KR20050115057A - 전계 방출 소자용 장수명 이미터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20050115057A
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Abstract

본 발명은 기판과 이미터 사이에 UV 투과성 저항층을 개재함으로써 수명을 길게 한 전계 방출 소자용 이미터 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 전계 방출 소자용 이미터의 제조방법은, 투명기판 위에 투명전극을 증착하는 단계; 상기 투명전극 위에 UV 투과성 저항성 물질을 적층하여 저항층을 형성하는 단계; 상기 UV 투과성 저항성 물질 위에 탄소나노튜브를 적층하여 이미터층을 형성하는 단계; 및 상기 이미터층을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전계 방출 소자용 장수명 이미터 및 그 제조 방법{A long life-time field emitter for a field emission device and a method for fabricating the same}
본 발명은 전계 방출 소자용 장수명 이미터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기판과 이미터 사이에 UV 투과성 저항층을 개재함으로써 수명을 길게 한 전계 방출 소자용 이미터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 디스플레이 기술이 발달함에 따라, 전통적인 음극선관(cathode ray tube; CRT) 대신, 평판 표시장치(flat panel display)가 널리 보급되고 있다. 이러한 평판 표시장치로는 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD)와 플라즈마 디스플레이 패널(plasma display panel; PDP)이 대표적이며, 최근에는 금속 팁(tip)에서의 전계 방출 현상을 이용한 전계 방출 소자(field emission device; FED)가 개발되어 연구중에 있다. 전계 방출 소자(FED)는 음극선관(CRT)의 장점인 높은 밝기와 넓은 시야각은 물론 LCD의 장점인 얇고 가벼운 특성까지 동시에 갖춰 차세대 디스플레이로 기대되고 있다.
이러한 전계 방출 소자는 음극선관과 유사한 물리적인 원리를 이용하고 있다. 즉, 음극 전극으로부터 방출된 전자가 가속되어 양극 전극에 충돌하게 되면, 양극 전극 상에 코팅된 형광체가 여기됨으로써 특정 색상의 빛이 발광하게 된다. 하지만, 전계 방출 소자는 음극선관과는 달리 전자방출원이 냉음극(cold cathode) 물질로 이루어져 있다는 점에서 차이가 있다. 개발 초기에는 이러한 전계 방출 소자의 전자방출원(이미터)으로서 주로 금속 팁을 이용하였다. 그러나, 현재는 금속 팁 대신 탄소나노튜브(carbon nano tube; CNT)를 이용하여 보다 저렴하고 전계 방출 특성이 우수한 이미터를 개발하는 연구가 진행 중이다.
도 1은 탄소나노튜브를 이용한 일반적인 3극구조(triode type)의 전계 방출 소자의 원리를 설명하기 위한 것이다. 즉, 기판(110) 위에 형성된 음극 전극(120) 위에 탄소나노튜브로 된 이미터(emitter)(130)를 형성하고, 게이트 전극(150)과 음극 전극(120)에 각각 전압을 걸어주면, 매우 가늘고 긴 탄소나노튜브의 단부에서 전자가 방출되어 형광층(140)을 발광시킨다. 여기서, 도면 부호 145는 블랙 매트릭스로서 각 화소의 경계가 된다.
현재, 탄소나노튜브를 이미터로 사용하는 전계 방출 소자에서, 이미터의 형성 방법으로는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째 방법은 탄소나노튜브가 포함된 페이스트를 기판 위에 도포한 후 포토리소그래피(photo lithography) 등을 이용하여 패터닝하는 방법이고, 두 번째 방법은 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법을 이용하여 탄소나노튜브를 기판 위에서 직접 성장시키는 방법이다. 두 가지 방법 모두 일정 전기장 하에서 전자를 방출시켜 디스플레이를 구동하는 방식이다. 그러나, 상기와 같은 방법으로 형성된 탄소나노튜브 이미터의 경우, 탄소나노튜브의 길이, 전도성 및 탄소나노튜브 하단의 저항 등이 균일하지 않기 때문에, 어느 특정한 탄소나노튜브 이미터에서 과전류가 종종 발생하게 된다. 따라서, 이러한 비정상적인 전자 발광으로 인해 탄소나노튜브의 수명이 짧아질 뿐만 아니라, 전체적인 품질이 균일하지 못하게 되고 휘도(brightness) 또한 낮아지는 등의 문제를 유발하고 있다.
