KR100637480B1 - 측면에 금속 전극을 채용하고 카본나노튜브를 사용한 전계방출 표시 소자용 에미터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카본나노튜브를 전계방출디스플레이(FED; Field Emission Display)의 필드 에미터(field emitter)로 사용하는 경우 FED 구조에 관한 것으로서, 지지 부재층(1), 상기 지지 부재층 위에 도포된 촉매 금속층(2), 상기 촉매 금속층 위에 성장된 카본나노튜브(3) 및 상기 촉매 금속층 측면 일부를 덮는 캐소드 전극(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 FED용 에미터를 제공하여 카본나노튜브의 고품질 성장이 가능해질 뿐만 아니라 에미션 효과를 보다 쉽게 볼 수 있다.

카본나노튜브, 전계방출디스플레이(FED), 에미터

Description

측면에 금속 전극을 채용하고 카본나노튜브를 사용한 전계 방출 표시 소자용 에미터{A EMITTER FOR FIELD EMISSION DISPLAY USING CARBONNANOTUBE AND HAVING A METAL ELECTRODE ON THE SIDE OF THE METAL CATALYST}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 FED용 에미터의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 에미터가 채용된 전체적인 FED의 형태를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따라 제조된 2극관 구조의 에미터를 나타내는 단면도이다.

도 4는 카본나노튜브 성장용 기판을 나타내는 단면도이다.

도 5는 카본나노튜브가 성장된 상태를 나타내는 단면도이다.

본 발명은 카본나노튜브를 성장시켜 전계방출 팁으로 사용하는 전계방출디스플레이(FED; Field Emission Display)용 필드 에미터(field emitter)에 관한 것으로서, 카본나노튜브를 합금층과 촉매 금속층을 순차적으로 증착시킨 기판의 촉매 금속층 위에 카본나노튜브를 성장시켜 전계방출 팁으로 사용하는 전계방출디스플레이의 필드 에미터에 관한 것이다.

일반적으로 카본나노튜브(Carbonnanotube)는 SiO₂ 또는 Si 기판 위에서 촉매 금속을 이용하여 성장되기가 쉽다. 이와 같이 카본나노튜브를 SiO₂ 또는 Si 기판 위에서 촉매 금속을 이용하여 성장시켜 전계방출디스플레이의 필드 에미터로 사용하는 경우에는 캐소드(cathode) 역할을 할 수 있는 전극이 없기 때문에 에미터(emitter)로서의 가능성을 제대로 확인하기가 어려울뿐더러 FED로의 응용에도 한계가 따른다.

기존의 카본나노튜브를 이용한 3극관 구조를 보면 일반적으로 적용되고 있는 스핀트 형태(spindt type)의 몰리브덴 팁(Mo tip)을 대신하여 카본나노튜브를 채용하고 있는 형태이다. 이러한 경우에는 실제로 Cr, Mo 등의 금속 위에 촉매 금속을 증착한 뒤에 그 증착된 촉매 금속층 위에서는 카본나노튜브의 성장이 어렵고, 성장된 나노튜브의 외관 형태도 SiO₂ 위에서 성장시킨 것에 비해 결점(defect)이 많은 상태이고, 고 전류 밀도의 전자빔을 받는 경우에는 변형이 일어나며, 금속 전극이 성장시의 온도에 의해 벗겨지거나 하는 안정적이지 못한 상태가 된다는 문제점이 있었다.

따라서, 종래 기술은 단순히 스핀트(spindt) 형태의 구조를 그대로 따르기 때문에 보다 저렴하고, 안정된 구조의 전계방출디스플레이를 구현하는 데에는 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 지지기판으로 유리를 사용할 수 있는 저온에서도 카본나노튜브가 성장할 수 있으며, 카본나노튜브를 사용하면서도 FED의 캐소드 전극으로 금속 전극의 사용이 가능한 FED 구조를 제공하기 위함이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여,

지지 부재층(1);

상기 지지 부재층 위에 도포된 촉매 금속층(2);

상기 촉매 금속층 위에 성장된 카본나노튜브(3); 및

상기 촉매 금속층 측면 일부를 덮는 캐소드 전극(4)

을 포함하는 것을 특징으로 하는 FED용 에미터를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 일실시예에 따라 제조된 3극관 구조의 단면을 보여주는 것으로, 지지 부재층(1)이 배치되고, 상기 지지 부재층(1) 위에 촉매 금속층(2)이 증착되어 있고, 상기 촉매 금속층(2)의 양면의 일부를 캐소드 전극(4), 절연층(5) 및 게이트 전극(6)이 순서대로 적층되어 있는 구조를 보여주고 있다.

