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KR100480773B1 - 카본 나노 튜브를 이용한 3극 전계방출소자의 제작방법 - Google Patents

카본 나노 튜브를 이용한 3극 전계방출소자의 제작방법 Download PDF

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KR100480773B1
KR100480773B1 KR10-2000-0000668A KR20000000668A KR100480773B1 KR 100480773 B1 KR100480773 B1 KR 100480773B1 KR 20000000668 A KR20000000668 A KR 20000000668A KR 100480773 B1 KR100480773 B1 KR 100480773B1
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carbon nanotubes
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catalyst
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이내성
최용수
김종민
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 전자 방출 특성이 우수한 카본 나노 튜브(carbon nanotube)를 이용한 3극 전계 방출 표시소자의 제조 방법(Method for fabricating Triode- structure Field emission display using carbon nanotube)을 기재한다. 본 발명에 따른 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법은, 음극 상에 베이스층을 형성하거나 하지않은 상태에서 촉매층을 형성하고, 스핀트법으로 촉매층 위에 카본나노튜브를 성장시키는 방법으로서 마이크로 공동 외부의 촉매층 상에는 비반응층을 형성하여 마이크로 공동 내부의 촉매층 위에만 카본나노튜브가 성장되도록 함으로써 분리층을 식각하여 제거하는 경우에도 외부의 카본나노튜브 존재하지 않음으로서 마이크로 공동 내로 흘러드는 일이 일어나지 않는다.

Description

카본 나노 튜브를 이용한 3극 전계방출소자의 제작방법{Method for fabricating triode-structure carbon nanotube field emitter array}
본 발명은 전자 방출 특성이 우수한 카본 나노 튜브(carbon nanotube)를 이용한 3극 전계 방출 표시소자의 제조 방법(Method for fabricating Triode- structure Field emission display using carbon nanotube)에 관한 것이다.
기존의 전계 방출 표시소자(field emission dispay; FED)에서는 주로 Mo등 금속이나 Si등의 반도체 물질로 만들어진 스핀트(Spind't)형 전계 방출 어레이(field emitter array; FEA), 즉 일정한 간격으로 배열된 마이크로팁에 게이트를 이용하여 강한 전기장을 걸어 줌으로써 마이크로팁으로부터 전자를 방출시킨다. 이렇게 방출된 전자는 수백 내지 수천 볼트(volt)의 전압이 걸려 있는 양극(anode)으로 가속되어 양극에 도포되어 있는 형광체와 충돌하므로서 빛을 발하게 된다. 이러한 기존의 방식의 전계 방출 표시소자의 마이크로팁에 사용되는 금속이나 반도체 물질은 일함수가 크기 때문에 전자방출을 위한 게이트 전압이 상당히 높아야 하고, 진공중의 잔류 가스 입자들이 전자들과 충돌하여 이온화되고 이들 가스 이온들이 마이크로팁들을 때림(bombard)으로써 마이크로팁에 손상(damage)를 주게 되므로 이 전자방출원으로서의 마이크로팁이 파괴되기도 한다. 또한 전자에 의해 충돌된 형광체 입자가 떨어져나와 마이크로팁을 오염시키므로 전자방출원의 성능을 저하시키기도 한다. 이러한 일련의 문제점들은 FEA의 성능과 수명을 저하시키기도 한다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 기존의 금속이나 반도체 물질 대신 전자 방출 전압이 낮고 화학적 안정성이 뛰어난 카본 나노 튜브(carbon nanotube)를 이용하여 마이크로팁을 제조하면 FEA의 성능과 수명을 향상시킬 수 있다.
카본나노튜브(Carbon nanotube)를 증착하는 기술로는 현재 아크 방전(arc discharge), 레이저 용발(laser ablation) 등이 가장 보편적으로 사용되고 있으나 이러한 방법은 낮은 가격으로 카본나노튜브를 대량 생산하는데 문제가 있을 뿐 만 아니라 구조제어(structure control)도 어려운 문제점이 있다. 최근들어 이러한 문제점을 극복하기 위한 방법으로 기상 증착법이 개발되고 있으며 이러한 방법에는 열화학기상증착(thermal CVD)(Appl. Phys. Lett. 67, 2477 (1995)), MPECVD(Appl. Phys. Lett. 72, 3437 (1998)), 이온빔 방사(ion beam irradiation)(Appl. Phys. Lett. 69, 4174 (1996)) 등이 있다.
