KR20020085943A - 탄소 나노팁을 이용한 발광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 나노 팁을 사용하여 고 휘도 램프를 제작하는 것에 관한 것이다. 본 발명에 의하여 제작된 탄소 나노팁 램프는 탄소나노팁을 음극으로, 금속 그물망을 게이트로, 형광 물질을 양극으로 구성된 삼극관 구조의 발광 장치이다.

탄소 나노팁 램프는 이제까지 개발된 다른 전자 방출 소자에 비해 월등히 우수한 전자 방출 특성에 기인한 것으로 옥외 디스플레이, 신호등, 교통정보 디스플레이, 액정프로젝터, 특수조명 등의 고 휘도 광원이 필요한 제품에 사용될 수 있다.

Description

탄소 나노팁을 이용한 발광장치 {Light emitter with a Carbon nanotip}

현재 탄소 나노튜브, 풀러렌(fulleren) 등의 탄소를 이용한 나노크기의 소재들에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 탄소 나노튜브는 현재 차세대 평판디스플레이로 많은 연구가 진행되고 있는 전계효과 디스플레이(Field Emission Display : FED)의 전계방출 소자로 주목받고 있다(S. Uemura, T. Nagasako, J. Yotani, T. Shimojo and Y. Saito, SID'98 Digest, 1052 (1998)). 전계효과 디스플레이는 진공속에서 전자의 방출을 기초로 하고 있으며, 강한 전기장에 의해 마이크론 크기의 팁(기존 : 단결정 Si이나 MO, W)에서 전자가 방출되어 형광물질을 발광시키는 구동방식으로 우수한 밝기와 해상도, 그리고 얇고 가벼운 장점을 가지고 있다. 탄소 나노튜브가 전계방출 소자로 주목 받고 있는 이유는 그 지름이 나노미터 크기의 구조로써 강도가 높고, 특히 낮은 전자방출 전계( 약 1V/ m 이하)와 높은 방출전류를 가지고 있기 때문이다. 그러나 일반적으로 탄소 나노튜브를 전계 방출 소자로 사용하기 위해서는 에폭시(epoxy)등과 섞어 사용해야 하는 단점이 있다(W. B. Choi, D. S. Chung, S. H. Park and J. M. Kim, SID'99 Digest, 1135 (1999)).

최근 들어 미국 뉴욕 주립대의 렌 교수가「플라즈마 - 고온 필라멘트 화학기상증착법」을 이용해 유리기판 위에 정렬된 탄소 나노튜브를 제작하는데 성공하였으며[Z. F. Ren et. al, Science 282, 1998 (1999)], 미 스탠퍼드대 팬 교수는 패턴된 기판 위에 화학기상증착법을 이용해 철 금속 위에만 선택적으로 증착시키는데 성공[Shoushan Fan et. al, Science 283, 512 (1999)]하여 탄소 나노튜브의 전계방출 소자로의 직접응용이 연구되고 있으나 이렇게 제작된 탄소 나노튜브는 기판과의 접착력이 나쁘며 또한 패턴의 어려움으로 인하여 아직까지 고해상도의 전계방출 디스플레이의 구현에 많은 어려움이 있다. 또한 전자 방출의 균일도와 안정성에도 문제를 나타내고 있다.

상기와 같이 쉽게 적용하기에는 어려운 점을 안고는 있지만, 열 전자방출 디스플레이 소자에 비해서는 일정하고 높은 전자 방출과 충분한 밝기 및 긴 수명의 장점을 가지고 있다. 특히, 음극선관(CRT : Cahthode Ray Tube) 및 진공형광디스플레이(VFD : Vacuum-Fluorescence display)로의 활발한 응용연구가 이루어지고 있다[Y. Saito, S. Uemura Carbon 38, 169 (2000)].

본 발명을 통하여 개발된 탄소 나노팁은 기판과의 접착력이 매우 우수하며 탄소 나노튜브보다 더 낮은 전자 방출 문턱 전계 (turn-on field : < 0.2 V/ m)를 보여주고 있으며, 전자 방출의 균일도와 안정성이 우수하고, 촉매금속의 패턴이 용이하여 고화질 전자 방출 디스플레이 및 음극선관(CRT : Cathode Ray Tube), 진공형광디스플레이(VFD : Vacuum-Fluorescence display)로 쉽게 응용할 수 있다. 또한 탄소 나노팁은 낮은 전자 방출 전계를 갖고 있어 전자 방출을 이용하여 전자 장비에 다각적인 이용이 용이한 새로운 탄소 나노 물질로 이전에 한 번도 보고된 적이 없는 신 소재이다.

