KR20060047145A - A carbon nanotube, an emitter comprising the carbon nanotube and an electron emission device comprising the emitter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브, 이를 포함하는 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 전자 방출 소자의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube including a plurality of sub carbon nanotubes in a main carbon nanotube, an electron emission source including the same, and an electron emission device including the electron emission source. The present invention also relates to a method of manufacturing the electron emitting device.
본 발명에 따르면 전자 방출 효율이 증대되고, 수명 특성이 향상된 카본나노튜브를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide carbon nanotubes having improved electron emission efficiency and improved lifetime characteristics.
Description
도 1은 기판 상에 본 발명에 따른 카본나노튜브들을 갖는 전자 방출 소자에 대한 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of an electron emitting device having carbon nanotubes according to the present invention on a substrate.
도 2는 본 발명에 따라서 제조된 카본나노튜브의 투과 전자 현미경 (Transmission Electron Microscope; TEM) 사진으로서, 도 1의 부분 확대 사진에 해당된다.FIG. 2 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a carbon nanotube manufactured according to the present invention, and corresponds to a partially enlarged photograph of FIG. 1.
도 3은 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 일구현예에 대한 개략적인 단면도이다.3 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of an electron emitting device according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 카본나노튜브 및 종래 기술에 따른 카본나노튜브의 전류밀도 측정 결과를 도시한 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the current density measurement results of carbon nanotubes according to the present invention and carbon nanotubes according to the prior art.
<도면 부호의 간단한 설명><Short description of drawing symbols>
200: 전자 방출 소자 201: 상판200: electron emission element 201: top plate
202: 하판 110: 하면기판202: lower plate 110: lower substrate
120: 캐소드 전극 130: 절연체층120: cathode electrode 130: insulator layer
140: 게이트 전극 160: 전자방출원 140: gate electrode 160: electron emission source
41...음극 42...양극41 ... cathode 42 ... anode
본 발명은 카본나노튜브, 이를 포함하는 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브, 이를 포함하는 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube, an electron emission source including the same, and an electron emission device including the electron emission source. More specifically, the carbon nanotube includes a plurality of bucarbon nanotubes inside the main carbon nanotube. The present invention relates to a tube, an electron emission source including the same, and an electron emission device having the electron emission source.
전자 방출 소자 (Electron Emission Device)는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전압을 인가하여 전계를 형성함으로써 캐소드 전극의 전자 방출원으로부터 전자를 방출시키고, 이 전자를 애노드 전극 측의 형광 물질에 충돌시켜 발광되도록 하는 디스플레이 장치이다.An electron emission device emits electrons from an electron emission source of a cathode electrode by applying a voltage between the anode electrode and the cathode electrode to form an electric field, and impinges the electrons on a fluorescent material on the anode electrode side to emit light. It is a display device.
이러한 전자 방출 소자의 전자 방출원으로서, 종래에는 몰리브덴과 같은 금속으로 이루어진 마이크로 팁이 많이 사용되었으나, 이러한 마이크로 팁은 표시 면적이 대면적화됨에 따라서 제작 단가가 상당히 증대된다는 문제점이 있으며, 또한 진공에서의 잔류 가스 입자들이 전자들과 충돌하여 이온화되고 상기 가스 이온들이 마이크로 팁과 충돌하여 마이크로 팁 자체에 손상을 입히게 되므로, 마이크로 팁이 파괴되기도 하고, 전자에 의해 충돌된 형광체 입자가 떨어져 나와서 마이크로 팁을 오염시키게 되므로, 전자 방출 소자의 성능과 수명을 저하시킨다는 문제점이 있었다. As an electron emission source of such an electron emitting device, a micro tip made of a metal such as molybdenum has been used in the past, but such a micro tip has a problem that the manufacturing cost increases considerably as the display area becomes large, and also in vacuum As residual gas particles collide with electrons and become ionized and the gas ions collide with the micro tip, damaging the micro tip itself, the micro tip is also destroyed, and the phosphor particles collided by the electrons fall off and contaminate the micro tip. In order to reduce the performance and lifetime of the electron emitting device, there is a problem.
따라서, 최근에는 이러한 문제점을 극복하기 위한 방안으로서, 전자 전도성이 탁월한 카본계 물질로서 카본나노튜브가 각광을 받고 있는데, 이는 카본나노튜브가 전도성 및 전계 집중 효과가 우수하고, 일함수 (work function)가 낮아서 전계 방출 특성이 우수하여 저전압 구동이 용이하고, 대면적화가 가능하기 때문이다.Therefore, in recent years, carbon nanotubes have been spotlighted as a carbon-based material having excellent electronic conductivity, which has excellent conductivity and electric field concentration effect, and has a work function. This is because it is low, excellent in field emission characteristics, low voltage driving is easy, and large area is possible.
