KR100862657B1 - 탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 및 전자방출소자, 및 그들의 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 및 전자방출소자, 및 그들의 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 전자소자는, 탄소나노튜브와 금속사이에 상기 탄소나노튜브와 상기 금속을 화학적으로 결합시키는 결합물질이 개재되어 있으며 결합물질은 복수의 작용기를 가진다. 개시된 전자소자 제조방법은, 기판에 금속을 형성시키는 제1단계와, 탄소나노튜브를 용액에 분산시키는 제2단계와, 탄소나노튜브를 포함하는 용액에 금속과 반응하는 복수의 작용기를 가지는 결합물질을 첨가하는 제3단계 및, 용액에 기판을 넣어 탄소나노튜브를 금속에 결합시키는 제4단계를 포함한다. 본 발명은 탄소나노튜브의 농도조절이 가능하여 전자방출율을 조절할 수 있으며, 저가로 대량생산이 가능한 잇점을 가진다.
전자방출소자, 탄소나노튜브, 다이싸이올, 멀캅토실란

Description

탄소나노튜브를 포함하는 전자소자 및 전자방출소자, 및 그들의 제조방법{Electronic device and electronic emitting device including carbon nano tube, and method of fabricating the electronic device and the electronic emitting device }
도 1은 종래의 PECVD에 의해 제조된 전자방출소자의 전압 및 전류사이의 관계를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자소자를 나타낸 단면도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자소자 제조방법을 나타낸 공정도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 전자소자를 나타낸 단면도,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제2실시예에 따른 전자소자 제조방법을 나타낸 공정도,
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자에서 탄소나노튜브가 결합되기 전 단계의 구조를 나타낸 단면도,
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자에서 탄소나노튜브가 결합되기 전 단계의 구조를 나타낸 사진,
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 나타낸 단면도,
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 이용한 전자총을 나타낸 정면도,
도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 나타낸 사진,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 이용한 전자총을 나타낸 단면도,
도 9는 도 8의 전자총을 사용한 실험에서 나타난 전압 및 전류간의 상관관계를 나타낸 그래프,
도 10a, 도 11a 및 도 12a는 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자에서 각각 탄소나노튜브의 농도를 1, 1/2, 1/4로 변화시켜가면서 제조한 전자방출소자의 표면을 나타낸 사진,
도 10b는 도 10a의 농도를 가지는 전자방출소자를 사용하여 실험하여 나타난 전압 및 전류의 상관관계를 나타낸 그래프,
도 11b는 도 11a의 농도를 가지는 전자방출소자를 사용하여 실험하여 나타난 전압 및 전류의 상관관계를 나타낸 그래프,
도 12b는 도 12a의 농도를 가지는 전자방출소자를 사용하여 실험하여 나타난 전압 및 전류의 상관관계를 나타낸 그래프,
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11, 33 : 탄소나노튜브 12 : 니켈
13, 13' : 다이싸이올 15, 31 : 기판
17, 35 : 금속 19 : 용액
23, 23' : 멀캅토실란 27 : 이산화규소
32 : 음극 34 : 버스전극층
36 : 게이트 전극 37 : 게이트 절연층
39 : 양극
본 발명은 전자소자 및 전자소자 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 포함한 전자소자 및 전자소자 제조방법에 관한 것이다.
최근 전자소자에 나노물질을 적용하는 기술이 급속도로 개발되고 있으며, 특히 그 중에서도 탄소나노튜브를 전계방출소자(FED; Field Emission Device)에 적용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
탄소나노튜브를 이용하여 전자방출소자를 제조하는 방법에는, 미국특허 제6232706호에 개시된 플라즈마 화학기상증착법(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)과, 미국특허 제6239547호에 개시된 페이스트를 이용하는 방법등이 있다.
