어드레스할 수 있는 구조물(510)이 어떻게 결합될 수 있는 지를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 상기한 판 사이의 공간(514)은 비어 있어서 디스플레이를 형성한다.
비록 예시와 설명의 편의를 위하여 모노크롬 디스플레이가 기술되어 있지만, 당업계에서 숙련된 자는 세 부분의 픽셀을 가지는 상응하는 배열도 칼라 디스플레이를 생산하는데 사용될 수도 있다는 것을 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 9c에는 상기한 물질 중의 하나를 사용하는 평평한 램프가 도시되어 있다.이러한 램프는 액정 디스플레이의 배면 조명(back-lighting)을 하는데 사용될 수 있으며, 이렇게 응용될 수 있다는 것이 방을 조명하는 것과 같은 다른 응용처를 배제하는 것은 아니다.
램프는 그것의 상부에 도전층(521)과 바나듐을 함유한 발광층(522)이 도포되어 있는 캐소드판(cathode plate, 520)을 포함한다. 상기한 (그리고 본 명세서에서 인용한 본 출원인에 의한 다른 특허 출원에 기술되어 있는) 것과 같은 밸러스트층이 방출의 균일성을 개선하기 위하여 사용될 수도 있다. 투명한 애노드판(523)은 그것의 상부에 도전층(524)과 형광층(525)을 가진다. 링 모양의 글래스 프릿트(526)가 상기 2개의 판을 밀봉하고 이격시킨다. 상기 2개의 판 사이의 공간(527)은 비어 있다.
본 발명의 실시예들이 적용될 수 있는 많은 응용 기기 중에 단지 일부만을 예시하였는데, 예시하지 않은 장치들의 동작 및 구성도 당업계에서 숙련된 자에게는 명확할 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 중요한 특징은, 전계 전자방출 물질이 잉크로서 형성된 경우에, 이 전계 전자방출 물질을 전극 패턴으로서 프린트할 수 있다는 것이고, 그 결과 디스플레이 장치에서 요구되는 것과 같은 복잡한 멀티-이미터 패턴을 적절한 비용으로 형성할 수 있다는 것이다. 게다가, 프린터할 수 있기 때문에 글래스와 같은 저비용의 기판 물질을 사용할 수도 있다; 반면에 미세하게 고안된(micro-engineered) 구조물은 고비용의 단결정 기판 상에 일반적으로 제조된다. 본 명세서에서 사용한 "프린트" 또는 "프린팅"이라는 용어는 한정된 패턴으로 방출 물질을 위치시키거나 형성하는 공정을 의미한다. 이러한의미에 적합한 공정의 예는 (다른 것들 중에서) 다음과 같은 것이 있다: 스크린 프린팅, 전자 사진술(Xerography), 사진식각기술, 정전기 증착술(electrostatic deposition), 스프레이하는 방법, 잉크 제트 프린팅 및 오프세트 리소그라피(offset lithography).
바나듐을 함유하는 전계 방출 물질이 일단 잉크로서 적용이 되면, 바나듐을 함유하는 섬유를 성장시키는 것은 상기 잉크를 큐어링하는 후속 공정에서 진행될 것이다. 예를 들어, 각각의 소자를 조립하는 공정의 일부인 열처리 단계에서 이러한 과정은 손쉽게 진행될 것이다.
바나듐을 사용하는 것 대신에, 기판 상에 증착되어 있는 여러 가지 금속 산화물 상의 영역들에 위스커가 성장하여, 그 영역들에 방출 사이트를 제공할 수도 있다.
금속의 산화물을 대신하여 사용할 수 있는 물질로는 실리사이드, 질화물, 실리케이트, 카바이드, 붕소화물, 황화물 및 티탄화물이 포함된다.
본 발명을 구현하는 소자들은 모든 크기로 즉, 크게 또는 작게 제조하는 것이 가능하다. 이러한 것은 특히 디스플레이에 적용되는데, 디스플레이는 단일 픽셀 소자로부터 멀티-픽셀 소자까지, 미니어쳐로부터 대형화된 디스플레이까지 다양하다.
