KR101651460B1 - 집중된 전계 방출을 위한 탄소 나노튜브 어레이 - Google Patents

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Abstract

전계 방출 장치를 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 탄소 나노튜브의 어레이가 캐소드 기판 상에 가변 높이 분포로 배열된다. 애노드가 제공되어, x-선 판을 향하는 방출된 전자를 가속한다. 탄소 나노튜브의 어레이에 걸쳐서 전압이 제공되어 전자의 방출을 야기한다. 첨예한 높이 분포는 선형이거나 포물선형일 수 있으며, 가변 높이 분포의 피크 높이는 어레이의 중심에서 발생할 수 있다. 측면 게이트는 또한 탄소 나노튜브의 어레이에 근접하여 제공되어, 개선된 전자 방출 및 집중 제어를 제공할 수 있다.

Description

집중된 전계 방출을 위한 탄소 나노튜브 어레이{CARBON NANOTUBE ARRAY FOR FOCUSED FIELD EMISSION}
본 출원은, 일반적으로, 집중된 전계 방출(focused field emission)을 위한 탄소 나노튜브 어레이(carbon nanotube array)에 관한 것이다.
본 출원은, 2009년 8월 17일에 출원된 인도 특허 출원 번호 1945/CHE/2009에 대한 우선권을 주장하며, 그 출원의 내용의 전체가 본 출원에 참조를 위해 포함된다. 본 출원은 또한, 2009년 11월 18일에 출원된 미국 특허 출원 번호 12/620,990에 대한 우선권을 주장한다.
의료 분야에서 소형화된 제품이 점차 많이 사용되어 오고 있다. 더 작은 제품을 사용하는 이점은, 이동의 편의, 감소된 패키징 및 운반 비용, 감소된 전력 소모, 및 열적 비틀림과 진동에 관련된 문제의 감소를 포함한다. 이들 이점에 비추어 보면, 시스템 및 장치의 소형화는 활발한 연구의 영역이 되고 있다. 지난 십 년 동안에, 더 작은 생물 의학 장치를 개발하기 위한 새로운 제조 기술 및 재료를 개발하는데 많은 진전이 있었다. 장치의 실질적인 소형화를 제공할 수 있는 하나의 전망 있는 연구 영역은, 탄소 나노튜브의 사용을 포함한다.
탄소 나노튜브는, 더 높은 강도 및 더 높은 전기적 및 열적 전도성을 포함하는, 작은 패키지에서 뛰어난 구조적, 기계적 및 전자적 속성을 보여준다. 탄소 나노튜브는, 기본적으로 탄소 원자의 육각형의 네트워크이며, 원통형으로 말려진 그래파이트(graphite)의 층으로 생각될 수 있다.
탄소 나노튜브를 제조하는데 사용되는 기법은, 1) 탄소 아크 방전(arc-discharge) 기법, 2) 레이저 제거(laser-ablation) 기법, 3) 화학 기상 증착(chemical vapor deposition: CVD) 기법, 및 4) 고압 일산화탄소 기법을 포함한다.
탄소 나노튜브가 개발되기 전에는, X-선을 생성하는 전통적인 방법이, 매우 높은 온도로 가열되는 때의 전자의 소스로써 동작하는 금속 필라멘트(캐소드(cathode))의 사용을 포함하였다. 가열된 필라멘트로부터 방출된 전자는 금속 목표물(애노드(anode))에 충돌함으로써 X-선을 생성한다.
그러나, 연구 결과에 따르면, 열이온 방출에 비하면, 전계 방출이 전자를 추출하는 더 좋은 메커니즘일 수 있다. 전계 방출에서, 전자는 상온에서 방출되며, 출력 전류는 전압 제어 가능하다. 또한, 전자 방출에 필요한 전압은 감소된다.
일 실시예에 따르면, 전계 방출 장치는, 기판 및 기판 상에 가변적인 높이 분포로 배열된 탄소 나노튜브의 어레이를 갖는 캐소드를 포함하며, 가변적인 높이 분포는 그 분포의 에지(edge)에서 중심으로 진행한다. 가변적인 높이 분포는, 그 분포의 에지에서 중심으로 선형 진행을 갖는다. 전계 방출 장치는, 또한, 탄소 나노튜브의 어레이의 적어도 일부분과 동일한 평면에 측면 게이트의 적어도 일부분이 존재하도록, 부분적으로 중첩되는 방식으로 그 어레이와 인접하도록 배열된 측면 게이트를 포함할 수 있다. 측면 게이트는, 탄소 나노튜브 어레이를 원주방향으로 둘러쌀 수 있다. X-선 영상기기 또는 조사 장치에 사용하기 위해, 전계 방출 방치는, 탄소 나노튜브의 어레이 및 캐소드 상에 배치된 X-선 판을 더 포함할 수 있다. X-선 판은, 탄소 나노튜브의 어레이로부터 방출된 전자에 의해 충돌되는 경우에 X-선을 생성하는 재료로 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 영상 장치는, 픽셀의 어레이를 포함할 수 있으며, 각 픽셀은 전계 방출 장치를 포함하고, 각 전계 방출 장치는, 기판과 가변적인 높이 분포로 그 기판 상에 배열된 탄소 나노튜브의 어레이를 갖는 캐소드를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 전계 방출 방치에서 전계 방출을 집중(focusing)하는 방법은, 캐소드 기판 상에 배열된 탄소 나노튜브의 어레이에 걸쳐서 전압을 제공하는 단계를 포함하며, 어레이는 첨예한 높이 분포(pointed height distribution)를 갖도록 구성되며, 가변 높이 분포는 그 분포의 에지에서 중심으로 진행한다.
다른 실시예에서, 전계 방출 장치에서 전계 방출을 집중하는 방법은, 캐소드 기판 상에 배열된 탄소 나노튜브의 어레이에 걸쳐서 전압을 제공하는 단계를 포함하며, 탄소 나노튜브의 어레이는, 탄소 나노튜브의 평균 높이가 캐소드 기판의 원주 상의 위치로부터 캐소드 기판의 중심 위치까지 증가하고, 탄소 나노튜브의 최대 평균 높이는 캐소드 기판의 실질적인 중심에서 발생하도록 구성된다.
상기 요약은 예시적인 것일 뿐이며 어떤 방식으로도 제한적으로 의도된 것은 아니다. 상기한 예시적 양상, 실시예, 및 특징들에 추가하여, 다른 양상, 실시예, 및 특징은 도면과 이하 상세한 설명을 참조하여 명확해질 것이다.
도 1은, 본 개시의 일 실시예에 따른, 전계 방출기를 포함하는 x-선 방출 소스 장치의 사시도이다.
도 2는, 본 개시의 다른 실시예에 따른, 전계 방출기를 포함하는 x-선 방출 소스 장치의 사시도이다.
도 3은, 도 1의 실시예와 같이 배열된 탄소 나노튜브 팁(tip)을 둘러싼 전계의 밀도(concentration)를 도시하는 윤곽도(contour plot)이다.
