KR100634856B1 - Method for making the electron emitter of carbonnanotubes using metal compounds - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로미터(㎛)에서 나노미터(㎚) 크기의 금속, 합금 및 금속 화합물 등을 이용하여 탄소나노튜브를 기판 위에서 함께 혼합하거나 탄소나노튜브 박막 기판 위에 표면 도포하고 용융시켜서 탄소나노튜브와의 화합물을 만든 후, 열 및 플라즈마 후처리 등을 통하여 전자방출원을 제조하는 방법에 관한 것이다. According to the present invention, carbon nanotubes may be mixed together on a substrate using a metal, an alloy, a metal compound, etc., having a size of micrometers (nm) to nanometers (nm), or coated on a carbon nanotube thin film substrate and melted. After the compound of the present invention relates to a method for producing an electron emission source through heat and plasma post-treatment.
본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자방출원은 탄소나노튜브와 기판과의 접착성 향상과 함께 튜브 외벽을 금속으로 에워싸고 있을 수도 있어서 팁의 수명 연장뿐만 아니라, 전계방출의 최적화를 위한 전처리 및 후처리 등의 조건을 확장시킬 수 있으며, 또한 금속, 합금 및 금속 화합물의 혼합 공정에 의한 줄(wire), 바(bar) 및 평면(plate) 등의 여러 가지 형태를 가진 탄소나노튜브 전자방출원으로 이용할 수 있다. The carbon nanotube electron emission source according to the present invention may be surrounded by the metal outer wall of the tube together with the adhesion between the carbon nanotube and the substrate, thereby extending the life of the tip, as well as pretreatment and post-treatment for optimizing the field emission. It can be used as a carbon nanotube electron emission source of various forms such as wire, bar, and plate by the mixing process of metals, alloys and metal compounds. Can be.
탄소나노튜브, 전자방출원, 금속 화합물, 열처리, 후처리Carbon nanotube, electron emission source, metal compound, heat treatment, post treatment
Description
도 1은 종래 탄소나노튜브 전계방출장치의 제조공정을 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a conventional carbon nanotube field emission device;
도 2는 본 발명에 의한 탄소나노튜브의 성장에 사용된 RTCVD의 개략도,2 is a schematic diagram of RTCVD used for the growth of carbon nanotubes according to the present invention;
도 3은 도 2의 탄소나노튜브 성장에 대한 공정도,3 is a process chart for the growth of carbon nanotubes of FIG.
도 4a는 통상적인 CVD방법으로 탄소나노튜브를 성장하는 과정을 나타내는 도면,4A is a view illustrating a process of growing carbon nanotubes by a conventional CVD method;
도 4b는 도 4a의 탄소나노튜브에 금속 분말을 도포하는 과정을 나타내는 도면,Figure 4b is a view showing a process of applying a metal powder on the carbon nanotubes of Figure 4a,
도 4c는 도 4b의 구성물을 기체 분위기에서 고온 열처리하는 RTCVD장비를 나타내는 도면,Figure 4c is a view showing the RTCVD equipment for high temperature heat treatment of the composition of Figure 4b in a gas atmosphere,
도 4d는 도 4b의 구성물을 기체 분위에서 플라즈마 후처리하는 플라즈마 CVD장비를 나타내는 도면,FIG. 4D illustrates a plasma CVD apparatus for plasma post-processing the constituent of FIG. 4B in a gaseous atmosphere. FIG.
