KR101372915B1 - 전자총용 필라멘트 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

전자총(10)에 사용되는 필라멘트(1)를 제조하는 방법은, 금속 재료로 이루어진 판재(P)를 준비하는 것, 적어도 하나의 굴곡(1c)을 갖는 선 재료(P1)를 판재(P)에서 잘라내는 것을 구비한다. 이러한 제조 방법에 의해 판재(P)로부터 잘라낸 선 재료(P1)는 단면이 직사각형의 형상을 갖게 된다.

Description

전자총용 필라멘트 및 이의 제조 방법{FILAMENT FOR ELECTRON GUN AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 예를 들면 용해로나 증착 장치에 있어서 가열원으로 이용되는 전자총에 설치되며, 전자 빔의 발생원인 캐소드 전극을 가열하는 전자총용 필라멘트 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터, 전자 빔을 발사하는 전자총의 하나로서, 예를 들면 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이 피어스식 전자총이 알려져 있다. 일반적으로, 피어스식 전자총에 있어서는, 교류 전류의 주울열에 의해 발열한 필라멘트에서 열전자가 방출되고, 필라멘트에 대해 양전압이 인가된 캐소드 전극이 필라멘트로부터의 열전자와 열복사에 의해 가열된다. 이에 의해, 캐소드 전극에서 열전자가 방출된다. 따라서 이러한 캐소드 전극에서 방출된 열전자가, 캐소드 전극과 동 전위의 웨넬트 전극 및 이들 캐소드 전극과 웨넬트 전극에 대하여 정의 전압이 인가된 애노드 전극에 의해 형성된 전계에 의해 구속되어 전자 빔으로서 방출된다.

이와 같은 전자총을 구성하는 상기 필라멘트의 제조 방법에서는 통상, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 텅스텐이나 텅스텐의 합금 등으로 이루어진 직선 형상의 와이어(W)가 원재료로서 사용되고 있다. 따라서 이 와이어(W)의 길이 방향에 있어서의 중앙 부분에 굴곡 가공이 실시되는 것에 의해, 열전자를 방출하기 위한 굴곡부(100a)가 요철 곡선 형상으로 형성된다(도 1b 참조). 또한 이 굴곡부(100a)를 사이에 둔 양측에도 굴곡 가공이 시행되는 것에 의해, 필라멘트(100)를 지지하는 부재에 고정되는 다리부(100b)가 형성된다.

여기에서 설명하는 캐소드 전극의 가열원으로서 위와 같은 필라멘트(100)가 이용되면, 전자 빔이 방출되는 기간에 있어서는, 상기 굴곡부(100a)에 항상 교류 전류가 계속 공급되며, 캐소드 전극이 열전자를 방출하기에 충분한 정도의 열량을 동 굴곡부(100a)에 의해 캐소드 전극에 공급된다. 이 때문에, 굴곡부(100a)는 대략 2,000K 내지 3,000K 범위의 고온으로 계속 유지되게 된다. 그리하여, 굴곡 가공이 실시된 굴곡부(100a)로의 가열이 반복되게 되면, 그 열에 기인하여 굴곡부(100a)에 잔류하는 가공 왜곡으로 돌아가려는 힘이 생겨서, 필라멘트(100)가 변형되기 쉬워져 버린다. 그 뿐만 아니라, 이러한 변형에 따른 필라멘트(100)와 캐소드 전극이 접촉하거나, 혹은 필라멘트(100)의 중심과 캐소드 전극의 중심에 어긋남이 생기고, 전자총에서 방출되는 전자 빔의 출력이 불안정해질 우려가 있다.

그래서 상기 열변형에 의한 여러 문제를 해소하기 위해서, (a) 예비 필라멘트와 캐소드 전극을, 필라멘트가 변형하였다 하더라도 이들이 접촉하지 않을 정도로 이간시킬 것, (b) 상기 가열에 의한 변형을 억제하기 위하여, 와이어(W)를 굴곡시켜 도 1b에 나타낸 바와 같은 형상의 필라멘트로 한 후, 다시 어닐 처리를 행할 것 등과 같은 방책이 고려되고 있다.

선행 기술 문헌

특허 문헌1: 일본 특허 공개 평07-201297호 공보

그러나 상술한 (a)의 방법에서는 확실히 필라멘트와 캐소드 전극과의 접촉을 회피하는 것은 가능하지만, 이들 사이의 거리가 커지게 되면, 필라멘트로부터의 열전자가 자연스럽게 캐소드 전극에 도달하기 어려워진다. 이러한 상황 하에 있어서 정량의 빔 출력을 확보하고자 열전자를 캐소드 전극으로 끌어당기기 위하여 캐소드 전압을 높이면, 전자 빔의 제어를 불안정화 시키면서 동시에, 이상 방전이 생기기 쉬워진다고 하는 새로운 문제가 야기되기 쉽다. 또한, 정량의 빔 출력을 확보하고자 필라멘트의 온도를 보다 높게 하면, 캐소드 전극의 가열에 작용하지 않는 여분의 열에너지가 필라멘트, 캐소드 전극, 웨넬트 전극 및 애노드 전극 등의 전자총의 구성 부재를 포함하는 전자 빔 발생부내로 방출되어, 이들 전자총의 구성 부재에서 방출되는 가스가 많아져 버리고, 이에 의해서도 이상 방전이 생긴다고 하는 새로운 문제가 야기된다.

또한, 상술한 (b)의 방법에서는, 어닐 처리에 의해 필라멘트의 왜곡이 경감되어 굴곡이 되돌아오는 것이 억제되게 되는 반면, 필라멘트를 구성하는 결정 입자의 각각이 조대화(粗大化)되어 필라멘트가 취화(脆化)되기 때문에, 필라멘트를 이를 지지하는 지지 부재에 부착시킬 때에 파손될 염려가 있다. 또한, 이와 같이 취화된 필라멘트의 파손을 억제하는 수단으로서, 상술한 바와 같은 어닐 처리가 실시된 필라멘트를 이 형상을 유지 가능한 절연물에 미리 부착하고, 필라멘트를 이 절연물과 함께 필라멘트 유닛으로서 상기 지지 부재에 부착시키는 것도 생각할 수 있다. 그렇지만 이러한 방법에서는, 절연물이 별도로 필요하게 되기 때문에, 필라멘트의 유지에 관한 비용이 증대하게 된다.

이와 같이, 상기 필라멘트의 가열에 기인한 변형 그 자체, 혹은 이 변형에 의해 생겨난 여러 문제를 해결하는 방책에는 아직 개선의 여지가 남아 있다.

본 발명은, 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적은, 전자총에 탑재되는 필라멘트가 전자총의 사용에 있어서 가열에 의해 변형하는 것을 억제 가능한 전자총용 필라멘트 및 이의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 제1 태양은 전자총에 사용되는 필라멘트를 제조하는 방법이다. 당해 방법은, 금속 재료로 이루어진 판재를 준비하는 것과 적어도 하나의 굴곡을 갖는 상기 필라멘트의 선 재료를 상기 판재로부터 잘라내는 것을 구비한다.

이러한 방법에 의하면, 적어도 하나의 굴곡을 갖는 필라멘트의 선 재료가 금속 재료로 이루어진 판재로부터 절단된다. 이 때문에, 굴곡을 갖도록 와이어에 굴곡 가공을 실시하는 것에 의해 형성된 종래의 필라멘트와 비교하여 필라멘트의 굴곡 부분에 잔류하는 가공 왜곡이 억제된다. 따라서 전자총의 사용 시에 있어서, 필라멘트가 가열되는 일이 있더라도, 굴곡의 굴곡 귀환(굴곡된 상태에서 되돌아가고자 하는 현상)이 생기게 하는 것이 억제된다. 즉, 가열에 기인하여 굴곡의 형상이 변화하고, 이에 의해 필라멘트가 변형하는 것이 억제된다.

상술한 방법에 있어서, 상기 판재를 준비하는 것은 당해 판재의 두께 방향으로 적층된 복수의 금속판으로 이루어진 금속 적층판을 준비하는 것을 포함하는 것이어도 좋다.

필라멘트의 판재에 사용되는 금속 재료는 결정 입자의 집합체이고, 개개의 결정 입자는 가열에 의해 성장한다. 이 가열의 조건이 고온화, 혹은 장기화 등이 되면, 결정 입자의 조대화(粗大化)가 진행되고, 이에 기인하여 판재가 취화되게 된다. 이 취화를 억제하는 하나의 방법으로서, 상술한 바와 같이 복수의 금속판의 적층판을 필라멘트의 판재로서 사용하는 것을 생각할 수 있다. 이와 같은 방법에 있어서, 단일의 금속판을 사용하는 경우와 비교하여, 금속판의 한 장당 두께를 얇게 할 수 있다. 이에 의해, 금속판의 두께 방향에 있어서의 결정 입자의 조대화가 스스로 억제되고, 나아가서는 전자총용 필라멘트의 강도 및 수명도 향상되게 된다.

