KR102581290B1 - 덩굴 모양 탄소 구조물이 형성된 전자총 및 이를 포함하는 전자 현미경 - Google Patents

덩굴 모양 탄소 구조물이 형성된 전자총 및 이를 포함하는 전자 현미경 Download PDF

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Abstract

본 발명은 덩굴 모양 탄소 구조물이 형성된 전자총과 이를 포함하는 전자 현미경에 관한 것으로, 본 발명의 전자총의 전계방출팁은 1차원 탄소체가 랜덤하게 얽히며 뻗은 덩굴 구조체와, 상기 덩굴 구조체의 표면에 2차원 탄소체가 랜덤하게 돌출된 덩굴 모양 탄소 구조물을 포함하여 형성되어, 종래 탄소나노튜브를 이용한 전자총 보다 문턱 전압의 저전압화가 가능하며 매우 안정적인 IV 특성을 갖는 장점이 있다.

Description

덩굴 모양 탄소 구조물이 형성된 전자총 및 이를 포함하는 전자 현미경{An electron microscope containing an electron gun in which a vine-shaped carbon nano structure is formed}
본 발명은 전자총 및 이를 포함하는 전자 현미경에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 덩굴 모양 탄소 구조물이 형성된 전자총과 이를 포함하는 전자 현미경에 관한 것이다.
전자 가속기와 함께 사용하거나 X선 선원에 사용되는 고광도 전자총은 일반적으로 열전(Hot) 음극을 사용한다. 최근에 전자현미경 검사에서 전자 소스로서 자기장 방출(FE)을 채용하는 Point source cold 음극이 사용되어 왔다. FE 기반 콜드 음극은 기존 열전음극에 비해 전력 소비량 감소와 즉각적인 작동(예: 예열 필요 없음) 등 많은 장점이 있다. 단, Point source cold 음극은 제한된 방출 전류를 가지고 있어 소스의 특성상 스케일 업이 어렵다. 1991년에 발견된 탄소 나노튜브는 또한 FE 전자 소스로도 사용될 수 있으며 이전 연구들은 이 분야에 집중되어 왔다.
대표적인 전계 방출원으로서 몰리브덴(Mo), 다이아몬드, 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube:CNT) 등 다양한 소재가 제안되어 왔고, 그 중 탄소나노튜브는 구조적 비등방성이 매우 커서(직경: 수 nm,길이: 수~수십 μm) 전계 강화 인자(Field EnhancementFactor, β)가 크고 전기전도성 및 화학적 안정성이 우수하여 가장 유망한 전계 방출원 소재로 사용되어 왔다. 카본나노튜브(CNT)나 침상돌기를 갖는 탄소막구조체(CCNS, 도 1 참고)는 끝이 가늘고 긴 파이프상으로 높은 에스펙트 비(aspect ratio) 때문에 전계집중계수가 높고 방사특성이 우수한 것으로 알려져 있다. 여기서, 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 특정된다.
한편, 전자총의 전자방사팁에서 전계가 효율적으로 인가되도록 구조체의 끝부분은 곡률과 튜브 길이의 비(에스펙트 비)가 큰 것이 좋고, 대부분 탄소막구조체의 에스펙트 비는 다른 구조체에 비해 매우 크다. 하지만, 모든 성장된 결정에서 동일한 에스펙트 비를 갖는 것이 아니므로, 에스펙트 비에는 불연속적인 분포가 존재하고, 이로 인해 낮은 인가전압에서는 길쭉한 혹은 특이하게 큰 에스펙트 비의 부분에서 먼저 전자를 방출 하지만 전압의 상승에 따라 파괴 소멸되고, 그 다음으로 큰 에스펙트 비를 갖는 부분에서 전자를 방출하게 된다. 이와 같이 인가전압에 대해 전자 방출하는 구조체가 변화하게 되면 흔히 말하는 전자방출의 불안정성(Flickering)이 생성된다. 이를 엑스선 튜브 내의 탄소막구조체 전체로 따져보면, 전압 인가 후 전압을 서서히 올림에 따라 탄소막구조체의 일부 영역에서 전자가 방출되며, 이로 인한 상당히 높은 전류 값을 이루다가 전류방출의 한계나 방전에 의해 전자방출이 이루어지지 않게 되면, 전자방출이 다른 영역으로 옮겨가 또 다른 전자 방출이 이루어지는 것이다.
