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KR20010033985A - 전자 방출기 제조를 위한 플라즈마 처리 - Google Patents

전자 방출기 제조를 위한 플라즈마 처리 Download PDF

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KR20010033985A
KR20010033985A KR1020007007578A KR20007007578A KR20010033985A KR 20010033985 A KR20010033985 A KR 20010033985A KR 1020007007578 A KR1020007007578 A KR 1020007007578A KR 20007007578 A KR20007007578 A KR 20007007578A KR 20010033985 A KR20010033985 A KR 20010033985A
Authority
KR
South Korea
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ions
carbonaceous
carbonaceous material
chamber
plasma
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020007007578A
Other languages
English (en)
Inventor
돈 마요 코테스
케벤 칼 월터
Original Assignee
메리 이. 보울러
이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
린다 에스. 스티븐슨
더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 메리 이. 보울러, 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니, 린다 에스. 스티븐슨, 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 filed Critical 메리 이. 보울러
Publication of KR20010033985A publication Critical patent/KR20010033985A/ko
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

본 발명은 탄소질 전계 방출 전자 방출기의 제조를 위한 플라즈마 처리법에 관한 것이다. 이온의 플라즈마를 밀폐된 챔버 내에서 발생시켜, 탄소질 물질의 노출된 표면을 둘러싼다. 전압을 탄소질 물질과 접촉해 있는 전극에 가한다. 이 전압은 챔버 내의 또다른 전극에 비해서 음의 전압을 갖고, 이온을 탄소질 물질쪽으로 가속하게 작용을 하며, 탄소질 물질의 노출된 표면을 에칭시키기에는 충분하지만 이온을 탄소질 물질 내로 주입시키기에는 충분하지 않은 정도의 이온 에너지를 제공한다. 바람직하게는, 사용하는 이온은 비활성 기체 또는 소량의 질소가 첨가된 비활성 기체이다.

Description

전자 방출기 제조를 위한 플라즈마 처리 {Plasma Treatment for Producing Electron Emitters}
흔히 전계 방출 물질 또는 전계 방출기로 불리우는 전계 방출 전자 제공원은 다양한 전자 장치, 예컨대, 진공 전자 장치, 평면 패널형 컴퓨터, 텔레비젼 및 기타 표시 스크린, 방출 게이트 증폭기 및 클리스트론 (klystron)에, 그리고 조명에 사용할 수 있다.
표시 스크린은 가정용 및 상업용 텔레비젼, 랩탑 및 데스크탑 컴퓨터, 및 실내 및 실외 광고 및 정보 표시 등의 다양한 장치에 널리 사용된다. 대부분의 텔레비젼 및 데스크탑 컴퓨터는 두꺼운 음극선관 모니터를 사용하는 데 반해, 평면 패널 디스플레이는 두께가 겨우 몇 인치밖에 되지 않는다. 평면 디스플레이는 랩탑 컴퓨터에는 필수적일 뿐 아니라, 다른 응용품에서도 중량 및 크기 면에서 이점을 제공한다. 현재 랩탑 컴퓨터의 평면 패널 디스플레이는 작은 전기 신호를 가하면 투명한 상태에서 불투명한 상태로 변환될 수 있는 액정을 사용한다. 랩탑 컴퓨터용으로 적절한 것보다 크기 면에서 더 크거나 넓은 온도 범위에서 작동하는 이러한 디스플레이를 신뢰할 수 있게 생산하는 것은 어렵다.
플라즈마 디스플레이는 액정 디스플레이의 대안으로 사용되어 왔다. 플라즈마 디스플레이는 전기적으로 전하를 띤 기체의 미세한 픽셀을 사용하여 화상을 생성하며, 작동하는 데 비교적 높은 전력이 필요하다.
전계 방출 전자 제공원, 즉 전계 방출 물질 또는 전계 방출기를 사용하는 음극, 및 전계 방출기에 의해 방출되는 전자의 충돌에 의해 빛을 방출할 수 있는 인광 물질을 가진 평면 패널 디스플레이가 제안되었다. 이와 같은 디스플레이는 종래의 음극선관의 가시적인 표시면에서의 이점 및 다른 평면 패널 디스플레이의 두께 및 중량 면에서의 이점과 함께 여타의 평면 패널 디스플레이보다 전력 소비가 더 낮다는 추가의 이점을 제공할 수 있다. 미국 특허 제4,857,799호 및 동 제5,015,912호에는 텅스텐, 몰리브데늄 또는 규소로 구성된 마이크로-팁, 즉 스핀디티-팁 (Spindt tip) 음극을 사용하는 매트릭스-어드레스형 평면 패널 디스플레이가 개시되어 있다. WO 94-15352, WO 94-15350 및 WO 94-28571에는 음극이 비교적 평평한 방출 표면을 갖는 평면 패널 디스플레이가 개시되어 있다.
문헌 [R. S. Robinson et al., J. Vac. Sci. Technolo. 21, 1398 (1983)]은 이온 충돌 하에서의 기판 표면 상의 원추형의 형성을 기재하고 있다. 이 효과는 여러 기판 물질에 대해서 보고되었으며, 낮은 에너지에서 증착된 불순물 원자로 시딩 (seeding)하면서 동시에 높은 에너지에서 표면을 스퍼터링 (sputtering)시킴으로써 얻었다. 또한 스테인레스 스틸 표적에서 나온 불순물로 흑연 기판을 이온 충돌시켰을 때 길이 50 μm까지의 탄소 휘스커가 형성되는 것이 기재되었다.
