KR20050087265A - 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 에미터 및그 제조 방법 - Google Patents

나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 에미터 및그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 에미터 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법은, 금속 전구체를 수용액 또는 유기용매에 용해시키는 단계; 상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 건조하는 단계; 및 건조된 금속 전구체와 탄소나노튜브 파우더의 혼합물을 환원 분위기에서 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 페이스트는 상기 탄소나노튜브 파우더를 용매에 용해시켜 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 에미터는, 상기 페이스트를 기판 위에 형성된 음극 전극 위에 도포하여 패터닝 함으로써 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 본 발명에 따르면, 에미터 내에서 전극과 탄소나노튜브 간의 저항 및 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 간의 저항을 낮춤과 동시에, 전자의 방출이 균일하고 전자 방출에 기여하는 활성 방출 사이트 밀도를 증가시킬 수 있다.

Description

나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 에미터 및 그 제조 방법{A CNT emitter containing nano-metal and a method for fabricating the same}
본 발명은 탄소나노튜브 에미터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 에미터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 디스플레이 기술이 발달함에 따라, 전통적인 음극선관(CRT; Cathode Ray Tube) 대신, 평판 표시장치(Flat Panel Display)가 널리 보급되고 있다. 이러한 평판 표시장치로는 액정 디스플레이(LCD; Liquid Crystal Display)와 플라즈마 디스플레이 패널(PDP; Plasma Display Panel)이 대표적인데, 최근에는 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube)를 이용하는 전계 방출 디스플레이(FED; Field Emission Display)가 개발되어 연구중에 있다. 전계 방출 디스플레이(FED)는 음극선관(CRT)의 장점인 높은 밝기와 넓은 시야각은 물론 LCD의 장점인 얇고 가벼운 특성까지 동시에 갖춰 차세대 디스플레이로 기대되고 있다.
이러한 전계 방출 디스플레이는 음극선관과 유사한 물리적인 원리를 이용하고 있다. 즉, 음극 전극으로부터 방출된 전자가 가속되어 양극 전극에 충돌하게 되면, 양극 전극 상에 코팅된 형광체가 여기됨으로써 특정 색상의 빛이 발광하게 된다. 하지만, 전계 방출 디스플레이는 음극선관과는 달리 전자방출원이 냉음극(cold cathode) 물질로 이루어져 있다는 점에서 차이가 있다. 이러한 전계 방출 디스플레이의 전자방출원(에미터)으로 주로 사용되고 있는 것이 탄소나노튜브(CNT)이다.
도 1은 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 디스플레이의 원리를 설명하기 위한 것이다. 즉, 기판(10) 위에 형성된 음극 전극(20) 위에 탄소나노튜브로 된 에미터(30)를 형성하고, 게이트 전극(50)과 음극 전극(20)에 각각 전압을 걸어주면, 매우 가늘고 긴 탄소나노튜브의 단부에서 전자가 방출되어 형광층(40)을 발광시킨다. 여기서, 도면 부호 45는 블랙 매트릭스로서 각 화소의 경계가 된다.
종래의 탄소나노튜브로 된 에미터(이하, "CNT 에미터")는 통상 탄소나노튜브를 분산 적용시킨 페이스트(paste)(이하, "CNT 페이스트")를 음극 전극 위에 도포하는 방식으로 제조되었다. 그러나, 이러한 종래의 CNT 페이스트는 상기 음극 전극과 탄소나노튜브 사이의 계면에서의 저항과, 페이스트 내의 탄소나노튜브끼리의 계면에서의 저항으로 인해 전자의 방출 특성이 떨어지는 문제가 있었다. 즉, 음극 전극으로부터 CNT 에미터 단부까지의 전자전달 경로에서 저항이 높아 전자의 방출이 저하되는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 사용된 방법이 금속 충전제(filler)를 CNT 페이스트에 첨가하는 것이다. 도 2는 이러한 금속 충전체가 첨가된 CNT 페이스트로 제조된 종래의 에미터를 도시하고 있다. 즉, 기판(10) 위에 형성된 음극 전극(20) 상에 금속(32)과 탄소나노튜브(35)가 함께 분산 적용된 페이스트를 도포하여 CNT 에미터(30)를 형성한다. 그러나, 이 경우, 금속 충전제 자체의 입자 크기가 서브 ㎛ 단위로서 탄소나노튜브에 비해 상대적으로 대단히 크기 때문에, 금속 입자끼리 뭉치는 현상이 발생하며, 최악의 경우 크게 뭉쳐진 금속 입자들이 떨어져 나가는 경우도 있다. 이로 인해, 금속 입자 및 탄소나노튜브를 CNT 에미터 내에서 고르게 분산시키는 것이 쉽지가 않다. 