그런데, 탄소막구조체의 전계 전자방사를 이용하는 전자총에 있어서는 대전류화와 전자의 불안정성(Flickering) 방지 및 성능의 안정화를 요구하고 있으므로, 낮은 동작 개시전압을 가지고 인가전압(V)에서 탄소막 구조체의 전자방출의 인자인 전계집중계수 β값이 큰 일부 영역에서 전자 방출하는 것이 아니라, 막 전체에서 전자를 방출하며 안정된 IV의 특성을 제공할 수 있는 전자총과 이를 이용한 전자현미경의 실현이 요구된다.
한편, 본 출원인은 2021.01.14.자 특허출원인 제10-2021-0005277호 “에미터용 탄소 나노구조물”과 제10-2021-0005410호 “탄소 에미터 증착 장치 및 증착 방법”을 통해 탄소막구조체 세부 구조와 제조방법을 출원한 바 있다.
공개특허공보 제10-2015-0113635호 (“스핀 편향 전자총과 이를 이용한 의료장치 및 전자현미경”, 2015.10.08)
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 낮은 문턱전압을 통해 대전류화가 가능하며, 전자의 불안정성(Flickering)을 방지하여 안정적인 전계방사특성을 가질 수 있는 전자총과 전자현미경을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전자총은, 전자를 방출하는 전계방출팁, 상기 전계방출팁에서 전자가 방출될 수 있도록, 또는 방출된 전자를 가속하기위한 전압을 인가하기 위한 제1 전극, 상기 전계방출팁과 제1 전극 사이에 방출 전압, 또는 집속 전압을 인가하기 위한 제1 전원, 상기 방출된 전자를 가속하거나, 상기 전계방출팁에서 전자가 방출될 수 있도록 전압을 인가기 위한 제2 전극 및 상기 전계방출팁과 제2 전극 사이에 집속 전압, 또는 방출 전압을 인가하 위한 제2 전원을 포함하고, 상기 전계방출팁은, 1차원 탄소체가 랜덤하게 얽히며 뻗은 덩굴 구조체와, 상기 덩굴 구조체의 표면에 2차원 탄소체가 랜덤하게 돌출된 덩굴 모양 탄소 구조물을 포함하되, 상기 탄소 구조물은 인접하는 탄소입자들이 막 형태로 치밀하게 응집된 탄소막을 더 포함하고, 상기 탄소막에 상기 덩굴 구조체가 고정 및 결착된 상태로 위치하여 안정적이며 균일한 전압이 인가되며, 상기 덩굴 구조체의 표면에 상기 2차원 탄소체가 둘 이상 집합된 가시 형태의 집합체로 돌출되어 안정적으로 큰 에미션 전류가 발생하고, 적어도 상기 집합체를 이루는 2차원 탄소체의 외측 에지 부분이 서로 이격되어 상기 2차원 탄소체의 에지 각각에서 실질적으로 서로 동등하고 동일하게 전자의 방출이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2차원 탄소체는 상기 2차원 탄소체가 위치하는 표면의 법선 방향을 포함하여 돌출된 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 덩굴 구조체의 표면에 상기 2차원 탄소체가 둘 이상 집합된 가시 형태의 집합체로 돌출되되, 적어도 상기 집합체를 이루는 2차원 탄소체의 외측 에지 부분이 서로 이격된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집합체는 상기 1차원 탄소체에 방사상으로 무질서하게 이격 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집합체가 위치하는 표면을 기준으로 상기 집합체의 돌출 높이는 5 내지 500nm인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 전자현미경은 앞서 설명한 전자총을 포함하여 구성된다.