문헌 [J. A. Floro et al., J. Vac. Sci. Technolo. A 1, 1398 (1983)]에는 가열된 흑연 기판에 비교적 높은 전류 밀도로 이온이 충돌하는 동안에 휘스커가 형성되는 것을 기재하고 있다. 이 휘스커는 길이가 2 내지 50 μm이고, 직경이 0.05 내지 0.5 μm이며, 이온 빔에 평행하게 자라는 것으로 기재되어 있다. 불순물의 동시 시딩은 휘스커의 성장을 방해하는 것으로 보고되었다. 문헌 [J. A. van Vechten et al., J. Crystal Growth 82, 289 (1987)]은 이온 스퍼터링의 조건하에서 흑연 표면으로부터의 휘스커의 성장을 논의하고 있다. 이 문헌에서는 가장 작은 직경, 특히 약 15 nm의 휘스커는 다이아몬드, 또는 탄화수소의 촉매 분해에 의해 성장한 탄소 섬유에서 발견되는 두루말이형 흑연 구조와는 명백히 다른 것으로 보인다는 점을 주목하고 있다. 30 내지 100 nm의 범위로 직경이 더 큰 휘스커 역시 스퍼터링 시스템에서 성장하는 것으로 관찰되었다. 직경이 작은 휘스커는 길이를 따라 직경이 일정한 반면, 직경이 더 큰 휘스커는 점점 더 가늘어질 수 있다.
문헌 [M. S. Dresselhaus et al., Graphite Fibers and Filaments, Springer-Verlag, Berlin, 1988, pp. 32-34]은 필라멘트가 육각의 탄소 표면의 몇 가지 유형에서 자랄 수 있으나 다이아몬드 또는 유리 탄소에서는 자라지 않음을 기재하고 있다.
문헌 [T. Asano et al., J. Vac. Sci. Technol. B 13, 431 (1995)]은 화학 증착에 의해서 규소 상에 증착되고, 아르곤 이온으로 분쇄되어 다이아몬드 원추형을 형성하고 나서 600℃에서 어닐링 (annealing)한 다이아몬드 필름으로부터 전자 방출이 증가하였음을 기재하고 있다. 이 원추형은 다이아몬드가 격리된 결정립 형태로 있을 경우에 형성된다.
문헌 [C. Nuetzenadel et al., Appl. Phys. Lett. 69, 2662 (1996)]은 이온 스퍼터링에 의해 합성 붕소-도핑된 다이아몬드 및 규소 어느 쪽으로든 에칭된 원추로부터의 전계 방출을 기재하고 있다.
J. R. Conard에 의한 미국 특허 제4,764,394호는 이온 플라즈마를 사용하는 이온 주입을 기재하고 있다.
이러한 기술을 고려할 때, 다양한 평면 장치에 사용하기 위한 소형 및 대형 고방출력 전계 방출 전자 방출기를 대량으로, 손쉽게, 경제적으로 제조하는 방법이 여전히 필요하다. 본 발명의 또다른 목적 및 이점은 하기에 기재되는 상세한 설명을 참고로 할 때 당업자들에게는 명백하게 될 것이다.
＜발명의 요약＞
본 발명은
(a) 탄소질 물질을 밀폐된 챔버 내에, 챔버 내에 설치된 두 전극 중의 하나와 접촉하도록 위치시키는 단계,
(b) 챔버를 탈기시키는 단계,
(c) 탄소질 물질의 노출된 표면을 둘러싸는 이온 플라즈마를 발생시키는 단계, 및
(d) 탄소질 물질과 접촉해 있는 전극에, 챔버 내에 있는 다른 전극에 비해서 음의 전압을 가하여, 플라즈마 상태의 이온을 탄소질 물질 쪽으로 가속되게 하고 탄소질 물질의 노출된 표면을 에칭시키기에는 충분하나 탄소질 물질 내로 이 이온들이 주입되기에는 충분하지 않은 이온 에너지를 제공하는 단계
를 포함하는 탄소질 전계 방출 전자 방출기를 제조하는 방법을 제공한다.
가리지 않으면 플라즈마에 노출되는 기판의 부분 및 플라즈마에 노출되지 않아야 하는 탄소질 물질의 원하는 부분을 가리는 것이 바람직하다. 흑연 마스크가 특히 바람직하다.
챔버의 벽이 전기 전도성 물질로 제조된 경우, 이 벽을 전극 중의 하나로 사용할 수 있다.
사용하는 이온은 비활성 기체 (즉, 아르곤, 네온, 크립톤 또는 크세논), 산소, 질소, 수소 또는 이들의 혼합물이다. 바람직하게는, 사용하는 이온은 비활성 기체 또는 소량의 질소가 첨가된 비활성 기체이다.
