KR20050060748A - Field emission display using carbon nanotube and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
저전압 전계방출인 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치와 그 제작방법을 개시한다. 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치의 제조 방법은 절연층 위에 순차적으로 두 종류의 금속층을 형성하고, 상기 두 종류의 금속층의 분리가 유리하도록 서로 오목부를 가지도록 식각한 후 상부 금속층의 패턴을 형성하고, 상기 금속층 중 하부에 배치되는 금속층의 일부 및 상부 금속층의 일부에 탄소나노튜브 패턴을 형성한 후 열처리로 캐소드 전극(하부 금속층)과 대향전극(하부금속층)을 분리하는 동시에 상기 탄소나노튜브를 분리하고, 상부 금속층을 박리하는 단계를 포함한다.Disclosed are a field emission display device using a carbon nanotube, which is a low voltage field emission, and a manufacturing method thereof. In the method of manufacturing a field emission display device using the carbon nanotubes of the present invention, two kinds of metal layers are sequentially formed on an insulating layer, and the two metal layers are etched to have concave portions so as to facilitate separation of the two metal layers. Forming a pattern, forming a carbon nanotube pattern on a portion of the metal layer and a portion of the upper metal layer disposed below the metal layer, and then separating the cathode electrode (lower metal layer) and the counter electrode (lower metal layer) by heat treatment and simultaneously Separating the nanotubes and exfoliating the upper metal layer.
따라서 본 발명은 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 거리가 미세하게 형성되도록 하여 동작전압을 크게 낮출 수 있어 소자의 수명과 구동회로의 제작 단가를 현저히 낮출 수 있는 효과를 가진다. 또한, 열에 의한 막 스트레스(stress)에 의해 캐소드 전극과 게이트 전극이 미세 간격을 가지도록 형성함으로서 이미지 공정에 비하여 제작 공정이 간단하여 제작비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.Therefore, the present invention allows the distance between the cathode electrode and the gate electrode to be minutely formed to significantly reduce the operating voltage, thereby having an effect of significantly lowering the lifetime of the device and the manufacturing cost of the driving circuit. In addition, since the cathode and the gate electrode are formed to have a minute gap due to film stress due to heat, the manufacturing process is simpler than the imaging process, thereby reducing the manufacturing cost.
Description
본 발명은 저전압 전계방출인 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치와 그 제작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a field emission display device using carbon nanotubes, which are low voltage field emission, and a manufacturing method thereof.
일반적인 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치는 대한민국 공개특허공보 공개번호 제2001-0058675호에 개시되어 있다. 상기 공보에는 기존의 카본나노튜브를 이용한 이극의 전자방출소자에서 전자를 카본나노튜브의 캐소드 전극에서 끌어내는 역할을 하는 게이트 전극을 캐소드 전극 아래의 기판 바로 위에 배치시켜 소자의 제작을 용이하게 할 수 있는 기술이 개시되어 있다. 이러한 종래의 탄소나노튜브를 이용한 언더 게이트(under-gate) 구조에서는 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 간격을 만들 때 포토 공정과 금속 식각 공정을 이용하고, 그 후에 감광성 나노튜브 에미터를 형성시킨다. 이러한 종래의 기술은 탄소나노튜브와 게이트 전극의 쇼트(short)가 우려되어 탄소나노튜브가 만들어질 위치와 게이트 전극간의 거리를 어느 정도 이하로 줄이는데 한계를 가지는 문제점이 있다.Field emission display device using a common carbon nanotube is disclosed in Korean Laid-Open Patent Publication No. 2001-0058675. In the publication, a gate electrode, which serves to draw electrons from a cathode electrode of a carbon nanotube in a bipolar electron-emitting device using a conventional carbon nanotube, may be disposed directly on a substrate under the cathode electrode, thereby facilitating the fabrication of the device. A technique is disclosed. In the conventional under-gate structure using carbon nanotubes, a photo process and a metal etching process are used to form a gap between the cathode electrode and the gate electrode, and then a photosensitive nanotube emitter is formed. This conventional technology has a problem in that the short of the carbon nanotubes and the gate electrode (short) is a concern that there is a limit to reduce the distance between the position where the carbon nanotubes are to be made and the gate electrode to some extent or less.