KR100669407B1 - 전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법 및 그를 이용한전계방출디스플레이 - Google Patents

전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법 및 그를 이용한전계방출디스플레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 팁 밀도가 높고 균일하며, 단위면적당 전자 방출량이 큰 카본 나노튜브 에미터를 낮은 온도에서 형성하기 위하여, 전극 금속 및/또는 금속화합물, 결정성장 시드 물질 및 유기물을 혼합하여 전극 페이스트 조성물을 제조하고, 상기 페이스트 조성물을 기판에 소정 패턴으로 도포한 다음, 및 상기 페이스트 조성물이 도포된 기판을 소성한 후, 화학기상증착 반응기에 넣고, 아세틸렌(C2H2)가스를 투입하여 결정성장 시드 물질 상에 카본나노튜브를 성장시킴으로서 전계방출디스플레이용 에미터를 제조한다.
카본나노튜브, 전계방출디스플레이, 에미터, 화학기상증착, 결정성장

Description

전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법 및 그를 이용한 전계방출디스플레이 {Method for preparing Emitter, and field emission display having the same}
도 1은 통상적인 전계방출디스플레이의 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명 및 종래 기술의 방법에 의하여 제조한 카본나노튜브 에미터의 형태를 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명은 전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 카본나노튜브를 이용한 전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법 및 그를 이용한 전계방출디스플레이에 관한 것이다.
전계방출디스플레이(Field Emission Display: FED)는 대표적인 평판표시장치의 하나로서, 저전압 구동, 넓은 시야각, 및 대형 표시소자로의 제작 가능성 등의 특성을 가진다. 도 1은 이와 같은 전계방출디스플레이의 단면도로서, 통상적인 전계방출디스플레이(200)는 하부에 애노오드 전극(66), 형광체층(68) 및 블랙매트릭스(82)가 형성되어 있는 전면 플레이트(64)와, 상부에 캐소오드 전극(72) 및 전계방출(field emission) 현상에 의해 전자를 방출하는 필드 에미터(62)가 형성되어 있는 후면플레이트(30)를 포함한다. 상기 필드 에미터(62)와 형광체층(68)사이에는 스페이서(70)가 형성되어, 필드 에미터(62)와 형광체층(68)사이의 갭(69)를 통상 100내지 200㎛로 유지하며, 각각의 필드 에미터(62)는 캐소오드 전극(72)의 상부에 형성되어 있으며, 또한 절연체(74)에 의하여 분리되어 있다. 그리드(76)는 필드 에미터(62)의 주위에 전장을 형성하여 필드 에미터(62)로부터 전자를 방출시키기 위하여 장치된다.
이와 같은 전계방출디스플레이(200)에서 전원(69)에 의하여 필드 에미터(62)에 음전위가 가해지고, 그리드(76) 및 애노오드 전극(66)에 양전위가 가해지면, 필드 에미터(62)에 강한 전장이 형성되어 터널링 효과에 의해 전자(79)가 방출되며, 이 전자(79)가 전면플레이트(64)의 하부에 형성된 형광체층(68)을 여기시켜, 빛을 냄으로서 화상을 표시하게 된다.
구조적 측면에서, 필드 에미터(62)는 몰리브덴 등과 같은 금속재료를 이용한 콘(cone) 타입 에미터, 실리콘 샤프닝(sharpening)에 의한 콘 및 쇄기(wedge)형 에미터서, 및 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소(Diamond like carbon: DLC)공정에 의한 평면형 에미터 등으로 분류되며, 종래에는 전자방출에 유리한 콘 타입 에미터가 주로 사용되었으나, 현재에는 대량생산이 용이한 평면형 에미터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
물성적 측면에서, 전자를 방출하는 필드 에미터(62)는 용융점이 높으며, 일함수(work function)가 작고, 진공상태에서 증기압이 낮은 물질로 제작되어야 한다. 이와 같은 에미터용 물질로는 실리콘을 이용한 반도체 물질 또는 텅스텐, 몰 리브덴, 탄탈륨 등의 금속이 일반적으로 사용되고 있으며, 이중 공정 적용이 용이한 몰리브덴이 가장 널리 사용되고 있다. 또한 다이아몬드 또는 다이아몬드형 탄소(Diamond like carbon: DLC)의 높은 전자친화도(electron affinity), 내화학성, 양호한 경도 및 열전도율, 전극과의 접착성 및 이온충격에 강한 특성을 이용하여 이를 전계방출디스플레이의 필드 에미터용 물질로서 개발하고 있으나, 이들 물질을 이용하여 필드 에미터를 균일하게 형성하는 공정기술이 확립되어 있지 않고, 이들 물질로부터 균일하고 지속적인 전자방출이 이루어지지 않아 현재 실용화되지 못하고 있다.
