A high brightness microfocus x-ray tube requires a high brightness electron beam with a diameter under 5 μm and current over 25 μA to reach the x-ray target. As a electron beam source, carbon nanotube (CNT) on tungsten tip was used. For the fabrication of CNT on tungsten tip, two methods were used: dielectrophoresis and ICP-CVD (Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition). Dielectrophoresis is a useful technique that can manipulate and assemble small objects into predetermined patterns by interactions between the external electrical field and the induced dipole moment. Optimized fabrication of CNT was made using various parameters such as the initial conditions of the CNT, the distance between tip and the electrode, dc voltage. ICP-CVD uses plasma and has concept of development to optimize carbon nanotube fabrication. Ni was used as a catalyst and TiN was used as buffer layer and CNT was then fabricated by it.
The fabrication of short carbon nanotube tips by dielectrophoresis and ICP-CVD is reported in this paper. Alinged CNT tips comprising either singlewall carbon nantube (SWNT) bundle or multiwalled nanotubes (MWNT) of controlled length and orientation were assembled. Beam generation was evaluated, using CNT as an electron source and phosporous screen as an anode. Simulation of electron beam track and current generated from CNT were evaluated. The result of electron beam generation using CNT tip as a first step for a high brightness microfocus x-ray tube is reported.
나노급 의료영상장치를 위한 고휘도 마이크로빔 X-선원을 개발 중이다. 자기 렌즈등의 SEM 광학계를 도입하여 x-선 타겟을 때리는 전자빔 직경이 $5\mu A$ 이하이면서도 빔전류가 약 $25 \mu A$ 이상인 고휘도 마이크로빔 x-선원을 개념설계 하였다. 본 논문은 고휘도 마이크로빔 x선원을 위한 전자빔원용으로 탄소나노튜브를 제작하는 연구이다. 기존의 X-선원은 텅스텐을 이용한 열전자 방출에 의한 것으로서 전자빔원의 수명이 짧고 전류가 불안정하며 에너지의 퍼짐이 큰 편이라 안정적인 전류를 얻을 수 없었다. 또한 텅스텐을 이용한 기존의 전계 방출도 열전자 방출과 비슷한 문제를 가지고 있으며 특히 고휘도의 X-선을 내기 위해서는 전자빔의 spot size를 줄일 수 있고 전류를 크게 얻을 수 있는 전자빔원이 필요했다. 이러한 전자빔원으로 대치된 것이 탄소나노튜브이다. 탄소나노튜브를 이용하면 기존의 텅스텐을 이용한 전계 방출보다 수명도 길고 에너지 퍼짐이 적고 10배정도 큰 전류를 얻을 수가 있다는 것이 최근에 밝혀졌다. 안정적인 전류를 얻을 수 있는 탄소나노튜블 이용하여 고휘도의 전자빔을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
고휘도의 X-선을 얻기 위해 탄소나노튜브는 또한 3극관에서 EGUN CODE를 이용한 시뮬레이션을 통하여 특성화된 모양을 결정하였다. 결정된 팁 모양 제작을 위해서 직경이 250μm인 텅스텐 팁을 전기화학적인 에칭을 통하여 만들게 되었다. 이렇게 제작된 탄소나노튜브 위에 탄소나노튜브를 증착한 방법으로는 크게 두 가지가 있는데 유전 영동법(dielectrophoresis)과 직접 성장법이 있다. 유전 영동법은 증류수에 탄소나노튜브를 분산시키고 여기에 텅스텐 팁과 금속 전극에 직류 전압을 가해주면 탄소나노튜브가 분극이 되어 전기장이 강한 텅스텐 팁쪽으로 끌려가게 되는 원리를 이용하여 증착을 하는 방법이다. 그리고 직접 성장법은 유도결합 플라즈마 화학기상증착법을 이용하였는데 탄소나노튜브 소스로서 플라즈마 상태의 가스를 이용하여 암모니아를 흘려보내 나노입자를 형성시킨 후 촉매로서의 Ni과 완충박막으로서 TiN을 입힘므로서 탄소나노튜브가 성장할 수 있도록 하였다.
이렇게 제작된 탄소나노튜브를 가지고 전자빔 인출 실험을 수행하게 되었다. 전자빔 실험 장치는 캐소드와 애노드를 가진 2극관형으로 구성되었다. 유전영동법으로 제작된 팁을 이용하여 실험한 결과 다중벽 탄소나노튜브가 단일벽 탄소나노튜브에 비해서 저전압에서 높은 인출전류를 얻을 수 있고 더 안정적인 전계 방출 능력을 보여주었다. 유도결합 플라즈마 화학기상법으로 제작된 팁을 이용하여 실험한 결과 TiN 완충박막을 입힌 탄소나노튜브팁이 Ni촉매만을 입힌 탄소나노튜브팁보다 휠씬 더 큰 인출전류를 얻을 수 있었다. 완충박막은 텅스텐 팁과 Ni 촉매 사이의 접착력을 크게 강화시켜주는 역할을 하기 때문에 TiN 완충박막을 입힌 탄소나노튜브팁은 고전압에서는 우수한 전계 방출 능력을 보여주었다.
