KR100539736B1 - 전계 방출 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출 에미터로 탄소 나노 튜브를 사용하는 코플래너 구조의 전계 방출 소자에서 동일층에 대칭적으로 형성된 두 전극 상부에 탄소 나노 튜브를 대칭적으로 형성하여 소자의 수명을 증대시키기에 적합한 전계 방출 소자에 관한 것으로, 하부 기판 상의 동일 평면에 대칭적으로 형성되며 구동 전압을 인가하기 위한 두 전극과, 상기 두 전극 상에 대칭적으로 형성된 탄소 나노 튜브를 포함하여 구성하고, 상기 두 전극 중 하나의 전극 상에 형성된 탄소 나노 튜브를 전자 방출원으로 사용하다 열화된 경우 다른 전극 상에 형성된 탄소 나노 튜브를 전자 방출원으로 사용하도록 함으로써, 소자의 수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전계 방출 소자{FIELD EMISSION DEVICE}

본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히 전계 방출 에미터로 탄소 나노 튜브를 사용하는 코플래너 구조의 전계 방출 소자에서 동일층에 대칭적으로 형성된 두 전극 상부에 탄소 나노 튜브를 대칭적으로 형성하여 소자의 수명을 증대시키기에 적합한 전계 방출 소자에 관한 것이다.

정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고, 요구되는 디스플레이 모습 또한 다양해 지고 있다. 그 예로 휴대형 정보기기와 같이 이동성이 강조되는 환경에서는 무게, 부피 및 소비전력이 작은 디스플레이가 요구되며, 대중을 위한 정보 전달매체로 사용되는 경우에는 시야각이 넓은 대화면의 디스플레이 특성이 요구된다.

또한, 이와 같은 요구를 만족시켜 나가기 위해 전자 디스플레이는 대형화, 저가격화, 고성능화, 고정세화, 박형화, 경량화 등의 조건이 필수적이어서, 이러한 요구사항을 만족시키기 위해서는 기존의 CRT를 대체할 수 있는 가볍고 얇은 평판 디스플레이 장치의 개발이 절실히 필요하게 되었다.

이러한 다양한 표시 소자의 요구에 따라 최근에는 전계 방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서, 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.

상기 전계 방출 소자는 현재 개발 혹은 양산중인 평판 디스플레이들(LCD와 PDP, VFD등)의 단점을 모두 극복한 차세대 정보 통신용 평판 디스플레이로 주목을 받고 있다. 전계 방출 소자는 전극 구조가 간단하고, CRT와 같은 원리로 고속동작이 가능하며, 무한대의 칼라, 무한대의 그레이 스케일, 높은 휘도, 높은 비디오(video rate) 속도 등 디스플레이가 가져야 할 장점들을 고루 갖추고 있다.

전계 방출 소자는 진공 속의 금속 또는 도체 표면(에미터)상에 고전계가 인가될 때 전자들이 금속 또는 도체로부터 진공 밖으로 나오는 양자역학적 터널링 현상을 이용한 것이다. 이 때 소자는 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의하여 전류-전압 특성을 나타내게 된다. 전계 방출 소자는 전자 방출 원인 에미터와 방출된 전자가 충돌하여 발광하는 애노드부, 상하판 사이를 지지하는 스페이서, 그리고 진공기밀을 유지하기 위한 실링부 등으로 구성되어 있다.

최근 들어 탄소 나노 튜브(CNT)가 기계적으로 강하고, 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서 전자방출 특성이 우수한 이유로 인해 이를 이용한 전계 방출 소자의 중요성이 인식되고 있다. 이와 같은 탄소 나노 튜브는 작은 직경(약 1.0∼수십[nm])을 갖기 때문에 종래의 마이크로팁형(spindt형) 전계 방출 팁에 비해 전계 강화 효과(field enhancement factor)가 상당히 우수하여 전자방출이 낮은 임계 전계(turn-on field, 약 1∼5[V/㎛])에서 이루어질 수 있게 되므로, 전력손실 및 생산단가를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도1은 종래 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 3전극 구조에 대한 일 예의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 실리콘기판(11) 상부에 순차적으로 저항층(12), 절연층(14) 및 게이트 전극(15)을 형성하고, 사진식각을 통해 게이트 전극(15) 및 절연층(14) 일부를 식각하여 홀을 형성한 다음 증착(evaporation)을 통해 홀 바닥의 저항층(12) 상부에 촉매전이금속층(13)을 형성하고, 실리콘기판(11) 전체를 600∼900[℃] 정도의 온도범위로 가열하여 탄화수소(hydrocarbon) 가스를 이용한 열(thermal) 화학기상증착 방법 또는 플라즈마(plasma) 화학기상증착 방법을 통해 촉매전이금속층(13) 상부에만 선택적으로 탄소 나노 튜브(16)를 형성한다.

