KR20030097165A - 전계방출 표시소자의 필드 에미터 및 그 제조 방법 - Google Patents

전계방출 표시소자의 필드 에미터 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20030097165A
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Abstract

본 발명은 필드 에미터에 구비되는 방전팁을 실리콘 돌부에 카본나노튜브를 부착함으로써 카본나노튜브의 부착력을 증가시키고, 소자의 전체적인 성능 및 내구성을 향상시킨 전계방출 표시소자의 필드 에미터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 특징은 배면 기판 위에 음극이 형성되고, 상기 음극 위에 다수의 방전팁이 구비되어 이루어진 전계방출 표시소자의 필드 에미터에 있어서, 상기 방전팁은 상기 음극 상에 돌출 형성된 실리콘 돌부 및 상기 실리콘 돌부 상에 부착된 카본나노튜브를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터에 있다.

Description

전계방출 표시소자의 필드 에미터 및 그 제조 방법{field emitter of field emission display device and the manufacturing method thereof}
본 발명은 전계방출 표시소자의 필드 에미터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 필드 에미터에 구비되는 방전팁을 실리콘 돌부에 카본나노튜브를 부착하여 구현한 전계방출 표시소자의 필드 에미터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
CRT(Cathode Ray Tube)는 자체적으로 모든 색깔의 빛을 낼 수 있을 뿐만 아니라 빛의 질과 강도를 광범위하게 조절할 수 있고, 발생된 빛이 순도와 강도 및 대조비를 유지한 채로 매우 넓은 시야각을 가지면서 전달되고, 제조 공정이 잘 확립되어 가격이 저렴하다는 등의 장점을 가지고 있어서 영상 표시 소자로 널리 사용되고 있다. 반면에, 부피가 크고 무겁다(스크린의 크기가 증가할수록 부피가 거의 세제곱으로 증가하며, 무게도 증가함)는 이유로 다양한 종류의 평판 디스플레이들에게 그 자리를 위협받고 있는 실정에 있다.
전계방출 표시소자(Field Emission Display; FED)도 이러한 평판 디스플레이의 하나로 제안된 것으로, CRT와 마찬가지로 음극선 발광에 의해 동작한다는 점(자체 광원, 높은 효율, 높은 휘도와 넓은 휘도 영역, 천연색 및 높은 색순도, 넓은 시야각), 10% 정도의 에미터가 손상되어도 단위 픽셀 동작에 지장이 없다는 점, 동작 속도가 매우 빠르고 동작 온도 영역이 넓다는 점 및 반도체 공정에 의해 일괄-대량 제조가 가능하다는 점 때문에 이를 상용화하고자 하는 연구가 계속되고 있다. 이러한 전계방출 표시소자는 게이트의 존부에 따라 2극식 또는 3극식으로 분류될수 있다.
한편, 카본나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT)는 하나의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합하여 생긴 육각형 벌집 무늬 구조를 속이 빈 튜브와 같은 원기둥 모양으로 말린 것으로서 그 직경이 통상 수 나노미터 정도로 극히 작기 때문에 이렇게 명명하고 있는 바, 탁월한 전계방출 특성과 나노미터 단위의 형태적 특성 때문에 근래 들어 이를 전계방출 표시소자의 에미터로 사용하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
도 1은 국내특허공개번호 2001-17543호(공개일: 2001.3.5)로 개시된 종래의 CNT를 사용한 전계방출 표시소자의 필드 에미터의 개략 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 카본나노튜브를 사용한 전계방출 표시소자에서 필드 에미터(이하, 2극식 또는 3극식에 관계없이 전자를 방출하는 부분을 '필드 에미터'로 정의한다)는 후방 기판(11) 위에 스트라이프 상으로 다수개 형성된 음극(12), 소정 크기의 홀(이하, '절연체홀'이라 한다)(13a) 이 형성된 채로 음극(12) 위에 형성된 절연체층(13), 절연체홀(13a)에 의해 노출된 음극(12) 위에 균일하게 증착된 CNT(15) 및 CNT(15)의 상부에 개구부(14a)가 형성된 채로 절연체층(13) 위에 배치된 게이트(14)를 포함하여 이루어진다.
