X-선관 전자원 응용을 위한 텅스텐 팁위의 탄소나노튜브 직접성장 및 전계방출 특성 분석

Abstract

탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 기계적인 강도가 크고 전기 전도도가 높기 때문에 전계방출을 이용한 차세대 전자빔 응용 분야에서 가장 이상적인 신소재로 평가 받고 있다. 그러나, 양호한 CNT성장조건의 제어가 매우 힘들고 재현성이 떨어져 실제 응용에 걸림돌이 되고 있다. 또한, 아직까지 CNT성장에 대한 명확한 이론이 확립되어 있지 않으며, 특히 CNT의 성장조건과 구조적 물성 및 전계방출 특성 사이의 상관관계 규명 미흡한 실정이다. 또한 x-선관 전자원에 CNT를 이용하기 위해 다양한 연구들이 시도되고 있지만 뚜렷한 성과가 없는 실정이다. 본 연구에서는 CNT의 성장이론을 규명하기 위해 유도결합 플라즈마 화학기상증착(ICP CVD)방법에 의한 CNT 성장시 인가한 기판 전압 및 촉매 박막의 종류(Ni, Co, Incar426), 증착두께 및 전처리 조건(식각 시간 및 전력)이 CNT의 구조적 물성과 전계방출 특성에 미치는 상관관계를 규명하였으며, 성장된 CNT에 수소 이온 충돌을 이용하여 후처리 공정을 수행한 후, 구조적 물성과 전계방출 특성의 변화를 관찰하였다. CNT의 x-선관 전자원으로써의 상용화를 위한 연구로서 미세팁 형태의 텅스텐(W) 위에 Ni 촉매를 이용하여 CNT를 직접 성장시키는 방법 및 제작된 CNT/W-tip 전계방출기의 전자 방출 특성 분석 등을 수행하였다.; X-ray sources based on CNTs have several intrinsic advantages over the thermionic x-ray sources, including low operating temperature, instantaneous response time, and potential for miniaturization.. Because of its high aspect ratio, high chemical stability, large current carrying capacity, and robust structure. However, the research against the effect where deposition condition of Ni catalysts and pre-treatment conditions causes in the structural property of CNTs are insufficient. Also the research against the relationship TiN buffer layer and field- emissive characteristic of CNTs is need. We present experimental results that regard the field emission properties of CNT-based emitters for a microfocus x-ray tube. The CNTs are successfully grown on a conical tungsten tip using the inductively coupled plasma-chemical vapor, deposition (ICP-CVD) method. Tungsten wires with 250 ㎛ diameter are conically etched using an electrochemical etching technique in 2mol KOH, After cleaning the tungsten tips with 5 pm diameter in HF solution, TiN and Ni thin films are deposited by rf magnetron sputtering as a buffer layer and a catalytic material, respectively. Prior to growth of CNTs, NH₃plasma etching has also been performed. For all the CNTs grown, nanostructures and morphologies are analyzed using Raman spectroscopy, FESEM, and HRTEM, in terms of the conditions of catalytic preparation and CNT growth. Furthermore, the field ernks on of CNT based-emitters is measured to characterize the maximum current density, lifetime, stability, and spatial distribution of electron beams.