(A)study on field emission characteristics of carbon nanotube emitters and design of electron optics for field emission displays = Field emission display를 위한 carbon nanotube의 電界放出 特性과 電子光學 設計에 關한 硏究

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 필드 에미션 디스플레이의 성능 향상을 위하여 전계 전자 방출 메카니즘과 전자빔 스폿트의 최적화 설계에 관해 연구하였다. 전계 전자방출 특성의 체계적인 연구를 위하여 물리적인 현상의 이해와 공학분야에서의 수치계산의 용이성을 고려하여 FN방정식의 유도를 시도해 보았으며, 3차원 해석이 가능한 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 필드 에미션 디스플 레이의 전자 방출원 어레이 설계에 직접 활용할 수 있도록 2극관 및 3극관 에서의 전계 전자방출 설계 파라미터들에 대한 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 카본나노튜브 페이스트로 형성시킨 두꺼운 박막층 형태의 에미터를 전자방출원으로 사용하였다. 이론적으로는 박막층상에 존재하는 개개의 카본나노튜브가 에미터로서 동작해야 하지만, 고배율의 전자현미경으로 박막층의 상태를 관찰해 보면 카본나노튜브들의 길이나 방향이 무질서하게 배치되어져 있음을 알 수 있고, 또한 카본나노튜브 지름과 비교하면 에미터 박막층과 전극들의 크기는 수천, 수만배 이상의 차이가 있으므로 이를 수치 해석하기 위한 방대한 시뮬레이션 프로그램은 아직까지 개발되어 있지 않은 상태이며 이를 해석하기 위해서는 상당한 용량의 메모리와 많은 해석시간이 많이 소요되어진다. 그래서 상기 카본나노튜브들의 무질서함을 감안하여 평균적인 박막층 표면에서 전계 전자방출이 일어나는 것으로 가정하였다. 이러한 가정을 고려한 수치해석의 정확성을 확보하기 위해 카본나노튜브 페이스트의 실험 데이터를 시뮬레이터의 지배방정식에 대입하여 최소자승법에 의해 그 상수 (β, κ) 들을 계산하여 활용하였다. 본 연구에서 사용한 카본나노튜브 페이스트의 경우는 β=1800, κ=1.75×10^(-7) 이었으며, 이는 카본나노튜브의 종류 및 합성방법에 따라 변경되어지는 요인으로 상기의 방법에 의해 쉽게 계산해낼 수 있으며, 주로 사용하는 전압구간에서는 전류-전압 특성이 실험결과와 매우 잘 일치되어짐을 확인하였다.
상기 상수들을 적용하여 2극관 및 3극관에서의 전계 전자방출 파라미터들을 변경하여 211개 항목에 대한 수치해석을 수행하였다. 3차원 시뮬레이션 해석을 통해, 2극관에서는 에미터의 크기 및 형상 변경에 의한 전계 집중 효과와 에미터간의 간격 변경에 의한 전계 차폐효과를 확인할 수 있었고, 3극관에서는 게이트 전극의 위치 및 전자빔 통과공의 크기 변경에 의한 애노드 전압 침투효과와 에미터간의 간격 변경에 의한 전계 차폐효과 유무를 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 전계 전자방출형 표시소자 구조를 설계할 때에 전자방출의 고밀도화와 암전류의 최소화를 통해 고휘도, 고컨트라스트의 디스플레이 소자를 구현할 수 있는 정보들을 제공한다.
평판 디스플레이의 고해상도화 추세에의 대응과 신뢰성 확보를 위해서는 필드 에미션 디스플레이의 경우, 고전압 형광체 적용과 이에 대응하는 진공 간격을 확보하여야만 한다. 이 경우 에미터에서 방출되어진 전자빔은 발산력을 받는 긴 드리프트 구간을 지나게 되므로 목적하지 않은 인접하는 다른 색의 형광체를 발광시켜 색순도가 떨어지게 되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 전자빔을 집속시키기 위한 새로운 전자 렌즈의 설계가 요구되어진다. 본 연구에서는 먼저 디스플레이에서 요구되는 전자빔의 최적 설계에 대해 검토를 하였고, 이를 구현하기 위해 평판 디스플레이의 화소 형상을 고려한 종장형의 전자빔 형성을 설계 목표로 하였다. 전자 광학적으로 실현 가능성이 있는 여러 가지 구조들을 검토한 결과, 2중 게이트 전극 구조에 4중극 정전계 전자 렌즈를 배치시킨 개량된 구조를 제안하였다. 본 구조는 횡장형의 전자빔 통과공과 종장형의 전자빔 통과공을 게이트 전극과 포커스 전극에 각각 설치하므로서, 이를 통과하는 원형의 전자빔은 수평으로 는 집속력, 수직으로는 발산력으로 작용하는 4중극 전계의 영향을 받아 종장형의 전자빔으로 변형되어진다. 디스플레이의 해상도에 의해 결정되어지는 화소의 크기를 만족시키기 위해서는 상기의 횡장형 또는 종장형의 전자빔 통과공의 크기 및 종횡비를 조절하여 전자빔의 크기 및 형상을 가장 최적의 상태로 설계할 수 있다. 또한 비대칭형 4중극 전자 렌즈 설계를 도입하여 수직 또는 수평방향에서의 전자빔의 크기를 부분적으로 조절할 수 있는 방법도 제안하였다.
3차원 시뮬레이션 결과, 본 연구에서 제안한 4중극 정전계 전자 렌즈를 갖는 기본형 구조의 경우 38인치 16:9 화면에서 1,280 dots×768 lines 이상의 해상도를 만족시키는 전자빔 스폿트를 형성시킬 수 있었고, 수직 비대칭형의 경우는 용도에 따라서 전자빔 스폿트의 수직방향 크기를 축소시킬 수 있었다. 수평 비대칭형의 경우는 수평방향뿐만 아니라 수직방향의 전자빔 스폿트의 크기를 더욱 축소시킬 수 있는 새로운 구조로서 38인치 16:9 화면을기준으로 1,920 dots×1,080 lines의 풀하이비젼 규격의 해상도까지도 대응할 수 있는 결과를 얻었다.

