KR100845326B1 - 중공 캐소드 방전건 - Google Patents

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최영욱
배상열
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 플라즈마 형성시 발생하는 전자방사부재의 파손을 최대한 방지하는 중공 캐소드 방전건에 관한 것으로서, 디스크(disc)형상의 적어도 하나 이상의 전자방사부재 및 중심에 홀을 가지며 상기 전자방사부재의 일면과 맞닿는 적어도 하나 이상의 보강부재를 포함하여 구성되어, 높은 에너지를 갖는 플라즈마 빔이 상기 전자방사부재의 홀을 관통하면서 상기 홀에 가하는 충격량을 크게 감소시킬 수 있으므로 상기 전자방사부재의 수명을 연장하여 활용도를 크게 높일 수 있을 뿐 아니라 상기 방전건의 동작에 따른 소모비용을 상당부분 절감할 수 있는 효과가 있다.
플라즈마, 중공, 전자방사부재, LaB6, 방전건

Description

중공 캐소드 방전건{Hollow Cathode Discharge gun}
도 1 은 종래 기술에 따른 중공 캐소드 방전건의 개략적인 내부 구성도,
도 2 는 종래 기술에 따른 중공 캐소드 방전건에 있어서, 파손된 전자방사부재의 외관이 도시된 도,
도 3 은 본 발명에 따른 중공 캐소드 방전건의 내부 구성이 도시된 구성도,
도 4 는 본 발명에 따른 중공 캐소드 방전건에 있어서, 보강부재의 실시예가 도시된 예시도,
도 5 는 본 발명에 따른 중공 캐소드 방전건에 있어서, 보강부재의 장착형태가 도시된 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 중공 캐소드 방전건 1, 110: 튜브
120: 필라멘트 130: 전자방사부재
170: 제 2개구부 140: 보강부재
141: 제 1링 142: 지지바
143: 제 2링
본 발명은 중공 캐소드 방전건에 관한 것으로써, 특히 플라즈마 형성시 발생하는 전자방사부재의 파손을 최대한 방지하여 상기 전자방사부재의 활용도를 크게 높이는 중공 캐소드 방전건에 관한 것이다.
도 1은 종래 이온 플레이팅 장치에 사용되는 중공 캐소드 방전건의 구조를 간략하게 도시한 도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 중공 캐소드 방전건은 중공(hollow)를 가지며 몰리브덴(Mo) 재질로 제작된 튜브 및 상기 튜브(1) 내에서 상기 튜브(1)와 수직방향으로 장착되는 전자방사부재(3)를 포함한다.
상기 튜브(1)는 일단에 방전을 위한 가스가 주입되는 제 1개구부(2)를 구비하고, 타단에 방전에 의해 생성된 플라즈마가 방출되는 제 2개구부(4)를 구비한다.
상기 전자방사부재(3)는 튜브(1)로 주입된 가스의 플라즈마 형성을 위한 2차 전자를 발생하는 부재로써, 중심부에 일정 크기의 홀을 갖는 디스크(disc) 형상을 갖고 상기 튜브(1) 내에 장착되며 상기 제 2개구부(4)와의 사이에 방전영역을 형성한다.
상기와 같이 구성되는 종래 기술에 따른 중공 캐소드 방전건은 다음과 같이 동작한다.
외부에서 상기 튜브(1)로 전원이 공급되면 전류가 흘러 가열되며 이에 따라 상기 튜브(1)와 연결된 전자방사부재(3)에 열이 공급된다.
가열된 전자방사부재(3)의 온도가 일정의 고온에 도달하면 상기 전자방사부 재(3)로부터 2차전자가 발생하게 되며, 발생한 2차전자는 상기 튜브(1)의 제 1개구부(2)를 통해 주입된 방전 가스와 충돌하여 상기 방전가스를 이온화시킨다.
