화학공학소재연구정보센터
  • 계측, 분석장치의 성능을 비약적으로 높이는 고휘도, 가는 전자선 개발등록일 : 2015/12/01
  • ~ 현행 전자선에 비해 휘도가 100배, 차세대 전자현미경 개발에 기여 ~

    NIMS 연구그룹은 전자현미경 등 전자원으로서 기대되고 있는 란탄붕소화물(LaB6) 단결정 나노와이어의 표면을 원자수준에서 클리닝하는 기술을 개발하여 전자원의 고성능화와 안정성 향상에 성공하였다. 즉, LaB6을 화학기상증착(CVD)법을 이용하여 단결정 나노와이어로 하는데 처음으로 성공하고, LaB6 전계방사형 전자원을 세계에서 선도적으로 개발하였다.

    이번에 이 전자원의 표면을 클리닝하여 표면구조를 정밀하게 제어함으로써 성능 및 안정성을 높이는 데 성공하여 현재 최고 텅스텐 전계 방사 전자원으로부터 전자선이 fine group이며, 100배의 휘도와 2/3의 에너지 폭이 된다는 것을 실증하였다. LaB6 단결정 나노와이어의 표면 클리닝은 3kV 전압을 인가함으로써 표면 오염을 포함한 원자를 수소 분위기 중에서 전계 증발시킴으로써 수행하였다. 표면을 클리닝함으로써 사용 중 노화가 상당히 적은 전자원으로 할 수 있다. 그리고 전자원 끝부분의 표면을 상세하게 관찰한 결과, 전자를 방출하기 쉽고, 화학적으로 안정한 La 원자가 표면을 덮고 있을 가능성이 있다는 것을 알았다. 이것은 종래보다 고휘도로 에너지 폭이 좁은 안정한 전자원이 실현된 요인이라고 생각된다.

    개발한 LaB6 나노와이어 전자선으로 이루어진 전자총을 전계 방사형 주사 전자현미경에 장착하여 그 특성을 조사한 결과, 텅스템 전자원과 비교하여 전류밀도가 1,000배 크게 된다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 방출전자는 전류감쇠 없이 5시간 안정적으로 사용할 수 있다는 것을 확인하였다. 그리고 전자현미경 사진을 보면, LaB6의 전자총에서는 텅스텐 전자원과 비교하여 노이즈가 적고, 저전압(5kV)에 의한 전계 방사에서 금 미립자를 20만 배로 확대하더라도 선명한 화상을 얻을 수 잇다. 5.6nA의 높은 프로브 전류에서도 선명한 이미지가 얻어졌으며, 다층의 복합재료 계면에서 성분변화를 고정밀도로 이미지화 할 수 있는 등 현행 텅스템 전자원 등에 비해 우수하다는 것을 실증하였다.

    LaB6 단결정 나노와이어 전계 방사형 전자원은 현재 전자원과 비교하여 휘도는 100배 이상(109A/m2sr/V에서 1011A/m2sr/V 이상), 에너지 폭은 2/3 이하(0.3 eV에서 0.2eV 이하)로 비약적인 성능 향상이 기대된다. 전자원의 성능 향상은 고성능 전자선을 필요로 하는 전자현미경, 전자선 묘사장치, 의료용 X선 장치 등 계측, 분석장치의 성능을 향상시킨다. 앞으로는 일본 국내 전자현미경 제조사 등과 공동으로 전자원 제품화와 전자현미경 등의 성능 향상을 목표로 한다.

    그림 1. 종래 전자통과 이번에 개발한 LaB6 나노와이어 전계 방사형 전자총의 비교
    그림 2. (좌) 전자원 확대도, (우) 전자원 종단 이미지
    그림 3. LaB6 나노 와이어 전자원을 장착한 전계 방사형 주사전지현미경에서의 관찰 사례
  • 키워드 : 전자선, 전자현미경, 나노와이어
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