KR20000033454A - 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 에프이디 제작 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FED(Field Emitting Device) 제작에 관한 것으로써, 특히 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용하여 소자를 제작함으로써, 진공이 필요하지 않는 FED 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용하는 FED에 있어서, 기판위에 촉매금속막을 증착시킨 후, 상기 촉매금속막위에 저온에서 절연박막을 퇴적시키고 이어서 상기 절연박막에 미세 구멍을 형성시킨 다음, 화학기상증착법으로 미세 구멍내에 노출된 촉매금속위에서만 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킨 후, 상기 미세 구멍에 액상의 절연물질을 주입시킨 후 경화시키고 나서, 상기 절연박막 및 상기 절연물질위에 전도성 물질과 형광체를 부착시키는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 의하면 소자의 제조방법이 간단하고 소자에서 고진공을 유지시킬 필요가 없으며 낮은 인가전압으로 큰 방출전류를 얻을 수 있을 뿐만아니라 단위 면적당 매우 높은 밀도를 갖는 FED를 제작할 수 있어서 방출 전류의 값을 크게 높일 수 있고, 또한 한개의 픽셀(pixel)당 여러 개의 방출 탐침을 담을 수 있기 때문에 재현성 및 수율을 높일수 있다. 또한 탄소나노튜브를 촉매금속막위에 선택적으로 성장시킴으로써, 제조공정을 단순화시키고 수율을 증가시켜 제조비용을 감소시킬 수 있으며, 아울러 탄소나노튜브는 구조가 안정하므로 고전류 방출에 의한 열화효과를 무시할 수 있어 FED의 신뢰성 및 안정성을 높일 수 있다.

Description

탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 에프이디 제작

본 발명은 FED(Field Emitting Device)에 관한 것으로서, 특히 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용하여 진공이 필요하지 않는 FED 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

종래의 실리콘 기판을 식각하여 만든 실리콘 탐침을 이용하는 기존의 FED는 소자 제작공정에서 약10^-9Torr의 고진공이 요구되고, 식각공정을 사용하여 약 1.5 nm 정도의 간격으로 양극과 음극을 분리해야 하는 제조공정상의 어려움이 있고, 소자를 작동시키기 위해서는 고전압 인가를 필요로 하며, 고전류 방출에 의한 실리콘 탐침의 열화로 인하여 소자의 신뢰성 및 성능저하가 일어날 뿐만아니라 수율이 낮아지는 문제점이 있다.

이러한 실리콘 탐침을 이용한 FED의 문제점을 개선하기 위해서 탄소나노튜브를 이용한 FED가 제시되었다. 도 1은 종래의 탄소나노튜브를 사용한 FED의 구조도이다. 종래의 탄소나노튜브를 이용한 FED의 제작 방법은 먼저 탄소나노튜브를 전기방전법에 의해 성장시킨 후, 합성된 다중벽 탄소나노튜브를 세정용액에 넣어 초음파 세척기로 흔들어 정제시킨 후, 다공성 세라믹 필터 위에 부어 필터의 기공에 탄소나노튜브를 주입시킨다. 이어서 기판(1)위에 전도성 고분자(2)를 부착시킨 후, 세라믹필터의 기공에 들어있는 탄소나노튜브(3)를 상기 전도성 고분자(2)위에 찍어 세운다음, 상기 전도성 고분자(2)위에 spacer(4)를 만들고, 상기 spacer(4)위에 50 % 개구율을 가진 그리드(5)를 부착시킨 후, 약 10^-7Torr이상인 고진공을 유지하면서 상기 그리드(5) 윗부분에 형광체(6)를 부착시킨 다음, 상기 형광체(6)위에 상부전극(7)을 증착시킴으로서 제작된다.

