KR20020009066A - 카본나노튜브 전계방출 표시 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평인출전극을 갖는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 카본나노튜브를 성장시키기 위해 금속재질(Invar)의 기판을 사용하여 Invar 기판 위에 절연층 및 소정 두께의 평면타입의 게이트 전극을 차례로 형성시키고, 상기 게이트 전극 상부에 절연막을 형성시킨 후 상기 게이트 전극이 형성된 전극사이에 카본나노튜브를 성장시킬 수 있도록 상기 Invar 기판이 노출되도록 식각하며, 상기 각 단계의 표면처리 후 화학기상증착법을 이용하여 선택적으로 카본나노튜브를 성장시킴으로써, 전기적인 특성제어가 용이한 삼극부형태의 새로운 평면형 게이트전극 구조를 가지면서 고온성장이 가능한 금속기판위에 카본나노튜브를 성장시킴으로써, 전기적 특성과 구조적 제작이 용이한 효과를 갖는다.

Description

카본나노튜브 전계방출 표시 소자 및 그 제조방법{Carbon nano tube field emission indicating element and manufacturing method thereof}

본 발명은 냉음극 전계방출 표시 소자(FED)에 관한 것으로, 특히 에미터의 재료로서 금속팁을 카본나노튜브로 대체 사용하여 평판형 디스플레이 및 음극선관(Cathode-ray tube, 이하 CRT라 칭함) 튜브(tube)의 에미터 어레이를 형성하고 새로운 게이트 전극 구조를 제공하는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

디스플레이용 전계방출소자로서는 대표적으로 반도체 프로세스공정을 이용하여 마이크로 팁을 형성될 자리를 에칭하고 그 자리에 금속팁을 형성하는 캐소드, 게이트 그리고 애노드전극의 삼극구조를 가진 스핀타입이 있는데, 상기 소자는 캐소드와 애노드전극 사이에 수십∼수백 볼트의 전압을 인가하여 캐소드의 마이크로 팁에서 전자를 방출시키고 수백∼수천 볼트의 전압을 스크린 역할을 하는 상기 애노드에 인가하여 스크린에 전자를 도달하게 한다.

최근 카본나노튜브를 전계방출형 표시 소자의 에미터로서 사용할 수 있는 가능성이 보임에 따라 카본나노튜브를 전계방출형 표시소자에 응용하려는 연구가 국내외적으로 진행되고 있는데, 상기 카본나노튜브는 1985년 축구공 모양을 가진 탄소분자(C₆₀(fullerence))가 처음 발견된 이래 전세계의 많은 연구소에서는 새로운 구조의 탄소를 합성하기 위한 연구가 진행되었다.

상기 카본나노튜브에서는 상기 과정에서 합성된 것으로서 하나의 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 육각형 벌집 무늬 구조를 가지는데, 이러한 벌집모양을 원기둥모양으로 말린 것으로서 속이 빈 튜브와 같은 모양을 가지고 있으며,그 튜브의 직경이 보통 수 나노미터 정도로 극히 작기 때문에 이것을 나노튜브라 부른다.

상기 카본나노튜브의 합성방법으로는 초기에는 주로 전기방전법을 사용하여 정제를 통해 생성되었고, 현재에는 여러 가지 방법에 대한 연구가 활발하게 시도되고 있으며, 그 외에 카본나노튜브의 대표적인 합성방법으로는 전기방전법, 레이저증착법, 열분해증착법, 열화학기상증착법, 플라즈마 화학기상증착법 등이 있다.

상기와 같은 다양한 방법으로 합성된 카본나노튜브를 전계방출형 표시 소자로 응용할 경우, 핵심기술은 먼저 전자방출소자 팁의 높이를 균일하게 하고 제작된 소자에 바이어스를 걸었을 때 시간에 따라 특성이 저하되지 않으면서 안정되어야 하고 팁을 재연성 있게 제작할 수 있어야 한다.

하지만 상기 전계방출 표시 소자는 유리를 기판으로 사용하기 때문에 저온 성장기술이 필요하고 아울러 고효율 전자방출을 위하여 카본나노튜브를 수직으로 성장시키거나 또는 수직으로 세우는 기술이 필요하다.

도 1 은 종래의 카본나노튜브의 방출특성도로서, 캐소드와 애노드의 갭을 0.2㎜로 하고 애노드 전극을 통해 측정된 전형적인 전류-전압의 특성을 나타낸 것으로 일반적으로 문턱전압은 1.5V/㎛이며, 전류밀도는 최대 10㎃/㎠ 정도이다.

