KR20020057636A - 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자는, 기판의 위로 소정의 간격을 두고 형성된 캐소드전극 및 게이트전극과; 캐소드전극의 위로 성막된 촉매전이금속 복합체 및 절연층과; 절연층의 위로 성막되어 애노드에 의한 전계의 직접적인 영향을 배제시켜 애노드에 의한 전계방출을 방지하는 전계차폐층; 및 게이트전극으로 수십 볼트의 일정 전압이 가해질 때 발생되는 전계로부터 전자를 방출하도록 캐소드전극에 성막된 촉매전이금속 복합체의 부위에서 게이트 전극의 방향으로 배향되게 성장된 탄소나노튜브를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법은, 기판 위에 캐소드전극과 게이트전극을 소정의 간격을 두고 형성한 후 그 위에 촉매전이금속 복합체를 성막시키는 단계와; 촉매전이금속 복합체의 위에는 절연층과 전계차폐층을 성막시킨 후, 성막된 절연층과 전계차폐층을 건식이나 습식 에칭에 의해 패터닝시키는 단계; 및 촉매전이금속 복합체는 절연층 및 전계차폐층 보다 좀더 식각하여 언더컷한 후, 터미널 또는 플라즈마 CVD법으로 기판의 온도범위내에서 탄소나노튜브를 촉매금속부위에만 게이트 전극 방향으로 배향시키는 단계를 포함한다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법{FED using carbon nanotube and manufacturing method thereof}

본 발명은 전계방출형 표시소자(FED; Field Emission Display)에 관한 것으로서, 특히 탄소나노튜브를 이용하여 평면형 3전극 구조로서 구동전압이 낮은 전계방출형 표시소자를 간단한 공정으로 제조하여 균일한 전류의 제어로부터 안정된 전자방출특성을 가질 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최든 들어, 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시소자의 중요성이 많이 인식되고 있다.

그 이유는 탄소나노튜브가 기계적으로 강하고 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서도 전자방출특성이 좋기 때문이다.

또한 탄소나노튜브의 직경이 1.0∼수십 nm로 작아 기존의 spindt형 전계방출 팁보다 전계강화효과(field enhancement factor)가 상당히 크기 때문에 전자방출이 되는 임계전계(turn-on-field)가 1∼5 V/㎛ 로 낮다.

이와 같이 탄소나노튜브의 낮은 임계전계로 인해 구동을 낮은 전압에서 할수 있어 전력 손실, 나아가서는 저렴한 생산가를 맞출수 있는 장점이 있다.

종래 spindt타입 3전극 전계방출형 표시소자의 경우에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 글래스기판(1)의 위에 저항층(a), 절연층(b), 그리고 게이트막(c)을 성막시키고, 사진식각 공정을 통하여 게이트막(c)과 절연층(b)에 구멍(1a)을 낸다.

이후, 분리막과 에미터막을 직진성이 좋은 전자빔 증착법으로 성막시켜 예리한 에미터팁(d)을 만든다.

이때, 상기 게이트(c)에 수십 볼트의 전압이 가해지면, 상기 에미터팁(d)에서는 강한 전계로부터 전자방출이 일어나는데, 상기 전자방출은 게이트막(c)에 전압이 걸리는 시간동안 일어나고, 상기 전자방출이 충돌하는 한 픽셀에는 R(Red), G(Green), B(Blue) 포스퍼 도트들이 배열되어 있어서 컬러 디스플레이가 가능하게 되는 것이다.

따라서, 상기 에미터팁(d)의 형상 제어가 균일한 전자방출을 위하여 상당히 중요하지만, 패널을 대형화할 경우에는 전체 영역에서 균일한 팁 형상을 얻기 위해서는 장비가 상당히 대형화 되어야 하기 때문에 고가의 장비가 필요로 하는 불편함은 물론, 성막시킬 재료의 손실도 상당히 크게 발생하는 문제점을 갖고 있었다.

이에 탄소나노튜브를 이용한 3전극 구조의 전계방출형 표시소자가 종래 도 2에서와 같이 제공되었다.

즉, 도 2에 도시된 바와같이, 실리콘기판(2) 위에 저항층(a), 절연층(b), 그리고 게이트막(c)을 성막시킨 다음 사진식각 공정을 통해 게이트막(c)과 절연층(b)에 구멍(2a)을 낸다.

이후, 탄소나노튜브를 성장시키기 위해 필요한 촉매전이금속(3)을 증착 (evaporation)에 의해 저항층(a) 위에 성막시킨다.

그리고, 상기 실리콘 기판(2) 전체를 약 600∼900℃의 온도범위로 가열한 후 Hydrocarbon개스를 이용하여 촉매전이금속(3) 위에 탄소나노튜브(4)를 성장시킨다.

