KR100584963B1 - 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터,그 제조방법 및 이를 포함하는 전계방출램프 - Google Patents

전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터,그 제조방법 및 이를 포함하는 전계방출램프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전계방출용 탄소나노튜브 에미터, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전계방출램프에 관한 것으로, 통상의 전해동박 제조공정에서 동박의 제조과정 중 후처리 공정인 열적 배리어층 형성 공정 및 전기화학적 배리어층 형성 공정을 대체하여 탄소나노튜브와 금속 이온의 공석도금공정을 도입한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 탄소계 나노입자를 이용하여 에미터를 제조하는 경우, 전극과 분리하여 형성하지 않고 동시에 형성함으로써 다양한 형상의 다양한 기판에 이를 접착하여 에미터로 바로 구현할 수 있는 장점이 있다. 또한, 기존의 전해동박공정을 이용함으로써 생산 속도와 단가를 획기적으로 개선할 수 있다.
전해동박, 전계방출용 탄소나노튜브 에미터, 전계방출램프

Description

전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전계방출램프 {Carbon nano tube emitter for field emission using electrolytic copper foil process, preparing method thereof and field emission lamp comprising the same}
도 1은 본 발명의 일 실시에 따른 전해동박 제조방법을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 에미터의 제조시 탄소나노튜브와 금속의 공석도금과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 에미터를 이용한 전계방출램프의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
11: 드럼 12: 애노드 판
13: 롤러 14: 전해동박
15: 탱크 16: 전해액
21: 동박 22: 노듈 형성 처리조
23: 방청 처리조 24: 공석도금 처리조
31: 캐소드 전극 32: 애노드 전극
41: 상부 기판 42: 애노드 전극층
43: 형광체층 44: 하부 기판
45: 동박 캐소드 전극층 46: 탄소나노튜브 발광층
47: 스페이서
본 발명은 전계방출용 탄소나노튜브 에미터, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전계방출램프에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 통상의 전해동박공정을 이용하여 전극과 발광체를 동시에 형성함으로써 경제적인 공정을 통해서 다양한 형상의 다양한 기판에 에미터로 바로 적용할 수 있는 전계방출용 탄소나노튜브 에미터, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전계방출램프에 관한 것이다.
광원은 오랜 시간동안 발전해 왔고 앞으로도 그러할 것이다. 일상 생활에서 우리에게 미치는 영향뿐만 아니라, 다양한 디스플레이 산업에 미치는 영향 또한 지대하다. 따라서, 현재 기술적인 경쟁이 가장 치열한 부분 중의 하나이고 앞으로 그 파급효과가 가장 큰 부분 중에 하나이다.
이에 발맞추어 다양한 차세대 광원 개발에 대한 연구들이 진행중이며, 이들은 백열전구의 열 전자방출에 의한 낮은 효율문제와 형광등의 수은 중금속 사용에 따른 환경친화성 문제를 해결하고, 앞으로 더 다양해지는 사회적 요구를 수용할 수 있는 면광원의 개발로 관심이 집중되고 있다.
면광원의 경우 다양한 시도들이 있을 수 있으며, 그 대표적인 예가 될 수 있는 것이 현재 많은 관심이 집중되고 이미 몇몇 활용 분야에 널리 보급되고 있는 LED이다. 또한, 차세대 광원으로 주목할 만한 것으로 전계방출(Field emition)을 이용한 광원이 있다. 전계방출램프라고 칭할 수 있는 이 광원은 캐소드와 애노드간에 강한 전기장을 인가하여 전자가 방출되는 원리를 이용한 것으로 이때 방출된 전자가 진공으로 씰링된 공간을 통과하여 형광체가 형성된 전극에 충돌하면서 형광체에서 빛이 나는 현상이다. 또한, 이외에도 유기 EL이 하나의 주자가 될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 상술한 각 기술은 차세대 광원의 대표주자가 되기 위하여 효율, 가격, 휘도, 대면적화, 신뢰성 등의 분야에서 치열한 경쟁을 벌이고 있다.
