KR101564699B1 - 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법 - Google Patents

산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법에 관한 것으로, 금속기판을 양극 산화시켜 산화물 금속기판을 형성시키는 제1단계와, 포토리소그라피 공정을 이용하여 상기 산화물 금속기판 상면에 포토레지스트층 패턴을 형성시키는 제2단계와; 전해액을 이용하여 상기 포토레지스트층 패턴이 형성된 산화물 금속기판을 에칭시켜 산화물 금속기판에 수용공간을 형성시키는 제3단계와; 상기 포토레지스트층을 제거시키고, 상기 산화물 금속기판 상면에 메탈 마스크를 위치시키는 제4단계와; 상기 제4단계를 거친 산화물 금속기판의 표면에 촉매금속층을 형성시키는 제5단계와; 상기 제5단계를 거친 산화물 금속기판의 촉매금속층 상면에 탄소나노튜브층을 형성시키고 메탈마스크를 제거시켜 상기 수용공간 내부에만 탄소나노튜브층이 존재하도록 하는 제6단계;를 포함하여 구성되는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법을 기술적 요지로 한다.
이에 따라, 양극산화에 의해 형성된 산화물의 격벽 표면에 주기적 혹은 일정 패턴을 갖는 형태의 크기와 모양을 가지고 표면을 일정 깊이로 식각하여 산화물 격벽사이에 수용공간을 형성하고 형성된 내부의 수용공간에 탄소나노튜브 전자방출원을 형성시킴에 의해 외부 이온 및 입자 등의 충격에 의해 전자방출원이 훼손되는 것을 방지시킬 수 있음은 물론, 금속 표면의 산화물 격벽으로 인하여 수용공간에 형성된 탄소나노튜브 전자방출원의 거리를 조정할 수 있어서 스크린효과(Screen Effect)의 방지로 인한 전류방출효율의 증대를 꾀할 수 있으며 산화물 격벽이 절연체로써 역할을 할 수 있기 때문에 우수한 절연성도 담보할 수 있는 이점이 있다.

Description

산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법{Synthesis method of carbon nanotube field emitters isolated by anodized metal oxides}
본 발명은 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극산화에 의해 형성된 산화물의 격벽 표면에 주기적 혹은 일정 패턴을 갖는 형태의 크기와 모양을 가지고 표면을 일정 깊이로 식각하여 산화물 격벽사이에 수용공간을 형성하고 형성된 내부의 수용공간에 탄소나노튜브 전자방출원을 형성시킴에 의해 외부 이온 및 입자 등의 충격에 의해 전자방출원이 훼손되는 것을 방지시킬 수 있음은 물론, 금속 표면의 산화물 격벽으로 인하여 수용공간에 형성된 탄소나노튜브 전자방출원의 거리를 조정할 수 있어서 스크린효과(Screen Effect)의 방지로 인한 전류방출효율의 증대를 꾀할 수 있으며 산화물 격벽이 절연체로써 역할을 할 수 있기 때문에 우수한 절연성도 담보할 수 있는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법에 관한 것이다.
현재 반도체 및 각종 제품의 결함 등을 조사하기 위하여 사용되는 비침습적(Non-Intrusive)인 엑스선 비파괴검사(Non-Destructive Testing)와, 치아우식증 및 뼈의 골절유무 등 질병진단을 위하여 의료기관에서 사용되는 엑스선 시스템, 정전기 제거 및 미세먼지를 제거하기 위하여 사용되는 엑스선 시스템은 엑스선을 발생시키는 전자방출원으로 열음극소재인 텅스텐을 사용하고 있다. 상기 시스템은 고전압을 적용하여 열음극 소재인 텅스텐 필라멘트를 가열하여 열전자를 방출시키고 양극에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 구조로 되어 있다.
현재 사용되고 있는 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선관은 아래에서 지적한 바와 같이 다수의 단점을 가지고 있다.
첫째로, 텅스텐 필라멘트 엑스선관은 필라멘트에 고전압을 적용하여 전자를 발생시키는 열음극관 구조로 되어있기 때문에, 요구되는 엑스선을 발생시키는데 필요 이상의 높은 전력(High Electrical Power)이 소모된다. 또한 열전자가 스파이럴(Spiral) 구조를 갖는 텅스텐 표면에서 무작위로 발생되기 때문에, 엑스선을 발생시키는 양극에 충돌하는 전자들은 대략 발생된 열전자의 5% 이내로서 효율이 극히 낮다는 단점을 가지고 있다.
