KR100993090B1 - Method for fabricating field emission electron source using gel-type conductive material and field electron emission device fabricated using therof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 젤 상태의 전도성 물질을 이용한 전계전자방출원 제조방법 및 이를 이용하여 제조한 전계전자방출소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 젤 타입의 전도성 물질을 일정형태로 제작된 틀 안에 넣고, 미리 준비된 탄소나노튜브 샘플을 접촉시켜 전도성 물질에 부착시킨 후, 틀을 제거하여 극소면적에 대해서도 원하는 형상의 전계방출소자를 용이하게 제작할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a field electron emission source using a conductive material in a gel state and to a field electron emitting device manufactured using the same, more specifically, a gel-type conductive material is put into a frame made in a predetermined form, and The present invention relates to a method of making a field emission device having a desired shape even in a very small area by removing a mold after contacting the prepared carbon nanotube sample with a conductive material.

Description

젤 상태의 전도성 물질을 이용한 전계전자방출원 제조방법 및 이를 이용하여 제조한 전계전자방출소자{METHOD FOR FABRICATING FIELD EMISSION ELECTRON SOURCE USING GEL-TYPE CONDUCTIVE MATERIAL AND FIELD ELECTRON EMISSION DEVICE FABRICATED USING THEROF}FIELD OF THE INVENTION A method for manufacturing an electric field electron emission source using a conductive material in a gel state and a field electron emission device manufactured by using the same.

본 발명은 젤 상태의 전도성 물질을 이용한 전계전자방출원 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전계전자방출소자에 관한 것으로, 원하는 형상의 전계전자방출원을 보다 용이하게 제조하기 위한 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a field electron emission source using a conductive material in a gel state and a field electron emission device manufactured using the same, and more particularly to a technique for more easily manufacturing a field electron emission source having a desired shape.

미세 구조물에 의한 전자방출원에서, 탄소나노튜브 또는 탄소나노와이어 등이 전자방출물질로서 선호된다. 탄소나노튜브는 튜브 형태로 성장(growth)되는 미세 구조물로서 형태상 다양한 유형이 알려져 있다. 이러한 탄소나노튜브는 매우 우수한 전기적, 기계적, 화학적, 열적 특성을 가지며, 상기 장점으로 인하여 다양한 분야에 응용되고 있다.In electron emission sources by microstructures, carbon nanotubes or carbon nanowires are preferred as electron emission materials. Carbon nanotubes are known as microstructures that grow in the form of tubes. These carbon nanotubes have very excellent electrical, mechanical, chemical, and thermal properties, and have been applied to various fields due to the above advantages.

아울러, 탄소나노튜브는 낮은 일함수(low work function)와 높은 종횡 비(high aspect ratio)를 가지며, 그 선단(top end 또는 emission end)이 작은 곡률 반경을 가지기 때문에 매우 큰 전계강화인자(field enhancement factor)를 가지며, 따라서 낮은 포텐셜의 전계(electric field)하에서도 전자를 방출할 수 있다. In addition, carbon nanotubes have a low work function and a high aspect ratio, and have a very large field enhancement because the top end or emission end has a small radius of curvature. and thus can emit electrons even under low potential electric fields.

종래의 탄소나노튜브 전계전자방출원의 제작 방법으로는 탄소나노튜브를 도전체, 예를 들어 캐소드 또는 기판 위에 직접 수직 성장시키는 방법과 별도 공정에서 합성된 탄소나노튜브 분말을 캐소드에 부착시키는 방법이 있다. Conventional methods for producing carbon nanotube field electron emission sources include a method of vertically growing carbon nanotubes directly on a conductor, for example, a cathode or a substrate, and attaching the carbon nanotube powder synthesized in a separate process to the cathode. have.

상기와 같은 방법으로 형성된 탄소나노튜브 전계전자방출원들은 전계를 인가하였을 때, 통상적으로 탄소나노튜브 선단으로부터 전자가 방출하게 되는 현상을 보이고 있으나, 최근에 탄소나노튜브의 선단이 아닌 탄소나노튜브의 표면으로부터 전자가 방출되는 현상(body emission)도 이론적으로 보고되었다.Carbon nanotube field electron emission sources formed by the above method show a phenomenon in which electrons are normally emitted from the tip of the carbon nanotubes when an electric field is applied, but recently, the carbon nanotubes are not the tip of the carbon nanotubes. Body emission of electrons from the surface has also been reported theoretically.

