KR101356820B1

KR101356820B1 - 전도성 나노구조물 및 이의 성형 방법 및 이를 이용하는 전계 방출 에미터의 제조 방법

Info

Publication number: KR101356820B1
Application number: KR1020100057576A
Authority: KR
Inventors: 김용협; 김왈준
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2014-01-28
Also published as: US20130134860A1; KR20110137571A; US9230770B2; WO2011159012A3; WO2011159012A2

Abstract

일 실시 예에 있어서, 전도성 나노구조물의 성형 방법을 제공한다. 상기 전도성 나노구조물의 성형 방법은 전도성 기판 상에 배열되는 전도성 나노구조물을 형성하는 과정 및 상기 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 가공하는 과정을 포함한다.

Description

전도성 나노구조물 및 이의 성형 방법 및 이를 이용하는 전계 방출 에미터의 제조 방법{Conductive nanostructure and method of forming thereof and method of manufacturing field emission emitter using the same}

본 명세서에 개시된 기술은 대체로 전도성 나노구조물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전도성 나노구조물 및 이의 성형 방법 및 이를 이용하는 전계 방출 에미터의 제조 방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브 또는 이를 포함하여 형성되는 나노구조물은 최근에 활발한 연구가 진행되고 있는 나노 연구분야 중의 하나이다. 상기 나노구조물의 응용 분야 중 하나의 예로서, 원자힘 전자현미경과 같은 전자 장치의 전계 방출 팁 분야가 있다. 전계 방출 팁으로서 기능하려면, 전계에 따른 전자 방출 효율이 우수하여야 하며, 특히, 원자힘 전자현미경의 전계 방출 팁으로서 응용시에는 동작 중 시편 표면과의 충돌에 의해서 쉽게 부러지지 않을 만큼의 고강도를 구비하여야 한다. 이로서, 고 종횡비(aspect ratio)의 콘택 구조를 고분해능으로 신뢰성 있게 측정할 수 있게 있다. 고분해능의 확보를 위해서는 전계 방출 팁이 종횡비가 큰 기하학적 구조를 가지도록 제조하는 것이 유리하다.

상기 전계 방출 팁에 적용되는 나노구조물로서의 탄소나노튜브는 내화학적 특성 및 기계적 강도가 우수하고, 그 자체로 고 종횡비의 기하학적 구조(geometry)를 구현할 수 있어 가장 유망한(promising) 후보가 되고 있다. 탄소나노튜브를 원자힘 전자현미경 전계 방출 팁의 프로브로서 적용하기 위한 시도로서, 최근에 전계 방출원의 첨단(apex)에 탄소나노튜브를 바늘과 같은 형상으로 형성하는 것이 고안되고 있다. 팁 상에 탄소나노튜브를 접착제로 접착시키는 방법으로 시도되고 있으며, 한국특허공개공보 2005-0060308 등에 개시되고 있다. 또한, 금속 팁 상에 촉매를 형성하고, 상기 촉매를 이용하는 화학기상증착법으로 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방법도 연구되고 있는데, 한국특허공개공보 2002-0040133호 등에 구체적으로 제시되고 있다.

이와 같이, 종횡비를 제어할 수 있으며, 금속 팁과 같은 기지물질과의 접착력이 우수하고, 고전자방출 효율과 같은 전기적 특성이 우수한 나노구조물을 신뢰성 있게 제조하는 기술에 대한 요청이 커져가고 있다.

본 출원이 이루고자 하는 기술적 과제는 전도성 기판 상에 소정의 크기를 가지는 나노구조물이 배치되도록 나노구조물을 성형하는 방법을 제공하는 것이다.

본 출원이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전도성 팁 상에 소정의 길이를 가지도록 배열되는 전도성 나노구조물을 구비하는 전계 방출 에미터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 출원이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 기계적으로 종횡비의 제어가 가능하며 전자적 물성이 우수한 나노구조물 및 전계 방출 에미터를 제공하는 것이다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 일 측면은 전도성 나노구조물의 성형 방법을 제공한다. 먼저, 전도성 기판 상에 배열되는 전도성 나노구조물을 형성한다. 상기 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 가공한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 전도성 나노구조물은 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.

다른 실시 에에 있어서, 상기 전도성 나노구조물은 금속 또는 금속 산화물을 추가적으로 포함할 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 가공하는 과정은 상기 나노구조물이 소정의 길이를 가지도록 방전 절단하는 과정을 포함할 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 가공하는 과정은 상기 전도성 기판과 상기 전도성 나노구조물 사이의 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 가공하는 과정은 방전 가공 전극을 제공하는 과정 및 상기 방전 가공 전극과 상기 전도성 나노구조물 사이에서 방전을 발생시키는 과정을 포함할 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 가공하는 과정은 상기 전도성 나노구조물과 상기 방전 가공 전극을 대기 환경 중에서 서로 이격하여 배치하는 과정, 상기 전도성 나노구조물과 상기 방전 가공 전극 사이에 전압을 인가하는 과정 및 상기 전압이 인가된 상기 방전 가공 전극을 상기 전도성 나노구조물에 인접시켜 방전을 발생시키는 과정을 포함할 수 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 다른 측면은 전계 방출 에미터의 제조 방법을 제공한다. 상기 전계 방출 에미터의 제조 방법에 있어서, 먼저, 전도성 팁 상에 배열되며 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 나노구조물을 형성한다. 상기 배열된 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 절단한다. 상기 방전 절단 과정은 상기 전도성 팁과 상기 전도성 나노구조물 사이의 접촉저항을 감소시킬 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 나노구조물은 금속 또는 금속 산화물을 추가적으로 포함할 수 있다.

