KR102399340B1 - 전자원 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
전자방출재료의 소모를 억제할 수 있는 전자원을 제공한다.
본 발명에 의하면, 전자방출재료와, 전자방출재료와 상기 전자방출재료의 측면을 피복하는 전자방출 제한재료를 구비하는 전자원으로서, 상기 전자방출 제한재료의 일함수가 상기 전자방출재료의 일함수보다 높고, 상기 전자방출 제한재료의 열복사율이 전자방출재료의 열복사율보다 낮은 것을 특징으로 하는 전자원이 제공된다.
본 발명에 의하면, 전자방출재료와, 전자방출재료와 상기 전자방출재료의 측면을 피복하는 전자방출 제한재료를 구비하는 전자원으로서, 상기 전자방출 제한재료의 일함수가 상기 전자방출재료의 일함수보다 높고, 상기 전자방출 제한재료의 열복사율이 전자방출재료의 열복사율보다 낮은 것을 특징으로 하는 전자원이 제공된다.
Description
본 발명은 전자 빔을 사용한 전자 현미경, 반도체 묘화 장치, 반도체 포토마스크 묘화 장치 등에 사용되는 전자원 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
특허문헌 1~6 및 비특허문헌 1에는, 전자원에 있어서, 전자방출재료의 주위를 흑연부재로 덮음으로써, 전자가 방출되는 영역을 제한하여 휘도의 향상과 잉여전류 억제를 가능하게 하는 기술이 개시되어 있다.
비특허문헌 1: Electron Optical Systems(pp.163-170)SEM Inc., AMF O'Hare(Chicago), IL 60666-0507, U.S.A.
상기 문헌의 기술에 대해 본 발명자들이 검토를 한바, 상기 문헌의 기술에 따라서는 전자방출재료의 소모를 충분히 억제할 수 없는 경우가 있는 것을 알았다.
본 발명은 이러한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 전자방출재료의 소모를 억제할 수 있는 전자원을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서, 이하의 수단을 채용한다.
(1) 전자방출재료와, 상기 전자방출재료의 측면을 피복하는 전자방출 제한재료를 구비하는 전자원으로서, 상기 전자방출 제한재료의 일함수가 상기 전자방출재료의 일함수보다 높고 상기 전자방출 제한재료의 열복사율이 전자방출재료의 열복사율보다 낮은 것을 특징으로 하는 전자원.
(2) 상기 전자방출재료가 붕화란탄, 붕화세륨 및 이리듐 세륨의 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 전자원.
(3) 상기 전자방출재료의 측면이 (100)면의 결정면을 외주부에 구비하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 전자원.
(4) 상기 전자방출 제한재료가 금속 탄탈, 금속 티탄, 금속 지르코늄, 금속 텅스텐, 금속 몰리브덴, 금속 레늄, 탄화 탄탈, 탄화 티탄 및 탄화 지르코늄 중의 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3)의 어느 한 항에 기재된 전자원.
(5) 상기 전자방출재료의 단면과 상기 전자방출 제한재료의 단면이 동일 평면 상에 있고, 또한 그 평면의 법선이 전자의 방출 방향인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4)의 어느 한 항에 기재된 전자원.
(6) 상기 전자방출 제한재료는 박막인, (1) 내지 (5)의 어느 한 항에 기재된 전자원.
(7) 상기 박막은 두께가 0.1~2μm인, (6)에 기재된 전자원.
(8) 상기 전자방출 제한재료의 주위에 지지 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (7)의 어느 한 항에 기재된 전자원.
(9) 상기 지지 부재는 상기 전자방출 제한재료에 밀착하고 있는, (8)에 기재된 전자원.
(10) 상기 지지 부재는 흑연으로 이루어지는, (8) 또는 (9)에 기재된 전자원.
