[논문]열 및 불산 처리를 통한 탄소나노튜브의 전자 방출 특성의 향상 연구

김기서; 유제황; 이창석; 임한얼; 안정선; 장진; 박규창

doi:10.5757/jkvs.2008.17.2.090

열 및 불산 처리를 통한 탄소나노튜브의 전자 방출 특성의 향상 연구
Study on enhanced electron emission current of carbon nanotube by thermal and HF treatments 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.17 no.2, 2008년, pp.90 - 95

김기서 (경희대학교 물리학과 및 차세대 디스플레이연구센터) , 유제황 (경희대학교 정보디스플레이학과 및 차세대 디스플레이연구센터) , 이창석 (경희대학교 정보디스플레이학과 및 차세대 디스플레이연구센터) , 임한얼 (경희대학교 정보디스플레이학과 및 차세대 디스플레이연구센터) , 안정선 (경희대학교 물리학과 및 차세대 디스플레이연구센터) , 장진 (경희대학교 정보디스플레이학과 및 차세대 디스플레이연구센터) , 박규창 (경희대학교 정보디스플레이학과 및 차세대 디스플레이연구센터)

초록
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본 연구에서는 열 및 불산을 이용한 후처리 공정이 레지스트층을 이용하여 제작된 탄소나노튜브의 전자 방출 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 전자 방출 전류는 초기에 $8V/{\mu}m$의 전계에서 $4.2{\mu}A/cm^2$의 전류에서 열 및 불산 처리 시 각각 $7.5mA/cm^2$ 및 $79mA/cm^2$로 향상되었다. 하지만 열 및 불산 처리를 동시에 실시한 경우 전류 밀도는 $426mA/cm^2$ 및 $656mA/cm^2$로 향상된 전자 방출 특성을 얻을 수 있었다. 전자 방출 특성은 처리 순서에 따라 증가하는 양이 다르게 나타났으며, 가장 우수한 전자 방출 특성은 열 처리를 먼저 시행 후, 불산 처리를 하는 공정에서 나타났다. 이는 열 처리에 의한 탄소나노튜브의 결정성의 증가와 이후 불산 처리에 의한 불소 결합의 증가에 기인함을 알 수 있었다. 강한 불소 결합은 탄소나노튜브 에미터의 전자 방출 특성의 향상에 크게 기여를 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We studied the effect of thermal annealing and hydrofluoric (HF) acid treatment on the field emission properties of carbon nanotube field emitter arrays (CNT-FEAs) grown with the resist-assisted patterning (RAP) process. After thermal and HF treatment, it was observed that the electron emission properties were remarkably improved. The enhanced electron emission was also found to depend strongly on the sequence of the treatments; the electronemission current density is 656 $mA/cm^2$ with the process of thermal treatment prior to HF treatment while the current density is reduced by 426 $mA/cm^2$ with the reversal processes. This is due to the increased crystalline structure by thermal annealing and then strong fluorine bond was formed by HF treatment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 열 및 불산(HF)을 이용한 후처리 공정에 따라 탄소나노튜브의 전자 방출 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 탄소나노튜브의 전자 방출 특성은 열 처리와 불산 처리를 통하여 향상 되었으며, 특히 열 처리 공정 시행 후, 불산을 처리한 경우가 가장 높은 전자 방출 특성을 보였다.
즉 1000°C 열 처리 후, 20초의 불산 처리를 번갈아 가며 시행하였다. 이를 통하여 불산 처리된 탄소나노튜브의 열 안정도와 열 처리에 따른 구조적 변화가 일어난 탄소나노튜브의 불산 처리 효과를 연구하여 전자 방출 특성 향상과의 상관 관계를 규명하였다.

제안 방법

전자 방출 특성은 고진공(< 1X10^-6 Torr)내에서 다이오드 타입으로 측정하였으며, 이 때 음극과 양극의 간격은 150µm 를 유지하였다. 구조적 특성은 전자주사현미경(scanning electron microscope), 라만(Raman) 분광 분석을 통하여 연구하였다.
지금까지는 열 처리를 통하여 전자 방출 특성의 변화를 연구 하였으나, 참고문헌 4에 보고 한 바와 같이 불산 처리를 하였을 경우에도 향상된 전자 방출 특성을 보였다. 보다 향상된 전자 방출 특성을 얻기 위하여 두 방법을 겸용하여 처리하는 실험을 진행하였다. 즉 1000°C 열 처리 후, 20초의 불산 처리를 번갈아 가며 시행하였다.
열 처리 실험에서는 성장된 탄소나노튜브에 10℃/min의 비율로 가열하여 온도를 증가시켰으며, 시료는 각각 700℃ 와 1000℃ 의 온도에서 30분간 유지하였다. 열 처리시 불순물의 침투를 막기 위하여 아르곤(Ar) 가스를 50 sccm 주입하였으며 압력은 0.
4mA/cm²로 매우 큰 증가를 나타내었다. 열 처리 온도는 탄소나노튜브의 구조적 특성에 크게 영향을 미치므로 라만 분광 분석을 시행하였다.
열 처리 실험에서는 성장된 탄소나노튜브에 10℃/min의 비율로 가열하여 온도를 증가시켰으며, 시료는 각각 700℃ 와 1000℃ 의 온도에서 30분간 유지하였다. 열 처리시 불순물의 침투를 막기 위하여 아르곤(Ar) 가스를 50 sccm 주입하였으며 압력은 0.3 Torr를 유지하였다.
전자 방출 특성은 고진공(< 1X10-6 Torr)내에서 다이오드 타입으로 측정하였으며, 이 때 음극과 양극의 간격은 150µm 를 유지하였다.
즉 1000°C 열 처리 후, 20초의 불산 처리를 번갈아 가며 시행하였다.

