KR20120064783A - 전계 방출 엑스선원 및 그 구동 방법 - Google Patents

전계 방출 엑스선원 및 그 구동 방법 Download PDF

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강준태
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Abstract

전계 방출 엑스선원이 제공된다. 이 전계 방출 엑스선원은 진공 용기의 일 단부에 구비되되, 전계 방출 에미터를 포함하는 캐소드 전극, 진공 용기가 연장되는 방향의 타 단부에 구비되는 애노드 전극, 및 캐소드 전극에 인접하는 진공 용기의 외주면 상에 구비되는 게이트 전극을 포함한다.

Description

전계 방출 엑스선원 및 그 구동 방법{Field Emission X-ray Tube and Method of Operating the Same}
본 발명의 전계 방출 엑스선원 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 초소형(subminiaturized) 전계 방출 엑스선원 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
종래의 전계 방출 엑스선원(field emission X-ray tube)은 진공 용기 내에 구비된 메쉬(mesh) 형태의 게이트(gate) 전극에 의해 전계 방출 에미터(emitter)로부터 전자(electron)를 발생시키고, 발생한 전자를 수~수십 kV로 가속하여 타겟(target) 애노드(anode) 전극에 타격시켜 엑스선을 발생시킨다. 발생한 엑스선은 타겟 애노드 전극에 사용되는 물질의 고유 특성에 의해 결정되는 특성 엑스선과 가속된 전자의 감속에 의해 발생하는 연속(continuous) 엑스선으로 이루어진다. 이때, 선택적으로 애노드 전극과 게이트 전극 사이에 하나 이상의 집속(focusing) 전극을 추가하여 전자 빔(beam)이 애노드 전극의 한 점으로 집속되도록 한다.
전자 빔이 통과할 수 있는 구멍이 형성된 메쉬 형태의 게이트 전극은 애노드 전극에 비해 캐소드(cathode) 전극에 비교적 가깝게 위치하므로, 전기적 절연을 유지하기 위해 절연체가 삽입된다. 또한, 집속 전극과 게이트 전극 사이의 전기적 절연을 위해 절연체가 그들 사이에 구비된다. 이러한 절연체들은 유리 및 세라믹(ceramic) 등의 비전도성 재질로 이루어지며, 엑스선원의 용도에 따라 다양한 형태로 구성될 수 있다. 이와 같이, 캐소드 전극, 게이트 전극 및 집속 전극 사이들에 절연체가 적층된 형태는 그 복잡한 구조로 인해 초소형화 및 제작 공정이 까다롭다는 단점이 있다.
전계 방출 엑스선원을 동작시키기 위해서, 캐소드 전극의 전위를 기준으로 게이트 전극에 양(positive)의 게이트 전압, 그리고 애노드 전극에 양의 가속 전압이 인가된다. 이때, 집속 전극에는 전자 빔의 집속을 위한 전압이 인가되며, 집속 전극에 인가되는 전압은 동작 조건에 따라 변경될 수 있다. 이러한 방식의 구동 방법에서 펄스(pulse) 형태의 엑스선을 발생시키기 위해서는 게이트 전압이 펄스 형태로 인가되어야 하며, 높은 게이트 전압이 인가되어야 할 경우, 수~수백 V의 전압을 펄스 형태로 인가하기에는 구동 회로(driving circuit)가 복잡해지는 단점이 있다. 예를 들어, 전계 방출 에미터의 동작 전계가 5V/μm이고, 게이트 전극과 캐소드 전극 사이의 간격이 100μm일 경우, 게이트 전극에 인가되는 동작 전압은 약 500V의 펄스 전압이 되어야 한다.
애노드 전극의 고전압에 의해 형성되는 전계로부터 전계 방출 에미터를 보호하기 위해 메쉬 형태의 게이트 전극의 구멍의 직경은 게이트 전극과 캐소드 전극 사이의 거리와 같거나, 그보다 작게 형성할 필요가 있다. 게이트 전극의 구멍의 직경이 게이트 전극과 캐소드 전극 사이의 거리보다 클 경우, 애노드 전극에 의해 형성되는 전계가 전계 방출 에미터에 영향을 미쳐 전계 방출 엑스선원의 3극 동작을 방해하거나, 또는 아크(arc) 등의 발생으로 인해 전계 방출 에미터가 손상될 수 있는 위험이 있다.
