WO2021040079A1 - 엑스선 소스 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

엑스선 소스 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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WO2021040079A1
WO2021040079A1 PCT/KR2019/010970 KR2019010970W WO2021040079A1 WO 2021040079 A1 WO2021040079 A1 WO 2021040079A1 KR 2019010970 W KR2019010970 W KR 2019010970W WO 2021040079 A1 WO2021040079 A1 WO 2021040079A1
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emitter
thin film
electrode
gate electrode
ray source
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PCT/KR2019/010970
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이철진
이상헌
한준수
고한빈
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고려대학교 산학협력단
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    • H01J2235/06—Cathode assembly
    • H01J2235/068—Multi-cathode assembly

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray source apparatus and a method for controlling the same by arranging a cathode electrode and a gate electrode in an array so as to enable matrix control to control a dose according to a position of a subject.
  • the characteristics of the X-ray source are determined by the dose, energy, and focus of the X-ray.
  • an electron emission source of high luminance and high current is required.
  • the electron emission source characteristic is evaluated by luminance, and the luminance increases when electrons are emitted at high density in a specific direction.
  • a cold cathode X-ray source applies a voltage to a gate electrode to draw an electron beam from a carbon nanotube electron emission source, and then focuses the electron beam at high density through a focusing electrode to guide the electron beam to the anode electrode.
  • a high voltage is applied between the cathode electrode and the anode electrode, electrons are accelerated in the direction of the anode electrode and strongly collide with the anode electrode, thereby generating X-rays from the anode electrode.
  • the conventional X-ray source operates by emitting hot electrons and uses a reflective anode electrode, X-rays are radiated from the point light source, making it difficult to control the dose, and the intensity of the X-rays is not uniform.
  • CNT is mainly used as an electron emission material, and CNTs are mixed with a conductive organic material to form a paste to form an electron emission source.
  • CNT paste electron emission source may be contaminated from unwanted organic materials CNT, which is an electric field emission source, during the manufacturing process, and it is very difficult to orient the CNT in a vertical direction.
  • the CNT paste electron emission source causes serious problems such as a reduction in the field emission efficiency and shortening the lifespan of the field electron emission element by reducing the vacuum degree in the device due to the generation of gas due to organic substances during field emission. It is done.
  • a point light source based on hot electron emission is used.
  • Such a conventional X-ray source has a limitation in increasing the resolution of an X-ray image because it is difficult to control the X-ray dose, and because X-rays are generated in a radial manner, the energy of the X-rays is not uniform, and the focus size of an electron beam impinging on the anode electrode is large.
  • An embodiment of the present invention is to increase the field emission efficiency by manufacturing an emitter using a CNT thin film, a graphene thin film, or a nano-carbon material thin film, and so that X-rays are emitted to the subject in the form of a surface light source using a transparent anode electrode.
  • An object of the present invention is to provide an X-ray source device and a method for controlling the same to irradiate an optimized X-ray dose for each location of a subject by driving an electron beam emitted from an emitter in a matrix control.
  • an X-ray source device includes an X-ray source device for emitting X-rays to a subject, comprising: an emitter formed on an upper surface of a cathode electrode to emit electrons; An anode electrode formed to be spaced apart from the cathode electrode by a predetermined distance; A gate electrode disposed between the emitter and the anode electrode and formed by transferring a graphene thin film composed of at least one layer on an upper portion of a metal electrode having at least one opening formed thereon; A focusing lens positioned between the gate electrode and the anode electrode and focusing the electron beam emitted from the emitter to the anode electrode; And a control module for controlling the X-ray dose for each location of the subject by performing a two-dimensional matrix control on the emitter and the gate electrode, wherein the emitters are arrayed in a first direction, and the gate electrode is in a second direction.
  • a method of controlling an X-ray source device is a method of controlling an X-ray source device that emits X-rays to a subject, wherein the X-ray source device includes an emitter arranged in a first direction on an upper surface of a cathode electrode. Arrayed, and a gate electrode between the emitter and the anode electrode is arrayed in a second direction perpendicular to the first direction, and a two-dimensional matrix control is performed on the emitter and the gate electrode arranged in the array. And adjusting the X-ray dose for each location of the subject, wherein the X-ray dose for each location of the subject is determined according to the scale of the array arrangement.
  • the X-ray dose can be easily controlled through the 2D matrix control and X-rays can be uniformly irradiated to a subject, a high-resolution surface light source X-ray source having a small dependence on the focus size of an electron beam can be manufactured.
  • the present invention prepares a CNT thin film using only a CNT material that does not contain organic substances by vacuum filtration, and then processes the CNT thin film in a point shape or a line shape to prepare an emitter, or a graphene thin film or a nano-carbon material thin film.
  • the emitters are arranged in an array form and used as a cold cathode electron emission source to generate a dot or plane-shaped electron beam in various sizes, and to control the size of the emission current. It is possible, and there is an effect that it is possible to manufacture an X-ray source having high electron beam transmission amount and density.
  • the present invention uses a CNT thin film as an emitter instead of a CNT paste cold cathode electron emission source, so that a strong bonding force in the CNT thin film, a nanomaterial, and a strong electrical connection between the CNT emitter and the cathode electrode, without a paste or other adhesive containing organic matter. /It is possible to secure mechanical adhesion characteristics, so it is possible to manufacture an X-ray source with high field emission efficiency and excellent lifespan while solving the problem of lowering the vacuum degree caused by organic substances.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an X-ray source device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an X-ray source device capable of controlling a 2D matrix according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of controlling an X-ray source device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of forming the CNT emitter of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a CNT thin film in which a network of CNTs is formed by FIG. 4.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a CNT thin film processed into a polygon by FIG. 4.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating various examples of CNT emitters processed in the form of points or planes according to FIG. 4.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an array arrangement of CNT emitters formed by FIG. 7.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of forming the gate electrode of FIG. 3.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a process of transferring a graphene thin film onto a metal electrode in FIG. 9.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of gate electrodes arrayed in FIG. 9.
  • the term'unit' includes a unit realized by hardware or software, a unit realized using both, and one unit may be realized using two or more hardware, and two The above unit may be realized by one piece of hardware.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an X-ray source device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an X-ray source device capable of controlling a 2D matrix according to an embodiment of the present invention.
  • the X-ray source device 100 for emitting X-rays to a subject includes a cathode electrode 101, an emitter 110, an anode electrode 120, a gate electrode 130, and a focusing lens 140. ), and an electron beam collimator 150.
  • the cathode electrode 101, the anode electrode 120, and the gate electrode 130 may be connected to an external power source (not shown) to apply an electric field.
  • the cathode electrode 101 is connected to a negative voltage source or a positive voltage source, and the anode electrode 120 and the gate electrode 130 are relatively higher than the potential of the voltage source connected to the cathode electrode 101. It can be connected to a voltage source capable of applying an electric potential.
