KR20000071254A

KR20000071254A - 카본 나노튜브의 필름화 방법, 그 방법에 의해 필름화된카본 나노튜브 및 이것을 이용한 전계 전자 방출원

Info

Publication number: KR20000071254A
Application number: KR1020000002011A
Authority: KR
Inventors: 츠보이도시유끼
Original assignee: 니시무로 아츠시; 후다바 덴시 고교 가부시키가이샤
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2000-11-25
Also published as: JP2000203821A; JP3943272B2; US6616495B1; KR100364563B1

Abstract

본 발명은 카본 나노튜브(Carbon Nanotube)를 이용하여 소정 패턴으로 형성된 저렴한 전계 전자 방출원을 얻기 위한 카본 나노튜브의 필름화 방법에 관한 것으로, 소정 패턴으로 점착테이프(24)가 접착된 동판(23)을 거친 단층 카본 나노튜브를 분산시킨 용액(22)과 함께 비이커(21)에 넣어 용액(22)을 자연증발시킴으로써, 동판(23)상에 단층 카본 나노튜브를 퇴적시킨다. 단층 카본 나노튜브가 퇴적된 동판(23)으로부터 점착테이프(24)를 박리시켜 동판(23)상에 소정 패턴으로 밀착, 퇴적한 단층 카본 나노튜브를 얻을 수 있어, 이것을 전자관의 전자방출원으로서 이용한다.

Description

카본 나노튜브의 필름화 방법, 그 방법에 의해 필름화된 카본 나노튜브 및 이것을 이용한 전계 전자 방출원{FILMING METHOD OF A CARNON NANOTUBE, CARBON NANOTUBE FILMS OBTAINED BY USING THE FILMING METHOD AND A FIELD EMISSION ELECTRON SOURCE USING THE CARBON NANOTUBE FILMS}

본 발명은 기판상에 카본 나노튜브(Carbon Nanotube)의 피막을 형성하는 카본 나노튜브의 필름화 방법, 그 방법에 의해 필름화된 카본 나노튜브 및 이것을 이용한 전계 전자 방출원에 관한 것이다.

전계 전자 방출원은 열에너지를 이용하는 전자원(열전자 방출원)에 비하여, 에너지 절약으로 수명화 연장이 가능하다는등, 우수한 점이 많다. 현재, 이러한 전계 전자 방출원의 재료로서는, 텅스텐, 실리콘, 몰리브덴 등이 알려져 있다.

전계 전자 방출원은 그 앞단에 전계를 집중시키기 위해서 예리한 선단을 가져야 한다. 그러나, 텅스텐 등의 금속 재료의 선단을 예리하게 가공하는 것은 용이하지 않다. 또한, 사용중에 전계 전자 방출원의 선단의 예리함을 유지하기 위해서는 전자관내를 10^-8Torr 대 이상의 고진공으로 할 필요도 있다. 이와 같이, 금속 재료를 이용한 전계 전자 방출원은 그 제조가 상당히 곤란함과 동시에, 그 후의 전자관의 제조도 곤란하게 한다.

최근, 상기와 같은 결점을 갖지 않는 전계 전자 방출원의 재료로서, 카본 나노튜브가 주목받고 있다. 카본 나노튜브는 그 자체가 전계를 집중시키는 데 충분한 예리함을 갖고, 화학적으로 안정적이고 기계적으로도 강하다는 특징을 갖기 때문에, 전계 전자 방출원으로서 상당히 유망시되고 있다.

카본 나노튜브는 다층 카본 나노튜브(MWNT)와 단층 카본 나노튜브(SWNT)로 대별할 수 있다. 다층 카본 나노튜브는 그 이름에서 알 수 있듯이 2층 이상의 동심 원통으로 이루어지고, 그 선단은 폐쇄되어 있다. 또한, 단층 카본 나노튜브는 1층의 원통으로 이루어지고, 그 선단은 개방되어 있다. 이 중에서, 전계 전자 방출원으로서는 주로 다층 카본 나노튜브가 이용된다.

