WO2023095940A1 - X선 발생을 위한 전자방출소자 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

X선 발생을 위한 전자방출소자 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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WO2023095940A1
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gate
cathode
current
electron emission
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김영식
김태형
이성은
이또우미끼꼬
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엘지전자 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to an electron emitting device that generates X-rays, and to a control device and control method capable of maintaining a constant current of an anode electrode.
  • an electron emitting device that generates X-rays includes a cathode electrode and an anode electrode, and electrons emitted from the cathode electrode are induced and accelerated to an anode electrode formed with a high voltage to reach the anode electrode. X-rays are generated through the collision process.
  • the current (I A ) of the anode electrode which determines the amount of X-rays generated here, is the current flowing out through the current (I CA ) of the cathode electrode and the control electrode (gate electrode), that is, the gate current (I G ) can be determined by the difference in That is, the current (I A ) of the anode electrode can be adjusted based on the gate current (I G ), and the amount of X-rays generated can be controlled according to the current (I A ) of the anode electrode.
  • the gate current may be determined according to a voltage between the gate electrode and the cathode electrode (hereinafter referred to as gate-cathode voltage (V GC )).
  • V GC gate-cathode voltage
  • the gate-cathode voltage is equal to or higher than the electron emission required voltage according to electron emission characteristics of the cathode electrode, the electron emission device is turned on and electrons may be emitted from the cathode electrode.
  • the gate-cathode voltage is less than the electron emission required voltage according to the electron emission characteristics of the cathode electrode, the electron emission device is turned on, and electrons may not be emitted from the cathode electrode.
  • the electron emission device uses a high gate voltage. Therefore, once the gate voltage is determined, it is common to fix the determined gate voltage. Therefore, a control device of a conventional electron emission device has a configuration of controlling the voltage of the cathode electrode to form a voltage difference required for electron emission.
  • the gate-cathode voltage may increase.
  • electrons may be emitted (turned on) when the voltage exceeds the required electron emission voltage according to the electron emission characteristics of the cathode electrode.
  • a gate current according to the anode current and the cathode current may be formed.
  • the cathode current applied to the cathode electrode and the gate current are proportional to each other to form the gate-cathode voltage.
  • a voltage required for electron emission is a characteristic of electron emission devices, and each electron emission device may be different from each other. For example, in the case of an electron-emitting device having a low required voltage, electrons can be emitted even when a small gate-cathode voltage is formed, and in the case of an electron-emitting device having a low required voltage, electrons can be emitted only when a high gate-cathode voltage is formed. .
  • the gate-cathode voltage may be determined based on the required voltage of the electron emission device having the highest voltage required for electron emission. Accordingly, even in an electron emission device capable of emitting electrons with only a low voltage due to its good performance, a higher voltage than necessary is applied as a cathode voltage, thereby causing an unnecessary increase in operating voltage. Such unnecessary high voltage not only reduces the efficiency of the electron emission device, but also induces high voltage stress in the device, so there is a problem in that a protection design capable of protecting the electron emission device from the high voltage stress is required.
  • An object of the present invention is to solve the above problems and other problems, and the present invention provides an electron-emitting device control device capable of constantly adjusting the anode current for determining the amount of X-rays generated by adjusting the gate voltage and the control device thereof. Its purpose is to provide a control method.
  • the present invention provides an electron-emitting device control device capable of preventing an unnecessarily high gate-cathode voltage from being applied by adjusting the gate voltage to form a gate-cathode voltage according to the characteristics of the electron-emitting device and control of the control device. Its purpose is to provide a method.
  • the electron emission device control device includes at least one cathode electrode and an anode paired with the cathode electrode
  • An electron emission device including at least one electrode and a gate electrode for controlling a current flowing through the anode electrode, a cathode current detector detecting a current flowing through a cathode electrode of the electron emission device, and generating a reference voltage. receiving the reference voltage and the detection voltage of the cathode current detection unit, and determining a gate voltage for controlling the electron emission device so that the detection voltage of the cathode current detection unit is equal to the reference voltage; and and a gate voltage controller for applying a gate voltage to the gate electrode of the electron emission device.
  • the gate voltage controller determines a voltage greater than the reference voltage by a gate-cathode voltage formed between the gate electrode and the cathode electrode as the gate voltage, and the gate-cathode voltage is , characterized in that the voltage threshold required for electron emission from the cathode electrode.
  • the current flowing through the anode electrode is characterized in that the current corresponding to the reference voltage when the current flowing through the anode electrode and the current flowing through the gate electrode satisfy a predetermined condition.
  • the electron-emitting device further includes a gate current detector for detecting a gate current flowing through the gate electrode, wherein the gate voltage controller determines that the voltage detected by the cathode current detector is equal to the reference voltage.
  • a gate voltage for controlling the electron emission device is determined to be equal to a sum of compensation voltages for the gate current, and the compensation voltage is determined by a detection resistance (Z ref ) of the cathode current detector for a current flowing through the cathode electrode and It is characterized in that it is determined according to the size of the gate current.
  • the gate voltage that causes the detection voltage of the cathode current detector to be equal to the sum of the reference voltage and the compensation voltage is greater than the reference voltage, the compensation voltage, between the gate electrode and the cathode electrode. It is characterized in that a voltage greater than the sum of the formed gate-cathode voltage and the detection voltage of the gate current detector is determined as the gate voltage.
  • the current flowing through the anode electrode is characterized in that it is determined according to the magnitude of the reference voltage with respect to the detection resistance (Z ref ) of the cathode current detector.
  • the cathode current detector and the gate current detector are any one of a hole sensor, a magneto impedance (MI) current sensor, and a current sensor that detects a voltage dropped by a shunt resistor as current. to be characterized
  • the cathode current detection unit further includes an amplification unit for amplifying a voltage applied to a detection resistance of the cathode current detection unit, and the gate voltage control unit comprises a relatively low detection resistance by an amplification gain of the amplification unit. It is characterized in that the gate voltage is determined based on the detection voltage of the cathode current detector detected based on.
  • a control method of an electron emission device control device includes the steps of detecting a cathode voltage corresponding to a current flowing through the cathode electrode; Detecting a reference voltage, a gate-cathode voltage that is a voltage between the gate electrode of the electron-emitting device and the cathode electrode, and a gate voltage for making the cathode current detection voltage equal to the reference voltage based on the reference voltage and, as the gate-cathode voltage drops through the electron emission, the determined gate voltage is applied to the electron-emitting device so that a current corresponding to the reference voltage flows through the cathode electrode, thereby generating the electron-emitting device. It is characterized in that it comprises the step of controlling.
  • the gate-cathode voltage is a voltage threshold required for electron emission from the cathode electrode.
  • the current flowing through the anode electrode of the electron emission device corresponds to the reference voltage when the current flowing through the anode electrode and the current flowing through the gate electrode satisfy a predetermined condition. It is characterized by
  • the detecting of the reference voltage further includes detecting a gate current flowing through the gate electrode, and the determining of the gate voltage comprises determining whether the cathode voltage corresponds to the gate current.
  • a gate voltage for controlling the electron emission device is determined to be equal to the sum of the compensation voltage for the voltage and the reference voltage, and the compensation voltage is determined by a detection resistance (Z ref ) for detecting the cathode voltage from the cathode current and the gate voltage. Characterized in that it is determined according to the magnitude of the current.
  • a gate voltage that causes the cathode voltage to be equal to the sum of the reference voltage and the compensation voltage is greater than the reference voltage, corresponding to the compensation voltage, the gate-cathode voltage, and the gate current. It is characterized in that a voltage greater than the sum of the detection voltages is determined as the gate voltage.
  • the detecting of the cathode voltage may further include amplifying a voltage applied to a detection resistor (Z ref ) for detecting a current flowing through the cathode electrode as the cathode voltage, and the gate voltage
  • the step of determining is characterized in that the step of determining the gate voltage based on a cathode voltage detected based on the detection resistance, which is relatively lowered by an amplification gain.
  • the current flowing through the anode electrode of the electron emission device is determined according to the magnitude of the reference voltage with respect to the detection resistance Z ref for detecting the current flowing through the cathode electrode as the cathode voltage. characterized by being determined.
  • the electron-emitting device can be turned on with a lower gate voltage by using a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) device as a gate of the electron-emitting device. let it be Therefore, it is easy to control the gate voltage, and by adjusting the gate voltage to control the anode current, there is an effect that the anode current can be constantly adjusted without the need to control the cathode voltage.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the present invention makes it possible to control the anode current by adjusting the gate voltage according to the gate-cathode voltage according to the characteristics of the electron emission device. Therefore, since there is no need to apply an unnecessarily high cathode voltage, problems caused by application of an unnecessarily high voltage, such as an unnecessarily high operating voltage and high voltage stress, can be solved.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an electron emitting device control device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the configuration of an electron emission device control device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation process of controlling an anode current by controlling a gate voltage in an electron emission device control device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exemplary circuit diagram illustrating an example circuit configuration of a gate voltage controller for controlling gate voltage in the device for controlling an electron emission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the configuration of an electron emission device control device according to an embodiment of the present invention including a configuration for compensating for the gate current when the gate current is greater than the anode current.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation process of controlling the anode current by controlling the gate voltage in the electron emission device control device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 5 .
  • FIG. 7 is an exemplary diagram showing an example circuit configuration of a gate voltage control unit for controlling a gate voltage in the electron emission device control device shown in FIG. 5 .
  • FIG. 8 is an exemplary diagram illustrating another circuit configuration example of a gate voltage control unit for controlling a gate voltage in the electron emission device control device shown in FIG. 5 .
  • FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining the configuration of an electron-emitting device control device according to an embodiment of the present invention further including an amplifier capable of amplifying a cathode current detection voltage.
  • FIG. 10 is an exemplary diagram illustrating examples of anode current controlled by the electron emission device control device according to an embodiment of the present invention and anode current controlled by the conventional electron emission device control device.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an electron emitting device control device according to an embodiment of the present invention.
  • the electron emitting device control device includes a gate voltage controller 10, an electron emitting device 30 connected to the gate voltage controller 10, and the electron emitting device 30.
  • a cathode current detector 50 for detecting a cathode current (hereinafter referred to as cathode current)
  • a reference voltage generator 20 for generating a reference voltage.
  • a gate current detector 60 that detects the gate current applied to the electron-emitting device 30 and an anode current output unit that outputs the current applied to the anode electrode of the electron-emitting device 30 (hereinafter referred to as anode current) ( 40) may be further connected to the gate voltage controller 10.
  • the components shown in FIG. 1 are not essential to implement the electron-emitting device control device, so the electron-emitting device control device described herein may have more or less components than the components listed above. there is.
  • the electron emission device 30 may include at least one electron emission device.
  • the electron emitting device 30 includes a plurality of electron emitting devices, the plurality of electron emitting devices may form an array.
  • the electron emission device 30 may include at least one cathode electrode for emitting electrons, and may include at least one anode electrode paired with the cathode electrode. And it may include at least one gate electrode for controlling the flow of electrons moving between the cathode electrode and the anode electrode.
  • the gate voltage determined by the gate voltage controller 10 may be applied to the gate electrode.
  • the cathode electrode may emit electrons when a voltage difference between the cathode electrode and the gate electrode, that is, the gate-cathode voltage exceeds a predetermined electron emission threshold.
  • electrons emitted from the cathode electrode may collide with the anode electrode by being induced and accelerated by the high voltage applied to the anode electrode.
  • X-rays may be generated through the collision of the electrons.
  • the amount of X-rays generated is determined by the magnitude of the current rather than the voltage. That is, the amount of X-rays generated may be determined according to the anode current (I A ) applied to the anode electrode.
  • the cathode current detector 50 may detect a current applied to at least one cathode electrode of the electron emission device 30, that is, a current flowing out through the cathode electrode (hereinafter referred to as cathode current). To this end, the cathode current detector 50 may include at least one current sensor to detect the current.
  • the cathode current detector 50 may include various sensors as current sensors.
  • the cathode current detector 50 may include a Hall sensor or a Magneto Impedance (MI) current sensor using a magnetic field impedance effect.
  • MI Magneto Impedance
  • a current sensor including a shunt resistor as the current sensor and detecting a voltage drop due to the shunt resistor as current may be provided.
  • the cathode current detector 50 detects the cathode current as a voltage detected using the shunt resistor will be described.
  • the present invention is not limited thereto, and the size of the cathode current detected through the Hall sensor or the MI sensor may be used.
  • the cathode current can be directly detected without a shunt resistance.
  • a resistance eg, 1 ohm
  • the cathode voltage can be determined.
  • the gate voltage controller 10 may determine a gate voltage capable of making the anode current of the electron-emitting device 30 constant and apply the determined gate voltage to the electron-emitting device 30 . To this end, the gate voltage controller 10 may first detect the cathode current of the electron emission device 30 through the cathode current detector 50 . A gate voltage such that a voltage corresponding to the cathode current (cathode voltage) becomes the reference voltage V ref generated by the reference voltage generator 20 may be determined.