한편, 전계방출램프 분야는 전계를 방출할 수 있는 적당한 에미터의 구현이 가장 큰 문제로 인식되어 왔는데, 최근 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube)를 이용한 기술이 전자 방출 특성이 우수하고 앞으로 다른 면광원 기술과 경쟁할 만한 기술로 평가되고 있다.
상기 탄소나노튜브 기술은 나노 입자를 균일하게 에미터로 형성하는 것이 공정상 쉽지 않고 가격이 비교적 높다는 몇몇의 문제를 가지고 있으며, 특히 이를 이용한 면 발광 에미터를 쉽게 형성하는 것이 중요한 공정적 기술에 해당한다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 연구 결과에 따라, 현재 주로 이용되고 있는 것은 탄소나노튜브를 페이스트 형태로 제조하고 이를 도포하고 열처리하는 공정이다.
상기 방법에 따르면, 유리 등 균일한 표면 상태를 가지는 기판층에 전극을 코팅한다. 전극층은 다양한 전극이 이용될 수 있는데 균일한 표면을 형성하기 위해서는 박막을 형성하기 위한 기술이 일반적으로 사용된다. 상기 전극층 상에 탄소나노튜브와 은 분말 유리질 등을 포함하는 페이스트를 만들어 스크린 프린팅 기법으로 프린팅한다. 이때, 페이스트에는 수지와 용매 등이 들어 있어서 이를 건조시킨 후 열처리를 통하여 수지의 일부 또는 전부를 제거한다. 이 과정에서 형성된 탄소나노튜브 에미터 층을 열처리 공정과 테이프 법으로 표면으로 노출시키는 공정을 하는 것으로 알려져 있다.
그러나, 상기 공정은 나노 입자인 탄소나노튜브의 균일한 분산이 어렵고 페이스트를 도포하는 공정 또한 간단하지 않을 뿐 아니라, 탄소나노튜브가 전극인 하지층과 물리적 전기적 결합이 충분치 않은 문제를 가지고 있다. 뿐만 아니라, 가격이 높은 탄소나노튜브를 이용하면서 공정 또한 복잡하여 경쟁 기술과 기술적인 경쟁은 물론 단가 경쟁에서도 쉽게 극복할 수 없는 문제를 가지고 있다.
이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 거듭한 결과, 통상의 전해동박 제조공정에서 동박의 제조과정 중 후처리 공정인 열적 배리어층 형성 공정 및 전기화학적 배리어층 형성 공정 대신에 탄소나노튜브와 금속 이온의 공석도금공정을 대체, 도입함으로써 동박 전극과 탄소나노튜브 발광체를 동시에 형성할 수 있었고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 금속 전극층을 별도로 사용하지 않고 통상의 전해동박 제조공정을 이용하여 동박 상에 탄소나노튜브와 금속을 공석도금하여 전극과 발광체를 동시에 구현시킨 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 따라 제조된 전계방출용 탄소나노튜브 에미터를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 전계방출용 탄소나노튜브 에미터를 포함하는 전계방출램프를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법은:
(a) 원료 동박(raw copper foil)을 제공하는 단계;
(b) 상기 동박의 표면에 노듈을 형성시키는 단계;
(c) 상기 노듈이 형성된 동박을 방청처리하는 단계;
(d) 분말 탄소나노튜브, 적어도 하나의 금속염 및 적어도 하나의 전해질을 용매에 분산시켜 탄소나노튜브 분산 용액을 제조하는 단계;
(e) 상기 탄소나노튜브 분산 용액이 채워진 용기 내에서 상기 방청처리된 동박을 캐소드 전극으로 하고, 상기 금속을 애노드 전극으로 하여 전류 및 전압을 인가하여 상기 방청처리된 동박 상에 탄소나노튜브 및 금속을 공석도금시키는 단계; 및
