KR20230119109A - 전계 방출 음극 장치 및 전계 방출 음극 장치를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

전계 방출 음극 장치 및 전계 방출 음극 장치를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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KR20230119109A
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Abstract

전계 방출 음극 장치는 실린더형의 기판 및 그 실린더형의 표면상에 증착된 전계 방출 물질을 포함하는 전계 방출 음극을 구비한다. 상기 전계 방출 음극은 세로축을 한정한다. 솔레노이드는 상기 실린더형의 표면에 대해 동심으로 연장되고, 그 사이에 갭을 한정한다. 상기 솔레노이드는 상기 세로축에 직교하게 연장되는 대향하는 제1 및 제2 개방 단부들을 한정한다. 전류 소스는 상기 솔레노이드를 따라 자기장을 형성하는 정극성(DC) 전류를 상기 솔레노이드로 향하게 한다. 게이트 전압 소스는 상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극에 전기적으로 연결되고, 상기 전계 방출 음극이 상기 전계 방출 물질로부터 상기 갭 내로 전자들을 방출하도록 유도하는 전기장을 발생시키기 위해 상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극과 상호 작용한다. 상기 방출된 전자들은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부를 통한 상기 솔레노이드 내의 전류 흐름에 상응하여 상기 갭 내에서 상기 세로축에 대해 나선형이 되도록 상기 자기장에 반응한다.

Description

전계 방출 음극 장치 및 전계 방출 음극 장치를 제조하기 위한 방법
본 출원은 전계 방출 음극 장치들에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전계 방출 음극 장치 및 전계 방출 음극 장치를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
통상적인 전계 방출 음극 어셈블리는 그 사이에 특정한 갭을 가지는 전계 방출 음극 및 추출 게이트 구조를 포함하며, 그 예가 도 1에 도시된다. 이러한 종래 기술의 예들에서, 외부 전압(VG)은 게이트 전극에 인가되지만, 상기 음극은 상기 음극 표면의 외부로 전계 방출 전자들을 추출하기 위해 전기적으로 접지된다.
전계 방출 음극은 통상적인 시나리오에서 특정한 최대 전류 밀도 하에서만 안정하게 동작한다. 이와 같이, 안정한 고전류를 구현하기 위하여 대체로 큰 면적을 가지는 음극이 요구된다. 전자 방출 면적(예를 들어, 전자 빔 단면에 대응되는)은 도 1에 예시한 바와 같이 대응되는 음극 면적에 의해 정의된다. 큰 음극은 일반적으로 큰 빔 단면을 가지는 전자 빔을 발생시킨다. 그러나 많은 응용들에 대해, 넓은 전자 빔(큰 빔 단면)은 보다 작고 보다 집속 빔 단면 크기를 구현하기 위해 더욱 집속/집중되어야 한다. 그러나 종종 큰 방출 면적들을 가지는 음극들을 위해 상기 전자 빔의 요구되는 집속을 구현하기는 어렵다.
이에 따라, 안정한 고전류를 구현할 수 있고, 전계 방출 전자들로부터 작고 집중된 전자 빔 단면도 형성할 수 있는 큰 면적의 음극을 가지는 전계 방출 음극 어셈블리를 위한 장치 및 제조 방법에 대한 요구가 존재한다. 다시 말하면, 이온 충돌로부터 상기 음극을 보호하면서, 상기 전자 빔 단면을 상당하게 증가시키지 않고 정해진 면적(예를 들면, 게이트 크기)으로부터 방출되는 전계 방출 전자들의 전체적인 양(예를 들면, 전류)을 증가시킬 수 있는 전계 방출 음극 어셈블리를 구현하는 것이 바람직할 수 있다.
상술한 요구들 및 다른 요구들은 제한되지 않고 다음의 예시적인 실시예들을 포함하는 본 발명의 측면들에 의해 충족되며, 특정한 일 측면에서, 전계 방출 음극 장치가 제공되며, 상기 전계 방출 음극 장치는, 그 실린더형의 표면상에 증착된 전계 방출 물질을 가지는 실린더형의 기판을 포함하는 전계 방출 음극을 구비하고, 상기 전계 방출 음극은 세로축을 한정하며; 상기 전계 방출 음극의 상기 실린더형의 표면에 대해 동심으로 연장되고, 그 사이에 갭을 한정하는 솔레노이드를 구비하고, 상기 솔레노이드는 상기 세로축에 직교하게 연장되는 대향하는 제1 및 제2 개방 단부들을 한정하며; 상기 솔레노이드에 전기적으로 연결되고, 정극성(DC) 전류(I)를 향하게 하도록 배열되는 전류 소스(VI)를 구비하고, 상기 솔레노이드 내의 상기 DC 전류(I)는 상기 솔레노이드를 따라 자기장(B)을 형성하며; 상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극에 전기적으로 연결되고, 상기 전계 방출 음극이 상기 전계 방출 물질로부터 상기 갭 내로 전자들을 방출하도록 유도하는 전기장을 발생시키기 위해 상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극과 상호 작용하도록 배열되는 게이트 전압 소스(VG)를 구비하며, 상기 방출된 전자들은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부를 통한 상기 솔레노이드 내의 전류 흐름에 대응하여 상기 갭 내에서 상기 세로축에 대해 나선형이 되도록 상기 자기장에 반응한다.
