KR100649586B1 - 탄소나노튜브의 셀프 어셈블링을 이용한 전계방출 에미터전극의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 전계방출 에미터전극 - Google Patents

탄소나노튜브의 셀프 어셈블링을 이용한 전계방출 에미터전극의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 전계방출 에미터전극 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브의 셀프 어셈블링을 이용한 전계방출 에미터 전극의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 전계방출 에미터 전극을 개시한다. 본 발명에 따른 전계방출 에미터 전극의 제조 방법은, 알루미늄 기판을 양극산화하여, 다수의 균일한 공극을 갖는 양극산화 알루미늄막을 상기 알루미늄 기판 상에 형성하는 단계와; 탄소나노튜브가 분산되어 있는 전해액을 준비하는 단계와; 상기 양극산화된 알루미늄 기판을 상기 전해액에 함침하고 상기 알루미늄 기판을 일 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하여 상기 다수의 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계와; 상기 공극에 부착된 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계를 포함한다. 상기 방법에 따라 제조된 전계방출 에미터 전극은 우수한 전계방출 효과와 작은 접촉전기저항을 나타낸다.
탄소나노튜브, 전계방출 에미터, 접촉전기저항, 셀프 어셈블링

Description

탄소나노튜브의 셀프 어셈블링을 이용한 전계방출 에미터 전극의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 전계방출 에미터 전극{Method for Manufacturing Field Emitter Electrode By Using Self-Assembling of Carbon Nanotubes And Field Emitter Electrode Manufactured Thereby}
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 셀프 어셈블링을 이용한 전계방출 에미터 전극의 제조 방법의 개략적인 공정 순서도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 방법에 사용되는 전기영동장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 여러 실시예들에 따라 제조된 전계방출 에미터 전극의 단면 구조를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
21: 전해조 22: 전해액
23: 음극 24: 양극
25: 전원
본 발명은 전계방출 에미터 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 탄소나노튜브의 셀프-어셈블링(self-assembling)을 이용하여 탄소나노튜브의 부착강도와 분포 균일성을 향상시키는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 전계방출 에미터 전극에 관한 것이다.
일반적으로, 전계방출 표시장치(Field Emission Display; FED)는 진공에서의 전자 방출을 기반으로 한 광원으로서, 강한 전계에 의해 전자를 방출하는 다수의 미세한 팁 또는 에미터가 형성된 전계방출 에미터 전극을 구비한다. 에미터로부터 방출된 전자들은 진공 중에서 형광체 스크린으로 가속되어 형광체를 여기시킴으로써 빛을 발한다. CRT 표시장치와 달리, 전계방출 표시장치는 전자빔 조종 회로(beam steering circuitry)를 요하지 않고 불필요한 많은 열을 발생시키지도 않는다. 또한, LCD 표시장치와 달리, 전계방출 표시장치는 백 라이트(back light)를 요하지 않고 매우 밝으며 매우 넓은 시야각(viewing angle)을 갖고 있고 응답 시간(response time)도 매우 짧다. 이러한 장점들로 인해, 전계방출 표시장치는 각종 조명분야 및 디스플레이 장치 분야에 있어서 차세대 광원으로 각광 받고 있다.
상기 전계방출 표시장치의 성능은 주로 전자를 방출할 수 있는 에미터 전극에 의해 좌우된다. 최근에는 전계방출 특성을 향상시키기 위해 에미터 재료로서 탄 소나노튜브(carbon nano tube: 이하, "CNT"라 하기도 한다.)가 사용되고 있다. CNT를 전계방출 소자의 에미터로 사용하기 위해서는, CNT가 전계방출 에미터 전극 상에 균일하고 견고하게 부착되어 있어야 한다.
