KR100892366B1

KR100892366B1 - 탄소나노튜브 전계방출 에미터 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100892366B1
Application number: KR1020060133799A
Authority: KR
Inventors: 홍순형; 모찬빈
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2009-04-10
Also published as: US20080238285A1; KR20080059890A; JP2008166257A; TW200830346A

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브로 구성된 3차원 구조의 장수명 전계방출 에미터에 관한 것이다. 탄소나노튜브를 전계방출 에미터로 사용하여 전계방출 디스플레이(Field Emission Display), BLU(Back Light Unit) 등으로 활용하기 위해서는 충분한 밝기를 가져야 하며, 이를 위해 형광체에 충분한 전류밀도를 흘려주어야 한다. 그러나 기존의 탄소나노튜브 전계방출에미터는 2차원적인 구조를 가지고 있어서 에미터의 면적이 제한되어 있었기 때문에 탄소나노튜브 한 가닥에 흐르는 전류밀도가 너무 높아 탄소나노튜브의 손상이 심하여 수명이 짧은 문제점을 가지고 있었다. 상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 탄소나노튜브 전계방출에미터를 3차원적인 구조로 설계하여 에미터 면적을 이론적으로 무한대까지 확장할 수 있도록 하였다. 본 발명의 설계에 따라 면적이 확장된 에미터는 탄소나노튜브 한 가닥 당 흐르는 전류밀도는 최소화할 수 있기 때문에 탄소나노튜브의 손상이 최소화되어 수명이 크게 향상될 것으로 기대되며, 본 발명을 통해 탄소나노튜브 전계방출에미터의 상용화가 앞당겨질 것으로 기대된다.

탄소나노튜브, 전계방출, 에미터, 캐소드, 장수명, 3차원, 펄스파

Description

탄소나노튜브 전계방출 에미터 및 그 제조방법 {CARBON NANOTUBE FIELD EMITTER AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

도 1은 종래기술의 2극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개념을 설명하기 위한 단면도;

도 2는 금속 그리드(grid) 게이트를 이용한 종래기술의 3극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개념을 설명하기 위한 단면도;

도 3은 금속 게이트가 측면에 위치하는 종래기술의 3극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개념을 설명하기 위한 단면도;

도 4는 금속 게이트가 캐소드의 아래에 위치하는 종래기술의 3극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개념을 설명하기 위한 단면도;

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개략적 구성을 나타낸 도면;

도 6a 내지 도 6e는 도 5에 도시된 탄소나노튜브 전계방출 에미터에 적용되는 3차원 구조의 탄소나노튜브 배열을 형성하는 방법의 제1 실시예를 설명하기 위한 공정도들;

도 7a 내지 도 7c는 도 5에 도시된 탄소나노튜브 전계방출 에미터에 적용되 는 3차원 구조의 탄소나노튜브 배열을 형성하는 방법의 제2 실시예를 설명하기 위한 공정도들; 및

도 8a 내지 도 8e는 도 5에 도시된 탄소나노튜브 전계방출 에미터에 적용되는 3차원 구조의 탄소나노튜브 배열을 형성하는 방법의 제3 실시예를 설명하기 위한 공정도들이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

5: 기판

10: 캐소드 전극

11: 전도성 캐소드 전극(또는 게이트) 모재

15: 절연성 기판

20: 애노드 전극

21: 형광체

30: 탄소나노튜브

31: 유리스페이서

32: 핀셋이나 로봇팔

33: 캐소드 전극(또는 게이트)의 절단체

34: 조립 홈

36: 탄소나노튜브를 포함한 금속계 복합재료층

38: CO₂ 레이저

40; 게이트

50: 절연층

51: 포토레지스트

51a: 포토레지스트 패턴

52: 탄소나노튜브 성장 촉매

60: 펄스파 공급기

70: 캐소드의 두께

80: 캐소드의 높이

본 발명은 탄소나노튜브 전계방출 에미터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브로 구성된 3차원 구조의 장수명 전계방출 에미터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브는 종횡비가 크고, 높은 전기전도도 및 물리화학적 안정성을 가지고 있어서 전계방출 에미터의 재료로서 매우 이상적이며, 이를 이용한 전계방출 에미터는 기존의 금속 및 실리콘을 이용한 전계방출 에미터보다 향상된 효율을 갖 는 것이 알려져 있다. 따라서 많은 연구자들이 탄소나노튜브를 이용하여 전계방출 에미터를 제조하고자 하였으며, 화학기상증착법이나 스크린프린팅(screen printing) 공정 등을 이용하여 이극구조(diode type)(도 1 참조) 또는 삼극구조(triode type)(도 2 ∼ 도 4 참조) 등의 구조로 제조하여 왔다.

