KR102559892B1

KR102559892B1 - Carbon Nano-Structure for Field Emitter

Info

Publication number: KR102559892B1
Application number: KR1020210005277A
Authority: KR
Inventors: 조양구; 마사노리 하바
Original assignee: 씨비테크 주식회사
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2023-07-27
Also published as: KR20220102847A

Abstract

본 발명은 에미터용 탄소 구조물, 에미터용 탄소 구조물을 제조하는 증착 장비 및 에미터용 탄소 구조물의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명은 1차원 탄소체가 랜덤하게 얽히며 뻗은 덩굴 구조체를 포함하며, 상기 덩굴 구조체의 표면에 2차원 탄소체가 랜덤하게 돌출된 에미터용 탄소 구조물을 제공한다.The present invention relates to a carbon structure for an emitter, a deposition equipment for manufacturing the carbon structure for an emitter, and a method for manufacturing a carbon structure for an emitter. In detail, the present invention provides a carbon structure for an emitter including a tendril structure in which one-dimensional carbon bodies are randomly entangled and extended, and two-dimensional carbon bodies randomly protrude on the surface of the tendon structure.

Description

에미터용 탄소 나노구조물{Carbon Nano-Structure for Field Emitter}Carbon Nano-Structure for Field Emitter}

본 발명은 전계방출 에미터용 탄소 구조물, 이의 제조방법 및 이를 제조하는 장치에 관한 것으로, 상세하게, 전계 집중이 용이하게 발생하고 낮은 문턱전압을 가지며 안정적인 전계방출 특성을 갖는 에미터용 탄소 구조물에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon structure for a field emission emitter, a manufacturing method thereof, and an apparatus for manufacturing the same, and more particularly, to a carbon structure for an emitter in which an electric field is easily concentrated, has a low threshold voltage, and has stable field emission characteristics.

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. Field emission (field emission) is a phenomenon in which electrons in a material are emitted in a vacuum when an electric field of generally 10 MV/m or more is applied to the surface of the material. As a typical material used for the field spinning, carbon nanotubes (CNTs) or carbon film structures having acicular protrusions (CCNS, see FIG. 1) may be mentioned. A carbon nanotube or a carbon film structure having acicular protrusions has a long and thin pipe shape, has a high field concentration coefficient due to its high aspect ratio, and has excellent radiation characteristics. The field emission characteristic (IV characteristic) is a curve representing the relationship between the applied voltage V and the field emission current (emission current) I by applying a voltage V between an anode and a cathode having a field emission function, and a voltage that initiates field emission (operation initiation voltage or threshold voltage) or the slope or shape of the curve.

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. When an anode (target) made of a metal with high X-ray generation efficiency such as tungsten is placed face to face with the cold cathode under vacuum, and a negative voltage is applied to the cold cathode to ground the anode, electrons are emitted by field emission from the cold cathode. There is a cold cathode X-ray tube in which the emitted electrons are accelerated by a voltage applied between electrodes and collide with a target to generate X-rays.

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.In order to generate X-rays, emission of electrons with a certain energy and quantity is required. The current-voltage (IV) characteristic curve showing the emission current (I) representing the amount of electrons on the vertical axis and the voltage (V) between the anode and cathode on the horizontal axis represents the electron emission performance of the cold cathode.

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.When the carbon film structure is applied to a cold cathode X-ray tube, a tube voltage of 30 kV or more and a tube current of 0.01 mA or more are generally required. Also, in the X-ray tube, residual gas in the vacuum inside the tube generates ions by electrons emitted from the carbon film structure. These ions are accelerated by the electric field and collide with the carbon film structure (emitter). As a result, the electron emission state changes, and stable X-ray output cannot be obtained.

탄소막구조체는 끝부분에서 효율적으로 전계가 인가되도록 끝부분의 곡률과 튜브 길이의 비가 큰 것이 좋다고 여겨져 왔다. 사실 탄소막구조체의 에스펙트 비는 매우 크다.It has been considered that the ratio of the curvature of the end portion to the length of the tube is large so that the electric field is efficiently applied at the end portion of the carbon film structure. In fact, the aspect ratio of the carbon film structure is very large.

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.However, not all grown crystals have the same aspect ratio, and a discontinuous distribution exists in the aspect ratio. Therefore, at a low applied voltage, elongated or unusually large aspect ratios emit electrons first, but are destroyed and extinguished as the voltage rises, and then electrons with the largest aspect ratio are emitted. In this way, the electron emission structure changes with respect to the applied voltage. This is the so-called instability of electron emission (flickering).

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. Considering this phenomenon as the entire carbon film structure, when a voltage is applied and gradually raised, electrons are emitted in some areas of the carbon film structure, and the resulting current value reaches a fairly high value.

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.In applying the carbon film structure to an electron tube or an X-ray tube using electric field emission, high current, prevention of electronic instability (flickering), and stabilization of performance are limited. Therefore, first of all, there has been a need to realize a carbon film for a field emission emitter that emits electrons in the entire film rather than in a partial region where the electric field concentration coefficient β value, which is a factor of electron emission of the carbon film structure, is large at an applied voltage V with a low operation initiation voltage and provides stable IV characteristics.

대한민국 공개특허 제2020-0090715호Republic of Korea Patent Publication No. 2020-0090715

본 발명의 목적은 낮은 문턱전압을 가져 대전류화가 가능하며, 전자의 불안정성(Flickering)이 방지되어 안정적인 전계방사특성을 갖는 탄소 구조물을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a carbon structure having a stable electric field emission characteristic by having a low threshold voltage, enabling high current, and preventing electronic instability (flickering).

