KR20080044365A - 평판형 냉음극 전자총 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉음극 전자총 및 이를 통한 전자빔 집속 방법에 관한 것으로, 전자를 방출하는 냉음극(cold cathode)에 의한 전자원(electron source); 상기 전자원에서 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키는 그리드; 상기 전자빔을 감속하는 평판형 제1 개구부; 및 상기 제1 개구부를 통과하는 전자빔을 가속하는 평판형 제2 개구부를 포함하며, 여기서 상기 전자빔의 감속 및 가속은 직류전원을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 냉음극 전자총과 전자빔 집속방법을 제공하게 되면, 전자빔의 속도퍼짐과 같은 물리적 특성을 조절한 최적화 된 설계가 용이하여 초소형 전자총으로 구현하기가 용이하다.
또한, 집속렌즈를 통과한 전자빔의 에너지를 집속되기 전과 같거나 더 작게 하는 것이 가능하므로 낮은 전압의 전자빔이 필요한 초소형 진공전자소자 등에 사용하면 회로 파괴 등의 문제가 적어질 뿐만 아니라, 적절한 구조 설계를 통해 전원장치를 여러 전극에 극성만 바꾸어 사용할 수 있으므로 전원장치가 간단해 진다.
냉음극, FEAs, 전자빔 집속, 그리드, 개구부, 초소형 진공 전자소자

Description

평판형 냉음극 전자총{FLAT TYPE COLD CATHODE ELECTRON GUN}
도 1은 종래의 음극선관(CRT)에 설치된 컴팩트형 전계 방출 전자총의 개략도를 예시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 냉음극 전자총의 개략도를 예시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 냉음극 전자총의 또 다른 실시예로서, 전자빔이 출사되는 방향으로 제2 개구부의 지름이 좁아지는 형상의 냉음극 전자총의 개략도를 예시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 3극형 냉음극 전자총의 개략도를 예시한 도면이다.
본 발명은 냉음극 전자총 및 전자빔 집속 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평판형 냉음극에 간단한 전자 집속렌즈를 장착함으로써 전자빔의 속도퍼짐이 적은 집속된 전자빔을 만들 수 있는 냉음극 전자총 및 전자빔 집속방법에 관한 것이다.
공간속의 전자를 집속한 전자빔은 RF 발진 및 증폭기, 디스플레이(Display), 가속기, 전자현미경, 센서, 각종 공정 장비 등 다양한 산업 및 연구용 장비에 널리 활용되고 있다. 전자빔을 만드는 방식은 여러 가지가 있는데 현재 널리 사용되는 방식은 금속을 가열할 때 금속표면에서 튀어나오는 열전자를 가속하는 방식이다. 이와 같은 열음극 전자총의 반대되는 기술로서 가열 없이 전압만 걸어서 전계방출(Field Emission)을 통해 전자를 얻는 냉음극 전자총이 있다.
냉음극 전자총은 열음극 전자총처럼 음극을 가열해야 하는 과정이 없어 소모 전력이 적고 구조가 간단하다는 장점이 있다. 특히 FEAs (Field Emitter Arrays) 냉음극 전자총은 마이크로미터 또는 나노미터 스케일의 전계방출이 용이한 돌출부와 마이크로미터 스케일의 전극을 활용할 수 있어서 전자총을 사용하는 각종 소자의 크기를 획기적으로 줄일 수 있고 수 볼트(Volt)의 작은 전압으로도 기변조된 전자빔(Pre-modulated electron beam)을 얻을 수 있는 등의 장점이 있다.
이러한 장점은 작동방식이 기존의 CRT(cathode ray tube, 브라운관)와 유사 하면서도 얇은 평판 형태인, 차세대 평면 브라운관으로 불리는 FED(Field Emission Display)를 가능하게 한다. FED는 CRT와 마찬가지로 음극선 발광에 의해 작동하므로 발광 효율이 높고 시야각이 넓은 장점이 있다. 또한 크기가 작고 가벼우며 동작속도가 빠르고 제조비가 저렴하다.
그러나 아직 PDP(Plasma Display Panel), LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 평면 디스플레이(Flat Panel Display)와 경쟁하기엔 많은 문제점을 가지고 있다. FED 외에도 마이크로웨이브용 진공전자소자(VED: Vacuum Electron Device)나 초소형 X-ray 발생기 등 다양한 기술 영역에서 기존의 열음극 전자총을 대체하려는 노력이 활발히 진행되고 있다. 그러나 이 역시 대부분 연구단계에 머물러 있는 실정이다.
