KR20060061215A - 탄소 나노튜브의 배향 장치, 탄소 나노튜브의 배향 방법 및전계방출 표시장치의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소 나노튜브의 배향 방법 및 이를 포함하는 전계방출 표시장치의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 탄소 나노튜브의 배향 장치도 개시한다. 본 발명에 따른 탄소 나노튜브의 배향 장치는 절연성 기판 상에 형성된 극성이 서로 반대인 적어도 둘 이상의 전극들 및 상기 전극들을 덮는 절연층을 포함한다. 상기 전극들에 의해 형성되는 전계에 의해 상기 전극들에 인접하여 배치된 탄소 나노튜브가 배향된다. 본 발명에 의하면, 탄소 나노튜브를 일정 방향으로 배향시킬 수 있어 고휘도의 균일한 발광을 일으킬 수 있고, 장시간 사용할 수 있다.
탄소 나노튜브, 전계방출 표시장치, 배향 장치

Description

탄소 나노튜브의 배향 장치, 탄소 나노튜브의 배향 방법 및 전계방출 표시장치의 제조 방법{APPARATUS FOR ORIENTATING CARBON NANOTUBE, METHOD OF ORIENTATING CARBON NANOTUBE AND METHOD OF FABRICATING FIELD EMISSION DISPLAY}
도 1은 탄소 나노튜브의 배향 장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 탄소 나노튜브의 배향 방법을 설명하기 위한 도면,
도 3a 및 도 3b는 전계방출 표시장치의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
♧ 도면의 주요부분에 대한 참조부호의 설명 ♧
10 : 배향 장치 12 : 배향장치의 절연성 기판
15a : 배향 장치의 애노드 전극 15c : 배향 장치의 캐소드 전극
18 : 절연층
20 : 전계방출 표시장치의 기판
25c : 전계방출 표시장치의 캐소드 전극
25g : 전계방출 표시장치의 게이트 전극
30 : 에미터 30p : 페이스트
EF : 전계(electric field)
본 발명은 표시 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전계방출 표시장치의 제조 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 액정표시장치(LCD:liquid crystal display), 플라즈마 표시장치(PDP:plasma display panel) 및 전계방출 표시장치(FED:field emission display) 등과 같은 평판 표시장치(Flat Panel Display)로 크게 분류될 수 있다.
이중에서 전계방출 표시장치는 다른 평판 표시장치들의 단점을 극복할 수 있는 차세대 정보 통신용 평판 표시장치로 주목을 받고 있다. 전계방출 표시장치는 전극 구조가 간단하고, CRT와 같은 원리로 고속동작이 가능하며, 소비전력, 효율, 휘도 등의 면에서 뛰어나다.
이러한 전계방출 표시장치는 캐소드 전극 위에 일정한 간격으로 배열된 에미터에 강한 전계를 인가함으로써 에미터로부터 전자를 방출시키고, 이 전자를 애노드 전극의 표면에 도포된 형광체에 충돌시켜 발광되도록 한다. 즉, 진공 속의 에 미터에 강한 전계가 인가될 때 전자들이 에미터로부터 진공 밖으로 나오는 양자역학적 터널링 현상을 이용한 것이다. 이때, 전계방출 표시장치는 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의하여 전류-전압 특성을 나타내게 된다.
초기의 전계방출 표시장치의 에미터는 주로 몰리브덴(Mo)을 주 재질로 하여 스핀트(Spindt) 타입의 금속 팁(또는 마이크로 팁)이 사용되었다. 그런데, 이러한 금속 팁 형상의 에미터를 갖는 전계방출 표시장치에 있어서는 에미터를 배치하기 위한 극미세한 홀이 형성되어야 하고, 몰리브덴을 증착하여 화면 전영역에서 균일한 금속 마이크로 팁이 형성되어야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하고 고난도의 기술을 필요로 한다. 뿐만 아니라, 고가의 장비를 사용하여야 하므로 제품 제조 단가가 상승하는 문제점이 있다. 따라서, 금속 팁 형상의 에미터를 갖는 전계방출 표시장치는 대화면화하는데 제약이 있는 것으로 지적되고 있다. 이에 따라, 저전압의 구동 조건에서도 양질의 전자방출을 얻을 수 있고, 에미터를 평탄한 형상으로 형성시켜 제조 공정을 간략하게 할 수 있는 기술이 연구 개발되고 있다. 최근 들어 탄소 나노튜브가 기계적으로 강하고, 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서 전자방출특성이 우수하여, 이를 이용한 전계방출 표시장치의 중요성이 인식되고 있다.
