KR20010056989A

KR20010056989A - 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자

Info

Publication number: KR20010056989A
Application number: KR1019990058706A
Authority: KR
Inventors: 강남석; 이동구
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2001-07-04
Also published as: KR100312510B1

Abstract

본 발명은 CNT를 이용하기 적합한 전계 방출 소자에 관한 것이다.

본 발명의 CNT를 이용한 전계방출소자는 전자를 공급하기 위한 음극과, 음극 위에 형성되어 전자를 방출하기 위한 카본 나노튜브 이미터와, 카본 나노튜브의 옆에 위치하여 전자방출을 위한 전계를 인가하는 게이트전극과, 카본 나노튜브 이미터의 위에 형성되어진 보호층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, CNT가 보호층에 의해 양극에 직접 노출되지 않아 양극에 고전압을 인가할 수 있으므로 고전압 형광체를 이용하는 표시소자에 적용할 수 있게 된다.

Description

카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자{Field Emission Device Using Carbon Nanotube}

본 발명은 전계방출 디스플레이나 기타 진공중에서의 전자방출을 위해 이용되는 전계방출소자에 관한 것으로, 특히 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자에 관한 것이다.

최근들어, 신물질로 각광받고 있는 카본 나노튜브(Carbon Nanotube; 이하, CNT라 한다)는 수 nm에서 수십 nm의 아주 작은 직경의 결정구조를 갖음과 아울러 내화화적 특성 및 기계적 강도가 우수하여 그의 응용이 기대되고 있다. 하나의 응용분야로서 CNT를 이용한 전계 방출 소자로의 제작이 연구되고 있는데, 특히 전계 방출 표시 소자로의 응용이 기대되고 있다. 이는 CNT를 전계 방출 소자로 이용하는 경우 전자 방출 전압을 크게 낮출 수 있으므로 기존의 스핀트형 팁이나 실리콘 팁등과 같은 전계방출소자를 이용하는 것보다 구동전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 CNT의 내화학적 특성 및 기계적 강도가 우수하여 신뢰성이 좋은 소자 제작이 가능하기 때문이다. CNT의 전계 방출 전압이 낮은 이유는 직경이 nm로 아주 작아 전계강화효과(Field Enhancdment Factor)가 커서 전자방출이 일어나는 임계전계(Turn-on Field)가 1∼5V/㎛로 낮기 때문이다. CNT를 이용한 전계 방출 소자로는 이극구조와 삼극구조로 대별될 수 있다.

도 1은 종래의 이극구조 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 것이다. 도 1의 전계 방출 소자는 하부기판(10) 상의 음극(12) 및 CNT 이미터(14)와, 상부기판(18) 상의 형광체(16)를 구비한다. CNT 이미터(14)는 CNT를 미세분말 형태로 제작한 후 바인더(Binder)에 섞어 스크린 프린팅(Screen Printing) 방법을 이용하여 하부기판(10)의 음극(12) 상에 형성하거나, 박막을 성장시켜 형성하게 된다. 음극(12)과 상부기판(18) 상의 양극(도시하지 않음) 사이에 인가되는 전압에 의해 CNT 이미터(14)로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자들을 양극에 의해 가속되어 형광체(16)와 충돌하게 한다. 이 경우, 저전압 형광체를 사용하여 수백 V의 높은 전압으로 구동하게 된다. 이러한 이극 구조의 전계 방출 소자는 제작은 간단한 반면에 구동전압이 높음에 따라 현실적으로 이용되기 어려우므로 게이트 전극으로 전자가 방출되게 하는 삼극구조의 전계 방출 소자가 개발되고 있다.

도 2는 종래의 삼극구조 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 것이고, 도 3a 내지 도 3b는 도 2에 도시된 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 것이다. 도 2의 전계 방출 소자는 하부기판(10) 상의 음극(12)과, 음극(12) 상의 CNT 이미터(14) 및 절연층(20)과, 절연층(20) 상의 게이트전극(22)과, 상부기판(18) 상의 형광체(16)를 구비한다. 이러한 전계 방출 소자에서는 음극(12)과 게이트전극(22) 사이에 인가되는 전압에 의해 CNT 이미터(14)에서 전자가 방출되고, 방출된 전자는 상부기판(18) 상의 양극(도시하지 않음)에 의해 가속되어 형광체(16)와 충돌하게 된다. 이 경우, 게이트전극(22)에 인가되는 전압에 의해 전자방출량을 제어 하게 된다.

