KR20140118018A - 전자방출소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자방출소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 전자방출소자는 i) 친수성의 수지 기판, 및 ii) 수지 기판 위에 위치한 탄소나노튜브를 포함한다. 수지 기판의 표면 조도(Ra)는 7.3㎛ 내지 9.75㎛이다.

Description

전자방출소자 및 그 제조방법 {ELECTRON EMISSION ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 전자방출소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 평균표면조도를 조절하여 높은 전류밀도와 높은 전자방출도를 구현한 전자방출소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브의 우수한 전기적 특성, 기계적 특성, 및 화학적 특성 등으로 인하여 엑스레이(X-ray) 튜브, 형광 튜브, 평판 디스플레이 등의 분야에서 전자 방출원으로서 많이 활용되고 있다. 종래에는 텅스텐 필라멘트 등 열전자 방출원을 이용한 엑스레이 튜브가 널리 활용되어 왔으나, 제작 비용이 많이 들고 고온 조건에서 동작이 이루어지며, 전력 소비가 크고, 특히, 미세 집속 엑스레이 전자원으로의 응용시 소형화가 어려우며 수명이 짧아서 그 활용도가 낮아지고 있다.

일반적인 전자 방출원으로서 텅스텐으로 된 금속팁에 버퍼층을 형성한 후, 촉매 물질을 형성하고, 탄소나노튜브를 성장시키는 구조가 많이 사용되고 있다. 이러한 구조에서는 다층 구조적 특성 때문에 접촉 저항이 커서 전자 방출을 위한 전압 공급을 감소시키는 원인이 되고 있으며, 이로 인해 장시간 고압 동작시 열발생이 심하여 점착성을 저하시킨다. 따라서 문턱 전압(threshold voltage), 최대 방출 전류, 신뢰성, 수명 등의 중요한 특성들이 저하되는 취약성을 가진다.

평균표면조도를 조절하여 높은 전류밀도와 전자방출도를 가진 전자방출소자를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 전자방출소자의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자방출소자는 i) 친수성의 수지 기판, 및 ii) 수지 기판 위에 위치한 탄소나노튜브를 포함한다. 수지 기판의 평균 표면 조도(Ra)는 7.3㎛ 내지 9.7㎛이다. 좀더 바람직하게는, 수지 기판의 평균 표면 조도(Ra)는 9.2㎛ 내지 9.4㎛일 수 있다.

탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브인 경우, 탄소나노튜브의 직경은 10nm 내지 15nm일 수 있다. 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브인 경우, 탄소나노튜브의 직경은 1nm 내지 2nm일 수 있다.

수지 기판은 복수의 섬유가닥들을 포함하고, 복수의 섬유가닥들의 평균길이는 1mm 내지 2mm일 수 있다. 수지 기판은 유연성을 가질 수 있다. 수지 기판의 평균 두께는 400㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 수지 기판은 탄소나노튜브가 외부 노출된 방향을 향하여 오목하게 휘어질 수 있다. 수지 기판은 셀룰로오스 및 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 수지를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자방출소자의 제조 방법은, i) 수지 기판을 제공하는 단계, ii) 탄소나노튜브를 정제하는 단계, iii) 탄소나노튜브를 수용액에 분산시켜서 현탁액을 제공하는 단계, iv) 수지 기판을 현탁액에 침지하여 수지 기판 위에 탄소나노튜브를 제공하는 단계, v) 수지 기판을 건조하는 단계, 및 vi) 수지 기판을 테이핑(taping)하는 단계를 포함한다.

탄소나노튜브를 정제하는 단계는, i) 탄소나노튜브를 황산 및 질산에 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계, ii) 혼합액을 초음파 분산시키는 단계, iii) 초음파 분산된 혼합액을 교반하는 단계, 및 iv) 교반된 혼합액을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 현탁액을 제공하는 단계는, i) 정제수, 분산제 및 탄소나노튜브를 혼합한 수용액을 제공하는 단계, 및 ii) 수용액을 초음파 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.

수용액을 제공하는 단계에서, 정제수의 중량은 분산제의 중량의 1배 내지 2배일 수 있다. 수지 기판을 건조하는 단계 전에 수지 기판을 세척할 수 있다.

