KR100485128B1 - 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 탄소 나노튜브막 상부에 금속막을 형성하여 볼리스틱 전도 특성을 통해 동작 전압이 낮고, 전자의 방출 특성이 주변의 환경에 민감하지 않으며, 공정의 난이도를 크게 줄일 수 있고, 대면적화할 수 있는 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법을 제공한다.

Description

전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법{Field emission device and method of manufacturing a field emission device}

본 발명은 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 탄소 나노튜브의 볼리스틱 전도 현상을 이용한 소자에 관한 것이다.

전계 방출 표시 소자를 제조하기 위하여 종래에는 실리콘의 나노결정을 이용하였다. 이를 위해 다결정 실리콘 기판상에 실리콘 나노 결정을 형성한다. 또한 실리콘 나노 결정간의 절연을 위해 절연막을 형성한다. 이러한 실리콘 나노 결정을 형성하기 위해서 현재 가장 널리 사용하는 방법은 다결정 실리콘 혹은 단결정 실리콘을 음극 산화시켜서 다공질 실리콘을 형성시켜 준다. 또한 실리콘 나노결정들 사이의 절연을 위한 절연막은 열산화 공정을 실시하여 형성한다.

따라서, 종래의 실리콘 나노 결정을 형성한 다음 전자들이 터널링해 나가도록 하는 얇은 산화막을 형성하는 공정이 필수적이다. 이러한 공정은 기존의 다공질 실리콘을 형성하는 공정을 이용하여 진행되어 왔다. 따라서 단결정 실리콘 기판을 이용하는 것이 일반적이고 대면적을 위해서는 유리 기판등 위에 다결정 실리콘을 형성하는 공정을 진행한 후에 다공질 실리콘을 형성하는 공정을 필요로 한다. 따라서 공정이 여러 단계를 거쳐야 하고 소자의 대면적화를 위해서는 많은 공정의 개발이나 장비의 개발이 필수적이다. 또한 볼리스틱 전도의 특성이 형성된 구조에 따라 결정되는 것이기 때문에 공정의 미세한 조절이 불가피하다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 볼리스틱 전도가 기본적으로 발생하는 탄소 나노튜브를 사용함으로써 공정의 단순화를 꾀하고, 공정 비용측면에서의 이득도 꾀할 수 있는 전계 방출 소자 및 전계 방출 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 하부 기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 상기 전극 상에 탄소 나노튜브막을 형성하는 단계와, 상기 탄소 나노튜브막 상에 금속막을 형성하는 단계 및 상기 탄소 나노튜브막이 형성된 기판과 형광물질이 형성된 상부 기판을 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.

하부기판과, 하부기판 상부에 형성되어 전자를 생성하는 하부 전극과, 상기 하부전극 상부에, 볼리스틱 전도 특성을 이용하여 상기 전자를 전달하는 탄소 나노튜브막과, 상기 탄소 나노튜브막 상부에 형성되어 상기 전자를 방출하는 금속막 및 상기 하부기판과 밀봉되고 형과물질이 도포되어 상기 전자에 의해 발광하는 상부 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 소자를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

전자가 고체내에서 이동하는 경우 포논(Phonon)또는 불순물(Impurity)에 의해 산란을 겪게 된다. 이 과정에서 전계에 의해 가속된 속도의 방향 또는 크기가 바뀌게 된다. 이러한 충돌 없이 전자가 이동하는 현상을 볼리스틱 전도(Ballistic Conduction)라 한다. 또한 충돌 없이 전자가 진행할 수 있는 거리를 MFP(Mean Free Path)라 하며, 일반적으로 온도나 물질에 따라 다르지만 보통의 금속에서는 100Å 정도가 된다. 본 발명의 볼리스틱 전도를 이용하게 되는 전계 방출 소자는 소자의 크기가 MFP보다 작은 양자점의 구조를 갖는다.

본 발명의 탄소 나노튜브는 구조적으로 한쪽방향으로만 전도가 일어나는 일차원적 도체의 특성을 지니고 있기 때문에 종래의 2, 3차원 도체로 이루어진 물질에 비해 긴영역까지 볼리스틱 특성을 지진 전도가 일어나게 된다.