  • the cathode voltage (V CA ) may be a voltage greater than the reference voltage (V ref ) by the gate-cathode voltage (V GC ).
  • the gate voltage controller 10 determines the gate-cathode voltage (V GC ), determines the gate voltage (V G ) including the determined gate-cathode voltage (V GC ) and the reference voltage (V ref ), and By applying the determined gate voltage (V G ) to the electron-emitting device 30, the cathode current (I CA ) corresponding to the reference voltage (V ref ) flows through the cathode electrode of the electron-emitting device 30.
  • the emission element 30 can be controlled.
  • the cathode current (I CA ) and the anode current (I A ) are equal, and the cathode current (I CA ) is the reference voltage ( Since it has a current value corresponding to V ref , the anode current (I A ) can be constantly controlled according to the reference voltage (V ref ).
  • the cathode voltage (V CA ) may include a compensation voltage ( ⁇ V) for the gate current (I G ). Therefore, the gate voltage controller 10 determines the gate-cathode voltage (V GC ), and the gate voltage including the determined gate-cathode voltage (V GC ), the reference voltage (V ref ), and the compensation voltage ( ⁇ V) By determining (V G ) and applying the determined gate voltage (V G ) to the electron-emitting device 30, the cathode current corresponding to the voltage including the reference voltage (V ref ) and the compensation voltage ( ⁇ V) ( The electron emitting device 30 may be controlled so that I CA ) flows through the cathode electrode of the electron emitting device 30 .
  • the cathode current (I CA ) has a current value (current value corresponding to the reference voltage (V ref ) + compensation voltage ( ⁇ V)) determined according to the reference voltage (V ref ), so that the reference voltage ( The anode current (I A ) may be constantly controlled according to V ref .
  • the electron emitting device control device is the current flowing out from the electron emitting device 30 through the gate electrode, that is, A gate current detector 60 for detecting the gate current I G may be further included.
  • the gate current detector 60 may include various sensors as current sensors for detecting the gate current I G .
  • the gate current detector 60 may include a Hall sensor or an MI current sensor using a magnetic field impedance effect.
  • a current sensor including a shunt resistor as the current sensor and detecting a voltage drop due to the shunt resistor as current may be provided.
  • the gate current detector 60 detects the gate current as a voltage detected using the shunt resistor will be described.
  • the present invention is not limited thereto and, of course, the size of the gate current detected through the Hall sensor or the MI sensor may be used.
  • the gate current can be detected directly without a shunt resistance.
  • the compensation voltage ( ⁇ V) can be determined.
  • the electron emission device 30 of the electron emission device control device includes the MOSFET device or a gate device corresponding to the MOSFET device, and is formed to be turned on even at a low gate voltage. It may be an electron emission device. Therefore, the gate voltage of the electron emission device 30 can be more easily adjusted.
  • FIG. 2 is for explaining an electron emission device control device according to an embodiment of the present invention that can be applied when the size of the gate current (I G ) is sufficiently small compared to the anode current (I A ).
  • 3 is a flowchart illustrating an operation process of controlling the anode current by controlling the gate voltage in the electron emission device control device shown in FIG. 2 .
  • the cathode current detector 50 may detect a current flowing through at least one cathode electrode of the electron emission device 30 .
  • the cathode current detection unit 50 determines the detection resistance (Z ref ) and the cathode current (I CA ) of the cathode current detection unit 50 With a value (Z ref *I CA ) multiplied by , a voltage (cathode voltage (V CA )) corresponding to the cathode current (I CA ) may be detected (S300).
  • the cathode current detection resistance (Z ref ) can be considered as a proportional constant of the cathode current detection unit 50 with respect to the cathode current (I CA ) there is.
  • the gate voltage controller 10 may detect the reference voltage V ref generated by the reference voltage generator 20 (S302).
  • a gate voltage (V G ) that makes the detected cathode voltage (V CA ) and the reference voltage (V ref ) equal to each other may be determined (S304). Then, the determined gate voltage (V G ) may be applied to the gate electrode of the electron emission device 30 (S306).
  • V G is the gate voltage
  • V GC is the gate-cathode voltage
  • V ref is the reference voltage
  • the gate electrode when the gate voltage (V G ) according to Equation 1 is applied to the gate electrode of the electron emission device 30, the gate electrode has a voltage higher than the voltage required for electron emission from the cathode electrode, that is, the gate-cathode voltage (V GC ).
  • V GC gate-cathode voltage
  • a voltage as high as the reference voltage V ref is applied, and electrons may be emitted from the cathode electrode.
  • the voltage remaining after electrons are emitted may be applied to the cathode electrode.
  • a voltage obtained by dropping the voltage (gate-cathode voltage (V GC )) required for electron emission from the gate voltage (V G ) may be applied to the cathode electrode, and accordingly, the reference voltage (V ref ) may be applied to the cathode electrode. may be authorized. Therefore, the reference voltage (V ref ) may be the cathode voltage (V CA ) as shown in Equation 2 below.
  • V ref is the reference voltage
  • I CA is the cathode current
  • Z ref is the proportional constant of the cathode current detector for the cathode current.
  • I CA is the cathode current
  • I A is the anode current
  • I G is the gate current
  • I CA is the cathode current
  • I A is the anode current
  • I G is the gate current
  • V ref is the reference voltage
  • Z ref is the proportional constant of the cathode current detector to the cathode current.
  • the gate voltage controller 10 of the electron emission device control device emits electrons.
  • the anode current (I A ) may be adjusted to a current corresponding to the reference voltage (V ref ) by adjusting the gate voltage applied to the device 30 . That is, the gate voltage controller 10 can control the anode current (I A ) by controlling the reference voltage (V ref ) by controlling the reference voltage generator 20.
  • the gate voltage controller 10 can control the amount of X-rays emitted from the electron-emitting devices 30 by controlling the reference voltage generator 20. there is.
  • the gate voltage controller 10 may include an operational amplifier so that the cathode voltage (V CA ) and the reference voltage (V ref ) are the same.
  • V CA cathode voltage
  • V ref reference voltage
  • 4 is an exemplary diagram showing an example of a circuit configuration of a gate voltage controller including an operational amplifier in the device for controlling an electron emission device according to an embodiment of the present invention.
  • the operational amplifier 110 has a first input node 102 receiving a reference voltage and a cathode voltage (V CA ), that is, a voltage detected by the cathode current detector 50 (Z ref * I CA ) may be provided with a second input node 103 .
  • the gate voltage controller 10 may control the voltage of the output terminal 101 such that the input voltage of the first input node 102 and the input voltage of the second input node 103 are equal.
  • the voltage applied to the output terminal 101 so that the input voltage of the first input node 102 and the input voltage of the second input node 103 are equal may be the gate voltage V G .
  • the difference between the gate voltage (V G ) and the reference voltage (V ref ) may be the gate-cathode voltage (V GC ). That is, the gate-cathode voltage (V GC ) may be determined according to the cathode voltage (V CA ) and the gate voltage (V G ) detected by the cathode current detector 50 .
  • the gate voltage controller 10 may be composed of a digital circuit using a micro control unit (MCU). Also, in the above description, an example in which the cathode current detector 50 uses a shunt resistor is given, but the cathode current may be detected through a hall sensor or an MI sensor. In this case, the proportional constant (Z ref ) of the cathode current detector 50 may be arbitrarily determined, and when it is assumed to be 1 ohm, the cathode current (I CA ) and the cathode voltage (V CA ) may have the same value.
  • MCU micro control unit
  • the gate voltage (V G ) may be determined according to the preset reference voltage (V ref ).
  • V ref the preset reference voltage
  • a gate voltage (V G ) making the voltage corresponding to the detected cathode current equal to the reference voltage (V ref ) may be determined.
  • the gate-cathode voltage (V GC ) may be determined according to the difference between the gate voltage (V G ) and the reference voltage (V ref ).
  • the gate-cathode voltage (V GC ) when the initial gate-cathode voltage (V GC ) is higher than necessary due to the characteristics of the electron-emitting device 30, the gate-cathode voltage (V GC ) according to the characteristics of the electron-emitting device 30 is changed in a subsequent process It can be.
  • FIGS. 2 to 4 assume a case where the gate current is sufficiently smaller than the anode current. However, there may be cases where the gate current does not satisfy the above conditions.
  • the gate voltage may be sufficiently smaller than the anode voltage due to the characteristics of the MOSFET device that can operate even with a low gate current.
  • the gate current may be significantly larger, and may even have a larger value than the anode current. In this case, it is necessary to compensate for the voltage caused by the gate current.
  • FIGS. 5 to 8 assume a case in which the gate current is not negligibly smaller than the anode current.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the configuration of an electron-emitting device control device according to an embodiment of the present invention including a configuration for compensating for the gate current according to the above-mentioned assumption.
  • 6 is a flowchart illustrating an operation process of controlling the anode current by controlling the gate voltage in the electron emission device control device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 5 .
  • the cathode current detector 50 may detect a current flowing through at least one cathode electrode of the electron emission device 30 .
  • the cathode current detection unit 50 determines the detection resistance (Z ref ) and the cathode current (I CA ) of the cathode current detection unit 50 With a value (Z ref *I CA ) multiplied by , a voltage (cathode voltage (V CA )) corresponding to the cathode current (I CA ) may be detected (S600).
  • the cathode current detection resistance (Z ref ) can be considered as a proportional constant of the cathode current detection unit 50 with respect to the cathode current (I CA ) there is.
  • the gate voltage controller 10 detects the gate current flowing from the gate electrode of the electron emission device 30 to the cathode electrode through the gate current detector 60.
  • I G can be detected (S602).
  • the gate current I G may be a current applied to the gate electrode of the electron emission device 30 .
  • the gate current detection unit 60 determines the detection resistance (Z S ) and the gate current (I G ) of the gate current detection unit 60 . With a value (Z S *I G ) multiplied by , a voltage corresponding to the gate current (I G ) can be detected (S600).
  • the gate current detection resistor Z S has a fixed value, the gate current detection resistor Z S can be considered as a proportional constant of the gate current detection unit 60 with respect to the gate current I G . there is.
  • the gate voltage controller 10 determines the reference voltage generated by the reference voltage generator 20.
  • the voltage (V ref ) can be detected (S604).
  • a gate voltage (V G ) that becomes the sum voltage (V ref + ⁇ V) of V may be determined (S606).
  • the compensation voltage ( ⁇ V) by the gate current (I G ) is a voltage proportional to the gate current (I G ) to compensate for the gate current (I G ), and as shown in Equation 5 below, the gate current detector 60 ) has a value proportional to the detection value (voltage value corresponding to the gate current) Z S *I G .
  • ⁇ V is the compensation voltage according to the gate current
  • Z S is the proportional constant of the gate current detector 60
  • I G is the gate current
  • the compensation voltage ( ⁇ V) and the detection value of the gate current detector (Z S *I G ) is the proportionality constant.
  • the sum voltage (V ref + ⁇ V) of the reference voltage (V ref ) and the compensation voltage ( ⁇ V) is the product of the proportional constant (Z ref ) of the cathode current detector 50 and the gate current (I G ) It may be a voltage obtained by adding (Z ref *I G ) to the reference voltage (V ref ), that is, V ref + Z ref *I G .
  • Z ref is a proportional constant of the cathode current detector 50
  • I CA is a cathode current
  • V ref is a reference voltage
  • I G is a gate current.
  • the cathode current (I CA ) is the sum of the gate current (I G ) and the anode current (I A ), so according to Equation 6 and Equation 3, the anode current (I A ) is V ref /Z ref , that is, the magnitude of the reference voltage (V ref ) with respect to the fixed resistance (proportional constant Z ref ) of the cathode current detector 50 may be determined.
  • the gate voltage control unit 10 of the electron-emitting device control device adjusts the gate voltage applied to the electron-emitting device 30 so that the anode current (I A ) is changed according to the reference voltage (V ref ). It can be controlled by current. That is, the gate voltage controller 10 can control the anode current (I A ) by controlling the reference voltage (V ref ) by controlling the reference voltage generator 20. In this case, the anode current (I A ) Since the amount of X-rays emitted from the electron-emitting devices 30 is determined, the gate voltage controller 10 can control the amount of X-rays emitted from the electron-emitting devices 30 by controlling the reference voltage generator 20. there is.
  • the gate voltage control unit 10 may output a voltage that causes the gate voltage V G determined in step S606 to be applied to the gate electrode of the electron emission device 30 (S608).
