KR20090120777A - 전자빔 집속 전극 및 이를 이용한 전자총 - Google Patents

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KR20090120777A
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Abstract

다각형 관통홀을 포함하는 플레이트; 및 상기 관통홀의 적어도 한 변에 형성된 돌출부를 포함하는 전자빔 집속 전극과 상기 전자빔 집속 전극을 이용한 전자총이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 집속 전극을 이용하면, 사각형 형상의 단면을 갖는 전자빔의 퍼짐 현상을 감소시킬 수 있으며, 전자총의 출력을 증가시키는 동시에 전자빔을 집속하는 것이 용이한 이점이 있다.
전자빔 집속 전극, BFE, 전자총, 사각형

Description

전자빔 집속 전극 및 이를 이용한 전자총{Beam forming electrode and electron gun using the same}
본 발명은 전자빔 집속 전극 및 이를 이용한 전자총에 관한 것으로, 상세하게는 전자총의 캐소드 전극으로부터 방출되는 전자빔을 소정의 단면 형상을 갖는 관통홀에 통과시킴으로써, 전자빔의 퍼짐 현상을 감소시키는 전자빔 집속 전극 및 이를 이용한 전자총에 관한 것이다.
마이크로파 및 테라파의 발진을 위한 진공 소자의 제작에 있어서, 소자에 전자빔을 입사하기 위한 전자총의 사용이 요구된다. 기존의 전자총은 속이 채워진 원형(solid) 또는 속이 빈 고리 모양(annular)의 단면을 갖는 전자빔을 생성하였다. 원형 또는 고리 모양의 단면을 갖는 전자빔이 적용되기 위해서는, 기판 표면 등에 형성된 패턴 내로 전자빔이 입사되어야 한다. 그러나 소자의 크기가 점차 작아지면서, 미세한 패턴 내로 전자빔을 입사시키는 것이 어려워지게 되었다.
이에 따라, 직사각형 형상의 단면을 갖는 전자빔(sheet beam)의 필요성이 제기되었다. 그러나 직사각형 형상의 단면을 갖는 전자빔의 경우, 원형 또는 고리형 빔에 비해 전기장의 균일성이 감소하게 된다. 이를 해결하기 위한 방법으로, 전자 총의 캐소드 앞에 복수 개의 그리드를 설치함으로써, 캐소드에서 방출된 전자를 그리드에 충돌시켜 전자빔의 분포를 균일하게 하는 방법이 사용된다.
본 발명의 일 실시예는 전자빔 집속 전극을 제공한다. 상기 전자빔 집속 전극은 다각형 관통홀을 포함하는 플레이트 및 상기 관통홀의 적어도 한 변에 형성된 돌출부를 포함한다. 관통홀의 적어도 한 변에 형성된 돌출부에 의하여 전자빔 집속 전극이 형성하는 전기장이 변화한다. 전자빔 집속 전극이 형성하는 전기장에 의해, 전자빔 집속 전극을 통과하는 전자들이 궤적이 조절된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 전술한 전자빔 집속 전극을 이용한 전자총을 제공한다. 상기 전자총은 캐소드 전극, 애노드 전극 및 전자빔 집속 전극을 포함한다. 상기 전자총의 캐소드 전극으로부터 방출된 전자는 전술한 전자빔 집속 전극의 관통홀을 통과하여 캐소드 전극과 이격하여 위치하는 애노드 전극 방향으로 집속된다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총을 도시한 단면 사시도이며, 도 1b는 상기 실시예에 따른 전자총을 도시한 종단면도이다.
도 1a를 참조하면, 상기 실시예에 따른 전자총은 캐소드(cathode) 전극(10), 애노드(anode) 전극(20) 및 전자빔 집속 전극(Beam Forming Electrode; BFE)(30)을 포함하여 구성된다.
캐소드 전극(10)은 열전자 방사(thermionic emission)를 이용한 소자, 냉음 극(cold emission cathode), 광전음극(photocathode) 또는 플라즈마 소스(plasma source) 등과 같은 소자로 구성되며 전자를 방출한다.