본 발명의 제 1목적은 탄소 나노 팁을 전계 방출 디스플레이등의 전계방출소자로 이용하는데 있다.

본 발명의 제 2목적은 삼극관 램프를 제조하는데 있어, 탄소 나노 팁을 제공하는데 있다.

본 발명의 제 3목적은 탄소 나노 램프를 사용하여, 디스플레이용 및 특수조명의 광원(Light source)등으로 이용하는데 있다

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 성장된 탄소 나노팁의 평면 주사 전자 현미경 사진 예

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 성장된 탄소 나노팁의 단면 주사 전자 현미경 사진 예

도 3은 본 발명에 의해서 성장된 탄소 나노팁의 단면 투과 전자 현미경 암시화상사진 예

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노 램프의 구조도 예

도 5는 본 발명에 의해 제작된 탄소 나노팁의 전계방출 특성 그래프

도 6a는 본 발명의 실시 예에 따른 탄소나노램프의 적색 발광 사진 예

1	탄소 나노팁	2	흑연시트(판)
3	니켈 실리사이드	4	에폭시(단면사진 측정을 위해 붙임): 시료 제작시는 없는 부분
5	세라믹 판	6	게이트
7	알루미늄(에노드)	8	형광체(phosphor)
9	광 집속 렌즈	10	전 극

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

본 발명에서는 탄소 나노 팁을 사용하여 램프(Lamp)를 제작하였다.

램프의 구조는 탄소나노 팁을 음극으로, 금속 그물망을 게이트로, 형광 물질을 양극으로 구성된 삼극관 구조의 발광 장치이다. 램프의 외곽은 유리관으로 되어있으며, 진공도는 10-6 Torr이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 탄소 나노팁의 평면 주사 전자 현미경 사진이다. 촉매 금속이 증착된 기판 전면에 탄소 나노팁이 균일하게 성장하였음을 확인할 수 있다. 탄소 나노팁의 성장 방향은 일정하지는 않지만 많은 팁이 기판 과 수직으로 성장한 것을 볼 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 탄소 나노팁의 단면 주사 전자 현미경 사진이다. 촉매 금속이 증착되어 있는 실리콘 기판 위에 먼저 수나노에서 수십나노의 흑연층이 형성되고 그 위에 탄소 나노팁이 형성되어진 것을 볼 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 제작된 탄소 나노팁의 단면 투과 전자현미경의 암시화상 확대 사진이다. 탄소 나노 팁은 투과 전자현미경 시료 제작 시 사용된 에폭시 속에 있으며 도 1에서 보여진 것보다 좀더 평면에 수직으로 배열되어 진것을 볼 수 있다. 도면에는 기판을 이루고 있는 실리콘 층과 그 위의 실리사이드 층 그리고 흑연 층과 탄소 나노팁의 모습이 잘 나타나 있다. 에폭시는 단면 투과 전자 현미경 사진을 찍기 위한 시료 제작시 시료의 고착을 위해 사용되었다. 탄소 나노팁 아래에 약 35 nm정도의 흑연층이 형성되어 있는 것이 잘 나타나 있다. 이러한 흑연층은 나노팁의 증착 시간과 온도에 따라 10 ∼ 100 nm까지 변화 할 수 있다.

도 4는 본 발명에 의해 제작된 탄소 나노팁 램프의 구조 예이다. 발광특성 측정에 사용된 음극(cathode)은 면적 1 - 100 mm2 로 제작하였으며, 실제 발광이 일어나는 포스퍼(phosphor)가 입혀진 에노드(anode)의 면적은 직경 5 ∼24 mm로, 금속그물망의 면적은 1 - 10 mm2로 만들어졌다. 음극(cathode)과 금속그물망(gate) 간의 거리는 0.1 ∼ 10 mm로 유지하였고, 금속그물망(gate)과 에노드(anode) 간의 거리는 0.2∼100 mm로 하였다. 유리튜브의 직경은 10 ∼ 29 mm이고, 길이는 10∼120 mm 이다. 또한, 발광이 이루어지는 부분에는 유리렌즈를 적용하여, 발광 원을 집속 시켰다. 램프내의 진공은 10-7 Torr로 진공 배기 되었다. 케소드(cathode)와 금속 그물망(gate) 사이의 전압은 100 ∼ 1,400 V가 인가되었고, 에노드(anode)의 전압은 1 ∼ 35 kV로 인가하였다.