상기 플라즈마 화학기상증착법은, 직류 또는 고주파 전계를 니켈촉매가 존재하는 반응기의 두 전극 사이에 인가하여 상기 반응기내의 아세틸렌 가스를 글로우(glow) 방전시킨 다음 플라즈마로 변형시켜 그 에너지로 전극상에 탄소나노튜브를 성장시키는 방법이다.
도 1은 종래의 PECVD법에 의해 제조된 전자방출소자의 전압 및 전류사이의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 800V 정도에서 전자가 방출되는 것을 알 수 있다.
상기 페이스트를 이용하는 전자방출소자 제조방법은, 탄소나노튜브를 레이저 어블레이션(ablation) 또는 아크방전을 이용해 탄소나노튜브분말로 만들고 이를 전도성 또는 비전도성의 페이스트와 혼합하여 프린팅하는 방법이다.
종래의 플라즈마 화학기상증착법은, 탄소나노튜브의 성장이 500-600도 이상의 고온에서 이루어지므로 기판의 온도를 높이기 위해서 유리기판 대신 실리콘 기판이나 고온용 수정유리기판을 사용해야 하므로 단가가 높아지는 단점이 있다. 또한, 종래의 플라즈마 화학기상증착법에 의해 형성된 탄소나노튜브는 전자방출원의 밀도가 너무 조밀하여 각 팁에 가해지는 전기장의 효과가 상쇄되는 문제점이 있다.
종래의 페이스트를 이용한 전자방출소자 제조방법은, 분말상태의 탄소나노튜브를 고가의 은페이스트 또는 고분자 화합물등과 혼합하여 350-500도 정도의 고온에서 열처리를 하여 탄소나노튜브 및 금속의 산화가 일어나므로 탄소나노튜브와 금속장치의 수명이 줄어든다. 또한 이 방법은 장치제조시 열처리시간이 길어지며 잔류하는 고분자성분으로 인해 잔류가스가 많이 발생하여 전체적으로 전자방출소자의 수명이 줄어드는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 전자소자에서 방사되는 전류를 조절할 수 있으며, 저가로 대량생산될 수 있는 전자소자 및 그 제조방법을 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 금속이 마련되는 기판 및 상기 금속과 결합하는 탄소나노튜브를 구비하는 전자 소자에 있어서, 상기 탄소나노튜브와 상기 금속사이에 상기 탄소나노튜브와 상기 금속을 화학적으로 결합시키는 결합물질이 개재되어 있으며, 상기 결합물질은 복수의 작용기를 가지는 것을 특징으로 하는 전자 소자를 제공한다.
여기서, 상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브는 전이금속의 캡을 가질 수 있으며, 상기 전이금속은 Ni, Co, Fe 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 또한, 기판, 기판상에 마련되는 음극과, 상기 음극 상에 형성되는 금속과, 상기 금속이 위치하는 웰을 형성하는 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층상에 적층되는 게이트 전극 및, 상기 금속에 결합되는 탄소나노튜브를 구비하는 전자방출소자에 있어서, 상기 탄소나노튜브와 상기 금속사이에 상기 탄소나노튜브와 상기 금속을 화학적으로 결합시키는 결합물질이 개재되어 있으며, 상기 결합물질은 복수의 작용기를 가지는 것을 특징으로 하는 전자방출소자를 제공한다.
여기서, 상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브는 전이금속의 캡을 가질 수 있으며, 상기 전이금속은 Ni, Co, Fe 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 탄소나노튜브와 상기 탄소나노튜브가 위치하는 기판을 구비하는 전자소자 제조방법에 있어서, 상기 기판에 금속을 형성시키는 제1단계;와 상기 탄소나노튜브를 용액에 분산시키는 제2단계;와 상기 탄소나노튜브를 포함하는 용액에 상기 금속과 반응하는 복수의 작용기를 가지는 결합물질을 첨가하는 제3단계; 및 상기 용액에 상기 기판을 넣어 상기 탄소나노튜브를 상기 금속에 결합시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 용액은 유기용액을 마련하는 것이 바람직하다.
