KR20100128427A - 3극형 대면적 전자빔 조사장치 - Google Patents

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Abstract

전계방출팁을 이용한 3극형 대면적 전자빔 조사장치가 제공된다.
상기 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 둘레의 일측에 길이방향으로 전자빔 조사창이 형성된 진공챔버; 상기 진공챔버 내부 중심에 길이방향으로 구비되며, 상기 전자빔 조사창에 대응되는 일측에 전계방출팁이 형성된 음극; 상기 음극 상에 형성되며, 상기 전계방출팁을 표면에 노출시키는 공동이 형성된 절연막; 상기 절연막 상부에 형성된 게이트 전극; 상기 진공챔버에 구비되고, 상기 음극에 전압을 인가하는 음극 전압인가부; 및 상기 진공챔버에 구비되고, 상기 게이트 전극에 음 또는 양의 전압을 인가하는 게이트 전압인가부;를 포함하여 구성된다.
이러한 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 음극에 형성된 전계방출팁, 전계방출팁에서 방출되는 전류 밀도를 제어할 수 있는 게이트 전극 및 접지전위를 갖는 진공챔버로 구성됨으로써, 전류 밀도와 에너지가 독립적으로 제어된 전자빔이 넓은 폭으로 광범위한 영역에 조사되는 효과를 갖는다.
전자빔, 3극형, 전계방출, 게이트 전극, 접지

Description

3극형 대면적 전자빔 조사장치{Large-Area Electron Beam Irradiator Having Triode-structure}
본 발명은 전계방출팁을 이용한 전자빔 조사장치에 관한 것으로, 상세하게는 전계방출팁이 형성된 음극, 접지전위의 진공챔버 및 게이트 전극의 3극형 구조에 의해 전자빔의 에너지 및 전류밀도가 독립적으로 조절 가능하며 광범위한 전자빔의 조사가 이루어 질 수 있는 전자빔 조사장치에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 모든 물질의 물성은 구성 원자들간의 상호 결합 형태에 따라 결정되는 것이며, 이러한 결합은 원자에 속박된 외각전자들에 의해 이루어지고, 만일 충분한 에너지를 가지는 전자빔을 이용하여 어떤 물질이 이루고 있는 결합형태를 변형시키면 기존에 가지고 있던 물성과는 전혀 다른 특성이 발현될 수 있다.
즉, 전자빔을 조사함으로써 어떤 물질에 추가적으로 유용한 성질을 부여하거나, 또는 인체에 유해한 성질을 제거할 수 있게 되는 것이다.
일반적으로 전자빔 조사장치에 사용되고 있는 음극물질은 일함수가 낮은 여러 가지 단결정들이나 산화물 등을 사용하여 전자빔을 발생시키도록 하고 있으나, 이들은 그 크기가 제한되어 있어 넓은 폭의 피조사체에 대한 전자빔의 조사 및 처리를 하기 위해서는 전자석의 사용이 반드시 필요하다.
또한, 종래의 전자빔 조사장치는 음극물질을 필라멘트로 가열하여 고온의 적정 온도까지 상승시켜 전자빔을 획득하는 열전자 구동방식으로 구성되어 있어 상기 필라멘트는 물론 별도의 추가적인 전원장치가 필수적으로 요구된다.
이처럼, 종래의 전자빔 조사장치는 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라 소면적의 전자빔 조사에 따른 조사효율의 저하와 경제성 및 작업성의 결여를 초래하는 문제점이 있었다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 대한민국 등록특허 제 10-0577473호에 개시된 바와 같이, 전자석을 사용하지 않고서도 넓은 폭으로 광범위한 전자빔의 조사가 이루어질 수 있으며, 구조의 단순화 및 소형화가 가능한 대면적 전자빔 조사장치에 대한 기술을 개발한 바 있다. 그러나, 전술한 특허에서 제안한 대면적 전자빔 조사장치는 전자빔의 전류밀도와 에너지가 단일한 음극의 전압에 의해 제어되므로, 전자빔의 전류밀도와 에너지를 개별적으로 조절할 수 없는 한계가 있으며, 따라서 시료에 조사되는 선량을 정밀하게 조절하기 어렵다는 문제점이 있다.
