KR100883647B1 - 카본 나노 튜브를 이용한 전계방출소자 - Google Patents

Abstract

카본 나노 튜브를 이용한 전계방출소자에 관해 개시된다. 개시된 소자는: CNT 에미터가 그 상면에 마련되어 있는 캐소드 전극과 상기 CNT 에미터로부터 방출되는 전자가 통과하는 개구부를 가지는 게이트 전극과 상기 게이트 전극과 캐소드 전극 사이에 마련되는 게이트 절연층이 마련된 단위 전자총을 다수 구비하며, 하나의 화소 영역에 복수의 상기 CNT 에미터를 구비하는 전계방출소자에 있어서, 상기 화소 영역은 적어도 하나의 소영역을 갖고, 상기 소영역 내에 두 개의 CNT 에미터가 한 쌍을 이루도록 구비되며, 한 쌍을 이루는 상기 두 개의 CNT 에미터 각각은 서로 마주하는 내측부의 반대편의 일부가 결여된 부분 원형인 전계방출소자이다. 이러한 본 발명의 특징에 따라 전자의 제어가 효과적으로 이루어지고 따라서 색순도 및 휘도가 증가될 수 있다.

CNT, 에미터, 전자, 제어

Description

카본 나노 튜브를 이용한 전계방출소자{Field emission device using carbon nano tube}

도 1은 종래 전계방출소자의 개략적 단면도이다.

도 2는 실제 제작된 종래 전계방출소자의 평면사진이다.

도 3은 실제 제작된 종래 전계방출소자의 확대된 평면사진이다.

도 4는 본 발명에 따른 전계방출소자의 한 실시예의 평면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 전계방출소자의 다른 실시예의 평면도이다.

도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 CNT 에미터의 형성 패턴을 도시한다.

도 7은 도 2에 도시된 종래 전계방출소자의 CNT 에미터의 형성 패턴을 도시한다.

도 8 내지 도 11은 대향된 두 CNT 에미터의 부위별 전자발생을 시뮬레이션한 결과 그래프이다.

도 12a 내지 도 12f는 본 발명에 따른 전계방출소자를 제작하는 방법을 개략적으로 설명해 보이기 위한 공정도이다.

본 발명은 전계방출소자에 관한 것으로 특히 카본 나노 튜브(carbon nano tube, CNT))를 이용 전계방출소자에 관한 것이다.

카본나노튜브(CNT)는 작은 직경과 튜브 끝의 날카로움으로 인해 전계 방출이 대단히 낮은 전압에서도 이루어지는 재료로서, C60(fulleren)과 물성이 유사하나 튜브 형태로 우수한 전자방출 특성, 화학적, 기계적 내구성을 가지고 있으며 그 물성 및 응용성이 연구 되어 오고 있는 실정이다. 현재 전계방출디스플레이(field emission display)용으로 사용되는 스핀트 타입(Spindt-type) 전계방출소자는 전자가 방출되는 에미터로서의 마이크로 팁을 이용한다. 이러한 마이크로 팁는 전계 방출시 분위기 개스 및 불균일한 전계 등의 영향으로 수명이 단축되는 문제점을 안고 있다. 또한, 전계방출을 위한 구동전압을 낮추기 위하여는 일함수(work function)가 낮추어져야 하나 기존의 금속 마이크로 팁으로서는 한계가 있다. 이를 극복하기 위한 물질로서 종횡비(aspect ratio)가 극히 높고, C60와 유사한 구조를 가져 내구성이 우수하고 전자 전도성이 뛰어난 카본나노 튜브를 전자방출원으로 사용하는 전계방출어레이가 개발되고 있다.

도 1은 카본 나노튜브를 이용한 종래 전계방출어레이의 단위 전자총의 단면 구조를 개략적으로 도시한다.