도 4는, 650V의 DC 전압 하에 탄소 나노튜브의 직경을 변경하기 위한 시뮬레이션된 전계 방출 전류 이력을 도시하는 도면이다.
도 5는, 650V의 DC 전압 하에 인접하는 탄소 나노튜브 사이의 간격을 변경하기 위한 시뮬레이션된 전계 방출 전류 이력을 도시하는 도면이다.
도 6(a)는, 발명의 예시적 실시예에 따라, 높이 분포에서, 전계 방출의 t = 50s에서 탄소 나노튜브의 어레이의 초기의 및 편향된(deflected) 형상의 시뮬레이션 도면이다.
도 6(b)는, 비교예의 임의의 높이 분포에서, 전계 방출의 t = 50s에서 탄소 나노튜브의 어레이의 초기의 및 편향된 형상의 시뮬레이션 도면이다.
도 7(a)는, 본 개시의 예시적 실시예에 따라, 높이 분포에서, 전계 방출의 t = 50s에서 100개의 탄소 나노튜브의 어레이에서의 탄소 나노튜브의 시뮬레이션된 팁 편향 각도(tip deflection angle)를 도시하는 도면이다.
도 7(b)는, 비교예의 임의의 구성에서, 전계 방출의 t = 50s에서 100개의 탄소 나노튜브의 어레이에서의 탄소 나노튜브의 시뮬레이션된 팁 편향 각도를 도시하는 도면이다.
도 8은, 어레이의 에지 근방의 나노튜브 상의 전위에 대한 측면 게이트의 효과를 도시하는 도면이다.
도 9(a)는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 첨예한 형상의 높이 분포에서, 전계 방출의 t = 50s에서 100개의 CNT(탄소 나노튜브)의 어레이에 대한 전계 방출 전류 밀도의 시뮬레이션된 시간 이력을 도시하는 도면이다.
도 9(b)는, 비교예의 임의의 높이 분포에서, 전계 방출의 t = 50s에서 100개의 CNT의 어레이에 대한 전계 방출 전류 밀도의 시뮬레이션된 시간 이력을 도시하는 도면이다.
도 10은, t = 50s에서 첨예한 형상의 높이 분포 어레이 및 임의의 분포 어레이 모두에서 탄소 나노튜브의 팁 상에서의 전류 밀도의 시뮬레이션된 분포를 도시하는 도면이다.
도 11(a)는, 본 개시의 일 실시예에 따라, 첨예한 형상의 높이 분포에서, 전계 방출의 t = 50s에서 100개의 CNT의 어레이에 대한 탄소 나노튜브의 팁에서의 시뮬레이션된 최대 온도를 도시하는 도면이다.
도 11(b)는, 비교예의 임의의 높이 분포에서, 전계 방출의 t = 50s에서 100개의 CNT의 어레이에 대한 탄소 나노튜브의 팁에서의 시뮬레이션된 최대 온도를 도시하는 도면이다.
다음 상세한 설명에서, 여기의 일부를 형성하는 첨부 도면에 대한 참조가 이루어진다. 도면에서, 문맥상 다르게 기재되지 않는 한, 유사한 기호는 일반적으로 유사한 구성요소를 나타낸다. 상세한 설명, 도면 및 청구범위에 기재된 예시적 실시예들은 제한적으로 의도된 것이 아니다. 여기에 제시된 대상의 사상과 범위를 벗어나지 않으면서, 다른 실시예들이 사용될 수 있고, 다른 변경들이 가해질 수 있다. 본 개시의 양상들은, 여기에 일반적으로 기재되고 도면에 도시된 것과 같이, 서로 다른 구성들의 광범위한 변형 예에서 배열, 치환, 조합 및 설계될 수 있음이 명백하고, 이들 모두 명시적으로 고려되어 본 개시의 일부를 이룬다는 것이 이해될 것이다.
도 1은, 일 실시예에 따라 단일 픽셀로써의 x-선 생성 소스(100)를 도시한다. 기판 상에 성장된 탄소 나노튜브는, 전계 방출 응용분야에서 전자 소스로써 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브 어레이는 캐소드 기판 상에서 성장될 수 있으며, 이들의 집합적 동적 특성(collective dynamics)이 사용되어, 각 탄소 나노튜브 상의 감소된 부하가 영상 장치의 더 연장된 동작 수명으로 이어질 수 있으면서, 어레이의 전체 방출 강도는 충분이 높게 되도록 할 수 있다. 이러한 어레이는, x-선 생성 소스가 중요한 구성요소가 되는, 나노 크기의 x-선 영상 및/또는 x-선 전달 장치를 형성하는데 유용하게 사용될 수 있다. x-선 영상 장치는, 예를 들어, 포유 동물의 골격 구조를 촬영하기 위한 골격 영상기기를 포함한다. x-선 전달 장치는, 예를 들어, 악성 세포의 추가 성장을 제어하기 위한 암 치료 플랜의 일부로써 사용되는 목표 조사 치료 장치(targeted radiation therapy device)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, x-선 생성 소스(100)는, 캐소드 기판(2), 탄소 나노튜브(6)의 탄소 나노튜브 어레이(4), 애노드(8), 측면 게이트(12), 및 기판(2)과 측면 게이트(12) 사이의 선택적인 절연층(14)을 포함할 수 있다. 도 1이 단일 x-선 생성 소스(100)로 구성된 단일 픽셀을 도시하고 있지만, 실제의 x-선 생성 소스는, 1차원, 2차원 또는 3차원 어레이에서의 복수의 픽셀을 포함할 수 있다.
x-선 생성 소스(100)의 캐소드 기판(2)은 캐소드 어레이(4)를 지지하고, 탄소 나노튜브(6)를 위한 성장 표면을 제공한다. 탄소 나노튜브(6)가 성장할 수 있는 기판 재료는, 예를 들어, 알루미늄, 구리, 스테인레스강, 몰리브덴, 실리콘, 석영, 운모, 또는 높은 방향성을 갖는 열분해 그래파이트(highly oriented pyrolytic graphite: HOPG)를 포함한다. 다른 재료도 사용될 수 있다. 캐소드 기판(2)은 도 1에 도시된 것처럼 원통 형상일 수 있거나, 예를 들어, 사각 또는 다각형을 포함하는 다른 형상일 수 있다. 캐소드 기판 재료는 또한 캐소드 나노튜브 어레이(4)를 위한 강건한 지지를 제공할 수 있다.
캐소드 나노튜브 어레이(4)는 캐소드 기판(2) 위에 형성된다. 도 1이 기판(2) 상에 직접 형성되는 탄소 나노튜브(6)를 도시하지만, 하나 이상의 층이 기판(2) 및 탄소 나노튜브 어레이(4) 사이에 형성될 수 있다. 어레이를 형성하는 탄소 나노튜브(6)는 단일벽 나노튜브(single-wall nanotube: SWNT) 또는 다중벽 나노튜브(multi-wall nanotube: MWNT)로써 성장될 수 있다.
