KR100548267B1 - 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동 전압이 인가되는 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 절연층을 패터닝하고, 그 패터닝된 절연층 벽면에 전극층을 형성하여 절연층이 충돌되는 전자에 의해 충전되는 것을 방지할 수 있는 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자에 관한 것으로, 절연층이 패터닝되어 형성되고, 그 패터닝되어 형성된 절연층의 상부와 벽면에 구동 전압을 인가하기 위한 탄소 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극과 게이트 전극이 형성되는데, 상기 캐소드 전극은 상기 패터닝된 절연층 상부와 탄소 나노 튜브가 형성된 반대쪽 절연층 벽면에 형성되고, 상기 게이트 전극은 상기 패터닝된 절연층 상부와 탄소 나노 튜브와 마주보는 절연층 벽면에 형성됨으로써, 절연층 벽면에 충돌하는 전자가 빠져나갈 수 있는 경로를 만들어 주고, 이로 인해 충전에 의한 소자의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

탄소 나노 튜브 전계 방출 소자{CARBON NANO-TUBE FIELD EMISSION DEVICE}

도1은 종래 언더게이트 구조의 CNT 전계 방출 소자에 대한 단면도.

도2는 종래 카운터 전극 언더게이트 구조의 CNT 전계 방출 소자에 대한 단면도.

도3은 종래 절연층이 패터닝된 코플라나형 CNT 전계 방출 소자에 대한 단면도.

도4는 종래 절연층이 패터닝된 카운터 전극 언더게이트 구조의 CNT 전계 방출 소자에 대한 단면도.

도5는 본 발명에 따른 코플라나형 CNT 전계 방출 소자에 대한 단면도.

도6a 내지 도6c는 도5의 CNT 전계 방출 소자를 제작하는 과정을 도시한 수순 단면도.

도7은 본 발명에 따른 카운터 전극 언더게이트 구조의 CNT 전계 방출 소자에 대한 단면도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

50,60:하부기판 51,62:절연층

52,63:캐소드 전극 53:게이트 전극

54,65:탄소 나노 튜브 61:게이트 라인

64:카운터 전극

본 발명은 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히 구동 전압이 인가되는 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 절연층을 패터닝하고, 그 패터닝된 절연층 벽면에 전극층을 형성하여 절연층이 충돌되는 전자에 의해 충전되는 것을 방지할 수 있는 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자에 관한 것이다.

정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고, 요구되는 디스플레이 모습 또한 다양해 지고 있다. 그 예로 휴대형 정보기기와 같이 이동성이 강조되는 환경에서는 무게, 부피 및 소비전력이 작은 디스플레이가 요구되며, 대중을 위한 정보 전달매체로 사용되는 경우에는 시야각이 넓은 대화면의 디스플레이 특성이 요구된다.

또한, 이와 같은 요구를 만족시켜 나가기 위해 전자 디스플레이는 대형화, 저가격화, 고성능화, 고정세화, 박형화, 경량화 등의 조건이 필수적이어서, 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 기존의 CRT를 대체할 수 있는 가볍고 얇은 평판 디스플레이 장치의 개발이 절실히 필요하게 되었다.

이러한 다양한 표시 소자의 요구에 따라 최근에는 전계 방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지 고 있다.

상기 전계 방출 소자는 현재 개발 혹은 양산중인 평판 디스플레이들(LCD와 PDP, VFD등)의 단점을 모두 극복한 차세대 정보 통신용 평판 디스플레이로 주목을 받고 있다. 전계 방출 소자는 전극 구조가 간단하고, CRT와 같은 원리로 고속동작이 가능하며, 무한대의 칼라, 무한대의 그레이 스케일, 높은 휘도, 높은 비디오(video rate) 속도 등 디스플레이가 가져야 할 장점들을 고루 갖추고 있다.

전계 방출 소자는 진공 속의 금속 또는 도체 표면(에미터)상에 고전계가 인가될 때 전자들이 금속 또는 도체로부터 진공 밖으로 나오는 양자역학적 터널링 현상을 이용한 것이다. 이 때 소자는 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의하여 전류-전압 특성을 나타내게 된다. 전계 방출 소자는 전자 방출 원인 에미터와 방출된 전자가 충돌하여 발광하는 애노드부, 상하판 사이를 지지하는 스페이서, 그리고 진공기밀을 유지하기 위한 실링부 등으로 구성되어 있다.

