KR20010106130A

KR20010106130A - 저온방출형 박막 캐소드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20010106130A
Application number: KR1020007014496A
Authority: KR
Inventors: 니콜라이니콜래비치 드바노프스키; 안드레이 알렉산드로비치 필레프스키; 니콜라이 블라디스라포비치 수에틴; 알렉산드르 투르수노비치 라키모프; 미하일 아르카디에비치 티모페프
Original assignee: 누락; 오오오 비소키 테크놀로기
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2001-11-29
Also published as: AU8469198A; WO1998059355A2; WO1998059355A3; EP1098346A4; RU2161838C2; EP1098346A2; US6593683B1

Abstract

본 발명은 평판표시소자, 전자현미경, 마이크로파 전자부품, 광원 및 몇몇 다른 응용제품을 제작하는데 사용될 수 있는 전계방출장치용 고효율 박막의 제조에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로는, 본 발명은 카본 박막이 코팅된 기판을 구비하는 저온 캐소드에 관한 것이다. 카본 박막은 기판의 표면에 대해 수직으로 배향되며 0.01∼1 마이크론 사이즈와 0.1∼10 ㎛^-2의 분포밀도를 갖는 카본 마이크로- 및 나노-릿지 및/또는 마이크론- 또는 나노-쓰레드로 이루어진 불규칙적인 구조를 가진다. 본 발명은 또한 저온 캐소드의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 수소 및 카본함유가스의 혼합물내에서 DC 글로우 방전을 실시하는 공정과, 애노드상에 배치된 기판위에 카본박막을 증착하는 공정을 포함한다. DC 방전은 0.15∼0.5 A/cm²의 전류밀도에서 발화되며, 증착공정은 전체압력 50∼300 Torr, 기판온도 600∼900℃에서 수소 및 에틸알콜증기 또는 메탄이 혼합된 혼합물로부터 수행된다. 이때 에틸알콜의 농도는 5∼10%이고 메탄의 농도는 15∼30%이다. 본 발명은 또한 저온 캐소드의 또 다른 제조방법에 관한 것이다. 이 방법은 압력 10∼200 Torr에서 이산화탄소와 메탄이 0.8∼1.2의 비율로 혼합된 혼합물내에서 100∼1000 W의 입력 파워로 마이크로파 방전을 실시하는 공정과, 카본상을 기판위에 증착시키는 공정을 포함한다. 이 방법에서, 증착공정은 500∼700℃의 기판온도에서 수행됨을 특징으로 한다.

Description

저온방출형 박막 캐소드 및 그 제조방법{Cold cathode and methods for producing the same}

저온방출형 박막 캐소드는 다이아몬드 박막이 코팅된 기판을 구비하는 것으로 알려져 있다[Application of Diamond Films and Related Materials: Third International Conference, 1995, NIST Special Publication 885, Edited by A. Feldman et al., p.37, p.61]. 다결정 다이아몬드 박막을 기초로 한 고효율의 전계방출장치를 제작하는 모든 시도들은 현재까지 성공적이지 못한 것으로 간주되었는데, 특히 그 이유는 방출부의 밀도가 낮기 때문이다.

본 발명에 가장 관련된 것은 카본박막이 코팅된 기판을 구비한 저온방출형 박막 캐소드이다[<<Diamond based field emission flat panel displays>> Solid State Techn., 1995, May, p.71]. 기판위에 증착된 박막은 비정질 카본박막이다.

레이저 스퍼터링법에 의해 저온방출형 박막 캐소드를 제조하는 방법이 알려져 있다[<<Diamond based field emission flat panel displays>> Solid State Tech., 1995, May, p.71]. 상기 방법은 강력한 레이저방사에 의해 그라파이트 타겟으로부터 기화된 카본을 저온의 기판위에 증착시키는 공정을 포함한다. 그러나, 이러한 방법이 갖는 고유한 단점은 공정이 복잡하며 제작비용이 많이 소요되며 생산규모를 늘릴 가능성이 제한적이다. 또한, 256 등급의 밝기를 갖는 풀컬러 디스플레이를 생산하기에는 명백히 충분하지 않는 낮은 밀도(20 V/micron의 전계에서 약 1000/cm²)의 방출중심을 가지는 것이다.

