KR101188533B1 - Ｃｎｔ 캐소드 어셈블리 및 이를 구비하는 전자 빔 조사 장치 - Google Patents

Ｃｎｔ 캐소드 어셈블리 및 이를 구비하는 전자 빔 조사 장치 Download PDF

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장규하
이병철
박찬원
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한국원자력연구원
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Abstract

와이어 그리드를 구비하는 CNT 캐소드 어셈블리 및 전자 빔 발생장치가 개시된다. 캐소드 어셈블리는, CNT 재질로 형성된 캐소드, 상기 캐소드를 수용하고 반원통형 형상을 갖는 그리드 서포트부 및 상기 그리드 서포트부 둘레를 따라 다수회 권선된 와이어 그리드를 포함하고, 상기 그리드 서포트부 외주면에는 상기 와이어 그리드가 권선되도록 표면에서 요입된 가이드 홈이 형성된다.

Description

ＣＮＴ 캐소드 어셈블리 및 이를 구비하는 전자 빔 조사 장치{CNT CATHODE ASSEMBLY AND ELECTRON BEAM GENERATING APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 전자 빔 조사 장치에 관한 것으로, 낮은 전압에서도 충분한 전자가 방출될 수 있도록 하는 CNT 캐소드 어셈블리를 구비하는 전자 빔 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 전자 빔 조사 장치는 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 전자방출원으로 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.
본 발명의 실시예들에 따르면 전자 빔이 균일하게 발생할 수 있는 캐소드 어셈블리 및 이를 구비하는 전자 빔 조사 장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따른 전자 빔 조사 장치의 와이어 그리드-CNT 캐소드 어셈블리는, CNT 재질로 형성된 캐소드, 상기 캐소드를 수용하고 반원통형 형상을 갖는 그리드 서포트부 및 상기 그리드 서포트부 둘레를 따라 다수회 권선된 와이어 그리드를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 그리드 서포트부 외주면에는 상기 와이어 그리드가 권선되도록 표면에서 요입된 가이드 홈이 형성된다.
일 측에 따르면, 상기 그리드 서포트부의 개구된 면에 권선된 상기 와이어 그리드는 상기 그리드 서포트부에 평행한 평면을 형성하도록 형성된다. 또한, 상기 가이드홈은 상기 와이어 그리드가 일정 간격으로 권선될 수 있도록 일정 간격으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 와이어 그리드는 텅스텐을 포함하는 금속 재질의 와이어로 형성될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 다른 실시예들에 따른 와이어 그리드-CNT 캐소드 어셈블리를 구비하는 전자 빔 조사 장치는, 내부에 진공이 형성된 챔버, 상기 챔버 상면 및 하면에 각각 구비되는 전극부, 상기 챔버 내부에 구비된 캐소드 어셈블리 및 상기 챔버 상면에 구비된 전극부에 구비되며, 상기 캐소드 어셈블리에서 방출되는 전자를 검출하는 스크린을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 캐소드 어셈블리는, CNT 재질로 형성된 캐소드, 상기 캐소드를 수용하고 반원통형 형상을 갖는 그리드 서포트부 및 상기 그리드 서포트부 둘레를 따라 다수회 권선된 와이어 그리드를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 스크린은 상기 캐소드 어셈블리에서 방출된 전자를 검출하기 위한 형광체 층이 형성될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 그리드 서포트부 외주면에는 상기 와이어 그리드가 권선되도록 표면에서 요입된 가이드 홈이 형성되고, 상기 가이드홈은 상기 와이어 그리드가 일정 간격으로 권선될 수 있도록 일정 간격으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 와이어 그리드는 텅스텐을 포함하는 금속 재질의 와이어로 형성될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 다른 실시예들에 따른 와이어 그리드-CNT 캐소드 어셈블리를 구비하는 전자 빔 조사 장치용 CNT 캐소드 어셈블리를 제조하는 방법은, CNT 페이스트를 형성하는 단계, 상기 CNT 페이스트를 기판에 도포하는 단계, 상기 기판을 건조하는 단계, 상기 건조된 기판을 소성하는 단계 및 상기 기판 표면을 처리하는 단계를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 CNT 페이스트를 도포하는 단계는 스크린 프린팅 방법을 이용할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 기판의 표면을 처리하는 단계는 테이프를 이용할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 와이어 형태의 그리드를 권선하는 방법으로 그리드를 캐소드에 평행하게 형성하고, 그리드 표면의 돌출부가 형성되는 것을 방지하여 전자 빔을 균일하게 발생시킬 수 있다.
