KR100485128B1 - Field emission device and method of manufacturing a field emission device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 탄소 나노튜브막 상부에 금속막을 형성하여 볼리스틱 전도 특성을 통해 동작 전압이 낮고, 전자의 방출 특성이 주변의 환경에 민감하지 않으며, 공정의 난이도를 크게 줄일 수 있고, 대면적화할 수 있는 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법을 제공한다. The present invention relates to a field emission device and a method for manufacturing the field emission device, the metal film is formed on the carbon nanotube film, the operating voltage is low through the ballistic conduction characteristics, the emission characteristics of the electron is not sensitive to the surrounding environment The present invention provides a field emission device and a method of manufacturing the field emission device that can greatly reduce the difficulty of the process and can be large in area.
Description
본 발명은 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 탄소 나노튜브의 볼리스틱 전도 현상을 이용한 소자에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission device and a method for manufacturing the field emission device, and more particularly, to a device using a ballistic conduction phenomenon of carbon nanotubes.
전계 방출 표시 소자를 제조하기 위하여 종래에는 실리콘의 나노결정을 이용하였다. 이를 위해 다결정 실리콘 기판상에 실리콘 나노 결정을 형성한다. 또한 실리콘 나노 결정간의 절연을 위해 절연막을 형성한다. 이러한 실리콘 나노 결정을 형성하기 위해서 현재 가장 널리 사용하는 방법은 다결정 실리콘 혹은 단결정 실리콘을 음극 산화시켜서 다공질 실리콘을 형성시켜 준다. 또한 실리콘 나노결정들 사이의 절연을 위한 절연막은 열산화 공정을 실시하여 형성한다. Conventionally, nanocrystals of silicon have been used to fabricate field emission display devices. To this end, silicon nanocrystals are formed on a polycrystalline silicon substrate. In addition, an insulating film is formed to insulate silicon nanocrystals. In order to form such silicon nanocrystals, the most widely used method is to catholy oxidize polycrystalline silicon or single crystal silicon to form porous silicon. In addition, an insulating film for insulation between silicon nanocrystals is formed by performing a thermal oxidation process.
따라서, 종래의 실리콘 나노 결정을 형성한 다음 전자들이 터널링해 나가도록 하는 얇은 산화막을 형성하는 공정이 필수적이다. 이러한 공정은 기존의 다공질 실리콘을 형성하는 공정을 이용하여 진행되어 왔다. 따라서 단결정 실리콘 기판을 이용하는 것이 일반적이고 대면적을 위해서는 유리 기판등 위에 다결정 실리콘을 형성하는 공정을 진행한 후에 다공질 실리콘을 형성하는 공정을 필요로 한다. 따라서 공정이 여러 단계를 거쳐야 하고 소자의 대면적화를 위해서는 많은 공정의 개발이나 장비의 개발이 필수적이다. 또한 볼리스틱 전도의 특성이 형성된 구조에 따라 결정되는 것이기 때문에 공정의 미세한 조절이 불가피하다.Therefore, a process of forming a thin oxide film which forms a conventional silicon nanocrystal and then tunnels electrons is essential. This process has been carried out using a conventional process for forming porous silicon. Therefore, it is common to use a single crystal silicon substrate, and for a large area, a process of forming porous silicon after a process of forming polycrystalline silicon on a glass substrate or the like is required. Therefore, the process must go through several stages and the development of many processes or equipment is essential for the large area of the device. In addition, fine control of the process is inevitable because the characteristics of the bastic conduction are determined by the formed structure.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 볼리스틱 전도가 기본적으로 발생하는 탄소 나노튜브를 사용함으로써 공정의 단순화를 꾀하고, 공정 비용측면에서의 이득도 꾀할 수 있는 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, in order to solve the above problems, a field emission device and a field emission device capable of simplifying the process and gaining a process cost in view of the use of carbon nanotubes in which the ballistic conduction is basically generated are solved. Its purpose is to provide a process for the preparation.
본 발명에 따른 하부 기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 상기 전극 상에 탄소 나노튜브막을 형성하는 단계와, 상기 탄소 나노튜브막 상에 금속막을 형성하는 단계 및 상기 탄소 나노튜브막이 형성된 기판과 형광물질이 형성된 상부 기판을 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.Forming an electrode on the lower substrate according to the present invention, forming a carbon nanotube film on the electrode, forming a metal film on the carbon nanotube film, and forming a carbon nanotube film on the substrate and fluorescence And sealing the upper substrate on which the material is formed.
