KR101182508B1 - 캐소드 어셈블리 및 이를 구비하는 전자 빔 발생 실험장치 - Google Patents

캐소드 어셈블리 및 이를 구비하는 전자 빔 발생 실험장치 Download PDF

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Abstract

전자 빔이 윈도우를 통하여 진공 챔버 밖으로 모두 방출되도록 할 수 있는 2중 구조의 전자 빔 집속 장치가 개시된다. 전자 빔 집속 장치의 캐소드 어셈블리는, CNT 재질로 형성된 캐소드, 상기 캐소드를 수용하는 그리드부, 상기 그리드부를 둘러싸도록 구비되어 상기 캐소드에서 방출된 전자를 집속시키고 상기 캐소드 주변에 균일한 전기장을 형성하는 제1 집속부 및 상기 제1 집속부 외측에 구비되어 상기 전자를 집속시키는 제2 집속부를 포함하여 구성된다.

Description

캐소드 어셈블리 및 이를 구비하는 전자 빔 발생 실험장치{CATHODE ASSEMBLY AND ELECTRON BEAM IRADIATION LABORATORY APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 냉 음극(cold cathode)을 이용하는 전자 빔 조사 장치에 관한 것으로, 냉 음극으로부터 전자 빔이 균일하게 방출되게 전기장이 분포하도록 하며, 전자 빔이 윈도우를 통하여 진공 챔버 밖으로 모두 방출되도록 할 수 있는 2중 구조의 전자 빔 집속 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전자 빔 발생장치는 전자방출원으로 열 음극을 이용하는 방식과 냉 음극을 이용하는 방식으로 분류할 수 있다.
냉 음극을 이용한 전자방출소자는 일 함수(Work Function)가 낮거나 베타 함수가 높은 물질을 전자 방출 원으로 사용할 경우 진공 중에서 전계 차이에 의하여 쉽게 전자가 방출되는 원리를 이용한 것이다. 그리고 냉 음극을 이용한 전자방출소자는 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si) 등을 주된 재질로 하는 선단이 뾰족한 팁(tip) 구조물이나 그래파이트(graphite), DLC(Diamond Like Carbon) 등의 탄소계 물질 그리고 최근 나노튜브(Nanotube)나 나노와이어(Nanowire) 등의 나노물질을 전자방출원으로 적용한 소자가 개발되고 있다.
냉 음극을 이용한 전자방출소자는 캐소드 전극과 게이트 전극의 배치 형태에 따라 크게 탑 게이트형(top gate type)과 언더 게이트형(under gate type)으로 나눌 수 있으며, 사용되는 전극의 개수에 따라 2극관, 3극관 또는 4극관 등으로 나눌 수 있다.
냉 음극을 이용한 전자방출소자는 일반적으로 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 형성된 캐소드 전극 및 상기 캐소드 전극 상에 위치한 탄소나노튜브 에미터를 포함하며, 전자방출소자의 전면에는 전면 기판, 상기 전면 기판의 하면에 형성된 애노드 전극, 애노드 전극 상에 도포된 형광체층을 포함하는 전면패널이 배치되어 전자방출소자와 함께 면광원이나 표시소자를 구성할 수 있다.
탄소나노튜브 에미터를 사용하는 전자방출소자는 넓은 시야각, 높은 해상도, 낮은 소비전력 등 많은 장점을 가지고 있으므로, 자동차 항법(car navigation) 장치, 전자적인 영상장치의 뷰 파인더(view finder) 등의 다양한 분야에 이용 가능성이 있다. 특히, 개인용 컴퓨터, PDA(Personal Data Assistants) 단말기, 의료기기, HDTV(High Definition Television) 등에서의 디스플레이 장치로서 이용될 수 있으며, 액정 표시소자 등의 백라이트(backlight)로 이용될 수 있다.
냉 음극(CNT cold cathode)으로부터 전자 빔이 균일하게 방출되도록 전극 모양을 구성하고, 전자 빔이 윈도우를 통하여 진공 챔버 밖으로 모두 방출되도록 전자 빔 집속 구조를 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따른 전자 빔 방출을 위한 캐소드 어셈블리는, CNT 재질로 형성된 캐소드, 상기 캐소드를 수용하는 그리드부, 상기 그리드부를 둘러싸도록 구비되어 상기 캐소드에서 방출된 전자를 집속시키고 상기 캐소드 주변에 균일한 전기장을 형성하는 제1 집속부 및 상기 제1 집속부 외측에 구비되어 상기 전자를 집속시키는 제2 집속부를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 캐소드에 제1 전압이 인가되고, 상기 그리드부와 상기 제1 및 제2 집속부에는 동일한 크기의 제2 전압이 인가되며, 상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 큰 크기의 전압이 인가된다.
