KR100437780B1 - 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로서, 구조체를 이용하여 균일한 미세공(hole)을 가공한 후, 화학결합에 의해 상기 미세공 안에 수직으로 정렬되고 길이가 일정한 탄소나노튜브를 이용하여, 탄소나노튜브 배열공정시 온도의 제약을 적게 받으며 대면적을 갖는 전계방출소자에 적용이 가능하다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 및 제조방법{Field Effect Device using Carbonnanotube and Method for the same}

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 및 제조방법에 관한 것으로, 특히 3극 구조(Triode)로 낮은 구동전압과 균일한 전자방출이 가능한 전계방출소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

FED(Field Emission Display)는 강한 전기장에 의해 금속 및 반도체 표면으로부터 진공으로 나오는 터널링 냉전자들을 RGB 형광체에 충돌시킴으로써 빛을 발광한다.

최근 들어서 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자의 중요성이 인식되고 있다. 탄소나노튜브는 기계적으로 강하고 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서도 전자방출특성이 우수하다.

또한 탄소나노튜브의 직경이 1.0~수십 nm로 작아서 기존의 스핀트(spindt)형 전계 방출 팁(tip)보다 전계강화인자(field enhancement factor)가 상당히 크기 때문에 전자방출이 되는 임계전계(turn-on field)가 1~5V/㎛로 낮다.

이와 같이 탄소나노튜브의 낮은 임계전계로 인해 낮은전압으로 구동할 수 있어 전력 손실, 나아가서는 저렴한 생산단가를 맞출 수 있다.

종래의 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자의 3전극 구조를 크게 두가지로 보면 도1과 2와 같다.

도1은 종래 기판성장법의 탄소나노튜브를 이용한 3전극 FEA(field emitter array) 구조이다.

도1은 기판(1) 위에 음극층(2), 저항층(3), 절연층(4), 그리고 게이트전극층(5)을 성막시킨 다음 사진식각공정을 통하여 게이트전극층(5)과 절연층(4)에 홀은 형성한다.

그 후에 탄소나노튜브를 성장시키기 위해 필요한 촉매전이금속(6)을 저항층 위에 진공증착(evaporation)으로 성막한다.

이후 기판전체를 약 600~900℃ 온도범위로 가열하여 연료가스(Hydrocarbon 류, CO)를 이용하여 촉매전이금속(6) 위에 탄소나노튜브(7)를 선택적으로 성장시킨다.

탄소나노튜브를 촉매전이금속(6) 부위에만 성장하므로, 촉매금속영역이 클수록 탄소나노튜브 성장영역도 또한 커지게 된다.

그러나 탄소나노튜브 성장영역이 넓어지면 게이트를 통하여 가해지는 전계가 집중이 되지 않아 방출전자의 빔이 퍼지게 될 뿐만 아니라 전자방출영역도 고르지 못하여 전계가 제일 강한 게이트홀 주변부에서만 국부적으로 전자방출이 될 가능성이 크다.

또한 비대칭적인 전계분포에 의해 게이트전극으로의 누설전류가 많은 문제점을 안고 있다. 따라서 촉매금속을 중심부에만 성막시켜 나노튜브를 집중시키는 것이 전계 집중에 효율적이다.

이와 같이 탄소나노튜브를 이용한 발광소자에 있어서, 기판(1) 상의 주어진공간 내에서 탄소나노튜브(7)를 성장시킬 경우 정확한 길이의 조절이 어렵다.

그리고, 발광소자의 모든 재료들이 탄소나노튜브(7)의 성장온도(500℃ 이상)에서 내구성을 가져야 한다.

따라서 기판(1) 물질로 소다석회(sodalime) 유리와 같은 일반적인 재료를 사용할 수 없게 되며, 특수 재질의 열강화 유리기판을 사용해야만 한다. 이는 제조비용이 너무 크게 되는 단점을 갖게 된다.

도2는 종래 도포법의 탄소나노튜브를 이용한 3전극 FEA(Field Effect Array)구조이다.

도2는 미리 합성한 탄소나노튜브를 이용하여 3전극 FEA 구조를 만드는 방법을 나타낸 것이다.

도2에 도시한 바와 같이, 위쪽은 기판(17) 상에 형광체(15)가 코팅된 양극(16)이 형성되어 있고, 아래쪽은 기판(11)상에 음극(12) 및 게이트전극(14)으로 구성되는 음극판으로 구성되어 있다.

