KR20080106939A

KR20080106939A - 스텐실을 이용한 탄소 나노튜브 증착

Info

Publication number: KR20080106939A
Application number: KR1020087023245A
Authority: KR
Inventors: 윤준 리; 리챠드 리 핀크; 모시 양; 즈비 야니브
Original assignee: 어플라이드 나노테크 홀딩스, 인크.
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-12-09
Also published as: TW200800794A; WO2007106665A8; US20070117401A1; US7452735B2; CN101427340A; WO2007106665A2; WO2007106665A3

Abstract

탄소 나노튜브들(CNTs)의 조성은 프린팅 또는 스텐실 프린팅 프로세스들을 통해 분배되는 잉크들(1205)로 생성된다. CNT 잉크(1205)는 스텐실(1204)를 통해 캐소드 구조물에 형성된 웰들(wells)로 분배된다.

Description

스텐실을 이용한 탄소 나노튜브 증착{CARBON NANOTUBE DEPOSITION WITH A STENCIL}

본 특허 출원은 미국 가특허출원번호 60/502,454호의 우선권을 청구하는 미국 특허 출원 번호 10/937,437호의 일부계속출원이다.

본 발명은 전반적으로 CNT 잉크를 이용해 탄소 나노튜브들을 웰 구조물들 속에 증착하는 것에 관한 것이다.

캐소드 균일성은 전계 방출 디스플레이들(FEDs)의 상업화에 있어 주요 요인이다. 탄소 나노튜브(CNT) 물질들은 미래의 FED들을 위해 가장 주목받는 캐소드 물질들이다. 대형 기판 상에 균일하고 선택적인 CNT 증착은 FED 제조 프로세스에 있어 주요한 문제점중 하나이다. 기판 상에 탄소 나노튜브들을 성장시키는 전형적인 수단은 촉매 활성화를 이용하는 화학적 기상 증착(CVD) 기술들을 이용하는 것이다. 이러한 기술은 비교적 높은 성장 온도를 요구하여, 제조 비용을 증가시킨다. 대면적 위에 균일성을 갖는 막을 달성하는 것은 어렵다. 페이스트 또는 잉크 합성물에서 CNT들을 증착하기 위해 스크린-프린팅 또는 디스펜싱(dispensing)과 같은 다른 방법이 개발되었다. 상기 합성물은 소정의 경우, 도전성 또는 비도전성 입자들, 캐리어들 또는 매체들(vehicles) 및 바인더들과 혼합된 CNT 파이더로 구성된 다. 이러한 기술들에 의해 생성된 패턴들의 크기 및 형상은 스팟(spot)에서 스팟으로 종종 불균일하여 각각의 픽셀 또는 서브픽셀에 대해 불균일한 유효 방출 영역이 야기된다. 또한, 통상적으로 프린트된 또는 분배된 CNT 합성물 잉크 또는 페이스트로부터의 에지 방출은 CNT 캐소드의 불균일한 성능을 야기시켜, 캐소드 제조 프로세스를 예측불가능하게 할 수 있다.

FED 분야들에 있어, 균일한 유효 방출 영역을 갖는 각각의 픽셀 또는 서브-픽셀 상에 동일한 양의 CNT 증착은 각각의 픽셀 또는 서브-픽셀로부터 균일한 방출 전류를 얻는데 있어 중요한 목표이다. 한편, 이상적으로, CNT 증착은 특히 트리오드 구조물에 대한 캐소드 제조 과정의 최종 단계이다. 일단 CNT 캐소드가 마련되면, 캐소드 성능을 경감시킬 수 있는 추가적인 습식 화학적 프로세스 또는 에칭 프로세스는 CNT 캐소드의 표면에 적용되지 말아야 한다.

본 발명에 따른 전계 방출 캐소드를 제조하는 프로세스는 내부에 홀들을 갖는 스텐실을 기판 상에 위치시키는 단계;및 스텐실 홀들에 의해 한정된 패턴으로 기판 상의 홀들을 통해 CNT 혼합물을 증착하는 단계를 포함한다.

본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 첨부되는 도면을 참조로 하기에 설명이 이루어진다.