전자빔의 에너지를 RF 에너지로 변환하는 진공전자소자의 경우 고출력, 고주파수 소자를 만들기 위해 컴팩트하면서 높은 전류밀도의 전자빔이 필요하다. 진공전자소자에 사용되는 열음극 전자총은 최대 수백 keV의 에너지를 가진 전자빔을 만들 수 있으며 전류는 최대 수백 암페어에 이른다. 그리고 열음극 표면에서 방출되는 전자빔의 전류밀도는 대략 10 A/cm2 에 이르고 있다.
이 전자빔을 Pierece-type 전자총 구조 등을 통해 집속하여 전자빔의 단면적을 줄이면 수백 10 A/cm2 의 전류밀도를 갖는 컴팩트한 전자빔을 만들 수 있다. FEA 냉음극을 이용한 전자총도 열음극 전자총과 같이 전자빔을 집속시키면 전류밀도를 높이면서 컴팩트한 전자빔을 만들 수 있다. 마이크로웨이브 대역의 진공전자소자를 위한 냉음극전자총에서, 전자빔을 집속하기 위한 구조는 주로 열음극 전자총에서와 비슷한 Pierce-type 구조를 사용하는 것이다.
도 1은 종래의 음극선관(CRT:10)에 설치된 컴팩트형 전계 방출 전자총의 개략도를 예시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 방출기 어레이 형태의 전계 방출 음극, 바람직하게 탄소 베이스 음극(12)은 집적된 추출 게이트층(14) 및 집적된 집속 렌즈층(16)과 모노리식으로 형성된다.
전자는 집적된 추출 게이트층(14)에 양전위를 인가함으로써 음극 (12)의 전계 방출 팁으로부터 추출된다. 그 다음, 전자는 층류 전자빔을 형성하기 위하여 게이트 위에 모노리식 집적된 집속 렌즈(16)에 의해 평행한 빔렛으로 집속된다. 피어스 형 전극(pierce type electrode:18)은 집적된 집속 렌즈(16)의 전위에 근사한(약150 볼트이내) 전위에 놓이며 주변 전계의 경계를 짓고 음극 전방의 전위를 적절하게 설정하는데 사용된다.
전극(18)의 형태는 애퍼처(aperture)를 갖는 단순한 디스크 형태일 수 있지만 목적을 달성할 수 있는 다양한 형태가 가능하다. 피어스 전극(18) 위로 배치된 외부 집속 렌즈(20)는 컨버젼스컵(22)과 조합하여 개개의 빔렛을 함께 묶는 외부 집속 효과를 생성한다. 양극 전위인 컨버젼스컵(22)은 외부 집속 렌즈(20) 위로 배치되고 컨버젼스컵(22)과 형광체 코팅(28)사이의 무전계 드리프트 영역으로 빔을 가속한다.
스너버 스프링(24)은 음극선관의 컨버젼스컵(22)과 내부 도전성 코팅(26)(통상, 흑연)을 전기적으로 연결한다. 외부 집속 렌즈(20)로부터 나오는 전자빔은 디 스플레이관 내부의 형광체 코팅(28)에 작은 지름의 초점에 이른다. 집적된 집속 렌즈로부터 나오는 빔렛은 기본적으로 집속되어 층류에 가까운 상태로 된다.
외부 집속 렌즈(20)와 컨버젼스컵(22)사이에 형성된 외부 집속 효과는 부가적인 집속 효과를 제공하고 빔을 양극 전위까지 가속한다. 한편, 열이온 음극을 사용하는 종래 기술의 전자총은 본 장치의 컨버젼스컵(22)에서 발생하는 빔의 특성과 유사한 특성을 얻기 위해 15 내지 60㎜ 길이의 집속 렌즈를 필요로 한다.
그러나 Pierce 구조는 기본적으로 동심원 상에 있는 굴곡 형태의 두 전극에 전압을 인가해 전자빔을 집속하는 구조이므로, 일반적인 FEAs 냉음극 구조인 평판형 냉음극에 적합하지 않다. 특히 초소형 냉음극 전자총 구조를 구현하기 위해서는 전자빔 집속을 위한 집속렌즈의 구조가 굴곡 없는 간단한 구조인 것이 제작하기에 용이하기 때문에, Pierce-type 전자총 구조는 전자빔의 집속, 전자빔의 속도퍼짐 현상 방지 등 전자빔의 특성조절에 적합하지 않다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전자빔의 속도퍼짐과 같은 물리적 특성을 조절한 최적화 된 설계가 용이하여 초소형 전자총으로 구현하기가 용이한 전자총을 제공하기 위함이다.
