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문제 정의
- 1) 특히, CNT의 화학적인 안정성 등의 성질 외에도 CNT의 날카로운 팁의 형상으로 인하여 끝단에서의 전계 방출 (field emission)이 탁월하다는 것이 알려지면서4~7) 전계방출형 디스플레이 소자에 전자방출원으로서 CNT를이용하고자 하는 시도가 여러 곳에서 생겨나고 있다. 이에 본 실험에서도 이를 이용하여 전계 방출 디스플레이 (field emission display, FED) 를 제작해 보고자 하였다.
- 이에 본 연구에서는 분말 상태의 CNT 자체를 전계 방출 디스플레이에 적용하고자 공정이 간단하고 대형화에 쉽게 적용할 수 있는 스크린 프린팅 기법을 사용하여 각 공정조건이 전계 방출현상에 어떠한 영향을 미치는지를 조사하였다.
제안 방법
- 8에서는 MWNT와 Ag 페이스트를 직접 혼합하여 스크린 프린팅 했을 때의 MWNT 형상을 나타내고 있다. Ag 페이스트에 0.5 wt%의 MWNT(Fig. 8)와 1 wt%의 MWNT (Fig. 9) 를 각각 혼합하여 프린팅해 보았다. 0.
- 마스크에 따른 변화를 알아 보기 위해 SWNT와 MWNT 를 이용해 2개의 페이스트를 제조한 후, 3가지 마스크를 통해 Cr 전극이 형성된 기판과 Ag 전극이 형성된 기판 위에 각각 스크린 프린팅을 행하고, 400°C 에서 1시간 동안 기판을 유지하여 유기체들을 완전히 제거하여 전자방출원을 완성하였다.
- 스크린 프린팅 기법을 이용해 FED용 CNT 전자방출원을 제조해 보았다. 먼저 CNT의 길이 제어에 있어 MWNT가 약 30분 정도의 유발 가공으로 그 길이가 2 μm까지 제어된 것에 비해, SWNT의 경우 기계적 강도와 탄성이 우수하고 작은 직경으로 인해 유발가공으로는 길이 제어가 쉽지 않았다.
- 스크린 프린팅을 행하기 위해 사용된 CNT는 laser ablation법으로 합성된 single-wall carbon nanotube(이하 SWNT) 와 thermal CVD법으로 제조된 multi-wall carbon nantube (이하 MWNT) 의 두가지 재료를 채택하였고 이들 CNT 중 일부는 길이 제어를 위해 유발 가공을 행하였다. 유발가공은 건조된 CNT를 유발기에 약 0.
- 실험에 이용된 모든 전자 방출원은 주사 전자 현미경을 통해 그 형상을 관찰하였고, 또한 전계 방출 특성을 알아보기 위해 각각의 CNT 전자 방출원들의 I-V 곡선을 측정하여 이들을 상호 비교하였다. I-V 곡선은 측정치가 안정화될 때까지 수차례 반복하여 측정하여 얻었다.
- 유기체 제거 과정에서 전계를 인가 시켰을 때의 변화를 보기 위해 상기와 동일한 방법으로 제조된 전자방출원들을 유기체를 제거하기 위해 400°C 에서 1시간 동안 기판을 유지하는 과정에서 황동판을 기판의 위쪽에 위치 시키고, 황동판과 기판의 Cr 전극에 약 800 V를 인가 시켰다. 이때 황동판과 Cr 전극 간의 거리는 300 μm의 거리를 유지시켜 약 2.
- 페이스트의 제조를 위해서 ethyl cellulose와 a-terpineol을 혼합하여 유기체를 제조한 후, 여기에 CNT를 첨가/혼합하였다. 이 때 유기체 내에 CNT의 좋은 분산성을 얻기 위하여 3-roller mill로 수차례 충분한 교반을 실시 하였다.
- 이 밖에 페이스트에 혼합물을 첨가하여 전자방출원의 특성을 향상시키기 위한 실험으로는 별도의 전극부를 생략하여 전자방출원 부분의 구조를 단순화 시키고 CNT의 수직 배향을 향상 시킬 목적으로 Ag 전극 형성 시 이용된 Ag 페이스트와 CNT를 직접 혼합하여 이를 스크린 프린팅 하여 전자 방출원을 제조하여 보았고, glass frit을 페이스트에 혼합하여 전자 방출원의 형성에 어떤 영향을 미칠지를 알아 보았다.