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.The carbon structure according to the present invention is a carbon structure for a field emission emitter, and includes a tendril structure in which one-dimensional carbon bodies are randomly entangled and extended, and has a structure in which two-dimensional carbon bodies randomly protrude from the surface of the tendon structure.

일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물에 있어, 상기 2차원 탄소체는 그래핀을 포함할 수 있다.In the carbon structure for an emitter according to an embodiment, the two-dimensional carbon body may include graphene.

일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물에 있어, 상기 2차원 탄소체의 돌출 방향은 상기 2차원 탄소체가 위치하는 표면의 법선 방향을 포함할 수 있다.In the carbon structure for an emitter according to an embodiment, the protruding direction of the 2D carbon body may include a normal direction of a surface on which the 2D carbon body is located.

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. In the emitter carbon structure according to one embodiment, the two-dimensional carbon bodies protrude from the surface of the tendril structure as a spine-shaped aggregate in which two or more aggregates are aggregated, and at least the outer edges of the two-dimensional carbon bodies constituting the aggregate may be spaced apart from each other.

일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물에 있어, 상기 집합체는 상기 1차원 탄소체에 방사상으로 무질서하게 이격 위치할 수 있다.In the carbon structure for an emitter according to an embodiment, the aggregate may be spaced radially and randomly from the one-dimensional carbon body.

일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물에 있어, 상기 집합체가 위치하는 표면을 기준으로 상기 집합체의 돌출 높이는 5 내지 500nm일 수 있다.In the carbon structure for an emitter according to an embodiment, the protrusion height of the aggregate may be 5 to 500 nm based on the surface on which the aggregate is located.

일 실시예에 따른 에미터용 탄소 구조물은 탄소입자들이 막 형태로 응집된 탄소막을 더 포함할 수 있으며, 상기 덩굴 구조체는 상기 탄소막에 결착된 상태일 수 있다. The carbon structure for an emitter according to an embodiment may further include a carbon film in which carbon particles are aggregated in a film form, and the tendril structure may be bound to the carbon film.

본 발명은 상술한 에미터용 탄소 구조물(탄소 에미터) 증착 장치를 포함한다.The present invention includes the above-described carbon structure (carbon emitter) deposition apparatus for an emitter.

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.A carbon emitter deposition apparatus according to the present invention includes a first electrode on which a substrate is mounted and which is in a grounded state; a second electrode spaced apart and opposed to an upper portion of the first electrode; a coil electrode surrounding a periphery of a deposition region, which is a space between the first and second electrodes spaced apart from each other; a first power source for applying a voltage to the second electrode; and a second power source for applying a voltage to the coil electrode.

일 실시예에 따른 탄소 에미터 증착 장치에 있어, 상기 코일 전극은 상기 증착 영역에서 상기 제1전극 측에 위치할 수 있다. In the carbon emitter deposition apparatus according to an embodiment, the coil electrode may be positioned at a side of the first electrode in the deposition area.

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. In the carbon emitter deposition apparatus according to an embodiment, when the separation distance between the first electrode and the second electrode is 1, the length of the coil electrode may satisfy 0.3 to 0.8.

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. In the carbon emitter deposition apparatus according to an embodiment, plasma is formed in the deposition region by a DC voltage applied to the second electrode, and a rotational flow of gas in the plasma may be induced by the coil electrode.

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. In the carbon emitter deposition apparatus according to an embodiment, the carbon emitter deposition apparatus includes a chamber provided with the first electrode, the second electrode, and the coil electrode and providing an internal space in which deposition is performed; a gas supply means for supplying a gas phase containing a carbon source to the inner space; and an exhaust means for adjusting the pressure in the inner space.

본 발명은 상술한 탄소 에미터 증착 장치를 이용한 탄소 에미터 증착 방법을 포함한다.The present invention includes a carbon emitter deposition method using the above-described carbon emitter deposition apparatus.

본 발명은 상술한 탄소 에미터 증착 방법(제조방법)을 포함한다. The present invention includes the carbon emitter deposition method (manufacturing method) described above.

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.A method for depositing a carbon emitter according to the present invention includes a) mounting a substrate on a first electrode located in the lower part of a first electrode and a second electrode spaced apart from each other in the direction of gravity, introducing hydrogen gas, and applying a voltage to the second electrode to form hydrogen plasma; and b) supplying a gaseous carbon source to the hydrogen plasma and forming a rotational flow in gas in the plasma at least adjacent to the substrate using a coil electrode.

일 실시예에 따른 탄소 에미터 증착 방법에 있어, 상기 b) 단계에서 플라즈마에 의해 제1전극 측과 제2전극 측 간 온도차가 발생할 수 있다. In the carbon emitter deposition method according to an embodiment, a temperature difference between the first electrode side and the second electrode side may be generated by the plasma in step b).

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. In the carbon emitter deposition method according to an embodiment, an upward flow of the gas in the plasma rises from the center of the substrate toward the second electrode and a downward flow of the gas in the elevated plasma descends toward the substrate due to the temperature difference. The upward flow, the downward flow, or the upward and downward flows may be rotated by the coil electrode.

본 발명에 따른 에미터용 탄소 구조물은 종래 탄소나노튜브나 탄소막 구조체 대비 문턱 전압의 저전압화가 가능하며 매우 안정적인 IV 특성을 갖는 장점이 있다. The carbon structure for an emitter according to the present invention has the advantage of being able to lower the threshold voltage compared to conventional carbon nanotubes or carbon film structures and having very stable IV characteristics.

