KR100876385B1 - 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치 및 그 장치의 전계방출 패널 제조방법 - Google Patents

전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치 및 그 장치의 전계방출 패널 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치 및 그 장치에 사용되는 전계방출 패널의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 종래의 전자빔 증착장치에서 사용되던 열전자방출 방식의 전자총을 대신하여 탄소나노튜브 등으로 형성된 에미터를 갖는 전계방출 패널을 전자 방출원으로 사용함으로써 전자 방출원 패널의 수 및 위치에 따라 전자빔 증착 효율을 증대시킬 수 있는 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치 및 그 장치의 전계방출 패널 제조방법을 제공한다.
전자방출, 에미터, 탄소나노튜브, 전자빔 증착

Description

전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치 및 그 장치의 전계방출 패널 제조방법{Electron Beam Vapor Deposition Equipment Using Field Emission Panel and Manufacturing Method of Field Emission Panel}
도1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전계방출 패널을 전자빔 방출원으로 사용한 전자빔 증착장치의 한 실시예를 나타낸 도면.
도2는 도1의 전자빔 증착장치의 전자빔 방출원인 다이오드 방식의 탄소나노튜브 전계방출 패널의 실시예를 나타낸 단면도.
도3은 도1의 전자빔 증착장치의 전자빔 방출원인 트라이오드 방식의 탄소나노튜브 전계방출 패널의 실시예를 나타낸 단면도.
도4a는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전계방출 패널을 전자빔 방출원으로 사용한 하나의 전자빔 증착장치의 실시예를 나타낸 도면.
도4b는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전계방출 패널을 전자빔 방출원으로 사용한 다수개의 전자빔 증착장치가 선형적으로 배열된 상태를 나타낸 도면.
도4c는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전계방출 패널을 전자빔 방출원으로 사용한 다수개의 전자빔 증착장치가 이차원적으로 배열된 상태를 나타낸 도면.
도5a는 본 발명에 따른 2개의 탄소나노튜브 패널을 전자빔 방출원으로 사용 한 전자빔 증착장치의 실시예를 나타낸 도면.
도5b는 본 발명에 따른 4개의 탄소나노튜브 패널을 전자빔 방출원으로 사용한 전자빔 증착장치의 실시예를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101,302: 탄소나노튜브 에미터 102: 캐소드 전극
103: 게이트 전극 104: 가속 전극
111: 편향 자석 112: 전자빔 속
120 : 증착부 121 : 용기 지지대 122: 용기 123: 용융 물질
124: 증착물질 205 : 스페이서
206 : 제2스페이서
301,401,402,403,403: 전계방출 패널
본 발명은 전계방출 패널을 갖는 전자빔 증착장치 및 그 장치의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 종래의 전자빔 증착장치에서 사용되던 열전자방출 방식의 전자총을 대신하여 탄소나노튜브 등으로 형성된 에미터를 갖는 전계방출 패널을 전자 방출원으로 사용함으로써 전자 방출원 패널의 수 및 위치에 따라 전자빔 증착 효율 을 증대시킬 수 있는 전계방출 패널을 갖는 전자빔 증착장치 및 그 장치의 전계방출 패널 제조방법을 제공한다.
일반적으로 전자빔 증착장치의 전자빔 방출원으로는 열전자방출 방식의 전자총을 사용하고 있다.
그러나, 상기와 같은 열전자 방출 방식의 전자총은 그 부피가 클 뿐만 아니라 전자를 방출하기 위해 소요되는 전력이 매우 크기 때문에 전자빔 증착방법으로 해당 물질을 증착하기에는 제조비용이 많이 들고 소형화하기 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, 열전자 방출 방식의 전자총은 그 크기가 제한되어 있어 전자방출량에 한계가 있으며, 열화방식에 의해 전자방출원인 에미터의 수명이 단축되어 장시간 사용할 수 없다는 문제점도 있었다. 또한 전자 생성을 위하여 고온으로 필라멘트를 가열해야 하므로 소모 전력이 높아 과도한 에너지를 이용해야 한다는 단점을 가지고 있다. 그리고 열전자를 이용한 전자빔은 그 부피가 크므로 여러개의 빔을 정렬하여 대면적화하는 것이 불가능하였다. 이러한 단점으로 인하여 대면적 증착을 위해서는 증착물과 기판과의 거리를 가능한 멀게 하여야 하며, 이는 증착물의 과도한 소비로 이어져 이용 효율을 저하시키게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 디스플레이 소자로 많이 사용되고 있는 전계효과 디스플레이로 상기 전자총을 대신하려는 연구가 진행되고 있으나, 에미터로 사용되는 재료의 한계로 인하여 별다른 성과를 거두고 있지 못하는 실정이 다.