상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서, 상기 탄소나노튜브에 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포함하는 경우, 상기 전이금속은 Ni, Co, Fe 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 또한, 탄소나노튜브와 상기 탄소나노튜브가 위치하는 기판을 구비하는 전자소자 제조방법에 있어서, 상기 기판에 금속을 형성시키는 제1단계;와 상기 금속과 반응하는 복수의 작용기를 가지는 결합물질과 상기 기판을 화학반응시키는 제2단계;와 상기 탄소나노튜브를 용액에 분산시키는 제3단계; 및 상기 용액에 상기 결합물질이 결합된 기판을 넣어 상기 탄소나노튜브를 상기 결합물질에 결합시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 용액은 유기용액으로 마련하는 것이 바람직하다.
상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서, 상기 탄소나노튜브에 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 전이금속은 Ni, Co, Fe 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 또한, 기판, 기판상에 마련되는 음극과, 상기 음극상에 형성되는 금속과, 상기 금속이 위치하는 웰을 형성하는 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층상에 적층되는 게이트 전극 및, 상기 금속에 결합되는 탄소나노튜브를 구비하는 전자방출소자 제조방법에 있어서, 상기 기판에 금속을 형성시키는 제1단계;와 상기 탄소나노튜브를 용액에 분산시키는 제2단계;와 상기 탄소나노튜브를 포함하는 용액에 상기 금속과 반응하는 복수의 작용기를 가지는 결합물질을 첨가하는 제3단계; 및 상기 용액에 상기 기판을 넣어 상기 탄소나노튜브를 상기 금속에 결합시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나 로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 용액은 유기용액으로 마련하는 것이 바람직하다.
상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서, 상기 탄소나노튜브에 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 기판, 기판상에 마련되는 음극과, 상기 음극 상에 형성되는 금속과, 상기 금속이 위치하는 웰을 형성하는 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층상에 적층되는 게이트 전극 및, 상기 금속에 결합되는 탄소나노튜브를 구비하는 전자방출소자 제조방법에 있어서, 상기 기판에 금속을 형성시키는 제1단계;와 상기 금속과 반응하는 복수의 작용기를 가지는 결합물질과 상기 기판을 화학반응시키는 제2단계;와 상기 탄소나노튜브를 용액에 분산시키는 제3단계; 및 상기 용액에 상기 결합물질이 결합된 기판을 넣어 상기 탄소나노튜브를 상기 결합물질에 결합시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 용액은 유기용액로 마련하는 것이 바람직하다.
상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서, 상기 탄소나노튜브에 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포 함할 수 있으며, 상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 탄소나노튜브의 표면이나 탄소나노튜브의 결합되어 있는 금속이나 도전성 산화물에만 결합제로 작용하는 두 개의 작용기를 가지는 화학물질을 사용하여 탄소나노튜브를 기판에 고정하므로, 기판에 연결되는 탄소나노튜브의 밀도를 적절히 조절할 수 있으며 고가의 증착장비를 필요로 하지 않아 저가로 탄소나노튜브를 이용하는 전자소자를 제공할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용하는 전자소자 및 그 제조방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기서, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 동일한 부호가 사용되고 있음에 유의해야 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 영역들의 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 전자소자를 간략히 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소나노튜브를 포함하는 전자소자는, 기판(15)과, 상기 기판에 형성된 금속(17)과, 상기 탄소나노튜브(11)를 금속에 연결시키는 결합물질(13')로 이루어져 있다.
탄소나노튜브(11)는 표면에 Ni(12)가 캡핑되어 있다. Ni 대신에 Co, Fe와 같은 전이금속을 사용할 수 있다. 탄소나노튜브(11)는 전이금속이 캡핑되지 않고, 탄소나노튜브 자체로 기판에 형성된 금속에 결합될 수 있다. 탄소나노튜브(11)는 아 크방전, 레이저 어블레이션(ablation) 또는 CVD(Chemical Vapour Deposition)법으로 제조될 수 있다. 탄소나노튜브(11)대신에 다른 나노물질도 사용될 수 있다.
