KR102106075B1 - 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징 방법 - Google Patents

탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징 방법 Download PDF

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Abstract

탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징 방법이 개시된다. 개시된 에이징 방법은 캐소드 전극, 게이트 전극 및 애노드 전극을 포함하는 엑스선 발생 장치의 에이징 방법에 있어서, 상기 애노드 전극에 소정의 애노드 전압을 인가하는 단계와 상기 게이트 전극에 직류 펄스 전압을 인가하여 전자 방출원으로
Figure 112013082384676-pat00001
부터 전자를 방출하는 단계를 포함한다. 상기 전자방출원으로부터 방출되는 전자에 의해 형성되는 애노드 전류를 일정하게 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징 방법{Method of aging x-ray generator having carbon nanotube elelctron emitter}
개시된 실시예는 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징 방법 에 관한 것이다.
엑스선 발생 장치는 캐소드 전극에서 방출된 전자를 애노드 전극에 충돌시켜서 엑스선을 방출시킨다. 엑스선 발생 장치에 적용되는 전자 방출원은 탄소나노튜브일 수 있다.
유방조영술(mammography)에 사용되는 엑스선 발생장치는 애노드 전류가 대략 100mA로 매우 높으며, 이러한 고전류가 애노드 전극에 조사되면 애노드 전극은 과열로 손상을 입게 된다.
탄소나노튜브 엑스선 발생장치의 전자방출원은 폴리머 및 바인더를 포함하는 복수의 탄소나노튜브를 캐소드 전극 상에 프린팅하여 사용하므로, 탄소나노튜브들의 높이가 일정하지 않을 수 있다. 이러한 엑스선 발생장치에 전계를 걸어서 100mA 정도의 애노드 전류를 발생시키면 탄소나노튜브들의 위치의 불균일로 일부 탄소나노튜브에 전계가 집중되어서 전자방출원의 기능을 상실할 수 있다.
또한, 전자방출원에 포함된 폴리머, 바인더 등으로부터의 개스를 엑스선 발생장치의 외부로 아웃개싱(outgasing)을 위해서, 탄소나노튜브 엑스선 발생장치의 에이징이 필요하다.
균일한 높이의 탄소나노튜브들을 가진 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치를 제조하기 위한 에이징 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징 방법은 탄소나노튜브 전자 방출원이 형성된 캐소드 전극, 상기 캐소드 전극과 마주보는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극 상에 배치된 스페이서, 상기 스페이서 상의 게이트 전극 및 상기 스페이서를 덮는 충전 방지막을 포함하는 X-선 발생장치의 에이징 방법에 있어서, 상기 애노드 전극에 소정의 애노드 전압을 인가하는 단계; 및 상기 게이트 전극에 직류 펄스 전압을 인가하여 상기 전자 방출원으로부터 전자를 방출하는 단계;를 포함한다.
상기 전자방출원으로부터 방출되는 전자에 의해 형성되는 애노드 전류를 일정하게 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 직류 펄스 전압의 듀티 비는 5~20%일 수 있다.
일 국면에 따르면, 상기 애노드 전류를 일정하게 유지하는 단계는 상기 애노드 전압을 순차적으로 또는 스텝으로 감소시키는 단계를 포함한다.
다른 국면에 따르면, 상기 애노드 전류를 일정하게 유지하는 단계는 상기 듀티 비를 순차적으로 감소시키거나 또는 스텝으로 감소시키는 단계를 포함한다.
상기 애노드 전류를 일정하게 유지하는 단계는 상기 애노드 전류를 대략 25-35 mA 로 유지하는 단계일 수 있다.
상기 직류 펄스 전압의 펄스 듀레이션은 0.1 - 10초일 수 있다.
일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전계발생원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징 방법에 따르면, 교류 펄스 전압에 비해서 직류 펄스 전압을 게이트 전극에 인가하므로, 전자 발생 전압 공급이 용이해진다.
또한, 애노드 전극으로 향하는 애노드 전류를 일정하게 유지할 수 있으므로 장시간 에이징시 애노드 전극 상의 타겟의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 에이징으로 엑스선 발생장치의 수명이 길어질 수 있으며, 일정한 애노드 전류의 공급으로 엑스선 검출이 안정화될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징 방법이 적용되는 장치의 개략적 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징을 설명하는 전압 인가 타이밍도다.