음극판에는 행(column) 및 열(row)전극이 있으며 이들을 통하여 FEA 들이 매트릭스 어드레스(matrix address)되어 게이트전극(14)에 전압이 걸리는 시간동안 전자가 방출되고 양극(16)에 인가되는 전압에 의해 가속된다. 그리고 이것들이 진공 갭을 지나 양극(16)판에 코팅된 형광체(15) 픽셀을 때려 발광하게 된다.

기판(11) 상에 스크린 프린팅법이나 박막 패턴 방법으로 음극(12)을 형성하고, 음극(12) 상에 탄소나노튜브(13)를 형성한다.

다른 방법으로 이미 만들어진 탄소나노튜브 분말을 바인더와 전도성충진제(filler)등과 혼합하여 슬러리 형태로 만든 다음, 스크린 프린팅법 등과 같은 방법으로 음극(12) 위에 도포하고 바인더 제거공정을 거쳐 탄소나노튜브(13)를 노출시킨다.

그런 후에 일정높이를 갖는 도전성의 그리드를 위치시켜 게이트전극(14)으로 사용한다.

이런 경우에는 그리드 게이트의 홀부분과 패턴된 음극(12) 간의 배열이 쉽지 않을 뿐만 아니라, 탄소나노튜브(13)에서 방출되는 전자들이 금속 그리드 게이트를 통하여 누설이 많아서 방출되는 전자의 효율이 저하되는 문제점이 있다.

스크린 프린팅법으로 도포할 경우 소자구현시 탄소나노튜브 성장조건이 전극구조 공정에 영향을 주지 않는 장점이 있으나, 탄소나노튜브의 수직배열정도가 좋지 않을뿐더러 수직정렬을 위한 새로운 공정이 개발되어야 한다.

또한 탄소나노튜브(13)들의 길이가 전체적으로 균일하지 않아 게이트전극(14)과 탄소나노튜브(13)의 거리가 일정하지 않는 경우 동일한 전계집중이 될 수 없다.

따라서 본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 이용하여 전계를 효율적으로 집중시킬 수 있고 누설전류를 줄일 수 있는 전계방출소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 탄소나노튜브를 게이트홀(gate-hole)에 흡착시킴으로써 자동적으로 수직배향하여 탄소나노튜브를 이용한 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 탄소나노튜브를 이용하여 기존의 팁(tip)형 전계방출소자보다 기계적으로 강하고 화학적으로 안정성이 뛰어나며, 형상에 있어서도 아주 작은 반경을 가질 수 있어 훨씬 작은 전압으로 구동되는 전계방출소자 및 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 균일한 높이로 수직배열된 탄소나노튜브를 전면적에 걸쳐 형성하여 전자방출원으로 이용함으로써 대면적이 가능한 전계방출소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 합성된 탄소나노튜브를 이용하여 탄소나노튜브를 전자방출원으로 형성할 때에 탄소나노튜브에 붙어있는 씨올(thiol)기와 음극(예:Au)과의 화학결합(Au-S)에 의한 저온공정을 통한 전계방출소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도1은 종래 기판성장법에 의한 탄소나노튜브를 이용한 3전극 FEA(field emitter array) 구조이다.

도2는 종래 도포법에 의한 탄소나노튜브를 이용한 3전극 FEA(Field Effect Array)구조이다.

도3은 본 발명에 따른 3전극 구조 전계방출소자의 단면도이다.

도4a 내지 도4d는 본 발명에 따른 전계방출소자의 하판의 제조공정단면도의 실시예이다.

