KR20090039981A - 탄소나노튜브 전계방출원을 이용한 투과형 마이크로 포커스엑스선관 - Google Patents

탄소나노튜브 전계방출원을 이용한 투과형 마이크로 포커스엑스선관 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 탄소나노튜브(Carbon nanotube) 전계방출형 음극, 삼극관형 전자총, 전자빔 집속 광학계 및 투과형 엑스선 타겟을 이용하여, 직경이 수 마이크로미터 이하의 크기를 갖는 엑스선을 발생하는 마이크로 포커스 엑스선관에 관한 것으로,
본 발명에 따른 마이크로 포커스 엑스선관은, 핀 형 금속 팁의 뾰족한 일단에 탄소나노튜브가 형성된 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극; 상기 음극 전극에 이격되어 설치되며, 상기 음극 전극 방향으로 구부러져서 형성되는 게이트 전극; 상기 게이트 전극에 이격되어 설치되며, 상기 게이트 전극 방향으로 구부러져서 형성되어 상기 음극 전극에서 발생된 전자빔을 가속하고 가속된 전자빔이 후면으로 통과할 수 있도록 어퍼처(aperture)가 형성된 양극 전극을 포함하여 구성된 전자총부; 상기 전자총부와 연결되며, 내부의 진공 상태를 유지하고 전기적으로 접지되어 있는 진공챔버; 상기 진공챔버 후면에 연결되며, 상기 인출된 전자빔을 집속하는 전자빔 집속 광학계; 및, 상기 전자빔 집속 광학계의 후면에 접하여 연결되며, 상기 전자빔 집속 광학계에서 집속된 전자빔이 충돌하여 엑스선이 발생되는 투과형 엑스선 발생부를 포함하고,
본 발명에 따른 마이크로 포커스 엑스선관에 의하면, 고휘도 전자빔원인 탄소나노튜브 전계방출원을 사용함으로써 고해상도 엑스선 비파괴검사 및 의료영상 분야에 필수적인 마이크로 포커스 엑스선원의 휘도(Brightness)를 증가할 수 있으 며, 기존 필라멘트 음극 기반의 엑스선원에 비해 전원 인가 구조가 단순하여 소형화가 유리하고 소비전력을 낮출 수 있다. 뿐만 아니라 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극의 직경으로 전자 인출부의 크기를 조절하여 보다 집속된 전자빔으로 엑스선 영상의 공간 분해능이 향상될 수 있다.
마이크로 포커스 엑스선관, 팁 형 탄소나노튜브 음극, 전계방출원, 삼극관 전자총, 전자빔 집속 광학계, 투과형 엑스선 타겟

Description

탄소나노튜브 전계방출원을 이용한 투과형 마이크로 포커스 엑스선관{Transmission-type microfocus x-ray tube using carbon nanotube field emitter}
본 발명은 마이크로 포커스 엑스선관에 관한 것으로, 구체적으로는 팁 형 탄소나노튜브 전계방출 음극 전극을 사용하여 종래의 필라멘트 음극 전극의 가열로 인한 전력 과소비를 해소하고 보다 소형화된 음극의 크기로 전자빔 집속 한계가 향상된, 게이트 전극 및 양극 전극과 전자빔 집속 광학계, 투과형 엑스선 타겟을 사용함으로써 엑스선 영상의 공간 분해능이 향상된 마이크로 포커스 엑스선관에 관한 것이다.
종래의 마이크로 포커스 엑스선관은 진공 벌브 내부에 설치되어 있는 수십 마이크로미터 크기의 필라멘트 음극 전극에서 인출된 전자빔이 양극 전극을 통해 가속되고 전자빔 집속 렌즈를 통과하여 수 마이크로미터 크기로 집속된 후, 렌즈 후면의 엑스선 타겟과 충돌하여 수 마이크로미터 크기의 엑스선이 발생되는 구조를 가지고 있다.
