KR100768675B1

KR100768675B1 - 탄소 나노튜브 전계 방출기 구조를 포함하는 디바이스 및 그 디바이스 형성 방법

Info

Publication number: KR100768675B1
Application number: KR1019990040668A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼앤드류 보워; 오토 죠우; 웨이 주
Original assignee: 루센트 테크놀러지스 인크; 유니버시티 오브 노쓰 캐롤라이나-채플 힐
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1999-09-21
Publication date: 2007-10-23
Also published as: JP2007287699A; EP0989579A2; JP2005097111A; EP0989579B1; JP2000141056A; EP0989579A3; KR20000023347A; JP4021889B2; US6630772B1; DE69939965D1

Abstract

본 발명은 점착성 탄소 나노튜브 막들, 특히 이러한 막들을 포함하는 전자 전계 방출기 구조들(electron field emitter structures)을 포함하는 개선된 디바이스들을 제공한다. 이전에는 기판에 화학적 본딩이 일어날 수 있는 댕글링 본드들이나 결함 있는 부분들이 없는 것으로 나타나는 경향이 있는 나노튜브들의 완전한 풀러린 구조(fullerene structure) 때문에, 기판에 분말 또는 매트형 나노튜브들의 균일하고 적당한 부착성을 얻는 것은 어려웠다. 본 발명은 이들 문제를 극복하며, 다양한 제조 방법들에 의해서 강하게 점착하는 나노튜브 막을 제공한다.

점착성 탄소 나노튜브 막, 전계 방출기 구조, 전계 방출 디스플레이 디바이스, 진행파 튜브 마이크로파 방출기 디바이스, 나노튜브-폴리머 복합물

Description

탄소 나노튜브 전계 방출기 구조를 포함하는 디바이스 및 그 디바이스 형성 방법{Device comprising carbon nanotube field emitter structure and process for forming device}

도 1은 나노튜브들을 형성하는데 유용한 레이저 제거 장치의 개략도.

도 2는 나노튜브들을 형성하는데 유용한 화학 증착 장치의 개략도.

도 3은 전계 방출 디스플레이 디바이스의 개략도.

도 4a 및 도 4b는 진행파 튜브 마이크로파 방출기 디바이스의 개략도들.

도 5는 예 1에 따른 나노튜브-폴리머 복합물을 기계적으로 신장시킴으로써 생성된 정렬된 탄소 나노튜브들을 보인 TEM 현미경 사진.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 점착성 나노튜브 막의 방출 특성들을 도시한 도면들.

도 7은 본 발명에 따른 점착성 나노튜브 막의 방출 특성들을 도시한 도면.

도 8a 및 도 8b는 각각 비신장된 그리고 신장된 나노튜브-폴리머 복합막들의 x-선 회절 패턴들을 도시한 도면들.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 타겟 12 : 노

13: 유량계 14 : 레이저

21 : 제 2 타겟 30 : 진공실

31 : 히터 33 : 캐리어 가스

34, 35 : 질량 유량계 36 : 압력 밸브

37 : 기판 41 : 음극

45 : 애노드 47 : 방출기

49 : 양극 전도체 50 : TWT

54 : 전자총 68 : 전자빔

70 : 양극

관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 1998년 9월 21일자 출원된 가출원번호 60/101,203의 우선권을 주장한다.
발명의 배경
발명의 분야
본 발명은 탄소 나노튜브(nanotube)들을 포함하는 전계 방출 디바이스들에 관한 것이다.

관련 기술의 논의
현재 사용되는 진공 마이크로전자(microelectronic) 디바이스들은 평면 디스플레이들(flat panel displays), 마이크로파 전력 증폭기들에서 사용되는 클라이스트론들 및 진행파 튜브들(traveling wave tube), 이온총들(ion guns), 전자빔 리소그래피, 고에너지 가속기들, 자유 전자 레이저들, 및 전자 현미경들 및 마이크로 프로브들을 포함한다. 이러한 디바이스들에서 바람직한 전자원은 적합한 음극 물질로부터 진공으로 전자들의 전계 방출이다. 일반적인 전계 방출 디바이스는 복수의 전계 방출기 팁들을 포함하는 음극 및 이 음극으로부터 이격되어 있는 양극을 포함한다. 양극과 음극 간에 인가되는 전압은 양극을 향하는 전자들의 방출을 유도한다.

전계 방출기들의 유망한 한 응용은 얇은 매트릭스 어드레스식 평면 디스플레이들이다. 예를 들면 1991년 12월 반도체 인터내셔널; 전자디바이스에 대한 IEEE 트랜잭션, Vol. 38, 2355(1991), 시. 에이. 스핀트(C.A.Spindt) 등, "진공 마이크로전자용 전계 방출기 어레이"; 피. 더블류. 혹스 발행, Vol.83(1992), 아이. 브로디(I.Brodie) 및 시.에이. 스핀트, 전자공학 및 전자물리 어드밴스; 아카데믹 프레스, 254(1992), 제이.에이, 코스텔라노, 디스플레이 기술 핸드북을 참조할 수 있다. 종래의 전계 방출 평면 디스플레이는, 음극 상에 형성된 극소 전계 방출기들과, 인이 코팅된 양극의 매트릭스 어레이를 투명 전면판 상에 갖는 평탄한 진공 셀을 포함한다. 음극과 양극 사이에는 그리드 또는 게이트라고 하는 전도성 소자가 있다. 음극 및 게이트는 일반적으로, 디스플레이를 위한 화소를 형성하는 교차점을 갖는 교차된 스트라이프(보통 수직한 스트라이프)이다. 음극 전도체 스트라이프와 게이트 전도체간에 전압을 인가함으로써 주어진 화소가 활성화된다. 방출된 전자들에 비교적 높은 에너지(예를 들면, 400 내지 5000eV)를 부여하기 위해서 양극에는 더 높은 정의 전압이 인가된다. 예를 들면, 미국특허 제 4,940,916 호; 제 5,129,850 호; 제 5,138,237 호 및 제 5,283,500 호를 참조하며, 이에 개시된 바를 참고로 본 명세서에 포함시킨다.

전기통신, 레이더, 전자전(electronic warfare), 및 항법 시스템들을 포함하여 최근의 마이크로파 시스템들의 중요한 구성요소들인 예를 들면 전력 증폭기들과 같은 마이크로파 진공관 디바이스들에서도 전계 방출이 또한 사용된다. 예를 들면, 존 윌리 앤 손스, 에이. 더블류. 스콧(A. W. Scott)의 마이크로파 이해, 12장을 참조하라. 반도체 마이크로파 증폭기 또한 이용할 수 있지만, 마이크로파 튜브 증폭기들은 이러한 마이크로파 증폭기들보다 크기가 수배 높은 마이크로파 에너지를 제공할 수 있다. 전력이 더 큰 것은 전자가 반도체 물질에서보다 진공에서 훨씬 빠르게 진행할 수 있다는 사실에 기인한다. 속도가 더 빠르므로, 수용할 수 없는 수송 시간(transit time)의 증가 없이 더 큰 구조들을 사용할 수 있고, 더 큰 구조들은 더 큰 전력을 제공한다.