  • the voltage V GO output from the gate voltage controller 10 may be determined by considering the voltage dropped by the gate current detector 60 to detect the gate current. Therefore, the gate voltage controller 10 determines the gate voltage (V G ) determined in step S606 by the voltage (Z S *I G ) corresponding to the voltage dropped by the gate current detector 60, that is, the gate current, in step S608. ) can output a larger voltage than
  • control apparatus for the electron emitting device also uses a pre-stored gate-cathode voltage (V GC ) and the compensation voltage ( ⁇ V), the proportional constant (Z S ) of the gate current detector 60, the gate current (I G ), and the preset reference voltage (V ref ) to determine the gate voltage (V G ) can
  • the cathode current is detected from the electron emission device 30 according to the determined gate voltage
  • the voltage corresponding to the detected cathode current (Z ref *I CA ), the reference voltage (V ref ), and the compensation voltage ( ⁇ V) are We can determine the gate voltage (V G ) that equals the sum voltage (V ref + ⁇ V).
  • the gate-cathode voltage (V GC ) may be determined according to the difference between the gate voltage (V G ) and the sum voltage (V ref + ⁇ V).
  • the gate-cathode voltage (V GC ) when the initial gate-cathode voltage (V GC ) is higher than necessary due to the characteristics of the electron-emitting device 30, the gate-cathode voltage (V GC ) according to the characteristics of the electron-emitting device 30 is changed in a subsequent process It can be.
  • FIG. 7 is an exemplary diagram showing an example circuit configuration of the gate voltage controller 10 that controls the gate voltage in the electron emission device control device shown in FIG. 5 .
  • the gate voltage controller 10 generating the gate voltage includes a first input node 102 to which a reference voltage V ref and a compensation voltage ⁇ V are input and a cathode current detector 50 It has a second input node 103 to which the output voltage (Z ref *I CA ) of is input, and the output terminal ( A first operational amplifier 110 in which the voltage of 101 is controlled may be provided.
  • a first resistor 214 having a resistance value Z02 for generating the compensation voltage ⁇ V is provided between the reference voltage generator 20 and the first input node 102 connected to each other to receive the reference voltage. may be provided.
  • a detection resistor (Z S ) of the gate current detector 60 for detecting a gate current may be provided between the output terminal 101 of the first operational amplifier 110 and the electron emission device 30 .
  • the second node 101b connected to the electron emission device 30 is connected to the first input node 215a of the second operational amplifier 215 for gate current compensation.
  • a second resistor 212a having a resistance value Z1 may be provided between the second node 101b and the first input node 215a.
  • the first node 101a connected to the output terminal 101 of the first operational amplifier 110 is the second input node 215b of the second operational amplifier 215.
  • a third resistor 212b having a resistance value Z1 may be provided between the first node 101a and the second input node 215b of the second operational amplifier 215 .
  • the second input node 215b of the second operational amplifier 215 is connected to the cathode current detector 50 to receive the voltage detected by the cathode current detector 50 .
  • a fourth resistor 211b having a resistance value Z2 may be provided between the second input node 215b of the second operational amplifier 215 and the cathode current detector 50 .
  • the first input node 215a of the second operational amplifier 215 may be connected to an output terminal of the second operational amplifier 215 .
  • a fifth resistor 211a having a Z2 value may be provided between the first input node 215a of the second operational amplifier 215 and the output terminal of the second operational amplifier 215 .
  • an output terminal of the second operational amplifier 215 may be connected to the first input node 102 of the first operational amplifier 110 .
  • a sixth resistor 213 having a Z01 value may be provided between the output terminal of the second operational amplifier 215 and the first input node 102 of the first operational amplifier 110 .
  • the first to sixth resistors 214, 212a, 212b, 211a, 211b, and 213 may be used to adjust amplification gains of the first operational amplifier 110 and the second operational amplifier 215.
  • a voltage input to the first input node 102 of the first operational amplifier 110 and a voltage applied to the second input node 103 may be equal to V ref + ⁇ V by the resistor 214 .
  • the compensation voltage ⁇ V may have a relationship as shown in Equation 7 below with respect to the resistance values Z01, Z1, and Z2.
  • the compensation voltage ( ⁇ V) becomes Z ref *I G , so the cathode voltage (V CA ) can be V ref + ⁇ V.
  • FIG. 8 is an exemplary view showing another circuit configuration example of the gate voltage controller 10 that controls the gate voltage in the electron emission device control device shown in FIG. 5 .
  • the gate voltage controller 10 generating the gate voltage includes a first input node 102 to which a reference voltage (V ref ) and a compensation voltage ( ⁇ V) are input and a cathode current detector 50 It has a second input node 103 to which the output voltage (Z ref *I CA ) of is input, and the output terminal ( A first operational amplifier 110 in which the voltage of 101 is controlled may be provided.
  • a first resistor 311b having a resistance value Z2 for generating the compensation voltage ⁇ V is provided between the reference voltage generator 20 and the first input node 102 connected to each other to receive the reference voltage. may be provided.
  • a second resistor 311b having a resistance value Z2 may be provided between the second input node 103 connected to the cathode current detector 50 .
  • a detection resistor (Z S ) of the gate current detector 60 for detecting a gate current may be provided between the output terminal 101 of the first operational amplifier 110 and the electron emission device 30 .
  • a second node 101b connected to the electron emission device 30 may be connected to the second input node 103, and the second node 101b and the A third resistor 312a having a resistance value Z1 may be provided between the second input nodes 103 .
  • a first node 101a connected to the output terminal 101 of the first operational amplifier 110 may be connected to the first input node 102.
  • a fourth resistor 312b having a resistance value Z1 may be provided between the first node 101a and the first input node 102 .
  • the voltage (Z S *I G ) detected by the gate current detector 60 may be input to the first node 101a and the second node 102b at both ends of the detection sensor Z S . Then, the voltage input to the first node 101a is adjusted by the fourth resistor 312b having a Z1 value and the first resistor 311b having a Z2 value, so that the first operational amplifier 110 can be input to the input node 102 . Further, the voltage input to the second node 101b is controlled by the third resistor 312a having a Z1 value and the second resistor 311a having a Z2 value, so that the second operational amplifier 110 It can be input to the input node 103.
  • the first operational amplifier 110 may output the gate voltage V G by adjusting the voltage of the output terminal 101 so that the cathode voltage becomes V ref + ⁇ V.
  • the compensation voltage ⁇ V may have a relationship as shown in Equation 8 below with respect to the resistance values Z1 and Z2.
  • the compensation voltage ( ⁇ V) becomes Z ref *I G , so the cathode voltage (V CA ) can be V ref + ⁇ V.
  • the gate voltage controller 10 of the electron-emitting device control device detects the cathode voltage and applies a voltage greater than the detected cathode voltage by the gate-cathode voltage to the electron-emitting device 30.
  • the anode current is constantly controlled. Therefore, when the detected cathode voltage is greater than the gate-cathode voltage (V GC ), there may be a problem in that a voltage greater than the required gate-cathode voltage (V GC ) should be applied to the gate of the electron emission device 30. there is.
  • the anode current (I A ) of the electron emission device 30 may be proportional to the gate current (I G ).
  • the anode current (I A ) and the gate current (I G ) can be expressed as in Equation 9 below.
  • I A is the anode current
  • I G is the gate current
  • ⁇ is the proportionality constant
  • the characteristics of the electron emission device 30 are greater than or equal to the anode current than the gate current ( ), when the proportional constant ( ⁇ ) is less than 1, for example, when the anode current (I A ) is 0.02A and the proportional constant ( ⁇ ) is 0.01, according to Equation 9, the gate current (I G ) is It can be calculated as 2A.
  • the cathode current (I CA ) may be calculated as the sum of the gate current (I G ) and the anode current (I A ), the cathode current (I CA ) may be 2.02A.
  • the resistance value (Z ref ) of the cathode current detection unit 50 is 20 ohm, the cathode current detection unit 50 multiplies 2.02A and the resistance value (Z ref ) by 20 ohm to obtain 40.4V. can be output as a detection voltage corresponding to the cathode current (I CA ).
  • the gate-cathode voltage (V GC ) when the gate-cathode voltage (V GC ) is 10V, the gate-cathode voltage (V GC ) of 10V is added to the detected voltage of 40.4V of the cathode current detector 50 to obtain a gate voltage (V G ) of 50.4V in total. After setting, the set gate voltage (V G ) may be applied to the gate electrode of the electron emission device 30 .
  • the electron emission device 30 when a gate voltage (V G ) higher than the gate-cathode voltage (V GC ) is applied, the electron emission device 30 is turned on and electrons may be emitted from the cathode electrode. That is, when a gate-cathode voltage (V GC ) of 10 V or more is applied as the gate voltage, the electron emission device 30 may be turned on, but when the detected value of the cathode current detector 50 is high, the cathode current detector ( 50) may cause the gate voltage to become higher than necessary. Accordingly, the electron emission device 30 may be driven with an unnecessarily high gate voltage, and in this case, a system based on a high voltage protection design such as high voltage stress may be required.
  • V G gate voltage
  • V GC gate-cathode voltage
  • the cathode current detection unit 50 of the electron emission device control device may further include an amplification unit capable of amplifying the voltage applied to the detection resistance (proportional constant, Z ref ).
  • FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining the configuration of an electron-emitting device control device according to an embodiment of the present invention further including an amplifier 90 capable of amplifying a cathode current detection voltage.
  • the cathode current detector 50 may detect the cathode current according to the amplified voltage applied to the detection resistor Z ref . Therefore, in order to maintain the characteristics of the cathode current (I CA ), the magnitude of the detection resistance (Z ref ), that is, the proportional constant (Z ref ) of the cathode current detector 50 to the cathode current (I CA ) may be reduced. .
  • the anode current (I A ) is 0.02A
  • the gate current (I G ) is 2A (therefore, the cathode current is 2.02A)
  • the power consumption between the gate and the ground is calculated as the sum of the gate power consumption and the power consumption of the cathode current detector 50.
  • the power consumption of the cathode current detection unit 50 is the square of the current (cathode current (I CA )) and the resistance Since it is calculated as the value (Z ref ), (2.02A) 2 * 20 ohm, that is, 81.6 W, it can be calculated as 101.6 W considering the gate power consumption.
  • the power consumption of the cathode current detection unit 50 is calculated by the square of the current (cathode current (I CA )) and the resistance value (Z ref ), so (2.02A) 2 * 0.02 ohm, that is, 0.08 W, it can be calculated as 20.8 W considering the gate power consumption. That is, it can be seen that the efficiency of the electron emission device 30 can be greatly improved when the amplifier 90 is employed.
  • FIG. 10 shows examples of the anode current controlled by the electron-emitting device control device
  • FIG. 10 (a) shows an example of the anode current controlled by the electron-emitting device control device according to an embodiment of the present invention
  • 10(b) is an exemplary diagram showing an example of the anode current controlled in a conventional electron emission device control device.
  • 10 (a) and (b) show that the detection resistance of the cathode current detection unit 50, that is, the detection voltage proportional constant (Z ref ) of the cathode current detection unit 50 to the cathode current is 200 mohm, the reference voltage (V ref ) is assumed to be 200 mV.
  • the anode current may be fixed according to the ratio of the reference voltage (V ref ) to the detection voltage proportional constant (Z ref ) of the cathode current detector 50 . That is, the size of the anode current (I A ) can be fixed as V ref /Z ref regardless of the electron emission device characteristics ( ⁇ ) of the gate current (I G ) with respect to the anode current (I A ). Therefore, as shown in (a) of FIG.
  • the size of the anode current (I A ) can be fixed (1000), and accordingly, the electron-emitting device
  • the amount of X-rays generated can be constant regardless of the characteristic ( ⁇ ).
  • the anode current (I A ) and the gate current (I G ) have a relationship as shown in Equation 9 above. Therefore, as shown in (b) of FIG. 10 , for the same gate current (I G ), the anode current (I A ) may vary depending on the characteristics ( ⁇ ) of the electron emission devices. That is, when the electron emission device characteristics ( ⁇ ) vary from 0.005 to 0.1 as in the above-described example, the anode currents (I A ) may be different (1010). Therefore, a problem may arise that the amount of X-rays generated varies depending on the characteristics ( ⁇ ) of the electron emission device.
  • the above-described control method of the present invention can be implemented as computer readable code on a medium on which a program is recorded.
  • the computer-readable medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable media include Hard Disk Drive (HDD), Solid State Disk (SSD), Silicon Disk Drive (SDD), ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc. , and also includes those implemented in the form of a carrier wave (eg, transmission over the Internet). Therefore, the above detailed description should not be construed as limiting in all respects and should be considered as illustrative. The scope of the present invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
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Abstract

본 발명은 본 발명은 X선을 발생시키는 전자방출소자를 제어하는 장치에 관한 것으로, 적어도 하나의 캐소드(Cathode) 전극과 상기 캐소드 전극과 쌍을 이루는 애노드(Anode) 전극 및, 상기 애노드 전극에 흐르는 전류를 제어하기 위한 게이트(gate) 전극을 적어도 하나 포함하는 전자방출소자와, 기 전자방출소자의 캐소드 전극에 흐르는 전류를 검출하는 캐소드 전류 검출부와, 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부와, 상기 기준 전압과 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압을 입력받고, 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압이 상기 기준 전압과 같아지도록 상기 전자방출소자를 제어하는 게이트 전압을 결정 및, 결정된 게이트 전압을 상기 전자방출소자의 게이트 전극에 인가하는 게이트 전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

X선 발생을 위한 전자방출소자 제어 장치 및 제어 방법
본 발명은 X선을 발생시키는 전자방출소자에 대한 것으로, 애노드 전극의 전류를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 제어 장치 및 제어 방법에 대한 것이다.
