탄소나노섬유를 이용한 대면적 고전류밀도 냉음극관 소자 제작

Alternative Title
Chae, Kyo-Won
Alternative Author(s)
Chae, Kyo-Won
일반대학원 물리학과
The Graduate School, Ajou University
Publication Year
CarbonnanofiberField emission
1991년 탄소나노튜브가 일본의 이지마 박사에 의해 발견된 이후, 탄소나노소자에 관한 연구는 급속도로 이루어졌다. 탄소나노소자가 가지고 있는 뛰어난 전기적, 기계적 특성은 많은 이들의 관심을 끌기에 충분했으며 순수한 탄소나노물질의 연구에서부터 응용에 관한 연구가 다양하게 있어왔다. 전계전자방출(Field electron emission)은 물질내의 전자가 외부전기장에 의해 물질 밖으로 방출되는 현상을 말하며, 이러한 현상은 기존의 열 에너지에 의한 전자방출인 열전자방출과 구분되어 전계방출소자의 음극을 냉음극(Cold cathode)이라 한다. 좋은 전계방출소자는 낮은 전기장 하에서 충분한 양의 전계전자방출이 이루어져야 하며, 그 안정성 또한 충분히 보장되어야 한다. 전기도금은 오래전부터 사용되어오던 박막생성의 한 방법으로 그 제조비용이 저렴하고 대면적, 대량생산이 가능하며, 방법이 쉽고 단순하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 전기도금을 이용하여 실리콘 기판 위에 미리 크롬과 금을 열 기화기를 이용하여 증착시킨 기판위에 니켈을 증착하여 탄소나노섬유가 성장하기 위한 촉매층으로 사용하였으며 촉매층인 니켈박막의 상태에 따라 탄소나노섬유의 성장에 많은 영향을 주는 것을 확인하였다. 도금액의 상태에 따라 니켈박막의 상태가 크게 바뀌며, 니켈 박막의 두께 또한 탄소나노섬유의 성장에 영향을 미친다. 전반적으로 고른 니켈도금을 하기 위해선 순수한 와트욕 니켈도금액을 사용하는 것이 좋으며 니켈박막의 두께가 약 300 nm 정도일 때 탄소나노섬유가 잘 합성되는 것을 확인하였다. 또한 도금액의 pH값에도 영향을 받아 약 3.7-4.0 사이에서 니켈 박막의 RMS Roughness 가 가장 좋고 탄소나노섬유가 잘 성장하는 것을 알 수 있었다. HFCVD(Hot Filament Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 니켈 박막위에 탄소나노섬유를 합성하는데, 이때 공정시의 기판의 온도를 조절하는 것에 따라서 탄소나노섬유 박막의 성장상태가 크게 바뀌는 것을 확인하였다. 약 680 - 720℃의 온도에서 탄소나노섬유 박막이 가장 잘 성장하며, 이때의 전계방출특성 역시 뛰어난 것을 확인하였다. 이때의 성장조건은 균일하게 증착된 약 300 nm 정도의 니켈 박막을 촉매로 사용하여 30 Torr, 20 sccm의 H2 와 80 sccm 의 CH4를 혼합한 가스를 사용하였다. 또한 압력을 바꾸어 가며 실험했을 때, 30 Torr의 압력에서 가장 잘 성장하고 있음을 확인하였다. 최적의 니켈도금조건과 HFCVD 조건을 확인한 후, 실제 대면적 탄소나노섬유 음극을 제작하였다. 1× 1 cm2 의 정사각형 면적에 100× 100 μm2 의 정사각형 패턴이 100개 들어 있는 형태로 제작된 음극은 500μm의 전극간격을 유지시키고 9.5 V/μm의 전기장을 인가했을 때 약 20 mA/cm2 의 전계방출전류밀도를 가졌으며, 안정성을 테스트해 본 결과 20시간동안 약 1.5%의 변화율을 보여주었다. 이 때 전원으로는 1000 V의 크기를 가지며 10초의 펄스폭과 10초의 펄스간의 간격을 가지는 사각파 형태의 펄스전원을 사용하였다. 음극관의 면적을 더 증가시켜서 3× 3 cm2 의 정사각형 면적에 50× 50 μm2 의 정사각형 패턴이 65500개 들어 있는 형태로 제작된 음극은 20번에 거친 반복 전계방출측정 결과, 전계방출은 2.2 V/μm에서 시작되어 3.5 V/μm 의 전계 세기에서 1.8 mA의 크기를 가지는 전계방출 전류를 확인하였다. 이러한 결과는 이전에 발표된 내용들과 비교하여 충분히 납득할 만한 성과를 보여주는 것으로 실제 소자 제작가능성이 확인되었다.