종래의 마이크로 포커스 엑스선관에 사용되는 필라멘트 음극의 경우, 전자빔 인출을 위해 음극을 2000도씨 이상으로 가열하는 열전자 방출(Thermionic emission)을 사용한다. 주로 헤어핀(Hairpin) 형태의 텅스텐 필라멘트나 LaB6 음극을 사용하지만 높은 열 부하를 견디기 위해 충분히 두꺼운 굵기가 필요하여 전자빔 발생부의 크기를 30㎛(헤어핀 텅스텐 필라멘트), 혹은 10-15㎛(LaB6 음극) 이하로 줄일 수 없다.
또한, 방출된 열전자는 가열로 인해 무작위 운동이 커진다. 이러한 전자는 초기 속도에 의해서 한 점으로 집속되지 못하고 유한한 크기의 전자빔을 형성하며, 이후 엑스선 타겟과 충돌할 경우 발생 엑스선의 직경이 커서 엑스선 영상의 해상도가 저하된다. 이를 해결하기 위한 기존의 방법으로 양극과 전자빔 집속 광학계 사이에 전자빔 어퍼쳐(aperture)를 설치하여 집속된 전자빔의 외곽을 걸러내지만, 동시에 전자빔 전류가 손실되기 때문에 엑스선관의 휘도가 저하되어 고해상도 엑스선 영상의 획득시간이 길어지는 문제가 초래되었다.
탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 기다란 관형을 이룬 것으로, 관 지름이 수십 나노미터에 불과하여 높은 종횡비(Aspect ratio) 구조를 이루고 있다. 탄소 원소로 구성되어 있어 일함수(Work function)가 낮을 뿐만 아니라, 높은 종횡비에 의해 전계방출의 임계전기장(Threshold electric field)이 다른 전계방출원보다 낮아 전자인출이 유리하다. 탄소나노튜브 팁 한 가닥에서도 수 ㎂의 전류가 발생되기 때문에(N. de Jonge, et. al., Nature 420 권 393-395 페이지) 전자 인출면적이 좁으면서도 전류밀도가 높은 고휘도 전자빔원으로 개발되고 있다.
냉전계방출(Cold field emission)은 음극을 가열하지 않고 강한 전기장(Electric field)을 인가하여 전자를 발생하는 방법으로 음극재의 양자 터널링 효과(Quantum tunneling effect)에 기인한다. 냉전계방출에서 전자빔의 인출은 음극에 인가된 전기장에만 의존하기 때문에 초기 속도분포가 열전자 방출에 비해 균일하다.
팁 형 탄소나노튜브 음극 전극은 종래의 탄소나노튜브 전자빔원과 달리 뾰족한 바늘형태의 금속 팁 끝에 탄소나노튜브가 선택적으로 증착되어 있는 것으로, 금속 팁의 에칭(Etching) 정도에 따라 팁 끝의 직경을 수 마이크로미터에서 수십 나노미터까지 작게 할 수 있다. 팁 끝에 설치된 탄소나노튜브에서 전자빔이 인출되기 때문에 전자 발생부의 크기가 작으면서도 초기 속도가 균일한 전자빔 인출이 가능하여 열전자 방출원보다 작은 전자빔 집속점을 이룰 수 있게 된다.
팁 형 탄소나노튜브 음극 전극에서 전자빔을 인출하기 위해서는 게이트 전극과 양극 전극에서 형성되는 강한 전기장이 필요하다. 그러나 게이트 전극과 음극 전극 사이의 전기장이 게이트 전극과 양극 전극 사이의 전기장보다 강할 경우 전기장 렌즈 효과(Electrostatic lens effect)에 의해 발생된 전자가 발산하여 전극과의 충돌로 전자빔 전류가 손실된다.