가하는 전압은 약 100 V 내지 약 20 kV이고, 바람직하게는 약 1 kV 내지 약 10 kV이다. 이렇게 가하는 전압의 펄스 주파수는 대개 약 100 Hz 내지 30 kHz이고, 바람직하게는 약 1 kHz 내지 약 25 kHz이다. 펄스 폭은 약 5 μ초 내지 약 50 μ초이고, 바람직하게는 약 5 μ초 내지 약 20 μ초이다.
공정 중의 챔버 내 압력은 약 1×10-5torr (1.3×10-3Pa) 내지 약 10 mtorr (1.3 Pa)이고, 바람직하게는 약 1×10-5torr (1.3×10-3Pa) 내지 약 10×10-5torr (1.3×10-2Pa)이다.
본 발명은 전계 방출 전자 방출기를 제조하기 위한 플라즈마 처리법을 제공한다. 본 발명은 미국 에너지부 (Department of Energy)와의 계약 (계약 번호 W-7405-ENG-36)에 의한 결과이다.
플라즈마를 사용하여 탄소질 전계 방출 전자 방출기를 제조하는 신규의 방법을 제공한다. 이러한 플라즈마에 기초한 방법은 플라즈마 상태의 이온을 사용하여 탄소질 물질에 충돌시켜 탄소질 물질의 표면에 다수의 작은 바늘상의 구조물을 형성시킨다. 이러한 구조물은 대개 5 대 1 이상의 종횡비를 갖는다. 플라즈마는 탄소질 물질의 노출된 표면을 둘러싼다. 반면에, 종래의 이온 빔 충돌은 빔의 경로에 직접 놓인 영역에서만 이온 충돌이 있다는 점에서 일직선 (line-of-sight) 방법이고, 따라서 이온 총의 일직선상 개구부의 구경에 의해 결정되는 비교적 좁은 면적만 영향을 받는다. 플라즈마에 기초한 방법은 일직선 방식이 아니기 때문에 매우 넓은 표면적을 동시에 가공할 수 있으며, 실제적으로는 사용하는 진공 챔버의 크기에 의해서만 제한을 받는다. 이것은 넓은 면적 평면 패널 디스플레이에서 사용하기 위한 넓은 면적의 전자 방출기의 제조가 가능할 뿐 아니라 더 좁은 면적 평면 패널 디스플레이에서 사용하기 위한 더 작은 면적 량의 전자 방출기를 경제적으로 제조할 수 있으므로 대단한 실제적인 이점을 제공한다.
본 발명의 방법은 매우 적은 전계 방출을 하는 탄소질 물질로부터 전계 방출 전자 방출기를 제조하고, 탄소질 물질을 포함하는 전자 방출기의 전계 방출을 향상시키는 데 사용할 수 있다.
본 명세서에서 "탄소질 물질"은 흑연, 무정형 탄소, 다이아몬드, 다이아몬드상 탄소 및 기타 탄소계 물질 등의 물질을 의미한다.
본 발명의 방법을 수행하기 위해 필요한 장치는 처리할 탄소질 물질을 수용하기에 충분한 크기의 진공 챔버, 탄소질 물질에 바이어스를 가하기 위한 고압 펄스 전원, 플라즈마를 생성시키는 기체를 공급하는 수단, 플라즈마 여기원 및 두 개의 전극이다. 챔버의 벽이 전기 전도성 물질로 제조된 경우, 이 벽을 전극 중의 하나로 사용할 수 있다.
탄소질 물질을 진공 챔버 내에 두 전극 중의 하나와 접촉시켜 놓고, 챔버를 탈기시킨다. 탈기시킨 챔버에 기체를 주입하고, 유도식 또는 축전식 고주파 (RF) 입력, 백열 방전, 마이크로파, 고온 필라멘트 및 통상적으로 당업자에게 공지된 기타 여기 주입 방법 등의 다양한 여기 방법을 이용하여 기체를 이온화시켜 플라즈마를 발생시킨다. 그러나 바람직한 플라즈마 제공원은 넓은 표면적 (수 제곱 피트)을 동시에 처리할 수 있는 것이며, 따라서 라디오파 및 백열 방전 플라즈마가 바람직하다. 형성된 플라즈마는 탄소질 물질의 노출된 표면을 둘러싸고, 이 노출된 표면에 충돌하여 표면을 에칭하는 이온의 제공원이 된다. 처리할 탄소질 물질과 접촉되어 있는 전극은 나머지 하나의 전극에 비해서 음으로 펄스 바이어스되어 플라즈마로부터 양 이온을 유도하고, 이 이온들을 탄소질 물질의 노출된 표면을 향해 가속되게 한다. 이 표면에 충돌하면 이온은 선택적으로 탄소를 에칭시키거나 스퍼터시킨다. 그 결과, 탄소 표면이 잘 쌓여진 원추형 및 뻣뻣한 머리칼 또는 바늘과 같은 형태가 된다. 충돌 이온량, 즉 표면의 단위 면적에 충돌하는 이온의 수는 노출 시간, 샘플을 통과하는 전류, 처리되는 면적, 전압 펄스 주파수 및 펄스의 폭에 의해 결정된다. 최적의 양이 있다. 이 양은 원하는 형태를 형성시키기에는 충분하지만 원하는 형태와 탄소질 물질을 에칭시켜 없애버릴 정도로 크지는 않아야 한다. 무거운 이온은 가벼운 이온보다 더 빨리 에칭시킬 것이므로 이 양은 선택된 특정 이온에 따라 달라질 것이다.
