Pin-to-plate Type 대기압 PECVD 방법을 이용해 성장된 다중벽 탄소나노튜브의 전계방출 특성연구 Field Emission Properties of Multiwalled Carbon Nanotubes Synthesized by Pin-to-Plate Type Atmospheric Pressure Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition원문보기
본 연구에서는 전계 방출소자로 사용하기 위한 탄소나노튜브의 합성 방법으로, pin to plate type의 대기압 플라즈마 소스를 사용한 AP-PECVD(Atmosphere pressure plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하였으며, 이를 통하여 대기압에서 성장된 탄소나노튜브의 구조적 및 전기적 특성을 연구하였다. 유리 / 크롬 / 니켈을 기판으로 사용하여 $400{\sim}500^{\circ}C$ 변화 영역에서 탄소나노튜브를 성장시킨 결과 다중벽 탄소나노튜브가 얻어짐을 알 수 있었다. $500^{\circ}C$에서 성장시킨 탄소나노튜브의 경우 FT-Raman을 이용한 분석 결과 $I_D / I_G$ ratio 가 0.772 임을 관찰하였으며 TEM으로 분석결과, 내부의 그래파이트층은 15 - 20 층, 내부 직경은 10-15nm, 외부 직경은 30 - 40nm 이고, 각 층간의 간격은 0.3nm 임을 알 수 있었다. 또한 전계 방출 문턱전압은 $2.92V/{\mu}m$ 이고, FED 에서 요구되는 $1mA/cm^2$의 방출전류밀도는 $5.325V /{\mu}m$의 문턱전압 값을 가지는 것을 관찰하였다.
본 연구에서는 전계 방출소자로 사용하기 위한 탄소나노튜브의 합성 방법으로, pin to plate type의 대기압 플라즈마 소스를 사용한 AP-PECVD(Atmosphere pressure plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하였으며, 이를 통하여 대기압에서 성장된 탄소나노튜브의 구조적 및 전기적 특성을 연구하였다. 유리 / 크롬 / 니켈을 기판으로 사용하여 $400{\sim}500^{\circ}C$ 변화 영역에서 탄소나노튜브를 성장시킨 결과 다중벽 탄소나노튜브가 얻어짐을 알 수 있었다. $500^{\circ}C$에서 성장시킨 탄소나노튜브의 경우 FT-Raman을 이용한 분석 결과 $I_D / I_G$ ratio 가 0.772 임을 관찰하였으며 TEM으로 분석결과, 내부의 그래파이트층은 15 - 20 층, 내부 직경은 10-15nm, 외부 직경은 30 - 40nm 이고, 각 층간의 간격은 0.3nm 임을 알 수 있었다. 또한 전계 방출 문턱전압은 $2.92V/{\mu}m$ 이고, FED 에서 요구되는 $1mA/cm^2$의 방출전류밀도는 $5.325V /{\mu}m$의 문턱전압 값을 가지는 것을 관찰하였다.
In this study, carbon nanotubes (CNTs) were grown on glass substrates coated with Ni/Cr by an atmospheric pressure plasma enhanced chemical vapor deposition(AP-PECVD) and their structural and electrical characteristics were investigated as a possible application to the field emitter of field emissio...
In this study, carbon nanotubes (CNTs) were grown on glass substrates coated with Ni/Cr by an atmospheric pressure plasma enhanced chemical vapor deposition(AP-PECVD) and their structural and electrical characteristics were investigated as a possible application to the field emitter of field emission display (FED) devices. The substrate temperature ($400{\sim}500^{\circ}C$) were varied and the grown CNTs were multi wall CNTs (at $500^{\circ}C$, 15 - 20 layers of graphene sheets, distance of each layer : 0.3nm, inner diameter: 10 - 15nm, outer diameter: 30 - 40nm). The ratio of defective carbon peak to graphite carbon peak of the CNTs grown at $500^{\circ}C$ (C measured by fourier transform(FT)-Raman was 0.772 $I_D / I_G$ ratio. When field emission properties were measured, the turn-on field was $2.92V/{\mu}m$ and the emission field at $1mA/cm^2$ was $5.325V /{\mu}m$.
