마이크로채널 플레이트 성능을 위한 AZO 전도층 최적화

초록

AZO 전도층 저항률이 MCP 저항 요구사항 내에 있을 때 Zn 함량 허용 구간이 매우 좁아(70-73%) 제어가 어렵습니다. 마이크로채널 플레이트 상 AZO 전도층 특성을 겨냥해 전도성 물질 ZnO와 고저항 물질 Al₂O₃ 비율을 조절하는 알고리즘을 설계했습니다. MCP 작동 저항(마이크로채널 내 전자 눈사태 중 저항) 개념을 제시했습니다. MCP 저항 시험 시스템으로 AZO-ALD-MCP(Al₂O₃/ZnO 원자층 증착 마이크로채널 플레이트) 작동 저항을 최초로 측정했습니다. 기존 MCP와 비교 시 AZO-ALD-MCP 작동 상태와 비작동 상태 저항이 크게 다르며, 전압 증가 시 작동 저항이 유의미하게 감소함을 발견했습니다. 따라서 전도층 분석 방법 세트를 제안했습니다. 또한 작동 저항 조건 하에서 ALD-MCP 전도층 전도성 물질과 고저항 물질 비율 조절을 제안하고 고이득 AZO-ALD-MCP 제조에 성공했습니다. 이 설계는 ALD-MCP 전도층용 더 나은 소재 탐색 길을 열어 MCP 성능 향상에 기여합니다.

서론

마이크로채널 플레이트(MCP)는 얇은 유리판 형태 통합으로 2차원 기공 배열로 구성된 전자 증배관으로, 길이 0.5-5mm, 직경 4-40μm, 보통 플레이트 표면 법선 대비 5°-13° 바이어스 각도를 가지며, 개방 면적 비율 최대 60%, 각 기공 내 높은 길이-직경비 약 20:1-100:1입니다[1].

그림 1과 같이 입사 전자가 마이크로채널 진입 시 벽과 충돌하여 마이크로채널 벽 표면에서 2차 전자 생성. 마이크로채널 벽 다중 충돌로 2차 전자 수 증가, 마이크로채널 내 전자 눈사태 발생 및 마이크로채널 출력에서 전자 구름 방출. 2차 전자는 바이어스 전압에 의해 마이크로채널 따라 추가 가속. MCP 이득은 작동 전압 700-900V에서 10³-10⁴[2-9].

각 마이크로채널은 검출기이자 전자 증배관. 수백만 마이크로채널 독립 작동으로 MCP는 높은 공간 분해능, 높은 시간 분해능, 넓은 이득 범위 특성으로 광자, 전자, 중성자, 이온 식별에 사용. MCP는 광전 검출기, 광전자 증배관(PMT), 자외선 분광기, 음극선관, 주사 전자 현미경, 전계 방사 디스플레이, 잔류 가스 분석기, 의료 영상, 비행 시간 질량 분석기, 야간 투시 고글 등 다양한 기기에 통합 가능[1, 4, 7-9]. 전통 공정 수소 처리로 마이크로채널 적절한 전도성과 2차 전자 방출 계수 확보.

마이크로채널 제조 시 일반적인 수소 처리 공정 단점: 첫째, 전도층과 방출층 독립적 조절 불가[10, 11]; 둘째, 납 유리 용융 공정 중 중금속 원소(Pb, Bi) 환경 오염; 셋째, 고온으로 대면적 MCP 휨 발생[8]; 넷째, 수소 환원 반응에 사용된 납 유리에 K, Rb 등 방사성 원소 포함으로 배경 잡음 발생[8]; 다섯째, 기공 잔류 수소가 바이어스 전압으로 이온화되어 전자 반대 방향으로 비행하여 기기 음극 파괴[8, 12].

초기 과학자들은 마이크로채널 벽에 전도층과 방출층 성장으로 수소 처리 공정 대체 제안[3]. 많은 박막 증착법이 높은 길이-직경비 마이크로채널에 균일 박막 성장 불가. 아르곤 국립연구소에서 원자층 증착(ALD)으로 MCP 마이크로채널 벽에 전도층과 방출층 성장 제안으로 온전하고 균일한 박막 달성[4, 13]. 또한 ALD-MCP가 상기 단점 해결. 많은 연구기관이 MCP 성능 개선 위한 경쟁 소재 탐색 중.

