전계방출

FED 기본원리

  FED는 냉음극 전자원 (cold cathode electron source)인 전계 방출 에미터 어레이(Field emitter array)를 행렬로 선택하여 CRT와 같은 전자선(electron beam)으로 형광체(phosphor)를 때려 음극발광(cathodoluminescent)을 내게 하는 원리를 이용하는 디스플레이이다. 전압에 대한 전류의 비선형 관계는 높은 명도 대비를 주어서 색을 포함하는 많은 정보량을 지닌 화면을 행렬 구동으로 표시하는 것을 가능하게 해준다.
  FED기술은 Spindt 박사가 저전압에서 전자를 방출할 수 있는 냉음극을 만든 데에서 시작한다. 프랑스 LETI에서는 이러한 FEA를 단위 화소로 하여 행렬 구동하는 평판 디스플레이를 만드는 기술 개발에 힘써왔다.
  그림 1 은 FED 구조를 보여준다. 스페이서에 의하여 유지되는 작은 진공 갭을 가운데 두고 위쪽은 형광체로 도포된 아노드 판이며, 아래쪽은 캐소드와 게이트로 구성되는 캐소드판으로 구성된다. 캐소드판에는 행전극과 열전극이 있으며 이들을 통하여 FEA들이 행렬 구동되어 게이트 전압이 걸리는 시간 동안 전자가 방출되고 아노드 전압에 의하여 가속된다. 그리고 이것들이 진공 갭을 지나 아노드에 코팅된 형광체 화점을 때려 발광하게 된다. 한 화소에 R,G,B 형광체 화점을 함께 사용함으로써 칼라 디스플레이도 가능하게 된다.

  이처럼 FED는 CRT의 장점과 평판 디스플레이(FPD)의 장점을 모두 가질 수 있다.
  CRT의 장점인  완전한 칼라, 그레이 스케일 표시, 높은 휘도, video rate 속도, 넓은 시야각, 넓은 동작 온도 및 습도 범위와 FPD의 장점인 얇고, 가벼우며, 완전한 선형 특성과 자기방출 및 X-선 발생이 없다는 등의 여러 장점을 가지고 있다.

FED 구조별 특징

Emitter 종류별 FED

                                    1. Spindt type cathode array
                                    2. Si emitter
                                    3. 화산분화구형 emitter
                                    4. CNT emitter
                                    5. Nanowire emitter

FED의 전압에 따른 분류

1. 낮은 전압 Low voltage phosphor에서 유리한 구조 : 외부로 나오는 빛의 양이 두배

  ZnO 같은 열화에 강한 RGB 형광체 개발이 된다며, 위 그림과 같은 구조에서 보인 구조에서 열전극을 반사가 되게 만들고 그 위에 형광체 화점을 만들어 FED의 저전압 동작을 가능하게 할 수 있으며 결과적으로 두 기판의 정렬 과정을 생략할 수 있다. 전자가 형광체를 때리는 면에서 직접 광이 나와 우리 눈에 들어오기 때문에 이 구조는 50V 이하에서도 좋은 효율을 나타낼 수 있다.

2. 중간전압에 유리한 구조  : 구조가 간단 (PixTech, Futaba) , 외부로 나오는 빛의 양이 두배

  50V 이하에서 FED의 완전한 칼라 동작은 현재 개발된 형광체로서는 어렵다. 위 그림에 도시된 구조에서는 500-1000 V 정도를 캐소드와 아노드 전극 사이에 걸 수 있지만, 결국 색 순도를 유지하기 위하여 정렬과정은 피할 수 없다.

