KR20020025380A - Method for fabrication carbon nanotubes field emission arrays - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이(carbon nanotube field emission array)의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세 금속 분말이 섞인 감광성 페이스트(paste)를 사용하여 탄소 나노튜브의 접착 특성과 전도성을 증가시키고, 전자 방출의 균일성을 향상시키기 위한 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a carbon nanotube field emission array, and more particularly, to increase the adhesive properties and conductivity of carbon nanotubes by using a photosensitive paste mixed with fine metal powder. And a method for producing a carbon nanotube field emission array for improving the uniformity of electron emission.
종래의 전계 방출 표시 소자(field emission display)에서는 주로 몰리브덴(Mo) 등의 금속이나 실리콘(silicon) 등의 반도체 물질로 만들어진 스핀트(spind't)형 전계 방출 어레이를 이용하며, 이는 일정한 간격으로 배열된 마이크로 팁( micro tip)에 게이트 전극(gate electrode)을 이용하여 전기장을 가함으로써 전자를 방출시키는 것이다. 이러한 종래의 전계 방출 표시소자의 마이크로팁으로 이용되는 금속 또는 반도체 물질은 큰 일함수(work function) 때문에 게이트 전극에 인가되는 전압이 높아야 한다. 또한, 진공에서의 잔류 가스 입자들이 전자들과 충돌하여 이온화되고 상기 가스 이온들이 마이크로 팁과 충돌하여 손상을 입히게 되므로 마이크로 팁이 파괴되기도 하며, 전자에 의해 충돌된 형광체 입자가 떨어져 나와 마이크로 팁을 오염시키게 되므로 전계 방출 표시소자의 성능과 수명을 저하시키기도 한다. 이에 따라, 전자 방출 전계가 낮고 화학적 안정성이 우수한 탄소 나노튜브가 기존의 금속이나 반도체 물질의 대신한 차세대 전자 방출원 재료로 각광을 받고 있다.Conventional field emission displays use a spin't type field emission array mainly made of a metal such as molybdenum (Mo) or a semiconductor material such as silicon, and at regular intervals. Electrons are emitted by applying an electric field using a gate electrode to the arranged micro tips. The metal or semiconductor material used as the microtip of such a conventional field emission display device has a high voltage applied to the gate electrode due to a large work function. In addition, since the residual gas particles in the vacuum collide with the electrons and become ionized and the gas ions collide with the micro tip to damage it, the micro tip may be destroyed, and the phosphor particles collided by the electron may fall off and contaminate the micro tip. As a result, the performance and lifespan of the field emission display device may be degraded. Accordingly, carbon nanotubes having a low electron emission field and excellent chemical stability have been spotlighted as next generation electron emission source materials instead of existing metals or semiconductor materials.
후막 방식을 이용한 탄소 나노튜브 전계 방출 표시 소자를 제조함에 있어서, 후막의 접착 특성과 전도성을 증가시키기 위해서는 미세 금속 분말의 첨가가 필요하다. 그러나, 후막 표면이 미세 금속 분말로 덮히게 되면 소자의 전계 방출 특성이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 기계적 폴리싱(mechanical polishing)으로 표면 처리를 하는 방법을 생각할 수 있다. 기계적 폴리싱을 하면 탄소 나노튜브 표면의 미세 금속들이 제거되어 낮은 전기장에서도 전 면적에 걸쳐 균일한 발광을 얻을 수 있다.In manufacturing a carbon nanotube field emission display device using a thick film method, it is necessary to add a fine metal powder in order to increase the adhesion properties and conductivity of the thick film. However, when the thick film surface is covered with the fine metal powder, there is a problem that the field emission characteristics of the device is reduced. In order to solve this problem, a method of surface treatment by mechanical polishing can be considered. Mechanical polishing removes fine metals from the surface of the carbon nanotubes, resulting in uniform light emission across the entire area, even at low electric fields.
