일반기술

실리콘 나노 분말을 이용한 전계 방출소자

본 발명은 전계 방출소자(field emission device)의 전계 발광원으로 단결정 실리콘을 5-1000nm 크기의 미세한 분말형태(nano-powder, 나노 분말)로 제작하고, 기판 위에 스크린 프린팅 법이나 스핀 코팅을 이용하여 일정한 두께로 도포함으로써 이를 전계에 의한 전자의 방출원으로 이용하는 것에 관한 발명이다. 나노 분말을 이용한 전계 방출소자의 제작은 크게 두 가지 방법으로 제작될 수 있다. 첫 번째는 나노 분말이 기판에 도포되기 전에 분말 형태에서 고온의 절연 공정(산화 또는 질화공정)을 실시하고, 이를 액상으로 희석하여 스크린 프린팅 법 및 스핀 코팅을 이용하여 기판에 일정한 두께로 도포되는 방법이다. 두 번째는 절연 공정 없이 액상으로 희석하여 기판에 일정한 두께로 도포한 후에 절연 공정을 시행하는 방법이다. 단결정 실리콘 나노 분말의 각각의 입자는 실리콘 원자들이 주기적인 배열을 하고 있으면, 이 분말을 고온 및 저온의 절연 공정을 이용하면 각각의 입자의 외부에서부터 절연막이 형성되게 된다. 따라서 일정한 두께로 도포한 실리콘 나노 분말은 두께 방향으로 수많은 절연 처리된 분말들이 존재하게된다. 이렇게 절연 처리된 나노 분말의 상·하부에 전계를 인가해 주게 되면, 인가된 전계는 도포된 나노분말의 절연층에서 대부분 걸리게 되어 전자들이 가속되게 된다. 가속된 전자들은 얇은 상부 전극을 통과하여 진공중으로 방출된다. 본 발명은 나노 분말의 절연 공정을 고온에서 시행한 후에 기판에 도포되기 때문에 유리와 같은 용융점이 낮은 기판에서도 대면적으로 도포하여 전계 방출 소자를 제작할 수 있는 장점이 있고, 도포된 막 전체에서 깊이 방향으로 균일한 절연막 두께를 가지게 되어 전계 방출 특성과 수명을 향상시킬 수 있다.본 발명을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.도1은 기존의 다공질 다결정 실리콘 전계 방출 소자의 단면도이다. 금속 하부 전극 위에 다결정 실리콘을 증착하고 하부 전극 부분에 전압을 인가하여 그 부분과 선택적으로 다공질화 시킨다. 다공질화는 다결정 실리콘의 표면에서부터 서서히 아래로 진행된다. 다공질화된 다결정 실리콘은 산화 과정을 거치는데, 이 산화 과정에서 다공질된 부분에서 산화가 활발하게 일어난다. 특히 표면에서의 산화가 두드러지게 나타난다. 산화 과정을 거친 다공질 다결정 실리콘 위에 얇은 금속막이 입혀지고 이 금속막과 하부 전극사이에 양의 전압을 인가하면 전계에 의해 전자가 상부의 얇은 금속막을 뚫고 진공중으로 방출된다. 이 소자의 경우 다결정 실리콘을 성장시키는 온도와 산화과정의 온도를 고온에서 시행해야하므로 용융점이 낮은 저가의 유리기판을 사용할 수 없는 단점을 가지고 있다. 그리고 다공질화 및 산화가 다결정 실리콘의 표면에서만 집중적으로 발생하여 막 전체에서 전계를 고루 분포시키지 못하여 방출 효율 및 수명이 좋지 못한 단점이 있다. 도2는 본 발명의 실리콘 나노 분말을 이용한 전계 방출 소자를 나타낸 그림이다. 도1과 동일한 구조를 가지지만 고온 절연 공정을 거친 나노 분말을 액상으로 희석하여 스크린 프린팅이나 스핀코팅 법을 이용하여 저온에서 도포하였으므로 분말 코팅 막 전체에서 균일한 절연 특성을 나타낸다.도3은 실리콘 나노 분말을 이용한 전계 방출 소자의 확대 단면도를 나타낸 것이다.실리콘 나노 분말이 상부와 하부 전극이이에 일정한 두께로 도포되면 수많이 절연된 나노 분말이 층층이 쌓이게 된다. 여기에 상부와 하부 전극에 전압을 인가할 경우 하부 전극에서 출발한 전자가 절연된 실리콘 나노 분말에 의해서 가속되어 얇은 상부 금속층을 뚫고 진공중으로 방출되는 원리를 가진다.