KR102383401B1 - 전계 방출 에미터 전극 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전계방출 에미터 전극의 제조 방법은 기판 상에 페이스트 층을 형성하는 것, 페이스트 층을 건조하는 것, 페이스트 층을 열처리하는 것, 및 페이스트 층을 표면처리하는 것을 포함하되, 페이스트 층은 카바이드계 무기 충전제, 탄소나노튜브, 용매, 및 유기 바인더를 포함하고, 카바이드계 무기 충전제는 0.3 마이크로미터(㎛) 내지 20 마이크로미터(㎛)의 입경을 갖는다.

Description

전계 방출 에미터 전극 및 이의 제조 방법{FIELD EMISSION EMITTER ELECTRODE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 전계방출 에미터 전극의 제조 방법에 관한 것이다.

전계 방출 장치는 진공 속에서 음극에서 방출된 전자가 가속되어 양극으로 이끌리는 구조를 가지며, 아노드에 형광물질을 형성하여 가시광선을 발생시키는 조명이나 금속 타겟을 형성하여 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브 등이 있다.

이러한 전계 방출 장치의 성능은 전자를 방출할 수 있는 에미터 전극에 의해 크게 좌우된다. 최근에 우수한 전자방출특성을 갖는 에미터 전극을 위한 전자방출재료로서 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)와 같은 나노 소재가 많이 사용되고 있다.

탄소나노튜브(CNT)는 낮은 일함수 (low work function)와 높은 종횡비 (high aspect ratio)의 기하학적 구조를 가지기 때문에, 전계 방출(field emission)에 유리하다. 즉, 에미터에 전기장(electric field)을 인가하면 전기장이 에미터에 집중되어 전자가 방출되는 것인데, 탄소나노튜브는 전계 강화 인자(field enhancement factor)가 매우 높기 때문에 낮은 전계에서도 전자를 쉽게 방출할 수 있다.

탄소나노튜브를 에미터로 형성하는 방법으로는 여러 가지가 있다. 그 중에서 스크린 프린팅(screen printing)은 제작 단가가 낮고 대량 생산에 용이하다는 장점을 가지고, 페이스트 상태 등의 탄소나노튜브가 포함된 소량의 혼합물을 캐소드 전극에 도포하는 디핑 (dipping) 방법은 페이스트를 기판에 형성하는 공정이 단순하다.

이러한 스크린 프린팅 혹은 디핑 방법을 사용하기 위해서는 탄소나노튜브 페이스트를 제작한 후, 저온 대기 소성, 표면처리, 고온 진공 열처리 단계를 거치게 된다. 그러나 탄소나노튜브는 기판과 반데르발스 힘과 같이 그 크기가 약한 힘만으로 결합하여 제작 공정의 고온 공정으로 인해서, 탄소나노튜브의 일부가 증발하여 평탄도가 나빠지고, 높은 전류, 높은 전계에서 에미터가 부분적으로 탈착되어 아크가 발생하는 원인이 된다. 이처럼 평탄도가 나빠지게 되면 전계 방출이 국부적으로 일어나므로 수명이나 안정성이 떨어지는 문제가 발생한다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 접착 특성이 개선된 전계방출 에미터 전극을 제공하는 것에 있다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.

상기 과제를 해결하기위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 전계방출 에미터 전극의 제조 방법은 기판 상에 페이스트 층을 형성하는 것; 상기 페이스트 층을 건조하는 것; 상기 페이스트 층을 열처리하는 것; 및 상기 페이스트 층을 표면처리하는 것을 포함하되, 상기 페이스트 층은 카바이드계 무기 충전제, 탄소나노튜브, 용매, 및 유기 바인더를 포함하고, 상기 카바이드계 무기 충전제는 0.3 마이크로미터(㎛) 내지 20 마이크로미터(㎛)의 입경을 갖는 카바이드계 입자를 포함할 수 있다.