(11) (1) 내지 (10)의 어느 한 항에 기재된 전자원의 제조방법으로서, 도포 공정과, 고화 공정을 구비하고, 상기 도포 공정에서는 상기 전자방출 제한재료를 포함하는 페이스트를 상기 전자방출재료의 측면에 도포하고, 상기 고화 공정에서는 상기 페이스트를 고화시키는 전자원의 제조 방법.
(12) 상기 도포 공정과 상기 고화 공정의 사이에 삽입 공정을 구비하고, 상기 삽입 공정에서는 상기 페이스트가 도포된 상기 전자방출재료가 지지 부재에 설치된 개구 내에 삽입되는, (11)에 기재된 전자원의 제조 방법.
본 발명에 의하면 전자방출재료의 소모를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 전자원(1)을 나타내고, 도 1A는 사시도이며, 도 1B는 전자원(1)의 중심을 지나는 단면도이다.
도 2는 전자원(1)의 제조 공정을 나타내는 사시도이며, 도 2A는 전자방출재료(3)를 나타내고, 도 2B는 전자방출 제한재료(4)를 포함하는 페이스트(4p)를 전자방출재료(3)의 측면(3b)에 도포한 상태를 나타내고, 도 2C는 페이스트(4p)가 도포된 전자방출재료(3)를 지지 부재(5)의 개구(5d)에 삽입한 상태를 나타내고, 도 2D는 페이스트(4p)가 고화되어 형성된 전자방출 제한재료(4)의 박막이 전자방출재료(3)를 피복하고 있는 상태를 나타낸다.
도 3은 전자방출재료(3)가 사각기둥 형상인 전자원(1)을 나타내고, 도 3A는 사시도이며, 도 3B는 전자원(1)의 중심을 지나는 단면도이다.
도 2는 전자원(1)의 제조 공정을 나타내는 사시도이며, 도 2A는 전자방출재료(3)를 나타내고, 도 2B는 전자방출 제한재료(4)를 포함하는 페이스트(4p)를 전자방출재료(3)의 측면(3b)에 도포한 상태를 나타내고, 도 2C는 페이스트(4p)가 도포된 전자방출재료(3)를 지지 부재(5)의 개구(5d)에 삽입한 상태를 나타내고, 도 2D는 페이스트(4p)가 고화되어 형성된 전자방출 제한재료(4)의 박막이 전자방출재료(3)를 피복하고 있는 상태를 나타낸다.
도 3은 전자방출재료(3)가 사각기둥 형상인 전자원(1)을 나타내고, 도 3A는 사시도이며, 도 3B는 전자원(1)의 중심을 지나는 단면도이다.
이하, 본 발명의 일례에 대해 도면을 이용하여 설명하지만 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.
1. 전자원(1)의 구성
도 1~도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 전자원(1)은 전자방출재료(3)와, 전자방출재료(3)의 측면(3b)을 피복하는 전자방출 제한재료(4)를 구비한다. 전자방출 제한재료(4)의 일함수는 전자방출재료(3)의 일함수보다 높다. 전자방출 제한재료(4)의 열복사율은 전자방출재료(3)의 열복사율보다 낮다. 바람직하게는, 전자방출 제한재료(4)의 주위에 지지 부재(5)가 설치된다.
전자원(1)은 히터로 가열하여 사용할 수 있다. 히터는 전자원(1)을 가열 가능한 것이면 그 구성은 한정되지 않는다. 히터는 예를 들면 흑연 또는 텅스텐 히터이다. 진공중에서 고전계가 인가된 상태에서 전자원(1)이 히터로 가열됨으로써 전자방출재료(3)의 단면 (전자방출부)(3a)으로부터 전자가 방출된다.
(전자방출재료(3))
전자방출재료(3)는 가열에 의해 전자를 방출하는 재료이며, 전자방출재료(3)의 예 로서는, 붕화란탄(LaB6), 붕화세륨(CeB6) 등의 희토류 붕화물 및 이리듐 세륨 (Ir5Ce)을 들 수 있다. 일함수와 열복사율은 각각 붕화란탄: 2.8eV, 0.77, 붕화세륨: 2.8eV, 0.76, 이리듐 세륨: 2.6eV, 0.45이다.