도 1b를 참조하면, 일 실시예에서 캐소드 전극(10)은 캐소드 베이스(100) 및 캐소드 지지 슬리브(sleeve)(101)에 의하여 전자총 내의 원하는 위치에 고정될 수 있다. 또한 캐소드 전극(10)이 열전자 방사를 이용한 소자일 경우, 가열된 캐소드 전극(10)으로부터 방출되는 열을 차폐하기 위한 방열막(102)이 캐소드 전극(10) 주변에 설치될 수도 있다.
애노드 전극(20)은 캐소드 전극(10)과 소정의 간격만큼 이격되어 위치한다. 캐소드 전극(10)과 애노드 전극(20) 사이에는 전압이 인가된다. 인가된 전압에 의해 캐소드 전극(10)으로부터 방출된 전자가 가속되어, 전자빔이 애노드 전극(20) 방향으로 집속(focusing)된다.
일 실시예에서 애노드 전극(20)은 전극 중앙에 홀(21)을 포함하여, 캐소드 전극(10)으로부터 방출된 전자가 홀(21)을 통해 애노드 전극(20)을 통과하여 전자총으로부터 출사되도록 할 수 있다. 전자총으로부터 출사된 전자는 외부에 위치한 또 다른 애노드 전극인 컬렉터(collector)(미도시)에 도달하게 된다.
전자빔 집속 전극(30)은 캐소드 전극(10)과 애노드 전극(20) 사이에 위치한다. 전자빔 집속 전극(30)은 다각형 형상의 관통홀(33)이 형성된 플레이트(plate)와 관통홀(33)의 적어도 한 변에 형성된 돌출부(미도시)를 포함한다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 전자빔 집속 전극(30)은 실린더 형태의 베이스(300)에 의하여 전자총 내의 원하는 위치에 고정된다. 캐소드 전 극(10)으로부터 방출된 전자들이 관통홀(33)을 통해 전자빔 집속 전극(30)을 통과하면서, 전자빔 집속 전극(30)에 의해 형성된 전기장에 따른 소정의 단면 형상을 가지는 전자빔이 형성된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총은 전자빔 집속 전극(30)과 애노드 전극(20) 사이에 위치하며, 전자빔의 전류량을 조절하는 게이트 전극(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 전자총에서 캐소드 전극(10) 및 전자빔 집속 전극(30)이 위치한 부분을 확대하여 도시한 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 전자빔 집속 전극(30)은 전자가 방출되는 캐소드 전극(10) 앞에 위치한다.
캐소드 전극(10)은 소정의 사출구(11)를 포함하는 캐소드 슬리브(12)에 둘러싸여 위치하며, 캐소드 전극(10)으로부터 방출된 전자는 캐소드 슬리브(12)의 사출구(11)를 통하여 전자빔 집속 전극(30) 방향으로 출사된다. 출사되는 전자들이 전자빔 집속 전극(30)의 관통홀(33)을 지나면서 전자빔이 형성된다. 이때, 상기 전자빔의 단면 형상은 관통홀(33)의 형상에 따라 형성된 전기장에 의해 결정된다. 캐소드 전극(10) 및 캐소드 슬리브(12)에 대하여는 도 4를 참조하여 후술한다.
도 2에 도시된 실시예에서 캐소드 슬리브(12)와 전자빔 집속 전극(30)은 소정의 간격만큼 이격하여 위치하며, 서로 전기적으로 분리되었다. 따라서, 전자빔 집속 전극(30)은 캐소드 슬리브(12)에 연결된 캐소드 전극(10)과도 전기적으로 분리된다.
캐소드 전극(10)과 전자빔 집속 전극(30)을 전기적으로 분리함으로써, 필요에 따라 캐소드 전극(10)과 전자빔 집속 전극(30)이 서로 동일한 전위를 갖도록 하거나, 또는 전자빔의 궤적을 조정하기 위해 서로 상이한 전위를 갖도록 할 수 있다. 이때, 캐소드 전극(10)과 전자빔 집속 전극(30)의 전위차는 양 전극(10, 30)의 이격 간격에서 절연파괴가 일어나지 않는 크기로 결정될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 전자빔 집속 전극(30)이 캐소드 슬리브(12)에 연결되도록 구성하여, 캐소드 슬리브(12)를 통하여 전자빔 집속 전극(30)과 캐소드 전극(10)을 서로 연결하는 것도 가능하다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 집속 전극을 도시한 사시도이다. 도 3a를 참조하면, 상기 실시예에 따른 전자빔 집속 전극(30)은 전자빔 집속 전극(30)을 관통하는 다각형 형상의 관통홀(33)이 형성된 플레이트(30') 및 관통홀(33)의 각 변으로부터 관통홀(33) 안으로 돌출된 돌출부(34)를 포함하여 구성된다.