도 1은 종래기술의 2극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개념을 설명하기 위한 단면도이다. 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 작동을 설명하기 위해 전기적인 연결도 함께 도시하였다. 이하의 도면에서 동일 참조번호는 동일 구성요소를 나타내며 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다. 도 1을 참조하면, 기판(5) 상의 캐소드 전극(10)으로부터 탄소나노튜브(30)가 형성되어 있음을 알 수 있다. 탄소나노튜브(30)에서 소정 간격만큼 상부에 이격된 위치에 애노드 전극(20)과 형광체(21)이 대향되게 놓여진다. 캐소드 전극(10)과 애노드 전극(20) 사이에는 전압이 인가되어 탄소나노튜브 에미터가 작동하게 된다. 이와 같은 2극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터에서는 2차원 평면에 해당하는 캐소드 전극(10) 상에 탄소나노튜브(30)가 형성되기 때문에 단위면적 당 탄소나노튜브의 수를 증가시키기 어렵다는 문제점을 갖는다.

도 2는 금속 그리드(grid) 게이트를 이용한 종래기술의 3극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개념을 설명하기 위한 단면도이다. 도 1과 비교하여 도 2의 차이점은, 도 2의 3극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터에서는 금속 그리드 게이트(40)가 더 설치되어 있다는 것이다. 이 경우에도 단위면적 당 탄소나노튜브의 수를 증가시키기 어렵다는 문제점을 갖는다는 것은 마찬가지이다.

도 3은 금속 게이트가 측면에 위치하는 종래기술의 3극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개념을 설명하기 위한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 금속 게이트(40)가 캐소드 전극(10)과 같은 기판(5) 상에 형성되어 있음을 알 수 있다. 이와 같은 구조는 수직방향으로 이동하는 기체/이온의 충돌을 최소화하여 탄소나노튜브(30)의 손상을 줄일 수 있다는 장점도 가지지만, 단위면적 당 탄소나노튜브의 수가 도 1 및 도 2와 마찬가지라는 단점을 가진다.

도 4는 금속 게이트가 캐소드 전극의 아래에 위치하는 종래기술의 3극형 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개념을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 금속 게이트(40)가 캐소드 전극(10)의 하부에 절연층(50)을 개재하여 설치되어 있음을 알 수 있다. 이러한 구조는, 도 3에 도시된 것에 비해 단위면적 당 탄소나노튜브의 수가 감소하는 문제점을 갖지는 않으나, 도 1 및 도 2에서와 마찬가지로 탄소나노튜브의 수를 증가시키기 어렵다는 문제점을 갖는다.

이와 같은 다양한 구조가 제안되고는 있으나, 탄소나노튜브의 이탈, 높은 전류밀도도로 인한 증발 등의 문제점으로 인해 수명이 짧은 단점을 가지고 있어서 탄소나노튜브는 아직까지 상용화되지 못하고 있다. 따라서 탄소나노튜브를 이용한 전계방출 에미터 관련 기술 분야에서 핵심기술은 탄소나노튜브의 수명향상기술이라고 할 수 있다.

종래의 기술은 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 발광을 균일하게 하는 기술(Taping Technique-J. M. Kim(SAIT) et al., Diamond and Related Materials, 2000, 9, 1184, Cyclic electrical aging-Y. C. Kim(LG FED Group) et al, Applied Physics Letters, 2004, 84, 5350), 전계방출 문턱전압을 낮추는 기술(Plasma Treatment-C. Y. Zhi(Chinese Academy of Sciences) et al,, Applied Physics Letters, 2002, 81, 1690., Doping elements-J. C. Charlier et al., Nano Letters, 2002, 2, 1191.)을 집중적으로 연구해왔으며, 수명향상을 위해서는 금속 바인더를 사용하여 전기전도도를 향상시키고, 이탈을 방지하는 방법(S. H. Hong et al, Advanced Materials, 2006, 18, 553, J. M. Kim et al., Applied Physics Letters, 2005, 87, 063112.), 형광체의 기화/이온화에 의한 탄소나노튜브의 오염을 최소화하기 위해 형광체에 금속층을 형성시키는 방법(J. Li(Southeast Univ. China) et al., Applied Surface Science, 2003, 220, 96) 등을 연구해왔다.