여러 가지 특성들은 전계 방출 디바이스들의 음극 물질들에 이점이 있는 것으로 알려져 있다. 방출 전류는 상용 집적 회로로부터 얻을 수 있는 범위의 구동기 전압으로 전압에 의해 제어될 수 있어 이점이 있다. 일반적인 디바이스 크기들(예를 들면, 디스플레이에서 게이트와 음극 간 간격이 1㎛)에 있어서, 25V/㎛ 이하의 전계들에서 방출하는 음극이, 일반적인 CMOS 구동기 회로에 바람직하다. 방출 전류 밀도는 평면 디스플레이 응용들에서 1 내지 10 mA/cm²의 범위인 것이 바람직하며 마이크로파 증폭기 응용들에서는 >100 mA/cm²인 것이 바람직하다. 방출 특성들(노이즈)은 소스마다 재현가능한 것이 바람직하며 장시간(예를 들면 수만 시간)에 걸쳐 안정한 것이 바람직하다. 방출 변동들은 디바이스 성능을 제한하는 것을 피할 만큼 작은 것이 바람직하다. 음극은, 예를 들면 이온 충돌, 잔류 가스와의 화학 반응, 극한 온도, 및 아킹(arcing)과 같이, 진공 환경에서 바람직하지 못한 발생에 내성이 있는 것이 바람직하다. 마지막으로, 음극 제조는 예를 들면, 고도로 엄격한 방법들이 없으며 광범위한 응용들에 적응할 수 있어 저렴한 것이 바람직하다.

종래의 전계 방출 디바이스용 음극 물질들은 통상 첨예한 나노미터 크기의 팁을 갖는 금속(예를 들면 Mo)이나 반도체 물질(예를 들면 Si)로 만들어진다. 이들 물질에 대해 방출 특성이 유용한 것으로 나타나 있으나, 방출에 필요한 제어 전압은 이들의 일함수가 크기 때문에 비교적 높다(약 100V). 고전압 동작은 방출기 팁 상에서 이온 충돌 및 표면 확산에 의해 야기되는 손상 불안정성을 증가시키며 요구되는 방출 전류 밀도를 생성하기 위해서 외부원으로부터 공급되는 고전력 밀도를 필요로 한다. 더욱이, 첨예한 팁들을 균일하게 제조하기란, 특히 대면적에 대해서, 어렵고, 지루하며 비용이 든다. 실제 디바이스 동작 환경에서 이들 물질이 이온 충돌, 화학적으로 활성화된 종과의 반응, 및 극한 온도와 같은 현상에 취약한 것이 또한 우려된다.

마이크로파 튜브 디바이스에 있어서, 종래의 전자원은 통상 Ir-Re-Os 합금들, 또는 예를 들면 텅스텐인 금속들이 코팅되거나 침착된 BaO/CaO/SrO이나 BaO/CaO/Al₂O₃과 같은 산화물들로부터 형성된 열이온 방출 음극이다. 이들 음극들은 충분한 열이온 전자 방출(제곱 센티미터당 수 암페어들)을 생성하기 위해서 1000℃ 이상으로 가열된다. 그러나, 이들 열이온 음극들을 가열할 필요성은 문제들을 야기할 가능성이 있다. 가열은 예를 들면 음극 표면으로부터 바륨을 증발시킴으로써 음극의 수명을 감소시키는 경향이 있다. 어떤 진행파 튜브들은 예를 들면 수명이 1년 미만이다. 가열은 또한 방출이 일어나기 전에 예를 들면 약 4분까지 워밍-업 지연들(warm-up delays)을 유도하며, 이러한 지연들은 상업적으로 바람직하지 못하다. 또한, 고온 동작은 부피가 큰 보조 장치, 예를 들면 냉각 시스템들을 필요로 한다.

개선된 방출기 물질들을 제공하려는 시도들로 전자 전계 방출기로서 탄소 물질들이 잠재적으로 유용한 것으로 최근 알려졌다. 예를 들면, 미국특허 제 5,129,850 호, 제 5,138,237 호, 제 5,616,368 호, 제 5,623,180 호, 제 5,637,950 호, 및 제 5,648,699 호와, 오카노 등의 Appl. Phys. Lett., Vol.64, 1994, 2742; 쿠마르 등의 고체상태 기술, Vol.38, 1995, 71; 및 가이스(Geis), 등의 J. Vac. Sci, Technol., Vol.B14, 1996, 2060에 다이아몬드 방출기들 및 관계된 방출 디바이스들이 개시되어 있다. 다이아몬드는 이의 수소로 종료되는 표면들(hydrogen-terminated surfaces) 상에서 음(negative) 또는 낮은 전자 친화력에 기인하여 전계 방출기로서 이점을 제공하나, 더 개선이 요구된다.

최근에 드러난 또 다른 탄소 물질은 탄소 나노튜브이다. 예를 들면, 에스. 이이지마(S. Iijima), "흑연 탄소의 나선형 마이크로튜브들", Nature Vol.354, 56(1991); 티. 에베슨(T. Ebbesen) 및 피. 아자얀(P. Ajayan), "탄소 나노튜브들의 대규모 합성", Nature, Vol.358, 220(1992); 에스. 이이지마, "탄소 나노튜브들", MRS Bulletin, 43(1994년 11월); 비. 야콥슨(B. Yakobson) 및 알. 스몰리(R. Smalley), "풀러린(Fullerene) 나노튜브들: C_1,000,000 and Beyond," American Scientists, Vol. 85, 324(1997)를 참조하여, 이들 개시된 바를 여기 참고로 통합한다. 나노튜브들은 근본적으로 단일 벽(single-walled)(약 0.5 내지 약 10 nm의 튜브 직경들을 갖음), 및 다중 벽(multi-walled)(약 10 내지 100 nm의 튜브 직경들을 갖음)의 2가지 형태를 취한다. 전자 전계 방출기들로서 이러한 나노튜브들의 사용은 예를 들면, 독일 특허 제 4,405,768호; 린즐러(Rinzler) 등, 사이언스. Vol. 269, 1550(1995); 드 히어 등, 사이언스, Vol. 270, 1179(1995); 드 히어 등, 사이언스, Vol.268, 845(1995); 사이토 등, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.37, L346(1998); 왕 등, Appl. Phys. Lett., Vol.70, 3308(1997); 사이토 등, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 36, L1340(1997); 및 왕 등, Appl. Phys. Lett., Vol.72, 2912(1998)에 개시되어 있으며, 그 개시된 바를 여기 참고로 포함시킨다. 탄소 나노튜브들은 큰 어스펙트 비(aspect ratio)(>1,0000)와 작은 팁 곡률반경(~10 nm)의 특징을 이룬다. 이들 기하학적인 특성들은 세관들(tubules)의 비교적 높은 기계적 강도와 화학적 안정성과 결합되어, 전자 전계 방출기로서 탄소 나노튜브의 잠재적인 유용성을 나타낸다. 그러나, 탄소 나노튜브들은 일반적으로 이를테면 약결합 분말들이나 다공성 매트들과 같은 형태들로만 이용가능하고, 이들 형태를 디바이스 구조에 통합하기 어렵다. 더욱이, 이전의 연구에서는 특성들을 개선하려는 시도로 나노튜브를 정렬시키는 것을 다루었으나, 정렬은 상업적으로 실현할 수 없을 것으로 보이는 기술들에 의해서만 수행되었다(예를 들면, 드 히어 등, 사이언스., Vol.268, 845(1995)를 참조).

따라서 개선된 전계 방출 물질에 기초한 진공 마이크로전자 디바이스들이 요구된다. 특히, 탄소 나노튜브 방출기들을 포함하는 장치들이 요구되는데, 상기 나노튜브들은 현재 기술들보다 더욱 쉽게 상기한 장치들에 통합될 수 있다.

