삼극관 구조의 탄소나노튜브 전계방출 이온화원을 이용한 초소형 질량 분석기

Abstract

본 논문은 탄소나노튜브 전자 방출원을 이용한 삼극관 구조의 이온화원을 갖는 초소형 질량분석기의 제작과 실험에 관한 것이다. 기존에 연구되었던 열전자 방식의 전자 방출원은 방출되는 전자의 양과 방출원의 수명에 있어서 단점이 발견됐다. 이것을 기계적, 전기적, 화학적 특성이 우수하고 긴 수명과 강한 내구성을 가지며 전계방출 특성이 뛰어난 탄소나노튜브로 대체하면 큰 방출 전류를 얻을 수 있다. 제작한 초소형 질량 분석기는 상판, 중간판, 하판 그리고 스페이서로 구성되어 있다. 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. 중간판에는 게이트 전극과 탄소나노튜브로부터 방출된 전자들이 이온화 영역으로 진입하기 위하여 통과하는 구멍들로 이루어져 있다. 하판에는 전자 방출원으로서 고농도 도핑된 실리콘 웨이퍼에 탄소나노튜브를 성장하여 제작하며, 스페이서는 탄소나노튜브와 게이트 전극간 간격을 일정하게 유지하기 위하여 사용된다. 제작된 초소형 질량분석기는 8 × 7.3 × 1.875 mm3 의 크기를 가진다. 전계 방출 실험과 이온 전류 측정을 통해 이온화원의 동작 특성을 확인하고 검출부에 MCP를 연결해 질량 스펙트럼을 측정함으로서 질량분석기로서 동작을 확인한다.