상기 지지 부재층(1)으로는 유리, Si, SiO₂/Ni 또는 Fe, 및 유리/Ni 또는 Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 지지기판을 사용하는 것이 바람직하다.

PEHFCVD나 극초단파 화학기상 증착법(MicroWave CVD) 등으로 카본나노튜브를 성장시키는 방법을 사용하는 경우 저온 성장이 가능하므로 지지기판으로 유리를 사용할 수 있다.

상기 지지 부재층(1) 위에 촉매 금속층(2)을 도포한다. 도포 방법으로는 전자빔 증착, 스퍼터링법 또는 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 촉매 금속층(2)을 지지기판(1) 상에 증착시킨다. 상기 촉매 금속층(2)으로는 Fe 또는 Ni를 사용하며, Fe를 사용하는 것이 바람직하다.

촉매 금속층(2)을 리소그래피 기술로 패터닝한 후, 패터닝된 금속층 위에 음극 배선층(캐소드 전극)(4)을 형성한다. 음극 배선층(4)은 몰리브덴, 탄탈, 텅스텐, 크롬, 구리 등의 도전성 재료를 기본적으로 사용하여 형성한다.

그리고 나서, 음극 배선층(4) 상에 SiO₂, SiN 등으로 이루어진 절연층(5)을 형성하고, 또 그 절연층 위에 텅스텐 등의 도전성 재료로 이루어진 게이트 전극층(6)을 형성한다. 절연층(5)은 전자빔 증착, 스퍼터링법 또는 화학기상 증착법(CVD) 등에 의해 형성할 수 있다.

그리고 나서, 리소그래피 기술로 절연층(5) 및 게이트 전극층(6)을 패터닝하여 게이트 전극 및 게이트 배선을 형성한다. 이때, 게이트 전극(6), 절연층(5) 및 캐소드 전극층(4)으로 이루어진 층으로 포위된 오목부 내에 촉매 금속층(2)이 노출된 상태로 하며, 상기 게이트 전극(6), 절연층(5) 및 캐소드 전극층(4)이 노출된 촉매 금속층(2)의 가장 자리 위에 촉매 금속층(2) 전체 면적에 대하여 약 10 % 정 도를 덮을 정도로 패터닝한다.

상기 노출된 촉매 금속층(2) 위에 카본나노튜브 층(3)을 형성한다. 카본나노튜브 층(3)은 상기 처리된 기판을 진공처리실 내에 배치하고, 그 위에 카본나노튜브를 직접 석출시킨다. 리소그래피 기술로 카본나노튜브 층(3)을 패터닝하여 촉매 금속층 위만 카본나노튜브를 남기고 에미터를 형성한다.

이와 같은 구조로 카본나노튜브를 성장시키는 경우에는 카본나노튜브가 금속 전극 위에서 성장되기 어렵기 때문에 집중적으로 촉매 금속층(2) 위에 카본나노튜브가 성장하게 되므로 카본나노튜브의 성장 수율이 높게 된다.

그리고, 카본나노튜브가 성장되는 촉매 금속(시드; seed)의 위치에서의 카본나노튜브 상태는 카본나노튜브 하나하나가 분리되어 있는 상태가 아니고, 약간의 a-C 또는 카본 입자가 존재하므로 어느 정도 이상(수 K-ohm)의 저항이 존재하게 되고, 카본나노튜브를 중심으로 양옆으로 금속 전극이존재하는 상태가 되므로 금속 전극은 전극으로서의 역할을 할 수 있게 되는 것이다.

이와는 달리, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 카본나노튜브를 성장시키는 경우, 촉매 금속(2)은 다른 물질과의 상호작용없이 단독으로 시드가 만들어질 수 있는 최적의 기본 조건이고, 화학기상 증착법(CVD)을 이용한 카본나노튜브의 고품질 및 다량 생산에 적합하나, FED에 응용하기는 부적합하다. 왜냐하면, 적당한 전극이 존재하고 있지 않기 때문이다.

따라서, 상기와 같이 제조된 FED용 에미터는 촉매 금속층의 양 측면 상부에 게이트 전극, 절연층 및 캐소드 전극층이 약간 덮이는 구조를 갖는다.

