KR102581254B1 - 탄소 에미터 증착 장치 및 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에미터용 탄소 구조물, 에미터용 탄소 구조물을 제조하는 증착 장치 및 에미터용 탄소 구조물의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 증착 장치는 기판이 탑재되며 접지 상태인 제1전극; 상기 제1전극 상부로 이격 대향하는 제2전극; 서로 이격 대향하는 상기 제1전극과 제2전극 사이의 공간인 증착 영역의 둘레를 감싸는 코일 전극; 상기 제2전극에 전압을 인가하는 제1전원; 및 상기 코일 전극에 전압을 인가하는 제2전원;을 포함한다.

Description

탄소 에미터 증착 장치 및 증착 방법{Apparatus and Method for Fabricating Carbon Emitter}
본 발명은 전계방출 에미터용 탄소 구조물(탄소 에미터), 이의 제조방법 및 이를 제조하는 장치에 관한 것으로, 상세하게, 전계 집중이 용이하게 발생하고 낮은 문턱전압을 가지며 안정적인 전계방출 특성을 갖는 탄소 에미터를 제조할 수 있는 증착 장치 및 방법에 관한 것이다.
전계방사(전계방출)는 물질 표면에 일반적으로 10MV/m 이상의 전계가 인가되면 물질 중의 전자가 진공 중에 방출되는 현상이다. 이 전계방사에 사용되는 통상적인 물질로, 카본나노튜브(CNT)나 침상돌기를 갖는 탄소막구조체(CCNS, 도 1 참고)를 들 수 있다. 카본나노튜브나 침상돌기를 갖는 탄소막구조체는 끝이 가늘고 긴 파이프상으로 그 고 에스펙트비(aspect ratio)에 의해 높은 전계집중계수를 가지며, 우수한 방사특성을 갖는다. 전계방사특성(IV 특성)이란 양극과 전계 방출 기능을 갖는 음극 사이에 전압 V를 인가하여 인가전압 V와 전계방사 전류(에미션 전류) I와의 관계를 나타내는 곡선, 전계방출을 개시하는 전압(동작개시전압 또는 문턱전압)이나 상기 곡선의 기울기나 형상으로 특징지을 수 있다.
진공 하에서 이러한 냉 음극에 텅스텐등 X선의 발생효율이 좋은 금속으로 이루어진 양극(타깃)을 마주 배치하고, 냉 음극에 음전압을 인가하여 양극을 접지하면 냉 음극에서 전계방사에 의해 전자가 방출된다. 이 방출한 전자가 전극간에 걸리는 전압에 의해 가속되어 타깃에 충돌하여 X선을 발생시키는 냉 음극 X선관이 있다.
X선이 발생하기 위해서는 일정한 에너지와 양을 갖는 전자류의 방출이 필요하다. 이 전자량을 나타내는 에미션 전류(I)를 세로축으로 양극과 음극 사이의 전압(V)을 가로축으로 해서 나타내는 전류전압(IV) 특성곡선은 냉 음극의 전자방출 성능을 나타내고 있다.
탄소막구조체를 냉 음극 X선관에 적용할 경우 일반적으로 관전압은 30kV 이상, 관전류는 0.01mA 이상이 필요하다. 또 X선관에서는 관내 진공중의 잔류가스가 탄소막구조체로부터 방출된 전자에 의해 이온을 생성한다. 이 이온이 전계에 의해 가속되어 탄소막구조체(에미터)에 충돌한다. 이로써 전자 방출 상태가 변화하여 안정된 X선 출력을 얻을 수 없다.
탄소막구조체는 끝부분에서 효율적으로 전계가 인가되도록 끝부분의 곡률과 튜브 길이의 비가 큰 것이 좋다고 여겨져 왔다. 사실 탄소막구조체의 에스펙트 비는 매우 크다.
그러나, 모든 성장된 결정에서 동일한 에스펙트 비를 갖는 것은 아니며, 에스펙트 비에는 불연속적인 분포가 존재한다. 그렇기 때문에 낮은 인가전압에서는 길쭉한 혹은 특이하게 큰 에스펙트 비의 것이 먼저 전자를 방출 하지만 전압의 상승에 따라 파괴 소멸되고, 그 다음으로 큰 에스펙트 비를 갖는 것이 전자를 방출한다. 이와 같이 인가전압에 대해 전자 방출하는 구조체가 변화한다. 이것이 흔히 말하는 전자방출의 불안정성(Flickering)이 된다.
이 현상을 탄소막구조체 전체로 생각해보면, 전압을 인가해 서서히 올려 나가면 탄소막구조체의 일부 영역에서 전자 방출이 생기며, 이로 인한 전류 값은 상당히 높은 값을 이루다가 전류방출의 한계나 방전에 의해 전자방출이 이루어지지 않게 되면서 전자방출이 다른 영역으로 옮겨가 또 다른 전자 방출이 이루어지는 것이다.
탄소막 구조체를 전계 전자방사를 이용하는 전자관이나 X선관에 적용함에 있어 대전류화와 전자의 불안정성(Flickering)방지 및 성능의 안정화를 제한하고 있다. 그래서 우선 낮은 동작 개시전압을 가지고 인가전압V에서 탄소막 구조체의 전자방출의 인자인 전계집중계수 β값이 큰 일부 영역에서 전자 방출하는 것이 아니라 막 전체에서 전자방출하며 안정된 IV의 특성을 제공하는 전계방출 에미터용 탄소막의 실현이 요구되고 있었다.
대한민국 공개특허 제2020-0090715호
본 발명의 목적은 낮은 문턱전압을 가져 대전류화가 가능하며, 전자의 불안정성(Flickering)이 방지되어 안정적인 전계방사특성을 갖는 탄소 에미터를 제조할 수 있는 탄소 에미터 증착 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 탄소 구조물은 전계방출 에미터용 탄소 구조물로, 1차원 탄소체가 랜덤하게 얽히며 뻗은 덩굴 구조체를 포함하며, 상기 덩굴 구조체의 표면에 2차원 탄소체가 랜덤하게 돌출된 구조를 갖는다.
일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물에 있어, 상기 2차원 탄소체는 그래핀을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물에 있어, 상기 2차원 탄소체의 돌출 방향은 상기 2차원 탄소체가 위치하는 표면의 법선 방향을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물에 있어, 상기 덩굴 구조체의 표면에 상기 2차원 탄소체가 둘 이상 집합된 가시 형태의 집합체로 돌출되되, 적어도 상기 집합체를 이루는 2차원 탄소체의 외측 에지(edge) 부분이 서로 이격될 수 있다.