발명의 요약
본 발명은 탄소 나노튜브 전자 전계 방출기 구조를 포함하는 개선된 전계 방출 디바이스들을 제공한다. 본 발명에 따라, 점착성 나노튜브 막(단일-벽 및/또는 다중-벽 나노튜브들을 포함함)은 비교적 평탄한 전도성 기판들 상에 배치된다. (점착성 막은 0.1 내지 100 ㎛의 두께를 가지며 0.141인치 직경의 스터드들을 사용한 종래의 스터드 풀 테스트(stud pull test)로 측정하였을 때 적어도 1.0 kpsi의 점착 강도를 갖는 연속한 막을 가리킨다. 나노튜브 막은 적어도 50 체적 백분율 나노튜브들을 포함하는 막을 말한다). 이전에는, 화학적 본딩이 일어날 수 있는 댕글링 본드들(dangling bonds)이나 결함(defect) 부분이 없는 것으로 나타나는 경향이 있는 완전한 나노튜브들의 풀러린 구조 때문에, 기판에 분말 또는 매트형 나노튜브들을 균일한 적당한 부착성을 얻는 것이 어려웠다. 본 발명은 이들 문제를 극복하며, 강하게 점착력이 있는 나노튜브 막을 제공한다. 더욱이, 방출 특성들을 향상시키기 위해서, 기판 표면에 수직으로 배향된 장축과 막 내의 나노튜브들의 일부, 예를 들면 적어도 50 vol.%가 실질적으로 동일한 방향으로 정렬되는 것이 가능하다. (실질적으로 동일방향으로 정렬되어 있다는 것은 x-선 록킹(rocking) 곡선은 다중 벽 나노튜브에 있어서 쉘 간 간격을 나타내는 피크에 대해서, 또는 일단의 단일 벽 나노튜브들에서 튜브 간 간격을 나타내는 피크에 대해서 90℃미만의 반 최대값에서의 전체 폭(full-width-at-half-maximum)을 나타낼 것임을 가리키다.)

본 발명의 일 실시예에서, 단일 벽 탄소 나노튜브들은 탄소-용해 원소(예를 들면, Ni, Fe, Co) 또는 탄화물 형성 원소들(예를 들면, Si, Mo, Ti, Ta, Cr)과 같은 탄소에 반응하는 물질을 포함하는 기판들 상에 피착된다. 나노튜브 막을 이러한 기판 상에 피착할 때, 나노튜브에 대해 비정질 탄소(a-C)의 고농도가 초기에 만들어져 기판과 반응되도록, 나노튜브 형성 방법을 조절하는 것이 유리하다. 이 방법은 나노튜브 형성을 증가시키도록 점차적으로 조절됨으로써, 나노튜브들에는 기판에 나노튜브들을 고정시키는 기판/막 계면에 개재된 a-C가 형성된다.

사전에 형성된 나노튜브를 용매에 혼합하여 슬러리를 형성하고 이어서 탄소-용해 또는 탄화물 형성 물질을 포함하는 표면층을 갖는 기판에 슬러리를, 예를 들면 스핀-온이나 스프레이 또는 인쇄 기술로 피착하는 것도 또한 가능하다. 700℃ 미만의 저융점 물질, 예를 들면 알루미늄을 갖는 기판을 사용하는 것이 또한 가능하다. 연이은 가열로, 탄소-용해 또는 탄화물 형성 물질과 나노튜브가 반응하게 되거나 표면층이 녹게 되어, 나노튜브가 기판에 고정된다. 사전에 형성된 나노튜브들을 용매나 바인더 및 선택적으로 접합물과 혼합하고, 이 혼합물을 기판에 피착시키는 등의 기술로 점착성 나노튜브 막을 형성하는 것도 또한 가능하다. 연이은 가열로, 바인더가 활성화되며/또는 접합물이 녹아 나노튜브들이 기판에 고정될 것이다.

상기 실시예에서, 이방성 나노튜브들이 이들의 장축을 피착 중에 전계 라인과 정렬되게 나노튜브들을 자계 또는 전계에서 피착시킴으로써 나노튜브들을 동일 방향으로 동시에 정렬시키는 것이 가능하다. 나노튜브들의 정렬은 정렬된 세관 끝에서 보다 유용하고 효과적인 전계 집중에 기인하여 개선된 방출 특성들을 제공하는 것으로 생각된다. 사전에 형성된 나노튜브들의 정렬은 나노튜브들을 도전성 폴리머와 혼합하여 복합 물질을 형성하고, 이어서 복합 물질을 단축 부하(uniaxial load)로 신장시켜 달성될 수 있다. (도전성 폴리머는 1오옴-cm 미만의 전기 고유 저항을 나타낸다.) 그러면 복합물을 기판에 부착하는 것이 가능하다.

그럼으로써 본 발명은 기판에 나노튜브 막의 강한 점착력과 거의 균일하게 선택적인 정렬에 의해, 개선된 탄소 나노튜브 막 방출기 구조를 포함하는 디바이스를 제공한다. 이러한 나노튜브 방출기는 예를 들면 낮은 임계 전압(10 mA/cm²의 전류밀도에서 약 3 내지 4 V/㎛ 또는 그 미만), 고전류 밀도(0.2 A/cm²보다 큰) 및 우수한 재현성과 내구성이라는 바람직한 방출 특성들을 나타낸다. 더욱이, 방출 특성들은 방출 표면이 몇 달 동안 공기에 노출된 후에도 동일한 채로 있는 것으로 나타난다.

본 발명의 상세한 설명
본 발명은 점착성(adherent) 탄소 나노튜브 막들(단일 벽 및/또는 다중 벽 나노튜브들을 포함하는)을 포함하는 디바이스들을 제공한다. 이러한 막들은 특히 전계 방출기 구조들에서 유용하다.

일 실시예에서, 전계 방출기 구조는 다음과 같이 형성된다. 비교적 평탄한 표면을 가진 기판이 제공된다. 기판은 통상 금속, 반도체 또는 도전성 산화물(도전성이란 10³ 오옴-cm 미만의 고유 저항을 가리킨다)이다. 도전층이 표면에 적용된다면 기판이 절연되는 것이 또한 가능하다. 탄소 나노튜브들은 기판 표면 상에 점착성 막 구조로서 제조된다. 현재, 탄소 나노튜브들은 일반적으로 분말들이나 다공성 매트들로서 준비될 수 있다. 분말들이나 다공성 매트들 어느 것도 이들 스스로는 디바이스 내에 단단하고 점착성 있는 음극 구조의 편리한 준비에 이바지하지 않는다. 탄소 나노튜브들의 점착성 막들을 제조하는데 어려움은 나노튜브들에서 탄소 원자가 완전한 풀러린 구조로 배열되어 있다는 사실에 기인하는 것으로, 이 구조는 기판 표면에 화학적 본딩이 일어나는 댕글링 본드 또는 결함 있는 부분이 없다. 결국, 나노튜브들은 다양한 기판들에 불충분한 점착을 나타내는 경향이 있다. 특히, 피착된 나노튜브들은 피착 후에 어떠한 외부 힘이 없이도 박리되는 경향이 있으며, 기판의 조작 동안 기판 표면이 쉽게 날리거나 벗겨진다.

