KR100679209B1 - 얇은 금속층을 이용한 탄소나노튜브 필드 에미터의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전계 방출 소자(Field emission display)에 전자 방출원으로 사용되는 탄소나노튜브 필드 에미터의 전계 방출 특성 증가를 위해 얇은 인듐층을 이용하는 방법을 기재한다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필드 에미터의 제조 방법은 ITO(Indium Tin Oxide) 유리 기판 위에 얇은 인듐층 증착단계, 인듐층위에 스프레이법을 이용한 탄소나노튜브 증착단계, 기판 열처리를 통한 접착력 증가 단계를 포함한다.
탄소나노튜브, 전제 방출 소자, 스프레이법, 금속층, 탄소나노튜브 분산, 필드 에미터
Description
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필드 에미터의 제작 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 얇은 다중벽 탄소나노튜브 필드 에미터의 전자 현미경 사진이다.
도 3는 얇은 인듐층 사용 유무에 따른 탄소나노튜브 필드 에미터의 I-V 곡선이다.
도 4는 얇은 인듐층 사용 유무에 따른 탄소나노튜브 필드 에미터의 전류 안정성 곡선이다.
본 발명은 탄소나노튜브 필드 에미터 제조 방법에 관한 것으로, 특히 대면적 제작이 용이하고 상온 증착이 가능하며 전계 방출시 이온 가스의 무방출, 아킹 현상의 제어가 가능하고 종래 방법에 비해 제조 방법이 간단한 탄소나노튜브 필드 에미터 제조 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 큰 종횡비, 낮은 일함수, 높은 전기 및 열적 전도도, 높은 화학적 안정성을 가진 물질로서 전계 방출소자의 전자 방출원으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 현재까지 알려진 탄소나노튜브 필드 에미터 제조 방법으로는 화학 기상 증착법으로 전극위에 직접 탄소나노튜브를 수직 성장하는 직접 성장법, 각종 고분자와 무기물을 함유한 페이스트(paste)를 탄소나노튜브와 섞어 프린팅하여 제조하는 스크린 프린팅법, 탄소나노튜브가 분산되어 있는 용액에 전압을 인가하여 기판에 증착시키는 전기 영동법, 분산 용액을 에어브러쉬(airbrush) 등을 이용하여 증착시키는 스프레이법 등이 있다. 이중 직접 성장법은 탄소나노튜브와 전극으로 사용하는 기판사이에 강한 결합을 이루고 탄소나노튜브의 길이와 밀도, 직경을 제어하기가 수월한 장점이 있지만 대면적 에미터 제작이 어렵고 일반적으로 전계 방출시 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide) 유리의 녹는점이 섭씨 550 도이므로 이보다 낮은 온도에서 탄소나노튜브를 성장해야하는 단점이 있다. 이와 반대로 페이스ㅌ(paste)를 사용하는 스크린 프린팅법은 대면적과 강한 결합의 장점을 띄고 있지만 전제방출시 각종 고분자와 무기물로 인한 가스방출(out-gasing)과 아킹(arcing)이 발생하여 탄소나노튜브 필드 에미터의 수명을 단축하는 인자로 작용한다.
한편 전기 영동법과 스프레이법은 대면적이 용이하고 고분자나 무기물을 사용하지 않아 탄소나노튜브 필드 에미터를 손상시키지 않으며 다른 방법들에 비해 간단하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 탄소나노튜브와 기판 사이의 결합이 약해 많은 수의 탄소나노튜브 필드 에미터가 전제 방출시 기판으로부터 떨어져 나가는 현상이 발생한다.
결국, 탄소나노튜브를 이용한 필드 에미터 제조에 있어서 기판과 탄소나노튜브와의 강한 결합력, 대면적, 긴 수명, 탄소나노튜브의 길이 균일성 등은 필히 고려해야할 사항이다.
