KR20100133181A - 고분자 생성, 산업, 인체 진단을 위한 나노물질 기반 램프, 고리 형태의 중대형 엑스선 발생 장치 및 그 방법 - Google Patents

고분자 생성, 산업, 인체 진단을 위한 나노물질 기반 램프, 고리 형태의 중대형 엑스선 발생 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 등 나노구조물질 기반의 전자 방출원을 이용하고 고분자 생성, 산업, 인체 진단 등을 위하여 램프 타입, 고리 타입 등으로 중대형으로 제작된 엑스선 발생 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는, 양극 쪽을 제외한 다른 면을 둘러싼 절연체 내부에 음극이 놓인 기판을 장착하고, 상기 음극은 상기 양극을 따라 상기 양극에 대향하는 상기 기판 상의 면에 배치되며, 상기 음극으로부터의 전자를 상기 양극에 충돌시켜서 상기 양극 쪽의 하우징 면의 윈도우를 통하여 엑스선을 방출할 수 있다.
탄소나노튜브, 영상용 엑스선 램프, 고분자 생성, 산업용, 인체 진단용

Description

고분자 생성, 산업, 인체 진단을 위한 나노물질 기반 램프, 고리 형태의 중대형 엑스선 발생 장치 및 그 방법{Nano-material based Lamp and Ring Type Large X-ray Apparatus for Polymer Formation, Industry and Human Body Diagnosis and Method thereof}
본 발명은 중대형 엑스선 발생 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히, 탄소나노튜브 등 나노구조물질 기반의 전자 방출원을 이용하고 고분자 생성, 산업, 인체 진단 등을 위하여 램프 타입, 고리 타입 등으로 중대형으로 제작된 엑스선 발생 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적인 엑스선 발생 장치로서 텅스텐 필라멘트와 같은 열음극을 이용하는 중대형 엑스선관이나 탄소나노튜브와 같은 냉음극을 이용하는 소형 엑스선관이 있다. 중대형 엑스선관은 의료 분야에서 흉부 진단이나 단층 촬영을 위해 많이 사용되고 있으며, 소형 엑스선관은 특정 국소 부위의 종양을 근접 치료하거나 진단하기 위하여 많이 사용되고 있다. 이 밖에도 농업, 또는 공업 분야에서도 필요한 각종 엑스선 발생 장치가 이용되고 있다.
하지만, 탄소나노튜브와 같은 냉음극이나 텅스텐 필라멘트와 같은 열음극을 이용하는 소형 엑스선관에 대하여는 많은 개발이 이루어져 왔으나, 이와 같은 냉음극이나 열음극을 이용하여 중대형으로 제작된 엑스선 발생 장치는 개발이 미흡하고, 인체 진단용이나 많은 산업상의 분야에서 이용될 중대형의 엑스선 발생 장치가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 고분자 생성, 산업, 인체 진단 등 농공업 및 의료용으로 엑스선을 유용하게 활용할 수 있도록 하기 위하여, 탄소나노튜브 등 나노구조물질 기반의 냉음극이나 필라멘트 기반의 열음극을 전자 방출원으로 적용하며 램프 타입, 고리 타입 등으로 제작될 수 있는 엑스선 발생 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 엑스선 발생 장치는, 양극 쪽을 제외한 다른 면을 둘러싼 절연체 내부에 음극이 놓인 기판을 장착하고, 상기 음극은 상기 양극을 따라 상기 양극에 대향하는 상기 기판 상의 면에 배치되며, 상기 음극으로부터의 전자를 상기 양극에 충돌시켜서 상기 양극 쪽의 하우징 면의 윈도우를 통하여 엑스선을 방출하는 것을 특징으로 한다.
상기 양극과 상기 음극이 일직선 형태로 뻗은 직선형 구조를 포함한다.
상기 양극은 일직선 형태이고, 상기 음극은 1차원 배열로 형성한 복수 음극 형 태의 구조를 포함할 수 있다.
상기 양극과 동심원 형태로 상기 음극이 배치된 고리형 구조를 포함한다.
상기 엑스선을 받는 피사체를 이동시키거나 상기 피사체에 엑스선을 노출하는 상기 엑스선 발생 장치를 이동시켜서 상기 피사체의 위치별로 상기 피사체를 통과한 엑스선의 해당 영상을 획득할 수 있다.