또한, 탄소나노튜브를 이용하여 캐소드를 형성함으로써 높은 전류밀도를 갖는 전자 빔을 발생시킬 수 있고, 전자 빔의 투과 효율을 증가시켜 고휘도 전자 빔을 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 캐소드 어셈블리의 일부를 도시한 요부 사시도이다.
도 3은 도 1의 캐소드 어셈블리에서 거리에 따른 전기장 분포를 도시한 그래프이다.
도 4와 도 5는 도 1의 캐소드 어셈블리에서 그리드의 투과도를 보여주는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7과 도 8은 도 1의 캐소드 어셈블리에서 캐소드의 열에 의한 영향을 도시한 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 빔 조사 장치를 설명하기 위한 간략도이다.
도 10은 도 9의 전자 빔 조사 장치에서 전자 방출 실험 결과를 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) 및 전자 빔 조사 장치(20)에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드 어셈블리의 분해 사시도고, 도 2는 도 1의 캐소드 어셈블리의 일부를 도시한 요부 사시도이다. 그리고 도 3은 도 1의 캐소드 어셈블리에서 거리에 따른 전기장 분포를 도시한 그래프이고, 도 4와 도 5는 도 1의 캐소드 어셈블리에서 그리드의 투과도를 보여주는 그래프들이다.
캐소드 어셈블리(10)는 CNT 캐소드(11), 와이어 그리드(12), 그리드 서포트부(13), 홀더부(14), 커넥터부(connector)(15) 및 리셉터클(receptacle)(16)을 포함하여 구성되며, CNT 캐소드(11)를 전자 방출원으로 하는 삼극관 형태를 갖는다.
캐소드(11)는 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT) 재질로 형성된다. 후술하는 바와 같이, CNT 페이스트를 금속 기판에 도포하여 소성하는 방법으로 형성할 수 있다. 여기서, 캐소드(11) 표면에 돌출부가 형성되는 경우, 돌출된 부분에서만 전자 빔이 방출되어 전자 빔의 균일성이 악화될 수 있으나, 본 실시예에 따르면, 이러한 돌출부가 형성되는 것을 방지하여, 전자 빔의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, CNT 재질로 캐소드(11)를 형성함으로써 낮은 그리드 전압(대략 3kV 이하)에서도 전자가 방출될 수 있다.
그리드 서포트부(13)는 내부에 캐소드(11)를 수용하도록 수용부(135)가 형성되고, 그리드 서포트부(13) 내부에 수용된 캐소드(11)와 그리드 서포트부(13) 내벽 사이에 충분한 간격이 확보될 수 있도록 형성된다.
또한, 그리드 서포트부(13)는 캐소드(11)에서 발생 및 방출되는 전자를 방출하도록 캐소드(11)에 대응되는 부분이 개구부(133)가 형성된다. 예를 들어, 그리드 서포트부(13)는 도면에 도시한 바와 같이, 단면이 반원형이고 내부가 중공부로 형성된 반원통형으로 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 다각형 기둥의 튜브 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
그리드 서포트부(13)의 양쪽 단부에는 홀더부(14)가 결합되며, 예를 들어, 홀더부(14)는 그리드 서포트부(13)의 양단부에 대응되는 원통 형상을 가지며, 알루미나 재질로 형성될 수 있다. 그리드 서포트부(13)의 일단부는 전원을 인가하기 위한 리셉터클(16)에 결합되며, 커넥터부(15)는 그리드 서포트부(13) 및 홀더부(14)와 리셉터클(16)을 연결한다.
와이어 그리드(12)는 그리드 서포트부(13)의 둘레를 따라 조밀하게 권선되며, 캐소드(11)에서 방출된 전자가 와이어 그리드(12)를 통과하면서 가속된다. 와이어 그리드(12)는 표면적당 권선 수가 많아질 수 있도록 아주 가는 금속 와이어(121)로 형성되며, 예를 들어, 텅스텐 재질로 형성된다.
한편, 그리드 서포트부(13)는 개구부(133)가 평편하게 형성되므로, 상기 그리드 서포트부(13) 외주면에 권선된 와이어 그리드(12)는 상기 개구부(133)에서 평편한 평면을 형성할 수 있다. 그리고 와이어 그리드(12)가 형성되는 면은 캐소드(11)에 대해 대략적으로 평행하게 형성된다.
와이어 그리드(12)가 서로 일정한 간격으로 권선될 수 있도록 그리드 서포트부(13)의 외주면에는 와이어 그리드(12)가 수용되도록 얕은 홈이 형성된다.
여기서, 와이어 형태의 그리드(12)를 그리드 서포트부(13) 외주면에 권선하는 방식으로 그리드를 형성하므로, 표면을 평편하게 형성할 수 있다. 또한, 와이어를 권선하는 피치 또는 와이어의 두께 등을 조절함으로써, 그리드(13)의 두께, 투명도 등을 용이하게 조절할 수 있어서, 원하는 게이트의 모양을 용이하게 획득할 수 있고, 제조 공정을 단순화시키고, 비용을 절감할 수 있다.
와이어 그리드(12)에 전압이 인가되었을 때, 캐소드(11)에 균일한 전기장이 분포하도록 하는 와이어 사이의 간격을 알 수 있다. 도 3에 도시한 그래프는, 캐소드(11)의 중앙 부분에서 x축(도 2에 표시한 x-y축 참조) 방향을 따라 검출된 와이어 사이의 거리(0.02~0.07㎝)에 따른 전기장의 세기를 도시한 그래프이다.