캐소드 전극으로부터 방출된 전자는 전자빔 집속 전극(30)의 제1 면(31)에 입사된다. 관통홀(33)은 전자빔 집속 전극(30)의 제1 면(31)으로부터 제1 면(31) 반대편의 제2 면(32)까지 관통하여 형성되므로, 제1 면(31)으로 입사된 전자는 관통홀(33) 내를 통과하여 제2 면(32)을 통해 빔 형성 전극(30)으로부터 출사된다.
도 3a에 도시된 실시예에서, 관통홀(33)은 전자가 출사되는 제2 면(32)에서의 단면적이 제1 면(31)에서의 단면적보다 크도록 구성되었다. 그 결과, 관통 홀(33)의 단면은 관통홀(33) 내를 통과하는 전자빔의 진행 방향에 대해 경사지게 형성될 수 있다.
관통홀(33)의 적어도 한 변에는 돌출부(34)가 형성된다. 돌출부(34)로 인하여 관통홀(33) 내를 통과하는 전자들의 궤적이 조절되며, 전자빔의 모서리 부분에서의 전기장의 왜곡이 감소된다. 결과적으로, 전자총으로부터 출력되는 전자빔의 균일도가 향상되는 이점이 있다.
도 3b는 상기 실시예에 따른 전자빔 집속 전극의 평면도이며, 도 3c는 상기 전자빔 집속 전극의 저면도이다. 전자빔 집속 전극(30)에서 플레이트(30')의 관통홀(33)은 도 3c에 도시된 제1 면(31)에서 제1 단면적을 갖고, 도 3b에 도시된 제2 면(32)에서 제2 단면적을 갖는다. 일 실시예에서는, 관통홀(33)의 제2 단면적의 크기가 제1 단면적의 크기보다 크게 구성될 수 있다.
도 3b는 상기 실시예에 따른 전자빔 집속 전극에서 전자가 출사되는 부분인 제2 면(32)을 도시한 전자빔 집속 전극(30)의 평면도이다. 도시되는 바와 같이, 제2 면(32)에서 플레이트(30')에 형성된 관통홀(33)은 도면 가로 및 세로 방향으로 각각 L1 및 H1의 길이를 갖는다.. 일 예로, 본 발명가들은 L1은 3.04 mm, H1은 2 mm인 관통홀이 형성된 전자빔 집속 전극을 사용하여 실험을 수행하였다.
관통홀(33)의 적어도 한 변에는 돌출부(34)가 형성된다. 일 실시예에서, 각 돌출부(34)는 돌출부(34)가 형성된 변의 양 끝으로부터 일정 간격만큼 이격되어 위치하며, 예컨대 도 3b에 도시되는 바와 같이 각 변의 중앙에 위치할 수 있다. 각 돌출부(34)는 관통홀(33)의 각 변에서 관통홀(33)의 중심 방향으로 소정의 길이만큼 돌출된다.
도면 가로 및 세로 방향의 돌출부(34)는 각각 L2 및 H2의 폭을 갖고, D1 및 D2의 길이를 갖는다. 일 실시예에서, 각 돌출부(34)의 길이(D1, D2)는 관통홀(33)의 돌출부(34)가 형성된 변으로부터 관통홀(33)의 중앙까지의 거리보다 작도록 구성될 수 있다.
일 예로, 본 발명가들은 L2가 0.88 mm, H2가 0.48 mm, D1 및 D2가 0.4 mm인 돌출부가 관통홀 내에 형성되어 있는 빔 형성 전극을 사용하여 실험을 수행하였다.
돌출부(34)를 제외할 경우 사각형 형상인 관통홀(33)은, 사각형의 각 변 방향에서 돌출된 돌출부(34)에 의하여 아령 형상의 다각형으로 변형되었다. 돌출부(34)를 사용하여 관통홀(33)의 형상을 변형함으로써, 사각형 또는 모서리가 둥근 사각형 형상의 관통홀을 포함하는 전자빔 집속 전극을 사용할 경우보다 전자빔 집속 전극의 모서리 부분에서 전자빔의 퍼짐 현상이 감소되는 이점이 있다.