따라서, 일정 전압에서 전자방출에 기여하는 활성 방출 사이트 밀도(active emission site density)를 증가시키는데 한계가 있을 뿐만 아니라, CNT 에미터 내의 탄소나노튜브가 균일하게 분산되지 않아 전자의 방출이 불균일하게 될 가능성도 커지게 된다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 나노 크기의 금속 입자를 첨가하여, CNT 에미터 내에서 전극과 탄소나노튜브 간의 저항 및 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 간의 저항을 낮춤과 동시에, CNT 에미터 내에 탄소나노튜브가 고르게 분산되도록 함으로써, 전자의 방출이 균일하고 전자 방출에 기여하는 활성 방출 사이트 밀도를 증가시킨 CNT 에미터를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 상기와 같은 CNT 에미터를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 CNT 파우더 및 CNT 페이스트의 제조 방법를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 개략적으로 살펴보면, 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 본 발명에 따른 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법은, 금속 전구체를 수용액 또는 유기용매에 용해시키는 단계; 상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 건조하는 단계; 및 건조된 금속 전구체와 탄소나노튜브 파우더의 혼합물을 환원 분위기에서 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 본 발명에 따른 탄소나노튜브 페이스트의 제조 방법은, 금속 전구체를 수용액 또는 유기용매에 용해시키는 단계; 상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 건조하는 단계; 건조된 금속 전구체와 탄소나노튜브 파우더의 혼합물을 환원 분위기에서 소성하여 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 파우더를 얻는 단계; 및 상기 탄소나노튜브 파우더를 용매에 용해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 태양으로서, 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 본 발명에 따른 전계 방출 디스플레이의 탄소나노튜브 에미터의 제조 방법은, 금속 전구체를 수용액 또는 유기용매에 용해시키는 단계; 상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 건조하는 단계; 건조된 금속 전구체와 탄소나노튜브 파우더의 혼합물을 환원 분위기에서 소성하여 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 파우더를 얻는 단계; 상기 탄소나노튜브 파우더를 용매에 용해시켜 탄소나노튜브 페이스트를 형성하는 단계; 및 상기 페이스트를 기판 위에 형성된 음극 전극 위에 도포하여 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전계 방출 디스플레이의 전자방출원 역할을 하는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 에미터는, 금속 전구체를 수용액 또는 유기용매에 용해시키는 단계; 상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 건조하는 단계; 건조된 금속 전구체와 탄소나노튜브 파우더의 혼합물을 환원 분위기에서 소성하여 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 파우더를 얻는 단계; 상기 탄소나노튜브 파우더를 용매에 용해시켜 탄소나노튜브 페이스트를 형성하는 단계; 및 상기 페이스트를 기판 위에 형성된 음극 전극 위에 도포하여 패터닝하는 단계를 순차적으로 수행하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 일실시예에 따른 본 발명의 구성에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 금속 충전제(filler)를 첨가하여 탄소나노튜브 페이스트(CNT 페이스트)를 제조하는 경우, 금속 입자의 크기가 탄소나노튜브에 비해 지나치게 커서 뭉침 현상이 일어나기 때문에, 종래의 CNT 페이스트로 구성된 탄소나노튜브 에미터(CNT 에미터)의 특성이 좋지 않게 된다. 따라서, 본 발명은, 도 3에 도시된 바와 같이, 입자의 크기가 수 내지 수십 ㎚ 급인 금속을 탄소나노튜브와 함께 분산 적용하여 CNT 파우더, CNT 페이스트 및 CNT 에미터를 제조함으로써 상술한 종래의 문제를 개선하고자 하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 제조 방법은 금속 전구체(precursor)를 물과 같은 수용액이나 알코올, 아세톤과 같은 유기용매에 용해시켜 이온 상태의 용액으로 만드는 단계로부터 시작한다. 여기서 금속 전구체는 이후의 처리 과정에서 금속으로 환원될 수 있는 물질로서, 금속의 종류에 따라 금속의 초산염, 질산염, 염화물, 수산화물 등 각종 금속염을 금속 전구체로서 사용할 수 있다. 예컨대, 이후의 처리 과정에서 은(Ag)을 환원시키고자 하는 경우, 은 전구체로서 은 질화물이나 염화물을 사용할 수 있는데, 대표적으로는 AgNO3 를 주로 사용한다.