도 5a 및 도 5b는 도 4b의 구성물을 기체 분위기에서 고온 열처리하거나 플라즈마 후처리한 후, 탄소나노튜브와 금속의 용융상태를 나타내는 도면,5a and 5b is a view showing a molten state of carbon nanotubes and metal after the heat treatment or plasma post-treatment of the components of Figure 4b in a gas atmosphere,
도 6은 본 발명의 기판 위에서 탄소나노튜브와 금속 분말의 혼합상태를 나타 내는 도면,6 is a view showing a mixed state of carbon nanotubes and a metal powder on a substrate of the present invention,
도 7은 도 6의 구성물을 기체 분위기에서 고온 열처리하거나 플라즈마 후처리한 후, 탄소나노튜브와 금속의 용융상태를 나타내는 도면,7 is a view showing a molten state of carbon nanotubes and a metal after the components of FIG. 6 are subjected to high temperature heat treatment or plasma post-treatment in a gas atmosphere;
도 8은 본 발명의 제1실시예에 의한 탄소나노튜브 박막의 SEM(scanning electron microscopy) 사진,8 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph of the carbon nanotube thin film according to the first embodiment of the present invention;
도 9는 본 발명의 제1실시예에 의한 탄소나노튜브 박막을 950℃에서 열처리한 SEM(scanning electron microscopy) 사진,9 is a SEM (scanning electron microscopy) photograph of the heat treatment of the carbon nanotube thin film according to the first embodiment of the present invention at 950 ℃,
도 10은 본 발명의 제1실시예에 의한 탄소나노튜브 박막을 900℃에서 열처리한 SEM(scanning electron microscopy) 사진,10 is a SEM (scanning electron microscopy) photograph of the heat treatment of the carbon nanotube thin film according to the first embodiment of the present invention at 900 ℃,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 의한 탄소나노튜브 박막의 SEM(scanning electron microscopy) 사진,11 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph of a carbon nanotube thin film according to a second embodiment of the present invention;
도 12는 본 발명의 제2실시예에 의한 탄소나노튜브 박막을 950℃에서 열처리한 SEM(scanning electron microscopy) 사진.12 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph of the carbon nanotube thin film according to the second embodiment of the present invention after heat treatment at 950 ° C.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 챔버 20 : 기판10
30 : 탄소나노튜브 40 : 금속 분말30: carbon nanotube 40: metal powder
50 : 플라즈마 60, 70 : 금속 용융층50:
80 : 혼성 용융층80: hybrid melted layer
본 발명은 탄소나노튜브 전자방출원의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속, 합금 및 금속 화합물과 탄소나노튜브의 화합물을 열처리를 통해 만든 후, 열 및 플라즈마 후처리 공정을 통해 전자방출원을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a carbon nanotube electron emission source, and more particularly to a metal, an alloy and a metal compound and a compound of carbon nanotubes by heat treatment, and then an electron emission source through a thermal and plasma post-treatment process It relates to a method of manufacturing.
탄소나노튜브란 '탄소원자로 이루어진 나노미터(nanometer:10억분의 1m) 크기의 원통형(튜브) 형태의 물질'이다. 즉 탄소원자가 3개씩 결합해 벌집모양의 구조를 갖게 된 탄소평면이 도르르 말려서 튜브모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다.Carbon nanotubes are "nanometers (nanometers: 1 billionth of a meter) in the form of cylindrical (tube) materials made of carbon atoms." In other words, the carbon plane, which has three carbon atoms bonded together and has a honeycomb structure, is rolled up to form a tube.
일반적으로, 탄소나노튜브의 전계방출 특성을 이용한 전자방출원의 탄소 전자 방출층은 CVD(Chemical Vapour Deposition)방법에 의한 박막 공정이나 페이스트 인쇄에 의한 후막 공정에 의해 만들어진다. 탄소나노튜브 전자방출원은 높은 전계 방출율을 가지며, 방출되는 전류는 전압에 의해 조절되어질 수 있다. 따라서 전계방출 음극은 FED(Field Emission Display) 및 전자총과 같은 전자 발생 장치에 응용된다. 그래서 탄소나노튜브 전자방출원의 높고 안정적인 전류 방출을 위해서 선택적 성장(밀도, 직경, 길이 조절)이 주요 연구 변수이고, 적절한 전처리 및 플라즈마 후처리 등이 수반된 연구가 진행되어 왔다.In general, the carbon electron emission layer of the electron emission source using the field emission characteristics of carbon nanotubes is made by a thin film process by CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a thick film process by paste printing. The carbon nanotube electron emission source has a high field emission rate, and the emitted current can be controlled by voltage. Therefore, the field emission cathode is applied to an electron generating device such as a field emission display (FED) and an electron gun. Therefore, selective growth (adjustment of density, diameter, length) is a major research variable for high and stable current emission of carbon nanotube electron emission sources, and studies involving proper pretreatment and plasma posttreatment have been conducted.