금속(17)은 Ni, Ag, Au 등이 사용될 수 있다. 금속(17)은 기판(15)상에 전체적으로 도포되거나 패터닝될 수 있다.
결합물질(13)은 두 개의 작용기를 가지는 다이싸이올(dithiol), 다이아민(diamine), 아미노싸이올(amini-thiol)등이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는, 다이싸이올의 하나인 SH-(CH2)n-SH를 사용하였다. 두 개의 작용기(SH-)는 각각 기판(15)상에 형성된 금속(17)과 탄소나노튜브(11)의 캡(12)과 공유결합한다. 결합물질(13), 금속(17) 및, 탄소나노튜브(11)의 캡(12)으로 사용되는 물질의 종류에 따라 결합물질(13)은 금속(17) 및 탄소나노튜브(11)와 이온결합을 할 수도 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자소자 제조방법을 나타낸 공정도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 전자소자를 제조하기 위하여, 제1단계로 도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(15)상에 금속(17)을 형성한다. 기판(15)상에 금속(17)을 전체적으로 도포할 수 있으나, 본 발명의 제1실시예에서는 기판(15)상에 금속(17)을 패터닝한다. 기판(15)상에 금속(17)을 패터닝하기 위해, 포토공정을 실시한다.
포토공정을 실시하기 위해, 먼저 기판(15)상에 금속(17)을 전체적으로 도포한 다음, 그 위에 감광제를 도포하는 단계와, 감광제의 상부에 원하는 형태가 설계 되어진 마스크를 위치시키고 노광시키는 단계와, 현상액으로 노광된 부분의 감광제를 제거하는 현상단계, 감광제가 제거된 부분을 식각공정을 통해 제거하는 단계, 및 남아있는 감광제를 제거하고 세정하는 단계로 이루어진다. 여기서, 노광은 양각 또는 음각이 모두 가능하다.
상기 제1단계 다음에, 금속(17)이 패터닝된 기판(15)과 결합할 탄소나노튜브(11)를 도 3b에 도시된 바와 같이, 유기용매 또는 수용액에 탄소나노튜브(11)를 분산시키는 제2단계의 공정이 진행된다. 유기용매로는 에탄올(C2H5OH), 아세토니트릴(CH3CN) 용매등이 사용될 수 있다.
제3단계로, 제2단계에서 준비된 탄소나노튜브(11)가 분산된 용액(19)에 두 작용기를 가지는 결합물질인 SH-(CH2)n-SH(13)를 첨가한다. SH-(CH2)n -SH 의 작용기 중 하나의 작용기에서 H가 떨어지고 그 자리에 탄소나노튜브의 캡인 Ni가 결합되어 싸이올 수정 탄소나노튜브액이 형성되며, 이 과정이 도 3c에 도시되어 있다.
제4단계는, 제3단계에서 제조된 탄소나노튜브(11)와 결합물질(13)(SH-(CH2)n-SH)이 결합된 싸이올 수정 탄소나노튜브액에 제1단계에서 준비된 금속(17)이 패터닝된 기판(15)을 담그어 탄소나노튜브(11)와 기판(15)을 결합시키는 단계이다. 다이싸이올의 나머지 작용기(SH-)의 H가 떨어지고 그 자리에 기판(15)상에 형성된 금속(17)이 결합되어 금속(17)-다이싸이올(13')-Ni의 구조가 이루어진다.