이를 방지하기 위해 음극 전극과 게이트 전극, 양극 전극 사이의 거리와 전압(Electric potential)이 적절히 조절되어야 한다. 또한 게이트 전극과 양극 전극을 음극 전극 방향으로 돌출되도록 경사지게 하면 전극면에 따라 부가적인 집속 전기장이 형성되어 전자빔의 발산을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
특히, 마이크로 포커스 엑스선관은 전자빔 전류가 작으면 발생 엑스선의 휘도가 감소하여 영상획득에 어려움이 생기므로 전자총부에서의 전자빔 손실을 억제하는 것이 중요하다. 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극의 경우 발생되는 전자빔의 품질이 좋을 뿐만 아니라 전류밀도 또한 높기 때문에 전자빔 집속 광학계가 단순화된 마이크로 포커스 엑스선관에서도 고휘도, 고해상도의 엑스선을 발생할 수 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 팁 형 탄소나노튜브 전계방출 음극과 전자빔 집속 광학계, 투과형 엑스선 타겟을 이용하여 전자빔 투과효율 및 엑스선 휘도를 증가하는 마이크로 포커스 엑스선관의 구조와 방법을 제공하는데 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 포커스 엑스선관은,
핀 형 금속 팁의 뾰족한 일단에 탄소나노튜브가 형성된 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극; 상기 음극 전극에 이격되어 설치되며, 상기 음극 전극 방향으로 구부러져서 형성되는 게이트 전극; 상기 게이트 전극에 이격되어 설치되며, 상기 게이트 전극 방향으로 구부러져서 형성되어 상기 음극 전극에서 발생된 전자빔을 가속하고 가속된 전자빔이 후면으로 통과할 수 있도록 어퍼처(aperture)가 형성된 양극 전극을 포함하여 구성된 전자총부; 상기 전자총부와 연결되며, 내부의 진공 상태를 유지하고 전기적으로 접지되어 있는 진공챔버; 상기 진공챔버 후면에 연결되며, 상기 인출된 전자빔을 집속하는 전자빔 집속 광학계; 및, 상기 전자빔 집속 광학계의 후면에 접하여 연결되며, 상기 전자빔 집속 광학계에서 집속된 전자빔이 충돌하여 엑스선이 발생되는 투과형 엑스선 발생부를 포함한다.
또한, 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극은 직경이 0.1 내지 5㎛인 핀 형 금속 팁이며, 상기 탄소나노튜브는 관 지름이 1 내지 50㎚일 수 있다.
또한, 상기 금속 팁은 텅스텐, 철, 니켈 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 유전영동법, 레이저증착법, 화학증착법, 또는 플라즈마 화학증착법으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 게이트 전극과 상기 양극 전극은 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극 방향으로 30도 내지 45도 각도로 전극면이 기울어진 것이 바람직하며, 특히 40도 각도로 전극면이 기울어진 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 진공챔버는 T자형으로 3방향에 개구부가 형성되어 있는 원통으로서, 일측 개구부에 상기 양극 전극과 상기 전자빔 어퍼처가 연결될 수 있으며, 반대측 개구부에는 상기 전자총부를 고정하고 중심축 조정이 가능하도록 하는 결합돌부와 오링(O-Ring) 함입부가 형성되어 있다.
또한, 상기 전자빔 집속 광학계는 내부가 비어 있는 원통형으로, 양단 개구부는 상기 진공챔버에 연결되는 렌즈 전면 플랜지와 상기 투과형 엑스선 발생부에 연결되는 렌즈 후면 플랜지를 구비하며, 외부 둘레를 둘러싼 제1 렌즈 원통과 내부 둘레를 둘러싼 제2 렌즈 원통, 전자빔이 통과하는 전자빔 관, 그리고 상기 제1 렌즈 원통과 제2 렌즈 원통 사이 공간에 설치되어 자기장을 발생하는 전자기 코일을 구비한다. 여기서, 상기 렌즈 전면 플렌지와 상기 렌즈 후면 플렌지, 상기 제1 렌즈 원통은 자철(Magnetic iron) 재질의 금속으로 형성되고, 상기 제2 렌즈 원통와 상기 전자빔 관은 비자철 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 투과형 엑스선 발생부는 상기 전자빔 집속 광학계에 연결되는 제 1 타겟 플렌지와 투과형 엑스선 타겟을 고정하는 제 2 타겟 플렌지와 제 3 타겟 플렌지, 내부 진공을 유지하기 위한 다수의 오링을 구비한다. 여기서, 상기 투과형 엑스선 타겟은 베릴륨 엑스선 창 위에 텅스텐 박막이 적층될 수 있으며, 상기 투과형 엑스선 타겟은 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.