따라서 본 발명은 탄소나노튜브를 이용하여 제조된 에미터를 갖는 전계방출 패널을 전자빔 증착장치에 사용함으로써 낮은 전압하에서도 높은 전자방출 효과를 거둘 수 있도록 하여 전자빔 증착에 소요되는 비용을 최소화하고, 전자빔 증착장치의 크기를 조절할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 전자 방출원인 전계방출 패널의 수와 위치를 조절함으로써 전자빔 증착 효율을 조절하거나 향상시키는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 전자빔 증착장치를 선형적 또는 2차원적으로 배열함으로써 대멱적 또는 원하는 형태의 면적에 용이하게 전자빔 증착을 실시할 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전자방출원을 갖는 전자빔 증착장치에 있어서, 상기 전자방출원은 기판 상부에 형성된 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극 상부에 형성된 다수개의 에미터와, 상기 에미터 상부에 스페이서에 의해 일정거리 이격되어 형성된 게이트 전극으로 구성된 전계방출 패널인 것을 특징으로 하는 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도1은 본 발명에 따른 전계방출 패널을 전자빔 방출원으로 사용한 전자빔 증착장치의 실시예를 나타낸 것으로, 기판(도시되지 않음) 상부에 형성된 캐소드 전극(102)과; 상기 캐소드 전극(120) 상부에 형성된 에미터들(101)들과; 상기 에미터 상부에 일정거리 이격되어 형성되고, 상기 에미터(101)들로부터 방출되는 전자가 통과할 전자 통과홀이 형성된 게이트 전극(103)과; 상기 게이트 전극(103) 상부에 일정거리 이격되어 형성되고, 상기 에미터(101)들로부터 방출되는 전자가 통과할 전자 통과홀이 형성된 가속전극(104)으로 이루어져 종래의 전자빔을 대신하는 전계방출 패널과; 상기 전자방출원으로부터 전자빔의 경로를 유도하기 위한 편향자석(111)과; 상기 편향자석(111)에 의해 경로가 변경된 전자빔(112)이 도달하여 해당 물질을 증착시기 위한 증착부(120)로 구성된다.
이때, 상기 증착부(120)는 용기(122)를 안치시키기 위한 용기 지지대(121)와; 상기 용기 지지대(121)에 거치되며 용융 물질(123)과 증착물질(124)을 담기 위한 용기(122)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 전자빔 증착장치는 전계방출 패널(100)에서 방출된 전자 빔을 가속 전극(104)에서 가속시킨 후, 상기 편향자석(111)에 의해 전자빔(112)이 상기 증착부(120)로 유도되고, 상기 증착부(120)의 용기(122)에 있는 증착 물질(124)로 집속하도록 구성한다.
또한, 상기 에미터(101)는 낮은 전압하에서도 많은 전자를 방출할 수 있고 강도가 커 장시간 사용이 가능하고, 나노미터 크기의 구조로써 탄력성과 강도, 유 연성 등을 가지며, 낮은 전자방출 전압과 높은 방출전류로 인해 전계효과 디스플레이의 전자방출 소자로 응용할 수 있는 탄소나노튜브를 이용하여 형성한다.
도2 및 도3은 본 발명의 전자빔 증착장치에 사용되는 전계방출 패널의 실시예들을 나타낸 것으로, 도2는 다이오드 방식의 전계방출 패널을 나타낸 것이고, 도3은 트라이오드 방식의 전계방출 패널을 나타낸 것이다.
상기 다이오드 방식의 전계방출 패널는, 기판 상부에 캐소드 전극(102)을 형성 다음, 상기 캐소드 전극 상부에 탄소나노튜브를 이용하여 다수개의 에미터(101)를 형성한다. 이때, 상기 기판이 도전성 물질로 이루어진 경우에는 캐소드 전극을 형성하지 않고 기판 자체를 캐소드 전극으로 사용할 수도 있다. 다음에, 상기 에미터가 형성된 부분을 둘러싸도록 스페이서(205)를 형성한 다음, 상기 스페이서(205) 상부에 전자빔 방출홀을 갖는 게이트 전극(103)을 형성한다.
