KR101151353B1 - Fabrication method of needle-shape field emission-type electron emitter and field emission-type electron emitter thereby - Google Patents

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허성환
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Abstract

PURPOSE: A needle shaped electric field emission electronic beam emitter and a manufacturing method thereof are provided to enlarge an electric field by using a needle shaped cathode substrate and a carbon nano-tube. CONSTITUTION: Carbon nano-tube paste is manufactured by mixing a carbon nano-tube, a sintering binder(23), and an evaporable solvent(24). The viscosity of the carbon nano-tube paste is 0.5 to 10000cP. The carbon nano-tube paste coats a needle shaped cathode substrate. The needle shaped cathode substrate in which the carbon nano-tube paste is coated is dried and sintered. A caliber of the carbon nano-tube is 1 to 50nm. A paste bearing substrate(11) is separated from the needle shaped cathode substrate.

Description

침상 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 침상 전계방출형 전자빔 에미터{Fabrication method of needle-shape field emission-type electron emitter and field emission-type electron emitter thereby}FIELD OF THE INVENTION A method for manufacturing an acicular field emission type electron beam emitter and a needle acicular field emission type electron beam emitter manufactured according thereto

본 발명은 침상 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 침상 전계방출형 전자빔 에미터에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing an acicular field emission type electron beam emitter and to an acicular field emission type electron beam emitter manufactured accordingly.

전자총의 전자빔원으로 종래에는 텅스텐, LaB6, Ba-Oxide 등의 금속 또는 금속산화물을 필라멘트 형태로 만들어 사용하였고, 제조된 전자빔원 필라멘트를 고온으로 가열한 후 이때 발생하는 열전자를 대전된 전극과 전극 어퍼쳐를 이용하여 전자빔으로 인출하였다. 하기 수학식 1의 리차드슨 관계식(Richardson Relation)에 의하면 열전자인출은 가열된 열전자 음극의 자유전자 확산에 의한 것으로, 일함수가 낮은 재질로 전자빔원을 제조하는 경우 더욱 높은 전류 밀도를 얻을 수 있다.As an electron beam source of an electron gun, a metal or a metal oxide such as tungsten, LaB 6 , Ba-Oxide or the like is used in the form of a filament, and a heated electron generated at this time after heating the manufactured electron beam source filament to a high temperature is charged with an electrode and an electrode. The aperture was used to draw out the electron beam. According to the Richardson relation of Equation 1, hot electron extraction is caused by free electron diffusion of a heated hot electron cathode, and when the electron beam source is manufactured from a material having a low work function, a higher current density can be obtained.

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

J=A?T2?exp(-F/kT) J = A? T 2 ? Exp (-F / kT)

여기서 J는 전류밀도이고, A는 120 [A?cm2/K]이고, F는 온도의존성 일함수이고, k는 볼츠만 상수 (8.617x10-5 [eV/K])이고, T는 온도이다.
Where J is the current density, A is 120 [A? Cm 2 / K], F is the temperature dependent work function, k is the Boltzmann constant (8.617x10 -5 [eV / K]), and T is the temperature.

한편, 가열된 음극에서 발생되는 전자는 약 1 ~ 1.5 eV의 초기 무작위 에너지를 가진다. 이는 전자빔 가속과 집속 시 전자빔의 궤적이 균일하지 않게끔 하고, 전자빔 손실을 야기하여, 전자빔의 집속점이 한곳으로 모이지 못하는 근본적인 이유이다. 또한, 음극의 가열이 필라멘트 기화 온도 이하에서 수행되어야 하고, 낮은 일함수를 나타내는 음극 재료가 한정되어 있기 때문에 발생전류밀도가 수백 A/cm2 이상이 되도록 인출하지 못하는 문제가 있고, 필라멘트 저항에 전류를 흘려 가열하는 방식으로 전자빔을 인출하기 위해 최소 두 개의 절연된 전선이 구비되어야 하여 소형화가 어려운 문제가 있다.
On the other hand, electrons generated from the heated cathode have an initial random energy of about 1 to 1.5 eV. This is the fundamental reason that the trajectory of the electron beam is not uniform during electron beam acceleration and focusing and causes electron beam loss, so that the focus point of the electron beam cannot be gathered in one place. In addition, the heating of the cathode should be carried out below the filament vaporization temperature, there is a problem that can not be drawn so that the generated current density is several hundred A / cm 2 or more, because the cathode material showing a low work function is limited, the current to the filament resistance At least two insulated wires must be provided in order to draw the electron beam in a manner of flowing a heating method, so that miniaturization is difficult.

반면, 뾰족한 도체 및 반도체 전자빔 음극의 팁(tip) 끝에 전계(Electric Field)가 인가되어 음극 내의 자유전자가 양자 터널링 효과에 의해 음극 표면으로 유도 인출되는 것을 전계방출이라고 한다. 이는 하기 수학식 2와 같은 파울러-노드하임 관계식(Fowler-Nordheim Relation)을 따르며 음극의 형상과 인가된 전기장, 음극의 일함수에 따라 발생전류밀도가 변화한다.On the other hand, an electric field is applied at the tip of a sharp conductor and a semiconductor electron beam cathode, so that free electrons in the cathode are induced to the cathode surface by the quantum tunneling effect. This follows the Fowler-Nordheim relation as shown in Equation 2 below, and the generated current density varies according to the shape of the cathode, the applied electric field, and the work function of the cathode.

<수학식 2><Equation 2>

J=A?(βE)2/φ?exp(-B?φ1.5/(βE))J = A? (ΒE) 2 / φ? Exp (-B? Φ 1.5 / (βE))

J는 전류밀도이고, A는 1.54 [A?V-2?eV]이고, E는 인가전기장이고, φ는 일함수이고, B는 6830 [V?eV?mm-1]이고, b는 전계증대비(Field enhancement factor)이다.
J is the current density, A is 1.54 [A? V -2 ? EV], E is the applied electric field, φ is the work function, B is 6830 [V? EV? Mm -1 ], and b is the electric field extension. Field enhancement factor.

최근에 개발된 탄소나노튜브와 같은 나노 전계 방출원(nano field emitter)은 높은 종횡비를 가진 도체 혹은 반도체 물질 기반의 1차원적인 나노 와이어(nano wire), 나노 로드(nano rod), 나노 튜브(nano tube) 등의 형태로 제조된다. 이를 통해 전계증대비 및 전계방출의 전류밀도를 향상시킬 수 있게 되었고, 나노물질을 다양한 형상의 음극기판에 성장 혹은 코팅하는 기법이 개발됨으로써 초소형 전자빔원에서부터 대면적, 대용량 전자빔원으로의 광범위한 활용이 기대되고 있다. Recently developed nano field emitters, such as carbon nanotubes, are one-dimensional nanowires, nano rods, and nanotubes based on high aspect ratio conductors or semiconductor materials. tube) and the like. As a result, it is possible to improve the current density of electric field contrast and electric field emission, and a technique for growing or coating nanomaterials on various shapes of negative electrode substrates has been developed, thereby making it possible to use a wide range of applications from ultra-small electron beam sources to large-area and large-capacity electron beam sources. It is expected.

