KR20050049868A - 카본나노튜브 에미터 형성방법 및 이를 이용한 전계방출표시소자의 제조방법 - Google Patents

카본나노튜브 에미터 형성방법 및 이를 이용한 전계방출표시소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

카본나노튜브 에미터 형성방법 및 이를 이용한 전계방출 표시소자의 제조방법이 개시된다. 개시된 카본나노튜브 에미터 형성방법은 다수의 전극이 형성된 기판의 전면에 카본나노튜브층을 형성하는 단계; 카본나노튜브층의 상면에 포토레지스트를 도포하는 단계; 포토레지스트를 전극들의 상부에만 남도록 패터닝하는 단계; 패터닝된 포토레지스트를 식각마스크로하여 노출된 카본나노튜브층을 식각하여 제거하는 단계; 및 포토레지스트를 제거하여 전극들 위에 카본나노튜브 에미터를 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

카본나노튜브 에미터 형성방법 및 이를 이용한 전계방출 표시소자의 제조방법{Method for forming carbon nanotube emitter and method for manufacturing field emission display using the same}
본 발명은 카본나노튜브 에미터 형성방법 및 이를 이용한 전계방출 표시소자의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 불순물이 없는 순수한 카본나노튜브 에미터를 간단한 공정으로 형성하는 방법 및 이를 이용하여 전계방출 표시소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래의 정보전달매체의 중요 부분인 표시장치의 대표적인 활용 분야로는 개인용 컴퓨터의 모니터와 텔레비젼 수상기 등을 들 수 있다. 이러한 표시장치는 고속 열전자 방출을 이용하는 음극선관(CRT; Cathode Ray Tube)과, 최근에 급속도로 발전하고 있는 평판 표시장치(Flat Panel Display)로 크게 분류될 수 있다. 상기 평판 표시장치로는 액정 표시소자(LCD; Liquid Crystal Display), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP; Plasma Display Panel), 전계방출 표시소자(FED; Field Emission Display) 등이 있다.
전계방출 표시소자는, 음극 전극(cathode) 위에 일정한 간격으로 배열된 전계방출원(field emitter)에 게이트 전극으로부터 강한 전기장을 인가함으로써 상기 전계방출원으로부터 전자를 방출시키고, 이 전자를 양극 전극(anode)의 형광물질에 충돌시켜 발광되도록 하는 표시장치이다.
전계방출 표시소자의 전계방출원으로서 종래에는 몰리브덴(Mo)과 같은 금속으로 이루어진 마이크로 팁이 많이 사용되었으나, 최근에는 카본나노튜브(CNT; Carbon NanoTube) 에미터(emitter)가 주로 사용되고 있다. 카본나노튜브 에미터(CNT emitter)를 사용하는 전계방출 표시소자는 넓은 시야각, 높은 해상도, 저전력 및 온도 안정성 등에 있어서 장점을 가지므로, 자동차 항법(var navigation) 장치, 전자적인 영상장치의 뷰 파인더(view finder) 등의 다양한 분야에 이용 가능성이 있다. 특히, 개인용 컴퓨터, PDA(Personal Data Assistants) 단말기, 의료기기, HDTV(High Definition Television) 등에서 대체 디스플레이 장치로서 이용될 수 있다. 한편, 액정 표시소자 등에 사용되는 백라이트(backlight)에서도 전계방출원으로 상기한 카본나노튜브 에미터가 사용될 수 있다.
한편, 카본나노튜브 에미터를 형성하는 방법에는 크게 두가지가 있는데, 그 첫째는 카본나노튜브를 기판에 성장시켜 에미터를 형성하는 방법이고, 둘째는 카본나노튜브를 패이스트(paste)화하여 기계적으로 에미터를 형성하는 방법이다.
카본나노튜브를 기판에 성장시켜 에미터를 형성하는 방법의 경우에는 카본나노튜브를 기판 자체에 성장시켜야 하므로 소자의 대형화 구현에 문제가 있으며, 또한 유리를 기판으로 사용하는 경우에는 카본나노튜브의 성장방법에 따라 온도 등이 문제가 될 수 있어 아직도 많은 개발이 필요한 실정이다.
