KR20110060236A - Cathode structure of electron emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전자 방출 장치의 음극부 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 음극부의 기판에 형성된 요철에 의해 낮은 전계에서도 에미터로부터 방출되는 전자의 전류 밀도를 향상시킬 수 있는 전자 방출 장치의 음극부 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode structure of an electron emitting device, and more particularly, to a cathode structure of an electron emitting device capable of improving current density of electrons emitted from an emitter even at a low electric field due to irregularities formed on a substrate of the cathode. It is about.
대표적인 전자 방출 장치 기반의 X-선관은 진공 밀봉된 벌브 내부에 음극부와 양극부가 설치되어 있고 음극부에서 발생된 전자가 음극부와 양극부 사이에 인가되는 고전압에 의해 가속되어 양극부의 타깃에 충돌하면서 X-선이 발생하는 현상을 이용하고 있다.A typical electron emitting device based X-ray tube has a cathode part and an anode part installed inside a vacuum-sealed bulb, and electrons generated at the cathode part are accelerated by a high voltage applied between the cathode part and the anode part and collide with the target of the anode part. X-rays are generated.
이와 같이 음극부에서 전자를 발생시키는 종래의 대표적인 X-선관으로서는 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 발생시키는 열전자 방출 음극 구조를 갖는 X-선관을 들 수 있다. Thus, as a typical representative X-ray tube which generate | occur | produces an electron in a cathode part, the X-ray tube which has a hot electron emission cathode structure which generates an electron by heating a tungsten filament is mentioned.
그러나 이러한 열전자 방출 현상을 이용하는 엑스선관의 경우 필라멘트를 가 열할 때 생기는 열적 문제 때문에 필라멘트 및 접속부에서 발생하는 탈기체 및 내부 가열로 인해 진공도가 떨어지며, 필라멘트의 가열 시 증발된 텅스텐이 타깃 표면, 진공 챔버 내벽 등에 증착되어 고압 절연을 저하시키고 투과 방사선량을 감소시키는 등의 문제점이 발생한다.However, in the case of X-ray tube using the hot electron emission phenomenon, due to the heat problem when heating the filament, the degree of vacuum decreases due to the degassing and internal heating generated in the filament and the connecting portion, and the evaporated tungsten is heated on the target surface and the vacuum chamber. Deposition in the inner wall, such as lowering the high-pressure insulation and reducing the amount of transmitted radiation occurs.
이에 최근에는 열전자 방출 현상 대신에 높은 전기장을 인가하였을 때 전자가 고체 표면의 전위 장벽(일함수)을 넘어서 방출되는 전계 방출 현상을 이용하는 X-선관에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. Recently, studies on X-ray tubes using field emission phenomenon in which electrons are emitted beyond the potential barrier (work function) on a solid surface when a high electric field is applied instead of the hot electron emission phenomenon have been actively conducted.
특히, 전자 방출 전압이 1 ~ 3 V/㎛로서 다른 금속 팁보다 수십 배 정도 낮은 탄소나노튜브(carbon nanotube, 이하 CNT)를 전자 방출원의 재료로서 이용하는 X-선관에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.In particular, studies on X-ray tubes using carbon nanotubes (CNTs), which have electron emission voltages of 1 to 3 V / µm, which are several orders of magnitude lower than other metal tips, are being conducted. .
CNT는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 기다란 관형을 이룬 것으로, 관 지름이 수십 나노미터에 불과하여 높은 종횡비(Aspect ratio) 구조를 이루고 있다. CNT hexagonal shape consisting of six carbons connected to each other to form a long tubular shape, the tube diameter is only a few tens of nanometers, forming a high aspect ratio structure.
탄소 원소로 구성되어 있어 일함수(Work function)가 낮을 뿐만 아니라, 높은 종횡비에 의해 전계방출의 임계전기장(Threshold electric field)이 다른 전계방출원보다 낮아 전자방출에 유리하다. It is composed of carbon element, which not only has low work function, but also has high aspect ratio, which is advantageous for electron emission because the threshold electric field of field emission is lower than other field emission sources.
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.Since several currents are generated in one strand of carbon nanotube tip (N.de Jonge, et. have.
CNT를 전계 방출 소자로 이용하면 전자 방출 전압을 크게 낮출 수 있으므로 기존의 스핀트형 팁이나 실리콘 팁 등과 같은 전계방출소자를 이용하는 것보다 구동전압을 낮출 수 있다.By using CNTs as field emission devices, electron emission voltages can be significantly lowered, resulting in lower driving voltages than using field emission devices such as spin-type tips or silicon tips.
CNT의 전계 방출 전압이 낮은 이유는 직경이 nm로 아주 작아 전계강화효과(Field Enhancement Factor)가 커서 전자방출이 일어나는 임계전계(Turn-on Field)가 1~3V/㎛로 낮기 때문이다. The reason why the field emission voltage of CNTs is low is because the diameter is so small that the field enhancement factor (Field Enhancement Factor) is so large that the emission field (Turn-on Field) is low as 1 ~ 3V / ㎛.
도 1은 종래 기술에 따른 CNT 에미터를 이용한 X 선관을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the X-ray tube using a CNT emitter according to the prior art.
