KR20150062064A - Field emitter device, method for fabricating paste, and method for forming thin film - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전계 방출 소자, 페이스트 제조방법 및 박막 형성방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 복수의 2차원 나노물질을 이용하여 제작된 전계 방출 소자, 그 전계 방출 소자에서 기판 상에 형성되는 박막을 위한 페이스트를 제조하는 방법 및 기판 상에 박막을 형성하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a field emission device, a paste production method and a thin film formation method, and more particularly to a field emission device manufactured using a plurality of two-dimensional nanomaterials, a thin film formed on a substrate in the field emission device To a method for producing a paste and a method for forming a thin film on a substrate.
다양한 전자 전기 제품들에서 전계 방출 소자가 사용되고 있고, 전계 방출 소자에 대한 연구들이 현재까지도 지속적으로 이루어지고 있다. Field emission devices have been used in various electronic appliances, and researches on field emission devices have been continuing to date.
기존의 전계 방출 소자에는 수직 성장되거나 박막으로 제작된 탄소 나노 튜브(Carbon nanobubes; CNTs)가 이용되거나, 전기적 특성이 매우 우수하고 얇은 그래핀 모서리에 전계가 집중되어 효율적인 전자 방출이 기대되는 단일 층의 그래핀(Graphene)이 이용되었다. Carbon nanotubes (CNTs), which are grown vertically or thinly, can be used for the conventional field emission devices, or a single-layer structure in which electric fields are concentrated on thin graphene cores, Graphene was used.
일 예로, 한국공개특허 제10-2010-0076801호(발명의 명칭: 전계방출소자 및 그 제조방법)는 적어도 하나의 그루브가 형성된 기판과, 이 그루브 내에 마련되는 금속 전극과, 금속 전극 상에 형성되는 탄소나노튜브 에미터를 구비하며, 탄소나노튜브 에미터는 Sn과 탄소나노튜브의 복합체를 포함한다는 내용을 개시하고 있다. For example, Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0076801 (entitled Field Emission Device and Method for Manufacturing the Same) discloses a field emission device and a method of manufacturing the same that includes a substrate on which at least one groove is formed, a metal electrode provided in the groove, And a carbon nanotube emitter includes a complex of Sn and a carbon nanotube.
다만, 수직 성장된 탄소 나노 튜브는 기판과 탄소 나노 튜브 사이의 접착력이 낮고 스크린 효과(Screening Effect)로 인해 우수한 성능을 얻기 힘들다는 단점이 있었다. 또한, 박막 타입의 탄소 나노 튜브는 분산된 탄소 나노 튜브 용액을 얻기 어렵다는 단점이 있었다. 또한, 단일 층의 그래핀은 얇은 그래핀 모서리에 집중되는 강한 전계로 인해 절연 파괴가 쉽게 일어나고, 안정적인 전자 방출이 불가능하다는 문제점이 있었다. However, the vertically grown carbon nanotubes have a disadvantage in that the adhesion between the substrate and the carbon nanotubes is low and it is difficult to obtain excellent performance due to the screening effect. In addition, thin film type carbon nanotubes have a disadvantage in that it is difficult to obtain a dispersed carbon nanotube solution. Further, the single layer of graphene has a problem that insulation breakdown easily occurs due to a strong electric field concentrated at the thin graphene edge, and stable electron emission is impossible.
한편, 흑연은 두꺼운 복수 층의 그래핀 시트를 가진다. 층간의 반데르발스 결합(Van der Waals interaction)과 카본 플레인의 공유결합이 존재함에 따라 강한 방향 종속적인 전기적 이동 특성을 보이고, 이로 인해 흑연은 전계 방출 소자에 사용하기 적합하지 않다.
On the other hand, graphite has a plurality of thick graphene sheets. Due to the presence of covalent bonds between the Van der Waals interactions and the carbon planes between the layers, they exhibit strong direction-dependent electrical transport properties, making them unsuitable for use in field emission devices.
본 발명의 일부 실시예는 기존과 달리 복수의 시트 층을 가진 2차원 나노물질이 복수 개 포함된 페이스트를 이용하여 제작된 고효율의 전계 방출 소자를 제공하는 데에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a highly efficient field emission device manufactured using a paste containing a plurality of two-dimensional nanomaterials having a plurality of sheet layers.
