KR20060098700A

KR20060098700A - 탄소나노튜브 페이스트 수직 배향 방법 및 그 응용

Info

Publication number: KR20060098700A
Application number: KR1020050018463A
Authority: KR
Inventors: 이민호
Original assignee: 주식회사 메디아나전자
Priority date: 2005-03-05
Filing date: 2005-03-05
Publication date: 2006-09-19

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 후막 및 이를 이용한 전계방출 표시소자, 평판형 램프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 페이스트를 제작하는 공정, 상기 제작된 탄소나노튜브 페이스트를 기판의 전극 상에 스크린 인쇄법 또는 잉크젯 인쇄법을 사용하여 후막을 형성시키는 공정, 상기 탄소나노튜브 후막에서 유기물을 제거시키는 공정, 상기 유기물이 제거된 탄소나노튜브 후막에 전기장을 적용하여 탄소나노튜브를 수직배향시키는 공정에 의해 제작되는 것을 특징으로하는 탄소나노튜브 후막 및 이를 이용한 전계방출 표시소자, 평판형 램프에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 탄소나노튜브 후막 제조시 스크린 인쇄법이나 잉크젯 인쇄법을 사용하고 전기장을 사용하여 표면처리를 하므로 탄소나노튜브의 손상이나 불순물 혼입을 효율적으로 방지할 수 있고 탄소나노튜브 제작 비용을 절감시킬 수 있으며 이와 같이 제작된 탄소나노튜브 후막을 전계방출형 표시소자, 평판형 램프로 이용할 경우 성능이 우수한 제품을 생산할 수 있다.

탄소 나노튜브 페이스트, 수직배향 탄소 나노튜브 후막, 전계방출 표시소자, 평판형 램프.

Description

탄소나노튜브 페이스트 수직 배향 방법 및 그 응용 {Method of vertical growth and application with carbon nanotubes pastes}

도 1은 전기장으로 표면 처리 하기 전의 페이스트로 된 탄소나노튜브의 배향상태를 보여주는 사진이며,

도 2는 전기장으로 표면 처리한 후의 페이스트로 된 탄소나노튜브의 배향상태를 보여주는 사진이다.

도 3은 본 발명에 따라 기판의 전극 상에 형성된 탄소나노튜브 후막을 전기장 처리 하기 전의 단면도이다.

도 4는 탄소나노튜브 후막을 전기장으로 표면 처리하여 수직배향을 형성시키는 경우의 단면 모식도이다.

도 5는 본 발명의 탄소나노튜브 후막을 이용하여 제작된 이극형 전계방출형 표시소자 및 평판형 램프 단면도를 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명의 탄소나노튜브 후막을 이용하여 제작된 삼극형 전계방출형 표시소자 및 평판형 램프 단면도를 나타낸 것이다.

도 7은 전기장 처리 전의 탄소나노튜브 후막을 이용하여 제작된 전계방출형 표시소자의 발광사진이며,

도 8은 전기장 처리 후의 탄소나노튜브 후막을 이용하여 제작된 전계방출형 표시소자의 발광사진이다.

도 9는 전기장 처리 전과 후의 탄소나노튜브를 사용한 전계방출 표시소자의 전압변화에 따른 전자방출 전류특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : (캐소드)기판 2 : (캐소드)전극

3 : 탄소나노튜브 후막 4 : 애노드 전극

5 : 형광체막 6 : 애노드 기판

7 : 스페이서 8 : 게이트 전극

9 : 절연막 10 : 금속 와이어

20 : 캐소드부 30 : 애노드부

본 발명은 탄소나노튜브 후막 및 이를 이용한 전계방출형 표시소자, 평판형 램프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 페이스트를 제작하는 공정, 상기 제작된 탄소나노튜브 페이스트를 기판의 전극 상에 스크린 인쇄법 또는 잉크젯 인쇄법을 사용하여 후막을 형성시키는 공정, 상기 탄소나노튜브 후막에서 유기물을 제거시키는 공정, 상기 유기물이 제거된 탄소나노튜브 후막에 전계를 적용하여 탄소나노튜브를 수직배향시키는 공정에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 후막 및 이를 이용한 전계방출 표시소자, 평판형 램프에 관한 것이다.