도 1(A)는 웰 구조물의 일 실시예의 측면도;

도 1(B)는 게이트 전극들이 집적된 웰 구조물을 나타내는 도면;

도 1(C)는 웰들 내부에 CNT를 증착한 후 장착된 금속 그리드 전극을 나타내는 도면;

도 2(A)는 스크린-프린팅 프로세스를 이용하여 프린트된 캐소드 전극들을 나타내는 도면;

도 2(B)는 스크린-프린팅 프로세스를 이용하여 프린트된 절연체층을 나타내는 도면;

도 3(A)는 CNT 잉크로 웰들이 채워진 것을 나타내는 도면;

도 3(B)는 웰들 내부에 CNT 잉크가 분사되는 것을 나타내는 도면;

도 3(C)는 CNT 잉크의 건조를 나타내는 도면;

도 4(A)는 웰 구조물들 내부에서 CNT 잉크의 일 실시예를 나타내는 도면;

도 4(B)는 웰 구조물들 내부에서 CNT 잉크의 선택적 실시예의 또 다른 예를 나타내는 도면;

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 전계 방출 디스플레이의 일부를 나타내는 도면;

도 6(A)는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 다이오드 구조물의 일부를 나타내는 도면;

도 6(B)는 본 발명의 실시예를 이용하여 제조된 캐소드로부터의 전계 방출의 디지털 이미지를 나타내는 도면;

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 CNT 잉크들의 I-V 특성들을 나타내는 도면;

도 8은 메쉬 스크린 상의 CNT-잉크 물질들의 막힘의 디지털 사진을 나타내는 도면;

도 9A-9B는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 메쉬 스크린을 나타내는 도면;

도 10A는 스텐실을 이용하여 프린트된 CNT-잉크의 디지털 사진을 나타내는 도면;

도 10B는 메쉬 스크린을 이용하여 프린트된 CNT-잉크의 디지털 사진을 나타내는 도면;

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 스텐실 스크린을 이용하여 프린트된 픽셀들의 조명의 디지털 사진을 나타내는 도면;

도 12A-12C는 본 발명의 실시예에 따라 스텐실을 이용하는 CNT-잉크 또는 페이스트의 프린팅을 나타내는 도면.

하기 설명에서, 다수의 특정 사항들은 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나, 당업자들은 이러한 특정한 사항 없이도 본 발명을 실현할 수 있을 것이다. 다른 경우, 공지된 회로들은 불필요한 사항으로 본 발명이 불명료해지는 것을 방지하기 위해 블록 다이아그램으로 도시된다.

본 발명의 실시예들은 도 1(A)에 도시된 웰 구조물들에 CNT들을 균일하게 증착하기 위한 프로세스를 제공한다. 웰 구조물들은 홀을 형성하도록 4개 이상의 벽들(또는 둥근 홀인 경우 하나의 벽)을 가질 수 있다. 또한 웰 구조물은 게이트(gated), 트리오드 구조물들로서 이용될 수 있으며, 여기서 그리드 전극들은 CNT 증착에 앞서 절연체의 상부에 증착되거나(도 1(B)에 도시됨), 또는 웰들에 CNT가 증착된 이후 금속 그리드가 그 위에 장착된다(도 1(C)에 도시됨). 금속 그리드는 도 1(C)에 도시된 것처럼, 웰 구조물 내부에 배치되는 CNT 물질로부터의 전류를 변조시키기 위해 사용될 수 있다. 두 개의 실시예(도 1(B) 및 도 1(C))는 웰 구조물 내부에 CNT 물질을 요구한다. 각각의 웰은 개별 픽셀 또는 서브-픽셀에 해당할 수 있다. 소정의 경우, 일부 웰 구조물들은 서로 픽셀 또는 서브-픽셀의 일부일 수 있다.

