KR20090065108A

KR20090065108A - Ｃｎｔ를 이용한 삼극형 구조의 초소형 ｘ 선관

Info

Publication number: KR20090065108A
Application number: KR1020070132552A
Authority: KR
Inventors: 김대준; 송윤호; 정진우
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-06-22
Also published as: WO2009078581A2; US8300769B2; US20110116603A1; WO2009078581A3; KR100911434B1

Abstract

본 발명은 CNT(Carbon Nano Tube)를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관에 관한 것으로, 본 발명에 따른 삼극형 구조의 초소형 X 선관은, 음극부에 미세 패터닝된 CNT 에미터에 의해 전계방출 영역을 최대한 증가시켜 단위 면적당 방출 전류를 최대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 덮개 및 본딩 물질에 의해 높은 전기적 특성과 신뢰성 및 구조적 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 게이트부에 매크로한 구조로 게이트홀을 형성하여 별도의 집속용 전극 없이 게이트부에 의해 전자빔 집속을 도모할 수 있으며, 게이트부로의 누설전류를 방지할 수 있다. 게다가, 구조적 안정성을 위해 적용된 덮개의 상부 또는 내면에 보조 전극을 형성하여 추가로 전자빔 집속을 도모할 수 있으며, 전류 스위칭에 따라 출력되는 개별 X 선관당 출력량을 동일하게 제어할 수 있다.

X 선관, 고신뢰성, 전계방출, 3극형 구조, 탄소나노튜브(CNT), CNT 에미터, CNT 페이스트, 전자빔 집속, 나노 포커스, 덮개

Description

ＣＮＴ를 이용한 삼극형 구조의 초소형 Ｘ 선관{THE COMPACTIVE X-RAY TUBE WITH TRIODE STRUCTURE USING CNT}

본 발명은 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube, 이하 'CNT'라 함)를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 CNT를 이용하여 높은 전기적 특성과 신뢰성 및 구조적 안정성이 확보된 삼극형 구조를 가진 초소형 X 선관에 관한 것이다.

통상 X 선관은 의료용 장치, 공업용 계측장치 등의 X 선원으로써 이용되고 있고, 최근 들어 정전기 제전 장치의 X 선원 및 XRF(X Ray Fluorescence)로도 그 용도가 크게 확대되고 있다.

통상의 X 선관은 음극부의 핀이 수직 설치된 세라믹제 스템(Stem, 진공 튜브라고도 함)부와 하면에 타겟 금속이 증착된 출사창을 세라믹제 밸브로 지지하여 서로 납땜하고, 집속 전극을 상기 세라믹제 밸브의 내주면을 따라서 배치하는 동시에 집속 전극의 하단부를 스템부와 밸브로 끼우는 구성이다. 즉, 세라믹 부품을 2군데에 사용하고 있으므로 취급에 주의가 필요하다. 또한, 종래의 X 선관은 제조비용을 저렴하게 하는 것이 곤란하다. 스템측과 출사창측 모두 납땜작업을 할 필요가 있으 므로 제조에 시간이 걸릴 수 밖에 없다. 또한, 일반적으로 X 선관은 스템측과 출사창측의 양측에서 사용하는 납제를 다른 특성의 것으로 할 필요가 있어 작업공정이 복잡해지며, 이로 인해 양산성이 떨어지게 된다. 또한 출사창측과 세라믹제 밸브의 납땜 공정이 텅스텐 코일(음극 필라멘트)을 캐소드핀에 설치하는 공정보다도 이후가 된다. 그로 인해 텅스텐 코일 및 텅스텐 코일을 고정한 캐소드 핀을 고온에 노출시키게 되고, 텅스텐 핀과 캐소드 핀의 고정부가 가열되는 문제점이 있다. 결과적으로 텅스텐 코일과 캐소드핀의 고정이 느슨해지는 현상이 나타나며, 이는 필라멘트의 특성 및 수명 열화의 문제로 나타나 신뢰성이 결여될 우려가 있게 된다.

