KR100565198B1 - 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 제조방법에 관한 것으로, 종래 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출소자는 정밀한 탄소 나노튜브 전자 방출원을 형성하기 위해 감광성 페이스트 형태의 탄소 나노튜브를 후면 노광법을 이용하여 형성하기 때문에, 하판을 형성하기 위한 전극, 유전체 등의 재료를 성능이 떨어지는 투명 소재로 사용해야 하며, 자외선 차단막이나 반응 방지막등의 부가적인 공정이 요구되어 공정 시간과 비용이 증가하는 문제점이 있었다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 캐소드 전극 상부 혹은 측면에 탄소 나노튜브 전자방출원 형성을 위한 시드층 패턴을 형성하고, 상기 시드층 패턴 상부에 비 감광성 탄소 나노튜브 페이스트를 형성한 다음 열처리하여 상기 시드층 물질과 그 상부에 형성된 탄소 나노튜브 페이스트를 반응시켜 반응한 탄소 나노튜브 페이스트를 전자 방출원으로 사용하도록 한 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 제조방법을 제공함으로써, 노광법을 사용하지 않고서도 정밀한 탄소 나노튜브 전자 방출원을 용이한 공정으로 저렴하게 형성할 수 있는 것은 물론이고, 노광법 사용시 제한되던 소재 선택의 폭이 커져 성능이 개선되며 시드층에 의한 탄소 나노튜브의 부착력 개선으로 불량률을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

탄소 나노튜브 전계방출소자 및 제조방법{CARBON NANOTUBE FIELD EMISSION DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 종래 노멀 게이트형 전계방출 소자의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 종래 언더 게이트형 전계방출 소자의 구조를 나타낸 단면도.

도 3은 종래 코플래너 게이트형 전계방출 소자의 구조를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명 일 실시예의 전계방출원 구조를 나타낸 단면도.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순단면도.

***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명***

30: 유리기판 31: 캐소드 전극

32: 시드층 33: 탄소 나노튜브 페이스트

34: 탄소 나노튜브 전자 방출원

본 발명은 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 제조방법에 관한 것으로, 특히 평면형 탄소 나노튜브 전계방출소자 구조에서 탄소 나노튜브 페이스트를 시드층 상에 형성한 후 열처리하여 시드층과 반응한 탄소 나노튜브로 전자 방출원을 형성함으로 써 전극과 유전체 재료의 제한과 부가 공정의 필요성을 줄여 비용은 낮추고 수율 은 높일 수 있도록 한 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 제조방법에 관한 것이다.

정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고 있으며, 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 전계방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.

상기 전계방출소자는 현재 개발 혹은 양산중인 평판 디스플레이들(LCD와 PDP, VFD등)의 단점을 모두 극복한 차세대 정보 통신용 평판 디스플레이로 주목을 받고 있다. 전계방출소자 디스플레이는 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.

전계방출 표시소자는 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.

최근 들어 탄소 나노튜브가 직경에 대한 길이의 비가 크고, 기계적으로 강하며, 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서 전자방출특성이 우수한 이유로 인해 이를 이용한 전계방출소자의 중요성이 인식되고 있다. 이와같은 탄소 나노튜브는 작은 직경(약, 1.0∼ 수십[nm])을 갖기 때문에 종래의 마이크로팁형(spindt형) 전계방출 팁에 비해 전계강화효과(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.

이러한 탄소 나노튜브는 캐소드 전극 상에 페이스트 상태로 스크린 프린팅되어 형성되거나 화학 기상 증착 방법으로 성장시키는 방법으로 형성될 수 있으며, 정밀한 구조에 적용하기 위해서 감광성 페이스트 상태로 사용하여 후면 노광하는 방법을 사용하기 도 한다.

종래 전계방출소자의 구조를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 3은 종래의 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 3전극 구조들을 나타낸 것이다.

