KR100763893B1 - 굴곡진 ｃｎｔ층을 갖는 전자방출소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굴곡진 탄소나노튜브층을 에미터로 구비한 전자방출소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상기 전자방출소자는 베이스 기판; 상기 베이스 기판상에 형성된 캐소드전극 및 상기 캐소드 전극 상부에 위치하는 탄소나노튜브층을 포함하고, 상기 탄소나노튜브층은 다수의 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하여 형광체층에 도달하는 전자빔이 균일하고 넓은 표면적에 걸쳐 방출되도록 할 수 있다.

Description

굴곡진 ＣＮＴ층을 갖는 전자방출소자의 제조 방법{Preparation of electron emission device having grooved carbon nanotube layer}

도 1은 본 발명에 따른 전자방출소자의 일 구현예를 도시한 개략단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전자방출소자의 제조 방법을 단계별로 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 전자방출소자의 제조방법을 단계별로 도시한 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 전자방출소자와 종래기술에 따른 전자방출소자의 전자 빔 방출 형태를 개략적으로 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101, 201, 301, 401, 401' :.베이스 기판

102, 202, 302, 402, 402': 캐소드 전극

103, 203, 303, 403, 403': 카본나노튜브층

104 : 형광체층

105, 405, 405' : 애노드 전극

106 : 전면 기판

107 : 전면 패널

108 : 전자방출소자

109 : 백라이트 유닛

203a, 303a : 탄소나노튜브 페이스트

204 : 마스크

305 : 금형

본 발명은 굴곡진 탄소나노튜브층을 에미터로 구비한 전자방출소자(electron emission device) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 형광체층에 도달하는 전자빔의 유효 표면적이 넓고, 초기 전자빔이 여러 각도로 방출되어 형광층 전체에 걸쳐 균일하게 조사될 수 있는 굴곡진 탄소나노튜브층을 구비한 전자방출소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전자방출소자에는 전자 방출원으로 열음극을 이용하는 방식과 냉음극을 이용하는 방식으로 분류할 수 있다. 냉음극을 이용하는 방식의 전자방출소자는 끝이 뾰족한 금속 팁을 이용한 것과, 가늘고 긴 탄소나노튜브 (CNT)를 이용한 형태가 있으며, 팁 없이 금속박막과 절연층을 이용한 MIM(Metal Insulator Metal)형, Ballistic electron Surface-emitting형, SCE(Surface Conducting electron Emitter)형, MIS(Metal Insulator Semiconductor)형 등이 있다.

냉음극을 이용한 전자방출소자는 일함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수 가 높은 물질을 전자방출원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주된 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁(tip) 구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소계 물질 그리고 최근 나노튜브(Nanotube)나 나노와이어(Nanowire) 등의 나노물질을 전자방출원으로 적용한 소자가 개발되고 있다.

냉음극을 이용한 전자방출소자는 캐소드 전극과 게이트 전극의 배치 형태에 따라 크게 탑 게이트형(top gate type)과 언더 게이트형(under gate type)으로 나눌 수 있으며, 사용되는 전극의 개수에 따라 2극관, 3극관 또는 4극관 등으로 나눌 수 있다.

냉음극을 이용한 전자방출소자는 일반적으로 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 형성된 캐소드 전극 및 상기 캐소드 전극 상에 위치한 탄소나노튜브 에미터를 포함하며, 상기 전자방출소자의 전면에는 전면 기판, 상기 전면 기판의 하면에 형성된 애노드 전극, 상기 애노드 전극 상에 도포된 형광체층을 포함하는 전면패널이 배치되어 상기 전자방출소자와 함께 면광원이나 표시소자를 구성할 수 있다.

상기 전자방출소자와 상기 전면 패널 사이에는 대기압보다 낮은 진공상태가 유지되며, 상기 전자방출소자와 상기 전면 패널 사이의 진공상태에 의해 발생되는 압력을 지지하고, 발광 공간을 확보하기 위해 상기 전자방출소자와 상기 전면 패널 사이에 스페이서가 배치된다.