또한, 본 발명의 일부 실시예는 전계 방출 소자에서 기판 상에 박막을 형성하는 경우 성능 향상을 위해 사용할 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 페이스트를 제조하는 방법을 제공하는 데에 다른 목적이 있다. In addition, some embodiments of the present invention have another object to provide a method of manufacturing a paste including a plurality of two-dimensional nanomaterials to be used for improving performance when a thin film is formed on a substrate in a field emission device.
또한, 본 발명의 일부 실시예는 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 페이스트 및 스크린 프린팅 방식을 이용하여, 박막을 형성하는 방법을 제공하는 데에 또 다른 목적이 있다. It is another object of the present invention to provide a method of forming a thin film using a paste and a screen printing method including a plurality of two-dimensional nanomaterials.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
It should be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described technical problems, and other technical problems may exist.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자는, 기판; 및 복수의 시트(sheet) 층을 가지고 상기 기판 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 수직 배향된 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 페이스트(paste)로 제작된 박막을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a field emission device comprising: a substrate; And a thin film made of a paste containing a plurality of two-dimensional nanomaterials having a plurality of sheet layers and vertically oriented or oriented at an oblique angle to the upper surface of the substrate.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자에서 기판 상에 형성되는 박막을 위한 페이스트(paste)를 제조하는 방법은, 복수의 2차원 나노물질, 각각의 2차원 나노물질 간 공간을 채우는 충전제, 및 상기 2차원 나노물질과 상기 충전제를 서로 결합시키는 결합제를 혼합하는 단계를 포함하고, 상기 각각의 2차원 나노물질은 복수의 시트(sheet) 층을 가지고, 상기 박막이 형성된 경우 상기 기판 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 수직 배향되는 것이다.In addition, a method of manufacturing a thin film for a thin film formed on a substrate in a field emission device according to an embodiment of the present invention includes a plurality of two-dimensional nanomaterials, a filler filling a space between the two- And mixing a binder that binds the two-dimensional nanomaterial with the filler, wherein each of the two-dimensional nanomaterials has a plurality of sheet layers, and when the thin film is formed, Oriented or vertically oriented at an oblique angle.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자의 기판 상에 박막을 형성하는 방법은, 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 페이스트를 주입하는 단계; 및 상기 페이스트가 기설정된 패턴을 가진 스크린 마스크를 통과하도록 제어하는 단계를 포함하고, 각각의 2차원 나노물질은 복수의 시트(sheet) 층을 가지고, 상기 박막이 형성된 경우 상기 기판 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 수직 배향되는 것이다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a thin film on a substrate of a field emission device, comprising: injecting a paste containing a plurality of two-dimensional nanomaterials; And controlling the paste to pass through a screen mask having a predetermined pattern, wherein each two-dimensional nanomaterial has a plurality of sheet layers, wherein when the thin film is formed, an oblique angle Oriented or vertically oriented.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나인 전계 방출 소자는 샤프한 테두리 면을 가지고 기판 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 실질적으로 수직 배향된 복수의 2차원 나노물질을 포함함으로써, 안정적이고 효율적으로 전계를 방출할 수 있다. The field emission device according to any one of the above objects of the present invention includes a plurality of two-dimensional nanomaterials each having a sharp edge face and oriented at an oblique angle to the upper surface of the substrate or substantially vertically oriented, Lt; / RTI >
또한, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 페이스트 제조방법 및 박막 형성방법을 이용하면, 낮은 턴-온 전기장, 낮은 문턱 전기장, 높은 최대 방출 전류, 그리고 장기간 방출 안정성이 나타나는 고성능의 전계 방출 소자를 제작할 수 있다는 장점이 있다.
Further, by using the paste manufacturing method and the thin film forming method of the present invention, it is possible to manufacture a high-performance field emission device exhibiting a low turn-on electric field, a low threshold electric field, a high maximum emission current and a long term discharge stability There is an advantage that it can be.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자의 일부분을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 제조방법의 각 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 제조된 페이스트 필름에 대한 SEM 버드뷰 이미지(사시도)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성방법의 각 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자의 최대 방출 전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 1 is a view showing a part of a field emission device according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart for explaining each step of the paste manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
3 is a SEM bird view image (perspective view) of the paste film produced.
4 is a flow chart for explaining each step of a thin film forming method according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph illustrating a maximum emission current density of a field emission device according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a member is " on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.