상기와 같은 일반적인 특성에도 불구하고 카본나노튜브의 경우는 안정한 구조의 고밀도 카본나노튜브를 재현성있게 제작하기가 어려운 문제가 있다.

이에 따라 전계방출 표시 소자(FED)의 응용을 위한 FED의 에미터 제작방법에는 크게 다음과 같은 두 가지 방법이 제안되고 있다.

첫째, 대표적으로 상기 언급한 아크방전법을 이용하여 카본나노튜브를 생성하고 이를 정제한 후 바인더와 섞어서 스크린인쇄법으로 카본나노튜브 어레이를 제작하는 방법으로서, 이 방법은 제작은 용이하지만 게이트전극을 만들기 어려워 방출전류의 제어가 어려운 단점을 가지고 있다.

둘째, 화학기상증착법을 이용하여 정해진 픽셀안에 선택적으로 직접 성장합성하는 방법이 있는데, 이러한 화학기상증착법을 이용한 직접 성장 합성방법은 아주 국부적으로 높은 전류밀도를 실현하면서도 전류의 제어를 용이하게 한다는 장점이 있으며, 이를 실현하기 위한 방법으로 3극 구조 즉, 게이트 전극을 삽입하는 방법이 있다.

그러나 이러한 게이트 전극을 삽입하는 방법은 아직까지 마스크형태의 금속 그리드를 쓰는데 이러한 방법은 망사를 이용하기 때문에 전자는 구멍을 통과해서 방출되고 전자의 투과율은 그만큼 낮아지는 단점을 가지고 있다.

상기 카본나노튜브를 직접 성장시키는 방법은 촉매역할을 하는 금속(촉매금속)이 필요하며, 그 재질로는 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni) 등이 주로 사용되고 있다.

그 증착방법은 주로 직류(DC) 혹은 무선주파수(Radio Frequency, 이하 RF라 칭함) 스퍼터링(Sputtering) 방법을 이용하여 50∼70㎚의 두께로 증착한 후 700∼800℃의 온도에서 열처리하면 촉매금속은 각각의 덩어리(grain)를 형성하며 동그란 물방울 형상으로 모이게 되며, 이와 같은 덩어리들이 카본나노튜브가 성장할 수 있는 씨앗으로 작용하게 된다.

그러나 일반적으로 상기 공정에서는 촉매금속의 생성 및 카본나노튜브의 성장에 있어 기판온도가 600℃ 이상이어야 양질의 카본나노튜브를 성장시킬 수 있으며 이러한 경우 상기 온도에 견딜 수 있는 유리기판선택에 있어 가격의 상승요인으로 작용하고 있다.

상기 단점을 해결하기 위해 본 발명은, 안정된 고효율의 카본나노튜브를 직접 성장 및 합성시키면서 그 옆에 게이트 전극을 형성시켜 고온에서 카본나노튜브를 성장시키면서도 가격상승요인을 제거할 수 있는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 카본나노튜브를 성장시키기 위해 금속재질의 기판을 사용한 것을 특징으로 한다.

또한 Invar 기판 위에 절연층 및 소정 두께의 평면타입의 게이트 전극을 차례로 형성시키는 제 1 단계, 상기 게이트 전극 상부에 절연막을 형성시킨 후 상기 게이트 전극이 형성된 전극사이에 카본나노튜브를 성장시킬 수 있도록 상기 Invar 기판이 노출되도록 식각하는 제 2 단계 및 상기 각 단계의 표면처리 후 화학기상증착법을 이용하여 선택적으로 카본나노튜브를 성장시키는 제 3 단계를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

이때 사용하는 상기 금속기판으로는 Invar42의 금속기판을 들 수 있는데, 카본나노튜브를 성장할 때 Invar42내에 포함되어 있는 니켈에 의해 자동적으로 상기설명한 물방울 모양의 촉매금속이 형성되며, 이로 인해 상기 Invar42 위에 양질의 카본나노튜브를 고온에서 성장시킬 수 있다.

도 1 은 종래의 카본나노튜브의 방출특성도,

도 2a 에서 도 2e 는 본 발명의 전계방출 표시 소자의 탄소 및 노튜브 에미터 제작 공정도,

도 3 은 본 발명에 따른 평면타입의 게이트 전극에 의한 전기장 분포 특성도,

도 4 는 본 발명에 따른 전계방출 표시소자 카본나노튜브 전계방출소자의 형성 구조도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 유리기판 2 : Invar 기판

3 : 절연층 4 : 게이트 전극

5 : 절연막 6 : 카본나노튜브

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2a 에서 도 2e 는 본 발명의 전계방출 표시 소자의 탄소 및 노튜브 에미터 제작 공정도로서, 공정 순서를 설명하면 다음과 같다.

