KR20020005794A - 카본 나노 튜브 전계 방출 소자 및 이를 이용한 장치 - Google Patents

카본 나노 튜브 전계 방출 소자 및 이를 이용한 장치 Download PDF

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KR20020005794A
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  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)
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Abstract

본 발명에 따른 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계 방출 소자는 기판 상에 전극 배선층이 형성되어 있고, 그 위에 저항층, 절연층, 인출전극이 형성되어 있으며, 그 전극 배선층 위를 제외한 나머지 부분에 N×N(N≤8) 매트릭스 구조로 상기 저항층 위에 형성된 것을 특징으로 하며, 그 전극 배선층 옆에 저항층을 형성하고 홀 내부에만 선택적으로 니켈(Ni), 니켈+철 화합물(Ni+Fe Alloy), 니켈+코발트 화합물(Ni+Co Alloy)중의 어느 하나로 이루어진 촉매 금속층을 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기판 상에 저항층을 적용한 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 매우 많이 (106∼109개/㎠) 생성시킴으로써 보다 많은 전자(전류밀도: ∼10A/㎠)를 방출시킬 수 있게 되고, 저항층이 에미터 아래에 위치하여 전자방출을 제어함으로써 에미터의 파괴를 방지하고 에미터 간의 방출 특성을 균일하게 맞추고, FED의 경우 각 픽셀(Pixel)간의 균일도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Description

카본 나노 튜브 전계 방출 소자 및 이를 이용한 장치{Carbon nano tube field emission element and apparatus using it}
본 발명은 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 에미터에 관한 것으로써, 특히 기존의 CRT의 전자총의 열 음극 부분을 대체하여, 낮은 소비전력, 매우 짧은 Tew(Time of Emisson Warming-up) 및 내구성 있는 높은 전류밀도를 얻음과 아울러 FED (Field Emission Display)의 냉음극 부분을 대체하여 내구성 있는 높은 전류밀도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 낮은 구동전압, 내구성이 있는 균일한 방출전류, 및 FED 패널의 능동구동(Active-Matrix Drive)을 가능하게 하며, 저항층을 적용함으로써, 소자의 수명을 연장할 수 있는 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 에미터에 관한 것이다.
도 8 은 종래 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 탑재한 전자총의 단면도이다. 도시된 바와 같이 이 전자총은 지지대(801) 위에 XY방향으로 이동이 가능한 가동 스테이지(Mobile stage)(802)를 구비하고, 그 가동 스테이지위에 침상 에미터(emitter)(803)를 배치하고 있다. 또한 침상 에미터의 연장상에 지지대(801)에 고정된 상태에서 인출전극(804)이 배치되고 있다. 또한 이 인출전극(804)에는 애퍼쳐(Aperture)(804a)가 형성되어 있다. 즉, 침상 에미터(803)와 인출전극(804)을 포함한 전계 방출형 냉음극 전자원을 구성하였다.
또한 가동 스테이지(802)를 이동시키고, 애퍼쳐(804a)에 대한 침상 에미터(803)의 선단부의 위치와 방향을 제어한 것으로 전자인출 효율의 최적화를 도모한 것이 가능하다.
도 9 는 종래의 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 탑재한 FED의 단면도이다.도시된 바와 같이 기판(901)위에 전극 배선층(902)이 형성되고 이 전극 배선층(902) 위에 절연막(903)이 형성되어 있다. 이 절연막(903) 위에 기판측 림(Rim)(904)이 소정의 간격으로 배치되어 있다. 그리고 기판측 림(Rim)(904)을 사이에 둔 전자 방출부(905)가 형성되어 있다. 이 전자 방출부(905)는 절연막(903)에 형성된 스루홀(Through hole)을 이용하고 전극 배선층(902)의 어느 한쪽의 배선에 접속하고 있다. 그리고 기판측 림(Rim)(904) 위에는 전자를 인출하는 전극(906)이 형성되어 있다, 또, 투명한 전면 유리기판(908)이 기판(901)에 대향 배치하고 있다. 이 전면 유리기판(908)에는 전면 림(Rim)(908), 형광층(910), 메탈백 막(911)으로 구성되어 있다. 메탈 백 막(911)에 (+) 전위가 인가되고 전자 인출 전극(906)에 (+) 전위가 인가된 상태에서 전극 배선층(902)에 (-) 혹은 (0)의 전위를 인가하면 전자 방출부(905)로부터 전자가 방출되어 형광층(910)에 도달하고 그 부분이 발광한다. 전자 방출부(905)가 매트릭스(matrix) 모양으로 배열되고 평면 디스플레이를 구성한다.