플라즈마 화학증착법을 이용하여 저온방출형 박막캐소드를 제조하는 방법이 알려져 있다[A.T.Rakhimov, B.V.Seleznev, N.V.Suetin et al. Applications of Diamond Films and Related Materials: Third International Conf., Gaithersburg, MD, USA, 1995, NISTIR 5692, Supplement NIST Special Publication 885, p.11s]. 상기 플라즈마 화학증착법은 수소로 채워진 캐소드와 애노드 사이의 전극 갭에 DC 글로우 방전을 실시하고, 기판을 증착온도까지 가열한 다음 카본함유 기체를 수소분위기에 주입하고 수소 및 카본함유 가스 혼합물로부터 박막을 증착한 후, 수소분위기에서 방전을 실시하여 과도한 그라파이트상을 제거하는 것으로 이루어진다. 이에 따라 나노 두께의 다이아몬드 박막캐소드가 제조된다. 그러나, 이러한 방법으로 제조된 다이아몬드 박막은 성장이 매우 느리며 풀컬러 디스플레이를 생산하기에는 충분치 않은 방출특성을 가진다.

20∼100 Torr의 압력에서 이산화탄소와 메탄을 0.8∼1.2의 비율로 혼합한 혼합물에서 100∼1000W의 입력 파워로 마이크로 방전을 실시한 다음, 기판위에 카본상을 증착함으로써 다이아몬드 캐소드를 제조하는 방법이 알려져 있다(미합중국 특허 제 4,816,286호, 1989). 그러나, 이러한 방법은 제조단가가 매우 높으며, 이러한 방법으로 제조된 박막들은 오히려 불균일한 방출성능을 갖는 단점이 있다.

본 발명은 평판표시소자, 전자현미경, 마이크로파 전자부품, 광원 및 몇몇 다른 응용제품을 제작하는데 사용될 수 있는 전계방출장치용 고효율 박막의 제조에 관한 것이다.

도 1a 및 도 1b는 주사전자현미경에 의해 만들어진 고효율 박막들의 전형적인 이미지이다.

도 2는 고효율 박막중 하나로부터 나오는 방출전류의 분포를 나타낸 도면이다.

도 3은 전계의 세기에 대한 방출전류의 의존도를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따라 제조된 박막들의 전형적인 라만 스펙트럼이다.

본 발명의 기술적인 목적은 평판표시소자, 전자현미경, 마이크로파 전자부품, 광원 및 몇몇 다른 응용제품을 제작하기 위한 전계방출장치로서 사용될 수 있는 고효율의 전자방출성능을 갖는 저온방출형 박막 캐소드를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적은 하기와 같은 구조의 저온방출형 박막 캐소드에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 저온방출형 박막 캐소드는 카본 박막이 코팅된 기판을 구비하며, 상기 카본 박막이 기판의 표면에 대해 수직으로 배향되며 0.01∼1 마이크론 사이즈와 0.1∼10 ㎛^-2의 분포밀도를 갖는 카본 마이크로- 및 나노-릿지(ridges) 및/또는 마이크론- 또는 나노-쓰레드(threads) 또는 팁(tips)으로 이루어진 불규칙적인 구조 형태로 제조된다. 본 발명의 박막 캐소드는 두가지 방법으로 제조될 수 있다.

제 1 방법을 이용하면, 저온방출형 박막 캐소드는 수소 및 카본함유가스의 혼합물내에서 DC 글로우 방전을 실시한 다음, 애노드상에 배치된 기판위에 카본박막을 증착시킴에 의해 제조된다. 상기 DC 글로우 방전은 0.15∼0.5 A/cm²의 전류밀도에서 발화되며, 상기 증착공정은 전체압력 50∼300 Torr, 기판온도 600∼900℃에서 수소 및 에틸알콜증기 또는 메탄이 혼합된 혼합물로부터 수행되며, 이때 에틸알콜의 농도는 5∼10%이고 메탄의 농도는 15∼30%이다.

제 2의 방법을 이용하면, 본 발명의 저온방출형 박막 캐소드는 압력 20∼100 Torr에서 이산화탄소와 메탄이 0.8∼1.2의 비율로 혼합된 혼합물내에서 100∼1000 W의 입력 파워로 마이크로파 방전을 실시한 다음, 500∼700℃의 기판온도에서 카본상을 기판위에 증착시킴으로써 제조된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 박막들은 표면에 수직으로 배향된 쓰레드형 (thread-like, 도 1a)이나 스트립형(strip-like, 도 1b) 구조를 가질 수 있다.

