KR101097722B1 - 냉음극 회전형 전계 방출 소자와 이를 이용한 ｘ선 발생 장치 - Google Patents

냉음극 회전형 전계 방출 소자와 이를 이용한 ｘ선 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양자역학적 전계 방출(Field emission) 원리로 전자빔을 방출하는 나노에미터(nano-emitter)(또는 Spindt 형 에미터 팁 형태도 가능)의 전자 방출원(electron emitter)으로서 나노구조 물질로 이루어진 나노에미터 어레이를 원형 기판에 동심원으로 배열되도록 형성하여, 게이트 전극의 전자 유도 부분에 근접된 나노에미터 군을 냉음극으로 이용하여 전자빔을 방출하고, 해당 나노에미터 군의 수명이 다하여 더 이상 제기능을 발휘하지 못하는 경우에 원형 기판을 회전하여 인접한 나노에미터 군으로 음극부를 교체하여 음극부의 재장착 없이도 오랫동안 전자 방출원으로서 이용할 수 있고, 또는 소자의 동작에 필요한 시간 동안, 예를 들어, X선 튜브의 경우에는 X선 발생에 필요한 시간 동안 나노에미터 음극부를 회전시킴으로써, X선 발생 시간(혹은 전자 방출 시간) 동안 각각의 나노에미터가 전자방출에 기여하는 시간을 줄여 음극부 전체의 수명을 증가시킬 수 있는 회전형 전계 방출 소자 및 이를 이용한 X선 발생 장치에 관한 것이다.
전계 방출 소자, 냉음극, 전자빔,X선, 탄소나노튜브, 나노에미터

Description

냉음극 회전형 전계 방출 소자와 이를 이용한 Ｘ선 발생 장치{Cold Cathode Field Emission Device and X-ray Generation Apparatus using it}
본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로서, 특히, 양자역학적 전계 방출(Field emission) 원리로 전자빔을 방출하는 전자 방출원(electron emitter)으로서 나노에미터(nano-emitter) 어레이를 원형 기판에 동심원으로 배열되도록 형성하여, 게이트 전극의 전자 유도 부분에 근접된 나노에미터 군을 냉음극으로 이용하여 전자빔을 방출하고, 해당 나노에미터 군의 수명이 다하여 더 이상 제기능을 발휘하지 못하는 경우에 원형 기판을 회전하여 인접한 나노에미터 군으로 음극부를 교체하여 음극부의 재장착 없이도 오랫동안 전자 방출원으로서 이용할 수 있고, 또는 소자의 동작에 필요한 시간 동안, 예를 들어, X선 튜브의 경우에는 X선 발생에 필요한 시간 동안(X선 발생 시간 + 음극부 기동 시간 + 음극부 정지 시간) 나노에미터 음극부를 회전시킴으로써, X선 발생 시간(혹은 전자 방출 시간) 동안 각각의 나노에미터가 전자방출에 기여하는 시간을 줄여 음극부 전체의 수명을 증가시킬 수 있는 회전형 전계 방출 소자 및 이를 이용한 X선 발생 장치에 관한 것이다.
최근에 진단 및 치료 등의 의료 분야 및 비파괴 검사와 같은 산업 분야에서 X선 발생의 성능을 향상시키기 위하여 전자빔 방출을 위한 전자 방출원의 개발이 큰 이슈이다.
일반적으로 종래의 필라멘트 기반 및 탄소나노튜브 기반의 전자 방출원은 복잡하고 비효율적인 구조를 가지거나 음극부의 수명이 짧아 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 종래의 텅스텐 필라멘트 타입의 열전자 방출원은 원하는 양만큼의 전자 방출을 위하여 음극부의 필라멘트 양단에 전류를 인가하여 필라멘트를 고온으로 만들어줘야 할 뿐만 아니라 양극 쪽으로 가속하는 과정에서 양극이나 음극 쪽에 고전압의 인가가 필요하고, 종래의 탄소나노튜브 기반의 전자 방출원에 있어서도, X선 발생을 위하여 전자를 방출시켜 양극 쪽으로 가속하는 과정에서 양극이나 음극 쪽에 고전압의 인가가 필요하며, 이때 고전압의 사용 환경으로 인해 전기적 아킹(arcing), 음극 역충격(back bombardment) 등의 영향으로 음극부의 수명이 단축되는 문제점이 있으며, 이는 X선 소자나 음극부 교체 비용을 상승시키는 요인이 되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 전자 방출을 위한 전계 방출 소자를 구성하는 음극부의 짧은 수명으로 인하여 의료 분야 및 비파괴 검사와 같은 산업 분야에서 사업화가 어려워지는 문제점을 극복하기 위하여, 나노에미터 어레이를 이용하여 음극부의 재장착 없이도 오랫동안 전자 방출원으로서 이용할 수 있는 회전형 전계 방출 소자 및 이를 이용한 X 선 발생 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 나노에미터 어레이를 원형 기판에 동심원으로 배열되도록 형성하고, 게이트 전극의 전자 유도 부분에 근접된 나노에미터 군을 냉음극으로 이용하여 전자빔을 방출하고, 해당 나노에미터 군의 수명이 다하여 더 이상 제기능을 발휘하지 못하는 경우에 원형 기판을 회전하여 인접한 나노에미터 군으로 음극부를 교체함으로써 복수회 음극부 교체 효과를 얻을 수 있는 회전형 전계 방출 소자 및 이를 이용한 X 선 발생 장치를 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은, 나노에미터 어레이를 원형 기판에 동심원으로 배열되도록 형성하고, 소자의 동작에 필요한 시간 동안 나노에미터 음극부를 회전시킴으로써 게이트 전극의 전자 유도 부분에 근접된 나노에미터 군에서 전자빔을 방출시킴으로써 음극부 전체 수명을 증가시키는 효과를 얻을 수 있는 회전형 전계 방출 소자 및 이를 이용한 X 선 발생 장치를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 X 선 발생 장치는, 전자 방출을 위한 에미터 어레이를 형성한 기판; 및 상기 기판에 대향하여 장착되고, 다른 나머지 부분 보다 상기 에미터 어레이에 근접하게 일체로 형성되거나 체결 수단에 의하여 결합된 전자 유도부를 갖는 게이트 전극을 포함하는 전계 방출 소자와; 및 양극 타깃을 포함하고, 상기 기판과 상기 게이트 전극 간의 전압 차이에 기초하여 상기 전자 유도부에 대향한 상기 에미 터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 상기 전자 유도부를 관통하여 상기 양극 타깃 쪽으로 방출하여 X 선을 발생할 수 있다.