한국특허공개 제2003-0081997호에 개시된 탄소나노튜브를 이용한 전계방출형 조명장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 양극으로 사용되는 원통형 기판(4) 내부에 ITO(Indium Tin Oxide)층이 도포되어 있고, ITO층 위에 형광체층이 도포되어 있으 며, 음극으로 사용되는 금속선(Wire)(1)에는 전기영동을 이용하여 산화 절단된 탄소나노튜브(3)를 수직에 가깝도록 배열시키며, 탄소나노튜브(3)와 금속선(1) 사이를 금속도금을 이용하여 미세금속입자(2)로 강하게 결합시켜서 접촉저항을 최소화시킨 후, 원통형 기판(4)과 금속선(1) 사이를 진공으로 하는 Ep & P 공정을 도입하고 있다.In the field emission type lighting apparatus using carbon nanotubes disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0081997, an Indium Tin Oxide (ITO) layer is coated inside a cylindrical substrate 4 used as an anode, as shown in FIG. The phosphor layer is coated on the ITO layer, and the carbon nanotubes (3), which are oxidized and cut by using electrophoresis, are arranged to be close to the vertical in the metal wire (1) used as the cathode. After the
그런데, 이러한 종래의 공정방식은, 균일한 탄소나노튜브(3)의 선택적 성장을 위한 촉매 금속층의 전처리 등을 수반하기 때문에, 탄소나노튜브(3)와 기판(4)과의 직접 접합에는 촉매금속의 역할에 한계를 넘는다. 또한 높은 전계방출을 위해서 탄소나노튜브(3) 박막에 대한 플라즈마 및 열처리 등의 후처리 환경도 기판(4)과의 밀착 또는 접착성의 유지가 큰 현안 문제로 대두되고 있는 실정이다.By the way, such a conventional process method involves pretreatment of the catalyst metal layer for the selective growth of
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브와 기판 사이에 금속, 합금 및 금속 화합물 등의 매개물을 용융 밀착시켜 강한 접착성을 유지함과 동시에, 플라즈마 및 고온 열처리 등의 후처리 조건을 확장시켜 탄소나노튜브의 전계방출의 최적화를 이루는 금속 화합물을 이용한 탄소나노튜브 전자방출원의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been conceived to solve the conventional problems as described above, and an object of the present invention maintains a strong adhesion to melt in close contact with a medium, such as carbon nanotubes and between the metal, alloy and metal compound substrate At the same time, the present invention provides a method for producing a carbon nanotube electron emission source using a metal compound that optimizes field emission of carbon nanotubes by expanding post-treatment conditions such as plasma and high temperature heat treatment.
