KR102488299B1 - 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계 방출 소자 - Google Patents

구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계 방출 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계 방출 소자를 제공한다. 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터는, 탄소나노튜브 시트가 중심축을 기준으로 감긴 탄소나노튜브 시트 롤을 포함하되, 상기 탄소나노튜브 시트는, 복수개의 탄소나노튜브 번들들이 서로 공유결합을 통해 결합되어 형성된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구조적으로 안정하여 높은 출력에서도 안정적으로 사용 가능한 이미터를 제공 가능한 효과가 있다.

Description

구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계 방출 소자{Carbon nanotube sheet roll emitter with improved structural stability, manufacturing method thereof, and field emission device using the same}
본 발명은 탄소나노튜브 이미터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브 시트를 감아 롤 형태로 형성함으로써 구조적 안정성을 향상시킨 탄소나노튜브 시트 롤 이미터에 관한 것이다.
전계 방출이란 진공에서 두 개의 물질 (양극, 음극) 표면에 전계를 인가할 경우, 음극 표면의 전위 장벽 (Potential Barrier)이 얇아지면서 전자들이 양자역학적으로 터널링 되는 현상을 말한다. 이때, 전계 방출 특성을 극대화하여 초고전류밀도를 얻기 위해서는 나노 구조를 가지는 음극 재료 즉, 나노전자원의 도입이 필수적이다. 나노전자원의 전계 방출 특성은 구조적 비등방성(Aspect Ratio)이 클수록, 그리고 화학적으로 안정할수록 우수한 특성을 보인다.
최근, 이러한 전계 방출 소자의 이미터로 탄소나노튜브(Carbon Nanotube: CNT)가 각광받고 있다. 2차원 구조의 그래핀이 튜브 형태로 말려 있는 소재인 탄소나노튜브는 전술한 요구 사항에 최적화된 우수한 나노전자원 재료로, 직경이 수 nm 이면서 길이는 수~수십μm 로 일반적인 반도체 공정으로는 구현하기 어려운 고 종횡비(aspect ratio)의 구조를 가질 뿐만 아니라, 열적, 기계적 안정성도 큰 특징을 가진다. 이에 따라 이격된 거리에서 전압을 인가하면 CNT 끝단에 높은 전기장이 유도되고 이에 대응하여 전자의 양자역학적인 터널링(quantum mechanical tunneling)이 매우 쉽게 일어나기 때문에 CNT를 고성능의 전자원(electron source)으로 활용할 수 있다.
따라서 이러한 탄소나노튜브를 이용하여 고성능의 안정적인 전계 방출 소자를 구현하기 위한 많은 연구들이 수행되고 있다.
한국등록특허 10-1992745에서는 탄소나노튜브 섬유(yarn)를 평행하게 배열하고 이를 압착하여 시트로 제조한 후 이를 튜브 형태로 만들어 전계 방출 소자를 제조함으로써 구조적 안정성 및 전자 방출 효율 향상을 꾀하였다. 그러나 상기의 튜브 형태의 전계 방출 소자는 탄소나노튜브 섬유(yarn)들이 서로 π-π 상호 작용으로 결합되어 매우 약하며, 전계 방출 소자의 선단에서 발생하는 전자에 의한 반발력에 매우 취약할 뿐 아니라, 소자의 가운데가 비어있어 전자가 방출되는 면적이 줄어든다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 한국등록특허 10-2099411에서는 튜브 형태의 홀더를 이용하여 평행하게 배열된 탄소나노튜브 섬유들이 방출 시의 전자에 의한 섬유 간 척력으로 서로 밀어내는 것을 잡아주도록 함으로써 전계 방출 소자의 구조적 안정성을 더욱 향상시키고자 하였다. 그러나 상기 홀더로부터 노출된 탄소나노튜브 섬유들은 여전히 약한 π-π 상호 작용으로 결합되어 섬유 간 척력에 대하여 그 구조가 취약하므로, 상기 홀더로부터 노출된 부분을 길게 형성하는 것에는 한계가 있다는 문제점이 있었다.