도 1을 참조하면, 종래의 CNT 에미터를 이용한 X 선관은, 그리드 전극(7)의 전자 방출 유도에 따라 음극부(5)에 형성된 CNT 에미터(3)로부터 전자가 방출되면, 방출된 전자가 집속 렌즈(8)에 의해 집속되어, 양극부(9)에서 전자가 충돌하여 X선(L)이 발생된다.Referring to FIG. 1, in the X-ray tube using the conventional CNT emitter, when electrons are emitted from the
즉, 양극부(9)와 음극부(5) 사이에 전자 방출을 유도하는 그리드 전극(7)이 구비되어 3극형 구조를 갖는다.That is, the
하지만, 종래의 CNT 에미터를 이용한 X 선관에 있어서, 상기 음극부(5)의 기판(1)은 표면이 평탄하게 형성되어 있는데, 이러한 평탄한 기판(1) 위에 형성된 CNT 에미터(3)로부터의 전자 방출 특성이 그다지 좋지 않은 문제점이 있다.However, in the X-ray tube using the conventional CNT emitter, the substrate 1 of the
따라서, 전계 방출 특성을 향상 시키기 위하여, 기판(1) 위에 형성된 CNT 에미터(3)에 패턴을 형성하고자 하는 연구가 진행되고 있는데, 기판(1) 상부에 CNT 에미터(3)를 미세 패터닝하는 방법으로는 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다.Therefore, in order to improve the field emission characteristics, studies are being conducted to form a pattern on the
우선, CNT 파우더, 유기 바인더, 감광물질, 모노머 및 나노 크기의 금속입자 를 용매에 분산시켜 CNT 페이스트를 제조한 후, 상기 제조된 CNT 페이스트를 기판 상부에 형성된 전극 상에 도포한다. 이어서, 전극 상에 도포된 CNT 페이스트를 노광하여 미세 패터닝한 후, 상기 미세 패터닝된 CNT 페이스트를 소성하여, 상기 소성된 CNT 페이스트의 표면이 활성화되도록 CNT 페이스트의 표면을 처리한다. First, a CNT paste is prepared by dispersing CNT powder, an organic binder, a photosensitive material, a monomer, and nano-sized metal particles in a solvent, and then applying the prepared CNT paste onto an electrode formed on the substrate. Subsequently, after exposing and finely patterning the CNT paste applied on the electrode, the fine patterned CNT paste is fired to treat the surface of the CNT paste so that the surface of the fired CNT paste is activated.
그러나 이와 같은, CNT 에미터에 패턴을 형성하기 위한 방법은 복잡한 반도체 가공을 거쳐야 하는 문제점이 있다. However, such a method for forming a pattern on a CNT emitter has a problem of undergoing complicated semiconductor processing.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 음극부의 기판에 형성된 요철에 의해 에미터로부터 방출되는 단위 면적당 방출 전류를 최대화시킬 수 있도록 하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, it is to be able to maximize the discharge current per unit area emitted from the emitter by the unevenness formed on the substrate of the cathode portion.
그리고 본 발명은 전계방출 특성이 향상되고 우수한 전기적 특성을 지닌 전자 방출 장치의 음극부 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a cathode structure of an electron emission device having improved field emission characteristics and excellent electrical characteristics.
또한, 본 발명은 공정이 단순한 레이저 또는 기계적 가공을 통해 요철이 있는 기판을 형성함으로써 제조가 간단한 전자 방출 장치의 음극부 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a cathode structure of an electron emitting device which is simple to manufacture by forming a substrate having irregularities through a laser or mechanical processing with a simple process.
상기의 목적을 달성하고자 본 발명은, 전자를 방출하는 음극부 및 상기 음극부의 상부에 배치되는 양극부;를 포함하는 전자 방출 장치에 있어서, 상기 음극부는, 표면에 요철이 형성된 기판 및 상기 기판의 상부에 형성되는 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치의 음극부 구조.이다.In order to achieve the above object, the present invention, the negative electrode portion for emitting electrons and an anode portion disposed on the cathode portion, the electron emission device comprising a, the cathode portion, the substrate and the substrate of the irregularities formed on the surface of the substrate A cathode structure of an electron emission device, characterized in that it comprises an emitter formed on top.
바람직하게는 상기 요철은 돌출부와 오목부를 포함할 수 있다Preferably, the irregularities may include protrusions and recesses.
또한, 상기 기판의 표면에 형성된 요철은, 바둑판의 형태로 형성될 수 있다.In addition, the unevenness formed on the surface of the substrate may be formed in the form of a checkerboard.
나아가서 상기 요철은, 원기둥 형태의 돌출부와 상기 돌출부를 감싸는 링 형태의 오목부를 포함할 수 있다.Furthermore, the unevenness may include a cylindrical protrusion and a ring-shaped recess surrounding the protrusion.
그리고 상기 요철은, 원기둥 형태의 오목부와 상기 오목부를 감싸는 링 형태의 돌출부와 상기 돌출부를 감싸는 링 형태의 오목부를 포함할 수 있다.The unevenness may include a cylindrical recess and a ring protrusion surrounding the recess and a ring recess surrounding the protrusion.
또한, 상기 오목부는, 적어도 두 개의 홀로 이루어질 수 있다.In addition, the recess may be formed of at least two holes.
여기서 상기 에미터는 CNT, 카본 필름(Carbon films), 카본 관 나노 코일(Carbon Tubule Nanocoils), 알루미늄 질화물 나노로드(Aluminum nitride nanorods) 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.Wherein the emitter is preferably formed of any one of CNT, carbon films (Carbon films), carbon tubular nanocoils (Carbon Tubule Nanocoils), aluminum nitride nanorods (Aluminum nitride nanorods).