수지 기판을 사용하여 충분한 양의 엑스선을 발생시킬 수 있다. 또한, 수지 기판을 사용하여 장시간 구동시의 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자방출소자의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자방출소자의 개략적인 도면이다.
도 3은 도 1의 전자방출소자의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 4는 실험예에서 기판 위에 탄소나노튜브를 형성하기 위한 장치의 사진이다.
도 5는 실험예 1에서 사용된 기판 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 실험예 1 및 실험예 2에 따라 제조한 전자방출소자의 강도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실험예 1 및 실험예 3에 따라 제조한 전자방출소자에 포함된 기판의 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 실험예 2 내지 실험예 5, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 전자방출소자의 인가전계에 따른 전류를 나타낸 그래프이다.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 좀더 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90ㅀ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자방출소자(100)를 개략적으로 나타낸다. 한편, 도 1의 확대원에는 전자방출소자(100)의 표면을 확대하여 개략적으로 나타낸다. 도 1의 전자방출소자(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 전자방출소자를 다른 형태로도 변형할 수 있다.

도 1의 확대원에 도시한 바와 같이, 전자방출소자(100)는 수지 기판(10) 및 탄소나노튜브(30)를 포함한다. 이외에, 전자방출소자(100)는 필요에 따라 다른 소자들을 더 포함할 수 있다. 수지 기판(10)은 랜덤하게 얽힌 섬유가닥들(101)을 포함한다.

수지 기판(10)은 7.3㎛ 내지 9.7㎛의 평균 표면 조도(Ra)를 가진다. 수지 기판(10)의 평균 표면 조도(Ra)가 너무 낮은 경우, 수지 기판(10)과 탄소나노튜브(30)와의 분자 결합이 잘 이루어지지 않는다. 또한, 수지 기판(10)의 유연한 특성으로 인하여 수지 기판(10)의 평균 표면 조도(Ra)는 크게 증가할 수 없다. 따라서 수지 기판(10)의 평균 표면 조도(Ra) 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 수지 기판(10)의 평균 표면 조도(Ra)는 9.2㎛ 내지 9.4㎛일 수 있다. 전술한 바와 같이, 수지 기판(10)의 평균 표면 조도(Ra)를 조절하여 탄소나노튜브(30)와 수지 기판(10) 사이의 분자 결합이 잘 이루어지도록 유도하면서 전자방출소자(100)의 전계방출특성을 향상시킨다. 그 결과, 탄소나노튜브(30)의 안정성을 향상시킨 전자방출소자(100)를 제조할 수 있다.

한편, 수지 기판(10)은 친수성을 가진다. 그 결과, 수지 기판(10)을 이용하여 전자방출소자(100)를 제조하는 경우, 전자방출소자(100)의 제조 시간과 비용을 절감할 수 있다.

수지 기판(10)은 복수의 섬유가닥들(101)을 포함한다. 복수의 섬유가닥들의 평균길이는 1mm 내지 2mm일 수 있다. 복수의 섬유가닥들의 평균길이가 너무 작은 경우, 테이핑 후 표면 조도 증가가 제한된다. 그리고 복수의 섬유가닥들의 평균길이가 너무 큰 경우, 서로 얽힘 정도가 심하여 테이핑을 하여 섬유가닥을 수직 배열하기 어렵다. 따라서 복수의 섬유가닥들의 평균길이를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 도 1의 확대원에 도시한 탄소나노튜브(30)로서 다중벽 탄소나노튜브를 사용할 수 있다. 다중벽 탄소나노튜브의 직경은 10nm 내지 15nm일 수 있다. 다중벽 탄소나노튜브의 직경이 너무 큰 경우, 그 종횡비가 저하되어 전자방출특성이 저하될 수 있다. 또한, 설계 특성상 다중벽 탄소나노튜브의 직경을 너무 작게 만드는 경우, 제조 공정이 복잡해지고 제조 비용이 크게 상승한다. 따라서 다중벽 탄소나노튜브의 직경을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 탄소나노튜브(30)로서 단일벽 탄소나노튜브도 사용할 수 있다. 단일벽 탄소나노튜브의 직경은 1nm 내지 2nm일 수 있다. 설계 특성상 단일벽 탄소나노튜브의 직경이 너무 큰 경우, 그 종횡비가 저하되어 전자방출특성이 저하될 수 있다. 즉, 전자방출소자(100)가 전자를 방출하는 경우, 진공 챔버내의 잔류 입자들과의 충돌로 인한 글로우 방전 및 아크 방전으로 인해 전자방출소자(100)가 손상될 수 있다. 또한, 설계 특성상 다중벽 탄소나노튜브의 직경을 너무 작게 만드는 경우, 제조 공정이 복잡해지고 제조 비용이 크게 상승한다. 따라서 단일벽 탄소나노튜브의 직경을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