도 1은 종래의 노멀 게이트 구조(normal gate)로서, 탄소 나노튜브(5)가 도 포된 캐소드 전극(2), 절연체(3) 및 게이트(4)로 이루어진 전자 방출원과, 방출된 전자(e)가 충돌하는 애노드부(애노드 및 형광체)(9)와, 상하판(1, 8)을 지지하는 스페이서(7)와, 진공 기밀을 유지하는 실링부(frit sealing)(6)로 이루어진다.

상기 게이트 전극(4)과 캐소드 전극(2) 사이에 충분한 전압이 구동 전압으로 인가되면 전자들이 탄소 나노튜브(5)의 첨단으로부터 방출되어 애노드 전극과 형광체로 이루어진 애노드부(9)의 애노드 전압에 의해 가속되면서 애노드부(9)의 형광체에 충돌함으로써 발광이 이루어진다.

전자 방출원의 구조를 좀 더 상세히 살펴보면, 도시한 바와 같이 기판(1) 상부에 캐소드 전극(2), 절연층(3), 게이트 전극(4)을 형성한 후 사진 식각 공정을 통해 상기 게이트 전극(4)과 절연층(3)을 식각하여 관통홀을 형성한 다음 노출된 캐소드 전극(2) 상부에 탄소 나노튜브(5)를 형성하여 구성한다. 이러한 구조는 기존의 마이크로팁형 전계방출 소자의 구조에서 전자 방출원을 탄소 나노튜브로 대체한 것이며, 주로 화학 기상 증착등을 통한 성장법을 사용하고 있다. 하지만, 상기 구조는 전계가 제일 강한 홀의 주변에서만 국부적으로 전자방출이 일어날 가능성이 높고, 비대칭적인 전계분포에 의해 게이트전극(4)으로의 누설전류가 많으며, 공정 절차가 어렵기 때문에 대면적화가 용이하지 않으므로 사용이 감소하고 있다.

그로인해 상기와 같은 기본 게이트 구조 대신 게이트를 캐소드 전극 하부 혹은 동일 평면에 위치시키는 평면형 구조들이 등장하게 되었는데, 이들 중 일부를 도 2와 도 3에 도시하였다.

먼저 도 2는 언더 게이트(under gate)구조 전계방출소자의 단면도로서, 도시 한 바와 같이 전자 방출을 일으키는 전기장을 나노 튜브(14)의 하부에 있는 게이트 전극(11)을 통해 인가하는 방식이다. 이는 유리기판(10) 상부에 게이트 전극(11)을 형성한 후 그 상부에 차례로 절연층(12), 캐소드 전극(13)을 형성한 다음, 상기 캐소드 전극(13) 상부 혹은 측면에 탄소 나노튜브(14)로 이루어진 전자 방출원을 형성한다. 상기 탄소 나노튜브(14)를 형성하는 방법에는 크게 두가지 방법이 있는데, 포토레지스트 기법을 이용하기 위한 감광성 탄소 나노튜브 페이스트를 이용하는 방법과 비 감광성 탄소 나노튜브 페이스트를 이용하는 방법이다.

이 중에서 비 감광성 탄소 나노튜브 페이스트를 이용하는 방법은 탄소 나노튜브와 바인더가 혼합된 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 적절한 위치에 도포하는 것으로, 셀의 크기가 비교적 큰 경우라면 가능하지만, 작을 셀에 소형 전자 방출원 을 정밀하게 형성하는 경우라면 정밀도 문제로 사용이 어렵다. 따라서, 이 경우 빛이 조사된 부분이 현상 후에 잔류하는 네가티브 포토레지스트를 이용하는 감광성 탄소 나노튜브 페이스트와 후면 노광을 이용하게 된다. 상부에서 직접 노광하는 경우 페이스트의 하부까지 충분히 노광할 수 없으므로 실제 캐소드 전극(13)과 인접하는 부분의 포토레지스트가 현상액에 의해 제거되는 경우가 발생하기 때문에 후면 노광을 이용하게 된다. 후면 노광을 이용하기 위해서는 도시된 유리기판(10), 게이트 전극(11), 절연층(12), 캐소드 전극(13)이 모두 빛이 투과할 수 있는 투명한 소재로 이루어져야 한다. 즉, 투명한 하판 구조물 상에 자외선 차단막을 이용하여 탄소 나노튜브가 형성될 영역을 정의한 후 도포된 네가티브 탄소 나노튜브 포토레지스트를 선택적으로 노광한 다음, 현상하면 도시된 바와 같은 탄소 나노튜브(14) 전 자방출원을 형성할 수 있다.

