KR100867383B1 - 전계방출소자 제조방법 - Google Patents

전계방출소자 제조방법 Download PDF

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KR100867383B1
KR100867383B1 KR1020080004393A KR20080004393A KR100867383B1 KR 100867383 B1 KR100867383 B1 KR 100867383B1 KR 1020080004393 A KR1020080004393 A KR 1020080004393A KR 20080004393 A KR20080004393 A KR 20080004393A KR 100867383 B1 KR100867383 B1 KR 100867383B1
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이상문
나승현
곽정복
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Abstract

전계방출소자 제조방법이 개시된다. 기판의 표면에 복수의 나노스피어가 배열되는 나노스피어(nanosphere)층을 형성하는 단계, 나노스피어의 사이즈가 감소되도록 나노스피어층을 애싱(ashing)하는 단계, 기판의 표면에 메탈촉매를 증착하는 단계, 나노스피어를 제거하는 단계 및 메탈촉매에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하는 전계방출소자 제조방법은, 에미터의 간격을 나노사이즈로 구현시킬 수 있어 대면적의 전계방출소자를 형성함에 따라 생산성과 재현성을 확보할 수 있다.
나노스피어, 메탈촉매, 탄소나노튜브, 전계방출소자, 전해도금

Description

전계방출소자 제조방법{Manufacturing method of field emission array}
본 발명은 전계방출소자 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전계방출 표시장치(Field Emission Display; FED)는, 강한 전계에 의해 전자를 방출하는 다수의 미세한 팁 또는 에미터가 형성된 전계방출소자를 포함한다.
에미터로부터 방출된 전자들은 진공 중에서 형광체 스크린으로 가속되어 형광체를 여기 시킴으로써 빛을 발한다. CRT 표시장치와 달리, 전계방출 표시장치는 전자 빔 조종 회로(beam steering circuitry)를 요하지 않고 불필요한 많은 열을 발생시키지도 않는다.
또한, LCD 표시장치와 달리, 전계방출 표시장치는 백 라이트(back light)를 요하지 않고 매우 밝으며 매우 넓은 시야 각(viewing angle)을 갖고 있고 응답 시간(response time)도 매우 짧다. 이러한 전계방출 표시장치의 성능은 주로 전자를 방출할 수 있는 에미터 어레이에 의해 좌우된다. 최근에는 전계방출 특성을 향상시키기 위해 에미터로서 탄소나노튜브(carbon nano tube: 이하, "CNT"라 하기도 함)가 사용되고 있다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 전계방출소자를 제조하는 모습을 나타내는 흐름도이다.
우선 도 1을 참조하면, 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 기판상에 CNT를 성장시키는 방법이 제시되고 있다. 도 1의 (a) 내지 (d)는 CVD를 이용하여 CNT 에미터 어레이를 제조하는 종래의 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 1의 (a)를 참조하면, 기판(11) 상에 금속층(13)을 증착한 후, 그 위에 SiO2, Si3N4, MgO, TiO2, TaO2 등으로 된 유전체층(15) 및 포토레지스트층(17)을 순차적으로 형성한다.
그 후, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 포토레지스트층(17)을 패터닝하여 레지스트층 패턴(17a)를 형성한 후 이를 식각 마스크로 이용하여 유전체층(15)을 선택적으로 식각함으로써 유전체층 패턴(15a)을 형성한다.
다음으로, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 유전체층 패턴(15a)을 증착 마스크로 이용하여 코발트(Co) 등으로 된 금속 촉매 시드층(19)을 스퍼터링법에 의해 금속층(13) 상에 증착한다.
다음으로, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, CVD를 이용하여 금속 촉매 시드층(19) 상에 CNT(20)를 형성한다. 이에 따라, CNT(20)로 된 에미터들을 구비하는 전계방출소자가 제조될 수 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 종래의 CVD법을 이용하여 제조된 전계방출소자는, 대면적의 응용에 적합하지 않고 불균일한 CNT 에미터 분포를 나타낼 수 있는 문제가 있다. 또한, CNT 에미터의 분포 밀도를 제어하기가 어렵고, 양산성이 좋지 않으며, CNT 에미터의 부착 강도가 낮다는 문제 또한 가지고 있다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 페이스트법에 의한 전계방출소자를 제조하는 방법이 제시되어 있다.