이러한 불균일성을 개선하기 위해 제안된 방법이, 기판과 탄소나노튜브 사이에 비정질 실리콘(amorphous silicon; a-Si)을 저항층으로서 개재시키는 방법이다. 상기 방법에 따르면, CVD 등의 방법으로 기판 위에 a-Si을 증착하여 저항층을 형성한 후, 상기 저항층 위에 다시 CVD 등의 방법으로 탄소나노튜브를 성장시켜 이미터를 제조한다. 저항층은 탄소나노튜브의 하단에서 일정한 전압강하를 유도하는데, 그 결과 개개의 탄소나노튜브로 인가되는 전류를 비교적 균일하게 만들 수 있다.
그러나, 종래에는 UV 투과성을 갖지 않는 비정질 실리콘(a-Si)을 저항층으로서 사용하였기 때문에, 백노광(back exposure)에 의한 포토리소그래피 공정을 수행할 수 없었다. 따라서, 탄소나노튜브 이미터를 제조하는데 있어서, 탄소나노튜브 페이스트를 인쇄하는 방법은 이용할 수 없고, CVD를 통한 탄소나노튜브의 성장 방법만을 이용할 수 있었다. 그런데, CVD로는 비교적 직경이 큰 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled CNT; MWNT)만을 성장시킬 수 있으며, 비교적 직경이 작은 단일벽 탄소나노튜브(single-walled CNT; SWNT)는 성장시킬 수 없다. 일반적으로 탄소나노튜브의 전계집중효과(field enhancement effect)는 탄소나노튜브의 길이에 비례하고 직경에 반비례하기 때문에, 보다 우수한 성능의 이미터를 제조하기 위해서는 단일벽 탄소나노튜브를 사용할 필요가 있다. 더욱이, CVD는 고온에서 이루어지기 때문에 기판 및 전극 등으로 사용할 재료에 제한이 있으며, 탄소나노튜브의 성장을 균일하게 제어하기가 어렵고, 제조 단가가 비싸다는 단점이 있다.
따라서, 저항층 위에 단일벽 탄소나노튜브 이미터를 형성할 수 있기 위해서는, UV 투과성이 있는 저항성 물질을 저항층으로서 사용할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은, UV 투과성이 있는 저항성 물질을 저항층으로 사용함으로써, 저항층 위에 단일벽 탄소나노튜브 이미터를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 저항층 위에 단일벽 탄소나노튜브 이미터를 형성함으로써, 보다 균일하고 수명이 뛰어나며 휘도가 높은 전계 방출 소자용 탄소나노튜브 이미터를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 전계 방출 소자용 이미터의 제조방법은, 투명기판 위에 투명전극을 증착하는 단계; 상기 투명전극 위에 UV 투과성 저항성 물질을 적층하여 저항층을 형성하는 단계; 상기 UV 투과성 저항성 물질 위에 탄소나노튜브를 적층하여 이미터층을 형성하는 단계; 및 상기 이미터층을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 저항층을 형성하는 단계는, 페이스트 형태의 UV 투과성 저항성 물질을 투명전극 위에 도포하는 단계; 및 상기 도포된 UV 투과성 저항성 물질을 소성하여 고화시키는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 UV 투과성 저항성 물질은 비저항이 적어도 10Ω·m 이상이며, Cr2O3, Na2O2, SO2, CaO, Sc2 O3, TiO2, VO2, V2O5, Mn3O 4, Fe2O3, CoO, Co3O4, Cu2O, CuO, ZnO, SrO, SrO2, Y2O3, ZrO2, PdO, DcO, In2O3, BaO, La2O3, CeO2, Pr2O 3, Nd2O3, Sm2O3, Gd2O3, Tb2 O3, Dy2O3, Er2O3, Yb2O 3, Ta2O5, WO3, PbO, UO2, U3O 5 중 적어도 하나를 포함한다. 보다 양호하게는, 상기 UV 투과성 저항성 물질은 Cr2O3를 포함하는 것이다.
