KR101309537B1 - 카본나노튜브 페이스트 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카본나노튜브 페이스트 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 카본나노튜브 페이스는 카본나노튜브, 카본나노튜브를 분산시키기 위한 용매, 용매에 의해 분산된 카본나노튜브가 점성을 갖도록 하는 유기 바인더, 카본나노튜브와 함께 용매에 분산되며 카본나노튜브의 직경보다 큰 사이즈를 갖는 다공성 나노입자, 및 다공성 나노입자의 기공에 흡착되어 카본나노튜브의 열화를 방지하는 게터물질을 포함한다. 따라서, 다공성 나노입자의 기공에 흡착되어 있는 게터물질을 포함하는 카본나노튜브 페이스트를 통하여 카본나노튜브 에미터(CNT Emitter)를 제조함으로써, 전계방출소자의 대기 중 진공 패키징 시 발생될 수 있는 카본나노튜브의 산화 및 열화를 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

카본나노튜브 페이스트 및 이의 제조방법{Carbon Nanotube Paste And Manufacturing Method of Carbon Nanotube Paste}
본 발명은 카본나노튜브(Carbon Nano Tube: CNT) 페이스트(Paste) 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온에서 소성이 가능하고 대기 중 고온 열화가 최소화될 수 있는 카본나노튜브 페이스트 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 디스플레이 기술이 발달함에 따라, 전통적인 음극선관(CRT; cathode ray display)대신 편광표시장치가 널리 보급되고 있다. 이러한 평판표시장치로는 액정표시장치(LCD: liquid crystal display), 플라즈마 표시 패널(PDP: plasma display panel) 및 전계 방출 소자(FED: field emission Display) 등이 대표적이다.
특히 편광표시장치 중 FED는 CRT의 전자 방출원이 냉음극(cold cathode)물질로 이루어져 있다는 점을 제외하고는, CRT와 유사한 물리적인 원리를 이용한다. FED는 극미세 구조의 전계 에미터(음극 전극)에 전기장을 인가하여 전계 에미터에서 진공 속으로 방출시킨 전자를 형광체에 충돌시켜 화상을 표시하기 때문에, 음극선관의 우수한 표시특성을 그대로 살리면서 경량, 박형화가 가능하다.
FED장치는 넓은 시야각, 저소비전력, 빠른 응답속도 등의 장점을 가지는 디스플레이 장치의 일종으로써, CRT 또는 LCD 등을 대체할 수 있는 차세대 디스플레이로서 주목받고 있다. 또한, LCD의 제한된 특성, 좀 더 자세히는 대조비의 상대적 저하, 낮은 응답속도 등을 극복하기 위하여 로컬디밍(국부발광)에 유리한 전계방출램프(Field Emission Lamp : FEL)이 차세대 LCD 백라이트 유닛(BLU)으로써 활발히 개발되고 있다. 최근 들어, FED 또는 FEL 등의 전자 방출원으로 카본나노튜브(CNT : carbon nano tube) 에미터가 각광받고 있다. 카본나노튜브 에미터는 진공 중에서 끝이 뾰족한 도전성 에미터에 전기장이 인가되었을 때 전자가 방출되는 전계방출 원리를 이용하는 에미터로 가장 우수한 성능을 제공한다.
이러한 FED 및 FEL은 강한 전계에 의하여 에미터(음극 전극)에서 방출되는 전자를 애노드 전극상의 형광 물질과 충돌시켜 화상을 표시하거나, 광을 발생시키는 것으로써, 이때 방출되는 전자의 궤적을 최적화하고, 팁 에미터의 열화 및 산화를 방지하며, 잔류가스의 이온화에 따른 이온 충돌을 방지하기 위하여 상판과 하판 사이에 형성된 공간을 대략 10-6토르(Torr) 이하의 고진공으로 유지하여야 한다. 상기와 같이 고진공을 유지하기 위하여 게터 물질을 이용한 진공유지가 일반적으로 사용되고 있으며, 이를 위하여 FED 등의 전계방출소자 내부의 일부분에 게터 물질을 부착하여 이를 해결하고 있다.