또한, 상기 진공챔버 둘레 일측에 형성되는 진공 배기구와 연결되는 진공 배기펌프를 더 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 포커스 엑스선관은 탄소나노튜브 전계방출원을 이용하여 종래 열전자 방출 구조가 지니고 있는 발생 전자빔의 선질 저하 및 소비전력 낭비를 해소할 수 있고, 높은 전류밀도의 전자빔 발생과 전자빔 투과 효율을 증가시켜 종래의 마이크로 포커스 엑스선관에 비해 고휘도의 엑스선을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한, 기존 필라멘트 음극 기반의 엑스선원에 비해 전원 인가 구조가 단순하여 소형화가 유리하다. 뿐만 아니라 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극의 직경으로 전자 인출부의 크기를 조절하여 보다 집속된 전자빔으로 엑스선 영상의 공간 분해능이 향상될 수 있다. 이러한 첨단 고해상도 엑스선 장비의 개발은 해외 기술에만 의존했던 고해상도 엑스선 영상관련 산업을 주도할 수 있는 계기를 마련하여 방사선 의료 및 영상, 나노, 첨단 기계 산업에 경제적인 파급효과를 기대할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 투과형 마이크로 포커스 엑스선관을 도시한 단면도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 투과형 마이크로 포커스 엑스선관의 전자총부를 도시한 상세 단면도, 도 3은 도 2의 탄소나노튜브 팁 음극 전극과 고정 장치를 도시한 상세 분해 단면도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 팁 형 탄소나노튜브 음극의 팁 끝을 주사전자현미경(SEM)으로 확대 촬영한 사진, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 집속을 위한 전자빔 집속 광학계를 도시한 단면도, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 엑스선 타겟과 냉각부를 도시한 단면도, 도 7은 본 발명의 일 실시예로, 40kV 관전압의 마이크로 포커스 엑스선관에서 팁 형 탄소나노튜브 음극과 게이트 전극 사이에 인가되는 전압에 따라 음극에서 인출되는 전자빔 전류와 게이트 전극에서 손실되는 전자빔 전류, 투과형 엑스선 타겟에 도달하는 전자빔 전류를 나타내는 그래프, 도 8a는 너비가 37㎛이고 간격이 90㎛인 금(gold)재질의 금속 메쉬(mesh)를 230배 확대하여 얻은 엑스선 투과 영상을 촬영한 사진, 도 8b는 도 8a에서 수직 방향으로 투과된 엑스선의 세기 분포를 나타내는 그래프, 도 8c는 도 8a에서 수평 방향으로 투과된 엑스선의 세기 분포를 나타내는 그래프이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 투과형 마이크로 포커스 엑스선관을 도시한 단면도이며, 이를 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 전자가 인출되는 전자총부(1)와 상기 전자총부와 연결되어 내부의 진공상태를 유지하고 전기적으로 접지되어 있는 진공챔버(2), 상기 진공챔버 후면에 연결되어 인출된 전자빔을 집속하는 전자빔 집속 광학계(3), 상기 전자빔 집속 광학계의 후면에 맞닿아 연결되어 전자빔의 집속거리가 최소화된 투과형 엑스선 발생부(4)를 포함하여 구성된다.
