CNT Field emission & CNT THz technology

“Field Emission(=Field Electron Emission)” 을 한국어로 이야기할 때 “전계방출(=전계전자방출)” 이라고 합니다.
“전계전자방출” 이란 말을 그대로 놓고 풀어서 보자면… “어떠한 고체에 외부로부터 전계(전기장)를 인가하여 전자를 방출함” 이 됩니다. 총을 상상하시면 보다 쉽게 이해하실 수 있습니다. 총을 어떠한 고체이라고 생각할 때, 총알은 전자에 해당됩니다. 총알을 쏘기 위해서 방아쇠를 당겨야 하듯이, 전자를 쏘기(방출하기) 위해서 전기장을 인가한다는 것입니다. 이 때의 외부환경도 중요한데, 총알을 두꺼운 벽에 쏘면 총알은 벽에 막혀 앞으로 나가질 못하겠지요. 마찬가지로 상압의 공기 중에서 전자를 쏘면 우리 눈에 보이진 않더라도 수없이 많은 분자들에 의해 전자의 진행이 방해를 받기 때문에 외부환경을 분자의 수가 매우 적은 진공상태로 만들어 주어야 합니다.

스위스미니건 (SwissMiniGun) 사의 C1ST 모델

고체에서 전자를 방출시키는 방법이 비단 전계전자방출만 있는 것은 아닙니다. 원리는 전계전자방출 외에도 열전자방출(Thermionic Emission), 광전자방출(Photoemission), 2차전자방출 (Secondary Emission) 이 있습니다. 이들의 차이점은 고체로부터 전자를 방출시키기 위한 에너지를 어떻게 주는가에 있습니다.

전자를 방출시키기 위해 전계전자방출에서는 전기장을 인가한 것처럼, 열전자방출에서는 열을, 광전자방출에서는 빛을, 2차전자방출에서는 전자를 공급합니다. 즉, 고체의 온도를 올려주거나, 특정한 파장의 빛을 고체에 쬐어주거나,
전자(입사전자, 또는 1차전자)를 고체에 충돌시킴으로써 전자를 방출시킵니다.

대체 전자를 방출시켜서 무엇을 할 수 있는 걸까요? 보통, 전자를 다른 물질(타겟물질)에 맞추었을 때 발생하는 2차적인 현상을 이용합니다. 방출된 전자가 타겟물질을 맞추었을 때, 가시광선이 나오면 램프나 디스플레이로, 엑스레이가 나오면 엑스레이 튜브로, 다른 전자가 나오면 전자현미경으로 응용이 가능합니다. 또는, 타겟물질을 다른 전자소자에 전기적으로 연결시킴으로써 전자회로를 구성할 수도 있습니다.

전계전자방출 현상은 1897년에 미국의 R. Wood 박사가 두 전극에서의 아킹에 대해 연구하던 중 처음 발견되었으나
당시에는 그 원리를 이해하지 못하다가 1920년대에 와서야 R. H. Fowler 와 L. Nordheim 에 의해 원리가 밝혀지고
인가전압과 방출전류 사이의 관계식이 정리됩니다. 하지만, 방출된 전자를 이용할 수 있는 분야도 많고 연구된 지 비교적 오래된 원리임에도 불구하고, 아직까지 우리 주변에서 이 원리를 이용한 소자를 찾기란 쉽지 않습니다.
평평한 두 전극 사이에서 전계전자방출이 일어나기 위해서는 엄청난 크기의 전압을 인가해야 하고, 전자방출 효율이 좋은 물질을 찾기가 드물며, 좋은 전자방출원을 만들기 위해서는 정밀한 제조공정이 필요하기 때문입니다. 많은 사람들이 1950년대부터 전계전자방출을 이용한 소자를 개발하고자 하였으나, 위와 같은 어려움들로 인해 열기가 점점 식어가고 있던 때, 탄소나노튜브라는 물질이 세상에 알려집니다.

탄소나노튜브는 지금까지 알려진 물질 중에 전계전자방출원으로 가장 적합하다고 평가받고 있습니다.

탄소나노튜브는 직경이 수 nm이고 길이가 수 um에서 길게는 수 mm까지 가능한 물질입니다. 우리가 좀 더 친숙한 단위로 바꿔서 생각하면 직경이 1 cm인 원통이 10 m에서 길게는 10 km까지 뻗어있는 모양을 상상할 수 있습니다.