아르곤 국립연구소는 MCP 저항 요구사항 고려하여 ALD-MCP 전도층용 AZO 소재 선택. 저항 너무 높으면 전도층이 방출층에 전자 적시 지속적 보충 불가, MCP 저이득 또는 작동 실패. 반대로 저항 너무 낮으면 MCP 과열, 결국 파괴[4, 9, 14, 15]. 따라서 전도층 설계가 ALD-MCP에 중요.

그림 2와 같이 AZO 전도층 저항률이 MCP 저항 요구사항 내에 있을 때 허용 Zn 함량이 매우 좁은 범위(70-73%)[16]. 따라서 MCP 이득 불안정, MCP 쉽게 파괴. W, Mo 등 대체 전도성 소재를 Zn 대신 연구[3, 4, 17-19]. WF₆(MoF₆)와 H₂O 화학 반응으로 ALD로 W(Mo) 성장. 그러나 WF₆ 또는 MoF₆ 사용 시 두 가지 심각한 단점: 강한 부식성, 생산 공정 중 제거 어려운 불순물 포함. 이 이유로 이들 소재 ALD-MCP 비용 높음.

본 연구에서 ZnO와 Al₂O₃로 합리적 설계가 MCP 전도층에 가능함을 발견, W나 Mo 사용 시 직면 문제 없이 가격 경쟁력 더 높음. 여기 AZO 전도층 가진 ALD-MCP를 AZO-ALD-MCP라 명명.

전도성 물질 ZnO와 고저항 물질 Al₂O₃ 비율 조절로 원하는 AZO 전도층 특성 얻기 위한 알고리즘 제안.

MCP 작동 저항(마이크로채널 내 전자 눈사태 중 저항) 개념 제시. AZO-ALD-MCP 작동 저항 시험 결과 AZO-ALD-MCP와 기존 MCP 간 두 차이점 발견. AZO-ALD-MCP와 기존 MCP 모두 작동/비작동 저항이 유의미하게 다름. 또한 AZO-ALD-MLP 저항이 전압과 음의 상관관계. 작동 저항 기준 전도성 물질과 고저항 물질 비율 조절 제안으로 향후 ALD-MCP 전도층용 새 소재 탐색 지침 제공.

실험 및 방법

ZnO 및 Al₂O₃ 원자 박막 성장

원자층 증착(ALD)은 전구체와 반응성 기체를 기판 표면에 번갈아 공급하여 제어된 속도로 물리/화학적 흡착 또는 표면 포화 반응 수행하는 기술. 소재가 단일 원자 박막 형태로 기판 증착. ALD는 핀홀 없는 연속 박막, 우수한 피복성, 원자 박막 두께 및 조성 제어 가능[1, 2, 4, 11, 13, 19, 20].

ALD로 Al₂O₃ 성장 화학 반응식:

$$\begin{aligned} & {\text{A}}:{\text{Substrate}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \right)_{3} \\ & \quad \to {\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \right)_{2}^{*} + {\text{CH}}_{4} \uparrow \\ & {\text{B}}:{\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \right)_{2}^{*} + 2{\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ & \quad \to {\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{OH}}} \right)_{2}^{*} + 2{\text{CH}}_{4} \uparrow \\ & {\text{C}}:{\text{Al}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \right)_{3} \\ { } & \quad \to {\text{Al}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \right)_{2}^{*} + {\text{CH}}_{4} \uparrow \\ & {\text{D}}:{\text{Al}} - {\text{CH}}_{3}^{*} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \to {\text{Al}} - {\text{OH}}^{*} + 2{\text{CH}}_{4} \uparrow \\ \end{aligned}$$

반응 온도 60-150°C. 그림 3과 같이 Al₂O₃ 원자층 성장 시간과 순서:

$$\text{TMA}/\text{N}_2/\text{H}_2\text{O}/\text{N}_2 = 0.1\sim1\text{s}/5\sim45\text{s}/0.1\sim1\text{s}/5\sim45\text{s}.$$