상기 탄소나노튜브는, 탄소나노튜브 페이스트를 저항층 위에 도포하는 방법이나 CVD에 의해 탄소나노튜브를 저항층 위에서 성장시키는 방법으로 적층된다. 이때, 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브 중 어느 것이나 사용이 가능하다.
한편, 상기 이미터층을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝하는 단계는, 이미터 패턴에 대응하는 패턴을 갖는 마스크를 투명기판의 하부에 정렬하는 단계; 상기 마스크 및 투명기판을 향해 UV를 조사하는 단계; 및 상기 UV가 조사된 이미터층을 세척하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 전계 방출 소자는, 상기 제 1 실시예에 의한 방법으로 제조된 전계 방출 소자용 이미터; 상기 전계 방출 소자용 이미터의 이미터층으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 이미터층과 대향하는 제 2 투명전극; 상기 제 2 투명전극의 이미터층 대향면에 도포된 형광층; 및 상기 제 2 투명전극의 다른 한면에 형성된 제 2 투명기판;을 포함한다.
또한, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전계 방출 소자용 이미터의 제조방법은, 투명기판 위에 투명전극을 증착하는 단계; 상기 투명전극의 상면의 양측에 서로 대향하도록 절연층을 각각 형성하는 단계; 상기 절연층의 상면에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및 상기 서로 대향하는 절연층 사이의 투명전극 위에 UV 투과성 저항성 물질의 저항층과 탄소나노튜브의 이미터층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 저항층과 이미터층의 측벽은, 대향하는 절연층의 측벽과 소정의 거리만큼 이격되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 저항층과 이미터층을 형성하는 단계는, 상기 게이트 전극의 상면, 및 상기 절연층과 게이트 전극의 서로 대향하는 측벽을 포토레지스트로 덮는 단계; 상기 서로 대향하는 절연층 사이의 투명전극 상면에 UV 투과성 저항성 물질을 적층하여 저항층을 형성하는 단계; 상기 저항층 상면에 탄소나노튜브를 적층하여 이미터층을 형성하는 단계; 및 포토리소그래피를 이용하여 상기 이미터층을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 이미터층을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝하는 단계는, 이미터 패턴에 대응하는 패턴을 갖는 마스크를 투명기판의 하부에 정렬하는 단계; 상기 마스크 및 투명기판을 향해 UV를 조사하는 단계; 및 세척을 통해 잔여 포토레지스트 및 불필요한 UV 투과성 저항성 물질과 탄소나노튜브를 제거하는 단계;를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 각 실시예에 따른 전계 방출 소자용 탄소나노튜브 이미터를 제조하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 2극 타입(diode type)의 전계 방출 소자용 탄소나노튜브 이미터 및 전계 방출 소자를 제조하는 과정을 도시하는 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 유리(glass)와 같은 투명기판(10) 위에, 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전극(11)을 증착한다.