다른 예시적인 측면은 전계 방출 음극 장치를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 솔레노이드가 기판의 실린더형의 표면에 대해 동심으로 연장되고, 그 사이에 갭을 한정하도록 전계 방출 음극의 실린더형의 상기 기판을 상기 솔레노이드 내로 삽입하는 단계를 포함하며, 상기 전계 방출 음극은 세로축을 한정하고, 상기 솔레노이드는 상기 세로축에 직교하게 연장되는 대향하는 제1 및 제2 개방 단부들을 한정하며; 상기 솔레노이드에 전기적으로 연결되는 전류 소스(VI)로부터 상기 솔레노이드로 정극성(DC) 전류(I)를 향하게 하는 단계를 포함하고, 상기 솔레노이드 내의 상기 DC 전류(I)는 상기 솔레노이드를 따라 자기장(B)을 형성하며; 상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극에 전기적으로 연결되는 게이트 전압 소스로 전기장(E)을 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 전기장(E)은 상기 전계 방출 음극이 상기 전계 방출 물질로부터 상기 갭 내로 전자들(e)을 방출하도록 유도하며, 상기 방출된 전자들은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부를 통한 상기 솔레노이드 내의 전류 흐름에 상응하여 상기 갭 내에서 상기 세로축에 대해 나선형이 되도록 상기 자기장에 반응한다.
본 발명은 이에 따라 제한되지 않고 다음의 예시적인 실시예들을 포함한다.
예시적 실시예 1: 전계 방출 음극 장치에서, 그 실린더형의 표면상에 증착된 전계 방출 물질을 가지는 실린더형의 기판을 포함하는 전계 방출 음극을 구비하며, 상기 전계 방출 음극은 세로축을 한정하고; 상기 전계 방출 음극의 상기 실린더형의 표면에 대해 동심으로 연장되고, 그 사이에 갭을 한정하는 솔레노이드를 구비하며, 상기 솔레노이드는 상기 세로축에 직교하게 연장되는 대향하는 제1 및 제2 개방 단부들을 한정하고; 상기 솔레노이드에 전기적으로 연결되고, 정극성(DC) 전류를 향하게 하도록 배열되는 전류 소스를 구비하며, 상기 솔레노이드 내의 상기 DC 전류는 상기 솔레노이드를 따라 자기장을 형성하고; 상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극에 전기적으로 연결되고, 상기 전계 방출 음극이 상기 전계 방출 물질로부터 상기 갭 내로 전자들을 방출하도록 유도하는 전기장을 발생시키기 위해 상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극과 상호 작용하도록 배열되는 게이트 전압 소스를 구비하며, 상기 방출된 전자들은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부를 통한 상기 솔레노이드 내의 전류 흐름에 대응하여 상기 갭 내에서 상기 세로축에 대해 나선형이 되도록 상기 자기장에 반응한다.
예시적 실시예 2: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 장치에서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부에 관하여 이격되게 배치되는 양극; 및 상기 양극에 전기적으로 연결되고, 상기 양극에 적어도 약 10㎸의 전압을 인가하도록 배열되는 고전압 소스를 포함하며, 상기 양극은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 전자들을 끌어당기도록 상기 양극에 대한 전압의 인가에 반응한다.
예시적 실시예 3: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 장치에서, 상기 양극으로 끌어당겨지는 전자들의 속도는 상기 양극에 인가되는 전압에 비례한다.
예시적 실시예 4: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 장치에서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부를 통해 방출되는 상기 전자들의 양은 상기 전기장을 발생시키도록 상기 게이트 전압 소스에 의해 인가되는 전압에 비례한다.
예시적 실시예 5: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 장치에서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들의 집중은 상기 제1 개방 단부의 직경에 비례한다.
예시적 실시예 6: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 장치에서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들의 집중은 상기 제1 개방 단부에서 상기 솔레노이드 및 상기 전계 방출 음극의 상기 실린더형의 표면 사이의 상기 갭의 치수에 비례한다.
예시적 실시예 7: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 장치에서, 상기 실린더형의 기판은 전기적으로 도전성인 물질 또는 금속성 물질로 이루어진다.
