Carbon nanotubes have high aspect ratio, small radius of curvature, high electrical and thermal conductivity, high mechanical strength, high chemical stability and low work function, thus, they have emerged as the most promising field emitter materials for application in field emission displays. In order to fabricate carbon nanotube-based field emission displays (CNT-FED), several approaches were proposed during the last decade but low yield of carbon nanotube emitters, weak bonding between carbon nanotube and metal substrate and difficulty in large area synthesis are the key technological issues still to be solved.
In this study, it was shown that carbon nanotube reinforced metal composite powders can be fabricated by chemical route and that these powders can be further processed to make carbon nanotubes implanted metal cathodes for large area field emission displays. According to the growth behavior of each type of metal on the surfaces of carbon nanotubes, several different morphologies can be fabricated by using Co, Ni and Cu.
Carbon nanotube implanted Co cathode was fabricated from carbon nanotube implanted Co composite powders by simple screen printing process followed by heat treatment. Some part of carbon nanotubes are protruding out from the metal layer with some part of carbon nanotubes implanted in the metal layer with sound interfacial bonding. A diode structure was fabricated and the field emission measurements strongly suggest that the carbon nanotube implanted Co cathode is an excellent field emitter with low turn-on electric field, high current density and excellent reliability. The metal layer provides high electric conductivity from substrate to carbon nanotube and reliable supporting media so that the carbon nanotubes do not detach from the substrate, thus, many of the technological issues of CNT-FED can be solved.
탄소나노튜브는 1991년 최초로 발견된 이후, 높은 강도 및 탄성계수 및 높은 전도도와 전계방출 효과 등 우수한 기계적 특성과 열 및 전기적 특성 들이 밝혀짐에 따라, 각종 소재분야에 그 활용성 검토가 활발히 이루어져 왔다. 기존의 소재와 달리 탁월한 기계적 특성을 제공하는 근본 원인으로 탄소나노튜브의 1차원적인 원자배열 구조를 들 수 있다. 이 구조적인 특징으로 인해 탄소나노튜브는 그 자체만으로는 특성의 발현이 어렵고, 반드시 기지재료나 기판 등 다른 소재와 함께 사용될 때만이 탄소나노튜브의 우수한 특성의 구현을 가능하게 한다. 이는 탄소나노튜브의 탁월한 특성을 이용한 신소재를 개발하기 위해서는 기존의 기지재료에 탄소나노튜브가 강화되는 복합재료의 개발 필요성을 필연적으로 제시하는 것이다.
그러나 현재까지 일부 배열된 박막형태의 제조를 제외하고는, 탄소나노튜브를 기존의 소재에 제어된 형태로 분산시키는 기술의 연구가 부족한 실정이다. 탄소나노튜브를 성공적으로 기존의 소재내에 제어된 형태로 분산시킬 수 있는 복합소재화 기술에 관한 연구는 탄소나노튜브가 가지고 있는 여러 가지 우수한 물성을 최대한 활용하여 기존의 구조 또는 기능 소재가 안고 있는 한계를 극복할 수 있을 것으로 보인다.
본 연구에서는 탄소나노튜브의 우수한 특성을 이용하고, 탄소나노튜브를 분산된 형태로 만들기 위해 폴리올 공정을 도입하여 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하였다. 폴리올 공정은 금속 나노입자의 제조, 형상 및 크기 제어에 매우 유리한 공정으로서 다양한 금속기지의 나노입자 제조가 가능하다. 금속기지로는Co, Ni, Cu의 기지재료를 갖는 탄소나노튜브/금속 나노복합분말을 제조하여 미세조직을 파악한 결과, Co기지의 경우 탄소나노튜브가 Co기지에 박혀있는 모양을 보이고 있고, Ni의 경우 탄소나노튜브를 완전히 코팅하였으며, Cu의 경우 탄소나노튜브와 Cu기지재료가 서로 분리된 미세조직을 보였다. 이 결과로부터 탄소나노튜브/Co나노복합분말은 탄소나노튜브가 Co 기지내에 박혀있음으로 인하여, 금속기지에 의해 외부 산화 조건으로부터 탄소나노튜브의 보호가 가능하며, 탄소나노튜브의 우수한 강도, 전도도 및 전계방출 효과를 극대화 시켜줄 수 있을 것으로 기대되었다.
현재 전계방출 디스플레이나 광원 및 전자총 연구분야에서 핵심기술인 에미터 소재로서 탄소나노튜브를 사용하기 위한 연구가 매우 활발히 이루어지고 있으나, 기존의 분말 혼합공정 또는 폴리머 재료와의 혼합공정등은 낮은 신뢰성과 짧은 수명등의 문제를 보여왔다. 이는 소자 동작 중 기판 또는 폴리머 기지로부터의 탄소나노튜브 이탈, 폴리머 바인더에 의한 낮은 전기전도도의 특성에서 기인하는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 제기된 문제점을 해결하기 위하여 금속기지가 탄소나노튜브를 보호하여 신뢰성을 높이고 고전도도를 보장하며 금속기지와 탄소나노튜브의 결합에 의해 동작중 이탈을 방지해 줄 수 있는 형상을 가진 탄소나노튜브/Co 나노복합분말을 에미터소재로 사용하기 위한 연구를 수행하였다. 에미터 소재로서의 가능성 확인을 위하여 탄소나노튜브/Co 나노복합분말로 이루어진 cathode를 제작하여 전계방출 특성을 확인하였다. 전계방출 특성을 확인하기 위하여 폴리머 바인더와 나노복합분말을 혼합한 페이스트를 성공적으로 제조하였고, ITO유리 기판위에 스크린 프린팅함으로서 전계방출 cathode를 제작할 수 있었다. 제작된 cathode의 성능은 I-V 곡선을 통해 확인되었으며, 이로부터 확보된 결과는 세계 여러 연구그룹들과 비교해서 매우 낮은 turn-on 전계(1.8V/μm)와 비약적으로 향상된 전류밀도를 나타내는 우수한 결과를 보여주었다. 이와 같은 우수한 결과는 탄소나노튜브의 전계방출 효과와 금속기지에 의한 고전도도의 장점이 cathode에 손실없이 반영됨으로서 나타나는 현상으로 판단하고 있다.
