KR101104484B1 - 펨토초 전자빔 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제작이 용이하면서 펨토초(femtosecond) 단위의 길이를 가지는 전자 빔을 발생시킬 수 있는 장치 및 방법에 대한 것이다. 본 발명에 따른 전자빔발생장치는 하우징과, 하우징의 일측 개구부에 마련된 음극 및 하우징의 타측 개구부에 마련된 양극을 포함하고, 양극과 마주 보는 음극의 표면으로 조사된 레이저빔에 의하여 표면에서 발생된 전자빔이 외부로 배출되도록 양극에는 배출홀이 마련된다. 본 발명에 따른 전자빔발생방법은, 하우징과, 하우징의 일측 개구부에 마련된 음극과, 하우징의 타측 개구부에 마련된 양극을 포함하는 전자빔 발생장치를 이용한 전자빔 발생방법에 있어서, 양극과 마주 보는 음극의 표면으로 레이저빔을 조사하는 조사단계 및 음극에 도달된 레이저빔에 의하여 음극에서 발생된 전자빔이 양극에 마련된 배출홀을 통하여 배출되는 배출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전자빔, 펨토초, 레이저

Description

펨토초 전자빔 발생장치{APPARATUS FOR GENERATING FEMTOSECOND ELECTRON BEAM}

본 발명은 전자빔 발생장치 및 전자빔 발생방법에 관한 것이다.

과학기술이 발전함에 따라 현대과학에서는 물체의 화학적 또는 물리학적 특성을 파악하기 위하여 전자총을 사용하고 있다.

전자총이란 전자를 가늘게 빔 형상으로 발생시키는 것으로서, 전자 현미경, 진행파관, 브라운관, 사이클로트론 등에 구비되어 물체의 특성을 파악하는데 이용된다.

종래의 전자총은 일반적으로 음극(cathode)에서 발생된 전자를 그리드(grid)를 이용하여 가속시키고 양극(anode)에 형성된 핀홀(pinhole)로 통과시킨 후, 상기 핀홀을 통과한 전자를 마그네틱 렌즈(magnetic lens) 등을 이용하여 집중시킴으로써 전자 빔을 발생시킨다.

기존의 DC전압을 이용한 전자총은 음극(cathode)을 투명한 물질에 금속물질을 코팅을 하여 사용한다.

코팅된 금속에 레이저를 조사하면 전자가 발생하고 발생된 전자가 가속되어 전자총 밖으로 나가게 된다.

그러나, 투명한 물질에 코팅을 한 음극을 이용하면 레이저에 의해 열이 발생되고 코팅된 금속물질이 쉽게 떨어져 나가 음극을 주기적으로 교체해야 하는 문제점이 있다.

또한, 코팅 자체도 쉽지 않고 두께를 항상 일정하게 만들기가 어렵기 때문에 양질의 전자빔 발생이 어렵다는 문제점이 있다.

제작이 용이하면서 펨토초(femtosecond) 단위의 길이를 가지는 전자 빔을 발생시킬 수 있는 장치 및 방법이 필요하다.

또한, 코팅이 떨어져 나간 음극을 계속 교체해야 하는 구성을 대체할 구성이 필요하다.

또한, 코팅 두께를 항상 일정하게 만들기가 어려운 종래의 구성을 대체할 수 있고, 제작이 간편하면서도 매우 안정적인 전자빔을 발생시킬 수 있는 구성의 전자총이 필요하다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전자빔발생장치는, 하우징; 상기 하우징의 일측 개구부에 마련된 음극; 및 상기 하우징의 타측 개구부에 마련된 양극;을 포함하고, 상기 양극과 마주 보는 상기 음극의 표면으로 조사된 레이저빔에 의하여 상기 표면에서 발생된 전자빔이 외부로 배출되도록 상기 양극에는 배출홀이 마련된다.

또한, 상기 음극과 상기 양극 사이에 마련되며 전기장을 발생시킴으로써 상기 전자빔을 가속함과 동시에 상기 배출홀로 집중시키는 포커싱 수단을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 포커싱 수단은 정전렌즈(electrostatic lens)일 수 있다.

또한, 상기 레이저빔이 상기 음극 방향으로 입사되도록 상기 양극에 마련된 제1홀을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 음극에서 반사된 레이저빔이 외부로 배출되도록 상기 양극에 마련된 제2홀을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 배출홀, 상기 제1홀 및 상기 제2홀의 기능을 동시에 수행하도록 상기 양극에 마련된 한 개의 홀을 포함할 수 있다.

