KR101330925B1 - Miniaturized electron laser module - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자들을 방출 및 주사하는 전자 방출 수단, 상기 전자 칼럼에서 주사된 전자의 경로를 주기적으로 바꾸어 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 방출하는 위글러, 및 상기 위글러에서 방출되는 전자기파를 흡수하는 애노드,를 포함하여 테라헤르츠 영역의 전자기파를 발생시키는 초소형 전자기파 발생 모듈에 관한 것으로서, 상기 전자 방출 수단은, 전압 인가에 의해 전자를 방출하는 방출원; 및 상기 방출원에 대해 전자 방출을 유도하는 축출전극과, 상기 축출전극으로부터 유도된 전자를 평행한 전자빔으로 형성하는 가속전극과, 상기 가속전극에서 전달된 전자빔 중 광축을 벗어나는 전자를 걸러주는 조리개전극을 갖는 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 안정적이고 효율적으로 발생시킬 수 있는 초소형 전자기파 발생 모듈을 제공된다.The present invention provides an electron emission means for emitting and scanning electrons, a Wigler that emits electromagnetic waves in the terahertz (THz) region by periodically changing the path of electrons scanned in the electron column, and absorbs the electromagnetic waves emitted from the Wigler. An electromagnetic wave generating module for generating electromagnetic waves in a terahertz region, including an anode, the electron emitting means comprising: an emission source for emitting electrons by applying a voltage; And an eviction electrode for inducing electron emission with respect to the emission source, an acceleration electrode for forming electrons derived from the eviction electrode into parallel electron beams, and an aperture electrode for filtering electrons off the optical axis among the electron beams transmitted from the acceleration electrode. It has a; characterized in that it comprises a microlens.
Thereby, an ultra-small electromagnetic wave generating module capable of stably and efficiently generating electromagnetic waves in the terahertz (THz) region is provided.
Description
본 발명은 초소형 전자기파 발생 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 테라헤르츠 영역의 전자기파를 발생시킬 수 있는 초소형 복사 발생 모듈에 관한 것이다. The present invention relates to a miniature electromagnetic wave generating module, and more particularly, to a miniature radiation generating module capable of generating electromagnetic waves in the terahertz region.
빛을 포함하는 전자기파는 주파수 영역에 따라서 라디오파와 마이크로파 및 적외선과 가시광선, 자외선, 그리고, X-ray 등으로 분류되며, 각각의 주파수 영역에 알맞은 다양한 응용 분야가 존재하고 있다. Electromagnetic waves including light are classified into radio waves, microwaves, infrared rays, visible light, ultraviolet rays, and X-rays according to frequency domains, and there are various application fields suitable for respective frequency domains.
예컨대, 라디오파나 마이크로파는 무선이동통신에 활용되고 있으며, 적외선은 광통신과 각종 센서 등에 널리 이용되고 있으며, 가시광선은 각종 간섭계나 센서 또는 계측기 및 의료기 등에 활용되고 있다. 그리고, 자외선은 살균, 소독 및 에폭시(epoxy)의 경화작용 등에 널리 이용되며, X-ray는 방사선 촬영에 활용되고 있다. For example, radio waves and microwaves are used for wireless mobile communication, infrared rays are widely used for optical communication and various sensors, and visible light is used for various interferometers, sensors, measuring instruments, and medical devices. In addition, ultraviolet rays are widely used for sterilization, disinfection and curing of epoxy, and X-rays are used for radiography.
이와 같이, 전자기파는 거의 모든 주파수 영역에서 현대인의 생활과 각종 산업분야에서 적극적으로 활용되고 있으며, 각각의 영역에서 해당 파(Wave)를 생성하는 파원 또는 광원과 이를 감지하는 검출기 등이 매우 잘 발달되어 있는 실정이다. As such, electromagnetic waves are actively used in modern life and various industrial fields in almost all frequency domains, and wave sources or light sources and wave detectors for generating the corresponding waves are well developed in each region. There is a situation.
하지만, 이러한 전자기파의 영역 중에서 그 활용을 위한 기술 발전이 매우 미약한 영역이 존재하는데, 이 영역이 테라헤르츠(THz) 영역이다. However, among these areas of electromagnetic waves, there is a very weak technology development for its use, which is the terahertz (THz) region.