예시적 실시예 8: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 장치에서, 상기 실린더형의 표면상에 증착된 상기 전계 방출 물질은 나노튜브들, 나노와이어들, 그래핀, 비정질 탄소, 또는 이들의 결합을 포함한다.
예시적 실시예 9: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 장치에서, 상기 실린더형의 기판은 약 1㎜ 내지 약 5㎝의 직경을 가지며, 상기 갭은 약 100㎛ 내지 약 1㎜이다.
예시적 실시예 10: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 장치에서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 및 제2 개방 단부들은 약 1㎜ 내지 약 5㎝의 직경을 가진다.
예시적 실시예 11: 전계 방출 음극 장치를 제조하는 방법에서, 솔레노이드가 기판의 실린더형의 표면에 대해 동심으로 연장되고, 그 사이에 갭을 한정하도록 전계 방출 음극의 실린더형의 상기 기판을 상기 솔레노이드 내로 삽입하는 단계를 포함하며, 상기 전계 방출 음극은 세로축을 한정하고, 상기 솔레노이드는 상기 세로축에 직교하게 연장되는 대향하는 제1 및 제2 개방 단부들을 한정하며; 상기 솔레노이드에 전기적으로 연결되는 전류 소스로부터 상기 솔레노이드로 정극성(DC) 전류를 향하게 하는 단계를 포함하고, 상기 솔레노이드 내의 상기 DC 전류는 상기 솔레노이드를 따라 자기장을 형성하며; 상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극에 전기적으로 연결되는 게이트 전압 소스로 전기장을 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 전기장은 상기 전계 방출 음극이 상기 전계 방출 물질로부터 상기 갭 내로 전자들을 방출하도록 유도하며, 상기 방출된 전자들은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부를 통한 상기 솔레노이드 내의 전류 흐름에 상응하여 상기 갭 내에서 상기 세로축에 대해 나선형이 되도록 상기 자기장에 반응한다.
예시적 실시예 12: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 방법에서, 상기 기판의 상기 실린더형의 표면상에 전계 방출 물질을 증착하는 단계를 포함한다.
예시적 실시예 13: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 방법에서, 고전압 소스로부터 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부에 관해 이격되게 배치되는 양극에 적어도 약 10㎸의 전압을 인가하는 단계를 포함하며, 상기 양극은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들을 끌어당기도록 상기 양극에 대한 전압의 인가에 반응한다.
예시적 실시예 14: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 방법에서, 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들의 집중을 비례하여 변화시키도록 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부의 직경을 변화시키는 단계를 포함한다.
예시적 실시예 15: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 방법에서, 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들의 집중을 비례하여 변화시키도록 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부에서 상기 솔레노이드 및 상기 전계 방출 음극의 상기 실린더형의 표면 사이의 상기 갭의 치수를 변화시키는 단계를 포함한다.
예시적 실시예 16: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 방법에서, 전기적으로 도전성인 물질 또는 금속성 물질의 상기 실린더형의 기판을 형성하는 단계 및 상기 실린더형의 기판의 상기 실린더형의 표면상에 나노튜브들, 나노와이어들, 그래핀, 비정질 탄소, 또는 이들의 결합으로 이루어진 상기 전계 방출 물질을 증착하는 단계를 포함한다.
예시적 실시예 17: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 방법에서, 상기 실린더형의 기판을 상기 솔레노이드 내로 삽입하는 단계는 상기 갭이 약 100㎛ 내지 약 1㎜가 되도록 약 1㎜ 내지 약 5㎝의 직경을 가지는 상기 실린더형의 기판을 상기 솔레노이드 내로 삽입하는 단계를 포함한다.
예시적 실시예 18: 임의의 앞서의 예시적인 실시예들 또는 이들의 결합들의 방법에서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 및 제2 개방 단부들이 약 1㎜ 내지 약 5㎝의 직경을 가지도록 상기 솔레노이드를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상술한 특징들, 다른 특징들, 측면들 및 이점들은 다음에 간략하게 기재되는 첨부된 도면들과 함께 후술하는 상세한 설명의 이해로부터 명백해질 것이다. 본 발명은 이러한 특징들이나 요소들이 여기에 기재되는 특정 실시예에서 명백하게 결합되거나 그렇지 않으면 언급되는지에 관계없이 본 발명에서 설시되는 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 특징들이나 요소들의 임의의 결합을 포함한다. 본 발명은 본 발명의 임의의 분리될 수 있는 특징들이나 요소들이 그 측면들과 실시예들의 임의의 것에서 본문의 내용에서 명백하게 다르게 언급하지 않는 한 의도된, 즉 결합 가능한 것으로 설시되도록 전체적으로 이해되게 의도된다.
