KR100687718B1 - 히트파이프를 채용한 전자빔 장치 - Google Patents

히트파이프를 채용한 전자빔 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 히트파이프를 채용한 전자빔 장치에 관한 것으로서, 전자를 방출하는 에미션 팁(emission tip)부; 상기 에미션 팁부을 내장하는 하우징; 상기 하우징이 실장되는 외부케이스; 상기 외부케이스의 내부와 외부에 걸쳐 위치하여, 상기 외부케이스의 내부의 열을 외부로 전달하는 열전달부; 상기 하우징에 열적으로 결합되어 있는 흡열부와, 상기 열전달부의 부분 중에 상기 외부케이스의 내부에 위치한 부분에 열적으로 결합된 발열부를 구비하는 히트파이프;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 히트파이프를 채용한 전자빔 장치에 의하면, 간단한 구성으로도 고온의 부품을 효율적으로 냉각하는 것이 가능하여, 전체 장치의 수명과 신뢰성을 확보할 수 있다는 효과가 있다.

Description

히트파이프를 채용한 전자빔 장치{Electron beam apparatus using heatpipe}
도 1은, 본 발명에 따른 제1실시예의 히트파이프를 채용한 전자빔 장치의 개략적 단면도,
도 2는, 본 발명에 채용된 히트파이프의 개략적 단면도,
도 3은, 본 발명에 따른 제2실시예의 히트파이프를 채용한 전자빔 장치의 개략적 단면도,
도 4는, 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도,
도 5는, 본 발명에 따른 제3실시예의 히트파이프를 채용한 전자빔 장치의 개략적 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1, 1a, 1b... 히트파이프를 채용한 전자빔 장치
10 ... 에미션 팁부 20 ... 하우징
30 ... 진공 챔버 40 ... 냉매파이프
41 ... 전달 히트파이프 50 ... 히트파이프
52 ... 흡열부 54 ... 발열부
본 발명은 전자방출 소스인 에미션 팁(emission tip)을 구비한 모든 전자빔 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고 진공 챔버 내에 실장되어 동작하는 마이크로 칼럼(micro-column) 전자빔에 유용하다.
상기 고진공 챔버 내에 실장 되어 동작하는 마이크로 칼럼 전자빔은 필수적으로 전자방출 소스인 에미션 팁(emission tip)부를 구비하고 있다. 그런데, 이러한 에미션 팁의 동작시 발생되는 열에 의해 에미션 팁부는 그 온도가 1000K에서 1800K에 이르는 고온이 된다. 따라서, 이러한 에미션 팁부에 연결되어 있거나 주변에 위치하는 구성부품들은, 에미션 팁부로부터 전달된 열에 의해 약 200°C 정도의 온도상태가 된다. 그런데, 이러한 에미션 팁부의 주변 장치들이 인용할 수 있는 온도 이상의 고온이 되게 되면, 열로 인해 각종 장치들의 오동작이나 불안정한 동작을 일으키게 되어 안정적인 성능을 가질 수 없게 된다. 다시 말하면, 종래에는 고진공에서 사용하는 전자빔 구조 및 유사한 열 소스를 갖는 모든 유사한 빔 구조에서 일반적으로 금속 및 비금속 열전도율에 따른 자연 열전도 구조에서 나타나는 열문제로서, 열 소스로부터 전자렌즈 모듈 및 하우징에 열이 전도되어 고온상태가 지속적으로 유지됨으로서 마이크로 컬럼 성능이 불안정하게 되고, 수명 또한 단축되는 등의 열 문제가 존재하고 있다.