탄소나노튜브는 큰 종횡비, 낮은 일함수, 높은 전기 및 열적 전도도, 높은 화학적 안정성을 가진 물질로서 전계 방출소자의 전자 방출원으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 현재까지 알려진 탄소나노튜브 필드 에미터 제조 방법으로는 화학 기상 증착법으로 전극위에 직접 탄소나노튜브를 수직 성장하는 직접 성장법, 각종 고분자와 무기물을 함유한 페이스트(paste)를 탄소나노튜브와 섞어 프린팅하여 제조하는 스크린 프린팅법, 탄소나노튜브가 분산되어 있는 용액에 전압을 인가하여 기판에 증착시키는 전기 영동법, 분산 용액을 에어브러쉬(airbrush) 등을 이용하여 증착시키는 스프레이법 등이 있다. 이중 직접 성장법은 탄소나노튜브와 전극으로 사용하는 기판사이에 강한 결합을 이루고 탄소나노튜브의 길이와 밀도, 직경을 제어하기가 수월한 장점이 있지만 대면적 에미터 제작이 어렵고 일반적으로 전계 방출시 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide) 유리의 녹는점이 섭씨 550 도이므로 이보다 낮은 온도에서 탄소나노튜브를 성장해야하는 단점이 있다. 이와 반대로 페이스ㅌ(paste)를 사용하는 스크린 프린팅법은 대면적과 강한 결합의 장점을 띄고 있지만 전제방출시 각종 고분자와 무기물로 인한 가스방출(out-gasing)과 아킹(arcing)이 발생하여 탄소나노튜브 필드 에미터의 수명을 단축하는 인자로 작용한다.
한편 전기 영동법과 스프레이법은 대면적이 용이하고 고분자나 무기물을 사용하지 않아 탄소나노튜브 필드 에미터를 손상시키지 않으며 다른 방법들에 비해 간단하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 탄소나노튜브와 기판 사이의 결합이 약해 많은 수의 탄소나노튜브 필드 에미터가 전제 방출시 기판으로부터 떨어져 나가는 현상이 발생한다.
결국, 탄소나노튜브를 이용한 필드 에미터 제조에 있어서 기판과 탄소나노튜브와의 강한 결합력, 대면적, 긴 수명, 탄소나노튜브의 길이 균일성 등은 필히 고려해야할 사항이다.
본 발명은 상기와 같은 단점을 개선하고자 창출된 것으로서, 대면적 제작이 용이하고 상온 증착이 가능하며 전계 방출시 이온 가스의 무방출, 아킹 현상의 제어가 가능하고 종래 방법에 비해 제조 방법이 간단한 탄소나노튜브 필드 에미터 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 탄소나노튜브 필드 에미터 제조시 얇은 인듐층의 두께를 조절하고 열처리시 얇은 두께의 인듐 산화층이나 질화층을 형성하여 이를 전계 방출시 저항층으로 적용, 전면적에 걸쳐 균일한 전자의 방출을 유도할 수 있도록 하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 탄소나노튜브 필드 에미터 제조시 얇은 인듐층의 두께를 조절하고 열처리시 얇은 두께의 인듐 산화층이나 질화층을 형성하여 이를 전계 방출시 저항층으로 적용, 전면적에 걸쳐 균일한 전자의 방출을 유도할 수 있도록 하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에서는, ITO 유리 기판 위에 얇은 인듐층을 열 증착기(thermal evaporator)로 증착하고, 스프레이 등을 이용하여 탄소나노튜브 분산 용액을 인듐층 위에 분사하고, 탄소나노튜브와 기판 사이의 접착력을 증가시키기 위하여 열처리를 수행한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필드 에미터 제조 방법의 흐름도이다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 필드 에미터의 제조 방법은 ITO(Indium Tin Oxide) 유리 기판 위에 인듐층 증착 단계(10), 인듐층 위에 탄소나노튜브 분산 용액을 분사하는 단계(20, 30), 접착력 증가를 위하여 열처리를 수행하는 단계(40)를 포함한다.