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브의 끝과 대향전극 사이의 간격이 미세하게 형성되도록 제작하여 동작전압을 줄일 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치와 그 제작방법을 제공하는데 있다.Therefore, the present invention has been proposed to solve the above problems, an object of the present invention is to produce a fine gap between the end of the carbon nanotubes and the counter electrode to form a fine electric field using carbon nanotubes that can reduce the operating voltage The present invention provides an emission display device and a method of manufacturing the same.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 스페이서에 의하여 두 기판의 간격이 유지되도록 배면기판 및 전면기판을 구비한 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치에 있어서, 상기 배면기판 위에 패턴된 게이트 전극; 상기 게이트 전극 위에 배치되는 절연층; 통전 홀을 통하여 상기 게이트 전극과 통전되며, 상기 절연층에 배치되는 대향전극; 상기 절연층 위에 배치되며, 상기 대향전극의 일측 부분과 간격이 유지되도록 배치되는 캐소드 전극; 상기 대향전극의 일측과 인접되는 부분의 상기 캐소드 전극 위 부분에 배치되는 탄소나노튜브를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a field emission display device using a carbon nanotube having a rear substrate and a front substrate so that the distance between the two substrates by a spacer, the gate electrode patterned on the rear substrate; An insulating layer disposed on the gate electrode; An opposite electrode electrically connected to the gate electrode through a through hole and disposed in the insulating layer; A cathode electrode disposed on the insulating layer and disposed to maintain a distance from one side of the counter electrode; A field emission display using carbon nanotubes including carbon nanotubes disposed on an upper portion of the cathode electrode adjacent to one side of the counter electrode is provided.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치의 제작방법은 배면기판에 게이트 전극의 패턴을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극의 패턴을 형성하는 단계 후에 상기 게이트 전극 위에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층을 형성하는 단계 후에 상기 절연층을 관통하는 통전홀을 형성하는 단계; 상기 통전홀을 형성하는 단계 후에 상기 절연층 위에 순차적으로 두 종류의 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층을 형성하는 단계 후에 상기 두 종류의 금속층을 식각하는 단계; 상기 금속층을 식각하는 단계 후에 상기 두 종류의 금속층 중 상부 금속층의 패턴을 형성하는 단계; 상기 상부 금속층의 패턴을 형성하는 단계 후에 상기 금속층 중 하부에 배치되는 금속층의 일부 및 상부 금속층의 일부에 탄소나노튜브 패턴을 형성하는 단계; 상기 탄소나노튜브 패턴을 형성하는 단계 후에 열처리로 캐소드 전극과 대향전극을 분리하며 동시에 상기 탄소나노튜브를 분리하는 단계; 상기 탄소나노튜브를 열처리로 분리하는 단계 후에 상부 금속층을 박리하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing the field emission display device using the carbon nanotubes of the present invention comprising the steps of forming a pattern of the gate electrode on the back substrate; Forming an insulating layer on the gate electrode after forming the pattern of the gate electrode; Forming a through hole penetrating the insulating layer after the forming of the insulating layer; Forming two kinds of metal layers sequentially on the insulating layer after forming the through hole; Etching the two kinds of metal layers after forming the metal layers; Forming a pattern of an upper metal layer among the two kinds of metal layers after the etching of the metal layer; After forming the pattern of the upper metal layer, forming a carbon nanotube pattern on a part of the metal layer and a part of the upper metal layer disposed below the metal layer; Separating the cathode electrode and the counter electrode by heat treatment after forming the carbon nanotube pattern and simultaneously separating the carbon nanotubes; And peeling off the upper metal layer after the carbon nanotubes are separated by heat treatment.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치의 구성을 도시한 도면으로, 글라스 기판 등으로 이루어질 수 있는 배면 기판(1) 및 일정한 공간을 두고 대향되는 위치에 배치되는 전면기판(21)을 도시하고 있다.1 is a view showing the configuration of a field emission display device using carbon nanotubes for explaining an embodiment according to the present invention, the rear substrate (1) which can be made of a glass substrate, etc. and the opposite position with a certain space The front substrate 21 is shown in FIG.