이러한 탄소나노튜브 에미터를 사용하는 전자방출소자는 넓은 시야각, 높은 해상도, 낮은 소비전력 등 많은 장점을 가지고 있으므로, 자동차 항법(car navigation) 장치, 전자적인 영상장치의 뷰 파인더(view finder) 등의 다양한 분야에 이용 가능성이 있다. 특히, 개인용 컴퓨터, PDA(Personal Data Assistants) 단말기, 의료기기, HDTV(High Definition Television) 등에서의 디스플레이 장치로서 이용될 수 있으며, 액정 표시소자 등의 백라이트(backlight)로 이용될 수 있다.

특히 CNT 에미터를 포함한 전자방출소자를 백라이트 유닛으로 사용하는 경우 전자빔이 애노드 전극 상에 도포된 형광체층에 넓은 표면적에 걸쳐 균일하게 도달하는 것이 바람직하다.

종래의 연속적이고 평평한 CNT층을 사용한 경우, CNT 페이스트를 소성하면 불연속적으로 돌출부가 형성되고 그 부분에서만 전자빔이 방출되어 결국 형광체층에 전자빔이 불균일하게 도달하게 된다.

따라서 형광체층에 도달하는 전자빔의 형태를 조절하기 위해 삼극관의 경우 게이트의 모양 및 위치를 조절하거나 이극관의 경우 패턴의 모양(캐소드 전극이나 에미터의 패턴) 및 위치를 조절하는 방법을 사용하여 왔다. 그러나 이극관 구조에서는 전자빔의 초기 방출 각도가 작고, 에미터의 불규칙한 높낮이 차에 의해 애노드에 도달하는 전자빔은 스팟(spot) 형태의 발광이 일어나는 문제가 있다. 삼극관 구조에서는 원하는 게이트의 모양을 얻기 위해 여러 공정을 거쳐야 하므로 공정이 복잡해지고 비용이 많이 드는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 CNT 에미터 자체에 굴곡을 주어 형광체층 에 도달하는 전자빔의 유효 표면적을 넓히고 전자빔이 형광체층에 균일하게 분포하도록 하는 굴곡진 탄소나노튜브층을 포함한 전자방출소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다를 기술적 과제는 상기한 전자방출소자를 포함하는 백라이트 유닛을 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 태양에서는

베이스 기판;

상기 베이스 기판 상에 형성된 캐소드 전극; 및

상기 캐소드 전극 상에 형성되는 탄소나노튜브층을 포함하고, 상기 탄소나노튜브층 표면에 다수의 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자방출소자가 제공된다.

본 발명의 한 구현예에 따르면 상기 돌출부는 주기적으로 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면 상기 돌출부는 스트라이프 형태로 배열될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면 상기 돌출부는 라운드 형상의 단면을 가질 수 있다.

본 발명의 제 2 태양에서는

베이스 기판상에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

상기 캐소드 전극상에 감광성 탄소나노튜브 페이스트층을 형성하는 단계;

상기 감광성 탄소나노튜브 페이스트 상부에 마스크를 배치하고 상기 베이스 기판 상면 및 하면을 노광시키는 단계;

상기 노광된 탄소나노튜브 페이스트층을 현상하는 단계;

상기 현상된 탄소나노튜브 페이스트층을 소성하여 표면에 다수의 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층을 형성하는 단계를 포함하는 전자방출소자의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 한 구현예에 따르면 상기 노광은 자외선 또는 원자외선(10 nm ~ 365 nm )의 파장을 갖는 광을 사용할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면 상기 소성은 300 ~ 550℃의 온도에서 행할 수 있다.