더욱이 상기 CNT 에미터는 상기 기판에 코팅될 수 있으며, 특히 상기 돌출부에 코팅되는 것이 바람직하며, 상기 돌출부에 형성된 CNT 에미터로부터 전자가 방출되는 것이 바람직하다. Furthermore, the CNT emitter may be coated on the substrate, in particular, preferably coated on the protrusion, and electrons are preferably emitted from the CNT emitter formed on the protrusion.
한편, 본 발명은, 전자를 방출하는 음극부 및 상기 음극부의 상부에 배치되는 양극부;를 포함하는 전자 방출 장치에 있어서, 상기 음극부는, 레이저 가공에 의해 표면에 요철이 형성된 기판 및 상기 기판의 상부에 형성되는 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 방출 장치의 음극부 구조이다.On the other hand, the present invention, the negative electrode portion for emitting electrons and the positive electrode portion disposed on the cathode portion; wherein the cathode portion, the substrate and the substrate having irregularities formed on the surface by laser processing It is a cathode structure of an electron emission device, characterized in that it comprises an emitter formed on top.
바람직하게는 상기 요철은 돌출부와 오목부를 포함할 수 있다.Preferably, the unevenness may include a protrusion and a recess.
또한, 상기 기판의 표면에 형성된 요철은, 바둑판의 형태로 형성될 수 있다.In addition, the unevenness formed on the surface of the substrate may be formed in the form of a checkerboard.
그리고 상기 에미터는 CNT, 카본 필름(Carbon films), 카본 관 나노 코일(Carbon Tubule Nanocoils), 알루미늄 질화물 나노로드(Aluminum nitride nanorods)중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.And the emitter is preferably formed of any one of CNT, carbon films (Carbon films), carbon tubular nanocoils (Carbon Tubule Nanocoils), aluminum nitride nanorods (Aluminum nitride nanorods).
게다가 상기 CNT 에미터는 상기 기판에 코팅될 수 있으며, 특히 상기 돌출부 에 코팅되는 것이 바람직하며, 상기 돌출부에 형성된 CNT 에미터로부터 전자가 방출되는 것이 바람직하다.In addition, the CNT emitter may be coated on the substrate, particularly preferably coated on the protrusion, and electrons are preferably emitted from the CNT emitter formed on the protrusion.
이와 같은 본 발명에 따르면, 음극부의 기판에 형성된 요철에 의해 낮은 전계에서도 에미터로부터 방출되는 전자의 전류 밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect that can improve the current density of electrons emitted from the emitter even in a low electric field by the unevenness formed on the substrate of the cathode portion.
또한, 본 발명에서는 레이저 또는 기계적 가공을 통해 요철이 있는 기판을 형성함으로써 제조가 간단한 전자 방출 장치의 음극부 구조를 제공할 수 있다.In addition, in the present invention, by forming a substrate having irregularities through laser or mechanical processing, it is possible to provide a cathode structure of an electron emitting device which is simple to manufacture.
더욱이, 본 발명에 따르면, 별도의 구조 변경 없이 현재 시중에 존재하는 전자 방출 장치에 바로 적용할 수 있으므로 비용적 측면에서 유리한 효과가 있다.Moreover, according to the present invention, since it can be directly applied to the current commercially available electron emitting device without any structural change, there is an advantageous effect in terms of cost.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이하에 기재된 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명의 실시 범위가 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention described below are provided to enable those skilled in the art to more easily understand the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the described embodiments.
이하에서는 전자 방출 장치 기반의 대표적인 예인 엑스 선관의 경우를 실시예로 설명할 것이다.Hereinafter, an example of an X-ray tube, which is a representative example of an electron emission device, will be described as an embodiment.
그러나 본 발명은 엑스 선관에 국한된 것은 아니며, 본 발명에 따른 음극부 구조를 가지는 어떠한 전계 방출 장치에도 적용될 수 있음을 분명히 해두고자 한다. However, the present invention is not limited to the X-ray tube, but it is to be clarified that the present invention can be applied to any field emission device having a cathode structure according to the present invention.