ALD로 ZnO 성장 화학 반응식:

$$\begin{aligned} & {\text{E}}:{\text{Substrate}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Zn}}\left( {{\text{CH}}_{2} {\text{CH}}_{3} } \right)_{2} \\ & \quad \to {\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{ZnCH}}_{2} {\text{CH}}_{3}^{*} + {\text{CH}}_{3} {\text{CH}}_{3} \uparrow \\ & {\text{F}}:{\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{ZnCH}}_{2} {\text{CH}}_{3}^{*} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ & \quad \to {\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{ZnOH}}^{*} + {\text{CH}}_{3} {\text{CH}}_{3} \uparrow \\ & {\text{G}}:{\text{Zn}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Zn}}\left( {{\text{CH}}_{2} {\text{CH}}_{3} } \right)_{2} \\ & \quad \to {\text{Zn}} - {\text{O}} - {\text{ZnCH}}_{2} {\text{CH}}_{3}^{*} + {\text{CH}}_{3} {\text{CH}}_{3} \uparrow \\ & {\text{H}}:{\text{Zn}} - {\text{CH}}_{2} {\text{CH}}_{3}^{*} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \to {\text{Zn}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{CH}}_{3} {\text{CH}}_{3} \uparrow \\ \end{aligned}$$

반응 온도 60-150°C. 그림 3과 같이 ZnO 원자층 성장 시간과 순서:

$$\text{DEZ}/\text{N}_2/\text{H}_2\text{O}/\text{N}_2 = 0.1\sim1\text{s}/5\sim45\text{s}/0.1\sim1\text{s}/5\sim45\text{s}.$$

AZO 전도층 설계

AZO 두께 보통 300-1000 원자층 범위. Al₂O₃와 ZnO 원자층 순서 설계로 전도성 물질 ZnO와 고저항 물질 Al₂O₃ 비율 조절 위한 새로운 수학적 연산 규칙 정의.

$$\left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{mA}}} \\ {{\text{mB}}} \\ \vdots \\ \end{array} \right)= {\text{m}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{A}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array}\right)$$ (1) $$\begin{aligned} & {\text{A}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) + {\text{B}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) + {\text{C}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \ldots \\ & \quad = \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{A}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left[ \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \ldots \right] = \left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{Aa}} + {\text{Bc}} + {\text{Ce}} + \ldots } \\ {{\text{Ab}} + {\text{Bd}} + {\text{Cf}} + \ldots } \\ \vdots \\ \end{array}\right) \\ \end{aligned}$$ (2)

수학적 연산을 WYM 연산이라 명명. WYM 연산은 두 성질과 공식 가짐.

WYM 성질 1:

$$\begin{aligned} & \left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{i}} \\ {\text{j}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{k}} \\ {\text{l}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ & \quad = \left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \right)\left\{ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right],\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right]} \right\}\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{i}} \\ {\text{j}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{k}} \\ {\text{l}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ & \quad = \left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left\{ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{i}} \\ {\text{j}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{k}} \\ {\text{l}} \\ \end{array} } \right)} \right],\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{i}} \\ {\text{j}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{k}} \\ {\text{l}} \\ \end{array} } \right)} \right]} \right\} \ldots \\ \end{aligned}$$

WYM 성질 2:

$$\begin{aligned} & {\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ & \quad = \left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{Am}}} \\ {{\text{An}}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ & \quad = \left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \right)\left[ {{\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right),{\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ & \quad = \left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {{\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right),{\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ \end{aligned}$$

WYM 공식:

$$\begin{aligned} & \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) = \left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{A}} + \frac{{\text{X}}}{{\text{Y}}}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \propto {\text{Y}}\left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{A}} + \frac{{\text{X}}}{{\text{Y}}}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{Y}} - {\text{X}}} \\ {\text{X}} \\ \end{array} } \right)\left[ \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{A}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{A}} + 1} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array} \right) \right] \\ & \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) = \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {{\text{B}} + \frac{{\text{X}}}{{\text{Y}}}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \propto {\text{Y}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {{\text{B}} + \frac{{\text{X}}}{{\text{Y}}}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{Y}} - {\text{X}}} \\ {\text{X}} \\ \end{array} } \right)\left[ \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {{\text{B}} + 1} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \right] \\ \end{aligned}$$

소문자는 실수, 대문자는 정수 표현. 예제 1, 2에서 연산 실행 보여줌.

예제 1

$$\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{ZnO}}} \\ {{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} } \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{1}{2}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto \left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] = \left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + \left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)$$

연산 해석: 두 가지 스킴: \(\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\)와 \(\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\). 첫 번째 스킴: ZnO 원자층 4회 성장, Al₂O₃ 원자층 1회 성장. 두 번째 스킴: ZnO 원자층 5회 성장, Al₂O₃ 원자층 1회 성장. 이 두 스킴을 두 번 반복하면 그림 4 구조 얻음.

