KR101168146B1 - 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치 - Google Patents

탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 실(carbon nanotube(CNT) yarn)을 이용한 대면적 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 관한 것으로, 탄소나노튜브 실을 음극(cathode)의 전자빔 또는 엑스-레이 소스로 이용하여 대면적의 전자빔 또는 엑스-레이를 발생시키기 위한 것이다. 본 발명에 따른 대면적 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치는 복수의 탄소나노튜브 실을 구비하는 음극부와, 양극부를 구비한다. 음극부는 복수의 열로 배열된 탄소나노튜브 실을 음극으로 구비하며, 복수의 열로 배열된 탄소나노튜브 실에서 각각 전자를 방출한다. 그리고 양극부는 음극부의 상부 또는 하부에 배치되며, 음극부에서 방출된 전자가 제1 면에 입사하면, 제1 면에 반대되는 제2 면으로 대면적의 전자빔 또는 엑스-레이(X-ray)를 발생시킨다. 이때 양극부에 설치되는 양극판에 따라 전자빔 또는 엑스-레이를 발생시킨다.

Description

탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치{Apparatus on generating electron beam or X-ray using CNT yarn}
본 발명은 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수 열로 배열된 탄소나노튜브 실(carbon nanotube(CNT) yarn)을 음극(cathode)의 전자빔 또는 엑스-레이 소스로 이용하여 넓은 면적에 대하여 전자빔 또는 엑스-레이를 발생시키는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 관한 것이다.
일반적으로 모든 물질의 물성은 구성 원자들 간의 상호 결합 형태에 따라 결정되는 것이며, 이러한 결합은 원자에 구속된 외각전자들에 의해 이루어진다. 만일 충분한 에너지를 가지는 전자빔을 이용하여 어떤 물질이 이루고 있는 결합 형태를 변형시키면 기존에 가지고 있던 물성과는 전혀 다른 특성이 발현될 수 있다. 즉, 전자빔을 조사함으로써 어떤 물질에 추가적으로 유용한 성질을 부여하거나, 또는 인체에 유해한 성질을 제거할 수 있게 되는 것이다.
일반적으로 전자빔 발생 장치의 음극 물질로는 낮은 일함수(low work function)를 갖는 여러 가지 단결정들이나 산화물 등을 사용하고 있다. 하지만 이러한 음극 물질들은 그 크기가 제한되어 있어 넓은 폭의 피조사체에 대한 전자빔의 조사 및 처리를 하기 위해서는 전자석의 사용이 반드시 필요하다.
또한, 종래의 전자빔 발생 장치는 음극 물질을 필라멘트로 가열하여 고온의 적정 온도까지 상승시켜 전자빔을 획득하는 열전자 구동 방식으로 구동하기 때문에, 필라멘트는 물론 별도의 추가적인 전원 장치가 필수적으로 요구된다.