도 2 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대하여 설명한다.2 to 10, a preferred embodiment of the present invention will be described.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따른 요철이 형성된 음극부의 구조를 가진 엑스 선관의 단면도이다.Referring to FIG. 2, FIG. 2 is a cross-sectional view of an X-ray tube having a structure of a cathode part having irregularities according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엑스 선관의 구조는 전자 방출원으로서의 에미터(도 3에 도시)가 형성되어 있는 음극부(200)를 구비한다. As shown, the structure of the X-ray tube according to the present invention includes a
여기에서 음극부(200)는 상부에 에미터가 형성된 기판(210)을 포함하며, 기판(210)은 전압의 인가가 용이한 스테인리스 강으로 구성되는 것이 바람직하다. Here, the
상기 기판(210)의 주변에는 상기 음극부(200)를 절연시키기 위한 제1절연 케이싱(330)이 형성되는데, 이러한 제1절연 케이싱(330)에는 상기 음극부(200)에서 발생되는 전자빔이 양극부(100)로 향하도록 개구(340)가 형성될 수 있다.A first
여기서 양극부(100)는 전자가 직접적으로 충돌하는 부분이며, X-선의 생성 효율이 좋은 텅스텐, 구리 등의 물질로 형성될 수 있다.Here, the
상기 제1절연 케이싱(330)은 절연에 좋으며 진공 상태에서 진공도를 유지할 수 있는 세라믹과 같은 물질로 구성되는 것이 바람직하다.The first
그리고 음극부(200)에서 전자를 방출시키기 위한 그리드 전극(500)이 음극부(200)의 상부에 형성되어 있으며, 방출된 전자를 양극부(100)에 집속시키기 위한 접자빔 집속부(350)가 상기 그리드 전극(500) 상부에 형성될 수 있다.In addition, a
전자빔 집속부(350)는 그리드 전극(500)을 통과한 전자빔을 순차적으로 마이크로 수준으로 집속하기 위한 다수의 전자 집속 렌즈들(300)과, 이 전자 집속 렌즈들(300) 사이에 샌드위치되어 형성되며, 다수의 전자 집속 렌즈들(300)의 절연을 위한 다수의 절연층들(320) 및 전자빔이 관통되는 개구(340)를 제외한 나머지 부분을 에워싸도록 형성된 제2절연 케이싱(310)을 포함할 수 있다.The electron beam focusing unit 350 is formed by sandwiching a plurality of
이때 상기 전자 집속 렌즈들(300)은 그 내경을 각각 달리하여 다수 개 적용될 수 있다.In this case, the
따라서 상기 전자 집속 렌즈들(300)을 통과하는 전자들이 받는 힘을 일정 거리 내에서 불연속적으로 받게 함으로써 양극부(100)에 집속되는 면적을 효율적이고 용이하게 감소시킬 수 있다. Therefore, the area focused on the
여기서, 전자빔 집속부(350)의 전자 집속 렌즈들(300)은 전압 인가가 용이한 스테인리스 강으로 구성되고, 전자빔 집속부(350)의 절연층들(320)은 절연에 좋으며 진공 상태에서 진공도를 유지할 수 있는 세라믹 등과 같은 물질로 구성되는 것이 바람직하다. Here, the
그리고 제1절연 케이싱(330)과 전자빔 집속부(350) 사이에는 텡스텐 그물망을 구비하고 고전압 인가가 가능한 금속 재질로 이루어진 그리드 전극(500)이 위치되어 있다. In addition, a
본 발명에 이용되는 기판(210)의 하부에는 상기 기판(210)을 지지하기 위한 기판 지지대(360)가 마련된다.A
한편, 양극부(100), 음극부(200) 및 전자빔 집속부(350)는 하우징(20) 내에 수용되어 보호되는데, 하우징(20)은 진공의 유지가 가능한 파이렉스, 유리, 세라믹 또는 스테인리스 강 중 어느 하나로 제작되는 것이 바람직하다.Meanwhile, the
그리고 지지대(600)는 음극부(200) 및 전자빔 집속부(350)를 하우징(20) 내에 고정 및 지지하는 역할을 하는데, 강도가 좋은 스테인레스 강 또는 세라믹 등으로 형성함이 바람직하다.In addition, the
도시된 바와 같이, 하우징(20)에는 내부를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 펌프(30)가 부착되어 있는데 이 진공 펌프(30)는 필요할 때마다 혹은 실시간으로 진공을 유지시켜주므로 시간이 지남에 따라 자연적으로 발생하는 진공파괴에 대한 문제를 해결할 수 있다. As shown, the
도 2에서 미설명 부호 10은 X-선이 방출되는 윈도우로서 쿼츠(Quartz)유리, 일반 유리, 비 윈도우(Be 윈도우) 등으로 제작될 수 있고, 101은 양극부(100)에 전원을 인가하기 위한 전원 공급선이며, 50과 60은 그리드 전극(500)과 전자 집속 렌즈들(300)에 전압을 인가하기 위한 연결 단자 및 전원 공급선을 각각 나타낸 것이다.In FIG. 2,
여기서 전원 공급선(101)은 전자가 양극부(100) 표면에 충돌하면서 생성되는 열을 외부로 잘 전도하기 위해 열전도도가 좋은 텅스텐, 구리 등의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.Here, the
이와 같이 구성된 본 발명은 도 2에 도시한 바와 같이 윗부분에 양극부(100)가 장착되고, 전원 공급선(101)이 양극부(100)에 연결되도록 한 상태에서 작동시키 면, 기판(210)에 형성된 에미터에서 전자가 방출되는 바, 이러한 전자빔은 전자 집속 렌즈들(300)을 거쳐 양극부(100)로 진행하게 된다.In the present invention configured as described above, as shown in FIG. 2, the
따라서 최대 마이크로 수준의 집속 면적을 가져 최종적으로 얻는 이미지의 고분해능이 가능하게 한다.This results in a maximum micro-level focusing area, enabling high resolution of the final image obtained.
도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명에 따른 요철이 형성된 음극부의 구조를 가진 엑스 선관의 주요 부품을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다. Referring to FIG. 3, FIG. 3 is an exploded perspective view schematically illustrating main components of an X-ray tube having a structure of a cathode part having irregularities according to the present invention.
