KR20010056138A - 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조 방법 - Google Patents

카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카본 나노튜브를 이용하기에 적합한 전계 방출 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 CNT를 이용한 전계방출소자의 제조방법은 임의의 기판 위에 음극 및 전도층과 촉매전이금속층을 적층하는 단계와, 전도층과 촉매전이금속층을 에칭하는 단계와, 전도층 및 촉매전이금속층의 주변부에 절연층 및 게이트전극을 형성하는 단계와, 촉매전이금속층 상에만 카본 나노튜브 이미터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 전도층 및 촉매전이금속층을 이용하여 CNT를 중앙에 집속하여 형성할 수 있으므로 게이트전극으로부의 전계를 CNT 이미터에 균일하게 집중시킬 수 있게 된다.

Description

카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조 방법{Fabrication Method of Field Emission Device Using Carbon Nanotube}
본 발명은 전계방출 디스플레이나 기타 진공중에서의 전자방출을 위해 이용되는 전계방출소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 카본 나노튜브를 이용하기에 적합한 전계 방출 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
최근들어, 신물질로 각광받고 있는 카본 나노튜브(Carbon Nanotube; 이하, CNT라 한다)는 수 nm에서 수십 nm의 아주 작은 직경의 결정구조를 갖음과 아울러 내화화적 특성 및 기계적 강도가 우수하여 그의 응용이 기대되고 있다. 하나의 응용분야로서 CNT를 이용한 전계 방출 소자로의 제작이 연구되고 있는데, 특히 전계 방출 표시 소자로의 응용이 기대되고 있다. 이는 CNT를 전계 방출 소자로 이용하는 경우 전자 방출 전압을 크게 낮출 수 있으므로 기존의 스핀트형 팁이나 실리콘 팁등과 같은 전계방출소자를 이용하는 것보다 구동전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 CNT의 내화학적 특성 및 기계적 강도가 우수하여 신뢰성이 좋은 소자 제작이 가능하기 때문이다. CNT의 전계 방출 전압이 낮은 이유는 직경이 nm로 아주 작아 전계강화효과(Field Enhancdment Factor)가 커서 전자방출이 일어나는 임계전계(Turn-on Field)가 1∼5V/㎛로 낮기 때문이다.
도 1은 종래의 삼극구조 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 것이다. 도 1의 전계 방출 소자는 하부기판(10) 상에 순차적으로 적층된 저항층(12) 및 절연층(16)과 게이트전극(18)과, 게이트전극(18) 및 절연층(16)의 홀을 통해 노출된 저항층(12) 위에 형성되어진 CNT 이미터(14)를 구비한다. CNT 이미터(14)는 게이트전극(22)으로부터 인가되는 전계에 의존하여 전자를 방출하게 된다.
이러한 전계 방출 소자의 제조 방법을 살펴보면, 하부기판(10) 상에 저항층(12)과 절연층(16) 및 게이트전극층(18)을 순차적으로 성막한 후 사진식각방법을 이용하여 게이트전극층(18)과 절연층(16)에 홀을 형성하게 된다. 그리고, 게이트전극(18) 및 절연층(16)의 홀을 통해 노출된 저항층(12) 상에 CNT를 성장시키기 위해 필요한 촉매전이금속(15)을 증착방법을 이용하여 성막하게 된다. 그 다음, 기판 전체를 약 600∼900℃ 온도범위로 가열하여 하이드로카본(Hydrocarbon) 가스를 이용하여 촉매전이금속(15) 위에 CNT를 성장시켜 CNT 이미터(14)를 형성하게 된다.
이렇게, CNT를 고온에서 직접 기판에 성막시키는 경우 CNT는 촉매전이금속(15) 부위에만 성장하게 되므로 촉매전이금속 영역이 클수록 CNT의 성장영역이 커지게 된다. CNT 성장영역이 넓은 경우 게이트전극(18)을 통해 인가되는 전계가 집중되지 않아 방출된 전자빔이 퍼지게 되고 전자방출영역이 고르지 못하여 주로 전계가 제일 강한 게이트 홀 주변부에서만 국부적으로 전자방출이 일어나게 된다. 또한, CNT 성장영역이 넓은 경우 비대칭적인 전계분포에 의해 전자빔이 게이트전극(18) 쪽으로 끌려가는 누설전류가 많은 문제점이 있다. 이에 따라, 촉매전이금속을 중심부에만 성막시켜 CNT를 집중시키는 것이 중요하나 전술한 전계 방출 소자 제조방법에서는 촉매전이금속을 중심부에만 성막하는 것이 어려운 문제점이 있다.
