KR100374790B1 - 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시 소자의 구조체 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 구조 및 그 제조 방법에 대해 개시된다. 내부에 턱이 형성된 구멍을 구비한 세라믹 박판; 상기 구멍 내부의 표면에 형성된 탄소 나노튜브 형성용 촉매층; 상기 촉매층 표면에 형성된 탄소 나노튜브; 상기 세라믹 박판 상부에 형성된 절연층; 상기 절연층 상부에 형성된 게이트 전극; 및 상기 상기 세라믹 박판 하부에 형성된 캐소드 전극;을 구비한 3극관 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자를 제공한다. 이에 따라, 가공성이 좋은 알루미나 등의 세라믹 박판을 이용하여 탄소 나노튜브를 성장시킴으로써, 구조를 형성하기 위한 공정이 용이하며 내구성이 좋은, 보다 효과적인 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자를 얻을 수 있다.

Description

3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시 소자의 구조체 및 그 제조 방법{Triode structure carbon nano tube field emission display and method of manufacturing the same}

본 발명은 알루미나를 이용하여 제작한 3극 탄소나노튜브 전계방출 표시소자(Field Emission Display : FED)의 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미나에 구멍을 만들어 탄소나노튜브를 성장시키고 상기 알루미나 양면에 캐소드 및 게이트 전극을 형성시킨 3극 탄소나노튜브 전계방출 표시소자의 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

필드 에미터(field emitter)는 현재 차세대 평판 표시 소자로서 주목을 박고 있는 전계 방출 표시 소자의 전자 방출부로서 널리 사용되고 있다. 상기와 같은 필드 에미터는 그 주변에 형성되는 강한 전기장에 의해 전자들을 방출시킨다. 이 경우, 전자들의 방출에 의한 전류 밀도는 필드 에미터 주변에 형성되는 전기장의 세기에 비례하며, 이러한 전기장의 세기는 필드 에미터의 기하학적 형상에 영향을 받는다.

1991년 탄소 나노튜브의 발견 이후 최근에 들어서면서 탄소 나노튜브를 전계 방출에 적용하기 위한 많은 연구가 진행 중에 있다. 일반적으로 탄소 나노튜브를 포함한 탄소(carbon) 계통의 물질들을 실리콘 또는 유리(glass)기판 상에 형성시킨다.

종래의 탄소 나노튜브 FED의 2극 구조는 절연층이나 게이트와 같은 3극 구조의 적층들이 구비될 필요가 없으므로 쉽게 제작할 수 있었다. 그러나, 단순한 2극 구조로서는 방출 전자를 제어하는데 어려움이 따르므로 표시소자로서의 기능을 원활히 수행하기가 어려웠다.

또한, 현재까지 유리 기판을 이용한 3극 탄소 나노튜브 FED의 구조는 완전히 구현되지 못하고 있는 실정이다. 종래의 3극 탄소 나노튜브 FED의 구조는 유리 기판을 사용하여 캐소드와 게이트 전극을 매트릭스(matrix)형태로 반도체 공정 또는 프린팅 방법을 이용하여 제작하였다. 이러한 경우 과전압 및 과전류에 의해서 각 구조들의 유지가 어려워 손상이 가는 경우가 많았고, 보다 근본적으로는 3극 탄소 나노튜브 FED 구조 자체를 제작하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 종래의 유리 기판 대신 알루미나를 이용하여 제작하여 공정이 용이하고 보다 효과적인 3극 탄소 나노튜브 FED를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 의한 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 구조체 및 그 제조 방법을 나타내는 도면이다.

도 2a는 본 발명에 의한 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 하부에 형성된 케소드 전극을 나타내는 도면이다.

도 2b는 본 발명에 의한 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 상부에 형성된 게이트 전극을 나타낸는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의해 적층된 알루미나 박판의 단면을 찍은 SEM사진이다.

도 4는 본 발명에 의해 관통공 내부에 성장시킨 탄소 나노튜브를 찍은 SEM 사진이다.