상기 배면기판(1)은 게이트 전극(3) 패턴이 상부에 배치된다. 상기 게이트 전극(3) 패턴 위에는 절연층(5)이 배치되고, 상기 절연층(5)의 일부에는 게이트 전극(3)에 통전될 수 있는 통전홀(6)을 통하여 대향전극(7)이 배치된다. 또한, 상기 절연층(5)의 일부에는 상기 대향전극(7)에 인접되며, 상기 대향전극(7)의 일단에 미세한 간격(d, 도 1에 도시하고 있음)이 유지되는 상태로 캐소드 전극(9)이 배치된다. 그리고 상기 캐소드 전극(9)의 상부 일측 부분에는 탄소나노튜브(11)가 배치되는데, 상기 탄소나노튜브(11)는 대향전극(7)의 일측과 가장 가까운 위치에 배치된다. 상기 게이트 전극(3) 및 상기 캐소드 전극(9)은 ITO, Cr, Al, Mo 등의 박막이 사용될 수 있다.The rear substrate 1 has a gate electrode 3 pattern disposed thereon. An insulating layer 5 is disposed on the gate electrode 3 pattern, and a portion of the insulating layer 5 is disposed with a counter electrode 7 through a current-carrying hole 6 that may be supplied to the gate electrode 3. do. In addition, a portion of the insulating layer 5 is adjacent to the counter electrode 7 and the cathode electrode (with a minute gap d (shown in FIG. 1) is maintained at one end of the counter electrode 7. 9) is placed. In addition, a carbon nanotube 11 is disposed at an upper portion of the cathode electrode 9, and the carbon nanotube 11 is disposed at a position closest to one side of the counter electrode 7. A thin film of ITO, Cr, Al, Mo, or the like may be used for the gate electrode 3 and the cathode electrode 9.
한편, 상기 전면기판(21)에는 애노드 전극(13) 및 형광층(15)이 통상의 방법에 의하여 형성된다. 물론 상기 배면기판(1)과 상기 전면기판(21)은 통상의 스페이서(도시생략)에 의하여 간격을 유지하고 밀폐된 공간을 형성한다.Meanwhile, an anode electrode 13 and a fluorescent layer 15 are formed on the front substrate 21 by a conventional method. Of course, the back substrate 1 and the front substrate 21 are spaced by a normal spacer (not shown) and form a closed space.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 전계방출표시장치의 제작방법은 도 2 내지 도 11을 통하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2 내지 도 10은 전계방출소자의 일부를 도시한 평면도로, 전게방출표시장치의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 11은 제작과정을 설명하기 위한 순서도이다.The manufacturing method of the field emission display device using the carbon nanotube of the present invention made as described above will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 10 are plan views showing a part of the field emission device, and for explaining a method of manufacturing a field emission display device, Figure 11 is a flow chart for explaining the manufacturing process.
