Pb가 제거된 탄소나노튜브 페이스트의 제조 및 전계방출 특성 = Fabrication and field emission characteristics of the Pb-free carbon nanotube paste

국문 초록 (Abstract)

탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 그림 1과 같이 그 합성 방법이나 조건에 따라 단일벽 탄소나노튜브(single-walled nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled nanotube, DWCNT), 그리고 다중벽 탄소나노튜브(multiwalled nanotube, MWCNT)로 구별된다. 탄소나노튜브는 기계적 강도, 전기전도도, 종횡비(aspect ratio), 표면적 등에서 뛰어난 특성을 지니고 있기 때문에 평판 디스플레이[1,2], 메모리소자[3~5], 에너지 저장장치[6,7], 복합재[8] 등에 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다[9~14]. 특히 탄소나노튜브의 끝이 예리하여 전계가 끝부분에 집중되기 때문에 가열하지 않고 전계의 인가만으로도 쉽게 전자를 방출시킬 수 있으며 방출 전자의 에너지 분포 폭이 좁고 전류밀도가 높은 특성을 가지고 있다. 때문에 탄소나노튜브는 전계방출 디스플레이(field emission display, FED)의 에미터로 사용하기에 우수한 물질이며 곧 실용화 될것으로 기대된다[15].
FED기술은 SRI의 Spindt 박사가 저전압에서 전자를 방출할 수 있는 냉음극 어레이를 제작함으로써 시작되었다.[16] 그리고 프랑스 LETI에서는 이러한 전계방출 에미터 어레이(field emitter array, FEA)를 단위화소로 하여 행렬 구동하는 평판 디스플레이를 만드는 기술 개발에 힘써왔다.[17,18] 이러한 FED의 주요 구성원인 전자 방출원으로 1세대 Spindt type FED에서는 Mo, Rb, Ba 등의 micro tip이 적용되었으나, 높은 전도성과 종횡비를 가진 탄소나노튜브를 에미터 팁으로 사용하는 CNT-FED가 현재 가장 주목을 받고 있다. 탄소나노튜브 에미터의 형성 방법에는 chemical vapor deposition(CVD)방법으로 직접 성장, 합성하는 방법이 있으나, 이 방법은 고가 박막 장비 사용에 따른 경제성 문제와 성장 온도가 기타 공정에 미치는 악영향과 대면적으로 확장이 어려운 점 등으로 인해 아직 상업화에는 문제점이 많다. 따라서 현재는 제작 비용측면이나 대면적 제작에 용이한 페이스트법을 많이 사용한다. 페이스트법은 탄소나노튜브와 frit 및 기타 inorganic, organic vehicle과 conductive filler를 혼합하여 탄소나노튜브 페이스트를 제조하여 screen printing, spin coating, spraying 등의 방법으로 캐소드위에 에미터를 형성하는 방법이다. 본 연구에서는 screen printing에 의한 CNT 에미터 형성법을 사용하여 실험을 진행하였다. 페이스트를 제작하여 screen printing하는 방법에는 여러 유기물질이 포함되며 그 중 많이 사용되는 PbO계 frit은 탄소나노튜브와 반응하여 열적분해 특성을 떨어뜨리기 때문에 이를 대체하기 위한 Pb-free 페이스트 제조가 필요했으며, 본 실험의 중요한 motivation이 되었다. 그리고 디스플레이로서의 여러 가지 요구 성능 중 화소간 균일도 및 수명이 현재 가장 큰 문제점으로 지목되고 있으며 이를 극복하기 위해 탄소나노튜브 페이스트 최적화, 저항층[19], TFT[20], 전기적 균질화 처리[21] 등을 통해 달성하고자 하였다.
스크린 프린팅법으로 제작된 탄소나노튜브 전계방출 소자[1,2]는 그림 2과 같이 탄소나노튜브 에미터들의 길이가 균일하지 않아서 전계(electric field)가 인가될 때, 길이가 긴 탄소나노튜브에 전계가 집중되어 주로 이들로부터 전자가 방출된다. 탄소나노튜브의 전계방출 수명특성과 안정성에 대한 신뢰성 및 소자의 화소간 균일도를 확보하기 위해서는 탄소나노튜브 에미터로부터 균일한 전계방출이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 탄소나노튜브 에미터의 길이를 균일하게 하기 위해 산화성 가스를 사용한 전기적 균질화 처리를 수행함으로써 에미터 사이에 존재하는 길이 산포를 최소화하여 전자방출에 참여하는 에미터의 개수를 증가시키고자 하였다. 그리고 사용가스의 최적화를 통해 전기적 균질화 시간을 최소화하고자 하였다. 이러한 공정을 통해 짧은 시간 안에 화소간 휘도 균일도 및 수명을 상당 부분 향상시킬 수 있었다. 또한 실제 구동과 동일한 조건에서의 수명특성을 알기보기 위해 FED 패널의 잔류가스와 동일한 조성의 혼합가스를 이용하여 진공도에 따른 수명특성을 측정하였다. 그리고 시간과 공간의 제약으로 실제 구동조건에서의 장시간 수명측정을 할 수 없기 때문에 duty 비에 따른 가속측정법을 도입하여 시편의 실제 수명을 예측하고자 하였다[22].

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 표 목차
• 그림 목차
• 1. 서론 1
• 2. 문헌조사 4
• 2.1 전계방출 이론 4
• 2.2 탄소나노튜브 페이스트 제조 7
• 2.3 탄소나노튜브의 전계방출 균일도 및 안정성 8
• 2.3.1 저항층 9
• 2.3.2 박막 트렌지스터 9
• 2.3.3 전기적 균질화 처리 12
• 2.3.4 가스흡착 13
• 3. 실험방법 14
• 3.1 탄소나노튜브 페이스트의 제조방법 및 증착 14
• 3.2 전계방출 특성 측정 18
• 3.3 전기적 균질화 처리 21
• 3.4 화소간 균일도 평가 방법 21
• 4. 실험결과 및 고찰 25
• 4.1 탄소나노튜브 페이스트 분석 및 개발 25
• 4.1.1 페이스트 내에서 PbO 와 EC 바인더의 영향 25
• 4.1.2 PbO-frit과 free PbO-frit를 사용한 각각의 페이스트 전계방출 특성
• 34
• 4.2 산화성 가스로 전기적 균질화 처리한 소자의 전계방출 특성 36
• 4.2.1 화소간 전계방출 균일도 향상 47
• 4.2.2 탄소나노튜브 에미터의 수명 특성 51
• 5. 결 론 61
• 6. 참고문헌 63
• Abstract 66