KR20140006659A - 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계방출장치 - Google Patents

탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계방출장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계방출장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 탄소나노튜브 구조체에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 일체의 고밀도 및 저밀도 부분으로 구분되되, 상기 고밀도 부분은 탄소나노튜브가 나란하게 배열되며, 상기 저밀도 부분은 상기 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도이면서 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계방출장치를 제공한다.

Description

탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계방출장치 {High density CNT structure, preparing thereof and field emission device using the same}
본 발명은 나노튜브 구조체 및 이를 이용한 전계방출장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 나노튜브를 이용하여 전계방출 장치에 활용할 수 있는 나노튜브 구조체 및 이를 이용한 전계방출장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전계 방출(Field Emission, FE)은 외부의 강한 전계가 가해졌을때 고체 표면에서 전자가 터널링 효과에 의해 방출되는 물리적 현상으로 고체의 페르미 에너지 아래에 속박된 전자들이 강한 전계에 의해 얇아진 전위 장벽을 터널링하여 방출되기 때문에 전계의 세기와 고체의 일함수(Work function)에 크게 의존하게 된다.
상기 전계 방출 원리를 이용한 장치는 발광 효율이 우수하고 경박단소화가 가능하며 환경친화적이어서 일반 조명광원, 디스플레이 및 LCD 백라이트 유닛(back light unit)에 응용 가능하다. 또한 안정적으로 높은 전류 밀도를 요하는 THz 진공소자, X-선 튜브(X-ray tube), 이온 게이지(ionization gauge) 등의 전자 소스(electron source) 분야에 응용 가능하다.
상기 전계 방출 소자용 전자 방출원으로 최근에 탄소나노튜브에 대한 많은 연구가 이루어지고 있는데, 탄소나노튜브는 큰 종횡비와 높은 전기전도도로 인해 전계 집중 효과가 우수하고, 일함수가 낮으며 화학적 안정성이 높아 상기 전계 방출 소자들에 이상적인 전자 방출원으로의 사용이 기대되고 있다.
한 가닥의 탄소나노튜브는 높은 전류 밀도를 보이지만 순 전류량은 매우 미미하여 전자빔원 응용의 한계를 보여 왔다. 탄소나노튜브 기반의 전계방출 에미터의 응용 분야를 확대하기 위해서는 전류 밀도와 순 전류량을 동시에 향상시키는 노력이 필요하다. 이를 위해 복수의 탄소나노튜브들을 동일한 기판에 합성하여 전류방출 영역을 증가시키는 시도가 진행되어 왔다. 그러나 상기 복수의 탄소나노튜브들인 경우는 기판과의 높은 전기적/열적 계면저항과 기계적으로 약한 접착력 때문에 고전류 밀도에서 전압강하, 열분해, 기계적 파손 등의 많은 문제점이 발생하였다. 또한 성장된 탄소나노튜브가 적절한 밀도를 가지고 배열되어 있는 경우 전계방출원으로서의 효율이 높아지는 것으로 알려져 있다. 즉, 탄소나노튜브가 에미터로 사용될 때 탄소나노튜브의 밀도가 상당히 높아 전계차폐효과(field screening effect)의 영향을 많이 받게 되어 전류밀도가 감소하게 된다. 따라서 전계방출원인 탄소나노튜브의 밀도를 적정 수준으로 낮추어 전계방출 특성을 향상시키는 방법이 제안되었다.
이러한 방법에 의한 탄소나노튜브를 이용한 캐소드 전극은 전체적으로 제조방법이 까다로우며, 탄소나노튜브의 길이, 밀도 제어가 어려워 고전류형 전계방출용으로는 사용하기 힘든 문제점이 있었다.
현재까지 알려진 탄소나노튜브의 밀도를 제어하는 방법으로, 탄소나노튜브의 성장 전에 밀도를 제어하는 방법과 탄소나노튜브의 성장 후에 밀도를 제어하는 방법이 있다.
