KR20010039123A - 탄소나노튜브를 이용한 3극형 전자 방출 장치, 그의 제조 방법, 그를 이용한 평면판 표시 장치 및 양극산화된 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 전자 방출 장치, 그의 제조 방법, 그를 이용한 평면판 표시 장치 및 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성하는 방법에 관한 것으로, 3극형으로 구동하는 전자 방출 장치 및 그의 제조 방법을 제공한다. 즉, 본 발명은, 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 전자 방출 장치로서, 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면과 제 2 면을 수직으로 관통하여 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형과; 상기 알루미나 주형의 각 세공에 형성된 탄소나노튜브와; 상기 제 2 면에 형성되며, 상기 제 2 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측과 연결된 복수개의 음극선; 및 상기 제 1 면에 형성되며, 상기 제 1 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측에 각기 이격되게 전자 방출 구멍이 형성된 제 2 양극층;을 포함하며, 상기 제 2 양극층의 전압을 변화시켜 상기 탄소나노튜브에서 방출되는 전자의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 3극형 전자 방출 장치 및 그의 제조 방법을 제공한다. 그리고, 본 발명에 따른 3극형 전자 방출 장치를 이용한 평면판 표시 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 알루미나 주형의 세공 속에 일정량의 탄소화합물을 미리 넣고 무산소 상태에서 탄소화합물을 열분해시켜 세공에만 탄소나노튜브를 형성하는 방법 또는 알루미나 주형의 제 2 면에 금속 보호막을 형성하는 공정을 진행한 이후에 세공에만 탄소나노튜브를 형성하는 방법을 제공하기 때문에, 탄소나노튜브를 형성한 이후에 알루미나 주형의 표면에 형성된 탄소층을 제거하는 공정을 생략할 수 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 3극형 전자 방출 장치, 그의 제조 방법, 그를 이용한 평면판 표시 장치 및 양극산화된 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성하는 방법{Triode electron emitting device using carbon nanotube, Method for manufacturing the same, flat panel display using the same and Method for forming carbon nanotube in anodized alumina template}

본 발명은 전자 방출 장치, 그의 제조 방법 및 그를 이용하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 이용한 3극형 전자 방출 장치, 그의 제조 방법, 그를 이용한 평면판 표시 장치 및 양극산화된 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성하는 방법에 관한 것이다.

전자 방출 장치는 표시 장치, 음극선관, 전자총, 램프 등에서 전자를 방출시키는 핵심 부품을 말한다. 특히, 탄소나노튜브(carbon nanotube)는 매우 단단하고 전기적인 성질이 좋아 전자 방출 물질로서 매우 잘 알려진 물질이다(W. A. de Heer, A. Chatelain and D. Ugarte, Science, 270, 1179(1995)). 그러나, 탄소나노튜브를 전자 방출 물질의 첨단으로 이용하기 위해서는 탄소나노튜브가 표면에 수직이면서 균일하게 분포되어야 한다. 또한 음극으로부터 균일한 전류가 흐르기 위해 전자 방출 물질의 끝과 음극선의 거리도 균일해야 한다(T. Studt, Innvation spurs hardware advence, R＆D Magazine, p14∼17, April 1996).

일단계로 양극산화한 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 합성하는 기술은 EP913508호에 개시되어 있다. 그러나, 일단계로 양극산화한 알루미나 주형에 형성된 탄소나노튜브는 배열이 불규칙적이고, 지름의 크기가 균일하지 못한 단점을 가지고 있다.

하지만, 본 발명자는 다단계로 양극산화한 알루미나 주형에 규칙적이고 균일한 탄소나노튜브의 합성(형성) 방법, 이를 이용한 2극형의 전자 방출 장치와, 그를 이용한 평면판 표시 장치 및 그의 제조 방법에 대한 발명을 특허출원한 바 있다(한국 특허출원 제1999-23237호(1999. 6. 21)).

또한, 탄소나노튜브를 에포시 수지와 섞은 후 폭이 ??m 단위의 띠 모양으로 규칙적으로 홈이 파진 유리에 밀어 넣어, 탄소나노튜브를 전자방출 첨단으로 하는 2극형 표시장치를 만든 예가 발표되었다.(Q.H. Wang 등, Applied Physics Letteres, 72, 2912 (1999)).

2극형 전자 방출 장치를 이용한 평면판 표시 장치의 구동 관계를 살펴보면, 수직으로 교차하는 전자 방출 장치의 음극선과 표시판의 양극선에 각기 (-) 전압과 (+) 전압을 걸었다 끊었다 하면서 전압차가 최고 전압차의 반 이상이 되게 하면, 표시판에 영상이 표시된다. 즉, 상기와 같은 조건을 맞추어주면, 음극선에 연결된 탄소나노튜브의 첨단에서 전자가 방출되어 표시판의 양극판을 때려 빛을 발산하여 필요한 영상을 표시판에 표시한다.

그런데, 탄소나노튜브의 첨단에서 방출되는 전자의 속도는 양극선과 음극선의 2극의 전압차만으로 조절하기 때문에, 방출되는 전자의 속도를 세밀하게 조절하는 것이 용이하지 않아 표시판에 표시되는 영상을 고분해능, 고감도로 표현하는 것이 쉽지 않다. 따라서, 표시판에 표시되는 영상을 고분해능, 고감도로 표현하기 위해서는, 양극선과 음극선의 2극의 전압차에 의해 방출되는 전자의 속도를 별도를 제어할 수 있는 극 즉, 3극형의 전자 방출 장치가 요구된다. 하지만, 종래의 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출 장치는 모두 2극형으로, 3극형의 전자 방출 장치에 관한 기술은 제안된 것이 없는 상태이다.

그리고, 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성할 때, 세공뿐만 아니라 세공이 형성된 알루미나 주형의 표면에도 탄소층이 형성되어 탄소나노튜브를 서로 연결하고 있다. 따라서, 탄소층을 형성한 이후에 알루미나 주형의 표면에 형성된 탄소층을 식각 또는 물리적연마법으로 제거하여 세공 속에 형성된 탄소나노튜브를 고립화시켜 탄소나노튜브 간의 전기적인 연결을 차단하는 공정이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 3극형으로 구동하는 전자 방출 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성할 때, 알루미나 주형의 세공에만 탄소나노튜브가 형성될 수 있도록 하는 데 있다.

도 1은 알루미나 주형에 형성된 탄소나노튜브를 이용한 3극형 전자 방출 장치를 보여주는 부분 절개 사시도,

도 2 내지 도 8은 도 1의 3극형 전자 방출 장치의 제조 단계의 일 실시예를 보여주는 도면들로서,

도 2는 양극산화에 의해 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형을 보여주는 부분 절개 사시도,

도 3은 세공에 소정의 높이로 금속층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 4는 세공의 내벽에 탄소층을 형성하여 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 5는 세공 아래의 알루미늄 층 및 알루미나 층을 차례로 제거하는 단계를 보여주는 단면도,

도 6은 탄소층 아래의 금속층을 제거한 후 세공의 크기를 증가시키는 단계를 보여주는 단면도,

도 7은 도 6의 알루미나 주형의 제 1 면에 제 2 양극층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 8은 도 7의 알루미나 주형의 제 2 면에 음극선을 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 9 내지 도 14는 도 1의 3극형 전자 방출 장치의 제조 단계의 다른 실시예를 보여주는 도면들로서,

도 9는 도 2의 알루미나 주형의 세공의 내벽에 탄소층을 형성하여 탄소나노튜브를 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 10은 세공 아래의 알루미늄 층 및 알루미나 층을 차례로 제거하는 단계를 보여주는 단면도,

