KR20110027182A - Ｃｎｔ 박막 패터닝 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분산 탄소나노튜브(CNT) 에어로졸을 진공 팽창원리에 의하여 가속시키고 기판위에 고속 증착시킴으로서 기판-CNT 및 CNT-CNT간 직접적인 화학결합을 갖는 다양한 패턴의 CNT 박막을 형성시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 (a) 기판 위에 포토레지스트를 균일하게 도포하고 베이킹 처리하는 단계; (b) 노광공정을 통해 상기 기판 위에 패터닝 구조체를 형성시키는 단계; (c) 에어로졸화시킨 CNT를 진공팽창 원리에 의해 가속시킨 후 상기 기판 위로 분사하여 증착시키는 단계; 및 (d) 상기 기판 위의 패터닝 구조체를 제거하여 트렌치에 직접결합된 CNT 패턴물을 얻는 단계; 로 이루어지는 CNT 박막 패터닝 방법을 제공한다.
패터닝, 탄소나노튜브, 에어로졸 증착법, 리소그라피, 리프트 오프, 포토레지스트, 마스크

Description

ＣＮＴ 박막 패터닝 방법{Carbon Nanotube Film Patterning Method}
본 발명은 고분산 탄소나노튜브(CNT) 에어로졸을 진공 팽창원리에 의하여 가속시키고 기판위에 고속 증착시킴으로서 기판-CNT 및 CNT-CNT간 직접적인 화학결합을 갖는 다양한 패턴의 CNT 박막을 형성시키는 방법에 관한 것이다. 이는 기존의 촉매-유도 수직성장 CNT 필름과 폴리머 분산형 CNT 필름에서 유도되는 결과물과는 전혀 다른 성질의 박막과 패턴 구조물이다.
CNT(Carbon nanotube; 탄소나노튜브)는 전기전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 또한 탄소섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15％가 변형되어도 견딜 수 있다. 산업계 및 학계에서는 이러한 CNT의 합성과 응용에 심혈을 기울여 온 결과 반도체와 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유, 생체 센서, 텔레비전 브라운관 등 탄소나노튜브를 이용한 장치가 수없이 개발되고 있으며, 나노 크기의 물질을 집어 옮길 수 있는 나노집게로도 활용되고 있다.
통상적인 CNT 박막 제조법과 그들의 패터닝 방법에는 크게 5가지가 있다.
첫 번째는 CVD(Chemical vapor deposition)법으로서 촉매를 기판 위에 형성시키고 기판을 가열하여 하이드로 카본 전구체가 열적-화학적 작용에 의해 깨지면서 촉매부에서 CNT가 자라도록 하는 방법이다. 대부분의 CNT들은 촉매부에서 자라나 기판에 수직으로 성장하게 된다. 이 방법에 의하면 선택적인 촉매 부착 및 촉매 형성층의 패터닝에 의존하여 CNT 패턴물이 얻어진다. 그러나 수직 성장된 CNT들은 쓰러지기 쉬우며(액상 리프트 오프, 케미칼 에칭의 한계), 촉매 공정 추가 및 고가 CVD 장비 기술이 요구되는 단점이 있다.
두 번째 방법은 CNT에 대한 화학적 처리를 통하여 액상으로 분산 시키거나 폴리머 혹은 포토 레지스트(Photo resist)에 혼합한 후 기판에 코팅하는 방법이 있다. 이 방법은 매우 저렴하여 현재 많은 회사에서 이용되고 있다. 따라서 통상적인 포토레지스트 공정(PR 공정) 및 리프트 오프 (lift off) 공정을 그대로 사용할 수 있다. 그러나 폴리머에 파묻힌 CNT들의 물성저하 및 폴리머 자체의 내구성과 오염문제 때문에 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 더구나 폴리머 매체의 높은 저항 때문에 에미터 부분은 고온으로 되고 소자 내부의 진공도를 떨어뜨리고 오염시킨다. 또한 실질적인 반도체 공정에 적용하기는 더욱 무리다.
세 번째 방법은 두 번째 방법에서와 같이 화학적으로 분산된 CNT 용액을 이 용한 스크린 프린팅법 혹은 잉크젯 프린팅법이 있다. 이 방법에 의하면 원하는 부위에만 선택적으로 배선 및 패턴 형성이 가능하다. 그러나 이 방법 또한 상기 두 번째 방법과 유사하게 기판-CNT간 약한 결합력, 폴리머 바인더 문제가 유사하게 발생한다.