일 측에 따르면, 상기 제1 및 제2 집속부는 원통형 또는 다각형 기둥 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 집속부와 상기 제2 집속부는 상기 캐소드에 대응되는 위치에 상기 캐소드에서 방출된 전자를 방출시키기 위한 방출 개구가 형성된다. 또한, 상기 그리드부는 상기 캐소드를 수용하고, 상기 캐소드가 노출되도록 상부가 잘린 반원통형 형상을 가질 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 캐소드는 금속 기판에 CNT 페이스트를 도포하고 소성하여 형성할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 캐소드 어셈블리의 전자 빔 검출을 위한 전자 빔 방출 실험장치는, 내부에 진공이 형성된 챔버, 상기 챔버 내부에 구비된 캐소드 어셈블리 및 상기 챔버 상면에 구비되고 상기 캐소드 어셈블리에 방출된 전자를 검출하는 스크린을 포함하여 구성된다. 그리고 상기 캐소드 어셈블리는, CNT 재질로 형성된 캐소드, 상기 캐소드를 수용하는 그리드부, 상기 그리드부를 둘러싸도록 구비되어 상기 캐소드에서 방출된 전자를 집속시키고 상기 캐소드 주변에 균일한 전기장을 형성하는 제1 집속부 및 상기 제1 집속부 외측에 구비되어 상기 전자를 집속시키는 제2 집속부를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 스크린은 전자를 검출하는 형광체층이 도포될 수 있다. 그리고 상기 챔버의 상면에는 상기 스크린을 장착하기 위한 윈도우가 형성되며, 상기 챔버는 금속 재질로 형성되고, 상기 윈도우 부분이 상기 챔버 부분에 비해 얇은 두께의 금속 재질로 형성될 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 탄소나노튜브를 이용하여 캐소드를 형성함으로써 높은 전류밀도를 갖는 전자 빔을 발생시킬 수 있고, 전자 빔의 투과 효율을 증가시켜 고휘도 전자 빔을 발생시킬 수 있다.
또한, 캐소드 어셈블리에서 방출되는 전자를 전면을 향해 집중되어 방출되도록 하고, 집중되는 정도를 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 어셈블리 및 전자 방출 실험장치를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2와 도 3은 도 1의 캐소드 어셈블리를 도시한 요부 사시도들이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 실험 결과를 도시한 그래프들로써, 도 4는 챔버 내부에서 전기장 분포를 도시한 그래프이고, 도 5는 전자 빔 궤도를 도시한 그래프이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 캐소드 어셈블리(10)에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 어셈블리(10) 및 전자 방출 실험장치(20)를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2와 도 3은 도 1에서 캐소드 어셈블리(10)를 도시한 요부 사시도들이다.
도면을 참조하면, 캐소드 어셈블리(10)는 CNT 캐소드(11)와 캐소드 서포트부(13), 그리드부(15) 및 상기 캐소드(11)에서 방출되는 전자를 집중시키기 위한 제1 및 제2 집속부(17, 19)를 포함하여 구성된다.
캐소드(11)는 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT) 재질로 형성된다. 예를 들어, 캐소드(11)는 금속 기판에 CNT 페이스트를 도포하여 소성하는 방법으로 형성할 수 있다.
캐소드 서포트부(13)는 캐소드(11)가 수용되는 홈이 형성되고, 캐소드(11)가 삽입되어 지지된다.
