KR20040076316A - 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프 및 그 제조방법에 대해 개시된다. 개시된 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프는, 전자를 방출하는 탄소나노튜브와; 상기 탄소나노튜브 음극에서 방출된 전자를 양이온으로 이온화하는 그리드 메탈과; 상기 그리드 메탈 양극에 의해 이온화된 양이온을 흡착하거나 스퍼터링하는 티타늄 플레이트를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프 및 그 제조방법은 탄소이온튜브를 전극물질로 사용하여 외부 자기장이 없이도 충분한 양의 전자를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 탄소이온튜브를 전극물질로 사용하여 외부 자기장이 없이도 충분한 양의 전자를 얻을 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 첨단재료로 각광받고 있는 탄소나노튜브(Carbon nanotube:CNT)는 다양한 응용가능성으로 인하여 매우 활발히 연구되고 있다.
특히, 탄소나노튜브는 높은 지름대 길이비(aspect ratio)로 전자방출 효율이 높으며, 열 방출특성 및 전기전도도가 매우 우수하고 완전한 구조를 지녔다.
또한, 진공에서의 이온충돌에 대한 내구성을 가지고 있어서 전계방출 디스플레이(Field Emission Display: FED), LCD용 백라이트(backlight), 램프 및 전구 등 전계방출(field emission)특성을 이용한 다양한 응용처가 개발되고 있다.
한편, 도 1은 종래에 따른 이온펌프의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 진공 펌프중 상위 개념의 펌프인 이온 펌프는 기본적으로 두 개의 티타늄 플레이트(101a,101b)와 애노드 플레이트(102a,102b)로 구성되어 있으며 주위에는 강한 영구자석에 의해 자기장이 걸려 있다. 이때, 상기 티타늄 플레이트(101a,101b)는 캐소드로 작용한다.
전자기장의 작용에 의하여 자유 전자들은 애노드 플레이트(102a,102b)쪽으로 끌려가는데, 자기장의 영향 때문에 자유 전자들은 애노드로 쉽게 끌려가지 못하고, 긴 나선형 운동을 하게 된다.
상기와 같이, 그 이동경로가 길어진 전자들에 의하여 공간에 존재하는 분자들은 자유 전자들간의 충돌 가능성이 증가하게 된다. 따라서, 이온화의 확률도 높아져 펌핑되는 이온의 양도 증가하게 된다.
상기 펌핑은 크게 두 가지 원리에 의해 진행된다. 가스 분자들은 양극부근의 전자에 의해 이온화되어 양이온이 되면 상기 양이온의 질량이 비교적 무겁기 때문에 티타늄이 코팅된 음극쪽으로 충돌하여 흡착됨으로서 펌핑이 된다.
또 다른 한가지는 이러한 양이온들 중 에너지가 큰 것들은 티타늄 음극과 충돌하여 스퍼터링을 일으키고 스퍼터링된 티타늄이 펌프내부의 가스분자들과 반응한 후 펌프내벽이나 양극에 흡착됨으로서 펌핑이 일어나게 된다.
여기서, 상기 자유전자와 충돌하여 이온화된 양이온은 가속되어 티타늄 플레이트 (101a,101b)와 충돌한다.
상기 스퍼터링된 캐소드 물질은 다시 공간에 존재하는 가스분자들과 화학 결합을 하여 가스분자들을 고체로 펌프 내부에 흡착시킨다.
실질적으로 펌핑하는 작용은 펌핑되는 가스들의 물리적, 화학적인 특성에 따라 다양한 특성을 갖는다. 오르가닉(organic) 기체들은 전자가 충돌 후 해리되어 극판에 잘 흡착된다.
산소, 이산화탄소, 질소와 같은 활성 기체들은 티타늄과 잘 반응하여 펌핑되거나 이온으로 음극판에서 펌핑된다.
수소인 경우에는 중성상태에서 바로 티타늄이 코팅된 음극에 흡착되어 Ti 표면 안으로 확상하여 펌핑된다. 아르곤인 경우는 펌핑 스피드가 활성기체의 1~2% 정도로 펌핑 효율이 극히 미미하여 초고진공을 요하는 챔버에서 최종압력(ultimate pressure)을 결정하게 하는 기체이다.
이와 같은 원리로 인하여 이온펌프는 높은 압력에서 사용하게 되면 압력에 반비례하여 펌프의 수명이 짧아질 수 있으므로 될 수 있는 한 보통 10-6Torr 이하 정도의 낮은 압력으로 작동시켜야 한다.
그러나, 상기와 같은 기체분자를 이온화시키고, 이온화된 기체를 두전극(cathod, anode)에서 전기적으로 끌어드려 펌핑하는 이온펌프에 상기 언급된 탄소나노튜브를 적용하면 별도의 외부 자기장이 없이도 충분한 전자를 방출할 수 있게 된다.