네 번째는 임프린팅법으로서, 이는 CNT 분산액을 이용하여 도장을 찍듯이 적당한 스탬프를 이용하여 기판에 찍어내는 방법이다. 이 방법 또한 상기 두 번째 방법과 유사한 문제점들이 발생한다.
다섯 번째로 양극산화된 다공성 나노 알루미나를 이용하는 방법이 있다. 상기 다공성 나노 알루미나는 실리콘 기판 위에 형성시켜 마스크 역할을 하게 하며, 이 방법에 따라서는 촉매 증착 공정과 CVD 공정을 통하여 나노세공의 바닥면의 기판부에만 선택적으로 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다. 그러나 이 방법은 매우 복잡하고 첫 번째 방법과 같은 문제점들이 발생한다.
따라서 유기물 프리하며 촉매공정이 필요 없으며 공정이 매우 단순하고 CNT-기판간 직접 결합을 갖는 반도체용, 디스플레이용, 전자소자용 CNT 패턴형성 방법이 절실히 요구되고 있다.
이에 본 발명에서는 에너지 절감형/친환경 저가 프로세스를 개발하여 폴리머 바인더를 쓰지 않고 상온에서 기판과 CNT 간 직접 결합을 갖는 탄소나노튜브 박막 패터닝 방법을 제공하고자 한다.
상기한 과제 해결을 위해 본 발명에서는 리소그라피 공정 및 에어로졸 증착법을 응용한다. 특히, 본 발명의 실시를 통해 형성되는 패턴을 갖는 CNT 박막은 본 출원인이 08. 5. 27.자로 출원한 'CNT 코팅구조(출원번호 : 10-2008-0049241)'에서 확인할 수 있는 바와 같이 CNT-기판간, CNT-CNT간 직접결합이 형성되어, CNT의 물성저하가 발생하지 않으며, 물리적 내구성 및 평면 전기전도도를 향상시킬 수 있다.
리소그라피 공정은 포토레지스트를 기판에 도포한 후 필요한 모양을 빛으로 그리는 공정으로서 반도체와 LCD공정에 이용되고 있다. 빛으로 모양을 그릴 때 빛을 받은 부분이 굳어지고 다른 부분이 현상되는 것을 네가티브(Negative) 타입이라 하고, 빛을 받은 부분이 녹아내리는 것을 포지티브(Positive) 타입이라 한다. 이러한 리소그라피 공정을 통해 기판 위에 패터닝 구조체를 형성시킬 수 있다.
한편, 에어로졸 증착법은 진공 팽창 원리에 기초를 두며, 그 근간은 기초과학분야에서 많이 이용되고 있는 클러스터 소스에 근원을 둔다. 클러스터 소스는 기체를 펄스 혹은 초단파로 진공의 공간에 분사함으로서 103 내지 104m/s의 속력을 얻을 수 있다. 이때 기체를 펄스로 분사하는 이유는 고진공 유지를 위해서이다. 고진공이 유지된 상태로 간헐적으로 들어오는 캐리어 기체는 압력차 및 펌프의 펌핑 스피드에 의하여 최고의 가속력을 얻을 수 있다.
본 발명에 적용하는 에어로졸 증착법은 좀 더 무거운 파우더를 쓰기 때문에 클러스터 소스와 같은 엄청난 가속력을 얻지는 못하지만 아음속에서도 좋은 증착막을 얻어낼 수 있다. 통상적인 에어로졸 증착법에 의하면 고속으로 가속되는 입자들이 기판에 충돌할 경우 막대한 충돌에너지가 발생하며 이 충돌에너지의 일부가 결합형성(bond formation)을 하는데 소모되어 입자-기판, 입자-입자간 직접적인 결합이 가능해짐을 설명하고 있다. 일반적인 에어로졸 증착법에서는 충돌 속도가 50m/s 근처에서도 직접적인 결합 형성이 가능하여 하드(hard)한 세라믹 박막 제조가 가능하다.
따라서 입자가 CNT인 경우도 상기 에어로졸 증착법에 의하여 CNT-기판, CNT-CNT간 직접 결합 형성이 가능하다. 기다란 형태의 CNT가 기판에 충돌하는 경우에는 충돌에너지 흡수 과정에서 CNT가 요동칠 수 있으며, 이로 인해 CNT의 영구 변형과 다양한 굴곡형태가 형성될 수 있다. 이러한 CNT 증착과정을 완료하면 기판 전면에 걸쳐 CNT가 결합하게 된다.