한편, 카본나노튜브를 패이스트화하여 기계적으로 에미터를 형성하는 방법의 경우에는 순수한 카본나노튜브 이외에 바인더(binder), 레진(resin), 필러(filler) 등의 불순물들이 포함될 수 있다. 이러한 불순물들은 카본나노튜브의 수명과 안정성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그리고, 카본나노튜브를 정제하는 과정에서도 많은 결함(defect)들이 발견되는데, 이러한 결함들 또한 카본나노튜브의 수명에 나쁜 영향을 주게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 불순물이 없는 순수한 카본나노튜브 에미터를 간단한 공정으로 형성하는 방법 및 이를 이용한 전계방출 표시소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명에 따른 카본나노튜브 에미터 형성방법은,
다수의 전극이 형성된 기판의 전면에 카본나노튜브층을 형성하는 단계;
상기 카본나노튜브층의 상면에 포토레지스트를 도포하는 단계;
상기 포토레지스트를 상기 전극들의 상부에만 남도록 패터닝하는 단계;
패터닝된 상기 포토레지스트를 식각마스크로하여 노출된 상기 카본나노튜브층을 식각하여 제거하는 단계; 및
상기 포토레지스트를 제거하여 상기 전극들 위에 카본나노튜브 에미터를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 카본나노튜브층은 솔벤트와 카본나노튜브의 혼합물을 상기 기판의 전면에 코팅함으로써 형성되는 것이 바람직하며, 이때 상기 솔벤트와 카본나노튜브의 혼합물은 스핀코팅 방법 또는 테이블코팅 방법에 의하여 코팅될 수 있다.
상기 카본나노튜브층은 반응이온식각 방법에 의하여 식각되는 것이 바람직하며, 이때 상기 카본나노튜브층은 산소분위기 하에서 플라즈마 처리에 의하여 식각될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전계방출 표시소자의 제조방법은,
기판의 상면에 음극 전극, 절연층 및 게이트 전극을 순차적으로 형성하고, 상기 음극 전극의 일부를 노출시키는 에미터 홀을 형성하는 단계;
상기 기판의 전면에 카본나노튜브층을 형성하는 단계;
상기 카본나노튜브층의 상면에 포토레지스트를 도포하는 단계;
상기 포토레지스트를 상기 에미터 홀의 바닥 중심부에만 남도록 패터닝하는 단계;
패터닝된 상기 포토레지스트를 식각마스크로하여 노출된 상기 카본나노튜브층을 식각하여 제거하는 단계; 및
상기 포토레지스트를 제거하여 상기 에미터 홀 내부의 상기 음극 전극 위에 카본나노튜브 에미터를 형성하는 단계;를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 카본나노튜브 에미터 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 다수의 전극(12)이 소정 형태로 형성된 기판(10)을 준비한다. 상기 기판(10)으로는 일반적으로 유리기판이 사용되며, 상기 전극들(12)은 투명한 도전성 재료인 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어질 수 있다. 이러한 전극들(12)은 기판(10) 상에 스트라이프 형태나 그 밖의 다른 형태로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 1a에 도시된 바와 같이, 전극들(12)이 형성된 기판(10)의 전면에 카본나노튜브층(14)을 소정 두께로 형성한다. 구체적으로는, 상기 카본나노튜브층(14)은 솔벤트(solvent)와 카본나노튜브를 1:1의 비율로 섞은 후, 이 혼합물을 스핀코팅(spin coating) 방법이나 테이블코팅(table coating) 방법에 의하여 기판(10)의 전면에 코팅함으로써 형성될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 스핀코팅 방법이나 테이블코팅 방법을 이용하여 기판(10) 상에 카본나노튜브층(14)을 형성하므로 소자의 대형화를 구현할 수 있다. 도 2a는 기판(10)의 전면에 카본나노튜브층(14)이 형성된 상태를 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 카본나노튜브층(14)의 상면에 포토레지스트(photoresist,16)를 도포한다. 그리고, 도 1c에 도시된 바와 같이 상기 포토레지스트(16)를 소정 형태로 패터닝한다. 이 과정에서, 패터닝된 포토레지스트(16')는 상기 전극들(12)의 상부에만 남게 된다. 도 2b는 카본나노튜브층(14)의 상면에 패터닝된 포토레지스트(16')를 보여주는 SEM 사진이다.