도 3은 코플래너(coplanar) 구조 전계방출소자의 단면도로서, 도시한 바와 같이 게이트 전극(22)과 캐소드 전극(23)이 동일층에 형성되는 형태이다. 즉, 유리기판(20) 상부에 형성된 절연층(21) 상에 게이트 전극(22)과 캐소드 전극(23)을 단일 공정으로 형성한 후 상기 캐소드 전극(23)의 상부 혹은 측면에 역시 전술한 방법과 같은 감광성 혹은 비 감광성 탄소 나노튜브 페이스트를 적용하여 탄소 나노튜브(24)를 형성한다.

상기 평면형 전계방출소자의 탄소 나노튜브 전자 방출원을 정밀하게 형성하기 위해서는 감광성 탄소 나노튜브 페이스트와 후면 노광법을 이용해야 하며, 이 경우 필수적으로 하판 제조에 사용되는 소재들이 투명해야 한다. 즉, 투명 전극, 투명 유전체등이 필요하며, 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 자외선(UV) 차단막 공정이 부가적으로 사용되어야 한다. 특히 투명 전극은 주로 ITO박막과 같은 산화물 계통의 전극을 사용하기 때문에 열처리 후 저항이 증가하는 경향이 있으므로 소자의 효율을 낮추는 원인이 된다. 또한, 투명 전극은 인접한 유전체와 반응하여 전극으로서의 특성을 상실하게 되는 경우까지 발생하게 되므로, 이를 방지하기 위해 반응 방지막이 추가적으로 요구될 수도 있다. 따라서, 후면 노광을 사용하기 위한 투명 재료의 제한은 소자의 성능을 최적화 하는데 대단히 큰 제한으로 작용하게되며, 추가 공정들로 인해 공정 시간과 비용을 증가시키게 된다.

상기한 바와같이 종래 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출소자는 정밀한 탄소 나노튜브 전자 방출원을 형성하기 위해 감광성 페이스트 형태의 탄소 나노튜브를 후면 노광법을 이용하여 형성하기 때문에, 하판을 형성하기 위한 전극, 유전체 등의 재료를 성능이 떨어지는 투명 소재로 사용해야 하며, 자외선 차단막이나 반응 방지막 형성등의 부가적인 공정이 요구되어 공정 시간과 비용이 증가하는 문제점이 있었다.

상기한 바와같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명은 캐소드 전극 상부 혹은 측면에 탄소 나노튜브 전자방출원 형성을 위한 시드 물질층을 성막 및 패터닝한 후 상기 시드 물질층 상부에 비 감광성 탄소 나노튜브 페이스트를 형성하고 열처리하는 것으로 상기 시드 물질층과 그 상부의 탄소 나노튜브 페이스트를 반응시켜 반응한 탄소 나노튜브 페이스트를 전자 방출원으로 사용하도록 하여 노광법을 사용하지 않고서도 정밀한 탄소 나노튜브 전자 방출원 형성이 가능하도록 한 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 캐소드 전극과 접촉하며 전자 방출원이 형성될 부분에 전자 방출원 형상으로 패터닝되어 배치된 시드층과; 상기 시드층 상부 표면에 형성되면서 상기 캐소드 전극과 접촉하는 분말형 탄소 나노튜브 전자 방출원을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 하부 기판 상부에 캐소드 전극을 형성하는 단계와; 상기 캐소드 전극 상부에 시드층을 형성한 후 전자 방출원 형태로 패터닝하는 단계와; 상기 시드층 상부에 탄소 나노튜브 페이스트를 적용한 후 열처리하여 상기 시드층 패턴과 탄소 나노튜브 페이스트를 반응시켜 상기 탄소 나노튜브 페이스트에 포함된 탄소 나노튜브의 일부가 상기 시드층 표면에 포집되도록 하는 단계와; 상기 탄소 나노튜브 페이스트 중 시드층과 반응하지 않은 페이스트 부분을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와같은 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면들을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명 일 실시예에 따른 탄소 나노튜브 전자 방출원의 구조를 보이는 단면도로서, 도시한 바와 같이 유리기판(30) 상부에 캐소드 전극(31)과 시드층 (seed layer)패턴(32)이 형성되어 있으며, 상기 시드층 패턴(32)의 노출된 표면 상에 탄소 나노튜브 전자 방출원(34)이 위치하고 있음을 볼 수 있다.

