KR100362377B1 - 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히, 기판에 수평 방향으로 성장된 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자와, 에지 에미팅(Edge Emitting) 형광 박막을 이용한 고해상도 전계 방출 디스플레이를 제작하는 방법에 관한 것이다. 본 기술은 금속 촉매를 패턴의 측벽에 선택적으로 증착시켜 탄소 나노 튜브를 촉매 금속으로부터 수평 방향으로 성장시키는 공정과, 성장시킨 탄소 나노 튜브를 도포 공정을 통해 모재에 부착시킴으로써, 이후의 반도체 공정을 자유롭게 적용시킬 수 있도록 하는 것을 주요 기술로 탄소 나노 튜브 전계 방출 에미터와 박막형으로 증착된 고정세 형광체에서의 에지 에미팅을 이용한다. 이렇게 탄소 나노 튜브를 수평 성장시켜 기판과의 밀착성이 유지되고, 박막형 형광체를 사용하여 이후의 반도체 공정을 자유롭게 적용시킬 수 있고, 이를 통해 고정세 전계 방출 디스플레이 제작이 가능하다.

Description

탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법 {Field emission devices using carbon nanotubes and method thereof}
본 발명은 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 기판에 수평 방향으로 성장된 탄소 나노 튜브를 이용한 진공 전계 방출 소자에 관한 것이다.
전계 방출 소자에서 전자의 방출은 소자 구조 및 캐소드 물질, 캐소드 모양에 따라 그 효율이 크게 달라진다. 현재 전계 방출 소자의 구조는 크게 캐소드와 아노드로 구성된 이극형(Diode)과 캐소드, 게이트, 아노드로 구성된 삼극형(Triode)으로 분류할 수 있다. 삼극형 구조는 전자 방출을 위한 전계를 캐소드와 인접한 게이트로 인가하기 때문에 이극형에 비해 저전압 구동이 가능하고, 또한 아노드 뿐만 아니라 게이트로 방출 전류를 쉽게 제어할 수 있기 때문에 많이 개발되고 있다. 반면 구조의 목잡함으로 인하여 제조상의 어려운 점이 있다.
캐소드 물질로는 금속, 실리콘, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(Diamond like Carbon), 탄소 나노튜브 등이 있으며, 탄소 나노튜브를 캐소드 물질로 이용하면 탄소 나노튜브의 높은 전계 방출 특성과 높은 화학적 및 기계적 안정성 등의 특성으로 인해 매우 우수한 전계 방출 소자를 제작할 수 있다. 탄소 나노튜브를 캐소드로 채택한 전계 방출 소자를 제조하면 마이크로파 진공 장치, 평판 디스플레이 장치 등으로의 응용이 매우 쉽게 이루어질 수 있다.
현재까지 시도되고 있는 탄소 나노 튜브 에미터를 이용한 전계 방출 소자는, 탄소 나노 튜브를 아크 방전이나 레이저 증발 방법을 이용해 성장시킨 후, 후막 공정을 이용해 기판에 도포하거나, 촉매 금속을 모재에 증착시킨 후, 이로부터 탄소 나노 튜브를 모재에 수직한 방향으로 성장시키는 방법으로 만든 전계 방출 에미터를 사용한다. 후자의 경우 반도체 공정을 이용한 소자 제작이 가능하나 원천적으로 무작위로 성장되는 탄소 나노 튜브는 길이가 불균일하여 균일한 소자의 제작이 어렵고, 기존의 전계 방출 디스플레이가 가지는 진공 패키징의 어려움을 안고 있다. 또한, 3차원적인 소자 구조가 되어 튜브의 접착 안정성이 문제가 되며, 튜브 사이에 공간이 있어 추후의 반도체 공정 적용을 어렵게 만든다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속 촉매를 패턴의 측벽에 선택적으로 증착시켜 탄소 나노 튜브를 촉매 금속으로부터 수평 방향으로 성장시키는 공정과, 성장시킨 탄소 나노 튜브를 도포 공정을 통하여 모재에 부착시킴으로써, 이후의 반도체 공정을 높이기 위한 에지 에미팅을 이용한 전계 방출 디스플레이 제작 기술을 주요 기술적 과제로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 에미터(Emitter)로 사용하고, 박막형 형광체를 어노드(Anode)로 사용한 이극형 전계 방출 소자의 간략한 구성도이고,
도 2는 도 1에 도시된 전계 방출 소자에서 열화학 기상 증착법으로 성장된 탄소 나노 튜브 에미터(130)의 전계 방출 특성을 보여 주는 도면이고,
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자를 제작하기 위한 공정 단면도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
110 : 기판 120 : 금속 촉매
130 : 탄소 나노 튜브 에미터 140 : 절연층
151 : 캐소드 전극 152 : 투명 전극
160 : 어노드 전극 170 : 스페이서
180 : 투명 상판 190 : 반사층
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 모재로 작용하는 비전도성 기판(110), 상기 비전도성 기판(110) 상에 형성된 캐소드 전극(151), 투명상판(180) 및 어노드 전극을 포함하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자에 있어서, 상기 캐소드 전극(151) 위에 상기 캐소드 전극(151)의 일부분을 노출시키면서 형성된 전기적 고립을 위한 절연층(140); 상기 절연층(140)의 일측면에 상기 캐소드 전극(151)의 노출된 일부분 위로 선택적으로 도포된 금속 촉매(120); 및 상기 금속 촉매(120)에 접착되어 상기 비전도성 기판(110)과 수평 방향으로 성장시킨 탄소 나노 튜브 에미터(130)를 포함하고, 상기 금속 촉매(120)는 상기 탄소 나노 튜브 에미터(130)와 상기 캐소드 전극(151)을 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자가 제공된다.
