KR20200076641A - Cold cathode including graphene film and electron gun including same - Google Patents

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KR20200076641A
KR20200076641A KR1020190169886A KR20190169886A KR20200076641A KR 20200076641 A KR20200076641 A KR 20200076641A KR 1020190169886 A KR1020190169886 A KR 1020190169886A KR 20190169886 A KR20190169886 A KR 20190169886A KR 20200076641 A KR20200076641 A KR 20200076641A
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박건식
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홍동표
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서울대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a cold cathode including a graphene film and an electron gun using the same and, more specifically, to a cold cathode including a graphene film, which may be used for a vacuum electronic device in a millimeter and sub-millimeter frequency range, and an electron gun using the same. The present invention provides the cold cathode including a graphene film and stably emitting electrons with a high current density, and the electron gun including the same. Specifically, the cold cathode including a thin graphene film with a high aspect ratio may maintain a high current density and current.

Description

그래핀 필름을 포함하는 냉음극 및 이를 이용한 전자총{COLD CATHODE INCLUDING GRAPHENE FILM AND ELECTRON GUN INCLUDING SAME}Cold cathode containing graphene film and electron gun using the same{COLD CATHODE INCLUDING GRAPHENE FILM AND ELECTRON GUN INCLUDING SAME}

본 발명은 그래핀 필름을 포함하는 냉음극 및 이를 이용한 전자총에 관한 것이다. 보다 상세하게는 밀리미터 및 서브 밀리미터 주파수 범위의 진공 전자 장치에 사용될 수 있는 그래핀 필름을 포함하는 냉음극 및 이를 이용한 전자총에 관한 것이다.The present invention relates to a cold cathode comprising a graphene film and an electron gun using the same. More particularly, the present invention relates to a cold cathode including a graphene film and an electron gun using the same, which can be used in vacuum electronic devices having a range of millimeter and sub millimeter frequencies.

밀리미터(millimeter) 및 테라 헤르츠(terahertz) 방사선에 대한 관심은 최근 미세 제조 및 모델링 도구의 발전, 새로운 생체 의학 및 보안 기술의 필요성의 향상에 의해 새롭게 주목받고 있다. 이에 대한 잠재적 응용 분야로는 생물학적, 화학적 분광학 및 생체 의학 진단, 레이더 및 고속 통신 시스템, 무기 또는 위협 탐지, 원격 고해상도 이미징, 재료 연구 등이 있다. 느린 파동을 가진 진공 전자 장치(발진기와 같은)는 현재 밀리미터 및 서브 밀리미터 파장 범위에서 가장 광범위하게 분포된 중기능 방사원이며, 일반적으로 이러한 가용 소스의 전력은 주파수가 증가함에 따라 급격히 감소한다. 특히 테라 헤르츠의 범위에서는 그 감소폭이 더욱 크다. 코히어런트 전자기 복사의 모든 고전적인 전자 소스는 전자 전류의 운동 에너지를 전자기장 에너지로 변환하는 일반적인 물리적 원리에 의존하다. 이들 장치의 한계는 장치의 회로 및 음극의 전력 처리 능력, 즉 열과 관련된 문제와 관련되어 있다. 대부분의 진공 전자 장치는 열 이온 또는 고온의 음극을 사용하나, 이들은 부피가 크고 주위 디바이스의 가열을 유발하여 불충분한 방출 전류 밀도를 제공하기 때문에 고주파 범위에서 문제가 된다. 이에 따라서 최근에는, 냉음극 전자 방출기가 현재의 열 이온 음극으로 달성할 수 없는 고밀도 전자빔의 공급원으로 이용되기 시작했으며, 이러한 냉음극 전자 방출기는 의료용 영상, 고해상도 전계 방출 전자 현미경, 평판 디스플레이 및 국경 보안 또는 위성 통신을 위한 진공 전자장치용 X선 소스와 같은 다양한 응용 분야에 대해 연구되고 있다.Interest in millimeter and terahertz radiation has recently been spotlighted by advances in microfabrication and modeling tools, and the need for new biomedical and security technologies. Potential applications include biological and chemical spectroscopy and biomedical diagnostics, radar and high-speed communication systems, weapon or threat detection, remote high-resolution imaging, and material research. Slow-wave vacuum electronics (such as oscillators) are currently the most widely distributed medium-function radiation sources in the millimeter and sub-millimeter wavelength range, and generally the power of these available sources decreases rapidly with increasing frequency. Especially in the terahertz range, the reduction is even greater. All classical electron sources of coherent electromagnetic radiation rely on the general physical principle of converting the kinetic energy of an electron current into electromagnetic field energy. The limitations of these devices are related to the device's circuitry and the cathode's power handling capabilities, namely heat related issues. Most vacuum electronics use thermal ions or hot cathodes, but they are problematic in the high frequency range because they are bulky and cause heating of the surrounding device to provide insufficient emission current density. Accordingly, in recent years, cold-cathode electron emitters have begun to be used as a source of high-density electron beams that cannot be achieved with current thermal ion cathodes, and these cold-cathode electron emitters are used for medical imaging, high-resolution field emission electron microscopy, flat panel displays and border security. Or, various applications such as X-ray sources for vacuum electronics for satellite communication are being studied.

캐소드란 전자관의 전자 방출면 또는 음극면을 의미한다. 음극이란 캐소드 전자관에서 전자를 방출시키는 전극을 지칭한다. 방출 원리에 따라 분류하면 열음극 및 광전 음극, 냉음극이 있다. 냉음극이란 음극을 가열하지 않고 전자 방출을 하는 음극을 의미하며, 전자나 이온의 충돌에 의한 2차 전자 방출을 이용한 것과 전계 방출을 이용하는 것(전계 방출 캐소드)이 있다. 전계 방출이란 전자 방출의 일종으로 강력한 전계에 의해서 금속 표면에서 전자를 끌어내는 것을 의미한다. 일반적인 냉음극은 열음극보다 그 안정성과 수명이 현저히 낮은 문제가 있다.The cathode means an electron emitting surface or a cathode surface of the electron tube. The cathode refers to an electrode that emits electrons from the cathode electron tube. If categorized according to the emission principle, there are a hot cathode, a photocathode, and a cold cathode. The cold cathode means a cathode that emits electrons without heating the cathode, and there are those using secondary electron emission due to collision of electrons or ions and those using field emission (field emission cathode). Field emission is a kind of electron emission, which means drawing electrons from a metal surface by a strong electric field. The general cold cathode has a problem that its stability and life are significantly lower than that of a hot cathode.

전계 방출은 약 10MV/cm 내지 100MV/cm 사이의 높은 전기장에서 발생하며, 이는 대략 100kV/cm에서 일반적인 진공 파괴 강도를 초과한다. 따라서, 파괴를 피하고 상기 조건을 만족시키기 위해 전계 방출원은 피뢰침과 같은 높은 종횡비의 방출 표면을 가질 수 있다. 즉 전계 강화를 위해 수십 내지 수십 나노 미터의 매우 날카로운 방출 표면을 가질 것이 요구된다.Field emission occurs at high electric fields between about 10 MV/cm and 100 MV/cm, which exceeds the typical vacuum breaking strength at approximately 100 kV/cm. Therefore, in order to avoid destruction and satisfy the above conditions, the field emission source can have a high aspect ratio emitting surface such as a lightning rod. That is, it is required to have a very sharp emission surface of tens to tens of nanometers for electric field strengthening.

