KR20190012632A

KR20190012632A - 원통형 엑스선 튜브 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20190012632A
Application number: KR1020170095915A
Authority: KR
Inventors: 김대준; 박관수; 김지은; 김동일; 이충렬; 김도윤
Original assignee: (주) 브이에스아이
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2019-02-11
Also published as: US10832884B2; US20200144016A1; EP3659170A4; WO2019022282A1; KR102288924B1; EP3659170A1

Abstract

본 발명은 원통형 엑스선 튜브 및 그 제조 방법에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 원통형 엑스선 튜브는, 외부 절연층, 상기 외부 절연층의 양단에 배치된 캐소드 전극과 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 게이트 전극, 에미터 및 타켓을 포함하며, 상기 캐소드 전극과 상기 외부 절연층 사이에 상기 외부 절연층과 동축 방향으로 하부로 연장되게 형성되어, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극간의 절연 거리가 확보되도록 사전에 조정된 내부 절연층을 포함한다. 이와 같이, 캐소드 전극과 외부 절연층 간에 외부 절연층과 동축 방향으로 연장되게 형성된 별도의 내부 절연층을 추가적으로 설치함으로써, 캐소드 전극과 게이트 전극 간의 절연 거리, 및 캐소드 전극과 애노드 전극 간의 절연 거리 등을 용이하게 조절하여 원하는 절연 내력을 확보할 수 있다.

Description

원통형 엑스선 튜브 및 그 제조 방법{X-RAY TUBE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 원통형 엑스선 튜브 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에미터로부터 방출되어 가속된 전자를 애노느 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 방출시키는 원통형 엑스선 튜브 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 엑스선 튜브(X-ray Tube)는 의료 진단용이나 비파괴 검사용 또는 화학분석용 등 다양한 검사장치 또는 진단장치에 응용되어 폭넓게 사용되고 있다.

종래의 엑스선 튜브는 전자 방출원으로 텅스텐 소재의 열음극을 사용하며, 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 방출시키고, 방출된 전자를 애노드 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 열음극 방식의 구조를 갖는다.

그러나, 열음극 방식의 엑스선 튜브는 전자 방출을 위해 텅스텐 필라멘트를 1000도 이상의 고온으로 상승시켜야 하므로, 전자를 방출시키기 위해 추가 전력이 소모되며, 발생되는 전자가 스파이럴 구조를 갖는 텡스텐 표면에서 무작위로 방출되기 때문에 엑스선 방출 효율 및 집속 성능이 현저히 떨어지는 문제가 있다.

이러한 문제점을 고려하여, 최근에는 냉음극 전자 방출원으로 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube : CNT) 등의 나노 구조물을 이용한 전계방출형 엑스선 튜브에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

전계방출형 엑스선 튜브는 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 세라믹 재질의 진공 튜브의 양단에 각각 배치된 캐소드 전극 및 애노드 전극과, 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치된 게이트 전극을 포함하는 구성을 갖는다. 여기서, 캐소드 전극과 게이트 전극 사이에 형성된 전계에 의해 에미터로부터 방출된 전자빔은 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 형성된 전계에 의해 가속되어 애노드 전극 측에 형성된 타겟과 충돌하여 엑스선이 발생되게 된다.

이러한 탄소나노튜브 기반의 전계방출형 엑스선 튜브는 열음극 방식의 엑스선 튜브에 비하여 열에 의한 전력손실이 발생하지 않는 장점과 더불어, 방출되는 전자가 탄소나노튜브의 길이 방향을 따라 방출되기 때문에 애노드 전극 측의 타겟을 향한 전자의 방향 지향성이 우수하여 엑스선 방출 효율 및 집속성능이 향상된다. 또한, 열음극에서의 전자방출은 필라멘트 특유의 웜업(Warm-up) 시간으로 인해 전자방출 특성이 아날로그에 준하여 이루어지나, 냉음극 CNT 전계방출의 경우 상기 웜업 시간이 불필요하므로 매우 빠른 온-오프(On-Off) 특성에 기반한 디지털 구동이 가능한 장점이 있다.