도 2는 전술한 구조를 갖는 종래의 전계방출 표시소자의 필드 에미터의 제조 공정을 나타낸 흐름도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 단계 S10에서는 도 1에서 CNT(15)가 없는 상태까지 공정이 진행된 중간 조립체를 CNT 분말이 분산된 용액이 담긴 처리조 내에 설치한다. 다음으로, 단계 S12에서는 처리조 내에 상기 중간조립체와 소정 간격이 떨어지도록 전극판을 설치하고, 단계 S14에서는 이렇게 처리된 상기 중간 조립체와 상기 전극판에 DC(또는 AC)로 된 외부전원의 전극을 접속한다. 다음으로, 단계 S16에서는 소정 크기의 전압을 미리 정해진 시간 동안 인가하여 CNT가 개구부(14a) 및 절연체홀(13a)을 통해 노출된 음극(12) 위에 전기 영동에 의해 부착되도록 한다. 마지막으로, 단계 S18에서는 저온 열처리 공정을 수행하여 CNT가 부착된 중간 조립체를 건조시키게 한다.
그러나, 전술한 바와 같은 종래의 카본나노튜브를 사용한 전계방출 표시소자 및 그 제조 방법에 따르면, 음극면이 평탄하기 때문에 그 단면적이 극히 작은 카본나노튜브의 단부만이 음극면에 부착되고, 이에 따라 부착된 카본나노튜브가 쉽게 쓰러지는 문제점이 있다.
본 발명은 필드 에미터에 구비되는 방전팁을 실리콘 돌부에 카본나노튜브를 부착함으로써 카본나노튜브의 부착력을 증가시키고, 소자의 전체적인 성능 및 내구성을 향상시킨 전계방출 표시소자의 필드 에미터 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징은 배면 기판 위에 음극이 형성되고, 상기 음극 위에 다수의 방전팁이 구비되어 이루어진 전계방출 표시소자의 필드 에미터에 있어서, 상기 방전팁은 상기 음극 상에 돌출 형성된 실리콘 돌부 및 상기 실리콘 돌부 상에 부착된 카본나노튜브를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터에 있다.
본 발명의 다른 특징은 (a) 배면 기판 위에 음극이 형성되고, 상기 음극 위에 소정 형상의 실리콘 돌부가 형성되어 이루어진 제 1 중간 조립체를 준비하는 단계; (b) 정제된 카본나노튜브 분말을 용매에 담가 처리 용액을 생성하는 단계; (c) 상기 처리 용액을 처리조에 옮겨 담은 상태에서 상기 처리조에 소정 크기의 전극판을 눕혀서 배치하는 단계; (d) 상기 실리콘 돌부가 상기 전극판을 향하도록 도치시킨 상태에서 상기 실리콘 돌부와 상기 전극판이 소정 간격을 유지하도록 상기 제 1 중간 조립체를 상기 처리조 내에 배치하는 단계; (e) 상기 제 1 중간 조립체의 음극과 상기 전극판에 소정의 외부 전원을 인가하는 것에 의해 상기 실리콘 돌부에 상기 카본나노튜브를 부착시켜 제 2 중간 조립체를 제조하는 단계 및 (f) 상기 제 2 중간 조립체를 건조시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터 제조 방법에 있다.
