KR100464222B1 - 전계방출 소자 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 에미터 등에 사용되는 소자로서 탄소나노튜브를 이용한 전계방출소자에 관한 것으로서, 종래의 소자에 비해 탄소나노튜브와 하부기판 사이를 보다 강력하게 결합시키고 탄소나노튜브를 평면 기판에 수직으로 배향시켜 전자전달이 용이하도록 구성된 전계방출소자를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하는 일방법으로 하부기판 상부에 금속박막층을 형성시킨 후, 말단이 티올로 개질된 탄소나노튜브를 상기 금속박막층상에 자기조립에 의해 직접 연결하거나 또는 콘쥬게이트화 이중결합에 의해 연결시킨 전계방출소자를 개시한다.

Description

전계방출 소자 및 그의 제조방법{Field Emission Material and manufacturing method thereof}

본 발명은 가늘고 뾰족한 구조와 전자 전달의 용이성을 지닌 탄소나노튜브를 전자 에미터로 이용하기 위하여 수직으로 배열한 전계방출 소자에 관한 것이다.

현재 진공 극소전자(microelectronic)소자는 평판 디스플레이, 마이크로파 전력 증폭기에서 사용되는 클라이스트론 및 진행파 튜브(traveling wave tube), 전자총, 전자빔 리소그래피, 고에너지 가속기, 자유전자 레이져, 및 전자현미경 및 마이크로 프로브 등에 사용된다. 이러한 소자에서 바람직한 전자원은 적합한 음극물질로부터 진공으로 전자를 전계방출하는 것이다.

전형적인 전계방출 소자는 복수의 전계에미터 팁을 포함하는 음극 및 이 음극으로부터 이격되어 있는 양극을 포함한다. 양극과 음극간에 인가되는 전압은 양극을 향하는 전자방출을 유발시킨다. 이러한 전계 에미터의 유망한 응용은 평판디스플레이 이다.

종래의 전계방출 소자용 음극물질은 통상 첨예한 나노미터 크기의 팁을 갖는 금속(예를 들어, 몰리브덴)이나 Si와 같은 반도체 물질로 만들어진다. 이들 물질들을 방출 특성이 유용한 것으로 알려져 있으나, 방출에 필요한 제어 전압은 이들의 임함수가 크기 때문에 비교적 높다. 고전압 동작은 에미터 팁상에서 이온충돌 및 표면확산에 의해 야기되는 손상 불안정성을 증가 시키며 요구되는 방출전류 밀도를 생성하기 위해서, 외부언으로부터 고전력 밀도를 필요로 한다. 더우기 뾰족한 팁을 균일하게 제조하는 것은 특히 대면적에서 어렵고 비용이 많이 든다.

대한민국 특허 공보 특2000-0023347에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 탄소나노튜브를 이용한 전계에미터 소자에 대해 언급하였다. 여기에서 탄소나노튜브는 기판상에 점착성 막을 형성하게 되는데, 여기서 나노튜브는 용매 및 바인더와 혼합하여 가열하거나, 기판이 열에 의해 연화되어 나노튜브와 접합되거나, 전계 또는 자계를 주어 50%이상 동일방향으로 정렬하게 하는 등의 방법을 제시하였다.

그러나 이 발명에서는 모든 나노튜브가 동일하게 수직으로 정렬하지 못하며물리적 결함으로 전자 전달이 용이하지 않고 바인더 때문에 추후 고진공시에 바인더에서 가스가 누출될 수 있는 단점이 있다.

또 다른 기술로는 도 2에 나타난 바와 같이 탄소나노튜브의 말단을 아미노에탄티올과 아미드 결합에 의하여 금구슬(gold ball)의 표면에 배열하는 방법이 있다. (Langmuir, Vol 16, No8, 3569).

여기에선 나노튜브를 배열하기 위하여 초음파 진동을 사용하므로 금박막등 금속 박막에 적용하기가 어렵고, 금구슬(4) 표면의 곡면으로 인하여 넓은 면을 봤을때는 일정한 방향으로 배향된 것이 아니며 또한 나노튜브와 티올간에 존재하는 아미드 결합과 2개의 탄소간 단일결합으로 인하여 전자 전달이 어렵고 합성단계가 복잡하고 비싼 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 탄소나노튜브와 하부기판 사이를 화학적인 결합에 의하여 강하게 결합시키고, 탄소나노튜브를 평면 기판에 수직으로 배향시켜 전자 전달이 용이하도록 구성된 전계방출소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한 것이다.

도 1은 하부기판의 금속박막층과 -SH로 말단이 개질된 탄소나노튜브의 화학적결합을 보여주는 단면도이다.