우선, 글라스 기판 등으로 이루어질 수 있는 배면기판(1)에 게이트 전극(3)을 패턴한다(도 2에 도시하고 있음, 도 11에서는 S1로 표시). 상기 게이트 전극(3)을 패터닝(S1)한 후에 상기 게이트 전극(3) 위에 절연층(5)을 형성한다(도 3에 도시하고 있음, 도 11에서는 S3으로 표시). 상기 게이트 전극(3) 위에 절연층(5)을 형성(S3)한 후 게이트 전극(3)과 절연층(5) 위에 형성될 대향전극(7)의 통전을 위한 통전홀(6, via-hole)을 형성한다(도 4에 도시하고 있음, 도 11에서는 S5로 표시). 상기 통전홀(6)을 형성(S5)한 후에 박막으로 이루어지는 두 종류의 하부 금속층(M2) 및 상부 금속층(M1)을 순차적으로 형성한다(도 5에서는 상부 금속층만 M1으로 표시하고 있음, 도 11에서는 S7로 표시). 상기 두 종류의 박막의 금속층(M1, M2)의 예로 하부 금속층(M2, 도 7에 도시하고 있음)은 크롬(Cr)이 적용될 수 있으며, 상부 금속층(M1)은 알루미늄(M1)이 사용될 수 있다. 두 종류의 금속 박막 층을 형성(S7)한 후에 캐소드 전극(9)과 대향 전극(7)을 만들기 위하여 두 층을 같은 패턴으로 식각한다(도 6에 도시하고 있음, 도 11에서는 S9로 단계를 표시하고 있음). 이때, 캐소드 전극(9)이 형성될 부분은 완만한 만곡선으로 이루어지는 것이 바람직하며, 캐소드 전극(9)과 대향 전극(7)의 경계부분은 스트레스(stress)가 집중될 수 있도록 좁고(서로 모아지는 방향으로 오목부를 형성함), 일정한 각이 지도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 두 층의 금속층(M1, M2)을 식각(S9)한 후에 상부 금속층(M1) 패턴을 형성한다(도 7에 도시하고 있음, 도 11에서는 S11로 단계를 표시하고 있음). 이때 남아 있는 상부 금속층(M1)은 캐소드 전극(9)과 대향 전극(7)의 경계부분이며, 희생층으로 사용하기 위한 것이다. 상기 상부 금속층(M1)의 패턴을 형성(S11)한 후에 희생층인 상부 금속층(M1)과 캐소드 전극(9)이 되는 부분인 하부 금속층(M2)에 걸쳐지도록 탄소나노튜브(11) 패턴을 형성한다(도 8에 도시하고 있음, 도 11에서는 S13으로 단계를 표시하고 있음). 상기 탄소나노튜브(11)의 패턴은 패턴 인쇄, 또는 감광성 탄소나노튜브 재료를 이용한 패턴, 또는 성장법 등이 사용될 수 있다. 즉, 상기 탄소나노튜브(11)는 감광성 탄소나노튜브 페이스트에 의한 인쇄 및 노광 패턴을 이용하거나 또는 비감광성 탄소나노튜브 페이스트 인쇄 또는 성장법 등 중에서 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 상기 탄소나노튜브 패턴 형성(S13) 후에 열처리를 하여 캐소드 전극(9)을 이루는 금속층(M2, 탄소나노튜브(11)가 배치된 하부 금속층)과 희생층을 이루는 상부에 배치되었던 금속층(M1)을 분리한다(도 9에 도시하고 있음, 도 11에서는 S15로 단계를 표시하고 있음). 이때 상기 탄소나노튜브(11)는 열처리에 의하여 하부 절연층과 그 위의 금속층 간의 팽창율 차이로 인하여 희생층으로 이루어지는 남아 있는 상부 금속층(M1)과 캐소드 전극(9, 하부 금속층(M2)이 이루는 캐소드 전극(9) 부분) 사이에 크랙(crack)이 발생하여 캐소드 전극(9, 하부 금속층(M2)이 이루는 캐소드 전극 부분)과 대향전극(7, 하부 금속층(M2)이 이루는 대향 전극(7) 부분)이 분리되어 미세 간극(d, 도 9에 도시하고 있음)이 형성되면서 두 개의 탄소나노튜브(11, 11')로 분리된다. 상기 열처리의 온도는 적용되는 금속층에 따라 차이가 있지만 상기 실시 예의 경우에는 430℃ ~ 480℃ 범위로 이루어지는 것이 적당하다. 상기 열처리로 캐소드 전극(9)과 대향전극(7)이 분리(하부 금속층(M2)이 두개로 분리)되고, 두개의 탄소나노튜브(11, 11')로 분리되는 단계(S15) 후에 희생층인 상부 금속층(M1)을 박리시킨다(도 10에 도시하고 있음, 도 11에서는 S17로 단계를 표시하고 있음). 이때 남아 있던 상기 상부 금속층(M1)의 박리로 분리된 탄소나노튜브(11')도 함께 제거된다. 따라서 캐소드 전극(9)과 대향전극(7) 사이에 미세 간극(d, 도 10에 도시하고 있음)이 형성되고, 상기 대향전극(7)에 인접하는 캐소드 전극(9)의 상부 측에는 탄소나노튜브(11)가 배치되는 것이다. 본 발명의 전계방출표시장치의 구조 및 방법에 의하여 게이트 전극(3)과 캐소드 전극(9) 사이에 전압이 인가되어 캐소드 전극(9) 끝 부분의 탄소나노튜브(11)에 강한 전계가 발생되고 그 전계에 의하여 전계 방출이 유도되어 전자가 방출될 수 있다. 이때 캐소드 전극(9)과 대향 전극(7) 사이가 가까울수록 동작 전압이 낮아지게 된다. 따라서 본 발명은 스트레스(stress)에 의한 크랙(crack)으로 캐소드 전극(9)과 대향 전극(7) 사이에 미세 간극(d)이 형성되기 때문에 정밀한 이미지 공정을 거치지 않고도 캐소드 전극(9)과 대향 전극(7) 사이의 간격을 현저히 낮출 수 있는 것이다.First, the gate electrode 3 is patterned on the back substrate 1 which may be made of a glass substrate or the like (shown in FIG. 2, denoted by S1 in FIG. 11). After the gate electrode 3 is patterned (S1), an insulating layer 5 is formed on the gate electrode 3 (shown in FIG. 3, indicated by S3 in FIG. 11). After the insulating layer 5 is formed on the gate electrode 3 (S3), a conduction hole 6 for conducting electricity between the gate electrode 3 and the counter electrode 7 to be