한편, 종래의 필라멘트를 이용한 열전자방출 X 선관의 경우 일반적으로 음극부와 양극부의 2극형 구조(다이오드 구조)를 채택하고 있다. 좀 더 자세히 설명하면, 음극부에서 전자가 방출되면 양극부에 고전압을 인가하여 가속시키는 방식을 사용하기 때문에 전자 집속 및 제어가 어려운 구조를 취하고 있다. 뿐만 아니라 필라멘트에서의 열전자 방출은 전방위(360ㅀ) 방출이 나타나므로 실제 양극부에 도달하는 전자량의 효율은 극히 떨어질 수 밖에 없다.

이러한 문제를 해결하기 위한 노력 중 최근 들어 각광받고 있는 물질은 탄소 나노 튜브(CNT: carbon nano tube)이다. CNT는 진공 중에서 끝이 뾰족한 도전성 에미터에 전기장이 인가되었을 때 전자가 방출되는 전계 방출 원리를 이용하는 에미터로 가장 우수한 성능과 더불어 전자방출의 단방향 직진성을 가지므로 매우 높은 효율을 제공한다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 CNT 에미터를 이용한 X 선관을 설명하기 위한 도면으로, 도 1a는 투과형 구조이고, 도 1b는 반사형 구조이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 CNT 에미터를 이용한 X 선관은, 게이트부(130)의 전자방출 유도에 따라 음극부(120)에 형성된 CNT 에미터(110)로부터 전자가 방출되면, 방출된 전자가 집속용 전극(E)에 의해 양극부(140a, 140b)로 집속되어, 투과형 양극부(140a) 또는 반사형 양극부(140b)에서 전자가 충돌되어 X 선(L)이 발생된다. 즉, 투과형 양극부(140a)와 음극부(120) 사이 또는 반사형 양극부(140b)와 음극부(120) 사이에 전자방출을 유도하는 게이트부(130)가 구비되어 3극형 구조를 갖는다.

하지만, 종래의 CNT 에미터를 이용한 X 선관에 있어서, 전자빔 집속은 별도의 집속용 전극(E)에 인가되는 전압에 따라 조절되기 때문에, 전자빔 집속을 얻어내거나 향상시키기 위해서는 이를 위한 또 다른 별도의 집속용 전극(E)이 필수적으로 구비되어야 하며, 이로 인해 구조가 복잡해지고 제작이 어려운 문제점이 있다.

게다가, CNT 에미터(110)로부터 방출된 전자가 게이트부(130)로 누설되면(B_leak), 이로 인해 누설전류에 의한 열변형 등의 이유로 인해 게이트부(130)가 변형되어 전자방출의 신뢰성이 저하되는 문제도 극복해야 할 난제 중의 하나로 여겨지고 있다.