바람직한 양은 이온 질량 및 이온 에너지에 따라 달라질 것이다. 2 keV의 아르곤 이온을 사용하는 경우, 일반적으로 1×1018이온/cm2내지 1×1020이온/cm2의 양이고, 바람직하게는 약 5×1018이온/cm2내지 약 5×1019이온/cm2의 양이다.
실온 상태에서, 이온 에너지는 약 100 eV 내지 약 20 keV의 범위, 바람직하게는 약 1 keV 내지 약 10 keV의 범위여서 탄소질 물질에 가해지는 전압이 약 100 V 내지 약 20 kV, 바람직하게는 약 1 kV 내지 약 10 kV가 되어야 한다. 이렇게 가해지는 전압의 펄스 주파수는 대개 약 100 Hz 내지 30 kHz이고, 바람직하게는 약 1 kHz 내지 약 25 kHz이다. 펄스 폭은 약 5 μ초 내지 약 50 μ초이고, 바람직하게는 약 5 μ초 내지 약 20 μ초이다.
공정 동안의 챔버 내 압력은 약 1×10-5torr (1.3×10-3Pa) 내지 약 10 mtorr (1.3 Pa)이고, 바람직하게는 약 1×10-5torr (1.3×10-3Pa) 내지 약 10×10-5torr (1.3×10-2Pa)이다. 사용하는 이온은 비활성 기체 또는 소량의 질소가 첨가된 비활성 기체가 바람직하다. 사용하는 이온은 아르곤 또는 소량의 질소가 첨가된 아르곤이 가장 바람직하다. 본 명세서에서 사용하는 "소량으로 첨가된 질소"는 질소 약 20 부피%까지를 의미한다.
처리할 탄소질 물질은 탄소 막대 또는 탄소의 평면 형태, 또는 더 일반적으로는 기판상에 직접, 또는 기판에 도포된 도전성 필름상에 침적된 층 등 다양한 형태일 수 있다. 탄소질 물질은 탄소, 또는 탄소와 하나 이상의 다른 성분의 복합재일 수 있다. 다양한 방법을 이용하여 탄소질 물질의 층을 형성시킬 수 있으나, 바람직한 방법은 흑연 입자 및 유리 프릿 (frit)을 포함하는 페이스트를 기판 상에 원하는 패턴으로 스크린 프린트한 후, 건조한 패턴화된 페이스트를 소성시키는 것이다. 더 다양한 응용을 위해서, 예를 들어, 더 미세한 해상도를 요하는 경우에 바람직한 방법은 광개시제 및 광경화성 단량체를 더 포함하는 페이스트를 스크린 프린트하고, 건조한 페이스트를 광패턴화시키고, 현상시킨 후 패턴화된 건조한 페이스트를 소성시키는 것을 포함한다.
기판은 페이스트의 유리가 부착될 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 비전도성 기판을 음극 역학을 하고, 탄소질 물질에 전압을 가하고 전자를 공급하는 수단을 제공하기 위해서는 전기 전도체 필름이 필요할 것이다. 규소, 유리, 금속 또는 알루미나와 같은 내화성 물질을 기판으로 사용할 수 있다.
본 명세서에서 "기판"은 단일 물질이거나 전기 전도체의 층이 있는 유리와 같은 비도전성 물질과 같은 물질들의 혼합물이거나 간에 그 위에 복합재층이 형성되는 구조물을 의미한다. 이와 같은 전기 전도체층을 제공하기 위한 바람직한 기술은 은 또는 금 도전체 조성물을 스크린 프린트하고 소성시킴으로써 전도성 복합재를 형성시키는 것이다.
스크린 프린트하거나 광패턴화를 이용하여 복합재 층을 형성시키는 경우, 바람직한 기판은 유리이며, 소다 라임 유리가 특히 바람직하다.
스크린 프린트에 사용되는 페이스트는 일반적으로 흑연 입자, 저연화점 유리 프릿, 유기 매질, 용매 및 계면 활성제를 포함한다. 본 명세서에서 사용하는 "흑연 입자"는 합성 형태나 천연 형태 어느 것이든 일반적인 육각의 흑연 입자를 의미한다. 매질 및 용매의 역할은 스크린 프린트와 같은 일반적인 패턴화 방법에 적절한 레올로지를 갖도록 페이스트 내에 입상 구성물, 즉 고상물을 현탁시키고 분산시키는 것이다. 당업계에는 이러한 매질이 다수 알려져 있다. 사용할 수 있는 수지의 예로는 에틸 셀룰로오스와 같은 셀룰로오스계 수지 및 다양한 분자량의 알키드 수지가 있다. 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 디부틸 카르비톨, 디부틸 프탈레이트 및 터피네올이 유용한 용매의 예이다. 이것들 및 다른 용매를 사용하여 원하는 점도 및 휘발성을 얻을 수 있다. 계면 활성제를 사용하여 입자의 분산을 향상시킬 수 있다. 올레산 및 스테아르산과 같은 유기산, 및 레시틴 또는 가팍 (Gafac;등록상표) 포스페이트와 같은 유기 인산염이 통상적인 계면 활성제이다. 소성 온도에서 충분히 연화되어 기판 및 흑연 입자에 부착되는 유리 프릿이 필요하다. 실시예에서는 납유리 프릿을 사용하였으나, 연화점이 낮은 칼슘 보로실리케이트 또는 아연 보로실리케이트와 같은 다른 유리도 사용할 수 있다. 바람직하게는 흑연 입자는 1 μm 이상의 치수를 가져야 한다. 전기 전도성이 높은 복합재의 층을 원할 경우, 페이스트는 은 또는 금과 같은 금속도 포함한다. 이 페이스트는 일반적으로 페이스트의 총량을 기준으로 약 40 중량% 내지 약 60 중량%의 고상물을 포함한다. 이러한 고상물은 흑연 입자 및 유리 프릿, 또는 흑연 입자, 유리 프릿 및 금속을 포함한다. 흑연 입자의 부피 분율은 고상물 총부피의 약 35% 내지 약 80%이다. 조성을 변화시킴으로써 점도 및 프린트된 물질의 최종 두께를 조절할 수 있다.