상기한 본 발명에 따르면 폴리머 바인더를 쓰지 않고 상온에서 기판과 CNT 간 직접결합을 갖는 탄소나노튜브 박막 패턴을 손쉽게 얻을 수 있다. 이런 패턴물들은 반도체, 디스플레이 공정에 주요한 역할을 할 것으로 기대한다.
Ⅰ. 제1실시예
본 발명은 (a) 기판 위에 포토레지스트를 균일하게 도포하고 베이킹 처리하는 단계; (b) 노광공정을 통해 상기 기판 위에 패터닝 구조체를 형성시키는 단계; (c) 에어로졸화시킨 CNT를 진공팽창 원리에 의해 가속시킨 후 상기 기판 위로 분사하여 증착시키는 단계; 및 (d) 상기 기판 위의 패터닝 구조체를 제거하여 트렌치에 직접결합된 CNT 패턴물을 얻는 단계; 로 이루어지는 CNT 박막 패터닝 방법을 제공한다(도 1 참조).
상기 (a)단계와 (b)단계를 시행하는 것을 리소그라피 공정이라 하며, 빛에 의해 패턴이 형성된다. 본 발명에서는 포지티브(Positive) 포토레지스트와 네거티 브(Negative) 포토레지스트 중 하나를 선택하여 적용하거나 양자의 혼용을 통해 라인형, 원형, 사각형 등 다양한 형태의 패터닝 구조체를 형성시킬 수 있다.
Ⅱ. 제2실시예
본 발명은 (a) 에어로졸화시킨 CNT를 진공팽창 원리에 의해 가속시킨 후 기판 위로 분사하여 증착시킴으로서 CNT 박막을 형성시키는 제1단계; (b) 상기 CNT 박막 위에 포토레지스트를 균일하게 도포하고 베이킹 처리하는 단계; 및 (c) 노광공정을 통해 상기 CNT 박막 위에 패터닝 구조체를 형성시키는 단계; 로 이루어지는 CNT 박막 패터닝 방법을 제공한다(도 2 참조).
이러한 제2실시예는 CNT 박막부터 먼저 형성시킨 후 CNT 박막 위에 패터닝 구조체를 형성시키는 것으로 재정리할 수 있으며, CNT 박막이 패터닝 구조체 사이의 트렌치에 노출되어 패턴을 형성하게 되는 것이다. 이러한 방법은 BLU 제작에 많이 활용될 수 있다.
Ⅲ. 제3실시예
본 발명은 (a) 기판 위에 마스크를 배치하는 단계; 및 (b) 에어로졸화시킨 CNT를 진공팽창 원리에 의해 가속시킨 후 상기 기판 위로 분사하여 증착시킴으로 서, 마스크의 패턴에 따라 기판에 직접결합된 CNT 패턴물을 얻는 단계; 로 이루어지는 CNT 박막 패터닝 방법을 제공한다(도 3 참조).
이러한 제3실시예는 물리적 마스크를 사용하여 기판 위에 원하는 위치에만 CNT를 증착시키는 방법으로서, 2가지 프로세스가 가능하다. 도 3에 도시된 프로세스 Ⅰ은 마스크가 공간적으로 기판과 떨어져 있는 예로서, 마스크 상층부에서 분사된 CNT 에어로졸은 마스크의 비어있는 공간을 통하여 CNT가 기판까지 도달하여 증착된다. 도 3에 도시된 프로세스 Ⅱ는 마스크가 기판에 직접 접촉하는 예이고, 나머지 공정은 상기 프로세스 Ⅰ과 유사하다. 프로세스 Ⅱ는 천공된 폴리머 필름, 점착성 테이프 등을 마스크로 이용하면 대면적 패터닝 공정도 쉽게 수행할 수 있으며, CNT 증착 후 폴리머 필름, 점착성 테이프 등의 마스크는 떼어낼 수도 있고, 필요에 따라 그냥 놓아둔 채로도 사용 가능하다.
Ⅳ. 본 발명을 이용하여 제작한 BLU
도4는 본 발명에 따른 CNT 박막 패터닝 방법을 이용하여 제작한 CNT 에미터를 주요구성요소로 하는 BLU의 일 실시예이다. 도시된 실시예는 하부기판과 상부기판이 공간적으로 분리되어 대향되게 배치되어 있고, 그 사이에는 스페이서가 구비되어 있다. 내부공간은 진공으로 유지되거나 적당한 가스를 채울 수 있다.
상부기판은 ITO(애노드)가 코팅된 유리 기판을 적용할 수 있다. 상부 기판 의 하면에는 형광막이 도포되어 있다. 형광막 표면에는 별도의 얇은 도전막을 코팅하여 형광체 노화 방지와 형광체에서 나온 빛을 반사시켜 상부 유리기판을 통하여 내보낼 수 있다. 형광체 층은 하부의 에미터에 대향하여 적당한 패턴을 가질 수 있다.