한편, 상술한 전계방출형 엑스선 튜브의 경우, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에는 수kV에서 수백kV에 달하는 매우 높은 전위차가 형성되며, 애노드 전극과 게이트 전극 사이, 및 게이트 전극과 캐소드 전극 사이에도 높은 전위차가 형성된다. 이러한 높은 전위차로 인해, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이, 애노드 전극과 게이트 전극 사이, 또는 게이트 전극과 캐소드 전극 사이에서 절연 재질의 진공 튜브로 구현되는 엑스선 튜브는 절연이 충분히 확보되지 않으면 어떤 임계 전압에서 절연성이 급격히 감소하면서 갑자기 전도성이 급증하는 전계 파괴(Electric Field breakdown) 현상이 발생하며, 이러한 전계 파괴 현상은 전계방출형 엑스선 튜브의 소형화를 구현하는데 장애가 되고 있다. 또한, 외부의 전원공급회로와의 연결을 위한 게이트 전극의 단자부를 엑스선 튜브의 측면으로 노출하는 경우, 게이트 전극과 애노드 전극 간의 절연 거리가 짧아질 뿐만 아니라, 게이트 전극의 측면 노출을 위해 진공 튜브의 구조를 변경하거나, 혹은 게이트 전극과 외부 전원공급회로와의 전기적 연결을 진공 튜브의 측면에서 하여야하는 등의 이유로 인해 제조 공정의 효율성이 떨어지는 문제가 있다.

(특허문헌 1) KR2016-0102741 A

(특허문헌 2) KR2016-0102744 A

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 전계방출형 엑스선 튜브의 에미터 출력 사양에 따라 캐소드 전극과 게이트 전극간의 충분한 절연 내력을 확보할 수 있으며, 특히 엑스선 튜브의 고출력 에미터에도 캐소드 전극과 게이트 전극간 절연을 용이하게 확보할 수 있는 구조를 구현할 수 있으며, 동시에 제조 공정의 효율성을 향상시킬 수 있는 원통형 엑스선 튜브 및 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따른 원통형 엑스선 튜브는, 외부 절연층, 상기 외부 절연층의 양단에 배치된 캐소드 전극과 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 게이트 전극, 에미터 및 타켓을 포함하며, 상기 캐소드 전극과 상기 외부 절연층 사이에 상기 외부 절연층과 동축 방향으로 하부로 연장되게 형성되어, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극간의 절연 거리가 확보되도록 사전에 조정된 내부 절연층을 포함한다.

상기 캐소드 전극은 상기 내부 절연층의 하면을 외부에 노출되지 않도록 기밀하고, 상기 내부 절연층과 동축 방향으로 상부로 연장되어 상기 게이트 전극과 소정의 거리로 이격될 수 있다.

상기 캐소드 전극의 하면 및 상기 게이트 전극의 하면이 각각 외부의 전원공급회로와 전기적으로 접촉될 수 있다.

상기 에미터는 탄소나노튜브로 이루어진 나노 구조물로 형성될 수 있다.

상기 게이트 전극은 상기 외부 절연층의 하면을 외부에 노출되지 않도록 기밀하고, 상기 외부 절연층과 동축 방향으로 연장되어 상기 캐소드 전극과 소정의 거리로 이격될 수 있다.

상기 내부 절연층의 하부 공간은 상기 캐소드 전극에 의해 기밀되고, 상기 내부 절연층 및 상기 외부 절연층 사이 공간은 상기 게이트 전극에 의해 기밀되며, 상기 외부 절연층의 상부 공간은 상기 애노드 전극에 의해 기밀될 수 있다.

상기 애노드 전극 측으로 진행하는 전자빔을 집속하기 위해 상기 게이트 전극의 상부에 배치되는 집속 전극을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 특징에 따른 원통형 엑스선 튜브의 제조 방법은, 내부 절연층을 형성하는 단계, 상기 내부 절연층의 하면을 기밀하고 상부로 연장되며 상기 내부 절연층의 상부 개구면과 상부로 소정의 거리를 이격시켜 캐소드 전극을 형성하는 단계, 상기 내부 절연층의 외측으로 소정의 거리를 이격시켜 동축 방향으로 외부 절연층을 형성하는 단계, 상기 외부 절연층의 하면을 기밀하고 상부로 연장되며 상기 캐소드 전극과 소정의 거리를 이격시켜 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계, 및 상기 외부 절연층 상면을 기밀하여 상부로 연장되고 상기 외부 절연층 상부 개구면을 기밀하도록 애노드 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 캐소드 전극을 형성하는 단계 이후에, 에미터를 상기 캐소드 전극 상부에 배치할 수 있다.