이때, 상기 탄소 나노튜브(16)는 촉매전이금속층(13) 상부에만 선택적으로 형성되므로, 촉매전이금속층(13)의 면적이 클수록 탄소 나노 튜브(16)의 면적도 커진다. 이와 같이 탄소 나노 튜브(16)의 면적이 커지게 되면, 게이트 전극(15)을 통하여 가해지는 전계가 집중되지 않아 방출전자의 빔이 퍼지게 될 뿐만 아니라 전자방출영역도 고르지 못하여 전계가 제일 강한 홀의 주변에서만 국부적으로 전자방출이 일어날 가능성이 높고, 비대칭적인 전계 분포에 의해 게이트 전극(15)으로의 누설전류가 많은 문제점을 안고 있다.

상기와 같은 문제점을 개선하기 위해서 게이트 전극의 위치를 캐소드 전극과 같거나 더욱 낮은 위치에 형성한 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자의 구조들이 제시되었다.

도2는 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트(under gate) 구조의 전계 방출 소자에 대한 일 예의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 전자 방출을 일으키는 전기장을 탄소 나노 튜브(24)의 하부에 있는 게이트 전극(21)으로 인가하는 방식이다. 이는 유리기판(20) 상부에 게이트 전극(21)을 형성한 후 그 상부에 차례로 절연층(22), 캐소드 전극(23)을 형성한 다음, 상기 캐소드 전극(23) 상부에 탄소 나노 튜브 혼합 슬러리를 스크린 프린팅법 등으로 도포하고 일련의 바인더 제거공정을 통해 탄소 나노 튜브(24)를 형성한다.

하지만, 언더게이트 구조의 전계 방출 소자는 게이트 전극(21)이 캐소드 전극(23) 하부에 위치하기 때문에 턴온 전압이 상대적으로 높은 단점이 있으며 이후 형성되는 상판 애노드 전극(미도시)에 의해 이상 발광이 나타날 수 있다는 문제점이 있다.

도3은 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 코플래너(coplanar) 구조의 전계 방출 소자에 대한 일 예의 단면도를 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 캐소드 전극(31)과 게이트 전극(32)이 동일층에 형성되는 구조로서, 하부 기판(30) 상에 캐소드 전극과 게이트 전극용 금속을 증착한 후 습식식각방법으로 캐소드 전극(31)과 게이트 전극(32)을 형성하고, 상기 형성된 두 전극(31, 32) 상부에 절연층(미도시)을 형성한 후 두 전극이 교차하는 부분만 남기고 식각한다. 그 다음 스크린 프린팅법을 이용하여 게이트 전극라인(미도시)을 형성한 후 탄소 나노 튜브(33)를 캐소드 전극(31) 상에 형성한다.

이러한 구조적 배치에 의해 탄소 나노 튜브(33)에서 전자 방출이 일어나는 턴온 전압이 낮아서 전계 방출 소자의 구동 전압을 낮출 수 있는 장점이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 코플래너 구조의 전계 방출 소자는 소자의 수명이 길지 못한 문제점이 있었다.

따라서, 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 동일층에 대칭적으로 형성된 두 전극(캐소드 전극과 게이트 전극) 상에 탄소 나노 튜브를 대칭적으로 형성하고, 사용 중 캐소드 전극 상의 탄소 나노 튜브가 열화되면 게이트 전극 상에 형성된 탄소 나노 튜브를 전자 방출원으로 사용함으로써, 소자의 수명을 증대시킬 수 있는 전계 방출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하부 기판 상의 동일 평면에 대칭적으로 형성되며 구동 전압을 인가하기 위한 두 전극과, 상기 두 전극 상에 대칭적으로 형성된 탄소 나노 튜브가 포함되어 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 두 전극 중 하나를 캐소드 전극으로 선택하고, 그 캐소드 전극 상부에 형성된 탄소 나노 튜브를 전자 방출원으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명 전계 방출 소자에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.