페이스트는 일반적으로 흑연 입자, 저연화점 유리 프릿, 유기 매질, 계면 활성제와 용매의 혼합물을 분쇄하여 제조한다. 이 페이스트 혼합물을 공지된 스크린 프린트 기술, 예를 들어, 165 내지 400 메쉬의 스테인레스 스틸 스크린을 사용하여 스크린 프린트할 수 있다. 이 페이스트를 원하는 패턴, 예컨대 불연속적인 도안, 상호 연결된 영역 또는 연속적인 필름의 형태로 도포한다. 스크린-프린트된 페이스트를 건조시킨 후 대개는 125℃에서 약 10 분 동안 가열하여 소성시킨다. 기판이 유리를 포함할 경우, 건조시킨 페이스트를 약 450℃ 내지 약 575℃의 온도에서, 바람직하게는 약 475℃ 내지 약 525℃의 온도에서 약 10 분 동안 소성시킨다. 기판이 견딜 수 있으면, 더 높은 소성 온도를 사용할 수 있다. 이 소성 단계 중에 흑연 입자 및 유리를 포함하는 복합재 층을 남기고 유기 물질이 휘발된다. 놀랍게도, 흑연 입자는 소성 동안에 감지할 정도의 산화, 또는 기타 화학 또는 물리적 변화를 일으키지 않는다. 스크린 프린트된 페이스트를 광패턴화시키려는 경우, 페이스트는 광개시제, 및 하나 이상의 중합 가능한 에틸렌기를 갖는 1종 이상의 부가 중합 가능한 에틸렌계 불포화 화합물 등을 포함하는 광경화성 단량체를 포함한다. 소성된 물질의 주사 전자 현미경 사진 (SEM)은 흑연 입자와 유리로 된 복합재층의 표면적의 상당 부분이 흑연 입자로 구성되었음을 나타낸다. 대부분 표면적의 80% 이상이 흑연 입자 부분을 포함하고 있다.
도포된 페이스트층은 소성하는 동안 두께가 감소한다. 바람직하게는, 소성된 복합재층의 두께는 약 5 μm 내지 약 30 μm이다.
탄소질 물질이 기판상의 층 형태이고, 이 층이 기판을 완전히 피복하지 않은 경우, 플라즈마에 노출되는 표면의 일부는 기판 물질일 것이다. 예를 들면, 탄소질 물질이 연속적인 필름이 아니라 불연속적인 도안 또는 상호 연결된 영역으로 된 패턴일 경우, 기판의 일부가 플라즈마에 노출될 것이다. 기판이 전기 전도체의 층이 있는 유리와 같은 비도전성 물질로 구성되는 경우, 유리 및(또는) 전기 전도체의 일부는 플라즈마에 노출될 것이다. 탄소질 물질이 연속적인 층의 형태일 경우에도 탄소질 물질을 둘러싸는 기판의 일부, 예를 들어, 유리 및(또는) 전기 전도체의 일부가 플라즈마에 노출될 수 있다. 또다른 예로, 전자 방출력이 좋은 영역으로 작용할 수 있는 탄소질 물질의 연속된 층의 불연속적인 영역이 방출력이 매우 감소한 구간에 의해 분리되어 있도록 만들기 위해서는, 탄소질 물질의 연속 층의 일부가 플라즈마에 노출되는 것을 방지해야 할 필요가 있다. 이 모든 경우에, 플라즈마에 노출될 기판의 임의의 부분, 및 플라즈마에 노출되지 않아야 할 탄소질 물질의 임의의 원하는 부분을 가리는 것이 바람직하다. 이와 같은 마스크의 사용은 원하는 전자 방출기를 일관되게 생성시키기 위하여 바람직하다. 특히 바람직한 것은 흑연 마스크이다.
