KR100810541B1 - 이차전자 방출에 의한 전자증폭을 이용한 냉음극 전자총 및전자빔 발생방법 - Google Patents

이차전자 방출에 의한 전자증폭을 이용한 냉음극 전자총 및전자빔 발생방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 냉음극 전자총은 1차전자를 방출하는 전자원(electron source); 상기 전자원에서 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키는 제1그리드 전극; 상기 전자빔을 가속하는 개구부를 포함하는 제 1전극; 및 상기 개구부를 통과하는 전자빔의 일부가 충돌하여 2차전자를 발생시키고, 상기 1차전자 및 2차전자빔을 외부로 방출시키는 제2그리드 전극을 포함하며, 상기 전자빔의 집속 및 가속은 직류전원에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 냉음극 전자총을 제공하면, 종래의 냉음극 전자총에 이차전자에 의한 전자증폭구조를 추가함으로써 기존보다 수십 - 수백배 높은 전류밀도를 가지는 선형 전자빔을 안정적으로 방출할 수 있게 되고, 또한, 일차전자를 제공하는 FEAs(Field Emitter Arrays) 냉음극에서의 전류밀도를 낮게 하면서도 최종 전자빔의 전류밀도를 높일 수 있으므로 전체 냉음극 전자총의 수명을 연장시키는 효과가 있다.
FEA, 냉음극 전자총, 그리드, 2차전자, 전자증폭 구조

Description

이차전자 방출에 의한 전자증폭을 이용한 냉음극 전자총 및 전자빔 발생방법{COLD CATHODE ELECTRON GUN USING AN ELECTRON AMPLIFICATION BY SECONDARY ELECTRON EMISSION, AND E-BEAM GENERATION METHOD THEREOF}
도 1은 종래의 냉음극 전자총의 구조를 예시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 냉음극 전자총의 내부 구조를 예시한 도면,
도 3a는 일차전자의 전계방출 및 전자빔의 각 구간에서의 진행과 전체 냉음극 전자총 구조에서의 이탈을 보여주는 도면,
도 3b는 일차전자를 흡수한 이차전자 방출용 냉음극에서의 전계방출에 의한 전자빔 방출과 전자빔의 구간 2와 구간 3에서의 진행 및 전체 전자총 구조의 이탈을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명에서 제안한 구조를 직렬로 연결하여 전자증폭률을 향상시킨 냉음극 전자총의 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 냉음극 전자총에 대응되는 전자빔 발생방법의 흐름도를 예시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전극 기판, 11 : 전계방출구조, 20 : 제1그리드, 30 : 개구부
40 : 제2그리드, 50 : 제1전압, 60 : 제2전압, 70 : 제3전압
본 발명은 냉음극 전자총에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이차전자 방출에 의한 전자증폭현상을 이용하여 전자총으로부터 방출되는 선형 전자빔의 전류밀도가 증대되도록 하는 전자빔을 증폭하는 방법과 그 방법을 이용한 냉음극 전자총을 제공하고자 하는 것이다.
공간속의 전자를 집속한 전자빔은 RF 발진 및 증폭기, 디스플레이, 가속기, 전자현미경, 센서, 각종 공정 장비 등 다양한 산업 및 연구용 장비에 널리 활용되고 있다. 전자빔을 만드는 방식은 여러 가지가 있는데 현재 널리 사용되는 방식은 금속을 가열할 때 금속표면에서 튀어나오는 열전자를 가속해 사용하는 방식이다.
이와 같은 열음극 전자총의 반대되는 기술로서 가열 없이 전압만 걸어서 전계방출(Field Emission)을 통해 전자를 얻는 냉음극 전자총이 있다.
도 1은 종래의 냉음극 전자총의 구조를 예시한 도면이다. 캐소드(200)에 전계방출구조(Field Emitter Arrays:FEAs)(110)를 적층하고, 양극으로서 그리드(130)에 전압(V1)을 인가함으로써 전자빔을 방출하여 집속 및 가속하는 구조로 구성되어 있다.