사각형 또는 모서리가 둥근 사각형 형상의 전자빔 집속 전극을 통과하는 전자빔은, 전자빔이 진행하는 거리가 길어질수록 전자 분포의 대칭성이 깨지게 된다. 이는 전자빔 집속 전극의 모양에 따른 전기장의 분포가 전자빔에 영향을 미치게 되기 때문이다. 또한, 전자빔 발생 초기에 열 및 전기장 분포로 인한 초기 속도 퍼짐(initial velocity spread) 및 초기 전자 속도가 균일하지 않은 것으로 인한 것이다.
그러나 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 집속 전극을 사용하면, 전자빔 집속 전극의 관통홀 내측의 돌출부에 의해 관통홀 내를 통과하는 전자빔의 궤적이 조절되며, 결과적으로 균일한 전자빔을 얻을 수 있다.
도 3c는 상기 실시예에 따른 전자빔 집속 전극에서 전자가 입사되는 부분인 제1 면(31)을 도시한 전자빔 집속 전극(30)의 저면도이다. 도 3c에 도시된 실시예에서 전자빔 집속 전극(30)은 서로 상이한 반지름을 갖는 2개의 원형 전극이 부착된 형상으로 되어 있으나, 이는 예시적인 것으로서 다른 실시예에서 전자빔 집속 전극(30)은 다른 임의의 형상을 가질 수 있다.
플레이트(30')에 형성된 관통홀(33)은 제1 면(31)에서 도면 가로 및 세로 방향으로 각각 L3 및 H3의 길이를 갖는다. 일 예로, 본 발명가들은 L3는 2.2 mm, H3는 1.16 mm인 관통홀을 포함하는 전자빔 집속 전극을 사용하여 실험을 수행하였다.
관통홀(33)의 적어도 한 변에는 돌출부(34)가 형성된다. 각 돌출부(34)는 다각형 관통홀(33)의 각 변의 중앙에서 관통홀(33)의 중심 방향으로 돌출된다. 도면 가로 및 세로 방향의 돌출부(34)는 각각 L2 및 H2의 폭을 갖고, D1 및 D2의 길이를 갖는다.
도 3d 및 도 3e는 각각 도 3a 내지 도 3c에 도시된 전자빔 집속 전극의 정면도 및 우측면도이다. 도 3d 및 도 3e를 참조하면, 플레이트(30')에 형성된 관통홀(33)은 전자빔 집속 전극(30)의 제2 면(32)에서의 단면적이 제1 면(31)에서의 단면적보다 크도록 형성되었다. 그 결과 관통홀(33)의 내측 표면(331)은 제1 면(31) 에 대해 θ의 각도를 이룬다. 또한, 관통홀(33)은 T1의 두께를 갖는다. 일 예로, 본 발명가들은 θ가 50°, T1이 0.5 mm인 관통홀이 형성된 전자빔 집속 전극을 사용하여 실험을 수행하였다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총에 포함된 캐소드 전극(10) 부분을 확대하여 도시한 사시도이며, 도 4b는 도 4a에 도시된 캐소드 전극(10)의 종단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 캐소드 전극(10)은 사출구(11)가 형성된 캐소드 슬리브(12) 내에 위치한다. 캐소드 전극(10)으로부터 방출된 전자는 사출구(11)를 통하여 전자빔 집속 전극(30) 방향으로 출사된다. 도시된 실시예에서, 사출구(11)의 내측 표면(111)은 캐소드 전극(10)의 표면(110)에 대하여 δ의 각도를 갖도록 형성되었다. 또한, 사출구(11)는 T3의 두께를 갖는다. 일 예로, 본 발명가들은 δ가 30°, T3 가 0.06 mm 인 사출구를 포함하는 캐소드 슬리브를 사용하여 실험을 수행하였다.