안정적인 성능을 위하여는 방출된 전자빔은 균일해야 한다. 따라서 필드 향상을 위해 방출 표면을 날카롭고 높은 종횡비로 제어하는 것이 중요하다. 전계 방출 전자 현미경의 경우, 반응성 이온 에칭(RIE), 방전 가공, 전기 에이징 및 집속 이온빔(FIB) 가공으로 포인트 방출기(일례로, LaB6 단결정)의 방출면을 균일화하였다. 또는 탄소 나노 튜브(CNT) 팁이 사용되어 왔다.For stable performance, the emitted electron beam must be uniform. Therefore, it is important to control the emission surface with a sharp and high aspect ratio to improve the field. In the case of a field emission electron microscope, the emission surface of the point emitter (e.g., LaB 6 single crystal) was uniformized by reactive ion etching (RIE), electric discharge processing, electric aging, and focused ion beam (FIB) processing. Alternatively, carbon nanotube (CNT) tips have been used.

한편, 평면 패널 디스플레이 및 X-선 소스는 큰 방출 영역 및 방출 전류를 얻기 위해 개별적인 전자 방출 요소의 집합에 의해 형성된 어레이, 플레이크 또는 얀 이미터를 사용한다. 이러한 평면 패널 디스플레이는 제조 방법의 한계로 인해 개별적인 전계 방출 지점이 동일하지 않기 때문에, 불균일한 전계 방출면을 갖는다. 불균일한 전계 방출면은 필연적으로 방출 엘리먼트의 국부적인 증발을 수반한다. 따라서 국부적인 전계 방출 및 그에 따른 열악한 진공으로 인한 전기 파손을 야기한다. 이것은 불균일한 전자 방출을 유발할 뿐만 아니라 전계 방출 장치의 수명을 결정하는 중요한 장애물이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 개별적인 전계 방출 지점을 균일화하고 플라즈마 처리, 레이저 표면 처리, 방전 가공 및 제어된 전기적 차단 처리와 같은 방법을 사용하여 표면을 처리해야 한다. 이러한 방법을 사용하여 보다 안정적이고 균일한 전계 방출을 얻는 것이 가능하지만, 제조 방법에 포함된 개별 전계 방출 지점의 무작위 성질은 완전히 보상될 수 없다. 그러므로, 대부분의 전계 방출 캐소드의 수명은 안정된 수명을 갖는 열 이온 캐소드보다 현저히 낮다는 문제점이 있다.On the other hand, flat panel displays and X-ray sources use arrays, flakes or yarn emitters formed by a collection of individual electron emitting elements to obtain large emission areas and emission currents. This flat panel display has a non-uniform field emission surface because the individual field emission points are not the same due to the limitations of the manufacturing method. The non-uniform field emission surface inevitably involves local evaporation of the emission element. Therefore, it causes local electric field emission and consequently electrical damage due to poor vacuum. This not only causes non-uniform electron emission, but is an important obstacle that determines the life of the field emission device. To solve this problem, the individual field emission points must be homogenized and the surface treated using methods such as plasma treatment, laser surface treatment, electric discharge machining, and controlled electrical blocking treatment. Although it is possible to obtain a more stable and uniform field emission using this method, the random nature of the individual field emission points included in the manufacturing method cannot be fully compensated. Therefore, there is a problem that the lifetime of most field emission cathodes is significantly lower than that of a thermal ion cathode having a stable lifetime.

최근에는 기계적으로 자유롭게 절단하여 원하는 전계 방출면을 형성할 수 있는 그래핀 산화막을 사용하는 전계 방출 캐소드가 개발되었으며 이는 수정된 허머(Hummer) 방법을 사용한다. 그러나, 전계 방출이 일어나는 표면으로부터 수십 나노 미터 수준의 미세 영역에서는 표면의 형태의 균일한 제어가 어려운 문제점이 있다.Recently, a field emission cathode using a graphene oxide film that can be mechanically freely cut to form a desired field emission surface has been developed, which uses a modified Hummer method. However, there is a problem in that it is difficult to uniformly control the shape of the surface in the micro-region of the order of tens of nanometers from the surface where the field emission occurs.

그래핀 산화막을 사용하는 전계 방출 캐소드는 그래핀 페이퍼를 압연하여 어레이 및 3A/cm2 및 6mA의 최대 전류 밀도를 생성할 수 있는 그래핀 캐논을 형성한다. 그래핀 캐논은 금속 받침대에 수직으로 고정되어 있고, 금속 받침대와 양극 사이에 인가된 전압이 방출 특성을 조절한다. 이 그래핀 캐논(graphene canon)의 필드 강화 계수는 이전에 보고된 다른 종류의 그래핀 시트 이미터(graphene sheet emitters)보다 적다. 그러나 여전히 높은 턴온 필드를 가지고 있어 달성해야 할 전류 밀도 및 전류는 여전히 열 이온 음극의 한계 이하인 문제점이 있다. A field emission cathode using a graphene oxide film rolls graphene paper to form an array and a graphene cannon capable of producing a maximum current density of 3A/cm 2 and 6mA. The graphene cannon is fixed vertically to the metal base, and the voltage applied between the metal base and the anode controls the emission characteristics. The field strengthening factor of this graphene canon is less than other types of graphene sheet emitters previously reported. However, it still has a high turn-on field, so the current density and current to be achieved are still below the limits of the thermal ion cathode.

전자총(전자빔)이란 특정한 속도로 움직이도록 잘 조준된 전자들의 빔을 만드는 장치로 일반적으로 좁고 긴 진공관으로 되어 있으며, 진공 전자 장치 및 냉음극 전자 방출기가 이에 사용된다. 따라서 일반적인 진공 전자 장치 및 냉음극 전자 방출기가 갖는 문제점을 함께 갖고 있다.An electron gun (electron beam) is a device that makes a beam of electrons that are well aimed to move at a specific speed, and is generally made of a narrow and long vacuum tube, and a vacuum electronic device and a cold cathode electron emitter are used for this. Therefore, it has the problems of a general vacuum electronic device and a cold cathode electron emitter.

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 10,000A/cm2 이상 및 10mA/mm 이상의 매우 높은 전류 밀도를 가지며, 진공 테라 헤르츠 범위보다 높은 전력을 갖는 냉음극을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉음극은 그래핀 필름을 포함한다. Accordingly, the technical problem of the present invention is conceived in this regard, and the object of the present invention is to provide a cold cathode having a very high current density of 10,000 A/cm 2 or more and 10 mA/mm or more, and a power higher than the vacuum terahertz range. In order to do, the cold cathode according to an embodiment of the present invention includes a graphene film.

또한 본 발명의 다른 목적은 높은 전류 밀도를 생성할 수 있는 그래핀 필름을 포함하는 냉음극을 이용하여, 그래핀 전계 방출 소자의 열 접촉 문제를 개선하여 안정적으로 전자빔을 방출하는 전자총을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an electron gun that emits an electron beam stably by improving a problem of thermal contact of a graphene field emission device by using a cold cathode including a graphene film capable of generating a high current density. .

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 냉음극은 그래핀 필름을 포함하며, 상기 그래핀 필름은 30,000:1 이상의 종횡비를 갖는다. To solve this problem, the cold cathode according to an embodiment of the present invention includes a graphene film, and the graphene film has an aspect ratio of 30,000:1 or more.

상기 그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑될 수 있다. The graphene film may be doped with tungsten.

상기 냉음극은 10mA/mm 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있다. The cold cathode may emit an electron beam with a current density of 10 mA/mm or more.