또한, 타겟 애노드 전극을 전자가 타격하여, 전자의 에너지가 변환되어 엑스선으로 발생할 때, 낮은 변환 효율로 인해 대부분의 전자의 에너지가 열로 발생하기 때문에, 애노드 전극의 냉각이 전계 방출 엑스선원의 동작에 중요한 요소로 작용한다. 종래의 전계 방출 엑스선원의 경우, 애노드 전극에 수십 kV의 전압이 인가되면 절연 등의 문제로 애노드 전극을 냉각시키는 것이 용이하지 않은 문제가 있다.
게다가, 메쉬 형태의 게이트 전극을 사용할 경우, 전계 방출 엑스선원은 진공 용기의 직경이 수 cm 단위의 크기를 갖도록 제작될 수 있다. 하지만, 전계 방출 엑스선원이 초소형화되어 진공 용기의 직경이 수 mm 단위로 작아지게 되면, 게이트 전극 및 집속 전극을 제조하기가 용이하지 않다는 단점이 생긴다.
본 발명이 해결하려는 과제는 낮은 전압으로 고전압 펄스 구동이 가능하면서 그 크기를 초소형화할 수 있는 전계 방출 엑스선원을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 낮은 전압으로 고전압 펄스 구동이 가능하면서 그 크기가 초소형화된 전계 방출 엑스선원의 구동 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 전계 방출 엑스선원을 제공한다. 이 전계 방출 엑스선원은 진공 용기의 일 단부에 구비되되, 전계 방출 에미터를 포함하는 캐소드 전극, 진공 용기가 연장되는 방향의 타 단부에 구비되는 애노드 전극, 및 캐소드 전극에 인접하는 진공 용기의 외주면 상에 구비되는 게이트 전극을 포함할 수 있다.
게이트 전극에 대응되는 진공 용기의 내주면 상에 구비되는 게이트 전극용 내부 아크 방지층을 더 포함할 수 있다. 게이트 전극용 내부 아크 방지층은 전도성 물질을 포함할 수 있다.
게이트 전극을 덮도록 진공 용기의 외주면 상에 구비되는 게이트 전극용 외부 아크 방지층을 더 포함할 수 있다. 게이트 전극용 외부 아크 방지층은 절연성 물질을 포함할 수 있다.
게이트 전극이 구비되는 진공 용기의 영역은 다른 영역보다 작은 직경을 가질 수 있다.
전계 방출 에미터는 탄소 나노튜브 형태를 가질 수 있다.
캐소드 전극에 전기적으로 연결되어 스위치 역할을 하는 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
캐소드 전극으로부터 게이트 전극보다 먼 위치의 진공 용기의 외주면 상에 구비되는 집속 전극을 더 포함할 수 있다.
집속 전극에 대응되는 진공 용기의 내주면 상에 구비되는 집속 전극용 내부 아크 방지층을 더 포함할 수 있다. 집속 전극용 내부 아크 방지층은 전도성 물질을 포함할 수 있다.
집속 전극을 덮도록 진공 용기의 외벽에 구비되는 집속 전극용 외부 아크 방지층을 더 포함할 수 있다. 집속 전극용 외부 아크 방지층은 절연성 물질을 포함할 수 있다.
진공 용기는 1 cm 미만의 단위의 직경을 가질 수 있다.
상기한 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 전계 방출 엑스선원의 구동 방법을 제공한다. 이 방법은 상기한 구조를 갖는 전계 방출 엑스선원에 있어서, 애노드 전극을 접지하는 단계, 전계 방출 에미터를 포함하는 캐소드 전극에 그의 드레인을 통해 전기적으로 연결된 트랜지스터의 소오스 및 게이트에 각각 음의 가속 전압 및 음의 가속 전압과 이를 기준 전압으로 하는 양의 구동 펄스 신호를 인가하는 단계, 및 게이트 전극에 게이트 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
트랜지스터의 게이트에 음의 가속 전압이 인가되면 전계 방출 엑스선원은 구동되지 않을 수 있다. 트랜지스터의 게이트에 음의 가속 전압이 인가되면 캐소드 전극이 플로팅되어 전계 방출 에미터로부터의 전계 방출이 중지될 수 있다.