상기와 같이, 전자 방출 소자의 전자 방출원으로서 카본나노튜브를 사용하는 경우에는 비표면적이 넓어야 하며, 단위 면적 당 에미터 (emitter)의 갯수가 많아야만 전자 방출 효율 증대 및 수명 향상이라는 효과를 기대할 수 있게 된다.As described above, in the case of using carbon nanotubes as the electron emission source of the electron emission device, the specific surface area must be wide, and the number of emitters per unit area must be large to increase the electron emission efficiency and improve the lifetime. It becomes possible.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 넓은 비표면적을 갖고, 단위 면적 당 많은 숫자의 에미터를 가짐으로써, 전자 방출 효율 및 수명이 향상된 카본나노튜브를 제공하며, 또한 이를 포함하는 전자 방출원 및 이러한 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자를 제공하고자 하는 것이다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to have a large specific surface area and to have a large number of emitters per unit area, thereby providing carbon nanotubes having an improved electron emission efficiency and lifetime, and an electron emission source including the same; It is an object to provide an electron emitting device having such an electron emitting source.
상기 본 발명의 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제1 태양은, 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브를 제공한다.In order to achieve the above object of the present invention, the first aspect of the present invention provides a carbon nanotube including a plurality of bucarbon nanotubes in the main carbon nanotube.
상기 본 발명의 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제2 태양은, 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a second aspect of the present invention provides an electron emission source including carbon nanotubes including a plurality of bucarbon nanotubes inside a main carbon nanotube.
본 발명의 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제3 태양은, In order to achieve another object of the present invention, the third aspect of the present invention,
기판; Board;
상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극; 및A cathode electrode formed on the substrate; And
상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성되고, 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자를 제공한다.The present invention provides an electron emission device including an electron emission source formed to be electrically connected to a cathode electrode formed on the substrate, and including carbon nanotubes including a plurality of sub carbon nanotubes inside the main carbon nanotubes.
본 발명의 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제4 태양은,In order to achieve another object of the present invention, the fourth aspect of the present invention,
주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제조하는 단계;Preparing a composition for forming an electron emission source including a carbon nanotube and a vehicle including a plurality of bucarbon nanotubes in the main carbon nanotube;
기판 상에 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하는 단계;Printing the composition for forming an electron emission source on a substrate;
상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물을 소성하는 단계; 및Baking the printed composition for forming an electron emission source; And
상기 소성된 결과물을 활성화시켜 전자 방출원을 얻는 단계를 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing an electron emitting device comprising the step of activating the fired product to obtain an electron emission source.
본 발명의 카본나노튜브를 사용하면, 전자 방출 효율 및 수명이 향상된 전자 방출 소자를 제공할 수 있다.By using the carbon nanotubes of the present invention, it is possible to provide an electron emission device having improved electron emission efficiency and lifetime.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브를 제공한다.The present invention provides a carbon nanotube including a plurality of bucarbon nanotubes in a main carbon nanotube.
전자 방출원으로 사용되는 카본나노튜브의 전자 방출 효율을 극대화하기 위해서는 제한된 면적 하에서, 에미터의 갯수를 최대화할 필요성이 존재한다. 본 발명에서는 기존의 카본나노튜브 구조와는 상이하게 하나의 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 형성시킴으로써, 기존의 카본나노튜브보다 면적 당 에미터의 갯수를 최대화할 수 있고, 결과적으로 전자 방출 효율을 극대화할 수 있는 방안을 제시한다.In order to maximize the electron emission efficiency of the carbon nanotubes used as the electron emission source, there is a need to maximize the number of emitters under a limited area. In the present invention, by forming a plurality of bucarbon nanotubes in the main carbon nanotubes different from the existing carbon nanotube structure, it is possible to maximize the number of emitters per area than the existing carbon nanotubes, As a result, we propose a method to maximize the electron emission efficiency.
도 1에는 기판 상에 본 발명에 따른 카본나노튜브들을 갖는 전자 방출 소자에 대한 개략적인 단면도가 도시되어 있으며, 도 2에는 본 발명에 따른 카본나노튜브의 투과 전자 현미경 (Transmission Electron Microscope; TEM) 사진으로서, 도 1의 부분 확대 사진이 도시되어 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 카본나노튜브는 주카본나노튜브의 내부에 복수개 (도시된 도면에서는 3 내지 4개)의 부카본나노튜브들을 가지며, 따라서 상술한 바와 같이 종래기술에 비해서 제한된 면적 당 에미터의 갯수를 최대화할 수 있게 된다.1 is a schematic cross-sectional view of an electron emitting device having carbon nanotubes according to the present invention on a substrate, and FIG. 2 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a carbon nanotube according to the present invention. As a partial enlarged photograph of FIG. 1 is shown. 1 and 2, the carbon nanotube according to the present invention has a plurality of (3 to 4 in the figure shown) of the carbon nanotubes inside the main carbon nanotubes, and thus, as described above In comparison, the number of emitters per limited area can be maximized.
바람직하게는, 상기 주카본나노튜브의 직경은 10 nm 내지 1 ㎛이다. 상기 주카본나노튜브의 직경이 10 nm 미만인 경우에는 내부에 카본나노튜브 촉매를 삽입시키기가 용이하지 않으며, 따라서 부카본나노튜브들을 성장시키기가 용이하지 않다는 문제점이 있어서 바람직하지 않고, 상기 주카본나노튜브의 직경이 1 ㎛를 초과하는 경우에는 부카본나노튜브의 개수 또는 배향성 등을 용이하게 제어할 수 없다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.Preferably, the main carbon nanotubes have a diameter of 10 nm to 1 μm. When the diameter of the main carbon nanotube is less than 10 nm, it is not easy to insert the carbon nanotube catalyst therein, and thus it is not easy to grow bucarbon nanotubes, which is not preferable. If the diameter of the tube exceeds 1 μm, there is a problem in that the number or orientation of the bucarbon nanotubes cannot be easily controlled, which is not preferable.