도 11은 알루미나 주형의 일면에 소정의 두께로 알루미늄 층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 12는 알루미늄 층의 일부분을 양극산화시켜 제 2 양극층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 13은 세공의 크기를 증가시키는 단계를 보여주는 단면도,

도 14는 제 2 양극층이 형성된 면의 반대면에 음극선을 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 3극형 전자 방출 장치를 이용한 평면판 표시 장치를 보여주는 분해 사시도,

도 16 내지 도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3극형 전자 방출 장치의 제조 단계의 일 실시예를 보여주는 도면들로서,

도 16은 음극판 상에 소정의 두께의 알루미늄 층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 17은 알루미늄 층을 양극산화하여 복수개의 세공이 형성된 알루미나 층으로 형성하는 단계를 보여주는 단면도,

도 18은 알루미나 층 상에 제 2 양극층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *

10, 110 : 알루미나 주형 12, 112 : 알루미나 층

13, 113 : 제 1 면 14, 114 : 알루미늄 층

15, 115 : 제 2 면 16, 116 : 세공

18, 118 : 전자 방출 구멍 20, 120 : 탄소나노튜브

30, 130, 230 : 제 2 양극층 40, 140 : 음극선

50, 150, 250 : 전자 방출 장치 60 : 금속층

70 : 표시판 72 : 양극판

74 : 양극선 100 : 평면판 표시 장치

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형의 일면에 음극선을 형성하고, 그 음극선이 형성된 면의 반대되는 면에 새로운 극으로 사용될 제 2 양극층이 형성된 전자 방출 장치를 제공한다.

즉, 본 발명은 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 전자 방출 장치로서, 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면과 제 2 면을 수직으로 관통하여 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형과; 상기 알루미나 주형의 각 세공에 형성된 탄소나노튜브와; 상기 제 2 면에 형성되며, 상기 제 2 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측과 연결된 복수개의 음극선; 및 상기 제 1 면에 형성되며, 상기 제 1 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측에 각기 이격되게 전자 방출 구멍이 형성된 제 2 양극층;을 포함하며, 상기 제 2 양극층의 전압을 변화시켜 상기 탄소나노튜브에서 방출되는 전자의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 3극형 전자 방출 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브의 상단부가 세공의 내벽에서 이격되도록 세공 상단부의 내경은 전자 방출 구멍의 내경에 대응되게 형성된다.

그리고, 본 발명에 따른 탄소나노튜브는 규칙적인 또는 불규칙적인 배열을 가지며, 제 2 양극층은 알루미늄 또는 은이다.

본 발명은 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 전자 방출 장치를 제조하는 두가지 방법을 제공한다.

첫 번째로, (a) 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 갖는 알루미늄 판을 양극산화하여 상기 제 2면에서 안쪽으로 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형을 준비하는 단계와; (b) 상기 세공의 내부에 소정의 높이로 금속층을 형성하는 단계와; (c) 상기 금속층 상의 상기 세공의 내벽에 탄소층을 형성하여 탄소나노튜브를 형성하는 단계와; (d) 상기 금속층 아래의 알루미늄 층과 알루미나 층을 차례로 제거하는 단계와; (e) 상기 제 1 면으로 상기 탄소나노튜브의 일단이 노출되도록, 상기 탄소나노튜브 아래의 금속층을 제거하는 단계와; (f) 상기 제 1 면으로 노출된 탄소나노튜브의 일단부가 상기 제 1 면에 근접한 상기 세공의 내벽에서 이격되도록 상기 세공의 일단부의 내경을 증가시켜 전자 방출 구멍을 형성하는 단계와; (g) 상기 전자 방출 구멍을 제외한 상기 제 1 면에 소정의 두께로 제 2 양극층을 형성하는 단계; 및 (h) 상기 제 2 면으로 노출된 탄소나노튜브의 타단에 연결될 수 있도록 복수개의 음극선을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법을 제공한다.

두 번째로, (a) 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 갖는 알루미늄 판을 양극산화하여 상기 제 2 면에서 안쪽으로 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형을 준비하는 단계와; (b) 상기 세공의 내벽에 탄소층을 형성하여 탄소나노튜브를 형성하는 단계와; (c) 상기 제 1 면으로 상기 탄소나노튜브가 노출되도록 상기 세공 아래의 알루미늄 층과 알루미나 층을 차례로 제거하는 단계와; (d) 상기 제 1 면으로 노출된 탄소나노튜브와 접속되게 소정의 두께로 알루미늄 층을 형성하되, 상기 탄소나노튜브가 개방되게 구멍이 형성된 알루미늄 층을 형성하는 단계와; (e) 상기 알루미늄 층의 일 부분을 양극산화시켜 상기 알루미늄 층의 중심 부분에 제 2 양극층을 형성하는 단계와; (f) 상기 제 1 면으로 노출된 상기 탄소나노튜브의 일단부가 상기 구멍을 포함한 상기 세공의 일단부의 내벽에서 이격되도록 상기 구멍을 포함한 상기 세공의 일단부의 내경을 증가시켜 전자 방출 구멍을 형성하는 단계; 및 (g) 상기 제 2 면으로 노출된 탄소나노튜브의 타단에 연결될 수 있도록 복수개의 음극선을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법을 제공한다.

두 번째 방법의 (d), (e) 단계는 다음의 방법으로 대체할 수 있다. 즉, (d) 탄소나노튜브와 이격되게 제 1 면에 알루미늄의 자연 산화층의 두께인 2 nm 보다 얇게 알루미늄을 진공 증착 시킨 후 산소를 주입하여 알루미나로 만들고 다시 알루미늄을 증착하여 산화시키는 방법을 반복하여 소정의 두께로 알루미나 층을 형성하는 단계와; (e) 알루미나 층위에 소정의 두께로 알루미늄을 증착하여 제 2 양극층을 형성하는 단계;로 진행할 수 있다.

본 발명은 전술된 3극형의 전자 방출 장치를 이용한 평면판 표시 장치를 제공한다. 즉, 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치로서,

(A) (a) 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면과 제 2 면을 수직으로 관통하여 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형과, (b) 상기 알루미나 주형의 각 세공에 형성된 탄소나노튜브와, (c) 상기 제 2 면에 형성되며, 상기 제 2 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측과 연결된 복수개의 음극선 및 (d) 상기 제 1 면에 형성되며, 상기 제 1 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측에 각기 이격되게 전자 방출 구멍이 형성된 제 2 양극층;을 포함하는 전자 방출 장치; 및 (B) 상기 전자 방출 장치의 상부에 소정의 간격을 두고 배치되는 표시판으로, 상기 표시판은, 양극판과, 상기 제 2 양극층과 마주보는 상기 양극판에 형성되며 상기 음극선에 수직으로 교차하는 방향으로 형성된 복수개의 양극선을 포함하는 표시판;을 포함하며, 상기 양극선과 음극선에 전압을 걸어주면 상기 양극선과 음극선이 교차하는 지점의 상기 음극선에 연결된 탄소나노튜브에서 상기 양극선 쪽으로 전자가 튀어나가 상기 표시판을 때려 빛을 내게 되고, 이 때 상기 제 2 양극층의 전압을 변화시켜 상기 탄소나노튜브에서 방출되는 전자의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치를 제공한다.

본 발명은 또한 양극산화된 알루미나 주형의 세공에만 탄소나노튜브를 형성하는 방법을 제공한다. 즉, (a) 소정의 두께를 갖는 알루미늄 판을 준비하는 단계와; (b) 상기 알루미늄 판을 양극산화하여 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형을 형성하는 단계와; (c) 상기 세공에 소정양의 탄소화합물을 주입하는 단계; 및 (d) 상기 탄소화합물을 무산소 상태에서 열분해시켜 상기 세공의 내벽에 탄소층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화된 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 (C) 단계는, (c1) 진공을 만들어 세공 속의 공기를 제거하는 단계와; (c2) 알루미나 주형을 탄소화합물을 포함하는 용액에 담구어 세공 속에 탄소화합물 용액을 주입하는 단계; 및 (c3) 알루미나 주형의 표면에 묻은 탄소화합물을 제거하는 단계;를 포함한다.