일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물에 있어, 상기 집합체는 상기 1차원 탄소체에 방사상으로 무질서하게 이격 위치할 수 있다.
일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물에 있어, 상기 집합체가 위치하는 표면을 기준으로 상기 집합체의 돌출 높이는 5 내지 500nm일 수 있다.
일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물은 탄소입자들이 막 형태로 응집된 탄소막을 더 포함할 수 있으며, 상기 덩굴 구조체는 상기 탄소막에 결착된 상태일 수 있다.
본 발명은 상술한 에미터용 탄소 구조물(탄소 에미터) 증착 장치를 포함한다.
본 발명에 따른 탄소 에미터 증착 장치는 기판이 탑재되며 접지 상태인 제1전극; 상기 제1전극 상부로 이격 대향하는 제2전극; 서로 이격 대향하는 상기 제1전극과 제2전극 사이의 공간인 증착 영역의 둘레를 감싸는 코일 전극; 상기 제2전극에 전압을 인가하는 제1전원; 및 상기 코일 전극에 전압을 인가하는 제2전원;을 포함한다.
일 실시예에 따른 탄소 에미터 증착 장치에 있어, 상기 코일 전극은 상기 증착 영역에서 상기 제1전극 측에 위치할 수 있다.
일 실시예에 따른 탄소 에미터 증착 장치에 있어, 제1전극과 제2전극간의 이격 거리를 1로 하여, 상기 코일 전극의 길이는 0.3 내지 0.8을 만족할 수 있다.
일 실시예에 따른 탄소 에미터 증착 장치에 있어, 상기 제2전극에 인가되는 DC 전압에 의해 상기 증착 영역에 플라즈마가 형성되며, 상기 코일 전극에 의해 플라즈마 중의 가스에 회전 흐름이 야기될 수 있다.
일 실시예에 따른 탄소 에미터 증착 장치에 있어, 상기 탄소 에미터 증착 장치는 상기 제1전극, 제2전극 및 코일 전극이 내부 구비되며 증착이 수행되는 내부 공간을 제공하는 챔버; 상기 내부 공간에 탄소 소스를 포함하는 가스상을 공급하는 가스공급수단; 및 상기 내부 공간의 압력을 조절하는 배기수단;을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 탄소 에미터 증착 장치를 이용한 탄소 에미터 증착 방법을 포함한다.
본 발명은 상술한 탄소 에미터 증착 방법(제조방법)을 포함한다.
본 발명에 따른 탄소 에미터 증착 방법은 a) 중력 방향으로 서로 이격 대향하는 제1전극과 제2전극 중 하부에 위치하는 제1전극에 기판을 탑재하고 수소 가스를 도입하고 제2전극에 전압을 인가하여 수소 플라즈마를 형성하는 단계; 및 b) 수소 플라즈마에 기상의 탄소 소스를 공급하고 코일 전극을 이용하여 적어도 기판과 인접한 플라즈마 중의 가스에 회전 흐름을 형성하는 단계;를 포함한다.
일 실시예에 따른 탄소 에미터 증착 방법에 있어, 상기 b) 단계에서 플라즈마에 의해 제1전극 측과 제2전극 측 간 온도차가 발생할 수 있다.
일 실시예에 따른 탄소 에미터 증착 방법에 있어, 상기 온도차에 의해 상기 플라즈마 중의 가스는 기판 중심에서 제2전극 방향으로 상승하는 상승 흐름과 상승된 플라즈마 중의 가스가 기판 쪽으로 하강하는 하강 흐름이 형성되며, 상기 코일 전극에 의해 상기 상승 흐름, 하강 흐름 또는 상승 흐름과 하강 흐름이 회전될 수 있다.
본 발명에 따른 증착 장치 및 방법은 기상의 탄소 소스를 이용하여 종래 탄소나노튜브나 탄소막 구조체 대비 문턱 전압의 저전압화가 가능하며 매우 안정적인 IV 특성을 갖는 탄소 에미터를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 탄소막 구조체를 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물 증착을 위한 증착 장치의 구조를 도시한 일 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물을 관찰한 다른 주사전자현미경 사진이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물을 관찰한 또 다른 주사전자현미경 사진이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물을 관찰한 또 다른 주사전자현미경 사진이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물의 I-V 특성(B) 및 종래 탄소막 구조체의 I-V 특성(A)을 측정 도시한 도면이며,
도 8은 도 1의 종래 탄소막 구조체를 고배율로 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 에미터용 탄소 구조물, 이의 제조방법 및 이의 제조장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 출원인은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 지속적인 연구를 수행한 결과, 1차원 탄소체가 덩굴 모양으로 성장한 탄소 구조물에 기반하여 탄소 구조물이 그 표면에 예리한 끝을 갖는 작은 가시 형상의 돌출 구조가 다량 형성된 경우, 낮은 전압에서 큰 에미션 전류가 발생함을 확인하고, 작은 가시형 돌출 구조를 갖는 덩굴 모양의 탄소 구조물에 개량을 거듭한 결과, 저전압에서 고전압으로 전압을 상승하는 과정에서도 안정적으로 큰 에미션 전류가 발생하며, 실질적으로 탄소 구조물 전체에서 전자 방사가 발생하는 탄소 구조물을 개발하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상술한 연구에 기반한 본 발명에 따른 탄소 구조물은 전계방사 에미터용 탄소 구조물이다. 본 발명에 따른 탄소 구조물은, 1차원 탄소체가 랜덤하게 얽히며 뻗은 덩굴 구조체를 포함하며, 덩굴 구조체의 표면에 2차원 탄소체가 랜덤하게 돌출된 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 에미터용 탄소 구조물은 1차원 탄소체의 덩굴 구조체에 기반하며 덩굴 구조체 표면 전체적으로 다량의 2차원 탄소체 돌출부(돌기)가 형성되어 있어, 탄소 구조물 전체적으로 전자 방사가 발생할 수 있고, 낮은 전압에서 매우 높은 에미션 전류를 가질 수 있으며, 안정적인 I-V 특성을 나타낼 수 있다.
