KR100911740B1 - 전계 방출 및 전기적 특성 측정을 위한 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고진공 상태에서 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 고진공 상태에서 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위한 다기능성 진공 측정 시스템에 있어서, 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내에 형성되는 그리드 전극; 상기 진공 챔버의 일면을 관통하도록 형성된 피드스루를 통하여 상기 그리드 전극에 전압을 인가하기 위한 고전압 전원; 상기 진공 챔버를 배기시키기 위한 터보 펌프; 상기 측정 샘플이 장착되고 상기 진공 챔버 내에 삽입된 상태에서 상기 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위한 음극부로서의 샘플 프루브; 및 액체 냉매가 상기 샘플 프루브를 관통하도록 공급되기 위한 액체 냉매 순환로를 포함하여 이루어지고, 상기 샘플 프루브는, 상기 측정 샘플을 장착한 상태에서 상기 진공 챔버의 진공도에 영향을 주지 않으면서 상기 진공챔버로부터 탈착가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
진공 챔버, CNT(carbon nanotube), 전계 방출 특성, DAQ

Description

전계 방출 및 전기적 특성 측정을 위한 시스템{System for Field Emission and Electrical Property Measurement}
본 발명은 고진공 상태에서 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 최근 전계 방출 디스플레이(FED) 소자로서 많이 사용되고 있는 실리콘이나 탄소나노튜브(CNT)와 같은 전계 방출원(field emission source)이나 또는 새롭게 합성된 신소재 및 신물질의 전류 및 전압 특성, 온도 및 압력 특성, 수명 측정과 같은 기초적인 물리적 특성에 관한 데이터를 고진공 상태에서 보다 편리하고 간편하며 정확하게 데이터를 자동적으로 획득 및 저장 또는 디스플레이할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
최근 재료 공학 분야에 있어서 새로이 개발된 신소재나 신물질의 물리적 특성 분석이나 혹은 제작된 반도체 웨이퍼의 물성 테스트 및 진공 소자(vacuum electronic device)로 많이 활용되고 있는 전계 방출 소자인 탄소나노튜브(CNT)의 전계 방출 특성을 조사하는데 있어서, 개발된 재료의 물성(전압, 전류, 온도 및 압 력 등의 물리적 특성)을 비교적 높은 진공 상태(예를 들면 10-6 torr 이상의 진공 분위기)에서 실험을 수행하게 된다. 또한, 어떤 신소재나 신물질의 물성 검사 시에는 종종 예를 들어 10-7 torr 이상의 고진공 상태에서의 검사가 요구되기도 하며, 일반적인 재료의 물리적 특성이 급격히 향상되는 초전도 현상을 보이는 극저온 상태(cryogenic)에서의 재료의 물성 테스트 또한 요구되고 있다.
그러나, 종래 기술에 따르면, 전계방출원 소자나 합성된 신소재 및 신물질에 대한 전기적 특성 뿐만아니라 분광학적 특성을 분석하기 위한 표준화된 장비가 존재하지 않아서, 사용자들이 임시방편적으로 제작한 측정 시스템을 이용하여 결과를 얻을 수 밖에 없었으나, 이러한 측정 시스템은 그 규모와 구조가 복잡하였을 뿐만 아니라, 10-7 torr 이상의 고진공 상태나 극저온 상태에서의 측정 샘플에 대한 물성 검사의 측면에 대해서는 거의 고려하지 않고 있다는 문제점이 있다.
또한 상술한 바와 같은 종래의 기술에 따르면, 측정 샘플을 테스트할 때에 진공 챔버 안에 모든 구성요소들을 장착한 상태에서 실험을 수행하였고, 검사하고자 하는 샘플 재료를 진공 챔버안으로 장착(loading)하거나 또는 진공 챔버 밖으로 탈착(unloading)할 경우, 일반적으로는 진공을 파기하고 진공 챔버의 입구를 개방하지 않으면 안되기 때문에 측정 방법 및 절차가 복잡하고, 진공을 파기한 상태에서 측정 샘플을 재장착하고 다시 실험을 할 때에는 필요한 고진공을 생성시켜 주어야 하는 관계로 시간적인 측면에서 많은 불편함이 있었다.
즉, 종래에는 진공을 유지하면서 실험을 수행할 필요가 있을 경우, 예를 들 면 다양한 샘플의 데이터를 단기간에 수집하기 위한 경우, 잦은 측정 샘플의 교체 또는 장착된 샘플의 부동작(mal-function)으로 말미암아 많은 시간과 노력으로 어렵게 장착한 샘플을, 다시 진공을 파기하여 진공 챔버 밖으로 꺼내어 새로 샘플을 장착하여야 하고 조건에 맞는 진공을 확보한 뒤 실험을 하여야 함으로써, 적게는 1 내지 2시간 또는 고진공이 요구될 때에는 그보다 더 많은 시간을 필요로 하는 등, 수행 방법 및 절차가 복잡하다는 문제점이 있었다.
