KR20050073733A - 전계 방출 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전계 방출 에미터로 탄소 나노 튜브를 사용하는 언더게이트 구조에서 셀이 형성되는 캐소드 라인의 내부 영역이 소정 식각되고, 그 식각된 내부 영역의 측면에 폐곡선 형태의 탄소 나노 튜브를 형성하여 탄소 나노 튜브의 접착성을 향상시키고, 아울러 전자빔 퍼짐을 줄일 수 있는 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 하부기판(유리기판) 상에 순차적으로 형성된 게이트 전극 및 절연층과, 상기 절연층 상부에 형성되고, 내부의 소정 영역이 식각되어 상기 절연층의 일부가 노출된 언더컷(undercut) 형태의 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극의 식각된 내부 영역 측면에 폐곡선 형태로 형성된 탄소 나노 튜브를 포함하여 구성함으로써, 탄소 나노 튜브의 접착성을 향상시켜 균일한 방출 전류를 얻을 수 있고, 또한, 탄소 나노 튜브를 대칭성의 폐곡선 형태로 형성함으로써, 전자빔 퍼짐을 작게하여 화질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전계 방출 소자 및 그 제조 방법{FIELD EMISSION DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 전계 방출 에미터로 탄소 나노 튜브를 사용하는 언더게이트 구조에서 셀이 형성되는 캐소드 라인의 내부 영역이 소정 식각되고, 그 식각된 내부 영역의 측면에 폐곡선 형태의 탄소 나노 튜브를 형성하여 탄소 나노 튜브의 접착성을 향상시키고, 아울러 전자빔 퍼짐을 줄일 수 있는 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고, 요구되는 디스플레이 모습 또한 다양해지고 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 나노 튜브를 이용한 3전극 전계 방출 소자의 하판 구조에 대한 일 예를 도시한 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 전극보다 낮은 위치에 형성한 탄소 나노 튜브 전계 방출 소자의 구조가 제시되었다.

도2는 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트(under gate) 구조의 전계 방출 소자에서 하판 구조에 대한 일 예의 평면도와 단면도(평면도의 A-A')를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 유리기판(20) 상에 게이트 전극(21)과 캐소드 전극(23)이 절연층(22)을 사이에 두고 서로 직교하는 매트릭스 구조로 되어 있으며, 전자 방출을 일으키는 전기장을 탄소 나노 튜브(24)의 하부에 있는 게이트 전극(21)으로 인가하는 방식이다.

이러한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조의 제조 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유리기판(20) 상에 ITO(Indium-Tin-Oxide) 투명 전극을 120[nm] 정도의 두께로 증착하고, 사진식각방법을 이용하여 게이트 전극(21)을 형성한 후, 그 게이트 전극(21) 상부에 페이스트 형태의 유전체 분말을 스크린 프린팅법으로 코팅하고, 약 580[℃]에서 소성하여 절연층(22)을 형성한다.

상기 절연층(22) 상부에 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr) 등의 전도성 금속을 소정의 두께로 증착한 후 사진식각방법을 이용하여 상기 게이트 전극(21)과 수직 교차시켜 캐소드 전극(23)을 형성하고, 그 캐소드 전극(23)의 가장 자리 위치에 탄소 나노 튜브(24)를 형성한다.

하지만, 이러한 구조의 전계 방출 소자는 탄소 나노 튜브를 캐소드 전극의 가장 자리에 위치시켜야 되기 때문에 공정상 까다롭고, 빔퍼짐이 커서 화질을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

또한, 탄소 나노 튜브의 페이스트 특성상 인쇄 및 소성 공정을 거치면서 절연층 또는 캐소드 전극과의 열팽창 계수차이로 인해 밀착력이 저하되는 문제가 발생한다.

