KR100776359B1 - 전계 방출 표시 소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출 표시 소자를 제조하는 방법으로서, 상기 금속막 상단의 일 지점에 탄소나노튜브로 이루어지는 생장점을 형성시키는 단계와, 탄소나노튜브를 다량 함유하고 있는 전해질 용액의 일 측에 대전 극판을 위치시키고 상기 전해질 용액의 타 측에 탄소나노튜브의 생장점이 형성된 부분을 상기 대전 극판에 대향하도록 기판을 위치시키는 단계와, 상기 대전 극판 및 기판 각각에 전원을 인가하여 전해질 용액에 함유된 탄소나노튜브를 상기 기판의 탄소나노튜브 생장점 부분에 전기화학적으로 부착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 전계 방출 표시 소자의 제조방법을 제공함을 그 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명이 제공하는 다른 기술적 특징은 탄소나노튜브 에미터 형성 단계 이후에, 상기 금속막 상단에 부착된 탄소나노튜브 에미터와 금속막 사이의 결합력을 증진시키기 위해 상기 기판을 열처리하고 고전압을 인가하는 고온열처리 및 어노딕본딩 단계가 더욱 부가되는 전계 방출 표시 소자의 제조방법이다.

전계 방출 표시 소자, 탄소나노튜브, 에미터, 방전, 생장점, 어노딕본딩, 고온열처리

Description

전계 방출 표시 소자의 제조방법{Manufacturing method of field emission display which composing carbon nanotubes field emitter array}

도 1은 본 발명에 따라 탄소나노튜브 생장점이 형성된 전계 방출 표시 소자의 단면 구성도.

도 2a는 본 발명에 따라 탄소나노튜브를 전기화학적으로 부착시켜 탄소나노튜브 에미터를 형성시키는 장치의 개략도.

도 2b는 도 2a의 탄소나노튜브 성장 장치의 작동 원리도.

도 3은 본 발명에 따라 탄소나노튜브 에미터가 형성된 전계 방출 표시 소자의 단면 구성도.

도 4는 종래 전계 방출 표시 소자의 단면 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 기판 120 : 금속막

140 : 탄소나노튜브 생장점 160 : 탄소나노튜브 에미터

222 : 대전 극판 230 : 전해질 용액 반응조

240 : 전원 인가부

대한민국 공개특허 2001-0057162, 대한민국 공개특허 2001-0056138, 대한민국 공개특허 2003-0018521

본 발명은 전계 방출 표시 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전계 방출 표시 소자의 금속막 상단에 전계 방출 팁으로 이용되는 탄소나노튜브를 용이하게 성장시켜 탄소나노튜브 에미터를 형성시킬 수 있을 뿐 아니라, 금속막과 탄소나노튜브 에미터의 결합력을 증진시킬 수 있는 전계 방출 표시 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

근자, 신 소재로 각광받고 있는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, 또는 CNT)는 수 ㎚에서 수십 ㎚의 매우 작은 직경의 결정 구조를 갖고 있을 뿐 아니라, 내화학적 특성 및 기계적 강도가 우수하여 그의 응용 분야가 점진적으로 확대되고 있으며 그 중 하나의 응용 분야가 전계 방출 표시 소자이다. 이는 탄소나노튜브의 직경이 매우 작음에 따라 전계 강화 효과(Field Enhancement Factor)가 커서 전자 방출이 일어나는 임계 전계(Turn-on Field)가 1-5 V/㎛로 낮기 때문에, 기존의 스핀트 팁(spindt type tip) 또는 실리콘 팁과 같은 전계 방출 표시 소자를 이용하는 것보다 구동 전압을 낮출 수 있을 뿐 아니라 소재의 특성상 신뢰성이 뛰어나 소자의 제작이 가능하기 때문이다.

