KR101024594B1 - 나노 핀 어레이의 제조방법 및 나노 핀 어레이를 이용한 전자방출소자 - Google Patents

나노 핀 어레이의 제조방법 및 나노 핀 어레이를 이용한 전자방출소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 나노 막대에 비해 우수한 전자 방출 효율을 나타낼 뿐 아니라 위치와 형상의 제어가 용이한 나노 핀 어레이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제조방법은 기판상에 나노 핀을 구성하는 물질의 박막을 형성하고, 상기 박막 상에 나노템플레이트를 형성한 후, 상기 나노 템플레이트가 완전히 제거될 때까지 나노 템플레이트와 박막을 함께 에칭함으로써, 기판상에 상기 나노 템플레이트의 패턴에 따른 나노 핀 어레이가 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 형성된 나노 핀 어레이는 수 나노미터 이하의 아주 날카로운 형태를 가지게 되어 전계 방출원으로서 우수한 효율을 나타낸다.
양극산화 알루미나, 금속 나노핀, 습식 에칭

Description

나노 핀 어레이의 제조방법 및 나노 핀 어레이를 이용한 전자방출소자 {A METHOD FOR FABRICATING METAL NANOPIN ARRAY AND AN ELECTRON EMISSION ELEMENT USING THE NANOPIN ARRAY}
본 발명은 나노 핀 어레이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 방법과는 전혀 다른 공정을 통해 선단이 수 나노미터 이하의 매우 날카로운 형상을 가질 수 있고 나노 핀의 위치와 모양을 제어할 수 있어, 우수한 전계 방출 특성을 나타낼 수 있는 나노 핀 어레이의 제조방법에 관한 것이다.
현재까지 평판 디스플레이로서 사용되고 있는 표시소자로는 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel), FED(Field Emission Display) 등이 있는데, 이 중에서도 FED는 고화질, 고효율 및 저소비 전력의 장점이 있어 차세대 정보디스플레이 소자로 크게 주목을 받고 있는데, FED의 경우 전자방출효율이 높고 가공성과 안정성이 우수한 전자방출원의 개발이 핵심과제가 되고 있다.
한편, 전계 방출형의 전자방출 팁의 경우, 낮은 인가 전압으로 큰 방출전류를 얻는 것이 매우 중요한데, 전자방출 팁 선단부의 형상이 뾰족할수록 동일한 전압에도 높은 전계가 걸리기 때문에 가급적이면 선단부의 형상을 날카롭게 할 필요 가 있다.
이러한 전자방출 팁 재료로서 최근 금속 나노 막대나 탄소 나노튜브 등을 적용하고자 하는 시도가 행해지고 있다.
이중 금속 나노 막대의 경우 나노 템플레이트를 이용하여 나노 막대를 형성하게 되는데, 이 방법은 형성되는 나노 막대의 위치 제어가 용이하고 금속 나노 막대가 비교적 낮은 동작 전압 특성을 보인다는 장점이 있으나, 탄소 나노튜브에 비해 전자 방출 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 탄소 나노튜브의 경우 안정적인 구조와, 높은 전기 및 열전도도 및 화학적 안정성과 함께 우수한 전자방출효율을 나타내지만, 탄소 나노튜브의 위치를 제어하기 어려운 문제점이 있다.
한편, VLS(vapor-liquid-solid)라 불리는 나노 선 형성 기술과정에서 반도체 나노 선이 선단이 뾰족한 나노 핀의 형태로 성장할 수 있다는 것이 알려져 있는데, 이 방법을 통해 얻어지는 나노 핀은 그 선단의 크기가 수십 나노 정도이기 때문에 전계방출효율을 높이기 위해서는 굵기를 더 줄일 할 필요가 있다. 또한 VLS법에 의해 나노 핀을 성장시킬 경우 나노 핀의 위치나 형상을 제어하기 어려운 문제점도 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 우수한 전자 방출 효율을 나타낼 뿐 아니라 나노 핀의 위치와 형상의 제어가 용이한 나노 핀 어레이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 나노 핀 어레이를 이용한 전자방출원 또는 전계방출소자를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명은, 나노 핀 어레이를 제조하는 방법으로서, 기판상에 나노 핀을 구성하는 물질의 박막을 형성하고, 상기 박막 상에 나노템플레이트를 형성한 후, 상기 나노 템플레이트가 완전히 제거될 때까지 나노 템플레이트와 박막을 함께 에칭함으로써, 기판상에 상기 나노 템플레이트의 패턴에 따른 나노 핀 어레이가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 나노 핀 어레이의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, '나노 핀'이란 나노 크기의 구조물로서 적어도 일 측의 선단이 뾰족하게 형성된 상태의 구조물을 의미한다. 또한 '함께 에칭'이란 동일한 에칭공정에서 나노 템플레이트와 박막이 에칭되는 것을 의미한다.
또한, 상기 제조방법에 있어서, 에칭은 건식에칭인 경우 방향성이 있기 때문에 균일한 에칭특성을 갖는 습식에칭 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제조방법에 있어서, 나노 템플레이트는 습식에칭 가능한 물질로 이루어진 것이면 어느 것이나 사용될 수 있으며, 양극 산화 알루미늄 또는 이중 공중합체(diblock copolymer)로 이루어진 나노 템플레이트는 특히 본 발명에 적합하다.