탄소나노튜브의 수명을 향상시키는 것은 전계방출 에미터의 밝기를 향상시키는 것과 상충관계에 있다. 전계방출 에미터의 밝기를 향상시키기 위해서는 전류밀도를 높이거나 전자의 운동에너지를 높여야 한다. 그런데, 전계방출 에미터의 밝기를 향상시키기 위해 전자의 운동에너지 높이는 방법은 높은 가속전압을 인가해야 하고, 음극과 양극 사이의 간격을 넓게 해야 하므로 에너지효율이 낮고, 아킹(arcing)이 쉽게 생기기 때문에 전기적 안정성이 낮은 문제점을 가지고 있다. 전계방출 에미터의 밝기를 향상시키기 위해 전류밀도를 높게 하는 방법은 탄소나노튜브 한 가닥 당 흐르는 전류밀도를 높게 해야 하므로 높은 전류밀도에 의한 발열로 인해 탄소나노튜브가 쉽게 손상되는 문제점이 있다. 더욱이, 기존의 탄소나노튜브 전계방출 에미터는 2차원적인 구조(도 1 ∼ 도 4 참조)를 가지고 있어서 에미터 면적이 제한적이었기 때문에 전류밀도를 높게 함에 따라 탄소나노튜브의 손상이 심하 였다. 또한, 2차원적인 구조를 가지고 있는 탄소나노튜브 전계방출 에미터는 형광체 및 기체로부터 이온화된 입자의 충돌로 인해 구조가 파괴되거나 표면이 오염되어 수명이 저하되는 문제점도 가지고 있다.

결국, 기존의 2차원적 구조의 탄소나노튜브 전계방출 에미터는 근본적으로 단위 면적당 탄소나노튜브의 수를 증가시킬 수는 없기 때문에 탄소나노튜브 당 전류밀도가 높아서 탄소나노튜브가 손상되는 문제를 해결할 수 없었고, 2차원적인 구조로 펼쳐져 있어서 기체/이온과의 충돌로부터 탄소나노튜브를 보호할 수 없었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 탄소나노튜브 전계방출 에미터를 3차원적인 구조로 설계하여 에미터 면적을 최대화하고, 기체/이온의 충돌로부터 탄소나노튜브를 보호하여 수명을 향상된 탄소나노튜브 전계방출 에미터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브 전계방출 에미터는: 적어도 일면에 탄소나노튜브가 형성되어 있는 전극판의 두께에 대한 높이의 비인 장대비가 1~20인 것을 특징으로 한다.

더 구체적으로, 본 발명의 탄소나노튜브 전계방출 에미터는:

넓은 면이 서로 대면하여 쌍을 이루도록 위치한 적어도 2개의 전극판들과;

상기 전극판들의 각각의 양면에 형성된 탄소나노튜브와;

상기 전극판들의 각각의 일측면이 접촉한 상태로 수직으로 고정되게 하는 기 판과;

상기 기판과 이격된 상태로 나란하게 설치되며, 상기 기판과 대면하는 형광체를 가지는 애노드 전극과;

상기 애노드 전극과 상기 전극판들 사이에 직류 전압을 인가하는 직류전원과;

상기 쌍을 이루는 전극판들 중의 어느 하나와 다른 하나에 주기적으로 서로 다른 크기의 전압을 나타내는 펄스파가 인가되도록 하여, 이들이 교대로 캐소드 전극과 게이트의 역할을 하도록 해주는 펄스파 공급기;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 전극판의 두께에 대한 높이의 비인 장대비가 1~20 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 기판으로 유리기판을 사용할 수도 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 탄소나노튜브 전계방출 에미터 제조방법은:

(a) 적어도 일면에 탄소나노튜브가 형성된 전극판을 복수 개 제작하는 단계와;

(b) 상기 전극판들의 탄소나노튜브가 형성된 넓은 면이 대향되는 쌍을 이루도록 배열하는 단계와;

(c) 상기 전극판들에 이격되게 형광체를 가지는 애노드 전극을 설치하는 단계와;

(d) 상기 대향되는 쌍을 이룬 전극판들 사이에 주기적으로 서로 다른 크기의 전압을 나타내는 펄스파가 인가되도록 하여, 이들이 교대로 캐소드 전극과 게이트의 역할을 하도록 해주는 펄스파 공급기를 설치하는 단계와;