대한민국등록특허 제10-1992745호 대한민국등록특허 제10-2099411호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하고 우수한 전계방출 특성을 가지면서도 구조적으로 안정한 탄소나노튜브 시트 롤 이미터 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 구조적으로 안정하여 높은 출력에서도 안정적으로 사용 가능한 전계 방출 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제공한다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터는, 탄소나노튜브 시트가 중심축을 기준으로 감긴 탄소나노튜브 시트 롤을 포함하되, 상기 탄소나노튜브 시트는, 복수개의 탄소나노튜브 번들들이 서로 공유결합을 통해 결합되어 형성된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트의 상기 복수개의 탄소나노튜브 번들들은, 일정한 방향성을 가지며 배열된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 중심축과 상기 탄소나노튜브 번들들의 배열 방향은 -45° 내지 45°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤은, 길이가 1 ㎛ 내지 1 m 인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤은, 단면 직경이 1 ㎛ 내지 30 ㎝ 인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤은, 상기 탄소나노튜브 시트 롤을 꺾어서 꺾인 부가 뾰족한 선단을 갖는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제공한다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터에, 상기 탄소나노튜브 시트 롤의 하부 표면을 감싸며 형성된 전도성 부재 결합부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
또는, 탄소나노튜브 시트 롤 이미터는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터에, 상기 탄소나노튜브 시트 롤의 상기 탄소나노튜브 시트와 함께 감겨서 상기 탄소나노튜브 시트 롤의 하부 표면을 감싸며 형성된 전도성 부재 결합부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 전체 높이 중 상기 전도성 부재 결합부가 차지하는 높이 부분을 제외한 나머지 부분의 높이 및 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 전체 높이는 1:5 내지 9:10의 길이 비를 갖는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 전도성 부재 결합부는, 텅스텐, 아연, 니켈, 구리, 은, 알루미늄, 금, 백금, 주석 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 박막 또는 금속 와이어 형태인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
또는, 상기 전도성 부재 결합부는, 전도성 성질을 갖는 무기물 페이스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조방법을 제공한다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조방법은, 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계; 및 상기 준비된 탄소나노튜브 시트를 중심축을 기준으로 감아 롤 형태로 형성하여 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트는, 복수개의 탄소나노튜브 번들들이 서로 공유결합을 통해 결합되어 형성된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계에서는, 탄소나노튜브 번들로 구성된 시트를 권취하여 상기 탄소나노튜브 번들들이 일정한 방향을 갖도록 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조하는 단계에서는, 상기 탄소나노튜브 시트의 권취 방향과 상기 중심축이 -45° 내지 45°의 각도를 이루도록 제조하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조하는 단계에서는, 상기 탄소나노튜브 시트의 하단부에 전도성 부재를 올린 후 함께 감아 롤 형태로 형성함으로써 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 전계 방출 소자를 제공한다.
상기 전계 방출 소자는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 우수한 전계방출 특성을 가지면서도 구조적으로 안정한 탄소나노튜브 시트 롤 이미터 및 이의 제조방법을 제공 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 구조적으로 안정하여 높은 출력에서도 안정적으로 사용 가능한 전계 방출 소자를 제공 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 탄소나노튜브 시트를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 중심축 및 탄소나노튜브 번들들의 배열 방향이 이루는 롤링 각을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트의 제조 공정을 간략하게 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 설명한다.
본 발명에서 사용하는 용어 '번들(bundle)'이란, 달리 언급되지 않는 한, 복수 개의 탄소나노튜브의 단위체가 단위체 길이 방향의 축이 실질적으로 동일한 배향으로 나란하게 배열되거나, 배열된 후 꼬여있거나 또는 뒤엉켜있는, 다발(bundle) 혹은 로프(rope) 형태의 2차 형상을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 탄소나노튜브 시트를 나타낸 사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)는, 탄소나노튜브 시트(10)가 중심 축(A)을 기준으로 감긴 탄소나노튜브 시트 롤을 포함하되,
상기 탄소나노튜브 시트(10)는, 복수개의 탄소나노튜브 번들(11)들이 서로 공유결합을 통해 결합되어 형성된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
전술한 바와 같이 종래의 탄소나노튜브를 이용한 이미터들은, 탄소나노튜브 섬유 가닥으로 구성되며, 상기 탄소나노튜브 섬유들이 상기 섬유 가닥 간의 π-π 상호 작용에 의존하여 결합된 형태를 갖는 것을 그 특징으로 하였다.