그러나, 탄소 나노튜브 상부에 절연층 및 게이트층이 존재하는 삼극관 구조의 경우 이러한 기계적 폴리싱에 의한 표면 처리는 용이하지 않으며, 선폭 및 선간 거리가 작은 고 집적도 소자의 경우 표면 처리 공정중에 선간의 쇼트(short)가 발생하여 대면적의 균일한 전자 방출을 얻는 것이 어려우며, 패턴된 형태로 스크린 프린팅을 하기 때문에 고 집적도을 얻는 것이 어려운 문제점이 있다.However, in the case of the triode structure in which the insulating layer and the gate layer are present on the carbon nanotubes, surface treatment by such mechanical polishing is not easy. It is difficult to obtain a uniform electron emission of a large area due to the occurrence of a short), it is difficult to obtain a high integration because screen printing in a patterned form.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기계적 폴리싱 과정을 거치지 않아도 낮은 전기장에서 균일한 전면 발광이 가능하며, 접착 특성 및 전도성이 우수한 저가격 대면적의 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art, a method of manufacturing a low-cost large-area carbon nanotube field emission array capable of uniform front emission in a low electric field without excellent mechanical polishing process, excellent adhesion properties and conductivity To provide that purpose.
도 1a는 기판 및 기판 상부에 형성된 전극층 상부에 탄소 나노튜브 페이스트를 도포하는 단계를 나타낸 단면도이다.1A is a cross-sectional view illustrating a step of applying a carbon nanotube paste on a substrate and an electrode layer formed on the substrate.
도 1b는 기판 및 기판 상부에 형성된 전극층 상부에 탄소 나노튜브 페이스트를 도포하는 단계를 나타낸 평면도이다.1B is a plan view illustrating a step of applying a carbon nanotube paste on a substrate and an electrode layer formed on the substrate.
도 2는 기판 및 기판 상부에 형성된 전극층 상부에 탄소 나노튜브 페이스트를 소정의 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 노광시키는 단계를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a step of exposing a carbon nanotube paste on a substrate and an electrode layer formed on the substrate using a mask on which a predetermined pattern is formed.
도 3은 본 발명에 의한 탄소 나노튜브 전계방출 어레이의 제조 방법에서 탄소 나노튜브 페이스트를 현상하는 단계를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing the step of developing the carbon nanotube paste in the method for producing a carbon nanotube field emission array according to the present invention.
도 4a는 상기 도 3의 현상하는 단계를 거친 뒤, 완성된 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이의 형태를 나타낸 단면도이다.FIG. 4A is a cross-sectional view illustrating a shape of a completed carbon nanotube field emission array after the developing step of FIG. 3.
도 4b는 상기 도 3의 현상하는 단계를 거친 뒤, 완선된 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이의 형태를 나타낸 평면도이다.4B is a plan view showing the shape of the completed carbon nanotube field emission array after the developing step of FIG. 3.
도 5는 상기 도 1a 및 도 1b의 상태에서 탄소 나노튜브의 후막에 전기장을 인가한 경우의 전계 방출 영상을 나타낸 사진이다.5 is a photograph showing a field emission image when an electric field is applied to a thick film of carbon nanotubes in the states of FIGS. 1A and 1B.
도 6은 본 발명에 의해 제조된 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이에 전기장을 인가한 경우의 전계 방출 영상을 나타낸 도면이다.6 is a view showing a field emission image when an electric field is applied to the carbon nanotube field emission array manufactured by the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
1... 기판 2... 금속 전극1 ... substrate 2 ... metal electrode
3... 탄소 나노튜브 페이스트 3'... 탄소 나노튜브3 ... carbon nanotube paste 3 '... carbon nanotube
4... 마스크 5... 자외선4 ... mask 5 ... UV
6... 현상액6. Developer
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,In the present invention, to achieve the above object,
(가) 탄소 나노튜브 후막 형성용 탄소 나노튜브 페이스트를 제조하는 단계;(A) preparing a carbon nanotube paste for forming carbon nanotube thick film;
(나) 기판 및 상기 기판 상부의 소정 부위에 형성된 전극 상부에 상기 탄소 나노튜브 후막 형성용 탄소 나노튜브 페이스트를 프린팅하는 단계;(B) printing the carbon nanotube paste for forming the carbon nanotube thick film on a substrate and an electrode formed on a predetermined portion of the substrate;
(다) 상기 프린팅된 탄소 나노튜브 페이스트를 소정 패턴이 형성된 마스크를 이용하여 노광시키는 단계; 및(C) exposing the printed carbon nanotube paste using a mask having a predetermined pattern; And
(라) 상기 노광된 탄소 나노튜브 페이스트를 현상하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이의 제조 방법을 제공한다.(D) developing the exposed carbon nanotube paste; provides a method for producing a carbon nanotube field emission array, characterized in that consisting of.