더 복잡한 연산 규칙 사용 예제 2:

$$\begin{aligned} & \left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{ZnO}}} \\ {{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} } \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + 0.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \\ & \frac{2}{3} = 0.666 < 0.71 < \frac{3}{4} = 0.75 \\ & \left( {\begin{array}{*{20}c} E \\ F \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{2}{3}} \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{3}{4}} \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] \\ & \quad = E\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{2}{3}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) + F\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{3}{4}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {4E + 4F + \frac{2}{3}E + \frac{3}{4}F} \\ {E + F} \\ \end{array} } \right) \\ & \quad = E + F\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{{\frac{2}{3}E + \frac{3}{4}F}}{E + F}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto \left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{{\frac{2}{3}E + \frac{3}{4}F}}{E + F}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \\ & \frac{{\frac{2}{3}E + \frac{3}{4}F}}{E + F} = 0.71 \Rightarrow {\text{E}} = 12,{\text{F}} = 13 \\ & \left( {\begin{array}{*{20}c} E \\ F \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {12} \\ {13} \\ \end{array} } \right) = 12\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ {1\frac{1}{12}} \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {11} \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 2 \\ \end{array} } \right)} \right] \\ & \left( {\begin{array}{*{20}c} E \\ F \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{2}{3}} \\ 1 \\ \end{array} } \right),\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{3}{4}} \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] \\ & \quad = \left( {\begin{array}{*{20}c} E \\ F \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 2 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right],\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 3 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]} \right] \\ & \left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto \left( {\begin{array}{*{20}c} {12} \\ {13} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 2 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 3 \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] = \left( {\begin{array}{*{20}c} {11} \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 2 \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 2 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 3 \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] \\ \end{aligned}$$

계획 1: \(\left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto 12\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 2\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] + 13\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 3\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]\).

계획 2 \(\left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto 11\left[ {\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 2\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] + \left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 3\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]} \right] + \left[ {\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 2\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] + 2\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 3\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]} \right]\).

예제 2에서 계획 1 연산 해석:

스킴 1 ALD ZnO 원자층 성장 공정 4회, Al₂O₃ 원자층 성장 공정 1회; ZnO 원자층 성장 공정 5회, Al₂O₃ 원자층 성장 공정 1회, 2회 반복.

스킴 2 ALD ZnO 원자층 성장 공정 4회, Al₂O₃ 원자층 성장 공정 1회; ZnO 원자층 성장 공정 5회, Al₂O₃ 원자층 성장 공정 1회, 3회 반복.

스킴 1을 12회, 스킴 2를 13회 반복.

계획 2 해석은 계획 1과 같은 선상.

마이크로채널 플레이트 저항 시험

그림 5a와 같이 ALD 기술로 2차원 기공 배열 마이크로채널 벽에 AZO 전도층과 Al₂O₃ 방출층 성장. 이후 열증착 기술로 MCP 양면에 Ni-Cr 전극층 성장[2, 4]하고 전극 링을 양면에 장착. 위 준비 후 직접 ALD-MCP 저항 시험. 이 조건에서 해당 MCP 저항을 비작동 저항으로 정의. Keithley 모델 6517B 전류계로 10⁻³-10⁻⁵Pa 진공에서 MCP 비작동 저항 측정[1, 4, 13].

그림 5c와 같이 전자총을 음극, 형광 스크린을 양극으로 사용. 전자총이 MCP에 입사 전자 제공, 형광 스크린이 MCP 출력 전자 수신. 또한 MCP 작동 시 고전압 형광 스크린이 녹색광 방출하여 MCP 균일도 검출[1, 21].

그림 1과 같이 전자총이 100pA 제공하여 MCP 입력으로 전류 측정. 2차 전자 증가로 방출층이 대량 전하 손실 조건 발생, 전도층이 지속적으로 전하 흐름 공급. 이 조건에서 해당 MCP 저항을 작동 저항으로 정의. 작동 저항 진공 환경 10⁻³-10⁻⁵Pa.

결과 및 논의

AZO-ALD-MCP 시료 단면 SEM 사진 그림 6. 표 1과 같이 AZO 전도층 시리즈 설계, 그림 7에 해당 작동/비작동 저항 나타냄. 같은 그림에 기존 MCP 작동/비작동 저항도 표시. AZO-ALD-MCP 비작동 저항 대비 작동 저항이 유의미하게 감소. 그러나 기존 MCP 작동/비작동 저항 간 유의미한 차이 없음. 전압 증가 시 AZO-ALD-MCP 작동 저항이 기존 MCP보다 유의미하게 낮음. 동일 전압 조건에서 AZO-ALD-MCP 작동/비작동 저항 안정적. 이에 두 주요 이유 존재 믿음.