대부분의 SWNT는 1 나노미터에 가까운 직경을 갖고, 그 튜브 길이는 수 천 배 더 길게 될 수 있다. SWNT의 구조는 그래핀(graphene)이라고 불리는 그래파이트의 일원자 두께 층(one-atom-thick layer)을 이음새없는(seamless) 원통 형상으로 말아올림으로써 개념화될 수 있다.
MWNT는 튜브 형상을 형성하도록 그래파이트의 다중 층이 그 위에 말려져 구성된다. MWNT는 2가지 방식으로 형성될 수 있다. 제1 모델에서, 그래파이트의 쉬트(sheet)가, 예를 들어, 더 큰 SWNT 나노튜브 내의 SWNT와 같이, 동심의 원통형상으로 배열된다. 제2 모델에서, 하나의 그래파이트 쉬트가 그 자신의 주위에 말려져서, 말려진 신문지 같은 형상을 갖는다. 다중 벽의 나노튜브에서 층간 거리는, 그래파이트의 그래핀 층 사이의 거리인, 약 3.3 Å(330 pm)에 가깝다.
탄소 나노튜브(6)는, 일정한 방향성을 갖는 것이 바람직하지만, 일정한 방향성을 갖거나 임의의 방향성을 가질 수 있다. 예를 들어, 레이저 제거, 아크 방전, 또는 화학 기상 증착을 포함하는, 임의의 개수의 탄소 나노튜브 성장 프로세스가 사용되어 나노튜브 어레이를 형성할 수 있다. 다른 성장 프로세스도 사용될 수 있다. 탄소 나노튜브(6)는, 팔걸이 의자(armchair) 구조, 지그재그(zigzag) 구조, 키랄(chiral) 구조, 또는 임의의 다른 구조를 가질 수 있다.
탄소 나노튜브(6)는 또한, 하나 이상의 서로 다른 원자 종에 의한 도핑 또는 원자 결함을 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브(6)는, 붕소, 질화 붕소, 구리, 몰리브덴, 또는 코발트로 도핑될 수 있다. 탄소 나노튜브(6)의 도핑은, 개선된 전자 방출 효율을 제공할 수 있다. 모든 탄소 나노튜브(6)는, 유사한 양(dose)에서 유사한 불순물로 도핑될 수 있거나, 도핑 및/또는 불순물은 탄소 나노튜브(6)의 어레이(4)에 걸쳐서 변화될 수 있다.
애노드(8)는 캐소드 기판(2)으로부터 축방향으로 거리(d) 만큼 오프셋(offset)된다. 애노드(8)는 구리와 같은 전도성 금속으로 형성될 수 있다. 캐소드 기판(2) 및 애노드(8) 사이에 전압(V0)을 인가함으로써 캐소드 기판(2) 및 애노드(8) 사이에 전계가 형성된다.
나노튜브가 캐소드 기판 상에 수직으로 놓여지고, 튜브의 바닥 에지와, 튜브의 다른 말단(튜브의 팁)으로부터 어느 정도의 거리에 있는 애노드 사이에 전위차가 인가되면, 전자가 가장 잘 흐르게 된다. 애노드 및 튜브의 다른 말단 사이에, 자유 공간이 튜브 팁으로부터 탄도 형상(ballistically)으로 전자의 방출을 늘린다.
인가된 전계는, 애노드(8)를 향한 축방향으로 탄소 나노튜브 어레이(4)로부터 방출된 전자를 가속한다. 다른 애노드 재료 및 구조도 사용될 수 있다. 예를 들어, 애노드(8)가 메쉬(mesh) 구조로 형성될 수 있다.
일부 응용에서, x-선 판(미도시)이 애노드(8) 위에, 탄소 나노튜브 어레이(4)로부터 방출된 전자에 의해 충돌되어 애노드(8)에 의해 가속될 때, x-선을 생성하는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 구리(Cu) 또는 몰리브덴(Mo)이 사용될 수 있다. 다른 재료도 사용될 수 있다. x-선 판에 의해 생성된 x-선을, 캐소드 기판(2) 및 애노드(8)가 배열된 축방향으로부터 오프셋된 각 방향으로 향하게 하도록, x-선 판은 축으로부터 각도를 가질 수 있다.
도 2는, x-선 소스 생성기(200)의 대안적 실시예를 도시한다. 도 2의 전개도에 도시된 바와 같이, 나노튜브 어레이(4)는 측면 게이트(2) 및 베릴륨(Be) 박막 윈도우(22)에 의해 밀폐된 용기에 수용되어, x-선 소스 생성기(200)의 향상된 동작을 위한 진공상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 10-3 내지 10-9 bar 범위의 진공상태가 사용될 수 있다. 베릴륨(Be) 박막 윈도우(22)는 밀폐된 용기의 가장 상부 면에 제공되어, 용기의 내부를 진공상태로 유지하면서, 생성된 x-선이 통과할 수 있도록 할 수 있다.
추가적인 MEMS에 기초한 빔 제어 메커니즘이 또한 x-선 소스 생성기(200)에 포함될 수 있다. MEMS에 기초한 빔 제어 메커니즘은 측면 게이트(12) 상에 형성된, 빔 제어를 위한 제1 분할 측면 게이트(24), 분할 측면 게이트(24)로 개별 제어를 제공하는 금속 전극(26), 절연층(28), 및 분할되거나 그렇지 않을 수 있는, 빔 제어를 위한 제2 측면 게이트(30)를 포함할 수 있다. 추가의 절연층(미도시)이 형성되어, 아래 위치한 측면 게이트(12)로부터 전극(26)을 절연할 수 있다. 대안적으로, 넓은 밴드 갭 반도체 및 금속을 사용함으로써, 추가의 절연층에 대한 요구가 없어질 수 있다.
빔 제어를 위한 분할 측면 게이트(24)가 사용되어, 나노튜브 어레이(4)로부터 전자 방출을 균질화(homogenize)할 수 있다. 빔 제어(24)의 분할은, 나노튜브 어레이(4)로부터 방출된 전자의 정밀한 제어 및 방향 설정을 허용한다. 예를 들어, 일 예에서, 분할된 빔 제어(24)를 포함하는 세그먼트(segment)의 각각에는, 베릴륨 윈도우를 통해 전자 방출을 집중하기 위해 실질적으로 유사한 전위가 제공될 수 있다. 대안적으로, 나노튜브 어레이(4)의 특정 방향성으로 인해, 또는 아마도 나노튜브 어레이의 형성 과정에서의 결함으로 인해, 특정 사분면으로 향하는 전자 방출이 방향 설정될 수 있다. 예를 들어, 분할된 빔 제어(24) 내의 영역의 순서상 북동 사분면을 향하는 경향이 있는 전자 방출이, 분할된 빔 제어(24)에서 잔여 세그먼트 보다 높은 전위에서 분할된 빔 제어(24)의 북동 사분면에서 세그먼트(32, 34)에 에너지를 공급함으로써, 중심 위치로 향하도록 방향 설정될 수 있다.