상술한 방법에 있어서, 상기 복수의 금속판은 각각 압연 형성되고, 상기 복수의 금속판은 각 금속판의 압연 방향이 서로 교차하도록 적층되어도 좋다.

압연 형성된 금속 박판에서는, 통상적으로 그 압연율이 높을수록 압연 방향과 그 외 방향에서의 기계적 강도가 달라진다. 예를 들면, 탄성율, 항복 강도, 인장 강도 등의 특성은, 압연 방향과 수직인 방향에 있어서 최대, 또한 압연 방향과 평행한 방향에 있어서 최소가 되는 경향을 갖는다. 다른 한편으로는, 신장 특성은 압연 방향과 수직인 방향에 있어서 최소이면서, 또한 압연 방향과 평행하는 방향에 있어서 최대가 되는 경향을 갖는다. 이러한 점을 고려하여, 압연 형성된 복수의 금속판을 사용하는 경우에는, 각 금속판의 압연 방향이 서로 교차하도록 복수의 금속판을 적층해도 좋다. 이와 같은 방법에서는, 각 금속판의 기계적인 특성이 보상되어 적층판의 기계적 강도가 향상된다. 나아가, 이러한 적층판에서 잘라낸 선 재료로서 구성되는 필라멘트의 기계적 강도가 향상된다.

상술한 방법에 있어서, 상기 복수의 금속판은 상이한 금속 재료에 의해 형성되어도 좋다.

이와 같은 방법에서는, 복수의 금속판을 동일 금속 재료로 구성한 경우와 비교하여, 각 금속판의 결정 입자가 금속판끼리의 경계면을 넘어서 조대화되는 것이 억제된다. 즉, 각 금속판의 결정 입자가 각각의 금속판의 두께를 넘어서 조대화되는 것이 억제된다. 그 결과, 적층판의 두께 방향에 있어서의 결정 입자의 조대화를 당해 결정 입자가 속하는 금속판의 두께로 한정하는 것이 가능하게 된다.

상술한 방법에 있어서, 상기 필라멘트를 상기 전자총에 탑재할 때, 상기 필라멘트의 상기 굴곡이, 상기 전자총에 설치된 캐소드 전극에 대향함과 동시에, 전원에서 공급된 전류에 의해 가열되어 상기 캐소드 전극을 가열하는 열전자를 방출한다하는 전제하에서 필라멘트를 제조할 수 있다. 이 경우, 상기 금속 적층판을 준비하는 것이, 상기 캐소드 전극과 대향하게 되는 금속판을 상기 복수의 금속판 중 가장 작은 일함수를 갖는 금속판에 의해 형성하는 것을 포함하는 것이어도 좋다.

주지하고 있는 바와 같이, 일함수란 어느 물질의 표면에서 하나의 전자를 방출할 때에 필요하게 되는 최소 에너지의 값이다. 즉, 어느 물질의 표면에서 하나의 열전자를 방출시키고자 한 경우, 당해 물질을 가열하여 이러한 일함수 이상의 에너지를 물질내의 전자에 부여할 필요가 있다. 따라서 일함수가 큰 물질일수록 열전자를 방출시키기 위해서는 보다 고온으로 될 때까지 가열하는, 말하자면, 보다 큰 전류를 흐르게 할 필요가 있다. 이러한 점을 고려하여, 필라멘트의 판재에 금속 적층판을 사용할 경우에는, 복수의 금속판 중에서 전자총의 캐소드 전극에 대향하는 금속판의 일함수가 다른 금속판의 그것보다 작은 것이어도 좋다. 이에 의해, 캐소드 전극에 가까운 금속판에 있어서는, 다른 금속판보다도 낮은 온도에서 열전자의 방출이 일어나게 된다. 따라서 종래의 방법과 같이, 단일 재료로 이루어진 선 재료를 절곡 형성한 필라멘트에 비해서, 캐소드 전극에 대향하는 금속판의 온도를 저하시킬 수 있다. 나아가, 다른 금속판의 온도도 저하시킬 수 있도록 되기 때문에, 필라멘트가 캐소드 전극 측으로 변형되는 것을 억제할 수 있다.

상술한 방법에 있어서, 상기 판재를 준비하는 것은, 텅스텐 및 텅스텐을 함유하는 합금 중 적어도 한쪽 금속판에 의해 형성되는 판재를 준비하는 것을 포함하는 것이어도 좋다.

텅스텐은 금속 재료 중에서 가장 융점이 높기 때문에, 고온에서의 사용에 있어서도 그 형상이 안정적으로 유지되기 쉽다. 또한, 텅스텐은 비교적 큰 전기 저항을 갖기 때문에, 그에 전류가 흐를 때의 발열량도 커진다. 즉, 텅스텐은 열에 대한 안정성과 다량의 발열을 요구되는 부재의 형성 재료에 적합한 것이라고 할 수 있다. 이와 같은 점을 고려하면, 필라멘트의 판재로서는, 텅스텐 및 텅스텐을 함유하는 합금 중 적어도 한쪽 금속판에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

상술한 방법에 있어서, 상기 판재를 준비하는 것은, 탄탈륨 금속판과 텅스텐 금속판으로 이루어진 금속 적층판을 준비하는 것을 포함하는 것이어도 좋다.

탄탈륨은 텅스텐보다도 낮은 온도에서 열전자를 방출한다. 따라서 단일 재료의 선 재료를 절곡하는 것에 의해 형성되는 종래의 필라멘트나, 단일 텅스텐 판에서 선 재료를 잘라내는 것에 의해 형성되는 필라멘트에 비하여, 필라멘트 자체의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이에 따라 가열에 의해 필라멘트의 변형을 억제할 수 있음과 동시에, 필라멘트의 평균 수명도 연장할 수 있다.

상술한 방법에 있어서, 상기 전자총용 필라멘트의 선 재료를 상기 판재로부터 잘라내는 것은, 와이어 방전 가공에 의해 상기 판재로부터 상기 선 재료를 잘라내는 것을 포함하는 것이어도 좋다.

와이어 방전 가공이란 일반적으로, 공구 전극인 와이어와 피가공체 사이의 방전을 이용하여 피가공체의 일부를 제거하는 것에 의하여, 동 피가공물을 원하는 형상으로 가공하는 방법이다. 그 때문에, 피가공체가 도체이면 그 경도에 의하지 않고 가공을 실시하는 것이 가능하다. 또한, 와이어의 위치 제어에 의해 피가공물을 소정의 형상으로 가공하는 것도 가능하다. 그 때문에, 판재로부터의 선 재료의 절취에 와이어 방전 가공을 사용하도록 하면, 필라멘트의 형성 재료의 선택의 폭이 확대됨과 동시에, 동 필라멘트 형상에 관한 정밀도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제2 태양은 전자총에 사용되는 필라멘트이다. 당해 필라멘트는 금속 재료에 의해 형성되는 적어도 하나의 굴곡을 갖는 선 재료를 구비하고 있으며, 당해 선 재료의 단면은 직사각형의 형상을 가지고 있다.

이러한 구성에 의하면, 와이어에 굴곡 가공을 실시하는 것에 의해 형성된 종래의 필라멘트, 즉, 단면이 원형의 형상인 와이어를 사용한 종래의 필라멘트와 비교하여, 필라멘트의 굴곡 부분에 잔류하는 가공 왜곡이 억제된다. 따라서 전자총의 사용에 이르러 필라멘트가 가열되게 되어도 굴곡의 굴곡 귀환이 생기는 것이 억제된다. 즉, 가열에 기인하여 굴곡의 형상이 변화하고, 이에 의해 필라멘트가 변형하는 것이 억제된다.

상기 필라멘트에 있어서, 상기 선 재료는 복수의 금속판을 함유하는 금속 적층판을 사용하여 형성되어도 좋다. 이와 같은 구성에서는, 단일 금속판을 사용하는 경우와 비교하여 금속판 한 장당 두께를 얇게 할 수 있다. 이에 의해, 금속판의 두께 방향에 있어서의 결정 입자의 조대화가 자연스럽게 억제되고, 나아가서는 전자총용 필라멘트의 강도 및 수명도 향상된다.

상기 필라멘트에 있어서, 상기 복수의 금속판은 상이한 금속 재료에 의해 형성되어도 좋다. 이러한 구성에서는, 각 금속판의 결정 입자가 각각의 금속판의 두께를 넘어서 조대화되는 것이 억제된다. 그 결과, 적층판의 두께 방향에 있어서 결정 입자의 조대화를 당해 결정 입자가 속하는 금속판의 두께로 한정하는 것이 가능하게 된다.