최근에는 X-ray 소스용 소자나 AFM(Atomic Force Microscope), SEM(Scanning Electron Microscope)의 팁과 같은 극소면적의 전계전자방출소자로써, 탄소나노튜브를 이용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. Recently, researches on using carbon nanotubes have been actively conducted as field emission devices having very small areas such as X-ray source devices, AFM (Atomic Force Microscope) and SEM (Scanning Electron Microscope) tips.

기존에 전계 전자방출디스플레이(FED)를 위한 탄소나노튜브 전계전자방출소자의 제작방법으로는 스크린 프린팅법이 널리 쓰이고 있지만, 극소면적의 전계방출소자에 응용하기에는 방출되는 전류밀도나 그 형상을 제어하는데 있어서 한계가 있다. Conventionally, the screen printing method is widely used as a method of manufacturing carbon nanotube field emission devices for field emission devices (FED). There is a limit.

따라서, 탄소나노튜브를 이용하여 극소면적의 전계방출소자를 제작하는 다양 한 시도들이 여러 연구기관에서 진행되고 있다. 대표적으로 텅스텐과 같은 전도성 마이크로 팁 끝에 탄소나노튜브를 성장시키는 방법이나 탄소나노튜브 얀을 이용하는 방법, 레이저 조사를 통해 탄소나노튜브와 마이크로 팁을 결합하는 방법, 전기영동법을 이용하여 탄소나노튜브를 마이크로 팁에 붙이는 방법이 있다. Therefore, various attempts are being made at various research institutes to fabricate very small field emission devices using carbon nanotubes. Typically, carbon nanotubes are grown on the ends of conductive micro tips such as tungsten, carbon nanotube yarns are used, carbon nanotubes and micro tips are combined by laser irradiation, and electrophoresis is used to There is a way to attach to the tip.

기존에 극소면적의 CNT 전계방출소자를 제작하기 위한 방법들에는 다음과 같은 문제점들이 있다. 전도성 마이크로 팁 끝에 CNT를 성장시키는 방법의 경우, CNT의 종류나 그 구조제어가 매우 어려우며 마이크로 팁과 CNT가 촉매로 결합되어 있더라도 그 결합력이 매우 약해 쉽게 떨어질 수 있다. CNT 얀을 이용하는 방법 역시 CNT의 종류나 구조제어가 어렵기 때문에 상용화가 쉽지 않다. 레이저 조사를 통해 CNT와 마이크로 팁을 연결하는 방법 또한 정밀한 공정제어가 필요하고 그에 따라 수반되는 비용이 크기 때문에 상용화되기 어려우며, 전기영동법을 이용하여 CNT를 마이크로 팁 끝에 붙이는 공정도 CNT가 팁 끝에 단순히 물리적으로만 결합되어 있기 때문에 전계방출측정 중 쉽게 탈착될 여지가 있다.Existing methods for manufacturing a very small area CNT field emission device have the following problems. In the case of growing the CNT at the end of the conductive micro tip, it is very difficult to control the type or structure of the CNT, and even if the micro tip and the CNT are coupled with a catalyst, the bonding force is very weak and can easily be dropped. The method using CNT yarn is also difficult to commercialize because it is difficult to control the type or structure of CNT. The method of connecting the CNT and the micro tip by laser irradiation is also difficult to commercialize because of the precise process control and the high cost involved.The process of attaching the CNT to the tip of the micro tip by using electrophoresis is simply a physical Because it is only combined with, it can be easily detached during field emission measurement.

본 발명은 젤 타입의 전도성 물질을 일정 형상의 성형틀 안에 채운 후, 탄소나노튜브와 전도성 물질을 접촉시켜, 결국 일정부분의 탄소나노튜브가 전도성 물질 속으로 심어진 구조로써, 매우 안정한 결합력을 가지는 전계전자방출원 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention fills a gel-type conductive material in a mold of a predetermined shape, and then contacts the carbon nanotubes with the conductive material, so that a portion of the carbon nanotubes are planted into the conductive material, thereby having a very stable electric field. An object of the present invention is to provide a method for producing an electron emission source.

아울러, 본 발명은 고온열처리기의 수리에 쓰이는 고진공/고온용 그라파이트 접착제를 일정 형상의 틀에 채우고, 전계전자방출원와 접촉을 통해 그라파이트 상에 전계전자방출원를 고정시키게 된다. 그 후 소성을 거치면 그라파이트 접착제에 포함된 바인더 물질은 증발하고 틀 안에는 온전히 전계전자방출원과 그라파이트만이 결합되어 있는 구조를 지니게 된, 전계전자방출원/그라파이트 구조의 전계전자방출소자 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, the present invention is filled with a high vacuum / high temperature graphite adhesive used in the repair of the high temperature heat processor in a predetermined shape of the frame, and the electric field emission source is fixed on the graphite through contact with the field electron emission source. Then, after firing, the binder material included in the graphite adhesive evaporates and the structure has a structure in which only the electron emission source and graphite are completely combined in the frame, thereby providing a method for manufacturing an electric field emission device having a field emission source / graphite structure. It is for that purpose.