그리고, XRF의 경우, 전자를 가속시키기 위한 양극부(140a, 140b)에 40kV 정도의 고전압이 인가되면, 원치 않는 아킹(arcing) 등에 의하여 구조가 손상될 수 있으므로 이에 대한 대응이 요구된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 음극부에 미세 패터닝된 CNT 에미터로부터 방출되는 단위 면적당 방출 전류를 최대화시킬 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 CNT를 이용한 X 선관에 있어서 높은 전기적 특성과 신뢰성 및 구조적 안정성이 확보되도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 CNT를 이용한 X 선관에 있어서 별도의 집속용 전극 없이 게이트부를 이용하여 전자빔 집속을 도모할 수 있으며, 게이트부로의 누설전류를 방지할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 게이트부에 의한 전자빔 집속 외에 구조적 안정성을 위해 적용된 덮개에 추가로 보조 전극을 형성하여 전자빔 집속을 더욱 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전류 스위칭에 따라 CNT를 이용한 X 선관으로부터 출력되는 개별 X 선관당 출력량을 동일하게 제어할 수 있도록 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관은, CNT 에미터가 미세 패터닝된 음극부와, 상기 음극부의 상부에 배치되어 전자방출을 유도하며 전자빔을 집속시키는 게이트부와, 상기 게이트부의 상부에 배치되는 덮개를 포함하는 전자방출부; 및 상기 전자방출부의 상부에 배치되 어 상기 음극부로부터 방출된 전자를 가속시켜 전자의 충돌로 X 선을 발생시키는 양극부를 구비하며, 상기 전자방출부는 상기 음극부에서부터 상기 덮개까지 본딩 물질에 의해 고정된 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 덮개는 상기 CNT 에미터의 전계방출 영역보다 더 큰 홀을 갖는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 게이트부에는 상기 CNT 에미터와 동일한 피치를 갖는 다수의 게이트홀이 매크로한 구조로 형성되어 있으며, 상기 게이트홀의 크기는 상기 CNT 에미터의 크기 보다 큰 것이 바람직하다. 특히, 상기 게이트홀은 상기 CNT 에미터로부터 방출된 전자빔이 상기 양극부에 집속되도록 소정의 각도로 경사진 형태의 경사 개구 구조를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 게이트부 및 덮개는 본딩 물질과 유사한 열팽창계수를 갖는 금속 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 게이트부를 통해 집속된 전자빔이 더욱 미세한 초점을 가지도록 상기 덮개의 상단 또는 내부에 전도성 금속으로 보조 전극이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전자방출부는 전류 스위칭을 위한 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 트랜지스터의 소스에는 상기 음극부가 연결되고, 게이트에는 펄스 전압이 인가되어, 상기 CNT 에미터로부터 방출되는 전자량이 상기 트랜지스터의 게이트에 인가되는 펄스 전압에 따라 변화되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫번째로, 음극부에 미세 패터닝된 CNT 에미터에 의해 전계방출 영역을 최대한 증가시켜 단위 면적당 방출 전류를 최대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 덮개 및 본딩 물질에 의해 높은 전기적 특성과 신뢰성 및 구조적 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

두번째로, 게이트부에 매크로한 구조로 게이트홀을 형성하여 별도의 집속용 전극 없이 게이트부에 의해 전자빔 집속을 도모할 수 있으며, 게이트부로의 누설전류를 방지할 수 있는 효과가 있다.

세번째로, 구조적 안정성을 위해 적용된 덮개의 상부 또는 내면에 보조 전극을 형성하여 추가로 전자빔 집속을 도모할 수 있는 효과가 있다.

네번째로, 별도의 구조 변경 없이 현재 시중에 존재하는 X 선관에 바로 적용할 수 있으므로 비용적 측면에서 유리한 효과가 있다.

다섯번째로, 전류 스위칭에 따라 출력되는 개별 X 선관당 출력량을 동일하게 제어할 수 있으며, X 선관의 수명을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관을 개략적으로 나타낸 도면으로, 도 2a는 반사형 구조이고, 도 2b는 투과형 구조 이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관은, 진공 튜브(T) 내부의 전자방출부(200)로부터 전자가 방출되면, 방출된 전자는 반사형 양극부(300a) 또는 투과형 양극부(300b)로 집속되어, 반사형 양극부(300a) 또는 투과형 양극부(300b)에서 전자가 충돌되어 X 선(L)이 발생된다.

상기 전자방출부(200)에 대하여 도 3을 참조하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 도 2a 및 도 2b에 도시된 전자방출부(200)를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 전자방출부(200)는, 상부에 CNT 에미터(210)가 미세 패터닝되어 전자를 방출하는 음극부(220)와, CNT 에미터(210)와 동일한 피치를 갖는 다수의 게이트홀(240)이 형성되어 있으며 전자의 방출을 유도하는 게이트부(250)와, 상기 음극부(220)와 게이트부(250)가 소정 간격을 유지하도록 하는 스페이서(230)와, 상기 게이트부(250) 상부에 배치되는 덮개(260)를 포함하여 이루어져 있다.

