KR20090059992A - 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법에 관한 것으로, 기판의 상측에 증착된 산화아연에 산화아연 나노선을 성장시키고, 산화아연 나노선에 자외선을 조사하여 처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명은 산화아연 나노선의 표면 흡착 산소계 화학종을 제거하기 위해 자외선을 조사하여 처리하는 공정을 포함하여 산화아연 나노선의 전계방출 특성 개선을 안정화시키는 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자외선 조사하여 산화아연 나노선의 전계방출 특성을 안정화하는 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법에 관한 것이다.
최근 들어 액정디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 그리고 전계방출 디스플레이(FED)와 같이 두께가 얇은 평판 디스플레이가 공간을 차지하는 면적이 작고 화상재현성이 뛰어나기 때문에 많은 각광을 받고 있다. 이들 평판 디스플레이 중에서 전계방출 디스플레이는 두께가 약 수 ㎜로 매우 얇고, 화면에 굴곡이 없으며, 자발형광으로 CRT에 필적하는 표시품위를 실현할 수 있는 동시에 상하, 좌우 모두 160도 이상의 광시야각을 구현하고 구동시 낮은 소비전력을 기대할 수 있다는 등 많은 장점 때문에 차세대 정보 디스플레이로 크게 주목을 받고 있다.
전계방출 디스플레이에 사용되는 전계방출 소자는 기본적으로 애노드 전극이 부착된 투명 전면판과 캐소드 전극이 부착된 배면판 사이에 게이트 전극이 배치되고 캐소드 전극이 형성되는 기판상에 전계방출 소자가 형성된다. 이와 같이 전계방 출 디스플레이에 사용되는 전계방출소자는 에미터(Emitter)라고도 한다.
전계방출 소자는 게이트 전극과 캐소드 전극 사이에 저전압을 인가하면 전계방출 소자가 진공채널 중으로 전자를 방출시키고, 이때 애노드 전극에 고전압을 인가하게 되면 전계방출 소자에서 방출된 전자는 애노드 전압에 이끌려 가속되어 애노드 전극하부에 도포 된 형광체에 부딪혀 빛을 방사하는 방식으로 필요한 정보를 표시하게 된다.
전계방출 소자에서 전자를 방출시키는 핵심기술이므로 이러한 전계방출 소자의 가공기술과 안정성이 중요한 연구개발의 목표가 되고 있다.
기존의 전계방출 소자로는 몰리브덴, 텅스텐과 같은 금속 또는 실리콘 등을 사용하였다. 그러나, 몰리브덴, 텅스텐과 같은 금속 소재를 사용하는 경우에는 장시간 작동시 잔류가스에 의한 전계방출 특성의 열화현상과 전계방출로 인하여 생성되는 이온에 의한 충돌로 전계방출 소자가 쉽게 파괴되는 등 열적 안정성 및 내구성 등에 문제가 있고, 실리콘 소재를 사용하는 경우에는 전계방출 소자를 소형화하는데 한계가 있고, 고비용화를 피할 수 없다는 문제점이 있다.
탄소나노튜브(CNT)나 반도체 나노선과 같은 일차원의 나노구조는 수~수십 나노미터 수준의 작은 직경과 높은 종횡비의 구조적 특성에 의해 우수한 전계방출 특성을 보일 수 있는 잠재성이 있어 이를 차세대 디스플레소자로 기대되는 전계방출형 디스플레이소자의 기본구성요소로 활용하고자 다양한 연구가 수행되고 있다. 그러나, 탄소 나노튜브는 소재 자체가 갖는 안정성에도 불구하고, 면적이 큰 기판 상에 길이와 밀도가 균일하게 수직 방향으로 성장시키는 것이 어렵다. 또한, 탄소 나 노튜브를 템플레이트(template)를 이용하여 성장시키는 경우에는 결정성이 나빠지고, 이를 이용한 전계방출 소자 제조시 제조 공정이 복잡해지고 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
산화아연(ZnO)은 전기적 특성이 우수한 동시에 고전압 환경하에서의 물리적, 화학적 안정성과 친환경성을 지니고 있어 안정성 측면에서 불리한 탄소나노튜브를 대체할 수 있는 소자 구성요소로 사용된다.