일 구체예에서, 1차원 탄소체는 섬유상의 그래핀 응집체일 수 있다. 섬유상의 그래핀 응집체는 그래핀이 랜덤하게 겹쳐지고 응집되어 섬유상을 이루거나 또는 그래핀과 탄소나노튜브등과 같은 1차원 탄소나노구조체가 랜덤하게 혼재하며 응집되어 섬유상을 이루는 것일 수 있다. 이때, 1차원 탄소체 및 2차원 탄소체 모두 전도성 탄소체임은 물론이다. 1차원 탄소체의 직경은 101 nm 내지 102 nm 수준, 구체적으로 10nm 내지 900nm 수준, 보다 구체적으로 10nm 내지 500nm 수준일 수 있고, 1차원 탄소체의 길이는 100 μm 내지 102 μm 수준, 구체적으로 10 μm 내지 900μm 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구체예에서, 덩굴 구조체는 1차원 탄소체가 랜덤하게 얽히며 뻗은 구조로, 하나의 1차원 탄소체가 휘어져 얽히거나 및/또는 둘 이상의 1차원 탄소체가 서로 얽히며 뻗어나가되, 일 면(가상의 면)의 면내 방향으로 일 면에 퍼지도록 뻗어나가는 구조를 가질 수 있다. 이때, 덩굴 구조에서 1차원 탄소체를 줄기로 간주하면, 덩굴 구조체는 줄기에서 둘 이상의 가지가 갈라져 나온 형태를 가질 수 있다. 덩굴 구조체는 1차원 탄소체가 뻗어 나온 영역과 서로 얽혀 뭉쳐진 영역이 랜덤하게 분포하며 거시적으로 막 형상을 이룰 수 있다.
일 구체예에서, 덩굴 구조체의 표면에는 2차원 탄소체를 포함하는 돌출부가 위치할 수 있으며, 실질적으로 덩굴 구조체 표면에 전체에 다량의 2차원 탄소체 돌출부가 랜덤하게 위치할 수 있다.
덩굴 형태와 같이 꾸러미처럼 밀집된 형상은 전압 집중을 억제하여 전계방사 특성을 나타내지 않으나 덩굴 구조체의 표면에 돌출된 돌출부에 전압이 집중되며 전자가 방출될 수 있다.
돌출부의 2차원 탄소체는 2차원 나노 탄소체일 수 있으며, 2차원 나노 탄소체는 그래핀을 포함할 수 있다. 이때, 그래핀은 단층 그래핀 및/또는 다수개의 그래핀이 적층된 시트인 그래핀 시트를 의미할 수 있다.
돌출부가 그래핀에 의해 형성되는 경우, 2차원 구조에 의해 돌출부에 걸리는 전계 집중이 약해지며 전계 집중의 불균일성을 억제할 수 있으며, 이와 함께, 극히 얇은 두께에 의해 그래핀의 에지에서는 낮은 전압에서 전자의 방출이 이루어질 수 있다. 이에, 일 돌출부에서 발생하는 전자의 수가 줄어드는 대신, 실질적으로 모든 돌출부에서 전자가 방출될 수 있으며, 각 돌출부가 실질적으로 동일하게(고르게) 전자를 방출할 수 있다.
2차원 구조 및 낮은 에스펙트 비(aspect ratio)에 의해 전계 집중의 불균일성을 보다 효과적으로 낮출 수 있도록 그래핀은 그 면적이 0.0001μm2 내지 0.100μm2 수준, 구체적으로 0.005 내지 0.050μm2, 보다 구체적으로 0.005 내지 0.020μm2인 미세 그래핀인 것이 좋다. 실질적으로, 그래핀의 직경은 10nm 내지 500nm, 실질적으로 50 내지 400nm, 보다 실질적으로 100 내지 300nm일 수 있다.
유리하게, 2차원 탄소체, 구체적으로 그래핀의 돌출 방향은 2차원 탄소체가 위치하는 덩굴 구조체의 표면에서의 법선 방향을 포함할 수 있다. 즉, 그래핀은 덩굴 구조체의 표면에 위치하는 1차원 탄소체에 수직 방향으로 서 있는 형태로 돌출될 수 있다. 이러한 법선 방향의 돌출은 방출된 전자가 용이하게 탄소 구조물 밖으로 빠져 나올 수 있어 유리하다. 그러나, 본 발명에서 2차원 탄소체(일 예로, 그래핀)의 돌출 방향이 돌출부가 위치하는 표면의 법선 방향만으로 한정되어 해석될 수 없으며, 법선 방향을 포함한 여러 방향으로 2차원 탄소체(일 예로, 그래핀)가 돌출되어 있는 것으로 해석하는 것이 타당하다. 실질적인 일 예로, 2차원 탄소체(그래핀)은 표면과 실질적으로 거의 평행한 것에서 표면에 수직으로 서 있는 것 까지 다양한 각도로 돌출되어 있을 수 있다.
일 구체예에서, 돌출부는 단일한 2차원 탄소체이거나 및/또는 복수의 2차원 탄소체가 집합된 집합체일 수 있다. 돌출부가 집합체인 경우, 집합체는 거시적으로 가시 형태를 가질 수 있으며, 미시적으로는 집합체를 이루는 2차원 탄소체의 외측 에지(edge) 부분이 서로 이격된 형태일 수 있다. 이때, 외측은 2차원 탄소체의 돌출된 일 단부측을 의미할 수 있다. 집합체를 이루는 2차원 탄소체의 외측 에지들이 서로 이격된 구조를 가짐에 따라, 집합체를 이루는 구체 2차원 탄소체의 수나 집합체의 형상, 집합체의 돌출 각도등과 실질적으로 무관하게 집합체 내 각 2차원 탄소체의 에지 각각에서 실질적으로 서로 동등하고 동일하게 전자의 방출이 이루어질 수 있다.
실질적인 일 예로, 거시적으로 가시 형태를 갖는 집합체는 다수개의 그래핀이 난립하는 구조이되, 각 그래핀이 서로 독립적으로 존재하고, 적어도 난립하는 각 그래핀의 외측 에지들이 이어져 있지 않고 서로 이격된 구조일 수 있다. 또한, 가시형태의 집합체를 이루는 각 그래핀의 윗 부분(외측 끝 부분)간에는 단차가 존재할 수 있으며, 각 그래핀의 윗 부분은 평탄하지 않을 수 있다. 또한, 가시형태의 집합체는 평면형 바늘(한 변의 길이가 10nm 내지 300nm 수준인 미소 면적의 평편체)과 같은 형태일 수 있으며, 이에 매우 작은 곡률을 가질 수 있다. 상세하게, 가시 형태의 집합체는 탄소막 구조체 등과 같이 가늘고 긴, 굵고 긴, 침상돌기가 아닌 나노미터 스케일의 여러 층의 그래핀(그래핀 시트) 집합체로, 거시적으로 가시처럼 가늘고 짧은 바늘 형상으로 보일 수 있다.