분할된 빔 제어(24)의 세그먼트를 제어하기 위한 로직(logic)이 각 x-선 소스 생성기(200)에 제공될 수 있거나, x-선 소스 생성기의 어레이의 주변 위치, 또는 심지어 오프칩(off-chip) 위치에 배치될 수 있다. 로직은, 제조 시 또는 그 후에 결정되는 하드 코딩(hard-coded)된 전위 인가 값을 포함하거나, 전자 방출의 감지된 위치에 대해 변경될 수 있는 가변 전위를 포함하거나, 장치의 운영자에 의해 조정되는 수동 조절된 값을 포함할 수 있다.
분할된 빔 제어(24)에 추가하여, 추가의 분할된 또는 비분할된 빔 제어 링(30)이 분할된 빔 제어(24) 상에 제공될 수 있다. 분할된 빔 제어(24)는 일반적으로, 나노튜브 어레이(4)의 최대 높이와 동일하거나 대략 수직한 면에 위치할 수 있다. 이에 비해, 추가의 빔 제어 링(30)은, 사전결정된 거리에서 전자 방출의 이동 방향에 배치되어, 베릴륨 윈도우(22)를 통한 생성된 전자의 방출 전에, 추가적인 레벨의 빔 제어를 제공한다. 도 2에 도시되지 않았지만, 추가의 금속 와이어링(wiring)이 배치되어, 추가의 빔 제어 링(30)에 하나 이상의 전위를 제공할 수 있다.
도 2의 구성요소가 일반적으로 원 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 예를 들어, 다각형을 포함하는 다른 형상이 사용될 수 있음을 주지하는 것이 중요하다. 또한, 분할된 빔 제어(24)가, 예를 들어, 마스킹 및 에칭 프로세스, 리소그래피 프로세스, 또는 선택적 증착 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 다른 프로세스도 사용될 수 있다.
도 1의 x-선 소스 생성기(100) 또는 도 2의 x-선 소스 생성기(200)의 나노튜브 어레이(4)에서 전자를 생성하는 일반적인 방법은, 실질적으로 다르지 않다. 캐소드 기판(2) 및 애노드(8) 사이에 전압이 인가되면, 탄소 나노튜브(6)는 전자를 방출하기 시작하고, 애노드(8) 및 캐소드(2) 사이의 인가된 전계의 방향에 따라 애노드(8)를 향해 전자가 가속된다.
배경 전계는, E=-V0/d으로 정의될 수 있는데, 여기서 V0=Vd-Vs는 인가된 바이어스 전압, Vs는 기판 측 상의 일정한 소스 전위, Vd는 애노드 측 상의 드레인 전위, d는 이전과 마찬가지로 전극 사이의 간격이다. 전체 정전 에너지는, 탄소 나노튜브 상의 전하로 인한 전위 에너지 및 균일한 배경 전계에 따른 선형 감소(linear drop)로 구성된다. 따라서, 전체 정전 에너지는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014089558464-pat00001
여기서, e는 양 전자 전하, G(i,j)는 i가 링 위치를 나타내고
Figure 112014089558464-pat00002
가 링 상에서의 노드 위치 j에서의 전자 밀도를 기술하는 경우의 그린 함수(Green's function)이다. 본 경우에서, 그린 함수를 계산하면서, 인접하는 탄소 나노튜브의 노드 전하도 고려될 수 있다. 이는 필수적으로 막에서의 탄소 나노튜브 분포로 인해 비국지 기여(non-local contribution)를 도입한다. 전체 전계
Figure 112014089558464-pat00003
은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014089558464-pat00004
전계 방출(field emission)에 따른 전류 밀도(J)는 파울러 노르트하임(Fowler-Nordheim: FN) 방정식을 사용하여 얻어진다.
Figure 112014089558464-pat00005
여기서,
Figure 112014089558464-pat00006
는 탄소 나노튜브의 일 함수이며, B 및 C는 상수이다. 계산은 매 시간 단계에서 실행되며, 이후에 탄소 나노튜브의 기하의 갱신이 이루어진다. 결과적으로, 탄소 나노튜브 사이의 전하 분포도 변경된다.
탄소 나노튜브 및 자유 공간 꼭대기를 포함하는 캐소드 기판의 막의, 기본 부피 V에 대응하는 애노드 표면으로부터의 전계 방출 전류(Icell)는 다음과 같이 얻어질 수 있다.
Figure 112014089558464-pat00007
여기서 Acell는 애노드 표면적이고, N은 부피 기본 요소에서의 탄소 나노튜브의 개수이다. 전체 전류는, 셀 단위의 전류(Icell)를 합산하여 얻어진다. 이 공식은 탄소 나노튜브 팁의 방향성의 효과를 고려한다.
상기 정의된 전계에 의해 전자가 가속되고 애노드(8)를 통과하면, 전자는 x-선 판(10)과 충돌한다. X-선 판(10)의 재료에 대한 전자의 충돌은, x-선이, 전자의 충돌 각도 및 x-선 판(10)의 경사 각도에 적어도 기초하여, 대응하는 각도로 방출되도록 한다. 대안적으로, 또는 추가적으로, x-선 판으로부터 x-선의 각도가 있는 방출을 제공하도록 x-선 판(10)의 결정 구조 방향성이 사용될 수 있다.
도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 가변 높이 분포로 어레이(4)의 탄소 나노튜브(6)를 배열함으로써, 더 집중된 전자 빔이 형성되고, 그 결과 더 집중된 x-선 빔이 출력된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가변 높이 분포의 실시예는, 첨예한 높이 분포를 포함하며, 여기서 탄소 나노튜브(6)의 평균 높이가, 캐소드 기판(2)의 원주 위치("A")에서 캐소드 기판(2)의 중심 위치("B")로 증가하며, 캐소드 기판(2)의 대략 중심 위치("B")에서 최대 평균 탄소 나노튜브 높이를 갖는다. 이러한 첨예한 높이 분포에서, 최대 평균 탄소 나노튜브 높이는, 실질적으로 나노튜브의 어레이의 중심에서 발생한다. 도 1은 원주 위치에서 중심 위치로 선형 진행하는 경우를 도시하나, 예를 들어, 포물선형(parabolic) 또는 로그형(logarithmic) 같은 다른 진행이 사용될 수 있다. 어느 경우에서도, 분포는 어레이의 중심 영역에 걸쳐서 바람직하게는 대칭이다.