  • the emitter 110 is formed on the cathode electrode 101 and is used as a cold cathode electron emission source from which electrons are emitted. That is, the emitter 110 may emit electrons by an electric field formed by a voltage applied to the cathode electrode 101, the anode electrode 120, and the gate electrode 130.
  • the emitter 110 manufactured using such a carbon nanotube (CNT) thin film may generate an electron beam in the form of a point or a plane by processing the thin film of the CNT into a point shape or a line shape.
  • CNT carbon nanotube
  • the emitter 110 uses a CNT thin film to provide a low threshold electric field and a high field emission current density, but in addition to the CNT thin film, a graphene thin film or a nano carbon material thin film (for example, a nano graphite thin film, etc.) is used. It is also possible to use an emitter having high-performance field emission properties manufactured by using it.
  • the anode electrode 120 is formed to be spaced apart from the cathode electrode 101 by a predetermined distance in the direction in which the electron beam is emitted.
  • the gate electrode 130 is positioned between the emitter 110 and the anode electrode 120 and is formed to be spaced apart from the emitter 110 to the upper side.
  • the gate electrode 130 is formed by transferring a graphene thin film composed of at least one layer on an upper portion of a metal electrode in which at least one opening is formed.
  • the gate electrode 130 is a form in which a metal plate with holes or a polygonal metal mesh is used as a metal electrode, or a graphene thin film is attached to the top of the metal electrode, or at least between two metal electrodes. It may be formed in any one of the forms in which one or more graphene thin films are inserted.
  • the emitter 110 and the gate electrode 130 are arranged in an array form.
  • a plurality of emitters 110 spaced parallel to each other are arranged in an array in a form in which they are arranged at equal intervals along the first direction, and the gate electrode 130 is arranged at equal intervals along the second direction.
  • the arrays are arranged in such a way that the first direction and the second direction may be vertically intersected.
  • the focusing lens 140 is positioned between the gate electrode 130 and the anode electrode 120, and focuses the electron beam emitted from the emitter 110 to the anode electrode 120.
  • the electron beam collimator 150 is positioned between the focusing lens 140 and the anode electrode 120, and allows the electron beam passing through the focusing lens 140 to go straight and focused on the anode electrode 120.
  • the electron beam collimator 150 may further improve the straightness of the electron beam passing through the focusing lens 140.
  • the X-ray source device 100 performs 2D matrix control on the emitter 110 and the gate electrode 130 arrayed through the control module 160.
  • the 2D matrix control is a control method of controlling the generation density of electron beams for each part required for the human body by adjusting the voltage level between the emitter 110 and the gate electrode 130 for each location.
  • this 2D matrix control method since the density of the X-rays generated from the anode electrode 120 is changed as the density of the electron beam varies, it is possible to adjust the X-ray density according to the bone thickness of the human body.
  • the control module 160 generates X-rays by appropriately adjusting the X-ray dose for each location of the subject 200. Since it is possible to adjust the size of the X-ray source according to the size of the array array, it is possible to implement a large-area X-ray source. do.
  • control module 160 collects characteristic information such as gender, age, and body information of the subject 200, and according to the collected characteristic information of the subject 200, the photographing site, the location of the bone, the thickness of the bone, etc. Accordingly, emission information on the X-ray dose can be locally specified and output.
  • an appropriate amount of local X-ray emission is adjusted accordingly.
  • characteristic information such as gender, age, body information (height, weight, body type, etc.) of the subject 200 or additional information that can distinguish each subject is collected, and the bone position or bone for each subject 200 is collected. Collect and combine anatomical structure information such as the thickness of each.
  • the characteristic information of the subject it is possible to estimate the anatomical structure information on the bone position or the thickness of the bone only by using characteristic information such as gender, age, and body information of the subject 200, and after that, the estimated bone Based on the anatomical structure information on the location or thickness of the x-ray, it is possible to determine the appropriate X-ray dose emission information for each location.
  • a two-dimensional matrix control is performed on the emitter 110 and the gate electrode 130, addressing the X-ray source device 100, and the cathode electrode
  • the amount of X-ray emission for each location of the emitter 110 is adjusted by respectively adjusting the magnitude of the voltage applied to 101 and the gate electrode 130.
  • control module 160 is an intelligent terminal that supports communication, automatic control, data processing, image information processing, etc., and a smartphone capable of installing and executing a number of applications (ie, applications) desired by the user.
  • Tablet PC, etc. may be all kinds of handheld-based wireless communication devices, and may be wired communication devices such as PCs that can access other terminals or servers through a network.
  • the X-ray source device 100 is inside a vacuum container formed of any one of a glass material, a ceramic material, or a metal material in order to implement a cold cathode X-ray source that irradiates X-rays optimized for each location on the subject 200.
  • the emitter 110, the gate electrode 130, the focusing lens 140, the electron beam collimator 150, and the anode 120 are sequentially arranged on the cathode electrode 101 to be vacuum mounted. do.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of controlling an X-ray source device according to an embodiment of the present invention.
  • X-rays are generated by appropriately controlling an X-ray dose for each location of a subject by performing a two-dimensional matrix control on an arrayed emitter and a gate electrode.
  • the X-ray source device arrays the emitters in the first direction when an emitter containing no organic material is formed by vacuum filtration to emit electrons on the upper surface of the cathode electrode (S110).
  • the emitter in addition to the CNT emitter manufactured using the CNT thin film, an emitter manufactured using either a graphene thin film or a nanocarbon material thin film may be used.
  • the anode electrode is formed by being spaced apart from the cathode electrode by a predetermined distance (S120), and a second crossing perpendicular to the first direction between the emitter and the anode electrode using a graphene thin film in which the gate electrode is formed of at least one layer. It is formed in the direction (S130). At this time, the anode electrode is formed in a transmissive form by depositing a thin tungsten thin film on a beryllium metal plate. The transmissive anode electrode manufactured in this way may generate a surface light source X-ray.
  • the focusing lens formed between the gate electrode and the anode electrode focuses the electron beam emitted from the emitter to the anode electrode (S140), and the electron beam collimator improves the straightness of the electron beam passing through the focusing lens between the focusing lens and the anode electrode. It is additionally installed (S150).
  • the focusing lens may be manufactured using a general hole shape, or may be manufactured by transferring one or more layers of graphene onto the lens. In addition, one or two focusing lenses may be used.
  • the X-ray source device arrayed so that the emitter and the gate electrode cross each other perpendicularly may be a large-area emitter and a gate electrode capable of controlling a two-dimensional matrix.