이러한 냉음극 전자총은 열음극 전자총처럼 음극을 가열해야 하는 과정이 없이 소모 전력이 적고 구조가 간단하다는 장점이 있다. 특히 도 1에서의 FEAs(Field Emitter Arrays) 냉음극 전자총은 마이크로미터 또는 나노미터 스케일의 전계방출이 용이한 돌출부(110)와 마이크로미터 스케일의 전극을 활용할 수 있어서 전자총을 사용하는 각종 소자의 크기를 획기적으로 줄일 수 있고, 수 볼트(Volt)의 작은 전압으로도 기변조된 전자빔(Pre-modulated electron beam)을 얻을 수 있는 등의 장점이 있다.
이러한 장점은 작동방식이 기존의 CRT(cathode ray tube, 브라운관)와 유사하면서도 얇은 평판 형태인 차세대 평면 브라운관으로 불리는 FED(Field Emission Display)를 가능하게 한다.
FED는 CRT와 마찬가지로 음극선 발광에 의해 작동하므로 발광 효율이 높고 시야각이 넓은 장점이 있다. 또한 크기가 작고 가벼우며 동작속도가 빠르고 제조비가 저렴하다. 그러나 아직 PDP(Plasma Display Panel), LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 평면 디스플레이(Flat Panel Display)와 경쟁하기엔 많은 문제점을 가지고 있다.
FED 외에도 마이크로웨이브용 진공전자소자(VED: Vacuum Electron Device)나 초소형 X-ray 발생기 등 다양한 기술 영역에서 기존의 열음극 전자총을 대체하려는 노력이 활발히 진행되고 있다. 그러나 이 역시 대부분 연구단계에 머물러 있는 실정이다.
현재 열음극을 사용하는 전자총을 이용하면 수백 keV의 에너지를 가진 전자빔을 만들 수 있으며 전류는 수백 암페어에 이른다. 그리고 열음극 표면에서 방출되는 전자빔의 전류밀도는 대략 10 A/cm2 에 이르고 있다. FEAs(Field Emitter Arrays) 냉음극 전자총은 일부 제한된 조건에서 열음극과 동일한 수준 또는 그 이상의 물리량을 가진 전자빔을 방출 할 수 있지만 구체적인 응용에 필요한 성능 조건에서 결정적인 문제들을 가지고 있는 경우가 대부분이다.
예를 들어 전자빔의 에너지를 RF 에너지로 변환하는 진공전자소자의 경우 마이크로웨이브 대역에서 높은 효율의 소자를 만들기 위해서는 대략 1 A/cm2 이상의 전류밀도를 갖는 전자빔을 방출할 수 있는 전자총이 요구된다.
CNT's(Carbon Nano Tube's: CNT's)의 경우 수 나노미터 스케일의 지름을 갖는 튜브 단면에서 30 nA를 얻을 수 있어 기존의 열음극에서 얻을 수 있는 전류밀도에 비해 매우 큰 값이다. 그러나 이는 하나의 CNT's를 통해서 얻을 수 있는 값이다.
일반적으로 CNT's을 이용한 냉음극은 총 전류를 높이기 위해서 다수의 튜브들로 구성된 음극을 이용하는데 이러한 환경에서는 전류밀도가 급격히 감소하게 된다. 전계방출에서 많은 전류를 얻기 위해서는 냉음극과 양극 사이의 전압을 증가시키면 된다.
그러나 전압을 높이면 방전현상이 일어나거나 전자빔 전류가 시간에 따라서 심하게 변하는 등의 문제가 발생하고, 일반적으로 냉음극의 수명이 크게 감소하게 된다. 따라서 안정적인 전자빔을 방출하는 FEAs 냉음극 전자총을 통해 얻을 수 있는 전자빔의 전류 또는 전류밀도는 기존의 열음극 전자총에 비해 일반적으로 매우 작다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해, FEAs 냉음극 전자총이 안정적으로 장시간 동작할 수 있는 조건에서 전자빔을 방출하게 하고, 이 전자빔을 일차전자로 사용하는 이차전자 방출용 냉음극을 추가하여, 총 전류량을 증폭시킨다. 즉, 이차전자에 의한 전자증폭현상이 일어나면서 일부의 전자빔이 선형전자빔 형태로 전자총 구조체에서 방출 하도록 회로 구조를 제공한다.
