KR20040039325A - 전계전자방출소자 - Google Patents

Abstract

전계에 의해 전자를 방출하는 전자방출원의 주된 부분이 카본나노혼으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계전자방출소자로 함으로써, 전자방출효율이 높고, 그 생산성도 우수한, 카본나노혼을 이용한 새로운 전계전자방출소자를 제공한다.

Description

전계전자방출소자{FIELD ELECTRON EMITTING DEVICE}

종래부터, 전계전자방출 특성을 이용한 플랫 패널 디스플레이(FPD)에 있어서, 전자방출소자의 전자방출원에는 일함수가 작은 각종 금속이 일반적으로 이용되고 있었다.

전자방출원은 보다 낮은 전압으로 보다 높은 전자방출효율을 달성하기 위해서, 그 형상은 선단이 예리한 원추형상이며, 또한 종횡비(길이/횡단면의 직경)가 큰 것이 바람직하다라고 되어 있다. 그러나, 금속을 침상(針狀)으로 해서 전자방출원으로 하는 경우, 그 선단의 예리함은 단면의 직경으로 수백㎚정도로 밖에 되지 않으며, 종횡비의 향상에는 한계가 있었다.

그래서 최근에는, 전자방출원으로서, 다이아몬드나 카본나노튜브(CNT)를 이용하고자 하는 시도가 수없이 이루어지고 있다. 다이아몬드에 대해서는, 다이아몬드의 1×1 구조에 있어서의 (111)면이 마이너스의 전기친화력을 갖는 것을 이용해서, 터널효과를 사용하는 일없이 낮은 전압으로 고전류를 취출하도록 하는 것이다.CNT에 대해서는, 직경이 약 1∼10㎚이고, 길이는 임의라는 특징적인 형상이 자기조직적으로 형성되는 것 및 그 전기적 특성을 이용해서, 종횡비가 100∼1000정도인 예리한 선단구조의 전자방출소자를 실현한다라는 것이다.

그러나, 다이아몬드는 금속재료를 사용한 전자방출원과 비교하면 전자방출특성이 우수하지만, CNT의 우수한 전자방출특성에는 뒤떨어지므로, 현재에는 CNT에 주목이 집중되고 있는 것이 현상황이다.

CNT에 대해서는, 상술한 바와 같은 우수한 전자방출특성을 구비한 물질이기는 하지만, 아직 충분한 양의 CNT를 제조할 수 있는 방법이 확립되어 있지 않고 고가이다라는 문제가 있다. 또, CNT를, 주된 방향이 기판과 수직으로 맞춰지도록, 그 한쪽 끝을 기판상에 접합하여 배치시키는 것은 기술적으로 매우 곤란하다라는 문제가 있었다.

그래서, 본 출원의 발명은 이상과 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 종래기술의 문제점을 해소하여, 전자방출효율이 높을 뿐만 아니라, 그 생산성도 우수한, 카본나노혼을 이용한 새로운 전계전자방출소자를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

본 출원의 발명은, 전계전자방출소자에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 출원의 발명은 플랫 패널 디스플레이 등에 유용한 카본나노혼을 이용한 새로운 전계전자방출소자에 관한 것이다.

도1은 실시예에 있어서 기판상에 제작한 박막의 전자방출특성을 예시한 도이다. 도면중 알파벳은, a:SWNH 응집체, b:단층 카본나노튜브(SWNT), c:폐각(閉殼) 다층 카본나노튜브(closed MWNT), d:생성시에 금속촉매를 이용한 다층 카본나노튜브(catal. MWNT)의 전자방출특성을 나타내고 있다.

도2는 도1에 있어서의 SWNH 응집체의 전자방출특성을 확대한 도면이다. 삽입된 도면은 log(I²/V)와 1/V의 관계로 변환해서 나타낸 도면이다.

그래서, 본 출원의 발명은 상기 과제를 해결하는 것으로서, 이하와 같은 발명을 제공한다.