상기 냉음극은 10000A/cm2 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있다. The cold cathode may emit an electron beam with a current density of 10000 A/cm 2 or higher.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자총은 캐소드 베이스, 상기 캐소드 베이스에 고정된 냉음극, 상기 캐소드 베이스와 이격된 애노드를 포함하고 상기 냉음극은 그래핀 필름을 포함하며, 상기 그래핀 필름은 30,000: 1 이상의 종횡비를 가진다. The electron gun according to an embodiment of the present invention includes a cathode base, a cold cathode fixed to the cathode base, an anode spaced apart from the cathode base, and the cold cathode includes a graphene film, and the graphene film is 30,000: It has an aspect ratio of 1 or more.

상기 그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑될 수 있다. The graphene film may be doped with tungsten.

상기 냉음극은 10mA/mm 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있다. The cold cathode may emit an electron beam with a current density of 10 mA/mm or more.

상기 냉음극은 10000A/cm2 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있다.The cold cathode may emit an electron beam with a current density of 10000 A/cm 2 or higher.

이상과 같이 본 발명은 그래핀 필름을 포함하며, 높은 전류 밀도의 전자 방출을 안정적으로 할 수 있는 냉음극 및 이를 포함하는 전자총을 제공한다. 구체적으로, 높은 종횡비를 갖는 얇은 그래핀 필름을 포함하는 냉음극은 높은 전류 밀도와 전류를 유지할 수 있다.As described above, the present invention includes a graphene film, and provides a cold cathode capable of stably emitting electrons having a high current density and an electron gun including the same. Specifically, a cold cathode including a thin graphene film having a high aspect ratio can maintain a high current density and current.

도 1은, 정전기 집속 렌즈를 사용하는 냉음극 시트 전자총의 사시도이다.
도 2는, 독립형 수직 정렬 그래핀 필름을 사용하는 냉음극 시트 전자총의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극을 나타내는 사시도이다.
도 4는, 도 3에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 그래핀 필름과 기판 사이의 접촉으로 인한 음극 기하학에서의 모의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 5는, 도 4에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 온도분포 대 방출 전류의 시뮬레이션 그래프를 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극에서, 세로로 정렬된 텅스텐 도핑 산화 그래핀 필름의 SEM 이미지이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극에 대하여 전기 노화 및 전계 방출 시험을 수행하는 사시도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 다이오드 모드에서 실험한 인가 전압에 따른 전류 밀도의 그래프를 나타내는 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 W-rGO 방출 패턴을 나타낸 이미지이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 다이오드 모드에서 수직으로 정렬된 독립형 그래핀 냉음극의 전류 그래프를 나타내는 도면이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 시뮬레이션 및 실험에 의한 전류 그래프를 나타내는 도면이다.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총의 사시도이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총의 XZ(음극 넓은 측면) 및 YZ 평면(음극 높이 측면)에서의 전자빔 궤도를 나타내는 도면이다.
도 14는, 일반적인 그래핀 필름 방출기에서, 그래핀 시트의 방출 패턴 및 이에 대한 그래핀 시트의 전계 방출을 나타내는 도면이다.
도 15는, 일반적인 그래핀 필름 이미터의 (a) rGO 박막의 사진, (b) 원통형 그래핀 시트 방출기의 제조 개략도, (c) 원통형 그래핀 시트 방출기의 사진 및 (d) 원통형 그래핀 시트 방출기의 순환 방사 패턴을 나타낸 것이다.
도 16은, 일반적인 그래핀 필름 이미터의 그래핀 캐논의 전계 방출 결과를 나타내는 도면이다.
도 17은, 일반적인 전자총의 다양한 절단 방법에 의한 rGO-필름 절단 에지를 나타내는 도면이다.
도 18은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총의 (a) rGO 필름 장착 방법의 개략도 (b) 총 시험 설정 (c) 진공 챔버에 설치된 실험 장치를 나타내는 도면이다.
도 19는, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 순차적인 전기적 노화에 의해 포화되는 전계 방출 경향 그래프를 나타내는 도면이다.1 is a perspective view of a cold cathode sheet electron gun using an electrostatic focusing lens.
2 is a cross-sectional view of a cold cathode sheet electron gun using a stand-alone vertically aligned graphene film.
3 is a perspective view showing a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a simulated temperature distribution in the cathode geometry due to contact between the graphene film of the cold cathode including the graphene film according to FIG. 3 and the substrate.
5 is a graph showing a simulation graph of a temperature distribution versus a discharge current of a cold cathode including the graphene film according to FIG. 4.
6 is a SEM image of a tungsten-doped graphene oxide film aligned vertically in a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.
7 is a perspective view of conducting an electric aging and electric field emission test on a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a graph of current density according to an applied voltage tested in a diode mode of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.
9 is an image showing a W-rGO emission pattern of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing a current graph of a stand-alone graphene cold cathode vertically aligned in a diode mode of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing a current graph by simulation and experiment of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.
12 is a perspective view of an electron gun according to an embodiment of the present invention.
13 is a view showing the electron beam trajectory in the XZ (cathode wide side) and YZ plane (cathode height side) of the electron gun according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph showing the emission pattern of the graphene sheet and the electric field emission of the graphene sheet to the graphene sheet emitter in a general graphene film emitter.
15 is a general graphene film emitter (a) a photo of an rGO thin film, (b) a schematic view of manufacturing a cylindrical graphene sheet emitter, (c) a photograph of a cylindrical graphene sheet emitter, and (d) a cylindrical graphene sheet emitter. It shows the circular radiation pattern of.
16 is a graph showing the field emission results of a graphene canon of a typical graphene film emitter.
17 is a view showing an rGO-film cutting edge by various cutting methods of a general electron gun.
18 is a schematic view of (a) rGO film mounting method of an electron gun according to an embodiment of the present invention (b) total test setting (c) is a diagram showing an experimental apparatus installed in a vacuum chamber.
19 is a graph showing a field emission tendency graph saturated by sequential electrical aging of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.The present invention can be applied to various changes and can have various forms, and the embodiments are described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosure form, and it should be understood that all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention are included. In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components. The terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, terms such as “comprise” or “consist of” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted to have meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명은 그래핀 필름을 포함하는 냉음극 및 이를 포함하는 전자총에 대하 것이다. 그래핀 필름은 수직으로 정렬된 매우 높은 종횡비를 가질 수 있다. 이렇게 높은 종횡비를 갖는 그래핀 필름을 포함하는 냉음극은 10mA/mm 이상의 전류 밀도 또는 10000A/cm2 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있다. The present invention relates to a cold cathode comprising a graphene film and an electron gun including the same. Graphene films can have very high aspect ratios aligned vertically. The cold cathode including the graphene film having such a high aspect ratio can emit an electron beam with a current density of 10 mA/mm or more or a current density of 10000 A/cm 2 or more.

그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑될 수 있으며, 이 경우 냉음극의 전기적 특성 및 열적 특성이 개선될 수 있다. The graphene film can be doped with tungsten, in which case the electrical and thermal properties of the cold cathode can be improved.

이하에서, 도면을 통해 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극 및 이를 포함하는 전자총에 대하여 설명한다.Hereinafter, a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention and an electron gun including the same will be described with reference to the drawings.