상기 부카본나노튜브의 직경은 1 nm 내지 100 nm인 것이 바람직하다. 상기 부카본나노튜브의 직경이 1 nm 미만인 경우에는 카본나노튜브 자체의 내구성이 떨어져서 수명이 불리해질 수 있다는 문제점이 있어서 바람직하지 않고, 상기 부카본나노튜브의 직경이 100 nm를 초과하는 경우에는 상기 부카본나노튜브가 주카본나노튜브 내부에서 성장하기가 용이하지 않다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다. The diameter of the bucarbon nanotubes is preferably 1 nm to 100 nm. When the diameter of the bucarbon nanotube is less than 1 nm, the durability of the carbon nanotubes themselves may be deteriorated, which may be disadvantageous, and when the diameter of the bucarbon nanotube exceeds 100 nm, Bucarbon nanotubes are not preferred because they are not easy to grow inside the main carbon nanotubes.
또한, 주카본나노튜브 내부에서 부카본나노튜브를 성장시켜야 하므로, 상기 주카본나노튜브의 직경은 상기 부카본나노튜브의 직경보다 커야 한다.In addition, since the carbon nanotubes must be grown inside the main carbon nanotubes, the diameter of the main carbon nanotubes should be larger than that of the bucarbon nanotubes.
바람직하게는, 상기 주카본나노튜브는 그 내부에 2 내지 10개의 부카본나노튜브들을 포함한다. 상기 부카본나노튜브의 개수가 2개 미만인 경우에는 충분한 전자 방출 효율 증대 효과를 얻을 수 없어서 바람직하지 않고, 상기 부카본나노튜브의 개수가 10개를 초과하는 경우에는 스크리닝 효과로 인해서 전계 강화 인자 (field enhancement factor)가 커져서 카본나노튜브의 팁에 효율적으로 전기장이 걸릴 수 없다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.Preferably, the main carbon nanotubes include 2 to 10 bucarbon nanotubes therein. If the number of bucarbon nanotubes is less than two, it is not preferable that sufficient electron emission efficiency increase effect is not obtained. If the number of bucarbon nanotubes exceeds 10, the field strengthening factor ( Since the field enhancement factor is large, the electric field cannot be effectively applied to the tip of the carbon nanotubes, which is not preferable.
본 발명에 따른 카본나노튜브는 전기방전법, 레이저증착법, 기상합성법, 열화학기상증착법 또는 플라즈마 화학기상증착법 등을 포함하는 다양한 방법에 따라 합성될 수 있다. 본 발명의 카본나노튜브 제조 방법에 대한 일 구현예는 다음과 같다.The carbon nanotubes according to the present invention may be synthesized according to various methods including an electric discharge method, a laser deposition method, a gas phase synthesis method, a thermochemical vapor deposition method or a plasma chemical vapor deposition method. One embodiment of the carbon nanotube manufacturing method of the present invention is as follows.
먼저, 카본나노튜브가 성장하게 될 촉매 금속을 제공한다. 촉매 금속은 예를 들면, 코발트, 니켈, 철, 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 상기 촉매 금속은 예를 들면 유리, 석영, 실리콘 또는 알루미나 (Al2O3) 등과 같은 기판에 열 증착법, 전자빔 증착법 또는 스퍼터링법을 이용하여 수 내지 수백 nm의 두께의 막 형태로 형성될 수 있다. 이 후, 촉매 금속막을 추가로 식각하여 서로 독립적으로 분리된 나노 크기의 촉매 금속 입자들을 형성한다. 식각 가스로는 암모니아 가스, 수소 가스 또는 수소화물 가스 등이 사용될 수 있다. 상기 식각 가스는 기판 상의 그레인 입계를 따라 촉매 금속막을 식각하여 서로 독립적으로 분리된 나노 크기의 촉매 금속 입자를 균일하게 고밀도로 형성한다.First, it provides a catalyst metal on which carbon nanotubes will be grown. As the catalytic metal, for example, cobalt, nickel, iron, or an alloy thereof can be used. The catalyst metal may be formed on a substrate such as, for example, glass, quartz, silicon, or alumina (Al 2 O 3 ) using a thermal evaporation method, an electron beam evaporation method, or a sputtering method to form a film having a thickness of several hundreds of nm. Thereafter, the catalyst metal film is further etched to form nano-sized catalyst metal particles that are separated from each other independently. As the etching gas, ammonia gas, hydrogen gas, or hydride gas may be used. The etching gas etches the catalyst metal film along grain boundaries on the substrate to uniformly and densely form nano-sized catalyst metal particles separated from each other.