나노 템플레이트의 형성방법도 규칙적인 홀을 형성할 수 있는 방법이라면 bottom-up 방식 또는 top-down 방식 등 공지된 어떠한 방식을 사용할 수 있으며, 알루미늄의 양극산화, 전자빔 리소그래피, FBI, 레이저 간섭패턴법 등은 본 발명에 적합한 나노 템플레이트 형성방법이다.
또한, 상기 제조방법에 있어서, 상기 나노 핀을 구성하는 물질은 습식에칭이 가능하고 전자 방출원으로서 기능할 수 있는 물질이면 어느 것이나 사용가능하며, 습식에칭을 고려할 때 금속 또는 반도체인 것이 바람직하다. 전계방출효율을 고려할 때, 상기 나노 핀을 구성하는 물질은 일 함수가 4 이하인 Nb, Mn, Lu, La, Ba, Ce, Cs, Eu, Gd, Hf, Rb, Sc, Sr, Tb, Th, Ti, Y 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기한 제조방법을 통해 형성된 나노 어레이를 이용한 전자 방출원 또는 전계방출소자를 제공한다.
본 발명에 따른 나노 핀 어레이의 제조방법은 종래에 사용되지 않은 새로운 공정을 통해서 수 나노미터 이하의 매우 날카로운 나노 핀을 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 나노 핀 어레이의 제조방법은, 에칭시간의 조절을 통해 나노 핀의 날카로움을 조절할 수 있어, 적용 분야에 따라 다양한 굵기의 나노 핀을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노 핀 어레이의 제조방법에 의하면, 형성되는 나노 핀 어레이의 배열 및 패턴은 나노 템플레이트의 패턴을 통해 조절할 수 있기 때문에, 탄소나노튜브에 기초한 방법과 달리 나노 핀의 위치 및 모양을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 "포함한다"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및 /또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 핀의 제조방법을 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 니오븀(Nb) 나노 핀 어레이를 제작하는 과정을 나타내는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 니오븀(Nb)의 제조방법은 크게, 기판에 니오븀 및 알루미늄을 증착하고, 애노다이징을 통해 나노 템플레이트를 형성하는 공정과, 에칭하는 공정으로 이루어진다. 이하 이들 공정에 대해 상세하게 설명한다.
Nb 박막의 증착
실리콘 기판에 먼저 Nb 박막을 증착하였다. 본 발명의 실시예에서는 evaporation 법을 사용하여 10-5 Torr의 압력조건에서 증착하여 500nm 두께의 Nb 박막을 얻었다.
Nb 박막 상에 나노 템플레이트의 형성
이어서, 상기 Nb 박막의 상층에 나노 템플레이트를 형성하기 위한 Al 박막을 증착하였다. Al 박막의 증착은 evaporation법으로 10-5 Torr의 압력조건에서의 조건으로 증착하였으며, 그 결과 1㎛ 두께의 Al 박막을 얻었다.
다음으로, Al 박막을 0.3M, 15℃의 옥살산에서 40V의 조건으로 양극 산화를 실시하였으며, 그 결과 도 2a에 나타난 것과 같은, 대략 육각형 모양의 구멍이 형성된 나노 템플레이트가 형성된다.
습식 에칭
이와 같이 나노 템플레이트를 형성한 후, 양극산화알루미늄/Nb/Si의 구조를 갖는 기판을 0.1M, 30℃의 인산(phosphoric acid)으로 습식에칭을 하였는데, 이러한 습식에칭을 통해 상기 도 1c에 도시된 바와 같이, 양극 산화 알루미늄 나노템플레이트와 니오븀(Nb)이 균일하게 에칭되며, 양극산화 알루미나가 완전히 제거될 때 까지 에칭을 하게 되면, 도 1d에 도시된 바와 같은 구조의 나노 핀 어레이를 얻을 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에서는 95분 동안 습식에칭을 실시한 결과, 도 2b의 확대 사진에서 알 수 있는 바와 같이 5nm 이하의 뾰족한 선단 형상을 갖는 나노 핀 어레이를 얻을 수 있었다.
전계 방출 특성 평가
이상과 같이 제조한 니오븀(Nb) 나노 핀 어레이를 이용하여 다음과 같이 전계방출 실험을 하였다.
도 3a는 니오븀(Nb) 나노 핀 어레이에 의한 인가전압에 의존하는 전계방출 전류를 나타낸 것이다. 도 3a에서 확인되는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 니오븀(Nb) 나노 핀 어레이는 비교적 낮은 동작 전압 특성을 나타내고 높은 전계방출 전류를 보이고 있다.
도 3b는 도 3a를 Fowler-Norheim tunneling current에 따라 피팅(fitting)한 그래프인데, 이로부터 니오븀(Nb) 나노 핀의 일 함수가 약 4 정도가 됨을 알 수 있다. 이는 일 함수가 약 5 정도인 탄소 나노튜브에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 니오븀(Nb)의 전계 방출 특성이 양호함을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 니오븀(Nb) 나노 핀 어레이를 제조하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2a 및 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 제조한 양극산화 알루미나 나노 템플레이트와 니오븀(Nb) 나노 핀 어레이의 주사 전자현미경이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 니오븀(Nb) 나노 핀 어레이의 전계 방출 전류의 측정 결과를 나타낸 것이다.