또한, 최근에 전계방출디스플레이(field emission display: FED)나 혹은 백라이트 장치(back light unit; BLU), 냉음극 엑스선 광원(cold X-ray source)으로 상용화하기 위하여 많은 연구자들에 의하여 연구가 수행되고 있는 나노 물질인 탄소나노튜브(CNT)의 전계 방출 특성이나 전류, 전압 등의 전기적 특성을 조사하기 위한 연구가 많이 수행되고 있으나, 종래의 장치로 연구를 수행하는데 있어서는 사용자들이 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다. 또한, 소재의 물성 검사 시 때로는 고진공(예를 들면, 10-7 torr 이상)이 요구되고 있으며 극저온(cryogenic) 상태에서의 재료의 물성테스트도 요구되고 있으나 종래의 측정장비로는 이러한 요구사항을 감당하기 어려운 실정이다
또한, 앞으로는 재료의 합성에 관한 기술의 발달로 위에서 언급한 대표적 나노물질인 탄소나노튜브(CNT)를 포함한 나노물질기반의 다양한 신소재들이 개발되어질 것으로 예측되고 있으며 이에 따라 재료의 기초적인 물리적 특성(예를 들면, 전류 및 전압 특성, 온도, 압력 등)에 대한 특성분석이 중요해질 것으로 보이며, 따 라서 특성분석을 위한 편리하고도 정밀한 측정 시스템의 수요는 끊임없이 증가할 것으로 예측된다. 더욱이 이와 같이 개발된 나노물질의 고진공 및 극저온(cryogenic) 상태에서의 초전도현상에 대해 연구하는 것은 매우 유익하고도 필요한 연구라고 생각할 때, 이들 실험을 용이하게 수행할 수 있는 간편하고도 편리한 표준화된 측정 시스템의 개발은 필수적이라 할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 진공 상태에서 재료의 물성검사 시 소요되는 막대한 노력과 시간을 단축함으로써 보다 효율적으로 측정 샘플의 물리적 특성 검사를 할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 하다.
또한, 본 발명은, 전자가 방출되는 양자역학적 전계방출(field emission) 원리를 이해하고, 그 에미터(emitter)로서의 성능이 가장 우수한 것으로 입증된 탄소 나노 튜브(CNT) 등 전계방출 소자들의 전계방출특성을 파악하는 실험을 할 때 또는 기존의 재료나 새로 개발된 다양한 재료의 물리적 특성을 고진공 분위기에서 측정할 때에 샘플 소자에 문제가 발생하게 되거나 혹은 다른 샘플로의 전환이 필요하여 교체가 필요할 때 사용자가 손쉽고도 용이하게 샘플을 교체할 수 있는 다기능성 측정 장비에 사용되는 음극 모듈로서의 샘플 프루브를 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 진공을 유지해줄 수 있는 진공 시스템과 온도 및 압력을 측정할 수 있는 시스템, 전압과 전류를 측정할 수 있으며 CNT의 전자방출 상태를 가시화하기 위한 이미징 시스템, 액체 질소 및 액체 헬륨을 측정 샘플에 전달할 수 있는 극저온(cryogenic) 시스템으로 구성되어 모든 측정 변수들에 대한 데이터를 자동적으로 획득 및 저장할 수 있는 랩뷰(labview) 기반의 데이터 획득 시스템(Data Aquisition System; DAQ)으로 구성되어 위에서 언급한 다용도의 진공 측정 시스템을 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시스템은 고진공 상태에서 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위한 것으로서, 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내에 형성되는 그리드 전극; 상기 진공 챔버의 일면을 관통하도록 형성된 피드스루를 통하여 상기 그리드 전극에 전압을 인가하기 위한 고전압 전원; 상기 진공 챔버를 배기시키기 위한 터보 펌프; 상기 측정 샘플이 장착되고 상기 진공 챔버 내에 삽입된 상태에서 상기 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위한 음극부로서의 샘플 프루브; 및 액체 냉매가 상기 샘플 프루브를 관통하도록 공급되기 위한 액체 냉매 순환로를 포함하여 이루어지고, 상기 샘플 프루브는, 상기 측정 샘플을 장착한 상태에서 상기 진공 챔버의 진공도에 영향을 주지 않으면서 상기 진공챔버로부터 탈착가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 측정 샘플이 전계 방출 소자이고, 상기 물리적 특성은 전계 방출 특성, 전기전도도, 전압, 전류, 온도, 압력 특성 및 극저온 상태에서의 초전도 특성 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 샘플 프루브에 장착되는 상기 측정 샘플은 실버 페인트를 이용하여 오믹 콘택트를 형성할 수 있다.
