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KR20110126998A - Ｃｎｔ 조성물, ｃｎｔ 막구조체, 액정표시장치, ｃｎｔ 막구조체의 제조방법 및 액정표시장치의 제조방법 - Google Patents

Ｃｎｔ 조성물, ｃｎｔ 막구조체, 액정표시장치, ｃｎｔ 막구조체의 제조방법 및 액정표시장치의 제조방법 Download PDF

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KR20110126998A
KR20110126998A KR1020100046591A KR20100046591A KR20110126998A KR 20110126998 A KR20110126998 A KR 20110126998A KR 1020100046591 A KR1020100046591 A KR 1020100046591A KR 20100046591 A KR20100046591 A KR 20100046591A KR 20110126998 A KR20110126998 A KR 20110126998A
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KR
South Korea
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cnt
cnt film
composition
group
film structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020100046591A
Other languages
English (en)
Inventor
윤선미
닝홍롱
정창오
최재영
최원묵
신현진
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
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Priority to US12/897,198 priority patent/US20110285951A1/en
Priority to CN2010105962391A priority patent/CN102250439A/zh
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Abstract

CNT 조성물, CNT 막구조체, 액정표시장치, CNT 막구조체의 제조방법 및 액정표시장치의 제조방법이 개시된다. 상기 CNT 조성물은 탄소나노튜브(CNT), 반응성 관능기를 갖는 분산제 및 적어도 1종의 분산매를 포함한다. 상기 CNT 막구조체는 기재 및 상기 기재 위에 적층된 CNT 막을 포함하고, 상기 CNT 막은 네트워크 형상으로 배치된 탄소나노튜브(CNT) 및 상기 탄소나노튜브에 흡착되고 상기 기재와 화학적으로 결합된 유기물질을 포함한다. 상기 액정표시장치는 상기 CNT 막구조체를 포함한다. 상기 CNT 막구조체의 제조방법은 상기 CNT 조성물을 사용한다. 상기 액정표시장치의 제조방법은 CNT 막구조체의 제조방법을 사용하여 보호막 위에 화소전극을 형성한다.

Description

ＣＮＴ 조성물, ＣＮＴ 막구조체, 액정표시장치, ＣＮＴ 막구조체의 제조방법 및 액정표시장치의 제조방법{CNT composition, CNT layer structure, liquid crystal display device, method of preparing CNT layer structure and method of preparing liquid crystal display device}
CNT 조성물, CNT 막구조체, 액정표시장치, CNT 막구조체의 제조방법 및 액정표시장치의 제조방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 반응성 관능기를 갖는 분산제를 포함하는 CNT 조성물, 상기 조성물을 사용하여 제조된 CNT 막구조체, 상기 CNT 막구조체를 포함하는 액정표시장치, 상기 조성물을 사용한 CNT 막구조체의 제조방법 및 상기 CNT 막구조체의 제조방법을 사용하여 보호막 위에 화소전극을 형성하는 액정표시장치의 제조방법이 개시된다.
여러가지 디바이스에서 투명전극이 필요하며 현재 가장 많이 사용되고 있는 전극은 ITO (indium tin oxide) 전극이다. 그러나, ITO는 인듐의 소비량 증가로 인해 가격이 점차 높아지는 문제점이 있으며, 특히 ITO 전극을 굽힐 경우 생성되는 크랙으로 말미암아 저항이 증가하는 문제점이 있다. 따라서 유연성 소자에 적용되는 투명 전극 및 ITO를 대체할 전극재료의 개발이 필요하며, 이러한 대체 전극재료 중의 하나가 CNT(carbon nanotube)이다. CNT 투명전극은 기존의 LCD 뿐만아니라, OLED, 전자종이(paper like display) 및 태양전지(solar cell)와 같은 다양한 소자에 적용될 수 있다. 특히, CNT의 강한 기계적 물성으로 인해 유연성 소자(flexible device)용 전극 재료로서의 이용 가능성이 크다. 그러나, CNT를 소자에 사용하기 위해서는, 특히, LCD의 TFT 기판상에 형성되는 화소전극의 재료로 사용하기 위해서는 패턴성의 확보뿐만 아니라 평탄하지 않는 디스플레이 기재에서의 막형성과 기재의 구조가 중요하다. 즉, CNT를 액정표시장치의 화소전극 재료로 사용하기 위해서는 패턴성과 굴곡있는 표면 위에 용액공정으로 형성되는 막의 균일성이 확보되어야 한다. 구체적으로, CNT 전극이 형성되는 부분은 보호층(passivation layer)위이며, 이러한 보호층에는 TFT 전극과 CNT 전극이 접할 수 있도록 CNT 전극이 충진되는 홀이 형성되어 있다. 이러한 보호층의 홀은 건식 식각(dry etching)에 의해 형성되는데 건식 식각의 조건에 따라 보호층의 모양이 달라져 홀 주변에서 네트워크 형상의 CNT 구조의 연결성(connectivity)이 나빠질 수 있다. 즉, CNT 전극의 제조는 용액공정에 의해 진행되기 때문에, CNT 조성물 중의 분산매가 건조되는 과정에서, 보호층에 형성된 홀의 모양에 따라 홀 주변에서 네트워크 형상의 CNT 구조가 부분적으로 끊어질 수 있다.
