KR20050079339A - 필드 에미터의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필드 에미터 제조 방법에 관한 것이다. (가) 기판 상에 패턴된 전도층을 형성시키는 단계; (나) 상기 전도층 상에 전계 방출 물질 및 금속 분말을 포함하는 혼합 물질을 도포하고 열처리에 의해 상기 전도층과의 접착성을 향상시키는 단계; 및 (다) 상기 전도층을 제외한 영역의 전계 방출 물질 및 금속 물질을 제거하는 단계;를 포함하는 필드 에미터의 제조 방법 제조 방법을 제공하여, 필드 에미터의 수명 및 그 전계 방출 특성이 크게 향상시키며, 종래에 구현하기 어려웠던 우수한 특성의 대면적 필드 에미터를 제조할 수 있다.

Description

필드 에미터의 제조 방법{Manufacturing method of field emitter}
본 발명은 필드 에미터 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 전극 상부에 접착성이 우수한 필드 에미터를 간단한 공정으로 대형화하여 형성시킬 수 있는 필드 에미터 제조 방법에 관한 것이다.
종래로부터 필드 에미터는 그 전계 방출 특성 및 효과에 따라 다양한 분야에 응용되어 왔다. 특히, 1990년 초에 탄소 나노튜브를 개발한 이후로 최근까지 탄소 나노튜브 박막을 이용하여 전계방출 디스플레이(field emission display)를 제조하기 위한 많은 연구들이 진행되었다. 일반적인 탄소 나노튜브를 이용한 필드 에미터는 탄소 나노튜브를 포함하는 탄소 계통의 물질들은 실리콘 또는 글래스 등의 기판에 대한 접착력이 떨어져서 막의 형성이 어렵다. 또한 막을 형성시키더라도 접착력이 떨어져서 전계 방출 에미터로 장시간 사용하는 경우 탄소 나노튜브가 떨어져 나가는 경우가 있어 특히, 대면적의 필드 에미터 제조의 어려움이 있다.
현재 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출 디스플레이에서의 필드 에미터를 제조하는 방법은 크게 두가지로 나눌 수 있다. 첫째, 탄소 나노튜브를 기판 자체에 성장시키는 방법이며, 둘째, 성장된 탄소 나노튜브를 페이스트(paste)화 하여 기계적으로 탄소 나노튜브를 형성시키는 방법이다. 이와 같은 종래 기술의 문제점을 상세히 설명하면 다음과 같다.
첫째, 탄노 나노튜브를 기판 자체에 성장시키는 방법의 경우, 상기한 바와 같이, 실리콘, 글래스 또는 ITO(Indium, Tin and Oxide) 기판 등에 대한 접착 특성이 나쁘기 때문에 대면적의 필드 에미터 형성이 사실상 어려운 단점이 있다. 따라서, 이와 같은 형태의 필드 에미터를 제조하기 위한 많은 연구가 필요한 실정이다.
둘째, 탄소 나노튜브를 페이스트화하여 기계적으로 탄소 나노튜브를 형성시키는 방법의 경우, 바인더(binder) 물질과 레진(resin) 또는 필터(filter) 등의 많은 불순물들이 포함된다. 이러한 불순물들은 탄소 나노튜브의 전계 방출 특성에 악영향을 미치고 수명 및 안정성에 나쁜 영향을 주게된다. 또한, 밀링(miling)과 같은 기계적 폴리싱(mechanical polishing) 공정이 행해지게 되므로 이러한 과정에서 많은 결함(defect)들이 발견되어 결국 필드 에미터의 수명을 단축시키는 결과가 된다.