도 1은, 정전기 집속 렌즈를 사용하는 냉음극 시트 전자총의 사시도이다. 도 2는, 수직 정렬 그래핀 필름을 사용하는 냉음극 시트 전자총의 단면도이다. 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극을 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view of a cold cathode sheet electron gun using an electrostatic focusing lens. 2 is a cross-sectional view of a cold cathode sheet electron gun using a vertically aligned graphene film. 3 is a perspective view showing a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고로 하면 냉음극 시트 전자총(100)은 캐소드 베이스(110), 그래핀 필름(111), 게이트(120) 및 애노드(130)를 포함한다. 도 2 및 도 3을 참고로 하면 그래핀 필름(111)은 캐소드 베이스(110) 위로 돌출되도록 위치할 수 있다. 이때 돌출되는 높이는 약 0.5㎜일 수 있다.Referring to FIG. 1, the cold cathode sheet electron gun 100 includes a cathode base 110, a graphene film 111, a gate 120, and an anode 130. 2 and 3, the graphene film 111 may be positioned to protrude over the cathode base 110. At this time, the protruding height may be about 0.5 mm.

그러면 이하에서, 본 발명의 냉음극에 포함된 그래핀 필름에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 냉음극에 포함된 그래핀 필름(111)은 텅스텐으로 도핑될 수 있다. 또한 그래핀 필름(111)은 수직으로 정렬된 매우 높은 종횡비를 가질 수 있다.Then, the graphene film included in the cold cathode of the present invention will be described in detail below. The graphene film 111 included in the cold cathode of the present invention may be doped with tungsten. In addition, the graphene film 111 may have a very high aspect ratio vertically aligned.

본 발명의 그래핀 필름(111)을 포함하는 냉음극은 허머(Hummer) 방법을 사용한 화학 공정 및 수열 합성 공정으로 생산될 수 있다. 상기 수열 공정 동안에 그래핀 필름(111)의 산소 관능기는 그래핀 특성을 회복시키기 위해 감소될 수 있다. 그래핀 필름(111)은 유연하며 두께 및 형상을 조절할 수 있다. 그래핀 필름(111)의 길이 대 두께의 종횡비가 높은 경우 적용된 전기장 하에서 높은 열 전달 계수를 가질 수 있다. The cold cathode including the graphene film 111 of the present invention can be produced by a chemical process using a Hummer method and a hydrothermal synthesis process. During the hydrothermal process, the oxygen functional group of the graphene film 111 may be reduced to restore graphene properties. The graphene film 111 is flexible and can control its thickness and shape. When the aspect ratio of the length to thickness of the graphene film 111 is high, it may have a high heat transfer coefficient under an applied electric field.

또한, 추가 환원을 위하여 그래핀 필름(111)은 질소 분위기 800℃의 온도에서 어닐링 될 수 있다. 어닐링 공정 후, 그래핀 필름(111)을 에너지 분산 X선 분광법(EDS)을 사용하여 조사하면 산소 비율의 감소를 확인할 수 있다. 예를 들면, 어닐링 전의 탄소 및 산소의 중량%는 각각 69% 및 24%이고, 어닐링 후에는 79% 및 12%일 수 있다. 이와 같이 그래핀 필름(111)은 그래핀 구조의 내의 산소로 인한 깨진 sp2 결합이 어닐링을 통해 부분적으로 회복될 수 있다. Also, for further reduction, the graphene film 111 may be annealed at a temperature of 800° C. in a nitrogen atmosphere. After the annealing process, when the graphene film 111 is irradiated using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), a decrease in oxygen ratio can be confirmed. For example, the weight percent of carbon and oxygen before annealing may be 69% and 24%, respectively, and after annealing may be 79% and 12%. In this way, the graphene film 111 may partially recover broken sp2 bonds due to oxygen in the graphene structure through annealing.

본 실시예에서, 냉음극에 포함되는 그래핀 필름(111)은 다중층 그래핀 필름(rGO 필름) 일 수 있다. 그래핀 필름(111)에서 전계 방출이 일어나도록 하기 위하여는 전계 방출 표면을 형성할 필요가 있다. 이하에서는 전계 방출 표면 형성 방법에 대하여 설명한다. In this embodiment, the graphene film 111 included in the cold cathode may be a multi-layer graphene film (rGO film). In order for the field emission to occur in the graphene film 111, it is necessary to form a field emission surface. Hereinafter, a method for forming a field emission surface will be described.

rGO 필름은 RIE, 레이저 커팅, 나이프 커팅, 마이크로톰 및 FIB와 같은 다양한 방법으로 절단되어 균일한 전계 방출 표면을 형성할 수 있다.The rGO film can be cut in various ways such as RIE, laser cutting, knife cutting, microtome and FIB to form a uniform field emission surface.

FIB 방법은 가장 높은 균일성을 갖는다. 그러나 rGO 필름과 같은 그래핀은 FIB 절단 방법의 메커니즘인 이온 충돌에 강하기 때문에 비효율적이며 시간 소모적이다. rGO 필름은 전계 방출 성능을 향상시키기 위해 독립되어 있기 때문에, 이온 에칭시 막을 밀착시키는 것은 어렵다. 따라서, 균일한 에칭을 할 수 없는 RIE 방법은 적합하지 않다. 그래핀 필름을 냉음극으로 사용하기 위해서는 절단 엣지의 균일성이 중요하다. 레이저 커팅 방법 또한 고밀도 에너지를 국부적인 지점에 집중시켜 재료를 연소시켜 파편을 형성하기 때문에 균일한 방출 표면을 형성하기에는 적합하지 않다.The FIB method has the highest uniformity. However, graphene such as rGO film is inefficient and time consuming because it is resistant to ion bombardment, the mechanism of the FIB cutting method. Since the rGO film is independent to improve the field emission performance, it is difficult to adhere the film during ion etching. Therefore, the RIE method in which uniform etching cannot be performed is not suitable. Uniformity of the cutting edge is important to use the graphene film as a cold cathode. The laser cutting method is also not suitable for forming a uniform emission surface because it concentrates high-density energy at local points and burns the material to form debris.

이에 그래핀 필름(111)의 절단은 나이프 커팅과 마이크로톰을 사용하는 것이 바람직하다. rGO 필름은 뛰어난 유연성과 강성으로 인해 수동 처리가 가능하고, 기계적으로 절단할 수 있다. rGO 필름을 나이프 절단과 마이크로톰으로 절단하는 경우 우수한 표면 균일성을 얻을 수 있다. 마이크로톰을 적용하기 위해, 나이프 절단 방법을 사용하여 직사각형으로 미리 성형된 rGO 필름을 준비하고, 마이크로톰 조작 중에 파라핀 왁스에 매립하여 보관할 수 있다. 마이크로톰을 사용하여 성형한 후, 희석된 크실렌 용액을 사용하여 파라핀 왁스를 제거할 수 있다. 그래핀 필름의 방출 표면 상에 잔류하는 100nm보다 적은 돌출부 및 비균일 부분은 전계 방출에 의한 전기적 에이징을 통해 균일화될 수 있다.Therefore, it is preferable to use a knife cutting and a microtome to cut the graphene film 111. The rGO film can be processed manually due to its excellent flexibility and rigidity, and can be cut mechanically. When the rGO film is cut with a knife cutting and a microtome, excellent surface uniformity can be obtained. To apply the microtome, a rectangular shaped pre-formed rGO film can be prepared using a knife-cutting method and stored by being embedded in paraffin wax during microtome manipulation. After molding using a microtome, paraffin wax can be removed using a diluted xylene solution. The protrusions and non-uniformities of less than 100 nm remaining on the emitting surface of the graphene film can be uniformized through electrical aging by field emission.