본 발명에 따른 전계전자방출원 제조방법은 적어도 한 면이 오픈된 성형틀을 마련하는 단계와, 상기 성형틀 내부에 젤 타입의 전도성 물질을 채우되, 상기 젤 타입의 전도성 물질이 오픈된 면의 표면까지 채워지도록 하는 단계와, 상기 성형틀의 상기 오픈된 면에 탄소나노튜브를 접촉시켜 상기 탄소나노튜브의 선단이 상기 젤 타입의 전도성 물질에 매립되도록 하는 단계 및 상기 성형틀을 제거하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing an electric field emission source according to the present invention includes the steps of providing a molding mold having at least one side open, and filling a gel-type conductive material in the mold, wherein the gel-type conductive material has an open side. Filling the surface to the surface, contacting the carbon nanotubes with the open surface of the mold to allow the tip of the carbon nanotube to be embedded in the gel-type conductive material, and removing the mold. Include.

아울러, 본 발명에 따른 전계전자방출원은 상술한 방법을 이용하여 제조하며, 본 발명은 상기 전계전자방출원으로 이루어지는 전계전자방출 소자를 포함한다.In addition, the field electron emission source according to the present invention is prepared by using the above-described method, the present invention includes a field electron emission device consisting of the field electron emission source.

본 발명은 상술한 바와 같이 젤 타입의 전도성 물질을 성형틀에 고정시키고 탄소나노튜브를 결합시킴으로써, 전계전자방출원을 용이하게 제조할 수 있다. 이와 같이 전계전자방출원의 제작이 용이해지면, 탄소나노튜브의 구조 제어나 종류에 대한 선택이 다양해 질 수 있다. 특히, 성형틀의 크기를 자유롭게 조절하여 아주 미세한 면적에서부터 넓은 면적을 가지는 전계전자방출원까지 그 모양을 다양하고, 용이하게 제조할 수 있고, 이를 이용하여 극소면적의 전계전자방출 소자 제작도 용이하게 수행할 수 있다. According to the present invention, the field-type electron emission source can be easily manufactured by fixing a gel-type conductive material to a mold and bonding carbon nanotubes as described above. As described above, when the field electron emission source is easily manufactured, the selection of the structure control and the type of the carbon nanotubes may be varied. In particular, the shape of the mold can be freely adjusted, and its shape can be easily and variously manufactured from a very small area to an electric field emission source having a large area. Can be done.

아울러, 전도체에 직접적 접촉시키는 방식으로 탄소나노튜브를 고정시켜주기 때문에, 접착 결합력을 확실하게 부여할 수 있으며, 전계전자방출 소자 제작을 위한 준비절차나 그 방법이 매우 간단하므로, 상용화하기 쉽고, 제조비용 및 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.In addition, since the carbon nanotubes are fixed by direct contact with the conductors, the adhesive bonding force can be reliably given, and the preparation procedure or the method for fabricating the field electron emission device is very simple, so that it is easy to be commercialized and manufactured. It offers the effect of improving cost and productivity.

이하에서는 본 발명에 따른 전계전자방출원 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 전계전자방출 소자에 관하여 상세히 설명하는 것으로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a field electron emission source and a field electron emission device manufactured using the same according to the present invention will be described in detail.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 전계전자방출원을 제조하는 방법을 나타낸 개략도들이다.1A to 1D are schematic diagrams showing a method of manufacturing a field electron emission source according to the present invention.

도 1a를 참조하면, 성형틀(100) 내부에 젤 타입의 전도성 물질(110)을 채워 넣는다. 이때, 성형틀(100)의 형태는 제한이 없으나, 탄소나노튜브가 접촉될 수 있도록 적어도 일면은 오픈이 된 형태가 되어야 한다. 일반적으로 실린더 또는 튜브 형태가 바람직하며, 유리 또는 금속으로 형성된 성형틀(100)을 사용하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1A, the gel-type conductive material 110 is filled into the mold 100. At this time, the shape of the mold 100 is not limited, but at least one surface should be an open form so that the carbon nanotubes can be contacted. In general, a cylinder or tube is preferable, and it is preferable to use a molding die 100 formed of glass or metal.