하부 기판 또는 전극과의 접착성 문제는 탄소 나노튜브 외에도 다른 물질을 전계 방출 물질로 사용한 경우에도 발생할 수 있으며, 이에 문제가 생길 경우 전계방출 디스플레이의 성능 및 수명과 직접적인 영향을 미치게 된다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 탄소 나노튜브 등의 전계 방출 물질과 전극과의 접착 특성을 향상시키며, 수명 및 전계 방출 특성을 향상시킨 대면적 탄소 나노튜브 필드 에미터 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,
(가) 기판 상에 패턴된 전도층을 형성시키는 단계;
(나) 상기 전도층 상에 전계 방출 물질 및 금속 분말을 포함하는 혼합 물질을 도포하고 열처리에 의해 상기 전도층과의 접착성을 향상시키는 단계; 및
(다) 상기 전도층을 제외한 영역의 전계 방출 물질 및 금속 물질을 제거하는 단계;를 포함하는 필드 에미터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 전계 방출 물질은 탄소 계통 물질, 금속 또는 반도체 중에서 선택되며, 상기 탄소 계통 물질은 탄소 나노튜브 또는 탄소 혼 중 적어도 하나의 물질을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계는,
상기 기판 상의 소정 영역을 노출시키며 PR층을 형성시키는 단계;
상기 기판 및 상기 PR층 상에 전도성 물질을 도포하는 단계; 및
상기 PR층 및 상기 PR층 상에 도포한 전도성 물질을 제거하여, 전도층을 형성시키는 단계;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 (나) 단계는,
상기 전계 방출 물질, 금속 분말 및 그 용매를 소정의 비율로 혼합한 물질을 상기 기판 및 상기 전도층 상에 도포하는 단계; 및
섭씨 약 600도 이하의 온도에서 열처리하여 상기 전계 방출 물질과 상기 금속 분말을 혼합한 물질과 상기 전도층 사이의 접착성을 증가시키는 단계;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 금속 분말은 은, 구리, 아연 또는 니켈 중에서 선택되며, 그 직경은 약 0.01 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전계 방출 물질, 금속 분말 및 용매를 소정의 비율로 혼합한 물질을 스핀 코팅 또는 프린팅에 의해 상기 기판 및 상기 전도층 상에 도포한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판, 글래스 기판 또는 ITO 기판 중에서 선택될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 필드 에미터 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다. 도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 의한 필드 에미터 제조 방법을 순차적으로 나타낸 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 먼저 기판(11) 상에 패터닝된 PR층(photoresist)(12) 등을 형성시키고 이를 노광 및 패터닝하여 소정의 폭을 지닌 홈(12')을 형성시킨다. 이때의 홈(12')은 전계 방출 물질이 형성될 위치를 지정하는 것이며, 원하는 크기에 따라서 소정의 형태가 되도록한다. 물론, 이와 같은 공정은 단일 필드 에미터를 형성시키는 경우에는 이러한 공정은 필요없으며, 대량 생산을 위한 어레이 형태의 필드 에미터 제조하는 경우에는 하나의 기판에 다수의 필드 에미터 형성을 위해서 필요하다. 이때 사용되는 기판(11)은 제한이 없으며, 실리콘 기판, 글래스(glass) 기판 또는 광투과성을 지닌 ITO(I:Indium, T:Tin, O:Oxide) 등을 모두 사용할 수 있다.
그리고 나서, 도 1b에 나타낸 바와 같이, 기판(11)에 대해 전도성을 지닌 물질(13)을 도포한다. 전계 방출 물질에 대해 전위를 인가할 수 있도록 전극을 형성시키기 위해 전도성 물질(13)을 도포하며, 일반적으로 반도체 소자에 전극으로 사용될 수 있는 금속 물질을 이용한다. 이를 도포하는 방법은 일반적인 반도체 공정에서의 이용되는 것이면 본 발명에 적용이 가능하며, 특히, 상기 전도성 물질이 금속인 경우에는 스퍼터(sputter), 이빔(Ion Beam) 또는 이베퍼레이터(evaperator) 등의 기상 증착법을 이용한다. 그리하여, 패터닝된 PR층(12) 및 홈(12') 상부에 단차를 지닌 전도성 물질(13)이 도포된다. 다음으로 도 1c에 나타낸 바와 같이, 기판(11) 상에 전도성 물질이 형성된 전도층(14)을 잔류시킨다.
그리고 나서 도 1d에 나타낸 바와 같이, 기판(11) 및 전도층(14)에 대해 전계 방출 물질과 금속 나노 분말을 원하는 비율로 섞은 뒤, 스핀 코팅(spin coating) 또는 스크린 프린팅(printing)법에 의해 원하는 두께도 도포한다. 탄소 나노튜브 등의 탄소 계열 물질을 전계 방출 물질로 사용하는 경우 이에 필요한 용매도 함께 혼합한다. 결과적으로, 기판(11) 및 전도층(14) 상부에 전계 방출 물질과 금속 분말의 혼합층(15)이 형성된다.
여기서, 금속 분말은 전도층(14)과 전계 방출 물질 사이의 접착 특성을 증가시키기 위해 이용하는 것으로 전도성을 지닌 미세 분발을 사용한다. 통상적으로 서브 미크론(submicron)에서 수 미크론 정도의 크기(약 0.01 내지 100㎛)의 금속 분말을 사용하며, 낮은 녹는점을 지닌 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn) 또는 니켈(Ni) 등 여러가지 금속 분말이 포함될 수 있다. 이때 포함되는 전계 방출 물질은 탄소 계통의 물질, 금속 또는 반도체 물질 등을 사용할 수 있다. 탄소 계통의 물질로는 탄소 나노튜브, 탄소 혼(carbon horn) 등을 사용할 수 있다. 기타, 턴스텐과 같은 금속 물질, Si 등의 반도체 물질 또는 PLO(palladium oxide)등을 사용할 수 있으며, 일반적인 전계 방출 물질로 사용될 수 있는 것이면 제한되지 아니한다.
