탄소나노튜브 전계 전자 방출원 제작 및 전계 전자 방출 특성에 관한 연구

Abstract

본 박사 논문은, 최근에 진공 미세 전자소자 분야 중에서 전계 전자 방출원으로 각광받고 있는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)로부터, 새로운 전계 전자 방출원 제작 방법을 이용하여 planar type과 flexible type의 CNT 전계 전자 방출원을 개발하고 그들의 전계 전자 방출 특성을 평가하는 것에 초점을 맞춰 연구를 수행하였다. 여기서, 유기물이 거의 없는 planar type과 flexible type의 CNT 전계 전자 방출원의 제작을위해, 새로운 전계 전자 방출원 제작 방법인 filtration-contact transfer 기술이 본 연구에서 적용되었다. 첫째, 유기물이 거의 없는 planar type의 CNT 전계 전자 방출원은 filtration-contact transfer 방법에 의해 제작되었다. 간단히 설명하면 다음과 같다. 미세구멍을 가진 여과 템플리트에 잘 분산된 CNT 콜로이드 현탁액을 공급한 후, 이를 여과 건조시켜 전계 전자 방출에 최적화된 밀도의 CNT 박막을 형성한다. 그런 다음, 여과 템플리트에 형성된 CNT 박막을 전도성 접착 테이프에 전사 시킨 후, 이를 다양한 형태와 재질을 가진 판상 캐소드에 부착시켜 planar type의 CNT 전계 전자 방출원을 제작하였다. 이를 통하여, planar type의 다양한 CNT 전계 전자 방출원의 전계 전자 방출 특성을 비교하고 평가할 수 있는 기반 기술을 개발하였다. 둘째, 위에서 언급한 기술을 바탕으로 CNT 량의 조절을 통한 CNT 전계 전자 방출 밀도에 따라 전계 전자 방출 특성의 의존성을 체계적으로 조사하였다. 현탁액에 다양한 종류의 CNT 량을 변화시킴으로써 최적화된 CNT 전계 전자 방출원 밀도를 구현할 수 있었고, 이에 따라 최대 전계 전자 방출 특성을 얻을 수 있었다. 셋째, 동일한 제작방법과 동일한 환경에서 CNT 전계 전자 방출원의 직경에 따른 전계 전자 방출 특성을 평가하였다. CNT 전계 전자 방출원의 직경이 감소할수록 낮은 전계에서 최대 전계 전자 방출 특성이 구현되었고, 이것은 CNT 전계 전자 방출원의 직경이 전계 전자 방출 특성에 중요한 영향을 끼친다는 사실을 나타낸다. 넷째, filtration-contact transfer 방법을 이용하여 대면적을 가진 CNT 전계 전자 방출원을 제작하였다. 대면적에서도 전체적으로 균일한 발광패턴을 나타내었고, 오랜 시간 동안 안정적인 전계 전자 방출 특성을 보여주었다. 신뢰성과 안정성 및 재현성이 뛰어나고 대면적화가 용이한 본 filtration-contact transfer 방법은 다른 CNT 전계 전자 방출원 제작 방법에 비해 매우 효율적이고 경제적인 방법임을 증명하였다. 다섯째, filtration-contact transfer 방법에 의해 제작된 CNT 전계 전자 방출원으로부터 얻어진 높은 전류밀도의 전계 전자 방출 특성으로부터 전계 전자 방출의 behavior를 조사하였다. 도출된 전류밀도 (J) 대 전계 (F) 그래프에 상응하는 Fowler-Nordheim (F-N) 그래프는 low, medium, and high current segment로 나누어 각 영역에서 전계 전자 방출 특성을 해석하였다. F-N 그래프의 high current segment에서 특이한 전계 전자 방출 특성은, CNT 전계 전자 방출원으로부터 발생하는 줄열(Joule heating)에 의해 CNT가 저항이 감소되는 현상에 의해 설명될 수 있다. 여섯째, 유기물이 거의 없는 flexible type의 CNT 전계 전자 방출원은 위에서 언급했던 filtration-contact transfer 방법에 의해 또한 제작되었다. 차이점은 전도성 테이프에 전사시킨 CNT 박막을 다양한 재질의 flexible 기판에 부착시킨다는 것이다. 이로부터 다른 곡률 반경을 가지는 다양한 bending stress에서 flexible type의 CNT 전계 전자 방출원의 전계 전자 방출 특성을 비교하고 평가할 수 있는 기반 기술을 개발하였다. 여기서 다양한 bending stress 조건과 평탄한 (flat) 조건에서 전계 전자 방출 특성을 비교 분석하였을 때 현저한 차이 없이 거의 동일한 전계 전자 방출 특성을 보여주었다. 이것은 구부러지고 휘어져도 전계 전자 방출 특성에 변화가 없는 안정적이고 신뢰할만한 flexible type의 CNT 전계 전자 방출원이 제작될 수 있음을 확인할 수 있다.; This dissertation focuses on developing the planar and flexible type carbon nanotube (CNT) cold cathodes for application as field electron emitters and evaluating their field emission properties in field emission vacuum microelectronic devices. Here, new filtration-contact transfer technique for the fabrication of the organic free planar and flexible type CNT field emitters is applied to our studies. First, the organic free planar type CNT field emitters were fabricated by using a new filtration-contact transfer method. Cathode films were accomplished by attaching density-controlled CNT field emitters transferred on a conductive adhesive tape to a planar substrate. We could objectively evaluate and compare the field emission properties of various CNT field emitters since the same fabrication technique was used. Second, we systematically investigated the dependence of the field emission properties according to the amount of CNTs. The optimized density of CNT field emitters can be easily controlled by changing the mass of various kinds of CNTs in an ethanol solution. We