KR101227258B1 - 탄소나노튜브 팁의 다중 배열을 이용하여 ｘ-선 발생을 위한 3극관 냉음극 전자원 - Google Patents

탄소나노튜브 팁의 다중 배열을 이용하여 ｘ-선 발생을 위한 3극관 냉음극 전자원 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브(Carbon Nano-tube, CNT) 팁들을 어레이 형태로 배열한 3극관 냉음극 전자원을 제공한다. 상기 3극관 냉음극 전자원은 복수의 탄소나노튜브 팁, 상기 복수의 탄소나노튜브 팁을 장착한 캐소드 기판, 상기 복수의 탄소나노튜브 팁을 지지하기 위한 지지기판 및 게이트 기판을 포함하고, 상기 캐소드 기판과 상기 게이트 기판 사이에 전압을 인가하여 상기 복수의 탄소나노튜브 팁으로부터 복수 형태로 발생하는 전자 방출을 이용한다. 상기 3극관 냉음극 전자원은 CNT 팁들을 어레이 형태로 배열한 구조로 효과적으로 전자빔을 방출하여 X-선 발생에 유용하게 적용할 수 있다.

Description

탄소나노튜브 팁의 다중 배열을 이용하여 Ｘ-선 발생을 위한 3극관 냉음극 전자원{Triode Cold Cathode Electron Source for X-ray Generation using Array of Multiple Carbon Nano-tube Tips}
본 발명은 X-선(X-ray) 발생을 위한 3극관 냉음극 전자원(electron source/electron emission source)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CNT 팁들을 어레이 형태로 배열한 구조로 효과적으로 전자빔을 방출할 수 있는 3극관 냉음극 전자원에 관한 것이다.
엑스선이 발견된 이래로 X-선 발생 장치를 이용한 진단 및 치료 등의 의료 분야 및 비파괴 검사와 같은 산업 분야에서 많이 이용되고 있고, 그 성능을 향상시키기 위한 연구 또한 지속적으로 이루어지고 있다.
엑스선의 성능을 결정하는 요인에는 엑스선의 초점 크기, 선량 또는 엑스선의 방출 각도 등이 있다. 많은 연구진들이 이와 같은 파라메타들을 향상시키기 위하여 X-선 발생에 필수적인 전자원에 대한 연구를 지속해 오고 있다.
종래의 필라멘트 기반 열음극형 전자원은 열전자 방출을 통해서 원하는 양만큼의 전자 방출을 하기 위해서는 음극부에 높은 음전압의 인가가 필요하다.
또한, 텅스텐 필라멘트에서 전자가 초기에 방출되는 위치 및 방향이 일정하지 않기 때문에 전자 집속 렌즈를 장착해도 전자가 양극부 타깃에 도달하는 시점이 차이가 있다.
따라서, 최종적으로 발생되는 엑스선의 에너지 분포에 영향을 많이 주게 되고 이로 인해 엑스선 촬영 시 이미지의 질이 떨어지게 된다.
이와 같이 종래의 필라멘트 기반 열음극형 전자원은 안정한 엑스선을 방출시키지 못하고 분해능이 떨어질 뿐만 아니라, 구조가 복잡하고 비효율적인 면이 있다.
또한, 전력 소비도 많고 고온 동작의 특성상 텅스텐 필라멘트의 수명도 짧을 수 밖에 없는 형편이다.
이에 따라 양자역학적 전계방출 원리를 이용하여 상온에서도 전압 제어에 의하여 손쉽게 전자를 방출시킬 수 있는 전자원이 개발되어 왔다.
그 중 CNT의 우수한 전기적 특성, 기계적 특성 및 화학적 특성 등으로 인하여, CNT는 X-선관, 형광 튜브 및 평판 디스플레이 등의 분야에서 냉음극 전자원으로서 많이 활용되고 있다.
CNT 기반 냉음극 전자원은 종래의 텅스텐 필라멘트 기반 전자원과 비교하여 제작 비용, 전력 소비, 수명, 소형화 등의 면에서 훨씬 유리하므로 열음극형 전자원을 대체해 가고 있다.
