KR20010068389A - 전계방출 디스플레이 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에미터의 재질로서 카본나노튜브를 사용하여 평판형 전계 방출 디스플레이 소자의 에미터 어레이를 형성함으로서 전기적인 특성과 구조적인 제작 용이성을 개선하기 위한 것이다. 현재 카본나노튜브는 전기적, 기계적인 특성이 우수함에도 불구하고 게이트(gate) 전극의 형성이 어려워 전자방출(emission)의 콘트롤이 힘들다는 문제점을 가지고 있는바 이를 해결하고자 3극 구조(triode) 형태의 새로운 게이트 전극구조를 삽입하여 상기의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 촉매금속을 화소영역에 증착하고, 제1절연막, 패터닝된 게이트 전극 및 제2절연막을 형성한 후, 화소영역을 식각하여 상기 촉매금속을 노출시킨 후 CVD방법을 이용하여 카본나노튜브를 선택적 성장시키는 방법으로 전계방출 디스플레이 소자의 에미터 어레이를 제조함을 특징으로 한다.

Description

전계방출 디스플레이 소자 및 그 제조방법{Field emission display device and its fabrication method}

본 발명은 전계 방출형 디스플레이 소자에 관한 것으로, 특히 에미터의 재질로서 카본나노튜브를 사용하여 평판형 디스플레이의 에미터 어레이를 형성하고 새로운 게이트 전극 구조를 제공하는 전계 방출 디스플레이 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 카본나노튜브를 전계방출형 디스플레이 소자(FED)의 에미터로서 사용할 수 있는 가능성이 보임에 따라 카본나노튜브를 FED에 응용하려는 연구가 국내외적으로 진행되고 있다. FED 응용의 핵심기술은 먼저 전자방출용 팁(tip)을 뾰족하게 제작할 수 있어야 하고 제작된 팁이 바이어스(bias)를 걸었을 때 시간에 따라 특성이 저하되지 않아야 하며 안정한 구조로 팁을 재연성 있게 제작할 수 있어야 한다. FED는 글라스를 기판으로 사용하기 때문에 저온 성장기술이 필요하고 아울러 고효율 전자방출을 위하여 카본나노튜브를 수직으로 성장시키거나 또는 수직으로 세우는 기술이 필요하다.

도 1은 전형적인 카본나노튜브의 방출(emission) 특성을 나타낸 도면으로서, 캐소드와 애노드의 갭을 0.1mm로 하고 텅스턴 애노드 전극을 통해 측정된 전형적인 I-V 특성이다. 일반적으로 문턱전압은 2∼4V/㎛ 이며 전류밀도는 1mA/㎠ 정도이다.

상기의 일반적인 특성에도 불구하고 카본나노튜브의 경우 안정한 구조의 고밀도 카본나노튜브를 재연성 있게 제작하기 어렵다는 것이 현재 해결하여야 할 과제이다.

현재 FED의 응용을 위한 FED의 에미터 제작 방법에는 크게 두 가지 방법이 제안되고 있다.

첫째, 대표적으로 아크 방전 법을 이용하여 카본나노튜브를 생성하고 이를 정제한 후 바인더와 섞어서 스크린 프린트 방법으로 카본나노튜브 어레이를 제작하는 방법이다. 이러한 방법은 제작이 용이하지만 게이트 전극을 만들기 어려워 전류의 콘트롤이 힘들다는 단점을 가지고 있다.

둘째, CVD 방법을 이용한 정해진 픽셀 안에 선택적으로 직접 성장 합성하는 방법이다. 이러한 CVD 방법을 이용한 직접 성장 합성 방법은 아주 국부적으로 높은 전류 밀도를 실현하면서도 전류의 콘트롤을 용이하게 한다는 장점이 있으며, 이를 실현하기 위한 방법으로 3극 구조(triode) 즉, 게이트 전극을 삽입하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 게이트 전극을 삽입하는 방법은 아직까지 마스크 형태의 금속 그리드(metal grid)를 쓰는 것이 현재의 방법이다. 그렇지만 이러한 방법은 망사를 이용하기 때문에 전자는 구멍을 통과해야 하므로 전자의 투과율이 낮아 전자방출 효율의 저하를 가져오는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 기존의 방식인 마스크 형태의 콘트롤 그리드 전극을 삽입하지 않고 상술한 바와 같이 안정된 고효율의 카본나노튜브를 직접 성장 합성시키면서도 그 위에 게이트 전극을 형성한 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

