KR100480179B1 - 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 나노튜브를 수직배향하여 균일한 전자방출이 가능하게 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 탄소 나노튜브 전계방출소자의 제조방법은 양극산화공정을 이용하여 균일한 크기의 탄소 나노튜브들을 제조하는 단계와; 탄소 나노튜브를 산처리하여 카르복실기가 붙은 탄소 나노튜브를 제조하는 단계와; 카르복실기가 결합된 탄소 나노튜브를 Cysteamine(NH₂CH₂CH₂SH)과 반응시켜 티올기가 결합된 탄소 나노튜브를 제조하는 단계와; 상기 티올기가 결합된 탄소 나노 튜브들을 에틸 알콜에 서스펜션시켜 상기 티올기가 결합된 탄소 나노튜브들을 임의의 기판 위에 형성된 음극과의 화학결합으로 균일하게 배열되게 하는 단계와; 전기장을 이용하여 탄소 나노튜브를 수직배향시킴과 아울러 수직배향된 탄소 나노튜브들을 고정하기 위한 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소 나노튜브 전계방출소자 및 그 제조방법 {Field Emission Device with Carbon Nanotubes and Fabricating Method Thereof}

본 발명은 전계방출 디스플레이나 기타 진공 중에서의 전자방출을 위해 이용되는 전계방출소자에 관한 것으로, 특히 균일한 전자방출이 가능하게 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근들어, 신물질로 각광받고 있는 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube)는 수 nm에서 수십 nm의 아주 작은 직경의 결정구조를 갖음과 아울러 내화학적 특성 및 기계적 강도가 우수하여 그의 응용이 기대되고 있다. 하나의 응용분야로서 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출소자로서의 제작이 연구되고 있는데, 특히 전계방출소자로의 응용이 기대되고 있다. 이는 탄소 나노튜브를 전계방출소자로 이용하는 경우 전자 방출 전압을 크게 낮출 수 있으므로 기존의 스핀트형 팁이나 실리콘 팁 등과 같은 전계방출소자를 이용하는 것보다 구동전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 탄소 나노튜브의 내화학적 특성 및 기계적 강도가 우수하여 신뢰성이 좋은 소자 제작이 가능하기 때문이다. 탄소 나노튜브의 전계 방출 전압이 낮은 이유는 직경이 nm로 아주 작아 전계강화효과(Field Enhancement Factor)가 커서 전자방출이 일어나는 임계전계(Turn-on Field)가 1 ~ 5V/㎛로 낮기 때문이다.

도 1을 참조하면, 종래의 탄소 나노튜브를 이용한 2전극 구조의 전계방출소자는 하부기판(10)에 형성된 음극(12) 및 탄소 나노튜브(14)와, 상부기판(16)에 적층된 양극(18) 및 형광체(20)를 구비한다. 탄소 나노튜브들(14)는 음극(12)에서 돌출된 부분을 통해 양극(18)과 음극(12)에 인가되는 전계에 의존하여 전자를 방출하게 된다. 탄소 나노튜브들(14)에서 방출된 전자들은 적, 녹, 청 형광체(20)와 충돌하여 가시광이 방출되게 한다.

이러한 구조를 가지는 전계방출소자의 제조방법을 살펴보면, 우선 하부기판(10) 상에 음극(12)을 스크린 프린팅법이나 박막 패턴 등의 방법을 이용하여 형성한다. 그 다음, 별도의 공정으로 만들어진 탄소 나노튜브 분말을 바인더(Binder)와 전도성 충진제(Filler) 등과 혼합하여 슬러리 형태로 만든 다음 스크린 프린팅 등과 같은 방법으로 음극(12) 위에 도포하게 된다. 이어서, 바인더 제거공정을 거쳐 탄소 나노튜브(14)가 밖으로 노출되게 한다.

