KR20060047144A - 카본나노튜브, 이를 포함한 전자 방출원 및 이를 구비한전자 방출 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 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.
본 발명에 따르면 전자 방출성 (emission)이 우수하고, 열에 강한 c-FED 캐쏘드를 제공할 수 있다.
Description
도 1은 본 발명의 전자 방출 소자의 일 구현예를 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명에 따른 카본나노튜브 (2a) 및 종래의 카본나노튜브 (2b 및 2c)의 온도에 따른 열분해 중량% 및 열분해 개시 및 최종 온도를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원 및 종래의 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 전기 방전법에 의하여 본 발명에 따른 카본나노튜브를 제조하기 위한 전기방전장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
<도면 부호의 간단한 설명>
200: 전자 방출 소자 201: 상판
202: 하판 110: 하면기판
120: 캐소드 전극 130: 절연체층
140: 게이트 전극 160: 전자방출원
41: 음극 42: 양극
본 발명은 카본나노튜브, 이를 포함하는 전자 방출원 및 상기 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브, 상기 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원, 상기 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자에 관한 것이다.
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.
전자 전도성이 탁월한 탄소 나노 튜브 (Carbon Nano Tube: CNT)를 포함한 카본계 물질은 전도성 및 전계 집중 효과가 우수하고, 일함수가 낮고 전계 방출 특성이 우수하여 저전압 구동이 용이하고, 대면적화가 가능하므로 전자 방출 소자의 이상적인 전자 방출원으로 기대되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2002-0040133호는 전계방출 디스플레이의 필드 에미터용 카본나노튜브를 성장시키는 방법을 개시하고 있으며, 상기 방법은 지지 기판 위에 Fe-Ni 또는 Ni-Fe 합금층을 배치하고, 상기 합금층 위에 촉매 금속층을 증착시키고, 상기 촉매 금속층 위에 카본나노튜브가 성장되도록 하는 기판을 사용하 는 것을 특징으로 하는 전계방출디스플레이의 필드 에미터용 카본나노튜브를 성장시키는 방법에 관한 것이다.
또한, 일본공개특허공보 제2003-059436호는 카본나노튜브 필드 에미션 디스플레이의 캐소드 기판 및 양극 기판과 캐소드 기판의 형성 방법을 개시하고 있으며, 상기 방법은 유리 기판과 유리 기판 상에 패터닝되고 캐소드 층의 표면이 서로 떨어진 전자 방출 영역으로서 패터닝된 상기 캐소드 층과 복수 개의 상기 전자 방출 영역 상에 각각 성장된 복수 개의 카본나노튜브 구조를 포함하는 카본나노튜브 필드 에미션 디스플레이의 캐소드 기판 및 그 형성 방법에 관한 것이다.
상술한 카본나노튜브 및 종래의 통상적인 카본나노튜브에 있어서, 사용되는 카본나노튜브는 약 400 ℃ 이상의 온도에서는 분해되는 특성을 가지며, 이러한 카본나노튜브의 열분해 현상은 장치의 봉착 및 카본나노튜브 페이스트의 파이어링 (firing) 공정 중에서의 카본나노튜브의 손실을 가져오며, 이는 캐쏘드의 손실로 이어져서 전자방출 양의 감소 및 수명 단축의 문제점을 초래한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 카본나노튜브의 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 작아서 우수한 순도를 가지는 관계로 전자 방출성이 뛰어나며, 또한 열분해 개시 온도가 높아서 내열성이 뛰어난 카본나노튜브를 제공하며, 또한 이를 포함하는 전자 방출원 및 이러한 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자를 제공하고자 하는 것이다.
상기 본 발명의 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제1 태양은, 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브를 제공한다.
상기 본 발명의 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제2 태양은, 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원을 제공한다.
본 발명의 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제3 태양은,
기판;
상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극; 및
상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성되고, 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원을 구비한 전자 방출 소자를 제공한다.
본 발명의 또 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 제4 태양은,
열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제조하는 단계;
기판 상에 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하는 단계;
상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물을 소성하는 단계; 및
상기 소성된 결과물을 활성화시켜 전자 방출원을 얻는 단계를 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 카본나노튜브를 사용하면, 전자 방출성 (emission)이 우수하고, 열에 강한 전자 방출원 및 전자 방출 소자를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 카본나노튜브를 제공한다.
여기에서, 열분해 최종 온도란, 촉매 금속을 제외하고, 잔류 카본나노튜브의 양이 1%가 될 때까지의 온도를 의미하며, 일반적으로 카본나노튜브의 열분해 개시 온도가 높다는 사실은 이러한 카본나노튜브가 열에 강한 구조를 형성하고 있다는 사실을 의미하며, 또한 카본나노튜브의 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 작다는 사실은 이러한 카본나노튜브가 열분해 특성, 구조 등에 있어서 동일한 성질들을 갖는다는 것을 의미하기 때문에, 카본나노튜브의 순도가 높다는 사실을 의미하고, 이러한 높은 순도는 곧 우수한 전자 방출성으로 이어진다.
