KR20030043663A - 탄소나노튜브를 포함하는 접착용 복합체 및 이를 이용한전자방출소자 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 포함하는 접착용 복합체 및 이를 이용한전자방출소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브를 포함하는 접착용 복합체 및 이를 이용한 전자방출소자 및 그제조방법이 개시된다. 개시된 접착용 복합체는, 5-40중량 퍼센트의 탄소나노튜브와 5-50중량 퍼센트의 물유리와 1-20중량 퍼센트의 결합제를 포함한다. 개시된 전자방출소자는, 웰 내의 캐소드 전극 상에 위치하고, 5-40중량 퍼센트의 탄소나노튜브와 5-50중량 퍼센트의 물유리와 1-20중량 퍼센트의 결합제를 포함하는 접착용 복합체로 형성된 전자방출팁을 구비한다. 본 발명은 안정성과 내구성이 뛰어난 전자방출소자를 제공하며, 대면적에서 균일한 전자방출을 할 수 있도록 하여 전자방출소자를 이용하는 장치의 전체적인 성능을 향상시킨다.

Description

탄소나노튜브를 포함하는 접착용 복합체 및 이를 이용한 전자방출소자 및 그 제조방법{Composite for paste including Carbon nano tube and electron emitting device using the same and Manufacturing method thereof}
본 발명은 접착용 복합체 및 이를 이용한 전계 방출 표시소자(FED; Field Emission Display)등에 사용되는 전자방출소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube)를 이용한 접착용 복합체 및전자방출소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전자방출소자는 차세대 평판 표시 소자로서 주목받고 있는 FED의 전자방출원으로 사용되고 있다. FED는 고화질, 고효율 및 저소비 전력을 장점으로 가진다.
이러한 FED의 성능은 특히 전자방출소자의 가공기술과 안정성에 의존한다.
기존의 금속팁을 이용한 전자방출소자에서, 전자방출소자를 구비하는 진공관 제작시 시일링을 위해 부착되는 고분자물질이 완전히 연소되지 못하고 진공관 내부에 잔류하여 FED가 동작할 때 천천히 방출되어 금속표면에 흡착된다. 이로 인해 금속팁에서 방출되는 전자수가 감소하여 FED의 성능을 전체적으로 떨어뜨린다. 또한 이러한 고분자 물질은 금속팁을 산화시켜 금속팁의 수명을 단축시키는 단점이 있다. 또한 이러한 고분자 물질은 금속팁을 산화시켜 금속팁의 수명을 단축시키는 단점이 있다.
상기 문제점을 극복하기 위하여, 고전자방출율과 안정성을 가진 탄소나노튜브를 전자방출소자에 이용하고자 하는 노력이 있어왔다.
탄소나노튜브는 탄소가 육각형의 벌집무늬를 이루고 있는 구조이며 흑연면이 나노크기의 직경으로 둥글게 말린 형태이다. 이러한 탄소나노튜브는 특유의 물리적, 전기적, 화학적 특성으로 인해 최근에 각종 첨단 기술에 이용되고 있다.
디스플레이 기술분야의 탄소나노튜브를 이용하는 전자방출소자를 제조하는 방법에는, 미국특허 제6232706호에 개시된 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Chemical Vapour Deposition)과, 미국특허 제6239547호에 개시된 페이스트를 이용하는 방법과, 국내특허공개 제2001-0017543호에 개시된 전기영동법을 이용하여 제조하는 방법이 있다.
상기 플라즈마 화학기상증착법은, 니켈촉매가 존재하는 반응기의 두 전극 사이에 아세틸렌 가스를 주입시키며, 직류 또는 고주파 전계에 의해 상기 가스를 글로우(glow) 방전시킨 다음 플라즈마로 변형시켜 그 에너지에 의해 전극상에 탄소나노튜브를 성장시키는 방법이다.
상기 페이스트를 이용하는 전자방출소자 제조방법은, 탄소나노튜브를 레이저 어블레이션(ablation) 또는 아크방전을 이용해 탄소나노튜브분말로 만들고 이를 전도성 또는 비전도성의 페이스트와 혼합하여 프린팅하는 방법이다.
상기 전기영동법을 이용하는 전자방출소자 제조방법은, 수용액상에 분산된 탄소나노튜브를 전기영동법을 이용하여 전극에 성장시키는 방법이다.