상기 나노 전계 방출원은 전계인가 방식으로 전자빔을 인출하므로 열이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 전계인가에 단일 전극을 사용하기 때문에 구조와 구동 전원장치가 간단하다. 또한, 열전자 방식에 비해 발생하는 전자빔의 전류밀도가 음극기판 형상에 따라 10배 ~ 1000배 이상 커서 고출력의 전자빔을 발생할 수 있을 뿐만 아니라 음극의 크기를 소형화할 수 있고, 전자빔이 발생하는 시간구조(time structure)를 쉽게 조절할 수 있다.Since the nano-field emission source draws out an electron beam in an electric field application method, not only heat is generated, but a single electrode is used for electric field application, and thus the structure and driving power supply are simple. In addition, the current density of the electron beam generated compared to the hot electron method is 10 times to 1000 times or more according to the shape of the cathode substrate, not only can generate a high-output electron beam, but also can reduce the size of the cathode, the time structure of the electron beam ( You can easily adjust the time structure.

현재까지 나노물질 기반의 전계방출원은 화학증기증착법(Chemical Vapor Deposition), 전기유동법(Dielectrophoresis), 아크방전법(Arc Discharge), 이온충돌법(Ion Collision), 접착제 프린팅법(Paste Printing)을 통해 다양한 음극 기판에 성장, 코팅되었다. 화학증기증착법은 음극 기판에 분산된 기체 환원 촉매가 기체 분자를 환원하여 1차원 나노 전계방출원을 성장하기 때문에 음극 기판 형상의 선택이 매우 자유롭지만, 기체 환원 촉매와 음극 기판 사이의 접착 면적이 좁고, 이종 금속 간 접착력에 한계가 있기 때문에 장수명의 전계방출원 제작이 어려운 문제가 있다. 또한, 전기유동법, 아크방전법, 이온충돌법은 전기장 인가부위, 방전 접점 또는 이온충돌 접점으로만 국한되어 나노물질의 성장이 이뤄지기 때문에 전자빔 인출 전류량이 비교적 적은 문제가 있다. 접착제 프린팅법은 나노 전계방출원 파우더 및 나노 전계방출원 파우더를 음극 기판에 강하게 접착시키는 소결성 바인더를 혼합하여 음극 기판 표면에 코팅하는 방법이다. 접착제 프린팅법은 주로 넓은 면적의 편평한 음극 기판에 고르게 코팅할 수 있는 기술로 FED(Field Emission Display) 제작에 사용되어 왔고, 장수명 나노 전계방출원 제작기술로 각광받고 있다. 그러나, 접착제 프린팅법은 나노 물질과 바인더의 혼합 용액이 안정적으로 음극 기판상에서 건조되어야 하기 때문에, 끝 형상이 뾰족하고, 바늘 모양으로 날카로운 형상의 음극 기판상에 전계방출원을 고르게 코팅하는 것이 어려운 문제가 있다.
To date, field emission sources based on nanomaterials have been developed through chemical vapor deposition, dielectrophoresis, arc discharge, ion collision, and paste printing. Grown and coated on various cathode substrates. In the chemical vapor deposition method, since the gas reduction catalyst dispersed in the negative electrode substrate reduces the gas molecules to grow the one-dimensional nano-field emission source, the choice of the negative electrode substrate shape is very free, but the adhesion area between the gas reduction catalyst and the negative electrode substrate is narrow. Because of the limitation in adhesion between dissimilar metals, it is difficult to produce long-lived field emission sources. In addition, the electrofluid method, the arc discharge method, and the ion collision method are limited to the electric field application site, the discharge contact point or the ion collision contact point, so that the growth of the nanomaterial is achieved, which causes a relatively small amount of electron beam drawing current. The adhesive printing method is a method of coating a surface of a negative electrode substrate by mixing a sinterable binder for strongly bonding the nanofield emission powder and the nanofield emission powder to a negative electrode substrate. Adhesive printing method has been mainly used in the field emission display (FED) manufacturing technology to evenly coat a large area flat cathode substrate, and has been spotlighted as a long-life nano-field emission technology. However, the adhesive printing method has a problem that it is difficult to uniformly coat the field emission source on the negative electrode substrate having a sharp tip shape and a sharp needle shape because the mixed solution of the nanomaterial and the binder must be stably dried on the negative electrode substrate. There is.

이에, 본 발명자들은 전계 증대 효과가 우수한 전계방출형 전자빔 에미터를 제조하는 방법을 연구하던 중 침상(needle-shape) 음극 기판으로 탄소나노튜브 전계방출원과 바인더를 혼합한 탄소나노튜브 페이스트를 코팅하여 침상 전계방출형 전자빔 에미터를 제조하는 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors coated a carbon nanotube paste in which a carbon nanotube field emission source and a binder were mixed with a needle-shape cathode substrate while studying a method of manufacturing a field emission type electron beam emitter having excellent electric field enhancement effect. By developing a method for producing a needle-like field emission electron beam emitter, and completed the present invention.

본 발명의 목적은 침상 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 침상 전계방출형 전자빔 에미터를 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a method for producing a needle-like field emission electron beam emitter and a needle-like field emission electron beam emitter manufactured accordingly.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소나노튜브와 소결성 바인더 및 휘발성 용매를 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조하는 단계(단계 1); 침상 음극 기판과 이격되도록 페이스트 지지 기판을 구비하는 단계(단계 2); 상기 단계 1에서 제조된 탄소나노튜브 페이스트를 상기 단계 2의 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판의 이격된 공간에 액상 방울로 떨어뜨려, 침상 음극 기판을 코팅하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 탄소나노튜브 페이스트가 코팅된 침상 음극 기판을 건조하고 소결하는 단계(단계 4)를 포함하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법을 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of preparing a carbon nanotube paste by mixing a carbon nanotube, a sinterable binder and a volatile solvent (step 1); Providing a paste support substrate spaced apart from the acicular cathode substrate (step 2); Dropping the carbon nanotube paste prepared in step 1 into a liquid droplet in a space separated from the needle-like cathode substrate and the paste support substrate of step 2 to coat the needle-like cathode substrate (step 3); And drying and sintering the acicular cathode substrate coated with the carbon nanotube paste in step 3 (step 4).