게이트 전극은 게이트 전압과 음의 가속 전압과의 전압 차이를 이용하여 전계 방출 에미터로부터 전계 방출을 유도할 수 있다.
전계 방출 엑스선원은 집속 전극을 더 포함하되, 집속 전극에 집속 전압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
집속 전극은 집속 전압과 음의 가속 전압과의 전압 차이를 이용하여 전계 방출 에미터로부터 전계 방출에 의해 유도된 전자 빔을 애노드 전극으로 집속할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면 전계 방출 엑스선원은 진공 용기의 외주면에 게이트 전극이 구비됨으로써, 그 크기를 초소형화할 수 있다. 이에 따라, 간단한 공정으로 제작할 수 있는 초소형 전계 방출 엑스선원이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면 전계 방출 엑스선원은 게이트 전극과 전계 방출 에미터 사이의 거리가 짧아짐으로써, 더욱 낮은 전압으로 전계 방출 에미터로부터 전계를 유도할 수 있다. 이에 따라, 낮은 전압으로 고전압 펄스 구동이 가능한 전계 방출 엑스선원이 제공될 수 있다.
게다가, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면 전계 방출 엑스선원은 전계 방출 에미터에 직렬로 연결된 트랜지스터가 구비됨으로써, 전계 방출 에미터의 특성과 무관하게 전계 방출 에미터에서 방출되어 애노드 전극에 도달하는 전류가 결정될 수 있다. 이에 따라, 전자 빔 전류가 시간이 지나감에 따라 일정한 값을 가질 수 있는 전계 방출 엑스선원이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원을 설명하기 위한 구성 단면도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원의 전자 빔의 유도와 집속 경로를 시뮬레이션한 결과 단면도;
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전계 방출 엑스선원을 설명하기 구성 단면도들;
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 전계 방출 엑스선원의 구동 방법을 설명하기 위한 회로도;
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 전계 방출 엑스선원의 전계 방출 에미터의 전류-전압 특성을 설명하기 위한 그래프.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원을 설명하기 위한 구성 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원의 전자 빔의 유도와 집속 경로를 시뮬레이션한 결과 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전계 방출 엑스선원은 진공 용기(150), 진공 용기(150)의 일 단부에 구비되되, 전계 방출 에미터(120)를 포함하는 캐소드 전극(110), 진공 용기(150)가 연장되는 방향의 타 단부에 구비되는 애노드 전극(160), 및 캐소드 전극(110)에 인접하는 진공 용기(150)의 외주면 상에 구비되는 게이트 전극(130)을 포함한다. 전계 방출 엑스선원은 캐소드 전극(110)으로부터 게이트 전극(130)보다 먼 위치의 진공 용기(150)의 외주면 상에 구비되는 집속 전극(140)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원은, 종래와 달리, 게이트 전극(130) 및 집속 전극(140)이 진공 용기(150)의 외부에 형성된다. 캐소드 전극(110)의 전계 방출 에미터(120)으로부터의 전자(e)의 방출 및 전자 빔(굵은 화살표)의 집속은 전계에 의해 이루어지기 때문에, 게이트 전극(130) 및 집속 전극(140)이 진공 용기(150)의 외주면에 구비되어도 전자(e)의 방출 및 전자 빔(굵은 화살표)의 집속이 가능할 수 있다.
전계 방출 엑스선원의 진공 용기(150)의 구조 및 크기, 그리고 게이트 전극(130) 및 접속 전극(140)의 위치와 크기는 전자 빔(굵은 화살표)의 용도에 따라 변경될 수 있다.
일반적인 전계 방출 엑스선원은 진공 용기 내부에 구비되는 메쉬 형태의 게이트 전극을 사용하기 때문에, 진공 용기의 직경이 수 mm 단위로 작게 제작되기 어렵다. 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원은 진공 용기(150)의 외부에 구비되는 게이트 전극(130)을 사용하기 때문에, 진공 용기(150)의 직경이 cm 단위 미만인 수 mm 단위로 작게 제작될 수 있다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원은 초소형으로 제작될 수 있다.
