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문제 정의
- 상하, 좌우 모두 160도 이상의 광시야각, 수[㎲]의 고속응답 및 수신관에 필적하는 내 환경성을 얻을 수 있어, TFT 액정 디스플레이보다 낮은 소비전력이 기대된다. 본 연구에서는 수열합성법을 이용하여 액상에서 합성한 나노체인 형태의 ZnO nanowires를 성장시키고, 그 전계방출특성을 측정하여, FED 소자로의 응용가능성을 조사하였다.
제안 방법
- ZnO 나노와이어를 성장한 기판전극에 음극을 연결하고 상부 전극에 양극을 연결한 후 chamber내 홀더에 고정시키고 로터리 펌프와 터보펌프를 이용하여 chamber 진공을 1×10-7[torr] 로 유지시킨 다음 전계 방출 특성을 관찰하였다.
- 수열 합성법을 이용하여 2시간동안 ZnO 나노와이어를 성장시켰다. ZnO 나노와이어의 높은 aspect ratio와 filed emittion(FE)에서 낮은 구동전압을 얻기 유리한 날카로운 탐침의 형태를 얻기 위하여 Capping 재료로서 계면활성제로 SDS를 이용하였고, SDS의 혼합비에 따라 기존의 육각형태의 ZnO 나노와이어와 확연히 다른 형태의 나노와이어의 성장을 확인하였다. 이같이 다른 형태는 계면활성제의 화학적 반응에 의한 것으로서 향후 다양한 종류의 개면활성제를 적절히 이용한다면 나노와이어의 밀도, 직경, 형태 등을 실험의 필요조건에 따라 바꿀 수 있을 것으로 판단된다.
- 그 위에 e-beam evaporator를 이용하여 ZnO 나노와이어의 Seed 역할을 하는 Au 박막을 100[nm] 증착시켰다. 이후 Au가 증착된 기판은 0.015M의 zincnberatehexahydrate(Zn(NO3)2․6H2O; Sigma-Aldrich), 0.015[M]의 hexamethylene tetramine (HMTylC6H12N4, Sigma-Aldrich) 및 0.05-0.3[wt.%]의 SDS (Sodium Dodecyl Sulfate, Sigma-Aldrich) 등이 혼합된 수용액 안에 테프론 재질의 지그를 이용하여 성장면이 아래 쪽을 향하게 하여 담그고 핫플레이트를 이용하여 가열하였다. 합성온도는 90[℃]로 고정하고, 합성시간은 2시간으로 하였다.
- 합성이 끝난 후 DI water 를 이용하여 세척을 하고 oven에서 60[℃]의 온도로 1시간동안건조하였다. 이후 Scanning electron microscope(SEM) 이미지를 통해 나노와이어의 형태 및 밀도를 관찰하였다.
- ZnO 나노와이어를 성장한 기판전극에 음극을 연결하고 상부 전극에 양극을 연결한 후 chamber내 홀더에 고정시키고 로터리 펌프와 터보펌프를 이용하여 chamber 진공을 1×10-7[torr] 로 유지시킨 다음 전계 방출 특성을 관찰하였다. 전압은 3.7[kV]까지 인가하였고 그에 따른 전계에 대한 전류밀도를 관찰하였다.
- 합성된 ZnO 나노와이어는 그림 1에 나타난 바와 같은 field emission measurement system 을 이용하여 전계방출특성을 측정하였다. ZnO 나노와이어를 성장한 기판전극에 음극을 연결하고 상부 전극에 양극을 연결한 후 chamber내 홀더에 고정시키고 로터리 펌프와 터보펌프를 이용하여 chamber 진공을 1×10-7[torr] 로 유지시킨 다음 전계 방출 특성을 관찰하였다.
대상 데이터
- ZnO 나노와이어에서 전계방출이 쉽게 일어날 수 있도록 하기 위해 Capping 재료를 이용하였고, Capping 재료로는 SDS 계면활성제를 사용하였으며, 이를 수용액에 각각 0.05∼0.3[wt%]를 혼합하여 합성하였다.
이론/모형
- ZnO 나노와이어는수열 합성법(hydrothermal method)로 성장하였다. Si wafer를 나노와이어 성장 기판으로 사용 하였으며, 기판은 6:1 조성의 buffered oxide etch(B.