이러한 종래의 전계방출소자 제조방법은 탄소 나노튜브(14)의 형성조건이 전극 구조 공정에 영향을 주지 않으며 음극(12)과의 결합력이 좋다는 장점이 있으나, 탄소 나노튜브(14)의 길이를 조절할 수 없으며 수직배열 상태로 좋지 않다는 단점이 있다. 상세하게는 도 1에서와 같이 분말상태로 만들어진 탄소 나노튜브들(14)의 길이가 일정하지 않을 뿐만 아니라 바인더 제거 공정으로 노출되는 탄소 나노튜브들(14)의 길이가 일정하지 않음에 따라 전자 방출이 불균일함과 아울러 효과적으로 전자가 방출되지 않는다는 문제점이 있다. 또한, 탄소 나노튜브(14)의 배향 정도를 조절할 수 없으므로 탄소 나노튜브(14)가 비스듬히 세워질 경우 전류가 누설되는 경우가 발생하여 전력 손실이 크게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 탄소 나노튜브를 일정한 길이로 노출되게 하여 균일한 전자방출이 가능하게 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 탄소 나노튜브를 수직배향하여 균일한 전자방출이 가능하게 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법은 양극산화공정을 이용하여 균일한 크기의 탄소 나노튜브들을 제조하는 단계와; 탄소 나노튜브를 산처리하여 카르복실기가 붙은 탄소 나노튜브를 제조하는 단계와; 카르복실기가 결합된 탄소 나노튜브를 Cysteamine과 반응시켜 티올기가 결합된 탄소 나노튜브를 제조하는 단계와; 티올기가 결합된 탄소 나노튜브들을 임의의 기판 위에 형성된 음극과의 화학결합으로 균일하게 배열되게 하는 단계와; 전기장을 이용하여 탄소 나노튜브를 수직배향시킴과 아울러 수직배향된 탄소 나노튜브들을 고정하기 위한 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 일정크기가 탄소 나노튜브를 형성하는 단계는 양극산화공정을 이용하여 미세공이 형성된 알루미나 틀을 형성하는 단계와; 알루미나 틀의 미세공에 탄소 나노튜브를 성장시키는 단계와; 알루미나 틀 밖으로 노출된 탄소 나노튜브들을 제거하여 일정크기로 만드는 단계와; 알루미나 틀을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 지지층은 스핀코팅 방법을 이용하여 상기 탄소 나노튜브 보다 낮은 높이로 상기 음극 상에 형성한 다음 경화시켜 형성한다.

본 발명에 따른 탄소 나노튜브 전계방출소자는 임의의 기판 상에 형성되어 음극과; 다른 기판 상에 형성된 양극과; 균일한 크기를 가지고 상기 음극에 균일하게 배열됨과 아울러 수직배향되게 형성되어 양극과 음극에 인가된 전계에 의해 전자를 방출하며 탄소 나노 튜브를 산처리하여 형성된 카르복실기가 결합된 탄소 나노 튜브를 Cysteamine(NH₂CH₂CH₂SH)과 반응시켜 형성된 티올기가 결합된 탄소 나노튜브들과; 탄소 나노튜브 보다 낮은 높이로 음극 상에 형성되어 탄소 나노튜브들을 지지하기 위한 지지층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 도 2a 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 전계방출소자 제조방법을 단계적으로 나타낸다.

우선, 도 2a에 도시된 바와 같이 티올(Thiol; HS)기가 붙은 균일한 크기의 탄소 나노튜브들(21)을 마련한다. 균일한 크기의 탄소 나노튜브(21)들은 양극산화공정을 통해 별도로 형성된 알루미나 틀(도시하지 않음)을 이용하여 만든다. 알루미나 틀은 높은 순도의 알루미늄기판을 양극 산화시켜 형성하는 것으로, 그 양극산화 공정에 의해 원하는 크기, 즉 초미세홀(nanohole)을 가진다. 양극산화는 인산 혹은 옥살산 용액 내에 있는 알루미늄기판을 양극, 별도의 백금을 음극으로 하여 그 양단에 약 30~160V의 직류전압을 인가하여 알루미늄(Al)을 산화시키는 공정이다. 이 양극산화공정으로 알루미늄(Al)이 산화되어 Al₂O₃로 되면서 10~200nm정도의 범위에서 원하는 크기, 즉 일정한 직경을 가지는 초미세홀(Nanohole)들이 형성된 알루미나 틀이 형성된다. 초미세홀들의 크기는 양극산화조건을 조절하여 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 알루미나 틀의 초미세홀들에 화학기상증착법(CVD) 등과 같은 증착법을 이용하여 탄소 나노튜브를 성장시킨다. 탄소 나노튜브의 성장이 완료되면 알루미나 틀 밖으로 성장된 탄소 나노튜브들을 초음파를 이용하여 제거함으로써 탄소 나노튜브들이 일정한 크기를 갖게 한다. 이어서, 알루미나 틀을 제거함으로써 일정한 크기를 가지는 탄소 나노튜브들을 얻어낼 수 있다. 이렇게 일정크기로 만들어진 탄소 나노튜브에 티올(Thiol)기를 붙이게 된다. 다시 말하여, 탄소 나노튜브를 산처리하여 카르복실기가 붙은 탄소 나노튜브를 제조한 다음 Cysteamine(NH₂CH₂CH₂SH)와 반응시켜서 티올기, 즉 HS기가 붙은 탄소 나노튜브(21)를 만들어 낸다. 이러한 탄소 나노튜브(21)는 금(Au) 등과 같은 금속물질과 강한 화학결합을 하는 특성을 가진다. 이러한 화학결합 특성을 이용하여 금(Au) 등을 이용한 금속물질층에 탄소 나노튜브를 자동 배열시킬 수 있게 된다.