이러한 전계 방출 소자의 제조 방법을 살펴보면, 도 3a에 도시된 바와 같이 하부기판(10) 상에 음극(12)과 절연물질층(20A) 및 게이트금속층(22A)을 순차적으로 성막하게 된다. 이어서, 게이트금속층(22A)을 에칭함으로써 도 3b에 도시된 바와 같이 홀을 형성된 게이트전극(22)을 마련하게 된다. 그 다음, 게이트전극(22)의 홀을 통해 절연물질층(20A)을 에칭하여 도 3c에 도시된 바와 같이 홀이 형성된 절연층(20)을 마련하게 된다. 그리고, 게이트전극(22) 및 절연층(20)의 홀을 통해 노출된 음극(12) 상에 CNT를 성장시켜 도 3d에 도시된 바와 같이 CNT 이미터(14)를 형성하게 된다.

이러한 제조방법에 의한 종래의 삼극구조 CNT 전계 방출 소자에서는 CNT가 양극 밑에서 그 끝이 양극을 향한 상태로 바로 노출되게 된다. 이에 따라, 양극에 높은 전압을 인가하는 경우에는 게이트전극에 전압을 인가해 주기 전에 전자가 방출되게 되므로 게이트전극을 이용한 전자방출량의 제어가 어렵게 된다. 표시소자에서는 휘도를 높이기 위하여 효율이 높고 안정적인 고전압 형광체가 적용되고 있는데, 이 고전압 형광체를 사용하는 경우 수 kV의 높은 전압을 양극에 인가해 주어야만 한다. 그러나, 종래의 삼극구조 CNT 전계 방출 소자는 양극에 높은 전압을 인가하는 경우 전자방출량의 제어가 어렵게 되므로 고전압 형광체를 사용하는 표시소자에 적용할 수 없게 된다. 또한, 종래의 삼극구조의 CNT 전계 방출 소자는 대면적의 기판 상에 균일하게 제작하는 것이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 CNT를 이용하여 안정한 삼극구조의 전계 방출 소자를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 이전극 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 단면도.

도 2는 종래의 삼전극 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 단면도.

도 3a 내지 도 3d는 도 2에 도시된 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 단면도.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 단면도.

도 7a 내지 도 7e는 도 4에 도시된 삼전극 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자에서 음극과 게이트전극 간의 거리(x)와 턴-온 전압과의 관계를 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10, 24 : 하부기판 12, 26 : 음극