다음으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 일정한 전압강하를 유도하여 탄소나노튜브로 인가되는 전류를 균일하게 하기 위한 저항층(12)을 상기 투명전극(11) 위에 형성한다. 종래에는 UV 투과성이 없는 a-Si와 같은 물질을 저항층(12)으로서 사용하였으나, 본 발명에서는 백노광(back exposure)에 의한 패터닝 작업을 수행할 수 있도록 UV 투과성이 있는 저항성 물질을 사용한다. 또한, 이러한 저항성 물질은, 충분한 전압강하를 유도할 수 있도록, 비저항이 적어도 10Ω·m 이상이어야 하며, 바람직하게는 102Ω·m 내지 103Ω·m 정도가 적당하다. 이러한 조건을 만족하는 물질로는, Cr2O3, Na2O2, SO2, CaO, Sc2 O3, TiO2, VO2, V2O5, Mn3O 4, Fe2O3, CoO, Co3O4, Cu2O, CuO, ZnO, SrO, SrO2, Y2O3, ZrO2, PdO, DcO, In2O3, BaO, La2O3, CeO2, Pr2O 3, Nd2O3, Sm2O3, Gd2O3, Tb2 O3, Dy2O3, Er2O3, Yb2O 3, Ta2O5, WO3, PbO, UO2, U3O 5 등이 있다. 바람직하게는, Cr2O3를 사용한다.
상기 저항층(12)을 형성하기 위해서는, 먼저, 위에서 열거한 UV 투과성 저항성 물질들 중 적어도 하나를 페이스트(paste)의 형태로 만든다. 그런 후, 상기 페이스트 형태의 UV 투과성 저항성 물질을 투명전극(11) 위에 도포하고, 일반적인 방법으로 소성하여 고화시킨다. 저항층(12)을 형성하는 또 다른 방법으로는, 일반적으로 사용하는 증착 방법에 따라 투명전극(11) 위에 UV 투과성 저항성 물질을 박막의 형태로 증착시키는 것도 가능하다.
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 저항층(12) 위에 탄소나노튜브를 적층하여 이미터층(13)을 형성한다. 저항층(12) 위에 탄소나노튜브를 적층하는 단계는 일반적으로 사용하는 두 가지 방법을 모두 사용할 수 있다. 즉, 페이스트 형태의 탄소나노튜브를 상기 저항층(12) 위에 도포할 수도 있으며, CVD를 사용하여 탄소나노튜브를 저항층(12) 위에서 성장시킬 수도 있다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이, CVD에 의한 탄소나노튜브의 성장 방법은 비교적 직경이 큰 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)만을 사용할 수 있기 때문에, 본 발명에서는 탄소나노튜브 페이스트를 도포하는 방법이 보다 바람직하다. 탄소나노튜브 페이스트를 저항층(12) 위에 도포하는 경우, 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)와 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 모두 사용하는 것이 가능하지만, 바람직하게는 비교적 직경이 작은 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)를 사용한다.
상기 저항층(12) 위에 이미터층(13)을 형성한 후에는, 상기 이미터층(13)을 소망하는 이미터 패턴에 따라 패터닝한다. 이를 위하여, 도 2c에 도시된 바와 같이, 투명기판(10) 하부에 마스크(mask)(14)를 정렬하고 상기 투명기판(10)을 향해 UV를 조사한다. 상기 마스크(14)에는 소망하는 이미터 패턴에 대응하는 패턴이 미리 형성되어 있다. 따라서, 상기 마스크(14)를 통하여 UV를 조사하면, 상기 이미터층(13)은 마스크(14)의 패턴에 따라 감광된다. 마지막으로, 예컨대, 에탄올 등을 이용하여 상기 이미터층(13)을 세척하면, 도 2d에 도시된 것과 같은, 전계 방출 소자용 이미터가 완성된다.
도 2e는 상기와 같은 방법으로 완성된 전계 방출 소자용 이미터를 이용하는 2극 타입(diode type)의 전계 방출 소자를 도시한다. 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 전계 방출 소자는, 상술한 방법으로 완성된 전계 방출 소자용 이미터; 이미터층(13)으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 이미터층(13)과 대향하는 제 2 투명전극(16); 상기 제 2 투명전극(16)의 이미터층 대향면에 도포된 형광층(도시되지 않음); 및 상기 제 2 투명전극(16)의 다른 한면에 형성된 제 2 투명기판(15)으로 구성된다. 여기서, 제 2 투명전극(16)은 예컨대 ITO 일 수 있으며, 제 2 투명기판(15)은 유리일 수 있다.