상기 단계 중 얇은 인듐층 증착 단계(10)는 다음과 같다. 우선 일반적으로 전계 방출 소자에 사용하는 ITO 유리를 아세톤(Acetone), 아이소프로필 알콜(Isopropyl alcohol), 탈이온수(Deionized water)를 사용하여 차례대로 초음파 처리를 통해 세척하고 thermal evaporator를 사용하여 대략 100 nm 두께의 얇은 인듐층을 증착한다. 인듐층의 두께는 나중의 열처리 단계시 온도를 결정하는 중요한 변수로 작용한다. 인듐층을 증착하는 장비로는 열 증착기(thermal evaporator) 이외에 스퍼터(sputter)나 화학기상증착기(chemical vapor deposition)도 사용가능하며 전기도금법을 이용한 증착도 가능하다.
얇은 인듐층이 증착된 ITO 유리 위에 탄소나노튜브 분산 용액을 분사하는 단계는 크게 탄소나노튜브 용액을 분산하는 단계(20)와 에어브러쉬(airbrushing) 등을 이용하여 탄소나노튜브 분산 용액을 분사하는 단계(30)로 나뉠 수 있다.
탄소나노튜브 분산 용액 제조에 사용된 탄소나노튜브는 FeMoMgO 촉매를 이용하여 섭씨 900도에서 열 화학 기상 증착법으로 합성한 얇은 다중벽 탄소나노튜브로서 상대적으로 다른 합성 장치를 이용한 탄소나노튜브에 비해 촉매 잔량이 적어 합성 후 정제 과정이 필요치 않은 장점이 있다. 얇은 다중벽 탄소나노튜브는 직경 분포가 대략 3-6 nm이고 길이는 수 ㎛에서 수십 ㎛까지 분포되어 있다. 상기의 얇은 다중벽 탄소나노튜브 분말을 소량 취하여 1, 2-디클로로에탄(DCE: 1,2-dichloroethane) 용액에 담근 후 50시간 동안 초음파 처리를 통해 균일한 탄소나노튜브의 분산 용액을 제조한다. DCE외에 N, N-디메틸포름아미드(DMF: N,N-dimethylformamide), 테트라히드로푸란(THF: tetrahydrofuran), N-메틸 패롤리돈(NMP: N-Methyl pyrrolidone), 아세톤(Acetone), 이소플로필 알콜(isopropyl alcohol)과 같은 비수계나 소듐데실설페이트(SDS: sodiumdodecylsulfate), ㄷ데뎅데옥시리보핵산(oxyribonucleic acid)와 같은 계면활성제(surfactant)가 포함된 수계 용액을 사용하여 탄소나노튜브 분산도 가능하다. 상기의 얇은 다중벽 탄소나노튜브외에 단일벽, 이중벽, 다중벽 탄소나노튜브의 분산도 가능하다.
초음파 처리를 마친 분산 용액을 상온에서 대략 24시간 보관하면 대부분의 탄소나노튜브가 분산된 상태로 유지되고 상대적으로 적은 양의 침전물이 발생한다. 완전한 분산 용액의 제조를 위해 부유 용액을 원심분리기를 통해 다시 한번 분산 시킨다. 상대적으로 길이가 긴 탄소나노튜브와 합성 시 남아 있는 촉매는 짧은 길이의 탄소나노튜브에 비해 큰 중량을 가지므로 상기 원심 분리 과정 시 대부분이 제거된다. 원심 분리기의 회전 속도 및 시간은 탄소나노튜브의 농도 및 분산 정도를 제어하는 변수로 작용한다. 상기 원심 분리를 통해 얻어진 탄소나노튜브 용액은 또 다른 과정이 필요 없이 바로 탄소나노튜브 필드 에미터의 제조 용액으로 사용된다. 탄소나노튜브의 분산은 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출의 전자 방출원으로의 응용에 있어서 중요한 과정으로 분산되지 않고 뭉쳐 있는 탄소나노튜브는 대부분 곧지 않고 서로 뒤엉켜 뭉쳐 있는 형태를 띤다. 이는 전계 방출시 아킹의 요인으로 작용할 수 있으며 불균일한 길이분포로 인해 불안정한 방출 전류의 요인이 되기도 한다.