본 발명에서 제안하는 전계 방출 소자는 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 페이스트(paste)를 이용하여 제작된다. The field emission device proposed in the present invention is manufactured using a paste containing a plurality of two-dimensional nanomaterials.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자의 일부분을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a part of a field emission device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자는 기판(10) 및 박막(20)을 포함하고, 필요에 따라 전극 등의 기타 구성들을 더 포함할 수 있다. The field emission device according to an embodiment of the present invention includes a
기판(10)은 ITO(Indium Tin Oxide) 코팅된 글라스일 수 있고, 실질적으로 평평한 윗면을 가진 형태일 수 있다. The
박막(20)은 복수의 시트(sheet) 층을 가지고 상술한 기판(10) 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 수직 배향된 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 페이스트로 제작 및 형성된다. The
구체적으로, 각각의 2차원 나노물질이 가진 복수의 시트 층은 그래핀(Graphene), 보론 나이트라이드(Boron Nitride; BN), 및 이황화 몰리브덴(Molybdenum Sulfide; MoS2) 중 어느 하나가 적층되어 형성될 수 있다.Specifically, the plurality of sheet layers of each two-dimensional nanomaterial are formed by stacking any one of graphene, boron nitride (BN), and molybdenum sulfide (MoS 2 ) .
예를 들어, 복수의 그래핀이 적층되어 형성된 복수의 시트 층을 가진 2차원 나노물질은 흑연 나노판(Graphite NanoPlatelet; GNP)일 수 있다. For example, a two-dimensional nanomaterial having a plurality of sheet layers formed by stacking a plurality of graphenes may be a graphite nanoparticle (GNP).
보다 구체적으로, 하나의 시트 층은 1 개 혹은 다수의 원자의 집합체로서, 수 Å정도의 두께를 가진 평면 격자 구조로 이루어져 있을 수 있다. 복수의 시트 층(평균적으로 수십 개 내지 수백 개)을 가진 2차원 나노물질은 높은 종횡비와, 매우 샤프한 테두리(edge) 면을 가진 수십 nm 내지 수백 nm 두께의 판상형 구조체일 수 있고, 기판(10) 상면에 대해 소정의 각도로 비스듬하게 기울어져 있거나 90도로 수직하게 배치되어 있을 수 있다. More specifically, one sheet layer may be a cluster of one or more atoms and may have a planar lattice structure with a thickness on the order of a few angstroms. The two-dimensional nanomaterial having a plurality of sheet layers (on the average, from several tens to several hundreds) may be a plate-like structure having a high aspect ratio and a very sharp edge surface of several tens of nanometers to several hundreds of nanometers in thickness, And may be inclined at an angle to the upper surface at an angle or vertically arranged at 90 degrees.
아울러, 페이스트 내에서 각각의 2차원 나노물질은 서로 임의의 거리를 두고 퍼져 있을 수 있다. 즉, 각각의 2차원 나노물질은 소정의 용매 내에서 수행되는 초음파 처리를 통해 서로 응집되거나 뭉쳐 있는 상태에서 분산되거나 퍼져 있는 상태로 변할 수 있다. In addition, each of the two-dimensional nanomaterials in the paste may be spread at a certain distance from each other. That is, each of the two-dimensional nanomaterials may be changed into a state in which the two-dimensional nanomaterials cohere or aggregate or disperse or spread through ultrasonic processing performed in a predetermined solvent.
이때, 페이스트는 2차원 나노물질 이외에 각각의 2차원 나노물질 사이를 메우는 충전제(Filler), 및 2차원 나노물질과 충전제를 서로 결합시키는 결합제(Binder)를 더 포함할 수 있다. At this time, the paste may further include a filler filling the space between the two-dimensional nanomaterials in addition to the two-dimensional nanomaterial, and a binder for bonding the two-dimensional nanomaterial and the filler together.
예를 들어, 충전제는 나노 파우더 형태일 수 있고, 석면, 글라스(Glass), 탈크(Talc), 점토(Clay), 이산화 규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 수산화 알루미늄(Al(OH)3), 이산화 타이타늄(TiO2), 보론 나이트라이드(BN), 탄산칼슘(CaCO3), 규산칼슘 등이 충전제로서 사용될 수 있다. For example, the filler may be in the form of a nano-powder and may include asbestos, glass, talc, clay, silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) (OH) 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), boron nitride (BN), calcium carbonate (CaCO 3 ), calcium silicate and the like.
