KR20030060611A - 보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자 - Google Patents

보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자 Download PDF

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Abstract

전계방출소자가 개시된다. 개시된 전계방출소자는 보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비한다. 보호막은 나이트라이드군, 탄소군, 옥사이드군 중 어느 하나의 물질로 이루어진다. 나이트라이드군에는 보론 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 보론탄소 나이트라이드 및 갈륨 나이트라이드를 포함한다. 본 발명은 탄소나노튜브를 아킹이나 잔류가스로 인한 손상으로부터 보호함으로써 전계방출소자의 전계방출특성 및 안정성을 향상시킨다.

Description

보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자{Field emitter device comprising carbon nanotube with protective membrane}
본 발명은 전계방출소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자에 관한 것이다.
전계방출소자는 차세대 평판 표시 소자로서 주목받고 있는 전계방출디스플레이(Field Emission Display; FED)의 전자방출원으로 사용되고 있다. 전계방출소자는 기존의 CRT(Cathode Ray Tube)에 비해 고화질, 고효율 및 저소비 전력을 장점으로 가진다.
이러한 전계방출소자의 성능은 특히 전계방출소자의 가공기술과 안정성에 의존한다. 최근에 높은 전도성과 안정성을 가지는 탄소나노튜브를 전계방출소자로 이용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
디스플레이 기술분야의 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자를 제조하는 방법에는, 미국특허 제6232706호에 개시된 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Chemical Vapour Deposition)과, 미국특허 제6239547호에 개시된 페이스트를 이용하는 방법등이 있다.
상기 플라즈마 화학기상증착법은, 니켈촉매가 존재하는 반응기의 두 전극 사이에 아세틸렌 가스를 주입시키고, 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 레이저어블레이션(ablation) 또는 아크방전을 이용해 탄소나노튜브분말로 만들고 이를 전도성 또는 비전도성의 페이스트와 혼합하여 프린팅하는 방법이다.
종래의 플라즈마 화학기상증착법에서는 전계방출소자의 말단부와 양극 사이에 인가되는 고전압으로 인해 잔류하는 플라즈마 가스가 아킹을 일으킴으로써 탄소나노튜브 자체를 손상시킬 수 있다. 여기서, 아킹이란 전계방출소자가 위치하는 진공관내 양극과 게이트 전극간에 순간적인 전기적 단락현상으로 인해 게이트 전극에 높은 전압이 걸리게 되어 게이트 절연층 및 저항층에 손상을 주는 것을 말한다.
종래의 페이스트를 이용한 전계방출소자 제조방법에서는, 분말상태의 탄소나노튜브를 고가의 은페이스트 또는 고분자 화합물등과 혼합하여 350-500도 정도의 고온에서 열처리를 하므로 탄소나노튜브의 산화가 일어나 탄소나노튜브의 수명이 줄어든다. 또한 이 방법은 이 방법을 실행할 장치제조시 열처리시간이 길어지며 아웃개싱에 인해 잔류가스(예를 들어 산소)가 발생하여 탄소나노튜브에 흡착하여 전자방출을 억제하고 전계방출소자의 수명을 단축시키는 단점이 있다.
도 1은 종래의 탄소나노튜브를 나타내는 TEM(Transmission Electron Microscopy) 사진이다.
도 1에 도시된 종래의 탄소나노튜브의 시간에 따른 전계방출특성을 나타내는 그래프가 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다.
도 2a를 참조하면, 실험조건은 1×10-7mbar의 진공에서 시작하여 8시간을 경과하면서 산소 기체를 주입하여 1×10-6mbar를 유지하고 11시간 경과후 5×10-5mbar로 압력을 높인 다음 17시간을 경과하면서 다시 진공상태 1×10-7mbar를 유지하며 전계방출을 측정하였다. 산소기체상에서 11시간을 경과하면서 압력이 5×10-5mbar가 되었을 때 전계방출소자의 전계방출 특성이 현저히 악화되며 진공상태에서 다시 증가하는 듯하다가 다시 전류가 감소된 상태가 유지되는 것을 볼 수 있다. 21시간이 경과하는 지점에서 순간적으로 전류방출량이 늘어났다가 감소되는 현상은 산소기체에 의해 손상이 되지 않은 잔류 탄소나노튜브가 산소기체와 같은 불순물이 존재하지 않는 진공상태가 되자 갑자기 많은 전자를 방출하고 파괴되기 때문이다.
도 2b를 참조하면, 3시간 40분정도까지 2×10-7mbar 의 진공상태를 유지하다가 산소기체를 주입하기 시작하면 전류방출량이 1μA에서 10-6μA 정도로 떨어지며 6시간 40분 정도를 경과한 다음 다시 본래의 진공상태로 바꾼다고 하더라도 본래의 전계방출특성을 회복하지 못하는 것을 알 수 있다.