종래 CNT를 이용한 전계방출 에미터 전극의 제조 방법으로는, CNT를 페이스트에 분산시킨 후 이 페이스트를 인쇄하고 고온소성하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 공정이 복잡할 뿐만 아니라 가스 유출 등으로 인하여 전계방출 에미터 전극의 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
다른 제조 방법들로서, CNT를 유기용매에 분산시킨 후 이를 세라믹 필터를 통해 기판 상에 압착하는 방법, 및 기판 상에 CNT를 직접 석출시키는 방법이 제안되어 왔다. 그러나, 이러한 방법들을 사용하는 경우에는, CNT의 부착력이 약해 접촉 저항이 높고, CNT가 균일하게 분포되어 있지 않아 전계방출 효율이 낮아지게 된다.
미국특허 제 6,129,901호는 알루미나 템플레이트의 미세 기공에 촉매 금속을 부착한 다음 화학기상증착(chemical vapor desposition, CVD)으로 기판상에 CNT를 석출시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법은 대면적의 응용에 적합하지 않고 전이금속 촉매를 필요로 한다. 또한, CNT가 촉매의 크기에 따라 다발로 성장하므로 균일한 CNT 분포를 얻기가 어렵다. 따라서, 상기 방법에 따르면 전계방출의 효과가 크게 제한된다. 또한, 촉매와 CNT 간의 접착력이 불량하여 CNT가 분리되기 가 쉽다. 이 방법은 무엇보다도 진공 장비가 필요하므로 대량 생산에는 적합하지 않다.
이에, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브 에미터가 기판 상에 균일하고 견고하게 부착될 수 있게 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전계방출 효율이 우수하고 접촉전기저항이 작은 전계 방출 에미터 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면,
알루미늄 기판을 양극산화하여 상기 알루미늄 기판 상에 다수의 균일한 공극을 갖는 양극산화 알루미늄막을 형성하는 단계;
탄소나노튜브가 분산되어 있는 전해액을 준비하는 단계;
상기 양극산화된 알루미늄 기판을 상기 전해액에 함침하고 상기 알루미늄 기판을 일 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하여 상기 다수의 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계; 및
상기 공극에 부착된 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계
를 포함하는 탄소나노튜브의 셀프 어셈블링을 이용한 전계방출 에미터 전극의 제조 방법이 제공된다.
상기 본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 다수의 공극은 깊이가 0.5-2㎛ 이고, 직경이 100-400 nm인 것이 바람직하다. 상기 본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계는, 상기 전해액에서의 전기영동(electrophoresis), 유전영동(dielectrophoresis) 또는 AC 전기분해(electrolysis)에 의해 실행될 수 있다. 상기 알루미늄 기판 상에 보다 균일한 직경 분포와 배열을 갖는 공극이 형성되도록, 상기 알루미늄 기판의 양극산화는, 1차 양극산화, 양극산화 알루미늄막의 에칭 및 2차 양극산화로 이루어진 2 단계 양극산화에 의해 실행될 수도 있다.
또한, 상기 본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계는, 열처리에 의해 실행될 수 있다. 다른 방안으로서, 상기 탄소나노튜브를 고정시키는 단계는, 상기 알루미늄 기판에 바인더를 코팅함으로써 실행될 수도 있다.
상기 공극에 고정된 탄소나노튜브의 외부로 노출된 길이를 증가시키기 위해, 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계 후에, 상기 양극산화 알루미늄막을 적어도 일부 두께만큼 제거할 수 있다. 또한, 상기 공극에 고정된 탄소나노튜브의 외부로 노출된 길이를 일정하게 만들기 위해, 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시킨 후에, 상기 탄소나노튜브 및 상기 양극산화 알루미늄막을 연마하고 상기 양극산화 알루미늄막을 적어도 일부 두께만큼 에칭시킬 수도 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브의 외부로 노출된 길이가 일정하게 되어, 전계방출의 균일성이 증가하 게 된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면,
다수의 균일한 공극을 갖는 다공성 양극산화 알루미늄막이 형성되어 있는 알루미늄 기판과, 상기 다공성 양극산화 알루미늄막의 공극에 부착되어 고정된 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출 에미터 전극이 제공된다.