이러한 구조의 전계 방출 소자의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 투명전극(11)에 음극 전압을 인가하고, 제 2 투명전극(16)에 양극을 인가한다. 그러면, 탄소나노튜브로 된 이미터층(13)에서 전자가 방출되어 양극 전압이 인가된 제 2 투명전극(16)으로 진행한다. 이때, 제 2 투명전극(16)에 도포된 형광층(미도시)에 전자가 충돌하여 형광층이 여기됨으로써 특정 색상의 빛이 발광하게 된다.
한편, 도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 게이트 전극을 더 포함하는 3극 타입(triode type)의 전계 방출 소자용 이미터를 제조하는 과정을 도시하는 단면도이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 유리(glass)와 같은 투명기판(20) 위에, 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전극(21)을 증착한다.
그런 후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 투명전극(21)의 상면의 양측에 서로 대향하도록 절연층(22)을 각각 형성한다. 투명전극(21) 상면의 가운데 부분은 이후의 단계에서 저항층 및 이미터층을 형성할 수 있도록 남겨 둔다. 여기서, 상기 절연층(22)은, 예컨대, SiO2 나 PbO와 같은 절연성 재료를 포함하는 페이스트를 투명전극(21) 위에 도포한 후, 소성을 통해 고화하여 형성한다.
다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 예컨대, 크롬(Cr)과 같은 전도성 금속을 스퍼터링하여 상기 절연층(22)의 상면에 게이트 전극(23)을 형성한다. 게이트 전극(23)이 형성된 다음에는, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 전극(23)의 상면, 및 상기 절연층(22)과 게이트 전극(23)의 서로 대향하는 측벽을 모두 포토레지스트(24)로 덮는다. 이렇게 절연층(22)과 게이트 전극(23)의 서로 대향하는 측벽까지 모두 포토레지스트(24)로 덮는 이유는, 이후에 상기 절연층(22) 사이에 형성될 저항층과 이미터층의 측벽이 상기 절연층(22)의 측벽과 소정의 거리만큼 이격되도록 하기 위해서이다.
포토레지스트(24)가 도포된 후에는, 도 3e에 도시된 바와 같이, 서로 대향하는 상기 절연층(22) 사이의 투명전극(21) 상면 및 상기 포토레지스트(24) 상면에 UV 투과성 저항성 물질을 적층하여 저항층(25)을 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 UV 투과성 저항성 물질은, 비저항이 적어도 10Ω·m 이상이어야 하며, 바람직하게는 102Ω·m 내지 103Ω·m 정도가 적당하다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 조건을 만족하는 물질로는 Cr2O3, Na2O2, SO 2, CaO, Sc2O3, TiO2, VO2, V2O5, Mn3O4, Fe2O3, CoO, Co 3O4, Cu2O, CuO, ZnO, SrO, SrO2, Y2O3 , ZrO2, PdO, DcO, In2O3, BaO, La2O3, CeO2, Pr2O 3, Nd2O3, Sm2O3, Gd2O3 , Tb2O3, Dy2O3, Er2O3, Yb 2O3, Ta2O5, WO3, PbO, UO2, U3O5 등이 있으며, 본 발명의 실시예에서는 Cr2O3를 사용하였다. 제 1 실시예와 마찬가지로, 상기 UV 투과성 저항성 물질은 페이스트의 형태로 투명전극(21) 위에 도포된 후, 일반적인 방법으로 소성하여 고화시킨다. 또는, 일반적으로 사용하는 증착 방법에 따라 투명전극(21) 위에 UV 투과성 저항성 물질을 박막의 형태로 증착시키는 것도 가능하다.