본 발명에 따른 침상 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 침상 전계방출형 전자빔 에미터는 높은 종횡비의 침상 음극 기판과 탄소나노튜브를 사용함으로써 인가된 전계의 증대 효과를 이중으로 얻을 수 있고, 이를 통해 동일한 전위 인가에도 전계방출 전류량을 향상시킬 수 있다. 또한, 탄소나노튜브 전계방출원과 소결성 바인더의 혼합 용액을 안정적으로 침상 음극 기판상에 코팅?건조 후 소결하여, 바인더의 접착력을 이용해 탄소나노튜브 전계방출원과 침상 음극 기판 사이의 결합력을 강화하여 전자빔 에미터의 수명을 향상시킬 수 있고, 침상 음극 기판의 형상이 다양하여 본 발명에 따른 전자빔 에미터를 이용한 소형 전자총을 다양한 분야에 적용할 수 있다. 특히, 소결성 바인더의 재료 선택에 따라, 개방형 및 밀봉형 소형 전자총의 고온 브레이징 접합 기술에 활용될 수 있고, 이에 따라, 점점 소형화되고 있는 고출력 전자총의 핵심 부품인 고휘도 전자빔 에미터를 제조할 수 있어 고휘도 엑스선관, 강내 삽입형 비파괴 엑스선관, 우주탐사용 엑스선관, 근접암치료를 위한 초소형 엑스선관과 같은 방사선 영상, 의료, 나노, 첨단 기계 산업 분야에 응용될 수 있다.
The method for manufacturing the acicular field emission type electron beam emitter according to the present invention and the acicular field emission type electron beam emitter manufactured according to the present invention can obtain the effect of increasing the applied electric field by using a high aspect ratio acicular cathode substrate and carbon nanotubes. In this way, the amount of electric field emission current can be improved even when the same potential is applied. In addition, the mixed solution of the carbon nanotube field emission source and the sinterable binder is stably coated and dried on the needle-like negative electrode substrate, and then sintered, and the bonding force between the carbon nanotube field emission source and the needle-shaped negative electrode substrate is strengthened by using the adhesive force of the binder. The lifetime of the electron beam emitter can be improved, and the shape of the acicular cathode substrate can be varied, so that the small electron gun using the electron beam emitter according to the present invention can be applied to various fields. In particular, according to the material selection of the sinterable binder, it can be used in the high temperature brazing bonding technology of the open and sealed small electron gun, and therefore, it is possible to manufacture a high-brightness electron beam emitter, which is a key part of the increasingly small output high-power gun Applications include radiation imaging, medical, nano and advanced mechanical industries, such as X-ray tubes, implantable non-destructive X-ray tubes, space probe X-ray tubes, and micro X-ray tubes for brachytherapy.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 제조방법으로 탄소나노튜브 페이스트를 침상 음극 기판으로 코팅하는 것을 나타낸 모식도이고;
도 3은 표면에 탄소나노튜브 전계방출원이 코팅된 전계방출형 전자빔 에미터를 나타낸 모식도이고;
도 4는 본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터의 주사전자현미경 사진이고;
도 5는 본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터를 전계방출 특성 분석한 그래프이고;
도 6은 본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터를 전자빔 인출 특성 분석한 그래프이다.1 and 2 is a schematic diagram showing the coating of the carbon nanotube paste with a needle-like cathode substrate by the manufacturing method according to the present invention;
Figure 3 is a schematic diagram showing a field emission electron beam emitter coated with a carbon nanotube field emission source on the surface;
4 is a scanning electron micrograph of a field emission electron beam emitter according to the present invention;
5 is a graph showing field emission characteristics of the field emission electron beam emitter according to the present invention;
6 is a graph of electron beam extraction characteristics of the field emission type electron beam emitter according to the present invention.

본 발명은 탄소나노튜브와 소결성 바인더 및 휘발성 용매를 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조하는 단계(단계 1);The present invention comprises the steps of preparing a carbon nanotube paste by mixing a carbon nanotube, a sinterable binder and a volatile solvent (step 1);

침상 음극 기판과 이격되도록 페이스트 지지 기판을 구비하는 단계(단계 2); Providing a paste support substrate spaced apart from the acicular cathode substrate (step 2);

상기 단계 1에서 제조된 탄소나노튜브 페이스트를 상기 단계 2의 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판의 이격된 공간에 액상 방울로 떨어뜨려, 침상 음극 기판을 코팅하는 단계(단계 3); 및 Dropping the carbon nanotube paste prepared in step 1 into a liquid droplet in a space separated from the needle-like cathode substrate and the paste support substrate of step 2 to coat the needle-like cathode substrate (step 3); And

상기 단계 3에서 탄소나노튜브 페이스트가 코팅된 침상 음극 기판을 건조하고 소결하는 단계(단계 4)를 포함하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법을 제공한다. 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 제조방법으로 탄소나노튜브 페이스트를 코팅하는 것 나타낸 모식도이다.
It provides a method for manufacturing a field emission electron beam emitter comprising the step (step 4) of drying and sintering the needle-like cathode substrate coated with carbon nanotube paste in step 3. 1 and 2 is a schematic diagram showing the coating of carbon nanotube paste by the manufacturing method according to the present invention.

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail step by step.

본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법에 있어서, 단계 1은 탄소나노튜브와 소결성 바인더 및 휘발성 용매를 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조하는 단계이다. 탄소나노튜브는 평판 디스플레이(flat panel display, FPD), 전계방출형 전자원, 주사형 탐침 현미경의 팁(tip), 나노반도체 집적회로, 수소저장 매체 등에 이용되고 있고, 특히 높은 전계방출(field emission) 특성을 이용한 전계방출 전극으로 응용될 수 있다. 일반적으로 탄소나노튜브는 실리콘 또는 유리 기판에 대한 접착 특성이 떨어져 탄소나노튜브 전극의 제조가 어렵고, 탄소나노튜브를 접착시키는 다른방법으로 탄소나토뷰를 접착시키더라도 약한 접착력으로 인하여 전계방출 에미터(field emitter)로 사용시 탄소나노튜브 막이 떨어져 나가는 문제점이 있다. 이에, 상기 단계 1에서는 탄소나노튜브와 소결성 바인더 및 휘발성 용매를 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조하며, 상기 탄소나노튜브 페이스트는 탄소나노튜브를 음극 기판에 강한 접착력으로 코팅할 수 있어, 탄소나노튜브 전계방출 에미터의 내구성 및 전계방출 전류량을 향상시킬 수 있다. In the method of manufacturing a field emission electron beam emitter according to the present invention, step 1 is a step of preparing a carbon nanotube paste by mixing a carbon nanotube, a sinterable binder, and a volatile solvent. Carbon nanotubes are used in flat panel displays (FPDs), field emission electron sources, tips of scanning probe microscopes, nanosemiconductor integrated circuits, hydrogen storage media, and especially with high field emission. It can be applied as a field emission electrode using the () characteristic. In general, carbon nanotubes are difficult to manufacture carbon nanotube electrodes due to poor adhesion properties to silicon or glass substrates, and even though carbon nanotubes are bonded by other methods of bonding carbon nanotubes, field emission emitters ( When used as a field emitter, there is a problem that the carbon nanotube film falls off. Thus, in step 1, a carbon nanotube paste is prepared by mixing a carbon nanotube, a sinterable binder, and a volatile solvent, and the carbon nanotube paste may coat the carbon nanotube with a strong adhesive force on a negative electrode substrate, and thus, carbon nanotube. The durability and amount of field emission current of the field emission emitter can be improved.