상술한 문제점 중 적어도 일부를 해결하기 위하여, 본 발명은 전류 밀도와 에너지가 독립적으로 제어되며 전자빔이 넓은 폭으로 광범위한 영역에 조사 가능한 3극형 대면적 전자빔 조사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전자빔의 에너지와 전류밀도를 개별적으로 조절 가능한 3극형 대면적 전자빔 조사장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 전자빔의 에너지와 전류밀도를 극 미세 에너지 / 극 미세 전류로 조절 가능한 3극형 대면적 전자빔 조사장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 구조가 단순하여 제조가 용이하고, 소형화가 가능하며 부품의 교체 및 수리가 용이한 3극형 대면적 전자빔 조사장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 전계방출팁에서 방출되는 전자빔이 전자빔 조사창을 통해 조사되는 효율을 증진시킨 3극형 대면적 전자빔 조사장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 둘레의 일측에 길이방향으로 전자빔 조사창이 형성된 진공챔버; 상기 진공챔버 내부 중심에 길이방향으로 구 비되며, 상기 전자빔 조사창에 대응되는 일측에 전계방출팁이 형성된 음극; 상기 음극 상에 형성되며, 상기 전계방출팁을 표면에 노출시키는 공동이 형성된 절연막; 상기 절연막 상부에 형성된 게이트 전극; 상기 진공챔버에 구비되고, 상기 음극에 전압을 인가하는 음극 전압인가부; 및 상기 진공챔버에 구비되고, 상기 게이트 전극에 음 또는 양의 전압을 인가하는 게이트 전압인가부;를 포함하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 진공챔버 또는 상기 전자빔 조사창은 접지 단자를 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 음극은 원형 단면의 봉체이며, 상기 전자빔 조사창에 대응되는 상기 봉체의 외주면에 띠 형태의 전계방출팁이 길이 방향으로 형성될 수 있으며, 상기 띠 형태의 전계방출팁은 단일한 상기 공동 내부에 형성되어, 상기 띠 형태의 전계방출팁이 상기 게이트 전극에 의해 둘러싸인 구조를 가질 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 음극은 원형 단면의 봉체이며, 상기 전자빔 조사창에 대응되는 상기 봉체의 외주면에 띠 형태의 전계방출팁이 길이 방향으로 형성될 수 있으며, 상기 절연막은 다수의 공동이 형성된 망형이며, 상기 전계방출팁 상부에 형성될 수 있다. 이때, 상기 게이트 전극은 상기 절연막의 다수의 공동에 각각 대응하는 다수의 공동이 형성된 망형으로 이루어질 수 있다.
이와는 달리, 상기 음극은 원형 단면의 봉체이며, 상기 봉체의 외주면에 다수의 도트 형의 전계방출팁이 길이 방향으로 형성될 수 있으며, 상기 절연막은 다수의 공동이 형성되며, 상기 다수의 도트 형 전계방출팁 각각이 상기 공동의 내부 에 형성될 수 있다. 이때, 상기 게이트 전극은 상기 절연막의 다수의 공동에 각각 대응하는 다수의 공동이 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 봉체의 외주면에 다수의 도트 형의 전계방출팁이 길이 방향으로 형성된 경우, 상기 다수의 도트형의 전계방출팁은 6개의 최인접(nearest neighbor) 도트형의 전계방출팁으로 둘러싸여 허니컴(honeycomb) 구조를 이룰 수 있다.