삭제
이때, 상기 전자현미경은 주사현미경이다.
상기 해결 수단에 따른 본 발명의 전자총은 종래 탄소나노튜브를 이용한 전자총 보다 문턱 전압의 저전압화가 가능하며 매우 안정적인 IV 특성을 갖는 장점이 있다.
도 1은 종래 탄소막구조체를 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 전자총의 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전계방사팁용 덩굴 모양 탄소 구조물을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 전계방사팁과 전계방사팁 표면에 형성된 덩굴 모양 탄소 구조물을 도식적으로 표현한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전계방사팁용 덩굴 모양 탄소 구조물을 확대 관찰한 또 다른 주사전자현미경 사진이다.
도 8은 종래 탄소 구조체의 I-V 특성(A)과 본 발명의 일실시예에 따른 전계방사팁용 덩굴 모양 탄소 구조물의 I-V 특성(B)과 비교 실험한 그래프이다.
도 9는 도 1의 종래 탄소막 구조체를 고배율로 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
이하, 본 발명의 전자총 및 전자현미경의 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 아래 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미하며, 발명의 설명 및 청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되며, ‘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. 한편, 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.
도 2는 본 발명의 전자총(1000)의 개략 구성도로서, 도 2를 참조하면 본 발명의 전자총(1000)은 전자를 방출하는 전계방출팁(100), 전자를 방출하기 위한 전압을 인가하기 위한 제1 전극(200), 상기 전계방출팁(100)과 제1 전극(200) 사이에 방출 전압을 인가하기 위한 제1 전원(210), 방출된 전자를 가속하기 위한 제2 전극(300), 상기 전계방출팁(100)과 제2 전극(300) 사이에 집속 전압을 인가하기 위한 제2 전원(320)을 포함하여 구성된다. 이때, 제1 전극(200)과 제2 전극(300)의 기능을 서로 바꾸어 상기 전계방출팁(100)과 제1 전극(200) 사이에 집속 전압을 인가히여 방출된 전자를 가속하고, 상기 전계방출팁(100)과 제2 전극(300) 사이에 방출 전압을 인가하여 전자를 방출시킬 수 있다.
이 때, 본 발명의 전자총(1000)은 전자를 방출하는 전계방사팁(100)에 덩굴 모양 탄소 구조물(110)이 형성된 것을 특징으로 한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전계방사팁용 덩굴 모양 탄소 구조물(110)을 관찰한 주사전자현미경 사진이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 에미터에 형성되는 덩굴 모양 탄소 구조물(110)은 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.
즉, 본 발명에 따른 덩굴 모양 탄소 구조물(110)은 전자총(1000)의 전계방사를 위해 전계방사팁(100)에 형성되는 것으로서, 1차원 탄소체(111)가 랜덤하게 얽히며 뻗은 덩굴 구조체를 포함하며, 덩굴 구조체의 표면에 2차원 탄소체(112)가 랜덤하게 돌출된 구조를 갖는다. 또한, 상기 탄소 구조물은 인접하는 탄소입자들이 막 형태로 치밀하게 응집된 탄소막을 더 포함하고, 상기 탄소막에 상기 덩굴 구조체가 고정 및 결착된 상태로 위치하여 안정적이며 균일한 전압이 인가되며, 상기 덩굴 구조체의 표면에 상기 2차원 탄소체가 둘 이상 집합된 가시 형태의 집합체로 돌출되어 안정적으로 큰 에미션 전류가 발생하고, 적어도 상기 집합체를 이루는 2차원 탄소체의 외측 에지 부분이 서로 이격되어 상기 2차원 탄소체의 에지 각각에서 실질적으로 서로 동등하고 동일하게 전자의 방출이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
앞서 설명하였듯이 종래의 탄소나노튜브를 이용한 전계방사팁용 탄소 구조물의 경우, 에스펙트 비에는 불연속적인 분포가 존재하여, 전압 인가 후 전압을 서서히 올림에 따라 탄소막구조체의 일부 영역에서 전자가 방출되며, 이로 인한 상당히 높은 전류 값을 이루다가 전류방출의 한계나 방전에 의해 전자방출이 이루어지지 않게 되면, 전자방출이 다른 영역으로 옮겨가 또 다른 전자 방출이 이루어지면서 전자방출의 불안정성(Flickering)이 생성된다.