도 2를 참조하면, OPERA-3D Scalar 시뮬레이터를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원의 전자 빔 유도와 집속 경로에 대한 결과가 나타난다. 도시된 것과 같이, 전계 방출 엑스선원의 전자 빔 유도와 집속 경로는 양호한 것을 알 수 있다.
전계 방출 엑스선원의 진공 용기(150)의 구조 및 크기, 그리고 게이트 전극(130) 및 접속 전극(140)의 위치와 크기에 따라 전자 빔(굵은 화살표) 유도와 집속 경로의 양상은 달라질 수 있다.
이하 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전계 방출 엑스선원이 설명된다. 도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들 각각에 따른 전계 방출 엑스선원의 구성 단면도들이다. 전술한 본 발명의 일 실시예를 통해 설명한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 사용하고 그 설명은 생략한다.
도 3을 참조하여 설명되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원이 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원과 다른 점은, 진공 용기(150)가 다른 구조를 가진다는 점이다.
게이트 전극(130)이 구비되는 진공 용기(150)의 영역은 함몰 영역(151)일 수 있다. 즉, 게이트 전극(130)이 구비되는 진공 용기(150)의 영역은 다른 영역보다 작은 직경을 가질 수 있다.
전계 방출 에미터(120)으로부터 전자가 방출될 때, 전자 빔 전류는 전계 방출 에미터(120)에 인가되는 전계의 크기에 영향을 받기 때문에, 게이트 전극(130)에 같은 전압이 인가될 경우, 전계 방출 에미터(120)에 더 높은 전계가 인가되도록 하기 위해서는 게이트 전극(130)과 전계 방출 에미터(120) 사이의 거리를 짧게 하는 것이 유리하다.
게이트 전극(130)이 구비되는 진공 용기(150)의 영역이 함몰 영역(151)이기 때문에, 게이트 전극(130)과 전계 방출 에미터(120) 사이의 거리가 더 짧아질 수 있다. 이에 따라, 더욱 낮은 전압을 게이트 전극(130)에 인가하더라도, 동일한 전계가 전계 방출 에미터(120)에 인가될 수 있다. 그 결과, 낮은 전압으로 고전압 펄스 구동이 가능한 전계 방출 엑스선원이 제공될 수 있다.
도 4를 참조하여 설명되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원이 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원과 다른 점은, 진공 용기(150)의 내주면 및 외주면 상에 아크 방지층들(131, 132, 141, 142)을 더 포함한다는 점이다.
게이트 전극(130)에 대응되는 진공 용기(150)의 내주면 상에 게이트 전극용 내부 아크 방지층(131)이 더 구비될 수 있다. 전계 방출 엑스선원이 집속 전극(140)을 더 포함할 경우, 집속 전극(140)에 대응되는 진공 용기(150)의 내주면 상에 집속 전극용 내부 아크 방지층(141)이 더 구비될 수 있다. 게이트 전극용 내부 아크 방지층(131) 및 집속 전극용 내부 아크 방지층(141)은 금속 및 전도성 물질을 포함할 수 있다. 금속 및 전도성 물질은 게이트 전극(130) 및 집속 전극(140)에 사용되는 물질일 수 있다.
진공 용기(150)는 절연 물질로 이루어지기 때문에, 전자 빔(굵은 화살표)이 진공 용기(150)와 충돌하여 발생하는 2차 전자 등의 원인으로 진공 용기(150)에 전하가 축적될 수 있다. 진공 용기(150)에 축적된 전하가 방전될 경우, 전계 방출 에미터(120)에서 아크 손상이 발생할 수 있다. 이러한 축적된 전하가 방전되는 것을 예방하기 위해 게이트 전극(130) 및 집속 전극(140)에 대응하는 진공 용기(150)의 내주면 상에 게이트 전극용 내부 아크 방지층(131) 및 집속 전극용 내부 아크 방지층(141)이 더 구비될 수 있다. 이러한 게이트 전극용 내부 아크 방지층(131) 및 집속 전극용 내부 아크 방지층(141)의 차지하는 넓이 및 형상은 전자 빔(굵은 화살표)의 용도에 따라 조절될 수 있다.