상기 필라멘트에 있어서, 상기 금속 적층판은 탄탈륨 금속판과 텅스텐 금속판의 적층판이라도 좋다. 이러한 구성에서는, 단일 재료의 선 재료를 절곡하는 것에 의해 형성되는 종래의 필라멘트나, 단일의 텅스텐 판으로부터 선 재료를 잘라내는 것에 의해 형성되는 필라멘트에 비해, 필라멘트 자체의 온도 상승을 억제할 수 있다. 따라서 가열에 의한 필라멘트의 변형을 억제할 수 있음과 동시에, 필라멘트의 평균 수명도 연장될 수 있다.

상기 필라멘트에 있어서, 복수의 금속판들 중에서 가장 작은 일함수를 갖는 금속판이 상기 전자총의 캐소드 전극에 대향하여 배치되도록 필라멘트가 형성되어도 좋다. 이와 같은 구성에서는, 복수의 금속판들 중에서 캐소드 전극에 가까운 금속판에 있어서는, 다른 금속판보다도 낮은 온도에서 열전자의 방출을 일으키게 된다. 따라서 단일 재료로 이루어진 선 재료를 절곡하여 형성한 종래의 필라멘트에 비해서, 캐소드 전극에 대향하는 금속판의 온도를 저하시킬 수 있다. 나아가서는, 다른 금속판의 온도도 저하시킬 수 있도록 되기 때문에, 필라멘트가 캐소드 전극 측으로 변형되는 것을 억제할 수 있다.

도 1a는 종래의 전자총용 필라멘트에 사용되는 와이어를 나타내는 사시도이다.
도 1b는 종래의 전자총용 필라멘트의 제조 공정을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전자총용 필라멘트의 개략 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 전자총용 필라멘트의 제조 공정을 개략적으로 나타내는 모식도들이다.
도 4는 도 2의 전자총용 필라멘트가 적용되는 전자총의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 2의 전자총용 필라멘트로의 투입 전력과 전자 빔 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 캐소드 전극으로의 투입 전력과 전자 빔 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 캐소드 전압을 변경한 때의 전자총용 필라멘트로의 투입 전력과 전자 빔 출력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 전자 빔의 안정성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 2의 전자총용 필라멘트의 내용(耐用)시간을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 2의 전자총용 필라멘트의 재료에 적용 가능한 텅스텐과 탄탈륨의 열전자 방사 밀도의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 2의 전자총용 필라멘트에 텅스텐 금속판과 탄탈륨 금속판의 텅스텐-탄탈륨(W-Ta) 적층판을 사용한 실시예 2의 전자총용 필라멘트의 개략구성도이다.
도 12는 텅스텐 금속판만을 사용한 실시예 1의 필라멘트의 수명과 텅스텐-탄탈륨(W-Ta)(W-Ta) 적층판을 사용한 실시예 2의 필라멘트의 수명을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명에 관한 전자총용 필라멘트(1)의 제조 방법을 구현화한 일 실시 형태에 대하여 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 실시 형태의 제조 방법에 의해 제조된 전자총용 필라멘트(1)의 사시 구조를 나타낸 것이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 전자총용 필라멘트(1)는 네 개의 면들에 의해 외주면이 구성된 텅스텐 등의 고융점 금속으로 이루어진 단면이 직사각의 형상인 선 부재이다. 이러한 전자총용 필라멘트(1)는, 상기 외주면을 구성하는 하나의 면(캐소드 대향면(1s))을 포함하는 가상 평면(Pi) 상에 있어서 3군데의 연속된 굴곡(1c)으로 이루어진 요철 곡선 형상의 굴곡부(1a)를 갖는다. 이와 같은 굴곡부(1a)에 있어서 상기 3군데의 굴곡(1c)이 이어지는 방향의 양 단부에는 캐소드 대향면(1s)의 법선 방향으로 연장하는 직선형상의 한 쌍의 다리부(1b)가 절곡 형성되어 있다. 즉, 단면이 직사각형의 형상인 선 재료인 전자총용 필라멘트(1)는 그 외주면을 이루는 네 개의 면들 중에서 어느 하나를 따르도록 굴곡되는 것에 의해, 필라멘트(1)의 둘레 방향을 따르는 뒤틀림을 갖지 않도록 구성되어 있다.

도 3은 이러한 전자총용 필라멘트(1)의 제조 공정을 나타낸 것이다.

도 3a에 나타낸 바와 같이, 상기 전자총용 필라멘트(1)의 제조에 있어서는, 우선 이와 같은 선 재료의 구성 재질인 예를 들면 텅스텐으로 이루어진 금속판(P)이 준비된다. 또한, 본 실시 형태에서는 금속판(P)으로서 상기 캐소드 대향면(1s)(가상 평면(Pi))을 가공면(Ps)으로 가지며, 예를 들면 두께가 0.5㎜ 정도인 텅스텐 판을 사용하도록 하고 있다.

이어서, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 주지의 와이어 방전 가공 장치(WE)에 의해 금속판(P)의 가공이 수행된다. 보다 상세하게는, 금속판(P)의 가공면(Ps)과 직교하도록 배치된 텅스텐 등으로 이루어진 공구 와이어 전극(WE1)과 피가공체인 금속판(P)에 가공 전원(WE2)으로부터, 예를 들면 60V 내지 300V 정도의 전압이 인가된다. 따라서 이도 주지인 NC(Numerical Control) 장치(WE3)에 의해 금속판(P)의 위치가 제어되면서, 상기 캐소드 대향면(1s)상의 3군데의 굴곡(1c)된 형상, 즉 당해 전자총용 필라멘트(1)에 있어서 굴곡부(1a)의 2차원적인 요철 곡선의 형상에 따라, 금속판(P)이 상하 혹은 좌우로 이동된다. 추가적으로, 이 경우의 금속판(P)의 이동 속도인 소위 가공 이송 속도는 일반적으로 1분당 5㎜ 정도이다. 이에 의해, 공구 와이어 전극(WE1)과 금속판(P)의 거리가 수십 ㎛ 정도가 되면, 이들 사이에서 불꽃 방전이 발생한다. 이 때, 공구 와이어 전극(WE1) 및 금속판(P)의 온도가 수천 도까지 가열되어 금속판(P)의 일부가 용해됨과 동시에, 이와 같이 용해된 금속이 금속판(P)의 냉각과 가공분말의 제거를 목적으로 공급된 가공액의 체적 팽창에 의해 금속판(P)상으로부터 비산된다. 또한, 가공액으로는 물이나 케로신 등의 절연액이 사용된다. 또한, 공구 와이어 전극(WE1)은 이러한 가열에 의해 용해나 파단을 회피하기 위해서 도시하지 않은 와이어 공급 기구 및 와이어 권취(卷取) 기구에 의해 그의 공급 및 권취가 수행되고 있다. 이렇게 용해 금속이 비산되는 것에 의해 금속판(P)에는 가공홈이 형성되게 된다. 또한, 상기 NC 장치(WE3)에 의해 금속판(P)의 위치 제어가 수행되면서, 이와 같은 가공홈의 형성 공정이 반복되는 것에 의해, 전자총용 필라멘트(1)를 형성하기 위한 선 재료(P1)가 굴곡부(1a)를 포함하는 모양으로 잘리게 된다.

이와 같이 선 재료(P1)의 절취할 시점에서, 상기 와이어 방전 가공 장치(WE)에 의해 와이어 방전 가공을 사용하도록 하면, 도체인 한 그 경도에 한정되지 않고 당해 전자총용 필라멘트(1)로서 가공할 수 있도록 되기 때문에, 전자총용 필라멘트(1)의 형성 재료에 관한 선택의 폭이 확대된다. 또한, 와이어 방전 가공 장치(WE)가 구비하는 NC 장치(WE3)에 의해, 전자총용 필라멘트(1)의 2차원 형상에 대응하여 금속판(P)의 위치 제어가 정밀하게 수행되기 때문에, 동 전자총용 필라멘트(1)의 형상에 관한 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이렇게 하여 와이어 방전 가공 장치(WE)에 의해 절취된 선 재료(P1)는, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 길이 방향의 중심부에 굴곡부(1a)를 갖고, 또한 가공면(Ps)(캐소드 대향면(1s))에 수직인 단면이 직사각형이 되는 모양으로 형성된다. 그 후, 도 3d에 나타낸 바와 같이, 상기 선 재료(P1)의 길이 방향의 양 단부가 가공면(Ps)(캐소드 대향면(1s))의 법선 방향으로 절곡되는 것으로써, 전자총용 필라멘트(1)가 제조된다.