이하, 도 2에 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.Hereinafter, the same reference numerals as in the drawing shown in FIG. 2 denote the same members having the same function.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엑스 선관의 구조는 음극부(200)를 구비하는데, 음극부(200)는 그 표면에 요철(도 5이하에 도시)이 형성되어 있는 기판(210)을 포함한다.As shown in FIG. 3, the structure of the X-ray tube according to the present invention includes a
또한, 기판(210)의 상부에는 전자빔을 발생하여 전자 방출원으로 사용되는 에미터(230)가 형성된다.In addition, an
여기서 상기 에미터(230)는 CNT로 형성하는 것이 바람직하며, CNT 이외에 카본 필름(Carbon films), 카본 관 나노 코일(Carbon Tubule Nanocoils), 알루미늄 질화물 나노로드(Aluminum nitride nanorods) 중 어느 하나로도 형성할 수 있다. Here, the
상기 에미터(230)로 CNT를 사용하는 경우, CNT를 상기 기판(210) 위에 형성하는 방법은 다양하다.When the CNT is used as the
즉, 기판(210)에 촉매를 형성한 후 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 CNT를 수직 성장시키는 방법, 여러 합성방법으로 제조된 CNT를 액상의 용매와 배합 후 스핀 코터(spin coater)나 스프레이, 잉크젯을 사용하여 형성하는 방법, 점성이 있는 고분자 수지와 용매, 충진제, 기타 첨가물 등을 CNT와 배합하여 페이스트를 만든 후 스크린 인쇄하는 방법 등이 있다.That is, after forming a catalyst on the
상기 기판(210)의 형상은 원반형으로 형성되는 것이 바람직하나, 삼각형, 사각형, 오각형 등 그 형상에 제약이 없다. The shape of the
상기 기판(210)의 상부에는 전자(400)의 방출을 위한 그리드 전극(500)이 형성되어 있는데, 그리드 전극(500)은 전자(400)의 추출이 용이하도록 그물망의 굵기는 얇으면서 개구량이 넓도록 형성되며, 텅스텐이나 스테인레스 강 등의 물질로 형성된다.A
상기 그리드 전극(500)을 통과한 전자(400)는 전자 집속 렌즈들(300)을 통과하며 집속되어 양극부(100)로 향한다. The
상기 양극부(100)에 도달한 전자(400)는 상기 양극부(100)에 충돌하여 X선을 방출한다.The
도 4를 참조하면, 도 4는 도 3에 도시된 음극부의 단면도이다.Referring to FIG. 4, FIG. 4 is a cross-sectional view of the cathode illustrated in FIG. 3.
기판(210) 위에 에미터(230)가 형성되어 있는데, 여기서 상기 에미터(230)는 CNT, 카본 필름(Carbon films), 카본 관 나노 코일(Carbon Tubule Nanocoils), 알루미늄 질화물 나노로드(Aluminum nitride nanorods) 중 어느 하나로 형성할 수 있다.An
상기 에미터(230)가 CNT로 형성된 경우, 각종 첨가물과 CNT 분말을 배합하여 페이스트를 만든 후 상기 기판(210) 위에 스크린 인쇄하여 상기 에미터(230)를 형성할 수 있다. When the
상기 에미터(230)는 전자 방출원으로서, 상기 에미터(230)로부터 전자빔(450)이 형성되어 양극부(100)로 향하게 된다.The
도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명에 따른 음극부의 기판에 요철이 형성된 모습을 보여주는 단면도이다.Referring to FIG. 5, FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a shape in which irregularities are formed on a substrate of a cathode part according to the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기판(210)에 요철이 형성되어 있으며, 상기 기판(210)에 형성된 요철은 돌출부(215)와 오목부(217)를 가진다.As shown in FIG. 5, unevenness is formed in the
상기 기판(210)에 형성되는 요철은 전계 강화 효과를 가지는 한, 어떠한 형태로도 형성될 수 있다.The unevenness formed on the
따라서 도 4에서 설명한 바와 같이, 상기 CNT 페이스트를 상기 기판(210)에 스크린 인쇄하게 되면 상기 수 마이크로 미터 두께의 CNT 에미터(230)는 주로 상기 기판(210)의 돌출부(215)에 코팅된다. Therefore, as described in FIG. 4, when the CNT paste is screen printed onto the
즉 전자가 방출되는 부분이 상기 기판(210)의 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)로 제한되게 되고, 따라서 상기 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)에 전계가 강하게 형성되어 방출되는 전자수가 증가하게 된다.That is, the portion where the electrons are emitted is limited to the
그리하여 낮은 전계에서도 높은 전류밀도의 전자빔을 획득할 수 있다. Thus, a high current density electron beam can be obtained even at a low electric field.
여기서 상기 요철은 레이저 또는 기계적 가공을 통해 형성하며, 종래의 CNT 에미터 자체를 패터닝 하기 위해 복잡한 반도체 공정을 진행할 필요가 없이 제조가 간단한 기판을 제공할 수 있다.Here, the unevenness is formed through laser or mechanical processing, and it is possible to provide a substrate that is simple to manufacture without the need for a complicated semiconductor process to pattern the conventional CNT emitter itself.