상기 본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 공극의 깊이는 0.5-2㎛ 이고, 그 직경은 100-400 nm인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 기판을 양극산화하여 상기 기판 상에 다공성(porous) 양극산화 알루미늄(Anodized Aluminium Oxide; AAO)막을 형성한다. 그 후, 전기영동, 유전영동 또는 AC 전기분해 등의 방법을 통해 이 양극산화 알루미늄막의 공극에 탄소나노튜브를 삽입, 부착하고 이를 견고하게 고정시킨다. 이에 따라, 탄소나노튜브 에미터가 균일하고 견고하게 고정되어 있는 전계방출 에미터 전극을 얻게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브의 셀프 어셈블링을 이용한 전계방출 에미터 전극의 제조 방법의 개략적인 공정 순서도를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 먼저 알루미늄 기판을 양극산화하여 표면에 다수의 균일한 공극(pores)을 갖는 다공성 AAO막을 형성한다. 이 AAO막은 알루이늄 산화막이며 표면 상에 위로 개방된 다수의 공극이 형성되어 있다. 알루미늄 기판은 순수한 알루미늄으로된 알루미늄 시이트 혹은 알루미늄이 코팅된 기판일 수 있다. 이하, 본 명세서에서 '알루미늄 기판'은 알루미늄 시이트와 알루미늄이 코팅된 기판을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
양극 산화(oxide anodization)공정으로 알루미늄 기판 상에 다수의 균일한 공극을 갖는 다공성의 AAO막을 형성할 수 있다. 이러한 알루미늄의 양극산화 공정은 이 기술 분야에서 일반적으로 알려져 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 알루미늄 기판을 전해연마(electro-polishing)하여 세척 및 탈지한다. 그 후, 양극 전해액에 상기 알루미늄 기판을 침지하고 소정의 전압을 인가하여 알루미늄 표면을 양극산화시킨다. 이에 따라 알루미늄 기판 상에는 다수의 공극을 갖는 AAO막(알루마이트(alumite)막이라고도 함)이 형성된다. 그 후, 필요에 따라 상기 양극산화된 알루미늄 기판을 인산 수용액으로 에칭 처리할 수도 있다. AAO막에 형성된 공극 사이의 거리 및 공극의 깊이는 에칭시간, 온도 및 전압에 의해 조절할 수 있다. AAO막에 형성된 공극의 직경은 에칭시간에 의해 조절할 수 있으며, 공극 확대 처리(pore widening treatment)에 의해 상기 공극의 직경을 확대시킬 수 있다. 공극 확대 처리를 사용할 경우, 공극의 직경을 약 400nm까지 확장시킬 수 있다.
보다 균일한 직경분포 및 배열을 갖는 공극을 갖는 AAO막을 형성하기 위해서, 2 단계 양극산화법이 또한 사용될 수 있다. 2 단계 양극산화법에 따르면, 먼저 알루미늄 기판을 양극 전해액에 1차로 침지하고 상기 알루미늄 기판에 소정의 전압을 가하여 상기 알루미늄 기판을 1차 양극산화한다. 이에 따라 표면 상에 공극을 갖는 AAO막이 상기 기판 상에 형성된다. 그 다음에 1차 양극산화된 상기 알루미늄 기판을 에칭하여 상기 AAO막을 제거한다. 그 후, 상기 알루미늄 기판을 양극 전해액에 2차 침지하여 2차 양극산화함으로써 상기 알루미늄 기판 상에 다공성의 AAO막을 형성한다. 그 후, 필요에 따라 공극 확대 처리에 의해 공극의 크기를 크게할 수 있다. 이와 같이 2단계의 양극산화를 사용하여 AAO막을 형성하면, 보다 균일하고 평행한 공극들을 얻을 수 있게 된다. 이 때 상기 양극 전해액으로는 옥살산, 황산, 인산 또는 크롬산 용액 등이 사용될 수 있다.
