KR19990043770A - 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 신 물질로 각광 받고 있는 탄소 나노튜브 첨단의 가늘고 뾰족한 구조를 이용하여 전계 방출의 임계 전압이 극소화되는 전계 방출 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

전자빔 묘화장치 및 전자총, 평판 디스플레이 및 센서 등으로 이용되는 전계 방출 소자는 디스크 모양의 구멍 배열 속에 묘화 장치를 이용한 에칭 공정을 실시하여 서브 마이크론 사이즈의 실리콘 팁을 형성함으로 제조되었다.

본 발명에서는 열적, 화학적으로 극히 안정되어 있고 나노미터 두께의 지름을 가진 극히 뾰족한 모양의 탄소 나노튜브를 이용하여, 저 전압에서도 전자 방출이 용이하고 전자빔의 결 맞음(coherency)이 뛰어나며 오랜 시간 동안 안정적으로 전계 방출이 가능한 전계 방출 소자를 제조하는 방법을 제시한다.

Description

탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법

본 발명은 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자(field emitter device)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 신 물질로 각광 받고 있는 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 첨단의 가늘고 뾰족한 구조를 이용하여 전계 방출의 임계 전압이 극소화되고, 전자빔의 결맞음이 향상되는 전계 방출 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기장은 뾰족한 부분에서 그 크기가 커지게 되는데, 마이크로파 소자, 평판 디스플레이 및 센서 등으로 이용되는 전계 방출 소자에서는 이러한 성질을 이용하여 뾰족한 음극(cathod) 팁을 만들어 양극(anode), 즉 게이트 전극(gate electrode)에 전압을 가해 전자를 방출 하도록 한다. 그런데 팁은 그 첨예화 정도 및 구성 물질의 일함수(work function)에 따라 방출되는 전류량과 이를 일으키는 동작 게시전압(turn-on)이 좌우된다. 즉, 팁의 끝이 뾰족하고 일함수가 낮을수록 동작 게시전압은 낮아지고 그에 따라 방출 전류량도 커지게 된다. 따라서 종래의 기술에서는 팁의 이러한 성질을 만족시키기 위하여 반도체 물질의 증착 및 에칭 등의 여러 가지 복합한 공정을 반복하여 서브 마이크론(sub-micron) 사이즈의 실리콘 팁을 형성함으로 제조되었다.

본 발명에서는 최근 신 물질로 각광 받고 있는 탄소 나노튜브 첨단의 가늘고 뾰족한 구조를 이용하여 강한 전기장을 형성할 수 있는 팁을 제조하여 공정의 단순화와 저 전압에서도 높은 전계 방출이 이루어지도록 하고, 부수적으로 결맞음성이 향상되는 전계 방출 소자를 제조하는 방법을 제시한다.

본 발명은 전계 방출 미세 구조의 제작을 위한 공정의 단순화와 저 전압에서도 전계 방출이 가능하여 전력 손실이 적고 수명이 긴 전계 방출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법은, 실리콘 기판 상부에 실리콘 산화막을 증착한 후, 선택된 영역의 실리콘 산화막 및 실리콘 기판의 일부를 식각하여 마이크론 사이즈의 원형 구멍으로 이루어진 미세 배열 구조를 형성하는 단계와, 탄소 나노튜브 물질이 용해된 용액을 이용하여 상기 각 원형 구멍에 탄소 나노튜브를 형성하되, 원형 구멍의 바닥면과 상기 실리콘 산화막 표면의 결합력 차이로 인하여 상기 각 원형 구멍 내에 상기 탄소 나노튜브가 직립한 형태로 채워지도록 형성하는 단계와, 상기 각 원형 구멍 내에 직립한 형태로 채워지지 못하고 형성된 탄소 나노튜브를 세정 공정으로 제거하여 전계 방출 팁을 형성하는 단계와, 상기 전계 방출 팁에서 일정 거리 이격된 지점에 그리드 및 형광판을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

11 : 실리콘 기판 12 : 실리콘 산화막

13, 13A : 탄소 나노튜브 14 : 그리드

15 : 형광판

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.

도 1(a)에 도시된 것과 같이, 실리콘 기판(11) 상부에 서브 마이크론 두께의 실리콘 산화막(12)을 형성한 후, 묘화 장치를 이용한 식각 공정을 진행하여 실리콘 기판(11)에 마이크론 사이즈의 원형 구멍(pitch ; A)으로 이루어진 미세 배열 구조를 형성한다.

이후 공정으로 탄소 나노튜브 물질을 용액(Solution)에 녹인 후, 실리콘 기판(11)을 바닥에 두고 나노튜브 물질이 용해된 용액 용기를 요동시켜 실리콘 기판(11)에 형성된 원형 구멍(A)에 마이크론 정도의 일정한 길이로 선택된 탄소 나노튜브(13)를 형성시킨다. 즉, 도 1(b)에 도시된 것과 같이, 원형 구멍(A)의 기하적인 작용 및 실리콘 기판(11)에 형성된 원형 구멍(A)의 바닥면과 실리콘 산화막(12) 표면에서의 선택적인 결합력의 차이로 인하여, 연필통의 연필과 같이 원형 구멍(A) 속에 규칙적으로 직립하도록 탄소 나노튜브(13)를 형성시킨다. 위와 같은 공정을 반복 실시하여 나노튜브(13)가 빽빽이 구멍 속에 들어차면 구멍 속에 직립하지 않은 나노튜브(13A)를 흐르는 용액 속에서 제거한다.

도 1(c)는 위와 같은 과정으로 전계 방출 팁 구조가 형성된 실리콘 기판(11)을 꺼내어, 그리드(grid ; 14)와 형광판(15) 구조를 형성하여 전계 방출 소자를 제조한다. 위와 같이 제조된 전계 방출 소자의 팁 구조는 종래의 방법으로 제조된 전계 방출 팁과 비교하여, 나노튜브(13)의 지극히 뾰족한 나노미터 크기의 곡률 반경을 갖는 첨단 구조 때문에 저 전압에서도 강한 전기장이 형성되어 전자 방출이 매우 용이하고, 저 전압 분위기에서 팁에 충돌하는 이온의 에너지가 작을 뿐만 아니라, 나노튜브(13)가 가지는 열적 안정성 때문에 오랜 시간 사용하여도 그 팁의 구조가 변형되지 않는다. 또한 이러한 저 전압하에서는 진공도가 다소 낮아도 작동이 가능하므로 진공 비용이 절감되며, 부수적으로 탄소 나노 튜브의 뾰족한 첨단 때문에 나오는 전자빔의 결맞음성(coherency)가 크게 행상된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래의 기술에서와 같이 전계 방출 팁을 뾰족하게 형성하기 위한 반도체 물질의 증착 및 식각이 반복되는 여러 공정이 생략되므로 공정이 극히 단순해진다. 또한 나노 튜브의 구조적인 특성인 나노미터 크기를 갖는 곡률 반경 때문에 전계 방출을 위한 임계 전압이 극히 낮아져서, 저 전압 구동이 가능하고, 따라서 전력 손실이 극소화된다. 위와 같이 탄소 나노튜브를 이용하여 전계 방출 팁을 형성한 전계 방출 소자는 저 진공에서도 작동하므로 진공 비용이 절감되며, 그 수명이 종래의 전계 방출 소자보다 훨씬 길어지는 탁월한 효과가 있다. 아울러 이러한 구조를 전자총에 미용할 때, 전자빔의 결 맞음성이 크게 향상된다.

Claims (2)

1. 실리콘 기판 상부에 실리콘 산화막을 증착한 후, 선택된 영역의 실리콘 산화막 및 실리콘 기판의 일부를 식각하여 마이크론 사이즈의 원형 구멍으로 이루어진 미세 배열 구조를 형성하는 단계와,

   탄소 나노튜브 물질이 용해된 용액을 이용하여 상기 각 원형 구멍에 탄소 나노튜브를 형성하되, 원형 구멍의 바닥면과 상기 실리콘 산화막 표면의 결합력 차이로 인하여 상기 각 원형 구멍 내에 상기 탄소 나노튜브가 직립한 형태로 채워지도록 형성하는 단계와,

   상기 각 원형 구멍 내에 직립한 형태로 채워지지 못하고 형성된 탄소 나노튜브를 세정 공정으로 제거하여 전계 방출 팁을 형성하는 단계와,

   상기 전계 방출 팁에서 일정 거리 이격된 지점에 그리드 및 형광판을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 탄소 나노튜브는 곡률 반경이 나노미터 크기인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브를 이용한 전계 방출 소자의 제조 방법.