상기 진공챔버(2)는 "T"자 형으로 3방향에 개구부가 형성되어 있는 원통형으로 전기적으로 양극에 해당되어 일측 개구부에 양극 전극(21)과 전자빔 어퍼처(22)가 연결될 수 있다. 반대측 개구부에는 상기 전자총부(1)를 고정하고 미세한 중심축 조정이 가능하도록 하는 결합돌부(23)와 바이톤(Viton) 재질의 오링(O-Ring) 함입부(24)가 형성될 수 있다. 진공배기구(25)는 상기 진공챔버(2) 둘레 일측에 형성되어 진공 배기펌프가 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 투과형 마이크로 포커스 엑스선관의 전자총부를 도시한 상세 단면도이며, 이를 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극(11)과 게이트 전극(13)은 전계방출을 위해 (-)고전압이 인가될 수 있도록 상기 진공챔버(2)와 절연되어야 한 다. 전자총부(1)에는 상기 진공챔버(2)로 고정될 수 있는 플랜지(51)를 마련하고 상기 플랜지(51)의 중심을 원형으로 파내어 상기 진공챔버(2) 내부로 삽입되게 솟아있는 절연체(16)와 접합한다. 상기 절연체(16)는 레진(Resin)이나 세라믹(Ceramic), 테프론(Teflon) 등이 사용되어 형성될 수 있으며, 상기 절연체(16) 상부에는 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극(11)과 상기 게이트 전극(13)를 설치하고 이를 상기 진공챔버(2)와 전기적으로 절연한다.
상기 절연체(16) 내부에는 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극(11)으로 연결되는 제1 도전 부재(52)와 상기 게이트 전극(13)으로 연결되는 제2 도전 부재(53)를 형성해서 전계방출을 위해 각기 다른 전위를 인가할 수 있도록 한다. 상기 제1 도전 부재(52)의 상부에 구비된 결합구(17)에 팁 음극 지지부(12)와 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극(11)을 순서대로 삽입하고, 상기 제2 도전 부재(53)의 상부에는 제1 게이트 전극 결합돌부(15)와 제2 게이트 전극 결합돌부(14), 상기 게이트 전극(13)을 순서대로 나선 결합하여 상기 전자총부(1)를 형성한다. 이때 상기 팁 음극 지지부(12)는 상기 제1 게이트 전극 결합돌부(15)와 상기 제2 게이트 전극 결합돌부(14) 사이에 고정하여 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극(11)이 상기 게이트 전극(13) 면에 수직하게 설치되도록 하며, 상기 팁 음극 지지부(12)의 일부분을 절연체로 구성하여 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극(11)과 상기 게이트 전극(13)을 절연한다.
상기 게이트 전극(13)과 상기 양극 전극(21)은 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극(11)을 향해 일정 각도로 전극면이 기울어진 형태이다. 전위가 인가되면 집속 전기장을 형성하여 인출된 전자빔을 집속해서 전극과의 충돌로 인한 전자빔 손실을 줄여준다. 또한 집속된 전자빔이 상기 전자빔 집속 광학계(3)로 입사되어 렌즈 후면의 전자빔 초점이 더욱 줄어들게 된다. 상기 게이트 전극과 상기 양극 전극은 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극 방향으로 30도 내지 45도 각도로 전극면이 기울어지는 것이 바람직하며, 특히 40도 각도로 기울어지는 것이 보다 바람직하다. 이는 후술하는 실험예를 통해 인출되는 전자빔의 약 80% 이상이 투과형 엑스선 타겟에 도달됨에 따라 산출된 적정 각도이다.
도 3은 도 2의 탄소나노튜브 팁 음극 전극과 고정 장치를 도시한 상세 분해 단면도이며, 이를 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극(11)은 바늘 형태의 금속 팁(111)과 그 팁 끝에 조밀하게 설치된 탄소나노튜브 팁(112)으로 구비되어 있다. 상기 금속 팁(111)은 지름 0.25 - 1mm 정도의 금속 와이어(Wire) 끝을 전기화학적으로 에칭(Electrochemical etching)하여 에칭 시간에 따라 지름 0.1 - 5 ㎛ 이하의 뾰족한 팁으로 형성된다. 금속재로서 텅스텐(Tungsten), 철, 니켈 등을 사용할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 팁(112)은 유전영동법(Dielectrophoresis), 레이저증착법(Laser vaporization), 화학증착법(CVD: Chemical vapor deposition) 등으로 설치할 수 있다.