즉, 먼저 첫째로는, 본 출원의 발명은 전계에 의해 전자를 방출하는 전자방출원의 주된 부분이 카본나노혼으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계전자방출소자를 제공한다.

또, 본 출원의 발명은 상기 제1발명에 대해서, 둘째로는, 카본나노혼이 단층의 그라펜시트(Graphene sheet)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계전자방출소자를, 셋째로는, 카본나노혼이 복수의 층의 그라펜시트로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계전자방출소자를, 네째로는 카본나노혼이, 복수의 카본나노혼이 혼형상 끝을 외측으로 하고, 다른쪽의 개방단을 중심으로 해서 서로 응집된 카본나노혼 응집체인 것을 특징으로 하는 전계전자방출소자를 제공한다.

본 출원의 발명은 상기와 같은 특징을 갖는 것으로, 이하에 그 실시형태에 대해서 설명한다.

먼저, 본 출원의 발명이 제공하는 전계전자방출소자는 전계에 의해 전자를 방출하는 전자방출원의 주된 부분이 카본나노혼으로 구성되어 있는 것을 특징으로하고 있다.

전계전자방출소자로서는 여러가지 구성의 것을 고려할 수 있다. 대표적으로는, 기판, 전자방출원, 양전극, 전압인가수단 등에 의해 구성되는 것을 예시할 수 있다. 기판은 그 표면이 도전성을 가지며, 그 기판표면상에 전자방출원이 결합되어 배치되어 있다. 양전극은 기판 및 전자방출원에 대향하는 위치에 배치되어 있고, 전압인가수단에 의해 기판표면과 양전극 사이에 전압을 인가함으로써, 전자방출원으로부터 전자를 방출시킬 수 있는 구성의 것으로서 알려져 있다. 본 출원의 발명에 있어서는, 그 전자방출원의 주된 부분, 즉 전자방출원의 선단을 포함하는 부분에 카본나노혼을 사용하도록 하고 있다. 물론, 전자방출원의 주된 부분을 포함하는 전부에 카본나노혼을 사용해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

카본나노혼은 본 출원의 발명자들에 의해 발견된, 탄소원자만으로 이루어지는 새로운 탄소동소체이다. 이 카본나노혼은 카본나노튜브(CNT)와 같이 그라펜시트가 둘글게 되어 이루어진 구조이다. 따라서, CNT와 마찬가지로 도전성을 갖추고 있다.

그러나, 카본나노혼은, CNT와 같이 튜브지름이 일정하지 않고, 튜브지름이 연속적으로 증가하는 속이 빈 원추형상, 즉 혼(뿔)형상이다. 그리고, 그 한쪽 끝은 개방되어 있거나, 또는 서로 일부가 융합되어 있지만, 다른쪽의 혼형상의 선단부는 폐쇄되어 있다. 따라서, 카본나노혼의 선단은 종래부터 알려져 있는 통상의 CNT와 마찬가지로 매우 예리하며, 높은 종횡비를 실현하는 것이다. 즉, 전자방출원의 선단을 포함하는 부분에 카본나노혼을 사용함으로써, CNT를 이용하는 경우와 마찬가지로 선단이 예리한 전자방출원을 구비한 전계전자방출소자를 실현할 수 있다. 그리고, 그 전자방출이 일어나는 전압의 한계값에 대해서는, CNT와 같은 레벨의, 보다 구체적으로는, 수V/㎛라는 매우 낮은 값인 것이 본 출원의 발명자들에 의해 밝혀졌다.

카본나노혼에는, 그라펜시트가 단층(1장)인 단층 카본나노혼(SWNH)과, 복수의 층으로 이루어지는 다층 카본나노혼(MWNH)이 알려져 있으며, 본 출원의 발명에 있어서는, 전자방출원의 주된 부분이 SWNH 또는 MWNH 중 어느 구성으로 되어 있어도 좋다.