3. 높은 전압에서 유리한 구조 – 고 전압 FED: spacer, focusing (Raytheon)

  CRT 에서 가장 보편적으로 사용하는 약 5kV의 전압에서 동작할 수 있는 고전압 FED 구조를 보여준다. 이 구조에서는 스페이서의 높이, 즉 진공갭이 5kV에서 파괴되지 않아야 하며 이것이 화소피치 보다 길어서는 안된다는 점을 염두해 둔다면 캐소드 판에 붙어 있는 게이트 위에 또 다른 조절 게이트를 형성하여 전자빔을 집속시켜 주는 것이 필요한 것이다. 이 조절 게이트를 집속전극(Focus Electrode)이라고 하며 DC전압으로 고정시키며, + 전압이 커질수록 전자방출이 줄어들기 때문에 에미터 전압과 거의 같게 한다. 이 구조에서 복잡해지는 것은 스페이서가 높아야 하고 또 우리 눈이 감지할 수 없게 작아야 하면서 고진공에 견딜 수 있게 기계적으로 강해야 한다는 것이다. 더구나 색 순도를 유지하기 위하여 정확한 정렬과정을 거쳐야 하는데 이는 두 판 사이의 거리가 길면 길수록 이 공정이 어려워지는 것이다. 그러나 형광체 열화와 전력소모가 적다는 것이 절충점이 될 수 있는 것이다.

FED 성능 기여 인자 (효율향상을 위한 요구조건)

               1. 캐소드 
                   ◈ 재현성 및 안정성
                   ◈ 마이크론 이하의 정확도로 제작
                   ◈ 방출전류의 요동이 작아야 함
                   ◈ 진공관내 환경변화에 대한 내구성을 가져야 함
                   ◈ 경제성, 제작 용이성
                   ◈ 범용 IC로 동작 시킬 수 있는 전압으로 전류제어
                   ◈ 0.1 ~ 10 mA/cm2 정도의 전류밀도

               2. 형광체
                   ◈ 저전압(잔류가스, 이차전자에 의한 열화 등의 문제점), 고전류에의 안정도 필요

               3. Emitter
                   ◈ 에미터 표면의 일함수가 에미터 주위의 가스에 의하여 변화
                   ◈ 에미터 tip의 각, 일함수, 게이트와의 거리 등에 따른 효율변화

               4. 진공도
                   ◈ 낮으면 : 양이온 tip 열화,  emitter와 phosphor 사이에서 arc 방전
                   ◈ 적정 진공도 : ~ 10 -7
                   ◈ 진공의 열화는 getter(유해물질 침적)에 의하여 해결

               5.  스페이서
                   ◈ 기계적인 강도
                   ◈ 눈에 보이지 않는 작은 크기
                   ◈ 고진공에서 사용가능한 절연재료

               6.  기타 인자들

탄소나노튜브와 반도체나노선의 전계전자 방출 특성

Past research

1. Synthesis of bamboo-shaped multiwalled carbon nanotubes using thermal chemical vapor deposition (Chemical physics Letters, 2000)

  실리콘 산화막이 증착된 코발트면에 열화학기상증착 방법을 이용하여 수직 정렬된 다중면 탄소카본나노튜브를 합성하였다. 탄소카본나노튜브의 반지름은 80에서 120nm까지 다양하며 길이는 20um정도이다. 합성된 다중벽카본나노튜브는 크리스탈 그래파이트면을 가지고 있으며 그래파이트 층으로 분리된 속이 빈 부분을 포함하는 대나무 구조를 가지고 있다. 전자방출 전류밀도는 Fowler?Nordheim 특성을 보이며 전계가 4.5 Vum-1 에서 1.1 mA cm-2 값을 보였다.

Fig. 1-1. SEM micrographs of well aligned CNTs grown on a large area (20×30 mm) of Co deposited SiO2 substrate, under the condition that the C 2H2 gas flows with the rate 40 sccm for 10 min at 950oC. The edges are peeled off in order to visualize the alignment of CNTs. (a) Uniformly distributed morphology of vertically aligned CNTs with the length of about 20 um. (b) The magnified side view of (a).

Fig. 1-2.(a) TEM image of CNTs dispersed on a grid after stripping from the SiO2 substrate, showing the bamboo structure that the hollow tube consists of compartments. (b) High-resolution TEM image for tip part of a narrow bamboo-shaped CNT.