다음으로, 젤 타입의 전도성 물질(110)은 그라파이트 접착제(Graphite Adhesive) 조성물로 이루어지는 물질 또는 전도성 고분자 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 그라파이트 접착제(Graphite Adhesive) 조성물은 그라파이트, 바 인더 및 유기 용제를 조합하여 젤 형태가 되도록 한다. 그라파이트의 비율은 전체 조정물 중량의 70 ~ 80중량%가 되도록 하는 것이 바라직하며, 잔량의 범위내에서 바인더 및 유기 용제의 양을 조절한다. Next, the gel type conductive material 110 is preferably made of a graphite adhesive composition or a conductive polymer material. In this case, the graphite adhesive composition is a combination of graphite, binder and an organic solvent to form a gel. It is desired that the proportion of graphite be 70 to 80% by weight of the total weight of the adjuster, and the amount of the binder and the organic solvent is adjusted within the remaining amount.

그라파이트의 첨가량이 70중량%미만일 경우 전기 전도성이 떨어지게 되고, 80중량%를 초과할 경우에는 젤 형태가 이루어지지 않아 성형틀(100) 내부에 채워 넣거나 후속 공정에서 탄소나노튜브를 접착시키는 공정이 정상적으로 수행되지 않는다.If the amount of graphite is less than 70% by weight, the electrical conductivity is lowered, and if the amount of graphite is more than 80% by weight, the gel form is not made, so that the filling process into the mold 100 or the carbon nanotubes in the subsequent process is normally performed. Not performed.

그 다음으로, 젤 타입의 전도성 물질(110)로 전도성 고분자 물질을 사용할 수 있다. 전도성 고분자 물질로는 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리티오펜(Polythiophene) 및 폴리설퍼니트리드(Poly Sulfur Nitride) 중 선택된 하나 이상의 물질이 사용되는 것이 바람직하며, 여기에는 그라파이트(Graphite) 또는 탄소나노입자로 이루어지는 도전성 필러(Filler)를 포함되도록 하는 것이 바람직하다.Next, a conductive polymer material may be used as the gel type conductive material 110. As the conductive polymer material, at least one material selected from polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and poly sulfur nitride may be used. It is preferable to include a conductive filler made of graphite or carbon nanoparticles.

이와 같이, 성형틀(100) 및 젤 타입의 전도성 물질(110)을 이용하여 전계전자방출원의 기본 형태를 제작하고, 성형틀(100)의 오픈 영역에 탄소나노튜브 접착을 위한 준비 단계를 수행한다.As such, the basic shape of the field electron emission source is manufactured by using the mold 100 and the gel-type conductive material 110, and a preparation step for bonding carbon nanotubes to the open region of the mold 100 is performed. do.

도 1b를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(120) 상부에 수직 정렬된 탄소나노튜브(130)을 형성하고, 그 상부에 상기 도 1a에서 설명한 젤 타입의 전도성 물 질(110)이 채워진 성형틀(100)을 정렬 시킨다. 이때, 탄소나노튜브(130)는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon NanoTube; MWCNT), 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube, SWCNT) 및 이중벽 탄소나노튜브(Double-Walled Carbon Nanotube, DWCNT) 중 하나 이상 사용하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1B, a molding mold 100 in which carbon nanotubes 130 vertically aligned are formed on an upper portion of a silicon wafer 120, and the gel type conductive material 110 described in FIG. 1A is filled thereon. Align it. At this time, the carbon nanotube 130 is a multi-wall carbon nanotube (MWCNT), a single-walled carbon nanotube (SWCNT) and a double-walled carbon nanotube (Double-Walled Carbon Nanotube, Preference is given to using one or more of DWCNTs).

아울러, 도시된 그림은 수직정렬된 타입만을 나타내고 있으나, 그 외에 경사정렬된 타입 또는 파우더 타입 중 선택된 하나 이상의 탄소나노튜브(130)를 사용하여도 된다.In addition, although the illustrated figure shows only the vertically aligned type, in addition, one or more carbon nanotubes 130 selected from the diagonally aligned type or the powder type may be used.

이와 같이, 전계전자방출원 제조를 위한 탄소나노튜브(130)의 준비가 완료되면, 전계전자방출원의 몸통이 되는 부분에 탄소나노튜브(130)를 접착시키는 과정을 수행한다.As such, when the preparation of the carbon nanotubes 130 for the field electron emission source is completed, the process of adhering the carbon nanotubes 130 to the body of the field electron emission source is performed.