웰 구조물들은 스크린 또는 스텐실 프린팅과 같이, 저-해상도 분야들에 대한 후막 프로세스를 이용하여, 또는 고-해상도 웰 구조물들에 대한 박막 프로세스를 이용하여 마련될 수 있다. 캐소드 전극들은 스크린-프린팅을 이용하여 프린트된다. 또한 도전성 캐소드 전극은 기판 상에 패터닝될 수 있다. 전극 라인들은 기술상 이용가능한 다수의 기술들(예를 들어, 증발, 스퍼터, CVD 등)을 이용하여 기판 상에 증착된 전도성 금속의 박막으로부터 패턴을 에칭함으로써 한정될 수 있다. 에칭 패턴은 몇가지 리소그래피 기술들(예를 들어, 광학적 리소그래피, e-빔 리소그래피, 엠보싱 등)중 하나를 이용하여 한정된다. DuPont Fodel^TM과 같은 광-활성 페이스트들이 캐소드 전극을 형성하는데 이용될 수 있다. 절연체층은 스크린-프린팅을 이용하여 프린트될 수 있다. 웰 구조물의 벽들은 디스펜싱(잉크-젯 프린팅 포함) 기술들을 이용하여 프린트되거나, 또는 플라즈마 디스플레이 산업에서 통상적으로 이용되는 샌드(sand) 또는 비드(bead) 블라스팅 기술들에 의해 형성될 수 있다. DuPont Fodel^TM과 같은 광-활성 페이스트들은 절연체 벽 구조물을 형성하는데 이용될 수 있다. 도 2(A) 및 도 2(B)는 웰 구조물의 제조를 나타낸다. 다수의 물질들이 절연성 물질들(이를 테면 글래스 및 세라믹들), 반도체성 물질들(이를 테면 Si) 모두, 또는 도전성 물질들(이를 테면, 금속 시트들 또는 포일들, 순수한 금속들 또는 금속 합금들중 하나), 또는 이들 물질들의 조합을 포함하는 기판들에 대해 이용될 수 있다. 저비용 글래스 기판들이 플랫 패널 디스플레이 분야들에 이용될 수 있다.

디스펜싱, 잉크-젯 프린팅, 스크린-프린팅, 딥핑(dipping), 페인팅, 브러싱, 스프레잉 및 스핀 코팅과 같이 다양한 방법들이 CNT 잉크 또는 페이스트 합성물로 웰 구조물을 채우는데 이용될 수 있다. 다른 잉크들과는 달리, 탄소 나노튜브(CNT) 잉크는 실크-스크린 프린팅에 사용되는 표준 폴리머-기반 고-다공성(high-porosity) 메쉬 스크린의 구멍들(pores)을 막을 수 있다. 구멍들 및 메쉬 실크의 접합부에서 막힌 CNT 잉크 물질은 세척이 어렵다. 이는 도 8에 도시된 것처럼, CNT 잉크들의 프린팅에서의 불균일성 문제를 생성한다. 도 8은 120×600㎛²의 스크린 개구를 가지는 메쉬 스크린의 디지털 사진을 나타낸다. 상기 사진은 메쉬 스크린의 픽셀형(pixelized) 개구들에서 관찰되는 불균일한 구멍들을 나타낸다. CNT 잉크 물질들은 메쉬 스크린의 표면 및 모서리들에 부착되어 세정이 어렵다. 막힘 문제는 열악한 제조 수율을 유도하여 CNT 증착 비용을 증가시킨다.

본 발명의 실시예들에 따른 스텐실 스크린들은 산성, 염기성 또는 유기성 솔 벤트들을 이용하는 습식 에칭을 이용하여, 또는 레이저 에칭에 의해, 또는 전기-형성/도금 방법들에 의해 형성된다. 커다른 개구들(30㎛ 내지 200㎛)을 갖는 스텐실 스크린에 대해, CNT 잉크들에 대한 막힘 문제는 없다. 도 9A 및 도 9B를 참조로, 스텐실 스크린들은 에칭된 개구들(902)의 패턴을 갖는 30㎛ 내지 150㎛ 두께의 스테인레스 스틸 시트(901)를 포함할 수 있다. 다른 금속, 절연성, 반도체성 또는 폴리머 물질들이 사용될 수도 있다. 금속 포일들 상에 폴리머들(예를 들어, 테플론)의 코팅들도 이용될 수 있다.

픽셀형 CNT 캐소드들의 물리적인 크기 균일성은 도 10A에 도시된 것처럼, 스텐실 스크린을 이용한 프린팅에 의해 달성된다. 도 10A는 스텐실 스크린을 통해 프린트된 CNT-잉크를 이용하여 패터닝되고 웰이 한정된(well-defined) CNT 캐소드를 나타낸다. 도 10B는 메쉬 스크린을 통해 프린트된 CNT-잉크를 나타낸다. 도 11은 다이오드 구성에서 테스트되며, 스텐실 프린팅 기술들을 이용하여 형성된 캐소드의 웰이 한정된 픽셀(250×70㎛²)을 갖는 매우 균일한 FE 이미지의 디지털 사진이다. 이러한 샘플은 하기 샘플 2에서 개시되는 CNT-잉크 2의 레시피를 이용하여 형성된다.