따라서, 이러한 에미션 팁부에서 발생하는 열을 간단한 구성으로서, 효과적이며 안정적으로 냉각하여, JIS나 Mil규격에서 요구하는 부품의 열에 관한 신뢰성 환경조건에 적합한 -40°C와 80°C 내에 도달하도록 하는 것이, 마이크로 칼럼 (micro-column) 전자빔 장치를 포함한 이와 유사한 모든 전자빔 장치에 필요로 하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 필요성을 충족하기 위한 것으로, 히트파이프를 채용하여 단순한 구조로 신뢰성있는 냉각효과를 발휘하여 안정적인 작동이 가능한 히트파이프를 채용한 전자빔 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 히트파이프를 채용한 전자빔 장치는, 전자를 방출하는 에미션 팁(emission tip)부; 상기 에미션 팁부을 내장하는 하우징; 상기 하우징이 실장되는 외부케이스; 상기 외부케이스의 내부와 외부에 걸쳐 위치하여, 상기 외부케이스의 내부의 열을 외부로 전달하는 열전달부; 및 상기 하우징에 열적으로 결합되어 있는 흡열부와, 상기 열전달부의 부분 중에 상기 외부케이스의 내부에 위치한 부분에 열적으로 결합된 발열부를 구비하는 히트파이프;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 외부케이스는 내부가 고 진공인 진공 챔버인 것이 바람직하다.
또한, 상기 진공 챔버 내에 상기 하우징이 복수 개 실장되고, 각각의 하우징에는 상기 히트파이프가 구비되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 열전달부는, 상기 히트파이프의 발열부와 열교환이 이루어지는 냉매를 공급하는 냉매파이프를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 히트파이프의 발열부와 상기 냉매파이프는, 상기 냉매파이프에 대한 상기 발열부의 상대 운동을 허용하도록, 탄성을 가지는 연결파이프에 의해 열적으로 결합되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 히트파이프의 발열부와 상기 열전달부는, 상기 발열부에 대한 상기 열전달부의 상대 운동을 허용하도록, 탄성을 가지는 연결수단에 의해 열적으로 결합되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 열전달부는, 흡열부가 상기 히트파이프의 발열부와 열적으로 결합되어 있고, 발열부가 상기 진공 챔버의 외부에 위치한 전달 히트파이프를 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 제1실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 히트파이프를 채용한 전자빔 장치를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
본 발명에 따른 히트파이프를 채용한 전자빔 장치(1)는, 에미션 팀(emission tip)부(10), 하우징(20), 외부케이스, 열전달부 및 히트파이프(50)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 에미션 팁부(10)는 전자 방출원이다. 도 1에는, 에미터(emitter)와, 그 하부의 서프레서 켑(suppressor cap; 12)과 마이크로렌즈부(15)를 포함하여 구성된 에미션 팁부(10)를 개념적으로 간략하게 도시되어 있다. 에미터는 작동시 많은 열을 발생하게 되며, 이러한 열은 주변의 부품들로 전달된다. 팁이 1800K로 작동할 때, 서프레서 캡(12)의 온도는 대략 300°C 정도로 알려져 있다. 한편, 열에너지 량(heating power)을 줄이기 위해서, 팁(tip)에 75㎛지름보다 더 얇은 텅스텐(tungsten)필라멘트가 덧붙여진다. 본 실시예의 경우, 에미션 팁으로서 소형 쇼키 방출원(schottky source)을 사용하며 작동 온도인 1800 K에 도달하기 위하여 1.5-1.8 W의 열에너지(heating power)를 가지게 된다. 참고적으로 125㎛ 지름의 텅스텐(tungsten) 필라멘트를 가지는 쇼키 방출원(schottky source)은 작동 온도인 1800K에 도달하기 위하여 2.5-3.5W의 열에너지(heating power)를 가진다.
상기 하우징(20)은, 에미션 팁부(10)를 내장하고 있으며, 상기 에미션 팁부(10)의 하부에는 전자렌즈모듈(21)이 마련되어 있다. 하우징(20)의 내부에는 에미션 팁부(10)에서 발생한 많은 열이 존재하게 된다. 본 실시예의 경우, 하우징의 크기는 대략 20x20x14㎜ 정도이다.
상기 외부케이스는 그 내부에 하우징(20)이 실장된다. 본 실시예의 경우, 외부케이스는 그 내부가 초고진공(ultra high vacuum)인 진공 챔버(30)이다.