도 2는 종래의 탄소나노튜브를 수직으로 배열한 전계방출 소자의 단면도이다.

도 3은 탄소나노튜브가 금 표면위에 자기조립으로 수직으로 배열한 원자현미경(AFM)사진이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 금속 박막층 2 : 하부기판

3 : 탄소나노튜브 4 : 금구슬(Gold Ball)

본 발명은 하부기판 상부에 금속박막층을 형성시킨 후 말단이 티올로 개질된 탄소나노튜브를 상기 금속박막층에 자기조립에 의해 수직으로 배향 연결시킨 것을 특징으로 한 소자에 관한 것으로서, 이하에서 첨부된 도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 하부기판(2)의 금속박막층(1)과 말단이 티올(-SH)로 개질된 탄소나노튜브(3)의 화학적 결합을 나타낸 것이다.

이때 탄소나노튜브는 길이 0.05∼10㎛, 지름 1∼200㎚범위의 단층 또는 다층의 나노튜브를 사용하며 탄소나노튜브의 개질과 금속박막상에의 결합은 다음과 같은 방법이 사용될 수 있다. 즉, 아크 방전으로 얻어진 탄소나노튜브를 황산과 질산의 혼합물 속에서 산화시키면서 초음파 진동을 통해 탄소나노튜브의 말단을 카르복실 그룹으로 치환하여 짧은 탄소나노튜브를 얻고 증류수로 세척한 다음 BH₃-THF를 이용해 OH기로 환원시킨 후 SOC1₂를 이용해 -C1로 치환하고, 다시 KSH를 이용해 말단을 -SH기로 개질시킨 후, 이를 에탄올에 분산시킨 후 두께가 0.1㎚∼1㎛인 금속박막층이 형성되어 있는 하부기판을 상기 용액속에서 흔들어 주어 탄소나노튜브들이 도 3에 나타낸 형상과 같은 모양으로 자기조립(Self-assembly)되도록 하므로써 개질된 탄소나노튜브를 금속박막상에 직접 결합시키거나 또는 콘쥬게이트화 이중결합으로 연결된다. 이때 금속박막과 탄소나노튜브는 전자전달이 용이하도록 티오에테르 결합(-S-)으로 직접 연결됨으로써 결합이 용이하고 결합력도 강하다.

한편, 하부기판은 유리, 구리, 실리콘, 알루미늄 등을 재질로 하여 다양한 형태로 제작가능하며, 상기 하부기판에 증착되는 금, 백금, 은 등이 금속이나 금속산화물이 사용가능한데, 특히 금을 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 금속박막은 기판의 전부분을 도포하거나 또는 점, 원형, 다각형 등 기하하적 패턴을 그리도록 도포될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 전계방출 소자는 탄소나노튜브가 하부기판에 수직으로 배향하여 연결되어 있기 때문에 전자전달이 용이하며 또한 금속박막층에 티올로 개질된 탄소나노튜브가 자기조립에 의해 강력하게 연결되기 때문에 물리화학적으로 안정한 등의 유용성을 지니기 때문에 이를 전자에미터, 2차 전지의 전극, 캐패시터, 전계발광소자, 마이크로에미터 등의 소자로 널리 사용할 수 있다.

Claims (4)

1. 하부 기판상부에 금속박막층을 형성시킨 후, 말단이 티올로 개질된 탄소나노튜브를 길이 0.05 내지 10㎛, 지름 1 내지 200 ㎚의 단층 또는 다층으로 상기 금속박막층상에 자기조립에 의해 수직으로 직접 연결하거나 콘쥬게이트화 이중결합에 의해 연결시킨 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
2. 삭제
3. 삭제
4. 아크방전으로 얻어진 탄소나노튜브를 황산과 질산의 혼합물속에서 산화시키면서 초음파진동을 통해 탄소나노튜브의 말단을 카르복실 그룹으로 치환하여 짧은 탄소나노튜브를 얻고 증류수로 세척한 다음, BH₃-THF를 이용해 OH기로 환원시킨 후 SOCl₂를 이용해 -Cl로 치환하고, 다시 KSH를 이용해 말단을 -SH기로 개질 시킨 후, 이를 에탄올에 분산시킨 후 금속 박막층이 형성되어 있는 하부기판을 상기 용액속에서 흔들어 줌으로써 탄소나노튜브가 자기조립되도록, 금속박막층상에 말단이 티올로 개질된 탄소나노튜브(3)를 결합하는 것을 특징으로 하는 전계방출 소자의 제조방법.