반응기 내의 반응 대상 물질에 상기 엑스선을 노출시켜서 결과 물질의 생성 속도를 증가시킬 수 있다.
상기 음극은, 탄소나노튜브, 카본나노파이버(CNF), 나노와이어(nano-wire), 그래핀(graphene), 또는 나노다이아몬드(nano-diamond)를 포함한 나노구조물질로 이루어질 수 있다.
상기 음극은, 텅스텐, 레늄, 또는 탄탈을 포함하는 필라멘트로 이루어질 수도 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 엑스선 발생 장치의 작동 방법은, 양극 쪽을 제외한 다른 면을 둘러싼 절연체 내부에 음극이 놓인 기판을 장착하고, 상기 음극은 상기 양극을 따라 상기 양극에 대향하는 상기 기판 상의 면에 배치되며, 상기 음극으로부터의 전자를 상기 양극에 충돌시켜서 상기 양극 쪽의 하우징 면의 윈도우를 통하여 엑스선을 방출하는 엑스선 발생 장치를 이용하여, 상기 엑스선을 받는 피사체를 이동시키거나 상기 피사체에 엑스선을 노출하는 상기 엑스선 발생 장치를 이동시켜서 상기 피사체의 위치별로 상기 피사체를 통과한 엑스선의 해당 영상을 획득하거나, 반응기 내의 반응 대상 물질에 상기 엑스선을 노출시켜서 결과 물질의 생성 속도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 엑스선 발생 장치는, 상기 양극과 상기 음극이 일직선 형태로 뻗은 직선형 구조, 또는 상기 양극과 동심원 형태로 상기 음극이 배치된 고리형 구조를 포함한다.
본 발명에 따른 엑스선 발생 장치 및 그 방법에 따르면, 탄소나노튜브 등 나노구조물질 기반의 열음극이나 필라멘트 기반의 열음극을 전자 방출원으로 적용하여 램프 타입, 고리 타입 등으로 제작함으로써, 고분자 생성, 산업, 인체 진단 등 농공업 및 의료용으로 엑스선을 유용하게 활용할 수 있다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 엑스선 발생 장치(10)를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 엑스선 발생 장치(10)는, 형광등과 같이 길게 중대형 램프(lamp) 타입으로 제작되어, 인체의 환부 진단이나 산업상 비파괴 검사가 필요한 부분의 검사를 위하여 엑스선을 방사하여 엑스선 영상을 얻기 위한 영상용으로 사용하거나 폴리머(polymer)와 같은 고분자 물질의 생성 속도를 증가시키기 위하여 대상 물질에 엑스선을 노출시킬 수 있도록 다양한 목적으로 활용될 수 있게 하였다.
도 2와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 엑스선 발생 장치(10)는, 절연체로된 하우징(housing)(11) 내부에 기판(12)을 장착한 구조로서, 기판(12) 상에 음극(13)이 놓여 있고, 음극(13)에 대향하여(마주하여) 양극(14)이 배치된다. 도 3 또는 도 4와 같이, 양극(14)과 음극(13)은 일직선 형태로 뻗은 직선형 구조로 되어 있다.
여기서, 음극(13)은 도전성 기판(12) 상에 탄소나노튜브, 카본나노파이버(CNF), 나노와이어(nano-wire), 그래핀(graphene), 나노다이아몬드(nano-diamond) 등 전자방출효율이 우수한 나노구조물질로 이루어진다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 경우에 따라서는 음극(13)으로서 텅스텐 필라멘트 등 열음극이 이용되는 것을 제한하는 것은 아니다.
도 2 또는 도 3과 같이, 양극(14) 쪽을 제외한 다른 면을 둘러싼 절연체 하우징(11) 내부에 음극(13)이 놓인 기판(12)이 장착된다. 음극(13)은 양극(14)을 따라 장방향으로 양극(14)에 대향하는 기판(12) 상의 면에 형성되거나 배치되어 있다.