상기 애노드 전극을 형성하는 단계 이전에, 상기 애노드 전극 측으로 진행하는 전자빔을 집속하기 위해 게이트 전극의 상부에 집속 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 원통형 엑스선 튜브 및 그 제조 방법에 따르면, 캐소드 전극과 외부 절연층 간에 외부 절연층과 동축 방향으로 연장되게 형성된 별도의 내부 절연층을 추가적으로 설치함으로써, 캐소드 전극과 게이트 전극 간의 절연 거리, 및 캐소드 전극과 애노드 전극 간의 절연 거리 등을 용이하게 조절하여 원하는 절연 내력을 확보할 수 있다.

또한, 게이트 전극의 게이트 단자부를 외부 절연층의 하면에 형성함으로써, 캐소드 전극과 게이트 전극을 동일 방향에 위치하게 하여 제조 공정의 간편성 및 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 엑스선 튜브의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 게이트 전극을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 게이트 전극의 단면도이다.
도 5는 선행문헌에 개시된 종래의 엑스선 튜브를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 2의 실시예에 따른 엑스선 튜브에서의 절연 거리 증가 효과를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2의 실시예에 따른 엑스선 튜브의 저면도이다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. 또한, 본 출원에서, 상부, 하부, 상단, 하단과 같이 상하를 포함하는 표현은 절대적인 높이에 따른 구분이 아니라, 장치의 내부 공간을 중심으로 한 상대적인 위치를 나타낸다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브를 나타낸 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 엑스선 튜브의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 엑스선 튜브(1000)는 외부 절연층(400), 외부 절연층(400)의 양단에 각각 배치된 캐소드 전극(100)과 애노드 전극(500), 및 캐소드 전극(100)과 애노드 전극(500) 사이에 배치된 게이트 전극(300)을 포함한다. 또한, 본 발명의 원통형 엑스선 튜브(1000)는 전극들 간의 절연 거리를 증가시키기 위해, 캐소드 전극(100)과 외부 절연층(400) 사이에, 외부 절연층(400) 내측으로 일정 거리 이격되어 동축으로 형성된 내부 절연층(200)을 포함하여 구성된다.

일반적으로, 엑스선 튜브는 크기가 작아지고 있는데 비해 에미터의 출력은 점차 고출력을 요구하고 있는 추세이다. 특히 의료용에 사용되는 엑스선 튜브는 에미터의 출력이 100mA 내지 300mA급을 요구하고 있다. 그러나, 이러한 고출력의 에미터를 소형의 엑스선 튜브에 적용하려면 에미터의 고출력에 따른 캐소드 전극과 게이트 전극 간에 에미터의 고출력에 상응하는 각 전극들 간에 충분한 절연을 반드시 확보해야 한다. 한편, 엑스선 튜브는 에미터 출력 사양에 따라 다양한 엑스선 튜브로 구성되며, 이러한 다양한 엑스선 튜브를 제조할 때 간단한 공정으로 제조하는 것이 생산성을 향상하는 관건이다. 본 실시예에서는 내부 절연층과 외부 절연층간의 상대적 길이를 사전에 용이하게 조절하여 제조할 수 있으면서 필요한 절연 거리를 확보 가능할 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 엑스선 튜브(1000)는 캐소드 전극(100)의 하단이 내부 절연층(200)의 하면을, 게이트 전극(300)의 하단이 외부 절연층(400)의 하면을 각각 기밀하여 외부 전원회로(미도시)와 전기적으로 연결되기 때문에 에미터의 출력 사양에 따라 캐소드 전극(100)과 게이트 전극(300) 간의 절연 내력을 내부 및 외부 절연층들(200, 400) 간의 상대적 길이로 용이하게 산정하고, 이를 기반으로 내부 및 외부 절연층들(200, 400) 간의 상대적 간격을 손쉽게 조절할 수 있어 엑스선 튜브의 에미터 출력 사양에 맞게 절연 내력을 용이하게 확보할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 원통형 엑스선 튜브(1000)는 원통형으로 내부 및 외부 절연층들(200, 400)이 동축 방향이고, 내부 절연층(200)만이 하부로 돌출되기 때문에 외부 전기회로를 커넥터(미도시) 등을 통해 손쉽게 연결할 수 있어 이론적으로 캐소드 전극(100)과 게이트 전극(300) 간에 간단한 제조 공정으로 무한대의 절연력을 확보할 수 있는 구조이다.