다음으로, 도 1d에 도시된 바와 같이 패터닝된 포토레지스트(16')를 식각마스크로 하여 노출된 카본나노튜브층(14)을 식각한다. 이 과정에서, 상기 카본나노튜브층(14)은 상기 기판(10)의 상면이 노출될 때까지 식각된다. 이러한 카본나노튜브층(14)은 반응이온식각(RIE; Reative Ion Etching) 방법에 의하여 식각될 수 있다. 이러한 반응이온식각 방법이 적용되는 경우, 상기 카본나노튜브층(14)은 산소 분위기 하에서 플라즈마 처리에 의하여 식각될 수 있다. 이와 같은 방법으로 카본나노튜브층(14)이 식각되면, 전극들(12) 위에는 카본나노튜브 에미터(14')가 형성된다.
마지막으로, 도 1e에 도시된 바와 같이 패터닝된 포토레지스트(16')를 제거한다. 이러한 포토레지스트는 나노스트립(nanostrip) 등과 같은 스트리퍼(striper)에 의하여 제거된다. 그 결과, 상기 전극들(12) 위에는 순수한 카본나노튜브 에미터(14')만 남게 된다. 도 2c는 기판(10) 상에 카본나노튜브 에미터(14')가 형성된 상태를 보여주는 SEM 사진이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 전계방출 표시소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 음극 전극(cathode,112), 절연층(120) 및 게이트 전극(gate electrode,122)을 순차적으로 형성한 뒤, 상기 음극 전극(112)의 일부를 노출시키는 에미터 홀(emitter hole,130)을 형성한다. 상기 기판(110)은 일반적으로 유리기판이 사용될 수 있다. 그리고, 상기 음극 전극(112)은 도전성이 있는 투명한 물질인 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어질 수 있으며, 상기 게이트 전극(122)은 도전성이 있는 금속, 예컨대 크롬(Cr) 등으로 이루어질 수 있다.
구체적으로는, 기판(110) 상에 ITO로 이루어진 음극 전극층을 소정 두께로 증착한 뒤, 이 음극 전극층을 소정 형상, 예컨대 스트라이프 형상으로 패터닝하면 음극 전극(112)이 형성된다. 다음으로, 음극 전극(112) 및 기판(110)의 전 표면에 절연층(120)을 소정 두께로 형성한다. 이어서, 상기 절연층(120) 상에 게이트 전극층을 형성한다. 상기 게이트 전극층은 도전성이 있는 금속을 스퍼터링(sputtering) 등의 방법에 의해 소정 두께로 증착함으로써 형성되며, 이 게이트 전극층을 소정 형상으로 패터닝하면 게이트 전극(122)이 형성된다. 다음으로, 상기 게이트 전극(122)을 통해 노출된 절연층(120)을 식각하여 에미터 홀(130)을 형성한다. 이때, 상기 에미터 홀(130)을 통하여 음극 전극(122)의 일부가 노출된다.
다음으로, 도 3b에 도시된 바와 같이 도 3a에 도시된 결과물 전면에 카본나노튜브층(114)을 소정 두께로 형성한다. 구체적으로는, 상기 카본나노튜브층(114)은 솔벤트와 카본나노튜브를 1:1의 비율로 섞은 후, 이 혼합물을 스핀코팅 방법이나 테이블코팅 방법에 의하여 기판(110)의 전면에 코팅함으로써 형성될 수 있다.
이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이 상기 카본나토튜브층(114)의 상면에 포토레지스트(116)를 도포한다. 그리고, 도 3d에 도시된 바와 같이 상기 포토레지스트(116)를 소정 형태로 패터닝한다. 이 과정에서, 패터닝된 포토레지스트(116')는 상기 에미터 홀(130)의 바닥 중심부에만 남게 된다.