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. 1 is a scanning electron microscope photograph of a conventional carbon film structure observed,
2 is a cross-sectional view showing the structure of a deposition apparatus for depositing a carbon structure for an emitter according to an embodiment of the present invention;
3 is a scanning electron microscope photograph of a carbon structure for an emitter observed according to an embodiment of the present invention;
4 is another scanning electron microscope photograph of a carbon structure for an emitter observed according to an embodiment of the present invention;
5 is another scanning electron microscope photograph of a carbon structure for an emitter observed according to an embodiment of the present invention;
6 is another scanning electron microscope photograph of a carbon structure for an emitter observed according to an embodiment of the present invention;
7 is a diagram showing the measurement of IV characteristics (B) of a carbon structure for an emitter and IV characteristics (A) of a conventional carbon film structure according to an embodiment of the present invention;
8 is a scanning electron microscope photograph of the conventional carbon film structure of FIG. 1 observed at high magnification.

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. Hereinafter, a carbon structure for an emitter of the present invention, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the drawings presented below, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, they have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings. Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure will be omitted.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may be intended to include the plural forms as well, unless the context dictates otherwise.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다. In this specification and the appended claims, terms such as first and second are used for the purpose of distinguishing one element from another, not in a limiting sense.

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. In this specification and the appended claims, terms such as include or have mean that the features or elements described in the specification exist, and unless specifically limited, the possibility that one or more other features or elements may be added is not excluded in advance.

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. In this specification and the appended claims, when a part such as a film (layer), region, component, etc. is said to be on or on another part, it includes not only the case where it is in contact with and immediately above the other part, but also the case where another film (layer), other region, other component, etc. is interposed therebetween.

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. As a result of continuous research to solve the above problems, the present applicant has confirmed that a large emission current occurs at low voltage when a large amount of small spine-shaped protruding structures having sharp ends are formed on the surface of the carbon structure based on a carbon structure in which a one-dimensional carbon body grows in a tendril shape. The present invention has been completed by developing a carbon structure in which electron radiation is generated in its entirety.

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. The carbon structure according to the present invention based on the above research is a carbon structure for a field emission emitter. The carbon structure according to the present invention includes a tendril structure in which one-dimensional carbon bodies are randomly entangled and extended, and has a structure in which two-dimensional carbon bodies randomly protrude on the surface of the tendon structure.

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. The carbon structure for an emitter according to the present invention is based on a one-dimensional carbon body tendon structure, and a large amount of two-dimensional carbon body protrusions (protrusions) are formed over the entire surface of the tendon structure, so that electron emission can occur throughout the carbon structure, It can have a very high emission current at a low voltage, and can exhibit stable I-V characteristics.

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.In one embodiment, the one-dimensional carbon body may be a fibrous graphene aggregate. The fibrous graphene aggregate may be one in which graphene is randomly overlapped and aggregated to form a fibrous form, or one-dimensional carbon nanostructures such as graphene and carbon nanotubes are randomly mixed and aggregated to form a fibrous form. In this case, of course, both the one-dimensional carbon body and the two-dimensional carbon body are conductive carbon bodies. The diameter of the one-dimensional carbon body may be 10 ¹ nm to 10 ² nm, specifically 10 nm to 900 nm, more specifically 10 nm to 500 nm, and the length of the one-dimensional carbon body may be 10 ⁰ μm to 10 ² μm, specifically 10 μm to 900 μm, but is not limited thereto.

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. In one embodiment, the tendril structure is a structure in which one-dimensional carbon bodies are randomly entangled and stretched, one one-dimensional carbon body is bent and entangled, and / or two or more one-dimensional carbon bodies are intertwined and stretched, but one surface (virtual surface) It may have a structure that extends to spread over one surface in the in-plane direction. At this time, if the one-dimensional carbon body is regarded as a stem in the vine structure, the vine structure may have a form in which two or more branches are branched out from the stem. In the tendril structure, regions where the one-dimensional carbon body extends and regions where the entangled and aggregated regions are randomly distributed may form a macroscopic film shape.

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. In one embodiment, protrusions including a two-dimensional carbon body may be positioned on the surface of the tendril structure, and substantially a large amount of two-dimensional carbon body protrusions may be randomly positioned throughout the entire surface of the tendril structure.

덩굴 형태와 같이 꾸러미처럼 밀집된 형상은 전압 집중을 억제하여 전계방사 특성을 나타내지 않으나 덩굴 구조체의 표면에 돌출된 돌출부에 전압이 집중되며 전자가 방출될 수 있다. The bundle-like dense shape, such as the tendril, suppresses voltage concentration and does not exhibit field emission characteristics, but voltage is concentrated on the protrusion protruding from the surface of the tendril structure, and electrons can be emitted.

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. The 2-dimensional carbon body of the protrusion may be a 2-dimensional nano-carbon body, and the 2-dimensional nano-carbon body may include graphene. In this case, graphene may refer to a single-layer graphene and/or a graphene sheet in which a plurality of graphenes are stacked.

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. When the protrusions are formed of graphene, electric field concentration applied to the protrusions is weakened by the two-dimensional structure and non-uniformity of electric field concentration can be suppressed, and electrons can be emitted at a low voltage at the edges of the graphene due to the extremely thin thickness. Accordingly, instead of reducing the number of electrons generated from one protrusion, electrons may be emitted from substantially all of the protrusions, and each protrusion may emit electrons substantially equally (evenly).

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 0.005내지 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. Graphene has an area of 0.0001 μm ² to 0.100 μm ² level, specifically 0.005to 0.050 μm ² , more specifically 0.005 to 0.020 μm ² fine graphene. Practically, the diameter of graphene may be 10 nm to 500 nm, substantially 50 nm to 400 nm, more substantially 100 nm to 300 nm.