본 발명에 따른 냉음극 전자총으로서, 발명의 제1특징은 1차전자를 방출하는 전자원(electron source); 상기 전자원에서 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키는 제1그리드 전극; 상기 전자빔을 가속하는 개구부를 포함하는 제 1전극; 및 상기 개구부를 통과하는 전자빔의 일부가 충돌하여 2차전자를 발생시키고, 상기 1차전자 및 2차전자빔을 외부로 방출시키는 제2그리드 전극을 포함하며, 상기 전자빔의 집속 및 가속은 직류전원을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자원(electron source)은 전계방출구조(Field Emitter Arrays: FEAs)로 형성된 것이 바람직하고, 상기 직류전원은 상기 전자원과 상기 제1그리드 사이에 제1전압이 인가되고, 상기 제1그리드와 상기 개구부 사이에 제2전압이 인가되며, 상기 개구부와 상기 제2그리드 사이에 제3전압이 인가되는 것이 역시 바람직하다.
더 나아가, 상기 제3전압은 상기 제1전압 및 상기 제2전압과 극성이 반대인 것이 바람직하며, 상기 제3전압은 상기 제2전압보다 작은 것이 역시 바람직하다.
그리고 바람직하게는 상기 제2그리드의 1차전자와 충돌하는 부분에 MgO, GaP, GaAs, MgF2, CaF2, LiF, Al2O3, ZnO, CaO, SrO, SiO2 및 La2O3 중 어느 한 물질로 된 층이 형성된 것일 수 있고, 상기 전자빔의 집속을 위해 전자석 또는 영구자석을 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 제1그리드, 상기 개구부 및 상기 제2그리드를 포함하는 전자빔 증폭구조를 적어도 하나이상 더 포함하여, 직렬로 연결하는 것이 역시 바람직하다.
본 발명에 따른 전자빔 발생방법으로서, 발명의 제2 특징은 전자총 내부의 전자빔을 증폭하는 방법에 있어서, 냉음극 전자원(electron source)에 의하여 1차전자를 방출하는 단계; 상기 방출된 전자빔을 제1그리드 전극 및 개구부를 포함하는 제 1전극에 의하여 집속 및 가속하는 단계; 및 상기 전자빔의 일부를 제2그리드 전극에 충돌하여 2차전자를 발생시켜, 상기 전자빔을 증폭하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 전자빔을 증폭하는 단계를 적어도 2개 이상 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.
삭제
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 냉음극 전자총의 내부 구조를 예시한 도면이다. 도 5 는 본 발명에 따른 냉음극 전자총과 대응되는 전자빔 발생방법의 흐름도를 예시한 도면이다. 이하 양자를 대응시켜 상세히 설명하기로 한다.
도 2에서 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 냉음극 전자총은 전자를 발생하는 전자원(11), 전자빔을 집속 및 가속하는 제1그리드 전극(20), 개구부를 포함하는 제 1전극(30) 및 2차전자를 발생하고 전자빔을 외부로 방출하는 제2그리드 전극(40)으로 구성된다. 그리고 이렇게 발생된 1차전자 및 2차전자는 전자원, 제1그리드 전극 및 제2그리드 전극에 인가된 직류전압에 의해 가속 및 제어된다.
여기서 전자원은 전극 기판(10)에 전계방출구조(FEA)(11)가 적층되어 형성되고, 제1그리드 전극(20)과의 제1전압에 의해 전자가 방출된다.(S100) 또한 전자원은 전계방출구조(Field Emitter Arrays:FEAs)(11)로 형성된 것이 바람직하다.
전계방출(Field Emission)에 대한 이론적 배경을 설명하면 다음과 같다. 강한 전계가 가해졌을 때 평판 금속 및 반도체 표면에서 진공 중으로 전자 (cold electron)가 터널링(tunneling)한다는 것은 이미 양자역학에서 예견된 사실이었으며, 이는 전자의 가상 포텐셜(image potential)과 가해진 전계에 의한 포텐셜 에너지의 합으로 설명될 수 있다.