　　　종래의 CNT 투명전극은, 높은 전도도를 위해, CNT 또는 산처리된 CNT를 분산매에 분산시켜 CNT 만으로 구성된 막을 형성하는 방법, 및 저분자량의 유기물질을 분산제로 사용하여 CNT를 물에 분산시켜 막을 형성한 후 세척에 의해 분산제를 제거하는 방법을 사용하여 제조되었다. 그러나, 이 경우에는 기재와의 접착력(adhesion)이 좋지 못하기 때문에, 고분자를 CNT 투명전극 위에 오버코팅하거나 고분자를 포함하는 CNT 조성물을 사용하여 CNT 투명전극을 제조하기도 하지만 이 경우에는 전기전도도가 저하되는 문제점이 있다.
　　　일반적으로, CNT 막을 형성하기 위해 사용하는 CNT 조성물은 하기와 같이 3가지로 구분될 수 있다: (1) CNT 또는 산처리된 CNT를 분산제 없이 분산매에 분산시킨 제1 CNT 조성물. (2) CNT 또는 산처리된 CNT를 NaDDBS(sodium dodecylbenzene sulfonate) 및 TX-100과 같은 계면활성제를 사용하여 수용액에 분산시킨 제2 CNT 조성물. (3) CNT 또는 산처리된 CNT를 고분자와 같은 바인더와 혼합해서 분산매에 분산시킨 제3 CNT 조성물.
저항은 제1 CNT 조성물 < 제2 CNT 조성물 < 제3 CNT 조성물의 순이며, 접착력은 저항의 순서와 반대이다. 특히, CNT는 유리와 같은 비탄소계 기재와의 접착력이 좋지 못하다. 따라서, CNT 막을 비탄소계로 이루어진 무기물 기재상에 형성할 경우나, LCD의 화소전극과 같은 패턴공정을 필요로 하는 소자에 사용하기 위해서는 CNT 막의 저항뿐만 아니라 기재와의 접착력도 개선하여야 한다.
본 발명의 일 구현예는 반응성 관능기를 갖는 분산제를 포함하는 CNT 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 조성물을 사용하여 제조된 CNT 막구조체를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 CNT 막구조체를 포함하는 액정표시장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 조성물을 사용한 CNT 막구조체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 CNT 막구조체의 제조방법을 사용하여 보호막 위에 화소전극을 형성하는 액정표시장치의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
탄소나노튜브(CNT);
반응성 관능기를 갖는 분산제; 및
분산매를 포함하는 CNT 조성물을 제공한다.
상기 반응성 관능기는 극성을 가지며, C, H, O, N, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함할 수 있다.
상기 반응성 관능기는 카르복시기, 아세테이트기, 니트레이트기, 히드록시기, 포스페이트기, 이민기, 아민기, 아미드기 및 에폭시기로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 분산제는 20000 이하의 중량평균분자량을 가질 수 있다.
상기 분산제는 폴리아크릴산, 폴리(에틸렌이민), 폴리(알릴아민), 폴리(4-스티렌술폰산), 폴리메타크릴산, 폴리포스포네이트류, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 셀룰로오스 니트레이트 및 글리코겐로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 고분자를 포함할 수 있다.
상기 분산매는 제1 액체 및 제2 액체를 포함하고, 상기 제1 액체는 친수성이고 상기 제2 액체는 상기 제1 액체와 혼화되며, 상기 분산제는 상기 제1 액체 보다 상기 제2 액체에 더 많이 용해될 수 있다.
상기 제1 액체는 물이고, 상기 제2 액체는 히드록시기 함유 물질일 수 있다.
상기 제2 액체는 알코올류를 포함할 수 있다.
상기 분산제가 외부 에너지에 노출될 경우, 2 이상의 상기 반응성 관능기들끼리, 상기 반응성 관능기와 기타 반응성 관능기, 또는 상기 반응성 관능기와 외부의 산소가 화학적으로 반응할 수 있다.
상기 화학반응은 수소결합 또는 가수분해에 의한 축합반응일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
기재; 및
상기 기재 위에 적층된 CNT 막을 포함하고,
상기 CNT 막은 네트워크 형상으로 배치된 탄소나노튜브(CNT) 및 상기 탄소나노튜브에 흡착되고 상기 기재와 화학적으로 결합된 유기물질을 포함하는 CNT 막구조체를 제공한다.
상기 화학결합은 수소결합일 수 있다.
상기 CNT막은 패턴화된 것일 수 있다.
상기 기재에는 홀이 형성되고, 상기 홀에는 상기 CNT 막의 일부가 충진될 수 있다.
상기 홀은 상기 CNT 막이 적층되는 쪽의 폭이 그 반대쪽 폭 보다 넓도록 테이퍼진 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은,
상기 CNT 막구조체를 포함하는 액정표시장치를 제공한다.