그리고, 본 발명에 따른 (d) 단계의 열분해는, 600℃ 내지 1000℃에서 진행하는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한, 유리판의 제 1 면의 안쪽에 복수개의 띠로 형성된 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠를 갖는 음극판과; 상기 제 1 면에 형성되며, 복수개의 세공이 형성된 알루미나 층; 및 상기 세공에 각기 이격되게 상기 알루미나 층 상에 형성되는 제 2 양극층;을 포함하며, 상기 제 2 양극층의 전압을 변화시켜 상기 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠의 탄소나노튜브에서 방출되는 전자의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 제공한다.

전술된 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법을 제공한다. 즉, (a) 유리판의 제 1 면에 규칙적인 띠 모양의 홈을 파고 홈 속에 에폭시 수지와 탄소나노튜브를 혼합한 물질을 밀어 놓고 표면을 연마하여 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠가 형성된 음극판을 준비하는 단계와; (b) 상기 음극판 상에 소정의 두께로 알루미늄 층을 형성하는 단계와; (c) 상기 알루미늄 층을 양극산화시켜 상기 유리판의 제 1 면이 노출되게 복수개의 세공을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 세공을 제외한 상기 알루미나 층 상에 소정의 두께로 제 2 양극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법을 제공한다.

그리고, 전술된 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치를 제공한다. 즉, (A) (a) 유리판의 제 1 면의 안쪽에 복수개의 띠로 형성된 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠를 갖는 음극판과; (b) 상기 제 1 면에 형성되며, 복수개의 세공이 형성된 알루미나 층; 및 상기 세공에 각기 이격되게 상기 알루미나 층 상에 형성되는 제 2 양극층;을 포함하는 전자 방출 장치; 및 (B) 상기 전자 방출 장치의 상부에 소정의 간격을 두고 배치되는 표시판으로, 상기 표시판은, 양극판과, 상기 제 2 양극층과 마주보는 상기 양극판에 형성되며 상기 혼합물 띠에 수직으로 교차하는 방향으로 형성된 복수개의 양극선을 포함하는 표시판;을 포함하며, 상기 양극선과 혼합물 띠에 전압을 걸어주면 상기 양극선과 혼합물 띠이 교차하는 지점의 상기 혼합물 띠의 탄소나노튜브에서 상기 양극선 쪽으로 전자가 튀어나가 상기 표시판을 때려 빛을 내게 되고, 이 때 상기 제 2 양극층의 전압을 변화시켜 상기 탄소나노튜브에서 방출되는 전자의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치를 제공한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 알루미나 주형(10)에 형성된 탄소나노튜브(20)를 이용한 3극형 전자 방출 장치(50)를 보여주는 부분 절개 사시도이다. 도 1을 참조하면, 전자 방출 장치(50)는 복수개의 탄소나노튜브(20)가 형성된 알루미나 주형(10)과, 알루미나 주형(10)의 제 2 면(15)에 형성된 복수개의 음극선(40) 및 알루미나 주형(10)의 제 1 면(13)에 형성된 제 2 양극층(30)으로 구성된다. 도면 상에서 제 1 면(13)은 알루미나 주형(10)의 상부면을 가리키고, 제 2 면(15)은 알루미나 주형(10)의 하부면을 가리킨다. 도면부호 12는 알루미나 주형(10)을 구성하는 알루미나 층을 가리킨다.

알루미나 주형(10)은, 통상적으로 알려져 있다시피 알루미늄 판을 일단계 또는 다단계로 양극산화하여 형성되며, 제 1 면(13)에서 제 2 면(15)쪽 복수개의 세공(16)이 형성되어 있다. 탄소나노튜브(20)는 세공(16)의 내벽에 형성되며, 제 1 면(13) 및 제 2 면(15)으로 노출된 양단을 갖는다. 음극선(40)은 제 2 면(15)에 형성되며, 복수개의 탄소나노튜브(20)의 하단과 전기적으로 연결되어 있다.

그 외, 본 발명에 따른 전자 방출 장치(50)는 3극형으로 작동할 수 있도록, 제 1 면(13)에 제 2 양극층(30)이 형성되어 있다. 제 2 양극층(30)은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag) 등의 금속을 소정의 두께로 제 1 면(13)에 진공 증착하여 형성하되, 세공(16)의 상단부가 개방되도록 형성된 전자 방출 구멍(18)을 갖는다. 전자 방출 구멍(18)을 형성한 이유는, 탄소나노튜브(20)의 상단부에서 방출되는 전자의 흐름이 방해받는 것을 방지하기 위해서이다. 특히, 탄소나노튜브(20)의 상단부는 세공(16)의 내벽에서 이격되도록 세공(16) 상단부의 내경은 전자 방출 구멍(18)의 내경에 대응되게 형성되어 있다.

도 15에서 후술되겠지만, 본 발명에 따른 전자 방출 장치(50)가 3극형으로 작동하는 것을 평면판 표시 장치를 예를 들어 설명하면, 종래에는 제 2 양극층이 없었기 때문에, 전자방출 장치의 음극선과 표시판의 양극선 사이의 전압차를 조절함으로써 2극으로 화소를 켜고 끌 수 있었다. 하지만, 본 발명의 실시예에서는 제 2 양극층(30)이 음극선(40)이 형성된 제 2 면(15)에 반대되는 제 1 면(13)에 형성되어 있기 때문에, 음극선(40)과 양극선에 걸린 전압차에 의해 탄소나노튜브(20)의 상단부에서 전자가 방출되면, 제 2 양극층(30)의 전압을 변화시켜 방출되는 전자의 속도를 조절하여 표시판에 표시되는 빛의 세기를 조절할 수 있다. 즉, 전자의 방출은 음극선(40)과 양극선에 의해 이루어지고, 방출된 전자의 속도는 제 2 양극층(30)에 걸리는 전압의 조절에 의해 이루어지기 때문에, 3극형으로 구동하는 평면판 표시 장치를 제공할 수 있다.

한편, 도 1에는 규칙적으로 형성된 세공(16)에 탄소나노튜브(20)가 규칙적으로 형성된 전자 방출 장치(50)가 개시되어 있다. 이것은 한국 특허출원 제1999-23237호에 개시된 바와 같이 다단계로 양극산화하여 알루미나 주형을 형성함으로써 구현할 수 있다. 그리고, EP913508호에 개시된 바와 같이 일단계로 양극산화된 알루미나 주형에 불규칙적으로 형성된 세공에 탄소나노튜브를 형성하고, 본 발명에서와 같이 음극선이 형성된 제 2 면에 반대되는 제 1 면에 제 2 양극층을 형성한다면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나는 것은 아니다.

다음으로 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 3극형 전자 방출 장치의 제조 단계의 일 실시예를 설명하겠다. 한편, 도면을 통틀어 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

먼저 전자 방출 장치의 제조 단계는 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 면(13)과 제 2 면(15)을 가지며, 소정의 두께를 갖는 알루미나 주형(10)의 가공 단계로부터 출발한다. 알루미나 주형(10)은 알루미늄 판을 일단계 또는 다단계로 양극산화하여 형성하게 되며, 양극산화에 의해 제 2 면(15)에서 제 1 면(13)쪽으로 복수개의 세공(16)이 형성된다. 이때, 다단계로 양극산화를 진행할 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 제 2 면(15)에서 수직이면서 균일한 세공(16)을 형성할 수 있으며, 세공(16)의 밀도는 약 1.1×1010개/㎤이다. 전술되었지만, 일단계로 양극산화하여 알루미나 주형을 형성하는 방법은 EP913508호에, 다단계로 양극산화하여 알루미나 주형을 형성하는 방법은 한국특허출원 제1999-23237호에 개시되어 있기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.

