니켈, 실리콘 및 알루미나 나노입자 함유 탄소나노튜브 페이스트 조성 최적화를 통한 고전류 전계방출 에미터 연구 Study on high current field emitters by optimizing carbon nanotube pastes containing nickel, silicon and alumina nanoparticles원문보기
탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 전기전도성 및 열전도성이 우수하고 기계적 강도가 높으며 화학적으로 안정한 특성을 지니고 있을 뿐만이 아니라, 길이에 대한 직경 비인 종횡 비가 매우 높은 1D 나노물질의 형상으로 인해 전계방출 특성이 매우 우수한 물질로 FED(field emission display), UV-lamp(ultra-violet lamp), LCD-BLU(liquid crystal display backlight ...
탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 전기전도성 및 열전도성이 우수하고 기계적 강도가 높으며 화학적으로 안정한 특성을 지니고 있을 뿐만이 아니라, 길이에 대한 직경 비인 종횡 비가 매우 높은 1D 나노물질의 형상으로 인해 전계방출 특성이 매우 우수한 물질로 FED(field emission display), UV-lamp(ultra-violet lamp), LCD-BLU(liquid crystal display backlight unit), FE-SEM(field emission scanning electron microscope, microwave amplifier) 등에 사용되었다. 최근에는 탄소나노튜브로 제조된 에미터가 엑스선 튜브의 냉전자 소스로 사용되어 좋은 특성을 내고 있다. 열전자 소스는 연속 구동이거나 on/off 속도가 느려 CT와 같은 의료기기에서 불필요한 선량을 발생시키는데 반해, CNT를 이용한 냉전자 소스는 빠른 on/off의 펄스 구동이 가능하여 선량을 줄임과 동시에 영상의 해상도를 높일 수 있다. 본 연구에서는 금속 나노 필러, 세라믹 나노 필러, 유기 바인더 및 용매와 함께 다양한 함량의 CVD로 합성된 다중벽 CNT(multi-walled CNT)를 혼합, 분산시켜 페이스트를 제조한 후 금속 기판 위에 페이스트를 스크린 프린팅하여 원하는 패턴을 형성하였다. 이후 400℃ 대기 소성과 830~950℃의 다양한 온도에서 고온 진공 열처리, 테이프를 이용한 표면 활성화를 통해 기판과의 접착력이 우수한 에미터를 제조하였다. CNT 에미터는 전계방출 중에 고전류에 의한 주울(Joule) 열과 강한 정전기력에 노출되는 열악한 환경 하에서 기판에 강하게 부착되어야 한다. 그렇지 않을 경우 에미터의 박리에 의해 전기적 아킹이 발생하여 소자에 손상을 일으킬 수 있다. 하지만 기판에 형성한 CNT 페이스트의 응집력이 너무 강하면 최종 공정에서 CNT 페이스트의 표면 활성화가 적절히 진행되지 못하므로 전계방출 특성이 저하될 수 있다. 본 연구에서는 Ni과 Al2O3 필러를 1:6 비율로 고정하고 탄소나노튜브의 함량, 유기용매의 함량에 따른 점도, 진공 브레이징 온도 3가지 변수를 조절하여 최적의 페이스트를 제조하고 평가하였다. 삼성분 필러에서는 Ni과 알루미나가 포함된 CNT 페이스트에서 기존 필러 물질들과 반응을 일으켜 강한 결합을 유도할 수 있는 물질로 Si을 선택하였다. Si은 Fe, Co, Ni 등의 전이금속과 silicide를 잘 형성하는 특징을 가지고 있으며 기판 재료로 Fe, Co, Ni을 포함하는 Kovar를 사용하고 있기 때문에 CNT 페이스트에 소량의 Si을 첨가할 경우, Si은 기판과 Fe, Co, Ni 등의 silicide를 형성하여 기판 접착력을 높일 것이고, CNT 페이스트 내의 Ni과 silicide를 형성하여 CNT 페이스트의 응집력을 향상시킬 것으로 보인다. 각각의 함량비는 Ni의 함량을 고정하고 Si과 Al2O3의 함량을 각각 1:0:6, 1:1:5, 1:2:4, 1:3:3, 1:4:2, 1:5:1, 1:6:0 비율로 CNT 페이스트를 제조하였다. CNT 페이스트의 전계방출 특성 평가를 위해 시편에 대해 표면 활성화를 1회 수행하고 20 mA까지 단계적 에이징을 시행하였다. 이후 전기적 아킹이 발생할 때까지 I-V를 측정하는 limit test를 수행하였다. 본 연구에서는 Ni, Si, Al2O3의 함량비가 1:5:1일 때 가장 우수한 전계방출 특성을 나타내었고, 이는 Si이 CNT 페이스트 에미터와 기판 사이의 접착력 및 응집력을 향상시켰기 때문인 것으로 보인다.
탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 전기전도성 및 열전도성이 우수하고 기계적 강도가 높으며 화학적으로 안정한 특성을 지니고 있을 뿐만이 아니라, 길이에 대한 직경 비인 종횡 비가 매우 높은 1D 나노물질의 형상으로 인해 전계방출 특성이 매우 우수한 물질로 FED(field emission display), UV-lamp(ultra-violet lamp), LCD-BLU(liquid crystal display backlight unit), FE-SEM(field emission scanning electron microscope, microwave amplifier) 등에 사용되었다. 최근에는 탄소나노튜브로 제조된 에미터가 엑스선 튜브의 냉전자 소스로 사용되어 좋은 특성을 내고 있다. 열전자 소스는 연속 구동이거나 on/off 속도가 느려 CT와 같은 의료기기에서 불필요한 선량을 발생시키는데 반해, CNT를 이용한 냉전자 소스는 빠른 on/off의 펄스 구동이 가능하여 선량을 줄임과 동시에 영상의 해상도를 높일 수 있다. 본 연구에서는 금속 나노 필러, 세라믹 나노 필러, 유기 바인더 및 용매와 함께 다양한 함량의 CVD로 합성된 다중벽 CNT(multi-walled CNT)를 혼합, 분산시켜 페이스트를 제조한 후 금속 기판 위에 페이스트를 스크린 프린팅하여 원하는 패턴을 형성하였다. 이후 400℃ 대기 소성과 830~950℃의 다양한 온도에서 고온 진공 열처리, 테이프를 이용한 표면 활성화를 통해 기판과의 접착력이 우수한 에미터를 제조하였다. CNT 에미터는 전계방출 중에 고전류에 의한 주울(Joule) 열과 강한 정전기력에 노출되는 열악한 환경 하에서 기판에 강하게 부착되어야 한다. 그렇지 않을 경우 에미터의 박리에 의해 전기적 아킹이 발생하여 소자에 손상을 일으킬 수 있다. 하지만 기판에 형성한 CNT 페이스트의 응집력이 너무 강하면 최종 공정에서 CNT 페이스트의 표면 활성화가 적절히 진행되지 못하므로 전계방출 특성이 저하될 수 있다. 본 연구에서는 Ni과 Al2O3 필러를 1:6 비율로 고정하고 탄소나노튜브의 함량, 유기용매의 함량에 따른 점도, 진공 브레이징 온도 3가지 변수를 조절하여 최적의 페이스트를 제조하고 평가하였다. 삼성분 필러에서는 Ni과 알루미나가 포함된 CNT 페이스트에서 기존 필러 물질들과 반응을 일으켜 강한 결합을 유도할 수 있는 물질로 Si을 선택하였다. Si은 Fe, Co, Ni 등의 전이금속과 silicide를 잘 형성하는 특징을 가지고 있으며 기판 재료로 Fe, Co, Ni을 포함하는 Kovar를 사용하고 있기 때문에 CNT 페이스트에 소량의 Si을 첨가할 경우, Si은 기판과 Fe, Co, Ni 등의 silicide를 형성하여 기판 접착력을 높일 것이고, CNT 페이스트 내의 Ni과 silicide를 형성하여 CNT 페이스트의 응집력을 향상시킬 것으로 보인다. 각각의 함량비는 Ni의 함량을 고정하고 Si과 Al2O3의 함량을 각각 1:0:6, 1:1:5, 1:2:4, 1:3:3, 1:4:2, 1:5:1, 1:6:0 비율로 CNT 페이스트를 제조하였다. CNT 페이스트의 전계방출 특성 평가를 위해 시편에 대해 표면 활성화를 1회 수행하고 20 mA까지 단계적 에이징을 시행하였다. 이후 전기적 아킹이 발생할 때까지 I-V를 측정하는 limit test를 수행하였다. 본 연구에서는 Ni, Si, Al2O3의 함량비가 1:5:1일 때 가장 우수한 전계방출 특성을 나타내었고, 이는 Si이 CNT 페이스트 에미터와 기판 사이의 접착력 및 응집력을 향상시켰기 때문인 것으로 보인다.
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