상기 기재는 보호막이고, 상기 CNT 막은 화소전극일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은,
상기 CNT 조성물을 기재에 도포하는 단계; 및
상기 기재에 도포된 CNT 조성물에 외부 에너지를 공급하여 CNT 막을 형성하는 단계를 포함하는 CNT 막구조체의 제조방법을 제공한다.
상기 외부 에너지의 공급은 열처리에 의해 수행될 수 있다.
상기 열처리는 80 내지 250℃에서 수행될 수 있다.
상기 수행되는 CNT 막구조체의 제조방법은, 상기 형성된 CNT 막을 패터닝하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은,
상기 CNT 막구조체의 제조방법을 사용하여 보호막 위에 화소전극을 형성하는 액정표시장치의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 의하면, 반응성 관능기를 갖는 분산제를 포함함으로써 CNT의 분산성이 개선되고, 외부 에너지의 공급에 의해 상기 반응성 관능기들 사이 및 상기 반응성 관능기와 기재 사이에 화학반응이 일어날 수 있는 CNT 조성물이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 의하면, 상기 조성물을 사용하여 제조됨으로써 면저항이 낮으면서도 기재와의 접착력이 우수하며 균일한 CNT 막이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 CNT 막을 포함하는 액정표시장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 조성물을 사용한 CNT 막구조체의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 의하면, 상기 CNT 막구조체의 제조방법을 사용하여 보호막 위에 화소전극을 형성하는 액정표시장치의 제조방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 액정표시장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 조성물과 종래기술에 따른 CNT 조성물을 각각 사용하여 유리기재 위에 형성한 CNT 막구조체를 세척하기 전과 후에 촬영한 상기 각 CNT 막구조체의 표면 상태의 사진이다.
도 4는 본 발명의 구현예들에 따른 CNT 조성물을 각각 사용하여 SiN 유리기재 위에 형성한 CNT 막구조체를 세척하기 전과 후에 촬영한 상기 각 CNT 막구조체의 표면 상태의 사진이다.
도 5은 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 조성물과 종래기술에 따른 CNT 조성물을 각각 사용하여 SiN 유리기재 위에 CNT 막구조체를 형성한 후, 상기 각 CNT 막구조체를 열처리하기 전과 후, 및 열처리 후 세척한 다음의 각 CNT 막을 XPS로 분석하여 얻은 C1s 와 O1s 스펙트럼이다.
도 6는 본 발명의 구현예들에 따른 CNT 조성물을 각각 사용하여 형성한 화소전극을 포함하는 액정표시장치의 화상의 사진이다.
이어서, 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 조성물에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 조성물은 탄소나노튜브(이하, CNT라 함), 반응성 관능기를 갖는 분산제 및 분산매를 포함한다.
CNT는 6개의 탄소로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 소재로서, 관의 지름은 수∼수십 나노미터에 불과하다. CNT는 관의 층수에 따라 단일벽 CNT, 이중벽 CNT, 다중벽 CNT로 나누어지며 각 CNT의 용도 제한은 없다. 30nm 이하, 예를 들어, 10nm 이하의 두께를 갖는 CNT가 사용될 수 있다.
상기 CNT는 단일벽(singlewall) CNT, 이중벽(doublewall) CNT, 얇은 다중벽(thin multiwall) CNT 및 다중벽(multiwall) CNT로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반응성 관능기는 극성을 가지며, C, H, O, N, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함할 수 있다. 이에 따라, 2 이상의 상기 반응성 관능기들 간에는 반발력이 작용하여 상기 분산제를 상기 분산매에 분산시킬 수 있다. 이러한 반응성 관능기는 카르복시기, 니트레이트기, 히드록시기, 포스페이트기, 이민기, 아민기, 아미드기 및 에폭시기로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다.
상기 분산제는 20000 이하의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 상기 분산제의 중량평균분자량이 상기 범위이내이면, 후술하는 CNT 막구조체(도 2의 120) 형성후 CNT에 흡착되지 않은 잔류 유기물질이 세척에 의해 쉽게 제거될 수 있어서 막에 포함된 과량의 유기물질이 제거되어 CNT 막의 면저항(sheet resistance)을 낮게 유지할 수 있다. 이러한 분산제는 폴리아크릴산, 폴리(에틸렌이민), 폴리(알릴아민), 폴리(4-스티렌술폰산), 폴리메타크릴산, 폴리포스포네이트류, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 셀룰로오스 니트레이트 및 글리코겐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 고분자를 포함할 수 있다.
상기 분산매는 제1 액체 및 제2 액체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 액체는 친수성이고 상기 제2 액체는 상기 제1 액체와 혼화될 수 있으며, 상기 분산제는 상기 제1 액체 보다 상기 제2 액체에 더 많이 용해될 수 있다.