기판(1) 상에 캐소드 전극(2) 이 형성되어 있고 그 위에 캐소드 전극(2)을 일부 커버하며 캐소드 전극(2)의 중앙 부분을 노출시키는 개구부(3a)를 가지는 캐소드 절연층(3)이 형성되어 있다. 캐소드 절연층(3) 위에는 캐소드 절연층(3)의 개구부(3a)에 비해 큰 실질적으로 개구부(4a, 5a)를 가지는 제1게이트 절연층(4) 및 제1게이트 전극(5) 이 형성된다. 그리고 제1게이트 전극(5)위에는 제1게이트 전극(5)의 개구부(5a)에 비해 큰 실질적으로 개구부(6a, 7a)를 가지는 제2게이트 절연층(6) 및 제2게이트 전극(7)이 형성되어 있다. 한편, 상기 캐소드 전극(2)의 상면에는 성장되거나 도포된 CNT 에미터(8)가 마련된다.

도 1에 도시된 구조의 전계방출소자는 두 개의 게이트 전극을 가짐으로써 효과적인 전자 제어가 가능한 것이다. 이러한 CNT를 이용한 전계방출소자는 스핀트 타입의 마이크로 팁과는 달리 캐소드 전극 상의 대부분의 CNT로부터 전체적으로 전자를 방출하기 때문에 전류밀도가 높은 반면에 전자가 넓게 확산되기 때문에 이를 효과적으로 제어하지 못하면 색순도, 휘도 등에 불리하게 된다.

도 2 및 도 3은 도 1에 대응하는 것으로 실제 제작된 단위 전자총의 평면구조를 보이는 SEM 사진들로서 도 2는 전자총의 전체적인 구조를 보이는 평면사진이며, 도 3은 도 2의 일부를 확대해 보인 것이다. 도 2와 도 3의 참조하면, 두 개의 CNT 에미터가 실질적으로 진원의 형태로 도포되어 있음을 알수 있다.

상기한 바와 같이 하나의 화소가 다수의 전자총 예를 들어 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 4개의 전자총을 가지고 있고 각 전자총 내에서 진원 형태의 영역에 CNT가 산재해 있기 때문에 각 전자총으로부터 방출된 전자들이 하나의 포인트로 집중(converge)되어야 하는데, 만약에 이것에 실패하게 되면, 전술한 바와 같이 색순도, 휘도가 나빠지게 된다.

본 발명은 다수의 단위 전자총의 CNT로부터 방출되는 전자를 효과적으로 제 어할 수 있는 CNT 전계방출소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

CNT 에미터가 그 상면에 마련되어 있는 캐소드 전극과 상기 CNT 에미터로부터 방출되는 전자가 통과하는 개구부를 가지는 게이트 전극과 상기 게이트 전극과 캐소드 전극 사이에 마련되는 게이트 절연층이 마련된 단위 전자총을 다수 구비하며, 하나의 화소 영역에 복수의 상기 CNT 에미터를 구비하는 전계방출소자에 있어서,
상기 화소 영역은 적어도 하나의 소영역을 갖고, 상기 소영역 내에 두 개의 CNT 에미터가 한 쌍을 이루도록 구비되며, 한 쌍을 이루는 상기 두 개의 CNT 에미터 각각은 서로 마주하는 내측부의 반대편의 일부가 결여된 부분 원형인 전계방출소자가 제공된다.

삭제

상기 본 발명의 전계방출소자에 있어서, 상기 게이트 전극 밑 또는 그 위에 제2의 게이트 전극이 마련되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전계방출소자의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 먼저, 본 발명에 따른 전계방출소자의 적층구조는 기본적은 전술한 종래 전계방출소자와 실질적으로 동일할 수 있고 또는 이미 알려진 다른 전계방출소자와 같을 수 있다. 따라서 이러한 기술적 배경을 가지는 본원 발명의 세부적인 기본 구조에 대해서는 깊이 설명되지 않으며, 본 발명에 따른 전계방출소자의 기술적 특징은 후술되는 상세한 설명을 통해 명백해 진다.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 전계방출소자의 평면도이며, 도 5는 제2실시예에 따른 전계방출소자의 평면도이다.

도 4와 도 5를 참조하면, 두 개의 CNT 에미터가 제1게이트 전극(1차 Cr 전극)의 개구부 내에 위치하며, 그리고 제2게이트 전극(2차 Cr 전극)의 개구부 내에는 두 개의 제1게이트 전극의 개구부가 위치한다. 따라서, 제1게이트 전극(1차 Cr 전극)은 두 개의 CNT 에미터를 감싸며, 제2게이트 전극(2차 Cr 전극)의 각 개구부는 4개의 CNT 에미터를 감싸고 있다. 도 4와 도 5에는 a-Si는 캐소드 절연층으로서 개구된 부분에서 캐소드가 노출되고 이 부분에 CNT 에미터가 형성된다.