도 2는 종래의 다른 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 것이다. 도 2의 전계 방출 소자는 하부기판(20) 상에 순차적으로 적층된 음극(22) 및 CNT 이미터(24)와, 하부기판(20)으로부터 소정의 공간을 두고 위치한 그리드(26)와, 상부기판(28) 상에 순차적으로 적층된 양극(30) 및 형광체(32)를 구비한다. CNT 이미터(24)는 스크린 프린팅이나 박막패턴 등의 방법으로 형성하게 된다. 다시 말하여, CNT를 분말형태로 만들어 바인더(Binder) 및 전도성 필러(Filler) 등과 혼합하여 슬러리 형태로 만든 다음 스크린 프린팅 등과 같은 방법으로 음극(22) 위에 도포하게 된다. 이어서, 바인더 제거공정을 거쳐 CNT가 밖으로 노출되게 함으로써 CNT 이미터(24)를 만들게 된다. 그리고, 하부기판(20)으로부터 소정의 공간을 띄어 그리드(26)를 위치시켜 게이트전극으로 이용하게 된다. 이 경우, 그리드의 홀부분과 음극간의 배열이 쉽지 않을 뿐만 아니라 CNT에서 방출되는 전자들이 그리드를 통해 누설이 많이 되기 때문에 방출되는 전자의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 CNT를 이용하여 전계를 효율적으로 집중시킬 수 있는 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 삼전극 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 단면도.
도 2는 종래의 다른 기술에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자를 나타낸 단면도.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 실시 예에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10, 20, 34 : 하부기판 12 : 저항층
14, 24, 48 : CNT 이미터 15 : 촉매전이금속층
16, 42 : 절연층 18, 44 : 게이트전극
22, 36 : 음극 26 : 그리드
28 : 상부기판 30 : 양극
32 : 형광체 38 : 전도층
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 CNT를 이용한 전계방출소자의 제조방법은 임의의 기판 위에 음극 및 전도층과 촉매전이금속층을 적층하는 단계와, 전도층과 촉매전이금속층을 에칭하는 단계와, 전도층 및 촉매전이금속층의 주변부에 절연층 및 게이트전극을 형성하는 단계와, 촉매전이금속층 상에만 카본 나노튜브 이미터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 3a 내지 도 3g를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 실시 예에 따른 삼전극 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법을 단계적으로 나타낸 것이다.
우선, 도 3a에 도시된 바와 같이 하부기판(34) 상에 음극(36) 및 전도층(38)과 전이금속층(40) 및 절연마스크막(42)을 순차적으로 형성하게 된다. 하부기판(34)으로는 높은 온도에서 견딜 수 있는 Si, Al2O3, 뮬라이트, 또는 기타 세라믹 등의 재료를 사용하게 된다. 또한, CNT를 저온에서 성막시킬 경우 글래스를 사용할 수도 있다. 음극(36)은 Al, Cr, Cu, Ag, 또는 금속합금 등을 스퍼터링(Sputtering)이나 증착방법을 이용하여 하부기판(34)에 성막함으로써 형성하게 된다. 전도층(38)은 CNT의 중앙집속을 위한 구조물을 형성하기 위한 것으로서 CNT가 성장되지 않는 전도재료, 예컨대 Mo, W, Ta, Ti 등을 스퍼터링이나 화학기상증착법(CVD) 등의 방법을 이용하여 성막함으로써 형성하게 된다. 전이금속층(40)은 CNT를 성장시키기 위한 것으로서 Fe, Ni, Co, 또는 그들의 합금 등을 상기와 동일한 박막형성방법을 이용하여 전도층(38) 상에 성막함으로써 형성하게 된다. 절연마스크막(42)은 패터닝을 위한 것으로 SiO2등의 절연물질을 상기와 같은 박막형성방법을 이용하여 전이금속층(40) 상에 성막함으로써 형성하게 된다.
그 다음, 도 3b에 도시된 바와 같이 절연마스크막(42)을 패터닝하여 절연마스크패턴(42A)을 형성하게 된다. 절연마스크패턴(42A)은 절연마스크막(42) 상에 포토 레지스트(Photo Resist)를 코팅하고 사진식각방법을 이용하여 절연마스크막(42)를 원형 패터닝하고 건식 플라즈마 에칭방법으로 에칭함으로써 형성하게 된다.
이어서, 플라즈마 에칭법을 이용하여 절연마스크패턴(42A) 하부의 전이금속층(40) 및 전도층(38)을 순차적으로 식각함으로써 도 3c에 도시된 바와 같이 전이금속층(40A) 및 전도층(38A)으로 이루어진 원뿔형 구조물을 형성하게 된다. 이 경우, 플라즈마 에칭을 위한 가스의 조성과 챔버의 압력, 플라즈마 에너지 등을 조절하여 등방성 식각함으로써 절연마스크패턴(42A) 밑에 원뿔형의 구조물을 형성하게 된다.