이와 같은 전자총용 필라멘트(1)의 제조 방법에서는, 도 1에 나타낸 종래의 필라멘트(100)의 제조 방법과 같이, 선 재료로서의 와이어(W)에 외력을 가하여 구부리는 것에 의해 굴곡부(100a)를 원하는 형상으로 하는 것은 아니고, 와이어 방전 가공장치(WE)를 사용하여 굴곡부(1a)를 포함하는 형태로 선 재료(P1)를 금속판(P)으로부터 잘라내도록 하고 있다. 이에 의해, 제조된 전자총용 필라멘트(1)의 굴곡부(1a)에는 가공에 의한 왜곡이 억제되어, 전자총용 필라멘트(1)가 전자총에 탑재된 때의 가열에 기인하는 당해 전자총용 필라멘트(1), 특히 그 굴곡부(1a)의 변형을 억제할 수 있게 된다.

또한, 이와 같이 와이어 방전 가공에 의해 절취된 필라멘트(1)에서는, 상술한 바와 같이, 그의 굴곡부(1a)를 포함하는 캐소드 대향면(1s)에 수직인 단면의 형상이 직사각형의 형상이다. 더욱이, 전자총용 필라멘트(1)의 외주면을 구성하는 한 쌍의 대향하는 면, 구체적으로는, 굴곡부(1a)를 포함하는 캐소드 대향면(1s)에 수직인 한 쌍의 면에는 와이어방전 가공에 의해 가공 흔적이 형성되게 된다. 이러한 가공 흔적은, 와이어 방전 가공시의 상기 공구 와이어 전극(WE1)의 진행 방향, 즉 전자총용 필라멘트(1)의 선 재료(P1)의 길이 방향으로 수직인 선 같은 모양의 흔적, 소위 가는 줄 흔적이 소정 간격마다 형성되게 된다. 따라서 당해 전자총용 필라멘트(1)는 그 단면의 형상이 직사각형인 것 및 상기 한 쌍의 면들에 소정 간격마다 가는 줄 흔적이 형성되어 있는 것에 의해, 종래와 같이 와이어(W)(도 1)를 굴곡시켜 형성한 필라멘트(100)와 식별이 가능하다.

다음으로, 상기 전자총용 필라멘트(1)를 탑재하는 전자총, 소위 피어스식 전자총(10)에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는, 예를 들면 증착 장치에 적용되는 피어스식 전자총(10)의 개략적인 구성을 나타내고 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 피어스식 전자총(10)은 교류 전류의 주울열에 의해 발열하여 열전자를 방출하는 전자총용 필라멘트(1)를 탑재하고 있다. 이러한 전자총용 필라멘트(1)의 캐소드 대향면(1s)에 대한 법선 방향(조사 방향(D))에는, 캐소드 전극(2), 웨넬트 전극(3), 애노드 전극(4), 플로우 레지스터(5) 등이 이러한 순서대로 배치되어 있다. 또한, 조사 방향(D)과는 반대 방향에 있어서 전자총용 필라멘트(1)의 옆에는 이온 컬렉터(8)가 배치되어 있다.

전자총용 필라멘트(1)의 굴곡부(1a)와 캐소드 전극(2)은 조사 방향(D)에 있어서 대향하도록 배치되어 있다. 도 4에 일점쇄선으로 표시한 바와 같이, 전자총용 필라멘트(1)와 캐소드 전극(2) 각각의 중심은 조사 방향(D)으로 연장되는 광축(A)상에 배치되어 설정되어 있다. 이러한 광축(A) 주위에 있어서의 캐소드 전극(2)의 주위는 웨넬트 전극(3)에 의해 둘러싸여 있다. 조사 방향(D)에 있어서 웨넬트 전극(3)의 옆에는 원추의 통형상을 이루며, 상기 캐소드 전극(2)의 하나의 면(조사 방향(D)에 수직인 면)과 대향하는 관통공을 갖는 애노드 전극(4)이 배치되어 있다. 이와 같은 애노드 전극(4)은 애노드 전극(4)의 관통공과 조사 방향(D)으로 연속하는 관통공을 갖는 플로우 레지스터(5)와 연결되어 있다. 플로우 레지스터(5)의 외주변에는 상기 애노드 전극(4)에 가까운 위치에서 순서대로 집속 코일(6)과 요동 코일(7)이 설치되어 있다. 집속 코일(6) 및 요동 코일(7)은 각기 자기장을 발생시켜, 애노드 전극(4)을 통과한 전자 빔(EB)을 조사 대상(본 실시예에서는 증착 재료(31)) 상에 집속시키거나, 혹은 증착 재료(31)상에 요동시키는 기능을 갖는다.

또한, 이들 전자총용 필라멘트(1), 각종 전극(2 내지 4), 각종 코일(6，7), 및 이온 컬렉터(8)는 개구를 갖는 상자체(9) 내에 탑재되어 있다. 상자체(9)의 개구는 전자 빔(EB)의 조사구로서 설정되고, 상기 애노드 전극(4) 및 플로우 레지스터(5) 각각의 관통공에 연결되어 있다. 또한, 상자체(9) 개구의 주변에는 플렌지(9a)가 설치되어 있고, 이러한 플렌지(9a)는 전자 빔(EB)의 조사 대상인 증착 재료(31)가 배치된 증착실(30)에 고정되어 있다. 증착실(30)은 이러한 플렌지(9a)를 매개하여 전자총(10)을 구성하는 상자체(9)의 개구와 연통되어 있다.

상기 전자총용 필라멘트(1)에는 당해 전자총용 필라멘트(1)에 교류 전류를 공급하는 필라멘트 전원(21)이 접속되어 있고, 또한, 캐소드 전극(2) 및 웨넬트 전극(3)에는 이들에 직류 전압을 인가하는 캐소드 전원(22)이 접속되어 있으며, 그리고 애노드 전극(4)에는 당해 애노드 전극(4)에 직류 전압을 인가하는 가속 전원(23)이 접속되어 있다. 이들 캐소드 전극(2), 웨넬트 전극(3) 및 애노드 전극(4)에는 전자총용 필라멘트(1)의 전위가 가장 낮고, 또한 애노드 전극(4)의 전위가 가장 높아지도록, 캐소드 전원(22) 및 가속 전원(23)으로부터의 입력 전압이 인가된다.

이러한 피어스식 전자총(10)에 있어서, 우선 필라멘트 전원(21)으로부터의 교류 전류가 전자총용 필라멘트(1)로 공급되고, 전자총용 필라멘트(1)가 2,000K 내지 3,000K 정도로 가열되어 열전자를 방출한다. 이에 따라 캐소드 전원(22)에 의해 전자총용 필라멘트(1)에 대하여 양 전위가 인가된 캐소드 전극(2)이 당해 전자총용 필라멘트(1)로부터의 열전자와 열복사에 의해 가열되는 것에 의해, 동일하게 열전자를 방출한다. 이러한 캐소드 전극(2)에 의해 방출된 열전자는, 당해 캐소드 전극(2)과 같은 전위인 웨넬트 전극(3)과 이들 캐소드 전극(2)과 웨넬트 전극(3)에 대하여 양 전위가 인가되어 있는 애노드 전극(4) 사이의 전위차에 의해 가속되면서, 상기 광축(A)을 따라 비행하게 된다. 그래서 애노드 전극(4)의 관통공과 이에 연결된 플로우 레지스터(5)를 통과한 열전자는 상자체(9)의 개구로부터 증착실(30)을 향하여 전자 빔(EB)으로서 방출된다.

이 때, 캐소드 전극(2)에서 방출되는 열전자의 일부가 상자체(9) 내 및 증착실(30)내에서 잔류 기체에 충돌하면 이와 같은 잔류 기체가 양이온화된다. 이러한 양이온은 상기 캐소드 전극(2)과 애노드 전극(4) 사이의 전압에 의해 가속된다. 이와 같이 가속된 양이온이 캐소드 전극(2)에 충돌하면, 이에 기인하여 캐소드 전극(2)에 구멍이 형성된다. 따라서 이러한 양이온이 장기간에 걸쳐서 방출되게 되면, 이러한 구멍이 커지게 되어 캐소드 전극(2)에 관통공이 형성될 염려가 있다. 이와 같은 상황을 고려하여, 캐소드 전극(2)에 인접하여 조사 방향(D)의 반대 방향에 상기 이온 컬렉터(8)가 배치되어 있다. 이러한 구성에서는, 캐소드 전극(2)에 관통공이 형성된 경우라고 하더라도, 이 캐소드 전극(2)의 관통공을 통하여 전자총용 필라멘트(1)로 방출된 양이온, 즉 이온빔이 이온 컬렉터(8)에 의해 흡수된다. 따라서 이온 빔에 의한 전자총(10)의 손상이 억제되게 된다.