이때, 상기 단계 1의 탄소나노튜브는 극성 용매에 잘 희석시키기 위해 황산, 질산 및 과산화수소로 정제하여 구경은 1 내지 50 nm이고, 길이는 1 내지 50 μm인 것이 바람직하다. 상기 구경 및 길이를 가진 탄소나노튜브는 높은 종횡비(aspect ratio)를 나타내어 전계방출 에미터의 전계방출 전류량을 향상시킬 수 있다.At this time, the carbon nanotube of step 1 is purified with sulfuric acid, nitric acid and hydrogen peroxide in order to dilute well in a polar solvent, the diameter is 1 to 50 nm, the length is preferably 1 to 50 μm. The carbon nanotubes having the aperture and length exhibit high aspect ratios, thereby improving the amount of field emission current of the field emission emitter.

상기 단계 1의 소결성 바인더는 음극기판과 탄소나노튜브의 낮은 접착성을 보완하기 위한 것으로 소결성 바인더를 추가하여 탄소나노튜브가 음극 기판에 접착시킬 수 있으며, 상기 소결성 바인더는 소결을 통해 휘발시켜 제거된다. 이때, 소결이 수행되는 조건에 따라 사용되는 소결성 바인더의 종류가 달라지고, 상기 단계 1의 소결성 바인더는 에틸 메타아크릴레이트(Ethyl methacrylate), n-부틸 메타아크릴레이트(n-Butyl methacrylate) 또는 메틸/n-부틸 메타아크릴레이트 공중합체(Methyl/n-butyl Methacrylate copolymer)인 탄소기반 고분자 바인더로 이루어질 수 있으며, 50 내지 200 ℃의 저온에서 소결될 수 있다.The sinterable binder of step 1 is to compensate for the low adhesion between the negative electrode substrate and the carbon nanotubes, and the carbon nanotubes may be adhered to the negative electrode substrate by adding a sinterable binder, and the sinterable binder is removed by volatilization through sintering. . In this case, the type of the sinterable binder used varies depending on the conditions under which the sintering is performed, and the sinterable binder of Step 1 may be ethyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate or methyl /. The n-butyl methacrylate copolymer (Methyl / n-butyl Methacrylate copolymer) may be made of a carbon-based polymer binder, it may be sintered at a low temperature of 50 to 200 ℃.

상기 단계 1의 소결성 바인더는 마그네슘, 알루미늄, 인듐, 납, 주석 또는 아연 분말로 이루어질 수 있고, 200 내지 600 ℃의 중온에서 소결될 수 있다.The sinterable binder of step 1 may be made of magnesium, aluminum, indium, lead, tin or zinc powder, and may be sintered at a medium temperature of 200 to 600 ° C.

상기 단계 1의 소결성 바인더는 금, 은, 구리, 망간, 니켈, 철 또는 티타늄 분말로 이루어질 수 있고, 600 ℃ 이상의 고온에서 소결될 수 있다.The sinterable binder of step 1 may be made of gold, silver, copper, manganese, nickel, iron or titanium powder, and may be sintered at a high temperature of 600 ° C. or higher.

상기 단계 1의 소결성 바인더는 10-1 ~ 10-7 torr의 진공상태에서 소결온도가 증발온도에 비하여 낮은 알루미늄, 금, 구리, 철, 인듐, 니켈, 주석 또는 티타늄 분말로 이루어질 수 있고, 200 내지 1200 ℃의 온도에서 소결될 수 있다. The sinterable binder of step 1 may be made of aluminum, gold, copper, iron, indium, nickel, tin or titanium powder having a sintering temperature lower than the evaporation temperature in a vacuum of 10 -1 to 10 -7 torr, 200 to It can be sintered at a temperature of 1200 ° C.

상기 단계 1의 용매는 휘발성 극성 용매로 가격이 저렴하고 구하기 쉬운 에탄올 등을 사용할 수 있으나, 휘발성 극성 용매이면 이에 제한되는 것은 아니다. The solvent of step 1 may be used as a volatile polar solvent inexpensive and easy to obtain ethanol, but is not limited thereto.

상기 단계 1의 탄소나노튜브 및 소결성 바인더는 휘발성 용매에 대하여 각각0.1 ~ 8 중량%의 비율로 혼합되는 것이 바람직하고, The carbon nanotubes and the sinterable binder of step 1 are preferably mixed at a ratio of 0.1 to 8% by weight with respect to the volatile solvent, respectively.

상기 단계 1의 탄소나노튜브와 소결성 바인더가 1 : 2 ~ 1 : 4인 몰비로 혼합되며, 탄소나노튜브와 소결성 바인더의 총 함량은 용매에 대하여 4 중량%인 것이 더욱 바람직하다.The carbon nanotubes of the step 1 and the sinterable binder are mixed in a molar ratio of 1: 2 to 1: 4, and the total content of the carbon nanotubes and the sinterable binder is more preferably 4% by weight with respect to the solvent.

상기 몰비 및 중량%를 초과하는 탄소나노튜브가 혼합되는 경우, 과도한 탄소나노튜브의 첨가로 인한 응집현상으로 탄소나노튜브를 페이스트 상으로 고르게 분산시킬 수 없는 문제가 있고, 상기 몰비 및 중량% 미만의 탄소나노튜브가 혼합되는 경우, 탄소나노튜브의 첨가로 인한 전계방출 전류량을 향상 효과를 기대할 수 없는 문제가 있다. 상기 몰비 및 중량%를 초과하는 바인더가 혼합되는 경우, 탄소나노튜브 페이스트의 점도가 과도하게 높아져 음극 기판으로 고르게 코팅할 수 없는 문제가 있고, 상기 몰비 및 중량% 미만의 바인더가 혼합되는 경우, 탄소나노튜브를 음극 기판으로 접착시킬 수 없는 문제가 있다. When the carbon nanotubes in excess of the molar ratio and weight% are mixed, there is a problem in that the carbon nanotubes cannot be uniformly dispersed in the paste due to the agglomeration phenomenon due to the addition of excessive carbon nanotubes. When the carbon nanotubes are mixed, there is a problem that the effect of improving the field emission current due to the addition of the carbon nanotubes cannot be expected. When the binder exceeds the molar ratio and weight%, the viscosity of the carbon nanotube paste is excessively high, there is a problem that can not be evenly coated on the negative electrode substrate, when the molar ratio and the binder less than% by weight, carbon There is a problem in that the nanotubes cannot be bonded to the negative electrode substrate.

상기 단계 1의 탄소나노튜브와 소결성 바인더는 1 : 2 ~ 4의 몰비로 혼합되는 것이 바람직하다. 소결성 바인더가 상기 몰비를 초과하는 양으로 혼합되는 경우, 탄소나노튜브 페이스트의 점도가 과도하게 높아지는 문제가 있고, 소결성 바인더가 상기 몰비 미만인 양으로 혼합되는 경우, 탄소나노튜브를 음극 기판에 접착시킬 수 없는 문제가 있다. The carbon nanotubes of the step 1 and the sinterable binder are preferably mixed at a molar ratio of 1: 2 to 4. When the sinterable binder is mixed in an amount exceeding the molar ratio, there is a problem that the viscosity of the carbon nanotube paste becomes excessively high, and when the sinterable binder is mixed in an amount less than the molar ratio, the carbon nanotubes may be adhered to the negative electrode substrate. There is no problem.