또한, 상기 절연막의 상기 동공은 상기 게이트 전극이 존재하는 상부의 단면적이 상기 음극이 존재하는 하부의 단면적보다 작은 것이 바람직하며, 이때, 상기 절연막의 상기 동공의 측면은 상기 음극 표면의 수직 방향을 기준으로 4 내지 7도 기울어진 구조를 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 진공챔버는 원통형이며, 그 외주면에 상기 전자빔 조사창이 다수개 형성되며, 다수의 상기 전자빔 조사창 각각에 대응되는 상기 전계방출팁, 상기 절연막 및 상기 게이트 전극이 형성될 수 있으며, 이때, 다수의 상기 전자빔 조사창 각각에 대응되는 다수의 게이트 전극은 동일한 게이트 전압인가부와 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 상기 진공챔버의 양단부에 각각 일체로 형성된 고정플랜지; 상기 양단부의 고정플랜지 중 일측의 고정플랜지에 결합되고, 상기 음극 전압인가부를 구비하는 제 1 진공플랜지; 상기 양단부의 고정플랜지 중 타측의 고정플랜지에 결합되고, 상기 게이트 전압인가부를 구비하는 제 2 진공플랜지; 상기 음극의 일측단에 핀삽입공을 형성하고, 상기 음극 전압인가부의 일측에는 상기 음극 전압인가부의 접속핀이 관통하는 제 1 절연체를 구비하여 상기 제 1 절연체를 관통한 접속핀이 음극의 핀삽입공에 삽입되도록 구성된 제 1 지지부; 및 상기 음극의 타측단에 삽입돌부를 형성하여 상기 삽입돌부에 절연막 및 게이트 전극 금속막을 형성하고, 상기 게이트 전압인가부의 일측에는 상기 게이트 전압인가부의 접속핀이 관통하며 삽입홈이 형성된 제 2 절연체를 구비하여, 상기 삽입돌부가 상기 삽입홈에 삽입되어 상기 게이트 전극 금속막과 상기 게이트 전압인가부의 접속핀이 접속됨과 동시에 음극을 지지하는 제 2 지지부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 상기 전계방출팁은 탄소나노튜브인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 음극에 형성된 전계방출팁, 전계방출팁에서 방출되는 전류 밀도를 제어할 수 있는 게이트 전극 및 접지전위를 갖는 진공챔버로 구성됨으로써, 전류 밀도와 에너지가 독립적으로 제어된 전자빔이 넓은 폭으로 광범위한 영역에 조사되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 전계방출팁 상부에 다수의 공동을 갖는 절연막 및 게이트 전극이 형성되거나 전계방출팁을 둘러싼 절연막 및 게이트 전극이 형성되므로 미소 공정이 필요치 않게 되고, 이로 인해 그 제조가 용이하고, 구조가 단순하다는 효과가 있게 된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 절연막에 형성된 기공이 기울어진 측면을 갖도록 구성함으로써, 전계방출팁으로부터 전자를 더 효과적으로 방출시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 필라멘트와 같은 가열수단 또는 별도의 추가적인 전원장치 등이 없이도 전류 밀도 및 에너지가 개별적으로 제어 가능한 전자빔의 대면적 조사가 이루어질 수 있으며, 장치 구성이 단순하며 소형화가 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 원통 형태를 이루는 하나의 진공 챔버에 여러 개의 전자빔 조사창을 형성하여 다포트 조사가 이루어질 수 있는 장점이 있으며, 다포트 조사시 조사되는 다수의 전자빔의 전류 밀도 및 에너지의 편차가 작다는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 3극형 대면적 전자빔 조사장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 음극 및 게이트 전극을 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 음극(110) 바람직하게는 원형 단면의 봉체인 음극(110)에 길이 방향으로 전계방출팁(111)이 형성되며, 상기 음극(110)의 상부에 상기 전계방출팁(111)을 표면에 노출시키는 공동(121)이 형성된 절연막(120)이 위치하고, 상기 절연막(120) 상부로 게이트 전극(130)이 형성된다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 전계방출팁(111)은 단일한 공동(121) 내에 존재하며, 상기 게이트 전극(130)에 의해 둘러싸인 구조를 갖게 된다. 상기 절연막(120) 및 상기 게이트 전극(130)은 봉체인 음극(110)의 일 단으로 인출되어 게이트 전극(130)에 음 또는 양의 전압을 인가하는 게이트 전압인가부(미도시)와 전기적으로 접속하게 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 음극 및 게이트 전극을 도시한 개략도이다. 