점착성의 탄소 나노튜브 막은 나노튜브들을 형성할 동안이나(이하 인 시츄(in situ)라고 함) 사전에 형성된 나노튜브의 가공에 의해서(이하 엑스 시츄(ex situ)라고 함) 형성된다. 어느 방법이든, 탄소-아크 방전, 탄화수소의 촉매 열분해를 통한 화학 증착, 촉매 금속 함유 흑연 타겟의 레이저 제거, 및 응축-상(condensed-phase) 전기 분해를 포함하는 많은 기술에 의해 탄소 나노튜브를 제조하는 것이 가능하다. (예를 들면, 앞에서 언급한, 에스. 이이지마, "탄소 나노튜브", MRS Bulletin, 43(Nov. 1994); 비. 야콥슨 및 알. 스몰리, "풀러린 나노튜브: C_1,000,000 and Beyond," American Scientists, Vol. 85, 324(1997)를 참조한다.) 준비 방법, 및 튜브들의 흑연화 및 헬리시티(helicity) 정도 및 직경을 크게 제어하는 특정한 방법 파라미터들에 의해, 나노튜브들은 주로 다중 벽 튜브들, 단일 벽 튜브들, 또는 일단의 단일 벽 튜브들로서 제조될 수 있다. 마찬가지로, 튜브들은 일직선형, 만곡형, 카이럴(chiral), 아키럴(achiral), 나선형과 같이 여러 가지 모양을 채택할 수 있다. 나노튜브에 대해 비정질 탄소에 선택적인 산소 플라즈마에서 에칭하거나, 대기압 또는 부분 산소압 하에서 600℃ 이상의 온도에서 가열하거나(티. 더블류, 엔슨, Annual Rev. Master. Sci, Vol.24, 235-264(1994) 참조), 산에서 에칭하거나, 제거 처리(filteration)에 의해서(케이. 비. 셀리모프 등, Chem Phys. Lett., Vol.282, 429(1998) 참조) 비정질 탄소 및 촉매 입자들을 제거하는 것이 가능할지라도, 일반적으로 나노튜브들은 일부 비정질 탄소 및 이에 예를 들면 약 20 내지 40 vol.% 혼합된 촉매 입자들과 함께 형성된다.

도 1은 레이저 제거 기술로 점착성 박막 나노튜브들을 피착하는데 유용한 장치의 개략도이다. 본 발명의 일 실시예에서, 장치는 다음과 같이 사용된다(이 레이저 제거 실시예의 변형들이 가능하다). 타겟(10)은 공지된 바와 같이 흑연 분말을 금속 촉매와 흑연 시멘트와 혼합함으로써 형성된다. 결과로 나온 혼합물은 종래의 방법들로 압착하여 팰릿(pellet)으로 만들고, 예를 들면 가압 하에서 몇 시간 동안 100℃ 내지 150℃로 가열하고 이어서 아르곤이 흐르는 가운데 10시간 동안 800℃에서 가열함으로써 경화된다. 결과로 나온 타겟(10)을 노(12) 내에 놓인 석영관(11)(예를 들면 외경이 1.5인치인) 중앙에 놓는데, 이 석영관은 일정한 아르곤의 흐름에 의해(예를 들면, 약 80 torr로) 채워진다. 아르곤 유속은 일반적으로 유량계로 제어되며, 일반적으로 10 내지 50 SCCM의 범위 내에 놓인다. 노는 약 1150℃의 온도까지 서서히 가열된다. 30 내지 70 mJ/mm²의 에너지 밀도를 갖는 Nd:YAG 펄스 레이저(14)는 타겟(10)을 제거하는데 사용된다. 초점 렌즈(15)를 사용하여 레이저 빔은 일반적으로 직경이 약 1 내지 약 5mm로 집중되고, 수평(16) 및 수직(17) 광학 스캐너들에 의해 타겟(10)을 횡단하여 스캔된다. 제거 방법을 감시하기 위해서, 예를 들면 CCD 카메라인 카메라(18)를 석영관(11) 앞에 배치할 수 있다. 여기에서 논한 물질로부터 형성되는 기판(20)은 타겟(10)의 하류측에 석영관(11) 내에 배치된다. 타겟(10)이 레이저(14)로 제거될 때, 탄소 나노튜브 막이 기판(20) 상에 피착된다. 이하 논하는 바와 같이, 나노튜브의 점착력을 개선하기 위해서 비정질 탄소의 피착이 요구된다면, 주로 흑연으로부터 형성된 제 2 타겟(21)을 포함하는 것이 가능하며, 이것은 비정질 탄소를 제공할 것이다. 제 1 타겟(10) 대 제 2 타겟(21)의 제거 범위는 기판에 피착되는 나노튜브들과 비정질 탄소의 비를 제어할 것이다.

도 2는 화학 증착에 의해 나노튜브 막을 형성하는데 유용한 장치를 도시한 것이다. 장치는 진공실(30) 내에 배치된 히터(31)를 포함한다. CH₄, C₂H₂, CO, 또는 CO₂와 같은, 반응성 탄소 함유 가스(32)는 아르곤이나, 수소 또는 질소와 같은 불활성 또는 캐리어 가스(33)와 함께 진공실(30)로 향한다. 유속은 질량 유량계들(34, 35)에 의해서 제어된다. 진공실(30)은 펌핑 경로 내에 설치된 압력 밸브(36)에 의해 제어된다. 피착 중에, 기판(37)은 히터(31) 위에 놓이고 일반적으로 400 내지 1200℃ 범위의 온도로 가열된다. 가스상 내의 탄소 농도는 일반적으로 5 내지 30 at.%이며 진공실 압력은 일반적으로 10 내지 200 torr이다. 탄소 나노튜브들을 응집시키기 위해서, 기판은 니켈, 코발트, 페라이트 또는 이들의 합금과 같은 촉매 금속으로 사전에 코팅해 놓는다. 촉매들은 페로신(ferrocene)이나 철산(ferric acid)을 사용하여(알. 센 등, Chem Phys. Lett., Vol. 267, 276(1997) 참조) 가스상을 통해 제공될 수도 있다. 본 발명의 어떤 실시예들에서처럼, 비정질 탄소 피착이 요망되는 경우, 비정질 탄소를 이루기 위해서, 예를 들면, 기판 온도를 600℃ 이하로 낮추고/또는 50 at.% 이상의 가스상에서 탄소 농도를 높임으로써 성장 조건을 조절하는 것이 가능하다.

점착성 나노튜브 막의 인 시츄 성장에 있어서, 선택된 기판 물질은 일반적으로 탄소와 반응한다. 탄소에 반응하는 물질들은 탄소-용해 원소 및 탄화물 형성 원소를 포함한다. 탄소-용해 물질들은 예를 들면 티. 비. 마살스키, Binary Alloy Phase Diagrams, Vol. I, ASM 인터내셔널에 나타나 있는 바와 같이 공지된 것으로, Ni, Fe, Co, 및 Mn과 같은 원소들을 포함한다. 탄화물 형성 물질들도, 티.비. 마살스키, 동 문헌에 나타나 있는 바와 같이 공지된 것으로 Si, Mo, Ti, Ta, W, Nb, Zr, V, Cr, 및 Hf와 같은 원소를 포함한다. 기판이 탄소에 반응하지 않는 것이면, 탄소에 반응하는 물질층을 기판에 피착하는 것이 가능하다. 일반적으로, 이러한 기판들에 탄소 나노튜브들의 점착을 용이하게 하기 위해서, a-C의 초기층이 기판 상에 피착된다. 상술한 바와 같이, 일반적인 나노튜브 제조 방법은 나노튜브들에 섞이는 적어도 20 vol.% a-C에서 제작된다. 방법 파라미터들을, 예를 들면 성장 온도를 낮추거나, 촉매 금속 농도를 줄이거나, 부가적인 흑연 타겟(레이저 제거 방법에서)을 부가하거나, 가스상에서(화학 증착의 경우) 탄소 농도를 증가시킴으로써 조절하여 더 큰 a-C 농도를 제공하는 것이 가능하다. 점착층을 형성하기 위해서, 예를 들면 초기에 50 vol.% a-C보다 크게 만들도록 방법을 조절한다. a-C는 나노튜브들의 완전한 원자 구조를 나타내지 못하기 때문에, a-C는 예를 들면, 약 500℃ 이상의 비교적 고온에서 피착될 때 상술한 기판들에 용해 또는 탄화물 형성을 통해서, 다양한 기판들에 점착한다. 일단 100Å 미만의 얇은 a-C층이 피착되면, 형성 방법은 생성되는 나노튜브들의 백분율을 증가시키도록 점차적으로 조절된다. 결과적으로 막은 면 사이에 섞인 a-C가 나노튜브를 고정시킨 상태의 a-C 및 나노튜브들을 포함한다. 조합된 a-C/나노튜브 막은 전체 두께가 일반적으로 약 0.1 내지 약 100㎛이다.