도 1은 국내특허 제2001-17543호에 개시된 전기영동법을 이용한 전자방출소자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전자방출소자에는 기판(11)상에 형성된 음극(12)과, 상기 음극(12)상에 부착되며 탄소나노튜브분말로 형성된 팁(15)이 형성된 박막(12a)과, 상기 팁을 에워싸도록 형성된 게이트 절연층(13)과, 팁(15)의 상부에 전자방출이 가능하도록 하는 개구부(14a)를 가지도록 게이트 절연층(13)상에 형성된 게이트 전극(14)이 구비되어 있다.
상기 전계방출소자의 팁(15)은, 탄소나노튜브 분말용액이 담긴 용액에 박막(12a)과 전극판을 설치하여 외부전원의 음극을 박막(12a)에, 외부전원의 양극을 전극판에 접속시켜 전압을 인가함으로써 양이온으로 대전된 탄소나노튜브 분말의 입자가 전기력에 의해 음극인 박막(12a)상에 부착되는 원리를 이용한 전기영동법에 의해 형성된다. 상기 박막(12a)은 기판(11)으로 대치되어 기판(11)상에 직접 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다.
종래의 플라즈마 화학기상증착법은, 탄소나노튜브가 기판상에 수직으로 정렬되는 특성은 양호하나 대면적에서 균일한 전자 방출이 어렵다. 또한, 이 방법에서 탄소나노튜브의 성장이 500-600도 이상의 고온에서 이루어지므로 기판의 온도를 높이기 위해서 유리기판 대신 실리콘 기판이나 고온용 수정유리기판을 사용해야 하므로 단가가 높아지는 단점이 있다.
종래의 페이스트를 이용한 전자방출소자 제조방법은, 분말상태의 탄소나노튜브를 은페이스트 또는 고분자 화합물등과 혼합하여 350-500도 정도의 고온에서 열처리를 하여 탄소나노튜브 및 금속의 산화가 일어나므로 탄소나노튜브와 금속장치의 수명이 줄어든다. 또한 이 방법은 장치제조시 열처리시간이 길어지며 잔류하는 고분자성분으로 인해 잔류가스가 많이 발생하여 전체적으로 전자방출소자의 수명이 줄어드는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 대면적에서 균일한 전자방출을 할 수 있으며 안정성과 내구성이 뛰어난 전자방출소자를 형성할 수 있는 접착용 복합체와 이를 이용한 전자방출소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 탄소나노튜브를 이용한 전자방출소자를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 이용한 전자총의 일부를 나타낸 사시도,
도 3은 도 2의 전자방출소자의 단면을 나타낸 단면도,
도 4a 내지 도 4k는 본 발명에 따른 전자방출소자의 제조방법을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 전자방출소자를 이용한 전자총을 나타낸 정면도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 전자방출소자를 이용한 전자총에 의해 나타난 전자 방출 이미지를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 전자방출소자를 이용한 전자총에서 형광체 스크린에 1.2kV의 애노드 전압을 인가하고 게이트 전극에 인가되는 전압을 변화시키며 방출되는 전류를 측정한 그래프
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 전자방출소자를 이용한 전자총을 나타낸정면도,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 전자방출소자를 이용한 전자총에 의해 나타난 전자 방출 이미지를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 전자방출소자를 이용한 전자총에서 형광체 스크린에 500V의 애노드 전압을 인가하고 게이트 전극에 인가되는 전압을 변화시키며 방출되는 전류를 측정한 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11, 21 : 기판 12 : 음극
13, 27 : 게이트 절연층 13a, 27a : 게이트 웰
14, 29 : 게이트 전극 15 : 탄소나노튜브 분말
23 : 캐소드 전극(인듐틴옥사이드막)
25 : 아몰퍼스 실리콘 30 : 감광제
31 : 접착용 복합체 35 : 캐소드 전극판
37 : 전자총
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 5-40중량 퍼센트의 탄소나노튜브와 5-50중량 퍼센트의 물유리와 1-20중량 퍼센트의 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 접착용 복합체를 제공한다.
여기서, 상기 복합체는 5-40중량 퍼센트의 흑연을 더 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브와 물유리와 결합제로 이루어진 복합체 또는 탄소나노튜브와 물유리와 결합제와 흑연으로 이루어진 복합체는 10-40중량 퍼센트의 물을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 복합체는 상기 복합체의 수소이온농도(pH)가 10-14가 되도록 1-6중량 퍼센트의 첨가제를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 첨가제는 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 수용액 중의 어느 하나이다.
상기 탄소나노튜브는 10나노미터 내지 10마이크로미터의 크기인 것이 바람직하다.
상기 물유리는 Na2O-nSiO2또는 K2O-nSiO2이며, n은 2.2-3.9인 것이 바람직하다.
상기 흑연은 100나노미터 내지 5마이크로미터의 크기인 것이 바람직하다.