다층 카본 나노튜브는 한 쌍의 순수 탄소 전극을 이용하여, 가스 분위기하에서 직류 아크 방전을 실행하면 얻을 수 있다. 즉, 아크 방전에 의해 양극 탄소 전극이 증발하여 매연과 음극 퇴적물이 되지만, 다층 카본 나노튜브는 그 음극 퇴적물중에 포함되어 있다.

얻어진 다층 카본 나노튜브는 분리 정제하지 않고 에폭시 수지로 경화된 것이 전계 전자 방출원이 될 수 있는 것이 코린즈 등에 의해 보고되어 있다 (P. G. Collins등, Appl. Phys. Lett 69(13) 23, Sep. (1996)., p1969).

그러나, 분리 정제를 실행하여 그 선단을 개방시킨 다층 카본 나노튜브 쪽이, 전계 전자 방출원으로서는, 임계값이 낮고 전류밀도가 크다는 등의 유리한 결과를 얻을 수 있는 것이 스모리 등에 의해서 확인되었다 (Smally등, Science vol. 269, 1550(1995)). 분리, 정제 방법은 다음과 같이 실행된다.

우선, 거친 다층 카본 나노튜브를 유발(乳鉢)로 분쇄한다. 다음에, 분쇄한 거친 다층 카본 나노튜브를 에탄올에 분산시켜 초음파를 쪼인다. 그리고, 거친 다층 카본 나노튜브를 분산시킨 에탄올을 여과하여 여과액을 건조시킨다. 배출한 물질을 체로 쳐서, 체를 통과한 것만을 석영 유리상에서 버너로 가열, 연소시킨다.

이상과 같이 하여, 분리 정제된 다층 카본 나노튜브는 순도가 높아질 뿐만 아니라 그 선단이 개방되어 있어 전계 전자 방출원으로서 양호한 특성을 나타낸다.

또한, 다층 카본 나노튜브를 전계 전자 방출원으로 이용하기 위해서는 다층 카본 나노튜브를 필름화하는 것이 바람직하며, 그 방법은, 스위스의 원자 클러스터연구자 드헬등에 의해서 개발되어 있으며(SCIENCE 268(1995)845), 그 방법은 분리 정제한 다층 카본 나노튜브를 0.2μm 직경의 다공 세라믹 필터에 통과시켜 그것을 테프론(Teflon)이나 알루미늄 호일에 전사하는 것이다. 그리고, 이렇게 하여 얻어진 필름화된 다층 카본 나노튜브를 이용하여 전계 전자 방출 평가를 실행한 결과가 SICENCE 270(1995)1179에 보고되어 있다.

다층 카본 나노튜브의 회수율은 원료의 소비량에 대하여 수십 퍼센트 밖에 안된다. 또한, 다층 카본 나노튜브의 분리 정제는 번거롭다. 따라서, 다층 카본 나노튜브를 이용한 전계 전자 방출원은 고비용으로 인해 양산에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.

또한, 드·헬등에 의한 카본 나노튜브의 필름화 방법은 단층 나노튜브가 다층 나노튜브와는 달리 유연성이 풍부하고 서로 얽히기 쉬워 다발로 되기 쉽다는 특징을 갖기 때문에, 세라믹 필터의 작은 구멍에 포획되지 않아 전사가 곤란하다는 이유로 단층 나노튜브의 필름화에는 이용할 수 없다는 문제점도 있다.

또한, 다양한 용도의 전계 전자 방출원을 형성하기 위해서는 용도에 따른 소정 패턴의 필름화가 필요하지만, 카본 나노튜브를 소정 패턴으로 필름화하는 것이 곤란하다는 문제점이 있다.

본 발명은 카본 나노튜브의 분리 정제 과정을 생략하여 소정 패턴으로 형성된 저렴한 전계 전자 방출원을 제공할 수 있는 카본 나노튜브의 필름화 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 단층 카본 나노튜브를 소정 패턴으로 필름화하기에 적합한 카본 나노튜브의 필름화 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 거친 카본 나노튜브를 용매중에 분산시킨 용액의 상기 용매를 증발시킴으로써, 상기 용액중에 배치되어 소정 패턴의 노출부를 갖는 기판의 상기 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법를 얻을 수 있다.

