KR100762590B1 - 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자는, 스크린 프린팅법을 통하여 탄소나노튜브 층이 캐소드 전극 위에 전자방출층으로 형성되고 상기 탄소나노튜브층 위에는 포커싱 층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법은, 유리 기판 위에 캐소드 전극이 형성되는 단계와; 캐소드 전극 위에 유기물과 혼합된 탄소나노튜브가 스크린 프린팅된 후에, 열처리를 통하여 유기물이 제거되고 전자방출층이 형성되는 단계와; 전자방출층 위에, 스크린 프린팅법을 통하여 포커싱 층이 형성되는 단계와; 포커싱 층 위에, 화학기상증착법을 통하여 절연층이 형성되는 단계와; 절연층 위에, 스크린 프린팅법을 통하여 게이트 금속층이 형성되는 단계; 및 식각 방법을 통하여, 게이트 금속층, 절연층, 포커싱 층이 각각 식각되어 게이트 홀이 형성되는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 탄소나노튜브를 유기물과 혼합한 후 이를 스크린 프린팅법으로 전자방출층을 형성하므로서, 낮은 구동전압으로 균일한 전자 방출이 가능하도록 함은 물론 전계방출소자의 제조단가를 절감하고, 더불어 캐소드 위 부분에 포커싱 층을 첨가하여 빔의 퍼짐현상을 개선할 수 있는 장점이 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법{FED using carbon nanotube and manufacturing method thereof}

도 1은 종래 spindt 타입의 3 전극 전계방출어레이(FEA) 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 종래 탄소나노튜브를 이용한 3 전극 전계방출어레이(FEA) 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 종래 탄소나노튜브를 이용한 3 전극 전계방출어레이(FEA) 구조를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 5의 a∼h는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법을 나타낸 공정도.

본 발명은 전계방출형 표시소자(FED; Field Emission Display)에 관한 것으로서, 특히 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 유기물과 혼합한 후 이를 스크린 프 린팅법으로 전자방출층을 형성하여 낮은 구동전압으로 균일한 전자 방출이 가능하도록 하고, 더불어 캐소드 위 부분에 포커싱(Focusing) 층을 첨가하여 빔의 퍼짐현상을 개선할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최든 들어서 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 중요성이 증가하고 있는데, 그 이유는 탄소나노튜브가 기계적으로 강하고 화학적으로도 상당히 안정하기 때문이다.

또한, 탄소나노튜브의 직경이 1.0∼수십 nm로 작아서 기존의 spindt형 전계방출 팁보다 전계강화효과(field enhancement factor)가 상당히 크기 때문에 전자방출이 되는 임계 전계(turn-on-field)가 1∼5V/㎛로 낮다.

이와 같이, 탄소나노튜브의 낮은 임계 전계로 인해 구동을 낮은 전압에서 할 수 있어 전력손실은 물론, 저렴한 생산가를 맞출 수 있는 잇점을 제공한다.

종래의 spindt형 3 전극 전계방출형 표시소자의 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 유리기판(1) 위에 저항층(2), 절연층(3), 그리고 게이트막(4)을 성막시킨 후 이를 사진식각 공정을 통하여 게이트(4)와 절연층(3)에 구멍을 낸다. 이후, 분리막과 에미터 막(Mo)을 전자빔 증착법으로 성막시켜 예리한 에미터 팁(5)을 만든다.

그러나, 상기와 같은 에미터 팁(5)의 경우 그 크기와 형태를 일정하게 형성시키는 작업이 상당히 어려운 단점을 갖고 있다. 특히, 대형화에 있어서는 더욱 어려운 단점을 갖고 있다.

한편, 종래에는 탄소나노튜브를 이용한 3전극 전계방출형 표시소자를 제공하고 있는데 이는 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(11) 위에 저항층(12)과 절연층(13) 및 게이트막(14)을 성막시킨 다음 사진식각 공정을 통해 게이트(14)와 절연층(13)에 구멍을 낸다.

이후, 탄소나노튜브(15)를 성장시키기 위해 필요한 촉매전이금속(16)을 증착 (evaporation)에 의해 저항층(12) 위에 성막시킨다.

그리고, 상기 실리콘기판(11)을 약 600∼900℃의 온도범위로 가열하여 탄화수소(Hydrocarbon)가스를 이용하여 촉매전이금속(16) 위에 탄소나노튜브(15)를 성장시킨다.