최근에 CNT를 수 마이크로미터 이하의 직경으로 날카롭게 초소형으로 제작한 CNT 팁(tip)을 이용하여, 전자빔의 방출 면적을 최대한 줄이면서 고출력의 전자빔을 방출할 수 있도록 하기 위한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 하나의 CNT 팁을 X-선 발생을 위한 전자원, 즉, 에미터(emitter)로 사용할 경우에, 전계 방출이 이루어지는 면적 자체가 매우 작아 방출되는 전류량이 매우 낮고 응용 분야도 매우 제한될 수밖에 없다.
한편, 텅스텐(W)에 CNT를 성장시킨 CNT/W 팁과 같은 구조에서, CNT와 텅스텐간에 점착성(adhesion)이 좋지 않고 높은 구동 전압이 요구된다.
또한, 열발생이나 잔류가스 불순물 등에 의한 순간적인 아킹(arching)이 발생할 수 있으므로, 팁이 파손되는 경우에 에미터 전체를 교환하여야만 하는 문제점이 있다.
KR 2010-0097356 A 2010.09.03
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 CNT 팁들을 어레이 형태로 배열한 구조로 효과적으로 전자빔을 방출하여 X-선 발생에 유용하게 적용할 수 있는 3극관 냉음극 전자원을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 복수의 탄소나노튜브 팁 및 지지대가 형성된 캐소드 기판; 상기 복수의 탄소나노튜브 팁에 대응되어 형성된 지지홀 및 제1 고정홀을 가지고, 상기 복수의 탄소나노튜브 팁이 상기 지지홀을 관통하고, 상기 복수의 탄소나노튜브 팁을 지지하기 위한 지지기판; 및 상기 탄소나노튜브 팁과 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 지지홀을 관통하여 돌출된 상기 복수의 탄소나노튜브 팁에 대응되는 게이트홀 및 제2 고정홀이 형성된 게이트 기판을 포함하고, 상기 지지대는 상기 지지기판의 제1 고정홀을 관통하여 상기 게이트 기판의 제2 고정홀에 연결되고, 상기 캐소드 기판과 상기 게이트 기판 사이에 전압을 인가하여 상기 복수의 탄소나노튜브 팁으로부터 복수 형태로 발생하는 전자 방출을 이용하는 냉음극 전자원을 제공한다.
상기 탄소나노튜브 팁은 상기 캐소드 기판 상에 형성된 금속 팁; 및
상기 금속 팁 상에 형성된 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 팁은 상기 지지기판의 지지홀을 관통하여 상기 지지기판으로부터 돌출된 것을 특징으로 한다.
상기 탄소나노튜브는 상기 금속 팁의 말단부로부터 500㎛ 내지 2㎜ 길이까지 성장된 것을 특징으로 한다.
상기 금속 팁은 Co, Ni, Fe, W, Invar 또는 이를 혼합한 합금을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 복수의 금속 팁 및 지지대가 형성된 캐소드 기판을 준비하는 단계; 상기 캐소드 기판 상에 상기 복수의 금속 팁에 대응되어 형성된 지지홀 및 제1 고정홀을 가진 지지기판을 배치하되, 상기 복수의 금속 팁 및 지지대가 상기 지지홀 및 제1 고정홀을 관통하도록 배치하는 단계; 상기 지지홀을 관통하여 나온 상기 복수의 금속 팁 부분에만 탄소나노튜브를 성장하여 탄소나노튜브 팁을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 탄소나노튜브 팁에 대응되어 형성된 게이트홀 및 제2 고정홀을 가진 게이트 기판을 상기 탄소나노튜브 팁과 일정 거리 이격되도록 배치하고, 상기 제1 고정홀을 관통하여 돌출된 지지대를 상기 제2 고정홀과 연결하는 단계를 포함하는 냉음극 전자원 제조 방법을 제공한다.