상기 원심 분리를 통해 얻어진 탄소나노튜브 용액의 적당량을 취하여 상기 열 증착기(thermal evaporator)를 통해 ITO 유리 기판에 얇게 증착된 인듐층에 분사 한다. 본 발명에 따라 제조된 탄소나노튜브 필드 에미터는 분사 장비의 조건(노즐 직경, 분사 압력, 분사 거리)과 탄소나노튜브 분산 용액의 농도, 양, 용액의 종류에 따라 밀도 및 두께, 균일성 등이 결정된다. 한 예로 탄소나노튜브 용액의 농도가 진하고 양이 많을수록 증착되는 탄소나노튜브 필드 에미터의 밀도가 증가한다. 또한 용매의 끓는점이 높으면 분사시 용매가 증발되지 않아 ITO 유리에 탄소나노튜브와 함께 증착되고 이로 인해 분산된 탄소나노튜브의 번들(bundle)이 형성되어 불균일한 전제 방출의 원인으로 작용한다.
균일한 두께의 탄소나노튜브가 인듐이 증착된 ITO 유리 위에 분산되면 진공 열처리를 통해 탄소나노튜브와 기판사이의 강한 결합을 도모한다(단계 40). 불순물에 의한 효과를 억제할 목적으로 대략 2 Torr의 아르곤 가스 분위기에서 진행한다. 100 nm 두께의 인듐층이 녹아 탄소나노튜브를 따라 확산하여 탄소나노튜브와 기판사이의 접촉을 강화시키기 위한 가장 적절한 온도는 섭씨 350도 인데 이보다 낮은 온도에서는 인듐이 완전히 녹지 않아 탄소나노튜브를 지탱할 수 없고 이보다 높은 온도에서는 대부분의 인듐이 증발하여 소멸하는 현상이 발생한다. 100 nm보다 두꺼운 인듐을 사용하면 적절한 열처리 온도는 더 올라가야 한다. 열처리 시간과 가스 분위기, 진공도도 중요한 변수로 작용한다. 탄소나노튜브와 ITO 유리 간의 강한 결합을 위한 금속으로 인듐뿐 아니라 주석(Sn), 납(Pb)과 같은 금속과 그의 합금 및 나노 크기의 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 금속 분말도 사용될 수 있다.
또한 열처리시 산소나 질소를 흘려주어 금속 산화층이나 질화층을 형성시키면 전계 방출시 저항층으로 작용을 하여 균일한 전계 방출을 도모할 수 있다. 상기 인듐층을 사용한 탄소나노튜브 필드 에미터 제조는 기존의 스프레이 방법을 통한 탄소나노튜브 필드 에미터 제조법의 문제점인 약한 접착력을 보안함으로서 스크린 프린팅법이나 직접 성장법의 특성을 뛰어 넘는 제조법이 될 수있다.
상기 단계 중 얇은 인듐층 증착 단계(10)는 다음과 같다. 우선 일반적으로 전계 방출 소자에 사용하는 ITO 유리를 아세톤(Acetone), 아이소프로필 알콜(Isopropyl alcohol), 탈이온수(Deionized water)를 사용하여 차례대로 초음파 처리를 통해 세척하고 thermal evaporator를 사용하여 대략 100 nm 두께의 얇은 인듐층을 증착한다. 인듐층의 두께는 나중의 열처리 단계시 온도를 결정하는 중요한 변수로 작용한다. 인듐층을 증착하는 장비로는 열 증착기(thermal evaporator) 이외에 스퍼터(sputter)나 화학기상증착기(chemical vapor deposition)도 사용가능하며 전기도금법을 이용한 증착도 가능하다.