또한 상기 샘플 프루브는 샘플 프루브 가이드라인을 관통하도록 형성되어 상기 진공 챔버로 또는 상기 진공 챔버로부터 장착 또는 탈착이 가능한 것이 바람직하다.
또한, 상기 샘플 프루브 가이드라인에는 2개의 오링 및 상기 2개의 오링 사 이에 형성된 밸브 시스템을 포함하고, 상기 샘플 프루브의 상기 측정 샘플이 장착된 일단이 2개의 오링 중 상기 진공 챔버에 가까운 오링과 상기 밸브 시스템을 통과한 이후에 상기 밸브 시스템을 잠금으로써, 상기 샘플 프루브가 상기 진공 챔버로부터 탈착될 때 상기 진공 챔버의 진공도가 유지되는 것이 바람직하다.
또한 상기 샘플 프루브의 일단에는 볼트를 개재하여 상기 측정 샘플이 고정되거나 상기 샘플 프루브의 상단 표면에 실버 페인트를 이용하여 상기 측정 샘플이 장착될 수 있다.
여기서 상기 진공 챔버는 상기 터보 펌프와 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 시스템은 상기 측정 샘플이 전계 방출 소자이고, 상기 그리드 전극과 상기 샘플 프루브에 장착된 상기 전계 방출 소자 사이에 형성되는 절연층을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 그리드 전극은 금속 메쉬 또는 고체 형태의 금속 구조로 형성될 수 있다.
또는 상기 그리드 전극은 투명 전극으로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 그리드 전극에 상기 샘플 프루브에 장착된 전계 방출 소자로부터 발생되는 전자빔을 가시화하기 위한 형광 물질이 코팅될 수도 있다.
또한, 상기 시스템은 상기 진공 챔버의 일면에 장착된 CCD 카메라 및 이를 제어하기 위한 CCD 콘트롤러를 더 포함할 수 있으며, 상기 측정 샘플의 물리적 특성에 관한 데이터를 실시간으로 획득, 디스플레이 및 저장시킬 수 있도록 자동 데이터 획득(DAQ) 프로그램이 탑재된 이미징 및 프로세싱 시스템을 더 포함할 수도 있다.
또한 상기 진공 챔버 외벽에 열선이 설치되거나 액체 냉매 순환로가 설치될 수도 있다.
본 발명에 따른 시스템이 상용화된다면, 종래의 전력의 소비가 막대하였던 열음극 방식의 x-ray 광원에 비하여 기술과 기능면에서 우수한 CNT기반의 신개념 x-ray 광원의 개발이 매우 용이하게 이루어지고, 따라서 수입에만 의존하던 X-ray 광원을 대체하고 상대적으로 저렴한 가격으로 공급할 수 있어 경제적, 산업적 파급 효과가 크다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 종래 CNT 전계방출장치로는 측정할 수 없었던 고진공, 극저온(cryogenic)상태에서의 CNT의 전계방츨특성을 측정을 용이하게 할 수 있기 때문에, 극저온에서 발생하는 CNT의 전계방출현상에 대한 새로운 연구결과를 제공함으로서 신기술을 창출하고 선도할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 현재 CNT에 대해서 상술한 바와 같이 백라이트 유닛(BLU)이나 전계방출디스플레이(FED) 혹은 진공전자소자(vacuum electronic devices), 냉음극 x-ray source 및 각종 나노-바이오 센서로 활용하기 위한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있는 상황에서, 본 발명은 CNT의 물성시험을 용이하게 할 수 있는 실험 시스템을 제공함으로써 기초과학의 발전에 공헌하며 가격적인 면에서나 질적인 면에 서 종래의 시스템에 비하여 기술의 우위를 차지할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 발명은 종래 CNT의 전계방출특성 측정을 위한 장비에 비하여 사용자가 용이하게 이용할 수 있으며, 또한 측정시간을 월등히 개선할 수 있으며 LabView 기반의 자동 DAQ시스템을 접목하고 있어서 측정데이터의 정밀도를 개선할 수 있는 효과가 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전계 방출 및 전기 특성 평가 측정을 위한 다기능성 진공 측정 시스템의 개략적인 구성을 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고진공 상태에서 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위한 시스템(이하 '다기능성 진공 측정 시스템'이라 한다)은 진공챔버(100), 터보 펌프(101), CCD 콘트롤러(102), 이미징 및 프로세싱 시스템(103), 펌프 및 진공 게이지 콘트롤러(104), 온도 측정기(106) 및 고전압 전원(105)을 포함하여 구성되고, 선택적으로 로터리 펌프(107)를 포함할 수도 있다.