이처럼 종래의 전자빔 발생 장치는 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라 소면적의 전자빔 조사에 따른 조사 효율의 저하, 경제성 및 작업성의 결여를 초래하는 문제점을 안고 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해서, 음극 물질로 탄소나노튜브(carbon nanotube(CNT)), 탄소나노와이어(carbon nanowire), 탄소나노튜브 실(CNT yarn) 등이 사용되고 있다. 탄소나노튜브는 튜브 형태로 성장되는 미세 구조물로서 형태상 다양한 유형이 알려져 있다. 이러한 탄소나노튜브는 매우 우수한 전기적, 기계적, 화학적, 열적 특성을 가지며, 이러한 장점으로 인하여 음극 물질 뿐만 아니라 다양한 분야에 응용되고 있다. 탄소나노튜브는 낮은 일함수와 높은 종횡비(high aspect ratio)를 가지며, 그 선단(top end 또는 emission end)이 작은 곡률 반경을 가지기 때문에 매우 큰 전계강화인자(field enhancement factor)를 갖기 때문에, 낮은 포텐셜의 전계(electric field)하에서도 전자를 방출할 수 있는 특성을 갖고 있다. 또한 탄소나노튜브 실은 직경에 수직한 방향으로 전계를 인가하게 되면, 일반적인 탄소나노튜브가 선단(에지부)에서만 전자를 방출하는 것과는 달리 전체 표면에서 전자를 방출하는 특성을 갖고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 탄소나노튜브 실을 음극(cathode)의 전자빔 또는 엑스-레이 소스로 이용하여 전자빔 또는 엑스-레이를 발생시키는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 단 방향 또는 양 방향으로 전자빔 또는 엑스-레이를 방출할 수 있는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 음극부 및 양극부를 포함하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치를 제공한다. 상기 음극부는 복수의 열로 배열된 탄소나노튜브 실을 음극으로 구비하며, 상기 복수의 열로 배열된 탄소나노튜브 실에서 각각 전자를 방출한다. 그리고 상기 양극부는 상기 음극부의 상부 또는 하부에 배치되며, 상기 음극부에서 방출된 상기 전자가 제1 면에 입사하면, 상기 제1 면에 반대되는 제2 면으로 전자빔 또는 엑스-레이를 발생시킨다.
본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 있어서, 상기 음극부는 복수의 열로 배열된 단위 음극부를 포함한다. 상기 단위 음극부는 일정 간격 이격되게 설치되며 마주보는 안쪽에 가이드 레일이 형성된 한 쌍의 양극 가이드 프레임과, 상기 한 쌍의 양극 가이드 프레임의 가이드 레일을 따라서 삽입되어 설치되며 적어도 하나의 탄소나노튜브 실이 설치되는 복수의 탄소나노튜브 실 홀더를 포함한다.
본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 있어서, 상기 단위 음극부의 복수의 탄소나노튜브 실 홀더에 설치된 복수의 탄소나노튜브 실은 실질적으로 동일선상에 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 있어서, 상기 탄소나노튜브 실 홀더는, 중심 부분에 설치창이 형성된 홀더 프레임과, 상기 설치창에 설치된 적어도 하나의 탄소나노튜브 실을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 있어서, 상기 탄소나노튜브 실 홀더에는 복수의 탄소나노튜브 실이 설치되며, 상기 복수의 탄소나노튜브 실은 서로 평행하게 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 있어서, 상기 양극부는 상기 복수의 단위 음극부에 대응되는 위치에 배열된 복수 열의 단위 양극부를 포함한다. 상기 단위 양극부는 일정 간격 이격되게 설치되며 마주보는 안쪽에 가이드 레일이 형성된 한 쌍의 양극 가이드 프레임과, 상기 한 쌍의 양극 가이드 프레임의 가이드 레일을 따라서 삽입되어 설치되는 복수의 양극판을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 있어서, 상기 복수의 양극판은 상기 복수의 탄소나노튜브 실 홀더에 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 있어서, 상기 양극판은 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 텅스텐(W) 또는 이들 중 적어도하나를 포함하는 얼로이(alloy) 소재의 기판 또는 유리 기판에 전기전도성 금속층이 형성된 기판을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 있어서, 상기 양극판으로 유리 기판에 전기전도성 금속층이 형성된 기판을 사용하는 경우, 상기 금속층에는 상기 양극판 아래의 상기 탄소나노튜브 실 홀더의 탄소나노튜브 실에 대응되는 위치에 상기 유리 기판이 노출되는 슬릿(slit) 이나 메쉬(mesh) 형태의 홈이 형성될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치에 있어서, 상기 양극부는 상기 음극부의 하부에 설치되는 제1 양극부와, 상기 음극부의 상부에 설치되는 제2 양극부를 포함할 수 있다. 이때 상기 제1 및 제2 양극부는 상기 음극부를 중심으로 상하로 동일 간격으로 이격되게 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 음극부는 복수의 열로 배열된 단위 음극부를 포함하고, 단위 음극부에는 복수의 탄소나노튜브 실 홀더가 설치된다. 그리고 양극부는 음극부의 상부 또는 하부에 설치되고, 복수 열의 단위 음극부에 대응되게 복수 열로 배열된 단위 양극부를 포함하기 때문에, 복수의 열로 배열된 단위 음극부의 탄소나노튜브 실로부터 방출되는 전자가 복수의 열로 배열된 단위 양극부에 입사되면 전자빔 또는 엑스-레이를 발생시킬 수 있다.