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. Advantageously, the protruding direction of the two-dimensional carbon body, specifically graphene, may include a normal direction on the surface of the tendril structure where the two-dimensional carbon body is located. That is, graphene may protrude in a form standing in a vertical direction on the one-dimensional carbon body located on the surface of the tendril structure. The protrusion in the normal direction is advantageous because the emitted electrons can easily escape out of the carbon structure. However, in the present invention, the protrusion direction of the two-dimensional carbon body (eg, graphene) cannot be interpreted as being limited to only the normal direction of the surface where the protrusion is located, and the two-dimensional carbon body (eg, graphene) in various directions including the normal direction. It is reasonable to interpret it as protruding. As a practical example, the two-dimensional carbon body (graphene) may protrude at various angles from substantially parallel to the surface to perpendicular to the surface.

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. In one embodiment, the protrusion may be a single two-dimensional carbon body and/or an aggregate of a plurality of two-dimensional carbon bodies. When the protrusions are aggregates, the aggregates may have a thorn shape macroscopically, and outer edge portions of the two-dimensional carbon bodies constituting the aggregates may be spaced apart from each other microscopically. In this case, the outer side may refer to a side of one protruding end of the two-dimensional carbon body. As the outer edges of the two-dimensional carbon bodies constituting the aggregate have a structure that is spaced apart from each other, electrons can be substantially equally and identically emitted from each edge of each two-dimensional carbon body in the aggregate, regardless of the number of spherical two-dimensional carbon bodies constituting the aggregate, the shape of the aggregate, and the protrusion angle of the aggregate.

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. As a practical example, the macroscopically prickly aggregate has a structure in which a plurality of graphenes are scattered, each graphene exists independently of each other, and at least the outer edges of each graphene scattered are not connected and spaced apart from each other. In addition, a step may exist between the upper portions (outer ends) of each graphene constituting the spine-shaped aggregate, and the upper portions of each graphene may not be flat. In addition, the spine-shaped aggregate may be in the form of a planar needle (a flat body with a small area having a side length of 10 nm to 300 nm), and thus may have a very small curvature. In detail, the thorn-shaped aggregate is an aggregate of several layers of graphene (graphene sheets) in the nanometer scale, rather than long, thick, and acicular protrusions such as carbon film structures, and can be seen macroscopically as thin and short needles like thorns.

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. In one embodiment, the aggregate may be spaced apart in a radially disordered manner on a one-dimensional carbon body, specifically on a one-dimensional carbon body located on the surface of a tendril structure. The prickly aggregates located on the surface of the tendril structure may exist in a mostly linear state, for example, at a protruding angle exceeding 0˚, substantially between 30 and 90˚. These thorn-type aggregates may be independently spaced apart from each other rather than clustered together. In addition, the prickly aggregate may be integrally bound to the 1-dimensional carbon body. This can also be interpreted as the growth of prickly aggregates from the surface of the tendril structure. At this time, the growth direction of the thorn-shaped aggregate may correspond to the protruding direction and may be a normal direction to the surface of the tendril structure, but is not necessarily limited thereto.

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. In one embodiment, the height (protrusion height) of the aggregate protruding from the surface of the tendril structure may be several nanometers to hundreds of nanometers, specifically 5 to 500 nm level, more specifically 5 to 300 nm level. Such a fine protruding structure is also advantageous for suppressing non-uniformity of electric field concentration, so that the carbon structure can exhibit very stable field emission characteristics.

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. In one embodiment, the carbon structure may further include a carbon film in which carbon particles are aggregated in a film form, and the tendril structure may be bound to the carbon film. At this time, being bound to the carbon film may mean that a part of the one-dimensional carbon body forming the tendril structure is buried inside the carbon film and/or is bound and fixed to carbon particles on the surface of the carbon film. At this time, the one-dimensional carbon body can also be expressed as a stem or branch of a vine, and one stem or branch can be randomly fixed to the carbon film at several different positions.

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. The carbon film may be a film in which carbon particles are continuously connected, substantially a dense film in which adjacent carbon particles are aggregated with almost no empty space. The carbon particle may have a diameter of 10 ⁰ nm to 10 ² nm, specifically 5 nm to 900 nm, but is not limited thereto. The carbon film made of conductive carbon particles provides a conductive film through which stable and uniform electricity is applied, and the tendril structure is located in a fixed and bound state on the conductive film, so that a stable and uniform voltage can be applied to the entire tendon structure.

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. When the carbon structure further includes a carbon film, the virtual film described above may correspond to the surface of the carbon film. Accordingly, the carbon structure may include a carbon film; and a tendril structure in which one or more one-dimensional carbon bodies are randomly bent, entangled, and extended so as to spread in the in-plane direction of the surface of the carbon film.

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. In one embodiment, a threshold voltage, which is a voltage at which a current of 0.1 mA is generated, may be 2.0 kV or less, specifically 1.9 kV or less, under the following electrospinning condition using a carbon structure as an emitter electrode.

전계 방사 조건 : 에미터 전극 지름 5mm, 에미터 전극과 양극간 간격 3mm, 및 10^-6Pa의 진공Field radiation conditions: emitter electrode diameter 5 mm, distance between emitter electrode and anode 3 mm, and vacuum of 10 ^-6 Pa

이러한 낮은 문턱전압은 냉 음극 X-선 관이나 전계 방출 소자등의 저전력화를 가능하게 하며, 보다 낮은 전압에서 매우 큰 방출전류를 확보할 수 있다. Such a low threshold voltage enables low power consumption of a cold cathode X-ray tube or a field emission device, and a very large emission current can be secured at a lower voltage.