- 구입한 SWNT와 MWNT 의 길이는 각각 15 μm, 20 μm 정도 였다. 이들을 실험에 적합한 길이로 제어 하기 위 해 유발에서 공이를 이용하여 전단응력을 가하였다. MWNT의 경우 30분 정도의 유발 가공으로 그 길이가 약 2 μm 정도로 제어 됨과 동시에 어느 정도 길이의 균일성을 보였다.
- 향후 객관적인 데이터를 얻기 위하여 가하는 응력을 조절할 수 있는 기구로 길이조절을 시도할 예정이다. 페이스트의 제조를 위해서 ethyl cellulose와 a-terpineol을 혼합하여 유기체를 제조한 후, 여기에 CNT를 첨가/혼합하였다. 이 때 유기체 내에 CNT의 좋은 분산성을 얻기 위하여 3-roller mill로 수차례 충분한 교반을 실시 하였다.
대상 데이터
- 1 (b) 의 MWNT는 약 30nm의 직경을 가지며 각각 서로 떨어져 있는 형상을 보여준다. 구입한 SWNT와 MWNT 의 길이는 각각 15 μm, 20 μm 정도 였다. 이들을 실험에 적합한 길이로 제어 하기 위 해 유발에서 공이를 이용하여 전단응력을 가하였다.
- 기판재로서 소다 석회 유리 (soda-lime glass) 를 이용하였고, 그 위에 전극 충으로 Ag 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅 된 Ag 전극과 Cr이 박막으로 입혀진 Cr 전극 등 2가지가 이용되었다. 스크린 프린팅용 마스크의 mesh는 250, 400, 500 mesh 등 3가지 종류가 이용되었고, 각각의 opening size는 58, 38, 30 μm 이었다.
- 기판재로서 소다 석회 유리 (soda-lime glass) 를 이용하였고, 그 위에 전극 충으로 Ag 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅 된 Ag 전극과 Cr이 박막으로 입혀진 Cr 전극 등 2가지가 이용되었다. 스크린 프린팅용 마스크의 mesh는 250, 400, 500 mesh 등 3가지 종류가 이용되었고, 각각의 opening size는 58, 38, 30 μm 이었다.
- 스크린 프린팅을 행하기 위한 페이스트는 ethyl cellulose 17.5 wt%와 a-terpineob을 혼합한 유기체에다 유발 가공된 CNT 1 wt%와 혼합하여 제조하였다.
- 12에서는 프린팅된 CNT의 수직 배향성을 향상시키기 위하여 CNT 페이스트에 glass frit을 혼합하여 프린팅한 경우의 형상을 보이고 있다. 이 실험에서 혼합된 glass frit은 CRT 제조 공정에서 sealing용으로 사용되는 수십 μm 크기의 glass frit 분말을 분쇄하여 10 μm 이하의 분말을 사용하였다. Fig.
- 4에 나타나 있다. 측정조건은 cathode와 anode의 간격이 350 μm이고 발생 전류는 직경 8 mm의 탐침자로 측정하였다. 동일 페이스트에서 볼 때, 마스크 mesh의 opening size가 커질수록 turn-on field가 감소하고, 전자 방출량은 많아지는 결과가 나타나는데, 이는 주사 전자 현미경의 사진으로 본 형상과 같이 마스크 mesh의 opening size가 커질수록 프린팅 된 CNT의 밀도가 크기 때문에 전자 방출량이 많아지고, 수직 배향성도 좋아져서 생긴 결과로 보여진다.
성능/효과
- 10에 나타내었다. Ag 페이스트와 직접 혼합한 MWNT의 I-V 곡선이 Cr 전극 위에 프린팅한 MWNT의 특성보다 우수하게 나타났다. Turn-on field의 경우, Cr 전극 위에 MWNT를 프린팅한 경우보다 약 1.
- 5 wt%와 1 wt% 달리 하였을 때의 I-V 곡선이다. turn-on field의 차이는 거의 없었으나 MWNT의 혼합량이 증가할수록 전자 방출량도 증가하였다. 이 실험을 통해 Ag 분말이 CNT의 수직 배향성에 기여할 뿐만 아니라 Ag 페이스트에 CNT를 직접 혼합함으로 전계 방출 특성도 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
- 그러나 스크린 마스크의 opening size가 증가하면 프린팅된 CNT의 밀도도 증가하고 그만큼 CNT들간에 서로 지지해주는 비율도 증가하게 된다. 따라서 opening size가 증가함에 따라 (즉 mesh가 감소할수록) CNT가 기판에 수직 배향되는 비율도 증가함을 관찰할 수 있었다.