여기서, 상기 거친 카본 나노튜브를 상기 용매중에 분산시킨 후 침전물을 제거하여 얻어지는 웃물을 이용하여 상기 기판의 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키도록 하는 것이 바람직하다. 혹은, 상기 거친 카본 나노튜브를 상기 용매에 분산시킨 용액 또는 상기 웃물을 여과하여 얻어진 여과액을 이용하여 상기 기판의 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키도록 하는 것도 가능하다.

또한, 상기 거친 카본 나노튜브를 분쇄 처리한 후 상기 용매중에 분산시킨 용액을 이용하도록 해도 좋다.

또한, 본 발명에 의하면 거친 카본 나노튜브를 용매중에 분산시킴으로써 용액을 얻어 살포 수단에 의해 소정 패턴의 노출부를 갖는 기판의 상기 노출부상에 상기 용액을 살포하고, 상기 용매를 증발시킴으로써 상기 기판의 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법를 얻을 수 있다.

상기 용액의 살포 및 용매의 증발을 다수회 반복하여 실행해도 좋다.

여기서, 상기 용액은 상기 거친 카본 나노튜브를 상기 용매중에 분산시킨 후, 침전물을 제거하여 얻어지는 웃물인 것이 바람직하다. 혹은, 상기 용액은 상기 거친 카본 나노튜브를 용매에 분산시킨 용액 또는 상기 웃물을 여과하여 얻어진 여과액을 사용해도 좋다.

또한, 상기 용액은 상기 거친 카본 나노튜브를 분쇄 처리한 후, 상기 용매중에 분산시킴으로써 얻어지는 용액을 사용해도 좋다.

또한, 상기 기판으로서는 금속판이나 탄소시트 등의 도전판이 사용될 수 있다.

상기 방법에 의해 얻어진 필름화된 카본 나노튜브는 전계 전자 방출원으로서 이용할 수 있다.

도 1A 및 도 1B는 미처리의 거친 단층 카본 나노튜브를 이용한 2극관 구조물의 특성을 나타내는 그래프,

도 2는 소정 패턴으로 형성되어 필름화된 카본 나노튜브의 제작 방법에 관한 본 발명의 실시예를 도시한 도면,

도 3은 소정 패턴으로 형성되어 필름화된 카본 나노튜브의 제작 방법에 관한 본 발명의 다른 실시예를 도시한 도면,

도 4는 2극관 구조물의 구성을 도시한 개략도,

도 5는 웃물과 침전물을 이용하여, 본 발명의 제조 방법에 의해 제작한 전계 전자 방출원의 특성을 나타내는 그래프,

도 6A 및 도 6B는 본 발명에 의해 제작한 전계 전자 방출원의 특성을 나타내는 그래프,

도 7A 및 도 7B는 본 발명에 의해 제작한 전계 전자 방출원의 방출 전류의 시간변화를 나타내는 그래프,

도 8은 3극관 구조의 구성을 도시한 개략도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

21 : 용기로서의 비이커 22 : 용액

23 : 기판 24 : 마스크부로서의 점착테이프

25, 32 : 노출부 33 : 마스크부

41, 81 : 단층 카본 나노튜브 42, 82 : 동판

43, 83 : 스페이서 44, 86 : 애노드 전극

45, 88 : 전원 84 : 그리드 전극

85 : 유리판 87 : 형광체

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

우선, 일반적인 단층 카본 나노튜브의 제조 방법에 대하여 설명한다. 단층 카본 나노튜브를 제조하는 경우에도 다층 카본 나노튜브를 제조하는 경우와 마찬가지로 한 쌍의 탄소 전극을 이용하여 가스 분위기하에서 직류아크 방전을 실행한다. 단지, 단층 카본 나노튜브를 제조하는 경우는, 다층 카본 나노튜브를 제조하는 경우와 달리, 양극 전극으로서 촉매가 될 수 있는 니켈, 이트륨등의 금속이 첨가된 탄소 전극을 이용한다. 이러한 아크 방전에 의해 매연과 음극 퇴적물이 생성되지만, 단층 카본 나노튜브는 매연중에 존재한다.