In this study, carbon nanotubes (CNTs) were grown on glass substrates coated with Ni/Cr by an atmospheric pressure plasma enhanced chemical vapor deposition(AP-PECVD) and their structural and electrical characteristics were investigated as a possible application to the field emitter of field emission display (FED) devices. The substrate temperature ($400{\sim}500^{\circ}C$) were varied and the grown CNTs were multi wall CNTs (at $500^{\circ}C$, 15 - 20 layers of graphene sheets, distance of each layer : 0.3nm, inner diameter: 10 - 15nm, outer diameter: 30 - 40nm). The ratio of defective carbon peak to graphite carbon peak of the CNTs grown at $500^{\circ}C$ (C measured by fourier transform(FT)-Raman was 0.772 $I_D / I_G$ ratio. When field emission properties were measured, the turn-on field was $2.92V/{\mu}m$ and the emission field at $1mA/cm^2$ was $5.325V /{\mu}m$.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 저가의 대면적 PECVD를 통한 탄소나노튜브합성의 한가지 방안으로서 Pin to plate 방식의 대기압 플라즈마 소스를 이용한 탄소나노튜브합성에 관한 연구를 하였다. [6-9] 대기압 플라즈마소스를 이용할 경우 대면적 디스플레이용 전계 방출 소자로 쉽게 적용할 수 있으며, 기존의 스크린 프린팅 방법과 달리 직접 성장을 통한 직접 공정에 적용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
제안 방법
AP-PECVD로 성장된 탄소나노튜브의 전계 방출 소자의 특성을 직류전압(DC) 전원공급기를 사용하여 평행한 다이오드 형태의 전극구조를 구성하며 (5X10「6 Torr)의 진공 챔버 내에서 측정하였다. 성장시킨 전계 방출 소자용 탄소나노튜브 샘플의 면적은 lXlcm2 이며 양극으로 indium tin oxide(ITO)로 코팅된 유리를 사용하였고 탄소나노튜브 층 사이의 거리는 200 例으로 하였다.
또한 탄소나노튜브 합성에 있어서 중요한 인자인 온도의 경우 기판온도를 400 〜 500°CS 변화 시켜 실험을 하였다. 그리고 탄소나노튜브의 합성 조건에 따른 성장을 관찰 하기 위하여 FE-SEM (Hitachi S2700)과 FT-Raman spectroscopy (Renishaw RM1000- InVia)을 이용하였고, 위와 같은 조건에서 성장된 탄소나노튜브의 전자방출을 관찰하였다.
결과를 나타내고 있다. 다른변수 조건은은 일정하게 유지하였고 이를 FE-SEM을 이용하여 관찰 하였다.
그리고 이러한 유리 위의 전이 금속의 증착에 있어서, 기판이 유리 위에 밀착력을 증가시키기 위하여 촉매 금속을 증착 하기 전에 크롬층을 lOOnm 증착 하여 사용하였다. 또한 촉매 층의 표면적을 증가시키기 위한 방법으로, 탄소나노튜브 증착 전에 공정 챔버안에서 기판 온도를 450 °C로 올린 후 암모니아 (210sccm) 플라즈마를 3분간 노출시켜 전처리 공정을 수행하였다. 이러한 표면적 증가는 탄소나노튜브합성에 있어서 탄소의 촉매 층으로의 확산을 증가 시키기 위한 공정이다.
그리고 탄소나노튜브 합성에 있어서는 소스 가스로 에틸렌(lOOsccm)가스를 사용하였으며, 수소의 첨가 효과를 위하여 암모니아(150 〜 270sccm)가스 변화에 따른 실험을 하였다. 또한 탄소나노튜브 합성에 있어서 중요한 인자인 온도의 경우 기판온도를 400 〜 500°CS 변화 시켜 실험을 하였다. 그리고 탄소나노튜브의 합성 조건에 따른 성장을 관찰 하기 위하여 FE-SEM (Hitachi S2700)과 FT-Raman spectroscopy (Renishaw RM1000- InVia)을 이용하였고, 위와 같은 조건에서 성장된 탄소나노튜브의 전자방출을 관찰하였다.
본 연구에서는 저온 대기압 상태에서 pirrtype의 AP-PECVD 방법을 사용하여 헬륨 (lOslm)/ 에틸렌 (210sccm)/ 암모니아 (270sccm)의 가스를 사용하여 탄소나노튜브를 합성 하였다. 유리기판을 사용하였으며 500°C에서 속이 빈 튜브 형태의 탄소나노튜브(내부 직경 : 10 - 15nm, 외부 직경 : 30 - 40nm)를합성 하였다.