다음으로 도 3에 도시된 바와 같이, 세공(16)에 소정의 높이로 금속층(60)을 형성하는 단계를 진행한다. 금속층으로는 코발트(Co), 아연(Zn), 은(Ag) 등의 모든 금속이 가능하며, 금속을 세공(16)에 침전시키는 방법은 잘 알려진 방법으로 금속 이온을 포함하는 수용액에서 세공(16)이 파진 알루미나 주형(10)을 한 전극으로 사용하여 직류나 교류를 흘려주면 세공(16)의 바닥에서부터 금속 이온이 금속으로 환원되어 채워진다.

다음으로 도 4에 도시된 바와 같이, 세공(16)의 내벽에 탄소층을 형성하여 탄소나노튜브(20)를 형성하는 단계를 진행한다. 즉, 알루미나 주형(10)의 세공(16) 속에 코발트를 전기화학적인 방법으로 넣은 후, 이를 관로속에서 4시간 동안 일산화탄소를 100㎖/min의 양으로 흘려주면서 코발트를 환원시킨다. 또는 알루미나 자체가 촉매이므로 코발트를 세공(16) 속에 넣고 환원시키는 과정은 생략할 수도 있으며, 세공이 든 알루미나 박막을 주형으로 사용할 수도 있다. 박막 형태의 알루미나 주형을 제조하는 방법은 후에 서술될 것이다.

그 후, 10% 아세틸렌/질소혼합물을 100㎖/min의 양으로 20분간 흘려주어 알루미나 주형의 세공(16) 속에 탄소층을 형성하여 탄소나노튜브(20)를 형성한다. 탄소나노튜브(20)는 도 1에 도시된 알루미나 주형의 세공(16)속에 형성되기 때문에, 제 2 면(15)에 수직이면서 균일하게 형성하는 것이 가능하다. 탄소나노튜브(20)의 결정성을 높이기 위해서 경우에 따라서는 700℃ 질소분위기에서 장시간 동안 가열하기도 한다.

그런데, 탄소나노튜브의 형성시 알루미나가 촉매로 작용하기 때문에, 탄소나노튜브를 형성하는 탄소층이 세공을 포함한 제 2 면에도 형성되어 세공 속에 형성된 탄소나노튜브의 상단부와 서로 연결된다. 따라서, 제 2 면에 형성된 탄소층을 제거하여 탄소나노튜브를 고립화하는, 즉 서로 절연시키는 공정을 필요로 한다.

알루미나 주형의 제 2 면에 형성된 탄소층을 제거하는 방법으로, 식각 및 물리적연마법을 이용한다. 구체적으로 설명하면, 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 40℃의 0.1M NaOH 용액 속에서 5분 동안 담군 상태로 흔들어 주고, 이를 건조한 다음, 건조된 표면에 스카치 테이프를 붙이고 떼어내는 방법을 반복하거나, 다이아몬드 반죽으로 문지르는 등의 물리적연마법을 행한다.

하지만, 탄소층을 형성할 때 알루미나 주형의 세공에만 탄소층을 형성할 수 있다면, 전술된 바와 같은 공정을 생략할 수 있을 것이다. 즉, 세공(16) 속에 일정량의 탄소화합물 예를 들면, 설탕물 또는 폴리머를 주입시킨 후 무산소 상태에서 600℃ 내지 1000℃에서 열분해시켜 탄소나노튜브(20)를 형성하면 된다. 탄소화합물은 세공(16) 속에만 존재하므로 제 2 면(15)을 포함한 표면에는 탄소층이 형성되지 않는다. 이 때 탄소화합물을 알루미나 주형의 세공(16)에 주입하는 방법은 다음과 같다. 알루미나 주형(10)의 주위를 진공을 만들어 세공(16) 속의 공기를 제거한 상태에서 탄소화합물을 포함하는 용액에 담그면 세공(16) 속에 탄소화합물이 주입된다. 탄소화합물을 포함한 용액의 농도를 조정함으로서 적정량을 세공(16) 속에 주입할 수 있다. 알루미나 주형(10)의 표면에 묻은 탄소화합물을 포함하는 용액을 제거하면 된다.

또는, 알루미나 주형의 제 2 면(15)의 알루미나가 촉매로 작용하는 것을 방지할 수 있는 금속 보호막을 형성하는 단계를 진행한 후에 탄소나노튜브(20)를 형성하는 공정을 진행하면, 제 2 면(15)에 탄소층의 형성됨이 없이 세공(16)에만 탄소나노튜브(20)를 형성할 수 있다. 금속 보호막은 촉매로 작용하는 금속인 코발트(Co), 니켈(Ni) 그리고 철(Fe)을 제외한 금속이면 족하다. 예를 들어, 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au)의 금속을 알루미나 주형의 제 2 면(15)에 소정의 두께로 진공 증착시키면 된다. 이 때 보호막 금속이 세공(16)에 들어가는 것을 방지하기 위해서, 보호막을 형성하는 금속을 제 2 면(15)에 대하여 경사지게 즉 사각으로 그리고 금속 보호막이 세공(16)을 막는 것을 방지하기 위하여 소량 진공 증착시키는 것이 바람직하다.

계속해서, 탄소나노튜브(20)를 형성하는 공정을 진행한 이후에, 금속 보호막이 형성된 면을 산성 용액에 담구어 제거하면 된다. 예를 들어, 은을 금속 보호막으로 형성한 경우, 질산 용액에 담구면 금속 보호막만이 제거된다.

따라서, 알루미나 주형의 제 2 면(15)에 은, 구리, 금 등의 촉매가 아닌 금속을 증착한 후 탄소나노튜브(20)를 형성하는 경우 제 2 면(15)의 탄소층을 제거하는 공정은 생략할 수 있다.

다음으로 도 5에 도시된 바와 같이 세공(16) 아래의 알루미늄 층(도 4의 14)과 알루미나 층(도 4의 12)의 세공(16) 바닥 부분을 차례로 제거하는 단계가 진행된다. 고립화한 탄소나노튜브(16)의 표면은 에틸아세테이트, 부틸 아세테이트, 헵테인이 포함된 니트로셀룰로오즈와 폴리에스터레진의 혼합물을 바른 후 건조시킨 다음, 포화 염화 제 2 수은(HgCl2) 수용액 또는 0.1M 염화구리(Ⅱ)/염산(CuCl2/HCl) 수용액속에서 제 1 면(13)쪽의 알루미늄 층을 제거한다. 계속해서 인산(H3PO4)이나 46%의 플로우화수소(HF) 수용액에 담가 세공(16) 바닥의 알루미나 층을 차례로 제거하는 공정을 진행한다. 그리고, 알루미늄 층과 세공(16) 바닥의 알루미나 층이 제거된 알루미나 주형(10)은 아세톤에 장시간 담구어 표면에 바른 니트로셀루로오즈와 폴리에스테레진의 혼합물을 제거하고, 3차 증류수를 사용하여 3회 내지 4회 세척한다.

한편, 세공(16) 바닥의 알루미나 층(12)은 세공(16)을 팔 때 적용되는 전압에 비례하므로, 세공(16)을 파는 마지막 단계에서 점차적으로 전압을 낮추어줌으로써 알루미나 층(12)의 두께를 낮출 수 있다. 도 5는 제 1 면(13)이 상방향을 향하도록 뒤집어진 형태로 개시되어 있다.