양자 중 SWNH는 탄소원자 1개의 크기에 상당하는 두께의 단층구조로서 형성되고, 대표적으로는, 개방단의 직경이 약 2∼3㎚, 길이가 30∼50㎚정도이고, 원추부의 각도가 대략 20°인 혼형상의 것으로서 얻을 수 있다. 즉, 예리한 전자방출원의 선단구조를 실현할 수 있어, 본 출원의 발명의 전계전자방출소자로서 바람직한 것으로서 나타내어진다. 한편, MWNH에 대해서는, 카본나노혼의 선단이 전자방출중에 파손된 경우 등에 있어서, MWNH이면 내측을 구성하는 층에 의해 계속해서 전자방출을 행할 수 있어, 내구성이 높아지는(수명이 길어지는) 것이 생각되어지므로, MWNH에 의해 구성된 전계전자방출소자로 하는 것도 바람직한 예로서 나타내어진다.

또한, SWNH에 대해서는, 복수의 SWNH가 혼형상의 폐쇄단을 외측으로 하고, 다른쪽의 개방단이 중심에서 서로 일부 융합되어 구상(球狀)으로 응집된 카본나노혼 응집체(SWNH 응집체)로서 존재하는 것이 알려져 있다. 이 2차 응집체인 SWNH 응집체는 직경이 약 80∼100㎚정도이며, 표면으로 돌출된 원추형상의 폐쇄 선단부의곡률반경은 4㎚이하, 대표적으로는 2∼3㎚이고, 그 형상은 선단부가 원추형의 줄기모양의 꽃잎을 갖는 달리아꽃에 비유할 수 있다.

본 출원의 발명의 전계전자방출소자에 있어서는, 상기의 SWNH 응집체에 의해 전자방출원의 주된 부분을 구성하는 것도 바람직한 것으로서 예시된다.

이 SWNH 응집체는 혼형상의 선단부가 SWNH 응집체의 중심에서 밖을 향하고 있기 때문에, 혼형상의 선단부가 절곡되어 있는 것, 그렇지 않은 것도 포함하여, SWNH 응집체를 전자방출원으로서 기판상에 배치시키면, SWNH 응집체를 구성하는 SWNH 중 적어도 1개가 혼형상의 선단부를 위로 해서 기판에 대략 수직으로 존재하게 된다. 즉, 1개의 SWNH를 기판에 수직으로 접합해서 배치시킨다라는 작업을 필요로 하는 일없이, 기판에의 SWNH의 수직적 배치가 실현된 것이라 할 수 있다.

이상과 같은 SWNH 및 SWNH 응집체에 의해 전자방출원의 주된 부분 또는 전부를 구성하는 방법으로서는 예를 들면 SWNH 또는 SWNH 응집체를 적당한 용매에 분산시켜서 그 용액을 기판상에 도포하거나 해서, 기판상에 막형상으로 SWNH 및 SWNH 응집체를 배치시키거나 하는 매우 간편한 방법을 이용하는 것도 가능하다. 이 SWNH 또는 SWNH 응집체를 분산시키기 위한 용액으로서는 예를 들면 메탄올, 에탄올, 아세톤, 헥산, 벤젠 등의 유기용매나, 폴리메틸메타크릴레이트의 모노클로로벤젠용액 등과 같은 고분자용액 등을 사용할 수 있다. 또, 막형상으로 SWNH 및 SWNH 응집체를 배치시키는 방법으로서는 상기의 도포법 외에도 각종의 공지의 수단을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면, 퇴적법, 스핀코트법, 스프레이법 등이 예시된다. 이들 방법에 있어서, SWNH 응집체를 이용함으로써, 기판에 대해서 SWNH를 수직으로 배치시키는 것이 용이하게 된다.

이상의 카본나노혼 및 SWNH 응집체에 대해서는, 이미 본 출원의 발명자들에 의해 대량생산기술이 제안되어 있으며, 선단이 예리하며, 종횡비가 높은 탄소구조의 전자방출원 재료로서, 충분한 생산량을 저렴하게 확보할 수 있다. 따라서, 본 출원의 발명에 의해, 고성능이며 저비용의 전계전자방출소자가 실현된다.