다른 실시 예에 있어서, 상기 배열된 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 절단하는 과정은 상기 전도성 나노구조물과 상기 방전 가공 전극을 서로 이격하여 배치하는 과정, 상기 전도성 나노구조물과 상기 방전 가공 전극 사이에 전압을 인가하는 과정 및 상기 전압이 인가된 상기 방전 가공 전극을 상기 전도성 나노구조물에 인접시켜 방전을 발생시키는 과정을 포함할 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 방전 가공 전극은 황동, 흑연, 은-텅스텐 합금, 구리-텅스텐 합금, 철, 구리, 아연, 인청동 및 알루미늄으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로부터 제조될 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 배열된 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 절단하는 과정은 절단되는 상기 나노구조물의 종횡비를 조절하여 전자 방출 문턱 전계를 제어하는 과정을 포함할 수 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 또 다른 측면은 전계 방출 나노구조물을 제공한다. 상기 전계 방출 나노구조물은 전도성 기판, 상기 전도성 기판 상에 배열되는 전도성 나노구조물, 및 상기 전도성 기판 및 상기 전도성 나노구조물 사이의 계면에 배치되는 전도성 계면 화합물을 포함한다. 상기 전도성 나노구조물의 첨단 단면은 방전 가공에 의해 1um 이하의 단차를 가지도록 제어된다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 또 다른 측면은 전계 방출 소자를 제공한다. 상기 전계 방출 소자는 텅스텐 팁, 상기 텅스텐 팁 상에 배치되는 텅스텐산화물 및 탄소나노튜브를 포함하며 외부 전계에 의해 전자를 방출하는 전도성 나노구조물, 및 상기 텅스텐 팁과 상기 전도성 나노구조물의 계면에 배치되고 탄화텅스텐을 포함하는 전도성 계면 화합물을 포함한다.

본 출원의 일 실시 예에 의하면, 대기 환경 중에서 방전 가공법을 이용함으로써, 전도성 나노구조물의 크기 및 형상을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.

본 출원의 일 실시 예에 의하면, 대기 환경 중에서 방전 가공법을 이용하는 과정에서, 전도성 나노구조물이 배열되는 전도성 기판과의 물리적인 접착력을 증가시킬 수 있으며, 전도성 기판과의 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.

본 출원의 일 실시 예에 의하면, 상술한 효과를 가지는 방전 가공법을 적용하여 전도성 팁 상에 전자 방출 효율이 우수한 전계 방출 에미터를 제조할 수 있게 된다.

도 1은 본 출원의 일 실시 예에 있어서, 전도성 나노구조물의 성형 방법을 도시하는 순서도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 있어서, 전도성 나노구조물을 방전 가공하는 방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다.
도 3내지 도 5는 본 출원의 일 실시 예에 있어서, 전도성 나노구조물을 방전 가공하는 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 출원의 일 실시 예에 있어서, 전계 방출 에미터를 제조하는 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 9는 본 출원의 일 실시 예에 따른 전도성 팁 상의 전도성 나노구조물을 나타내는 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 본 출원의 일 실시 예에 따른 전도성 팁 상의 전도성 나노구조물의 전기적 특성 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 출원의 일 실시 예에 따른 전도성 팁 상의 전도성 나노구조물의 성분 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 출원의 일 실시 예에 따른 전도성 나노구조물의 전계 방출 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 출원의 일 실시 예에 따른 전도성 나노구조물의 전계 방출 특성을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 여기서 개시되는 일요부(subject matter)의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고 및 도면에 기재되는 구성요소들은 다양하게 다른 구성으로 배열되고 구성되고 결합되고 도안될 수 있다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.

도 1은 본 출원의 일 실시 예에 있어서, 전도성 나노구조물의 성형 방법을 도시하는 순서도이다. 도 1을 참조하면, 먼저 110 블록에서, 전도성 기판 상에 배열되는 전도성 나노구조물을 형성한다. 일 실시 예에 의하면, 상기 전도성 기판은 금속, 전도성 금속 산화물, 전도성 금속 질화물 등으로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 전도성 기판은 텅스텐, 니켈, 알루미늄, 몰리브텐, 탄탈륨, 니오븀 등과 같은 금속 또는 이들의 합금으로 이루어 질 수 있다. 다른 예로서, 상기 전도성 기판은 텅스텐 질화물, 탄탈륨 질화물, 타이타늄 질화물 등과 같은 전도성 물질로 이루어 질 수 있다. 상기 전도성 나노구조물은 탄소나노튜브를 포함할 수 있으며, 몇몇 실시 예들의 경우, 상기 전도성 나노 구조물은 금속 또는 금속 산화물을 추가적으로 포함할 수 있다.

전도성 기판 상에 배열되는 전도성 나노구조물을 형성하는 방법은 공지된 다양한 방법이 적용될 수 있다. 본 명세서에서 개시되는 전도성 기판은 일 끝단이 뾰족한 형상을 갖는 팁과 같이 용도에 따라 다양한 형상을 가질 수 있으며, 상기 전도성 나노구조물이 배치되는 다양한 종류의 기지물로서 광범위하게 해석될 수 있다. 상기 전도성 기판 상에 배열되는 상기 전도성 나노구조물을 형성하는 방법은 촉매를 이용하는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)이 적용될 수 있다. 상기 CVD는 일 예로서, 열 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD), 직류 플라즈마 CVD, 알에프(RF, radio frequency) 플라즈마 CVD, 마이크로파 플라즈마 CVD등 일 수 있다. 일 실시 예로서, 상기 전도성 기판 상에 일 예로서, 철, 코발트, 니켈 등과 같은 금속 촉매를 형성한다. 상기 금속 촉매를 상기 전도성 기판 상에 형성하는 방법은 일 예로서 스퍼터링법이 적용될 수 있다. 그 후에, 아세틸렌(C2H2) 가스와 같은 반응가스를 상기 금속 촉매가 형성된 상기 전도성 기판 상에 제공하고, 상술한 다양한 종류의 CVD법을 적용함으로써, 상기 전도성 기판 상에 탄소나노튜브와 같은 나노구조물을 형성할 수 있다. 상기 금속 촉매 상에 탄소나노튜브가 형성되는 현상은 팁-성장(tip-growth) 이론 또는 바닥-성장(base-growth) 이론으로 공지되어 있다. 상술한 CVD법은 기판 상에 상기 탄소나노튜브가 수직으로 배열되도록 형성시킬 수 있다는 장점이 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 촉매를 상기 전도성 기판 상에 균일하게 배치하도록 형성함으로써, 기판 상에서 균일한 배치를 가지는 복수의 탄소나노튜브를 형성할 수 있다.

