KR20090011818A - 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계 방출원, 이의 제조방법및 탄소나노튜브의 밀도 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브의 밀도제어방법, 이를 이용한 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 기판 상에 형성된 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 밀도제어방법, 및 이를 이용한 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법을 제공한다. 또한 본 발명은 기판; 기판 상에 형성되고, 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리된 탄소나노튜브층; 및 탄소나노튜브 층의 상부에 형성된 금속층을 포함하는 탄소나노튜브 전계방출원을 제공한다.
본 발명에 따르면, 적은 비용과 간단한 용액처리공정만으로도 탄소나노튜브의 팁부분이 모인 집합체들로 이루어진 구조를 통하여 탄소나노튜브층 말단의 밀도를 낮게 제어한다. 또한, 동시에 구조적으로도 안정하여 전자방출능이 우수하다.
탄소나노튜브, 전계방출원, 밀도, 용액처리, 금속층

Description

밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계 방출원, 이의 제조방법 및 탄소나노튜브의 밀도 제어 방법{DENSITY CONTROLLED CARBON NANOTUBE FIELD EMISSION SOURCE, PREPARATION METHOD THEREOF, AND DENSITY CONTROL METHOD OF CARBON NANOTUBE}
본 발명은 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계 방출원, 이의 제조방법 및 탄소나노튜브의 밀도 제어 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브(CNTs ; Carbon Nanotubes)는 탄소가 육각형 벌집 무늬로 결합되어 튜브 형태를 이루고 있는 물질로, 튜브의 직경은 수 나노미터부터 수십 나노미터로 극히 작고, 길이는 수 마이크론부터 수십 마이크론으로, 길이와 직경의 비인 종횡비가 매우 큰 물질이다. 뿐만 아니라, 일함수가 낮으며, 화학적 안정성, 기계적 특성, 전기적 전도성 및 전계방출 특성이 우수하여 전계방출소자(FED ; Field Emission Display)의 전계방출원(field emission source), 전자빔원(electron beam source), 2차전지전극, 수소저장 연료전지, 고기능 복합체 등의 다양한 분야에 응용연구가 진행되고 있으며, 그 중 전계방출원 또는 전자빔원으로 사용하려는 연구가 매우 활발히 진행되고 있다.
전계방출원인 에미터(emitter) 또는 전자빔원으로 사용되는 탄소나노튜브는 열화학기상증착법, 아크방전법, 레이저 연동법, 플라즈마 화학기상증착법 등으로 성장되며, 특히 성장된 탄소나노튜브가 적절한 밀도를 가지고 배열되어 있는 경우 전계방출원으로서의 효율이 높아지는 것으로 알려져 있다. 즉, 탄소나노튜브가 에미터로 사용될 때 탄소나노튜브의 밀도가 높아 성장영역이 넓어지면 전계차폐효과(field screening effect)의 영향을 많이 받게 되어 전류밀도가 감소하게 된다. 따라서 전계방출원인 탄소나노튜브의 밀도를 적정 수준으로 낮추어 전계방출 특성을 향상시키는 방법이 제안되었다.
현재까지 알려진 탄소나노튜브의 밀도를 제어하는 방법으로, 탄소나노튜브의 성장 전에 밀도를 제어하는 방법과 탄소나노튜브의 성장 후에 밀도를 제어하는 방법이 있다.
탄소나노튜브의 성장 전에 밀도를 제어하는 방법으로는, 촉매금속을 패터닝(patterning)하는 방법, 촉매용액의 농도를 조절하는 방법, 템플레이트(template)를 이용하여 성장시키는 방법 등이 있으며, 탄소나노튜브의 성장 후에 플라즈마로 에칭(etching)하는 방법 등이 있다.
촉매금속을 패터닝하는 방법은, 기판 상에 탄소나노튜브의 성장에 시드(seed)가 되는 촉매금속층을 형성시킬 때 촉매금속층을 패터닝하여 촉매금속의 수를 낮춰줌으로써 탄소나노튜브의 성장영역을 조절하는 방법이다. 이러한 방법은, 성장된 탄소나노튜브의 밀도를 낮게 제어할 수는 있으나, 그 공정이 복잡하며 비용이 많이 드는 단점이 있다.
촉매용액의 농도를 조절하는 방법은, 상기 촉매금속을 패터닝하는 방법과 원리가 같은 방법으로, 성장된 탄소나노튜브의 밀도를 낮게 제어할 수는 있으나, 성장된 탄소나노튜브와 기판과의 접착력이 약해서 높은 인가전압 하에서의 전계방출에서는 탄소나노튜브들이 기판으로부터 떨어져 나오는 현상이 발생하는 단점이 있다.