본 발명은 전자소자를 제조하기 위해 간단한 화학적 처리를 함으로써 기판과 탄소나노튜브를 연결할 수 있으므로, 공정이 간단하여 고가의 처리비용이 들지 않 는다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 전자소자를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자소자의 구조는, 본 발명의 제1실시예에 따른 구조와 유사하며, 다만, 기판(15)상에 형성되는 금속(17)대신에 이산화규소(27)가 형성되어 있다는 점과, 두 개의 작용기를 가지는 결합물질로 멀캅토실란(mercaptosilane)(SH-(CH2)n-Si(OCH3)3)이 사용되고 있다는 점이 상이하다.
멀캅토실란(mercaptosilane)은 이산화규소(27)가 전자소자의 기판(15)상에 패터닝되는 경우 이산화규소(27)와 탄소나노튜브(11)를 결합하는 기능을 한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제2실시예에 따른 전자소자 제조방법을 나타낸 공정도이다.
제1단계는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 이산화규소(27)를 기판(15)에 형성시키는 단계이다. 이산화규소(27)를 기판(15)상에 전체적으로 도포하거나 패터닝할 수 있는데, 도시된 바와 같이 기판(15)에 이산화규소(27)를 패터닝하는 단계는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자소자 제조방법의 제1단계와 동일하게 포토공정에 의해 실행된다.
제2단계는, 멀캅토실란(23)을 이산화규소(27)에 첨가하여 도 5b에 도시된 바와 같이, 멀캅토실란-이산화규소의 결합구조를 만드는 단계이다. 멀캅토실란(SH-(CH2)n-Si(OCH3)3)의 Si(OCH3)3- 기가 떨어지고 이 자리에 SiO2가 결합된다.
제3단계는, 도 5c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 전자소 자 제조방법의 제2단계와 동일하게 탄소나노튜브(11)를 용액(19)에 분산시키는 단계이다. 용액(19)은 유기용매나 수용액이다.
제4단계에서는, 이 용액(19)에 멀캅토실란(23')이 결합된 기판(15)을 담그어 도 5d에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브(11)가 멀캅토실란(23')의 다른 쪽 작용기(SH-)에서 H가 떨어지고 이 자리에 탄소나노튜브(11)가 결합되도록 한다. 탄소나노튜브(11)는 도시된 바와 같이 Ni(12)와 같은 금속이 캡핑된 경우, 금속과 S가 결합하게 된다.
여기서, 멀캅토실란(23)대신에 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올등이 사용되고, 이산화규소(27)대신에 금속(17)이 기판(15)에 형성될 수 있다. 다만, 주의할 점은 멀캅토실란은 이산화규소가 아닌 다른 금속과는 반응하지 않으므로, 이산화규소가 형성된 기판과 탄소나노튜브를 결합시키는 경우 멀캅토실란만을 사용한다는 점이다.
도 1의 구조를 가지는 전자소자를 제작하기 위해 본 발명의 제1실시예에 따른 전자소자 제조방법 뿐만 아니라, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자소자 제조방법도 사용할 수 있다.
또한, 이산화규소(27)가 형성된 기판(15)과 탄소나노튜브(11)사이에 멀캅토실란(23)을 결합물질로 개재하여 이산화규소(27)와 탄소나노튜브(11)를 결합하는 경우, 본 발명의 제1실시예에 따른 전자소자 제조방법을 사용하는 것이 가능하다.
즉, 탄소나노튜브(11)를 먼저 결합물질(13)과 반응시킨 다음 기판(15)을 이 결합물질(13)이 존재하는 용액(19)에 담그어 전자소자를 제조할 수도 있으며, 결합 물질(13)과 기판(15)을 먼저 화학반응시켜 결합시킨 다음 탄소나노튜브(11)가 분산된 용액(19)에 결합물질(13)이 결합된 기판(15)을 담그어 전자소자를 제조할 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 전자소자 제조방법은, 기판과, 상기 기판 상에 마련되는 음극과, 상기 음극 상에 형성된 금속이 존재하는 전자방출소자 제조방법에도 적용될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 포함하는 전자방출소자에는, 기판(31)과, 기판(31) 상에 마련되는 음극(32)과, 음극(32)상에 적층되는 버스전극물질층(34)이 구비되어 있으며, 버스전극물질층(34)상에는 탄소나노튜브(33)가 결합되는 금속(35)이 패터닝되어 있고, 금속(35)이 위치하는 웰(37a)을 형성하는 게이트 절연층(37) 및, 게이트 절연층(37)상에 적층된 게이트 전극(36)이 배치되어 있다.