둘째로, 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선관은 필라멘트 음극과 양극으로 이루어진 전형적인 2극관이기 때문에 엑스선의 도즈(Dose) 및 엑스선의 투과에너지를 동시에 적정하게 조절하기가 용이하지 못하다.
셋째로, 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 전자방출원은 펄스형태로 엑스선을 방출시키는 것이 어렵기 때문에, 의료진단시 필요 이상의 다량의 엑스선 조사(X-ray Exposure)에 의하여 부작용을 초래할 수 있고, 다량의 시술시간이 요청되는 심장(혈관)조영 및 치과 임플란트 등과 같은 저선량(Low-Dose) 엑스선 의료시술에 사용하기에 어려움이 많다.
넷째로, 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선관은 고전압으로 필라멘트를 일정시간 가열하여 열전자를 방출시키고, 또한, 고전압을 "OFF"한 상태에서도 필라멘트의 잔류 열에 의하여 열전자가 일정시간 동안 지속적으로 방출되는 구조적 문제점을 가지고 있기 때문에, 즉각적인 엑스선의 "ON-OFF"가 가능하지 않다.
다섯째로, 필라멘트의 가열로 인하여 필라멘트로부터 "Out-Gas" 등 불순물이 발생할 수 있는 여지가 있어 엑스선관 내부의 진공도를 저해하고 결과적으로 엑스선의 발생효율을 저감시켜 엑스선관의 수명을 단축시킬 수 있다.
상기의 단점 등을 극복하기 위하여 최근에 탄소나노튜브 기반의 냉음극 엑스선 튜브에 대한 연구가 국내외적으로 활발하게 수행되고 있다. 탄소나노튜브 기반의 냉음극 엑스선 튜브는 앞서 지적한 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 튜브와 달리 전자방출 메카니즘이 양자역학적 전계(Electric Field)에 의한 전자방출이다. 탄소나노튜브 기반의 냉음극 엑스선 튜브는 이미 알려져 있는 화학증기증착법(Chemical Vapor Deposition, 이하 "CVD 방식"이라 함) 등을 이용하여 탄소나노튜브를 실리콘(Si) 등의 기판(Substrate)에 수십에서 수백 마이크로미터(㎛)의 크기로 성장시켜 제조한다. 탄소나노튜브가 성장된 음극 단면은 원형 등 다양한 모양으로 제작이 가능하며 단면의 크기 또한 적정한 공정방법을 이용하면 쉽게 조절이 가능하다.
이렇게 제조된 탄소나노튜브 전자방출원의 단면과 평형하게 적정한 거리, 예를 들면, 수십에서 수백 마이크로미터 거리를 유지한 상태로 금속 메쉬판(metal Mesh Sheet)을 설치하고, 이를 그리드 전극으로 이용하여 전압을 적용하면, 탄소나노튜브와 그리드전극과의 거리(D)와 그리드전극에 인가된 전압(V)에 의한 전계(Electric Field: E=V/D)가 발생되며, 발생된 전계에 의하여 음극으로 사용되는 탄소나노튜브로부터 전자가 인출되게 된다.
이러한 탄소나노튜브를 이용한 전계에 의한 냉음극 전자방출방식에 의한 엑스선관은 텅스텐 필라멘트 기반의 열 음극 엑스선관에 비하여 아래와 같은 중요한 장점을 보유하고 있다.