이 중 희토류 붕화물을 사용할 경우, 전자방출재료(3)는 일함수가 낮고 전자를 방출하기 쉬운 <100>방위가 전자방출 방향에 일치하도록 가공된 단결정체인 것이 바람직하다.
전자방출재료(3)는 방전가공 등에 의해 원하는 형상으로 할 수 있다. 전자방출재료(3)의 형상은 특별히 한정되지 않고 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같은 원주 형상이어도 되고 도 3에 나타내는 바와 같은 사각기둥 형상이어도 된다. 전자방출재료(3)의 길이는 0.2~3mm이 바람직하고, 0.5~1.5mm이 더 바람직하고, 1mm 정도가 더욱더 바람직하다. 전자방출재료(3)가 원주 형상일 경우, 그 직경은 0.02~0.3mm이 바람직하고, 0.05~0.15mm이 더 바람직하고, 0.1mm 정도가 더욱더 바람직하다. 전자방출재료(3)가 사각기둥 형상일 경우, 그 한변은 0.02~0.3mm이 바람직하고, 0.05~0.15mm이 더 바람직하고, 0.1mm 정도가 더욱더 바람직하다. 0.2mm 미만의 경우에는 취급성 (핸들링)이 나빠지고 3mm를 넘는 경우에는 승온이 어려워진다.
어떠한 형상의 경우에도 전자방출 제한재료(4)가 전자방출재료(3)의 측면(3b)을 피복함으로써, 전자방출재료(3)의 측면(3b)으로부터의 전자방출재료(3)의 증발이 억제된다. 전자방출 제한재료(4)는 전자방출재료(3)의 측면(3b)의 전체 둘레를 피복하는 것이 바람직하다.
전자방출재료(3)의 측면(3b)은 일반적으로는 결정방위는 규정하고 있지 않지만, 저차의 결정일수록 원자간의 결합이 긴밀하기 때문에 증발 속도가 늦어진다고고 여겨지므로 사각기둥 형상으로 가공하고, 측면의 4방향의 결정방위 (100)으로 함으로써, (100)면의 결정면을 외주부에 구비하는 것이 바람직하다.
(전자방출 제한재료(4))
전자방출 제한재료(4)는 전자방출재료(3)보다 일함수가 높고, 전자방출재료(3)보다 열복사율이 낮은 재료이다. 전자방출 제한재료(4)의 일함수가 전자방출재료(3)보다 높기 때문에 전자방출 제한재료(4)로 전자방출재료(3)의 측면(3b)을 피복함으로써 전자방출재료(3)의 측면(3b)으로부터의 전자의 방출이 억제된다. 또한, 전자방출 제한재료(4)의 열복사율이 전자방출재료(3)보다 낮기 때문에 전자방출 제한재료(4)로 전자방출재료(3)의 측면(3b)을 피복함으로써 전자방출재료(3)의 온도상승이 억제된다. 또한, 전자방출 제한재료(4)는 지지 부재(5)보다 열복사율이 낮은 것이 바람직하다. 이 경우, 전자방출재료(3)의 온도상승이 진일보 억제된다.
(전자방출 제한재료(4)의 일함수)-(전자방출재료(3)의 일함수)로 정해지는 일함수 차이는 1.0eV 이상이 바람직하고, 1.4eV 이상이 더 바람직하고, 1.6eV 이상이 더욱더 바람직하다. (전자방출재료(3)의 열복사율)-(전자방출 제한재료(4)의 열복사율)로 정해지는 열복사율 차이는 0.05 이상이 바람직하고, 0.1 이상이 더 바람직하고, 0.2 이상이 더욱더 바람직하고, 0.3 이상이 한층 더 바람직하다. 일함수가 일정치 이상의 차이가 없으면 측면에서의 방출 전류를 억제할 수 없다. 또한, 복사율이 일정치 이상의 차이가 없으면 증발 억제 효과를 얻을 수 없다.