이는 코로나 방전과 같이 핀 형태의 팁에서 높은 전계가 형성되어 가스의 이온화가 쉽게 일어나도록 한 형태이다. 코로나방전에서의 문제점인 필라멘트 방전 형성 및 아크 방전을 감소하기 위하여 절연 물질을 두 전극 사이에 놓았으며, 희석가스(헬륨 : lOslm)를 사용하여 아크로의 전이를 억제 시켰다. 음극에는 고전압이 인가되며, 양극에는 접지로 연결되었고 음극에는 교류전압 (AC) (7.
대상 데이터
이러한 표면적 증가는 탄소나노튜브합성에 있어서 탄소의 촉매 층으로의 확산을 증가 시키기 위한 공정이다. 그리고 탄소나노튜브 합성에 있어서는 소스 가스로 에틸렌(lOOsccm)가스를 사용하였으며, 수소의 첨가 효과를 위하여 암모니아(150 〜 270sccm)가스 변화에 따른 실험을 하였다. 또한 탄소나노튜브 합성에 있어서 중요한 인자인 온도의 경우 기판온도를 400 〜 500°CS 변화 시켜 실험을 하였다.
진공 챔버 내에서 측정하였다. 성장시킨 전계 방출 소자용 탄소나노튜브 샘플의 면적은 lXlcm2 이며 양극으로 indium tin oxide(ITO)로 코팅된 유리를 사용하였고 탄소나노튜브 층 사이의 거리는 200 例으로 하였다. 그림 5는 500°C에서 AP-PECVD로합성된 탄소나노튜브의 electric field(E) vs current density (J) 를 보여주고 있다.
합성 하였다. 유리기판을 사용하였으며 500°C에서 속이 빈 튜브 형태의 탄소나노튜브(내부 직경 : 10 - 15nm, 외부 직경 : 30 - 40nm)를합성 하였다. 이때 내부에 그래파이트층은 15-20층, 층간의 간격은 0.
전처리시에 니켈 입자가 형성되고 탄소나노튜브 합성을 촉진시키기 위한 부가가스로 암모니아를 사용하였다. 그림 2 (a)-(c) 에서 보는 바와 같이 기판 온도가 400°C부터 500°C로 증가함에 따라 1 土 0.
탄소나노튜브 증착 조건으로 대기압에서 헬륨을 희석가스로 사용하였으며 탄소 소스로는 에틸렌을 사용하였다. 전처리시에 니켈 입자가 형성되고 탄소나노튜브 합성을 촉진시키기 위한 부가가스로 암모니아를 사용하였다.
성능/효과
[15] 여기에서 F-N plot line이 직선 식을 나타내면 일반적으로 전계 방줄(field emission)에 의한 전자 방줄 특성을 나타냄을 표현한다. F-N polt에서 보듯이 본 실험에서 측정된 결과를 통하여 전계 방출이 일어남을 확인하였다.
[11] 일반적으로 온도가 높아지면 니켈 입자의 덩어리화 현상이 촉진되어 촉매입자크기가 커지는 경향을 보인다. 그러나 전처리 시의 암모니아 가스의 니켈표면에 대한식각 속도 또한 촉매 입자크기에 영향을 미치게 되는데 본 실험에서는 촉매인 니켈 입자크기가 감소하는 경향을 보였고 이로 인해 탄소나노튜브의 직경을 감소시키게 되었다고 생각된다. [12] 그림 3 (a)-(d) 는유리기판 위에 촉매인 니켈층을 증착시킨 후 500 °C 에서 AP-PECVD로 합성시킨 탄소나노튜브의 TEM 사진이다.
그림에서 보듯이 500°C에서 성장시킨 탄소나노튜브의 경우 탄소나노튜브의 외벽에 있는 결함 및 탄소 입자에 의한 1361cm-1 peak 와 그래파이트를 나타내는 G-band가 1591cm'에서 뚜렷하게 나타난다. 또한 단일 벽 탄소나노튜브 에서 나타나는 G-band 와 D-band 가 뚜렷하게 나타나고 G-band가 D-band보다 높게 나타나는 것으로 보아 500 °C 에서 합성된 탄소나노튜브가 안정된 결합 구조를 가지지만, 표면에서는 결함을 가지고 있는 그래파이트 구조를 갖고 있음을 알 수 있다. 이때 Id / Ig 값은 0.
후속연구
325V//zm 에서 ImA/cn?를 얻을 수 있었다. 여기에서 유리의 연화온도인 550°C 이하에서 ImA/cm2 이상의 전계방줄 전류밀도를 요구하는 FED의 응용 가능성을 확인할 수 있었다.
참고문헌 (15)
S. Iijima and T. Ichihashi, Nature 363, 603 (1993)
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