상기 탄소나노튜브 팁을 형성하는 단계 이전에, 상기 지지홀을 관통하여 나온 상기 복수의 금속 팁 부분에만 버퍼금속 및 촉매금속을 차례로 형성하는 단계; 및 상기 지지기판을 움직여 상기 지지기판을 관통하여 나온 상기 금속 팁 부분의 길이를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 팁을 형성하는 단계 이전에, 상기 지지기판을 움직여 상기 지지기판을 관통하여 나온 상기 금속 팁 부분의 길이를 조절하는 단계; 및 상기 지지홀을 관통하여 나온 상기 복수의 금속 팁 부분에만 버퍼금속 및 촉매금속을 차례로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 버퍼 금속은 TiN이고 상기 촉매 금속은 Co일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 금속 팁의 말단부에만 탄소나노튜브가 성장된 탄소나노튜브 팁을 준비하는 단계; 상기 복수의 탄소나노튜브 팁 및 지지대를 캐소드 기판 상에 형성하는 단계; 상기 캐소드 기판 상에 상기 복수의 탄소나노튜브 팁에 대응되어 형성된 지지홀 및 제1 고정홀을 가진 지지기판을 배치하되, 상기 복수의 탄소나노튜브 팁 및 지지대가 상기 지지홀 및 제1 고정홀을 관통하도록 배치하는 단계; 상기 탄소나노튜브 팁에 대응되어 형성된 게이트홀 및 제2 고정홀을 가진 게이트 기판을 상기 탄소나노튜브 팁과 일정 거리 이격되도록 배치하고, 상기 제1 고정홀을 관통하여 나온 지지대를 상기 제2 고정홀과 연결하는 단계를 포함하는 냉음극 전자원 제조 방법을 제공한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, CNT 팁들을 어레이 형태로 배열한 구조로 효과적으로 전자빔을 방출하여 X-선 발생에 유용하게 적용할 수 있다.
또한, 팁들의 길이 및 간격 등을 미리 정하여 전계 차폐 현상이 최소화되도록 CNT 팁 어레이가 캐소드 기판 상에 장착되고, CNT 팁 어레이에 맞게 게이트 기판에 홀들의 패턴을 형성하여, 균일 전계에서 최소의 누설 전류로 전자빔을 발생시킬 수 있도록 한다.
따라서, 일부의 팁이 파손되더라도 에미터를 교체하지 않도록 교체 시간을 늘릴 수 있고 이에 따른 비용을 줄일 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNT 기반 3극관 냉음극 전자원의 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 지지기판과 게이트 기판의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 기반 3극관 냉음극 전자원을 이용한 X-선 발생을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4a는 금속 팁 위에 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킨 샘플의 FESEM 이미지이다.
도 4b는 금속 팁 위에 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킨 샘플의 전계방출 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 장착된 CNT 팁 에미터의 개수에 따른 전계방출 특성을 측정한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 탄소나노튜브(CNT) 팁은 탄소나노튜브(CNT)가 포함된 팁을 의미한다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNT 기반 3극관 냉음극 전자원(100)의 구조를 설명한 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1의 지지기판과 게이트 기판의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CNT 기반 3극관 냉음극 전자원(electron source)(100)은 캐소드(cathode) 기판(110), 지지기판(120) 및 게이트 기판(130)을 포함한다.
캐소드 기판(110)에는 복수의 탄소나노튜브 팁(111) 및 지지대(121)가 장착된다.
상기 복수의 탄소나노튜브 팁(111)은 어레이 형태로 배열될 수 있다.
도 2를 참조하면, 지지기판(120)은 상기 복수의 탄소나노튜브 팁(111)에 대응되어 형성된 지지홀(122) 및 제1 고정홀(123)을 가진다.
상기 복수의 탄소나노튜브 팁(111)은 상기 지지홀(122)을 관통하고, 상기 지지기판(120)은 복수의 탄소나노튜브 팁(111)이 흔들리지 않도록 지지한다.
게이트 기판(130)은 상기 지지기판(120)을 관통하여 나온 상기 복수의 탄소나노튜브 팁(111)에 대응되어 형성된 게이트홀(131) 및 제2 고정홀(132)을 가지며, 상기 탄소나노튜브 팁(111)과 일정 거리 이격되어 배치된다.
상기 지지대(121)는 상기 지지기판(120)의 제1 고정홀(123)을 관통하여 상기 게이트 기판(130)의 제2 고정홀(132)에 연결된다.
따라서, 게이트 기판(130)이 복수의 탄소나노튜브 팁(111)과 일정 간격 유지되도록 게이트 기판(130)을 지지할 수 있다.
또한, 지지대(121)에 부착된 소정 고정편(미도시)을 이용하여 지지기판(120)이 일정 위치에서 고정되도록 할 수 있다.