formed on the insulating layer 5 is provided. ) Is shown (shown in FIG. 4, indicated by S5 in FIG. 11). After forming the conduction hole 6 (S5), two types of the lower metal layer M2 and the upper metal layer M1 formed of thin films are sequentially formed (in FIG. 5, only the upper metal layer is denoted by M1). In S7). As examples of the metal layers M1 and M2 of the two types of thin films, chromium Cr may be applied to the lower metal layer M2 (shown in FIG. 7), and aluminum M1 may be used as the upper metal layer M1. . After the two kinds of metal thin film layers are formed (S7), the two layers are etched in the same pattern to form the cathode electrode 9 and the counter electrode 7 (shown in FIG. 6, and the step S9 in FIG. Is displayed). At this time, the portion where the cathode electrode 9 is to be formed is preferably made of a gentle curve, the boundary portion of the cathode electrode 9 and the counter electrode 7 is narrow (gather each other) so that the stress (focus) can be concentrated It is preferable to form a concave portion in a losing direction) and to have a constant angle. After the two metal layers M1 and M2 are etched S9, an upper metal layer M1 pattern is formed (as shown in FIG. 7 and S11 in FIG. 11). In this case, the remaining upper metal layer M1 is a boundary between the cathode electrode 9 and the counter electrode 7, and is used as a sacrificial layer. After the pattern of the upper metal layer M1 is formed (S11), the carbon nanotube 11 pattern is formed to cover the upper metal layer M1, which is a sacrificial layer, and the lower metal layer M2, which is a part of the cathode electrode 9. (It is shown in FIG. 8, and a step is indicated by S13 in FIG. 11). The pattern of the carbon nanotubes 11 may be pattern printing, a pattern using a photosensitive carbon nanotube material, or a growth method. That is, the carbon nanotubes 11 may be made of at least one of printing and growth patterns using photosensitive carbon nanotube pastes, or non-photosensitive carbon nanotube paste printing or growth methods. After the carbon nanotube pattern formation (S13), the metal layer (M2, the lower metal layer on which the carbon nanotubes 11 are disposed) forming the cathode electrode 9 and the metal layer M1 disposed on the sacrificial layer are formed. 9 (the step is marked with S15 in FIG. 11). At this time, the carbon nanotube 11 is a cathode formed by the remaining upper metal layer M1 and the cathode electrode 9 and the lower metal layer M2 formed of the sacrificial layer due to the difference in expansion ratio between the lower insulating layer and the metal layer thereon by heat treatment. Cracks are generated between the electrodes 9, so that the cathode electrode 9 (the cathode electrode portion formed by the lower metal layer M2) and the counter electrode 7, the opposite electrode 7 portion formed by the lower metal layer M2 are formed. ) Is separated to form a fine gap (d, shown in FIG. 9) and separated into two carbon nanotubes 11 and 