KR20060132397A - 강유전체 냉음극 및 이를 구비한 강유전체 전계방출소자 - Google Patents

강유전체 냉음극 및 이를 구비한 강유전체 전계방출소자 Download PDF

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Abstract

강유전체 냉음극 및 이를 구비한 강유전체 전계방출소자가 개시된다. 본 발명에 따른 강유전체 냉음극 및 강유전체 전계방출소자는, 기판; 상기 기판 상면에 형성된 하부전극층; 상기 하부전극층 상면에 형성된 강유전체층; 및 상기 강유전체층을 중심으로 상기 하부전극층과 대향되게 배치되는 것으로, 도전성 초미세 선형재료 조각들이 그물 형태로 분산되어 형성된 다수의 그물눈을 통해 상기 강유전체층 상면이 부분적으로 노출되도록 하는 초미세 선형재료 망;을 포함한다.
강유전체, 냉음극, 전계방출소자, 초미세 선형재료 망, 탄소나노튜브

Description

강유전체 냉음극 및 이를 구비한 강유전체 전계방출소자{Ferroelectric cold cathode and ferroelectric field emission device comprising the same}
도1a 및 도1b는 종래의 강유전체 냉음극 구조 및 원리를 도시한다.
도2는 본 발명에 따른 강유전체 전계방출소자의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도3은 본 발명에 따른 강유전체 냉음극의 일 실시예를 도시한 단면도이다.
도4는 탄소나노튜브로 이루어진 초미세 선형재료 망을 도시한 평면도이다.
도5는 상기 도3의 실시예를 나타낸 3차원 이미지이다.
도6a 내지 도6d는 본 발명에 따른 강유전체 냉음극의 작동순서를 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판 110: 유리기판
120: 하부전극층 130,133: 강유전체층
132: 강유전체 나노 비드 140: 탄소나노튜브 망
141: 탄소나노튜브 조각 145: 그물눈
본 발명은 냉음극 및 냉음극과 양극을 갖는 전계방출소자에 관한 것으로, 더 상세하게는 상부전극과 하부전극 사이에 강유전체층을 구비하고 상기 상부 및 하부전극 사이에 인가된 전계 펄스에 의해 전자를 방출하는 냉음극 및 전계방출소자에 관한 것이다.
강유전체는 전기적 절연체인 유전체의 일종으로서, 특징적으로 자발분극(spontaneous polarization)을 가지고 있을뿐만 아니라 이 자발분극이 전기장에 의해 역전되는 현상이 나타나는 물성을 가지고 있다. 강유전체의 이러한 성질을 이용하면, 강유전체 표면을 전자로 대전시키고 전계 펄스를 가함으로써 비교적 낮은 레벨의 진공상태에서도 전자를 방출시킬 수 있다.
도1a 및 도1b는 종래의 강유전체 냉음극 구조 및 원리를 도시한다. H. Gundel 등에 의해 제안된 강유전체 냉음극(Ferroelectrics Vol.100 (1989).1)은 하면 전체에 하부전극(30)이 형성된 강유전체(PZT(Lead Zirconate Titanate), PLZT(La-modified Lead Zirconate Titanate) 등) 기판(10)의 상면에 스트라이프 형 상부전극(20)이 형성된 구조를 갖는다.
상기 도1a와 같이, 강유전체 기판(10)이 상향으로 분극된 때에는 상기 스트라이프 형 상부전극(20)의 사이사이로 노출된 상기 강유전체 기판(10) 상면에 상기 상부전극(20)으로부터 유입된 전자(50)가 분포된다. 그 다음, 도1b와 같이, 상기 하부전극(30)에 음전압 펄스가 인가되면 상기 강유전체 기판(10)의 분극 방향이 역전되고, 상기 강유전체 기판(10) 상면에 대전되어 있던 전자가 반발력에 의해 방출된다.
그런데, 상기 강유전체(10)가이 상향 분극되어 있는 동안 상기 강유전체(10)의 상면과 상기 상부전극(20) 사이에는 비교적 작은 전위차가 형성된다. 냉음극이 큰 방출전류를 제공하기 위해서는, 이렇게 작은 전위차에도 불구하고 상기 상부전극(20)으로부터 강유전체(10) 상면으로 많은 수의 전자가 공급될 것이 요구된다. 또한, 냉음극은 상기 강유전체의 분극 역전 시에 반발력을 받은 전자가 다시 상부전극으로 유출되지 않고, 상향으로 방출될 수 있도록 하는 상부전극 구조를 가질 것이 요구된다.