상기 팁 음극 지지부(12)는 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극(11)을 상기 게이트 전극(13) 면에 수직으로 고정하는 팁 삽입공(122)과 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극(11)에 음극 전위가 독립적으로 인가될 수 있도록 상기 게이트 전극부(13,14,15)에 전기적으로 단절되어 있는 팁 절연체(121), 부가적인 고정나사(123, 124)로 구성되어 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 팁 형 탄소나노튜브 음극의 팁 끝을 주사전자현미경(SEM)으로 확대 촬영한 사진으로, 지름 0.25mm 텅스텐 와이어를 전기화학적으로 에칭하여 끝 지름 5㎛의 상기 금속 팁(111)을 구비한 후, 플라즈마 화학증착법(Plasma enhanced CVD)으로 상기 금속 팁(111) 상에 상기 탄소나노튜브 팁(112)을 조밀하게 설치하였다. 설치된 상기 탄소나노튜브 팁(112)의 조밀도는 화학증착법 시행 시 사용되는 금속 촉매제의 종류와 밀도, 버퍼레이어의 종류, 성장 온도 및 시간, 주입된 C2H2, NH3 가스의 총량에 따라 달라진다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 집속을 위한 전자빔 집속 광학계를 도시한 단면도이며, 이를 설명하면 다음과 같다.
도 5를 참조하면, 상기 전자빔 집속 광학계(3)는 인출된 전자빔이 통과할 수 있도록 내부가 비어 있는 원통형으로, 양단 개구부는 상기 진공챔버(2)에 연결되는 렌즈 전면 플렌지(32)와 상기 투과형 엑스선 발생부(4)에 연결되는 렌즈 후면 플랜 지(33)로 구비되며 외부 둘레 측을 둘러싼 제1 렌즈 원통(31)과 내부 둘레 축을 둘러싼 제2 렌즈 원통(34), 전자빔이 통과하는 내부면의 전자빔 관(36), 내부 측과 외부 측 사이 공간에 설치되어 자기장을 발생하는 전자기 코일(35)이 구비되어 있다.
상기 렌즈 전면 플렌지(32)와 상기 렌즈 후면 플렌지(33), 상기 제1 렌즈 원통(31)은 상기 전자기 코일(35)에서 발생한 자기장이 렌즈 외측으로 새어나가지 않도록 하기 위해 자철(Magnetic iron) 재질의 금속으로 형성되며, 상기 제2 렌즈 원통(34)와 상기 전자빔 관(36)은 발생된 자기장이 상기 전자빔 집속 광학계(3) 중심축으로 인출되어 전자빔을 집속할 수 있도록 비자철 금속 재질로 형성된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 엑스선 타겟과 냉각부를 도시한 단면도이며, 이를 설명하면 다음과 같다.
도 6을 참조하면, 상기 투과형 엑스선 발생부(4)는 상기 전자빔 집속 광학계(3)에 연결되는 제1 타겟 플렌지(441)와 투과형 엑스선 타겟(41)을 고정하는 제2 타겟 플렌지(421)와 제3 타겟 플렌지(431), 내부 진공을 유지하기 위해 바이톤(Viton) 재질의 오링(422,432,433,442)이 구비되어 있다. 높은 전류밀도의 전자빔이 상기 투과형 엑스선 타겟(41)과 충돌하면 고열이 발생하므로 상기 제3 타겟 플렌지(431)에 냉각재가 흐를 수 있는 타겟 냉각재 입구(434)와 타겟 냉각제 출구(435)를 구비하여 열에 의한 타겟 손상을 방지할 수 있다.