본 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극은 도 4와 같은 열 분석 시뮬레이션 결과를 나타낼 수 있다. The cold cathode including the graphene film according to the present embodiment may represent a thermal analysis simulation result as shown in FIG. 4.

도 4는, 도 3에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 그래핀 필름과 기판 사이의 접촉으로 인한 음극 기하학에서의 모의 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도 4의 (a)는 정상 접촉 컨덕턴스이고, 도 4의 (b)는 20.5W/m2의 접촉 컨덕턴스이다. 4 is a view showing a simulated temperature distribution in the cathode geometry due to contact between the graphene film of the cold cathode including the graphene film according to FIG. 3 and the substrate. 4(a) is a normal contact conductance, and FIG. 4(b) is a 20.5 W/m 2 contact conductance.

도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 고온으로 인해 그래핀 막이 연소되는 경우 최저 컨덕턴스를 찾기 위해 캐소드 베이스(110)와 그래핀 필름(111) 사이의 열 접촉 컨덕턴스를 변화시킬 수 있다.As illustrated in FIG. 4B, when the graphene film is burned due to high temperature, the thermal contact conductance between the cathode base 110 and the graphene film 111 may be changed to find the lowest conductance.

도 5는, 도 4를 시뮬레이션하여 온도 분포 대 방출 전류를 도시한 것이다. 도 5의 (a)는 정상 접촉 컨덕턴스이고, 도 5의 (b)는 20.5W/m2의 접촉 컨덕턴스이다. 도 5(b)를 참고로 하면 20.5W/m2의 접촉 컨덕턴스에서 rGO 막이 연소되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 열 접촉 컨덕턴스가 20.5W/m2일 때, 그래핀 내부의 온도가 그래핀 필름이 연소된 실험 데이터와 일치할 수 있다.FIG. 5 shows temperature distribution versus emission current by simulating FIG. 4. Fig. 5(a) is a normal contact conductance, and Fig. 5(b) is a 20.5 W/m 2 contact conductance. Referring to FIG. 5(b), it was confirmed that the rGO film was burned at a contact conductance of 20.5 W/m 2 . That is, as illustrated in FIG. 5, when the thermal contact conductance is 20.5 W/m 2 , the temperature inside the graphene may match the experimental data in which the graphene film is burned.

그래핀 필름을 냉음극으로 사용하기 위하여 그래핀 필름(111)은 직사각형 모양으로 절단될 수 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극에서, 세로로 정렬된 텅스텐 도핑 산화 그래핀 필름의 SEM 이미지이다. 도 6에서의 그래핀 필름은 방출 엣지가 3㎜이고 길이가 5㎜인 직사각형 모양으로 절단될 수 있다. In order to use the graphene film as a cold cathode, the graphene film 111 may be cut into a rectangular shape. 6 is a SEM image of a vertically aligned tungsten-doped graphene oxide film in a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention. The graphene film in FIG. 6 can be cut into a rectangular shape with a discharge edge of 3 mm and a length of 5 mm.

도 3에 도시된 바와 같이, 잘린 rGO 필름은 캐소드 베이스(110) 사이에 끼워질 수 있다. 캐소드 베이스(110)는 스테인레스 스틸로 제조될 수 있으며, 캐소드 표면으로부터 튀어나온 필름의 높이는 0.5㎜일 수 있다. As shown in Figure 3, the cut rGO film can be sandwiched between the cathode base 110. The cathode base 110 may be made of stainless steel, and the height of the film protruding from the cathode surface may be 0.5 mm.

도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극에 대하여 전기 노화 및 전계 방출 시험을 수행하는 사시도이다. 7 is a perspective view of performing an electric aging and electric field emission test on a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참고로 하면 전기 노화 및 전계 방출 시험에는 회전 펌프, 터보 펌프 및 이온 펌프가 장착된 초고진공 챔버가 사용될 수 있다. 도 7에 도시된 다이오드 형 실험 장치는 필름이 장착된 캐소드 베이스(110)와 몰리브덴 양극(710 및 720) 사이에 세라믹 절연체 스페이서를 삽입하고 진공 챔버에 배치함으로써 준비될 수 있다. 전계 방출면으로부터 애노드까지의 거리는 0.5㎜이며, 세라믹 절연체의 두께는 1㎜이고 장착된 필름의 높이는 0.5㎜로 유지될 수 있다.Referring to FIG. 7, an ultra-high vacuum chamber equipped with a rotary pump, a turbo pump, and an ion pump may be used in the electric aging and field emission test. The diode-type experiment apparatus shown in FIG. 7 can be prepared by inserting a ceramic insulator spacer between the film-mounted cathode base 110 and the molybdenum anodes 710 and 720 and placing it in a vacuum chamber. The distance from the field emission surface to the anode is 0.5 mm, the thickness of the ceramic insulator is 1 mm, and the height of the mounted film can be maintained at 0.5 mm.

실험을 시작하기 전에 10-7 내지 10-8 Torr의 진공 레벨이 생성될 수 있으며, 이는 실험 중에 유지될 수 있다. 실험에는 최대 출력 전압이 5kV이고 전류가 250mA인 직류 전압원이 사용될 수 있다. 컴퓨터에 연결된 나노-암페어 범위의 전류 측정기를 사용하여 양쪽 양극(710 및 720)에서 수집된 전류를 측정할 수 있다.A vacuum level of 10 -7 to 10 -8 Torr can be generated before starting the experiment, which can be maintained during the experiment. For the experiment, a DC voltage source with a maximum output voltage of 5 kV and a current of 250 mA can be used. A current meter in the nano-amp range connected to the computer can be used to measure the current collected at both anodes 710 and 720.

실험 중 애노드 표면에 충돌하는 전자에 의해 생성된 가스 제거 속도로 인해 갑작스러운 전기 파손의 위험이 있다. 이를 피하기 위해 실험의 초기 단계에서 충분한 램프업 전압이 적용될 수 있다. 전기 처리로 균일한 방사표면을 만들기 위해 100V의 램프로 인가된 전압을 강화한 설계 프로세스가 구현될 수 있다. 전압 사이클의 수가 증가함에 따라, 저전압 영역(1.5-2.5kV)에서 동일한 전계 방출 전류 레벨을 달성하기 위해서 보다 낮은 전압이 필요할 수 있다. 컨디셔닝 프로세스가 계속되면 방출 전류가 점점 안정화될 수 있다. 진공 파괴를 피하기 위해 컨디셔닝 중에 최대 적용 전압 제한을 4kV 이하로 유지할 수 있다. During the experiment, there is a risk of sudden electrical breakdown due to the rate of gas removal generated by electrons striking the anode surface. To avoid this, a sufficient ramp-up voltage can be applied in the early stages of the experiment. A design process in which the voltage applied with a lamp of 100 V is strengthened to create a uniform radiation surface by electrical treatment can be implemented. As the number of voltage cycles increases, lower voltages may be required to achieve the same field emission current level in the low voltage region (1.5-2.5 kV). As the conditioning process continues, the emission current may gradually stabilize. The maximum applied voltage limit can be kept below 4 kV during conditioning to avoid vacuum breakage.