상기 에미터 군의 수명이 다한 경우에 상기 기판을 회전 이동시켜 상기 에미터 어레이 중에서 인접한 에미터 군을 이용하여 전자를 방출할 수 있다.
이와 같은 인접한 나노에미터 군으로의 음극부 교체 효과는 X선 발생에 필요한 시간 동안(X선 발생 시간 + 음극부 기동 시간 + 음극부 정지 시간) 상기 기판을 일정 속도로 회전시키면서 상기 에미터 어레이 중에서 연속적으로 선택되는 상기 전자 유도부에 대향된 에미터 군을 통해 전자를 발생시켜 나감으로써, 각각의 에미터 군이 전체 동작 시간 중 일부 시간에만 동작하는 효과를 통해서도 이루어질 수 있다.
상기 X 선 발생 장치는, 상기 기판을 소정 축 상에 장착하여 상기 기판을 회전시키기 위한 회전 기구(미도시)를 더 포함한다. 상기 회전 기구를 이용하여 상기 기판을 회전하여 상기 에미터 어레이 중에서 상기 전자 유도부에 대향한 에미터 군을 선택할 수 있다.
상기 기판은 상기 기판의 중심을 관통하는 체결 수단을 통하여 상기 축에 장착되거나 상기 축에 장착된 테이블 위에 장착된 상기 기판을 회전시키기 위하여, 상기 축을 회전시키거나, 상기 축을 고정한 상태로 상기 축에 중심부가 장착된 상기 기판 또는 테이블을 회전시킬 수 있다.
여기서, 상기 축이나 중심부를 외부 모터의 회전축에 직결시켜 회전시킬 수 있고, 또는 그 주변에 DC 혹은AC 자기장을 발생시키는 수단을 추가하여, 회전되는 상기 축이나 중심부가 모터의 회전자(rotor)로서 역할 하도록 하고, 위의 자기장 발생 수단이 모터의 고정자(stator) 역할을 하게 할 수 있다.
상기 X 선 발생 장치는, 상기 기판과 상기 전자 유도부 사이에 상기 기판과 동일 전압이 인가되는 누설 전류 차단용 전극을 포함하고, 상기 누설 전류 차단용 전극의 개구부 이내에서 상기 발생된 전자를 방출시켜 상기 전자 유도부의 가장자리 부분으로의 전류 흐름을 방지할 수 있다.
상기 기판은 원형 기판이고, 상기 에미터 어레이가 동심원 내의 두 직경 내의 범위에 트랙 형태 또는 일정 직경의 원판 형태로 형성된다.
상기 X 선 발생 장치는, 상기 기판 상에서 트랙 형태의 상기 에미터 어레이와 동심원을 이루는 트랙 형태의 제2 에미터 어레이를 포함하고, 상기 제2 에미터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 관통하여 방출시키기 위한 제2 전자 유도부를 갖는 제2 게이트 전극을 더 포함하며, 상기 제1 게이트 전극 또는 상기 제2 게이트 전극에 전압 인가에 따라 상기 양극 타깃의 서로 다른 면에서 X 선을 발생할 수 있다.
상기 X 선 발생 장치는, 상기 게이트 전극과 다른 위치에 상기 에미터 어레이 중의 다른 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 관통하여 방출시키기 위한 제2 전자 유도부를 갖는 제2 게이트 전극을 더 포함하며, 상기 제1 게이트 전극 또는 상기 제2 게이트 전극에 전압 인가에 따라 상기 양극 타깃의 서로 다른 면에서 X 선을 발생할 수 있다.
상기 X 선 발생 장치는, 상기 기판 상에서 트랙 형태의 상기 에미터 어레이 와 동심원을 이루는 트랙 형태의 제2 에미터 어레이를 포함하고, 상기 게이트 전극에 결합된 기구물을 이용해 소정 슬라이딩 가이드를 따라 상기 전자 유도부를 수평으로 이동시키고, 상기 제2 에미터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 이동된 상기 전자 유도부를 관통하여 방출시켜서 상기 양극 타깃으로부터 X 선을 발생할 수 있다.