도 1c를 참조하면, 성형틀(100)의 오픈된 영역을 탄소나노튜브(130)에 접촉시킴으로써, 오픈 영역의 표면까지 채워진 젤 타입의 전도성 물질(110)에 탄소나노튜브(130)의 선단이 매립되어 고정되도록 한다. 이때, 성형틀(100)이 하나 이상의 오픈 영역을 가질 경우 모든 오픈 영역에 탄소나노튜브(130)를 접착시켜도 되고, 필요에 따라 선택된 일면에만 접착시킬 수 있다.Referring to FIG. 1C, by contacting the open area of the mold 100 with the carbon nanotubes 130, the tip of the carbon nanotubes 130 may be attached to the gel-type conductive material 110 filled up to the surface of the open area. Be buried and fixed. In this case, when the mold 100 has one or more open regions, the carbon nanotubes 130 may be adhered to all open regions, and may be adhered only to one surface selected as necessary.

아울러, 젤 타입의 전도성 물질(110)을 그라파이트 접착제 조성물로 이루어진 물질로 사용할 경우 접착제 성분을 제거하기 위하여 소성 공정을 수행한다. 이때, 소성 공정은 그라파이트를 제외한 모든 성분이 제거될 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 소성 공정이 완벽하게 수행될 경우 순수한 그라파이트와 탄소나노튜브의 접합 상태를 형성할 수 있게 되므로, 전도 특성을 극대화 시킬 수 있다.In addition, when the gel type conductive material 110 is used as a material composed of a graphite adhesive composition, a baking process is performed to remove the adhesive component. At this time, the calcination process is preferably to remove all components except the graphite, and when the calcination process is carried out completely it is possible to form a junction state of pure graphite and carbon nanotubes, thereby maximizing the conductivity characteristics have.

이와 같은 공정을 통하여, 전계전자방출원의 개략적인 형태를 완성할 수 있으며, 기타 마무리 공정을 수행하여 전계전자방출원 제조를 완료한다.Through such a process, a schematic form of the field electron emission source can be completed, and other finishing processes are performed to complete the manufacture of the field electron emission source.

도 1d를 참조하면, 성형틀(100)을 제거하여 가느다란 팁 형태의 전계전자방출원(150)을 완성한다. 이때, 마무리 공정으로 탄소나노튜브(130)의 선단이 매립된 전도성 물질 부분을 플라즈마 처리, 테이핑 처리 및 레이저 처리 중 하나 이상의 방법으로 표면 처리하여 전계전자방출 특성이 최대가 될 수 있도록 한다.Referring to FIG. 1D, the forming mold 100 is removed to complete the field electron emission source 150 in the form of a thin tip. In this case, the conductive material portion in which the tip of the carbon nanotube 130 is embedded in the finishing process may be surface treated by at least one of plasma treatment, taping treatment, and laser treatment to maximize the field electron emission characteristic.

상술한 바와 같이 제조된 전계전자방출원(150)은 제조가 용이하면서도, 탄소나노튜브(130)를 안정적으로 전도성 물질(110)에 접착시킴으로써, 전계전자방출 특성을 극대화 시킬 수 있다.The field electron emission source 150 manufactured as described above may be easily manufactured, and the carbon nanotubes 130 may be stably adhered to the conductive material 110 to maximize the field electron emission characteristics.

이와 같이 전계전자방출 특성을 측정하기 위하여 다음 실시예1과 같은 방법으로 본 발명에 따른 전계전자방출 소자 샘플을 제작하였다.Thus, in order to measure the field electron emission characteristics, a field electron emission device sample according to the present invention was prepared in the same manner as in Example 1.

실시예1Example 1

내부 지름 0.7mm, 길이 8.5mm 의 유리관에 그라파이트가 80중량% 첨가된 젤 형태의 전도성 물질을 채워 넣고, 유리관 일측의 오픈된 면을 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube, MWCNT)에 접촉시킴으로써, 전계전자방출원을 완성하였다.A glass tube of 0.7 mm in diameter and 8.5 mm in length is filled with a conductive material in the form of gel containing 80 wt% graphite, and the open side of one side of the glass tube is in contact with a multi-walled carbon nanotube (MWCNT). By doing so, the field electron emission source was completed.

비교예1Comparative Example 1

실시예1과 동일한 모양 및 사이즈의 전계전자방출원을 제조하되, 전기 영동법을 이용하여 전계전자방출원을 제조하였다.An electron emission source of the same shape and size as in Example 1 was prepared, but an electron emission source was prepared using electrophoresis.

도 2는 본 발명에 따른 전계전자방출원을 나타낸 SEM 사진이다.2 is a SEM photograph showing the field electron emission source according to the present invention.