- 수열 합성법을 이용하여 2시간동안 ZnO 나노와이어를 성장시켰다. ZnO 나노와이어의 높은 aspect ratio와 filed emittion(FE)에서 낮은 구동전압을 얻기 유리한 날카로운 탐침의 형태를 얻기 위하여 Capping 재료로서 계면활성제로 SDS를 이용하였고, SDS의 혼합비에 따라 기존의 육각형태의 ZnO 나노와이어와 확연히 다른 형태의 나노와이어의 성장을 확인하였다.
성능/효과
- 일반적인 전계방출 실험에서 Tip의 cone angle은 작을수록 동작 전압이 낮아 지는 것으로 알려져 있다. 그러므로 본 논문의 나노와이어는 전계방출 실험에서 낮은 구동전압을 얻기 유리한 형태라는 것을 알 수 있다. 특히 SDS가 0.
- SEM 이미지를 통해 알 수 있듯이 SDS 계면활성제의 혼합비가 증가함에 따라 와이어의 끝이 날카로운 탐침의 형태로 되는 것을 볼 수 있다. 또한 와이어들이 일정한 고리모양의 번들 형태로 뭉쳐가며 나노체인의 형태로 서로 연결 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 어느 정도의 혼합비가 넘게 되면 와이어가 합성되지 않는 결과를 보였다.
- 이같이 다른 형태는 계면활성제의 화학적 반응에 의한 것으로서 향후 다양한 종류의 개면활성제를 적절히 이용한다면 나노와이어의 밀도, 직경, 형태 등을 실험의 필요조건에 따라 바꿀 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 성장된 나노와이어는 진공 중 전계방출 실험을 통해 3.7[kV]까지 전압을 증가시키며 인가하였을 때 0.1[㎂/cm2] 의 전류밀도를 4.1[V/㎛]의 전계에서 얻을 수 있었다. 따라서, 수열합성법으로 성장된 ZnO 나노와이어로 전계방출이 가능함을 확인하였으며, 향후 밀도, aspect ration 및 cone angle control 등의 조절을 통하여 저전압 구동 전계방출 소자를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
- 그림에서 알 수 있듯이 와이어의 끝이 평평한 것을 알 수 있으며 직경이 약 200∼300[nm]인 것을 알 수 있다. 이때 와이어의 전계방출 특성 실험결과 굉장히 빈약한 방출 특성을 보이는 것을 확인하였다.
후속연구
- 전계에 따른 턴-온 전압이 비교적 높게 형성되지만 전류밀도가 굉장히 낮은 것을 알 수 있다. 그 전계방출 특성에 있어 CNT에 비해 좋지 않지만, ZnO 나노와이로 전계방출이 가능함을 보이고 있으며, 향후 여러 종류의 계면활성제를 통해 나노와이어의 aspect ratio 및 밀도 그리고 Cone angle의 적절한 조절을 통해 CNT를 능가하는 좋은 전계방출 특성을 보일 수 있을 것으로 기대된다. 그림 6에 실제 전계방출이미지를 나타내었다.
- 1[V/㎛]의 전계에서 얻을 수 있었다. 따라서, 수열합성법으로 성장된 ZnO 나노와이어로 전계방출이 가능함을 확인하였으며, 향후 밀도, aspect ration 및 cone angle control 등의 조절을 통하여 저전압 구동 전계방출 소자를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.
- ZnO 나노와이어의 높은 aspect ratio와 filed emittion(FE)에서 낮은 구동전압을 얻기 유리한 날카로운 탐침의 형태를 얻기 위하여 Capping 재료로서 계면활성제로 SDS를 이용하였고, SDS의 혼합비에 따라 기존의 육각형태의 ZnO 나노와이어와 확연히 다른 형태의 나노와이어의 성장을 확인하였다. 이같이 다른 형태는 계면활성제의 화학적 반응에 의한 것으로서 향후 다양한 종류의 개면활성제를 적절히 이용한다면 나노와이어의 밀도, 직경, 형태 등을 실험의 필요조건에 따라 바꿀 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 성장된 나노와이어는 진공 중 전계방출 실험을 통해 3.
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