금속 촉매 제공의 다른 예로는 제올라이트(zeolite) 지지체를 이용하는 방법이 있다. 상기 제올라이트 지지체에 금속 촉매를 합체시키는 방법은 진공주입법 (impregnation) 또는 이온 교환법 (ion exchange) 등과 같은 방법을 이용한다. 제올라이트 지지체를 이용하는 촉매 제공 방법으로는 구체적으로 Co/Y 촉매, Co/ZSM-5 촉매, Co/Y 촉매, Fe/Y 촉매 등을 얻을 수 있다. 상기 제올라이트 지지체를 이용한 촉매는 예를 들어, Co-(Fe) 아세테이트 용액을 이용하여 제조될 수 있으며, 최종 Co 또는 Fe 함량은 약 2.5 중량%일 수 있다.Another example of providing a metal catalyst is by using a zeolite support. The method of incorporating the metal catalyst into the zeolite support uses a method such as vacuum injection or ion exchange. As a catalyst providing method using a zeolite support, a Co / Y catalyst, a Co / ZSM-5 catalyst, a Co / Y catalyst, a Fe / Y catalyst and the like can be obtained. The catalyst using the zeolite support may be prepared using, for example, Co- (Fe) acetate solution, and the final Co or Fe content may be about 2.5% by weight.
전술한 바와 같이 카본나노튜브가 성장할 촉매 금속을 제공한 후, 상기 촉매 금속에 카본나노튜브를 성장시킨다. 카본 공급 가스로는 C1-3탄화수소 가스가 사용되며, 이의 구체적인 예에는 아세틸렌, 에틸렌, 에탄, 프로필렌, 프로판 또는 메탄가스 등이 포함된다. 카본나노튜브 성장 온도는 통상적으로 700 내지 800℃이다. 상기 카본 공급 가스는 카본나노튜브의 성장 속도 및 시간을 조절하기 위하여 수소 가스 또는 아르곤 가스와 같은 운반 가스 또는 수소화물 가스와 같은 희석 가스와 동시에 공급될 수 있다.As described above, after providing the catalyst metal on which the carbon nanotubes are to be grown, carbon nanotubes are grown on the catalyst metal. C 1-3 hydrocarbon gas is used as the carbon feed gas, and specific examples thereof include acetylene, ethylene, ethane, propylene, propane or methane gas. Carbon nanotube growth temperature is typically 700 to 800 ℃. The carbon feed gas may be simultaneously supplied with a carrier gas such as hydrogen gas or argon gas or a diluent gas such as hydride gas to control the growth rate and time of the carbon nanotubes.
본 발명에 따른 카본나노튜브는 상기와 같이 제조된 주카본나노튜브 내부에 다시 촉매 금속을 채워 넣고 복수개의 부카본나노튜브들을 재합성시킴으로써 제조될 수 있다. The carbon nanotubes according to the present invention may be prepared by refilling the catalyst metal in the main carbon nanotubes prepared as described above and resynthesizing the plurality of bucarbon nanotubes.
본 발명의 카본나노튜브 합성 방법은 전술한 바와 같은 합성 방법을 참조하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다. The carbon nanotube synthesis method of the present invention has been described with reference to the synthesis method as described above, but is not limited thereto.
상기와 같이 합성된 직후의 카본나노튜브는 다양한 종류의 불순물을 다량 함유하고 있으며, 이러한 불순물들이 전자 방출원에 포함될 경우, 전자 방출 특성이 저해되므로, 이를 제거하는 정제 공정을 카본나노튜브 합성 이후에 수행할 수 있다. 상기 정제 공정으로는 초음파 세척법, 원심 분리법, 화학침전법, 필터링법, 크로마토그래피법 등과 같은 당업계에서 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 포함된다.The carbon nanotubes immediately synthesized as described above contain a large amount of various kinds of impurities, and when these impurities are included in the electron emission source, electron emission characteristics are impaired. Can be done. The purification process includes a variety of methods commonly used in the art, such as ultrasonic cleaning, centrifugation, chemical precipitation, filtering, chromatography, and the like.
본 발명은 다른 구현예에서, 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원을 제공한다.In another embodiment, the present invention provides an electron emission source comprising carbon nanotubes including a plurality of bucarbon nanotubes inside a main carbon nanotube.
본 발명의 전자 방출원은 예를 들면 화학기상증착법 등과 같은 방법을 이용하여 기판 상에 상기 카본나노튜브를 직접 성장시킴으로써 형성되거나, 또는 상기 카본나노튜브를 포함하는 페이스트 조성물을 이용한 페이스트법에 의해서 형성될 수 있다. 이 중, 대량 생산 용이성 및 제조 단가 측면에서는 페이스트법이 유리하다.The electron emission source of the present invention is formed by directly growing the carbon nanotubes on the substrate using a method such as chemical vapor deposition, or by a paste method using a paste composition containing the carbon nanotubes. Can be. Among them, the paste method is advantageous in terms of mass production ease and manufacturing cost.
페이스트법을 이용하여 전자 방출원을 형성하는 경우, 본 발명의 전자 방출원은 접착 성분 및 접착 성분의 소성 결과물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 접착 성분은 카본나노튜브와 기판 간의 접착력을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 무기 접착 성분의 구체적인 예에는 글래스 프리트, 실란, 물유리 등이 포함 되고, 유기 접착 성분의 구체적인 예에는 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스 등과 같은 셀룰로오스계 수지; 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 우레탄 아크릴레이와 같은 아크릴계 수지; 비닐계 수지 등이 포함되며, 저융점 금속 또한 상기 접착 성분으로 이용될 수 있다.When forming an electron emission source using the paste method, the electron emission source of the present invention may include at least one of an adhesive component and a firing result of the adhesive component. The adhesive component serves to improve adhesion between the carbon nanotubes and the substrate, and specific examples of the inorganic adhesive component include glass frit, silane, water glass, and the like, and specific examples of the organic adhesive component include ethyl cellulose, nitrocellulose, and the like. The same cellulose resin; Acrylic resins such as polyester acrylate, epoxy acrylate and urethane acrylate; Vinyl-based resins, and the like, and low melting point metals may also be used as the adhesive component.