템플레이트를 이용하여 성장시키는 방법은, 주로 양극 산화 알루미늄(AAO ; Anodic Aluminium Oxide) 템플레이트를 이용하여 나노미터 크기의 기공에 촉매금속을 전기분해법으로 증착시키고, 여기에 탄소나노튜브를 성장시키는 방법이다. 이러한 방법은 기공의 크기와 기공과 다른 기공 간의 간격을 조절함으로써 탄소나노튜브의 밀도를 제어할 수 있는 장점이 있으나, 공정이 복잡하며 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
탄소나노튜브의 성장 후에 플라즈마로 에칭(etching)하는 방법은, 탄소나노튜브를 성장시킨 후에 플라즈마를 이용하여 탄소나노튜브의 수를 감소시키는 방법으로써, 상기 나열된 방법들보다는 비교적 공정이 간단한 장점이 있으나, 플라즈마의 재현성에 대한 문제로 인하여 상업적으로 적용하기에 곤란한 단점이 있다.
상기한 바와 같이, 종래 탄소나노튜브의 밀도를 제어하는 방법들은 공정이 복잡하고 시간이 오래 걸리거나 비용이 많이 들어 상업적으로 적용하는데 곤란함이 있었다. 또한, 탄소나노튜브의 밀도를 제어하고 있으나, 그 구조적인 안정성을 함께 향상시키지는 못하였다. 따라서 본 발명은 이러한 문제를 해결하고자 탄소나노튜브의 밀도 제어 방법, 밀도가 제어된 탄소나노튜브 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자들은 탄소나노튜브가 전계방출원인 에미터로 사용될 때 전자는 탄소나노튜브의 팁부분에서 방출되므로, 탄소나노튜브 팁부분의 밀도를 조절함으로써 탄소나노튜브의 밀도를 제어할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하게 되었다. 즉, 탄소나노튜브의 팁부분을 모아주게 되면 전자가 방출되는 위치의 거리가 조절됨으로써 전계 방출 밀도가 제어되고, 이로 인하여 전계차폐효과(field screening effect)가 감소하여 전류밀도의 증가를 가져오고, 팁을 공유하는 탄소나노튜브가 다수 존재하게 됨으로써 좀 더 안정적으로 전계방출이 이루어질 수 있다는 원리를 이용한 것이다.
이러한 관점에서 예의 연구를 거듭한 결과, 기판에 형성된 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 간단한 공정만으로 탄소나노튜브의 팁부분이 모이게 되며, 이를 통하여 탄소나노튜브층 말단의 밀도를 제어할 수 있음을 확 인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 탄소나노튜브의 밀도제어방법으로서, 기판 상에 형성된 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 단계; 및 처리된 탄소나노튜브를 건조하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브의 밀도제어방법을 제공한다.
상기 탄소나노튜브 팁처리 용액은 탈이온수, 아세톤 및 에탄올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한, 본 발명은 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법으로서, 기판을 제작하는 제1단계; 제작된 기판의 상부에 탄소나노튜브를 형성하는 제2단계; 탄소나노튜브가 형성된 기판을 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 제3단계; 및 처리된 기판을 건조하는 제4단계를 포함하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법을 제공한다.
상기 처리된 기판을 건조하는 제4단계는 (ⅰ) 처리된 기판을 자연건조하는 방법, (ⅱ) 처리된 기판을 급속 열처리하는 방법, 또는 (ⅲ) 처리된 기판을 자연건조한 후 급속 열처리하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.
상기 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법은, 제4단계 이후에 건조된 기판 상의 탄소나노튜브 상부에 금속층을 형성하는 제5단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금속층은 금, 은, 구리 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 기판; 기판 상에 형성되고, 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리되어 두 개 이상의 탄소나노튜브 팁부분이 모인 집합체들이 산발적으로 위치하고 있는 구조로 이루어져, 상기 집합체 말단의 밀도가 기판에 형성된 탄소나노튜브의 밀도보다 낮게 제어된 탄소나노튜브층; 탄소나노튜브층의 상부에 형성된 금속층을 포함하여 이루어진 탄소나노튜브 전계방출원을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브 전계방출원을 포함하는 전계방출소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 적은 비용과 간단한 용액 처리 공정만으로도 탄소나노튜브의 팁부분이 모여 이루어진 구조를 통하여 탄소나노튜브층 말단의 밀도를 낮게 제어하며, 동시에 구조적으로도 안정하여 전자방출능이 우수하다. 또한, 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원은 전계방출소자와 더불어 높은 전류밀도를 요구하는 전자빔원으로도 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명은 탄소나노튜브의 밀도제어방법, 이를 이용한 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법 및 탄소나노튜브 전계방출원에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 탄소나노튜브의 밀도제어방법은 기판 상에 형성된 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 단계; 및 처리된 탄소나노튜브를 건조하는 단계를 포함한다.
탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 단계는, 탄소나노튜브의 팁부분들이 모이도록 처리해주는 단계로, 두 개 이상의 팁부분들이 모여서 하나의 집합체를 이루어 산발적으로 위치한 구조를 형성하게 됨으로써, 상기 집합체 말단의 밀도가 기판에 형성된 탄소나노튜브의 밀도보다 낮게 제어된다.
본 명세서에서 "탄소나노튜브 팁처리 용액(carbon nanotubes tip treatment solution)"은, 탄소나노튜브 처리시 그 팁부분에 어떤 변화가 일어나도록 하는 용액이라는 의미로 사용하였다.
상기 탄소나노튜브 팁처리 용액으로는 적절한 점성과 휘발성을 갖는 용액을 사용할 수 있으며, 특히 탈이온수, 아세톤, 에탄올 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이들의 점성과 휘발성에 따라 조성을 조절하여 사용할 수 있다. 탄소나노튜브의 밀도를 가장 균일하게 제어하는 에탄올을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 단계는, 기판 상에 형성된 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 팁처리 용액에 담지하고, 상온에서 5 내지 10분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
처리된 탄소나노튜브를 건조하는 단계는, 기판 또는 탄소나노튜브에 흡착된 탄소나노튜브 팁처리 용액을 제거하기 위한 단계로서, (ⅰ) 처리된 기판을 자연건조하는 방법, (ⅱ) 처리된 기판을 급속 열처리하는 방법, 또는 (ⅲ) 처리된 기판을 자연건조한 후 급속 열처리하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 수행할 수 있다.
상기 건조 단계는, 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리된 탄소나노튜브의 팁부분이 모인 상태의 변형을 최소화하기 위하여, 용액을 제거한 상태 그대로 수행되는 것이 바람직하다.
상기 자연 건조는 상온, 대기중에서 탄소나노튜브 팁처리 용액이 증발할 때까지 수행할 수 있다.
상기 급속 열처리는 급속 열처리 시스템에서 800 내지 1000 ℃의 온도, 바람직하게는 850 내지 950 ℃의 온도로 수행되는 것이 바람직하다. 급속 열처리 단계를 통하여, 탄소나노튜브 팁처리 용액 뿐만 아니라, 자연건조시 제거되지 않고 잔존하는 불순물들을 제거함으로써, 전계방출시 의도하지 않은 현상이 일어날 가능성을 방지할 수 있다. 급속 열처리 온도가 800 ℃ 미만인 경우에는 탄소나노튜브의 팁부분이 모인 집합체에 흡착된 물질들이 완전히 제거되지 않아 전계방출시 아웃게싱(outgasing)으로 인한 전류밀도의 노이즈(noise)가 발생할 수 있으며, 열처리 온도가 1000 ℃를 초과하는 경우에는 탄소나노튜브의 팁이 열리게(open) 되어 의도하지 않은 전계방출특성의 변화가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 또한 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법은, 기판을 제작하는 제1단계; 제작된 기판의 상부에 탄소나노튜브를 형성하는 제2단계; 탄소나노튜브가 형성된 기판을 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 제3단계; 및 처리된 기판을 건조하는 제4단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 개략적 공정도를 도 1에 나타내었다.
기판을 제작하는 제1단계는, 기판(100) 상부에 버퍼층(110)을 형성하는 제1-1단계 및 형성된 버퍼층의 상부에 촉매층(120)을 형성하는 제1-2단계를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층으로는 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금을 사용할 수 있으며, 티타늄 나이트라이트(TiN)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 촉매층은 탄소나노튜브의 성장에 시드가 되는 촉매를 포함하는 층으로, 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 또는 이들의 합금을 사용할 수 있으며, 니켈(Ni)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 버퍼층 및 촉매층을 마그네트론 스퍼터(magnetron sputter)를 사용하여 기판 상부에 증착함으로써 기판을 제작할 수 있다.