테라헤르츠(THz) 영역은 마이크로파와 적외선의 중간 영역으로서, 주파수로는 0.3 내지 10THz이며, 파장으로는 30 내지 1000μm사이의 전자기파 대역을 의미한다. 이 테라헤르츠(THz) 영역은 금속과 수분을 제외한 대부분의 물질에 대한 투과성이 매우 뛰어나면서 인체에 무해하기 때문에, 분자광학, 생물물리학, 의학, 분광학, 영상 처리 및 보안 검색 등의 광범위한 분야에서 응용될 수 있다. The terahertz (THz) region is an intermediate region between microwaves and infrared rays, and refers to an electromagnetic wave band of 0.3 to 10 THz in frequency and 30 to 1000 μm in wavelength. This terahertz (THz) region is highly permeable to most materials except metals and moisture, and is therefore harmless to humans, making it suitable for a wide range of applications including molecular optics, biophysics, medicine, spectroscopy, image processing and security screening. Can be.
그러나, 현재까지 테라헤르츠(THz) 영역을 활용하는 기술 발전이 미약한 것은 물리적, 공학적 한계로 인해 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 발생시키기 위한 효율적인 광원을 만들어내지 못하였기 때문이다. However, until now, the technological development that utilizes the terahertz (THz) region is weak, because physical and engineering limitations have not produced an efficient light source for generating electromagnetic waves in the terahertz (THz) region.
이에 따라, 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 효율적으로 발생시킬 수 있는 광원이 개발된다면, 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 이용할 수 있는 다양한 분야의 혁신적인 발전을 도모할 수 있을 것이다. Accordingly, if a light source capable of efficiently generating electromagnetic waves in the terahertz (THz) region is developed, innovative developments in various fields that can utilize electromagnetic waves in the terahertz (THz) region may be achieved.
따라서, 본 발명의 목적은 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 효율적으로 발생시킬 수 있는 초소형 전자기파 발생 모듈을 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultra-small electromagnetic wave generating module capable of efficiently generating electromagnetic waves in the terahertz (THz) region.
상기 목적은 본 발명에 따라, 전자들을 방출 및 주사하는 전자 방출 수단, 상기 전자 칼럼에서 주사된 전자의 경로를 주기적으로 바꾸어 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 방출하는 위글러, 및 상기 위글러에서 방출되는 전자기파를 흡수하는 애노드,를 포함하여 테라헤르츠 영역의 전자기파를 발생시키는 초소형 전자기파 발생 모듈에 있어서, 상기 전자 방출 수단은, 전압 인가에 의해 전자를 방출하는 방출원; 및 상기 방출원에 대해 전자 방출을 유도하는 축출전극과, 상기 축출전극으로부터 유도된 전자를 평행한 전자빔으로 형성하는 가속전극과, 상기 가속전극에서 전달된 전자빔 중 광축을 벗어나는 전자를 걸러주는 조리개전극을 갖는 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 전자기파 발생 모듈에 의해 달성된다.The object is that according to the invention, the electron emission means for emitting and scanning electrons, the Wigler to emit electromagnetic waves in the terahertz (THz) region by periodically changing the path of the electrons scanned in the electron column, and in the Wigler An ultra-small electromagnetic wave generating module for generating electromagnetic waves in a terahertz region, including an anode absorbing emitted electromagnetic waves, the electron emitting means comprising: an emission source for emitting electrons by applying a voltage; And an eviction electrode for inducing electron emission with respect to the emission source, an acceleration electrode for forming electrons derived from the eviction electrode into parallel electron beams, and an aperture electrode for filtering electrons off the optical axis among the electron beams transmitted from the acceleration electrode. It is achieved by a micro-electromagnetic wave generation module comprising a; micro lens having a.
여기서, 상기 조리개전극(limiting aperture)의 두께는 축출전극과 가속전극에 비해 큰 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the thickness of the limiting electrode is larger than that of the eviction electrode and the acceleration electrode.
그리고, 전자들의 진행 경로를 모아 평행빔이 되도록 상기 가속전극에 전압이 인가되는 것이 효과적이다.In addition, it is effective to apply a voltage to the acceleration electrode to collect the path of the electrons and form a parallel beam.
또한, 상기 위글러는 상기 마이크로렌즈로부터 전달되는 전자의 경로를 주기적으로 바꾸어 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 방출하는 원통형 위글러인 것이 보다 바람직하다.In addition, the wiggle is more preferably a cylindrical wiggle to emit electromagnetic waves in the terahertz (THz) region by periodically changing the path of electrons transmitted from the microlens.
또한, 상기 위글러는 마이크로렌즈 측으로부터 애노드 측을 향해 동일 축선 상에 일정 간격을 두고 복수로 마련되는 것이 보다 효과적이다.In addition, it is more effective that the wiggle is provided in plural at regular intervals on the same axis from the microlens side toward the anode side.