첫째로, 상대적으로 작은 전압을 그리드 전극에 인가하여 탄소나노튜브로부터 전자를 상온에서 인출하는 방식이므로 경제적이고, 방출되는 전자도 탄소나노튜브의 팁으로부터 전계방향으로 방출되기 때문에 양극 타깃으로의 전자의 방향지향성이 우수하여 엑스선 효율이 매우 높다. 둘째로, 전자방출소자가 탄소나노튜브이기 때문에 다른 불순물이 발생되지 않아 엑스선 튜브의 진공도를 저해하지 않는다. 셋째로, 그리드전극에 인가하는 전압을 제어함으로써 용이하게 엑스선의 양극전류(이하 "관전류"라 함)의 양을 조절할 수 있고, 양극과 음극인 탄소나노튜브 사이에 적용한 양극전압(이하 "관전압"이라 함)을 제어해줌으로써, 엑스선의 에너지의 세기를 용이하게 조절할 수 있다. 그 결과, 최적의 엑스선 영상을 획득하기 위한 엑스선 튜브의 관전류 및 관전압을 실시간으로 용이하게 조정할 수 있다. 넷째로, 탄소나노튜브 기반 냉음극 엑스선은 상온에서 그리드에 전압을 인가함과 동시에 엑스선이 즉각적으로 발생하고, "OFF" 시 엑스선의 발생이 즉각적으로 차단되므로, 그리드전압의 "ON-OFF"에 의하여 즉각적인 엑스선의 "ON-OFF"가 가능하다. 다섯째로 그리드 전극에 펄스 형태의 전압을 인가하면 발생하는 전계도 동일한 펄스형태로 되어, 결과적으로 펄스형태의 전자방출로 인한 펄스형태의 엑스선을 얻을 수 있기 때문에 저선량(Low-Dose)으로 엑스선 영상을 얻을 수 있다는 이점이 있다.
상기한 탄소나노튜브를 전자방출소자로 이용한 기술은 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 제10-1151409호(공고일자 2012년 06월 08일)에 "탄소 나노튜브를 이용한 에미터 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 에미터"가 소개되어 있다. 상기 종래기술은 탄소 나노튜브를 이용한 에미터 제조 방법에 있어서, (a) 복수의 기공을 포함하는 멤브레인(membrane)에 방출용 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT) 용액을 진공여과시켜 방출용 탄소 나노튜브 층을 형성하는 단계, (b) 상기 방출용 탄소 나노튜브 용액의 진공 여과에 의해 방출용 탄소 나노튜브 층이 형성된 멤브레인에 지지용 탄소 나노튜브 용액을 진공 여과시켜 지지용 탄소 나노튜브 층을 형성하는 단계 및 (c) 상기 형성된 방출용 탄소 나노튜브 층 및 상기 지지용 탄소 나노튜브 층으로부터 상기 멤브레인을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 방출용 탄소 나노튜브의 직경 및 상기 지지용 탄소 나노튜브의 직경이 서로 상이하며, 상기 방출용 탄소나노튜브가 상기 복수의 기공에 삽입되어 에미터 팁을 형성하는 구성이다.
다른 종래기술로는 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0001303호(공개일자 2012년 01월 04일)에 "탄소나노튜브를 이용한 전자방출원의 제조방법, 전자방출원, 엑스선 음극부 및 엑스선 발생 장치"가 소개되어 있다. 상기 종래기술은 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 전자방출원의 제조방법에 있어서, 기능화된 탄소나노튜브 현탄액을 준비하는 단계, 상기 기능화된 탄소나노튜브 현탄액을 이용하여 흑연 팁의 일단에 탄소나노튜브 막을 형성하는 단계, 상기 탄소나노튜브 막이 형성된 흑연 팁을 건조시키는 단계, 상기 건조된 흑연 팁을 열처리하는 단계를 포함하는 구성이다.
그러나 상기 종래기술은 탄소나노튜브를 이용하는 전자방출원이 외부로 노출되어, 외부 이온 등의 충돌에 의해 전자방출원이 손상됨에 의해 내구성이 양호하지 못하여 수명이 길지 못하다는 문제점이 있다.