일 구체예에서, 집합체는 1차원 탄소체에, 구체적으로 덩굴 구조체의 표면에 위치하는 1차원 탄소체에 방사상으로 무질서하게 이격 위치할 수 있다. 덩굴 구조체의 표면에 위치하는 가시형 집합체는 대부분 선 상태, 일 예로, 0˚를 초과하는 돌출 각도, 실질적으로 30 내지 90˚의 돌출 각도로 존재할 수 있다. 이러한 가시 형태의 집합체는 서로 군집하여 위치하는 것이 아닌 독립적으로 이격 위치할 수 있다. 또한, 가시형 집합체는 1차차원 탄소체와 일체로 결착된 상태일 수 있다. 이는, 가시형 집합체가 덩굴 구조물 표면으로부터 성장한 것으로도 해석할 수 있다. 이때, 가시 형태의 집합체의 성장 방향은 돌출 방향에 상응할 수 있으며, 덩굴 구조물 표면에 대해 법선 방향일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구체예에서, 덩굴 구조물의 표면에서 돌출된 집합체의 높이(돌출 높이)는 수 나노미터 내지 수백 나노미터 수준, 구체적으로 5 내지 500nm 수준, 보다 구체적으로 5 내지 300nm 수준일 수 있다. 이러한 미세 돌출 구조 또한 전계 집중의 불균일성을 억제하는데 유리하여 탄소 구조물이 매우 안정적인 전계 방출 특성을 나타낼 수 있다.
일 구체예에서, 탄소 구조물은 탄소입자들이 막 형태로 응집된 탄소막을 더 포함할 수 있으며, 덩굴 구조체는 탄소막에 결착된 상태일 수 있다. 이때, 탄소막에 결착되어 있다 함은 덩굴 구조를 형성하는 1차원 탄소체의 일부가 탄소막 내부에 묻혀 있거나 및/또는 탄소막 표면의 탄소입자와 결착되어 고정된 것을 의미할 수 있다. 이때, 1차원 탄소체는 덩굴의 줄기나 가지로도 표현될 수 있는데, 일 줄기나 가지가 서로 다른 여러 위치에서 랜덤하게 탄소막에 고정될 수 있다.
탄소막은 탄소입자들이 연속적으로 이어진 막, 실질적으로는 인접하는 탄소입자들 간 빈 공간의 거의 없이 응집된 치밀막일 수 있다. 탄소입자의 직경은 100nm 내지 102nm 수준, 구체적으로 5nm 내지 900nm 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전도성인 탄소입자들에 의한 탄소막은 안정적이며 균일한 통전이 이루어지는 전도성 막을 제공하며, 이러한 전도성 막 상에 고정 및 결착된 상태로 덩굴 구조체가 위치하여, 덩굴 구조체 전체적으로 안정적이며 균일한 전압이 인가될 수 있다.
탄소 구조물이 탄소막을 더 포함하는 경우, 앞서 상술한 가상의 막은 탄소막의 표면에 상응할 수 있다. 이에, 탄소 구조물은 탄소막; 및 하나 이상의 1차원 탄소체가 랜덤하게 휘어지고 얽히며 뻗어나가되 탄소막의 표면의 면내 방향으로 퍼지도록 뻗어나가는 덩굴 구조체;를 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 탄소 구조물을 에미터 전극으로 하여, 하기 전계 방사 조건에서, 0.1mA의 전류가 생성되는 전압인 문턱전압은 2.0kV 이하, 구체적으로 1.9kV 이하일 수 있다.
전계 방사 조건 : 에미터 전극 지름 5mm, 에미터 전극과 양극간 간격 3mm, 및 10-6Pa의 진공
이러한 낮은 문턱전압은 냉 음극 X-선 관이나 전계 방출 소자등의 저전력화를 가능하게 하며, 보다 낮은 전압에서 매우 큰 방출전류를 확보할 수 있다.
또한, 탄소 구조물을 에미터 전극으로 하여, 동일 전계 방사 조건에서 0-2.5V 범위로 반복적으로 전압을 스윕(sweep)할 때, 최초 IV 특성과 10회 스윕시의 IV 특성 및 100회 스윕시의 IV 특성이 실질적으로 동일할 수 있다. 이때, IV 특성은 문턱 전압, 전압 증가분에 따른 전류 증가분인 기울기, 기울기의 변화등을 포함한다. 이러한 안정적인 IV 특성은 탄소 구조물에서 돌출부가 매우 미세한 2차원 탄소체에 기반함에 따라 전계 집중 자체가 크지않아 전자가 방출되는 돌출부의 손상이 방지되기 때문이며, 이와 함께, 설사 몇몇 돌출부가 전계 방출 과정에서 손상된다 하더라도 매우 많은 돌출부가 존재하며 각 돌출부에서 방출되는 전자량 자체는 탄소나노튜브나 탄소막구조체에 존재하는 첨단에서 방출되는 전자량보다 크게 작아, 돌출부가 손상된다 하더라도 돌출부의 손상이 IV 특성에 미치는 영향은 매우 미미하기 때문이다.
본 발명은 상술한 탄소 구조물을 포함하는 전계방사 에미터 전극을 포함한다. 이하, 전계방사 에미터 전극은 탄소 에미터로도 통칭될 수 있다.
전계방사 에미터 전극은 상술한 탄소 구조물 및 탄소 구조물을 지지하는 지지체를 포함할 수 있으며, 지지체의 일 예로, 스테인리스 스틸, 실리콘등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상술한 탄소 에미터를 제조할 수 있는 증착 장치 및 증착 방법을 포함한다.
본 발명에 따른 탄소 에미터 증착 장치는 기판이 탑재되며 접지 상태인 제1전극; 상기 제1전극 상부로 이격 대향하는 제2전극; 서로 이격 대향하는 상기 제1전극과 제2전극 사이의 공간인 증착 영역의 둘레를 감싸는 코일 전극; 상기 제2전극에 전압을 인가하는 제1전원; 및 상기 코일 전극에 전압을 인가하는 제2전원;을 포함한다.
서로 이격 대향하는 한 쌍의 전극(제1전극과 제2전극)에서 제1전원을 통해 제2전극에 전압이 인가됨으로써 증착 영역에 플라즈마가 형성될 수 있으며, 이를 통해 기판에는 플라즈마 도움 기상 증착으로 탄소체가 증착될 수 있다. 이때, 제1전극과 제2전극의 이격 방향은 중력 방향(장치의 높이 방향)일 수 있으며, 제1전극과 제2전극은 서로 대응되는 형상과 크기를 가질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제1전원은 DC 전원일 수 있으며, 장치 내 형성되는 플라즈마는 DC 글로우 방전에 의해 형성되는 플라즈마일 수 있다. 제2전원은 AC 전원 또는 DC전원, 구체적으로 DC 전원일 수 있다.