Fig. 1-3. The field emission properties of MWNTs measured with the diode type . The anode was separated from the CNTs by a 200 um spacer. The chamber was maintained at 1X10-6 torr. The turn-on voltage is about 0.8 V/um-1 with the current density of 0.1uA/cm2. The maximum emission current density before the electrical breakdown is about 1.1 mA/cm2 at 4.5 V/um

2. Growth and field emission of carbon nanotubes on sodalime glass at 550°C using thermal chemical vapor deposition (Chemical Physics Letters, 2001)

  화학기상증착에 의해 550oC 에서 sodalime 유리 기판 위에 고밀도로 성장된 저 온도 성장 탄소나노튜브를 합성하였다. 아세틸렌 가스는 850°C에서 반응하여 550°C 부분에서 탄소나노튜브가 합성된다. Sodalime 유리 기판은 프로세서를 통해 열적 변형이 없고 sodalime 유리 위에서 성장된 CNT는 전자 방출 전류 값이 전계가 5 V/um 에서 1 mA/cm2 정도로 높고 안정적이어서 FED, VFD, lamp, 전자방출원으로 응용이 크게 기대된다. 탄소카본나노튜브는 turn-on 전계가 3.0 V/um이고 6.5 V/um 에서 4 mA/cm2 의 전자 방출 전류 값을 나타내고 있다.

Fig. 2-1. Schematic diagram of CVD reactor with two different temperature zones.

  

Fig. 2-2. (a) A SEM micrograph of CNTs grown on Ni-deposited Ti/sodalime glass substrate(20X30 mm2) at 550oC. (b) A magnified top view of the CNTs.Fig.

   

Fig. 2-3. (a) A TEM image for the CNTs (see arrow(1)) and carbon nanofibers (see arrow(2)). The tips are closed and free of the encapsulated catalytic particles (see arrow(3)). Some of the CNTs encapsulate catalytic particles at the inside of tube (see arrows(4)). (b) A high resolution. TEM image of a CNT encapsulating a Ni particle inside.

Fig. 2-4. Emission current density vs applied electric fields. Numbers (1)-(4) indicate four consecutive voltage sweeps. The current is stabilized after the fourth sweep. The inset shows the same result presented in the form of the conventional Fowler-Nordheim plot.

3. Field emission from well-aligned zinc oxide nanowires grown at low temperature (Applied physics Letters, 2002)

열화학기상증착 장치의 반응로 내부에 Zn powder를 장착하고, Ar 가스를 공급하여 Co 촉매금속이 증착된 n-type 실리콘 기판 위에 단결정 ZnO nanowire를 수직으로 합성 시켰다. 합성된 ZnO nanowire의 성장길이는 15μm이고, 직경은 50nm 정도로 aspect ratio 효과가 크게 나타났다.

전계방출 특성 평가는 2×10-7 torr 이하의 고진공 챔버에서 측정하였다. 측정 결과 turn-on 전계가 6.0 V/μm 에서 전류밀도가 0.1 A/cm2 로 측정되었고, 11.0 V/m 에서의 최대 전류 밀도는 1 mA/cm2 로 측정되었다. 이러한 결과는 ZnO nanowire가 평판디스플레이의 에미터로 적용되기에 충분한 가능성을 보여주고 있다.

Fig. 3-1. ZnO nanowires synthesized by the carbon thermal reduction vapor transport method

   

Fig. 3-2. SEM images of well-aligned nanowires grown on n-type silicon substrate and a magnified SEM image of well-aligned nanowires

   

Fig. 3-3. High-resolution TEM image of a single crystalline ZnO nanowire that has a crystal face direction of [2110]. Inset shows that the ZnO nanowire has a sharp morphology.

Fig. 3-4. Diagram of field emission analysis system

Fig. 3-5. Emission current density after measuring four times from ZnO nanowires grown on silicon substrate at 550 °C. The inset reveals that the field emission follows FN behavior.

4. Structure and Field Electron Emission of Carbon Nanotubes Dependent on Growth Temperature (Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 2002)

  본 연구에서는 탄소나노튜브의 성장온도 및 밀도변화에 따른 전계전자방출특성에 대하여 평가하였다. Fe 금속막이 증착된 n-type 실리콘 기판 위에 열화학기상 방법을 사용하여 750 ℃, 850 ℃, 950 ℃ 에서 각각 기판에 수직 방향으로 정렬된 탄소나노튜브를 성장시킨 후, ∼1 x 10-7 torr의 고진공 챔버에서 각각의 탄소나노튜브로부터의 전계전자방출특성을 평가하였다.