이에 더하여, 게이트 전극(130)을 덮도록 진공 용기(150)의 외주면 상에 게이트 전극용 외부 아크 방지층(132)이 더 구비될 수 있다. 전계 방출 엑스선원이 집속 전극(140)을 더 포함할 경우, 집속 전극(140)을 덮도록 진공 용기(150)의 외주면 상에 집속 전극용 외부 아크 방지층(142)이 더 구비될 수 있다. 게이트 전극용 외부 아크 방지층(132) 및 집속 전극용 외부 아크 방지층(142)은 절연 물질을 포함할 수 있다. 절연 물질은 폴리이미드, 에폭시 등과 같은 수지(resin)일 수 있다.
진공 용기(150)의 외부에 노출된 게이트 전극(130) 및 집속 전극(140)은 애노드 전극(160)과의 간섭으로 아크가 발생할 가능성이 크다. 이러한 아크를 방지하기 위해 외부로 노출된 게이트 전극(130) 및 집속 전극(140)이 외부 공기와 접촉되는 것을 차단하도록 게이트 전극용 외부 아크 방지층(132) 및 집속 전극용 외부 아크 방지층(142)이 더 구비될 수 있다. 그 결과, 안정적인 동작을 확보할 수 있는 전계 방출 엑스선원이 제공될 수 있다.
도 5를 참조하여 설명되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원이 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원과 다른 점은, 진공 용기(150)가 다른 구조를 가지면서, 내주면 상에 아크 방지층들(131, 132, 141, 142)을 더 포함한다는 점이다.
게이트 전극(130)이 구비되는 진공 용기(150)의 영역은 함몰 영역(151)일 수 있다. 즉, 게이트 전극(130)이 구비되는 진공 용기(150)의 영역은 다른 영역보다 작은 직경을 가질 수 있다.
게이트 전극(130)이 구비되는 진공 용기(150)의 영역이 함몰 영역(151)이기 때문에, 게이트 전극(130)과 전계 방출 에미터(120) 사이의 거리가 더 짧아질 수 있다. 이에 따라, 더욱 낮은 전압을 게이트 전극(130)에 인가하더라도, 동일한 전계가 전계 방출 에미터(120)에 인가될 수 있다. 그 결과, 낮은 전압으로 고전압 펄스 구동이 가능한 전계 방출 엑스선원이 제공될 수 있다.
또한, 게이트 전극(130)에 대응되는 진공 용기(150)의 내주면 상에 게이트 전극용 내부 아크 방지층(131)이 더 구비될 수 있다. 전계 방출 엑스선원이 집속 전극(140)을 더 포함할 경우, 집속 전극(140)에 대응되는 진공 용기(150)의 내주면 상에 집속 전극용 내부 아크 방지층(141)이 더 구비될 수 있다. 이에 더하여, 게이트 전극(130)을 덮도록 진공 용기(150)의 외주면 상에 게이트 전극용 외부 아크 방지층(132)이 더 구비될 수 있다. 전계 방출 엑스선원이 집속 전극(140)을 더 포함할 경우, 집속 전극(140)을 덮도록 진공 용기(150)의 외주면 상에 집속 전극용 외부 아크 방지층(142)이 더 구비될 수 있다. 그 결과, 안정적인 동작을 확보할 수 있는 전계 방출 엑스선원이 제공될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 전계 방출 엑스선원의 구동 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6을 참조하면, 전계 방출 엑스선원의 구동 방법은 캐소드 전극(110), 게이트 전극(130), 집속 전극(140) 및 애노드 전극(160)에 도시된 것과 같은 전압들을 각각 인가하는 것일 수 있다.
애노드 전극(160)은 방열판이나 냉각수 등을 포함하는 냉각 장치에 연결되어 전자 빔의 타격에 의해 발생하는 열을 쉽게 냉각할 수 있도록 접지(0 V)될 수 있다.