본 발명의 다른 목적은, 금속, 합금 및 금속화합물과 탄소나노튜브와의 화합물 구성은 줄(wire), 바(bar) 및 평판(plate) 등의 여러 가지 기하학적인 형태의 탄노나노튜브의 전자 방출층을 완성함에 따라 여러 형태의 탄소나노튜브 전자방출 원을 용이하게 제작할 수 있는 금속 화합물을 이용한 탄소나노튜브 전자방출원의 제조방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention that the composition of metals, alloys and metal compounds with carbon nanotubes is electron emission of various types of geometric shapes such as wires, bars and plates. The present invention provides a method for producing a carbon nanotube electron emission source using a metal compound which can easily produce various types of carbon nanotube electron emission sources as the layer is completed.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 금속 화합물을 이용한 탄소나노튜브 전자방출원의 제조방법은, 플라즈마 CVD, RTCVD 등의 방법에 의해 금속 기판위에 성장된 탄소나노튜브 박막에, 마이크로미터(㎛)에서 나노미터(㎚) 크기의 금속 분말을 도포하여 상기 탄소나노튜브와의 화합물을 형성하는 공정; 상기 탄소나노튜브 박막에 도포된 금속 분말을 암모니아 기체, 수소 기체 및 불활성 기체 분위기에서 고온 열처리하거나 플라즈마 후처리하여 용융시키는 공정; 및 상기 용융된 금속 분말을 매개로 상기 금속 기판과 탄소나노튜브가 접착되어 상기 탄소나노튜브 박막에 탄소 전자 방출층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method for producing a carbon nanotube electron emission source using a metal compound according to the present invention includes a micrometer (μm) on a carbon nanotube thin film grown on a metal substrate by a method such as plasma CVD or RTCVD. Forming a compound with the carbon nanotubes by applying a nanometer (nm) -sized metal powder at; Melting the metal powder coated on the carbon nanotube thin film by high temperature heat treatment or plasma post-treatment in an ammonia gas, hydrogen gas and inert gas atmosphere; And forming a carbon electron emission layer on the carbon nanotube thin film by adhering the metal substrate to the carbon nanotube through the molten metal powder.
상기 탄소 전자 방출층을 탄소나노튜브 박막 대신에, 탄소나노튜브를 금속 기판 위에 금속, 합금 및 금속 화합물 등의 분말과 혼합하여 줄(wire), 바(bar) 및 평판(plate) 등의 여러 가지 형태로 만들 수 있고, 상기 탄소 전자 방출층을 탄소나노튜브 박막 대신에, 금속, 반도체 웨이퍼(wafer), 쿼츠(quartz) 및 세라믹(ceramic) 등의 기판 위에 탄소나노튜브를 혼합하여 만들 수 있으며, 상기 탄소 전자 방출층을 탄소나노튜브 박막 대신에, AAO(anodic aluminum oxide), 제올라이트(zeolite) 및 실리카 등의 다공질 기판 위에 탄소나노튜브를 혼합하여 만드는 것을 특징으로 한다.Instead of the carbon nanotube thin film, the carbon electron emission layer is mixed with powders such as metals, alloys, and metal compounds on a metal substrate to form various materials such as wires, bars, and plates. The carbon electron emission layer may be formed by mixing carbon nanotubes on a substrate such as a metal, a semiconductor wafer, quartz, and ceramic, instead of a thin film of carbon nanotubes. The carbon electron emission layer may be formed by mixing carbon nanotubes on a porous substrate such as AAO (anodic aluminum oxide), zeolite, and silica instead of a thin film of carbon nanotubes.
상기 금속 분말은 Ag 또는 Au의 금속, Cu-Ag 또는 Cu-Ti의 금속 화합물이며, 상기 금속 분말의 용융점은 300 ~ 1,100℃이고, 상기 금속 분말은 약 300 ~ 1,100℃의 용융점을 가지는 금속, 합금 및 금속 화합물 중 어떠한 것도 사용가능함은 물론이다.
The metal powder is a metal of Ag or Au, a metal compound of Cu-Ag or Cu-Ti, the melting point of the metal powder is 300 ~ 1,100 ℃, the metal powder is a metal, alloy having a melting point of about 300 ~ 1,100 ℃ Of course, any of the metal compounds can be used.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 의한 탄소나노튜브의 성장에 사용된 RTCVD의 개략도이고, 도 3은 도 2의 탄소나노튜브 성장에 대한 공정도이며, 도 4는 본 발명에 의한 탄소나노튜브 전자 방출층의 형성과정을 나타내는 도면이다.Figure 2 is a schematic diagram of the RTCVD used for the growth of carbon nanotubes according to the present invention, Figure 3 is a process chart for the growth of carbon nanotubes of Figure 2, Figure 4 is a formation of a carbon nanotube electron emission layer according to the present invention It is a figure showing a process.