도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 다이오드 모드에서 실험적으로 테스트한 인가 전압에 따른 전류 밀도의 그래프를 나타내는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, I-V 곡선은 최종적으로 안정된 방출 전류에 도달할 수 있다. 컨디셔닝 전의 전류 밀도의 변화는 상당하나 컨디셔닝 후에는 무시할 수 있다. 이것은 일련의 전기적 노화 후에 rGO 필름의 방출 가장자리가 서서히 깨끗해진다는 것을 나타낼 수 있다. 도 8을 참고로 하면, IV 특성은 안정한 동작에서 인가된 DC 전압(3.7kV)에서 방사 전류 밀도가 약 10,000A/cm2에 도달함을 입증한다. 즉 본 실시예에 따른 그래핀 필름은 10,000A/cm2 이상의 전류 밀도를 유지할 수 있다. FIG. 8 is a graph showing a current density according to an applied voltage experimentally tested in a diode mode of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention. As shown in Fig. 8, the IV curve can finally reach a stable emission current. The change in current density before conditioning is significant, but can be neglected after conditioning. This may indicate that the release edge of the rGO film gradually clears after a series of electrical aging. Referring to FIG. 8, the IV characteristic demonstrates that the radiated current density reaches about 10,000 A/cm 2 at the applied DC voltage (3.7 kV) in stable operation. That is, the graphene film according to the present embodiment can maintain a current density of 10,000 A/cm 2 or more.

도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 텅스텐 도핑된 산화 그래핀 필름(W-rGO)의 방출 패턴을 나타낸 이미지이다. 방출 균일성을 특성화하기 위해, 전계 방출 발광은 양극으로 사용되는 전도성 ITO 유리상의 형광체 스크린을 사용하여 수행될 수 있다. ITO 유리 위의 형광 물질이 타는 것을 피하기 위해, 인가된 전위를 2.5kV 이하로 유지하였다. 따라서 더 낮은 전류를 방출한다. 예를 들면, ITO 유리 표면의 사진을 촬영할 때, 방출 전류는 1.25mA 미만일 수 있다. 컨디셔닝하기 전에, 빔이 넓고 불균일하며, 돌출부가 있는 불균일한 표면에 의해 유발될 것으로 예상되는 매우 밝은 점이 관찰되나, 전기 조절 후 명확하고 균일한 시트형 빔 마크가 도 9와 같이 나타날 수 있다. 빔 마크의 폭은 rGO 방출 엣지의 폭과 일치할 수 있다.9 is an image showing an emission pattern of a tungsten-doped graphene oxide film (W-rGO) of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention. To characterize emission uniformity, field emission luminescence can be performed using a phosphor screen on a conductive ITO glass used as an anode. In order to avoid burning of the fluorescent material on the ITO glass, the applied potential was kept below 2.5 kV. Therefore, it emits a lower current. For example, when taking a picture of the ITO glass surface, the emission current may be less than 1.25mA. Before conditioning, the beam is wide and non-uniform, and very bright spots expected to be caused by the uneven surface with protrusions are observed, but a clear and uniform sheet-like beam mark may appear as shown in FIG. 9 after electrical adjustment. The width of the beam mark can match the width of the rGO emission edge.

도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 다이오드 모드에서 수직으로 정렬된 독립형 그래핀 냉음극의 전류 그래프를 나타내는 도면이다.FIG. 10 is a graph showing a current graph of stand-alone graphene cold cathodes vertically aligned in a diode mode of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.

도 10은 컨디셔닝 과정 후, 수직 정렬된 rGO 필름에 대해 3kV의 고정된 인가 전압에서 전류 밀도의 시간 추적을 보여준다. 도 10을 참고로 하면, 기계적 성형 후에 전기적 처리를 통해 균일한 방출 표면을 갖는 그래핀 음극에 대하여, 1100시간 이상 전자 방출을 관찰하였다. 약 10,000A/cm2의 매우 높은 전류 밀도에서 작동함에도 불구하고 전체 안정성 시험 기간 동안 방출 전류 변동성은 5% 미만으로 나타났다. 즉, 본 실시예에 따른 그래핀 필름은 전자총의 냉음극(방출 표면)으로 사용시 매우 개선된 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 10 shows time tracking of current density at a fixed applied voltage of 3 kV for a vertically aligned rGO film after the conditioning process. Referring to FIG. 10, electron emission was observed for 1,100 hours or more on a graphene cathode having a uniform emission surface through electrical treatment after mechanical molding. Despite operating at a very high current density of about 10,000 A/cm 2, the emission current variability during the entire stability test period was less than 5%. That is, it was confirmed that the graphene film according to the present embodiment has very improved stability when used as a cold cathode (emission surface) of an electron gun.

도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 시뮬레이션 및 실험에 의한 전류 그래프를 나타내는 도면이다. 도 11은 실험적으로 관찰된 I-V 곡선과 시뮬레이션 된 곡선을 비교하기 위한 것으로, 시뮬레이션과 실험 수치가 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 11 is a diagram showing a current graph by simulation and experiment of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention. 11 is for comparing the experimentally observed I-V curve and the simulated curve, it was confirmed that the simulation and experimental values are very similar.

본 발명의 일 실시예에 따른 rGO 필름의 높은 종횡비와 수직으로 정렬된 형상이, 방출 영역을 증가시키고 방출 표면에 적용되는 전기장을 향상시켜 높은 전류 밀도로 많은 전자를 방출할 수 있다. 이러한 전계 방출 특성은 방출 표면을 적절히 컨디셔닝하는 경우 더 개선될 수 있다. 특히 rGO 필름을 텅스텐등으로 도핑하여 rGO 필름의 전기 전도성 및 열 전도성을 개선하는 경우, 방출 특성은 더욱 향상될 수 있다.The high aspect ratio and vertically aligned shape of the rGO film according to an embodiment of the present invention can emit many electrons with high current density by increasing the emission area and improving the electric field applied to the emission surface. This field emission characteristic can be further improved if the emission surface is properly conditioned. In particular, when the rGO film is doped with tungsten or the like to improve the electrical conductivity and thermal conductivity of the rGO film, emission characteristics may be further improved.

도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총의 사시도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총은 앞서 설명한 그래핀 필름을 포함하는 냉음극을 포함할 수 있다. 12 is a perspective view of an electron gun according to an embodiment of the present invention. The electron gun according to an embodiment of the present invention may include a cold cathode including the graphene film described above.

도 12에 도시된 바와 같이 전자총은 1kV의 전위가 게이트(120)에 인가되고, 5kV가 캐소드 베이스(110)에 인가되고 애노드(130)가 접지될 수 있다. 방출된 전자는 자연 급속 쿨롱 팽창(공간 - 전하)으로 인해 높은 발산 속도, 즉 더 높은 수직 속도를 갖는다. 이로 인해 전자빔이 게이트와 양극에 충돌할 수 있다.As illustrated in FIG. 12, the electron gun may have a potential of 1 kV applied to the gate 120, 5 kV applied to the cathode base 110 and the anode 130 grounded. The emitted electrons have a high rate of divergence, ie a higher vertical velocity, due to the natural rapid coulomb expansion (space-charge). As a result, the electron beam may collide with the gate and the anode.