탄소 나노튜브 에미터를 제조하는 방법으로는 금속, 유기고분자 및 나노튜브로 이루어진 페이스트를 프린팅한 후 에칭공정을 통해 나노튜브가 돌출되게 하는 방법, 나노튜브를 유기용제에 분산시켜 도전판 위에서 유기용제를 증발시켜 나노튜 브막을 형성시키는 방법, 및 나노튜브를 대전체와 함께 용매에 분산시켜 전기 영동법에 의해 에미터를 형성시키는 방법 등이 있다. 그러나, 이와 같은 방법으로 제조된 나노튜브 에미터는 전자방출에 유효한 나노튜브의 분포가 균일하지 못하고, 특히 전극 기판 위의 나노튜브가 전자방출을 쉽게 일으킬 수 있도록 수직으로 배열되어 있지 않기 때문에 고휘도의 균일한 발광을 일으킬 수 없다. 또한, 장시간 사용할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 이상에서 언급한 상황을 고려하여 제안된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고휘도의 균일한 발광을 일으킬 수 있도록 탄소 나노튜브를 배향하는 방법 및 이를 포함하는 전계방출 표시장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 탄소 나노튜브를 일정 방향으로 배향할 수 있는 탄소 나노튜브의 배향 장치를 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 탄소 나노튜브의 배향 장치는 절연성 기판 상에 형성된 극성이 서로 반대인 적어도 둘 이상의 전극들, 및 상기 전극들을 덮는 절연층을 포함한다. 상기 전극들에 의해 형성되는 전계에 의해 상기 전극들에 인접하여 배치된 탄소 나노튜브가 배향된다.
상기 한 쌍의 전극들은 크기가 동일한 스트라이프형일 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 탄소 나노튜브의 배향 방법은 상기 탄소 나노튜브의 배향 장치를 사용한다. 이 방법은 상기 탄소 나노튜브가 배치된 기판을 상기 배향 장치에 근접하게 위치시키고, 상기 배향 장치의 전극에 전압을 인가하여 전계를 형성하는 것을 포함한다.
상기 전압을 인가하기 위해 사용되는 전류는 교류 또는 펄스형 직류일 수 있다.
상기 전계의 세기는 0.1 ~ 10V/㎛일 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전계방출 표시장치의 제조 방법은 캐소드 전극 및 게이트 전극이 형성된 절연성 기판 상에 탄소 나노튜브를 배치하고, 상기 탄소 나노튜브를 전계에 노출시켜 상기 탄소 나노튜브를 배향시키는 것을 포함한다.
상기 탄소 나노튜브를 배치하는 것은 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극 상에 상기 탄소 나노튜브를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하는 것에 의해 수행되거나, 상기 기판 상에 상기 탄소 나노튜브를 포함하는 페이스트를 프린팅한 후 패터닝하는 것에 의해 수행될 수 있다.
상기 전계는 제 1 항의 전계 인가 장치에 의해 형성될 수 있다.
상기 전계의 세기는 0.1 ~ 10V/㎛일 수 있다.
본 발명에 의하면, 탄소 나노튜브를 일정 방향으로 배향시킬 수 있어, 고휘도의 균일한 발광을 일으킬 수 있다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
도면들에 있어서, 층(막) 또는 영역들의 두께 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되게 표현될 수 있다. 또한, 층(막)이 다른 층(막) 또는 기판 상(위)에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층(막) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층(막)이 개재될 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 탄소 나노튜브의 배향 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 탄소 나노튜브의 배향 장치(10)는 절연성 기판(12), 전계를 형성하기 위한 전극들(15a,15c), 및 절연층(18)을 포함한다. 절연성 기판(12) 상에 극성이 서로 반대인 전극들(15a,15c)이 위치한다. 도시되지 않았지만, 전극들(15a,15c)은 스트라이프(stripe)형일 수 있다. 극성이 서로 반대인 전극들(15a,15c)은 애노드 전극(15a)과 캐소드 전극(15c)으로 구성되며, 애노드 전극(15a)과 캐소드 전극(15c)은 일정 간격을 두고 하나씩 교대로 배치된다. 애노드 전극(15a)과 캐소드 전극(15c)은 두께와 폭이 서로 동일할 수 있다. 또한, 탄소 나노튜브의 배향 장치에서의 애노드 전극(15a) 및 캐소드 전극(15c)은 후술되는 전계방출 표시장치에서의 애노드 전극 및 캐소드 전극과 구별되어야 한다.