도 1의 확대원에 도시한 바와 같이, 테이핑을 통하여 수지 기판(10)에 복수의 돌출부(103)를 형성할 수 있다. 즉, 수지 기판(10)에 테이프를 붙였다 떼었다하는 작업을 반복함으로써 다양한 높이의 돌출부(103)를 형성할 수 있다. 탄소나노튜브(30)는 돌출부(103)에 부착되어 전자방출원으로서 기능한다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자방출소자(200)를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 전자방출소자(200)의 구조는 도 1의 전자방출소자(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 전자방출소자(200)에 포함된 수지 기판(20)의 평균 두께(t20)는 400㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 수지 기판(20)의 평균 두께(t20)가 너무 작은 경우, 전자방출소자(200)의 내구성이 저하된다. 또한, 수지 기판(20)의 평균 두께(t20)가 너무 큰 경우, 전자방출소자(200)가 잘 휘어지지 않는다. 따라서 수지 기판(20)의 평균 두께(t20)를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

도 2에 도시한 바와 같이, 수지 기판(20)이 유연성을 가지므로, 전자방출소자(200)가 좀더 잘 집속된 엑스레이를 방출할 수 있다. 즉, 수지 기판(20)이 탄소나노튜브가 외부 노출된 방향, 즉 상부 방향을 향하여 오목하게 휘어질 수 있으므로, 전자방출효율을 극대화할 수 있다. 이하에서는 도 3을 통하여 도 1의 전자방출소자(100)의 제조 방법을 좀더 상세하게 설명한다.

도 3은 도 1의 전자방출소자(100)의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 전자방출소자(100)의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 전자방출소자의 제조 방법을 다른 형태로도 변형할 수 있다.

전자방출소자의 제조 방법은, 수지 기판을 제공하는 단계(S10), 탄소나노튜브를 정제하는 단계(S20), 탄소나노튜브를 수용액에 분산시켜서 현탁액을 제공하는 단계(S30), 수지 기판을 현탁액에 침지하여 수지 기판 위에 탄소나노튜브를 제공하는 단계(S40), 수지 기판을 건조하는 단계(S50), 그리고 수지 기판을 테이핑하는 단계(S60)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 전자방출소자의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다. 또한, 전술한 전자방출소자의 제조 방법 중 일부 단계들을 생략할 수도 있다.

먼저, 단계(S10)에서는 수지 기판을 제공한다. 여기서 수지 기판의 소재로서, 예를 들면 셀룰로오스 또는 폴리에스테르를 사용하는 경우, 수지 기판은 우수한 흡수성을 가진다. 따라서 전자방출소자를 제조하는 경우, 탄소나노튜브가 함유된 현탁액과 수지 기판과 잘 접촉하므로, 수지 기판에 탄소나노튜브가 잘 부착될 수 있다.

다음으로, 단계(S20)에서는 탄소나노튜브를 정제한다. 탄소나노튜브를 정제하는 단계는, i) 탄소나노튜브를 황산 및 질산에 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계, ii) 혼합액을 초음파 분산시키는 단계, iii) 초음파 분산된 혼합액을 교반하는 단계, 그리고 iv) 교반된 혼합액을 여과하는 단계를 포함한다. 이외에, 탄소나노튜브를 정제하는 단계는 다른 단계들을 더 포함할 수 있다. 탄소나노튜브를 황산 및 질산에 혼합함으로써 탄소나노튜브를 산정제할 수 있다.