이때, 상기 게이트(c)로 수십 볼트의 일정 전압이 가해지면, 상기 촉매전이금속(3)에 성장된 탄소나노튜브(4)에는 강한 전계가 가해지면서 전자방출이 일어나며, 상기 전자방출은 게이트막(c)에 전압이 걸리는 시간동안 일어난다.

여기서, 상기 탄소나노튜브(4)는 촉매전이금속(3) 부위에만 성장하므로, 상기 촉매전이금속(3)이 클수록 상기 탄소나노튜브(4)의 성장영역도 함께 커지게 된다.

그러나, 상기 탄소나노튜브(4)의 영역이 넓을 경우 게이트(c)를 통하여 가해지는 전계가 집중되지 않고 방출전자의 빔이 퍼지게 될뿐만 아니라 전자방출영역도 고르지 못하여 주로 전계가 제일 강한 게이트(c)의 홀 주변에서만 국부적으로 전자방출이 이루어지는 문제점을 갖고 있다.

더불어, 비대칭적인 전계분포에 의해 게이트(c)로의 누설전류가 많이 발생하므로서, 종래에는 촉매전이금속(3)을 중심부에만 탄소나노튜브(4)를 성막시켜 전계집중에 도움을 주도록 하는 불편함이 따랐다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 전이금속복합체를 통해 게이트 방향으로 배향되는 탄소나노튜브를 촉매 전이금속이 있는 부위에만 성장시킨 평면형 3극 구조의 전계방출형 표시소자를 제조하므로서, 그 구동전압을 낮게 하면서 균일한 전류제어로 부터 안정된 전자방출특성을 가질 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 spindt타입의 3전극 전계방출 어레이(FEA)의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 2는 종래 탄소나노튜브를 이용한 3전극 전계방출 어레이(FEA)의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 일실시예로 탄소나노튜브를 이용한 3전극 전계방출형 표시소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 4의 a∼f는 본 발명의 일실시예로 탄소나노튜브를 이용한 3전극 전계방출형 표시소자의 제조방법을 나타낸 공정도.

도 5는 본 발명의 제 1 실시예로 게이트전극을 절연층 위에 형성시킨 3전극 전계방출형 표시소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 6은 본 발명의 제 2 실시예로 캐소드전극과 게이트전극 사이에 중간전극을 형성시킨 4전극 전계방출형 표시소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자는,

기판의 위로 소정의 간격을 두고 형성된 캐소드전극 및 게이트전극과;

상기 캐소드전극의 위로 성막된 촉매전이금속 복합체 및 절연층과;

상기 절연층의 위로 성막되어 애노드에 의한 전계의 직접적인 영향을 배제시켜 애노드에 의한 전계방출을 방지하는 전계차폐층; 및

게이트전극으로 수십 볼트의 일정 전압이 가해질 때 발생되는 전계로부터 전자를 방출하도록 상기 캐소드전극에 성막된 촉매전이금속 복합체의 부위에서 게이트 전극의 방향으로 배향되게 성장된 탄소나노튜브를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서 상기 촉매전이금속 복합체는, 전이금속-전이금속이나 전이금속-비전이금속의 복합체로 구성되는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 게이트전극은 소정의 높이를 갖는 절연층 위에 형성되는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 캐소드전극과 게이트전극 사이에 양전압과 음전압이 적절하게 가해지는 중간전극이 추가 형성되는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법은,

기판 위에 캐소드전극과 게이트전극을 소정의 간격을 두고 형성한 후 그 위에 촉매전이금속 복합체를 성막시키는 단계와;

상기 촉매전이금속 복합체의 위에는 절연층과 전계차폐층을 성막시킨 후, 성막된 절연층과 전계차폐층을 건식이나 습식 에칭에 의해 패터닝시키는 단계; 및

상기 촉매전이금속 복합체는 절연층 및 전계차폐층 보다 좀더 식각하여 언더컷한 후, 터미널 또는 플라즈마 CVD법으로 기판의 온도범위내에서 탄소나노튜브를 촉매금속부위에만 게이트 전극 방향으로 배향시키는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서 상기 탄소나노튜브의 크기 조절은, 전이금속-전이금속 또는 전이금속 -비전이금속외 다른물질들의 성분비 조절로부터 이루어지는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 전이금속복합체를 통해 게이트 방향으로 배향되는 탄소나노튜브를 촉매 전이금속이 있는 부위에만 성장시킨 평면형 3극 구조의 전계방출형 표시소자를 제조하므로서, 그 구동전압을 낮게 하면서 균일한 전류제어로 부터 안정된 전자방출특성을 가질 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

상기 목적달성을 위한 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자는 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 위로 소정의 간격을 두고 형성된 캐소드전극(11) 및 게이트전극(12)과; 상기 캐소드전극(11)의 위로 성막된 촉매전이금속 복합체(20) 및 절연층(13)과; 상기 절연층(13)의 위로 성막되어 애노드(100)에 의한 전계의 직접적인 영향을 배제시켜 애노드(100)에 의한 전계방출을 방지하는 전계차폐층(14)과; 게이트전극(12)으로 수십볼트의 일정전압이 가해질 때 발생되는 전계로 부터 전자를 방출하도록 상기 캐소드전극(11)에 성막된 촉매전이금속 복합체(20)의 부위에서 게이트 전극(11)의 방향으로 배향되게 성장된 탄소나노튜브(30)로 구성된다.