따라서 나노튜브들은 점착막으로서 기판(비정질 탄소가 혼합된)에 직접 피착될 수 있다. (전술한 바와 같이, 점착성은 0.141 직경 스터드들을 사용하여 스터드 풀 테스트로 측정하였을 때, 나노튜브 막이 적어도 1.0 kpsi, 유리하게는 적어도 1.5 kpsi의 점착 강도를 나타냄을 말한다.)

이러한 인 시츄 기술들을 사용할 때, 보다 나은 점착력을 달성하기 위해서, 소량의 탄소 반응성 가스 종들을 나노튜브 형성 증기 증착 방법에 첨가하는 것이 가능하다. 예를 들면, 아세틸렌 가스(나노튜브의 열분해 피착에 있어서) 및 예를 들면 산화물인 비-탄소(non-carbon) 반응성 기판을 사용하는 형성 방법에서, 반응 초기 단계 동안 반응실에 소량의 실란을 첨가하는 것이 가능하다. 발생된 탄소는 가스 상태의 Si 종과 반응하여 기판에 실리콘 탄화물을 형성한다. 일반적으로 탄화물은 대부분의 산화물 기판 물질에 잘 부착되며 발생된 a-C 및 나노튜브는 형성되는 실리콘 탄화물에 더 쉽게 부착된다.

점착성 나노튜브 박막들은 미리 형성된 나노튜브들로부터 엑스 시츄로 제조될 수 있다. 나노튜브들은 상술한 임의의 공지된 방법으로 형성된다. 이러한 엑스 시츄 기술에 의해서, 나노튜브 함유 산출물은 같이 피착된 a-C를 제거하기 위해서 혼합하기 전에 정제(purify)되는 이점이 있다. 일반적으로, 이러한 정제는 대기에서 약 600℃ 이상으로 가열하거나, 나노튜브 막의 a-C 성분들을 에칭하기 위해 산소 플라즈마를 사용하거나, 산 에칭에 의해서, 또는 피착물을 제거 처리함으로써 수행된다.

한 엑스 시츄 실시예에서, 초음파조 내에서 메타놀과 같은 용매에 나노튜브 분말을 혼합하는 것이 가능하다. 이어서 스피닝이나 스프레이와 같은 기술로 기판에 현탁액 또는 슬러리를 배치한다(dispose). 일반적으로, 기판에는 여기 논한 것들과 같은 탄소 반응성 또는 탄화물 형성 원소들이 사전에 코팅되어 있다. 기판에 알루미늄과 같은 저융점(<700℃) 물질을 코팅하는 것도 가능하다. 이에 이은 가열로 나노튜브와 탄소 반응성 또는 탄화물 형성 원소 간에 반응이 유도되거나, 저융점 물질의 용해가 유도됨으로써 나노튜브들은 기판에 고정된다.

분말을 용매 및 바인더와 혼합하여 용액 또는 슬러리를 형성하는 것이 가능하다. 선택적으로, 혼합물은 점착력을 더 촉진하기 위해서 원소 금속 또는 합금(예를 들면, 접합물)과 같은 전도성 입자를 포함한다. 그러면 혼합물은 예를 들면 스프레이나 스핀-온 방법 또는 전기 이동에 의해서 기판에 스크린 인쇄되거나 분산되어 원하는 방출기 구조가 형성된다. 이어서 대기나 진공 또는 불활성 분위기에서 예를 들면 약 150 내지 약 250℃의 온도에서 어닐링은 용매를 몰아내고 바인더를 활성화시키도록 수행됨으로써, 기판 상에 점착성 나노튜브 구조물이 되게 한다. 용매 입자들, 특히 200℃ 미만의 저융점 온도를 갖는 예를 들면 Sn, Sn-In, Sn-Bi, 또는 Pb-Sn 용매를 사용하는 경우, 어닐링 온도는 일반적으로 용매를 녹일 만큼 충분하며, 이것은 나노튜브들의 부착력을 증강시킨다.

대안으로, 나노튜브 분말을 도전성 폴리머들(예를 들면 은 기반 폴리머들)과 혼합하고 이 혼합물을 스크린 인쇄, 스프레이나 스핀-온 방법, 또는 전기 이동과 같은 종래의 방법이나, 압착과 같은 보다 간단한 기계식 방법에 의해 기판에 적용하여 점착성 나노튜브 함유막을 형성하는 것이 가능하다.

선택적으로, 점착성 나노튜브 막을 형성하는 인 시츄나 엑스 시츄 방법에서, 나노튜브는 이들의 장축이 기판 표면에 수직하여 거의 동일한 방향으로 정렬되게 막 내에 배열되어 방출 특성들을 증강시킨다. 종래의 나노튜브 준비는 나노튜브에 랜덤한 방위를 제공하여 서로 간에 트위스트되어 교차한다. 나노튜브들로부터 정확한 방출 메커니즘은 완전하게 알 수는 없지만, 끝이 앞을 향한 형태로 일차원으로 나노튜브들을 정렬시킴으로써, 즉 세관들의 장축이 전자 방출 방향을 따라 정렬됨으로써, 세관 끝에서 효율적이고 균일한 전계 집중에 기인하여 방출 특성들이 개선되는 것으로 생각된다. 유리하게, 전술된 점착성 막들에 이러한 방위가 제공된다. 정렬도(즉, 서로 간에 정렬되는 막 내의 나노튜브들의 체적 백분율)는 유리하게는 약 50vol.% 이상이며, 더 유리하게는 75vol.% 이상이다.

점착성 나노튜브 막을 형성하는 인 시츄 방법에 유용한 인 시츄 정렬 기술에서, 자계 및/또는 전계는 기판에 직접 나노튜브들의 피착 중에 인가된다. 나노튜브들의 비등방성 특성 때문에, 세관들은 시스템의 전체 에너지를 감소시키기 위해서, 자계나 전계와 상호 작용하여 전계 라인들을 따라 세관들의 장축들을 정렬시킨다. 전계 라인들은 대체로 기판 표면에 수직하게 인가되어 원하는 정렬을 제공하게 된다. 정렬도는 전계 강도와 상호 작용할 것으로 예상된다. 10³ 내지 10⁶V/cm의 전계 및 50 Oe이상의 자계가 적합할 것으로 예상된다.