도 5는 본 발명에 의한 3극 탄소 나노튜브 전계 방출 소자에 대한 양극 전압-전류 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10... 세라믹 박판 10a, 10b, 10c... 단위 박판

20... 세라믹 박판에 형성된 관통공

21... 단차 형성부

20a, 20b, 20c... 각 단위 박판에 형성된 구멍

30... 촉매층 40... 캐소드 전극

50... 절연층 60... 게이트 전극

70... 탄소 나노튜브

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 내부에 구조적인 단차가 마련된 관통공을 구비하도록 구멍이 형성된 단위박판들이 상호적층되어 이루어지는 세라믹 박판;

상기 관통공 내부면에 형성된 탄소 나노튜브 형성용 촉매층;

상기 촉매층의 일부 또는 전체 표면에 형성된 탄소 나노튜브;

상기 세라믹 박판 상부에 형성된 절연층;

상기 절연층 상부에 형성되는 것으로 상기 관통공에 대응하는 홀이 마련된 게이트 전극; 및

상기 세라믹 박판 하부에 형성되는 것으로 상기 촉매층에 전기적으로 연결되는 캐소드 전극;을 구비한 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 세라믹 박판은 알루미나 또는 지르코니아로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 세라믹 박판은 관통공이 형성된 2 이상의 단위 박판이 상호 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 촉매층은 니켈로 형성되며, 상기 케소드 전극 및 상기 게이트 전극은 상호 교차하는 방향으로 다수 형성된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, (가) 세라믹 박판에 구조적인 단차를 가진 관통공을 형성시키는 단계;

(나) 상기 세라믹 박판 표면 및 관통공 내부에 촉매층을 형성시키는 단계;

(다) 상기 세라믹 박판 상부의 촉매층을 제거하고, 상기 세라믹 박판 하부에 케소드 전극을 형성시키는 단계;

(라) 상기 세라믹 박판 상부에 절연층을 형성시키는 단계;

(마) 상기 절연층 상부에 게이트 전극을 형성시키는 단계; 및

(바) 상기 세라믹 박판의 관통공 내부에 탄소 나노튜브를 형성시키는 단계;를 구비한 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계;는 2 이상의 단위 박판의 각각에 다수의 구멍들을 형성하되, 일측 단위 박판의 구멍이 타측 단위 박판의 구멍에 대응되게 형성시키는 단계;

상기 단위 박판들을 하나로 결합하여 각 단위 박판에 대응하는 구멍들에 의해 상기 관통공을 마련하는 단계;를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 세라믹 박판은 알루미나 또는 지르코니아로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계의 상기 촉매층은 니켈로 형성되며, 상기 니텔 촉매층은 무전해 도금 또는 전자빔 증착법에 의해 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 케소드 전극 및 상기 게이트 전극은 상호 교차하는 방향으로 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 (마) 단계의 게이트 전극은 전자빔 증착법 또는 프린팅법을 이용하여 형성시키는 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 의한 3극관 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 일실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 내지 1g는 본 발명에 의한 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 구조 및 그 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1a에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 유리 기판 대신에 알루미나 박판(10)을 이용한다. 본 발명에서 이용되는 세라믹 박판의 예로서 알루미나를 이용하며, 상기 알루미나는 가공성이 좋아 박판으로 쉽게 제작할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 알루미나를 박판 재료로 사용하였으며, 상기 알루미나 이외에도 지르코니아등 박판으로 제작 가능한 세라믹 재료라면 같은 용도로 사용될 수 있다.

알루미나 단위 박판(10a, 10b, 10c)에 펀처(Puncher)를 이용하여 소정의 관통공(20)을 형성시킨다. 상기 관통공(20)은 원통 형상 뿐 아니라 사각 형상등 그 모양의 제한없이 이용이 가능하다. 도 1a에서는 각 알루미나 단위 박판(10a, 10b, 10c)에 상호 대응되면서 크기가 서로 다른 구멍(20a, 20b, 20c)들을 형성시킨다.

이는 상기 관통공(20)에 탄소나노튜브(70)를 용이하게 형성시키기 위한 것이다. 이러한 관통공(2)이 형성된 알루미나 단위 박판(10a, 10b, 10c)을 2장 이상을 제작한다.

다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 구멍(20a, 20b, 20c)이 형성된 각 알루미나 단위 박판(10a, 10b, 10c)들을 상호 적층시키고, 고온으로 소성한다. 본 발명에서는 예를 들어, 3장의 알루미나 단위 박판(10a, 10b, 10c)들을 적층시킨 형태를 제시하였다. 이 경우, 상기 알루미나 단위 박판(10a, 10b, 10c)들을 상호 적층시키면서 각 알루미나 단위 박판(10a, 10b, 10c)들에 형성된 구멍(20a, 20b, 20c)들을 상호 연통시키면서, 그 적층된 상태의 박판(10)의 관통공(22) 내부에 소정의 단차(21)가 형성되도록 한다.