예컨대 진공 절연 분야에서 때때로 주목을 받아온 것과 같은, 우연적이고 소망하지 않는 산발적인 이미터를 성기게 포함하는 것과는 반대로, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상당히 큰 밀도의 방출 사이트를 임의대로 가질 수 있도록 고안된방출 물질을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 방출 사이트들은 전계 전자방출 물질의 상부에 적어도 102cm-2, 103cm-2,, 104cm-2또는 105cm-2의 평균 밀도로서 무작위적으로 분포되어 있는 것이 바람직하다. 상기한 분포는 실질적으로 균일하고 그리고, 바람직하게는, 직경이 1mm인 원형의 측정 면적을 사용할 경우에는, 실질적으로 이항 분포(Binomial distribution)이거나 또는 푸아송 분포(Poisson distribution)일 수 있다. 상기한 균일성은 1mm의 직경을 가지는 어떠한 원형 영역에서의 상기 사이트의 밀도가, 전체 전계 전자방출 물질에 분포되어 있는 상기 사이트의 평균 밀도로부터 20%를 벗어나지 않을 정도 일 수 있다. 4㎛ 또는 10㎛의 직경을 가지는 어떠한 원형 영역에도 적어도 하나의 방출 사이트가 존재할 확률이 적어도 50%는 되는 정도의 균일성을 가지도록 상기 방출 사이트는 상기 전계 전자방출 물질에 배열될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 "포함한다(comprise)"라는 용어는 사전에 표시되어 있는 일반적인 의미로서 사용되고 있는데, 배타적이지 않게 포함하는 것을 나타낸다. 즉, 하나 또는 그 이상의 특징을 포함한다(include)는 의미로 사용된 단어인 "포함한다(comprise)"(또는 이것에서 파생된 단어들 모두)는 것은 다른 특징을 또한 포함할 가능성을 배척하는 것은 아니다.
본 출원 명세서(첨부된 특허청구범위, 요약서 및 도면을 포함한다)에 개시되어 있는 모든 특징과, 그리고/또는 그렇게 개시되어 있는 어떠한 방법이나 공정의모든 단계들은, 적어도 그러한 특징 및/또는 단계가 상호 배타적인 경우를 제외하고는 서로 조합하는 것이 가능하다.
본 출원 명세서(첨부된 특허청구범위, 요약서 및 도면을 포함한다)에 개시되어 있는 각각의 특징은, 다르게 기술되어 있는 경우를 제외하고는, 동일한, 균등한 또는 유사한 목적을 수행하는 역할을 하는 대체적인 특징으로 치환될 수도 있다. 따라서, 다르게 기술되어 있는 경우를 제외하고는, 개시되어 있는 각각의 특징은 단지 일반적인 일련의 등가의 또는 유사한 특징의 일 예이다.
본 발명은 전술한 실시예에 설명되어 있는 상세한 사항들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 출원의 명세서(첨부된 특허청구범위, 요약서 및 도면을 포함한다)에 개시되어 있는 특징의 어떠한 신규한 것이나 어떠한 신규한 조합 또는 그렇게 개시되어 있는 어떠한 방법이나 공정의 단계들의 어떠한 신규한 것이나 어떠한 신규한 조합에 확장된다.

Claims (58)

  1. 전계 전자방출 물질을 생성하는 방법에 있어서,
    적어도 102cm-2의 평균 밀도로 기판의 영역들에 다수의 방출 사이트를 생성시키기 위하여 상기 기판의 영역들 각각에 바나듐 또는 바나듐 화합물을 배치시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바나듐 또는 바나듐 화합물은 입자 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    (a) 바나듐을 함유하는 물질을 상기 기판에 도포하는 도포 단계; 및
    (b) 상기 방출 사이트를 생성시키기 위하여 상기 기판에 도포가 완료된 상기 바나듐을 함유한 물질을 처리하는 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 처리 단계는 상기 바나듐을 함유하는 물질을 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 처리 단계는 100 내지 1000℃ 범위의 온도에서 상기 바나듐을 함유하는 물질을 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 처리 단계는 300 내지 800℃ 범위의 온도에서 상기 바나듐을 함유하는 물질을 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 처리 단계는 500 내지 550℃ 범위의 온도에서 상기 바나듐을 함유하는 물질을 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제5항, 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 처리 단계는 5 내지 300분 범위의 시간 동안 상기 온도를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제5항, 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 처리 단계는 5 내지 60분 범위의 시간 동안 상기 온도를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제5항, 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 처리 단계는 10 내지 30분 범위의 시간 동안 상기 온도를 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제3항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 처리 단계는 상기 바나듐 또는 바나듐 화합물의 위스커를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제3항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 도포 단계는 상기 기판 상에 상기 바나듐을 함유하는 물질을 직접적으로 또는 간접적으로 프린팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 도포 단계는 상기 기판 상의 캐소드 트랙 상에 상기 바나듐을 함유하는 물질을 프린팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 도포 단계는 상기 기판 상의 저항층 상에 상기 바나듐을 함유하는 물질을 