그리고, 도 4는 상기 설명되는 전계방출형 표시소자의 제조방법을 보인 공정도로서 그 진행단계는, 기판(10) 위에 캐소드전극(11)과 게이트전극(12)을 소정의간격을 두고 형성한 후 그 위에 촉매전이금속 복합체(20)를 성막시키는 단계와; 상기 촉매전이금속 복합체(20)의 위에는 절연층(13)과 전계차폐층(14)을 성막시킨 후, 성막된 절연층(13)과 전계차폐층(14)을 건식이나 습식 에칭에 의해 패터닝시키는 단계와; 상기 촉매전이금속 복합체(20)는 절연층(13) 및 전계차폐층(14) 보다 좀더 식각하여 언더컷(undercut)한 후, 터미널(thermal) 또는 플라즈마 CVD법으로 기판(10)의 온도범위내에서 탄소나노튜브(30)를 촉매금속부위에만 게이트 전극(11) 방향으로 배향시키는 단계를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법에 대한 작용을 첨부된 도 3 및 도 4를 참조하여 부연 설명하면 다음과 같다.

먼저, 기판(10) 위에 캐소드전극(11)과 게이트전극(12)을 소정의 간격을 두고 형성한다.

여기서, 상기 기판(10)의 재료는 탄소나노튜브(30)가 성장하는 온도에 견딜수 있으며 절연이 잘되는 Si, Al₂O₃, SiO₂, Al₂O₃+SiO₂, Al₂O₃+TiC 또는 기타 세라믹 재료 등을 사용함이 바람직하며, 탄소나노튜브(30)를 저온에서 성막시킬 경우 글래스를 사용하여도 무방하다.

더불어, 상기 전극(11)(12)은 탄소나노튜브(30)가 성장되지 않는 물질의 금속층(Al, Cr, Nb, Cu, Ag 또는 금속합금 등)으로 이를 스퍼터링이나 증착법에 의해 만든 후 이를 기판(10)에 위에 형성한 후, 상기 캐소드전극(11)과 게이트전극(12)은 전자방출을 위한 구동전압을 결정할수 있도록 소정의 간격으로 패터닝한다.

이후, 상기 캐소드전극(11)과 게이트전극(12)의 위로 촉매전이금속 복합체 (20)를 성막시킨다.

여기서, 상기 촉매전이금속 복합체(20)는 전이금속(Fe-Ni-Co의 합금)-전이금속(Fe-Ni-Co의 합금)이나 전이금속(Fe-Ni-Co의 합금)-비전이금속{Fe(또는 Ni+Co)+ SiO₂(또는 Al₂O₃, Cu, Cr 등)}의 복합체로서, 전이금속물질이 복합체 내에 입자와 같이 미세하게 분산되는 것을 사용함이 바람직하다.

그리고, 상기 촉매전이금속 복합체(20)의 위에는 절연층(13)과 전계차폐층 (14)을 성막시킨 후, 상기 성막된 절연층(13)과 전계차폐층(14)을 건식이나 습식 에칭에 의해 패터닝한다.

더불어, 상기 촉매전이금속 복합체(20)는 절연층(13) 및 전계차폐층(14) 보다 좀더 식각하여 언더컷(undercut)을 한 후, 터미널(thermal) 또는 플라즈마 CVD법으로 기판(10)의 온도범위내에서 탄소나노튜브(30)를 성장시킨다.

즉, Hydrocarbon개스(C_XH_Y, C₂H₂, C₂H₄, CH₄, C₂H₆등)나 COx개스등의 탄소를 함유한 개스 또는 이런 개스들과 불활성개스(Ar, He 등)나 질소같은 개스 등을 섞은 후 이를 터미널 또는 플라즈마 CVD법으로 약 300∼900℃의 기판(10) 온도범위내에서 탄소나노튜브(30)를 촉매전이금속 복합체(20)의 부위에만 게이트 전극(11) 방향으로 배향시키면서 성장시킨다.