상기 투과형 엑스선 타겟(41)은 얇은 베릴륨 엑스선 창 위에 텅스텐 박막이 설치된 것으로, 상기 전자빔 집속 광학계(3)에서 집속된 전자빔이 텅스텐 타겟에 충돌하여 엑스선이 발생된다. 이와 같은 엑스선 타겟 재료로 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 구리(Cu) 등이 사용될 수 있다.
도 7은 도 4에 도시된 팁 형 탄소나노튜브 음극(11)을 사용하여 본 발명의 전류 특성을 측정한 일 실시예로, 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극(11)에서 인출되는 전자빔 전류와 상기 게이트 전극(13)에서 손실되는 전자빔 전류, 상기 투과형 엑스선 타겟(41)에 충돌하는 전자빔 전류 특성을 도시하고 있다.
상기 진공챔버(2) 내부는 가스 배기를 통하여 1x10-8 torr의 고진공을 유지하고, 상기 게이트 전극(13)이 연결되어 있는 상기 제2 도전부재(53)에 -40 kV를 인가하고 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극(11)이 연결된 상기 제1 도전부재에 -40 kV에서 -42 kV까지 인가전압을 변화하였다. 도 7에 도시된 바와 같이 팁 끝 지름이 5㎛인 팁 형 탄소나노튜브 음극(11)을 향해 약 40도 각도로 기울어진 게이트 전극(13)과 양극 전극(21)을 사용할 경우, 인출되는 전자빔의 90%가 투과형 엑스선 타겟(41)에 도달하는 것을 확인할 수 있다.
이는 전자총부(1)에 형성된 집속 전기장이 발생된 전자빔과 전자총 전극면(13, 21)의 충돌을 방지한 결과이다. 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극(11)과 게이트 전극(13)이 이격된 거리는 0.25mm이며, 게이트 전극(13)과 양극 전극(21)은 10mm 거리로 설치되었다.
도 8a, 도 8b, 도 8c는 본 발명에서 제작된 탄소나노튜브 전계방출원을 이용한 투과형 마이크로 포커스 엑스선관의 일 실시예로, 발생된 엑스선의 품질을 유럽에서 권고한 기준(European Standard EN 12543-5)을 사용하여 측정한 것이다.
도 8a는 상기 투과형 엑스선 타겟(41)에서 발생된 엑스선을 소형의 금속 망(Gold Mesh, 너비: 37㎛ 간격: 127㎛)에 투사하여 기하학적 배율로 230배 확대하여 얻은 엑스선 영상이다. 도 8b와 도 8c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의해 수직(Vertical) 방향으로 4.9±0.5㎛, 수평(Horizontal) 방향으로 4.7±0.5㎛인 발생점에서 엑스선이 발생될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 마이크로 포커스 엑스선관을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 투과형 마이크로 포커스 엑스선관을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 투과형 마이크로 포커스 엑스선관의 전자총부를 도시한 상세 단면도,
도 3은 도 2의 탄소나노튜브 팁 음극 전극과 고정 장치를 도시한 상세 분해 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 팁 형 탄소나노튜브 음극의 팁 끝을 주사전자현미경(SEM)으로 확대 촬영한 사진,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 집속을 위한 전자빔 집속 광학계를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 엑스선 타겟과 냉각부를 도시한 단면도,
도 7은 본 발명의 일 실시예로, 40kV 관전압의 마이크로 포커스 엑스선관에서 팁 형 탄소나노튜브 음극과 게이트 전극 사이에 인가되는 전압에 따라 음극에서 인출되는 전자빔 전류와 게이트 전극에서 손실되는 전자빔 전류, 투과형 엑스선 타겟에 도달하는 전자빔 전류를 나타내는 그래프,
도 8a는 너비가 37 ㎛이고 간격이 90 ㎛인 금(gold)재질의 금속 메쉬(mesh)를 230배 확대하여 얻은 엑스선 투과 영상을 촬영한 사진,
도 8b는 도 8a에서 수직 방향으로 투과된 엑스선의 세기 분포를 나타내는 그 래프,
도 8c는 도 8a에서 수평 방향으로 투과된 엑스선의 세기 분포를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 전자총부 2 : 진공챔버
