KR101015150B1 - 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 FED 소자의 전계 방출용 탄소나노튜브 제조를 위해 금속 나노 입자를 기판 상에 적층한 후 열처리하여 나노입자 사이에 공극을 형성한 후 그 상부에 탄소나노튜브 잉크젯팅을 하여 탄소나노튜브의 일단이 공극사이에 물리적으로 끼게(anchoring)한 후 후열처리하여 금속나노입자들이 서로 연결되면서 탄소나노튜브들의 일단을 잡아주어 탄소나노튜브의 접착력을 향상시키고, 전계 방출 능력이 개선된 구조를 얻을 수 있도록 하는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자는, 수계 잉크를 제공하는 단계; 기판상에 상기 수계 잉크로 패턴을 인쇄하는 단계; 인쇄된 상기 패턴을 열처리 및 경화하여 공극을 형성시키는 단계; 공극이 형성된 상기 패턴 상에 탄소나노튜브 조성물을 인쇄하는 단계; 탄소나노튜브 조성물이 인쇄된 상기 기판을 후열처리하는 단계; 후열처리된 상기 기판을 활성화하는 단계에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.

수계 잉크, 탄소 나노 튜브, 전계 방출 소자, 금속 나노 입자

Description

금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법{Field emission device using metal nanoparticle and method thereof}

본 발명은 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 FED 소자의 전계 방출용 탄소 나노 튜브 제조를 위해 금속 나노 입자를 기판 상에 적층한 후 열처리하여 나노입자 사이에 공극을 형성한 후 그 상부에 탄소나노튜브 잉크젯팅을 하여 탄소나노튜브의 일단이 공극사이에 물리적으로 끼게(anchoring)한 후 후열처리하여 금속나노입자들이 서로 연결되면서 탄소나노튜브들의 일단을 잡아주어 탄소나노튜브의 접착력을 향상시키고, 전계 방출 능력이 개선된 구조를 얻을 수 있도록 하는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

정보 통신 기술의 급격한 발전과 다양한 정보의 시각화에 대한 요구에 따라 전자 디스플레이에 대한 수요는 더욱 증가하고 있고, 요구되는 디스플레이의 형태 또한 다양해지고 있다.

이와 같은 요구에 대응하기 위해 전자 디스플레이에는 대형화, 저가격화, 고 성능화, 박형화, 경량화 등이 필수적이고, 이러한 요구사항을 만족하기 위해 기존의 CRT를 대체할 수 있는 가볍고 얇은 평판 디스플레이 장치가 개발되었다.

최근에는 전계 방출(field emission)을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되어 크기 및 전력 소모를 감소시키고 높은 해상도를 제공할 수 있는 박막 디스플레이 개발이 활발해지고 있다.

전계 방출 소자(field emission display, FED)는 진공 속의 금속 또는 도체 표면(에미터) 상에 고전계가 인가될 때 전자들이 금속 또는 도체로부터 진공 밖으로 나오는 양자역학적 터널링 현상을 이용한 것이다. 전계 방출 소자는 전자 방출원인 에미터와 방출된 전자가 충돌하여 발광하는 애노드부, 상하판 사이를 지지하는 스페이서 및 진공 기밀을 유지하기 위한 실링부 등으로 구성되어 있다.

최근 들어 탄소 나노 튜브(탄소나노튜브)가 기계적으로 강하고 화학적으로 상당히 안정하여 비교적 낮은 진공도에서 전자 방출이 우수하다는 이유로 전계 방출 소자에 이용되고 있으며, 이와 같은 탄소 나노 튜브는 작은 직경(약 1.0 ~ 수십 nm)을 갖기 때문에 종래의 마이크로 팁 형 전계 방출 팁에 비해 전계 강화 효과가 상당히 우수하여, 전자 방출이 낮은 임계 전계(약 1 ~ 5V/㎛)에서 이루어질 수 있게 되므로 전력 손실 및 생산단가를 줄일 수 있는 장점을 갖는다.

도1은 탄소나노튜브 캐소드 제조를 위해 잉크젯 프린트 방법을 사용하는 전계방출 소자 제조 공정을 나타낸 도면이다.

