[논문]그래핀을 이용한 탄소나노튜브 전계방출소자 계면 개질 및 전자 추진계 응용

이정석; 강태준; 김대원; 김용협

doi:10.5139/jksas.2012.40.11.1004

그래핀을 이용한 탄소나노튜브 전계방출소자 계면 개질 및 전자 추진계 응용
The use of Interfacial Graphene to Carbon nanotube Point emitter for Field Emission Electric Propulsion 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.11, 2012년, pp.1004 - 1009

이정석 (서울대학교 기계항공공학부) , 강태준 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과) , 김대원 (부산대학교 기계공학부) , 김용협 (서울대학교 기계항공공학부, 항공우주신기술연구소)

초록
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탄소나노튜브는 우수한 전기적 특성과 전계를 집중시킬 수 있는 높은 종횡비 그리고 뛰어난 열적 안정성 때문에, 높은 전류밀도와 낮은 구동전압 그리고 긴 수명시간과 같은 우수한 전계 방출 특성을 구현할 수 있는 재료이다. 탄소나노튜브를 이용하여 전계방출원을 제작하기 위해서는 금속전극에 탄소나노튜브를 고정시켜야 한다. 이때 금속과 탄소나노튜브 사이의 접촉문제가 필수적인데, 본 실험에서는 그래핀을 계면으로 사용함으로써 본 문제를 해결하였다. 이러한 시도는 금속과 탄소나노튜브 사이에 우수한 전기적 열적 계면을 형성함으로써 기존 전계방출원보다 뛰어난 전계방출 성능을 얻을 수 있게 하였다. 본 연구를 통해 탄소나노튜브 전계방출원을 전자 추진원으로의 응용이 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Carbon nanotube are nanostructure with extraordinary field emission properties like high current density, low driving voltage and long time stability, because of their high electrical conductivity, high aspect ratio for geometrical field enhancement and superior thermal stability. But, there is some problem to mate metal and carbon nanotube, we have resolved this problem by using interfacial graphene. This approach takes advantage of superior electric and thermal conductivity between metal and carbon nanotube and shows superior performance compared to the existing field emitters. This result shows that such a carbon nanotube emitter in a stage where it can be used for Field Emission Electric Propulsion (FEEP).

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

3. (a) Graph shows the change of resistance of interface layer depending on the presence of graphene. (b) Graph shows the improvement of heat conductivity at 16% with the interfacial graphene.