특히 5 kV/㎛ 이상의 강한 전계가 표면에 가해지면 전체 포테셜이 변해 전자의 터널링(tunneling)이 가능해진다. 그러나 평면 에미터(emitter)의 FED 적용시 5 kV/㎛이하의 전장에서 대부분의 금속은 휘스커(whisker) 형성 등에 의한 진공 브레이크다운(vacuum breakdown) 등의 문제가 발생되기 쉬우므로, 전계가 높게 집중되는 첨예한 팁 구조에 대한 연구가 진행되어지고 있다.
이런 형태의 에미터(emitter)에 인가된 전계와 방출되는 전자에 의한 전류밀도는 일반적으로 Fowler-Nordheim 식으로 기술된다. 즉, 전자 터널링(tunneling) 길이 및 투과도는 에미터(emitter)의 일 함수(work function) 및 인가된 전기장과 밀접한 관계가 있다는 것을 알 수 있다.
이처럼 Fowler-Nordheim 방정식으로 기술되는 가해진 전계와 방출 전류사이의 관계는, 일반적으로 에미터(emitter)의 곡률반경, 게이트 홀 반경, 에미터 물질의 일함수가 작아지고, 게이트 전압이 커질수록, 양극 전류(anode current)가 커진다는 것이다.
이는 물질의 고유 특성인 일함수 이외의 요소들은 공정 개발 및 구조적 요소의 변형을 통해서 일정 개선될 수 있으며, 결과적으로 낮은 일함수 물질 및 대면적 미세 리쏘그라피 기술 개발과 함께 고효율의 에미터 팁을 제조할 수 있게 된다.
이처럼 전자원으로서, 에미터 팁의 개발을 통해 보다 효율적인 전자총 전자원이 될 수 있고, 전자총의 구조적 변경과 직류전원의 가변을 통해 효율적인 제어가 가능하다는 큰 장점이 있다.
전자원에서 방출되어 제1그리드 전극(20)을 통과한 전자빔은 제 1전극의 개구부 사이에 인가된 제2전압(60)에 의해 집속 및 가속되어(S200) 제2그리드 전극(40)을 통과함으로써 외부로 방출하게 되는데, 이 전자빔의 일부는 제2그리드(40) 전극의 내부 일면(45)과 충돌하여 2차전자를 방출하게 된다.
이렇게 방출된 2차전자와 전자원(11)에서 방출된 1차전자에 의해 전자빔의 밀도가 증가하게 되는 전자빔 증폭현상이 일어나게 된다.(S300) 즉, 구간 3에서 발생된 2차전자는 구간 2 까지 가속되나, 구간 3에서 인가된 제3전압과 반대극성인 제2전압에 의해 저지되고, 다시 1차전자와 함께 증폭된 전자빔을 형성하여(S300), 제2그리드 전극을 통과하여 외부로 방출하게 된다.(S400)
도 2에 나타낸 바와같이 본 발명에 따른 냉음극 전자총은 기존의 FEAs 냉음극 전자총에 부가적인 구조를 장착한 구조로서, 구간 2(Region 2)와 구간 3(Region 3)이 본 발명의 특징이다. 도 2에서 본 발명의 구조물의 각 치수는 전자증폭현상을 제어하는 역할을 하게 된다.
제1그리드 전극(20)과 제2그리드 전극(40)의 구조는 전자빔의 통과율을 결정짓는 요소인데, 제2그리드 전극(40)의 전자빔 통과율은 이차전자에 의한 전자증폭 현상에 직접적으로 영향을 주어 전체 전자총에서 전자빔의 증폭률을 결정짓는 중요한 요소이다. 그리드(격자) 구조는 다양한 구조가 가능하고 원리상 모든 격자구조를 통해 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
제 1전극에 형성된 개구부(30)는 격자 구조(grid)가 아닌 전자빔이 모두 통과할 수 있는 홀의 형태이다. 격자 구조를 사용해도 가능하지만 전자증폭현상에서 증폭률을 높이기 위해서는 일반적으로 격자 구조보다는 하나의 홀 구조가 더 바람직하다.
도 2에서 격자(그리드)가 형성된 두 평판에는 돌출된 전극 구조(21,41)가 있는데, 이 구조는 두 가지 기능이 있다. 구간 2와 구간 3에서 전자빔을 적절히 집속하여 이차전자 방출에 의한 전자증폭현상이 원활하게 이루어지도록 하는 기능과 전자빔이 최종적으로 전자총 구조를 벗어날 때 속도차이가 작은 선형 전자빔이 되도록 하는 역할을 하게 된다.