120 블록에서, 상기 형성된 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 가공한다. 일 실시 예에 따르면, 상기 방전 가공은 상기 전도성 나노구조물이 소정의 길이를 가지도록 절단하는 공정일 수 있다. 일 예로서, 상기 전도성 나노구조물이 전자 방출원으로 적용되는 경우, 상기 전도성 나노구조물의 길이를 용도에 따라 정밀하게 제어하는 것이 중요하다. 본 출원의 발명자는 전도성 나노구조물의 직경 대비 길이 요소인 종횡비가 상기 전자 방출원의 전자 방출 문턱 전계의 크기와 관련되어 있다는 사실을 발견했다. 즉, 상기 전도성 나노구조물의 상기 종횡비가 클수록 상기 전자 방출 문턱 전계의 크기가 감소하므로, 상대적으로 낮은 전압에서 전자 방출이 이루어질 수 있다. 그리고, 전자가 방출되는 상기 나노구조물의 첨단의 단면이 균일할수록 전계 방출 전계의 균일도가 향상된다는 사실을 발견하였다. 따라서, 상기 전도성 나노구조물의 길이 및 단면을 재현성있게 정밀 제어하는 기술은 균일한 전자 방출 문턱 전계 크기를 가지는 전자 방출원의 제조에 중요한 역할을 할 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 상기 방전 가공 공정 시에 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판을 따라 수 mA 내지 수 A의 전류가 흐를 수 있다. 본 출원의 발명자는, 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판에 흐르는 전류로 의해, 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판 사이의 계면에서의 접촉 저항이 감소함을 발견하였다. 즉, 상기 전류에 의해 발생한 주울 열은 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판의 계면에 전도성 화합물을 생성할 수 있으며, 상기 생성되는 전도성 화합물은 상기 계면에서의 접촉 저항을 감소시키는 것으로 추정한다. 또한, 상기 계면에 형성되는 상기 전도성 화합물은 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판 사이의 물리적 접합력을 증가시킴으로써, 상기 전도성 나노구조물이 상기 전도성 기판 상에 안정적으로 배열되도록 할 수 있다.

다른 몇몇 실시 예들에 의하면, 상기 방전 가공은 상기 나노구조물을 절단 가공하는 공정 이외에 상기 나노구조물을 다양한 형상으로 성형하는 데 적용될 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 상기 전도성 나노구조물에 대한 상술한 방전 가공은 대기 환경 중에서 진행된다. 본 명세서에서 “대기 환경”이라 함은 종래의 방전 가공이 진행되는 “액상의 유체 환경”과 대비되는 개념으로 해석될 수 있으며, 상기 대기 환경에 대응하는 가스의 종류 및 압력은 제한없이 적용될 수 있다. 본 출원의 일 실시 예에 따르는 방전 가공은 종래의 방전 가공과 달리 대기 환경 중으로 공정 조건이 제어된다. 이로서, 종래의 경우, 방전 가공 중 유체 내에 혼입되는 가공 부산물이 가공 대상물인 전도성 나노구조물을 다시 오염시키거나, 상기 유체가 미세구조물인 상기 전도성 나노구조물에 손상을 입히는 문제점을 해결할 수 있으며, 나노구조물과 같은 미세 가공물의 가공을 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.

도 2는 본 출원의 일 실시 예에 있어서, 전도성 나노구조물을 방전 가공하는 방법을 개략적으로 도시하는 순서도이다. 도 2를 참조하면, 전도성 나노구조물을 방전 가공하는 방법은 210 블록의 방전 가공 전극을 제공하는 과정과 220 블록의 상기 방전 가공 전극과 상기 전도성 나노구조물 사이에서 방전을 발생시키는 과정을 포함할 수 있다. 도 2의 상기 전도성 나노구조물은 도 1과 관련하여 상술한 실시예에서 설명한 상기 전도성 기판 상에 배열되는 상기 전도성 나노구조물과 실질적으로 동일할 수 있다.

먼저, 210블록에서, 방전 가공 전극을 제공한다. 상기 방전 가공 전극은 일 예로서, 와이어 또는 봉 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 방전 가공 전극은 일 예로서, 황동, 흑연, 은-텅스텐 합금, 구리-텅스텐 합금, 철, 구리, 아연, 인청동, 알루미늄, 또는 이들의 합금 등으로 제조될 수 있다. 상기 방전 전극은 외부 전원과 전기적으로 연결되고, 상기 외부 전원은 상기 전도성 기판과 전기적으로 연결될 수 있다.

220 블록에서, 상기 방전 가공 전극과 상기 전도성 나노구조물 사이에서 방전을 발생시킨다. 일 실시 예에 의하면, 먼저, 상기 방전 가공 전극과 상기 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 서로 이격하여 배치한다. 그리고, 상기 전도성 나노구조물과 상기 방전 가공 전극 사이에 상기 외부 전원으로부터 제공되는 전압을 인가한다. 상기 전압이 인가된 상기 방전 가공 전극을 상기 전도성 나노구조물에 인접시켜 상기 전도성 나노구조물에 방전을 발생시킴으로써 상기 전도성 나노구조물을 가공한다. 구체적으로, 상기 발생된 방전 현상은 일 예로 고주파수를 가지는 스파크일 수 있으며, 상기 스파크는 상기 방전 가공 전극의 일부분을 고온으로 상승시킨다. 상기 고온으로 상승된 상기 방전 가공 전극의 상기 일부분은 인접하는 상기 전도성 나노구조물을 국부적으로 용융시켜 기화시킬 수 있다. 이로서, 상기 전도성 나노구조물이 가공될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 상기 방전 가공 전극으로 황동 재질의 직경 수 mm인 와이어를 사용하고, 상기 와이어와 탄소나노튜브를 포함하는 상기 전도성 나노구조물 사이에 0V를 초과하고 200V 이하의 전압을 인가함으로써, 상기 전도성 나노구조물의 길이를 제어하는 방전 절단 가공을 할 수 있다.

도 3내지 도 5는 본 출원의 일 실시 예에 있어서, 전도성 나노구조물을 방전 가공하는 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 상기 전도성 나노구조물은 단독 또는 복수의 형태로 가공이 가능하다. 하기에서는 복수의 전도성 나노구조물을 가공하는 방법을 일 실시 예로서 도면과 함께 설명하도록 한다. 도 3을 참조하면, 전도성 기판(310) 상에 전도성 나노구조물(320)을 배열한다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 나노구조물(320)은 전도성 기판(310) 상에 일정 간격으로 정렬될 수 있다. 전도성 기판(310) 및 전도성 나노구조물(320)은 도 1및 2의 순서도와 관련하여 상술한 전도성 기판 및 전도성 나노구조물과 실질적으로 동일하므로, 중복을 배제하기 위해 상세한 설명은 생략한다. 전도성 기판(310) 상에 전도성 나노구조물(320)을 배열하는 방법은 공지의 다양한 방법이 적용될 수 있다. 일 예로서, 전도성 기판(310) 상에 일 예로서, 철, 코발트, 니켈 등과 같은 금속 촉매를 형성한다. 그 후에, 아세틸렌(C₂H₂) 가스와 같은 반응가스를 상기 금속 촉매가 형성된 전도성 기판(310) 상에 제공하고, 다양한 종류의 CVD법을 적용함으로써, 전도성 기판(310) 상에 탄소나노튜브와 같은 전도성 나노구조물(320)을 규칙적으로 형성할 수 있다.

