Field emission is a phenomenon where electrons tunnel through the surface potential barrier of a metal-vacuum interface and float in the vacuum region during the presence of an extremely high electric field. This phenomenon has been used for many applications as FED, X-ray, BLU and so on. Especially, field emission display has predominant properties such as fast response time, low power consumption and wide viewing angle. However, conventional metal and silicon type field emission tips are hard to commercialize due to their low emission efficiency and short life time. Therefore, discovery of carbon nanotube could be a breakthrough.
Carbon nanotube has good electrical properties and has high aspect ratio which able to get high current at low voltage due to having high field concentration which other materials couldn’t achieve. Recently many researchers focus on formation of carbon nanotube tip, and various methods are developed such as CVD direct growing, screen printing, spray, electrophoresis deposition and dip coating. To increase life, development of field emitter should be increase the number of field emission tip and at the same time, keep enough distance between each field emission tips, because of “screen effect”.
In this study, three dimension structured field emitter was fabricated to overcome those above problems. In three dimension structured field emitter, field emission tips are located only at the vertical plane which able to attain enlarger field emission area. This structure could increase field emission tip due to enlarge field emission area while unchanging distance between tips. Furthermore, tip density also increased at the top view.
To fabricate three dimension structured field emitter’s tip, carbon nanotube/silver nanocomposite powder was fabricated by molecular level mixing process and sprayed at substrate to achieve attachment while homogenously disperse.
Field emission properties are characterized compare to flat field emitter. In case of three dimension structured field emitter, field emission area was 4.5 times larger than flat field emitter and current density was improved 6 times higher. As higher gate field, turn-on voltage of anode has lower value and current density marked higher. To compare flat field emitter, turn-on field decreased while current density increased 4 times. Considering the current which flows to gate, the value would be higher. Also three dimension structured field emitter was shown longer life time than that of flat field emitter.
To improve field emission efficiency, micro 3D structure is suggested. To fabricate structure having high aspect ratio, 85um heighted patterned PR was formed. Copper and carbon nanotube was deposited one after the other by plating and EPD to achieve laminated structure and carbon nanotube tips were formed by etching copper.
Field emission of micro three dimension structured field emitter shown similar properties that of three dimension structured field emitter. Enhancing gate field decreases turn-on voltage and increases current density. Also, by increasing anode field, gate current was decreased. This result shows micro three dimension structured field emitter could operate as three dimension structured field emitter.
It is expected that three dimension structured field emitter could achieve long life time and increasing emission uniformity. This three dimension structured field emitter would be applicable to various field of display or back light unit.
Field emitter은 전자 방출원으로써 많은 부분에서 응용되고 있다. 특히 FED 분야에서는 높은 색재현력, 빠른 응답속도, 낮은 소비전력, 넓은 시야각, 넓은 작동 온도등의 장점으로 LCD와 PDP와 같은 display들에 비교해 우수한 특성을 나타낸다. 하지만 기존에 사용하던 Metal, Si type의 field emission tip은 낮은 효율과 수명 등으로 상용화되지 못하고 있다.
탄소나노튜브의 발견은 field emitter의 breakthrough로 인식되었다. Carbon nanotube는 좋은 기계적 전기적 특성과 높은 화학적 안정성, 무엇보다 긴 장대비는 이전의 재료들이 가지지 못했던 높은 전계집중을 가능하게 하여 저 전압에서도 높은 전류를 얻을 수 있는 것을 가능하게 하였다. 최근 field emitter의 연구들은 CNT tip의 형성에 초점이 맞춰지고 있고 그 결과로서 CVD direct growing, sreen printing, spray, electrophoretic deposion, dip coating등 다양한 방법들이 개발되었고 연구가 진행되고 있다.