본 발명의 개념에 따르면, 내구성 및 안정성이 개선된 전계방출 에미터 전극이 제공될 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 전계방출 에미터 전극의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 전계방출 에미터 전극의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 SiC 입자들의 입경 분포 및 비교예에 따른 SiC 입자들의 입경 분포를 나타낸 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전계방출 에미터의 전자현미경 사진이다.
도 5는 비교예에 따른 전계방출 에미터의 전자현미경 사진이다.

본 발명의 기술적 사상의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명 기술적 사상은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 기술적 사상의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상의 이상적인 예시도인 사시도, 정면도, 단면도 및/또는 개념도를 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 다양한 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 전계방출 에미터 전극의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(100), 점착층(200), 및 탄소나노튜브들(300)이 제공될 수 있다. 기판(100)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 금속(예를 들어, 코바르(Kovar) 합금)을 포함할 수 있다.

점착층(200)은 기판(100) 상에 제공될 수 있다. 점착층(200)은 탄소나노튜브들(300)을 기판(100) 상에 고정시킬 수 있다. 점착층(200)은 카바이드계 물질과 금속 물질을 포함하는 이종(Hybrid) 입자들(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이종 입자들은 카바이드계 물질(예를 들어, 실리콘 카바이드(SiC), 티타늄 카바이드(TiC), 또는 하프늄 카바이드(HfC))과 금속 물질(예를 들어, 코바르(Kovar)- 합금)을 포함할 수 있다. 이종 입자들 내의 금속 물질은 기판(100) 내의 금속 물질과 실질적으로 동일할 수 있다. 이종 입자들의 각각의 직경은 약 20 마이크로미터(㎛) 이상일 수 있다.

일반적으로, 탄소나노튜브들은 전계방출 에미터 전극을 사용하는 중(즉, 전자 방출 중) 기판으로부터 탈착될 수 있다. 본 발명의 개념에 따르면 점착층(200)을 형성하는 이종 입자들은 탄소나노튜브들(300)과 기판(100) 사이의 접착력을 높일 수 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브들(300)은 전계방출 에미터 전극의 사용 중 기판(100)으로부터 탈착되지 않을 수 있다. 결과적으로, 전자방출 에미터 전극의 내구성 및 안정성이 개선될 수 있다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 전계방출 에미터 전극의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2를 참조하면, CNT 페이스트(미도시)가 준비될 수 있다.(S10) CNT 페이스트는 탄소나노튜브, 카바이드계 무기 충전제, 용매, 및 유기 바인더의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 SWNT(Single-walled carbon nanotube), DWNT(double-walled carbon nanotube), MWNT(multiple-wall nanotubes), 및 thin-MWNT 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

유기 바인더는 아크릴레이트(acrylate)계 물질, 아크릴(acryl)계 물질, 또는 셀룰로오스(cellulose)계 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어 유기 바인더는 디펜타에리쓰리톨 헥사아클리레이트(dipenta erythritol hexaacrylate, DPHA), 우레탄 아크릴레이트(urethane acrylate), 메타크리레이트 모노머(methacrylate monomer), 아크릴 레진(acrylic resin) 계열, 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose), 또는 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose)를 포함할 수 있다. 유기 바인더는 카바이드계 무기 충전제의 점도 및 분산 정도를 조절할 수 있다.

용매는 계면활성 특성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 용매는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 테피네올(terpineol), 또는 부틸 카르비톨(butyl carbitol)/부틸 카르비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate) 혼용액을 포함할 수 있다.

카바이드계 무기 충전제는 카바이드계 입자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 카바이드계 입자들의 각각의 직경은 약 0.3 마이크로미터(㎛) 내지 약 20 마이크로미터(㎛)일 수 있다. 바람직하게는, 카바이드계 입자들의 각각의 D50은 약 1 마이크로미터(㎛) 내지 약 5 마이크로미터(㎛)일 수 있다. 카바이드계 입자들의 각각의 직경이 약 0.3 마이크로미터(㎛) 보다 작을 경우, 상기 페이스트 제조 공정 동안, 카바이드계 입자들이 재응집되거나 대기 중으로 흩어질 수 있다. 카바이드계 입자들의 각각의 직경이 약 20 마이크로미터(㎛)보다 클 경우, 기판(100)과의 반응성이 낮을 수 있다. 기판(100)과의 반응성이 낮은 카바이드계 입자들은 도 1을 참조하여 설명된 이종 입자들을 형성하지 못할 수 있다. 예를 들어, 카바이드계 무기 충전제는 실리콘 카바이드(SiC), 티타늄 카바이드(TiC), 또는 하프늄 카바이드(HfC)를 포함할 수 있다. 카바이드계 무기 충전제는 탄소나노튜브와의 젖음성이 우수할 수 있다.