또한, 그 자체로 접착성을 가지는 에틸 셀룰로오스(Ethyl Cellulose), 니트로 셀룰로오스(Nitro Cellulose), 아크릴(Acryl) 등이 결합제로서 사용될 수 있고, 열처리 등의 추가 공정을 통하여 접착성을 가지게 되는 금속 나노입자(Metal Nanoparticle), 글라스 프리트(Glass frit) 등도 결합제로서 사용될 수 있다. In addition, ethyl cellulose, nitrocellulose, acrylic, etc., which have adhesiveness by themselves, can be used as a binder, and metal nanoparticles having adhesiveness through an additional process such as heat treatment (Metal Nanoparticle), glass frit, or the like can also be used as a binder.
이러한 페이스트에 의한 박막은 페이스트가 기설정된 패턴을 가진 스크린 마스크를 통해 프린팅됨에 따라 형성될 수 있다(Screen Printing Process).The paste by this paste can be formed as the paste is printed through a screen mask having a predetermined pattern (Screen Printing Process).
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 제조방법에 대해 도 2를 참고하여 설명하고자 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 제조방법의 각 단계를 설명하기 위한 순서도이다. Hereinafter, a method of manufacturing a paste according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2 is a flowchart for explaining each step of the paste manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서 제안하는 페이스트(paste) 제조방법은 전계 방출 소자에서 기판 상에 형성되는 박막을 위해 사용되는 것이 바람직하다. The paste manufacturing method proposed in the present invention is preferably used for a thin film formed on a substrate in a field emission device.
복수의 2차원 나노물질, 각각의 2차원 나노물질 간 공간을 채우는 충전제, 및 2차원 나노물질과 충전제를 서로 결합시키는 결합제가 서로 혼합된다. 이때, 페이스트 내 각각의 2차원 나노물질은 복수의 시트(sheet) 층을 가지고, 상술한 박막(20)이 형성된 경우 기판(10) 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 수직 배향된다.A plurality of two-dimensional nanomaterials, a filler that fills each two-dimensional nanomaterial space, and a binder that binds the two-dimensional nanomaterial and the filler together are mixed with each other. At this time, each two-dimensional nanomaterial in the paste has a plurality of sheet layers and is oriented or vertically oriented at an oblique angle on the upper surface of the
각 재료가 혼합되는 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. The process of mixing each material will be described in detail as follows.
소정의 용매 내에서 복수의 2차원 나노물질에 대하여 초음파 처리(Tip-Sonication)를 수행하는 단계가 진행된다(S110). A step of performing a tip-sonication for a plurality of two-dimensional nanomaterials in a predetermined solvent is performed (S110).
예를 들어, 에탄올 용매에 복수의 나노 흑연판(GNPs)을 넣으면, 각각의 나노 흑연판은 응집되거나 뭉쳐진 채로 존재하고, 수백 nm 내지 수 ㎛ 두께의 집합체를 이루고 있을 수 있다. 이렇게 서로 응집되어있던 나노 흑연판 혹은 집합체에 대해 수십분 동안 초음파 처리를 수행하면, 각각의 나노 흑연판은 잘게 부수어져서 서로 임의의 거리를 두고 퍼지거나 분산되게 되고, 수십 nm 내지 수백 nm 두께의 판상형 구조체가 될 수 있다. 초음파 처리에 의해 부수어지더라도, 각각의 나노 흑연판 또는 나노 흑연판의 테두리 면은 고 결정 구조를 유지할 수 있고, 그 테두리 면에 그래핀이 적층되어 형성된 복수의 시트 층의 적층 구조가 나타날 수 있다.For example, when a plurality of nano graphite plates (GNPs) are placed in an ethanol solvent, each of the nano graphite plates may be aggregated or aggregated, and may be aggregates of several hundreds nm to several 탆 thick. When ultrasonic waves are applied to the nano graphite plates or aggregates which have been agglomerated with each other for several tens of minutes, the nano graphite plates are finely crushed and spread or dispersed at an arbitrary distance from each other, . Even if crushed by the ultrasonic treatment, each nano-graphite plate or nano-graphite plate can maintain a high crystal structure and a laminate structure of a plurality of sheet layers formed by stacking graphenes on the rim surface .
덧붙여, 상기 단계(S110)와 관련하여 통상의 기술자는 앞서 언급한 보론 나이트라이드 또는 이황화 몰리브덴이 적층되어 형성된 복수의 시트 층을 가진 2차원 나노물질도 나노 흑연판처럼 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. In addition, with respect to the above step S110, it can be easily understood that a two-dimensional nanomaterial having a plurality of sheet layers formed by stacking the above-mentioned boron nitride or molybdenum disulfide can be used as a nano graphite plate will be.