도 2는 여기 전자빔의 전류밀도에 비례하는 인 냉광체의 분포를 나타낸 도면이다. 샘플의 사이즈는 25 mm×25 mm이다. 상기 도면으로 볼때, 방출전류의 분포가 상당히 균일함을 알 수 있다. 방출중심의 밀도는 방출 디스플레이를 제작하기에 충분한 크기인 약 300000/cm²이었다.

방출전류의 전압-전류특성은 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 전계의 세기에 대한 방출전류의 의존도를 나타낸다. 상기 도면으로 볼때, 방출한계치가 상당히 낮음을 알 수 있다.

증착된 성분들은 주사전자현미경법, X-선 회절법 및 라만 스펙트럼법을 이용하여 검사하였다. 도 4는 전형적인 라만 스펙트럼이다.

상기 검사결과에 따르면, 증착된 성분은 마이크로그라파이트이며 약 1 ㎛^-2의 분포밀도로 기판의 표면위를 따라 불규칙적으로 배열된 쓰레드형 또는 스트립형 구조로 이루어져 있음을 알 수 있다. 이러한 성분은 정전기적으로 매우 강하다. 이에 따라, 그 박막은 30V/micron 까지의 전계에도 견딜 수 있다.

본 발명의 제 1 방법은 수소 및 카본함유가스의 혼합물내에서 DC 글로우 방전을 실시한 다음, 애노드상에 배치된 기판위에 카본박막을 증착하는 공정을 포함한다. DC 글로우 방전은 0.15∼0.5 A/cm²의 전류밀도에서 발화되며, 증착공정은 전체압력 50∼300 Torr, 기판온도 600∼900℃에서 수소 및 에틸알콜증기 또는 메탄의 혼합물로부터 수행되는데, 이때 에틸알콜의 농도는 5∼10%이고 메탄의 농도는 15∼30%이다.

가스 혼합물은 전체압력이 변화되지 않도록 유지하면서 아르곤과 같은 75%까지의 불활성 기체로 분해될 수 있다.

DC 방전내에서 저온방출형 박막 캐소드의 제조공정은 수소 및 카본함유혼합물로 이루어진 가스 혼합물을 공급 및 제어하는 가스공급시스템이 장착된 챔버내에서 수행된다. 방전은 전력공급시스템에 연결된 두개의 전극사이에서 발화된다. 애노드는 기판홀더로서 사용되며, 400마이크론 두께의 실리콘 플레이트가 기판으로 사용될 수 있다.

만약 에틸알콜증기의 농도가 5%에 미달되거나 또는 메탄의 농도가 15%에 미달되고 압력이 50 Torr 이하이면, 핵생성이 느려져 방출특성의 불균일성이 더욱 더 심화되며 또한 박막의 조직변화가 일어난다. 만약 에틸알콜증기의 농도가 10%를 초과하거나 또는 메탄의 농도가 30%를 넘어서고 압력이 300 Torr 이상이 되면, 방전이 불안정해지게 된다. 만약 전류밀도가 0.5 A/cm²을 초과하게 되면, 가스와 기판이 과열되어 박막방출성능의 악화를 초래하게 된다.

만약 전류밀도가 0.15 A/cm²에 미달되면, 가스매체의 필요 활성화가 일어나지 않는다.

기판의 온도가 600℃에 미달되거나 1100℃를 초과하게 되면, 박막의 조직변화가 뚜렷해지며 방출특성의 손실을 초래한다.

방전파워, 특수히터 및 냉각시스템에 의해 결정된 기판의 온도는 광학 고온계로 모니터링되며 600∼1000℃ 범위가 되도록 해당되는 보정을 하면서 측정된다. 전류밀도는 0.15∼0.5 A/cm²이다. 그러한 조건에서, 카본박막의 성장속도는 10 microns/hr이었다. 증착온도에 견딜 수 있고 카본에 대해 높은 점착성을 갖는 물질이면 어떠한 물질이든 기판으로 사용될 수 있다. 증착온도들에 견딜 수 있고 카본에 대해 높은 점착성을 갖는 물질이면 다른 어떠한 물질이든 기판으로 사용될 수 있다. 증착단계전, 기판은 표준기법중 하나를 사용하는 다이아몬드 현탁액으로 처리되어 핵생성 중심의 농도를 증가시킨다. 특히, 초음파 처리는 20∼40분동안 사용될 수 있다.