다음으로, 전도층(14) 상의 전계 방출 물질과 금속 분말의 혼합물(15) 도포한 상태에서 열처리 공정을 행한다.(도 1e) 이때, 용매가 포함된 경우, 그 용매의 끓는점은 열처리 온도보다 낮은 것을 주로 사용한다. 예를 들어, 사용하는 전계 방출 물질의 열처리 온도보다 낮은 끓는점을 지닌 알콜 등을 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, ITO를 기판(11)으로 사용한 경우, 열처리 온도는 섭씨 약 600도 이하에서 행하는 것이 바람직하며, 상기 용매의 경우 이보다 낮은 온도의 물질을 사용한다. 여기서, 전계 방출 물질로 탄소 나노튜브를 사용한 경우, 통상적으로 사용되는 용매라면 대부분 이에 해당하며 제한은 없다. 이와 같은 열처리 공정을 거치게 되면, 상기 기판(11) 및 전도층(14) 상부에 용매를 제외한 금속 물질과 전계 방출 물질이 잔류한다. 이때, 잔류한 금속 물질은 열처리에 의해 하부의 전도층(14)과 접착이 되며, 잔류한 전계 방출 물질은 금속 물질에 고착된 혼합층(15')이 된다.
마지막으로, 도 1f에 나타낸 바와 같이 열처리된 상태에서 기판(11) 및 전도층(14) 상에 형성된 전계 방출 물질(17) 및 금속 물질의 혼합층(15')에 대해 표면 처리를 실시한다. 여기서 표면 처리는 통상적으로 사용되는 방법에 의하며, 초음파 또는 접착성 있는 테잎을 사용할 수 있다. 여기서, 단순히 접착성이 있는 테잎을 사용한 경우에도 전도층(14) 상에 형성된 전계 방출 물질(17)과 금속 물질의 혼합층(15')의 경우, 전도층(14)과의 접착 특성이 우수하기 때문에, 기판(11)과 접촉되어 형성된 혼합층만 분리된다. 금속 분말은 열처리에 의해 전도층(14)과 접착하며, 함께 혼합된 전계 방출 물질(17)을 고정시키고 있다. 따라서, 이를 확대한 부분을 살펴보면 열처리 후에 잔류한 전계 방출 물질과 금속 물질의 혼합층(15') 상부에 다수의 전계 방출 물질(17)이 돌출된 형태를 지니게 된다. 결과적으로, 본 발명에 의한 필드 에미터를 완성할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에서는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 필드 에미터를 나타낸 사진이며, 여기서는 전계 방출 물질로 탄소 나노튜브를 이용한 것을 나타내었다. 도 2a에서는 기판(21) 상에 원하는 크기의 전도층을 형성시키고, 그 상부에 탄소 나노튜브와 금속 분말의 혼합층(22)을 스핀 코팅 또는 스크린 프린팅에 의해 도포한 것을 나타낸 것이다. 여기서 기판(21)은 ITO를 사용하였으며, 금속 나노 분말은 은(Ag)을 이용하여 형성시켰다. 이때, 전도층은 가로 및 세로를 각각 2cm의 크기로 형성시킨 것이며, 탄소 나노튜브와 금속 분말의 혼합층(22)은 그 상부에 가로 및 세로를 각각 3cm의 크기로 도포하였다.
상기 도 2a의 시편에 대해 열처리 공정에 의해 용매를 제거하고, 표면 처리를 실시한 것을 도 2b에 나타낸 것이다. 도 2b를 참조하면, 기판(21) 상에 형성된 탄소 나노튜브 및 금속 분말의 혼합층(22)에 대해 표면 처리를 실시하면, 전도층 상에 접착된 가로 및 세로 2cm 크기의 탄소 나노튜브 및 금속 분말의 혼합층(23)만 잔류한 것을 알 수 있다. 즉, 가로 및 세로 2cm 크기의 혼합층(23)를 제외한 영역의 혼합층(22)은 표면 처리에 의해 제거된 것으로, 이는 상기한 바와 같이 전도층과 탄소 나노튜브의 접착 특성이 기판(21)과 탄소 나노튜브 사이의 접착 특성 보다 훨씬 우수한 것을 알 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 필드 에미터에 대한 전기적 특성을 측정한 그래프이며, 여기서 전계 방출 물질로 탄소 나노튜브를 사용하였다.
