[논문]전계방출 디지털 엑스선 소스 기술 동향 및 전망

송윤호

전계방출 디지털 엑스선 소스 기술 동향 및 전망 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.17 no.4, 2016년, pp.3 - 12

송윤호 (한국전자통신연구원(ETRI) ICT소재부품연구소 나노전자원연구실)

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제안 방법

이러한 문제점을 해결하기 위해 ETRI는[그림 4]에서 보는 바와 같이 마이크로(micro)와 매크로의 2중 전극으로 이루어진 정전 집속렌즈를 개발하였다. CNT 에미터의 게이트 위에 게이트 홀(hole)과 1:1로 매칭 되는 다수의 홀을 가진 마이크로 정전 전극을 배치함으로써 게이트 구멍을 빠져 나온 전자빔이 퍼지지 않고 아노드 타겟에 집속되도록 설계하였다. ETRI는 페이스트 인쇄 방법으로 제작된 CNT 에미터에 별도로 제작된 게이트 메시(mesh)와 마이크로/매크로의 2중 정전 집속렌즈를 집적화시켜 집속 전자빔 모듈(focused electron beam module)을 만들고, 브레이징 공정을 이용하여 집속 전자빔 모듈을 Al₂O₃ 세라믹과 아노드 타겟에 진공 밀봉하여 전계방출 디지털 엑스선 소스를 완성하였다.
특히, 최근에 반도체 소자 크기가 극도로 미세화되고 소자 또는 칩 단위에서 3차원 구조가 많이 개발되기에 이에 필요한 엑스선 영상검사를 위해서는 수백nm 급의 초점을 갖는 엑스선소스를 개발하여야 한다. ETRI는 3차원 반도체 검사용으로 정전 및 자기(magnetic) 집속렌즈로 구성된 수백 nm 급의 엑스선 소스를 개발하고 있으며, [그림 6]에서 보는 바와 같이 정전 렌즈와 별도로 집광(condenser) 및 대물(object) 자기 렌즈로 구성된 정전/자기 집속렌즈 모듈을 설계하였으며 이를 수백nm 급 초점의 전계 방출 디지털 엑스선 소스를 구현하는데 적용하였다. 집광 자기렌즈는 전자빔의 축소(demagnification)에 크게 영향을 미치고 대물 자기렌즈는 전자빔 축소와 더불어 초심(focal length)을 결정하는데, 일반적으로 한 쌍의 집광과 대물 자기 집속렌즈는 100:1 정도의 전자빔 축소 능력을 갖는다.
[그림 3]은 UNC 그룹(Xintek)이 개발한 매크로 2중 전극의 정전 집속렌즈를 보여 주는데, 그림에서 보는 바와 같이 역 짤린 쇄기(inversely truncated taper) 모양의 전극 1과 타원 형태의 전극 2로 구성되며 집속 전극 1은 전자빔의 집속에, 집속 전극 2는 아노드 타겟에 충돌하는 전자빔의 모양(크기)에 주된 영향을 미친다. UNC 그룹은 게이트를 가진 CNT 에미터에 매크로 (macro) 2중 집속 전극을 장착하여 하나의 단위 엑스선 소스 모듈을 구성하고, 이러한 단위 엑스선 모듈을 고진공 챔버 내에 다수로 배치하여 멀티 엑스선 소스를 구현하였다. UNC 그룹의 전계방출 디지털 엑스선 소스는 진공 밀봉된 튜브 형태가 아닌 고진공 챔버 내에서 구현하였는데(경우에 따라서는 이온 펌프와 함께 엑스선 소스 시스템 전체를 진공 밀봉함), 이는 단층합성 영상과 같은 다수의 엑스선 소스가 필요한 분야에는 적절할 수 있지만 단일 엑스선 소스만 필요한 응용분야에서는 큰 부피와 무게, 유지관리, 가격 면에서 상당히 불리할 수 있다.
UNC 그룹의 매크로 2중 집속 전극은 구조, 제작 측면에서 비교적 장점을 가질 수 있지만 CNT에서 방출된 전자의 초기 경로에서 퍼짐이 많이 발생할 수 있는 단점을 가진다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 ETRI는[그림 4]에서 보는 바와 같이 마이크로(micro)와 매크로의 2중 전극으로 이루어진 정전 집속렌즈를 개발하였다. CNT 에미터의 게이트 위에 게이트 홀(hole)과 1:1로 매칭 되는 다수의 홀을 가진 마이크로 정전 전극을 배치함으로써 게이트 구멍을 빠져 나온 전자빔이 퍼지지 않고 아노드 타겟에 집속되도록 설계하였다.
최근 비교적 활발히 연구되고 있는 전계방출 디지털 엑스선 소스에 대한 개발 동향과 기술적 가능성, 과제를 알아보았다. 전계방출 디지털 엑스선 소스는 120년 이상 존속되어온 열음극 엑스선 소스의 아날로그 구동을 디지털로 전환시키는 "패러다임 전환"을 가져올 수 있으며, 이에 따라 전계방출 엑스선 소스를 기반으로 새롭고 혁신적인 의료 검진/치료, 보안, 검사 시스템이 창출될 수 있을 것이다.