또한, 도 1은 균일 탄소 나노튜브(6)의 단일 열을 도시하지만, 다른 배열이 동일 또는 유사한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브(6)의 2차원 어레이가 도 2에 도시된 것처럼 제공될 수 있다. 탄소 나노튜브의 2차원 어레이는, 첨예한 높이 분포의 요구사항을 따르는, 피라미드 형상 또는 원뿔 형상을 취할 수 있다. 마찬가지로, 일반적인 선형 진행이 도 2에 도시되었지만, 예를 들어, 포물선형 또는 로그형을 포함하는 비선형 진행도 사용될 수 있다. 2차원 어레이에서 사용된 진행과는 별개로, 바람직하게는, 실질적으로 2차원 어레이의 중심에서 어레이의 최대 높이가 발생된다.
도 1의 1차원 또는 도 2의 2차원 어레이에 대해, 전자 방출 및 집중에 대한 향상된 제어를 제공하기 위해,, 측면 게이트(12)가 나노튜브 어레이(4)를 둘러싸고 배치될 수 있다. 도 1에 더 명확히 도시된 바와 같이, 측면 게이트(12)는 탄소 나노튜브 어레이(4)와 동일한 수평면(Pcna)에 배열될 수 있다. 도 1이 탄소 나노뷰브 어레이(4)에 의해 정의되는 수평면(Pcna)과 중첩되는 측면 게이트(12)의 전체 높이(hsg)를 도시하지만, 이러한 관계가 요구되는 것은 아니다. 예를 들어, 측면 게이트(12)의 높이에 의해 정의되는 수평면(Psg)의 단지 일부가, 탄소 나노튜브 어레이(4)의 높이에 의해 정의되는 수평면(Pcna)의 일부와 중첩될 필요가 있다.
측면 게이트(12)는 캐소드 기판(2)에 전기적으로 단락될 수 있거나, 중간 절연층(14)을 통해 캐소드 기판(2)으로부터 분리될 수 있다. x-선 생성 소스(100)에서 전자 방출 및 집중에 대한 향상된 제어를 제공하기 위해, 중간 절연층(14)을 제공함으로써, 별개의 전압차(Vgate)가 측면 게이트(12)에 인가될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 측면 게이트(12)는 탄소 나노튜브 어레이(4)의 원주를 둘러쌀 수 있다. 이것은, 예를 들어, 측면 게이트 층에 그루브(36)를 에칭하고, 형성된 그루브(36)에 나노튜브 어레이(4)를 성장 및/또는 증착함으로써 이루어질 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 독립적인(stand-alone) 측면 게이트 구성요소가, 탄소 나노튜브 어레이(4)의 주변의 이산적인 위치에 제공될 수 있다.
도 3은, 애노드(8) 및 캐소드 기판(2) 사이의 대략 650V의 전압(V0)의 인가되고, 측면 게이트(12)가 캐소드 기판(2)에 단락되어 있는, 도 1의 x-선 생성 소스에서의 횡단 전계 분포(Ez)(42)를 도시한다. 거리(h)는, 캐소드 기판(2)으로부터 중앙의 탄소 나노튜브(6)의 피크 높이까지의 거리이다. 거리(d)는, 캐소드 기판(2)으로부터 측면 게이트(12)의 상부까지의 거리이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 생성된 전계는, 대칭적인 측면 력장(lateral force field) 하의 탄소 나노튜브 팁 근방에 집중된다.
탄소 나노튜브 어레이(4)의 가변 높이 분포를 이용하여, 다수의 시뮬레이션이 실행되었다. 시뮬레이션 동안에, 캐소드 기판(2) 및 애노드 표면(8) 사이의 거리는 34.7 μm로 취해졌다. 측면 게이트(12)의 높이는 6 μm인 반면에, 어레이(4)에서 인접하는 탄소 나노튜브(6) 사이의 공간은 2 μm로 선택되었다. 650V의 DC 바이어스 전압(V0)이 캐소드 기판(2) 및 애노드(8)에 걸쳐서 인가되었다. 탄소 나노튜브 전계 방출 특성에 영향을 주는, 탄소 나노튜브(6) 직경 및 간격은 이들 시뮬레이션 동안에 일정하게 유지되었다.
도 4 및 도 5는, 직경 및 간격이 탄소 나노튜브 어레이(4)의 전계 방출 특성에 어떤 영향을 줄 수 있는지를 도시한다. 도 4 및 도 5는 특히, 캐소드 기판(2)에서 탄소 나노튜브(6) 사이의 직경 및 간격과 같은, 2개의 서로 다른 매개변수 변화에 대한 전계 방출 전류 이력을 도시한다. 첫번째 경우에, 인접하는 탄소 나노튜브(6) 사이의 간격은 일정하게 유지되었으나, 직경은 변경되었다. 서로 다른 값의 직경에 대한 전류 이력은 도 4에 도시된다. 도면으로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 큰 직경 값에서 출력 전류가 낮다. 이것은, 작은 직경의 탄소 나노튜브에 비해 큰 직경의 탄소 나노튜브(6)에서 전류 증폭이 작기 때문이다.
두번째 경우에, 직경은 일정하게 유지된 반면에, 인접하는 탄소 나노튜브(6) 사이의 간격은, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm, 및 5 μm 중에서 변경되었다. 이들 모든 경우에서 전류 이력은 도 5에 도시된다. 도 5의 5개의 곡선에서의 경향은, 모든 경우에 전류가 초기에는 감소하고, 그 이후에는 일정하게 됨을 보여주며, 인접한 탄소 나노튜브 사이의 간격이 증가함에 따라, 출력 전류는 증가함을 보여준다. 도 4 및 도 5의 결과는, 또한 첨예한 높이 어레이의 탄소 나노튜브에도 적용될 수 있으며, 이 경우 탄소 나노튜브 직경 및 간격을 선택적으로 결정함으로써 특정 응용에 대해 요구되는 전류-전압 특성을 얻을 수 있다.
도 6(a) 및 도 6(b)는, 첨예한 높이 분포 어레이 구성 및 임의의 높이 분포 어레이 구성에서의 탄소 나노튜브의 변형을 비교한다. 실선은 초기 위치를 도시하며, 쇄선은 대략 50s 후의 최종 위치를 도시한다. 도 6(a)는, 에지에서 6 μm로부터 중심에서 12 μm까지 변화하는 높이를 갖는 첨예 높이 분포로 탄소 나노튜브가 배열된 경우를 도시한다. 도 6(b)는, h = (h0 ± 2μm) ± 2μm × rand(1)와 같이 변화하는 높이를 갖는 임의의 분포의 어레이로 탄소 나노튜브(6)가 배열된 경우를 도시한다. 여기서, rand 함수는 난수 발생기를 나타낸다.
전계 방출 동안의 탄소 나노튜브의 변형은, 느린 시간 영역에서 다양한 전기기계적 힘과, 빠른 시간 영역에서 전자-음향양자(electron-phonon) 상호작용에 따른 탄소 나노튜브 쉬트의 변동의 복합적인 효과이다. 따라서, 전체 위치변화(utotal)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014089558464-pat00008
여기서, u(1) 및 u(2)는 전기기계적 힘과 전자-음향양자 상호작용에 따른 탄소 나노튜브 쉬트의 변동에 따른 위치변화를 각각 나타낸다.