상기 결합제는, 유기카르본산군과 유기술폰산군과 에스테르군과 무기산군과 그 염군과 수소산 소금과 유기산 화합물군 중의 하나의 물질이다.
상기 결합제는, 유기카르본산군과 유기술폰산군과 에스테르군과 무기산군과 그 염군과 수소산 소금과 유기산 화합물군 중 적어도 둘 이상의 물질을 혼합한 물질이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 또한,
기판과, 상기 기판 상에 소정 형태로 패터닝된 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극이 일부 노출되도록 상기 캐소드 전극을 에워싸게 적층된 저항층과, 노출된 상기 캐소드 전극이 위치하는 웰이 마련되도록 상기 저항층 상에 소정 형태로 패터닝된 게이트 절연층 및, 상기 게이트 절연층 상에 마련된 게이트 전극을 구비하는 전자방출소자에 있어서,
상기 웰 내의 상기 캐소드 전극 상에 위치하고, 5-40중량 퍼센트의 탄소나노튜브와 5-50중량 퍼센트의 물유리와 1-20중량 퍼센트의 결합제를 포함하는 접착용 복합체로 형성된 전자방출팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자를 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 또한,
기판 상에 캐소드 전극을 형성한 다음 소정 형태로 패터닝하는 제1단계;
상기 캐소드 전극 상에 저항층, 절연층 및 게이트 전극을 순서대로 증착한 다음 패터닝하여 상기 캐소드 전극이 일부 노출되도록 웰을 형성하는 제2단계;
상기 웰을 향하는 상기 저항층, 절연층 및 게이트 전극의 측면과 상기 게이트 전극의 상면에 감광제를 형성하는 제3단계;
상기 웰에 노출된 캐소드 전극과 상기 감광제 상을 도포하도록, 5-40중량 퍼센트의 탄소나노튜브와 5-50중량 퍼센트의 물유리와 1-20중량 퍼센트의 결합제를 포함하는 접착용 복합체를 인쇄하는 제4단계; 및
상기 감광제를 제거하여 상기 캐소드 전극 상에 상기 접착용 복합체를 잔류시킴으로써 전자방출팁을 형성하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법을 제공한다.
상기 제4단계에서 상기 접착용 복합체를 인쇄한 다음 50도 이상의 온도에서 건조시키는 것이 바람직하다.
상기 접착용 복합체는 5-40중량 퍼센트의 흑연을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 접착용 복합체는 10-40중량 퍼센트의 물을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 접착용 복합체는 상기 복합체의 수소이온농도(pH)가 10-14가 되도록 1-6중량 퍼센트의 첨가제를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 첨가제는 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 수용액 중의 어느 하나이다.
상기 탄소나노튜브는 10나노미터 내지 10마이크로미터의 크기이며, 상기 물유리는 Na2O-nSiO2또는 K2O-nSiO2이며, n은 2.2-3.9인 것이 바람직하다.
또한, 상기 흑연은 100나노미터 내지 5마이크로미터의 크기인 것이 바람직하다.
상기 결합제는, 유기카르본산군과 유기술폰산군과 에스테르군과 무기산군과 그 염군과 수소산 소금과 유기산 화합물군 중의 하나의 물질이다.
상기 결합제는, 유기카르본산군과 유기술폰산군과 에스테르군과 무기산군과 그 염군과 수소산 소금과 유기산 화합물군 중 적어도 둘 이상의 물질을 혼합한 물질이다.
상기 캐소드 전극은 도전성의 투명물질이며, 바람직하게는 인듐틴옥사이드막이다.
상기 저항층은 아몰퍼스 실리콘이다.
상기 게이트 절연층은 이산화규소이며, 상기 게이트 전극은 크롬이다.
본 발명은, 기존의 필드에미션 디스플레이(field emission display)보다 낮은 전압에서 구동되며 C60과 유사한 구조를 가져 내구성이 우수하고 전기 전도성이 뛰어난 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브 및 흑연을, 물유리와 혼합하여 마련된 탄소나노튜브 및 물유리 또는 탄소나노튜브, 흑연 및 물유리 복합체를 포토공정(Photo lithography)을 이용하여 형성시킨 전극을 전자방출소자로 사용한다.
상기 복합체를 사용하여 제조된 전자방출소자는, 대면적에서 균일한 전자방출 특성을 얻을 수 있으며, 전자방출소자의 수명과 안정성을 향상시킨다.
