KR100803210B1 - 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 전극 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 전극 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 전극, 이를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조방법에 관하여 개시한다. 개시된 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 전극은, 기판 상에 형성된 ZnO층; 및 상기 ZnO층 상에 형성된 탄소나노튜브를 구비한다. 따라서, ZnO층 상에 형성한 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 전극을 전계 방출 소자에 적용하여 구동 전압을 낮출 수 있는 효과가 있다.
단일벽 탄소나노튜브, ZnO, 전계 방출 전극, 촉매, 물플라즈마 화학기상증착법

Description

탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 전극 및 그 제조방법{Field emission electrode using carbon nanotubes and method of fabricating the same}
도 1은 본 발명에 따른 전계 방출 전극의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전계 방출 전극을 이용한 전계 방출 디스플레이 소자를 보여주는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 전계 방출 전극의 제조방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ZnO층 상에 형성한 단일벽 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 전극의 전계 방출 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 전극에 의한 녹색 발광을 보여주는 사진이다.
< 도면의 주요부분에 대한 설명 >
10, 20,40,50: 기판 12,22, 52: ZnO 층
14,24,54: 촉매 16,26,56: 탄소나노튜브
31: 절연층 33: 게이트 전극
42: 애노드 전극 44: 형광층
100: 전계 방출 전극 150: 전계방출 디스플레이
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ZnO층 상에 탄소나노튜브가 형성된 전계 방출 전극에 관한 것이다.
최근 디스플레이 기술이 발달함에 따라, 전통적인 음극선관(CRT: Cathod Ray Tube) 대신 평판 표시장치(Flat Panel Display)가 널리 보급되고 있다. 이러한 평판 표시장치로는 액정 디스플레이와 플라즈마 디스플레이 패널이 대표적인데, 최근에는 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 디스플레이가 개발되고 있다. 전계 방출 디스플레이는 음극선의 장점인 높은 밝기와 넓은 시야각은 물론 LCD의 장점인 얇고 가벼운 특성까지 동시에 갖춰 차세대 디스플레이로 기대되고 있다.
이러한 전계 방출 디스플레이는 음극 전극으로부터 방출된 전자가 양극 전극에 충돌하게 되면, 양극 전극 상에 코팅된 형광체가 여기됨으로써 특정 색상의 빛이 발광하게 된다. 하지만 전계 방출 디스플레이는 음극선관과는 달리 전자방출원이 냉음극 물질로 이루어져 있다는 점에서 차이가 있다.
이러한 전계 방출 디스플레이의 전자 방출원인 에미터로 주로 사용되는 것이 탄소나노튜브이다. 그 중에서도 단일벽 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브와 비교하여 직경이 작아 저전압에서 전자를 방출할 수 있는 장점이 있어 전계 방 출 전극의 에미터로서 주목 받고 있다.
종래에 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 전극은 미국특허 제6,057,637호에 따르면, 탄소나노튜브와 전도성 페이스트(paste)를 혼합한 후 기판상에 도포하여 제조한다. 그러나, 이 경우 페이스트와 혼합하는 유기물이 후속 공정 중 아웃개싱(outgassing)되어 소자의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
또한 한국 특허공개 2000-66907호에 개시된 바와 같이 기판 상에 직접 탄소나노튜브를 성장시키는 방법으로서 플라즈마 화학기상증착법을 이용하는 경우 주로 다중벽 탄소나노튜브가 형성되며, 단일벽 탄소나노튜브는 형성되지 않는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 고온에서 화학적으로 안정한 전극 상에 탄소나노튜브를 형성한 전계 방출 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전계 방출 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 전극은:
기판;
상기 기판 상에 형성된 ZnO층; 및
상기 ZnO층 상에 형성된 탄소나노튜브;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브인 것이 바람직하다.