먼저, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 아르곤(Ar) 및 크롬(Cr) 등의 기판(21) 위에, 도전성 페이스트(22)를 스크린 인쇄(screen print) 방법 등을 이용하여 도포한다.
이후에, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브(CNT, 20), 바인더(binder), 유리 분말(glass powder) 및 은(silver) 등과 같은 전자 방출 물질(23)을 스크린 프린트법 등을 이용하여 도전성 페이스트 상면에 도포한다.
그 다음, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 적외선 레이저(IR laser)를 이용하여 탄소나노튜브(20)를 포함한 전자 방출 물질(23)을 패턴화 한다. 패턴화된 전자 방출 물질 중 탄소나노튜브(20)의 팁(tip)들이 전자 에미터(emitter)로서 기능하게 된다.
그러나, 이러한 종래의 전계방출소자는 바인더를 이용하기 때문에 고전압 인가 시에 바인더에서 방출되는 방출가스로 인하여 전계방출소자의 진공도에 악영향을 미치게 되며, 또한 규칙적인 탄소나노튜브의 조절이 안 되는 경우에는 국부적으로 탄소나노튜브(팁)에 전류가 과도하게 걸리게 됨으로써 열화로 인한 파괴가 일어나는 문제점이 있었다.
본 발명은 에미터의 간격을 나노사이즈로 구현시킬 수 있어 대면적의 전계방출소자를 구현할 수 있는 전계방출소자 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판의 표면에 복수의 나노스피어가 배열되는 나노스피어(nanosphere)층을 형성하는 단계, 나노스피어의 사이즈가 감소되도록 나노스피어층을 애싱(ashing)하는 단계, 기판의 표면에 메탈촉매를 증착하는 단계, 나노스피어를 제거하는 단계 및 메탈촉매에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하는 전계방출소자 제조방법을 제공한다.
여기서, 나노스피어는 폴리스티렌을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 나노스피어층 형성단계 이전에, 기판의 표면을 친수성화 시킬 수 있다.
또한, 애싱단계는, 산소 플라즈마로 처리함으로써 수행될 수 있으며, 메탈촉매는, 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다.
메탈촉매 증착단계는, 스퍼터 방법에 의해 수행될 수 있으며, 탄소나노튜브 성장단계는, 메탈촉매 이온과 탄소나노튜브(CNT)가 분산처리된 전해액에서, 전해도금하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 전계방출소자 제조방법은, 에미터의 간격을 나노사이즈로 구현시킬 수 있어 대면적의 전계방출소자를 형성할 수 있고, 에미터의 간격을 조절할 수 있어, 전계방출소자의 생산성과 재현성을 확보할 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 전계방출소자 제조방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 전계방출소자 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 4 내지 도 8은 전계방출소자 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4 내지 도 8을 참조하면, 기판(100), 나노스피어(nanosphere)(102), 나노스피어층(104), 메탈촉매(106), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)(108)가 도시된다.
본 실시예의 전계방출소자 제조방법은, 기판의 표면에 나노스피어가 배열되는 나노스피어층을 형성하고, 나노스피어의 사이즈가 감소되도록 나노스피어층을 애싱한 후, 기판의 표면에 메탈촉매를 증착하고, 나노스피어를 제거하여 메탈촉매에 탄소나노튜브를 성장시킴으로써, 에미터의 간격을 나노사이즈로 구현시킬 수 있어 대면적의 전계방출소자를 형성할 수 있다.
본 실시예를 실시하기 위해 먼저, 기판(100)의 표면을 친수성화 시켜(S10) 기판(100) 표면에 형성될 나노스피어(102)와 기판(100)의 부착강도를 높힌다.
이때, 본 실시예서의 기판(100)이라 함은, 절연체로 형성될 수 있는 기판일 수 있으며, 실리콘 웨이퍼로서 정의될 수도 있다.