본 발명에서 사용하는 금속 전구체로는, 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 간의 계면 저항이나, 탄소나노튜브와 음극(Cathode) 전극 간의 계면 저항을 낮추기 위하여 옴접촉(ohmic contact)이 가능한 금속의 전구체를 사용한다. 이러한 금속으로는, 예컨대, Ag, Ti, Pd, Zn, Fe 등이 있을 수 있다. 이때, 반드시 한 가지 금속의 전구체만을 사용할 수 있는 것은 아니며, 보다 좋은 전기적인 특성을 얻기 위해 여러 가지 금속의 전구체를 적절한 비율로 혼합할 수도 있다. 예컨대, Ti, Zn 및 Fe 의 전구체를 혼합하되, Ti의 전구체인 Ti(NO3)2 의 비율이 적어도 70% 이상인 것이 바람직하다.
다음 단계로서, 상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 가열 건조한다. 건조가 완료되면, 상기 금속 전구체와 탄소나노튜브가 골고루 분산되어 섞여 있는 상태가 된다. 그러면, 금속 전구체를 금속으로 환원시키기 위하여 상기 금속 전구체와 탄소나노튜브의 혼합물을 고온의 로(爐)에 넣고 환원분위기에서 소성하는 과정을 수행한다. 여기서, 소성 온도로는 대략 200℃ 정도인 것이 적당하고, 분위기 가스(gas)로는 수소를 사용한다.
이러한 과정을 통해, 금속 전구체는 금속으로 환원되는데, 여러 종류의 금속 전구체가 사용된 경우에는 여러 금속의 합금의 형태로 환원된다. 이때 환원되는 금속 입자의 크기는 종래의 금속 충전제에서 사용된 금속의 입자에 비해 매우 작게 된다. 예컨대, Ag의 경우에는 입자의 평균적인 크기가 약 30 내지 40㎚ 정도로 매우 작게 된다. Ru의 경우에도, 평균 입자 크기가 금속 충전제의 경우 보다 훨씬 작은 약 5㎚ 정도이다. 이때, 바람직하게는, 낮은 온도에서도 용융이 가능하도록 금속 입자의 크기는 100㎚ 이하가 되는 것이 좋다. 낮은 온도에서 쉽게 용융이 가능할수록 가공이 용이하게 된다.
이렇게 해서 얻어진 탄소나노튜브 파우더의 경우, 금속 입자의 크기가 매우 작기 때문에, 탄소나노튜브 사이의 금속 입자들에서 뭉침 현상이 일어나지 않고, 탄소나노튜브와 함께 골고루 분산되는 특징이 있다. 상기 탄소나노튜브 파우더는 이후의 탄소나노튜브 페이스트 및 탄소나노튜브 에미터를 제조하기 위한 재료가 된다.
탄소나노튜브 페이스트는 상기 탄소나노튜브 파우더를 용매와 섞음으로써 간단히 제조된다. 여기서, 용매는 공정시 용매의 증발을 최소화하기 위해 끓는점이 150℃ 이상인 유기용매를 사용할 수 있다. 한편, 이후의 공정에서 상기 탄소나노튜브 페이스트를 기판이나 음극 전극 위에 프린팅하거나 패터닝하는 작업을 용이하게 수행할 수 있도록, 상기 탄소나노튜브 페이스트를 제조할 때 탄소나노튜브 파우더를 용매와 섞는 과정에서 감광물질을 함께 넣을 수도 있다. 탄소나노튜브 페이스트에 감광물질이 섞여 있을 경우 기판이나 전극 위에 도포 된 상기 페이스트를 감광 작용을 통해 특정 모양으로 형성하는 것이 가능하다.
이렇게 해서 얻어진 탄소나노튜브 페이스트를 전계 방출 디스플레이(FED)의 전자방출원인 탄소나노튜브 에미터로서 사용하기 위해서는, 음극 전극(20) 위에 도포된 후 패터닝 되어야 한다. 상기 음극 전극(20)은 통상 기판(10) 위에 형성되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 음극 전극(20) 위에 형성된 탄소나노튜브 에미터(30)는, 도 2에 도시된 종래의 탄소나노튜브 에미터와는 달리, 나노 크기의 금속 입자(37)와 역시 나노 크기인 탄소나노튜브가 골고루 분산되어 있게 된다.