증착 영역은 제1전극과 제2전극 사이의 이격된 공간을 의미하는 것으로, 제1전극과 제2전극으로 양 단부가 규정되고 제1전극(또는 제2전극)의 형상과 동일한 단면 형상을 가질 수 있다.
코일 전극은 증착 영역의 둘레를 감싸는 코일 형태의 전극으로, 제2전원을 통해 코일 전극에 전압이 인가됨으로써, 증착 중 플라즈마 및 플라즈마에 의해 생성된 분해물등을 포함하는 가스의 흐름이 제어될 수 있다. 이하, 가스, 가스상 또는 플라즈마 중의 가스의 용어는 특별히 한정되지 않는 한, 플라즈마 물질 및 플라즈마에 의해 생성된 기상의 분해물을 지칭한다.
구체적으로, 코일 전극은 증착 영역의 양 단부측인 제1전극측과 제2전극측 중, 제1전극측에 위치할 수 있다. 제1전극측에 코일 전극이 위치함으로써 기판측의 가스상에 안정적인 회전 흐름이 야기될 수 있다.
증착 영역에서 코일 전극에 의해 직접적으로 회전 흐름을 야기하는 힘이 인가되는 영역은 코일 전극에 의해 감겨진 영역에 상응할 수 있다. 이에, 코일 전극의 양 단부간 거리인 코일 전극 길이에 의해 회전 흐름을 야기하는 힘이 안가되는 영역의 크기가 제어될 수 있다. 유리하게, 제1전극과 제2전극간의 이격 거리를 1로 하여, 코일 전극의 길이(코일 전극의 일 단에서 타단까지의 거리)는 0.3 내지 0.8, 구체적으로 0.3 내지 0.7, 보다 구체적으로 0.4 내지 0.6을 만족할 수 있다.
상술한 바와 같이, 코일 전극이 제1전극측에 위치하며 상술한 길이를 만족할 때, 기판의 면내 방향에 실질적으로 평행하면서도 다양한 방향으로 물질의 흐름(가스상의 흐름)을 야기할 수 있고, 후술하는 증착 영역 내 가스상의 상승 흐름과 하강 흐름의 순환을 방해하지 않으면서 회전 흐름을 형성할 수 있으며, 기판 전체적으로 균일하게 상술한 탄소 구조물이 증착될 수 있다.
기판에 플라즈마 도움 기상 증착에 의해 탄소체가 증착될 때, 플라즈마에 의해 제1전극측과 제2전극측에는 온도차가 발생할 수 있으며, 상대적으로 고온인 제1전극측에서 제2전극측으로 기판 중심부에서 상승 흐름이 발생하고, 상승된 가스상이 기판의 가장자리부로 다시 하강하는 하강 흐름이 발생할 수 있다. 코일 전극에 의해 이러한 가스상의 상승 흐름, 하강 흐름 또는 상승 흐름과 하강 흐름 모두가 회전되며 흐를 수 있다.
일 구체예에서, 탄소 에미터 증착 장치는 제1전극, 제2전극 및 코일 전극이 내부 구비되며 증착이 수행되는 내부 공간을 제공하는 챔버를 더 포함할 수 있으며, 내부 공간에 탄소 소스를 포함하는 가스상을 공급하는 가스공급수단; 및 내부 공간의 압력을 조절하는 배기수단을 더 포함할 수 있다. 가스공급수단은 플라즈마 형성을 위한 제1가스와 탄소 소스(source)인 제2가스를 각각 내부 공간에 공급하거나, 제1가스와 제2가스의 혼합 가스를 내부 공간에 공급할 수 있다. 배기수단은 내부 공간의 진공도를 조절하는 진공배기수단일 수 있다. 이러한 가스공급수단과 배기수단은 통상의 기상증착장치에서 가스의 주입과 진공도 제어를 위해 일반적으로 사용하는 것이면 족하다.
가스공급수단에 의해 공급되는 제1가스는 수소 가스일 수 있으며, 이에, 장치에서 발생하는 플라즈마는 수소 플라즈마일 수 있다. 제2가스는 C1-C3 탄화수소 가스, 구체적으로 C1-C2 탄화수소 가스, 보다 구체적으로 메탄 가스일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 앞서 상술한 분해물은 플라즈마에 의한 제2가스 분해물을 포함함은 물론이다.
제1전극 또는 제2전극은 원형 디스크 형태일 수 있으며, 구리-몰리브덴 합금등과 같이, 플라즈마 증착 분야에서 통상적으로 사용되는 전극 물질이면 족하다. 코일 전극은 티타늄 소재일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상술한 탄소 에미터 증착 장치를 이용한 탄소 에미터 증착 방법을 포함한다.
본 발명에 따른 타소 에미터 증착 방법은 a) 중력 방향으로 서로 이격 대향하는 제1전극과 제2전극 중 하부에 위치하는 제1전극에 기판을 탑재하고 수소 가스를 도입하고 제2전극에 DC 전압을 인가하여 수소 플라즈마를 형성하는 단계; 및 b) 수소 플라즈마에 기상의 탄소 소스(제2 가스)를 공급하고 코일 전극을 이용하여 적어도 기판과 인접한 플라즈마 중의 가스에 회전 흐름을 형성하는 단계;를 포함한다. 이때, 제1전극은 그라운드(접지) 상태일 수 있다.
b) 단계에서 접지 상태의 제1전극과 DC 전압이 인가되는 제2전극에 의해 발생한 수소 플라즈마에 의해 제1전극(또는 기판)과 제2전극 사이에는 온도차가 발생할 수 있다. 상세하게, 제1전극이 제2전극보다 상대적으로 고온인 상태일 수 있다. 이에 제1전극에서 제2전극 쪽으로의 상승 흐름(상승 기류)가 형성될 수 있으며, 상승된 가스상이 다시 제2전극 쪽으로 하강하는 하강 흐름(하강 기류)가 형성될 수 있다. 이러한 상승 흐름과 하강 흐름의 순환에서, 기판 측에 위치하는 코일 전극에 의해 상승 흐름, 하강 흐름 또는 상승 흐름과 하강 흐름 모두가 회전하며 흐를 수 있다.