도 3a를 참조하면, 탄소 나노튜브를 전계 방출 물질로 사용한 종래 기술에 의해 제조된 필드 에미터(paste1, paste2)의 경우에 비해 본 발명에 의해 제조된 필드 에미터의 경우, 동일한 인가 전위에 대한 전계 방출 특성이 월등한 것을 알 수 있다. 인가 전위가 4V/㎛인 경우를 살펴보면, 본 발명에 의해 제조된 필드 에미터는 약 1200㎂/cm2의 전계를 방출하지만, 종래 기술에 의해 제조된 필드 에미터의 경우에는 모두 200㎂/cm2를 넘지 못하는 전계를 방출함을 알 수 있다. 이는 종래 기술과 같이 탄소 나노튜브 페이스트로 필드 에미터를 제조한 경우, 바인더(binder) 물질과 레진(resin) 또는 필터(filter) 등의 많은 불순물들이 포함되어 필드 에미터의 전계 방출 특성에 악영향을 미친 것을 알 수 있다.
도 3b는 필드 에미터의 사용 시간에 따른 전계 방출 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3b를 참조하면, 종래의 필드 에미터를 제조한 경우, 사용 시간에 따라, 방출 전계의 크기가 계속적으로 감소함을 알 수 있다. 이에 반해 본 발명에 의해 제조된 필드 에미터의 경우, 사용 시간에 따른 방출 전계의 변화량 및 그 크기가 작고 일정하게 나타남을 알 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면, 종래의 방법에 의해 제조된 필드 에미터에 비해 사용되는 기판과의 접착 특성이 크게 향상되어, 필드 에미터의 수명 및 그 전계 방출 특성이 크게 향상된 것을 알 수 있다. 이에 따라, 종래에 구현하기 어려웠던 우수한 특성의 대면적의 필드 에미터를 간단한 방법에 의해 대량으로 제조할 수 있다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 의한 필드 에미터의 제조 방법에 관한 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 탄소 나노튜브를 전계 방출 물질로 사용한 필드 에미터를 나타낸 사진이다.
도 3a는 본 발명 및 종래 기술에 의해 제조된 탄소 나노튜브를 전계 방출 물질로 사용한 필드 에미터의 인가 전압에 따른 방출 필드를 나타낸 도면이다.
도 3b는 본 발명 및 종래 기술에 의해 제조된 탄소 나노튜브를 이용한 필드 에미터의 시간에 따른 방출 필드의 변화를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11... 기판 12... PR 층
12'... 홈 13... 전도성 물질
14... 전도층
15... 금속 분말 및 전계 방출 물질의 혼합물
15'... 잔류한 금속 분말 및 전계 방출 물질의 혼합물
17... 탄소 나노튜브 21... ITO 기판
22... 금속 물질 및 전계 방출 물질의 혼합층
23... 잔류한 금속 물질 및 전계 방출 물질의 혼합층

Claims (9)

  1. 필드 에미터의 제조 방법에 있어서,
    (가) 기판 상에 패턴된 전도층을 형성시키는 단계;
    (나) 상기 전도층 상에 전계 방출 물질 및 금속 분말을 포함하는 혼합 물질을 도포하고 열처리에 의해 상기 전도층과의 접착성을 향상시키는 단계; 및
    (다) 상기 전도층을 제외한 영역의 전계 방출 물질 및 금속 물질을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전계 방출 물질은 탄소 계통 물질, 금속 또는 반도체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 필드 에미터의 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 탄소 계통 물질은 탄소 나노튜브 또는 탄소 혼 중 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (가) 단계는,
    상기 기판 상의 소정 영역을 노출시키며 PR층을 형성시키는 단계;
    상기 기판 및 상기 PR층 상에 전도성 물질을 도포하는 단계; 및
    상기 PR층 및 상기 PR층 상에 도포한 전도성 물질을 제거하여, 전도층을 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (나) 단계는,
    상기 전계 방출 물질, 금속 분말 및 그 용매를 소정의 비율로 혼합한 물질을 상기 기판 및 상기 전도층 상에 도포하는 단계; 및
    섭씨 약 600도 이하의 온도에서 열처리하여 상기 전계 방출 물질과 상기 금속 분말을 혼합한 물질과 상기 전도층 사이의 접착성을 증가시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 금속 분말은 은, 구리, 아연 또는 니켈 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 필드 에미터의 제조 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 금속 분말의 직경은 약 0.01 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 필드 에미터의 제조 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 전계 방출 물질, 금속 분말 및 용매를 소정의 비율로 혼합한 물질을 스핀 코팅 또는 프린팅에 의해 상기 기판 및 상기 전도층 상에 도포하는 것을 특징으로 하는 필드 에미터의 제조 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판, 글래스 기판 또는 ITO 기판 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 필드 에미터의 제조 방법.
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