상기 진공 챔버(100)는, 후술할 바와 같이 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위해 상기 측정 샘플이 장착되는 음극부에 문제가 발생하거나 혹은 어느 측정 샘플의 물리적 특성의 측정을 완료하여 다른 측정 샘플로 교체하고자 할 때 음극부만의 분리 및 조립이 가능한 구조의 샘플 프루브가 장착 및 탈착될 수 있음과 동시에, 측정 샘플을 교체하기 위해 샘플 프루브를 장착 또는 탈착시킬 때 그 진공챔버 내부의 진공을 유지할 수 있도록 구성되어 있다. 본 명세서에서의 측정 샘플의 물리적 특성이란, 측정 샘플이 탄소나노튜브(CNT)와 같은 전계 방출 소자인 경우에는 전계 방출 소자의 전계 방출 특성이나 전류, 전압 특성이 될 수도 있으며, 측정 샘플이 나노 물질 기반의 신소자나 신물질인 경우에는 그 측정 샘플의 전기전도도, 전압, 전류 등의 전기적 특성이나 온도 또는 압력 특성일 수 있으며, 경우에 따라서는 예를 들어 10-7 Torr 이상의 고진공 상태 또는 극저온 상태에서의 초전도 특성이 될 수도 있다. 또한, 상기 진공 챔버(100)에는 도시생략하였으나 그 내벽 및 관을 이루고 있는 재질로부터 탈기체(outgas) 할 수 있도록 진공 챔버(100) 외벽에 열선을 설치하여 필요 시 진공도를 증대시킬 수 있도록 구성될 수도 있으며, 상기 열선의 설치와 동시에 액체 냉매 순환로를 형성함으로써 습한 진공 챔버를 빠르게 건조시킬 수 있도록 구성될 수도 있다.
상기 터보 펌프(101)는 선택적으로 포함되는 상기 로터리 펌프(107)와 함께 상기 진공챔버(100)를 진공배기시키기 위한 것으로서, 상기 진공 챔버(100)를 적어도 10-6 Torr 이상의 고진공으로 배기시키기 위하여 어떠한 종류의 펌프를 사용하여도 무방하며, 이에 대해서는 당업자에게 널리 알려져 있기 때문에 이하에서는 그 자세한 설명은 생략한다.
상기 CCD 콘트롤러(102)는, 특히 측정 샘플이 전계 방출 소자인 경우 상기 진공 챔버(100) 내의 음극부에서 발생되는 전자빔 특성을 가시화하기 위한 것으로서, 후술하는 이미징 및 프로세싱 시스템(103)과 진공 챔버(100)의 상부면에 설치된 CCD 카메라와 연계하여 전계 방출 소자의 전계 방출 특성을 측정하면서 동시에 전계 방출 소자로부터 발생하는 발광 패턴을 실시간으로 이미징하는데 사용된다.
상기 이미징 및 프로세싱 시스템(103)은 랩뷰(LabView) 기반의 자동 데이터 획득(DAQ) 프로그램이 탑재되어 상기 CCD 콘트롤러(102)를 비롯한 다른 구성 부품들을 동기화시켜 측정 샘플의 물리적 특성에 관한 데이터를 자동으로 획득하고, 획득된 데이터를 이미지로 변환시키는 역할을 한다. 따라서, 본 발명에 따르면 측정하고자 하는 상기 측정 샘플의 물리적 특성에 관한 데이터를 실시간으로 획득, 디스플레이 및 저장시킬 수 있도록 LabView 기반의 DAQ를 개발하여 이를 측정 시스템과 연동시킬 수 있기 때문에 측정된 데이터의 정밀성을 향상시킬 수 있음과 동시에, 탄소 나노튜브(CNT)와 같은 전계방출 소자의 전자 발생 형상을 실시간으로 측정할 수 있다는 장점이 있다.