발명자등은 먼저, 일본 특허출원 평성10-82409호에서, 거친 단층 카본 나노튜브의 회수율을 비약적으로 향상시키는 제조 방법을 제안하였다. 이 방법에 의하면, 종래 방법보다도 또한, 다층 카본 나노튜브를 제조하는 것보다도, 저렴하게 대량의 단층 카본 나노튜브를 얻을 수 있다. 따라서, 단층 카본 나노튜브를 전계 전자 방출원으로서 이용할 수 있으면, 카본 나노튜브를 이용한 전계 전자 방출원을 저렴하게 제공할 수 있는 것이다.

더구나, 발명자등은 미 처리의 거친 단층 카본 나노튜브를 이용하여 전계 전자 방출 실험을 한 결과, 미처리의 거친 단층 카본 나노튜브를 이용하여 전계 전자방출이 일어나는 것을 확인하였다. 그 결과를 도 1A 및 도 1B에 나타낸다.

도 1A 및 도 1B에 도시된 I-V 특성에 나타난 바와 같이, 인가 전압이 500V를 넘는 부근부터 전류가 검출되고, 또한 FN 도표가 음의 기울기인 것에서 전계 전자 방출이 일어나고 있는 것은 분명하다.

그러나, 미처리의 거친 단층 카본 나노튜브는 그대로 취급하기 어려우므로 처리 및 기판으로의 퇴적(필름화)을 실행하는 것으로 하였다. 또한, 단층 카본 나노튜브는 기판에 밀착시키지 않으면 전압을 인가하였을 때 양 극판으로 끌어당겨져 특성의 변화나 단락의 원인이 된다.

거친 단층 카본 나노튜브의 처리 및 기판으로의 퇴적 방법을 개략적으로 설명하면, 우선 비이커 등의 용기를 준비하여 그 내측 밑바닥에 금속판 또는 탄소 시트 등의 도전성 기판(도전판)을 설치한다. 거기에, 거친 단층 카본 나노튜브와 용매 예컨대, 아세톤을 넣는다. 그리고, 용기에 초음파를 쏘인 후 통풍 챔버내에서 용매를 자연 증발시킨다. 그러면, 기판의 표면에 거친 단층 카본 나노튜브가 균일하게 밀착 퇴적된다. 또한, 이상과 같이 하여 얻어진 필름화한 카본 나노튜브는 예컨대, 기판의 안쪽에서 손가락으로 튀기는 것 같은 강한 진동을 인가하더라도 이탈하지 않을 정도로 견고하게 밀착되어 있다.

다음에, 기판상에 소정 패턴으로 필름화된 카본 나노튜브를 형성하는 방법을 상세히 설명한다.

도 2는 소정 패턴으로 필름화된 카본 나노튜브를 기판상에 제작하는 방법에 관한 실시예를 도시한 도면이다.

도 2에 있어서, 참조부호 (21)은 용기인 비이커, (22)는 별도로 거친 카본 나노튜브를 아세톤 등의 용매에 분산, 정지시킨 후에 얻어진 카본 나노튜브가 분산한 용액, (23)은 구리 등의 도전성 기판(도전판), (24)는 기판(23)에 밀착된 마스크부로서의 점착테이프이다. 기판(23) 상면의 일부가 점착테이프(24)에 덮혀짐으로써 기판(23)의 상면에는 소정 패턴의 노출부(25)가 형성된다.

소정 패턴의 필름화된 카본 나노튜브를 제작하는 경우에는, 우선 비이커(21)의 내측 밑바닥에 접착테이프(24)가 소정 패턴으로 접착된 기판(23)을 설치한다. 한편, 카본 나노튜브가 분산된 웃물 액을 만들기 위해, 별도로 준비된 비이커(도시하지 않음)에 거친 카본 나노튜브와 용매, 예컨대 아세톤을 넣고 상기 비이커에 초음파를 쏘인 후 10분 정도 정지하여 그 웃물 액을 회수한다. 그리고, 얻어진 웃물 액의 용액(22)을 비이커(21)로 옮겨, 예컨대 통풍 챔버내에서 용액(22)의 용매를 자연 증발시킨다. 그러면, 기판(23) 및 접착테이프(24)의 표면에 거친 단층 카본 나노튜브가 균일하게 밀착, 퇴적된다. 그 후, 점착테이프(24)를 박리하여 제거함으로써 노출부(25)에만 필름화된 카본 나노튜브가 형성된다.