상술한 초음파 처리를 수행하는 단계(S110) 이후에 충전제(filler) 추가 및 건조 공정을 수행하는 단계가 진행된다(S120). 소정의 용매 내에서 복수의 2차원 나노물질과 충전제는 자성 교반기(magnetic stirrer)에 의해 혼합될 수 있고, 나노 파우더 형태의 충전제는 각각의 나노 흑연판 간 공간을 채울 수 있으며, 용매는 건조 공정을 통해 제거될 수 있다.After performing the above-described ultrasonic treatment (S110), a step of performing a filler addition and drying process is performed (S120). In a given solvent, a plurality of two-dimensional nanomaterials and a filler can be mixed by a magnetic stirrer, a filler in the form of a nano powder can fill each nano graphite plate space, Lt; / RTI >
예를 들어, 각각의 2차원 나노물질은 수십 개 내지 수백 개의 시트 층을 가지고, 하나의 2차원 나노물질의 두께는 10nm 내지 15nm이며, 하나의 시트 층의 두께는 대략 1 nm 이하 이다. For example, each two-dimensional nanomaterial has tens to hundreds of sheet layers, one two-dimensional nanomaterial has a thickness of 10 nm to 15 nm, and one sheet layer has a thickness of about 1 nm or less.
계속해서, 건조 공정을 수행하는 단계(S120) 이후에 결합제(binder)를 추가하는 단계가 진행된다 (S130). Subsequently, a step of adding a binder is performed after the step of performing the drying step (S120) (S130).
결합제는 2차원 나노물질과 충전제를 서로 결합시킨다. 이때, 그 자체로 접착성을 가지거나 열처리 등의 추가 공정을 통하여 접착성을 가지게 되는 물질이 결합제로서 사용될 수 있다. The binder binds the two-dimensional nanomaterial and the filler together. At this time, a material that has adhesiveness per se or has adhesiveness through an additional process such as heat treatment may be used as the binder.
도 3은 제조된 페이스트 필름에 대한 SEM 버드뷰 이미지(사시도)이다.3 is a SEM bird view image (perspective view) of the paste film produced.
페이스트 내에 플레이크(flake) 형상의 복수의 2차원 나노물질(①, ②)과 나노 파우더 형태의 충전제(③)가 존재함을 확인할 수 있다. 이때, 각각의 2차원 나노물질(①, ②)은 초음파 처리에 의해 집합체 없이 페이스트 내에서 서로 임의의 거리를 두고 퍼지거나 분산된 상태이고, 나노파우더 형태의 충전제(③)가 각각의 2차원 나노물질 간 공간을 메운 상태라는 것을 도 3을 참고하여 확인할 수 있다. It can be confirmed that a plurality of flake-shaped two-dimensional nanomaterials (1, 2) and a nano-powder-like filler (3) exist in the paste. At this time, each of the two-dimensional nanomaterials (1, 2) is spread or dispersed at an arbitrary distance in the paste without aggregation by ultrasonic treatment, and the nanofiller-type filler (3) It can be confirmed by referring to FIG. 3 that the space between the materials is filled.
특히, 샤프한 테두리 면을 가지고 ITO 기판 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 실질적으로 수직 배향된 복수의 2차원 나노물질은 전계 방출 특성에 기여할 수 있다. Particularly, a plurality of two-dimensional nanomaterials having a sharp edge face oriented or substantially vertically oriented at an oblique angle to the upper surface of the ITO substrate can contribute to the field emission characteristic.
이와 같은 일련의 과정들을 통해 각 재료들이 혼합될 수 있고, 그에 따라 박막 형성을 위해 적합한 페이스트가 제조될 수 있다. 참고로 혼합 및 거품 발생 억제를 위해 Thinky사의 AR-250 믹서가 사용될 수 있고, 최종 혼합물(페이스트) 내 복수의 2차원 나노물질의 양은 1wt%일 수 있다.Through such a series of processes, the respective materials can be mixed and a paste suitable for thin film formation can be produced. For reference, a Thinky AR-250 mixer can be used for mixing and suppressing foaming, and the amount of a plurality of two-dimensional nanomaterials in the final mixture (paste) may be 1 wt%.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 형성방법의 각 단계를 설명하기 위한 순서도이다.Meanwhile, FIG. 6 is a flowchart for explaining each step of the thin film forming method according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서 제안하는 박막 형성방법은 상술한 것과 같은 전계 방출 소자의 기판 (10)상에 박막(20)을 형성하기 위해 사용되는 것이 바람직하다. The thin film forming method proposed by the present invention is preferably used for forming the
소정의 박막 제조장치는 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 페이스트를 주입한다(S210). 이때, 페이스트 내 각각의 2차원 나노물질은 복수의 시트(sheet) 층을 가지고, 소정의 박막 제조장치는 페이스트 저장공간을 구비할 수 있으며, 적절한 주입을 위한 부가적인 구성을 포함할 수 있다. A predetermined thin film production apparatus injects a paste containing a plurality of two-dimensional nanomaterials (S210). At this time, each of the two-dimensional nanomaterials in the paste has a plurality of sheet layers, and a predetermined thin film production apparatus may have a paste storage space and may include an additional configuration for proper injection.