도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총의 XZ(음극 넓은 측면) 및 YZ 평면(음극 높이 측면)에서의 전자빔 궤도를 나타내는 도면이다. 도 13과 같이 정전기 렌즈와 자성 시스템의 조합은 slow-wave 구조의 빔 터널(1120)을 통해 전자빔(1010)을 포커싱하고 전송하기 위해 사용될 수 있다. 도 13의 (a)는 XZ(음극 넓은 측면)에서의 전자빔 궤도이고, (b)는 YZ 평면(음극 높이 측면)에서의 전자빔 궤도이다. 솔레노이드 자석(1110)은 게이트를 통해 초기에 고도로 발산된 전자빔을 포커싱한다. 0.4 테슬라의 솔레노이드와 0.2 이하의 테슬라의 자기장 강도가 사용될 수 있다. 13 is a view showing the electron beam trajectory in the XZ (cathode wide side) and YZ plane (cathode height side) of the electron gun according to an embodiment of the present invention. 13, a combination of an electrostatic lens and a magnetic system may be used to focus and transmit the electron beam 1010 through the slow-wave beam tunnel 1120. 13(a) is an electron beam trajectory in XZ (cathode wide side), and (b) is an electron beam trajectory in YZ plane (cathode height side). The solenoid magnet 1110 focuses a highly divergent electron beam through the gate. Solenoids of 0.4 Tesla and magnetic field strengths of Tesla of 0.2 or less can be used.

이렇게 본 실시예에 따른 그래핀을 포함하는 냉음극 및 이를 포함하는 전자 총은, 높은 전류 밀도 및 균일하고 장기간의 안정한 냉음극을 필요로 하는 소형화된 테라 헤르츠 진공 전자 장치에 사용될 수 있다. Thus, the cold cathode including graphene and the electron gun including the graphene according to the present embodiment can be used in a miniaturized terahertz vacuum electronic device requiring a high current density and a uniform and long-term stable cold cathode.

이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 시트의 방출면에 대하여 설명한다. 그래핀 시트에서 전자가 방출되기 위하여, 그래핀 시트가 수평으로 겹쳐지고 가장자리가 균일하게 절단될 수 있다. 방출은 그래핀 시트의 가장자리에서만 일어날 수 있다. 그래핀 시트가 수직으로 고정된 경우, 그래핀 시트는 수직으로 정렬되어 전자를 방출할 수 있다. 따라서 방출 영역 및 방출 패턴은 정교하게 제어될 수 있다. Hereinafter, an emission surface of the graphene sheet according to an embodiment of the present invention will be described. In order to emit electrons from the graphene sheet, the graphene sheet may overlap horizontally and the edges may be cut evenly. Release can occur only at the edge of the graphene sheet. When the graphene sheet is fixed vertically, the graphene sheet may be aligned vertically to emit electrons. Therefore, the emission region and emission pattern can be precisely controlled.

도 14는, 일반적인 그래핀 필름 방출기에서, 그래핀 시트의 방출 패턴 및 이에 대한 그래핀 시트의 전계 방출을 나타내는 도면이다. 전계 방출 측정은 직경 1㎜의 양극과 300㎛의 공간을 포함하고 다이오드 전극이 있는 고진공 챔버에서 수행될 수 있다. 그래핀 시트는 수직으로 두 개의 금속 직사각형 사이의 음극으로 고정될 수 있다. 이 그래핀 필름 방출기의 방출을 조사하기 위해 ITO 유리에 형광체가 증착될 수 있다. 방출 패턴은 도 14에 도시되었다. 도 14에 도시된 바와 같이 그래핀 시트의 엣지에서 나오는 전자는 시트 전자선으로 인광체를 유발하고 방출 패턴을 만들 수 있다. 도 14의 오른쪽에 표시된 그래핀 시트의 FE 테스트를 통해 켜짐 필드가 2V/㎛이고 FE 전류 밀도가 약 10A/cm2이고 전류가 2㎂ 임을 확인할 수 있었다. 14 is a graph showing the emission pattern of the graphene sheet and the electric field emission of the graphene sheet to the graphene sheet emitter in a general graphene film emitter. Field emission measurements can be performed in a high vacuum chamber with a diode of 1 mm in diameter and a space of 300 μm. The graphene sheet can be held vertically as a cathode between two metal rectangles. A phosphor may be deposited on the ITO glass to investigate the emission of the graphene film emitter. The emission pattern is shown in FIG. 14. As illustrated in FIG. 14, electrons coming from the edge of the graphene sheet cause phosphors to form electron beams and generate emission patterns. Through the FE test of the graphene sheet shown on the right side of FIG. 14, it was confirmed that the on field was 2V/µm, the FE current density was about 10A/cm 2, and the current was 2mA.

도 15는, 일반적인 그래핀 필름 방출기의 (a) rGO 시트의 사진, (b) 원통형 그래핀 시트 방출기의 제조 개략도, (c) 원통형 그래핀 시트 방출기의 사진 및 (d) 원통형 그래핀 시트 방출기의 순환 방사 패턴을 나타낸 것이다. 도 14의 그래핀 필름은 도 15에 도시된 바와 같이 압연되어 캐논 음극을 형성할 수 있다. 이는 그래핀 필름이 유연하기 때문이다. 15 is a general graphene film ejector (a) a photo of an rGO sheet, (b) a schematic view of the manufacture of a cylindrical graphene sheet ejector, (c) a photograph of a cylindrical graphene sheet ejector, and (d) a cylindrical graphene sheet ejector. It shows a circular radiation pattern. The graphene film of FIG. 14 may be rolled as shown in FIG. 15 to form a canon cathode. This is because the graphene film is flexible.

도 16은, 그래핀 필름 방출기의 그래핀 캐논의 전계 방출 결과를 나타내는 도면이다. 도 16을 참고로 하면 방출 전류 밀도는 처음에 증가하고 약간의 변동을 가지며 1시간 경과 후 방출 전류 밀도는 평탄해진다. 6시간 연속 방출시 방출 전류 밀도는 6% 저하될 수 있다. 16 is a graph showing the field emission results of the graphene canon of the graphene film emitter. Referring to FIG. 16, the emission current density increases initially and has some fluctuation, and after 1 hour, the emission current density becomes flat. The emission current density may decrease by 6% after 6 hours of continuous emission.

이하에서 그래핀 필름의 절단 방법에 따른 절단면의 균일성에 대하여 설명한다. Hereinafter, the uniformity of the cut surface according to the graphene film cutting method will be described.

도 17은, 일반적인 전자총의 다양한 절단 방법의 rGO-필름 절단 에지의 균일성을 나타내는 도면이다. 도 17을 참고하면, 앞서 설명한 바와 같이 나이프와 마이크로톰으로 절단했을 때의 절단면이 가장 효과적임을 확인할 수 있다.17 is a view showing uniformity of rGO-film cutting edges of various cutting methods of a general electron gun. Referring to FIG. 17, it can be confirmed that the cutting surface when cutting with a knife and a microtome is most effective as described above.

도 18은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총의 (a) rGO 필름 장착 방법의 개략도 (b) 전자총 시험 설정 (c) 진공 챔버에 설치된 실험 장치를 나타내는 도면이다. 도 19는, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 순차적인 전기적 노화에 의해 포화될 전계 방출 경향 그래프를 나타내는 도면이다.18 is a schematic view of (a) rGO film mounting method of an electron gun according to an embodiment of the present invention (b) electron gun test setting (c) is a diagram showing an experimental apparatus installed in a vacuum chamber. 19 is a graph showing a field emission tendency graph to be saturated by sequential electrical aging of a cold cathode including a graphene film according to an embodiment of the present invention.