본 발명의 제 3 태양에서는

베이스 기판 상에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

상기 캐소드 전극상에 탄소나노튜브 페이스트층을 형성하는 단계;

상기 탄소나노튜브 페이스트층 상면에 요철 패턴을 갖는 금형을 압착하여 상기 탄소나노튜브 페이스트층에 요철 패턴을 형성하는 단계;

상기 탄소나노튜브 페이스트층을 소성하여 표면에 다수의 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층을 형성하는 단계를 포함하는 전자방출소자의 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 한 구현에에 따르면 상기 금형은 나노임프린트 리소그래피에 의해 제조된 금형일 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면 상기 탄소나노튜브층을 형성하는 단계는 상기 현상된 탄소나노튜브 페이스트층을 소성한 후에 표면처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제 4 태양에서는

베이스 기판;

상기 베이스 기판상에 형성된 캐소드 전극;

상기 캐소드 전극 상에 형성된 탄소나노튜브층; 및

상기 베이스 기판의 전방에 배치되고 상기 탄소나노튜브층에서 방출된 전자에 의해 여기되어 가시광선을 방생시키는 형광체층을 포함하고, 상기 탄소나노튜브층 표면에 다수의 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 백라이트 유닛이 제공된다.

본 발명의 한 구현예에 따르면 상기 베이스 기판에 나란하게 설치된 전면 기판; 및 상기 전면 기판의 후방에 배치되어 상기 탄소나노튜브층에서 방출된 전자를 상기 형광체를 향하여 가속시키는 애노드 전극을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 CNT층을 에미터로 사용하면 형광체층의 넓은 표면적에 걸쳐 균일한 전자빔을 조사할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 전자방출소자는 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상에 형성된 캐소드 전극; 및 상기 캐소드 전극 상에 형성되는 탄소나노튜브층을 포함하고, 상 기 탄소나노튜브층 표면에 다수의 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1에는 본 발명의 일 구현예에 따른 전자방출소자의 개략적인 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 전자방출소자(108)는 베이스 기판(101), 캐소드 전극(102), 및 탄소나노튜브층(103)을 포함한다.

상기 베이스 기판(101)은 소정의 두께를 가지는 판상의 부재로, 석영 유리, 소량의 Na와 같은 불순물을 함유한 유리, 판유리, SiO₂가 코팅된 유리 기판, 산화알루미늄, 세라믹 또는 실리콘 기판이 사용될 수 있다. 상기 베이스 기판(101)은 유리 기판인 것이 바람직하다.

상기 캐소드 전극은 통상의 전기 도전 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면 Al, Ti, Cr, Ni, Au, Ag, Mo, W, Pt, Cu, Pd 등의 금속 또는 그 합금, Pd, Ag, RuO2, Pd-Ag 등의 금속 또는 금속 산화물과 유리로 구성된 인쇄된 도전체, ITO, In₂O₃ 또는 SnO₂ 등의 투명 도전체, 또는 다결정 실리콘 등의 반도체 물질로 만들어질 수 있다. 이중에서 ITO로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 전자방출소자는 에미터인 탄소나노튜브층(103) 표면에 다수의 돌출부가 형성되어 있다. 상기 돌출부의 형상 및 간격은 특별히 제한되는 것은 아니나 상기 돌출부는 주기적으로 형성되어 있는 것이 균일한 전자빔 형성을 위해 바람직하다. 또한 상기 돌출부는 주기적인 스트라이프 형태인 것이 바람직하고, 라운드 형상의 단면을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전자방출소자의 전자빔 방출 형태와 종래의 전자방출소자의 전자빔 방출 형태를 비교하여 도 4에 도시하였다.

즉 본 발명에 따른 표면에 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층에서는 돌출부에서 방출되는 전자빔이 균일한 형태로 형광체층에 도달하게 되는 반면 종래의 평평한 탄소나노튜브층에서는 전자빔이 불균일하게 형광체층에 도달하게 되는 것을 볼 수 있다.

상기 전자방출소자(108)을 백라이트 유닛(109)에 사용할 수 있다. 백라이트유닛(109)을 구성하기 위해서는 도 1에 도시된 것과 같이 상기 전자방출소자의 전면에 형광체층(104)을 더 구비하여야 한다. 상기 형광체층(104)은 상기 형광체층(104)을 향하여 전자를 가속시키는 애노드 전극(105)과 상기 애노드 전극(105) 및 상기 형광체층(104)을 지지하는 전면 기판(106)과 함께 전면 패널(107)을 형성하면서 설치하는 것이 바람직하다.