도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바둑판 형태의 요철이 형성된 기판을 포함하는 음극부의 평면도 및 사시도이다.Referring to FIG. 6, FIG. 6 is a plan view and a perspective view of a cathode part including a substrate on which a checkerboard irregularities are formed according to a first embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 가공을 통하여 상기 기판(210)에 바둑판 모양의 요철을 형성한다.As shown in FIG. 6, checkerboard irregularities are formed on the
즉, 레이저를 통해 가로와 세로로 여러 줄의 오목부(217)를 형성하여 바둑판 모양의 돌출부(215)를 형성한다.That is, a plurality of rows of
도 7에는 상기 설명에 따라 레이저 가공을 통해 형성된 기판의 사진 및 SEM 이미지가 도시되어 있다.7 is a photograph and SEM image of a substrate formed through laser processing according to the above description.
상기 레이저 가공을 통해 형성된 기판(210)을 가지고 전계에 따른 전류 밀도를 측정하기 위한 실험을 하였다.An experiment was performed to measure the current density according to the electric field with the
본 실시예에서는 에미터(230)로 CNT가 사용되었으며, 기판(210) 상에 CNT 페이스트가 스크린 인쇄되어 형성된다.In the present embodiment, CNT is used as the
여기서 상기 에미터(230)로 사용하기 위한 CNT는 직경이 3~5nm 정도의 Thin-MWCNT(Multi Wall CNT)를 사용하였는데, 여기서 "Thin"은 CNT의 월(Wall)의 개수에 따라 Thin 또는 Thick으로 구분되며 일반적으로 월의 개수가 5개 미만인 것을 Thin으로 분류한다.Here, the CNT for use as the
여러 가지 첨가물을 통해 점성이 있는 바인더(binder)를 만들고 거기에 CNT 분말을 첨가 및 혼합하여 CNT 페이스트를 형성하는데, 여기서 CNT는 1wt.% 첨가되었다.Various additives are used to form a viscous binder and CNT powder is added and mixed therein to form a CNT paste, where 1 wt.% Of CNT is added.
다음으로, 높이 10mm, 직경 10mm를 갖는 원기둥 형태의 스테인리스강 기판을 동일 높이와 직경의 구멍을 갖는 지그에 고정시키고, 그 위에 상기 CNT 페이스트를 스크린 인쇄하는데, 충분한 두께 형성을 위하여 4회 스크린 인쇄하였다.Next, a cylindrical stainless steel substrate having a height of 10 mm and a diameter of 10 mm was fixed to a jig having holes of the same height and diameter, and the CNT paste was screen-printed four times to form a sufficient thickness thereon. .
상기 스크린 인쇄 후 20분간 평탄화한 후, 유기용매를 없애기 위해 80℃에서 20분간 건조하였으며, 잔존하는 유기물과 유기용매를 없애기 위해 대기 분위기의 420℃에서 20분간 소성과정을 거치고 나서, 접착 테이프를 사용하여 CNT 에미터(230)에 물리적인 힘을 통해 눌렀다 뗀다.After flattening for 20 minutes after the screen printing, and dried for 20 minutes at 80 ℃ to remove the organic solvent, after firing 20 minutes at 420 ℃ in the air atmosphere to remove the remaining organic matter and organic solvent, using an adhesive tape And pressed through the physical force on the
이는 CNT 페이스트가 상기 소성과정을 통해 굳는 과정에서 상기 기판(210)에 수평하게 형성된 것을 상기 기판(210)에 수직하게 형성시켜주기 위함이다.This is to form the CNT paste formed horizontally on the
또한 양극부(100)는 전계방출 이미지(도 8 및 도 9 참조)를 얻기 위하여 ITO(Indium Thin Oxide) 위에 형광체를 코팅하여 사용하였다.In addition, the
음극부(200)와 양극부(100) 사이의 간격은 530㎛로 유지하였으며, 진공 챔버의 기본 압력은 5×10-7 torr 이하로 유지하였다.The gap between the
그리고 음극부(200)를 그라운드(ground) 시킨 상태에서 상기 양극부(100)에 DC 전압을 인가하였으며, 전압 인가 및 전류 측정은 모두 컴퓨터로 실시간 제어하였다. In addition, a DC voltage was applied to the
도 8 내지 도 10을 참조하면, 도 8은 종래의 평탄한 기판의 전계방출이미지를 나타낸 사진이며, 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공으로 바둑판 형태의 요철을 형성한 기판의 전계방출이미지를 나타낸 사진이며, 도 10은 도 8 및 도 9의 기판을 사용하여 전계에 따른 전류 밀도를 측정한 그래프이다. 8 to 10, Figure 8 is a photograph showing a field emission image of a conventional flat substrate, Figure 9 is an electric field of the substrate having a checkerboard-shaped irregularities formed by laser processing according to the first embodiment of the present invention It is a photograph showing an emission image, and FIG. 10 is a graph measuring current density according to an electric field using the substrates of FIGS. 8 and 9.
도 8과 도 9를 비교하면, 도 9의 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공으로 바둑판 형태의 요철을 형성한 기판의 경우 더 낮은 전압에서도 더 높은 전류 밀도를 나타내고 있음을 알 수 있다.Comparing FIG. 8 and FIG. 9, it can be seen that the substrate formed with the checkerboard irregularities by laser processing according to the first embodiment of the present invention of FIG. 9 shows a higher current density even at a lower voltage.