도 5는 본 발명에 의해 제작된 탄소 나노팁의 전자 방출 특성 그래프 예 이다. 나노팁의 전계 방출 특성 그래프로써 임계전계는 0.1 V/㎛ 이며, 전계 1.25 V/㎛에서 전류밀도가 98 ㎂/㎠로 우수한 전계 전자 방출 특성을 보이고 있다. 임계전계 0.1 V/㎛는 일반적으로 보고되는 탄소 나노튜브의 임계전계인 1 V/㎛보다 약 1/10정도로 현제까지 보고된 자료 중에서 최저의 임계전계이다.

도 [6a], [6b]는 본 발명에 의해 제작된 탄소 나노팁 램프의 발광특성 사진 예이다. 램프 에노드의 전 면적에서 균일하고 강한 빛이 나오는 것을 알 수 있다.

이때, 탄소나노팁(cathode)의 면적은 1.0 mm2 로 제작하였으며, 에노드(anode)의 면적은 직경 20 mm로, 금속그물망의 면적은 3 mm2로 만들어졌다. 탄소나노팁(cathode)과 금속그물망(gate) 간의 거리는 0.7 mm로 유지하였고, 금속그물망(gate)과 에노드(anode) 간의 거리는 60 mm로 하였다. 유리튜브의 직경은 29 mm이고, 길이는 80 mm 이다. 탄소나노팁(cathode)과 금속 그물망(gate) 사이의 전압은 1,400 V가 인가되었고, 에노드(anode)의 전압은 10 kV로 인가하였다. 도[5a]의 발광색은 적색이며, [5b]는 녹색이다.

본 발명에 의해 제작된 탄소 나노팁 램프는 균일하고 강한 발광특성을 보여, 박막트랜지스터 액정표시장치(TFT-LCD) 및 프로젝터(LCD-Projector)의 백라이트(back-light), 옥외 디스플레이용 모듈(module) 및 색상이 미려한 특징을 가지고 있어, 특수조명 등으로 사용될 수 있다. 이는 이제까지 개발된 다른 전자 방출 소자에 비해 월등히 우수한 전자 방출 특성에 기인한 것으로, 이러한 냉음극 램프의 생산기술의 확보로 인한 램프산업과 디스플레이 산업 발전 및 생산기술의 확보가 용이하여 질것으로 보이며, 새로운 개념의 고 휘도 광원기술 개발로 인한 국내 기술 확보로 외화 절감 및 전자 장비에 다각적인 이용이 용이할 것으로 여겨진다.

Claims (10)

1. 탄소나노팁을 음극으로, 금속 그물망을 게이트로, 형광 물질을 양극으로 구성된 삼극관 구조를 특징으로 하는 발광 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   탄소 나노 팁과 금속 그물망의 간격이 0.1 - 10 mm 인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   탄소 나노팁의 면적이 1 - 100 mm2인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   금속 그물망 게이트와 형광 물질 사이의 간격이 0.2 - 10 cm 인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   금속 그물망의 면적이 0.1 - 1.0 cm2인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   탄소 나노팁의 구조가 탄소나노팁/흑연층/금속실리사이드/실리콘 구조인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   금속실리사이드가 니켈실리사이드인 것을 특징으로 하는 탄소나노팁.
8. 제6항에 있어서,

   흑연층의 두께가 0 - 100 nm인 것을 특징으로 하는 탄소나노팁.
9. 제 1항에 있어서,

   탄소 나노팁이 불균일하게 형성된 것을 특징으로 하는 탄소 나노팁을이용한 것을 특징으로 하는 발광장치.
10. 제1항에 있어서,

    탄소나노팁의 반경이 1 - 1000 nm이고 높이가 10 - 1000 nm인 탄소나노팁을 이용한 것을 특징으로 하는 발광장치.