그러나 상기 π-π 상호 작용은 약한 결합으로, 상기 결합으로 상기 탄소나노튜브 섬유를 따라 선단에서 방출되는 전자들 간의 반발력을 견디고 이미터의 구조적 안정성을 유지하기에는 충분하지 못하다는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명의 발명자들은, 탄소나노튜브 번들들이 서로 공유결합으로 단단하게 연결되어 형성되는 탄소나노튜브 시트를 이용하여 이미터를 구성하되, 상기 탄소나노튜브 시트를 중심축을 기준으로 돌돌 말아서 롤 형태를 갖도록 본 발명의 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 구성하였다.
상기와 같은 구성으로 인하여, 본 발명의 탄소나노튜브 시트 롤 이미터는, 종래의 π 결합보다 강한 공유결합으로 연결된 탄소나노튜브 번들로 이루어진 시트를 이용하므로, 향상된 구조적 안정성을 갖는다.
뿐만 아니라, 상기와 같은 탄소나노튜브 시트를 롤 형태로 돌돌 말아 이미터를 구성함으로써, 그 구조적 안정성을 더욱 극대화 하였다.
이때, 상기 탄소나노튜브 시트(10)의 상기 복수개의 탄소나노튜브 번들(11)들은, 일정한 방향성을 가지며 배열된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)가 감긴 길이 방향에 해당하는 상기 중심 축(A)의 양의 방향과 상기 탄소나노튜브 번들들의 배열 방향이 이루는 각도를 롤링(rolling) 각(θ)이라고 하면, 상기 롤링 각(θ)은 -45° 내지 45°의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)의 중심 축(A) 및 탄소나노튜브 번들(11)들의 배열 방향이 이루는 롤링 각(θ)을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
상기와 같이 탄소나노튜브 번들(11)들이 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)의 길이 방향과 소정의 각도를 이루도록 조절함으로써, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)의 역학적 특성을 조절할 수 있다. 더욱 자세하게는, 상기와 같이 탄소나노튜브 번들(11)들이 소정의 롤링 각(θ)을 이루며 기울어져 롤링 됨으로써, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)가 횡방향으로 작용하는 힘에 더 잘 견딜 수 있도록 조절될 수 있다.
이때, 상기 롤링 각(θ)은 -45° 내지 45°의 값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 롤링 각(θ)이 -45° 미만이거나 45° 초과의 값을 갖게 되면, 전계 방출 소자에서 상기 탄소나노튜브 번들(11)들이 전계 방출 소자의 길이 방향을 기준으로 너무 많이 기울어지게 되므로 탄소나노튜브 끝단으로부터의 전계방출 효과가 떨어지게 되어 바람직하지 않다.
따라서, 상기 롤링 각(θ)은 -45° 내지 45°의 값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤은, 길이(L)가 1 ㎛ 내지 1 m 인 것을 특징으로 할 수 있다.
전술한 종래의 이미터들은, 얇고 가느다란 탄소나노튜브 섬유 가닥으로 이루어지므로, 그 길이가 길어질수록 구조적 안정성이 떨어지게 되어 충분한 길이를 갖도록 형성될 수 없다는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명의 탄소나노튜브 시트 롤 이미터는, 이미터를 제조하기 위한 탄소나노튜브 시트를 원하는 크기를 갖도록 자유롭게 제조 가능함으로써 원하는 길이의 이미터를 형성할 수 있으며, 또한 탄소나노튜브 섬유 가닥이 아닌 탄소나노튜브 시트가 롤링 된 형태로 구조적으로 안정하므로 충분히 긴 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤은, 단면 직경(D)이 1 ㎛ 내지 30 ㎝ 인 것을 특징으로 할 수 있다.