또한, 최근에는 카본 나노튜브를 전자 방출 소자로 사용하는 것이 연구되고 있다. 카본 나노튜브는 일함수가 낮고 어스펙트 레이쇼가 커서, 전계 집중 효과가 크기 때문에 기존의 필드 에미터 물질에 비하여 우수한 전자방출 특성을 나타낸다고 보고되고 있으며(Journal of Applied Physics. 78. 2707, 1999, 울트라마이크로스코피 73, 7-15, 1998), 아크 방전, 레이저 증발(laser evaporation) 등의 방법으로 미리 제조된 카본 나노튜브 분말을 Ag 페이스트에 혼합하여 기판에 인쇄하고, 이를 소성하여 필드 에미터로 사용하는 방법이 제안되고 있다. 그러나 이미 만들어진 카본 나노튜브를 Ag 페이스트와 혼합하여 아크 방전, 레이저 증발법 등을 이용하여 인쇄하는 경우에는, 팁 밀도의 균일성(uniformity)이 떨어지기 때문에, 휘도가 불균일해지고 최종 제품에서의 품위가 저하된다. 또한, 아크 방전, 레이저 증발, 화학기상증착(Chemical Vapor deposition: CVD)등의 공법을 사용하여 카본 나노튜브를 직접 성장시키는 방법은 약 700-1000℃의 고온 열처리가 필요하므로, 이러한 공정을 유리기판 상에서 직접 수행할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 낮은 온도에서 카본 나노튜브를 기판상에 직접 성장시킬 수 있는 전계방출디스플레이용 에미터의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 균일한 두께의 카본 나노튜브 에미터를 기판상의 원하는 부분 위에 균일하게 성장시킬 수 있는 전계방출디스플레이용 에미터의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 또한 팁 밀도가 높고 균일하며, 단위면적당 전자 방출량이 큰 에미터를 포함하는 고품위 전계방출디스플레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전극 금속 및/또는 금속화합물, 결정성장 시드 물질 및 유기물을 혼합하여 전극 페이스트 조성물을 제조하는 공정, 상기 페이스트 조성물을 기판에 소정 패턴으로 도포하는 공정, 및 상기 페이스트 조성물이 도포된 기판을 소성한 후, 화학기상증착 반응기에 넣고, 아세틸렌(C2H2)가스를 투입하여 결정성장 시드 물질 상에 카본나노튜브를 성장시키는 공정을 포함하는 전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한 애노오드 전극, 형광체층 및 블랙매트릭스가 형성되어 있는 전면 플레이트와, 결정성장 시드 물질이 실질적으로 균일하게 분포하는 캐소오드 전극 및 상기 결정성장 시드 물질의 적어도 일부에 형성된 카본나노튜브 에미터를 포함하는 후면플레이트, 및 상기 전면플레이트와 후면플레이트 사이의 간격을 유지하기 위한 스페이서를 포함하는 전계방출디스플레이를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 카본 나노튜브 에미터를 제조하기 위하여, 먼저 전극 금속 및/또는 금속화합물과 결정성장 시드(seed) 물질을 혼합하고, 이들을 다시 유기물과 혼합하여 전극 페이스트 조성물을 만든다. 여기서 상기 전극 금속 및/또는 금속화합물로는 평판표시장치의 전극으로 사용되는 다양한 금속 및/또는 금속화합물이 사용될 수 있으나 Ag, Al, 인듐틴옥사이드(indium tin oxide: ITO), Au, Cu 등을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 결정성장 시드 물질로는 Ni, Co, Fe 등을 사용하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하기로는 전극 금속으로서 Ag를 사용하고, 결정성장 시드 물질로 Ni을 사용하는 것이 좋다. 또한 상기 유기물로는 전극 금속 및 결정성장 시드 물질과 함께 페이스트 조성물을 형성할 수 있는 다양한 물질이 사용될 수 있으며, 대표적인 예로는 에틸 셀루로우스(Ethyl cellulose), 부틸 카비톨(Butyl Carbitol), 터피놀(Terpineol) 등을 사용된다.