상기한 바에 비추어 보면, 탄소 나노튜브 팁의 편향은, 탄소 나노튜브 어레이(4)의 전류-전압 응답의 표시자를 제공한다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 쇄선 및 붉은 선으로 표시된 첨예한 높이 분포에서의 탄소 나노튜브의 초기 및 최종 위치는 실질적으로 동일하며, 이는 탄소 나노튜브 팁의 편향이 없거나 적음을 나타낸다. 이에 비교하면, 도 6(b)의 쇄선 및 실선으로 표시되는 임의의 높이 분포에서 탄소 나노튜브의 초기 및 최종 위치는, 실질적으로 더 많은 편향을 나타낸다. 따라서, 첨예한 높이 분포는, 임의의 높이 분포에 비해 개선되고 안정적인 전류-전압 응답을 제공하고, 이는 임의의 높이 분포보다 향상된 전자 흐름 효율을 나타낸다.
도 7(a) 및 7(b)는, 각각 첨예한 높이 분포 및 임의의 분포에 대한 탄소 나노튜브 편향 각도를 도시한다. 각 분포에는 임의의 초기 편향 각도가 제공된다. 쇄선은 초기 편향 각도를 도시하고, 붉은 선은 대략 50s의 시간 후의 최종 편향 각도를 도시한다.
측면 력장의 강한 영향이 도 7(a) 및 도 7(b)에 명확히 나타날 수 있다. 이러한 력장은 전기역학적인 척력을 생성하여, 어레이의 에지를 향한 탄소 나노튜브에 대한 결과적인 힘의 불균형은 결국 도 7(b)의 탄소 나노튜브 팁의 방향성을 불안정하게 한다. 도 7(a)의 첨예한 높이 분포 배열에서, 이 힘의 불균형은, 탄소 나노튜브 높이의 점차적인 감소로 인해 최소화되며, 이에 따라, 더 적은 양의 편향이 관찰된다. 또한, 측면 전기역학적 힘은 임의의 분포의 어레이에서 불안정을 야기하고, 여기서 전자가 애노드에 의해 이끌리며, 탄소 나노튜브 팁이 도 7(b)에 도시된 바와 같이 상당한 길이 연장을 경험하게 된다.
도 8은, 어레이(4)의 중간 근방의 나노튜브(6)와 비교하였을 때, 어레이(4)의 에지 근방의 나노튜브(6) 상의 전위 비교를 포함하는, 측면 게이트(12)의 구현 결과를 도시한다. 화살표는, 어레이(4)의 에지에서의 전위의 하락을 표시하며, 이는 측면 게이트만의 영향이다. 측면 게이트(12)에 의한 어레이의 에지에서의 전위의 하락은, 어레이(4)의 에지에서의 나노튜브(6)의 측면 편향 및 전계 방출을 안정화하는데 도움이 된다.
도 9(a) 및 9(b)는, 각각 첨예한 높이 어레이 및 임의의 높이 어레이의 경우에, 어레이로부터의 최대, 최소 및 평균 전류 밀도의 시간 이력을 비교한다. 도 9(a) 및 9(b)의 평균 전류 밀도(실선)를 비교함으로써 보여질 수 있는 바와 같이, 첨예한 높이 어레이의 경우의 평균 전류 밀도는, 임의의 높이 어레이의 경우의 평균 전류 밀도보다 거의 3배 이상이다. 이 결과는, 첨예한 높이 어레이(4) 및 측면 게이트(12)를 이용하여 달성한 개선효과를 분명히 보여준다. 도 9(a)의 첨예한 어레이 경우의 평균 전류 밀도의 크기의 3배 증가에 더하여, 시간적 변동 또한 도 9(b)에 비하여 작으며, 이는 높은 안정성을 유지하면서 전계 방출은 개선됨을 나타낸다.
도 10은, 임의의 분포 어레이와 비교하여, 첨예한 높이 어레이에서의 방출 전류 밀도의 공간적 분포를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 첨예한 높이 어레이에서 전류 밀도는, 어레이의 중간을 향한 안정적인 방출 및 집중을 보여준다.
도 11(a) 및 11(b)는, 각각 첨예한 높이 분포 어레이 및 임의의 분포 어레이에 있어서, 100개의 탄소 나노튜브의 어레이 상에서의 각 탄소 나노튜브(6)의 팁에서의 온도를 보여준다. 전자의 방출 동안에, 여러 개의 양자 상태 및 음향-열적 음향양자(acoustic-thermal phonon) 모드 사이의 상호작용이 발생한다. 전자가 자유 공간에서 탄성 전자(ballistic electron)가 됨에 따라, 방출된 전자에 의해 탄소 나노튜브 캡(cap) 영역으로 방사되는 대응 에너지는 열적 과도상태(thermal transient)를 생성한다. 도 11(a)는, 첨예한 높이 분포 어레이의 중심에서 대략 480K까지의 온도 상승을 보여준다. 또한, 첨예한 높이 분포 어레이의 온도 분포는, 에지를 향한 다소 점차적인 감소를 보여준다. 반면에, 도 11(b)에 도시된 것처럼, 임의의 높이 분포 어레이는, 탄소 나노튜브가 큰 팁 회전을 함에 따라, 더 강한 전자-음향양자 상호작용을 일으킨다. 그 결과, 임의의 분포 어레이에서의 최대 온도는 거의 600K이며, 500K를 넘는 온도는 어레이 상의 몇몇의 분산점(disparate point)에서 발생한다.
이상 살펴본 바와 같이, 첨예한 높이 분포 어레이에서 탄소 나노튜브를 배열하고, 어레이 근방에 측면 게이트 구조를 제공함으로써, 예를 들어, 나노 영역에서의 개선된 x-선 생성 소스가 제공될 수 있다.
본 개시는 본 출원에 기재된 특정 실시예에 의해 제한되는 것은 아니며, 이는 다양한 측면의 도시를 통해 의도되었다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 많은 변경 및 변형이 이루어질 수 있다. 본 개시에 나열된 것에 추가하여, 본 개시의 범위 내에서 기능적으로 동일한 방법 및 장치는, 상기 기재로부터 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 변경 및 변형은, 첨부된 청구범위 내에 포함되는 것을 의도한다. 본 개시는, 첨부된 청구범위에게 주어지는 권리범위와 균등한 전체 범위와 함께, 그 청구범위에 의해서만 제한된다. 본 개시는 특정 방법, 시약, 합성물, 혼합물, 또는 재료에 제한되지 않으며, 물론 이들은 변경될 수 있다. 또한, 본 개시에 사용된 용어는 특정 실시예를 기술하기 위한 목적으로 사용되었으며, 제한되는 것을 의도하지 않는다.