이에 따라, 전원 공급선을 통하여 음극(13)에 높은 음의 전압(이때 양극에는 접지) 또는 양극(14)에 높은 양의 전압(이때 음극에는 접지)을 인가함으로써, 음극(13)으로부터 전자를 발생시킬 수 있고, 이와 같이 발생된 전자(전자빔)는 양극(14)에 충돌하여 엑스선을 발생시키며 이에 따라 양극(14) 쪽의 하우징(11) 면의 소정 윈도우를 통하여 엑스선을 방출할 수 있다. 음극(13)이 위와 같은 나노구조물질로 이루어진 경우에, 기판(12)을 전도성으로 만들 수 있고, 이때 음극(13)에 전압을 공급하기 위하여 기판(12)에 해당 전압을 공급할 수 있다. 양극(14)의 구조는 베릴륨(Be) 창에 텅스텐 혹은 몰리브데늄(Molybdenum)과 같은 x-선 발생효율이 우수한 물질을 도포한 투과형 타깃 형태로 할 수 있고, 전자빔이 이와 같은 양극(14)과 충돌하게 되면, 엑스선은 양극 타깃을 투과하여 외부로 방출될 수 있다.
도 5 또는 도 6과 같이, 음극(13)은 탄소나노튜브와 같은 나노구조물질로 이루어진 복수 음극을 1차원 배열로 형성한 구조일 수도 있다. 이때에도, 전원 공급선을 통하여 음극(13)에 높은 음의 전압(이때 양극에는 접지) 또는 양극(14)에 높은 양의 전압(이때 음극에는 접지)을 인가함으로써, 음극(13)으로부터 전자를 발생시킬 수 있고, 이와 같이 발생된 전자(전자빔)는 양극(14)에 충돌하여 엑스선을 발생시키며 이에 따라 양극(14) 쪽의 하우징(11) 면의 소정 윈도우를 통하여 엑스선을 방출할 수 있다.
또한, 도 7 또는 도 8과 같이, 음극(13)은 텅스텐, 레늄, 또는 탄탈을 포함하는 필라멘트로 된 열음극일 수도 있다. 음극(13)이 위와 같은 열음극 물질로 이루어진 경우에는, 많은 열이 발생하므로 기판(12)을 세라믹등 고내열성 재료로 만들 수 있고, 이때 열음극(13) 양단에 전압을 공급함으로써, 전자를 발생시킬 수 있고, 이와 같이 발생된 전자(전자빔)는 양극(14)에 충돌하여 엑스선을 발생시키며 이에 따라 양극(14) 쪽의 하우징(11) 면의 소정 윈도우를 통하여 엑스선을 방출할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 엑스선 발생 장치(10)의 실사용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9와 같이, 박스형 등 다양한 형태의 반응기(20) 내부에 반응 대상 물질을 넣고 엑스선 발생 장치(10)를 동작시켜서 전후 좌우 또는 회전 이동시키면서 반응 대상 물질에 엑스선을 노출시킴으로써 물질의 활성화 등 소정 반응에 따라 결과 물질이 빠른 속도로 생성되도록 할 수 있다. 반응 대상 물질은 폴리머와 같은 고분자 물질일 수 있다. 반응기(20) 내부의 소정 벽면에는 소정 집진 수단이 설치될 수 있고, 엑스선을 노출시킬 때 발생하는 파티클들(particle)이 이온화되면 상기 집진 수단에 인가한 전계에 의하여 이온화된 파티클들을 집진하여 반응기(20) 내부를 클린(clean) 상태로 유지하는 것도 가능하다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 엑스선 발생 장치(10)의 다른 실사용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10과 같이, 엑스선 발생 장치(10)를 이용해 발생되는 엑스선을 다양한 모양의 피사체에 노출시켜서 피사체의 비파괴 검사를 실시할 수 있다. 예를 들어, 엑스선 발생 장치(10)를 동작시켜서 전후 좌우 또는 회전 이동시키면서 피사체는 움직이지 않고 고정되어 있더라도 피사체의 위치별로 해당 피사체를 통과한 엑스선의 해당 영상을 획득할 수 있다. 엑스선 영상은 피사체를 중심으로 엑스선 발생 장치(10)의 반대쪽에 설치된 소정 엑스선 검출 수단을 이용하여 획득될 수 있다. 또한, 위와 같이 엑스선 발생 장치(10)를 움직이며 피사체의 위치별 엑스선 영상을 획득하는 대신에, 엑스선 발생 장치(10)를 고정하고 엑스선을 받는 피사체를 전후 좌우 또는 회전 이동시켜서 피사체의 위치별로 해당 피사체를 통과한 엑스선의 해당 영상을 획득할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 발생 장치(40)를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 발생 장치(40)는, 도 1의 직선형 구조를 고리형 구조로 변형한 예이다. 엑스선 발생 장치(40)는 도 1의 구조와 유사하게, 절연체로된 하우징(미도시) 내부에 기판(42)을 장착한 구조로서, 기판(42) 상에 음극(43)이 놓여 있고, 음극(43)에 대향하여(마주하여) 양극(44)이 배치된다. 여기서, 양극(44)과 동심원 형태로 음극(43)이 배치된 고리형 구조로 되어 있다. 기판(42) 바깥쪽과 양극(44) 안쪽에서 음극(43)이 형성된 기판(42)과 양극(44)을 수용하기 위한 절연체 하우징으로 감싸 보호될 수 있다. 도시되지는 않았지만 전원 공급선을 통하여 음극(43)과 양극(44)에 필요한 전원이 공급될 수 있다. 여기서도, 음극(43)은 도전성 기판(42) 상에 형성된 나노구조물질일 수 있고, 경우에 따라서는 텅스텐 필라멘트 등 열음극이 놓일 수도 있다.