공식[21]에 따르면,

$$R_{\text{MCP}} = R_{0} \exp \left[ { - \beta_{T} \left( {T_{\text{MCP}} - T_{0} } \right)} \right]$$

납 유리 대비 AZO는 더 높은 음온도 계수(NTC) 소재로 동일 온도와 초기 저항에서 저항 더 낮음. 이득 생성 과정 중 AZO가 고전압 입사 전자 폭격으로 더 많은 전자-정공쌍 생성, 전류 증가 결과.

비작동 저항 대 작동 저항 비율로 소재 저항 안정성 기술:

$$\kappa_{R} = \frac{{R_{n} }}{{R_{w} }}$$

그림 8에서 AZO-ALD-MCP κR 약 10²-10³배, 기존 MCP κR 약 2-3배. AZO-ALD-MCP 저항 변화 더 뚜렷하므로 기존 비작동 저항을 MCP 저항 정의로 사용하는 오래된 개념을 작동 저항으로 대체해야 함.

그림 9는 작동 전압에 대한 '인접' 소재 설계 저항 비율 LR. LR 비율 정의:

$$L_{R} = \frac{{R\left( {4 + \frac{N - 1}{N}} \right)}}{{R\left( {4 + \frac{N}{N + 1}} \right)}}$$

여기서

$$\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{ZnO}}} \\ {{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} } \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{N - 1}{N}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ {N - 1} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]$$

그리고

$$\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{ZnO}}} \\ {{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} } \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{N}{N + 1}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) = \left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ N \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]$$

그림 9에서 관찰되듯 LR 값이 2-4.5 범위로 전도성 물질 ZnO와 고저항 물질 Al₂O₃ 비율 조절. WYM 연산으로 적층 소재 설계 타당성 입증.

그림 10은 ZnO 사이클 백분율(%ZnO)에 대한 작동 저항. %ZnO 정의:

$${\text{\% ZnO}} = \frac{{{\text{ZnO}}}}{{{\text{ZnO}} + {\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }}{*}100\left( {\text{\% }} \right)$$

100-1000V 다양한 전압 조건에서 동일 전압 하 %ZnO 증가 시 작동 저항 감소. %ZnO 상이 및 전압 조건 상이 시 작동 저항 동일 경향. 따라서 서로 다른 제형 AZO-ALD-MCP가 특정 전압 하 작동하여 MCP 저항 지수 충족.

다른 전압 조건 하 저항 차이와 전압 차이 비율로 전압이 MCP 저항에 미치는 영향 기술:

$$r = \left| {\frac{{R_{U} - R_{V} }}{U - V}} \right| = \left| {\frac{{R_{1000v} - R_{100v} }}{1000 - 100}} \right|$$

그림 11에서 AZO-ALD-MCP 전압 영향이 %ZnO 증가에 따라 감소 후 안정화. 따라서 AZO-ALD-MCP 제조 시 큰 %ZnO 제형 선택 권장.

위 분석 기반으로 ALD-MCP 전도층 작동 저항 기준 제시. 그림 5a와 같이 WYM 연산과 온도 조절로 작동 저항 기반 AZO-MCP AZO 전도층 설계. ALD 기술로 2차원 기공 배열 마이크로채널 벽에 Al₂O₃ 방출층 성장[3, 11, 22]. 그림 12a에서 우리 AZO-ALD-MCP 이득을 기존 MCP와 다양한 전압 하 비교. 관찰되듯 우리 AZO-ALD-MCP 제조법이 기존 MCP보다 큰 이득 제공. 그림 12b 고압 하 균일한 녹색광 방출 형광 스크린으로 각 마이크로채널 벽 증착 소재 균일도 및 AZO-ALD-MCP 시야 균일성 입증.

결론

마이크로채널 플레이트 작동/비작동 저항 정의. 극도로 좁은 아연 함량 요구 영역(70-73%) 내 MCP 필요 저항률 겨냥 AZO 전도층 성장 알고리즘 제안. 기존 MCP 대비 작동/비작동 저항 큰 차이 및 전압별 큰 차이 발견. 따라서 κR, LR, %ZnO, r 정의로 데이터 분석. MCP는 큰 %ZnO 제형 선택 권장. 산업 생산에서 작동 저항을 ALD-MCP 저항 지표로 사용 권장. 본 연구 결과 기반으로 향후 연구가 ALD-MCP 전도층용 더 나은 소재 탐색 도움.

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