여기서, 본 실시 형태에 관한 전자총용 필라멘트(1)는, 상술한 바와 같이, 종래의 필라멘트(100)(도 1 참조)와 비교하여 가공 왜곡이 적기 때문에, 종래의 필라멘트(100) 보다도 그 열변형이 억제된다. 결국, 전자총용 필라멘트(1)에 교류 전류가 공급될 때, 당해 전자총용 필라멘트(1)가 캐소드 전극(2)측으로 변위되는 것이 종래의 필라멘트(100)보다도 억제된다. 따라서 전자총용 필라멘트(1)와 캐소드 전극(2)간의 거리(이하, F-C 거리라고 한다)를 단축하는 것이 가능해진다. 그러므로, 종래와 같은 전자 빔(EB)의 출력을 얻는 데에 있어서는, F-C거리가 단축되는 것만큼 전자총용 필라멘트(1)의 가열 조건이 보다 완만하게 된다. 따라서 가공 왜곡이 적을 뿐만 아니라, 이에 의해 가열 조건이 완만해진다는 점에서도, 전자총용 필라멘트(1)의 열변형이 보다 확실하게 억제 가능해진다. 나아가, 전자총용 필라멘트(1)와 캐소드 전극(2)의 F-C거리가 보다 일정한 값으로 유지됨과 동시에, 전자총용 필라멘트(1)의 중심과 캐소드 전극(2)의 중심이 초기의 위치로 바람직하게 유지된다. 그 결과, 전자총(10)에서 방출되는 전자 빔(EB) 출력의 안정성이 향상된다.

실시예

이하, 본 발명에 관한 전자총용 필라멘트(1)의 실시예 1을 제조예와 함께 설명한다.

두께가 0.5㎜ 정도인 텅스텐 판을 금속판(P)으로서 준비하고, 상기 와이어 방전 가공 장치(WE)를 사용한 와이어 커트 가공을 실시하는 것에 의해, 상기 굴곡부(1a)를 포함하는 선 재료(P1)를 당해 텅스텐 판에서 잘라냈다. 따라서 텅스텐 판에서 잘라낸 선 재료(P1)의 길이 방향에 있어서의 양 단부에 굴곡 가공을 실시하여 다리부(1b)를 형성하는 것으로, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)를 수득하였다. 또한, 직경이 0.5㎜ 정도의 텅스텐선 재료, 즉 단면이 원의 형상인 와이어에 대하여 굴곡 가공을 실시하는 것에 의해, 상기 굴곡부(1a)에 대응하는 굴곡부(100a)와 상기 다리부(1b)에 대응하는 다리부(100b)를 갖는 비교예의 필라멘트(100)를 얻었다.

그리고 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)를 탑재한 전자총(10)과 비교예의 필라멘트(100)를 탑재한 전자총(10)을 하기의 조사 조건으로 구동하여, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)의 캐소드 전극(2)측으로의 변형량과 비교예의 필라멘트(100)의 캐소드 전극(2)측으로의 변형량을 계측하였다. 또한, 계측에 사용한 전자총(10)은, 필라멘트가 다른 점 이외는 동일 구성이다.

ㅇ 전자 빔의 출력: 17㎾

ㅇ 가속 전압: 20㎸

ㅇ 캐소드 전압: 1.2㎸

ㅇ F-C거리: 4.2㎜

　또한 전자총(10)에서의 전자 빔(EB)의 출력을 제어하는 방법으로서는, 소위 필라멘트 제어와 캐소드 제어가 공지되어 있다. 이들의 중에서 필라멘트 제어란, 필라멘트(1)와 캐소드 전극(2)과의 사이에 인가하는 전압 즉 캐소드 전압을 일정하게 하고, 필라멘트(1)에 투입하는 전력을 조정하는 것에 의해 전자 빔(EB)의 출력을 제어하는 방법이다. 한편, 캐소드 제어란, 필라멘트(1)에 투입하는 전력을 일정하게 하고, 상기 캐소드 전압을 조정하는 방법이다. 이하에서는, 이들 두 가지의 제어 방법들 중에서 주로 필라멘트 제어에 의해 각 전자총(10)을 구동하여 얻어진 결과를 나타낸다.

상술하는 변형량을 측정한 결과, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)의 캐소드 전극(2)측에의 변형량이 비교예의 필라멘트(100)의 캐소드 전극(2)측으로의 변형량보다도 1.6㎜ 만큼 작은 것이 확인되었다. 결국 비교예의 필라멘트(100)를 사용한 경우에는, F-C거리의 최소값으로서 4.2㎜가 필요한 것에 대하여, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)를 사용하는 것에 의해, F-C거리의 최소값이 2.6㎜까지 단축 가능한 것이 확인되었다.

이어서, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)를 탑재한 전자총(10)에서 조사되는 전자 빔출력의 조사 조건 의존성을 계측하였다. 도 5는 하기의 조사 조건에 있어서 조사되는 전자 빔출력과 전자총용 필라멘트(1)에의 투입 전력과의 관계를 2종류의 F-C거리에 대하여 나타낸 도이다. 또한, 도 6은 동일하게 하기의 조사 조건에 있어서 조사되는 전자 빔출력과 캐소드 전극(2)으로의 투입 전력과의 관계를 2종류의 F-C거리에 대하여 나타내는 도이다. 그래서 도 7은, F-C거리를 2.6㎜로 하였을 때의 전자 빔 출력과 전자총용 필라멘트(1)로의 투입 전력과의 관계를 3종류의 캐소드 전압에 대하여 나타내는 도이다. 또한, 캐소드 전극(2)으로의 투입 전력이란, 상기 캐소드 전압과, 필라멘트(1)와 캐소드 전극(2) 사이에 흐르는 전류와의 곱이다.

여기서, 도 5 및 도 6에서는, F-C거리를 2.6㎜로서 얻어진 결과를 검은 색 원형으로, 다른 한편, F-C거리를 4.2㎜로서 얻은 결과를 검은 색 사각형으로 각각 나타내고 있다. 또한 도 7에서는 캐소드 전압을 1.0㎸로서 얻은 결과를 검은 색 마름모꼴로, 그리고 캐소드 전압을 1.2㎸로서 얻은 결과를 검은 색 원형으로, 또한 캐소드 전압을 1.4㎸로서 얻은 결과를 검은 색 삼각형으로 각각 나타내고 있다.

ㅇ 전자 빔의 최대 출력: 30㎾

ㅇ 가속 전압: 20㎸

ㅇ 캐소드 전압: 1.2㎸

ㅇ F-C 거리: 2.6㎜，4.2㎜

이와 관련하여, F-C 거리로서 설정된 2.6㎜와 4.2㎜ 중에서, 4.2㎜는 도 1에 나타내는 종래의 제조 방법으로 제조된 비교예의 필라멘트(100)를 사용한 경우에, F-C 거리로서 설정 가능한 최소값이다. 이에 대해, 2.6㎜는 도 3에 나타낸 본 실시 형태에 관한 제조 방법으로 제조한 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)를 사용한 경우에, 상기 F-C 거리로서 설정 가능한 최소값이다. 여기에서, 본 실시 형태에 관한 제조 방법으로 제조된 필라멘트(1)가 캐소드 전극(2)과의 거리를 보다 짧게 설정이 가능한 이유는 상술한 바와 같다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 전자 빔(EB)의 출력을 17㎸에서 얻을 경우, 필라멘트(1)에의 투입 전력은, 상기 F-C 거리가 2.6㎜인 때에는 대략 83.6W인 것에 대하여, 상기 F-C 거리가 4.2㎜의 경우에는 대략 93.1W이다. 따라서 상기 F-C 거리를 단축하는 것에 의해, 필라멘트(1)에의 투입 전력이 대략 10％ 정도 저감할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 전자 빔(EB)의 출력을 17㎸로 하는 경우로 한정하지 않고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 0.84㎾, 2.8㎾, 5.6㎾ 혹은 11.2㎾로 한 경우에도 대략 동일한 경향이 얻어진다. 이는, F-C 거리가 단축된 것만큼 필라멘트(1)에서 방출된 열전자가 캐소드 전극(2)에 끌려들기 쉽게 되는 것 및 열복사에 관한 형태 계수, 즉 필라멘트(1)에서 복사되는 열이 캐소드 전극(2)에 도달하는 비율이 커지는 것에 의한 것이라고 사료된다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 전자 빔(EB)의 출력을17㎸로 할 때의 캐소드 전극(2)으로의 투입 전력은, 상기 F-C 거리를 4.2㎜로 했을 때 932.4W인 것에 대해, 상기 F-C 거리를 2.6㎜로 했을 때 560W이다. 따라서 상기 F-C 거리를 단축하는 것에 의해, 캐소드 전극(2)으로의 투입 전력이 대략 40％ 정도 저감되는 것을 알았다. 또한 도 6에 나타낸 바와 같이, 전자 빔(EB)의 출력을 0.84㎾, 2.8㎾, 5.6㎾ 및 11.2㎾ 중에서 어느 것으로 설정하여도, 상기 17㎾로 설정한 경우만큼은 아니라도, 캐소드 전극(2)으로의 투입 전력이 저감되는 것을 알았다. 이러한 점도 상술한 바와 같이, 상기 F-C 거리가 단축된 것만큼, 전자총용 필라멘트(1)에서 방출된 열전자가 캐소드 전극으로 도입되기 쉬워지는 것 및 열복사에 관한 형태 계수, 즉 필라멘트(1)에서 복사되는 열이 캐소드 전극(2)에 도달하는 비율이 커지는 것에 의한 것이라고 생각된다. 또한, 공간 전하의 양이 제한되는 것에서, F-C 거리가 클수록 높은 캐소드 전압이 필요해지는 것도, 큰 캐소드 전극 투입 전력이 필요해지는 하나의 요인이라고 생각된다.