하부기판과, 하부기판 상부에 형성되어 전자를 생성하는 하부 전극과, 상기 하부전극 상부에, 볼리스틱 전도 특성을 이용하여 상기 전자를 전달하는 탄소 나노튜브막과, 상기 탄소 나노튜브막 상부에 형성되어 상기 전자를 방출하는 금속막 및 상기 하부기판과 밀봉되고 형과물질이 도포되어 상기 전자에 의해 발광하는 상부 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 소자를 제공한다. A lower electrode, a lower electrode formed on the lower substrate to generate electrons, a carbon nanotube film on the lower electrode to transfer the electrons using a bastic conduction property, and formed on the carbon nanotube film And an upper substrate which is sealed with the lower substrate and emits electrons and is coated with a mold and a material to emit light by the electrons.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. Like numbers refer to like elements in the figures.
전자가 고체내에서 이동하는 경우 포논(Phonon)또는 불순물(Impurity)에 의해 산란을 겪게 된다. 이 과정에서 전계에 의해 가속된 속도의 방향 또는 크기가 바뀌게 된다. 이러한 충돌 없이 전자가 이동하는 현상을 볼리스틱 전도(Ballistic Conduction)라 한다. 또한 충돌 없이 전자가 진행할 수 있는 거리를 MFP(Mean Free Path)라 하며, 일반적으로 온도나 물질에 따라 다르지만 보통의 금속에서는 100Å 정도가 된다. 본 발명의 볼리스틱 전도를 이용하게 되는 전계 방출 소자는 소자의 크기가 MFP보다 작은 양자점의 구조를 갖는다. When electrons move in a solid, they are scattered by phonons or impurities. In this process, the direction or magnitude of the speed accelerated by the electric field is changed. The movement of electrons without such collision is called ballistic conduction. In addition, the distance that electrons can travel without collision is called MFP (Mean Free Path). In general, it depends on temperature or material, but it is about 100Å in ordinary metal. The field emission device that utilizes the bolistic conduction of the present invention has a structure of quantum dots whose device size is smaller than that of MFP.
본 발명의 탄소 나노튜브는 구조적으로 한쪽방향으로만 전도가 일어나는 일차원적 도체의 특성을 지니고 있기 때문에 종래의 2, 3차원 도체로 이루어진 물질에 비해 긴영역까지 볼리스틱 특성을 지진 전도가 일어나게 된다. Since the carbon nanotubes of the present invention have a characteristic one-dimensional conductor in which conduction occurs structurally only in one direction, seismic conduction occurs in a ballistic characteristic to a longer area than a material composed of conventional two- and three-dimensional conductors.
도 1은 본 발명의 전계 방출 소자의 구조와 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram for explaining the structure and operation principle of the field emission device of the present invention.
도 1을 참조하면, 도전성 물질로 형성된 하부 전극(10) 상부에 전기적으로 연결된 탄소 나노튜브(12)막을 형성한다. 탄소 나노튜브(12)막 상부에 도전성 물질을 이용하여 얇은 금속막(14)을 형성한다. 이는 탄소 나노튜브(12)의 볼리스틱 전도(저항이 없이 탄도처럼 전도되는 현상) 특성을 이용한다. 탄소 나노튜브는 도전체 특성을 보이는 것과 반도체 특성을 보이는 것이 존재하는데, 이중에서 도전체 특성을 보이는 경우, 그 도전 특성이 탄소 나노튜브가 가지는 일차원적 도전체의 형태 때문에 볼리스틱 도전 특성이 나타난다. 따라서 금속막(14)에 적절한 전압을 인가할 경우 하부 전극(10)에서 주입된 전자가 탄소 나노튜브(12)막을 볼리스틱 전도로 통과하여 금속막(14)을 통과하여 방출한다.Referring to FIG. 1, a carbon nanotube 12 film electrically connected to an upper portion of a lower electrode 10 formed of a conductive material is formed. A thin metal film 14 is formed on the carbon nanotube 12 film by using a conductive material. This takes advantage of the ballistic conduction (phenomena like ballistic conduction without resistance) of the carbon nanotubes 12. Carbon nanotubes exhibit conductor characteristics and semiconductor characteristics. Among them, when they exhibit conductor characteristics, they exhibit ballistic conductivity characteristics due to the one-dimensional conductor shape of carbon nanotubes. Therefore, when an appropriate voltage is applied to the metal film 14, electrons injected from the lower electrode 10 pass through the carbon nanotube 12 film through the ballistic conduction and are emitted through the metal film 14.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2의 A영역을 확대한 도면이다. 2 is a view for explaining a method of manufacturing a field emission device according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an enlarged view of region A of FIG.