캐소드 전극(100)은 내부 절연층(200)의 하면을 외부에 노출되지 않도록 기밀하고, 내부 절연층(200)과 동축 방향으로 상부로 연장되어 게이트 전극(300)과 소정 거리로 이격되게 설치된다.

에미터(130)는 전자를 방출하는 전자 방출원으로 캐소드 전극(100) 상에 형성된다. 에미터(130)는 예를 들어, 탄소나노튜브와 같은 다수의 나노 구조물로 형성될 수 있다. 탄소나노튜브로 에미터(130)를 형성할 경우, 캐소드 전극(100)의 표면에 화학기상증착법(CVD) 등을 이용하여 다수의 탄소나노튜브를 직접 성장시키거나, 탄소나노튜브 페이스트를 인쇄한 후 소성하는 등의 방법으로 형성할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 내부 절연층(200)은 캐소드 전극(100)의 측면을 감싸도록 원통 형상의 튜브 형태로 형성된다. 내부 절연층(200)은 세라믹, 유리 또는 실리콘 등의 절연성 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 알루미나 세라믹의 물질로 형성될 수 있다.

내부 절연층(200)은 내부에 캐소드 전극(100)을 수용할 수 있도록 상하면이 개구된 원통 형상으로 형성되며, 내부 절연층(200)의 직경은 외부 절연층(400)의 내부에 수용될 수 있도록 외부 절연층(400)의 직경보다 작게 형성된다. 내부 절연층(200)은 외부 절연층(400)과 동축 방향으로 외부 절연층(400)의 내부에 배치되며, 캐소드 전극(100)과 게이트 전극(300) 간의 절연 거리, 및 캐소드 전극(100)과 애노드 전극(500) 간의 절연 거리 등을 증가시키기 위하여, 내부 절연층(200)의 적어도 일부는 외부 절연층(400)보다 돌출된 구조로 형성된다.

게이트 전극(300)은 내부 절연층(200)의 외부에 배치되며, 게이트 전극(300)의 하단부는 외부 절연층(400)의 하면을 기밀하도록 형성되며, 외부의 전원공급회로와의 전기적 연결을 위한 게이트 단자부(312)를 형성한다. 게이트 전극(300)은 외부 절연층(400)의 하면을 외부에 노출되지 않도록 기밀하고, 외부 절연층(400)과 동축 방향으로 연장되어 캐소드 전극(100)과 소정 거리로 이격되게 설치된다.

도 3은 도 2에 도시된 게이트 전극을 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 게이트 전극의 단면도이다.

도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 게이트 전극(300)은 제1 게이트 전극부(310) 및 제2 게이트 전극부(320)를 포함할 수 있다.

제1 게이트 전극부(310)는 내부 절연층(200)과 외부 절연층(400) 사이에 배치되며, 외부 절연층(400)의 하면에 결합되는 게이트 단자부(312), 및 내부 절연층(200)의 상면에 결합되는 게이트 결합부(314)를 포함한다.

제2 게이트 전극부(320)는 캐소드 전극(100)의 상단을 커버하도록 제1 게이트 전극부(310)의 상부에 결합된다. 제2 게이트 전극부(320)는 에미터(130)에 근접하게 배치되어 전자 방출을 위한 전계를 형성한다. 예를 들어, 제2 게이트 전극부(320)는 전자의 관통을 위해 상부면에 다수의 게이트 홀이 형성된 구조를 갖거나, 또는 다수의 게이트 홀이 형성된 얇은 금속판이 내측면에 결합된 구조로 형성될 수 있다.

본 실시예에서, 게이트 전극(300)은 제1 게이트 전극부(310) 및 제2 게이트 전극부(320)로 분리된 다층 구조를 갖는 것으로 형성되었으나, 이에 한정하지 않고, 제1 게이트 전극(310)과 제2 게이트 전극(320)이 일체로 형성된 구조로 형성될 수도 있다.