탄소나노튜브의 성장 전에 밀도를 제어하는 방법으로는, 촉매금속을 패터닝(patterning)하는 방법, 촉매용액의 농도를 조절하는 방법, 템플레이트(template)를 이용하여 성장시키는 방법 등이 있으며, 탄소나노튜브의 성장 후에 플라즈마로 에칭(etching)하는 방법 등이 있는 데, 이들은 모두 효과적으로 밀도를 제어하기 힘들며 또한 전계방출원으로 사용시에 효과적으로 전자를 제공하지 못하였다.
또한 수직배열된 탄소나노튜브가 전계방출원으로 이용되는 경우 고전류 밀도에서 높은 계면저항으로 인해 열이 수반되며, 기판으로 열전달이 효과적으로 이루어지지 않아 누적된 고열에 의해 탄소나노튜브가 분해되는 문제점이 있었다.
따라서, 효과적인 나노튜브의 밀도 제어와 동시에 전계방출원으로 보다 안정적인 성능을 보일 수 있는 나노튜브 구조체에 대한 개발이 소망되었다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 나노기술의 핵심 신소재로 관심을 끄는 탄소나노튜브 등의 기술을 전계방출장치에 활용하여 보다 효율성이 좋은 전계방출장치를 제공할 수 있는 나노튜브 구조체를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적으로 전계방출장치로 사용시에 열전달 및 전자전달이 효율적으로 이루어져 탄소나노튜브 구조체가 손상되지 않고 안정적으로 전자를 방출할 수 있는 탄소나노튜브 구조체를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 탄소나노튜브 구조체에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 일체의 고밀도 및 저밀도 부분으로 구분되되, 상기 고밀도 부분은 탄소나노튜브가 나란하게 배열되며, 상기 저밀도 부분은 상기 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도이면서 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 고밀도 부분은 탄소나노튜브가 나란하게 수직배열된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고밀도 및 저밀도부분의 탄소나노튜브가 연속적으로 연결된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 수직배열된 탄소나노튜브의 일부를 수평방향으로 가압하여 형성된 고밀도 부분과 가압하지 않는 저밀도 부분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 수평방향으로 가압시에 양쪽방향에서 압착하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 수평방향으로 가압시에 모든 방향에서 가압하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 고밀도 및 저밀도 부분의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 저밀도 부분의 단면이 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 저밀도 부분의 단면이 부채꼴 형상인 경우 고밀도 탄소나노튜브의 밀도는 3×1013개/㎠ ~ 8×1014개/㎠이며, 상기 저밀도 탄소나노튜브의 밀도는 7×1011개/㎠ ~ 2×1013개/㎠인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고밀도 부분이 원통형이며, 상기 저밀도 부분의 형상은 반구형인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고밀도 부분이 원통형이며, 상기 저밀도 부분의 형상이 상기 반구형인 경우 고밀도 탄소나노튜브의 밀도는 7×1013개/㎠ ~ 2×1015개/㎠이며, 상기 저밀도 탄소나노튜브의 밀도는 3×1012개/㎠ ~ 8×1013개/㎠인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고밀도 및 저밀도의 탄소나노튜브의 연속된 길이가 100㎛ ~ 100mm인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고밀도 부분을 압착한 금속의 압착기구를 포함하여 전계방출장치에 활용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계; 및 수직배열된 탄소나노튜브를 수평으로 압착하는 단계를 포함하되, 압착한 고밀도 부분과 압착하지 않은 저밀도 부분으로 구분되며, 상기 저밀도 부분은 상기 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도이면서 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 수직배열단계에서 실리콘(Si) 웨이퍼 상에 촉매 금속을 증착한 후에 금속촉매를 패터닝하고 운반가스 및 반응가스를 이용하여 탄소나노튜브를 수직배열하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 반응가스가 C2H2 또는 CH4 을 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 압착하는 단계에서 수직배열된 탄소나노튜브가 복수개 존재하여 압착기구의 압착에 의해 복수개의 탄소나노튜브 구조체가 형성되는 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 저밀도 부분의 단면이 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 저밀도 