KR100773151B1

KR100773151B1 - 탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프용의 음극선제조방법

Info

Publication number: KR100773151B1
Application number: KR1020060030982A
Authority: KR
Inventors: 김광복
Original assignee: 금호전기주식회사
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2007-11-02
Also published as: KR20070099787A

Abstract

본 발명에 따른 탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프용의 음극선 제조방법은, 글라스튜브의 내주면에 투명전극과 형광체가 순차로 형성되고, 상기 글라스튜브의 내부로 음극선이 관통 배치되어 구성되는 전계방출램프용의 음극선 제조방법에 있어서, (a) 니켈을 함유하는 금속재료로부터 금속와이어를 압출하는 단계; 및 (b) 상기 금속와이어의 외주면에 직접 탄소나노계 물질을 성장하는 단계를 포함하여 이루어지며, 탄소나노계 물질을 성장하는 과정에서 촉매물질을 사용함으로 인해 발생되는 에지 효과를 없앰으로써, 음극선과 투명전극간 간격을 균일하게 유지하여 발광균일도를 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

전계방출형 램프, 음극선, 탄소나노계 물질, 금속와이어

Description

탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프용의 음극선 제조방법{Method manufacturing cathode of field-emission lamp by using CN-based material}

도 1은 탄소나노튜브를 이용한 전계방출램프의 일예를 보인 단면도이다.

도 2는 종래 탄소나노튜브를 성장하는 방법을 보인 개략도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예를 순차적으로 보인 개략도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 순차적으로 보인 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

50 : 금속와이어 55 : 분사노즐

60 : 에미터 65 : 촉매물질

70 : 전자발산가지

본 발명은 전계방출램프의 내부를 관통하는 음극선을 제조하는 방법에 있어서, 음극선과 투명전극간 간격을 균일하게 유지하여 발광균일도를 향상시킬 수 있 도록 된 탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프용의 음극선 제조방법에 관한 것이다.

근래에 들어, 낮은 동작전압에 비해 높은 휘도를 갖는 탄소나노튜브를 전계방출 표시장치(FED;Field Emission Display)의 에미터로 응용하는 연구ㆍ개발이 활발하게 진행되고 있다. 위와 같은 전계방출 표시장치는 주로 평면의 기판 상에 스크린 프린팅(screen printing), 화학기상증착법(CVD;Chemical Vapor Deposition) 등을 이용하여 탄소나노튜브를 형성하는 것으로 제조된다. 그러나, 탄소나노튜브를 성장하는 과정에서 탄소나노튜브의 접착력을 확보하기 위한 접착매개물로서 촉매금속의 사용이 불가피하고, 촉매금속을 사용함에 따라 탄소나노튜브의 성장 균일도를 맞추기 어려운 문제점이 발생함에 따라, 종래에는 주로 평판형 표시장치에서 제한적으로 응용되고 있었다.

한편, 종래 CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)로 대변되는 직관형 램프는, 비교적 높은 구동전압을 요하며, 특히 대형 LCD에 다수의 CCFL이 장착될 경우 여러개의 인버터를 필요로 하는 등, 최근 들어 LCD 장치의 저전력, 경량화를 방해하는 요인이 되고 있다. 이에 대응하여, 상기한 탄소나노튜브의 장점을 이용한 직관형 램프의 개발이 시도되고 있다.

도 1은 탄소나노튜브를 이용한 전계방출램프의 일예를 보인 단면도이다. 이를 참조하면, 글라스튜브(10)의 내주면에는 양극을 구성하는 투명전극(12)이 형성되고, 이 투명전극(12) 위에는 형광체(14)가 도포된다. 글라스튜브(10)의 내부로는 상기 투명전극(12)으로 전계전자를 방출하는 음극선(20)이 관통 배치된다. 음극선(20)은 금속와이어(22)의 외주면에 탄소나노튜브를 전기영동법으로 도금하여 전자총 형태의 에미터(24)를 형성하는 것으로 구성된다. 이러한 구성에서, 음극선(20)과 투명전극(12)에 각각 외부전원(30)을 인가하면, 음극선(20) 외주의 에미터(24)에서 전계전자가 방출되고, 방출된 전자가 투명전극(12)에 의해 가속화되면서 형광체(14)에 충돌하여 글라스튜브(10)가 발광한다.