일반적으로, X선을 발생시키는 전자방출소자는, 캐소드(cathode) 전극과 애노드(Anode) 전극을 구비하며, 상기 캐소드 전극에서 방출되는 전자가, 고전압이 형성된 애노드 전극에 유도 및 가속하여 상기 애노드 전극에 충돌하는 과정을 통해 X선을 발생시킨다.
여기서 발생된 X선의 양을 결정하는 상기 애노드 전극의 전류(IA)는, 캐소드 전극의 전류(ICA)와 제어 전극(게이트(gate) 전극)을 통해 흘러나가는 전류, 즉 게이트 전류(IG)의 차이에 의해 결정될 수 있다. 즉, 상기 게이트 전류(IG)에 근거하여 상기 애노드 전극의 전류(IA)를 조절할 수 있으며, 상기 애노드 전극의 전류(IA)에 따라 발생되는 X선의 양을 조절할 수 있다.
한편 상기 게이트 전류는 게이트 전극과 캐소드 전극 사이의 전압(이하 게이트-캐소드 전압(VGC))에 따라 결정될 수 있다. 이 경우 상기 게이트-캐소드 전압이 캐소드 전극의 전자방출특성에 따른 전자 방출 요구 전압 이상인 경우 전자방출소자가 턴 온(turn on)되어 캐소드 전극에서 전자가 방출될 수 있다. 반면 게이트-캐소드 전압이 캐소드 전극의 전자방출특성에 따른 전자 방출 요구 전압 미만인 경우 전자방출소자가 턴 온(turn off)되어 캐소드 전극에서 전자가 방출되지 않을 수 있다.
한편 전자방출소자는 높은 전압의 게이트 전압을 이용한다. 따라서 게이트 전압이 한번 결정되면, 결정된 게이트 전압을 고정하는 것이 일반적이다. 따라서 통상적인 전자방출소자의 제어 장치는, 전자 방출을 위해 요구되는 전압차를 형성하기 위해 캐소드 전극의 전압을 제어하는 구성을 가진다.
이 경우 캐소드 전압이 커질수록 게이트-캐소드 전압이 커질 수 있다. 그리고 캐소드 전극의 전자방출특성에 따른 전자 방출 요구 전압 이상이 되는 경우 전자가 방출될 수 있다(턴 온). 이 경우 전자방출소자가 턴 온 되면 애노드 전류와 캐소드 전류에 따른 게이트 전류가 형성될 수 있다. 그리고 애노드 전류가 일정할 때, 게이트-캐소드 전압을 형성하기 위해 캐소드 전극에 인가되는 캐소드 전류와 게이트 전류는 비례하는 구성을 가진다.
한편 전자 방출에 요구되는 전압은 전자방출소자의 특성으로서, 각각의 전자방출소자가 서로 다를 수 있다. 예를 들어 요구 전압이 낮은 전자방출소자의 경우 작은 게이트-캐소드 전압이 형성되는 경우에도 전자가 방출될 수 있고, 그렇지 않은 전자방출소자의 경우 높은 게이트-캐소드 전압이 형성되어야 전자가 방출될 수 있다.
그런데 통상적으로 전자방출소자는 어레이(array)를 형성하여 복수의 전자방출소자가 함께 사용되는 것이 일반적이다. 이에 따라 각각 특성(전자 방출에 요구되는 전압)이 서로 다른 복수의 전자방출소자가 함께 사용될 수 있다.
따라서 함께 사용되는 복수의 전자방출소자에서 모두 전자가 방출될 수 있도록 하기 위해서는, 전자 방출에 요구되는 전압이 가장 높은 전자방출소자의 요구 전압을 기준으로 게이트-캐소드 전압이 결정될 수 있다. 이에 따라 성능이 양호하여 낮은 전압만으로도 전자 방출이 가능한 전자방출소자일지라도 필요 이상의 고전압이 캐소드 전압으로 인가되며, 따라서 전체적으로 불필요한 동작 전압의 상승을 유발한다는 문제가 있다. 이러한 불필요한 고전압은 전자방출소자의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 기기에 고전압 스트레스를 유발하므로, 고전압 스트레스로부터 전자방출소자를 보호할 수 있는 보호 설계가 요구된다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명은 게이트 전압을 조절하여 X선의 발생량을 결정하는 애노드 전류를 일정하게 조절할 수 있는 전자방출소자 제어 장치 및 그 제어 장치의 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전자방출소자의 특성에 따른 게이트-캐소드 전압이 형성되도록 게이트 전압을 조절함으로써, 불필요하게 높은 게이트-캐소드 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있는 전자방출소자 제어 장치 및 그 제어 장치의 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치는, 적어도 하나의 캐소드(Cathode) 전극과 상기 캐소드 전극과 쌍을 이루는 애노드(Anode) 전극 및, 상기 애노드 전극에 흐르는 전류를 제어하기 위한 게이트(gate) 전극을 적어도 하나 포함하는 전자방출소자와, 기 전자방출소자의 캐소드 전극에 흐르는 전류를 검출하는 캐소드 전류 검출부와, 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부와, 상기 기준 전압과 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압을 입력받고, 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압이 상기 기준 전압과 같아지도록 상기 전자방출소자를 제어하는 게이트 전압을 결정 및, 결정된 게이트 전압을 상기 전자방출소자의 게이트 전극에 인가하는 게이트 전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 게이트 전압 제어부는, 상기 기준 전압 보다, 상기 게이트 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 형성되는 게이트-캐소드 전압 만큼 더 큰 전압을 상기 게이트 전압으로 결정하며, 상기 게이트-캐소드 전압은, 상기 캐소드 전극에서 전자 방출을 위해 요구되는 전압 임계치임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 애노드 전극에 흐르는 전류는, 상기 애노드 전극에 흐르는 전류와 상기 게이트 전극에 흐르는 전류가 기 설정된 조건을 만족하는 경우, 상기 기준 전압에 상응하는 전류임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전자방출소자에서 상기 게이트 전극을 통해 흐르는 게이트 전류를 검출하기 위한 게이트 전류 검출부를 더 포함하고, 상기 게이트 전압 제어부는, 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압이, 상기 기준 전압과 상기 게이트 전류에 대한 보상 전압의 합과 같아지도록 상기 전자방출소자를 제어하는 게이트 전압을 결정하며, 상기 보상 전압은, 상기 캐소드 전극에 흐르는 전류에 대한 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 저항(Zref)과 상기 게이트 전류의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압이, 상기 기준 전압과 상기 보상 전압의 합과 같아지도록 하는 게이트 전압은, 상기 기준 전압 보다, 상기 보상 전압, 상기 게이트 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 형성되는 게이트-캐소드 전압, 및 상기 게이트 전류 검출부의 검출 전압을 합한 전압 만큼 더 큰 전압을 상기 게이트 전압으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 애노드 전극에 흐르는 전류는, 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 저항(Zref)에 대한 상기 기준 전압의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 캐소드 전류 검출부와 상기 게이트 전류 검출부는, 홀(hole) 센서, MI(Magneto Impedance) 전류 센서 및, 션트 저항에 의해 강하되는 전압을 전류로 검출하는 전류 센서 중 어느 하나임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 캐소드 전류 검출부는, 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 저항에 걸리는 전압을 증폭시키기 위한 증폭부를 더 포함하고, 상기 게이트 전압 제어부는, 상기 증폭부의 증폭 이득에 의해 상대적으로 낮아진 검출 저항에 근거하여 검출되는 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압에 근거하여 상기 게이트 전압을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 제어 방법은, 상기 캐소드 전극에 흐르는 전류에 상응하는 캐소드 전압을 검출하는 단계와, 기준 전압을 검출하는 단계와, 상기 전자방출소자의 게이트 전극과 상기 캐소드 전극 사이의 전압인 게이트-캐소드 전압과 상기 기준 전압에 근거하여 상기 캐소드 전류 검출 전압이 상기 기준 전압과 같아지도록 하는 게이트 전압을 결정하는 단계 및, 상기 전자 방출을 통해 상기 게이트-캐소드 전압이 강하됨에 따라 상기 기준 전압에 상응하는 전류가 상기 캐소드 전극에 흐르도록, 상기 결정된 게이트 전압을 상기 전자방출소자에 인가하여 상기 전자방출소자를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 게이트-캐소드 전압은, 상기 캐소드 전극에서 전자 방출을 위해 요구되는 전압 임계치임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전자방출소자의 애노드(Anode) 전극에 흐르는 전류는, 상기 애노드 전극에 흐르는 전류와 상기 게이트 전극에 흐르는 전류가 기 설정된 조건을 만족하는 경우, 상기 기준 전압에 상응하는 전류임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 기준 전압을 검출하는 단계는, 상기 게이트 전극을 통해 흐르는 게이트 전류를 검출하는 단계를 더 포함하고, 상기 게이트 전압을 결정하는 단계는, 상기 캐소드 전압이, 상기 게이트 전류에 대한 보상 전압과 상기 기준 전압의 합과 같아지도록 상기 전자방출소자를 제어하는 게이트 전압을 결정하며, 상기 보상 전압은, 상기 캐소드 전류로부터 상기 캐소드 전압을 검출하기 위한 검출 저항(Zref)과 상기 게이트 전류의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 캐소드 전압이, 상기 기준 전압과 상기 보상 전압의 합과 같아지도록 하는 게이트 전압은, 상기 기준 전압 보다, 상기 보상 전압, 상기 게이트-캐소드 전압, 및 상기 게이트 전류에 상응하는 검출 전압을 합한 전압 만큼 더 큰 전압을 상기 게이트 전압으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 캐소드 전압을 검출하는 단계는, 상기 캐소드 전극에 흐르는 전류를 상기 캐소드 전압으로 검출하기 위한 검출 저항(Zref)에 걸리는 전압을 증폭시키는 단계를 더 포함하고, 상기 게이트 전압을 결정하는 단계는, 증폭 이득에 의해 상대적으로 낮아진 상기 검출 저항에 근거하여 검출되는 캐소드 전압에 근거하여 상기 게이트 전압을 결정하는 단계임을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 전자방출소자의 애노드(Anode) 전극에 흐르는 전류는, 상기 캐소드 전극에 흐르는 전류를 상기 캐소드 전압으로 검출하기 위한 검출 저항(Zref)에 대한 상기 기준 전압의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치 및 그 장치의 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 모스펫(MOSFET(Metal oxide semiconductor field effect transistor)) 소자를 전자방출소자의 게이트로 이용함으로써, 보다 낮은 게이트 전압으로 전자방출소자가 턴 온 될 수 있도록 한다. 이에 게이트 전압의 조절이 용이하며, 상기 게이트 전압을 조절하여 애노드 전류를 제어함으로써, 캐소드 전압을 제어할 필요 없이 상기 애노드 전류를 일정하게 조절할 수 있다는 효과가 잇다.
또한 본 발명은 전자방출소자의 특성에 따른 게이트-캐소드 전압에 따라 게이트 전압을 조절하여 애노드 전류를 제어할 수 있도록 한다. 따라서 불필요하게 높은 캐소드 전압을 인가할 필요가 없으므로, 불필요하게 높은 동작 전압 및 고전압 스트레스 등 불필요한 고전압의 인가에 따른 문제를 해결할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치가, 게이트 전압을 제어하여 애노드 전류를 제어하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치에서, 게이트 전압을 제어하는 게이트 전압 제어부의 회로 구성 예를 도시한 예시도이다.
도 5는 애노드 전류보다 게이트 전류가 더 큰 경우에 상기 게이트 전류를 보상하는 구성을 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은, 도 5에서 도시한 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치가, 게이트 전압을 제어하여 애노드 전류를 제어하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 7은, 도 5에서 도시한 전자방출소자 제어 장치에서, 게이트 전압을 제어하는 게이트 전압 제어부의 회로 구성 예를 도시한 예시도이다.
도 8은, 도 5에서 도시한 전자방출소자 제어 장치에서, 게이트 전압을 제어하는 게이트 전압 제어부의 다른 회로 구성 예를 도시한 예시도이다.
도 9는 캐소드 전류 검출 전압을 증폭할 수 있는 증폭기를 더 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치에서 제어되는 애노드 전류와, 통상적인 전자방출소자 제어 장치에서 제어되는 애노드 전류의 예를 도시한 예시도이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다
본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이하에서 설명되는 각각의 실시 예들 뿐만 아니라, 실시 예들의 조합은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물 내지 대체물로서, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 해당될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치는 게이트 전압 제어부(10)와 상기 게이트 전압 제어부(10)에 연결되는 전자방출소자(30), 상기 전자방출소자(30)의 캐소드단 전류(이하 캐소드 전류)를 검출하기 위한 캐소드 전류 검출부(50), 그리고 기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부(20)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 상기 전자방출소자(30)에 인가되는 게이트 전류를 검출하는 게이트 전류 검출부(60) 및 상기 전자방출소자(30)의 애노드 전극에 인가되는 전류(이하 애노드 전류)를 출력하는 애노드 전류 출력부(40)가 상기 게이트 전압 제어부(10)에 더 연결될 수 있다.