상기 에미터 어레이는 CNT, 그라핀(graphene), 나노파이버(nano-fiber), 나노로드(nano-rod), 나노니들(nano-needle), 또는 나노핀(nano-pin)에 기초한 나노에미터로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 회전형 전계 방출 소자는, 전자 방출을 위한 에미터 어레이를 형성한 기판; 및 상기 기판에 대향하여 장착되고, 다른 나머지 부분 보다 상기 에미터 어레이에 근접하게 일체로 형성되거나 체결 수단에 의하여 결합된 전자 유도부를 갖는 게이트 전극을 포함하고, 상기 기판과 상기 게이트 전극 간의 전압 차이에 기초하여 상기 전자 유도부에 대향한 상기 에미터 어레이 중에서 선택되는 에미터 군에서 전자를 발생시켜 상기 전자 유도부를 관통하여 양극 타깃 쪽으로 방출할 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 X 선 발생 방법은, 에미터 어레이를 형성한 기판과 게이트 전극 사이에 전압을 인가하여, 상기 게이트 전극의 다른 나머지 부분 보다 상기 에미터 어레이에 근접하게 일체로 형성되거나 체결 수단에 의하여 상기 게이트 전극에 결합된 전자 유도부에 대향한 상기 에미터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 그리드 형태의 상기 전자 유도부를 관통하여 양극 타깃 쪽으로 방출시켜 X 선을 발생할 수 있다.
상기 에미터 군의 수명이 다한 경우에 상기 기판을 회전 이동시켜 상기 에미터 어레이 중에서 인접한 에미터 군을 이용하여 전자를 방출할 수 있다.
상기 기판을 일정 속도로 회전시키면서 상기 에미터 어레이 중에서 연속적으로 선택되는 상기 전자 유도부에 대향된 에미터 군을 통해 전자를 발생시켜 나갈 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전형 전계 방출 소자 및 이를 이용하는 X 선 발생 장치에 따르면, 나노에미터 어레이를 원형 기판에 동심원으로 배열되도록 형성하여, 일부 사용되었던 나노에미터 군의 수명이 다하여 더 이상 제기능을 발휘하지 못하는 경우에 원형 기판을 회전하여 인접한 나노에미터 군으로 음극부를 교체함으로써 복수회 음극부 교체 효과를 얻음으로써, 음극부의 재장착 없이도 오랫동안 수명을 연장하여 전자 방출원으로서 이용할 수 있다.
또한, 나노에미터 어레이를 원형 기판에 동심원으로 배열되도록 형성하고, 소자의 동작에 필요한 시간 동안 나노에미터 음극부를 회전시켜 게이트 전극의 전자 유도 부분에 근접된 나노에미터 군에서 전자빔이 방출되도록 하여 X선 발생에 필요한 시간 동안(X선 발생 시간 + 음극부 기동 시간 + 음극부 정지 시간) 각각의 나노에미터 군이 전자방출에 기여하는 시간을 줄임으로써 음극부 전체 수명을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
이에 따라 의료 분야 및 비파괴 검사와 같은 산업 분야에서 본 발명의 회전형 전계 방출 소자를 적용한 X 선 발생 장치를 이용하여 사업화가 용이하게 이루어지도록 일조할 수 있다.
　　　　　　　　본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 전계 방출 소자(100)의 기본 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 전계 방출 소자(100)는 전자 방출을 위한 나노에미터 어레이(NE)를 형성한 기판(110) 및 전자 유도부(121)를 갖는 게이트 전극(120)을 포함한다.
도 2는 다른 구조의 회전 기구를 사용하는 회전형 전계 방출 소자(200)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전형 전계 방출 소자(200)는 도 1의 기판(110)과 유사하게 전자 방출을 위한 나노에미터 어레이(NE)를 형성한 기판(210) 및 도 1의 게이트 전극(120)과 유사하게 전자 유도부(221)를 갖는 게이트 전극(220)을 포함한다.
도 1의 구조와 도 2의 구조는 나노에미터 어레이(NE)를 형성한 기판(110/210)을 소정 축(112/212) 상에 장착하고 기판(110/210)을 회전시키기 위한 회전 기구의 구조만을 달리한 구조이다.
도 1의 구조는, 기판(110)의 중심을 관통하는 체결 수단(111)을 통하여 기판(110)이 회전축(112)의 중심에 장착되는 구조로서, 회전축(112)을 회전시켜 기판(110)이 동시에 회전 이동할 수 있는 구조이다. 이때, 회전축(112)의 부드러운 움직임을 위하여 회전축(112)의 주변에 베어링을 설치하여 회전축(112)을 회전시키는 것이 바람직하며, 도면에 도시되지는 않았지만, 회전축(112)은 나사 형태의 소정 조정 기구를 수동 조작하여 회전시키거나 소정 전기기기의 회전력을 이용하여 전기적으로 회전시킬 수도 있다. 또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 회전축(112)과 일체로된 소정 테이블 위에 기판(110)이 장착되도록 할 수도 있으며, 이때에는 회전축(112)과 일체로된 해당 테이블과 기판(110)이 동시에 회전할 수도 있다.
도 2의 구조는, 기판(210)의 중심부를 관통하는 체결 수단(211)을 통하여 기판(210)이 축(212)의 중심에 장착되는 구조로서, 축(212)이 고정된 상태로 기판(210)의 중심부를 회전시켜 기판(210)만이 회전할 수 있는 구조를 나타낸다. 또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 축(212)에 중심부가 장착되어 회전하는 소정 테이블 위에 기판(210)이 장착되도록 할 수도 있으며, 이때에는 축(212)이 고정된 상태로 상기 회전 테이블이 회전하여 기판(210)을 회전시킬 수도 있다. 이때, 기판(210)이나 테이블 아래에 베어링을 설치하여 축(212)에 장착된 기판(210)이나 테이블이 부드럽게 움직이도록 하는 것이 바람직하며, 도면에 도시되지는 않았지만, 축(212)에 장착된 기판(210)이나 테이블은 나사 형태의 소정 조정 기구를 수동 조작하여 회전시키거나 전기기기의 회전력을 이용하여 전기적으로 회전시킬 수도 있다.