도 12A-12C는 캐소드 기판 상의 스텐실 마스크(1204)의 배치 및 정렬을 나타낸다. 캐소드 기판(1201)은 캐소드 전극층(1202) 및 절연 스페이서층(1203)과 같은 피쳐들과 함께 도시되었지만, 이러한 프로세스는 CNT 잉크 또는 페이스트(1205)가 분배를 위해 요구되는 경우, 캐소드 상의 피쳐들과 마스크(1204)의 피쳐들이 정 렬되는 한 캐소드의 정확한 구성과 관련되지 않는다. CNT 잉크 또는 페이스트(1205)는 스크린 프린팅 기계 또는 유사한 프로세스를 이용하여 스텐실(1204)의 개구들을 통해 프린트된다.

도 12A에 도시된 것처럼 웰-구조를 갖는 기판(1201) 상에 스텐실 스크린(1204)을 이용하여 프린트하기 위해, 씨너(테르피놀(terpinol))라 불리는 유기 물질이 본 발명에 개시되는 CNT 잉크들 또는 페이스트들(1205)의 점도를 조절하기 위해 이용될 수 있다. CNT 잉크의 점도는 8000CP 내지 100,000CP(센티포아즈 (centipoise))일 수 있다. 도 12B는 CNT 잉크(1205)가 스텐실 스크린(1204)의 개구들을 통해 웰 구조들로 분배될 수 있다는 것을 나타낸다. CNT 잉크 또는 페이스트(1205)의 적절한 점도는 도 12C에 도시되는 것처럼, 베이킹(baking) 및 파이어링(firing) 동안 증착된 패치(patch)의 자체-평탄화 프로세스의 결과로써, 스텐실 마스크(1204) 개구들을 통해 분배되는 CNT 잉크 또는 페이스트(1205)(도 12C)의 패치의 두께 및 크기를 제어한다. 자체-평탄화 프로세스는 CNT 캐소드(1205)(패치)의 두께가 매우 균일해지게 한다. 이러한 평탄 균일성은 전계 방출 이미지의 균일성과 상관된다. 대부분의 결합 유기 물질들 및 솔벤트가 태워 없어지는 지점에 대한 파이어링 이후, CNT 캐소드(1205)의 최종 두께는 2~15㎛일 수 있다.

스텐실 스크린의 장점들 :

1)메쉬 스크린은 개별 개구들에 작고 불균일한 구멍을 가지며 이는 메쉬 실크의 접합부들상에서의 막힘 문제를 유도하며 프린트된 CNT 캐소들에서 결함을 생성한다. 스텐실 스크린은 스트레이트 에지(straight edge) 및 큰 개구들로 인해 쉽게 세정된다.

2) 스텐실 스크린을 이용하여, 메쉬 스크린을 이용하여 얻어지는 것보다 더 나은 물리적 크기 균일성 및 픽셀들의 선명도(definition)가 얻어진다.

3) 메쉬 스크린은 통상적으로 다수의 프린팅 이후 긁히고 변형되기 때문에 정렬(alignment)은 메쉬 스크린을 이용한 픽셀형 CNT 캐소드들에 대해 문제시된다. 그러나, 금속 시트로 구성된 스텐실 스크린은 실크-메쉬 스크린 보다 강하며 매우 작은 긁힘을 갖는다. 따라서, 스텐실 스크린은 메쉬 스크린 보다 더욱 신뢰성이 있고 보다 일정한 프린트를 형성할 수 있다.

디스펜싱 또는 잉크-젯 프린팅 기술들을 이용하는 경우, 디스펜싱 헤드는 기판을 기준으로 이동하며 보다 많은 물질을 증착하기 위해 다음 점으로 이동하기 이전에 컴퓨터 프로그램을 사용하여 잉크 또는 페이스트의 하나 이상의 방울을 분배하는 위치에 배치된다(도 3A 참조). 다른 분배기 또는 잉크-젯 분배기들이 사용될 수 있지만, 하기 설명에서는 뮤사시 SHOT mini^TM이 이용된다. 이용되는 분배기의 모델 및 형태에 따라, 포뮬레이션(formulations) 조절이 요구될 수 있다. 일단 유체 CNT-잉크가 웰 구조물에 배치되면, 웨팅(wetting) 프로세스를 통해 웰 구조의 바닥이 완전히 커버될 수 있다(도 3B 참조). 잉크 또는 페이스트의 건조 또는 경화 이후, CNT들은 픽셀의 벽에 남는다(도 3C 참조).