현재 탄소나노튜브는 새로운 물질특성의 구현이 가능하여 학문적 중요성과 산업적 응용성에 있어 가장 크게 각광 받고 있는 물질로 부각되고 있다. 특히 탄소나노튜브를 전자 방출 에미터로 사용할 경우, 탄소나노튜브의 수직배향특성이 우수하고 대면적기판에서 합성이 가능하면 에미터로 적용할 경우 전기적인 특성이나 생산성에서 유리하게 된다. 따라서 탄소나노튜브의 수직배향을 통해 전기적 특성을 향상시키고자 하는 연구가 진행되어 왔으며, Vink 등은 2003년에 발표된 Applied Physics Letters 83권에서 스크린 프린팅된 탄소 나노튜브를 점착 테이핑법(adhesion taping)으로 기계적 표면처리하여 수직형태로 배열한 탄소나노튜브의 전자방출 전류가 증가하였음을 보고한 바 있으며, Kim 등은 2004년에 발표된 Applied Physics Letters 84권 논문에서 소프트 러버 롤링법(soft rubber rolling)을 사용하여 탄소 나노튜브를 수직으로 배열시켜 전자방출 특성을 향상시킬 수 있다고 보고하였다. 그러나 상기와 같은 기술들에 의해 탄소 나노튜브를 표면 처리하여 수직배향시키는 경우에는 접착력이 약한 탄소 나노튜브가 탈락되기 쉽다는 것이 단점이다. 또한 대한민국 공개특허 제2003-0014904호는 카본나노튜브 필름에 레이저 빔을 조사하여 국부적으로 가열 노출시켜 전자 방출원을 활성화시키는 기술을 기재하고 있다. 이 경우 레이저 장치가 진공장비와 레이저 빔으로 구성되어 있어 고가이고 공정수행이 복잡하여 실제 응용하는 데는 한계를 갖는다는 문제점을 갖고 있다.

상기 살펴본 바와 같이 후막 인쇄 기술에 의해 형성된 탄소 나노튜브 후막을 소프트 러버 롤링법이나 점착 테이핑법에 의해 표면처리하여 탄소나노튜브의 수직배향을 달성하고자하는 경우에는 비용이 저렴하고 공정이 간편하다는 장점이 있으 나 탄소 나노튜브의 탈착현상과 사용되는 롤러와 접착 테이프로 인해 불순물이 발생할 수 있다는 단점을 갖고 있으며, 레이저 조사에 의한 방법은 고비용 및 공정 수행이 복잡하다는 단점을 가지고 있다. 또한 플라즈마(plasma)나 이온 빔(ion beam)과 같은 것을 사용한 표면처리는 탄소 나노튜브의 구조 손상과 전극 기판에 손상을 가져다주고, 제조비용이 높다는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 탄소나노튜브가 페이스트 형태로 혼합되어 있는 상에서 수직 배향시키는 방법이며, 또한 이를 통하여 종래의 문제점을 해결할 수 있는 방안으로 사용될 수 있고, 더 나아가 그 응용 소자를 제작할 수 있는 방법을 제공하는 것으로 한다. 즉, 이를 통해 전계 방출(field emission) 현상을 향상시키는 소자를 제작할 수 있다.

본 발명은 탄소나노튜브 페이스트를 제작하는 공정과 탄소나노튜브를 수직 배향시키는 방법 및 그 응용 예로써 탄소나노튜브 페이스트를 이용한 전계 방출 소자를 제작하는 공정으로 설명하며, 그 각각을 발명의 구성으로 한다.

먼저 탄소나노튜브 페이스트 제작에 있어, 탄소나노튜브, 유기 결합제, 유기 용매, 충전제, 분산제를 사용하며, 유기 결합제로 에틸셀룰로오즈, 나이트레이트, 아크릴 수지 등을 사용하고, 유기 용매로는 터피네올, 부틸 카르비톨 아세테이트 (butly carbitol acetate:BCA)를 사용하고, 충전제로 사용되는 물질은 비전도성 물질인 글래스 프릿(glass frit) 또는 전도성 물질인 은(Ag)분말을 사용한다. 그리고 분산제로는 포멕스(formex)810을 사용한다.

상기 제작된 탄소나노튜브 페이스트는 실시예로 전계방출 표시소자 및 램프를 제작할 수 있으며, 패터닝 공정은 후막기술을 이용한 스크린 인쇄법 및 향후 제작가능성이 있는 잉크젯 프린팅 기술에 적용할 수 있다. 또한 기판으로는 유리가 가장 보편적으로 적용되며, 기능에 따라서 실리콘 웨이퍼, 세라믹 기판을 사용할 수 있다. 그리고 사용되는 전극으로는 투명전극인 ITO와 금, 은, 백금, 구리, 알루미늄(Au, Ag, Pt, Cu, Al)등의 금속 재료가 사용된다.