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.In addition, when the carbon structure is used as the emitter electrode and the voltage is repeatedly swept in the range of 0-2.5V under the same field radiation condition, the initial IV characteristics, the IV characteristics at the time of 10 sweeps, and the IV characteristics at the time of 100 sweeps may be substantially the same. At this time, the IV characteristic includes a threshold voltage, a slope that is a current increase according to a voltage increase, and a change in the slope. This stable IV characteristic is because the protrusions in the carbon structure are based on a very fine two-dimensional carbon body, so the electric field concentration itself is not large, so damage to the protrusions through which electrons are emitted is prevented. In addition, even if some protrusions are damaged during the field emission process, there are very many protrusions.

본 발명은 상술한 탄소 구조물을 포함하는 전계방사 에미터 전극을 포함한다. 이하, 전계방사 에미터 전극은 탄소 에미터로도 통칭될 수 있다.The present invention includes a field emission emitter electrode including the carbon structure described above. Hereinafter, the field emission emitter electrode may also be collectively referred to as a carbon emitter.

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. The field emission emitter electrode may include the aforementioned carbon structure and a support for supporting the carbon structure, and examples of the support include stainless steel and silicon, but are not limited thereto.

본 발명은 상술한 탄소 에미터를 제조할 수 있는 증착 장치 및 증착 방법을 포함한다.The present invention includes a deposition apparatus and a deposition method capable of producing the above-described carbon emitter.

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. Plasma may be formed in the deposition region by applying a voltage to the second electrode through the first power source from a pair of electrodes (first electrode and second electrode) spaced apart from each other and facing each other, and through this, a carbon body may be deposited on the substrate by plasma-assisted vapor deposition. In this case, the separation direction of the first electrode and the second electrode may be in the direction of gravity (the height direction of the device), and the first electrode and the second electrode may have shapes and sizes corresponding to each other, but are not necessarily limited thereto. The first power source may be a DC power source, and plasma formed in the device may be plasma formed by DC glow discharge. The second power source may be AC power or DC power, specifically DC power.

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. The deposition region refers to a spaced apart space between the first electrode and the second electrode, and both ends are defined by the first electrode and the second electrode and may have the same cross-sectional shape as that of the first electrode (or second electrode).

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.The coil electrode is a coil-shaped electrode that wraps around the periphery of the deposition area, and a voltage is applied to the coil electrode through a second power source, thereby controlling the flow of plasma during deposition and gas including decomposition products generated by the plasma. Hereinafter, the term gas, gas phase, or gas in plasma refers to a plasma material and a gaseous decomposition product generated by the plasma, unless specifically limited.

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. Specifically, the coil electrode may be positioned on the first electrode side between the first electrode side and the second electrode side, which are both end sides of the deposition region. By positioning the coil electrode on the first electrode side, a stable rotational flow can be induced in the gas phase on the substrate side.

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.In the deposition region, an area to which force for causing a rotational flow is directly applied by the coil electrode may correspond to an area wound by the coil electrode. Accordingly, the size of the region where the force causing the rotational flow is not applied may be controlled by the length of the coil electrode, which is the distance between both ends of the coil electrode. Advantageously, when the distance between the first electrode and the second electrode is set to 1, the length of the coil electrode (distance from one end to the other end of the coil electrode) is 0.3 to 0.8, specifically 0.3 to 0.7, more specifically 0.4 to 0.6.

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. As described above, when the coil electrode is located on the side of the first electrode and satisfies the above-mentioned length, material flow (gas flow) can be caused in various directions while being substantially parallel to the in-plane direction of the substrate, and a rotational flow can be formed without disturbing the circulation of the upward and downward flow of the gas phase in a deposition region, which will be described later, and the above-described carbon structure can be deposited uniformly over the entire substrate.

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. When a carbon material is deposited on a substrate by plasma-assisted vapor deposition, a temperature difference may occur between the first electrode side and the second electrode side by plasma, and an upward flow may occur in the center of the substrate from the relatively high temperature first electrode side to the second electrode side, and a downward flow may occur in which the elevated gas phase descends back to the edge of the substrate. The coil electrode allows the gas phase to flow upwards, downwards, or both upwards and downwards in rotation.

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. In one embodiment, the carbon emitter deposition apparatus may further include a chamber having a first electrode, a second electrode, and a coil electrode provided therein and providing an internal space in which deposition is performed, and a gas supply means for supplying a gas phase containing a carbon source to the internal space; And it may further include an exhaust means for adjusting the pressure of the inner space. The gas supply unit may supply a first gas for plasma formation and a second gas serving as a carbon source to the inner space, respectively, or a mixed gas of the first gas and the second gas to the inner space. The exhaust means may be a vacuum exhaust means for adjusting the degree of vacuum in the inner space. These gas supply means and exhaust means are sufficient as long as they are generally used for gas injection and vacuum control in a general vapor deposition apparatus.

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. The first gas supplied by the gas supply unit may be hydrogen gas, and thus, the plasma generated in the device may be hydrogen plasma. The second gas may be a C1-C3 hydrocarbon gas, specifically a C1-C2 hydrocarbon gas, and more specifically methane gas, but is not limited thereto. Of course, the decomposition product described above includes the second gas decomposition product by plasma.

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. The first electrode or the second electrode may be in the form of a circular disk, and any electrode material commonly used in the field of plasma deposition, such as a copper-molybdenum alloy, is sufficient. The coil electrode may be made of titanium, but is not limited thereto.