도 1은 종래의 전계방출 표시소자의 필드 에미터의 기본 구성을 보인 단면도,
도 2는 도 1에 도시한 전계방출 표시소자의 필드 에미터의 제조 공정을 설명하기 위한 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전계방출 표시소자의 전체적인 구성을 보인 단면도,
도 4는 본 발명의 전계방출 표시소자의 필드 에미터 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도,
도 5는 본 발명의 전계방출 표시소자에서 실리콘 돌부에 카본나노튜브를 부착시키는 공정을 설명하기 위한 도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
11: 후방 기판,12: 음극,
13: 절연체층,13a: 절연체홀,
14: 게이트,14a: 개구부,
15: CNT,
21: 전방 기판,22: 양극,
23: 형광 물질,24: 스페이서,
25: 게이트,25a: 개구부,
26: 방전팁,26a: 실리콘 돌부,
26b: 금속막,26c: 카본나노튜브,
27: 절연체층,27a: 절연체홀,
28: 음극,29: 후방 기판,
30: 처리조,32: 전극판,
34: 처리 용액,36: 전원,
FE: 필드 에미터,IM1: 중간 조립체
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전계방출 표시소자의 필드 에미터 및 그 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전계방출 표시소자의 전체적인 구성을 보인 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계방출 표시소자는 시야에 노출되는 전방 기판(21), 바람직하게는 유리 기판의 이면에 투명 물질로 이루어진 양극(22)이 배치되고, 양극(22)의 하부에는 방전팁(26)에서 방출된 전자와 충돌하여 빛을 발생하는 형광 물질(23)이 도포되어 있다.
한편, 필드 에미터(FE)에서는 유리 또는 실리콘 기판이 후방 기판(29)으로 기능하는데, 이러한 후방 기판(29)의 위에는 도전성을 갖는 음극(28)이 스트라이프 상으로 배치되고, 음극(28) 위에는 다수의 방전팁(26)이 소정의 간격을 갖는 매트릭스 상으로 돌출 형성되어 있다. 이러한 방전팁(26)은 소정 형상을 갖는 실리콘 돌부(26a) 및 실리콘 돌부(26a) 위에 전기 영동법에 의해 부착되는 CNT(26c)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 따른 필드 에미터(FE)에서는 CNT(26c) 다발 중 일부는 그 단부가 실리콘 돌부(26a)에 부착되지만 나머지의 일부는 그 주면이 실리콘 돌부(26a)의 주면에 비스듬히 부착되기 때문에 CNT(26c)와 실리콘 돌부(26a) 사이의 접촉 면적이 커지고, 이에 따라 CNT(26c)와 실리콘 돌부(26a) 사이의 부착력이 향상되게 된다. 또한, 이렇게 비스듬히 부착된 CNT(26c) 가닥들로 인해 인접한 CNT(26c) 가닥들 사이에 상호 지지 작용이 발휘되고, 이에 따라 부착력은 더욱 향상되게 된다.
전술한 구성에서, 실리콘 돌부(26a)는 원뿔형, 원기둥형, 각기둥형 또는 반구형 등 그 형상에 별다른 제약이 없으나 가급적 원뿔형으로 구현하는 것이 바람직하다. 더욱이, 실리콘 돌부(26a)와 CNT(26c) 사이의 도전성을 향상시키기 위해 실리콘 돌부(26a)에 CNT(26c)를 부착시키기 전에 금, 은 또는 알루미늄 중에서 선택되는 금속막(26b)을 증착시키는 것이 바람직하다.
방전팁(26)의 주위에는 방전팁(26)의 설치 위치에 절연체홀(27a)이 형성된 절연체층(27)이 배치되어 있고, 이러한 절연체층(27)의 상부에는 방전팁(26)에 대응되는 위치에 소정 크기의 개구부(25a)가 형성되어 있는 게이트(25)가 배치되게된다. 마지막으로, 게이트(25)와 형광 물질(23) 사이에는 소정의 높이를 갖는 스페이서(24)가 개재되어 있다.
전술한 구성을 갖는 종래의 3극식 전계방출 표시소자에 있어서, 게이트(25)와 방전팁(26) 사이에 수십 볼트 정도의 전압이 인가되면, 전자들이 실리콘 돌부(26a)(또는 금속막(26b))으로부터 CNT(26c)로 양자역학적으로 터널링되어 방출된다. 이렇게 방출된 전자들은 다시 더욱 큰 애노드 전압에 의해 형광 물질(23)이 도포되어 있는 양극(22) 측으로 가속되는데, 전자들이 형광 물질(23)에 충돌하게 되면 이 에너지에 의해 형광 물질(23) 내의 특정 원소에 있는 전자들이 여기되었다가 떨어지면서 빛이 발생된다.