다음으로 도 6에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브(20) 아래의 금속층(도 5의 60)을 제거한 후 세공(16)의 크기를 증가시켜 전자 방출 구멍(18)을 형성하는 단계를 진행한다. 즉, 금속층 부분을 포함하는 알루미나 주형(10)을 염산 수용액 또는 다른 산 수용액에 담구어 금속층을 제거하거나 전기화학적인 방법으로 금속층을 제거한다. 금속층을 제거한 후 세공(16)의 상단부의 내경을 증가시킬 길이에 대응되는 제 1 면(13)을 포함한 알루미나 주형(10)의 상단부를 인산에 담구어 세공(16)의 크기를 증가시켜 전자 방출 구멍(18)을 형성한다.

이 때, 도 5에 도시된 금속층(60)은 탄소나노튜브(20)의 상단부와 제 1 면(13) 위에 형성되는 제2 양극층(도 7의 30) 간의 거리를 조절하고, 탄소나노튜브(20)의 상단부가 제 1 면(13)의 아래에 위치할 수 있도록 한다. 그리고, 세공(16)의 크기를 넓히는 공정이 용이하게 진행될 수 있도록 한다.

다음으로 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 면(13)에 알루미늄 또는 은을 증착시켜 제 2 양극층(30)을 형성한다. 이 때 제 2 양극층(30)이 전자 방출 구멍(18)을 막는 것을 방지하기 위해서, 제 2 양극층(30)을 형성하는 금속을 제 1 면(13)에 대하여 경사지게 즉 사각으로 진공 증착시키는 것이 바람직하다.

마지막으로 도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 면(15)에 음극선(40)을 형성함으로써, 전자 방출 장치(50)의 제조 공정은 완료된다. 이 때 음극선(40)은 복수개의 탄소나노튜브(20)의 하단부와 일렬로 연결될 수 있도록 형성되며, 통상적인 사진석판술을 활용하여 형성한다. 그리고, 음극선(40)은 알루미늄 재질로서, 0.7㎛ 내지 1㎛ 정도의 두께를 갖는다. 따라서, 도 8은 탄소나노튜브(20)에 음극선(40)이 형성된 상태를 예시하기 위해서 각 렬의 탄소나노튜브(20)에 각기 음극선(40)이 형성된 상태를 도시하였지만, 실제로는 복수열의 탄소나노튜브에 음극선 하나가 형성된다.

음극선(40)을 형성하는 단계를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 제 2 양극층(30)이 형성된 제 1 면(13)에 반대되는 제 2 면(15)에 스퍼터링 방법으로 알루미늄을 0.7㎛ 내지 1㎛ 두께로 진공 증착시킨다. 증착된 알루미늄 층위에 빛에 민감한 광저항체 즉 감광제(photoresist; PR)를 1.2㎛ 두께로 코팅하여 감광막을 형성한 다음, ㎛ 크기의 띠들이 일정한 간격으로 나 있는 마스크를 위에 올려놓고 빛을 쪼여 본을 뜨는 노광 공정을 진행한다. 다음으로 현상 공정을 통하여 빛을 받지 않은 감광막을 제거하면 띠 모양의 알루미늄 층의 표면이 노출된다. 계속해서 건식 식각 방법으로 표면이 노출된 알루미늄 층만을 식각하여 제거한다. 그후, 알루미늄 층 상에 잔존하는 감광막을 제거하면 띠 모양의 알루미늄 재질의 음극선(40)이 형성된다. 음극선(40)은 탄소나노튜브(20)와 연결되어 있으므로 전기를 통할 수 있다. 이 음극선(40)의 폭과 음극선(40) 사이의 거리는 조절할 수 있으며, 최소 2㎛까지 가능하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 장치(50)는 일 부분을 개시한 것으로, 소형으로도 만들 수 있고 대형으로도 만들 수 있다. 예를 들어 전자 방출 장치를 대형으로 만들 수 있는 방법은 2가지가 가능하다. 첫 번째 방법은, 대형 양극산화된 주형을 만들고 이것을 직접 이용하여 전자 방출 장치를 만드는 것이다. 두 번째 방법은, 소형으로 양극산화된 주형을 만들고 이것을 여러 개 붙여서 대형으로 만드는 방법이다.

본 발명에 따른 3극형 전자 방출 장치의 제조 단계의 다른 실시예를 도 9 내지 도 14를 참조하여 설명하겠다. 한편, 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 가리킨다.

먼저 도 9에 도시된 바와 같이, 도 2와 같은 알루미나 주형(110)에 바로 탄소나노튜브(120)를 형성하는 단계를 진행한다. 즉, 일단계 또는 다단계로 양극산화된 알루미나 주형의 세공(116)에 탄소나노튜브(120)를 형성한다. 또는 박막 형태의 다공성 알루미나에 탄소나노튜브를 바로 형성할 수도 있다. 한편, 탄소나노튜브(120)를 형성하는 공정은 일 실시예에 따른 공정과 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다. 도면부호 112는 알루미나 주형(110)을 구성하는 알루미나 층을 가리킨다.

다음으로 도 10에 도시된 바와 같이, 세공(116) 아래의 알루미늄 층(114) 및 알루미나 층(112)의 세공(116) 바닥 부분을 차례로 제거하는 단계를 진행한 후에, 탄소나노튜브(120)를 서로 연결됨이 없이 고립화시킨다. 이 때 본 발명의 일 실시예에서와 같이 세공(116)에만 탄소나노튜브(120)를 형성할 경우, 탄소나노튜브(120)를 고립화시키기 위한 별도의 공정은 필요 없다. 하지만, 아세틸렌 등의 기체를 분해시켜 다공성 알루미나에 탄소나토튜브를 형성할 때는, 탄소나노튜브를 고립화시키는 공정을 거친다. 그리고, 도 10에서 알루미나 주형(110)의 상부면은 제 1 면(113)이고, 알루미나 주형(110)의 하부면은 제 2 면(115)이다.

다음으로 도 11에 도시된 바와 같이, 제 2 양극층으로 형성될 알루미늄 층(132)을 알루미나 주형(110)의 일면에 형성한다. 예를 들면, 알루미늄을 진공 증착하여 수㎛ 내지 수십㎛ 두께의 알루미늄 층(132)을 형성한다. 알루미늄을 진공 증착할 때, 알루미늄이 세공(116)을 막지 않도록 사각으로 진공 증착하여 알루미늄 층(132)을 형성한다. 이 때 알루미늄 층(132)은 알루미나 주형의 제 1 면(113) 또는 제 2 면(115)에 형성하여도 무방하지만, 공정의 진행상 세공(116) 아래의 알루미늄 층 및 알루미나 층이 제거된 제 1 면(113)에 알루미늄 층(132)을 형성하는 것이 바람직하다.

다음으로 도 12에 도시된 바와 같이, 알루미늄 층의 일 부분을 양극산화시켜 제 2 양극층(130)을 형성하는 단계를 진행한다. 즉, 알루미늄 층이 양극산화되면, 탄소나노튜브(120)와 연결된 알루미늄 층 부분과 알루미늄 층의 표면 부분이 알루미나(134)로 산화되고, 중심 부분은 알루미늄 상태를 유지하여 제 2 양극층(130)으로 형성된다. 이 때 양극산화 시간의 조정을 통하여 도 7에 개시된 바와 같은 제 2 양극층(130)을 형성하는 것이 가능하다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 2 양극층(130)과 도 7에 개시된 제 2 양극층(30)과 차이가 있다면, 제 2 양극층(130)의 표면에 존재하는 알루미나 층(134)의 두께가 좀더 두껍다는 것이다.