그러나, 기존의 CRT 진공 패키징이 대기 중에서 이루어짐과는 달리, 전계방출소자의 진공 패키징 공정은 진공 챔버 내에서 진행됨으로 인해, 제조 공정의 난해함과 고비용, 생산성의 저하라는 문제에 직면하여, 최근까지도 전계방출소자의 상용화에 어려움을 격고 있는 실정이다.
또한, 전계방출소자의 진공 패키징 시, 유리프릿 페이스트 등의 바인더 물질에 의한 아웃-가싱(out-gassing) 및 고온공정에 따른 카본나노튜브의 산화 및 소실 현상이 일어나 전자방출 특성이 저하되는 문제가 발생되고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명은 전계방출소자의 진공 패키징을 대기 중에서 진행할 수 있으며, 진공 패키징 공정 시 발생되는 아웃-가싱(out-gassing) 및 고온 공정에 따른 카본나노튜브의 산화/소실 현상 및 열화를 보다 효과적으로 방지할 수 있는 카본나노튜브 페이스트 및 이의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기한 카본나노튜브 페이스트를 이용하여 카본나노튜브 에미터를 제조함에 있어, 카본나노튜브가 열화되지 않는 낮은 온도에서 용융 가능한 나노 크기의 금속 나노입자를 카본나노튜브 페이스트에 첨가함으로써, 음전극과 카본나노튜브 사이의 계면 저항을 낮추고, 접착성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 카본나노튜브 페이스트 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 카본나노튜브 페이스트는 카본나노튜브, 상기 카본나노튜브를 분산시키기 위한 용매, 상기 용매에 의해 분산된 상기 카본나노튜브가 점성을 가지도록 하는 유기 바인더, 상기 용매에 상기 카본나노튜브와 함께 분산되며, 상기 카본나노튜브의 직경보다 큰 사이즈를 갖는 다공성 나노입자, 및 상기 다공성 나노입자의 기공에 흡착되어 상기 카본나노튜브의 열화를 방지하는 게터물질을 포함한다.
상기 다공성 나노입자는 황토, 제오라이트(Zeolite) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 상기 다공성 나노입자는 금속, 금속산화물 및 금속질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 게터물질은 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 토륨(Th), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 툴륨(Tm), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈률(Ga), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 인듐(In), 주석(Sn), 텅스텐(W) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 카본나노튜브 페이스트는 상기 카본나노튜브와 전계방출소자의 음전극과의 접착성을 향상시키기 위하여 첨가된 금속 또는 금속산화물 나노입자를 더 포함할 수 있다. 상기 금속 나노입자는 은(Ag), 타타늄(Ti), 납(Pd), 아연(Zn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 금(Au) 및 금속합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 카본나노튜브 페이스트의 제조 방법은, 카본나노튜브를 용매에 분산시키는 단계, 상기 용매에 다공성 나노입자 및 게터물질을 첨가하여 상기 다공성 나노입자의 기공에 상기 게터물질이 흡착되도록 하는 단계, 상기 용매에 유기 바인더를 첨가하는 단계, 및 상기 유기 바인더가 첨가된 분산용액의 점도를 조절하기 위해 밀링 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 카본나노튜브와 전계방출소자의 음전극과의 접착성을 향상시키기 위하여 상기 용매에 금속 또는 금속산화물 나노입자를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 카본나노튜브 페이스트 및 이의 제조방법에 따르면, 다공성 나노입자의 기공에 흡착되어 있는 게터물질을 포함하는 카본나노튜브 페이스트를 통하여 카본나노튜브 에미터(CNT Emitter)를 제조함으로써, 전계방출소자의 대기 중 진공 패키징 시 발생될 수 있는 카본나노튜브의 산화 및 열화를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 카본나노튜브 페이스트에 나노 사이즈의 금속 나노입자를 첨가함으로써, 카본나노튜브 페이스트로 제작된 카본나노튜브 에미터에서 카본나노튜브와 음전극 간의 접착성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 대기 중에서 진공 패키징이 가능한 고성능의 카본나노튜브 페이스트를 제공함으로 인해, 전계방출소자의 상용 양산화가 가능해 질 수 있다.
도 1은 본 발명인 카본나노튜브 페이스트로 제조된 카본나노튜브 에미터를 개략적으로 도시한 확대 단면도이다.
