KR20010029761A - 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전계방출 표시소자 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명은 하부 기판 상에 형성된 캐소드 전극용 제1 금속막과, 상기 제1 금속막 상에 형성되고 상기 제1 금속막을 노출하는 복수개의 미세 구멍들을 갖는 절연막 패턴 및 제2 금속막 패턴을 포함한다. 상기 미세 구멍은 직경이 0.5∼10.0㎛로 구성할 수 있다. 상기 미세 구멍 내에는 전도성 고분자막이 형성되어 있고, 상기 전도성 고분자막 내에는 수직방향으로 배열된 에미터 팁용 탄소 나노튜브가 형성되어 있다. 그리고, 상기 제2 금속막 패턴에는 스페이서가 설치되어 있고, 상기 스페이서 상에는 표면에 투명 전극 및 형광체가 부착된 상부 기판이 설치되어 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자는 제2 금속막과 절연막에 미세한 구멍을 형성시킨 후 상기 미세한 구멍에 탄소 나노 튜브를 집어넣는 방법을 이용하여 제작방법이 간단하면서도 대면적이 가능하다.

Description

탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자 및 그 제조 방법{Field emission display device using carbon nanotube and manufacturing method thereof}
본 발명은 전계방출 표시소자[field emission display (FED) Device] 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전계방출 표시소자는 원뿔 모양의 에미터 팁에 대해 외부 게이트 전극에서 양 전압을 수백 볼트 정도로 가하면 강한 전기장의 영향을 받은 에미터 팁의 끝부분에서 전자가 방출하게 되고, 방출된 전자는 수백에서 수킬로의 전압이 가해진 투명 도전막과 형광체가 코팅된 애노드 전극에 충돌하게 되어 표시 장치의 역할을 수행한다. 그런데, 에미터용으로 실리콘 기판을 식각하여 만든 실리콘 팁을 이용하는 종래의 전계방출 표시소자는 약 1.0∼1.5nm 정도의 미세한 간격으로 애노드 전극과 캐소드 전극을 분리해야 하는 어려움이 있다. 그리고, 종래의 전계방출 표시소자는 동작 전압이 매우 높고 고전류 방출에 의한 실리콘 팁의 열화로 인하여 누설 전류가 크고 소자 신뢰성 및 성능 저하가 일어날 뿐만 아니라 제조 수율도 낮은 문제점이 있다. 이러한 실리콘 팁을 이용한 전계방출 표시소자의 문제점을 개선하기 위해 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자가 제안되었다.
종래의 탄소 나노튜브는 전기 방전법이나 레이저 증착법에 의해 합성한 후, 세정 용액에 넣어 초음파 세척기로 흔들어 정제시킨다. 그리고, 정제된 탄소 나노 튜브를 전계방출 표시소자에 적용하기 위하여 다공성 세라믹 필터의 기공에 정제된 탄소 나노 튜브를 주입한다. 이어서, 다공성 세라믹 필터의 기공에 들어있는 탄소 나노 튜브를 전계방출 표시소자용 하부 기판 상의 전도성 고분자 위에 찍어 세움으로써 에미터 팁을 형성한다.