도5는 본 발명에 따른 씨올기가 붙은 탄소나노튜브의 구조이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 하판 21 : 제1 기판

22 : 하부전극 패턴 23 : 게이트절연막

24 : 게이터전극 25 : 게이트홀

26 : 구조체 27 : 씨올기가 붙은 탄소나노튜브

28 : 촉매금속 30 : 상판

31 : 제2 기판 32 : 상부전극 패턴

33 : 형광체 40 : 접합부재

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자의 특징은 제1 기판 상에 형성된 하부전극 패턴과, 상기 하부전극 패턴 사이에 게이트홀을 갖고 게이트홀 둘레에 형성된 게이트절연막과, 상기 게이트절연막 상부에 형성된 게이트전극을 구비한 하판; 제2 기판 상에 형성된 상부전극 패턴과, 상기 상부전극 패턴 상에 도포된 형광체를 구비한 상판; 상기 하부전극 패턴의 상부 및 게이트홀에 형성된 구조체에 의해 형성되는 균일한 미세공 안에 상기 하부전극 패턴과의 화학결합에 의해 결합되어 수직배열된 씨올기가 붙은 탄소나노튜브; 상기 상판과 하판 사이에 형성된 접합부재를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법의 특징은 구조체를 이용하여 균일한 미세공(hole)을 가공한 후, 화학결합에 의해 상기 미세공 안에 수직으로 정렬되고 길이가 일정한 탄소나노튜브를 전자방출원으로 형성하는데 있다.

바람직하게 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법은 (a) 제1 기판 상에 하부전극 패턴을 형성하고, 상기 하부전극 패턴 상부에 균일한 미세공이 형성된 구조체를 형성하는 공정; (b)탄소나노튜브에 씨올기를 붙이고, 상기 씨올기가 붙은 탄소나노튜브를 상기 미세공 안에 수직배열시키는 공정; (c)제2 기판 상에 상부전극 패턴을 형성하고, 상기 상부전극 패턴 상에 형광체를 도포하는 공정; (d)상기 제1 기판 및 제2 기판을 합착하는 공정으로 이루어지는데 있다.

빈 공간에 무작위로 나노튜브를 성장시키지 않고 구조체를 이용하여 균일하고 일정한 미세공(hole)을 만든 다음 그속에 탄소나노튜브를 성장시킴으로서, 탄소나노튜브 전계방출소자보다 전자방출을 균일하게 하고 낮은 전압에서 동작할 수 있다.

그리고, 일정한 크기와 높이의 탄소나노튜브 팁이 게이트홀 중앙부에 집중되기 때문에 전계집중이 잘 이루어져 낮은 전압에서도 전자방출이 될 뿐만 아니라,수직배열되어 게이트전극과 항상 일정한 거리를 유지하므로 게이트전극으로 누설되는 누설전류가 작다.

그리고, 탄소나노튜브와 하부전극 패턴(예 : Au층) 간의 화학결합 시간을 조절하여 탄소나노튜브의 밀도를 조절할 수 있기 때문에 효율적으로 전계를 집중시킬 수 있다.

또한 전계방출원으로 게이트홀 안에 직립한 탄소나노튜브를 이용하기 위해 탄소나노튜브를 형성할 때, 하부전극 패턴과 탄소나노튜브의 화학결합에 의존하므로 탄소나노튜브를 저온공정(상온)에서 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명에 따른 3전극 구조의 전계방출소자의 단면도이다.

도3에 도시한 바와 같이, 3전극 구조의 전계방출소자는 제1 기판(21) 상에 형성된 하부전극 패턴(22)과, 상기 하부전극 패턴(22) 사이에 게이트홀을 갖고 게이트홀 둘레에 형성된 게이트절연막(23)과, 상기 게이트절연막(23) 상부에 형성된 게이트전극(22)을 구비한 하판(20)과, 상기 하부전극 패턴(22)의 상부 및 게이트홀에 형성된 구조체(미도시)에 의해 형성되는 균일한 미세공 안에 상기 하부전극 패턴(21)과 화학결합에 의해 결합되어 수직으로 배열된 씨올기가 붙은 탄소나노튜브(24)와, 제2 기판(31) 상에 형성된 상부전극 패턴(32)과, 상기 상부전극 패턴(32) 상에 도포된 형광체(33)를 구비한 상판(30)과, 상기 상판(30)과 하판(20) 사이에 형성된 접합부재(40)를 포함하여 구성된다.

형광체(33)가 도포되어 있는 투명한 양극의 상부전극 패턴(32)에 수백~수천 V의 전압이 걸리고, 게이트전극(24)과 하부전극 패턴(22) 사이에 약 20~50V의 전압이 걸리면 탄소나노튜브(27)로부터 전자가 방출되고 상부전극 패턴(32)에 인가되는 전압에 의해 방출된 전자가 가속되며, 그리고 이것들이 진공 갭을 지나 상부전극 패턴(32)에 코팅된 형광체(33) 픽셀을 때려 발광하게 된다.