사전에 형성된 나노튜브들의 엑스 시츄 정렬은 주조, 몰딩 또는 다른 기술들에 의한 나노튜브-폴리머 복합물의 준비(예를 들면, 상술한 바와 같은 도전성 폴리머를 사용하여)를 포함한다. 그러면 폴리머 매트릭스 내에 배치된 나노튜브들을 정렬시키는 것이 가능해진다. 이와 같이 하는 한 가지 방법은 복합물을 매트릭스의 연화 온도 이상의 단축 부하를 가하는 것으로 이것은 부하의 방향으로 나노튜브들을 정렬시킨다. (연화 온도는 광범한 분자 운동이 일어나는 온도를 가리키는 것으로, 즉 이 온도 이하에서 폴리머는 유리 같으나 그 이상의 온도에서는 고무같이 된다. 일반적으로, 연화 온도는 유리 천이(glass transition) 온도이다). 일단 원하는 수준의 정렬이 달성되면, 부하는 연화 온도 이하로 해제됨으로서 나노튜브들의 구조를 유지하게 된다. 복합 물질의 드로우 비율(draw ratio)을 제어함으로써, 정렬도를 조절할 수 있다. 예를 들면, 복합 물질이 2개의 편심 동시 회전 실린더 사이에서 가공되는 롤-주조 방법을 사용하여 전단(shear)에 의해 복합 물질에 나노튜브의 정렬을 유발하는 것도 또한 가능하다. 이러한 경우 전단의 방향으로 나노튜브의 장축들이 정렬된다. 도 5는 예 2에 따른 투과형 전자 현미경(TEM)의 현미경 사진으로서, 기계식 정렬, 즉 복합물 시트에 단축 부하의 적용 후의 나노튜브/폴리머 복합물을 보인 것이며, 여기서 대다수의 나노튜브는 스트레스 방향에 평행하게 정렬된다.

바인더, 접착제, 또는 접합물의 사용을 포함하는 여러 가지 방법에 의해서, 또는 간단한 기계식 압착(기판 및 복합물의 폴리머 물질에 의존하여)에 의해 점착성 막으로서 기판에, 방향지워진 복합 시트를 적용하는 것이 가능하게 된다.

점착성 나노튜브 막을 형성한 후에, 방출을 일으키도록 전극을 막에 인접하여 형성한다. 선택적으로, 이 전극은 미국특허 제 5,698,934 호에 기술된 바와 같은 고밀도 간극 게이트 구조이다. 마이크론 또는 서브마이크론 크기의 입자 마스크를 이용하여 이러한 고밀도 게이트 간극 구조를 달성하는 것이 가능하다. 기판에 점착성 나노튜브 막이 피착된 후, 마스크 입자(보통 최대 크기가 5㎛ 미만인 금속, 세라믹 또는 플라스틱 입자)를, 예를 들면 스프레이나 스프린클(sprinkling)에 의해 막 표면에 인가한다. SiO₂와 같은 유전층을, 증발 또는 스퍼터링에 의해 마스크 입자 상에 피착하고, 이어서 게이트 금속막을 피착한다. 섀도우 효과 때문에, 각각의 마스크 입자 밑의 방출기 영역들은 유전 또는 금속막이 없다. 이어서 마스크 입자들을 쉽게 브러시로 제거하거나 날려버려, 고밀도 애퍼터를 가진 게이트 전극이 남게 된다.

디스플레이 응용에 있어서, 디스플레이의 각각의 화소의 방출기 물질(냉음극)은 다른 무엇보다도, 방출 특성이 평균에 달하게 되고 디스플레이 품질의 균일성을 보증하는 목적을 위해서 바람직하게 복수 방출기로 구성된다. 탄소 나노튜브의 나노크기 특성 때문에, 방출기가 100nm의 세관 직경으로 50%의 나노튜브 밀도라고 할 때, 100 x100㎛²의 화소당 10⁵ 방출팁 이상의 많은 방출점들을 제공한다. 본 발명의 방출기 밀도는 유리하게는 적어도 10/㎛²이며, 더욱 유리하게는 적어도 100/㎛²이다. 낮은 인가 전압에서 효과적인 전자 방출은 아주 근접한(일반적으로 약 1 마이크론 거리) 가속 게이트 전극이 있음으로써 달성되기 때문에, 복수의 방출기 능력을 최대한 이용하기 위해서 주어진 방출기 영역에 걸쳐 복수 게이트 간극을 구비하는 것이 유용하다. 최대 방출 효율을 위해서 가능한 한 많은 게이트 간극들을 갖는 미세 규모의 마이크론 크기의 구조를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명의 저전압 방출기들의 중요한 사용은 전계 방출 평면 디스플레이들과 같은 전계 방출 디바이스들의 제조에 있다. 도 3은 박막 나노튜브 전계 방출기들을 사용한 평면 디스플레이의 개략적인 단면도이다. 디스플레이는 진공 시일 내에, 복수의 나노튜브 방출기들(47)을 포함하는 음극(41) 및 이들 방출기들과 이격된 관계로 배치된 애노드(45)를 포함한다. 투명한 절연 기판(46) 상에 형성된 양극 전도체(49)는 인층(44; phosphor layer)이 구비되어 있고 지지 기둥들(도시없음) 상에 장착된다. 구멍이 형성된 전도성 게이트층(43)은 음극과 양극 사이에 그리고 방출기들로부터 가깝게 떨어져 있다. 알맞게, 게이트(43)는 절연 박층(42)에 의해 음극(41)으로부터 이격되어 있다.

음극과 방출기 사이의 공간은 밀폐되어 배기되어 있으며, 전압은 전원(38)에 의해 인가된다. 나노튜브 방출기들(47)로부터 전계 방출된 전자들은 각각의 화소 내의 복수 방출기들(47)로부터 게이트 전극(43)에 의해 가속화되어 양극 기판(46) 상에 코팅된 양극 도전층(49)(일반적으로 인듐-주석-산화물과 같은 투명한 도전체) 쪽으로 이동한다. 인층(44)은 전자 방출기와 양극 사이에 배치된다. 가속화된 전자가 인층(44)에 부딪힐 때, 디스플레이 이미지가 생성된다.

나노튜브 방출기 구조들은 진행파 튜브(TWT)와 같은 마이크로파 진공 디바이스들에서도 유용하다. 예를 들면, 에이. 길모, 주니어 마이크로파 튜브, Artech House, 1986을 참조한다. 도 4a 및 도 4b는 TWT(50)를 개략적으로 도시한 것이다. TWT는 배기된 튜브(52), 전자원(여기서는 전자총(54)), 마이크로파 입력 신호를 안내하는 입력창(56), 전자가 입력 신호와 상호 작용하는 상호 작용 구조(58), 및 전자들로부터 얻어낸 마이크로파 전력을 튜브로부터 취하는 마이크로파 출력창(60)을 포함한다. TWT의 다른 구성요소들은 상호 작용 구조(58)를 통하는 전자빔을 집중시키는 집속 자석(도시없음), 출력 마이크로파 전력이 발생된 후 전자빔을 모으는 콜렉터(62), 및 출력에서 오정합으로부터 튜브로 다시 반사된 마이크로파 전력을 흡수하는 내부 감쇠기(도시없음)이다. 일반적으로 상호 작용 영역(58)은 광대역 응용을 위한 전도성 나선형이며 고전력 응용을 위한 결합된 공동 영역이다.