이때, 전계 방출 에미터(130)를 포함하는 캐소드 전극(120)에는 트랜지스터(111)가 직렬로 연결되어 스위치(switch) 역할을 할 수 있다. 트랜지스터(111)는 그의 드레인(drain)을 캐소드 전극(120)에 전기적으로 연결될 수 있다. 트랜지스터(111)는 고전압 금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor : MOSFET)일 수 있다. 트랜지스터(111)의 소오스(source)에는 엑스선 방출을 위한 음(-)의 가속 전압인 -Vcathode가 인가되고, 트랜지스터(111)의 게이트에는 트랜지스터(111)를 온/오프(on/off)할 수 있도록 -Vcathode를 기준 전압으로 하는 양(+)의 구동 펄스 신호가 인가될 수 있다. 즉, 트랜지스터(111)의 게이트에 인가되는 양의 구동 펄스 신호는 -Vcathode+5V일 수 있다. 이때, 트랜지스터(111)의 소오스와 게이트 사이의 전압 차이가 5V일 때는 스위치 역할을 하는 트랜지스터(111)는 온 상태, 그리고 전압 차이가 0V일 때는 스위치 역할을 하는 트랜지스터(111)는 오프 상태가 될 수 있다. 즉, 트랜지스터(111)의 게이트에 -Vcathode+5V와 -Vcathode를 번갈아 인가하면 전계 방출 엑스선원의 온/오프 동작이 반복될 수 있다.
게이트 전극(130)에는 전자 빔을 유도할 수 있는 게이트 전압(-Vcathode+Vgate)이, 그리고 집속 전극(140)에는 전자 빔을 집속할 수 있는 집속 전압(-Vcathode+Vfgate)이 각각 직류로 인가될 수 있다.
트랜지스터(111)가 온 상태일 때에는 캐소드 전극(110)에 -Vcathode가 인가되고, 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(130) 사이에는 Vgate만큼의 전압 차이가 발생하여 전계 방출 에미터(120)로부터 전계 방출이 유도된다. 반면에, 트랜지스터(111)가 오프 상태일 때에는 캐소드 전극(110)이 플로팅(floating)되고, 캐소드 전극(110)의 전압은 게이트 전극(130)에 인가된 게이트 전압(-Vcathode+Vgate)에 의해 상승함에 따라 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(130) 사이의 전압 차이가 줄어들어 전계 방출 에미터(120)로부터 전계 방출이 중단된다. 이와 같은 방식에 의해 전계 방출 엑스선원의 전계 방출이 온/오프될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 전계 방출 엑스선원의 전계 방출 에미터의 전류-전압 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 엑스선원은 실제 사용될 때, 시간에 지나감에 따라 균일한 엑스선원의 방출이 매우 중요하며, 열 전자원의 경우에는 쉽게 충족될 수 있는 조건이다. 하지만, 전계 방출 에미터를 전자원으로 사용하는 전계 방출 엑스선원의 경우, 전계 방출 에미터의 특성상 시간에 따라 전류의 값이 불균일한 특성을 보이는데, 이러한 전계 방출 에미터의 단점은 트랜지스터의 구동 특성을 이용하면 극복될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 엑스선원은 전계 방출 에미터로 탄소 나노튜브(Carbon NanoTube : CNT)를 사용할 수 있다. 전계 방출 에미터는 복수의 탄소 나노튜브 에미터들에서 방출되는 전자 빔의 합으로 이해될 수 있으며, 각각의 탄소 나노튜브 에미터가 서로 다른 전류-전압(I-V) 특성을 보일지라도, 탄소 나노튜브 에미터(혹은 캐소드 전극)에 트랜지스터가 직렬로 연결되고, 복수의 탄소 나노튜브 에미터들의 전류가 트랜지스터의 포화 영역 내에서 구동될 경우, 전계 방출 에미터에서 방출되어 애노드 전극에 도달하는 전류는 전계 방출 에미터의 특성과 무관하게 트랜지스터의 포화 특성에 의해 결정된다. 즉, 도 7과 같이 서로 다른 특성을 갖는 제 1 및 제 2 탄소 나노튜브 에미터들은 트랜지스터의 포화 특성에 의해 애노드 전극에 도달하는 전류는 1 및 2 위치에서 결정되어 균일하게 되는 결과를 가져올 수 있다.