본 발명에 있어서, 상기 (가)단계의 상기 탄소 나노튜브 페이스트는 탄소 나노튜브 분말, 미세 금속 분발 및 유기물을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the carbon nanotube paste of step (a) is characterized in that it is prepared using carbon nanotube powder, fine metal powder and organic matter.
본 발명에 있어서, 상기 (가)단계의 상기 탄소 나노튜브 분말은 직류 아크 방전법으로 Ni-Co를 촉매로 하여 만들어진 single-well 탄소 나노튜브인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the carbon nanotube powder of step (a) is characterized in that the single-well carbon nanotubes made of Ni-Co as a catalyst by direct current arc discharge method.
본 발명에 있어서, 상기 (가)단계의 상기 금속 분발은 0.01 내지 100㎛의 크기를 가지며, 상기 금속 분말은 은, 알루미늄, 아연, 구리 및 니켈 중에서 선택되는 것이 바람직하다.In the present invention, the metal powder of the step (a) has a size of 0.01 to 100㎛, the metal powder is preferably selected from silver, aluminum, zinc, copper and nickel.
본 발명에 있어서, 상기 (나)단계의 상기 프린팅은 압출법을 이용하여 상기 탄소 나노튜브 페이스트가 압출되어 이루어지며, 상기 (나)단계의 상기 압출은 스퀴즈를 이용하여 이루어지는 것이 바람직하다.In the present invention, the printing of the step (b) is performed by extruding the carbon nanotube paste using an extrusion method, and the extrusion of the step (b) is preferably made by using a squeeze.
본 발명에 있어서, 상기 (다)단계의 상기 노광은 자외선을 조사하여 이루어 지는 것이 바람직하다.In the present invention, the exposure of step (c) is preferably made by irradiating ultraviolet light.
본 발명에 있어서, 상기 (라)단계에서 현상액으로 소디움 카보네이트를 사용하며, 상기 (라)단계의 상기 현상은 상기 소디움 카보네이트를 분사해줌으로써 이루어지는 것이 바람직하다.In the present invention, sodium carbonate is used as a developer in the step (d), and the development in the step (d) is preferably performed by spraying the sodium carbonate.
이하, 도면을 참고하면서 본 발명의 일 실시예에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다. 도 1a 내지 도 4b는 본 발명에 의한 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이의 제조 방법에 대한 일 실시예를 나타내는 도면이다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1A to 4B illustrate an embodiment of a method of manufacturing a carbon nanotube field emission array according to the present invention.
먼저, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, 기판, 예를 들어 유리 기판(1) 상부에 금속 전극(2), 예를 들어 은 전극(2)을 소정의 형태를 지니도록 형성시킨다. 본 발명의 일실시예에서는 상호 소정의 폭을 가지며 얼라인된 형태를 나타내었다. 고집적도를 지닌 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이의 제조시에는 상기 금속 전극(2)의 폭 및 전극(2)간 거리가 줄어들게 된다. 상기 배열된 금속 전극(2)을 형성시킨 후, 미세 금속 분말, 감광성 고분자로 이루어진 유기 바인더 및 single-well 탄소 나노튜브가 혼합된 페이스트(3)를 상기 유리 기판(1) 및 배열된 금속 전극(2)상부에 전면 프린팅을 한다.First, as shown in FIGS. 1A and 1B, a metal electrode 2, for example, a silver electrode 2 is formed on a substrate, for example, a glass substrate 1, to have a predetermined shape. In one embodiment of the present invention has a predetermined width and the aligned form. In the fabrication of high integration carbon nanotube field emission arrays, the width of the metal electrode 2 and the distance between the electrodes 2 are reduced. After forming the arranged metal electrode 2, a paste 3 containing a fine metal powder, an organic binder made of a photosensitive polymer and a single-well carbon nanotube is mixed with the glass substrate 1 and the arranged metal electrode ( 2) Front printing on the top.
이를 보다 상세히 설명하면, 먼저 탄소 나노튜브 후막 형성용 탄소 나노튜브를 제조한다. 이 경우, 탄소 나노튜브의 분말은 직류 아크 방전(DC-arc discharge) 법으로 Ni-Co를 촉매로 하여 만든 single-well 탄소 나노튜브를 이용하는 것이 바람직하다.In more detail, first, carbon nanotubes for forming carbon nanotube thick films are prepared. In this case, as the powder of the carbon nanotubes, it is preferable to use single-well carbon nanotubes made of Ni-Co as a catalyst by a DC-arc discharge method.