본 발명에 따르면, 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 안정적이고 효율적으로 발생시킬 수 있는 초소형 전자기파 발생 모듈을 제공된다.According to the present invention, there is provided an ultra-small electromagnetic wave generating module capable of stably and efficiently generating electromagnetic waves in the terahertz (THz) region.
도 1은 본 발명에 따른 초소형 전자기파 발생 모듈의 구성도,
도 2a 및 도 2b는 가속전극에 인가된 전압에 따른 전자빔의 궤적을 나타낸 도면,
도 3은 가속전극에 인가된 전압에 따른 가속전극 중심에서의 전압을 나타낸 그래프,
도 4는 가속전극에 인가된 전압에 따른 조리개전극을 통과한 전류를 나타낸 그래프,
도 5는 가속전극에 인가된 전압이 0V일 때와, -200V일 때 조리개전극의 반경에 따른 전류의 세기를 나타낸 그래프,
도 6은 원통형 위글러에서의 전자빔 궤적을 나타내는 그래프.1 is a configuration diagram of an ultra-small electromagnetic wave generating module according to the present invention;
2a and 2b are views showing the trajectory of the electron beam according to the voltage applied to the acceleration electrode,
3 is a graph showing the voltage at the center of the acceleration electrode according to the voltage applied to the acceleration electrode,
4 is a graph showing a current passing through the aperture electrode according to the voltage applied to the acceleration electrode,
5 is a graph showing the strength of the current according to the radius of the aperture electrode when the voltage applied to the acceleration electrode is 0V and -200V;
6 is a graph showing the electron beam trajectory in the cylindrical Wigler.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 초소형 전자기파 발생 모듈의 구성도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초소형 전자기파 발생 모듈(1)은 전자를 방출하는 전자 방출 수단(3)과, 전자 방출 수단(3)에서 전달된 전자의 경로를 주기적으로 바꾸어 테라헤르츠 영역의 전자기파로 방출하는 복사 발생 수단(5)을 포함한다.
1 is a block diagram of an ultra-small electromagnetic wave generating module according to the present invention. As shown in this figure, the ultra-compact electromagnetic
전자 방출 수단(3)은 전압 인가에 따라 전자를 방출하는 방출원(10)과, 방출원(10)에서 방출된 전자를 평행빔으로 전환하여 복사 발생 수단(5)으로 전달하는 마이크로렌즈(20)로 구성된다.
The electron emission means 3 includes an
방출원(10)은 텅스텐 와이어를 에칭(etching)하여 마이크로렌즈(20)를 향하는 방출 단부가 첨예한 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 방출 단부를 첨예하게 형성하는 것은 전기장의 강도를 강하게 하여 퍼텐셜(potential) 장벽이 낮아지게 함으로서 낮은 전압에서도 쉽게 전자를 방출하도록 하기 위한 것이다. The
여기서, 방출원(10)은 열전자를 방출하는 디스펜서 캐소드 물질로서 다공질 텅스텐, 바륨 산화물(BaO), 바륨 스트론튬 산화물(BaSrO), 칼슘산화물(CaO), 알루미늄 산화물(Al2O3) 중 어느 하나일 수 있으며, 냉전자를 방출하는 몰리브덴(Molybdenum), 탄소나노튜브(CNT), 다이아몬드형 탄소(DLC), 산화아연(ZnO) 중 어느 하나일 수 있다.