도 2b를 참조하면, 하부기판(22) 상에 음극(24)이 형성되고, 음극(24) 위에 탄소 나노튜브들(26)들이 균일하게 배열되어 형성된다. 음극(24)으로는 상기 HS기가 붙은 탄소 나노튜브(21)와 화학결합이 강한 도전성물질, 즉 금(Au) 등을 이용한다. 음극(24)과의 결합을 위하여 우선, HS기가 붙은 탄소 나노튜브(21)를 에틸 알콜에 서스펜션(Suspension)시키고 DCC(Dicyclohexycarbondiamide)를 첨가하여 금(Au)과의 반응이 촉진될 수 있게 한다. 이러한 용액 속에 음극(24)이 형성된 하부기판(22)을 담그면 음극(24) 위에 Au-S의 강한 화학 결합으로 탄소 나노튜브(26)들이 배열된다. 이때, 음극(24)에 배열된 탄소 나노튜브(26)는 그 밀도에 따라 탄소 나노튜브(26)들의 기울어짐이 달라지게 된다. 다시 말하여, 상기 HS기가 붙은 탄소 나노튜브(21)가 포함된 용액의 밀도가 낮은 경우 탄소 나노튜브(26)들은 음극(24)에 랜덤하게 배열되는 반면에, 상기 용액의 밀도가 높은 경우 탄소 나노튜브(26)들은 음극(24)에 수직에 가까운 기울기를 가지며 일정하게 배열된다. 따라서, 탄소 나노튜브(26)들이 음극(24)에 수직에 가까운 기울기를 가지면서 일정하게 배열될 수 있도록 상기 용액에서 HS기가 붙은 탄소 나노튜브(21)의 밀도를 조절한다.

음극(24)에 일정하게 배열된 탄소 나노튜브(26)들을 수직배향시켜 고정하기 위하여 도 2c에 도시된 바와 같이 지지층(28)을 형성하게 된다. 지지층(28)은 실록산(Siloxan) 용액을 탄소 나노튜브(26)가 배열된 음극(24)위에 스핀코팅방법을 통해 균일하게 도포하여 형성한다.

지지층(28)이 균일하게 도포된 후 도 2d에 도시된 바와 같이 전기장을 걸어주면서 지지층(28)을 경화시킴으로써 탄소 나노튜브들(26)이 수직배향된 상태로 고정되게 한다. 지지층(28)이 도포된 후 상부측에 별도의 양극기판(30)을 위치시킨 다음 양극기판(30)과 음극(24)에 전기장(E)을 인가하게 되면 탄소 나노튜브들(26)은 전기장 방향을 따라 수직배향된다. 이와 동시에, 온도를 높여 가열하게 되면 지지층(28)이 경화되어 글래스 상태가 됨으로써 탄소 나노튜브들(26)은 수직배향 상태로 고정될 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 실시 예에 따른 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법은 양극산화공정과 티올기 결합공정 및 Au-S 화학결합 공정을 이용하여 온도의 제한을 받지 않으면서 음극(24)에 일정한 크기를 가지는 탄소 나노튜브(26)들을 원하는 밀도대로 수직배열할 수 있음과 아울러 대면적기판에도 손쉽게 구현할 수 있다. 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법을 이용하는 경우 2극 또는 3극 구조의 전계방출소자를 용이하게 구현하여 전자방출이 균일하게 발생되게 할 수 있다. 특히, 2극구조의 전계방출소자를 상세히 하면 도 3과 같다.