(f) 상기 탄소나노튜브 및 금속이 공석도금된 동박을 건조시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 분말 탄소나노튜브는 강산 (HNO3/H2SO4 혼합액 또는 HNO3 단독)으로 처리한 후 필드 플로우 분리법을 통해서 분리 및 선택되어 0.1 내지 1㎛의 길이를 가지며, 상기 금속은 Ni, Cu, Cr, Ag, Au, Zn 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전계방출용 탄소나노튜브 에미터는 상기 방법에 따라 제조되어 동박으로 된 캐소드 전극, 및 상기 캐소드 전극 상에 형성된 탄소나노튜브 발광체로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전계방출램프는:
상부 기판;
상기 상부 기판의 전면에 형성된 애노드 전극층;
상기 애노드 전극층 상에 도포된 형광체층;
상술한 탄소나노튜브 발광체층 및 동박 캐소드 전극층; 및
상기 상부 기판과 상기 동박 캐소드 전극층이 일정한 간격으로 대향되어 배치되도록 하면서 그 내부공간을 진공, 밀봉하는 스페이서;
를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 전계방출램프는 상기 동박 캐소드 전극층의 배면에 형성된 하부 기판을 더욱 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 금속 전극층을 별도로 사용하지 않고 일반 적으로 공지되어 있는 전해동박의 제조공정을 이용하여 동박을 제조한 후, 그 후처리 과정 중 열 및 전기화학적 배리어층 형성 처리조 대신에 탄소나노튜브 및 금속의 공석도금공정을 위한 전해조를 치환, 도입하여 동박 상에 탄소나노튜브를 공석도금함으로써 하부 전극 및 발광체를 동시에 형성시킨 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터, 그 제조방법 및 이를 포함하는 전계방출램프가 제공된다.
본 발명에 따르면, 우선 통상의 전해동박공정에 따라 제조된 원료 동박(raw copper foil)이 제공된다.
이와 관련하여, 전해동박을 일반적으로 제조하는 장치 및 제조과정을 도 1에 모식적으로 나타내었다.
상기 원료 동박의 제조과정을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
전해동박(14)의 제조를 위한 장치로서 제박기는, 회전하는 드럼(11)과 둥근 판재 형태인 애노드판(12)이 소정간극으로 이격되어 설치되어 있는 구조인데, 상기 드럼(11)과 애노드판(12)은 전해액(16)이 담긴 탱크(15)에 수장되어 있다.
이때, 상기 드럼(11)은 회전중심을 중심으로 상대적으로 아랫부분이 수장되고, 그 수장된 부위에 형상적으로 대응하여 상기 애노드판(12)이 수장되어 있으며, 드럼(11) 및 애노드판(12)은 각각 캐소드 및 애노드로 구분되어 각 극성에 맞는 전류가 인가된다.
이에 따라 상기 드럼(11) 및 애노드판(12) 사이에서 전해가공이 발생하며, 이에 따라 드럼(11)의 표면에는 전해동박(14)이 전착된다. 전착되는 전해동박(14) 은 우측 상부의 롤러(13)에 의해 이끌려 수득된다.
이때, 상기 탱크(15) 내에 담겨진 전해액(16)의 기본조성은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 약 50∼200g/ℓ 정도의 황산(H2SO4)과, 약 30∼150g/ℓ 정도의 구리이온(Cu2+)과, 약 200㎎/ℓ 이하의 염소이온(Cl-)인 것이 전형적이다. 또한, 상기 전해액(600)의 온도는 약 20∼80℃이며, 전류밀도는 약 20∼150A/d㎡ 정도가 적당하다.
이러한 전해동박의 제조과정에서, 전착 초기에는 결정핵 형성(Nucleation) 단계로 동박의 핵이 생성되고 그 생성된 핵이 성장하는 과정을 거쳐서 드럼(11)의 상부에서 이를 분리하여 동박의 형태가 되게 하는 것이다.
이와 같이 제조되어 본 발명에서 사용되는 원료 동박의 두께는 18 내지 35㎛인 것이 양산성을 고려한 면에서 바람직하다.