본 발명은 또 다른 구현예에서, 기판; 상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극; 및 상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성되고, 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자를 제공한다.In another embodiment, the present invention, a substrate; A cathode electrode formed on the substrate; And an electron emission source which is formed to be electrically connected to the cathode electrode formed on the substrate and includes carbon nanotubes including a plurality of sub carbon nanotubes inside the main carbon nanotubes. .
도 3은 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도로서, 대표적으로 3극관 구조의 전자 방출 소자를 도시하였다.3 is a partial cross-sectional view of an electron emission device according to the present invention, and typically shows an electron emission device having a triode structure.
도시한 바와 같이, 전자 방출 소자 (200)는 상판 (201)과 하판 (202)을 구비하고, 상기 상판은 상면기판 (190), 상기 상면기판의 하면 (190a)에 배치된 애노드 전극 (180), 상기 애노드 전극의 하면 (180a)에 배치된 형광체층 (170)을 구비한다.As shown, the
상기 하판 (202)은 내부 공간을 갖도록 소정의 간격을 두고 상기 상면기판 (190)과 대향하여 평행하게 배치되는 하면기판 (110), 상기 하면기판 (110) 상에 스트라이프 형태로 배치된 캐소드 전극 (120), 상기 캐소드 전극 (120)과 교차하도록 스트라이프 형태로 배치된 게이트 전극 (140), 상기 게이트 전극 (140)과 상기 캐소드 전극 (120) 사이에 배치된 절연체층 (130), 상기 절연체층 (130)과 상기 게이트 전극 (140)의 일부에 형성된 전자방출원 홀 (169), 상기 전자방출원 홀 (169) 내에 배치되어 상기 캐소드 전극 (120)과 통전되고 상기 게이트 전극 (140)보다 낮은 높이로 배치되는 전자방출원 (160)을 구비한다.The
상기 상판 (201)과 하판 (202)은 대기압보다 낮은 압력의 진공으로 유지되며, 상기 진공에 의해 발생하는 상기 상판과 하판 간의 압력을 지지하고, 발광공간 (210)을 구획하도록 스페이서 (192)가 상기 상판과 하판 사이에 배치된다.The
상기 애노드 전극 (180)은 상기 전자방출원 (160)에서 방출된 전자의 가속에 필요한 고전압을 인가하여 상기 전자가 상기 형광체층 (170)에 고속으로 충돌할 수 있도록 한다. 상기 형광체층은 상기 전자에 의해 여기되어 고에너지 레벨에서 저에너지 레벨로 떨어지면서 가시광을 방출한다. 칼라 전자 방출 소자의 경우에는 단위화소를 이루는 복수의 상기 발광공간 (210) 각각에 적색 발광, 녹색 발광, 청색 발광의 형광체층이 상기 애노드 전극의 하면 (180a)에 배치된다.The
상기 게이트 전극 (140)은 상기 전자방출원 (160)에서 전자가 용이하게 방출될 수 있도록 하는 기능을 담당하며, 상기 절연체층 (130)은 상기 전자방출원 홀 (169)을 구획하고, 상기 전자방출원 (160)과 상기 게이트 전극 (140)을 절연하는 기능을 담당한다.The
전계 형성에 의해 전자를 방출하는 상기 전자방출원 (160)은 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원 (160)이다.The
본 발명은 또 다른 구현예에서, 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성 물을 제조하는 단계; 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하는 단계; 전자 방출원 형성용 조성물을 소성하는 단계; 및 소성 결과물을 활성화시키는 단계를 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of forming a composition for forming an electron emission source including a carbon nanotube and a vehicle including a plurality of bucarbon nanotubes inside a main carbon nanotube; Printing the composition for forming an electron emission source; Calcining the composition for forming an electron emission source; And activating a firing result.
본 발명을 따르는 전자 방출 소자의 제조 방법의 일 구현예는 다음과 같다.One embodiment of the method of manufacturing an electron emitting device according to the present invention is as follows.
먼저 전자 방출원 형성용 조성물을 준비한다. 전자 방출원 형성용 조성물은 카본나노튜브 및 비이클을 포함한다.First, a composition for forming an electron emission source is prepared. The composition for forming an electron emission source includes carbon nanotubes and a vehicle.
카본나노튜브는 전자를 방출하는 역할을 하는 것으로서, 전술한 바와 같이 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브일 수 있다. 상기 조성물 내의 카본나노튜브는 0.1 내지 30 중량%, 바람직하게는 5 내지 20 중량%의 양으로 사용될 수 있다.The carbon nanotubes serve to emit electrons, and as described above, may be carbon nanotubes including a plurality of bucarbon nanotubes inside the main carbon nanotubes. Carbon nanotubes in the composition may be used in an amount of 0.1 to 30% by weight, preferably 5 to 20% by weight.