이들 도 5 및 도 6의 결과로부터 명확한 바와 같이, 상기 F-C 거리를 단축하는 것에 의해, 전자총용 필라멘트(1)로의 투입 전력이나 캐소드 전극(2)으로의 투입 전력을 저감하면서도 원하는 전자 빔(EB)의 출력이 얻어지게 된다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 전자 빔(EB)의 출력을 0.84㎾, 2.8㎾, 5.6㎾, 11.2㎾ 및 17㎾ 중 어느 것에 설정하여도, 캐소드 전압이 높을수록, 필라멘트(1)로의 투입 전력이 작은 값을 가졌다. 이는, 캐소드 전압이 높은 만큼 필라멘트(1)에서 방출된 열전자가 캐소드 전극(2)으로 도입되기 쉬워지기 때문이라고 생각할 수 있다. 그렇지만, 전자 빔(EB)의 출력의 제어성은 도 7에 나타내는 각 그래프의 기울기에서도 알 수 있듯이, 캐소드 전압이 낮을수록 향상한다. 이러한 이유는 캐소드 전압이 낮을수록, 필라멘트(1)로의 투입 전력을 소정값 만큼 크게, 혹은 작게 했을 때 전자 빔(EB)의 출력변화 정도가 완만해지기 때문이다. 따라서 전자 빔(EB)의 출력 제어에 따른 정밀도가 향상된다고 할 수 있다.

이러한 도 7의 결과로부터 명백한 바와 같이, 상술한 필라멘트 제어로써 전자총(10)을 구동하는 경우, 캐소드 전압은 보다 낮은 값으로 한 쪽이 전자 빔(EB)의 출력 제어에 관한 정밀도를 향상시킬 수는 있지만, 원하는 전자 빔(EB)의 출력을 얻기 위해서는, 전자총용 필라멘트(1)에의 투입 전력을 보다 크게 할 필요가 있다. 이러한 점은, 상술한와 같이, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)이면, 상기 F-C 거리를 단축시키는 것이 가능하기 때문에, 원하는 전자 빔(EB)의 출력을 얻는 데에 있어서 전자총용 필라멘트(1)로의 투입 전력이 저감 가능해진다. 그 때문에, 전자 빔(EB)의 출력 제어에 관한 정밀도를 향상시키는 데에 필요로 하는 전자총용 필라멘트로의 투입 전력의 증가분을 F-C 거리의 단축에 의한 감소분에 의해 상쇄하는 것도 가능해진다. 즉 굴곡부(1a)에 있어서 가공의 왜곡이 억제된 전자총용 필라멘트(1)이면, 당해 전자총용 필라멘트(1)로의 투입 전력을 크게 할 것 없이 전자 빔(EB)의 출력 제어에 관한 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

이어서, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)를 탑재한 전자총(10)과 비교예의 필라멘트(100)를 탑재한 전자총(10)을 하기의 조사조건으로 구동했을 때의 빔 전류의 경시적인 안정 성능을 계측하였다. 또한 계측에 사용한 전자총(10)은, 필라멘트가 상이한 점 이외는 동일한 구성이다. 도 8a는 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)의 빔 전류의 변동 정도를, 또한 도 8b는 비교예의 전자총용 필라멘트(100)의 빔 전류의 변동 정도를 나타낸 것이다. 이들 도 8a 및 도 8b에 있어서는, 1시간마다의 빔 전류의 최대값을 실선(Lmax)으로 하고, 또한 그의 최소값을 실선(Lmin)으로 하며, 그리고 1시간당 빔 전류의 평균값을 파선(Lav)으로 각각 나타내고 있으며, 1시간당 빔 전류의 변동 폭으로서의 이들 최대값과 최소값의 차가 막대그래프로 표시되어 있다.

ㅇ 전자 빔의 출력: 17㎾

ㅇ 가속 전압: 20㎸

ㅇ 빔 전류: 850㎃

ㅇ 캐소드 전압: 1.2㎸(실시예 1)，1.4㎸(비교예)

ㅇ F-C 거리: 2.6㎜(실시예 1)，4.2㎜(비교예)

ㅇ 조사 시간: 90시간

도 8a에 나타내는 실시예 1에서는, 상술한 바와 같이 F-C 거리를 2.6㎜로 설정이 가능하기 때문에, 상기 조사 조건을 만족하는 캐소드 전압으로서 1.2㎸가 설정이 가능하게 된다. 이러한 조사 조건 하에서 빔 전류의 값을 대략 90시간에 걸쳐 측정한 바, 1시간당 빔 전류의 평균값과 최대값의 차이가 최대 5㎃이고, 또한 동 평균값과 최소값의 차이가 최대 3㎃였다. 이에 대하여, 도 8b에 나타내는 비교예에서는, 필라멘트와 캐소드 전극과의 거리는 4.6㎜로 설정되기 때문에, 상기 조사 조건을 만족하는 캐소드 전압으로서 1.4㎸가 설정되게 된다. 이러한 조사 조건하에서 빔 전류의 값을 대략 90시간에 걸쳐서 측정한 바, 1시간당 빔 전류의 평균값과 최대값의 차이가 최대 10㎃이고, 또한 동 평균값과 최소값의 차이가 최대 4㎃였다.

이와 같이, 비교예의 필라멘트(100)를 사용한 경우의 변동 폭에 비해, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)를 사용한 경우의 변동 폭을 1/1.75 정도로 저감할 수 있다. 이와 같이 변동 폭이 저감되는 것은, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)에서는, 비교예의 필라멘트(100)와 비교하여, 가열에 의해 열변형을 억제할 수 있기 때문에 통전에 기인하는 F-C 거리의 변동을 저감할 수 있으면서 그와 함께, F-C 거리를 단축할 수 있고, 그 결과로서 캐소드 전압을 낮게 설정하여 전자 빔(EB)의 출력 제어성을 향상시킬 수 있기 때문이라고 생각된다.

이어서, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)를 탑재한 전자총(10)과 비교예의 필라멘트(100)를 탑재한 전자총(10)을, 도 8a 및 도 8b의 경우와 동일한 조사 조건으로 구동했을 때의 내용(耐用) 시간인 필라멘트 수명을 계측하였다. 또한, 여기에서 말하는 내용 시간이란, 필라멘트로의 통전을 개시하고부터 이것이 단선되기까지의 시간이다. 또한, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)와 비교예의 필라멘트(100) 각각에 대하여 25개체의 내용 시간을 측정하고 있다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 비교예의 필라멘트(100)의 내용 시간에 따른 평균이 371시간인 것에 대해, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)의 내용 시간에 따른 평균은 700시간이었다. 결국, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)의 평균 내용 시간이 비교예의 필라멘트(100)의 평균 내용시간의 1.9배 정도인 것을 알았다. 이와 같이 평균 내용 시간을 길게 할 수 있는 것은, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)에서는, 가열에 의해 변형이 억제되기 때문에, 당해 전자총용 필라멘트(1)에 있어서의 기계적인 열화를 억제할 수 있으면서 그와 함께, F-C 거리를 단축시킬 수 있다는 점에서, 전자총용 필라멘트(1)로의 투입 전력을 저감할 수 있게 되는, 즉, 전자총용 필라멘트(1)의 온도를 저하시킬 수 있었기 때문이라고 생각된다. 추가적으로, 비교예의 필라멘트(100)에서는, 최장의 내용 시간과 최단의 내용 시간의 차가 약 300시간인 것에 대해, 실시예 1의 전자총용 필라멘트(1)에서는 그 최장의 내용 시간과 최단의 내용 시간과의 차가 약 200시간이 되며, 전자총용 필라멘트(1) 개체 간에서의 내용 시간의 격차도 억제 가능하다는 것이 확인되었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서 전자총용 필라멘트(1)의 제조 방법에 의하면 이하에 열거하는 효과들을 얻을 수 있게 된다.