제안 방법

전기, 열 전달특성이 우수한 구리표면에 그래핀을 합성시켜 금속과 탄소와의 극대화된 접촉면적을 유도하였다. 구리 표면에 합성된 그래핀에 탄소나노튜브 1차원 구조물을 crystal-like growth 방법을 통해 제작하여 동종 물질 결합을 완성하였다. 극대화된 접촉 면적과 동종물질의 결합을 통해 향상된 계면은 전기적 저항이 1/100 정도로 감소하였으며, 열전도도는 16% 향상되었다.
전계방출원에 있어서 전류 안정성은 매우 중요한다. 그래핀 유무에 따라 5 mA(700 A/cm²)의 전류를 흘리면서 전계방출 안정성을 테스트하였다(Fig. 4(b)).
그래핀을 합성시킨 후 Crystal-like growth 방법을 통해 탄소나노튜브 전계방출원을 제작하였다[12]. 그래핀을 합성시킨 후 Crystal-like growth 방법을 통해 탄소나노튜브 전계방출원을 제작하였다[12].
그래핀의 계면 특성 향상 효과를 확인하기 위해서 그래핀 유무에 따른 전계방출원의 전기적 저항과 열전도도를 확인하였다. Fig.
그래핀의 유무에 따른 전계방출 특성을 비교하기 위해 동일한 측정 조건에서 전계방출 실험을 진행하였다. Fig.
본 논문에서는 탄소나노튜브와 일함수(5 eV)가 비슷한 그래핀을 금속과 탄소나노튜브 사이의 계면으로 이용함으로써 탄소나노튜브와 그래핀 사이는 동종 물질의 뛰어난 전기적 접촉 및 열전도가 이루어져 기존의 전계방출원에 비해 월등한 성능을 갖도록 한다. 또한 그래핀을 금속 표면에 직접 합성하여 금속과 그래핀 사이의 접촉 저항도 최소화 한다.
우수한 물성의 탄소나노튜브를 1차원 구조의 전계방출원으로 사용하기 위해서 구리를 전극으로 사용하여 탄소나노튜브 전계방출원을 고정한다. 구리는 전기적 열적 특성이 우수한 물질일 뿐만 아니라, 화학기상증착법을 이용하여 구리표면에 그래핀을 합성할 수 있으므로 탄소나노튜브와 동종 물질의 뛰어난 접촉을 형성할 수 있다.
우리는 탄소나노튜브를 금속전극에 고정시킬때 필수적인 요소인 금속과 탄소나노튜브의 접촉문제를 그래핀을 통해 해결하였다. 전기, 열 전달특성이 우수한 구리표면에 그래핀을 합성시켜 금속과 탄소와의 극대화된 접촉면적을 유도하였다. 구리 표면에 합성된 그래핀에 탄소나노튜브 1차원 구조물을 crystal-like growth 방법을 통해 제작하여 동종 물질 결합을 완성하였다.
Nail head를 제거하기 위해 집속이온빔(FIB) 공정을 사용하였다. 큰 에너지를 갖고 있는 Ga+ 이온을 조사함으로써 탄소나노튜브 전계방출원의 nail head를 절단하였다(Fig. 2(b)).

대상 데이터

2(a)). Nail head를 제거하기 위해 집속이온빔(FIB) 공정을 사용하였다. 큰 에너지를 갖고 있는 Ga+ 이온을 조사함으로써 탄소나노튜브 전계방출원의 nail head를 절단하였다(Fig.

성능/효과

1은 합성된 그래핀의 라만분석 그래프이다. D peak(약 1350 cm^-1)이 거의 없으며 G peak(약 1580 cm^-1)이 매우 큰 것에서 구리팁 위에 합성된 그래핀이 완벽한 벌집구조의 탄소 구조를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 또한 2D/G 비율이 2.
이 우수한 물성의 그래핀은 구리와 분자 단위로 접촉이 되어 높은 접촉면적을 유지하면서[13], 또한 탄소나노튜브와의 동종물질 결합을 통해 우수한 전기적, 열적 접촉을 형성할 수 있다[14]. 그래핀 계면을 통해 개선된 전기적, 열적 접촉 특성은 높은 전류밀도(2300 A/cm²), 높은 최대 전류(16 mA), 안정적인 전계방출 특성, 긴 수명시간(10시간 이상)의 우수한 전계방출 특성을 보여주었다.
4(a)는 그래핀 유무에 따른 전계방출원에 가해준 전계(E)와 그에 의한 전계방출 전류(I)에 대한 그래프이다. 그래핀이 없을 때에 비해 그래핀이 존재할 경우 훨씬 더 낮은 시작전계(turn-on field, E_on=1.49 V/㎛ at 10 ㎂/cm²)와 문턱전계(threshold Field, E_th=2.01 V/㎛ at 10 mA/cm²), 그리고 최대 허용 전류 16mA(2300 A/cm²)에 도달하였다. 이는 그래핀에 의한 계면 개질 효과에 의한 것으로, 그래핀과 구리표면의 접촉면적의 극대화와 그래핀과 탄소나노튜브의 Ohmic contact을 통해 전자의 원활한 흐름을 도와줌으로써 전계방출 성능을 최대화한 것이다.
구리 표면에 합성된 그래핀에 탄소나노튜브 1차원 구조물을 crystal-like growth 방법을 통해 제작하여 동종 물질 결합을 완성하였다. 극대화된 접촉 면적과 동종물질의 결합을 통해 향상된 계면은 전기적 저항이 1/100 정도로 감소하였으며, 열전도도는 16% 향상되었다. 이처럼 향상된 계면의 탄소나노튜브 전계방출원은 우수한 전계방출 성능(E_on=1.
극대화된 접촉 면적과 동종물질의 결합을 통해 향상된 계면은 전기적 저항이 1/100 정도로 감소하였으며, 열전도도는 16% 향상되었다. 이처럼 향상된 계면의 탄소나노튜브 전계방출원은 우수한 전계방출 성능(E_on=1.49 V/㎛, E_th=2.01 V/㎛, 최대 전류=16 mA (2300 A/cm²))을 보여주었다. 또한 5mA(700 A/cm²)의 높은 전류에서도 10시간동안 안정적인 구동을 보여주었다.