한편, 일반적으로 상술한 전해공정에서 제조된 원료 동박은 회전하는 드럼(11)에 맞닿아 광택이 나는면(shiny side: S면)과 도금액이 접하는 광택이 나지 않는 무광택면(Matte Side: M면)으로 나누는데, PCB용 원자재인 CCL(Copper Clad Lamination)제조시에는 M면을 절연재쪽으로 접착시키고 S면을 표면으로 한다. 회로형성시에는 실표면적이 넓은 M면을 절연재 쪽으로 붙여서 접착강도를 향상시킨다. 그러나 이 상태의 동박으로는 접착강도가 충분하지 않고, 또한 동박의 S면이 산화되어 PCB 제조시 지장을 초래한다. 따라서, 원료 동박의의 표면처리, 즉 후처리 공정(Treatment Process)이 필요하다.
통상적인 원료 동박의 후처리 공정을 간략하게 살펴보면 다음과 같은 4단계로 진행된다.
우선, 첫 번째는 노듈(nodule) 형성공정으로서, 상술한 바와 같은 M면에 노듈을 붙여서 절연판과 접착시 앵커(anchor) 역할을 하게 한다. 즉, 동박의 표면에 전해도금을 이용하여 노듈을 형성시켜 동박과 그 피접착체와의 기계적 접착력을 증가하기 위한 공정으로서, 이러한 노듈은 동박의 표면에 요철을 형성하여 표면 조도를 증가시켜 주며, 결과적으로 동박과 피접착체의 분리를 억제시켜 주는 역할을 한다.
두 번째로는 방청처리(Stain-Proofing) 공정으로서, 동박의 양면에 실시하며, 부동태 피막을 형성하여 동박의 보관층이나 절연재와 붙이는 가온가압공정 중의 산화를 막는 역할을 한다.
세 번째로는 열적 배리어층(Thermal Barrier Layer) 형성공정으로서, 접착강도를 향상시키려면 표면처리층이 절연재의 합성수지와 친화성이 있어야 하는데, 특히 이때 문제가 되는 것은 구리 또는 산화구리로 인한 합성수지의 변질로서 가열시에 구리가 수지층 내부로 이동(Migration)되어서 수지를 변색시키고 절연성을 감소시키며, 이에 따라 접착강도 저하 등의 현상이 생긴다. 이러한 현상을 막기 위해 동박표면층에 얇은 합금층을 도금하는 공정이 수행된다. 즉, 구리가 폴리머 수지와 직접 닿아서 발생하게 되는 접합부의 퇴화 현상을 억제하기 위하여 동박의 표면에 이종금속이 입혀지는데, 종래에 사용하여 왔던 이종금속들로서는 아연, 크롬, 황동, 니켈, 코발트, 몰리브덴, 텅스텐, 주석, 철 등이 있으며, 합금계로서 이들 중 2개 이상의 금속들을 동시에 입힐 수 있다. 이러한 이종 금속 및 합금을 동박 위에 입히는 방법으로서는 주로 전해도금법이 사용되어 왔다.
마지막 네 번째로는 전기화학적 배리어층(ElectroChemical Barrier Layer) 형성공정으로서, 동박과 절연기판의 계면은 에칭 또는 드릴링 가공 후 여러가지 약품에 노출되어 침식될 우려가 있으므로 이러한 약품에 견딜 수 있도록 표면처리를 해주는 공정이다. 즉, 동박과 접합될 수지와의 접착력을 증가시킬 목적으로 동박 위에 극성 폴리머 등을 도포하는 공정으로서, 극성폴리머는 통상 수용성 매질에 녹여 도포한 후 고온에서 가교시켜 사용한다. 이러한 극성폴리머 도포는 노듈 처리를 통해서 향상된 기계적 접합특성 외에 화학적인 접착력을 부가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상술한 통상의 전해동박 후처리 공정 중, 특히 폴리머 기재와의 접착력 강화를 위해 요구되는 공정인 열적 배리어층 형성 공정 및 전기화학적 배리어층 형성공정을 생략하고, 대신에 여기에 탄소나노튜브와 금속 이온의 공석도금공정을 대체, 도입함으로써 통상의 전해동박공정을 이용하여 전계방출용 탄소나노튜브 에미터를 제조한다.