아울러, 표면에 형광물질이 도포된 양극판을 상기 냉음극에 대하여 소정 간격으로 대면시키면, 전자와 형광물질의 충돌에 의해 발광하는 평판형 표시장치를 제공할 수 있다. 이러한 표시장치를 제공하는 데에는 상기 냉음극 구조를 유리기판 상에 마련하는 것이 필수적이다. 그러나 종래의 강유전체층은 그 소결 온도가 대략 1000℃ 이상이어서, 표시장치에 주로 사용되는 유리기판의 내열 온도인 630℃보다 현저히 높다. 따라서, 강유전체 냉음극을 이용한 전계방출 표시장치를 제공하기 위해서는 그 소결 온도가 유리기판의 내열온도보다 낮은 강유전체층을 갖는 강유전체 냉음극이 요구된다.
본 발명은 상부전극으로서 도전성의 초미세 선형재료(예를 들면, 탄소나노튜브) 조각들로 이루어진 망을 이용하여, 전자의 방출 및 재공급이 원활하도록 한 냉음극을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 강유전체층의 소결 온도를 유리기판의 내열 온도보다 낮춤으로써 전계 방출 표시장치에 적용이 가능한 강유전체 냉음극을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 강유전체 냉음극은,
기판;
상기 기판 상면에 도전성 물질로 형성된 하부전극층;
상기 하부전극층 상면에 강유전성 물질로 형성된 강유전체층; 및
상기 강유전체층을 중심으로 상기 하부전극층과 대향되게 배치된 상부전극층을 이루는 것으로, 도전성 초미세 선형재료 조각들이 그물 형태로 분산되어 형성된 다수의 그물눈을 통해 상기 강유전체층 상면이 부분적으로 노출되도록 하는 초미세 선형재료 망;을 포함한다.
상기 초미세 선형재료 망은 도전성 물질로 만들어진 나노선, 나노튜브, 또는 나노막대 조각들이 그물 형태의 얇은 층으로 분산되고 고정된 것이다. 상부전극층인 상기 초미세 선형재료 망과 상기 하부전극층에는 소정 파형의 전압이 인가된다. 상기 인가 전압에 따라, 상기 초미세 선형재료 망으로부터 그와 인접한 강유전체층 표면으로 전자가 유입되고 또한, 유전 분극의 역전 시에는 대략 균일하게 분포된 그물눈을 통해 전자가 상기 망 밖으로 방출된다.
상기 초미세 선형재료 망에는 무수히 많은 그물눈이 형성된다. 또한, 상기 망은 나노선, 나노튜브 또는 나노막대 등 초미세 선행재료의 조각들로 이루어지므로 상기 조각들의 말단들이 강유전체층 표면과 좁은 간극을 이룬다. 상기 초미세 선형재료들은 종횡비(aspect ratio)가 커서 그 말단은 높은 전계집중계수(field enhancement factor)를 가지므로, 상기 초미세 선형재료 망과 상기 강유전체층 표면 사이의 작은 전압차에 의해서도 전자를 원활히 공급할 수 있는 장점을 갖는다.
상기 강유전체층은 강유전성 물질의 나노사이즈 비드가 복수의 층으로 적층된 것일 수 있다. 강유전성 물질로는 PZT(lead zirconate titanate), PLZT(La-modified zirconate titanate), BT(barium titanate) 등의 세라믹 재료가 사용된다. 그런데, 세라믹 재료는 그 소결 시에 재료의 입자 크기에 따라 소결 온도가 좌우된다. 즉, 입자의 크기가 작을 수록 소결 공정의 온도를 낮출 수 있다.
종래의 마이크로 사이즈 입자로 이루어진 강유전체층을 소결시키는 데는 대략 1000℃이상의 고온이 요구된다. 반면 나노사이즈 비드로 이루어진 강유전체층의 소결 공정은 평판 표시장치용 유리기판의 내열온도인 630℃보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유리기판을 이용하여 형성이 가능한 강유전체 냉음극 구조를 제공할 수 있다.
또한, 나노사이즈 비드층으로 이루어진 강유전체층은 그 표면에 상기 최상층을 이룬 비드들의 입자면을 따라 형성된 미세한 굴곡을 갖는다. 이러한 굴곡은 상기 강유전체층 표면과 상기 상부전극층 사이에 적정 간극을 제공할 수 있다.