이러한 구조의 탄소나노튜브를 이용한 FED는 상기 그리드(5)와 상기 전도성 고분자(2)사이에 바이어스를 인가할 경우 상기 탄소나노튜브(3)를 통해 전자가 튀어나오는 특성을 이용하는 것으로서, 상기 탄소나노튜브(3)의 직경이 수십 nm 이하로 매우 뾰쪽하기 때문에 전기장 증가효과가 뛰어나 200 V 정도의 바이어스에도 층분한 전류가 흐르고 실리콘탐침 FED에 비해 안정성이 뛰어나지만, 제조 공정상의 커다란 제약요인인 고진공을 여전히 유지해야 하고, 제조공정이 복잡하며, 전계방출 면적이 좁고, 상기 전도성 고분자(2)와 상기 탄소나노튜브(3)사이의 전기적인 접촉에 문제가 있기때문에 FED 제작시 재현성이 나쁘고 수율이 낮은 문제점을 갖고 있으며, 상기 탄소나노튜브(3)의 정제과정이 복잡하고 수율이 낮아서 실용화에 문제가 많다. 한편 제조공정을 간소화시키기 위해 비전도성 에폭시와 탄소나노튜브를 섞어 두 유리판 사이에 압축시켜 만든 FED는 방출면적이 적어 소자적용에는 어려운 점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, FED 제작 과정에서 고진공을 유지시킬 필요가 없고, 제작방법이 매우 간단하면서도 넓은 전계방출 면적을 확보할 수 있으며, 낮은 인가전압으로 큰 방출전류를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 단위 면적 당 매우 높은 밀도를 갖는 FED를 제작할 수 있어서 방출 전류의 값을 크게 높일 수 있다. 본 발명의 또 하나의 특징은 탄소나노튜브를 화학기상증착법으로 미세 구멍내의 촉매금속막위에서만 선택적으로 성장시킬 수 있어 제조공정을 크게 간소화 시켰을 뿐만 아니라 상기 선택성장법은 탄소나노튜브의 정제과정이 불필요하여 경제성을 높일 수 있으며, 또한 한개의 픽셀 당 여러 개의 방출 탐침을 담을 수 있기 때문에 재현성 및 수율을 높일 수 있는 FED 구조 및 제작방법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 종래의 탄소나노튜브를 사용한 FED의 구조도이다.

도 2는 본 발명에 의한 탄소나노튜브 FED의 구조도이다.

도 3은 본 발명에 의한 탄소나노튜브 FED의 제작과정의 순서도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 FED 제작 방법은, 기판(8)위에 촉매금속막(9)을 증착시키고, 이어서 상기 촉매금속막(9)위에 절연박막(10)을 퇴적시키고, 상기 절연박막(10)에 미세 구멍(11)을 형성시켜 상기 촉매금속막(9)을 노출시킨 후, 화학기상증착법을 이용하여 상기 미세 구멍(11)내의 상기 촉매금속막(9)위에서만 탄소나노튜브(12)를 선택적으로 성장시킨 다음, 상기 미세 구멍(11)에 액상의 절연물질(13)을 주입시킨 후 경화시키고, 상기 절연박막(10) 및 상기 절연물질(13)위에 전도성 물질(14)을 부착시킨 후, 상기 전도성 물질(14)위에 형광체(15)를 부착시키는 것을 특징으로 한다. 도 2는 본 발명에 의한 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 FED의 구조도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 탄소나노튜브 FED의 제조 방법에 대한 순서도이다. 먼저 도 3a에서와 같이 실리콘 기판 또는 글래스 기판(8)위에 50 ∼ 200nm 두께 범위의 촉매금속막(9)을 증착시킨 후, 이어서 도 3b에서와 같이 상기 촉매금속막(9)위에 0.5 ∼ 2.0μm 두께 범위의 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막과 같은 절연박막(10)을 퇴적시킨다. 이어서 도 3c에서와 같이 사진식각방법을 사용하여 상기 절연박막(10)에 직경이 1 μm 이하인 미세 구멍(11)을 약 1.0 ∼ 4.0 μm 간격으로 형성시킨다. 그리고 나서 아세틸렌이나 에틸렌이나 메탄등과 같은 가스를 사용하는 화학기상증착법을 이용하여 도 3d에서와 같이 상기 미세 구멍(11)의 바닥에 노출된 상기 촉매금속막(9)위에서만 탄소나노튜브(12)를 선택적으로 성장시킨다. 이 경우 상기 탄소나노튜브(12)의 길이는 상기 절연박막(10)의 두께보다 작아야 한다. 이어서 도 3e에서와 같이 상기 절연박막(10)에 형성된 상기 미세 구멍(11)에 스핀코팅법을 사용하여 내열 특성이 우수한 폴리아미드 또는 SOG(spin on glass)와 같은 액상의 절연물질(13)을 채워 넣은 후 전기로에서 400 ℃ 이하의 열처리를 실시하여 액상의 상기 절연물질(13)을 경화시킨다. 이어서 도 3f에서와 같이 알루미늄막 또는 알루미늄 합금막등과 같은 전도성 물질(14)을 상기 절연박막(10) 및 상기 절연물질(13)위에 부착시킨 후, 도 3g에서와 같이 상기 전도성 물질(14)위에 형광체(15)를 직접 부착시킨다.