즉, 종래의 전계방출소자는 산소기체와 같은 잔류가스가 존재하는 경우 전류방출이 시간이 지남에 따라 현저히 감소되며 산소기체를 추출하여 다시 진공상태를 유지하더라도 전계방출특성이 회복되지 않는다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 보호막을 탄소나노튜브의 말단에 코팅함으로써 전계방출특성 및 안정성이 향상된 전계방출소자를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 탄소나노튜브를 나타내는 TEM 사진,
도 2a 및 도 2b는 종래의 보호막이 없는 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자의 전계방출특성을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자를 개략적으로 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보론나이트라이드 보호막을 가지는 탄소나노튜브를 나타내는 TEM 사진,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 보론 나이트라이드 보호막을 가지는 탄소나노튜브의 시간에 따른 전계방출의 안정성을 각각 나타내는 그래프,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 옥사이드 보호막을 가지는 탄소나노튜브의 시간에 따른 전계방출의 안정성을 각각 나타내는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11 : 기판 12 : 음극
13 : 탄소나노튜브 15 : 보호막
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자를 제공한다.
상기 보호막은 나이트라이드군, 탄소군, 옥사이드군 중 어느 하나의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 나이트라이드계 물질은 보론나이트라이드, 알루미늄나이트 라이드, 보론탄소나이트라이드 및 갈륨나이트라이드 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 탄소계 물질은 다이아몬드 및 다이아몬드 유사 탄소 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 옥사이드계 물질은 마그네슘 옥사이드, 실리콘 옥사이드 및 알루미늄 옥사이드 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 보호막은 상기 탄소나노튜브의 말단에 코팅되는 것이 바람직하다.
본 발명은 탄소나노튜브에 보론나이트라이드와 같은 보호막을 코팅함으로써 아킹으로 인한 손상을 완화하여 전계방출소자의 수명을 연장하고, 전자의 일함수(work function)의 크기를 감소시킴으로써 전자방출을 용이하게 하여 전계방출의 특성 및 안정성을 향상시킨다. 금속에 있는 전자를 탈출시키는데는 최소한의 에너지가 필요하며 이 에너지를 일함수라 한다.
이하 본 발명에 따른 보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전계방출소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전계방출소자는 기판(11)과 기판(11)상에 적층된 음극(12)과 음극(12)상에 위치하는 탄소나노튜브(13)와 탄소나노튜브(13)의 말단을 감싸도록 형성되는 보호막(15)을 구비한다.
기판(11)상에 형성된 음극(12)과 기판(11)의 반대쪽에 마련되는 양극(미도시)에 전압이 인가되고 주어지는 전기에너지가 전자의 일함수이상이 되면 탄소나노튜브(13)의 말단으로부터 전자가 방출된다.
탄소나노튜브(13) 자체가 낮은 동작 전계를 가지므로 양극의 전압이 소정전압이상으로 상승하는 경우 삼극구조의 게이트 전극에 의하지 않은 전자방출(다이오드 에미션;diode emission)이 일어날 수 있다. 이 경우 아킹(arcing)이 발생할 수 있다. 또는 전계방출소자 구동 중 아웃개싱에 의해 발생하는 잔류 기체가 탄소나노튜브(13)에 흡착됨으로써 탄소나노튜브(13)의 전계방출특성을 저하시키거나 전계방출소자의 수명을 단축시킬 수 있다.
보호막(15)은 상기 아킹 또는 아웃개싱에 의한 탄소나노튜브(13)의 손상 또는 특성 저하를 방지하기 위해 탄소나노튜브(13)의 말단에 선택적으로 코팅된다.
보호막(15)의 코팅 방법에는 스퍼터링(sputtering)법, 전자빔 또는 레이저 증착기(e-beam evaporator or laser evaporator)를 이용한 방법, 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapour Deposition), 졸(sol) 또는 겔(gel)을 이용하는 방법등이 있다.
상기 스퍼터링법이란 고에너지의 입자를 원하는 보호막(15)과 동질인 물질로 이루어진 기판에 충돌시켜 분자를 분리시키며, 상기 분자로 보호막(15)을 형성하는방법이다. 상기 전자빔 증착법은 전자빔을 가속한 다음 보호막(15)과 동질인 물질에 충돌시켜 상기 전자의 운동에너지를 열에너지로 변화시켜 상기 물질을 기화시킨 다음 탄소나노튜브(13)에 증착시키는 방법이며, 레이저 증착법은 상기 전자빔 증착법과 동일한 원리를 이용하되, 전자빔 대신 레이저빔을 대신 사용하는 것이다.