본 실시예에서, 음극부(220) 상부에 CNT 에미터(210)를 미세 패터닝하는 방법으로는 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다.

우선, CNT 파우더, 유기 바인더, 감광물질, 모노머 및 나노 크기의 금속입자를 용매에 분산시켜 CNT 페이스트를 제조한 후, 상기 제조된 CNT 페이스트를 기판 상부에 형성된 전극 상에 도포한다. 이어서, 전극 상에 도포된 CNT 페이스트를 노 광하여 미세 패터닝한 후, 상기 미세 패터닝된 CNT 페이스트를 소성하여, 상기 소성된 CNT 페이스트의 표면이 활성화되도록 CNT 페이스트의 표면을 처리한다. 여기에서, 상기 음극부(220)의 상부에는 노광과 현상을 통한 미세 패터닝이 가능하도록 미리 기판을 패터닝해 놓는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 음극부(220)는 원형 등 임의 형상의 기판이 적용될 수 있으며, 기판의 종류는 ITO가 코팅된 유리를 비롯하여 금속에 이르기까지 다양한 재료가 적용될 수 있다. 또한, 상기 CNT 페이스트를 노광하여 미세 패터닝할 때, 전극과 접착성이 유지될 수 있는 한계인 최소 5μm x 5μm 이상의 미세한 크기로 상기 CNT 페이스트를 패터닝하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 금속입자는 파우더나 페이스트 형태로 첨가되며, Ag, Cu, Ru, Ti, Pd, Zn, Fe 또는 Au 와 같이 전도성이 높은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 상기와 같은 방법에 의해 음극부(220) 위에 CNT 에미터(210)가 미세 패터닝되면, 상기 음극부(220) 상부에 스페이서(230) 및 게이트부(250)를 순차적으로 배치한다.

여기에서, 상기 스페이서(230)는 상기 음극부(220)와 게이트부(250)가 소정 간격을 유지하도록 하기 위한 것으로, 10μm ~ 1000μm의 두께를 가지는 유리 및 세라믹 등과 같은 절연체로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 스페이서(230)에 의해 상기 음극부(220)와 게이트부(250)가 전기적으로 절연된다.

그리고, 상기 게이트부(250)는 금속재료 및 금속이 증착된 절연체로 이루어지고, 그 중심부에 CNT 에미터(210)와 동일한 피치를 갖는 게이트홀(240)이 형성되어 있으며, 이에 대하여는 이하에서 후술하기로 한다.

한편, 상기 음극부(220), 스페이서(230), 게이트부(250)가 순차적으로 배열된 구조를 고정시키기 위하여 진공에서 사용가능한 UV 글루 등을 이용할 수 있지만, 고전압 환경하에서 구조적 안정성을 확보하기 위하여는 좀 더 개선된 구조가 요구된다.

이를 위하여, 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 게이트부(250) 상부에 덮개(260)를 배치한 후, 최밑단의 음극부(220)에서부터 스페이서(230) 및 게이트부(250)를 거쳐 덮개(260)에 이르기까지 프릿 글라스(Frit glass)와 같은 본딩 물질(270)을 이용하여 용접(Hermetic) 본딩하며, 이에 따라 매우 강력한 고정성이 확보되는 구조를 구현할 수 있게 된다. 이 때, 상기 덮개(260)는 본딩 물질(270)과 유사한 열팽창계수를 갖는 금속 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에 따른 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관은 상기와 같은 본딩에 의해 고전압, 고전류의 전기적 환경에서도 구조적 안정성을 가질 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 게이트부(250)의 게이트홀(240)이 매크로한 구조를 가지도록 형성함으로써, 게이트부(250)의 단위 면적당 방출 전류를 최대화시키는 동시에, 게이트부(250)로의 누설전류 방지와 더불어 양극부(300a, 300b)로의 전자빔 집속 효과를 도모할 수 있는 것에 특징이 있으며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 도 3에 도시된 게이트부(250)의 게이트홀(240)을 설명하기 위한 도면이고, 도 5a 및 도 5b는 게이트홀(240)에 CNT 에미터(210)가 정렬된 구조를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 게이트부(250)에는 다수의 게이트홀(240)이 형성되어 있으며, 그 다수의 게이트홀(240)은 X 선관의 진공 튜브(T)의 형태에 따라 6각형 외에 원형 또는 사각형 등 임의의 형상으로 구현이 가능하다.