(1) 전자총용 필라멘트(1)에 형성된 굴곡부(1a)를 구성하는 선 재료(P1)가 금속판(P)에서 잘라 내어진다. 이에 의해, 예를 들면 와이어(W)와 같은 선 재료에 굴곡 가공을 실시하는 것에 의해 형성된 굴곡부(100a)를 갖는 종래의 필라멘트(100)와 비교하여, 전자총용 필라멘트(1)에서는, 굴곡부(1a)의 내부에 잔류하는 가공 왜곡을 억제할 수 있다. 그 결과, 전자총(10)의 사용에 있어서, 전자총용 필라멘트(1)가 가열되는 것이 있어도, 굴곡부(1a)의 내부에 잔류하는 가공 왜곡이 극히 작은 것으로서, 굴곡부(1a)의 왜곡 귀환이 생기는 것이 억제된다. 따라서 굴곡부(1a)의 형상에 변화를 일으키는 것, 즉, 필라멘트(1)가 가열에 기인하여 변형하는 것이 억제된다.

(2) 전자총용 필라멘트(1)의 열변형이 억제되기 때문에, 전자총용 필라멘트(1)와 캐소드 전극(2)의 거리(F-C 거리)를 단축할 수 있다. 그 결과, 전자총(10)으로의 투입 전력, 예를 들면 필라멘트(1)로의 투입 전력이나 캐소드 전극(2)으로의 투입 전력을 저감시키면서도, 원하는 전자 빔(EB)의 출력을 얻을 수 있다.

(3) 전자총용 필라멘트(1)의 열변형이 억제되기 때문에, 통전에 기인하는 F-C 거리의 변동을 저감시킬 수 있으면서 그와 함께, F-C 거리를 단축시킬 수 있다. 그 결과, 캐소드 전압을 낮게 설정하여 전자 빔(EB)의 출력 제어성을 향상할 수 있다. 이러한 출력 제어성의 향상에 의해, 종래의 필라멘트(100)를 사용한 경우의 전자 빔(EB)의 출력 변동 폭에 비해서, 본 실시 형태의 전자총용 필라멘트(1)를 사용한 경우의 전자 빔(EB)의 출력 변동 폭을 약 1/1.75 정도로 저감시킬 수 있다.

(4) 전자총용 필라멘트(1)의 열변형이 억제되기 때문에, 당해 전자총용 필라멘트(1)에 있어서 기계적인 열화를 억제할 수 있으면서 그와 함께, F-C 거리를 단축할 수 있다. 그 결과, 전자총용 필라멘트(1)에 투입하는 전력을 저감하여, 당해 전자총용 필라멘트(1)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이에 의해, 종래의 필라멘트(100)와 비교하여, 전자총용 필라멘트(1)의 평균 내용 시간을 약 1.9배 정도로 연장할 수 있다.

(5) 종래의 필라멘트(100)에서는, 최장의 내용 시간과 최단의 내용 시간의 차가 대략 300시간인 것에 대하여, 본 실시 형태에 관한 전자총용 필라멘트(1)에서는, 그 최장의 내용 시간과 최단의 내용 시간의 차가 대략 200시간이다. 따라서 전자총용 필라멘트(1)의 개체 간에서의 내용 시간의 격차도 억제된다.

또한, 상술한 실시 형태는 이하와 같이 적절하게 변경하여 실시하는 것도 가능하다.

ㅇ 전자총(10)은 상기 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 집속 코일 및 플로우 레지스터를 더 구비하는 구성으로 해도 좋다.

ㅇ 전자총용 필라멘트(1)의 굴곡부(1a)를 구성하는 굴곡(1c)의 개수나 굴곡부(1a)의 형상은 상기의 개수 및 형상에 한정되지 않는다. 예를 들면, 굴곡부(1a)를 구성하는 굴곡의 수는 임의로 설정이 가능하면서 그와 함께, 굴곡부(1a)의 형상은 선 재료(P1)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 요철 곡선 형상이어도 좋다. 또한, 굴곡부(1a)의 형상을 소위 소용돌이 형상으로 해도 좋다.

ㅇ 금속판의 두께를 0.5㎜로 하였지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 전자총(10)에서 얻는 출력 등에 따라서 임의로 변경 가능하다.

ㅇ 와이어 방전 가공의 조건, 예를 들면 공구 와이어 전극(WE1)과 금속판(P) 사이에 인가되는 전압의 크기나, 금속판(P)의 이동 속도인 가공 이송 속도 등은, 필라멘트의 형상이나 와이어 방전 가공 장치(WE)의 성능 등에 따라서 임의로 설정가능이다.

ㅇ 전자총용 필라멘트(1)의 금속판(P)에서 잘라내는 것은 와이어 방전 가공에 의해 수행하는 것으로 하였다. 이에 한정되지 않고, 예를 들면 워터 제트법 등, 다른 가공 방법을 채용하여도 좋다. 또한, 워터 제트법이란, 0.1㎜ 내지 1.0㎜ 정도의 구멍을 통하여 예를 들면 300ＭPa 정도로 가압된 물을 사용하여 상기 금속판(P) 등의 절단 가공을 수행하는 방법으로, 예를 들면 수류는 500㎧ 내지 800㎧로 설정된다.

ㅇ 또한, 가압된 수류에 연마재를 혼입하여, 이것으로 가공을 행하는 어브레이시브 제트법을 채용해도 좋다.

ㅇ 금속판(P)의 형성 재료, 즉 필라멘트(1)의 형성 재료를 텅스텐으로 하였다. 이에 한정하지 않고, 텅스텐을 함유하는 합금을 필라멘트의 형성 재료로서 사용하여도 좋다. 혹은, 텅스텐의 대신에 탄탈륨 등의 다른 금속 재료를 필라멘트 재료로서 사용해도 좋다. 탄탈륨(Ta)의 일함수는 텅스텐(W)의 그것보다도 작기 때문에, 탄탈륨은 텅스텐보다도 낮은 온도에서 그와 같은 양의 열전자를 방출할 수 있다. 예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 1.2A/㎠의 열전자를 얻는 온도는, 탄탈륨에서는 약 2,500K이고, 텅스텐에서는 약 2,640K이다. 따라서 텅스텐 대신 탄탈륨을 사용하는 것으로서, 필라멘트(1)의 온도를 약 140K 정도 낮게 할 수 있다.

ㅇ 상기 전자총용 필라멘트(1)의 구성 재료인 금속 재료는 일반적으로 결정 입자의 집합체이고, 이러한 결정 입자는 가열에 의해 입자 직경을 확대시킨다. 이 가열의 조건이 고온화, 혹은 장기화 등이면, 전자총용 필라멘트(1)에 있어서 결정 입자의 조대화가 진행되어 버리고, 이에 기인하여 필라멘트(1)가 취화될 우려가 있다. 그래서 상기 금속판(P)으로서는, 단일 판재로 이루어진 것을 채용하였지만, 이것을 변경하여, 복수의 금속판으로 이루어진 금속 적층판을 사용하여 필라멘트를 형성하여도 좋다. 이러한 구성이면, 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.

(6) 단일의 금속판으로 이루어진 판재를 사용하는 경우와 비교하여, 금속판 한 장당 두께를 얇게 할 수 있고, 금속판의 두께 방향에 있어서 결정 입자의 조대화가 스스로 억제되며, 나아가서는 전자총용 필라멘트의 강도 및 수명도 향상되게 된다.

ㅇ 금속 박판과 같이 압연으로 형성된 재료는 통상적으로, 그 압연율이 높을수록, 압연 방향과 그의 다른 방향에서 기계적인 특성인 기계적 강도가 다르게 된다. 예를 들면, 탄성율, 항복 강도 및 인장 강도 등은 상기 압연 방향과는 수직인 방향에 있어서 최대, 그리고 압연 방향과 평행한 방향에 있어서 최소이고, 다른 한편으로는, 신장은 압연 방향과는 수직인 방향에 있어서 최소, 그리고 압연 방향과 평행한 방향에 있어서 최대로 되는 경향을 갖는다. 그 때문에, 단일 판재로 이루어진 금속판에 의해 전자총용 필라멘트(1)가 형성되게 되면, 특정 방향에 있어서 그의 기계적 강도가 원하는 정도로 유지되지 않을 우려가 있다. 따라서 상기 적층판을 사용하는 경우에는, 각 금속판의 압연 방향이 서로 교차하도록 복수의 금속판이 적층되는 것이 바람직하다. 이러한 구성이면, 상술한 (6)에 추가적으로 다음과 같은 효과를 얻는다.

(7) 적층판을 구성하는 금속판 각각의 기계적인 특성이 보상되게 되며, 적층판으로서의 기계적 강도가 향상되고, 나아가 이러한 적층판에서 잘라낸 선 재료로 구성된 당해 전자총용 필라멘트의 기계적 강도도 향상되게 된다.