상기 페이스트 조성물은 상업적으로 판매되는 Ag3350(al,ferro사)와 같은 Ag 페이스트 조성물에 결정성장 시드 물질을 혼합하여 제조할 수도 있으며, 전체 조성물 내에서 전극 금속(유기물 포함)과 결정성장 시드 물질의 함량이 각각 80내지 95중량% 및 20 내지 5 중량%이 되도록 제조하는 것이 바람직하다.
이와 같이 제조된 페이스트 조성물을 절단, 세정된 기판에 소정 패턴으로 도 포한다. 상기 기판으로는 특히 제한하지 않으나 소다-라임(soda-lime) 유리기판을 사용하는 것이 바람직하고, 기판에 페이스트를 도포하는 방법으로는 인쇄법, 닥터블레이트(doctor blade)법, 롤코팅(roll coating)법 등을 사용할 수 있다.
다음으로 페이스트 조성물이 도포된 기판을 화학기상증착 반응기에 넣고 400℃ 내지 600℃, 바람직하게는 550℃에서 10 내지 30분 소성한 다음, 450 내지 580℃, 바람직하게는 500 내지 550℃를 유지하면서, 아세틸렌(C2H2)가스를 투입하여 결정성장 시드 물질 상에 카본나노튜브를 성장시킨다. 여기서 상기 카본나노튜브를 성장시키는 공정이 450℃ 미만에서 수행되면 카본나노튜브의 성장반응이 원활하지 않고, 580℃를 초과하면 카본나노튜브의 성장에 도움이 되지 않을 뿐만 아니라 기판이 파손될 우려가 있다.
이와 같은 카본나노튜브의 성장 과정을 도 2(a)에 개략적으로 도시하였다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 페이스트 조성물이 도포된 기판(10)을 소성하면 결정성장 시드 물질(12)이 균일하게 분포된 전극 금속층(14)이 형성되며, 여기에 아세틸렌 가스를 투입하면 아세틸렌 가스가 결정성장 시드 물질(12) 상에 화학 기상 증착하면서 카본 나노튜브(16)가 균일하게 형성된다. 만일 결정성장 시드 물질(12)이 없는 통상의 순수한 전극 금속층(14)만을 사용하면 카본나노튜브가 성장하지 않는다. 도 2(a)에 도시한 바와 같이, 결정성장 시드 물질(12)은 카본나노튜브(16)가 자라는 시드 역할은 하는데, 전극 금속층(14) 내부의 결정성장 시드 물질(12)의 밀도를 조절하여 에미터 팁 밀도와 직경을 조절할 수 있다. 또한 제판, 인쇄작업 을 통하여 페이스트를 원하는 형태로 패터닝하거나, 인쇄 및 소성된 페이스트를 적절히 마스킹하고 화학기상증착 공정을 수행하면 원하는 형태의 에미터를 용이하게 형성할 수 있다. 도 2(b)는 결정성장 시드 물질이 없이 미리 제조된 카본나토튜브(16)를 전극 금속층(14) 페이스트에 혼합하여 도포하고 소성하여 에미터를 형성하는 것을 나타낸 것으로서, 이 경우에는 카본나노튜브(16)가 금속전극층(14)상에 무질서하게 분포하게 된다.
이와 같이 카본나노튜브(16)가 형성된 기판(10)을 냉각하여 전계방출디스플레이의 하부 기판을 완성하며, 완성된 하부 기판을 전극 및 형광체가 형성되어 있는 상부 기판과 적당한 간격을 두어 봉착하고, 배기한다. 이와 같은 통상의 공정을 통하여 도 1에 도시한 바와 같이, 애노오드 전극(66), 형광체층(68) 및 블랙매트릭스(82)가 형성되어 있는 전면 플레이트(64)와, 결정성장 시드 물질이 실질적으로 균일하게 분포하는 캐소오드 전극(72) 및 상기 결정성장 시드 물질의 적어도 일부에 형성된 카본나노튜브 에미터(78)를 포함하는 후면플레이트(80), 및 상기 전면플레이트와 후면플레이트 사이의 간격을 유지하기 위한 스페이서(70)를 포함하는 전계방출디스플레이 소자를 제작할 수 있다.