성능/효과

집광 자기렌즈는 전자빔의 축소(demagnification)에 크게 영향을 미치고 대물 자기렌즈는 전자빔 축소와 더불어 초심(focal length)을 결정하는데, 일반적으로 한 쌍의 집광과 대물 자기 집속렌즈는 100:1 정도의 전자빔 축소 능력을 갖는다. ETRI는 CNT 에미터와 정전/자기 집속렌즈 모듈을 기반으로 Be 윈도우(be window)에 W 박막 타겟을 갖춘 투과형 전계방출 디지털 엑스선 소스를 오픈형 시스템(open-type system: CNT 에미터, 타겟 등의 주요 부품을 쉽게 교체할 수 있는 진공챔버형 시스템)으로 제작하였으며, 엑스선 소스의 초점 크기가 200nm 수준으로 반도체의 3차원 미세패턴을 검사할 수 있을 것으로 평가되었다.
FFG의 전자빔 집속 효과는 필연적으로 아노드 타겟에 인가되는 전압과 FFG의 전압에 영향을 받지만, 응용하고자 하는 엑스선 소스의 에너지와 선량이 정해지면 이에 대응 되는 아노드 전압과 FFG 전압이 결정되기에(FFG 전압은 CNT 에미터의 전계방출 특성에 의해 결정됨) FFG의 전자빔 집속 효과를 최대한 이끌어낼 수 있는 기하학적 구조를 설계할 수 있다. ETRI는 FFG를 이용하여 치과 영상검진용 전계방출 디지털 엑스선 튜브를 제작하였으며, 방출되는 엑스선의 특성이 치과 영상검진에 충분히 사용될 수 있음을 확인하였다.