여기에서, 상기 게이트부(250)는 상기 덮개(260) 및 본딩 물질(270)과 유사한 열팽창계수를 갖는 금속 물질(예를 들어, 덮개가 유리인 경우에는 Kovar 등)로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 본딩시 본딩 물질(270)의 용융을 위하여 열을 가할 경우 동일한 열팽창 특성을 가져야만 구조 정렬이 고정될 수 있기 때문이다. 또한, 게이트부(250)의 두께는 50 ~ 1000μm 정도에서 전자빔 집속능에 따라 선택 가능하다.

상기 게이트부(250)의 전자방출 유도 성능에 따라 X 선관의 성능이 크게 좌우된다. 즉, X 선관의 성능을 확보하기 위하여 우선 선행되어야 하는 기본 조건은 상기 게이트부(250)의 단위면적당 방출전자량(전류)이 예를 들어 수십μA에서 수십mA에 정도까지 도달해야 한다.

이를 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이 게이트부(250)의 크기(통상 2 ~ 5 mm)내에서 각 게이트홀(240)은 최소한의 피치(P)를 가지면서 최대한 많이 형성되어야 한다. 이 때, 각 게이트홀(240)사이의 피치(P)는 게이트부(250)를 구성하는 금속 및 요구 성능과 규격에 따라 달라지겠지만 통상 50μm ~ 수천μm 정도가 적당하다.

한편, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 게이트부(250)의 게이트홀(240) 은 음극부(220)에 형성된 CNT 에미터(210)와 정렬되는데, CNT 에미터(210)가 스크린 프린팅을 통하여 형성된 경우에는 CNT 에미터(210)들의 높이 및 밀도 등이 서로 동일하지 않으므로, 종래의 3극 구조를 택한다면 전자빔 방출의 균일도를 확보하기가 힘들다.

이를 위해, 본 발명에서는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 높이와 밀도가 불균일한 CNT 에미터(210)들의 특성을 최대한 이끌어내기 위하여 게이트홀(240)의 지름을 CNT 에미터(210)의 지름 보다 대략 2배 정도 크게 형성하여 게이트부(250)가 매크로한 구조를 갖도록 한다.

여기에서, 매크로한 구조란, 대부분의 CNT 에미터(210)들이 전자 방출에 기여할 수 있도록 게이트홀(240)이 CNT 에미터(210)에 비하여 훨씬 높은 위치에 크게 형성된 구조를 의미하며, 본 발명의 이해를 돕기 위해 이에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.

통상 3극형 구조에서 전자 방출을 유도하는 게이트부는 CNT 에미터의 높이와 거의 동일한 높이에 위치하며, 위에서 보았을때 CNT 에미터가 게이트홀의 정중앙에 위치하는 대칭적 구조를 갖게 된다. 이와 같은 구조를 마이크로한 구조라고 일반적으로 칭한다.

그러나, CNT 에미터는 높이 및 밀도 등이 서로 동일하지 않으므로 전자 방출의 균일도를 확보하기가 어려우며, 이로 인해 종래의 마이크로한 구조에서는 CNT 에미터와 게이트홀간의 거리를 최대한 좁혀서 대부분의 CNT 에미터들이 전자 방출에 기여할 수 있도록 하는 방식을 취하고 있다.