도 2를 참조하면, 음극(210) 바람직하게는 원형 단면의 봉체인 음극(210)에 길이 방향으로 전계방출팁(211)이 형성되며, 상기 전계방출팁(211)의 상부에 상기 전계방출팁(211)을 표면에 노출시키는 다수의 공동(221)이 형성된 망형 절연막(220)이 형성되고, 상기 망형 절연막(220) 상부로 게이트 전극(230)이 형성되게 된다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 게이트 전극(230)은 상기 절연막(220)에 형성된 다수의 공동(221)에 각각 대응하는 공동(231)을 가지는 망형 게이트 전극(230) 구조를 갖게 된다. 망형 절연막(220) 및 망형 게이트 전극(230)에 형성된 다수의 공동(221, 231)은 전계방출팁(211)에서 전 자가 방출될 수 있는 영역이 되며, 효과적인 게이트 전압의 인가, 균일한 전자의 방출 및 전자 방출 영역의 극대화를 위해, 상기 공동(221, 231)은 원형 또는 정육각형이 바람직하며 상기 공동(221, 231)의 배열은 최인접 공동의 수가 6인 하니컴 구조를 갖는 배열이 바람직하다. 상기 망형 절연막(220) 및 상기 망형 게이트 전극(230)은 봉체로 이루어지는 상기 음극(210)의 일 단으로 인출되어 망형 게이트 전극(230)에 음 또는 양의 전압을 인가하는 게이트 전압인가부(미도시)와 전기적으로 접속하게 된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 음극 및 게이트 전극을 도시한 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 음극(310) 바람직하게는 원형 단면의 봉체인 음극(310)에 도트형 전계방출팁(311)이 형성되며, 다수의 상기 도트형 전계방출팁(311)이 상기 봉체인 음극(310)의 길이 방향으로 배열되어 전계방출팁 어레이를 형성한다. 상기 전계방출팁 어레이는 균일한 전자의 방출 및 전자 방출 영역의 극대화를 위해, 6개의 최인접 도트형 전계방출팁을 갖는 하니컴형 구조를 갖는 것이 바람직하다. 상기 전계방출팁 어레이의 음극 상부로 상기 도트형 전계방출팁(311)을 표면에 노출시키는 다수의 공동(321)이 형성된 망형 절연막(320)이 형성되고, 상기 망형 절연막(320) 상부로 게이트 전극(330)이 형성되게 된다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이 절연막의 다수의 공동(321) 내부에는 각각 단일한 상기 도트형 전계방출팁(311)이 형성된다. 상기 게이트 전극(330)은 도 2와 마찬가지로 상기 절연막(320)에 형성된 다수의 공동(321)에 각각 대응하는 공동(331)을 가지는 망형 게이트 전극(330) 구조를 갖게 된다. 상기 공 동(321, 331)은 상기 도트형 전계방출팁(311)과 유사하게 원형 또는 정육각형이 바람직하며 상기 공동(321, 331)의 배열은 최인접 공동의 수가 6인 하니컴 구조를 갖는 배열이 바람직하다. 상기 망형 절연막(320) 및 상기 망형 게이트 전극(330)은 상기 봉체인 음극(310)의 일 단으로 인출되며, 상기 망형 게이트 전극(330)은 음 또는 양의 전압을 인가하는 게이트 전압인가부(미도시)와 전기적으로 접속하게 된다.
본 발명에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 음극, 음극 상에 형성된 게이트 전극, 진공챔버의 양극을 갖는 3극형 구조이며, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 게이트 전극(130, 230, 330)에 인가되는 음 또는 양의 게이트 전압에 의해 상기 전계방출팁(111, 211, 311)에서 방출되는 전자의 수가 제어된다.
본 발명의 일 실시예에 따라 도 1 내지 도 3에 도시한 절연막(120, 220, 320)에 형성된 공동(121, 221, 321)은 도 4에 도시한 바와 같이 게이트 전극이 존재하는 상부의 단면적(410)이 음극이 존재하는 하부의 단면적(420)보다 작게 형성될 수 있다. 상세하게는 상기 절연막에 형성된 상기 동공의 측면은 상기 측면이 접하는 음극 표면의 수직 방향(도 4에서 점선으로 표시된 화살표)을 기준으로 4 내지 7도(도 4의 θ) 기울어진 형상을 갖는다. 절연막에 형성된 기공이 기울어진 측면을 갖도록 구성함으로써 전계방출팁에서 방출되는 전자빔이 전자빔 조사창을 통해 조사효율을 증진시키게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 분해 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 내부 진공상태를 유지하고 전기적으로 양극에 해당하는 진공챔버(510), 전계방출팁에서 생성된 전자빔을 대기중으로 방출시키는 전자빔 조사창(511), 상기 진공챔버(510) 내부 중앙의 길이방향으로 구비되는 봉체 형태의 음극(520), 음극에 형성된 도 1 내지 도 3에서 상술한 전계방출팁, 절연막 및 게이트 전극의 구조체(530), 상기 음극에 음의 전압을 인가하는 음극 전압인가부(540), 및 상기 게이트 전극에 양 또는 음의 게이트 전압을 인가하는 게이트 전압인가부(550)를 포함하여 구성되며, 상기 음극(520)을 진공챔버(510) 내부의 양측에서 지지해주는 제1 지지부(560) 및 제 2 지지부(570)를 더 포함할 수 있다.