도 1에 도시된 구성요소들은 전자방출소자 제어 장치를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 전자방출소자 제어 장치는 위에서 열거된 구성요소들 보다 많거나, 또는 적은 구성요소들을 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 구성요소들 중 전자방출소자(30)는 적어도 하나의 전자방출소자로 구성될 수 있다. 상기 전자방출소자(30)가 복수의 전자방출소자를 포함하는 경우, 상기 복수의 전자방출소자는 어레이를 형성할 수 있다.
따라서 상기 전자방출소자(30)는 전자를 방출하는 적어도 하나의 캐소드 전극을 포함할 수 있으며, 상기 캐소드 전극과 쌍을 이루는 적어도 하나의 애노드 전극을 포함할 수 있다. 그리고 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에서 이동하는 전자의 흐름을 제어하기 위한 적어도 하나의 게이트 전극을 포함할 수 있다.
여기서 게이트 전극에는 상기 게이트 전압 제어부(10)에서 결정되는 게이트 전압이 인가될 수 있다. 그리고 캐소드 전극은, 캐소드 전극과 게이트 전극 사이의 전압차, 즉 게이트-캐소드 전압이 기 설정된 전자방출임계치를 넘는 경우 전자를 방출할 수 있다. 그리고 캐소드 전극에서 방출된 전자는 애노드 전극에 인가된 고전압에 의하여 유도 및 가속되어 상기 애노드 전극에 충돌할 수 있다. 그리고 상기 전자의 충돌을 통해 X선이 발생될 수 있다.
여기서 X선은 전자의 충돌에 의해 발생하기에, 발생되는 X선의 양은 전압보다 전류 크기에 따라 결정된다. 즉, 발생되는 X선의 양은 상기 애노드 전극에 인가되는 애노드 전류(IA)에 따라 결정될 수 있다. 그리고 애노드 전류(IA)는, 캐소드 전극의 전류(ICA)와 게이트 전극을 통해 흘러나가는 전류, 즉 게이트 전류(IG)의 차이에 의해 결정될 수 있다(ICA = IA + IG). 즉, 상기 게이트 전류(IG)에 따라 상기 애노드 전극의 전류(IA)가 조절될 수 있으며, 상기 애노드 전극의 전류(IA)에 따라 발생되는 X선의 양이 조절될 수 있다.
그리고 캐소드 전류 검출부(50)는 상기 전자방출소자(30)의 적어도 하나의 캐소드 전극에 인가되는 전류, 즉 상기 캐소드 전극을 통해 흘러나가는 전류(이하 캐소드 전류)를 검출할 수 있다. 이를 위해 상기 캐소드 전류 검출부(50)는 전류를 검출하기 위해 적어도 하나의 전류 센서를 포함할 수 있다.
상기 캐소드 전류 검출부(50)는 전류 센서로서 다양한 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어 캐소드 전류 검출부(50)는 홀(hole) 센서나 자계 임피던스 효과를 이용한 MI(Magneto Impedance) 전류 센서를 포함할 수 있다. 또는 상기 전류 센서로서 션트 저항을 포함하고, 상기 션트 저항에 의한 전압 강하를 전류로 검출하는 전류 센서를 구비할 수 있다. 이하의 설명에서는 설명의 편의상 상기 캐소드 전류 검출부(50)가 상기 션트 저항을 이용하여 검출되는 전압으로서 상기 캐소드 전류를 검출하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 물론이며, 상기 홀 센서 또는 MI 센서를 통해 검출되는 캐소드 전류의 크기를 이용할 수도 있음은 물론이다. 일 예로 상기 홀 센서 또는 MI 센서의 경우 션트 저항 없이 바로 캐소드 전류를 검출할 수 있으며, 이 경우 기 설정된 값을 가지는 저항(예 : 1 ohm)이 있는 것으로 가정하여, 상기 검출된 캐소드 전류에 대응하는 캐소드 전압을 결정할 수 있다.
한편 게이트 전압 제어부(10)는 상기 전자방출소자(30)의 애노드 전류를 일정하게 할 수 있는 게이트 전압을 결정 및 결정된 게이트 전압을 상기 전자방출소자(30)에 인가할 수 있다. 이를 위해 상기 게이트 전압 제어부(10)는 먼저, 캐소드 전류 검출부(50)를 통해 전자방출소자(30)의 캐소드 전류를 검출할 수 있다. 그리고 상기 캐소드 전류에 대응하는 전압(캐소드 전압)이 기준 전압 생성부(20)에서 생성되는 기준 전압(Vref)이 되도록 하는 게이트 전압을 결정할 수 있다.
이 경우 게이트 전압(VG)과 캐소드 전압(VCA)의 차이가 상기 캐소드 전극에서 전자를 방출시키기 위해 필요한 전압, 즉 게이트-캐소드 전압(VGC)을 형성하므로, 상기 캐소드 전압(VCA)이 상기 기준 전압(Vref)이 되도록 하는 게이트 전압(VG)은 상기 기준 전압(Vref) 보다 상기 게이트-캐소드 전압(VGC)만큼 큰 전압일 수 있다.
즉, 게이트 전압 제어부(10)는 게이트-캐소드 전압(VGC)을 결정하고, 결정된 게이트-캐소드 전압(VGC)과 기준 전압(Vref)을 포함하는 게이트 전압(VG)을 결정 및, 결정된 게이트 전압(VG)을 전자방출소자(30)에 인가함으로써, 상기 기준 전압(Vref)에 대응하는 캐소드 전류(ICA)가 전자방출소자(30)의 캐소드 전극을 통해 흐르도록 상기 전자방출소자(30)를 제어할 수 있다.
이 경우 게이트 전류(IG)가 애노드 전류(IA)에 비하여 충분히 작다고 가정하면, 캐소드 전류(ICA)와 애노드 전류(IA)는 같아지며, 상기 캐소드 전류(ICA)는 기준 전압(Vref)에 상응하는 전류값을 가지므로, 상기 기준 전압(Vref)에 따라 상기 애노드 전류(IA)를 일정하게 제어할 수 있다.
이하 이처럼 게이트 전류(IG)가 애노드 전류(IA)에 비하여 충분히 작은 경우에 적용될 수 있는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성을 하기 도 2 내지 도 4를 참조하여 보다 자세히 살펴보기로 한다.
한편 게이트 전류(IG)가 애노드 전류(IA)에 비하여 충분히 작지 않은 경우, 캐소드 전압(VCA)은 상기 게이트 전류(IG)에 대한 보상 전압(△V)을 포함할 수 있다. 따라서 게이트 전압 제어부(10)는 게이트-캐소드 전압(VGC)을 결정하고, 결정된 게이트-캐소드 전압(VGC)과 기준 전압(Vref), 그리고 상기 보상 전압(△V)을 포함하는 게이트 전압(VG)을 결정 및, 결정된 게이트 전압(VG)을 전자방출소자(30)에 인가함으로써, 상기 기준 전압(Vref)과 보상 전압(△V)을 포함하는 전압에 대응하는 캐소드 전류(ICA)가 전자방출소자(30)의 캐소드 전극을 통해 흐르도록 상기 전자방출소자(30)를 제어할 수 있다.
이 경우 상기 캐소드 전류(ICA)는 기준 전압(Vref)에 따라 결정되는 전류값(기준 전압(Vref)+ 보상 전압(△V)에 상응하는 전류값)을 가지므로, 상기 기준 전압(Vref)에 따라 상기 애노드 전류(IA)를 일정하게 제어할 수 있다.
한편 상기 게이트 전류(IG)에 대한 보상 전압(△V)을 검출하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치는 상기 전자방출소자(30)에서 게이트 전극을 통해 흘러나가는 전류, 즉 게이트 전류(IG)를 검출하기 위한 게이트 전류 검출부(60)를 더 포함할 수 있다.
상기 게이트 전류 검출부(60)는 상기 게이트 전류(IG)를 검출하기 위한 전류 센서로서 다양한 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어 게이트 전류 검출부(60)는 홀 센서나 자계 임피던스 효과를 이용한 MI 전류 센서를 포함할 수 있다. 또는 상기 전류 센서로서 션트 저항을 포함하고, 상기 션트 저항에 의한 전압 강하를 전류로 검출하는 전류 센서를 구비할 수 있다. 이하의 설명에서는 설명의 편의상 상기 게이트 전류 검출부(60)가 상기 션트 저항을 이용하여 검출되는 전압으로서 상기 게이트 전류를 검출하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님은 물론이며, 상기 홀 센서 또는 MI 센서를 통해 검출되는 게이트 전류의 크기를 이용할 수도 있음은 물론이다. 일 예로 상기 홀 센서 또는 MI 센서의 경우 션트 저항 없이 바로 게이트 전류를 검출할 수 있으며, 이 경우 기 설정된 값을 가지는 저항(예 : 1 ohm)이 있는 것으로 가정하여, 상기 검출된 게이트 전류에 대응하는 보상 전압(△V)을 결정할 수 있다.
이하 이처럼 게이트 전류(IG)가 애노드 전류(IA)에 비하여 충분히 작지 않은 경우에 적용될 수 있는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성을 하기 도 5 내지 도 8을 참조하여 보다 자세히 살펴보기로 한다.
한편 요즈음에는 기술의 발달로, 모스펫(MOSFET) 소자와 같이 동작 속도가 빠르고 낮은 동작 전압으로도 동작이 가능하며 대량의 전류를 흘릴 수 있는 게이트 소자가 등장하였다. 이에 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 전자방출소자(30)는, 상기 모스펫 소자 또는 상기 모스펫 소자에 상응하는 게이트 소자를 포함하여, 낮은 게이트 전압으로도 턴 온이 가능할 수 있도록 형성된 전자방출소자일 수 있다. 따라서 보다 용이한 전자방출소자(30)의 게이트 전압 조절이 이루어질 수 있다.
이하에서는, 위에서 살펴본 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성 및 동작을 복수의 개념도 및 흐름도를 통해 보다 자세하게 살펴보기로 한다.
먼저 도 2는 게이트 전류(IG)의 크기가 애노드 전류(IA)에 비하여 충분히 작은 경우에 적용될 수 있는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치를 설명하기 위한 것이다. 그리고 도 3은, 상기 도 2에서 도시한 전자방출소자 제어 장치에서, 게이트 전압을 제어하여 애노드 전류를 제어하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 살펴보면, 먼저 캐소드 전류 검출부(50)는 전자방출소자(30)의 적어도 하나의 캐소드 전극에 흐르는 전류를 검출할 수 있다. 여기서 상기 캐소드 전류 검출부(50)가 션트 저항을 이용하여 전류를 검출하는 방식인 경우, 상기 캐소드 전류 검출부(50)는 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 저항(Zref)과 캐소드 전류(ICA)를 곱한 값(Zref*ICA)으로, 상기 캐소드 전류(ICA)에 상응하는 전압(캐소드 전압(VCA))을 검출할 수 있다(S300). 여기서 상기 캐소드 전류 검출 저항(Zref)은 고정된 값을 가지므로, 상기 캐소드 전류 검출 저항(Zref)은 상기 캐소드 전류(ICA)에 대한 캐소드 전류 검출부(50)의 비례 상수로 생각될 수 있다.
한편 캐소드 전류 검출부(50)를 통해 캐소드 전압이 검출되면, 게이트 전압 제어부(10)는 기준 전압 생성부(20)에서 생성되는 기준 전압(Vref)을 검출할 수 있다(S302). 그리고 검출된 캐소드 전압(VCA)과 상기 기준 전압(Vref)이 같아지도록 하는 게이트 전압(VG)을 결정할 수 있다(S304). 그리고 결정된 게이트 전압(VG)을 전자방출소자(30)의 게이트 전극에 인가할 수 있다(S306).
여기서 캐소드 전압(VCA)은 게이트 전압(VG)과 게이트-캐소드 전압(VGC)의 차이에 대응한다. 즉, 캐소드 전압(VCA)과 게이트-캐소드 전압(VGC)의 합이 게이트 전압(VG)이 되므로(VCA + VGC = VG), 캐소드 전압(VCA)과 상기 기준 전압(Vref)이 같아지도록 하는 게이트 전압(VG)은 하기 수학식 1과 같이 상기 기준 전압(Vref)보다 게이트-캐소드 전압(VGC) 만큼 더 큰 전압일 수 있다.
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000001
여기서, VG는 게이트 전압, VGC는 게이트-캐소드 전압, Vref는 기준 전압임.