기판(100)의 표면을 친수성화 시키는 원리는 다음과 같다. 먼저, 황산 (H2SO4)과 과산화수소수(H2O2)를 3:1의 비율로 섞고 2시간 동안 기판(100)에 적용시키면 기판(100) 표면의 유기물과 먼지가 제거될 수 있고, 기판(100)과 나노스피어(102)의 부착강도를 높일 수 있다. 또한, 질산암모늄(NH4OH)과 물(H2O)과 과산화수소수(H2O2)를 1:5:1의 비율로 섞고 30분 동안 기판에 적용시키면 기판(100) 표면의 산화막과 각종 금속이 제거될 수 있어, 기판(100) 표면과 나노스피어(102)와의 부착강도를 높일 수 있다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 표면에 복수의 나노스피어(102)로 배열되는 나노스피어층(104)을 형성한다(S20). 이때, 나노스피어(102)는 폴리스티렌으로 형성될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 나노스피어(102)를 기판(100)의 표면에 고르게 분포시키기 위해서는 스핀코팅(spin coating)법, 팩킹(packing)법, 드롭(drop)법 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.
여기서, 팩킹법은 용매에 나노스피어를 분산시키고, 나노스피어가 분산된 용매를 기판(100)에 흘려준 후, 증발시키는 방법이다.
세 가지 방법을 이용하여 기판(100)의 표면에 나노스피어(102)가 고르게 분포될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 기판(100) 표면을 친수성화 시킴에 따라 기판(100)과 나노스피어(102)의 부착강도를 높일 수 있다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 나노스피어(102)의 사이즈가 감소되도록 나노스피어층(104)을 애싱(ashing)한다(S30). 보다 구체적으로 애싱은 산소 플 라즈마로 처리하여 수행될 수 있는데, 산소 플라즈마에서 가장 강한 반응성을 지닌 산소 원자로 나노스피어(102)의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
나노스피어(102)의 사이즈를 감소시키면, 나노스피어(102) 사이에 간격이 형성되고, 그 간격에 후술할 메탈촉매(106)가 증착될 수 있다. 그리고, 메탈촉매(106)에는 전계에 의해 전자를 방출하는 미세한 팁인 탄소나노튜브(108)를 형성할 수 있다.
상술한 바와 같은 공정에 의해서 탄소나노튜브(108)로 구성되는 에미터의 간격을 나노사이즈로 구현시킬 수 있기 때문에 대면적의 전계방출소자를 형성할 수 있어 전계방출소자의 생산성과 재현성을 확보할 수 있다.
또한, 나노스피어(102)의 사이즈를 조절함에 따라 메탈촉매(106)의 간격도 조절할 수 있기 때문에, 탄소나노튜브로 구성되는 에미터의 간격도 조절할 수 있다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 표면에 메탈촉매(106)를 증착시킨다(S40). 메탈촉매(106)는 후술할 탄소나노튜브(108)가 형성될 곳이며, 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 한편, 메탈촉매(106)에 탄소나노튜브(CNT)(108)를 성장시키는 도금과정에서, 전해액에 메탈촉매 이온과 탄소나노튜브를 분산 처리하는데, 메탈촉매(106)와 전해액 속의 메탈촉매 이온은 동일한 성분임은 물론이다.
또한, 메탈촉매(106)는 스퍼터(sputter) 방법에 의해 나노스피어(102) 표면에 증착될 수 있다.
그 다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 기판(100)에서 메탈촉매(106)가 증착된 나노스피어(102)를 제거한다(S50). 보다 구체적으로 산소 플라즈마를 이용한 애싱공정에 의해 나노스피어(102)의 사이즈를 감소시켜 제거할 수 있다. 산소 플라즈마를 이용한 애싱공정은 상술한 바와 같다.
나노스피어(102)를 제거하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 기판(100)에 메탈촉매(106)의 패턴이 형성될 수 있다. 또한, 산소 플라즈마를 이용한 애싱공정에 의해 나노스피어(102)를 제거하면 메탈촉매(106)의 패턴 간격을 조절할 수 있다.
다음으로 도 8에 도시된 바와 같이, 메탈촉매(106)에 탄소나노튜브(108)를 성장시킨다(S60). 탄소나노튜브(108)를 성장시키는 방법은 전기방전법, 레이저 증착법, 플라즈마 화학기상증착법, 열 화학기상증착법, 기상합성법, 전기분해법, 프레임(flame) 합성법에 의해 수행될 수 있다.
본 실시예에서의 탄소나노튜브(108)를 성장시키는 방법은 도 9와 도 10을 참조하여 설명한다.
도 9는 니켈(Ni) 및 탄소나노튜브(CNT)의 수용체에 대한 분산 공정을 나타내는 도면이고, 도 10은 메탈촉매에 탄소나노튜브를 성장시키기 위해 전해 도금하는 공정을 나타내는 도면이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 욕조(110), 초음파 발생기(112), 양이온 분산제(114), 전해조(116), 전해액(118), 니켈 플레이트(Ni plate)(120)가 도시된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 전해조(116)에 메탈촉매 이온과 탄소나노튜브(108)가 분산처리된 전해액(118)을 넣고, 전해액(118)에 메탈촉매(106)가 패터닝 된 기판(100)과 니켈 플레이트(nickel plate)(120)를 각각 침지시켜 전해도금한다. 여기서, 메탈촉매 이온은 메탈촉매(106)와 동일한 종류임은 상술한 바와 같다. 본 실시예에서는 메탈촉매를 니켈로 메탈촉매 이온을 니켈 이온(Ni2 +)으로 하여 설명한다.