이와 관련하여, 도 2에 본 발명에 따른 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조과정을 개략적으로 나타내었다.
도 2를 참조하면, 상술한 전해동박 제조방법에 따라 제조된 동박(21)은 종래의 동박 표면처리공정에 따라 노듈 형성 처리조(22), 방청 처리조(23)를 통과한 후, 본 발명에 따른 공석도금을 위해 공석도금 처리조(24)를 통과한다. 이러한 처리 과정은 기존의 후처리 과정과 마찬가지로 연속적으로 진행된다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 에미터의 제조시 상기 공석도금 처리조(24)에서 탄소나노튜브와 금속(예를 들어, Ni)이 공석도금되는 과정을 일례를 들어 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 분산 용액이 담긴 공석도금 처리조 내에 상술한 바와 같이 표면처리된 동박(31)을 캐소드 전극으로 하고, 상기 동박(31)과 소정 간격 떨어지도록 금속(예를 들어, Ni) 애노드 전극판(32)을 설치한 후 전류 및 전압을 인가하여 상기 동박 기판(31) 상에 탄소나노튜브 및 금속(예를 들어, Ni)을 공석도금시킨다.
여기서, 상기 공석도금공정에 사용되는 탄소나노튜브 분산 용액은 분말 탄소나노튜브, 적어도 하나의 금속염 및 적어도 하나의 전해질을 용매에 분산시켜 제조한다.
본 발명에서 사용되는 분말 탄소나노튜브는 아크 방전(arc discharge) 및 레이저법으로 만들어진 분말 탄소나노튜브를 대상으로 한다. 분말 탄소나노튜브는 길이가 수십 나노미터에서 수십 마이크로미터가 되며, 촉매로 사용된 금속 입자 및 카본계의 불순입자를 함유하고 있다. 따라서, 분말 탄소나노튜브를 강산(HNO3/H2SO4 혼합액 또는 HNO3 단독)으로 반응시켜 불순물을 제거하고, 길이가 적당하도록 잘게 자른 다음 침전(sedimentation) 및 FFF(field-flow fractionation)법 분리기(separator)를 사용하여 0.1 내지 1㎛ 길이를 갖는 것들을 골라서 사용한다.
한편, 상기 금속 애노드 전극판 및 금속염의 금속으로는 탄소나노튜브와 공 석도금을 수행할 수 있는 금속이라면 한정하지 않고 모두 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Ni, Cu, Cr, Ag, Au, Zn 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택하여 사용한다.
상기 용매는 증류수, 아세트산, 아크릴로니트릴, 암모니아, 디클로로메탄, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 니트로메탄, 프로필렌카보네이트, 황산, 테트라히드로퓨란 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
또한, 상기 탄소나노튜브 분산 용액에는 초음파로 분산된 상태에서 BKC(Benzalkonium chloride), PEI(Polyethylenimine) 및 CTAB(Centyltrimethyl ammonium bromide)와 같은 양이온 계면활성제(surfactant)가 더욱 첨가되어 표면을 + 또는 -의 전하를 띄우며 서로 분산되도록 한다. 즉, 전압을 가해주면 음이온을 가지던 탄소나노튜브(CNT)들이 양이온 분산제에 의해 양의 전하를 갖게 되며, CNT와 금속 이온, 예를 들어 Ni2+ 이온들이 음의 전하를 갖는 동박 기판(31) 상에 도금된다.
이때, 상기 탄소나노튜브 분산 용액 중의 분말 탄소나노튜브의 농도는 10∼20㎎/ℓ인 것이 좋다. 상기 농도가 10㎎/ℓ 미만이면 에미터의 사이트 밀도를 높이기 위해서 공정시간이 많이 필요해지며, 20㎎/ℓ를 초과하면 탄소나노튜브간의 반데르발스(van der waal's)힘에 의해 분산효과가 감소하게 된다.
한편, 상기 탄소나노튜브 분산 용액의 pH는 4∼5인 것이 전형적이다.