도 4를 참조하면, 방전 가공 전극(410)을 제공한다. 도면에서는 방전 가공 전극(410)이 와이어 형상을 가지고 있으나, 이에 한정되지는 않고 봉 형상 등 다양한 형상이 가능하다. 방전 가공 전극(410)의 재질 및 형상은 도 1 및 2의 순서도와 관련하여 상술한 방전 가공 전극과 실질적으로 동일하므로, 중복을 배제하기 위하여 상세한 설명은 생략한다. 방전 가공 전극(410)은 대기 환경 중에서 외부 전원(420)의 일 단자(421)와 전기적으로 연결되며 전도성 기판(310)도 외부 전원(420)의 일 단자(423)와 전기적으로 연결됨으로써, 전도성 기판(310)과 전기적으로 연결되는 전도성 나노구조물(320)은 방전 가공 전극(410)과의 사이에서 전압을 인가받을 수 있다.

방전 가공 전극(410)과 전도성 기판(310) 사이에 전압을 인가하고, 방전 가공을 위해 방전 가공 전극(410)과 전도성 나노구조물(320) 사이의 간격을 조절할 수 있다. 방전 가공 전극(410)을 이동시켜 전도성 나노구조물(320)로 접근시키거나, 전도성 나노구조물(320)을 이동시켜 방전 가공 전극(410)으로 접근시킴으로써, 방전 가공 전극(410)과 전도성 나노구조물(320)의 간격을 감소시킬 수 있다. 성형하고자 하는 전도성 나노구조물(320)의 위치에 방전 가공 전극(410)을 충분히 접근시켜, 방전 현상이 발생하도록 하여 전도성 나노구조물(320)을 성형 가공한다. 도시하지는 않았지만, 방전 가공 전극(410)을 구비하는 기계 장치는 방전 가공 전극(410)의 이동 속도, 방전 가공 전극(410)과 전도성 나노구조물(320) 사이에 인가되는 전압 및 성형하고자 하는 전도성 나노구조물(320)의 위치 등을 성형 목적에 맞추어 적절하게 제어할 수 있다.

도 5를 참조하면, 상술한 방전 가공 전극(410)에 의해 소정의 길이로 가공된 전도성 나노구조물(320)이 전도성 기판(310) 상에 배열된다.

상술한 바와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 방전 가공은 종래의 유체 내에서 진행되는 방전 가공과 달리 대기 환경 중에서 공정 조건이 제어되도록 구성한다. 이로서, 종래의 유체 내에서의 방전 공정을 적용하는 경우에 발생할 수 있는 문제점인, 방전 가공 중 유체 내에 혼입되는 가공 부산물이 가공 대상물인 전도성 나노구조물을 다시 오염시키는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기 유체가 미세구조물인 상기 전도성 나노구조물에 손상을 입히는 것을 방지할 수 있다. 또, 대기 환경 중에서 방전 가공을 실시함으로써, 나노구조물과 같은 미세 가공물을 정밀하게 제어하여 가공할 수 있는 장점이 있다.

본 출원의 발명자는 상기 방전 가공 공정 시에 수mA 내지 수 A의 전류가 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판을 따라 흐른다는 것을 발견하였다. 그리고, 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판에 흐르는 전류에 의해, 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판 사이의 계면에서의 접촉 저항이 감소함을 발견하였다. 본 출원의 발명자에 의하면 상기 전류에 의해 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판의 계면에 전도성 화합물이 생성될 수 있으며, 상기 생성되는 전도성 화합물이 상기 계면에서의 접촉 저항을 감소시키는 것으로 판단된다. 또한, 상기 계면에 형성되는 상기 전도성 화합물은 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 기판 사이의 물리적 접합력을 증가시킴으로써, 상기 전도성 나노구조물이 상기 전도성 기판 상에 안정적으로 배열되도록 할 수 있다. 이와 같이, 본 출원의 실시 예들에 따른 방전 가공 공정을 통하여, 상기 전도성 기판과 상기 전도성 나노구조물 사이의 접촉 저항과 같은 전기적 특성 및 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 장점을 획득할 수 있다.

도 6 내지 도 8은 본 출원의 일 실시 예에 있어서, 전계 방출 에미터를 제조하는 방법을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 전도성 팁(610) 상에 배열되며, 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 나노구조물(620)을 형성한다. 전도성 나노구조물(620)은 금속 또는 금속 산화물을 추가적으로 포함할 수 있다.

상기 전도성 팁(610)은 일례로서, 텅스텐, 니켈, 알루미늄, 몰리브텐, 탄탈륨, 니오븀 등과 같은 금속 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다. 도시된 바와 같이, 전도성 팁(610)은 일 끝단이 뾰족한 형상의 첨단을 가질 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 첨단을 구비하는 전도성 팁(610)은 수산화 용액 내에서 금속 와이어를 전기화학적으로 식각함으로써, 형성될 수 있다. 일례로서, 텅스텐 와이어를, 수산화 칼륨 또는 수산화 나트륨 용액 내에서 전기화학적으로 식각함으로써, 첨단을 구비하는 텅스텐 팁을 형성할 수 있다. 다른 예로서, 알루미늄 와이어를, 황산과 혼합된 염화수소 용액 속에서 전기화학적으로 식각함으로써, 첨단을 구비하는 알루미늄 팁을 형성할 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 금속 와이어를 기계적으로 연마함으로써 전도성 팁(610) 상에 상기 첨단을 형성할 수 있다.