상기 ZnO층은 비저항이 1 x 10-5~108 Ω㎝인 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 탄소나노튜브를 이용항 전계방출 전극의 제조방법은:
기판 상에 ZnO층을 형성하는 단계;
상기 ZnO층 상에 촉매를 형성하는 단계; 및
상기 ZnO층 상에 탄소나노튜브를 형성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 ZnO층 형성 단계는 화학기상증착법, 스퍼터링법, 원자층증착법 중 어느 하나의 방법으로 ZnO층을 형성한다.
바람직하게는, 다이에틸진크(diethylzinc)와 물을 원료로 하여 온도 100~500℃, 압력 5 Torr 이하에서 원자층 증착법으로 ZnO층을 형성하는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 전계 방출 전극의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전계 방출 전극(100)은 기판(10), 상기 기판(10) 상에 형성된 ZnO층(12) 및 상기 ZnO층(12) 상에 형성된 탄소나노튜브(16)를 구비한다. 상기 탄소나노튜브(16)은 촉매물질(14) 상에서 성장될 수 있다.
상기 기판(10)으로는 유리 또는 반도체 기판을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(10) 상에 형성되는 ZnO층(12)은 전극층으로서 작용할 수 있다. ZnO 단결정은 상온에서 절연체이고, 산소 결함, 격자간(interstitial) Zn, 또는 수소와 같은 점결함으로 인해 비저항이 102 Ω㎝ 정도일 수 있다.
ZnO를 박막으로 형성하는 경우, 그 비저항은 1 x 10-5~108 Ω㎝ 으로 넓은 범위를 가질 수 있다. ZnO 박막은 형성방법과 공정조건에 따라, 절연체, 반도체 또는 도전체로 형성될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 ZnO 층(12)은 전극으로 작용하므로 비저항이 1x10-5~108 Ω㎝의 범위, 바람직하게는 1x10-4~1x10-2Ω㎝ 의 범위이다. ZnO 박막의 비저항 조절은 ZnO 박막 형성공정을 제어하여 이루어질 수 있으며, 구체적으로 원자층증착방법을 통하여 ZnO 박막을 형성하는 경우 원하는 범위로 비저항 조절을 할 수 있다. ZnO 박막의 형성방법이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 ZnO층(12)은 밴드갭이 크고 화학적으로 안정한 특성을 나타내므로 In, Al, Li, Tb, Ga, Co, B, 또는 Zr 등의 불순물을 도핑하여 도전성을 조절할 수 있다.
상기 ZnO층(12)은 고온에서도 안정한 특성을 나타내므로, 고온에서 탄소나노튜브 형성시 촉매(14)의 오염현상을 방지함으로써 탄소나노튜브(16)를 기판(12) 상에 안정적으로 형성하여 전계 방출 전극을 형성하는 것이 가능하다.
상기 ZnO층(12)의 두께는 10 내지 10000 Å인 것이 바람직하다. 상기 ZnO층(12)의 두께가 10 Å이하일 때는 균일한 박막형성이 어렵고, 10000 Å이상일 때는 소자가 커지고 비용이 늘어나는 문제가 있다.
상기 ZnO층(12)에 형성된 탄소나노튜브(16)는 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브 또는 이들이 혼합된 형태일 수 있다. 바람직하게는 단일벽 탄소나노튜브로 형성된다.
본 발명에 따른 전계 방출 전극은 전계 방출 디스플레이나 전계 방출 백라이트(backlight)와 같은 전계 방출 소자에 이용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 전계 방출 전극을 이용한 전계 방출 디스플레이 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 전계방출 디스플레이(150)는 서로 소정 거리 이격된 제1기판(20) 및 제2기판(40)을 구비한다. 상기 제1기판(20) 상에는 캐소드 전극(22)이 스트립 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제1기판(20) 상에는 상기 캐소드 전극(22)를 노출시키는 게이트 홀(31a)이 형성된 절연층(31)과, 상기 절연층(31) 상에서 상기 게이트 홀(31a)과 연통된 게이트 전극홀(33a)이 형성된 게이트 전극(33)이 형성되어 있다.
상기 제2기판(40)의 내면에는 애노드 전극(42) 및 형광층(44)이 순차적으로 형성되어 있다.