도 3은 일 실시예에 따른 에이징 방법에 의해 시간 경과에 따라서 엑스선 발생장치 내의 압력 변화를 보여주는 그래프다.
도 4는 에이징에 의한 전계방출 특성을 비교한 결과를 보여주는 그래프다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징을 설명하는 전압 인가 타이밍도다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징을 설명하는 전압 인가 타이밍도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치(100)의 에이징 방법이 적용되는 장치의 개략적 도면이다.
도 1을 참조하면, 캐소드 전극(110) 상에 복수의 스페이서(130)가 배치되어 있다. 스페이서들(130)에 노출된 캐소드 전극(110) 상에는 전자방출원(120)이 배치된다. 전자방출원(120)은 표면에 노출된 탄소나노튜브들(122)을 포함한다. 스페이서(130) 상에는 게이트 전극(150)이 형성된다. 게이트 전극(150)은 복수의 개구부(152)가 어레이 형태로 형성된 그리드 전극일 수 있다. 전자방출원(120)은 복수의 스트라이프 형상으로 형성될 수 있으며, 도 1에는 편의상 두 개의 전자방출원 스트라이프를 도시하였다.
캐소드 전극(110) 상방에는 애노드 전극(160)이 배치된다. 애노드 전극(160)에서 캐소드 전극(110)과 마주보는 면 상에는 타겟(170)이 배치된다. 탄소나노튜브(122)로부터 방출되는 전자는 애노드 전극(160)으로 향하며, 이 전자의 흐름은 애노드 전류로 칭할 수 있다. 애노드 전류는 유방조형술 엑스선 발생장치에서는 대략 100mA 로 매우 높을 수 있다.
애노드 전극(160)을 향하는 전자들은 타겟(170)에 충돌하며, 타겟(170)으로부터 엑스선이 방출된다. 타겟(170)은 Mo, Ag, W, Cr, Fe, Co, Cu 등의 금속 또는 금속합금으로 형성될 수 있다. 애노드 전극(160) 상의 타겟(170)과 게이트 전극(150) 사이에는 포커싱 렌즈가 더 설치될 수 있다.
스페이서(130)의 측벽에는 충전 방지막(140)이 형성될 수 있다. 스페이서(130)의 상면에도 충전 방지막(140)이 형성될 수 있다. 충전 방지막(140)은 스페이서(130)를 덮도록 형성될 수도 있으며, 전자 방출원(120)을 둘러싸는 캐소드 전극(110) 상에도 형성될 수 있다. 충전 방지막(140)의 두께는 약 500 Å이하일 수 있다.
충전 방지막(140)은 스페이서(130)의 비저항과 게이트 전극(150)의 비저항 사이의 비저항 값을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 비저항 값(r)은 도포되는 충전 방지막(140)의 두께(t)와 전자 방출 소자에서 허용하는 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(150) 사이의 누설전류 양(I)에 따라 결정할 수 있으며 이는 하기 식1과 같은 옴의 법칙으로부터 계산될 수 있다.
I = V / R = V / (r * l/t)
여기서, V는 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(150) 사이에 인가된 게이트 전압이고, l은 스페이서(130)의 높이다. 예를 들어, 충전 방지막(140)의 비저항은 107 Ω㎝이상 1010　Ω㎝　이하 일 수 있다. 이와 같은 충전 방지막(140)의 물질로는 a-Si, Cr2O3, TaN, RuO2, PbO, NiCr, Bi2Ru2O7 등이 있을 수 있다.
전자방출원(120)에서 방출되는 전자는 일반적으로 게이트 전극(150) 내 개구부(152)를 통해 방출된다. 그러나, 전자방출원(120)에서 방출되는 전자의 일부는 충전 방지막(140)에 입사될 수 있다. 충전 방지막(140)의 비저항은 스페이서(130)의 비저항보다 작고 게이트 전극(150)의 비저항 보다 크기 때문에 충전 방지막(140)에 입사된 전자는 전위가 높은 게이트 전극(150)으로 이동하게 된다. 따라서, 스페이서(130)에 전하가 충전되는 것이 방지되며, 아킹이 감소된다.