이하에는 본 발명의 전계방출 표시소자의 필드 에미터 제조 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 전계방출 표시소자의 필드 에미터 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 사용한 전계방출 표시소자에서 실리콘 돌부에 CNT를 부착시키는 공정을 설명하기 위한 도이다. 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 단계 S20에서는 CNT 분말이 혼합된 처리 용액에 초음파를 인가하여 CNT 분말을 고루 분산시킨다.
다음으로, 단계 S22에서는 이렇게 CNT 분말이 분산된 처리 용액(34)을 처리조(30)에 붇고 소정 시간동안 침전시킨 상태에서 처리조(30) 내에 소정의 면적을 갖는 전극판(32)을 눕혀서 설치한다. 이어지는 단계 S24에서는 도 3에서 배면 기판(29) 위에 형성된 스트라이프 상의 음극(28) 위에 실리콘 돌부(26a)가 형성(또는 실리콘 돌부(26a) 위에 금속막(26b)까지 증착)된 중간 조립체(이하, 'IM1'이라 한다)를 그 실리콘 돌부(26a)가 전극판(32)과 소정의 간격, 예를 들어 0.1-10[㎜]의 간격을 갖도록 도치시켜 배치한다. 다음으로, 단계 S26에서는 중간 조립체(IM1)의 음극(28)과 전극판(32) 사이에 외부 전원(36)의 전극을 연결한 상태에서 미리 정해진 시간 동안 소정 크기 및 소정 주파수를 갖는 전압을 인가하게 되는데, 이에 따라 처리조(30) 내의 CNT 분말이 대전되어 실리콘 돌부(26a)의 첨단으로 이동된 후에 실리콘 돌부(26a)에 부착되게 된다.
마지막으로 단계 S28에서는 이렇게 처리된 중간 조립체(이하, 'IM2'라 한다)를 오븐(미도시)에 옮긴 상태에서 소정 온도 및 소정 시간, 예를 들어 200[℃] 이하의 온도에서 1분 내지 2시간 정도 건조시키게 된다.
전술한 구성에서, 단계 S20에서의 개개의 CNT 분말의 길이는 CNT가 부착된 상태에서의 게이트(25)와의 간격 등을 고려하여 0.05-1[㎛]로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이를 분리하는 방법으로는 공지의 열처리법이나 FFF(Field-Flow Fractionation)법이 사용될 수 있는 바, 열처리법에 의한 경우에는 400-500[℃]의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 그리고, 처리 용액에 사용되는 용매로는 점성이 낮아 CNT 분말이 잘 분산되며 건조 단계(S28)에서 쉽게 증발되는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로판올(isopropanol) 또는 아세톤(acetone) 등이 사용될 수 있다. 물론, 이외에도 종래의 기술란에서 언급한 계면 활성제가 사용될 수도 있을 것이다.
단계 S22에서의 전극판(32)의 소정 면적은 중간 조립체(IM1)의 면적보다 크게 하는 것이 바람직하다. 단계 S26에서의 외부 전원(36)으로는 직류도 사용될 수가 있지만, CNT 분말의 정제 과정에서 CNT에 부착된 불순물, 예를 들어 흑연이나 다이아몬드 결정체 등을 흔들어서 제거할 수 있도록 교류 전원을 사용하는 것이 바람직하다. 외부 전원(36)으로 교류 전원을 사용하는 경우에 그 전압의 진폭으로는 10[V]-1[kV]를, 그 주파수로는 10[Hz]-100[kHz]를 채택할 수 있으며, 파형의 종류로는 구형파, 직각파, 삼각파 또는 톱니파 등이 사용될 수 있다.
(실험예)
1. 이소프로판올 용매에 미량의 정제된 CNT 분말을 분산시켜 처리 용액을 만들었다. 즉, 극소량의 CNT 분말을 약 50[㎖]의 이소프로판올 용매에 넣은 후에 초음파를 이용해 약 1시간 정도 분산시켰다.
