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[디스플레이] 탄소나노튜브를 이용한 FED설계기술 평가C아쉬워요

이학학사 학위청구 논문CNT(탄소나노튜브) 특성 및 이를 이용한FED(Field Emission Display)설계 기술2004 년 10 월인하대학교 이과대학물리학과박 주 철차 례Ⅰ 머리말 1Ⅱ 본 론1. 탄소 나노튜브1-1 탄소 나노튜브의 종류 및 구조 21-2 탄소 나노튜브의 물성 31-3 탄소 나노튜브의 합성법 51-4 탄소 나노튜브의 응용기술 82. FED(Field Emission Display)2-1 FED 기술의 개요 112-2 전계 방출 현상 (Field emission)122-3 FED 핵심 요소 기술 132-4 CNT-FED 제작 방법16Ⅲ 결 론 18참고문헌 19I 머리말최근에 나노미터 크기의 극미세 영역에서 새로운 물리현상과 향상된 물질특성을 나타내는 연구결과가 보고되면서 나노과학기술이라는 새로운 영역이 태동하게 되었고, 이러한 나노과학기술은 앞으로 21세기를 선도해 나갈 수 있는 과학기술로써 전자정보통신, 의약, 소재, 제조공정, 환경 및 에너지등의 분야에서 미래의 기술로 부각되었다. 나노과학기술 분야 중에서도 특히 탄소나노튜브(Carbon nanotube; CNT)는 새로운 물질특성의 구현이 가능하여 기초연구의 중요성과 산업적 응용성이 동시에 크게 각광을 받고 있다.1985년에 Kroto와 Smalley가 탄소의 동소체(allotrope)의 하나인 Fullerene(탄소 원자 60개가 모인 것: C60)을 처음으로 발견한 이후, 1991년 이 새로운 물질을 연구하던 일본전기회사(NEC) 부설 연구소의 Iijima 박사가 전기방전법을 사용하여 흑연 음극상에 형성시킨 탄소덩어리를 TEM으로 분석하는 과정에서 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소나노튜브를 발견하여 Nature에 처음으로 발표하였다. 이때 성장된 탄소나노튜브의 길이는 수십 nm ~ 수 m이고, 외경은 2.5-30 nm 이었다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 sp2 결합의 육각형 벌집무늬를 이루며, 이 튜브의 직경이 대략 수 nm 정도로 극히 작기 때문에 나노 Thess등은 rope형태의 금속성 SWNT의 저항을 four-point 기법을 이용하여, 300 K에서 약 10-4 Ω-cm 임을 관찰하였으며, 이 값은 현재 알려진 고전도성 탄소나노섬유보다 더 높은 값을 가진 것으로 나타났다. Frank등과 Avouris등은 각각 107 A/cm2 이상, 1013 A/cm2 이상의 안정된 전류밀도가 나타남을 관찰하였다.(2) 열적성질탄소나노튜브의 열전도도는 온도와 phonon의 평균자유경로에 의존한다. Hone등은 1999년 탄소나노튜브의 열전도도가 온도에 일차적인 관계식을 가짐을 발표하였으며, 7-25 K의 온도범위에서는 직선관계, 25-40 K의 범위에서는 직선의 기울기가 증가하고, 상온이상에서는 온도가 증가함에 따라 단조증가함을 보고하였다.여기서 kzz는 열전도도, C는 비열, v는 음속, 는 relaxation time이다. Hone등은 상온에서 singlewalled nanotube rope에 대한 열전도도가 1,800 - 6,000 W/m-K의 범위에 존재하는 것을 제시하였다.1999년 Goddard 등은 (10,10) 나노튜브의 열전도도가 적용전류(applied current)가 증가함에 따라 2,980 W/m-K에 접근함을 수치적으로 계산하였다.