단계(S30)에서는 탄소나노튜브를 수용액에 분산시킨다. 즉, 탄소나노튜브를 수용액에 분산시켜서 현탁액을 제공한다. 즉, 현탁액을 제공하는 단계(S30)는 i) 정제수, 분산제 및 상기 탄소나노튜브를 혼합한 수용액을 제공하는 단계 및 ii) 수용액을 초음파 분산시키는 단계를 포함한다. 여기서, 분산제로서 도데실황산나트륨(sodium dodecyl sulfate, SDS)를 사용할 수 있다. 분산제는 절연체로서 기능한다. 정제수의 중량은 분산제의 중량의 1배 내지 2배일 수 있다. 정제수의 중량이 분산제의 중량보다 너무 큰 경우, 탄소나노튜브가 수용액 중에 잘 분산되지 않을 수 있다. 또한, 정제수의 중량이 분산제의 중량보다 너무 작은 경우, 탄소나노튜브가 잘 교반되지 않을 수 있다. 따라서 정제수의 중량과 분산제의 중량을 전술한 비로 조절한다.

다음으로, 단계(S40)에서는 수지 기판을 현탁액에 침지하여 수지 기판 위에 탄소나노튜브를 제공한다. 따라서 탄소나노튜브를 수지 기판에 부착시켜서 잔자방출소자를 제조할 수 있다.

다음으로, 단계(S50)에서는 수지 기판을 건조한다. 즉, 수지 기판을 오븐에서 가열하여 수지 기판에 묻은 물기를 전부 제거할 수 있다. 한편, 단계(S50)에서 수지 기판을 건조하기 전에 수지 기판을 세척할 수 있다. 수지 기판을 세척함으로써 수지 기판에 묻은 분산제를 제거할 수 있다.

마지막으로, 단계(S60)에서는 수지 기판을 테이핑한다. 수지 기판을 테이핑하여 수지 기판에 다양한 높이를 가지는 돌출부를 형성할 수 있다. 즉, 수지 기판에 테이프를 붙였다 떼었다하는 과정을 반복함으로써 수지 기판의 표면이 들고 일어나도록 만들 수 있다. 그 결과, 수지 기판의 표면 조도(Ra)를 극대화할 수 있다. 표면 조도(Ra)가 극대화된 수지 기판의 표면에 탄소나노튜브가 부착되므로, 제조된 전자방출소자의 전자방출효율을 크게 높일 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예

기판을 준비하였다. 25mg의 탄소나노튜브를 10ml의 황산 및 10ml의 질산에 첨가한 후 초음파 분산기를 사용하여 1시간동안 분산시켰다. 그리고 탄소나노튜브가 첨가된 황산 및 질산을 교반기를 사용하여 15시간 동안 교반한 다음 여과하여 정제된 탄소나노튜브를 얻었다. 다음으로, 탄소나노튜브를 50ml의 정제수 및 30mg의 도데실황산나트륨에 넣은 후 30분 동안 초음파 분산기로 분산시켜 탄소나노튜브가 잘 분산된 현탁액을 제조하였다. 그리고 기판을 앞서 제조한 현탁액에 침지시켰다.

도 4는 실험예에서 기판 위에 탄소나노튜브를 형성하기 위한 장치의 사진을 개략적으로 나타낸다.

도 4에 도시한 바와 같이, 컨트롤러를 이용해 모터를 이용하여 기판을 이동시켜서 기판의 하부에 위치한 현탁액에 기판을 침지시킬 수 있다. 화살표 방향을 따라 기판을 일정한 속도로 내려갔다가 다시 올릴 수 있다. 그 결과, 기판의 표면에 탄소나노튜브를 딥 코팅(dip coating)하여 부착할 수 있었다. 그리고 탄소나노튜브가 부착된 수지 기판을 100℃의 오븐에서 완전히 건조시켰다.

제조된 전자방출소자를 홀더에 고정한 후 반대편에 양극으로서 ITO 기판을 위치시켰다. 음극인 전자방출소자와 양극 사이의 거리를 1mm로 고정한 후 전자방출소자의 전계방출특성 및 안정성을 실험하였다.

실험예 1

도 5는 실험예 1에서 사용된 기판 표면의 주사전자현미경 사진을 개략적으로 나타낸다.

도 5에 도시한 바와 같이, 실험예 1에서는 셀룰로오스로 제조된 수지 기판을 사용하였다. 도 5에 도시한 바와 같이, 수지 기판에 수 ㎛ 크기의 섬유가닥들이 랜덤하여 얽혀 있는 것을 확인할 수 있었다. 탄소나노튜브가 부착된 수지 기판을 정제수를 사용하여 세척함으로써 분산제를 제거하였다. 분산제를 제거한 후에 수지 기판을 건조시켰다. 나머지 공정은 전술한 실험예와 동일하였다.