도1에 도시된 바와 같이, 먼저 탄소나노튜브와 유기 바인더 등을 포함하는 잉크를 제조한 후, 유리 기판 위에 용융온도가 450℃ 미만인 금속을 진공 증착하여 게이트 전극을 형성하고, 게이트 전극 상부에 절연층을 형성한다. 게이트 전극과 절연층이 형성된 기판을 가열함과 동시에 절연층 상부에 탄소나노튜브와 유기 바인더 등이 포함된 잉크를 인쇄하여 패턴을 형성한 후, 열 처리(thermal annealing)를 통해 접착시켜 탄소나노튜브 캐소드를 형성한다. 애노드 전극과 형광체 등이 들어 있는 애노드 판을 탄소나노튜브 캐소드 위에 형성하고 스페이서를 애노드(anode) 판과 캐소드 판 사이에 삽입하여 고진공 속에서도 두 개의 상하 플레이트가 일정한 간격을 유지하도록 한 후, 상하 플레이트 사이를 진공이 되도록 실링하고 테스트하는 과정을 통해 전계방출 소자가 제조될 수 있다.

그러나 상술한 바와 같이 탄소나노튜브를 금속 박막에 접착하는 방법은, 첫째, 탄소나노튜브 잉크젯 프린트 공정 전에 진공 증착 장치를 이용하여 금속 박막을 먼저 형성해야 하고, 둘째, 금속 박막에 탄소나노튜브를 접착시키는 경우 유리기판의 손상을 방지하기 위해 열처리 온도를 450℃ 이하로 제한해야 하므로 접착층의 선택에 제한이 있을 뿐만 아니라, 도2에 도시된 바와 같이 접합된 탄소나노튜브가 기판에 수직으로 접합되는 확률이 떨어지기 때문에 전계 방출 효과가 떨어지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 금속 나노 입자가 포함된 수계잉크로 패터닝하여 나노입자 사이에 공극을 형성한 후 다시 탄소나노튜브를 잉크젯 프린트하여 캐소드를 형성함으로써 탄소나노튜브가 기판에 강하게 접착할 수 있는 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 금속 나노 입자가 포함된 수계잉크로 패터닝하여 나노입자 사이에 공극을 형성한 후 다시 탄소나노튜브를 잉크젯 프린트하여 캐소드를 형성한 후 활성화시켜 기판에 탄소나노튜브가 수직으로 접착된 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 금속 나노입자를 기판에 적층하는 간단한 방법으로 기판에 수직으로 강하게 부착된 탄소나노튜브를 얻음으로써 전계 방출 소자 제조 공정을 단순화하고, 공정에 필요한 비용을 감소시키는 구조를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자는, 수계 잉크를 제공하는 단계; 기판상에 상기 수계 잉크로 패턴을 인쇄하는 단계; 인쇄된 상기 패턴을 열처리 및 경화하여 공극을 형성시키는 단계; 공극이 형성된 상기 패턴 상에 탄소나노튜브 조성물을 인쇄하는 단계; 탄소나노튜브 조성물이 인쇄된 상기 기판을 후열처리하는 단계; 후열처리된 상기 기판을 활성화하는 단계에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출용 탄소 나노튜브 접착력 향상 방법은 금속 나노 입자가 포함된 수계잉크로 패터닝한 후 다시 탄소나노튜 브를 잉크젯 프린트하여 캐소드를 형성함으로써 탄소나노튜브가 기판에 강하게 접착할 수 있도록 한다.

본 발명에 따르는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출용 탄소 나노튜브 접착력 향상 방법은 기판에 금속 나노 입자가 포함된 수계잉크로 패터닝하여 나노 입자 사이에 공극을 형성한 후 그 상부에 다시 탄소나노튜브를 잉크젯 프린트하여 캐소드를 형성한 후 활성화시킴으로써 기판에 탄소나노튜브가 수직으로 접착된 구조를 형성하여 전계 방출 소자의 전계효과를 향상시킨다.

본 발명에 따르는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출용 탄소 나노튜브 접착력 향상 방법은 금속 나노 입자를 사용하여 기판에 탄소나노튜브를 수직으로 강하게 부착할 수 있어 전계 방출 소자 제조 공정을 단순화하고 공정에 필요한 비용을 감소시킬 수 있다.

도3은 본 발명에 따르는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 공정을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따르는 전계 방출 소자는 기판상에 상기 수계 잉크로 패턴을 인쇄하고, 인쇄된 상기 패턴을 열처리하여 경화시키고, 경화된 상기 패턴 상에 탄소나노튜브 조성물을 인쇄하고, 탄소나노튜브 조성물이 인쇄된 상기 기판을 후열처리하고, 후열처리된 상기 기판을 활성화하는 단계에 의해 구성된다.