성능/효과

로 전자 방출 전류가 크게 증가 하였다. 2회 연속 처리를 한 시료의 경우 열 및 불산 처리를 개별적으로 한 시료에 비하여 10배 이상 향상된 전자 방출 특성을 보였다.
레지스트층을 이용한 패터닝 공정으로 성장된 탄소나노튜브의 경우, 불산 처리 후 탄소와 불소의 결합이 증가하였으며 이는 전자 방출 특성의 향상을 가져왔다[4]. 결과적으로 열 처리 이후에 불산 처리를 실시하는 경우가 보다 향상된 전자 방출 특성을 보이는 것으로 보아 결정 구조가 높은 시료의 경우 불산 처리가 더욱 효과적임을 알 수 있었다. 또한 열 처리를 나중에 실시한 시료에서도 향상된 전자 방출을 보이는 것으로 보아, 탄소 네트워크와 결합한 불소는 1000 열 처리에도 안정된 상태로 있음을 알 수 있었다.
그림 6 은 2회 연속 처리시 1000℃ 열 처리와 불산 처리의 순서에 따른 전자 방출 특성의 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 그래프에서 볼 수 있는 것과 같이 열 처리를 먼저하고 나서 불산 처리하는 것이 최대의 전자 방출 특성을 가지고 있는 것으로 나타났다.
레지스트 층을 이용한 패터닝 공정을 이용하여 선택적으로 성장된 탄소나노튜브에 고온의 열 처리 공정을 진행하여 향상된 전자 방출 특성을 보였다. 또한 고온 열 처리 후 다시 불산에 에미터를 담그는 연속 처리 공정을 적용하여 보다 향상된 전자 방출 특성을 얻었다. 가장 높은 전자 방출 특성은 1000 열 처리 후 20초간 불산에 담그는 공정이었다.
결과적으로 열 처리 이후에 불산 처리를 실시하는 경우가 보다 향상된 전자 방출 특성을 보이는 것으로 보아 결정 구조가 높은 시료의 경우 불산 처리가 더욱 효과적임을 알 수 있었다. 또한 열 처리를 나중에 실시한 시료에서도 향상된 전자 방출을 보이는 것으로 보아, 탄소 네트워크와 결합한 불소는 1000 열 처리에도 안정된 상태로 있음을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터 탄소나노튜브-에미터를 성장 후, 후처리를 통하여 전자 방출 특성의 향상을 볼 수 있었다. 또한 열 처리와 불산 처리를 연속하여 처리함으로 인하여 656mA/cm²에 이르는 높은 전류를 얻을 수 있었다. 이는 열 처리 이후에 불산 처리를 한번 더 실시하면 전자 방출 특성이 향상되고, 불산 처리 후, 열 처리 시에도 동일한 향상 효과를 볼 수 있다.
이상의 결과로부터 탄소나노튜브-에미터를 성장 후, 후처리를 통하여 전자 방출 특성의 향상을 볼 수 있었다. 또한 열 처리와 불산 처리를 연속하여 처리함으로 인하여 656mA/cm²에 이르는 높은 전류를 얻을 수 있었다. 이는 열 처리 이후에 불산 처리를 한번 더 실시하면 전자 방출 특성이 향상되고, 불산 처리 후, 열 처리 시에도 동일한 향상 효과를 볼 수 있다.
결과적으로 열 처리 이후에 불산 처리를 실시하는 경우가 보다 향상된 전자 방출 특성을 보이는 것으로 보아 결정 구조가 높은 시료의 경우 불산 처리가 더욱 효과적임을 알 수 있었다. 또한 열 처리를 나중에 실시한 시료에서도 향상된 전자 방출을 보이는 것으로 보아, 탄소 네트워크와 결합한 불소는 1000 열 처리에도 안정된 상태로 있음을 알 수 있었다.
레지스트 층을 이용한 패터닝 공정을 이용하여 선택적으로 성장된 탄소나노튜브에 고온의 열 처리 공정을 진행하여 향상된 전자 방출 특성을 보였다. 또한 고온 열 처리 후 다시 불산에 에미터를 담그는 연속 처리 공정을 적용하여 보다 향상된 전자 방출 특성을 얻었다.
방출전류는 9V/μm의 전계에서 초기에 11μA/cm2의 전류밀도를 보였으나 열 처리 후 20.4mA/cm2로 매우 큰 증가를 나타내었다.
이상의 결과로부터 탄소나노튜브-에미터를 성장 후, 후처리를 통하여 전자 방출 특성의 향상을 볼 수 있었다. 또한 열 처리와 불산 처리를 연속하여 처리함으로 인하여 656mA/cm²에 이르는 높은 전류를 얻을 수 있었다.
탄소나노튜브의 전자 방출 특성은 열 처리와 불산 처리를 통하여 향상 되었으며, 특히 열 처리 공정 시행 후, 불산을 처리한 경우가 가장 높은 전자 방출 특성을 보였다. 탄소나노튜브는 열 처리를 통하여 결정성의 향상과 불산 처리에 따른 탄소-불소 (C-F) 결합의 증가를 보였으며, 이러한 구조적 변화가 전자 방출 특성의 향상에 기여하였다.