상기 열전달부는, 본 실시예의 경우, 냉매파이프(40)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 냉매파이프(40)는 그 내부에 냉각수 혹은 다른 종류의 냉매(42)가 유동하고 있다. 냉매파이프(40)는, 진공챔버(30)의 내부와 외부에 걸쳐 위치하여서, 내부의 열, 특히 후술할 히트파이프(50)로부터 열을 전달받아, 진공챔부(30)의 외부로 방출시킨다. 즉, 상대적으로 차가운 냉매가 히트파이프(50)의 발열부(54)로부터 열을 전달받은 후, 냉매파이프(40)를 통해 진공챔버(30)의 외부로 전달하는 것이다. 결과적으로, 냉매파이프(40)는 에미션 팁부(10)에서 발생한 열을 히트파이프 (50)를 통해 전달받아 진공챔버(30)의 외부로 방출시키는 역할을 한다. 한편, 냉매파이프(40)를 통해 외부로 유출된 가열된 냉매(42)는 적당한 열교환기(미도시)를 이용하여 냉각된 후 다시 진공챔버(30)안으로 공급되며 순환하도록 할 수 있다. 본 실시예의 경우, 냉매로서 약 15°C 공정수(process chilled water)를 사용한다.
한편, 본 발명에 사용되는 히트파이프(50)에 관한 일반적인 설명을 도 4를 참조하며 설명한다. 히트파이프(50)는, 발열체로부터 발생한 열을 원하는 곳으로 이동시킬 수 있는 있도록, 일반적으로 밀폐된 동이나 알미늄 파이프 용기(container; 51)에 윅(wick; 55)을 형성하고 작동유체(refrigerant;56)를 일정 양 주입한 것이다. 히트파이프(50)는 흡열부(52)와, 단열부(53)와, 발열부(54)를 포함한다. 흡열부(52)에서 흡수된 열은 히트파이프(50) 내부에 밀봉된 작동유체(56)를 증발시키켜 증기로 만든다. 이때 발생된 내부 압력 차이로 증기는 단열부(53)의 내부 통로(57)를 지나서 발열부(54) 측으로 이동하게 된다. 발열부(54)측에 도달한 증기상태의 작동유체는 히트파이프(50) 외부로의 열전달을 통하여 응축하여 다시 액체가 되고, 응축된 작동 유체(56)는 흡열부(52)로 되돌아오는 싸이클을 이루게 되는 것으로, 히트파이프(50)는 우수한 전열수단의 역할을 하게 된다. 이러한 히트파이프(50)는 흡열부의 위치가 수평 또는 하부에 위치하여도 동작할 수 있도록 파이프 내측 표면에 모세관력을 갖는 그루부형이나 메쉬형, 샌드입자형의 윅(55)을 형성하고 있다.
상기 히트파이프(50)는, 흡열부(52)와 발열부(54)를 구비한다.
상기 흡열부(52)는, 하우징(20)에 열적으로 결합되어 있어서, 하우징(20)의 열을 흡수한다. 본 실시예의 경우, 흡열부(52)는 하우징(20)의 내부에 삽입되어 있다. 하지만, 흡열부(52)가 하우징(20)의 열을 흡수할 수 있는 방식이면, 어떠한 다른 방식으로도 흡열부(52)는 하우징(20)에 열적으로 결합될 수 있다.
상기 발열부(54)는, 냉매파이프(40)에 열적으로 결합되어 있다. 이 때 발열부(54)가 결합되는 냉매파이프(40)의 부분은 진공챔버(30) 내부에 위치하고 있는 부분이다. 발열부(54)와 냉매파이프(40)의 열적결합방법은 본 실시예의 경우, 발열부(54)는 냉매파이프(40)의 내부로 삽입되는 방식이다. 하지만, 냉매(42)가 발열부(54)의 열을 흡수할 수 있는 방식이면, 어떠한 다른 방식으로도 발열부(54)는 냉매파이프(40)에 열적으로 결합될 수 있다.
상술한 바와 같은, 히트파이프를 채용한 전자빔 장치(1)에 의하면, 하우징(20)의 동작온도(Thousing)는, 이러한 히트파이프(50)를 구비하지 않을 경우 200°C 정도의 과열이 일어날 수 있지만, 본 실시예의 경우에는 25 내지 75°C의 온도를 유지할 수 있게 되어 하우징(20)의 과열문제를 해결할 수 있게 된다.
이러한, 냉각 과정을 관계식을 이용하여 증명하면 다음과 같다.