상기 페이스트 제작공정과 패터닝 공정을 통하여 제작된 기판은 탄소나노튜브 페이스트에 포함되어 있는 유기 용매를 제거하기 위한 1차 소성을 실시한다. 1차 소성의 경우 노(oven)의 온도는 130∼170??를 유지한다. 2차 소성의 경우는 유기 바인더를 제거하는 공정으로 300∼500??의 온도를 유지하며, 이때 분위기의 안정화를 위하여 질소와 아르곤 가스를 주입한다.

상기 공정을 통하여 제작된 기판에 탄소나노튜브를 수직 배향시키기 위한 방법으로 전계를 인가할 수 있는 상판전극(애노드:anode)을 제작하여 설치하고, 전계를 일정 시간동안 인가한다. 전계의 크기는 약 3∼4V/㎛를 10∼20 초간 인가하는 방법으로 이루어진다.

도 1은 기판(1)의 전극(2) 상에 형성된 탄소 나노튜브 후막(3)을 전기장 처리 하기 전의 SEM 사진이며, 도 2는 도 1의 탄소나노튜브 후막(3)을 상판전극(4)을 제작하여 전계를 인가하여 탄소나노튜브를 수직배향 시킨 SEM 사진이다. 이러한 SEM 사진을 통해 수직배향 상태가 된다는 것을 확인할 수 있으며 이에 대한 단면 모식도 및 전계 모식도 도 3 및 도 4에 나타내었다. 도 1과 2에서 볼 수 있는 바와 같이 전기장 처리전에는 탄소나노튜브가 돌출되어있지 않고 기판과 평행한 모양으로 나타나지만 전기장 처리후에는 탄소나노튜브가 수직배향 되어있음을 볼 수 있다.

다음 단계의 예로써 상기 제작된 탄소나노튜브 페이스트 및 기판을 이용한 전계방출 소자 및 평판형 램프의 구성에 대하여 세부적으로 설명한다.

도 5는 상기 탄소나노튜브 페이스트 및 기판 공정에 의해 제작된 전계방출 표시소자 및 평판형 램프 모식도를 나타낸 것이다. 도5에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 전계방출 표시소자 및 평판형 램프는 대략 캐소드부(10), 애노드부(20) 및 스페이서(7)로 구성된다.

캐소드부(20)는 상술한 바와 같이 캐소드 전극(2)이 상기 캐소드 기판(1) 상에 형성되고, 전기장 처리에 의해 수직배향된 탄소 나노튜브 후막(3)이 상기 캐소드 전극(2) 상에 형성되어 이루어지며 애노드부(30)는 애노드 기판(6) 상에 애노드 전극(4)이 형성되고 그 위에 형광체막(5)이 도포되어 이루어진다. 그리고 스페이서(7)가 상기 애노드 기판(6)과 캐소드 기판(1) 사이에 탑재되는데 이를 탑재하는 경우 고진공 상태를 유지하면서 350~450??로 열처리하여 밀봉하는 방식에 의한다. 또한 본 발명에 의한 전계방출형 표시소자 및 평판형 램프는 도 6에서와 같이 애노드부(30)과 캐소드부(20) 사이 게이트 전극(gate electrode)(8)을 평행하게 삽입하여 삼극형으로 제작될 수도 있다.

도 7은 전기장 처리 전의 탄소나노튜브 후막을 이용하여 제작된 전계방출형 표시소자의 발광사진이며 도 8은 전기장 처리 후의 탄소나노튜브 후막을 이용하여 제작된 전계방출형 표시소자의 발광사진이다. 도 7 및 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이 전기장으로 표면처리 전에는 부분적으로 발광되었으나 표면처리 후에는 전면 발광되었음을 볼 수 있다.

도 9는 전기장 처리 전과 후의 탄소나노튜브를 사용한 전계방출형 표시소자의 전압변화에 따른 전자방출 전류특성을 비교하여 나타낸 그래프이다. 이 경우 애노드와 캐소드 기판 사이의 거리는 400㎛로 유지하였다. 1100V에서 표면처리 전의 전자방출 전류는 0.13㎃, 표면처리 후의 전자방출 전류는 8.7㎃로 증가되어 에미터(emitter) 전자 방출원이 활성화되었음을 알 수 있다.