도 2는 도 1의 A의 확대도로, 다공성 나노입자와 게터물질의 혼합상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명인 카본나노튜브 페이스트의 제조단계를 나타내는 흐름도이다.
도 4는 분말상태의 나노 사이즈의 금속 입자를 첨가한 카본나노튜브 페이스트의 제조단계를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 페이스트 상태의 나노 사이즈 금속 입자를 첨가한 카본나노튜브 페이스트 제조단계를 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 않된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카본나노튜브 페이스트는 카본나노튜브와, 상기 카본나노튜브를 분산시키는 용매와, 상기 용매에 의해 분산된 상기 카본나노튜브가 점성을 가질 수 있도록 하는 유기 바인더와, 상기 카본나노튜브의 입자 직경보다 큰 사이즈의 다공성 나노입자 및 상기 다공성 나노입자의 기공에 흡착되는 게터물질을 포함한다.
카본나노튜브 페이스트는 카본나노튜브를 용매와 혼합하여 분산시킨 후 유기 바인더를 첨가하여 점성을 갖는 형태로 만든 후, 밀링 공정을 통하거나 유기 용제를 첨가하여 점도를 조절하여 제조될 수 있다.
본 발명은 상기 카본나노튜브 페이스트 제조 시 다공성 나노입자와 게터물질의 혼합물을 더 첨가하여 페이스트를 제조하는 것이다.
도 1은 본 발명인 카본나노튜브 페이스트로 제조된 카본나노튜브 에미터를 개략적으로 도시한 확대 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 A 부분의 확대도로, 다공성 나노입자와 게터물질의 혼합상태를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본나노튜브 페이스트는 전계방출소자의 카본나노튜브 에미터를 제조하기 위한 것으로써, 기판(500) 상에 형성된 음전극(510) 상에 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 카본나노튜브 페이스트는 원통 형상의 카본나노튜브(100)와 다공성 나노입자(200) 및 게터물질(300)을 포함한다. 또한, 도시되지는 않았으나, 상기 카본나노튜브 페이스트는 카본나노튜브(100)를 분산시키기 위한 용매 및 상기 용매에 의해 분산된 상기 카본나노튜브(100)가 점성을 갖도록 하는 유기 바인더를 더 포함한다.
상기 다공성 나노입자(200)는 카본나노튜브(100)의 직경보다 큰 입자 크기를 가지며, 입자 외벽에 다수의 기공(210)이 형성되어 있다. 상기 다공성 나노입자(200)는 예를 들어, 수십nm ~ 수백nm의 크기를 갖는다. 한편, 상기 다공성 나노입자(200)는 마이크로미터(um) 단위크기로 형성될 수도 있다. 상기 다공성 나노입자(200)는 황토 또는 제오라이트(Zeolite)로 형성될 수 있다. 이외에도, 상기 다공성 나노입자(200)는 Al2O3, TiO2, SiO2, TiN 등의 금속 산화물 또는 금속 질화물로 형성되거나, 금속의 다공성 나노입자로 형성될 수 있다.
상기 다공성 나노입자(200)는 상기 기공(210)을 통해 카본나노튜브(100)가 관통하도록 형성되거나, 또는 카본나노튜브(100)의 측면에 부착되도록 형성될 수 있다.
상기 게터물질(300)은 상기 다공성 나노입자(200)보다 작은 사이즈로 형성되어 상기 다공성 나노입자(200)의 기공(210) 내에 흡착된다. 상기 게터물질(300)은 전계방출소자의 진공유지를 위해 실장되는 게터와는 별도로 형성되는 것으로써, 대기 중에서 전계방출소자의 진공 패키징을 위한 고온 열처리 시, 탄소나노튜브(100)보다 게터물질(300)이 먼저 산화되도록 유도함으로써 탄소나노튜브(100)의 산화 및 열화를 방지한다. 즉, 전계방출소자의 진공 패키징을 위한 고온 열처리 시, 대기 중의 O2를 비롯하여 유기 바인더 등의 물질에서 O2, CO2, CH3, CH4 등의 불순물 가스가 발생하게 되는데, 이러한 불순물 가스가 탄소나노튜브(100)와 반응하기 전에 상기 게터물질(300)이 불순물 가스와 반응하여 산화됨으로써, 탄소나노튜브(100)의 산화 및 열화를 최소화시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 게터물질(300)은 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 토륨(Th), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 툴륨(Tm), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 인듐(In), 주석(Sn), 텅스텐(W) 등의 단일 물질로 형성되거나, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 형성될 수 있다.