하나는 양극 또는 수집기이고, 나머지 하나는 음극인 두 개의 전극을 포함하는 평판 방출 측정 유닛을 사용하여 전계 방출 테스트를 얻어진 샘플에 행할 수 있다. 이 유닛은 모든 꼭지점 및 변이 둥글게 처리되어 전기 아크를 최소화시킨 두 개의 1.5 인치 × 1.5 인치 (3.8 cm × 3.8 cm) 사각형 구리판을 포함한다. 각 구리판은 개별 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 블록 (2.5 인치 × 2.5 인치 (4.3 cm × 4.3 cm))에 매립되어 있으며, 하나의 1.5 인치 × 1.5 인치 (3.8 cm × 3.8 cm) 구리판 표면이 PTFE 블록의 앞면에 노출된다. 구리판에의 전기 접촉은 PTFE 블록의 배면을 통해 구리판까지 닿는 금속 나사에 의해서 이루어지며, 그럼으로써 그 판에 전압을 가할 수 있는 수단 및 구리판을 적당한 위치에 견고하게 고정시키는 수단을 제공한다. 두 개의 PTFE 블록은 두 개의 노출된 구리판 표면이 서로 마주 보고, 레지스터 내에서 이 판들 사이의 거리가 PTFE 블록들 사이에 놓이되, 표면 누출 전류 또는 아크를 피할 수 있도록 구리판으로부터 떨어져 있는 유리 스페이서에 의해 고정되도록 위치시킨다. 전극 간의 떨어진 거리는 조정할 수 있으나 일단 선택하면 하나의 샘플에 대해서 주어진 일련의 측정을 하는 동안은 고정시킨다. 대개, 간격은 0.5 mm 내지 약 2 mm로 할 수 있다.
음극으로 사용하는 구리판 위에 샘플을 놓는다. 도전성 기판의 경우, 샘플을 적절한 위치에 고정시키고, 작은 탄소 페인트 방울을 샘플의 배면에 가하고 마르도록 하여 전기 접촉을 시킬 수 있다. 도전성 필름이 있는 절연 기판의 경우, 전기 접촉을 제공할 수 있는 도전성 구리 테이프를 사용하여 기판의 두 측면을 고정시킨다.
테스트 장치를 진공 시스템에 넣고, 이 시스템을 탈기시켜 기초 압력을 1×10-6torr (1.3×10-4Pa) 이하로 만든다. 음의 전압을 음극에 가하고, 방출 전류를 가한 전압의 함수로 측정한다. 판들 사이의 떨어진 거리를 측정한다.
하기의 비제한적인 실시예는 본 발명을 더 설명하고 실행 가능하게 하려는 의도이다. 모든 부 및 백분율은 특별히 지시하지 않으면 중량을 기준으로 한다.
＜실시예 1＞
탄소질 전계 방출 전자 방출기를 하기 방법을 이용하여 제조하였다. 흑연 입자 및 유리 프릿을 포함하는 페이스트를 기판 상으로 스크린 프린트하고 소성시켜 흑연 입자와 유리를 포함하는 복합재 층을 형성시켰다. 기판은 유리 슬라이드 상에 입혀진 은 도전체 조성물의 층을 포함한다.
기판은, 1 인치 × 1 인치 (2.5 cm × 2.5 cm)의 유리 슬라이드 상에 200 메쉬 스크린을 사용하여 22 mm × 22 mm의 은 도전체 조성물 (듀폰 #7095 은 도전체 조성물, 델라웨어주 윌밍톤 소재, 이. 아이. 듀폰 드 네모어 앤드 컴퍼니 (E. I. du Pont de Nemours and Company)사에서 시판하는 스크린 프린트 가능한 후막 조성물)층을 스크린 프린트하고, 건조시킨 층을 525℃에서 10분 동안 소성시켜 도전성 은 복합재층을 생성시킴으로써 제조하였다.
흑연 입자 및 유리 프릿을 포함하는 페이스트는 천연 HPN-10 흑연 분말 25%, 유리 25%, 매질 37%, β-터피네올 10% 및 소야 레시틴 3%를 혼합하여 제조하였다. 사용한 유리의 조성은 SiO21.6%, Al2O31.7%, PbO 85.8%, B2O310.9%였고, 사용한 매질은 N-22 에틸 셀룰로오스 10%, 디에틸렌글리콜 30%, 디부틸 에테르 30% 및 β-터피네올 30%로 구성되었다. 이 혼합물을 3롤 밀을 사용하여 롤 압력 100/200 psi (6.9/13.8×105Pa)에서 롤 분쇄시켰다. 고상물, 즉 흑연 입자 및 유리 프릿의 총 부피를 기준으로 흑연 입자의 총 부피 비율은 74%였다.
페이스트를 유리 슬라이드 상의 은 복합재 층에 14 mm ×14 mm의 사각형 패턴으로 200 메쉬 스크린을 사용하여 도포하였다. 그런 다음, 건조시킨 페이스트를 공기 중에서 525℃의 온도까지 20℃/분의 속도로 온도를 상승시키고 525℃ 온도에서 10분 동안 유지한 후, 20℃/분의 속도로 주변 온도까지 온도를 냉각시킴으로써 소성시켰다. 이 결과 기판 상에 흑연 입자 및 유리를 포함하는 복합재 층이 형성되었다.
소성된 물질의 주사 전자 현미경 사진 (SEM)은 흑연 입자가 복합재 층의 표면적의 대부분을 이루고 있음을 나타내고, 유리는 소량만 보인다.