도 6a는, 도 7a에서 도시된 전자방출소자에 있어서, 탄소나노튜브(33)가 금속(35)과 결합하기 전 단계의 전자방출소자를 도시한 그림이며, 도 6b는 도 6a의 단면을 가지는 탄소나노튜브(33)가 존재하지 않는 전자방출소자를 나타낸 사진이다. 도 6b를 참조하면, 웰(37a)의 중앙부분에 금속(35)이 얇게 패터닝되어 있으며, 탄소나노튜브(33)는 없는 것을 알 수 있다.
도 7b는 도 7a에 도시된 바와 같은 단면을 가지는 전자방출소자가 아홉 개가 형성된 전자총의 평면도이며, 도 7c는 도 7b에 도시된 전자방출소자의 하나를 확대한 확대도이다. 도 7c를 참조하면, 웰(37a)의 중앙부분에 탄소나노튜브(33)가 결합 되어 있는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자 제조방법은, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 전자소자 제조방법과, 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같은 본 발명의 제2실시예에 따른 전자소자 제조방법을 모두 이용할 수 있다.
다만, 본 발명의 제1실시예에 따른 전자방출소자 제조방법은, 도 3a 내지 도 3d에서의 공정을 그대로 이용하되, 기판(15) 대신에 기판(31)과, 기판(31)상에 마련되는 음극(32)과, 탄소나노튜브(33)가 위치하는 웰(37a)을 형성하는 게이트 절연층(37)과, 게이트 절연층(37)상에 적층되는 게이트 전극(36)을 가지는 구조를 사용하여야 한다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자방출소자 제조방법은, 도 5a 내지 도 5d에서의 공정을 그대로 이용하되, 기판(15) 대신에 기판(31)과, 기판(31)상에 마련되는 음극(32)과, 탄소나노튜브(33)가 위치하는 웰(37a)을 형성하는 게이트 절연층(37)과, 게이트 절연층(37)상에 적층되는 게이트 전극(36)을 가지는 구조를 사용하여야 하고, 멀캅토실란(27) 대신에 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올등을 사용하고 이산화규소(27)대신에 금속(35)을 사용하여야 한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 사용하는 전자총을 나타낸 단면도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 사용하는 전자총은 음극쪽은 도 7a에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 사용하며 양극(39)쪽은 ITO(Indium Tin Oxcide)를 이용하여 제조한다.
도 9는 도 8에 도시된 전자총을 사용한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9의 실험에 사용된 전자방출소자를 제조하기 위해, CVD를 이용하여 적정한 길이로 성장시킨 탄소나노튜브 또는 아크방전이나 레이저 어블레이션을 사용하여 알맞은 길이로 자른 탄소나노튜브를 에탄올(ethanol), 아세토나이트릴(acetonitrile)에 분산시키고 여기에 다이싸이올(예를 들어 옥탄 다이싸이올)을 충분히 첨가하여 하루정도 반응시킨다. 반응시킨 다음 용액의 잔여 다이싸이올을 필터를 통해 제거하고 다시 용매에 분산시킨다. 이 때 다이싸이올 수정 탄소나노튜브 용액은 재분산 후 시간이 경과함에 따라 활성도가 없어지므로 흡착에 사용될 금속기판을 빠른 시간내 용액에 담근다. 하루정도 지난 후 탄소나노튜브가 흡착된 기판을 꺼내어 세정한 후 건조시켜 실험한다.