여기서의 요약이 본 발명의 기본적인 이해를 제공하기 위해 일부 예시적인 측면들을 요약하는 목적으로만 제공되는 점이 이해될 것이다. 이와 같이, 상술한 예시적인 측면들은 단지 예들이며, 어떠한 방식으로도 본 발명의 사상과 범주를 축소시키는 것으로 해석되지 않아야 하는 점이 이해될 것이다. 본 발명의 범주가 여기에 요약되는 경우들 이외에도, 그 일부들이 다음에 설명되는 많은 잠재적인 측면들을 포괄하는 점이 이해될 것이다. 또한, 다른 측면들 및 여기에 개시되는 이러한 측면들의 이점들은 예들을 통하여 설명되는 측면들의 원리들을 예시하는 첨부된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.
반드시 일정한 비율로 도시되지는 않은 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명이 일반적인 표현들로 설명될 것이며, 첨부된 도면들에서,
도 1은 전계 방출 음극 장치의 종래 기술의 예를 개략적으로 예시하고,
도 2a는 본 발명의 일 측면에 따른 전계 방출 음극 장치의 사시도를 개략적으로 예시하며,
도 2b는 도 2a에 도시한 본 발명의 일 측면에 따른 전계 방출 음극 장치의 단면도를 개략적으로 예시하고,
도 3a는 도 2a에 도시한 본 발명의 일 측면에 따른 음극 및 솔레노이드에 대한 전기적 연결들을 가지는 전계 방출 음극 장치의 사시도를 개략적으로 예시하며,
도 3b는 도 2b에 도시한 본 발명의 일 측면에 따른 음극 및 솔레노이드에 대한 전기적 연결들을 가지는 전계 방출 음극 장치의 단면도를 개략적으로 예시하고,
도 4a는 본 발명의 일 측면에 따라 전기장 및 이와 연관된 자기장을 나타낸 전계 방출 음극 장치의 사시도를 개략적으로 예시하며,
도 4b는 본 발명의 일 측면에 따른 솔레노이드/양의 게이트 전압(VG)으로 부유된 게이트 전극을 구비하는 전계 방출 음극 장치의 회로도를 개략적으로 예시하고,
도 4c는 본 발명의 일 측면에 따른 음의 게이트 전압(-VG)으로 바이어스된 음극을 구비하는 전계 방출 음극 장치의 회로도를 개략적으로 예시하며,
도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 음극 및 이와 상호 작용하는 고전압의 양극을 가지는 솔레노이드를 구비하는 전계 방출 음극 장치를 개략적으로 예시한다.
이하에서 본 발명의 모든 측면들은 아니지만 일부 측면들이 예시되는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 실제로, 본 발명은 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 설시되는 측면들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이들 측면들은 본 발명이 해당되는 법률적 요구 사항들을 충족시키기 위한 것이다. 동일한 참조 부호들은 전체적으로 동일한 요소들을 나타낸다.
도 2a, 도 2b, 도 3a, 도 3b, 도4a-도 4c 및 도 5는 전계 방출 음극 장치(field emission cathode device)(100) 및 전계 방출 음극 장치(100)를 제조하는 방법의 다양한 측면들을 예시한다. 예시적인 일 측면에서, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 전계 방출 음극 장치(100)는 실린더형의 기판(225)의 실린더형의 표면상에 증착된 전계 방출 물질(250)을 가지는 상기 실린더형의 기판(225)을 포함하는 전계 방출 음극(200)을 구비한다(예를 들면, 도 1 참조). 상기 전계 방출 음극(200)은 세로축(275)을 한정하며, 일 측면에서, 접지에 전기적으로 연결된다(예를 들면, 도 3a 및 도 4b 참조). 솔레노이드(300)는 상기 전계 방출 음극(200)의 상기 실린더형의 표면(예를 들면, 상기 전계 방출 물질(250)의 층)에 대해 동심으로 연장되며, 상기 실린더형의 표면과 상기 솔레노이드(300) 사이에 갭(gap)(150)을 한정한다. 