흑연 마스크를 사용하여 복합재 층을 1 cm × 1 cm만 남기고 모두 가렸다. 즉, 흑연 마스크로 유리와 은 복합재 층, 및 은 복합재 층에 인접한 복합재 층의 외부를 덮어, 플라즈마에 노출되는 부분은 1 cm × 1 cm 부분이다. 샘플을 전기 전도성 벽으로 된 진공 챔버에 넣은 후, 챔버를 탈기시켰다. 아르곤을 챔버에 주입하고, 유도 커플링된 코일에 1 kW의 고주파 전력을 가하여 플라즈마를 발생시켰다. 챔버 압력은 10 mtorr (1.33 Pa)였다. 챔버 벽에 비하여 1400 V의 음전압 펄스를 복합재 층에 가하였다. 펄스 주파수는 10 kHz였고, 펄스 폭은 10-5초였다. 입사 이온량을 측정하였더니 1018이온/cm2였다.
진공 챔버에서 꺼내었을 때, 주사 전자 현미경으로 샘플의 노출된 영역에서 기부 직경 약 0.5 μm , 길이 약 1.5 μm의 바늘상의 구조물을 소량 관측하였다.
스크린 프린트된 이온-충돌된 흑연 입자를 포함하는 유리 슬라이드를 상기한 바 있는 측정 유닛의 구리 블록 음극에 놓고 이온 충돌된 1 cm × 1 cm에서 나오는 방출 결과를 얻었다. 도전성 구리 테이프 두 조각을 기판의 양 쪽에 부착시켜 기판을 적절한 위치에 고정시키고 은 복합재층에 대한 전기 접촉을 제공하였다. 스크린 프린트된 샘플의 표면과 구리 블록 양극이 떨어진 거리는 0.6 mm였다. 4800 V의 전압을 가했을 때 방출 전류는 100 μA였다.
＜실시예 2＞
탄소질 전계 방출 전자 방출기는 입사 이온량이 1019이온/cm2인 것을 제외하고는 거의 실시예 1에 기재한 바와 같이 제조하였다.
진공 챔버에서 꺼낸 후, 샘플의 표면을 주사 전자 현미경을 사용하여 시험하고, 표면의 형태를 관찰하였더니 기부 직경이 크고 말단이 매우 가는 큰 원추형 구조로 대부분 구성되어 있었다. 기부 직경은 약 3 μm이고, 구조물의 높이는 약 5 μm였다.
스크린 프린트된 이온-충돌된 흑연 입자를 포함하는 유리 슬라이드를 상기한 바 있는 측정 유닛의 구리 블록 음극에 놓고 이온 충돌된 1 cm × 1 cm에서 나오는 방출 결과를 얻었다. 도전성 구리 테이프 두 조각을 기판의 양 쪽에 부착시켜 기판을 적절한 위치에 고정시키고 은 복합재 층에 대한 전기 접촉을 제공하였다. 스크린 프린트된 샘플의 표면과 구리 블록 양극이 떨어진 거리는 0.6 mm였다. 4800 V의 전압을 가했을 때 방출 전류는 200 μA였다.
＜실시예 3＞
두 개의 탄소질 전계 방출 전자 방출기를 대부분 실시예 1에 기재한 바와 같되, 하기의 점을 달리하여 제조하였다.
(a) 하나의 방출기의 기판을 은 도전체 조성물 (듀폰 #7095 은 도전체 조성물, 델라웨어주 윌밍톤 소재, 이. 아이. 듀폰 드 네모어 앤드 컴퍼니 (E. I. du Pont de Nemours and Company)사에서 시판하는 스크린 프린트 가능한 후막 조성물) 층 22 mm × 22 mm를 실시예 1에서와 같이 1 인치 × 1 인치 (2.5 cm × 2.5 cm)의 유리 슬라이드 상으로 스크린 프린트하여 제조하였다. 다른 방출기의 기판은 동일한 은 도전체 조성물의 층 7.75 인치 × 7.75 인치 (19.7 cm × 19.7 cm)를 8 인치 × 8 인치 (20.3 cm × 20.3 cm)의 유리 판 상으로 스크린 프린트하여 제조하였다.
(b) 작은 샘플에 대해서, 실시예 1에서와 같이 페이스트를 유리 슬라이드 상의 은 복합재 층에 14 mm × 14 mm의 사각형 패턴으로 도포하였다. 큰 샘플에 대해서는, 페이스트를 유리 슬라이스 조각 상의 은 복합재 층에 6.75 인치 × 6.75 인치 (17.1 cm × 17.1 cm)의 사각형 패턴으로 도포하였다.
(c) 작은 샘플에 대해서, 실시예 1에서와 같이 흑연 마스크를 사용하여 그렇지 않으면 플라즈마에 노출될 유리 및 은 도전체 조성물, 및 은 도전체 조성물에 인접한 복합재 층의 영역을 모두 덮어, 복합재 층의 1 cm × 1 cm의 영역을 제외하고는 모두 가려지게 하였다. 큰 샘플에 대해서, 역시 흑연 마스크를 사용하여 그렇지 않으면 플라즈마에 노출될 유리 및 은 도전체 조성물, 및 은 도전체 조성물에 직접 인접한 복합재 층의 영역을 모두 덮었다.