전계방출소자를 위한 카본나노튜브 이미터를 제조함에 있어, 유리기판, 유리프릿, 절연체 등으로부터 O2, H2O, CO2, CO, H2, CH3, CH4 등의 불순물 가스가 발생되는데, 본 발명에 의한 카본나노튜브 페이스트를 사용할 경우, 간편하게 카본나노튜브(100)의 산화 및 열화를 방지할 수 있다. 특히, 카본나노튜브(100)와 가까운 곳에 형성된 상기 다공성 나노입자(200)의 기공(210) 내에 상기 게터물질(300)을 형성함으로써, 카본나노튜브(100)의 산화 및 열화 방지 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 카본나노튜브 에미터 제조 시 카본나노튜브(100)의 열화가 일어나지 않는 낮은 온도에서 용융 가능한 나노 크기의 금속 및/또는 금속산화물 나노입자를 카본나노튜브 페이스트 내에 더 첨가함으로써, 카본나노튜브(100)와 음전극(510) 사이의 접착성을 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 금속의 용융온도는 금속 나노입자의 표면적과 질량과의 상대비에 따르게 된다. 통상 800℃의 용융점을 가지는 금속의 경우, 입자의 크기가 ㎛이하로 작아질 경우 50% 정도인 약 400℃의 온도에서 용융 가능하며, 수 ~ 수십 ㎚ 크기로 매우 작게 쪼개질 경우 100℃ 근방의 온도에서도 용융될 수 있다. 물론 상기 특성은 금속의 종류 및 용융되는 주위 분위기에 따라 달라질 수 있다.
따라서, 상기 카본나노튜브 페이스트 내에 나노 사이즈의 금속 나노입자를 첨가함으로써, 낮은 온도에서도 금속 나노입자가 금속 나노입자층(400)으로 용융되어 음전극(510)과 카본나노튜브(100) 간의 계면 저항을 낮추고, 접착성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 금속 나노입자는 상기 카본나노튜브의 열 손상 온도보다 낮은 온도에서 용융되는 입자 사이즈를 갖는다. 상기 금속 나노입자로는 은(Ag), 타타늄(Ti), 납(Pd), 아연(Zn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 금(Au) 등이 단독 또는 혼합물로 사용될 수 있다.
한편, 상기 금속 또는 금속산화물 나노입자가 파우더 형태일 경우 카본나노튜브와 같이 혼합되어 함께 분산되며, 상기 금속 또는 금속산화물 나노입자가 페이스트 형태일 경우 유기 바인더와 같이 혼합되어 카본나노튜브 페이스트를 형성하게 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본나노튜브 페이스트의 제조방법을 설명한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본나노튜브 페이스트의 제조단계를 나타낸 흐름도이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 카본나노튜브 페이스트의 제조방법은 카본나노튜브(100)를 용매에 분산시키는 단계(S10)와, 상기 용매에 다공성 나노입자 및 게터물질을 첨가하여 상기 다공성 나노입자의 기공에 상기 게터물질이 흡착되도록 하는 단계(S20)와, 상기 용매에 유기 바인더를 첨가하는 단계(S30)와, 상기 유기 바인더가 첨가된 분산용역의 점도를 조절하기 위한 밀링 공정을 수행하는 단계(S40)를 포함한다.
카본나노튜브 페이스트를 제조하기 위해서는 우선 카본나노튜브(100)를 용매에 분산시켜야 한다(S10). 상기 카본나노튜브(100)는 대부분의 용매(수용성 용매, 유기 용매 등)에서 분산 가능하다. 그러나, 카본나노튜브(100)와 같은 나노 물질은 분산이 이루어지고 소정 시간 경과 후에 재결합(뭉침)하려는 특성을 가지고 있기 때문에 계면 활성 특성이 좋은 용매를 이용하는 것이 바람직하며, 또한, 급속한 증발 방지를 위해 기화 온도가 높은 용매(끊는 점이 약 150℃ 이상인 용매)를 추가로 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
바람직하게는 활성 특성이 좋은 이소프로필 알콜(IPA)과 테르피네올(terpineol) 등을 이용하여 카본나노튜브를 분산 처리한다. 이소프로필 알콜과 테르피네올을 혼합하여 분산 용매로 사용하는 경우에는, 카본나노튜브 페이스트가 제조 완료된 후 테르피네올(terpineol)만 존재하게 되는데, 이는 카본나노튜브 분산이 완료된 다음에 카본나노튜브 분산에 이용된 이소프로필 알콜을 건조시키기 때문이다.