지지기판(120)의 사용으로 다수의 탄소나노튜브 팁 에미터의 수직 정렬을 유지할 수 있으며, 탄소나노튜브 팁 에미터간의 간격을 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 지지기판(120)의 높이를 조절하여 탄소나노튜브 팁 에미터의 노출 영역을 조절하여 전자가 방출되는 방출 사이트(emission site)를 조절할 수 있어서 전계에 의한 방출 전류량을 조절할 수 있다.
또한, 지지기판(120)을 이용할 경우, 탄소나노튜브 팁 에미터와 게이트 기판간의 간격을 정확하게 유지할 수 있어서 재현성 있는 X-선원을 방출할 수 있다.
게이트 기판(130)의 게이트홀(131)은 지지기판(120)의 지지홀(122)보다 그 직경이 10㎛ 내지 50㎛ 작게 형성되는 것이 바람직하다.
만일 게이트 기판(130)의 게이트홀(131)이 지지기판(120)의 관통홀(122)보다 그 직경이 10㎛ 이상 작지 않을 경우 방출 전자의 집속(focusing) 효과가 저하될 우려가 있다.
또한, 게이트 기판(130)의 게이트홀(131)의 직경이 지지기판(120)의 지지홀(122)의 직경보다 50㎛ 이상 작게 형성될 경우 전계차폐 현상을 최소화시키기 곤란한다.
이와 같은 3극관 냉음극 전자원(100)의 구조에 따라 캐소드 기판(110)과 게이트 기판(130) 사이에 전압을 인가하여 복수의 탄소나노튜브 팁(111)으로부터 복수 형태로 전자가 방출된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 CNT 기반 3극관 냉음극 전자원을 이용한 X-선 발생을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3을 참조하면, 복수의 탄소나노튜브 팁(111)으로부터 방출된 전자빔을 애노드(anode)(200)에 충돌시켜 X-선을 발생시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 CNT 기반 3극관 냉음극 전자원(100)은 어레이 형태의 복수의 탄소나노튜브 팁(111) 중 일부의 팁이 파손되더라도 해당 팁의 교체없이 파손되지 않은 다른 팁을 이용하여 전자 방출이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 복수의 탄소나노튜브 팁(111) 중 일부가 열화로 손상되어 파손됨으로써 더 이상 그 기능을 하지 못할 때, 나머지 파손되지 않은 다른 팁의 동작에 따라 급격한 전자 방출의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 탄소나노튜브 팁의 교체 시간이나 그 제조 비용 등을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 지지기판(120)의 지지홀(122)과 게이트 기판(130)의 게이트홀(131)을 일정 간격으로 형성하여, 장착된 복수의 탄소나노튜브 팁(111)간의 간격과 지지기판(120)을 관통하여 나온 복수의 탄소나노튜브 팁(111)의 길이에 의하여 전계 차폐(screen effect)의 영향이 최소화될 수 있다.
따라서, 탄소나노튜브 팁(111)과 게이트 기판(130) 사이의 균일 전계에서 최소의 누설 전류로 전자빔을 발생시킬 수 있다.
캐소드 기판(110), 지지기판(120) 및 게이트 기판(130)은 실리콘(Si) 등 반도체 물질이나 금속 물질로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
지지기판(120)의 지지홀(122) 및 제1 고정홀(123)과 게이트 기판(130)의 게이트홀(131) 및 제2 고정홀(132)은 HF, NO3 등의 혼합 용액을 이용하는 반도체 습식 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
반도체 습식 공정은 상기 지지기판(120) 및 상기 게이트 기판(130)의 재질에 따라 적절한 습식 식각 용액을 이용하여 홀들(122, 123, 131, 132)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 탄소나노튜브 팁(111)은 상기 캐소드 기판 상에 형성된 금속 팁 및 상기 금속 팁 상에 형성된 탄소나노튜브(112)를 포함할 수 있다. 상기 금속 팁은 상기 지지기판(120)의 지지홀(122)을 관통하여 상기 지지기판(120)으로부터 돌출될 수 있다.
상기 복수의 탄소나노튜브 팁은 상기 팁의 말단부로부터 500㎛ 내지 2㎜ 길이까지 탄소나노튜브가 성장된 팁일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
만일, 탄소나노튜브가 성장된 부분이 상기 탄소나노튜브 팁의 말단부로부터 500㎛의 길이보다 짧다면 전자방출이 일어날 때 높은 전계에 의해 줄 가열(joule-heating)에 의한 고열이 발생하여 팁의 손상이 일어날 수 있다.