상기 베이스 기판(101)을 포함하는 전자방출소자(108)와 상기 전면 기판(106)을 포함하는 전면 패널(107)은 서로 소정의 간격을 유지하면서 대향되어 발광 공간을 형성한다. 발광 공간 내부의 진공을 유지하기 위해 프리트(frit)로 전자방출소자(108)와 전면 패널(107)이 형성되는 공간의 둘레를 밀봉하고 내부의 공기 등을 배기한다.

이러한 구성을 가지는 백라이트 유닛(109)은 다음과 같이 동작한다.

전자방출을 위해 캐소드 전극(102)에 (-) 전압을 인가하고, 애노드 전극(105)에 (+) 전압을 인가하면 상기 캐소드 전극(102)에 설치된 카본나노튜브층 (103)으로부터 전자가 방출되어 상기 애노드 전극(105)을 향해 가속된다. 애노드 전극(105)을 향해 가속된 전자는 애노드 전극(105)에 위치하는 형광체층(104)의 형광체를 여기시켜 균일한 가시광선을 발생시키게 된다.

본 발명에 따른 전자방출소자는 다음과 같은 2가지 방법으로 제조될 수 있다.

첫 번째 방법은 단일의 마스크를 사용하여 탄소나노튜브층을 패터닝하는 방법이고 두 번째 방법은 요철 패턴을 갖는 금형을 압착하여 탄소나노튜브층을 패터닝하는 방법이다.

더욱 구체적으로는 첫 번째 방법은 도 2에 도시한 바와 같이 베이스 기판상에 캐소드 전극을 형성하는 단계; 상기 캐소드 전극상에 감광성 탄소나노튜브 페이스트층을 형성하는 단계; 상기 감광성 탄소나노튜브 페이스트 상부에 마스크를 배치하고 상기 베이스 기판 상면 및 하면을 노광시키는 단계; 상기 노광된 감광성 탄소나노튜브 페이스트층을 현상하는 단계; 상기 현상된 탄소나노튜브 페이스트층을 소성하여 표면에 다수의 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층을 형성하는 단계를 포함한다.

도 2의 (a) 단계에 도시한 것처럼 감광성 탄소나노튜브 페이스트층(203a)은 탄소나노튜브 페이스트를 베이스 기판(201)상에 형성된 캐소드 전극(202) 위에 프린팅과 같은 도포방법으로 도포하여 형성할 수 있다.

상기 감광성 탄소나노튜브 페이스트 상부에 도 2의 (b)에 도시한 것처럼 원하는 패턴을 얻기 위한 마스크(204)를 배치하고 상기 베이스 기판(201) 상면 및 하 면을 노광시키게 된다. 이 때 노광은 자외선 혹은 원자외선 (10 nm ~ 365 nm: 11.4, 13.5, 157, 193, 248, 365nm 등)의 파장을 갖는 광을 사용할 수 있다.

노광된 탄소나노튜브 페이스트층을 도 2의 (c)에 도시한 것처럼 현상하게 된다. 상기 현상 방법은 특별히 제한되지 않으나 예를 들면 스프레이(spray)법이나 침지(immersion)법을 이용하여 현상할 수 있다. 상기 현상을 통하여 요철 패턴이 형성된 탄소나노튜브 페이스트층(203a) 이 얻어진다. 이러한 형상은 노광단계에서 마스크를 감광성 탄소나노튜브 페이스트층(203a) 상면에 배치하고 상면 및 하면을 동시에 노광함으로써 얻어질 수 있다. 상면 및 하면을 모두 노광함으로써 페이스트의 접착력을 좋게 하고 유효 전자빔 방출 면적이 넓어지며 패터닝도 용이하게 된다.

상기 현상된 탄소나노튜브 페이스트층(203a)을 도 2의 (d)에 도시한 것처럼 소성하여 표면에 다수의 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층(203)을 형성하게 된다.

상기 소성은 300 ~ 500℃의 온도에서 행할 수 있다.

상기 소성 후에 표면처리 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 표면처리는 접착 테이핑 방법(adhesive taping method) 등을 사용하여 행할 수 있으며 페이스트 층에 묻혀있는 탄소나노튜브들을 노출시키는 효과가 있다.