도 2 및 도 3을 참조하면, 유리 혹은 절연체로 이루어진 기판(20) 상에, 금속 혹은 도전체로 이루어진 금속층을 증착한 다음 패터닝 공정을 실시하여 하부 전극(22)을 형성한다. 하부 전극(22) 상부에 탄소 나노튜브(30)를 함유하는 혼합물(32)을 증착한 다음 패터닝 공정을 실시하여 탄소 나노튜브막(24)을 형성한다. 탄소 나노튜브막(24) 상부에 전계 방출을 위한 전위를 인가할 금속막(26)을 형성한다. 2 and 3, the lower electrode 22 is formed by depositing a metal layer made of a metal or a conductor on a substrate 20 made of glass or an insulator and then performing a patterning process. The carbon nanotube layer 24 is formed by depositing the mixture 32 containing the carbon nanotubes 30 on the lower electrode 22 and then performing a patterning process. A metal film 26 is formed on the carbon nanotube film 24 to apply a potential for electric field emission.
구체적으로, 탄소 나노튜브막(24)을 하부 전극(22)에 붙이기 위하여 인쇄법, 사진 식각법 또는 리프트 오프(Lift Off)법을 이용하여 바인더(Binder; 28)와 탄소 나노튜브(30)를 포함하는 혼합물(32)을 제조하여 탄소 나노튜브막(24)을 형성함으로서 하부전극(22)과 탄소 나노튜브막(24)의 전기적 및 구조적 결함을 강화한다. 이에 한정되지 않고, 탄소 나노튜브막(24)를 형성하는 방법은 탄소나노튜브를 직접 형성시키지 않고 제작되어 있는 탄소 나노튜브를 기판위에 형성시키는 손쉬운 방법이 존재한다. 이때 사용되는 공정은 대면적 소자(예를 들어 PDP)의 제작에 이미 사용되고 있는 것으로 대면적화 및 양산성 측면에서 매우 유리한 특성을 지닌다. 제작된 탄소 나노튜브를 함유하고 있는 혼합물내에 포함되어 있는 탄소 나노튜브는 도전체적 특성을 지니는 것과 그렇지 않은 것이 혼합되어 있지만, 실제 이용되는 것은 도전체적 특성을 지니는 것으로, 반도체의 특성을 지니는 것은 이용되지 않지만 전계 방출 특성을 저해하지도 않기 때문에 특별히 분리할 필요가 없다. 탄소 나노튜브막(24)은 형성 방법에 따라 상이한 두께를 가질수 있는데, 후막 형성 방법인 스크린 프린트 방법을 이용하면 수 ㎛ 정도의 두께를 가지게 된다. Specifically, in order to attach the carbon nanotube film 24 to the lower electrode 22, the binder 28 and the carbon nanotubes 30 may be formed by using a printing method, a photolithography method, or a lift off method. The mixture 32 is prepared to form the carbon nanotube film 24 to reinforce the electrical and structural defects of the lower electrode 22 and the carbon nanotube film 24. The method of forming the carbon nanotube film 24 is not limited thereto, and there is an easy method of forming the carbon nanotubes formed on the substrate without directly forming the carbon nanotubes. At this time, the process used is already used in the manufacture of large area devices (for example, PDP) and has very advantageous properties in terms of large area and mass productivity. The carbon nanotubes contained in the mixture containing the manufactured carbon nanotubes have a mixture of conductive and non-conducting properties, but the actual ones have conductive properties, and those of semiconductors are not used. However, it does not interfere with the field emission characteristic and therefore does not need to be separated. The carbon nanotube film 24 may have a different thickness depending on the formation method. The screen printing method, which is a thick film formation method, may have a thickness of about several μm.