노출부(25)의 패턴을 기호나 문자 등의 여러가지 형상으로 형성함으로써 기호나 문자 등의 다양한 소정 패턴이 필름화된 카본 나노튜브를 형성하는 것이 가능하게 된다. 또한, 카본 나노튜브 필름을 소정 패턴으로 형성하는 것이 가능하기 때문에, 전계 전자 방출원으로서 이용하는 경우에 기판(23)의 도전 패턴을 소정 형상으로 가공할 필요가 없어 평면 전극을 사용하는 것이 가능하게 된다.

도 3은 소정 패턴으로 필름화된 카본 나노튜브를 기판상에 제작하는 방법에 관한 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 3에 있어서, (31)은 구리 등의 도전성 기판(도전판), (33)은 세라믹등에 의해서 형성된 마스크부이다. 마스크부(33)에는, 소정 패턴의 관통공(34)(도 3에서는 예를 들면, 9개의 사각형상의 관통공)이 형성되어 있다.

소정 패턴의 필름화된 카본 나노튜브를 제작하는 경우에는 우선 기판(31)상에 마스크부(33)를 중첩하고, 이것을 비이커(도시하지 않음) 내측 밑바닥에 설치한다. 이 때, 관통공(34)에 대응하는 기판(31)의 상면 부분은 마스크부(33)로 덮혀지지 않아 점선으로 도시하는 바와 같이, 9개의 사각형상의 노출부(32)가 형성된다.

또한, 별도로 거친 단층 카본 나노튜브와 용매(도시하지 않음), 예컨대 아세톤을 비이커(도시하지 않음)에 넣어 초음파를 쏘인 후에 정지하여 얻어진 웃물 액을 기판(31) 및 마스크부가 배치된 비이커내에 넣고 자연 증발시킨다. 그러면, 기판(31)의 노출부(32) 및 마스크부(33)의 표면에 거친 단층 카본 나노튜브가 균일하게 밀착 퇴적한다. 그 후, 마스크부(33)를 제거하면 기판(31)의 노출부(32)에만 필름화된 카본 나노튜브를 얻을 수 있다.

관통공(34)의 패턴을 기호나 문자 등의 다양한 형상으로 형성하면 기호나 문자 등의 다양한 소정 패턴이 필름화된 카본 나노튜브를 형성하는 것이 가능하게 된다. 또한, 미세한 관통공(34)을 규칙적으로 배치하는 것에 의해 점 형상으로 규칙적으로 배열한 규격이 갖추어진 카본 나노튜브(전계 전자 방출원)을 얻을 수 있다. 또한, 카본 나노튜브 필름을 소정 패턴으로 형성하는 것이 가능하기 때문에, 전계 전자 방출원으로서 이용하는 경우에, 기판(31)의 도전 패턴을 소정 형상으로 가공할 필요가 없어 평면 전극을 사용하는 것이 가능하게 된다.

전술한 각 실시예에 관한 방법은 상당히 간편하고 대량 생산에 적합하다. 또한, 이 방법은 일단 거친 단층 카본 나노튜브의 덩어리를 푼 (용매중에 분산시킨)후, 기판상에서 다시 덩어리로 되기 때문에 롯(lot) 내의 균일성이 확보된다. 따라서, 사이즈 확대에 유리하다.

또한, 거친 단층 카본 나노튜브는 미리 유발이나 믹서로 분쇄(수 십 초 내지 수 분 정도)하고 나서 상기 처리, 퇴적의 공정을 실행하도록 해도 좋다. 또한, 용기에 초음파를 쏘여 거친 단층 카본 나노튜브를 용매중에 분산시킨 후 침전물을 제거하고 나서 웃물의 용매를 자연 증발시켜도 좋다. 이렇게 하면 단층 카본 나노튜브의 선단 부분이 표면에 나타나기 쉽게 되고 임계값 전압이 하강하여 큰 전류밀도를 얻을 수 있다.

혹은, 단지 거친 카본 나노튜브가 분산된 웃물 액을 이용하는 것이 아니라, 이것을 여과하여 거친 단층 카본 나노튜브를 분산시킨 용액으로부터 침전물을 제거한 여과액을 이용하여 기판으로의 퇴적을 실행하도록 해도 좋다. 이 때, 적절한 구멍 직경의 여과 필터를 이용함으로써 여과액에 포함되는 단층 카본 나노튜브의 순도를 높일 수 있다.