도4a 내지 도4c는 본 발명에 따른 전계방출소자의 하판의 제조공정도의 실시예를 도시한 것이다.

도4a에 도시한 바와 같이, 제1 기판(21) 상에 음극으로 하부전극 패턴(22)을 형성하고, 상기 하부전극 패턴(22) 사이에 게이트절연막(23) 및 게이트홀(25)을 형성한 후, 상기 게이트절연막(23) 상에 게이트전극(24)을 형성한다.

이어 도4b에 도시한 바와 같이, 상기 하부전극 패턴(22) 상부 및 게이트홀(25)에 균일한 미세공을 갖도록 구조체(26)를 형성한다.

상기 게이트전극은 Nb, Cr, Mo, Ta, W 등으로 형성되고, 게이트절연막(23)은 옥사이드(SiO₂, Al₂O₃, Ta₂O₅), 나이트나이드(Si₃N₄, AlN) 등으로 형성된다.

상기 구조체(26)는 스핀트(spindt)타입 공정 또는 양극산화 공정을 이용하여 형성된다.

그리고, 상기 도4a 및 도4b의 공정과 별도로, 도5에 도시한 바와 같이, 탄소나노튜브에 씨올기(-HS)를 붙이는 공정을 수행한다.

탄소나노튜브에 씨올기를 붙이는 공정(thiolization)은 상기 탄소나노튜브를 산처리하여 카르복실기가 붙은 탄소나노튜브를 제조하는 제1 공정과, 상기 카르복실기가 붙은 탄소나노튜브를 cysteamine(NH₂CH₂CH₂SH)와 반응시켜서 씨올기(HS기)가 붙은 탄소나노튜브(27)를 얻는 제2 공정으로 이루어진다.

제2 공정은 카르복실기가 붙은 탄소나노튜브를 에틸 알콜에 서스팬션시키는 공정과, DCC(dicyclohexylcarbondiamide)를 첨가하여 카르복실기가 붙은 탄소 나노튜브를 cysteamine과의 반응을 촉진시켜 씨올기가 붙은 탄소나노튜브(27)를 얻는 공정으로 이루어진다.

상기와 같은 씨올기가 붙은 탄소나노튜브(27)를 도4c에 도시한 바와 같이, 상기 미세공 안에 수직배열시키는 공정을 수행한다.

상기 씨올기가 붙은 탄소나노튜브(27)를 상기 미세공 안에 수직배열시키는 공정은 상기 하부전극 패턴(22)이 씨올기가 붙은 탄소나노튜브(27)의 화학결합에 의해 형성된다.

즉, 에틸 알콜에 Au를 하부전극 패턴(22)으로 사용한 구조체(26)를 넣으면 Au 위에 Au-S 화학결합으로 탄소나노튜브가 수직배열되며, 게이트홀(25) 안에서의 탄소나노튜브(27) 밀도는 Au를 용액에 넣은 시간을 조절함으로써 변화시킨다.

합성된 탄소나노튜브를 이용하여 탄소나노튜브에 붙어있는 씨올(thiol)기와 소정패턴의 하부전극 패턴(예:Au)과의 화학결합(Au-S)을 이용하는 공정이므로 저온공정에서 이루어지며, 상온에서도 가능하다.

그리고, 도4d와 같이 상기 하부전극 패턴(22) 상에 촉매금속(28)을 도금하는 공정을 더 수행하는데, 이는 촉매금속(28)을 도금하여 Au-S 화학결합에 부가적인 결합력을 높이기 위함이다.

그리고, 도3에 도시한 바와 같이, 제2 기판(31) 상에 상부전극 패턴(32)을 형성하고, 상기 상부전극 패턴(32) 상에 형광체(33)를 도포하는 공정에 의해 형성되는 하판(30)을 상판(20)과 합착하는 공정을 수행하여 3전극 전계방출소자를 형성한다.

