KR100582544B1 - 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 관점에 따른 전계 방출 소자는, 하부전극과 측방향으로 일정 간극 이격된 하부전극연결선, 하부전극 상에 탄소나노튜브 및 도전성 접착물의 혼합물로 구성되되 도전성 접착물에 의해 하부전극 상에 부착되는 탄소나노튜브로서의 전계방출팁, 및 탄소나노튜브 및 상기 도전성 접착물의 혼합물로 구성되되 하부전극과 하부전극연결선 사이의 간극을 메우는 혼합물 부분으로서의 저항부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법{Apparatus and manufacturing method for field emission device with carbon nanotubes}
도 1은 저항층을 도입하여 전계 방출 특성을 안정화하는 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2는 종래의 저항층이 도입된 삼극형 전계 방출 소자 구조를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 저항층이 도입된 탄소나노튜브 전계 방출 소자 구조를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 저항층이 도입된 탄소나노튜브 전계 방출 소자 구조의 변형예를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히, 저항층을 채용하는 탄소나노튜브(carbon nanotubes)를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이 다.
전계 방출 소자에 전계 방출 팁(tip)으로 탄소나노튜브를 이용하고자 하는 시도가 다수 보고되고 있다. 또한, 전계 방출 팁으로부터 전계 방출 특성을 안정화하는 방법의 하나로 저항층을 도입하는 바가 제시되고 있다.
도 1은 저항층을 도입하여 전계 방출 특성을 안정화하는 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 그래프(graph)이다.
도 1을 참조하면, 저항층이 전계 방출원과 직렬로 연결되어 있을 경우, 이러한 소자의 동작점은(16, 17), 저항층의 로드 라인(load line)(13)과 전계 방출 특성 곡선(14, 15)이 만나는 지역에 형성된다. 어노드(anode)에 인가되는 전압에 따라 변화되는 전계 방출 특성 곡선들(14, 15)이 태양은 도 1에 도시된 바와 같이 제시될 수 있고, 전계 방출 특성이 달라짐에 따라, 동작점(16, 17)은 도 1에 제시된 바와 같이 달라질 수 있다. 이에 따라, 캐소드(cathode)에서 방출되는 전계 방출 전류(18, 19)는 도 1에 제시된 바와 같이 다른 값들로 얻어질 수 있다.
이러한 특성 그래프들은 저항층이 있음으로 해서 전계 방출 특성이 변화하여도 실제로 전계 방출 전류의 변화는 줄어들 수 있음을 알려주고 있다. 따라서, 전계 방출 특성을 안정화하기 위해서 저항층을 전계 방출원과 전기적으로 직렬로 연결되게 도입하는 방법은 매우 유효한 방법이다.
이러한 저항층을 전계 방출 소자의 구성에 도입하는 구조는 다음의 도 2, 도 3 및 도 4에 제시된 바와 같이 제시될 수 있다.
도 2는 종래의 저항층이 도입된 삼극형 전계 방출 소자 구조를 설명하기 위 해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 삼극형 전계 방출 소자는 하부전극(21) 상에 전계방출팁(23)이 도입되고, 전계방출팁(23) 하부에 하부전극(21)과 전계방출팁(23) 사이에 직렬로 저항층(22)이 도입되고 있다. 하부전극(21)에 대향하여 전계방출유도전극(24)이 도입된다.
도 3은 종래의 저항층이 도입된 탄소나노튜브 전계 방출 소자 구조를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 종래의 저항층이 도입된 탄소나노튜브 전계 방출 소자 구조는 도 2에 제시된 바와 같은 구조의 변형으로서, 이극형 전계 방출 소자이다. 이때, 하부전극(31) 상에 저항층(32)이 도입되고, 저항층 상에 전계 방출원으로 탄소나노튜브(33)가 도입된다. 이때, 탄소나노튜브(33)는 접착층(34)에 의해서 저항층(32)에 접착되고 있다.