후속연구

전계방출 디지털 엑스선 소스를 이용한 고정형 단층 합성영상 시스템은 현재 유방 검진뿐만 아니라 폐와 치과 검진용으로도 개발되고 있으며, 유방 검진과 마찬가지로 짧은 시간에 보다 선명한 영상을 얻을 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 폐 검진용 단층합성영상 시스템에 요구되는 전계방출 디지털 엑스선 소스는 보다 더 높은 에너지(전자빔 가속 에너지: 아노드 타겟에 인가되는 전압)와 더 많은 수의 엑스선 소스가 요구되기 때문에 가속전압을 쉽게 높일 수 있는 엑스선 소스 구조 개발과 더불어 제조비용을 줄일 수 있는 방안이 연구되어야 하며, 치과용 단층합성영상 시스템은 비교적 쉽게 구현될 수 있으나 수요자 관점에서 단층합성영상의 필요성이 고려되어야 할 것이다.
전계방출 디지털 엑스선 소스가 기존 열음극 엑스선 소스에 비해 고속 디지털 구동의 장점을 가지고 있지만 보다 더 큰 경쟁력을 가지기 위해서는 고휘도/대전류의 전계 에미터, 단순 구조에 의한 전자빔 집속, 저비용 제조, 안정성 및 신뢰성 향상 기술이 개발되어야 할 것으로 생각된다.
다수의 전계방출 엑스선 소스가 사각 스테이지의 두 변에 배치되고 그 반대편에는 엑스선 센서가 배열되어 있으며, 처음 정해진 위치에서 엑스선 소스를 순차적으로 어드레싱하여 투사 영상을 얻은 후 180° 회전 후 다시 순차적으로 투사 영상을 얻는다(경우에 따라서는 180° 내에서만 영상을 획득함). 전계방출 디지털 엑스선 소스를 이용한 고정형 CT는 이제 막 연구가 시작된 분야로 향후 다양한 시스템 구조와 이에 상응하는 영상 재구성 기술이 개발될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ETRI에서 개발한 마이크로(micro)와 매크로의 2중 전극으로 이루어진 정전 집속렌즈는 어떻게 설계 되었는가?	이러한 문제점을 해결하기 위해 ETRI는[그림 4]에서 보는 바와 같이 마이크로(micro)와 매크로의 2중 전극으로 이루어진 정전 집속렌즈를 개발하였다. CNT 에미터의 게이트 위에 게이트 홀(hole)과 1:1로 매칭 되는 다수의 홀을 가진 마이크로 정전 전극을 배치함으로써 게이트 구멍을 빠져 나온 전자빔이 퍼지지 않고 아노드 타겟에 집속되도록 설계하였다. ETRI는 페이스트 인쇄 방법으로 제작된 CNT 에미터에 별도로 제작된 게이트 메시(mesh)와 마이크로/매크로의 2중 정전 집속렌즈를 집적화시켜 집속 전자빔 모듈(focused electron beam module)을 만들고, 브레이징 공정을 이용하여 집속 전자빔 모듈을 Al2O3 세라믹과 아노드 타겟에 진공 밀봉하여 전계방출 디지털 엑스선 소스를 완성하였다.
	전계방출 엑스선 소스가 사용하는 전자원은 무엇인가?	[그림 1]은 종래의 필라멘트로 이루어진 열전자 에미터(thermionic emitter) 기반 엑스선 소스와 전계 에미터 기반 전계방출 엑스선 소스의 특성을 비교한 것으로, 가장 큰 차이점은 물질로부터 전자원을 방출시키는 메커니즘에 달려있다. 열전자 엑스선 소스는 텅스텐과 같은 필라멘트를 1800℃ 정도로 가열하여 등방적으로 방출시켜 얻은 열전자를 사용하는 반면, 전계방출은 상온에서 양자역학적으로 터널링된 냉음극(coldcathode) 전자를 활용한다. 이에 따라, 전계방출 엑스선 소스는 종래의 열전자 엑스선 소스에 비해 소비전력, 방출전자의 에너지 분포 및 방향성, 전자 집속, 크기 등에서 큰 장점을 가지는데, 특히 열전자는 순간적인 스위칭이나 전류 변조가 어려운 아날로그 동작인 반면 전계 방출은 고속 스위칭 동작과 더불어 전류 변조가 자유스러운 디지털 구동 특성을 가진다.
	전계방출 디지털 엑스선 소스에 사용될 수 있는 주요 전계 에미터는 무엇인가?	엑스선 소스의 특성은 엑스선의 선량, 에너지, 초점에 의해 결정되는데, 일반적으로 의료 또는 산업 검사에 요구되는 엑스선 소스를 얻기 위해서는 고휘도(high brightness: 전자방출 특성은 휘도로 평가되며, 전자가 특정한 방향으로 고밀도로 방출되어야 휘도가 큼), 대전류의 전자원이 필요하다. 전계방출 디지털 엑스선 소스에 사용될 수 있는 전계 에미터는 [그림 2]에서 보듯이 현재 나노 금속 에미터와 CNT 에미터가 주를 이루고 있다. CNT는 화학적 방법에 의한 직접 성장(direct growth), 입자의 전기영동 증착(electrophoretic deposition), 페이스트의 스크린 인쇄(screen printing of paste) 등 여러 가지 방법으로 고성능의 전계 에미터로 제작될 수 있다.

참고문헌 (29)

C. A. Spindt, J. Appl. Phys. 39, 3504 (1968).

상세보기
W. B. Choi, D. S. Chung, J. H. Kang, H. Y. Kim, Y. W. Jin, I. T. Han, Y. H. Lee, J. E. Jung, N. S. Lee, G. S. Park and J. M. Kim, Appl Phys. Lett. 75, 3129 (1999).

상세보기
J. Dijon, A. Fournier, M. Levis, R. Meyer, C. Bridoux, B. Montmayeul, F. Muller, P. Nicolas, D. Sarrasin, J. R. Adamski, J. L. Bellanger, D. Bellissens, M. Lefort and J. L. Ricaud, SID Symposium Digest, 38, 1313 (2007).
J.-W. Jeong, D.-J. Kim, J.-T. Kang, J.-S. Kim and Y.-H. Song, Proc. of the 14th International Display Workshops 2007, 2189 (2007).
Y. C. Choi, J. W. Lee, S. K. Lee, M. S. Kang, C. S. Lee, K. W. Jung, J. H. Lim, J. W. Moon, M. I. Hwang, I. H. Kim, Y. H. Kim, B. G. Lee, H. R. Seon, S. J. Lee, J. H. Park, Y. C. Kim and H. S. Kim, Nanotechnology 19, 235306 (2008).