(d) 두 개의 샘플을 진공 챔버에 넣고, 동시에 플라즈마 처리에 노출시켰다. 챔버 압력은 5×10-5torr (6.7×10-3Pa)였다. 챔버 벽에 비하여 2000 V의 음 전압을 복합재 층에 가하였다. 펄스 주파수는 25 kHz이고, 입사 이온량은 7.8×1018이온/cm2였다.
그외 모든 조건은 실시예 1에 기재된 바와 거의 같다.
주사 전자 현미경의 측정 결과 두 샘플의 표면이 바늘상의 구조를 포함하고 있으며 두 표면이 거의 동일한 것으로 나타났다. 구조물은 높이가 10 내지 15 μm이고, 기부 직경이 0.5 내지 1.0 μm로 측정되었다.
작은 샘플은 실시예 1에서와 거의 비슷하게 전자 방출을 테스트하였다. 3100 V의 전압을 가했을 때, 방출 전류는 900 μA였다. 큰 샘플에서의 방출은 육안으로 관찰하였다. 진공 시스템에서, 음극으로 사용할 수 있도록 인듐 주석 산화물의 층으로 먼저 코팅하고 인듐 주석 산화물 층의 상부에 인광 물질 층으로 코팅한 2 인치 × 3 인치 (5.1 cm × 7.6 cm)의 유리판을, 인광 물질이 더 큰 샘플의 표면으로부터 1 mm 떨어져 있도록 놓았다. 음의 전압을 샘플에 가하여 방출 결과로 관찰된 빛은 밝고 균일하였다.
본 발명의 특정 실시 태양이 상기에 상세하게 설명되었으나, 당업자들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서도 본 발명의 수많은 변형, 치환 및 재배치가 가능함을 이해할 것이다. 본 발명의 범위를 지시하는 것으로서 상기 명세서보다는 하기 청구 범위를 참고로 한다.

Claims (17)

  1. (a) 탄소질 물질을 밀폐된 챔버 내에, 챔버 내에 제공되는 두 전극 중의 하나와 접촉시켜 위치시키는 단계,
    (b) 챔버를 탈기시키는 단계,
    (c) 탄소질 물질의 노출된 표면을 둘러싸는 이온 플라즈마를 발생시키는 단계, 및
    (d) 탄소질 물질과 접촉해 있는 전극에, 챔버 내에 있는 다른 전극에 비해서 음의 전압을 가하여, 플라즈마 상태의 이온을 탄소질 물질 쪽으로 가속되게 하고 탄소질 물질의 노출된 표면을 에칭시키기에는 충분하나 탄소질 물질 내로 이 이온들이 주입되기에는 충분하지 않은 이온 에너지를 제공하는 단계
    를 포함하는 탄소질 전계 방출 전자 방출기의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 음의 전압이 약 100 V 내지 약 20 kV인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 음의 전압이 약 1 kV 내지 약 10 kV인 방법.
  4. 탄소질 물질에 플라즈마에서 나온 이온에 의한 이온 충돌을 행하는 단계를 포함하는 탄소질 전계 방출 전자 방출기의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 음의 전압이 약 100 V 내지 약 20 kV인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 음의 전압이 약 1 kV 내지 약 10 kV인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 챔버의 벽이 전기 전도성 물질로 제조되고, 상기 벽이 전극 중의 하나로 사용되는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 이온이 비활성 기체 또는 비활성 기체와 질소의 이온인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 이온이 아르곤 또는 아르곤과 질소의 이온인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 챔버 내 압력이 약 1.3 ×10-3Pa 내지 약 1.3 Pa인 방법.
  11. 제8항에 있어서, 노출된 표면에 충돌하는 이온의 수가 약 1×1018이온/cm2내지 약 1×1020이온/cm2인 방법.
  12. (a) 탄소질 방출기를 밀폐된 챔버 내에, 챔버 내에 제공되는 두 전극 중의 하나와 접촉하도록 위치시키는 단계,
    (b) 챔버를 탈기시키는 단계,
    (c) 탄소질 방출기의 노출된 표면을 둘러싸는 이온 플라즈마를 발생시키는 단계, 및
    (d) 탄소질 방출기와 접촉해 있는 전극에, 챔버 내에 있는 다른 전극에 비해서 음의 전압을 가하여, 플라즈마 상태의 이온을 탄소질 방출기 쪽으로 가속하게 하고 탄소질 방출기의 노출된 표면을 에칭시키기에는 충분하나 탄소질 방출기 내로 이 이온들이 주입되기에는 충분하지 않은 이온 에너지를 제공하는 단계
    를 포함하는 탄소질 전계 방출 전자 방출기의 전계 방출을 향상시키는 방법.
  13. 제8항에 있어서, 탄소질 물질이 기판 상에 도포된 층인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 가리지 않으면 플라즈마에 노출될 기판의 임의의 부분을 마스크로 가리는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 플라즈마에 노출되지 않아야 하는 탄소질 물질 층의 임의의 부분을 마스크로 가리는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 마스크가 흑연 마스크인 방법.
  17. 제15항에 있어서, 마스크가 흑연 마스크인 방법.
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