도 1은 전형적인 카본나노튜브의 방출(emission) 특성을 나타낸 도면

도 2의 (a) 내지 (d)는 본 발명에 의한 전계 방출 디스플레이 소자의 카본나노튜브 에미터 제조 공정도

도 3은 본 발명의 전계방출 디스플레이 소자의 카본나노튜브 에미터 형성 직전 단계의 형태를 보인 일부 단면도

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 유리기판 2 : 캐소드 전극

3 : 촉매금속 4 : 제1절연막

5 : 게이트 전극 6 : 제2절연막

7 : 화소영역 8 : 카본나노튜브

본 발명에 의해 직접 기판 위의 원하는 영역에 카본나노튜브를 생성하기 위해서는 먼저 촉매역할을 하는 금속(촉매금속)이 필요하다. 그 재질로는 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 등이 주로 사용되고, 그 증착 방법은 주로 DC혹은 RF 스퍼터링 법을 이용한다. 상기한 방법을 이용하여 50∼70㎚의 두께로 증착한 후 700 ∼ 800℃의 온도에서 열처리하면 촉매금속은 각각의 덩어리(grain)로 형성되며, 동그란 물방울 형상으로 모이게 된다. 이와 같은 덩어리들이 카본나노튜브가 성장될 수 있는 씨앗으로 작용된다.

촉매금속이 증착 형성된 기판 위에 CVD 법을 이용하여 카본나노튜브를 성장할 경우 그 기판물질에 따라 임의로 선택적 증착을 행할 수 있다. 즉, 선택적 증착법에 있어서 카본나노튜브가 성장되지 않는 물질로는 SiO₂, Pt, Au 등이 있으며 이들 물질을 패터닝하여 카본나노튜브를 증착 할 경우 이 물질 위에는 전혀 카본나노튜브가 증착 성장되지 않는다.

그러므로 본 발명에서는 카본나노튜브를 성장시킬 영역에 촉매금속을 형성하고, 카본나노튜브를 형성시키지 않는 영역에는 카본나노튜브가 성장되지 않는 물질(SiO₂, Pt, Au)을 형성하여 패터닝 한 후 카본나노튜브를 CVD방법을 이용하여 선택적으로 형성시켜 전계 방출 디스플레이 소자의 에미터를 카본나노튜브로 형성한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 2의 (a) 내지 (d)는 본 발명에 의한 전계 방출 디스플레이 소자의 카본나노튜브 에미터 어레이 제조 공정도이다.

먼저, 도 2의 (a)와 같이, 유리기판(1) 위에 화면을 구성하기 위한 전압을 인가하는 캐소드 전극층(2)을 형성하고, 그 위에 촉매금속(3)을 스퍼터링방식으로 증착하여 이를 단위 화소를 기준으로 패터닝 한 후 소결하여 카본나노튜브가 잘 성장 될 수 있는 덩어리(grain)를 형성하여 촉매금속(3)을 형성한다. 여기서, 촉매금속(3)으로는, 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 등을 사용하고, 그 증착 방법은 주로 DC혹은 RF 스퍼터링 법을 이용하며, 50∼70㎚의 두께로 증착한 후 700 ∼ 800℃의 온도에서 열처리하여 각각의 동그란 물방울 모양의 덩어리(grain)로 형성한다.

그 촉매금속(3)이 형성된 상부에 제1 SiO₂ 절연막(4)을 형성하며, 그 위에 게이트 금속을 증착한 후 패터닝하여 게이트 전극(5)을 형성한다.

이후, 도 2의 (b)와 같이 상기 게이트 전극(5)이 형성된 위에 제2 SiO₂절연막(6)을 형성하고, 도 2의 (c)와 같이 원하는 화소영역(7)에 화학적 에칭 방법을 이용하여 상기한 촉매금속(3)이 오픈 될 때까지 선택적으로 식각한다.

이어서, 도 2의 (d)와 같이, CVD 장치를 이용하여 카본나노튜브(8)를 증착하면 원하는 화소영역(7)의 촉매금속(3)의 상부에만 카본나노튜브(8)가 증착되며, 상기한 게이트 전극(5)이 증착된 상부의 제2 SiO₂절연막(6) 면에는 카본나노튜브가 전혀 증착되지 않는다.

도 3은 본 발명의 전계방출 디스플레이 소자의 카본나노튜브 에미터 형성 직전 단계의 형태를 보인 일부 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이 본 발명의 전계방출 소자의 캐소드 플레이트는, 유리기판(1) 위에 캐소드 전극(2)이 형성되고, 그 캐소드 전극(2) 위에 화소영역에만 패터닝되어 촉매금속(3)이 형성되고, 그 촉매금속(3)을 포함하는 상부에 제1 절연막(4)이 형성되고, 그 제1절연막(4)의 상부에 게이트 전극(5)이 패터닝되어 형성되며, 그 게이트 전극(5)의 위에 제2절연막(6)이 형성되며, 에미터를 형성하기 위한 화소영역의 제2절연막(6), 게이트 전극(5), 제1절연막(4)이 식각되어 촉매금속(3)이 오픈된 상태에서 그 촉매금속(3)위의 화소영역내에만 CVD방법으로 카본나노튜브(8)가 형성되어 에미터를 이루도록 구성된다.