상기 진공챔버(510)는 양측 개방형의 원통체로 형성될 수 있으며, 상기 원통체의 대략 중간부 외측 둘레의 일측에는 길이방향으로 폭이 좁고 길이가 긴 형태의 전자빔 조사창(511)이 형성되며, 상기 전자빔 조사창(511)과 대응되는 음극상 위치에 전계방출팁, 절연막 및 게이트 전극의 구조체(530)가 형성된다. 또한, 상기 진공챔버(510)의 양단부에는 각각 고정플랜지(512,513)가 일체로 형성될 수 있다.
상기 음극(520)은 비교적 직경이 작고 길이가 긴 원형막대 형상으로 형성되고, 외측 둘레의 일측에는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 폭이 좁고 길이가 긴 띠 형태로 전계방출팁이 형성되거나, 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 도트형 전계방출팁으로 구성된 폭이 좁고 길이가 긴 띠 형태의 전계방출팁 어레이가 형성될 수 있다. 또한, 도 1 내지 도 3을 통해 상술한 바와 같이 상기 전계방출팁에 인접하거나 전계방출팁 상부로 공동이 형성된 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막의 공동에 대응하는 공동이 형성된 게이트 전극이 형성된다.
상기 진공챔버(510)의 양측 개방부를 기밀시키기 위해 음극 전압인가부(540)에는 진공챔버(510)의 일측 고정플랜지(512)와 결합되는 제 1 진공플랜지(514)가 형성되고, 게이트 전압인가부(550)에는 진공챔버(510)의 타측 고정플랜지(513)와 결합되는 제 2 진공플랜지(515)가 구비되며, 상기 진공플랜지(514,515)와 고정플랜지(512,513)는 볼트 체결에 의해서 결합될 수 있다.
상기 제 1 지지부(560)는 음극 전압인가부(540)에 돌출 형성된 접속핀(541)이 상기 음극(520)의 일측단에 형성된 핀삽입공(521)에 삽입되어 지지될 수 있도록 하면서 전기적으로 접속될 수 있도록 구성되고, 이들 사이에는 절연세라믹 재질로 형성된 제 1 절연체(561)가 구비된다. 이때, 상기 제 1 절연체(561)는 음극 전압인가부(540)의 접속핀(541)이 통과될 수 있도록 중앙부에 핀관통공(562)이 형성되며, 상기 접속핀(541)의 외곽에 형성된 장착홈(542)에 나사 결합된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 음극(520)의 타측단에는 삽입돌부(522)가 형성되고, 상기 삽입돌부(522)에는 상기 삽입돌부(522)를 감싸는 절연체(523) 및 금속막(524)으로 순차적으로 형성된다. 상기 삽입돌부(522) 상의 금속막(524)은 음극과 절연 상태로 게이트 전극과 전기적으로 연결된다.
상기 제 2 지지부(570)는 삽입홈(571)이 형성되어 상기 삽입돌부(522)가 삽입되어 지지될 수 있도록 하면서 게이트 전압인가부(550)와 게이트 전극이 전기적으로 접속될 수 있도록 구성되고, 이들 사이에는 절연세라믹 재질로 형성된 제 2 절연체(572)가 구비된다. 상기 제 2절연체(572)는 게이트 전압인가부(550)의 접속핀(551)이 통과될 수 있게 핀관통공(573)이 형성되며, 상기 접속핀(551)의 외곽에 형성된 장착홈(552)에 나사 결합된다. 상기 제 2절연체(572)를 관통한 상기 접속핀(551)은 제 2 지지부(570)의 삽입홈(571)을 통해 상기 게이트 전극과 전기적으로 접속된다. 용이한 접속을 위해 상기 삽입홈(571) 및 상기 핀관통공(573)의 내부 벽면에는 통전성이 높은 금속층이 형성될 수 있다.
상기 제 1 절연체(561) 및 제 2 절연체(572)는 고전압에 의한 절연파괴를 방지하기 위해 표면에 다수의 요철을 형성하여 표면경로를 연장하는 것이 바람직하다.