(문헌1) 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 제10-1151409호(공고일자 2012년 06월 08일) (문헌2) 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0001303호(공개일자 2012년 01월 04일)
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 양극산화에 의해 형성된 산화물의 격벽 표면에 주기적 혹은 일정 패턴을 갖는 형태의 크기와 모양을 가지고 표면을 일정 깊이로 식각하여 산화물 격벽사이에 수용공간을 형성하고 형성된 내부의 수용공간에 탄소나노튜브 전자방출원을 형성시킴에 의해 외부 이온 및 입자 등의 충격에 의해 전자방출원이 훼손되는 것을 방지시킬 수 있음은 물론, 금속 표면의 산화물 격벽으로 인하여 수용공간에 형성된 탄소나노튜브 전자방출원의 거리를 조정할 수 있어서 스크린효과(Screen Effect)의 방지로 인한 전류방출효율의 증대를 꾀할 수 있으며 산화물 격벽이 절연체로써 역할을 할 수 있기 때문에 우수한 절연성도 담보할 수 있는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속기판을 양극 산화시켜 산화물 금속기판을 형성시키는 제1단계와, 포토리소그라피 공정을 이용하여 상기 산화물 금속기판 상면에 포토레지스트층 패턴을 형성시키는 제2단계와; 전해액을 이용하여 상기 포토레지스트층 패턴이 형성된 산화물 금속기판을 에칭시켜 산화물 금속기판에 수용공간을 형성시키는 제3단계와; 상기 포토레지스트층을 제거시키고, 상기 산화물 금속기판 상면에 메탈 마스크를 위치시키는 제4단계와; 상기 제4단계를 거친 산화물 금속기판의 표면에 촉매금속층을 형성시키는 제5단계와; 상기 제5단계를 거친 산화물 금속기판의 촉매금속층 상면에 탄소나노튜브층을 형성시키고 메탈마스크를 제거시켜 상기 수용공간 내부에만 탄소나노튜브층이 존재하도록 하는 제6단계;를 포함하여 구성되는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법을 기술적 요지로 한다.
상기 금속기판은 티타늄금속기판, 알루미늄 금속기판이 되는 것이 바람직하다.
상기 제2단계의 포토레지스트층 패턴은 포토레지스트 층에 대하여 포토 마스크를 배치하고, 노광 과정을 통하여 패터닝을 수행하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 포토마스크에 형성된 문양은 등간격으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 촉매금속층은 니켈 또는 철을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 촉매금속층은 스퍼터링에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
상기 촉매금속층 하면에는 버퍼층이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 버퍼층은 티타늄(Ti)을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브층의 형성은 화학증착법(CVD)을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 양극산화에 의해 형성된 산화물의 격벽 표면에 주기적 혹은 일정 패턴을 갖는 형태의 크기와 모양을 가지고 표면을 일정 깊이로 식각하여 산화물 격벽사이에 수용공간을 형성하고 형성된 내부의 수용공간에 탄소나노튜브 전자방출원을 형성시킴에 의해 외부 이온 및 입자 등의 충격에 의해 전자방출원이 훼손되는 것을 방지시킬 수 있음은 물론, 금속 표면의 산화물 격벽으로 인하여 수용공간에 형성된 탄소나노튜브 전자방출원의 거리를 조정할 수 있어서 스크린효과(Screen Effect)의 방지로 인한 전류방출효율의 증대를 꾀할 수 있으며 산화물 격벽이 절연체로써 역할을 할 수 있기 때문에 우수한 절연성도 담보할 수 있는 이점이 있다.
상기의 구성에 의한 본 발명은, 양극산화에 의해 형성된 산화물의 격벽 표면에 주기적 혹은 일정 패턴을 갖는 형태의 크기와 모양을 가지고 표면을 일정 깊이로 식각하여 산화물 격벽사이에 수용공간을 형성하고 형성된 내부의 수용공간에 탄소나노튜브 전자방출원을 형성시킴에 의해 외부 이온 및 입자 등의 충격에 의해 전자방출원이 훼손되는 것을 방지시킬 수 있음은 물론, 금속 표면의 산화물 격벽으로 인하여 수용공간에 형성된 탄소나노튜브 전자방출원의 거리를 조정할 수 있어서 스크린효과(Screen Effect)의 방지로 인한 전류방출효율의 증대를 꾀할 수 있으며 산화물 격벽이 절연체로써 역할을 할 수 있기 때문에 우수한 절연성도 담보할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법을 도시한 순서도이고,
