KR101806506B1 - 전계방출소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 전계방출소자의 제조방법은 복수의 채널을 가진 마스터몰드를 형성하는 단계, 기판 상에 시드층을 형성하는 단계, 상기 시드층 상에 상기 마스터몰드를 밀착시키는 단계, 상기 마스터몰드 주변에 포토레지스트를 도포하여, 포토레지스트패턴을 형성하는 단계, 상기 마스터몰드를 제거하고, 상기 시드층을 식각하여 시드패턴들을 형성하는 단계 및 상기 시드패턴들로부터 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전계방출소자의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF FIELD EMISSION DEVICE}

본 발명은 전계방출소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 제조공정을 단순화하여 제조 비용을 줄이고, 탄소나노튜브 에미터를 제작할 수 있는 전계방출소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 박막 트랜지스터나 전계방출 소자 또는 디스플레이용 소자 등의 미세장치를 제조하는 공정에서 패턴을 형성하기 위한 방법으로 광리소그라피 방법이 널리 사용되고 있다.

상기 광리소그라피 방법은 패턴을 형성하고자 하는 캐소드 전극 등이 형성된 기판 상부에 스핀 코팅 등의 방법으로 레지스트를 도포하고, 상기 도포된 레지스트 상부에 패턴이 형성될 부분을 차단하는 마스크를 형성한다. 다음에 상기 마스크 상부로부터 빛을 조사하는 노광과정을 실시하고, 마스크를 제거한다. 다음에 상기 노광되지 않은 부분을 식각액을 이용하여 식각함으로써 기판 상부에 패턴을 형성하였다.

그러나, 상기 광리소그라피 방법은 그 과정이 도포, 마스크 제작 및 부착, 노광, 마스크 제거, 식각 등의 공정을 거쳐야 하기 때문에 그 과정이 복잡하고 비용이 많이 소요된다는 문제점이 있다.

본 발명은 제조공정을 단순화하여 제조 비용을 줄이고, 탄소나노튜브 에미터를 제작할 수 있는 전계방출소자의 제조방법을 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전계방출소자의 제조방법은 복수의 채널을 가진 마스터몰드를 형성하는 단계, 기판 상에 시드층을 형성하는 단계, 상기 시드층 상에 상기 마스터몰드를 밀착시키는 단계, 상기 마스터몰드 주변에 포토레지스트를 도포하여, 포토레지스트패턴을 형성하는 단계, 상기 마스터몰드를 제거하고, 상기 시드층을 식각하여 시드패턴들을 형성하는 단계 및 상기 시드패턴들로부터 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 마스터몰드를 형성하는 단계는, 글래스기판 상에 복수의 금속패턴을 형성하는 단계, 상기 복수의 금속패턴 상에 몰드용 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계 및 상기 글래스기판 상에 탄성 중합체를 도포하여 마스터몰드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 탄성 중합체는 PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 PUA(polyurethaneacrylate)일 수 있다.

상기 시드층은 니켈(Ni)일 수 있다.

상기 포토레지스트패턴을 형성하는 단계는, 상기 도포된 포토레지스트가 모세관 현상에 의해 상기 마스터몰드의 채널의 내부를 채우게 되고, 상기 포토레지스트를 UV 경화할 수 있다.

상기 복수의 채널은 서로 이격될 수 있다.

상기 시드패턴은 성장부 및 상기 성장부 사이에 위치하는 연결부를 포함할 수 있다.

상기 성장부는 원판형으로 이루어지고, 상기 연결부는 상기 성장부 사이마다 연결된 바(bar)형으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자의 제조방법은 마스터몰드를 통해 MIMIC법으로 시드패턴을 형성함으로써, 탄소나노튜브 에미터를 제작하는 제조공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터몰드의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3c는 성장된 탄소나노튜브의 SEM 이미지.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자를 나타낸 도면.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예들을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 전계방출소자의 제조방법은 소프트 리소그라피(soft lithography) 기술 중 하나인 모세관내 미세몰딩(micromolding in capillaries, MIMIC)법을 이용한다. 보다 자세하게 본 발명을 설명하면 하기와 같다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터몰드의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면이다.

도 1a를 참조하면, 글래스기판(10) 상에 금속을 증착하고 패터닝하여 복수의 금속패턴(20)을 형성한다. 보다 자세하게는 글래스기판(10) 상에 금속을 전면 증착하여 금속층을 형성하고, 금속층 상에 포토레지스트를 도포한다. 이어, 포토레지스트 상에 일정 부분이 개구된 마스크를 정렬하고 UV를 조사하고, 포토레지스트를 현상한다. 다음, 현상된 포토레지스트에 의해 노출된 금속층을 식각하고, 남아있는 포토레지스트를 스트립하여 금속패턴(20)을 형성한다.

이어, 도 1b를 참조하면, 상기 복수의 금속패턴(20) 상에 몰드용 포토레지스트 패턴(30)을 형성한다. 보다 자세하게, 복수의 금속패턴(20)이 형성된 글래스기판(10) 상에 포토레지스트를 도포하고 UV 노광 및 현상하여 몰드용 포토레지스트 패턴(30)을 형성한다. 이때, 몰드용 포토레지스트 패턴(30)은 상기 복수의 금속패턴(20) 각각에 서로 이격되도록 복수개로 형성한다.