제2그리드 전극(40)의 일면(45)은 이차전자를 방출하는 냉음극으로써 일반적으로 최대 이차전자 방출계수(δmax)가 큰 물질을 사용할수록 전자증폭현상이 크게 일어나지만, 도 2에서 각각의 치수 및 전압과 가리움 효과(Screening Effect) 또는 공간전하에 의한 반발력 등을 고려해서 최적의 이차전자 방출계수 δop가 달라질 수 있다.
여기서, 이차전자의 발생 원리는 시료표면에 조사되는 입사전자(일차전자)의 에너지가 시료를 구성하고 있는 원자의 궤도에 있는 전자와 상호작용하여 궤도전자에 에너지를 전달하고, 궤도전자는 외부로 방출하는 원리를 말한다. 즉, 입사 전자빔과 시료와의 비탄성산란에 의해 발생하는 것이고, 시료표면의 굴곡 정도에 따라 방출 2차전자의 양이 다르며, 표면의 2차원적인 모양의 정보를 갖고 있게 된다.
그러므로 이차전자 방출용 냉음극은 2차전자 방출계수가 높은 MgO, GaP, GaAs, MgF2, CaF2, LiF, Al2O3, ZnO, CaO, SrO, SiO2 및 La2O3 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 그 밖에 다양한 재료를 금속 또는 전극이 형성된 실리콘 (Si) 웨이퍼 등 다양한 기판에 적층하여 만들 수가 있다.
도 2에서 나타낸 바와 같이 본 발명에 의한 전자총은 최소 3개의 전압 설정이 필요하다. 제2전압(V2)(60)와 제3전압(V3)(70)는 각각 구간 2와 구간 3에 걸리는 전압인데, 제2전압(V2)(60)는 제1전압(V1)(50)에 의해 가속된 전자빔이 계속 같은 방향으로 가속되도록 하고, V3(70)는 이 전자빔이 감속되도록 한다. V1(50)은 구간 1(Region 1)에서 전자가 얻는 최종 에너지를 결정짓는 전압으로 구간 2에 들어 올 때 전자는 eV1의 에너지를 갖는다.
이처럼 전자빔을 제어하기 위해 인가되는 전원을 직류전원으로 하는 것이 바람직한데, 교류전원일 경우 회로의 구성이 복잡하고, 펄스형 전자빔만을 형성할 수 있다는 단점이 있는데, 직류전원을 사용하는 경우 회로 구성이 간단하고 그제어가 용이하며, 펄스형 및 연속형 전자빔 모두를 선택적으로 형성할 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 전자가 eVδ max를 가지고 이차전자 물질에 흡수될 때 일차전자에 의한 이차전자의 이득(yield)이 최대가 된다면 이차전자 방출용 냉음극(45)에서 이차전자 방출이 최대가 되기 위한 V1(50), V2(60), V3(70) 사이의 관계는 Vδ max = V1 + V2 - V3가 된다. 그러므로, V2(60)는 항상 V3(70) 보다 크도록 구성되는 것이 역시 바람직하다.
이하 도 3a 및 도 3b는 일차전자 및 이차전자 발생 및 구간 1 ~ 3 내에서의 진행을 보여주는 개념도를 통해 본 발명의 구성 및 원리를 설명하기로 한다.
도 3a는 일차전자의 전계방출 및 전자빔의 각 구간에서의 진행과 전체 냉음극 전자총 구조에서의 이탈을 보여주는 도면이다. FEAs 냉음극 전자총에서 구성된 전자빔은 구간 2에서 계속 가속된 후 구간 3에서 감속되어 일부(94)는 이차전자 방출 물질에 충돌, 흡수되고 일부(90)는 격자 구조를 통과해 전체 전자총 구조를 이탈한다. 이차전자 방출 물질에 흡수된 전자가 갖는 에너지는 e(V1 + V2 - V3)이고 이 값은 대략 eVδmax가 되도록 한다.