이때, 공개특허공보 제10-2003-81997호를 참조하면, 상기 음극선(20)에 탄소나노튜브를 이용하여 에미터(24)를 형성하는 방법이 개시되어 있다. 도 2에 도시된 바에 따르면, 상기한 방법은 Cu, Al, Pt, Ag, Cr, Au와 같은 전기전도성이 우수한 금속선(1) 위에 완성된 탄소나노튜브(3)를 배열하고, 미세금속입자(2)를 탄소나노튜브(3)의 빈 공간에 채워 전기도금을 하는 것으로, 음극선을 제조하고 있다.

그러나, 이와 같은 방법으로 음극선을 제조하게 되면, 입체적 형상인 금속선(1)의 외주면에 미세금속입자(2)를 고르게 분포시키기 어려워, 금속선(1)의 표면이 불균일해지고, 상대적으로 미세금속입자(2)가 많은 영역, 주로, 금속선(1)의 에지부분에 탄소나노튜브(3)가 집중적으로 성장된다. 이와 같은 에지 효과로 인해, 완성된 전계방출램프에서는 상술한 투명전극에 대응되는 원통형 기판(4)과 금속선(1)간의 간격이 일정하지 않게 됨에 따라, 램프의 발광균일도가 악화되는 문제점이 발생된다. 또한, 종래 평면 광원에서는 평판의 기판 상에 촉매금속을 균일한 두께로 배열하는 작업이 비교적 용이했던 것에 비해, 입체적 형상의 금속선에 균일한 두께로 촉매금속을 배열하는 작업은 고도의 정밀성을 요하며, 탄소나노튜브를 성장 한 후에 잔존한 미세금속입자를 제거해야 하는 등의 후처리 공정이 예상되는 등 제조공정이 복잡한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, Ni을 주재료로 하는 금속와이어의 외주면에 탄소나노계 물질을 직접 성장함으로써, 별도로 촉매금속과 같은 접착매개물을 사용할 필요가 없어, 음극선의 에지부분에 탄소나노계 물질이 집중화되는 에지 효과를 방지하고, 음극선과 투명전극간의 간격을 균일하게 하여 램프의 발광균일도를 크게 향상시킬 수 있도록 된, 탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프용의 음극선 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 탄소나노계 물질을 성장하는 과정에서 탄소나노계 물질의 접착력을 향상시키기 위해 접착매개물을 배열하고, 성장 후 잔존하는 접착매개물을 제거하는 등의 공정을 배제하여, 전체 제조공정을 간소화하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 금속와이어의 외주면에 수직방향으로 탄소나노계 물질을 성장하여 에미터를 형성하고, 이 에미터의 표면에 다시 탄소나노계 물질을 성장하여 미세 직경의 전자발산가지를 형성하여, 에미터에 의해 안정적인 발광균일도를 확보하는 동시에, 미세직경의 전자발산가지에 의해 동작전압 대비 보다 높은 전자방출 전류를 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프용의 음극선 제조방법은, 글라스튜브의 내주면에 투명전극과 형광체가 순차로 형성되고, 상기 글라스튜브의 내부로 음극선이 관통 배치되어 구성되는 전계방출램프용의 음극선 제조방법에 있어서, (a) 니켈을 함유하는 금속재료로부터 금속와이어를 압출하는 단계; 및 (b) 상기 금속와이어의 외주면에 직접 탄소나노계 물질을 성장하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 금속와이어는 니켈의 함량이 99% 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기한 탄소나노계 물질은 CNT(Carbon Nano Tube), CNW(CN Wall), CNF(CN Fiber), CNB(CN Ball), CNH(CN Horn), 및 DLC(Diamond like Carbon)를 포함하는 탄소나노계 물질 중에서 선택된 어느 하나이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음극선 제조방법을 순차적으로 보인 개략도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음극선 제조방법을 순차적으로 보인 개략도이다.