이러한 프로세스는 사용되는 CNT 잉크 물질에 따라, 가열 또는 UV(자외선) 경화 단계들을 요구할 수 있다. 결과적으로, CNT들은 웰 구조 내부에 포함된다. 프린팅 또는 디스펜싱 기술들을 사용하여 또는 샌드 또는 브드 블라스팅 프로세스들을 이용하여 웰 구조를 매우 정확하게 만드는 것이 가능하다. 웰 구조들이 정확히 형성되는 경우, 개시된 프로세스를 이용하여 각각의 픽셀에 대한 균일한 CNT 증착이 산출된다. 또한 웰 구조는 불균일한 성능을 유도할 수 있는 에지 방출 문제를 효과적으로 해결한다. 웰들의 형상은 각각의 픽셀 또는 서브-픽셀에 대한 CNT 캐소드의 형상 및 유효 방출 영역을 한정할 수 있다.

균일하게 웰들을 채우는데 있어, 균일한 CNT-잉크 또는 CNT-페이스트 마련 및 웰의 잉크 또는 페이스트 용량 제어는 중요한 요인이다. CNT 잉크 또는 페이스트의 친수성 또는 물밀침성 및 기판의 표면 또는 웰 구조로 인해, CNT들은 도 4A 및 4B에 도시된 것처럼 상이한 형상들의 웰들을 따를 수 있다. 도 5는 본 발명에 개시된 웰-형성 프로세스들로 구성된 진공-밀봉 CNT 전계 방출 디스플레이를 나타낸다. 측벽 스페이서(벽 스페이서) 및 내부 스페이서들은 진공 밀봉 디스플레이가 배기된 이후에 애노드 플레이트(형광체 스크린)과 캐소드 플레이트 사이에 갭을 보유한다. 양호한 전계 방출 특성을 가지는 상이한 CNT-기반 잉크들이 본 발명의 프로세스(들)에 따라 전개된다. 분배기, 잉크젯 프린터, 스크린-프린터 및 이와 유사한것 및 이들의 조합물이 비교적 정확한 용량의 CNT-잉크로 웰들을 채우는데 이용될 수 있다.

CNT 잉크가 캐소드 구조물을 형성하도록 증착된 이후, CNT 잉크를 손상시킬 수 있는 희생층들의 제거와 같은 추가적인 증착후(post-deposition) 프로세스들이 수행되지 않는다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 이러한 희생층들은 미국 특허 No.6,705,910호에 개시된 프로세스에서 중요하다. CNT 잉크에 대한 이러한 손상은 전계 방출 능력에 악영향을 미칠 수 있다.

픽셀들의 웰들에 CNT-잉크를 채우는데 적합한 수단의 예로는, 제한되지는 않지만, 디스펜싱, 잉크젯 프린팅, 스크린-프린팅, 스핀-온 코팅, 브러싱, 딥핑 및 이와 유사한 것 및 이들의 조합이 포함된다.

하기 예들은 본 발명을 설명하기 위해 제시되는 것으로 본 발명의 범주를 과도하게 제한하고자 구성된 것은 아니다. 하기에서는 본 발명의 프로세스에 따라 이용될 수 있는 CNT-잉크의 샘플 포뮬레이션, 및 다양한 포뮬레이션들로 얻어지는 전계 방출 특성이 도시된다.

샘플 1(CNT-잉크 1) :

1) 물질들의 소스 : 단일 벽 탄소 나노튜브(SWNT)들은 켄터키,렝싱턴, 카보렉스 인크로부터 얻어진다. SWNT들은 1nm(나노미터) 내지 2nm 범위의 직경 및 5㎛(마이크로미터) 내지 20㎛ 범위의 길이이다. 다른 제조자들로부터 다른 방법들에 의해 마련되는 단일 벽, 이중-벽, 또는 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT)들이 유사한 결과로 이용될 수 있다.

마련되는 합성물의 다른 성분들은 무기 접착 물질에 포함된다. 이러한 무기 접착 물질은 Al₂O₃ 입자들, 물, 및 무기 접착제들의 혼합물로, Resbond 989란 명칭/식별자으로 뉴욕 브루클린 코트로닉스 코포레이션으로부터 입수가능하다. 다른 입자들을 포함하는 합성물, 이를 테면 SiO₂가 이용될 수도 있다. 이러한 입자들은 절연성, 도전성 또는 반도체성일 수 있다. 입자 크기는 50㎛ 미만일 수 있다. Resbon 989의 캐리어는 물인 것으로 여겨지나, 다른 캐리어 물질이 이용될 수 있으며 이들은 유기성 또는 무기성일 수도 있다. 이러한 물질의 다른 특성들을 조장하는 다른 물질들, 이를 테면 결합제들(예를 들어, 알카리 실리케이트 또는 포스페이트들)이 소량의 합성물에 제공될 수 있다.