도 2는 상기 실시예1에 의해 제작된 전계전자방출원의 팁 부분을 확대하여 촬영한 것으로, 그라파이트에 다중벽 탄소나노튜브가 수직 정렬된 상태로 파묻혀서 고정되어 있는 것을 볼 수 있다.2 is an enlarged image of the tip of the field emission source produced in Example 1, and it can be seen that the multi-walled carbon nanotubes are embedded in graphite in a vertically aligned state.

반면에, 상기 비교예1의 전기 영동법으로는 이와 같은 샘플을 제작하는 것이 불가능하였다.On the other hand, it was impossible to produce such a sample by the electrophoresis method of Comparative Example 1.

그 다음에는, 상기 실시예1에 따른 전계전자방출 소자의 전계전자방출 특성을 조사하였다.Next, the field electron emission characteristics of the field electron emission device according to Example 1 were investigated.

전계전자 방출실험은 하기 도 3과 같은 구조의 장치를 이용하여 수행하였다.Field electron emission experiment was performed using a device having a structure as shown in FIG.

도 3은 본 발명에 따른 전계전자방출 소자의 특성을 시험하는 방법을 도시한 개략도이다.Figure 3 is a schematic diagram showing a method for testing the characteristics of the field electron-emitting device according to the present invention.

도 3을 참조하면, 캐소드(Cathode(-), 200) 상부에 상기 실시예1에 의해 제작된 전계전자방출원(250)을 장착하고, 전계전자방출원(250) 상부에 스테인리스 스틸 금속판인 애노드(Anode(+), 220)를 위치시킨다. 이때, 그라파이트(210)가 캐소드(Cathode(-), 200)에 접촉되도록 하고, 탄소나노튜브(230)가 애노드(Anode(+), 220)와 마주보도록 전계전자방출원(250)을 위치시키고, 전계전자방출원(250)과 애노드(Anode(+), 220) 사이의 이격거리는 2mm 가 되도록 한다.Referring to FIG. 3, the cathode (-) 200 is mounted on the field emission source 250 manufactured by Example 1 above, and the anode is a stainless steel metal plate on the field emission source 250. Place (Anode (+), 220). At this time, the graphite 210 is in contact with the cathode (Cathode (-), 200), the carbon nanotubes 230 is positioned the field electron emission source 250 so as to face the anode (Anode (+), 220) The distance between the field emission source 250 and the anode (Anode (+), 220) is 2mm.

다음에는, 캐소드(Cathode(-), 200) 및 애노드(Anode(+), 220)에 0V ~ 2000V의 전압을 인가하면서, 1*10-7 Torr의 진공도를 유지한 상태에서 전계전자방출 특성을 조사하였다.Next, while applying a voltage of 0V to 2000V to the cathode (Cathode (-), 200) and the anode (Anode (+), 220), the field electron emission characteristics were maintained while maintaining a vacuum degree of 1 * 10 -7 Torr. Investigate.

도 4는 본 발명에 따른 전계전자방출 소자의 전류밀도와 전계 관계를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing the relationship between the current density and the electric field of the field electron emission device according to the present invention.

도 4는 상기 도 3의 실험에 의한 결과로서, 0.42 ~ 0.52V/㎛의 낮은 전계(Electric Field)에서 5 ~ 100mA/cm2로 높은 수준의 전류밀도 값(Current Density)을 얻을 수 있었다. As a result of the experiment of FIG. 3, FIG. 4 was able to obtain a high level of current density (Current Density) of 5 to 100 mA / cm 2 at a low electric field of 0.42 to 0.52 V / μm.

일반적으로 FED 소자를 구현하기 위해서는 0.01 ~ 5.00 V/㎛ 의 전계에서 1 ~ 150 ㎂/cm2 수준의 전류밀도 값을 요구하고, X-ray소스용의 경우 0.01 ~ 5.00 V/㎛ 의 전계에서 1 ~ 99 mA/cm2 수준의 전류밀도 값을 요구하고 있으므로, 본 발명에 따른 전계전자방출 소자는 매우 우수한 전류밀도-전계 관계를 가짐을 알 수 있다.In general, in order to implement FED devices, current density values of 1 to 150 mA / cm 2 are required in an electric field of 0.01 to 5.00 V / μm, and an electric field of 0.01 to 5.00 V / μm for an X-ray source is required. Since a current density value of ~ 99 mA / cm 2 is required, it can be seen that the field electron emission device according to the present invention has a very good current density-field relationship.

도 5는 본 발명에 따른 전계전자방출 소자의 파울러와 노르다임 관계를 나타 낸 그래프이다.5 is a graph showing the relationship between the Fowler and the nordim of the field emission device according to the present invention.