본 발명에 의한 강유전체 전계방출소자는,
강유전체 냉음극 및 상기 냉음극과 소정 간격을 이루는 전면기판의 대향면에 배치된 양극을 구비하여, 상기 냉음극으로부터 방출된 전자가 전계에 의해 상기 양극에 충돌하도록 하는 강유전체 전계방출소자에 있어서,
상기 강유전체 냉음극은,
배면기판;
상기 배면기판 상면에 도전성 물질로 형성된 하부전극층;
상기 하부전극층 상면에 강유전성 물질로 형성된 강유전체층; 및
상기 강유전체층을 중심으로 상기 하부전극층과 대향되게 배치되는 것으로, 도전성 초미세 선형재료 조각들이 그물 형태로 분산되어 형성된 다수의 그물눈을 통해 상기 강유전체층 상면이 부분적으로 노출되도록 하는 초미세 선형재료 망;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도2는 본 발명에 따른 강유전체 전계방출소자의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 본 발명에 따른 강유전체 전계방출소자는, 배면기판(100) 상에 형성된 강유전체 냉음극과; 상기 냉음극과 소정 간격을 이루는 전면기판(200); 및 상기 전면기판에서 상기 냉음극과 대향되는 면에 배치된 양극(210);을 구비한다.
기판(100) 상면에는 도전성 금속 또는 비금속 재료로 하부전극층(120)이 형성된다. 상기 하부전극측(120) 상면에는 강유전성(ferroelectric property)를 갖는 물질로 강유전체층(130)이 형성된다. 강유전체는 높은 유전율을 갖는 유전체의 일종으로서, 특징적으로 자발분극(spontaneous polarization)을 가지고 있을뿐만 아니라 이 자발분극이 외부 전기장에 의해 역전되는 물성을 가진 재료이다. 이러한 강유전성 물질 현재까지 100여종 이상이 알려져 있어서, 필요에 따른 선택이 가능하다. 좀 더 구체적인 예로는 PZT(lead zirconate titanate), PLZT(La-modified zirconate titanate), BT(barium titanate) 등의 세라믹 재료가 상기 강유전체층 형성에 사용될 수 있다.
상기 강유전체층(130) 상면에는 상기 하부전극층(120)과 대향되는 상부전극층으로서 탄소나노튜브 망(140)이 구비된다. 탄소나노튜브 망(140)은 전술한 초미세 선형재료 망의 일 예로서 본 실시예에 적용된 것이다. 상기 탄소나노튜브 망(140)은 탄소나노튜브 조각들이 고르게 분산된 상태로 고정된 그물형 구조이다. 상기 탄소나노튜브 조각은 지름이 수 내지 수십 나노미터이고, 그 길이는 성장 시간에 따라 달라지는데, 여기서는 수 내지 수십 마이크로미터 정도인 것이 적당하다.
일반적으로 탄소나노튜브는 넓은 표면적에 의해 매우 큰 반데르발스(Van der Waals) 힘을 갖는다. 따라서 고분자 및 기타 용제와 혼합시에 스스로 뭉치려는 성질이 강해 균일한 분산을 얻기 어려운 것으로 알려져 왔다. 그러나, 최근에는 탄소나노튜브 조각들을 용제에 분산 및 안정화시킨 탄소나노튜브 분산용액이 제공되고 있다. 따라서, 상기 탄소나노튜브 망은, 상기 강유전체층(130) 상면에 탄소나노튜브 분산용액을 스핀코팅(spin coating) 하고, 100 내지 150℃ 정도의 비교적 낮은 온도에서 베이킹(baking)하는 등의 방법으로 형성될 수 있다.
도3은 본 발명에 따른 강유전체 냉음극의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 본 실시예에 따른 냉음극은 유리기판(110)을 구비하고, 하부전극층(120)과 상부전극층인 탄소나노튜브 망(140) 사이에 복수의 강유전체 나노 비드(132)층으로 이루어진 강유전체층(133)을 갖는다. 본 실시예에 따른 강유전체층(133)은 나노사이즈의 비드들이 조밀하게 배열된 단층 막을 이루고, 이러한 막이 복수로 적층된 구조를 가지는 것이 바람직하다. 세라믹 재료를 소결함에 있어서, 입자의 크기가 작아 지면 그만큼 낮은 온도에서 소결이 이루어지는 경항이 있다. 입경이 수 내지 수십 나노미터인 강유전체 나노 비드(132)로 이루어진 상기 강유전체층(133)은 평판 표시장치용 유리기판의 내열온도인 630℃보다 낮은 온도에서 소결된다. 따라서, 본 실시예에 따른 냉음극은 유리기판이 필수적으로 사용되는 평판형 표시장치에 채용될 수 있다.