본 개시의 실질적으로 어떠한 복수 및/또는 단수 용어들의 사용에 관해서, 당업자라면 문맥 및/또는 응용에 적합하도록 복수를 단수로 해석하거나 단수를 복구로 해석할 수 있다. 다양한 단수/복수 조합은 명확성을 위해 본 개시에 명시적으로 기재될 수 있다.
당업자라면, 일반적으로 본 개시에 사용되며 특히 첨부된 청구범위(예를 들어, 첨부된 청구범위)에 사용된 용어들이 일반적으로 개방적(open) 용어(예를 들어, 용어 "포함하는"은 "포함하지만 이에 제한되지 않는"으로, 용어 "갖는"는 "적어도 갖는"으로, 용어 "포함하다"는 "포함하지만 이에 한정되지 않는" 등으로 해석되어야 함)로 의도되었음을 이해할 것이다. 당업자라면, 도입된 청구항의 기재사항의 특정 수가 의도된 경우, 그러한 의도가 청구항에 명시적으로 기재될 것이며, 그러한 기재사항이 없는 경우, 그러한 의도가 없음을 또한 이해할 것이다.
예를 들어, 이해를 돕기 위해, 이하의 첨부 청구범위는 "적어도 하나" 및 "하나 이상" 등의 도입 구절의 사용을 포함하여 청구항 기재사항을 도입할 수 있다. 그러나, 그러한 구절의 사용이, 부정관사 "하나"("a" 또는 "an")에 의한 청구항 기재사항의 도입이, 그러한 하나의 기재사항을 포함하는 대상으로, 그러한 도입된 청구항 기재사항을 포함하는 특정 청구항을 제한함을 암시하는 것으로 해석되어서는 안되며, 동일한 청구항이 도입 구절인 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 "하나"("a" 또는 "an")과 같은 부정관사(예를 들어, "하나"는 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 일반적으로 해석되어야 함)를 포함하는 경우에도 마찬가지로 해석되어야 한다. 이는 청구항 기재사항을 도입하기 위해 사용된 정관사의 경우에도 적용된다. 또한, 도입된 청구항 기재사항의 특정 수가 명시적으로 기재되는 경우에도, 당업자라면 그러한 기재가 일반적으로 적어도 기재된 수(예를 들어, 다른 수식어가 없는 "두 개의 기재사항"을 단순히 기재한 것은, 일반적으로 적어도 두 개의 기재사항 또는 두 개 이상의 기재사항을 의미함)를 의미하도록 해석되어야 함을 이해할 것이다.
또한, "A, B 및 C 중의 적어도 하나"와 유사한 규칙이 사용된 경우에는, 일반적으로 그러한 해석은 당업자가 그 규칙을 이해할 것이라는 전제가 의도된 것이다(예를 들어, "A, B 및 C 중의 적어도 하나를 갖는 시스템"은, A만을 갖거나, B만을 갖거나, C만을 갖거나, A 및 B를 함께 갖거나, A 및 C를 함께 갖거나, B 및 C를 함께 갖거나, A, B, 및 C를 함께 갖는 시스템을 포함하지만 이에 제한되지 않음). "A, B 또는 C 중의 적어도 하나"와 유사한 규칙이 사용된 경우에는, 일반적으로 그러한 해석은 당업자가 그 규칙을 이해할 것이라는 전제가 의도된 것이다(예를 들어, "A, B 또는 C 중의 적어도 하나를 갖는 시스템"은, A만을 갖거나, B만을 갖거나, C만을 갖거나, A 및 B를 함께 갖거나, A 및 C를 함께 갖거나, B 및 C를 함께 갖거나, A, B, 및 C를 함께 갖는 시스템을 포함하지만 이에 제한되지 않음). 또한 당업자라면, 실질적으로 어떠한 이접 접속어(disjunctive word) 및/또는 두 개 이상의 대안적인 용어들을 나타내는 구절은, 그것이 상세한 설명, 청구범위 또는 도면에 있는지와 상관없이, 그 용어들 중의 하나, 그 용어들 중의 어느 하나, 또는 그 용어들 두 개 모두를 포함하는 가능성을 고려했음을 이해할 것이다. 예를 들어, "A 또는 B"라는 구절은 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
당업자가 이해하는 바와 같이, 서면의 기재를 제공하는 것과 같은 어떠한 그리고 모든 목적을 위해서, 본 개시에 기재된 모든 범위는 모든 어떠한 가능한 하위범위 및 그 하위범위의 결합을 또한 포괄한다. 임의의 나열된 범위는, 그 동일한 범위가 적어도 동일한 이분 범위, 삼분 범위, 사분 범위, 오분 범위, 십분 범위 등으로 분할될 수 있으며, 그러한 동일 범위를 충분히 기술하는 것으로 용이하게 인식될 수 있다. 제한되지 않은 예로서, 본 개시에 기재된 각 범위는, 하위 삼분, 중간 삼분, 상위 삼분 등으로 용이하게 분할될 수 있다. 또한 당업자가 이해하는 바와 같이, "까지(up to)", "적어도(at least)", "보다 큰(greater than)", "보다 작은(less than)" 등과 같은 모든 언어는 인용된 수를 포함하며, 상술한 바와 같은 하위 범위로 분할될 수 있는 범위들을 나타낸다. 마지막으로, 당업자가 이해하는 바와 같이, 범위는 각 개별 구성요소를 포함한다. 따라서, 예를 들어, 1-3셀을 갖는 그룹은, 1 셀, 2 셀 또는 3 셀을 갖는 그룹을 나타낸다. 마찬가지로, 1-5셀을 갖는 그룹은, 1 셀, 2 셀, 3 셀, 4 셀 또는 5 셀 등을 갖는 그룹을 나타낸다.
다양한 양상 및 실시예들이 본 개시에서 기술되었지만, 다른 양상 및 실시예들이 당업자에게 명확할 것이다. 본 개시에 기재된 다양한 양상 및 실시예는 예시를 목적으로 제시된 것이고, 제한하려고 의도된 것은 아니며, 진정한 범위 및 사상은 이하 청구범위에 의해 나타낸다.