이때, 상기 탄소나노튜브(15)는 촉매전이금속(16) 부위에만 성장하므로, 상기 촉매전이금속(16)의 영역이 클수록 탄소나노튜브(15)의 성장영역도 함께 커지게 된다.

하지만, 상기 탄소나노튜브(15)의 성장영역이 넓으면 게이트(14)를 통하여 가해지는 전계가 집중되지 않는 문제점을 초래하게 되는 바, 이로 인하여 방출전자의 빔이 퍼지게 될뿐만 아니라 전자방출영역도 고르게 이루어지지 못하면서 전계가 제일 강한 게이트(14)의 구멍 주변부에서만 국부적으로 전자방출이 일어나는 문제점이 있다. 또한, 비대칭적인 전계분포로 인하여 게이트(14)로의 누설전류가 많이 발생하는 문제점도 있다.

이에 종래에는 도 3과 같은 전계방출소자를 제공하고 있다.

즉, 도 3에서와 같이, 탄소나노튜브(15)를 고온에서 직접 실리콘 기판(11)에 성막시키는 것이 아니라, 먼저 캐소드 전극(17)을 스크린 프린팅법이나 박막패턴 등의 방법으로 형성한다.

이후, 고온에서 직접 성막되지 않고 다른 방법으로 성막이 이루어진 탄소나노튜브(15)의 분말을 바인더와 전도성 필터 등과 혼합하여 슬러리 형태로 만든 다음, 이를 스크린 프린팅법 등과 같은 방법으로 캐소드 전극(17) 위에 도포한다.

그리고, 다시 바인더 제거공정을 통해 탄소나노튜브(15)를 드러나게 한 후, 일정공간의 높이를 띄어 금속성의 그리드(18)를 위치시켜 게이트로 사용한다.

그러나, 상기 금속성의 그리드 게이트(18)를 위치시키는 경우, 상기 그리드 게이트(18)의 구멍 부분과 패턴된 캐소드 전극(17)간의 배열이 쉽지 않을뿐만 아니라 탄소나노튜브(15)에서 방출되는 전자들이 금속 그리드 게이트(18)를 통하여 누설이 많이 발생되기 때문에 전자량의 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 탄소나노튜브를 유기물과 혼합한 후 이를 스크린 프린팅법으로 전자방출층을 형성하므로서, 낮은 구동전압으로 균일한 전자 방출이 가능하도록 함은 물론 전계방출소자의 제조단가를 절감하고, 더불어 캐소드 위 부분에 포커싱 층을 첨가하여 빔의 퍼짐현상을 개선할 수 있는 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자는, 스크린 프린팅법을 통하여 탄소나노튜브 층이 캐소드 전극 위에 전자방출층으로 형성되고 상기 탄소나노튜브층 위에는 포커싱 층을 구비하는 점에 그 특징이 있다.

삭제

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법은,

유리 기판 위에 캐소드 전극이 형성되는 단계와;

상기 캐소드 전극 위에 유기물과 혼합된 탄소나노튜브가 스크린 프린팅된 후에, 열처리를 통하여 유기물이 제거되고 전자방출층이 형성되는 단계와;

상기 전자방출층 위에, 스크린 프린팅법을 통하여 포커싱 층이 형성되는 단계와;

상기 포커싱 층 위에, 화학기상증착법을 통하여 절연층이 형성되는 단계와;

