카본나노튜브를 사용한 FED의 최신 기술동향
자료제공 : 한국과학기술정보연구원
글 : 전문연구위원 유호천 (yooho278@reseat.re.kr)
카본나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)를 사용한 필드 이미션 디스플레이(FED, Field Emission Display)의 기술을 이용한 대화면 고정밀 벽걸이형 텔레비전은 CRT에 비하여 저소비전력, 고화질, 고휘도 및 광시야각이라는 엄청난 장점이 있어 미래에 크게 각광을 받을 수 있는 상품이 될 것으로 예측이 되기 때문에, 이에 대한 기술정보의 수집과 기술개발에 심혈을 기울여야 할 시점으로 생각된다.
CNT-FED의 기술개발을 위해서는, CNT에 있어서 원료의 분리·정제기술과 같은 재료에 대한 문제점과 화소 내 및 화소 사이에 방출전류의 균일성을 개선하고 구동전압을 저감하기 위한 프로세스기술의 개발이 요구된다. 동시에 이미션의 안정성과 내면균일성을 개선시키기 위한 필드 이미터의 기술개발이 요구된다. 이러한 산적된 문제점을 해결해야만 하는 것이 현재의 과제로 대두되고 있다. 향후에 CNT-FED에 대한 프로세스기술과 생산기술의 개발의 어려운 문제점을 해결한다면 저코스트화와 양산화를 도모할 수 있을 것으로 예측된다. 또한 40인치 이상의 대화면의 균일성, 제품으로서의 신뢰성, 수명 등의 문제점을 해결함으로써, 현재 주류로 되어 있는 LCD와 PDP 상품과 어깨를 겨눌 수 있는 시대가 올 것으로 기대된다.
본문에서는 CNT의 열화를 방지하고 수명 향상을 위한 구체적인 방향 제시가 언급되어 있어, FED 제품의 수명을 향상시키는 기술을 연구개발하는데 지침이 될 수 있을 것이다. 또한 CNT에 의한 FED에 대하여 회사별로 개발 현황과 사례를 제시하였으며, 실용화에 관해서 해결하지 않으면 안 되는 문제점을 나열하였으므로 CNT로 FED를 연구개발하려는 산업체에 실질적으로 도움을 줄 수 있을 것이라고 기대된다.
1. 서론
CNT는 발견된 지 14년 밖에 안 되었지만, 대화면 평면 디스플레이의 전계전자 방출재료에 대한 적용연구에 세계적으로 심혈을 기울이고 있는 상태에 있으며, 이에 CNT를 음극으로 한 필드 FED의 개발이 적극적으로 추진되고 있다. 본문에서는 CNT 요소기술의 연구개발 현상과 장래 전망에 대하여 소개한다.
1968년 Spindt 등에 의해 전계방출형 이미터(Emitter)의 개발 성공이 보고되었으며, 1986년에는 프랑스 LETI(주)의 FED 설계형의 시제품이 발표되었다. 1990년에 들어와서는 차세대 박형 평면 디스플레이의 실현을 향하여 Spindt형 FED의 개발이 유럽과 미국을 중심으로 추진되어 왔다. 이미 1998년에 5.3인치의 시제품을 비롯하여 2004년에 11.3인치의 시제품이 Souha전자공업에서 제조되었지만, Spindt형 음극의 제조공정의 복잡화로 인하여 현재 40인치 이상의 대화면화에는 적합하지 않은 것으로 간주되고 있다.
1991년 Mesisima에 의해서 발견된 CNT가 1995년에 우수한 필드 이미션 특성을 나타낸다고 발표되었으며, Spindt형 음극에 대신하여 낮은 가격의 대화면 디스플레이를 겨냥한 FED용 CNT 음극 개발이 활발히 추진되고 있다. 1998년 Uemura와 Saito 공동으로 CNT를 사용한 FED 소자가 발표되어 그 실용성을 제시하였다. 연이어 2003년에는 NEDO의 ‘CNTFED 프로젝트’가 시작되었다.
2000년대에 들어선 현재에서는 대화면 박형(大畵面薄型) 디스플레이의 분야에서 액정 디스플레이(LCD) 및 플라스마 디스플레이 패널(PDP)이 보급되어 전망을 밝게 하고 있다. 이에 대하여 CNT 전자 이미터에 관한 연구는 9년 동안이나 진전되었으나, 실용화에는 아직 몇 가지 과제가 있다. 그래서 본문에서는 이를 해결하기 위해서 CNT-FED 기술의 현황과 장래 전망에 대하여 분석하였다.
2. FED의 기본 구조
음극기판 상에 화소(Pixel)마다 배열된 전계전자 방출원에서 방출된 전자가 진상의 화소마다 배열된 양극기판 상에 R, G, B 3색의 형광체를 여기발광시킴에 의해서 화상을 형성한다. 음극판 상에는 화소 선택을 행한 음극전극과 휘도 변조를 행한 게이트전극이 직교하여 설치되며, 이 교점에 1화소분의 전자원이 형성된다. <그림 1>에 FED구조와 구동방식의 일례를 나타내어 보았다.
Spindt형 몰리브덴 이미터를 전자원(電子源)으로 한 FED를 제조하기 위해서는 반도체로 개발되어 온 최첨단의 미세가공기술이 요구된다. 그 크기는 5~13인치로 되어 있으며 액정 디스플레이와의 차별화가 필요하다. FED는 고화질과 낮은 소비전력성이 유지할 수 있으므로 대면적화(大面積化)가 가능한 CNT 전자원의 개발이 활발히 추진되고 있다.
3. 전계방출 전자원
방출전류는 일함수와 전계집중계수에 크게 의존한다. 또한 표면에서의 실질적인 일함수는 가스흡착에 의해서 변화하는데, 실제 패널에서의 진공도에서는 시간 경과에 따라 크게 변동된다. 또한 통상 화소마다 이미터 배열을 만들어 내는데, 각각의 이미터형상의 편차에 의해서 화소 내 및 화소 사이의 방출전류에 편차가 발생되게 된다.
4. CNT 음극의 개발
(1) CNT 이미터의 전자방출 특성
전자원으로 실용화하기 위해서는 기판화와 제조코스트의 저감 등 기술적 과제를 해결하면서, 전자방출기구의 해명 등 기초적인 검토도 필수적이다. 지금까지 CNT에서부터 전자방출에 대하여 전계방출현미경(FEM)과 전계이온현미경(FIM)을 사용한 연구에서 선단의 5원환구조(圓環構造)가 중요한 역할을 담당하고 있다는 사실이 Saito와 Hada에 의해 관찰되었다.
(2) CNT 전자방출 특성에 영향을 미치는 인자
전계방출은 고체 표면에서의 전계강도 분포와 표면 일함수에 민감하다. 따라서 CNT 전자원의 표면상태, 표면 구조의 변화는 전자방출 특성에 직접 영향을 미친다. 현재 CNT 표면 구조와 전자방출 특성은 FEM, FIM과 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)에 의해서 관찰 연구된다. 장수명화를 위해서는 HRTEM에 의해서 CNT의 시효(Aging)에 의한 열화기구를 해명할 필요가 있다. 이미 CNT 음극 수명에 관해서는 SWNT보다 2층 CNT(DWNT)가 우수하였음이 밝혀졌다.
(3) CNT 이미터 프로세스기술의 개발
CNT-FED에 사용되는 전자원을 제조하는 방법은 아크방전법 등으로 제조된 CNT 분말을 유기점결제를 혼합하여 페이스트(Paste) 상으로 하여 유리기판 상에 스크린 인쇄하여 간편하게 도포하여 사용되고 있으며, 면적이 큰 전자원을 싼 값으로 형성시키는 기술의 개발이 추진되고 있다. 이 경우 화소 내에 CNT를 선택적으로 도포시키는 프로세스기술의 개발이 필요하다.
현재기술로서는 첫 번째로 CNT를 용매 중에 분산제와 같이 현탁액을 제조하여 스프레이 분무하여 도포하는 방법이 있고, 두 번째로 점결제(Binder)와 혼합하여 페이스트로 하여 스크린-프린팅과 스핀-코팅 등으로 도포하는 방법이 공개되어 있다. 다음으로 전면도포한 CNT를 건식 혹은 습식 에칭에 의해서 버터링(Buttering)한다. 그러나 CNT막을 형성한 후의 프로세스온도는 유리기판의 전이점, CNT의 대기 중에서의 연소온도를 고려하면 550℃ 이하에서 하지 않으면 안되는 등의 제약이 따른다. 부착된 CNT를 양모가 서 있는 것과 같은 상태로 하는 활성화기술도 중요하다. <그림 2>에 그 일례를 나타내어 보았다.
현재의 과제는 화소 내 및 화소 사이에 방출전류의 균일성을 개선하는 것과 구동전압을 저감하는 것에 있다. 방출전류의 균일성 개선에는 도포된 CNT 중에 전자방출하는 이미션 자리수를 증가시키기 위한 CNT 재료 및 프로세스기술의 개발이 필요하다. CNT와 음극전극과의 접촉, CNT 원료의 분리·정제기술 등 아직 문제점이 산적해 있다. 필드 이미터의 문제점으로 되어 있는 이미션의 안정성과 내면균일성에 대해서는 저항층 부가에 의해서 개선시키는 것이 LETI(주) 등에 의해서 실증되고 있다.
5. FED용 형광면의 개발
FED용 형광면은 CRT와 마찬가지로 전자선 여기(電子線勵起)에 의한 형광체의 발광현상을 이용하게 되고, 종래의 CRT에 사용되어 온 형광체재료 및 형광면 제조 프로세스기술을 그대로 답습할 수 있다. CRT의 양극전압은 30kV 정도가 된다. 그러나 양극과 음극 간의 거리가 수mm 이하의 FED에서는 방전을 일으키지 않게 하기 위해서 양극전압은 통상 10kV 이하에서 사용된다. 이 경우, 형광체에 금속백(Metal Back)을 실시하는 5kV 이상의 고전압형 FED와 금속백을 실시하지 않은 수kV 이하의 저전압형 FED와 구별되는데, 각각 일장일단이 있다.
고전압 FED의 경우, 종래 CRT에 사용되어 온 P22 형광체가 사용된다. 그러나 CRT에 의해서 저가속 전압으로 여기하기 때문에 형광체 표면에서의 휘도 열화문제가 발생하여, 그 열화기구의 해명이 요구되고 FED용 형광체의 개발이 추진되고 있다. 또한 고전압에서는 음극과 양극 간에 방전을 일으키지 않도록 하기 위한 여러 가지 연구, 예를 들면 양극(Anode)분할 등의 방전대책이 검토되고 있다.
저전압 FED의 경우, 청록색 발광의 ZnO : Zn이 모노크롬 디스플레이에 사용되고 있지만, 완전 컬러(Full Color)용으로는 만족할 수 있는 형광체가 없고, 현재 여러 가지 산화물 형광체 재료가 개발되고 있다. 또한 이 경우, 전자선의 침입 깊이가 매우 얕아, 형광면에 금속백을 실시하지 않고 직접 형광체에 도전성을 부여하지만, 형광체 표면에 도전성 피복을 실시하는 프로세스가 검토되고 있다. 특히 휘도포화 및 휘도열화를 일으키기 어려운 청색 형광체의 개발이 기대되고 있다.
6. 스페이서·진공밀폐기술의 개발
진공밀폐기술은 기본적으로 CRT의 진공밀폐기술을 그대로 이용하지만, 특히 대화면 박형 FED 제원의 유리원료(Frit)재료, 게터(Getter)재료 등이 검토되고 있다. FED의 경우, 음극과 양극기판 사이에는 대기압을 지지하는 지주로 되어 있는 스페이서를 설치할 필요가 있다.
이 스페이서는 여러 가지 문제를 일으킨다. 스페이서 근방의 화소에서의 전자선의 일부가 이 스페이서에 입사함에 의해서 스페이서 표면이 대전(帶電)되어 전자선이 편향을 받게 되어 시효(Aging)에 의한 스페이서 표면의 변화에 의해서 휘도무리가 발생된다. <그림 3>에 그 일례를 나타내어 보았다. 스페이서가 개재함에 의해서 방전파괴가 쉽게 일어난다.
방전 파괴를 방지하기 위해서는 여러 가지의 스페이서 재료·형상, 피복재료의 선정, 배치에 대한 연구 및 생산공정의 검토가 이루어져야 한다. 스페이서의 재료로 유리 혹은 세라믹이 사용되고 있다. 또한 대전방지(帶電防止)를 위해 고저항 재료를 사용하거나 혹은 고저항 재료를 피복하는 것이 검토되고 있다. 형상은 리브형, 필러형 및 크로스필러형이 검토되고 있으며, 상품화에는 매우 중요한 기술적인 과제가 남아 있다.
7. 지금까지 발표된 CNT-FED의 특성
(1) Noridake(주)
2004년에 SID(Society for Information Display) 심포지엄에서 Noridake(주)에 의해서 48×480mm 크기의 완전 컬러 문자표시방식 디스플레이(Full Color Character Display)가 발표되었다. 제원으로 양극전압 7kV, 알루미늄 금속백을 부착시키고 3mm의 유리 스페이서를 사용하였으며, 표면은 특수한 재료를 피복하여 대전(帶電)을 방지하였다.
(2) Samsung전자(주)
2001년 SID에서 Samsung전자(주)가 15인치 완전 컬러 디스플레이를 발표하였다. 제원은 양극전압 1kV, 게이트전압 50V, 1.1mm의 스페이서, CNT 이미터 구경 20㎛였다. CNT는 아크방전법으로 제조된 SWNT를 사용하였으며, CNT 페이스트를 제조하여 스크린 인쇄법으로 도포하고 러빙법에 의하여 활성화 처리를 행하였다. 형광체는 CRT용 P22형, 적색은 Y2O2S : Eu, 적색은 ZnS : Cu, Al, 청색은 ZnS : Ag, Cl가 사용되었다.
(3) LETI(주)
2004년 SID에서 LETI(주)가 6인치 모노크롬 디스플레이를 발표하였다. 제원은 양극전압 3kV, 게이트전압 100V, 스윙전압~50V, 선간거리(Spacing) 1mm, 휘도는 녹색으로 1,400Cd/㎡, CNT 수명은 7500시간이 얻어졌다. CNT는 열필라멘트 CVD법으로 직접 성장시킨 SWNT와 MWNT를 사용하여, 블라스트 저항층을 넣어서 화면의 균일화를 도모하였다. 형광체는 녹색만으로 Y2SiO5 : Tb 혹은 ZnO가 사용되었다. 또한 CNT의 열화 메커니즘에 관해서도 완만한 버닝(Burning) 현상이 있다고 언급했다.
8. 향후 전망
지금까지 CNT-FED의 요소기술 개발의 현상에 대하여 기술하였다. 대화면 고정밀 벽걸이형 텔레비전의 후보로 CNT-FED의 기술개발은 현재 가장 중요한 시기에 봉착되어 있으며, 상품화의 길은 아직 멀다고 볼 수 있다. 그러나 실현의 어려움에도 불구하고 저소비전력, CRT와 같은 고화질·고휘도·광시야각이라는 장점이 있어 미래에 각광을 받을 수 있는 상품이 될 것이다.
현재 CNT-FED 실용화에 관해 해결하지 않으면 안 되는 문제점은 CNT 이미터 배열의 이미션 열화, 스페이서의 차징효과(Charging Effect), 형광체의 휘도열화와 고휘도화 및 양극과 음극 간의 방전 파괴 등이다. 향후 이러한 문제점을 해결하기 위하여 저코스트화·양산화를 향한 프로세스·생산기술의 개발, 또한 40인치 이상의 대화면의 균일성, 제품의 신뢰성·수명 등의 문제점을 해결함으로써 현재 주류로 되어 있는 LCD와 PDP 상품과 어깨를 겨눌 수 있는 시대가 올 것으로 기대된다.
Spindt형과 CNT 음극 이외에도 지금까지 박막형 전계방출 이미터가 개발되어 있다. 이것은 종래의 미소전자원의 특징을 살리고, 프로세스방법을 간소화하여 제조코스트를 저하시켜 한층 더 대면적화를 겨냥하였으며, 유리기판을 사용하여 제조하는 전자원으로 되어 있다. 박막형 필드 이미터의 경우에 인출된 전자가 거의 기판과 평행으로 방사되기 때문에 기판에 대향(對向)하는 형광면으로 전자를 편향시키는 구동전극형성 및 제어방법이 필요하다. 그렇지만 1996년에 보고된 SED(Surface- Conduction Electron-Emitting Display)는 그 어려움을 극복하여 2005년에 출시되었으며, 화질의 장점을 크게 기대할 수 있다.
이 첨단 기술정보분석은 과학기술부에서 시행하는 과학기술진흥기금 출연사업인 원로과학기술인 활용지원사업의 성과물입니다. | 