또한, 탄소나노튜브가 성장된 부분이 상기 탄소나노튜브 팁의 말단부로부터 2㎜의 길이보다 길다면 전계차폐현상에 의해 방출전류가 작아지는 문제가 있다.
상기 금속 팁의 말단부는 원뿔 모양일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 금속 팁은 Co, Ni, Fe, W, Invar 또는 이를 혼합한 합금을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
이하에서는 탄소나노튜브 팁 기반 3극관 냉음극 전자원의 일 실시예에 따른 냉음극 전자원을 제조하는 방법에 대하여 기술한다. 다만 이에 한정되지는 않는다.
제조예 1
먼저 복수의 금속 팁 및 지지대(121)가 형성된 캐소드 기판(110)을 준비한다.
상기 캐소드 기판(110) 상에 상기 복수의 금속 팁에 대응되어 형성된 지지홀(122) 및 제1 고정홀(123)을 가진 지지기판(120)을 배치하되, 상기 복수의 금속 팁 및 지지대(121)가 상기 지지홀(122) 및 제1 고정홀(123)을 관통하도록 배치한다.
상기 지지기판(120)의 지지홀(122)을 관통하여 나온 상기 복수의 금속 팁 부분에만 탄소나노튜브(112)를 성장하여 탄소나노튜브 팁(111)을 형성한다. 이 경우 상기 지지기판(120)은 섀도우 마스크(shadow mask)로 이용되어 금속 팁에 선택적으로 탄소나노튜브(112)가 성장된다.
상기 형성된 탄소나노튜브 팁(111)에 대응되어 형성된 게이트홀(131) 및 제2 고정홀(132)을 가진 게이트 기판(130)을 상기 탄소나노튜브 팁(111)과 일정 거리 이격되도록 배치한다.
상기 제1 고정홀(123)을 관통하여 돌출된 지지대(121)를 상기 제2 고정홀(132)과 연결한다.
예를 들어, 반도체 습식 식각 공정으로 지지기판(120)과 게이트 기판(130)의 홀들(122, 123, 131, 132)을 형성한다. 그리고 아직 탄소나노튜브가 성장되지 않은 말단부가 원뿔 모양인 복수의 금속 팁들을 캐소드 기판(110)에 장착한다. 지지대(121)를 이용해 지지기판(120)의 높낮이를 조절해 적절한 위치에 고정시킨다. 최소한 금속 팁들의 원뿔 모양의 말단부가 모두 지지기판(120) 위로 노출되도록 지지기판(120)을 움직여 그 위치를 고정하는 것이 바람직하다.
이에 따라 복수의 금속 팁들이 지지기판(120)의 대응 홀들을 관통하여 팁의 원뿔 모양 말단부가 노출되도록 준비된다.
그리고, 지지기판(120)을 관통하여 나온 복수의 금속 팁들의 부분에 지지기판(120)을 섀도우 마스크로 이용하여 탄소나노튜브(112)를 성장하게 된다.
코발트(Co) 팁을 이용하면 버퍼층이 없이도 코발트(Co) 팁 위에 탄소나노튜브를 직접 성장시킬 수 있다. 따라서, CNT/Co와 같은 구조의 탄소나노튜브 팁(111)을 형성할 수 있다.
제조예 2
상기 제조예 1과 동일하게 수행하되, 상기 탄소나노튜브 팁(111)을 형성하는 단계 이전에 상기 지지기판(120)의 지지홀(122)을 관통하여 나온 상기 복수의 금속 팁 부분에만 버퍼금속 및 촉매금속을 차례로 형성하는 단계 및 상기 지지기판(120)을 움직여 상기 지지기판(120)을 관통하여 나온 상기 금속 팁 부분의 길이를 조절하는 단계를 더 추가할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브 팁(111)을 형성하는 단계 이전에, 상기 지지기판(120)을 움직여 상기 지지기판(120)을 관통하여 나온 상기 금속 팁 부분의 길이를 조절하는 단계 및 상기 지지기판(120)의 지지홀(122)을 관통하여 나온 상기 복수의 금속 팁 부분에만 버퍼금속 및 촉매금속을 차례로 형성하는 단계를 더 추가할 수 있다.