그런 후, 도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트(24) 및 저항층(25) 위에 탄소나노튜브를 적층하여 이미터층(26)을 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 탄소나노튜브를 적층하는 단계는 일반적으로 사용하는 두 가지 방법을 모두 사용할 수 있다. 즉, 탄소나노튜브를 페이스트의 형태로 도포할 수도 있으며, CVD를 사용하여 탄소나노튜브를 성장시킬 수도 있다. 그러나, 제 2 실시예의 경우에도, CVD에 의한 탄소나노튜브의 성장 방법은 비교적 직경이 큰 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)만을 사용할 수 있기 때문에, 탄소나노튜브 페이스트를 도포하는 방법이 보다 바람직하다. 또한, 탄소나노튜브 페이스트를 도포하는 경우, 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)와 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 모두 사용하는 것이 가능하지만, 바람직하게는 비교적 직경이 작은 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)를 사용한다.
다음으로, 포토리소그래피를 이용하여 상기 이미터층(26)을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝한다. 이를 위해, 도 3f에 도시된 바와 같이, 투명기판(20) 하부에 마스크(28)를 정렬하고 상기 투명기판(20)을 향해 UV를 조사한다. 상기 마스크(28)에는 소망하는 이미터 패턴에 대응하는 패턴이 미리 형성되어 있다. 그런 다음, 예컨대, 에탄올 등을 이용한 세척 과정을 통해 불필요한 포토레지스트를 제거한다. 포토레지스트가 제거되면, 상기 포토레지스트 상면에 함께 적층된 UV 투과성 저항성 물질과 탄소나노튜브의 잔여 성분이 함께 제거된다. 따라서, 도 3g에 도시된 것과 같은, 3극 타입의 전계 방출 소자용 이미터가 완성된다.
도 4는 저항층을 사용하기 전과 사용한 후의 I-V 특성을 측정한 결과를 비교하여 나타내는 그래프이다. 여기서, '□'로 표시된 그래프는 저항층을 사용하지 않은 경우이고, '◇'로 표시된 그래프는 본 발명에 따라 저항층을 사용한 경우를 나타낸다. 도 4에 표시된 바와 같이, 저항층을 사용하더라도 탄소나노튜브 이미터에 전달되는 전류의 손실은 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서, 저항층을 사용하더라 전계 방출 특성의 감소 및 그로 인한 휘도의 감소는 거의 발생하지 않는다. 상기 저항층으로 인한 전압강하는 개개의 탄소나노튜브에 인가되는 전류들 사이의 편차를 완화시키기는 하지만, 탄소나노튜브에 인가되는 전체 전류의 평균값을 크게 낮출 정도로 전압강하가 크지는 않기 때문이다. 이를 위해, 상기 저항층은 적절한 두께를 가져야 하는데, 대략 150nm 정도가 적당하다.
도 5는 저항층을 사용하기 전과 사용한 후의 이미터의 수명을 비교하여 나타내는 그래프로서, 4.2 V/㎛의 전계에서 탄소나노튜브 이미터에 흐르는 전류밀도를 측정한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 이미터에 흐르는 전류밀도 값이 최초에 비해 50%정도로 떨어질 때까지 걸리는 시간이, 저항층을 사용하지 않은 경우에는 약 50시간 정도 걸리지만, 저항층을 사용한 경우에는 500시간 이상 걸리는 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 이미터는 종래에 비해 긴 수명을 갖는다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6a 및 도 6b는 각각 저항층을 사용하지 않은 경우와 사용한 경우에 양극(anode)에서의 발광 상태를 나타내는 사진이다. 도 6a의 사진과 도 6b의 사진을 비교할 때, 저항층을 사용하지 않은 종래의 경우에는 특정 이미터에서만 전자가 방출되므로 불균일한 형상을 보여주고 있다. 반면, 본 발명에 따라 저항층을 사용한 경우에는, 개개의 이미터에서 전체적으로 균일하게 전자가 방출되므로 상대적으로 균일한 형상을 보여주고 있다.