Alternative Abstract
Field emission from carbon nano-structured materials (CNSM) such as carbon nanotube (CNT), carbon nanoparticle (CNP), and carbon nanofiber (CNF) have been studied extensively because of their great potential to be used as attractive electron sources for various applications. Their good physical and chemical stabilities, and high electrical and thermal conductivities, in particular, have made CNSM emitters suitable for high current-density applications in low- or medium-vacuum levels. Microwave power-amplifier tube, x-ray tube, high-luminance light source, and micro-machined mass spectrometer are a few examples of such applications. Among these CNSM, CNF have shown distinctive advantage over CNT and CNP since electroplated nickel films were used as the catalyst for CNF synthesis. Nickel-electroplating is a convenient and inexpensive technique which can be easily scaled up for large-area deposition. Moreover, the combination of nickel-electroplating and conventional photolithography allows fabrication of arbitrary CNF patterns which can be the building blocks for the modular construction of electron source of desired shape and size. In this work, we systematically investigated the dependence of CNF growth and emission characteristics on the HFCVD and Ni-electroplating process conditions: thickness and roughness of electroplated Ni layer and substrate temperature, in particular. Moreover, we tested the fabrication of CNF cathodes of desired shape and size with good emission characteristics via pre-pattering of buffer-metal layers followed by subsequent Ni-electroplating, an easy and inexpensive technique, and judicially controlled HFCVD process. Ni catalyst layers were deposited on thermally oxidized silicon substrates, pre-coated with gold buffer layers, using direct-current electroplating technique. Chromium layers of 50 nm and gold layers of 150 nm were sequentially deposited on substrates to obtain flat and conductive surfaces, and patterned into predetermined cathode-shape and -size using the conventional photolithography. Nickel sulfate (NiSO4 -6H2O), nickel chloride (NiCl2-6H2O), boric acid (H3BO3) were used as electrolytes in an electroplating bath, to which sometimes commercial brightener for electroplated nickel was added. The temperature and pH of the electroplating bath were 55 ℃and 3.8, respectively. The electroplating current density was fixed at 10mA/cm2, and the processing time was varied from 1 to 3 min to deposit Ni films of different thicknesses. HFCVD of CNFs was carried out using the 20% mixture of methane in hydrogen as a feedstock gas. Throughout the synthesis, total pressure was maintained at 30 torr, and substrate temperature was varied from 600 ℃ - 820 ℃. The details of HFCVD system and deposition conditions were presented elsewhere. Typically, 300-nm thick Ni films on Au buffer layers were good catalysts for CNF synthesis. However, if Ni films were either thinner than 100 nm or thicker than 600 nm, CNFs were not synthesized. Roughness and uniformity of Ni films were also key factors to decide condition of field emission of CNF films. CNFs synthesized at 820℃ were heavily curved and lumped together. However, at lower substrate temperatures, less entangled and curved CNFs with many protrusions were synthesized. At 600℃apparently vary poor quality CNFs were synthesized. Note that the cathodes synthesized at 600℃ showed the worst emission and that the emission characteristics were improved as the substrate temperature was raised up to 720℃ but decrease as the substrate temperature was raised further. Synthesis of CNFs were affected by gas pressure during HFCVD process. CNF films synthesized at 30 torr had good emission efficiencies. The CNF-array cathodes which consisted of 2,401 squares of the size of 100×100 μm2 and the spacing of 100 μm were fabricated so that the total area was 1×1 cm2 while the effective emission area was 24 mm2. The emission appeared to start at 3.4 V/μm, and we measured large net current of 4.5 mA at 9.5 V/μm. It is worth emphasizing that we were limited by the capacity of our power supply, and 4.5 mA at 9.5 V/μm was not the ultimate emission level from the 1-cm2 CNF-array cathode. The linear F-N plot indicated that the typical field-electron-emission mechanism was valid for the large-area CNF-array cathode. The temporal variation of emission current verified the stability of the large-area CNF-array cathode. It is worth emphasizing that the stability test was carried out at the high emission current of 600 μA. The bias voltage was applied as a square pulse of 10 sec width and 20 sec period. Over the test period of 19 h, the current fluctuation was only 1.5%.

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Graduate School of Ajou University > Department of Physics > 3. Theses(Master)
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