도 4는 종래의 저항층이 도입된 탄소나노튜브 전계 방출 소자 구조의 변형예를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 종래의 저항층이 도입된 탄소나노튜브 전계 방출 소자 구조는 실질적으로 도 3에 제시된 바와 같은 구조의 변형으로서, 이극형 전계 방출 소자이다. 이때, 하부전극(41) 상에 직접적으로 탄소나노튜브(43)가 접착층(44)에 의해서 접착된다. 그리고, 저항층(42)은 하부전극(41)과 일정 간격 이격되어 떨어진 하부전극연결선(45) 사이에 도입된다.
이는 공정 상의 난이도 등을 고려하여 저항층(42)을 하부전극(41)과 하부전 극연결선(45) 사이에 위치하도록 하는 경우이다.
이와 같은 종래의 경우, 저항층(22, 32, 42)을 도입하기 위해서는, 별도의 층을 증착하고 포토리소그래피방법 등을 이용하여 패터닝하는 공정이 필수적으로 요구된다. 이때, 저항층으로는 n+ 도핑(doping)된 비정질 실리콘(Si) 박막 등 저항이 큰 편인 도전층이 사용되고 있다.
따라서, 저항층을 형성할 때 추가의 공정이 특별히 요구되지 않거나 또는/ 및 공정의 난이도가 상당하지 않는 저항층 형성 방법의 개발이 요구되고 있다. .
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 보다 용이하게 저항층을 도입할 수 있어 전계 방출 특성의 안정화를 구현할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 하부전극과, 상기 하부전극과 측방향으로 일정 간극 이격된 하부전극연결선, 상기 하부전극 상에 탄소나노튜브 및 도전성 접착물의 혼합물로 구성되되 상기 도전성 접착물에 의해 상기 하부전극 상에 부착되는 상기 탄소나노튜브로서의 전계방출팁, 및 상기 탄소나노튜브 및 상기 도전성 접착물의 혼합물로 구성되되 상기 하부전극과 상기 하부전극연결선 사이의 간극을 메우는 상기 혼합물 부분으로서의 저항부를 포함하여 구성되는 전계 방출 소자를 제공한다.
여기서, 상기 전계 방출 소자는 상기 하부 전극 상에 상기 하부 전극에 대향되되 형광체가 도포된 어노드 전극을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 도전성 접착물은 도전체 분말 및 접착제를 포함하여 구성된 것일 수 있다.
상기 전계 방출 소자를 제조하는 방법은, 상호 간에 측방향으로 일정 간극 이격된 하부전극 및 하부전극연결선을 형성하는 단계, 및 상기 하부전극 상 및 상기 하부전극과 상기 하부전극연결선 사이의 상기 간극을 메우는 탄소나노튜브 및 도전성 접착물을 포함하는 혼합물을 도포하여, 상기 하부전극 상에 부착되는 상기 탄소나노튜브로서의 전계방출팁을 형성하고 상기 간극을 메우는 상기 혼합물 부분으로서의 저항부를 형성하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 보다 용이하게 저항층을 도입할 수 있어 전계 방출 특성의 안정화를 구현할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
본 발명의 실시예에서는 탄소나노튜브를 전계방출팁으로 이용한 전계 방출 소자를 제시하고, 이때, 하부 전극 상에 전계방출팁으로서 탄소나노튜브를 접착하기 위해서 도입되는 탄소나노튜브와 접착물의 혼합물을 도전체를 포함시켜 제조하는 바를 제시한다. 또한, 이러한 혼합물이 하부전극과 하부전극연결선 사이에도 도포되도록 하여, 하부전극과 하부전극연결선 사이에 이러한 혼합물로 구성되는 저항부를 형성하는 바를 제시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자는, 먼저, 일정한 기판(도시되지 않음) 상에 하부전극(510)을 도전 물질, 예컨대, 금속 물질로 형성한다. 이러한 하부 전극(510)과 일정 간격 이격된 하부전극연결선(550)을 또한 형성한다. 이때, 하부전극(510)과 하부전극연결선(550)은 동일한 도전층을 패터닝하여 상호 간에 분리된 상태로 형성될 수 있다.