(e) 상기 대향되는 쌍을 이룬 전극판들과 상기 애노드 전극 사이에 직류 전압을 인가하는 직류전원을 설치하는 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 (a) 단계가:

(a-1) 상기 전극판의 모재의 적어도 일면에, 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 복합분말 중에서 선택된 어느 하나를 유기바인더와 혼합하여 형성한 혼합물을 복수의 소정 영역들에만 도포하는 단계와;

(a-2) 상기 혼합물이 도포된 전극판을 진공에서 소성하여 상기 도포된 영역에만 탄소나노튜브가 형성되게 하는 단계와;

(a-3) 상기 탄소나노튜브가 형성된 영역이 포함되게 상기 전극판의 모재를 절단하여 탄소나노튜브가 형성된 전극판을 복수 개 얻는 단계;

인 것이 바람직하다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 탄소나노튜브 전계방출 에미터 제조방법은:

(a) 적어도 일면에 탄소나노튜브가 형성된 전극판이, 상기 탄소나노튜브가 형성된 넓은 면이 대향되는 쌍을 이루는 배열 상태로 복수 개 형성되게 하는 단계와;

(b) 상기 전극판들에 이격되게 형광체를 가지는 애노드 전극을 설치하는 단 계와;

(c) 상기 대향되는 쌍을 이룬 전극판들 사이에 주기적으로 서로 다른 크기의 전압을 나타내는 펄스파가 인가되도록 하여, 이들이 교대로 캐소드 전극과 게이트의 역할을 하도록 해주는 펄스파 공급기를 설치하는 단계와;

(d) 상기 대향되는 쌍을 이룬 전극판들과 상기 애노드 전극 사이에 직류 전압을 인가하는 직류전원을 설치하는 단계;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 (a) 단계가:

(a-1) 기판 상에 탄소나노튜브를 포함한 금속계 복합재료층을 성막시키는 단계와;

(a-2) 일정한 간격의 패턴으로 상기 탄소나노튜브를 남기고 상기 금속계 복합재료층만을 식각 제거함으로써, 상기 탄소나노튜브가 형성된 넓은 면이 대향되는 쌍을 이루는 배열 상태로 복수 개의 전극판이 형성되게 하는 단계;

인 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속계 복합재료층만을 식각 제거하는 (a-2) 단계가, 레이저 조사에 의한 물리적 식각에 의해 이루어지도록 할 수도 있으며, 화학 약액에 의한 화학적 식각에 의해 이루어지도록 할 수도 있다.

한편, 다른 경우에는, 상기 (a) 단계가:

(a-1) 기판 상에 금속막을 형성하는 단계와;

(a-2) 일정한 간격의 패턴으로 상기 금속막을 식각하여, 넓은 면이 대향되는 쌍을 이루는 배열 상태로 복수 개의 전극판이 형성되게 하는 단계와;

(a-3) 상기 식각된 금속막의 측벽에 탄소나노튜브 형성촉매를 도포하는 단계와;

(a-4) 상기 탄소나노튜브 형성촉매를 매개로 상기 식각된 금속막의 측벽에 탄소나노튜브를 형성하는 단계;

일 수도 있다.

이 경우, 상기 탄소나노튜브를 형성하는 (a-4) 단계가:

(1) 진공가열로에서 CH₄, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆ 및 CO로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 성분으로 하는 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계일 수도 있으며,

(2) Co(CO)₈, Fe(CO)₅, Fe(C₅H₅)₂, 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol) 및 자일렌(Xylene)으로 구성된 탄소를 포함한 용매군 중의 어느 하나 또는 그 혼합용매에, 상기 탄소나노튜브 형성촉매가 도포된 결과물을 담지하고, 초음파처리하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계일 수도 있으며,

(3) 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브를 포함한 복합재료와 끓는점이 섭씨 80~300도 인 용매로 구성된 탄소나노튜브용액에 담지하거나, 상기 용액을 분무하는 단계일 수도 있다