먼저 도 3을 참조하면, 본 발명에서 음극선의 재료로는 높은 전기전도도를 갖는 동시에 탄소나노계 물질과 접착성이 양호한 니켈 금속이 선택된다. 바람직하게는 순도 99% 이상의 니켈 금속이 선택되며, Fe, Cr 등이 나머지 함량비를 채울 수 있다. 상술한 니켈 금속으로부터 전계방출램프의 정격특성에 맞는 적절한 직경의 금속와이어(50)가 압출 성형된다(ST10). 이와 같이 압출된 금속와이어(50)에는 탄소나노계 물질의 성격에 따라, 또는, 전계방출램프에서 요구하는 전류특성에 따라 보다 많은 양의 탄소나노계 물질을 접착시키거나 표면 산화막을 제거하기 위해, 금속와이어(50)의 표면을 플루오르화수소(HF) 수용액으로 에칭 처리할 수 있다(ST20). 금속와이어(50)의 표면을 에칭 처리하는 일예로서, 도시된 바와 같이, 금속와이어(50)를 회전 진행시키면서, 금속와이어(50)의 상측에 배치된 다수의 분사노즐(55)을 통해 HF 수용액을 분사시키는 방법이 수행될 수 있다. 이때, 바람직한 HF 수용액의 농도는 0.05~3.0% 범위이며, HF 수용액의 농도나 에칭 시간을 조정하여 탄소나노계 물질의 성장 조밀도를 조절할 수 있다. 한편, 탄소나노계 물질은 그 단위셀 또는 단면 형상에 따라 CNT(Carbon Nano Tube), CNW(CN Wall), CNF(CN Fiber), CNB(CN Ball), CNH(CN Horn), 및 DLC(Diamond like Carbon)로 구분될 수 있으며, 각각 95% 이상의 탄소 원자를 포함하는데, CNT나 CNW와 같이 접착력이 양호한 탄소나노계 물질을 성장할 때는 상기 에칭 단계(ST20)는 생략할 수도 있다. 표면이 에칭 처리된 금속와이어(50)의 외주면에는 직접 탄소나노계 물질이 성장된다(ST30). 이 공정에 의해, 도시된 바와 같이 전계발광램프의 투명전극을 향해 전자를 방출하는 에미터(60)가 형성된다. 이때, 바람직하게는 화학기상증착법(CVD)에 의해 탄소나노계 물질이 성장되며, 니켈로 구성된 음극선이 주전극의 역할을 하는 동시에 촉매역할을 수행하기 때문에, 별도의 촉매금속을 사용할 필요가 없음은 물론, 잔존한 촉매금속을 제거하는 공정도 불필요하게 된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도 4를 참조하면, 음극선과 투명전극간 균일한 간격을 유지하도록 금속와이어(50)의 외주면에 수직방향으로 1차 PECVD(Plasma Enhanced CVD) 성장을 실시하고, 음극선의 전자방출 면적을 넓히기 위해 1차로 성장된 에미터(60)의 표면에 2차로 Thermal CVD 성장을 실시할 수 있다.

우선, 금속와이어(50)를 압출하고(ST10), 압출된 금속와이어(50)의 표면을 HF 수용액으로 에칭 처리하는 단계(ST20)를 선택적으로 수행하고, 금속와이어(50)의 표면에 직접 탄소나노계 물질을 성장하여(ST30) 에미터(60)를 형성하는 것은 상술한 실시예와 동일하다. 이때, 단계 ST30에서는 탄소나노계 물질을 무촉매 PECVD 방식으로 성장하며, PECVD 방식에서는 전계의 방향에 따라 탄소나노계 물질의 방향성을 조절하기 용이한 장점이 있어, 금속와이어(50)의 길이방향에 수직으로 에미터(60)를 형성할 수 있으며, 이처럼 수직 방향으로 형성된 에미터(60)는 투명전극으로 고전압의 전계가 인가되면 전계전자를 방출한다. 이때, 에미터(60)는 니켈로 구성된 금속와이어(50)의 표면에 직접 성장되므로, 별도의 촉매 금속을 사용할 필요가 없어, 각 에미터(60)가 금속와이어(50)의 표면에 균일한 높이로 형성되며, 따라서 에미터(60)와 투명전극간 균일한 간격을 유지할 수 있게 된다.