Claims (9)

  1. 기판상에 나노 핀을 구성하는 물질의 박막을 형성하는 단계,
    상기 박막 상에 복수 개의 홈 또는 홀이 형성된 나노 템플레이트를 형성하는 단계 및
    상기 박막과 나노 템플레이트의 에칭이 가능한 에칭공정에서, 상기 나노 템플레이트가 형성된 면을 상기 나노 템플레이트가 제거될 때까지 에칭할 때 발생하는, 상기 홈 또는 홀의 아래에 위치한 박막과 그렇지 않은 박막 간의 에칭 차이를 이용하여, 나노 핀 어레이가 형성되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 핀 어레이의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 에칭은 습식에칭인 것을 특징으로 하는 나노 핀 어레이의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 템플레이트는 양극 산화, 전자빔 리소그래피, FBI 또는 레이저 간섭 패턴 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 핀 어레이의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 템플레이트는 습식에칭으로 에칭되는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 핀 어레이의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 핀을 구성하는 물질은 금속 또는 반도체인 것을 특징으로 하는 나노 핀 어레이의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 템플레이트는 양극 산화 알루미늄 또는 이중 공중합체(diblock copolymer)로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 핀 어레이의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 핀을 구성하는 물질은 Nb, Mn, Lu, La, Ba, Ce, Cs, Eu, Gd, Hf, Rb, Sc, Sr, Tb, Th, Ti, Y로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 나노 핀 어레이의 제조방법.
  9. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조된 나노 핀 어레이를 이용한 전자방출소자.
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