상기 공석도금시 상기 탄소나노튜브 분산 용액의 온도는 40∼50℃인 것이 좋 고, 공석도금 단계가 10∼60분 동안 수행되는 것이 좋다. 상기 공석도금시 온도 및 반응시간이 상기 범위를 벗어나는 경우 Ni의 증착표면상태가 불량하거나 에미터 사이트의 밀도가 악화되는 단점이 있다.
한편, 증착되는 카본나노튜브/금속 공석도금층의 두께는 가해주는 전장의 세기와 가해주는 시간으로 조절하게 된다. 즉, 전압의 세기가 크면 클수록, 그리고 전압을 인가하는 시간이 길면 길수록 증착되는 카본나노튜브/금속 공석도금층의 두께는 두꺼워진다.
여기서, 상기 동박 기판상에 도금되는 공석도금층의 두께는 0.1 내지 1㎛이도록 조절되는 것이 바람직하다. 상기 공석도금층의 두께가 0.1㎛ 미만이면 도금층의 전도성이 증가되어 에미터의 발광 균일성(uniformity)가 악화되고, 1㎛를 초과하면 저항이 증가하여 발광시 높은 소비전력을 필요로 하게된다.
이와 같이 형성된 탄소나노튜브 에미터는 건조 후, 증착된 카본나노튜브의 증착력 및 증착도중 흡착된 불순물을 제거하기 위하여 저온 소성처리하는 것이 좋은데, 상기 소성 온도는 200∼500℃인 것이 바람직하다. 상기 소성 온도가 200℃ 미만이면 에미터가 발광하기 위한 고진공 패키지시 불순물에 의해 진공도에 영향을 미치고, 500℃를 초과하면 CNT로 이루어진 에미터에 손상을 줄 수 있다.
전술한 바에 따라 제조되는, 본 발명의 전계방출용 탄소나노튜브 에미터는 별도의 하지층 형성과정 없이 바로 전극 에미터 복합체로서 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 탄소나노튜브 에미터를 이용한 전계방출램프의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 전계방출램프는 상부 기판(41)과, 상기 상부 기판(41)의 전면에 형성된 애노드 전극층(42)과, 상기 애노드 전극층(42) 상에 도포된 형광체층(43)과, 상술한 바에 따라 제조된 본 발명에 따른, 탄소나노튜브 발광체층(46) 및 동박 캐소드 전극층(45)으로 구성된 탄소나노튜브 에미터, 그리고 상기 상부 기판(41)과동박 캐소드 전극층(45)이 일정한 간격으로 대향되어 배치되도록 하면서 그 내부공간을 진공, 밀봉하는 스페이서(47)로 이루어진다. 또한, 상기 전계방출램프에는 상기 동박 캐소드 전극층(45)의 배면에 하부 기판(44)을 더욱 형성할 수 있다.
상기 전계방출램프에서 빛이 방출되는 원리를 살펴 보면, 진공 분위기에서 직렬형 캐소드 전극(45) 상에 위치한 전자방출소자(46)로부터 나오는 열전자를 캐소드 전극(45)과 애노드 전극(42) 사이에 걸리는 전기장으로 애노드 전극(42) 상에 위치한 형광체(43)에 가속시켜 일정한 운동에너지를 가지고 형광체(43)에 충돌시켜서, 이때 전자들의 운동에너지가 형광체(43)에 전달되며 형광체(43)는 전자의 운동에너지를 전달받아 여기되어 빛을 방출하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 전계방출용 탄소나노튜브 에미터를 사용하여 전계방출램프를 구성하는 경우, 전계방출램프의 하부 구조 부분에서 하부 유리나 금속 기판과 같은 하부 기판(44)을 제거하고 하부 전극층(45)과 탄소나노튜브층(46)을 동시에 형성하여 하부 구조는 어떠한 형태에도 쉽게 적용할 수 있는 전극 에미터 복합체를 형성할 수 있다. 즉, 형성된 동박은 하부 전극층(45)이 되고 그 상부 유리판(41)과 상부 전극(42) 및 형광체(43)를 형성한 상부를 적당한 거리로 이격( 예를 들어 ∼0.5㎜)하고 그 사이에 스페이서(47)를 이용하여 간격을 유지하면서 진공 패키징(예를 들어, ∼10-6 Torr)을 할 경우 쉽게 다양한 형상의 전계방출램프를 제작할 수 있다. 이때, 하부 기판(44)은 원형, 반구형 등 다양한 형태가 적용 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 전해동박공정을 이용하여 전계방출용 에미터로 탄소계 나노입자를 사용할 경우, 전극과 분리하여 형성하지 않고 동시에 형성함으로써 하나의 구성요소가 사라지게 되고 하지층이 없는 전극 에미터 복합체가 형성되어 다양한 형상과 다양한 기판에 이를 접착하여 에미터로 바로 구현할 수 있다. 또한, 기존의 전해동박 공정은 많은 기술적인 진보를 이룬 공정으로서, 생산할 수 있는 폭이 넓고 균일함은 물론 생산의 속도와 단가가 획기적으로 개선될 수 있다. 아울러, 전극 에미터 복합체의 대면적화가 가능해져서 면 발광체의 에미터 형성기술을 획기적으로 개선하게 될 것으로 기대된다.