얇은 인듐층이 증착된 ITO 유리 위에 탄소나노튜브 분산 용액을 분사하는 단계는 크게 탄소나노튜브 용액을 분산하는 단계(20)와 에어브러쉬(airbrushing) 등을 이용하여 탄소나노튜브 분산 용액을 분사하는 단계(30)로 나뉠 수 있다.
탄소나노튜브 분산 용액 제조에 사용된 탄소나노튜브는 FeMoMgO 촉매를 이용하여 섭씨 900도에서 열 화학 기상 증착법으로 합성한 얇은 다중벽 탄소나노튜브로서 상대적으로 다른 합성 장치를 이용한 탄소나노튜브에 비해 촉매 잔량이 적어 합성 후 정제 과정이 필요치 않은 장점이 있다. 얇은 다중벽 탄소나노튜브는 직경 분포가 대략 3-6 nm이고 길이는 수 ㎛에서 수십 ㎛까지 분포되어 있다. 상기의 얇은 다중벽 탄소나노튜브 분말을 소량 취하여 1, 2-디클로로에탄(DCE: 1,2-dichloroethane) 용액에 담근 후 50시간 동안 초음파 처리를 통해 균일한 탄소나노튜브의 분산 용액을 제조한다. DCE외에 N, N-디메틸포름아미드(DMF: N,N-dimethylformamide), 테트라히드로푸란(THF: tetrahydrofuran), N-메틸 패롤리돈(NMP: N-Methyl pyrrolidone), 아세톤(Acetone), 이소플로필 알콜(isopropyl alcohol)과 같은 비수계나 소듐데실설페이트(SDS: sodiumdodecylsulfate), ㄷ데뎅데옥시리보핵산(oxyribonucleic acid)와 같은 계면활성제(surfactant)가 포함된 수계 용액을 사용하여 탄소나노튜브 분산도 가능하다. 상기의 얇은 다중벽 탄소나노튜브외에 단일벽, 이중벽, 다중벽 탄소나노튜브의 분산도 가능하다.
초음파 처리를 마친 분산 용액을 상온에서 대략 24시간 보관하면 대부분의 탄소나노튜브가 분산된 상태로 유지되고 상대적으로 적은 양의 침전물이 발생한다. 완전한 분산 용액의 제조를 위해 부유 용액을 원심분리기를 통해 다시 한번 분산 시킨다. 상대적으로 길이가 긴 탄소나노튜브와 합성 시 남아 있는 촉매는 짧은 길이의 탄소나노튜브에 비해 큰 중량을 가지므로 상기 원심 분리 과정 시 대부분이 제거된다. 원심 분리기의 회전 속도 및 시간은 탄소나노튜브의 농도 및 분산 정도를 제어하는 변수로 작용한다. 상기 원심 분리를 통해 얻어진 탄소나노튜브 용액은 또 다른 과정이 필요 없이 바로 탄소나노튜브 필드 에미터의 제조 용액으로 사용된다. 탄소나노튜브의 분산은 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출의 전자 방출원으로의 응용에 있어서 중요한 과정으로 분산되지 않고 뭉쳐 있는 탄소나노튜브는 대부분 곧지 않고 서로 뒤엉켜 뭉쳐 있는 형태를 띤다. 이는 전계 방출시 아킹의 요인으로 작용할 수 있으며 불균일한 길이분포로 인해 불안정한 방출 전류의 요인이 되기도 한다.
상기 원심 분리를 통해 얻어진 탄소나노튜브 용액의 적당량을 취하여 상기 열 증착기(thermal evaporator)를 통해 ITO 유리 기판에 얇게 증착된 인듐층에 분사 한다. 본 발명에 따라 제조된 탄소나노튜브 필드 에미터는 분사 장비의 조건(노즐 직경, 분사 압력, 분사 거리)과 탄소나노튜브 분산 용액의 농도, 양, 용액의 종류에 따라 밀도 및 두께, 균일성 등이 결정된다. 한 예로 탄소나노튜브 용액의 농도가 진하고 양이 많을수록 증착되는 탄소나노튜브 필드 에미터의 밀도가 증가한다. 또한 용매의 끓는점이 높으면 분사시 용매가 증발되지 않아 ITO 유리에 탄소나노튜브와 함께 증착되고 이로 인해 분산된 탄소나노튜브의 번들(bundle)이 형성되어 불균일한 전제 방출의 원인으로 작용한다.