상기 외부 절연층(400)은 게이트 전극(300)의 측면을 감싸도록 원통 형상의 튜브 형태로 형성된다. 외부 절연층(400)은 내부 절연층(200)과 같은 세라믹, 유리 또는 실리콘 등의 절연성 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 알루미나 세라믹스의 물질로 형성될 수 있다.

외부 절연층(400)은 상하면이 개구된 원통 형상으로 형성되며, 내부에 캐소드 전극(100), 내부 절연층(200) 및 게이트 전극(300) 등이 수용될 수 있도록 내부 절연층(200)보다 큰 직경으로 형성된다. 또한, 외부 절연층(400)은 전극들 간의 절연 거리를 용이하게 조절 가능하도록 내부 절연층(200)과 동축 방향으로 연장되게 형성된다.

애노드 전극(500)은 캐소드 전극(100)과 대향되도록 배치되며 외부 절연층(400)과 결합된다. 애노드 전극(500)에는 에미터(130)로부터 방출된 전자와 충돌하여 엑스선을 방출하는 타겟(520)이 배치되며, 타겟(520)은 예를 들어, 베릴륨(Be) 윈도우의 하면에 직접 텅스텐(W)이 코팅된 투과형 구조, 또는 애노드 전극(500) 상에 텅스텐(W) 블록이 형성된 반사형 구조 등이 이용될 수 있다.

외부의 전원공급회로로부터의 전압 인가에 의해, 캐소드 전극(100)과 애노드 전극(500) 사이에는 수kV에서 수백kV에 달하는 높은 전위차가 형성된다. 이에 따라, 에미터(130)에서 방출된 전자는 캐소드 전극(100)과 애노드 전극(500) 사이의 전위차에 위해 애노드 전극(500) 방향으로 가속되며, 가속된 전자가 타겟(520)과 충돌하여 엑스선을 발생시키게 된다.

한편, 엑스선 튜브(1000)는 게이트 전극(300)의 상부에 배치되는 집속 전극(600)을 더 포함할 수 있다. 집속 전극(600)은 애노드 전극(500) 측으로 진행하는 전자빔을 타겟(520) 방향으로 집속하기 위한 전계를 형성한다.

이러한 구성의 본 실시예에 따르면, 내부 절연층(200)의 하부 공간은 캐소드 전극(100)에 의해 기밀되고, 내부 절연층(200)과 외부 절연층(400)간의 사이 공간은 게이트 전극(300)에 의해 기밀되며, 외부 절연층(400)의 상부 공간은 애노드 전극(500)에 의해 기밀되어, 엑스선 튜브(1000)의 내부 공간은 진공 상태를 유지하게 된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 캐소드 전극(100)과 외부 절연층(400) 사이에 외부 절연층(400)과 동축 방향으로 형성된 별도의 내부 절연층(200)을 추가적으로 구비함으로써, 캐소드 전극(100)과 게이트 전극(300) 간의 절연 거리, 및 캐소드 전극(100)과 애노드 전극(500) 간의 절연 거리 등을 에미터(130)의 출력 사양에 맞추어 용이하게 조절하고 제조할 수 있다.

도 5는 선행문헌에 개시된 종래의 엑스선 튜브를 나타낸 단면도이다. 도 5에서, (a)는 선행문헌 1에 개시된 엑스선 튜브를 나타내며, (b)는 선행문헌 2에 개시된 엑스선 튜브를 나타낸다.

도 5(a)에 개시된 종래의 엑스선 튜브의 경우, 캐소드 전극(10)이 외부 절연층(20)의 하면에 결합되고, 애노드 전극(30)이 외부 절연층(20)의 상부에 결합된 구조로, 캐소드 전극(10)과 애노드 전극(30) 간의 절연 거리는 외부 절연층(20)의 길이에 대응되며, 게이트 전극(40)은 캐소드 전극(10) 상에 배치되어 외부 절연층(20)의 측면으로 노출되므로, 게이트 전극(40)과 애노드 전극(30) 간의 절연 거리는 외부 절연층(20)의 길이보다 짧아 상대적으로 절연 내력이 높지 않았다. 이를 개선하기 위해, 캐소드 및 애노드 간, 게이트 및 애노드 간의 절연 내력들을 향상시킨 구조가 등장하였다.