제작된 기판에 탄소나노튜브를 형성하는 제2단계는, 메탄가스, 아세틸렌가스 또는 에틸렌가스 등의 탄화수소가스 분위기 하에서 직류 플라즈마 유도 화학기상증착법(DC PE-CVD ; Direct Current Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 이용하여, 상기 촉매층에 탄소나노튜브를 수직성장시키는 단계이다.
탄소나노튜브가 형성된 기판을 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 제3단계는, 탄소나노튜브의 팁부분들이 모이도록 처리해주는 점성이 있는 탄소나노튜브 팁처리 용액을 이용하여 탄소나노튜브를 처리해주는 단계이다. 이 단계를 통하여, 두 개 이상의 탄소나노튜브 팁부분들이 모여 집합체를 이루게 되며, 상기 집합 체 말단의 밀도가 기판에 형성된 탄소나노튜브의 밀도보다 낮아지게 된다. 따라서, 이러한 집합체들로 구성된 탄소나노튜브 전계방출원의 경우, 하나의 집합체의 말단 부분에서 방출되는 전자는 집합체를 이루는 탄소나노튜브 팁부분의 숫자에 의해 결정되며, 적어도 두 개 이상의 전자가 하나의 집합체로부터 방출되므로, 종래의 밀도가 제어되지 않은 탄소나노튜브 전계방출원과 비교하여 전자의 방출이 좀 더 안정적으로 이루어질 수 있게 된다.
상기 탄소나노튜브 팁처리 용액으로는 탈이온수, 아세톤, 에탄올 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이들의 점성과 휘발성에 따라 조성을 조절하여 사용할 수 있다. 탄소나노튜브의 밀도를 가장 균일하게 조절하는 에탄올을 사용하는 것이 바람직하다.
탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 제3단계는, 탄소나노튜브가 형성된 기판을 탄소나노튜브 팁처리 용액에 담지하고, 상온에서 5 내지 10분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
처리된 기판을 건조하는 제4단계는, 기판 또는 탄소나노튜브에 흡착된 탄소나노튜브 팁처리 용액을 제거하기 위한 단계로, 전계방출 측정시 탄소나노튜브 팁처리 용액의 흡착으로 인한 고전압 하에서의 전류밀도 노이즈(noise)를 제거하기 위한 단계이다. 탄소나노튜브 팁처리 용액이 잔존하게 되면 전계방출 측정시에 아웃게싱(outgasing)되고, 아웃게싱된 이온들은 에미터(emitter)들을 공격하여 전계방출을 불규칙하게 발생시켜 전류밀도에 노이즈가 발생하게 된다.
상기 제4단계는 처리된 탄소나노튜브의 팁부분이 모인 집합체의 변형을 최 소화하기 위하여, 용액을 제거한 상태 그대로 수행되는 것이 바람직하다.
상기 건조는 (ⅰ) 처리된 기판을 자연건조하는 방법, (ⅱ) 처리된 기판을 급속 열처리하는 방법, 또는 (ⅲ) 처리된 기판을 자연건조한 후 급속 열처리하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 수행할 수 있으며, 자연건조와 급속 열처리를 함께 수행하는 것이 바람직하다.
상기 자연건조는 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리한 후 갑작스럽게 고온에서 열처리 하게 되는 경우, 팁부분이 모인 집합체들이 떨어져 원래의 형태로 돌아갈 가능성이 있으므로 상온, 대기중에서 탄소나노튜브 팁처리 용액이 증발할 때까지 수행할 수 있다.
상기 급속 열처리는 급속 열처리 시스템에서 800 내지 1000 ℃의 온도, 바람직하게는 850 내지 950 ℃의 온도로 수행되는 것이 바람직하다. 급속 열처리 단계를 통하여, 탄소나노튜브 팁처리 용액을 완전하게 제거함으로써 탄소나노튜브의 벽(wall) 부분에 흡착된 반응성 라디칼들로 인해 탄소나노튜브의 특성이 변화되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 자연건조시 제거되지 않고 잔존하는 불순물들을 제거함으로써 전계방출시 의도하지 않은 현상이 일어날 가능성을 방지할 수 있다.
본 발명의 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법은, 제4단계 이후에 건조된 기판 상의 탄소나노튜브 상부에 금속층을 형성하는 제5단계를 더 포함할 수 있다.