showed the results of the saturation trend of the field emission performance from the protruding CNT field emitters transferred on a conductive adhesive tape once the amount of the CNTs reached a critical value. Third, we fabricated various kinds of the organic free CNT field emitters such as double-walled CNTs (DWCNTs), thin multi-walled CNTs (thin-MWCNTs) and thick multi-walled CNTs (thick-MWCNTs), synthesized by a catalytic chemical vapor deposition (CCVD) method and studied their field emission properties according to the diameter of CNTs. It is clear that the turn on field decreases with decreasing the diameter of CNT field emitters, indicating the diameter of CNT field emitters has a great impact on the field emission properties. Moreover, CNT field emitters fabricated by our filtration-contact transfer method exhibited a much better field emission performance than those made by the conventional screen printing method. Fourth, large size CNT field emitters with a dimension of 5 × 4 cm² were fabricated. They exhibited a uniform emission pattern and excellent emission stability. Our new filtration-contact transfer method showed good scalability for large size CNT field emitters. Fifth, We investigated the field emission behavior of high current density (500 mA/cm² at 3.28 V/mm) obtained from organic free CNT field emitters. The Fowler-Nordheim (F-N) plot corresponding to the current density versus the electric field (J-F) curve could be divided into low, medium, and high current segments. The high current segment can be explained by the decrease of effective resistance due to the Joule heating of CNT field emitters. Sixth, we demonstrated field emission performances of the organic free flexible CNT field emitters fabricated by a filtration-contact transfer technique. The field emission properties of various flexible CNT field emitters were evaluated and compared under various bending stresses. Various bending conditions with different curvatures including the flat condition do not have an remarkable effect on field emission properties. Also, we fabricated flexible CNT field emission display (FFED) of a variety of forms to illustrate the feasibility of our flexible CNT emitter fabrication technique. Compared with other CNT field emitter fabrication techniques, our fabrication-contact transfer method has many advantages. First of all, our flexible CNT field emitters can be fabricated at room temperature, which leads a simple, low-cost and extensive use. Secondly, the flexible CNT field emitters may be made in large size with uniform emission when large size filter, substrate, spacer and anode are available. Thirdly, many thin and flexible materials are able to be used in our flexible CNT field emitters, indicating that our flexible CNT field emitters can be used in many application fields. The substrate and the anode can be various flexible materials such as thin metal foil, thin plastic sheet, paper, thin glass and ceramic film. The spacer can use insulator materials such as some polymer films, paper and ceramic films. Last, the cathode shape is not limited only to the round shape. Cathodes of rectangular, square, or other shapes can be easily made by punching through the spacer. In addition, our CNT field emitter fabrication technique can be suitable for all kinds of CNT materials.