또한, 전술한 (7)의 효과는 서로 인접하는 금속판끼리를 그들의 압연 방향이 수직을 이루도록 적층했을 때에 가장 현저해진다.

ㅇ 또한, 상기 적층판을 사용하는 경우에는, 복수의 금속판이 서로 다른 금속 재료로 형성되어도 좋다. 이에 의해, 다음과 같은 효과를 얻는다.

(8) 적층판에 있어서 인접하는 금속판끼리가 서로 다른 금속 재료로 이루어지기 때문에, 동일 금속 재료로 이루어진 복수의 금속판을 적층한 적층판에 비해, 하나의 금속판을 구성하고 있는 결정 입자가, 다른 금속판과의 경계면을 넘어서 조대화되는 것이 억제된다. 즉, 결정 입자가, 그의 결정 입자로 이루어진 금속판의 두께를 넘어서 조대화되는 것이 억제된다. 나아가서는, 적층판의 두께방향에 있어서 결정 입자의 조대화를, 각 결정 입자가 속하는 금속판의 두께로 제한하는 것이 가능하게 된다.

ㅇ 또한, 상이한 금속판을 사용하여 적층판을 형성할 때에는, 전자총용 필라멘트(1)의 상기 캐소드 전극(2)에 대향하는 측에 배치되는 금속판을, 다른 금속판보다도 일함수가 작은 재료로 이루어져도 좋다. 예를 들면, 텅스텐(W)금속과 탄탈륨(Ta)금속으로 이루어진 금속 적층판을 사용하여 필라멘트를 형성하여도 좋다. 도 11은, 탄탈륨 금속판(42)과 텅스텐 금속판(43)의 텅스텐-탄탈륨(W-Ta) 적층판을 사용하여 형성된 실시예 2의 필라멘트(41)의 구성을 개략적으로 나타낸다. 이러한 필라멘트(41)를 사용한 전자총(10)에서는, 탄탈륨 금속판(42)이 캐소드 전극(2)과 대향하여 배치되고, 텅스텐 금속판(43)이 캐소드 전극(2)과 반대측에 배치된다. 즉, 탄탈륨 금속판(42)이 캐소드 대향면(1s)을 포함한다. 필라멘트(41)는 텅스텐 금속판(43)에 탄탈륨 금속판(42)을 접합하여 텅스텐-탄탈륨(W-Ta) 적층판을 얻은 후, 텅스텐-탄탈륨(W-Ta) 적층판에서 선 재료를 잘라내는 것에 의해 형성된다. 또한, 금속판들(42，43)을 접합하는 대신, 텅스텐 금속판(43)에 탄탈륨 금속을 용사하는 것으로, 혹은 탄탈륨 금속판(42)에 텅스텐 금속을 증착하는 것으로, 텅스텐-탄탈륨(W-Ta) 적층판을 형성하는 것도 가능하다. 말하자면, 텅스텐 금속판(43)에서 텅스텐 선 재료를 잘라내고, 당해 텅스텐 선 재료에 탄탈륨 금속를 용사하는 것으로 필라멘트(41)를 형성해도 좋다. 혹은, 탄탈륨 금속판(42)에서 탄탈륨 선 재료를 잘라내고, 당해 탄탈륨 선 재료에 텅스텐 금속을 증착하는 것에 의해 필라멘트(41)를 형성하여도 좋다. 상기한 바와 같이, 탄탈륨은, 텅스텐보다도 낮은 온도에서, 그와 같은 양의 열전자를 방출할 수 있다(도 10 참조). 이 때문에, 실시예 2에서는, 실시예 1의 필라멘트(1)에 비해, 필라멘트(41)의 온도 상승을 억제하여 평균 내용 시간(평균 수명)을 연장할 수 있다. 도 12는, 실시예 1의 필라멘트 수명과 실시예 2의 필라멘트 수명을 나타내는 그래프이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 필라멘트(1)의 평균 수명은 700시간인 것에 대하여, 실시예 2의 필라멘트(41)의 평균 수명은 838시간이다. 따라서 실시예 2에서는, 실시예 1보다도 평균 수명을 약 1.2배 정도 연장할 수 있다. 여기에서, 탄탈륨은, 낮은 온도에서 열전자를 효율적으로 방출할 수 있는 반면, 고온에서는 텅스텐보다도 인장강도에 있어서 나쁘다. 이 때문에, 텅스텐-탄탈륨(W-Ta) 적층판을 사용한 경우에는, 필라멘트(41)의 충분한 강도를 확보하면서, 같은 필라멘트(41)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 요약하면, 실시예 2의 필라멘트(41)는, 이하와 같은 이점을 갖는다.

(9) 필라멘트(41)는, 탄탈륨 금속판(42)과 텅스텐 금속판(43)의 W-Ta 적층판을 사용하여 형성된다. 필라멘트(41)를 전자총(10)에 배치한 경우, 탄탈륨 금속판(42)은 캐소드 전극(2)에 대향하여 배치된다. 탄탈륨은 텅스텐보다도 낮은 온도에서 열전자를 방출한다. 따라서 단일 재료의 선 재료를 절곡하는 것에 의해 형성된 종래의 필라멘트(100)나, 단일 금속판에서 선 재료를 잘라내는 것에 의해 형성된 실시예 1의 필라멘트(1)에 비해, 캐소드 전극(2)에 대향하는 금속판(즉, 탄탈륨 금속판(42))의 온도 상승이 억제된다. 나아가, 텅스텐 금속판(43)의 온도 상승이 억제되고, 필라멘트(41) 자체의 온도 상승이 억제된다. 이에 의해, 실시예 1에 비해서, 필라멘트(41)가 캐소드 전극(2) 측으로 변형되는 것을 억제하는 것이 가능해진다.

ㅇ 상이한 일함수를 갖는 세 가지 이상의 금속들(또는 금속판들)을 사용하여 필라멘트를 형성하여도 좋다. 이 경우, 가장 일함수가 낮은 금속이 전자총의 캐소드 전극에 대향하여 배치되도록 필라멘트를 형성하는 것이 바람직하다.

Claims (14)

1. 전자총이 구비된 캐소드 전극의 가열에 사용되는 전자총용 필라멘트의 제조 방법에 있어서,
   금속 재료로 이루어진 판재를 준비하는 것;
   적어도 하나의 굴곡을 갖는 상기 필라멘트의 선 재료를 상기 판재로부터 잘라내는 것; 및
   상기 선 재료의 양 단부 각각에 상기 굴곡 전체를 포함하는 평면의 법선 방향으로 연장하여, 상기 전자총에 설치되는 다리부를 구부려서 형성하는 것을 구비하며,
   상기 판재를 준비하는 것은 탄탈륨 금속판과 텅스텐 금속판으로 이루어지는 금속 적층판을 준비하는 것을 포함하며,
   상기 탄탈륨 금속판이 상기 캐소드 전극과 대향하는 측에 배치되는 금속판으로서,
   상기 다리부는 상기 전자총에 있어서, 상기 캐소드 전극과 대향하는 상기 평면에 대하여 상기 캐소드 전극과는 반대측을 향하여 연장되는 전자총용 필라멘트의 제조 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 탄탈륨 금속판과 상기 텅스텐 금속판은 각각 압연 형성되고, 상기 탄탈륨 금속판과 상기 텅스텐 금속판은 각 금속판의 압연 방향이 서로 교차하도록 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전자총용 필라멘트의 제조 방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 전자총용 필라멘트의 선 재료를 상기 판재로부터 잘라내는 것은, 와이어 방전 가공에 의해 상기 판재로부터 상기 선 재료를 잘라내는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자총용 필라멘트의 제조 방법.
9. 전자총이 구비되는 캐소드 전극의 가열에 사용되는 필라멘트에 있어서,
   금속 재료에 의해 형성되는 적어도 하나의 굴곡을 갖는 선 재료를 구비하는, 상기 선 재료가 단면 직사각 형상을 가지며,
   상기 선 재료가 탄탈륨 금속판과 텅스텐 금속판의 적층판으로 이루어지며,
   상기 선 재료의 양 단부 각각에는 상기 굴곡 전체를 포함하는 평면의 법선 방향으로 연장하여, 상기 전자총에 설치되는 다리부를 구부려서 형성하고 있으며,
   상기 다리부는 상기 전자총에 있어서, 상기 캐소드 전극과 대향하는 상기 평면에 대하여 상기 캐소드 전극과는 반대측을 향하여 연장되어 있으며,
   상기 선 재료에 있어서, 상기 탄탈륨 금속판과 텅스텐 금속판이 상기 캐소드 전극측부터 순차적으로 적층되는 있는 것을 특징으로 하는 필라멘트.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 제 9 항에 있어서,
    열전자 방사 밀도가 0.4A/㎠ 이상인 상태에서 사용되는 것을 특징으로 하는 필라멘트.

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