부분의 형상이 반구형인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고밀도 및 저밀도의 탄소나노튜브의 연속된 길이가 100㎛ ~ 100mm인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 나노튜브 구조체에 있어서, 상기 나노튜브는 일체의 고밀도 및 저밀도 부분으로 구분되되, 상기 고밀도 부분은 나노튜브가 나란하게 배열되며, 상기 저밀도 부분은 상기 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도이면서 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하되, 상기 나노튜브는 CuO, 또는 ZnO로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고밀도 및 저밀도부분의 탄소나노튜브가 연속적으로 연결된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 저밀도 부분의 단면이 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄소나노튜브 구조체, 나노튜브 구조체 또는 상기 제조방법으로 제조된 탄소나노튜브 구조체를 포함하는 전계방출장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 나노튜브 구조체의 저밀도 부분 말단에서 전자가 방출되는 것을 특징으로 하는 전계방출장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전계방출장치는 전류를 전달하는 압착기구 및 나노튜브 구조체를 포함하는 데, 상기 압착기구 사이에 복수개의 나노튜브 구조체를 포함되는 것을 특징으로 하는 전계방출장치를 제공한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계방출장치는 나노기술의 핵심 신소재로 관심을 끄는 탄소나노튜브 등의 기술을 전계방출장치에 활용하여 보다 효율성이 좋은 전계방출장치를 제공하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계방출장치는 전계방출장치로 사용시에 열전달 및 전자전달이 효율적으로 이루어져 탄소나노튜브 구조체가 손상되지 않고 안정적으로 전자를 방출할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 전계방출장치는 전류가 전달되는 압착기구 및 탄소나노튜브 구조체를 제조함과 동시에 이를 분리할 필요없이 직접 이용할 수 있어 접촉면적이 넓어져 캐소드 전극에 전자 전달 능력이 더욱 향상되는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체에 관한 사시도 및 정면도를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체들에 관한 사시도를 나타낸 것이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체들에 관한 사시도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에서 사용되는 수직배열된 탄소나노튜브를 제조하는 개략도를 나타낸 것이다.
도 8은 탄소나노튜브가 수직배열된 탄소나노튜브의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 9는 수직배열된 탄소나노튜브를 양쪽면에서 압착하는 개략적인 공정도를 나타낸 것이다.
도 10은 수직배열된 탄소나노튜브를 압착기구를 통해 압착하여 형성된 탄소나노튜브 구조체의 정면도 및 평면도를 사진으로 나타낸 것이다.
도 11은 복수개의 탄소나노튜브 구조체가 압착기구에 의해 제조된 형상의 평면도를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브 구조체의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체를 이용하여 전계방출원으로 이용하였을 경우, 전기장 및 시간에 따른 전류값을 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 탄소나노튜브 구조체에 관한 것으로, 탄소나노튜브는 일체의 고밀도 및 저밀도 부분으로 구분되되, 상기 고밀도 부분은 탄소나노튜브가 나란하게 배열되며, 상기 저밀도 부분은 상기 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도이면서 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체에 관한 사시도 및 정면도를 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 고밀도와 저밀도 부분이 일체로 형성된다. 즉, 고밀도 부분의 탄소나노튜브와 저밀도 부분의 탄소나노튜브는 연결되어 있다.
저밀도와 고밀도의 경계부분이 형성되어 있으며, 상기 저밀도 부분은 고밀도와의 경계부분에서 밀도가 가장 크고, 경계 부분에서 멀어질수록 밀도가 점점 낮아지는 것이 특징이다.
이와 같은 형태로 탄소나노튜브 구조체가 형성될 경우, 이를 전계방출원으로 활용하게 되면 전자 움직임이 활성화되는 데, 터널링 효과에 의한 전자의 방출은 고밀도 부분에서 저밀도 부분의 말단으로 이동하여 전자를 발생시키게 된다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 고밀도 부분이 나란하게 수직배열된 것이 특징이다. 수직배열된 탄소나노튜브를 밀도를 높게 하기 위해서 외부에서 힘을 가해 압착하여 고밀도를 형성하도록 한다.