또한, 상기 하우징에는 상기 하우징의 내측으로 상기 레이저빔이 입사되도록 입사홀이 마련될 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전자빔 발생방법은, 하우징과, 상기 하우징의 일측 개구부에 마련된 음극과, 상기 하우징의 타측 개구부에 마련된 양극을 포함하는 전자빔 발생장치를 이용한 전자빔 발생방법에 있어서, 상기 양극과 마주 보는 상기 음극의 표면으로 레이저빔을 조사하는 조사단계; 및 상기 음극에 도달된 상기 레이저빔에 의하여 상기 음극에서 발생된 전자빔이 상기 양극에 마련된 배출홀을 통하여 배출되는 배출단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 조사단계 이전에 상기 양극 또는 상기 하우징에 마련된 입사홀을 통하여 상기 레이저빔이 상기 하우징의 내측으로 입사될 수 있다.

또한, 상기 배출단계는 포커싱 수단을 이용하여 상기 음극에서 발생된 상기 전자빔을 가속시키고 집중시키면서 배출시킬 수 있다.

본 발명의 구성에 의하면 매우 제작이 간편하고, 전자 빔의 길이가 매우 짧고 잘 퍼지지 않은 전자 빔을 매우 안정적으로 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 음극을 계속 교체할 필요가 없어서 유지보수에 있어 편리한 효과가 있다.

또한, 코팅 자체도 쉽지 않고 두께를 항상 일정하게 만들기가 어렵기 때문에 양질의 전자빔 발생이 어렵다는 문제점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 펨토초 전자빔 발생 장치는 정전렌즈(Electro-static lens)와 같은 포커싱 수단을 음극(cathode)의 일측에 구비하여 음극(cathode)에서 발생한 전자를 핀홀(pinhole)로 집중시킴과 동시에 가속함으로써, 보다 용이하게 고품질의 펨토초 전자 빔을 발생시킬 수 있는 효과를 가진다.

본 발명의 기술적 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다. 하기 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였다.

도 1은 제1실시예에 따른 전자빔 발생장치의 개략적인 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치는 하우징(110), 음극(cathode)(120), 포커싱 수단(140), 양극(anode)(130) 및 양극에 마련된 홀(hole)(132)을 포함한다.

전자 빔을 발생하기 위하여 상기 전자 빔 발생 장치에 전압을 부가하면 상기 전압에 의해 상기 전자 빔 발생 장치의 하우징(110) 일측에는 음극(120)이 형성되고, 상기 음극(120)에 대응되는 위치에는 양극(130)이 형성된다.

여기서, 상기 하우징(110)은 음극 및 양극을 용이하게 형성하기 위하여 유전부재(dielectric material)로 형성될 수 있다.

입사레이저빔(L1)은 양극에서 음극 방향으로 홀(hole)(132)을 통하여 하우징(110) 내부로 입사되며 음극(120)에 도달한다.

음극(120)에서는 입사레이저빔(L1)이 반사되면서 반사레이저빔(L2)이 방출된다. 또한, 음극(120)에서는 입사레이저빔(L1)이 음극(120)과 충돌하면서 생성된 전자빔(L3)도 방출된다.

음극(cathode)을 투명한 물질에 금속물질을 코팅을 하여 사용할 수도 있다. 코팅된 금속에 레이저를 조사하면 전자가 발생하고 발생된 전자가 가속되어 전자총 밖으로 배출될 수 있다.

그러나, 투명한 물질에 코팅을 한 음극을 이용하면 레이저에 의해 열이 발생되고 코팅된 금속물질이 쉽게 떨어져 나가 음극을 계속 교체해 주 어야 한다.

본 발명에 따른 실시예에서는 음극을 구성하는 금속 자체에 대하여 레이저를 조사하게 되므로 전자빔이 발생되는 음극의 일부를 교체할 필요가 없게 되는 효과가 있다.

방출된 전자빔(L3)은 포커싱 수단(140)에 의하여 집중되고 가속된다.

보다 구체적으로 상기 포커싱 수단(140)은 정전렌즈(electrostatic lens)로 마련될 수 있다.

양극(130)은 전자빔 발생 장치에 전압이 부가되면 음극(120)에 대응되는 위치에 형성되는 것으로서 홀(132)을 포함할 수 있다.

포커싱 수단(140)에 의하여 집중되고 가속된 전자빔(L3)은 홀(132)을 통과하여 샘플(S)에 조사된다.

이때 홀(132)에서는 포커싱 효과를 감소시키는 방사형의 전기장(Er)이 생성되는데, 음극(120)과 포커싱 수단(140) 사이의 각도(θ)를 조절하여 전기장의 세기(Ez)를 조절함으로써 전자빔(L3)이 집중되는 양을 조절할 수 있다.

상기 포커싱 수단(140)은 상기 음극(120)의 일측에 형성될 수 있는데, 양극(130)을 통하여 하우징(110) 내부로 입사된 입사레이저빔(L1)이 음극(120)과 충돌하여 발생시킨 전자빔(L3)은 전기장(Ez)에 의하여 발생되면서부터 집중됨과 동시에 가속되게 된다.