  열 CVD법으로 Fe catalyst 위에서 성장된 탄소나노튜브는 성장온도가 증가함에 따라서 성장 길이와 직경 및 graphite sheets의 결정성이 증가하였고, 밀도는 감소하는 경향을 나타내었다. Field electron emission 측정결과 탄소나노튜브의 성장온도가 750 ℃, 850 ℃, 950 ℃ 로 증가함에 따라서 turn-on voltage는 감소하였으며, 동일한 전계에서 측정된 전류밀도는 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 성장온도의 증가에 따른 탄소나노튜브의 단위 밀도 감소로 인한 screen effect 감소와, 탄소나노튜브의 graphite sheets의 결정성 증가에 따른 탄소나노튜브의 전기전도도 증가에 기인하는 것으로 생각된다.

  

Fig.4-1. SEM micrograph of CNTs grown at each temperature. CNTs were grown with vertical alignment at all the temperatures. The length of the CNTs is 5, 10, and 20 μm at 750, 850, and 950 ºC, respectively. From the results of many experiments, the average growth rate is 0.3~0.6, 0.7~1.2, and 1.3~2.1 μm/min; and the diameter is 10~50 nm, 30~80 nm, and 100~150 nm at 750, 850, and 950 ºC, respectively.

  

Fig. 4-2. HRTEM images showing the crystallinity of graphite layers and tilted angle toward tube axis. the crystallinity of the graphitic layers in the outer wall is worse than the inner wall, in general. The tilted angle of CNT grown at each temperature is 10°, 4°, and 2°, respectively.

Fig. 4-3. Showing the field emission data of CNTs. As the growth temperature increases, turn on voltage decreases but the current density increases radically. These results are due to the following. First, the improved crystallinity of graphitic layers as the growth temperature increases. Second, the increase of the electrical conductivity of CNTs as the growth temperature increases.

5. Selective growth and .field emission of vertically well-aligned carbon nanotubes on hole-patterned silicon substrates (Chemical Physics Letters, 2003)

열화학기상증착법에 의하여 철(Fe)이 증착된 홀-패턴(hole-pattern)에 탄소나노튜브를 선택적으로 성장하였다. 대면적 기판의 홀-패턴에서 탄소나노튜브가 선택적으로 합성되었고, 탄소나노튜브는 홀 내부에 균일하게, 그리고 수직 배향으로 성장되어 있다. 일반적으로, 홀-패턴에서 성장된 탄소나노튜브가 평면-패턴(plane-pattern)에서 성장된 탄소나노튜브보다 균일성 면에서는 떨어지지만, 오히려 수직 배향 면에서는 훨씬 우수하다. 탄소나노튜브를 장방출원(field emitter)으로써 응용하기 위해서는 수직 배향이 중요하다. 탄소 나노튜브의 3극 구조에서 양극 전압이 500V 일 때 turn-on 케이트 전압은 55V이며 100V일 때 2.0uA의 전류 밀도를 나타냈다.

 

Fig.5-1. SEM images of CNTs grown on hole-patterns at 850 ℃. (a) Low-magnification SEM image of the CNTs grown on a large area substrate. (b) High-magnification SEM image of the CNTs. The inset shows that the CNT pillars have no carbonaceous particles on the surface. (c) Cross-sectional SEM image of the CNTs. (d) SEM image of the CNTs grown on the hole-patterns with different shape and size. The CNTs grown at the edge area of the hole-pattern are longer than those at the center area.

  

Fig. 5-2. The schematic diagram for the CNT-based triode structure. (b) SEM image of the CNTs-based triode structure. (c) Cross sectional SEM image of the CNT-based triode structure

 

g. 5-3. Field emission properties from the CNT-based triode structure under the anode voltage of 500 V. current. The turn-on gate voltage is about 55 V. A large emission current of 2.0 uA is achieved as the gate voltage is applied to 100 V. Other groups reported that the turn-on voltage in the triode structure was about 40 V, and emission current was in the range of 1.2-3.1 uA at applied gate voltage of 40 V.