또한 상기 탄소나노튜브 구조체는 고밀도 부분과 저밀도 부분을 구분할 수 있는 경계 부분이 존재하며, 상기 저밀도 부분은 상기 경계 부분에서 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것이 특징이다.
또한 상기 고밀도 부분과 저밀도 부분의 탄소나노튜브는 연속적으로 연결된 것이 특징이다. 수많은 탄소나노튜브가 고밀도 나란히 배열되며 경계 부분에서 탄소나노튜브는 배열이 여러방향으로 향하면서 점차적으로 밀도가 낮아지면서 저밀도를 이루게 된다.
저밀도 부분의 단면은 부채꼴형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 고밀도 및 저밀도의 탄소나노튜브의 연속된 길이는 100㎛ ~ 100mm인 것이 특징이다.
한편, 상기 고밀도 부분의 밀도는 3×1013개/㎠ ~ 8×1014개/㎠로 이루어지며, 상기 저밀도 부분의 밀도는 7×1011개/㎠ ~ 2×1013개/㎠인 것이 바람직하다. 상기 범위내로 이루어질 때 전계방출 효과가 뛰어나다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다. 탄소나노튜브의 벽(wall)의 개수는 1~20겹으로 이루어질 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체들에 관한 사시도를 나타낸 것이다.
도 3를 참조하면, 중간부분이 고밀도 부분(110)이며 위아래로 저밀도 부분(130)이 형성되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이 탄소나노튜브 구조체는 고밀도 부분과 저밀도 부분을 구분할 수 있는 경계 부분이 존재하며, 상기 저밀도 부분은 상기 경계 부분에서 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것이 특징이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 고밀도 부분은 원통형으로 이루어져 있으며, 저밀도 부분은 반구형으로 이루어질 수 있다. 이 외의 고밀도 부분 및 저밀도 부분의 특징은 앞서 살펴본 바와 같다. 즉, 상기 고밀도 부분과 저밀도 부분의 탄소나노튜브는 연속적으로 연결되며, 수많은 탄소나노튜브가 고밀도 나란히 배열되며 경계 부분에서 탄소나노튜브는 배열이 여러방향으로 향하면서 점차적으로 밀도가 낮아지면서 저밀도를 이룬다. 또한, 상기 탄소나노튜브 구조체들도 고밀도 및 저밀도의 탄소나노튜브의 연속된 길이는 100㎛ ~ 100mm인 것 바람직하다.
또한, 고밀도 부분이 원통형이며, 저밀도 부분의 형상이 상기 반구형인 경우 고밀도 탄소나노튜브의 밀도는 7×1013개/㎠ ~ 2×1015개/㎠이며, 상기 저밀도 탄소나노튜브의 밀도는 3×1012개/㎠ ~ 8×1013개/㎠인 것을 특징이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체들에 관한 사시도를 나타낸 것이다.
본 발명은 또한 상기 탄소나노튜브가 일체의 고밀도 및 저밀도 부분으로 구분되되, 고밀도 부분은 탄소나노튜브가 나란하게 배열되며, 저밀도 부분은 상기 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도이면서 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지되, 저밀도 부분의 측면 일부가 절단되어 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 1에 표현된 탄소나노튜브 구조체의 저밀도 부분의 측면 일부가 절단되어 형성된 것을 나타낸다. 도 6과 같이 저밀도 부분의 일부가 절단되어 형성되어 이를 전계방출장치에 활용할 경우, 저밀도 부분의 탄소나노튜브 구조체의 전계 집중이 강화되어 이에 따라 더욱 효율적인 전계방출장치에 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계 및 수직배열된 탄소나노튜브를 수평으로 압착하여 고밀도 부분과 저밀도 부분이 형성되도록 할 수 있다. 즉, 수직배열된 탄소나노튜브의 일부를 수평으로 가압하여 압착함으로써 형성될 수 있다.