동일한 조건의 증착공정에서 15∼30% 농도의 메탄을 사용하여도 유사한 박막조직이 얻어진다.

저온방출형 박막 캐소드의 제 2의 제조방법은 압력 20∼100 Torr에서 이산화탄소와 메탄이 0.8∼1.2의 비율로 혼합된 혼합물내에서 5∼50 W/cm³의 입력 파워로 마이크로파 방전을 실시한 다음, 카본상을 기판위에 증착시키는 것으로 이루어지며, 보다 바람직하기로는 상기 증착공정은 500∼700℃의 기판온도에서 수행된다.

만약 입력 파워가 50 W/cm³을 초과하게 되면, 가스와 기판의 표면이 과열되어 박막의 방출성능의 악화를 초래하게 된다. 만약 입력 파워가 5 W/cm³에 미달되면, 사용매체의 충분한 활성화가 일어나지 않는다. 기판의 온도가 500℃보다 낮거나 700℃보다 높으면, 박막의 조직변화가 뚜렷해지며 방출특성의 손실을 초래하게 된다.

저온방출형 박막 캐소드의 제 2 제조방법은 100∼1000 W의 입력 파워로 챔버내에서 마이크로파 방전으로 수행된다. 증착의 경우, 20∼100 Torr의 압력에서 이산화탄소와 메탄의 혼합물을 사용한다. 이산화탄소-메탄의 비율은 0.8∼1.2이다. 기판 표면의 온도는 500∼700℃이다. 그러한 조건하에서, 카본박막의 성장속도는 10 microns/hr까지 이다. 기판은 DC 방전으로 저온방출형 박막 캐소드를 제조하는 방법의 경우와 동일한 방식으로 준비된다.

본 발명의 방법들을 이용하여 제조된 저온방출형 캐소드는 우수한 방출성능을 가지며, 높은 전계에서도 안정하고 내약품성을 가지며, 따라서 평판표시소자, 전자현미경, 마이크로파 전자부품, 광원 및 몇몇 다른 응용제품을 제작하는데 사용될 수 있다. 그러한 본 발명의 박막 캐소드를 제조하는 방법들은 합당한 생산성을 가진다. 카본 이외의 다른 전도성 물질로부터도 또한 본 발명의 박막 캐소드 구조들이 제조될 수 있다.

Claims

카본 박막이 코팅된 기판을 구비하며, 상기 카본 박막이 기판의 표면에 대해 수직으로 배향되며 0.01∼1 마이크론 사이즈와 0.1∼10 ㎛^-2의 밀도를 갖는 카본 마이크로- 및 나노-릿지 및/또는 마이크론- 또는 나노-쓰레드로 이루어진 불규칙적인 구조 형태로 제조된 것을 특징으로 하는 저온방출형 박막 캐소드.
수소 및 카본함유가스의 혼합물내에서 DC 글로우 방전을 실시하는 공정과, 애노드상에 배치된 기판위에 카본박막을 증착하는 공정을 포함하며, 상기 DC 방전은 0.15∼0.5 A/cm²의 전류밀도에서 발화되며, 상기 증착공정은 전체압력 50∼300 Torr, 기판온도 600∼900℃에서 수소 및 에틸알콜증기 또는 메탄이 혼합된 혼합물로부터 수행되며, 이때 에틸알콜의 농도는 5∼10%이고 메탄의 농도는 15∼30%인 것을 특징으로 하는 저온방출형 박막 캐소드의 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 증착공정은 전체압력이 변화되지 않도록 유지하면서 상기 가스혼합물에 불활성 기체를 75%까지 첨가하는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 저온방출형 박막 캐소드의 제조방법.
압력 20∼100 Torr에서 이산화탄소와 메탄이 0.8∼1.2의 비율로 혼합된 혼합물내에서 100∼1000 W의 입력 파워로 마이크로파 방전을 실시하는 공정과, 카본상을 기판위에 증착시키는 공정을 포함하며, 보다 바람직하기로는 상기 증착공정은 500∼700℃의 기판온도에서 수행됨을 특징으로 하는 저온방출형 박막 캐소드의 제조방법.