상기 단계 1의 탄소나노튜브 페이스트는 점도가 0.5 내지 10000 cP인 것이 바람직하다. 탄소나노튜브 페이스트의 점도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 음극 기판으로의 코팅이 용이하지 않아, 탄소나노튜브가 코팅된 전계방출형 전자빔 에미터를 제조할 수 없는 문제가 있다.
The carbon nanotube paste of step 1 preferably has a viscosity of 0.5 to 10000 cP. When the viscosity of the carbon nanotube paste is out of the above range, the coating on the negative electrode substrate is not easy, and thus there is a problem in that a field emission type electron beam emitter coated with carbon nanotubes cannot be manufactured.

본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법에 있어서, 단계 2는 침상 음극 기판과 이격되도록 페이스트 지지 기판을 구비하는 단계이다. 상기 단계 2의 침상(needle-shape) 음극 기판은 일 단면이 뾰족한 침상형태로써 높은 종횡비로 인하여 전계방출 전류량을 향상시킬 수 있으며, 상기 단계 2의 페이스트 지지 기판은 상기 침상 음극 기판의 일 단면과 이격되도록 설치되어 탄소나노튜브 페이스트의 접촉 표면을 넓히고 표면 장력과 중력의 균형을 이루어 탄소나노튜브 페이스트의 균일한 코팅이 가능하게 한다. In the method of manufacturing a field emission type electron beam emitter according to the present invention, step 2 is a step of providing a paste support substrate to be spaced apart from the acicular cathode substrate. The needle-shape cathode substrate of step 2 is a needle-shaped one pointed cross-section can improve the amount of electric field emission current due to the high aspect ratio, the paste support substrate of step 2 is spaced apart from one end surface of the needle-shaped cathode substrate It is installed so as to widen the contact surface of the carbon nanotube paste and balance the surface tension and gravity to enable uniform coating of the carbon nanotube paste.

이때, 상기 단계 2의 침상 음극 기판은 직경이 0.1 내지 0.5 mm이고, 길이는 3 내지 30 mm인 와이어(wire) 또는 막대(rod) 형태인 것이 바람직하고, 상기 범위가 같은 직경 및 길이는 가지는 침상 음극 기판은 종횡비가 우수하여 전계방출 에미터의 전계방출 전류량을 향상시킬 수 있다.At this time, the acicular cathode substrate of step 2 is preferably 0.1 to 0.5 mm in diameter, 3 to 30 mm in length of the wire (wire) or rod (rod) shape, the needle having the same diameter and length range The negative electrode substrate has an excellent aspect ratio, thereby improving the amount of field emission current of the field emission emitter.

상기 단계 2의 침상 음극 기판은 텅스텐, 철, 니켈, 티타늄, 은, 구리, 코바(kovar) 등의 금속으로 제조될 수 있다. 상기 단계 2의 페이스트 지지 기판은 금속 또는 비금속 와이어(wire)로 이루어질 수 있다.The acicular negative electrode substrate of step 2 may be made of a metal such as tungsten, iron, nickel, titanium, silver, copper, or kovar. The paste support substrate of step 2 may be made of metal or nonmetal wire.

상기 단계 2의 침상 음극 기판은 수평 또는 수직 방향으로 구비될 수 있다. 상기 단계 2의 침상 음극 기판이 수평으로 설치되는 경우, 페이스트 지지 기판이 침상 음극 기판과 이격되어 구비되고,The acicular cathode substrate of step 2 may be provided in a horizontal or vertical direction. When the acicular cathode substrate of step 2 is installed horizontally, the paste support substrate is provided spaced apart from the acicular cathode substrate,

상기 단계 2의 침상 음극 기판이 수직으로 구비되는 경우, 페이스트 지지 기판을 통해 탄소나노튜브 페이스트를 침상 음극 기판의 정중앙으로 떨어뜨려 중력에 의해 탄소나노튜브 페이스트가 고르게 코팅되도록 한다. When the acicular negative electrode substrate of step 2 is provided vertically, the carbon nanotube paste is dropped to the center of the acicular negative electrode substrate through the paste support substrate so that the carbon nanotube paste is evenly coated by gravity.

상기 단계 2의 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판이 이격된 거리는 탄소나노튜브 페이스트의 사용량에 따라 조절할 수 있으며, 0.5 내지 5 mm인 것이 바람직하다. 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판이 상기 범위의 거리로 이격되어 설치됨으로써 탄소나노튜브 페이스트에 가해지는 표면 장력 및 중력이 균형을 이룬 상태로 침상 음극 기판으로 코팅되게 된다.
The distance between the acicular cathode substrate and the paste support substrate of step 2 may be adjusted according to the amount of carbon nanotube paste used, and is preferably 0.5 to 5 mm. Since the acicular negative electrode substrate and the paste support substrate are spaced apart by the distance in the above range, the acicular negative electrode substrate is coated with the acicular negative electrode substrate in a balanced state of the surface tension and gravity applied to the carbon nanotube paste.

본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 1에서 제조된 탄소나노튜브 페이스트를 상기 단계 2의 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판 사이에 액상 방울로 떨어뜨려, 침상 음극 기판을 코팅하는 단계이다. 상기 단계 2의 침상 음극 기판은 일 단면이 뾰족하고 경사진 침상(needle-shape)형으로 중력에 의해 액상 방울의 접촉각이 커짐과 동시에 접촉력이 약해져 코팅이 어려운 문제가 있다. 그러나, 상기 단계 3에서 탄소나노튜브 페이스트를 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판 사이에 액상 방울로 떨어뜨리면, 탄소나노튜브 페이스트는 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판 사이의 이격된 공간에 위치하고, 탄소나노튜브 페이스트는 페이스트 지지 기판으로 표면장력에 의하여 고정됨으로써 중력과 표면장력이 균형을 이루어 탄소나노튜브 페이스트가 흐르지 않는다.
In the method of manufacturing a field emission type electron beam emitter according to the present invention, step 3 drops the carbon nanotube paste prepared in step 1 into a liquid droplet between the needle cathode substrate and the paste support substrate of step 2, Coating the negative substrate. The acicular negative electrode substrate of step 2 has a pointed cross-section and is inclined needle-shape type, and the contact angle of the liquid droplets increases due to gravity, and the contact force is weak, thereby making coating difficult. However, in step 3, when the carbon nanotube paste is dropped into the liquid droplets between the acicular cathode substrate and the paste support substrate, the carbon nanotube paste is positioned in a spaced space between the acicular cathode substrate and the paste support substrate, and the carbon nanotube paste The paste is supported by the surface tension of the paste support substrate, the balance between gravity and surface tension is not flowing carbon nanotube paste.