상기 펌프 및 진공 게이지 콘트롤러(104)는 상기 터보 펌프(101) 및/또는 상기 로터리 펌프(107)를 제어하여 상기 진공 챔버(100)의 진공도를 정밀하게 제어하기 위한 것이고, 상기 고전압 전원(105)는 상기 진공 챔버(100) 내의 각종 전극들에 고전압을 인가하기 위한 것이며, 상기 온도 측정기(106)는 상기 진공 챔버(100) 내의 음극부에 장착된 샘플의 온도를 측정하기 위한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 진공 챔버(100) 및 이에 사용되는 음극부로서의 샘플 프루브(115)의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 진공 챔버(100)는 전계 방출 실험 및 초전도 실험을 위하여 진공 유지가 가능한 금속을 사용하여 제작되는 것이 바람직하며, 상기 진공 챔버(100) 내부에 양극부로서의 그리드 전극(110), 측정 샘플(111)이 장 착되어 상기 측정 샘플(111)이 진공 챔버(100) 내부에 놓이도록 구성된 샘플 프루브(115), 측정 샘플이 장착된 상기 샘플 프루브(115)가 상기 진공 챔버(100)에 장착되거나 이로부터 탈착되는 경우 상기 샘플 프루브(115)를 안내해주는 샘플 프루브 가이드라인(112), 상기 그리드 전극(110) 등을 지지하기 위한 지지대(113), 상기 그리드 전극(110)에 전압을 인가하기 전압 인가부(114)를 포함하여 이루어진다.
상기 그리드 전극(110)은, 예를 들어 SUS(Steel specicial Use Stainless), 구리, 철, 텅스텐 등과 같은 전기전도도가 좋은 물질로 구성되며, 특히 상기 측정 샘플(111)이 전계 방출 소자인 경우에는 금속 메쉬나 고체 형태의 금속 구조로 형성될 수 있다. 상기 그리드 전극(110)은 도시된 바와 같이 샘플 프루브(115)의 음극부에 장착되는 측정샘플과 맞닿도록 형성될 수도 있으나, 본 발명에 따르면 상기 샘플 프루브(115)의 장착 위치를 변경시킴으로써 상기 그리드 전극(110)과 상기 샘플 프루브(115)의 음극부와의 간격이 용이하게 변경될 수 있다.
상기 그리드 전극(110)은 또한, 상기 샘플 프루브(115)에 장착된 탄소나노튜브 등과 같은 전계 방출원의 발광 현상을 측정하기 위하여 투명전극(예를 들면, MgO 또는 ITO 전극 등)으로 제작할 수도 있으며, 이러한 투명 전극이 코팅되도록 제작될 수도 있다. 또한 상기 투명 전극에는, 탄소 나노 튜브와 같은 전자 방출원으로부터 발생되는 전자빔을 진공 챔버(100)의 외부의 상부면에 설치된 CCD 카메라(124)를 이용하여 형상화시키도록 형광체(phosphor)와 같은 형광물질이 코팅될 수도 있으며, 따라서 도 1에 도시된 이미지 및 프로세싱 시스템(103)과 연계하여 상술한 바와 같은 이미지 획득과 동시에 실시간으로 그 이미지를 확인할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 그리드 전극(110)이 단일한 전극으로서 도시되고 있으나, 상기 그리드 전극(110)은 전계 방출 소자의 전계 방출 특성을 측정하는 경우에는 음극부로부터 방출된 전자에 의한 충돌에 의해 전자빔을 방출하는 양극전극이나 음극부로부터 방출된 전자의 집속을 위한 전자 집속 전극 등을 포함하는 것으로서, 후술하는 음극부와 함께 여하한의 양극부의 구조를 포괄하는 개념임에 주의해야 한다.
상기 측정 샘플(111)은 음극부에 장착되는 측정 샘플로서 후술하는 바와 같이 샘플 프루브(115)의 상단에서 프루브안에 들어가는 크기로 제작된다. 이때 상기 측정 샘플(111)은 실버 페인트를 이용하여 음극부와 오믹 콘택트를 형성하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 측정 샘플(111)은 도시된 바와 같이 볼트(116)에 의해 상기 샘플 프루브(115)에 고정될 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 실버 페인트만을 이용하여 상기 샘플 프루브(115) 상단에 접착됨으로써 상기 샘플 프루브(115)에 고정될 수도 있다.
상기 그리드 전극(110)과 상기 샘플 프루브(115) 사이에는 절연층(112)이 형성될 수 있는데, 특히 상기 측정 샘플(111)이 탄소 나노 튜브 등과 같은 전계 방출 소자인 경우 상기 그리드 전극(110)와 상기 샘플 프루브(115) 사이에 절연을 위하여, 예를 들어 세라믹이나 테프론, 벨스펠, 알루미나 등과 같은 전도도가 낮은 물질로 제작된다.