또한 음극부에 대한 양극부의 설치 위치에 따라 단 방향으로 전자빔 또는 엑스-레이(X-ray))를 발생시키거나, 양 방향으로 전자빔 또는 엑스-레이를 발생시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치는 대면적으로 전자빔 또는 엑스-레이의 발생이 가능하기 때문에, 폐수 처리, 배기가스 처리, 인쇄회로기판의 폐놀성분 분해, 전자빔 석판인쇄 소스(lithography source), 강판이나 철판의 두께 균일성 측정 등에 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 음극부를 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 2의 탄소나노튜브 실 홀더를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 1의 양극부를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4의 양극판의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 6은 도 4의 양극판의 다른 예를 보여주는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 음극부 위에 양극부가 배치된 구조를 보여주는 사시도이다.
도 8은 도 7의 측면도로서, 한쪽으로 전자빔 또는 엑스-레이가 발생되는 상태를 보여주는 측면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음극부의 상하에 양극부가 배치된 구조를 보여주는 사시도이다.
도 10은 도 9의 측면도로서, 양쪽으로 전자빔 또는 엑스-레이가 발생되는 상태를 보여주는 측면도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 실(20)을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치(100)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치(100)는 다이오드 타입(diode type)으로, 음극부(10)와, 양극부(40)를 포함하여 구성된다. 음극부(20)는 탄소나노튜브 실(20)을 음극으로 구비하며, 고전압이 인가되면 탄소나노튜브 실(20)의 표면에서 전자(80)를 방출한다. 그리고 양극부(40)는 음극부(10)의 상부에 배치되며, 음극부(10)에서 방출된 전자(80)의 입사로 전자빔 또는 엑스-레이(90)를 발생시킨다.
이때 음극부(10)의 탄소나노튜브 실(20)은 양단 또는 일단에 전위(HV-)가 인가된다. 탄소나노튜브 실(20)의 양단에 전위(HV-)가 인가되는 예를 개시하였다. 탄소나노튜브 실(20)은 기판에 수직으로 합성된 탄소나노튜브에서 실을 인출 및 꼬아서(yarning) 형성할 수 있다.
음극으로 탄소나노튜브 실(20)을 이용하는 이유는 다음과 같다. 즉 음극으로 일반적인 탄소나노튜브를 사용할 수도 있지만, 탄소나노튜브 실(20)을 사용하는 이유는 다음과 같다. 일반적인 탄소나노튜브의 경우, 기판 상에 촉매를 이용하여 탄소나노튜브를 합성하여 형성하게 된다. 이때 기판과 탄소나노튜브 사이에 비정질 탄소가 존재할 수 있고, 기판과 탄소나노튜브 간의 접착력이 좋지 않을 수 있고, 높은 전기장이 가해질 경우 탄소나노튜브가 기판에서 뽑혀나가는 불량이 발생될 수 있기 때문이다. 비정질 탄소는 기판의 전도성에 문제를 발생시킬 수 있으며, 오믹 컨택(ohmic contact)으로 인한 고전류 방출시 고열이 발생될 수 있다. 반면에 탄소나노튜브 실(20)은 진공 중에서 끝이 뾰족한 도전성 에미터에 전기장이 인가되었을 때 전자가 방출되는 전계 방출 원리를 이용하는 에미터로 가장 우수한 성능과 더불어 전자방출의 단방향 직진성을 가지므로 매우 높은 효율을 제공하기 때문이다.