종래의 카본 나노 튜브 전계 방출소자를 적용한 FED는 에미터 부분에 저항층(Resistive layer)을 적용하지 않았기 때문에 쉽게 소자의 파괴를 야기할 수 있는 문제점이 가지고 있었다.
따라서 본 발명은 기판 상에 저항층을 구비한 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 생성시킴으로써 그 소자로부터 균일한 방출 전자를 얻을 수 있고 수명이 길뿐만 아니라 보다 많은 전자를 방출시키는 것이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
도 1 은 본 발명에 의한 저항층이 있는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자의 개략도.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 의한 저항층이 있는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자 제작공정도.
도 3 는 도 2a에서 A의 확대도.
도 4 은 도 2b에서 B의 확대도.
도 5 은 도 2b에서 C의 확대도.
도 6 은 본 발명에 따른 소자를 적용한 전자총의 단면도.
도 7 는 본 발명에 따른 소자를 적용한 FED의 단면도.
도 8 은 종래의 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 탑재한 전자총의 단면도.
도 9 는 종래의 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 탑재한 FED의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
101 : 기판 102 : 전극 배선층
103 : 저항층 104 : 절연층
105 : 인출 전극 107 : 촉매 금속층
108 : 카본 나노 튜브 에미터 601 : 지지대
602 : 전계 방출 소자 603 : 제 1 그리드(Grid)
604 : 제 2 그리드 605 : 제 3 그리드
606 : 제 4 그리드 607 : 제 5 그리드
608 : 형광면 701 : 기판
702 : 전자 방출소자 703 : 진공
704 : 금속막 705 : 형광체
706 : 블랙 매트릭스 707 : 전면 유리기판
708 : 지지대 801 : 지지대
802 : 가동 스테이지 803 : 침상 에미터
804 : 인출전극 804a : 애퍼쳐(Aperture)
901 : 기판 902 : 전극 배선층
903 : 절연막 904 : 기판측 림(Rim)
905 : 전자 방출부 906 : 인출전극
908 ： 전면 유리기판 910 ：형광체
911 : 메탈백 막
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 음극선관과 FED에 사용되는 전계방출소자 중 저항층이 있는 원통상의 그라파이트(Graphite)로 된 카본 나노 튜브 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계 방출 소자는 기판 상에 전극 배선층이 형성되어 있고, 그 위에 저항층, 절연층, 인출전극이 형성되어 있으며, 그 전극 배선층 위를 제외한 나머지 부분에 N×N(N≤8) 매트릭스 구조로 상기 저항층 위에 형성된 것을 특징으로 하며, 그 전극 배선층 옆에 저항층을 형성하고 홀 내부에만 선택적으로 니켈(Ni), 니켈+철 화합물(Ni+Fe Alloy), 니켈+코발트 화합물(Ni+Co Alloy)중의 적어도 하나를 포함하여 촉매 금속층을 형성할 수 있다.
이 저항층은 보통 화학 기상 증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)을 사용하여 비정질 실리콘을 이용하여 제작한다. 에미터 아래에 위치하며, 그 역할은 전자 방출을 제어함으로써 에미터의 파괴를 방지하고 에미터 간의 방출 특성을 균일하게 맞추고, FED의 경우 각 픽셀(Pixel)간의 균일도를 향상시킨다.
또한 에미터 하나가 인출 전극과 쇼트(short)가 일어났다고 할지라도 인출 전극의 전압 강하를 일으키지 않으므로 다른 에미터들은 정상적으로 동작 할 수 있게 된다. 이것으로 인하여 전자총과 FED 패널(Panel)의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
그러나 저항층은 결국 전압 강하 효과로 인하여 전류 제어를 시키므로 패널 구동을 위하여 약간 더 높은 게이트 인출전극 전압 인가는 필수적이다.
또한 원통형 카본 나노 튜브를 생성시키기 위해서는 촉매 금속(Catalytic metal)이 필요하며, 이 촉매 금속은 Ni, Fe+Ni, Ni+Co등이 사용된다. 이 촉매 금속의 표면에 열처리(600∼900℃) 혹은 H2플라즈마(Plasma) 방법으로 드랍플릿 (Droplet)을 생성한 후 그 드랍플릿을 기초로 원통형의 카본 나노 튜브를 성장시킬 수 있다.