도 1은 본 발명의 전계 방출 소자의 구조와 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 도전성 물질로 형성된 하부 전극(10) 상부에 전기적으로 연결된 탄소 나노튜브(12)막을 형성한다. 탄소 나노튜브(12)막 상부에 도전성 물질을 이용하여 얇은 금속막(14)을 형성한다. 이는 탄소 나노튜브(12)의 볼리스틱 전도(저항이 없이 탄도처럼 전도되는 현상) 특성을 이용한다. 탄소 나노튜브는 도전체 특성을 보이는 것과 반도체 특성을 보이는 것이 존재하는데, 이중에서 도전체 특성을 보이는 경우, 그 도전 특성이 탄소 나노튜브가 가지는 일차원적 도전체의 형태 때문에 볼리스틱 도전 특성이 나타난다. 따라서 금속막(14)에 적절한 전압을 인가할 경우 하부 전극(10)에서 주입된 전자가 탄소 나노튜브(12)막을 볼리스틱 전도로 통과하여 금속막(14)을 통과하여 방출한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2의 A영역을 확대한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 유리 혹은 절연체로 이루어진 기판(20) 상에, 금속 혹은 도전체로 이루어진 금속층을 증착한 다음 패터닝 공정을 실시하여 하부 전극(22)을 형성한다. 하부 전극(22) 상부에 탄소 나노튜브(30)를 함유하는 혼합물(32)을 증착한 다음 패터닝 공정을 실시하여 탄소 나노튜브막(24)을 형성한다. 탄소 나노튜브막(24) 상부에 전계 방출을 위한 전위를 인가할 금속막(26)을 형성한다.

구체적으로, 탄소 나노튜브막(24)을 하부 전극(22)에 붙이기 위하여 인쇄법, 사진 식각법 또는 리프트 오프(Lift Off)법을 이용하여 바인더(Binder; 28)와 탄소 나노튜브(30)를 포함하는 혼합물(32)을 제조하여 탄소 나노튜브막(24)을 형성함으로서 하부전극(22)과 탄소 나노튜브막(24)의 전기적 및 구조적 결함을 강화한다. 이에 한정되지 않고, 탄소 나노튜브막(24)를 형성하는 방법은 탄소나노튜브를 직접 형성시키지 않고 제작되어 있는 탄소 나노튜브를 기판위에 형성시키는 손쉬운 방법이 존재한다. 이때 사용되는 공정은 대면적 소자(예를 들어 PDP)의 제작에 이미 사용되고 있는 것으로 대면적화 및 양산성 측면에서 매우 유리한 특성을 지닌다. 제작된 탄소 나노튜브를 함유하고 있는 혼합물내에 포함되어 있는 탄소 나노튜브는 도전체적 특성을 지니는 것과 그렇지 않은 것이 혼합되어 있지만, 실제 이용되는 것은 도전체적 특성을 지니는 것으로, 반도체의 특성을 지니는 것은 이용되지 않지만 전계 방출 특성을 저해하지도 않기 때문에 특별히 분리할 필요가 없다. 탄소 나노튜브막(24)은 형성 방법에 따라 상이한 두께를 가질수 있는데, 후막 형성 방법인 스크린 프린트 방법을 이용하면 수 ㎛ 정도의 두께를 가지게 된다.

탄소 나노튜브막(24) 상부에 스텝 커버리지가 좋은 원자 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD)을 이용하여 금속막(26)을 형성한다. 물론 이에 한정되지 않고, 스텝 커버리지가 좋은 공정조건의 화학 기상 증착법(Chemical Vaper Deposition; CVD), 플라즈마 인헨스트 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced CVD; PE-CVD), 저압 화학 기상 증착법(Low Pressure CVD; LP-CVD) 또는 대기압 화학 기상 증착법(Atmospheric Pressure CVD; AP-CVD)을 이용하여 종횡비(Aspect Ratio)가 큰 탄소 나노튜브막(24)의 단차를 따라 얇은 금속막(26)을 형성한다.

금속막(26)으로 사용되는 금속의 일함수에 따라서 터널링이 일어나는 확률에 큰 영향을 받게 된다. 따라서 탄소 나노튜브와의 일함수 차이가 적은 금속을 사용한다. 이는 금속막(26)으로 사용되는 금속의 일함수에 따라 터널링이 일어나는 확률에 큰 영향을 미치게 되고, 볼리스틱 전도현상을 이용하기 위해서는 탄소 나노튜브와 일함수 차가 작아야 한다. 충분한 양의 방출된 전자를 얻기 위해서 상부 금속막에 가해지는 전압이 낮은 전압으로 충분하고, 나노 튜브가 주변의 환경에 많은 영향을 받지 않게 된다. 금속막(26)의 경우에 고려해야 할 사항은 하부막과의 우수한 접착성과 작은 일함수를 가지는 것 또한, 두께가 매우 얇아야 하는 것을 들 수 있다. 현재 많이 사용되고 있는 것은 금을 이용하는 것이며 두께는 200Å이내로 얇게 형성한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 4의 B영역을 확대한 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 유리 혹은 절연체로 이루어진 기판(40) 상에, 금속 혹은 도전체로 이루어진 금속층을 증착한 다음 패터닝 공정을 실시하여 하부 전극(42)을 형성한다. 하부 전극 상부(42)에 탄소 나노튜브(44)를 포함하는 탄소 나노튜브막(44)을 형성한다. 상기 탄소 나노튜브막(44) 상부에 전계 방출을 위한 전위를 인가할 금속막(46)을 형성한다.