최근 들어 탄소 나노 튜브(CNT)가 기계적으로 강하고, 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서 전자방출 특성이 우수한 이유로 인해 이를 이용한 전계 방출 소자의 중요성이 인식되고 있다. 이와 같은 탄소 나노 튜브는 작은 직경(약 1.0∼수십[nm])을 갖기 때문에 종래의 마이크로팁형(spindt형) 전계 방출 팁에 비해 전계 강화 효과(field enhancement factor)가 상당히 우수하여 전자방출이 낮은 임계 전계(turn-on field, 약 1∼5[V/㎛])에서 이루어질 수 있게 되므로, 전력손실 및 생산단가를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도1은 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트(under gate) 구조의 전계 방출 소자에 대한 일 예의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 전자 방출을 일으키는 전기장을 탄소 나노 튜브(14)의 하부에 있는 게이트 전극(11)으로 인가하는 방식이다. 이는 하부기판(10) 상부에 게이트 전극(11)을 형성한 후 그 상부에 차례로 절연층(12), 캐소드 전극(13)을 형성한 다음, 상기 캐소드 전극(13) 상부에 탄소 나노 튜브 혼합 슬러리를 스크린 프린팅법 등으로 도포하고 일련의 바인더 제거공정을 통해 탄소 나노 튜브(14)를 형성한다.

도2는 종래 탄소 나노튜브를 이용한 카운터 전극 언더게이트 구조 전계 방출 소자의 평면도 및 단면도를 도시한 것으로, 도1과는 달리 하부 게이트 라인(21) 상부 절연층(22)에 관통홀(VIA)을 형성하여 카운터 전극(24)을 캐소드 전극(23)과 동일 평면상에 형성한 구조이다. 도시된 바와 같이, 카운터 전극(24)과 캐소드 전극(23)이 동일 평면상에 형성되는 구조로서, 탄소 나노 튜브(25)에서 전자 방출이 일어나는 턴온 전압이 낮아서 구동 전압을 낮출 수 있는 장점이 있다. 이러한 구조는 캐소드 전극(23) 하부를 지나는 게이트 라인(21)이 상기 캐소드 전극(23)과 동일 평면상에 위치하기 위해서는 노광 및 식각 공정을 부가하여 상기 게이트 라인(21)의 일부가 노출되도록 절연층(22)에 관통홀을 형성하고, 그 부분을 금속으로 채워야 한다.

하지만, 도1과 도2에 도시된 구조에서 알 수 있듯이, CNT(14, 25)에서 방출된 전자들은 상부 기판(미도시)에 형성된 형광체(미도시)로만 방출되는 것이 아니라 하부에 형성된 절연층(12, 22)에도 방출되어 절연층이 전자에 의해 충전(charging)되는 문제점이 발생한다. 즉, CNT에서 방출된 전자가 절연층 표면에 충돌하게 되어 절연층 표면의 이차전자방출계수에 따라 양이나 음으로 충전되고, 이에 따라 캐소드 전극과 게이트 전극(또는 카운터 전극)간의 전계가 달라지며 CNT의 전압-전류 특성이 변하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 절연층 역할을 하는 유전체층이나 절연막을 패터닝하는 방법이 제안되었다.

도3은 절연층이 패터닝된 코플라나형 CNT 전계 방출 소자의 하부 기판 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 코플라나형 CNT 전계 방출 소자는 하부기판(30) 상에 패터닝되어 하부기판(30)의 일부가 노출되도록 형성된 절연층(31)과, 상기 절연층(31) 상부에 형성된 캐소드 전극(32)과 게이트 전극(33) 그리고 캐소드 전극(32) 상부에 형성된 CNT(34)로 구성된다.

도4는 절연층이 패터닝된 카운터 전극 언더게이트 구조의 CNT 전계 방출 소자의 하부 기판 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 도2에 도시한 카운터 전극 언더게이트 구조의 CNT 전계 방출 소자의 절연층(22)이 하부 게이트 라인(21)의 일부가 노출되도록 패터닝된 것을 알 수 있다. 즉, 하부 기판(20) 상에 형성된 하부 게이트 라인(21)과 패터닝되어 상기 하부 게이트 라인(21) 일부가 노출되도록 형성된 절연층(22)과, 관통홀(VIA)을 통해 하부 게이트 라인(21)과 연결되고, 상기 절연층(22) 상부에 형성된 카운터 전극(24)과, 일부 영역에 CNT(25)가 형성되고, 상기 절연층(22) 상부에 형성된 캐소드 전극(23)으로 구성된다.