그리고 양극부(40)는 음극부(10)와 마주보는 제1 면에 음극부(10)에서 방출된 전자(80)가 입사하면, 제1 면에 반대되는 제2 면으로 대면적의 전자빔 또는 엑스-레이(90)를 발생시킨다. 이때 양극부(40)로는 투과형 또는 반사형 중에 하나가 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 투과형의 양극부(40)를 개시하였다. 후술되겠지만 양극부(40)는 소재에 따라 전자빔 또는 엑스-레이(90)를 발생시킬 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 실(20)을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치(100)에서 전자빔 또는 엑스-레이(90)를 발생시키는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 양극부(40)에 DC 전압(HV++)이 인가되고, 음극부(10)의 탄소나노튜브 실(20)의 양단에 전위(HV-)가 인가되면, 탄소나노튜브 실(20)의 표면에서 전자(80)가 방출된다. 이어서 탄소나노튜브 실(20)에서 방출된 전자(80)는 양극부(40)의 제1 면에 입사한다. 그리고 양극부(40)의 제1 면에 전자(80)가 입사하면, 양극부(40)는 제2 면으로 전자빔 또는 엑스-레이(90)를 방출한다. 이때 양극부(40)의 제1 면으로 입사되는 전자(80)가 양극부(40)를 관통하면, 양극부(40)는 제2 면으로 전자빔(90)을 방출한다. 그리고 양극부(40)의 제1 면에 전자(80)가 충돌하면, 양극부(40)는 제2 면으로 엑스-레이를 방출한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치(100)는 음극으로 탄소나노튜브 실(20)을 이용하기 때문에, 상온에서 양극부(40)에 고전압(HV++)이 인가되더라도 음극부(10)에서 전자(80)를 방출한다.
음극에 인가되는 전위(HV-) 조절을 통하여 전자 발생 강도를 제어할 수 있고, 전자(80)를 균일하게 발생시킬 수 있다. 즉 전자방출을 결정짓는 음극과, 전자(80)의 가속을 담당하는 양극부(40)의 전위차 조절을 통하여 전자 발생 강도를 제어할 수 있다. 예컨대 사용 용도에 따라 전압을 높이고 전류를 낮추어 사용할 수도 있고, 반대로 전압을 낮추고 전류를 높여 사용할 수 있다. 이때 후자의 경우 전자(80)의 가속전압은 10 내지 30kV로 낮으며, 초점의 스팟 크기(focal spot size)를 낮출 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치(100)는 종래의 일체형으로 제조된 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치와 비교하여 음극만을 교체할 할 수 있다. 또한 탄소나노튜브 실(20)을 이용하면 전자(80)가 균일하게 발생되어, 전자 발생 균일도가 가우시안(Gaussian) 형태를 이루는 것을 확인할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치(100)로 다이오드 타입을 예시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치는 트라이오드 타입(triode type)으로도 구현할 수 있다. 트라이오드 타입의 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치는 음극부와 양극부 사이에 렌즈 또는 집속 렌즈가 개재된 구조를 갖는다. 렌즈는 전술된 바와 같이 음극부와 양극부 사이에 배치되며, 탄소나노튜브 실에서 방출된 전자를 가속시켜 양극부로 집속시킨다. 이때 렌즈는 탄소나노튜브 실의 상부에 복수개가 설치되며, 탄소나노튜브 실이 배치된 방향에 대응되게 구멍이 형성되어 있다. 렌즈는 인가되는 전압에 의해 렌즈를 통과하는 전자를 양극부를 향하여 가속 및 집속시킨다. 그리고 양극부는 렌즈 상부에 배치되며, 렌즈를 통과하여 집속된 전자의 입사로 전자빔 또는 엑스-레이를 발생시킨다.