본 발명에서는 카본나노튜브의 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하로서, 종래 전자 방출 소자에 사용되는 통상적인 카본나노튜브에 비해서 그 값이 현저하게 작은 카본나노튜브를 사용함으로써 전자 방출성이 우수한 전자 방출원 및 이를 구비하는 전자 방출 소자를 제공한다.
바람직하게는, 상기 카본나노튜브의 열분해 개시 온도는 400 ℃ 이상이다. 본 발명에 따른 카본나노튜브는 종래의 통상적인 카본나노튜브의 열분해 개시 온도가 약 300 내지 350 ℃인 것에 비해서, 400 ℃ 이상의 높은 열분해 개시 온도를 가짐으로써 내열성이 우수한 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 카본나노튜브는 전기방전법, 레이저증착법, 기상합성법, 열화학기상증착법 또는 플라즈마 화학기상증착법 등을 포함하는 다양한 방법에 따라 합성될 수 있으며, 바람직하게는 수소 기체를 이용한 아크 방전에 의해서 합성될 수 있다. 본 발명의 카본나노튜브 제조 방법에 대한 일 구현예는 다음과 같다.
먼저, 카본나노튜브가 성장하게 될 촉매 금속를 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.
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..
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.
본 발명의 카본나노튜브 합성 방법은 전술한 바와 같은 합성 방법을 참조하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
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.
본 발명은 다른 구현예에서, 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 전자 방출원을 제공한다.
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.
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 포함되고, 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.
본 발명은 또 다른 구현예에서, 기판; 상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극; 및 상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성되고, 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브를 포함하는 전자 방출원을 구비하는 전자 방출 소자를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전자 방출 소자의 부분 단면도로서, 대표적으로 3극관 구조의 전자 방출 소자를 도시하였다.
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.
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.
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.
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.
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.
전계 형성에 의해 전자를 방출하는 상기 전자방출원 (160)은 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 전자 방출원 (160)이다.
본 발명은 또 다른 구현예에서, 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 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.
본 발명을 따르는 전자 방출 소자의 제조 방법의 일 구현예는 다음과 같다.
먼저 전자 방출원 형성용 조성물을 준비한다. 전자 방출원 형성용 조성물은 카본나노튜브 및 비이클을 포함한다.
카본나노튜브는 전자를 방출하는 역할을 하는 것으로서, 전술한 바와 같이 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브일 수 있다. 상기 조성물 내의 카본나노튜브는 0.1 내지 30 중량%, 바람직하게는 5 내지 20 중량%의 양으로 사용될 수 있다.
비이클은 전자 방출원 형성용 조성물의 점도 및 인쇄성을 조절하는 역할을 하는 것으로서, 이는 폴리머 성분 및 유기 용매 성분을 포함한다.
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 수 지 등이 있으며, 그 함량은 전체 페이스트 조성물에 대하여 5 내지 60 중량%일 수 있다.
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 있다.
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.
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.
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.
상기 감광성 모노머는 패턴의 분해 향상제로 첨가되며, 열분해성 아크릴레이 트 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.
상기 광개시제의 종류는 통상 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 그 함량은 0.05 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
상기와 같은 조성을 갖는 전자 방출원 형성용 조성물의 점도는 5,000 내지 50,000 cps인 것이 바람직하다.
다음으로, 준비된 전자 방출원 형성용 조성물을 기판에 인쇄한다. 상기 "기판"이란 전자 방출원이 형성될 기판으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 기판을 사용할 수 있다.
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 이용하 여 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄로 공급한다.
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.
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.
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.
카본나노튜브의 제조
실시예 1. 다중벽 카본나노튜브 H
2
아크 시료에 의한 카본나노튜브의 제조
전기 방전법에 의하여 본 발명에 따른 카본나노튜브를 제조하였으며, 도 4에는 이러한 전기방전법을 실행하는 전기방전장치의 구조도를 간략히 나타내었다. 상기 방법에서는, 두 개의 그래파이트나 금속 막대를 음극 (41)과 양극 (42)으로 하고, 두 전극 사이에 직류 전원을 인가하여 전극 사이에 방전을 일으켰다. 방전 가스로는 H2 가스를 사용하였다.
이러한 방전에 의해 발생된 다량의 전자는 양극으로 이동하여 양극 막대 (41)에 충돌하게 되고, 이때 전자의 충돌에 의해서 양극으로 사용된 그래파이트 막대에서 떨어져나온 탄소 크러스트들은 낮은 온도로 냉각되어 있는 음극 (42)의 그래파이트 막대 표면에 응축되어 카본나노튜브가 제조된다.
비교예 1. 다중벽 카본나노튜브 He 아크 시료에 의한 카본나노튜브의 제조
방전가스로 He 가스를 사용하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해서 카본나노튜브를 제조하였다.
비교예 2.