도 1b의 I-I' 및 Ⅱ-Ⅱ'에 따라 절취된 단면도인 도 1c를 참조하면, 몰드용 포토레지스트 패턴(30)은 금속패턴(20) 상부를 덮으며 형성되고, 각각 서로 이격되는 형상으로 형성된다.

다음, 도 1d 및 도 1e를 참조하면, 상기 금속패턴(20) 및 몰드용 포토레지스트 패턴(30)이 형성된 글래스기판(10) 상에 탄성 중합체(40)를 도포하여 마스터몰드(50)를 형성한다. 여기서, 상기 탄성 중합체는 PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 PUA(polyurethaneacrylate)를 사용할 수 있다.

상기 마스터몰드(50)는 예를 들어, 액상 상태인 PDMS와 큐어링제를 10:1의 비율로 10분 정도 혼합하고, 상기 글래스기판(10) 상에 부어준다. 이때, 기포가 발생하면 진공 펌프를 이용해 건조시킴으로써 기포를 제거할 수 있다. 기포가 제거되면 약 60도에서 2시간 가량 경화시킨 후 글래스기판(10)으로부터 마스터몰드(50)를 분리시킨다.

이와 같이 형성된 마스터몰드(50)는 복수의 채널(55)이 형성되어 후속공정에서 모세관내 미소몰딩법에 사용된다. 이하, 제조된 마스터몰드(50)를 이용하여 전계방출소자를 제조하는 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자의 제조방법을 공정별로 나타낸 도면이다.

도 2a를 참조하면, 기판(100) 상에 시드층(110)을 증착한다. 여기서, 시드층(110)은 추후 탄소나노튜브(Carbon nano tube, CNT)가 성장할 시드(seed)가 되는 층으로 니켈(Ni) 또는 크롬(Cr)을 사용한다. 상기 시드층(110)이 형성된 기판(100) 상에 앞서 제작된 마스터몰드(50)를 밀착시킨다. 접착력이 좋은 PDMS 마스터몰드(50)는 기판(100) 상에 잘 접착된다.

이어, 도 2b를 참조하면, 접착이 된 마스터몰드(50)와 기판(100) 사이에 채널(55)이 위치하고, 채널(55)의 끝부분에 포토레지스트 용액(120)을 도포한다. 이때, 포토레지스트 용액(120)은 모세관 현상에 의해 채널(55)을 따라 그 내부를 채우게 된다. 모세관 현상에 의해 채널(55)의 반대편 끝까지 포토레지스트 용액(120)이 채워지게 되면, 채워진 포토레지스트 용액(120)을 UV 경화시킨 후 마스터몰드(50)를 제거하여 도 2c와 같이, 복수의 포토레지스트패턴(140)을 형성한다.

다음, 도 2d를 참조하면, 상기 복수의 포토레지스패턴(140)에 의해 노출된 시드층(110)을 식각하여 시드패턴(115)을 형성한다. 이때, 시드패턴(115)은 추후 탄소나노튜브가 성장되는 성장부(116a) 및 성장부(116a) 사이에 위치하는 연결부(116b)를 포함한다. 성장부(116a)는 원판형의 형상으로 추후 전계방출소자에 적용되기 용이하게 형성되고, 연결부(116b)는 상기 성장부(116a)의 사이마다 연결된 바(bar)형상으로 형성된다.

보다 자세하게는, 전술한 마스터몰드의 제조방법에서, 금속패턴(20) 부분이 마스터몰드(50)에 음각으로 형성되어, 시드패턴(115)의 연결부(116b)로 형성되고, 몰드용 포토레지스트패턴(30) 부분이 마스터몰드(50)에 음각으로 형성되어, 시드패턴(115)의 성장부(116a)로 형성된다.

이어, 도 2e를 참조하면, 상기 시드패턴(115)에 열처리 공정을 수행하여, 탄소나노튜브의 성장 조건으로 맞춰주고, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)법으로 탄소나노튜브를 성장시킨다. 이때, 탄소나노튜브가 수직 성장하기 위해서는, 성장 시 강한 전기장과 시드층의 좋은 입자성이 필요한데 PECVD법은 이러한 조건의 조절이 가능하다.

이하, 전술한 본 발명의 전계방출소자의 제조방법을 이용하여 탄소나노튜브를 성장시킨 실시예를 설명하면 다음과 같다.

실리콘 웨이퍼 기판 상에 10nm 두께의 니켈 시드층을 형성하고, 상기 니켈 시드층 상에 복수의 도트형 채널이 형성된 마스터몰드를 올려 놓았다. 이때, 마스터몰드와 니켈 시드층의 접착력을 좋게하기 위해 172nm 파장을 갖는 광원을 이용하여 3분간 조사하였다. 다음으로, 10cp 점도의 포토레지스트를 상기 채널의 개방된 끝에 떨어뜨리고 모세관 현상에 의해 채널 부분을 채우고 마스터몰드를 제거하여 패턴을 형성하였다. 따라서, 채널 부분에만 선택적으로 포토레지스트패턴을 형성하였다.