도 5(b)에 개시된 종래의 엑스선 튜브의 경우, 애노드 전극(30)과 게이트 전극(40) 간의 절연 거리를 증가시키고, 제조 공정의 효율성을 높이기 위하여, 게이트 전극(40)의 단자부를 캐소드 전극(10)과 마찬가지로 외부 절연층(20)의 하부 방향으로 노출시키는 구조를 개시하고 있으나, 앞선 (a)에 도시된 엑스선 튜브에 비해 캐소드 및 애노드 간, 게이트 및 애노드 간의 절연 내력들은 향상되고 있으나, 여전히 캐소드 전극(10)과 게이트 전극(40)은 동일선 상에 배치되어 있기 때문에 제조 공정의 편의성은 확보되지만 캐소드 전극(10)과 게이트 전극(40) 간의 상대적인 거리가 줄어들어 절연 내력은 오히려 줄어들 가능성이 높은 구조이다.

도 6은 도 2의 실시예에 따른 엑스선 튜브에서의 절연 거리 증가 효과를 나타낸 도면이며, 도 7은 도 2의 실시예에 따른 엑스선 튜브의 저면도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 엑스선 튜브(1000)의 경우, 캐소드 전극(100)과 외부 절연층(400) 사이에 외부 절연층(400)과 동축 방향으로 내부 절연층(200)이 구비되어 내부 절연층(200)의 일부가 외부 절연층(400)의 하부로 돌출된 구조이다.

이러한 구조에 따라, 캐소드 전극(100)과 애노드 전극(500) 간의 절연 거리는, 내부 절연층(200)이 외부 절연층(400)에서 돌출된 길이(L2)만큼 증가한 L3가 되어, 기존의 선행문헌에서 제시된 기술들보다 가장 높은 절연 내력을 확보할 수 있다.

또한, 게이트 전극(300)은 외부 절연층(400)의 하면에 기밀되어 배치된 구조로, 게이트 전극(300)과 애노드 전극(500) 간의 절연 거리는 외부 절연층(400)의 길이에 대응되는 L1이 되어, 게이트 전극이 외부 절연층의 측면에 노출된 선행문헌 1의 절연내력보다 증가하며, 게이트 전극이 외부 절연층 하면에 위치한 선행문헌2의 절연내력과는 동등 수준의 절연내력을 확보 가능하다.

한편, 캐소드 전극(100)은 내부 절연층(200)의 하면을 기밀하고, 게이트 전극(300)은 외부 절연층(400)의 하면을 기밀한 구조로, 캐소드 전극(100)과 게이트 전극(312) 간의 절연 거리는 내부 절연층(200)이 외부 절연층(400)의 외부로 돌출된 길이(L2) 이상에 대응하는 절연내력을 갖추기 때문에 앞선 선행기술들에 비해 가장 높은 절연 내력을 확보한다.

또한, 내부 절연층(200)의 길이, 또는 내부 절연층(200) 및 외부 절연 층(400)간의 상대적 길이 등을 용이하게 조절 가능하기 때문에, 캐소드 전극(100)과 게이트 전극(300) 간의 상대적 거리 조절을 통해 에미터(130)의 출력 사양에 따라 절연 내력을 용이하게 확보하는 것이 가능하다.

한편, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 외부의 전원공급회로(700)와의 전기적 연결을 위해, 캐소드 전극(100)의 캐소드 단자부(112)는 내부 절연층(200)의 하면에 결합되어 하부로 노출되고, 게이트 전극(300)의 게이트 단자부(312)는 외부 절연층(400)의 하면에 결합되어 하부로 노출된다. 또한, 캐소드 단자부(112)와 게이트 단자부(312)는 저면에서 보았을 때, 동심원을 그리면서 서로 이격되게 배치되어 엑스선 튜브(1000)의 하부를 향해 동일한 방향으로 형성된다.