구체적으로 본 실시예에 따른 대면적 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치(100)에 대해서 도 2 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 음극부(10)를 보여주는 사시도이다. 도 3은 도 2의 탄소나노튜브 실 홀더(15)를 보여주는 사시도이다. 도 4는 도 1의 양극부(40)를 보여주는 사시도이다. 도 5는 도 4의 양극판(45)의 일 예를 보여주는 사시도이다. 도 6은 도 4의 양극판(45)의 다른 예를 보여주는 사시도이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 음극부(10)의 한쪽에 양극부(40)가 배치된 구조를 보여주는 사시도이다. 그리고 도 8은 도 7의 측면도로서, 한쪽으로 전자빔 또는 엑스-레이(90)가 발생되는 상태를 보여주는 측면도이다.
먼저 음극부(10)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 열로 배열된 단위 음극부(11)를 포함한다. 단위 음극부(11)에는 각각 복수의 탄소나노튜브 실(20)이 설치되어 있다.
복수의 열로 배열된 단위 음극부(11)는 각각, 한 쌍의 음극 가이드 프레임(13) 및 복수의 탄소나노튜브 실 홀더(15)를 구비한다. 한 쌍의 음극 가이드 프레임(13)은 서로 일정 간격 이격되게 설치되며, 마주보는 안쪽에 가이드 레일(13a)이 형성되어 있다. 그리고 복수의 탄소나노튜브 실 홀더(15)는 각각 한 쌍의 음극 가이드 프레임(13)의 가이드 레일(13a)을 따라서 삽입되어 일렬로 설치되며, 적어도 하나의 탄소나노튜브 실(20)이 설치된다.
탄소나노튜브 실 홀더(15)는 홀더 프레임(12) 및 적어도 하나의 탄소나노튜브 실(20)을 포함한다. 홀더 프레임(12)은 중심 부분에 탄소나노튜브 실(20)이 설치될 수 있는 설치창(14)이 형성되어 있다. 적어도 하나의 탄소나노튜브 실(20)은 설치창(14)에 노출되게 설치된다. 여기서 홀더 프레임(12)은 음극 가이드 프레임(13)에 안정적으로 삽입할 수 있도록 사각 형태로 구현될 수 있다. 홀더 프레임(12)의 설치창(14)에 설치되는 적어도 하나의 탄소나노튜브 실(20)은 볼트와 같은 체결 수단(16)으로 고정할 수 있다. 홀더 프레임(12)은 음극 가이드 프레임(13)에 삽입되는 양쪽의 프레임에 이웃하는 다른 양쪽의 프레임에 각각 탄소나노튜브 실(20)을 설치할 수 있는 설치홀(17)이 형성되어 있다. 설치홀(17)이 형성된 방향의 수직 방향으로 볼트와 같은 체결 수단(16)이 고정될 수 있는 체결홀(19)이 형성되어 있다. 체결홀(19)은 설치홀(17)과 연결되어 있다. 따라서 설치홀(17)을 통하여 설치창(14)에 탄소나노튜브 실(20)을 배치한 상태에서, 체결 수단(16)을 체결홀(19)에 결합하여 체결홀(19)과 설치홀(17)이 교차하는 지점에 위치하는 탄소나노튜브 실(20) 부분을 눌러 고정할 수 있다.
한편 본 실시예에서는 홀더 프레임(12)에 설치홀(17)이 형성되는 예를 개시하였지만, 설치창(14)에 노출된 홀더 프레임(12)의 내측면에 탄소나노튜브 실(20)의 양단부가 삽입될 수 있는 설치홈을 형성할 수도 있다. 물론 설치홈 또한 체결홀(19)과 연결되게 형성된다.
이때 인가 전압은 음극 가이드 프레임(13)의 가이드 레일(13a)을 따라서 복수의 탄소나노튜브 실 홀더(15)에 설치된 탄소나노튜브 실(20)에 전달될 수 있다. 단위 음극부(11)의 복수의 탄소나노튜브 실 홀더(15)에 설치된 복수의 탄소나노튜브 실(20)은 실질적으로 동일선상에 설치된다.