하부기판은 금속 혹은 ITO가 코팅된 유리 기판을 적용할 수 있다. 하부 전극기판 위에는 상기 제1실시예 내지 제3실시예 중 어느 하나의 CNT 박막 패터닝 방법을 이용하여 패턴된 CNT 에미터가 구비된다. 상기 CNT 에미터 사이에는 패턴된 절연막이 구비되고, 상기 절연막 위에는 게이트 전극이 형성된다. 이와 같은 BLU는 기판, 게이트 전극, 애노드 전극에 소정의 전압이 인가되면, 기판과 게이트 전극사이에 인가되는 전압에 의하여 에미터로부터 전자들이 방출된다.
V. CNT 프로세싱
이하에서는 본 발명에 적용하기 위해 CNT를 에어로졸화시키기 위한 과정(CNT 프로세싱)을 부연 설명하기로 한다. CNT 프로세싱은 에어로졸 챔버 내에서 수행할 수 있으며, CNT 재료로는 소량의 불순물이 도핑된 것을 사용할 수 있다. 불순물로서는 보론 (B), 인(P) 등을 예로 들 수 있다.
상기 CNT 프로세싱 과정에서는, 탄소 원소와는 다른 성분을 적어도 1종 이상 더 포함하는 것을 사용할 수 있으며, 탄소 원소도 튜브형 재료 이외에 입자형 물질, 나노로드, 나노와이어 등을 더 사용하여 수행될 수 있다.
또한 상기 CNT 프로세싱 과정에서는 박막 형성 단계에서 일부 화학반응을 유도하기 위한 반응성 가스 도입을 포함할 수 있으며, CNT 재료를 에어로졸화 시키는 단계 이전에, CNT를 물리적으로 변형시키거나, 화학적으로 전처리하여 표면 개질하는 단계를 더 수행할 수 있다. 화학적 전처리의 예로서는 볼밀링을 들 수가 있다.
도 1은 리소그라피 공정과 에어로졸 증착법 및 리프트 오프 공정을 응용한 CNT 박막 패터닝 방법의 순차적 개념도이다.
도 2는 기판에 CNT 에어로졸을 먼저 증착시켜 CNT 박판을 형성시키고, 리소그라피 공정을 이용하여 CNT 박판 위에 패터닝 구조체를 형성시키는 CNT 박막 패터닝 방법의 순차적 개념도이다.
도 3은 물리적 마스크를 사용하여 기판 위에 원하는 위치에만 CNT를 증착시키는 CNT 박막 패터닝 방법의 순차적 개념도이다.
도4는 본 발명에 따른 CNT 박막 패터닝 방법을 이용하여 제작한 CNT 에미터를 주요구성요소로 하는 BLU의 일 실시예이다.

Claims (3)

  1. (a) 기판 위에 포토레지스트를 균일하게 도포하고 베이킹 처리하는 단계;
    (b) 노광공정을 통해 상기 기판 위에 패터닝 구조체를 형성시키는 단계;
    (c) 에어로졸화시킨 CNT를 진공팽창 원리에 의해 가속시킨 후 상기 기판 위로 분사하여 증착시키는 단계; 및
    (d) 상기 기판 위의 패터닝 구조체를 제거하여 트렌치에 직접결합된 CNT 패턴물을 얻는 단계; 로 이루어지는 CNT 박막 패터닝 방법.
  2. (a) 에어로졸화시킨 CNT를 진공팽창 원리에 의해 가속시킨 후 기판 위로 분사하여 증착시킴으로서 CNT 박막을 형성시키는 단계;
    (b) 상기 CNT 박막 위에 포토레지스트를 균일하게 도포하고 베이킹 처리하는 단계; 및
    (c) 노광공정을 통해 상기 CNT 박막 위에 패터닝 구조체를 형성시키는 단계; 로 이루어지는 CNT 박막 패터닝 방법.
  3. (a) 기판 위에 마스크를 배치하는 단계; 및
    (b) 에어로졸화시킨 CNT를 진공팽창 원리에 의해 가속시킨 후 상기 기판 위 로 분사하여 증착시킴으로서, 마스크의 패턴에 따라 기판에 직접결합된 CNT 패턴물을 얻는 단계; 로 이루어지는 CNT 박막 패터닝 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150105538A (ko) * 2014-03-07 2015-09-17 주식회사 상보 터치 패널의 제조방법
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