제1 그리드 전극(20)과 제2 그리드 전극(30)을 포함한 각각의 평판의 구조는 전자빔이 적절히 집속된 상태를 유지하며 이차전자 물질에 흡수되도록 설정된다. 또한 선형전자빔의 집속을 원활히 하기 위한 전자석 또는 영구자석을 더 포함하는 것이 바람직한데, 본 발명에 따른 냉음극 전자총을 감싸는 측면에 위치하여 균일한 집속 및 방향 제어에도 큰 역할을 할 수 있다는 장점이 있다.(도시하지 않음)
도 3b는 일차전자를 흡수한 이차전자 방출용 냉음극에서의 전계방출에 의한 전자빔 방출과 전자빔의 구간 2와 구간 3에서의 진행 및 전체 전자총 구조의 이탈을 개략적으로 도시한 도면이다.
제2 그리드 전극(40)의 위치에서 발생한 이차전자(95)는 구간 3에서 전압 V3(70)에 의해서 가속되어 구간 2로 들어가는데 구간 2내에서는 V2(60) 의해 감속되고 구간 2내에서 멈춘 후 진행 방향을 바꾸어 구간 3으로 다시 들어가게 된다. (항상 V2는 V3보다 크다.) 이때 전자총 내부구조의 각 치수 값 특히 제1 그리드 전극(20) 및 제2 그리드 전극(40)을 포함하는 평판의 구조는 전자빔을 적절히 집속하도록 설정 되어야 하는데, V1, V2, V3 값과 전자빔의 전류 값을 포함한 모든 기학학적 구조가 영향을 미치게 된다.
구간 3에 들어온 전자빔은 제2 그리드 전극에 도달하였을 때 거의 모든 운동에너지를 잃게 된다. 그러나 일부는 0 이상의 운동에너지를 가지고 일부는 구간 3에 들어올 때 충분한 운동에너지를 가지지 못해서 제2 그리드 전극에 도달하지 못한다. 이와 같은 에너지 분포는 가리움 현상(screening effect) 및 공간 전하력에 의한 퍼짐과 각각의 전극에 의한 집속 등 다양한 요인에 의해서 결정되어진다.
제2 그리드 전극(40)에 도달한 전자들 중 일부(90)는 제2 그리드 전극(40)을 통과하여 전자총 구조를 완전히 이탈하고 일부(94)는 다시 격자에 적층된 이차전자 방출 물질에 흡수되어 또 다른 이차전자를 생성시킨다. 이와 같은 이차전자는 계속해서 새로운 이차전자를 생성하는 일차전자가 될 수 있는데 이러한 현상은 본 발명의 구조가 갖는 중요한 특징 중 하나이다.
또한 제2 그리드 전극을 통과한 전자들은 구간 1에서 FEAs(11)에 의해서 방출된 전자빔처럼 여러 가지 방식으로 제어하여 활용가능한데 본 발명에서는 구체적인 방법을 적시하지 않는다.
도 4는 본 발명에서 제안한 구조를 직렬로 연결하여 전자증폭률을 향상시킨 냉음극 전자총의 개략도이다. 제1 전자증폭 구간과 (1st Electron Amplification Region) 제2 전자증폭 구간(2nd Electron Amplification Region)에서 전자빔의 전류 값이 다르므로 각각의 구간에 속한 전극구조의 치수 설정은 달라질 수 있다.
도 4에 나타난 바와 같이 전자총 구조의 직렬연결은 두개 이상의 전자증폭 구간을 연결함으로써 구성이 가능하다. 즉, 전자원에서 방출한 전자빔이 제1그리드(20) 전극 및 제1 개구부(30)를 거쳐 제2그리드 전극(40)을 통과하고, 또한 이 전자빔의 일부가 제2그리드 전극(40)과 충돌하여 2차전자를 발생하게 되어, 1차전자 및 2차전자가 혼합됨으로써, 이 전자빔이 제1 전자증폭구간에서 증폭하게 된다.
