초소형 질량 분석기를 위한 탄소나노튜브 전계 방출 이온화원 제작

Abstract

본 논문은 탄소나노튜브 전자 방출원을 사용한 이극관과 삼극관 타입의 초소형 질량 분석기용 이온화원 제작과 실험에 관한 것이다. 기존에 연구되었던 열전자 방식의 전자 방출원은 방출되는 전자의 양과 수명에 있어서 단점이 발견됐다. 이것을 전계방출 특성이 뛰어난 탄소나노튜브를 이용한 전자방출원으로 대체하면 큰 전류를 얻을 수 있으며 기계적, 전기적, 화학적 특성이 우수하여 긴 수명과 강한 내구성을 보여준다. 또한 마이크로머시닝 기술을 이용하여 기존 고가의 대형 장비를, 휴대가 가능하고 저렴한 소형 장비로 제작할 수 있다. 초소형 질량분석기는 이극관과 삼극관 구조의 이온화원을 갖는 두 가지 구조로 제작하였다. 이극관 구조의 이온화원을 갖는 초소형 질량분석기는 상판과 하판으로 구성되어있다. 상판에는 이온 분리기로서 생성된 이온이 비행 시간에 따라 질량 대 전하비(mass to charge ratio)로 분석되는 비행 시간차 (time-of-flight) 방식에 필요한 전극을 제작한다. 하판에는 전자방출원으로서 탄소나노튜브를 성장하여 제작한다. 삼극관 구조의 이온화원을 갖는 초소형 질량분석기는 이극관 구조에서 상판과 하판 사이에 게이트 전극과 방출된 전자가 이동할 통로로 구정된 유리 기판을 추가하여 제작한다. 제작된 이극관 구조와 삼극관 구조의 이온화원을 갖는 초소형 질량분석기는 각각 10 × 8.2 × 1.5 mm3 와 6 X 6.5 X 2.3 mm3 의 크기를 갖는다. 전계 방출 특성 실험을 통해 전자 방출원으로서의 특성을 확인하였고 다양한 압력에서 이온 전류를 측정하여 초소형 질량분석기용 이온화원으로서의 동작 특성을 확인하였다.