또한, 상기 진공 챔버(100) 내에는 지지대(113)가 형성될 수 있는데, 이는 상기 그리드 전극(110), 측정 샘플(111) 및 절연층(112)를 지지하고 있는 절연층으로서, 상기 절연층(112)과 마찬가지로 세라믹, 테프론, 벨스펠, 알루미나 등과 같은 전기전도도가 낮은 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 진공 챔버(100) 내부에는 또한 상기 그리드 전극(110)에 고전압을 인가하기 위한 전압 인가부(114) 및 피드 스루(117)를 포함할 수 있다. 상기 전압 인가부(114)는 SUS, 구리, 철 등과 같은 전도도가 좋은 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 피드스루(117)는 상기 전압 인가부(114)를 통하여 진공 챔버 외부에서 상기 그리드 전극(110)에 전압을 인가해주는 역할을 하는 것으로서 고전압 인가를 용이하게 하기 위하여 고압용 MHV, SHV 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 샘플 프루브(115)는 측정 샘플(111)을 장착하기 위한 것으로서, 후술하는 바와 같이 샘플 프루브 가이드라인(112)을 따라 이동하여 상기 진공 챔버(110) 내부에 상기 측정 샘플(111)이 놓이도록 하며, 밸브 시스템(125) 및 2개의 오링(126, 126')과 결합하여 측정 샘플을 교체하기 위하여 상기 진공 챔버(100)로부터 꺼내어질 때, 진공 챔버(100)의 진공을 유지하면서 상기 샘플 프루부(115)만이 상기 진공 챔버(100)로부터 탈착될 수 있는 구조로 이루어진다.
상기 측정 샘플(111)은 상기 음극부로서의 샘플 프루브(115)에 고정되도록 상기 측정 샘플(111)을 장착한 후 볼트(116)로 쪼여 고정할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 필요 시에는 샘플 프루브(115)의 상단 면에 실버 페인트를 이용하여 오믹 접촉하도록 상기 측정 샘플(111)을 장착 시킬 수도 있다.
또한, 상기 샘플 프루브(115)에는 서머미터(thermometer) 등의 온도계(128) 가 장착되고, 상기 샘플 프루브(115)가 상기 진공 챔버(100)에 장착된 상태에서 도 1에 도시된 온도측정기(106)와 연동하여 측정 샘플의 온도를 실시간으로 측정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 샘플 프루브(115)는 또한 액체 냉매 분출구 및 액체 냉매 주입구(118 및 119)를 포함할 수 있는데, 상기 액체 냉매 분출구 및 액체 냉매 주입구(118 및 119)는, 상기 측정 샘플(111)의 온도를 극저온(cryogenic)으로 낮추기 위한 액체질소 혹은 액체헬륨과 같은 냉매가 진공 챔버(110) 외부로부터 상기 샘플 프루브(115)를 관통하여 순환할 수 있도록 제작된 순환로(127)를 구성하도록 액체 냉매를 분출하고 주입하기 위한 것이다. 압력 게이지(120)는 상기 액체 냉매의 압력측정을 위한 게이지이고, 저장통(121)은 진공 챔버(100) 외부로부터 상기 액체 냉매를 순환시키기 위해 진공 챔버(110) 외부에 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 진공 챔버(100)에는 또한, 측면 뷰포트(122), 상면 뷰포트(123)를 포함할 수도 있으며, 상기 상면 뷰포트(123)에는 CCD 카메라(124)가 장착될 수도 있다. 상기 측면 뷰포트(122)는 진공 챔버 내부의 옆면 모습을 관찰하기 위한 뷰포트이고, 상기 상면 뷰포트(123)은 상기 그리드 전극(110)의 발광측정을 위한 뷰포트로서, 상기 그리드 전극(110) 내부의 투명전극에서 발광되는 모습을 측정할 수 있도록 상기 CCD 카메라(124)의 외경 정도로 제작하며, 재질로는 퀄츠 및 금속 등이 사용될 수 있다. 상기 CCD 카메라(124)는 도시 생략한 케이블을 통해 도 1에 도시된 CCD 콘트롤러(102)와 연결되어 상기 그리드 전극(110)의 발광현상을 측정하기 위한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 진공 챔버(100)는 상기 터보 펌프(101)가 일체로 형성되는 것이 바람직하며, 도시하지는 않았지만 진동이 거의 발생하지 않는 소형 터보 펌프를 본 발명에서 이루어질 진공 챔버에 장착하여 필요 시 진공을 유지하는 구조를 갖게 할 수도 있다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 다기능성 진공 측정 시스템은 크게, 실리콘이나 탄소나노튜브(CNT)와 같은 전계 방출 소자의 전계 방출 특성과 신소재 또는 신물질의 전류, 전압 등의 물리적 특성을 조사하는데 사용될 수 있다. 물론 이들 2가지의 실험을 수행하는데 있어서 측정 샘플의 교체가 필요할 때 단지 측정 샘플만을 꺼내어 장착할 수 있다는 점은 공통적이다.