균일한 두께의 탄소나노튜브가 인듐이 증착된 ITO 유리 위에 분산되면 진공 열처리를 통해 탄소나노튜브와 기판사이의 강한 결합을 도모한다(단계 40). 불순물에 의한 효과를 억제할 목적으로 대략 2 Torr의 아르곤 가스 분위기에서 진행한다. 100 nm 두께의 인듐층이 녹아 탄소나노튜브를 따라 확산하여 탄소나노튜브와 기판사이의 접촉을 강화시키기 위한 가장 적절한 온도는 섭씨 350도 인데 이보다 낮은 온도에서는 인듐이 완전히 녹지 않아 탄소나노튜브를 지탱할 수 없고 이보다 높은 온도에서는 대부분의 인듐이 증발하여 소멸하는 현상이 발생한다. 100 nm보다 두꺼운 인듐을 사용하면 적절한 열처리 온도는 더 올라가야 한다. 열처리 시간과 가스 분위기, 진공도도 중요한 변수로 작용한다. 탄소나노튜브와 ITO 유리 간의 강한 결합을 위한 금속으로 인듐뿐 아니라 주석(Sn), 납(Pb)과 같은 금속과 그의 합금 및 나노 크기의 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al)과 같은 금속 분말도 사용될 수 있다.
또한 열처리시 산소나 질소를 흘려주어 금속 산화층이나 질화층을 형성시키면 전계 방출시 저항층으로 작용을 하여 균일한 전계 방출을 도모할 수 있다. 상기 인듐층을 사용한 탄소나노튜브 필드 에미터 제조는 기존의 스프레이 방법을 통한 탄소나노튜브 필드 에미터 제조법의 문제점인 약한 접착력을 보안함으로서 스크린 프린팅법이나 직접 성장법의 특성을 뛰어 넘는 제조법이 될 수있다.
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도 2는 발명의 실시예에 따라 제조된 탄소나노튜브 필드 에미터의 전자현미경 사진이다. 탄소나노튜브가 인듐층에 잘 결합하여 있음을 볼 수 있다. 대부분의 탄소나노튜브가 뭉쳐 있지 않고 각각 떨어져 분산된 상태로 존재함을 알 수 있다. 탄소나노튜브 필드 에미터의 단면인 도 2b로부터 탄소나노튜브가 균일한 길이로 기판과 수직하게 돌출 되어 있음을 알 수 있다. 전계 방출시 균일한 에미터의 길이는 균일한 전계 방출을 위한 중요한 요인으로 작용한다. 또한 아주 작은 직경으로 인해 탄소나노튜브 끝에 아주 강한 전기장이 발생하므로 전자의 방출이 용이하게 이루어진다. 탭핑(Taping) 과정을 통해 기판에 결합된 채로 누워있던 탄소나노튜브들은 대부분 도면에서 보는 바와 같이 수직 정렬된다. 혹 약하게 기판과 결합되어 있던 탄소나노튜브들도 상기 탭핑 과정을 통해 대부분 제거되므로 전제 방출시 ㅇ아아킹 이나 애노드(anode) 오염을 방지하는 효과를 얻는다.