실험예 2

셀룰로오스로 제조된 수지 기판을 사용하였다. 단, 기판을 건조하기 전에 정제수로 세척하지 않았다. 그리고 전술한 방법으로 제조한 전자방출소자의 전계방출특성 및 안정성을 실험하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예와 동일하였다.

실험예 3

탄소나노튜브가 부착된 기판을 10회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험예 4

폴리에스테르로 제조된 수지 기판을 사용하였다. 수지 기판의 소재를 제외하고는 모든 공정이 전술한 실험예 2와 동일하였다.

실험예 5

폴리에스테르로 제조된 수지 기판을 사용하였다. 수지 기판의 소재를 제외하고는 모든 공정이 전술한 실험예 3과 동일하였다.

실험예 6

탄소나노튜브가 부착된 기판을 20회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 3과 동일하였다.

실험예 7

탄소나노튜브가 부착된 기판을 30회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 3과 동일하였다.

실험예 8

탄소나노튜브가 부착된 기판을 40회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 3과 동일하였다.

실험예 9

탄소나노튜브가 부착된 기판을 50회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 3과 동일하였다.

실험예 10

탄소나노튜브가 부착된 기판을 60회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 3과 동일하였다.

실험예 11

탄소나노튜브가 부착된 기판을 70회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 3과 동일하였다.

실험예 12

탄소나노튜브가 부착된 기판을 80회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 3과 동일하였다.

실험예 13

탄소나노튜브가 부착된 기판을 90회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 3과 동일하였다.

실험예 14

탄소나노튜브가 부착된 기판을 100회 테이핑하였다. 즉, 테이프를 수지 기판에 붙였다 떼는 과정을 반복하여 전자방출소자를 제조하였다. 나머지 공정은 전술한 실험예 3과 동일하였다.

비교예 1

스테인리스강으로 제조된 수지 기판을 사용하였다. 수지 기판의 소재를 제외하고는 모든 공정이 전술한 실험예 2와 동일하였다.

비교예 2

스테인리스강으로 제조된 수지 기판을 사용하였다. 수지 기판의 소재를 제외하고는 모든 공정이 전술한 실험예 1과 동일하였다.

실험결과

강도 실험결과

도 6은 실험예 1 및 실험예 2에 따라 제조한 전자방출소자의 강도 그래프를 개략적으로 나타낸다. 도 6에는 실험예 1 및 실험예 2와의 비교를 위하여 수지 기판의 강도 그래프를 함께 도시하여 나타낸다.

도 6에 도시한 바와 같이, 실험예 1의 수지 기판의 강도는 수지 기판의 자체 강도 및 실험예 2의 수지 기판의 강도에 비해 크게 향상된 것을 알 수 있었다. 이는 실험예 1에서 절연체로서 기능하는 분산제가 세척 공정을 통해 잘 제거되었기 때문인 것에 기인한다. 따라서 실험예 1에서는 세척 공정을 통하여 강도가 향상된 수지 기판을 제조할 수 있었다.

주사전자현미경 실험결과

도 7은 실험예 1 및 실험예 3에 따라 제조한 전자방출소자에 포함된 기판의 주사전자현미경 사진을 개략적으로 나타낸다. 도 7의 (a)에는 실험예 1에 따라 제조한 기판의 주사전자현미경 사진을 나타내고, 도 7의 (b)에는 실험예 3에 따라 제조한 기판의 주사전자현미경 사진을 나타낸다.

도 7에 도시한 바와 같이, 실험예 3에서 기판을 테이핑하는 경우, 기판의 표면이 크게 들리는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 기판에 팁 형상의 표면이 크게 증가하므로, 전자방출소자의 전자 방출 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 예측할 수 있다.

소재 적용에 따른 전자방출특성 실험결과

도 8은 실험예 2 내지 실험예 5, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 전자방출소자의 인가전계에 따른 전류의 그래프를 개략적으로 나타낸다.

도 8에 도시한 바와 같이, 셀룰로오스로 된 수지 기판을 사용한 실험예 2 및 실험예 3이 폴리에스테르로 된 수지 기판을 사용한 실험예 4 및 실험예 5에 비해 좀더 낮은 인가전계에서도 유사한 양의 전류를 방출할 수 있었다. 또한, 실험예 2 내지 실험예 5는 비교예 1 및 비교예 2에 비해 인가 전계에 따라 발생하는 전류량이 훨씬 크다는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 세척 과정을 거친 실험예 3 및 실험예 5가 세척 과정을 거치지 않은 실험예 2 및 실험예 4에 비해 전자방출 특성면에서 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명의 실험예에 따라 친수성 및 유연성이 있는 수지 기판을 사용하는 경우, 전자방출소자가 우수한 전자방출특성을 가진다는 것을 확인할 수 있었다.