전자 방출원 재료로 각광을 받아온 다이아몬드 막(diamond film)의 전자 방출 전계가 대략 10V/μm정도인데 비하여 카본나노튜브는 1V/μm 이하의 전계에서도 전자가 쉽게 방출되는 특성을 가지고 있어 차세대 전자 방출원 재료로 각광을 받고 있다.
도 1은 기존의 카본나노튜브를 이용한 전계 방출 표시 소자의 개략적 구조를 보여주는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 기존의 카본나노튜브를 이용한 전계 방출 소자는 일정한 간격으로 서로 대향되게 배치된 전면기판(11) 및 배면기판(16), 이 두 기판 사이의 대향면 상에 각각 형성된 양극(12) 및 음극(15), 그리고 양극(12) 상에 도포된 형광체(13)와 음극(15) 상에 도포된 카본나노튜브(14)를 구비하는 2극 구조를 갖는다.
이러한 카본나노튜브를 이용한 전계 방출 표시 소자를 제작함에 있어서, 문제는 카본나노튜브를 제어할 수 있는 방법을 사용하여 대면적에 낮은 가격으로 증착하는 것이다. 이러한 목적을 위해서는 기상증착법을 사용하여야 할 것으로 판단된다. 기상증착법에서도 아크 방전(arc discharge)이나 레이저 용발(laser ablation)법과 마찬가지로 Ni, Fe 등의 천이 금속(transition metal)이나 CoSi2 등의 실리사이드(silicide)를 촉매로 사용하고 있다. 아직까지는 어떤 패터닝된 구조 위가 아니라 위의 2극 구조나 다를 바 없는 랜덤(random)한 형태로 카본나노튜브를 증착하고 있는 실정이다. 이러한 2극 구조는 절연층이나 게이트와 같은 3극 구조의 적층들이 구비될 필요가 없으므로 기상증착법으로 쉽게 제작할 수 있다. 그러나 이와 같이 단순한 2극 구조로는 방출전자를 제어하는데 어려움이 따르므로 표시소자로서의 기능을 원활히 수행하기는 어렵다.
이러한 제어된 구조의 카본나노튜브를 이용한 전계 에미터(field emitter)로는 미국특허 US 5,773,834호에 기재되어 있는 것이 유일하다. 이 특허에서는 게이트 전극으로 그물(net) 형태의 그리드(grid)를 사용하고 있는 3극 구조로서 방출전자를 어느 정도 제어할 수 있을지 모르나 기상증착법으로 쉽게 제작할 수 있는 구조는 아니다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 카본나노튜브를 스핀트 공정(Spind't process)을 응용하여 카본나노튜브로 전자 방출원을 제작할 수 있는 카본나노튜브를 이용한 3극(tirode) 전자방출소자의 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 카본나노튜브를 이용한 3극 전자 방출 소자의 제작 방법은, (가) 배면 유리 기판 상에 음극, 절연층 및 게이트가 순차로 형성되고, 상기 게이트에 개구부가 형성되며, 상기 절연층에 상기 개구부에 대응하는 마이크로 공동이 형성된 구조의 상기 게이트 상에 경사 증착을 행하여 분리층을 형성하는 단계; (나) 카본나노튜브 성장의 촉매역할을 하는 촉매층을 형성하는 단계; (다) 상기 마이크로 공동 내의 촉매층에만 카본나노튜브가 형성되도록 하는 비반응층을 상기 분리층 위에 형성된 촉매층 상에 경사 증착을 행하여 형성하는 단계; (라) 상기 마이크로 공동 내의 촉매층 상에 카본나노튜브를 성장시키는 단계; 및 (마) 상기 분리층과, 그 위의 촉매층 및 분리층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 절연층은 SiO2 혹은 Si3N4 를 5~10μm 두께로 증착하여 형성하고, 상기 개구부는 5~10μm 의 직경으로 형성하고, 상기 (나) 단계에서 상기 촉매층은 Ni 혹은 Co를 증착하여 형성하며, 상기 (다) 단계에서 상기 비반응층은 Cr, W, Al, Mo, Si 중 