이온화된 방전가스는 고온의 방전영역에서 플라즈마 상태로 변화하며 변화된 플라즈마 상태의 방전가스는 제 2개구부(4)를 통해 외부로 방출된다.
이때, 2차 전자를 발생하는 상기 전자방사부재(3)는 플라즈마가 외부로 방출되는 과정에서 상기 플라즈마 빔의 타격에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 중공 캐소드 방전건에 있어서, 파손된 전자방사부재의 외관이 도시된 도로써, 도 2(a)는 상기 전자방사부재의 일면이 도시된 외관도이며, 도 2(b)는 상기 전자방사부재의 다른 한면이 도시된 외관도이다.
즉, 종래 기술에 따른 중공 캐소드 방전건은 상기 제 2개구부(4) 및 전자방사부재(3) 사이에 방전영역을 형성하기 위하여 상기 전자방사부재(3)의 뒷면인 제 1개구부(2)측 면에 접하는 소정의 물질(미도시)을 구비한다.
따라서, 2차 전자는 상기 홀 주위 및 상기 전자방사부재(3)의 제 2개구부(4)측 면에서 생성되며 이에 따라 일부 플라즈마는 상기 전자방사부재(3) 및 제 1개구부(2) 사이에서 생성되어 상기 홀을 관통하여 상기 제 2개구부(4) 측에 도달하게 된다. 이때 상기 플라즈마는 홀을 관통하는 과정에서 상기 전자방사부재(3)를 타격하게 되며 상기 전자방사부재(3)는 이러한 타격에 의해 도 2(a)에 도시된 바와 같이 금이 가는 등 손상을 입게 된다.
또한 플라즈마 상태의 방전가스는 대부분이 상기 방전영역에서 발생하므로 상기 전자방사부재(3)의 제 2개구부(4)측 면에 더 많은 충격이 전달되며, 시간이 지남에 따라 도 2(b)에 도시된 바와 같이 홀을 중심으로 심하게 손상되어 더이상 사용할 수 없는 상태가 된다.
특히, 상기 전자방사부재(3)를 이루는 물질로서 LaB6를 사용하는 경우, LaB6는 수백만원에 호가하는 고가의 물질일 뿐 아니라 충격에 약한 성질을 가지고 있으므로 LaB6를 전자방사부재로 사용하는 경우 자주 교체해주어야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자방사부재의 손상을 방지하여 상기 전자방사부재를 효율적으로 활용하도록 하는 중공 캐소드 방전건을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 중공 캐소드 방전건은 필라멘트, 디스크(disc)형상의 적어도 하나 이상의 전자방사부재 및 중심에 홀을 가지며 상기 전자방사부재의 일면과 맞닿는 적어도 하나 이상의 보강부재를 포함하고, 상기 필라멘트의 열에 의해 상기 전자방사부재가 2차 전자를 발생시키면 상기 전자방사부재 및 상기 보강부재의 홀을 관통하여 플라즈마를 방출하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 보강부재는 내경이 상기 전자방사부재의 홀과 일치하는 크기로 형성된 제 1링, 외경이 상기 튜브의 직경과 일치하는 크기로 형성된 제 2링, 및 상기 제 1링과 제 2링을 연결하는 적어도 하나 이상의 지지바를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 도시된 도면은 중공 캐소드 방전건의 단면도에 기초하여 도시하였으나 필라멘트 등 구성의 일부는 단면도에 기초하여 도시하지 않았음을 명시한다.
도 3은 본 발명에 따른 중공 캐소드 방전건의 내부 구조가 도시된 도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중공 캐소드 방전건(100)은 중공을 갖는 튜브(110), 상기 튜브(110) 내에 길이방향으로 삽입되는 필라멘트(120), 상기 필라멘트(120) 주위에 장착되는 전자방사부재(130) 및 상기 튜브(110) 내에서 상기 전자방사부재(130)와 맞닿아 장착되는 보강부재(140)를 포함하여 구성된다.