2) Resbond 989와 탄소 나노튜브들의 혼합물 마련 및 기판 상에 증착 :

혼합물의 연마(grinding):

1 그램의 양의 CNT 파우더들(40wt.%) 및 1.5 그램 양의 Resbond(60wt.%)가 모르타르에 함께 제공된다. 혼합물은 CNT들 및 Al₂O₃ 입자들이 서로 분리되지 않는다는 것을 나타내는 겔처럼 보이도록 적어도 30분(half an hour) 동안 페스틀(pestle)을 사용하여 그라운딩된다. CNT 대 Resbond의 상이한 중량 비율이 이용될 수 있다는 것을 주지해야 한다. 부가적으로, 물 또는 다른 캐리어 물질들이 점도를 조절하기 위해 혼합물을 희석시키기 위해 첨가될 수 있다. 다음 혼합물이 기판 상에서의 증착을 위해 마련된다.

기판 상에 혼합물 도포 및 경화:

무샤시-제조 분배기(모델: SHOT mini^TM)가 웰 구조물에 CNT 잉크 혼합물을 증착하는데 이용된다. 잉크-젯 방안을 포함하는 다른 분배기 기계가 이용될 수 있다. CNT 물질은 분배 헤드 및/또는 기판을 서로를 기준으로 이동시키고 예정된 지 점에 물질의 도트를 분배함으로써 웰 구조물들 각각에 위치된다. 다음 기판은 10분 동안 공기중에서 실온으로 건조되나, 보다 빨리 물기를 제거하기 위해 증가된 온도(약 100℃ 이상)로 오븐에서 건조(경화)될 수도 있다. 솔벤트가 유기성 물질을 포함한다면, 물질을 제거하기 위해 보다 높은 온도가 설정될 수 있다. 예를 들면, 에폭시를 제거하기 위해 300℃에 이르는 온도가 설정될 수 있다. 오븐 또는 경화 용기는 오븐 밖으로 공기를 배기시키고 건조/경화 프로세스 동안 오븐 내부에 진공을 형성하기 위해 진공 펌프를 포함할 수 있다. 또한 오븐 또는 오븐 경화 용기는 경화 또는 건조를 보다 조장하기 위해 샘플 부근에 가스 환경 또는 흐름을 제공할 수 있다. 이러한 가스 환경 또는 흐름은 부분적으로 또는 완전히 희가스들 또는 질소와 같은 불활성 가스들로부터 이루어질 수 있다. 자외선 또는 적외선들이 경화 프로세스를 돕기 위해 이용될 수도 있다. 표면 활성화 프로세스(미국 특허 출원 No. 10/269,577호 참조)는 전계 방출 특성을 개선시키기 위해 CNT 캐소드들에 적용된다.

3) 샘플들은 전계 방출 테스트들을 위해 마련된다.

샘플 2(CNT-잉크 2)

1) 일진 나노테크 코포레이션., 리미티드로부터 0.9 그램 양의 정제되지 않은 단일-벽 CNT들, 5.7 그램 양의 매체 유기체(에틸셀룰로오스, 2-(2-부톡시에톡시) 에틸 아세테이트, 및 2-(2-부톡시에톡시) 에탄올 포함), 및 0.5 그램의 글래스 프릿(glass frit)이 부가되고 페스틀을 이용하여 30분 동안 모르타르에서 그라운딩 된다. 단일 벽, 이중 벽 또는 다중벽 CNT 물질들이 이용될 수도 있고 다른 업자들로부터의 CNT 물질들이 이용될 수도 있다.

2) 다음 2mL 양의 씨너(테르피놀)이 모르타르에 첨가된다. 또한 다른 유기 물질들이 CNT 잉크의 점도를 조절하는데 이용될 수도 있다.

3) 다음 형성되는 혼합물이 모르타르에서 30분 동안 손으로 그라운딩된다.

4) 모르타르에서 혼합물이 연마된 후, 3-롤 밀이 형성되는 페이스트를 보다 혼합하기 위해 또 다른 30분 동안 즉시 이용된다. 이러한 프로세스는 형성되는 페이스트(CNT-잉크 2)에서 일정한 점도를 제공하고 혼합물 성분들을 균일하게 분산시키기 위해 이용된다.