도 3은 인듐층 사용 유무에 따라 제조된 탄소나노튜브 필드 에미터의 I-V 곡선이다. 전제 방출 실험은 다이오드 타입(diode type)으로 실시하였고 스페이서(spacer)는 0.5 mm이다. 턴온(Turn-on) 전기장은 각각 1.1과 1.3 V/㎛이고 최대 전류 밀도는 인듐을 사용치 않은 샘플이 2.3 V/㎛에서 26 ㎂/cm2, 인듐을 사용한 샘플이 2.3 V/㎛에서 370 ㎂/cm2이다. 좋은 전계 방출 소자는 턴온(turn-on) 전기장이 낮고 최대 전류 밀도가 높아야 한다. 기존의 인듐을 사용하지 않은 탄소나노튜브 필드 에미터의 I-V 곡선과 비교할 때 인듐층을 사용한 샘플의 경우가 비록 턴온(turn-on) 전기장은 약간 높지만 최대 전류 밀도면에서는 아주 우수한 특성을 보임을 알 수 있다. 이는 앞서 설명했듯이, 인듐층이 용융(melting)후 산화 및 질화되어 탄소나노튜브와 기판사이의 결합을 증가시킴으로서 전계 방출 강한 전기장에도 많은 수의 탄소나노튜브가 기판으로부터 떨어지지 않고 전자를 방출하기 때문이다.
도 4는 인듐 사용 유무에 따라 분사를 통해 얻어진 탄소나노튜브 필드 에미터의 수명 곡선이다. 0.1 mA/cm2의 초기 전류 밀도로부터 12시간 동안의 에미터의 전류 수명을 보여준다. 인듐을 증착하지 않고 준비된 탄소나노튜브 필드 에미터의 경우는 전류 밀도의 요동이 심함을 알 수 있는데 이는 탄소나노튜브와 기판 사이의 접촉력이 약해 쉽게 탄소나노튜브가 탈착되기 때문으로 결국 불완전한 전계 방출 현상이 발생하는 요인이 된다. 이에 반해 인듐층을 사용한 탄소나노튜브 필드 에미터의 경우는 아주 균일한 전류 밀도를 오랜 시간동안 유지하며 전계 방출 소자로서 우수한 특성을 나타내고 있다. 결국, 탄소나노튜브와 기판간의 강한 결합은 전계 방출 소자의 수명을 증가시키고 균일한 전계 방출을 내게 하는 중요한 요인이다.
이상 설명한 바와 같이, 얇은 인듐층위에 스프레이법을 이용한 탄소나노튜브 필드 에미터의 제조는 고 수율, 고 순도의 탄소나노튜브를 이용함으로서 정제 시 발생하는 탄소나노튜브의 전기적 구조의 변화 없이 탄소나노튜브 고유 특성의 측정이 가능하고 모든 과정이 상온에서 이루어지며 대면적, 선택적 증착이 가능한 장점이 있다. 또한 얇은 인듐층으로 인해 탄소나노튜브와 기판이 강하게 결합함으로서 탄소나노튜브 필드 에미터의 특성을 향상시킬 수 있다. 각종 고분자나 유기물에 의한 탄소나노튜브 필드 에미터의 구조 변화 및 아킹 현상이 발생치 않고 균일한 길이, 저항층의 이용 가능으로 인해 균일한 전계 방출 특성을 나타낸다. 본 발명은 간단한 제조과정과 저가의 탄소나노튜브 분말을 사용하기 때문에 대면적, 초저가 탄소나노튜브 필드 에미터 제조가 가능하다.
Claims (4)
- 인듐, 주석(Sn), 납(Pb), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 중에서 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속층을 ITO 기판 상에 증착하는 단계;탄소나노튜브 분산 용액을 준비하기 위하여 탄소나노튜브를 초음파 처리와 원심 분리를 이용하여 분산하는 단계;상기 탄소나노튜브 분산 용액을 상기 금속층 위에 분사시키는 단계; 및탄소나노튜브와 기판 간의 결합력을 향상시키기 위하여 열처리하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 필드 에미터 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 단계시 산소 또는 질소를 흘려주어 산화층 또는 질화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필드 에미터 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속층으로서 인듐을 사용할 경우, 인듐층의 두께는 100nm이고, 열처리 온도는 섭씨 350도인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 필드 에미터 제조 방법.
- 제 1항 내지 3항중 어느 한항에 따른 방법에 의해 제조된 탄소나노튜브 필드 에미터.
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