전술한 바와 같이 종래의 이미터들은 탄소나노튜브 섬유 가닥으로 이루어지므로 충분한 단면 직경을 갖도록 제조되기 어려운 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명의 탄소나노튜브 시트 롤 이미터는, 탄소나노튜브 시트의 롤링 횟수를 조절함으로써 충분한 단면 직경을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)는, 탄소나노튜브 시트(10) 롤의 중앙부가 상단을 향해 꺾이어 형성된 뾰족한 선단(13)을 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 선단(13)에서 전자가 방출되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤이 꺾인 부분인 뾰족한 선단(13)은 탄소나노튜브 시트 롤의 측면, 즉 탄소나노튜브의 sidewall에 해당하는 부분이다. 탄소나노튜브의 tip과 sidewall은 일함수에서는 약간의 차이가 있으나, 열적 안정성에는 상당한 차이가 존재한다. 또한 탄소나노튜브의 tip은 전계강화효과(field enhancement factor)가 커서 전자가 방출되는 전압(turn-on voltage)이 sidewall에 비하여 낮기는 하나, 활성도가 높아 열에 의해 쉽게 분해되는 특성이 있다. 반면, 탄소나노튜브의 sidewall은 tip에 비하여 열적 안정성이 높으므로, 전계 방출 소자로서의 수명 특성에서 유리하다는 장점이 있다. 따라서, 상기와 같이 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 중앙부가 꺾인 형태로 형성하여 꺾인 부분인 뾰족한 선단이 위로 가도록 상기 기판상에 고정하여 사용함으로써, 탄소나노튜브의 sidewall의 장점을 활용하고 단점을 줄여 사용 가능하다. 이와 같이 탄소나노튜브 시트 롤을 꺾어서 이미터로 사용할 지의 여부는 사용하고자하는 전류 밀도 및 전압에 따라 선택 가능하다.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구조적으로 안정하며 우수한 전계방출 특성을 갖는 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제공 가능한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 설명한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5를 참조하면, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터에, 상기 탄소나노튜브 시트 롤의 하부 표면을 감싸며 형성된 전도성 부재 결합부(20);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
또는, 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터에, 상기 탄소나노튜브 시트 롤의 상기 탄소나노튜브 시트(10)와 함께 감겨서 상기 탄소나노튜브 시트 롤의 하부 표면을 감싸며 형성된 전도성 부재 결합부(20);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트(10)는, 복수개의 탄소나노튜브 번들(11)들이 서로 공유결합을 통해 결합되어 형성된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)는 상기 전도성 부재 결합부(20)를 통해 기판에 고정하거나 이미터를 기판에 직접적으로 고정하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 기판에의 고정은 전도성 접착제 또는 용접을 통하여 할 수 있다. 한 예로서 이미터를 구리 기판에 용접을 통하여 결합하는 것도 가능하다.
이때, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)는, 상기 중심 축(A)이 기판과 수직이 되도록 고정될 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)의 상기 전도성 부재 결합부(20)가 형성된 부분의 단면은 도 5와 같은 형태를 가질 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 전체 높이 중 상기 전도성 부재 결합부(20)가 차지하는 높이(L2) 부분을 제외한 나머지 부분의 높이(L1) 및 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)의 전체 높이(L)는 1:5 내지 9:10의 길이 비를 갖는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
즉, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)의 전체 높이를 L, 상기 전도성 부재 결합부가 형성하는 소정의 높이를 L2, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터(100)의 전체 중 상기 전도성 부재 결합부가 형성하는 소정의 부분을 제외한 나머지 부분의 높이를 L1이라고 하면, 상기 L, L1 및 L2는 하기 식 1을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[식 1]
1/5 ≤ L1/(L1+L2) ≤ 9/10
전술한 종래의 발명에서도 이미터의 구조를 안정적으로 잡아주기 위한 전도성 홀더를 포함하는 구성은 개시된 바 있었다. 그러나, 전술한 바와 같이, 종래의 이미터들은 탄소나노튜브 섬유 가닥으로 이루어진 구조를 가지므로 상기 전도성 홀더로부터 노출되는 부분의 길이가 길어질수록 구조적 안정성이 떨어져 충분한 길이를 갖도록 형성할 수 없다는 문제점이 있었다.
그러나 본 발명은 서로 공유결합으로 연결된 탄소나노튜브 번들로 구성되는 탄소나노튜브 시트를 롤 형태로 형성하여 구조적으로 안정한 이미터를 구성함으로써, 상기 전도성 부재 결합부로부터 노출되는 부분의 길이가 전체 길이 대비 1:5 내지 9:10의 충분한 길이 비율을 갖도록 형성 가능한 특징을 갖는다.