본 발명에 의하면 탄소나노튜브 후막 제조시 스크린 인쇄법이나 잉크젯 인쇄법을 사용하고 전기장을 사용하여 표면처리를 하므로 탄소나노튜브의 손상이나 불순물 혼입을 효율적으로 방지할 수 있고 탄소나노튜브 제작 비용을 절감시킬 수 있으며 이와 같이 제작된 탄소나노튜브 후막을 전계방출형 표시소자, 평판형 램프 및 화학 센서 감지막으로 이용하는 경우 성능이 우수한 제품을 생산할 수 있다.

비록 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시예에 관해 설명되어졌으나, 발명의 요지와 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어질 수 있 다. 따라서, 첨부된 청구범위는 발명의 진정한 범위 내에 속하는 이러한 수정과 변형을 포함할 것으로 예상된다.

Claims

탄소나노튜브 페이스트를 제작하는 공정,

상기 제작된 탄소나노튜브 페이스트를 기판의 전극 상에 스크린 인쇄법 또는 잉크젯 인쇄법을 사용하여 후막을 형성시키는 공정,

상기 탄소나노튜브 후막에서 유기물을 제거하는 공정,

상기 유기물이 제거된 탄소나노튜브 후막에 전기장을 적용하여 탄소나노튜브를 수직배향시키는 공정에 의해 제작되는 것을 특징으로하는 탄소나노튜브 후막.
제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 페이스트는 탄소나노튜브, 유기 결합제, 유기 용매, 충전제 및 분산제로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 후막.
제2항에 있어서, 상기 유기 결합제는 에틸셀룰로오스, 나이트레이트 또는 아크릴 수지로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나이며, 상기 유기 용매는 상기 유기 결합제를 용해할 수 있는 유기 용매이고, 상기 충전제는 글래스 플릿 또는 은 분말인 것을 특징으로하는 탄소나노튜브 후막.
제1항에 있어서, 상기 유기물을 제거하는 공정은 100-150??의 온도에서 유기 용매를 제거한 후, 350-450??의 온도에서 질소와 아르곤 분위기 하에 소성시켜 유기 바인더를 제거하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로하는 탄소나노튜브 후막.
제1항에 있어서, 상기 기판은 유리 기판, 실리콘 기판 또는 세라믹 기판 중 어느 하나이며 전극은 ITO, Au, Ag, Pt, Cu 또는 Al로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로하는 탄소나노튜브 후막.
제1항에 있어서, 전기장을 적용하여 탄소나노튜브를 수직배향시키는 공정은 약 3∼4V/㎛ 전후에서 순간적인 전기장을 10∼20초 동안 가하는 것을 특징으로하는 탄소나노튜브 후막.
제1항 내지 제6항 중의 하나의 항에 의한 탄소나노튜브 후막(3)을 포함하는 캐소드부(20), 애노드 기판(6) 상에 애노드 전극(4)이 형성되고 그 위에 형광체막(5)이 도포되어 이루어진 상기 캐소드부(20)와 평행하게 배치되어 있는 애노드부(30) 및 상기 애노드 기판(6)과 캐소드 기판(1) 사이에 고진공 상태를 유지하면서 350∼450??로 열처리하여 밀봉하는 방식으로 탑재된 스페이서(7)로 이루어지는 것을 특징으로하는 전계방출 표시소자.
제7항에 있어서, 상기 캐소드부(20)와 상기 애노드부(30) 사이에 게이트 전 극(8)이 평행하게 삽입되어 삼극형으로 제작되는 것을 특징으로하는 전계방출 표시소자.
제1항 내지 제6항 중의 하나의 항에 의한 탄소나노튜브 후막(3)을 포함하는 캐소드부(20), 애노드 기판(6) 상에 애노드 전극(4)이 형성되고 그 위에 형광체막(5)이 도포되어 이루어진 상기 캐소드부(20)와 평행하게 배치되어 있는 애노드부(30) 및 상기 애노드 기판(6)과 캐소드 기판(1) 사이에 고진공 상태를 유지하면서 350∼450??로 열처리하여 밀봉하는 방식으로 탑재된 스페이서(7)로 이루어지는 것을 특징으로하는 평판형 램프.
제9항에 있어서, 상기 캐소드부(20)와 상기 애노드부(30) 사이에 게이트 전극(8)이 평행하게 삽입되어 삼극형으로 제작되는 것을 특징으로하는 전계방출형 표시소자.