이하 본 발명에 따른 접착용 복합체 및 이를 이용한 전자방출소자 및 그 제조방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 여기서, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 동일한 부호가 사용되고 있음에 유의해야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 사용하는 전자총을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 전자총(37)은 한 픽셀에 아홉 개의 전자방출팁(31')을 포함하며 전자방출팁(31')이 위치하는 기판(21)의 하부에 일렬로 배열되어 있는 캐소드 전극판(35)이 형성되어 있다.
도 3은 도 2의 전자방출소자의 단면을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 각 전자방출소자는 기판(21)과, 기판(21)위에 일렬로 적층된 캐소드 전극(23)과, 캐소드 전극(23)이 노출되도록 캐소드 전극(23)을 에워싸는 저항층(25)과, 기판(21)상에 캐소드 전극(23) 상에 위치하며 전자를 방출하는 탄소나노튜브와 물유리를 포함하는 접착용 복합체로 형성된 전자방출팁(31')과, 전자방출팁(31')이 위치하는 웰(27a)을 마련하도록 전자방출팁(31')의 주변에 형성된 게이트 절연층(27) 및 게이트 절연층(27)상에 마련된 게이트 전극(29)을 구비한다.
캐소드 전극(23)은 도전성의 투명물질인 인듐틴옥사이드(In2O3.SnO2)막이며, 도 2에 도시된 캐소드 전극판(35)에 연결된다. 저항층(25)은 아몰퍼스 실리콘(Amorphous silicon)으로 형성되며 인듐틴옥사이드막의 저항을 조절하는 기능을 한다.
여기서, 캐소드 전극(23)은 전기적으로 도전성이어야 하며 포토공정을 사용하는 제조공정 중 요구되는 후면노광공정을 위해 투명한 물질이어야 한다. 다만 캐소드 전극(23)에 형성된 전자방출소자(30)의 각각의 호울에서 균일한 전자방출이 되도록 아몰퍼스 실리콘과 같은 저항층(25)을 도시된 바와 같이 형성시켜 전자방출소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
게이트 절연층(27)으로는 이산화규소(SiO2)를 사용하며, 게이트 전극은 크롬(Cr)을 사용한다.
본 발명에 의한 전자방출소자에서 캐소드 전극(23)으로부터 전자가 주입되면 이 전자가 접착용 복합체 내에 포함된 탄소나노튜브로부터 방출된다. 본 발명에서 채용되는 접착용 복합체는 탄소나노튜브와 물유리와 결합제로 이루어진 복합체, 또는 탄소나노튜브와 흑연과 물유리와 결합제로 이루어진 복합체가 있다.
사용되는 탄소나노튜브는, 단층 또는 다층 탄소나노튜브의 두께, 종류 및 길이에 상관없이 균일한 크기의 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 10나노미터에서 10마이크로미터 정도의 것이 탄소나노튜브 및 물유리 복합체 형성에 유리하다.
탄소나노튜브의 길이를 조절할 때는 강산(HNO3:H2SO4=3:1)을 사용하여 반응시켜 길이를 잘게 자른 다음 필드플럭스플로우(field flux flow)의 분리법을 사용하여 5마이크론(micron)이하, 바람직하게는 1마이크론 이하 크기의 것을 추출하여 사용한다. 또는, 탄소나노튜브를 알코올에 분산하여 봉초음파 장치(sonifier)에 10 내지 30분정도 처리하여 탄소나노튜브를 자를 수도 있다. 여기서, 필드플럭스플로부 분리법이란, 관과 유체의 마찰력에 의해 유체의 속도가 달라지는 원리에 의해 유체에 분산되어 있는 탄소나노튜브를 유체의 흐름에 따라 그 크기별로 분리되는 방법이다.
흑연은 입자크기가 100나노미터 내지 5마이크로미터 이하의 크기를 가진 것이 사용된다. 흑연은 복합체에 전도성을 띄게 하고 결합제의 역할도 한다.
물유리(alkali metal silicate)는 Na2O-nSiO2또는 K2O-nSiO2이고 여기서 n은 2,2-3.9 인 것을 주로 사용하나 종류에는 제한이 없다.
결합제는 포름산, 초산, 프로피온산으로 이루어진 유기카르본산군과, 벤젠 술폰산, 톨루엔 술폰산으로 이루어진 유기술폰산군과, 포름산 메틸, 초산 에틸로 이루어진 에스테르군과, 염산, 황산, 질산, 붕산, 염소산, 메타인산, 피로포스포릭산, 폴리인산, 차아인산, 아인산, 과인산, 차아인산 칼륨, 아인산칼륨으로 이루어진 무기산군과, 그 염군과, 황산수소칼륨, 탄산수소나트륨으로 이루어진 수소산 소금과, 인산 알루미늄, 옥시 카르본산 알루미늄염으로 이루어진 유기산 화합물군 중의 적어도 하나의 물질을 사용한다. 즉 상기 물질의 각각 또는 상기 물질의 적어도 둘이상의 물질을 혼합하여 결합제로서 사용할 수 있다.