상기 캐소드 전극(22)는 ZnO층으로 형성된다.
상기 게이트 전극(33), 캐소드 전극(22)에 음전압을 인가하면 상기 캐소드 전극(22)으로부터 전자(36)가 방출된다. 상기 전자(36)는 양전압이 인가된 애노드 전극(42)을 향하며 상기 형광층(44)를 여기하여 광을 방출시킨다.
이하에서 제조방법의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 제조방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 실리콘 기판(50) 상에 도전성 박막인 ZnO층(52)을 50nm 두께로 형성한다.
상기 ZnO층 형성단계는 화학기상증착법, 스퍼터링법 또는 원자층증착법 등의 방법으로 수행할 수 있다.
상기 원자층 증착법은 다이에틸진크(diethylzinc)와 물을 각각 Zn와 O의 원료로 하여 온도 100~500℃, 압력 5Torr 이하에서 ZnO층(52)을 증착하는 방법이다. 보다 바람직하게는 온도 250℃, 압력 0.6 Torr에서 ZnO층(52)을 증착한다. 이때 ZnO막(52)의 비저항은 4점 프로브(four-point probe)로 측정시 3.8x0-3 Wcm이고, 전자 이동도와 캐리어 농도는 각각 19.5 cm2/Vsec 와 7.4x1019/cm3 수준으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 ZnO층 형성단계는 불순물이 도핑된 ZnO층을 형성하는 단계일 수 있다. 불순물이 미리 도핑된 ZnO 소스를 이용하거나, ZnO 소스에 불순물이 포함된 소스를 첨가하여 화학기상증착법, 반응성증착법, 스프레이 열분해법, 졸겔법, 스퍼터링법 또는 분자빔증착법 등의 방법으로 수행할 수 있다. 이때 도핑하는 불순물로는 In, Al, Li, Tb, Ga, Co, B 또는 Zr 등이 있다. 예를 들면 ZnO:Al층은 Al2O3가 도핑된 ZnO 디스크를 타겟으로 사용하여 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 증착할 수 있으며, ZnO:Ga층은 다이에틸진크와 트리메틸갈륨(Trimethyl Gallium)을 투입하여 플라즈마 화학기상 증착법으로 형성할 수 있다.
상기의 ZnO층(52)은 일반적인 전계 방출 디스플레이 소자 제작을 위해 탄소나노튜브를 선택적으로 형성하기 위하여 패터닝될 수 있다. ZnO층(52)은 실리콘 산화막(SiO2)이나 금속을 마스크로 하여 메탄가스나 염화가스로 에칭하여 용이하게 패터닝할 수 있다.
도 3b는 상기 ZnO층(52) 상에 촉매물질(52)을 형성하는 단계를 보여준다. 상기 ZnO층 상에 촉매를 형성하는 단계는 전자빔증착법, 화학기상증착법, 스퍼터링법, 스핀코팅법 등의 방법으로 촉매층을 형성할 수 있다. 바람직하게는 촉매 금속입자가 포함된 수용액을 ZnO층 위에 도포하여 형성할 수 있다. 상기 촉매 금속으로는 Ni, Fe, Co 또는 이들의 합금을 사용한다. 일 예로 ZnO층(52) 위에 Fe가 포함된 수용액을 스핀코팅(spin coating) 방법으로 도포한 후, 기판(50)을 100 ℃에서 2분 동안 열처리하여 촉매물질(54)를 형성할 수 있다.
상기 수용액은 질산철, 비스(아세틸아세토네이트) 다이옥소몰리브덴 (bis(acetylacetonate)dioxomolybdenum) 및 알루미나 나노입자에 폴리비닐피롤리돈(PVP)과 물을 첨가한 것이다.
도 3c를 참조하면, 상기 촉매(54) 상에 탄소나노튜브(56)을 형성한다. 상기 탄소나노튜브를 화학기상증착법으로 형성할 수 있다. ZnO 층 상에 형성되는 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브이거나 또는 이들이 혼합된 상태일 수 있으나, 바람직하게는 단일벽 탄소나노튜브를 성한다.