지금까지 본 발명의 특징에 대해 상세히 설명하였다. 상술한 설명을 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 에미터는 나노 크기의 금속 입자와 탄소나노튜브가 골고루 분산되어 있기 때문에, 계면 저항을 크게 줄일 수 있다. 또한, 금속 입자의 뭉침 현상이 발생하지 않기 때문에, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 에미터에서는 전자방출이 균일하게 일어나며, 금속 입자가 에미터에서 떨어져 나가는 일이 없다. 더욱이, 에미터 내부의 빈틈이 최소화되어 활성 방출 사이트 밀도를 증가시킬 수 있기 때문에 보다 고화질의 FED를 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 탄소나노튜브를 이용한 일반적인 전계 방출 디스플레이의 원리를 나타내는 도면이다.
도 2는 금속 충전체가 첨가된 CNT 페이스트로 제조된 종래의 에미터를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 CNT 페이스트로 제조된 에미터를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 공정을 도시하는 흐름도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
10..........기판 20..........음극 전극
30..........CNT 에미터 32..........금속 입자
35..........탄소나노튜브 37..........나노 금속 입자
40..........형광층 45..........블랙 매트릭스
46..........양극 전극 50..........게이트 전극
55..........절연층

Claims (21)

  1. 금속 전구체를 수용액 또는 유기용매에 용해시키는 단계;
    상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 건조하는 단계; 및
    건조된 금속 전구체와 탄소나노튜브 파우더의 혼합물을 환원 분위기에서 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 금속염인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 Ag, Ru, Ti, Pd, Zn 또는 Fe 중 적어도 한 금속의 금속염인 것을 특징으로 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 Ti, Zn 및 Fe 의 금속염이 소정의 비율로 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    Ti(NO3)2 의 비율이 적어도 70% 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속염은 AgNO3 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 용매는 알코올 또는 아세톤 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원 분위기에서 소성하는 단계는, 대략 200℃의 온도하에서 수소 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 파우더의 제조 방법.
  9. 금속 전구체를 수용액 또는 유기용매에 용해시키는 단계;
    상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 건조하는 단계;
    건조된 금속 전구체와 탄소나노튜브 파우더의 혼합물을 환원 분위기에서 소성하여 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 파우더를 얻는 단계; 및
    상기 탄소나노튜브 파우더를 용매에 용해시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 페이스트 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 금속염인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 페이스트 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 유기 용매는 알코올 또는 아세톤 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 페이스트 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 환원 분위기에서 소성하는 단계는, 대략 200℃의 온도하에서 수소 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 페이스트 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 파우더를 용매에 용해시키는 단계에서, 이후의 패터닝을 위하여 감광수지를 첨가하여 용해시키는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 페이스트 제조 방법.
  14. 금속 전구체를 수용액 또는 유기용매에 용해시키는 단계;
    상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 건조하는 단계;
    건조된 금속 전구체와 탄소나노튜브 파우더의 혼합물을 환원 분위기에서 소성하여 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 파우더를 얻는 단계;
    상기 탄소나노튜브 파우더를 용매에 용해시켜 탄소나노튜브 페이스트를 형성하는 단계; 및
    상기 페이스트를 기판 위에 형성된 음극 전극 위에 도포하여 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 전계 방출 디스플레이의 탄소나노튜브 에미터 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 금속염인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 에미터 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 환원 분위기에서 소성하는 단계는, 대략 200℃의 온도하에서 수소 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 에미터 제조 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 페이스트를 형성하는 단계에서, 이후의 패터닝을 위하여 감광수지를 첨가하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 에미터 제조 방법.
  18. 전계 방출 디스플레이의 전자방출원 역할을 하는 탄소나노튜브 에미터에 있어서,
    금속 전구체를 수용액 또는 유기용매에 용해시키는 단계;
    상기 금속 전구체가 용해된 용액을 분말 상태의 탄소나노튜브 파우더와 섞은 후 건조하는 단계;
    건조된 금속 전구체와 탄소나노튜브 파우더의 혼합물을 환원 분위기에서 소성하여 나노 크기의 금속 입자가 첨가된 탄소나노튜브 파우더를 얻는 단계;
    상기 탄소나노튜브 파우더를 용매에 용해시켜 탄소나노튜브 페이스트를 형성하는 단계; 및
    상기 페이스트를 기판 위에 형성된 음극 전극 위에 도포하여 패터닝하는 단계를 순차적으로 수행하여 제조되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 디스플레이의 탄소나노튜브 에미터.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 금속 전구체는 금속염인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 에미터.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 환원 분위기에서 소성하는 단계는, 대략 200℃의 온도하에서 수소 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 에미터.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 페이스트를 형성하는 단계에서, 이후의 패터닝을 위하여 감광수지를 첨가하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 에미터.
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