또한, 이용되는 유기 바인더 및 그 양은 후막 제조시 원하는 선폭이나 형상 등에 따라 달라지며 사용되는 재료의 특성 및 노광시의 조건에 따라 달라지게 된다. 상기 유기 바인더는 통상적으로 사용되는 물질을 이용하며, 예를 들어 아크릴 수지등을 이용한다.In addition, the organic binder to be used and its amount vary depending on the desired line width, shape, etc. in the production of the thick film, and depends on the characteristics of the material used and the conditions during exposure. The organic binder is a material commonly used, for example, acrylic resin.
상기 금속 분말은 나노튜브 후막 형성시, 접착력을 증가시키고 좋은 전도성을 가지도록 0.01 내지 100㎛ 크기의 금속 분말을 사용하는것이 바람직하며, 저융점의 은, 알루미늄, 아연 구리 및 니켈 등도 사용 가능하다. 금속 분말을 포함시킴으로써 탄소 나노튜브 후막이 안정하게 유지된다.The metal powder is preferably used in the metal powder of 0.01 to 100㎛ size to increase the adhesion and have a good conductivity when forming the nanotube thick film, it is also possible to use a low melting point of silver, aluminum, zinc copper and nickel. By including the metal powder, the carbon nanotube thick film is kept stable.
이렇게 만들어진 탄소 나노튜브 페이스트(3)를 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 예를 들어, 스퀴즈를 이용하여 기판 및 상기 기판 상부에 현성된 전극 상구에 압출시킨다. 이 때에는 상기 기판(1)상부에 배열되어 형성된 금속 전극(2) 상부 뿐만 아니라 상기 기판(1) 상부에도 상기 탄소 나노튜브 페이스트(3)를 전면이 도포되도록 한다. 이 같은 형태로 제조한 후에 전기장을 가하여 그 발광되는 형태를 살펴보면 도 5에 나타낸 바와 같다. 도 5와 같이 불균일한 몇 개의 스펏(spot)의 형태로만 나타나게 된며, 이는 탄소 나노튜브의 표면이 금속 입자로 덮혀 있어,탄소 나노튜브가 거의 표면과 평행한 방향으로 배열되어 인가된 전계에 대해 높은 전기장이 팁에 걸리지 않아서 발광이 잘 일어나지 않거나 단지 몇몇 팁에 집중되어 발생하기 때문이다.The carbon nanotube paste 3 thus made is extruded into the substrate and the electrode tops formed on the substrate, for example, using a squeeze, as shown in FIGS. 1A and 1B. In this case, the entire surface of the carbon nanotube paste 3 is applied not only to the upper portion of the metal electrode 2 formed on the substrate 1 but also to the upper portion of the substrate 1. After manufacturing in such a form and look at the form of light emission by applying an electric field as shown in FIG. As shown in FIG. 5, only non-uniform spots appear in the form of spots, and the surface of the carbon nanotubes is covered with metal particles, so that the carbon nanotubes are arranged in a direction substantially parallel to the surface and thus have a high degree of applied electric field. This is because the electric field is not picked up by the tip, so light emission does not occur well, or it is caused by only a few tips.
다음으로 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 탄소 나노튜브 페이스트(3)가 도포된 상기 기판(1) 상부에 소정의 패턴을 지닌 포토 마스크(4)를 배치시킨 후, 상기 기판(1) 상부에 자외선(5)을 조사한다. 본 발명의 일실시예에서는 상기 패턴은 상기 금속 전극(2)이 형성된 부분을 개구한 형태를 가지게 하였다.Next, as shown in FIG. 2, after the photomask 4 having a predetermined pattern is disposed on the substrate 1 to which the carbon nanotube paste 3 is applied, ultraviolet rays are disposed on the substrate 1. Investigate (5). In one embodiment of the present invention, the pattern has a form in which a portion where the metal electrode 2 is formed is opened.
이 경우, 상기 감광성 유기 바인더로 쓰인 물질이 네가티브 타잎(negative type)인 경우에는 성장시키고자 하는 부분에 포토 마스크(4)의 개구를 형성하여 자외선(5)을 조사하며, 포지티브 타잎(positive type)인 경우에는 제거하고자 하는 부분에 상기 포토 마스크(4)의 개구를 형성하여 자외선(5)을 조사한다.In this case, when the material used as the photosensitive organic binder is a negative type, the opening of the photomask 4 is formed in a portion to be grown to irradiate ultraviolet rays 5, and a positive type. In this case, the opening of the photomask 4 is formed in the portion to be removed to irradiate the ultraviolet rays 5.