상기와 같이 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자는 전자빔 퍼짐이 커서 화질을 떨어뜨리고, 인쇄 및 소성 공정을 거치면서 절연층 또는 캐소드 전극과의 열팽창 계수차이로 인해 탄소 나노 튜브의 밀착력이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 언더게이트 전극 구조에서 캐소드 전극의 내부 소정 영역을 식각하여 언더컷 형태로 만들고, 그 식각된 캐소드 전극의 내부 영역 측면에 폐곡선 형태의 탄소 나노 튜브를 형성함으로써, 탄소 나노 튜브의 접착성을 향상시켜 균일한 방출 전류를 얻을 수 있는 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 탄소 나노 튜브를 대칭성의 폐곡선 형태로 형성함으로써, 전자빔 퍼짐을 작게하여 화질을 향상시킬 수 있는 전계 방출 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 전계 방출 소자는 하부기판(유리기판) 상에 순차적으로 형성된 게이트 전극 및 절연층과; 상기 절연층 상부에 형성되고, 내부의 소정 영역이 식각되어 상기 절연층의 일부가 노출된 언더컷(undercut) 형태의 캐소드 전극과; 상기 캐소드 전극의 식각된 내부 영역 측면에 폐곡선 형태로 형성된 탄소 나노 튜브를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐소드 전극의 식각된 내부 영역은 사각형 또는 원형이고, Al과 Cr 또는 Nb과 Al 또는 Nb과 Cr으로 이루어진 서로 다른 금속 이중층으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 전계 방출 소자 제조 방법은 하부기판(유리기판) 상부에 금속을 증착한 후 패터닝하여 게이트 전극을 형성하고, 그 게이트 전극 상부에 절연층을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 서로 다른 두 금속층을 순차적으로 증착하고, 내부의 소정 영역을 순차적으로 식각하여 언더컷(undercut) 형태의 캐소드 전극을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 차광용 금속을 증착하고 패터닝하여 상기 캐소드 전극의 식각된 내부 영역에 발광영역을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 탄소 나노 튜브 페이스트를 증착한 후 후면 사진식각방법을 이용하여 폐곡선 형태의 탄소 나노 튜브를 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 형성된 차광용 금속을 제거하는 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 두 금속층 중 하부에 형성된 금속층의 식각 시간이 상부에 형성된 금속층의 식각 시간보다 긴 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.

도3은 본 발명 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조의 평면도 및 단면도(평면도의 B-B')를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 셀이 형성되는 부분의 캐소드 라인(33)이 사각형 형태로 식각되어 절연층(32)의 일부 영역이 노출된 언더컷(undercut) 형태를 이루고, 그 식각된 캐소드 라인(33)의 내부 측면에 폐곡선 형태로 탄소 나노 튜브(34)가 형성된 구조로서, 유리기판(30) 상에 형성된 게이트 전극(31)과, 상기 게이트 전극(31) 상부에 형성된 절연층(32)과, 상기 절연층(32) 상부에 형성되고, 내부의 소정 영역이 사각형 형태로 식각된 언더컷 형태의 캐소드 전극(33)과, 상기 캐소드 전극(33)의 식각된 내부 측면에 폐곡선 형태로 형성된 탄소 나노 튜브(44)로 구성한다.

상기 캐소드 전극(33)은 서로 다른 금속의 두층으로 형성되고, 하부에 형성된 금속층이 상부에 형성된 금속층보다 더 식각되어 언더컷(undercut) 형태로 형성되고, Al과 Cr 또는 Nb과 Al 또는 Nb과 Cr 등을 사용하여 형성할 수 있으며, 식각된 형태는 사각형 뿐만 아니라 원형 또는 타원형이 될 수도 있다.

상기 탄소 나노 튜브(34)는 언더컷 형태로 형성된 캐소드 전극(33)의 식각된 내부 측면에 형성되기 때문에 절연층(32)과의 접착력이 향상되고, 폐곡선 형태의 대칭성으로 형성되기 때문에 전자빔 퍼짐을 작게하여 화질을 향상시킬 수 있다.

그럼, 이러한 구조의 본 발명 전계 방출 소자에 대한 제조 과정을 도4에 도시한 수순 단면도를 참고하여 설명한다.

도4a에 도시된 바와 같이, 유리기판(30) 상에 ITO(Indium-Tin-Oxide) 투명 전극을 120[㎚] 정도의 두께로 증착한 후 사진식각방법을 이용하여 게이트 전극(31)을 형성하고, 그 게이트 전극(31) 상부에 페이스트 형태의 유전체 분말을 스크린 인쇄법으로 코팅한 후 약 580[℃]에서 소성하여 3~20[㎛]의 절연층(32)을 형성한다.