Here, the
마이크로렌즈(20)는 방출원(10)측으로부터 복사 발생 수단(5) 측을 향해 동일 축선 상에 차례로 배치된 세 개의 원형 전극으로 구성되는 것이 바람직하다. 각 원형 전극들은 수백μm 두께의 절연층으로 산개된 실리콘 칩들 또는 신리콘 막들의 다중층일 수 있으며, 또한, 이 원형 전극들은 수μm로부터 수백μm까지 다양한 보어(bore) 지름을 가질 수 있다. 이때, 보어(bore)의 둥근부분(roundness) 및 가장자리 첨단부분(edge acuity)이 1μm 미만에 속하는 구성 소자들 사이에 나노미터 범위 및 정렬 정확도를 갖는 것이 바람직하다. The
이러한 마이크로렌즈(20)를 구성하는 원형 전극들은 전자-빔 리토그래피 및 반응-이온 에칭(reactive-ion etching)에 의한 1μm에서 5μm 두께의 실리콘 막들로 만들어 질 수 있다. The circular electrodes constituting the
이하에서는 마이크로렌즈(20)를 구성하는 원형 전극들에 대해 보다 자세히 살펴본다. Hereinafter, the circular electrodes constituting the
마이크로렌즈(20)를 구성하는 세 개의 원형 전극은 방출원(10)으로부터 전자의 방출을 유도하는 축출전극(21)(extractor)과, 축출전극(21)에서 전달된 전자빔을 평행한 전자빔(이하 '평행빔'이라 함)으로 방출하는 가속전극(23)(accelerator)과, 가속전극(23)에서 방출되는 평행빔 중 광축을 벗어나는 전자를 걸러주는 조리개전극(25)(limiting aperture)으로 구성된다. The three circular electrodes constituting the
이때, 축출전극(21)은 방출원(10)에 인접하게 배치되며 접지(ground) 또는 양(+)의 전압을 인가하여 방출원(10)으로부터 전자의 방출을 유도한다. 그리고, 가속전극(23)은 축출전극(21) 다음에 배치되며 음(-)의 전압을 인가하여 평행빔을 형성한다. 또한, 조리개전극(25)는 가속전극(23) 다음에 배치되며 접지(ground)되어 광축을 벗어나는 전자를 걸러준다. In this case, the
이 중 가속전극(23)에서 평행빔을 형성할 수 있는 적절한 전압의 크기와, 조리개전극(25)에서 광축을 벗어나는 전자를 걸러주기 위한 조리개전극(25)의 구조적 조건을 실험 결과에 기초하여 살펴본다. Among them, an appropriate voltage level capable of forming a parallel beam in the
가속전극(23)에 인가되는 전압은 -180V 내지 -220V의 범위 내에서 인가되는 것이 바람직한데, 이는 축출전극(21)으로부터 전달되는 전자빔이 가속전극(23)을 지나면서 평행빔으로 형성되기 위한 최적의 전압 조건이다. 특히, 가속전극(23)에 -200V의 전압이 인가되는 경우 보다 안정적인 평행빔을 형성할 수 있는 것으로 실험 결과 확인되었다. The voltage applied to the
도 2a 및 도 2b는 가속전극(23)에 인가된 전압에 따른 전자빔의 궤적을 나타낸 도면이다. 가속전극(23)에 0V의 전압이 인가된 경우, 도 2a에 도시된 바와 같이, 축출전극(21)을 지난 전자빔의 계속해서 일정한 발산각으로 퍼지는 것을 확인할 수 있었다. 2A and 2B are diagrams showing a trajectory of an electron beam according to a voltage applied to the
반면에, 가속전극(23)에 -200V의 전압이 인가된 경우에는 도 2b에 도시된 바와 같이, 축출전극(21)을 지난 전자빔이 퍼져나가다가 가속전극(23)을 지나면서 평행빔으로 형성되어 조리개전극(25) 측으로 진행하는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, when a voltage of −200 V is applied to the
한편, 도 3은 가속전극(23)에 인가된 전압에 따른 가속전극(23) 중심에서의 전압을 나타낸 그래프이며, 도 4는 가속전극(23)에 인가된 전압에 따른 조리개전극(25)을 통과한 전류를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing the voltage at the center of the accelerating
가속전극(23)의 중심에는 보어(bore)가 형성되어 있기 때문에, 가속전극(23)에 인가된 전압이 광축을 통과하는 전자에 모두 전달되지는 않는다. 광축에서 멀리 벗어나 가속전극(23)의 보어(bore) 내주면에 인접하여 지나는 전자일수록 가속전극(23)에 인가된 전압에 큰 정전기력을 받는다. Since a bore is formed at the center of the