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분에는 동일한 부호 및 명칭을 사용한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 개략적 구성을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 형광체(21)가 형성된 애노드 전극(20)과 절연성 기판(15)이 서로 대면하고 있다. 또한, 3차원 구조의 캐소드 전극(10)의 양면에는 탄소나노튜브(30)가 형성되어 있고, 각각의 캐소드 전극(10)의 일측면이 절연성 기판(15)에 접촉한 상태로 복수 개의 캐소드 전극(10)이 수직으로 배열되어 있다. 여기에서 3차원 구조라고 한 이유는, 종래기술에서는 캐소드 전극 상에 2차원적으로 탄소나노튜브가 형성되고 이를 그대로 탄소나노튜브 에미터에 이용한 것에 반하여, 본 발명에서는 복수 개의 캐소드 전극(10)을 수직으로 배열함으로써 높이가 고려된 3차원적으로 형성된 탄소나노튜브가 탄소나노튜브 에미터에 이용되기 때문이다. 복수 개의 캐소드 전극(10)은, 탄소나노튜브(30)가 형성된 넓은 면끼리 대면하거나, 좁은 면끼리 나란하도록 일렬로 배열된다. 캐소드 전극(10)과 애노드 전극(20) 사이에는 직류 전압이 공급되는데, 탄소나노튜브(30)가 형성된 넓은 면끼리 대면하는 캐소드 전극(10)에는 펄스파 공급기(60)에 의해 펄스파가 공급된다. 이와 같이 펄스파가 공급될 경우, 서로 쌍을 이루어 대면하는 캐소드 전극(10)과 게이트(40)는 그 역할을 교대로 수행하게 된다. 캐소드(10)의 장대비(캐소드의 높이(80)/캐소드의 두께(70))는 1~20 인 것이 바람직하지만, 이론상으로는 1 이상 무한정 크게 할 수도 있다. 그러나, 캐소드의 높이(80)는 형광체(21)가 형성된 애노드 전극(20)과 절연성 기판(15) 사이의 간격에 제한을 받게 되어 있다. 장대비가 1 이상일 경우가 바람직한 이유는, 일정한 면적의 절연성 기판(15) 상에 많은 수의 캐소드 전극(10)과 게이트(40)가 설치될 수 있어서 성능이 우수한 탄소나노튜브 전계방출 에미터를 만들 수 있기 때문이다. 이와 같은 구조를 가진 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 전계방출 에미터는 다음과 같은 장점을 가진다.

(1) 탄소나노튜브 전계방출 에미터가 3차원적 구조를 가지기 때문에, 캐소드의 장대비를 높임에 따라서 전계방출 에미터의 역할을 하는 탄소나노튜브의 형성면적(이하, "에미터의 면적"이라고 함)이 넓어져서 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 효율을 높일 수 있다.

(2) 종래기술에 비해 넓은 에미터의 면적을 가지기 때문에, 동일한 효율을 낼 경우라도, 2차원적 구조를 가지는 종래기술의 탄소나노튜브 전계방출 에미터에 비해 탄소나노튜브 한 가닥 당 흐르는 전류밀도를 1/2 또는 그 이하로 낮출 수 있다. 따라서, 탄소나노튜브의 손상을 최소화하여 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 수명을 향상시킬 수 있다.

(3) 탄소나노튜브(30)가 애노드 전극(20)이나 형광체(21)의 면에 대체로 수평하게 형성되어 있기 때문에, 수직방향으로 이동하는 기체/이온의 충돌을 최소화하여 탄소나노튜브(30)의 손상을 방지하고 수명을 향상시킬 수 있다.

이하의 실시예들은 도 5에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 전계방출 에미터를 제조하는 방법을 설명하는 것이다. 본 발명의 방법에서 가장 중요한 것은, 탄소나노튜브 전계방출 에미터 전체 구조 중에서 3차원 구조의 탄소나노튜브 배열을 형성하는 방법이므로 도면으로는 이 단계까지 설명하며, 나머지 구성 요소를 형성하는 것은 도 5를 참조하여 설명한다.

[실시예 1]

탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브 복합분말을 에틸셀룰로스 및 터페네올로 구성된 유기바인더와 3롤밀을 이용하여 혼합한 후 이를 이용하여 전도성 캐소드 전극(또는 게이트) 모재(11)에 양면 스크린프린팅을 실시하되, 추후에 캐소드 전극(또는 게이트)이 만들어질 영역(A)을 규칙적으로 노출시키는 마스크를 사용하여 정해진 영역에만 도포가 이루어지도록 한다. 본 실시예에서는 캐소드 전극(또는 게이트)이 만들어질 영역(A)이 직사각형의 형상을 갖도록 했으며, 이들이 2차원적으로 일정 간격을 두고 정렬되도록 하였다. 그 다음, 섭씨 100~500도, 1mTorr 이하의 진공에서 소성함으로써 도 6a에 도시한 바와 같이 2차원적인 구조의 탄소나노튜브(30)를 형성한다.