금속층을 형성하는 제5단계는, 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 단계 및 건조하는 단계를 통하여 형성된, 탄소나노튜브의 팁부분이 모인 집합체들로 이 루어진 탄소나노튜브 전계방출원의 변화된 구조가, 전계방출 발생시 높은 인가전압 하에서 각 집합체들을 이루고 있는 탄소나노튜브 팁부분들이 떨어져 원래의 형태로 돌아가는 것을 방지하고, 전계방출이 일어나는 집합체들의 말단부분의 날카로움(sharpness)을 더욱 향상시키기 위한 단계이다.
상기 금속층은 전도성이 우수하고, 녹는점이 높으며, 화학적으로 안정한 특성을 갖는 금속인 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 마그네트론 스퍼터를 사용하여 형성할 수 있다.
본 발명의 탄소나노튜브 전계방출원은 기판; 기판 상에 형성되고, 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리되어 두 개 이상의 탄소나노튜브 팁부분이 모인 집합체들이 산발적으로 퍼져 있는 구조로 이루어져, 상기 집합체 말단의 밀도가 기판에 형성된 탄소나노튜브의 밀도보다 낮게 제어된 탄소나노튜브층; 탄소나노튜브층의 상부에 형성된 금속층을 포함한다.
상기 금속층은 금, 은, 구리 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브 전계방출원을 포함하는 전계방출소자를 제공한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
실리콘 기판 상부에 마그네트론 스퍼터를 사용하여 티타늄 나이트라이드(TiN)를 100 ㎚ 두께로 증착하여 버퍼층을 형성하고, 니켈(Ni)을 24 ㎚ 두께로 증착하여 촉매층을 형성하여 기판을 제작하였다. 원료가스로서 탄화수소 계열의 가스를 사용하고, 600 ℃, 5 Torr에서 직류 플라즈마 유도 화학기상증착법을 이용하여 기판에 탄소나노튜브를 30분 동안 형성하였다. 탄소나노튜브가 형성된 기판을 에탄올 용액에 담지하고 상온에서 10분 동안 처리하였다. 처리된 기판을 용액으로부터 꺼낸 후, 그 상태로 상온, 대기중에서 에탄올 용액이 증발될 때까지 자연건조하여 탄소나노튜브 전계방출원을 제조하였다. 제조된 탄소나노튜브 전계방출원의 전자현미경 사진을 도 2에 나타내었다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 탈이온수를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 제조된 탄소나노튜브 전계방출원의 전자현미경 사진을 도 3에 나타내었다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 아세톤을 사용한 것을 제 외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 제조된 탄소나노튜브 전계방출원의 전자현미경 사진을 도 4에 나타내었다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 자연건조된 기판을 수소 분위기 하에서 900 ℃로 10분 동안 급속 열처리하였다. 급속 열처리된 기판의 상부에 마그네트론 스퍼터를 사용하여 금속층으로 금을 증착하였다. 금속층이 증착된 탄소나노튜브 전계방출원의 전자현미경 사진을 도 5에 나타내었다.
실시예 5
상기 실시예 4에서, 상기 실시예 2에서 자연건조된 기판을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하였다. 금속층이 증착된 탄소나노튜브 전계방출원의 전자현미경 사진을 도 6에 나타내었다.
실시예 6
상기 실시예 4에서, 상기 실시예 3에서 자연건조된 기판을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 실시하였다. 금속층이 증착된 탄소나노튜브 전계방출원의 전자현미경 사진을 도 7에 나타내었다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 탄소나노튜브가 형성된 기판을 에탄올로 처리하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다. 제조된 탄소나노튜브 전계방출원의 전자현미경 사진을 도 8에 나타내었다.