따라서 상기 수학식 1에 따른 게이트 전압(VG)이 전자방출소자(30)의 게이트 전극에 인가되면, 게이트 전극에는 캐소드 전극에서 전자 방출을 위해 필요한 전압, 즉 게이트-캐소드 전압(VGC) 보다 기준 전압(Vref)만큼 높은 전압이 인가되고, 캐소드 전극에서는 전자가 방출될 수 있다. 그리고 전자가 방출되는데 소요되고 남은 전압이 캐소드 전극에 인가될 수 있다. 즉 게이트 전압(VG)에서 전자 방출을 위해 소요된 전압(게이트-캐소드 전압(VGC))이 강하된 전압이 캐소드 전극에 인가될 수 있으며, 이에 따라 캐소드 전극에는 기준 전압(Vref)이 인가될 수 있다. 따라서 기준 전압(Vref)이 하기 수학식 2와 같이 캐소드 전압(VCA)이 될 수 있다.
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000002
여기서, Vref는 기준 전압, ICA는 캐소드 전류, Zref는 캐소드 전류에 대한 캐소드 전류 검출부의 비례 상수임.
한편, 캐소드 전류(ICA)는 하기 수학식 3과 같은 관계를 가지므로, 상기 가정한 바와 같이 게이트 전류(IG)가 애노드 전류(IA)에 비하여 충분히 작은 경우에는 하기 수학식 4와 같은 관계가 형성될 수 있다.
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000003
여기서, ICA는 캐소드 전류, IA는 애노드 전류이고, IG는 게이트 전류임.
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000004
여기서, ICA는 캐소드 전류, IA는 애노드 전류, IG는 게이트 전류이고, Vref는 기준 전압, Zref는 캐소드 전류에 대한 캐소드 전류 검출부의 비례 상수임.
따라서 상기 가정한 바와 같이 게이트 전류(IG)가 애노드 전류(IA)에 비하여 충분히 작아서 무시가 가능한 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 게이트 전압 제어부(10)는 전자방출소자(30)에 인가되는 게이트 전압을 조절하여 애노드 전류(IA)를 기준 전압(Vref)에 상응하는 전류로 조절할 수 있다. 즉, 게이트 전압 제어부(10)는 기준 전압 생성부(20)를 제어하여 기준 전압(Vref)을 제어함으로써 애노드 전류(IA)를 제어할 수 있으며, 이 경우 상기 애노드 전류(IA)는 전자방출소자(30)에서 방출되는 X선의 양을 결정하므로, 상기 게이트 전압 제어부(10)는 기준 전압 생성부(20)를 제어함으로써, 전자방출소자(30)에서 방출되는 X선의 양을 조절할 수 있다.
한편 상기 게이트 전압 제어부(10)는 캐소드 전압(VCA)과 기준 전압(Vref)이 같아지도록, 연산 증폭기를 포함하여 구성될 수 있다. 도 4는 이처럼 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치에서, 연산 증폭기를 포함하는 게이트 전압 제어부의 회로 구성 예를 도시한 예시도이다.
도 4를 참조하여 살펴보면, 상기 연산 증폭기(110)는 기준 전압을 입력받는 제1 입력 노드(102)와, 캐소드 전압(VCA), 즉 캐소드 전류 검출부(50)에서 검출되는 전압(Zref*ICA)을 입력받는 제2 입력 노드(103)를 구비할 수 있다. 그리고 게이트 전압 제어부(10)는 상기 제1 입력 노드(102)의 입력 전압과 상기 제2 입력 노드(103)의 입력 전압이 같아지도록 출력단(101)의 전압을 제어할 수 있다. 이 경우 상기 제1 입력 노드(102)의 입력 전압과 상기 제2 입력 노드(103)의 입력 전압이 같아지도록 상기 출력단(101)에 인가되는 전압이, 상기 게이트 전압(VG)일 수 있다. 이 경우 상기 게이트 전압(VG)과 기준 전압(Vref)의 차이가 게이트-캐소드 전압(VGC)이 될 수 있다. 즉, 캐소드 전류 검출부(50)에서 검출되는 캐소드 전압(VCA)과 게이트 전압(VG)에 따라 게이트-캐소드 전압(VGC)이 결정될 수 있다.
한편 상기 게이트 전압 제어부(10)는 MCU(Micro Control Unit)을 활용한 디지털 회로로 구성될 수 있다. 또한 상술한 설명에서는 캐소드 전류 검출부(50)가 션트 저항을 이용하는 예를 들었으나 홀 센서 또는 MI 센서 등을 통해 캐소드 전류가 검출될 수도 있음은 물론이다. 이 경우 캐소드 전류 검출부(50)의 비례 상수(Zref)는 임의로 결정될 수 있으며, 1 ohm으로 가정하는 경우, 캐소드 전류(ICA)와 캐소드 전압(VCA)은 같은 값을 가질 수 있다.
한편 상기 도 2 내지 도 4에서 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치는 최초 전자방출소자(30) 제어 시 즉 검출된 캐소드 전류가 없는 경우에는 미리 저장된 게이트-캐소드 전압(VGC)과 기 설정된 기준 전압(Vref)에 따라 게이트 전압(VG)을 결정할 수 있다. 그리고 결정된 게이트 전압에 따라 전자방출소자(30)로부터 캐소드 전류가 검출되면, 검출된 캐소드 전류에 상응하는 전압과 상기 기준 전압(Vref)을 같게 만드는 게이트 전압(VG)을 결정할 수 있다. 그리고 게이트 전압(VG)과 기준 전압(Vref)의 차이에 따라 게이트-캐소드 전압(VGC)을 결정할 수 있다. 따라서 초기 게이트-캐소드 전압(VGC)이 전자방출소자(30)의 특성상 필요 이상의 고전압인 경우, 이후의 과정에서 상기 전자방출소자(30)의 특성에 따른 게이트-캐소드 전압(VGC)으로 변경될 수 있다.
한편 상술한 도 2 내지 도 4는 게이트 전류가 애노드 전류에 비하여 충분히 작은 경우를 가정한 것이다. 그러나 게이트 전류가 위의 조건을 만족하지 아니하는 경우가 있을 수 있다.
일 예로 상술한 바와 같이 전자방출소자(30)가 모스펫 소자와 같은 게이트 소자를 이용하는 경우라면, 낮은 게이트 전류에도 동작이 가능한 모스펫 소자의 특성 상 게이트 전압은 애노드 전압에 비하여 충분히 작을 수 있다. 그러나 전자방출소자(30)가 모스펫 소자와 같은 게이트 소자를 이용하지 않는 경우, 게이트 전류는 상당이 클 수 있으며, 심지어 애노드 전류보다 더 큰 값을 가질 수 있다. 이 경우 상기 게이트 전류에 의한 전압을 보상할 필요가 있다. 이하 하기 도 5 내지 도 8은 이처럼 게이트 전류가, 애노드 전류에 비하여 그 크기를 무시할 수 있을 정도로 작지 않은 경우를 가정한 것이다.
먼저 도 5는 상술한 가정에 따라 상기 게이트 전류를 보상하는 구성을 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 개념도이다. 그리고 도 6은, 도 5에서 도시한 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치가, 게이트 전압을 제어하여 애노드 전류를 제어하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5 및 도 6을 참조하여 살펴보면, 먼저 캐소드 전류 검출부(50)는 전자방출소자(30)의 적어도 하나의 캐소드 전극에 흐르는 전류를 검출할 수 있다. 여기서 상기 캐소드 전류 검출부(50)가 션트 저항을 이용하여 전류를 검출하는 방식인 경우, 상기 캐소드 전류 검출부(50)는 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 저항(Zref)과 캐소드 전류(ICA)를 곱한 값(Zref*ICA)으로, 상기 캐소드 전류(ICA)에 상응하는 전압(캐소드 전압(VCA))을 검출할 수 있다(S600). 여기서 상기 캐소드 전류 검출 저항(Zref)은 고정된 값을 가지므로, 상기 캐소드 전류 검출 저항(Zref)은 상기 캐소드 전류(ICA)에 대한 캐소드 전류 검출부(50)의 비례 상수로 생각될 수 있다.
한편 캐소드 전류 검출부(50)를 통해 캐소드 전류에 상응하는 전압이 검출되면, 게이트 전압 제어부(10)는 게이트 전류 검출부(60)를 통해 전자방출소자(30)의 게이트 전극으로부터 캐소드 전극으로 흐르는 게이트 전류(IG)를 검출할 수 있다(S602). 여기서 상기 게이트 전류(IG)는 전자방출소자(30)의 게이트 전극에 인가되는 전류일 수 있다.
여기서 상기 게이트 전류 검출부(60)가 션트 저항을 이용하여 전류를 검출하는 방식인 경우, 상기 게이트 전류 검출부(60)는 게이트 전류 검출부(60)의 검출 저항(ZS)과 게이트 전류(IG)를 곱한 값(ZS*IG)으로, 상기 게이트 전류(IG)에 상응하는 전압을 검출할 수 있다(S600). 여기서 상기 게이트 전류 검출 저항(ZS)은 고정된 값을 가지므로, 상기 게이트 전류 검출 저항(ZS)은 상기 게이트 전류(IG)에 대한 게이트 전류 검출부(60)의 비례 상수로 생각될 수 있다.
한편 캐소드 전류 검출부(50)를 통해 캐소드 전압이 검출 및 게이트 전류 검출부(60)를 통해 게이트 전류에 상응하는 전압이 검출되면, 게이트 전압 제어부(10)는 기준 전압 생성부(20)에서 생성되는 기준 전압(Vref)을 검출할 수 있다(S604). 그리고 게이트 전압 제어부(10)는 상기 S600 단계에서 검출된 캐소드 전압(VCA = Zref*ICA)이, 검출된 기준 전압(Vref)과 상기 게이트 전류(IG)에 의한 보상 전압(△V)의 합 전압(Vref + △V)이 되도록 하는 게이트 전압(VG)을 결정할 수 있다(S606).
여기서 상기 게이트 전류(IG)에 의한 보상 전압(△V)은 게이트 전류(IG)를 보상하기 위해 게이트 전류(IG)에 비례하는 전압으로, 하기 수학식 5와 같이 게이트 전류 검출부(60)의 검출값(게이트 전류에 상응하는 전압값) ZS*IG에 비례하는 값을 가진다.
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000005
여기서, △V는 게이트 전류에 따른 보상 전압, ZS는 게이트 전류 검출부(60)의 비례 상수, IG는 게이트 전류, 상기 보상 전압(△V)과 게이트 전류 검출부의 검출값(ZS*IG)의 비례 상수임.
여기서, 상기 보상 전압(△V)과 게이트 전류 검출부(60)의 검출값(ZS*IG)의 비례 상수(G)는 게이트 전류 검출부(60)의 저항값(비례 상수, ZS)에 대한 캐소드 전류 검출부(50)의 저항값(비례 상수, Zref)의 비율(G = Zref / ZS)이므로, 상기 보상 전압(△V)은 캐소드 전류 검출부(50)의 저항값(비례 상수, Zref)과 게이트 전류(IG)의 곱(Zref*IG)로 나타낼 수 있다.
그러므로 상기 기준 전압(Vref)과 상기 보상 전압(△V)의 합 전압(Vref + △V)은, 캐소드 전류 검출부(50)의 비례 상수(Zref)와 게이트 전류(IG)의 곱(Zref*IG)에 기준 전압(Vref)을 합한 전압, 즉 Vref + Zref*IG이 될 수 있다.
한편 상기 S606 단계에서 게이트 전압 제어부(10)는, 캐소드 전압(VCA = Zref*ICA)이, 기준 전압(Vref)과 보상 전압(△V)의 합 전압(Vref + △V)이 되도록 하므로, 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000006
여기서, Zref는 캐소드 전류 검출부(50)의 비례 상수, ICA는 캐소드 전류, Vref는 기준 전압, IG는 게이트 전류임.
한편 상기 수학식 3에 따르면, 캐소드 전류(ICA)는 게이트 전류(IG)와 애노드 전류(IA)의 합이므로, 상기 수학식 6과 상기 수학식 3에 의하여 애노드 전류(IA)는 Vref/Zref, 즉 고정된 캐소드 전류 검출부(50)의 저항(비례 상수 Zref)에 대한 기준 전압(Vref)의 크기로 결정될 수 있다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 게이트 전압 제어부(10)는 전자방출소자(30)에 인가되는 게이트 전압을 조절하여 애노드 전류(IA)를 기준 전압(Vref)에 따른 전류로 조절할 수 있다. 즉, 게이트 전압 제어부(10)는 기준 전압 생성부(20)를 제어하여 기준 전압(Vref)을 제어함으로써 애노드 전류(IA)를 제어할 수 있으며, 이 경우 상기 애노드 전류(IA)는 전자방출소자(30)에서 방출되는 X선의 양을 결정하므로, 상기 게이트 전압 제어부(10)는 기준 전압 생성부(20)를 제어함으로써, 전자방출소자(30)에서 방출되는 X선의 양을 조절할 수 있다.