여기서, 파울러 노르다임 이론은 다음과 같다.Here, Fowler Nordheim theory is as follows.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112009018402479-pat00001
Figure 112009018402479-pat00001

이때, J는 전류밀도, F는 전기장의 세기, φ는 물질의 일함수, β는 전계강화인자(field enhancement factor)를 말한다. 즉, 어떤 물질에 대해 외부에서 주어지는 전기장의 세기가 일정하다면, 물질의 일함수는 고정되어 있기 때문에 전계강화인자(field enhancement factor) β가 클수록 더 큰 전류밀도를 가질 수 있다. β를 다시금 표현하면 β=Floc/F 로써 외부에서 주어진 전기장(F)에 대해 실제로 물질에 걸리는 전기장(Floc)에 대한 비율을 표현하는 것이다. β는 일반적으로 전계방출소자의 반경에 비례하며 높이에 반비례한다.Where J is the current density, F is the strength of the electric field, φ is the work function of the material, and β is the field enhancement factor. That is, if the strength of the external electric field is constant for a material, the work function of the material is fixed, so that the larger the field enhancement factor β, the greater the current density. In other words, β = F loc / F is the ratio of the electric field (F loc ) actually applied to the material with respect to the electric field (F) given from the outside. β is generally proportional to the radius of the field emission device and inversely proportional to its height.

이러한 β은 전계방출실험 후 파울러-노르다임 그래프를 통해 정확하게 파악할 수 있다. 아울러, 상기 [수학식 1]은 아래와 같은 [수학식 2]로 변형이 된다. Such β can be accurately determined through the Fowler-Nordim graph after the field emission experiment. In addition, [Equation 1] is transformed to the following [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112009018402479-pat00002
Figure 112009018402479-pat00002

여기서, 파울러-노르다임 그래프는 x축을 (1/F), y축을 log(J/F2)에 대해 나타내므로, 그래프의 기울기를 통해 β값의 정도를 파악할 수 있다. 그래프 상에서는 상기 [수학식 2]의 log(J/F2)는 Ln(J/F2)로 나타내었다.Here, the Fowler-nordim graph shows the x-axis for (1 / F) and the y-axis for log (J / F 2 ), so that the degree of β value can be determined through the slope of the graph. On the graph, log (J / F 2 ) of Equation 2 is expressed as Ln (J / F 2 ).

따라서, 도 5를 참조하면 1/F(㎛/V) 값에 대한 Ln(J/F2)의 전계강화인자(β) 값이 13735로써 일반적인 탄소나노튜브의 전계강화인자 값(2000 ~ 3000)을 크게 회하는 수준임을 알 수 있다. Therefore, referring to FIG. 5, the field strengthening factor (β) value of Ln (J / F 2 ) with respect to the 1 / F (μm / V) value is 13735. It can be seen that the level is greatly recalled.

상술한 바와 같이, 본 발명은 우수한 전계전자방출 특성을 가지고 있는데 비하여, 그 제조 방법 매우 간단하므로 그 활용 범위 또한 매우 넓음을 알 수 있다. 본 발명에 따른 전계전자방출원을 이용하여 제조한 전계전자방출 소자는 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 박테리아 살균용 전자빔 방출장치, 비파괴 검사용 전자빔 방출장치, 조명용으로 이용되는 가시 광원(Visible light source), 램프, 표시장치, 평판 디스플레이용 백라이트 장치, x-ray 장치용 전자 소스, 고출력 마이크로웨이브용 전자 소스, 발광장치, 광고판, 교통표지판, 신호등에 적용이 가능하다. As described above, the present invention has excellent field electron emission characteristics, and the manufacturing method thereof is very simple, and thus the use range is also very wide. The field electron emission device manufactured using the field electron emission source according to the present invention may be applied to various fields. For example, bacteria sterilization electron beam emitter, non-destructive inspection electron beam emitter, Visible light source used for lighting, lamp, display, backlight device for flat panel display, electron source for x-ray device, high power It can be applied to microwave electron source, light emitting device, advertisement board, traffic sign, signal lamp, etc.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the above embodiments and can be manufactured in various forms, and a person of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It will be appreciated that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 전계전자방출원을 제조하는 방법을 나타낸 개략도들.1A to 1D are schematic views showing a method of manufacturing a field electron emission source according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 전계전자방출원을 나타낸 SEM 사진.2 is a SEM photograph showing a field electron emission source according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 전계전자방출 소자의 특성을 시험하는 방법을 도시한 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing a method for testing the characteristics of the field electron-emitting device according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 전계전자방출 소자의 전류밀도와 전계 관계를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the current density and the electric field relationship of the field electron emission device according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 전계전자방출 소자의 파울러와 노르다임 관계를 나타낸 그래프.Figure 5 is a graph showing the relationship between the Fowler and Nordic of the field electron emission device according to the present invention.