상기 전도성 팁(610) 상에 배열되는 전도성 나노구조물(620)을 형성하는 방법은 공지의 다양한 방법을 적용할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 본 발명자의 이전 출원인 한국공개특허 2006-0098225에 개시된 탄소나노튜브와 구리의 복합 도금법, 한국공개특허 2010-0024875에 개시된 CNT/금속 합성 케이블 제조 방법, 한국공개특허 2010-0026102에 개시된 팁 상에 나노 구조물을 성장시키는 방법 및 팁 상에 물질을 부착시키는 방법 등을 적용할 수 있다.

도 7을 참조하면, 먼저, 방전 가공 전극(710)을 제공한다. 도면에서는 방전 가공 전극(710)이 와이어 형상의 가지고 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 방전 가공 전극(710)의 재질 및 형상은 도 1 및 2의 순서도와 관련하여 상술한 방전 가공 전극과 실질적으로 동일하므로, 중복을 배제하기 위하여 상세한 설명은 생략한다. 방전 가공 전극(710)은 대기 환경 중에서 외부 전원(720)의 일 단자(721)와 전기적으로 연결되며 전도성 팁(610)도 외부 전원(720)의 일 단자(723)와 전기적으로 연결됨으로써, 방전 가공 전극(710)과 전도성 팁(610)과 전기적으로 연결되는 전도성 나노구조물(620)은 방전 가공 전극과의 사이에서 전압을 인가받을 수 있다.

방전 가공 전극(710)과 전도성 팁(610) 사이에 전압을 인가하고, 방전 가공 전극(710)과 전도성 나노구조물(620) 사이의 간격을 조절할 수 있다. 방전 가공 전극(710)을 이동시켜 전도성 나노구조물(620)로 접근시키거나, 전도성 나노구조물(620)을 이동시켜 방전 가공 전극(710)으로 접근시킴으로써, 방전 가공 전극(710)과 전도성 나노구조물(620)의 간격을 감소시킬 수 있다. 성형하고자 하는 전도성 나노구조물(620)의 위치에 방전 가공 전극(710)을 충분히 접근시켜 방전 현상이 발생하도록 함으로써, 전도성 나노구조물(620)을 성형 가공한다. 도시하지는 않았지만, 방전 가공 전극(710)을 구비하는 기계 장치는 방전 가공 전극(710)의 이동 속도, 방전 가공 전극(710)과 전도성 나노구조물(620) 사이에 인가되는 전압 및 성형하고자 하는 나노구조물의 위치 등을 성형 목적에 맞추어 적절하게 제어할 수 있다.

상술한 방전 가공을 통한 성형은 전도성 나노구조물(620)이 소정의 길이를 가지도록 절단하는 공정일 수 있다. 전도성 나노구조물(620)이 전자 방출원으로 적용되는 경우, 전도성 나노구조물(620)의 길이를 용도에 따라 정밀하게 제어하는 것이 중요하다. 본 출원의 발명자는 전도성 나노구조물(620)의 직경 대비 길이 요소인 종횡비가 상기 전자 방출원의 전자 방출 문턱 전계의 크기와 관련되어 있다는 사실을 발견했다. 즉, 전도성 나노구조물(620)의 상기 종횡비가 클수록 상기 전자 방출 문턱 전계의 크기가 감소하고, 상대적으로 낮은 전압에서 전자 방출이 이루어질 수 있음을 발견하였다. 또한, 전계 방출이 이루어지는 전도성 나노구조물(620)의 첨단의 단면의 표면 균일도가 우수할 수록(즉, 표면 단차가 작을 수록), 전계 방출 전계의 크기의 균일도도 향상된다는 사실을 발견하였다. 따라서, 전도성 나노구조물(620)의 길이 및 첨단 단면의 표면 단차 균일도를 재현성있게 정밀 제어하는 기술은 균일한 전자 방출 문턱 전계 크기를 가지는 전자 방출원의 제조에 중요한 역할을 할 수 있다.

도 8을 참조하면, 상술한 방전 가공 전극(710)에 의해 소정의 길이로 가공된 전도성 나노구조물(620)이 전도성 팁(610) 상에 배열된다.

도 6 내지 도 8을 참조하여 상술한 실시 예에서는 하나의 전도성 팁(610) 상에 배열된 하나의 전도성 나노구조물(620)을 가공하는 방법을 기술하였으나, 다른 몇몇 실시예들에서는 적어도 하나 이상의 전도성 나노구조물이 형성된 적어도 둘 이상의 전도성 팁(610)의 경우에도 실질적으로 동일한 가공 방법이 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 방전 가공은 종래의 유체 내에서 진행되는 방전 가공과 달리 대기 환경 중에서 공정 조건이 제어된다. 이로서, 종래의 유체 내에서의 방전 공정을 적용하는 경우 발생할 수 있는 문제점으로서, 방전 가공 중 유체 내에 혼입되는 가공 부산물이 가공 대상물인 전도성 나노구조물을 다시 오염시키는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기 유체가 미세구조물인 상기 전도성 나노구조물에 손상을 입히는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 대기 환경 중에서 방전 가공을 실시함으로써, 나노구조물과 같은 미세 가공물을 보다 정밀하게 제어하여 가공할 수 있는 장점이 있다.

또, 상기 방전 가공 공정 시에는 수mA 내지 수 A의 전류가 전도성 나노구조물과 전도성 팁을 따라 흐를 수 있다. 본 출원의 발명자는, 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 팁에 흐르는 전류에 의해, 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 팁 사이의 계면에서의 접촉 저항이 감소함을 발견하였다. 본 출원의 발명자에 의하면 상기 전류에 의해 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 팁의 계면에 전도성 화합물이 생성될 수 있으며, 상기 생성되는 전도성 화합물이 상기 계면에서의 접촉 저항을 감소시키는 것으로 추정한다. 또한, 상기 계면에 형성되는 상기 전도성 화합물은 상기 전도성 나노구조물과 상기 전도성 팁 사이의 물리적 접합력을 증가시킴으로써, 상기 전도성 나노구조물이 상기 전도성 팁 상에 안정적으로 배열되도록 할 수 있다. 이와 같이, 본 출원의 실시 예들에 따른 방전 가공 공정을 통하여, 상기 전도성 팁과 상기 전도성 나노구조물 사이의 전기적 특성 및 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 장점을 획득할 수 있다.