도 4c는 도 4a 및 도 4b에 도시된 사출구(11)를 도시한 평면도이다. 도 4c를 참조하면, 사출구(11)는 도면 가로 및 세로 방향으로 각각 L4 및 H4의 길이를 갖는 사각형 형상의 단면을 갖도록 형성되었다. 일 예로, 본 발명가들은 L4가 0.6 mm, H4가 0.1 mm인 사출구가 형성된 캐소드 슬리브를 사용하여 실험을 수행하였다.
도 2와 관련하여 전술한 바와 같이, 사출구(11)가 형성된 캐소드 슬리브(12)에 연결되어 또는 캐소드 슬리브(12)와 소정의 간격만큼 이격하여 전자빔 집속 전극(30)이 위치한다. 캐소드 전극(10)으로부터 방출되어 사출구(11)를 통해 출사된 전자들이 전자빔 집속 전극(30)을 지나면서, 전자빔 집속 전극(30)에 의한 전기장에 따른 소정의 단면 형상을 갖는 전자빔이 형성된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 집속 전극에 의한 등전위선 및 전자들의 궤적을 도시한 개략도이다. 도시되는 바와 같이, 다각형 형상 관통홀의 각 변으로부터 관통홀 내로 돌출된 돌출부에 의한 영향으로 전자빔 집속 전극의 등전위선이 조절되는 것을 알 수 있다.
도 5에 도시되는 바와 같이 관통홀 내에 돌출된 돌출부를 포함하는 전자빔 집속 전극을 사용하면, 전자빔의 모서리 부분에서 전자빔 분포의 왜곡이 개선된다. 그 결과, 전자총으로부터 출사된 전자들이 진행하면서 모서리 부분에서 전자빔이 왜곡되거나 서로 교차하는 것을 방지할 수 있있으며, 초기 전자빔 방출 형상이 크게 변하지 않고 유지된 채로 전자빔이 진행하도록 할 수 있는 이점이 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정 해져야 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총을 도시한 단면 사시도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 전자총의 종단면도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 전자총의 일부분을 확대하여 도시한 종단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 집속 전극을 도시한 사시도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 전자빔 집속 전극의 평면도이다.
도 3c는 도 3a에 도시된 전자빔 집속 전극의 저면도이다.
도 3d는 도 3a에 도시된 전자빔 집속 전극의 정면도이다.
도 3e는 도 3a에 도시된 전자빔 집속 전극의 우측면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총에 포함되는 캐소드 전극을 도시한 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 캐소드 전극을 확대하여 도시한 종단면도이다.
도 4c는 도 4a에 도시된 캐소드 전극을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 집속 전극을 통과한 전자빔의 등전위선 및 전자들의 궤적을 도시한 개략도이다.

Claims (9)

  1. 다각형 관통홀을 포함하는 플레이트; 및
    상기 관통홀의 적어도 한 변에 형성된 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 집속 전극.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 돌출부는, 상기 돌출부가 형성된 변의 양 끝으로부터 미리 설정된 간격만큼 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전자빔 집속 전극.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 돌출부의 길이는 상기 돌출부가 형성된 변으로부터 상기 관통홀의 중심까지의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 전자빔 집속 전극.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 관통홀의 단면은 상기 관통홀 내를 통과하는 전자빔의 진행 방향에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 전자빔 집속 전극.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 관통홀은,
    전자빔이 상기 관통홀 내로 입사되는 부분의 단면적이, 전자빔이 상기 관통홀로부터 출사되는 부분의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 빔 형성 전극.
  6. 전자를 방출하는 캐소드 전극;
    상기 캐소드 전극과 이격하여 위치하며, 상기 캐소드 전극으로부터 방출된 전자가 집속되는 애노드 전극; 및
    상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극 사이에 위치하는 전자빔 집속 전극을 포함하되,
    상기 전자빔 집속 전극은,
    상기 캐소드 전극으로부터 방출된 전자가 통과하는 다각형 관통홀을 포함하는 플레이트; 및
    상기 관통홀의 적어도 한 변에 형성된 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자총.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전자빔 집속 전극은 상기 캐소드 전극과 전기적으로 분리된 것을 특징으로 하는 전자총.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 전자빔 집속 전극은 상기 캐소드 전극과 연결된 것을 특징으로 하는 전 자총.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 전자빔 집속 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치하며 전자빔의 전류량을 조절하는 게이트 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자총.
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