  • the X-ray source device collects characteristic information such as gender, age, and body information of the subject, and localizes emission information about the X-ray dose according to the photographing site, the location of the bone, and the thickness of the bone according to the collected characteristic information of the subject. To be specified and output (S160). That is, when the emission information of the X-ray dose for each location is determined, the X-ray source device performs addressing through a two-dimensional matrix control for the arrayed emitters and gate electrodes, and the magnitude of the voltage applied to the cathode and gate electrodes. Each is adjusted to control the amount of X-ray emission for each location of the emitter to emit X-rays (S170).
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating a method of forming the CNT emitter of FIG. 3
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a CNT thin film in which a network of CNTs is formed by FIG. 4
  • FIG. 6 is a polygonal processed by FIG. It is a figure explaining the CNT thin film.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining various examples of CNT emitters processed in a dot shape or a plane shape by FIG. 4
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an array arrangement of CNT emitters formed by FIG. 7.
  • the CNT emitter 110 disperses 200 mg of sodium dodecyl sulfate (SDS) and 4 mg of single-walled carbon nanotubes in 200 ml of distilled water.
  • SDS sodium dodecyl sulfate
  • S410 a CNT dispersion aqueous solution
  • the CNT dispersion aqueous solution is subjected to a sonication process (S420) for 65 minutes and a centrifugal separation process (S430) for 40 minutes, and then the CNT dispersion aqueous solution is filtered through an anodic aluminum oxide membrane (AAO membrane) and only distilled water is passed through the CNTs. It becomes a form of losing and stacking (S440).
  • AAO membrane anodic aluminum oxide membrane
  • the CNTs caught on the AAO film are strongly entangled with each other by the Van der Waals force, and then, when the AAO film is dissolved using sodium hydroxide solution (NaOH), a CNT thin film with a network of CNTs is prepared. It becomes (S450).
  • NaOH sodium hydroxide solution
  • the CNT thin film is immersed in an isopropyl alcohol solution (IPA), removed, and dried, so that each CNT becomes more densely entangled.
  • IPA isopropyl alcohol solution
  • the CNT thin film 111 thus formed is cut into a polygon such as a triangle or a square, as shown in FIG. 6, and then compressed into a flat plate to be manufactured as an electron emission source, and a CNT emitter ( 110) is formed (S460).
  • a carbonization process is performed in order for the CNT emitter 110 to operate more stably.
  • a high-molecular organic material that is, a carbon-based material is coated on the CNT thin film 111 and heat-treated at high temperature and vacuum conditions, a carbon-based material is inserted between each CNT in the network of CNTs to fill the void. It becomes weeping, and through this process, the bonding strength between CNTs can be further strengthened.
  • the CNT thin film may be manufactured as a point-shaped or line-shaped CNT emitter 110 according to a cutting method.
  • the upper part is It becomes a form that converges to a point, and when it is cut into a square shape, the upper part may be a form that converges to a line.
  • the laser can generate a dot-shaped or plane-shaped electron beam in various sizes.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of forming the gate electrode of FIG. 3
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a process of transferring a graphene thin film onto a metal electrode in FIG. 9, and
  • FIG. 11 is an array arranged by FIG. 9. It is a figure explaining an example of a gate electrode.
  • the method of manufacturing the gate electrode is to synthesize graphene on a copper foil by a thermal CVD (chemical vapor deposition) method, and then use a spin coater to form a methacrylic resin on the graphene. , PMMA) is coated (1).
  • the copper foil is etched using a copper etching solution (2), and the remaining copper foil is removed by washing with distilled water (3). This process is repeated several times to prepare a stacked layer of graphene thin film, and as shown in FIG. 10, one layer or multiple layers of graphene thin film is transferred onto the metal electrode (4, 5, 6, 7).
  • the metal electrode may be a metal plate having a circular hole, or a metal mesh such as a square, a circle, or a hexagon.
  • the gate electrode 130 to which the graphene thin film has been stably transferred can be manufactured (8, 9).
  • the gate electrode 130 may be formed as a large-area gate electrode capable of matrix control by being arranged in an array. In this case, the gate electrode may be formed by inserting a single layer or multiple layers of graphene thin film between the two metal electrodes.
  • a gate electrode manufactured using at least one layer of graphene thin film can be uniformly applied with an electric field to improve the straightness of the electron beam, and since graphene is an atomic-scale mesh, the transmission efficiency of the electron beam can be increased. Because of the graphene having very excellent heat transfer efficiency, heat generated by electron beam collision can be effectively dispersed, so that the thermal stability of the gate electrode itself can be improved.
  • the focusing lens may be manufactured by transferring one or several layers of graphene to a metal plate or a metal mesh, similar to the gate electrode, or may be manufactured by inserting at least one graphene thin film on two focusing lenses.
  • the X-ray source device and its control method may use a cold cathode electron emission source using a CNT thin film, and irradiate a surface light source type X-ray to a subject through a transmission anode electrode, By driving the electron beam generated from the CNT emitter through matrix control, it is possible to irradiate the optimal X-ray dose for each location of the subject.
  • the method of manufacturing an X-ray source and a matrix control method implemented by an X-ray source device according to an embodiment of the present invention described above are in the form of a recording medium including instructions executable by a computer such as a program module executed by a computer. It can also be implemented as Such recording media include computer-readable media, and computer-readable media may be any available media that can be accessed by a computer, and include both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media.
  • computer readable media includes computer storage media, which are volatile and nonvolatile embodied in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. , Removable and non-removable media are included.

Abstract

본 발명은 엑스선 소스 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 전자 방출을 위해 캐소드 전극의 상면에 형성되는 에미터; 상기 캐소드 전극과 기설정된 거리만큼 이격되어 형성되는 애노드 전극; 상기 에미터와 상기 애노드 전극 사이에 위치하고, 적어도 하나 이상의 개구가 형성된 금속 전극의 상부에 적어도 하나 이상의 층으로 이루어진 그래핀(graphene) 박막을 전사하여 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치하고, 상기 에미터로부터 전자 방출된 전자빔을 상기 애노드 전극으로 집속시키는 집속 렌즈; 및 상기 에미터와 게이트 전극에 대해 2차원 행렬 제어를 수행하여 상기 피사체의 위치별로 엑스선 선량을 조절하는 제어모듈을 포함하되, 상기 에미터는 제1 방향으로 어레이 배열되고, 상기 게이트 전극은 제2 방향으로 어레이 배열되며, 제1 방향과 제2 방향은 수직으로 교차되고, 상기 제어 모듈은 상기 어레이 배열의 규모에 따라 엑스선 선량을 결정하는 것이다.