도시된 시드층 패턴(32)은 유리 소재나 실리콘 소재등으로 형성된 것으로, 전자 방출원이 위치할 부분에 형성된다. 상기 시드층 패턴(32)의 상부에 탄소 나노튜브 페이스트를 도포한 후 열처리하여 상기 시드층 패턴(32)과 상기 탄소 나노튜브 페이스트 사이의 반응을 유발함으로써 상기 시드층 패턴(32)의 노출된 표면 상에 탄소 나노튜브 전자 방출원(34)이 형성된다. 이후 반응이 일어나지 않은 잔류 탄소 나노튜브 페이스트를 제거하면 도시된 바와 같은 구조가 형성된다. 즉, 도시된 구조는 시드층 패턴(32)에 의해 정의된 부분에만 정밀하게 탄소 나노튜브 전자 방출원(34)이 형성되므로 작은 크기의 셀이나 정밀한 구조를 형성하기 쉬워진다. 따라서, 본 발명의 구조를 이용하면, 스크린 인쇄 방법에 비해 전자 방출원 형성의 정밀도를 높일 수 있으며, 감광성 탄소 나노튜브 페이스트와 후면 노광 공정을 이용하는 경우보다 공정이 쉽고 소재의 제약이 작다.

다시 말해서, 본 발명이 적용되는 전계방출 소자의 하판 구조물은 불투명한 전극, 유전체등을 이용할 수 있어 품질을 향상 시킬 수 있는 소재(예를 들어 저항이 낮으며 유전체와 반응하지 않는 전극 등)를 자유롭게 선택할 수 있게 된다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명 일 실시예의 전자 방출원 제조 과정을 보인 수순 단면도로서, 대단히 간단한 공정을 통해 정밀한 전자 방출원을 형성할 수 있다는 것을 보인다. 특히 본 실시예는 전자 방출원의 구조가 정밀하여 단순한 스크린 인쇄법으로 형성이 어려운 경우라는데 주의한다.

먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 유리기판(30) 상부에 캐소드 전극(31)을 형성한다. 본 발명에서는 상기 캐소드 전극(31)으로 산화물 계통의 투명 전극을 사용할 필요가 없기 때문에 불투명하지만 저항이 낮고 유전체와도 반응하지 않는 물질을 이용할 수 있다는 장점이 있다. 후면 노광을 이용하지 않지만, 기판으로 유리 기판(30)을 이용하는 이유는 상판과의 밀봉에 유리물질(프릿)을 이용하기 때문이다.

그 다음, 도 5b에 도시한 바와 같이 상기 캐소드 전극(31) 상부에 시드층(32)을 형성한다. 상기 시드층(32)은 유리 페이스트를 스크린 인쇄등으로 형성할 수 있으며, 실리콘 물질 등의 박막을 증착법으로 형성할 수 있다.