AAO막에 형성된 공극의 깊이는 약 0.5-2㎛ 인 것이 바람직하다. 공극의 깊이가 0.5㎛미만인 경우에는 깊이가 너무 낮아 이 공극에 삽입 및 부착되는 탄소나노튜브가 쓰러지기 쉽다. 한편, 공극의 깊이가 2㎛를 초과하는 경우에는 공극이 너무 깊어서 이 공극에 삽입되는 탄소나노튜브의 팁이 충분히 외부로 노출되지 않을 수 있다.
또한, 공극은 100-400nm의 직경, 보다 바람직하게는 200-300nm의 직경을 갖는 것이 좋다. 공극의 직경이 너무 커서 탄소나노튜브가 공극에 너무 조밀하게 부착되면 전계방출 효과가 감소할 수 있다. 또한, 공극의 직경이 너무 작아 공극에 부착된 탄소나노튜브의 팁의 밀도가 너무 낮게 되면, 상기 탄소나노튜브들이 면광원을 이루지 못하므로 바람직하지 않다. 탄소나노튜브가 공극에 용이하게 삽입되도록 상기 공극의 직경은 탄소나노튜브의 직경(약 20-50nm)의 약 5-6배에 해당하는 것이 바람직하다. 알루미늄 기판 상의 다공성 AAO막은 부분적으로 에칭되어 공극바닥의 산화물층이 제거됨으로써 공극 바닥에 알루미늄이 노출되도록 한다. 이와 같이 다공성 AAO막이 형성된 알루미늄 기판은 추후 전기영동, 유전영동 또는 AC 전기분해시 전극으로 사용된다.
한편, 탄소나노튜브(CNT) 및 분산제를 탈이온수에 첨가하여 CNT가 균일하게 분산되어 있는 전해액을 준비한다. 상기 CNT로는 MWNT(Multi Wall Nanotube; 다중벽 탄소나노튜브), DWNT(Double Wall Nanotubes; 이중벽 탄소나노튜브), 또는 SWNT(Single Wall Nanotube; 단일벽 탄소나노튜브)가 사용될 수 있으며, MWNT가 전도도가 높아 가장 적합하다. 보다 바람직하게는 곧은 직선 형태로 제조되는 arc-MWNT를 사용하는 것이 좋다. 사용되는 MWNT는 약 10-50nm의 직경을 갖는 것이 바람직하다.
상기 전해액중 CNT의 함량은 특별히 한정되는 것은 아니나, CNT는 예시적으로 10-100mg/L로 전해액 중에 포함될 수 있다. CNT의 함량이 10mg/L미만이면 밀도가 저조하며 100mg/L를 초과하면 CNT가 응집되어 고르게 분산되기 어렵다.
전해액에 함유되는 분산제로는 벤젠 코니움 클로라이드(benzene konium chloride), 소디움 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), 폴리에틸렌이민(polyethylenimine) 및 염화마그네슘으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 분산제가 사용될 수 있다. 상기 분산제는 상기 CNT 양의 약 100 내지 500wt%로 첨가하는 것이 바람직하다. 분산제의 함량이 100wt%미만이면 분산제가 모든 CNT에 고르게 작용하지 못해 CNT의 분산이 불충분하며, 분산제의 함량이 500wt%를 초과하면 과량의 분산제가 서로 뭉쳐서 오히려 분산제가 CNT에 부착하는 것이 방해될 수 있다. CNT 및 분산제는 다양한 방식에 의해 전해액에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 분산제를 CNT와 함께 전해액 내에 직접 투입하고, 소니케이터(sonicator)를 사용하여 CNT를 균일하게 분산시킬 수 있다.
전술한 바와 같이 다공성 AAO막이 형성된 알루미늄 기판과, CNT 함유 전해액을 준비한 후에는, 상기 알루미늄 기판을 상기 전해액중에 침지하고 상기 알루미늄 기판에 소정의 전압을 가하여 전기영동, 유전영동 또는 AC 전기분해한다. 이에 따라 상기 다공성 AAO막에 형성된 공극에 CNT가 삽입, 부착하게 된다.