상기 탄소나노튜브를 이용한 에미터의 형성방법은, 기판 상부에 캐소드 전극과 촉매 금속층을 형성한 다음, 상기 촉매 금속층 상부에 감광성 레지스트 층을 형성하고 리소그라피 공정에 의해 원하는 위치에 원하는 모양의 패턴으로 에미터 성장부들을 형성하고 나머지 부분의 감광성 레지스트를 제거한다. 다음에 상기 패턴으로 형성된 에미터 성장부들에 탄소나노튜브를 이용하여 에미터를 성장시킨다.
또한, 상기 촉매 금속층은 니켈(Ni), 철(Fe) 또는 코발트(Co)와 같은 단일 금속이나, 코발트-니켈, 코발트-철, 니켈-철 또는 코발트-니켈-철이 합성된 합금을 사용하여 열증착(thermal evaporation)법, 스퍼터링(sputtering)법 또는 전자빔증착(electron beam evaporation)법, 화학기상 증착법 등을 이용하여 수 nm 내지 수 백 nm, 바람직하게는 10 내지 100nm의 두께로 형성한다. 상기 촉매 금속층을 형성하는 방법으로는 상기와 같은 리프트 오프 방법뿐만 아니라 촉매 금속층을 기판 전면에 먼저 도포하고, 그 상부에 감광성 레지스트를 도포한 후, 노광시켜 원하는 패턴의 촉매 금속층을 형성하는 리소그라피(lithography) 방법을 사용할 수도 있다.
다음에, 상기 에미터인 탄소 나노튜브를 선택적으로 성장시키기 위하여 패턴을 갖는 감광성 레지스트층을 형성하는 방법은 촉매 금속층이 형성된 기판 상부에 스핀코팅에 의해 형성한다. 이때 형성되는 감광성 레지스트는 스핀코팅의 속도를 조정하여 0.3 ~ 10 ㎛의 두께를 갖도록 한다. 또한, 상기와 같은 두께로 형성된 감광성 레지스트를 100 ~ 250 oC 의 온도로 소결한 후, UV와 마스크를 이용하여 필요한 형태의 패턴 노광 과정을 수행한 다음, 이를 현상하여 전자방출소자의 위치에 패턴에 의해 에미터 성장부를 형성한다. 상기 에미터의 선택적 성장을 위하여 패턴 이외의 부분의 촉매 금속층을 식각액을 이용하여 제거하거나, 또는 감광성 레지스트만이 제거된 상태로 기판을 200 ~ 800 ℃에서 1 ~ 600분간 용융과정을 거쳐 처리하여 탄소나노튜브 성장을 위한 씨앗(Seed)인 전자방출 성장부를 형성한다. 즉, 전자방출 소자인 탄소나노튜브가 성장하지 않는 부분의 감광성 레지스트는 제거되고, 전자방출 소자가 형성될 영역의 레지스트와 촉매금속과 반응하게 된다. 이때, 상기 기판 열처리 조건은 600oC 에서 30분간 용융과정을 실시하는 것이 적당하다.
다음에, 상기 전자방출 소자 성장부에 탄소 나노튜브를 성장시키는 방법은, 약 150 내지 800℃의 내부 온도 및 2 Torr의 내부 압력를 갖는 플라즈마 반응로에 서 상기 기판을 어닐링(annealing)한 후, 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 에틸렌 (C2H4), 프로필렌(C2H6) 또는 프로판(C3H8)과 같은 탄화수소류 기체 및 암모니아(NH3) 또는 수소화물 기체인 질소 또는 수소함유 기체를 함께 공급하여 형성한다. 그 한 실시예로서 상부전극을 0V, 하부전극을 -600V 로 고정하고, 투과제어전극의 전압을 +300V 로 공급하면서, 아세틸렌 30sccm 및 암모니아 70sccm 를 동시에 공급한다. 상기와 같이 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 장치의 증착실 내로 공급된 메탄, 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌 또는 프로판과 같은 탄화수소 기체는 기체 상태에서 탄소 유닛(C=C 또는 C)과 자유 수소(H)로 플라즈마 및 열분해(pyrolysis)되고, 상기 분해된 탄소 유닛들은 감광성 레지스트층(130)에 형성된 전자방출 소자 형성부(131)에 의해 노출된 촉매 금속층(120)의 금속 입자의 표면에 흡착되며, 시간이 경과함에 따라 촉매 금속 입자의 내부로 확산되어 용해된다. 상기와 같은 상태에서 지속적으로 탄소 유닛들이 공급되면, 촉매 금속 입자의 촉매 작용에 의해 에미터를 형성하는 탄소나노튜브가 일정한 방향으로 성장한다.