탄소나노튜브와 물유리를 포함하는 복합체 또는 탄소나노튜브와 흑연과 물유리를 포함하는 복합체를 제조하는 경우 그 혼합비는 다음과 같다. 탄소나노튜브를 5-40중량 퍼센트(%) 또는 흑연을 5-40중량 퍼센트 또는 흑연 및 탄소나노튜브를 5-40중량 퍼센트로 혼합한다. 물유리는 5-50 중량 퍼센트, 물은 10-50 중량 퍼센트를 사용하며, 결합제는 1-20중량 퍼센트를 혼합하여 접착용 복합체를 제조한다.
상기 접착용 복합체에서, 물유리와 결합제는 50도 이상의 고온에서 졸(sol)상태에서 겔(gel)상태로 변화하면서 경화되어 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브 및 흑연을 인듐틴옥사이드막에 결합시키는 접착제의 역할을 한다. 접착용 복합체의 분산성을 조절하기 위하여 수산화칼륨(KaOH), 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화암모늄(NH4OH) 수용액을 1-3% 정도 첨가하여 수소이온농도 pH를 10-14사이에서 조절한다.
도 4a 내지 도 4k는 본 발명의 실시예에 따른 접착용 복합체 및 이를 이용한 전자방출소자의 제조방법의 공정도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자를 제조하기 위하여, 먼저 도 4a와 같이 캐소드 전극(23)으로서 인듐틴옥사이드막을 기판(21)상에 적층한다.
다음으로. 도 4b에 도시된 바와 같이, 유리 기판(21)상에 캐소드 전극(23)을 도포하여 패터닝(patterning)하는데, 패터닝은 포토공정에 의해 이루어진다.
포토공정은 캐소드 전극(23)상에 감광제(photoresist)를 도포하는 단계, 패터닝하고자 하는 형상이 있는 마스크를 캐소드 전극(23)의 상부에 위치시킨 다음 후면노광시키는 단계, 현상액으로 노광된 감광제 부분을 제거하는 현상단계, 감광제가 제거된 부분의 캐소드 전극(23)을 식각공정을 통해 제거하는 단계, 및 남아있는 감광제를 제거하고 세정하는 단계로 이루어진다.
상기와 같이 캐소드 전극(23)이 패터닝된 다음, 도 4c에 도시된 바와 같이 상기 캐소드 전극(23)을 에워싸도록 아몰퍼스 실리콘(Amorphous silicon)으로 이루어지는 저항층(25)을 적층시킨다.
다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 캐소드 전극(23)과 저항층(25)상에 절연층을 형성하는 물질인 이산화규소(SiO2)로 이루어지는 게이트 절연층(27)을 적층하며, 도 4e에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(25)을 형성하는 크롬을 순서대로 박막형태로 증착한다.
도 4f는 도 4b에서 설명된 포토공정에 의해 게이트 전극(29)을 제거하는 단계를 나타낸 도면이다. 감광제의 도포, 노광 및 현상 단계는 도 4b의 단계에서 설명된 바와 같으나, 식각단계에서는 건식식각(dry etching)공정을 이용한다.
도 4g는 도 4b와 같은 포토공정에 의해 게이트 절연층(27)을 제거하는 단계를 나타낸다. 포토공정의 다른 과정은 도 4b에 설명된 바와 같으나, 식각단계에서는 습식식각(wet etching)공정을 이용한다. 습식식각공정이란 용액속의 화학물질이 식각대상물과 화학반응을 하여 반응결과 생성된 물질이 식각대상물로부터 이탈됨으로써 식각이 이루어지는 공정이다.
이산화규소는 본질적으로 실리콘 원자가 산소 원자들에 의해 사면체 형태로 둘러싸여 있는 구조를 하고 있다. 이산화규소를 식각시키기 위해서 사용되는 용액은 일반적으로 불소(F)를 포함한 완충HF용액이다. 불소는 산소보다 더 작은 이온 반경을 가지며 Si-O(1.62Å)보다 작은 Si-F(1.40Å)결합을 이룰 뿐 아니라 결합에너지도 Si-O의 절반에 해당하기 때문에 이산화규소의 산소를 대체하여 규소와 결합한다. 이와 같은 원리에 의해 이산화규소가 식각된다.