이와 같이 절연층을 패터닝하여 종래 CNT에서 방출된 전자들에 의해 절연층이 충전되는 문제를 해결할 수 있었다.

하지만, 도3과 도4에 도시된 바와 같이, CNT(25, 34)에서 방출된 전자들이 게이트 전극(33) 또는 카운터 전극(24) 그리고 전극 하부에 형성된 절연층(22, 31) 벽면과 충돌하여 충전된다. 또한, 절연층 벽면에 충돌한 전자들에 의해 산란된 이차전자들로 인해 또 다시 충전된다. 이렇게 충전된 전자들이 축적되면 소자의 전계에 따라 플래쉬오버(Flashover)되는 현상이 발생하게 된다. 물론, 전극간의 절연층을 패터닝하지 않은 경우에 비해 현저한 안정성을 보이긴 하지만 미세한 전계 왜곡을 가져오게 되며 양의 과다에 따라 전계 방출부의 방출 안정성에 영향을 줄 수 있다.

상기와 같은 종래 전극간의 절연층을 패터닝한 CNT 전계 방출 소자는 CNT에서 방출된 전자들이 게이트 전극과 캐소드 전극 및 전극 하부에 패터닝된 절연층의 벽면에 충돌하여 충전되고, 충돌된 전자들에 의해 산란된 이차전자들로 인해 또 다시 충전되는 문제점이 있었다.

또한, 충전된 전자들이 축적되면 소자의 전계에 따라 플래쉬오버(Flashover)되는 현상이 발생하게 되어 미세한 전계 왜곡을 가져오게 되며 양의 과다에 따라 전계 방출부의 방출 안정성에 영향을 줄 수 있는 문제점이 있었다.

따라서, 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 구동 전압이 입력되는 캐소드 전극과 게이트 전극을 패터닝된 절연층 상부와 벽면에 동시에 형성함으로써, 절연층 벽면에 충돌하는 전자가 빠져나갈 수 있는 경로를 만들어 주고, 이로 인해 충전에 의한 소자의 손상을 방지할 수 있는 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 절연층이 패터닝되어 형성되고, 그 패터닝되어 형성된 절연층의 상부와 벽면에 구동 전압을 인가하기 위한 탄소 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극과 게이트 전극이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐소드 전극은 상기 패터닝된 절연층 상부와 탄소 나노 튜브가 형성된 반대쪽 절연층 벽면에 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 게이트 전극은 상기 패터닝된 절연층 상부와 탄소 나노 튜브와 마주보는 절연층 벽면에 형성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.

도5는 본 발명에 따른 코플라나형 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자에 대한 일 실시예 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 하부기판(50) 상에 패터닝되어 하부 기판(50)의 일부가 노출되도록 형성된 절연층(51)과, 상기 패터닝된 절연층(51) 상부와 벽면에 형성된 캐소드 전극(52) 및 게이트 전극(53)과, 상기 캐소드 전극(52) 상부 일부에 형성된 CNT(54)로 구성한다.

이때, 게이트 전극(53)은 절연층(51) 상부 및 CNT(54)와 마주보는 절연층(51) 벽면에 형성되고, 상기 캐소드 전극(52)은 절연층(51) 상부 및 CNT(54)가 형성된 반대쪽 절연층(51) 벽면에 형성된다. 즉, CNT(54)에서 방출된 전자가 충돌하는 절연층(51) 벽면에 전극층(캐소드 전극과 게이트 전극)을 형성하여 절연층(51)에 전자들이 충전되는 것을 방지한다.

그럼, 상기와 같은 구성을 갖는 코플라나형 CNT 전계 방출 소자의 하부 기판 형성 과정을 도6을 참고하여 설명한다.

먼저, 도6a에 도시된 바와 같이, 하부 기판(50) 상부에 5~100[㎛] 정도의 페이스트 상태의 절연층을 스크린 인쇄법으로 패턴 인쇄하거나 베타 인쇄후 사진 식각 공정을 통하여 하부 기판(50) 일부가 노출되도록 패터닝된 절연층(51)을 형성한다.