여기서, 회전축(112)이나 축(212)에 장착되는 기판(210)이나 해당 테이블의 중심부 회전 부분을 회전시키기 위하여, 도면에 도시되지는 않았지만, 회전시킬 부분을 외부의 모터의 회전축에 직결하여 회전시킬 수도 있고, 또는 전기 모터의 회전 원리를 이용하여 회전시킬 부분의 주변에 DC(Direct Current) 혹은AC(Alternating Current) 자기장을 인가하여 회전시킬 수도 있다. 예를 들어, 회전축(112)의 주변에 DC 혹은AC 자기장을 발생시키는 수단을 추가하여, 회전축(112)이 모터의 회전자(rotor)로서 역할 하도록 하고, 위의 자기장 발생 수단은 모터의 고정자(stator) 역할을 하게 할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 나노에미터 어레이(NE)를 형성한 원형 기판에 대한 평면도이다. 도 3과 같이 전도성의 원형 기판(110/210) 위에 나노에미터 어레이(NE)를 동심원 내의 두 직경 내의 범위에 트랙(track) 형태로 형성하여 사용할 수 있다. 여기서, 나노에미터 어레이(NE)가 두 직경 내의 범위에 트랙 형태로 형성된 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 일정 직경의 원판 형태로도 형성되는 구조가 될 수도 있다.
그리드 형태(격자 구조)로 된 전자 유도부(121/221)는 도 1또는 도 2와 같이 게이트 전극(120/220)의 다른 나머지 부분 보다 나노에미터 어레이(NE)에 근접하게 일체로 형성될 수도 있고, 또는 소정 체결 수단에 의하여 홀(hole)이 형성된 게이트 전극(120/220)의 해당 부분에 결합되는 형태가 될 수도 있다.
이와 같은 회전형 전계 방출 소자(100/200)의 구조에서, 각 회전 기구에 장착된 기판(110/210)을 해당 회전 이동 방식으로 기판(110/210)을 회전시킴으로써, 기판(110/210)에 형성한 나노에미터 어레이(NE) 중에서 전자 유도부(121/221)에 대향한 에미터 군이 선택될 수 있다.
전자 유도부(121/221)는 나노에미터 어레이(NE)에 근접하게 위치하므로, 기판(110/210)과 게이트 전극 사이에 수 볼트 내지 수 킬로 볼트 등의 소정 전압을 인가하는 경우에, 전자 유도부(121/221)에 대향한 에미터 군에서 전자를 발생시킬 수 있으며, 발생된 전자는 그리드 형태의 전자 유도부(121/221)의 홀들(hole)을 관통하여 방출될 수 있다.
이와 같이 에미터 군을 냉음극으로 이용하여 전계 방출 원리에 의하여 전자를 발생시키는 경우에, 보통 해당 에미터 군은 몇 시간 내지 수십 시간 후에 수명을 다하여 더 이상 전자를 발생시키지 못하게 된다. 해당 에미터 군에서 더 이상 목적하는 만큼 전자 발생이 이루어지지 않는 경우에, 위와 같은 회전 기구를 이용하여 기판(110/210)을 회전시킴으로써 기판(110/210)에 형성한 나노에미터 어레이(NE) 중에서 위에서 사용된 에미터 군에 인접한 에미터 군이 전자 유도부(121/221)에 대향되도록 위치시킬 수 있다. 이에 따라, 음극부로 이용되고 있는 기판(110/210)의 재조립이나 재장착 없이도 수회 반복하여 인접 에미터 군으로 계속하여 전자 발생을 유지할 수 있게 됨으로써, X선 튜브 교체나 음극부 교체 비용을 줄일 수 있게 된다.
여기서, 전자 방출원으로서 이용되고 있는 나노에미터 어레이(NE)는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube: CNT), 그라핀(graphene), 나노파이버(nano-fiber), 나노로드(nano-rod), 나노니들(nano-needle), 또는 나노핀(nano-pin)에 기초한 나노에 미터로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 스크린프린팅 방법(screen printing method)을 이용하여 전도성　금속 기판(110/210)의 전면에 스프레이건을 이용하여 탄소나노튜브 파우더를 2내지 3회 반복하여 뿌려 적정량의 탄소나노튜브가 기판 위에 도포되도록 할 수 있다. 또는, 탄소나노튜브를 CVD(chemical vapor deposition) 방법을 통하여 제작할 때에는, 위와 같은 금속 기판(110/210) 위에 TiN과 같은 버퍼층(buffer layer)을 도포하고, 그 위에Ni 혹은 Fe와 같은 촉매 물질(catalyst)를 도포한 후, 아르곤이나 헬륨과 같은 가스로 에칭 작업을 하여 시드 입자(seed particle)를 형성하고, 이 후 C2H2와 같은 탄소나노튜브 소스 가스를 주입하여 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다.