이후, 박막 제조장치는 기설정된 패턴을 가진 스크린 마스크를 통해 페이스트를 통과시킨다(S220). 이와 같은 스크린 프린트(Screen Printing) 방식은 에미터 물질 식각 등의 복잡한 공정이 필요하지 않고, 대량생산에 유리하다는 장점을 가지며, 박막 제조장치는 이러한 방식이 미리 반영된 프로그램에 의해 동작 및 제어될 수 있다. Thereafter, the thin film manufacturing apparatus passes the paste through a screen mask having a predetermined pattern (S220). Such a screen printing method has an advantage that a complicated process such as etching of an emitter material is unnecessary and is advantageous for mass production, and the thin film manufacturing apparatus can be operated and controlled by a program that reflects this method in advance .
계속해서, 솔벤트(Solvent)를 증발시키기 위해 대략 1시간 동안 150도에서 프린트된 페이스트는 건조될 수 있고, 접착성을 가진 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스, 아크릴(Acryl) 등이 결합제로 사용되었을 경우 유기 물질을 제거하기 위해 대략 수십 분 동안 고온에서 열 어닐링(thermal annealing) 공정이 이루어질 수 있다. Subsequently, the paste printed at 150 degrees for about 1 hour to evaporate the solvent can be dried, and when adhesive ethylcellulose, nitrocellulose, acrylic, etc. are used as the binder, the organic material A thermal annealing process may be performed at a high temperature for approximately several tens of minutes.
추가적으로, 표면 상의 불순물들을 제거하고 기판(10)과의 기계적인 접착력을 향상시키기 위해 스카치 테이프 등이 이용될 수 있다. In addition, a scotch tape or the like may be used to remove impurities on the surface and improve the mechanical adhesion with the
이와 같은 일련의 공정을 통해 박막(20)이 기판(10) 상에 형성될 수 있고, 박막(20)이 기판(10) 상에 형성된 경우 페이스트 내 각각의 2차원 나노물질은 상기 기판(10) 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 수직 배향된다.When the
지금까지 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 제조방법 및 박막 형성방법은, 종래와는 다른 원리에 의해 전계를 방출할 수 있는 소자를 생산하는 데에 사용될 수 있다. The paste manufacturing method and the thin film forming method according to one embodiment of the present invention described above can be used for producing an element capable of emitting an electric field by a principle different from the conventional one.
아울러, 전계 방출 특성을 확인하기 위해, 전계 방출 소자에 대한 성능 측정 실험은 진공 챔버(10-7 Torr) 내 상온에서 다이오드 구성을 이용하여 진행하였다. 애노드는 0.5cm 지름을 가진 실린더 형상의 스테인리스이고, 캐소드는 ITO 글라스이며, 전계 방출 소자의 방출 영역은 0.2cm2이었다. 애노드와 캐소드 간격은 절연 스페이서와 함께 300㎛로 조절되었고, 방출 전류는 Keithley 6485로 모니터링 되었으며, DC 파워가 일정한 파워 전압 및 전류 제어기(HCN140-3500)에 의해 공급되었다. In addition, in order to confirm the field emission characteristics, a performance test for the field emission device was performed using a diode configuration at room temperature in a vacuum chamber (10 -7 Torr). The anode was a cylinder-shaped stainless steel having a diameter of 0.5 cm, the cathode was an ITO glass, and the discharge area of the field emission device was 0.2 cm 2 . The anode and cathode spacings were adjusted to 300 μm with insulating spacers and the emission current was monitored with a Keithley 6485 and DC power was supplied by a constant power voltage and current controller (HCN140-3500).