도면에서 10은 챔버(Quartz chamber), 12는 할로겐 램프, 14는 가스주입구, 16은 가스배출구, 18은 열전쌍(thermocouple), 20은 기판(substrate holder), 30은 탄소나노튜브(CNT), 40은 금속 분말(예를 들면, 금속 Ag 또는 Au 및 금속 화합물인 Cu-Ag 또는 Cu-Ti 분말), 50은 플라즈마, 60, 70은 금속 용융층, 80은 혼성 용융층을 각각 나타낸다.In the figure, 10 is a quartz chamber, 12 is a halogen lamp, 14 is a gas inlet, 16 is a gas outlet, 18 is a thermocouple, 20 is a substrate holder, 30 is a carbon nanotube (CNT), 40 Silver metal powder (for example, metal Ag or Au and Cu-Ag or Cu-Ti powder which is a metal compound), 50 is plasma, 60, 70 is a metal melt layer, 80 is a hybrid melt layer, respectively.
도 2는 탄소나노튜브 성장에 사용된 RTCVD(rapid thermal CVD)의 개략도로서, 가스는 C2H2와 Ar를 사용하였다. 로터리(rotary) 펌프로 챔버(10)를 펌핑하고, 압력은 바라트론(baratron) 게이지를 사용하여 측정하였다. 탄소나노튜브(30)를 성장시키는 동안 압력은 챔버(10)의 끝단에 설치된 체크(check)밸브를 통해서 유지되도록 하였다. 먼저 챔버(10) 내부를 진공으로 유지한 후, 기판(20)은 할로겐(halogen) 램프(12)에 의해서 가열된다. 반응 챔버(10) 온도는 650℃까지 일정한 속도로 승온시킨다.(도 3의 ⒜) 목표 온도에 도달하면 수 분간 유지한 후,(도 3의 ⒝,⒞) 가스주입구(14)를 통해 C2H2와 Ar가스를 유입한다.(도 3의 ⒟) 이 과정에 대한 공정도를 도 3에 도시하였다. 이때 온도 관찰은 열전쌍(18)에 의해서 이루어지고, C2H2와 Ar가스의 유량은 MFC(mass flow controller)에 의해 제어된다.Figure 2 is a schematic diagram of rapid thermal CVD (RTCVD) used for carbon nanotube growth, the gas was used C 2 H 2 and Ar. The
상기와 같이 일반화된 RTCVD 방법으로 탄소나노튜브(30)를 성장할 수 있으며, 본 발명에서는 동일한 장치를 이용하여 성장된 탄소나노튜브(30)를 기판(20) 위에 장착한 후, 아래와 같은 공정으로 전자방출원을 제작하였다.The
본 발명의 탄소나노튜브 전자방출원의 탄소 전자 방출층의 조성물은 마이크로미터(㎛)에서 나노미터(㎚) 크기의 금속 및 금속 화합물 등과 탄소나노튜브(30)를 혼합한 후, 수소 기체, 암모니아 기체 및 불활성 기체 분위기에서 금속의 용융점인 300 ~ 1,100℃로 유지하여 구성한다.The composition of the carbon electron emission layer of the carbon nanotube electron emission source of the present invention is a mixture of a metal and a metal compound having a nanometer (nm) size and the like and the
한편, 상기 탄소 전자 방출층을 탄소나노튜브(30)의 박막 대신에 반도체 웨이퍼(wafer), 쿼츠(quartz) 및 세라믹(ceramic) 등의 기판(20) 및 SUS 등의 금속 기판(20) 위에 탄소나노튜브(30)를 혼합하여 만들 수 있음은 물론이다.Meanwhile, the carbon electron emission layer may be formed on the
(제1실시예)(First embodiment)
탄소나노튜브(30)를 합성하기 위한 통상적인 방법의 하나인 도 2의 RTCVD(rapid thermal CVD) 방법으로 금속의 기판(20) 위에 탄소나노튜브(30) 박막을 성장한다.(도 4a 참조)A thin film of
다음, 금속 분말(40;예를 들어, Cu-Ag 금속 화합물)을 탄소나노튜브(30) 박막에 얇게 도포한다.(도 4b 참조)Next, a metal powder 40 (for example, Cu—Ag metal compound) is thinly coated on the thin film of carbon nanotubes 30 (see FIG. 4B).