제1전극(또는 기판)과 제2전극간 온도차의 구체적인 일 예로, 제1전극(또는 기판)의 온도는 900 내지 1200℃, 구체적으로 1000 내지 1100℃일 수 있으며, 제2전극은 제1전극(또는 기판)보다 200 내지 500℃, 구체적으로 200 내지 400℃ 낮은 온도를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구체예에서, a) 단계는 a1) 제1전극 상에 기판을 탑재한 후, 가스공급수단을 통해 수소 가스(제1가스)를 공급하며 배기 수단을 통해 챔버 내부 공간의 압력이 10 내지 50torr가 되도록 조절하는 단계; a2) 제1전원을 통해 제2전극에 DC 전압을 인가하여 수소 플라즈마를 발생시키는 단계;를 포함할 수 있다. 탄소 소스 공급 전 수소 플라즈마를 발생시킴에 따라, 기판등을 포함한 챔버 내부가 수소 클리닝될 수 있다.
일 구체예에서, b) 단계는 b1) 가스공급수단을 통해 수소 플라즈마가 발생한 챔버 내부에 기상의 탄소 소스(제2가스)와 수소 가스의 혼합 가스를 공급하는 단계; b2) 제2전원을 통해 코일 전극에 전압을 인가하는 단계; b3) 배기 수단을 통해 챔버 내부 공간의 압력이 60 내지 100torr가 되도록 증가시키고 기판상 탄소 구조물을 형성시키는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, a2) 단계에서 제1전원 인가에 의한 전류가 1 내지 4A 수준으로 제어될 수 있으며, b3) 단계에서 제1전원 인가에 의한 전류가 5 내지 10A 수준으로 제어될 수 있다. 또한, b2) 및 b3) 단계에서 코일 전극은 플라즈마 중의 가스 흐름이 안정적으로 회전하며 상승과 하강하며 흐르도록 가스 흐름에 기초하여 제어될 수 있다. 실질적인 일 예로, b3)의 증착시(탄소 구조물 형성시) 코일 전극은 1 내지 10A 전류 범위로 제어될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, b3) 단계의 증착은 1 내지 5시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 장치의 구성을 도시한 일 단면도로, 실제 증착에 사용된 장비에 상응한다. 챔버(21) 내에 제2전극(22)과 기판(31)에 대응하는 형상을 가져 샘플 홀더의 역할을 수행하는 마스크(39)를 갖는 접지 상태의 제1전극(24)을 상하 대면하여 배치하고, 이 마스크(39)로 기판(31)이 충분히 가려지는 위치에서 제2전극(22)과 제1전극(24)의 중간까지 뻗은 코일 전극(23)을 배치한다. 제1전극(24)은 챔버(21)와 접속하여 접지한다. 챔버(21)에는 플라즈마 형성을 위한 가스와 성막가스를 일정량 제어하여 가스를 도입시키는 가스공급수단(25)과 성막시 챔버(21) 내부의 진공도를 제어하는 배기 수단(26)을 갖춘다. 제2전극(22)에는 직류 전원인 제1전원(32)을 연결하고 코일전극(23)은 프라즈마를 제어하는 제어전원인 제2전원(33)에 접속한다. 제2전극(22)은 원형 디스크 형태로 30%동-모리브덴합금 전극이다.
도 2의 장치를 기반으로 기판에 탄소 구조물 증착 예를 상술한다. 챔버(21) 내부에 보내는 가스는, 수소와 메탄을 각각 독립적으로 공급 제어해, 혼합한 후 공급한다. 혼합가스 공급량은 분당 5~20cm3이다. 우선 챔버(21) 내부를 배기수단(26)으로 배기한다. 가스공급수단(25)에서 수소 가스를 일정한 유량으로 챔버(21) 내부로 집어넣으며 챔버(21) 내부 압력이 35torr이 되게 한다. 이후 제1전원(32)의 인가에 의해, 제2전극(22)과 제1전극(24) 사이에 방전 플라스마(34)를 발생시킨다. 인가 전류는 챔버(21) 내부 35torr에 대하여 3A까지 증가시켜 10분 정도 유지한다. 이렇게하여 먼저 탄소성막전에 기판(31), 마스크(30) 등 전극에서 이물질이 탄소막 안에 혼입되지 않도록 수소로 클리닝한다. 이어서 가스공급수단(25)에서 수소가스에 메탄가스를 혼합하여 흘려 보낸다. 이후 챔버(21) 내부의 압력을 40torr까지 상승시켜 10분정도 유지한다. 이 사이에 인가전류는 약 4A로 상승시킨다. 이 상태에서 플라즈마 안에 메탄이 주된 성분의 분해물이 수소 플라즈마(34)안에 발생하며 퍼진다. 이 상태가 되면 제어 전원인 제2전원(33)을 플라스마를 제어하는 코일 전극(23)에 인가하여 발생 플라스마를 제어한다. 이어서 챔버(21) 내부의 압력을 75~80torr로 서서히 증가하여 75torr가 되면 제1전원(32)를 6~7A 수준으로 증가시킨다. 또한 플라즈마 제어하기 위하여, 플라즈마 안의 가스흐름을 보면서 제2전원(33)의 전류치를 4.5 A 수준으로 제어하여 2시간 동안 성막을 수행하였다. 성막시, 기판(31)상에 발생한 플라즈마(34)에 의해 기판온도 1000~1100℃정도가 되고, 플라즈마 안에서 메탄이 분해된 성막 전구물질이 플라즈마중의 가스흐름(35)과 기판 근방의 시스전계(피복전기장:sheath electric field)에 의해 기판(31)에 이르고, 기판(31)에 상술한 탄소 구조물이 증착된다. 플라즈마를 제어하는 코일 전극(23)은 플라즈마류(35)와 메탄 분해물의 흐름을 회전시킨다. 제2전극(22)과 제1전극(24)간에는 300℃정도의 온도차가 발생하여 기판 부근의 플라즈마류(35)를 상승류로 바꾼다. 플라즈마 (34)중의 물질류 (35)의 주된 상승하강류에 티타늄제의 코일 전극(23)에 의해 회전을 가한 것으로 긴 성막시간에도 불구하고 기판에 상술한 탄소 구조물이 생성된다. 도 2에서 플라즈마 중의 물질류(35)가 회전하며 상승 및 하강하는 흐름을 화살표로 도시하였다.