전자빔이 인출되는 상기 전자빔 조사창은, 상기 진공챔버의 외측으로 다소 돌출되고 중앙부에 폭이 좁고 길이가 긴 직사각형태의 투시공이 형성된 베이스판; 상기 베이스판의 투시공 외곽을 따라 형성되는 와이어 삽입홈에 삽입되는 금속와이어; 상기 금속와이어가 둘러싸는 면적보다 다소 큰 면적으로 금속와이어 상측에 구비되는 금속막; 및 상기 베이스판과 대응되고 중앙부에 투시공에 상응하는 빔조사공이 형성되어 베이스판과 결합되는 덮개판;을 포함하여 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 전자빔 조사창(700)의 분해 사시도이다. 도 5의 상기 진공챔버(510)에는 폭이 좁고 길이가 긴 대략 직사각형태의 베이스판(710)이 다소 돌출된 상태로 일체로 형성된다. 상기 베이스판(710)의 중앙부에는 역시 폭이 좁고 길이가 긴 직사각형태의 투시공(711)이 형성되고, 상기 투시공(711)의 외곽에는 금속와이어(720)가 삽입되는 와이어 삽입홈(712)이 대략 직사각형태를 이루며 형성될 수 있다. 그리고 상기 금속와이어(720)의 상부측에는 두께가 얇은 박막 형태를 이루는 금속막(730)이 안착되 며, 그 위에 다시 덮개판(740)이 볼트 체결에 의해 베이스판(710)과 결합된 구조로 형성된다. 또한, 상기 덮개판(740)의 중앙부에는 베이스판(710)의 투시공(711)과 대응되는 형상으로 빔조사공(741)이 형성된다. 상기 베이스판(710)은 가속 전기장의 왜곡을 줄이기 위해 최소의 돌출범위로 설계하는 것이 바람직하며, 상기 금속와이어(720)는 전자빔 조사창(700)을 통해 진공챔버(도 5의 510) 내부의 진공상태가 상실되는 것을 차단해주는 기밀기능을 갖는다. 이와 같이 구성된 전자빔 조사창(700)은 상기 베이스판(710)에 형성된 투시공(711)의 폭이 좁으므로 그 두께를 가 얇게 하여도 진공과 대기압 사이의 압력차이를 지탱할 수 있고, 이로 인해 금속막(730)을 뚫고 나오는 전자빔의 전류는 두꺼운 금속막에 비해 상대적으로 증대되고 에너지 손실은 감소되어 저에너지 전자빔의 조사창으로 적합하게 된다.
이때, 게이트 전극에 인가된 전압에 의해 그 수가 제어된 전계방출 전자들은 접지된 진공챔버로 가속되게 되는데, 전계방출 전자에 의한 진공챔버(전자빔 조사창을 포함함)의 표면 차징(charging)에 의해 그 가속 정도가 영향을 받게 된다. 특히, 상기 전자빔 조사창(700)에 대응되는 봉체인 상기 음극의 외주면에 띠 형태의 전계방출팁이 길이 방향으로 형성되며, 전자빔 조사창(700)의 금속막(730)을 관통하여 전자가 누설되므로, 전자빔 조사창(700)에 접지단자를 형성하여, 진공챔버(전자빔 조사창을 포함함)의 전위를 일정하게 유지시킬 필요가 있다. 이를 위해, 상기 베이스판(710)에 형성된 투시공(711)의 장축의 길이를 상기 빔조사공(741)의 장축의 길이보다 짧게 하여, 상기 빔 조사공(741)에 의해 노출되며 하부에 투시공(711)이 아닌 베이스판(710)이 존재하게 되는 접지 단자부(750)가 금속막(730) 자체에 형성되게 된다. 이때, 상기 베이스판(710)에 형성된 투시공(711)에 대응되도록 음극에 전계방출팁이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 금속막(730), 베이스판(710), 덮개판(740), 진공 챔버의 벽면 재질(내부 벽면재질) 및 상기 베이스판(710)과 상기 덮개판(740)을 부착 고정시키는 볼트가 높은 통전율을 가지며 서로 유사한 통전률을 가지는 경우, 상기 베이스판(710)과 상기 덮개판(740)을 결합시키는 볼트(760)가 접지 단자가 될 수 있다. 이때, 상기 볼트(760)는 일 단부에 나선홈(761)이 형성되며, 타 단부에 볼트의 조임을 위한 조임쇠(762)가 형성되며, 상기 나선홈(761)과 상기 조임쇠(762) 사이에 나선 홈이 형성되지 않은 금속영역(763)이 형성되어 상기 금속영역(763)이 접지 단자가 된다.