5) 다음 형성되는 CNT-잉크 2가 분배기(무샤시 SHOT mini^TM)에 설치된 주사기에 부가되어 사용이 준비된다.

디스펜싱 프로세스

하기에는 본 발명의 CNT-잉크의 디스펜싱 프로세스가 개시된다.

1) CNT-잉크 및 CNT-잉크를 포함하는 도트들이 일정하게 분배될 수 있는지 여부를 결정하기 위해, 본 발명의 CNT-잉크의 증착이 요구되는 기판과 동일한 두께를 갖는 기준 기판이 이용된다.

2) CNT-잉크를 포함하는 분배된 물질의 스팟의 크기는 점도, 분배기의 노즐 크기, 및 노즐과 기판 사이의 간격(갭)과 관련된다. 노즐 개구가 작을수록 노즐과 기판 사이의 갭의 변수는 보다 민감해진다.

3) 분배기는 적절한 위치(들)로 기판 위치를 조절하고 바람직한 정렬을 제공하도록 프로그램된다.

4) 다양한 프로그램들이 웰들을 채우기 위해 상이한 도트 패턴들에 대해 사용된다.

5) CNT-잉크의 분배 용량은 예를 들어, 공기압, 간격, 석백(suck-back) 진공, 분배 물질의 점도 및 노즐 개구의 크기에 의해 조절될 수 있다. 분배 물질들의 간격 및 점도는 일정한 분배를 위해 가장 중요한 파라미터들이며 이는 다른 파라미터들은 제어가 비교적 쉽기 때문이다. 간격 제어는 기판 평탄 정도 그리고 X-Y 테이블의 레벨링과 관련되며 또한 차고(height) 센서에 의해 정확히 제어될 수 있다.

파이어링 ( firing ) 프로세스

하기에서는 본 발명의 CNT 캐소드로부터 유기 물질을 제거하기 위해 제공되는 본 발명의 파이어링 프로세스를 개시한다. 웰들이 채워진 후, CNT 캐소드의 유기 물질들을 제거하기 위해 파이어링 프로세스가 요구된다.

1) 본 발명의 CNT-잉크를 포함하는 기판이 공기중에서 10분 동안 100℃의 온도의 오븐에서 베이킹(baking) 처리된다.

2) 베이킹 이후, 기판은 파이어링을 위해 또 다른 질소-흐름 오븐에 배치된다. 먼저, 온도는 질소가 흐리지 않는 상태에서 315℃로 서서히 증가되며(180℃ /hour의 속도) 10분 동안 315℃에서 유지된다. 질소 가스 흐름은 310℃에서 턴온된다. 유량은 3ft³/hr이다.

3) 다음, 온도는 450℃로 (180℃/hour와 동일한 램프 속도로) 증가되며 10분 동안 450℃에서 파이어링된다.

4) 온도는 실온으로 (180℃/hour와 동일한 램프 속도로) 서서히 감소된다, 즉, 기판은 실온 보다 차갑다.

샘플 3(CNT-잉크 3)

1) 0.2 그램 양의 CNT들(일진 나노테크 코포레이션 리미티드로부터 입수됨, 단일-벽, 비정제)이 마이크로밸런스를 사용하여 가중되며 단지(jar)에 제공된다. 단일 벽, 이중 벽 또는 다중벽 CNT 물질들이 사용될 수 있으며 다른 업자들로부터의 CNT 물질들이 이용될 수도 있다.

2) 0.2 그램 양의 알루미늄 산화물 나노입자들이 다음 단지에 첨가된다. 입자들의 크기는 0.01-0.02㎛ 범위이다.

3) 다음 5mL 양의 씨너(테르피놀)이 첨가된다. CNT 잉크의 점도를 조절하기 위해 다른 유기 물질이 사용될 수도 있다.

4) 교반기(stirrer)를 이용하여, CNT들, 알루미늄 산화물 나노입자들, 및 테르피놀의 혼합물이 3시간 동안 교반된다.

5) 교반 이후, 혼합물 성분을 균일하게 분산시키고 형성되는 혼합물(CNT-잉 크 3)의 일정한 점도를 제공하기 위해 30분 동안 형성되는 잉크를 보다 혼합시키기 위해 즉시 3-롤 밀이 이용된다.