14, 30, 46 : CNT 이미터 16, 38 : 형광체

18, 34 : 상부기판 20, 52 : 절연층

20A :절연물질층 22, 28, 50 : 게이트전극

22A : 게이트전극층 32 : 보호층

36 : 양극 40 : 전자

42 : 전도성 에폭시 44 : CNT

48 : 촉매금속층 60 : 금속층

62 : CNT 층

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 CNT을 이용한 전계방출소자는 전자를 공급하기 위한 음극과, 음극 위에 형성되어 전자를 방출하기 위한 카본 나노튜브 이미터와, 카본 나노튜브의 옆에 위치하여 전자방출을 위한 전계를 인가하는 게이트전극과, 카본 나노튜브 이미터의 위에 형성되어진 보호층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 4 내지 도 8을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 삼전극 구조의 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 것이다. 도 4의 CNT 전계 방출 소자는 하부기판(24) 상에 형성된 음극(26) 및 게이트전극(28)과, 음극(26)을 포획하는 CNT 이미터(30)와, CNT 이미터(30) 위에 형성된 보호층(32)과, 상부기판(34) 상에 순차적으로 적층된 양극(36) 및 형광체(38)를 구비한다. CNT 이미터(30)는 전도성 에폭시(Epoxy)(42) 내에 평면방향으로 배열된 CNT(44)를 구성으로 한다. 이 CNT 이미터(30)는 그 아래의 음극(26)과 CNT 이미터(30) 옆에 소정의 간격을 두고 위치한 게이트전극(28) 사이에 인가되는 전압에 의해 전자(40)를 방출하게 된다. 방출된 전자(40)는 양극(36)에 인가되는 전압에 의해 가속되어 형광체(38)에 충돌함으로써 형광체(38)를 발광시키게 된다. CNT 이미터(30)는 보호층(32)에 의해 양극(36)에 노출되지 않게 된다. 이에 따라, 형광체(38)로 고전압 형광체를 이용하여 양극(36)에 높은 전압을 인가하는 경우에도 CNT 이미터(30)는 양극(36)의 전계에 의해 직접 전자가 방출되지 않게 되고, 게이트전극(28)의 전계에 의해 전자가 방출되게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 것이다. 도 5의 전계 방출 소자는 도 4에 도시된 전계 방출 소자와 대비하여 CNT 이미터(46)가 촉매층(48) 옆으로 성장된 CNT(44)를 제외하고는 동일한 구성요소들을 구비한다. 이러한 전계 방출 소자에서도 CNT 이미터(46)가 보호층(32)에 의해 양극(36)에 노출되지 않으므로 CNT 이미터(46)는 양극(36)에 고전압이 인가되더라도 게이트전극(28)에 인가되는 전계에 의존하여 전자(40)를 방출하게 된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 것이다. 도 6의 전계 방출 소자는 도 4에 도시된 전계 방출 소자와 대비하여 게이트전극(50)이 CNT 이미터(30)의 아래 쪽에 형성되고, 그 게이트전극(50)과 음극(26) 사이의 절연을 위한 절연층(52)을 더 구비하는 것이외에는 동일한 구성요소들을 구비한다. 도 6에 도시된 CNT 이미터(46) 역시 전술한 바와 같이 보호층(32)에 의해 양극(36)에 노출되지 않으므로 양극(36)에 고전압이 인가되더라도 게이트전극(28)에 인가되는 전계에 의존하여 전자(40)를 방출하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 삼전극 CNT 전계 방출 소자는 고전압 환경에서도 게이트전극에 의해 전자방출량의 제어가 가능하게 되므로 고전압 형광체를 이용하는 표시소자에 적용될 수 있게 된다.

도 7a 내지 도 7e는 도 4에 도시된 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 것이다.

우선, 도 7a에 도시된 바와 같이 하부기판(24) 상에 금속층(60)을 형성한 후 그 금속층(60)을 패터닝하여 도 7b에 도시된 바와 같이 음극(26) 및 게이트전극(28)을 형성하게 된다. 그 다음, CNT를 페이스트 상태의 전도성 에폭시 등과 섞어 스크린 프린팅 또는 스핀 코팅(Spin Coating) 등의 방법을 이용하여 도 7c에 도시된 바와 같이 음극(26) 및 게이트전극(28)이 형성된 하부기판(24) 상에 CNT층(62)을 형성하게 된다. 이 경우, 고온에서 성장된 CNT를 떼어내어 분말형태로 만든 후 페이스트 상태의 전도성 에폭시 등과 섞어 기판(24) 상에 형성시킴으로써 기판(24)을 고온으로 가열하지 않고도 양질의 CNT를 전자원으로 사용할 수 있게 된다. 이어서, 도 7d에 도시된 바와 같이 CNT층(62) 상에 보호층(32)을 형성한다. 이 보호층(32)은 CNT층(62) 상에 SiO2 등과 같은 절연체나 Cr 또는 Al 등과 같은 금속층을 형성한 후 패터닝함으로써 형성하게 된다. 그리고, 보호층(32)을 마스크로 이용하여 CNT 층(62)을 에칭함으로써 도 7e에 도시된 바와 같이 CNT 이미터(30)를 만들어 하판을 완성하게 된다.