전자방출 제한재료(4)는 고융점 금속 또는 그 탄화물을 포함하는 것이 바람직하고, 금속 탄탈, 금속 티탄, 금속 지르코늄, 금속 텅스텐, 금속 몰리브덴, 금속 레늄, 탄화 탄탈, 탄화 티탄 및 탄화 지르코늄에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 전자방출 제한재료(4)는 탄화 붕소와 흑연 중의 적어도 하나 이상을 포함해도 된다. 또한, 전자방출 제한재료(4)는 니오브, 하프늄, 바나듐 중의 적어도 하나 이상을 포함해도 된다.
각 전자방출 제한재료(4)의 일함수와 열복사율은 표 1에 나타내는 바와 같다. 한편, 본 명세서에서 사용하는 각 재료의 열복사율은 「신판 고융점 화합물 물성 편람 <하> 일소 통신사1994년 발행」과 「개정2판 금속 데이터 북 마루젠(丸善) 주식회사1984년 발행」으로부터 인용했다.
전자방출 제한재료(4)가 복수의 물질의 혼합물일 경우에는 전자방출 제한재료(4)의 전체의 일함수 및 열복사율은 전자방출 제한재료(4)를 구성하는 모든 물질의 체적 비율에 의해 결정한다. 예를 들면, 전자방출 제한재료(4)가 금속 탄탈과 탄화 붕소를 포함하고, 그 체적 비율이 0.38:0.62일 경우, 전체의 일함수는 4.3×0.38+5.2×0.62=4.86으로 되고, 전체의 열복사율은 0.45×0.38+0.85×0.62=0.70으로 된다. 체적 비율은 중량비율과 밀도로부터 산출할 수 있다.
전자방출 제한재료(4)를 구성하는 모든 물질에 대해 전자방출재료(3)보다 일함수가 높고 동시에 전자방출재료(3)보다도 열복사율이 낮은 것이 바람직하다. 한편, 전자방출 제한재료(4)를 구성하는 일부의 물질에 대해서는 전자방출재료(3)보다 일함수가 낮거나, 전자방출재료(3)보다 열복사율이 높거나 해도 된다. 이 경우에도, 전자방출 제한재료(4)의 전체의 일함수는 전자방출재료(3)보다 높고, 전자방출 제한재료(4)의 전체의 열복사율은 전자방출재료(3)보다 낮은 것은 필수적이다.
전자방출 제한재료(4)는 바람직하게는 박막이며, 두께는 0.1~2μm이 바람직하고, 0.2~1μm이 더 바람직하고, 0.3~0.7μm이 더욱더 바람직하다. 0.1μm 미만의 경우나 2μm을 넘을 경우, 박리성이나 밀착성 불량과 같은 문제가 생길 가능성이 있다.
도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 전자방출재료(3)의 단면(3a)과 전자방출 제한재료(4)의 단면(4a)이 동일 평면 상에 있는 동시에 그 평면의 법선이 전자의 방출 방향으로 되고 있다.
(지지 부재(5))
본 실시 형태에서는, 전자방출 제한재료(4)의 주위에 지지 부재(5)가 설치되어 있다. 지지 부재(5)를 설치함으로써 전자방출 제한재료(4)가 손상되는 것이 억제된다. 지지 부재(5)는 임의의 요소이며, 불필요할 경우에는 생략 가능하다.