반면 본 발명은, 지속적인 연구 수행을 통해 안출된 것으로, 1차원 탄소체(111)가 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 가시(113)형 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 만들어 낸 것으로, 발명에 따른 탄소 구조물은 1차원 탄소체(111)가 랜덤하게 얽히며 뻗은 덩굴 구조체를 포함하며, 덩굴 구조체의 표면에 2차원 탄소체(112)가 랜덤하게 돌출된 구조를 갖는다.
일 구체예에서, 1차원 탄소체(111)은 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(111) 및 2차원 탄소체(112) 모두 전도성 탄소체임은 물론이다. 1차원 탄소체(111)의 직경은 101 nm 내지 102 nm 수준, 구체적으로 10nm 내지 900nm 수준, 보다 구체적으로 10nm 내지 500nm 수준일 수 있고, 1차원 탄소체(111)의 길이는 100 μm 내지 102 μm 수준, 구체적으로 10 μm 내지 900μm 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 일 구체예에서, 덩굴 구조체는 1차원 탄소체(111)가 랜덤하게 얽히며 뻗은 구조로, 하나의 1차원 탄소체(111)가 휘어져 얽히거나 및/또는 둘 이상의 1차원 탄소체(111)가 서로 얽히며 뻗어나가되, 일 면(가상의 면)의 면내 방향으로 일 면에 퍼지도록 뻗어나가는 구조를 가질 수 있다. 이때, 덩굴 구조에서 1차원 탄소체(111)를 줄기로 간주하면, 덩굴 구조체는 줄기에서 둘 이상의 가지가 갈라져 나온 형태를 가질 수 있다. 덩굴 구조체는 1차원 탄소체(111)가 뻗어 나온 영역과 서로 얽혀 뭉쳐진 영역이 랜덤하게 분포하며 거시적으로 막 형상을 이룰 수 있다.
또한, 일 구체예에서, 덩굴 구조체의 표면에는 2차원 탄소체(112)를 포함하는 돌출부가 위치할 수 있으며, 실질적으로 덩굴 구조체 표면에 전체에 다량의 2차원 탄소체(112) 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.
한편, 돌출부의 2차원 탄소체(112)는 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.
이때, 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.
유리하게는, 2차원 탄소체(112), 구체적으로 그래핀의 돌출 방향은 2차원 탄소체(112)가 위치하는 덩굴 구조체의 표면에서의 법선 방향을 포함할 수 있다. 즉, 그래핀은 덩굴 구조체의 표면에 위치하는 1차원 탄소체(111)에 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(112)(일 예로, 그래핀)의 돌출 방향이 돌출부가 위치하는 표면의 법선 방향만으로 한정되어 해석될 수 없으며, 법선 방향을 포함한 여러 방향으로 2차원 탄소체(112)(일 예로, 그래핀)가 돌출되어 있는 것으로 해석하는 것이 타당하다. 실질적인 일 예로, 2차원 탄소체(112)(그래핀)는 표면과 실질적으로 거의 평행한 것에서 표면에 수직으로 서 있는 것까지 다양한 각도로 돌출되어 있을 수 있다.