상기 솔레노이드(300)는 상기 세로축(275)에 직교하게 연장되는 대항되는 제1 및 제2 개방 단부들(300A, 300B)을 더 한정한다. 일 측면에서, 게이트 전압 소스(400)(VG)는 상기 솔레노이드(300)에 전기적으로 연결되며(부유되며)(예를 들면, 도 3a 및 도 4b 참조), 상기 솔레노이드(300)(예를 들면, 게이트 전극) 및 상기 전계 방출 음극(200) 사이에 전기장(500)(E)을 발생시키도록 배열된다. 상기 전계 방출 음극(200)은 상기 전계 방출 물질(250)로부터 상기 갭(150) 내로 전자들(e)을 방출시키도록 상기 전기장(500)(E)에 반응한다(예를 들면, 도 3b 참조). 전류 소스(600)(VI)는 상기 솔레노이드(300)에 전기적으로 연결되고(예를 들면, 도 3a 및 도 4b 참조), 이에 대해 정극성(constant polarity)(DC) 전류(I)를 향하게 하도록 배열되며, 여기서 상기 솔레노이드(300) 내의 상기 DC 전류(I)는 상기 솔레노이드(300)를 따라 자기장(B)을 유도하고, 이는 전자들이 상기 솔레노이드(300)를 방사상으로 통과하는 것을 제한한다. 상기 전기장(E)에 상응하여 상기 음극(200)으로부터 방출되는 전자들은 상기 솔레노이드(300)의 상기 제1 개방 단부(300A)를 통한 상기 솔레노이드(300) 내의 전류 흐름(I)에 대응하여 상기 갭(150) 내에서 상기 세로축(275)에 대해 나선형이 되도록 상기 자기장(B)에 더 반응한다(제한된다)(예를 들면, 도 4a 참조). 상기 제1 개방 단부(300A)를 통한 전자들의 나선형의 흐름은 이에 따라 전자 빔(700)을 형성한다(예를 들면, 도 5 참조). 접지 및 상기 솔레노이드(300)/양의 게이트 전압(VG)으로 부유된 게이트 전극에 전기적으로 연결되는 상기 음극(200) 대신에, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 음극(200)은 음의 게이트 전압(-VG)으로 바이어스될 수 있는 반면, 상기 솔레노이드(300)는 접지에 전기적으로 연결된다(예를 들면, 도 4c 참조).
특정 측면들에서, 상기 음극(200)을 한정하는 상기 실린더형의 기판(225)은 전기적으로 도전성인 물질 또는 금속성의 물질로 이루어진다. 이러한 측면들에서, 상기 기판(225)의 실린더형의 표면상에 증착된 상기 전계 방출 물질(250)은 나노튜브들, 나노와이어들, 그래핀(graphene), 비정질 탄소, 또는 이들의 결합들의 층을 포함한다. 상기 솔레노이드(300)는, 예를 들면, 적합한 치수의 와이어의 코일로 이루어진다. 또한 일부 측면들에서, 상기 솔레노이드(300)의 상기 제1 및 상기 제2 개방 단부들(300A, 300B)은 약 몇 밀리미터(예를 들면, 1㎜) 내지 약 몇 센티미터(예를 들면, 5㎝)의 직경(예를 들면, 상기 코일의 내측 치수)을 가진다. 일부 측면들에서, 상기 실린더형의 기판(225)은 약 몇 밀리미터(예를 들면, 1㎜) 내지 약 몇 센티미터(예를 들면, 5㎝)의 직경을 가지며, 상기 솔레노이드(300)와 상기 기판(225)의 실린더형의 표면 사이의 상기 갭(150)은 약 100㎛ 내지 약 1㎜이다.
예를 들면 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 음극(200)은 상기 솔레노이드(300)가 상기 기판(225)의 실린더형의 표면(예를 들면, 상기 전계 방출 물질(250)의 층)에 대해 동심으로 연장되도록 상기 솔레노이드(300) 내로 삽입된다. 전계 방출 음극 장치(100)의 구성에서, 상기 솔레노이드(300)는 상기 음극(200)에 대해 전계 방출 게이트 전극으로서 배열된다. 상기 갭(150)의 치수는 상기 솔레노이드(300)의 치수(예를 들면, 내측 직경)(상기 제1 및 제2 개방 단부들(300A. 300B)의 치수에 대응되는)와 관련하여 음극(250)의 선택된 치수(예를 들면, 외측 직경)에 의해 결정된다.