(왼쪽 그림) 2000년 Tomanek 등은 탄소나노튜브의 열전도도와 온도의 상관관계를 연구하였으며, 특히 Hone 등이 제안했던 상온에서의 열전도도가 6,600 W/m-K인 아주 높은 값을 재확인하였고, 이 값이 phonon의 평균자유경로가 아주 큰 것에 기인하는 것을 이론적으로 입증하였다. 그러나 Barber등은 열전도도의 온도에 대한 상관관계가 선형적이기보다는 다른 특성을 갖는다고 주장하였는데, 즉 100K의 온도까지는 37,000 W/m-K인 최대치까지 증가하다가 400 K에서부터는 3,000 W/m-K로 급격히 감소한다고 보고하였다.(3) 기계적성질SWNT의 탄성(elastic behavior)은 최근 나노튜브 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야이다 단층 탄소나노튜브이 경우는 일반적으로 사용되는 직류 아크방전 대신에 교류 아크방전을 이용, 상당히 높은 순도와 고수율의 나노튜브를 합성한 연구가 보고되고 있고, 전이 금속과 함께 황, CeO2, CaC2 또는 Y, Bi, Pb 등을 첨가하여 순도를 높힌 사례들도 보고되고 있다.1-3-2 Laser ablation 법Laser ablation 방법은 단층 탄소나노튜브 만을 합성하기 위한 장치로서, 다른 방법과 비교했을 때, 상당히 높은 순도를 얻을 수 있어 정제 또한 쉽다고 할 수 있다. 많은 나노소자 실험에 이용되는 탄소 나노튜브는 이 방법에 의해 만들어진 것이다.그림 4-1 Laser ablation 법그림 4-1은 Laser를 이용한 탄소나노튜브 성장법에 관한 개략적인 그림이다. 석영관 안쪽에 전이금속과 흑연가루를 일정 비율로 섞어 만든 시편을 외부에서 Laser를 이용하여 시편을 기화시켜 나노튜브를 합성한다. Buffer 기체로는 아르콘(Ar)을 사용하게 되는데, 합성된 나노튜브는 기체와 함께 이동하여 냉각된 수집기에 붙게 된다. Laser ablation에 의한 방법도 아크 방전법과 같이, 전이금속을 두 개 이상 섞어 사용하였을 때, 순도가 높아지고 생성되는 탄소나노튜브의 직경이 달라지는 것으로 알려져 있다. 탄소봉의 비율에서 전이금속의 양이 각각, 4.2 wt%의 Ni와 1.0 wt%의 Y을 사용하였을 때 가장 높은 순도의 나노튜브가 형성되었다고 보고되었다. 그리고 보통 Nd/YAG Laser와 eximer laser와 CO2 laser를 사용하는데, 종류에 따라, 나노튜브의 생성되는 속도가 다르다. 그 중 CO2 laser는 연속적인 파장의 모드가 가능하므로, 같은 시간에 가장 많은 튜브를 만들 수 있다.1-3-3 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition)화학 기상 증착법(CVD)은 원하는 물질을 포함하고 있는 기체 상태의 원료가스가 반응기 안으로 주입되면 열이나 플라즈마 등으로부터 에너지를 받게 되어 분해되는데, 이 때 원소나노튜브를 이용한 전자방출원(emitter) 및 FED(field emission display) 응용에 관한 연구는 최근에 전 세계적으로 가장 활발히 연구되고 있는 대표적인 분야중의 하나이다. 다음 세대의 첨단 전자정보화 시대에는 지금까지 표시소자로 이용되어 온 CRT(cathode ray tube)의 뒤를 이어서 LCD(liquid crystal display), LED(Light emitting diode), PDP(plasma display panel), FED(field emission display)등의 평판 디스플레이가 주역으로 등장할 것으로 예상된다. 