적어도 어느한 물질로 형성하며, 상기 (라) 단계에서 상기 카본나노튜브는 아크 방전법(arc discharge method) 혹은 CVD법으로 성장시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 카본나노튜브를 이용한 3극 전자 방출 소자의 제작 방법은, (가) 배면 유리 기판 상에 음극, 절연층 및 게이트가 순차로 형성되고, 상기 게이트에 개구부가 형성되며, 상기 절연층에 상기 개구부에 대응하는 마이크로 공동이 형성된 구조의 상기 게이트 상에 경사 증착을 행하여 분리층을 형성하는 단계; (나) 상기 마이크로 공동 내의 음극 상에 경사 증착을 행하여 평두형의 원뿔대 모양의 베이스층을 형성하는 단계; (다) 카본나노튜브 성장의 촉매역할을 하는 촉매층을 형성하는 단계; (라) 상기 베이스층 위의 촉매층에만 카본나노튜브가 형성되도록 하는 비반응층을 상기 분리층 위에 형성된 촉매층 상에 경사 증착을 행하여 형성하는 단계; (마) 상기 베이스층 위의 촉매층 상에 카본나노튜브를 성장시키는 단계; 및 (바) 상기 분리층과, 그 위의 촉매층 및 분리층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 절연층은 SiO2 혹은 Si3N4 를 5~10μm 두께로 증착하여 형성하고, 상기 개구부는 5~10μm 의 직경으로 형성하며, 상기 (나) 단계에서 상기 베이스층은 Au, Pt, Nb 중 적어도 어느 한 물질로 형성하며, 상기 (다) 단계에서 상기 촉매층은 Ni 혹은 Co를 증착하여 형성하며, 상기 (라) 단계에서 상기 비반응층은 Cr, W, Al, Mo, Si 중 적어도 어느한 물질로 형성하며, 상기 (마) 단계에서 상기 카본나노튜브는 아크 방전법(arc discharge method) 혹은 CVD법으로 성장시키는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 카본나노튜브를 이용한 3극 전자 방출 소자의 제작 방법을 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2a 내지 도 2e 및 도 3a 내지 도 3d를 참조하면서 제1실시예의 제작 방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 2a에 도시된 바와 같이, 배면 유리 기판(1) 위에 투명전극이나 금속 등을 이용하여 음극(cathode)(2)을 형성한다. 다음에, 도 2b에 도시된 바와 같이, 음극(2) 위에 SiO2, Si3N4 등과 같은 절연물질을 5~10μm 두께로 증착하여 게이트(gate)(4)와 음극(cathode)(2)을 절연시키기 위한 절연층(3)을 형성하고, 그 위에 게이트(4)를 형성한다.
다음에, 도 2c에 도시된 바와 같이, 게이트(4) 상에 개구부(5)를 절연층 두께를 고려하여 약 5~10μm정도로 형성하고, 이 개구부(5)가 형성된 게이트(4)를 마스크로 하여, 도 2d에 도시된 바와 같이, 절연층(3)을 식각하여 마이크로 공동(micro cavity)(6)을 형성한다.
다음에, 도 2e에 도시된 바와 같이, 방향성을 갖는 증착 장비를 이용하여 경사 증착하여 분리층(희생층)(7)을 형성한다.
다음으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 카본나노튜브(carbon nanotube) 성장의 촉매역활을 하는 Ni, Co와 같은 물질을 수직으로 증착하여 촉매층(9, 9')을 형성한 다음에, 방향성을 갖는 증착 장비를 이용하여 경사 증착하여 공동(cavity)(6)내의 촉매층(9)을 제외한 나머지 부분의 촉매층(9')에는 카본나노튜브가 형성되지 않게 비반응층(non-reactive layer)(77)을 Cr, W, Al, Mo, Si 등의 물질을 이용하여 형성한다.