도 9에는, 게이트 전극(Vg)을 0V에서 40V로 각각 변화시켜가면서 측정한 전압(Va)과 전류의 상관관계가 도시되어 있다. 전류는 600V정도에서 유출되기 시작하므로, 600V정도에서 전자방출소자에서 전자방출이 시작되는 것을 알 수 있다.
도 10a, 도 11a 및 도 12a는 다이싸이올 처리를 한 금이 도포된 기판에 탄소나노튜브를 농도를 변화시켜 가면서 흡착시킨 결과를 나타낸 사진이다. 도 10a의 탄소나노튜브의 농도를 1로 둘 때, 도 11a는 탄소나노튜브의 농도가 도 10a의 농도의 절반인 경우이며, 도 12a는 탄소나노튜브의 농도가 도 10a의 사분의 1의 농도인 경우이다. 전자방출소자에서 기판에 흡착되는 탄소나노튜브의 각 농도 차이에 따라 달라지는 전압 및 전류의 상관관계 그래프가 도 10b, 도 11b 및 도 12b에 도시되어 있다.
도 10a에 도시된 바와 같은 탄소나노튜브의 농도를 가지는 전자방출소자는 도 10b의 그래프로부터 전류밀도가 30μA/cm2 이 되는 것을 알 수 있으며, 도 11a에 도시된 바와 같은 탄소나노튜브의 농도를 가지는 전자방출소자는 도 11b의 그래프로부터 전류밀도가 15μA/cm2 이 되는 것을 알 수 있으며, 도 12a에 도시된 바와 같은 탄소나노튜브의 농도를 가지는 전자방출소자는 도 12b의 그래프로부터 전류밀도가 10μA/cm2 이 되는 것을 알 수 있다.
이 값들을 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)로 제조한 전자방출소자의 전압 및 전류의 상관관계 그래프로부터 얻어지는 전류밀도의 값 20μA/cm2과 비교하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자 제조방법에 따른 전자방출소자는, 탄소나노튜브의 농도를 자유롭게 변화시킬 수 있으며, 농도를 조절함에 따라 종래의 PECVD 법에 의해 제조된 전자방출소자와 비슷한 전류를 방사할 수 있다는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 전자방출소자는, 종래의 전자방출소자 제조방법에 의해 제조된 전자방출소자와 비슷한 전자방출율을 얻을 수 있으며, 또한 탄소나노튜브의 농도를 조절함으로써 더 높은 전자방출율을 얻을 수도 있을 뿐만 아니라, 간단한 화학처리를 통해 전자방출소자를 제조함으로 종래의 전자방출소자 제조방법에 비해 공정이 간단하고 그 제조단가가 낮아 전자방출소자의 대량생산에 유리하다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.
예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 탄소나노튜브가 아닌 다른 나노물질의 제조에도 본 발명의 전자소자 제조방법을 적용할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자소자 및 전자소자 제조방법 또는 전자방출소자 및 전자방출소자 제조방법의 장점은, 탄소나노튜브의 농도를 자유롭게 조절함에 따라 방사되는 전류밀도를 조절할 수 있으며, 고가의 증착장치나 고가의 소스물질이 필요하지 않으므로 공정이 간단하고 저가로 대량생산이 가능하다는 것이다.

Claims (42)

  1. 금속 또는 이산화규소가 마련되는 기판 및 상기 금속 또는 이산화규소와 결합하는 탄소나노튜브를 구비하는 전자 소자에 있어서,
    상기 탄소나노튜브와 상기 금속 또는 이산화규소 사이에 상기 탄소나노튜브와 상기 금속 또는 이산화규소를 화학적으로 결합시키는 결합물질이 개재되어 있으며, 상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민 또는 아미노싸이올 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자소자.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 전이금속의 캡을 가지는 것을 특징으로 하는 전자소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자소자.