Co 아세테이트 용액을 이용하여, 제올라이트 지지체에 Co/Y 촉매를 지지시켰다. 최종 Co 함량은 약 2.5 중량%였다. 상기와 같이 카본나노튜브가 성장할 촉매 금속을 제공한 후, 상기 촉매 금속에 카본 공급 가스로서 아세틸렌 가스를 사용하 여 카본나노튜브를 성장시켰다. 카본나노튜브 성장 온도는 700 내지 800℃로 유지하였으며, 상기 카본 공급 가스는 카본나노튜브의 성장 속도 및 시간을 조절하기 위하여 희석 가스인 수소 가스와 동시에 공급되었다.
상기 실시예 1 및 비교예 1, 2의 카본나노튜브들에 대한 온도에 따른 열분해 중량% 및 열분해 개시 및 최종 온도를 도시한 그래프를 도 2a 내지 2c에 나타내었으며, 하기 표 1에는 각 시료들에 대한 열분해 개시 온도 및 886.93℃에서의 잔류량을 나타내었다.
[표 1]
| 시료 | 초기 중량% 및 열분해 개시 온도 | 886.93℃에서의 잔류량 |
| 실시예 1 | 99.68 중량% | 0.08549 중량% |
| 648.30℃ | ||
| 비교예 1 | 99.32 중량% | 0.3898 중량% |
| 593.35℃ | ||
| 비교예 2 | 93.48 중량% | 7.258 중량% |
| 457.41℃ |
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 카본나노튜브는 비교예 1 및 2의 카본나노튜브들보다 열분해 개시 온도가 높으면서도, 886.93℃에서의 잔류량이 0.08549 중량%로서 각각 0.3898 중량% 및 7.258 중량%인 비교예 1 및 2의 카본나노튜브들보다 월등히 낮은 값을 갖는다. 따라서, 실시예 1에 따른 카본나노튜브는 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이값이 비교예 1 및 2에 따른 카본나노튜브의 그것보다 작다는 것을 알 수 있으며, 결과적으로 순도가 높다는 것을 알 수 있다.
전자 방출원의 제조
실시예 2.
상기 실시예 1에서 제조된, 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 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.
비교예 3.
상기 비교예 1에서 제조된 카본나노튜브를 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법에 따라 전자 방출원을 제조하였다.
비교예 4.
상기 비교예 2에서 제조된 카본나노튜브를 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예와 동일한 방법에 따라 전자 방출원을 제조하였다.
전류 밀도 측정
상기 실시예 2 및 비교예 3, 4의 전자 방출원에 대하여 전류 밀도를 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 따르면, 본 발명에 따른 전자 방출원의 전류 밀도 기울기가 비교예에 따른 전자 방출원의 전류 밀도 기울기에 비해서 더욱 샤프하다는 것을 확인할 수 있다.
전자 방출 소자의 제조
하면 기판을 준비하고, 상기 하면 기판 상에 ITO 물질로 이루어진 투명한 다수의 캐소드 전극을 스트라이프 형태로 형성하였다. 이후, 상기 캐소드 전극이 덮 이도록 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.
다음으로, 상기 전자방출원 홀에 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브 및 비이클을 포함하는 전자방출원 형성용 페이스트를 도포하여 전자방출원을 형성하고, 소성 및 활성화 단계를 거쳐서 전자 방출 소자를 제조하였다.
본 발명에 따르면, 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 작아서 우수한 순도를 가지는 관계로 전자 방출성이 뛰어나며, 또한 열분해 개시 온도가 높아서 내열성이 뛰어난 카본나노튜브를 제공할 수 있다.
Claims (8)
- 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 카본나노튜브.
- 제1항에 있어서, 상기 카본나노튜브의 열분해 개시 온도는 400 ℃ 이상인 것 을 특징으로 하는 카본나노튜브.
- 제1항에 있어서, 상기 카본나노튜브는 전기방전법, 레이저증착법, 기상합성법, 열화학기상증착법 및 플라즈마 화학기상증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법에 의해서 제조된 것을 특징으로 하는 카본나노튜브.
- 제3항에 있어서, 상기 카본나노튜브는 수소 기체를 이용한 아크 방전에 의해서 제조된 것을 특징으로 하는 카본나노튜브.
- 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
- 제5항에 있어서, 상기 전자 방출원은 기판 상에 상기 카본나노튜브를 직접 성장시킴으로써 형성되거나, 또는 상기 카본나노튜브를 포함하는 페이스트 조성물을 이용한 페이스트법에 의해서 형성된 것을 특징으로 하는 전자 방출원.
- 기판;상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극; 및상기 기판 상에 형성된 캐소드 전극과 전기적으로 연결되도록 형성되고, 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브를 포함하는 전 자 방출원을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 소자.
- 열분해 개시 온도와 최종 온도의 차이가 250 ℃ 이하인 카본나노튜브 및 비이클을 포함하는 전자 방출원 형성용 조성물을 제조하는 단계;기판 상에 상기 전자 방출원 형성용 조성물을 인쇄하는 단계;상기 인쇄된 전자 방출원 형성용 조성물을 소성하는 단계; 및상기 소성된 결과물을 활성화시켜 전자 방출원을 얻는 단계를 포함하는 전자 방출 소자의 제조 방법.
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