도2는 본 발명의 실시예에 따른 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조공정을 설명하기 위한 도이고,
도3은 본 발명의 실시예에 따라 나노튜브 형태 또는 나노 글라스 형태의 산화물 금속기판이 형성된 모양을 나타낸 도이고,
도4는 포토마스크에 형성된 문양을 나타낸 도이고,
도5는 금속 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원과 탄소나노튜브에만 강한 전계가 작용하여 전자를 효과적으로 인출할 수 있음을 나타낸 도이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법을 도시한 순서도이고, 도2는 본 발명의 실시예에 따른 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조공정을 설명하기 위한 도이고, 도3은 본 발명의 실시예에 따라 나노튜브 형태 또는 나노 글라스 형태의 산화물 금속기판이 형성된 모양을 나타낸 도이고, 도4는 포토마스크에 형성된 문양을 나타낸 도이고, 도5는 금속 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원과 탄소나노튜브에만 강한 전계가 작용하여 전자를 효과적으로 인출할 수 있음을 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 크게, 금속기판을 양극 산화시켜 산화물 금속기판을 형성시키는 제1단계와, 포토리소그라피 공정을 이용하여 상기 산화물 금속기판 상면에 포토레지스트층 패턴을 형성시키는 제2단계와; 전해액을 이용하여 상기 포토레지스트층 패턴이 형성된 산화물 금속기판을 에칭시켜 산화물 금속기판에 수용공간을 형성시키는 제3단계와; 상기 포토레지스트층을 제거시키고, 상기 산화물 금속기판 상면에 메탈 마스크를 위치시키는 제4단계와; 상기 제4단계를 거친 산화물 금속기판의 표면에 촉매금속층을 형성시키는 제5단계와; 상기 제5단계를 거친 산화물 금속기판의 촉매금속층 상면에 탄소나노튜브층을 형성시키고 메탈마스크를 제거시켜 상기 수용공간 내부에만 탄소나노튜브층이 존재하도록 하는 제6단계로 구성된다.
먼저 금속기판을 양극 산화시켜 산화물 금속기판을 형성시키는 제1단계에 대해 설명한다.
상기 제1단계는 밸브금속(Valve Metal)을 양극 산화하여 형성시키되, 밸브금속 중 주로 티타늄(Ti) 또는 알루미늄(Al) 중 어느 하나를 양극 산화하여 형성된다.
본 발명에서는 알루미늄을 양극 산화하였으며, 양극 산화를 통해 나노튜브(nanotube) 또는 나노기공(nanopore) 또는 나노글라스(nano-glass) 중 어느 하나로 이루어거나, 이들 세가지 형태 중 적어도 두 가지 이상이 혼용된 나노 산화물 형태로 제작이 가능하다.
이를 상세히 설명하면, 전해액에 일정량의 물과 불소(F)를 포함하는 용액을 혼합한 수용액에 냉음극 전자방출원으로 활용하기 위한 금속판을 양극으로 사용하고 음극으로 백금(Pt) 또는 은(Ag) 및 탄소판(carbon plate)을 이용하여 두 전극 사이에 수십에서 수백 볼트(V)의 전압을 인가하면, 시간의 경과에 따라 양극 금속판의 표면에 나노튜브 또는 나노기공 또는 나노글라스 형태 또는 이들이 혼용된 형태의 나노산화물을 형성할 수 있게 된다.
여기서 상기 금속기판으로는 상기에서 설명한 바와 같이, 알루미늄(Al)을 사용하였으며, 상기의 제1단계의 양극산화를 통하여 도3과 같은 나노튜브 형태(a) 또는 나노 글라스 형태(b)의 산화물 금속기판을 형성시킨다. 여기서, 양극산화에 적용되는 전해액은 플루오르화암모늄(NH4F), 불소(F), 랙틱 엑시드(Lactic Acid), 에틸렌 글리콜(Ethylene Glycol), 글리세롤(Glycerol) 및 증류수(Di) 중 적어도 하나 이상의 조합에 의해 이루어지며, 자세하게는 NH4F/EG(Ethylene Glycol)/DI(증류수) 혹은 F(불소)/G(글리세롤)/DI(증류수) 및 Lactic Acid/EG/DI 등 기본적으로 NH4F 및 F, Lactic Acid, EG, 글리세롤, DI(증류수) 등을 주요 원재료로 하여 그들 각각의 양을 임의적으로 조정하여 형성할 수 있는 다양한 레시피(recipe)의 전해액을 사용할 수 있음은 물론이다.