Description

엑스선 소스 장치 및 그 제어 방법
본 발명은 캐소드 전극과 게이트 전극을 행렬 제어가 가능하도록 어레이 배열하여 피사체의 위치에 따라 선량 제어가 가능하도록 하는 엑스선 소스 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
엑스선 소스의 특성은 엑스선의 선량, 에너지, 초점에 의해 결정되는 것으로, 의료 또는 산업 검사에 요구되는 엑스선 소스를 얻기 위해서는 고휘도 및 대전류의 전자방출원이 필요하다. 이때, 전자방출원 특성은 휘도로 평가되며, 전자가 특정한 방향으로 고밀도 방출되어야 휘도가 커지게 된다.
일반적으로, 냉음극 엑스선 소스는 게이트 전극에 전압을 인가하여 탄소나노튜브 전자방출원으로부터 전자빔을 끌어낸 후, 집속전극을 통하여 전자빔을 고밀도로 집속시켜 애노드 전극으로 유도한다. 또한, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 고전압을 인가하면 전자들은 애노드 전극방향으로 가속이 되며, 애노드 전극에 강하게 충돌함으로써 애노드 전극으로부터 엑스선을 발생시킨다.
종래의 엑스선 소스는 열전자 방출에 의해 작동하고, 반사형 애노드 전극을 사용하고 있기 때문에 엑스선이 점광원에서 방사형으로 방출되어, 선량 제어가 어려우며, 엑스선의 세기가 균일하지 못하다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 냉음극 전자방출원에서는 CNT를 전자방출소재로 주로 사용하고 있는데, CNT를 전도성 유기물과 섞어서 페이스트 상태로 만들어 전자방출원으로 제작하고 있다. CNT 페이스트 전자방출원은 제작 과정에서 전계방출원인 CNT가 원하지 않는 유기물질로부터 오염될 수 있으며, CNT를 수직한 방향으로 배향시키는 것이 매우 어렵다. 또한, CNT 페이스트 전자방출원은 전계방출시 유기물질에 의한 가스가 발생하여 장치 내의 진공도를 떨어뜨림으로써, 전계방출 효율이 많이 감소하고, 전계전자방출 소자의 수명이 단축되는 등의 심각한 문제를 야기하게 된다.
또한, 종래의 엑스선 소스에서는 열전자방출 기반 점광원을 사용하고 있다. 이러한 종래의 엑스선 소스는 엑스선 선량 제어가 어렵고, 엑스선이 방사형으로 발생하므로 엑스선의 에너지가 균일하지 못하며, 애노드 전극에 충돌하는 전자빔 초점 크기가 커서 엑스선 영상의 해상도를 높이는데 한계점을 가지고 있다.
본 발명의 일 실시예는 CNT 박막, 그래핀 박막 또는 나노탄소물질 박막 등을 이용한 에미터를 제작하여 전계 방출 효율을 높이고, 투과 형태의 애노드 전극을 사용하여 엑스선이 면광원 형태로 피사체에 방출되도록 하며, 에미터로부터 방출되는 전자빔을 행렬제어 구동함으로써 피사체의 위치별로 최적화된 엑스선 선량을 조사할 수 있도록 하는 엑스선 소스 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명의 일 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면에 따른 엑스선 소스 장치는, 피사체에 엑스선을 방출시키는 엑스선 소스 장치에 있어서, 전자 방출을 위해 캐소드 전극의 상면에 형성되는 에미터; 상기 캐소드 전극과 기설정된 거리만큼 이격되어 형성되는 애노드 전극; 상기 에미터와 상기 애노드 전극 사이에 위치하고, 적어도 하나 이상의 개구가 형성된 금속 전극의 상부에 적어도 하나 이상의 층으로 이루어진 그래핀(graphene) 박막을 전사하여 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치하고, 상기 에미터로부터 전자 방출된 전자빔을 상기 애노드 전극으로 집속시키는 집속 렌즈; 및 상기 에미터와 게이트 전극에 대해 2차원 행렬 제어를 수행하여 상기 피사체의 위치별로 엑스선 선량을 조절하는 제어모듈을 포함하되, 상기 에미터는 제1 방향으로 어레이 배열되고, 상기 게이트 전극은 제2 방향으로 어레이 배열되며, 제1 방향과 제2 방향은 수직으로 교차되고, 상기 제어 모듈은 상기 어레이 배열의 규모에 따라 엑스선 선량을 결정하는 것이다.
본 발명의 다른 일측면에 따른 엑스선 소스 장치의 제어 방법은, 피사체에 엑스선을 방출시키는 엑스선 소스 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 엑스선 소스 장치는, 캐소드 전극의 상면에 에미터가 제1 방향으로 어레이 배열되며, 상기 에미터와 애노드 전극 사이에 게이트 전극이 상기 제1 방향과 수직으로 교차되는 제2 방향으로 어레이 배열된 것이고, 상기 어레이 배열된 에미터와 게이트 전극에 대해 2차원 행렬 제어를 수행하여 상기 피사체의 위치별로 엑스선 선량을 조절하는 단계를 포함하되, 상기 피사체의 위치별로 엑스선 선량은 상기 어레이 배열의 규모에 따라 결정되는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 캐소드 전극과 게이트 전극에 대해 2차원 행렬 제어가 가능함으로써 피사체의 위치별로 최적화된 엑스선 선량을 조사할 수 있어 필요 이상의 엑스선이 피사체에 조사되는 것을 방지할 수 있고, 고해상도 및 고품질의 엑스선 영상을 얻을 수 있는 효과가 있다.
이와 같이, 본 발명은 2차원 행렬 제어를 통해 엑스선 선량 제어가 용이하면서 피사체에 엑스선을 균일하게 조사할 수 있기 때문에 전자빔 초점 크기에 대한 의존성이 작은 고해상도 면광원 엑스선 소스를 제작할 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 진공여과방법으로 유기물이 포함되지 않은 CNT 소재만을 이용하여 CNT 박막을 제작한 후 CNT 박막을 포인트 형태 또는 라인 형태로 가공하여 에미터를 제조하거나, 그래핀 박막 또는 나노탄소물질 박막을 이용하여 에미터를 제조한 후, 이러한 에미터를 어레이 형태로 배열하여 냉음극 전자방출원으로 사용함으로써 점 또는 면 형태의 전자빔을 다양한 크기로 발생시킬 수 있으며, 또한 방출 전류의 크기를 조절하는 것이 가능하고, 전자빔 투과량과 밀도가 높은 엑스선 소스의 제작이 가능한 효과가 있다.