그 중에서도 고화질, 고효율 및 저소비 전력을 장점으로 갖는 FED는 차세대 정보 디스플레이 소자로 크게 주목을 받고 있다. FED의 핵심기술은 emitter tip의 가공기술과 안정성에 바탕을 두고 있다. 실리콘 팁이나 몰리브덴 팁은 수명과 안정성에 큰 문제가 있으며, 전자방출 효율이 좋지 못하기 때문에 높은 전도성과 예리한 tip를 가진 탄소나노튜브를 emitter tip으로 사용하려는 연구가 현재 가장 크게 주목을 받고 있다. 그림 7은 탄소나노튜브를 이용한 FED의그림 7 CNT-FED의 개략도개략도이다그림 8. 탄소나노튜브 전극을 이용한 초고용량 캐패시터의 단위전지 구성도탄소나노튜브 전자방출원의 개발은 Smalley 등에 의해 SWNT의 FED 전자방출능력이 확인된 이후, De Heer 등에 의해 FED 설계가 시도되었다. Chang 등은 탄소나노튜브-전도성 에폭시 복합체를 이용한 스크린 프린팅법으로 다이오드 타입 FED을 제작하였고, pixel마다 pulse signal을 걸어줌으로써 on-off 조절하는 방식으로 화면에 글자를 표현하는데 성공하였으며 10-6 torr의 낮은 진공에서 안정된 전자방출이 가능함을 보여주었다 . Saito 등은 MWNT를 이용한 FED의 가능성을 보여주었고, 최근 삼성SDI는 CNT를 이용한 38인치 대형 Panel 제작에 성공하고 2007년 까지 양을 목LETI가 마이크로 팁과 형광체와 관련하여 보다 진보된 기술을 제시함으로써, FED가 다시 개발되기 시작하여 상업화의 가능성을 보였으며, 1992년 6월 FED 생산을 목적으로 Pixel International(현재는 PixTech)이 설립되었고, 1993년도 7월 미국의 로드 아일랜드에서 개최된 IVMC에서 Pixel International 이 칼라 FED패널을 시연함으로써 FED개발 경쟁의 도화선을 마련하였고, 현재에는 세계적으로 10여개에 이르는 업체들이 FED의 제품화를 위하여 매진하고 있다.2-1-2 구조 및 동작원리그림10 FED의 기본구조FED의 기분구조는 그림10과 같으며 이를 이용하여 동작원리를 설명하면 다음과 같다. 즉, 각각의 FEA(Field Emitter Array) cell 은 초소형 전자총으로 동작하며, 게이크와 팁 간에 일정 전압(수십 V)이 인가되면, 전자들이 팁으로부터 양자역학적으로 터널링되어 방출된다. 방출된 전자들은 더욱 큰 양극 전압(수백 V~수kV)에 의해 영광체가 도포되어 있는 양극쪽으로 가속되며, 전자들이 형광체에 충돌하게 되면 이 에너지에 의해 형광체 내의 특정 원소 내에 있는 전자들이 여기 되었다가 떨어지면서 빛을 발생한다.2-1-3 특징FED가 지닌 고유의 특징으로는 CRT와 마찬가지로 음극선 발광에 의해 동작한다는 점(자체광원, 높은 효율, 높은 휘도와 넓은 휘도 영역, 천연색 및 높은 색순도, 넓은 시야각 등이 가능), 고유의 sub-pixel redundancy를 가진다는 점(10%에 이르는 emitter가 손상되어도 단위 픽셀 동작에 지장이 없음), 동작 속도가 매우 빠르다는 점(응답 속도 : 수 μsec), 동작 온도 영역이 넓다는 점(-45 ~ +85℃), 그리고 반도체 공정에 의해 일광-대량 제조가 가능하다는 점 등을 들 수 있다.이와 같이 FED는 CRT와 FPD의 특징을 공히 갖추고 있는 유일한 디스플레이로서 주요 특징을 아래 표에 나타내었다. CTR와 부분적인 차이점을 살펴보면, CTR는 한있다.

공학/기술| 2004.10.27| 21페이지| 3,000원| 조회(1,034)

CNT, 탄소나노튜브, FED, 전계방출디스플레이, CNT-FED

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