상기 도 4b와 같이, 금속 분말(40)이 얇게 도포된 탄소나노튜브(30) 박막을 RTCVD장비를 가지고 암모니아 기체, 수소 기체 및 아르곤 기체 분위기에서 수십 Torr에서 950℃로 15분 정도 유지하여 고온 열처리함에 따라 금속 분말(40)을 용융시킨다.(도 4c 참조)As shown in FIG. 4B, the
이는, 금속으로 탄소나노튜브(30) 팁을 둘러쌓기 위한 공정으로, 암모니아 기체와 아르곤 기체 분위기의 수십 Torr에서 950℃보다 낮은 900℃로 15분 정도 유지할 수도 있다.This is a process for enclosing the tip of the
또한, 상기 도 4b와 같이, 금속 분말(40)이 얇게 도포된 탄소나노튜브(30) 박막을 플라즈마 CVD장비를 가지고 암모니아 기체, 수소 기체 및 아르곤 기체 분위기에서 플라즈마 후처리함에 따라 금속 분말(40)을 용융시킨다.(도 4d 참조)In addition, as shown in FIG. 4B, the
(제2실시예)Second Embodiment
탄소나노튜브(30)를 합성하기위한 통상적인 방법의 하나인 플라즈마(Plasma) CVD방법(PECVD, dc-PECVD, hf-PECVD, rf-PECVD, MPECVD 등)으로 금속의 기판(20) 위에 탄소나노튜브(30) 박막을 성장한다.(도 4a 참조)One of the conventional methods for synthesizing the
다음, 금속 분말(40;Cu-Ag 금속 화합물)을 탄소나노튜브(30) 박막에 얇게 도포한다.(도 4b 참조)Next, the metal powder 40 (Cu-Ag metal compound) is thinly applied to the thin film of carbon nanotubes 30 (see FIG. 4B).
상기 도 4b와 같이, 금속 분말(40)이 얇게 도포된 탄소나노튜브(30) 박막을 RTCVD장비를 가지고 암모니아 기체, 수소 기체 및 아르곤 기체 분위기에서 수십 Torr에서 950℃로 15분 정도 유지하여 고온 열처리함에 따라 금속 분말(40)을 용융시킨다.(도 4c 참조)As shown in FIG. 4B, the
이외에도, 상기 도 4b와 같이, 금속 분말(40)이 얇게 도포된 탄소나노튜브(30) 박막을 플라즈마 CVD장비를 가지고 암모니아 기체, 수소 기체 및 아르곤 기체 분위기에서 플라즈마 후처리함에 따라 금속 분말(40)을 용융시킨다.(도 4d 참조)In addition, as shown in FIG. 4B, the
상기 제1 및 제2실시예와 같이, 도 4b의 구성물을 기체 분위기에서 고온 열처리를 하거나 플라즈마 후처리를 한 후의 탄소나노튜브(30)와 금속(40)의 용융상태를 도 5a 및 도 5b에 도시하였다.As shown in the first and second embodiments, the molten state of the
도 5a는 기판(20)과 탄소나노튜브(30) 사이에 탄소 전자 방출층을 형성하는 금속 용융층(60)이 평판(plate) 형태로 형성되어 기판(20)과 탄소나노튜브(30) 사이의 접착력 향상을 기대할 수 있으며, 도 5b는 탄소 전자 방출층을 형성하는 금속 용융층(70)이 탄소나노튜브(30)를 에워싸는 형태로 탄소나노튜브(30)의 산화성 저하를 기대할 수 있게 되었다.5A illustrates that a