상기 화학기상증착법이란 보호막(15)과 동일한 물질의 반응가스를 탄소나노튜브(13)위로 일정한 속도를 가지고 이동시키면서 상기 탄소나노튜브(13)에 증착시키는 방법이다. 상기 졸-겔법은 보호막(15)과 동일한 물질을 용액에 용해시킨 다음 이것을 탄소나노튜브(13)에 코팅하고 용매는 기화시켜 제거함으로써 보호막(15)이 형성되도록 하는 방법이다.
보호막(15)은 음성전자친화도, 화학적 안정성, 열적 안정성, 높은 경도등의 특성을 가지는 물질로 이루어지는데, 이러한 물질로는 질화계, 탄소계, 옥사이드계 물질등이 있다.
질화계 물질에는 보론 나이트라이드(BN), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 보론카본 나이트라이드(BCN), 갈륨 나이트라이드(GaN)등이 있으며, 탄소계 물질에는 다이아몬드, 다이아몬드 유사 카본(Diamond like carbon) 등이 있으며, 옥사이드계 물질에는 마그네슘 옥사이드(MgO), 실리콘 옥사이드(SiO2), 알루미늄 옥사이드(Al2O3)등이 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자를 찍은 TEM사진이다.
도 4를 도 1의 종래의 보호막을 가지지 않는 탄소나노튜브와 비교하면 탄소나노튜브의 말단부에 검은 부분이 보론 나이트라이드의 보호막으로 덮혀 탄소나노튜브 말단부가 흐리게 보이는 것을 알 수 있다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따라서 보론 나이트라이드가 보호막으로 형성된 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자의 전계방출특성을 나타내는 그래프로서, 시각에 따른 전류의 방출량을 보이고 있다.
도시된 바와 같이, 9시간을 경과할 때까지는 10-7mbar의 진공상태를 유지하다가 9시간과 12시간 사이에 산소기체를 주입하여 5×10-5mbar의 압력을 유지하는데, 이 때 전류의 방출량이 현저히 감소하는 것을 볼 수 있다. 수치상으로 보면, 9시간 정도 경과한 시점에서 1μA의 전류가 방출되다가 10시간 정도를 경과하는 시점에서는 10-3μA의 수준으로 떨어진다. 하지만, 다시 산소기체를 추출하고 본래의 5×10-5mbar의 진공상태를 유지하면 전류방출량이 원상태로 회복되는 것을 볼 수 있다.
이것은 탄소나노튜브(13)의 보호막(15)에 흡착되어 전자방출을 방해하던 산소기체가 진공상태가 되면서 보호막(15)에서 분리되어 전자가 다시 정상적으로 방출되기 때문이다.
이와 같은 전계방출특성의 회복현상은 도 2a에 도시된 종래 탄소나노튜브를 이용하는 전계방출소자의 전계방출특성과, 본 발명의 실시예에 따른 보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자의 전계방출특성이 서로 다른 점이다. 도 2a와 도 5a를 비교하면, 종래의 전계방출소자는 산소기체의 주입후 열화된 전계방출특성이 다시 진공상태를 유지하였을 때 회복되지 못하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 전계방출소자는 전계방출특성을 다시 회복하였다.
상기와 같은 특성의 차이로부터 보론 나이트라이드 보호막(15)이 탄소나노튜브의 손상을 막고 전계방출특성 및 안정성을 향상시키는 것을 알 수 있다.
도 5b는 보론나이트라이드 대신 마그네슘 옥사이드를 보호막으로 사용하는 탄소나노튜브의 전계방출특성을 나타낸 그래프이다. 실험조건은 도 2b의 보호막이 없는 탄소나노튜브와 동일하며 도 2b에 도시된 그래프와 달리 마그네슘 옥사이드를 보호막으로 가지는 탄소나노튜브는 산소기체의 주입에도 불구하고 전류방출량의 감소가 미미하며 다시 진공상태를 회복했을 때 전계방출특성이 본래대로 거의 회복되는 것을 볼 수 있다.
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 전자친화도, 화학적 안정성, 열적 안정성, 높은 경도등의 특성을 가지는 다른 물질을 보호막으로 형성할 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 보호막이 형성된 탄소나노튜브를 구비하는 전계방출소자의 장점은 탄소나노튜브를 아킹등의 원인에 의한 손상으로부터 보호하며 전계방출소자의 특성 및 안정성을 향상시킬 수 있다는 것이다.

Claims (6)

  1. 보호막을 가지는 탄소나노튜브를 구비하는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호막은 나이트라이드군, 탄소군, 옥사이드군 중 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 나이트라이드계 물질은 보론나이트라이드, 알루미늄나이트 라이드, 보론탄소나이트라이드 및 갈륨나이트라이드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소계 물질은 다이아몬드 및 다이아몬드 유사 탄소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 옥사이드계 물질은 마그네슘 옥사이드, 실리콘 옥사이드 및 알루미늄 옥사이드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
  6. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호막은 상기 탄소나노튜브의 말단에 코팅된 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
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