도 2B에 나타낸 바와 같이, 지지 부재(5)는 개구(5d)를 구비하고 있고 전자방출 제한재료(4)로 피복한 전자방출재료(3)를 개구(5d) 내에 삽입함으로써, 지지 부재(5)를 전자방출 제한재료(4)의 주위에 설치할 수 있다. 지지 부재(5)는 전자방출 제한재료(4)에 밀착하도록 설치하는 것이 바람직하고, 전자방출 제한재료(4)의 전체 둘레에 밀착하도록 설치하는 것이 더 바람직하다. 이로 인해, 전자방출재료(3)와 지지 부재(5) 사이가 간극 없이 전자방출 제한재료(4)에 의해 충전된다. 또한, 전자방출재료(3)에서 발생한 열이 전자방출 제한재료(4)를 통해 신속하게 지지 부재(5)에 전달되기 때문에 과도한 온도 상승이 억제된다.
지지 부재(5)는 흑연으로 이루어지는 것이 바람직하다. 흑연은 일함수가 높기 때문에 지지 부재(5)를 흑연으로 형성함으로써 전자방출 제한재료(4)의 두께가 국소적으로 얇아져 버렸다 해도 지지 부재(5)에 의해 전자방출재료(3)의 측면(3b)으로부터의 전자방출이 억제된다. 또한, 전자방출재료(3)와 흑연 사이의 반응성이 대단히 낮기 때문에 전자방출 제한재료(4)의 두께가 국소적으로 얇아져 버렸다 해도 전자방출재료(3)와 지지 부재(5)가 반응하는 것이 억제된다.
지지 부재(5)는 측면(5a)과 테이퍼면(5b)과 단면(5c)을 구비한다. 측면(5a)과 단면 (5c)은 테이퍼면(5b)에 의해 연결되고 있고, 지지 부재(5)는 단면(5c)을 향해 끝으로 갈수록 가늘게 되어 있다. 단면(5c)은 단면(3a) 및 단면(4a)과 동일 평면 상에 있다.
2. 전자원(1)의 제조 방법
이어서, 전자원(1)의 제조 방법에 대해 설명한다. 전자원(1)은 전자방출재료(3)의 측면(3b)을 전자방출 제한재료(4)로 피복함으로써 형성할 수 있다. 그 방법으로서는 증착(CVD나 PVD)에 의해 전자방출 제한재료(4)의 박막을 측면(3b)에 형성하는 방법이나, 전자방출 제한재료(4)를 포함하는 페이스트(4p)를 전자방출재료(3)의 측면(3b)에 도포한 후에 페이스트(4p)를 고화하는 방법이 예시된다. 후자의 방법은 제조 설비가 간이한 점에서 뛰어나며 이하에서 후자의 방법을 상세하게 설명한다.
페이스트 도포에 의한 전자원(1)의 제조 방법의 일례는 도포 공정과, 삽입 공정과, 고화 공정과, 연마 공정을 구비한다. 지지 부재(5)를 구비하지 않을 경우에는 삽입 공정은 불필요하다. 또한, 연마 공정은 생략 가능하다.
(도포 공정)
도 2A~도 2B에 나타낸 바와 같이, 도포 공정에서는 전자방출 제한재료(4)를 포함하는 페이스트(4p)를 전자방출재료(3)의 측면(3b)에 도포한다. 페이스트(4p)는 측면(3b)의 전체에 도포해도 되고, 도 2B에 나타낸 바와 같이 선단(3c) 근방 이외의 부위에 도포해도 된다. 페이스트(4p)는 고화 공정 후의 두께가 상술한 전자방출 제한재료(4)의 두께로 되도록 도포하는 것이 바람직하다. 전자원(1)이 지지 부재(5)를 구비할 경우에는 페이스트(4p)는 개구(5d)의 내면과 전자방출재료(3)의 외면 사이의 간극을 충전 가능한 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
페이스트(4p)는 전자방출 제한재료(4)의 분말을 분산매에 분산시켜 형성할 수 있다. 분산매로서는 물이나 유기용매 등이 이용가능하며 물이 바람직하다.