위와 같이 형성된 에미터(60)의 표면에는 촉매물질(65)이 형성된다(ST40). 촉매물질로는 통상의 CVD 방식에서와 같이, Ni, Fe, Pt, Mo 등이 선택된다. 촉매물질(65)의 위에는 Thermal CVD 방식에 의해 탄소나노계 물질이 2차로 성장되어 전자발산가지(70)를 형성한다(ST50). 이와 같은 Thermal CVD 방식의 2차 성장에서는 1차 성장에 비해 작은 직경을 갖는 탄소나노계 물질이 선택되며, 전자발산가지(70)는 도시된 바와 같이, 에미터(60)의 표면에서 측방으로 다수의 가지가 붙은 형태를 갖게 된다. 전자발산가지(70)를 형성하는 일예로서, 대략 400~800℃의 균일한 온도조건 하에서, C가 혼재된 가스분위기(C₂H₂, C₂H₄, CH₄ 등)에 Flowing가스(Ar, N₂ 등)와 환원가스(H₂, CO 등)를 같이 챔버 내로 유입시키면, 촉매 위로 C가 환원되어 성장하게 되고, 나머지 가스들은 CO₂ 가스 등으로 배출되면서 전자발산가지(70)가 형성된다. Thermal CVD 방식에서는 가스분해와 열에너지에 의해 성장이 이루어져, 탄소나노계 물질의 방향성을 결정하기는 어려우나 미세 직경의 전자발산가지를 형성하는데 적합하여 낮은 동작전압에서도 높은 전자방출 전류를 얻을 수 있다. 한편, 이와 같이 형성되는 전자발산가지(70)는 금속와이어(50)의 표면이 아닌 에미터(60)의 표면에 형성되며, 에미터(60)의 둘레부에 측방으로 형성되므로, 에미터(60)와 투명전극간의 간격에 영향을 미치지 않아 음극선과 투명전극의 간격은 에미터(60)에 의해 결정되며, 발광균일도를 저하시키지 않으면서 전자방출 특성을 향상시키는 역할을 수행한다.

이상에서 설명한 본 발명은 탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프의 발광균일도를 크게 향상시키는 것으로서, LCD 등과 같은 디스플레이 장치의 백라이트 유닛 이외에도, 종래의 형광등과 같은 별도의 독립된 조명장치로 그 활용의 폭을 넓힐 수 있다. 또한, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프의 음극선 제조방법에 의하면, 별도의 접착매개물을 사용하지 않고 Ni 금속와이어에 외주면에 탄소나노계 물질을 직접 성장하여, 음극선의 에지 부분에 탄소나노계 물질이 집중적으로 성장되는 에지 효과를 방지함으로써 램프의 발광균일도를 향상시키고, 접착매개물을 배열하고 제거하는 등의 공정을 줄임으로써 제조공정을 간소화하는 효과가 있다.

또한, 무촉매 방식으로 에미터를 형성하여 안정적인 발광균일도를 확보하는 동시에, 에미터의 표면에 미세직경의 전자발산가지를 형성하여 낮은 동작전압에서도 높은 전자방출 전류를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

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글라스튜브의 내주면에 투명전극과 형광체가 순차로 형성되고, 상기 글라스튜브의 내부로 음극선이 관통 배치되어 구성되는 전계방출램프용의 음극선 제조방법에 있어서,

(a) 니켈을 함유하는 금속재료로부터 금속와이어를 압출하는 단계;

(b) 상기 금속와이어의 표면을 플루오르화수소 수용액으로 에칭하는 단계; 및

(c) 상기 금속와이어의 외주면에 탄소나노계 물질을 성장하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프용의 음극선 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 HF 수용액은 0.05~3.0%의 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노계 물질을 이용한 전계방출램프용의 음극선 제조방법.
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