상기 버퍼 금속은 TiN이고 상기 촉매 금속은 Co일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
예를 들어, 지지기판(120)이 섀도우 마스크 역할을 하므로, 지지기판(120)을 관통하여 나온 텅스텐(W) 팁의 끝 부분에만 TiN 버퍼 금속과 Co 촉매 금속을 차례로 형성할 수 있다.
다음에, 지지기판(120)을 움직여 지지기판(120)을 관통하여 나온 금속 팁의 길이가 더 짧아지도록 지지기판(120)을 위로 조절할 수 있다. 경우에 따라서는, 금속 팁의 길이가 더 길어지도록 지지기판(120)을 아래도 조절할 수도 있다.
지지기판(120)의 위치가 위와 같이 조정되면, 지지기판(120)을 섀도우 마스크로 하여 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)를 이용하여 탄소나노튜브(112)를 성장시킨다. 즉, C2H2 탄소나노튜브 소스 가스를 주입하여 상기 지지기판(120) 상에 돌출된 금속 팁의 끝 부분 중 TiN 과 Co가 형성된 부분에만 탄소나노튜브(112)를 성장시킨다.
이에 따라, CNT/Co/TiN/W-tip과 같은 구조의 탄소나노튜브 팁(111)이 생성된다.
제조예 3
먼저, 금속 팁의 말단부에만 탄소나노튜브가 성장된 탄소나노튜브 팁(111)을 준비한다.
상기 복수의 탄소나노튜브 팁(111) 및 지지대(121)를 캐소드 기판(110) 상에 형성한다.
상기 캐소드 기판(110) 상에 상기 복수의 탄소나노튜브 팁(111)에 대응되어 형성된 지지홀(122) 및 제1 고정홀(123)을 가진 지지기판(120)을 배치하되, 상기 복수의 탄소나노튜브 팁(111) 및 지지대(121)가 상기 지지홀(122) 및 제1 고정홀(123)을 관통하도록 배치한다.
상기 탄소나노튜브 팁(111)에 대응되어 형성된 게이트홀(131) 및 제2 고정홀(132)을 가진 게이트 기판(130)을 상기 탄소나노튜브 팁(111)과 일정 거리 이격되도록 배치하고, 상기 제1 고정홀(123)을 관통한 지지대(121)를 상기 제2 고정홀(132)과 연결하여 냉음극 전자원을 제조한다.
상기 제조예 3의 방식과 같이 별도로 제조된 탄소나노튜브 팁(111)을 캐소드 기판(110)에 장착하는 경우에는 핸들링과정에서 탄소나노튜브 팁(111)이 손상될 우려가 있다. 이와 같은 손상의 우려를 제거하기 위하여 상기 제조예 1 및 제조예 2의 방식이 바람직하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실험예
도 4a는 금속 팁 위에 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킨 샘플의 FESEM 이미지이다. 또한, 도 4b는 금속 팁 위에 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시킨 샘플의 전계방출 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 금속 팁 전체에 탄소나노튜브를 성장시킨 경우(CNT-A), 금속 팁 끝에서 300㎛까지 탄소나노튜브를 성장시킨 경우(CNT-B), 금속 팁 끝에서 1㎜까지 탄소나노튜브를 성장시킨 경우(CNT-C) 및 금속 팁 끝에서 1㎜ 떨어진 뒷부분인 팁의 몸통부분에만 탄소나노튜브를 성장시킨 경우(CNT-D)의 CNT 팁들의 FESEM 이미지이다.
도 4b를 참조하면, 금속 팁 끝에서 1㎜ 떨어진 뒷부분인 팁의 몸통부분에만 탄소나노튜브를 성장시킨 경우(CNT-D), 팁의 끝 부분에 CNT를 성장시킨 경우(CNT-A, CNT-B 및 CNT-C)와 비교하여 전자방출 개시전압(Von)이 가장 높게 나타났다.
이는 동일한 전압이 인가되어도 전계가 상대적으로 높은 팁의 끝 부분에서는 전자방출이 쉽게 일어나는 반면, 팁의 몸통 부분은 상대적으로 전계가 낮기 때문에 전자방출 확률이 현저히 떨어지기 때문이다.
또한, CNT-D의 경우에는 CNT가 팁의 몸통 부분에 존재하기 때문에 전계방출 측정시 CNT-애노드간의 거리가 다른 샘플들에 비해 더 멀어서 전계가 상대적으로 더 약하므로 전계방출이 더 어려워질 수 있다.