이와 같은 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양의 결정 격자가 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있으며, 관의 지름이 수~수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 일컬어지게 되었다. 이러한 탄소나노튜브는 직경이 나노미터 크기이며 길이는 수십 나노에서 수십 마이크로미터까지 성장이 가능하므로 전자의 전계방출 능력을 결정하는 파라미터인 β값(field enhancement factor)이 1000이상으로 다른 물질들에 비해 크므로 기존의 텅스텐 필라멘트에서 열전자 방출로 전자를 추출하는 방법보다 훨씬 손쉽게 전자를 방출하는 구조를 가지며, 같은 양의 전자를 추출하는데 있어서 양자역학적인 전계 방출(field emission) 방식을 이용하여 열전자방출방식에 비하여 상대적으로 적은 전력이 소비된다.
한편, 기판(110/210)을 회전시켜서 나노에미터 어레이(NE) 중 이미 사용된 에미터 군에 인접한 에미터 군이 전자 유도부(121/221)에 대향되도록 선택해 나가면서 음극부를 교체해 나갈 때, 전자 유도부(121/221)에 대향되는 선택된 에미터 군은 도 4와 같이 사다리꼴로 가정된다. 여기서, 에미터 어레이 트랙의 평균 반경 Rt가 16mm 로서 매우 작은 경우로 가정하였다. 이때, 음극부 교체 시의 회전각 θ를 3.6도라 하면, Rtθ는 0.5mm이고, dR을 2mm라 하면, 전자 유도부(121/221)에 대향되는 에미터 군의 면적은 1mm2이다. 따라서, 360도 회전하기 까지 100번의 에미터 군 교체 효과가 있으며, 면적 1mm2인 에미터가 100시간 사용 가능할 때, 전체적인 음극의 수명시간은 10000시간으로 늘어나는 효과가 있다. 이와 같이 본 발명에서는 원형 기판(110/210)을 회전하여 인접한 나노에미터 군으로 음극부를 교체함으로써 복수회 음극부 교체 효과를 얻음으로써, 음극부의 재장착 없이도 오랫동안 수명을 연장하여 전자 방출원으로서 이용할 수 있게 된다.
이와 같은 인접한 나노에미터 군으로의 음극부 교체 효과는, X 선 튜브에 적용 시에 X선 발생에 필요한 시간 동안(X선 발생 시간 + 음극부 기동 시간 + 음극부 정지 시간) 위와 같은 나노에미터 어레이(NE)가 형성된 기판(110/210)을 회전시키는 것에 의하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 기판(110/210)을 회전시키는 동안, 기판(110/210)에 형성한 나노에미터 어레이(NE) 중에서 선택적으로 전자 유도부(121/221)에 근접된 나노에미터 군에서 전자빔이 방출될 수 있고, 이와 같은 연속적인 근접 나노에미터 군의 선택은 기판(110/210)을 회전시키는 동안에 지속적으 로 이루어질 수 있다. 이때 전자 유도부(121/221)에 근접하게 대향되는 나노에미터 군이 시간적으로 연속하여 바뀌게 되어, 각각의 나노에미터 군이 전자방출에 기여하는 시간이 줄어듦으로써, 결국 각각의 나노에미터가 전체 시간 중 일부 시간에만 동작하는 결과로 되어 음극부 전체의 수명을 증가시키는 효과를 얻게 된다. 이때, X선 발생에 필요한 시간 동안에 기판(110/210)이 적절한 회전 속도, 예를 들어, 분당 1회전, 2회전,...등 적용 환경에 따라 일정 속도를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 도 5 내지 도 15의 도면을 참조하여, 위와 같은 기본 구조의 회전형 전계 방출 소자를 장착하고, 회전형 전계 방출 소자에서 발생한 전자에 의하여 양극 타깃(target)을 통해 X선을 발생시킬 수 있는 본 발명에 따른 다양한 구조의 X선 발생 장치를 설명한다. 여기서, 회전형 전계 방출 소자와 양극 타깃은 절연 재료로 된 하우징(도 5의 131 참조) 내에 실장될 수 있으며, 하우징(housing)(131) 내부 공간은 소정의 진공배기봉착 공정에 의해 진공 상태로 만들어질 수 있거나 소정의 진공 펌프에 의하여 진공 상태가 유지될 수 있음을 밝혀 둔다. 또한, 이하에서 나노에미터 어레이(NE)를 형성한 기판(110/310/410/510)은 도 1 또는 도 2의 구조로 회전 가능하며, 기판(110/310/410/510) 자체의 교체를 위하여 도 1의 회전축(112) 또는 도 2의 축(212)은 소정 회전축 이동장치에 의하여 진공 상태에서 하우징(131) 외부로 이동될 수 있다. 도 1의 회전축(112) 또는 도 2의 축(212)을 이동시키는 방식은 스크류 방식, 랙(rack)과 피니언(pinion)을 이용한 방식, 또는 모터의 회전력을 이용하는 방식 등이 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 회전형 전계 방출 소자를 적용한 X선 발생 장치의 일례이다. 도 6은 도 5의 회전형 전계 방출 소자 부분의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 5 또는 도 6과 같이, 하우징(131) 내에 실장된 전계 방출 소자의 게이트(120)는 피드 쓰루우(feed through)를 통해 고전압을 공급받을 수 있으며, 이에 따라 나노에미터 어레이(NE)에서 방출된 전자는 양극 타깃(130)의 한 면에 충돌하여 X 선을 발생시켜서 하우징(131)의 한 벽면에 설치한 소정 윈도우를 통하여 X 선을 외부로 방출시킬 수 있다.