2. 전극판 위에 수[㎖]의 처리 용액을 떨어뜨렸다.
3. 현미경을 통해 관찰하며 습식 에칭법으로 실리콘 돌부를 제조한 중간 조립체(IM1)를 실리콘 돌부의 첨단부와 전극판 사이의 간격이 0.4[㎜]가 되도록 접근시켰다.
4. 전극판과 중간 조립체(IM1)의 음극 사이에 10[kHz]의 주파수 및 250[Vrms]의 진폭을 갖는 구형파 전압을 1초 동안 인가하였다.
5. 전원을 차단하고 CNT가 부착된 음극판을 약 100[℃]에 넣어 10분 동안 건조시켰다.
이와 같이 하여 전계방출 표시소자의 방전팁으로 사용하기에 적합한 형태의부착 형상을 얻을 수 있었다.
본 발명의 전계방출 표시소자의 전술한 실시예에 국한되지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다. 예컨대, 전술한 실시예에서는 게이트가 구비된 3극식 전계방출 표시소자에 본 발명이 적용되는 것으로 설명을 진행하였지만, 게이트가 구비되지 않은 2극식 전계방출 표시소자에도 본 발명이 적용될 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, CNT 다발 중 일부는 그 주면이 실리콘 돌부의 주면에 비스듬히 부착되기 때문에 CNT와 실리콘 돌부 사이의 접촉 면적이 커지고, 이에 따라 CNT와 실리콘 돌부 사이의 부착력이 향상되게 된다. 또한, 이렇게 비스듬히 부착된 CNT 가닥들로 인해 인접한 CNT 가닥들 사이에 상호 지지 작용이 발휘되어 부착력이 더욱 향상되는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 배면 기판 위에 음극이 형성되고, 상기 음극 위에 다수의 방전팁이 구비되어 이루어진 전계방출 표시소자의 필드 에미터에 있어서,
    상기 방전팁은 상기 음극 상에 돌출 형성된 실리콘 돌부 및
    상기 실리콘 돌부 상에 부착된 카본나노튜브를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 돌부의 형상은 원뿔형, 원기둥형, 각기둥형 또는 반구형 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 실리콘 돌부와 상기 카본나노튜브 사이에는 금속막이 더 구비된 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극 상의 방전팁 주위에 절연체층이 형성되고, 상기 절연체층 위에는 상기 방전팁에 대응하는 위치에 개구부가 형성된 게이트가 형성된 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터.
  5. (a) 배면 기판 위에 음극이 형성되고, 상기 음극 위에 소정 형상의 실리콘 돌부가 형성되어 이루어진 제 1 중간 조립체를 준비하는 단계;
    (b) 정제된 카본나노튜브 분말을 용매에 담가 처리 용액을 생성하는 단계;
    (c) 상기 처리 용액을 처리조에 옮겨 담은 상태에서 상기 처리조에 소정 크기의 전극판을 눕혀서 배치하는 단계;
    (d) 상기 실리콘 돌부가 상기 전극판을 향하도록 도치시킨 상태에서 상기 실리콘 돌부와 상기 전극판이 소정 간격을 유지하도록 상기 제 1 중간 조립체를 상기 처리조 내에 배치하는 단계;
    (e) 상기 제 1 중간 조립체의 음극과 상기 전극판에 소정의 외부 전원을 인가하는 것에 의해 상기 실리콘 돌부에 상기 카본나노튜브를 부착시켜 제 2 중간 조립체를 제조하는 단계 및
    (f) 상기 제 2 중간 조립체를 건조시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서.
    상기 단계 (a)에서 상기 제 1 중간 조립체의 상기 실리콘 돌부는 그 표면에 금, 은, 백금 또는 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속막이 증착되어 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 단계 (a)에서의 실리콘 돌부의 형상은 원뿔형, 원기둥형, 각기둥형 또는 반구형의 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 단계 (b)에서의 용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 또는 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터 제조 방법.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서의 외부 전원은 구형파, 삼각파, 톱니파 또는 직각파인 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 필드 에미터 제조 방법.
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