기판(12) 상에 전극들(15a,15c)을 덮는 절연층(18)이 위치할 수 있다. 절연층(18)이 없이 애노드 전극(15a)에 전압이 인가되면 전계(EF)는 애노드 전극(15a)과 캐소드 전극(15c)간의 최단거리로 형성되지만, 절연층(18)이 도포되면 전계(EF)는 애노드 전극(15a)과 캐소드 전극(15c)간에 포물선을 그리며 형성된다.
도 2는 탄소 나노튜브의 배향 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 탄소 나노튜브를 포함하는 페이스트(30p)를 도 1의 배향 장치에 의해서 형성된 전계(EF)에 근접하게 위치시키면, 페이스트(30p) 내의 탄소 나노튜브가 전계(EF) 방향으로 배향된다. 이때, 배향 장치(10)의 전극들(15a,15c)의 배치와 인가되는 전압 그리고, 전계방출 표시장치의 에미터 기판(20)의 위치를 적절하게 조절하면, 수직 방향뿐만 아니라 원하는 어느 방향으로도 탄소 나노튜브를 배향시킬 수 있다.
전압인가에 사용되는 전원은 교류, 직류, 및 펄스형 직류 중 어느 것이나 가 능하나 탄소 나노튜브의 배향시 충격효과 등의 관점에서 교류나 펄스형 직류를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소 나노튜브의 배향에 필요한 전계(EF)의 세기는 0.1~ 10V/㎛가 적당하다.
본 발명의 일 실시예에서는 탄소 나노튜브를 포함하는 페이스트(30p)가 에미터 기판(20)의 게이트 전극(25g) 및 캐소드 전극(25c)에 모두 형성되어 있으나, 어떠한 형태로도 가능하다. 페이스트(30p)는 캐소드 전극(25c) 상에만 형성될 수 있다. 또한, 게이트 전극(25g)이 캐소드 전극(25c) 측면에 위치하는 래터럴 게이트 방식뿐만 아니라, 게이트 전극(25g)이 캐소드 전극(25c) 아래에 위치하는 언더(under) 게이트 방식이나 게이트 전극(25g)이 캐소드 전극(25c)과 애노드 전극(미도시) 사이에 구멍이 뚫린 형태로 위치하는 그리드(grid)형 게이트 방식 등에서도 본 발명에 따른 배향 방법이 적용될 수 있다.
도 3a 및 도 3c는 전계방출 표시장치의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 에미터 기판(20) 상에 캐소드 전극(25c) 및 게이트 전극(25g)이 형성된다. 본 발명의 일 실시예와 같이 게이트 전극(25g)이 캐소드 전극(25c) 측면에 위치하는 래터럴 게이트 방식의 전계방출 표시장치에서는 캐소드 전극(25c) 및 게이트 전극(25g)이 한번의 사진 및 식각 공정에 의해 동시에 형성된다. 캐소드 전극(25c) 및 게이트 전극(25g)은 같은 크기의 스트라이프형으로, 각각 하나씩 교대가 되도록 형성된다. 다만, 본 발명에 있어서 전계방출 표시장치는 래터럴 게이트 방식이 아니어도 무방하다.
에미터 기판(20)은 유리, 알루미나, 석영, 실리콘 등이 사용될 수 있으나, 전계방출 표시장치의 공정 및 대면적화를 고려하면 유리 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 캐소드 전극(25c) 및 게이트 전극(25g)은 Ag, Cr, Al, Ni, Co, Pt, Au, Ti, W, Zn, ITO, 및 이들의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
도 3b를 참조하면, 캐소드 전극(25c) 및 게이트 전극(25g) 상에 탄소 나토튜브를 포함하는 페이스트(30p)가 스크린 프린팅된다. 이때, 페이스트(30p)는 캐소드 전극(25c) 및 게이트 전극(25g)처럼 스트라이프형으로 형성된다. 물론, 스트라이프형이 아닌 다른 형태로 형성될 수도 있다. 또한, 본 발명은 탄소 나토튜브 페이스트(30p)의 형성 방법이나 형성 위치에 제한을 받지 않는다.