우수한 결정성 및 이에 부가되는 우수한 전기광학적 특성을 나타내는 산화아연 나노선을 전계방출 소자로 활용하기 위하여, 산화아연 나노선의 합성, 합성제어에 의한 형상의 균일성 유지, 소자구조로의 적용을 위한 수직배열, 적절한 소자구조 등에 대한 연구들이 수행되어 왔으며 이 부분에 있어서는 상업화의 가능성을 시사하는 개발성과들이 일부 얻어지고 있다. 즉, 일정한 형상 및 크기를 지니는 산화아연 나노선의 대량합성, 기판상에서의 수직 배열 합성, 산화아연 나노선의 결정성 향상을 위한 증착법 등은 상당수준 안정화된 기술을 구현하고 있으며 일부 실용화가 가능한 소자구조가 제안되어 그 동작이 실현되고 있다.
종래 기술에 의한 무촉매 유기 금속 화학 증착법으로 제조되는 산화아연 나노선의 전계방출 특성은 표면 흡착 산소계 화학종의 영향으로 불안정한 특성을 보이고 있다. 일반적으로 산화아연 나노선은 표면흡착 화학종에 의에 그 전기적, 광학적 특성이 열화 됨에 따라 소자로의 적용에 어려움이 있으므로, 표면화학종 제거를 위한 고전압 방전처리는 물리적 손상의 가능성이 있어 안정적 소자구조의 구현이 어렵다. 따라서, 산화아연 나노선의 실소자 구조 적용성을 향상시키고, 나노구 조 기반 소자의 실용화와 실 제품의 안정적인 색상 보정과 밝기조절을 위한 연구가 필요하다.
본 발명은 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 자외선을 조사하여 표면흡착상태의 개질이 가능한 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명에서는 전계방출 시 노이즈를 제거하고 전류-전압 특성을 안정화하는 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 기판의 상측에 증착된 산화아연에 산화아연 나노선을 성장시키고, 산화아연 나노선에 자외선을 조사하여 처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 자외선이 조사되어 처리된 산화아연 나노선을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자를 제공한다.
상기와 같이 형성된 본 발명의 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법은 산화아연 나노선 전계방출 소자 제조공정이 단순화될 뿐 아니라 산화아연 나노선 전계방출 소자의 안정적 동작특성에 의한 실용성이 향상되는 이점이 있다.
또한, 본 발명에서는 자외선 조사 처리 공정에 의해 전계방출 동작의 안정화에 의한 노이즈 감소 및 안정적 색상 보정과 휘도조절이 가능하여 산화아연 나노선의 디스플레이 소자 적용이 용이한 이점이 있다.
현재 차세대 나노 전계방출 디스플레이소자의 주요 구성요소인 방출자의 후보구조 및 물질로서 집중 연구되고 있는 산화아연 나노선의 실소자 구조 적용성을 향상하고, 나노구조 기반 소자의 실용화와 실 제품의 안정적인 색상 보정과 밝기조절을 위하여 전계방출 소자의 산화아연(ZnO) 나노선 처리방법이 필요하다.
무촉매 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapour Deposition, 이하 MOCVD)을 이용하여 기판에 산화아연을 증착시키고, 기판을 적정한 온도로 변화시켜 산화아연 나노선이 생성되며, 상기 산화아연 나노선의 화학적 특성에 기인하는 산소계열 표면 흡착 화학종의 존재는 산화아연 나노선의 전기광학적 특성 열화의 주원인이므로, 본 발명에서는 산화아연의 산소계열 표면 흡착 화학종을 제거를 위해 자외선 조사 처리 공정을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 산화아연 나노선의 전계방출 특성을 나타내는 그래프이다. 상기 그래프는 자외선 조사 처리 공정을 거친 산화아연 나노선의 인가된 전압과 전류와의 관계로써 전계방출 특성을 나타낸다.