도 4는 이러한 종래 탄소나노튜브 에미터를 이용한 3전극 구조의 전계 방출 표시 소자의 단면 구성도로서, 기판(10) 상부에 하부전극(20), 저항층(30), 절연층(40) 및 게이트 막(50)을 순차적으로 성막하고, 사진식각방법을 통하여 게이트 막(50)과 절연층(40) 일부를 식각하여 홀을 형성시킨 다음, 증착을 통해 홀 바닥의 저항층(30) 상부에 촉매전이금속막(12)을 형성한 연후, 탄화수소 가스를 이용한 열 화학기상증착, 플라즈마 화학기상증착 방법, 또는 아크 방전 방법, 레이저 박리 방법 등으로 고온의 환경하에서 촉매전이금속막(12) 상단에 탄소나노튜브 에미터(16)를 형성시키게 된다.

한편, 탄소나노튜브 에미터를 고온의 환경하에서 직접 기판에 성막시키는 경우에, 탄소나노튜브는 촉매전이금속막 부위에만 성장하게 됨에 따라 촉매전이금속막이 넓을수록 탄소나노튜브 에미터의 성장 영역이 커지게 된다. 그러나 탄소나노튜브 에미터의 성장 영역이 커진다는 것은 게이트 막을 통해 인가되는 전계가 집중되지 않아 방출된 전자빔이 퍼지게 됨에 따라 전자 방출 영역이 고르지 못하여 주로 전계가 제일 강한 게이트 막의 홀 근처에서만 국부적으로 전자 방출이 일어나게 되고, 탄소나노튜브 성장 영역이 넓은 경우 비대칭적인 전계 분포에 의해 전자빔이 게이트 막 쪽으로 끌려가는 누설전류가 많은 문제점이 있다.

이에 따라, 촉매전이금속막을 중심부에만 성막시켜 탄소나노튜브를 집중시키는 것이 중요하나 전술한 방식으로는 촉매전이금속막을 중심부에만 성막시키는 것이 곤란할 뿐 아니라, 전술한 방법들은 통상적으로 600℃ 이상의 고온에서 작업이 이루어지는데 이러한 고온의 환경에서는 열 변형 온도가 510℃ 이하인 유리 기판을 직접 사용하기가 어렵다는 것이 현실적인 문제로 지적되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 탄소나노튜브 에미터를 보다 효과적으로 형성시킬 수 있는 전계 방출 표시 소자의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 탄소나노튜브 에미터가 보다 안정적인 결합 상태를 유지할 수 있는 전계 방출 표시 소자의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 기판 상부에 패터닝된 금속막 상단에 탄소나노튜브로 이루어지는 전계 방출 표시 소자를 제조하는 방법으로서, 탄소나노튜브를 다량 함유하고 있는 전해질 용액의 일 측에 대전 극판을 위치시키고 상기 금속막이 패터닝된 기판을 전해질 용액의 타 측에서 상기 대전 극판에 대향하도록 위치시키는 단계와, 상기 대전 극판 및 기판 각각에 전원을 인가하여 전해질 용액에 함유된 탄소나노튜브를 상기 기판의 금속막 상단에 전기화학적으로 부착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 전계 방출 표시 소자의 제조방법을 제공함을 그 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 기판 상부에 패터닝된 금속막 상단에 탄소나노튜브로 이루어지는 전계 방출 표시 소자를 제조하는 방법으로서, 상기 금속막 상단의 일 지점에 탄소나노튜브로 이루어지는 생장점을 형성시키는 단계와, 탄소나노튜브를 다량 함유하고 있는 전해질 용액의 일 측에 대전 극판을 위치시키고 상기 전해질 용액의 타 측에 탄소나노튜브의 생장점이 형성된 부분을 상기 대전 극판에 대향하도록 기판을 위치시키는 단계와, 상기 대전 극판 및 기판 각각에 전원을 인가하여 전해질 용액에 함유된 탄소나노튜브를 상기 기판의 탄소나노튜브 생장점 부분에 전기화학적으로 부착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 전계 방출 표시 소자의 제조방법을 제공함을 다른 기술적 특징으로 한다.

상기 탄소나노튜브 에미터 형성 단계 이후에는, 상기 금속막 상단에 부착된 탄소나노튜브 에미터와 금속막 사이의 결합력을 증진시키기 위해 상기 기판을 열처리하고 고전압을 인가하는 고온열처리 및 어노딕본딩 단계가 더욱 부가되는 것을 특징으로 한다.