그런데, 에미터 팁용으로 종래의 탄소 나노튜브를 사용하는 전계방출 표시소자는 실리콘 팁을 사용하는 전계방출 표시소자에 비하여 안정성이 뛰어나지만 상기 전도성 고분자 위에 탄소 나노튜브를 효율적으로 세우는 것이 어렵고 제조 공정이 복잡하기 때문에 제조 수율이 낮고 대면적으로 제조할 수 없다는 문제점을 갖고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로써 대면적이 가능하고 단위 면적당 팁 밀도가 높은 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 간단한 제조 공정으로 대면적이 가능한 전계방출 표시소자의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 전계방출 표시소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 전계방출 표시소자는 하부 기판 상에 형성된 캐소드 전극용 제1 금속막과, 상기 제1 금속막 상에 형성되고 상기 제1 금속막을 노출하는 복수개의 미세 구멍들을 갖는 절연막 패턴 및 제2 금속막 패턴을 포함한다. 상기 하부 기판은 유리, 석영, 실리콘 또는 알루미나(Al2O3) 기판으로 구성할 수 있으며, 상기 제1 금속막은 크롬막, 티타늄막, 텅스텐막 또는 알루미늄막으로 구성할 수 있고, 상기 제2 금속막 패턴은 크롬막, 티타늄막, 또는 팔라디움막으로 구성할 수 있다. 상기 미세 구멍은 직경이 0.5∼10.0㎛로 구성할 수 있다. 상기 미세 구멍 내에는 전도성 고분자막이 형성되어 있고, 상기 전도성 고분자막 내에는 수직방향으로 배열된 에미터 팁용 탄소 나노튜브가 형성되어 있다. 그리고, 상기 제2 금속막 패턴에는 스페이서가 설치되어 있고, 상기 스페이서 상에는 표면에 투명 전극 및 형광체가 부착된 상부 기판이 설치되어 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 전계방출 표시소자의 제조방법은 하부 기판 상에 캐소드 전극용 제1 금속막을 형성한 후, 상기 제1 금속막 상에 절연막을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 절연막 상에 게이트 전극용 제2 금속막을 형성한 후, 상기 제2 금속막 및 절연막을 패턴닝하여 상기 제1 금속막을 노출하는 복수개의 미세 구멍들을 갖는 절연막 패턴 및 제2 금속막 패턴을 형성한다. 상기 미세 구멍 내에 액상의 전도성 고분자막을 형성한 후, 상기 미세 구멍 내로 에미터 팁용 탄소 나노튜브를 뿌려넣어 수직 방향으로 배열시킨다. 상기 탄소 나노튜브는 초음파 진동 또는 전압 인가 방법을 사용하여 미세 구멍에 세워진다. 상기 액상의 전도성 고분자막을 경화시킨 후, 상기 제2 금속막 패턴 위에 스페이서를 설치한다. 상기 스페이서 상에 투명 전극 및 형광체가 부착된 상부 기판을 부착시켜 완성한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자는 제2 금속막과 절연막에 미세한 구멍을 형성시킨 후 상기 미세한 구멍에 탄소 나노 튜브를 집어넣는 방법을 이용하여 제작방법이 간단하면서도 대면적이 가능하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자를 도시한 단면도이다.
구체적으로, 본 발명의 전계방출 표시소자는 하부 기판(30) 상에 캐소드 전극용 제1 금속막(32)이 형성되어 있다. 상기 하부 기판(30)은 유리, 석영, 실리콘 또는 알루미나(Al2O3) 기판으로 구성한다. 그리고, 상기 제1 금속막(32)은 크롬막, 티타늄막, 텅스텐막, 알루미늄막 등으로 구성한다. 상기 제1 금속막(32) 상에는 상기 제1 금속막(32)을 노출하는 복수개의 미세 구멍들을 갖는 절연막 패턴(34a) 및 제2 금속막 패턴(36a)이 형성되어 있다. 상기 제2 금속막 패턴(36a)은 크롬막, 티타늄막, 또는 팔라디움막으로 구성할 수 있으며, 전계방출 표시소자에서는 게이트 전극으로 이용된다. 상기 미세 구멍은 직경이 0.5∼10.0㎛로 구성할 수 있다.