프린팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제3항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 바나듐을 함유하는 물질은 유기 금속 화합물 및 바나듐 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유기 금속 화합물은 금, 팔라듐 및 백금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 그 이상의 금속을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 바나듐을 함유하는 물질은 상기 유기 금속 화합물의 금속 성분에 대하여 0.01 내지 10중량%의 바나듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 바나듐을 함유하는 물질은 상기 유기 금속 화합물의 금속 성분에 대하여 0.5 내지 5중량%의 바나듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 바나듐을 함유하는 물질은 상기 유기 금속 화합물의 금속 성분에 대하여 0.8 내지 2.5중량%의 바나듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제3항 내지 제19항 중에서 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 바나듐을 함유하는 물질은 바나듐 나프테네이트 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제3항 내지 제20항 중에서 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 바나듐을 함유하는 물질은 상기 방출 사이트 및 그 상부에 상기 방출 사이트가 배열되는 층을 둘 다 생성시키는 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 층은 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 층은 밸러스트 저항체로서의 역할을 하는 저항층을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제21항, 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 처리 단계는 상기 층 및 상기 방출 사이트를 동시에 생성시키는 조건 하에서 상기 바나듐을 함유하는 물질을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제21항, 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 처리 단계는 상기 층을 생성시키는 제1 조건과 상기 층 상에 상기 방출 사이트를 생성시키는 후속되는 제2 조건 하에서 상기 바나듐을 함유하는 물질을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제3항 내지 제25항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 처리 단계는 전계 전자방출 장치 내에 상기 전계 방출 물질을 밀봉하기 위한 밀봉 단계와 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 전계 전자방출 물질을 생성하는 방법에 있어서,
    기판 상에 금속 산화물을 배치하는 단계; 및
    상기 기판 상의 영역들에 상기 금속 산화물로부터 위스커를 성장시켜서, 그 결과 상기 영역들에 다수의 방출 사이트를 생성시키는 조건 하에서 상기 금속 산화물을 처리하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 방출 사이트는 적어도 102cm-2의 평균 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    제1항 내지 제26항 중의 어느 하나의 방법을 따르는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 전계 전자방출 물질을 생성하는 방법으로서, 첨부되는 도면을 참조하여 본 명세서에 기술되어 있는 것과 실질적으로 같은 방법인 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 전술한 청구항 중에서 어느 하나의 청구항에 한정된 방법을 사용하여 생성된 전계 전자방출 물질.
  32. 전계 전자방출 물질에 있어서,
    적어도 102cm-2의 평균 밀도로 기판의 각각의 영역들에 다수의 방출 사이트를 생성시키기 위하여 상기 기판의 각각의 영역들에 도포된 바나듐 또는 바나듐 화합물을 포함하는 전계 전자방출 물질.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 바나듐 또는 바나듐 화합물은 다수의 입자 형태인 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 물질.
  34. 전술한 청구항들 중에서 어느 하나의 청구항에 한정되어 있는 방법 또는 물질에 있어서,
    상기 바나듐 화합물은 바나듐 산화물, 바나듐 실리사이드, 바나듐 질화물, 바나듐 실리케이트, 바나듐 카바이드, 바나듐 붕소화물, 바나듐 황화물 및 바나듐 티탄화물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법 또는 물질.
  35. 전술한 청구항들 중에서 어느 하나의 청구항에 한정되어 있는 방법 또는 물질에 있어서,
    상기 사이트는 상기 전계 전자방출 물질의 상부에 무작위로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 방법 또는 물질.
  36. 전술한 청구항들 중에서 어느 하나의 청구항에 한정되어 있는 방법 또는 물질에 있어서,
    상기 사이트는 적어도 102cm-2, 103cm-2,, 104cm-2또는 105cm-2의 평균 밀도로 상기 전계 전자방출 물질의 상부에 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 방법 또는 물질.
  37. 전술한 청구항들 중에서 어느 하나의 청구항에 한정되어 있는 방법 또는 물질에 있어서,
    상기 사이트는 상기 전계 전자방출 물질의 상부에 실질적으로 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 방법 또는 물질.