여기서, 도 3 내지 도 5의 그래프들은 와이어 그리드(12)에 전압이 인가되었을 때, 방출된 전자 빔의 궤적을 3D particle in cell code를 이용하여 계산하였다. 도 3을 참조하면, 그리드와 캐소듸 사이의 간격이 500㎛일 때, 와이어 그리드(12) 사이의 간격이 최대 400㎛ 이하일 때 전기장의 분포가 균일한 것을 알 수 있다. 그리고 도 4와 도 5를 참조하면, 와이어 그리드(12)의 두께가 20㎛이고, 와이어 그리드(12)와 캐소드(11) 사이의 간격이 500㎛이고, 와이어 그리드 사이의 간격이 400㎛일 때, 와이어 그리드(12)의 투과도(transparency)가 약 90%로 계산되었다.
도 6을 참조하여, CNT 캐소드(11)의 제작 방법을 설명한다. 참고적으로, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐소드의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 그리고 도 7과 도 8은 도 1의 캐소드 어셈블리에서 캐소드의 열에 의한 영향을 도시한 그래프들이다.
우선, CNT 페이스트를 형성한다(S11). CNT 분말을 볼 밀링을 이용하여 CNT 페이스트를 형성한다. 여기서, 볼 밀링 과정에서 CNT 분말에 바인더와 가소제 등을 혼합하여 페이스트를 형성한다.
다음으로, CNT 페이스트를 기판에 도포하며(S12), 예를 들어, 스크린 프린팅 방법을 사용할 수 있다. 여기서, CNT 페이스트를 기판에 도포할 때, 소정의 마스크를 제작하여 상기 마스크를 이용하여 기판에 도포할 수 있다.
다음으로, CNT 페이스트가 도포된 기판을 건조시킨다(S13). 건조 과정은 60℃에서 20분 동안 수행된다.
다음으로, 건조된 기판을 소성(firing)한다(S14).
그리고 소성이 완료된 기판에 테이프를 이용하여 표면 처리를 하여 캐소드 제작을 완료한다(S15). 여기서, CNT 페이스트를 소성하면 소성된 표면이 거칠게 형성되는데, 이와 같이 불연속적으로 돌출된 부분에서 전자 빔이 불균일하게 방출되는 문제점이 있을 수 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위해서, 소성된 기판 표면을 테이프를 이용하여 처리함으로써 매끈하게 형성할 수 있다.
위와 같이 제작된 캐소드(11)는 CNT를 기판 표면에 도포하여 형성하므로 CNT의 두께를 일정하게 형성할 수 있으며, 소성 처리 후 테이프를 이용하여 표면 처리를 하므로, CNT 표면의 돌출부를 제거하여 매끈한 표면을 형성할 수 있다.
또한, 캐소드(11)를 CNT 재질로 형성함으로써, 냉 음극 방식으로 전자 빔을 발생시키므로, 캐소드에 인가되는 전압차에 의해 쉽게 전자가 방출된다. 또한, CNT 재질을 이용함으로써, CNT 캐소드(11)를 구비하는 전자 빔 조사 장치는 넓은 시야각과 높은 해상도 및 낮은 소비전력 등과 같은 많은 장점을 갖는다.
한편, 본 실시예에 따른 캐소드(11)는 전자 빔 발생에 따라 캐소드(11)에 열이 발생하는 양상이 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 CNT 캐소드(11)는 열이 발생하는 영역이 좁고, 발생된 열(349K)이 비교적 낮은 것을 알 수 있다.
캐소드 어셈블리(10)를 이용하여 전자 빔 방출을 측정하기 위한 실험을 실시할 수 있다. 참고적으로, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 빔 조사 장치(20)를 설명하기 위한 간략도이고, 도 10은 도 9의 전자 빔 조사 장치(20)에서 전자 방출 실험 결과를 도시한 그래프이다. 여기서, 이하에서 설명하는 전자 빔 조사 장치(20)는 전자 빔의 방출 및 검출을 위한 장치를 간략하게 예시한 것으로, 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
전자 빔 조사 장치(20)는 캐소드 어셈블리(10)가 수용되는 챔버는 상기 캐소드 어셈블리(10)가 수용된 내부 공간이 진공 상태로 유지된다. 챔버의 상면에는 캐소드 어셈블리(10)에서 방출되는 전자를 검출하기 위한 스크린(phosphor screen)(23)이 구비되고, 캐소드 어셈블리(10)의 상부와 하부에는 각각 전원을 인가하기 위한 금속 기판 또는 전극부(21, 22)가 구비된다. 그리고 전극부(21, 22)와 캐소드 어셈블리(23)에 전원을 인가하기 위한 전원부(24)가 구비된다. 캐소드 어셈블리(10)의 하부와 상부에 각각 구비된 금속 기판(21)과 전극(22)에 전원이 인가되면 캐소드 어셈블리(10)에서 전자가 방출되고, 스크린(23)에는 형광체층이 도포되어 있어서, 캐소드 어셈블리(10)에서 방출되는 전자를 검출할 수 있다.
도 10을 참조하면, 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.
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
12: 와이어 그리드
121: 와이어
13: 그리드 서포트부
131: 가이드홈
133: 개구부
135: 수용부
14: 홀더부
15: 커넥터부(connector)
16: 리셉터클(receptacle)
20: 전자 빔 조사 장치
21, 22: 전극부
23: 스크린
24: 전원부