상기 미세 구멍 내에는 전도성 고분자막(42)이 형성되어 있으며, 상기 전도성 고분자막(42) 내에 수직방향으로 배열되어 있는 탄소 나노튜브(44)가 세워져 있다. 상기 탄소 나노튜브(44)는 에미터 팁으로 이용된다. 이렇게 수직 배향된 탄소 나노튜브(44)는 낮은 동작 전압, 예컨대 1.5 V/㎛ 정도에서 큰 방출전류를 얻을 수 있다. 그리고, 상기 수직 배향된 탄소 나노튜브(44)는 단위 면적당 높은 팁 밀도를 갖고 있기 때문에 발광효율을 높일 수 있다. 상기 제2 금속막 패턴(36a)에는 스페이서(48)가 설치되어 있고, 상기 스페이서(48) 상에는 표면에 애노드용 투명 전극(52) 및 형광체(54)가 부착된 상부 기판(50)이 마련되어 있다. 이렇게 구성된 전계방출 표시소자는 캐소드 전극용 제1 금속막(32)과 애노드용 투명 전극(52) 사이에 전계가 인가되어 상기 수직방향으로 성장된 탄소 나노튜브(44)에서 전자가 방출되고, 방출된 전자가 형광체(54)에 충돌함으로써 빨간색, 녹색, 파란색의 광을 방출한다. 이때, 상기 게이트 전극용 제2 금속막 패턴(36a)과 캐소드 전극용 제1 금속막(32) 사이에 걸리는 전계로 인하여 상기 형광체(54)에 전자가 용이하게 충돌하여 광을 방출한다. 결과적으로, 본 발명의 전계방출 표시소자는 전극이 3개 구비한 3 전극 전계방출 표시소자이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 전계방출 표시소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 2는 하부 기판(30) 상에 제1 금속막(32), 절연막(34) 및 제2 금속막(36)을 형성하는 단계를 나타낸다. 구체적으로, 대면적의 하부 기판(30) 상에 캐소드 전극용 제1 금속막(32)을 0.2∼0.5㎛의 두께로 형성한다. 상기 하부 기판(30)은 유리, 석영, 실리콘 또는 알루미나(Al2O3) 기판이 이용된다. 상기 제1 금속막(32)은 크롬막, 티타늄막, 텅스텐막, 알루미늄막 등을 이용하여 형성한다. 이어서, 상기 제1 금속막 상에 절연막(34)을 저온에서 1∼5㎛의 두께로 형성한다. 계속하여, 상기 절연막 상에 게이트 전극용 제2 금속막(36)을 0.2∼0.5㎛의 두께로 형성한다. 상기 제2 금속막(36)은 크롬막, 티타늄막, 또는 팔라디움막으로 형성한다. 상기 제2 금속막(36)은 전자선 증착법이나 열증착법으로 형성한다.
도 3은 제2 금속막(36) 및 절연막(34)을 패턴닝하여 미세 구멍(40)을 갖는 제2 금속막 패턴(36a) 및 절연막 패턴(34a)을 형성하는 단계를 나타낸다. 구체적으로, 상기 제2 금속막(36) 상에 포토레지스트막(도시 안함)을 1.5∼2.0㎛ 두께로 코팅시킨 후 사진현상하여 포토레지스트 패턴(38)을 형성한다. 이어서, 상기 포토레지스트 패턴(38)을 마스크로 상기 제2 금속막(36) 및 절연막(34)을 식각하여 제2 금속막 패턴(36a) 및 절연막 패턴(34a)를 형성한다. 이때, 상기 제1 금속막(32)를 노출하는 미세한 구멍(40)이 복수개 형성된다. 상기 미세 구멍(40)은 직경이 0.5∼10.0㎛ 정도이고 구멍들(40) 간의 간격이 2.0∼15.0㎛ 정도로 형성한다.
도 4는 미세 구멍(40) 내에 전도성 고분자막(42) 및 탄소 나노튜브(44)를 형성하는 단계를 나타낸다. 구체적으로, 상기 절연막(34) 내의 미세 구멍(40)에 액상의 전도성 고분자를 1/3가량 채워넣어 전도성 고분자막(42)을 형성한다. 상기 전도성 고분자막의 예로는 카본 접착제 또는 은 접착제 등을 들 수 있다.
계속하여, 초음파 진동이나 전압 인가 등의 방법을 사용하여 상기 절연막(34) 내의 미세 구멍(40) 내로 에미터 팁용 탄소 나노튜브(44)를 뿌려넣어 상기 제1 금속막(32) 상에 수직 방향으로 배열시킨다. 다시 말하면, 탄소 나노튜브(44)를 미세 구멍(40) 위에 뿌린후 초음파 진동을 가하거나, 기판의 상하로 전압을 인가하거나, 상기 두가지 방법을 동시에 실시하여 미세 구멍(40) 속의 전도성 고분자막(42) 상에 탄소 나노튜브가 효과적으로 주입되고 세워지게 된다. 결과적으로, 상기 탄소 나노튜브(44)는 제1 금속막(32) 상에 있는 상기 전도성 고분자막(42) 위에 수직 방향으로 세워진다. 이렇게 수직 배향된 탄소 나노튜브(44)는 낮은 동작 전압, 예컨대 1.5 V/㎛ 정도에서 큰 방출전류를 얻을 수 있다. 그리고, 상기 수직 배향된 탄소 나노튜브(44)는 단위 면적당 높은 팁 밀도를 갖고 있기 때문에 발광 효율이 우수하다.
