 면 (plane)형상의 고전력 대면적 전자빔 개발 : CNT(carbon nanotube) 페이스트의 조성 최적화를 통해 CNT 페이스트와 Kovar 기판(54Fe-29Ni-17Co) 사이에, 또한 CNT 페이스트 구성물 사이에 금속 화합물(silicide, germanide, Al2O3/ZrO2 화합물 등)을 형성함으로써 CNT 에미터 (emitter)가 기판에 강력하게 접착되도록 유도하여 직경 5 cm의 고강력 평면형 전자빔 소스(electron beam source)를 개발한다. 고전력 에미터에서는 고전압에서 50 A/cm2 이상의 고전류(현재 세계 최고 수준 12 A/cm2)를 방출시키며, 이때 CNT 에미터에서 스스로를 파괴할 정도로 과도한 열이 발생하므로, 열전도도가 우수한 AlN, BN 등을 CNT 페이스트에 첨가하여 고전력 평면형 전자빔 소스의 열 방출 효율을 최대화하며, 고열에 견딜 수 있는 고품질 CNT를 사용한다.  저 직경, 고 산화온도 arc-CNT 합성 : 아크방전 중에 보론(B)을 도핑하여 현재 직경 6.4 nm, 대기(air) 중 산화온도 901°C의 arc-CNT를 얻었으나 work function이 증가(4.5 eV)하는 문제가 있으므로, 본 연구에서는 work function이 2.1 eV로 낮은 세슘(Cs)을 함께 도핑하여 직경이 작고, 산화온도가 높으며, work function도 낮은 arc-CNT를 개발한다. 또한 B 대신 인(P)를 도핑하여 대기 중의 산화온도를 1,000 °C 이상으로 올려 50 A/cm2의 고전류를 방출해도 파괴되지 않는 고품질 arc-CNT 소재를 개발한다.  Collimated 평행 X-ray 개발 : 5 cm 크기의 대면적 전자빔을 target에 충돌시켜 면 형상의 random X-ray를 방출시킨 후 collimator를 통과시킴으로써 5 cm 크기의 parallel X-ray를 개발한다. Simulation을 통해 collimator의 최적 종횡비를 찾아 해상도가 10배 향상된 0.03 mm의 focal spot size를 구현한다.  UVC LED의 p-type AlGaN층 활성화 연구 : 5 cm 대면적 전자빔을 UVC-LED epi-wafer (270 nm 파장의 UVC 방출)의 p-type AlGaN 층에 조사(irradiation)하여 그 충돌 에너지로 binding 에너지 0.42 eV (4,900 K 해당)의 Mg-H complex (현재의 800 ℃ 열처리로 거의 해리가 되지 않아 p층 저항이 너무 높아 hole 주입이 어려움)를 해리시킴으로써 H를 제거하고 Mg dopant를 활성화시킨다. 이를 통해 p층의 저항을 낮추고 hole 주입량을 증가시켜 현재 10% 수준(270 nm)의 UVC-LED 발광효율을 20% 이상으로 높인다.

O 면(plane) 형상의 고강력 대면적 전자빔 개발 : Kovar 기판이나 CNT 페이스트의 금속 filler와 반응하여 접착력을 향상시킬 수 있는 원소로 Si과 더불어 Ge을 CNT 페이스트의 filler로 고려한다. 여기에 Al2O3와 ZrO2 사이의 낮은 계면 에너지를 이용하여 고온의 diffusion bonding을 통해 filler의 결합력을 강화시키고, Kovar 기판과 열팽창계수가 크지 않은 Al2O3/ZrO2의 특성을 이용하여 기판 결합력을 강화시키고자 한다. 이때 첨가원소는 단순히 반응성만이 아니라 고온에서 CNT에 손상을 일으키지 않아야 하며, 생성된 화합물의 전기전도도, 열전도도 등도 고려해야 한다. CNT 에미터가 많은 양의 전류를 방출해도 문제가 없도록 CNT 페이스트 에미터의 저항을 최대한 낮출 것이며, 또한 열 방출을 위해 AlN, BN 등의 소재를 CNT 페이스트의 첨가물로 연구할 것이다. 이렇게 다양한 filler를 조합하여 최적의 CNT 페이스트 에미터를 개발한다. O 저 직경, 고 산화온도 arc-CNT 합성 : 에미터용 CNT의 아크방전 합성에서 보론(B)을 도핑하여 직경을 감소시키며, 세슘(Cs)을 도핑하여 work function을 낮추고, 산화방지제 기능이 있는 인(P) 도핑을 통해 CNT의 산화온도를 향상시킬 것이다 (세계 최초 연구). CNT에서 많은 양의 전류가 방출될 때 Joule 열 발생이 작도록 각종 도핑을 통해 CNT의 저항을 낮추고, 동시에 P 도핑을 통해 고열에서도 견딜 수 있도록 산화온도가 높은 CNT를 개발한다. O Collimated 평행 X-ray 연구 : 전자빔 trajectory와 X-ray optics를 각각 Opera 3D와 Monte-Carlo simulation하여 최적의 면 형상 random X-ray와 collimator를 설계할 것이다. 대면적 면 형상 X-ray 발생을 위해 박막 target과 투과형 밀봉을 사용할 것이다. Collimator 직경 및 종횡비를 최적 설계하여 진행방향이 동일한 parallel X-ray를 0.03 mm의 focal spot size로 구현한다 (세계 최초 연구). O UVC LED의 p-type AlGaN층 활성화 연구 : 전자빔은 보유 에너지에 해당하는 depth까지 UVC-LED를 penetration하여 에너지를 발산한다. Mg-H로 인해 저항이 높은 p층(p-AlGaN, electron blocking layer)의 두께가 65 nm에 걸쳐서 있으므로, 단일 에너지가 아니라 어떤 범위의 에너지, 예를 들어 6.5~7.5 eV의 에너지를 줄 때 65 nm의 두께에 걸쳐 Mg dopant의 활성화가 균일하게 될 수 있다 (세계 최초 연구). 또한 전자빔이 조사되는 UVC-LED wafer를 가열하여 H의 배출을 용이하게 할 수도 있다. 전자빔의 충돌에 의한 에너지 전달을 Monte-Carlo simulation하여 최적 조건을 도출할 것이다. 전자빔 조사에 의해 p-AlGaN과 electron blocking layer의 저항이 대폭 낮아지면 그 위의 p-GaN 층을 얇게 하거나 제거할 수도 있다. p-GaN 층은 p-AlGaN 층의 저항이 높아 추가로 증착해 준 것인데, p-GaN 층의 bandgap이 낮아 UVC를 흡수해 효율을 떨어뜨리는 문제를 일으킨다. 본 연구의 제안이 성공한다면 UVC-LED 구조를 근본적으로 바꾸어 광효율을 극대화 할 수 있는 원천기술을 확보할 수 있다.