기판(100) 상에 페이스트 층이 형성될 수 있다.(S20) 페이스트 층을 형성하는 것은 CNT 페이스트를 기판(100)의 상면에 도포하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도포 공정은 스크린 프린팅 방법 또는 디핑(dipping) 방법을 이용하여 수행될 수 있다.

페이스트 층에 건조 공정이 수행될 수 있다.(S30) 예를 들어, 건조 공정은 페이스트 층을 대기 분위기 하에서 약 10 분 내지 약 20 분 동안 약 90 도(℃) 내지 약 120 도(℃)의 온도에 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 건조 공정 동안, 페이스트 층 내의 용매는 증발될 수 있다.

페이스트 층에 1차 열처리 공정이 수행될 수 있다.(S40) 예를 들어, 1차 열처리 공정은 대기 분위기에서 약 250 도(℃) 내지 약 400 도(℃)의 온도로 약 1 시간 내지 약 3 시간 동안 수행될 수 있다.

페이스트 층에 1차 표면 처리 공정이 수행될 수 있다.(S50) 예를 들어, 1차 표면 처리 공정은 롤러 또는 테이프를 이용하여 페이스트 층의 접착력이 약한 부분 및 페이스트 층 상의 불필요한 잔존물들을 제거하는 것을 포함할 수 있다.

페이스트 층에 2차 열처리 공정이 수행될 수 있다.(S60) 예를 들어, 2차 열처리 공정은 진공 분위기 하에서 약 650 도(℃) 내지 약 1000 도(℃)의 온도로 수행될 수 있다. 2차 열처리 공정 동안, 유기 바인더는 제거될 수 있고, 카바이드계 무기 충전제는 용융 및 소성될 수 있다. 상기 제2 열처리 공정 동안, 기판(100) 내의 금속(예를 들어, 코바르(Kovar) 합금)은 페이스트 층 내의 카바이드계 입자들로 확산될 수 있다. 이에 따라, 카바이드계 입자들과 기판(100) 내의 금속이 혼합된 이종(Hybrid) 입자들이 형성될 수 있다. 이종 입자들의 각각의 입경은 카바이드계 입자들의 각각의 입경보다 클 수 있다. 이종 입자들은 점착층(200)을 형성할 수 있다. 상기 이종 입자들은 기판(100)에 강하게 결합하여, 탄소나노튜브들(300)과 기판(100) 사이의 접착력을 높일 수 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브(300)은 전계방출 에미터 전극의 사용 중 기판(100)으로부터 탈착되지 않을 수 있다.

페이스트 층에 2차 표면 처리 공정이 수행될 수 있다.(S70) 2차 표면 처리 공정은 1차 표면 처리 공정과 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 2차 표면 처리 공정은 롤러 또는 테이프를 이용하여 페이스트 층의 접착력이 약한 부분 및 페이스트 층 상의 불필요한 잔존물들을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 2차 표면 처리 공정 동안, 탄소나노튜브들(300)은 기판(100)의 상면에 실질적으로 수직한 방향으로 세워질 수 있다.

다른 예시적인 실시예들에서, 페이스트 내에 추가적인 무기 충전제가 첨가될 수 있다. 추가적인 무기 충전제는 금속을 포함할 수 있다. 페이스트 층의 건조 공정 및 열처리 공정 동안, 추가적인 무기 충전제는 카바이드계 입자들로 확산될 수 있다. 이에 따라, 페이스트 층 내에 카바이드계 물질과 추가적인 무기 충전제 내의 금속이 혼합된 이종(Hybrid) 입자들이 형성될 수 있다.