상기 튜브(110)는 몰리브덴(Mo)과 같이 기계적으로 강하고 고온에서 낮은 증기압을 갖는 재질을 포함하여 형성되며, 양단에 불활성 가스를 주입하는 제 1개구부(160) 및 플라즈마 상태의 방전가스가 방출되는 제 2개구부(170)를 구비한다.
상기 튜브(110)의 일단은 스테인레스 스틸과 같은 금속재질의 지지체(150)에 부착되며, 상기 제 1개구부(160)는 상기 지지체(150)를 관통하여 상기 튜브(110)의 중공으로 연결되는 유입파이프(160)로 구현될 수 있다.
또한, 상기 지지체(150)의 외주에는 냉각수 라인(151)이 구비될 수 있다.
상기 필라멘트(120)는 상기 전자방사부재(130)에 열을 전달하기 위한 것으로 탄탈륨, 텅스텐 또는 텅스텐 합금 재질로 형성될 수 있으며, 도전 리드(121)를 통해 외부전원과 연결되므로 상기 도전 리드(121) 중 적어도 하나는 상기 지지체(150)를 관통하여 외부에 노출되어야 한다.
또한, 노출된 도전 리드는 지지체(150)와의 절연을 위해 알루미나 등의 절연 물질(122)이 도포된다.
상기 전자방사부재(130)는 상기 필라멘트(120)로부터 열이 전달되어 일정의 고온에 도달하게 되면 2차전자를 방출하는 부재로 상기 제 2개구부(170)와의 사이에 방전영역(D)을 형성하며, 이를 위한 상기 전자방사부재(130)의 구체적인 위치는 요구되는 방전공간의 크기를 고려하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 전자방사부재는 적어도 2개 이상 구비하여 다수의 방전영역을 형성할 수 있다.
상기 전자방사부재(130)는 중심부에 홀이 구비되는 디스크(disc)형태로 형성되어 상기 튜브(110)와 수직인 방향으로 상기 튜브(110) 내에 장착된다.
본 발명에 따른 상기 전자방사부재(130)는 LaB6재질을 포함하여 형성되는 것이 바람직하다. LaB6는 란탄화합물 중 하나로 가열하여 약 1800℃의 온도에 도달하면 전류밀도가 약 40A/㎠가 되도록 2차 전자를 발생하므로 방전의 발생과 유지를 효율적으로 수행할 수 있다.
상기 보강부재(140)는 상기 전자방사부재(130)의 파손을 최소화하기 위한 부재로 상기 전자방사부재(130)와 맞닿아 장착되어 플라즈마 빔이 상기 전자방사부재(130)의 홀을 관통하면서 상기 전자방사부재(130)에 전달되는 충격량을 감소시킨다.
상기 보강부재(140)는 상기 전자방사부재(130) 및 상기 제 2개구부(170) 사이에서 상기 전자방사부재의 일면과 밀착하도록 위치하며, 상기 전자방사부재(130) 가 2차 전자를 생성시 약 1800℃ 내지 2000℃의 온도를 유지하므로 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo) 등 융점이 2500℃ 이상이고 상기 전자방사부재(130)보다 단단한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 보강부재(140)는 두께가 1 내지 2mm의 범위를 갖는 것이 바람직한데, 이보다 얇은 경우에는 보강부재로서의 기능을 수행하지 못하므로 적합하지 않고, 두꺼운 경우에는 보강부재의 기능은 수행할 수 있으나 비용 증가의 부담이 있어 바람직하지 않다.
이러한 보강부재(140)의 구체적인 형상을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명에 따른 보강부재의 여러가지 실시예가 도시된 예시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 보강부재가 상기 튜브에 장착된 형상이 도시된 사시도이다.
도 4(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보강부재(140)는 상기 전자방사부재(130)의 홀과 크기가 일치하는 제 1링(141) 및 상기 제 1링(141)이 상기 튜브(110) 내에 장착될 수 있도록 서로 연결하는 적어도 2개 이상의 지지바(bar, 142)를 포함한다.