상기와 같이 캐소드 전극이 촉매 금속층을 일부 덮고 있으며, 노출된 부분에서 카본나노튜브를 성장시킨 3극관 구조의 에미터를 FED에 적용한 경우에는 도 2에서 보는 바와 같이 전체적으로 도트 형태와 스트라이프 형태로 나타내어진다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

지지기판으로 Si판 위에 SiO₂ 층을 증착시켰다. 상기 Si/SiO₂ 지지기판 위에 Fe 금속층을 스퍼터링(sputtering)법에 의해 증착시켰다. 증착된 Fe 금속층을 리소그래피 기술로 패터닝한 후 몰리브덴으로 캐소드 전극을 형성하고, 상기 형성된 캐소드 전극 위에 계속하여 SiO₂를 사용하여 절연층 및 텅스텐을 사용하여 게이트 전극층을 형성하였다. 절연층은 스퍼터링법에 의해 형성되었다.

상기와 같이 형성된 절연층 게이트 전극층을 패터닝하여 게이트 전극 및 게이트 배선을 형성하였다. 이때, 게이트 전극, 절연층 및 캐소드 전극층으로 이루어진 층으로 포위된 오목부 내에 촉매 금속층이 노출된 상태로 하며, 노출된 부위는 촉매 금속 전체 면적에 대하여 약 90 % 정도로 하였다.

이와 같이 제조된 기판을 화학기상증착 반응기에 위치시켰다. 화학기상증착 반응기의 온도를 550 ℃로 하고 아세틸렌 가스를 투입하여 Fe 금속층 위에 카본나노튜브를 성장시켰다. 카본나노튜브를 성장시키고 난 후, 리소그래피 기술로 카본 나노튜브 층을 패터닝하여 촉매 금속층 위만 카본나노튜브를 남기고 에미터를 형성하였다.

실시예 2

지지기판으로 Si판 위에 SiO₂ 층을 증착시켰다. 상기 Si/SiO₂ 지지기판 위에 Fe 금속층을 스퍼터링(sputtering)법에 의해 증착시켰다. 증착된 Fe 금속층을 리소그래피 기술로 패터닝한 후 몰리브덴으로 캐소드 전극을 형성하였다.

상기와 같이 형성된 캐소드 전극층을 패터닝하여 오목부 내에 촉매 금속층이 노출된 상태로 하며, 노출된 부위는 촉매 금속 전체 면적에 대하여 약 90 % 정도로 하였다.

이와 같이 제조된 기판을 화학기상증착 반응기에 위치시켰다. 화학기상증착 반응기의 온도를 550 ℃로 하고 아세틸렌 가스를 투입하여 Fe 금속층 위에 카본나노튜브를 성장시켰다. 카본나노튜브를 성장시키고 난 후, 리소그래피 기술로 카본나노튜브 층을 패터닝하여 촉매 금속층 위만 카본나노튜브를 남기고 에미터를 형성하였다. 도 3은 실시예 2에서 제조된 2극관 구조의 필드 에미터의 단면을 나타내고 있다.

상기 실시예 2에 의해 제조된 에미터를 사용하여 애노드 전극 전압(anode voltage)을 500 V로 하여 테스트한 결과 에미션 전류(emission current)가 1 mA 이상 안정적으로 발생함을 알 수 있었다.

일반적인 스핀트 형태의 구조에서는 금속 전극 위에 촉매 금속을 증착한 후에 카본나노튜브의 성장을 진행하기 때문에 카본나노튜브가 잘 성장되지 못하므로 에미션 효과를 보기가 어렵고 카본나노튜브의 특성이 제대로 발현되기가 어려우나, 본 발명에 따른 에미터 구조를 사용하면 카본나노튜브의 고품질 성장이 가능해질 뿐만 아니라 에미션 효과를 보다 쉽게 볼 수 있다.

Claims (4)

1. 지지 부재층;

   상기 지지 부재층 위에 도포된 촉매 금속층;

   상기 촉매 금속층 위에 성장된 카본나노튜브; 및

   상기 촉매 금속층 측면 일부를 덮는 금속(또는 캐소드) 전극

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 FED용 에미터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 지지 부재층이 유리, Si, SiO₂/Ni 또는 Fe, 및 유리/Ni 또는 Fe로 이루어진 군에서 선택되는 지지기판인 FED용 에미터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 금속 전극의 금속이 몰리브덴, 탄탈, 텅스텐, 크롬, 및 구리로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 재료인 FED용 에미터.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 촉매 금속층의 금속이 Fe 또는 Ni인 FED용 에미터.

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