상기 대전 극판 및 기판에 인가되는 전원은 직류, 교류, 펄스 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 금속막 상단의 생장점은 외부로 돌출되는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따라 탄소나노튜브 생장점이 형성된 전계 방출 표시 소자의 단면 구성도이며, 도 2a는 본 발명에 따라 탄소나노튜브를 전기화학적으로 부착시켜 탄소나노튜브 에미터를 형성시키는 장치의 개략도이며, 도 2b는 도 2a의 탄소나노튜브 성장 장치의 작동 원리도, 그리고 도 3은 본 발명에 따라 탄소나노튜브 에미터가 형성된 전계 방출 표시 소자의 단면 구성도로서, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같은데, 실시예를 상술함에 있어 종래 기술과 동일한 부분에 대해서는 도면부호만 달리할 뿐 동일한 명칭을 사용하기로 하며, 본 발명의 기술적 특징과 무관하거나 또는 관련 기술분야에서 자명한 사항은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 일 실시예로서의 전계 방출 표시 소자의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계와, 탄소나노튜브 생장점을 형성시키는 단계와, 탄소나노튜브 에미터를 형성시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 기판 준비 단계는, 전술한 종래 기술과 동일하게 기판(100) 상부에 하부전극(320), 저항층(330), 절연층(340) 및 게이트 막(350)을 순차적으로 성막하고, 사진식각방법을 통하여 상기 게이트 막(350)과 절연층(340) 일부를 식각하여 홀을 형성시킨 다음, 증착을 통해 홀 바닥의 저항층(330) 상부에 금속막(120)을 형성시키는 단계이다.

상기 기판(100)은 그 재질에 있어 특별히 제한되지 않으므로 종래의 유리기판, 세라믹 기판뿐 아니라, 전도성 플라스틱 기판 및 유연한 재질로 이루어지는 기판 등이 선택적으로 사용될 수 있음은 물론이며, 상기 금속막(120)의 재질은 철, 니켈, 코발트, 은, 알루미늄 등과 같은 촉매전이금속 또는 이들의 합금 중에서 임의로 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 탄소나노튜브 생장점 형성 단계는, 패터닝된 금속막(120)을 포함하는 기판(100)을 챔버 등과 같은 노광(미도시)에 안치시킨 다음, 고온의 환경하에서 기판에 전원을 인가하여 도 1에 개시된 것과 같이 상기 금속막(120) 상단에 탄소나노튜브로 이루어지는 생장점(140)을 형성시키는 단계이다.

인가되는 전원 값의 범위 및 노광시간, 그리고 온도는 노광에 안치되는 기판(100)의 재질 및 형성되는 탄소나노튜브 생장점의 수직 높이에 따라 적절하게 변동될 수 있는 사항이어서 특별히 그 범위에 한정이 없으나, 형성되는 탄소나노튜브 생장점의 수직 높이는 수 ㎚ 내지 수십 ㎚의 범위 내에서 이루어질 수 있도록 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 금속막(120) 상단에 형성되는 탄소나노튜브 생장점(140)은, 후술할 탄소나노튜브 에미터 형성 단계를 고려하면 중앙 부분이 외부로 돌출되도록 형성시켜 국부적으로 전류가 집중될 수 있도록 구성하는 것이 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 탄소나노튜브 에미터 형성은, 도 2a에 개시된 것과 같이 탄소나노튜브를 다량 함유하고 있는 전해질 용액 반응조(220)의 일 측에 대전 극판(222)을 위치시키고 금속막(120)이 패터닝된 기판(100)을 상기 전해질 용액 반응조(220)의 타 측에서 상기 대전 극판(222)에 대향하도록 위치시키는 단계와, 상기 대전 극판(222) 및 기판(100) 각각에 전원을 인가하여 금속막 상단에 형성된 탄소나노튜브 생장점(140)에 전해질 용액 중에 함유되어 있는 탄소나노튜브 입자들을 전기화학적 방식으로 부착시키는 단계를 거쳐 구현하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 전기화학적 부착 원리가 도 2b에 개시되어 있다. 개시된 것과 같이, 전해질 용액 속에서 대향하고 있는 기판(100) 및 대전 극판(222)에 전원을 인가하면, 대전 극판 및 기판 사이에는 전기장이 발생하게 되고 이에 따른 전기력선은 금속막(120) 상단에 돌출되어 형성되는 탄소나노튜브 생장점(140)으로 집중되는데, 전해질 용액에 함유되어 있는 탄소나노튜브 입자(232)들은 전기력(F)에 의해 기판(100) 중에서 탄소나노튜브 생장점(140)으로 집중적으로 이동하게 된다.