도 4h는 저항층(25)인 아몰퍼스 실리콘을 제거하는 단계를 나타낸 도면이다. 아몰퍼스 실리콘은 게이트 절연층(27)에서와 같은 포토공정에 의해 패터닝된다. 식각공정은 건식 식각공정에 의한다. 상기의 패터닝시 캐소드 전극(23)에 단락(short)이 생기지 않도록 단차가 형성되도록 한다.
건식 식각에는, 이온충격에 의한 스퍼터링을 이용한 물리적인 이온식각법이나, 플라즈마 속에서 발생된 반응물질들의 화학작용에 의한 화학적 식각법, 또는 이온, 전자, 광자 등에 의해 이루어지는 화학작용으로서 물리적, 화학적 두 현상이 동시에 적용되는 식각방법이 있는데, 본 발명에서는 이온식각법을 이용한다. 즉, 게이트 전극(29)인 크롬에 상당량의 에너지를 가지는 이온, 중성원자 혹은 중성분자들을 식각 표면에 충돌시킴으로써 크롬 원자가 결합에너지를 이겨 게이트 전극(29)의 표면으로부터 이탈되도록 하는 스퍼터링에 의해 게이트 전극(29)이 식각되도록 한다.
도 4i는 이와 같이 형성된 삼극부의 게이트 전극(29) 및 게이트 전극(29)의 웰(27a)을 향한 옆면에 감광제를 도포하는 단계를 나타내고 있다. 도 4i를 참조하면, 상기 삼극부에 감광제를 도포하고 건조한 다음 노광 및 현상하여 게이트 웰(27a)이 형성되도록 감광제를 제거한다.
다음 단계는, 도 4j에서 도시된 바와 같이, 캐소드 전극(23)상의 포토레지스트 위에 본 발명에 의해 제조된 접착용 복합체(31)를 인쇄한 다음 이를 50도 이상의 온도에서 건조시킨다.
마지막으로, 아세톤으로 감광제를 용해시키면 도 4k에 도시된 바와 같이, 상기 접착용 복합체(31)의 일부는 감광제의 제거와 동시에 리프트 오프(lift off)되며 기판(21)상의 웰(27a) 내부로 노출된 캐소드 전극(23) 상에 잔여부분이 고정부착되어 전자방출팁(31')이 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 접착용 복합체의 제1구현예로서, 탄소나노튜브 15g또는 탄소나노튜브 10g 및 흑연 5g을 10ml의 증류수에 분산하고 여기에 물유리 25g(n=3.4)을 혼합한 다음 수산화암모늄(NH4OH)을 1중량 퍼센트 첨가하여 수소이온농도(pH)를 13으로 조정하여 제조한 접착용 복합체를 이용하여 상기의 제조방법으로 전자방출소자를 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 접착용 복합체의 제1구현예를 사용한 본 발명의 제1실시예에 따른 전자방출소자를 구비하는 삼극 전자총을 나타낸 정면도이다.
도 6은 상기 전자총에 의해 형광체가 발광하는 모습을 나타낸 도면이며, 도 7은 상기 전자총이 마련된 형광 디스플레이 장치에서 형광 스크린의 전압을 1.2kV로 고정시키고 게이트 전극에 인가되는 전압을 변화시켜 가며 방출되는 전류를 측정한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도 4e와 같은 구조의 삼극부를 준비하여 감광제를 4-5마이크로미터로 도포하여 노광한 다음 인듐틴옥사이드막을 제외한 부분은 포토레지스트가 남아있도록 처리하여 준비된 접착용 복합체를 인쇄한다. 인쇄한 후 60도에서 3분 건조한 다음 아세톤 용액에 담그어 감광제와 그 위에 남은 탄소나노튜브 및 물유리를 제거하고 기판상의 인듐옥사이드막 사이에 접착용 복합체만이 남도록 처리하여 도시된 바와 같은 전자방출소자를 가지는 전자총을 형성시킨다.
도 5의 전자총에서 전자방출소자는 한 픽셀에 아홉 개가 형성되어 있으며, 전자방출소자의 중심부에는 본 발명의 실시예에 따른 접착용 복합체가 형성되어 있으며, 이 주변을 아몰퍼스 실리콘이 에워싸고 있다. 픽셀의 주변으로 게이트 크롬이 마련되어 게이트 전극을 이루고 있는 것을 볼 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 5에서 도시된 전자방출소자를 이용하여 게이트 전압 80V, 애노드 전압 1.2kV 일 때 형광체가 전자를 방출하는 이미지를 볼 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 5에 도시된 전자방출소자를 이용하는 형광 디스플레이 장치에서, 애노드 전압을 1.2kV로 고정하고 게이트 전압을 변화시켜 가며 구동하였을 때 전자총에서 나오는 전류를 측정한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 게이트 전압, 50V에서 전류가 흐르기 시작하므로 이 전압에서 전자방출소자에서 전자방출이 시작되는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 전자방출소자를 구비하는 전자총을 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 전자총은 도 5의 전자총과 그 구조와 구성물질에 있어 동일하지만 한 픽셀에 배열된 전자방출소자의 개수가 25개로 증가하였으며 호울의 크기가 5μm로 감소되었다는 점에 차이가 있다.