그리고, 탄소나노튜브를 전계방출팁으로 이용하기 위해서, 탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물을 제조한다. 도전성 접착물(540)은 도전체를 접착제에 분산시킴으로써 도전성을 가지게 할 수 있고, 또는, 도전성 접착제를 이용함으로써 도전성을 구현할 수 있다. 이때, 도전체로서는 대략 1㎛이하 직경의 미세한 금속 분말 또는 기타 도전성 분말을 이용할 수 있다.
탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물을 하부전극(510) 상에 도포한다. 이때, 탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물이 하부전극(510)과 하부전극(510)에 전류를 인가하기 위해 도입되는 하부전극연결선(550) 사이의 간극을 적어도 채우도록, 탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물을 도포한다. 탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물을 제조할 때, 적당한 양의 도전체를 포함시켜서 필요한 만큼의 도전 특성을 가지게 하여, 탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물을 하부전극(510)과 하부전극연결선(550) 사이의 간극(gap)에 도포되도록 한다.
이후, 이러한 혼합물의 도포층을 경화시켜, 실질적으로 도전성 접착물(540)을 구성하는 접착제가 레진(resin)인 경우, 레진을 경화시키는 과정을 수행할 수 있다.
도전체를 포함하여 도전성을 가지는 도전성 접착물(540)이 채워지는 하부전극(510)과 하부전극연결선(550) 사이의 간극은, 후에 도전성 접착물(540) 또는 탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물의 전기 전도도를 고려하여, 원하는 전기 전도도를 얻도록 조절될 수 있다.
이때, 탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물의 도포 및 층의 형성은 대개 스크린 프린트(screen print) 방법을 이용한다. 이때, 하부전극(510)과 하부전극 연결선(550) 사이의 간극에 도포되는 혼합물층 부분(520)이, 전계방출원으로 사용되는 탄소나노튜브(530)와 접착물(540)의 혼합물층 부분(531)과 연결될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
이와 같이 하여, 전계방출원으로 사용되는 부분(531)에 탄소나노튜브(530)를 하부 전극(510) 상에 접착물(540)을 이용하여 부착할 수 있다. 이와 함께, 하부 전극(510)과 하부전극연결선(550) 사이에 도포된 도전성 접착물(540)로 구성되는 저항부(520)를 동시에 별도의 추가 공정 없이 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물의 전기 전도 특성을 이용하여, 탄소나노튜브(530)와 도전성 접착물(540)의 혼합물로 저항부(520)를 형성한다.
탄소나노튜브(530)는 도전성과 반도체 특성이 섞여있는 것으로 알려져 있고, 전계방출에 사용하기 위해서는 도전체인 것을 사용하는 것이 일반적인 방법이다. 또한, 그 혼합물을 구성하는 경우에도 전계 방출 특성의 개선을 위하여 도전체를 함유시키는 경우도 많다. 이때, 도전체는 국부적으로 전계의 세기를 강하게 하여 전계 방출 특성이 개선되도록 하는 역할과 탄소나노튜브(530)와 하부전극(510) 사이의 전기적 접촉을 향상시키는 의미가 포함되어 있다. 본 발명에서는 저항부(520)로 사용하기 때문에, 혼합물을 도포했을 경우의 전기 전도도를 조절하는 역할도 포함하게 된다.