도 3a, 도 3b 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 전계 방출(전자들)을 발생시키기 위해, 상기 솔레노이드(300)(게이트 전극)는 전원 공급 기구(power supply)(400)(게이트 전압 소스(VG))에 전기적으로 연결되지만, 상기 음극(200)은 접지에 전기적으로 연결된다. 상기 게이트 전압 소스(400)(VG)에 의한 전압의 인가는 상기 전원 공급 기구(VG)에 의한 상기 솔레노이드(300)에 대해 정극성(DC)의 연속 전압이던지, 펄스 DC 전압이던지 전기장(500)이 상기 음극(200) 및 상기 솔레노이드(300) 사이에 구현되게 한다. 상기 전자 방출 전류는 상기 솔레노이드(300)에 대해 상기 전원 공급 기구(400)(VG)에 의해 인가되는 전압에 의하여 발생된다. 선택적인 예에서, 상기 전기장(E)을 발생시키도록 상기 음극(200)은 음의 게이트 전압(-VG)으로 바이어스될 수 있는 반면, 상기 솔레노이드(300)는 접지에 전기적으로 연결된다(예를 들면, 도 4c 참조). 두 예들에 대해 일부 측면들에서, 상기 음극(200)의 실린더형의 표면(예를 들면, 상기 전계 방출 물질(250)의 층)으로부터 발생되고 방출되는 전자들의 양은 상기 전원 공급 기구(400)(VG 또는 -VG)에 의해 상기 솔레노이드(300) 또는 상기 음극(200)에 인가되는 전압의 크기에 비례한다. 또한, 전류 소스(600)(VI)로부터 상기 솔레노이드(300)로 향해지는 DC 전류(I)는, 예를 들면 도 3a, 도 3b 및 도 4a에 도시한 바와 같이, 상기 DC 전류(I)가 상기 솔레노이드(300)의 코일을 따라 흐르게 하며, 상기 솔레노이드(300)를 따라 자기장(B)을 생성한다. 상기 솔레노이드(300)의 코일을 따라 상기 DC 전류(I)를 조절하고, 이에 따라 상기 자기장(B)의 크기를 제어함으로써, 그렇지 않으면 상기 솔레노이드(300)의 코일을 방사상으로 외측으로 향하게 되는 전자들을 제한하는 상기 자기장에 의해 영향을 받기 때문에 상기 음극(200)으로부터 방출되는 전자들은 상기 갭(150) 내에서 나선 운동으로 진행하도록 유도된다.
이와 같은 배치에서, 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)를 통해 방출되는 전자들의 양은 상기 음극(200)의 실린더형의 표면(예를 들면, 상기 전계 방출 물질(250)의 층)으로부터 방출되는 전자들이며, 상기 전자들의 양은 이에 따라 상기 솔레노이드(300)에 인가되는 상기 DC 전압(연속 또는 펄스)에 비례한다. 또한, 상기 갭(150) 내의 상기 방출된 전자들의 유도된 나선 운동은 상기 전자들이 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)를 통해 나가면서 계속된다. 결과적인 전자 빔의 단면(방출된 전자들의 나선 투영-예를 들면, 도 5의 요소(900) 참조)은 이에 따라 상기 음극(200)의 전체적인 방출 면적(상기 실린더형의 표면) 대신에 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)의 치수에 의해 결정된다. 상기 제1 개방 단부(300A)를 나감에 따라, 상기 방출된 전자들 상기 갭(150) 또는 상기 실린더형의 기판/음극(200)의 배치에 더 제한되지 않는다. 이와 같이, 상기 나선 빔은 상기 전자 빔을 제한(단면 면적의 감소)할 것이며, 상기 전자 빔을 집중시킬 것이다. 이에 따라 일부 측면들에서, 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)로부터 방출되는 전자들(예를 들면, 상기 전자 빔(900))의 집중은 상기 제1 개방 단부(300A)의 직경 및/또는 상기 제1 개방 단부(300A)에서 상기 솔레노이드(300) 및 상기 전계 방출 음극(300)의 실린더형의 표면 사이의 상기 갭(150)의 치수에 비례한다. 다른 측면들에서, 상기 전자 빔(900)의 특성들은 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)에 대한 상기 음극(200)의 구성/형상에 의해서도 영향을 받을 수 있다.
여기에 개시되는 전계 방출 음극 장치의 측면들의 한 가지의 응용은, 예를 들면, X-선 튜브(700)를 포함한다. 이와 같은 응용에서, 예를 들면 도 5에 도시한 바와 같이, 양극(800)이 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)에 관하여 이격되게 배치된다. 또한, 고전압 소스(850)가 상기 양극(800)에 전기적으로 연결되며, 상기 양극(800)에 적어도 약 10㎸의 전압을 인가하도록 배열된다. 상기 양극(800)은 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)로부터 방출되는 전자들을 끌어당기도록(즉, 상기 전자 빔(900)을 끌어당기도록) 이에 대한 전압의 인가에 반응한다. 일부 측면들에서, 상기 양극(800)으로 끌어당겨지는 상기 전자들의 속도(예를 들면, 전자 빔(900))는 상기 양극(800)에 인가되는 전압에 비례한다.