기판상에 패턴을 인쇄하기 위해 사용되는 수계 잉크는 금속 나노입자를 포함하는데, 상기 금속 나노 입자는 저융점 금속인 In, Ag 뿐만 아니라 융점이 높은 Ni, Al, W, Pt, Au 등과 같이 나노 입자를 생성할 수 있는 금속이면 모두 사용 가능하다. 이는 나노 입자화에 따른 융점 저하 현상 때문에 가능한 것이다.

기판상에 인쇄된 수계 잉크가 열처리되어 경화되면, 수계 잉크에 포함된 나노 금속 입자 사이에 공극이 형성된다.

공극이 형성된 나노 금속 입자 상부에는 탄소나노튜브 조성물이 잉크젯팅되는데, 상기 탄소나노튜브조성물은 탄소계 물질을 포함하고, 그 밖에 비이클 및 가소제 등을 포함할 수도 있다.

가소제는 형성된 탄소 나노 튜브와 기판 사이의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 비이클은 탄소나노튜브 조성물의 점도 및 인쇄성을 조절하는 역할을 하는 것으로, 폴리머 성분 및 유기 용매 성분을 포함한다.

폴리머 성분에는 에틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스 등과 같은 셀룰로오스 수지계, 폴리에스테르 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트 및 우레탄 아크릴레이트와 같은 아크릴계 수지 및 비닐계 수지 등이 있고, 유기 용매 성분에는 부틸 카르비톨 아세테이트(BCA), 터피네올(TP), 톨루엔, 텍사놀 및 부틸 카르비톨(BC) 둥이 있다.

탄소계 물질은 전도성 및 전계 방출 특성이 우수하여 전계 방출 소자 작동시 애노드부의 형광막으로 전자를 방출시켜 형광체를 여기시키는 역할을 하는데, 이러한 탄소계 물질로는 탄소 나노 튜브, 그라파이트, 다이아몬드 및 플러렌 등이 포함되는데, 이 중 탄소 나노 튜브를 사용하는 것이 바람직하다.

탄소 나노 튜브는 그라파이트 시트가 나노 크기의 직경으로 둥글게 말려 튜 브 형태를 이루고 있는 탄소동소체(allotrope)로서, 단일벽 나노 튜브(single wall nanotube), 이중벽 나노튜브(double wall nanotube), 다중벽 나노튜브(multi wall nanotube) 모두를 사용할 수 있다.

탄소 나노 튜브는 열(thermal) 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), DC 플라즈마 CVD법, 마이크로파 플라즈마 CVD법과 같은 CVD 법을 이용하여 제조된 곳일 수도 있다.

스프레이, 잉크젯, 에어로젯, EHD(electrohydrodynamic, 전기유체역학), 시린지(Syringe) 등에 의해 인쇄되는 탄소나노튜브 조성물은 후열처리 단계를 통해 탄소나튜브성분만 남게 된다. 동시에 인쇄후에 금속 나노 입자 공극사이에 물리적으로 낀 탄소나노튜브의 일단이 후열처리에 의해 서로 연결되는 공극에 강하게 접착되게 된다. 이와 같은 후열 처리가 끝난 후, 필름이나 롤링 등의 활성화 공정을 거치면 고정되지 못한 탄소나노튜브는 제거되고 기판에 잘 접착된 탄소나노튜브만 수직으로 고정되는 것을 알 수 있다.

즉, 나노 금속 입자를 사용하여 형성된 공극에 의해 기계적으로 강하게 수직으로 고정된 탄소나노튜브의 수가 증가함으로써 전계 방출 효과가 통상의 금속 박막 접착층을 사용할 경우보다 2-3배 증가하게 된다.

후열 처리 온도는 탄소나노튜브 조성물에 포함된 비이클의 휘발 및 접착 성분의 소결 가능 온도 및 시간을 고려하여 결정해야 하는데, 일반적인 열처리 온도는 400 내지 500℃, 바람직하게는 450℃이다. 열처리 온도가 400℃ 미만이면 비이 클 등의 휘발이 충분하지 않고, 열처리 온도가 500℃ 이상이면 탄소계 물질이 손상될 수 있다.

이와 같이 후열처리된 탄소계 물질은 활성화 단계를 거치는데, 일 실시예에 따르면, 후열 처리 공정을 통해 필름 형태로 경화될 수 있는 용액, 예를 들어 폴리이미드계 고분자를 포함하는 탄소나노튜브 표면 처리제를 도포한 후 열처리한 다음 형성된 필름을 박리한다. 또 다른 예에 따르면, 소정의 구동원으로 구동되는 롤러 표면에 접착력을 갖는 접착부를 형성하여 상기 후열 처리 결과물 표면에 소정의 압력을 가함으로써 활성화 공정을 수행할 수도 있다. 이러한 활성화 단계를 통하여 표면으로 탄소나노튜브가 노출되거나 수직으로 고정될 수 있다.