여기서는, 특히, 도 5 또는 도 6과 같이, 기판(120)과 전자 유도부(121) 사이에 누설 전류 차단용 전극(140)을 포함할 수 있다. 누설 전류 차단용 전극(140)에는 기판(120)과 같은 전압이 인가될 수 있으며, 도 7과 같이 전자 유도부(121)의 가장자리 부분으로의 전류 흐름을 방지하기 위하여 사각 또는 원형의 개구부 형태일 수 있다. 누설 전류 차단용 전극(140)의 개구부의 사이즈를 전자 유도부(121)의 전자 통로 부분 이하로 만드는 경우에, 도 8과 같이, 나노에미터 어레이(NE)로부터의 방출 전자는 전자 유도부(121)의 가장자리 전도체 부분으로 향하기 어렵게 된다. 그러나, 도 9와 같이 누설 전류 차단용 전극(140)을 사용하지 않는 경우에, 나노에미터 어레이(NE)로부터 방출되는 전자의 일부는 전자 유도부(121)의 가장자리 전도체 부분으로 향하게 되어, 이는 누설 전류의 원인이 되어, 전력 손실뿐만 아니라 X 선의 품질에도 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 따라서, 전자 유도부(121)의 가장자리 전도체 부분으로의 누설 전류 흐름을 방지하기 위하여 누설 전류 차단용 전극(140)을 적용하는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명에 따른 회전형 전계 방출 소자를 적용한 X선 발생 장치(300)의 다른 예이다. 도 11은 도 10의 회전형 전계 방출 소자 부분의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 10 또는 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 다른 X선 발생 장치(300)는, 기판(310) 상에 형성된 제1 나노에미터 어레이(NE)와 이에 대향하는 게이트 전극(320) 및 기판(310) 상에 형성된 제2 나노에미터 어레이(NE)와 이에 대향하는 게이트 전극(350)을 포함하며, 제1 나노에미터 어레이(NE)와 제2 나노에미터 어레이(NE)는 각각 트랙 형태로 형성되며 같은 동심원 형태로 형성될 수 있다. 여기서도, 기판(310)과 각각의 전자 유도부(321/351) 사이에 누설 전류 차단용 전극(340)을 포함할 수 있고, 누설 전류 차단용 전극(340)에는 기판(310)과 같은 전압이 인가될 수 있다.
제1 나노에미터 어레이(NE)에서 방출된 전자는 누설 전류 차단용 전극(340)의 해당 개구부를 관통하고 게이트 전극(320)의 전자 유도부(321)를 통과하여 양극 타깃(330)의 한 면에 충돌하여 X 선(A)을 발생시킬 수 있고, 제2 나노에미터 어레이(NE)에서 방출된 전자는 누설 전류 차단용 전극(340)의 해당 개구부를 관통하고 게이트 전극(350)의 전자 유도부(351)를 통과하여 양극 타깃(330)의 다른 면에 충돌하여 X 선(B)을 발생시킬 수 있다. 여기서, 게이트 전극(320) 또는 게이트 전극(350) 중 어느 쪽에 전압을 인가하는 지 여부에 따라 도 12와 같이 X 선 A 또는 B를 발생시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 양쪽 모두에 전압을 인가하여 X 선 A 와 B를 동시에 발생시키는 것도 가능하다. 예를 들어, 게이트 전극(320)의 높은 전계 방출 전류에 따라 양극 타깃(330)의 각도가 큰 면에 많은 전자를 충돌 시킴으로써 발생된 X 선 A는 대면적 영상으로 활용가능 하며, 게이트 전극(350)의 낮은 전계 방출 전류에 따라 양극 타깃(350)의 각도가 작은 면에 전자를 충돌 시킴으로써 발생된 X 선 B는 소면적 영상으로 활용가능 하다.
도 13은 본 발명에 따른 회전형 전계 방출 소자를 적용한 X선 발생 장치(400)의 또 다른 예이다. 도 14는 도 13의 회전형 전계 방출 소자 부분의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 13 또는 도 14을 참조하면, 본 발명에 따른 또 다른 X선 발생 장치(400)는, 기판(410) 상에 형성된 트랙 형태의 나노에미터 어레이(NE)는 하나이고 양측(좌측, 우측)에 각각의 게이트 전극 420, 450을 포함한다. 여기서도, 기판(410)과 전자 유도부(321) 사이에 배치된 누설 전류 차단용 전극(440) 및 기판(410)과 전자 유도부(451) 사이에 배치된 누설 전류 차단용 전극(470)을 포함할 수 있고, 누설 전류 차단용 전극들(440/470)에는 기판(410)과 같은 전압이 인가될 수 있다.
나노에미터 어레이(NE) 중 좌측 일부 에미터 군에서 방출된 전자는 누설 전류 차단용 전극(440)의 해당 개구부를 관통하고 게이트 전극(420)의 전자 유도부(421)를 통과하여 양극 타깃(430)의 좌측 한 면에 충돌하여 X 선을 발생시킬 수 있고, 나노에미터 어레이(NE) 중 우측의 일부 에미터 군에서 방출된 전자는 누설 전류 차단용 전극(470)의 해당 개구부를 관통하고 게이트 전극(450)의 전자 유도부(451)를 통과하여 양극 타깃(430)의 우측 다른 면에 충돌하여 X 선을 발생시킬 수 있다. 여기서, 게이트 전극(420) 또는 게이트 전극(450) 중 어느 쪽에 전압을 인가하는 지 여부에 따라 양극 타깃(430)의 좌측 또는 우측 면에서 X 선을 발생시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 양쪽 모두에 전압을 인가하여 양극 타깃(430)의 좌우측 모두에서 동시에 X 선을 발생시키는 것도 가능하다.
도 15는 본 발명에 따른 회전형 전계 방출 소자를 적용한 X선 발생 장치(500)의 또 다른 예이다.