도 10에 도시된 탄소나노튜브가 서로 연결됨이 없이 세공 속에 고립화된 주형에 제 2 양극층(130)을 형성하는 또 다른 방법은 다음과 같다. 도 10의 제 1 면에 알루미늄을 알루미늄의 자연 산화층의 두께인 2nm 보다 얇게 진공 증착 시킨 후 산소를 주입하면 반응성이 매우 큰 알루미늄은 산화되어 모두 알루미나로 된다. 다시 알루미늄을 얇게 층착하여 산화시키는 방법을 반복하여 소정의 두께로 알루미나 층을 형성한다. 원하는 두께로 알루미나 층을 형성시킨 후 소정의 두께로 알루미늄을 증착하여 제 2 양극을 형성한다. 필요한 경우 제 2 양극층인 알루미늄 층 위에 앞의 방법 즉 알루미늄을 얇게 층착한 후 산화시키는 방법을 반복하여 소정의 두께로 알루미나 층을 형성할 수 있다. 이 경우, 도 12와 같은 구조의 제 2 양극층(130)을 형성할 수 있다. 알루미늄을 진공 증착할 때, 알루미늄이 세공(116)을 막지 않도록 사각으로 진공 증착한다.

계속해서 도 13에 도시된 바와 같이 세공(116)의 크기를 증가시키는 공정을 진행한다. 즉, 제 2 양극층(130)이 형성된 알루미나 주형(110)을 인산 용액에 담구어 탄소나노튜브(120)의 일단부가 세공(116)의 일단부에서 소정의 간격으로 이격되도록 세공(116)의 크기를 증가시켜 전자 방출 구멍(118)을 형성한다.

마지막으로 도 14에 도시된 바와 같이, 제 2 양극층(130)이 형성된 제 1 면(113)에 반대면인 제 2 면(115)에 음극선(140)을 형성함으로써 전자 방출 장치(150)의 제조 공정은 완료된다. 음극선(140)을 형성하는 공정은 도 8에 개시된 내용과 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 3극형 전자 방출 장치(50)를 이용한 평면판 표시 장치(100)를 보여주는 분해 사시도이다. 도 15를 참조하면, 평면판 표시 장치(100)는 전자 방출 장치(50)에서 방출되는 전자가 표시판(70)을 때려 빛을 내어 표시하고자 하는 영상을 표시판(70)에 표시하는 장치이다. 전자 방출 장치(50)의 제 2 양극층(30)의 상부에 표시판(70)이 설치된다. 표시판(70)은 양극층(72)과, 양극층(72) 아래에 형성된 복수개의 양극선(74)으로 구성된다. 그리고, 양극선(74)과 제 2 양극층(30) 사이를 격리시키기 위해서 절연물(도시안됨)이 개재된다. 절연물로는 직경이 30㎛인 알루미나 섬유(alumina fiber)가 주로 활용된다(Q. H. Wang등, Applied Physics Letters, 2912, 72 (1998)). 하지만, 도 14에 도시된 전자 방출 장치(150)을 이용할 경우, 제 2 양극층(130) 상에 형성된 알루미나 층(134)이 두껍기 때문에, 그 알루미나 층(134)의 두께를 30㎛ 정도의 두께로 형성한다면 상기와 같은 절연물의 개재를 생략할 수 있다. 물론, 알루미나 층(134)의 두께가 얇다면 상기와 같은 절연물의 개재가 필요할 것이다.

양극판(74)은 광에 민감한 유리판으로, 양극판(74)에 ITO(Indium Tin Oxide)를 바른 후 전사법으로 본을 뜨고, 본을 뜬 ITO 표면에 전기 연동법으로 인광체를 석출시켜 양극선(74)을 만든다(Q. H. Wang등, Applied Physics Letters, 2912, 72 (1998)). 전술하였지만, 양극선(74)의 폭과 양극선(74) 간의 거리도 음극선(40)의 폭과 음극선(40) 사이의 거리와 동일한 수준으로 조절하는 것이 가능하다. 양극선(74)으로는 투명한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

양극선(74)은 음극선(40)과 수직으로 교차하는 방향으로 형성되어, 표시판(70)의 각 화소를 지나는 음극선(40)에 (-)전압 그리고 양극선(74)에 (+)전압을 동시에 걸었다 끊었다 하면서 전압차가 최고 전압차의 반 이상이 될 때 화소를 켜지게 하므로 각 화소를 켜고 끌 수 있다. 즉, 음극선(40)과 양극선(74)에 전압을 걸어주면, 두 개의 음극선(40)과 양극선(74)이 교차하는 화소의 음극선(40)에 연결된 탄소나노튜브(20)에서 양극선(74) 쪽으로 전자가 튀어나가 양극선(74)의 인광체를 때려 빛을 발산하여 표시하고자 영상을 표시판(70)에 표시하게 된다. 이 때, 제 2 양극층(30)의 전압을 변화시켜 탄소나노튜브(20)에서 방출되는 전자의 속도를 조절하여 표시판(70)에서 표시되는 빛의 세기를 조절하게 된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 3극형 전자 방출 장치의 제조 단계의 일 실시예를 도 16 내지 도 18을 참조하여 설명하겠다. 한편, 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 가리킨다.

먼저 도 16에 도시된 바와 같이, Wang 등이(Applied Physics Letteres, 72, 2912 (1999)) 사용한 방법으로 유리판(82)의 제 1 면(81)에 규칙적인 띠 모양의 홈을 파고 홈 속에 에폭시 수지와 탄소나노튜브를 혼합한 물질을 밀어 놓고 표면을 연마하여 제 1 면(81)에 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠(84)가 형성된 음극판(80)을 형성하는 공정을 진행한다. 혼합물 띠(84)에 전원을 공급하면 탄소나노튜브에서 전자가 방출된다. 계속해서, 제 1 면(81)에 알루미늄을 수㎛ 두께로 진공 증착하여 알루미늄 층(232)을 형성한다.

다음으로 도 17에 도시된 바와 같이, 알루미늄 층을 황산, 인산, 옥살리산 등의 용액에서 전기화학적인 방법으로 양극산화시켜 세공(216)을 형성한다. 양극산화 과정에 알루미늄 층은 산화되어 알루미나 층(234)으로 되고, 세공(216)이 파여진다.

마지막으로 도 18에 도시된 바와 같이, 세공(216)이 파진 알루미나 층(234)의 표면에 알루미늄, 은 등의 금속을 사각으로 진공 증착시켜 제 2 양극층(230)을 형성함으로써, 전자 방출 장치(250)의 제조 공정은 완료된다.

도 18에 따른 전자 방출 장치(250)를 이용한 평면판 표시장치는 제 2 양극판 상에 도 15에 도시된 바와 같이 표시판을 설치하면 된다. 물론, 음극판의 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠에 수직으로 교차하는 방향으로 표시판의 양극선이 배치될 수 있도록 표시판을 설치한다.

한편, 본 발명에 따른 전자 방출 장치를 이용한 실시예로서 평면판 표시 장치만을 예를 들어 설명하였지만, 전자 방출 장치가 이용되는 음극선관, 전자총, 램프 등에 본 발명에 따른 전자 방출 장치를 이용하는 것은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는다.

본 발명은 본 발명의 기술적 사상으로부터 일탈하는 일없이, 다른 여러 가지 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 전술한 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해서 나타내는 것으로서, 명세서 본문에 의해서는 아무런 구속도 되지 않는다. 다시, 특허청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은, 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 일단계 또는 다단계로 양극산화된 알루미나 주형 혹은 다공성 알루미나 막에 탄소나노튜브가 형성되고, 탄소나노튜브와 일단과 연결되게 음극선을 형성하고, 음극선이 형성된 면에 반대되는 알루미나 주형의 면에 제 2 양극층이 형성되어 있기 때문에, 제 2 양극층에 걸리는 전압을 조절하여 음극선과 연결된 탄소나노튜브의 타단에서 방출되는 전자의 속도를 조절하여 3극형의 전자 방출 장치를 구현할 수 있다.