다음, 포토레지스트패턴이 형성된 기판을 110도에서 10분간 열처리 한 뒤 니켈 시드층을 니켈 에천트에 의해 식각한 뒤, 기판을 퍼니스(furnace)에서 600도에서 30분간 열처리하였다. 이때, 포토레지스트패턴은 니켈 시드층과 반응하여 탄소나노튜브 성장을 위한 시드를 형성한다. 다음, PECVD를 이용하여 580도에서 20분 동안 탄소나노튜브를 성장하였다.

이와 같이 성장된 탄소나노튜브의 SEM 이미지를 도 3a 내지 도 3c에 나타내었다. 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 니켈 시드층 상에 탄소나노튜브가 수직 성장된 것을 확인할 수 있었고, 도트 형상의 니켈 시드층의 형상에 따라 탄소나노튜브가 수직성장된 것을 확인할 수 있었다.

이와 같이 제작된 탄소나노튜브는 전계방출소자 내부를 진공으로 밀폐화한 후 전원을 연결하여 전압을 인가한다. 이 경우, 탄소나노튜브로부터 전자가 방출되면서 전계가 형성된다. 전술한 방법을 이용하여 제조한 전계방출소자를 전자 방출원이 필요한 각종 기기에 적용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자를 포함하는 전계방출표시장치를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 전계방출표시장치(200)는 상호 대향하는 제1 기판(210) 및 제2 기판(220)을 포함한다. 제1 기판(210) 및 제2 기판(220) 사이에 형성된 공간은 약 10^-6torr 정도로 진공 배기되어 밀폐된다. 제1 기판(210) 및 제2 기판(220) 사이에 공간을 형성하기 위하여 제1 기판(210) 및 제2 기판(220)의 사이에 스페이서(230)를 배치한다. 제1 기판(210) 및 제2 기판(220)은 예를 들면 투명 유리로 제조할 수 있다.

전계방출소자(240)는 에미터 전극들(242), 에미터 전극 팁(245) 및 게이트 전극들(244)을 포함한다. 에미터 전극들(242) 및 게이트 전극들(244)의 사이에는 절연층(246)을 위치시켜 에미터 전극들(242) 및 게이트 전극들(244)간에 단락이 일어나는 것을 방지한다.

에미터 전극들(242)은 상호 이격되어 제1 기판(210) 위에 배치된다. 각 에미터 전극(242)은 데이터 구동 전압을 인가받아 데이터 전극으로서 기능할 수 있다. 캐소드 전극(242)과 게이트 전극(244)이 중첩되는 발광 화소에는 에미터 전극 팁(245)이 위치한다. 에미터 전극 팁(245)는 에미터 전극(242)에 전기적으로 연결된다.

제2 기판(220) 위에는 형광체층(252) 및 애노드 전극(260)이 위치한다. 애노드 전극(260)에는 높은 전압이 인가되므로, 에미터 전극 팁(245)로부터 방출된 전자들이 이끌려서 형광체층(252)에 고속으로 충돌한다. 따라서 형광체층(252)에서 기시광선이 생성되어 제2 기판(220)을 통해 외부로 출사된다. 형광체층(252)은 백색을 가지므로 백색광을 외부로 출사할 수 있다. 다른 한편으로, 형광체층(252)을 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)으로 형성하여 다양한 색의 광을 출사시킬 수도 있다.

상기와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출소자의 제조방법은 마스터몰드를 통해 MIMIC법으로 시드패턴을 형성함으로써, 탄소나노튜브 에미터를 제작하는 제조공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

1. 글래스기판 상에 복수의 금속패턴을 형성하는 단계;
   상기 복수의 금속패턴 상에 원판형으로 이루어진 몰드용 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
   상기 글래스기판 상에 탄성 중합체를 도포하여 복수의 채널을 가진 마스터몰드를 형성하는 단계;
   기판 상에 시드층을 형성하는 단계;
   상기 시드층 상에 상기 마스터몰드를 밀착시키는 단계;
   상기 마스터몰드 주변에 포토레지스트를 도포하여, 상기 도포된 포토레지스트가 모세관 현상에 의해 상기 마스터몰드의 채널의 내부를 채우고 상기 포토레지스트를 UV 경화하여 포토레지스트패턴을 형성하는 단계;
   상기 마스터몰드를 제거하고, 상기 시드층을 식각하여 시드패턴들을 형성하는 단계; 및
   상기 시드패턴들로부터 탄소나노튜브를 성장시키는 단계를 포함하며,
   상기 시드패턴은 성장부 및 상기 성장부 사이에 위치하는 연결부를 포함하고 상기 성장부는 원판형으로 이루어지며 상기 연결부는 상기 성장부 사이마다 연결된 바(bar)형으로 이루어지는 전계방출소자의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 탄성 중합체는 PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 PUA(polyurethaneacrylate)인 전계방출소자의 제조방법.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 시드층은 니켈(Ni)인 전계방출소자의 제조방법.
   
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서,
   상기 복수의 채널은 서로 이격된 전계방출소자의 제조방법.
   
7. 삭제
8. 삭제

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