가속전극(23)에 인가된 전압에 따른 가속전극(23)의 중앙에서의 전압은 비례하는데, 이는 도 3의 그래프에서 기울기가 0.43이었던 것에 의해 확인된다. 이때, 중앙 전압은 가속전극(23)에 가공된 보어(bore)의 반지름에 따라 달라질 수 있다. The voltage at the center of the
이 가속전극(23)에 전압이 인가되면, 축출전극(21)과 가속전극(23) 및 조리개전극(25)가 하나의 마이크로렌즈(20)를 형성하여 광학에서의 수렴렌즈와 같은 역할을 하게 된다. 가속전극(23)에 인가되는 전압 크기에 따라서 전자빔은 마이크로렌즈(20)를 통과하면서 모아지거나 한 점에 집중된다. When a voltage is applied to the
이때, 전자빔이 한 점에 집중되면 그 점에서 전자들이 상호 교차되어 다시 퍼져 나가기 때문에, 평행빔을 형성할 수 없다. 따라서, 퍼져나가는 전자빔은 후술할 복사 발생 수단(5)의 위글러(30)를 통과할 때 큰 발산각을 갖게 되어 복사의 파장 분포가 넓어져 테라헤르츠(THz) 영역의 파장을 얻을 수 없게 된다. At this time, when the electron beam is concentrated at one point, since the electrons cross each other and spread out again, a parallel beam cannot be formed. Therefore, the spreading electron beam has a large divergence angle when passing through the
따라서, 가속전극(23)에 적절한 전압을 인가하여 조리개전극(25)을 통과하는 전자빔의 전류를 높이면서 평행빔 상태로 후술할 복사 발생 수단(5)의 위글러(30)를 통과하도록 하는 것이 위글러(30)에서 발생되는 복사 특성을 향상시켜서 원하는 테라헤르츠 영역의 파장을 얻을 수 있다. Therefore, by applying an appropriate voltage to the
이는 도 4의 그래프에 도시된 바와 같이, 실험에 의해 증명된다. 도 4에서 볼 수 있듯이 가속전극(23)에 전압을 너무 크게 인가하면 조리개전극(25)을 통과하는 전류가 -300V 영역에서와 같이 매우 높아진다. 이는 전자빔이 조리개전극(25)의 보어(bore) 중심 근처에서 한 점에 모아져서 대부분의 전자가 조리개전극(25)을 통과하여 복사 발생 수단(5)의 위글러(30)에 전달되는 것을 의미한다. 전류의 세기는 높아졌지만 조리개전극(25)을 통과한 전자빔은 모아진 점을 지나면서 다시 퍼져서 위글러(30)를 통과할 때는 큰 발산각을 갖게 되어 복사의 특성이 매우 나빠지게 된다. This is demonstrated by experiment, as shown in the graph of FIG. As shown in FIG. 4, when the voltage is applied to the
반면에, 전술한 바와 같이, -200V 근처 영역에서는 전자빔이 평행빔으로 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, -200V의 전압을 가속전극(23)에 인가했을 경우에 0V의 전압을 가속전극(23)에 인가하는 경우보다 복사 발생 수단(5)의 위글러(30)에서 전류가 약 60% 증가하는 것을 확인하였다. On the other hand, as described above, in the region near -200V, it was confirmed that the electron beam was formed as a parallel beam, and when a voltage of -200V was applied to the
따라서, 축출전극(21)으로부터 전달되는 전자빔이 가속전극(23)을 지나면서 평행빔으로 형성되기 위해서는 가속전극(23)에 -180V 내지 -220V의 범위 내에서 전압이 인가되는 것이 바람직하며, 특히, 가속전극(23)에 -200V의 전압이 인가되는 것이 보다 안정적인 평행빔을 형성할 수 있다.
Therefore, in order for the electron beam delivered from the
한편, 조리개전극(25)의 구조적 조건은 그 두께가 축출전극(21)과 가속전극(23)에 비해 크면서 반경이 10μm이하인 것이 바람직하다. On the other hand, the structural conditions of the
가속전극(23)에 인가되는 전압을 적절히 조절하여 조리개전극(25)을 통과하는 전자빔을 평행빔으로 형성하도록 할 수 있지만, 모든 전자를 광축에 대하여 평행한 궤적으로 보이도록 하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서, 조리개전극(25)의 두께를 축출전극(21)과 가속전극(23)에 비해 크게 함으로써, 광축을 벗어나는 발산각이 큰 전자들은 조리개전극(25)의 긴 통로를 지나면서 자연스럽게 흡수되도록 함으로써, 조리개전극(25)을 통과한 전자빔이 평행빔으로 유지될 수 있도록 한다. 이에 의해, 후술할 복사 발생 수단(5)의 위글러(30)에서 방출되는 복사의 특성이 테라헤르츠(THz) 영역의 파장에 대응하는 특성을 갖도록 할 수 있다. Although the voltage applied to the accelerating