따라서 종래의 반도체 제조공정을 통하여, 기판상에 직경 0.05∼2.0㎛의 많은 (106∼109개/㎠) 홀(Hole)을 형성시킬 수 있으며 그 홀 내부에 촉매 금속을 형성시킨 후, 촉매 금속 위에 원통형의 카본 나노 튜브를 생성시킬수 있다.
더불어 본 발명에서는 홀 내부에 촉매 금속을 형성시키는 기술과 그 촉매금속 표면에 드랍플릿을 형성시키는 기술이 포함된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1 은 본 발명에 의한 저항층이 있는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자의 개략도이다. 도시된 바와 같이 저항층(103) 위에 카본 나노 튜브 에미터(108)를 형성시키는 방법을 고안하였다. 이 카본 나노 튜브 전계 방출 소자는 전자총의 음극으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 FED의 음극으로도 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전계 방출 소자는 원통상의 그라파이트로 된 카본 나노 튜브(108)로부터 구성된 전자 방출원과 그 전자 방출원의 선단 근처에 전자를 인출하기 위한 인출전극(105)이 구비되어 있다. 이때 전자 방출원은 N×N(N≤8) 매트릭스 구조를 가진다. 또한 인출전극(105)과 전극 배선층(102)의 전기적 절연을 위한 절연층(104)이 구비되어 있다. 이 소자는 카본 나노 튜브 선단에 고전계가 집중하고 전자가 인출되는 구조를 가진다. 또한 카본 나노 튜브를 홀 내부에만 선택적으로 생성하기 위하여 그 밑에 촉매 금속층(107)이 형성되어 있으며, 그 촉매 금속층(107) 밑에는 저항층(103)과 전극 배선층(102) 및 기판(101)으로 이루어져 있다. 즉 본 발명의 소자에서 전극 배선층(102)에 (0) 혹은 (-) 전위를 인가하고 인출전극(105)에 (+)전위를 인가하면 (+)전위가 걸린 양극 쪽으로 전자들이 방출하게 된다. 또한 저항층(103)을 적용함으로써 소자로부터 균일한 방출 전자를 얻을 수 있고 긴 수명이 유지되는 것이 가능하다.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 의한 저항층이 있는 카본 나노 튜브 전계 방출 소자 제작공정도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명에서의 소자 제작 순서를 설명하면 다음과 같다.
(a), (b) 먼저 기판(101)에 전극 배선층(102)을 형성한 후,
(c) 저항층(103), 절연층(104), 인출전극(105)를 적층한다. 기판(101)은 실리콘 웨이퍼 혹은 유리를 사용할 수 있다. 전극 배선층(102)은 (-) 혹은 (0)의 전위를 인가하는 곳으로 , 보통 금속을 열증착기(Thermal Evaporator), 전자선증착기 (E-beam Evaporator), 스퍼터링(Sputtering) 방법으로 0.1∼0.5㎛ 두께와 폭 5∼20㎛로 형성한다. 경우에 따라서는 n++ 폴리 실리콘(heavily doped n++ poly-crystal Silicon)을 사용할 수 있다. 저항층(103)은 보통 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)를 이용하여 비정질실리콘을 0.1∼2.0㎛ 두께로 형성한다. 경우에 따라 마이크로크리스탈 실리콘(Micro-crystal Silicon)이나 폴리크리스탈 실리콘(Polycrystal Silicon)을 사용할 수 있다. 비정질 실리콘의 경우 저항층(103)으로 쓰이는 실리콘 박막내의 수소(H) 함유량을 줄이기 위하여 인(P) 도핑(Doping)을 할 수 있다. 절연층(104)은 보통 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)를 이용하여 산화실리콘(SiOx)을 0.1∼5.0㎛ 두께로 형성한다. 이는 전극 배선층 (102)과 인출전극(105)의 전기적 절연 기능을 한다. 인출전극(105)은 보통 금속을 열증착기(Thermal Evaporator), 전자선증착기(E-beam Evaporater), 스퍼터링 (Sputtering) 방법으로 0.1∼0.5㎛ 두께로 형성한다.
(d) 사진식각공정(Photolithography)을 통하여 직경 0.05∼2.0㎛ 의 많은(106∼109개/㎠) 홀(Hole)을 전극 배선층 위를 제외한 나머지 부분에 N×N(N≤8) 매트릭스 구조로 형성시킨다. 습식식각공정 혹은 건식식각공정 (Reactive Ion Etching)을 통하여 인출전극(105)과 절연층(104)을 차례로 식각한다.