본 발명에 따르는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자는 기판과 상기 기판상에 생성된 캐소드 전극과 상기 캐소드 전극에 고정된 탄소 나노 튜브를 포함하여 구성되고, 상기 탄소 나노튜브는 활성화단계를 거쳐 상기 캐소드에 수직으로 고정된다.

캐소드 전극과 탄소 나노 튜브는, 상기 기판에 수계 잉크를 인쇄하고 경화시켜 생성된 패턴 상에 탄소나노튜브 조성물을 인쇄한 후 후열처리를 함으로써 동시에 형성되며, 캐소드 전극은 금속 나노 입자로 구성된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사항을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라 서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도1은 탄소나노튜브 캐소드 제조를 위해 잉크젯 프린트 방법을 사용하는 종래의 전계방출 소자 제조 공정을 나타낸 도면이다.

도2는 잉크젯 프린트 방법을 사용하는 종래의 전계 방출 소자 제조 공정에 의해 생성된 탄소나노튜브 캐소드의 에미터를 나타내는 도면이다.

도3은 본 발명에 따르는 금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 공정을 나타낸 도면이다.

도4는 본 발명에 따라 실제 Ag 금속 나노 파티클을 이용한 실시예이다.

Claims (11)

1. 수계 잉크를 제공하는 단계;

   기판상에 상기 수계 잉크로 패턴을 인쇄하는 단계;

   인쇄된 상기 패턴을 열처리 및 경화하여 공극을 형성시키는 단계;

   공극이 형성된 상기 패턴 상에 탄소나노튜브 조성물을 인쇄하는 단계;

   탄소나노튜브 조성물이 인쇄된 상기 기판을 후열처리하는 단계;

   후열처리된 상기 기판을 활성화하는 단계를 포함하고,

   상기 기판을 활성화하는 단계는,

   폴리이미드계 고분자를 포함하는 탄소 나노 튜브 표면 처리제를 후열 처리된 상기 기판 상에 도포한 후 열처리하여 형성된 필름을 박리하거나, 롤러 표면에 접착력을 갖는 접착부를 형성하고, 후열 처리된 상기 기판 상에 압력을 가하여 기판을 활성화하는 것을 특징으로 하는

   금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 수계 잉크는 금속 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는

   금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 금속 나노 입자는 In, Ag, Ni, Al, W, Pt, Au 등으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는

   금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브조성물은 탄소계 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는

   금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 탄소계 물질은 탄소 나노 튜브(탄소나노튜브)인 것을 특징으로 하는

   금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 탄소 나노 튜브는 단일벽 나노튜브, 이중벽 나노튜브, 다중벽 나노튜브 중 하나인 것을 특징으로 하는

   금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브 조성물을 인쇄하는 단계는

   스프레이, 잉크젯, 에어로젯, EHD(electrohydrodynamic, 전기유체역학), 시린지(Syringe) 등에 의해 이뤄지는 것을 특징으로 하는

   금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 기판을 후열처리하는 단계는 450℃ 이하로 이뤄지는 것을 특징으로 하는

   금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자 제조 방법.
9. 삭제
10. 기판;

    상기 기판상에 생성된 캐소드 전극;

    상기 기판상에 생성된 캐소드 전극에 고정된 탄소 나노 튜브를 포함하고,

    상기 탄소 나노튜브는 활성화 단계를 거쳐 상기 캐소드에 수직으로 고정되고,

    상기 활성화 단계는,

    폴리이미드계 고분자를 포함하는 탄소 나노 튜브 표면 처리제를 후열 처리된 상기 기판 상에 도포한 후 열처리하여 형성된 필름을 박리하거나, 롤러 표면에 접착력을 갖는 접착부를 형성하고, 후열 처리된 상기 기판 상에 압력을 가하여 기판을 활성화하는 것을 특징으로 하는

    금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자.
11. 제10항에 있어서,

    상기 캐소드 전극과 상기 탄소 나노 튜브는, 상기 기판에 수계 잉크를 인쇄 및 경화하여 공극이 생성된 패턴 상에 탄소나노튜브 조성물을 인쇄한 후 후열처리를 함으로써 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는

    금속 나노 입자를 이용한 전계 방출 소자.

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