상기 에미터는 탄소나노튜브 뿐만 아니라 상기 성장환경을 달리하여 탄소가 포함되는 탄소나노파이버, 나노그라파이트, 탄소마이크로 코일 등을 사용할 수도 있다.
상기와 같이 기판 상부에 에미터를 형성한 다음, 에미터가 형성된 캐소드 전극 상부에 스페이서(205)를 형성한다. 상기 스페이서의 형성방법은 레지스트를 상 기 게이트 전극(103)의 형성 위치를 고려하여 에미터(101)가 함침되도록 도포한 다음, 전자빔의 방출 영역에 따라 스페이서가 형성될 부분 이외의 레지스트를 디벨로퍼(developer)를 이용하여 제거한다. 다음에, 상기 스페이서 형성 위치에 있는 레지스트를 250 ~ 400℃로 소결하여 스페이서(205)를 형성한다. 이때, 상기 레지스트는 스크린 프린팅, 화학기상층착법 또는 스핀코팅 방법으로 도포한다.
다음에, 상기 스페이서(205) 상부에 게이트 전극(103)을 형성하고 포토레지스트 등을 이용하여 전자빔이 방출될 위치에 전자빔 방출홀을 형성함으로써 다이오드 방식의 전자방출 패널을 제조하게 된다.
다음에, 도3은 트라이오드 방식의 전자방출 패널을 나타낸 것으로, 상술한 바와 같은 방법으로 전자빔 방출홀을 형성하기 전 단계의 게이트 전극(103)을 형성한 다음, 상기 게이트 전극 상부에 상기 스페이서를 형성하는 방법과 동일한 방법으로 제2 스페이서(206)를 형성하고, 상기 제2스페이서(206) 상부에 전자빔 방출홀을 갖는 가속 전극(104)을 형성한다.
상기와 같이 형성된 다이오드 방식의 전계방출 패널과 트라이오드 방식의 전계방출 패널은 전자빔 증착장비의 용도 및 용량에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.
다음에, 도4a는 본 발명에 따른 최소 단위의 전자빔 증착장치를 나타낸 것으로, 탄소나노튜브로 형성된 에미터(302)을 갖는 하나의 전계방출 패널(301)과 하나 의 용기 지지대(121), 용기(122), 그리고 용기(122)에 담긴 증착물질(124)을 구비한 증착부(120)를 나타낸 것이고, 도4b는 상기 도4a와 같은 전자빔 증착장치 다수개를 선형적으로 배열한 것을 나타낸 것이며, 도4c는 도4a와 같은 전자빔 증착장치 다수개를 이차원적으로 배열한 것을 나타낸 것이다. 전자빔을 선형적으로 배열하게 되는 경우 기판의 이동에 의해 대면적에 균일한 증착이 가능하다. 일반적으로 대면적 증착을 위해서 기판과 증착물 사이의 간격을 멀리하게 되는데, 선형적으로 전자빔을 배열시 그 간격을 가깝게 가져갈 수 있어, 증착속도의 향상과 함께 증착물의 이용 효율을 크게 향상 시킬수 있다. 또한 이차원 배열의 경우 선형적인 배열에 비하여 기판의 이동 필요없이 대면적 증착이 가능하므로 증착 시간을 크게 감소시킬 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전자방출 패널을 갖는 전자빔 증착장치는 대면적의 전자빔 증착이 가능하고, 증착되는 위치에 증착물질을 유무에 따라 증착위치를 조절할 수 있다. 또한, 증착효율을 증가시키기 위해 다수개의 증착장치 개수를 조절하여 선형적 또는 이차원적으로 배열할하여 사용할 수도 있다.