본 발명은, 탄소이온튜브를 전극물질로 사용하여 외부 자기장이 없이도 충분한 양의 전자를 얻을 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래에 따른 이온 펌프의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
201 --- 탄소나노튜브 202 --- 메탈 그리드
203 --- 티타늄 플레이트
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프는,
전자를 방출하는 탄소나노튜브와;
상기 탄소나노튜브 음극에서 방출된 전자를 양이온으로 이온화하는 그리드 메탈과;
상기 그리드 메탈 양극에 의해 이온화된 양이온을 흡착하거나 스퍼터링하는 티타늄 플레이트를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 탄소나노튜브는 냉음극의 활성 물질을 사용하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프의 제조방법은,
기판위에 촉매 금속을 얇게 도포시키는 단계와;
상기 촉매 금속이 얇게 도포된 기판에 탄소나노튜브를 CVD법으로 성막시키는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프의 제조방법은,
미리 제작된 탄소나노튜브를 정제시키는 단계와;
상기 정제된 탄소나노튜브를 소정의 용제와 혼합하여 페이스트 형태로 만들어 기판위에 도포시키는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 탄소이온튜브를 전극물질로 사용하여 외부 자기장이 없이도 충분한 양의 전자를 얻을 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 전자를 방출하는 탄소나노튜브(201)와; 상기 탄소나노튜브(201) 음극에서 방출된 전자를 양이온으로 이온화하는 그리드 메탈(202)과; 상기 그리드 메탈(202)에 의해 이온화된 양이온을 흡착하거나 스퍼터링하는 티타늄 플레이트(203)를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 구성을 갖는 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프는, 먼저 상기 탄소나노튜브(201) 냉음극(cold cathode)과 메탈 양극 사이에 전압이 가해지면 탄소나노튜브(201) 음극으로 부터 많은 양의 전자가 쉽게 방출되며, 이 방출된 전자는 가속되어 메탈 그리드(202)를 통과하게 된다.
따라서, 상기 탄소나노튜브(201)를 이용한 이온 펌프는 작은 전압에서도 방출되는 전자의 양이 충분하므로 외부자기장(영구자석)을 필요로 하지 않게 된다.
또한, 전자의 에너지가 커서 가스분자들의 분해 및 이온화율도 매우 높게 된다.
가스 분자들은 이렇게 가속되어진 전자들에 의해 쉽게 이온화되어 양이온이 되며, 이 양이온들은 티타늄 플레이트(203)의 음극에 충돌하여 흡착되거나 스퍼터링을 일으킨다.
스퍼터링된 티타늄 원자들은 가스분자들과 반응하여 챔버벽이나 메탈 양극반에 흡착된다.
한편, 탄소나노튜브 전극을 제조하는 방법은 크게 두가지로 나눌 수 있다.
하나는 먼저, 기판위에 촉매 금속(Ni, Co, Fe)을 얇게 도포하는 단계를 수행한다.
그리고, 상기 촉매금속이 도포된 기판위에 탄소나노튜브를 CVD법으로 직접 성막하는 것이다.
이 때, 상기 CVD법으로는 일반적으로 서멀(thermal) CVD, PECVD 등 이용하여 탄소나노튜브를 성막하게 된다.
상기와 같이, 제조한 상기 탄소나노튜브는 일반적으로 다겹탄소나노튜브(Multi Carbon nanotube:MCNT)이며 직경 및 길이에 따라 전자 방출 특성이 변하게 된다.
또 다른 하나는 아크방전법, 레이저법, CVD 등의 다양한 탄소나노튜브의 제조방법에 의해 제조된 탄소나노튜브를 정제하는 단계를 수행한다.
상기 정제된 탄소나노튜브를 소정의 용제와 혼합하여 페이스트 형태로 만들어 기판위에 균일하게 도포시키는 단계를 수행한다.
본 발명의 경우 상기 어느 쪽을 사용하여도 무방하지만 전자의 경우는 탄소나노튜브와 기판간의 접착문제(adhesion), 후자의 경우는 용제의 아웃그라싱(outgassing) 문제에 주의하여 설계하여야 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프 및 그 제조방법은 탄소이온튜브를 전극물질로 사용하여 외부 자기장이 없이도 충분한 양의 전자를 얻을 수 있다.
Claims (4)
- 전자를 방출하는 탄소나노튜브와;상기 탄소나노튜브 음극에서 방출된 전자를 양이온으로 이온화하는 그리드 메탈과;상기 그리드 메탈 양극에 의해 이온화된 양이온을 흡착하거나 스퍼터링하는 티타늄 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프.
- 제 1항에 있어서,상기 탄소나노튜브는 냉음극의 활성 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프.
- 기판위에 촉매 금속을 얇게 도포시키는 단계와;상기 촉매 금속이 얇게 도포된 기판에 탄소나노튜브를 CVD법으로 성막시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프의 제조방법.
- 미리 제작된 탄소나노튜브를 정제시키는 단계와;상기 정제된 탄소나노튜브를 소정의 용제와 혼합하여 페이스트 형태로 만들어 기판위에 도포시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 이온펌프의 제조방법.
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