본 발명의 개념에 따른 이종 입자들은 탄소나노튜브들(300)과 기판(100) 사이의 접착력을 높일 수 있다. 이에 따라, 내구성 및 안정성이 개선된 전자방출 에미터 전극의 제조 방법이 제공될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 SiC 입자들의 입경 분포 및 비교예에 따른 SiC 입자들의 입경 분포를 나타낸 그래프들이다. 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전계방출 에미터 전극의 전자현미경 사진이다. 도 5는 비교예에 따른 전계방출 에미터 전극의 전자현미경 사진이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 SiC 입자들의 입경 분포 그래프 및 비교예에 따른 SiC 입자들의 입경 분포 그래프가 제공되었다. 본 발명의 실시예에 따른 SiC 입자들은 약 0.3 마이크로미터(㎛) 내지 약 20 마이크로미터(㎛)의 입경들을 가졌다. 비교예의 SiC 입자들은 약 0.1 마이크로미터(㎛) 내지 약 50 마이크로미터(㎛)의 입경들을 가졌다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 에미터 전극은 비교예의 전계방출 에미터 전극보다 큰 입경을 갖는 입자들을 포함하였다. 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 에미터 전극 내의 입자들은 카바이드계 물질과 금속 물질이 혼합된 이종(Hybrid) 입자들이었다. 비교예의 전계방출 에미터 전극 내의 탄소나노튜브들은 전계방출 에미터를 사용하는 중 기판으로부터 탈착되었다. 반면, 본 발명의 실시예에 따른 전계방출 에미터 전극 내의 탄소나노튜브들은 전계방출 에미터를 사용하는 중 기판으로부터 탈착되지 않았다.

본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

100: 기판
200: 점착층
300: 탄소나노튜브들

Claims (10)

1. 기판 상에 페이스트 층을 형성하는 것;
   상기 페이스트 층을 건조하는 것;
   상기 페이스트 층을 열처리하는 것; 및
   상기 페이스트 층을 표면처리하는 것을 포함하되,
   상기 페이스트 층은 카바이드계 무기 충전제, 탄소나노튜브, 용매, 및 유기 바인더를 포함하고,
   상기 카바이드계 무기 충전제는 0.3 마이크로미터(㎛) 내지 20 마이크로미터(㎛)의 입경을 갖는 카바이드계 입자를 포함하고,
   상기 페이스트 층을 형성하는 것은:
   상기 기판의 상면 상에 페이스트를 도포하는 것을 포함하고,
   상기 기판의 상면 및 상기 페이스트는 접촉하고,
   상기 기판은 금속을 포함하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 카바이드계 무기 충전제는 실리콘 카바이드(SiC), 티타늄 카바이드(TiC), 또는 하프늄 카바이드(HfC)를 포함하는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 페이스트 층을 열처리하는 것은:
   상기 페이스트 층을 제1차 열처리 하는 것; 및
   상기 페이스트 층을 제2차 열처리 하는 것을 포함하고,
   상기 제2차 열처리하는 것은 상기 제1차 열처리 하는 것 이후에 이루어지고,
   상기 제2차 열처리하는 것은 상기 제1차 열처리하는 것보다 높은 온도에서 이루어지는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1차 열처리 하는 것은 대기 조건 하에서 이루어지고,
   상기 제2차 열처리 하는 것은 진공 조건 하에서 이루어지는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1차 열처리하는 것은 250도 내지 400도의 온도에서 이루어지고,
   상기 제2차 열처리하는 것은 650도 내지 1000도의 온도에서 이루어지는 전계방출 에미터 전극의 제조 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 페이스트 층을 표면 처리하는 것은:
   롤러 또는 테이프를 이용하여 상기 페이스트 층의 일부를 제거하는 것을 포함하는 전계 방출 에미터 전극의 제조방법.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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