이때, 본 발명은 CNT 페이스트 냉음극 전자방출원 대신에 CNT 박막을 에미터로 사용함으로써 유기물을 함유하는 페이스트나 다른 접착제 없이도 나노 소재인 CNT 박막 내 강한 결합력 및 CNT 에미터와 캐소드 전극 사이의 강한 전기적/기계적 접착 특성을 확보할 수 있어 기존에 유기물에 의한 진공도 저하 문제를 해결하면서 전계방출효율이 높으며 수명 특성이 우수한 엑스선 소스의 제작이 가능한 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 행렬 제어가 가능한 엑스선 소스 장치를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 4는 도 3의 CNT 에미터를 형성하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 도 4에 의해 CNT들의 네트워크가 형성된 CNT 박막을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 4에 의해 다각형으로 가공된 CNT 박막을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 4에 의해 점 형태 또는 면 형태로 가공되는 CNT 에미터의 다양한 예시를 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7에 의해 형성된 CNT 에미터의 어레이 배열 상태를 설명하는 도면이다.
도 9는 도 3의 게이트 전극을 형성하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 10은 도 9에서 그래핀 박막을 금속 전극 위에 전사하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 11은 도 9에 의해 어레이 배열된 게이트 전극의 예시를 설명하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함하며, 하나의 유닛이 둘 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 둘 이상의 유닛이 하나의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스 장치를 설명하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 행렬 제어가 가능한 엑스선 소스 장치를 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 피사체에 엑스선을 방출시키는 엑스선 소스 장치(100)는 캐소드 전극(101), 에미터(110), 애노드 전극(120), 게이트 전극(130), 집속 렌즈(140), 전자빔 시준기(150)를 포함한다.
캐소드 전극(101), 애노드 전극(120) 및 게이트 전극(130)은 전계 인가를 위해 외부 전원(도시되지 않음)과 연결될 수 있다. 예를 들면, 캐소드 전극(101)은 음의 전압 소스 또는 양의 전압 소스와 연결되고, 애노드 전극(120)과 게이트 전극(130)은 캐소드 전극(101)에 연결된 전압 소스의 전위보다 상대적으로 높은 전위를 인가할 수 있는 전압 소스와 연결될 수 있다.
에미터(110)는 캐소드 전극(101) 상에 형성되고, 전자가 방출되는 냉음극 전자방출원으로 사용된다. 즉, 에미터(110)는 캐소드 전극(101), 애노드 전극(120) 및 게이트 전극(130)에 인가된 전압에 의해 형성된 전계에 의해 전자를 방출할 수 있다. 이러한 CNT(Carbon NanoTube) 박막을 이용하여 제조된 에미터(110)는 CNT 박막을 포인트 형태 또는 라인 형태로 가공하여 점 형태 또는 면 형태의 전자빔을 발생시킬 수 있다.
이때, 에미터(110)는 낮은 문턱 전계와 높은 전계 방출 전류 밀도를 제공하기 위해 CNT 박막을 사용하고 있지만, CNT 박막 외에도 그래핀 박막 또는 나노탄소물질 박막(예를 들어, 나노그래파이트 박막 등)을 사용하여 제조된 고성능의 전계 방출 특성을 갖는 에미터를 사용할 수도 있다.
애노드 전극(120)은 캐소드 전극(101)으로부터 전자빔이 방출되는 방향으로 기설정된 거리만큼 이격되어 형성된다.
게이트 전극(130)은 에미터(110)와 애노드 전극(120) 사이에 위치하고, 에미터(110)의 상측으로 이격되어 형성된다. 게이트 전극(130)은 적어도 하나 이상의 개구가 형성된 금속 전극의 상부에 적어도 하나 이상의 층으로 이루어진 그래핀(graphene) 박막을 전사하여 형성된다.
또한, 게이트 전극(130)은 홀이 형성된 금속 평판 또는 다각형 형태의 금속 메쉬(mesh)를 금속 전극으로 사용한 형태이거나, 금속 전극의 상부에 그래핀 박막을 부착시킨 형태, 2개의 금속 전극 사이에 적어도 하나 이상의 그래핀 박막을 삽입한 형태 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다.
이때, 에미터(110)와 게이트 전극(130)은 어레이 형태로 배열된다. 예를 들어, 서로 나란하게 이격된 복수의 에미터(110)가 제1 방향을 따라 등간격으로 나란하게 배치되는 형태로 어레이 배열되고, 게이트 전극(130)은 제2 방향을 따라 등간격으로 나란하게 배치되는 형태로 어레이 배열되며, 제1 방향과 제2 방향은 수직으로 교차될 수 있다.
집속 렌즈(140)는 게이트 전극(130)과 애노드 전극(120) 사이에 위치하고, 에미터(110)로부터 전자 방출된 전자빔을 애노드 전극(120)으로 집속시킨다.
전자빔 시준기(150)는 집속 렌즈(140)와 애노드 전극(120) 사이에 위치하고, 집속 렌즈(140)를 통과한 전자빔이 직진하여 애노드 전극(120)에 집속되도록 한다. 이러한 전자빔 시준기(150)는 집속 렌즈(140)를 통과한 전자빔의 직진성을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 엑스선 소스 장치(100)는 제어 모듈(160)을 통해 어레이 배열된 에미터(110)와 게이트 전극(130)에 대해 2차원 행렬 제어를 수행한다. 이때, 2차원 행렬 제어는 위치별로 에미터(110)와 게이트 전극(130) 사이의 전압 크기를 조절하여 인체에 필요한 부위별로 전자빔의 발생 밀도를 조절하는 제어 방식이다. 이러한 2차원 행렬 제어 방식은 전자빔의 밀도가 달라짐에 따라 애노드 전극(120)에서 발생되는 엑스선의 밀도가 달라지게 되므로 인체의 뼈 두께에 따른 엑스선 밀도를 조절하는 것이 가능해진다.
제어 모듈(160)은 피사체(200)의 위치별로 적절하게 엑스선 선량을 조절하여 엑스선을 발생시키는데, 어레이 배열의 규모에 따라 엑스선 소스의 크기를 조절하는 것이 가능하므로 대면적 엑스선 소스의 구현이 가능하게 된다.
한편, 제어 모듈(160)은 피사체(200)의 성별, 나이, 신체 정보 등의 특성 정보를 취합하고, 이렇게 취합된 피사체(200)의 특성 정보에 따라 촬영 부위, 뼈의 위치, 뼈의 두께 등에 따라 엑스선 선량에 대한 방출 정보를 국소적으로 특정하여 출력하도록 할 수 있다.
예를 들면, 각 사용자에 따라 뼈의 위치나 뼈의 두께 분포 등이 상이하므로, 이에 따라 적절한 엑스선의 국소적인 방출량을 조절하도록 한다. 이를 위해 피사체(200)의 성별, 나이, 신체 정보(키, 몸무게, 체형 등) 등의 특성 정보나 각 피사체를 구별할 수 있는 추가적인 정보를 수집하고, 각 피사체(200)별 뼈의 위치나 뼈의 두께와 같은 해부학적 구조 정보를 수집하여 각각 배합한다. 이와 같이 피사체의 특성 정보를 이용하면, 피사체(200)의 성별, 나이, 신체 정보 등의 특성 정보만으로도 뼈의 위치나 뼈의 두께에 대한 해부학적 구조 정보를 추정할 수 있고, 이후에는 추정된 뼈의 위치나 두께에 대한 해부학적 구조 정보를 기초로 적절한 엑스선 선량의 방출 정보를 위치별로 결정할 수 있다.