가압에 의해 탄소나노튜브의 배열이 조밀하게 형성됨으로써 고밀도 부분이 형성되고, 가압하지 않은 부분은 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도인 부분이 형성될 수 있다.
먼저, 탄소나노튜브를 수직배열하는 방법을 살펴보면, 상기 탄소나노튜브를 수직배열시키는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 금속촉매를 이용하여 탄소나노튜브를 수직배향하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에서 사용되는 수직배열된 탄소나노튜브를 제조하는 개략도를 나타낸 것이다.
탄소나노튜브는 금속촉매에서 성장할 수 있는 데, 실리콘(Si) 웨이퍼에 금속 촉매를 증착한 후에 운반가스 및 반응가스를 주입한다. 추가적으로 금속 촉매 및 실리콘 사이에는 확산방지층막으로 형성하여 실시할 수도 있다.
상기 운반가스로는 비활성가스인 Ar, He, N2 등을 이용할 수 있으며, 반응가스로는 C2H2, CH4 등을 이용할 수 있다. 운반가스 및 반응가스를 주입하고 700~900℃의 온도를 가하여 주는 경우, 반응가스의 탄소가 금속촉매에 결합되어 성장되면서 탄소나노튜브가 형성된다. 탄소나노튜브의 성장은 균일한 높이를 갖는 것과 동시에 균일한 밀도를 갖는 수직배열된 탄소나노튜브가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 수직배열된 탄소나노튜브의 길이는 상기와 같이 금속촉매를 이용하여 수직배향시키시는 경우 100㎛ ~ 100mm인 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.
도 8은 탄소나노튜브가 수직배열된 탄소나노튜브의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
Fe 촉매를 이용하여 균일한 높이를 가지면서 균일한 밀도로 수직배열되어 있는 탄소나노튜브를 확인할 수 있다. 상기 수직배열된 탄소나노튜브는 높이가 약 1.5mm이며 직경이 약 5nm인 탄소나노튜브가 수직으로 나란히 배열된 것을 확인할 수 있다.
상기 수직배열된 탄소나노튜브는 일부를 수평으로 가압하여 압착함으로써 고밀도 부분 및 가압하지 않는 부분은 저밀도 부분으로 탄소나노튜브를 형성시킬 수 있다.
도 9는 수직배열된 탄소나노튜브를 양쪽면에서 압착하는 개략적인 공정도를 나타낸 것이다. 또한, 도 10은 수직배열된 탄소나노튜브를 압착기구를 통해 압착하여 형성된 탄소나노튜브 구조체의 정면도 및 평면도를 사진으로 나타낸 것이다.
Si 웨이퍼(10) 상에 수직배열된 탄소나노튜브는 압착기구 사이에 위치하도록 하는 데, Si 웨이퍼를 제외한 부분인 수직배열된 탄소나노튜브의 일부가 압착기구 사이에 위치하도록 하여 상기 압착기구를 통해 압착하여 고밀도 부분, 경계 부분 및 저밀도 부분으로 구분되도록 형성할 수 있다.
상기 압착기구는 특별히 제한되는 것은 아니나, 수직배열된 탄소나노튜브를더욱 조밀하게 배열될 수 있는 정도의 강도를 갖고, 그리고 탄소나노튜브 구조체와 함께 캐소드 전극에 그대로 사용될 수 있으므로 전류가 잘 통하는 금속성분인 것이 바람직하다. 또한 상기 압착기구의 압착면은 평평한 것이 바람직하며, 또한 압착기구의 압착면과 압착기구 상면은 서로 수직인 것이 바람직하다.
압착기구를 이용하여 양면에서 수평으로 탄소나노튜브의 일부를 압착함으로 인해 수직배열된 탄소나노튜브의 일부가 압착되어 고밀도를 형성하게 된다.
한편, 탄소나노튜브 구조체를 압착기구를 이용하여 동시에 복수개를 제조할 수 있다.