다음은 상기 산화물 금속기판을 이용하여 산화물 금속기판 상면에 포토레지스트층 패턴을 형성시키는 제2단계가 진행되는바, 산화물 금속기판 상면에 포토레지스트 층을 적층한다. 다음으로, 포토레지스트 층에 대하여 포토 마스크를 배치하고, 노광 과정을 통하여 패터닝을 수행하여, 소정 너비와 모양을 갖는 포토레지스트층 패턴을 형성한다. 여기서, 포토레지스트층 패턴은 도4의 포토마스크에 형성된 문양에 따라 좌우되는바, 사용자의 필요에 따라 등간격으로 원문양(a)이 형성된 포토 마스크를 이용하던지, 또는 사각형과 별문양(b)이 등간격으로 형성된 포토 마스크를 이용하던 지 사용자의 필요에 따라 다양한 문양을 가지는 포토마스크를 선택하여 사용 가능하다. 포토레지스트층 패턴이 형성되면 포토 마스크를 제거한다.
그런 다음, 산화물 금속기판을 에칭하여 수용공간을 형성시키는 제3단계가 진행되는바, 수용공간은 포토 마스크에 의하여 그 모양과 넓이가 결정되고 포토 마스크는 임의의 형상으로 제작이 가능하므로 형성되는 에칭표면의 모양은 임의의 넓이와 임의의 형상을 갖도록 제작할 수 있음은 주지의 사실이다.
또한, 에칭시간 조정 및 사용하는 에칭용액에 의하여 에칭의 깊이를 조절할 수 있음도 주지의 사실이다. 특히, 상기 제3단계에서 사용되는 에칭용액으로는 질산(HNO3)과 인산(H3PO4), 초산(CH3COOH)을 개별적으로 사용할 수 있거나 혹은 상기의 에칭용액으로 이루어진 혼합수용액을 사용하는 것이 바람직하며, 식각 시 수용액의 온도를 50℃에서 100℃ 사이의 값으로 유지하는 것이 바람직하고, 에칭시간은 충분한 식각이 이루어질 수 있도록 조정이 가능하나 본 발명에서는 5분에서 100분 사이의 식각 시간이 바람직하다.
상기 제3단계까지의 공정과정을 거친 후의 산화물 금속기판의 모습은 표면이 포토 마스크의 모양에 따라 일정 형태의 모습 및 넓이를 가지며 그러한 모양과 넓이가 일정 깊이로 식각되어 있고 나머지 표면은 나노기공, 나노튜브, 나노그라스 형태 또는 이들이 혼용된 형태의 나노산화물로 형성되어 있는 산화물 기판이 바람직할 것이다.
그런 다음, 제4단계 공정에서는 상기 금속기판에 남아있는 포토레지스트층을 말끔히 제거하고 표면을 세척하고 일정시간 건조한 후 상기 산화물 금속기판 상면에 노광시 사용되었던 포토 마스크와 동일한 형태의 금속 마스크를 위치시킨다.
상기 제4단계의 공정을 거친 산화물 금속기판에 있어서 일정 깊이로 식각된 표면에 탄소나노튜브가 성장할 수 있도록 촉매금속층을 형성시키는 제5단계 공정을 수행한다. 제5단계 공정방법은 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있도록 금속 촉매를 증착시키기 위하여 사용되는 전형적인 스퍼터링방법을 대표적인 예로 들 수 있으며 자세하게는 제4단계에서 준비된 금속 마스크가 장착된 일정 모양과 깊이로 식각된 나노산화물 기판을 진공챔버에 위치시키고 상기 나노산화물 기판을 300℃~600℃정도로 유지하고 스퍼터링 방법을 적용하여 티타늄(Ti)을 수 나노미터에서 수십 나노미터 증착시켜 버퍼층을 형성시킨다.
그런 다음, 니켈(Ni) 혹은 철(Fe)과 같은 촉매금속층을 스퍼터링 방법을 적용하여 티타늄(Ti) 버퍼층위에 수 나노미터에서 수백 나노미터 증착시킨다. 만약, 본 발명에서 실시예로 사용된 알루미늄(Al) 혹은 티타늄(Ti) 기판 중 티타늄(Ti) 기판을 나노산화물 기판으로 사용할 경우에는 상기에서 명시한 티타늄(Ti) 버퍼층을 증착시키지 않아도 됨은 주지의 사실이다.