한편, 전기력선을 따라 이동하는 탄소나노튜브 입자(232)들이 탄소나노튜브 생장점(140)에 근접한 상태에서는 대향하는 탄소나노튜브 입자의 끝단 및 탄소나노튜브 생장점 돌출부 끝단이 상호 반대 극성으로 대전되게 되는데, 이러한 반대 극성의 대전 현상은 탄소나노튜브 입자와 탄소나노튜브 생장점 돌출부 끝단 사이의 최종 접촉 직전에 방전 현상을 유발시키게 됨에 따라, 마치 아크 용접과 같이 탄소나노튜브 입자들을 용접에 의해 순차적으로 탄소나노튜브 생장점 돌출부 끝단에 결합시켜 도 3에 개시된 것과 같이 탄소나노튜브 에미터(160)를 형성하게 되는 것이다.

즉, 금속막 상단에 돌출되어 형성되는 탄소나노튜브 생장점은 전류가 집중될 수 있도록 기능하며, 탄소나노튜브 입자들은 탄소나노튜브 생장점 돌출부 끝단에서 방전에 따라 발생되는 에너지에 의해 견고하게 부착되는 작동 원리로 이루어진다고 할 수 있다.

도 3에는 탄소나노튜브 생장점(140)과, 상기 탄소나노튜브 생장점(140) 상단부에 부착되어 성장된 탄소나노튜브 에미터(160)가 일정한 경계를 이루는 것으로 개시되어 있으나, 탄소나노튜브 생장점(140) 및 탄소나노튜브 에미터(160)는 방전 현상에 따른 용접에 의해 일체형으로 구성됨은 물론이다.

탄소나노튜브 에미터 형성에 있어서, 대전 극판(222) 및 기판(100) 각각에 인가되는 전원은 전원 인가부(240)를 통해 공급되는데, 상기 전원 인가부(240)에서 공급되는 전원은 직류, 교류, 펄스 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지더라도 무방하나, 연속적인 전원을 인가하는 경우에는 전기력선을 따라 탄소나노튜브 입자들이 연속적으로 탄소나노튜브 생장점에 접근함에 따라 탄소나노튜브 생장점의 돌 출부 끝단에만 집중적으로 부착되는 것이 아니라 생장점 주변부에도 부착될 수 있기 때문에, 펄스 형태로 전원을 인가하여 전해질 용액 중의 탄소나노튜브 입자들이 가급적 탄소나노튜브 생장점의 돌출부 끝단으로 이동될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

한편, 도 2a에 개시된 탄소나노튜브 성장 장치의 일례는 대한민국 공개특허 제2003-0018521호에 개시된 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 초정밀 전해 연마 장치 및 그 방법과 유사한데, 이는 단지 하나의 예시일뿐 본 발명에 따른 탄소나노튜브 에미터 형성은 대한민국 공개특허 제2003-0018521호에 개시된 기술 내용과 달리 탄소나노튜브를 함유하고 있는 전해질 용액과, 전원을 인가할 수 있는 전원 인가부가 구비되면 족함은 자명하다.

본 발명에 따른 바람직한 다른 실시예로서의 전계 방출 표시 소자의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계와, 탄소나노튜브 에미터를 형성시키는 단계를 포함하여 이루어지는데, 전술한 실시예와 달리 금속막 상단에 탄소나노튜브 생장점을 형성시키는 단계가 생략된다는 점에 그 기술적 특징이 있다.