즉, 먼저 단위 박판(10a, 10b, 10c)들 각각에 다수의 구멍(20a, 20b, 20c)을 형성시키되, 일측 단위 박판(예를 들어 10a)의 구멍(예를 들어 20a)이 타측 단위 박판(예를 들어 10b, 10c)의 구멍(예를 들어 20b, 20c)에 대응되게 형성시킨다. 그리고, 상기 단위 박판(예를 들어 10a, 10b, 10c)들을 하나로 결합하여 각 단위 박판(10a, 10b, 10c)들의 상호 대응되는 구멍(20a, 20b, 20c)들에 의해 관통공(20)이 형성된다. 상호 대응되는 구멍(20a, 20b, 20c)들의 크기를 서로 다르게 제작하거나, 각 단위 박판(10a, 10b, 10c)에 형성된 구멍(20a, 20b, 20c)들이 대응되는 위치를 약간의 편차가 생기도록 제작하여, 상기 관통공(20) 내부에 단차(21)가 생기게 한다. 상기 단차(21)는 이후의 공정에서 탄소 나노튜브(70)를 집중적으로 형성시키는 위치로서의 작용을 한다.

다음으로, 도 1c에 도시된 바와 같이 상기 상호 적층된 알루미나 박판(10)의 표면 및 관통공 내부에 촉매층(30)을 형성시킨다. 상기 촉매층(30)은 무전해 도금(Electroless Plating)법이나, 전자빔 증착(Electron-beam Evaporation)법을 이용하여 형성시키는 것이 바람직하며, 상기 촉매층(30)은 니켈을 이용하여 형성시키는 것이 바람직하다.

상기 촉매층(30)은 후 공정에 있어서, 탄소 나노튜브(70)를 형성시키는 촉매 역할을 하게 된다.

다음으로, 도 1d에 나타낸 바와 같이, 상기 촉매층(30)이 노출된 알루미나 박판(10)의 상부를 연마(Polishing)하여 상기 알루미나 박판(10) 상부면에 노출된니켈층(30)을 제거한다. 상기 촉매층(30)이 제거되면, 상기 알루미나 박판(10)의 상부 표면이 드러나게 된다.

또한, 상기 촉매층(30)이 형성된 상기 알루미나 박판(10)의 하부면의 소정 부위를 패터닝 및 건식식각(etching) 공정을 이용하여 상기 알루미나 박판(10) 하부면에 형성된 관통공 부위(20)에 서로 평행하게 형성된 캐소드(Cathode) 전극(40)을 형성시킨다.

도 2a에서는 상기 알루미나 박판(10)의 하부면의 관통공(20) 부위에 형성된 캐소드 전극(40)을 나타내었다. 공정시 상기 알루미나 박판(10)에는 다수개의 관통공(20)들을 형성시키며, 상기 캐소드 전극(40)은 서로 평행하게 형성시킨다. 상기 캐소드 전극(40)은 상기 관통공(20) 내부의 상기 촉매층(30)에 전기적으로 연결되어있다.

다음으로 도 1e에 나타낸 바와 같이, 상기 노출된 알루미나 박판(10) 상부면에 절연층(50)을 형성시킨다. 상기 절연층(50)은 전기적 절연이 가능한 물질을 전자빔 증착법 또는 프린팅(Printing)법을 이용하여 형성시키는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 1f에 나타낸 바와 같이, 상기 절연층(50) 상부에 게이트(Gate) 전극(60)을 형성시킨다. 상기 게이트 전극(60)은 상기 알루미나 박판(10) 상부면에 형성된 관통공(20)들의 주변에 상호 평행하게 형성시킨다. 즉, 상기 게이트 전극(60)은 상기 관통공(20)에 대응하는 홀을 구비한 형태를 가지며 형성시킨다.

도 2b에서는, 상기 알루미나 박판(10)의 상기 절연층(50) 상부에 형성된 상기 게이트 전극(60)을 나타내었다. 상기 게이트 전극(60)은 상기 캐소드 전극(40)의 형성 방향과 상호 교차되게 형성시켜 매트릭스(Matrix)구조로 성장시킨다.

상기 게이트 전극(60)은 전자빔 증착법 또는 프린팅(Printing)법을 이용하여 형성시키는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 1g에 나타낸 바와 같이, 상기 알루미나 박판(10)에 형성된 관통공(20) 내부에 탄소 나노튜브(70)를 형성시킨다. 상기 탄소 나노튜브(70)는 상기 니켈 촉매층(30)을 촉매로 하여 용이하게 성장된다. 본 발명에 있어서, 상기 탄소 나노튜브(70)는 상기 알루미나 박판(10)에 형성된 관통공(20) 내부의 측면에도 형성이 되지만, 주로 상기 알루미나 박판(10) 내부에 형성된 단차 부분(21)에 수직 방향으로 형성된다.