이어서, 2차원적인 구조의 탄소나노튜브(30)가 형성된 영역의 둘레 중에서 짧은 변을 따라서 유리스페이서(31)를 설치하여 도 6b에 도시된 구조를 완성한다. 유리스페이서(31)는 유리프릿(glass frit)을 스크린프린팅하거나 또는 일정한 두께로 절단된 유리판 또는 일정한 직경을 가지는 유리구에 절연성 접착제를 도포하여 접착시킴으로써 설치한다. 유리프릿을 스크린프린팅할 경우에는 도 6a에서 행해지는 스크린프린팅과는 반대로 캐소드 전극(또는 게이트)이 만들어질 영역(A)에는 유리가 도포되지 않도록 하는 마스크를 사용한다.

그 다음, 도 6b의 결과물을 도 6c와 같이 레이저 또는 다아아몬드 커터(미도시)로 전도성 캐소드 전극(또는 게이트) 모재(11)와 유리스페이서(31)를 절단선(C- C')에 따라 일정한 폭으로 절단한다. 그 폭은 특별히 한정되는 것은 아니지만 10마이크로미터에서 수 밀리미터가 되도록 미세하게 절단될 수도 있다. 절단된 2차원적 구조로 탄소나노튜브가 형성된 캐소드 전극(또는 게이트)은 핀셋이나 로봇팔(32)에 의해 들어올려져 이동될 수 있다.

이와 더불어, 탄소나노튜브가 형성된 캐소드 전극(또는 게이트)의 절단체(33)가 배열될 수 있도록 절연성 기판(15), 예컨대 유리 기판 상에 일정한 간격으로 조립 홈(assembly groove; 34)을 도 6d와 같이 마련하고, 그 조립 홈(34)에 맞추어 탄소나노튜브가 형성된 캐소드 전극(또는 게이트)의 절단체(33)를 핀셋이나 로봇팔(32)에 의해 설치하여 도 6e에 도시한 바와 같은 3차원 구조의 탄소나노튜브 배열 구조를 완성한다.

3차원 구조의 탄소나노튜브 배열 구조를 완성한 이후부터 탄소나노튜브 전계방출 에미터 전체 구조를 완성하는 단계는 도 5를 참조하여 설명한다. 그 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 형광체(21)가 형성된 애노드 전극(20)을 절연성 기판(15)과 대면하도록 설치하고, 캐소드 전극 또는 게이트(10, 40)과 애노드 전극(20) 사이에는 직류 전압이 공급되도록 한다. 또한, 탄소나노튜브(30)가 형성된 넓은 면끼리 대면하는 캐소드 전극(10)과 게이트(40)에는 펄스파 공급기(60)에 의해 펄스파가 공급되도록 하여, 넓은 면이 마주 보는 캐소드 전극(10)과 게이트(40)가 교차적으로 그 역할을 수행하도록 하여, 탄소나노튜브 전계방출 에미터를 완성한다.

[실시예 2]

절연성 기판(15), 예컨대 유리 기판 위에 10마이크로미터 ~ 수 밀리미터 두 께의 탄소나노튜브를 포함한 금속계 복합재료층(36)을 성막시켜서 도 7a에 도시된 바와 같은 구조를 만든다.

그 다음, 도 7b와 같이, 탄소나노튜브를 포함한 복합재료층(36)에 출력파워가 1∼5W인 CO₂ 레이저(38)의 빔을 초당 0.1∼100mm의 스캐닝(scanning) 속도로 조사하여 금속은 선택적으로 식각되고 캐소드 전극(10)(또는 게이트(40))과 탄소나노튜브(30)가 잔류하도록 한다.

이러한 식각을 반복하여, 탄소나노튜브를 포함한 금속계 복합재료층(36)에 폭 0.1∼500㎛의 줄무늬 패턴이 0.1∼500㎛ 간격으로 형성되도록 하여 도 7c에 도시한 바와 같은 3차원 구조의 탄소나노튜브 배열 구조를 완성한다.

이와 같이 3차원 구조의 탄소나노튜브 배열 구조를 완성한 이후부터 탄소나노튜브 전계방출 에미터 전체 구조를 완성하는 단계는 실시예 1과 동일하므로 추가적인 설명은 생략한다.