도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 또 다른 X선 발생 장치(500)는, 도 1과 유사한 게이트 전극(520) 및 누설 전류 차단용 전극(540)을 포함한다. 다만, 기판(510) 상에 나노에미터 어레이(NE)가 트랙 형태로 2개가 형성된 경우에, 게이트 전극(520)을 하나만 이용하여도, 기구물(560)을 조정하여 소정 슬라이딩 가이드(sliding guide)를 따라 전자 유도부(521)를 수평 이동할 수 있도록 함으로써 도 10 또는 도 13과 같이 서로 다른 위치에서 X 선을 발생시킬 수 있게 하였다.
예를 들어, 나사 형태의 기구물(560)을 조정하면, 전자 유도부(521)가 슬라이딩 가이드를 따라 수평 이동하여 에미터 어레이(NE)의 바깥쪽 또는 안쪽 동심원 트랙의 위치 중 어느 위치에도 위치시킬 수 있다. 이에 따라, 동심원 바깥쪽의 제1 나노에미터 어레이(NE) 또는 동심원 안쪽의 제2 나노에미터 어레이(NE) 중 어느 위치에서라도 해당 에미터 군에서 방출된 전자는 누설 전류 차단용 전극(540)의 해당 개구부를 관통하고 게이트 전극(520)의 전자 유도부(521)를 통과하여 양극 타깃(530)의 한 면에 충돌하여 X 선을 발생시킬 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정 한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 예를 들어, 위에서 언급된 나노에미터에 대한 실시예들을 언급하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 Spindt 형 에미터 팁 형태로도 제작되어 이용될 수 있다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회전형 전계 방출 소자의 기본 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 다른 구조의 회전 기구를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 나노에미터를 형성한 원형 기판에 대한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 트랙형 에미터 어레이 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 회전형 전계 방출 소자를 적용한 X선 발생 장치의 일례이다.
도 6은 도 5의 회전형 전계 방출 소자 부분의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5의 누설 전류 차단용 전극의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 5의 A 부분의 확대도이다.
도 9는 누설 전류 차단용 전극이 없을 때의 누설 전류를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 회전형 전계 방출 소자를 적용한 X선 발생 장치의 다른 예이다.
도 11은 도 10의 회전형 전계 방출 소자 부분의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 10의 양극 타깃에서의 X 선 방출을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 회전형 전계 방출 소자를 적용한 X선 발생 장치의 또 다른 예이다.
도 14는 도 13의 회전형 전계 방출 소자 부분의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 회전형 전계 방출 소자를 적용한 X선 발생 장치의 또 다른 예이다.

Claims (23)

  1. 전자 방출을 위한 에미터 어레이가 동심원 내의 두 직경 내의 범위에 트랙 형태로 형성되거나 또는 일정 직경의 원판 형태로 형성되어 있는 기판;
    상기 기판에 대향하여 장착되고, 상기 에미터 어레이에 근접하게 일체로 형성되거나 체결 수단에 의하여 결합된 전자 유도부를 갖는 제1 게이트 전극;
    개구부를 가지며 상기 기판과 상기 전자 유도부 사이에 상기 기판과 동일 전압이 인가되는 누설 전류 차단용 전극; 및
    양극 타깃을 포함하고,
    상기 기판과 상기 제1 게이트 전극 간의 전압 차이에 따라 상기 전자 유도부에 대향한 상기 에미터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 상기 누설 전류 차단용 전극과 상기 전자 유도부를 관통하여 상기 양극 타깃 쪽으로 방출시키되,
    상기 누설 전류 차단용 전극의 상기 개구부 이내에서 상기 발생된 전자를 방출시켜 상기 전자 유도부의 가장자리 부분으로의 전류 흐름을 방지하며, 상기 에미터 군의 수명이 다한 경우에 상기 기판을 회전 이동시켜 상기 에미터 어레이 중에서 다른 에미터 군을 이용하여 전자를 발생하여 상기 양극 타깃에서 X 선을 발생시키기 위한 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 일정 속도로 회전시키면서 상기 에미터 어레이 중에서 연속적으로 선택되는 상기 전자 유도부에 대향된 에미터 군을 통해 전자를 발생시켜 나가는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 회전시키기 위한 회전 기구
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전 기구를 이용하여 상기 기판을 회전하여 상기 에미터 어레이 중에서 상기 전자 유도부에 대향한 에미터 군을 선택하는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기판은 상기 기판의 중심을 관통하는 체결 수단을 통하여 축에 장착되거나 상기 축에 장착된 테이블 위에 장착된 상기 기판을 회전시키기 위하여, 상기 축을 회전시키거나, 상기 축을 고정한 상태로 상기 축에 중심부가 장착된 상기 기판 또는 테이블을 회전시키는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 축이나 중심부를 외부 모터의 회전축에 직결시켜 회전시키거나,
    상기 축이나 중심부의 주변에 DC 혹은AC 자기장을 발생시키는 고정자 수단을 추가하여, 상기 축이나 중심부가 회전자로서 회전되도록 하는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에서 트랙 형태의 상기 에미터 어레이와 동심원을 이루는 트랙 형태의 제2 에미터 어레이를 포함하고,
    상기 제2 에미터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 관통하여 방출시키기 위한 제2 전자 유도부를 갖는 제2 게이트 전극을 더 포함하며,
    상기 제1 게이트 전극 또는 상기 제2 게이트 전극에 전압 인가에 따라 상기 양극 타깃의 서로 다른 면에서 X 선을 발생하는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 게이트 전극과 다른 위치에 상기 에미터 어레이 중의 다른 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 관통하여 방출시키기 위한 제2 전자 유도부를 갖는 제2 게이트 전극을 더 포함하며,
    상기 제1 게이트 전극 또는 상기 제2 게이트 전극에 전압 인가에 따라 상기 양극 타깃의 서로 다른 면에서 X 선을 발생하는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에서 트랙 형태의 상기 에미터 어레이와 동심원을 이루는 트랙 형태의 제2 에미터 어레이를 포함하고,
    상기 제1 게이트 전극에 결합된 기구물을 이용해 슬라이딩 가이드를 따라 상기 전자 유도부를 수평으로 이동시키고,
    상기 제2 에미터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 이동된 상기 전자 유도부를 관통하여 방출시켜서 상기 양극 타깃으로부터 X 선을 발생하는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 에미터 어레이는 CNT, 그라핀(graphene), 나노파이버(nano-fiber), 나노로드(nano-rod), 나노니들(nano-needle), 또는 나노핀(nano-pin)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 장치.