후속연구

이는 열 처리에 의한 결정성의 증가와 불산 처리에 의한 탄소-불소 결합의 증가에 기인하는 것이다[4-5]. 본 연구를 통하여 개발된 후처리 방법은 매우 간단하여 향후 탄소나노튜브의 전자 방출 특성을 향상시키는 주요 기술이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 실험한 결과 탄소나노튜브의 전자 방출 특성 향상에 기여한 방법은 무엇인가?	탄소나노튜브의 전자 방출 특성은 열 처리 와 불산 처리를 통하여 향상 되었으며, 특히 열 처리 공정 시행 후, 불산을 처리한 경우가 가장 높은 전자 방출 특성을 보였다. 탄소나노튜브는 열 처리를 통하여 결정성의 향상과 불산 처리에 따른 탄소-불소 (C-F) 결합의 증가를 보였으며, 이러한 구조적 변화가 전자 방출 특성의 향상에 기여하였다.
	탄소나노튜브가 전계 방출 디스플레이 및 전자 방출 소자로써의 응용이 활발히 연구되고 있는 이유는?	탄소나노튜브는 1991년에 NEC 의 Sumio Iijima 박사가 아크방전(arc-discharge)기법을 이용하여 생성된 그을림 물질로 처음 발견된 이후 우수한 전기적, 기계적 특성으로 인하여 나노 전자 산업분야로 적용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다[1]. 그 중에서도 높은 종횡 비(aspect ratio)와 낮은 전계에서 높은 전자 방출 특성을 보이는 점을 이용, 전계 방출 디스플레이 (field emission display, FED) 및 전자 방출 소자 (field emission device)로의 응용이 활발히 연구되고 있다[2]. 이러한 전자 방출 소자로의 응용 가능성은 탄소나노튜브의 전자 방출 특성에 따라 크게 의존한다.
	탄소나노튜브는 어떻게 발견되었는가?	탄소나노튜브는 1991년에 NEC 의 Sumio Iijima 박사가 아크방전(arc-discharge)기법을 이용하여 생성된 그을림 물질로 처음 발견된 이후 우수한 전기적, 기계적 특성으로 인하여 나노 전자 산업분야로 적용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다[1]. 그 중에서도 높은 종횡 비(aspect ratio)와 낮은 전계에서 높은 전자 방출 특성을 보이는 점을 이용, 전계 방출 디스플레이 (field emission display, FED) 및 전자 방출 소자 (field emission device)로의 응용이 활발히 연구되고 있다[2].

참고문헌 (5)

S. Iijima, Nature 354, 56-58 (1991)

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Y. Saito, K. Hamaguch, R. Misushuma, S. Unemura, T. Ngasako, J. Yotam, and T. Shimojo, Appl. Surf. Sci. 146, 305-311 (1999)

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K. C. Park, J.H. Ryu, K.S. Kim, Y.Y. Yu, and J. Jang, J. Vac. Sci. Technol. 1261, B25 (2007)
K. S. Kim, J. H. Ryu, C. S. Lee, J. Jang, and K. C. Park, J. Mater. Sci., online published DOI : 10.1007 / s10854-007-9463-6 (2007)
R. S. Lee, H. J. Kim, J. E. Fischer, A. Thess, R. E. Smalley, Nature 388, 255-257 (1997)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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