금속-카바이드 코팅에 의한 탄소나노튜브의 전계방출 특성 및 장시간 안정성 향상에 관한 연구

Abstract

탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 뛰어난 종횡비(aspect ratio)와 높은 전류밀도 그리고 우수한 기계적, 화학적 안정성을 갖기 때문에 전계방출 특성이 우수하여 이를 x-선 장치에 응용한 전자빔원의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 기존의 x-선 전자 원으로서 사용되어온 열음극(thermionic cathode) 선을 사용한 방식은 시간해상도(temporal resolution)의 제한, 짧은 수명(lifetime)과 고가의 운영비용(operating cost) 및 소형화의 한계 등의 문제점을 가지고 있는 반면, CNT를 이용한 냉음극 (cold cathode)선을 사용하는 방식은 낮은 동작온도, 빠른 응답속도, 장비의 소형화 등 열전자 음극선을 사용했을 경우 나타나는 문제점을 극복할 수 있다. 또한 x-선원의 크기가 작아질수록 공간 분해능이 높은 x-선 영상을 얻을 수 있는데, 최근에 고 해상도의 x-선 이미지를 얻기 위해 다양한 형상을 갖는 기판 위에 CNT를 접착하거나 직접 성장시키는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 성장된 CNT와 기판과의 접착력 (adsion) 약화로 인한 급격한 전류밀도 (current density)의 감소 및 짧은 수명 등의 문제해결이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 x-선원용 CNT 이미터의 제작을 위해 전기화학 식각법(Electrochemical etching method)을 이용하여 원뿔형(conical) 모양의 텅스텐(W) 팁을 제작하였고, 그 위에 유도결합 플라즈마 화학기상증착(ICP-CVD)법을 사용하여 W-tip 위에 CNT를 직접 성장하여 물성 및 전계방출 특성 분석을 수행하였다. 또한, 장시간 구동시 발생하는 CNT특성의 열화(degrada-tion)를 막기 위하여 전기적, 열적 전도성이 크고, 낮은 일함수(workfunction)를 갖는 TiC박막을 코팅하여 기존소자들의 특성과 비교, 분석 하였으며, 이를 TiC 코팅 막의 합성조건에 따른 CNT의 구조적 물성 변화와 연계하여 설명하였다.; Recently, direct growth of carbon nanotubes (CNTs) on a sharp metal tip was attempted to reduce the emission sites for the use of CNTbased emitter as a micro-focused x-ray generation source with high resolution. In a practical aspect, however, the CNT-emitter has to overcome change for structures and performance degradation due to high driving voltage and long time operating. This work aims to enhance the electron-emission property of CNT-based field emitters as well as the long-term stability by adopting various buffer layers, such as Al/Ni/TiN and coating thin titanium carbide (TiC) layer on CNTs. The CNTs are directly grown on a nano-sized (~500nm in diameter) tungsten(W)-tip by inductively coupled plasma-chemical vapor deposition (ICP-CVD) with four different buffer layers such as TiN(40nm-thickness), Al(7nm), Al/TiN, and Al/Ni(35nm)/TiN. After CNTs growth on a W-tip directly, Ti films with thickness of 5 ~ 30nm are depositions on CNTs by DC magnetron sputtering. The synthesis of TiC is performance at 700°C in the ICP-CVD reactor by flowing acetylene (C₂H₂) gas with the gas mixing ratio of He:C₂H₂ = 500:125 and controlling the reaction time (3~10 min). Morphologies, microstructures and chemical bonding of As-grown CNTs and TiC-coated CNTs are monitored by FE-SEM, HR-TEM, and XPS. Raman spectroscopy is also used to analyze the carbon structure and the crystal quality of CNTs. Effects of TiC-coating on electron-emission properties of the CNTs-based field emitter are examined by characterizing the threshold voltage for electron-emission, the maximum emission current and long-term stability.