본 발명의 전자방출소자를 제조하는 두 번째 방법은 도 3에 도시한 바와 같이 베이스 기판 상에 캐소드 전극을 형성하는 단계; 상기 캐소드 전극상에 탄소나노튜브 페이스트층을 형성하는 단계; 상기 탄소나노튜브 페이스트층 상면에 요철 패턴을 갖는 금형을 압착하여 상기 탄소나노튜브 페이스트층에 요철 패턴을 형성하 는 단계; 상기 탄소나노튜브 페이스트층을 소성하여 표면에 다수의 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 두 번째 방법은 탄소나노튜브 페이스트층에 패턴을 형성하는 과정만 첫 번 째 방법과 상이할 뿐 나머지 과정은 동일한 단계를 반복할 수 있다.

탄소나노튜브 페이스트층에 패턴을 형성하기 위해서는 도 3의 (b)에 도시한 것처럼 요철 패턴을 갖는 금형(305)을, 베이스 기판(301)상에 형성된 캐소드 전극(302) 상에 도포된 탄소나노튜브 페이스트층(303a) 위에 압착하게 된다.

이렇게 하여 도 3의 (c)에서와 같이 탄소나노튜브 페이스트층(303a)에 원하는 요철 패턴이 형성되고 이를 도 3의 (d)에서와 같이 소성하여 표면에 다수의 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층(303)을 형성하게 된다.

상기 방법에서도 마찬가지로 소성 과정 후에 표면처리 과정을 더 포함할 수 있다.

상기 방법에서 금형은 일반적인 금형을 사용할 수 있으며, 특히 나노 크기의 미세한 요철 패턴을 얻고자하는 경우에는 나노 임프린트 리소그래피를 이용하여 제조한 고분자 수지 금형을 이용할 수 있다.

상기 방법으로 제조된 탄소나노튜브층을 에미터로 포함하는 전자방출소자는 백라이트 유닛 뿐 아니라 각종 조명기구, 전계 발광을 이용한 여러 소자에 이용가능하다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따른 표면에 다수의 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층을 에미터로 포함하는 전자방출소자는 애노드에 도달하는 전자빔이 균일하고 넓은 표면적에 걸쳐 방출되도록 할 수 있으며, 백라이트 유닛이나 각종 조명 기구 및 전계 발광을 이용한 각종 소자에 사용할 수 있다.

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 베이스 기판 상에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

   상기 캐소드 전극상에 감광성 탄소나노튜브 페이스트층을 형성하는 단계;

   상기 감광성 탄소나노튜브 페이스트 상부에 마스크를 배치하고 상기 베이스 기판 상면 및 하면을 노광시키는 단계;

   상기 노광된 감광성 탄소나노튜브 페이스트층을 현상하는 단계; 및

   상기 현상된 탄소나노튜브 페이스트층을 소성하여 표면에 다수의 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층을 형성하는 단계를 포함하는 전자방출소자의 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 노광은 파장이 10 ~ 365nm인 광을 이용한 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 소성은 300 ~ 500℃의 온도에서 행하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브층을 형성하는 단계는 상기 현상된 탄소나노튜브 페이스트층을 소성한 후 표면처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으 로하는 방법.
11. 베이스 기판 상에 캐소드 전극을 형성하는 단계;

    상기 캐소드 전극상에 탄소나노튜브 페이스트층을 형성하는 단계;

    상기 탄소나노튜브 페이스트층 상부에, 나노임프린트 리소그래피로 제조된 요철 패턴을 갖는 금형을 압착하여 상기 탄소나노튜브 페이스트층에 요철 패턴을 형성하는 단계; 및

    상기 패턴이 형성된 탄소나노튜브 페이스트층을 소성하여 표면에 다수의 돌출부를 갖는 탄소나노튜브층을 형성하는 단계를 포함하는 전자방출소자의 제조 방법.
12. 삭제
13. 제 11 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브층을 형성하는 단계는 상기 형성된 탄소나노튜브 페이스트층을 소성한 후 표면처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로하는 방법.
14. 삭제
15. 삭제

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