상기 전자빔 조사창(700)에 형성된 접지단자는 대지 또는 대지전위를 제공하는 접지체와 금속선으로 연결된다. 본 발명에 따른 대면적 전자빔 조사장치에서 상기 접지 단자에 의해 대지전위(ground voltage)가 유지된 상태로 전자빔이 생성 및 조사될 수 있으며, 전자빔의 생성 전/후로 상기 접지 단자에 의해 진공 챔버내 차징(charging)이 제거될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치는 진공챔버(810)의 둘레를 따라 다수의 전자빔 조사창(820, 830)을 구비할 수 있다. 이때, 상기 진공챔버(810) 내부 중심의 길이방향으로 구비되는 음극의 둘레에는 상기 전자빔 조사창과 각각 대응되게 다수의 전계방출팁, 절연막 및 게이트 전극의 구조체가 형성될 수 있다. 또한, 다수의 상기 게이트 전극은 음극과 절연된 상태로 금속선으로 인출되어 상기 음극에 형성된 삽입돌부(도 6의 522) 상의 금속막(도 6의 524)과 전기적으로 연결된다. 이에 의해 상기 제 2 지지부(570)의 상기 삽입홈(571), 핀관통공(573) 및 게이트 전압인가부(550)의 접속핀(551)을 통해 상기 다수의 게이트 전극에 동일한 게이트 전압이 인가되게 된다.
도 8에 도시된 바와 같이 한 개의 장치에 여러개의 전자빔 조사포트를 만들어 각각을 독립적으로 서로 다른 용도로 동시에 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 9는 도 3에서 상술한 도트형 전계방출팁(910)이 형성된 전계방출팁 어레이, 망형 산화막(절연막) 상부에 적층된 망형 게이트 전극(920)이 형성된 음극의 주사전자 현미경 사진으로, 도트형 전계방출팁(910)의 직경이 약 100㎛이며, 산화막 및 게이트 전극에 형성된 공동(930) 각각의 직경이 약 200㎛이고, 전계방출팁 어레이가 3mmx70mm의 띠형상을 갖는다. 일 예로서, 도트형 전계방출팁(910)은 3,920개의 탄소나노튜브를 가질 수 있다.
도 10은 본 발명에 따라 도 9의 게이트 전극이 형성된 전계방출팁 어레이가 형성된 음극을 갖는 3극형 대면적 전자빔 조사장치에서 발생하는 전자빔에 의한 음극선 발광(Green phosphor) 사진이다. 이때, 음극 인가 전압은 -1kV, 게이트 전극 인가 전압은 500V이었으며, 양극인 진공 챔버 및 전자빔 조사창은 접지 단자를 통해 대지 전위로 유지되었다. 전자빔 조사창을 통해 누설되는 전류는 상기 게이트 전극 인가전압에 의해 300㎂로 조절된 값을 가졌다. 장시간의 전자빔 방출 테스트에서도 300㎂의 안정한 전류가 넓은 면적으로 균일하게 발생하였으며, 도 10의 형 광체상 검은 얼룩은 장시간 전계 방출 테스트를 진행하여 형광체 일부가 검게 변질되어 나타난 얼룩이다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 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 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 음극 및 게이트 전극의 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 음극 및 게이트 전극의 개략도.
도 3은 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 음극 및 게이트 전극의 개략도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 음극 및 게이트 전극의 단면을 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 분해 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 음극의 타측단에 형성된 삽입돌부 및 삽입홈이 형성된 제 2 지지부의 일부를 도시한 개략도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 전자빔 조사창의 분해 사시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 사시도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 음극의 주사전자 현미경 사진.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3극형 대면적 전자빔 조사장치의 전자빔에 의한 음극선 발광(Green phosphor) 사진.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110, 210, 310, 520 : 음극 111, 211, 311, 910 : 전계방출팁
120, 220, 320 : 절연막 121, 221, 321 : 절연막의 공동
130, 230, 330, 920 : 게이트 전극 231, 331 : 게이트 전극의 공동
530 : 전계방출팁, 절연막 및 게이트 전극의 구조체
510, 810 : 진공챔버 511, 700, 820, 830 : 전자빔조사창
512, 513 : 고정플랜지 514 : 제 1 진공플랜지
515 : 제 2 진공플랜지 521 : 핀삽입공
522 : 삽입돌부 523 : 절연체
524 : 금속막 540 : 음극전압인가부
541 : 음극 접속핀 542, 552 : 장착홈
550 : 게이트전압인가부 551 : 게이트 접속핀
560 : 제 1 지지부 570 : 제 2지지부