(e) 희생층(106)은 전자선증착기(E-beam Evaporater)를 사용하여 기판을 증발물질로부터 5∼20°각도를 유지하며 회전시키면서 두께로 형성한다. 이때 희생층(106)의 물질은 알루미늄(Al) 혹은 산화알루미늄(AlOx)등을 사용한다. 이때 홀의 확대도 A를 도 3에 나타내었다.
(f) 촉매 금속층(108)을 전자선증착기(E-beam Evaporator)를 사용하여 기판을 증발물질로부터 90° 각도를 유지하며 0.1∼0.5㎛ 두께로 형성한다. 이때 촉매 금속층(108)은 니켈(Ni), 니켈+철 화합물(Ni+Fe Alloy), 니켈+코발트 화합물(Ni+Co Alloy) 등을 사용한다. 이때 홀의 확대도 B를 도 4에 나타내었다.
(g) 이때 홀 내부의 촉매 금속층(108)에만 카본 나노 튜브를 형성시켜야 되므로 인출전극(105) 위의 촉매 금속층(108)은 제거되어야 한다. 따라서, 희생층(106)을 리프트오프(Lift off) 방법으로 제거 시키면 인출전극(105) 위의 희생층(106)은 제거되고 홀 내부에는 촉매금속(107)이 남아있다. 이때 희생층(106)을 선택적으로 제거하기 위해서 염기성 용액(NaOH, KOH, NH4OH) 등을 사용한다.
(h) 홀 내부에 형성되어 있는 촉매금속(108) 표면에 열처리(600∼900℃) 혹은 H2플라즈마(Plasma) 방법으로 드랍플릿(Droplet)을 생성한다. 이 드랍플릿은 향후 카본 나노 튜브 생성의 기초가 된다.
카본 나노 튜브 에미터(108)는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)를 이용하여 메탄+수소(CH4+H2) 혹은 에칠렌+수소(C2H2+H2)등의 혼합 기체를 사용하여 생성한다. 이때 카본 나노 튜브의 원통 직경은 촉매 금속의 드랍플릿 크기(직경)에 의존하며 촉매 금속층(108) 위에만 카본 나노 튜브가 생성되고 인출전극(105) 위에는 생성되지 않는다. 이때 홀의 확대도 C를 도 5에 나타내었다.
본 발명에 따른 소자에서 전극 배선층(102)에 (0) 혹은 (-) 전위를 인가하고 인출전극(105)에 (+)전위를 걸린 양극으로 전자들이 방출하게 된다. 카본 나노 튜브는 다른 종류의 전계 방출 물질에 비해서 일함수(work-function)가 낮기 때문에 더 낮은 전계에 의해서도 쉽게 전자들이 방출되는 특성을 가지고 있다. 따라서 본 발명은 기판상에 저항층을 적용한 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 매우 많이 (106∼109개/㎠) 생성시킴으로써 보다 많은 전자를 방출시킬 수 있을 뿐만 아니라 저항층(103)을 적용함으로써 소자로부터 균일한 방출 전자를 얻을 수 있고 긴 수명이 유지되는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 전자 방출 장치의 주요 부분 구성을 나타내는 구성도이다. 도 6을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면, 지지대(601) 위에 본 발명의 카본 나노 튜브 전계 방출 소자(602)가 형성되어 있다. 방출된 전자빔은 제 1 그리드(Grid)(603)로 모아지고 제 2 그리드(604), 제 3 그리드(605), 포커스 전극 (Focus Electrode)인 제 4 그리드(606), 제 5 그리드(607)를 통과하여 형광체(608)에 부딪혀 빛을 내게 된다. 이 결과 기판 상에 저항층을 적용한 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 매우 많이 (106∼109개/㎠) 생성시킴으로써 보다 많은 전자를 방출시킬 수 있다. 전류밀도는 10A/㎠의 성능을 유지할 수 있다. 또한 저항층(도 1의 103)을 적용함으로써 소자로부터 균일한 방출 전자를 얻을 수 있고 긴 수명이 유지되는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 구성을 도 7을 참조하여 설명한다. 이는 적어도 일부가 투광성을 갖는 표시면 및 그 표시면에 대향 배치한 기판을 갖고 내부가 진공 배기된 패널(Panel)과, 표시면과 기판을 소정의 간격으로 여러 배치된 지지대(Spacer) 및표시면에 소정의 전위가 인가된 형광체로 된 발광부와, 기판에서의 소정의 전위가 인가된 전자 방출부로 구성되어 있다. 기판(701) 상에 도 1에 도시된 카본 나노 튜브 전계 방출 소자(702)가 위치하고 투명한 전면 유리기판(707)이 기판(701)에 소정의 거리를 두고 지지대(708)에 의하여 진공(703)을 이루면서 대향 배치하고 있다. 형광체(705)와 블랙 매트릭스(Black Matrix)(706)는 메쉬(Mesh) 형태로 구성되어 있으며, 그 표면에는 알루미늄 막을 증착 한 것으로 형성된 금속막(704)이 형성되어 있다. 이 발광부의 형광체는 5∼10keV의 높은 에너지로 가속시킨 전자를 충돌시켜 발광하는 형광체(705)를 이용한다.