도 9는 도 8에 도시된 전자총의 전자방출이미지를 나타낸 사진으로 도 6과 비교해볼 때 더 밝은 것을 알 수 있어 발광균일도가 개선되었음을 알 수 있다.
도 10은 도 8의 전자방출소자의 전압에 대한 전류관계를 나타낸 그래프로 도 7의 그래프와 비교해 볼 때 애노드 전압이 500V일 때 전자방출전압이 45V에서 25V로 낮아져 전자방출소자의 성능이 개선되었음을 알 수 있다.
도 5에서 개시된 제1구현예 이외에, 제2구현예로는 탄소나노튜브 12g 과 흑연 2g을 100ml 증류수에 분산한 용액에 수산화나트륨 1중량 퍼센트를 첨가하여 수소이온농도를 13으로 유지시키고 여기에 물유리 30g을 혼합한 접착용 복합체를 제조할 수 있으며, 이를 본 발명의 실시예에 따른 전자방출소자 제조방법에 의한 제조순서에 따라 처리하여 전자방출소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 접착용 복합체와 이를 이용한 전자방출소자의 제조방법은 안정성과 내구성이 뛰어난 전자방출소자를 제공할 수 있으며 대면적에서 균일한 전자방출을 할 수 있다는 장점이 있다. 또한 이로 인하여 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 전자방출소자를 사용하는 장치는 고온 열처리가 필요하지 않고 전자방출소자의 안정성과 내구성으로 인해 전체적인 성능이 향상된다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.
예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 물유리 대신에 저온에서 경화되면서 접착성을 나타내는 비슷한 성질의 다른 물질을 사용하여 삼극부 전자총을 제조할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 접착용 복합체 및 이를 이용한 전자방출소자 및 그 제조방법의 장점은 안정성과 내구성이 뛰어나며, 대면적에서 균일한 전자방출을 할 수 있어 상기 전자방출소자를 이용한 장치의 성능이 전체적으로 향상된다는 것이다.

Claims (48)

  1. 5-40중량 퍼센트의 탄소나노튜브와 5-50중량 퍼센트의 물유리와 1-20중량 퍼센트의 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    5-40중량 퍼센트의 흑연을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    10-40중량 퍼센트의 물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복합체의 수소이온농도(pH)가 10-14가 되도록 1-6중량 퍼센트의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 복합체의 수소이온농도(pH)가 10-14가 되도록 1-6중량 퍼센트의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 첨가제는 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 수용액 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 첨가제는 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 수용액 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 10나노미터 내지 10마이크로미터의 크기인 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 물유리는 Na2O-nSiO2또는 K2O-nSiO2이며, n은 2.2-3.9인 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 흑연은 100나노미터 내지 5마이크로미터의 크기인 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합제는 유기카르본산군과, 유기술폰산군과, 에스테르군과, 무기산군과, 또는 그 염군과, 수소산 소금과, 유기산 화합물군 중의 적어도 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합제는 유기카르본산군과, 유기술폰산군과, 에스테르군과, 무기산군과, 또는 그 염군과, 수소산 소금과, 유기산 화합물군 중의 적어도 둘 이상의 물질을 혼합한 물질인 것을 특징으로 하는 접착용 복합체.