상술한 바와 같은 본 발명은 실리콘 기판 또는 글래스 기판(8)위에 촉매금속막(9)을 증착시키고, 이어서 상기 촉매금속막(9)위에 절연박막(10)을 퇴적시킨 후, 상기 절연박막(10)에 미세 구멍(11)을 형성시킨 다음, 화학기상증착법을 이용하여 상기 미세 구멍(11)내의 상기 촉매금속막(9)위에서만 탄소나노튜브(12)를 선택적으로 성장시킨 다음, 상기 미세 구멍(11)에 액상의 절연물질(13)을 주입시킨 후 경화시키고, 이어서 상기 절연박막(10) 및 상기 절연물질(13)위에 전도성 물질(14)과 형광체(15)를 부착시키는 방법을 사용함으로서 제작방법이 간단하고 재현성과 신뢰성이 좋으며 또한 수율이 높고 전기적 특성이 우수한 FED를 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히 전계방출 탐침역할을 하는 상기 탄소나노튜브(12)를 상기 미세 구멍(11)내의 상기 촉매금속막(9)위에서만 선택적으로 성장시키고 아울러상기 탄소나노튜브(12)와 상부 금속전극인 상기 전도성 물질(14)사이의 간극을 수 nm 정도의 두께로 폴리아미드와 같은 액상의 상기 절연물질(13)로 채워 진공을 제거시킴으로서 공정을 단순화시킬 뿐만아니라 탄소나노튜브 탐침의 안정성을 높이는 역할도 하게 된다.

또한 상기 탄소나노튜브(12)의 직경이 대략 수십 nm 이하로 매우 작기 때문에 전계 집적도가 높아지게 되어서 작은 인가전압으로도 높은 전류를 방출할 수 있다. 본 발명에 의하면 단위 면적당 고밀도 FED를 제작할 수 있어서 방출 전류의 값을 크게 높일 수 있고, 한 개의 픽셀당 여러 개의 방출 탐침을 담을 수 있기 때문에 재현성 및 수율을 높일 수 있다.

아울러 본 발명에 의한 방법은 실리콘 기판이나 글래스 기판위에서 실리콘 공정기술을 사용하여 제작이 가능하기 때문에 한 개의 실리콘 기판이나 글래스 기판위에서 전자소자와 광소자를 실리콘 기술을 사용하여 동시에 집적시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 발명에 의한 FED는 제작방법이 간단하고 소자에서 고진공을 유지시킬 필요가 없으며 낮은 인가전압으로 큰 방출전류를 얻을 수 있기 때문에 FED 이외에도 LCD back light, LCD, 총천연색 평면판 표시기, 광원, 전구, 광전자 직접소자 등에 응용될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 FED는 제작방법이 간단하고, 넓은 전계방출 면적을 확보할 수 있으며, 낮은 인가전압에도 높은 방출전류를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 한 개의 픽셀안에 여러 개의 방출원을 갖고 있어서 단위 면적당 매우 높은 밀도를 갖는 FED를 제작할 수 있어서 방출 전류의 값을 크게 높일 수 있고, 소자의 재현성과 신뢰성 그리고 수율에서 우수한 특성을 나타낸다.

Claims (3)

1. 탄소나노튜브의 선택적 성장을 이용한 진공이 불필요한 FED 제작.
2. 제1항에 있어서, 실리콘 기판 또는 글래스 기판(8)위에 촉매금속막(9)을 증착시키는 제1공정과, 상기 촉매금속막(9)위에 절연박막(10)을 퇴적시키는 제2공정과, 상기 절연박막(10)에 미세 구멍(11)을 형성시키는 제3공정과, 상기 미세 구멍(11)내의 상기 촉매금속막(9)위에서만 탄소나노튜브(12)를 선택적으로 성장시키는 제4공정과, 상기 미세 구멍(11)에 액상의 절연물질(13)을 주입시킨 후 경화시키는 제5공정과, 상기 절연박막(10) 및 상기 절연물질(13)위에 전도성 물질(14)를 부착시키는 제6공정과, 상기 전도성 물질(14)위에 형광체(15)를 부착시키는 제 7공정을 구비하는 것을 특징으로하는 FED의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 제1공정에서부터 제5공정까지 진행시킨 다음, 이어서 형광체(15)를 부착시킨 후, 상기 형광체(15)위에 여러가지 형태의 숫자나 문자 또는 도형의 패턴을 갖는 투명전극을 부착시키는 것을 특징으로 하는 FED의 제조 방법.