도 3은 도 2의 장치를 기반으로 상술한 증착에 의해 제조된 에미터용 탄소 구조물을 관찰한 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 탄소입자들이 치밀하게 응집된 탄소막 상에 불규칙하게 성장한 여러 개의 덩굴이 얽힌 형상을 관찰할 수 있으며, 이 덩굴은 기판의 전면에 존재하는 것이 아니라 어떤 공간을 유지하며 표면을 기어가듯이 줄기가 뻗어나가며 성장하고 있음을 알 수 있다. 또 어떤 덩굴은 공간을 불규칙하게 얽히며 연속적으로 형성되어 있다.　덩굴은 줄기가 되어 자립할 수도 있으며, 또 복수의 덩굴이 얽혀서 성장하고 있을 때도 있다. 덩굴은 복수로 가지를 치고 성장하여 있으며 부정형 모양이다. 도 3의 일부분을 확대한 SEM 사진을 도 4에서 도시하였다. 도 4에 나타내듯이 줄기가 되는 덩굴 표면에 가지와 같은 마디가 존재하는 것을 알 수 있다. 도 5는 덩쿨의 표면을 관찰한 SEM 사진이다. 덩굴의 표면에서 성장한 가시(가시 형태의 집합체)는 대부분 선 상태로 존재하며, 묶음형태로 모여 있는 것이 아니라 독립적으로 성장하고 있다. 이러한 성장형태는 도 1에 도시한 종래의 탄소막구조체와 비교해서 개개의 결정 끝부분에 전계가 인가되지 않는 결점을 해결할 수 있으며, 하나하나의 가시에 전계가 집중 인가될 수 있다. 이 가시의 끝은 날카롭지만 가시의 높이는 종래의 탄소막구조체에 비해 현격히 낮다. 그러나 이 낮은 높이를 갖는 대신에 다량의 전자발생점을 형성한다. 따라서, 저전압으로부터 전자방출을 하고 그 전류치도 발생시키는 가시수가 많으므로 종합적으로 매우 큰 방출전류를 얻을 수 있다. 이 덩굴은 줄기(1차원 탄소체)로 되어 있어 기판에 대한 밀착도는 덩쿨의 성질 때문에 뿌리뿐만 아니라 줄기의 중간부분에서도 기판과의 접합이 이루어져있다. 이 구조 때문에 높은 전계가 인가된 경우에도 전계에서 박리 등이 발생하지 않는다. 종래의 탄소막구조체에 비해 전자를 방출할 수 있는 가시 수는 월등히 많다. 따라서 전압을 인가함으로써 전극간에 방전이 발생해도 기존 탄소막에서는 간단히 탄소막의 일부가 파괴되어 버려 전자발생수가 격감하는데 비해 제조된 탄소 구조물의 경우 방전으로 훼손되어도 충분히 가시는 남아 있어 IV특성에 대한 영향이 미미하고, 경시변화에 대해서도 강하다.　이하 SEM 사진을 참조해 실시형태의 탄소 구조물 구조를 설명한다. 도 1은 기존의 탄소막 구조체를 도시한 SEM 사진이며, 도 4는 덩굴 구조체에 기반한 탄소 구조물의 SEM 사진이다. 도 1과 도 4를 통해 탄소 구조물이 종래와 전혀 다른 구조를 가지고 있음을 알 수 있다. 종래 탄소막 구조체는 전자 방사하는 굵은 바늘이 날카로운 끝을 가지며, 바늘의 높이가 전압이 인가되기 쉬운 구조로 되어 있다. 그러나 그 수는 그리 많지 않다. 기존의 탄소막 구조체에서 전자를 방출하는 바늘은 실제로 X선관 등의 진공용기 속에서는 잔존하는 가스분자가 이온화되어 음극에 가속되어 충돌하면 파괴되어 버린다. 반면, 탄소 구조물은 도 4와 같이 덩굴 모양의 형상이다. 이 덩굴이 성장해 가는 단계로 카본 나노튜브나 탄소막 구조체와는 달리 덩굴 표면에 까시 모양의 돌기가 법선상에 다수 형성되어 있다. 이 가시가 에미션 사이트로서 효과적인 형상을 가진다. 도 5, 도 6은 덩굴의 표면을 확대 관찰한 SEM 사진이다. 도 5를 통해 나노 스케일 크기의 다수의 가시가 관찰됨을 알 수 있다. 도 6은 도 5를 확대관찰한 것으로, 가시가 나노 단위의 그래핀이 난립하는 구조임을 알 수 있다. 도 1에 나타낸 종래의 탄소막 구조체의 우산처럼 보이는 집합체의 확대 사진상을 도 8에 도시하였다. 도 8을 통해 알 수 있듯이, 탄소막 구조체는 그래핀 시트들이 크게 연속적으로 크로스되어 있어 기계적으로 넘어지지 않는 구조를 가지고 있다. 이러한 형태의 다수의 그래핀 시트에는 적절한 전계가 인가되지 않고, 이른바 번들 형상과 마찬가지로 효율적인 전자방사를 할 수 없다. 한편 본 발명의 탄소 구조물은 종래와 같이 조대한 그래핀 시트를 함유하지 않는다. 본 발명의 탄소 구조물에서 가시는 　그래핀이 수 층정도로 시트를 이루며 덩굴표면에 대해 법선상으로 성장한 모습이 보이며 그래핀의 크기는 대략 0.3μm정도이다. 또한 그래핀(그래핀 시트)의 윗부분은 단차가 있으며 평탄하지 않다. 본 발명의 탄소 구조물에서 그래핀은 기존의 탄소막 구조체가 연속적으로 형성되어 있는데 반해 독립적으로 존재한다. 전자방사는 침상돌기물이 없으면 발생하기 어렵다. 본 발명의 탄소 구조물은 전자 방사가 발생하는 그래핀의 끝부분은 평면형 바늘과 같이 되어 있다. 이에, 곡률도 현격히 작다. 또한 그래핀 크기가 중요하며, 그래핀의 첨단에서 뿌리까지의 길이는 0.1~0.3μm 정도에 불과하다. 즉, 기존의 탄소막 구조체에 비해 전자 방출이 이루어지는 그래핀의 크기가 월등히 작다. 이와 같은 나노스케일 크기에 의해 낮은 전계가 인가되어도 가시 형태의 집합체에서 전자방출이 가능하다. 주사전자현미경 관찰을 통해, 상술한 가시들은 덩굴 표면에서 성장하며 면적으로 0.01μm2 수준의 그래핀 집합체가 방사상으로 성장되어 있어 연속성 집합성은 없고 독립적으로 존재함을 알 수 있다. 또한, 집합체(가시) 끝부분은 그래핀이 겹쳐진 형상으로 침상 첨단과 본질적으로는 다르지 않다. 주사전자현미경 관찰을 통해, 집합체 끝부분의 그래핀들 외측 에지가 서로 이격되어 있음을 알 수 있다. 관찰 사진에서, 가시 형태의 집합체(가시)는 탄소막 구조체 등과 같이 가늘고 긴, 굵고 긴, 침상돌기가 아닌 나노미터 스케일의 여러 그래핀의 집합체로, 거시적으로 보면 가시처럼 가늘고 짧은 바늘 형상으로 보인다. 또한 가시 형태의 집합체(가시)는 덩굴 줄기에 대해 방사상으로 무질서한 간격으로 성장하고 있는데 그 높이가 수 10~100nm 수준이었다. 따라서 카본나노튜브와 같이 꾸러미처럼 밀집하여 형상으로 성장하면 전압의 집중이 억제되어 전계 방사 특성이 없어지는데 반해 가시 형상의 집합체의 경우 과도한 밀집이 있어도 덩굴 표면부에 집합체가 위치하며, 집합체를 이루는 그래핀의 끝부분은 단차가 있고 그래핀의 끝은 가까이 있는 그래핀과 접하지 않고 다수 난립하고 있다. 이러한 구조에 의해 가시 형상의 집합체에 발생하는 전계의 집중도는 작다.　이에 1개의 그래핀당 방출 전자량은 작다. 그러나 가시 형상 집합체 구조를 가지며 극히 다량의 집합체가 형성되어 있음에 따라, 낮은 전계로부터 실질적으로 모든 집합체가 똑같이 전자 방출한다. 이러한 점에서 본 발명의 탄소 구조물은 탄소막 구조체 등 아스펙트비가 크지만 고르지 않기 때문에 일부에서만 전자 방출하는 종래의 에미터들과 상이하며, 이러한 점에 의해, 본 발명의 탄소 구조물이 기존의 카본나노튜브 및 탄소막 구조체보다 동작개시전압이 저전압화가 가능하며, IV 특성에서 그 안정성을 포함하여 월등히 뛰어난 전계 방사 특성을 가질 수 있다.