이하에서는 본 출원의 일 실시예로서, 전도성 나노구조물의 성형을 통한 전계 방출 에미터를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 하되, 이들 실시 예는 단지 본 개시된 기술을 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 출원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

< 실시 예>

텅스텐 팁 상에 탄소나노튜브를 포함하는 나노구조물 형성

먼저, 아크 방전으로 합성된 단일벽 탄소나노튜브를 준비하고, 질산처리를 하여 정제된 탄소나노튜브를 획득하였다. 텅스텐산 나트륨(Na₂WO₄·2H₂O)과 상기 정제된 탄소나노튜브를 DMF(N,N-dimethylformamide)에 혼합 후, 초음파 처리를 통해 분산시켜 혼합 용액을 제조하였다.

일 끝단에 첨단을 가지는 텅스텐 팁 및 대향 전극을 상기 혼합 용액 내에 담그고, 상기 혼합 용액 내에서 상기 텅스텐 팁과 대향 전극 사이에 전압을 인가하였다. 이를 통해, 상기 텅스텐 팁의 상기 끝단에 상기 탄소나노튜브가 모임과 동시에 상기 텅스텐산 나트륨에서 용해된 산화 텅스텐 이온에 의해 도금이 진행되어 상기 텅스텐 팁 상에 텅스텐산화물/탄소나노튜브 복합체를 형성하였다.

상기 텅스텐산화물/탄소나노튜브 복합체가 형성된 상기 텅스텐 팁을 상기 혼합 용액으로부터 인출하고, 테프론 패널 상에 상기 텅스텐산화물/탄소나노튜브 복합체를 접촉시킨 상태로 건조시켰다. 상기 텅스텐산화물/탄소나노튜브 복합체는 건조되면서 용매가 증발하여 일차원 구조를 가지는 전도성 나노구조물이 형성되었다.

나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 가공하여 전계 방출 에미터 제조

상기 텅스텐 팁 상에 형성된 상기 나노구조물을 전계 방출 이미터로서 제조하였다. 우선, 상기 테프론 패널 상에서 건조된 상태로 획득한 전도성 나노구조물(이하, 비교예 1)과 상기 획득한 전도성 나노구조물을 별도로 방전 가공처리한 전도성 나노구조물(이하, 실시예 1)을 각각 제조하였다. 상기 실시예 1의 전도성 나노구조물 제조에 있어서, 대기 환경 중에서 와이어를 이용하여 상기 텅스텐 팁 상에 형성된 상기 전도성 나노구조물을 방전 가공법에 의해 소정의 길이로 절단하였다. 상기 와이어는 직경 0.3 mm의 황동 재질을 사용하였으며, 80V의 전압을 상기 텅스텐 팁과 상기 와이어 사이에 인가하였다.

한편, 전계 방출 효과를 비교하기 위해 상기 비교예 1의 전도성 나노구조물로서, 프리스틴 에미터(pristine emitter, 이하 비교예 2 또는 비교예3)를 제공하고, 상기 실시예 1의 상기 전도성 나노구조물로서, 방전 가공한 에미터(EDM-treated emitter, 이하 실시예 2 또는 실시예 3)를 제공하여 각각을 대비하였다.

< 실험 예>

상기 비교예 1및 상기 실시예 1에서의 전도성 나노구조물 각각에 대하여 방전 가공 전후로 전기적 특성 평가하였다. 상기 방전 가공 전인 상기 비교예 1과 상기 방전 가공 후의 상기 실시예 1에 대하여, 상기 텅스텐 팁의 저항, 상기 나노구조물의 저항, 상기 텅스텐 팁과 상기 나노구조물 사이의 접촉 저항 및 전체 저항을 각각 산출하였다. 그리고, 상기 방전 가공을 전후로 하여 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)분석을 각각 실시하여 상기 방전 가공 공정에 의해 발생할 수 있는 상기 텅스텐 팁 및 상기 나노구조물 재질의 성분 변화를 관찰하였다.

그리고, 상기 비교예 2 및 상기 실시예 2에 대하여 전계 방출 실험을 수행하여, 상기 비교예 2 및 상기 실시예 2 각각의 전도성 나노구조물에 형성되는 전계의 크기에 따라 방출되는 전류를 측정하였다. 상술한 바와 같이, 비교예 2와 실시예 2의 전계 에미터로서의 전도성 나노구조물은 비교예 1과 실시예 1과 각각 동일한 조건으로 형성한 전도성 나노구조물이다.

< 평 가>

도 9는 본 출원의 일 실시 예에 따른 전도성 팁 상의 전도성 나노구조물을 나타내는 주사전자현미경 사진이다. 도 9 의 (a)는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 방전 가공이 진행 중인 모습을 나타내고 있으며, 도 9 의 (b) 및 (c)는 방전 가공이 끝난 후의 전도성 나노구조물의 모습을 나타내고 있다. (d)는 방전 가공이 진행되지 않은 전도성 나노구조물의 모습을 나타내고 있다. 도 9의 (b) 및 (c)를 참조하면, 상기 방전 가공에 의해 상기 전도성 나노구조물의 단면이 균일하게 절단되었음을 알 수 있다. 도 9의 (d)를 참조하면, 방전 가공이 진행되지 않은 비교예 1의 경우, 전도성 나노구조물의 단면에서의 표면 단차가 최대 20um 정도였으며, 도 9의 (c)를 참조하면, 방전 가공 후의 전도성 나노구조물의 단면에서의 표면 단차는 약 0.9um 정도로 측정되었다. 따라서, 방전 가공은 전도성 나노구조물의 단면에서의 표면 단차를 감소시키고 보다 균일한 단조를 유지하도록 하는 것을 확인할 수 있다.

도 10은 본 출원의 일 실시 예에 따른 전도성 팁 상의 전도성 나노구조물의 전기적 특성 평가 결과를 나타내는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 본 출원의 일 실시 예에 따른 방전 가공을 통해, 전기 저항이 감소하는 모습을 볼 수 있다. 먼저, 상기 전도성 팁과 상기 전도성 나노구조물을 포함하는 전체 저항은 48kΩ으로부터 70Ω으로 감소하였다. 상기 전도성 팁과 상기 전도성 나노구조물 사이의 접촉 저항은 48kΩ로부터 36.5Ω으로 감소하였다. 상기 전도성 나노구조물의 저항은 6.58Ω으로부터 32Ω으로 증가되으며, 상기 텅스텐 팁의 저항은 1.1 ~ 1.2Ω 정도의 미세한 증가가 관찰되었다. 상술한 바와 같이, 상기 방전 가공에 의하여, 상기 전체 저항 및 상기 접촉 저항이 크게 감소한 사실을 확인할 수 있다.