비이클은 전자 방출원 형성용 조성물의 점도 및 인쇄성을 조절하는 역할을 하는 것으로서, 이는 폴리머 성분 및 유기 용매 성분을 포함한다.The vehicle serves to control the viscosity and printability of the composition for forming an electron emission source, which includes a polymer component and an organic solvent component.
비이클 내에 포함되는 폴리머 성분에 대한 비제한적인 예로는 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스 등과 같은 셀룰로오스계 수지; 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 우레탄 아크릴레이트와 같은 아크릴계 수지; 및 비닐계 수지 등이 있으며, 그 함량은 전체 페이스트 조성물에 대하여 5 내지 60 중량%일 수 있다.Non-limiting examples of polymer components included in the vehicle include cellulosic resins such as ethyl cellulose, nitro cellulose, and the like; Acrylic resins such as polyester acrylate, epoxy acrylate and urethane acrylate; And a vinyl-based resin and the like, the content may be 5 to 60% by weight based on the total paste composition.
비이클 내에 포함되는 유기 용매 성분에 대한 비제한적인 예로는 부틸 카르비톨 아세테이트 (BCA), 터피네올 (TP), 톨루엔, 텍사놀 및 부틸 카르비톨 (BC) 등이 있으며, 그 함량은 전체 페이스트 조성물에 대하여 40 내지 80 중량%일 수 있 다.Non-limiting examples of organic solvent components included in the vehicle include butyl carbitol acetate (BCA), terpineol (TP), toluene, texanol and butyl carbitol (BC), the content of which is the entire paste composition It may be 40 to 80% by weight relative to.
상기 전자 방출원 형성용 조성물은, 카본나노튜브와 기판과의 접착력을 향상시키는 역할을 하는 접착 성분으로서, 무기 접착 성분, 유기 접착 성분, 및 저융점 금속으로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택된 것을 포함할 수도 있다.The composition for forming an electron emission source may include at least one selected from the group consisting of an inorganic adhesive component, an organic adhesive component, and a low melting point metal as an adhesive component that serves to improve adhesion between the carbon nanotubes and the substrate. It may be.
또한, 이 밖에도, 상기 전자 방출원 형성용 조성물은 필러 (filler), 감광성 수지, 점도 개선제, 해상도 개선제 등을 더 포함할 수도 있다. 이 중, 필러는 기판과 충분히 접착되지 못한 카본나노튜브의 전도성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 이의 구체적인 예에는 Ag, Al, Pd 등이 있다. 감광성 수지는 전자 방출원 형성 영역에 따라 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄할 때 사용되는 것으로서, 이의 구체적인 예에는 PMMA, TMPTA, 메틸 아크릴산 (Methyl acrylic acid) 등이 있다. In addition, the composition for forming an electron emission source may further include a filler, a photosensitive resin, a viscosity improving agent, a resolution improving agent, and the like. Among these, the filler serves to improve the conductivity of the carbon nanotubes not sufficiently adhered to the substrate, and specific examples thereof include Ag, Al, and Pd. The photosensitive resin is used when printing the composition for forming an electron emission source according to the electron emission source formation region, and specific examples thereof include PMMA, TMPTA, methyl acrylic acid, and the like.
또한 본 발명의 조성물은 필요에 따라 통상의 감광성 모노머와 광개시제, 폴리에스테르 아크릴레이트계와 같은 감광성 수지, 또는 셀룰로오스, 아크릴레이트와 비닐계 같은 비감광성 폴리머, 분산제, 소포제 등을 더 포함할 수 있다.In addition, the composition of the present invention may further include a conventional photosensitive monomer and photoinitiator, a photosensitive resin such as polyester acrylate, or a non-photosensitive polymer such as cellulose, acrylate and vinyl, a dispersant, an antifoaming agent, and the like.
상기 감광성 모노머는 패턴의 분해 향상제로 첨가되며, 열분해성 아크릴레이트 계열의 모노머, 벤조페논계 모노머, 아세트페논계 모노머, 또는 티오키산톤계 모노머 등이 있으며, 보다 구체적으로는 에폭시 아크릴레이트, 폴리에스테르 아크릴레이트, 2,4-디에틸옥산톤 (2,4-diethyloxanthone), 또는 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논을 사용할 수 있다. 상기 감광성 모노머의 함량은 3 내지 40 중량%로 포함될 수 있다. The photosensitive monomer is added as a decomposition improving agent of the pattern, and may include a thermally decomposable acrylate monomer, a benzophenone monomer, an acetphenone monomer, or a thioxanthone monomer, and more specifically, an epoxy acrylate and a polyester. Acrylate, 2,4-diethyloxanthone, or 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone can be used. The content of the photosensitive monomer may be included in 3 to 40% by weight.
상기 광개시제의 종류는 통상 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 그 함량은 0.05 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.The type of photoinitiator may be used that is commonly used, the content may be included in 0.05 to 10% by weight.
상기와 같은 조성을 갖는 전자 방출원 형성용 조성물의 점도는 5,000 내지 50,000 cps인 것이 바람직하다.The viscosity of the composition for forming an electron emission source having the composition as described above is preferably 5,000 to 50,000 cps.