그 다음, 도 5c에 도시한 바와 같이 상기 시드층(32)을 패터닝하여 전자 방출원이 형성될 부분을 정의한 후, 상기 시드층(32) 패턴 상부에 탄소 나노튜브 페이스트(33)를 형성한다. 상기 탄소 나노튜브 페이스트(32)는 감광성을 가질 필요가 없는 일반적인 페이스트로서, 공정 정밀도의 여유가 많으므로 다양한 방법으로 형성될 수 있다.

그 다음, 도 5d에 도시한 바와 같이 상기 구조물을 열처리하여 상기 시드층(32)이 용융되도록 하면, 상기 시드층(32) 상부에 형성된 탄소 나노튜브 페이스트(32)와 시드층(32)이 반응하게 되는데, 만일 시드층(32)으로 유리 페이스트를 이용한 경우 유리 물질이 용융되어 탄소 나노튜브 페이스트(33)와 혼합되게 된다. 이 경우 탄소 나노튜브 페이스트(33)의 탄소 나노튜브 일부가 시드층(32) 내부로 침투하게 되고, 열이 식으면 상기 시드층(32)과 탄소 나노튜브 페이스트(33)의 접촉 부분에 시드층(32)에 붙잡힌 탄소 나노튜브로 이루어진 탄소 나노튜브 전자 방출원(34)이 형성되게 된다. 이를 통해 정밀한 전자 방출원의 용이한 제조는 물론이고 탈착이 빈번하던 탄소 나노튜브의 접착력을 높여 불량률을 줄일 수 있는 부가적인 효과도 기대할 수 있다. 이후, 잔류하는 미 반응 탄소 나노튜브 페이스트(33)를 제거하면 정확한 위치에 형성된 탄소 나노튜브 전자 방출원(34)이 노출된다.

전술한 바와 같이 시드층을 이용하여 자기 정렬 방식으로 탄소 나노튜브 전자 방출원을 형성하게 되면, 정밀도가 높은 전계 방출부 구조를 단순한 공정과 다양한 소재로 구현할 수 있으므로 성능과 비용이 모두 개선된다.

상기한 바와 같은 본 발명 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 제조방법은 캐소드 전극 상부 혹은 측면에 탄소 나노튜브 전자방출원 형성을 위한 시드층 패턴을 형성하고, 상기 시드층 패턴 상부에 비 감광성 탄소 나노튜브 페이스트를 형성한 다음 열처리하여 상기 시드층 물질과 그 상부에 형성된 탄소 나노튜브 페이스트를 반응시켜 반응한 탄소 나노튜브 페이스트를 전자 방출원으로 사용하도록 함으로써 노광법을 사용하지 않고서도 정밀한 탄소 나노튜브 전자 방출원을 용이한 공정으로 저렴하게 형성할 수 있는 것은 물론이고, 노광법 사용시 제한되던 소재 선택의 폭이 커져 성능이 개선되며 시드층에 의한 탄소 나노튜브의 부착력 개선으로 불량률을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 캐소드 전극과 접촉하며 전자 방출원이 형성될 부분에 전자 방출원 형상으로 패터닝되어 배치된 시드층과;

   상기 시드층 상부 표면에 형성되면서 상기 캐소드 전극과 접촉하는 분말형 탄소 나노튜브 전자 방출원을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 시드층은 증착 및 패터닝이 가능한 유리 소재 또는 반도체 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자.
3. 하부 기판 상부에 캐소드 전극을 형성하는 단계와;

   상기 캐소드 전극 상부에 시드층을 형성한 후 전자 방출원 형태로 패터닝하는 단계와;

   상기 시드층 상부에 탄소 나노튜브 페이스트를 적용한 후 열처리하여 상기 시드층 패턴과 탄소 나노튜브 페이스트를 반응시켜 상기 탄소 나노튜브 페이스트에 포함된 탄소 나노튜브의 일부가 상기 시드층 표면에 포집되도록 하는 단계와;

   상기 탄소 나노튜브 페이스트 중 시드층과 반응하지 않은 페이스트 부분을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조 방법.
4. 삭제

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