또한, 일 구체예에서, 돌출부는 단일한 2차원 탄소체(112)나 및/또는 복수의 2차원 탄소체(112)가 집합된 집합체일 수 있다. 돌출부가 집합체인 경우, 집합체는 거시적으로 가시(113) 형태를 가질 수 있으며, 미시적으로는 집합체를 이루는 2차원 탄소체(112)의 외측 에지(edge) 부분이 서로 이격된 형태일 수 있다. 이때, 외측은 2차원 탄소체(112)의 돌출된 일 단부측을 의미할 수 있다. 집합체를 이루는 2차원 탄소체(112)의 외측 에지들이 서로 이격된 구조를 가짐에 따라, 집합체를 이루는 구체 2차원 탄소체(112)의 수나 집합체의 형상, 집합체의 돌출 각도등과 실질적으로 무관하게 집합체 내 각 2차원 탄소체(112)의 에지 각각에서 실질적으로 서로 동등하고 동일하게 전자의 방출이 이루어질 수 있다.
한편, 실질적인 일 예로, 거시적으로 가시(113) 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, 가시(113) 형태의 집합체를 이루는 각 그래핀의 윗부분(외측 끝 부분)간에는 단차가 존재할 수 있으며, 각 그래핀의 윗부분은 평탄하지 않을 수 있다. 또한, 가시(113) 형태의 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(113) 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 탄소체(111)에, 구체적으로 덩굴 구조체의 표면에 위치하는 1차원 탄소체(111)에 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 탄소체(111)의 일부가 탄소막 내부에 묻혀 있거나 및/또는 탄소막 표면의 탄소입자와 결착되어 고정된 것을 의미할 수 있다. 이때, 1차원 탄소체(111)는 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 탄소체(111)가 랜덤하게 휘어지고 얽히며 뻗어나가되 탄소막의 표면의 면내 방향으로 퍼지도록 뻗어나가는 덩굴 구조체;를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 전계방사팁(100)과 전계방사팁(100) 표면에 형성된 덩굴 모양 탄소 구조물(110)을 도식적으로 표현한 도면이다. 본 발명의 전자총(1000)은 상술한 덩굴 모양 탄소 구조물(110)을 포함하는 전계방사팁(100)을 포함한다. 전계방사팁(100)은 상술한 탄소 구조물 및 탄소 구조물을 지지하는 지지체를 포함할 수 있으며, 지지체의 일 예로, 스테인리스 스틸, 실리콘 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 7에서 1차원 탄소체(111), 2차원 탄소체(112), 가시(113) 등을 도식적으로 표현하였으나, 탄소 구조물의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구체예에서, 덩굴 모양 탄소 구조물(110)을 전계방사팁으로 하여, 하기 전계 방사 조건에서, 0.1mA의 전류가 생성되는 전압인 문턱전압은 2.0kV 이하, 구체적으로 1.9kV 이하일 수 있다. 이때, 전계 방사 조건은 전계방사팁(100)의 전극 지름 5mm, 에미터와 제1 전극(200) 간의 간격 3mm이고, 10-6Pa의 진공 상태이다. 이러한 낮은 문턱전압은 전자총 또는 전자현미경 등 전계 방출 소자등의 저전력화를 가능하게 하며, 보다 낮은 전압에서 매우 큰 방출전류를 확보할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전계방사팁용 덩굴 모양 탄소 구조물(110)을 확대 관찰한 또 다른 주사전자현미경 사진으로, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 전계방사팁용 덩굴 모양 탄소 구조물(110)에 대해 좀 더 자세히 설명하도록 한다.