하지만, 이러한 경우, CNT 에미터의 전자 방출 특성은 게이트홀과의 거리에 따라 크게 달라지기 때문에, 오로지 게이트홀과 가까운 CNT 에미터만이 전자방출에 기여하게 되는 문제가 발생하며, 게다가 CNT 에미터를 게이트홀의 정중앙에 위치시켜야 하는 어려움도 있다.

이를 위하여, 본 발명에서는 도 3, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 CNT 에미터(210)가 미세 패터닝된 음극부(220)와 게이트부(250) 사이에 스페이서(230)를 배치하여 게이트홀(240)이 CNT 에미터(210)에 비하여 훨씬 높은 위치에 위치하도록 하는 한편, 게이트홀(240)의 지름이 CNT 에미터(210)의 지름 보다 대략 2배 정도 크게 형성되도록 한다.

이렇게 게이트홀(240)이 CNT 에미터(210)에 비하여 훨씬 높은 위치에 크게 형성된 경우, 게이트홀(240) 측면에서 볼 때 CNT 에미터(210)의 영역은 하나의 포인트처럼 보이게 되며, 이로 인해 각각의 CNT 에미터(210)와 게이트홀(240)간의 거리는 큰 차이가 없게 된다.

따라서, CNT 에미터(210)에 비하여 훨씬 높은 위치에 크게 형성된 게이트홀(240)에 의해 대부분의 CNT 에미터(210)가 전자 방출에 기여할 수 있으며, 이와 같은 구조를 매크로한 구조라 칭한다.

즉, 본 발명의 게이트부(250)는 CNT 에미터(210)보다 넓은 게이트홀(240)을 가지면서 보다 먼 거리에서 전자 방출을 담당하게 되므로, 게이트홀(240)내에 미세 패터닝된 CNT 에미터(210)로부터 보다 균일한 전자빔이 도출된다. 그리고, 상기 CNT 에미터(210)는 게이트홀(240) 보다 작게 구현되므로, CNT 에미터(210)로부터 방출된 전자들이 게이트부(250)로 누설되는 현상이 구조적으로 방지된다.

한편, 전술한 바와 같이, 도 1a 및 도 1b와 같은 종래의 CNT 에미터를 이용한 3극형 구조의 X 선관의 경우, 방출된 전자를 양극부(140a, 140b)에 집속시키기 위하여 별도로 집속용 전극(E)을 구비해야 하는 문제점이 있다.

이를 위해, 본 발명에서는 게이트부(250)의 게이트홀(240)이 전자빔 집속을 위한 경사 개구 구조를 갖도록 형성함으로써, 별도의 집속용 전극 없이 게이트부(250)만으로 전자빔 집속이 가능하도록 하며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 6a 및 도 6b는 도 3에 도시된 게이트부(250)의 게이트홀(240)의 경사 개구 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 게이트부(250)에 형성된 게이트홀(240)은 소정의 각도로 경사진 형태의 경사 개구 구조를 가진다. 따라서, 도 6b에 도시된 바와 같이 CNT 에미터(210)로부터 방출된 전자빔(B)의 궤적을 임의의 방향으로 제어하는 것이 가능하게 되며, 이에 따라 전자빔 집속 성능을 향상시킬 수 있다. 이는 게이트부(250)에 가해진 전자방출에 필요한 전계분포가 게이트홀(240)의 개구 모양에 따라 휘어지므로 전자빔(B)의 궤적도 동시에 같은 영향을 받게 되는 원리에 기인한다.