따라서, 상기 분산매는 상기 제1 액체와 제2 액체의 혼합용액일 수 있으며, 상기 분산제 및 이의 경화체를 적어도 부분적으로 용해시킬 수 있다. 따라서, 상기 분산매는, 후술하는 CNT 막구조체의 형성공정에서, 잔류 유기물질의 분리(segregation)가 없는 균일한 막을 형성하게 되어 세척후의 CNT막을 균일하게 형성하게 할 수 있다. 이러한 잔류 유기물질의 분리 방지 효과는, 상기 분산제의 용해도 제어에 기인한다. 일반적으로, 상기 분산제의 용해도 상수는 상기 제1 액체의 용해도 상수와 어느 정도 차이가 있기 때문에 미량의 분산제를 사용하여 만든 CNT 조성물에서 상기 분산제는 상기 제1 액체에 잘 용해되어 있지만, CNT 막을 형성하는 과정 중 CNT 조성물의 액적(droplet)을 형성하거나 CNT 조성물을 건조하는 과정 중에 분산매가 제거될 경우 상기 제1 액체에 대한 상기 분산제의 용해도가 많이 떨어지게 된다. 따라서, 상기 분산제의 용해도 상수와 비슷하고 상기 제1 액체와 잘 혼합되는 상기 제2 액체를 CNT 조성물에 추가로 포함시키면 잔류 유기물질의 분리를 완화시킬 수 있다. 만일, 잔류 유기물질의 분리가 일어나면, CNT 막의 표면 거칠기가 커지고 상기 분리된 잔류 유기물질은 감광막과의 접착력이 좋아서 감광막(포토레지스트)의 제거시 CNT 막에 손상을 주거나 CNT 막의 표면을 불균일하게 만들 수 있다. 여기서, 용어 '잔류 유기물질'이란 CNT에 흡착되지 않고 CNT 조성물에서는 분산의 안정화제로 기능하는 것으로, 패턴공정 후 세척공정에 의해 제거되는 것을 의미한다.
예를 들어, 상기 제1 액체는 물이고, 상기 제2 액체는 알코올류와 같은 히드록시기 함유 물질일 수 있다.
한편, 상기 분산제가 외부 에너지에 노출될 경우, 2 이상의 상기 반응성 관능기들끼리 화학적으로 반응할 수 있다. 또한 이 경우, 상기 반응성 관능기는 상기 CNT 조성물의 내부 또는 외부에 존재하는 기타 반응성 관능기와도 화학적으로 반응할 수 있다. 또한 이 경우, 상기 반응성 관능기는 후술하는 기재에 존재하는 산소와도 화학적으로 반응할 수 있다. 이러한 화학반응에 의하여 상기 분산제가 경화될 수 있다. 이에 따라, 상기 경화된 분산제가 CNT를 바인딩하여 CNT 입자들 간의 접착력을 증가시키므로 네트워크 형상의 CNT 구조가 안정적으로 유지될 수 있다. 또한, 상기 분산제는 상기 기재에 존재하는 산소와도 화학반응할 수 있다. 이에 따라, CNT와 상기 기재와의 접착력이 증가하여 후술한는 CNT 막구조체의 제조공정 중 CNT가 기재로부터 분리되는 것을 방지할 수 있다. 상기 각 화학반응은 수소결합 또는 가수분해에 의한 축합반응일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 막구조체에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 막구조체는 기재 및 CNT 막을 포함한다.
상기 기재는 상기 CNT 막과 접착하여 상기 CNT 막을 지지한다.
상기 기재에는 홀이 형성되고, 상기 홀에는 상기 CNT 막의 일부가 충진될 수 있다. 상기 홀은 상기 CNT 막이 적층되는 쪽의 폭이 그 반대쪽 폭 보다 넓도록 테이퍼진 것일 수 있다(도 2의 h 참조). 상기 홀이 상기 형상으로 테이퍼지면, 이에 충진된 CNT 막의 표면 덮음성(coverage) 및 연결성(connectivity)이 개선될 수 있다. 여기서, 용어 '연결성'이란 네트워크 형상의 CNT 구조가 끊어짐 없이 잘 연결된 정도를 의미한다.
상기 CNT 막은 상기 기재 위에 적층된 것으로, 네트워크 형상으로 배치된 CNT 및 상기 CNT에 흡착되고 상기 기재와 화학적으로 결합된 유기물질을 포함할 수 있다. 상기 화학결합은, 예를 들어, 전술한 분산제의 반응성 관능기와 기재의 산소 사이에 형성된 수소결합일 수 있다. 여기서, 용어 '유기물질'이란 전술한 분산제의 경화체 및/또는 상기 분산제와 기재의 반응생성물을 의미한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 막구조체에서, CNT 입자들에는 유기물질이 흡착되고 상기 유기물질은 다시 기재에 화학적으로 결합된다. 따라서, 상기 유기물질을 매개로 하여 CNT와 CNT 사이의 접착력이 증가하기 때문에 상기 CNT 막구조체로부터 CNT의 일부가 떨어져 나가는 현상이 방지될 수 있다. 또한, 상기 유기물질을 매개로 하여 CNT와 기재 사이의 접착력이 증가하기 때문에, CNT의 일부가 기재로부터 떨어져 나가는 현상이 방지될 수 있다.