도 11에서, 양극(44) 쪽을 제외한 다른 면을 둘러싼 절연체 하우징 내부에 음극이 놓인 기판(42)이 장착된다. 음극(43)은 양극(44)을 따라 원주 방향으로 양극(44)에 대향하는 기판(42) 상의 면에 형성되거나 배치되어 있다.
이에 따라, 소정 전원 공급선을 통하여 음극(43)에 높은 음의 전압(이때 양극에는 접지) 또는 양극(44)에 높은 양의 전압(이때 음극에는 접지)을 인가함으로써, 음극(43)으로부터 전자를 발생시킬 수 있고, 이와 같이 발생된 전자(전자빔)는 양극(44)에 충돌하여 엑스선을 발생시키며 이에 따라 양극(44) 쪽(원통 안쪽)의 하우징 면의 소정 윈도우를 통하여 엑스선을 방출할 수 있다. 도 11과 같이 음극(43)이 위와 같은 나노구조물질로 이루어진 경우에, 기판(42)을 전도성으로 만들 수 있고, 이때 음극(43)에 전압을 공급하기 위하여 기판(42)에 해당 전압을 공급할 수 있다. 양극(44)의 구조는 베릴륨(Be) 창에 텅스텐 혹은 몰리브데늄(Molybdenum)과 같은 x-선 발생효율이 우수한 물질을 도포한 투과형 타깃 형태로 할 수 있고, 전자빔이 이와 같은 양극(44)과 충돌하게 되면, 엑스선은 양극 타깃을 투과하여 외부로 방출될 수 있다.
또한, 도 12와 같이, 음극(43)은 텅스텐, 레늄, 또는 탄탈을 포함하는 필라멘트로 된 열음극일 수도 있다. 음극(43)이 위와 같은 열음극 물질로 이루어진 경우에는, 많은 열이 발생하므로 기판(42)을 세라믹등 고내열성 재료로 만들 수 있고, 이때 양극(44)과 동심원 형태의 고리 구조를 갖는 열음극(43) 양단에 전압을 공급함으로써, 전자를 발생시킬 수 있고, 이와 같이 발생된 전자(전자빔)는 양극(44)에 충돌하여 엑스선을 발생시키며 이에 따라 양극(44) 쪽(원통 안쪽)의 하우징 면의 소정 윈도우를 통하여 엑스선을 방출할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 발생 장치(40)의 실사용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13과 같이, 원통형 반응기(50) 내부에 반응 대상 물질을 넣고 고리형 엑스선 발생 장치(40)를 원통형 반응기(50) 외부에 끼운 다음, 고리형 엑스선 발생 장치(40)를 동작시켜서 원통형 반응기(50) 외부를 상하로 오르 내리며 반응 대상 물질에 엑스선을 노출시킴으로써 물질의 활성화 등 소정 반응에 따라 결과 물질이 빠른 속도로 생성되도록 할 수 있다. 반응 대상 물질은 폴리머와 같은 고분자 물질일 수 있다.