하지만 field emission tip을 단지 많이 생성시키는 것으로 전계방출 특성을 향상시키는 것은 한계에 도달하고 있다. Screen effect는 field emission tip들이 서로 가까이에 존재할 때 서로의 전계집중을 방해하여 효율을 떨어뜨리는 것을 의미한다. Screen effect를 막기위해서는 tip의 길이의 2배의 거리를 확보해야 하는 것으로 알려져 있다. 결국 평면상에서는 field emission tip의 수는 제한될 수 밖에 없다. 고전류를 흘리기 위해서나 긴 수명을 위해서는 field emission tip의 degradation을 최소화 하여야 하고 이는 tip당 흐르는 전류를 감소시켜야 한다. 결론적으로 field emitter의 개발 방향은 field emission tip을 증가시키면서 동시에 field emission tip들 간의 거리를 충분히 유지키는 것이다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해서 3차원 구조 전계방출에미터를 제조하였다. 3차원 구조 전계방출에미터는 평면에 존재하던 field emission tip들을 수직면에 존재하게 함으로써 절대적인 field emission area를 증가시키는 구조이다. 이 구조는 field emission area를 증가시키기 때문에 field emission tip의 수는 증가시키는 반면 tip간의 간격의 변화는 주지 않게 된다. 또 평면으로 봤을 때에는 tip밀도가 증가하는 효과를 가져올 수 있다.
3차원 구조 전계방출에미터의 tip 형성을 위해서 molecular level mixing을 통한 CNT/Ag 나노복합분말을 제조하여 spray method를 통하 기판에 증착시켰다. Spray method를 통해 수직면에서 나노복합분말이 존재하는 것을 확인하였고, 소결을 통해 Ag가 CNT와 기판을 결합시키는 것을 관찰하였다.
3차원 구조 전계방출에미터의 전계방출 특성평가를 통해 평면 전계방출에미터와의 비교를 해 보았다. 실제 전계방출 면적은 4.5배 차이였으며 전류밀도로 비교해 보았을 경우 6배 높은 수치를 나타내었다. Gate의 전기장이 상승할수록 anode의 turn-on volatge이 낮게 나타남을 알 수 있었고 전류밀도 또한 상승함을 확인할 수 있었다. Gate의 전류밀도는 Gate 전기장을 일정하게 하고 anode의 전기장을 가해주면 gate 전류가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 anode의 전기장으로 인해 cathode에서 방출되어 gate로 흐르던 전자가 anode로 흐르는 것으로 생각할 수 있다. 이를 통해 3차원 구조 전계방출에미터가 operation이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한 평면 전계방출에미터와 비교해보면 turn-on 전기장은 감소하고 전류밀도는 약 4배 나타는 것으로 알 수 있다. 실제로 gate에 흐르는 전류까지 가만한다면 그 수치는 더 커질 것으로 생각된다. 또한 평면 전계방출에미터보다 긴 수명을 나타내었다.
앞선 3차원 구조 전계방출에미터의 특성평가에서 gate에 흐르는 전류가 많이 남아있다는 것을 알 수 있다. 이는 anode의 전계를 상승시켜 해결 할 수 있는데 십만V이상의 전압이 걸리게 된다. 또한 이때 3차원 구조의 기판에 가장 가까운 부분과 가장 먼 부분의 전기장 차이는 100V/um가 넘게 된다. 이를 해결하기 위해서는 anode와 기판의 간격이 매우 멀어져야 한다. 그러므로 이러한 문제점을 해결하기 위해서 3차원 구조 전계방출에미터를 micro 사이즈로 축소시킨 micro 3D structure field emitter를 제조하였다. 우선 장대비를 가지는 구조를 제작하기위해 약 85um로 높이의 Patterned PR을 제조하였다. 다음 도금과 EPD를 통해 Cu와 CNT를 번갈아 증착시켜 laminate 구조를 제조 하였고 마지막으로 Cu 에칭을 통하여 CNT tip을 제조하였다.
Micro 3D structure field emitter의 전계방출 특성은 3D structure field emitter와 같은 경향성을 보였다. Gate field가 증가함에 따라 turn-on field의 감소와 함께 전류밀도의 증가를 가져왔다. 또한 anode field가 증가함에 따라 gate current가 감소하는 것도 확인하였다. 이를 통해 Mircro 3D structure field emitter 또한 3차원 구조 전계방출에미터와 같이 operation 됨을 확인할 수 있었다.