다만, 조리개전극(25)이 두꺼워질수록 전류의 세기가 약해지는데, 이는 조리개전극(25)의 반경을 적절히 크게 하면 전류의 세기가 증가하는 것으로 도 5의 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 확인되었다. 즉, 조리개전극(25)의 두께가 광축을 벗어나는 발산각이 큰 전자를 걸러주는 구조적 조건이라면, 조리개전극(25)의 반경은 전류의 세기를 결정짓는 중요한 구조적 조건임을 확인할 수 있는 것이다. However, as the
도 5의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 조리개전극(25)의 반경을 미세하게 크게 하더라도 전류의 세기는 매우 빠르게 증가하여 위글러(30)에서 필요한 전류의 세기를 어렵지 않게 얻을 수 있다. 그러나, 조리개전극(25)의 반경을 과도하게 크게 하면 전자빔의 특성이 나빠지므로 이를 감안하여 조리개전극(25)의 반경을 적절하게 조절해야 한다. As can be seen in the graph of FIG. 5, even when the radius of the
도 5는 가속전극(23)에 인가된 전압이 0V일 때와, -200V일 때 조리개전극(25)의 반경에 따른 전류의 세기를 나타낸 그래프이다. 이 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 가속전극(23)에 인가된 전압이 0V인 경우와 -200V인 경우 모두 조리개전극(25)의 반경이 증가함에 따라 전류의 세기가 급격히 증가되는 것을 확인할 수 있다. 다만, 가속전극(23)에 인가되는 전압이 0V일 때는 전류의 세기가 계속 증가하지만, 가속전극(23)에 인가되는 전압이 -200V일 때는 전류의 세기가 증가하다가 조리개전극(25)의 반경이 10μm이상에서 전류 세기의 증가율이 현저하게 저하되는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 조리개전극(25)의 반경이 커지면 마이크로렌즈(20) 내부가 열린 공간이 되어 마이크로렌즈(20) 내부에서 광축을 따라 형성되는 피크 전압이 약해지기 때문이다. 5 is a graph showing the strength of the current according to the radius of the
따라서, 조리개전극(25)의 구조적 조건은 그 두께가 축출전극(21)과 가속전극(23)에 비해 크면서 반경이 10μm이하인 것이 바람직한 것으로 확인되었다. Therefore, it was confirmed that the structural condition of the
여기서, 마이크로렌즈(20)를 구성하는 축출전극(21), 가속전극(23), 조리개전극(25)의 재질은 실리콘으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 축출전극(21), 가속전극(23), 조리개전극(25)은 각각의 역할에 따라 조절할 수 있는데, 축출전극(21)과 가속전극(23)은 그 직경이 100μm인 것이 바람직하며, 조리개전극(25)은 수 μm~수십 μm일 수 있다. 특히 조리개전극(25)의 경우 직경이 커지면 전자빔의 스팟사이즈(spot size)가 급격하게 증가하고 전자빔의 특성이 나빠지기 때문에 가능하면 작게 하는 것이 바람직하다. 다만, 그 직경이 너무 작은 경우 나머지 전극과 얼라인 하는데 어려움이 있고, 이를 통과하는 전자빔이 급격히 약해지기 때문에 실험 여건상 허락하는 10μm이하에서 정해지는 것이 바람직하다.Here, the material of the
그리고, 조리개전극(25)의 직경을 줄이는 데는 한계가 있기 때문에, 조리개전극(25)의 직경을 10μm 또는 그 이상으로 하면 얼라인 하는데 도움이 되고, 조리개전극(25)을 통과하는 전자빔의 세기도 충분해 지지만, 전자빔의 특성이 나빠지는 것을 방지하기 위하여 조리개전극(25)의 직경을 늘리는 것보다 조리개전극(25)의 두께를 늘리는 것이 여러모로 장점을 갖는다. 조리개전극(25)의 두께를 늘리면 전자빔이 조리개전극(25) 내부를 통과하면서 광축에서 다소 큰 각도로 퍼지는 전자들은 조리개전극(25) 내부의 표면에 부딪혀서 흡수되므로 이들이 걸러지게 된다. In addition, since there is a limit to reducing the diameter of the
일반적으로 축출전극(21), 가속전극(23)과 조리개전극(25)의 두께는 5μm이내 인데, 조리개전극(25)의 두께는 축출전극(21)과 가속전극(23)보다 큰 수십 μm로 하여도 무방하여 전술한 바와 같은 장점이 있으므로, 조리개전극(25)의 두께는 축출전극(21)과 가속전극(23)보다 큰 것이 바람직하다.