도 18을 참고로 하면, W-rGO 필름은 방출 엣지의 길이가 3㎜이고 높이가 5㎜인 직사각형 모양으로 절단될 수 있다. 정밀하게 절단된 W-rGO 필름을 스테인레스 강으로 만든 음극 블록 사이에 끼우고 음극 표면에서 튀어나온 필름의 높이가 0.5㎜가 되도록 나사로 조일 수 있다. 전기 노화 및 전계 방출 시험을 위해 회전 펌프(Varian, SD-300), 터보 펌프(Varian, Turbo-V301) 및 이온 펌프(Varian,Vacion plus 500)가 장착된 초 고진공 챔버를 사용할 수 있다. 그래핀 필름이 장착된 캐소드 블록과 몰리브덴 애노드 사이에 세라믹 절연체 스페이서를 삽입하고 준비된 진공 챔버에 배치하여 다이 형태의 실험 장치를 준비할 수 있다. 전계 방출면으로부터 애노드까지의 거리가 0.5㎜가 되게 하기 위하며, 세라믹 절연체의 두께는 1㎜이고 장착된 필름의 높이는 0.5㎜로 유지될 수 있다. 다이오드 설정으로 구성된 테스트 설정의 회로도 및 사진 이미지는 각각 도 18의 (b) 및 도 18의 (c)와 같다.Referring to FIG. 18, the W-rGO film can be cut into a rectangular shape with a discharge edge length of 3 mm and a height of 5 mm. The precisely cut W-rGO film can be sandwiched between the cathode blocks made of stainless steel and screwed so that the height of the film protruding from the cathode surface is 0.5 mm. Ultra-vacuum chambers equipped with rotary pumps (Varian, SD-300), turbo pumps (Varian, Turbo-V301) and ion pumps (Varian, Vacion plus 500) can be used for electrical aging and field emission tests. A ceramic insulator spacer is inserted between the cathode block on which the graphene film is mounted and the molybdenum anode, and placed in a prepared vacuum chamber to prepare a die-shaped experimental apparatus. The distance from the field emission surface to the anode is 0.5 mm, the thickness of the ceramic insulator is 1 mm, and the height of the mounted film can be maintained at 0.5 mm. The circuit diagram and the photo image of the test setup composed of the diode settings are as shown in FIGS. 18(b) and 18(c), respectively.

실험을 시작하기 전에 10-7-10-8Torr의 진공 레벨이 생성되고, 실험 중 유지될 수 있다. 최대 출력 전압 5kV, 전류 250mA의 직류 전압원을 사용할 수 있다. 컴퓨터에 연결된 나노 미터 범위의 전류 계측기를 사용하여 출력 전류를 측정할 수 있다. 애노드 표면에 충돌하는 전자에 의해 생성된 무거운 가스 제거 속도로 인해 갑작스러운 전기 파손의 높은 위험이 있을 수 있으므로 이를 피하기 위해 실험의 초기 단계에서 충분한 시간 동안 낮은 전압을 가할 수 있다. 전기 처리로 균일한 방출 표면을 만들기 위해 100V의 단계로 인가된 전압을 강화한 프로세스가 구현될 수 있다. 전압 주기 수가 증가하면 저전압 영역(1.5kV 이상 및 2.5kV 이하)에서 동일한 전계 방출 전류 수준을 달성하기 위해 더 낮은 전압이 필요할 수 있다. Before starting the experiment, a vacuum level of 10 -7 -10 -8 Torr is created and can be maintained during the experiment. A DC voltage source with a maximum output voltage of 5 kV and a current of 250 mA can be used. The output current can be measured using a current meter in the nanometer range connected to the computer. Because of the high rate of gas removal generated by electrons striking the anode surface, there is a high risk of sudden electrical breakage, so a low voltage can be applied for a sufficient time in the early stages of the experiment to avoid this. A process in which the voltage applied in steps of 100 V is enhanced to produce a uniform emission surface by electrotreatment can be implemented. As the number of voltage cycles increases, lower voltages may be required to achieve the same field emission current level in the low voltage region (1.5 kV or more and 2.5 kV or less).

또한, 도 19를 참고로 하면 컨디셔닝 프로세스가 계속되면 방출 전류가 점차 안정화될 수 있다. 진공 파괴를 피하기 위해 컨디셔닝 중에 3.5kV의 높은 인가 전압 한계를 유지할 수 있다. 도 19에서 볼 수 있듯이, I-V 곡선은 최종적으로 안정된 방출 전류(4th 및 5th 곡선)로 좁은 범위에 도달할 수 있다. 이것은 도 19에 도시된 바와 같이 일련의 전기 노화 후에 W-rGO 필름의 방출 가장자리가 점차적으로 깨끗해진다는 것을 의미한다. I-V 특성은 안정된 작동 상태에서 방출 전류가 최대 약 8mA에 도달함을 보여주며, 인가된 DC 전압은 3.5kV일수 있다. 계산된 최대 전류 밀도는 약 3,000A/cm2이었고, 안정된 작동에서의 최대 전류 밀도는 인가된 DC 전압 3.7kV에서 방출 전류 밀도가 약 10,000A/cm2에 도달함을 확인할 수 있었다. In addition, referring to FIG. 19, if the conditioning process continues, the emission current may gradually stabilize. A high applied voltage limit of 3.5 kV can be maintained during conditioning to avoid vacuum failure. As can be seen in Figure 19, the IV curve can finally reach a narrow range with stable emission currents (4th and 5th curves). This means that the release edge of the W-rGO film gradually becomes clean after a series of electric aging as shown in FIG. 19. The IV characteristic shows that the discharge current reaches a maximum of about 8 mA in a stable operating state, and the applied DC voltage may be 3.5 kV. The calculated maximum current density was about 3,000 A/cm 2, and it was confirmed that the maximum current density in stable operation reached an emission current density of about 10,000 A/cm 2 at an applied DC voltage of 3.7 kV.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that there is.

Claims (8)

그래핀 필름을 포함하며,
상기 그래핀 필름은 30,000:1 이상의 종횡비를 갖는 냉음극.
Graphene film,
The graphene film is a cold cathode having an aspect ratio of 30,000:1 or more.
제1항에 있어서,
상기 그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑된 냉음극.
According to claim 1,
The graphene film is a cold cathode doped with tungsten.
제1항에 있어서,
상기 냉음극은 10mA/㎜ 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있는 냉음극.
According to claim 1,
The cold cathode is a cold cathode capable of emitting an electron beam with a current density of 10 mA/mm or more.
제1항에 있어서,
상기 냉음극은 10000A/cm2 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있는 냉음극.
According to claim 1,
The cold cathode is a cold cathode capable of emitting an electron beam with a current density of 10000 A/cm 2 or higher.
캐소드 베이스;
상기 캐소드 베이스에 고정된 냉음극;
상기 캐소드 베이스와 이격된 애노드를 포함하고,
상기 냉음극은 그래핀 필름을 포함하며,
상기 그래핀 필름은 30,000: 1 이상의 종횡비를 갖는 전자총.
Cathode base;
A cold cathode fixed to the cathode base;
And an anode spaced apart from the cathode base,
The cold cathode includes a graphene film,
The graphene film is an electron gun having an aspect ratio of 30,000: 1 or more.
제5항에 있어서,
상기 그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑된 전자총.
The method of claim 5,
The graphene film is an electron gun doped with tungsten.
제5항에 있어서,
상기 냉음극은 10mA/㎜ 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있는 전자총.
The method of claim 5,
The cold cathode is an electron gun capable of emitting an electron beam with a current density of 10 mA/mm or more.
제5항에 있어서,
상기 냉음극은 10000A/cm2 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있는 전자총. The method of claim 5,
The cold cathode is an electron gun capable of emitting an electron beam with a current density of 10000 A/cm 2 or higher.
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