그리고, ㎛ 간격으로 형성된 음극선과 양극선이 형성된 전자 방출 장치를 제공할 수 있기 때문에, 매우 낮은 전압으로 작동되는 고분해능, 고감도의 평면판 표시 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 알루미나 주형의 세공 속에 일정량의 탄소화합물을 미리 넣고 무산소 상태에서 탄소화합물을 열분해시켜 세공에만 탄소나노튜브를 형성하는 방법 또는 알루미나 주형의 제 2 면에 금속 보호막을 형성하는 공정을 진행한 이후에 세공에만 탄소나노튜브를 형성하는 방법을 제공하기 때문에, 탄소나노튜브를 형성한 이후에 알루미나 주형의 표면에 형성된 탄소층을 제거하는 공정을 생략할 수 있다.

Claims (32)

1. 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 전자 방출 장치로서,

   제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면과 제 2 면을 수직으로 관통하여 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형과;

   상기 알루미나 주형의 각 세공에 형성된 탄소나노튜브와;

   상기 제 2 면에 형성되며, 상기 제 2 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측과 연결된 복수개의 음극선; 및

   상기 제 1 면에 형성되며, 상기 제 1 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측에 각기 이격되게 전자 방출 구멍이 형성된 제 2 양극층;을 포함하며

   상기 제 2 양극층의 전압을 변화시켜 상기 탄소나노튜브에서 방출되는 전자의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 3극형 전자 방출 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 상단부가 상기 세공의 내벽에서 이격되도록 상기 세공 상단부의 내경은 상기 전자 방출 구멍의 내경에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 3극형 전자 방출 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 규칙적인 또는 불규칙적인 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 3극형 전자 방출 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 양극층은 알루미늄 또는 은인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 3극형 전자 방출 장치.
5. 탄소나노튜브가 형성된 알루미나 주형을 이용한 전자 방출 장치를 제조하는 방법으로,

   (a) 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 갖는 알루미늄 판을 양극산화하여 상기 제 2면에서 안쪽으로 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형을 준비하는 단계와;

   (b) 상기 세공의 내부에 소정의 높이로 금속층을 형성하는 단계와;

   (c) 상기 금속층 상의 상기 세공의 내벽에 탄소층을 형성하여 탄소나노튜브를 형성하는 단계와;

   (d) 상기 금속층 아래의 알루미늄 층과 알루미나 층을 차례로 제거하는 단계와;

   (e) 상기 제 1 면으로 상기 탄소나노튜브의 일단이 노출되도록, 상기 탄소나노튜브 아래의 금속층을 제거하는 단계와;

   (f) 상기 제 1 면으로 노출된 탄소나노튜브의 일단부가 상기 제 1 면에 근접한 상기 세공의 내벽에서 이격되도록 상기 세공의 일단부의 내경을 증가시켜 전자 방출 구멍을 형성하는 단계와;

   (g) 상기 전자 방출 구멍을 제외한 상기 제 1 면에 소정의 두께로 제 2 양극층을 형성하는 단계; 및

   (h) 상기 제 2 면으로 노출된 탄소나노튜브의 타단에 연결될 수 있도록 복수개의 음극선을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 (b) 단계의 금속층은, 코발트, 아연 그리고 은으로 이루어진 그룹에서 선택된 금속을 전기화학적인 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 (c) 단계는,

   (c1) 상기 세공에 소정양의 탄소화합물을 주입하는 단계와;

   (c2) 상기 탄소화합물을 무산소 상태에서 열분해시켜 상기 세공의 내벽에 탄소층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 (c2) 단계는,

   (c21) 진공을 만들어 상기 세공 속의 공기를 제거하는 단계와;

   (c22) 상기 알루미나 주형을 탄소화합물을 포함하는 용액에 담구어 상기 세공 속에 상기 탄소화합물 용액을 주입하는 단계와;

   (c23) 상기 알루미나 주형의 표면에 묻은 탄소화합물을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
9. 제 5항에 있어서, 상기 (c) 단계는,

   (c1) 탄소나노튜브 형성시 상기 제 2 면의 알루미나가 촉매로 작용하는 것을 방지하기 위해서, 상기 세공을 제외한 상기 제 2 면에 촉매로 작용하지 않는 금속을 소정의 두께로 증착하여 금속 보호막을 형성하는 단계와;

   (c2) 상기 세공에 탄소나노튜브를 형성하는 단계와;

   (c3) 상기 금속 보호막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 금속 보호막은 탄소나노튜브를 형성할 때 촉매로 작용하는 코발트, 니켈, 철을 제외한 금속인 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
11. 제 5항에 있어서, 상기 (f) 단계는, 세공의 일단부의 내경을 증가시킬 길이에 대응되는 상기 알루미나 주형의 제 1면을 포함한 일부분을 인산에 담구어 세공의 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
12. 제 5항에 있어서, 상기 (g) 단계에서 제 2 양극층은 상기 알루미나 주형의 제 1 면에 은 또는 알루미늄의 금속을 사각으로 진공 증착하여 형성한 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
13. 탄소나노튜브가 형성된 다공성 알루미나 주형을 이용한 전자 방출 장치를 제조하는 방법으로,

    (a) 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 갖는 알루미늄 판을 양극산화하여 상기 제 2 면에서 안쪽으로 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형을 준비하는 단계와;

    (b) 상기 세공의 내벽에 탄소층을 형성하여 탄소나노튜브를 형성하는 단계와;

    (c) 상기 제 1 면으로 상기 탄소나노튜브가 노출되도록 상기 세공 아래의 알루미늄 층과 알루미나 층을 차례로 제거하는 단계와;

    (d) 상기 제 1 면으로 노출된 탄소나노튜브와 접속되게 소정의 두께로 알루미늄 층을 형성하되, 상기 탄소나노튜브가 개방되게 구멍이 형성된 알루미늄 층을 형성하는 단계와;

    (e) 상기 알루미늄 층의 일 부분을 양극산화시켜 상기 알루미늄 층의 중심 부분에 제 2 양극층을 형성하는 단계와;

    (f) 상기 제 1 면으로 노출된 상기 탄소나노튜브의 일단부가 상기 구멍을 포함한 상기 세공의 일단부의 내벽에서 이격되도록 상기 구멍을 포함한 상기 세공의 일단부의 내경을 증가시켜 전자 방출 구멍을 형성하는 단계; 및

    (g) 상기 제 2 면으로 노출된 탄소나노튜브의 타단에 연결될 수 있도록 복수개의 음극선을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
14. 제 13항에 있어서, 상기 (b) 단계는,

    (b1) 상기 세공에 소정양의 탄소화합물을 주입하는 단계와;

    (b2) 상기 탄소화합물을 무산소 상태에서 열분해시켜 상기 세공의 내벽에 탄소층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 (b2) 단계는,

    (b21) 진공을 만들어 상기 세공 속의 공기를 제거하는 단계와;

    (b22) 상기 알루미나 주형을 탄소화합물을 포함하는 용액에 담구어 상기 세공 속에 상기 탄소화합물 용액을 주입하는 단계와;

    (b23) 상기 알루미나 주형의 표면에 묻은 탄소화합물을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
16. 제 13항에 있어서, 상기 (b) 단계는,

    (b1) 탄소나노튜브 형성시 상기 제 2 면의 알루미나가 촉매로 작용하는 것을 방지하기 위해서, 상기 세공을 제외한 상기 제 2 면에 촉매로 작용하지 않는 금속을 소정의 두께로 증착하여 금속 보호막을 형성하는 단계와;

    (b2) 상기 세공에 탄소나노튜브를 형성하는 단계와;