예를 들어, 도 8 및 도 9에서 각각 세 번째 사진을 보면, 도 8의 종래의 평탄한 기판의 경우 1620V에서 5.00×10-4A의 전류 밀도를 나타내지만, 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공으로 바둑판 형태의 요철을 형성한 기판의 경우 1200V의 낮은 전압에서도 2.38×10-3A의 높은 전류 밀도를 나타내는 것을 확인 할 수 있다.For example, in each of the third photographs of FIGS. 8 and 9, the conventional flat substrate of FIG. 8 shows a current density of 5.00 × 10 −4 A at 1620 V, but FIG. 9 shows the first embodiment of the present invention. In the case of the board formed with the checkerboard irregularities by laser processing according to the example it can be seen that a high current density of 2.38 × 10 -3 A even at a low voltage of 1200V.
즉, 레이저 가공을 통하여 기판의 표면에 요철을 낸 음극의 경우 전계 강화 효과가 커 낮은 전계에서도 전류 밀도가 높은 것을 알 수 있다.In other words, it can be seen that in the case of the negative electrode having irregularities on the surface of the substrate through laser processing, the current density is high even in a low electric field due to the large field strengthening effect.
도 10은 도 8 및 도 9의 기판을 사용하여 전계에 따른 전류 밀도를 측정한 그래프로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공으로 바둑판 형태의 요철을 형성한 기판(그래프 상에 400㎛, 200㎛, 60㎛ patterned로 표시)의 경우 평탄한 기판(그래프 상에 Flat substrate로 표시)과 비교해 볼 때, 낮은 전계에서도 높은 전류 밀도를 형성함을 확인할 수 있다.FIG. 10 is a graph measuring current density according to an electric field using the substrates of FIGS. 8 and 9, wherein a substrate having a checkerboard irregularities formed by laser processing according to a first embodiment of the present invention (400 μm on a graph) , 200 μm and 60 μm patterned) show high current density even at low electric fields when compared to flat substrates (denoted as flat substrates on graphs).
이하에서는 도 11을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 11.
제 2실시예에서는 제 1실시예와 구별되는 특징적인 부분만 발췌하여 설명하도록 하며, 설명의 편의를 위하여 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하여 설명하도록 한다. In the second embodiment, only the characteristic parts distinguished from the first embodiment will be described and described for convenience of description, and the same components will be described with the same reference numerals.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면에 다수개의 홀이 형성된 기판을 포함하는 음극부의 평면도 및 사시도이다.11 is a plan view and a perspective view of a cathode part including a substrate having a plurality of holes formed on a surface thereof according to a second exemplary embodiment of the present invention.
본 실시예에서는 레이저 또는 기계적인 가공을 통하여 기판(210)에 다수개의 홀(219)로 이루어지는 오목부(217)를 형성한다.In the present embodiment, the
따라서 상기 다수개의 홀(219) 이외의 부분이 돌출부(215)가 되며, 상기 오목부(217)와 돌출부(215)를 포함하는 상기 기판(210) 위에 에미터(230)가 형성되는데, 여기서 상기 에미터(230)는 상기 기판(215)의 돌출부(215)에 형성된다.Accordingly, portions other than the plurality of
즉, 전자가 방출되는 부분이 상기 기판(210)의 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)로 제한되게 되고, 따라서 상기 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)에 전계가 강하게 형성되어 방출되는 전자수가 증가하게 된다.That is, the portion from which electrons are emitted is limited to the
그리하여 낮은 전계에서도 높은 전류밀도의 전자빔을 획득할 수 있다. Thus, a high current density electron beam can be obtained even at a low electric field.
이하에서는 도 12를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 12.
제 3실시예에서는 제 1 및 제2 실시예와 구별되는 특징적인 부분만 발췌하여 설명하도록 하며, 설명의 편의를 위하여 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조 번호를 부여하여 설명하도록 한다. In the third embodiment, only the characteristic parts distinguished from the first and second embodiments will be described and described, and for the convenience of description, the same elements will be described with the same reference numerals.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 원기둥 형태의 돌출부를 가지는 기판을 포함하는 음극부의 평면도 및 사시도이다.12 is a plan view and a perspective view of a cathode part including a substrate having a cylindrical protrusion according to a third exemplary embodiment of the present invention.
본 실시예에서는 레이저 또는 기계적인 가공을 통하여 기판(210)의 중앙에 원기둥 형태의 제1 돌출부(215)를 형성한다.In the present embodiment, the
따라서 상기 제1 돌출부(215)를 둘러싸는 링 형태의 오목부(217)가 형성되고, 상기 링 형태의 오목부(217)를 둘러싸는 링 형태의 제2 돌출부(215)가 형성된다.Accordingly, a ring-shaped
여기서 에미터(230)는 상기 원형의 제1 돌출부(215) 상에만 형성된다.Here, the
즉, 전자가 방출되는 부분이 상기 기판(210)의 제1 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)로 제한되게 되고, 따라서 상기 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)에 전계가 강하게 형성되어 방출되는 전자수가 증가하게 된다.That is, the portion where the electrons are emitted is limited to the
그리하여 낮은 전계에서도 높은 전류밀도의 전자빔을 획득할 수 있다. Thus, a high current density electron beam can be obtained even at a low electric field.
이하에서는 도 13을 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 13.
제 4실시예에서는 제 1 내지 제3 실시예와 구별되는 특징적인 부분만 발췌하여 설명하도록 하며, 설명의 편의를 위하여 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하여 설명하도록 한다. In the fourth embodiment, only characteristic parts distinguished from the first to third embodiments will be extracted and described, and for the convenience of description, the same elements will be described with the same reference numerals.