또한, 상기 방법을 이용하면 고순도의 거친 단층 카본 나노튜브는 비이커의 측면으로 거의 부착하는 일 없이 기판에 밀착하여 퇴적한다. 이에 비하여, 저순도의 거친 단층 카본 나노튜브는 비이커의 측면에 부착하기 쉽고 기판으로의 밀착성도 약해 분리되기 쉽다. 이것으로부터, 상기 방법은 거친 단층 카본 나노튜브의 순도를 검사하는 일 없이 그 순도를 알 수 있어 제품의 품질검사를 용이하게 한다는 효과도 있다.

상기 각 실시예에 의해 얻어지는 단층 카본 나노튜브를 표면에 퇴적시킨 도전성 기판(필름화된 카본 나노튜브)은 2극관이나 3극관(발광 장치) 등의 전자관의 캐소드, 즉 전계 전자 방출원으로서 이용할 수 있다. 특히, 평면 디스플레이 패널에 이용되는 표시관의 전계 전자 방출원으로의 이용도 기대된다. 그러나, 그 용도는 이들에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 각 실시예에서는 단층 카본 나노튜브를 도전성 기판에 퇴적시켰지만 다층 카본 나노튜브를 퇴적시키는 방법 혹은, 절연 기판상에 단층 또는 다층 카본 나노튜브를 퇴적시키는 방법도 이용할 수 있는 것은 물론이다. 여기에서, 분리, 정제된 다층 카본 나노튜브를 기판에 퇴적시킨 경우, 단층 카본 나노튜브의 경우와 같이 기판에 밀착하는 것이 발명자 등에 의해 확인되었다. 또한, 기판의 양면에 단층 또는 다층 카본 나노튜브를 퇴적시키는 방법도 이용할 수 있다. 이들의 방법에 의해 얻어지는 필름화된 카본 나노튜브는 수소의 저장이나 전지의 전극으로서의 이용을 고려할 수 있다.

또한, 상기 각 실시예에서는 용매로서 아세톤을 예시하였지만, 디에틸에테르나 물, 에탄올 등의 액체를 사용할 수 있다.

또한, 금속 기판으로서는 구리, 은, 니켈 혹은, 티탄 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 각 실시예에서는 용매를 자연 건조시키는 것으로 하였지만, 용매를 가열하거나 감압 분위기하에 둠으로써, 급속 건조시키더라도 마찬가지의 결과를 얻을 수 있다. 또한, 용매를 완전히 증발시키지 않고 증발도중에 기판을 용액중에서 꺼낸 후 기판을 건조시키도록 해도 좋다.

또한, 상기 각 실시예에서는 비이커 등의 용기중에 용액 및 기판을 배치한 상태로 상기 기판상에 카본 나노튜브를 퇴적시키도록 하였지만, 스포이드 혹은 디스펜서 등의 살포 수단을 이용하여 노출부를 형성한 기판의 노출부에 거친 카본 나노튜브를 용매중에 분산시킨 용액을 적절하게 떨어뜨려 살포하여, 상기 용매를 증발시키도록 해서 필름화하는 방법도 좋다.

즉, 거친 카본 나노튜브를 아세톤 등의 용매중에 분산시켜 초음파를 쏘임으로써 용액을 얻어 도 2 및 도 3과 같이, 마스크부를 기판에 중첩시켜 상기 기판에 소정 패턴의 노출부를 형성하고 상기 노출부상에 스포이드 혹은 디스펜서 등의 살포 수단을 이용하여 상기 용액을 살포한 후 상기 용매를 증발시키고 그 후 상기 마스크부를 제거함으로써 상기 기판의 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키도록 하여 필름화하는 것도 가능하다.

이 방법에서는, 거의 기판의 노출부에만 카본 나노튜브를 퇴적할 수 있으므로 마스크부상에 퇴적하는 카본 나노튜브를 최소화할 수 있어, 카본 나노튜브 등의 재료를 효율적으로 이용할 수 있다. 또한, 기판의 노출 부분에 적절하게 떨어뜨려 살포하는 카본 나노튜브의 양을 조정하면, 카본 나노튜브층의 막 두께 제어가 가능하게 된다는 이점도 있다.