한편 게이트 전압 제어부(10)는 상기 S606 단계에서 결정된 게이트 전압(VG)이 전자방출소자(30)의 게이트 전극에 인가되도록 하는 전압을 출력할 수 있다(S608). 이 경우 게이트 전압 제어부(10)에서 출력되는 전압(VGO)은 상기 게이트 전류 검출부(60)에서 게이트 전류 검출을 위해 강하되는 전압을 고려하여 결정될 수 있다. 따라서 게이트 전압 제어부(10)는 상기 S608 단계에서, 상기 게이트 전류 검출부(60)에서 강하되는 전압, 즉 게이트 전류에 상응하는 전압(ZS*IG) 만큼 상기 S606 단계에서 결정된 게이트 전압(VG)보다 더 큰 전압을 출력할 수 있다.
한편 상기 도 5 내지 도 6에서 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치 역시, 최초 전자방출소자(30) 제어 시 즉 검출된 캐소드 전류가 없는 경우에는 미리 저장된 게이트-캐소드 전압(VGC)과 보상 전압(△V), 그리고 게이트 전류 검출부(60)의 비례 상수(ZS) 및 게이트 전류(IG), 그리고 기 설정된 기준 전압(Vref)에 따라 게이트 전압(VG)을 결정할 수 있다.
그리고 결정된 게이트 전압에 따라 전자방출소자(30)로부터 캐소드 전류가 검출되면, 검출된 캐소드 전류에 상응하는 전압(Zref*ICA)과 상기 기준 전압(Vref)과 보상 전압(△V)의 합 전압(Vref + △V)을 같게 만드는 게이트 전압(VG)을 결정할 수 있다. 그리고 게이트 전압(VG)과 상기 합 전압(Vref + △V)의 차이에 따라 게이트-캐소드 전압(VGC)을 결정할 수 있다. 따라서 초기 게이트-캐소드 전압(VGC)이 전자방출소자(30)의 특성상 필요 이상의 고전압인 경우, 이후의 과정에서 상기 전자방출소자(30)의 특성에 따른 게이트-캐소드 전압(VGC)으로 변경될 수 있다.
한편 도 7은, 도 5에서 도시한 전자방출소자 제어 장치에서, 게이트 전압을 제어하는 게이트 전압 제어부(10)의 회로 구성 예를 도시한 예시도이다.
도 7을 참조하여 살펴보면, 상기 게이트 전압을 발생시키는 게이트 전압 제어부(10)는 기준 전압(Vref)과 보상 전압(△V)이 입력되는 제1 입력 노드(102)와 캐소드 전류 검출부(50)의 출력 전압(Zref*ICA)이 입력되는 제2 입력 노드(103)를 구비하며, 상기 제1 입력 노드(102)와 제2 입력 노드(103)로 입력되는 전압들이 서로 같아지도록 출력단(101)의 전압이 제어되는 제1 연산 증폭기(110)를 구비할 수 있다.
여기서 기준 전압을 입력받기 위해 서로 연결된 기준 전압 생성부(20)와 상기 제1 입력 노드(102) 사이에는 상기 보상 전압(△V)을 생성하기 위한 저항값 Z02를 가지는 제1 저항(214)이 구비될 수 있다.
한편 상기 제1 연산 증폭기(110)의 출력단(101)과 전자방출소자(30) 사이에는 게이트 전류 검출을 위한 게이트 전류 검출부(60)의 검출 저항(ZS)이 구비될 수 있다. 그리고 상기 검출 저항(ZS)의 양단 중, 전자방출소자(30)와 연결되는 제2 노드(101b)는 게이트 전류 보상을 위한 제2 연산 증폭기(215)의 제1 입력 노드(215a)와 연결될 수 있으며, 상기 제2 노드(101b)와 상기 제1 입력 노드(215a) 사이에는 저항값 Z1을 가지는 제2 저항(212a)이 구비될 수 있다.
한편 상기 검출 저항(ZS)의 양단 중, 상기 제1 연산 증폭기(110)의 출력단(101)에 연결되는 제1 노드(101a)는 상기 제2 연산 증폭기(215)의 제2 입력 노드(215b)에 연결될 수 있다. 그리고 상기 제1 노드(101a)와 상기 제2 연산 증폭기(215)의 제2 입력 노드(215b) 사이에는 저항값 Z1을 가지는 제3 저항(212b)이 구비될 수 있다.
여기서 상기 제2 연산 증폭기(215)의 제2 입력 노드(215b)는 상기 캐소드 전류 검출부(50)와 연결되어, 상기 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 전압을 입력받을 수 있다. 이 경우 상기 제2 연산 증폭기(215)의 제2 입력 노드(215b)는 상기 캐소드 전류 검출부(50) 사이에는 저항값 Z2를 가지는 제4 저항(211b)이 구비될 수 있다.
한편 상기 제2 연산 증폭기(215)의 제1 입력 노드(215a)는 상기 제2 연산 증폭기(215)의 출력단과 연결될 수 있다. 이 경우 상기 제2 연산 증폭기(215)의 제1 입력 노드(215a)와 상기 제2 연산 증폭기(215)의 출력단 사이에는Z2 값을 갖는 제5 저항(211a)이 구비될 수 있다. 그리고 상기 제2 연산 증폭기(215)의 출력단은 상기 제1 연산 증폭기(110)의 제1 입력 노드(102)에 연결될 수 있다. 이 경우 상기 제2 연산 증폭기(215)의 출력단과 상기 제1 연산 증폭기(110)의 제1 입력 노드(102) 사이에는 Z01 값을 가지는 제6 저항(213)이 구비될 수 있다.
여기서 상기 제1 저항 내지 제6 저항(214, 212a, 212b, 211a, 211b, 213)들은 제1 연산 증폭기(110)와 제2 연산 증폭기(215)의 증폭 이득을 조절하기 위한 것일 수 있다. 그리고 상기 Z1 값을 가지는 제2 저항(212a) 및 제3 저항(212b), Z2 값을 가지는 제4 저항(211a)과 제5 저항(211b), Z01 값을 가지는 제1 저항(213)과 제6 저항(214)에 의해 제1 연산 증폭기(110)의 제1 입력 노드(102)에 입력되는 전압과 제2 입력 노드(103)에 인가되는 전압이 Vref + △V로 같아질 수 있다. 이 경우 상기 보상 전압(△V)은 상기 저항값들(Z01, Z1, Z2)에 대해 하기 수학식 7과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000007
여기서,
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000008
를 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 저항(Zref)로 설정하면, 보상 전압(△V)은 Zref*IG가 되므로, 캐소드 전압(VCA)은 Vref + △V가 될 수 있다.
도 8은, 도 5에서 도시한 전자방출소자 제어 장치에서, 게이트 전압을 제어하는 게이트 전압 제어부(10)의 다른 회로 구성 예를 도시한 예시도이다.
도 8을 참조하여 살펴보면, 상기 게이트 전압을 발생시키는 게이트 전압 제어부(10)는 기준 전압(Vref)과 보상 전압(△V)이 입력되는 제1 입력 노드(102)와 캐소드 전류 검출부(50)의 출력 전압(Zref*ICA)이 입력되는 제2 입력 노드(103)를 구비하며, 상기 제1 입력 노드(102)와 제2 입력 노드(103)로 입력되는 전압들이 서로 같아지도록 출력단(101)의 전압이 제어되는 제1 연산 증폭기(110)를 구비할 수 있다.
여기서 기준 전압을 입력받기 위해 서로 연결된 기준 전압 생성부(20)와 상기 제1 입력 노드(102) 사이에는 상기 보상 전압(△V)을 생성하기 위한 저항값 Z2를 가지는 제1 저항(311b)이 구비될 수 있다. 그리고 캐소드 전류 검출부(50)와 연결되는 제2 입력 노드(103) 사이에는 저항값 Z2를 가지는 제2 저항(311b)이 구비될 수 있다.
한편 상기 제1 연산 증폭기(110)의 출력단(101)과 전자방출소자(30) 사이에는 게이트 전류 검출을 위한 게이트 전류 검출부(60)의 검출 저항(ZS)이 구비될 수 있다. 그리고 상기 검출 저항(ZS)의 양단 중, 전자방출소자(30)와 연결되는 제2 노드(101b)는 상기 제2 입력 노드(103)와 연결될 수 있으며, 상기 제2 노드(101b)와 상기 제2 입력 노드(103) 사이에는 저항값 Z1을 가지는 제3 저항(312a)이 구비될 수 있다.
한편 상기 검출 저항(ZS)의 양단 중, 상기 제1 연산 증폭기(110)의 출력단(101)에 연결되는 제1 노드(101a)는 상기 제1 입력 노드(102)에 연결될 수 있다. 그리고 상기 제1 노드(101a)와 상기 제1 입력 노드(102) 사이에는 저항값 Z1을 가지는 제4 저항(312b)이 구비될 수 있다.
이 경우 게이트 전류 검출부(60)에서 검출되는 전압(ZS*IG)은 상기 검출 센서(ZS) 양단의 제1 노드(101a)와 제2 노드(102b)로 입력될 수 있다. 그러면 제1 노드(101a)에 입력된 전압은 Z1 값을 가지는 제4 저항(312b)과, Z2 값을 가지는 제1 저항(311b)에 의해 전압이 조절되어 제1 연산 증폭기(110)의 제1 입력 노드(102)에 입력될 수 있다. 그리고 제2 노드(101b)에 입력된 전압은 Z1 값을 가지는 제3 저항(312a)과, Z2 값을 가지는 제2 저항(311a)에 의해 전압이 조절되어 제1 연산 증폭기(110)의 제2 입력 노드(103)에 입력될 수 있다. 그리고 제1 연산 증폭기(110)는 캐소드 전압이 Vref + △V가 되도록 출력단(101)의 전압을 조절하여 게이트 전압(VG)을 출력할 수 있다. 여기서 보상 전압(△V)은 상기 저항값들(Z1, Z2)에 대해 하기 수학식 8과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000009
여기서,
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000010
를 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 저항(Zref)로 설정하면, 보상 전압(△V)은 Zref*IG가 되므로, 캐소드 전압(VCA)은 Vref + △V가 될 수 있다.
한편 상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 게이트 전압 제어부(10)는 캐소드 전압을 검출하고 검출된 캐소드 전압보다 게이트-캐소드 전압만큼 더 큰 전압을 전자방출소자(30)의 게이트 전압으로 인가함으로써 애노드 전류를 일정하게 제어한다. 따라서 검출되는 캐소드 전압이 게이트-캐소드 전압(VGC)보다 큰 경우, 상기 전자방출소자(30)의 게이트에, 요구되는 게이트-캐소드 전압(VGC)보다 큰 전압을 인가하여야 하는 문제가 있을 수 있다.
전자방출소자(30)의 애노드 전류(IA)는 게이트 전류(IG)에 비례할 수 있다. 이 경우 상기 애노드 전류(IA)와 게이트 전류(IG)는 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000011
여기서, IA는 애노드 전류, IG는 게이트 전류, 그리고 β는 비례 상수임.
이 경우, 상기 전자방출소자(30)의 특성이 게이트 전류 보다 애노드 전류가 크거나 같고(
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000012
), 상기 비례 상수(β)가 1보다 작은 경우, 예를 들어 애노드 전류(IA)가 0.02A이고, 비례 상수(β)가 0.01인 경우 상기 수학식 9에 의하여 게이트 전류(IG)는 2A로 산출될 수 있다.
이러한 경우, 캐소드 전류(ICA)는 게이트 전류(IG)와 애노드 전류(IA)의 합으로 산출될 수 있으므로, 캐소드 전류(ICA)는 2.02A 일 수 있다. 한편 캐소드 전류 검출부(50)의 저항값(Zref)이 20 ohm 인 경우 캐소드 전류 검출부(50)는, 캐소드 전류(ICA)는 2.02A에 저항값(Zref)이 20 ohm을 곱하여 40.4V를 캐소드 전류(ICA)에 상응하는 검출 전압으로 출력할 수 있다.
한편 게이트-캐소드 전압(VGC)이 10V인 경우, 상기 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 전압 40.4V에 게이트-캐소드 전압(VGC) 10V를 합하여, 총 50.4V의 게이트 전압(VG)을 설정하고, 설정된 게이트 전압(VG)을 전자방출소자(30)의 게이트 전극에 인가할 수 있다.
그런데 상술한 바와 같이, 게이트-캐소드 전압(VGC) 보다 높은 게이트 전압(VG)이 인가되면, 전자방출소자(30)가 턴 온 되어 캐소드 전극에서 전자 방출이 발생할 수 있다. 즉 게이트-캐소드 전압(VGC)인 10V 이상의 전압이 게이트 전압으로 인가되는 경우 전자방출소자(30)가 턴 온 될 수 있으나, 캐소드 전류 검출부(50)의 검출값이 높을 경우 상기 캐소드 전류 검출부(50)의 높은 검출값에 의해 게이트 전압이 필요 이상으로 높아질 수 있다. 따라서 불필요하게 높은 게이트 전압으로 전자방출소자(30)가 구동될 수 있으며, 이러한 경우 고압 스트레스 등 고전압 보호 설계에 따른 시스템이 요구될 수 있다.