상기 전기영동, 유전영동 또는 AC 전기분해시 전압펄스를 사용함으로써 기판 상에 약하게 붙어있는 CNT를 분리시키고 공극내에 삽입되는 CNT의 수를 증가시킬 수 있다. 모든 공극에 CNT 가 묻히는 것 보다는 공극 10 개중에 약 1개의 공극에 CNT(에미터 팁)가 형성되는 것이, 보다 좋은 전계 방출 효과를 위해, 바람직하다. 상기 공극에 삽입되는 CNT의 밀도는 전해액중의 CNT의 함량을 조절함으로써 및/또는 전기영동시간을 조절함으로써 제어될 수 있다. 전해액중의 CNT의 함량은 상기 예시한 바와 같이 10-100mg/L일 수 있다. 예를들어, 1-5분간 전기영동함으로써 최적의 전계 방출효과를 나타낼 수 있는 밀도로 CNT를 AAO막의 공극에 삽입할 수 있다. 전기영동 시간이 길어지면 공극에 삽입되는 CNT의 밀도가 증가한다.
하나의 공극에 다수의 CNT가 삽입될 수 있으나, 하나의 공극에 너무 많은 CNT가 삽입되는 경우에는 전계방출 효율이 감소된다. 따라서 필요에 따라, 약 1-3개의 CNT가 하나의 공극에 삽입되도록 조절하는 것이 바람직하다.
도 2에는 본 발명에 사용될 수 있는 전기영동장치의 일례가 도시되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 전해조(21)에는 상기 전해액(22)이 채워져 있다. 상기한 다공성 AAO막이 형성된 알루미늄 기판이 음극(23)으로서 양극(24)과 함께 상기 전해액에 함침된다. 양극으로는 일예로서, 탄소 전극 또는 납시이트등이 사용될 수 있다. 그 후, 상기 두 전극(23, 24) 사이에 소정의 전압이 인가되면, 전해액(22)중의 CNT는 음극인 상기 알루미늄 기판 상의 공극에 삽입 및 부착된다. 인가 전압으로는 수십 볼트가 적당하다.
그 후, CNT가 부착된 상기 알루미늄 기판을 건조시킨 다음 알루미늄 기판의 공극에 부착된 CNT를 고정시킨다. 상기 고정(fixing)은 열처리하거나 또는 바인더를 코팅함으로써 이루어질 수 있다. 열처리 및 바인더 코팅에 의하여 CNT가 공극에 고정된 상태를 각각 도 3a 및 도 3b에 도시하였다.
도 3a는 열처리에 의해 CNT를 공극에 고정시킨 상태를 나타낸 단면도이다. 도 3a를 참조하면, 알루미늄 기판(23a) 상의 다공성 AAO막(23b)에 형성된 공극 내에는 탄소나노튜브(10)가 삽입되어 있다. 이 탄소나노튜브(10)는 열처리에 의해 공극 바닥면에 웰딩(welding)되어 고정되어 있다. 탄소나노튜브의 고정을 위한 열처리는 예를들어, 아르곤 또는 헬륨등 불활성가스 분위기하에서 400-700℃의 온도에서 약 2-3시간정도 실시될 수 있다. 상기 온도 및 시간범위로 열처리함으로써 기판의 손상 없이 적당한 확산 작용을 통해 CNT의 부착력을 높일 수 있게 된다. 이러한 열처리에 의해 CNT의 결함이 복구되며 CNT가 알루미늄 기판상의 공극내에 견고하게 고정된다.