도 5에 도시된 삼전극 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이 하부기판(24) 상에 음극(26) 및 게이트전극(28)이 형성하게 된다. 그 다음, 음극(26) 및 게이트전극(28)이 형성된 하부기판(24) 상에 촉매금속층을 성막한 후, 그 촉매금속층 위에 도 7d에 도시된 바와 같이 보호층(32)을 형성하게 된다. 이어서, 보호층(32)을 마스크로 이용하여 촉매금속층을 에칭한 후 CVD 방법을 이용하여 CNT를 성막하게 된다. 이 경우, CNT가 촉매금속층의 옆으로 성장하게 됨으로써 도 5에 도시된 바와 같이 촉매금속층에서 옆으로 신장된 CNT를 구성으로 하는 CNT 이미터(46)가 형성되게 된다.

도 6에 도시된 삼전극 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법을 살펴보면 다음과 같다. 우선 하부기판(24) 상에 금속층을 형성한 후 패터닝하여 게이트전극(50)을 형성하고, 그 위에 절연층(58)을 형성하게 된다. 그 다음, 절연층(58) 위에 음극(26)을 형성하고, 그 위에 도 7c에 도시된 바와 같이 전도성 에폭시와 CNT가 혼합된 CNT층(62)을 형성하게 된다. 이어서, CNT층(62) 위에 도 7d에 도시된 바와 같이 보호층(32)을 형성하고, 그 보호층(32)을 마스크로 이용하여 CNT층(62)을 에칭함으로써 CNT 이미터(30)를 만들게 된다.

도 8은 본 발명에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자에서 음극과 게이트전극 간의 거리(x)와 전자방출 개시전압, 즉 턴-온 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 8에서 CNT 이미터(30)로부터 전자가 방출이 개시되는 턴-온 전압은 음극(26)과 게이트전극(28) 간의 거리(x)에 비례함을 알 수 있다. 다시 말하여, 음극(26)과 게이트전극(28) 간의 거리(x)가 작을 수록 턴-온 전압은 낮아지게 된다. 여기서, 음극(26)과 게이트전극(28) 간의 거리(x)가 5㎛인 경우 전자 방출 개시전압은 6V 정도로 낮으므로 10V 전후의 낮은 전압에서 CNT 이미터(30)를 구동하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 고전압 형광체를 사용하여 음극(26)과 양극(36)의 거리(y)를 1.1mm로 설정하고 양극(36)에 6kV의 고전압을 인가하는 경우 칼라 표시 소자에서 500cd/㎡ 이상의 고휘도를 얻을 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 CNT를 이용한 전계 방출 소자에 의하면 CNT가 보호층에 의해 양극에 직접 노출되지 않으므로 양극에 고전압을 인가할 수 있게 된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 CNT를 이용한 전계 방출 소자는 고전압 형광체를 이용하는 표시소자에 적용하여 고화질/고효율의 표시소자를 구현할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 CNT를 이용한 전계 방출 소자에 의하면 음극과 게이트전극 간의 거리를 5㎛로 설정하는 경우 10V 정도의 낮은 구동전압으로 CNT 이미터를 구동할 수 있게 된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims

전자를 공급하기 위한 음극과,

상기 음극 위에 형성되어 전자를 방출하기 위한 카본 나노튜브 이미터와,

상기 카본 나노튜브의 옆에 위치하여 전자방출을 위한 전계를 인가하는 게이트전극과,

상기 카본 나노튜브 이미터의 위에 형성되어진 보호층을 구비하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자.
제 1 항에 있어서,

상기 카본 나노튜브 이미터는 전도성 에폭시와, 그 전도성 에폭시 내에 평면방향으로 배열된 카본 나노튜브를 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자.
제 1 항에 있어서,

상기 카본 나노튜브 이미터는 촉매금속층과, 그 촉매금속층에서 상기 게이트전극 쪽으로 성장된 카본 나노튜브를 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자.
제 1 항에 있어서,

상기 보호층은 절연층 및 금속층 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자.
전자를 공급하기 위한 음극과,

상기 음극 위에 형성되어 전자를 방출하기 위한 카본 나노튜브 이미터와,

상기 카본 나노튜브의 아래에 위치하여 전자방출을 위한 전계를 인가하는 게이트전극과,

상기 카본 나노튜브 이미터의 위에 형성되어진 보호층을 구비하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자.
제 5 항에 있어서,

상기 카본 나노튜브 이미터와 게이트 전극 사이에 형성된 절연층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자.