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. The tarso emitter deposition method according to the present invention includes a) mounting a substrate on a first electrode positioned at the bottom of a first electrode and a second electrode spaced apart from each other in the direction of gravity, introducing hydrogen gas, and applying a DC voltage to the second electrode to form hydrogen plasma; and b) supplying a gaseous carbon source (second gas) to the hydrogen plasma and forming a rotational flow in the gas in the plasma at least adjacent to the substrate using a coil electrode. At this time, the first electrode may be in a ground (ground) state.

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. In step b), a temperature difference may occur between the first electrode (or substrate) and the second electrode due to hydrogen plasma generated by the first electrode in the ground state and the second electrode to which DC voltage is applied. In detail, the first electrode may be in a relatively higher temperature than the second electrode. As a result, an upward flow (updraft) from the first electrode to the second electrode may be formed, and a descending flow (downstream) in which the elevated gas phase descends toward the second electrode may be formed. In the circulation of the upward flow and the downward flow, the upward flow, the downward flow, or both the upward flow and the downward flow may be rotated and flowed by the coil electrode positioned on the substrate side.

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. As a specific example of the temperature difference between the first electrode (or substrate) and the second electrode, the temperature of the first electrode (or substrate) may be 900 to 1200 ° C, specifically 1000 to 1100 ° C, and the second electrode is the first electrode (or the substrate) may have a temperature lower than 200 to 500 ° C, specifically 200 to 400 ° C, but is not limited thereto.

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. In one embodiment, in step a), after mounting the substrate on the first electrode a1), hydrogen gas (first gas) is supplied through a gas supply means, and the pressure in the internal space of the chamber is reduced to 10 to 50 torr through an exhaust means. adjusting to be; a2) generating hydrogen plasma by applying a DC voltage to the second electrode through the first power supply; As the hydrogen plasma is generated before supplying the carbon source, the inside of the chamber including the substrate may be cleaned with hydrogen.

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. In one embodiment, step b) may include: b1) supplying a mixed gas of a gaseous carbon source (second gas) and hydrogen gas into a chamber in which hydrogen plasma is generated through a gas supply means; b2) applying a voltage to the coil electrode through a second power source; b3) increasing the pressure in the inner space of the chamber to 60 to 100 torr through an exhaust unit and forming a carbon structure on the substrate;

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. In this case, in step a2), the current by applying the first power may be controlled to a level of 1 to 4 A, and in step b3), the current by applying the first power may be controlled to a level of 5 to 10 A. Also, in steps b2) and b3), the coil electrode may be controlled based on the gas flow so that the gas flow in the plasma rotates stably and flows upward and downward. As a practical example, during the deposition of b3) (when forming the carbon structure), the coil electrode may be controlled in a current range of 1 to 10 A, but is not necessarily limited thereto. In addition, the deposition of step b3) may be performed for 1 to 5 hours, but is not limited thereto.

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.2 is a cross-sectional view showing the configuration of a deposition apparatus according to an embodiment of the present invention, corresponding to equipment actually used for deposition. In the chamber 21, the second electrode 22 and the first electrode 24 in a grounded state having a mask 39 having a shape corresponding to the substrate 31 and serving as a sample holder are disposed facing up and down, and a coil electrode 23 extending to the middle of the second electrode 22 and the first electrode 24 is disposed at a position where the substrate 31 is sufficiently covered by the mask 39. The first electrode 24 is connected to the chamber 21 and grounded. The chamber 21 is equipped with a gas supply means 25 for introducing gas by controlling a certain amount of gas for plasma formation and film formation gas, and an exhaust means 26 for controlling the degree of vacuum inside the chamber 21 during film formation. The second electrode 22 is connected to a first power source 32, which is a DC power source, and the coil electrode 23 is connected to a second power source 33, which is a control power source for controlling plasma. The second electrode 22 is a 30% copper-mobdenum alloy electrode in the shape of a circular disc.

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. An example of depositing a carbon structure on a substrate based on the apparatus of FIG. 2 will be described in detail. The gas sent into the chamber 21 is supplied after independently supplying hydrogen and methane and mixing them. The mixed gas supply is 5 to 20 cm ³ per minute. First, the inside of the chamber 21 is exhausted through the exhaust means 26 . From the gas supply means 25, hydrogen gas is injected into the chamber 21 at a constant flow rate, and the pressure inside the chamber 21 becomes 35 torr. Thereafter, a discharge plasma 34 is generated between the second electrode 22 and the first electrode 24 by the application of the first power source 32 . The applied current is increased up to 3A with respect to 35torr inside the chamber 21 and maintained for about 10 minutes. In this way, prior to the carbonaceous film, electrodes such as the substrate 31 and the mask 30 are cleaned with hydrogen so that foreign substances are not mixed into the carbon film. Then, the gas supply means 25 mixes hydrogen gas with methane gas and flows them. Thereafter, the pressure inside the chamber 21 is raised to 40 torr and maintained for about 10 minutes. In the meantime, the applied current rises to about 4A. In this state, decomposed products of methane as the main component in the plasma are generated and spread in the hydrogen plasma 34. In this state, the generated plasma is controlled by applying the second power source 33, which is a control power source, to the coil electrode 23 that controls the plasma. Subsequently, the pressure inside the chamber 21 is gradually increased to 75 to 80 torr, and when the pressure reaches 75 torr, the first power source 32 is increased to a level of 6 to 7A. In addition, in order to control the plasma, film formation was performed for 2 hours by controlling the current value of the second power source 33 to a level of 4.5 A while watching the gas flow in the plasma. During film formation, the substrate temperature is raised to about 1000 to 1100 ° C by the plasma 34 generated on the substrate 31, and the film formation precursor in which methane is decomposed in the plasma reaches the substrate 31 by the gas flow 35 in the plasma and a sheath electric field (sheath electric field) near the substrate, and the above-described carbon structure is deposited on the substrate 31. The coil electrode 23 that controls the plasma rotates the flow of the plasma flow 35 and methane decomposition product. A temperature difference of about 300° C. occurs between the second electrode 22 and the first electrode 24, turning the plasma flow 35 near the substrate into an upward flow. Rotation is applied by the coil electrode 23 made of titanium to the main upward and downward flow of the material flow 35 in the plasma 34, and the above-described carbon structure is generated on the substrate despite a long film formation time. In FIG. 2, arrows indicate a flow in which the material flow 35 in the plasma rotates and rises and falls.