따라서, 전술한 실시예에서 설명한 탄소나노튜브 생장점 형성 단계에 대한 설명 부분을 제외하고는 대부분의 내용이 그대로 적용될 수 있는바 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 탄소나노튜브 생장점이 존재하기 않기 때문에 기판 준비 단계에서 저항층 상부에 형성되는 금속막은 티타늄 또는 티타늄 합금 재질로 이루어지는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않고 탄소나노튜브 입자들과 전기화학적 반응이 용이한 재질이면 무방하다 할 것이다.

또한, 본 발명은 금속막(120) 및 상기 금속막(120) 상단에 형성되는 탄소나노튜브 에미터(160, 실제로는 탄소나노튜브 생장점 및 탄소나노튜브 에미터 일체형 구조)와 금속막 사이의 결합력을 배가시키기 위해, 탄소나노튜브 에미터가 형성된 기판을 열처리하고 고전압을 인가하는 고온열처리 및 어노딕본딩(anodic bonding) 단계가 더욱 부가되는 경우를 배제하지 않는다.

기판에 가해지는 열 및 인가되는 고전압은 금속막(120) 및 상기 금속막(120)과 접하는 탄소나노튜브 에미터의 끝단 부분이 일정하게 용융되어 상호 강력하게 결합되도록 한다. 본 발명에 따라 기판에 가해지는 열 및 인가되는 전압은 200 - 500℃ 및 300 - 1100V 범위내에서 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 400℃ 및 600V정도이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 한정하여 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양하게 변경되어 실시될 수 있음은 자명하다 할 것이다.

본 발명은 금속막 상단에 탄소나노튜브 입자들을 직접 성장시키거나 또는 증착시키는 종래 방법과 달리 탄소나노튜브 생장점을 먼저 형성시킨 다음, 방전 현상을 이용하여 탄소나노튜브 입자들을 국부적인 면적에 집중적으로 부착될 수 있도록 구성함으로써 방출되는 전자빔이 게이트 막 쪽으로 끌려가 발생하는 누설 전류를 획기적으로 감소시킬 수 있도록 해준다.

또한, 본 발명은 고온의 환경이 필요한 방식이 아니라 방전 현상을 이용한 전기화학적 방식으로 탄소나노튜브 에미터를 제조할 수 있음에 따라 기판의 재질과 무관하게 적용될 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따라 부가적인 어노딕본딩 및 고온열처리 단계를 거치는 경우에는 제조되는 전계 방출 표시 소자의 금속막과 탄소나노튜브 에미터의 결합력을 현저히 증진시킬 수 있어 장기간 사용하더라도 내구성이 보장되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 기판 상부에 패터닝된 금속막 상단에 탄소나노튜브로 이루어지는 전계 방출 표시 소자를 제조하는 방법으로서,

   상기 금속막 상단의 일 지점에 탄소나노튜브로 이루어지는 생장점을 형성시키는 단계와;

   탄소나노튜브를 다량 함유하고 있는 전해질 용액의 일 측에 대전 극판을 위치시키고, 상기 전해질 용액의 타 측에 탄소나노튜브의 생장점이 형성된 부분을 상기 대전 극판에 대향하도록 기판을 위치시키는 단계와;

   상기 대전 극판 및 기판 각각에 전원을 인가하여 전해질 용액에 함유된 탄소나노튜브를 상기 기판의 탄소나노튜브 생장점 부분에 전기화학적으로 부착시켜 탄소나노튜브 에미터를 형성시키는 단계를;

   포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방출 표시 소자 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 에미터 형성 단계 이후에는, 상기 금속막 상단에 부착된 탄소나노튜브 에미터와 금속막 사이의 결합력을 증진시키기 위해 상기 기판을 열처리하고 고전압을 인가하는 고온열처리 및 어노딕본딩 단계가 더욱 부가되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 표시 소자 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 대전 극판 및 기판에 인가되는 전원은 직류, 교류, 펄스 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전계 방출 표시 소자의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 금속막 상단의 생장점은 외부로 돌출되는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방출 표시 소자의 제조방법.
5. 삭제

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