종래의 전자 빔 발생 장치는 음극에는 전자를 가속하기 위한 그리드를 구비 하고 양극 또는 상기 양극의 외측(양극으로부터 샘플 방향)에는 전자를 집중하기 위한 마그네틱 렌즈와 같은 포커싱 수단을 구비함에 따라, 상기 그리드 및 마그네틱 렌즈의 길이로 인하여 전자 빔 발생 장치의 길이 또한 구조적으로 길어지게 된다.

그러나, 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치는 상기 포커싱 수단(140)이 상기 음극(120)의 일측에 구비되어 전자를 가속시킴과 동시에 집중시킴으로써 그리드와 같은 별도의 구성이 필요하지 않음에 따라, 상기 전자 빔 발생 장치의 음극과 양극 사이의 길이(d)를 짧게 제작할 수 있다. 따라서, 음극과 샘플과의 거리(z)를 최소화할 수 있는 구조를 갖는다.

따라서, 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치는 피코초 단위의 전자 빔 보다 길이(duration)가 짧은 펨토초의 전자 빔을 발생시킬 수 있는 구조를 갖는다.

그러므로, 본 실시예에 따른 펨토초 전자 빔 발생 장치는 포커싱 수단이 음극에 위치함에 따라 전자가 발생할 때 가속됨과 동시에 집중되어 펨토초의 전자 빔을 발생시킬 수 있다.

도 2는 제2실시예에 따른 전자빔 발생장치의 개략적인 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치는 하우징(210), 음극(cathode)(220), 포커싱 수단(240), 양극(anode)(230), 양극에 마련된 제1홀(231), 제2홀(232) 및 배출홀(233)을 포함한다.

입사레이저빔(L1)이 제1홀(231)을 통하여 하우징(210) 내부로 입사되어 음극(220)에 직접 도달할 수 있다. 그리고 음극(220)에서 생성된 전자빔(L3)은 배출 홀(233)을 통하여 하우징(210) 외부로 배출될 수 있다.

또한, 음극(220)에서 반사된 반사레이저빔(L2)은 제2홀(232)을 통하여 외부로 배출될 수 있다.

제1실시예의 홀(132)는 상기 제1홀(231), 제2홀(232) 및 배출홀(233)의 기능을 동시에 수행하게 되는 것이다. 제2실시예에 의하면 요구되는 홀의 개수는 증가하나 각각의 홀의 크기를 작게 형성할 수 있다.

나머지 구성 및 작동방법은 제1실시예와 유사하므로 중복되는 설명은 생략한다.

이하에서는 본 실시예에 따른 전자빔의 발생방법에 대하여 설명한다.

우선, 음극에 레이저빔이 도달하도록 레이저빔을 양극측에서 조사하는 단계를 거친다.

제1실시예와 같이 입사레이저빔(L1)이 양극(130)에 마련된 홀(132)을 통하여 음극(120)에 직접 도달할 수도 있다.

제2실시예와 같이 입사레이저빔(L1)이 제1홀(231)을 통하여 입사되어 직접 음극(220)에 도달할 수도 있다.

다음으로, 음극에 도달한 레이저빔은 음극에서 반사되면서 전자빔으로 배출되는 배출단계를 거친다.

배출단계는 포커싱 수단을 이용하여 음극에서 발생된 상기 전자빔을 가속시키고 집중시키면서 배출하는 단계일 수 있다.

제1실시예와 같이 음극(120)에서 생성된 전자빔(L3)이 홀(132)를 통하여 배출될 수 있다.

제2실시예와 같이 음극(220)에서 생성된 전자빔(L3)이 배출홀(233)을 통하여 배출될 수 있다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 제1실시예에 따른 전자빔 발생장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 제2실시예에 따른 전자빔 발생장치의 개략적인 구성도이다.

Claims (10)

1. 시료를 향하여 전자빔을 배출함으로써 시료의 특성을 파악하는데 사용되는 펨토초 전자빔 발생장치에 있어서,

   하우징;

   상기 하우징의 일측에 마련된 음극;

   상기 음극과 마주보도록 상기 하우징의 타측에 마련되며, 레이저빔이 상기 하우징 내부로 조사될 수 있도록 홀이 형성되고, 상기 레이저빔에 의하여 상기 음극의 표면에서 발생된 전자빔이 상기 홀을 통하여 배출되어 상기 하우징 외부에 위치하는 시료를 향하도록 마련된 양극; 및

   상기 음극과 상기 양극 사이에 마련되며 상기 음극의 표면에서 발생된 전자빔을 가속함과 동시에 상기 홀로 집중시키는 정전렌즈(electrostatic lens);를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토초 전자빔 발생장치.
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