실시예 1 내지 6에서 제조한 탄소나노튜브 전계방출원(도 2 내지 7 참조)은, 비교예 1에서 제조한 탄소나노튜브 전계방출원(도 8 참조)과 비교하여 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리되어 탄소나노튜브의 팁부분이 모인 집합체들이 산발적으로 퍼져있는 구조를 이루고 있어, 집합체 말단의 밀도가 기판에 형성된 탄소나노튜브의 밀도보다 낮게 제어된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 4에서 제조한 탄소나노튜브 전계방출원과 비교예 1에서 제조한 탄소나노튜브 전계방출원의 I-V 그래프를 도 9에 나타내었다. 실시예 4의 경우, turn-on 전압이 2.5 V/㎛이고, 전압이 증가함에 따라 전류밀도도 증가하여 전압이 6 V/㎛일 때 약 1300 ㎂/㎠의 전류밀도가 얻어지며, 균일한 전자 방출이 유도됨을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 1의 경우, turn-on 전압이 3.3 V/㎛이고, 전압이 6 V/㎛일 때 약 25 ㎂/㎠의 전류밀도가 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 최적의 실시예에 따른 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법의 개략적인 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 탄소나노튜브 전계방출원에 대한 5,000 배율(2a, 2c), 10,000 배율(2b) 및 15,000 배율(2d)의 전자현미경 사진이다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 탄소나노튜브 전계방출원에 대한 5,000 배율(3a, 3c), 10,000 배율(3b) 및 15,000 배율(3d)의 전자현미경 사진이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 탄소나노튜브 전계방출원에 대한 5,000 배율(4a, 4c) 및 10,000 배율(4b, 4d)의 전자현미경 사진이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 탄소나노튜브 전계방출원에 대한 5,000 배율(5a, 5c), 10,000 배율(5b) 및 15,000 배율(5d)의 전자현미경 사진이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 탄소나노튜브 전계방출원에 대한 5,000 배율(6a, 6c), 10,000 배율(6b) 및 15,000 배율(6d)의 전자현미경 사진이다.
도 7a 내지 7d는 본 발명의 실시예 6에 따라 제조된 탄소나노튜브 전계방출원에 대한 5,000 배율(7a, 7c) 및 10,000 배율(7b, 7d)의 전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 탄소나노튜브 전계방출원에 대한 7,000 배율의 전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 4 및 비교예 1에 따라 제조된 탄소나노튜브 전계방출원의 I-V 그래프이다.
*도면의 주요 부호에 대한 설명*
100 : 기판 110 : 버퍼층
120 : 촉매층 130 : 탄소나노튜브
131 : 집합체 132 : 탄소나노튜브층
140 : 탄소나노튜브 팁처리 용액 150 : 금속층

Claims (19)

  1. 탄소나노튜브의 밀도제어방법으로서,
    기판 상에 형성된 탄소나노튜브를 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 단계; 및 처리된 탄소나노튜브를 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 밀도제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 팁처리 용액은, 탈이온수, 아세톤 및 에탄올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 밀도제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 단계는 상온에서 5 내지 10분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브의 밀도제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 건조하는 단계는 (ⅰ) 처리된 기판을 자연건조하는 방법, (ⅱ) 처리된 기판을 급속 열처리하는 방법, 또는 (ⅲ) 처리된 기판을 자연건조한 후 급속 열처리하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하 는 탄소나노튜브의 밀도제어방법.
  5. 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법으로서,
    기판을 제작하는 제1단계;
    제작된 기판의 상부에 탄소나노튜브를 형성하는 제2단계;
    탄소나노튜브가 형성된 기판을 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 제3단계; 및
    처리된 기판을 건조하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제4단계는 (ⅰ) 처리된 기판을 자연건조하는 방법, (ⅱ) 처리된 기판을 급속 열처리하는 방법, 또는 (ⅲ) 처리된 기판을 자연건조한 후 급속 열처리하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 급속 열처리는 수소 분위기 하에서 800 내지 1000 ℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제4단계 이후에, 건조된 기판 상의 탄소나노튜브 상부에 금속층을 형성하는 제5단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속층은 금, 은, 구리 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 금속층은 마그네트론 스퍼터를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 기판을 제작하는 제1단계는,
    기판 상부에 버퍼층을 형성하는 제1-1단계; 및 형성된 버퍼층의 상부에 촉매층을 형성하는 제1-2단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 버퍼층은 크롬, 탄탈륨, 티타늄 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 촉매층은 니켈, 철, 코발트 또는 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브를 형성하는 제2단계는 직류 플라즈마 유도 화학기상증착법을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 팁처리 용액은 탈이온수, 아세톤 및 에탄올로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  16. 제5항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리하는 제3단계는 상온에서 5 내지 10분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 밀도가 제어된 탄소나노튜브 전계방출원의 제조방법.
  17. 기판;
    기판 상에 형성되고, 탄소나노튜브 팁처리 용액으로 처리되어 두 개 이상의 탄소나노튜브 팁부분이 모인 집합체들이 산발적으로 퍼져 있는 구조로 이루어져, 상기 집합체 말단의 밀도가 기판에 형성된 탄소나노튜브의 밀도보다 낮게 제어된 탄소나노튜브층;
    탄소나노튜브층의 상부에 형성된 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출원.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 금속층은 금, 은, 구리 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 전계방출원.
  19. 제17항에 따른 탄소나노튜브 전계방출원을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계방출소자.
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