본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 탄소나노튜브 페이스트가 코팅된 침상 음극 기판을 건조하고 소결하는 단계이다. 상기 단계 4에서 탄소나노튜브 페이스트가 코팅된 침상 음극 기판을 건조하고 소결하여, 페이스트의 용매 및 바인더 성분을 휘발시켜 제거할 수 있고, 침상 음극 기판에 접착된 탄소나노튜브만이 잔류하게 된다.In the method of manufacturing a field emission type electron beam emitter according to the present invention, step 4 is a step of drying and sintering the acicular cathode substrate coated with carbon nanotube paste in step 3. In step 4, the acicular negative electrode substrate coated with the carbon nanotube paste is dried and sintered to remove and remove the solvent and the binder component of the paste, and only the carbon nanotubes adhered to the acicular negative electrode substrate remain.

이때, 상기 단계 4의 소결은 소결성 바인더의 조성에 따라 수행조건이 변화하며, 소결성 바인더가 에틸 메타아크릴레이트(Ethyl methacrylate), n-부틸 메타아크릴레이트(n-Butyl methacrylate) 또는 메틸/n-부틸 메타아크릴레이트 공중합체(Methyl/n-butyl Methacrylate copolymer)인 탄소기반 고분자 바인더인 경우, 50 내지 200 ℃의 온도로 소결이 수행되는 것이 바람직하고,At this time, the sintering of step 4 is carried out according to the composition of the sinterable binder, the sinterable binder is ethyl methacrylate (Ethyl methacrylate), n-butyl methacrylate (n-Butyl methacrylate) or methyl / n-butyl In the case of a carbon-based polymer binder which is a methacrylate copolymer (Methyl / n-butyl Methacrylate copolymer), sintering is preferably performed at a temperature of 50 to 200 ℃,

소결성 바인더가 마그네슘, 알루미늄, 인듐, 납, 주석 또는 아연 분말로 형성되는 경우, 200 내지 600 ℃의 온도로 소결이 수행되는 것이 바람직하며,When the sinterable binder is formed of magnesium, aluminum, indium, lead, tin or zinc powder, sintering is preferably carried out at a temperature of 200 to 600 ℃,

소결성 바인더가 금, 은, 구리, 망간, 니켈, 철 또는 티타늄 분말로 형성되는 경우, 600 내지 1200 ℃의 온도로 소결이 수행되는 것이 바람직하고,When the sinterable binder is formed of gold, silver, copper, manganese, nickel, iron or titanium powder, sintering is preferably performed at a temperature of 600 to 1200 ° C,

소결성 바인더가 알루미늄, 금, 구리, 철, 인듐, 니켈, 주석 또는 티타늄 분말로 형성되는 경우, 10-1 ~ 10-7 torr의 진공상태에서 200 내지 1200 ℃의 온도로 소결이 수행되는 것이 바람직하다.
When the sinterable binder is formed of aluminum, gold, copper, iron, indium, nickel, tin or titanium powder, sintering is preferably performed at a temperature of 200 to 1200 ° C. in a vacuum of 10 −1 to 10 −7 torr. .

본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법은 상기 단계 4의 소결이 수행된 후 소결된 음극 기판 표면을 플라즈마 이온 에칭 또는 접착테이프를 통하여 정결(淨潔)시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 소결된 음극 기판 표면을 플라즈마 이온 에칭 또는 접착테이프를 통하여 정결(淨潔)시킴으로써 표면이 균질한 전계방출형 전자빔 에미터를 제조할 수 있다.
The method of manufacturing a field emission type electron beam emitter according to the present invention may further include purifying the surface of the sintered cathode substrate through plasma ion etching or adhesive tape after the sintering of Step 4 is performed. . By sintering the surface of the sintered negative electrode substrate through plasma ion etching or adhesive tape, a uniform field emission electron beam emitter can be produced.

본 발명은 상기 제조방법으로 제조되어 표면에 탄소나노튜브 전계방출원이 코팅된 전계방출형 전자빔 에미터를 제공한다. 본 발명에 따른 탄소나노튜브 전계방출원이 코팅된 전계방출형 전자빔 에미터를 도 3의 모식도를 통하여 나타내었다.The present invention provides a field emission type electron beam emitter having a carbon nanotube field emission source coated on the surface by the manufacturing method. A field emission electron beam emitter coated with a carbon nanotube field emission source according to the present invention is shown through the schematic diagram of FIG. 3.

본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터는 높은 종횡비의 침상 음극 기판과 탄소나노튜브를 사용함으로써 인가된 전계의 증대 효과를 이중으로 얻을 수 있고, 이를 통해 동일한 전위 인가에도 전계방출 전류량을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 소형 전자총 제조에 이용될 수 있고, 특히 소형화되고 있는 고출력 전자총의 핵심 부품인 고휘도 전자빔 에미터를 제조할 수 있어 고휘도 엑스선관, 강내 삽입형 비파괴 엑스선관, 우주탐사용 엑스선관, 근접암치료를 위한 초소형 엑스선관과 같은 방사선 영상, 의료, 나노, 첨단 기계 산업 분야에 응용될 수 있다.
The field emission type electron beam emitter according to the present invention can obtain a double effect of increasing the applied electric field by using a high aspect ratio acicular cathode substrate and carbon nanotubes, thereby improving the amount of electric field emission current even when the same potential is applied. . As a result, it can be used to manufacture small electron guns, and in particular, it is possible to manufacture high-brightness electron beam emitters, which are the core components of high-powered electron guns, which are being miniaturized. Applications include radiation imaging, medical, nano, and advanced mechanical industries such as microscopic X-ray tubes.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 1> 전계방출형 전자빔 에미터의 제조 1Example 1 Fabrication of a field emission electron beam emitter 1

단계 1 : 탄소나노튜브 0.802 g, 은(Ag) 분말로 형성된 소결성 바인더 0.802 g 및 휘발성 극성 용매 이소프로필알콜 100 ml(78.6 g)를 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조하였다.
Step 1: A carbon nanotube paste was prepared by mixing 0.802 g of carbon nanotubes, 0.802 g of a sinterable binder formed of silver (Ag) powder, and 100 ml (78.6 g) of volatile polar solvent isopropyl alcohol.

단계 2 : 길이 15 mm, 구경 0.25 nm인 침상 음극 기판을 수평으로 설치하고, 상기 침상 음극 기판의 일 단면과 1 mm 간격으로 이격되도록 페이스트 지지 기판을 설치하였다.
Step 2: A needle-cathode substrate having a length of 15 mm and a diameter of 0.25 nm was horizontally installed, and a paste support substrate was installed to be spaced at a distance of 1 mm from one end surface of the needle-cathode substrate.

단계 3 : 상기 단계 1에서 제조된 탄소나노튜브 페이스트 0.1 ~ 5 μL가량을 상기 단계 2의 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판 사이에 액상 방울로 점착시켜 침상 음극 기판을 코팅하였다.
Step 3: 0.1-5 μL of the carbon nanotube paste prepared in Step 1 was adhered with a liquid droplet between the needle-like cathode substrate and the paste support substrate of Step 2 to coat the needle-like cathode substrate.