또한, 집속렌즈를 통과한 전자빔의 에너지를 집속되기 전과 같거나 더 작게 하는 것이 가능하므로 낮은 전압의 전자빔이 필요한 초소형 진공전자소자 등에 사용하면 회로 파괴 등의 문제가 적어질 뿐만 아니라, 적절한 구조 설계를 통해 전원장치를 여러 전극에 극성만 바꾸어 사용할 수 있으므로 전원장치가 간단해 지는 냉 음극 전자총을 제공하기 위함이다.
본 발명에 따른 제1 특징은 전자를 방출하는 냉음극(cold cathode)에 의한 전자원(electron source); 상기 전자원에서 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키는 그리드; 상기 전자빔을 감속하는 평판형 제1 개구부; 및 상기 제1 개구부를 통과하는 전자빔을 가속하는 평판형 제2 개구부를 포함하며, 여기서 상기 전자빔의 감속 및 가속은 직류전원을 통하여 이루어지는 것이다.
여기서, 상기 전자원(electron source)은 전계방출구조(Field Emitter Arrays: FEAs)로 형성된 것이 바람직하고, 상기 직류전원은 하나의 직류전원으로 상기 전자원을 기준으로 상기 그리드에 Vo 가 인가되고, 상기 그리드와 제1 개구부가 -Vo 가 되며, 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부 사이에 Vo 가 인가되도록 병렬 연결된 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부 사이에 부가적 직류전원이 더 구비된 것일 수 있고, 상기 제1 개구부는 상기 전자원에서 발생되는 전자빔의 지름 보다 더 큰 것일 수 있다.
더하여, 상기 그리드와 상기 제1 개구부 사이의 간격은 상기 제1 개구부의 지름 보다 작거나 동일한 것이 바람직하고, 상기 제2 개구부의 형상이 원통형인 것이 바람직하며, 상기 원통형의 제2 개구부는 상기 전자빔이 출사되는 방향으로 상기 제2 개구부의 지름이 작아지는 형상으로 이루어진 것이 역시 바람직하다.
그리고, 상기 제2 개구부는 적어도 2개 이상의 지름이 다른 원통형으로서, 상기 각 원통의 지름이 상기 전자빔이 출사되는 방향으로 단계적으로 작아지는 것이 바람직하고, 상기 전자원과 상기 그리드 사이에 평판형 집속전극이 더 포함되는 것이 역시 바람직하다.
본 발명에 따른 제2 특징으로서, 전자빔의 집속방법은 FEAs의 냉음극 전자원을 통해 전자를 방출하고, 상기 방출된 전자빔을 그리드를 통해 가속하는 단계; 상기 그리드를 통과하는 전자빔을 제1 개구부를 통해 감속하는 단계; 및 상기 감속된 전자를 제2 개구부를 통해 가속 및 집속하는 단계를 포함하며, 상기 전자빔이 감속 및 가속은 직류전원을 통해 이루어지고, 상기 전자빔의 집속은 개구의 지름이 단계적으로 좁아지는 제2 개구부에 의하여 집속되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 직류전원은 하나의 직류전원으로 상기 전자원을 기준으로 상기 그리드에 Vo 가 인가되고, 상기 그리드와 제1 개구부가 -Vo 가 되며, 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부 사이에 Vo 가 인가되도록 병렬 연결시키는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서, 냉음극 전자총과 이에 대응되는 전자빔의 집속방법을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 냉음극 전자총의 개략도를 예시한 도면이다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, 평판형 FEAs(Field Emitter Arrays) 냉음극 전자원(100), 전 자원(electron source)에서 발생한 전자빔을 가속 및 집속하는 평판형 그리드(200), 그리드를 통과하여 제1구간을 지나는 전자빔을 감속하여 통과시키기 위한 평판형 제1 개구부(300) 및 이 전자빔을 다시 가속시키고 외부로 방출시키기 위한 평판형 제2 개구부(400)를 포함하는 구성으로 되어 있다.
전체 구조는 그리드(200), 제1 개구부(300) 및 제2 개구부(400)의 중심을 지나는 하나의 직선에 대해서 회전대칭을 가진 구조이다. 전자원(100)은 FEAs(Field Emitter Arrays) 냉음극으로써 FEAs(Field Emitter Arrays) 구조(110)와 구체적인 제조법은 본 발명의 내용에 포함되지 않는다. 끝이 나노미터 스케일로 특수하게 가공된 Mo, Si, 다이아모드 팁, 탄소나노튜브 등 전계방출이 용이한 다양한 냉음극 재료가 가능하다.