상기한 원리를 이용하면 비록 시간이 지나감에 따라 전계 방출 에미터의 특성이 바뀔지라도, 캐소드 전극과 직렬로 연결된 트랜지스터의 포화 영역에서 전계 방출 에미터의 구동이 이루어지면 전자 빔 전류는 시간이 지나감에 따라 매우 일정한 값이 될 수 있다. 그 결과, 전자 빔 전류가 시간이 지나감에 따라 일정한 값을 가질 수 있는 전계 방출 엑스선원이 제공될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110 : 캐소드
111 : 트랜지스터
120 : 전계 방출 에미터
130 : 게이트 전극
131 : 게이트 전극용 내부 아크 방지층
132 : 게이트 전극용 외부 아크 방지층
140 : 집속 전극
141 : 집속 전극용 내부 아크 방지층
142 : 집속 전극용 외부 아크 방지층
150 : 진공 용기
151 : 함몰 영역
160 : 애노드 전극

Claims (20)

  1. 진공 용기의 일 단부에 구비되되, 전계 방출 에미터를 포함하는 캐소드 전극;
    상기 진공 용기가 연장되는 방향의 타 단부에 구비되는 애노드 전극; 및
    상기 캐소드 전극에 인접하는 상기 진공 용기의 외주면 상에 구비되는 게이트 전극을 포함하는 전계 방출 엑스선원.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 전극에 대응되는 상기 진공 용기의 내주면 상에 구비되는 게이트 전극용 내부 아크 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 게이트 전극용 내부 아크 방지층은 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 전극을 덮도록 상기 진공 용기의 상기 외주면 상에 구비되는 게이트 전극용 외부 아크 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 게이트 전극용 외부 아크 방지층은 절연성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 전극이 구비되는 상기 진공 용기의 영역은 다른 영역보다 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전계 방출 에미터는 탄소 나노튜브 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 캐소드 전극에 전기적으로 연결되어 스위치 역할을 하는 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 캐소드 전극으로부터 상기 게이트 전극보다 먼 위치의 상기 진공 용기의 상기 외주면 상에 구비되는 집속 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 집속 전극에 대응되는 상기 진공 용기의 내주면 상에 구비되는 집속 전극용 내부 아크 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 집속 전극용 내부 아크 방지층은 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 집속 전극을 덮도록 상기 진공 용기의 상기 외주면 상에 구비되는 집속 전극용 외부 아크 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 집속 전극용 외부 아크 방지층은 절연성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 진공 용기는 1 cm 미만의 단위의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원.
  15. 제 1항의 구조를 갖는 전계 방출 엑스선원의 구동 방법에 있어서,
    상기 애노드 전극을 접지하는 단계;
    상기 전계 방출 에미터를 포함하는 상기 캐소드 전극에 그의 드레인을 통해 전기적으로 연결된 트랜지스터의 소오스 및 게이트에 각각 음의 가속 전압 및 상기 음의 가속 전압과 이를 기준 전압으로 하는 양의 구동 펄스 신호를 인가하는 단계; 및
    상기 게이트 전극에 게이트 전압을 인가하는 단계를 포함하는 전계 방출 엑스선원의 구동 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 트랜지스터의 상기 게이트에 상기 음의 가속 전압이 인가되면 상기 전계 방출 엑스선원이 구동되지 않는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원의 구동 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 트랜지스터의 상기 게이트에 상기 음의 가속 전압이 인가되면 상기 캐소드 전극이 플로팅되어 상기 전계 방출 에미터로부터의 전계 방출이 중지되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원의 구동 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 상기 게이트 전압과 상기 음의 가속 전압과의 전압 차이를 이용하여 상기 전계 방출 에미터로부터 전계 방출을 유도하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원의 구동 방법.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 전계 방출 엑스선원은 집속 전극을 더 포함하되,
    상기 집속 전극에 집속 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원의 구동 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 집속 전극은 상기 집속 전압과 상기 음의 가속 전압과의 전압 차이를 이용하여 상기 전계 방출 에미터로부터 전계 방출에 의해 유도된 전자 빔을 상기 애노드 전극으로 집속하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 엑스선원의 구동 방법.
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