이때, 조건은 히트파이프(50)의 직경은 6 mm, 길이는 10cm 이다. 초기 하우징의 동작온도(Thousing)는 200°C이다. 냉매파이프(40) 내의 냉매(42)의 온도(Tcoolingr water) 는 15°C이다. 다음은 히트파이프(50)와 관련된 열전달 관계식이다.
q = kAdT/dx
여기서,
q : housing 발열량(W)
k : heat pipe 전열성능계수(W/m-K)
A : heat pipe 전열면적(m2)
dT/dx : heat pipe 단위길이당 온도차(K/m) 이며,
상기의 식은 다음과 같이 변환된다.
dT/dx = q/(kA) , Thousing = qL/(kA) + Tcooling chamber
이때, k값은 5000W/m-K, A값은 28.26e-6m2, 히트파이프(50)의 길이(L)는 10cm, Tcooling chamber = 15oC이며, 하우징의 발열량이 10 ~ 80W인 경우에 상기의 식을 사용하여 계산하여 보면, 결국 하우징의 온도(Thousing )는 200°C에서, 25 내지 75 °C로 냉각되어 그 상태를 유지할 수 있다는 결론을 얻을 수 있어, JIS나 Mil규격에서 요구하는 부품의 신뢰성 환경조건인 -40°C와 80°C 사이의 온도를 도달할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 히트파이프를 채용한 전자빔 장치에 의하면, 구조가 단순하면서도, 구성 부품의 과열을 방지할 수 있어서, 구성부품들의 동작이나 수명에 대해 신뢰성 확보가 가능하다는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 단순 구조의 전자빔 장치의 구현이 가능하며 또한 유사한 전자빔 장치들의 열 문제의 안정화가 가능할 것이다.
한편, 도 3과 도 4에는 본 발명에 따른 제2실시예의 히트파이프를 채용한 전자빔 장치가 도시되어 있다. 도 3은 개략적인 단면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 개략적 단면도이다.
제2실시예의 히트파이프를 채용한 전자빔 장치(1a)는, 하우징(20)이 진공챔버(30) 내에 복수 개 실장되어 있으며, 각 하우징(20)에 하나의 히트파이프(50)가 구비되어 있다. 이하, 제2실시예가 제1실시예의 구성과 다른 점만을 설명하며, 설명이 생략된 부분은 제1실시예의 해당 구성에 대한 설명이 적절하게 적용되는 것으로 한다. 또한, 동일한 부재번호가 가리키는 구성은 상호 동일, 유사한 구성을 의미한다.
제2실시예의 경우, 각 하우징(20)에 히트파이프(50)가 결합되는 구성은 제1실시예와 동일하다. 다만, 히트파이프(50)의 발열부(54)가 열전달부인 냉매파이프(40)에 열적으로 결합되는 방식에서 차이가 있다.
냉매파이프(40)는, 차가운 냉매(42)가 공급되는 냉매공급파이프(44)와, 열을 전달받아 상대적으로 더운 냉매(42)를 진공 챔버(30)외부로 내보내는 냉매방출파이프(46)를 포함한다. 또한, 냉매공급파이프(44)로부터 각 히트파이프(50)의 발열부(54)를 거치며 열교환이 이루어지도록 한 후, 냉매방출파이프(46)로 연결되는 연결파이프(48)가 구비되어 있다. 연결파이프(48)의 일단부는 냉매공급파이프(44)와 연결되어 있으며, 타단부는 냉매방출파이프(46)에 연결되어 있다. 그리고, 연결파이프(48)의 중간부분에는 탄성을 가지는 벨로즈(bellows) 형식의 파이프(49)가 구비되어 있어서, 진공 챔버(30)에 실장되어 있는 하우징(20)이 냉매파이프(40)에 대해 상대 운동을 하는 경우, 즉, 진공 챔버(30) 내에서 하우징(20) 만이 움직이는 경우에도 이러한 움직임을 허용할 수 있게 된다. 연결파이프(49)가 탄성 내지는 유연성을 가지고 있기 때문에 하우징(20)이 다소 움직인다 하더라도 히트파이프(50)와 냉 매파이프(40)의 연결부분에는 아무런 문제가 발생하지 않게 되는 것이다. 한편, 도시하지는 않았지만, 본 실시예에서 연결파이프(48)로 예시된 것은 벨로즈타입의 파이프이지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 약간의 탄성을 가지는 파이프를 마치 스프링처럼 소용돌이형태로 휘어서 사용하여도, 하우징(20)의 움직임을 허용할 수 있게 된다.