한편, 상술한 전해액(118)은, 도 9에 도시된 바와 같이, 욕조(110) 내에 탄소나노튜브(108) 10 내지 20mg/L 와 양이온 분산제(114)를 넣은 후, 초음파 발생기(112)를 이용하여 30분 내지 60분 동안 초음파를 인가함으로써 분산처리 되도록 할 수 있다.
그 다음, 메탈촉매(106)가 패터닝된 기판(100)과 니켈 플레이트(120)에 직류전압을 인가함으로써 도금이 수행될 수 있으며, 그 결과 도 8에 도시된 바와 같이 메탈촉매(106)에 니켈(Ni)과 탄소나노튜브(CNT)(108)를 충전할 수 있는 것이다.
니켈(Ni)과 탄소나노튜브(CNT)(108)를 충전할 때 온도는 50도를 유지하며, 0.1 내지 0.5ASD 정도의 전류밀도에서 30분 내지 60분 동안 충전할 수 있다.
상기와 같은 공정으로 형성되는 전자방출물질은 탄소나노튜브(108)와 니켈이온으로 구성될 수 있으며, 전자방출물질의 간격은 촘촘히 형성될 수 있다. 왜냐하면, 나노스피어(102)의 사이즈를 줄여 형성된 간격에 메탈촉매(106)인 니켈촉매가 형성되기 때문에, 메탈촉매(106)에 형성되는 탄소나노튜브(108) 또한 촘촘히 형성될 수 있는 것이다. 따라서, 에미터가 촘촘히 형성되므로, 대면적의 전계방출소자 제작이 가능할 수 있다.
또한, 나노스피어(102)의 사이즈 조절이 가능하기 때문에 나노스피어(102) 사이에 형성될 메탈촉매(106)의 패턴 간격도 조절할 수 있어, 메탈촉매(106)에 형성되는 탄소나노튜브(108)의 간격도 조절할 수 있다. 따라서, 에미터의 간격도 조절할 수 있다.
또한, 액상에서의 도금 공정으로 높은 균일도를 얻을 수 있고, 비용을 절약할수 있으며, 높은 양산성을 가질 수 있다.
또한, 메탈촉매(106)와 메탈촉매 이온이 동일한 성분이기 때문에 탄소나노튜브(108)와 메탈촉매(106)의 부착강도를 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 전계방출소자 제조방법을 나타내는 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 전계방출소자 제조방법을 나타내는 순서도.
도 4 내지 도 8은 전계방출소자 제조방법을 나타내는 흐름도.
도 9는 니켈(Ni) 및 탄소나노튜브(CNT)의 수용체에 대한 분산 공정을 나타내는 도면.
도 10은 메탈촉매에 탄소나노튜브를 성장시키기 위해 전해 도금하는 공정을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 102 : 나노스피어
104 : 나노스피어층 106 : 메탈촉매
108 : 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)
110 : 욕조 112 : 초음파 발생기
114 : 양이온 분산제 116 : 전해조
118 : 전해액 120 : 니켈 플레이트

Claims (7)

  1. 기판의 표면에 복수의 나노스피어가 배열되는 나노스피어(nanosphere)층을 형성하는 단계;
    상기 나노스피어의 사이즈가 감소되도록 상기 나노스피어층을 애싱(ashing)하는 단계;
    상기 기판의 표면에 메탈촉매를 증착하는 단계;
    상기 나노스피어를 제거하는 단계; 및
    상기 메탈촉매에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하는 전계방출소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노스피어는 폴리스티렌을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노스피어층 형성단계 이전에,
    상기 기판의 표면을 친수성화 시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 전계방출소자 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 애싱단계는, 산소 플라즈마로 처리함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메탈촉매는, 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메탈촉매 증착단계는, 스퍼터 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 성장단계는,
    메탈촉매 이온과 상기 탄소나노튜브가 분산처리된 전해액에서, 전해도금하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전계방출소자 제조방법.
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