도 11은 본 출원의 일 실시 예에 따른 전도성 팁 상의 전도성 나노구조물의 성분 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 XPS 분석에 의하면, 상기 방전 가공을 실시한 이후에 약 283.5eV의 결합에너지를 갖는 피크가 새롭게 발생한 것을 관찰할 수 있다. 상기 피크는 탄소와 텅스텐 간의 결합 에너지에 해당하는 피크이다. 따라서, 상기 방전 가공을 통하여 상기 텅스텐 팁과 상기 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 나노구조물의 계면에 탄화텅스텐과 같은 전도성 화합물이 생성되었음을 판단할 수 있다. 생성된 상기 전도성 화합물은 상술한 상기 텅스텐 팁 및 상기 나노구조물의 상기 전체 저항 및 상기 접촉 저항을 감소시키는 역할을 하였음을 판단할 수 있다.

도 12는 본 출원의 일 실시 예에 따른 전도성 나노구조물의 전계 방출 특성을 나타내는 그래프이다. 도 12의 (a) 및 (c)는 상기 비교예 2의 전계 방출 특성을 도시하는 그래프이며, 도 12의 (b) 및 (d)는 상기 실시예 2의 전계 방출 특성을 도시하는 그래프이다.

도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 전도성 나노구조물에 형성되는 전계의 크기에 따르는 방출 전류 측정결과를 알 수 있다. 상기 비교예 2는 동일한 전도성 나노구조물을 4차례의 전류-전압 측정(IV-plot)을 순차적으로 수행하였다. 1번째와 2번째 전류-전압 측정 사이에는 1번째 전류-시간 측정(일정한 전계를 인가하면서 시간에 따른 전류 변화 측정)을 실시하였다. 3번째 4번째 전류-전압 측정도 동일하게 수행되었다. 상기 실시예 2은 5차례의 전류-전압 측정을 순차적으로 수행하였다. 실시예도 비교예와 같이 전류-전압 측정 사이에 전류-시간 측정을 수행하였다. 약 10mA/cm 의 방출 전류 밀도를 나타낼때의 전계를 문턱 전계라고 정하는 경우, 도 12의 (a)의 비교예 2는 1.10 V/um으로부터 1.36 V/um의 문턱 전계값을 나타내었다. 도 12의 (b)의 실시예 2은 0.58 V/um으로부터 0.74 V/um의 문턱 전계값을 나타내었다. 이와 같이, 방전 가공을 한 전도성 나노구조물의 경우, 문턱 전계값이 낮아서 전계 방출 특성이 상대적으로 양호함을 알 수 있다. 상기 비교예 2 및 상기 실시예2의 전류-전압 측정에 있어서, 측정 횟수를 증가할수록 문턱 전계값이 증가하는 것은 상기 전도성 나노구조물이 측정을 진행함에 따라 손상되어 상기 전도성 나노구조물의 길이가 감소하기 때문인 것으로 판단한다. 상기 전도성 나노구조물의 길이가 감소함에 따라 상기 전도성 나노구조물의 반경 대비 길이의 비율값인 종횡비가 작아지고, 이는 전계 방출 특성 중 문턱 전계값을 증가하는 방향으로 작용할 수 있는 것으로 판단한다.

도 12의 (c)는 비교예2에 있어서, 초기 전류 1mA, 2mA, 3mA 및 4mA에 각각 대응하는 전계를 유지하는 경우, 시간 경과에 따른 방출 전류를 도시한 것이며, 도 12의 (d)는 실시예 2에 있어서, 초기 전류 1mA, 2mA, 3mA, 4mA및 5mA에 각각 대응하는 전계를 유지하는 경우, 시간 경과에 따른 방출 전류를 도시한 그래프이다. 도 12의 (c)의 비교예 2의 경우, 시간 경과에 따라 대체로 방출 전류가 불규칙하게 변화하는 양상을 보여주는 반면, 도 12의 (d)의 실시예 2의 경우, 시간 경과에 따라 상대적으로 안정적인 전계 방출 특성을 보여주고 있다.

이와 같이, 도 12의 그래프를 통해, 방전 가공을 실시한 실시예 2의 전도성 나노구조물이 비교예 2의 전도성 나노구조물보다 상대적으로 우수하며 안정적인 전계 방출 특성을 보여줌을 확인할 수 있다.

도 13의 (a)의 그래프는 방전 가공 전후의 전도성 나노구조물의 전계방출 특성을 보여주고 있다. 방전 가공을 실시한 실시예 3을 EDM-treated emitter로 도시하였으며, 비교예 3은 Pristine emitter로 표현하였다. 비교예 3 와 실시예 3의 전도성 나노구조물은 비교예 1과 실시예 1과 각각 동일한 조건으로 형성한 전도성 나노구조물이다.

도 13의 (a)의 그래프는 방전 가공 전후의 전도성 나노구조물의 전계방출 특성을 보여주고 있다. 방전 가공을 실시한 실시예 3을 “EDM-treated emitter”로 도시하였으며, 비교예 3은 “Pristine emitter”로 도시하였다. 상술한 바와 같이, 비교예 3과 실시예 3의 전도성 나노구조물은 비교예 1과 실시예 1과 각각 동일한 조건으로 형성한 전도성 나노구조물이다.

방전 가공이 실시한 전도성 나노구조물의 전계방출 특성 중 문턱 전계는 1.0V/um 이내, 바람직하게는 0.74V/um 이다. 이에 반해 비교예의 전도성 나노구조물의 문턱 전계는 1.0V/um 이상이며 바람직하게는 1.36V/um 이상이다. 그리고 실시예 3의 전도성 나노구조물의 인가된 전계 2.0V/um 이내에 총 전류 10mA 이상에 도달하였으며, 비교예 3의 경우는 인가된 전계 2.0V/um 이내에 총 방출 전류 6mA 이내에 도달하였다. 비교예 3의 전도성 나노구주물의 경우에는 총 방출 전류가 6mA를 넘지 않지만, 실시예 3의 경우에는 측정 장비의 한계로 인해 10mA의 총 방출 전류를 얻었다. 그러므로 실시예 3의 경우는 총 방출 전류의 한계가 10mA로 한정되지는 않는다. 도 13의 (b), (c) 그리고 (d)는 실시예 3와 비교예 3의 전계방출 특성을 보여주는 파울러-노다임 곡선 (Fowler-Nordheim plot)이다. 도 13의 (b), (c) 및 (d)의 피팅선(fitting line)을 참조하면, 전도성 나노구조물의 전계 방출특성이 파울러-노다임 전계 방출을 따르고 있음을 알 수 있다.