상세보기
J.-W. Jeong, D.-I. Kim, J.-T. Kang, J.-S. Kim and Y.-H. Song, Proc. of the 15th International Display Workshops 2008, 2019 (2008).
J.-W. Jeong, D.-I Kim, J.-T. Kang, J.-W. Kim and Y.-H. Song, International Meeting on Information Display Digest 2009, 148 (2009).
J.-W. Jeong, D.-J. Kim, K.-I. Cho and Y.-H. Song, J. Vac. Sci. Technol. B27, 1097 (2009).

상세보기
Y.-H. Song, D.-I Kim, J.-T. Kang, J.-W. Kim and J.-W. Jeong, Proc. of the 16th International Display Workshops 2009, 1455 (2009).
Y.-H. Song, J.-W. Jeong and D.-J. Kim, CNT-Based FEL for BLU in LCD,In: Y. Saito, editor. Carbon nanotube and related field emitters: Fundamentals and applications: Wiley-VCH; 2010, p. 343-371.
A. Haga, S. Senda, Y. Sakai, Y. Mizuta, S. Kita and F.Okuyama, Appl. Phys. Lett. 84, 2208 (2004).

상세보기
T. Nakazato, M. Nakanishi, S. Kita, F. Okuyama, Y. Shibamoto and T. Otuka, Radiat. Res. 48, 153 (2007).

상세보기
F. Okuyama, Miniature X-ray Tubes, In: Y. Saito, editor. Carbon nanotube and related field emitters: Fundamentals and applications: Wiley-VCH; 2010, p. 3-14.
S. Wang, X. Calderon, R. Peng, E. C. Schreiber, O. Zhou and S. Chang, Appl. Phys. Lett. 98, 213701 (2011).

상세보기
X. Qian, R. Rajaram, X. Calderon-Colon, G. Yang, T. Phan, D. S. Lalush, J. Lu and O. Zhou, Med. Phys. 36, 4389 (2009).

상세보기
A.Tucker, X. Qian, E. Gidcumb, D. Spronk, F. Sprenger, J. Kuo, S. Ng, J. Lu and O.Zhou, SPIE2012 , 2012.
O. Zhou, X. Calderon-Colon, Carbon nanotubebased field emission X-ray technology, In: Y. Saito, editor. Carbon nanotube and related field emitters: Fundamentals and applications: Wiley-VCH; 2010, p. 417-437.
S.H. Heo, H. J. Kim, J. M. Ha and S. O. Cho, Nanoscale Res. Lett. 7, 258 (2012).

상세보기
J.-W. Jeong, J.-W. Kim, J.-T. Kang, S. Choi, S. Ahn and Y.-H. Song, Nanotechnology 24, 085201 (2013).

상세보기
J.-W. Jeong, J.-T. Kang, S. Choi, J.-W. Kim, S. Ahn and Y.-H. Song, Appl. Phys. Lett. 102, 023504 (2013).

상세보기
J.-T. Kang, J.-W. Kim, J.-W. Jeong, S. Choi, J. Choi, S. Ahn and Y.-H. Song, ETRI J. 35, 1164 (2013).

원문보기 상세보기
J.-W. Kim, J.-W. Jeong, J.-T. Kang, S. Choi, S. Ahn and Y.-H. Song, Nanotechnology 25, 065201 (2014).

상세보기
J.-W. Kim, M.-S. Shin, J.-W. Jeong, J.-T. Kang, S. Choi, S. Park, J.-H. Yeon, S. Ahn and Y.-H. Song, IEEE Electron Device Lett. 36 396 (2015).

상세보기
J.-W. Kim, J.-W. Jeong, J.-T. Kang, S. Choi, S. Park, M.-S. Shin, S. Ahn and Y,-H, Song, Carbon 82, 245 (2015).

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J.-T. Kang, J.-W. Kim, M.-S Shin, J.-W. Jeong, S. Choi, S. Park, J.H Yeon, S. Ahn and Y.-H. Song, IEEE Electron Device Lett. 36, 1209 (2015).

상세보기
Y. C. Choi, J.-T. Kang, S. Park, M.-S. Shin, H. Jeon, J.-W. Kim, J.-W. Jeong and Y.-H. Song, Carbon 100, 302 (2016).

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송윤호, 인포메이션 디스플레이 13, 14 (2012).
송윤호, 인포메이션 디스플레이 15(6), 3 (2014).

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송윤호, 강준태, 김재우, 박소라, 정진우, 전자통신동향분석 31, 116 (2016).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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