전자방출 제한재료(4)의 분말은 고융점 금속(예: 티탄, 지르코늄, 탄탈, 니오브, 하프늄, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 레늄)의 분말만으로 구성해도 되지만, 흑연의 분말이나 금속탄화물(예: 탄화 붕소) 등의 세라믹스의 분말을 포함해도 된다. 세라믹스의 분말은 고형분으로서, 금속의 분말 100체적부에 대해 10체적부 이상, 200체적부 이하인 것이 바람직하다. 세라믹스의 분말의 배합이 너무 많으면 접합력이 뒤떨어지고 반대로 배합이 지나치게 적으면 접합 전의 상태의 임시 접착성이 떨어져 작업성의 관점에서 문제가 있다.
(삽입 공정)
도 2B~도 2C에 나타낸 바와 같이, 삽입 공정에서는 페이스트(4p)가 도포된 전자방출재료(3)가 지지 부재(5)에 설치된 개구(5d) 내에 삽입된다.
지지 부재(5)의 개구(5d)는 기계가공에 의해 형성할 수 있다. 개구(5d)의 단면의 사이즈는 전자방출재료(3)의 단면의 사이즈보다 커지도록 형성한다. 개구(5d)의 사이즈는 예를 들면 직경 0.15mm×깊이 0.8mm이다.
페이스트(4p)를 도포하지 않는 상태에서 전자방출재료(3)를 개구(5d) 내에 삽입하면 전자방출재료(3)의 외면과 개구(5d) 사이에 틈이 생겨 버려 고정되지 않은 상태로 되어버린다. 한편, 페이스트(4p)가 도포된 전자방출재료(3)를 개구(5d)에 삽입하면 페이스트(4p)에 의해 상기 간극이 메워진다.
또한, 도 2C에 나타낸 바와 같이, 전자방출재료(3)를 개구(5d)에 삽입한 상태에서 전자방출재료(3)의 선단(3c)이 지지 부재(5)로부터 돌출되어 있는 것이 바람직하다.
(고화 공정)
이어서, 도 2C~도 2D에 나타낸 바와 같이, 페이스트(4p)가 도포된 전자방출재료(3)가 개구(5d)에 삽입된 상태에서 진공 가열 처리를 함으로써 페이스트(4p)를 고화시키고, 전자방출 제한재료(4)의 박막으로 전자방출재료(3)를 피복할 수 있다. 또한, 페이스트(4p)의 고화에 의해 전자방출재료(3) 및 전자방출 제한재료(4)를 지지 부재(5)에 고정할 수 있다.
(연마 공정)
이어서, 전자방출재료(3)의 선단(3c)을 연마지 혹은 랩핑 필름 등의 연마 부재를 이용하여 연마한다. 이렇게 함으로써, 전자방출재료(3)의 단면(3a), 전자방출 제한재료(4)의 단면(4a) 및 지지 부재(5)의 단면(5c)이 동일 평면 상에 있게 되어 도 1에 나타내는 전자원(1)을 얻을 수 있다.
실시예
1. 전자원(1)의 제조
(실시예 1)
전자방출재료(3)로서, 붕화란탄 단결정을 <100> 방향을 장축으로 한 직경 0.1mm×1mm의 형상의 원주 형상의 막대를 방전 가공에 의해 제작했다. 측면의 결정방위를 한정하는 것은 어렵지만 (100)으로부터 약 45도 벗어나 있었다.
이어서 0.7mm×0.7mm×1.2mm의 각상의 고순도 흑연을 준비하고 선단을 기계가공으로 뾰족하게 하여 지지 부재(5)로 했다. 그리고 그 팁의 장축 방향으로 직경 0.15mm×깊이 0.8mm의 개구(5d)를 기계가공에 의해 설치했다.
전자방출 제한재료(4)인 탄탈분을 물로 용해시킨 것을 페이스트(4p)로 하여 전자방출재료(3)의 측면(3b)에 도포했다. 그리고 페이스트(4p)가 도포된 전자방출재료(3)를 지지 부재(5)의 개구(5d)에 삽입했다.