또한 그리드(200)는 냉음극으로부터 전계방출을 통해 전자빔을 뽑아내기 위한 전극이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 냉음극 전자원(100)과 그리드(200)로 구성된 이극타입 (diode type)을 도시하였다. 그러나 이것은 하나의 실시예일 뿐이고 삼극타입(triode type), 냉음극 전자원(100)과 그리드(200) 사이에 게이트(gate), 각종 집속전극 등이 부가적으로 사용될 수 있다. 구체적인 형태와 제조법은 본 발명의 내용에 포함되지 않는다.
그리드(200)는 미세한 격자구조가 있어서 전자빔이 격자를 통과해 구간 1로 입사된다. 격자의 크기는 미세할수록 바람직하고 전자빔이 최대한 많이 통과해서 구간 1로 넘어갈 수 있도록 설계되어야 한다. 냉음극 전자원(100)과 그리드(200) 사이에는 전자빔이 가속되는 전압이 인가된다. 도 1에서 도시된 본 발명에 따른 냉 음극 전자총은 이극구조를 가정하여 하나의 전원장치(500)로 전자빔의 방출 및 가속이 이루어진다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 냉음극 전자원(100)과 평판형 그리드(200)에 전압 Vo 를 인가하기위해 사용한 전원장치(500)는 평판형 제1 개구부(300)와 평판형 제2 개구부(400)에 전압을 인가하는데도 사용될 수 있다. 이와 같이 같은 크기의 전압을 극성만 바꾸어 인가함으로써 전원장치(500)를 간단하게 할 수 있다. 서로 다른 크기의 전압을 인가해도 본 발명에서의 목적을 달성하는데 지장이 없다.
여기서, Vo 는 냉음극 전자총의 출력에 맞는 적정한 전압을 의미하고, 직류전원에서 발생되는 직류 전압이다. 냉음극 전자총이 구조 출력 용량 및
평판형 그리드(200)와 평판형 제1 개구부(300) 사이에는 전자빔을 감속시키는 전압이 인가된다. 도 2에서는 전계방출 및 전자빔 방출에 사용한 전압 Vo 를 극성만 바꾸어 연결하였다. 평판형 제1 개구부(300)에는 전자빔의 지름보다 큰 개구인 것이 바람직하고, 평판형 그리드(200)와 평판형 제1 개구부(300)의 거리는 평판형 제2 개구부(400)에 있는 개구의 크기와 작거나 비슷한 크기를 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 따라서 이 구간에서 감속된 전자빔의 에너지는 AeVo 로 표현될 수 있는데, A는 항상 0보다 크고 1보다 작은 값이 된다.
평판형 제1 개구부(200)와 평판형 제2 개구부(300) 사이에는 다시 전자빔을 가속시키는 전압이 인가된다. 도 2에 도시된 본 발명에 따른 냉음극 전자총은 하나의 전원장치(500)로 극성만 바꾸어 전압을 인가한 경우이므로 전자빔이 구간 2에 서 얻는 에너지는 전자빔이 구간 1에서 잃은 에너지 AeVo 와 같게 된다.
평판형 제2 개구부(400)의 개구는 전자빔이 전자총 구조를 벋어 날 때 지나는 전자빔 통로가 된다. 개구의 모양은 단순한 원통형 터널이 가능하고, 도 2에서 도시된 바와 같이 지름이 다른 원통형 개구가 일정구간 단계별로 위치한 구조 모두 가능하다. 즉, 평판형 제2 개구부(400)의 개구 반지름을 바꾸며 만든 경우는, 평판형 제1 개구부(300)와 평판형 제2 개구부(400)의 거리를 더 가깝게 위치하도록 만들 수 있어서 컴팩트한 전자총을 만드는 데 더 유리하다.
평판형 그리드(200), 제1 개구부(300) 및 제2 개구부(400)와 본 발명에서와 같은 감속 및 가속의 전압 설정은 전자빔을 집속시키는 전자 집속렌즈를 형성한다. 본 발명에서는 전원장치의 개수를 최소화 하여 하나의 전원장치를 사용하는 예를 도시하였다. 만약 냉음극이 본 발명에서 제시한 간단한 이극구조가 아닌 경우는 추가적인 전원장치가 필요하다. 또한 전자빔의 최종에너지를 조절하기 위해서 평판형 제1 개구부(300)와 평판형 제2 개구부(400) 사이에 부가적인 전원장치를 사용할 수 있다.