단계 4 : 상기 단계 4에서 코팅된 침상 음극 기판을 600 ℃의 온도에서 3시간 동안 소결하여 전계방출형 전자빔 에미터를 제조하였다.
Step 4: The needle-like cathode substrate coated in Step 4 was sintered at a temperature of 600 ° C. for 3 hours to prepare a field emission electron beam emitter.

단계 5 : 상기 단계 5에서 제조된 전계방출형 전자빔 에미터 표면을 플라즈마 이온 에칭하여 표면을 정결(淨潔)하였다.
Step 5: The surface of the field emission electron beam emitter prepared in Step 5 was plasma ion-etched to purify the surface.

<실시예 2> 전계방출형 전자빔 에미터의 제조 2Example 2 Preparation of Field Emission Electron Beam Emitter 2

상기 실시예 1의 단계 1에서 탄소나노튜브 0.810 g과 은(Ag) 분말로 형성된 소결성 바인더 1.620 g을 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 전계방출형 전자빔 에미터를 제조하였다.
In the same manner as in Example 1 except that a carbon nanotube paste was prepared by mixing 0.810 g of carbon nanotubes and 1.620 g of a sinterable binder formed of silver (Ag) powder in Step 1 of Example 1 to emit electric fields. A type electron beam emitter was produced.

<실시예 3> 전계방출형 전자빔 에미터의 제조 3Example 3 Fabrication of Field Emission Electron Beam Emitter 3

상기 실시예 1의 단계 1에서 탄소나노튜브 0.827 g과 은(Ag) 분말로 형성된 소결성 바인더 3.310 g을 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 전계방출형 전자빔 에미터를 제조하였다.
Except for preparing carbon nanotube paste by mixing 0.827 g of carbon nanotubes and 3.310 g of a sinterable binder formed of silver (Ag) powder in Step 1 of Example 1, field emission was performed in the same manner as in Example 1. A type electron beam emitter was produced.

<실시예 4> 전계방출형 전자빔 에미터의 제조 4Example 4 Fabrication of a field emission electron beam emitter 4

상기 실시예 1의 단계 1에서 탄소나노튜브 0.864 g과 은(Ag) 분말로 형성된 소결성 바인더 6.910 g을 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 전계방출형 전자빔 에미터를 제조하였다.
Field emission was performed in the same manner as in Example 1 except that carbon nanotube paste was prepared by mixing 0.864 g of carbon nanotubes and 6.910 g of a sinterable binder formed of silver (Ag) powder in Step 1 of Example 1. A type electron beam emitter was produced.

<비교예 1> 전계방출형 전자빔 에미터의 제조 5<Comparative Example 1> Preparation of the field emission type electron beam emitter 5

상기 실시예 1의 단계 1에서 탄소나노튜브 0.947 g과 은(Ag) 분말로 형성된 소결성 바인더 15.152 g을 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 전계방출형 전자빔 에미터를 제조하였다.
Except for preparing carbon nanotube paste by mixing 0.947 g of carbon nanotubes and 15.152 g of a sinterable binder formed of silver (Ag) powder in Step 1 of Example 1, field emission was performed in the same manner as in Example 1. A type electron beam emitter was produced.

<실험예 1> 주사전자현미경 분석Experimental Example 1 Scanning Electron Microscope Analysis

본 발명에 따른 실시예 3의 전계방출형 전자빔 에미터의 표면을 주사전자 현미경으로 관찰하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.The surface of the field emission electron beam emitter of Example 3 according to the present invention was observed with a scanning electron microscope, and the results are shown in FIG. 4.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 3의 전계방출형 전자빔 에미터 표면은 매우 균질한 것을 알 수 있다. 또한, 표면의 더욱 확대하였을 때, 표면에 탄소나노튜브가 균일하게 코팅되어 있는 것을 알 수 있다. 이를 통하여 본 발명에 따른 제조방법으로 탄소나노튜브가 코팅된 전계방출형 전자빔 에미터를 제조할 수 있음을 확인하였다.
As shown in FIG. 4, it can be seen that the field emission type electron beam emitter surface of Example 3 according to the present invention is very homogeneous. In addition, when the surface is further enlarged, it can be seen that carbon nanotubes are uniformly coated on the surface. Through this, it was confirmed that the carbon nanotube-coated field emission electron beam emitter could be manufactured by the manufacturing method according to the present invention.

<실험예 2> 전계방출형 전자빔 에미터의 전기적 특성 분석Experimental Example 2 Electrical Characteristic Analysis of Field Emission Emitter

(1) 전계방출 특성 분석(1) Analysis of field emission characteristics

본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 전계방출형 전자빔 에미터와 비교예 1의 전계방출형 전자빔 에미터의 전계방출 특성 분석을 수행하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.Field emission characteristics of the field emission type electron beam emitters of Examples 1 to 4 and the field emission type electron beam emitters of Comparative Example 1 were performed, and the results are shown in FIG. 5.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 전계방출형 전자빔 에미터는 전계방출 전류량이 높은 것을 알 수 있다. 그러나 비교예 1의 전계방출형 전자빔 에미터는 상대적으로 전계방출 전류량이 낮았으며, 이는 탄소나노튜브와 소결성 바인더의 혼합비율이 적절하지 않아, 전계방출 전류량을 향상시키지 못했기 때문이다. 이에 따라, 본 발명에 따른 제조방법으로 전계방출 전류량이 향상된 전계방출형 전자빔 에미터를 제조할 수 있음을 확인하였다.
As shown in FIG. 5, it can be seen that the field emission type electron beam emitters of Examples 1 to 4 according to the present invention have a high field emission current amount. However, the field emission electron beam emitter of Comparative Example 1 has a relatively low amount of field emission current, because the mixing ratio of carbon nanotubes and the sinterable binder is not appropriate, and thus the field emission current amount cannot be improved. Accordingly, it was confirmed that the field emission type electron beam emitter with improved field emission current amount could be manufactured by the manufacturing method according to the present invention.

(2) 전자빔 인출 특성 분석(2) Analysis of electron beam outgoing characteristic

본 발명에 따른 실시예 3의 전계방출형 전자빔 에미터의 전자빔 인출 특성 분석을 수행하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.The electron beam extraction characteristics of the field emission type electron beam emitter of Example 3 according to the present invention were performed, and the results are shown in FIG. 6.

도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 3의 전계방출형 전자빔 에미터는 0.2 ~ 0.4 A/cm2의 전류밀도를 150 시간 이상 연속 방출하는 것을 알 수 있었다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 전계방출형 전자빔 에미터가 오랜 시간 연속적으로 사용되어도 그 특성이 저하되지 않는 것을 확인하였고, 내구성이 우수한 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 6, it was found that the field emission type electron beam emitter of Example 3 according to the present invention continuously emits a current density of 0.2 to 0.4 A / cm 2 for more than 150 hours. Through this, it was confirmed that even if the field emission type electron beam emitter according to the present invention is used continuously for a long time, its properties are not deteriorated, and the durability is excellent.