금속 팁 기판 전체에 CNT를 성장시킨 CNT-A의 Von이 약 570V 이상이고, CNT-B 및 CNT-C 샘플들의 Von은 약 450V 이하로 CNT-A의 Von값보다 낮다. 또한, 방출전류의 크기도 상대적으로 크게 증가하였다.
이는 동일한 인가 전압하에서도 상대적으로 전계가 약한 팁의 몸통 부분에 CNT를 성장시킨 CNT-A 샘플에 비하여 전계가 집중되는 팁의 끝 부분에 CNT를 성장시킨 CNT-B 및 CNT-C 샘플이 전자방출이 더 용이하기 때문이다.
또한, CNT-A 샘플의 경우에는 팁 몸통 부분에까지 과도하게 CNT가 성장되어 있기 때문에 전계방출을 위해 전압을 인가해 주면 밀집되어 있는 CNT에서 방출되는 전자들간에 서로 충돌할 확률이 높아진다.
따라서, 방출전류가 오히려 감소되는 현상이 나타날 수 있다. 이와 비교하여 팁의 몸통부분에는 CNT의 성장을 줄이고 팁의 끝 부분에 CNT가 많이 성장되게 만든 CNT-B 및 CNT-C의 경우에는 방출 전자의 충돌에 의한 방출전류의 감소 현상이 상대적으로 줄어든다.
한편, 팁의 끝에서부터 300㎛ 사이에서만 매우 국부적으로 CNT를 성장시킨 CNT-B의 경우에는 약 450V 정도의 낮은 구동전압에서 전자방출이 시작되었지만 약 800V 이상에서 방출전류가 급격히 감소되었다.
또한, 더 높은 전압이 인가되어도 작은 방출전류를 나타냈다. 이는 팁의 끝 부분에 국부적으로만 CNT가 존재하므로 전자방출이 일어날 때 높은 전계에 의해 줄 가열(joule-heating)에 의한 고열이 발생한다. 상기 발생된 고열에 의하여 기판과 CNT 사이의 접착력이 약화되어 일부의 CNT가 소실되고 남아 있는 CNT도 고열 및 팁 주변 입자들의 충돌에 의해 손상을 입게 된다. 따라서, 본래 CNT가 가지고 있던 우수한 종횡비(aspect ratio)가 저하되어 방출전류값이 작아지게 된다.
한편, 금속 팁 끝부터 1㎜ 사이에서만 CNT가 성장된 샘플(CNT-C)의 전계방출 특성이 가장 우수하였다.
도 5는 복수의 CNT 팁 에미터를 이용하여 전계방출 특성을 측정한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도 4의 CNT-C 샘플을 이용하여 CNT 팁 에미터를 1, 2, 4 및 6 개를 장착할 경우의 전계방출 특성을 측정하였다.
최대 전류량(Imax)은 장착한 CNT 팁의 개수가 1개인 경우 68㎂, 2개인 경우 128㎂, 4개인 경우 224㎂ 및 6개인 경우 395㎂이다.
장착한 CNT 팁 에미터의 수가 증가할수록 방출되는 전류량도 거의 비례하여 증가한다.
따라서, 장착하는 탄소나노튜브 팁 에미터의 수를 조절하여 고에너지의 X-선원이 필요한 응용에서는 탄소나노튜브 팁 에미터의 수를 증가시켜 방출 전류량을 증가시킬 수 있다.
