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(A) study on high performance field emitters using nano-carbon materials 원문보기

  • 저자

    신동훈

  • 학위수여기관

    Graduate School, Korea University

  • 학위구분

    국내박사

  • 학과

    電子電氣工學科

  • 지도교수

    李鐵眞

  • 발행년도

    2014

  • 총페이지

    xi, 82장

  • 키워드

    field emission nano-carbon;

  • 언어

    eng

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T13541917&outLink=K  

  • 초록

    나노기술이 발전하면서, 나노소재의 우수한 물성을 이용한 전계방출원을 제작하려는 많은 시도가 있었다. 특히, 탄소나노소재는 화학적, 전기적, 기계적 특성이 뛰어나 전세계 많은 연구자들로부터 주목을 받았으며, 이를 이용한 다양한 전계방출원 제작방법이 제시되고 있다. 그러나 디스플레이, 램프, 엑스레이튜브부터 고주파증폭기, 선형가속기에 이르기까지 다양한 전계방출 응용기술개념이 제시되고 있음에도 불구하고, 아직까지는 전계방출원을 적용한 응용소자가 상용화되지 못하고 있는 실정이다. 이것은 전계방출원 제작기술이 충분히 성숙되지 않았음을 내포한다. 따라서, 나노소재의 오염 및 손상이 적고 우수한 재현성을 갖는 공정기술을 통해, 낮은 전압 인가만으로도 안정적이고 높은 전류를 방출할 수 있는 전계방출원을 개발하는 것은, 나노소재를 이용한 전계방출원의 실질적인 응용에 있어서 중요한 디딤돌이 될 것으로 예상된다. 본 논문에서는, 탄소나노튜브 및 그래핀을 필름형태로 제작하고, 필름의 엣지를 이용하여, 포인트와 라인 형태의 고성능 전계방출원 제작기술을 개발하였다. 실험과 시뮬레이션을 통해, 포인트형 필름 전계방출원 각도가 전계방출특성에 미치는 영향 및 캐소드 전극구조가 라인형 필름 전계방출원의 전계방출특성에 미치는 영향을 분석하였으며, 탄소나노소재에 따른 전계방출특성을 관찰하였다. 또한, 어레이 형태의 필름 전계방출원 설계 및 제작기술개발을 통해 나노소재필름을 이용한 전계방출원의 스케일업 방법을 제시하고 전계방출특성을 분석하였다. 탄소나노소재 필름을 이용한 전계방출원 기술은 지금까지 시도된 바 없는 새로운 접근법으로, 나노소재의 오염 및 손상이 적고 우수한 공정재현성을 가질 뿐만 아니라, 전계방출원 팁 끝에 강한 전기장 집중을 유도함으로써 낮은 인가전압에서도 높은 전류를 안정적으로 방출할 수 있음을 보여주었다. 필름 전계방출원 기술을 고출력 전자총에 적용하고, 엑스레이튜브 및 마이크로웨이브 증폭기 응용분야에 활용하는 연구가 추후과제로 남아있다.


    We proposed a new approach to fabricating nano-carbon based field emitters using freestanding nano-carbon films, and demonstrated high performnace point-typed and line-typed field emitters. The fabrication process is simple and reproducible. We investigated the field emission properties of 2D triangular-shaped CNT point emitters as a function of the emitter tip angle. The turn-on electric field and maximum emission current increased as the tip angle of the CNT point emitter increased, whereas the electron beam spot diameter was reduced. The CNT point emitter with a wide tip angle of 150° demonstrated an extremely high emission current of up to 22.4 mA and a corresponding to an emission current density of over 105 A/cm2 with excellent long-term emission stability over 20 h. To the best of our knowledge, the emission current achieved here represents the highest reported value for CNT point emitters. The outstanding emission performance has been attributed to the 2D shape of the CNT point emitters which concentrates the electric field at the tip and distributes the mechanical stress effectively. We demonstrated line-typed CNT field emitters fabricated using CNT films. Two cathode structures, (i.e., P-cathode and H-cathode) were proposed and studied for obtaining sheet electron beams with a high-quality and a high-aspect-ratio. The hole in the H-cathode was found to play an important role in generation of uniform sheet electron beam by the elimination of field enhancement at the angular points and by the suppression of radial components of the electric fields. The line-typed CNT field emitters show an emission current of up to 45 mA, which corresponds to an emission current density of 150 A/cm2. Well-confined sheet electron beams with an improved emission stability were obtained from H-cathodes in contrast to electron-emission from the P-cathode. We expect that the high performance nano-carbon field emitters using freestanding nano-carbon films can open new opportunities for next-generation vacuum electronic devices such as X-ray sources, micro-focus CTs, microwave amplifiers, rocket thrusters, and so on.


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