Claims (11)

  1. CNT(carbon nano tube) 재질로 형성된 캐소드;
    상기 캐소드를 수용하고 반원통형 형상을 갖는 그리드 서포트부; 및
    상기 그리드 서포트부 둘레를 따라 다수회 권선된 와이어 그리드;
    를 포함하고,
    상기 그리드 서포트부 외주면에는 상기 와이어 그리드가 권선되도록 표면에서 요입된 가이드 홈이 형성된 CNT 캐소드 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그리드 서포트부의 개구된 면에 권선된 상기 와이어 그리드는 상기 그리드 서포트부에 평행한 평면을 형성하는 CNT 캐소드 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가이드홈은 상기 와이어 그리드가 일정 간격으로 권선될 수 있도록 일정 간격으로 형성된 CNT 캐소드 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 그리드는 텅스텐을 포함하는 금속 재질의 와이어로 형성된 CNT 캐소드 어셈블리.
  5. 내부에 진공이 형성된 챔버;
    상기 챔버 상면 및 하면에 각각 구비되는 전극부;
    상기 챔버 내부에 구비된 캐소드 어셈블리; 및
    상기 챔버 상면에 구비된 전극부에 구비되며, 상기 캐소드 어셈블리에서 방출되는 전자를 검출하는 스크린;
    을 포함하고,
    상기 캐소드 어셈블리는,
    CNT 재질로 형성된 캐소드;
    상기 캐소드를 수용하고 반원통형 형상을 갖는 그리드 서포트부; 및
    상기 그리드 서포트부 둘레를 따라 다수회 권선된 와이어 그리드;
    를 포함하는 전자 빔 조사 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스크린은 상기 캐소드 어셈블리에서 방출된 전자를 검출하기 위한 형광체 층이 형성된 전자 빔 조사 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 그리드 서포트부 외주면에는 상기 와이어 그리드가 권선되도록 표면에서 요입된 가이드 홈이 형성되고,
    상기 가이드홈은 상기 와이어 그리드가 일정 간격으로 권선될 수 있도록 일정 간격으로 형성된 전자 빔 조사 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 와이어 그리드는 텅스텐을 포함하는 금속 재질의 와이어로 형성된 전자 빔 조사 장치.
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