다시 말하면, 그에 인가되는 고전압(HV)을 가지는 상기 양극(800)은 상기 전계 방출 음극 장치(100)의 음극에 대해 이격되는 관계로 배치된다. 그에 인가되는 고전압을 가지는 상기 양극(800)의 영향 하에서, 상기 갭(150) 내부를 나선 운동으로 통과하는 전자들은 상기 양극(800)에 의해서 상기 양극(800)을 향해 이끌린다. 상기 전자들이 상기 솔레노이드(300)에 의해 생성되는 자기장에 의해 상기 갭(150) 내에 제한되기 때문에, 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)를 나가는 상기 전자 빔(900)의 단면은 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)의 치수에 비례하며, 이에 의해 적어도 부분적으로 결정된다. 그러나 상기 전자 빔(900)을 형성하는 전자들이 상기 음극(200)의 측면(예를 들면, 상기 기판의 실린더형의 표면)으로부터 방출되기 때문에, 상기 전계 방출 음극 장치(100)의 전체적인 방출 면적은 상기 솔레노이드(300)의 제1 개방 단부(300A)의 치수보다 크며, 상기 음극 자체의 방출 면적의 단면(치수)에 의해 제한되지 않는다. 이에 따라, 본 발명의 이러한 측면들은 이온 충돌로부터 상기 음극의 추가적인 보호를 제공하는 상기 솔레노이드의 제1 개방 단부를 통해 향하게 되는 전계 방출 전류로써 상기 전계 방출 전자들로부터 적고 집중된 전자 빔 단면도 형성하면서, 안정한 높은 전류를 구현할 수 있는 전계 방출 음극 장치(100)를 제공한다.
여기에 설시되는 본 발명의 많은 변형들 및 다른 실시예들은 이들 개시되는 실시예들이 속하는 해당 기술 분야의 숙련자가 앞서의 설명들 및 관련 도면들에서 제시되는 교시들의 이점들을 이해하게 할 것이다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들이 개시되는 특정 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들 및 다른 실시예들도 본 발명의 범주 내에 포함되도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 또한, 비록 앞서의 설명들 및 관련 도면들이 요소들 및/또는 기능들의 특정한 예시적인 결합들의 내용에서 예시적인 실시예들이 기술되지만, 요소들 및/또는 기능들의 다른 결합들도 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 선택적인 실시예들에 의해 제공될 수 있는 점이 이해되어야 할 것이다. 이러한 관점에서, 예를 들면, 앞서 명백하게 설명한 경우들과 다른 요소들 및/또는 기능들의 결합들도 본 발명의 범주 내에 속하는 것으로 간주된다. 특정한 용어들이 여기에 적용되지만, 이들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 제한의 목적으로 사용되는 것은 아니다.
비록 제1, 제2 등의 표현들이 다양한 단계들이나 계산들을 설명하기 위해 여기에 사용될 수 있지만, 이들 단계들이나 계산들이 이러한 표현들에 의해 제한되지는 않는 점이 이해되어야 할 것이다. 이들 표현들은 하나의 동작이나 계산을 다른 것들과 구별하기 위해서만 사용된다. 예를 들면, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 제1 계산이 제2 계산으로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2 단계가 제1 단계로 지칭될 수도 있다. 여기에 사용되는 바에 있어서, "및/또는"이라는 표현과 "/"의 기호는 관련되는 열거된 항목들의 하나 또는 그 이상의 임의의 및 모든 결합들을 포함한다.
여기에 사용되는 바에 있어서, "일", "하나" 및 "한"과 같은 단수 표현들은 본문에서 명확하게 다르게 기재하지 않는 한 복수의 형태들도 포함하도록 의도된다. 또한, "포함하다", "포함하는", "구비하다" 및/또는 "구비하는"이라는 표현들은 여기에 사용될 때에 기재된 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 성분들의 존재를 명시하지만, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 성분들 및/또는 이들의 그룹들의 존재나 추가를 배제하지 않는 점이 이해될 것이다. 이에 따라, 여기에 사용되는 표현들은 특정한 실시예들을 설명하는 목적을 위한 것이며, 제한적으로 의도되는 것은 아니다.

