KR20020060422A - 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자는, 일정한 크기의 탄소나노튜브 팁이, 캐소드 위에 형성된 절연층/게이트 전극층 내에 형성되는 홀 중앙부에 집중되어 마련되어 누설전류를 방지할 수 있다.

여기서, 절연층에 형성된 홀이 게이트 전극층에 형성된 홀보다 작게 마련된다.

또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법은, 기판 위에 캐소드전극과 절연막 및 게이트막을 순차적으로 성막시키는 한편, 캐소드전극의 위로 탄소나노튜브가 증착될수 있는 촉매전이금속을 얇게 증착하는 제 1 공정과; 제 1 공정에서 성막된 게이트막에 사진 식각으로 원형의 구멍을 식각하는 제 2 공정과; 제 2 공정에서 패턴된 게이트막의 원형구멍을 따라 절연막에 원형의 구멍을 식각하는 제 3 공정과; 제 2 공정으로 식각된 게이트막의 원형구멍을 절연막의 원형구멍 보다 더 넓게 추가 식각하는 제 4 공정; 및 탄소나노튜브가 게이트와 떨어지면서 게이트의 원형구멍 중앙부에 집중되도록 기판의 온도범위 내에서 수직배향된 탄소나노튜브 팁을 촉매전이금속 부위에만 성장시키는 제 5 공정을 포함한다.

Description

탄소 나노튜브를 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 소정크기의 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 게이트와 떨어지도록 하면서 게이트의 구멍 중앙부에 집중되도록 하여 탄소나노튜브에서 게이트전극으로 흐르는 누설전류를 감소시키도록 하고, 더불어 낮은 구동전압과 균일한 전자 방출이 가능하도록 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최든 들어서 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 중요성이 증가하고 있는데, 그 이유는 탄소나노튜브가 기계적으로 강하고 화학적으로도 상당히 안정하기 때문이다.

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

이와 같이, 탄소나노튜브의 낮은 임계 전계로 인해 구동을 낮은 전압에서 할수 있어 전력손실은 물론, 저렴한 생산가를 맞출수 있는 잇점을 제공한다.

종래의 spindt형 3전극 전계방출형 표시소자의 경우에는 도 1에 도시된 바와같이, 유리기판(1) 위에 저항층(2), 절연층(3), 그리고 게이트막(4)을 성막시킨 후 이를 사진식각 공정을 통하여 게이트(4)와 절연층(3)에 구멍을 낸다.

이후, 분리막과 에미터막(Mo)을 전자빔 증착법으로 성막시켜 예리한 에미터 팁(5)을 만든다.

그러나, 상기와 같은 에미터 팁(5)의 경우 그 크기와 형태를 일정하게 형성시키는 작업이 상당히 어려운 단점을 갖고 있다. 특히, 대형화에 있어서는 더욱 어렵다는 문제점이 있다.

한편, 종래에는 탄소나노튜브를 이용한 3전극 전계방출형 표시소자를 제공하고 있는데 이는 도 2에 도시된 바와같이, 실리콘기판(11) 위에 저항층(12)과 절연층(13) 및 게이트막(14)을 성막시킨 다음 사진식각 공정을 통해 게이트(14)와 절연층(13)에 구멍을 낸다.

이후, 탄소나노튜브(15)를 성장시키기 위해 필요한 촉매전이금속(16)을 증착 (evaporation)에 의해 저항층(12) 위에 성막시킨다.

그리고, 상기 실리콘기판(11)을 약 600∼900℃의 온도범위로 가열하여 탄화수소(Hydrocarbon)가스를 이용하여 촉매전이금속(16) 위에 탄소나노튜브(15)를 성장시킨다.

이때, 상기 탄소나노튜브(15)는 촉매전이금속(16) 부위에만 성장하므로, 상기 촉매전이금속(16)의 영역이 클수록 탄소나노튜브(15)의 성장영역도 함께 커지게 된다.

하지만, 상기 탄소나노튜브(15)의 성장영역이 넓으면 게이트(14)를 통하여 가해지는 전계가 집중되지 않는 문제점을 초래하게 되는 바, 이로인하여 방출전자의 빔이 퍼지게 될뿐만 아니라 전자방출영역도 고르게 이루어지지 못하면서 전계가 제일 강한 게이트(14)의 구멍 주변부에서만 국부적으로 전자방출이 일어나는 문제점을 갖고 있다.

또한, 비대칭적인 전계분포로 인하여 게이트(14)로의 누설전류가 많이 발생하는 문제점도 있다.

이에 종래에는 도 3과 같은 전계방출형 표시소자를 제공하고 있다.

즉, 도 3에서와 같이, 탄소나노튜브(15)를 고온에서 직접 실리콘기판(11)에 성막시키는 것이 아니라, 먼저 캐소드전극(17)을 스크린 프린팅법이나 박막패턴 등의 방법으로 형성한다.