이 경우, 카본 나노튜브를 포함하는 용액의 살포, 용매의 증발이라는 공정을 반복하여 카본 나노튜브층을 원하는 두께로 형성하도록 해도 좋다.

또한, 마스크부의 두께를 적절히 변경하여 원하는 두께의 카본 나노튜브를 형성하도록 해도 좋다.

이에 따라, 예컨대, 전계 전자 방출원에 이용하는 경우 전자방출에 최적 두께의 카본 나노튜브층을 형성하는 것이 가능하게 된다.

상기 용액은 상기한 바와 같이 하여 거친 카본 나노튜브를 용매중에 분산시키는 것에 의해 얻어지는 각종 용액이나 상기 용액을 농축하여 얻어지는 용액을 사용할 수 있다. 예컨대, 전술한 바와 같이, 상기 거친 카본 나노튜브를 상기 용매중에 분산시킨 후 침전물을 제거하여 얻어지는 웃물 액 또는 상기 거친 카본 나노튜브를 용매중에 분산시킨 용액 또는 상기 웃물을 여과하여 얻어진 여과액이 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 거친 카본 나노튜브를 분쇄 처리한 후 상기 용매중에 분산시키는 것에 의해 얻어지는 용액 등도 사용할 수 있다.

이하에서는, 실제로 단층 카본 나노튜브를 이용하는 전계 전자 방출원을 제작하여 그 특성 등을 측정한 결과를 나타낸다.

전계 전자 방출원의 제작은 다음과 같이 실행된다. 우선, 100ml의 비이커를 준비하고, 거친 단층 카본 나노튜브 50mg과 아세톤 100cc 넣는다. 그리고, 비이커에 초음파(100 W, 20분)를 쏘여, 거친 단층 카본 나노튜브를 아세톤중에 분산시킨다. 웃물과 침전물을 분리하고, 40×40×0.3mm의 동판을 밑바닥에 설치한 2개의 비이커에 각각 웃물과 침전물을 넣어 통풍 챔버내에 설치하여 아세톤을 자연 증발시킨다. 그러면, 표면에 거친 단층 카본 나노튜브를 퇴적시킨 동판를 얻을 수 있다.

이 후, 얻어진 동판을 5mm×5mm로 절취하여 도 4에 도시한 바와 같은 2극관 구조물의 캐소드로 하였다. 즉, 거친 단층 카본 나노튜브(41)를 퇴적시킨 동판(42)을 스페이서(43)를 거쳐서 애노드 전극(44)에 대향시켜 애노드 전극(44)과 동판(42)과의 사이에 전원(45)으로부터의 전압을 인가하도록 하였다.

평가는 이 2극관 구조물을 평가용 챔버내에 도입하여 상기 챔버 내부를 진공으로 해서 실시하였다. 이 때의 배압은 2×10^-7Torr 이하로 하였다. 또한, 사용한 거친 단층 카본 나노튜브는 Ni 및 Y의 혼합물을 첨가한 한 쌍의 탄소 전극을 이용하여 발명자 등에 의해 제안된 교류 아크 방전(AC 180A, He압 : 500 Torr)에 의해 얻은 것을 이용하였다. 측정의 결과를 도 5에 나타낸다.

도 5의 결과로부터, 침전물에는 촉매 금속이나 무정형 탄소 등의 불순물이 많이 포함되어 있고 전자방출의 효율이 상당히 떨어지며 웃물은 불순물이 적기 때문에 효율적으로 전자방출이 실행되고 있는 것을 알 수 있다. 그래서, 이하에서는웃물만을 이용하여 전술한 방법으로 전계 전자 방출원을 제작하여, 그 특성을 측정하였다.

도 6A 및 도 6B에는 거친 단층 카본 나노튜브로서, 종래의 직류 아크 방전(양극에 Ni 및 Y를 첨가한 탄소 전극을 이용하여 DC 150A의 전류를 흘렸음)에 의해 얻은 것을 이용한 경우의 측정 결과가 도시되어 있다.