여기에서 본 발명을 특징짓는 CNT 에미터는 진원의 형태가 아닌 비대칭적 형태로 도포되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 대향된 두 CNT 에미터의 마주보는 부분은 기존의 형상대로 둥글게 형성되어 있으나, 그 바깥쪽 부분은 결여된 형태를 가진다. 즉, 도 4에 도시된 CNT 에미터는 반달모양이며, 도 5에 도시된 CNT 에미터는 초승달 모양이다. 이러한 CNT 에미터의 형태는 a-Si 캐소드 절연층에서의 개구부 형상에 의해 얻어진다.

이와 같이 CNT 에미터들의 바깥쪽 부분을 결여, 즉 제거한 것으로 CNT 에미터의 바깥쪽으로 부터의 전자방출을 억제시키고자 하는 것이다. CNT 에미터의 바깥쪽에서 방출된 전자는 가장 넓게 방출될 뿐 아니라 실제 각 화소에 대응하는 형광체에 도달하지 않는 부분이다.

전계 방출 소자를 구성한 후 필드 에미션 디스플레이를 만들기 위해서는 전자가 원하는 색상의 형광체에만 충돌되도록 하는 것이 색순도와 휘도 향상에 도움 이 된다. 즉, 도 2 와 3에 도시된 형태의 종래 CNT 에미터는 원형의 형태를 가지고 있기 때문에 이로부터 방출된 전자가 주어진 형광체가 아닌 인접한 다른 형광체에 충돌함으로써 색순도를 떨어뜨리고, 그리고 목표로 하는 형광체에 도달되지 않음으로 인해 목표하는 형광체에서의 발광휘도가 떨어지게 된다.

전술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 카본나노튜브 전자총의 모양은 하부전극의 아몰퍼스 실리콘의 모양에 따라 정해지므로 아몰퍼스 실리콘, 즉 캐소드 절연층의 개구부의 모양은 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 반달 또는 초승달 형태로 형성하며, 따라서 개구부를 통해 노출된 캐소드 전극의 표면에 형성되는 CNT 에미터가 아몰퍼스 실리콘의 개구부의 모양에 대응하게 형성되게 된다.

도 2 및 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이 대향된 두 개의 CNT 에미터가 원형으로 형성된 종래 전계방출소자의 전계 방출 시뮬레이션에 의하면, 도 8에 도시된 바와 같이 중앙부(도 7 참조)에서 나오는 양쪽의 전자빔은 바로 위의 형광체로 날아가지 않고 외곽부분으로 발산되는 방향으로 진행하며, 도 10에 도시된 바와 같이 두 CNT 에미터의 외곽부(도 7 참조)에서 나오는 전자빔은 마찬가지로 형광체로 날아가지 않거나 게이트 전극으로 진행하여 게이트 누설전류를 발생시킨다. 그러나 도 9에 도시된 바와 같이 양 CNT 에미터의 각 내측부(도 7 참조)에서 방출되는 전자빔은 주로 바로 위에 있는 형광체측으로 크게 확산됨이 없이 주로 날아가게 된다.

본 발명은 상기와 같은 전자진행 메카니즘을 이용하여 CNT 에미터의 모양을 도 4, 도 5 및 도 6 에 도시된 바와 같은 형태로 형성한다. 에미터의 바깥쪽의 반원 부분을 제거하여 내측의 반원부 또는 초승달부분에서만 전자방출이 일어나도록 한다. 이러한 구조로 만들어진 전자방출 소자는 전자빔을 원하는 형광체 만을 발광하도록 함으로써 색순도를 향상시킬 수 있고, 실험을 통해 이를 확인하였다.

이하 본 발명에 따른 전계방출소자의 제조공정을 간략히 설명한다. 이하의 설명에서 인용되는 도면은 하나의 CNT 에미터를 형성 과정에 대해서 도시되나 실제는 하나의 기판에 대해 전면인 CNT 에미터의 형성이 진행된다.