특히 탄소나노튜브 실 홀더(15)에 복수의 탄소나노튜브 실(20)이 설치되는 경우, 복수의 탄소나노튜브 실(20)은 한쪽 방향으로 서로 평행하게 설치된다. 또한 단위 음극부(11)에 포함되어 일렬로 배열된 복수의 탄소나노튜브 실 홀더(15)에 설치된 복수의 탄소나노튜브 실(20)은 서로 평행하게 설치된다. 이와 같이 탄소나노튜브 실(20)을 설치하는 이유는, 단위 음극부(11)에서 균일하게 전자(80)가 방출될 수 있도록 하기 위해서이다.
한편 본 실시예에 따른 음극부(10)는 4개의 단위 음극부(11)가 배열된 구조를 갖고, 각각의 단위 음극부(11)에 4개의 탄소나노튜브 실 홀더(15)가 배열 설치된 구조를 갖는다. 즉 음극부(10)에 4행4렬의 탄소나노튜브 실 홀더(15)가 배열 설치된 구조를 개시하고 있다. 또한 이것은 하나의 예시에 불과하며 음극부(10)는 n행m렬(n 또는 m은 1보다 큰 자연수)로 배열될 수 있다.
다음으로 양극부(40)는, 도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 단위 음극부(11)에 대응되는 위치에 배열된 복수 열의 단위 양극부(41)를 포함한다. 복수의 열로 배열된 단위 양극부(41)는 각각, 한 쌍의 양극 가이드 프레임(43)과 복수의 양극판(45)을 구비한다. 한 쌍의 양극 가이드 프레임(43)은 일정 간격 이격되게 설치되며, 마주보는 안쪽에 가이드 레일(43a)이 형성되어 있다. 그리고 복수의 양극판(45)은 한 쌍의 양극 가이드 프레임(43)의 가이드 레일(43a)을 따라서 삽입되어 일렬로 설치된다.
이때 인가 전압은 양극 가이드 프레임(43)의 가이드 레일(43a)을 따라서 복수의 양극판(45)에 전달될 수 있다. 복수의 양극판(45)은 복수의 탄소나노튜브 실 홀더(15)에 대응되는 위치에 배치된다. 이와 같이 형성하는 이유는 복수의 탄소나노튜브 실 홀더(15)에서 방출되는 전자(80)의 양극판(45)으로의 집속도를 높이기 위해서이다.
한편 양극판(45)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 텅스텐(W) 기판(42)의 일면에 구리층(44)이 형성된 구조를 가질 수 있다. 이때 구리층(44)은 음극부를 바라보게 설치된다. 여기서 양극부의 제1 면은 양극판(45)에서 노출된 구리층(44)의 면이 해당되고, 제2 면은 양극판(45)에서 노출된 텅스텐 기판(42)의 면이 된다. 이와 같은 양극판(45)을 사용할 경우, 양극판(45)에 충돌하는 전자에 의해 엑스-레이가 발생된다. 그 외 엑스-레이 발생용 양극판(45)으로는 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 또는 이들중 적어도 하나를 포함하는 얼로이(alloy) 소재의 기판 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
또는 양극판(45)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 유리 기판(46)의 일면에 전기전도성 금속층(48)이 형성된 구조를 가질 수 있다. 전기전도성 금속층(48)의 소재로는 금(Au), ITO, 티타늄(Ti) 등과 같은 낮은 저항을 갖는 금속 소재가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 전기전도성 금속층(48)에는 양극판(45) 아래의 탄소나노튜브 실 홀더(15)의 탄소나노튜브 실(20)에 대응되는 위치에 유리 기판(46)이 노출되는 슬릿(48a)이 형성되어 있다. 여기서 양극부의 제1 면은 양극판(45)에서 노출된 전기전도성 금속층(48)의 면이 해당되고, 제2 면은 양극판(45)에서 노출된 유리 기판(46)의 면이 된다. 이와 같은 양극판(45)을 사용할 경우, 양극판(45)의 슬릿(48a)을 통과하는 전자(80)에 의해 전자빔(90)이 발생된다. 이때 전자빔(90)을 발생시키기 위해서 양극판(45)에 슬릿을 형성하는 예를 개시하였지만, 메쉬(mesh) 형태의 홈을 형성할 수도 있다. 또는 전기전도성 금속층에 별도의 슬릿이나 메쉬 형태의 홈을 형성하지 않고, 전자가 통과할 수 있도록 전기전도성 금속층(48)의 두께를 얇게 형성할 수도 있다.