여기서, 상기 성장된 탄소나노튜브(30)의 직경이나 밀도는 주로 촉매금속의표면개질에 의한 촉매금속의 입자나 분산정도에 의해 영향을 받고 그 성장길이는 성장시간에 의해 결정되며, 그 크기는 전이금속-전이금속 또는 전이금속-비전이금속외의 다른물질들의 성분비를 조절하므로서 조절할수 있도록 하였다.

그러면, 상기 탄소나노튜브(30)는 게이트전극(12)으로 수십볼트의 전압이 가해질 때 전계가 상기 촉매전이금속 복합체(20)의 부위에서만 성장된 탄소나노튜브 (30)로 가해지므로서, 상기 탄소나노튜브(30)에서는 전자를 방출하고, 상기 방출되는 전자로 부터 양전압의 게이트전극(12)으로는 전자들의 이동이 발생된다.

이때, 3∼10kV의 고전압으로 걸려 있는 애노드(100)에 의한 전계에도 영향을 받게 되는 바, 상기 게이트전극(12)으로 이동되는 전자들의 일부분이 애노드전극 (100)으로 끌려가면서 그 전극 위에 입혀진 포스퍼발광물질(100a)을 때려 빛을 발광하게 되는 것이다.

한편, 상기 캐소드전극(11)의 최상층에는 전계차폐층(14)이 성막되어 있는 바, 상기 전계차폐층(14)은 애노드(100)에 의한 전계의 직접적인 영향을 배제시키면서 상기 애노드(100)에 의한 전계방출을 방지시키게 되고, 이에따라 상기 게이트전극(12)에 이한 전류제어가 용이하게 이루어질수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기 성장된 탄소나노튜브(30)의 직경이나 밀도는 주로 촉매금속의 표면개질에 의한 촉매금속의 입자나 분산정도에 의해 영향을 받고 그 성장길이는 성장시간에 의해 결정된다.

한편, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예로서 게이트전극(12)을 절연층(13) 위에 형성시킨 후, 상기 게이트전극(12)의 높낮이는 탄소나노튜브(30)에 대한 전자빔의궤적을 수직방향으로 효과적으로 유도할수 있도록 조절함을 보여주고 있다.

더불어, 도 6은 본 발명의 제 2 실시예로, 캐소드전극(11)과 게이트전극(12) 사이에 중간전극(40)을 설치한 4전극 구조를 보인 것이다.

즉, 중간전극(40)에 양전압이나 음전압을 적절하게 가하므로서 전계방출 효과를 증진시키거나 또는 방출된 전자의 궤적을 제어하게 되고, 이에따라 상기 방출되는 전자가 효과적으로 애노드(100) 방향으로 유도시켜 전자방출 효율을 높일수 있도록 한 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전자방출형 표시소자 및 그 제조방법에 의하면, 전이금속복합체를 통해 게이트 방향으로 배향되는 탄소나노튜브를 촉매 전이금속이 있는 부위에만 성장시킨 평면형 3극 구조의 전계방출형 표시소자를 제조하므로서, 그 구동전압을 낮게 하면서 균일한 전류제어로 부터 안정된 전자방출특성을 가질 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 기판의 위로 소정의 간격을 두고 형성된 캐소드전극 및 게이트전극과;

   상기 캐소드전극의 위로 성막된 촉매전이금속 복합체 및 절연층과;

   상기 절연층의 위로 성막되어 애노드에 의한 전계의 직접적인 영향을 배제시켜 애노드에 의한 전계방출을 방지하는 전계차폐층; 및

   게이트전극으로 수십 볼트의 일정 전압이 가해질 때 발생되는 전계로부터 전자를 방출하도록 상기 캐소드전극에 성막된 촉매전이금속 복합체의 부위에서 게이트 전극의 방향으로 배향되게 성장된 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매전이금속 복합체는,

   전이금속-전이금속이나 전이금속-비전이금속의 복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 게이트전극은 소정의 높이를 갖는 절연층 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐소드전극과 게이트전극 사이에 양전압과 음전압이 적절하게 가해지는 중간전극이 추가 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자.
5. 기판 위에 캐소드전극과 게이트전극을 소정의 간격을 두고 형성한 후 그 위에 촉매전이금속 복합체를 성막시키는 단계와;

   상기 촉매전이금속 복합체의 위에는 절연층과 전계차폐층을 성막시킨 후, 성막된 절연층과 전계차폐층을 건식이나 습식 에칭에 의해 패터닝시키는 단계; 및

   상기 촉매전이금속 복합체는 절연층 및 전계차폐층 보다 좀더 식각하여 언더컷한 후, 터미널 또는 플라즈마 CVD법으로 기판의 온도범위내에서 탄소나노튜브를 촉매금속부위에만 게이트 전극 방향으로 배향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 크기 조절은,

   전이금속-전이금속 또는 전이금속-비전이금속외 다른물질들의 성분비 조절로부터 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법.