그리드부(15)는 캐소드(11) 및 캐소드 서포트부(13)와 소정 간격 이격되어 상기 캐소드 서포트부(13)와 그리드부(15) 사이에 소정의 전압차가 형성되도록 한다. 예를 들어, 캐소드 서포트부(13)는 소정의 원통 또는 막대(rod) 형상을 갖고, 그리드부(15) 내부에 수용된 캐소드 서포트부(11)와 그리드부(15) 내벽 사이에 충분한 간격이 확보될 수 있도록 그리드부(15)는 소정 직경을 갖는 원통 형상을 가질 수 있다. 여기서, 캐소드(11)는 전자가 방출되는 면이 평편하도록 바(bar) 형성을 갖고, 캐소드 서포트부(13)는 상면에 캐소드(11)가 삽입되는 홈이 형성되고 단면이 반원 형태를 갖는 막대 형상을 가질 수 있다. 또한, 그리드부(15)는 도면에 도시한 바와 같이, 단면이 반원형이고 내부가 중공부로 형성된 반원통형으로 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 캐소드 서포트부(13)와 그리드부(15)의 형상은 다각형 기둥의 튜브 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
도면에서 미설명 도면부호 151은 그리드부(15)는 캐소드(11)에서 발생 및 방출되는 전자를 방출하도록 형성된 개구부(151)이다. 여기서, 그리드부(15)는 개구부(151)가 캐소드(11)에 대해 대략적으로 평행하게 형성된다.
캐소드 어셈블리(10)에서 방출된 모든 전자를 챔버(21) 내부에서 외부(공기 중)으로 방출시키기 위해서는 전자를 집속시킬 수 있는 구조가 필요하다. 본 실시예에 따르면, 캐소드(11) 외측에 제1 및 제2 집속부(17, 19)의 2중 구조를 구비하여 전자를 집속시킨다.
제1 및 제2 집속부(17, 19)는 캐소드(11) 및 그리드부(15)를 수용하고, 상기 그리드부(15)에서 소정 간격 이격되도록 구비된 소정 직경을 갖는 원통 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 집속부(17, 19)는 전압이 인가되어 전극 역할을 하도록 금속 재질로 형성된다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 제1 및 제2 집속부(17, 19)는 다각형 기둥 등 실질적으로 다양한 형상을 가질 수 있다.
또한, 제1 및 제2 집속부(17, 19)는 캐소드(11)에 대응되는 위치에 상기 캐소드(11)에서 방출되는 전자를 집속하고 방출시키기 위한 방출 개구(171, 191)가 상기 제1 및 제2 집속부(17, 19)를 관통하여 형성된다. 한편, 제1 및 제2 집속부(17, 19)의 방출 개구(171, 191)의 형상과 크기는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
제1 집속부(17)는 캐소드(11)에서 방출되는 전자가 균일하게 방출될 수 있도록 캐소드(11) 및 그리드부(15) 주변의 전기장을 균일하게 유지하는 역할을 한다. 또한, 제1 집속부(17)의 방출 개구(171)을 통해 전기장이 제1 집속부(17) 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.
제2 집속부(19)는 방출되는 전자를 집속시켜서 방출시키는 역할을 한다. 즉, 제2 집속부(19)를 통과하면서 캐소드(11)에서 방출된 전자가 집속되고, 후술하는 전자 방출 실험장치(20)의 스크린(23)에 전자가 모두 집속된다. 그리고 제2 집속부(19)는 방전(short) 현상을 방지하는 역할을 한다.
여기서, 제1 집속부(17)와 제2 집속부(19)의 크기와 상기 제1 집속부(17)와 제2 집속부(19) 사이의 간격, 그리고 상기 제1 및 제2 집속부(17, 19)의 방출 개구(171, 191)의 면적을 조절함으로써 캐소드(11)에서 방출되는 전자의 집속되는 정도를 조절할 수 있다.
전자를 발생시키기 위해서 캐소드(11)는 음극이 인가되고, 그리드부(15)와 제1 및 제2 집속부(17, 19)는 양극이 인가된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 그리드부(15)와 제1 및 제2 집속부(17, 19)는 동일한 전압이 인가된다. 그리고 그리드부(15)와 제1 및 제2 집속부(17, 19)에 인가되는 전압 V2는 캐소드 어셈블리(10)에서 캐소드(11)에 인가되는 전압 V1보다 높은 전압이 인가된다. 예를 들어, 전압 V2는 200kV이고, 캐소드(11)에 인가되는 전압 V1은 5kV일 수 있다. 여기서, 접지를 형성하는 그라운드부는 전자 방출 실험장치(20)의 챔버(21) 벽이 될 수 있다.