자외선 조사처리를 하지 않은 상태(as-prepared)에서는 인가전압이 증가함에 따라 전류밀도 값이 증가하고 있으나 안정적이지 못하고 넓은 변동폭을 가지고 있다. 또한, 자외선 조사처리 이전(as-prepared)에는 전계-전류밀도 곡선에서 켜짐전압(turn-on voltage)을 명확하게 정의할 수 없다. 반면, 자외선을 조사 중(UV on)일 때와 10분간 자외선를 조사한 후(UV off)에 전계방출 소자에 대하여 측정한 전 계-전류밀도 관계는 상당히 안정화되어 있는 것을 볼 수 있다. 또한, 인가전압에 따른 전류밀도의 그래프가 지수적 관계를 따르고 있는 것을 알 수 있다. 이와 동시에, 자외선 처리 중 및 후(UV on, UV off)에는 켜짐계가 5V/μm로 명확하게 정의된다. 따라서, 인가전압과 전류밀도의 관계가 파울러- 노드하임(Fowler-Nordheim) 터널링의 관계를 준수하므로 그 전류가 전계방출에 의한 것임을 확인할 수 있다.
상기 전계방출 특성의 측정과 자외선 조사 처리의 효과를 시험을 통해 알아보기 위하여 산화아연 나노선이 배열되어 있는 기판을 준비한다. 상기 산화아연 나노선 배열을 음극 방출자로 활용하는 전계방출 소자의 기본구조는 다음과 같다.
무촉매 유기 금속 증착법을 이용하여 500Å 두께의 규소(Si) 기판상에 150 nm의 백금(Pt) 전도층을 증착하여 기판을 형성하고, 상기 기판상에 산화아연을 증착한 후, 기판을 적정한 온도로 변화시켜 산화아연 나노선을 성장시킨다. 이와 같이 제조된 산화아연 나노선은 유기 금속 화학 증착기의 온도조건과 압력조건 그리고 유입시키는 반응물질의 유속을 조절함으로써 그 직경과 길이 그리고 밀도를 조절할 수 있다. 상기와 같이 형성된 산화아연 나노선은 전류가 전달될 수 있도록 구성되고, 양극으로는 산화주석인듐(ITO)을 도포한 유리판을 투명전극으로 사용한다.
산화아연 나노선의 곡률 반경은 수 옹스트롱 내지 수 나노미터의 예리한 끝을 갖고, 길이, 두께 및 밀도분포가 균일한 수직 배향된다.
무촉매 유기 금속 화학 증착법에 의해 형성된 산화아연 나노선 표면에 산소계 화학종 흡착물 제거를 위한 공정 자외선 조사 처리 공정이 이루어진다. 먼저, 전계방출 소자를 1.3 × 10-4 Pa로 진공배기된 처리조에 위치하고 350 nm 파장의 자외선를 발광하는 크세논 아크등으로 조사처리 하며, 자외선 광원의 세기는 1 mW/cm2를 유지하여 처리함으로써 이루어진다. 자외선 조사 처리는 진공 분위기에서 이루어지며, 자외선 조사 처리를 함으로써 바늘 끝의 모양, 길이, 두께, 밀도분포 및 수직 배향성에 변화가 없으면서도 전계방출 특성이 향상된 산화아연 나노선을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 산화아연 나노선의 파울러 - 노드하임(Fowler-Nordheim) 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2는 측정된 방출전류가 전계방출의 기본요건인 파울러- 노드하임(Folwer- Nordheim) 터널링에 의한 것인지의 여부를 판단할 수 있도록 도 1의 전계-전류밀도 관계를 변환하여 그래프로 나타내었다.
상기 도 1의 인가 전압에 따른 전류밀도관계는 아래 식의 관계와 편차정도에 의해 전계방출의 파울러- 노드하임 터널링 준수여부를 판단할 수 있다.
여기서 J는 전류밀도, β는 전계향상계수(field enhancement factor, β), φ는 일함수, B는 상수, E는 인가전계이다. 상기 수학식 1에 따라 ln (J/E2)과 1/E가 서로 선형관계에 있어야 방출 전류가 파울러- 노드하임 터널링에 의한 것임을 입증할 수 있다.