한편, 각 위치별로 엑스선 선량의 방출 정보가 결정되면, 에미터(110)와 게이트 전극(130)에 대해 2차원 행렬 제어를 수행하여, 엑스선 소스 장치(100)에 대하여 어드레싱을 수행하고, 캐소드 전극(101)과 게이트 전극(130)에 인가되는 전압의 크기를 각각 조절하여, 에미터(110)의 위치별 엑스선 방출량을 조절한다.
이때, 제어 모듈(160)은 통신, 자동 제어, 데이터 처리, 영상 정보 처리 등을 지원하는 지능형 단말로서, 사용자가 원하는 다수의 응용 프로그램(즉, 애플리케이션)을 설치하여 실행할 수 있는 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치일 수 있고, 네트워크를 통해 다른 단말 또는 서버 등에 접속할 수 있는 PC 등의 유선 통신 장치일 수도 있다.
이와 같이, 엑스선 소스 장치(100)는 피사체(200)에 위치별로 최적화된 엑스선을 조사하는 냉음극 엑스선 소스를 구현하기 위해, 유리 재질, 세라믹 재질 또는 금속 재질 중 어느 하나의 재질로 형성된 진공 용기 내부에 캐소드 전극(101) 상에 어레이 배열된 에미터(110), 어레이 배열된 게이트 전극(130), 집속 렌즈(140), 전자빔 시준기(150) 및 애노드 전극(120)을 순차적으로 배치하여 진공 실장한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 3을 참고하면, 엑스선 소스 장치의 제어 방법은 어레이 배열된 에미터와 게이트 전극에 대해 2차원 행렬 제어를 수행함으로써 피사체의 위치별로 적절하게 엑스선 선량을 조절하여 엑스선을 발생시킨다.
이를 위해, 엑스선 소스 장치는 캐소드 전극의 상면에 전자 방출을 위해 진공여과방식으로 유기물이 포함되지 않은 에미터가 형성되면(S110), 에미터를 제1 방향으로 어레이 배열한다. 이때, 에미터는 CNT 박막을 이용하여 제조된 CNT 에미터 외에도 그래핀 박막 또는 나노탄소물질 박막 중 어느 하나를 이용하여 제조된 에미터를 사용할 수 있다.
애노드 전극은 캐소드 전극과 기설정된 거리만큼 이격되어 형성되고(S120), 게이트 전극이 적어도 하나 이상의 층으로 이루어진 그래핀 박막을 이용하여 에미터와 애노드 전극 사이에 제1 방향과 수직으로 교차되는 제2 방향으로 형성된다(S130). 이때, 애노드 전극은 베릴륨 금속판 위에 얇은 텅스텐 박막을 증착시켜 투과 형태로 제작된다. 이렇게 제작된 투과형 애노드 전극은 면광원 엑스선을 발생시킬 수 있다.
게이트 전극과 애노드 전극 사이에 형성된 집속 렌즈는 에미터로부터 전자 방출된 전자빔을 애노드 전극으로 집속시키고(S140), 전자빔 시준기가 집속 렌즈와 애노드 전극 사이에서 집속 렌즈를 통과한 전자빔의 직진성을 향상시키기 위해 추가 설치된다(S150). 이때, 집속 렌즈는 일반적인 홀 형태를 사용하여 제작되거나, 렌즈 위에 한층 또는 여러 층의 그래핀을 전사하여 제작될 수도 있다. 또한, 집속 렌즈는 1개 또는 2개를 사용할 수 있다.
에미터와 게이트 전극이 서로 수직하게 교차되도록 어레이 배열된 엑스선 소스 장치는2차원 행렬 제어가 가능한 대면적 에미터 및 게이트 전극이 될 수 있다.
엑스선 소스 장치는 피사체의 성별, 나이, 신체 정보 등의 특성 정보를 취합하고, 이렇게 취합된 피사체의 특성 정보에 따라 촬영 부위, 뼈의 위치, 뼈의 두께 등에 따라 엑스선 선량에 대한 방출 정보를 국소적으로 특정하여 출력하도록 한다(S160). 즉, 엑스선 소스 장치는 각 위치별로 엑스선 선량의 방출 정보가 결정되면, 어레이 배열된 에미터와 게이트 전극에 대해 2차원 행렬 제어를 통해 어드레싱을 수행하고, 캐소드 전극과 게이트 전극에 인가되는 전압의 크기를 각각 조절하여, 에미터의 위치별 엑스선 방출량을 조절하여 엑스선을 방출한다(S170).
도 4는 도 3의 CNT 에미터를 형성하는 방법을 설명하는 순서도이고, 도 5는 도 4에 의해 CNT들의 네트워크가 형성된 CNT 박막을 설명하는 도면이며, 도 6은 도 4에 의해 다각형으로 가공된 CNT 박막을 설명하는 도면이다. 도 7은 도 4에 의해 점 형태 또는 면 형태로 가공되는 CNT 에미터의 다양한 예시를 설명하는 도면이고, 도 8은 도 7에 의해 형성된 CNT 에미터의 어레이 배열 상태를 설명하는 도면이다.
도 4 내지 도 8을 참고하면, CNT 에미터(110)는 증류수(DI Water) 200ml에 도데실황산나트륨(Sodium Dodecyl Sulfate, SDS) 200mg, 단일벽 탄소 나노튜브(Single-Walled Carbon NanoTube) 4mg을 분산시켜서 CNT 분산수용액을 제조한다(S410). CNT 분산 수용액은 65분간 음파처리 공정(S420), 40분간 원심 분리 공정(S430)을 거친 후에 이 CNT분산수용액을 양극산화알루미늄 막(AAO membrane)에 여과시켜 증류수만을 통과시키면 CNT들이 AAO 막에 걸려져서 쌓이는 형태가 된다(S440).
도 5에 도시된 바와 같이, AAO 막에 걸려진 CNT들은 반데르발스 힘에 의해 서로 강하게 얽히게 되고, 이후 수산화나트륨 용액(NaOH)을 이용하여 AAO 막을 용해시키면, CNT 들의 네트워크가 형성된 CNT 박막이 제조된다(S450). 이때, 치밀화 공정을 수행하여 CNT 박막을 이소프로필알콜 용액(IPA)에 담갔다가 빼서 건조시키면 각 CNT들이 더욱더 조밀하게 얽히도록 한다. 치밀화 공정이 수행된 CNT 박막(111)의 표면을 주사전자현미경으로 분석하면 CNT들이 네트워크를 형성하여 조밀하게 얽혀있는 모습을 확인할 수 있다.