3 : 전자빔 집속 광학계 4 : 투과형 엑스선 발생부
11 : 팁 형 음극 전극 13 : 게이트 전극
21 : 양극 전극 22 : 전자빔 어퍼처

Claims (12)

  1. 핀 형 금속 팁의 뾰족한 일단에 탄소나노튜브가 형성된 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극; 상기 음극 전극에 이격되어 설치되며, 상기 음극 전극 방향으로 구부러져서 형성되는 게이트 전극; 상기 게이트 전극에 이격되어 설치되며, 상기 게이트 전극 방향으로 구부러져서 형성되어 상기 음극 전극에서 발생된 전자빔을 가속하고 가속된 전자빔이 후면으로 통과할 수 있도록 어퍼처(aperture)가 형성된 양극 전극을 포함하여 구성된 전자총부;
    상기 전자총부와 연결되며, 내부의 진공 상태를 유지하고 전기적으로 접지되어 있는 진공챔버;
    상기 진공챔버 후면에 연결되며, 상기 인출된 전자빔을 집속하는 전자빔 집속 광학계; 및,
    상기 전자빔 집속 광학계의 후면에 접하여 연결되며, 상기 전자빔 집속 광학계에서 집속된 전자빔이 충돌하여 엑스선이 발생되는 투과형 엑스선 발생부
    를 포함하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극은 직경이 0.1 내지 5㎛인 핀 형 금속 팁이며, 상기 탄소나노튜브는 관 지름이 1 내지 50㎚인 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 팁은 텅스텐, 철, 니켈 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 유전영동법, 레이저증착법, 화학증착법, 또는 플라즈마 화학증착법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 전극과 상기 양극 전극은 상기 팁 형 탄소나노튜브 음극 전극 방향으로 30도 내지 45도 각도로 전극면이 기울어진 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공챔버는 T자형으로 3방향에 개구부가 형성되어 있는 원통으로서, 일측 개구부에 상기 양극 전극과 상기 전자빔 어퍼처가 연결될 수 있으며, 반대측 개구부에는 상기 전자총부를 고정하고 중심축 조정이 가능하도록 하는 결합돌부와 오링(O-Ring) 함입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자빔 집속 광학계는 내부가 비어 있는 원통형으로, 양단 개구부는 상기 진공챔버에 연결되는 렌즈 전면 플랜지와 상기 투과형 엑스선 발생부에 연결되는 렌즈 후면 플랜지를 구비하며, 외부 둘레를 둘러싼 제1 렌즈 원통과 내부 둘레를 둘러싼 제2 렌즈 원통, 전자빔이 통과하는 전자빔 관, 그리고 상기 제1 렌즈 원통과 제2 렌즈 원통 사이 공간에 설치되어 자기장을 발생하는 전자기 코일을 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 렌즈 전면 플렌지와 상기 렌즈 후면 플렌지, 상기 제1 렌즈 원통은 자철(Magnetic iron) 재질의 금속으로 형성되고, 상기 제2 렌즈 원통와 상기 전자빔 관은 비자철 금속 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 투과형 엑스선 발생부는 상기 전자빔 집속 광학계에 연결되는 제1 타겟 플렌지와 투과형 엑스선 타겟을 고정하는 제2 타겟 플렌지와 제3 타겟 플렌지, 내부 진공을 유지하기 위한 다수의 오링을 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 투과형 엑스선 타겟은 베릴륨 엑스선 창 위에 텅스텐 박막이 적층된 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 투과형 엑스선 타겟은 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 구리(Cu) 중 적어도 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공챔버 둘레 일측에 형성되는 진공 배기구와 연결되는 진공 배기펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 포커스 엑스선관.
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