Claims (18)

  1. 전계 방출 음극 장치에 있어서,
    그 실린더형의 표면상에 증착된 전계 방출 물질을 가지는 실린더형의 기판을 포함하는 전계 방출 음극을 구비하며, 상기 전계 방출 음극은 세로축을 한정하고;
    상기 전계 방출 음극의 상기 실린더형의 표면에 대해 동심으로 연장되고, 그 사이에 갭을 한정하는 솔레노이드를 구비하며, 상기 솔레노이드는 상기 세로축에 직교하게 연장되는 대향하는 제1 및 제2 개방 단부들을 한정하고;
    상기 솔레노이드에 전기적으로 연결되고, 정극성(DC) 전류를 향하게 하도록 배열되는 전류 소스를 구비하며, 상기 솔레노이드 내의 상기 DC 전류는 상기 솔레노이드를 따라 자기장을 형성하고;
    상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극에 전기적으로 연결되고, 상기 전계 방출 음극이 상기 전계 방출 물질로부터 상기 갭 내로 전자들을 방출하도록 유도하는 전기장을 발생시키기 위해 상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극과 상호 작용하도록 배열되는 게이트 전압 소스를 구비하며, 상기 방출된 전자들은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부를 통한 상기 솔레노이드 내의 전류 흐름에 대응하여 상기 갭 내에서 상기 세로축에 대해 나선형이 되도록 상기 자기장에 반응하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부에 관하여 이격되게 배치되는 양극; 및
    상기 양극에 전기적으로 연결되고, 상기 양극에 적어도 약 10㎸의 전압을 인가하도록 배열되는 고전압 소스를 포함하며, 상기 양극은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 전자들을 끌어당기도록 상기 양극에 대한 전압의 인가에 반응하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 양극으로 끌어당겨지는 전자들의 속도는 상기 양극에 인가되는 전압에 비례하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부를 통해 방출되는 상기 전자들의 양은 상기 전기장을 발생시키도록 상기 게이트 전압 소스에 의해 인가되는 전압에 비례하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들의 집중은 상기 제1 개방 단부의 직경에 비례하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들의 집중은 상기 제1 개방 단부에서 상기 솔레노이드 및 상기 전계 방출 음극의 상기 실린더형의 표면 사이의 상기 갭의 치수에 비례하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 실린더형의 기판은 전기적으로 도전성인 물질 또는 금속성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 실린더형의 표면상에 증착된 상기 전계 방출 물질은 나노튜브들, 나노와이어들, 그래핀, 비정질 탄소, 또는 이들의 결합을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 실린더형의 기판은 약 1㎜ 내지 약 5㎝의 직경을 가지며, 상기 갭은 약 100㎛ 내지 약 1㎜인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 및 제2 개방 단부들은 약 1㎜ 내지 약 5㎝의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 전계 방출 음극 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    솔레노이드가 기판의 실린더형의 표면에 대해 동심으로 연장되고, 그 사이에 갭을 한정하도록 전계 방출 음극의 실린더형의 상기 기판을 상기 솔레노이드 내로 삽입하는 단계를 포함하며, 상기 전계 방출 음극은 세로축을 한정하고, 상기 솔레노이드는 상기 세로축에 직교하게 연장되는 대향하는 제1 및 제2 개방 단부들을 한정하며;
    상기 솔레노이드에 전기적으로 연결되는 전류 소스로부터 상기 솔레노이드로 정극성(DC) 전류를 향하게 하는 단계를 포함하고, 상기 솔레노이드 내의 상기 DC 전류는 상기 솔레노이드를 따라 자기장을 형성하며;
    상기 솔레노이드 또는 상기 전계 방출 음극에 전기적으로 연결되는 게이트 전압 소스로 전기장을 발생시키는 단계를 포함하고, 상기 전기장은 상기 전계 방출 음극이 상기 전계 방출 물질로부터 상기 갭 내로 전자들을 방출하도록 유도하며, 상기 방출된 전자들은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부를 통한 상기 솔레노이드 내의 전류 흐름에 상응하여 상기 갭 내에서 상기 세로축에 대해 나선형이 되도록 상기 자기장에 반응하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기판의 상기 실린더형의 표면상에 전계 방출 물질을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 고전압 소스로부터 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부에 관해 이격되게 배치되는 양극에 적어도 약 10㎸의 전압을 인가하는 단계를 포함하며, 상기 양극은 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들을 끌어당기도록 상기 양극에 대한 전압의 인가에 반응하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들의 집중을 비례하여 변화시키도록 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부의 직경을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제1 개방 단부로부터 방출되는 상기 전자들의 집중을 비례하여 변화시키도록 상기 솔레노이드의 상기 제1 개방 단부에서 상기 솔레노이드 및 상기 전계 방출 음극의 상기 실린더형의 표면 사이의 상기 갭의 치수를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제11항에 있어서, 전기적으로 도전성인 물질 또는 금속성 물질의 상기 실린더형의 기판을 형성하는 단계 및 상기 실린더형의 기판의 상기 실린더형의 표면상에 나노튜브들, 나노와이어들, 그래핀, 비정질 탄소, 또는 이들의 결합으로 이루어진 상기 전계 방출 물질을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 실린더형의 기판을 상기 솔레노이드 내로 삽입하는 단계는 상기 갭이 약 100㎛ 내지 약 1㎜가 되도록 약 1㎜ 내지 약 5㎝의 직경을 가지는 상기 실린더형의 기판을 상기 솔레노이드 내로 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제11항에 있어서, 상기 솔레노이드의 상기 제1 및 제2 개방 단부들이 약 1㎜ 내지 약 5㎝의 직경을 가지도록 상기 솔레노이드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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