표면 조도 조절에 따른 전자방출특성 실험결과

실험예 3과 실험예 6 내지 실험예 14에 따라 제조한 전자방출소자에 포함된 수지 기판의 표면 조도와 전자방출소자의 전자 방출 특성을 측정하였다. 전자방출소자의 전자 방출 특성으로서 문턱전압을 측정하고, 전계방출향상인자를 산출하였다. 그 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.

표 1에 기재한 바와 같이, 테이핑 회수가 증가함에 따라 표면조도(Ra)도 함께 증가하였다. 이에 따라 실험예 10으로부터 문턱전압의 감소 및 전계방출향상인자가 증가하여 전자 방출 특성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 실험예 3과 실험예 6 내지 실험예 9에서는 그 특성이 비교적 나쁜 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실험예 12 및 실험예 13에서 전자방출소자의 전자 방출 특성이 최적값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10, 20. 수지 기판 30. 탄소나노튜브
100, 200. 전자방출소자 101. 섬유가닥
103. 돌출부

Claims (14)

1. 친수성의 수지 기판, 및
   상기 수지 기판 위에 위치한 탄소나노튜브
   를 포함하고,
   상기 수지 기판의 평균 표면 조도(Ra)는 7.3㎛ 내지 9.7㎛인 전자방출소자.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수지 기판의 평균 표면 조도(Ra)는 9.2㎛ 내지 9.4㎛인 전자방출소자.
3. 제1항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브가 다중벽 탄소나노튜브인 경우, 상기 탄소나노튜브의 직경은 10nm 내지 15nm인 전자방출소자.
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브인 경우, 상기 탄소나노튜브의 직경은 1nm 내지 2nm인 전자방출소자.
5. 제1항에 있어서,
   상기 수지 기판은 복수의 섬유가닥들을 포함하고, 복수의 섬유가닥들의 평균길이는 1mm 내지 2mm인 전자방출소자.
6. 제1항에 있어서,
   상기 수지 기판은 유연성을 가지는 전자방출소자.
7. 제6항에 있어서,
   상기 수지 기판의 평균 두께는 400㎛ 내지 500㎛인 전자방출소자.
8. 제7항에 있어서,
   상기 수지 기판은 상기 탄소나노튜브가 외부 노출된 방향을 향하여 오목하게 휘어진 전자방출소자.
9. 제1항에 있어서,
   상기 수지 기판은 셀룰로오스 및 폴리에스테르로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 수지를 포함하는 전자방출소자.
10. 수지 기판을 제공하는 단계,
    탄소나노튜브를 정제하는 단계,
    상기 탄소나노튜브를 수용액에 분산시켜서 현탁액을 제공하는 단계,
    상기 수지 기판을 상기 현탁액에 침지하여 상기 수지 기판 위에 상기 탄소나노튜브를 제공하는 단계,
    상기 수지 기판을 건조하는 단계, 및
    상기 수지 기판을 테이핑(taping)하는 단계
    를 포함하는 전자방출소자의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 정제하는 단계는,
    상기 탄소나노튜브를 황산 및 질산에 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계,
    상기 혼합액을 초음파 분산시키는 단계,
    상기 초음파 분산된 혼합액을 교반하는 단계, 및
    상기 교반된 혼합액을 여과하는 단계
    를 포함하는 전자방출소자의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 현탁액을 제공하는 단계는,
    정제수, 분산제 및 상기 탄소나노튜브를 혼합한 수용액을 제공하는 단계, 및
    상기 수용액을 초음파 분산시키는 단계
    를 포함하는 전자방출소자의 제조 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 수용액을 제공하는 단계에서, 상기 정제수의 중량은 상기 분산제의 중량의 1배 내지 2배인 전자방출소자의 제조 방법.
14. 제10항에 있어서,
    상기 수지 기판을 건조하는 단계 전에 상기 수지 기판을 세척하는 전자방출소자의 제조 방법.

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