실제로, 하부전극(510)과 하부전극연결선(550)의 간극, 즉, 연결 부위에서, 도포된 혼합물이 저항층으로 작용하게 되기 때문에, 어노드에서 인가되는 전장이 연결 부위 이전의 지역, 즉, 하부전극연결선(550) 상의 부위에 더 많이 걸리게 된다. 따라서, 이러한 부분에 탄소나노튜브가 도포될 경우, 이러한 탄소나노튜브에서 전계 방출이 일어날 가능성이 많게 된다. 그런데, 이 부분에서 일어나는 전계 방출 특성은 저항부(520)로 제어가 되지 않는 것이기 때문에 이 부분에서의 전계 방출 특성을 되도록 억제하는 것이 필요하다. 따라서, 되도록 적은 양의 탄소나노튜브 혼합물이 이러한 부위에 도포되도록 하는 것이 필요하다. 즉, 하부전극연결선(550) 상으로는 탄소나노튜브(530) 및 도전성 접착물(540)의 혼합물이 도포되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
저항부(520)를 이루는 탄소나노튜브(530) 및 도전성 접착제(540)의 혼합물에서 탄소나노튜브(530)는, 그 높이가 전계방출팁 부분(531)을 이루는 탄소나노튜브(530)에 비해 낮기 때문에, 상대적으로 낮은 전계가 인가되므로 전계방출이 효율적으로 이루어지지 않게 된다. 따라서, 저항부(520)는 하부전극(510)과 하부전극연결선(550) 사이에서 실질적으로 저항층으로 작동하게 된다.
저항부(520)의 저항 값을 적절하게 설정하는 것이, 전계방출소자의 안정화를 위하여 중요한 사항이 된다. 저항 값의 설정은 하부전극(510)과 하부전극연결선(550) 사이의 간극의 거리 및 연결면의 길이와 탄소나노튜브(530) 및 접착물(540)의 혼합물의 저항 값에 의하여 결정된다. 즉, 거리 및 길이가 각각 L, W라고 하고, 도포된 탄소나노튜브(530) 및 접착물(540)의 혼합물의 면 저항 값이 Rs라 하면, 저항 값은 Rs × L / W 로 주어지게 된다. 따라서 이러한 요소 값을 적절하게 조정함으로써, 저항부(520)의 저항 값을 원하는 값으로 설정하는 것이 가능하다.
한편, 하부 전극(510) 상에는 어노드 전극(560)이 캐소드인 하부 전극(510)에 대향하여 도입될 수 있다. 표시소자로 이용되기 위해서는 어노드 전극(560)이 형광체가 도포된 투명전극으로 도입될 수 있다. 이러한 경우, 어노드 전극(560)과 하부 전극(510) 사이에는 진공이 형성되고, 이러한 진공의 유지를 위해서 진공 실 링(vacuum sealing)이 도입된다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
상술한 본 발명에 따르면, 전계 방출 소자를 제작하기 위한 구조로써, 탄소 나노튜브를 가지고 있고 탄소나노튜브의 혼합물을 저항층으로 사용하는 구조를 제시할 수 있다. 이러한 구조의 경우, 전계 방출 소자의 동작 안정성에 기여하는 저항층을 전계 방출 소자 구조 내에 별도의 공정 없이 적용하는 것이 가능하다. 이에 따라, 본 발명을 이용하면, 전계 방출 소자의 제작에 있어서 동작의 안정성을 쉽게 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (4)

  1. 하부전극;
    상기 하부전극과 측방향으로 일정 간극 이격된 하부전극연결선;
    상기 하부전극 상에 탄소나노튜브 및 도전성 접착물의 혼합물로 구성되되 상기 도전성 접착물에 의해 상기 하부전극 상에 부착되는 상기 탄소나노튜브로서의 전계방출팁; 및
    상기 탄소나노튜브 및 상기 도전성 접착물의 혼합물로 구성되되 상기 하부전극과 상기 하부전극연결선 사이의 간극을 메우는 상기 혼합물 부분으로서의 저항부 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극 상에 상기 하부 전극에 대향되되 형광체가 도포된 어노드 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 접착물은 도전체 분말 및 접착제를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  4. 상호 간에 측방향으로 일정 간극 이격된 하부전극 및 하부전극연결선을 형성하는 단계; 및
    상기 하부전극 상 및 상기 하부전극과 상기 하부전극연결선 사이의 상기 간극을 메우는 탄소나노튜브 및 도전성 접착물을 포함하는 혼합물을 도포하여
    상기 하부전극 상에 부착되는 상기 탄소나노튜브로서의 전계방출팁을 형성하고 상기 간극을 메우는 상기 혼합물 부분으로서의 저항부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.
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