도 11은 복수개의 탄소나노튜브 구조체가 압착기구에 의해 제조된 형상의 평면도를 나타낸 것이다.
수직배열된 탄소나노튜브가 합성된 복수개의 Si 웨이퍼들을 압착기구 사이에 일렬로 위치하도록 하여 Si 웨이퍼를 제외한 부분인 수직배열된 탄소나노튜브의 일부가 압착기구 사이에 위치하도록 하여 압착함으로써 복수개의 탄소나노튜브를 동시에 제조할 수 있다. 즉, 복수의 수직배열된 탄소나노튜브들을 상기 압착기구를 통해 양쪽방향에서 동시에 압착하여 고밀도 부분, 경계 부분 및 저밀도 부분으로 구분되도록 형성하여 탄소나노튜브 구조체를 제조할 수 있다.
이러한 압착기구를 이용하여 압착된 탄소나노튜브 구조체는 앞서에서도 설명하였듯이 압착기구에 의해 일부가 압착되어진 탄소나노튜브 구조체는 상기 압착기구와 함께 전계방출장치의 캐소드 전극에 이용될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 수직배열된 탄소나노튜브의 일부에 대하여 고밀도 부분을 형성하는 데 있어서, 수직배열된 탄소나노튜브의 중간부분을 압착함으로 인해 위아래는 저밀도 부분이, 중간에는 고밀도 부분이 형성될 수도 있다.(도 3 참조)
또한, 본 발명에 있어서, 수직배열된 탄소나노튜브의 일부에 대하여 고밀도 부분을 형성하는 데 모든 방향에서 압착함으로 인해 원통형의 고밀도 부분을 형성할 수도 있다. 모든 방향에서 압착하는 경우 저밀도 부분은 반구형상으로 형성될 수 있다.(도 4 및 도 5 참조)
한편, 상기의 수직배열 및 일부를 압착하여 형성되는 구조체는 탄소나노튜브 뿐만 아니라, CuO, ZnO 등도 수직배열하여 나노튜브 형상으로 제조할 수 있다.
수직배열된 나노튜브의 일부는 압착하여 상기에서 설명한 바와 같은 제조방법으로 탄소나노튜브와 동일한 형태의 나노튜브 구조체를 형성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브 구조체의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 12를 참조하면, 탄소나노구조체의 저밀도 부분에서 경계 부분을 중심을 탄소나노튜브가 방사형으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 즉, 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 탄소나노튜브의 밀도가 낮아지는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 탄소나노튜브 구조체를 포함하는 전계방출장치를 제공할 수 있다.
상기 전계방출장치에 있어서, 캐소드 부분에 상기 탄소나노튜브 구조체가 포함될 수 있는 데, 상기 탄소나노튜브의 저밀도 부분 말단에서 전자가 방출되도록 위치시켜 전계방출장치를 제조할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브 구조체를 이용하여 전계방출원으로 이용하였을 경우, 전기장 및 시간에 따른 전류값을 나타낸 것이다.
1×10-7 Torr ~ 3×10-7 Torr의 진공 상에서 탄소나노튜브 구조체를 음극으로 하고 구조체의 반구면으로부터 일정 간격을 두어 양극을 위치한 후 전기장을 인가하면 탄소나노튜브 구조체의 반구면을 이루는 개별 탄소나노튜브 끝단에서 전자가 진공으로 터널링하게 된다. 진공으로 탈출된 전자는 전기장에 의해 양극으로 이동하게 되어 전류가 흐르게 된다. 도 12에서 보는 바와 같이 전기장의 증가에 따라 전류가 증가하게 되고, 12 V/μm에서 42mA를 보인다.