이와 같이, 게이트 전극(300)과 외부의 전원공급회로(700)를 외부 절연층(400)의 하부 방향으로 캐소드 전극(100)과 동일한 방향에서 커넥터(미도시) 등을 통해 연결함으로써, 게이트 전극(300)의 단자부를 외부 절연층(400)의 측면으로 노출시키는 기존의 구조에 비해, 외부 절연층(400)에 대한 제조 공정이 단순화된다. 또한, 캐소드 단자부(112)와 게이트 단자부(312)가 같은 방향을 바라보도록 형성함으로써, 상기 엑스선 튜브(1000)를 엑스선 발생장치와 같은 외부 시스템에 장착하기 위한 커넥터 연결시, 보다 단순한 커넥터 구성을 통해 시스템에 장착이 가능한 구조를 구현할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 제조 방법에 대하여 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 제조 방법은, 내부 절연층(200)을 형성하는 단계, 내부 절연층(200)의 하면을 기밀하고 상부로 연장되며 내부 절연층(200)의 상부 개구면과 상부로 소정의 거리를 이격시켜 캐소드 전극(100)을 형성하고 브레이징을 통해 내부 절연층(200)과 캐소드 전극(100)을 결합하는 단계, 내부 절연층(200)의 외측으로 소정의 거리를 이격시켜 동축 방향으로 외부 절연층(400)을 형성하는 단계, 외부 절연층(400)의 하면을 기밀하고 상부로 연장되며 캐소드 전극(100)과 소정의 거리를 이격시켜 상부에 게이트 전극(300)을 형성하고 브레이징을 통해 외부 절연층(400)과 게이트 전극(300)을 결합하는 단계, 및 외부 절연층(400) 상면을 기밀하여 상부로 연장되고 외부 절연층(400) 상부 개구면을 기밀하도록 애노드 전극(500)을 형성하는 단계로 이루어진다.

내부 절연층(200)과 캐소드 전극(100)을 결합할 때, 캐소드 전극(110)의 하단부를 내부 절연층(200)의 하면이 기밀되도록 캐소드 단자부(112)를 내부 절연층(200)의 하면을 완전히 커버되도록 형성한다. 이후, 외부 절연층(400)과 게이트 전극(300)을 결합하는 공정을 진행한다. 게이트 전극(300)을 결합하는 공정은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하단부에 게이트 단자부(312)가 형성되고 상단부에 게이트 결합부(314)가 형성된 제1 게이트 전극부(310)를, 게이트 결합부(314)가 내부 절연층(200)의 상면에 결합되도록 내부 절연층(200)에 결합하는 공정과, 내부 절연층(200)의 내부에 배치된 캐소드 전극(100)의 상단을 커버하도록 제1 게이트 전극부(310)의 상부에 제2 게이트 전극부(320)를 결합하는 공정으로 이루어질 수 있다. 여기서, 내부 절연층(200)에 제1 게이트 전극부(310)를 결합한 상태에서, 고온 브레이징 공정을 진행함으로써, 금속 물질로 이루어진 제1 게이트 전극부(310) 및 내부 절연층(200)을 완전하게 결합시킬 수 있다. 한편, 게이트 전극(300)은 제1 게이트 전극부(310)와 제2 게이트 전극부(320)로 분리된 다층 구조가 아닌 일체형 구조로 형성될 수도 있다.

게이트 전극(300)을 내부 절연층(200)에 결합한 후에, 게이트 전극(300)의 상부에 애노드 전극(500) 측으로 진행하는 전자빔을 집속하기 위한 집속 전극(600)을 결합하는 공정을 진행할 수 있다.

이후, 내부 절연층(200)과 동축 방향으로 게이트 전극(300)의 외부에 외부 절연층(400)을 결합하는 공정을 진행한다. 게이트 전극(300)과 외부 절연층(400)을 결합할 때, 게이트 전극(300)의 하단부를 외부 절연층(400)의 하면에 결합시켜 게이트 단자부(312)를 형성한다. 또한, 게이트 전극(300)과 외부 절연층(400)을 결합할 때, 내부 절연층(200)의 적어도 일부가 외부 절연층(400)의 외부에 노출되도록 결합된다.

게이트 전극(300)과 외부 절연층(400)의 결합과는 별도로, 외부 절연층(400)과 애노드 전극(500)을 결합하는 공정을 진행한다. 외부 절연층(400)과 애노드 전극(500)의 결합 공정은 외부 절연층(400)을 게이트 전극(300)에 결합하기 전 또는 후에 진행될 수 있다.

이와 같이, 외부 절연층(400)과 게이트 전극(300) 간의 결합, 및 외부 절연층(400)과 애노드 전극(500) 간의 결합이 완료된 상태에서, 저온 브레이징 공정을 진행함으로써, 금속 물질로 이루어진 제1 게이트 전극부(310) 및 애노드 전극(500)과 절연 물질로 이루어진 외부 절연층(400)을 완전하게 결합시킬 수 있다.