강유전체 나노 비드를 제조하는 방법 및 나노 비드 단층 막을 형성하는 방법 등은 특별히 한정되지 않는다. 다양한 방법에 의해 상기 나노 비드를 이용한 강유전체층이 제공될 수 있다. 예를들면, [glycothermal법을 이용한 나노사이즈 BaTiO3 분말의 제조방법(임대영 외,Journal of Korean Ceramic Society,2002)] 등의 연구를 통해 제시된 방법으로 강유전체인 BaTiO3 나노 비드를 얻을 수 있다. 또한 이렇게 얻어진 강유전체 나노 비드를 가지고 dipping법 또는 LB(Langmiur-Blodgett)법 등을 통해 나노 비드 단층 막을 형성할 수 있다. 여기서, dipping법이란 세라믹 입자와 용제가 혼합된 세라믹 슬러리(slurry)에 기판을 담갔다가 끌어 올림으로써 세라믹 입자의 막을 형성하는 방법이고, LB법이란 하층액(subphase)의 표면에 막을 전개하고 상기 막이 표면에 부착되도록 기판을 소정 속도로 끌어 올리는 방법을 말한다.
도4는 탄소나노튜브로 이루어진 초미세 선형재료 망을 도시한 평면도이다. 나노튜브, 나노선, 나노막대 등의 초미세 선형재료 조각들로 이루어진 초미세 선형재료 망의 일 예로서 탄소나노튜브 망(140)에 관하여 좀 더 자세하게 설명한다. 탄 소나노튜브 망(140)은 무수히 많은 탄소나노튜브 조각(141)들로 이루어진다. 전술한 바와 같이, 탄소나노튜브 조각들이 용제에 분산된 상태로 스핀코팅 등의 방법에 의해 얇은 층을 이룬 것이 바람직하다. 따라서, 상기 탄소나노튜브 망(140)은 탄소나노튜브 조각(141)들이 불규칙하게 분산되어 형성된 그물 망 구조를 갖는다. 상기 망(140)에는 무수히 많은 그물눈(145)을 형성되고 상기 그물눈(145)을 통해 강유전체층의 표면이 외부로 드러난다.
상기 탄소나노튜브 망(140)은 탄소나노튜브 조각(141)들로 이루어지므로, 상기 그물눈(145) 마다 수개의 탄소나노튜브 조각 말단(142)이 위치하게 된다. 상기 탄소나노튜브 조각(141)은 종횡비 즉, 그 지름(d)에 대한 길이(l)의 비가 매우 크므로 전계집중계수 역시 매우 크다. 따라서 상부전극층인 상기 탄소나노튜브 망(140)과 강유전체층 표면 사이에 작은 전위차가 생기더라도 터널링 효과(tunneling effect)에 의해 많은 수의 전자가 상기 탄소나노튜브 말단(142)으로부터 강유전체층 표면으로 이동할 수 있다.
이러한 특징들은 비단 탄소나노튜브로 이루어진 경우에 한정되는 것이 아니다. 따라서, 본 발명에 따른 냉음극의 상부전극층은 도전성 물질의 나노튜브, 나노선, 또는 나노막대 등 종횡비가 큰 초미세 선형재료의 조각들이 분산되어 이루어진 망을 포함한다.
도5는 상기 도3의 실시예를 나타낸 3차원 이미지이다. 상기 강유전체층(133)과 탄소나노튜브 망(140)을 시각적으로 이해하기 쉽게 나타낸 것이다. 상기 도5의 이미지에 나태난 바와 같이, 상기 강유전체층(133)의 표면은 복수의 나노 비드 (132)층으로 이루어져서 최상층 나노 비드들의 곡면에 따라 굴곡을 이룬다. 이로 인해 상기 강유전체층(133)은 넓은 표면적을 가지고, 또한 상기 탄소나노튜브 망(140)과 소정의 간극을 유지할 수 있다.