  14. 전자 방출을 위한 에미터 어레이가 동심원 내의 두 직경 내의 범위에 트랙 형태로 형성되거나 또는 일정 직경의 원판 형태로 형성되어 있는 기판;
    상기 기판에 대향하여 장착되고, 상기 에미터 어레이에 근접하게 일체로 형성되거나 체결 수단에 의하여 결합된 전자 유도부를 갖는 제1 게이트 전극; 및
    개구부를 가지며 상기 기판과 상기 전자 유도부 사이에 상기 기판과 동일 전압이 인가되는 누설 전류 차단용 전극을 포함하고,
    상기 기판과 상기 제1 게이트 전극 간의 전압 차이에 따라 상기 전자 유도부에 대향한 상기 에미터 어레이 중에서 선택되는 에미터 군에서 전자를 발생시켜 상기 누설 전류 차단용 전극과 상기 전자 유도부를 관통하여 양극 타깃 쪽으로 방출시키되,
    상기 누설 전류 차단용 전극의 상기 개구부 이내에서 상기 발생된 전자를 방출시켜 상기 전자 유도부의 가장자리 부분으로의 전류 흐름을 방지하며, 상기 에미터 군의 수명이 다한 경우에 상기 기판을 회전 이동시켜 상기 에미터 어레이 중에서 다른 에미터 군을 이용하여 전자를 발생하여 상기 양극 타깃 쪽으로 방출하기 위한 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기판을 회전시키기 위한 회전 기구
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제14항에 있어서,
    상기 기판 상에서 트랙 형태의 상기 에미터 어레이와 동심원을 이루는 트랙 형태의 제2 에미터 어레이를 포함하고,
    상기 제2 에미터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 관통하여 방출시키기 위한 제2 전자 유도부를 갖는 제2 게이트 전극을 더 포함하며,
    상기 제1 게이트 전극 또는 상기 제2 게이트 전극에 전압 인가에 따라 선택적으로 해당 트랙의 에미터 군에서 전자를 발생하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제1 게이트 전극과 다른 위치에 상기 에미터 어레이 중의 다른 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 관통하여 방출시키기 위한 제2 전자 유도부를 갖는 제2 게이트 전극을 더 포함하며,
    상기 제1 게이트 전극 또는 상기 제2 게이트 전극에 전압 인가에 따라 선택적으로 해당 에미터 군에서 전자를 발생하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 기판 상에서 트랙 형태의 상기 에미터 어레이와 동심원을 이루는 트랙 형태의 제2 에미터 어레이를 포함하고,
    상기 제1 게이트 전극에 결합된 기구물을 이용해 슬라이딩 가이드를 따라 상기 전자 유도부를 수평으로 이동시키고,
    상기 제2 에미터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 이동된 상기 전자 유도부를 관통하여 방출시키는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  21. 동심원 내의 두 직경 내의 범위에 트랙 형태로 형성되거나 또는 일정 직경의 원판 형태로 형성된 에미터 어레이를 포함하는 기판과 게이트 전극 사이에 전압을 인가하여,
    상기 에미터 어레이에 근접하게 상기 게이트 전극에 일체로 형성되거나 체결 수단에 의하여 상기 게이트 전극에 결합된 전자 유도부에 대향한 상기 에미터 어레이 중의 일부 에미터 군에서 발생하는 전자를 그리드 형태의 상기 전자 유도부를 관통하여 양극 타깃 쪽으로 방출시켜 X 선을 발생시키되,
    개구부를 가지며 상기 기판과 상기 전자 유도부 사이에 구비된 상기 기판과 동일 전압이 인가되는 누설 전류 차단용 전극의 상기 개구부 이내에서 상기 발생된 전자를 방출시켜 상기 전자 유도부의 가장자리 부분으로의 전류 흐름을 방지하며, 상기 에미터 군의 수명이 다한 경우에 상기 기판을 회전 이동시켜 상기 에미터 어레이 중에서 다른 에미터 군을 이용하여 전자를 발생하여 상기 양극 타깃에서 X 선을 발생시키기 위한 것을 특징으로 하는 X 선 발생 방법.
  22. 삭제
  23. 제21항에 있어서,
    상기 기판을 일정 속도로 회전시키면서 상기 에미터 어레이 중에서 연속적으로 선택되는 상기 전자 유도부에 대향된 에미터 군을 통해 전자를 발생시켜 나가는 것을 특징으로 하는 X 선 발생 방법.
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