상기 CNT 막구조체는, 전술한 CNT 조성물을 기재에 도포하는 단계 및 상기 기재에 도포된 CNT 조성물에 외부 에너지를 공급하여 CNT 막을 형성하는 단계를 거쳐 제조될 수 있다. 여기서, 용어 '외부 에너지'란 상기 CNT 조성물에서 분산제에 함유된 반응성 관능기가 자체적으로 및/또는 다른 물질과 화학반응을 일으키도록 하는 것으로, 예를 들어, 열 또는 UV를 의미한다.
상기 외부 에너지의 공급은, 예를 들어, 열처리에 의해 수행될 수 있다. 즉, 상기 기재 및 이에 도포된 CNT 조성물을 열처리하여, 분산매를 제거하고, 분산제를 경화시키며, 분산제와 기재를 화학적으로 결합시켜 CNT 막을 형성할 수 있다. 상기 열처리는 80 내지 250℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 상기 범위이내이면, 분산제와 기재 간의 화학적 결합이 충분하면서도 CNT 또는 유기물질의 분해가 방지될 수 있다.
이렇게 형성된 CNT 막은 CNT 조성물을 기재에 도포하는 단계에서 패터닝될 수 있다. 이와는 달리, 상기 CNT 막은, CNT 조성물을 기재의 전면(全面)에 도포하고 열처리 등을 통해 CNT 막을 형성한 후, 상기 CNT 막 위에 감광막을 형성하고 광마스크를 통해 상기 감광막에 노광한 후, 노광되지 않은 감광막을 제거하고 노출된 CNT 막을 건식식각한 다음, 남아 있는 감광막을 세척에 의해 제거함으로써 패터닝될 수도 있다. 전자의 CNT 막의 패터닝은, CNT 조성물이, 예를 들어, 잉크젯 프린팅에 의해 기재에 도포되거나 또는 마스크를 씌운 기재에 다양한 도포방법에 의해 도포될 때 수행될 수 있고, 후자의 CNT 막의 패터닝은 CNT 조성물이, 예를 들어, 스프레이 코팅, 바 코팅 또는 스핀 코팅에 의해 기재에 도포된 후 추가 열처리 등을 통해 형성된 CNT 막에 대하여 건식식각으로 수행될 수 있다.
이어서, 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 액정표시장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 액정표시장치의 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 액정표시장치(100)는 백라이트 유니트(101), 박막트랜지스터 어레이 기판(118), 액정(130), 스페이서(140) 및 컬러필터 어레이 기판(190)을 포함한다.
박막트랜지스터 어레이 기판(118)은 백라이트 유니트(101)에서 방출된 광에 노출된다. 이러한 박막트랜지스터 어레이 기판(118)은, 기판(102), 박막트랜지스터(110), 화소전극(도 2의 122), Cs 전극(121) 및 배향막(103)을 포함할 수 있다.
상기 박막트랜지스터(110)는 외부에서 입력된 전기신호(즉, 영상신호)를 액정(130)에 전달하거나 차단하는 스위칭 소자로서, 예를 들어, 도 2에 도시된 것과 동일하거나 이와 유사한 구성을 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 박막트랜지스터(110)는 게이트 전극(111), 게이트 절연막(112), 활성화층인 a-Si:H(113), 옴접촉층인 n+a-Si:H(114), 소스 전극(115), 드레인 전극(116) 및 SiN 등으로 형성된 보호막(117)을 포함할 수 있다. 상기와 같은 구성을 갖는 박막트랜지스터(110) 외에 다른 다양한 구성을 갖는 박막트랜지스터가 본 발명의 일 구현예에 따른 액정표시장치(100)에 적용될 수 있다.
도 2에서, 보호막(117) 및 이에 적층된 화소전극(122)은 전술한 것과 같은 CNT 막구조체(120)를 형성한다. 즉, 화소전극(122)은 전술한 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 막구조체에 포함된 CNT 막과 동일한 것일 수 있다.
Cs 전극(121)은 기판(102)상에 박막트랜지스터(110)와 이격되도록 배치될 수 있다.
배향막(103)은 박막트랜지스터 어레이 기판(118)의 최상부에 배치되어 후술하는 배향막(104)과 함께 액정(130)을 일정한 방향으로 배열시킨다.
액정(130)은 백라이트 유니트(101)에서 방출된 광을 차단하거나 투과시켜 컬러필터 어레이 기판(190)의 컬러필터(160a, 160b, 160c)를 제어한다.
스페이서(140)는 박막트랜지스터 어레이 기판(118)과 컬러필터 어레이 기판(190) 사이의 공간을 일정하게 유지시킨다.
도 1을 참조하면, 컬러필터 어레이 기판(190)은, 기판(180), 상기 기판(180)상의 화소영역의 주변을 따라 배치된 블랙 매트릭스(170), 상기 블랙 매트릭스(170) 사이에 순차적으로 배치된 적색, 녹색 및 청색의 컬러필터(160a, 160b, 160c), 상기 블랙 매트릭스(170)와 컬러필터(160a, 160b, 160c)를 덮도록 배치된 오버코트층(155), 상기 오버코트층(155) 위에 배치된 공통전극(150) 및 상기 공통전극(150) 위에 배치된 배향막(104)을 포함할 수 있다.
