개별 트랜지스터를 이용한 안정적인 CNT 전계방출 특성 관리자 2012.04.16

높은 종횡비(aspect ratio), 작은 팁 직경, 뛰어난 화학적 안정성, 높은 열적 안정성, 그리고 
기계적 강도들은 1차원의 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotube)가 전계방출을 위한 소스
로써의 잠재력을 보여주고 있다. 이는 평판 디스플레이, 라이팅, 전자빔리소그래피 장비, x-
ray 소스, 그리고 다양한 진공 장비에 활용이 가능하다. 

영국 University of Cambridge의 William I. Milne 교수가 이끄는 연구진은 플라즈마 화학
기상증착법을 통해 합성된 탄소나노튜브 어레이에, 개별 트랜지스터 구동에 따른 전계방출 
특성을 확인했다. 연구 결과는 2012년 3월 6일자 ACS Nano지에 “Hot Electron Field 
Emission via Individually Transistor-Ballasted Carbon Nanotube Arrays”란 제목으로 
게재됐다. 

1차원 물질의 전계 방출 특성은 팁의 국부적인 형태에 따른, 즉 전계 집중계수(field 
enhancement factor)에 크게 의존한다. 종횡비가 큰 CNT가 더 많은 전류를 방출할 수 있
게 된다. 하지만 통상적으로 방출 전류가 20 uA이상일 경우, 심각한 구조적 변형이 발생하
고 심지어 팁이 망가지기도 한다. 탄소나노튜브와 기판 사이에서 발생하는 열 또한 전계방
출 특성의 저하를 가져오기 때문에 전도성 기판 위에 CNT 어레이를 형성할 필요가 있다. 이
러한 한계 요소들을 극복해야지만 실질적인 CNT 전자 방출원을 얻을 수 있을 것이다. 

연구진은 그림 1.과 같이 SOI(Silicon-On-Insulator) 내에 전계효과트랜지스터를 구성하
고, 각 탄소나노튜브를 연결시켰다. 이러한 구조는 CNT의 방출 전류가 상승함에 따라 트랜
지스터의 채널 영역을 가로지르는 포텐셜을 함께 증가시킴으로써 최대 전류를 제한하는 역
할을 하게 된다. 채널 영역의 저항은 트랜지스터의 구동 조건에 따라 변하게 되는 것이다. 
소스 전극은 사각형의 금속으로 실리콘에 직접 연결되어 음의 전압 인가와 함께 전자를 공
급하게 된다. 드레인 전극은 나노튜브 및 촉매 금속의 접합 영역에 포함돼 있다. 또한 시뮬
레이션 결과를 살펴보면, 하부 게이트 전압을 10V 변화시킴에 따라, 국부적인 전계장을 50
배 이상 효율적으로 제어할 수 있었다. 

플라즈마 화학기상증착법(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 
통해 합성된 나노튜브는 1.25 um의 길이 및 80 nm의 직경을 나타냈다. 투과전자현미경 분
석을 통해 촉매 금속이 상단이 남아 있는 대나무 형태의 CNT임을 확인할 수 있었다. 

이번 연구 결과는 안정적인 CNT 전계방출 소자의 구현을 위해서 개별 전계효과트랜지스터
를 조합한 것으로, 200시간 동안 불과 0.68%의 전류 변동이 나타났다. 소자의 안정성 측면
에서 최고의 특성을 기록했으며, 또한 50 us 내에 on/off 동작이 가능했다. 한동안 잠잠했
던 CNT 전계 방출 분야에 있어, 새로운 활력을 불어넣을 것으로 기대된다. 

그림 1. (a) 나노튜브-드레인 전극을 소스 전극이 둘러싸고 있는 형태로, SOI(Silicon-On-
Insulator) 구조 위에 단일 탄소나노튜브가 형성된 소자 구조에 대한 모식도. (b) 104개의 
탄소나노튜브 및 개별 구조의 전자 방출원 어레이에 대한 주사전자현미경 이미지. (c) 고해
상도 주사전자현미경 이미지. (d) 게이트 전압에 따른 국부적인 전계장에 대한 시뮬레이션 
결과. 


키워드 : 탄소나노튜브, 안정 저항, 전계효과트랜지스터, 안정성, 

출처 : http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn300111t 

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