또한, 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법에 있어서, 모재로 작용하는 비전도성 기판(110) 상에 패터닝을 통하여 캐소드 전극(151)을 형성하는 제 1 단계; 상기 캐소드 전극(151) 상에 상기 캐소드 전극(151)의 일부분을 노출시키면서 전기적 고립을 위한 절연층(140)을 형성하는 제 2 단계; 상기 절연층(140)의 일측면에 상기 캐소드 전극(151)의 노출된 일부분 위로 금속 촉매(120)를 선택적으로 도포하는 제 3 단계; 상기 금속 촉매(120)에 접착되어 상기 비전도성 기판(110)과 수평 방향으로 적어도 하나의 탄소 나노 튜브 에미터(130)를 성장시키는 제 4 단계; 및 상기 비전도성 기판(110) 위에 상기 탄소 나노 튜브 에미터(130)와 소정의 거리만큼 떨어져 있는 지점에서 형광체 박막(160)을 형성시키는 제 5 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 에미터(Emitter)로 사용하고, 박막형 형광체를 어노드(Anode)로 사용한 이극형 전계 방출 소자의 간략한 구성도이다.
상기 제시된 전계 방출 소자는 절연성 기판(110), 캐소드 전극 (151), 어노드(160), 상기 캐소드 전극(151)과 이웃한 상기 어노드(160)를 전기적으로 고립시키기 위한 절연층(140), 상기 기판(110)과 수평 방향으로 성장된 탄소 나노 튜브 에미터(130)로 구성되어 있으며, 이를 진공 패키징하면, 캐소드 구동 전계 방출 소자로 사용이 가능한다.
또한, 상기 어노드(160)는 미세 패턴된 형광체 박막을 사용하고, 진공을 유지하기 위한 스페이서(170), 투명 전극(152) 및 투명 상판(180)을 진공 패키징하면, 전계 방출 디스플레이를 구현할 수 있다. 이때, 전계 방출 전자에 의해 여기된 형광이 매질간의 굴절률의 차이에 의해 감금(Confinement)되어 기판의 수평 방향보다는 수직 방향으로 에지 에미팅(Edge Emitting)함으로써 고효율 특성을 달성할 수 있다. 이는 박막형 형광체가 형광 물질로서 뿐만 아니라, 발광되는 빛의 도파로와 같이 작용하기 때문이다. 또한, 기판의 수직 방향으로의 광효율을 높이기 위하여 형광체 박막을 증착하기 전에 기판 위에 반사층(190)을 입혀 두는 것도 한 방법이 된다.
또한, 상기 캐소드(151)와 상기 어노드(160)의 간격은 성장된 탄소 나노 튜브의 길이와 패터닝에 의해 조절 가능하므로 저전압 구동이 가능한 이극형 전계 방출 소자를 제작할 수 있다.
한편, 상기 금속 촉매(120)는 탄소 나노튜브가 성장하는 반응에서 촉매작용을 하는데, 주로 Ni, Fe, Co와 같은 전이 금속과 이들의 합금이 사용될 수 있다.
또한, 상기 스페이서(170)는 하판과 상판 사이에 위치하여 둘을 전기적으로 고립시키고, 진공이 유지될 때 상판과 하판이 접촉되지 않도록 하는 역할을 합니다.