11 : 침상 음극 기판
21 : 탄소나노튜브 페이스트
22 : 탄소나노튜브 전계방출원
23 : 소결용 바인더
24 : 휘발성 용매
31 : 페이스트 지지 기판11: needle cathode substrate
21: carbon nanotube paste
22: field emission of carbon nanotubes
23: binder for sintering
24: volatile solvent
31: paste support substrate

Claims (20)

탄소나노튜브와 소결성 바인더 및 휘발성 용매를 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조하는 단계(단계 1);
침상 음극 기판과 이격되도록 페이스트 지지 기판을 구비하는 단계(단계 2);
상기 단계 1에서 제조된 탄소나노튜브 페이스트를 상기 단계 2의 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판의 이격된 공간에 액상 방울로 떨어뜨려, 침상 음극 기판을 코팅하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 탄소나노튜브 페이스트가 코팅된 침상 음극 기판을 건조하고 소결하는 단계(단계 4)를 포함하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
Preparing a carbon nanotube paste by mixing carbon nanotubes, a sinterable binder, and a volatile solvent (step 1);
Providing a paste support substrate spaced apart from the acicular cathode substrate (step 2);
Dropping the carbon nanotube paste prepared in step 1 into a liquid droplet in a space separated from the needle-like cathode substrate and the paste support substrate of step 2 to coat the needle-like cathode substrate (step 3); And
The method of manufacturing a field emission type electron beam emitter comprising the step (step 4) of drying and sintering the acicular cathode substrate coated with carbon nanotube paste in step 3.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 탄소나노튜브는 구경이 1 내지 50 nm이고, 길이가 1 내지 50 μm인 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the carbon nanotubes of step 1 have a diameter of 1 to 50 nm and a length of 1 to 50 μm.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 소결성 바인더는 에틸 메타아크릴레이트(Ethyl methacrylate), n-부틸 메타아크릴레이트(n-Butyl methacrylate) 또는 메틸/n-부틸 메타아크릴레이트 공중합체(Methyl/n-butyl Methacrylate copolymer)인 탄소기반 고분자 바인더로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
According to claim 1, wherein the sinterable binder of step 1 is ethyl methacrylate (Ethyl methacrylate), n-butyl methacrylate (n-Butyl methacrylate) or methyl / n-butyl methacrylate copolymer (Methyl / n- A method of producing a field emission type electron beam emitter, comprising a carbon-based polymer binder which is butyl methacrylate copolymer).
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 소결성 바인더는 마그네슘, 알루미늄, 인듐, 납, 주석 및 아연 분말로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the sinterable binder of step 1 is one selected from the group consisting of magnesium, aluminum, indium, lead, tin, and zinc powder.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 소결성 바인더는 금, 은, 구리, 망간, 니켈, 철 및 티타늄 분말로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the sinterable binder of step 1 is one selected from the group consisting of gold, silver, copper, manganese, nickel, iron, and titanium powder.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 소결성 바인더는 알루미늄, 금, 구리, 철, 인듐, 니켈, 주석 및 티타늄 분말로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the sinterable binder of step 1 is one selected from the group consisting of aluminum, gold, copper, iron, indium, nickel, tin, and titanium powder. .
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 탄소나노튜브 및 소결성 바인더는 휘발성 용매에 대하여 각각 0.1 ~ 8 중량%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the carbon nanotubes and the sinterable binder of step 1 are mixed at a ratio of 0.1 to 8% by weight with respect to the volatile solvent, respectively.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 탄소나노튜브와 소결성 바인더는 1 : 2 ~ 1 : 4인 몰비로 혼합되고, 탄소나노튜브와 소결성 바인더의 총 함량은 용매에 대하여 4 중량%인 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the carbon nanotubes of the step 1 and the sinterable binder are mixed in a molar ratio of 1: 2 to 1: 4, and the total content of the carbon nanotubes and the sinterable binder is 4% by weight with respect to the solvent. Method for producing a field emission electron beam emitter.
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 탄소나노튜브 페이스트의 점도는 0.5 내지 10000 cP인 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the viscosity of the carbon nanotube paste of step 1 is 0.5 to 10000 cP.
제1항에 있어서, 상기 단계 2의 침상 음극 기판은 직경이 0.1 내지 0.5 mm이고, 길이는 3 내지 30 mm인 와이어(wire) 또는 막대(rod) 형태인 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The field emission type electron beam emitter of claim 1, wherein the acicular cathode substrate of step 2 is in the form of a wire or rod having a diameter of 0.1 to 0.5 mm and a length of 3 to 30 mm. Manufacturing method.
제1항에 있어서, 상기 단계 2의 침상 음극 기판의 재질은 텅스텐, 철, 니켈, 티타늄, 은, 구리, 및 코바(kovar)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The field emission type electron beam emitter according to claim 1, wherein the needle cathode substrate of step 2 is one selected from the group consisting of tungsten, iron, nickel, titanium, silver, copper, and kovar. Method of manufacturing the foundation.
제1항에 있어서, 상기 단계 2의 침상 음극 기판은 수평 또는 수직방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the acicular cathode substrate of step 2 is installed in a horizontal or vertical direction.
제1항에 있어서, 상기 단계 2의 침상 음극 기판과 페이스트 지지 기판의 이격된 거리는 0.5 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the spaced distance between the acicular cathode substrate and the paste support substrate of step 2 is 0.5 to 5 mm.
제3항에 있어서, 상기 단계 4의 소결은 50 내지 200 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method of claim 3, wherein the sintering of step 4 is performed at a temperature of 50 to 200 ℃.
제4항에 있어서, 상기 단계 4의 소결은 200 내지 600 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
5. The method of claim 4, wherein the sintering of step 4 is performed at a temperature of 200 to 600 ° C. 6.
제5항에 있어서, 상기 단계 4의 소결은 600 내지 1200 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
6. The method of claim 5, wherein the sintering of step 4 is performed at a temperature of 600 to 1200 ° C. 7.
제6항에 있어서, 상기 단계 4의 소결은 10-1 ~ 10-7 torr의 진공상태에서 200 내지 1200 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The method of claim 6, wherein the sintering of step 4 is performed at a temperature of 200 to 1200 ° C. in a vacuum state of 10 −1 to 10 −7 torr.
제1항에 있어서, 상기 단계 4의 소결이 수행된 후 소결된 음극 기판 표면을 플라즈마 이온 에칭 또는 접착테이프를 통하여 정결(淨潔)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터의 제조방법.
The field emission type electron beam emitter according to claim 1, further comprising the step of purifying the surface of the sintered negative electrode substrate by plasma ion etching or adhesive tape after the sintering of step 4 is performed. Manufacturing method.
제1항의 제조방법으로 제조되어 표면에 탄소나노튜브 전계방출원이 코팅된 전계방출형 전자빔 에미터.
A field emission electron beam emitter prepared by the method of claim 1 and coated with a carbon nanotube field emission source on its surface.
제19항에 있어서, 전계방출형 전자빔 에미터는 소형 전자총 제조에 이용되는 것을 특징으로 하는 전계방출형 전자빔 에미터.20. The field emission electron beam emitter of claim 19, wherein the field emission electron beam emitter is used for manufacturing a small electron gun.
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