탄소나노튜브를 이용한 3차원 구조 전계방출에미터의 제조 및 특성 연구

Abstract

Field emitter은 전자 방출원으로써 많은 부분에서 응용되고 있다. 특히 FED 분야에서는 높은 색재현력, 빠른 응답속도, 낮은 소비전력, 넓은 시야각, 넓은 작동 온도등의 장점으로 LCD와 PDP와 같은 display들에 비교해 우수한 특성을 나타낸다. 하지만 기존에 사용하던 Metal, Si type의 field emission tip은 낮은 효율과 수명 등으로 상용화되지 못하고 있다. 탄소나노튜브의 발견은 field emitter의 breakthrough로 인식되었다. Carbon nanotube는 좋은 기계적 전기적 특성과 높은 화학적 안정성, 무엇보다 긴 장대비는 이전의 재료들이 가지지 못했던 높은 전계집중을 가능하게 하여 저 전압에서도 높은 전류를 얻을 수 있는 것을 가능하게 하였다. 최근 field emitter의 연구들은 CNT tip의 형성에 초점이 맞춰지고 있고 그 결과로서 CVD direct growing, sreen printing, spray, electrophoretic deposion, dip coating등 다양한 방법들이 개발되었고 연구가 진행되고 있다. 하지만 field emission tip을 단지 많이 생성시키는 것으로 전계방출 특성을 향상시키는 것은 한계에 도달하고 있다. Screen effect는 field emission tip들이 서로 가까이에 존재할 때 서로의 전계집중을 방해하여 효율을 떨어뜨리는 것을 의미한다. Screen effect를 막기위해서는 tip의 길이의 2배의 거리를 확보해야 하는 것으로 알려져 있다. 결국 평면상에서는 field emission tip의 수는 제한될 수 밖에 없다. 고전류를 흘리기 위해서나 긴 수명을 위해서는 field emission tip의 degradation을 최소화 하여야 하고 이는 tip당 흐르는 전류를 감소시켜야 한다. 결론적으로 field emitter의 개발 방향은 field emission tip을 증가시키면서 동시에 field emission tip들 간의 거리를 충분히 유지키는 것이다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해서 3차원 구조 전계방출에미터를 제조하였다. 3차원 구조 전계방출에미터는 평면에 존재하던 field emission tip들을 수직면에 존재하게 함으로써 절대적인 field emission area를 증가시키는 구조이다. 이 구조는 field emission area를 증가시키기 때문에 field emission tip의 수는 증가시키는 반면 tip간의 간격의 변화는 주지 않게 된다. 또 평면으로 봤을 때에는 tip밀도가 증가하는 효과를 가져올 수 있다. 3차원 구조 전계방출에미터의 tip 형성을 위해서 molecular level mixing을 통한 CNT/Ag 나노복합분말을 제조하여 spray method를 통하 기판에 증착시켰다. Spray method를 통해 수직면에서 나노복합분말이 존재하는 것을 확인하였고, 소결을 통해 Ag가 CNT와 기판을 결합시키는 것을 관찰하였다. 3차원 구조 전계방출에미터의 전계방출 특성평가를 통해 평면 전계방출에미터와의 비교를 해 보았다. 실제 전계방출 면적은 4.5배 차이였으며 전류밀도로 비교해 보았을 경우 6배 높은 수치를 나타내었다. Gate의 전기장이 상승할수록 anode의 turn-on volatge이 낮게 나타남을 알 수 있었고 전류밀도 또한 상승함을 확인할 수 있었다. Gate의 전류밀도는 Gate 전기장을 일정하게 하고 anode의 전기장을 가해주면 gate 전류가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 anode의 전기장으로 인해 cathode에서 방출되어 gate로 흐르던 전자가 anode로 흐르는 것으로 생각할 수 있다. 이를 통해 3차원 구조 전계방출에미터가 operation이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한 평면 전계방출에미터와 비교해보면 turn-on 전기장은 감소하고 전류밀도는 약 4배 나타는 것으로 알 수 있다. 실제로 gate에 흐르는 전류까지 가만한다면 그 수치는 더 커질 것으