도 2는 도 1에 도시된 전계 방출 소자에서 열화학 기상 증착법으로 성장된 탄소 나노 튜브 에미터(130)의 전계 방출 특성을 보여 주는 도면으로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 도 2에서 보는 바와 같이 상기 탄소 나노 튜브 에미터(130)는 약 1 V/um에서 턴온(Turn - on)되어 약 3 V/um에서 80 mA/cm2정도의 방출 전류를 보인다. 즉, 상기 전계 방출 소자의 경우 상기 탄소 나노 튜브 에미터(130)와 상기 형광체 어노드(160)간의 간격을 자유롭게 조절이 가능하므로 두 전극간의 간격을 약 1 um 정도로 유지할 때, 구동 전압은 3 V 정도의 저전압에서 구동이 가능하다.
통상의 형광체의 경우, 충돌하는 전자의 에너지가 클수록 발광 효율이 우수하다. 상기 소자의 경우, 상기 캐소드(151)와 에미터(130)의 간격이 좁을수록 방출되는 전자의 에너지가 낮지만 고전류로 보상될 수 있고, 형광체가 광도파로 역할을 하기 때문에 저전압에 의한 형광 효율 손실을 보상할 수 있다. 또한, 상기 기판(110)의 수직 방향으로의 광효율을 높이기 위하여 형광체 박막을 증착하기 전에 상기 기판(110)위에 상기 반사층(190)을 입혀 두는 것도 한 방법이 된다. 상기 반사층(190)으로는 통상적으로 사용하는 알루미늄 박막을 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 전계 방출 소자에서 수평 성장된 상기 탄소 나노 튜브 에미터(130)와 일정한 거리만큼 분리된 상기 어노드 전극(152)으로 구성된 전계 방출 소자를 진공 패키징하면, 캐소드 구동이 가능한 저전압 마이크로 웨이브 전력소자에 적용 가능하다. 상기 탄소 나노 튜브 에미터(130)의 경우, 저전압에서 전자를 방출하기 때문에 전계방출 특성이 우수하고, 또한, 캐소드 구동 이극형 진공관을 쉽게 제작할 수 있는 이점이 있다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자를 제작하기 위한 공정 단면도로서, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a에서 보는 바와 같이 모재(기판, 110)에 패터닝을 통하여 캐소드 전극 (151)을 형성한다. 이때,패턴 사이의 간격은 반도체 공정을 이용하여 원하는 캐소드와 에미터의 간격으로 유지할 수 있다.
도 3b에서는 절연층(140)을 상기 캐소드 전극(151)의 일부분에 걸치도록 증착시킨다.
이어서, 도 3c에서, 상기 절연층(140)과 탄소 나노 튜브가 선택적으로 성장할 수 있는 금속 촉매(120)를 전역적으로 증착시키고, 도 3d에서처럼, 상기절연층(140)의 측벽, 상기 캐소드 전극(151) 위의 금속 촉매(120)만을 남기고 식각을 한다.
한편, 상기 측벽의 금속 촉매는 금속 박막 증착 공정을 통해 패턴의 한쪽 측벽에 선택적으로 도포할 수 있다. 측벽에 금속 촉매를 선택적으로 증착하기 위해서는 도 3c에서 보는 바와 같이 먼저 수나노미터 두께의 금속 박막을 증착시킨 후, 선택적 식각을 통해 한쪽 측벽에만 금속 촉매가 남아 있게 하거나, 적당한 각도의 글랜싱 앵글(Glancing Angle) 금속 박막 증착 공정을 사용한다.
이렇게 제조된 상기 금속 촉매(120)는 상기 기판(110) 위의 상기 캐소드 전극(151)과 전기적으로 접촉되어 있다. 이때, 측벽의 면적은 소자가 요구하는 전류의 크기에 따라 패턴 공정을 통하여 자유롭게 제어할 수 있다. 반면, 측벽의 두께는, 탄소 나노 튜브가 측벽에만 수평 방향으로 선택적으로 성장시키기 위해서 수 나노미터 이하이어야 한다. 측벽의 두께가 두꺼우면, 탄소 나노 튜브가 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 성장할 수 있기 때문에 가능한한 두께가 작을수록 이후의 공정에 유리하다.