그리고, 도 3d 및 3e에 도시된 바와 같이 전자빔증착 방법의 직진성을 이용하여 절연막(44, 44A) 및 게이트금속층(46, 46A)을 순차적으로 형성하게 된다. 이 경우, 절연막(44, 44A)으로는 SiO2, Si3N4, Al2O3, 등과 같은 절연물질을 이용하고, 게이트금속층(46, 46A)는 Cr, Nb, 기타 전도성 재료를 이용한다. 특히, 게이트금속층(46, 46A)의 재료로는 CNT가 성장이 안되는 물질을 사용하게 된다.
그 다음, 버퍼드(Buffered) HF(BOE) 용액으로 절연마스크패턴(42A)을 리프트-오프시켜 도 3f에 도시된 바와 같이 촉매전이금속층(40A) 위의 절연마스크패턴(42A) 및 절연막(44A), 게이트금속층(46A)을 분리해내게 된다. 이 경우, 게이트전극(46) 하부의 절연막(44)이 경사지게 에칭되게 된다.
그리고, 도 3g에 도시된 바와 같이 촉매전이금속층(40A) 위에 CNT를 성장시켜 CNT 이미터(48)를 형성하게 된다. CNT 이미터(48)는 CXHY, C2H2, C2H4, CH4, C2H6등과 같은 하이드로카본 가스 또는 COX가스를 사용하여 CVD 법으로 약 400∼900℃의 기판온도범위에서 수직배향된 CNT를 촉매전이금속층(40A) 위에 성장시킴으로써 형성하게 된다. 이 경우, 성장된 CNT의 직경이나 밀도는 주로 촉매금속의 표면개질에 의한 촉매금속의 입자나 분산정도에 의하여 영향을 받고, CNT의 성장길이는 성장시간에 의해 결정된다.
이와 같이, 본 발명의 CNT 전계 방출 소자의 제조 방법에서는 원뿔형 구조물을 이루는 전도층(38A) 및 촉매전이금속층(40A)을 이용하여 게이트전극(46) 및 절연층(44B)의 홀 중앙부에만 CNT를 집중시켜 형성할 수 있게 된다. 이에 따라, CNT 이미터(48)는 균일한 전자방출을 하게 됨과 아울러 전계의 비대칭에 의한 게이트전극(46)으로의 누설전류를 최소화할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 CNT를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법에 의하면 전도층 및 촉매전이금속층을 이용하여 CNT를 중앙에 집속하여 형성할 수 있으므로 게이트전극으로부의 전계를 CNT 이미터에 균일하게 집중시킬 수 있게 된다. 이에 따라, CNT 이미터는 균일한 전자방출을 하게 됨과 전계 비대칭에 의한 게이트전극으로의 누설전류를 최소화할 수 있게 된다. 나아가, 본 발명에 따른 CNT를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법은 전계방출 표시소자에 적용하는 경우 대면적 제작이 가능하게 함과 아울러 균일하고 안정된 전자방출 특성으로 신뢰성이 우수한 표시소자 구현을 가능하게 한다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (5)

  1. 임의의 기판 위에 음극 및 전도층과 촉매전이금속층을 적층하는 단계와,
    상기 전도층과 촉매전이금속층을 에칭하는 단계와,
    상기 전도층 및 촉매전이금속층의 주변부에 절연층 및 게이트전극을 형성하는 단계와,
    상기 촉매전이금속층 상에만 카본 나노튜브 이미터를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도층과 촉매전이금속층을 에칭하는 단계는
    상기 촉매전이금속층 상에 절연마스크패턴을 형성하고 그 절연마스크패턴을 이용하여 상기 전도층 및 촉매전이금속층을 에칭함으로써 원뿔형 구조물을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 절연층 및 게이트전극을 형성하는 단계는
    전자빔증착방법을 이용하여 상기 절연마스크패턴의 상부 및 상기 구조물의 주변부에 절연물질층 및 게이트금속층을 적층하는 단계와,
    상기 절연마스크패턴을 그 상부의 절연물질층 및 게이트금속층 함께 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조방법.
  4. 제 4 항에 있어서,
    상기 구조물 주변부의 절연물질층을 경사에칭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 나노튜브 이미터는 화학기상증착법을 이용하여 상기 촉매전이금속층상에만 카본 나노튜브를 성장시킴으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브를 이용한 전계방출소자의 제조방법.
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