목차 (Table of Contents)

• Table of contents
• List of Tables = ⅳ
• List of Figures = ⅴ
• 1. Introduction = 1
• 1.1. Motivation of Research = 1
• 1.2. Background of Field Emission and Field Emission Display = 3
• 1.3. Field Emission from Carbon Nanotube = 8
• 1.3.1. Formation of CNT paste layers = 10
• 1.3.2. Direct growth of CNTs = 15
• 1.3.3. Electron emission from CNTs = 19
• 1.3.4. Field-enhancement factor = 25
• 1.4. Derivation of the Fowler-Nordheim Equation = 32
• 1.4.1. Tunneling through Rectangular and Triangular potential barrier = 34
• 1.4.2. Tunneling probability from Metal surface = 43
• 1.4.3. Electron emission from 3-D potential box = 46
• 1.5. Basics of the Electron Optics = 57
• 1.5.1. Analogy between Electron Beams and Light Rays = 57
• 1.5.2. The Action of an Electrostatic Lens = 70
• 1.5.3. The Types of Electrostatic Lens = 74
• 2. Field Emission Characteristics of Surface Emitter using Carbon Nanotube Paste Layer = 80
• 2.1. Introduction = 80
• 2.2. Experimental and Simulation = 82
• 2.3. Results and Discussion = 88
• 2.4. Conclusion = 99
• 3. Optimization of Electron Beam Size and Shape = 100
• 3.1. Introduction = 100
• 3.1.1. Definition of Electron Beam Spot Size and Shape = 100
• 3.1.2. Design review of Current Field Emitter Array = 106
• 3.1.3. Comparison of Experimentals and Simulations = 112
• 3.2. A Field-emission array with an electrostatic quadrupole lens structure = 116
• 3.2.1. Introduction = 116
• 3.2.2. Electrostatic Quadrupole Lens system = 118
• 3.2.3. Experimental and Simulation = 123
• 3.2.4. Results and Discussion = 128
• 3.2.5. Conclusion = 133
• 3.3. A field-emission array with an asymmetric electrostatic quadrupole lens system = 134
• 3.3.1. Asymmetric Electrostatic Quadrupole Lens system = 134
• 3.3.2. Simulation = 136
• 3.3.3. Results and Discussion = 138
• 3.3.4. Conclusion = 142
• 3.4. A field-emission array for super high resolution FEDs = 143
• 3.4.1. Introduction = 143
• 3.4.2. Design of a field-emission array = 146
• 3.4.3. Results of Simulation = 150
• 3.4.4. Conclusion = 151
• 4. Conclusion = 155
• References = 159
• Abstract (in Korean) = 169
• Publications = 172