  13. 기판과, 상기 기판 상에 소정 형태로 패터닝된 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극이 일부 노출되도록 상기 캐소드 전극을 에워싸게 적층된 저항층과, 노출된 상기 캐소드 전극이 위치하는 웰이 마련되도록 상기 저항층 상에 소정 형태로 패터닝된 게이트 절연층 및, 상기 게이트 절연층 상에 마련된 게이트 전극을 구비하는 전자방출소자에 있어서,
    상기 웰 내의 상기 캐소드 전극 상에 위치하고, 5-40중량 퍼센트의 탄소나노튜브와 5-50중량 퍼센트의 물유리와 1-20중량 퍼센트의 결합제를 포함하는 접착용 복합체로 형성된 전자방출팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 접착용 복합체는 5-40중량 퍼센트의 흑연을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 접착용 복합체는 10-40중량 퍼센트의 물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 접착용 복합체는 상기 복합체의 수소이온농도(pH)가 10-14가 되도록 1-6중량 퍼센트의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 접착용 복합체는 상기 복합체의 수소이온농도(pH)가 10-14가 되도록 1-6중량 퍼센트의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 첨가제는 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 수용액 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 첨가제는 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 수용액 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 10나노미터 내지 10마이크로미터의 크기인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 물유리는 Na2O-nSiO2또는 K2O-nSiO2이며, n은 2.2-3.9인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 흑연은 100나노미터 내지 5마이크로미터의 크기인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 결합제는 유기카르본산군과, 유기술폰산군과, 에스테르군과, 무기산군과, 또는 그 염군과, 수소산 소금과, 유기산 화합물군 중의 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 결합제는 유기카르본산군과, 유기술폰산군과, 에스테르군과, 무기산군과, 또는 그 염군과, 수소산 소금과, 유기산 화합물군 중의 적어도 둘 이상의 물질을 혼합한 물질인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  25. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 도전성의 투명물질인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 인듐틴옥사이드막인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  27. 제 13 항에 있어서,
    상기 저항층은 아몰퍼스 실리콘인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  28. 제 13 항에 있어서,
    상기 게이트 절연층은 이산화규소인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  29. 제 13 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 크롬인 것을 특징으로 하는 전자방출소자.
  30. 기판 상에 캐소드 전극을 형성한 다음 소정 형태로 패터닝하는 제1단계;
    상기 캐소드 전극 상에 저항층, 절연층 및 게이트 전극을 순서대로 증착한 다음 패터닝하여 상기 캐소드 전극이 일부 노출되도록 웰을 형성하는 제2단계;
    상기 웰을 향하는 상기 저항층, 절연층 및 게이트 전극의 측면과 상기 게이트 전극의 상면에 감광제를 형성하는 제3단계;
    상기 웰에 노출된 캐소드 전극과 상기 감광제 상을 도포하도록, 5-40중량 퍼센트의 탄소나노튜브와 5-50중량 퍼센트의 물유리와 1-20중량 퍼센트의 결합제를 포함하는 접착용 복합체를 인쇄하는 제4단계; 및
    상기 감광제를 제거하여 상기 캐소드 전극 상에 상기 접착용 복합체를 잔류시킴으로써 전자방출팁을 형성하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 접착용 복합체는 5-40중량 퍼센트의 흑연을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 접착용 복합체는 10-40중량 퍼센트의 물을 더 포함하는 것을 특징으로하는 전자방출소자 제조방법.
  33. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 접착용 복합체는 상기 복합체의 수소이온농도(pH)가 10-14가 되도록 1-6중량 퍼센트의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 접착용 복합체는 상기 복합체의 수소이온농도(pH)가 10-14가 되도록 1-6중량 퍼센트의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 첨가제는 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 수용액 중의 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  36. 제 34 항에 있어서,
    상기 첨가제는 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 수용액 중의 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  37. 제 30 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 10나노미터 내지 10마이크로미터의 크기로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  38. 제 30 항에 있어서,
    상기 물유리는 Na2O-nSiO2또는 K2O-nSiO2으로 형성하며, n은 2.2-3.9인 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  39. 제 31 항에 있어서,
    상기 흑연은 100나노미터 내지 5마이크로미터의 크기인 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  40. 제 30 항에 있어서,
    상기 결합제는 유기카르본산군과, 유기술폰산군과, 에스테르군과, 무기산군과, 또는 그 염군과, 수소산 소금과, 유기산 화합물군 중의 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  41. 제 30 항에 있어서,
    상기 결합제는 유기카르본산군과, 유기술폰산군과, 에스테르군과, 무기산군과, 또는 그 염군과, 수소산 소금과, 유기산 화합물군 중의 적어도 둘 이상의 물질을 혼합한 물질인 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  42. 제 30 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 도전성의 투명물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  43. 제 30 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 인듐틴옥사이드막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  44. 제 30 항에 있어서,
    상기 저항층은 아몰퍼스 실리콘으로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  45. 제 30 항에 있어서,
    상기 게이트 절연층은 이산화규소로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  46. 제 30 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 크롬으로 형성하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  47. 제 30 항에 있어서,
    상기 제4단계에서 상기 접착용 복합체를 인쇄한 다음 50도 이상의 온도에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
  48. 제 30 항에 있어서,
    상기 소정 형태는 스트라이프 형태인 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제조방법.
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