본 실시예 2에서는 탄소나노튜브를 포함한 복합재료층(36)을 식각하기 위해 레이저를 이용한 물리적 식각을 이용하였으나, 그 외에도 화학약액과 마스크 패턴을 사용한 화학적 식각을 적용하여도 무방하다.

[실시예 3]

먼저 도 8a와 같이, 절연성 기판(15), 예컨대 유리 기판 위에 10마이크로미터 ∼ 수 밀리미터 두께의 금속층(39)을 형성하고, 그 위에 포토레지스트(51)를 도 포한다.

이어서, 도 8b와 같이, 폭이 5∼500㎛인 줄무늬 패턴을 가지는 마스크를 통해 UV를 노광시킨 후 포토레지스트를 제거하여 포토레지스트 패턴(51a)를 얻은 다음, 금속층(39)을 식각하여 금속 캐소드 전극(10) 또는 게이트(40)을 얻는다.

그 다음, 탄소나노튜브 성장 촉매(52)를 도포하여 도 8c에 도시된 구조를 얻는다. 탄소나노튜브 성장 촉매(52)는 Fe, Co, Ni 중 최소한 한 가지를 그 성분으로 포함한다.

이어서, 도 8d와 같이, 포토레지스트 패턴(51a)을 제거하여 금속 캐소드 전극(10) 또는 게이트(40)의 측면에만 탄소나노튜브 성장 촉매(52)가 잔류하도록 한다.

그 다음, 도 8d의 결과물을 섭씨 100도∼900도인 진공로에 넣고, CH₄, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆ 및 CO로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 성분으로 하는 가스를 흘려주면서 탄소나노튜브(30)를 성장시킴으로써 도 8e에 도시한 바와 같은 3차원 구조의 탄소나노튜브 배열 구조를 완성한다.

본 실시예 3에서는 탄소나노튜브를 형성하기 위해 탄소나노튜브 성장용 가스 분위기에서 진공 열처리를 하는 방법을 설명하였으나, 그 외에도:

(a) Co(CO)₈, Fe(CO)₅, Fe(C₅H₅)₂, 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol) 및 자일렌(Xylene)과 같이 탄소를 포함한 용매 또는 그 혼합용매에 도 8d의 결과물을 담지하고, 초음파처리하여 탄소나노튜브를 형성시킬 수도 있으며,

(b) 도 8d의 결과물을, 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브를 포함한 복합재료와 끓는점이 섭씨 300도 이하인 용매, 바람직하게는 끓는점이 섭씨 80~300도 인 용매로 구성된 탄소나노튜브용액에 담지하거나, 상기 용액을 분무하여 형성시킬 수도 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브의 손상을 최소화하여 수명을 획기적으로 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 우수한 성능을 가지는 탄소나노튜브 전계방출 에미터를 제조할 수 있다. 또한, 이러한 구조의 탄소나노튜브 전계방출 에미터는, 전계방출 디스플레이 소재, 백라이트 유닛(Back Light Unit), X-레이 소스(X-ray Source), 전계방사 주사전자현미경(Field Emission Scanning Microscope)/전계방사 터널링 현미경(Field Emission Tunneling Microscope), 센서 등의 최첨단 소재 분야에 널리 응용될 수 있다.

Claims

적어도 일면에 탄소나노튜브가 형성되어 있는 전극판의 두께에 대한 높이의 비인 장대비가 1~20인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터.
넓은 면이 서로 대면하여 쌍을 이루도록 위치한 적어도 2개의 전극판들과;

상기 전극판들의 각각의 양면에 형성된 탄소나노튜브와;

상기 전극판들의 각각의 일측면이 접촉한 상태로 수직으로 고정되게 하는 기판과;

상기 기판과 이격된 상태로 나란하게 설치되며, 상기 기판과 대면하는 형광체를 가지는 애노드 전극과;

상기 애노드 전극과 상기 전극판들 사이에 직류 전압을 인가하는 직류전원과;

상기 쌍을 이루는 전극판들 중의 어느 하나와 다른 하나에 주기적으로 서로 다른 크기의 전압을 나타내는 펄스파가 인가되도록 하여, 이들이 교대로 캐소드 전극과 게이트의 역할을 하도록 해주는 펄스파 공급기;

를 구비하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터.
제2항에 있어서, 상기 전극판의 두께에 대한 높이의 비인 장대비가 1~20 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터.
제2항에 있어서, 상기 기판이 유리기판인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터.
(a) 적어도 일면에 탄소나노튜브가 형성된 전극판을 복수 개 제작하는 단계와;