히터로서, 열분해 그래파이트를 0.7mm×0.7mm×0.7mm의 크기로 잘라냈다. 그리고, 지주에 의해 히터 블록으로 지지 부재(5)를 끼우고 가압하도록 조립했다.
그 상태에서, 10-5Pa대의 진공하에서 통전하고 1600℃에서 2분간 유지함으로써 페이스트(4p)를 고화시켰다. 이로 인해, 전자방출 제한재료(4)로 피복된 전자방출재료(3)가 개구(5d)에 삽입되어 있는 구조체가 얻어졌다. 이 구조체에서는, 도 2D에 나타낸 바와 같이, 전자방출재료(3)의 선단(3c)이 지지 부재(5)로부터 돌출되어 있다.
이어서, 지지 부재(5)를 지주로부터 떼어내고 전자방출재료(3)의 선단(3c)을 연마지에 의해 연마하고 전자방출재료(3)의 단면(3a), 전자방출 제한재료(4)의 단면(4a) 및 지지 부재(5)의 단면(5c)이 동일 평면 상에 있고, 동시에 전자방출재료(3)가 전자방출 제한재료(4) 및 지지 부재(5)에 의해 동축 형상으로 둘러싸여진 상태로 하여 전자원(1)을 얻었다.
(실시예 2~3)
전자방출 제한재료(4)로서, 탄탈분 대신에 탄탈분과 탄화 붕소(상품명: Denka Boron Carbide #1000)를 표 2에 나타내는 체적 비율로 혼합한 분체를 이용한 점, 및 페이스트(4p)를 고화시키는 온도를 1550℃로 변경한 이외에는 실시예 1과 같은 방법으로 전자원(1)을 얻었다.
(실시예 4)
전자방출재료(3)로서, 붕화란탄 대신에 붕화세륨을 채용한 점 이외에는 실시예 1과 같은 방법으로 전자원(1)을 얻었다.
(실시예 5)
전자방출재료(3)로서, <100> 방향을 장축으로 한 붕화란탄 단결정의 측면에 방전 가공을 실시하고 세로 0.1mm×가로 0.1mm×길이 1mm의 4각기둥 형상의 막대기를 제작했다. 방전가공은 (100)면의 결정면이 외주부가 되도록 실시했다.
그 후, CVD법을 이용하여 전자방출재료(3)의 표면에 탄탈의 박막을 막두께 0.5μm 정도로 형성했다. 이어서, 콜로이드상의 카본 페이스트를 전자방출재료(3)의 측면(3b)에 도포한 후, 실시예 2와 같은 조건으로 전자원(1)을 제작했다.
(실시예 6~7)
탄탈 대신에 표 2에 나타내는 종류의 금속을 채용한 점 이외에는 실시예 5와 같은 방법으로 전자원(1)을 얻었다.
(비교예 1)
페이스트로서 콜로이드상 카본만을 사용한 이외는, 실시예 1과 같은 공정으로 전자원(1)을 제작했다.
(비교예 2)
페이스트로서 콜로이드상 카본만을 사용한 이외에는 실시예 4와 같은 공정으로 전자원(1)을 제작했다.
(비교예 3)
전자방출 제한재료(4)로서, 탄탈분 대신에 탄탈분과 탄화 붕소를 표 2에 나타내는 체적 비율로 혼합한 분체를 이용한 이외에는 실시예 1과 같은 공정으로 전자원(1)을 제작했다.
2. 전자원(1)의 평가
먼저, 전자원(1)을 지주에 장착하고 흑연 히터 사이에 끼웠다. 이어서, 내열성 평가를 목적으로 하고 전자원(1)을 10-5Pa대의 진공하에서 통상 동작 시의 온도인 1550℃에서 2주간 연속 가열한 후에 꺼내어 전자방출재료(3)의 외주부의 소모 상태를 주사형 전자현미경에 의해 단면(3a) 측으로부터 관찰하고 전자방출부로 되는 단면(3a)의 잔존 직경을 측정했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1~7에서는 전자방출부의 잔존 직경이 비교예 1~3보다도 컸다. 또한, 실시예 1~7에서는 전자방출재료(3)의 외주부의 소모가 거의 관찰되지 않았지만, 비교예 1~3에서는 전자방출재료(3)의 외주부의 소모가 선명했다.