이에 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 캐소드 전류 검출부(50)는, 검출 저항(비례상수, Zref)에 걸리는 전압을 증폭할 수 있는 증폭부를 더 포함할 수 있다.
도 9는 이처럼 캐소드 전류 검출 전압을 증폭할 수 있는 증폭기(90)를 더 포함하는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
이 경우 증폭부를 통해 상기 검출 저항(Zref)에 걸리는 전압이 증폭되면, 캐소드 전류 검출부(50)는 검출 저항(Zref)에 걸린 증폭 전압에 따라 캐소드 전류를 검출할 수 있다. 따라서 캐소드 전류(ICA)의 특성을 유지하기 위해 상기 검출 저항(Zref)의 크기, 즉 캐소드 전류(ICA)에 대한 캐소드 전류 검출부(50)의 비례 상수(Zref)가 작아질 수 있다. 따라서 작아진 비례 상수(Zref)와 캐소드 전류(ICA)의 곱에 따라 상기 캐소드 전류(ICA)에 상응하는 전압이 검출 및 출력(Zref*ICA)되므로 게이트 전압이 필요 이상의 고전압으로 결정되는 문제점을 해결할 수 있다.
예를 들어 상술한 가정과 같이, 애노드 전류(IA)가 0.02A이고, 게이트 전류(IG)는 2A(그러므로 캐소드 전류는 2.02A), 캐소드 전류 검출부(50)의 저항값(Zref)이 20 ohm 인 경우, 상기 증폭기(90)의 증폭 이득(A)이 100이라고 가정하면, 캐소드 전류(ICA)의 특성을 유지하기 위해 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 저항, 즉 비례 상수(Zref)의 크기는 1/100로 감소되어 0.2가 될 수 있다(Zref = 0.2 ohm).
그러면 캐소드 전류 검출부(50)에서 검출되는 캐소드 전류(ICA)에 상응하는 전압(VCA)은 0.2 * 2.02 = 0.404V 가 되고, 이 경우 게이트-캐소드 전압(VGC)이 10V인 경우, 게이트 전압 제어부(10)는 10 + 0.404, 즉 10.404V로 게이트 전압(VG)을 결정할 수 있다. 즉, 턴 온 전압인 게이트-캐소드 전압(VGC)에 근접한 전압으로 전자방출소자(30)의 게이트 전압이 결정될 수 있음을 알 수 있다.
이 경우, 전자방출소자(30)의 효율, 즉 게이트-그라운드 간 소비 전력을 살펴보면, 게이트-그라운드 간 소비 전력(W)은 게이트 소비 전력과 캐소드 전류 검출부(50)의 소비 전력의 합으로 산출될 수 있다.
여기서 게이트 소비 전력은 게이트-캐소드 전압(VCG)과 게이트 전류(IG)에 따라 산출될 수 있으므로, 상술한 가정의 경우 게이트 소비 전력은 10 * 2 = 20W로 증폭부(90)를 채용한 경우와 그렇지 않은 경우가 동일할 수 있다.
그러나 캐소드 전류 검출부(50)의 소비 전력을 비교하여 보면, 먼저 증폭부(90)를 채용하지 않은 경우, 캐소드 전류 검출부(50)의 소비 전력은 전류(캐소드 전류(ICA))의 제곱과 저항값(Zref)으로 산출되므로, (2.02A)2 * 20 ohm, 즉 81.6 W, 게이트 소비 전력을 감안할 때 101.6W로 산출될 수 있다. 반면 증폭부(90)를 채용한 경우, 캐소드 전류 검출부(50)의 소비 전력은 전류(캐소드 전류(ICA))의 제곱과 저항값(Zref)으로 산출되므로, (2.02A)2 * 0.02 ohm, 즉 0.08W, 게이트 소비 전력을 감안할 때 20.8W로 산출될 수 있다. 즉, 증폭부(90)를 채용할 때 전자방출소자(30)의 효율이 크게 개선될 수 있음을 알 수 있다.
한편 도 10은 전자방출소자 제어 장치에서 제어되는 애노드 전류의 예들을 도시한 것으로, 도 10의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 전자방출소자 제어 장치에서 제어되는 애노드 전류의 예를, 도 10의 (b)는 통상적인 전자방출소자 제어 장치에서 제어되는 애노드 전류의 예를 도시한 예시도이다. 도 10의 (a) 및 (b)는 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 저항, 즉 캐소드 전류에 대한 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 전압 비례 상수(Zref)는 200 mohm, 기준 전압(Vref)은 200 mV임을 가정하기로 한다.
먼저 도 10의 (a)를 참조하여 살펴보면, 본 발명이 적용된 전자방출소자 제어 장치의 경우, 상기 수학식 6에서 보인 바와 같이,
Figure PCTKR2021017348-appb-img-000013
이므로, 애노드 전류는 상기 캐소드 전류 검출부(50)의 검출 전압 비례 상수(Zref)에 대한 기준 전압(Vref)의 비에 따라 고정될 수 있다. 즉, 애노드 전류(IA)에 대한 게이트 전류(IG)의 전자방출소자 특성(β)과 상관없이 Vref/Zref로 애노드 전류(IA)의 크기가 고정될 수 있다. 따라서 도 10의 (a)에서 보이고 있는 바와 같이 전자방출소자 특성(β)이 0.005 ~ 0.1로 다른 경우에도 애노드 전류(IA)의 크기는 고정(1000)될 수 있으며, 이에 따라 전자방출소자의 특성(β)에 상관없이 발생되는 X선의 양이 일정할 수 있다.
그러나 본 발명이 적용되지 않는 경우, 애노드 전류(IA)와 게이트 전류(IG)는 상기 수학식 9와 같은 관계를 가진다. 따라서 도 10의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이, 동일한 게이트 전류(IG)에 대하여, 애노드 전류(IA)가 전자방출소자의 특성(β)에 따라 서로 달라질 수 있다. 즉, 상술한 예와 같이 전자방출소자 특성(β)이 0.005 ~ 0.1로 달라지는 경우, 애노드 전류(IA)가 서로 달라질 수 있다(1010). 따라서 전자방출소자의 특성(β)에 따라 발생되는 X선의 양이 달라진다는 문제가 발생할 수 있다.
전술한 본 발명의 제어 방법은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 따라서 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 캐소드(Cathode) 전극과 상기 캐소드 전극과 쌍을 이루는 애노드(Anode) 전극 및, 상기 애노드 전극에 흐르는 전류를 제어하기 위한 게이트(gate) 전극을 적어도 하나 포함하는 전자방출소자;
    상기 전자방출소자의 캐소드 전극에 흐르는 전류를 검출하는 캐소드 전류 검출부;
    기준 전압을 생성하는 기준 전압 생성부; 및,
    상기 기준 전압과 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압을 입력받고, 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압이 상기 기준 전압과 같아지도록 상기 전자방출소자를 제어하는 게이트 전압을 결정 및, 결정된 게이트 전압을 상기 전자방출소자의 게이트 전극에 인가하는 게이트 전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전압 제어부는,
    상기 기준 전압 보다, 상기 게이트 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 형성되는 게이트-캐소드 전압 만큼 더 큰 전압을 상기 게이트 전압으로 결정하며,
    상기 게이트-캐소드 전압은,
    상기 캐소드 전극에서 전자 방출을 위해 요구되는 전압 임계치임을 특징으로 하는 전자방출소자의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 애노드 전극에 흐르는 전류는,
    상기 애노드 전극에 흐르는 전류와 상기 게이트 전극에 흐르는 전류가 기 설정된 조건을 만족하는 경우, 상기 기준 전압에 상응하는 전류임을 특징으로 하는 전자방출소자의 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자방출소자에서 상기 게이트 전극을 통해 흐르는 게이트 전류를 검출하기 위한 게이트 전류 검출부를 더 포함하고,
    상기 게이트 전압 제어부는,
    상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압이, 상기 기준 전압과 상기 게이트 전류에 대한 보상 전압의 합과 같아지도록 상기 전자방출소자를 제어하는 게이트 전압을 결정하며,
    상기 보상 전압은,
    상기 캐소드 전극에 흐르는 전류에 대한 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 저항(Zref)과 상기 게이트 전류의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압이, 상기 기준 전압과 상기 보상 전압의 합과 같아지도록 하는 게이트 전압은,
    상기 기준 전압 보다, 상기 보상 전압, 상기 게이트 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 형성되는 게이트-캐소드 전압, 및 상기 게이트 전류 검출부의 검출 전압을 합한 전압 만큼 더 큰 전압을 상기 게이트 전압으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 애노드 전극에 흐르는 전류는,
    상기 캐소드 전류 검출부의 검출 저항(Zref)에 대한 상기 기준 전압의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제어 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 캐소드 전류 검출부와 상기 게이트 전류 검출부는,
    홀(hole) 센서, MI(Magneto Impedance) 전류 센서 및, 션트 저항에 의해 강하되는 전압을 전류로 검출하는 전류 센서 중 어느 하나임을 특징으로 하는 전자방출소자의 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 전류 검출부는,
    상기 캐소드 전류 검출부의 검출 저항에 걸리는 전압을 증폭시키기 위한 증폭부를 더 포함하고,
    상기 게이트 전압 제어부는,
    상기 증폭부의 증폭 이득에 의해 상대적으로 낮아진 검출 저항에 근거하여 검출되는 상기 캐소드 전류 검출부의 검출 전압에 근거하여 상기 게이트 전압을 결정하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자의 제어 장치.
  9. 적어도 하나의 캐소드(Cathode) 전극을 통해 방출되는 전자를 통해 X선을 발생시키는 전자방출소자를 제어하는 제어 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 캐소드 전극에 흐르는 전류에 상응하는 캐소드 전압을 검출하는 단계;
    기준 전압을 검출하는 단계;
    상기 전자방출소자의 게이트 전극과 상기 캐소드 전극 사이의 전압인 게이트-캐소드 전압과 상기 기준 전압에 근거하여 상기 캐소드 전류 검출 전압이 상기 기준 전압과 같아지도록 하는 게이트 전압을 결정하는 단계; 및,
    상기 전자 방출을 통해 상기 게이트-캐소드 전압이 강하됨에 따라 상기 기준 전압에 상응하는 전류가 상기 캐소드 전극에 흐르도록, 상기 결정된 게이트 전압을 상기 전자방출소자에 인가하여 상기 전자방출소자를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제어 장치의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 게이트-캐소드 전압은,
    상기 캐소드 전극에서 전자 방출을 위해 요구되는 전압 임계치임을 특징으로 하는 전자방출소자 제어 장치의 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전자방출소자의 애노드(Anode) 전극에 흐르는 전류는,
    상기 애노드 전극에 흐르는 전류와 상기 게이트 전극에 흐르는 전류가 기 설정된 조건을 만족하는 경우, 상기 기준 전압에 상응하는 전류임을 특징으로 하는 전자방출소자 제어 장치의 제어 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 기준 전압을 검출하는 단계는,
    상기 게이트전극을 통해 흐르는 게이트전류를 검출하는 단계를 더포함하고,
    상기 게이트 전압을 결정하는 단계는,
    상기 캐소드 전압이, 상기 게이트 전류에 대한 보상 전압과 상기 기준 전압의 합과 같아지도록 상기 전자방출소자를 제어하는 게이트 전압을 결정하며,
    상기 보상 전압은,
    상기 캐소드 전류로부터 상기 캐소드 전압을 검출하기 위한 검출 저항(Zref)과 상기 게이트 전류의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제어 장치의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 캐소드 전압이, 상기 기준 전압과 상기 보상 전압의 합과 같아지도록 하는 게이트 전압은,
    상기 기준 전압 보다, 상기 보상 전압, 상기 게이트-캐소드 전압, 및 상기 게이트 전류에 상응하는 검출 전압을 합한 전압 만큼 더 큰 전압을 상기 게이트 전압으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제어 장치의 제어 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 캐소드 전압을 검출하는 단계는,
    상기 캐소드 전극에 흐르는 전류를 상기 캐소드 전압으로 검출하기 위한 검출 저항(Zref)에 걸리는 전압을 증폭시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 게이트 전압을 결정하는 단계는,
    증폭 이득에 의해 상대적으로 낮아진 상기 검출 저항에 근거하여 검출되는 캐소드 전압에 근거하여 상기 게이트 전압을 결정하는 단계임을 특징으로 하는 전자방출소자 제어 장치의 제어 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 전자방출소자의 애노드(Anode) 전극에 흐르는 전류는,
    상기 캐소드 전극에 흐르는 전류를 상기 캐소드 전압으로 검출하기 위한 검출 저항(Zref)에 대한 상기 기준 전압의 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전자방출소자 제어 장치의 제어 방법.
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