이런 물체가 기판에 수직으로 뻗어있다면 전기장을 인가하였을 때 전기장은 탄소나노튜브 끝에 엄청나게 집중되므로
약한 전기장만으로도 전계전자방출에 필요한 충분한 전기장을 만들 수 있습니다. 더군다나 탄소나노튜브는 저항이 매우 작고 화학적으로 안정하며 매우 단단하기 때문에 전계전자방출소재로서 더없이 좋습니다.

다양한 형태의 탄소나노튜브

좋은 소재를 찾았으니 이 소재를 어떻게 하면 잘 이용하여 소자로 만들 수 있는지를 연구해야 합니다. 예를 들어, 탄소나노튜브를 기판 위에 어떻게 수직으로 세워놓느냐부터 시작해서, 탄소나노튜브의 전자방출 수명 및 안정도를 어떻게 개선시킬 것인가, 어떻게 하면 무수히 많은 탄소나노튜브로부터 균일한 전류를 방출시킬 것인가… 등등 많은 사람들이 탄소나노튜브가 발견된 이후 이 소재를 이용한 전계전자방출에 대해 연구하였고, 이제 조금씩 그 결실을 맺을 수 있을 것으로 보입니다.

삼성전자가 이르면 2012년 탄소나노튜브의 전계전자방출을 이용한 나노TV를 양산할 것이라는 소식이 신문을 통해 보도되었는데요, 나노TV는 기존의 LCD에 들어가는 램프를 전계전자방출 램프로 대체한 TV를 의미합니다. 기존의 CCFL이나 LED를 적용한 LCD 보다 해상도, 응답속도, 명암비 측면에서 월등히 앞서기 때문에 차세대 디스플레이로서 자리매김할 수 있을 것으로 기대됩니다.

삼성SDI에서 개발한 전계방출디스플레이

삼성전자, LED TV 다음은 ‘나노 TV’…이르면 2012년 양산 전망

삼성전자, 탄소나노튜브 특허 확보…나노TV 본격개발

그럼 기본적인 소개는 이 정도에서 마치고 카본나노일렉트로닉스 연구실에서는 전계전자방출에 관해 어떤 것들을 연구하고 있는지 간단히 소개 드리겠습니다.

카본나노일렉트로닉스 연구실에서 수행중인 전계전자방출 실험의 간단한 도해 및 실험장비 중 일부

소재에 따른 전계전자방출특성을 연구하고 있습니다.

탄소나노튜브, ZnO 나노와이어, GaN 나노와이어 등 다양한 나노소재의 전계전자방출 특성을 연구하고 있습니다. 특히, 탄소나노튜브는 직경, 길이 및 graphene 벽 수 등에 따라 다양한 종류의 물성이 가능합니다. 이에 따른 전계전자방출 특성들을 확인함으로써 어떠한 소재가 전계전자방출에 안정적으로 최적의 성능을 발휘할 수 있는지 연구합니다.

본 연구실에서 수행중인 소재에 따른 전계전자방출특성 연구 중 일부

전계전자방출원을 설계하고 만드는 방법에 관해 연구하고 있습니다.
같은 전자방출소재를 사용하더라도 전자방출원에 따라서 그 특성은 크게 달라집니다. 쉽고 값싸게 만들 수 있으면서도 전계전자방출특성이 우수한 전자방출원을 연구하고 있습니다. 또한 시뮬레이션과 실험을 통해 좋은 성능을 발휘할 수 있는 전자방출원 구조를 설계합니다.

본 연구실에서 수행중인 전계전자방출원 설계 연구 중 일부

전계전자방출소자를 연구하고 있습니다.
위에서 설명한 것처럼 전계전자방출특성을 이용한 응용분야는 다양합니다. 본 연구실에서는 최적의 소재를 개발하고 그 소재의 특성을 최대한 발현할 수 있는 전자방출원을 설계함으로써 램프, X-ray 전자빔 소스 등의 응용분야에 이들을 적용하고 소자를 구현하는 연구를 하고 있습니다.

본 연구실에서 수행중인 전계전자방출소자 연구 중 일부. 램프 및 X-ray 소스

X-RAY 구조

X-RAY 튜브