상기와 같이 제조되는 3전극 전계방출소자는 구조체(26) 사이에 형성되는 균일한 미세공에 의해 탄소나노튜브(27)가 자동 수직 배열되므로, 어떤 화소에서도 탄소나노튜브(27)의 길이가 거의 일정하고 기판(21)에 대하여 수직방향으로 배향되기 때문에, 탄소나노튜브(27)가 게이트전극(24)과의 일정한 거리를 유지할 수 있으므로 게이트전극(24)으로의 누설전류가 거의 없고, 탄소나노튜브(27)의 높은 전도도로 인해 작은 게이트전압으로도 동작가능하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

씨올라이제이션(thiolization) 반응을 통한 씨올기가 붙은 탄소나노튜브와 하부전극 패턴과의 화학결합(예 : Au-S 화학결합) 공정을 이용하여 게이트홀 안에 탄소 나노튜브를 배열하여 공정시 온도의 제약을 적게 받으며, 균일한 미세공을 갖도록 구조체를 미리 형성하여, 미세공에 씨올기가 붙은 탄소나노튜브를 상기 화학결합에 의해 형성하므로, 탄소나노튜브의 직립성이 좋고 자동 배열(self-assembly)되어 대면적 전계방출소자에 적용이 가능하다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 제1 기판 상에 형성된 하부전극 패턴과, 상기 하부전극 패턴 사이에 게이트홀을 갖고 게이트홀 둘레에 형성된 게이트절연막과, 상기 게이트절연막 상부에 형성된 게이트전극을 구비한 하판;

   제2 기판 상에 형성된 상부전극 패턴과, 상기 상부전극 패턴 상에 도포된 형광체를 구비한 상판;

   상기 하부전극 패턴의 상부 및 게이트홀에 형성된 구조체에 의해 형성되는 균일한 미세공 안에 상기 하부전극 패턴과의 화학결합에 의해 결합되어 수직배열된 씨올기가 붙은 탄소나노튜브;

   상기 상판과 하판 사이에 형성된 접합부재를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 탄소나노튜브 이용한 전계방출소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 하부전극 패턴은 Au인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자.
4. 구조체를 이용하여 균일한 미세공(hole)을 가공한 후, 화학결합에 의해 상기미세공 안에 수직으로 정렬되고 길이가 일정한 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   (a) 제1 기판 상에 하부전극 패턴을 형성하고, 상기 하부전극 패턴 상부에 균일한 미세공이 형성된 구조체를 형성하는 공정;

   (b)탄소나노튜브에 씨올기를 붙이고, 상기 씨올기가 붙은 탄소나노튜브를 상기 미세공 안에 수직배열시키는 공정;

   (c)제2 기판 상에 상부전극 패턴을 형성하고, 상기 상부전극 패턴 상에 형광체를 도포하는 공정;

   (d)상기 제1 기판 및 제2 기판을 합착하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 (a) 공정은

   기판 상에 음극으로 하부전극 패턴을 형성하는 공정;

   상기 하부전극 패턴 사이에 게이트절연막 및 게이트홀을 형성하는 공정;

   상기 게이트절연막 상에 게이트전극을 형성하는 공정;

   상기 하부전극 패턴 상부 및 게이트홀에 균일한 미세공을 갖도록 구조체를 형성하는 공정으로 이루어짐을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 하부전극 패턴 상에 촉매금속을 도금하는 공정을 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 구조체는 스핀트타입 공정 또는 양극산화 공정을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 (b)공정에서, 탄소나노튜브에 씨올기를 붙이는 공정(thiolization)은

   상기 탄소나노튜브를 산처리하여 카르복실기가 붙은 탄소나노튜브를 제조하는 제1 공정;

   상기 카르복실기가 붙은 탄소나노튜브를 cysteamine(NH₂CH₂CH₂SH)와 반응시켜서 씨올기가 붙은 탄소나노튜브를 얻는 제2 공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 제2 공정은

    카르복실기가 붙은 탄소나노튜브를 에틸 알콜에 서스팬션시키는 공정;

    DCC(dicyclohexylcarbondiamide)를 첨가하여 카르복실기가 붙은 탄소 나노튜브를 cysteamine과의 반응을 촉진시켜 씨올기가 붙은 탄소나노튜브를 얻는 공정으로 이루어짐을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법.
11. 제5항에 있어서, 상기 (b)공정에서, 상기 씨올기가 붙은 탄소나노튜브를 상기 미세공 안에 수직배열시키는 공정은

    상기 하부전극 패턴이 씨올기가 붙은 탄소나노튜브의 화학결합에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법.