상기 제 1링(141)은 상기 전자방사부재(130)의 홀과 밀착하여 지지함으로써 플라즈마 빔이 상기 홀에 가하는 충격량을 감소시킨다. 상기 제 1링(141)의 내경은 상기 홀의 직경과 일치하는 크기로 형성되는 것이 바람직하나 그보다 다소 크게 형성될 수도 있다.
상기 지지바(142)는 상기 제 1링(141)이 상기 홀에 일치하도록 위치를 고정 시키며, 상기 제 1링(141)과 함께 상기 전자방사부재(130)에 밀착되어 상기 전자방사부재(130)에 가해지는 충격량을 분산한다. 이를 위해 상기 지지바(142)는 다수로 구비되어 상기 제 1링(141)과 결착되는 것이 바람직하며 장시간의 타격에도 상기 튜브(110)와 안정적으로 연결되기 위해 일단에 연결대가 구비되는 것이 바람직하다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 보강부재(140a)는 도 5(a)와 같이 상기 튜브(110) 내에 장착되어 방전영역에서 생성된 플라즈마 빔이 상기 전자방사부재(130)의 홀을 타격하는 경우 그 충격이 상기 제 1링(141) 및 다수의 지지바(142)로 분산되어 상기 전자방사부재의 홀 주위에 가해지는 충격을 크게 감소시킨다.
한편, 본 발명에 따른 상기 보강부재의 또 다른 실시예는 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 두 개의 링 및 다수의 지지바를 포함한다.
상기 링(141, 143)은 내경이 상기 전자방사부재(130)의 홀의 직경과 일치하는 크기로 형성되는 제 1링(141) 및 외경이 상기 튜브(110)의 내경과 일치하는 크기로 형성되는 제 2링(143)으로 구성되며, 상기 지지바(142)는 상기 제 1링(141) 및 제 2링(143)을 연결한다.
이때, 상기 제 1링(141)은 상술한 바와 같이 상기 전자방사부재의 홀보다 다소 크게 형성될 수 있으며, 상기 제 2링(143)은 상기 튜브(110) 내에서 상기 튜브와 밀착하도록 장착되어 상기 제 1링(141)의 위치가 안정적으로 고정될 수 있도록 지지한다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 보강부재(140b)는 도 5(b)에 도시된 바와 같 이 상기 튜브(110) 내에 장착되어 플라즈마 빔이 상기 전자방사부재(130)를 타격하는 경우 그 충격이 상기 제 1링(141) 및 다수의 지지바(142)를 거쳐 상기 제 2링(143)에 전달되고 나아가 상기 제 2링(143)과 밀착된 상기 튜브(110)에까지 분산될 수 있어 상기 전자방사부재(130)에 가해지는 실제 충격량은 더욱 크게 경감된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 중공 캐소드 방전건의 동작을 설명하면 다음과 같다.
교류 또는 직류전류가 도전 리드(121)를 통해 필라멘트(120)에 인가되면, 상기 필라멘트의 가열에 의해 튜브(110) 내 온도가 1800℃ 이상으로 유지된다.
다음, 상기 튜브 내 장착된 전자방사부재(130), 특히 LaB6는 위 온도에서 2차 전자를 방출하기 시작하여 방전영역(D)의 전류밀도를 약 40A/㎠로 유지한다.
이때, 유입파이프(160)를 통해 Ar과 같은 불활성 가스가 주입되면 주입된 가스인 중성원자 및 방전영역(D)에 생성된 전자가 서로 충돌하여 플라즈마 상태의 방전가스를 형성하게 된다.
형성된 플라즈마 상태의 방전가스는 제 2개구부(170)를 관통하여 외부에 구비된 애노드 전극(미도시)을 향해 외부로 방출된다.
한편, 본 발명에 따른 중공 캐소드 방전건이 적용된 이온 플레이팅 장치의 구조에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.