- Ag 페이스트와 CNT를 직접 혼합하여 프린팅한 경우, 그 전계 방출 특성이, Ag 분말에 의해 지지 되어 수직 배향된 CNT들에 의해, Cr 전극 또는 Ag 전극 위에 프린팅한 경우 보다 우수하였다. 또한, CNT의 혼합량이 증가할수록 혹은 프린팅된 CNT의 밀도가 높을수록 전자 방출량이 증가 하였다.
- 12(c), 12(d) 는 glass frit을 1 wt% 혼합한 페이스트로 프린팅한 형상이다. 사진에서 보는 바와 같이 glass frit을 사용했을 때가 Fig. 2의 glass frit을 혼합하지 않은 경우보다 CNT의 수직 배향도가 향상 되었다. Glass frit의 첨가량에 따른 변화는 사진상에서 별 다른 차이를 보이지 않고 있다.
- 2는 3가지 mesh의 스크린 마스크를 이용하여 MWNT 페이스트를 Cr 전극이 형성된 기판 위에 스크린 프린팅한 후 400°C 에서 1시간 동안 유지하여 유기체를 완전히 제거 시킨 다음 관찰한 형상이다. 스크린 마스크의 종류에 따른 CNT의 형상 변화를 보면, 마스크 mesh의 opening size가 작아질수록 스크린 프린팅 공정에서 압출 효과가 커져 CNT의 수직 배향성에 기여할 것이라는 생각과는 달리 Fig. 2 (b), 2 (d), 2 (f)에서 보는 바와 같이 마스크의 mesh가 250, 400, 500 mesh로 갈수록 (또는 각 mesh 의 opening size가 58 μm, 38 μm, 30 μm로 줄어들수록) 기판에 프린팅된 CNT의 밀도가 줄어 들었을 뿐 압출 효과는 관찰할 수가 없었다. Fig.
- turn-on field의 차이는 거의 없었으나 MWNT의 혼합량이 증가할수록 전자 방출량도 증가하였다. 이 실험을 통해 Ag 분말이 CNT의 수직 배향성에 기여할 뿐만 아니라 Ag 페이스트에 CNT를 직접 혼합함으로 전계 방출 특성도 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
- 5-2 V/μm 정도 더 낮아졌다. 전자 방출량도 많아졌고 또한 250 mesh 스크린을 썼을 때가 특성이 가장 우수하였다. Fig.
후속연구
- 여러 조건의 페이스트와 그를 이용한 스크린 프린팅을 통해 FED용 CNT 전자 방출원 제조에 성공하였다. 스크린 프린팅이 여러가지 장점으로 인해 현재 디스플레이 분야에 자주 이용되고 있다는 점을 다시 상기할 때, 이 연구를 통해 FED 제조와 적용에 큰 도움이 되리라 기대 된다.
- 이것은 SWNT의 직경이 MWNT보다 작아서 별다른 수직 배향 경향이 없어도 이런 결과가 생긴 것으로 보인다. 이 결과를 좀 더 명확히 해석하기 위해선 프린팅된 SWNT의 결정학적 분석이 더 진행 되어져야 할 것으로 보인다.8)
- 13에서 두 가지 경우 모두 다 glass frit이 첨가되어 glass frit의 저항 때문에 tuin-on field가 높아질 것으로 예상했으나 예상보다 낮은 값을 가지고 있다. 이는 저항층에 의해 CNT의 전자 방출이 균일해지는 등의 영향으로 생각해 볼 수 있으나 앞으로 더 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다.
- 5 g 정도 놓고 공이를 이용하여 전단력을 가하여 분쇄한 것으로 손을 이용하여 힘을 가했기 때문에 다소 객관성은 떨어지지만 가공효과를 보았다. 향후 객관적인 데이터를 얻기 위하여 가하는 응력을 조절할 수 있는 기구로 길이조절을 시도할 예정이다. 페이스트의 제조를 위해서 ethyl cellulose와 a-terpineol을 혼합하여 유기체를 제조한 후, 여기에 CNT를 첨가/혼합하였다.
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