공통전극(150)은 상기 화소전극(122)과 마주 보도록 배치된 것으로, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), CNT 또는 그라펜(graphene)으로 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 액정표시장치(100)는 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 막구조체(120)를 포함하는 것을 제외하고는, 공지의 TFT-LCD와 유사한 구성을 가질 수 있다. 따라서, 액정표시장치(100)의 구성요소 중 전술한 CNT 막구조체(120)를 제외한 나머지 구성요소에 대하여는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 일 구현예는, 상기 CNT 막구조체를 화소전극으로 포함시키는 액정표시장치의 제조방법을 제공한다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1~3 및 비교예 1: CNT 조성물의 제조
하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 단일벽 CNT(한화나노텍, ASP-100F) 15mg과 분산제 15mg을 혼합한 후, 상기 혼합물에 분산매 30ml를 첨가하였다. 이어서, 상기 결과물을 초음파분쇄기(Jeio Tech, ULH-700S)로 210W의 조건에서 9분 동안 분산시킨 후 원심분리기(Thermo Scientific, Heraeus Multifuge X3R)로 10000rpm에서 10분간 원심분리한 다음, 침전물을 분리하여 잘 분산된 CNT 조성물을 얻었다.
분산제의 종류 분산매의 종류
실시예 1 폴리아크릴산 물
실시예 2 폴리아크릴산 20wt% 에탄올 수용액
실시예 3 폴리아크릴산 20wt% 이소프로필 알코올 수용액
비교예 1 소듐 도데실벤젠 술포네이트(NaDDBS) 물
평가예
평가예 1: CNT 막구조체의 품질 평가(1)
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 CNT 조성물을 각각 유리기재에 120℃에서 스프레이 코팅기(㈜ 엔씨에스, ncs-400)로 도포하였다. 이후, 유리기재에 코팅된 CNT 막을 물에 10분간 담근 후 건조하였다.
이 경우, 상기 각 CNT 막구조체를 물로 세척하기 전과 후에 상기 각 CNT 막구조체의 표면 상태를 디지털 카메라(올림푸스, C5050)로 촬영하여 도 3에 나타내었다. 도 3의 (a)는 비교예 1에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이고, 도 3의 (b)는 실시예 1에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이다.
도 3을 참조하면, 비교예 1에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우에는 CNT 막구조체를 세척하는 과정에서 CNT가 유리기재로부터 떨어져 나가 CNT 막이 손상되었으며, 실시예 1에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우에는 CNT 막의 손상이 거의 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과는, CNT와 CNT 사이 및 CNT와 유리기재 사이의 접착력이 비교예 1에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우에는 약하고, 실시예 1에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우에는 강하기 때문인 것으로 보인다.
또한 이러한 결과로부터, 비교예 1에서 제조된 CNT 조성물은 액정표시장치의 화소전극 제조용으로 적당하지 않다는 사실을 알 수 있다.
평가예 2: CNT 막구조체의 품질 평가(2)
실시예 1~3에서 제조된 CNT 조성물을 SiN 유리기재(1000A SiN)에 도포한 것을 제외하고는, 상기 평가예 1과 동일한 방법으로 CNT 막구조체를 제조하였다
이 경우, 상기 각 CNT 막 구조체를 물로 세척하기 전과 후에 상기 각 CNT 막구조체의 표면 상태를 레이저 현미경(올림푸스, OLS 3000; 408nm, 2D)으로 촬영하여, 각 사진을 도 4의 첫번째 줄과 두번째 줄에 각각 나타내었다. 도 4의 (a)는 실시예 1에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이고, 도 4의 (b)는 실시예 2에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이며, 도 4의 (c)는 실시예 3에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이다.
도 4를 참조하면, CNT 막의 표면 상태는 CNT 조성물에 사용된 분산매의 종류에 따라 달라지며, 분산매로서 물만을 사용하는 경우 보다는 알코올 수용액을 사용하는 경우에 CNT 막에서의 유기물질의 분리현상이 감소된 것을 알 수 있다. 도 4의 (a) 및 (b)의 첫번째 줄의 사진에서 얼룩 부분은 CNT 막에서의 유기물질의 분리현상을 가리키며 이는 유기물질의 용해도와 관련이 있는 것으로 분산매에 알코올을 첨가할 경우 유기물질의 용해도가 증가하여 이런 현상이 줄어든 것이다. 도 4의 두번째 줄에 나타낸 사진은 CNT 막구조체를 물로 세척하여 CNT에 흡착되지 않은 유기물질을 제거한 이후의 사진이다. 도 4의 (a) 및 (b)의 두번째줄에 나타낸 화살표는 세척전에 생긴 유기물질의 분리현상이 CNT 네트워크의 균일성에도 부정적인 영향을 준 것을 확인할 수 있다.