다음에, 아크 방전법(arc discharge method), CVD법 등을 이용하여 도 3c에 도시된 바와 같이 카본나노튜브(10)를 성장시킨다. 이 때 비반응층(77)의 성질 때문에 비반응층(77) 상에는 카본나노튜브가 성장하지 않는다. 이 상태에서 분리층(7)을 제거시키면, 마이크로 공동(6)의 외부에는 카본나노튜브가 존재하지 않으므로, 분리층(7)과 함께 홀 외부의 촉매층(9') 및 비반응층(77)이 제거되어 도 3d에 도시된 바와 같은 마이크로 공동(micro-cavity)(6) 내부에 자기정렬(self-align)된 카본나노튜브가 형성되어 3극 전계 방출 소자를 얻을 수 있다.
또한, 도 4a 내지 도 4e를 참조하면서 제2실시예의 제작 방법을 설명하면 다음과 같다.
제1실시예에서 언급한 공정에서 분리층(7)을 형성한 후, 카본나노튜브(10)와 음극(2)와의 원활한 전기적 접촉과 마이크로 공동(micro cavity)(6) 내에서의 좀 더 미세한 자기 정렬(self-alignment) 구조를 구현하기 위해 베이스층(base layer)(8, 8')을 Au, Pt, Nb와 같은 도전성이 좋은 물질을 이용하여 도 4a에 도시된 바와 같이 증착한다.
다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 카본나노튜브(carbon nanotube) 성장의 촉매역활을 하는 Ni, Co와 같은 물질을 수직으로 증착하여 베이스층(8, 8')위에 촉매층(9, 9')을 형성한다.
다음에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 방향성을 갖는 증착 장비를 이용하여 경사 증착하여 공동(cavity)(6)내의 촉매층(9)을 제외한 나머지 부분의 촉매층(9')에는 카본나노튜브가 형성되지 않게 비반응층(non-reactive layer)(77)을 Cr, W, Al, Mo, Si 등의 물질을 이용하여 형성한다.
다음에, 아크 방전법(arc discharge method), CVD법 등을 이용하여 도 4d에 도시된 바와 같이 카본나노튜브(10)를 성장시킨다. 이 상태에서 분리층(7)을 제거시키면, 분리층(7)과 함께 홀 외부의 베이스층(8')과 촉매층(9') 및 비반응층(77)이 제거되어 도 4e에 도시된 바와 같은 마이크로 공동(micro-cavity)(6) 내부에 자기정렬(self-align)된 카본나노튜브가 형성된다.
이러한 제조공정을 거쳐 얻은 3극 전계 방출 소자는 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트 전압(Vg) 및 양극 전압(Va)을 인가하면 안정된 3극(triode) 전류 전압 특성을 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법은, 음극 상에 베이스층을 형성하거나 하지않은 상태에서 촉매층을 형성하고, 스핀트법으로 촉매층 위에 카본나노튜브를 성장시키는 방법으로서 마이크로 공동 외부의 촉매층 상에는 비반응층을 형성하여 마이크로 공동 내부의 촉매층 위에만 카본나노튜브가 성장되도록 함으로써 분리층을 식각하여 제거하는 경우에도 외부의 카본나노튜브 존재하지 않음으로서 마이크로 공동 내로 흘러드는 일이 일어나지 않는다. 따라서, 생산 수율이 높아지는 동시에 생산 단가가 낮아지는 장점이 있다.