따라서, 도 2의 그래프에 나타난 바와 같이, 자외선 조사처리 전에는 상기 이론식 대비 측정값의 편차가 매우 크나 자외선조사 후에는 측정값이 상기 식의 선형관계를 비교적 잘 준수하고 있어 자외선 조사처리에 의한 전계방출 특성 안정화의 효과를 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 무촉매 유기 금속 화학 증착법에 의해 제조된 산화아연 나노선 은, 도 1에 나타난 바와 같이 자외선 처리 중 및 후 (UV on, UV off)의 켜짐계가 5V/μm로 명확하게 나타나 있으며, 이러한 전계방출 효과를 설명하는 수식을 파울러- 노드하임 방정식이라 하고, 수학식 1과 같이 표현되며 현재 모든 전계방출 현상은 이 방정식에 의해 검증되어진다. 전계방출 효과를 최대화하기 위한 파라미터는 자기장뿐만 아니라 일함수로 표현되는 소자의 재료, 그리고 기하학적 구조 등이 있다.
일반적으로 전계방출 현상은 전기장의 세기가 5 x 107 V/cm 이상에서 일어난다. 그러나 전기장의 세기가 5 x 105 V/cm 이상일 경우 평편한 금속 전극 사이에서는 유전파괴 현상이 발생한다. 따라서 금속의 경우 전계방출을 쉽게 일어나게 하기 위해서는 산화아연 나노선을 뾰족한 팁의 형태로 음극을 제작해야 한다. 소자의 재료의 일함수 역시 전계방출에 큰 영향을 미치므로, 전계방출을 돕기 위해서는 낮은 일함수를 가져야한다.
산화아연 나노선은 전계방출 소자로 우수한 결정성 및 이에 부가되는 우수한 전기광학적 특성을 나타내는 나노선의 합성, 합성제어에 의한 형상의 균일성 유지, 소자구조로의 적용을 위한 수직배열, 적절한 소자구조를 지니고 있으며, 무촉매 유기 금속 화학 증착법에 의해 제조된 산화아연 나노선의 자외선 조사 처리 공정으로 인해 안정적 동작특성이 향상된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법으로 자외선 조사처리 공정을 포함하여 형성된 산화아연 나노선은 결정성이 우수하며, 면적이 큰 다양한 기판상에서도 길이, 두께 및 밀도분포가 균일하게 수직 배향성이 우수하다. 또한, 산화아연 나노선 전계방출 소자 제조공정이 단순화될 뿐 아니라 산화아연 나노선 전계방출 소자의 안정적 동작특성에 의한 실용성이 향상된다.
이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 산화아연 나노선의 전계방출 특성을 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 산화아연 나노선의 파울러 - 노드하임(Fowler-Nordheim )을 나타내는 그래프.
Claims (2)
- 기판의 상측에 증착된 산화아연에 산화아연 나노선을 성장시키고, 산화아연 나노선에 자외선을 조사하여 처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법.
- 제1항에 있어서,자외선이 조사되어 처리된 산화아연 나노선을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070127116A KR20090059992A (ko) | 2007-12-07 | 2007-12-07 | 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070127116A KR20090059992A (ko) | 2007-12-07 | 2007-12-07 | 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20090059992A true KR20090059992A (ko) | 2009-06-11 |
Family
ID=40990008
Family Applications (1)
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| KR1020070127116A KR20090059992A (ko) | 2007-12-07 | 2007-12-07 | 전계방출 소자의 산화아연 나노선 처리 방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR20090059992A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101507769B1 (ko) * | 2013-10-10 | 2015-04-07 | 경기대학교 산학협력단 | 산화물 환원 방법 및 이를 이용하는 산화물 환원 장치 |
-
2007
- 2007-12-07 KR KR1020070127116A patent/KR20090059992A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101507769B1 (ko) * | 2013-10-10 | 2015-04-07 | 경기대학교 산학협력단 | 산화물 환원 방법 및 이를 이용하는 산화물 환원 장치 |
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