Claims (12)

(a) 적어도 한 면이 오픈된 성형틀을 마련하는 단계;(a) providing a mold having at least one side open; (b) 상기 성형틀 내부에 젤 타입의 전도성 물질을 채우되, 상기 젤 타입의 전도성 물질이 오픈된 면의 표면까지 채워지도록 하는 단계;(b) filling a gel-type conductive material in the mold, such that the gel-type conductive material is filled to the surface of the open surface; (c) 상기 성형틀의 상기 오픈된 면에 탄소나노튜브를 접촉시켜 상기 탄소나노튜브의 선단이 상기 젤 타입의 전도성 물질에 매립되도록 하는 단계; 및(c) contacting the open surfaces of the mold to allow carbon nanotubes to be embedded in the gel-type conductive material; And (d) 상기 성형틀을 제거하는 단계를 포함하는 전계전자방출원 제조방법.(d) a method for manufacturing a field electron emission source comprising the step of removing the mold. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 성형틀은 유리 또는 금속으로 형성된 튜브를 사용하는 것을 특징으로 하는 전계전자방출원 제조방법.The forming mold is a method for producing a field electron emission source, characterized in that using a tube formed of glass or metal. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 젤 타입의 전도성 물질은 그라파이트 접착제(Graphite Adhesive) 조성물로 이루어지는 물질 또는 전도성 고분자 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 전계전자방출원 제조방법.The gel-type conductive material is a method for producing a field electron emission source, characterized in that using a conductive material or a material consisting of a graphite adhesive (Graphite Adhesive) composition. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 그라파이트 접착제(Graphite Adhesive) 조성물은 그라파이트, 바인더 및 유기 용제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계전자방출원 제조방법.The graphite adhesive composition is a field electron emission source manufacturing method characterized in that consisting of a graphite, a binder and an organic solvent. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 전도성 고분자 물질은 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리아닐린(Polyaniline), 폴리피롤(Polypyrrole), 폴리티오펜(Polythiophene) 및 폴리설퍼니트리드(Poly Sulfur Nitride) 중 선택된 하나 이상의 물질이 사용되는 것을 특징으로 하는 전계전자방출원 제조방법.The conductive polymer material is an electric field characterized in that at least one material selected from polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and poly sulfur furnitrile is used. Electronic emission source manufacturing method. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 전도성 고분자 물질은 그라파이트(Graphite) 또는 탄소나노입자로 이루어지는 도전성 필러(Filler)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계전자방출원 제조방법.The conductive polymer material is a field electron emission source manufacturing method characterized in that it comprises a conductive filler (Filler) made of graphite (Craphite) or carbon nanoparticles. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Wall Carbon NanoTube; MWCNT), 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube, SWCNT) 및 이중벽 탄소나노튜브(Double-Walled Carbon Nanotube, DWCNT) 중 하나 이상 사용하는 것을 특징으로 하는 전계전자방출원 제조방법.The carbon nanotubes are one of multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs), single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), and double-walled carbon nanotubes (DWCNTs). A method for producing an field electron emission source, characterized by using above. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탄소나노튜브는 수직정렬된 타입, 경사정렬된 타입 및 파우더 타입 중 선택된 하나 이상 사용하는 것을 특징으로 하는 전계전자방출원 제조방법.The carbon nanotubes are a field electron emission source manufacturing method, characterized in that using at least one selected from the vertically aligned type, the gradient aligned type and the powder type. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (c) 단계 및 상기 (d) 단계 사이에, 상기 젤 타입의 전도성 물질을 소성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계전자방출원 제조방법.Between the step (c) and the step (d), further comprising the step of firing the conductive material of the gel type. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 (d) 단계 이후에 상기 탄소나노튜브의 선단이 매립된 상기 젤 타입의 전도성 물질 부분을 플라즈마 처리, 테이핑 처리 및 레이저 처리 중 하나 이상의 방법으로 표면 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계전자방출원 제조방법.And after the step (d), surface treating the gel-type conductive material portion having the carbon nanotube embedded therein by at least one of plasma treatment, taping treatment and laser treatment. Electronic emission source manufacturing method. 제 1 항 내지 제 10 항 중 선택된 어느 한 항의 방법으로 제조된 전계전자방출원.A field electron emission source prepared by the method of any one of claims 1 to 10. 제 11 항의 전계전자방출원을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계전자방출 소자.A field electron emission device comprising the field electron emission source of claim 11.
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