먼저 측정 샘플이 탄소 나노 튜브(CNT) 등과 같은 전계 방출 소자인 경우, 전계 방출 특성을 조사하기 위해서는 전계 방출 에미터로 구성되는 음극부로서의 샘플 프루브(115)와 음극부에서 발생되는 전자를 추출할 그리드 전극(110)으로 구성되며, 그리드 전극(110)과 전자 방출원인 탄소 나노튜브(CNT) 음극을 전기적으로 절연시킬 수 있는 절연층(112)까지가 진공 챔버(100) 내부에 고정되게 하는 구조를 갖게 된다. 이때, 음극부가 올바르게 작동을 하지 않을 경우 CNT 전계 방출원이 장착되는 샘플 프루브(115)는, 진공 챔버(100) 내부의 고진공이 유지된 채로 용이하게 진공 챔버(100) 외부로 추출될 수 있고 전계 방출 소자만을 교체한 후 다시 진공 챔버(100) 내부로 삽입될 수 있다.
그리고 측정 샘플이 신소재 및 신물질로 합성된 재료인 경우의 전류 및 전압 측정 시에도 이미 진공 챔버(100)내에 고정된 전계 방출 특성 측정을 위한 구조 를 그대로 사용할 수 있다. 예를 들면, 샘플 프루브(115)위에 CNT 등과 같은 전계방출원 대신에 측정하고자 하는 측정 샘플을 올려놓고 이미 진공 챔버(100)내에 고정되어 있는 그리드 전극(110)을 측정 샘플의 윗면과 접촉할 수 있게 구성하면 측정 샘플의 전류 및 전압 특성을 조사할 수 있게 된다.
또한, 위에서 언급한 전계 방출 소자를 포함하는 모든 측정 샘플에 있어서 극저온(cryogenic) 상태에서의 물리적인 특성을 조사하기 위한 방법으로는, 상기 샘플 프루브(115) 내부에서 액체질소 및 액체 헬륨 등을 순환시킬 수 있는 순환로(127)를 포함하고 있기 때문에 측정 샘플을 용이하게 냉각시킬 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 진공 챔버(100)의 진공을 유지하면서 분리 및 삽입을 할 수 있는 샘플 프루브(115)의 구성을 자세히 설명한다.
우선, 도 3a 및 도 3b는 측정 샘플(111)이 본 발명에 따른 샘플 프루브(115)에 장착되는 상태를 도시한 도면으로서, 도 3a는 측정 샘플(111)로서 탄소나노튜브(301)를 성장시킨 음극부 기판(302)이 샘플 프루브(115)에 장착된 상태를 도시하고 있으며, 도 3b는 극저온 상태에서의 초전도 특성이나 전압, 전류 등의 물리적 특성을 측정하기 위한 나노 물질 기반의 측정 샘플(303)이 샘플 프루브(115)에 장착된 상태를 도시하고 있다. 상기 기판(302)이나 나노 물질 기반의 측정 샘플(303)은 상기 샘플 프루브(115)의 상부에서 샘플 프루브 안에 들어가는 크기로 제작되는 것이 바람직하며, 이들을 장착한 후에 볼트(116)로 쪼여 고정할 수 있도록 구성된다. 또는 상술한 바와 같이 상기 음극부 기판(302)이나 측정 샘플(303)은 상기 샘 플 프루브(115)의 상단 표면에 실버 페인트를 이용하여 장착될 수도 있음은 물론이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 나노튜브를 성장시킨 기판 및 극저온(cryogenic)상태에서의 측정 샘플의 전계 방출 특성 및 전기전도특성과 같은 물리적 특성을 측정하기 위한 음극부 분리형 샘플 프루브가 진공 챔버로부터 분리되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명에 따른 음극부 분리형 샘플 프루브(115)는 샘플 프루브 가이드라인(112)를 관통하여 이동됨으로써 상기 진공 챔버(100)에 탈착가능하도록 구성되어 있으며, 상기 샘플 프루브 가이드라인(112)에는 상기 진공 챔버(100)의 진공을 유지시키기 위한 2개의 오링(126 및 126')와 상기 2개의 오링(126, 126') 사이에 설치된 밸브 시스템(125)를 포함하여 구성된다.