도 12a에 도시된 바와 같이 먼저 기판(10)에 ITO를 증착한 후 이를 패터닝하여 목적하는 캐소드 전극(20)을 형성한다.

도 12b에 도시된 바와 같이 상기 기판(10) 전체에 a-Si을 화학기상증착법 등에 의해 증착하여 캐소드 절연층(30)을 형성하고, 캐소드 절연층(30)을 패터닝하여 캐소드 전극(20)을 소정 패턴으로 노출시키는 개구부(30a)를 형성한다. 이때에 개구부(30a)의 패턴은 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같이 반달형상 또는 초승달 형상 또는 대향된 두 CNT 에미터의 바깥쪽 부분이 결여된 비대칭형상을 갖는다. 여기에서 상기 캐소드 절연층(30)은 자외선을 차단하여 후속되는 CNT 노광에서 마스크로서 작용한다.

도 12c에 도시된 바와 같이 상기 캐소드 절연층(30) 상에 기존의 방법을 이용해 각각 상기 캐소드 절연층(30)의 개구부(30a)에 대응하는 개구부(40a, 50a)를 갖는 제1게이트 절연층(40)과 제1게이트 전극(50)을 형성한다.

또한, 도 12d에 도시된 바와 같이 상기 제1게이트 전극(50) 상에 역시 제2게이트 절연층(60) 및 제2게이트절연층(70)을 순차적으로 형성한다. 이때에 제2게이트 절연층(60) 및 제2게이트절연층(70)은 각각 개구부(60a, 70a)를 가지도록 한다.

도 12e에 도시된 바와 같이 네가티브 감광성 물질이 포함된 CNT 페이스트를 상기 개구부를 통해 프린팅한 후, 기판(10)의 저면으로부터 자외선을 조사하여 캐소드 절연층(20)의 개구부를 통해 CNT 페이스트를 노광시킨다. 이 과정을 통해 캐소드 절연층(30a)의 위에 도포된 CNT 페이스트는 노광되지 않고. 캐소드 전극(20)의 위에 도포된 CNT 페이스트만 노광/경화된다.

도 12f에 도시된 바와 같이 현상액에 의해 상기 CNT 페이스트를 현상하여 캐소드 전극(20) 위에만 잔류시키고 이를 400-500℃의 소성 공정을 통하여 킴으로써 CNT 에미터(80)를 얻는다.

이상과 같은 과정에서 아몰퍼스 실리콘 즉 캐소드 절연층이 에칭된 개구부를 통해서만 자외선이 통과하여 CNT 페이스트를 목적하는 패턴으로 노광하며, 따라서 캐소드 절연층의 개구부 패턴을 조절에 의해 목적하는 형상의 CNT 에미터를 얻을 수 있다.

본 발명은 카본 나노 튜브를 전자방출원으로 사용하여 전계방출 소자를 제조시 CNT 에미터의 패턴을 변형함으로써 불필요한 부분에 대한 전자의 충돌을 방지하고 따라서 색순도,휘도를 개선할수 있다.

몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자 에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims (3)

1. CNT 에미터가 그 상면에 마련되어 있는 캐소드 전극과 상기 CNT 에미터로부터 방출되는 전자가 통과하는 개구부를 가지는 게이트 전극과 상기 게이트 전극과 캐소드 전극 사이에 마련되는 게이트 절연층이 마련된 단위 전자총을 다수 구비하며, 하나의 화소 영역에 복수의 상기 CNT 에미터를 구비하는 전계방출소자에 있어서,

   상기 화소 영역은 적어도 하나의 소영역을 갖고,

   상기 소영역 내에 두 개의 CNT 에미터가 한 쌍을 이루도록 구비되며,

   한 쌍을 이루는 상기 두 개의 CNT 에미터 각각은 서로 마주하는 내측부의 반대편의 일부가 결여된 부분 원형인 전계방출소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 CNT 에미터는 반달형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브를 이용한 전계방출소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 CNT 에미터는 초승달형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 카본 나노 튜브를 이용한 전계방출소자.

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