도 3은 본 발명에 의한 3극 탄소 나노튜브 전계 방출 소자의 상기 알루미나 박판(10)의 상호 적층시킨 단면을 나타낸 SEM 사진이다. 여기서는 콘(Cone) 형태를 지니도록 알루미나 단위 박판(10a, 10b, 10c)들을 상호 적층시켰으며, 이 경우에는 탄소 나노 튜브(70)의 성장이 집중적으로 일어나는 2개의 단차(21)가 형성되어 있다. 또한, 도 4는 본 발명에 의한 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 상기 알루미나 박판(10)의 관통공(20) 내부에 성장한 탄소 나노 튜브(70)를 나타낸 SEM 사진이다.

도 5는 본 발명에 의해 제작된 3극 탄소 나노튜브 전계 방출 소자를 실제 제작하여 얻은 방출(Emission) 특성 그래프로서, 양극 전압에 대한 양극 전류의 값을 나타낸다.

여기서, 양극 전압이 높을 수록 양극 전류값이 증가하는 형태를 보이며, 양극 전압에 대한 양극 전류값은 전형적인 전압-전류 특성 곡선의 형태를 보인다.

본 발명에 의하면, 가공성이 좋은 알루미나 등의 세라믹 박판을 이용하여 탄소 나노튜브를 성장시킴으로써, 구조를 형성하기 위한 공정이 용이하며 내구성이 좋은, 보다 효과적인 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자를 제작할 수 있다.

Claims (12)

1. 내부에 구조적인 단차가 마련된 관통공을 구비하도록 구멍이 형성된 단위박판들이 상호적층되어 이루어지는 세라믹 박판;

   상기 관통공 내부면에 형성된 탄소 나노튜브 형성용 촉매층;

   상기 촉매층의 일부 또는 전체 표면에 형성된 탄소 나노튜브;

   상기 세라믹 박판 상부에 형성된 절연층;

   상기 절연층 상부에 형성되는 것으로 상기 관통공에 대응하는 홀이 마련된 게이트 전극; 및

   상기 세라믹 박판 하부에 형성되는 것으로 상기 촉매층에 전기적으로 연결되는 캐소드 전극;을 구비한 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 세라믹 박판은 알루미나 또는 지르코니아로 형성된 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 촉매층은 니켈로 형성된 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 케소드 전극 및 상기 게이트 전극은 상호 교차하는 방향으로 다수 형성된 것을 특징으로 하는 3극관 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자.
6. (가) 세라믹 박판에 구조적인 단차를 가진 관통공을 형성시키는 단계;

   (나) 상기 상기 세라믹 박판 표면 및 상기 관통공 내부에 촉매층을 형성시키는 단계;

   (다) 상기 세라믹 박판 상부에 노출된 촉매층을 제거하고, 상기 세라믹 박판 하부에 캐소드 전극을 형성시키는 단계;

   (라) 상기 세라믹 박판 상부에 절연층을 형성시키는 단계;

   (마) 상기 절연층 상부에 게이트 전극을 형성시키는 단계; 및

   (바) 상기 세라믹 박판의 상기 관통공 내부에 탄소 나노튜브를 형성시키는 단계;를 구비한 것을 특징으로 하는 3극관 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 (가) 단계;는

   2 이상의 단위 박판의 각각에 다수의 구멍을 형성하되, 일측 단위 박판의 구멍이 타측 단위 박판의 구멍에 대응되게 형성시키는 단계;

   상기 단위 박판들을 하나로 결합하여 각 단위 박판에 대응하는 구멍들에 의해 상기 관통공을 마련하는 단계;를 더 구비한 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 제조 방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 세라믹 박판은 알루미나 또는 지르코니아로 형성된 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 제조 방법.
9. 제6항에 있어서,

   상기 (나) 단계의 상기 촉매층은 니켈로 형성되는 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 제조 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 니텔 촉매층은 무전해 도금법 또는 전자빔 증착법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 제조 방법.
11. 제6항에 있어서,

    상기 케소드 전극 및 상기 게이트 전극은 상호 교차하는 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 제조 방법.
12. 제6항에 있어서,

    상기 (마) 단계의 게이트 전극은 전자빔 증착법 또는 프린팅법을 이용하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 3극 탄소 나노튜브 전계방출 표시소자의 제조 방법.