전자총(54)은 원하는 궤적에 따르도록 전자빔을 발생, 가속 및 집중시킨다. TWT 응용에 있어서는 비교적 저전압 및 고전류에서 길고, 가는 전자빔이 바람직하다. 전자총들의 구성 범위는 평면 양극에 면한 평면 음극 내지는 보다 정교한 설계로서 예를 들면 피어스 건, 원뿔형 다이오드 전극들, 동심 실린더들, 및 구형 캡 음극들에 이른다. (예를 들면, 에이. 길모, 주니어. 마이크로파 튜브, 동 문헌 참조) TWT의 동작에서, 전자빔(68)은 그리드(64)와 양극(70)에 인가된 고전압에 의해 음극(66)으로부터 가속화되고, 제어 전극(72)에 의해 집중된다. 빔(64)은 상호 작용 구조(58)로 향하고 여기서 빔(64)은 마이크로파 입력 신호와 상호 작용하여 전자로서 증폭되고 신호는 상호 작용 구조(58)를 통하여 함께 전도된다. 전자들은 상호 작용 구조(58)에서 마이크로파 신호와 동일한 속도로 유리하게 전도된다. 변조된 전자빔은 출력(60)에서 증폭된 형태의 입력 신호를 발생한다.

본 발명의 저전계 나노튜브 방출기들은 x-y 매트릭스 어드레서블 전자원, 전자빔 리소그래픽용 전자원 및 이 분야에 숙련된 자에게 명백한 유사한 애플리케이션들을 포함하는 다른 전계 방출 디바이스들에서 냉음극들으로서도 유용하다.

일례로서 의도된 다음의 예에 의해 본 발명은 더욱 명백하게 될 것이다.

<예 1>

도 1에 도시한 바와 같은 레이어 제거 시스템을 사용하여 단일 벽 탄소 나노튜브를 합성하였다. 니켈/코발트 촉매물질이 혼합된 흑연 타겟을 노 안에 놓고 일정한 Ar 흐름 하에서 1150℃로 가열하였다. 펄스 Nd:YAG 레이저(λ=1064nm)(퀀타-레이 DCR-2A 레이저)의 주 빔으로 타겟을 제거하였다. 생성된 물질은 냉표면 상에 매트 형태였다. 투과형 전자 현미경, 주사 전자 현미경, 및 라만 분광기로, 원(raw) 물질은 평균 직경이 1.4 내지 1.5nm인 단일 벽 나노튜브를 약 70vol.%, 비정질 탄소 및 섞여 있는 촉매 입자가 나머지 30vol.% 포함되어 있음이 나타났다. 원물질은 용매 내에 나노튜브들을 초음파처리로 분산시키고 여러 번 제거 처리를 수행함으로써 정제되었다.

3개의 실리콘 웨이퍼들에 각각 철, 크롬, 및 알루미늄의 박층을 스퍼터링 또는 열증발로 사전에 코팅하였다. 금속층은 약 10 내지 100nm의 두께였다. (철은 탄소-용해 원소이며 크롬은 탄화물-형성 원소이며, 알루미늄은 저융점 금속이다).

에어 스프레이 기술을 사용하여 상기 코팅된 기판에 나노튜브를 배치하였다. 구체적으로, 약 20psi의 아르곤을 나르는 고압 가스라인에 종래의 분무기 스프레이 노즐을 부착하였으며 스프레이어 입구는 메타놀에 분산된 나노튜브로 채워진 브레이커에 배치하였다. 미세하게 분무된 용매와 나노튜브가 생성되었다. 기판들은 약 200℃로 가열되었으며 스프레이 노즐로부터 약 12인치 위치에 놓았다. 이러한 구성은 나노튜브들이 기판 표면에 접촉하기 전에 용매가 완전히 증발되게 하는 것으로 나타났다. 평탄한, 스프레이된 막들이 만들어졌다.

코팅된 기판을 10^-6 torr의 진공 하에 놓고 3시간 동안 800℃에서 가열하였다. 이 어닐링 방법은 나노튜브와 철간에, 또는 나노튜브들과 크롬 간에 화학 반응을 촉진하는 것으로 생각되며, 또는 알루미늄인 경우, 나노튜브가 냉각시 결합되게, 녹은 알루미늄이 나노튜브 부분들에 코팅되는 것으로 생각된다. 어닐링 후에, 막들은 여기서 논한 스터드 풀 테스트로 측정했을 때 1.2 내지 1.7 kpsi 범위의 높은 점착 강도를 나타내었다. SEM 검사에 의하면, 종래의 스캇치(등록상표) 브랜드형 테이프의 적용 및 제거는 기판에서 나노튜브들을 벗겨내지 못함을 또한 나타내었다. 마찬가지로 메타놀에서 초음파처리는 기판으로부터 나노튜브들은 제거하지 않았다.

10^-3 torr의 진공실 및 실온에서 이들 점착성 나노튜브 막에 대해 전자 방출 측정이 수행되었다. 실험 셋업은 더블류. 주 등, "화학 증착된 다이아몬드로부터 전자 전계 방출", J. Vac. Sci. Technol., Vol. B14, 2011(1996)에 기술된 바와 같다. 요약하여, 접지된 나노튜브 샘플로부터 방출된 전자를 모으는 구형 텅스텐 프로브(직경이 0.5 mm)에 2 kV까지 전압을 인가하였다. 정밀 스텝 모터를 사용하여 프로브와 샘플 표면간 거리를 스텝 크기 3.3 ㎛로 변화시켰다. 약 6 ㎛ 내지 약 320 ㎛까지 양극-음극 거리의 함수로써 전류 전압(I-V) 특성들이 수집된다.

도 6a는 철이 코팅된 샘플에 있어서, 6.6 ㎛ 내지 320.1 ㎛의 양극-음극 거리에 대해 전자 방출 전류 대 인가 전압을 도시한 것이다. 부드럽고 일관성 있는 I-V 특성이 이력에 관계없이 재현가능하게 측정된다는 것이 명백하다. 도 6b는 도 6a와 동일한 데이터를 도시한 것이나, log(I/V²)로서 작성된 것으로 특징적인 파울러-노드하임 선형성을 나타낸다.

도 7은 철이 코팅된 샘플에 있어서, 턴온 전계(즉, 1nA의 방출 전류를 발생하는 전계)가 단지 1.7 V/㎛이며, 임계 전계(즉, 10 mA/cm²의 방출 전류 밀도를 발생하는 전계)는 2.8 V/㎛임을 도시한 것이다. 이들 값은 몰리브덴, 실리콘, 및 다이아몬드 방출기들과 같은, 다른 유형의 방출기들에 필요한 전계들보다 작은 크기이다.

다른 나노튜브 샘플들에 의해서 유사한 방출 특성들이 나타났다.

<예 2>

전술한 바와 같은 레이저 제거 방법에 의해 형성된 탄소 나노튜브들은 미세 분말에 놓고 실온에서 1시간 동안 용매 내에서 초음파 처리되었다. 다우 케미털사로부터 열가소성 폴리머, 폴리히드록실아미노에테르(PHAE)를 실온 미만의 유리 천이 온도에 의해서 나노튜브/용매 현탁액으로 용해하였다. 초음파 처리를 또 행한 후, 현탁액은 테플론 몰드(Teflon mold)로 옮겨 하루 동안 흄 후드(fume hood)에서 공기로 건조시켰다. 테플론 몰드에서 형성된 흑색의 박막을 벗겨내었다. 50%의 중량 백분율의 나노튜브를 갖는 막이 이러한 식으로 형성되었으며, 대략 5mm x 3mm의 스트립으로 절단되었다. 가변 부하들을 사용하여, 90 내지 100℃의 온도에서 일정한 부하를 인가함으로써 막들을 기계적으로 신장시켰다. 일반적으로 막은 파열 없이 500%(초기 길이에 대한 최종 길이)로 늘어났다. 원하는 신장비에 도달한 후에, 샘플을 실온으로 냉각한 후 부하를 해제하였다.