한편, 상기 용매에 다공성 나노입자(200) 및 게터물질(300)을 첨가하여 상기 다공성 나노입자(200)의 기공(210) 내에 게터물질(300)이 흡착되도록 한다(S20).
상기 다공성 나노입자(200)는 예를 들어, 수십nm ~ 수백nm의 크기로 형성되며, 바람직하게는 황토 또는 제오라이트(Zeolite)로 형성되며, 이 외에도, Al2O3, TiO2, SiO2, TiN 등의 금속 산화물 또는 금속 질화물로 형성되거나, 금속의 다공성 나노입자로 형성될 수 있다. 또한, 상기 게터물질(300)은 상기 다공성 나노입자(200)보다 작은 사이즈를 가지며, 예를 들어, 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 토륨(Th), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 툴륨(Tm), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 인듐(In), 주석(Sn), 텅스텐(W) 등의 단일 물질로 형성되거나, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 형성될 수 있다.
상기 다공성 나노입자(200)는 입자 표면에 기공(210)이 형성되어 있어, 다공성 나노입자(200)보다 작은 사이즈의 게터물질(300)과 혼합할 경우 상기 다공성 나노입자(200)의 기공(210) 속으로 상기 게터물질(300)이 흡착된다.
다음으로, 카본나노튜브(100)가 분산되어 있는 분산용액에 유기 바인더를 첨가한다(S30). 상기 유기 바인더는 다양한 종류의 폴리머를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 아크릴레진 계열 또는 에틸셀룰로우즈 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 유기 바인더가 첨가된 분산 용액의 점도를 조절하기 위해 밀링 공정을 수행하여 카본나노튜브 페이스트를 제조한다(S40).
한편, 상기 카본나노튜브 페이스트에 나노 사이즈의 금속 나노입자를 더 첨가함으로써, 카본나노튜브(100)들간의 계면 저항 및 카본나노튜브 페이스트로 제작된 카본나노튜브 에미터와 음전극(510)간의 계면 저항 등을 낮추고, 접착성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 금속 나노입자는 수 ~ 수십 nm의 크기로 형성되며, 파우더 형태나 페이스트 형태 모두 사용이 가능하다. 상기 금속 나노입자가 파우더 형태이면, 도 4 의 흐름도와 같이 상기 S10 단계에서 다공성 나노입자(200)와 함께 상기 금속 나노입자를 용매에 분산시키고(S11), 상기 금속 나노입자가 페이스트 형태이면, 도 5 의 흐름도와 같이 후공정인 밀링 단계(S40)에 앞서 상기 금속 나노입자를 첨가한다(S31).
도 1에 도시된 바와 같이, 카본나노튜브 에미터를 제조함에 있어, 상기 금속 나노입자가 첨가된 카본나노튜브 페이스트를 음전극(510) 상에 도포한 후, 카본나노튜브 페이스트를 소성하는 단계를 수행한다.
상기 카본나노튜브 페이스트를 소성하는 단계는, 대기 분위기에서 약 250 ~ 300℃의 온도로 1차 소성하는 단계와, 진공 분위기에서 약 320 ~ 450℃의 온도로 2차 소성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 1차 소성단계에서는 카본나노튜브 페이스트에 포함된 유기 바인더의 버닝 아웃이 이루어짐과 동시에, 상기 금속 나노입자의 종류에 따라 금속 나노입자의 용융이 이루어진다. 상기 2차 소성단계에서는 상기 금속 나노입자의 전체적인 용융이 이루어진다. 이와 같은 카본나노튜브 페이스트의 소성 공정을 통해 상기 금속 나노입자가 용융되며, 결국 도 1에 도시된 바와 같이 음전극(510) 상에 금속 나노입자층(400)을 형성하여, 음전극(510)과 카본나노튜브 에미터간의 접착성 및 전기적 특성을 향상시킨다.