후속연구

뛰어난 성능의 탄소나노튜브 전계방출원을 이용하여 기존의 전자추진계 응용 범위를 크게 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같은 고성능 전계방출 소자의 개발을 통해 기존의 전자 추진계 응용 범위를 크게 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직접성장 방법의 장단점은 무엇인가?	1차원 구조의 탄소나노튜브 전계 방출원은 주로 뾰족한 금속 끝단에 탄소나노튜브가 고정된 구조인데, 이러한 구조를 제작하기 위해서 금속끝단에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방법과 별도로 성장된 탄소나노튜브를 금속 끝단에 접착하는 방법으로 나눌 수 있다. 직접성장 방법은 우수한 물성의 탄소나노튜브를 바로 전계 방출원으로 사용할 수 있지만, 원하는 위치에 정밀하게 탄소나노튜브를 성장시키는데 어려움이 있다[6]. 금속 끝단에 탄소나노튜브를 접착하는 방법은, 유전영동 방법이나 물리적 접착방법을 통해 원하는 전극부위에 탄소나노튜브 전계 방출원을 쉽게 고정할 수 있다[7,8].
	금속 끝단에 탄소나노튜브를 접착하는 방법의 장점은 무엇인가?	직접성장 방법은 우수한 물성의 탄소나노튜브를 바로 전계 방출원으로 사용할 수 있지만, 원하는 위치에 정밀하게 탄소나노튜브를 성장시키는데 어려움이 있다[6]. 금속 끝단에 탄소나노튜브를 접착하는 방법은, 유전영동 방법이나 물리적 접착방법을 통해 원하는 전극부위에 탄소나노튜브 전계 방출원을 쉽게 고정할 수 있다[7,8]. 하지만 이러한 방법은 필수적으로 금속과 탄소나노튜브의 접촉계면을 형성시키는데, 계면의 높은 전기적 저항[9]은 구동전압의 상승을 유도하여 전계방출 소자의 성능을 감소시키며, 높은 열적 저항은 열누적 현상을 유도해 전계방출 소자의 수명을 단축시킨다[10].
	금속 끝단에 탄소나노튜브를 접착하는 방법의 단점은 무엇인가?	금속 끝단에 탄소나노튜브를 접착하는 방법은, 유전영동 방법이나 물리적 접착방법을 통해 원하는 전극부위에 탄소나노튜브 전계 방출원을 쉽게 고정할 수 있다[7,8]. 하지만 이러한 방법은 필수적으로 금속과 탄소나노튜브의 접촉계면을 형성시키는데, 계면의 높은 전기적 저항[9]은 구동전압의 상승을 유도하여 전계방출 소자의 성능을 감소시키며, 높은 열적 저항은 열누적 현상을 유도해 전계방출 소자의 수명을 단축시킨다[10]. 금속과 탄소나노튜브사이 계면의 전기적 열적 접촉을 개선하기 위한 연구로 탄소층 증착이나 고온후처리와 같은 방법이 보고되고 있으나, 복잡한 추가 공정이 필요하다는 단점이 있다[11]

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