561 : 제 1 절연체 562 : 핀관통공
571 : 삽입홈 572: 제 2 절연체
573 : 핀관통공
710 : 베이스판 711 : 투시공
720 : 금속와이어 712 : 삽입홈
730 : 금속막 740 : 덮개판
741 : 빔조사공 750 : 접지단자부
760 : 볼트 761 : 나선홈
762 : 조임쇠 763 : 접지단자

Claims (17)

  1. 둘레의 일측에 길이방향으로 전자빔 조사창이 형성된 진공챔버;
    상기 진공챔버 내부 중심에 길이방향으로 구비되며, 상기 전자빔 조사창에 대응되는 일측에 전계방출팁이 형성된 음극;
    상기 음극 상에 형성되며, 상기 전계방출팁을 표면에 노출시키는 공동이 형성된 절연막;
    상기 절연막 상부에 형성된 게이트 전극;
    상기 진공챔버에 구비되고, 상기 음극에 전압을 인가하는 음극 전압인가부; 및
    상기 진공챔버에 구비되고, 상기 게이트 전극에 음 또는 양의 전압을 인가하는 게이트 전압인가부;
    를 포함하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진공챔버 또는 상기 전자빔 조사창은 접지 단자를 구비하는 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 음극은 원형 단면의 봉체이며, 상기 전자빔 조사창에 대응되는 상기 봉 체의 외주면에 띠 형태의 전계방출팁이 길이 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 띠 형태의 전계방출팁은 단일한 상기 공동 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전계방출팁은 상기 게이트 전극에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 절연막은 다수의 공동이 형성된 망형이며, 상기 전계방출팁 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 절연막의 다수의 공동에 각각 대응하는 다수의 공동이 형성된 망형인 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 음극은 원형 단면의 봉체이며, 상기 전자빔 조사창에 대응되는 상기 봉체의 외주면에 다수의 도트형의 전계방출팁이 길이 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 절연막은 다수의 공동이 형성되며, 상기 다수의 도트형의 전계방출팁 각각이 상기 공동의 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 절연막의 다수의 공동에 각각 대응하는 다수의 공동이 형성된 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 다수의 도트형의 전계방출팁은 6개의 최인접(nearest neighbor) 도트형의 전계방출팁으로 둘러싸여 허니컴(honeycomb) 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 절연막의 상기 공동은 상기 게이트 전극이 존재하는 상부의 단면적이 상기 음극이 존재하는 하부의 단면적보다 작은 것을 특징으로 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 절연막의 상기 동공의 측면은 상기 음극 표면의 수직 방향을 기준으로 4 내지 7도 기울어진 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 진공챔버는 원통형이며, 그 외주면에 상기 전자빔 조사창이 다수개 형성되며, 다수의 상기 전자빔 조사창 각각에 대응되는 상기 전계방출팁, 상기 절연막 및 상기 게이트 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    다수의 상기 전자빔 조사창 각각에 대응되는 다수의 게이트 전극은 동일한 게이트 전압인가부와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 전계방출팁은 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 진공챔버의 양단부에 각각 일체로 형성된 고정플랜지;
    상기 양단부의 고정플랜지 중 일측의 고정플랜지에 결합되고, 상기 음극 전압인가부를 구비하는 제 1 진공플랜지;
    상기 양단부의 고정플랜지 중 타측의 고정플랜지에 결합되고, 상기 게이트 전압인가부를 구비하는 제 2 진공플랜지;
    상기 음극의 일측단에 핀삽입공을 형성하고, 상기 음극 전압인가부의 일측에는 상기 음극 전압인가부의 접속핀이 관통하는 제 1 절연체를 구비하여 상기 제 1 절연체를 관통한 접속핀이 음극의 핀삽입공에 삽입되도록 구성된 제 1 지지부; 및
    상기 음극의 타측단에 삽입돌부를 형성하여 상기 삽입돌부에 절연막 및 게이트 전극 금속막을 형성하고, 상기 게이트 전압인가부의 일측에는 상기 게이트 전압인가부의 접속핀이 관통하며 삽입홈이 형성된 제 2 절연체를 구비하여, 상기 삽입돌부가 상기 삽입홈에 삽입되어 상기 게이트 전극 금속막과 상기 게이트 전압인가부의 접속핀이 접속됨과 동시에 음극을 지지하는 제 2 지지부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3극형 대면적 전자빔 조사장치.
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