구체적으로, 탄소 나노튜브막(44)은 일정한 형태가 반복적인 패턴을 가지는 금속틀(48) 내부에 탄소 나노튜브(50)를 성장하여 탄소 나노튜브(50)가 정렬되어 형성한다. 이 경우 탄소 나노튜브막을 형성하기 위한 금속틀(48)은 알루미늄 산화물을 음극 전기 산화 방법을 이용하여 벌집 모양의 틀 구조로 형성한다. 즉, 알루미늄층을 적절한 수용액 상에서 음극 산화를 시키게 되면 벌집 모양의 구조를 이루면서 용해 및 산화가 일어나게 된다. 이때 산화조건 즉, 수용액의 농도나 전류등을 조절하게 되면 금속틀(48)의 크기를 적절히 조정하는 것이 가능하다. 벌집 모양의 금속틀(48) 내부에 탄소 나노튜브(50)의 성장에 사용되는 촉매물질을 형성하고 그 위에 탄소 나노튜브(50)를 성장시키게 된다. 성장된 탄소 나노튜브(50)는 성장 틀의 높이에 맞추어서 길이를 조절하는 것이 가능하다. 상술한 바와 같이 형성된 탄소 나노튜브(50)를 이용하는 경우에 성장되는 탄소 나노튜브(40)의 위치와 특성을 제어할 뿐만 아니라 탄소 나노튜브의 성장 방향을 수직 방향으로 함으로써 방출되는 전자의 진행방향을 일정하게 하는 효과를 가지게 된다. 따라서 별도의 집속 방법 없이도 집속이 잘 되어 있는 전계 방출 전자를 얻을 수 있다.

상술한 기술을 통해 형성된 전체구조 상부에 형광 물질이 형성되어 있는 전면 기판(미도시)을 형성하여 두 기판사이를 밀봉한다. 구체적으로, 하부 기판 양측 상부에 실링벽(미도시)을 형성하고, 실링벽 상부에 전면 기판을 형성하여 하부 기판과 전면 기판을 밀봉한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 탄소 나노튜브 상부에 금속막을 형성하여 볼리스틱 전도 특성을 통해 동작 전압이 낮고, 전자의 방출 특성이 주변의 환경에 민감하지 않는다.

또한, 전계 방출 소자의 제작에 있어서, 공정의 난이도를 크게 줄일 수 있고, 소자의 동작 특성 또한 간단해지면, 대면적화 및 상용화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전계 방출 소자의 구조와 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2의 A영역을 확대한 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 4의 B영역을 확대한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 22, 42 : 하부 전극 12, 30, 50 : 탄소 나노튜브

14, 26, 46 : 금속막 20, 40: 기판

24, 44 : 탄소 나노튜브막 28 : 바인터

32 : 혼합물 48 : 금속틀

Claims (8)

1. (a) 하부 기판 상에 전극을 형성하는 단계;

   (b) 상기 전극 상에 금속층을 형성한 후 음극 전기 산화 공정을 실시하여 상기 금속층의 모양을 벌집 모양의 금속틀 구조로 용해 및 산화하는 단계;

   (c) 상기 금속틀 내부에 탄소 나노튜브를 성장하여 상기 탄소 나노튜브막을 형성하는 단계;

   (d) 상기 탄소 나노튜브막 상에 금속막을 형성하는 단계; 및

   (e) 상기 탄소 나노튜브막이 형성된 기판과 형광물질이 형성된 상부 기판을 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 소자의 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄층인 것을 특징으로 하는 전계 발광 소자의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속막은

   스텝 커버리지가 좋은 원자 증착법, 화학 기상 증착법, 플라즈마 인헨스트 화학 기상 증착법, 저압 화학 기상 증착법 및 대기압 화학 기상 증착법을 이용하여 상기 탄소 나노튜브막의 단차를 따라 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 소자의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속막은 금을 이용하여 200Å이내로 형성하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 소자의 제조 방법.
7. 하부기판;

   하부기판 상부에 형성되어 전자를 생성하는 하부 전극;

   상기 하부전극 상부에 벌집모양의 금속틀 내부에 탄소 나노튜브가 포함된 형태로 형성되며, 볼리스틱 전도 특성을 이용하여 상기 전자를 전달하는 탄소 나노튜브막;

   상기 탄소 나노튜브막 상부에 형성되어 상기 전자를 방출하는 금속막; 및

   상기 하부기판과 밀봉되고 형광물질이 도포되어 상기 전자에 의해 발광하는 상부 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 발광 소자.
8. 삭제