    (b3) 상기 금속 보호막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
17. 제 16항에 있어서, 상기 금속 보호막은 탄소나노튜브를 형성할 때 촉매로 작용하는 코발트, 니켈, 철을 제외한 금속인 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
18. 제 13항에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 알루미늄 층은 알루미늄을 사각으로 진공 증착하여 형성한 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
19. 제 13항에 있어서, 상기 (f) 단계는, 상기 세공의 일단부의 내경을 증가시킬 길이에 대응되는 상기 제 1 면을 포함한 일부분을 인산에 담구어 세공의 크기를 증가시켜 전자 방출 구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
20. 탄소나노튜브가 형성된 다공성 알루미나 주형을 이용한 전자 방출 장치를 제조하는 방법으로,

    (a) 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 갖는 알루미늄 판을 양극산화하여 상기 제 2 면에서 안쪽으로 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형을 준비하는 단계와;

    (b) 상기 세공의 내벽에 탄소층을 형성하여 탄소나노튜브를 형성하는 단계와;

    (c) 상기 제 1 면으로 상기 탄소나노튜브가 노출되도록 상기 세공 아래의 알루미늄 층과 알루미나 층을 차례로 제거하는 단계와;

    (d) 상기 탄소나노튜브와 이격되게 상기 제 1 면에 알루미늄의 자연 산화층의 두께인 2 nm 보다 얇게 알루미늄을 진공 증착 시킨 후 산소를 주입하여 알루미나로 만들고 다시 알루미늄을 증착하여 산화시키는 방법을 반복하여 소정의 두께로 알루미나 층을 형성하는 단계와;

    (e) 상기 알루미나 층위에 소정의 두께로 알루미늄을 증착하여 제 2 양극층을 형성하는 단계와;

    (f) 상기 제 1 면으로 노출된 상기 탄소나노튜브의 일단부가 상기 구멍을 포함한 상기 세공의 일단부의 내벽에서 이격되도록 상기 구멍을 포함한 상기 세공의 일단부의 내경을 증가시켜 전자 방출 구멍을 형성하는 단계; 및

    (g) 상기 제 2 면으로 노출된 탄소나노튜브의 타단에 연결될 수 있도록 복수개의 음극선을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
21. 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치로서,

    (A) (a) 제 1 면과, 상기 제 1 면에 반대되는 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면과 제 2 면을 수직으로 관통하여 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형과, (b) 상기 알루미나 주형의 각 세공에 형성된 탄소나노튜브와, (c) 상기 제 2 면에 형성되며, 상기 제 2 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측과 연결된 복수개의 음극선 및 (d) 상기 제 1 면에 형성되며, 상기 제 1 면에 노출된 상기 탄소나노튜브의 타측에 각기 이격되게 전자 방출 구멍이 형성된 제 2 양극층;을 포함하는 전자 방출 장치; 및

    (B) 상기 전자 방출 장치의 상부에 소정의 간격을 두고 배치되는 표시판으로, 상기 표시판은, 양극판과, 상기 제 2 양극층과 마주보는 상기 양극판에 형성되며 상기 음극선에 수직으로 교차하는 방향으로 형성된 복수개의 양극선을 포함하는 표시판;을 포함하며,

    상기 양극선과 음극선에 전압을 걸어주면 상기 양극선과 음극선이 교차하는 지점의 상기 음극선에 연결된 탄소나노튜브에서 상기 양극선 쪽으로 전자가 튀어나가 상기 표시판을 때려 빛을 내게 되고, 이 때 상기 제 2 양극층의 전압을 변화시켜 상기 탄소나노튜브에서 방출되는 전자의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치.
22. 제 21항에 있어서, 상기 표시판과 제 2 양극층 사이에 절연물이 개재되는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 평면판 표시 장치.
23. 제 22항에 있어서, 상기 절연물은 알루미나 섬유인 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치.
24. 제 21항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 상단부가 상기 세공의 내벽에서 이격되도록 상기 세공 상단부의 내경은 상기 전자 방출 구멍의 내경에 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치.
25. 제 21항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 규칙적인 또는 불규칙적인 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치.
26. 제 21항에 있어서, 상기 제 2 양극층은 알루미늄 또는 은인 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치.
27. 양극산화된 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성하는 방법으로,

    (a) 소정의 두께를 갖는 알루미늄 판을 준비하는 단계와;

    (b) 상기 알루미늄 판을 양극산화하여 복수개의 세공이 형성된 알루미나 주형을 형성하는 단계와;

    (c) 상기 세공에 소정양의 탄소화합물을 주입하는 단계; 및

    (d) 상기 탄소화합물을 무산소 상태에서 열분해시켜 상기 세공의 내벽에 탄소층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화된 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성하는 방법.
28. 제 27항에 있어서, 상기 (c) 단계는,

    (c1) 진공을 만들어 세공 속의 공기를 제거하는 단계와;

    (c2) 상기 알루미나 주형을 탄소화합물을 포함하는 용액에 담구어 상기 세공 속에 상기 탄소화합물 용액을 주입하는 단계; 및

    (c3) 상기 알루미나 주형의 표면에 묻은 탄소화합물을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화된 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성하는 방법.
29. 제 27항에 있어서, 상기 (d) 단계의 열분해는, 600℃ 내지 1000℃에서 진행되는 것을 특징으로 하는 양극산화된 알루미나 주형에 탄소나노튜브를 형성하는 방법.
30. 유리판의 제 1 면의 안쪽에 복수개의 띠로 형성된 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠를 갖는 음극판과;

    상기 제 1 면에 형성되며, 복수개의 세공이 형성된 알루미나 층; 및

    상기 세공에 각기 이격되게 상기 알루미나 층 상에 형성되는 제 2 양극층;을 포함하며,

    상기 제 2 양극층의 전압을 변화시켜 상기 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠의 탄소나노튜브에서 방출되는 전자의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치.
31. 유리판의 제 1 면에 규칙적인 띠 모양의 홈을 파고 홈 속에 에폭시 수지와 탄소나노튜브를 혼합한 물질을 밀어 놓고 표면을 연마하여 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠가 형성된 음극판을 준비하는 단계와;

    상기 음극판 상에 소정의 두께로 알루미늄 층을 형성하는 단계와;

    상기 알루미늄 층을 양극산화시켜 상기 유리판의 제 1 면이 노출되게 복수개의 세공을 형성하는 단계; 및

    상기 세공을 제외한 상기 알루미나 층 상에 소정의 두께로 제 2 양극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치의 제조 방법.
32. 탄소나노튜브를 이용한 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치로서,

    (A) (a) 유리판의 제 1 면의 안쪽에 복수개의 띠로 형성된 탄소나노튜브와 에폭시 수지 혼합물 띠를 갖는 음극판과; (b) 상기 제 1 면에 형성되며, 복수개의 세공이 형성된 알루미나 층; 및 상기 세공에 각기 이격되게 상기 알루미나 층 상에 형성되는 제 2 양극층;을 포함하는 전자 방출 장치; 및

    (B) 상기 전자 방출 장치의 상부에 소정의 간격을 두고 배치되는 표시판으로, 상기 표시판은, 양극판과, 상기 제 2 양극층과 마주보는 상기 양극판에 형성되며 상기 혼합물 띠에 수직으로 교차하는 방향으로 형성된 복수개의 양극선을 포함하는 표시판;을 포함하며,

    상기 양극선과 혼합물 띠에 전압을 걸어주면 상기 양극선과 혼합물 띠이 교차하는 지점의 상기 혼합물 띠의 탄소나노튜브에서 상기 양극선 쪽으로 전자가 튀어나가 상기 표시판을 때려 빛을 내게 되고, 이 때 상기 제 2 양극층의 전압을 변화시켜 상기 탄소나노튜브에서 방출되는 전자의 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3극형 전자 방출 장치를 구비하는 평면판 표시 장치.