도 3b는 바인더 코팅에 의해 CNT를 공극에 고정시킨 상태를 나타내는 단면도이다. 도 3b를 참조하면, CNT(10)가 부착되어 있는 알루미늄 기판(23a)의 AAO막(23b) 상에 바인더를 코팅함으로써 AAO막(23b)의 공극이 바인더(20)로 채워진다. 이에 따라 CNT(10)가 공극 내에 견고하게 고정된다. 바인더(20)로는 이로써 한정하는 것은 아니나, 에폭시수지등이 사용될 수 있다. CNT의 부착력을 더욱 강화시키기 위해, 도 3a에 설명한 바와 같은 열처리에 의한 CNT의 웰딩을 실시한 후 바인더 코팅에 의해 공극(CNT가 삽입되어 있는 공극)을 채울 수도 있다.
공극에 고정된 CNT의 외부로 노출된 길이를 증가시키기 위해, CNT를 열처리에 의해 상기 공극에 고정시킨 후에, AAO막을 에칭하여 상기 AAO막을 적어도 일부 두께만큼 제거할 수도 있다. 도 3c는 AAO막(23b)이 에칭에 의해 일부 두께만큼 제거된 상태를 나타낸다. 이에 따라, AAO막(23b)의 공극에 고정된 CNT(10)의 외부로 노출된 길이는 더 증가하게 된다. 공극에 고정된 CNT(10)가 에미터로서 유용하게 사용되기 위해서는, 효과적인 전계방출을 구현할 수 있도록 CNT(10)가 0.5 내지 1㎛ 만큼 외부로 노출되어야 한다.
또한, 공극에 고정된 CNT의 외부로 노출된 길이를 일정하게 만들기 위해, CNT를 바인더에 의해 공극에 고정시킨 후에, CNT 및 AAO막을 연마하고 상기 AAO막을 적어도 일부 두께만큼 에칭시킬 수도 있다. 이에 따라, CNT의 외부로 노출된 길이가 일정하게 되어, 전계방출의 균일성이 증가하게 된다. 도 3d는 이와 같은 CNT(10)와 AAO막(23b)의 연마 처리 및 AAO막(23b) 에칭 처리에 의해 CNT들(10)이 거의 동일한 길이로 노출된 상태를 나타내는 단면도이다.
구체적으로 설명하면, 도 3b에 도시된 바와 같이 공극에 부착된 CNT(10)를 바인더로 고정한 후에, 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing)에 의해 표면을 연마하여 CNT(10)를 동일한 길이로 컷팅한다. 그 후, CNT(10)가 외부로 충분히 노출될 수 있도록 바인더가 매립되어 있는 AAO막(23b)을 에칭한다. 그 결과, 도 3d에 도시된 바와 같이, CNT들(10)은 AAO막(23b)의 표면으로부터 외부로 거의 동일한 길이로 노출된다. CNT(10)가 기판 상에 균일 분포 밀도와 균일한 노출 길이를 갖게 되므로, 전계방출의 균일성이 증가하고, 전계방출 효율이 높아지게 된다.
상기 본 발명의 방법에 따르면, 알루미늄 기판 상의 다공성 AAO막에 형성된 공극에 CNT를 거의 수직으로 삽입 및 고정시킬 수 있다. 또한, 상기 공극에 삽입된 CNT는 기판 상에서 매우 균일한 분포를 가지며, 열처리 또는 바이더 코팅에 의해 상기 공극에 견고히 고정될 수 있다. 이 CNT는 전계방출 소자의 에미터 역할을 한다. 따라서 본 발명의 방법에 따르면, CNT 에미터의 분포 균일성과 부착 강도가 향상된 전계방출 에미터 전극을 구현할 수 있게 한다. 본 발명의 방법에 따라 제조된 전계방출 에미터 전극은 예를 들어, LCD용 백라이트 광원에 이용될 수 있다.