다음으로, 준비된 전자 방출원 형성용 조성물을 기판에 인쇄한다. 상기 "기판"이란 전자 방출원이 형성될 기판으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 기판을 사용할 수 있다.Next, the prepared composition for electron emission source formation is printed on a substrate. The "substrate" is a substrate on which an electron emission source is to be formed, and a substrate commonly used in the art may be used.
인쇄 방식은 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하는 경우와 감광성 수지를 포함하지 않은 경우에 따라 상이하다. 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하는 경우에는 별도의 포토레지스트 패턴이 불필요하다. 즉, 기판 상에 감광성 수지를 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄로 코팅하고, 이를 원하는 전자 방출원 형성 영역에 따라 노광 및 현상한다. 한편, 전자 방출원 형성용 조성물이 감광성 수지를 포함하지 않는 경우에는, 별도의 포토레지스트막 패턴을 이용한 포토리소그래피 공정이 필요하다. 즉, 포토레지스트막을 이용하여 포토레지스트막 패턴을 먼저 형성한 후, 상기 포토레지스트막 패턴을 이용하여 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄로 공급한다.The printing method is different depending on the case where the composition for electron emission source formation contains the photosensitive resin and when the photosensitive resin is not included. When the composition for electron emission source formation contains photosensitive resin, a separate photoresist pattern is unnecessary. That is, a composition for forming an electron emission source containing a photosensitive resin is coated on a substrate by printing, and the film is exposed and developed according to a desired electron emission source forming region. On the other hand, when the composition for electron emission source formation does not contain photosensitive resin, the photolithography process using a separate photoresist film pattern is required. That is, a photoresist film pattern is first formed using a photoresist film, and then the composition for forming an electron emission source is supplied by printing using the photoresist film pattern.
이 후, 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물을 소성시킨다. 상기 소성 단계를 통하여 카본나노튜브와 기판과의 접착력이 향상될 수 있고, 일부 이상의 접착 성분의 용융 및 고형화에 의하여 내구성 등도 향상될 수 있으며, 아웃개싱 (outgasing)도 최소화될 수 있다. 소성 온도는 전자 방출원 형성용 조성물에 포함된 비이클의 휘발 및 접착 성분의 소결가능 온도 및 시간을 고려하여 결정되어야 한다. 통상적인 소성 온도는 350 내지 500℃, 바람직하게는 450℃이다. 소성 온도가 400℃ 미만이면 비이클 등의 휘발이 충분히 이루어지지 않는다는 문제점이 발생할 수 있고, 소성 온도가 500℃를 초과하면 카본나노튜브 손상의 문제점이 발생할 수 있기 때문이다. Thereafter, the printed composition for forming an electron emission source is fired. Through the firing step, the adhesion between the carbon nanotubes and the substrate may be improved, and durability and the like may be improved by melting and solidifying at least some adhesive components, and outgasing may be minimized. The firing temperature should be determined in consideration of the volatilization of the vehicle and the sinterable temperature and time of the adhesive component included in the composition for forming the electron emission source. Typical firing temperatures are 350 to 500 ° C, preferably 450 ° C. If the firing temperature is less than 400 ℃ may cause a problem that the volatilization such as a vehicle is not sufficiently made, and if the firing temperature exceeds 500 ℃ may cause problems of carbon nanotube damage.
이 후, 소성 결과물을 활성화하여 전자 방출원을 얻는다. 상기 활성화 단계는, 예를 들어, 열처리 공정을 통하여 필름 형태로 경화될 수 있는 폴리이미드계 고분자를 포함하는 전자 방출원 표면 처리제를 상기 소성 결과물 상에 도포한 후, 이를 열처리한 다음, 상기 열처리로 형성된 필름을 박리함으로써 수행될 수 있다. 또한, 상기 활성화 단계는 소정의 구동원으로 구동되는 롤러 표면에 접착력을 갖는 접착부를 형성하여 상기 소성 결과물 표면에 소정의 압력으로 가압함으로써 수행될 수도 있다. 이러한 활성화 단계를 통하여 전자 방출원 표면으로 카본나노튜브가 노출되거나 카본나노튜브의 수직배향 상태가 조절될 수 있다.Thereafter, the firing product is activated to obtain an electron emission source. The activation step may include, for example, applying an electron emission source surface treating agent including a polyimide-based polymer that may be cured into a film through a heat treatment process on the firing result, and then heat treating the same, followed by heat treatment. It can be carried out by peeling the formed film. In addition, the activation step may be performed by forming an adhesive portion having an adhesive force on the surface of the roller driven by a predetermined driving source and pressing the surface of the firing resultant at a predetermined pressure. Through this activation step, the carbon nanotubes may be exposed to the electron emission source surface or the vertical alignment of the carbon nanotubes may be controlled.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재되는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. The following examples are only described for the purpose of more clearly expressing the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.
카본나노튜브의 제조Manufacture of Carbon Nanotubes
실시예 1.Example 1.
기공을 가지는 알루미나 멤브레인을 통하여 튜브의 직경이 20nm인 카본나노튜브를 합성하고 다시 금속 촉매 염을 이용하여, 상기 카본나노튜브 내부에 촉매입 자를 채워 넣었다. 알루미나 멤브레인을 불산을 통해 제거한 다음, 통상적인 화학기상증착법에 의해서 상기 카본나노튜브 내부에 카본나노튜브를 재성장시킴으로써 본 발명에 따른 카본나노튜브를 제조하였다.A carbon nanotube having a diameter of 20 nm was synthesized through an alumina membrane having pores, and again, a catalyst particle was filled into the carbon nanotube using a metal catalyst salt. After removing the alumina membrane through hydrofluoric acid, the carbon nanotubes according to the present invention were prepared by regrowing the carbon nanotubes inside the carbon nanotubes by a conventional chemical vapor deposition method.