  6. 기판, 기판상에 마련되는 음극과, 상기 음극상에 형성되는 금속과, 상기 금속이 위치하는 웰을 형성하는 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층상에 적층되는 게이트 전극 및, 상기 금속에 결합되는 탄소나노튜브를 구비하는 전자방출소자에 있어서,
    상기 탄소나노튜브와 상기 금속사이에 상기 탄소나노튜브와 상기 금속을 화학적으로 결합시키는 결합물질이 개재되어 있으며, 상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민 또는 아미노싸이올 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  9. 제 6 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 전이금속의 캡을 가지는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  11. 탄소나노튜브와 상기 탄소나노튜브가 위치하는 기판을 구비하는 전자소자 제조방법에 있어서,
    상기 기판에 금속을 형성시키는 제1단계;
    상기 탄소나노튜브를 용액에 분산시키는 제2단계;
    상기 탄소나노튜브를 포함하는 용액에 상기 금속과 반응하는 복수의 작용기를 가지는 결합물질을 첨가하는 제3단계; 및
    상기 용액에 상기 기판을 넣어 상기 탄소나노튜브를 상기 금속에 결합시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 용액은 유기용액으로 마련하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  15. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 탄소나노튜브에 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 탄소나노튜브에 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  19. 탄소나노튜브와 상기 탄소나노튜브가 위치하는 기판을 구비하는 전자소자 제조방법에 있어서,
    상기 기판에 금속을 형성시키는 제1단계;
    상기 금속과 반응하는 복수의 작용기를 가지는 결합물질과 상기 기판을 화학반응시키는 제2단계;
    상기 탄소나노튜브를 용액에 분산시키는 제3단계; 및
    상기 용액에 상기 결합물질이 결합된 기판을 넣어 상기 탄소나노튜브를 상기 결합물질에 결합시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 용액은 유기용액으로 마련하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  23. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 탄소나노튜브에 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 탄소나노튜브에 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으 로 하는 전자소자 제조방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자소자 제조방법.
  27. 기판, 기판상에 마련되는 음극과, 상기 음극상에 형성되는 금속과, 상기 금속이 위치하는 웰을 형성하는 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층상에 적층되는 게이트 전극 및, 상기 금속에 결합되는 탄소나노튜브를 구비하는 전자방출소자 제조방법에 있어서,
    상기 기판에 금속을 형성시키는 제1단계;
    상기 탄소나노튜브를 용액에 분산시키는 제2단계;
    상기 탄소나노튜브를 포함하는 용액에 상기 금속과 반응하는 복수의 작용기를 가지는 결합물질을 첨가하는 제3단계; 및
    상기 용액에 상기 기판을 넣어 상기 탄소나노튜브를 상기 금속에 결합시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 용액은 유기용액으로 마련하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  30. 제 27 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속은 Au, Ni, Ag 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  31. 제 27 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 탄소나노튜브에 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  32. 제 30 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    상기 탄소나노튜브는 전이금속을 캡핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 전이금속은 Ni, Co, Fe, Ag, Au 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  35. 기판, 기판상에 마련되는 음극과, 상기 음극상에 형성되는 금속과, 상기 금속이 위치하는 웰을 형성하는 게이트 절연층과, 상기 게이트 절연층상에 적층되는 게이트 전극 및, 상기 금속에 결합되는 탄소나노튜브를 구비하는 전자방출소자 제조방법에 있어서,
    상기 기판에 금속을 형성시키는 제1단계;
    상기 금속과 반응하는 복수의 작용기를 가지는 결합물질과 상기 기판을 화학반응시키는 제2단계;
    상기 탄소나노튜브를 용액에 분산시키는 제3단계; 및
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  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 결합물질은 다이싸이올, 다이아민, 아미노싸이올 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 용액은 유기용액으로 마련하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  38. 제 35 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
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  40. 제 38 항에 있어서, 상기 제2단계에서,
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  41. 제 39 항에 있어서,
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  42. 제 40 항에 있어서,
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