상기 본 발명의 방법으로 제조된 전계방출 에미터 전극은 CNT가 균일한 간격으로 배열 및 고정되어 있기 때문에 전계 방출시 전류를 분산시켜 에미터의 수명이 길어지며 전계방출 효율이 증가한다. 뿐만 아니라 CNT의 우수한 부착강도를 나타낸다. 또한, CNT를 바인더로 고정시킬 경우 CNT가 중합체에 묻혀 있으므로 CNT와 전극사이의 접촉면적이 넓어 접촉전기저항이 작아지고 따라서, CNT 에미터의 열화가 상대적으로 적어진다. 더욱이, 다공서 AAO막의 공극 밀도를 조절함으로써 에미터의 밀도를 조절할 수 있으며, 반점이 없는(spot-less) 형광체의 발광이 가능해진다. 나아가, 상기 본 발명의 방법은 주로 습식공정(wet process)을 이용함으로써 제조비용이 저렴하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예)
고순도의 알루미늄 시이트(순도 99.98%, 두께 0.5 mm)를 N2 분위기하에서 500℃로 3시간동안 어닐링(annealing)한 후, 과염소산(70wt%)과 에탄올(95wt%)의 혼합용액(1:5)에서 전해연마하여 탈지하였다. 탈지된 알루미늄 시이트를 2℃의 0.3M 인산용액에 침지하고 150V 전압을 가하여 상기 알루미늄 시이트를 양극산화하였다.
상기 양극산화에 의해, 깊이 약 1.5±0.5㎛ 그리고 300nm 의 평균직경을 갖는 다수의 공극이 균일하게 형성되어 있는 다공성 AAO막이 알루미늄 시이트상에 형성되었다.
한편, 탈이온수 1 리터, arc-MWNT 100mg, SDS 500mg(CNT 함량의 500wt%)이 혼합되어 있는 전해액을 준비하였다. 상기 전해액에 대해 1시간동안 초음파 처리하여 arc-MWNT를 균일하게 분산시켰다.
최종 전해액을 전해조에 투입하고, 상기 다공성 AAO막이 형성된 알루미늄 시이트를 음극으로 그리고 납 시이트를 양극으로 하여 AC 전기분해하였다. 약 10-50V의 펄스를 가하여 다공성 AAO막의 공극에 CNT가 부착되도록 하였다.
이 후, 상기 CNT가 부착된 알루미늄 시트를 약 600℃에서 약 2시간동안 열처리하여 공극 내부의 불순물을 기화시키고 동시에 CNT의 부착력을 강화시켰다. 상기 본 발명에 의한 방법에 의해, CNT가 알루미늄 기판 상에 균일하고 견고하게 부착된 전계방출 에미터 전극이 얻어진다. CNT 에미터가 균일하고 견고하게 부착된 전계방출 에미터 전극은 우수한 전계방출 효과 및 작은 접촉전기저항을 나타낸다.
본 발명의 전계방출 에미터 전극의 제조 방법에 따르면 CNT 에미터가 균일하고 견고하게 부착된 전계방출 에미터 전극을 제조할 수 있으며, 이에 따라 제조된 전계방출 에미터 전극은 기판 상에 균일하고 견고하게 부착된 CNT 에미터를 구비한다. 따라서, 본 발명에 따른 전계방출 에미터 전극은 우수한 전계 방출 효과 및 작은 접촉전기저항을 나타낸다.