Claims (18)

  1. 기판 및 상기 기판 상에 가변 높이 분포로 배열된 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 캐소드 - 상기 가변 높이 분포는 상기 분포의 에지로부터 중심까지의 진행을 포함함 -;
    상기 기판 상에 직접 배열되며, 적어도 그 일부분이 상기 탄소 나노튜브의 어레이의 적어도 일부분의 높이에 의해 정의되는 평면과 동일한 평면에 존재하도록 부분적으로 중첩되는 방식으로 상기 탄소 나노튜브의 어레이와 인접하게 배열되는 적어도 하나의 측면 게이트; 및
    상기 적어도 하나의 측면 게이트 상에 형성되며, 상기 탄소 나노튜브의 어레이로부터 방출된 전자의 궤적을 변경하는 복수의 빔 제어 세그먼트를 포함하는 분할된 빔 제어 기구;
    를 포함하는 전계 방출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분할된 빔 제어 기구 상에 형성된 절연층 및 상기 절연층 상에 형성된 빔 제어를 위한 추가의 측면 게이트를 더 포함하는 전계 방출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분할된 빔 제어 기구는, 상기 탄소 나노튜브의 어레이의 최대 높이와 동일하거나 수직인 평면에 있도록 배치되는, 전계 방출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔 제어 세그먼트의 각각에 독립적으로 에너지를 제공하기 위한, 상기 분할된 빔 제어 기구에 연결된 제어 로직을 더 포함하는 전계 방출 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변 높이 분포는, 상기 분포의 상기 에지에서 상기 중심으로 진행하며, 상기 가변 높이 분포는 상기 어레이의 중심에서 발생하는 피크 높이를 포함하는, 전계 방출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가변 높이 분포는, 상기 어레이의 중심 영역 상에 대칭적인, 전계 방출 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가변 높이 분포는, 상기 어레이의 원주 상의 위치로부터 중심 위치로의 선형 높이 진행을 포함하는, 전계 방출 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 가변 높이 분포는, 상기 어레이의 원주 상의 위치로부터 중심 위치로의 로그형(logarithmic)의 높이 진행을 포함하는, 전계 방출 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 가변 높이 분포는, 상기 어레이의 원주 상의 위치로부터 중심 위치로의 포물선형 높이 진행을 포함하는, 전계 방출 장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 측면 게이트는 상기 탄소 나노튜브의 어레이를 원주 방향으로(circumferentially) 둘러싸는, 전계 방출 장치.
  11. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드, 상기 탄소 나노튜브의 어레이, 상기 분할된 빔 제어 기구 상에 배치된 x-선 판을 더 포함하며, 상기 x-선 판은, 상기 탄소 나노튜브의 어레이로부터 방출된 전자에 의해 충돌되는 때에 x-선을 생성하는 재료를 포함하는, 전계 방출 장치.
  12. 픽셀의 어레이를 포함하는 영상 장치(imaging device)로서,
    각 픽셀은, 전계 방출 장치, 분할된 빔 제어 기구 및 적어도 하나의 측면 게이트를 포함하고, 각 전계 방출 장치는 캐소드를 포함하며, 상기 캐소드는, 기판 및 상기 기판 상에 가변 높이 분포로 배열된 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하며, 상기 가변 높이 분포는 상기 분포의 에지로부터 중심으로의 진행을 포함하며,
    각 분할된 빔 제어 기구는, 상기 적어도 하나의 측면 게이트 상에 형성되고, 대응하는 전계 방출 장치로부터 방출된 전자의 궤적을 변경하는 복수의 빔 제어 세그먼트를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 측면 게이트 각각은, 상기 기판 상에 직접 배열되고 상기 측면 게이트의 적어도 일부분이 상기 탄소 나노튜브의 어레이의 적어도 일부분의 높이에 의해 정의되는 평면과 동일한 평면에 존재하도록, 부분적으로 중첩되는 방식으로 상기 탄소 나노튜브의 어레이와 인접하게 배열되는, 영상 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가변 높이 분포는, 에지 부분에서 중심 부분으로의 선형 진행을 포함하며, 상기 가변 높이 분포의 피크 높이는 상기 탄소 나노튜브의 어레이의 중심에서 발생하는, 영상 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 픽셀의 어레이의 전계 방출 경로에 배치된 x-선 판을 더 포함하며, 상기 x-선 판은, 상기 전계 방출 장치로부터 방출된 전자에 의해 충돌되는 때에 x-선을 생성하는 재료를 포함하는, 영상 장치.
  15. 전계 방출 장치에서 전계 방출을 집중(focusing)하는 방법에 있어서,
    캐소드 기판 상에 배열된 탄소 나노튜브의 어레이에 걸쳐서 제1 전압을 제공하는 단계 - 상기 어레이는 첨예한 높이 분포를 갖도록 구성됨 -; 및
    적어도 하나의 측면 게이트 상에 배치된 분할된 빔 제어 기구에 대응하는 세그먼트에 적어도 제2 및 제3 전압을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 측면 게이트는 상기 캐소드 기판 상에 직접 배열되고, 상기 적어도 하나의 측면 게이트의 적어도 일부분이 상기 탄소 나노튜브의 어레이의 적어도 일부분의 높이에 의해 정의되는 평면과 동일한 평면에 존재하도록, 부분적으로 중첩되는 방식으로 상기 어레이에 인접하여 배열되는, 전계 방출을 집중하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 첨예한 높이 분포는, 에지 부분에서 중심 부분으로의 선형 진행을 포함하며, 상기 첨예한 높이 분포의 피크 높이는, 상기 어레이의 중심에서 발생하는, 전계 방출을 집중하는 방법.
  17. 전계 방출 장치에서 전계 방출을 집중하는 방법에 있어서,
    캐소드 기판 상에 배열된 탄소 나노튜브의 어레이에 걸쳐서 전압을 제공하는 단계 - 상기 탄소 나노튜브의 어레이는, 상기 캐소드 기판의 원주 상의 위치로부터 상기 캐소드 기판의 중심 위치로 탄소 나노튜브의 평균 높이가 증가하고, 상기 캐소드 기판의 중심에서 탄소 나노튜브의 최대 평균 높이가 발생하도록 구성됨 -; 및
    적어도 하나의 측면 게이트 상에 배치된 분할된 빔 제어 기구에 대응하는 세그먼트에 적어도 제2 및 제3 전압을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 측면 게이트는 상기 캐소드 기판 상에 직접 배열되고, 상기 적어도 하나의 측면 게이트의 적어도 일부분이 상기 탄소 나노튜브의 어레이의 적어도 일부분의 높이에 의해 정의되는 평면과 동일한 평면에 존재하도록, 부분적으로 중첩되는 방식으로 상기 어레이에 인접하여 배열되는, 전계 방출을 집중하는 방법.
  18. 기판 및 상기 기판 상에 가변 높이 분포로 배열된 탄소 나노튜브의 어레이를 포함하는 캐소드 - 상기 가변 높이 분포는 상기 어레이의 중심 영역 상에서 대칭적이고, 상기 탄소 나노튜브의 어레이는 상기 어레이의 중심에서 발생하는 피크 높이를 가짐 -;
    상기 기판 상에 직접 배열되고 그 일부가 상기 탄소 나노튜브의 어레이의 일부의 높이에 의해 정의되는 평면과 동일한 평면에 존재하는 부분적으로 중첩되는 방식으로 상기 어레이에 인접하여 배열되는 측면 게이트; 및
    상기 기판 및 상기 측면 게이트 상에 형성되며, 상기 탄소 나노튜브의 어레이로부터 방출된 전자의 궤적을 변경하기 위한 복수의 빔 제어 세그먼트를 포함하는 분할된 빔 제어 기구
    를 포함하는 전계 방출 장치.
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