도 1은 기존의 카본 나노 튜브를 이용한 2극 전계 방출 소자의 개략적 수직 단면도,
도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 카본 나노 튜브를 이용한 3극 전계 방출소자의 제작 방법 중 마이크로 공동 형성 공정 까지를 보여주는 단면도들,
도 3a 내지 도3d는 본 발명에 따른 카본 나노 튜브를 이용한 3극 전계 방출소자의 제작 방법 중 제1실시예의 제작 공정을 나타내는 단면도,
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 카본 나노 튜브를 이용한 3극 전계 방출소자의 제작 방법 중 제2실시예의 제작 공정을 나타내는 단면도,
그리고 도 5는 제1실시예의 제작 공정 혹은 제2실시예의 제작 공정에 의해 제작된 카본나노튜브를 이용한 3극 카본 나노 튜브 전계 방출 소자를 구동하기 위한 계략적 결선도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 배면기판 2. 음극
3. 절연층 4. 게이트
5. 개구부 6. 마이크로 공동
7. 분리층 8, 8'. 베이스층
9, 9'. 촉매층 10. 카본나노튜브
77. 비반응층(non-reactive layer)
11. 전면 기판 12. 양극
13. 형광체층 14. 카본나노튜브
15. 음극 16. 배면 기판
17. 양극 전원

Claims (11)

  1. (가) 배면 유리 기판 상에 음극, 절연층 및 게이트가 순차로 형성되고, 상기 게이트에 개구부가 형성되며, 상기 절연층에 상기 개구부에 대응하는 마이크로 공동이 형성된 구조의 상기 게이트 상에 경사 증착을 행하여 분리층을 형성하는 단계;
    (나) 카본나노튜브 성장의 촉매역할을 하는 촉매층을 형성하는 단계;
    (다) 상기 마이크로 공동 내의 촉매층에만 카본나노튜브가 형성되도록 하는 비반응층을 상기 분리층 위에 형성된 촉매층 상에 경사 증착을 행하여 형성하는 단계;
    (라) 상기 마이크로 공동 내의 촉매층 상에 카본나노튜브를 성장시키는 단계; 및
    (마) 상기 분리층과, 그 위의 촉매층 및 분리층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서 상기 절연층은 SiO2 혹은 Si3N4 를 5~10μm 두께로 증착하여 형성하고, 상기 개구부는 5~10μm 의 직경으로 형성하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 상기 촉매층은 Ni 혹은 Co를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (다) 단계에서 상기 비반응층은 Cr, W, Al, Mo, Si 중 적어도 어느한 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (라) 단계에서 상기 카본나노튜브는 아크 방전법(arc discharge method) 혹은 CVD법으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  6. (가) 배면 유리 기판 상에 음극, 절연층 및 게이트가 순차로 형성되고, 상기 게이트에 개구부가 형성되며, 상기 절연층에 상기 개구부에 대응하는 마이크로 공동이 형성된 구조의 상기 게이트 상에 경사 증착을 행하여 분리층을 형성하는 단계;
    (나) 상기 마이크로 공동 내의 음극 상에 경사 증착을 행하여 평두형의 원뿔대 모양의 베이스층을 형성하는 단계;
    (다) 카본나노튜브 성장의 촉매역할을 하는 촉매층을 형성하는 단계;
    (라) 상기 베이스층 위의 촉매층에만 카본나노튜브가 형성되도록 하는 비반응층을 상기 분리층 위에 형성된 촉매층 상에 경사 증착을 행하여 형성하는 단계;
    (마) 상기 베이스층 위의 촉매층 상에 카본나노튜브를 성장시키는 단계; 및
    (바) 상기 분리층과, 그 위의 촉매층 및 분리층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (가) 단계에서 상기 절연층은 SiO2 혹은 Si3N4 를 5~10μm 두께로 증착하여 형성하고, 상기 개구부는 5~10μm 의 직경으로 형성하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (나) 단계에서 상기 베이스층은 Au, Pt, Nb 중 적어도 어느 한 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (다) 단계에서 상기 촉매층은 Ni 혹은 Co를 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 (라) 단계에서 상기 비반응층은 Cr, W, Al, Mo, Si 중 적어도 어느한 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 (마) 단계에서 상기 카본나노튜브는 아크 방전법(arc discharge method) 혹은 CVD법으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 이용한 3극 전계 방출 소자의 제작 방법.
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