이후, 고온에서 직접 성막되지 않고 다른 방법으로 성막이 이루어진 탄소나노튜브(15)의 분말을 바인더와 전도성필터 등과 혼합하여 슬러리 형태로 만든 다음, 이를 스크린 프린팅법 등과 같은 방법으로 캐소드전극(17) 위에 도포한다.

그리고, 다시 바인더 제거공정을 통해 탄소나노튜브(15)를 드러나게 한 후, 일정공간의 높이를 띄어 금속성의 그리드(18)를 위치시켜 게이트로 사용한다.

그러나, 상기 금속성의 그리드 게이트(18)를 위치시키는 경우, 상기 그리드게이트(18)의 구멍 부분과 패턴된 캐소드전극(17)간의 배열이 쉽지 않을뿐만 아니라 탄소나노튜브(15)에서 방출되는 전자들이 금속 그리드게이트(18)를 통하여 누설이 많이 발생되기 때문에 전자량의 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 소정크기의 탄소나노튜브를 게이트와 떨어지도록 하면서 게이트의 구멍 중앙부에 집중되도록 형성하여, 탄소나노튜브에서 게이트전극으로 흐르는 누설전류는 물론 빔의 퍼짐현상을 감소시키고, 더불어 전계강화효과를 증대시키면서 낮은 구동전압을 통해 균일한 전자 방출이 이루어질 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 spindt 타입의 3전극 전계방출어레이(FEA) 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 종래 탄소나노튜브를 이용한 3전극 전계방출어레이(FEA) 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 종래 탄소나노튜브를 이용한 3전극 전계방출어레이(FEA) 구조를 나타낸 단면도.

도 4의 a∼e는 본 발명의 일실시예로 탄소나노튜브를 이용한 ３전극의 전계방출형 표시소자의 제조방법을 나타낸 도면.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자는, 일정한 크기의 탄소나노튜브 팁이, 캐소드 위에 형성된절연층/게이트 전극층 내에 형성되는 홀 중앙부에 집중되어 마련되어 누설전류를 방지할 수 있는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 절연층에 형성된 홀이 게이트 전극층에 형성된 홀보다 작게 마련되는 점에 그 특징이 있다.

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

기판 위에 캐소드전극과 절연막 및 게이트막을 순차적으로 성막시키는 한편, 상기 캐소드전극의 위로 탄소나노튜브가 증착될수 있는 촉매전이금속을 얇게 증착하는 제 1 공정과;

상기 제 1 공정에서 성막된 게이트막에 사진 식각으로 원형의 구멍을 식각하는 제 2 공정과;

상기 제 2 공정에서 패턴된 게이트막의 원형구멍을 따라 절연막에 원형의 구멍을 식각하는 제 3 공정과;

상기 제 2 공정으로 식각된 게이트막의 원형구멍을 절연막의 원형구멍 보다 더 넓게 추가 식각하는 제 4 공정; 및

탄소나노튜브가 게이트와 떨어지면서 게이트의 원형구멍 중앙부에 집중되도록 기판의 온도범위 내에서 수직배향된 탄소나노튜브 팁을 촉매전이금속 부위에만 성장시키는 제 5 공정을 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 소정크기의 탄소나노튜브를 게이트와 떨어지도록 하면서 게이트의 구멍 중앙부에 집중되도록 형성하여, 탄소나노튜브에서 게이트전극으로 흐르는 누설전류는 물론 빔의 퍼짐현상을 감소시키고, 더불어 전계강화효과를 증대시키면서 낮은 구동전압을 통해 균일한 전자 방출이 이루어질 수 있는 장점이 있다.

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

상기 목적달성을 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조는, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(100) 위에 캐소드전극(21)과 절연막(22) 및 게이트막(23)을 순차적으로 성막시키는 한편, 상기 캐소드전극(21)의 위로 탄소나노튜브가 증착될수 있는 촉매전이금속(Fe, Ni, Co 또는 그이 합금 등)을 얇게 증착하는 제 1 공정과; 상기 제 1 공정으로 부터 성막된 게이트막(23)에 사진 식각으로 원형의 구멍(23a)을 식각하는 제 2 공정과; 상기 제 2 공정으로 부터 패턴된 게이트막(23)을 원형구멍(23a)을 따라 절연막(22)에 사진 식각으로 원형의 구멍(22a)을 식각하는 제 3 공정과; 상기 제 2 공정으로 식각된 게이트막(23)의 원형구멍(23a)을 절연막(22)의 원형구멍(22a) 보다 더 넓게 추가 식각하는 제 4 공정; 및 탄소나노튜브가 게이트(23)와 떨어지면서 게이트(23)의 원형구멍(23a) 중앙부에 집중되도록 기판(100)의 온도범위내에서 수직배향된 탄소나노튜브 팁(30)을 촉매전이금속부위에만 성장시키는 제 5 공정을 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 대한 작용을 첨부된 도 4를 참조하여 부연 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4a에서와 같이 기판(100) 위에 캐소드전극(21)으로 Al, Cr, Cu, Ag 또는 금속합금 등의 금속층을 스퍼터링이나 증착법에 의해 성막시킨다.