한편, 본 발명에서는 상기 게이트부(250)의 상부에 고정되는 덮개(260)에 추가로 보조 전극을 형성하여 전자빔 집속을 더욱 향상시키며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 7은 도 3에 도시된 덮개(260)를 설명하기 위한 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 덮개(260)의 상단 및 내면에 보조 전극(261a, 261b)이 각각 형성되어 있으며, 그 보조 전극(261a, 261b)은 게이트부(250)로부터 집속되어 나온 전자빔이 더욱 미세한 초점을 가지도록 집속시킨다. 여기에서, 상기 보조 전극(261a, 261b)은 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al) 등 전도성 금속인 것이 바람직하다.

상기 덮개(260)의 두께(H)는 약 100μm ~ 10 cm 까지 집속 기능 및 구조에 따라 가변될 수 있으며, 홀(263)의 내경(R)은 전자 방출 영역 보다 큰 것이 바람직하다. 그리고, 상단의 보조 전극(261a)의 폭(W)은 덮개(260)의 상단 폭 이하로 형성되며, 내부의 보조 전극(261b)의 길이(L)는 덮개(260)의 두께(H)의 1/2 이하 혹은 절연성이 확보되는 깊이로 형성되는 것이 바람직하다.

도 8은 본 발명에 따른 삼극형 구조의 초소형 X 선관이 적용된 XRF를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 전자방출부(200)는 진공 튜브(T) 내에 손쉽게 장착 가능하며, 고정부(410)에 의해 진공 튜브(T)에 고정된다.

상기 진공 튜브(T)의 상부에 방출된 전자를 가속하여 전자의 충돌로 X 선을 발생시키는 양극부(300)가 구비되어 있다. 또한, 전자방출부(200)에 전압을 인가하기 위한 리드선(420)이 2개 내지 4개 정도 구비되어 있다.

상기 진공 튜브(T)의 크기는 XRF 구조의 경우 길이 5cm, 내경 1cm 정도이며, 해당 응용 사례 및 구조에 따라 얼마든지 변형 가능하다.

상기 양극부(300)는 일반적으로 베릴륨(beryllium)의 얇은 막으로 구성되어 있으며, 상기 양극부(300)를 지지하고 진공 튜브(T)의 구조적 안정성을 확보하기 위하여 지지부재(430)가 구비되어 있다.

이와 같은 X 선관의 기본 구조는 이미 공개되어 있는 기술이다. 다만, 반사형의 경우는 양극부(300)의 금속 타겟을 도 2a와 같이 형성하면 된다.

한편, 지금까지 알려진 X 선관의 경우 열전자 방출이든, 냉전자 방출이든 간에 수명적인 문제와 더불어 개별 X 선관 당 출력되는 전자빔과 X 선량이 동일하지 않은 문제를 가지고 있었다.

이를 위해, 본 발명에서는 전자방출부(200)에 트랜지스터를 연결하여 전류 스위칭이 가능하도록 구현함으로써, X 선관의 수명증가와 더불어 개별 X 선관의 출력량을 동일하게 맞출 수 있도록 하며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 9는 본 발명에 따른 전류 스위칭이 가능한 투과형 X 선관을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, CNT 에미터(210)가 미세 패터닝된 음극부(220)에 트랜지스터(TR)의 소스가 연결되어 있고, 트랜지스터(TR)의 게이트에는 펄스 전압이 인가되며, 드레인에는 접지가 연결되어 있다.

양극부(300)와 게이트부(250)에 DC 전압이 인가되는 상태에서, 음극부(220)로부터 전자가 방출되면, 방출된 전자는 게이트부(250)의 게이트홀(240)을 거쳐 양극부(300)로 집속되며, 양극부(300)에서 전자가 충돌되어 X 선(L)이 발생된다. 이 때, 상기 음극부(220)로부터 방출되는 전자량은 상기 트랜지스터(TR)의 게이트에 인가되는 펄스 전압에 따라 조정될 수 있다.