더하여, 이렇게 증폭된 전자빔은 제2 그리드 전극(40) 및 제2 개구부(200)를 통과하여, 제3 그리드 전극(210)의 일면(215)에 전자빔 일부의 충돌에 의한 2차전자를 발생함으로써, 제2 전자 증폭구간에서 전자빔 증폭이 다시 일어나는 효과를 얻을 수 있게 된다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 2의 구조를 기본 구조로 하는 전자총 여러 개를 병렬로 연결하면 증폭된 다중 전자빔을 (Multi-Electron Beam) 만들 수도 있다. 이렇게 병렬로 연결된 다중 전자총은 도 2에서 나타난 본 발명의 일례와 동일하고, 각 구조의 치수설정과 전원의 변경으로 다양한 빔을 생성할 수 있다.(도시하지 않음) 즉, 다양한 특성을 갖는 다중 전자빔을 생성할 수 있는 고효율의 다중 전자빔 발생방법을 제공하고, 그 방법을 이용하여 냉음극 다중 전자총을 제조 할 수 있게 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 냉음극에 의한 전자빔 발생방법 과 그 방법을 이용한 전자총을 제공하면, 종래의 냉음극 전자총에 이차전자에 의한 전자증폭현상을 추가함으로써 기존보다 수십 ~ 수백배 높은 전류밀도를 가지는 선형 전자빔을 안정적으로 방출할 수 있도록 한다. 또한, 일차전자를 제공하는 FEAs 냉음극에서의 전류밀도를 낮게 하면서도 최종 전자빔의 전류밀도를 높일 수 있으므로 전체 냉음극 전자총의 수명을 연장시키는 효과가 있다.
그리고, 냉음극 전자총의 활용분야를 크게 확장할 수 있고, 냉음극 전자총의 수명을 연장시키는데도 활용 할 수 있으므로 종래의 냉음극 전자총이 이미 활용되고 있는 기술 분야에서도 경쟁적 우위를 확보할 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (11)

1차전자를 방출하는 전자원(electron source);
상기 전자원에서 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키는 제1그리드 전극;
상기 전자빔을 가속하는 개구부를 포함하는 제 1전극; 및
상기 개구부를 통과하는 전자빔의 일부가 충돌하여 2차전자를 발생시키고, 상기 1차전자 및 2차전자가 혼합된 전자빔을 외부로 방출시키는 제2그리드 전극을 포함하며,
상기 전자빔의 집속 및 가속은 직류전원을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
제1항에 있어서,
상기 전자원(electron source)은 기판 상에 전계방출구조(Field Emitter Arrays: FEAs)가 적층하여 형성된 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
제1항에 있어서,
상기 직류전원은 상기 전자원과 상기 제1그리드 전극사이에 제1전압이 인가되며, 상기 제 1그리드 전극과 상기 제 1전극 사이에 제 2전압이 인가되고, 상기 제 1전극과 상기 제 2그리드 전극 사이에 제 3전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
제3항에 있어서,
상기 제3전압은 상기 제2전압과 극성이 반대이고, 그 크기가 상기 제2전압 보다 작은 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
제1항에 있어서,
상기 제2그리드 전극의 1차전자와 충돌하는 부분에 MgO, GaP, GaAs, MgF2, CaF2, LiF, Al2O3, ZnO, CaO, SrO, SiO2 및 La2O3 중 어느 한 물질로 된 층이 형성된 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
제1항에 있어서,
상기 전자빔의 집속을 위해 상기 전자총을 감싸는 측면에 위치하는 전자석 또는 영구자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
제1항에 있어서,
상기 개구부 및 상기 제2그리드 전극을 포함하는 전자빔 증폭구조를 적어도 하나이상 더 포함하여, 직렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
제1항의 상기 냉음극 전자총의 구조를 적어도 하나 이상 병렬로 더 연결하는 것을 특징으로 하는 다중 냉음극 전자총.
전자빔을 발생하는 방법에 있어서,
냉음극 전자원(electron source)에 의하여 1차전자를 방출하는 단계;
상기 방출된 전자빔을 제1그리드 전극 및 개구부를 포함하는 제 1전극에 의하여 집속 및 가속하는 단계;
상기 전자빔의 일부를 제2그리드 전극에 충돌하여 2차전자를 발생시켜, 상기 전자빔을 증폭하는 단계; 및
상기 1차전자 및 2차전자를 외부로 방출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 발생 방법.
제9항에 있어서,
상기 전자빔을 증폭하는 단계를 적어도 2개 이상 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전자빔 발생방법.
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