도 13의 시간에 따른 전류 그래프에서 보는 바와 같이 일정한 전기장 하에서 탄소나노튜브 구조체는 10 시간 동안 5 mA의 전류에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 전계방출장치는 많은 탄소나노튜브들이 적절한 간격을 유지하여 전계방출부를 구성함에 따라 낮은 전계에서 높은 전류 밀도 및 순 전류량을 가질 수 있으며, 탄소나노튜브 구조체의 고밀도 부분은 나노튜브 간의 넓은 접촉 면적은 전기적/열적 접촉저항 저감 효과 및 높은 기계적 부착효과를 가지므로, 상기의 고전류 영역에도 안정적인 전계방출 성능을 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전계방출장치는 압착기구 및 탄소나노튜브 구조체를 일체로 하여 포함할 수 있다. 상기 압착기구가 전계방출장치에 포함되어 구성되려면, 전류가 흐를 수 있어야 하므로 금속의 압착기구인 것이 바람직하다.
상기 압착기구 및 탄소나노튜브 구조체는 캐소드 전극으로 활용될 수 있는 데, 상기 압착기구에 의해 압착된 부분은 고밀도 부분으로 압착기구 및 고밀도 부분은 상당한 압력으로 압착된 부분이기 때문에 접촉면적이 넓어 전자의 이동이 저항의 영향을 거의 받지 않고 자유롭게 흐를 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전계방출장치는 매우 효율적으로 캐소드 전극의 역할을 할 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
수직배열된 탄소나노튜브의 제조
실리콘(Si) 웨이퍼를 준비하여, 실리콘(Si) 웨이퍼 상에 촉매 금속을 증착한다.
이후에 운반가스 및 반응가스를 이용하여 수직배열된 탄소나노튜브를 제조할 수 있는 상기 운반가스로는 비활성가스인 Ar을 이용할 수 있으며, 반응가스로는 C2H2을 이용하였으며, 약 900℃의 온도를 가하여 탄소나노튜브를 제조한다. 제조된 탄소나노튜브의 성장은 균일한 높이를 가질 수 있다.
탄소나노튜브 구조체 제조
Si 웨이퍼 상에 수직배열된 탄소나노튜브는 압착기구 사이에 위치하도록 하는 데, Si 웨이퍼를 제외한 부분인 수직배열된 탄소나노튜브의 일부가 압착기구 사이에 위치하도록 한다.
수직배열된 탄소나노튜브를 상기 압착기구를 통해 양쪽방향에서 압착하여 고밀도 부분, 경계 부분 및 저밀도 부분으로 구분되도록 형성하여 탄소나노튜브 구조체를 제조하였다.
복수의 탄소나노튜브 구조체 제조
수직배열된 탄소나노튜브가 합성된 복수의 Si 웨이퍼들을 압착기구 사이에 위치하도록 하는 데, Si 웨이퍼를 제외한 부분인 수직배열된 탄소나노튜브의 일부가 압착기구 사이에 위치하도록 한다.
복수의 수직배열된 탄소나노튜브들을 상기 압착기구를 통해 양쪽방향에서 동시에 압착하여 고밀도 부분, 경계 부분 및 저밀도 부분으로 구분되도록 형성하여 탄소나노튜브 구조체를 제조하였다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (34)

  1. 탄소나노튜브 구조체에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 일체의 고밀도 및 저밀도 부분으로 구분되되,
    상기 고밀도 부분은 탄소나노튜브가 나란하게 배열되며,
    상기 저밀도 부분은 상기 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도이면서 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고밀도 부분은 탄소나노튜브가 나란하게 수직배열된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고밀도 및 저밀도부분의 탄소나노튜브는 연속적으로 연결된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저밀도 부분의 단면은 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고밀도 탄소나노튜브의 밀도는 3×1013개/㎠ ~ 8×1014개/㎠이며, 상기 저밀도 탄소나노튜브의 밀도는 7×1011개/㎠ ~ 2×1013개/㎠인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고밀도 부분은 원통형이며, 상기 저밀도 부분의 형상은 반구형인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  7. 제6에 있어서,
    상기 고밀도 탄소나노튜브의 밀도는 7×1013개/㎠ ~ 2×1015개/㎠이며, 상기 저밀도 탄소나노튜브의 밀도는 3×1012개/㎠ ~ 8×1013개/㎠인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고밀도 및 저밀도의 탄소나노튜브의 연속된 길이는 100㎛ ~ 100mm인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  10. 수직배열된 탄소나노튜브의 일부를 수평방향으로 가압하여 형성된 고밀도 부분과 가압하지 않는 저밀도 부분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수평방향으로 가압시에 양쪽방향에서 압착하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 수평방향으로 가압시에 모든 방향에서 가압하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  13. 제10항에 있어서,