In general, the thickness of the
한편, 복사 발생 수단(5)은 전자 방출 수단(3)으로부터 전달되는 전자의 경로를 주기적으로 바꾸어 테라해르츠(THz) 영역의 전자기파를 방출하는 위글러(30)와, 위글러(30)에서 방출되는 전자기파를 흡수하는 애노드(40)로 구성된다. On the other hand, the radiation generating means (5) and the Wigler (30) which emits electromagnetic waves in the terahertz (THz) region by periodically changing the path of electrons transmitted from the electron emitting means (3), It consists of an
이 중 위글러(30)는 전자 방출 수단(3) 측으로부터 애노드(40) 측을 향해 동일 축선 상에 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 원통형 전극으로 구성되는 것이 바람직하다. 전자 방출 수단(3)의 마이크로렌즈(20)에서 전달된 평행한 전자빔은 위들러들을 지나면서 위글러(30)에 인가되는 전압의 주기적인 변화에 따라서 전자들의 궤적이 변하면서 전자기파를 방출하게 되는데, 방출되는 전자기파는 위글러(30)들의 간격과 전자빔의 속도(v)에 따라서 아래의 식1에 의해 그 파장(λ)이 결정된다. Among them, the
λ = D(β-1-cosθ) - 식1λ = D (β -1 -cosθ)-
(여기서, D=위글러의 간격, β=v/c(vsms 전자빔의 속도, c는 진공중 빛의 속력), θ=측정각)Where D = Wigler spacing, β = v / c (speed of vsms electron beam, c is the speed of light in vacuum), θ = measuring angle)
전자를 방출하는 방출원(10)에 인가되는 전압은 수 백 볼트~수천 볼트이므로 이 때 전자의 속력은 아래 식2에 의해 얻어질 수 있다.Since the voltage applied to the
- 식2
(여기서, e는 전자의 전하량, m은 전자의 질량, V는 전자방출팁에 인가된 전압)Where e is the charge of the electron, m is the mass of the electron, and V is the voltage applied to the electron emitting tip.
에컨대, 전압(V)이 2000V라면 속력은 이다. 여기서 이다. 이때, 측정각에 대한 효과 는 1이하의 값이므로 무시할 수 있다. 이 경우 테라헤르츠 영역인 900μm의 파장의 방사선을 내기 위한 위글러(30)의 간격 D = 81.9μm가 될 수 있다. For example, if the voltage (V) is 2000V, the speed is to be. here to be. At this time, the effect on the measurement angle Is less than 1 and can be ignored. In this case, the spacing D of the
따라서, 테라헤르츠 영역인 300 내지 900μm의 파장의 전자기파를 방출하기 위해서는 위글러(30)의 간격과 방출원(10)의 인가 전압을 아래 식3에 맞도록 조절하면 원하는 파장 영역의 테라헤르츠 전자기파를 얻을 수 있다. Therefore, in order to emit electromagnetic waves having a wavelength of 300 to 900 μm, which is a terahertz region, the terahertz electromagnetic waves in a desired wavelength region are adjusted by adjusting the interval of the
- 식3
한편, 도 6은 원통형 위글러(30)에서의 전자빔 궤적을 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 위글러(30)에서 전자빔의 궤적은 주기적으로 변하지만, 위글러(30)가 광축에 대하여 대칭인 원통형이기 때문에, 전자빔이 한쪽으로 치우치는 현상이 발생하기 않고 빔 waist가 주기적으로 커졌다 작아졌다 할 뿐이다. 이에 의해 원통형 위글러(30)에서 복사의 특성을 일정하게 유지할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 안정적인 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 방출할 수 있다.
6 is a graph showing the electron beam trajectory of the
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 초소형 전자기파 발생 모듈(1)에 의한 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파 발생 과정을 살펴본다.The electromagnetic wave generation process of the terahertz (THz) region by the ultra-small electromagnetic
방출원(10)에 전압을 인가하면 전자가 방출되어 마이크로렌즈(20)로 전달된다. 이때, 마이크로렌즈(20)의 축출전극(21)은 접지(ground) 또는 양(+)의 전압 인가에 의해 방출원(10)으로부터 방출된 전자는 축출전극(21)에 의해 마이크로렌즈(20)로 유도되어 축출전극(21)을 통과하여 가속전극(23)으로 전달된다. When a voltage is applied to the
그리고, 가속전극(23)에서는 음(-)의 전압을 인가하여 축출전극(21)으로부터 큰 발산각으로 퍼지는 전자빔을 모아 평행빔을 형성하여 조리개전극(25)측으로 방출한다. In the
조리개전극(25)측으로 전달되는 전자빔은 평행빔 외에 일부 전자들이 여전히 큰 발산각으로 퍼져나가게 된다. 이러한 전자들은 조리개전극(25)를 통과하면서 평행빔으로 모아져 대부분의 전자들이 조리개전극(25)에서 평행빔을 형성하여 위글러(30)로 전달된다. In the electron beam delivered to the
위글러(30)로 전달된 평행빔은 전술한 바와 같이, 원통형인 위글러(30)를 지나면서 테라헤르츠(THz) 영역의 파장을 갖는 전자기파로 효율적이고 안정적으로 방출된다.