11 '. The temperature of the heat treatment is different depending on the metal layer to be applied, but in the case of the embodiment is preferably made in the range of 430 ℃ ~ 480 ℃. The sacrificial layer is separated from the cathode electrode 9 and the counter electrode 7 by the heat treatment (the lower metal layer M2 is separated into two) and separated into two carbon nanotubes 11 and 11 '(S15). The phosphorus upper metal layer M1 is peeled off (shown in FIG. 10, and the step S17 is indicated in FIG. 11). At this time, the carbon nanotubes 11 'separated by the exfoliation of the remaining upper metal layer M1 are also removed. Accordingly, a fine gap d (shown in FIG. 10) is formed between the cathode electrode 9 and the counter electrode 7, and the carbon nanotubes are disposed on the upper side of the cathode electrode 9 adjacent to the counter electrode 7. (11) is arranged. According to the structure and method of the field emission display device of the present invention, a voltage is applied between the gate electrode 3 and the cathode electrode 9 to generate a strong electric field on the carbon nanotubes 11 at the ends of the cathode electrode 9. The field can be induced by the electric field to emit electrons. At this time, the closer the cathode electrode 9 and the counter electrode 7 is, the lower the operating voltage is. Therefore, in the present invention, since the minute gap d is formed between the cathode electrode 9 and the counter electrode 7 due to cracks caused by stress, the cathode electrode 9 is opposed to the cathode electrode 9 without undergoing a precise image process. The spacing between the electrodes 7 can be significantly lowered.
이와 같이 본 발명은 캐소드 전극과 게이트 사이의 거리가 미세하게 형성되도록 하여 동작전압을 크게 낮출 수 있어 소자의 수명과 구동회로 단가를 현저히 낮출 수 있는 효과를 가진다. 또한, 열에 의한 막 스트레스에 의해 캐소드 전극과 게이트 전극이 미세 간격을 가지도록 형성함으로서 이미지 공정에 비하여 공정이 간단하여 제작비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention allows the distance between the cathode electrode and the gate to be minutely formed, thereby significantly lowering the operating voltage, thereby significantly reducing the lifetime of the device and the cost of the driving circuit. In addition, since the cathode and the gate electrode are formed to have a minute gap by the film stress due to heat, the process is simpler than the image process, thereby reducing the manufacturing cost.
도 1은 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 전계방출표시장치의 일부를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a part of a field emission display device for explaining an embodiment according to the present invention.
도 2 내지 도 10은 본 발명에 따른 전계방출표시장치의 제작과정을 설명하기 위한 도면들이다.2 to 10 are views for explaining the manufacturing process of the field emission display device according to the present invention.
도 11은 본 발명에 따른 전계방출표시장치의 제작과정을 설명하기 위한 순서도이다.11 is a flowchart illustrating a manufacturing process of the field emission display device according to the present invention.
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