여기서, 상기 기판(100)의 재료는 높은 온도에서 견딜수 있는 Si, Al₂O₃, 뮬라이이트 또는 기타 세라믹 재료 등을 사용함이 좋고, 경우에 따라서는 탄소나노튜브를 저온에서 성막시킬 경우 유리를 사용하여도 무방하다.

이후, 상기 캐소드전극(21)의 위에 탄소나노튜브가 증착될수 있는 촉매전이금속(Fe, Ni, Co 또는 그의 합금 등)을 전자빔 증착법 등으로 얇게 증착한다.

그리고, 상기 촉매전이금속의 위로는 절연막(22)(SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃등과 같은 절연물)과 게이트막(23)(Cr, Nb, 기타 전도성재료)을 CVD나 스퍼터링 또는 전자빔 증착법에 의해 성막시킨다.

여기서, 상기 게이트(23)로 쓰이는 물질은 탄소나노튜브가 성장되지 않는 것이어야 한다.

이후, 상기 게이트(23)를 PHOTO RESIST를 코팅한 후 사진 식각으로 상기 게이트막(23)에 소정의 직경을 갖는 원형의 구멍(23a)을 판 다음, 도 4b, 4c에서와 같이, 게이트막(23)과 절연막(22)을 화학용액이나 가스 플라즈마를 이용하여 식각한다.

이때, 상기 절연막(22)의 식각공정 후, 도 4d에서와 같이 상기 게이트막(23)의 원형구멍(23a)을 절연막(22)의 원형구멍(22a) 보다 더 넓게 추가 식각하여 둔다.

이후, 도 4e에서와 같이 탄화수소가스(C_XH_Y, C₂H₂, C₂H₄, CH₄, C₂H₆등)나 또는 COx가스를 사용하여 CVD법으로 약 400∼900℃의 기판온도범위에서 수직배향된 탄소나노튜브 팁(30)을 촉매전이금속 부위에만 성장시킨다.

즉, 상기 탄소나노튜브 팁(30)은 도 4e에서와 같이 게이트(23)와 떨어지면서 상기 게이트(23)의 원형구멍(23a) 중앙부에 집중되어 탄소나노튜브에서 게이트전극으로 흐르는 누설전류는 물론 빔의 퍼짐현상을 감소시킬수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기 성장된 탄소나노튜브의 직경이나 밀도는 주로 촉매전이금속의 표면 개질에 의한 촉매전이금속의 입자나 분산정도에 의해 영향을 받고, 그 성장길이는 성장시간에 의해 결정되는 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자 및 그 제조방법에 의하면, 소정크기의 탄소나노튜브를 게이트와 떨어지도록 하면서 게이트의 구멍 중앙부에 집중되도록 형성하여, 탄소나노튜브에서 게이트전극으로 흐르는 누설전류는 물론 빔의 퍼짐현상을 감소시키고, 더불어 전계강화효과를 증대시키면서 낮은 구동전압을 통해 균일한 전자 방출이 이루어질 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 일정한 크기의 탄소나노튜브 팁이, 캐소드 위에 형성된 절연층/게이트 전극층 내에 형성되는 홀 중앙부에 집중되어 마련되어 누설전류를 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 절연층에 형성된 홀이 게이트 전극층에 형성된 홀보다 작게 마련되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자.
3. 기판 위에 캐소드전극과 절연막 및 게이트막을 순차적으로 성막시키는 한편, 상기 캐소드전극의 위로 탄소나노튜브가 증착될수 있는 촉매전이금속을 얇게 증착하는 제 1 공정과;

   상기 제 1 공정에서 성막된 게이트막에 사진 식각으로 원형의 구멍을 식각하는 제 2 공정과;

   상기 제 2 공정에서 패턴된 게이트막의 원형구멍을 따라 절연막에 원형의 구멍을 식각하는 제 3 공정과;

   상기 제 2 공정으로 식각된 게이트막의 원형구멍을 절연막의 원형구멍 보다 더 넓게 추가 식각하는 제 4 공정; 및

   탄소나노튜브가 게이트와 떨어지면서 게이트의 원형구멍 중앙부에 집중되도록 기판의 온도범위 내에서 수직배향된 탄소나노튜브 팁을 촉매전이금속 부위에만 성장시키는 제 5 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 표시소자의 제조방법.