상기 절연층 위에, 스크린 프린팅법을 통하여 게이트 금속층이 형성되는 단계; 및

식각 방법을 통하여, 상기 게이트 금속층, 절연층, 포커싱 층이 각각 식각되어 게이트 홀이 형성되는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 탄소나노튜브를 유기물과 혼합한 후 이를 스크린 프린팅법으로 전자방출층을 형성하므로서, 낮은 구동전압으로 균일한 전자 방출이 가능하도록 함은 물론 전계방출소자의 제조단가를 절감하고, 더불어 캐소드 위 부분에 포커싱 층을 첨가하여 빔의 퍼짐현상을 개선할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자는, 도 4에 도시된 바와 같이, 광투광성을 갖는 유리 기판(31) 위에 캐소드 전극(32)을 형성하고, 상기 캐소드 전극(32)의 위에는 유기물과 혼합되면서 전자방출부(에미터)로 사용되는 탄소나노튜브(33)를 형성하며, 상기 탄소나노튜브(33)의 위에는 동일한 크기로서 에치 스톱(etch stop)과 포커싱(focusing)의 역할을 동시에 수행하는 포커싱 층 (34)을 형성하고, 상기 포커싱 층(34)의 위에는 후술하는 게이트(36)와 캐소드 전극(32) 사이에서 누설전류가 발생되지 않도록 절연막(35)을 형성하며, 상기 절연막 (35)의 위에는 캐소드 전극(32)의 방향과 수직인 방향으로 게이트(36)를 형성하되, 상기 게이트(36)와 캐소드 전극(32)이 서로 만나는 지점의 게이트(36)에는 전자의 전계방출이 이루어지는 게이트 구멍(37)이 형성된다.

또한, 도 5의 a∼h는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법을 나타낸 공정도이다.

도 5를 참조하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법을 설명하면 먼저, 광투광성을 갖는 유리 기판(31) 위에 금 유기금속 레이어(gold organometalic layer)를 스크린 프린팅법으로 입힌 후 유기물 성분을 날리는 열처리를 통해 캐소드 전극(32)을 성막시키는 제 1 공정과; 상기 캐소드 전극(32)의 위에 탄소나노튜브(33)를 유기물과 혼합하여 스크린 프린팅한 후 열처리로 유기물을 제거하는 제 2 공정과; 상기 탄소나노튜브(33)의 위에 에치 스톱(etch stop)과 포커싱(focusing)의 역할을 동시에 수행할 수 있는 금 유기금속 레이어를 에미터 층과 동일한 크기로 스크린 프린팅한 후 열처리하여 유기물을 제거한 포커싱 층(34)을 형성하는 제 3 공정과; 상기 포커싱 층(34)의 위에 게이트(36)와 캐소드 전극(32) 사이에서 누설전류가 발생되지 않도록 절연막(35)을 형성하는 제 4 공정과; 상기 절연막(35) 위에 캐소드 전극(32)의 방향과 수직인 방향으로 게이트 (36)의 금속층을 금 유기금속 레이어를 이용하여 스크린 프린팅법으로 형성하는 제 5 공정과; 상기 게이트(36)의 금속층이 형성된 유리 기판(31) 위에 PR을 도포한 후 사진 노광법을 이용하여 게이트 구멍(37)이 형성될 영역을 노광시키는 제 6 공정과; 게이트(36)와 캐소드 전극(32)이 서로 수직으로 교차하는 캐소드 전극(32)과 게이트(36) 금속층이 만나지는 지점에 게이트 구멍(37)을 형성하는 제 7 공정과; 상기 게이트 구멍(37) 및 게이트(36)의 금속층과 마스크를 이용하여 절연막(35)을 식각한 후 얇은 에치 스톱층을 제거하는 제 8 공정을 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일실시 예에 대한 작용을 첨부된 도 4 및 도 5를 참조하여 부연 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 5a에서와 같이 열공정을 통하여 결합성이 좋고 광투광성을 갖는 유리 기판(31)을 구비한다.

그리고, 도 5b에서와 같이 상기 유리 기판(31) 위에 금 유기금속 레이어를 스크린 프린팅법으로 입힌 후 유기물 성분을 날리는 열처리를 통해 금으로 이루어진 캐소드 전극(32)을 성막시킨다.

여기서, 상기 금속층은 전도성을 갖고 스크린 프린팅이 가능한 금속이면 대부분 가능하지만, 스크린 프린팅 후에 평탄도와 전도성 등이 소자의 물성에 큰 영 향을 줄수 있음을 고려한다. 그러므로, 전도성이 우수하고 화학적으로 안정하여 열처리 후에 전도성 변화 우려가 적은 금(gold)을 사용함이 바람직하다.

도 5c에서와 같이, 상기 캐소드 전극(32)의 위에 전자방출층으로 사용되는 탄소나노튜브(33)를 유기물과 혼합하여 스크린 프린팅한 후 열처리로 유기물을 제거한다. 그리고, 도 5d에서와 같이, 상기 탄소나노튜브(33)의 위에 에치 스톱(etch stop)과 포커싱(focusing) 역할을 동시에 수행할 수 있는 금 유기금속 레이어를 전자방출층과 동일한 크기로 스크린 프린팅한 후, 열처리하여 유기물을 제거한 포커싱 층(34)을 형성한다.