비교예 1.Comparative Example 1.
통상적인 화학기상증착법에 의해서 카본나노튜브를 제조하였다.Carbon nanotubes were prepared by conventional chemical vapor deposition.
전자 방출원의 제조Preparation of the electron emission source
실시예 2.Example 2.
상기 실시예 1에서 제조된, 주카본나노튜브 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브, 글래스 프리트, 에틸 셀룰로오스, 메틸 아크릴산, 부틸 카르비톨 아세테이트를 혼합하여 25000cps의 점도를 갖는 전자 방출원용 조성물을 제조하여 기판 상에 코팅한 후, 패턴 마스크를 이용하여 2000 mJ/cm2의 노광 에너지로 평행 노광기를 이용하여 조사하였다. 노광 후 스프레이하여 현상하고, 450 의 온도에서 소성하여 전자 방출원을 얻었다.Electron emission having a viscosity of 25000 cps by mixing carbon nanotubes, glass frit, ethyl cellulose, methyl acrylic acid, and butyl carbitol acetate containing a plurality of bucarbon nanotubes inside the main carbon nanotubes prepared in Example 1 The raw composition was prepared and coated on a substrate, and then irradiated with a parallel exposure machine at an exposure energy of 2000 mJ /
비교예 2.Comparative Example 2.
상기 비교예 1에서 제조된 카본나노튜브를 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 따라 전자 방출원을 제조하였다.An electron emission source was manufactured according to the same method as Example 2 except for using the carbon nanotubes prepared in Comparative Example 1.
전류 밀도 측정Current density measurement
상기 실시예 2 및 비교예 2의 전자 방출원에 대하여 전류 밀도를 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 따르면, 본 발명에 따른 전자 방출원의 전류 밀도 기울기가 비교예에 따른 전자 방출원의 전류 밀도 기울기에 비해서 더욱 샤프하고, 따라서 전자 방출 효율이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.The current density of the electron emission sources of Example 2 and Comparative Example 2 was measured, and the results are shown in FIG. 4. According to FIG. 4, it can be seen that the current density gradient of the electron emission source according to the present invention is sharper than the current density gradient of the electron emission source according to the comparative example, and thus the electron emission efficiency is excellent.
전자 방출 소자의 제조Fabrication of Electron Emission Devices
하면 기판을 준비하고, 상기 하면 기판 상에 ITO 물질로 이루어진 투명한 다수의 캐소드 전극을 스트라이프 형태로 형성하였다. 이후, 상기 캐소드 전극이 덮이도록 폴리이미드 절연 물질을 스크린 인쇄하여 절연체층을 형성하고, 상기 절연체층의 상면에 도전성이 우수한 은(Ag) 또는 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 도체를 포함하는 페이스트를 스크린 인쇄하여 게이트 전극을 형성하였다. 이후 게이트 전극과 절연체층을 에칭하여 상기 캐소드 전극의 표면이 드러나도록 전자방출원 홀을 형성하고, 상기 게이트 전극을 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 상기 캐소드 전극들과 교차하도록 스트라이프 형태로 형성하였다.A lower surface substrate was prepared, and a plurality of transparent cathode electrodes made of an ITO material were formed on the lower surface substrate in a stripe form. Thereafter, an insulator layer is formed by screen printing a polyimide insulating material to cover the cathode electrode, and a conductor such as silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), etc. having excellent conductivity is formed on an upper surface of the insulator layer. The paste was screen printed to form a gate electrode. Thereafter, the gate electrode and the insulator layer were etched to form an electron emission source hole to expose the surface of the cathode electrode, and the gate electrode was patterned by a photolithography process to form a stripe shape to cross the cathode electrodes.
다음으로, 상기 전자방출원 홀에 주카본나노튜브의 내부에 복수개의 부카본나노튜브들을 포함하는 카본나노튜브 및 비이클을 포함하는 전자방출원 형성용 페이스트를 도포하여 전자방출원을 형성하고, 소성 및 활성화 단계를 거쳐서 전자 방출 소자를 제조하였다.Next, an electron emission source is formed by applying an electron emission source forming paste including carbon nanotubes and vehicles including a plurality of subcarbon nanotubes inside the main carbon nanotubes in the electron emission source holes, and then firing And an electron emission device was manufactured through an activation step.
본 발명에 따르면, 전자 방출 효율이 증대되고, 수명 특성이 개선된 카본나노튜브, 이를 포함하는 전자 방출원 및 이러한 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a carbon nanotube, an electron emission source including the same, and an electron emission device including the electron emission source having an improved electron emission efficiency and improved lifetime characteristics.
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---|---|---|---|---|
CN101293629B (en) * | 2007-06-08 | 2010-09-08 | 北京大学 | Process for producing carbon nano-tube or nano-wire bifurcate structure |
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2004
- 2004-11-15 KR KR1020040092996A patent/KR20060047145A/en not_active Application Discontinuation
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