한편 전자빔 또는 엑스-레이(90)를 발생시키기 위해서, 탄소나노튜브 실 홀더(15)에 음의 전위가 인가되면, 탄소나노튜브 실(20)의 표면 전체에서 전자(80)가 방출된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 음극부(10)의 한쪽에 양의 전위가 인가되는 양극부(40)가 배치되는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 실(20)의 표면 전체에서 방출되는 전자(80)는 대부분 양극부(40)의 양극판(45)이 배치된 쪽으로 이동하게 된다.
한편 본 실시예에서는 음극부(10)의 일측에 양극부(40)가 배치된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 음극부(10)를 중심으로 상하에 양극부(40)가 배치될 수 있다.
여기서 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음극부(10)의 상하에 양극부(40)가 배치된 구조를 보여주는 사시도이다. 도 10은 도 9의 측면도로서, 양쪽으로 전자빔 또는 엑스-레이(90)가 발생되는 상태를 보여주는 측면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 대면적 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치는 음극부(10)를 중심으로 상하에 양극부(40)가 설치되는 구성을 갖는다. 여기서 음극부(10) 및 양극부(40) 각각은 도 2 내지 도 6을 참조로 한 설명과 중복되기 때문에, 상세한 설명은 생략하고, 음극부(10)를 중심으로 양극부(40)가 설치된 구성에 대해서 설명하면 다음과 같다.
양극부(40)는 음극부(10)의 하부에 설치되는 제1 양극부(40a)와, 음극부(10)의 상부에 설치되는 제2 양극부(40b)를 포함한다. 제1 양극부(40a) 및 제2 양극부(40b)는 음극부(10)를 중심으로 상하로 동일 간격으로 이격된 위치에 서로 대칭되게 설치된다. 제1 및 제2 양극부(40a,40b)는 각각 양극판(45)의 구리층 또는 전기전도성 금속층이 음극부(10)를 향하도록 설치된다.
한편 전자빔 또는 엑스-레이(90)를 발생시키기 위해서, 탄소나노튜브 실 홀더(15)에 음의 전위가 인가되면, 탄소나노튜브 실(20)의 표면 전체에서 전자(80)가 방출된다. 그리고 음극부(10)를 중심으로 상하에 제1 및 제2 양극부(40a,40b)가 설치되기 때문에, 제1 및 제2 양극부(40a,40b)가 설치된 양쪽으로 대면적의 전자빔 또는 엑스-레이(90)가 발생되어 방출된다.
이와 같은 본 발명에 따른 대면적 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치는 대면적으로 전자빔 또는 엑스-레이의 발생이 가능하기 때문에, 폐수 처리, 배기가스 처리, 인쇄회로기판의 폐놀성분 분해, 전자빔 석판인쇄 소스(lithography source), 강판이나 철판의 두께 균일성 측정과 같은 비파괴 검사 등에 사용할 수 있다.
예컨대 폐수에 대면적의 전자빔 조사를 통하여 폐수 내 독성 유기 물질을 물 또는 이산화탄소로 완전 분해 또는 부분 분해할 수 있다. 또한 폐수에 대면적의 전자빔 조사를 통하여 폐수의 부유 고형물을 응집 처리할 수 있다. 또한 폐수에 대면적의 전자빔 조사를 통하여 폐수에 포함된 독성물질, 색도, 악취 유발 물질 등을 생물학적으로 처리할 수 있다.