도 6A의 I-V 특성으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 인가 전압이 200 V를 초과하면 전류가 흐르기 시작한다. 또한, 도 6B의 FN 도표는 기울기가 음인 대략 직선으로 된다. 이들로부터, 단층 카본 나노튜브를 전계 전자 방출원으로서 이용할 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 도 7A 및 도 7B에는 단층 카본 나노튜브(교류 아크 방전(AC 180A, He압 : 500 Torr)에 의해 얻은 것)을 이용한 전계 전자 방출원의 전류 시간변화를 측정한 결과를 나타낸다.

도 7A 및 도 7B로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 단층 카본 나노튜브는 전계 전자 방출원으로서, 오랜 시간 안정한 특성을 나타낸다.

또한, 도 8에 도시한 3극 구조물을 제작하여 챔버내에서 전압을 인가한 바, 형광체를 발광시킬 수 있었다. 즉, 단층 카본 나노튜브(81)를 퇴적시킨 동판(82)을 스페이서(83)를 거쳐서 금속 메쉬인 그리드 전극(84)에 대향시키고 그 위에 유리판(85)에 금속 메쉬인 애노드 전극(86)을 마련하여 그 표면에 형광체(87)를 도포한 3극 구조물에 전원(88)으로부터의 전압을 인가하도록 하여 그 형광체(87)를 발광시킬 수 있었다.

본 발명에 의하면, 거친 카본 나노튜브가 분산한 용액중에 소정 패턴의 노출부를 갖는 기판을 배치하여 용매를 증발시켜 카본 나노튜브의 층을 상기 기판의 노출부상에 퇴적시키도록 하면 용이하게 소정 패턴의 카본 나노튜브의 필름화가 실현 가능하다.

또한, 거친 카본 나노튜브를 용매중에 분산시킨 용액을 살포 수단에 의해 소정 패턴의 노출부를 갖는 기판의 상기 노출부상에 살포하여 상기 용매를 증발시킴으로써 상기 기판의 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키도록 하고 있기 때문에, 용이하게 소정 패턴의 카본 나노튜브의 필름화가 실현 가능함과 동시에, 재료의 호율적 이용이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 필름화된 카본 나노튜브를 전계 전자 방출원으로서 이용하도록 한 것으로부터 소정 패턴으로 형성된 저렴한 전계 전자 방출원을 제공할 수 있다.

Claims

거친 카본 나노튜브를 용매중에 분산시킨 용액의 상기 용매를 증발시켜 상기 용액중에 배치되어 소정 패턴의 노출부를 갖는 기판의 상기 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 거친 카본 나노튜브를 상기 용매중에 분산시킨 후 침전물을 제거하여 얻어지는 웃물을 이용하여 상기 기판의 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 거친 카본 나노튜브를 상기 용매에 분산시킨 용액 또는 상기 웃물을 여과하여 얻어진 여과액을 이용하여 상기 기판의 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 거친 카본 나노튜브를 분쇄 처리한 후 상기 용매중에 분산시킨 용액을 이용하여 상기 기판의 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
거친 카본 나노튜브를 용매중에 분산시킴으로써 용액을 얻어, 살포 수단에 의해, 소정 패턴의 노출부를 갖는 기판의 상기 노출부상에 상기 용액을 살포하여, 상기 용매를 증발시킴으로써 상기 기판의 노출부상에 카본 나노튜브를 퇴적시키는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 용액의 살포 및 용매의 증발을 다수회 반복하여 실행하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 용액은 상기 거친 카본 나노튜브를 상기 용매중에 분산시킨 후 침전물을 제거하여 얻어지는 웃물인 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
제 5 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 용액은 상기 거친 카본 나노튜브를 용매에 분산시킨 용액 또는 상기 웃물을 여과하여 얻어진 여과액인 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
제 5 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 용액은 상기 거친 카본 나노튜브를 분쇄 처리한 후, 상기 용매중에 분산시킴으로써 얻어지는 용액인 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 기판이 도전판인 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브의 필름화 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 이용하여 필름화된 카본 나노튜브.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 이용하여 필름화된 카본 나노튜브를 이용하는 것을 특징으로 하는 전계 전자 방출원.