상기 전도성 부재 결합부(20)는, 텅스텐, 아연, 니켈, 구리, 은, 알루미늄, 금, 백금, 주석 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 박막 또는 금속 와이어 형태인 것일 수 있다.
또는, 상기 전도성 부재 결합부(20)는, 전도성 성질을 갖는 무기물 페이스트로 이루어진 것일 수 있다.
상기 전도성 성질을 갖는 무기물 페이스트는, 전도 성질을 부여하기 위한 금속, 무기 반응계 및 유기 비이클을 포함하여 제조되는 공지의 전도성 무기물 페이스트를 이용할 수 있다.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판과 이미터 사이의 안정적인 결합으로 고출력에서도 손상 없이 안정적으로 사용 가능한 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제공 가능한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조방법을 설명한다.
도 6은 본 발명의 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조 방법은, 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계(S100); 및 상기 준비된 탄소나노튜브 시트를 중심축을 기준으로 감아 롤 형태로 형성하여 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조하는 단계(S200);를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트는, 복수개의 탄소나노튜브 번들들이 서로 공유결합을 통해 결합되어 형성된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트의 제조 공정을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계(S100)에서는, 탄소나노튜브를 집합체를 권취하여 상기 탄소나노튜브 번들(11)들이 일정한 방향을 갖도록 탄소나노튜브 시트(10)를 제조하는 단계; 및 상기 형성된 탄소나노튜브 시트(10)를 원하는 소정의 길이만큼 절취하여 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계;를 포함할 수 있다.
더욱 자세하게는, 먼저 상기 탄소나노튜브 시트를 합성하기 위하여, 탄소 공급원, 촉매 및 조촉매로 구성된 원료 용액을 이송 가스와 함께 고온의 합성로 내부로 공급하면서 합성할 수 있다. 상기 탄소 공급원은 아세톤, 에탄올 및 부탄올과 같은 유기용매를 주로 사용하며, 촉매로 페로세인(Ferrocene) 및 니켈로센(Nicklocene)과 같은 메탈로세인(Metallocene)을 사용하고, 조촉매로는 싸이오펜(Thiophene)이나 이황화탄소(CS2) 등을 사용할 수 있다. 상기 탄소나노튜브를 합성하기 위한 원료 용액 조성은 제조하고자하는 탄소나노튜브에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로 페로세인은 0.1 내지 4.0wt%, 싸이오펜은 0.05 내지 3.0wt% 비율로 조성될 수 있다. 함께 투입되는 이송가스는 수소 또는 질소 가스를 300 내지 4,000sccm, 전기로의 온도는 800 내지 1500도의 범위에서 합성될 수 있다. 이러한 조건에서 합성된 탄소나노튜브 집합체를 연속적으로 권취하여 탄소나노튜브 번들들이 일정한 방향성을 갖는 탄소나노튜브 시트를 제조할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조하는 단계(S200)에서는, 상기 탄소나노튜브 번들의 배향 방향과 상기 중심축이 -45° 내지 45°의 각도를 이루도록 제조하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기와 같이 탄소나노튜브 번들이 권취된 권취 방향이 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 중심축과 소정의 각도를 이루도록 조절하여 제조함으로써, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 역학적 특성을 조절할 수 있다. 더욱 자세하게는, 상기와 같이 탄소나노튜브 번들들이 소정의 롤링 각을 이루며 기울어져 롤링 됨으로써, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터가 횡방향으로 작용하는 힘에 더 잘 견딜 수 있도록 조절될 수 있다.
이때, 상기 각도는 -45° 내지 45°의 값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 각도가 -45° 미만이거나 45° 초과의 값을 갖게 되면, 전계 방출 소자에서 상기 탄소나노튜브 번들들이 길이 방향을 기준으로 너무 많이 기울어지게 되므로 탄소나노튜브 끝단으로부터의 전계방출 효과가 떨어지게 되어 바람직하지 않다.
따라서, 상기 각도는 -45° 내지 45°의 값을 갖는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조하는 단계(S200)에서는, 상기 탄소나노튜브 시트의 하단부에 전도성 성질의 물질을 올린 후 함께 감아 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조할 수 있다.