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. FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a carbon structure for an emitter fabricated by the above-described deposition method based on the device of FIG. 2 . Several vines growing irregularly on the carbon film in which carbon particles are densely aggregated can be observed, and it can be seen that these vines do not exist on the entire surface of the substrate, but rather maintain a certain space and grow with their stems extending as if crawling on the surface. Some vines are formed continuously, irregularly intertwining the space. A vine can become a stem and stand on its own, and there are also times when multiple vines are intertwined and growing. The vine is branched and grown in plural, and has an irregular shape. An enlarged SEM image of a part of FIG. 3 is shown in FIG. 4 . As shown in FIG. 4, it can be seen that nodes such as branches exist on the surface of the vine that becomes the stem. 5 is a SEM photograph of the surface of the vine. Most of the thorns (assembly of thorns) grown on the surface of the vine exist in a standing state, and are growing independently rather than gathered in a bundle. Compared to the conventional carbon film structure shown in FIG. 1, this type of growth can solve the defect of not applying an electric field to individual crystal ends, and can apply an electric field to each thorn intensively. Although the tips of these thorns are sharp, the height of the thorns is remarkably low compared to conventional carbon film structures. However, instead of having this low height, a large number of electron generating points are formed. Therefore, since electrons are emitted from a low voltage and there are many visible numbers that generate current values, a very large emission current can be obtained overall. This vine is made of a stem (one-dimensional carbon body), so the adhesion to the substrate is due to the nature of the vine, so that not only the root but also the middle part of the stem is bonded to the substrate. Because of this structure, even when a high electric field is applied, peeling or the like does not occur in the electric field. Compared to the conventional carbon film structure, the number of thorns capable of emitting electrons is far greater. Therefore, even if a discharge occurs between electrodes by applying a voltage, in the existing carbon film, a part of the carbon film is simply destroyed and the number of electrons is sharply reduced. Hereinafter, the structure of the carbon structure of the embodiment will be described with reference to SEM photographs. 1 is a SEM picture showing a conventional carbon film structure, and FIG. 4 is a SEM picture of a carbon structure based on a tendril structure. 1 and 4, it can be seen that the carbon structure has a structure completely different from that of the prior art. In the conventional carbon film structure, thick needles for electron emission have sharp ends, and the height of the needles has a structure in which voltage is easily applied. But there aren't that many of them. Needles that emit electrons in the existing carbon film structure are actually destroyed when remaining gas molecules are ionized in a vacuum container such as an X-ray tube and accelerated and collided with the cathode. On the other hand, the carbon structure has a tendril-like shape as shown in FIG. 4 . Unlike carbon nanotubes or carbon film structures, a number of thorn-shaped protrusions are formed on the normal line on the surface of the vine. This thorn has an effective shape as an emission site. 5 and 6 are SEM photographs of enlarged observations of the surface of the vine. It can be seen from FIG. 5 that a plurality of nanoscale thorns are observed. FIG. 6 is an enlarged view of FIG. 5, and it can be seen that the thorns are a structure in which nanoscale graphene is scattered. An enlarged photograph of an umbrella-like aggregate of the conventional carbon film structure shown in FIG. 1 is shown in FIG. 8. As can be seen from FIG. 8 , the carbon film structure has a structure in which graphene sheets are continuously crossed and do not mechanically fall. An appropriate electric field is not applied to the plurality of graphene sheets of this type, and efficient electrospinning cannot be performed, similarly to the so-called bundle shape. Meanwhile, the carbon structure of the present invention does not contain a conventionally coarse graphene sheet. In the carbon structure of the present invention, it can be seen that graphene is grown in a normal line to the surface of the tendril, forming a sheet of several layers, and the size of the graphene is about 0.3 μm. Also, the upper part of the graphene (graphene sheet) has steps and is not flat. In the carbon structure of the present invention, graphene exists independently, whereas conventional carbon film structures are continuously formed. Electron emission is difficult to occur without acicular projections. In the carbon structure of the present invention, the tip of the graphene where electron emission occurs is like a planar needle. Accordingly, the curvature is also remarkably small. Also, the size of graphene is important, and the length from the tip to the root of graphene is only about 0.1 to 0.3 μm. That is, the size of graphene through which electrons are emitted is much smaller than that of conventional carbon film structures. Even when a low electric field is applied due to such a nanoscale size, electron emission is possible from the prickly-type aggregate. Through scanning electron microscope observation, it can be seen that the above-mentioned thorns grow on the surface of the vine, and graphene aggregates of 0.01 μm ² in area grow radially, so there is no continuous aggregate and exist independently. In addition, the tip of the aggregate (thorn) has a shape in which graphene is overlapped, and is not essentially different from the needle tip. Through scanning electron microscope observation, it can be seen that the outer edges of the graphenes at the end of the aggregate are spaced apart from each other. In the observation photo, the thorn-shaped aggregate (thorn) is an aggregate of several nanometer-scale graphenes, rather than thin, long, thick, and acicular protrusions like carbon film structures. In addition, thorn-type aggregates (thorns) grow at random intervals in a radial direction with respect to the vine stem, and the height is at the level of several 10 to 100 nm. Therefore, when grown in dense bundles like carbon nanotubes, the concentration of voltage is suppressed and the electric field emission characteristics are lost. On the other hand, in the case of thorn-shaped aggregates, the aggregates are located on the surface of the tendril even if there is excessive density. Due to this structure, the concentration of the electric field generated in the thorn-shaped aggregate is small. Accordingly, the amount of electrons emitted per graphene is small. However, since an extremely large amount of aggregates having a prickly aggregate structure are formed, substantially all aggregates equally emit electrons from a low electric field. In this respect, the carbon structure of the present invention is different from conventional emitters that emit electrons only in part because the aspect ratio is large but uneven, such as a carbon film structure. In this respect, the carbon structure of the present invention can operate at a lower voltage than conventional carbon nanotubes and carbon film structures, and can have excellent field emission characteristics including its stability in IV characteristics.