다음에, 도5a 및 도5b는 하나의 전자빔 증착장치에 다수개의 탄소나노튜브 전자방출 패널을 사용한 실시예들을 나타낸 것으로, 도5a는 서로 마주보도록 두개의 전자방출 패널(401,402)을 설치한 것을 나타낸 것이고, 도5b는 네 개의 면에서 서로 마주보도록 4개의 전자방출 패널(401,402,403,404)을 설치한 것을 나타낸 것이다.
상기와 같이 하나의 전자빔 증착장치에 다수개의 전자방출 패널을 사용함으로써 용기의 증착물질로 집속되는 전자빔의 양을 크게 증가시킬 수 있으므로 전자빔 증착의 효율을 크게 증대시킬 수 있다.
상기와 같은 탄소나노튜브 전계방출 패널을 갖는 전자빔 증착장치는 전계방출 패널의 캐소드 전극에 전압을 인가하여 탄소나노튜브로 형성된 에미터로부터 전자를 방출하고, 상기 방출된 전자빔은 게이트 전극(103)에 의해 세기를 조절한다. 다음에, 상기 게이트 전극(103)을 통과한 전자빔은 가속전극(104)를 통하면서 전자의 가속이 진행된다. 가속된 전자빔은 편향자석(111)으로 유도되어(112) 용기(122) 내에 위치하고 있는 증착물질(124)에 집속할 수 있으며, 이에 집속된 전자에너지에 의해 증착물질이 용융된 물질(123)이 증착되는 것이다.
이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 고안의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.
본 발명은 탄소나노튜브를 이용하여 제조된 에미터를 갖는 전계방출 패널을 전자빔 증착장치에 사용함으로써 낮은 전압하에서도 높은 전자방출 효과를 거둘 수 있도록 하여 전자빔 증착에 소요되는 비용을 최소화하고, 전자빔 증착장치의 크기를 조절할 수 있도록 한다.
또한, 전자 방출원인 전계방출 패널의 수와 위치를 조절함으로써 전자빔 증착 효율을 조절할 수 있고, 전자빔 증착 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 전자빔 증착장치를 선형적 또는 2차원적으로 배열함으로써 대면적 또는 원하는 형태의 면적에 전자빔 증착을 실시할 수 있도록 한다.

Claims (11)

  1. 전자방출원을 갖는 전자빔 증착장치에 있어서,
    상기 전자방출원은 기판 상부에 형성된 캐소드 전극과;
    상기 캐소드 전극 상부에 형성된 다수개의 에미터와;
    상기 에미터 상부에 스페이서에 의해 일정거리 이격되어 형성된 게이트 전극으로 구성된 전계방출 패널인 것을 특징으로 하는 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치.
  2. 제 1 항에서 있어서,
    상기 전계방출 패널은,
    상기 게이트 전극 상부에 스페이서를 사이에 두고 일정 거리 이격된 가속전극이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에미터는 탄소나노튜브로 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에미터는
    탄소나노파이버, 나노그라파이트, 탄소마이크로 코일 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자빔 증착장치는 하나의 전계방출 패널 및 하나의 증착부를 갖는 전자빔 증착장치 다수개가 선형적으로 배열된 것을 특징으로 하는 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전자빔 증착장치는 하나의 전계방출 패널 및 하나의 증착부를 갖는 전자빔 증착장치 다수개가 2차원적으로 배열된 것을 특징으로 하는 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하나의 증착부를 갖는 전자빔 증착장치는,
    2개 이상의 전계방출 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 패널을 이용한 전자빔 증착장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항의 전자빔 증착장치에 사용되는 전계방출 패널을 제조하기 위하여,
    기판 또는 캐소드 전극 상부에 탄소나노튜브를 이용하여 에미터를 형성하는 단계와;
    상기 에미터가 형성된 캐소드 전극 상부에 전자방출 영역을 갖는 스페이서를 형성하는 단계와;
    상기 스페이서 상부에 전자방출홀을 갖는 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착장치의 전계방출 패널 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 게이트 전극 상부에 전자방출 영역을 갖는 제2스페이서를 형성하는 단계와;
    상기 제2스페이서 상부에 전자방출 홀을 갖는 가속전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착장치의 전계방출 패널 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 이용하여 에미터를 형성하는 방법은,
    상기 기판을 어닐링하는 단계와;
    상기 어닐링된 기판에 탄화수소 기체를 공급하면서 플라즈마 화학기상증착을 실시하는 단계를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착장치의 전계방출 패널 제조방법.
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