또한, 원통형 반응기(50) 대신에 소정 피사체에 고리형 엑스선 발생 장치(40)를 끼워서 피사체의 비파괴 검사를 실시할 수도 있다. 예를 들어, 엑스선 발생 장치(40)를 동작시켜서 피사체 외부에서 상하로 이동시키면서 피사체는 움직이지 않고 고정되어 있더라도 피사체의 위치별로 해당 피사체를 통과한 엑스선의 해당 영상을 획득할 수 있다. 피사체가 도 13과 같이 원통형인 경우에 엑스선 영상은 피사체를 중심으로 엑스선 발생 장치(40)의 반대쪽, 즉, 원통형 피사체 안쪽에 설치된 소정 엑스선 검출 수단을 이용하여 획득될 수 있다. 또한, 위와 같이 엑스선 발생 장치(40)를 움직이며 피사체의 위치별 엑스선 영상을 획득하는 대신에, 엑스선 발생 장치(40)를 고정하고 엑스선을 받는 피사체를 상하로 이동시켜서 피사체의 위치별로 해당 피사체를 통과한 엑스선의 해당 영상을 획득할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 엑스선 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A'의 단면도이다.
도 3은 나노구조물질 직선 음극을 형성한 경우의 도 1의 B-B'의 단면도이다.
도 4는 도 1의 C-C'의 단면도이다.
도 5는 나노구조물질 복수 음극을 1차원 배열로 형성한 경우의 도 1의 B-B'의 단면도이다.
도 6은 나노구조물질 복수 음극을 1차원 배열로 형성한 경우의 도 1의 D-D'의 단면도이다.
도 7은 필라멘트 음극을 형성한 경우의 도 1의 B-B'의 단면도이다.
도 8은 필라멘트 음극을 형성한 경우의 도 1의 D-D'의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 엑스선 발생 장치의 실사용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 엑스선 발생 장치의 다른 실사용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 발생 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 필라멘트 음극을 형성한 경우의 도 11의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 발생 장치의 실사용예를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (11)

  1. 양극 쪽을 제외한 다른 면을 둘러싼 절연체 내부에 음극이 놓인 기판을 장착하고,
    상기 음극은 상기 양극을 따라 상기 양극에 대향하는 상기 기판 상의 면에 배치되며,
    상기 음극으로부터의 전자를 상기 양극에 충돌시켜서 상기 양극 쪽의 하우징 면의 윈도우를 통하여 엑스선을 방출하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양극과 상기 음극이 일직선 형태로 뻗은 직선형 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양극은 일직선 형태이고, 상기 음극은 1차원 배열로 형성한 복수 음극 형태의 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극과 동심원 형태로 상기 음극이 배치된 고리형 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 엑스선을 받는 피사체를 이동시키거나 상기 피사체에 엑스선을 노출하는 상기 엑스선 발생 장치를 이동시켜서 상기 피사체의 위치별로 상기 피사체를 통과한 엑스선의 해당 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    반응기 내의 반응 대상 물질에 상기 엑스선을 노출시켜서 결과 물질의 생성 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음극은,
    탄소나노튜브, 카본나노파이버(CNF), 나노와이어(nano-wire), 그래핀(graphene), 또는 나노다이아몬드(nano-diamond)를 포함한 나노구조물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  8. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 음극은,
    텅스텐, 레늄, 또는 탄탈을 포함하는 필라멘트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  9. 양극 쪽을 제외한 다른 면을 둘러싼 절연체 내부에 음극이 놓인 기판을 장착하고, 상기 음극은 상기 양극을 따라 상기 양극에 대향하는 상기 기판 상의 면에 배치된 엑스선 발생 장치를 이용하여,
    상기 음극으로부터의 전자를 상기 양극에 충돌시켜서 상기 양극 쪽의 하우징 면의 윈도우를 통하여 엑스선을 방출하고,
    상기 엑스선을 받는 피사체를 이동시키거나 상기 엑스선 발생 장치를 이동시켜서 상기 피사체의 위치별로 상기 피사체를 통과한 엑스선의 해당 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    반응기 내의 반응 대상 물질에 상기 엑스선을 노출시켜서 결과 물질의 생성 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치의 작동 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 엑스선 발생 장치는,
    상기 양극과 상기 음극이 일직선 형태로 뻗은 직선형 구조, 또는
    상기 양극과 동심원 형태로 상기 음극이 배치된 고리형 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치의 작동 방법.
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