탄소 나노튜브막(24) 상부에 스텝 커버리지가 좋은 원자 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 이용하여 금속막(26)을 형성한다. 물론 이에 한정되지 않고, 스텝 커버리지가 좋은 공정조건의 화학 기상 증착법(Chemical Vaper Deposition; CVD), 플라즈마 인헨스트 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced CVD; PE-CVD), 저압 화학 기상 증착법(Low Pressure CVD; LP-CVD) 또는 대기압 화학 기상 증착법(Atmospheric Pressure CVD; AP-CVD)을 이용하여 종횡비(Aspect Ratio)가 큰 탄소 나노튜브막(24)의 단차를 따라 얇은 금속막(26)을 형성한다. The metal film 26 is formed on the carbon nanotube film 24 by using an atomic layer deposition (ALD) method having good step coverage. Of course, the present invention is not limited thereto, and chemical vapor deposition (CVD), plasma enhanced CVD (PE-CVD), and low pressure chemical vapor deposition (LP) with good step coverage are provided. A thin metal film 26 is formed along the step of the carbon nanotube film 24 having a high aspect ratio by using -CVD) or Atmospheric Pressure CVD (AP-CVD).
금속막(26)으로 사용되는 금속의 일함수에 따라서 터널링이 일어나는 확률에 큰 영향을 받게 된다. 따라서 탄소 나노튜브와의 일함수 차이가 적은 금속을 사용한다. 이는 금속막(26)으로 사용되는 금속의 일함수에 따라 터널링이 일어나는 확률에 큰 영향을 미치게 되고, 볼리스틱 전도현상을 이용하기 위해서는 탄소 나노튜브와 일함수 차가 작아야 한다. 충분한 양의 방출된 전자를 얻기 위해서 상부 금속막에 가해지는 전압이 낮은 전압으로 충분하고, 나노 튜브가 주변의 환경에 많은 영향을 받지 않게 된다. 금속막(26)의 경우에 고려해야 할 사항은 하부막과의 우수한 접착성과 작은 일함수를 가지는 것 또한, 두께가 매우 얇아야 하는 것을 들 수 있다. 현재 많이 사용되고 있는 것은 금을 이용하는 것이며 두께는 200Å이내로 얇게 형성한다.The probability of tunneling is greatly affected by the work function of the metal used as the metal film 26. Therefore, a metal having a small work function difference from that of carbon nanotubes is used. This greatly affects the probability that tunneling occurs according to the work function of the metal used as the metal film 26, and in order to use the ballistic conduction phenomenon, the work function difference with the carbon nanotubes should be small. In order to obtain a sufficient amount of emitted electrons, the voltage applied to the upper metal film is low enough, and the nanotubes are not influenced much by the surrounding environment. In the case of the metal film 26, consideration should be given to having excellent adhesion with the lower film and a small work function and having a very thin thickness. It is currently used a lot of gold is used to form a thin within 200Å.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 4의 B영역을 확대한 도면이다. 4 is a view for explaining a method of manufacturing a field emission device according to another embodiment of the present invention, Figure 5 is an enlarged view of region B of FIG.
도 4 및 도 5를 참조하면, 유리 혹은 절연체로 이루어진 기판(40) 상에, 금속 혹은 도전체로 이루어진 금속층을 증착한 다음 패터닝 공정을 실시하여 하부 전극(42)을 형성한다. 하부 전극 상부(42)에 탄소 나노튜브(44)를 포함하는 탄소 나노튜브막(44)을 형성한다. 상기 탄소 나노튜브막(44) 상부에 전계 방출을 위한 전위를 인가할 금속막(46)을 형성한다. 4 and 5, the lower electrode 42 is formed by depositing a metal layer made of a metal or a conductor on a substrate 40 made of glass or an insulator and then performing a patterning process. A carbon nanotube film 44 including carbon nanotubes 44 is formed on the lower electrode 42. A metal film 46 is formed on the carbon nanotube film 44 to apply a potential for electric field emission.