캐소드 전극(110)을 접지하여 캐소드 전압(Vc)을 접지 전압으로 만들고, 게이트 전극(150)에는 대략 200-400 V의 게이트 전압(Vg)이 인가될 수 있으며, 애노드 전극(160)에는 대략 30-50 kV 의 애노드 전압(Va)이 인가될 수 있다. 애노드 전류는 대략 100mA로 높으며, 이 애노드 전류가 연속적으로 타겟(170)에 조사되면 타겟(170)이 열을 받아서 손상을 받게 된다. 실제 1회 유방조영술에 사용시 애노드 전류는 대략 0.01 ~1초 조사된다.
복수의 탄소나노튜브(122)를 포함하는 전자방출원(120)은 탄소나노튜브 페이스트 상태로 캐소드 전극(110) 상에 도포한 후, 건조, 소성 및 활성화로 탄소나노튜브들(122)이 표면으로 노출되면서 캐소드 전극(110)에 대해서 대략 수직으로 배열된다. 활성화 과정에서 탄소나노튜브들(122)의 높이가 일정하지 않을 수 있다. 탄소나노튜브들(122)의 높이가 다르면 다른 탄소나노튜브(122) 보다 높게 형성된 탄소나노튜브(122)에 전계가 집중되어 아킹이 일어나기 쉽다. 상기 아킹을 방지하기 위해, 그리고 아웃개싱을 위해 에이징을 한다.
도 2는 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원(120)을 포함하는 엑스선 발생장치의 에이징을 설명하는 전압 인가 타이밍도다. 도 1의 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 애노드 전극(160)에 소정의 애노드 전압(Va)이 인가된 상태에서 게이트 전압(Vg)을 인가한다. 이때, 캐소드 전극(110)에는 접지 전압을 인가할 수 있다. 애노드 전압(Va)은 애노드 전극(160) 및 캐소드 전극(110) 사이의 전압차이며, 게이트 전압(Vg)은 게이트 전극(150)과 캐소드 전극(110) 사이의 전압차다. 탄소나노튜브 엑스선 발생장치(100)에서 사용되는 애노드 전압(Va)은 대략 30-50 kV 일 수 있으며, 에이징을 위한 애노드 전압(Va)은 대략 3-5 kV 일 수 있다. 탄소나노튜브 엑스선 발생장치(100)에서 사용되는 게이트 전압(Vg)은 대략 200-400V 다. 에이징시의 게이트 전압(Vg)은 탄소나노튜브 엑스선 발생장치의 사용 게이트 전압(Vg)과 같을 수 있다.
게이트 전압(Vg)은 캐소드 전극(110)과의 전압 차로 캐소드 전극(110) 상의 탄소나노튜브(122)로부터 전자를 방출하게 한다. 실제 사용되는 게이트 전압(Vg)은 주로 스페이서(130)의 높이에 의해 달라질 수 있다.
에이징시의 애노드 전류는 대략 25-35 mA 정도 수준일 수 있다.
에이징시 인가되는 게이트 전압(Vg)은 도 2에서 보듯이 직류 펄스 전압이다. 게이트 전극(150)에 직류 펄스 전압이 인가시 전자방출원(120)으로부터 전자가 방출된다. 게이트 전압(Vg)으로 직류 펄스 전압을 인가하는 것은 전자방출원(120)으로부터 전자를 방출하기 위한 것이다. 직류 펄스 전압 인가는 지속적으로 게이트 전압(Vg)을 인가시 연속적인 애노드 전류에 의해 애노드 전극(160) 상의 타겟(170)의 온도가 상승하여 결과적으로 타겟(170)이 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다. 게이트 전압(Vg)의 직류 펄스 전압의 듀티 비는 대략 5% - 20% 일 수 있다. 듀티 비가 5% 보다 작으면, 에이징 시간이 길어 진다. 듀티 비가 20% 보다 크면 탄소나노튜브들(122)이 번아웃되어 기능을 상실할 수 있으며, 타겟(170)의 온도 상승에 의한 타겟(170)이 손상될 수 있기 때문이다.
한편, 게이트 전압(Vg)의 하나의 펄스 지속시간(D)은 대략 0.1~10초 일 수 있다.
