엑스선 시스템의 냉음극용 탄소 나노튜브 기반 미세팁 전계방출기 구현

Abstract

탄소 나노튜브(carbon nanotubes, CNTs)는 1차원 구조를 갖는 나노 물질로서 저차원계가 갖는 우수한 특성의 전기적, 화학적, 구조적 성질을 가지고 있으며, 나노 기반 신소재, 소자, 부품 재료로서 광범위한 응용이 기대되고 있다. CNT의 다양한 물성 중 나노미터(nm) 크기의 작은 직경에 비하여 상대적으로 매우 큰 길이를 갖는 뛰어난 종횡비(aspect ratio)와 우수한 전계방출 특성 및 열적, 화학적 안정성 등의 이유로 전계방출 소자의 이상적인 물질로서 매우 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 최근에는 CNT를 각종 암의 조기진단 및 근접치료(brachytherapy)를 위한 x-ray 장치의 전자원(electron source) 발생용 냉음극(cold cathode) 소자로 이용함으로써, 기존의 텅스텐 필라멘트와 같은 열음극(hot cathode)을 사용시에 나타나는 시간해상도의 제한, 고전력 요구 및 고가의 운영비용, 소형화의 구조적 한계 등의 문제점들을 효과적으로 극복하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 고해상도의 x-ray 영상을 얻기 위해서는 CNT 냉음극으로부터 방출된 전자빔(electron beam)이 x-ray 발생용 타겟(target)에 충돌 시 입사 면적의 직경이 수십 µ m 이내가 되어야 한다. 이를 구현하기 위한 방법으로서 수 µ m 혹은 그 이하의 직경을 갖는 매우 날카로운 팁(tip) 형태의 기판 위에 CNT를 직접 성장시켜 CNT 이미터(emitter)로 활용한 바 있다. 그러나, 이러한 tip-type CNT 이미터의 경우, CNT가 미세 구조의 기판 위에 성장되기 때문에 기판과의 접착력이 비교적 약하며, 전자방출이 시작됨에 따라 강한 전계(electric field)가 집중되면서 이온 충돌 및 열 발생에 의해 CNT 이미터의 끝 부분에 손상을 초래할 수 있기 때문에 고해상도의 x-ray 영상을 얻기 위해서는 아직까지 해결해야 할 기술적 어려움들이 있다. 따라서, 본 연구의 목적은 방출전류(emission current)가 크고, 이와 동시에 안정된 전계방출(field emission) 특성을 가지는 CNT 이미터를 제작하여 고선명, 고휘도의 x-ray 영상을 얻는데 있다. 이를 위하여, 미세 크기의 원추형(conical type) 기판 위에 다양한 종류의 완충 박막(buffer layer)과 촉매 금속(catalyst layer)에 따른 CNT의 구조적 물성 및 전계방출 특성을 비교 분석하였으며, 기판과 CNT사이의 접착력을 강화하고 접촉 저항을 최소화하여 전계방출 특성을 향상시키기 위해 촉매 금속으로 사용되는 코발트(Co) 팁 위에 CNT를 직접 성장시킨 CNT 이미터를 제작하여 전계방출 특성 및 장시간 안정성 특성을 분석하였다. 또한, CNT의 전계방출 특성 및 장시간 안정성의 향상을 위해 성장된 CNT 위에 낮은 일함수, 전기적 전도도(electrical conductivity)가 높고, 열적으로 안정(thermally stable)되어 있으며, 산화에 대한 저항력(oxidation resistant)이 큰 물성을 가지고 있는 BN 그리고 Ga-doped zinc oxide (GZO) 박막을 증착하여 이종접합 구조(hetero-structured)의 CNT 이미터를 제작하였다. 이러한 방법으로 제작된 BN 그리고 GZO 박막이 코팅된 CNT 이미터는 코팅된 박막의 두께에 따라 특성이 변화하였으며, 실험을 통해 최적의 코팅 두께를 도출하여 코팅되지 않은(non-coated) CNT 이미터에 비해 우수한 전계방출 특성과 장시간 안정성 특성을 갖는 CNT 이미터를 제작하였다. 마지막으로, 상기에서 제작된 가장 우수한 전계방출 특성을 갖는 GZO 박막이 코팅된 CNT 이미터를 x-ray 발생장치의 전자원으로 사용하여 방출 전류량에 따른 x-ray 영상을 획득하여 비교 분석하였다. 이상의 연구 결과는 암의 조기진단과 근접치료를 위해 초소형, 고해상도 x-ray 발생장치의 개발을 위한 기초자료로써 활용될 것이다.; X-ray radiography has been used today in a wide range of applications, such as medical diagnosis and nondestructive inspection of industrial products. The conventional x-ray radiography is composed of a tungsten filament (cathode), which emits the electrons when resistively heated to over 1000 °C and a metal target (anode), which generates x-rays when bombarded by accelerated electrons. This kind of thermionic (or hot) cathode has several limitations in application of x-ray radiography, such as limitation in time resolution, high power requirement, high operation cost, and structural limitation for miniaturization. Recently, studies have been conducted to overcome the problems of hot cathode and replace it eventually. Carbon nanotubes (CNTs) have been used as electron-source for cold cathode of x-ray radiography for the early diagnosis and possibly brachytherapy of cancers. CNTs are excellent electron emitters for x-ray radiography application because of their high aspect ratio, high electric and thermal conductivity, chemical inertness, small radius of curvature, and one-dimensional shape with a nanometric tip. In order to use CNT-based emitters as cold cathodes in x-ray radiography, they must have a large current capacity and ensure a stable prolonged-operation of electron emission at the same time. Especially, the fine focusing of the electron beam emitted from CNTs has been suggested as essential to obtain high-resolution x-ray images. For this purpose, direct growth of CNTs on very sharp tip-type substrates was proposed to reduce the electron emission area for the application of high-resolution x-ray radiography. Furthermore, the x-ray images obtained using CNT-based emitters may strongly depend on the emission performance of the CNT-based electron sources. In this tip-type CNT emitter, however, the bonding force between the CNTs and the substrate is relatively low because the CNTs are developed on a microstructure substrate, and the end of the CNT emitter can be damaged by ion collision and heat when a strong electric field is concentrated on it at the commencement of electron emission. In this study, we present the results of the experiment that was conducted on the field emission properties and the long-term stability of the various CNT-based field emitters with a CNT/catalyst/buffer/tip configuration. The structural properties of CNTs and their field emission characteristics including the long-term stability were examined in terms of the buffer and catalyst materials used. We also suggest for the first time a novel method for direct growth of CNTs on cobalt (Co), which itself is a good conductor as well as a suitable catalyst for CNTs growth, and the characterization of the electron emission properties of CNTs on Co-tip are presented. In addition, we performed x-ray imaging experiment to obtain highly-contrast x-ray images to check the characteristics of the newly developed CNT emitter. For this purpose, the CNT emitters were fabricated by depositing a boron nitride (BN) and gallium-doped zinc oxide (GZO) thin film, which is highly electrically conductive and thermally stable, on a conical-type micro-substrate. The electric-field emission characteristics of the BN- and GZO-coated CNT emitters and of the non-coated CNT emitter were compared, and the GZO-coated CNT emitter with the best electric-field emission characteristics was installed in the x-ray system as the x-ray source. The x-ray images obtained employing the non-coated CNT emitter and GZO-coated CNT emitter as cold cathodes were compared in terms of contrast and brightness, and correlated with the emission properties of those emitters used.