캐소드 어셈블리(10)에 전원을 인가하면, 캐소드(11)에 음극이 인가되고, 나머지 그리드부(15)와 제1 및 제2 집속부(17, 19)에 양극이 인가되면서 캐소드(11)에서 그리드부(15) 및 제1 및 제2 집속부(17, 19) 방향으로 전자가 방출된다. 그리고 제1 및 제2 집속부(17, 19)를 통과하는 동안 집속되어 전자 빔이 방출된다.
한편, 상술한 실시예와 같이 제조된 캐소드 어셈블리(10)를 이용하여 전자 인출 실험을 실시하였다. 이하에서는, 도 1은 캐소드 어셈블리(10)의 전자 방출을 실험하기 위한 실험장치(20)이고, 도 4와 도 5는 도 1의 전자 방출 실험장치(20)에서 전자 방출 결과를 도시한 그래프이다. 여기서, 이하에서 설명하는 전자 방출 실험장치(20)는 전자 빔의 방출 및 검출을 위한 장치를 간략하게 예시한 것으로, 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
전자 인출 실험을 위한 전자 방출 실험장치(20)는 캐소드 어셈블리(10)가 수용되고 내부가 진공으로 유지되는 챔버(21)와 캐소드 어셈블리(10)에서 방출되는 전자를 검출하기 위한 형광체층이 도포된 스크린(Phosphor screen)(23)을 포함하여 구성된다.
전자 방출 실험장치(20)는 진공 챔버(21)와 캐소드 어셈블리(10) 사이의 방전을 고려하여 챔버(21)의 크기가 결정된다. 예를 들어, 챔버(21)는 가로 및 세로가 30 ㎝이고 캐소드 어셈블리(10)의 길이에 대응되는 길이를 갖는 크기로 형성될 수 있다. 또한, 챔버(21)는 금속으로 형성되는데, 캐소드 어셈블리(10)에서 방출된 전자는 고전압(200kV)으로 가속되고 가속된 전자가 공기 중으로 방출될 수 있도록 챔버(21)의 상면은 얇은 금속 막으로 형성된다. 여기서, 챔버(21)의 상면은 전자가 투과할 수 있도록 금속 막의 두께가 매우 얇게(예를 들어, 대략 7㎛ 이하) 형성되는데, 챔버(21) 내부의 진공 역시 안정적으로 유지시키기 위해서 스크린(23)이 장착되는 윈도우의 크기는 실질적으로 제한된다.
스크린(23)은 챔버(21) 상면에서 전자가 투과할 수 있도록 얇은 금속 막이 형성된 부분으로, 전자와 반응하여 발광하는 형광체가 도포되어 있어서 캐소드 어셈블리(10)에서 방출된 전자가 충돌하면 스크린(23)에서 발광이 발생한다. 그리고 전자 방출 실험장치(20) 외부에 설치된 CC camera 등을 이용하여 스크린(23)의 발광을 관찰하여 전자 방출을 검출할 수 있다.
캐소드 어셈블리(10)는 캐소드(11)의 수명을 고려하여 약 3mA/㎠까지 전자를 방출시키고, 방출되는 전자는 검출하였다. 여기서, 실험에 사용된 캐소드(11)의 면적은 0.4㎝×16㎝인데, 방출된 전자는 20mA이며, 이는 소형 전자 빔 조사 장치에 사용하기에 적합함을 알 수 있다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 방출 실험 결과를 도시한 그래프들로써, 도 4는 챔버(21) 내부에서 전기장 분포를 도시한 그래프이고, 도 5는 전자 빔 궤도를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 캐소드 어셈블리(10)는 챔버(21) 내부에 전기장이 균일하게 형성되며, 특히, 캐소드 어셈블리(10) 주변 영역에 균일한 전기장이 형성되는 것을 알 수 있다.
한편, 캐소드 어셈블리(10)에서 방출된 전자는 챔버(21) 내부에 형성된 전기장을 따라 운동하는데, 전자 밀도가 매우 낮기 때문에, 챔버(21) 내부에서 공간 전위(space charge)에 의한 효과는 거의 없다고 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 캐소드(11)에서 방출된 전자가 제1 집속부(17)를 통해 균일하게 방출되며, 제2 집속부(19)를 통과하면서 집속되어 방출됨을 알 수 있다. 본 실시예에 따르면, 스크린(23)에서 검출되는 전자 빔의 너비는 15㎜ 임을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 캐소드 어셈블리
11: 캐소드
13: 캐소드 서포트부
15: 그리드부
151: 개구부
17: 제1 집속부
171: 방출 개구
19: 제2 집속부
191: 방출 개구
20: 전자 방출 실험장치
21: 챔버
23: 스크린