이렇게 형성된 CNT 박막(111)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 삼각형 또는 사각형 등의 다각형으로 절단된 후에 평판으로 압착되어 전자방출원으로 제작되고, 캐소드 전극(101)의 상면에 CNT 에미터(110)를 형성한다(S460). 이때, CNT 에미터(110)가 더욱 안정적으로 동작하기 위해 탄소화 공정을 수행한다. 탄소화 공정은 CNT 박막(111)에 고분자 유기물, 즉 탄소 기반의 물질을 코팅하여 고온 및 진공 상태에서 열처리를 진행하면 CNT들의 네트워크 내 각 CNT 들 사이사이에 탄소 기반의 물질이 삽입되어 빈자리를 메우게 되고, 이러한 과정을 통해 CNT 들 간의 결합력을 더욱 강화시킬 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, CNT 박막은 절단 방법에 따라 포인트 형태 또는 라인 형태의 CNT 에미터(110)로 제작될 수 있는데, CNT 박막(111)을 부채꼴이나 삼각형 형태로 절단한 경우에 상부가 점(Point)으로 수렴하는 형태가 되고, 사각형 형태로 절단한 경우에 상부가 라인(Line)으로 수렴하는 형태가 될 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 복수 개의 CNT 박막(111)을 포인트 형태 또는 라인 형태로 가공한 후 캐소드 전극(101) 사이에 삽입하여 어레이 배열된 CNT 에미터(110)를 형성하면, CNT 에미터는 CNT 박막의 절단 방법에 따라 점 형태 또는 면 형태의 전자빔을 다양한 크기로 발생시킬 수 있다.
도 9는 도 3의 게이트 전극을 형성하는 방법을 설명하는 순서도이고, 도 10은 도 9에서 그래핀 박막을 금속 전극 위에 전사하는 과정을 설명하는 도면이며, 도 11은 도 9에 의해 어레이 배열된 게이트 전극의 예시를 설명하는 도면이다.
도 9 내지 도 11을 참고하면, 게이트 전극의 제조 방법은 구리 호일 위에 열 CVD(chemical vapor deposition) 방법으로 그래핀을 합성한 후, 스핀 코터(Spin coater)를 이용해 그래핀 위에 메타크릴수지(polymethylmethacrylate, PMMA)를 코팅한다(①).
이후, 구리 식각 용액을 이용하여 구리 호일을 식각하고(②), 증류수에 세척하여 남아있는 구리 호일을 제거한다(③). 이 과정을 여러 번 반복하여 겹겹이 쌓인 여러 층의 그래핀 박막을 제작하고, 도 10에 도시된 바와 같이 한 층 또는 여러 층의 그래핀 박막을 금속 전극 위에 전사한다(④, ⑤, ⑥, ⑦). 이때 금속 전극은 원형 홀을 가지는 금속 평판이거나, 사각형, 원형, 육각형 등의 금속 메쉬일 수 있다.
그래핀 박막(131)을 금속 전극 위에 전사한 후에 그래핀 박막(131) 상에 남아 있는 메타크릴수지를 제거하기 위해 아세톤 용액에 담갔다가 빼서 건조시킨 후, 10-5 Torr 이하의 진공분위기에서 300℃의 열처리를 진행하면 안정적으로 그래핀 박막이 전사된 게이트 전극(130)을 제작할 수 있다(⑧, ⑨). 아울러, 도 11에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(130)은 어레이 배열되어 행렬제어가 가능한 대면적 게이트 전극으로 제작될 수 있다. 이때, 게이트 전극은 2개의 금속 전극 사이에 한 층 또는 여러 층의 그래핀 박막을 삽입하여 제작할 수도 있다.
적어도 한 층 이상의 그래핀 박막을 이용하여 제조된 게이트 전극은 전계가 균일하게 인가될 수 있어 전자빔의 직진성이 향상될 수 있고, 그래핀이 원자 스케일의 메쉬이므로 전자빔의 투과 효율이 증가될 수 있으며, 열전달 효율이 매우 우수한 그래핀으로 인해 전자빔 충돌에 의해 발생하는 열을 효과적으로 분산시킬 수 있어 게이트 전극 자체의 열적 안정성이 향상될 수 있다.
한편, 집속 렌즈는 게이트 전극과 마찬가지로 금속 평판이나 금속 메쉬에 한층 또는 여러 층의 그래핀을 전사하여 제작되거나, 2개의 집속 렌즈 위에 적어도 하나 이상의 그래핀 박막을 끼워 넣어 제작될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스 장치 및 그 제어 방법은 CNT 박막을 이용한 냉음극 전자 방출원을 사용하고, 투과형 애노드 전극을 통해 면광원 형태의 엑스선을 피사체에 조사할 수 있으며, CNT 에미터로부터 발생되는 전자빔을 행렬 제어로 구동함으로써 피사체의 위치별로 최적화된 엑스선 선량을 조사할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 소스의 제조 방법 및 엑스선 소스 장치에 의해 구현되는 행렬 제어 방법은, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
또한, 본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수도 있다.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 피사체에 엑스선을 방출시키는 엑스선 소스 장치에 있어서,
    전자 방출을 위해 캐소드 전극의 상면에 형성되는 에미터;
    상기 캐소드 전극과 기설정된 거리만큼 이격되어 형성되는 애노드 전극;
    상기 에미터와 상기 애노드 전극 사이에 위치하고, 적어도 하나 이상의 개구가 형성된 금속 전극의 상부에 적어도 하나 이상의 층으로 이루어진 그래핀(graphene) 박막을 전사하여 형성된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치하고, 상기 에미터로부터 전자 방출된 전자빔을 상기 애노드 전극으로 집속시키는 집속 렌즈; 및
    상기 에미터와 게이트 전극에 대해 2차원 행렬 제어를 수행하여 상기 피사체의 위치별로 엑스선 선량을 조절하는 제어모듈을 포함하되,
    상기 에미터는 제1 방향으로 어레이 배열되고, 상기 게이트 전극은 제2 방향으로 어레이 배열되며, 제1 방향과 제2 방향은 수직으로 교차되고,
    상기 제어 모듈은 상기 어레이 배열의 규모에 따라 엑스선 선량을 결정하는 것인, 엑스선 소스 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 에미터와 게이트 전극 사이의 전압 크기를 조절하여 인체에 필요한 부위별로 전자빔의 발생 밀도를 조절하는 2차원 행렬 제어를 수행하는 것인, 엑스선 소스 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 집속 렌즈와 애노드 전극 사이에 위치하고, 상기 집속렌즈를 통과한 전자빔이 직진하여 상기 애노드 전극에 집속되도록 하는 전자빔 시준기(Electron Beam Collimator)를 더 추가하는 것인, 엑스선 소스 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에미터는 진공여과방식으로 제작된 CNT 박막을 사용하여 제조되고,