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.7 is a diagram showing measurement of IV characteristics using the manufactured carbon structure as an emitter electrode. In FIG. 7, A is the IV characteristic curve of the existing carbon film structure (FIG. 1), and B is the IV characteristic curve of the carbon structure according to the present invention. The measurement conditions were that the diameter of the emitter electrode was 5 mm, the distance between the emitter electrode and the anode was 3 mm, and the vacuum pressure at the time of measurement was 1×10 ^-6 Pa. Comparing curve A and curve B, it can be seen that the current rise occurs at a lower voltage in the carbon structure according to the present invention. As is well known, a current is generated in a carbon film structure at a lower voltage than that of a carbon nanotube. In the carbon structure according to the present invention, the increase in current is reduced to a lower voltage than the carbon film structure. Looking at the voltage (operation initiation voltage or threshold voltage, V) at which a current of 0.1 mA starts to occur, the conventional carbon film structure has a threshold voltage of about 2.5 kV, and the carbon structure according to the present invention has a threshold voltage of 1.9 kV. If the threshold voltage is lowered like this, the cathode circuit can be directly controlled by semiconductor devices such as IGBTs and MOSFETs in fields that use high voltages, such as X-ray tubes, so that the amount of emission current can be freely handled.

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.As described above, the carbon structure for an emitter according to the present invention has a film structure in which tendrils are grown in an irregular shape. On the surface of this tendril structure, a number of spines, which are graphene aggregates, exist in a normal line. In addition, the spines are composed of a collection of independent graphene composed of several layers in a very small area. Graphene consists of nanometer planes, and there is no continuity between individual graphenes. Individual graphenes are mixed in normal lines on the vines. Electron radiation is emitted from the tip of graphene on a normal line.

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. As described above, the present invention has been described by specific details and limited embodiments and drawings, but this is only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. Those skilled in the art can make various modifications and variations from these descriptions.

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.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims described later, but also all modifications equivalent or equivalent to these claims belong to the scope of the present invention.

Claims

1차원 탄소체가 랜덤하게 얽히며 뻗은 덩굴 구조체를 포함하며,
상기 덩굴 구조체의 표면에 2차원 탄소체가 랜덤하게 돌출되고,
상기 덩굴 구조체는 직경이 5nm 내지 900nm인 탄소입자들이 막 형태로 응집된 탄소막에 결착된 것인 에미터용 탄소 구조물.One-dimensional carbon body is randomly entangled and includes an extended tendril structure,
A two-dimensional carbon body randomly protrudes on the surface of the tendril structure,
The vine structure is a carbon structure for an emitter in which carbon particles having a diameter of 5 nm to 900 nm are bound to a carbon film in which carbon particles are aggregated in a film form.

제 1항에 있어서,
상기 2차원 탄소체는 그래핀을 포함하는 에미터용 탄소 구조물.According to claim 1,
The two-dimensional carbon body is a carbon structure for an emitter containing graphene.

제 1항에 있어서,
상기 2차원 탄소체의 돌출 방향은 상기 2차원 탄소체가 위치하는 표면의 법선 방향을 포함하는 에미터용 탄소 구조물.According to claim 1,
A carbon structure for an emitter in which the protruding direction of the two-dimensional carbon body includes a normal direction of a surface on which the two-dimensional carbon body is located.

제 1항에 있어서,
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 이격된 에미터용 탄소 구조물.According to claim 1,
On the surface of the tendril structure, two or more of the two-dimensional carbon bodies protrude into a thorn-shaped aggregate, and at least the outer edge portions of the two-dimensional carbon bodies constituting the aggregate are spaced apart from each other. Carbon structures for emitters.

제 4항에 있어서,
상기 집합체는 상기 1차원 탄소체에 방사상으로 무질서하게 이격 위치하는 에미터용 탄소 구조물. According to claim 4,
The aggregate is a carbon structure for an emitter positioned radially and randomly spaced apart from the one-dimensional carbon body.

제 4항에 있어서,
상기 집합체가 위치하는 표면을 기준으로 상기 집합체의 돌출 높이는 5 내지 500nm인 에미터용 탄소 구조물. According to claim 4,
A carbon structure for an emitter having a protruding height of the aggregate based on the surface on which the aggregate is located is 5 to 500 nm.

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