이온 플레이팅 장치는 내부에 애노드가 구비된 증착 챔버 및 상기 증착챔버 의 일측에 장착된 중공 캐소드 방전건을 포함하여 구성된다.
상기 중공 캐소드 방전건은 튜브 형태의 장착구에 장착된다.
상기 중공 캐소드 방전건 및 애노드 사이에는 상기 방전건으로부터 방출되는 플라즈마 상태의 방전가스를 애노드로 유도하기 위한 제어장치가 구비된다. 상기 제어장치는 고리형 영구자석을 내부에 구비하는 제 1전극, 전자기 코일을 내부에 구비하는 제 2전극 및 상기 증착챔버의 외부에서 상기 증착챔버의 외주를 따라 장착된 컨버젼스 코일을 포함한다.
상기 이온 플레이팅 장치는 상기 제 1 및 제 2전극, 상기 방전건 및 애노드에 바이어스 전압을 공급하는 전원공급회로를 포함한다. 또한 상기 전자기 코일 및 상기 컨버젼스 코일에 전류를 공급하는 별도의 전원이 상기 이온 플레이팅 장치에 구비될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 중공 캐소드 방전건을 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 고정부재를 장착하여 전자방사부재의 활용도를 높이고자 하는 본 발명의 기술사상은 보호되는 범위 이내에서 당업자에 의해 용이하게 응용될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 중공 캐소드 방전건은 전자방사부재에 밀착되는 보강부재를 구비하여, 높은 에너지를 갖는 플라즈마 빔이 상기 전자방사부재의 홀을 관통하면서 상기 홀에 가해지는 충격량을 크게 경감시켜 상기 전자방사부재의 수명을 수 배이상 연장시킬 수 있을 뿐 아니라 상기 전자방사부재를 효율 적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 전자방사부재의 교체주기가 현저하게 늘어남에 따라 상기 방전건의 동작에 따른 소모비용이 크게 감소하여 비용부담이 줄어드는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 튜브에 가스를 주입하여 플라즈마를 방출하는 중공 캐소드 방전건에 있어서,
    필라멘트;
    디스크(disc)형상의 적어도 하나 이상의 전자방사부재; 및
    중심에 홀을 가지며 상기 전자방사부재의 일면과 맞닿는 적어도 하나 이상의 보강부재를 포함하고,
    상기 필라멘트의 열에 의해 상기 전자방사부재가 2차 전자를 발생시키면 상기 전자방사부재 및 상기 보강부재의 홀을 관통하여 플라즈마를 방출하는 것을 특징으로 하는 중공 캐소드 방전건.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강부재는 상기 전자방사부재의 양면 중, 상기 가스가 주입되는 쪽의 면과 반대되는 면에 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는 중공 캐소드 방전건.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자방사부재는 LaB6를 포함하는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 중공 캐소드 방전건.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강부재는 내경이 상기 전자방사부재의 홀과 일치하는 크기로 형성된 링; 및
    상기 링에 연결되는 적어도 하나 이상의 지지바;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 캐소드 방전건.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강부재는 내경이 상기 전자방사부재의 홀과 일치하는 크기로 형성된 제 1링;
    외경이 상기 튜브의 직경과 일치하는 크기로 형성된 제 2링; 및
    상기 제 1링과 제 2링을 연결하는 적어도 하나 이상의 지지바;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 중공 캐소드 방전건.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강부재의 두께는 1 내지 2mm 사이인 것을 특징으로 하는 중공 캐소드 방전건.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강부재는 몰리브덴(Mo)을 포함하는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 중공 캐소드 방전건.
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KR101820238B1 (ko) * 2016-05-10 2018-01-18 한국과학기술원 전자빔과 축전결합 플라즈마를 이용한 플라즈마 처리 장치

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KR100624745B1 (ko) 2004-09-13 2006-09-15 한국전기연구원 방전 안정성이 우수한 중공 캐소드 방전건

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