도6a 내지 도6d는 본 발명에 따른 강유전체 냉음극의 작동순서를 도시한다. 먼저 도6a와 같이 하부전극(120) 및 상부전극(140)에 의해 강유전체층(133)에 상향 전계가 형성되면, 강유전체층(133)이 상향으로 분극된다. 이 때, 상기 강유전체층(133) 상면의 강유전체 나노 비드(132)들의 표면에는 도6b에 도시된 바와 같이 상부전극인 탄소나노튜브 망(140)으로부터 유입된 전자(50)들이 부착된다.
도6c와 같이, 상기 하부전극(120)과 상부전극(140)에 의해 강유전체층(133)의 전계가 역전되면, 상기 강유전체층(133) 역시 하향으로 분극된다. 이 때, 상기 강유전체층(133) 상면의 강유전체 나노 비드(132)들은 음전하를 띠게 되므로, 상기 전자(50)들은 전기적 반발력에 의해 도6d에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브 망(140)의 그물눈을 통하여 외부로 방출된다. 상기 도6a 내지 도6d에는 도시되지 않았으나, 상기 냉음극 상측에 양극이 배치된 경우에는 방출된 전자(50)가 상기 양극과 냉음극 사이의 강한 전계에 의해 가속되어 양극 표면에 충돌하게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
전술한 발명의 구성에 의하여, 본 발명에 따른 강유전체 냉음극 및 이를 구비한 강유전체 전계방출소자는, 도전성의 초미세 선형재료(예를 들면, 탄소나노튜브) 조각들로 이루어진 망을 이용하여, 전자의 방출 및 재공급이 원활하도록 하는 효과가 있다.
또한, 강유전체층의 소결 온도를 유리기판의 내열 온도보다 낮춤으로써 전계방출 표시장치에 적용이 가능하도록 하는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상면에 도전성 물질로 형성된 하부전극층;
    상기 하부전극층 상면에 강유전성 물질로 형성된 강유전체층; 및
    상기 강유전체층을 중심으로 상기 하부전극층과 대향되게 배치된 상부전극층을 이루는 것으로, 도전성 초미세 선형재료 조각들이 그물 형태로 분산되어 형성된 다수의 그물눈을 통해 상기 강유전체층 상면이 부분적으로 노출되도록 하는 초미세 선형재료 망;을 포함하는 강유전체 냉음극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초미세 선형재료는 직경이 수 내지 수백 나노미터인 것으로, 나노튜브, 나노와이어, 및 나노막대 중 어느하나의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 강유전체 냉음극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초미세 선형재료는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 강유전체 냉음극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 강유전체층은 복수의 강유전체 나노 비드층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 강유전체 냉음극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 강유전체 나노 비드층은 dipping법 또는 Langmuir-Blodgett법으로 형성되고 소결된 것을 특징으로 하는 강유전체 냉음극.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기판은 유리기판인 것을 특징으로 하는 강유전체 냉음극.
  7. 강유전체 냉음극 및 상기 냉음극과 소정 간격을 이루는 전면기판의 대향면에 배치된 양극을 구비하여, 상기 냉음극으로부터 방출된 전자가 전계에 의해 상기 양극에 충돌하도록 하는 강유전체 전계방출소자에 있어서,
    상기 강유전체 냉음극은,
    배면기판;
    상기 배면기판 상면에 도전성 물질로 형성된 하부전극층;
    상기 하부전극층 상면에 강유전성 물질로 형성된 강유전체층; 및
    상기 강유전체층을 중심으로 상기 하부전극층과 대향되게 배치되는 것으로, 도전성 초미세 선형재료 조각들이 그물 형태로 분산되어 형성된 다수의 그물눈을 통해 상기 강유전체층 상면이 부분적으로 노출되도록 하는 초미세 선형재료 망;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 강유전체 전계방출소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초미세 선형재료는 직경이 수 내지 수백 나노미터인 것으로, 나노튜브, 나노와이어, 및 나노막대 중 어느하나의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 강유전체 전계방출소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 초미세 선형재료는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 강유전체 전계방출소자.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 강유전체층은 복수의 강유전체 나노 비드층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 강유전체 전계방출소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 강유전체 나노 비드층은 dipping법 또는 Langmuir-Blodgett법으로 형성되고 소결된 것을 특징으로 하는 강유전체 전계방출소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 기판은 유리기판인 것을 특징으로 하는 강유전체 전계방출소자.
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