도 5e에서와 같이, 상기 포커싱 층(34)의 위에 화학기상증착법을 이용하여 게이트(36)와 캐소드 전극(32) 사이를 절연시키는 절연막(35)을 성막시킨다.

이때, 상기 절연막(35)의 특성은 게이트(36)와 캐소드 전극(32) 사이에서 누설전류가 발생하지 않도록 충분한 특성은 물론, 유전상수 값이 작을수록 고속소자에 적합한 특성을 갖는 절연물을 사용하여야 한다.

또한, 유리 기판(31)과 박리가 일어나지 않도록 응력의 유발이 적은 물질이어야 하며, 바람직하게는 산화규소를 사용함이 좋다.

도 5f에서와 같이, 상기 절연막(35)의 위에 캐소드 전극(32)의 방향과 수직인 방향으로 게이트(36)의 금속층을 금 유기금속 레이어를 이용하여 스크린 프린팅법으로 형성한다.

이후, 도 5g에서와 같이, 상기 게이트(36)의 금속층이 형성된 유리 기판(31) 위에 PR을 도포한 후 사진 노광법을 이용하여 게이트 구멍(37)이 형성될 영역을 노 광한다.

이때, 도 5h에서와 같이, 상기 게이트 구멍(37)은 서로 수직으로 교차하는 캐소드 전극(32)과 게이트(36)의 금속층이 만나는 지점에 형성시켜 전자의 전계방출이 이루어지도록 한다.

여기서, 상기 게이트 구멍(37)의 크기는 0.1∼10㎛로 함이 바람직하다.

한편, 상기 게이트 구멍(37) 및 게이트(36)의 금속층과 마스크를 이용하여 절연막(35)을 식각하면, 상기 절연막(35)과 탄소나노튜브(33) 사이에 위치하는 에치 스톱층이 탄소나노튜브(33)의 손상을 방지시킨다.

이후, 상기 얇은 에치 스톱층을 제거하면 도 4에서와 같은 탄소나노튜브를 이용한 ３전극의 전계방출형 표시소자가 만들어지게 되는 것이다.

즉, 상기 탄소나노튜브를 이용한 ３전극의 전계방출형 표시소자는 게이트(36 )에 소정의 전압이 가해질 때, 상기 게이트(36)에 0.1∼10㎛의 크기로 형성된 게이트 구멍(37)을 통해 전자의 전계방출이 이루어지는 구조를 갖고 있는 것이다.

이때, 상기 방출되는 전자는 탄소나노튜브(33)에 의해 균일하게 이루어지며, 상기 캐소드 전극(32)의 위에 형성된 포커싱 층(34)은 빔의 퍼짐현상을 개선하는 작용을 하게 되는 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법에 의하면, 탄소나노튜브를 유기물과 혼합한 후 이를 스크린 프린팅법으로 전자방출층을 형성하므로서, 낮은 구동전압으로 균일한 전자 방출 이 가능하도록 함은 물론 전계방출소자의 제조단가를 절감하고, 더불어 캐소드 위 부분에 포커싱 층을 첨가하여 빔의 퍼짐현상을 개선할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 스크린 프린팅법을 통하여 탄소나노튜브 층이 캐소드 전극 위에 전자방출층으로 형성되고 상기 탄소나노튜브층 위에는 포커싱 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자.
2. 삭제
3. 유리 기판 위에 캐소드 전극이 형성되는 단계와;

   상기 캐소드 전극 위에 유기물과 혼합된 탄소나노튜브가 스크린 프린팅된 후에, 열처리를 통하여 유기물이 제거되고 전자방출층이 형성되는 단계와;

   상기 전자방출층 위에, 스크린 프린팅법을 통하여 포커싱 층이 형성되는 단계와;

   상기 포커싱 층 위에, 화학기상증착법을 통하여 절연층이 형성되는 단계와;

   상기 절연층 위에, 스크린 프린팅법을 통하여 게이트 금속층이 형성되는 단계; 및

   식각 방법을 통하여, 상기 게이트 금속층, 절연층, 포커싱 층이 각각 식각되어 게이트 홀이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법.

Images