도4는 본 발명 탄소 나노 튜브를 사용한 코플래너 구조의 전계 방출 소자에 대한 일 예의 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 하부 기판(40) 상의 동일 평면에 캐소드 전극(41)과 게이트 전극(42)이 대칭적으로 형성되고, 상기 캐소드 전극(41)과 게이트 전극(42) 상에 탄소 나노 튜브(43)가 대칭적으로 형성된다. 즉, 도3에 도시된 종래 코플래너 구조와 비교해서 설명하면, 종래에는 탄소 나노 튜브를 캐소드 전극 상에만 형성되었지만, 본 발명은 탄소 나노 튜브(43)를 캐소드 전극(41) 뿐만 아니라 게이트 전극(42) 상에도 형성하여 그 캐소드 전극(41)과 게이트 전극(42) 상에 형성된 두개의 탄소 나노 튜브(43a, 43b)를 전자 방출원으로 사용할 수 있도록 한 것이다.

예를 들어, 상기 캐소드 전극(41) 상에 형성된 탄소 나노 튜브(43a)에서 전자를 방출하여 상부 기판(미도시) 상에 형성된 형광체(미도시)를 발광시켜 사용하는 중에 상기 캐소드 전극(41) 상의 탄소 나노 튜브(43a)가 열화되어 사용할 수 없는 경우 상기 캐소드 전극의 역할을 게이트 전극으로, 게이트 전극의 역할을 캐소드 전극으로 전환하여 게이트 전극(42) 상에 형성된 탄소 나노 튜브(43b)를 전자 방출원으로 사용하여 형광체를 발광시키게 된다. 즉, 종래 코플래너 구조의 전계 방출 소자에 비해 소자의 수명이 두배로 늘어나게 된다.

그럼, 이러한 본 발명의 전계 방출 소자를 제조하는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 하부 기판(40) 상에 캐소드 전극 및 게이트 전극용 금속을 증착한 후 습식식각방법으로 캐소드 전극(41)과 게이트 전극(42)을 대칭적으로 형성하고, 상기 형성된 두 전극(41, 42) 상부에 절연층(미도시)을 형성한 후 두 전극(41, 42)이 교차하는 부분만 남기고 식각한다.

그 다음 스크린 프린팅법을 이용하여 게이트 전극라인(미도시)을 형성한 후 소정의 방법, 예를 들어, 소정의 온도에서 탄화수소(hydrocarbon) 가스를 이용한 열 화학기상증착 방법 또는 플라즈마 화학기상증착 방법을 통해 상기 대칭적으로 형성된 두 전극, 즉 캐소드 전극(41)과 게이트 전극(42) 상에 탄소 나노 튜브(43)를 대칭적으로 형성한다.

상기 제조 과정에서 알 수 있듯이, 본 발명은 종래 코플래너 구조의 전계 방출 소자 제조 과정과 비교해서 추가적인 공정이 들어가지 않기때문에 추가적인 비용이 들지 않는 장점이 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 동일 평면에 대칭적으로 형성된 두 전극(캐소드 전극과 게이트 전극) 상에 탄소 나노 튜브를 대칭적으로 형성하고, 사용 중 캐소드 전극 상의 탄소 나노 튜브가 열화되면 게이트 전극 상에 형성된 탄소 나노 튜브를 전자 방출원으로 사용함으로써, 소자의 수명을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 3전극 전계 방출 소자에 대한 일 예를 도시한 단면도.

도2는 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 일 예를 도시한 단면도.

도3은 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 코플래너 구조의 전계 방출 소자에 대한 일 예를 도시한 단면도.

도4는 본 발명 탄소 나노 튜브를 이용한 코플래너 구조의 전계 방출 소자에 대한 일 예를 도시한 단면도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

40:하부 기판 41:캐소드 전극

42:게이트 전극 43, 43a, 43b:탄소 나노 튜브

Claims (2)

1. 하부 기판 상의 동일 평면에 대칭적으로 형성되며 구동 전압을 인가하기 위한 두 전극과; 상기 두 전극 상에 대칭적으로 형성된 탄소 나노 튜브가 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 두 전극 중 하나를 캐소드 전극으로 선택하고, 그 캐소드 전극 상부에 형성된 탄소 나노 튜브를 전자 방출원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.