다음으로 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 탄소 나노튜브 페이스트(3)가 도포된 기판(1)에 현상액(6)을 분사 방식으로 현상을 한다. 소정의 패턴을 지닌 포토 마스크(4)를 배치한 상태에서 자외선(5)을 조사한 후 현상액(6)으로 현상을 하면, 자외선(5)이 조사되지 않은 부분들이 떨어져 나가게 되어 원하는 패턴이 남게된다. 한편 이러한 현상액(6)은 바람직하게, 상술한 감광성 유기 바인더가 산성일 경우 염기성의 현상액이 사용되고 염기성일 경우에는 산성의 현상액이 사용된다. 그 예로서, 감광성 유기 바인더가 산성일 경우 소디움 카보네이트인 것이 바람직하다. 즉 상술한 바와 같이 상기 현상액(6)은 감광성 유기 바인더가 산성 또는 염기성인가에 따라 염기성 또는 산성으로 사용될 수 있다..Next, as shown in FIG. 3, the developer 6 is developed by spraying the substrate 1 on which the carbon nanotube paste 3 is applied. When the ultraviolet rays 5 are irradiated in a state where the photo mask 4 having a predetermined pattern is disposed, and then developed with the developer 6, portions not irradiated with the ultraviolet rays 5 are separated to leave a desired pattern. On the other hand, the developer 6 is preferably a basic developer when the photosensitive organic binder is acidic, and an acidic developer when basic. As an example, when the photosensitive organic binder is acidic, it is preferable that it is sodium carbonate. That is, as described above, the developer 6 may be used as basic or acidic depending on whether the photosensitive organic binder is acidic or basic.
마지막으로, 상기 현상 과정을 거치고 난 후의 탄소 나노튜브의 형상을 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 이 경우 현상액(6)에 의해 표면을 덮고 있던 미세 금속 분말들이 떨어져 나가게 되어, 금속 분말에 가려져 있던 탄소 나노튜브(3')들이 돌출되어 인가되는 전기장이 탄소 나노튜브(3')의 팁에 집중된다. 따라서, 낮은 전기장에서도 균일한 전자 방출 현상을 나타내게 된다. 또한, 프린팅 공정에서 나타나는 페이스트의 퍼짐 현상을 막을 수 있어서 고 집적도의 패턴의 형성도 가능하고 식각에 의해 패턴의 양 끝이 샤프(sharp)한 형상을 나타내게 된다.Finally, the shape of the carbon nanotubes after the development process is shown in Figures 4a and 4b. In this case, the fine metal powders covering the surface are separated by the developer 6 so that the carbon nanotubes 3 'covered by the metal powder protrude and the applied electric field is concentrated on the tip of the carbon nanotubes 3'. do. Therefore, even in a low electric field, it exhibits a uniform electron emission phenomenon. In addition, the spreading of the paste during the printing process can be prevented, so that a pattern of high integration can be formed and the edges of the pattern are sharp by etching.
도 6에서는 본 발명에 의해 제조된 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이에 전기장을 인가하여 발광되는 모습을 나타낸 사진이다. 여기서는 도 5와는 달리 탄소 나노튜브 필드 에미션 어레이의 전 면적에 걸쳐 균일한 발광 현상이 일어나는 것을 알 수 있다.6 is a photograph showing a state in which light is emitted by applying an electric field to the carbon nanotube field emission array manufactured according to the present invention. Here, unlike FIG. 5, it can be seen that uniform light emission occurs over the entire area of the carbon nanotube field emission array.
본 발명에 의하면, 기계적 폴리싱 과정을 거치지 않아도 탄소 나노튜브 표면의 미세 금속 분말들이 제거되어 인가된 전기장이 탄소 나노튜브의 팁에 집중되므로 낮은 전기장에서 균일한 전면 발광이 가능하며, 접착 특성 및 전도성이 우수한 저가격 대면적의 탄소 나노튜브 전계 방출 어레이를 제공하는 것이 가능하다.According to the present invention, even without mechanical polishing, fine metal powders on the surface of the carbon nanotubes are removed so that the applied electric field is concentrated on the tip of the carbon nanotubes, thereby enabling uniform front emission in a low electric field. It is possible to provide an excellent low cost large area carbon nanotube field emission array.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |