[특별기획] 전계방출 디스플레이(Field Emission Display, FED)

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우리나라의 전자산업은 D-램 반도체에 이어서 액정 디스플레이 분야에서도 세계 1위를 차지하 고 있다. 그러나, 전자산업의 특성상 새로운 제품 이 계속적으로 시장에 등장하므로, 선두를 유지하 기 위해서는 신기술 개발에 지속적인 노력이 필요 하다. 저렴한 인건비를 무기로 추격해 오는 중국 과의 경쟁에서 우위를 유지하기 위해서는 신기술 의 개발이 필수적이다. 평판 디스플레이 분야에서 차세대의 기술로 많은 기대를 모으고 있는 것이 유기EL 및 FED다. 본 고에서는 FED 기술에 대 해서 소개하고, 화학공학자가 기여할 수 있는 부

분에 대해서 간략하게 언급하고자 한다.

FED는 현재 TV에 사용되고 있는 브라운관을 납작하게 만든 것이다. 그러나, 브라운관은 전자총 이 한 개이고, 전자총에서 방출되는 전자의 흐름 을 조절하여 형광체가 발라져 있는 화면을 scan하 는데 반하여, FED는 각 픽셀마다 다수의 전자총 이 전자를 공급하므로 따로 전자의 흐름을 조절하 여 scan할 필요가 없다. FED 기술이 주목을 받는 이유는, ① 자체 발광 방식이므로 가시각이 넓고,

② 전기 사용량이 액정보다 적으며, ③ 넓은 온도 범위에서 작동이 가능하고, ④ 얇게 만들 수 있으

(Field Emission Display, FED)

이 건 홍

포항공과대학교 화학공학과, [email protected]

[그림 5]는 기억소자로 응용하기 위해 bottom- up 접근방식으로 블록공중합체의 자기조립을 이 용해서 약 20nm의 자성 나노패턴을 제작하고 반 응성이온식각과 아르곤이온식각 등의 건식식각법 에 의해 자성금속박막의 구조를 제어하여 약 650 Gbit/in

²

의 자성 금속 점(dot)들을 제조한 결과이

다. 블록공중합체의 자기조립을 이용할 경우 가격 이 저렴하고 공정이 용이할 뿐만 아니라 패턴크기 와 구조가 블록의 성질과 크기에 따라 조절이 가 능 하다는 장점이 있다.

그림 4. 분자의 자기조립에 의한 나노구조. 그림 5. 블록공중합체 자기조립에 의한 20nm 자성 금 속 점(magnetic metal dots).

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며, ⑤ 제작 비용이 저렴하고, ⑥ 응답속도가 빨라 서 동영상 구현에 무리가 없다는 점이다. [표 1]

은 FED의 성능을 다른 방식의 디스플레이와 비 교한 것이다.

FED는 브라운관이 개발된 이래로 지속적으로 연구가 진행되어 왔으나, 1968년 Spindt에 의하여 마이크로팁 어레이가 제작된 후에 본격적으로 연

구가 활성화 되었다. 마이크로팁 어레이의 제작에는 반도체 집적회로의 제작 기술인 리쏘그라피가 활용 되었으며, 전자를 방출하는 팁으로는 융점이 높은 금속이 사용되었다. [그림 1]은 Spindt 타입의 금 속 마이크로팁 어레이의 구조를 나타낸 것이다.

금속으로 만든 마이크로팁 어레이는 현재도 연 구가 진행되고 있으나, 금속팁의 수명을 보장하기

표 1. 디스플레이 비교

Emission type

– Thin film

Photoluminescence Low- and high-

(if applicable) phosphor voltage phosphors

Brightness(cd/m²) 200 100 300 >600

Viewing angle(degree) ±40 ±80 ±80 ±80

Emission efficiency Im/W 3~4 0.5~2 1.0 10~15

Response time 30~60ms <1ms 1~10ms 0.01~0.03ms

Contrast ratio(intrinsic) >100:1 50:1 100:1 100:1

Number of colors 16million 16million 16million 16million

Number of pixels 1,024×768 640×480 852×480 640×480

Resolution, µm pitch 0.31 0.31 1.08 0.31

Power consumption 3 6 200 2

W(size) (26.4cm) (26.4cm) (106.7cm) (26.4cm)

Panel thickness, mm 8 10 75~100 10

Operation temperature

0~50 -5~+85 -20~+55 -5~+85

range, ℃

TFT LCD

EL PDP FED

Characteristic (Thin Film

(Electroluminescent (Plasma Display (Field Emission Transistor liquid

Displays) Panels) Displays) Crystal Display)

그림 1. Spindt 타입 금속 마이크로팁 어레이.

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위해서는 10

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torr의 고진공이 필요하다는 점 때 문에 상업적인 제품의 개발이 늦어지고 있다.

한편, 최근에는 금속팁 대신에 탄소 나노튜브를 마이크로팁으로 사용하려는 연구가 활발히 진행 되고 있다. 탄소 나노튜브는 기계적, 화학적 강도 가 뛰어나며, 10

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torr 정도의 진공에서도 충분한 수명이 보장될 뿐만 아니라, 전자가 방출되는 전 압이 낮아서 에너지 효율면에서도 매우 이상적인 전자 방출원이다. [그림 2]는 탄소 나노튜브를 마 이크로팁으로 사용한 전계방출 어레이의 구조를 나타낸 것이다.

[그림 3]은 삼성SDI에서 제작한 탄소 나노튜브 전계방출 어레이의 실제 사진이다. 삼성SDI의 전

계방출 에레이는 스크린 프린팅 방식으로 제작되 므로 값비싼 리쏘그라피가 필요 없을 뿐만 아니라 대면적의 디스플레이 제작에도 유리하여 경제성 이 매우 높다. 삼성 SDI는 32인치 FED의 proto- type의 제작에 성공하였으며, 상업적인 대량생산 의 시기를 저울질하고 있다고 한다.

한편, 스크린 프린팅을 사용하지 않고 탄소 나 노튜브를 화학기상합성법(chemical vapor depo- sition, CVD)으로 직접 합성하려는 연구도 활발히 진행중이다. 초기에는 탄소 나노튜브들을 콩나물 처럼 밀집하여 성장시켰으나, 이 경우 전계 스크 리닝 효과(field screening effect)에 의하여 전계 방출이 효율적으로 이루어지지 않는다. 최근에는

그림 2. 탄소 나노튜브 전계방출 어레이의 구조.

그림 3. 탄소 나노튜브 전계방출 어레이(삼성 SDI).

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CVD를 이용하여 탄소 나노튜브 사이의 간격이 충분히 벌어진 상태로 성장시키는 것이 가능하여 졌으며, 이 분야의 연구는 영국 캠브리지대학이 선도하고 있다. [그림 4]는 캠브리지대학에서 제 작한 탄소 나노튜브 전계방출 어레이를 나타낸 것 이다.

탄소 나노튜브 전계방출 어레이를 제작하는 또 다른 방법으로는 양극산화 알루미늄(anodic aluminum oxide) 템플레이트를 이용하는 것이다.

AAO 템플레이트는 기공의 크기를 나노미터의 정밀도로 조절할 수 있으므로, 이 기공 속에서 합

성되는 탄소 나노튜브의 크기도 나노미터의 정밀 도로 조절할 수 있다. [그림 5]는 AAO 템플레이 트를 사용하여 탄소 나노튜브 전계방출 에레이를 제작한 것이다.

이상에서 기술한 바와 같이, FED는 원리적으 로는 가장 우수한 디스플레이라고 할 수 있으며, 가까운 미래에 우리 주변에서 광범하게 사용될 것 이다. FED는 우리나라 전자산업의 주력제품이 될 가능성이 높고, 화학공학자가 큰 역할을 할 여지 가 많다. 우선, 탄소 나노튜브의 합성은 전형적인 CVD 공정으로서, 촉매의 선택 및 반응 조건 등이 합성되는 탄소 나노튜브의 특성에 큰 영향을 미친 다. 삼성SDI에서 채택한 스크린 프린팅 방식에서 는 탄소 나노튜브와 바인더를 섞은 paste를 사용 하게 되는데, 이때 바인더의 조성 및 함량이 디스 플레이의 제작공정 및 완성된 디스플레이의 수명 에 결정적인 영향을 준다. 이 외에도 최근에는 flexible FED를 실현 시키기 위한 중요한 기초 기 술들이 개발 되었는데, 하나는 고분자 기판 위에 직접 탄소 나노튜브를 성장시키는 기술이고 [Adv. Mat., 14(9), 676(2002)], 다른 하나는 합 성된 탄소 나노튜브를 자기조립 단분자층(self- assembly monolayer, SAM)을 이용하여 폴리머 기판에 부착시키는 것이다. 이런 기술들은 화학공

그림 5. AAO 템플레이트를 사용한 탄소 나노튜브 전계방출 어레이[App. Phys. Lett., 78(14), 2052(2001)]

그림 4. 탄소 나노튜브 전계방출 어레이(캠브리지대학).

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학의 영역에 속한다 할 수 있다. 현재는 FED가 연구 단계이므로 물리학, 전자공학을 전공한 연구 자들이 이 분야를 주도하고 있지만, 본격적으로 상업적인 제품이 생산되는 단계로 진입하게 되면, 생산성을 높이기 위한 연구가 시작될 것이다. 이

단계에서는, 화학공학자가 친숙한 유기화학, 열역 학, 반응공학, 전달현상 등이 FED 제작공정의 개 발 및 최적화에 필수적인 도구가 될 것이고, 많은 화학공학도의 참여가 실현될 것이다.

유기 반도체 소자는 기존의 무기 반도체 소자를 여러 분야에서 대체할 수 있는 충분한 가능성을 가지고 있기 때문에 최근 들어 전세계적으로 매우 활발히 연구개발이 이루어지고 있다. 이는 유기 반도체가 반도체의 전기적, 광학적 특성과 다양한 물성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 인쇄법을 포함하 는 매우 저렴한 공정기술로 제조가 가능하기 때문 에, 대면적 소자를 경제적으로 구현할 수 있기 때 문이다. 또한 플라스틱 기판 등 유연한 기판 위에 소자를 구현할 수 있으므로 flexible 전자 소자나 disposable 전자 소자 등 새로운 개념의 반도체 소 자 제품군을 형성할 가능성도 매우 크다고 하겠다.

현재 먼저 개발되고 있는 분야는 유기 박막 트 랜지스터(organic thin film transistor: OTFT) 제조 분야로서, 이를 유기 EL 소자와 접목하여 능 동 구동형(active-matrix type) TFT-OLED

(thin film transistor-organic light emitting diode)를 구현하거나, 기존의 TFT-LCD에 액정 대신 고효율 발광물질을 주입하여 응답 속도의 증 가, 소비 전력의 감소, 구조의 고집적화 및 단순화 가 이루어진 신개념의 플라스틱 TFT-LCD를 구 현하고자 하고 있다. 또한 flexible한 플라스틱 기 판을 사용하고 소자 내 모든 재료를 유기물질로 사용하여(전유기 소자: all-organic device) 전자 종이(e-paper)나 contactless 스마트 카드 등의 신개념 제품군을 형성하려는 연구개발도 활발히 진행되고 있다. 유기 반도체를 사용한 태양전지도 아직 비정질 실리콘을 사용한 태양전지의 최고 성 능에는 미치지 못하고 있지만(현재 효율 약 2~3% 정도) 대형 박막 구조의 태양전지를 저렴 한 가격으로 쉽게 만들 수 있는 가능성 때문에 큰 주목을 받고 있다.

박 진 호

영남대학교 응용화학공학부, [email protected]

그림 1. Organic TFT Device Structure.