  38. 제37항에 있어서,
    1mm의 직경을 가지는 원형 영역의 어디에서도 상기 사이트의 밀도가 상기 전계 전자방출 물질의 전체 영역에 대한 상기 사이트의 분포 평균 밀도로부터 20%를 초과하여 벗어나지 않을 정도의 균일성을 가지도록 상기 전계 전자방출 물질의 상부에 상기 사이트가 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 방법 또는 물질.
  39. 제38항에 있어서,
    직경 1mm의 원형 측정 영역을 사용할 경우에 상기 전계 전자방출 물질의 상부에서의 상기 사이트의 분포는 실질적으로 이항 분포 또는 푸아송 분포를 이루는 것을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  40. 제37항에 있어서,
    4㎛의 직경을 가지는 원형 영역의 어디에도 적어도 하나의 방출 사이트가 위치할 확률이 적어도 50%는 되는 정도의 균일성을 가지도록 상기 전계 전자방출 물질의 상부에 상기 사이트가 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  41. 제37항에 있어서,
    10㎛의 직경을 가지는 원형 영역의 어디에도 적어도 하나의 방출 사이트가 위치할 확률이 적어도 50%는 되는 정도의 균일성을 가지도록 상기 전계 전자방출 물질의 상부에 상기 사이트가 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  42. 전계 전자방출 물질로서, 첨부되는 도면을 참조하여 본 명세서에 기술되어 있는 것과 실질적으로 같은 물질인 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 물질.
  43. 전계 전자방출 장치에 있어서,
    제31항 내지 제42항 중에서 어느 하나의 항에 한정되어 있는 전계 전자방출 물질을 함유하는 전계 전자 이미터; 및
    상기 이미터가 전자를 방출하도록 상기 이미터에 전계를 인가하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 전계 전자 이미터 패치의 어레이를 가진 기판; 및
    정렬된 어퍼쳐의 어레이를 가지며 절연층에 의하여 상기 이미터 패치의 상부로 지지되는 제어 전극을 포함하는 전계 전자방출 장치.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 어퍼쳐는 슬롯 형태인 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  46. 제43항 내지 제45항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전계 전자방출 장치는 플라즈마 반응기, 코로나 방전 장치, 사일런트(silent) 방전 소자, 오존 발생기, 전자 소스, 전자 건, 전자 소자, 엑스-레이 튜브, 진공 게이지, 가스 충전 소자(gas filled device) 또는 이온 반동추진 엔진(ion thruster)인 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  47. 제43항 내지 제46항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전계 전자 이미터는 상기 소자의 작동을 위한 총전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  48. 제43항 내지 제47항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전계 전자 이미터는 상기 소자의 시동(starting), 트리거링(triggering) 또는 프라이밍(priming) 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  49. 제43항 내지 제48항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 장치는 디스플레이 소자인 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  50. 제43항 내지 제48항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 장치는 램프인 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 램프는 실질적으로 평평한 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  52. 제43항 내지 제51항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 이미터는 밸러스트 저항기를 경유하여 전기 구동 수단에 연결되어 전류를 제한하는 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  53. 제44항과 제52항에 따른 전계 전자방출 장치에 있어서,
    상기 밸러스트 저항기는 상기 방출 패치 각각의 하부에 위치하는 저항성 패드로서 이용되는 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  54. 제43항 내지 제53항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    주사 조명 라인(scanning illuminated line)을 생산하도록 전기 구동 수단에 의하여 어드레스되도록 정렬되어 있는 도전성 트랙의 일차원 또는 그 이상의 차원의 어레이 상에 상기 이미터 물질 및/또는 형광체가 코팅되어 있는 것을 특징으로 전계 전자방출 장치.
  55. 제54항에 있어서,
    상기 장치는 상기 전자 구동 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  56. 제43항 내지 제55항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전계 이미터는 가스, 액체, 고체 또는 진공의 환경에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  57. 제43항 내지 제56항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 소자는 광학적으로 반투명한 캐소드를 포함하고, 상기 캐소드로부터 방출된 전자가 애노드에 충돌하여 상기 애노드에서 전자-발광(electro-luminescence)을 야기하며, 상기 전자-발광은 상기 광학적으로 반투명한 캐소드를 통하여 볼 수 있도록, 상기 캐소드는 상기 애노드와의 관계에서 정열되어 있는 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
  58. 전계 전자방출 장치로서, 첨부되는 도면을 참조하여 본 명세서에 기술되어 있는 것과 실질적으로 같은 장치인 것을 특징으로 하는 전계 전자방출 장치.
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