그 다음, 도4b에 도시된 바와 같이, 상기 구조물 상부에 서로 다른 두 금속(Al/Cr 또는 Nb/Al 또는 Nb/Cr)을 순차적으로 증착하여 0.1~0.5[㎛]의 금속 이중층을 형성하고, 사진식각방법을 이용하여 금속 이중층의 내부 소정 영역을 습식식각 또는 건식식각으로 순차적으로 식각하여 언더컷 형태의 캐소드 전극(33)을 형성한다. 이때, 상기 금속 이중층은 진공 증착이나 스퍼터링 등에 의해 증착되고, 캐소드 전극(33)을 언더컷(undercut) 형태로 형성하기 위해 하부에 형성된 금속층의 식각 시간을 상부에 형성된 금속층의 식각 시간보다 길게 하는 것이 바람직하다.

그 다음, 도4c에 도시된 바와 같이, 상기 구조물 상부에 차광용 금속(35)을 증착하고, 도4d에 도시된 바와 같이, 사진식각방법을 이용하여 차광용 금속(35)을 식각하여 탄소 나노 튜브(34)가 형성될 발광 영역의 패턴을 형성한다.

그 다음, 도4e에 도시된 바와 같이, 상기 구조물 상부에 음성 감광성인 탄소 나노 튜브 페이스트를 스크린 인쇄법으로 도포한 후 유리기판(30) 후면에서 사진식각방법으로 자외선을 조사하고, 탄소 나노 튜브 현상액을 스프레이법으로 현상하여 탄소 나노 튜브(34)를 형성한다.

마지막으로, 도4f에 도시된 바와 같이, 상기 구조물 상부에 형성된 차광용 금속(35)을 제거한 후 약 400[℃]에서 소성하면 본 발명에 따른 전계 방출 소자의 하판이 제조된다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 언더게이트 전극 구조에서 캐소드 전극의 내부 소정 영역을 식각하여 언더컷 형태로 만들고, 그 식각된 캐소드 전극의 내부 영역 측면에 폐곡선 형태의 탄소 나노 튜브를 형성함으로써, 탄소 나노 튜브의 접착성을 향상시켜 균일한 방출 전류를 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 탄소 나노 튜브를 대칭성의 폐곡선 형태로 형성함으로써, 전자빔 퍼짐을 작게하여 화질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

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

도2는 종래 탄소 나노 튜브를 이용한 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조를 도시한 평면도와 단면도.

도3은 본 발명에 따른 언더게이트 구조의 전계 방출 소자에 대한 하판 구조를 도시한 평면도 및 단면도.

도4a 내지 도4f는 본 발명에 따른 전계 방출 소자에 대한 하판 제조 과정을 도시한 수순 단면도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

30:유리기판 31:게이트 전극

32:절연층 33:캐소드 전극

34:탄소 나노 튜브 35:차광용 금속

Claims (8)

1. 하부기판(유리기판) 상에 순차적으로 형성된 게이트 전극 및 절연층과; 상기 절연층 상부에 형성되고, 내부의 소정 영역이 식각되어 상기 절연층의 일부가 노출된 언더컷(undercut) 형태의 캐소드 전극과; 상기 캐소드 전극의 식각된 내부 영역 측면에 폐곡선 형태로 형성된 탄소 나노 튜브를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 전극의 식각된 내부 영역은 사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 전극은 서로 다른 금속 이중층으로 형성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
4. 제3항에 있어서, 상기 캐소드 전극은 Al과 Cr 또는 Nb과 Al 또는 Nb과 Cr로 형성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
5. 하부기판(유리기판) 상부에 금속을 증착한 후 패터닝하여 게이트 전극을 형성하고, 그 게이트 전극 상부에 절연층을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 서로 다른 두 금속층을 순차적으로 증착하고, 내부의 소정 영역을 순차적으로 식각하여 언더컷(undercut) 형태의 캐소드 전극을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 차광용 금속을 증착하고 패터닝하여 상기 캐소드 전극의 식각된 내부 영역에 발광영역을 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 탄소 나노 튜브 페이스트를 증착한 후 후면 사진식각방법을 이용하여 폐곡선 형태의 탄소 나노 튜브를 형성하는 단계와; 상기 구조물 상부에 형성된 차광용 금속을 제거하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 두 금속층 중 하부에 형성된 금속층의 식각 시간이 상부에 형성된 금속층의 식각 시간보다 긴 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브는 상기 캐소드 전극의 측면을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 폐곡선 형태의 탄소 나노 튜브는 대칭 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자 제조 방법.