도 13은 도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 링 형태의 돌출부를 가지는 기판을 포함하는 음극부의 평면도 및 사시도이다. FIG. 13 is a plan view and a perspective view of a cathode part including a substrate having a ring-shaped protrusion according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
본 실시예에서는 레이저 또는 기계적인 가공을 통하여 기판(210)의 중앙에 링 형태의 제1 돌출부(215)를 형성한다.In the present embodiment, a ring-shaped
따라서 상기 제1 돌출부(215) 내에는 원기둥 형태의 제1 오목부(217)가 형성되고, 상기 제1 돌출부(215)의 외부에는 상기 제1 돌출부(215)를 둘러싸는 링 형태의 제2 오목부(217)가 형성되며, 상기 제2 오목부(217)의 외부에는 상기 제2 오목부(217)를 둘러싸는 제2 돌출부(215)가 형성된다.Accordingly, a
여기서 에미터(230)는 상기 링 형태의 제1 돌출부(215) 상에만 형성된다.Here, the
즉, 전자가 방출되는 부분이 상기 기판(210)의 제1 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)로 제한되게 되고, 따라서 상기 돌출부(215) 상에 형성된 에미터(230)에 전계가 강하게 형성되어 방출되는 전자수가 증가하게 된다.That is, the portion where the electrons are emitted is limited to the
그리하여 낮은 전계에서도 높은 전류밀도의 전자빔을 획득할 수 있다. Thus, a high current density electron beam can be obtained even at a low electric field.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명이 에미터가 코팅된 요철이 있는 기판을 가지는 엑스 선관에 적용되는 것을 언급하였지만, 에미터가 형성된 요철이 있는 기판을 음극부에 가지는 어떠한 전계 방출 장치에도 본 발명이 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. As mentioned above, while the present invention has been mentioned that the present invention is applied to an X-ray tube having an emitter-coated uneven substrate, the present invention is applied to any field emission device having an emitter-formed uneven substrate at a cathode part. It will be appreciated that this may apply.
또한, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In addition, the above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. . Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to explain, and the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.
도 1은 종래 기술에 따른 CNT 에미터를 이용한 X 선관을 설명하기 위한 도면이고,1 is a view for explaining the X-ray tube using a CNT emitter according to the prior art,
도 2는 본 발명에 따른 요철이 형성된 음극부의 구조를 가진 엑스 선관의 단면도이며,2 is a cross-sectional view of the X-ray tube having a structure of the negative electrode portion is formed with unevenness according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 요철이 형성된 음극부의 구조를 가진 엑스 선관의 주요 부품을 개략적으로 도시한 분해 사시도이며,Figure 3 is an exploded perspective view schematically showing the main parts of the X-ray tube having a structure of the negative electrode portion formed with unevenness according to the present invention,
도 4는 도 3에 도시된 음극부의 단면도이며, 4 is a cross-sectional view of the negative electrode shown in FIG.
도 5는 본 발명에 따른 음극부의 기판에 요철이 형성된 모습을 보여주는 단면도이며, 5 is a cross-sectional view showing the appearance of irregularities on the substrate of the negative electrode portion according to the present invention,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바둑판 형태의 요철이 형성된 기판을 포함하는 음극부의 평면도 및 사시도이며,6 is a plan view and a perspective view of a cathode part including a substrate on which a checkerboard irregularities are formed according to a first embodiment of the present invention;
도 7은 상기 설명에 따라 레이저 가공을 통해 형성된 기판 사진 및 SEM 이미지이며,7 is a photograph of the substrate and the SEM image formed by laser processing according to the above description,
도 8은 종래의 평탄한 기판의 전계방출이미지를 나타낸 사진이며,8 is a photograph showing a field emission image of a conventional flat substrate,
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공으로 바둑판 형태의 요철을 형성한 기판의 전계방출이미지를 나타낸 사진이며,9 is a photograph showing a field emission image of a substrate on which a checkerboard-shaped irregularities are formed by laser processing according to the first embodiment of the present invention.
도 10은 도 8 및 도 9의 기판을 사용하여 전계에 따른 전류 밀도를 측정한 그래프이며,FIG. 10 is a graph measuring current density according to an electric field using the substrates of FIGS. 8 and 9.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표면에 다수개의 홀이 형성된 기판을 포함하는 음극부의 평면도 및 사시도이며,11 is a plan view and a perspective view of a cathode part including a substrate having a plurality of holes formed on a surface thereof according to a second embodiment of the present invention;
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 원형의 돌출부를 가지는 기판을 포함하는 음극부의 평면도 및 사시도이며,12 is a plan view and a perspective view of a cathode part including a substrate having a circular protrusion, according to a third exemplary embodiment of the present invention;
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 링 형태의 돌출부를 가지는 기판을 포함하는 음극부의 평면도 및 사시도이다.13 is a plan view and a perspective view of a cathode including a substrate having a ring-shaped protrusion according to a fourth embodiment of the present invention.
<도면의 주요부호에 대한 설명><Description of Major Symbols in Drawing>
100: 양극부, 200: 음극부100: anode part, 200: cathode part
300: 전자빔 집속 렌즈들, 400: 전자300: electron beam focusing lenses, 400: electrons
450: 전자빔, 210: 기판, 450: electron beam, 210: substrate,
215: 돌출부, 217: 오목부215: protrusion, 217: recess
230: 에미터 230: emitter
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