도 3을 참조하면, 전계방출소자는 하부기판(22)에 형성된 음극(24) 및 탄소 나튜브들(26)과 탄소 나노튜브들(26)을 지지하기 위한 지지층(28)과, 상부기판 (32)에 적층된 양극(34) 및 형광체(36)와, 상하부기판(22, 32)을 지지하기 위한 스페이서(38)를 구비한다. 탄소 나노튜브들(26)은 일정한 크기를 가지면서 수직방향으로 배향되어 양극(34)과 음극(24)에 인가되는 전계에 의존하여 균일한 전자를 방출하게 된다. 탄소 나노튜브들(26)에서 방출된 전자들은 적, 녹, 청 형광체(36)와 충돌하여 가시광이 방출되게 한다. 이 경우, 탄소 나노튜브들(26)은 수직방향으로 배향되어 있으므로 누설전류가 거의 없게 된다. 지지층(28)은 탄소 나노튜브들(26)를 지지하여 장시간 동안의 전계방출시 탄소 나노튜브들(26)이 음극(24)으로부터 떨어져 나가는 것을 방지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법은 양극산화공정, 티올기 결합공정 및 Au-S 화학결합 공정으로 온도의 제한을 받지 않으면서 음극에 균일크기의 탄소 나노튜브들을 원하는 밀도대로 균일하게 배열하고, 전기장을 이용하여 탄소 나노튜브들을 수직배향시킬 수 있게 된다. 나아가, 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법에서는 수직배향된 탄소 나노튜브들을 지지층을 통해 고정시켜 장시간 전계방출로 인한 탄소 나노튜브의 이탈 등을 방지할 수 있게 된다. 이러한 제조방법에 따른 본 발명에 따른 전계방출소자는 균일한 전자방출이 발생되게 함과 아울러 누설전류를 방지하여 전력손실을 감소시킬 수 있게 된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

도 1은 종래의 스크린프린팅법을 이용한 탄소 나노튜브를 이용한 2전극 전계방출디스플레이의 구조를 도시한 단면도.

도 2a 내지 도 2d는 본 발며의 실시 예에 따른 탄소 나노튜브 전계방출소자의 제조방법을 단계적으로 나타내는 단면도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 탄소 나노튜브 전계방출소자의 구조를 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 22 : 하부기판 12, 24 : 음극

14, 26 : 탄소 나노튜브 16, 32 : 상부기판

18, 34 : 양극 20, 36 : 형광체

21 : 티올기가 결합된 탄소 나노튜브 28 : 지지층

30 : 양극기판 38 : 스페이서

Claims (8)

1. 양극산화공정을 이용하여 균일한 크기의 탄소 나노튜브들을 제조하는 단계와;

   상기 탄소 나노튜브를 산처리하여 카르복실기가 붙은 탄소 나노튜브를 제조하는 단계와;

   상기 카르복실기가 결합된 탄소 나노튜브를 Cysteamine(NH₂CH₂CH₂SH)과 반응시켜 티올기가 결합된 탄소 나노튜브를 제조하는 단계와;

   상기 티올기가 결합된 탄소 나노 튜브들을 에틸 알콜에 서스펜션시켜 상기 티올기가 결합된 탄소 나노튜브들을 임의의 기판 위에 형성된 음극과의 화학결합으로 균일하게 배열되게 하는 단계와;

   전기장을 이용하여 상기 탄소 나노튜브를 수직배향시킴과 아울러 수직배향된 탄소 나노튜브들을 고정하기 위한 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 균일한 크기의 탄소 나노튜브를 형성하는 단계는

   상기 양극산화공정을 이용하여 미세공이 형성된 알루미나 틀을 형성하는 단계와;

   상기 알루미나 틀의 미세공에 상기 탄소 나노튜브를 성장시키는 단계와;

   상기 알루미나 틀 밖으로 노출된 탄소 나노튜브들을 제거하여 일정크기로 만드는 단계와;

   상기 알루미나 틀을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 음극은 금(Au)으로 이루어지고,

   상기 에틸알콜에 서스펜션시킨 용액에 상기 티올기가 결합된 탄소 나노튜브들과 상기 금과의 반응을 촉진시키는 반응촉진제를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 용액에서 상기 티올기가 결합된 탄소 나노튜브들의 밀도를 이용하여 상기 탄소 나노튜브의 기울기와 배열상태를 조절하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지층은 스핀코팅 방법을 이용하여 상기 탄소 나노튜브 보다 낮은 높이로 상기 음극 상에 형성한 다음 경화시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자 제조방법.
8. 탄소 나노튜브 전계방출소자에 있어서,

   임의의 기판 상에 형성된 음극과;

   다른 기판 상에 형성된 양극과;

   균일한 크기를 가지고 상기 음극과 균일하게 배열됨과 아울러 수직배향되게 형성되어 상기 양극과 음극에 인가된 전계에 의해 전자를 방출하며 탄소 나노 튜브를 산처리하여 형성된 카르복실기가 결합된 탄소 나노 튜브를 Cysteamine(NH₂CH₂CH₂SH)과 반응시켜 형성된 티올기가 결합되고, 상기 음극과의 화학결합을 균일화하기 위해 에틸 알콜에 서스펜션된 탄소 나노 튜브들과;

   상기 탄소 나노 튜브 보다 낮은 높이로 상기 음극 상에 형성되어 상기 탄소 나노튜브들을 지지하기 위한 지지층을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 전계방출소자.