As described above, the parallel beam transmitted to the
이와 같이, 본 발명에 따르면, 방출원(10)에서 방출된 전자빔을 마이크로렌즈(20)에서 안정정인 평행빔으로 형성하여 복사 발생 수단(5)의 위글러(30)로 전달하고, 원통형 위글러(30)에서는 복사의 특성을 일정하게 유지함으로써, 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 안정적이고 효율적으로 발생시킬 수 있는 초소형 전자기파 발생 모듈이 제공된다.As described above, according to the present invention, the electron beam emitted from the
3 : 전자 방출 수단 5 : 복사 발생 수단
10 : 방출원 20 : 마이크로렌즈
21 : 축출전극 23 : 가속전극
25 : 조리개전극 30 : 위글러
40 : 애노드3: electron emitting means 5: radiation generating means
10: emission source 20: microlens
21: extraction electrode 23: acceleration electrode
25: aperture electrode 30: Wigler
40: anode
Claims (5)
상기 전자 방출 수단은,
전압 인가에 의해 전자를 방출하는 방출원; 및
상기 방출원에 대해 전자 방출을 유도하는 축출전극과, 상기 축출전극으로부터 유도된 전자를 평행한 전자빔으로 형성하는 가속전극과, 상기 가속전극에서 전달된 전자빔 중 광축을 벗어나는 전자를 걸러주는 조리개전극(limiting aperture)을 포함하는 마이크로렌즈;를 포함하며,
상기 전극들은 각각 수μm로부터 수백μm의 보어 지름 및 1μm에서 5μm 두께를 가진 실리콘 막으로 만들어지며,
상기 조리개전극은 상기 축출전극과 상기 가속전극에 비해 더 큰 두께를 가지며, 그리고
상기 위글러는 상기 마이크로렌즈로부터 전달되는 전자의 경로를 주기적으로 바꾸어 테라헤르츠(THz) 영역의 전자기파를 방출하는 원통형 위글러인 것,
을 특징으로 하는 초소형 전자기파 발생 모듈.Electron emission means for emitting and scanning electrons, a wiggle emitting electromagnetic waves in a terahertz (THz) region by periodically changing a path of electrons scanned in the electron column, and an anode absorbing electromagnetic waves emitted from the wiggle, In the ultra-small electromagnetic wave generation module for generating electromagnetic waves in the terahertz region, including:
The electron emitting means,
An emission source emitting electrons by voltage application; And
An emission electrode for inducing electron emission with respect to the emission source, an acceleration electrode for forming electrons derived from the emission electrode into parallel electron beams, and an aperture electrode for filtering electrons out of an optical axis among electron beams transmitted from the acceleration electrode ( a microlens including a limiting aperture;
The electrodes are each made of a silicon film having a bore diameter of several micrometers to several hundred micrometers and a thickness of 1 micrometer to 5 micrometer,
The aperture electrode has a greater thickness than the eviction electrode and the acceleration electrode, and
The wiggle is a cylindrical wiggle that emits electromagnetic waves in the terahertz (THz) region by periodically changing the path of electrons transmitted from the microlens,
Ultra-small electromagnetic wave generating module, characterized in that.
상기 위글러는 마이크로렌즈 측으로부터 애노드 측을 향해 동일 축선 상에 일정 간격을 두고 복수로 마련되는 것을 특징으로 하는 초소형 전자기파 발생 모듈.The method of claim 1,
The Wigler is a very small electromagnetic wave generation module, characterized in that provided in a plurality at a predetermined interval on the same axis from the microlens side toward the anode side.
전자들의 진행 경로를 모아 평행빔이 되도록 상기 가속전극에 -180 ~ -220 V전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 초소형 전자기파 발생 모듈을 이용하여 테라헤르츠 영역의 전자기파를 발생시키는 방법.In the method for generating electromagnetic waves in the terahertz region using the ultra-small electromagnetic wave generation module of claim 1,
A method for generating electromagnetic waves in the terahertz region by using a micro-electromagnetic wave generation module, characterized by applying a voltage of -180 to -220 V to the accelerating electrode to collect a traveling path of electrons to form a parallel beam.
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US5095486A (en) * | 1989-07-27 | 1992-03-10 | Commissariat A L'energie Atomique | Free electron laser with improved electronic accelerator |
JP2006120470A (en) * | 2004-10-22 | 2006-05-11 | Jeol Ltd | Electron gun and electron beam device |
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KR20080065147A (en) * | 2007-01-08 | 2008-07-11 | 삼성전자주식회사 | Electron multiplier electrode and terahertz radiation source using the same |
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2011
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