참고로, 전계 방출을 측정하기 전에 동작 중 전자 방출의 변동을 제거하고, 캐소드에 원하지 않게 돌출된 2차원 나노물질을 제거함으로써 불안정한 전계 방출을 미연에 방지하였다. 또한, 5시간 동안 1mA/cm2의 전류밀도와 함께 전계 방출을 유지함으로써 전기적인 에이징(Aging)까지 고려하였다. For reference, unstable field emission was prevented in advance by eliminating fluctuations in electron emission during operation and removing unwanted two-dimensional nanomaterials at the cathode before measuring the field emission. In addition, electrical aging was considered by maintaining field emission with a current density of 1 mA / cm < 2 > for 5 hours.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 소자의 최대 방출 전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 5 is a graph illustrating a maximum emission current density of a field emission device according to an embodiment of the present invention.
전기적 브레이크 다운(break down) 이전에 전계 방출 소자의 최대 방출 전류 밀도는 대략 39mA/cm2 이라는 것을 확인할 수 있다. It can be seen that the maximum emission current density of the field emission device before the electrical breakdown is approximately 39 mA / cm 2 .
턴-온 전기장은 전기적 어닐링 이후에 약간 증가되었는데, 이는 에미터 표면에 도출된 복수의 2차원 나노물질의 파괴 때문이다. 고 방출 전류에서 전계 방출 소자는 적층된 시트 층 구조로 인해 쉽게 파손되지 않는다.The turn-on electric field slightly increased after the electrical annealing because of the destruction of a plurality of two-dimensional nanomaterials derived on the emitter surface. At high emission currents, the field emission devices are not easily broken due to the laminated sheet layer structure.
또한, 고 방출 특성은 복수의 2차원 나노물질의 샤프한 테두리 면에서 유효한 전자 방출에서 기인한다. 특히, 주로 기판 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 실질적으로 수직 배향된 복수의 2차원 나노물질, 및 복수의 2차원 나노물질의 샤프한 테두리 면은 몇 차례 측정 도중에 뛰어난 전계 방출 반복성을 보인다. In addition, the high-emission properties result from electron emission that is effective in the sharp edge of a plurality of two-dimensional nanomaterials. Particularly, a plurality of two-dimensional nanomaterials, which are oriented mainly or substantially vertically at an oblique angle to the upper surface of the substrate, and the sharp edge faces of the plurality of two-dimensional nanomaterials exhibit excellent field emission repeatability during measurement several times.
정리하자면, 전계 방출 소자에 대해 복수의 2차원 나노물질을 포함한 페이스트를 이용하는 경우, 낮은 턴-온 전기장, 낮은 문턱 전기장, 높은 최대 방출 전류, 그리고 장기간 방출 안정성이 나타나므로, 전계 방출 소자로서 뛰어난 성능을 보이며 동작한다는 것을 알 수 있다. 이러한 고성능은 복수의 2차원 나노물질의 샤프한 테두리 면, 높은 종횡비, 넓은 표면 영역, 및 쿼시(quasi)-수직 배열 특징들로부터 기인되는 것일 수 있다. 더욱이 스크린 프린팅 공정은 많은 수의 2차원 나노물질을 효율적으로 배열하는 데에 적절하다.In summary, when a paste containing a plurality of two-dimensional nanomaterials is used for a field emission device, a low turn-on electric field, a low threshold electric field, a high maximum emission current and long term discharge stability are exhibited, It can be seen that it operates. This high performance can be attributed to the sharp edges of the two-dimensional nanomaterials, high aspect ratio, large surface area, and quasi-vertical alignment features. Moreover, the screen printing process is suitable for efficiently arranging a large number of two-dimensional nanomaterials.
추가적으로, 본 발명에서 제안하는 전계 방출 소자는 다양한 영역(예를 들어, 평평한 램프, 에서 전계 방출 디스플레이 장치, 엑스레이 광원 등)에서 적절하게 활용될 수 있다. In addition, the field emission device proposed in the present invention can be suitably utilized in various areas (for example, a flat lamp, a field emission display device, an X-ray light source, and the like).
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
10: 기판 20: 박막10: substrate 20: Thin film
Claims (11)
기판; 및
복수의 시트(sheet) 층을 가지고 상기 기판 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 수직 배향된 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 페이스트(paste)로 제작된 박막을 포함하는 전계 방출 소자.
In the field emission device,
Board; And
1. A field emission device comprising a thin film made of a paste comprising a plurality of two-dimensional nanomaterials having a plurality of sheet layers and vertically oriented or oriented at an oblique angle to the upper surface of the substrate.
상기 페이스트 내에서 각각의 2차원 나노물질은 서로 임의의 거리를 두고 분산되어있는 전계 방출 소자.