다음으로, 도 3e에 도시된 바와 같이 패터닝된 포토레지스트(116')를 식각마스크로 하여 노출된 카본나노튜브층(114)을 식각하여 제거한다. 상기 카본나노튜브층(114)은 반응이온식각(RIE) 방법에 의하여 식각될 수 있다. 이러한 반응이온식각 방법이 적용되는 경우, 상기 카본나노튜브층(114)은 산소 분위기 하에서 플라즈마 처리에 의하여 식각될 수 있다. 이와 같은 방법으로 카본나노튜브층(114)이 식각되면, 음극 전극(112) 위에는 카본나노튜브 에미터(114')가 형성된다.
마지막으로, 도 3f에 도시된 바와 같이 패터닝된 포토레지스트(116')를 제거하면, 음극 전극(112) 위에는 순수한 카본나노튜브 에미터(14')만이 남게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 카본나노튜브 에미터를 기판 상의 소정 위치에 원하는 형상으로 형성할 수 있으므로, 전계방출 표시소자 뿐만아니라 카본나노튜브 에미터를 이용한 백라이트에도 쉽게 적용할 수 있다.
둘째, 결함이 없는 순수한 카본나노튜브 에미터를 간단한 공정으로 형성할 수 있으며, 성장법에서 문제가 되었던 소자의 대형화를 구현할 수 있다.
셋째, 패이스트법에서와는 달리 카본나노튜브에 불순물이 포함되지 않아 에미터의 안정성과 수명 향상을 꾀할 수 있다.
넷째, 미세한 패턴의 카본나노튜브 에미터를 형성할 수 있으므로, 고해상도의 소자를 용이하게 제작할 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따른 카본나노튜브 에미터 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 카본나노튜브 에미터 형성과정 중 일부를 찍은 SEM 사진들이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 전계방출 표시소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10,110... 기판 12... 전극
14,114... 카본나노튜브층 16,116... 포토레지스트
14',114',... 카본나노튜브 에미터
112... 음극 전극 120... 절연층
122. 게이트 전극 130... 에미터 홀

Claims (10)

  1. 다수의 전극이 형성된 기판의 전면에 카본나노튜브층을 형성하는 단계;
    상기 카본나노튜브층의 상면에 포토레지스트를 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트를 상기 전극들의 상부에만 남도록 패터닝하는 단계;
    패터닝된 상기 포토레지스트를 식각마스크로하여 노출된 상기 카본나노튜브층을 식각하여 제거하는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하여 상기 전극들 위에 카본나노튜브 에미터를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 에미터 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브층은 솔벤트와 카본나노튜브의 혼합물을 상기 기판의 전면에 코팅함으로써 형성되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 에미터 형성방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 솔벤트와 카본나노튜브의 혼합물은 스핀코팅 방법 또는 테이블코팅 방법에 의하여 코팅되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 에미터 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브층은 반응이온식각 방법에 의하여 식각되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 에미터 형성방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브층은 산소분위기 하에서 플라즈마 처리에 의하여 식각되는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 에미터 형성방법.
  6. 기판의 상면에 음극 전극, 절연층 및 게이트 전극을 순차적으로 형성하고, 상기 음극 전극의 일부를 노출시키는 에미터 홀을 형성하는 단계;
    상기 기판의 전면에 카본나노튜브층을 형성하는 단계;
    상기 카본나노튜브층의 상면에 포토레지스트를 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트를 상기 에미터 홀의 바닥 중심부에만 남도록 패터닝하는 단계;
    패터닝된 상기 포토레지스트를 식각마스크로하여 노출된 상기 카본나노튜브층을 식각하여 제거하는 단계; 및
    상기 포토레지스트를 제거하여 상기 에미터 홀 내부의 상기 음극 전극 위에 카본나노튜브 에미터를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브층은 솔벤트와 카본나노튜브의 혼합물을 상기 기판의 전면에 코팅함으로써 형성되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 솔벤트와 카본나노튜브의 혼합물은 스핀코팅 방법 또는 테이블코팅 방법에 의하여 코팅되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브층은 반응이온식각 방법에 의하여 식각되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브층은 산소분위기 하에서 플라즈마 처리에 의하여 식각되는 것을 특징으로 하는 전계방출 표시소자의 제조방법.
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