이어서, 도 3e와 같이 열화학 증착법 또는 플라스마 화학 증착법을 사용하여 탄소 나노 튜브(130)를 상기 모재(110)의 표면과 평행하게 성장하도록 유도시킨다. 이때, 성장된 상기 탄소 나노 튜브(130)의 길이는 불규칙하지만, 상기 탄소 나노 튜브(130)를 성장시킨 후, 부도체 보호막(예컨대, Silicon-on-glass)을 도포하여 리소그라피 및 식각 과정을 통하여 불균일하게 성장한 상기 탄소 나노 튜브(130) 길이를 정형화시킬 수 있다.
이후, 도 3f에서와 같이 반도체 공정을 자유롭게 적용하여, 예컨대 박막형 형광체(161)를 제작하면 상기 탄소 나노 튜브(130) 캐소드의 끝과 형광체 어노드 전극 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에서 제시한 수평 성장된 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자의 경우, 기존에 개발된 반도체 평면 공정(Planar Technology)을 이용할 수 있어 관련 공정 기술을 별도로 개발할 필요가 없으므로, 제조가 매우 쉬운 효과가 있다.
또한, 탄소 나노 튜브 에미터와 박막형 형광체를 사용할 경우, 저전압 구동, 고정세의 전계 방출 디스플레이의 제작이 가능하다는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 모재로 작용하는 비전도성 기판(110), 상기 비전도성 기판(110) 상에 형성된 캐소드 전극(151), 투명 상판(180) 및 어노드 전극을 포함하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자에 있어서,
    상기 캐소드 전극(151)의 상면 중에서 상기 어노드 전극에 인접한 부분 위에 적층되어 상기 캐소드 전극(151)을 상기 어노드 전극으로부터 전기적으로 고립시키는 절연층(140);
    상기 절연층(140)의 측벽 중에서 상기 어노드 전극의 반대쪽의 측벽의 적어도 일부에 도포되어 상기 캐소드 전극(151)의 상면에 연결된 도전성 금속 촉매(120); 및
    상기 금속 촉매(120)의 표면으로부터 상기 비전도성 기판(110)과 평행한 방향으로 성장된 탄소 나노 튜브 에미터(130)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 어노드 전극은,
    상기 탄소 나노 튜브 에미터(130)의 성장 방향과 평행한 평면에 형성된 박막형 형광체(160)로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 형광체 박막(160)에서의 발광은 에지 에미팅(Edge Emitting)을 이용한 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 비전도성 기판(110)과 상기 형광체 박막(160) 사이에 형성되어 상기 비전도성 기판(110)의 수직 방향으로의 광효율을 증진시키는 반사층(Reflecting Layer, 190)을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(140)과 상기 투명 상판(180) 사이에 형성된 스페이서(140)를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자.
  6. 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법에 있어서,
    모재로 작용하는 비전도성 기판(110) 상에 패터닝을 통하여 캐소드 전극(151)을 형성하는 제 1 단계;
    상기 캐소드 전극(151) 상에 상기 캐소드 전극(151)의 일부분을 노출시키면서 전기적 고립을 위한 절연층(140)을 형성하는 제 2 단계;
    상기 절연층(140)의 일측면에 상기 캐소드 전극(151)의 노출된 일부분 위로 금속 촉매(120)를 선택적으로 도포하는 제 3 단계;
    상기 금속 촉매(120)에 접착되어 상기 비전도성 기판(110)과 수평 방향으로 적어도 하나의 탄소 나노 튜브 에미터(130)를 성장시키는 제 4 단계; 및
    상기 비전도성 기판(110) 위에 상기 탄소 나노 튜브 에미터(130)와 소정의 거리만큼 떨어져 있는 지점에서 형광체 박막(160)을 형성시키는 제 5 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    상기 제 2 단계에서의 결과물 상에 금속 박막을 전역적으로 증착시키는 제 1 서브 단계;
    선택적 식각 공정 또는 소정 각도의 글랜싱 앵글(Glancing Angle) 금속 박막증착 공정으로 사용하여 선택적으로 상기 금속 촉매(120)를 형성시키는 제 2 서브 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는,
    열화학 증착법 또는 플라즈마 화학 증착법을 사용하여 상기 적어도 하나의 탄소 나노 튜브(130)를 상기 비전도성 기판(110)의 표면과 평행하게 성장시키는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는,
    상기 적어도 하나의 탄소 나노 튜브(130)를 성장시킨 후, 부도체 보호막을 도포하여 리소그라피 및 식각 공정을 통하여 불균형 성장한 상기 적어도 하나의 탄소 나노 튜브(130)의 길이를 정형화시키는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법.
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