    상기 CNT 박막은 알코올용액을 사용하는 고밀도화(Densification) 공정 또는 고분자 유기물을 코팅시킨 후에 고온 및 진공 상태에서 열처리를 하는 탄화(Carbonization) 공정을 통해 제조된 것인, 엑스선 소스 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 에미터는 CNT 박막을 점(point) 형태 또는 선(line) 형태로 가공하여 제조하되,
    적어도 하나 이상의 CNT 박막을 다각형으로 절단한 후 상기 절단된 다각형의 CNT 박막을 평판으로 압착하여 상기 캐소드 전극 사이에 삽입하는 것인, 엑스선 소스 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 홀이 형성된 금속 평판 또는 다각형 형태의 금속 메쉬(mesh)를 금속 전극으로 사용한 형태, 상기 금속 전극의 상부에 그래핀 박막을 부착시킨 형태, 2개의 금속 전극 사이에 적어도 하나 이상의 그래핀 박막을 삽입한 형태 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것인, 엑스선 소스 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 집속 렌즈는 홀 형태로 제조되거나, 적어도 하나 이상의 그래핀 박막이 전사된 형태로 제조된 것인, 엑스선 소스 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 에미터는 CNT 박막, 그래핀 박막 또는 나노탄소물질 박막 중 어느 하나를 이용하여 제조된 것인, 엑스선 소스 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 소스 장치는 유리 재질, 세라믹 재질 또는 금속 재질 중 어느 하나의 재질로 형성된 진공 용기 내부에 상기 에미터, 게이트 전극, 집속 렌즈, 애노드 전극을 순차적으로 배치한 것인, 엑스선 소스 장치.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 엑스선 소스 장치는 유리 재질, 세라믹 재질 또는 금속 재질 중 어느 하나의 재질로 형성된 진공 용기 내부에 상기 에미터, 게이트 전극, 집속 렌즈, 전자빔 시준기, 애노드 전극을 순차적으로 배치한 것인, 엑스선 소스 장치.
  11. 피사체에 엑스선을 방출시키는 엑스선 소스 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 엑스선 소스 장치는, 캐소드 전극의 상면에 에미터가 제1 방향으로 어레이 배열되며, 상기 에미터와 애노드 전극 사이에 게이트 전극이 상기 제1 방향과 수직으로 교차되는 제2 방향으로 어레이 배열된 것이고,
    상기 어레이 배열된 에미터와 게이트 전극에 대해 2차원 행렬 제어를 수행하여 상기 피사체의 위치별로 엑스선 선량을 조절하는 단계를 포함하되,
    상기 피사체의 위치별로 엑스선 선량은 상기 어레이 배열의 규모에 따라 결정되는 것인, 엑스선 소스 장치의 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은 상기 에미터와 게이트 전극 사이의 전압 크기를 조절하여 인체에 필요한 부위별로 전자빔의 발생 밀도를 조절하는 2차원 행렬 제어를 수행하는 것인, 엑스선 소스 장치의 제어 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 에미터는, CNT 박막, 그래핀 박막 또는 나노탄소물질 박막 중 어느 하나를 다각형 형태로 절단한 후 상기 절단된 다각형을 평판으로 압착하여 제조된 점(point) 형태 또는 선(line) 형태의 전자 방출원인 것인, 엑스선 소스 장치의 제어 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 엑스선 소스 장치는 유리 재질, 세라믹 재질 또는 금속 재질 중 어느 하나의 재질로 형성된 진공 용기 내부에 상기 에미터, 게이트 전극, 집속 렌즈, 애노드 전극을 순차적으로 배치한 것인, 엑스선 소스 장치의 제어 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 집속렌즈를 통과한 전자빔이 직진하여 상기 애노드 전극에 집속되도록 상기 집속 렌즈와 애노드 전극 사이에 위치하는 전자빔 시준기(Electron Beam Collimator)가 추가되는 경우,
    상기 엑스선 소스 장치는 유리 재질, 세라믹 재질 또는 금속 재질 중 어느 하나의 재질로 형성된 진공 용기 내부에 상기 에미터, 게이트 전극, 집속 렌즈, 전자빔 시준기, 애노드 전극을 순차적으로 배치한 것인, 엑스선 소스 장치의 제어 방법.
  16. 엑스선 소스 장치의 제조 방법에 있어서,
    CNT 박막, 그래핀 박막 또는 나노탄소물질 박막을 삼각형 또는 사각형 형태로 절단하여 그 단부가 점 형태 또는 선 형태가 되도록 가공하여 복수의 에미터를 형성하는 단계;
    복수의 캐소드 전극에 상기 점 형태 또는 선 형태로 가공된 에미터를 하나 이상 결합하는 단계;
    상기 에미터가 결합된 복수의 캐소드 전극들을 2차원 어레이 형태로 배열하는 단계;
    상기 각 캐소드 전극에 대향하는 영역에 개구부가 형성되고, 각 개구부에 그래핀 박막이 결합된 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극의 각 개구부가 상기 각 캐소드 전극과 대향하도록 상기 게이트 전극과 상기 2차원 어레이 형태의 캐소드 전극을 정렬시키는 단계; 및
    상기 게이트 전극과 소정 거리 이격된 위치에 2차원 어레이 형태의 애노드 전극을 배치시키는 단계를 포함하는 엑스선 소스 장치의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 상기 에미터로부터 전자 방출된 전자빔을 상기 애노드 전극으로 집속시키는 집속 렌즈 및 상기 집속 렌즈와 상기 애노드 전극 사이에 상기 집속 렌즈를 통과한 전자빔이 직진하여 상기 애노드 전극에 집속되도록 하는 전자빔 시준기를 각각 배치하는 단계를 더 포함하는 엑스선 소스 장치의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극에 상기 가공된 CNT 박막을 결합하는 단계는
    서로 나란한 방향으로 N+1개로 분리된 캐소드 전극 블록사이에 상기 가공된 CNT 박막을 각각 결합하여, N개의 열의 CNT 박막이 결합되도록 하는 것인 엑스선 소스 장치의 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 게이트 전극을 형성하는 단계는
    게이트 전극 본체에 상기 각 캐소드 전극에 대향하는 영역에 개구부를 형성하는 단계;
    그래핀 박막을 상기 개구부가 형성된 게이트 전극 본체에 전사하는 단계; 및
    상기 그래핀 박막이 전사된 게이트 전극 본체에 열처리를 수행하는 단계를 포함하는 것인 엑스선 소스 장치의 제조 방법.
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