평가예 3: CNT 막구조체의 성분 분석
상기 평가예 2에서 제조된 CNT 막구조체 중 비교예 1 및 실시예 3에서 제조된 CNT 조성물을 사용하여 제조된 CNT 막구조체를 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)로 분석하여, 그 결과 얻어진 C1s 와 O1s 스펙트럼을 도 5에 나타내었다.
도 5의 (a-1) 및 (b-1)은 비교예 1에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이고, 도 5의 (a-2) 및 (b-2)는 실시예 3에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이다.
도 5의 (a-1)을 참조하면, C1s의 경우, 코팅후 및 열처리 후에는 CNT 조성물이 분산제인 소듐 도데실벤젠 설포네이트(NaDDBS)를 포함하고 있어서 sp3와 sp2의 혼합으로 인한 넓은 피크를 보여주며, 열처리 및 세척후에는 NaDDBS가 제거되어 CNT에 존재하는 sp2 결합으로 인한 날카로운 피크를 보여준다.
도 5의 (b-1)을 참조하면, O1s의 경우, CNT 조성물을 코팅한 경우나 열처리를 한 경우에는 분산제인 NaDDBS의 SO3 - 피크가 보이나, 열처리 및 세척후에는 기재인 SiO2가 검출되었다. 도 5의 (b-1)에서 'Na KLL'은 Na에 대한 Auger 피크를 의미한다.
도 5의 (a-2)를 참조하면, C1s의 경우, 코팅후에는 CNT 조성물이 분산제인 폴리아크릴산을 포함하고 있어서 COOH의 피크가 잘 나타나 있으며, 열처리를 한 경우나 열처리 후 세척을 한 경우에는 메인탄소 피크의 변화보다는 COOH 피크의 강도(intensity)가 줄어들고 낮은 결합 에너지로의 피크 이동(peak shift)이 뚜렷하게 나타남을 확인할 수 있다.
도 5의 (b-2)를 참조하면, O1s의 경우, 열처리후 및 세척후에도 분산제에 포함된 산소 함유기 피크의 구조가 코팅후 열처리 전과 거의 유사하게 나타났으며, 도 5의 (a-2)와는 다르게 산소 함유기 피크의 크기가 큰 것을 알 수 있다. 도 5의 (b-2)에서, 산소 함유기 피크의 크기가 줄어들고 OH/CO의 비율이 감소하는 결과로부터 COOH에서의 OH의 제거를 유추할 수 있다.
상기 XPS 결과로부터, 비교예 1에서 분산제로 사용된 NaDDBS 처럼 단분자인 계면활성제의 경우는 열처리로 인한 반응성이 없기 때문에 열처리 유무와 관계없이 세척시 제거되지만, 실시예 3에서 분산제로 사용된 폴리아크릴산의 경우는 열처리에 의해 화학구조가 변화되어 세척후에도 CNT 막구조체에 남게 된다. 이로부터, CNT막과 기재 사이의 접착력이 뛰어난 이유를 유추해볼 수 있다.
평가예 4: 본 발명의 일 구현예에 따른 CNT 조성물을 사용하여 제조된 액정표시장치의 화소전극의 품질 평가
도 1의 구성과 유사한 구성을 갖는 액정표시장치를 제조하였다. 이 경우, 실시예 1~3에서 제조된 CNT 조성물을 화소전극 형성용 재료로 사용하였다. 구체적으로, 상기 평가예 1에 기재된 CNT 막구조체의 제조방법과 동일한 방법으로, 실시예 1~3에서 제조된 CNT 조성물을 SiN으로 형성된 보호막 위에 코팅하고 패턴공정을 추가하여 화소전극을 형성하였다. ITO 화소전극 대신에 CNT 화소전극을 형성하는 것을 제외하고는, 액정표시장치(Samsung, LN46C750)의 제조에 사용된 재료와 동일한 재료 및 그의 제조방법과 동일한 방법으로 상기 액정표시장치를 제조하였다.
화소전극을 형성하기 위한 패턴공정은 하기와 같았다. 즉, SiN으로 형성된 보호막 위에 CNT 조성물을 코팅한 후, 상기 코팅된 CNT 조성물을 180℃에서 30분간 추가 어닐링하여 CNT막을 얻었다. 이어서, 상기 CNT 막(즉, 화소전극) 위에 포토레지스트(AZ-EM)를 솔롯 다이(slot die)법으로 코팅한 후, 광마스크(자체 제작)를 통해 상기 포토레지스트막을 노광하고, 노광되지 않은 포토레지스트막을 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide) 수용액으로 세척하여 제거한 후, 상기 CNT 막 중 노출된 부분을 O2 RIE법(80mTorr, 800W, O2 유속: 400sccm, 30초)으로 식각하고, 남아있는 포토레지스트막을 TMAH으로 세척하여 패터닝된 CNT 막구조체(즉, 보호막 및 그 위에 적층된 패턴화된 화소전극)를 얻었다.