구체적으로, 탄소 나노튜브막(44)은 일정한 형태가 반복적인 패턴을 가지는 금속틀(48) 내부에 탄소 나노튜브(50)를 성장하여 탄소 나노튜브(50)가 정렬되어 형성한다. 이 경우 탄소 나노튜브막을 형성하기 위한 금속틀(48)은 알루미늄 산화물을 음극 전기 산화 방법을 이용하여 벌집 모양의 틀 구조로 형성한다. 즉, 알루미늄층을 적절한 수용액 상에서 음극 산화를 시키게 되면 벌집 모양의 구조를 이루면서 용해 및 산화가 일어나게 된다. 이때 산화조건 즉, 수용액의 농도나 전류등을 조절하게 되면 금속틀(48)의 크기를 적절히 조정하는 것이 가능하다. 벌집 모양의 금속틀(48) 내부에 탄소 나노튜브(50)의 성장에 사용되는 촉매물질을 형성하고 그 위에 탄소 나노튜브(50)를 성장시키게 된다. 성장된 탄소 나노튜브(50)는 성장 틀의 높이에 맞추어서 길이를 조절하는 것이 가능하다. 상술한 바와 같이 형성된 탄소 나노튜브(50)를 이용하는 경우에 성장되는 탄소 나노튜브(40)의 위치와 특성을 제어할 뿐만 아니라 탄소 나노튜브의 성장 방향을 수직 방향으로 함으로써 방출되는 전자의 진행방향을 일정하게 하는 효과를 가지게 된다. 따라서 별도의 집속 방법 없이도 집속이 잘 되어 있는 전계 방출 전자를 얻을 수 있다. Specifically, the carbon nanotube film 44 grows the carbon nanotubes 50 inside the metal frame 48 having a repetitive pattern in a predetermined shape, and the carbon nanotubes 50 are aligned. In this case, the metal frame 48 for forming the carbon nanotube film forms aluminum oxide in a honeycomb frame structure using a cathode electrooxidation method. In other words, when the aluminum layer is cathodicly oxidized in a suitable aqueous solution, dissolution and oxidation occur while forming a honeycomb structure. At this time, if the oxidation conditions, that is, the concentration of the aqueous solution or the current is adjusted, it is possible to appropriately adjust the size of the metal frame 48. The catalyst material used for growth of the carbon nanotubes 50 is formed in the honeycomb metal frame 48 and the carbon nanotubes 50 are grown thereon. The grown carbon nanotubes 50 can be adjusted in length according to the height of the growth frame. In the case of using the carbon nanotubes 50 formed as described above, not only the position and characteristics of the carbon nanotubes 40 grown are controlled, but also the growth direction of the electrons emitted by making the carbon nanotubes grow in the vertical direction. It has a constant effect. Therefore, a well-focused field emission electron can be obtained without a separate focusing method.
상술한 기술을 통해 형성된 전체구조 상부에 형광 물질이 형성되어 있는 전면 기판(미도시)을 형성하여 두 기판사이를 밀봉한다. 구체적으로, 하부 기판 양측 상부에 실링벽(미도시)을 형성하고, 실링벽 상부에 전면 기판을 형성하여 하부 기판과 전면 기판을 밀봉한다. The front substrate (not shown) on which the fluorescent material is formed is formed on the entire structure formed through the above-described technique to seal between the two substrates. Specifically, a sealing wall (not shown) is formed on both sides of the lower substrate, and a front substrate is formed on the sealing wall to seal the lower substrate and the front substrate.
상술한 바와 같이, 본 발명은 탄소 나노튜브 상부에 금속막을 형성하여 볼리스틱 전도 특성을 통해 동작 전압이 낮고, 전자의 방출 특성이 주변의 환경에 민감하지 않는다. As described above, the present invention forms a metal film on the top of the carbon nanotubes, the operation voltage is low through the ballistic conduction characteristics, the emission characteristics of the electrons are not sensitive to the surrounding environment.
또한, 전계 방출 소자의 제작에 있어서, 공정의 난이도를 크게 줄일 수 있고, 소자의 동작 특성 또한 간단해지면, 대면적화 및 상용화할 수 있다.In addition, in the fabrication of the field emission device, if the difficulty of the process can be greatly reduced, and the operation characteristics of the device are also simplified, a large area can be commercialized.
도 1은 본 발명의 전계 방출 소자의 구조와 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram for explaining the structure and operation principle of the field emission device of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2의 A영역을 확대한 도면이다. 2 is a view for explaining a method of manufacturing a field emission device according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an enlarged view of region A of FIG.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 4의 B영역을 확대한 도면이다. 4 is a view for explaining a method of manufacturing a field emission device according to another embodiment of the present invention, Figure 5 is an enlarged view of region B of FIG.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 22, 42 : 하부 전극 12, 30, 50 : 탄소 나노튜브10, 22, 42: lower electrodes 12, 30, 50: carbon nanotubes
14, 26, 46 : 금속막 20, 40: 기판14, 26, 46: metal film 20, 40: substrate
24, 44 : 탄소 나노튜브막 28 : 바인터24, 44: carbon nanotube film 28: binder
32 : 혼합물 48 : 금속틀32: mixture 48: metal frame
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