200∼1,000eV의 낮은 에너지로 가속된 전자로 발광한 형광체를 이용하는 경우, 금속막(704)를 형성하지 않고 유리기판(707)과 형광체(705) 사이에 투명전극 (Indium Tin Oxide: ITO)을 배치하고 이 투명전극에 의하여 형광층(705)에 전위가 인가되도록 할 수 있다. 이상의 설명에서 금속막(704)에 (+)의 전위가 인가되고 인출전극(도 1의 105)에 (+)의 전위가 인가되고 전극 배선층(도 1의 102)에 (0) 혹은(-)의 전위가 걸리면 전자 방출 소자(902)에서 전자가 방출된다. 그 방출된 전자가 형광체(705)에 도달하여 형광체(705)이 발광한다. 또한 전자 방출소자(702)가 매트릭스(Matrix)구조로 배열되고 형광체(705)는 적색 발광 형광체를 구성하고 그 옆의 형광체(705)는 녹색 발광 형광체를 구성하고 그 옆의 형광층(705)은 청색 발광 형광체를 구성하면 칼라 표시가 가능한 평면 디스플레이로 할 수 있다.
이상에서는 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계방출소자에 관하여 설명하였지만, 이러한 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계방출소자로 이루어진 에미터를 브라운(Braun)관에 음극으로 채용하거나, FED에 냉음극으로 채용할 수 있으며, 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계방출소자를 각종 영상표시장치에 전자 방출 수단으로 사용할 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 본 발명의 기판 상에 저항층을 적용한 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 매우 많이 (106∼109개/㎠) 생성시킴으로써 보다 많은 전자(전류밀도: ∼10A/㎠)를 방출시킬 수 있게 된다.
또한, 저항층이 에미터 아래에 위치하여 전자방출을 제어함으로써 에미터의 파괴를 방지하고 에미터 간의 방출 특성을 균일하게 맞추고, FED의 경우 각 픽셀(Pixel)간의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 에미터 하나가 인출 전극과 쇼트(short)가 일어났다고 할지라도 인출 전극의 전압 강하를 일으키지 않으므로 다른 에미터들은 정상적으로 동작 할 수 있게 된다. 이것으로 인하여 전자총과 FED 패널(Panel)의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

Claims (5)

  1. 기판 상에 전극 배선층이 형성되어 있고, 그 위에 저항층, 절연층, 인출전극이 형성되어 있으며, 그 전극 배선층 위를 제외한 나머지 부분에 N×N(N≤8) 매트릭스 구조로 상기 저항층 위에 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계 방출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 배선층 옆에 저항층을 형성하고 홀 내부에만 선택적으로 니켈(Ni), 니켈+철 화합물(Ni+Fe Alloy), 니켈+코발트 화합물(Ni+Co Alloy)중의 어느 하나로 이루어진 촉매 금속층을 형성한 것을 특징으로 하는 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계 방출 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항의 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계방출소자로 이루어진 에미터를 음극으로 채용한 것을 특징으로 하는 브라운(Braun)관.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항의 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계방출소자로 이루어진 에미터를 냉음극으로 채용한 것을 특징으로 하는 FED.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항의 원통형 그라파이트 카본 나노 튜브 전계방출소자로 이루어진 에미터를 전자 방출 수단으로 포함하는 것을 특징으로 하는 영상표시장치.
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KR1020000039201A KR20020005794A (ko) 2000-07-10 2000-07-10 카본 나노 튜브 전계 방출 소자 및 이를 이용한 장치

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020017594A (ko) * 2000-08-31 2002-03-07 구자홍 클러스터 구조의 저항층이 있는 카본나노튜브 전계 방출소자
KR100846706B1 (ko) * 2002-11-26 2008-07-16 삼성에스디아이 주식회사 전계 방출 표시 소자

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KR20020017594A (ko) * 2000-08-31 2002-03-07 구자홍 클러스터 구조의 저항층이 있는 카본나노튜브 전계 방출소자
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