상기 제조된 각 액정표시장치의 화상을 도 6에 나타내었다. 도 6의 (a)는 실시예 1에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이고, 도 6의 (b)는 실시예 2에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이며, 도 6의 (c)는 실시예 3에서 제조된 CNT 조성물을 사용한 경우이다.
도 6를 참조하면, 액정 표시 장치의 화상 품질은 CNT 조성물에 사용된 분산매의 종류에 따라 달라지며, 분산매로서 물만을 사용하는 경우 보다는 알코올 수용액을 사용하는 경우에 액정표시장치의 화상 품질도 더 우수한 것으로 나타났다. 이러한 결과는, 도 4에서 보여지는 것처럼 세척전에 CNT에 흡착되지 않은 유기물질이 물 보다는 알코올 수용액에서 더 많이 용해되어 유기물질의 분리 현상이 감소하여 균일한 막이 형성되었기 때문인 것으로 보인다. 또한 분리된 유기물의 경우 포토레지스트와의 친화성이 더 커서 포토레지스트 제거시 유기물질이 많이 분포되어 있는 CNT 막이 일부 떨어져 나가는 현상이 일어날 수도 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
101: 백라이트 유니트 103, 104: 배향막
111: 게이트 전극 112: 게이트 절연막
113: a-Si:H 114: n+a-Si:H
115: 소스 전극 116: 드레인 전극
117: 보호막 118: 박막트랜지스터 어레이 기판
120: CNT 막구조체 121: Cs 전극
122: 화소전극 130: 액정
140: 스페이서 150: 공통전극
155: 오버코트층 160: 컬러필터
170: 블랙 매트릭스 180: 컬러필터 기판
190: 컬러필터 어레이 기판

Claims (23)

  1. 탄소나노튜브(CNT);
    반응성 관능기를 갖는 분산제; 및
    분산매를 포함하는 CNT 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽(singlewall) 탄소나노튜브, 이중벽(doublewall) 탄소나노튜브, 얇은 다중벽(thin multiwall) 탄소나노튜브 및 다중벽(multiwall) 탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 CNT 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응성 관능기는 극성을 가지며, C, H, O, N, S 및 P로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 CNT 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반응성 관능기는 카르복시기, 아세테이트기, 니트레이트기, 히드록시기, 포스페이트기, 이민기, 아민기, 아미드기 및 에폭시기로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는 CNT 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분산제는 20000 이하의 중량평균분자량을 갖는 CNT 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분산제는 폴리아크릴산, 폴리(에틸렌이민), 폴리(알릴아민), 폴리(4-스티렌술폰산), 폴리메타크릴산, 폴리포스포네이트류, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐아세테이트, 셀룰로오스 니트레이트 및 글리코겐으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 고분자를 포함하는 CNT 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 액체 및 제2 액체를 포함하고,
    상기 제1 액체는 친수성이고 상기 제2 액체는 상기 제1 액체와 혼화되며,
    상기 분산제는 상기 제1 액체 보다 상기 제2 액체에 더 많이 용해되는 CNT 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 액체는 물이고, 상기 제2 액체는 히드록시기 함유 물질인 CNT 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 액체는 알코올류를 포함하는 CNT 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분산제가 외부 에너지에 노출될 경우, 2 이상의 상기 반응성 관능기들끼리, 상기 반응성 관능기와 기타 반응성 관능기, 또는 상기 반응성 관능기와 외부의 산소가 화학적으로 반응하는 CNT 조성물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 화학반응은 수소결합 또는 가수분해에 의한 축합반응인 CNT 조성물.
  12. 기재; 및
    상기 기재 위에 적층된 CNT 막을 포함하고,
    상기 CNT 막은 네트워크 형상으로 배치된 탄소나노튜브(CNT) 및 상기 탄소나노튜브에 흡착되고 상기 기재와 화학적으로 결합된 유기물질을 포함하는 CNT 막구조체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 화학결합은 수소결합을 포함하는 CNT 막구조체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 CNT막은 패턴화된 것인 CNT 막구조체.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 기재에는 홀이 형성되고, 상기 홀에는 상기 CNT 막의 일부가 충진된 CNT 막구조체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 홀은 상기 CNT 막이 적층되는 쪽의 폭이 그 반대쪽 폭 보다 넓도록 테이퍼진 CNT 막구조체.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 CNT 막구조체를 포함하는 액정표시장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기재는 보호막이고, 상기 CNT 막은 화소전극인 액정표시장치.
  19. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 CNT 조성물을 기재에 도포하는 단계; 및
    상기 기재에 도포된 CNT 조성물에 외부 에너지를 공급하여 CNT 막을 형성하는 단계를 포함하는 CNT 막구조체의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 외부 에너지의 공급은 열처리에 의해 수행되는 CNT 막구조체의 제조방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 열처리는 80 내지 250℃에서 수행되는 CNT 막구조체의 제조방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 형성된 CNT 막을 패터닝하는 단계를 추가로 포함하는 CNT 막 구조체의 제조방법.
  23. 제19항에 따른 CNT 막구조체의 제조방법을 사용하여 보호막 위에 화소전극을 형성하는 액정표시장치의 제조방법.
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