6) 다음 형성되는 CNT-잉크 3이 분배기(무샤시 SHOT mini^TM)에 설치된 주사기에 부가되어 사용이 준비된다.

베이킹 ( baking ) 프로세스

CNT-잉크 3과 같은 CNT-잉크를 분배함으로써 형성된 캐소드는 공기중에서 30분 동안 230℃로 오븐에서 베이킹된다. 씨너는 임의의 잔류물 또는 찌꺼기들을 없이 230℃로 증발될 수 있다.

샘플 4(CNT-잉크 4)

1) 0.2 그램 양의 CNT들이 마이크로밸런스를 이용하여 가중되며 단지에 제공된다.

2) 다음 0.2 그램 양의 알루미늄 산화물 나노입자들이 단지에 첨가된다. 입자들의 크기 범위는 0.01-0.02㎛이다.

3) 다음 5mL 양의 씨너(테르피놀)가 단지에 첨가된다. CNT 잉크의 점도를 조절하기 위해 다른 유기 물질들이 이용될 수 있다.

4) 1mL 양의 Kasil

2135가 단지에 첨가된다. Kasil은 기판에 대한 잉크 접착을 강화시키는데 이용된다. 칼륨 실리케이트와 같은 다른 무기 물질이 사용될 수 있다.

5) 교반기를 이용하여, CNT들, 알루미늄 산화물 나노입자들, Kasil 및 씨너 혼합물이 3시간 동안 교반된다.

6) 교반 이후, 혼합물 성분들을 균일하게 분산시키고 형성되는 혼합물(CNT-잉크 4)의 일정한 점도를 제공하기 위해 30분 동안 형성되는 잉크를 보다 혼합시키기 위해 3-롤 밀러가 즉시 이용된다.

7) 형성되는 CNT-잉크 4가 스크린-프린팅에 사용되도록 준비된다.

베이킹 프로세스

스크린 프린팅에 의해 형성된 CNT 캐소드는 공기중에서 30분 동안 100-300℃로 오븐에서 베이킹된다. 베이킹 이후, 일반적으로 캐소드에는 무기 물질들만이 남게된다.

전계 방출 결과

본 발명의 상이한 CNT-잉크들로 마련된 캐소드들은 도 6A에 도시된 다이오드 구성을 이용하여 테스트된다. 캐소드와 애노드 간의 스페이서 두께는 약 0.5mm이다. 애노드는 형광체(phosphor)로 코팅된 ITO 글래스이다. CNT-잉크 2에 대해 본 발명에 개시된 프로세스를 이용하여 웰 구조물을 채움으로써 형성된 캐소드(CNT-잉크 2)로부터의 전계 방출 이미지가 도 6B에 도시된다. 샘플에는 22개의 픽셀이 있다. 도 7은 앞서 개시된 것처럼 마련된 상이한 CNT-잉크들에 의해 형성된 다양한 캐소드들로부터의 I-V 곡선들을 나타낸다.

요약하면, CNT-잉크는 제한되는 것은 아니지만, 디스펜셍 또는 스크린-프린팅 방법들과 같은 방법들을 사용하여 픽셀들의 웰들을 채우는데 이용된다. 이러한 자체-채움 프로세스를 이용하여, 개별 픽셀들 또는 서브-픽셀들 위에 균일한 캐소드가 얻어질 수 있다. 또한, 에지-방출은 감소 또는 소거될 수 있다.

본 발명 및 본 발명의 장점들이 상세히 설명되었지만, 첨부되는 특허청구항들에 의해 한정되는 본 발명의 사상 및 개념을 이탈하지 않고 다양한 변화, 대체 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims

전계 방출 캐소드 제조 프로세스로서,

내부에 홀들이 있는 스텐실을 기판 상에 위치시키는 단계; 및

스텐실 홀들에 의해 한정된 패턴으로 상기 홀들을 통해 상기 기판 상에 CNT 혼합물을 증착하는 단계

를 포함하는 전계 방출 캐소드 제조 프로세스.
제 1 항에 있어서,

상기 CNT 혼합물은 CNT 잉크인 것을 특징으로 하는 전계 방출 캐소드 제조 프로세스.
제 1 항에 있어서,

상기 CNT 혼합물은 CNT 페이스트인 것을 특징으로 하는 전계 방출 캐소드 제조 프로세스.
제 1 항에 있어서,

상기 증착 단계이후 상기 스텐실을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 캐소드 제조 프로세스.