Claims (15)

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  4. 알루미늄 기판을 양극산화하여, 다수의 균일한 공극을 갖는 양극산화 알루미늄막을 상기 알루미늄 기판 상에 형성하는 단계;
    탄소나노튜브가 분산되어 있는 전해액을 준비하는 단계;
    상기 양극산화된 알루미늄 기판을 상기 전해액에 함침하고 상기 알루미늄 기판을 일 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하여 상기 다수의 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계; 및
    상기 공극에 부착된 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 알루미늄 기판의 양극산화는, 1차 양극산화, 양극산화 알루미늄막의 에칭 및 2차 양극산화로 이루어진 2 단계 양극산화에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  5. 알루미늄 기판을 양극산화하여, 다수의 균일한 공극을 갖는 양극산화 알루미늄막을 상기 알루미늄 기판 상에 형성하는 단계;
    탄소나노튜브가 분산되어 있는 전해액을 준비하는 단계;
    상기 양극산화된 알루미늄 기판을 상기 전해액에 함침하고 상기 알루미늄 기판을 일 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하여 상기 다수의 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계; 및
    상기 공극에 부착된 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브는 arc-MWNT 인 것을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  6. 알루미늄 기판을 양극산화하여, 다수의 균일한 공극을 갖는 양극산화 알루미늄막을 상기 알루미늄 기판 상에 형성하는 단계;
    탄소나노튜브가 분산되어 있는 전해액을 준비하는 단계;
    상기 양극산화된 알루미늄 기판을 상기 전해액에 함침하고 상기 알루미늄 기판을 일 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하여 상기 다수의 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계; 및
    상기 공극에 부착된 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 전해액에는 분산제가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분산제는 벤젠 코니움 클로라이드, 소디움 도데실 설페이트, 폴리에틸 렌이민 및 염화마그네슘으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 분산제는 상기 탄소나노튜브의 양의 약 100- 500wt%로 첨가됨을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  9. 알루미늄 기판을 양극산화하여, 다수의 균일한 공극을 갖는 양극산화 알루미늄막을 상기 알루미늄 기판 상에 형성하는 단계;
    탄소나노튜브가 분산되어 있는 전해액을 준비하는 단계;
    상기 양극산화된 알루미늄 기판을 상기 전해액에 함침하고 상기 알루미늄 기판을 일 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하여 상기 다수의 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계; 및
    상기 공극에 부착된 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계는, 열처리에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열처리는 불활성 분위기 하에서 400-700℃의 온도로 실시됨을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  11. 알루미늄 기판을 양극산화하여, 다수의 균일한 공극을 갖는 양극산화 알루미늄막을 상기 알루미늄 기판 상에 형성하는 단계;
    탄소나노튜브가 분산되어 있는 전해액을 준비하는 단계;
    상기 양극산화된 알루미늄 기판을 상기 전해액에 함침하고 상기 알루미늄 기판을 일 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하여 상기 다수의 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계; 및
    상기 공극에 부착된 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브를 고정시키는 단계는, 상기 알루미늄 기판 상에 바인더를 코팅함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  12. 알루미늄 기판을 양극산화하여, 다수의 균일한 공극을 갖는 양극산화 알루미늄막을 상기 알루미늄 기판 상에 형성하는 단계;
    탄소나노튜브가 분산되어 있는 전해액을 준비하는 단계;
    상기 양극산화된 알루미늄 기판을 상기 전해액에 함침하고 상기 알루미늄 기판을 일 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하여 상기 다수의 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계; 및
    상기 공극에 부착된 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계 후에, 상기 양극산화 알루미늄막을 적어도 일부 두께만큼 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  13. 알루미늄 기판을 양극산화하여, 다수의 균일한 공극을 갖는 양극산화 알루미늄막을 상기 알루미늄 기판 상에 형성하는 단계;
    탄소나노튜브가 분산되어 있는 전해액을 준비하는 단계;
    상기 양극산화된 알루미늄 기판을 상기 전해액에 함침하고 상기 알루미늄 기판을 일 전극으로 하여 소정의 전압을 인가하여 상기 다수의 공극에 탄소나노튜브를 부착시키는 단계; 및
    상기 공극에 부착된 상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 탄소나노튜브를 상기 공극에 고정시키는 단계 후에, 상기 탄소나노튜브 및 상기 양극산화 알루미늄막을 연마하는 단계와, 상기 연마된 양극산화 알루미늄막을 적어도 일부 두께만큼 에칭시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
  14. 제4항 내지 제13항중 어느 한 항의 방법으로 제조되어, 다수의 균일한 공극을 갖는 다공성 양극산화 알루미늄막이 형성되어 있는 알루미늄 기판과, 상기 다공성 양극산화 알루미늄막의 공극에 부착되어 고정된 탄소나노튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 공극의 깊이는 0.5-2㎛ 이고, 그 직경은 100-400 nm인 것을 특징으로 하는 전계방출 에미터 전극.
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