(제3실시예)(Third Embodiment)
나노미터(㎚) 크기의 금속 분말(40:예를 들어, 금속 Ag 및 금속 화합물인 Cu-Ag 분말)과 함께 금속 기판(20) 또는 실리콘 기판(20) 위에 탄소나노튜브(30)를 혼합하여 준비한다.(도 6 참조)The
상기 기판(20) 위에 탄소나노튜브(30)와 금속 분말(40)을 혼합한 후, 도 4c 및 도 4d에 도시한 공정을 수행하여 암모니아 기체와 아르곤 기체 분위기의 수십 Torr에서 300~950℃로 유지하여 금속 분말(40)을 용융시킨다.After mixing the
상기 제3실시예와 같이, 도 6의 구성물을 기체 분위기에서 고온 열처리를 하거나 플라즈마 후처리를 한 후의 탄소나노튜브(30)와 금속(40)의 용융상태를 도 7에 도시하였다.As shown in the third embodiment, the molten state of the
도 5a는 기판(20)과 탄소나노튜브(30) 사이에 탄소 전자 방출층을 형성하는 혼성 용융층(80)이 줄(wire), 바(bar) 및 평판(plate) 등의 여러 형태로 형성되어 기판(20)과 탄소나노튜브(30) 사이의 접착력 향상을 기대할 수 있게 되었다.FIG. 5A illustrates that a hybrid
(제4실시예)(Example 4)
나노미터(㎚) 크기의 금속 분말(40: 금속 Ag 또는 Au 및 금속 화합물인 Cu-Ag 또는 Cu-Ti 분말)과 함께 반도체 웨이퍼(wafer), 쿼츠(quartz) 및 세라믹(ceramic) 등의 기판(20); SUS 등의 금속 기판(20); 또는 AAO(anodic aluminum oxide), 제올라이트(zeolite) 및 실리카 등의 다공질 기판(20) 위에 탄소나노튜브(30)를 혼합하여 준비한다. 그리고 수소 기체, 암모니아 기체 및 불활성 기체 분위기에서의 수십 Torr에서 300~700℃로 유지하여 용융한다.Substrates such as semiconductor wafers, quartz and ceramics together with nanometer (nm) -sized metal powders (40: metal Ag or Au and metal compounds Cu-Ag or Cu-Ti powders) 20);
도 8은 본 발명 제1실시예의 통상적인 방법의 하나인 RTCVD(rapid thermal CVD) 방법으로 합성한 탄소나노튜브 박막의 SEM(scanning electron microscopy) 사 진이다. 8 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph of a carbon nanotube thin film synthesized by a rapid thermal CVD (RTCVD) method, which is one of the conventional methods of the first embodiment of the present invention.