즉, 상기 트랜지스터(TR)의 게이트에 펄스 전압이 인가되면, 인가된 펄스 전압에 따라 음극부(220)로부터 방출되는 방출 전류량이 조정된다. 따라서, 트랜지스터(TR)의 게이트에 인가되는 펄스 전압에 따라 개별 X 선관의 출력량을 동일하게 맞출 수 있으며, X 선관의 수명을 증가시킬 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 CNT 에미터를 이용한 X 선관을 설명하기 위한 도면이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2a 및 도 2b에 도시된 전자방출부를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 도 3에 도시된 게이트부의 게이트홀을 설명하기 위한 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 도 3에 도시된 게이트홀에 CNT 에미터가 정렬된 구조를 나타낸 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 도 3에 도시된 게이트부의 게이트홀의 경사 개구 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 도 3에 도시된 덮개를 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200: 전자방출부 210: CNT 에미터

220: 음극부 230: 스페이서

240: 게이트홀 250: 게이트부

260: 덮개 270: 본딩 물질

300, 300a, 300b : 양극부

Claims

CNT 에미터가 미세 패터닝된 음극부와,

상기 음극부의 상부에 배치되어 전자방출을 유도하며 전자빔을 집속시키는 게이트부와,

상기 게이트부의 상부에 배치되는 덮개를 포함하는 전자방출부; 및

상기 전자방출부의 상부에 배치되어 상기 음극부로부터 방출된 전자를 가속시켜 전자의 충돌로 X 선을 발생시키는 양극부를 구비하며,

상기 전자방출부는 상기 음극부에서부터 상기 덮개까지 본딩 물질에 의해 고정된 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 1항에 있어서,

상기 CNT 에미터는 스크린 프린팅 및 노광과 현상을 통해 상기 음극부 상에 미세 패터닝된 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 1항에 있어서,

상기 덮개는 상기 CNT 에미터의 전계방출 영역보다 더 큰 홀을 갖는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 1항에 있어서,

상기 게이트부에는 상기 CNT 에미터와 동일한 피치를 갖는 다수의 게이트홀이 매크로한 구조로 형성되어 있으며,

상기 게이트홀의 크기는 상기 CNT 에미터의 크기 보다 큰 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 4항에 있어서, 상기 다수의 게이트홀은 상기 게이트부의 크기 내에서 최소한의 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 4항에 있어서, 상기 다수의 게이트홀은 임의의 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 4항에 있어서, 상기 게이트홀은,

상기 CNT 에미터로부터 방출된 전자빔이 상기 양극부에 집속되도록 소정의 각도로 경사진 형태의 경사 개구 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 1항에 있어서, 상기 본딩 물질은 프릿 글라스인 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 1항에 있어서,

상기 게이트부 및 덮개는 상기 본딩 물질과 유사한 열팽창계수를 갖는 금속 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 1항에 있어서,

상기 음극부와 상기 게이트부 사이에 소정 간격을 유지하기 위한 스페이서가 구비된 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 1항에 있어서,

상기 게이트부를 통해 집속된 전자빔이 더욱 미세한 초점을 가지도록 상기 덮개의 상단 또는 내부에 전도성 금속으로 보조 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 11항에 있어서,

상기 덮개의 상단에 형성된 보조 전극의 폭은 상기 덮개의 상단 폭 이하이며,

상기 덮개의 내부에 형성된 보조 전극의 두께는 상기 덮개 두께의 1/2 이하 혹은 절연성이 확보되는 최대한의 두께인 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 1항에 있어서,

상기 전자방출부는 전류 스위칭을 위한 트랜지스터를 더 포함하며,

상기 트랜지스터의 소스에는 상기 음극부가 연결되고, 게이트에는 펄스 전압이 인가되며, 드레인에는 접지가 연결된 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 13항에 있어서,

상기 CNT 에미터로부터 방출되는 전자량은 상기 트랜지스터의 게이트에 인가되는 펄스 전압에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.
제 1항에 있어서,

상기 전자방출부는 진공 튜브 내에 장착되는 것을 특징으로 하는 CNT를 이용한 삼극형 구조의 초소형 X 선관.