즉, 본 발명은 카본나노튜브를 형성하기 전에 게이트 전극(5)을 형성하되, 그 게이트 전극(5)이 제1, 제2절연막(4)(6)에 의해 상하로 에워 쌓여 외부에 직접 노출되지 않도록 구성하고, 이후, 식각에 의해 화소영역을 형성하여 에미터를 카본나노튜브(8)로 형성하되, 그 화소영역의 하면에 촉매금속(3)을 증착시킨 후 카본나노튜브(8)를 CVD방법으로 성장시키는 것을 특징으로 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 평판형 전계 방출 디스플레이 소자의 에미터를 카본나노튜브로 형성하되, 카본나노튜브를 성장시킬 영역에 촉매금속을 형성함과 아울러 게이트 전극을 카본나노튜브가 잘 성장되지 않는 절연막 사이에 형성한 후, 카본 나노튜브를CVD방법으로 성장시키므로, 마스크 형태의 망사형 메탈 그리드를 사용하지 않고서 CVD방법으로 선택적 성장이 가능하게 되어 안정된 고효율의 카본나노튜브를 직접 성장 합성시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 전계방출 디스플레이 소자에 있어서,

   유리기판(1) 위에 캐소드 전극(2)이 형성되고, 그 캐소드 전극(2) 위에 에미터를 형성하기 위한 화소영역에만 패터닝 되어 촉매금속(3)이 형성되고, 그 촉매금속(3)을 포함하는 상부에 제1절연막(4)이 형성되고, 그 제1절연막(4)의 상부에 게이트 전극(5)이 패터닝 되어 형성되며, 그 게이트 전극(5)의 위에 카본나노튜브가 성장되지 않는 재질의 제2절연막(6)이 형성되며, 에미터를 형성하기 위한 화소영역의 제2절연막(6), 게이트 전극(5), 제1절연막(4)이 식각되어 촉매금속(3)이 오픈 된 상태에서 그 촉매금속(3) 위의 화소영역내에만 CVD방법으로 카본나노튜브(8)가 선택적으로 성장되어 에미터를 이루도록 전계방출 소자의 에미터 어레이가 구성된 것을 특징으로 하는 전계방출 디스플레이소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매금속은,

   촉매금속으로 코발트(Co), 철(Fe) 또는 니켈(Ni)중 어느 하나의 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 전계방출 디스플레이 소자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2절연막은,

   카본나노튜브가 성장되지 않는 물질인 SiO₂절연막인 것을 특징으로 하는 전계방출 디스플레이 소자.
4. 전계방출 디스플레이 소자의 제조방법에 있어서,

   유리기판(1) 위에 화면을 구성하기 위한 전압을 인가하는 캐소드 전극층(2)을 형성하고, 그 위에 촉매금속(3)을 스퍼터링 방식으로 증착하여 이를 단위 화소를 기준으로 패터닝 한 후 소결하여 카본나노튜브가 잘 성장 될 수 있는 덩어리(grain)를 형성하여 촉매금속(3)을 형성하는 단계와;

   그 촉매금속(3)이 패터닝되어 형성된 상부에 제1 SiO₂ 절연막(4)을 형성하며, 그 위에 게이트 금속을 증착한 후 패터닝하여 게이트 전극(5)을 형성하는 단계와;

   상기 게이트 전극(5)이 형성된 위에 제2 SiO₂절연막(6)을 형성하고, 원하는 화소영역(7)에 화학적 에칭 방법을 이용하여 상기한 촉매금속(3)이 오픈 될 때까지 선택적으로 식각하는 단계와;

   상기 식각되어 촉매금속(3)이 노출된 화소영역에 CVD 장치를 이용하여 카본나노튜브(8)를 증착하여 에미터를 형성하는 단계를 수행하여 에미터 어레이를 제조하는 것을 특징으로 하는 전계방출 디스플레이 소자의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 촉매금속(3) 형성공정은,

   촉매금속으로 코발트(Co), 철(Fe) 또는 니켈(Ni)중 어느 하나의 금속을 DC 혹은 RF 스퍼터링 법을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 전계방출 디스플레이 소자의 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 촉매금속의 형성공정은,

   스퍼터링 법을 이용하여 50∼70㎚의 두께로 증착한 후 700 ∼ 800℃의 온도에서 열처리하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전계방출 디스플레이 소자의 제조방법.