먼저 Invar 기판(2) 위에 절연층(3) 형성 후 0.1∼1㎛ 두께의 게이트 전극(4)을 형성시키며, 그 위에 다시 절연막(5)을 형성시킨 다음 게이트 전극이 형성된 전극사이에 카본나노튜브를 성장시킬 수 있도록 Invar42 기판표면이 노출될 때까지 식각한 후 각종 표면처리 후 화학기상증착법을 이용하여 선택적으로 카본나노튜브를 성장시키는데, 여기서 표면처리는 카본나노튜브가 성장하기 위한 seed 제조공정으로 수십∼수백 ㎚ 크기의 알갱이를 형성시킨다.

이때 상기 각종 표면처리는 카본나노튜브를 좀더 잘 성장하기 위한 전처리 과정이다.

상기 도 1은 이렇게 성장된 전계방출 소자(Field Emitter Array, 이하 FEA라 칭함)의 전류-전압 특성 곡선을 나타낸 것으로서, 게이트를 전극으로 가진 삼극부 구조의 전계방출소자의 경우, 캐소드 팁 끝과 게이트전극 높이는 같게 하는 것이 일반적이나, 본 발명에서 제시된 전계방출소자의 경우는 게이트전극의 두께는 1㎛ 이하이며, 탄소나토튜브의 높이는 10㎛이므로 평면타입의 게이트전극 구조를 가지고 있다.

도 3 은 본 발명에 따른 평면타입의 게이트 전극에 의한 전기장 분포 특성도로서, 상기와 같은 평면타입의 게이트전극에 의한 전계분포의 특성을 시뮬레이션(simulation)한 것이다.

상기 전기장 분포의 특성을 보면 애노드, 게이트전압은 각각 500V, 100V로 하고 애노드와 캐소드사이의 거리는 50㎛로 하였으며, 평면타입의 게이트전극에 의해 캐소드주변의 전계분포의 변화를 잘 알 수 있으며, 이는 게이트전극에 의해 전계방출소자전류의 제어가 가능함을 나타낸 것이다.

도 4는 상기와 같은 구조를 갖는 전체적인 카본나노튜브 전계방출소자의 형성 구조도로서, 유리기판(1) 그 위에 Invar 기판(2), 상기 Invar 기판위에 절연층(3), 절연층 위에 소정 두께의 게이트 전극(4) 및 절연막(5)을 형성시킨 후 카본나노튜브(6)를 성장시킨 구조로 이루어져 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 전기적인 특성 제어가 용이한 삼극부형태의 새로운 평면형 게이트전극 구조를 가지면서 고온성장이 가능한 금속기판위에 카본나노튜브를 성장시킴으로써, 전기적 특성과 구조적 제작이 용이한 효과를 갖는다.

Claims (8)

1. 평판형 전계방출 표시소자 에미터 구조에 있어서,

   카본나노튜브를 성장시키기 위해 금속재질의 기판을 사용한 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속재질의 기판은

   Invar 재질인 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 카본나노튜브는

   인출전극이 캐소드면과 나란히 배열되어 평면타입으로 이루어진 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 평면타입의 캐소드 게이트 전극이 캐소드면을 제외하고 절연막에 덮여있는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속기판은

   평판 디스플레이를 구성하기 위해 그 아래 유리기판을 지지대로 사용한 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자.
6. Invar 기판 위에 절연층 및 소정 두께의 평면타입의 게이트 전극을 차례로 형성시키는 제 1 단계;

   상기 게이트 전극 상부에 절연막을 형성시킨 후 상기 게이트 전극이 형성된 전극사이에 카본나노튜브를 성장시킬 수 있도록 상기 Invar 기판이 노출되도록 식각하는 제 2 단계;

   상기 각 단계의 표면처리 후 화학기상증착법을 이용하여 선택적으로 카본나노튜브를 성장시키는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단계는

   상기 평면타입의 게이트전극은 의해 캐소드주변의 전계분포의 변화 및 전계방출소자전류의 제어가 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자의 제조방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 3 단계는

   상기 표면처리는 카본나노튜브가 성장하기 위한 시드(seed) 제조공정으로 소정 크기의 알갱이를 형성시키는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 전계방출 표시 소자의 제조방법.