KR20200076641A - 그래핀 필름을 포함하는 냉음극 및 이를 이용한 전자총 - Google Patents

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Abstract

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. 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.

Description

그래핀 필름을 포함하는 냉음극 및 이를 이용한 전자총{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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 냉음극은 그래핀 필름을 포함하며, 상기 그래핀 필름은 30,000:1 이상의 종횡비를 갖는다.
상기 그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑될 수 있다.
상기 냉음극은 10mA/mm 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있다.
상기 냉음극은 10000A/cm2 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있다.
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.
상기 그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑될 수 있다.
상기 냉음극은 10mA/mm 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있다.
상기 냉음극은 10000A/cm2 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
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.
그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑될 수 있으며, 이 경우 냉음극의 전기적 특성 및 열적 특성이 개선될 수 있다.
이하에서, 도면을 통해 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극 및 이를 포함하는 전자총에 대하여 설명한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
rGO 필름은 RIE, 레이저 커팅, 나이프 커팅, 마이크로톰 및 FIB와 같은 다양한 방법으로 절단되어 균일한 전계 방출 표면을 형성할 수 있다.
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.
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.
본 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극은 도 4와 같은 열 분석 시뮬레이션 결과를 나타낼 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극에 대하여 전기 노화 및 전계 방출 시험을 수행하는 사시도이다.
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.
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.
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.
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.
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.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 필름을 포함하는 냉음극의 다이오드 모드에서 수직으로 정렬된 독립형 그래핀 냉음극의 전류 그래프를 나타내는 도면이다.
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.
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.
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.
도 12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총의 사시도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총은 앞서 설명한 그래핀 필름을 포함하는 냉음극을 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하에서 그래핀 필름의 절단 방법에 따른 절단면의 균일성에 대하여 설명한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims (8)

  1. 그래핀 필름을 포함하며,
    상기 그래핀 필름은 30,000:1 이상의 종횡비를 갖는 냉음극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑된 냉음극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉음극은 10mA/㎜ 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있는 냉음극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉음극은 10000A/cm2 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있는 냉음극.
  5. 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.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 그래핀 필름은 텅스텐으로 도핑된 전자총.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 냉음극은 10mA/㎜ 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있는 전자총.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 냉음극은 10000A/cm2 이상의 전류 밀도로 전자빔을 방출할 수 있는 전자총.
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