상기 금속 나노입자는 카본나노튜브(100)들 간의 계면 저항 및 카본나노튜브(100)와 음전극(510)간의 계면 저항 등을 낮추기 위해 옴접촉(ohmic contact)이 가능한 고전도성 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 금속 나노입자는 은(Ag), 타타늄(Ti), 납(Pd), 아연(Zn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 금(Au)등이 각각 개별적으로 사용되거나, 이들이 적절하게 혼합된 혼합물 형태로 사용될 수 있다.
이와 같이, 카본나노튜브 페이스트에 카본나노튜브의 열화가 발생되지 않는 낮은 온도에서도 용융될 수 있는 작은 사이즈의 금속 나노입자를 첨가함으로써, 전계방출소자의 제조시 카본나노튜브 에미터와 음전극 사이의 접착성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 카본나노튜브 페이스트는 페이스트 믹서(Paste Mixer)를 통해 단일 공정으로 제조될 수도 있다. 즉, 페이스트 믹서 내에 용매, 카본나노튜브 파우더, 다공성 나노입자, 게터물질, 유기 바인더, 금속 나노입자 및 밀링 볼(milling ball) 등을 투입한 후, 이들의 믹싱을 통해 한 번에 카본나노튜브 페이스트를 제조할 수 있다. 페이스트 믹서는 공전과 자전을 동시에 고 RPM으로 운전하여 원심력과 구심력 그리고 마찰력을 이용하여 페이스트를 혼합하는 장치로, 내부 임펠러(impeller) 없이 깨끗하고 신속하게 믹싱과 기포제거가 가능하도록 제작된 장치이다. 이와 같은 페이스트 믹서를 통해 카본나노튜브 페이스트를 제조함으로써, 양질의 카본나노튜브 페이스트를 다량으로 신속히 제조할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다.
100: 카본나노튜브 200: 다공성 나노입자
210: 기공 300: 게터물질
400: 금속 나노입자층 500: 기판
510: 음전극

Claims (11)

  1. 카본나노튜브;
    상기 카본나노튜브를 분산시키기 위한 용매;
    상기 용매에 의해 분산된 상기 카본나노튜브가 점성을 가지도록 하는 유기 바인더;
    상기 용매에 상기 카본나노튜브와 함께 분산되며, 상기 카본나노튜브의 직경보다 큰 사이즈를 갖는 다공성 나노입자; 및
    상기 다공성 나노입자의 기공에 흡착되어 상기 카본나노튜브의 열화를 방지하는 게터물질을 포함하는 카본나노튜브 페이스트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 나노입자는 황토, 제오라이트(Zeolite) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 페이스트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 나노입자는 금속, 금속산화물 및 금속질화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 페이스트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 게터물질은 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 토륨(Th), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 툴륨(Tm), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈률(Ga), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 인듐(In), 주석(Sn), 텅스텐(W) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 페이스트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브와 전계방출소자의 음전극과의 접착성을 향상시키기 위하여 첨가된 금속 또는 금속산화물 나노입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 페이스트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 은(Ag), 타타늄(Ti), 납(Pd), 아연(Zn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 페이스트.
  7. 카본나노튜브를 용매에 분산시키는 단계;
    상기 용매에 다공성 나노입자 및 게터물질을 첨가하여 상기 다공성 나노입자의 기공에 상기 게터물질이 흡착되도록 하는 단계;
    상기 용매에 유기 바인더를 첨가하는 단계; 및
    상기 유기 바인더가 첨가된 분산용액의 점도를 조절하기 위해 밀링 공정을 수행하는 단계를 포함하는 카본나노튜브 페이스트 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다공성 나노입자는 황토, 제오라이트(Zeolite) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 페이스트 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 게터물질은 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti), 토륨(Th), 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 툴륨(Tm), 바나듐(V), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈률(Ga), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 인듐(In), 주석(Sn), 텅스텐(W) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 페이스트 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브와 전계방출소자의 음전극과의 접착성을 향상시키기 위하여 상기 용매에 금속 또는 금속산화물 나노입자를 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 페이스트 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 은(Ag), 타타늄(Ti), 납(Pd), 아연(Zn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 페이스트 제조방법.
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