한편, 도 3에 도시된 일반적인 3극 타입의 전계 방출 소자용 이미터에서 게이트는 탄소나노튜브 이미터 위에 형성되어 있으나, 도 7에 도시된 것과 같이, 언더게이트(undergate) 구조의 전계 방출 소자용 이미터를 형성할 수도 있다. 도 7에서, 투명기판(31) 위에 투명전극(32)과 절연층(33)이 연속하여 형성되어 있으며, 상기 절연층(33)을 관통하여 게이트(34)가 투명전극(32)과 연결되어 있다. 그리고, 상기 절연층(33) 위에 이미터용 전극(35)이 형성되어 있으며, 상기 이미터용 전극(35) 위에 저항층(36)과 탄소나노튜브 이미터(37)가 연속하여 형성되어 있다. 이때, 상기 탄소나노튜브 이미터(37)과 게이트(34)는 서로 대향하는 위치에 있다. 여기서도, 상기 저항층(36)은 UV 투과성 저항성 물질로 구성된다. 이러한 언더게이트 구조의 경우에도, 백노광을 통해 단일벽 탄소나노튜브로 된 이미터를 형성할 수 있으며, 앞서 설명한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 전계 방출 소자용 탄소나노튜브 이미터의 제조방법에 대해 상세하게 설명하였다. 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브 이미터의 하부에 형성된 저항층이 탄소나노튜브 이미터에 전류를 고르게 분산시킴으로써, 제품 자체의 수명, 균일성 및 휘도를 증가시킬 수 있다.
또한, 종래에는 백노광을 통한 탄소나노튜브 이미터의 제조에 적용 가능하고, 고온 공정에서도 사용할 수 있는 저항층을 찾지 못하였으나, 본 발명에서는 상술한 방법을 통해 이러한 종래의 문제점을 개선할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 비교적 전계집중효과가 큰 단일벽 탄소나노튜브를 이용하여 보다 우수한 품질의 탄소나노튜브 이미터를 제공할 수 있다.
도 1은 탄소나노튜브를 이용한 일반적인 전계 방출 소자의 원리를 나타내는 도면이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따라 2극구조의 전계 방출 소자용 이미터를 제조하는 과정을 도시하는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따라 3극구조의 전계 방출 소자용 이미터를 제조하는 과정을 도시하는 단면도이다.
도 4는 저항층을 사용하기 전과 사용한 후의 I-V 특성을 측정한 결과를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 5는 저항층을 사용하기 전과 사용한 후의 이미터의 수명을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 저항층을 사용하지 않은 경우와 사용한 경우에 양극(anode)에서의 발광 상태를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예인 언더게이트 구조의 전계 방출 소자용 이미터를 도시하는 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
10,20.....투명기판 11,21.....투명전극
12,25.....저항층 13,26.....탄소나노튜브
22........절연층 23........게이트전극
24........포토레지스트

Claims (20)

  1. 투명기판 위에 투명전극을 증착하는 단계;
    상기 투명전극 위에 UV 투과성 저항성 물질을 적층하여 저항층을 형성하는 단계;
    상기 UV 투과성 저항성 물질 위에 탄소나노튜브를 적층하여 이미터층을 형성하는 단계; 및
    상기 이미터층을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항층을 형성하는 단계는, 페이스트 형태의 UV 투과성 저항성 물질을 투명전극 위에 도포한 후 소성하여 고화시키는 방법, 또는 UV 투과성 저항성 물질을 투명전극 위에 박막의 형태로 증착하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 UV 투과성 저항성 물질은 비저항이 적어도 10Ω·m 이상인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 UV 투과성 저항성 물질은, Cr2O3, Na2O2, SO2 , CaO, Sc2O3, TiO2, VO2, V2O5, Mn3O4, Fe2O3, CoO, Co 3O4, Cu2O, CuO, ZnO, SrO, SrO2, Y2O3 , ZrO2, PdO, DcO, In2O3, BaO, La2O3, CeO2, Pr2O 3, Nd2O3, Sm2O3, Gd2O3 , Tb2O3, Dy2O3, Er2O3, Yb 2O3, Ta2O5, WO3, PbO, UO2, U3O5 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 UV 투과성 저항성 물질은 Cr2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 적층하는 단계는, 탄소나노튜브 페이스트를 저항층 위에 도포하는 방법 또는 CVD에 의해 탄소나노튜브를 저항층 위에서 성장시키는 방법 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미터층을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝하는 단계는:
    이미터 패턴에 대응하는 패턴을 갖는 마스크를 투명기판의 하부에 정렬하는 단계;
    상기 마스크 및 투명기판을 향해 UV를 조사하는 단계; 및
    상기 UV가 조사된 이미터층을 세척하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 전계 방출 소자용 이미터.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 전계 방출 소자용 이미터;
    상기 전계 방출 소자용 이미터의 이미터층으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 이미터층과 대향하는 제 2 투명전극;
    상기 제 2 투명전극의 이미터층 대향면에 도포된 형광층; 및
    상기 제 2 투명전극의 다른 한면에 형성된 제 2 투명기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  11. 투명기판 위에 투명전극을 증착하는 단계;
    상기 투명전극의 상면의 양측에 서로 대향하도록 절연층을 각각 형성하는 단계;
    상기 절연층의 상면에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 서로 대향하는 절연층 사이의 투명전극 위에 UV 투과성 저항성 물질의 저항층과 탄소나노튜브의 이미터층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 저항층과 이미터층의 측벽은, 대향하는 절연층의 측벽과 소정의 거리만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 저항층과 이미터층을 형성하는 단계는:
    상기 게이트 전극의 상면, 및 상기 절연층과 게이트 전극의 서로 대향하는 측벽을 포토레지스트로 덮는 단계;
    상기 서로 대향하는 절연층 사이의 투명전극 상면에 UV 투과성 저항성 물질을 적층하여 저항층을 형성하는 단계;
    상기 저항층 상면에 탄소나노튜브를 적층하여 이미터층을 형성하는 단계; 및
    포토리소그래피를 이용하여 상기 이미터층을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 적층하는 단계는, 탄소나노튜브 페이스트를 저항층 위에 도포하는 방법 또는 CVD에 의해 탄소나노튜브를 저항층 위에서 성장시키는 방법 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 이미터층을 소정의 이미터 패턴에 따라 패터닝하는 단계는:
    이미터 패턴에 대응하는 패턴을 갖는 마스크를 투명기판의 하부에 정렬하는 단계;
    상기 마스크 및 투명기판을 향해 UV를 조사하는 단계; 및
    세척을 통해 잔여 포토레지스트 및 불필요한 UV 투과성 저항성 물질과 탄소나노튜브를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  17. 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 UV 투과성 저항성 물질은 비저항이 적어도 10Ω·m 이상인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 UV 투과성 저항성 물질은, Cr2O3, Na2O2, SO2 , CaO, Sc2O3, TiO2, VO2, V2O5, Mn3O4, Fe2O3, CoO, Co 3O4, Cu2O, CuO, ZnO, SrO, SrO2, Y2O3 , ZrO2, PdO, DcO, In2O3, BaO, La2O3, CeO2, Pr2O 3, Nd2O3, Sm2O3, Gd2O3 , Tb2O3, Dy2O3, Er2O3, Yb 2O3, Ta2O5, WO3, PbO, UO2, U3O5 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 UV 투과성 저항성 물질은 Cr2O3를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자용 이미터 제조방법.
  20. 제 11 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 전계 방출 소자용 이미터.
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