Claims (9)

  1. CNT(carbon nano tube) 재질로 형성된 캐소드;
    상기 캐소드를 수용하는 그리드부;
    상기 그리드부를 둘러싸도록 구비되어 상기 캐소드에서 방출된 전자를 집속시키고 상기 캐소드 주변에 균일한 전기장을 형성하는 제1 집속부; 및
    상기 제1 집속부 외측에 구비되어 상기 전자를 집속시키는 제2 집속부;
    를 포함하는 캐소드 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드에 제1 전압이 인가되고, 상기 그리드부와 상기 제1 및 제2 집속부에는 동일한 크기의 제2 전압이 인가되며,
    상기 제2 전압은 상기 제1 전압보다 큰 크기의 전압이 인가되는 캐소드 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 집속부는 원통형 또는 다각형 기둥 형상을 갖는 캐소드 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 집속부와 상기 제2 집속부는 상기 캐소드에 대응되는 위치에 상기 캐소드에서 방출된 전자를 방출시키기 위한 방출 개구가 형성된 캐소드 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 그리드부는 상기 캐소드를 수용하고, 상기 캐소드가 노출되도록 상부가 잘린 반원통형 형상을 갖는 캐소드 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드는 금속 기판에 CNT 페이스트를 도포하고 소성하여 형성하는 캐소드 어셈블리.
  7. 내부에 진공이 형성된 챔버;
    상기 챔버 내부에 구비된 캐소드 어셈블리; 및
    상기 챔버 상면에 구비되고 상기 캐소드 어셈블리에 방출된 전자를 검출하는 스크린;
    을 포함하고,
    상기 캐소드 어셈블리는,
    CNT 재질로 형성된 캐소드;
    상기 캐소드를 수용하는 그리드부;
    상기 그리드부를 둘러싸도록 구비되어 상기 캐소드에서 방출된 전자를 집속시키고 상기 캐소드 주변에 균일한 전기장을 형성하는 제1 집속부; 및
    상기 제1 집속부 외측에 구비되어 상기 전자를 집속시키는 제2 집속부;
    를 포함하는 전자 빔 방출 실험장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스크린은 전자를 검출하는 형광체층이 도포된 전자 빔 발생 실험장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 챔버의 상면에는 상기 스크린을 장착하기 위한 윈도우가 형성되며,
    상기 챔버는 금속 재질로 형성되고, 상기 윈도우 부분이 상기 챔버 부분에 비해 얇은 두께의 금속 재질로 형성된 전자 빔 발생 실험장치.
KR1020110035994A 2011-04-19 2011-04-19 캐소드 어셈블리 및 이를 구비하는 전자 빔 발생 실험장치 KR101182508B1 (ko)

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KR100886203B1 (ko) 2007-05-23 2009-02-27 한국전기연구원 탄소나노튜브를 이용한 다중 채널 음극 구조의 마이크로포커싱 엑스-선관

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100886203B1 (ko) 2007-05-23 2009-02-27 한국전기연구원 탄소나노튜브를 이용한 다중 채널 음극 구조의 마이크로포커싱 엑스-선관

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