본 발명에서 제시한 전자총 구조는 평판형 그리드(200)와 평판형 제1 개구부(300) 및 평판형 제2 개구부(400)로 구성된 전극의 상대적 거리, 각각의 개구의 크기 등의 기학학적 구조 설계만을 통하여 전자빔의 집속과 전자빔의 속도퍼짐 현상 조절이 가능한 최적화된 냉음극 전자총 구현이 가능하다.
전자빔의 궤적과 각종 물리량을 계산할 수 있는 다양한 방식의 컴퓨터 시뮬 레이션을 통해 최적의 구조를 설계할 수 있다. 일반적으로 평판형 냉음극 전자원(100)과 평판형 그리드(200)의 거리가 멀어지면 전자빔의 집속이 강하게 이루어지는 반면 전자빔의 속도퍼짐(velocity spread)이 커진다. 평판 사이의 거리가 가까워지면 반대의 상황이 나타난다.
그리고 평판형 제1 개구부(300)와 평판형 제2 개구부(400) 사이에는 직류 전원(500)을 통해 전압을 인가하지 않아도 전자빔 집속이 가능하다. 같은 구조라도 냉음극에서 방출된 전자빔의 전류밀도에 따라서 전자빔의 집속, 속도퍼짐 현상 제어 등은 다르게 나타난다. 이는 전자들이 가지는 공간전하 반발력에 기인한다.
즉, 제1 개구부(300)와 재2 개구부(400)로 이루어지는 집속렌즈는 일정간격으로 절연된 두개의 금속 평판으로 구성되고 이 전극들은 전자원(100)과 그리드(200)로부터 일정거리 떨어져 절연되어 있다. 이 때 냉음극 전자원(100) 및 그리드(200)를 포함한 모든 평판이 같은 방향으로 정렬되어진다. 이 집속렌즈를 구성하는 두개의 평판에는 적절한 크기의 개구가 하나씩 있는데, 이 개구들은 전자빔이 통과하는 통로가 되면서 전기장을 조절하여 전자빔을 집속하는 역할을 하게 된다. 그리드(100)와 개구부로서 평판형 전극까지의 거리, 두 평판형 전극(제1 개구부(300) 제2 개구부(400))사이의 거리 그리고 각각의 개구 크기가 집속렌즈의 특성을 결정하는 주요 기학학적 변수가 된다.
그리고, 그리드(200)와 첫 번째 전극(제1 개구부(300))사이에는 전자빔을 감속시키는 전압이 걸려 냉음극 전자총으로부터 일정한 에너지를 가지고 방출된 전자빔을 감속시킨다. 첫 번째와 두 번째 전극(300,400) 사이에는 극성이 바뀐 전압을 인가함으로써 전자빔을 가속시킨다. 이 감속 및 가속 과정에서 전기장에 의한 집속렌즈가 형성되어 전자빔이 집속된다. 기학적 구성과 전압설정은 전자빔 집속과 함께 전자빔의 속도퍼짐 현상 등을 조절하는 역할을 하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 냉음극 전자총의 또 다른 실시예로서, 전자빔이 출사되는 방향으로 제2 개구부의 지름이 좁아지는 형상의 냉음극 전자총의 개략도를 예시한 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 냉음극 전자총은 냉음극 전자원(100)에서 발생되는 전자빔이 그리드(200)에서 집속 및 가속되고, 제1 개구부(300)에서 감속되어 제2 개구부(400)를 통해 외부로 출사되는 구조인데, 도 2에 예시된 냉음극 전자총과 달리 제2 개구부(400)의 형상이 전자빔의 출사방향으로 지름이 좁아지는 형상이다.