Claims (15)

  1. (a) 원료 동박(raw copper foil)을 제공하는 단계;
    (b) 상기 동박의 표면에 노듈을 형성시키는 단계;
    (c) 상기 노듈이 형성된 동박을 방청처리하는 단계;
    (d) 분말 탄소나노튜브, 적어도 하나의 금속염 및 적어도 하나의 전해질을 용매에 분산시켜 탄소나노튜브 분산 용액을 제조하는 단계;
    (e) 상기 탄소나노튜브 분산 용액이 채워진 용기 내에서 상기 방청처리된 동박을 캐소드 전극으로 하고, 상기 금속을 애노드 전극으로 하여 전류 및 전압을 인가하여 상기 방청처리된 동박 상에 탄소나노튜브 및 금속을 공석도금시키는 단계; 및
    (f) 상기 탄소나노튜브 및 금속이 공석도금된 동박을 건조시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분말 탄소나노튜브는 강산(HNO3/H2SO4 혼합액 또는 HNO3 단독)으로 처리한 후 필드 플로우 분리법을 통해서 분리 및 선택되어 0.1 내지 1㎛의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속은 Ni, Cu, Cr, Ag, Au, Zn 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용매는 증류수, 아세트산, 아크릴로니트릴, 암모니아, 디클로로메탄, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, 니트로메탄, 프로필렌카보네이트, 황산, 테트라히드로퓨란 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 분산 용액에는 양이온 계면활성제가 더욱 첨가되는 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 분산 용액 중의 분말 탄소나노튜브의 농도는 10∼20㎎/ℓ인 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 분산 용액의 pH는 4∼5인 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 분산 용액의 온도는 40∼50℃인 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 공석도금 단계가 10∼60분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 원료 동박의 두께는 18 내지 35㎛인 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 공석도금층의 두께는 0.1 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 방법은 (g) 상기 건조된 동박을 200∼500℃의 온도에서 소성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전해동박공정을 이용한 전계방출용 탄소나노튜브 에미터의 제조방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되어 동박으로 된 캐소드 전극 및 상기 캐소드 전극 상에 형성된 탄소나노튜브 발광체로 구성된 전계방출 용 탄소나노튜브 에미터.
  14. 상부 기판;
    상기 상부 기판의 전면에 형성된 애노드 전극층;
    상기 애노드 전극층 상에 도포된 형광체층;
    제13항에 따른 탄소나노튜브 발광체층 및 동박 캐소드 전극층; 및
    상기 상부 기판과 상기 동박 캐소드 전극층이 일정한 간격으로 대향되어 배치되도록 하면서 그 내부공간을 진공, 밀봉하는 스페이서;
    를 포함하는 전계방출램프.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전계방출램프는 상기 동박 캐소드 전극층의 배면에 형성된 하부 기판을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출램프.
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