촉매금속층을 형성시킨 제5단계 공정을 마친 후 산화물 금속기판의 촉매금속층 상면에 탄소나노튜브층을 형성시키고 금속 마스크를 제거시켜 상기 식각된 임의의 형상과 깊이를 갖는 수용공간 내부에서만 탄소나노튜브층을 존재하도록 하는 제6단계가 진행되는바, 공정 방법은 전형적인 화학증기증착법(CVD)을 적용하여 구성할 수 있다. 자세하게는 제5단계에서 준비된 상기 산화물 금속기판 내부에 일정 모양과 깊이로 식각된 상면에 금속 촉매층을 형성시킨 상기 기판을 화학증기증착법(CVD)용 챔버에 장착시키고 상기 식각되고 식각된 표면에 금속 촉매층이 증착된 나노산화물 기판을 300℃~600℃ 정도로 유지하면서 탄소를 포함하고 있는 가스, 가령 메탄(C2H4)가스 혹은 아세틸렌(C2H2)가스를 아르곤(Ar)가스와 적정량 혼합하여 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있음은 주지의 화학증기증착법(CVD) 방법에 의한 탄소나노튜브성장 방법이다.
상기 6단계를 거치고 메탈마스크를 제거하면 도5와 같이 금속 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원이 형성된다.
상기와 같은 과정을 거쳐 산화물 금속기판에 형성된 탄소나노튜브 전자방출원은, 금속 표면의 산화물 격벽으로 인하여 인가된 전계가 수용공간의 촉매금속층 상면에 형성된 탄소나노튜브층에만 강하게 작용 되며 스크린효과(Screen Effect)의 방지로 인한 전류방출효율의 증대를 꾀할 수 있으며 산화물 격벽이 절연체로써 역할을 할 수 있기 때문에 우수한 절연성도 담보할 수 있다.
상기에서는 전자방출이 탄소나노튜브층에서만 방출되는 것으로 설명하였으나, 산화물 격벽을 티타늄옥사이드(TiO2)로 사용할 경우, 그리드전극으로부터 고전계가 작용할 때 격벽에서도 일정량의 전자를 인출하는 효과를 가지므로 전자방출효율이 더욱 우수한 전자방출원을 제공할 수 있는 잇점이 있으며 이 또한 본 발명의 범주에 속함은 자명하다 할 것이다.
100 : 산화물금속기판 110 : 산화물격벽
120 : 수용공간 200 : 탄소나노튜브층
300 : 촉매금속층 400 : 전계

Claims (9)

  1. 금속기판을 양극 산화시켜 절연체인 산화물 격벽용 표면이 형성된 산화물 금속기판을 형성시키는 제1단계와,
    포토리소그라피 공정을 이용하여 상기 산화물 금속기판의 산화물 격벽용 표면 상면에 포토레지스트층 패턴을 형성시키는 제2단계와;
    전해액을 이용하여 상기 포토레지스트층 패턴이 형성된 산화물 금속기판을 에칭시켜 산화물 금속기판에 수용공간을 형성시키는 제3단계와;
    상기 포토레지스트층을 제거시키고, 상기 산화물 금속기판 상면에 메탈 마스크를 위치시키는 제4단계와;
    상기 제4단계를 거친 산화물 금속기판의 표면에 촉매금속층을 형성시키는 제5단계와;
    상기 제5단계를 거친 산화물 금속기판의 촉매금속층 상면에 탄소나노튜브층을 형성시키고 메탈마스크를 제거시켜 상기 수용공간 내부에만 탄소나노튜브층이 존재하도록 하는 제6단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속기판은 티타늄금속기판 또는 알루미늄 금속기판이 됨을 특징으로 하는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2단계의 포토레지스트층 패턴은 포토레지스트 층에 대하여 포토 마스크를 배치하고, 노광 과정을 통하여 패터닝을 수행하여 형성됨을 특징으로 하는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 포토 마스크에 형성된 문양은 등간격으로 형성됨을 특징으로 하는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 촉매금속층은 니켈 또는 철을 이용하여 형성됨을 특징으로 하는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 촉매금속층은 스퍼터링에 의해 형성됨을 특징으로 하는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 촉매금속층 하면에는 버퍼층이 형성됨을 특징으로 하는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 버퍼층은 티타늄(Ti)을 이용하여 형성됨을 특징으로 하는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 탄소나노튜브층의 형성은 화학증착법(CVD)을 이용하여 형성됨을 특징으로 하는 산화물에 의해 격리된 탄소나노튜브 전자방출원 제조방법.
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