(b) 상기 전극판들의 탄소나노튜브가 형성된 넓은 면이 대향되는 쌍을 이루도록 배열하는 단계와;

(c) 상기 전극판들에 이격되게 형광체를 가지는 애노드 전극을 설치하는 단계와;

(d) 상기 대향되는 쌍을 이룬 전극판들 사이에 주기적으로 서로 다른 크기의 전압을 나타내는 펄스파가 인가되도록 하여, 이들이 교대로 캐소드 전극과 게이트의 역할을 하도록 해주는 펄스파 공급기를 설치하는 단계와;

(e) 상기 대향되는 쌍을 이룬 전극판들과 상기 애노드 전극 사이에 직류 전압을 인가하는 직류전원을 설치하는 단계;

를 구비하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 (a) 단계가:

(a-1) 상기 전극판의 모재의 적어도 일면에, 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 복합분말 중에서 선택된 어느 하나를 유기바인더와 혼합하여 형성한 혼합물을 복수의 소정 영역들에만 도포하는 단계와;

(a-2) 상기 혼합물이 도포된 전극판을 진공에서 소성하여 상기 도포된 영역에만 탄소나노튜브가 형성되게 하는 단계와;

(a-3) 상기 탄소나노튜브가 형성된 영역이 포함되게 상기 전극판의 모재를 절단하여 탄소나노튜브가 형성된 전극판을 복수 개 얻는 단계;

인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.
(a) 적어도 일면에 탄소나노튜브가 형성된 전극판이, 상기 탄소나노튜브가 형성된 넓은 면이 대향되는 쌍을 이루는 배열 상태로 복수 개 형성되게 하는 단계와;

(b) 상기 전극판들에 이격되게 형광체를 가지는 애노드 전극을 설치하는 단계와;

(c) 상기 대향되는 쌍을 이룬 전극판들 사이에 주기적으로 서로 다른 크기의 전압을 나타내는 펄스파가 인가되도록 하여, 이들이 교대로 캐소드 전극과 게이트의 역할을 하도록 해주는 펄스파 공급기를 설치하는 단계와;

(d) 상기 대향되는 쌍을 이룬 전극판들과 상기 애노드 전극 사이에 직류 전압을 인가하는 직류전원을 설치하는 단계;

를 구비하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 (a) 단계가:

(a-1) 기판 상에 탄소나노튜브를 포함한 금속계 복합재료층을 성막시키는 단 계와;

(a-2) 일정한 간격의 패턴으로 상기 탄소나노튜브를 남기고 상기 금속계 복합재료층만을 식각 제거함으로써, 상기 탄소나노튜브가 형성된 넓은 면이 대향되는 쌍을 이루는 배열 상태로 복수 개의 전극판이 형성되게 하는 단계;

인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 금속계 복합재료층만을 식각 제거하는 (a-2) 단계가 레이저 조사에 의한 물리적 식각에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 금속계 복합재료층만을 식각 제거하는 (a-2) 단계가 화학 약액에 의한 화학적 식각에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 (a) 단계가:

(a-1) 기판 상에 금속막을 형성하는 단계와;

(a-2) 일정한 간격의 패턴으로 상기 금속막을 식각하여, 넓은 면이 대향되는 쌍을 이루는 배열 상태로 복수 개의 전극판이 형성되게 하는 단계와;

(a-3) 상기 식각된 금속막의 측벽에 탄소나노튜브 형성촉매를 도포하는 단계와;

(a-4) 상기 탄소나노튜브 형성촉매를 매개로 상기 식각된 금속막의 측벽에 탄소나노튜브를 형성하는 단계;

인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 형성하는 (a-4) 단계가, 진공가열로에서 CH₄, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆ 및 CO로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 성분으로 하는 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 형성하는 (a-4) 단계가, Co(CO)₈, Fe(CO)₅, Fe(C₅H₅)₂, 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol) 및 자일렌(Xylene)으로 구성된 탄소를 포함한 용매군 중의 어느 하나 또는 그 혼합용매에, 상기 탄소나노튜브 형성촉매가 도포된 결과물을 담지하고, 초음파처리하여 탄소나노튜브를 성장시키는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 탄소나노튜브를 형성하는 (a-4) 단계가, 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브를 포함한 복합재료와 끓는점이 섭씨 80~300도 인 용매로 구성된 탄소나노튜브용액에 담지하거나, 상기 용액을 분무하는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 제조방법.