이러한 제조 공정에 따르면, 캐소드 전극(100)과 내부 절연 튜브(200)의 결합을 통해 내부 절연층(200)의 하부 공간을 기밀하고, 게이트 전극(300)과 내부 절연층(200)의 결합 및 게이트 전극(300)과 외부 절연층(400)간의 결합을 통해, 내부 절연층(200)과 외부 절연층(400)간 공간을 기밀시키며, 외부 절연층(400)과 애노드 전극(500)의 결합을 통해 외부 절연층(400)의 상부 공간을 기밀시키게 되어, 최종적으로 제조된 엑스선 튜브(1000)의 내부 공간이 진공 밀봉 상태를 유지하게 된다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1000 : 엑스선 튜브 100 : 캐소드 전극
112 : 캐소드 단자부 130 : 에미터
200 : 내부 절연층 300 : 게이트 전극
310 : 제1 게이트 전극부 312 : 게이트 단자부
314 : 게이트 결합부 320 : 제2 게이트 전극부
400 : 외부 절연층 500 : 애노드 전극
520 : 타겟 600 : 집속 전극

Claims

외부 절연층, 상기 외부 절연층의 양단에 배치된 캐소드 전극과 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 게이트 전극, 에미터 및 타켓을 포함하는 원통형 엑스선 튜브에 있어서,
상기 캐소드 전극과 상기 외부 절연층 사이에 상기 외부 절연층과 동축 방향으로 하부로 연장되게 형성되어, 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극간의 절연 거리가 확보되도록 사전에 조정된 내부 절연층을 포함하는 원통형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,
상기 캐소드 전극은
상기 내부 절연층의 하면을 외부에 노출되지 않도록 기밀하고, 상기 내부 절연층과 동축 방향으로 상부로 연장되어 상기 게이트 전극과 소정의 거리로 이격된 것을 특징으로 하는 원통형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,
상기 캐소드 전극의 하면 및 상기 게이트 전극의 하면이 각각 외부의 전원공급회로와 전기적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 원통형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,
상기 에미터는 탄소나노튜브로 이루어진 나노 구조물로 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,
상기 게이트 전극은 상기 외부 절연층의 하면을 외부에 노출되지 않도록 기밀하고, 상기 외부 절연층과 동축 방향으로 연장되어 상기 캐소드 전극과 소정의 거리로 이격된 것을 특징으로 하는 원통형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,
상기 내부 절연층의 하부 공간은 상기 캐소드 전극에 의해 기밀되고,
상기 내부 절연층 및 상기 외부 절연층 사이 공간은 상기 게이트 전극에 의해 기밀되며,
상기 외부 절연층의 상부 공간은 상기 애노드 전극에 의해 기밀되는 것을 특징으로 하는 원통형 엑스선 튜브.
제1항에 있어서,
상기 애노드 전극 측으로 진행하는 전자빔을 집속하기 위해 상기 게이트 전극의 상부에 배치되는 집속 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 엑스선 튜브.
내부 절연층을 형성하는 단계;
상기 내부 절연층의 하면을 기밀하고 상부로 연장되며 상기 내부 절연층의 상부 개구면과 상부로 소정의 거리를 이격시켜 캐소드 전극을 형성하는 단계;
상기 내부 절연층의 외측으로 소정의 거리를 이격시켜 동축 방향으로 외부 절연층을 형성하는 단계;
상기 외부 절연층의 하면을 기밀하고 상부로 연장되며 상기 캐소드 전극과 소정의 거리를 이격시켜 상부에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및
상기 외부 절연층 상면을 기밀하여 상부로 연장되고 상기 외부 절연층 상부 개구면을 기밀하도록 애노드 전극을 형성하는 단계를 포함하는 원통형 엑스선 튜브의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 캐소드 전극을 형성하는 단계 이후에 에미터를 상기 캐소드 전극 상부에 배치하는 것을 더 포함하는 원통형 엑스선 튜브의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 애노드 전극을 형성하는 단계 이전에, 상기 애노드 전극 측으로 진행하는 전자빔을 집속하기 위해 게이트 전극의 상부에 집속 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 엑스선 튜브의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 에미터는 탄소나노튜브로 이루어진 나노 구조물로 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 엑스선 튜브의 제조 방법.