측정 샘플(111)이 장착된 샘플 프루브(115)를 진공 챔버(100)로부터 빼내는 경우에는, 도 4b에 도시된 바와 같이 측정 샘플(111)이 상기 2개의 오링(126, 126') 중 진공 챔버(100)에 인접한 오링(126) 및 밸브 시스템(125)을 통과하도록 A선까지 이동된 후에 밸브 시스템(125)를 잠금으로써, 도 4c에 도시된 바와 같이 진공 챔버(100)의 진공이 파기되지 않은 상태에서 샘플 프루브(115)만을 분리시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에서 사용하는 샘플 프루브(115)는, 자세히 도시하지는 않았으나, 음극이 장착되는 부분과의 절연을 위해 샘플 프루브 중간에 세라믹이나 테플론 등으로 구성되는 절연층이 삽입되는 구성을 가질 수도 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명하였으나, 본 발명에 의한 다기능성 진공 측정 시스템은 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 형태의 변형 및 응용이 가능하다. 예를 들면, 비록 도 4a 내지 도 4c에 도시된 실시예에서는 2개의 오링(126) 사이의 밸브 시스템에 의해 측정 샘플의 교체 시 진공 챔버의 진공이 유지되는 것으로 설명되었으나, 본 발명은 이에 한하지 않고 진공 챔버의 진공을 유지하면서 분리 및 삽입을 할 수 있는 구성이라면 어떠한 구성이라도 채택할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 결국, 상기 실시예들과 도면들은 본 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니므로, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 그와 균등한 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전계 방출 및 전기적 특성 평가 측정을 위한 다기능성 진공 측정 시스템의 개략적인 구성을 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 진공 챔버 및 이에 사용되는 음극부로서의 샘플 프루브의 세부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 측정 샘플이 본 발명에 따른 샘플 프루브에 장착되는 상태를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 나노튜브를 성장시킨 기판 및 극저온 상태에서의 측정 샘플의 전계 방출 특성 및 전기전도 특성과 같은 물리적 특성을 측정하기 위한 음극부 분리형 샘플 프루브가 진공 챔버로부터 분리되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (15)

  1. 고진공 상태에서 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위한 시스템에 있어서,
    진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 형성되는 그리드 전극;
    상기 진공 챔버의 일면을 관통하도록 형성된 피드스루를 통하여 상기 그리드 전극에 전압을 인가하기 위한 고전압 전원;
    상기 진공 챔버를 배기시키기 위한 터보 펌프;
    상기 측정 샘플이 장착되고 상기 진공 챔버 내에 삽입된 상태에서 상기 측정 샘플의 물리적 특성을 측정하기 위한 음극부로서의 샘플 프루브; 및
    액체 냉매가 상기 샘플 프루브를 관통하도록 공급되기 위한 액체 냉매 순환로를 포함하여 이루어지고,
    상기 샘플 프루브는, 상기 측정 샘플을 장착한 상태에서 상기 진공 챔버의 진공도에 영향을 주지 않으면서 상기 진공챔버로부터 탈착가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 샘플이 전계 방출 소자이고, 상기 물리적 특성은 전계 방출 특성, 전기전도도, 전압, 전류, 온도, 압력 특성 및 극저온 상태에서의 초전도 특성 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플 프루브에 장착되는 상기 측정 샘플은 실버 페인트를 이용하여 오믹 콘택트를 형성하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플 프루브는 샘플 프루브 가이드라인을 관통하도록 형성되어 상기 진공 챔버로 또는 상기 진공 챔버로부터 장착 또는 탈착이 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 샘플 프루브 가이드라인에는 2개의 오링 및 상기 2개의 오링 사이에 형성된 밸브 시스템을 포함하고, 상기 샘플 프루브의 상기 측정 샘플이 장착된 일단이 2개의 오링 중 상기 진공 챔버에 가까운 오링과 상기 밸브 시스템을 통과한 이후에 상기 밸브 시스템을 잠금으로써, 상기 샘플 프루브가 상기 진공 챔버로부터 탈착될 때 상기 진공 챔버의 진공도가 유지되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플 프루브의 일단에는 볼트를 개재하여 상기 측정 샘플이 고정되거나 상기 샘플 프루브의 상단 표면에 실버 페인트를 이용하여 상기 측정 샘플이 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 진공 챔버는 상기 터보 펌프와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 샘플이 전계 방출 소자이고, 상기 그리드 전극과 상기 샘플 프루브에 장착된 상기 전계 방출 소자 사이에 형성되는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 그리드 전극은 금속 메쉬 또는 고체 형태의 금속 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 그리드 전극은 투명 전극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 그리드 전극에 상기 샘플 프루브에 장착된 전계 방출 소자로부터 발생되는 전자빔을 가시화하기 위한 형광 물질이 코팅되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 진공 챔버의 일면에 장착된 CCD 카메라 및 이를 제어하기 위한 CCD 콘트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 측정 샘플의 물리적 특성에 관한 데이터를 실시간으로 획득, 디스플레이 및 저장시킬 수 있도록 자동 데이터 획득(DAQ) 프로그램이 탑재된 이미징 및 프로세싱 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공 챔버 외벽에 열선이 설치되거나 액체 냉매 순환로가 설치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
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