310: 전도성 기판, 320: 전도성 나노구조물,
410: 방전 가공 전극, 420: 외부 전원, 421, 423: 단자,
610: 전도성 팁, 620: 전도성 나노구조물,
710: 방전 가공 전극, 720: 외부 전원, 721,723: 단자.

Claims

(a) 전도성 기판 상에 배열되는 전도성 나노구조물을 형성하는 과정; 및
(b) 상기 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 가공하는 과정을 포함하며,
상기 (b) 과정은 상기 전도성 기판과 상기 전도성 나노구조물 사이에 계면 화합물을 형성하는 전도성 나노구조물의 성형 방법.
삭제
제1 항에 있어서,
(b) 과정은 상기 전도성 기판과 상기 전도성 나노구조물 사이의 접촉 저항을 감소시키는 전도성 나노구조물의 성형 방법.
제1 항에 있어서,
상기 전도성 나노구조물은 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 나노구조물의 성형 방법.
제4 항에 있어서,
상기 전도성 나노구조물은 금속 또는 금속 산화물을 추가적으로 포함하는 전도성 나노구조물의 성형 방법.
제1 항에 있어서,
(b) 과정은
(b1) 방전 가공 전극을 제공하는 과정; 및
(b2) 상기 전도성 나노구조물과 상기 방전 가공 전극 사이에서 방전을 발생시키는 과정을 포함하는
전도성 나노구조물의 성형 방법.
제6 항에 있어서,
상기 나노구조물이 길어도 상기 기판과 상기 방전 가공 전극과의 사이만큼 길이를 가지도록 방전 절단하는 전도성 나노구조물의 성형 방법.
제1 항에 있어서,
(b) 과정은
(b1) 상기 전도성 나노구조물과 방전 가공 전극을 대기 환경 중에서 서로 이격하여 배치하는 과정;
(b2) 상기 전도성 나노구조물과 상기 방전 가공 전극 사이에 전압을 인가하는 과정; 및
(b3) 상기 전압이 인가된 상기 방전 가공 전극을 상기 전도성 나노구조물에 인접시켜 방전을 발생시키는 과정을 포함하는
전도성 나노구조물의 성형 방법.
제6 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 방전 가공 전극은 와이어 또는 봉 형상으로 이루어지는 전도성 나노구조물의 성형 방법.
제6 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 방전 가공 전극은 황동, 흑연, 은-텅스텐 합금, 구리-텅스텐 합금, 철, 구리, 아연, 인청동 및 알루미늄으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로부터 제조되는
전도성 나노구조물의 성형 방법.
(a) 전도성 팁 상에 배열되며 탄소나노튜브를 포함하는 전도성 나노구조물을 형성하는 과정; 및
(b) 배열된 상기 전도성 나노구조물을 대기 환경 중에서 방전 절단하는 과정을 포함하되,
상기 (b) 과정은 상기 전도성 팁과 상기 전도성 나노구조물 사이의 접촉 저항을 감소시키도록 상기 전도성 팁과 상기 전도성 나노구조물 사이에 계면 화합물을 형성하는 저계 방출 에미터의 제조 방법.
삭제
제11 항에 있어서,
상기 나노구조물은 금속 또는 금속 산화물을 추가적으로 포함하는 전계 방출 에미터의 제조 방법.
제11 항에 있어서,
(b) 과정은
(b1) 상기 전도성 나노구조물과 방전 가공 전극을 서로 이격하여 배치하는 과정;
(b2) 상기 전도성 나노구조물과 상기 방전 가공 전극 사이에 전압을 인가하는 과정; 및
(b3) 상기 전압이 인가된 상기 방전 가공 전극을 상기 전도성 나노구조물에 인접시켜 방전을 발생시키는 과정을 포함하는 전계 방출 에미터의 제조 방법.
제14 항에 있어서,
상기 방전 가공 전극은 황동, 흑연, 은-텅스텐 합금, 구리-텅스텐 합금, 철, 구리, 아연, 인청동 및 알루미늄으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로부터 제조되는 전계 방출 에미터의 제조 방법.
제11 항에 있어서,
(b) 과정은
절단되는 상기 나노구조물의 종횡비를 조절하여 전자 방출 문턱 전계를 제어하는 과정을 포함하는 전계 방출 에미터의 제조 방법.
전도성 기판;
상기 전도성 기판 상에 배열되는 전도성 나노구조물; 및
상기 전도성 기판 및 상기 전도성 나노구조물 사이의 계면에 배치되어 상기 전도성 기판과 상기 전도성 나노구조물 사이의 접촉 저항을 감소시키는 전도성 계면 화합물을 포함하되,
상기 전도성 나노구조물의 첨단 단면은 대기 중에서의 방전 가공에 의해 1um 이하의 단차를 가지도록 제어되는 전계 방출 나노구조물.
제17 항에 있어서,
상기 전도성 기판은 텅스텐을 포함하고,
상기 전도성 나노구조물은 텅스텐산화물 및 탄소나노튜브를 포함하고,
상기 전도성 계면 화합물은 탄화텅스텐을 포함하는
전계 방출 나노구조물.
텅스텐 팁;
상기 텅스텐 팁 상에 배치되는 텅스텐산화물 및 탄소나노튜브를 포함하며 외부 전계에 의해 전자를 방출하는 전도성 나노구조물; 및
상기 텅스텐 팁과 상기 전도성 나노구조물의 계면에 배치되어 상기 전도성 팁과 상기 전도성 나노구조물 사이의 접촉 저항을 감소시키는 탄화텅스텐을 포함하는 전도성 계면 화합물을 포함하는 전계 방출 소자로,
상기 전도성 나노 구조물은 대기 중에서의 방전가공에 의하여 형성되는 전계 방출 소자.
제19 항에 있어서,
상기 전도성 나노구조물은 첨단 단면의 단차가 1 um 이하인 전계 방출 소자.
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제19 항에 있어서,
상기 전도성 나노구조물의 종횡비에 따라 상기 전계 방출 소자의 문턱 전계가 변화하는 전계 방출 소자.
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