페이스트(30p)는 질산과 황산이 혼합된 산성용액에서 탄소 나노튜브를 8시간 이상 산화시켜 직경(d)이 1~30nm, 길이(L)가 1~10㎛, 길이과 직경의 비(L/d)가 500 ~10000이 되도록 한 후, 터피네올(terpineol)에 에틸셀룰로오스(ethylcellulose)를 10wt%녹인 용액과 혼합하여 제조된다.
다시 도 3b와 도 2를 참조하면, 탄소 나노튜브 페이스트(30p)가 형성된 에미터 기판(20)이 배향 장치(10)에 근접하게 배치된다. 배향 장치의 전극들(15a,15c)에 의해 형성된 전계(EF)에 의해 페이스트(30p) 내의 탄소 나노튜브가 수직 방향으로 배향된다. 상술한 바와 같이, 수직 방향이 아닌 다른 방향으로 배향시킬 수도 있다.
도 3c를 참조하면, 페이스트(30p)를 건조시키면 배향된 탄소 나노튜브에 의해 에미터(30)가 형성된다. 에미터 기판(20) 상에 애노드 기판(40)이 배치된다. 애노드 기판(40) 상에 형광체(50)가 도포된 애노드 전극(45)이 위치한다.
이하에서는 본 발명에 따라 제조된 에미터의 발광 특성을 실험한 결과가 기술된다. 다시 도 3c를 참조하면, 에미터(30)의 선폭이 100㎛, 두께가 10㎛이고, 2V/㎛크기의 전계에 의해 약 3분간 수직 배향되었다. 에미터 기판(20) 상에 5mm 간격을 두고 애노드 기판(40)을 배치한 후 게이트 전극(25g)에는 250V의 양방향형 펄스 직류 전압을 인가하고, 애노드 전극(45)에는 6kV의 직류 전압을 인가하였더니, 12000cd/㎡의 휘도와 11500K의 색온도를 나타내는 등 전자방출 특성이 전계 처리에 의해 향상되었음을 보여주었다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 본 발명에 의하면, 탄소 나노튜브를 일정 방향으로 배향시킬 수 있어 고휘도의 균일한 발광을 일으킬 수 있고, 장시간 사용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 절연성 기판 상에 형성된 극성이 서로 반대인 적어도 둘 이상의 전극들; 및
    상기 전극들을 덮는 절연층을 포함하되,
    상기 전극들에 의해 형성되는 전계에 의해 상기 전극들에 인접하여 배치된 탄소 나노튜브를 배향시키는 탄소 나노튜브의 배향 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극들은 크기가 동일한 스트라이프형인 탄소 나노튜브의 배향 장치.
  3. 제 1 항의 배향 장치를 사용하여 탄소 나노튜브를 배향하는 방법에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브가 배치된 기판을 상기 배향 장치에 근접하게 위치시키고,
    상기 배향 장치의 전극에 전압을 인가하여 전계를 형성하는 것을 포함하는 탄소 나노튜브의 배향 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전압을 인가하기 위해 사용되는 전류는 교류 또는 펄스형 직류인 탄소 나노튜브의 배향 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 전계의 세기는 0.1 ~ 10V/㎛인 탄소 나노튜브의 배향 방법.
  6. 캐소드 전극 및 게이트 전극이 형성된 절연성 기판 상에 탄소 나노튜브를 배치하고,
    상기 탄소 나노튜브를 전계에 노출시켜 상기 탄소 나노튜브를 배향시키는 것을 포함하는 전계방출 표시장치의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브를 배치하는 것은 상기 캐소드 전극 및 게이트 전극 상에 상기 탄소 나노튜브를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하는 것에 의해 수행되는 전계방출 표시장치의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브를 배치하는 것은 상기 기판 상에 상기 탄소 나노튜브를 포함하는 페이스트를 프린팅한 후 패터닝하는 것에 의해 수행되는 전계방출 표시장치의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전계는 제 1 항의 전계 인가 장치에 의해 형성되는 전계방출 표시장치의 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 전계의 세기는 0.1 ~ 10V/㎛인 전계방출 표시장치의 제조 방법.
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