이하에 실시예를 나타내어, 본 발명의 실시형태에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.

(실시예)

흑연에 CO₂레이저를 조사함으로써, 평균직경 80㎚의 단층 카본나노혼 집합체를 얻었다. 이 단층 카본나노혼 집합체를 에탄올에 넣고, 초음파조사에 의해 분산시킨 후, 구멍지름 200㎚의 세라믹 필터로 흡인여과하고, 필터상에 형성된 퇴적물을 건조시켜서 단층 카본나노혼 집합체막을 얻었다. 이 막의 두께는 200㎛이하, 밀도는 0.3g/㎤이하였다. 이 단층 카본나노혼 집합체막을 시료(a)로서 전해방출실험을 행했다.

또, 비교를 위한 시료로서, (b)단층 카본나노튜브(SWNT), (c)폐각 다층 카본나노튜브(closed MWNT), (d)생성시에 촉매를 사용한 다층 카본나노튜브(catal. MWNT)의 막을 스프레이법에 의해 각각 형성하여, 마찬가지로 전해방출실험을 했다.

실험은, 상기 시료를 머니퓰레이터의 선단에 탑재해서 진공챔버내에 도입하고, 구상의 스텐레스전극과 125㎛의 거리로 마주 향하게 배치하여, 전자방출전류를측정하였다. 분위기압은 10^-7mbar로 설정했다.

이 기판상의 박막에 전압을 인가했을 때의 전자방출량을 측정하여, 그 결과를 도1에 나타냈다. SWNH 응집체(a)에 있어서는, 필드전압 약 3.5eV 부근에서 전자방출량이 급격하게 높아지는 것이 확인되었다. 이 값은 종래의 금속침의 전자방출의 한계값보다 10∼100배 낮은 값이며, SWNT(b)나 MWNT(c), (d) 모두 같은 오더이다. 즉, SWNT나 MWNT와 대략 동등한 전계전자방출 특성을 가지고 있는 것이 나타내어졌다.

도2에, 도1에 있어서의 SWNH 응집체의 전자방출특성의 세로축 확대도를 나타내며, 또 그 전자방출특성을 In(I²/V) 대 1/V의 관계로 나타낸 도면을 삽입했다.

도2로부터, SWNH 응집체가 2.6V/㎛에 한계값을 갖는 것이 확인되었다. 또, 삽입도의 In(I²/V) 대 1/V의 플롯이 대략 직선적인 것으로부터, SWNH 응집체의 전자방출특성은 Fowler-Nordheim형인 것이 나타내어졌다. 이 Fowler-Nordheim의 관계에 있어서, 인가전압을 소자의 기하학적 인자에 의해 전계강도로 변환하는 계수인 필드증폭인자(Field Amplification Factor);β는 930으로 큰 값이었다. 즉, SWNH 응집체의 형상은 전계방출특성을 높이는 것에 유효하다는 것이 나타내어졌다.

물론, 본 발명은 이상의 예에 한정되는 것은 아니고, 상세부분에 대해서는 여러가지 형태가 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해, 전자방출효율이 높고, 그생산성도 우수한, 카본나노혼을 이용한 새로운 전계전자방출소자가 제공된다.

Claims (4)

1. 전계에 의해 전자를 방출하는 전자방출원의 주된 부분이 카본나노혼으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계전자방출소자.
2. 제1항에 있어서, 카본나노혼이 단층의 그라펜시트(Graphene sheet)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계전자방출소자.
3. 제1항에 있어서, 카본나노혼이 복수의 층의 그라펜시트로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전계전자방출소자.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 카본나노혼은, 복수의 카본나노혼이 혼형상 끝을 외측으로 하고, 다른쪽의 개방단을 중심으로 해서 서로 응집된 카본나노혼 응집체인 것을 특징으로 하는 전계전자방출소자.