상기 전도성 물질은, 금속 박막 또는 금속 와이어 형태로 상기 시트와 함께 감기어 상기 이미터를 형성할 수 있으며,
또는, 전도성 무기물 페이스트 형태로 상기 탄소나노튜브 시트 상에 발라져 마찬가지로 상기 시트와 함께 감기어 상기 이미터를 형성할 수 있다.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 전계 방출 특성을 가지면서도 구조적으로 안정하여 고출력에서도 사용 가능한 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조 방법을 제공 가능한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전계 방출 소자를 설명한다.
상기 전계 방출 소자는, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 포함할 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 전계 방출 소자는, 기판; 및 상기 기판상에 위치하는 탄소나노튜브 시트 롤 이미터;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터는, 상기 기판상에 전도성 물질을 통해 고정된 것을 특징으로 할 수 있으며, 더욱 자세하게는, 중심축이 기판과 수직을 이루도록 전도성 접착제 또는 용접을 통해 결합된 것일 수 있다.
또는, 상기 기판이 메쉬(mesh) 그물망 형태로 이루어진 경우, 상기 기판의 그물망 사이사이로 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 꿰어 상기 기판의 그물망과 교차되도록 엮거나 또는 용접을 한 다음, 상기 기판 상면으로 노출된 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 상기 상면과 평행한 면으로 잘라 단면이 노출되도록 형성함으로써 전계 방출 소자를 형성할 수 있다.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구조적으로 안정하여 높은 출력에서도 안정적으로 사용 가능한 전계 방출 소자를 제공 가능한 효과가 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 탄소나노튜브 시트 롤 이미터
10: 탄소나노튜브 시트
11: 탄소나노튜브 번들
20: 전도성 부재 결합부

Claims (16)

  1. 탄소나노튜브 시트가 중심축을 기준으로 감긴 탄소나노튜브 시트 롤을 포함하되,
    상기 탄소나노튜브 시트는, 복수개의 탄소나노튜브 번들들이 서로 공유결합을 통해 결합되어 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 탄소나노튜브 시트 롤은, 상기 탄소나노튜브 시트 롤을 꺾어서 꺾인 부가 뾰족한 선단을 갖는 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트의 상기 복수개의 탄소나노튜브 번들들은, 일정한 방향성을 가지며 배열된 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중심축과 상기 탄소나노튜브 번들들의 배열 방향은 -45° 내지 45°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트 롤은, 길이가 1 ㎛ 내지 1 m 인 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트 롤은, 단면 직경이 1 ㎛ 내지 30 ㎝ 인 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트 롤의 하부 표면을 감싸며 형성된 전도성 부재 결합부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트 롤의 상기 탄소나노튜브 시트와 함께 감겨서 상기 탄소나노튜브 시트 롤의 하부 표면을 감싸며 형성된 전도성 부재 결합부;를 더 포함하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 전체 높이 중 상기 전도성 부재 결합부가 차지하는 높이 부분을 제외한 나머지 부분의 높이 및 상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 전체 높이는 1:5 내지 9:10의 길이 비를 갖는 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전도성 부재 결합부는, 텅스텐, 아연, 니켈, 구리, 은, 알루미늄, 금, 백금, 주석 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 박막 또는 금속 와이어 형태인 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전도성 부재 결합부는, 전도성 성질을 갖는 무기물 페이스트를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터.
  12. 복수개의 탄소나노튜브 번들들이 서로 공유결합을 통해 결합되어 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계; 및
    상기 준비된 탄소나노튜브 시트를 중심축을 기준으로 감아 롤 형태의 탄소나노튜브 시트 롤을 형성하고, 상기 탄소나노튜브 시트 롤을 꺾어서 꺾인 부가 뾰족한 선단을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조하는 단계;를 포함하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계에서는, 탄소나노튜브 집합체를 권취하여 상기 탄소나노튜브 번들들이 일정한 권취 방향을 갖도록 탄소나노튜브 시트를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 제조하는 단계에서는, 상기 탄소나노튜브 집합체의 권취 방향과 상기 중심축이 -45° 내지 45°의 각도를 이루도록 제조하는 것을 특징으로 하는 구조적 안정성이 향상된 탄소나노튜브 시트 롤 이미터의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 제1항에 따른 탄소나노튜브 시트 롤 이미터를 포함하는 전계 방출 소자.
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