그 다음, 도6b에 도시된 바와 같이, 상기 패터닝된 절연층(51) 상부 및 벽면에 캐소드 전극(52)과 게이트 전극(53)을 형성한다. 상기 전극(캐소드 전극과 게이트 전극)을 박막으로 형성할 때는 스퍼터링이나 E-Beam 공정을 통하여 전면을 형성한 후 사진 식각 공정을 통하여 1000~5000[Å] 정도의 박막을 형성한다. 또한, 전극을 후막으로 형성할 때는 패턴 인쇄를 통하여 수~수십[㎛] 정도의 후막을 형성한다. 여기서, 상기 전극을 형성하는 재료로는 Al, Ti, Ni, Cr, Nb, Cu, Ag, ITO 등을 사용한다.

그 다음, 도6c에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드 전극(52) 상부 일부에 CNT(54)를 형성한다. 상기 CNT(54)를 형성하는 방법으로는 CNT 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성하는 방법, 감광성 CNT 페이스트를 스크린 인쇄 후 배면노광을 통하여 형성하는 방법 그리고 화학 기상 증착(CVD)법을 이용하는 방법 등이 있다. 상기 감광성 CNT 페이스트를 패턴인쇄하기 위해서는 CNT 형성전 CNT 형성부에 자외선(UV)이 투과할 수 있는 창이 필요하며 CNT 하부에 투명전극을 사용하거나 투 명 절연층 상에 CNT를 형성하여야 한다. 또한 CVD법을 이용하여 CNT를 형성할 때는 선택적 성장을 위해서 Fe, Ni 등의 촉매층이 필요하다.

상기와 같은 과정을 통해 본 발명에 따른 CNT 전계 방출 소자의 하부 기판이 형성된다.

도7은 본 발명에 따른 카운터 전극 언더게이트 구조의 CNT 전계 방출 소자에 대한 하부 기판 단면도를 도시한 것으로, 도4에 도시한 전계 방출 소자와 비교할 때, 카운터 전극(64)이 관통홀(VIA)을 통해 하부 게이트 라인(61)과 연결될 뿐만 아니라 캐소드 전극(63)에 형성된 CNT(65)와 바라보는 절연층(62)의 벽면에도 형성되어 하부 게이트 라인(61)과 연결되고, 캐소드 전극(63) 또한 절연층(62) 상부 뿐만 아니라 CNT(65)가 형성된 반대쪽 절연층(62) 벽면에 형성된 것을 알 수 있다. 즉, 하부 기판(60) 상부에 형성된 하부 게이트 라인(61)과, 상기 구조물 상부에 패터닝되어 형성된 절연층(62)과, 일부 영역에 CNT(65)가 형성되고, 상기 절연층(62) 상부와 상기 CNT(65)가 형성된 반대쪽 절연층(62) 벽면에 형성된 캐소드 전극(63)과, 상기 절연층(62)에 형성된 관통홀과 상기 CNT(65)와 바라보는 절연층(62) 벽면에 형성되어 상기 하부 게이트 라인(61)과 연결된 카운터 전극(64)으로 구성된다.

이때, 상기 절연층(62) 벽면에 형성된 캐소드 전극(63)은 하부 게이트 라인(61)과 연결되지 않도록 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명은 전극을 패터닝된 절연층 상부 뿐만 아니라 CNT에서 방출된 전자들이 충돌하는 절연층 벽면에도 형성하여 절연층 벽면에 충돌하는 전자가 빠져나갈 수 있는 경로를 만들어 충전(charging)에 의한 소자의 손상을 방지할 수 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 구동 전압이 입력되는 캐소드 전극과 게이트 전극을 패터닝된 절연층 상부와 벽면에 동시에 형성함으로써, 절연층 벽면에 충돌하는 전자가 빠져나갈 수 있는 경로를 만들어 주고, 이로 인해 충전에 의한 소자의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 절연층이 패터닝되어 형성되고, 그 패터닝되어 형성된 절연층의 상부와 벽면에 구동 전압을 인가하기 위한 탄소 나노 튜브가 형성된 캐소드 전극과 게이트 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 전극은 상기 패터닝된 절연층 상부와 탄소 나노 튜브가 형성된 반대쪽 절연층 벽면에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 게이트 전극은 상기 패터닝된 절연층 상부와 탄소 나노 튜브와 마주보는 절연층 벽면에 형성된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자.

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