또한 대면적의 전자빔 및 화학처리를 통하여 배기가스를 다음과 같이 처리할 수 있다. 즉 배기가스에 포함된 SO2, NOX, HCl 등과 같은 유해가스는, 대면적의 전자빔 조사에 의해 SO2는 H2SO4로 변환시키고, NOX는 HNO3로 변환시킨 후, NH3로 화학적으로 처리함으로써, (NH4)2SO4, NH4NO3, NH4Cl로 변환시킬 수 있다.
대면적의 전자빔은 인쇄회로기판의 폐놀성분 분해, 전자빔 석판인쇄 소스(lithography source) 등에 이용될 수 있다.
그리고 대면적의 엑스-레이는 강판이나 철판의 두께 균일성 측정과 같은 비파괴 검사에 사용할 수 있다.
그 외 대면적의 전자빔 또는 엑스-레이는 다양한 분야에 적용되어 사용될 수 있다.
한편 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 음극부
11 : 단위 음극부
13 : 음극 가이드 프레임
15 : 탄소나노튜브 실 홀더
20 : 탄소나노튜브 실
40 : 양극부
41 : 단위 양극부
43 : 양극 가이드 프레임
45 : 양극판
80 : 전자
90 : 전자빔 또는 엑스-레이
100 : 대면적 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치

Claims (10)

  1. 복수의 열로 배열된 탄소나노튜브 실을 음극으로 구비하며, 상기 복수의 열로 배열된 탄소나노튜브 실에서 각각 전자를 방출하는 음극부;
    상기 음극부의 상부 또는 하부에 배치되며, 상기 음극부에서 방출된 상기 전자가 제1 면에 입사하면, 상기 제1 면에 반대되는 제2 면으로 전자빔 또는 엑스-레이가 발생되는 양극부;를 포함하되,
    상기 음극부는 복수의 열로 배열된 단위 음극부를 포함하며,
    상기 단위 음극부는,
    일정 간격 이격되게 설치되며, 마주보는 안쪽에 가이드 레일이 형성된 한 쌍의 음극 가이드 프레임; 및
    상기 한 쌍의 음극 가이드 프레임의 가이드 레일을 따라서 삽입되어 설치되며, 적어도 하나의 탄소나노튜브 실이 설치되는 복수의 탄소나노튜브 실 홀더;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 음극부의 복수의 탄소나노튜브 실 홀더에 설치된 적어도 하나의 탄소나노튜브 실은 동일선상에 설치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 실 홀더는,
    중심 부분에 설치창이 형성된 홀더 프레임; 및
    상기 설치창에 설치된 적어도 하나의 탄소나노튜브 실;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 실 홀더에는 복수의 탄소나노튜브 실이 설치되며, 상기 복수의 탄소나노튜브 실은 서로 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 양극부는,
    상기 복수의 열로 배열된 단위 음극부에 대응되는 위치에 배열된 복수 열의 단위 양극부를 포함하며,
    상기 단위 양극부는,
    일정 간격 이격되게 설치되며, 마주보는 안쪽에 가이드 레일이 형성된 한 쌍의 양극 가이드 프레임;
    상기 한 쌍의 양극 가이드 프레임의 가이드 레일을 따라서 삽입되어 설치되는 복수의 양극판;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 양극판은 상기 복수의 탄소나노튜브 실 홀더에 대응되는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 양극판은 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 텅스텐(W) 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 얼로이(alloy) 소재의 기판 또는 유리 기판에 전기전도성 금속층이 형성된 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 양극판으로 유리 기판에 전기전도성 금속층이 형성된 기판을 사용하는 경우, 상기 금속층에는 상기 탄소나노튜브 실 홀더의 탄소나노튜브 실에 대응되는 위치에 상기 유리 기판이 노출되는 슬릿(slit) 또는 메쉬(mesh) 형태의 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 양극부는
    상기 음극부의 하부에 설치되는 제1 양극부;
    상기 음극부의 상부에 설치되는 제2 양극부;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 양극부는 상기 음극부를 중심으로 상하로 동일 간격으로 이격되게 설치된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 실을 이용한 전자빔 또는 엑스-레이 발생 장치.
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