도 9는 도 8의 탄소나노튜브의 박막을 950℃에서 열처리한 SEM(scanning electron microscope) 사진이다. 도 9에서 950℃의 고온에서 열처리한 탄소나노튜브(30) 박막은 원형 그물 모양으로 변화된 양상을 보이며, 각각의 탄소나노튜브(30)는 튜브의 형태를 유지하고 있다. 도 9의 b1 및 도 9의 b2에서 알 수 있듯이, b2지점에서의 탄소나노튜브(30)가 b1지점에 비해 깨끗함을 알 수 있다. FIG. 9 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the carbon nanotube thin film of FIG. 8 heat-treated at 950 ° C. FIG. In FIG. 9, the
도 10은 본 발명 제1실시예의 900℃로 열처리한 탄소나노튜브(30) 박막의 SEM(scanning electron microscopy) 사진이고, 각각의 탄소나노튜브(30) 팁이 금속으로 덮여있음을 보여 준다. 10 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph of a thin film of
도 11은 본 발명 제2실시예의 탄소나노튜브 박막의 SEM(scanning electron microscopy) 사진이고, 플라즈마 CVD방법에 의해서 수직으로 성장된 탄소나노튜브(30)의 끝 부분을 보여준다. FIG. 11 is a scanning electron microscopy (SEM) photograph of the carbon nanotube thin film of the second embodiment of the present invention, and shows the end of the
도 12는 도 11의 탄소나노튜브의 박막을 950℃에서 열처리한 SEM(scanning electron microscope) 사진이다. 탄소나노튜브(30)의 끝 부분이 임의의 기준 점들로 수렴되어 원추형 다발로 이루어지고 있음을 보여 준다. 따라서 원추형 다발의 꼭지점 사이의 거리는 도 11의 튜브 팁 사이의 간격보다 커져서 전계방출 특성에 방해가 되는 스크린(screen) 효과를 감소시킬 것으로 기대된다.FIG. 12 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the heat-treated carbon nanotube thin film of FIG. 11 at 950 ° C. FIG. The end portion of the
결론적으로, 본 발명은 탄소나노튜브(30)를 성장시키기 위해 RTCVD(Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition) 또는 플라즈마 CVD방법을 이용하였으며, 금속 기판(20) 위에 탄소나노튜브(30)를 성장하여 에미터의 source로 활용하고자 준 비하였다. 기판(20) 위에 직접 성장한 탄소나노튜브(30)의 안정적 전류 방출을 할 수 있는 에미터로서의 적용을 위해서 후처리를 하였고, 촉매 금속의 크기 등을 조절하여 탄소나노튜브(30)의 밀도를 조절하고자 하였다. 따라서 탄소나노튜브(30)의 밀도 및 기판(20)과의 접합 상태 등을 SEM 등으로 관찰하였으며, 후처리 등으로 인한 탄소나노튜브(30)의 cleanness 등도 함께 관찰하였다. 기판 4㎟ 위에 성장시킨 탄소나노튜브(30)를 0.5㎜ gap을 가진 캐소드 부분에는 3㎸가 인가될 수 있었으며, 애노드(anode) 부분에서 4.5㎃의 전류를 안정적으로 얻을 수 있었다.In conclusion, the present invention uses a rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD) or plasma CVD method to grow the
상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 금속 화합물을 이용한 탄소나노튜브 전자방출원의 제조방법에 의하면, 매우 큰 전류를 방출할 수 있는 안정성 있는 탄소나노튜브 전자방출원으로서의 적용을 위해서, 탄소나노튜브와 기판사이의 강한 접착을 위한 금속, 합금 및 금속 화합물 등의 매개물을 용융 밀착시킴과 동시에 플라즈마 및 고온 열처리 등의 후처리 조건을 확장시킬 수가 있으며, 또한 금속, 합금 및 금속화합물과 탄소나노튜브와의 화합물 구성은 줄(wire), 바(bar) 및 평판(plate) 등의 여러 가지 기하학적인 형태의 탄소나노튜브의 전자 방출층을 준비할 수 있어, 탄소나노튜브 전자방출원 구성에 대한 편리성과 그 응용성을 확장할 수 있다는 효과가 있다.As described above, according to the method for producing a carbon nanotube electron emission source using the metal compound according to the present invention, for the application as a stable carbon nanotube electron emission source capable of emitting a very large current, It can melt and adhere the media such as metals, alloys and metal compounds for strong adhesion between the tube and the substrate and at the same time expand the post-treatment conditions such as plasma and high temperature heat treatment. Compound composition of and can prepare electron emitting layer of carbon nanotubes of various geometric shapes such as wire, bar, and plate, and is convenient for constructing carbon nanotube electron emission source. This has the effect of extending performance and its applicability.
상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 금속 화합물을 이용한 탄소나노튜브 전자방출원의 제조방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명 은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 다양한 형태로 구현이 가능함은 물론이다.What has been described above is only one embodiment for carrying out the method for producing a carbon nanotube electron emission source using the metal compound according to the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, the technical idea of the present invention Of course, it can be implemented in various forms by those skilled in the art.
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