평판형 제2 개구부(400)의 개구는 전자빔이 전자총 구조를 벋어 날 때 지나는 전자빔 통로로서, 도 2에서처럼 개구의 모양이 일정구간 단계별로 위치한 구조 모두 가능할 뿐만 아니라, 도 3에서처럼 전자빔이 출사되는 방향으로 개구의 지름이 점점 좁아지는 형상도 바람직하다. 역시 평판형 제2 개구부(400)의 개구 반지름을 바꾸며 만든 경우, 평판형 제1 개구부(300)와 평판형 제2 개구부(400)의 거리를 더 가깝게 위치하도록 만들 수 있어서 컴팩트한 전자총을 만드는 데 더 유리하고, 연속적으로 개구의 지름이 변화되어 전자빔이 흐름이 원할 할 수 있고 안정적 제어가 가능하다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 3극형 냉음극 전자총의 개략도를 예시한 도면이다. 도 4는 냉음극 전자총이 FEAs(110)의 평판형 냉음극 전자 원(100)과 그리드(200)로 이루어진 2극형 전자총이 아닌, 냉음극 전자원(100)과 그리드(200) 사이에 집속전극(150)이 더 포함하는 구조를 나타낸 것이다. 이렇게 집속전극(150)을 더함으로써, 고출력의 전자빔을 발생할 수 있을 뿐 아니라, 이 집속전극(150)과 냉음극 전자원(100) 사이에 직류전원이 연결되어 출력제어 또한 용이하게 할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 의한 냉음극 전자총은 간단한 형상의 평판형 전극과 전원장치의 개수를 최소화 할 수 있는 간단한 전기회로 구성을 통해, 평판형 냉음극으로 방출되는 전자빔을 효과적으로 집속하면서 전자빔의 속도퍼짐을 제어할 수 있는 전자빔 집속렌즈를 구성한다.
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 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 냉음극 전자총을 제공하게 되면, 간단한 구조를 갖는 집속렌즈를 통해 평판형 냉음극에서 방출된 전자빔을 집속할 수 있다. 동시에 전자빔의 속도퍼짐과 같은 물리적 특성을 조절한 최적화 된 설계가 용이하여 초소형 전자총으로 구현하기가 용이하다.
또한, 집속렌즈를 통과한 전자빔의 에너지를 집속되기 전과 같거나 더 작게 하는 것이 가능하므로 낮은 전압의 전자빔이 필요한 초소형 진공전자소자 등에 사용하면 회로 파괴 등의 문제가 적어진다. 뿐만 아니라, 적절한 구조 설계를 통해 전원장치를 여러 전극에 극성만 바꾸어 사용할 수 있으므로 전원장치가 간단해 진다.

Claims (12)

  1. 전자를 방출하는 냉음극(cold cathode)에 의한 전자원(electron source);
    상기 전자원에서 방출된 전자빔을 집속 및 가속시키는 그리드;
    상기 전자빔을 감속하는 평판형 제1 개구부; 및
    상기 제1 개구부를 통과하는 전자빔을 가속하는 평판형 제2 개구부를 포함하며,
    여기서 상기 전자빔의 감속 및 가속은 직류전원을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자원(electron source)은 전계방출구조(Field Emitter Arrays: FEA)로 형성된 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 직류전원은 하나의 직류전원으로 상기 전자원을 기준으로 상기 그리드에 Vo 가 인가되고, 상기 그리드와 제1 개구부가 -Vo 가 되며, 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부 사이에 Vo 가 인가되도록 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부 사이에 부가적 직류전원이 더 구비된 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 개구부는 상기 전자원에서 발생되는 전자빔의 지름 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 그리드와 상기 제1 개구부 사이의 간격은 상기 제1 개구부의 지름 보다 작거나 동일한 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 개구부의 형상이 원통형인 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 원통형의 제2 개구부는 상기 전자빔이 출사되는 방향으로 상기 제2 개구부의 지름이 작아지는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 개구부는 적어도 2개 이상의 지름이 다른 원통형으로서, 상기 각 원통의 지름이 상기 전자빔이 출사되는 방향으로 단계적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전자원과 상기 그리드 사이에 평판형 집속전극이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자총.
  11. FEAs의 냉음극 전자원을 통해 전자를 방출하고, 상기 방출된 전자빔을 그리드를 통해 가속하는 단계;
    상기 그리드를 통과하는 전자빔을 제1 개구부를 통해 감속하는 단계; 및
    상기 감속된 전자를 제2 개구부를 통해 가속 및 집속하는 단계를 포함하며,
    상기 전자빔이 감속 및 가속은 직류전원을 통해 이루어지고, 상기 전자빔의 집속은 개구의 지름이 단계적으로 좁아지는 제2 개구부에 의하여 집속되는 것을 특징으로 하는 전자빔 집속방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 직류전원은 하나의 직류전원으로 상기 전자원을 기준으로 상기 그리드 에 Vo 가 인가되고, 상기 그리드와 제1 개구부가 -Vo 가 되며, 상기 제1 개구부와 상기 제2 개구부 사이에 Vo 가 인가되도록 병렬 연결시키는 것을 특징으로 하는 전자빔 집속방법.
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