    고밀도 및 저밀도 부분의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 저밀도 부분의 단면은 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 고밀도 탄소나노튜브의 밀도는 3×1013개/㎠ ~ 8×1014개/㎠이며, 상기 저밀도 탄소나노튜브의 밀도는 7×1011개/㎠ ~ 2×1013개/㎠인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 고밀도 부분은 원통형이며, 상기 저밀도 부분의 형상은 반구형인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  17. 제16에 있어서,
    상기 고밀도 탄소나노튜브의 밀도는 7×1013개/㎠ ~ 2×1015개/㎠이며, 상기 저밀도 탄소나노튜브의 밀도는 3×1012개/㎠ ~ 8×1013개/㎠인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 고밀도 및 저밀도의 탄소나노튜브의 연속된 길이는 100㎛ ~ 100mm인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 고밀도 부분을 압착한 금속의 압착기구를 포함하여 전계방출장치에 활용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체.
  21. 탄소나노튜브를 수직배열하는 수직배열단계; 및
    수직배열된 탄소나노튜브를 수평으로 압착하는 단계를 포함하되,
    압착한 고밀도 부분과 압착하지 않은 저밀도 부분으로 구분되며,
    상기 저밀도 부분은 상기 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도이면서 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 수직배열단계에서 실리콘(Si) 웨이퍼 상에 촉매 금속을 증착 후 운반가스 및 반응가스를 이용하여 탄소나노튜브를 수직배열하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 반응가스는 C2H2 또는 CH4 을 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 압착하는 단계에서 수직배열된 탄소나노튜브가 복수개 존재하여 압착기구의 압착에 의해 복수개의 탄소나노튜브 구조체가 형성되는 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 저밀도 부분의 단면은 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 저밀도 부분의 형상은 반구형인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 고밀도 및 저밀도의 탄소나노튜브의 연속된 길이는 100㎛ ~ 100mm인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 구조체 제조방법.
  29. 나노튜브 구조체에 있어서,
    상기 나노튜브는 일체의 고밀도 및 저밀도 부분으로 구분되되,
    상기 고밀도 부분은 나노튜브가 나란하게 배열되며,
    상기 저밀도 부분은 상기 고밀도에 비해 상대적으로 저밀도이면서 고밀도의 경계 부분에서부터 멀어질수록 점진적으로 밀도가 낮아지는 것을 특징으로 하되,
    상기 나노튜브는 CuO, 또는 ZnO로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노튜브 구조체.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 고밀도 및 저밀도부분의 나노튜브는 연속적으로 연결된 것을 특징으로 하는 나노튜브 구조체.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 저밀도 부분의 단면은 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 나노튜브 구조체.
  32. 제1항 내지 제20항, 제29항 내지 제31항 중 어느 한항의 나노튜브 구조체 또는 제21항 내지 제28항 중 어느 한항에 따른 제조방법으로 제조된 나노튜브 구조체를 포함하는 전계방출장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 나노튜브 구조체의 저밀도 부분 말단에서 전자가 방출되는 것을 특징으로 하는 전계방출장치.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 전계방출장치는 전류를 전달하는 압착기구 및 나노튜브 구조체를 포함하는 데, 상기 압착기구 사이에 복수개의 나노튜브 구조체를 포함되는 것을 특징으로 하는 전계방출장치.
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KR20150138495A (ko) * 2014-05-29 2015-12-10 서울대학교산학협력단 수처리용 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 수처리용 분리막

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