도 5에 나타내듯이 줄기가 되는 덩굴 표면에 가지와 같은 마디가 존재하는 것을 알 수 있다. 도6은 덩쿨의 표면을 관찰한 SEM 사진이다. 덩굴의 표면에서 성장한 가시(113)(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 가시(113)에 전계가 집중 인가될 수 있다. 이 가시(113)의 끝은 날카롭지만 가시(113)의 높이는 종래의 탄소막구조체에 비해 현격히 낮다. 그러나 이 낮은 높이를 갖는 대신에 다량의 전자발생점을 형성한다. 따라서, 저전압으로부터 전자방출을 하고 그 전류치도 발생시키는 가시 수가 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 가시가 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 3은 덩굴 구조체에 기반한 탄소 구조물의 SEM 사진이다. 도 1과 도 5를 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 가속되어 충돌하면 파괴되어 버린다. 반면, 탄소 구조물은 도 5와 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 6, 도 7은 덩굴의 표면을 확대 관찰한 SEM 사진이다. 도 6을 통해 나노 스케일 크기의 다수의 가시가 관찰됨을 알 수 있다. 도 7은 도 6을를 확대 관찰한 것으로, 가시는 나노 단위의 그래핀이 난립하는 구조임을 알 수 있다. 도 1에 나타낸 종래의 탄소막 구조체의 우산처럼 보이는 집합체의 확대 사진상을 도 9에 도시하였다. 도 9를 통해 알 수 있듯이, 탄소막 구조체는 그래핀 시트들이 크게 연속적으로 크로스 되어 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 집합체는 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 8은 종래 탄소 구조체의 I-V 특성(A)과 본 발명의 일실시예에 따른 전계방사팁용 덩굴 모양 탄소 구조물(110)의 I-V 특성(B)과 비교 실험한 그래프이다.
도 8에서 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 진공압은 1×10-6Pa였다. 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 음극(200)회로를 직접 IGBT, MOSFET 등 반도체 디바이스에서 제어할 수 있어 방출전류량을 자유롭게 다룰 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전계방사팁용 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.
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 탄소체(112)에 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 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000 전자총
100 전계방사팁
110 덩굴 모양 탄소 구조물
111 1차원 탄소체 112 2차원 탄소체
113 가시
200 제1 전극
210 제1 전원
300 제2 전극
310 제2 전원
400 전원

Claims (8)

  1. 전자를 방출하는 전계방출팁;
    상기 전계방출팁에서 전자가 방출될 수 있도록, 또는 방출된 전자를 가속하기 위한 전압을 인가하기 위한 제1 전극;
    상기 전계방출팁과 제1 전극 사이에 방출 전압, 또는 집속 전압을 인가하기 위한 제1 전원;
    상기 방출된 전자를 가속하거나, 상기 전계방출팁에서 전자가 방출될 수 있도록 전압을 인가기 위한 제2 전극; 및
    상기 전계방출팁과 제2 전극 사이에 집속 전압, 또는 방출 전압을 인가하기 위한 제2 전원을 포함하여 구성되는, 전자총에 있어서,
    상기 전계방출팁은,
    1차원 탄소체가 랜덤하게 얽히며 뻗은 덩굴 구조체와, 상기 덩굴 구조체의 표면에 2차원 탄소체가 랜덤하게 돌출된 덩굴 모양 탄소 구조물을 포함하되,
    상기 탄소 구조물은 인접하는 탄소입자들이 막 형태로 치밀하게 응집된 탄소막을 더 포함하고, 상기 탄소막에 상기 덩굴 구조체가 고정 및 결착된 상태로 위치하여 안정적이며 균일한 전압이 인가되며,
    상기 덩굴 구조체의 표면에 상기 2차원 탄소체가 둘 이상 집합된 가시 형태의 집합체로 돌출되어 안정적으로 큰 에미션 전류가 발생하고, 적어도 상기 집합체를 이루는 2차원 탄소체의 외측 에지 부분이 서로 이격되어 상기 2차원 탄소체의 에지 각각에서 실질적으로 서로 동등하고 동일하게 전자의 방출이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 전자총.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 2차원 탄소체는 상기 2차원 탄소체가 위치하는 표면의 법선 방향을 포함하여 돌출된 된 것을 특징으로 하는, 전자총.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 집합체는 상기 1차원 탄소체에 방사상으로 무질서하게 이격 위치하는 것을 특징으로 하는, 전자총.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 집합체가 위치하는 표면을 기준으로 상기 집합체의 돌출 높이는 5 내지 500nm인 것을 특징으로 하는, 전자총.
  6. 삭제
  7. 제 1항, 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 전자총을 포함하는, 전자현미경.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전자현미경은 주사현미경인 것을 특징으로 하는, 전자현미경.
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