단일벽 탄소나노튜브를 형성하기 위해서는 물플라즈마 화학기상증착법을 적용하는 것이 바람직하다. 물은 촉매를 활성화시키고, 탄소나노튜브의 저온성장을 위한 에너지원의 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
본 발명에서 메탄가스와 물을 원료로 온도 300~600℃ 및 압력 1 Torr 이하 조건에서 물플라즈마 화학기상 증착법에 의해 단일벽 탄소나노튜브를 형성할 수 있다. 바람직하게는 원료가스로 메탄가스를 60 sccm 유속으로 물과 함께 챔버(미도시)에 주입하고, 로 플라즈마 파워 15W, 압력 0.37Torr, 온도는 450oC 조건하에서 단일벽 탄소나노튜브를 형성한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ZnO층 상에 형성한 단일벽 탄소나노튜브의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. ZnO 층 상에 형성된 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브인 것을 관찰할 수 있다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 전극의 전계 방출 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 인가 전위가 1.8 V/um에서 방출 전류가 급격히 증가함을 알 수 있다. 이로써 단일벽 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 소자를 저전압에서 구동 가능함을 알 수 있다.
참고로 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 전극에 의한 녹색 발광을 보여주는 사진이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 고온에서 화학적으로 안정한 전극 물질인 ZnO층 상에 단일벽 탄소나노튜브를 용이하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 상기의 ZnO층 상에 형성한 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 전극을 전계 방출 소자에 적용하여 구동 전압을 낮출 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (19)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 ZnO층; 및
    상기 ZnO층 상에 형성된 탄소나노튜브;를 구비하며,
    상기 ZnO층은 In, Al, Li, Tb, Ga, Co, B, Zr로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 전계 방출
    전극.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 ZnO층은 비저항이 1 x 10-5~108 Ω㎝인 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 ZnO층의 두께가 10 내지 10000 Å 인 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 유리 또는 반도체 기판인 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극.
  7. 기판 상에 ZnO층을 형성하는 단계;
    상기 ZnO층 상에 촉매를 형성하는 단계; 및
    상기 촉매 상에 탄소나노튜브를 형성하는 단계;를 구비하며,
    상기 ZnO층 형성 단계는 In, Al, Li, Tb, Ga, Co, B, Zr로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하여 ZnO 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 ZnO층 형성 단계는 비저항이 1x10-5~ 108 Ω㎝ 인 ZnO 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 ZnO층 형성 단계는 화학기상증착법, 스퍼터링법, 원자층증착법 중 어느 하나의 방법으로 ZnO층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 ZnO층 형성단계는, 다이에틸진크(diethylzinc)와 물을 원료로 하여 온도 100~500℃, 압력 0.1 ~ 5 Torr 에서 원자층 증착법으로 ZnO층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 촉매 형성단계는 전자빔증착법, 화학기상증착법, 스퍼터링법, 수용액 도포법 중 어느 하나의 방법으로 촉매를 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 촉매 형성단계는 촉매물질이 포함된 수용액을 상기 ZnO층 위에 도포하여 촉매를 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 촉매물질은 Ni, Fe, Co로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 형성단계는 화학기상증착법으로 탄소나노튜브를 형성하는 것을 특징으로 하는 전계방출 전극의 제조방법.
  16. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 형성단계는 단일벽 탄소나노튜브를 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 단일벽 탄소나노튜브는 상기 촉매를 활성화하도록 물을 이용하는 플라즈마 화학기상증착법으로 제조하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 단일벽 탄소나노튜브는 메탄가스와 물을 원료로 온도 300~600℃ 및 압력 0.01 ~ 1 Torr 에서 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 전극의 제조방법.
  19. 제 1항에 따른 전계 방출 전극을 포함하는 전계 방출 소자.
KR1020060031933A 2006-04-07 2006-04-07 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 전극 및 그 제조방법 KR100803210B1 (ko)

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