상기 공정으로 카본나토튜브 필드 에미터를 제조하면 균일한 길이의 에미터를 전체 면적에 대하여 균일하게 성장시킬 수 있으므로, 필드 에미터의 전체적인 균일도가 향상되고 팁 밀도가 높아져 단위면적당 전자방출량이 높아질 뿐만 아니라, 결과적으로 휘도가 좋아진다.
이하, 본 발명의 비한정적 실시예를 기재하면 다음과 같다.
(실시예)
전극 금속으로서 Ag 72그램, 결정성장 시드 물질로서 Ni 8 그램을 혼합하고, 이들을 paste vehicle(일,오쿠노화학, V6009) 20 그램과 혼합하여 전극 페이스트 조성물을 제조하였다. 이와 같이 제조된 페이스트 조성물을 절단, 세정된 기판에 도포한 다음, 화학기상증착반응기에 위치시켰다. 화학기상증착 반응기의 온도를 550℃로 하고 20분 방치하여 전극 페이스트 조성물을 소성한 다음, 550℃에서 아세틸렌(C2H2)가스를 투입하여 Ni 상에 카본나노튜브를 성장시켰다.
카본나노튜브가 형성된 기판을 냉각하여 전계방출디스플레이의 하부 기판을 완성하였으며, 완성된 하부 기판에 스페이서를 형성하고 전극 및 형광체가 형성되어 있는 상부 기판과 적당한 간격을 두어 봉착하고, 배기하여 전계방출디스플레이 소자를 제작하였다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 전계방출디스플레이용 에미터의 제조 방법은 550℃이하의 낮은 온도에서 카본 나노튜브를 기판상에 직접 성장시켜, 균일한 두께의 카본 나노튜브 에미터를 기판상의 원하는 부분에 형성시킬 수 있다. 이와 같이 형성된 카본 나노튜브 에미터는 팁 밀도가 높고 균일하며, 단위면적당 전자 방출량이 크므로, 이를 이용하여 고품위의 전계방출디스플레이를 제조할 수 있다.

Claims (6)

  1. 전극 금속, 전극 금속화합물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전극 재료, 결정성장 시드 물질 및 유기물을 혼합하여 전극 페이스트 조성물을 제조하는 공정,
    상기 페이스트 조성물을 기판에 소정 패턴으로 도포하는 공정,
    상기 페이스트 조성물이 도포된 기판을 소성한 후, 화학기상증착 반응기에 넣고, 아세틸렌(C2H2)가스를 투입하여 결정성장 시드 물질 상에 카본나노튜브를 성장시키는 공정을 포함하는 전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극 금속, 전극 금속화합물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전극 재료는 Ag, Al, 인듐틴옥사이드, Au 및 Cu로 이루어진 군중에서 선택되는 하나이상의 물질이고, 상기 결정성장 시드 물질은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군중에서 선택되는 하나이상의 금속인 전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전체 페이스트 조성물 내에서 전극 금속, 전극 금속화합물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 전극 재료 및 유기물의 함량은 80내지 95 중량%이고, 상기 결정성장 시드 물질의 함량은 20 내지 5 중량%인 전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 카본나노튜브를 성장시키는 공정은 450 내지 580℃에 서 수행되는 것을 특징으로 하는 전계방출디스플레이용 에미터의 제조방법.
  5. 애노오드 전극, 형광체층 및 블랙매트릭스가 형성되어 있는 전면 플레이트와;
    결정성장 시드 물질이 전극 전체에 균일하게 분포하는 캐소오드 전극 및 상기 결정성장 시드 물질의 적어도 일부에 형성된 카본나노튜브 에미터를 포함하는 후면플레이트; 및
    상기 전면플레이트와 후면플레이트 사이의 간격을 유지하기 위한 스페이서를 포함하는 전계방출디스플레이.
  6. 제5항에 있어서, 상기 애노오드 전극은 Ag, Al, 인듐틴옥사이드, Au 및 Cu로 이루어진 군중에서 선택되는 하나이상의 물질로 이루어져 있고, 상기 결정성장 시드 물질은 Ni, Co 및 Fe로 이루어진 군중에서 선택되는 하나이상의 금속으로 이루어진 것인 전계방출디스플레이.
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