상기 에이징 과정에서 게이트 전극(150)에 직류 전압을 인가하면, 전자방출원(120)으로부터 방출된 전자가 스페이서(130)의 측면에 쌓여서 결국 아킹이 일어날 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는 충전 방지막(140)이 스페이서(130)의 측벽에 형성되므로, 전하가 스페이서(130)에 쌓이는 것을 방지한다. 따라서, 게이트 전극(150)에 직류 펄스전압을 인가하여도 아킹이 일어나는 것이 방지될 수 있다.
상기 에이징 과정에서 나오는 개스는 진공펌프에 의해 배기된다. 에이징이 완료되면 엑스선 발생장치는 고 진공상태로 유지한 상태에서 봉지된다.
상기 실시예에서, 게이트 전극(150)에 직류 펄스전압인가는 직류 전압인가수단에 펄스 신호를 인가함으로써 수행될 수 있다. 즉, 게이트 전극(150)에 인가하는 직류전압 공급수단을 이용할 수 있다.
엑스선 발생장치의 에이징 과정은 대략 4시간 진행할 수 있다. 에이징으로 탄소나노튜브들(122) 중 높게 형성된 탄소나노튜브들(122)은 전계가 집중되면서 손상되게 되어서 전자방출 기능을 상실하게 된다. 이러한 과정을 거치게 되면 탄소나노튜브들(122)의 높이가 균일해지며 따라서 애노드 전극(160)으로 향하는 전자들의 분포가 균일해진다.
도 3은 일 실시예에 따른 에이징 방법에 의해 시간 경과에 따라서 엑스선 발생장치 내의 압력 변화를 보여주는 그래프다. 에이징은 애노드 전압 3 kV, 게이트 전압(Vg) 230V, 듀티 비 10% 조건으로 수행하였으며, 애노드 전류는 30mA 였다.
에이징 시간경과에 따라서 초기에는 아웃개스에 의해 압력이 증가하나, 대략 200분이 지나면서 초기 압력 이하로 감소하는 것을 볼 수 있다. 이 결과로 볼 때, 에이징 시간은 대략 4시간 정도 수행하면 되는 것으로 판단된다.
도 4는 에이징에 의한 전계방출 특성을 비교한 결과를 보여주는 그래프다. 제1 커브(C1)는 에이징을 하지 않은 엑스선 발생장치의 전류 특성을 보여주며, 제2 커브(C2)는 일 실시예에 따른 에이징을 한 엑스선 발생장치의 전류 특성을 보여준다. 에이징을 위해 애노드 전압 3 kV, 게이트 전압 230V을 듀티비 10%로 공급하였으며, 에이징 시간은 4 시간 수행하였다.
도 4를 참조하면, 게이트 전압이 150 V 이상으로 증가함에 따라 애노드 전류가 측정이 되었다. 에이징을 하지 않은 제1 커브(C1)와 비교시 에이징을 한 제2 커브(C2)에서 애노드 전류가 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉, 에이징으로 전계방출 효과가 증가한 것을 알 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징을 설명하는 전압 인가 타이밍도다.
에이징은 다단계로 나뉠 수 있으며, 도 5에서는 편의상 3단계로 구분하여 도시하였다. 에이징은 3개의 구간 (도 5의 0 ~ t1, t1 ~ t2, t2 ~ t3 구간)에서 애노드 전압(Va)을 순차적으로 감소시킨다.
에이징 제1 단계 (구간 0 ~ t1)에서는 위치가 높은 비교적 적은 탄소나노튜브들(122)로부터 전자가 방출되므로 전자의 양이 적으므로, 애노드 전압(Va)을 비교적 높게, 예컨대, 5 kV 인가하여 애노드 전류가 원하는 값이 되게 한다. 제1 단계에서 비교적 위치가 높은 탄소나노튜브들(122)에 전계가 집중되어서 번아웃 되거나 높이가 낮아질 수 있다.