도 4를 참조하면, 하우징(20)은 모두 16개 구비되어 있으며, 각 하우징(20)에는 히트파이프(50)가 모두 구비되어 있다. 복수의 히트파이프(50)의 각각의 발열부(54)는 냉매파이프(40)에 열적으로 결합되어 있다.
본 실시예의 경우, 하우징(20)을 4X4 어레이(array) 형태로 병렬 배치된 경우를 예로 들었으나, 이 밖에도 필요에 따라 다양하게 N x N 어레이 형태 또는 NxM 어레이 형태로 변형하여 적용하는 것이 가능하다.
한편, 도 5에는 본 발명에 따른 제3실시예의 히트파이프를 채용한 전자빔 장치를 도시하고 있다. 본 실시예는 상술한 두 번째의 경우의 실시예에 있어서, 냉매파이프(40)를 대신하여 또 다른 히트파이프(미도시)를 사용한 점만이 다르다. 또 다른 히트파이프를 전달 히트파이프(41)로 호칭하면, 전달 히트파이프(41)의 흡열부(410)에는, 하우징(20)에 열적으로 결합되어 있는 복수의 히트파이프(50)의 각 발열부(54)들이 열적으로 결합되어 있어서, 히트파이프(50)의 열을 전달받을 수 있다. 그리고 전달 히트파이프(41)의 발열부(412)는 진공챔버(30)의 외부에 위치하고 있다. 한편, 발열부(412)는 진공챔버(30)의 외부에 마련되는 히트싱크(미도시)에 열적으로 결합되어 있어서 전달받은 열을 방출한다.
또한, 도 5에 제시된 실시예는 각 히트파이프(50)의 발열부(54)가 직접 전달 히트파이프(41)에 결합되어 있는 것으로 예를 들었으나, 각 하우징(20)의 전달히트파이프(41)에 대한 상대 운동을 허용할 수 있도록, 탄성을 가지며 열전도율이 우수한 다른 부재(미도시)를 중간에 사용하여 상호 열적으로 결합될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 히트파이프를 채용한 전자빔 장치에 의하면, 히트파이프를 채용함으로써 간단한 구성으로, 고온의 부품을 효율적으로 냉각하는 것이 가능하여, 전체 장치의 수명과 신뢰성을 확보할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 전자를 방출하는 에미션 팁(emission tip)부;
    상기 에미션 팁부을 내장하는 하우징;
    상기 하우징이 실장되는 외부케이스;
    상기 외부케이스의 내부와 외부에 걸쳐 위치하여, 상기 외부케이스의 내부의 열을 외부로 전달하는 열전달부; 및
    상기 하우징에 열적으로 결합되어 있는 흡열부와, 상기 열전달부의 부분 중에 상기 외부케이스의 내부에 위치한 부분에 열적으로 결합된 발열부를 구비하는 히트파이프;를 포함하여 이루어지고,
    상기 외부케이스는 내부가 고 진공인 진공 챔버인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 채용한 전자빔 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진공 챔버 내에 상기 하우징이 복수 개 실장되고, 각각의 하우징에는 상기 히트파이프가 구비되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 채용한 전자빔 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부는, 상기 히트파이프의 발열부와 열교환이 이루어지는 냉매를 공급하는 냉매파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 채용한 전자빔 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히트파이프의 발열부와 상기 냉매파이프는, 상기 냉매파이프에 대한 상기 발열부의 상대 운동을 허용하도록, 탄성을 가지는 연결파이프에 의해 열적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 채용한 전자빔 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히트파이프의 발열부와 상기 열전달부는, 상기 발열부에 대한 상기 열전달부의 상대 운동을 허용하도록, 탄성을 가지는 연결수단에 의해 열적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 채용한 전자빔 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부는, 흡열부가 상기 히트파이프의 발열부와 열적으로 결합되어 있고, 발열부가 상기 진공 챔버의 외부에 위치한 전달 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 채용한 전자빔 장치.
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