신장된 샘플과 비신장된 샘플 양자에 대해 1.5kW Cu원, HOPG(002) 모노크로메이터, 및 전송 모드에서 2차원 이미지형성 판 검출기(2500 x 2500 화소 및 80 ㎛ 화소 분해능을 갖는 MAC 사이언스 DIP2000)를 사용하여 X-선 회절 패턴이, 얻어졌다. 다중 벽 나노튜브들의 구조들은 이전에 연구되었다. (예를 들면, 조 등, 사이언스, Vol.263, 1744(1994)) 회절 패턴은 동일 나노튜브 내에 쉘 간 간격에 대응하는, 3.4Å을 중심으로 한 강한 브래그 피크((002) 피크라고 함)에 의해 좌우된다.

나노튜브들이 랜덤한 방위로 있을 때, 3.4Å의 d-간격 및 균일한 세기 분포를 갖는 분말 회절 고리가 예상된다. 나노튜브들이 바람직한 방위를 갖는다면, 브래그 세기는 K_i(입사 x-선 빔) 및 Q002(가역 공간(reciprocal space) 벡터)로 정해진 평면의 교차점에서 2개의 지점에 집중될 것이다. 주조된 막의 일반적인 2D x-선 회절 패턴을 도 8a에 도시하였다. 데이터는 2θ대 방위각 φ으로서 작도되었다. 나노튜브 쉘 간 간격, d002에 대응하는 브래그 피크(Bragg peak)는 2θ(d=3.41Å)에서 26.1°를 중심으로 하고 있으며 근본적으로 0 내지 360°의(회절 고리의 원주를 따라) φ에 관하여 일정하다.

약 50wt.% 나노튜브들을 갖는 신장된(330%) 막의 x-선 회절 패턴을 도 8b에 도시하였다. 데이터는 막 표면 및 신장 방향에 수직한 K_i로 취해졌다. (002) 브래그 세기는 φ=90°및 270°를 중심으로 하는 2개의 지점에 집중되었다. 도 8a로부터 회절 패턴의 변화는 신장된 막에서 나노튜브들이 신장 방향에 평행하게 이들의 장축에 정렬된 것임을 나타낸다. 2D 세기 데이터를 피팅하고 분석함으로써, 정렬된 나노튜브의 부분, 및 정렬도를 결정할 수 있다. 도 8b의 샘플에서, 나노튜브의 58%는 실질적으로 20°모자이크 각의 원뿔로 스트레스 방향을 따라 정렬되었다.

나노튜브들의 분산 및 정렬을 투과형 전자 현미경(TEM)으로 조사하였다. 복합물 샘플들은 다이아몬드 칼을 구비한 마이크로절단기(microtomy)를 사용하여 대략 90nm 두께의 멤브레인들로 절단되었다. 나노튜브들 및 불순물 나노입자들은 현저히 집단을 이루지 않고 매트릭스로 분산되었으며, 신장 방향(화살표로 표시한)에 평행하게 슬라이스된 막을 나타낸 도 5에 나타낸 바와 같이 폴리머에 의해 실질적으로 습윤되었다.
본 발명의 다른 실시예들은 여기에 개시된 본 발명의 명세서 및 실현의 고찰로부터 이 분야에 숙련된 자들에게 명백할 것이다.

본 발명은 점착성(adherent) 탄소 나노튜브 막들(단일 벽 및/또는 다중 벽 나노튜브를 포함함)을 포함하는 디바이스들을 제공한다. 이러한 막들은 특히 전계 방출기 구조들에서 유용하다.

Claims

전계 방출 디바이스에 있어서:

기판; 및

상기 기판의 표면 상에 형성된 탄소 나노튜브 막(carbon nanotube film)으로서, 적어도 50 체적 백분율의 탄소 나노튜브들을 포함하는 상기 탄소 나노튜브 막을 포함하고,

상기 적어도 50 체적 백분율의 탄소 나노튜브들은 정렬축과 일반적으로 평행한 방향으로 정렬되는, 전계 방출 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 정렬축은 또한 상기 기판의 표면에 일반적으로 수직인, 전계 방출 디바이스.
제 2 항에 있어서,

상기 탄소 나노튜브 막은 또한 전자 방출기(electron emitter)를 포함하고 적어도 10⁹/cm²의 전자 방출기 밀도를 나타내는, 전계 방출 디바이스.
제 3 항에 있어서,

상기 전자 방출기는 또한 적어도 10 mA/cm²의 전류 밀도로 20 V/㎛보다 적은 임계 방출 전계를 나타내는, 전계 방출 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 탄소 나노튜브 막은 비정질 탄소를 더 포함하고;

또한, 상기 탄소 나노튜브 막 내의 비정질 탄소의 비율은 상기 기판으로부터의 거리가 증가함에 따라 감소되는, 전계 방출 디바이스.
전계 방출 디바이스를 제조하는 방법에 있어서:

기판을 제공하는 단계;

상기 기판 상에 점착성 탄소 나노튜브 막을 배치하는 단계; 및

적어도 50 체적 백분율의 탄소 나노튜브들을 실질적으로 동일한 방향으로 정렬하는 단계를 포함하고,

상기 기판은 탄소 용해 원소들, 탄화물 형성 원소들, 및 저융점 물질들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는, 전계 방출 디바이스 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 탄소 나노튜브들을 정렬하는 단계는, 상기 기판 상에 점착성 탄소 나노튜브 막을 배치하면서 전계 및 자계 중 적어도 하나를 인가하는 단계를 더 포함하는, 전계 방출 디바이스 제조 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 기판 상에 점착성 탄소 나노튜브 막을 배치하는 단계는:

상기 기판 상에 탄소 나노튜브들을 배치하는 단계; 및

탄소 용해 원소들과 적어도 일부의 탄소 나노튜브들의 반응과,

탄화물 형성 원소들과 상기 적어도 일부의 탄소 나노튜브들의 반응과,

상기 저융점 물질들의 적어도 일부의 용해 중 적어도 하나를 유도하기에 충분한 온도로 상기 기판 및 상기 탄소 나노튜브들을 가열하는 단계를 더 포함하는, 전계 방출 디바이스 제조 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 기판 상에 점착성 탄소 나노튜브 막을 배치하는 단계는:

용매 내에 탄소 나노튜브들의 분산(dispersion)을 형성하는 단계;

상기 기판 표면을 코팅하기 위하여 상기 기판의 표면에 상기 분산을 인가하는 단계; 및

상기 기판의 표면 상에 탄소 나노튜브들의 층을 형성하기 위하여 실질적으로 상기 용매의 전부를 증발시키는 단계를 더 포함하는, 전계 방출 디바이스 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 탄소 나노튜브를 정렬하는 단계는:

연화 온도(softening temperature)에 의해 특징지워지는 복합 물질을 형성하기 위해 플리머와 탄소 나노튜브들을 혼합하는 단계;

상기 연화 온도 이상의 온도로 상기 복합 물질을 가열하는 단계;

상기 복합 물질에 대해 단축 부하(uniaxial load)를 받게 하는 단계;

상기 연화 온도 이하의 온도로 상기 복합 물질을 냉각하는 단계; 및

상기 단축 부하를 해제하는 단계를 포함하는, 전계 방출 디바이스 제조 방법.
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