에이징 시간 경과에 따라서 탄소나노튜브들(122)의 높이가 일정하게 되면 전자 방출량이 증가하므로 애노드 전류가 점차적으로 증가할 수 있다. 따라서, 에이징 제2 단계 (구간 t1 ~ t2) 및 제3 단계 (구간 t2 ~ t3)에서는 애노드 전압(Va)을 점차적으로 낮춘다. 예컨대, 제2 단계에서는 애노드 전압(Va)으로 4 kV 인가하고, 제3 단계에서는 애노드 전압(Va)으로 3 kV 인가한다. 이는 에이징을 하는 동안 애노드 전류를 일정하게 유지하기 위해서 애노드 전압(Va)을 스텝으로 감소시키는 것이다.
본 개시는 이에 한정되지 않는다. 애노드 전압(Va)을 스텝으로 감소시키는 대신에 애노드 전압(Va)을 일정하게 유지한 상태에서 게이트 전압(Vg)의 듀티 비를 순차적으로 감소시켜서 애노드 전류를 일정하게 유지할 수도 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 전자방출원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징을 설명하는 전압 인가 타이밍도다.
에이징 과정에서 탄소나노튜브들의 높이가 일정하게 되면서 애노드 전류가 증가한다. 따라서, 애노드 전류를 일정하게 하기 위해서 일정한 비율로 애노드 전압(Va)을 감소시키는 것이다. 에이징 단계(구간 0 ~ t1)의 초기에 5 kV 전압을 인가하고 이어서 연속적으로 미리 정한 스케쥴로 애노드 전압(Va)을 감소시켜서 에이징의 종료시 (t1) 애노드 전압(Va)은 3 kV로 감소된다. 이러한 애노드 전압(Va)의 연속적 감소로 에이징시 애노드 전류는 일정하게 유지될 수 있으며, 따라서, 애노드 전극 상의 타겟을 보호하면서도 에이징 시간을 단축시킬 수 있다.
본 개시는 이에 한정되지 않는다. 애노드 전압(Va)을 연속적으로 감소시키는 대신에 애노드 전압(Va)을 일정하게 유지한 상태에서 게이트 전압(Vg)의 듀티 비를 순차적으로 감소시켜서 애노드 전류를 일정하게 유지할 수도 있다.
상술한 탄소나노튜브 전계발생원을 가진 엑스선 발생장치의 에이징 방법에 따르면, 교류 펄스 전압에 비해서 직류 펄스 전압을 게이트 전극에 인가하므로, 전자 발생 전압 공급이 용이해진다.
또한, 애노드 전극으로 향하는 애노드 전류를 일정하게 유지할 수 있으므로 장시간 에이징시 애노드 전극 상의 타겟의 손상을 방지할 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 엑스선 발생장치 110: 캐소드 전극
120: 전자 방출원 122: 탄소나노튜브
130: 스페이서 140: 충전 방지막
150: 게이트 전극 152: 개구부
160: 애노드 전극 170: 타겟

Claims (7)

  1. 탄소나노튜브들을 포함하는 전자 방출원이 형성된 캐소드 전극, 상기 캐소드 전극과 마주보는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극 상에 배치된 스페이서, 상기 스페이서 상의 게이트 전극 및 상기 스페이서를 덮는 충전 방지막을 포함하는 엑스선 발생장치의 에이징 방법에 있어서,
    상기 애노드 전극에 소정의 애노드 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 게이트 전극에 직류 펄스 전압을 인가하여 상기 전자 방출원으로부터 전자를 방출하는 단계;를 포함하여 상기 탄소나노튜브들의 높이를 균일하게 하는 에이징 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자방출원으로부터 방출되는 전자에 의해 형성되는 애노드 전류를 일정하게 유지하는 단계를 더 포함하는 에이징 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 직류 펄스 전압의 듀티 비는 5~20%인 에이징 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 애노드 전류를 일정하게 유지하는 단계는 상기 애노드 전압을 순차적으로 또는 스텝으로 감소시키는 단계를 포함하는 에이징 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 애노드 전류를 일정하게 유지하는 단계는 상기 듀티 비를 순차적으로 감소시키거나 또는 스텝으로 감소시키는 단계를 포함하는 에이징 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 애노드 전류를 일정하게 유지하는 단계는 상기 애노드 전류를 25mA-35 mA로 유지하는 단계인 에이징 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 직류 펄스 전압의 펄스 듀레이션은 0.1 - 10초인 에이징 방법.
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