계속하여, 상기 탄소 나노튜브(44)가 뿌려진 액상의 전도성 고분자막(42)을 경화시킨다. 상기 전도성 고분자막(42)의 경화는 400℃ 이하, 바람직하게는 300∼400℃의 온도에서 수행한다.
다음에, 도 1에 도시한 바와 같이 상기 제2 금속막 패턴 상에 100∼700㎛ 정도의 길이로 스페이서(48)를 설치한다. 이어서, 미리 마련된 상부 기판(50)에 애노드용 투명 전극(52)을 형성시킨 후, 상기 투명전극(52) 상에 발광을 일으키는 형광체(54)를 부착시킨다. 상기 상부 기판(50)은 유리 기판을 사용하며, 상기 투명 전극은 ITO(Indium Tin Oxide) 전극을 사용할 수 있다.
계속하여, 상기 투명 전극(52) 및 형광체(54)가 부착된 상부 기판을 뒤집어서 상기 스페이서(48) 위에 올려놓은 다음 진공으로 밀봉시켜 실장시킴으로써 전계방출 표시소자를 완성한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 표시소자는 제2 금속막과 절연막에 미세한 구멍을 형성시킨 후 상기 미세한 구멍에 탄소 나노 튜브를 집어넣는 방법을 이용하여 제작방법이 간단하면서도 대면적이 가능하다.
그리고, 본 발명에 따른 전계방출 표시소자는 에미터용 팁으로 수직방향으로 잘 배향된 탄소 나노튜브를 사용하기 때문에 낮은 동작 전압, 예컨대 1.5V/㎛ 정도로 큰 방출전류를 얻을 수 있으며, 단위 면적당 높은 팁 밀도를 갖고 있기 때문에 발광 효율이 우수하고 신뢰성과 수율이 높다.

Claims (10)

  1. 하부 기판 상에 형성된 캐소드 전극용 제1 금속막;
    상기 제1 금속막 상에 형성되고 상기 제1 금속막을 노출하는 복수개의 미세 구멍들을 갖는 절연막 패턴 및 제2 금속막 패턴;
    상기 미세 구멍 내에 형성된 전도성 고분자막;
    상기 전도성 고분자막 내에 수직방향으로 배열되어 형성된 에미터 팁용 탄소 나노튜브;
    상기 제2 금속막 패턴에 설치된 스페이서; 및
    상기 스페이서 상에 설치되고 표면에 투명 전극 및 형광체가 부착된 상부 기판을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부 기판은 유리, 석영, 실리콘 또는 알루미나(Al2O3) 기판인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속막은 크롬막, 티타늄막, 텅스텐막 또는 알루미늄막이며, 제2 금속막 패턴은 크롬막, 티타늄막, 또는 팔라디움막인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미세 구멍은 직경이 0.5∼10.0㎛인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자.
  5. 하부 기판 상에 캐소드 전극용 제1 금속막을 형성하는 단계;
    상기 제1 금속막 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 상에 게이트 전극용 제2 금속막을 형성하는 단계;
    상기 제2 금속막 및 절연막을 패턴닝하여 상기 제1 금속막을 노출하는 복수개의 미세 구멍들을 갖는 절연막 패턴 및 제2 금속막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 미세 구멍 내에 액상의 전도성 고분자막을 형성하는 단계;
    상기 미세 구멍 내로 에미터 팁용 탄소 나노튜브를 뿌려넣어 수직 방향으로 배열시키는 단계;
    상기 액상의 전도성 고분자막을 경화시키는 단계;
    상기 제2 금속막 패턴 위에 스페이서를 설치하는 단계; 및
    상기 스페이서 상에 투명 전극 및 형광체가 부착된 상부 기판을 부착시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 하부 기판은 유리, 석영, 실리콘 또는 알루미나(Al2O3) 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 금속막은 크롬막, 티타늄막, 텅스텐막 또는 알루미늄막이며, 제2 금속막은 크롬막, 티타늄막, 또는 팔라디움막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 초음파 진동 또는 전압 인가 방법을 이용하여 미세 구멍에 세워지는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 미세 구멍은 직경이 0.5∼10.0㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조 방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 액상의 전도성 고분자막은 300∼400℃의 온도에서 경화시키는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
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