도 7은 제조된 탄소 구조물을 에미터 전극으로 하여 IV 특성을 측정 도시한 도면이다. 도 7에서 A는 기존의 탄소막 구조체(도 1)에 의한 IV 특성 곡선, B는 본 발명에 따른 탄소 구조물에 의한 IV 특성 곡선이다. 측정조건은 에미터 전극의 지름은 5mm, 에미터 전극과 양극의 간격은 3mm로 측정시의 진공압 은1ㅧ10-6Pa였다. 곡선 A와 곡선 B를 비교하면 본 발명에 따른 탄소 구조물은 보다 낮은 전압에서 전류의 상승이 일어나고 있음을 알 수 있다. 알려진 바와 같이 탄소막 구조체는 카본나노튜브보다 저 전압에서 전류가 발생한다. 본 발명에 따른 탄소 구조물은 탄소막 구조체보다도 더욱 전류의 상승이 저 전압화되어 있다. 0.1mA의 전류가 발생하기 시작하는 전압(동작개시전압 혹은 문턱전압(Threshold voltage), V)을 살피면, 종래의 탄소막 구조체는 약 2.5kV의 문턱전압을 가지며, 본 발명에 따른 탄소 구조물은 1.9kV의 문턱전압을 갖는다. 이처럼 문턱전압이 저 전압화되면 X선관 등 고전압을 사용하는 분야에서는 음극회로를 직접 IGBT, MOSFET 등 반도체 디바이스에서 제어할 수 있어 방출전류량을 자유롭게 다룰 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에미터용 탄소 구조물은 덩굴 구조체가 부정형으로 성장한 막 구조를 갖는다. 이 덩굴 구조체의 표면에는 그래핀 집합체인 가시가 법선상으로 다수 존재한다. 또한 가시는 매우 작은 면적의 여러 층으로 이루어진 독립적인 그래핀이 집합되어 이루어져 있다. 그래핀은 나노미터의 평면으로 이루어져 있으며, 개개의 그래핀간에는 연속성이 보이지 않는다. 개개의 그래핀은 덩굴에 법선상으로 서서 혼재하고 있다. 전자방사는 법선상에 선 그래핀의 끝부분에서 방사된다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 기판이 탑재되며 접지 상태인 제1전극;
    상기 제1전극 상부로 이격 대향하는 제2전극;
    서로 이격 대향하는 상기 제1전극과 제2전극 사이의 공간인 증착 영역의 둘레를 감싸는 코일 전극;
    상기 제2전극에 전압을 인가하는 제1전원; 및
    상기 코일 전극에 전압을 인가하는 제2전원;을 포함하되,
    상기 코일 전극은 상기 증착 영역에서 상기 제1전극 측에 위치하며,
    상기 제1전극과 제2전극간의 이격 거리를 1로 하여, 상기 코일 전극의 길이는 0.3 내지 0.8을 만족하는 탄소 에미터 증착 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2전극에 인가되는 DC 전압에 의해 상기 증착 영역에 플라즈마가 형성되며, 상기 코일 전극에 의해 플라즈마 중의 가스에 회전 흐름이 야기되는 탄소 에미터 증착 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소 에미터 증착 장치는 상기 제1전극, 제2전극 및 코일 전극이 내부 구비되며 증착이 수행되는 내부 공간을 제공하는 챔버;
    상기 내부 공간에 탄소 소스를 포함하는 가스상을 공급하는 가스공급수단; 및
    상기 내부 공간의 압력을 조절하는 배기수단;
    을 더 포함하는 탄소 에미터 증착 장치.
  6. 제 1항, 제 4항 및 제 5항 중 어느 한 항에 따른 탄소 에미터 증착 장치를 이용한 탄소 에미터 증착 방법.
  7. a) 중력 방향으로 서로 이격 대향하는 제1전극과 제2전극 중 하부에 위치하는 제1전극에 기판을 탑재하고 수소 가스를 도입하고 제2전극에 전압을 인가하여 수소 플라즈마를 형성하는 단계; 및
    b) 수소 플라즈마에 기상의 탄소 소스를 공급하고 상기 제1전극 측에 위치하며 상기 제1전극과 제2전극간의 이격 거리를 1로 하여 길이가 0.3 내지 0.8을 만족하는 코일 전극을 이용하여 적어도 기판과 인접한 플라즈마 중의 가스에 회전 흐름을 형성하는 단계;
    를 포함하는 탄소 에미터 증착 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 b) 단계에서 플라즈마에 의해 제1전극 측과 제2전극 측 간 온도차가 발생하는 탄소 에미터 증착 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 온도차에 의해 상기 플라즈마 중의 가스는 기판 중심에서 제2전극 방향으로 상승하는 상승 흐름과 상승된 플라즈마 중의 가스가 기판 쪽으로 하강하는 하강 흐름이 형성되며, 상기 코일 전극에 의해 상기 상승 흐름, 하강 흐름 또는 상승 흐름과 하강 흐름이 회전되는 탄소 에미터 증착 방법.
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