The method according to claim 1,
Wherein each of the two-dimensional nanomaterials in the paste is dispersed at an arbitrary distance from each other.
상기 각각의 2차원 나노물질은 서로 응집되어 있다가 소정의 용매 내에서 수행되는 초음파 처리를 통해 분산되는 전계 방출 소자.
3. The method of claim 2,
Wherein each of the two-dimensional nanomaterials is agglomerated and dispersed through ultrasonic treatment performed in a predetermined solvent.
상기 페이스트는 상기 2차원 나노물질 사이를 메우는 충전제를 더 포함하는 전계 방출 소자.
3. The method of claim 2,
Wherein the paste further comprises a filler filling between the two-dimensional nanomaterials.
상기 페이스트는 상기 2차원 나노물질과 상기 충전제를 서로 결합시키는 결합제를 더 포함하는 전계 방출 소자.
5. The method of claim 4,
Wherein the paste further comprises a binder that binds the two-dimensional nanomaterial and the filler to each other.
상기 박막은 상기 페이스트가 기설정된 패턴을 가진 스크린 마스크를 통해 프린팅됨에 따라 형성되는 전계 방출 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the thin film is formed as the paste is printed through a screen mask having a predetermined pattern.
상기 2차원 나노물질은 적어도 하나 이상의 테두리 면을 가지고, 상기 테두리 면에 상기 시트 층의 적층 구조가 나타나는 전계 방출 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the two-dimensional nanomaterial has at least one rim surface, and the laminate structure of the sheet layer appears on the rim surface.
상기 복수의 시트 층은 그래핀(Graphene), 보론 나이트라이드(BN), 및 이황화 몰리브덴(MoS2) 중 어느 하나가 적층되어 형성되는 전계 방출 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of sheet layers are formed by stacking any one of graphene, boron nitride (BN), and molybdenum disulfide (MoS 2 ).
복수의 2차원 나노물질, 각각의 2차원 나노물질 간 공간을 채우는 충전제, 및 상기 2차원 나노물질과 상기 충전제를 서로 결합시키는 결합제를 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 각각의 2차원 나노물질은 복수의 시트(sheet) 층을 가지고, 상기 박막이 형성된 경우 상기 기판 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 수직 배향되는 것인, 페이스트 제조방법.
A method of manufacturing a paste for a thin film formed on a substrate in a field emission device,
Mixing a two-dimensional nanomaterial, a filler that fills each two-dimensional nanomaterial space, and a binder that binds the two-dimensional nanomaterial and the filler to each other,
Wherein each of the two-dimensional nanomaterials has a plurality of sheet layers and is oriented or vertically oriented at an oblique angle to the top surface of the substrate when the thin film is formed.
상기 혼합하는 단계는
소정의 용매 내에서 상기 복수의 2차원 나노물질에 대하여 초음파 처리를 수행하는 단계;
상기 초음파 처리를 수행하는 단계 이후에 상기 충전제 추가 및 건조 공정을 수행하는 단계; 및
상기 건조 공정을 수행하는 단계 이후에 상기 결합제를 추가하는 단계를 포함하는 페이스트 제조방법.
10. The method of claim 9,
The mixing step
Performing ultrasonic processing on the plurality of two-dimensional nanomaterials in a predetermined solvent;
Performing the filler addition and drying process after performing the ultrasonic treatment; And
And adding the binder after the step of performing the drying step.
복수의 2차원 나노물질을 포함하는 페이스트를 주입하는 단계; 및
기설정된 패턴을 가진 스크린 마스크를 통해 상기 페이스트를 통과시키는 단계를 포함하고,
각각의 2차원 나노물질은 복수의 시트(sheet) 층을 가지고, 상기 박막이 형성된 경우 상기 기판 상면에 비스듬한 각도를 가지고 배향되거나 수직 배향되는 것인, 박막 형성방법.A method of forming a thin film on a substrate of a field emission device,
Injecting a paste containing a plurality of two-dimensional nanomaterials; And
Passing the paste through a screen mask having a predetermined pattern,
Wherein each two-dimensional nanomaterial has a plurality of sheet layers and is oriented or vertically oriented at an oblique angle to the top surface of the substrate when the thin film is formed.
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|---|---|---|---|---|
| KR20190114850A (en) * | 2018-03-29 | 2019-10-10 | 한양대학교 산학협력단 | Flexible device including flexible substrate and flexible device fabricated by the same |
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