또한, 고해상도의 X-선원이 필요한 응용에서는 탄소나노튜브 팁 에미터의 수를 감소시켜 방출 전류량은 다소 감소하나 발생한 전자의 집속(focusing)을 향상시킬 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: CNT 기반 3극관 냉음극 전자원
110: 캐소드기판 111: 탄소나노튜브 팁
112: 탄소나노튜브 120: 지지기판
121: 지지대 122: 지지홀
123: 제1 고정홀 130: 게이트기판
131: 게이트홀 132: 제2 고정홀
200: 애노드

Claims (10)

  1. 복수의 탄소나노튜브 팁 및 지지대가 형성된 캐소드 기판;
    상기 복수의 탄소나노튜브 팁에 대응되어 형성된 지지홀 및 제1 고정홀을 가지고, 상기 복수의 탄소나노튜브 팁이 상기 지지홀을 관통하고, 상기 복수의 탄소나노튜브 팁을 지지하기 위한 지지기판; 및
    상기 탄소나노튜브 팁과 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 지지홀을 관통하여 돌출된 상기 복수의 탄소나노튜브 팁에 대응되는 게이트홀 및 제2 고정홀이 형성된 게이트 기판을 포함하고,
    상기 지지대는 상기 지지기판의 제1 고정홀을 관통하여 상기 게이트 기판의 제2 고정홀에 연결되고,
    상기 캐소드 기판과 상기 게이트 기판 사이에 전압을 인가하여 상기 복수의 탄소나노튜브 팁으로부터 복수 형태로 발생하는 전자 방출을 이용하는 냉음극 전자원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 팁은,
    상기 캐소드 기판 상에 형성된 금속 팁; 및
    상기 금속 팁 상에 형성된 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자원.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속 팁은 상기 지지기판의 지지홀을 관통하여 상기 지지기판으로부터 돌출된 것을 특징으로 하는 냉음극 전자원.
  4. 제2항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 상기 금속 팁의 말단부로부터 500㎛ 내지 2㎜ 길이까지 성장된 것을 특징으로 하는 냉음극 전자원.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 금속 팁은 Co, Ni, Fe, W, Invar 또는 이를 혼합한 합금을 포함하는 냉음극 전자원.
  6. 복수의 금속 팁 및 지지대가 형성된 캐소드 기판을 준비하는 단계;
    상기 캐소드 기판 상에 상기 복수의 금속 팁에 대응되어 형성된 지지홀 및 제1 고정홀을 가진 지지기판을 배치하되, 상기 복수의 금속 팁 및 지지대가 상기 지지홀 및 제1 고정홀을 관통하도록 배치하는 단계;
    상기 지지홀을 관통하여 나온 상기 복수의 금속 팁 부분에만 탄소나노튜브를 성장하여 탄소나노튜브 팁을 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 탄소나노튜브 팁에 대응되어 형성된 게이트홀 및 제2 고정홀을 가진 게이트 기판을 상기 탄소나노튜브 팁과 일정 거리 이격되도록 배치하고, 상기 제1 고정홀을 관통하여 돌출된 지지대를 상기 제2 고정홀과 연결하는 단계를 포함하는 냉음극 전자원 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 팁을 형성하는 단계 이전에,
    상기 지지홀을 관통하여 나온 상기 복수의 금속 팁 부분에만 버퍼금속 및 촉매금속을 차례로 형성하는 단계; 및
    상기 지지기판을 움직여 상기 지지기판을 관통하여 나온 상기 금속 팁 부분의 길이를 조절하는 단계를 더 포함하는 냉음극 전자원 제조 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 팁을 형성하는 단계 이전에,
    상기 지지기판을 움직여 상기 지지기판을 관통하여 나온 상기 금속 팁 부분의 길이를 조절하는 단계; 및
    상기 지지홀을 관통하여 나온 상기 복수의 금속 팁 부분에만 버퍼금속 및 촉매금속을 차례로 형성하는 단계를 더 포함하는 냉음극 전자원 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 버퍼 금속은 TiN이고 상기 촉매 금속은 Co인 냉음극 전자원 제조 방법.
  10. 금속 팁의 말단부에만 탄소나노튜브가 성장된 복수의 탄소나노튜브 팁을 준비하는 단계;
    상기 복수의 탄소나노튜브 팁 및 지지대를 캐소드 기판 상에 형성하는 단계;
    상기 캐소드 기판 상에 상기 복수의 탄소나노튜브 팁에 대응되어 형성된 지지홀 및 제1 고정홀을 가진 지지기판을 배치하되, 상기 복수의 탄소나노튜브 팁 및 지지대가 상기 지지홀 및 제1 고정홀을 관통하도록 배치하는 단계;
    상기 탄소나노튜브 팁에 대응되어 형성된 게이트홀 및 제2 고정홀을 가진 게이트 기판을 상기 탄소나노튜브 팁과 일정 거리 이격되도록 배치하고, 상기 제1 고정홀을 관통하여 나온 지지대를 상기 제2 고정홀과 연결하는 단계를 포함하는 냉음극 전자원 제조 방법.
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