일함수에 관해서는, 모든 실시예 및 비교예에 있어서, 전자방출 제한재료(4)가 전자방출재료(3)보다도 높았다. 한편, 열복사율에 관해서는, 실시예 1~7에서는 전자방출 제한재료(4)가 전자방출재료(3)보다 낮고 비교예 1~3에서는 전자방출 제한재료(4) 쪽이 전자방출재료(3)보다도 높았다.
이상의 결과는 전자방출재료(3)보다 일함수가 높고 전자방출재료(3)보다도 열복사율이 낮은 전자방출 제한재료(4)로 전자방출재료(3)의 측면(3b)을 피복함으로써 전자방출재료(3)의 소모를 방지할 수 있는 것을 실증하고 있다.
1: 전자원
3: 전자방출재료
3a: 단면
3b: 측면
3c: 선단
3d: 개구
4: 전자방출 제한재료
4a: 단면
4p: 페이스트
5: 지지 부재
5a: 측면
5b: 테이퍼면
5c: 단면
5d: 개구
3: 전자방출재료
3a: 단면
3b: 측면
3c: 선단
3d: 개구
4: 전자방출 제한재료
4a: 단면
4p: 페이스트
5: 지지 부재
5a: 측면
5b: 테이퍼면
5c: 단면
5d: 개구
Claims (12)
- 전자방출재료와, 상기 전자방출재료의 측면을 피복하는 전자방출 제한재료를
구비하는 전자원으로서,
상기 전자방출 제한재료의 일함수가 상기 전자방출재료의 일함수보다 높고,
상기 전자방출 제한재료의 열복사율이 전자방출재료의 열복사율보다 낮으며,
상기 전자방출 제한재료의 주위에 지지 부재를 구비하고,
상기 전자방출재료의 단면과, 상기 전자방출 제한재료의 단면과, 상기 지지 부재의 단면이 동일 평면 상에 있는 것을 특징으로 하는 전자원. - 제1항에 있어서,
상기 전자방출재료가 붕화란탄, 붕화세륨 및 이리듐 세륨의 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자원. - 제1항에 있어서,
상기 전자방출재료의 측면이 (100)면의 결정면을 외주부에 구비하는 것을 특징으로 하는 전자원. - 제1항에 있어서,
상기 전자방출 제한재료가 금속 탄탈, 금속 티탄, 금속 지르코늄, 금속 텅스텐, 금속 몰리브덴, 금속 레늄, 탄화 탄탈, 탄화 티탄 및 탄화 지르코늄 중의 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자원. - 제1항에 있어서,
상기 평면의 법선이 전자의 방출 방향인 것을 특징으로 하는 전자원. - 제1항에 있어서,
상기 전자방출 제한재료는 박막인 전자원. - 제6항에 있어서,
상기 박막은 두께가 0.1~2μm인 전자원. - 제1항에 있어서,
상기 지지 부재는 상기 전자방출 제한재료에 밀착하고 있는 전자원. - 제1항에 있어서,
상기 지지 부재는 흑연으로 이루어지는 전자원. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 전자원의 제조방법으로서,
도포 공정과, 고화 공정을 구비하고,
상기 도포 공정에서는 상기 전자방출 제한재료를 포함하는 페이스트를 상기 전자방출재료의 측면에 도포하고,
상기 고화 공정에서는 상기 페이스트를 고화시키는 전자원의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 도포 공정과 상기 고화 공정의 사이에 삽입 공정을 구비하고,
상기 삽입 공정에서는 상기 페이스트가 도포된 상기 전자방출재료가 지지 부재에 설치된 개구 내에 삽입되는 전자원의 제조 방법. - 삭제
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