KR20130101839A - 엑스레이 소스 - Google Patents

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KR20130101839A
KR20130101839A KR1020120022888A KR20120022888A KR20130101839A KR 20130101839 A KR20130101839 A KR 20130101839A KR 1020120022888 A KR1020120022888 A KR 1020120022888A KR 20120022888 A KR20120022888 A KR 20120022888A KR 20130101839 A KR20130101839 A KR 20130101839A
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secondary electron
insulator
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정태원
김용철
김도윤
김일환
박상현
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삼성전자주식회사
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Abstract

X-ray 소스가 개시된다.
개시된 X-ray 소스는 케소드 전극; 상기 케소드 전극 상의 이미터; 상기 케소드 전극 둘레에 구비된 절연체; 상기 절연체 위에 구비된 게이트 전극; 상기 게이트 전극의 측벽에 구비된 것으로, 상기 이미터로부터 방출된 전자빔과의 충돌에 의해 이차전자를 방출시키는 이차전자 방출층을 포함하여 전자증폭을 통해 안정되게 전자방출을 할 수 있다.

Description

엑스레이 소스{X-ray source}
전자증폭을 통해 안정되게 전자방출을 할 수 있는 엑스레이(X-ray) 소스에 관한 것이다.
건강에 대한 관심의 증대로 의료기기에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 의료기기의 일 예로 X-ray 기기가 많이 사용되는데, X-ray 소스에서는 카본나노튜브가 이미터로 많이 사용된다. 카본나노튜브는 높은 방출 전류와 비교적 간단한 구조로 전자빔을 집속할 수 있기 때문에 많이 사용된다. 또한, 카본나노튜브를 이용한 이미터는 on-off 스위칭 속도 때문에, 카본나노튜브를 포함한 X-ray 소스에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. X-ray 소스는 높은 전류가 필요하며, 높은 전류를 방출하기 위해서는 높은 전계가 필요한데, 이는 카본나노튜브의 전자방출 안정성과 카본나노튜브를 포함한 케소드와 전압을 유도하는 게이트 사이의 구조적 안정성에 악영향을 줄 수 있다. 전계가 집중된 부분의 카본나노튜브에 한계 전류 밀도 이상으로 전류가 흐르게 되어 카본나노튜브가 파괴되거나 높은 전계로 인해 카본나노튜브가 기판으로부터 떨어질 수 있다. 또한, 게이트와 케소드 사이의 높은 전계로 인해 게이트가 탈락하여 케소드에 붙을 수도 있다.
본 발명의 실시예들은 전자증폭을 통해 안정되게 전자방출을 할 수 있는 엑스레이(X-ray) 소스를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 X-ray 소소는, 기판; 상기 기판 상의 케소드 전극; 상기 케소드 전극 상의 이미터; 상기 케소드 전극 둘레에 구비된 절연체; 상기 절연체 위에 구비된 게이트 전극; 상기 게이트 전극의 측벽에 구비된 것으로, 상기 이미터로부터 방출된 전자빔과의 충돌에 의해 이차전자를 방출시키는 제1 이차전자 방출층; 및 상기 게이트 전극으로부터 이격되게 배치된 에노드 전극;을 포함할 수 있다.
상기 게이트 전극은 메쉬 구조를 가질 수 있다.
상기 게이트 전극과 절연체 사이에 제2 이차전자 방출층이 더 구비될 수 있다.
상기 제1 이차전자 방출층은 금속 산화물과 무기 재료 중 어느 하나로 형성될 수있다.
상기 제1 이차전자 방출층은 SiO2, MgO, Al2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 절연체와 게이트 전극 사이에 접착층이 더 구비될 수 있다.
상기 접착층은 글래스 재질로 형성될 수 있다.
상기 접착층은 글래스 프릿(glass frit)으로 형성될 수 있다.
상기 이미터는 탄소나노튜브로 형성될 수 있다.
상기 이미터는 페이스트를 이용한 인쇄법, 화학기상증착법, 전기영동법, 전사 방법 중 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
상기 게이트 전극은 중심부에 홀이 형성된 구조를 가질 수 있다.
상기 게이트 전극은 그 하면의 폭이 상기 절연체의 상면의 폭보다 클 수 있다.
상기 절연체는 상부로 갈수록 폭이 작아지는 형상을 가질 수 있다.
상기 절연체에 의해 홈이 형성되고, 상기 홈에 케소드 전극이 구비되며, 상기 홈이 역사다리꼴 단면 형상을 가질 수 있다.
상기 이차전자 방출층은 화학기상증착방법, 스퍼터링, 열산화막 형성 방법, 액상 코팅 방법 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 이차전자 방출층과 제2 이차전자 방출층은 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 X-ray 소스는 게이트 전극의 적어도 한 면에 이차전자 방출층이 구비되어 게이트 전극의 구동 전압이 저하되고, 에노드에 흐르는 전류가 증대될 수 있다. 게이트 전극의 구동 전압이 낮으므로 높은 구동 전압으로 인해 이미터가 손상되는 것을 감소시킬 수 있으며, 이미터 손상으로 인한 불안정한 전계 방출을 감소시킬 수 있다. 또한, 게이트와 절연층과의 접착력 향상으로 게이트와 케소드 사이의 구조적 안정성이 높아질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 X-ray 소스의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 X-ray 소스에서 에노드 전극이 없는 상태의 평면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 X-ray 소스에서 입사에너지에 따른 이차전자 방출 계수의 변화를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X-ray 소스에서 이차전자 방출층의 유무에 대한 게이트 전압에 따른 에노드 전류의 변화를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 X-ray 소스에서 이차전자 방출층의 유무에 대한 게이트와 절연층 사이 접착력을 시간에 따른 로드(load)로 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 X-ray 소스에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 비접촉으로 위에 존재할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 X-ray 소스(1)의 단면도를 도시한 것이다. X-ray 소스(1)는 기판(10)과, 상기 기판(10) 상의 케소드 전극(15) 및, 상기 케소드 전극(15) 상에 구비된 것으로 전자 빔을 방출하는 이미터(17)를 포함한다. 상기 기판(10)은 예를 들어, 인바(Invar), 스테인레스 스틸(stainless steel), 글래스(glass) 등으로 형성될 수 있다. 상기 케소드 전극(15) 둘레에 절연체(20)가 구비되고, 상기 절연체(20) 상에 게이트 전극(35)이 구비될 수 있다. 상기 절연체(20)는 케소드 전극(15)을 둘러싸는 형태로 구비되고, 케소드 전극보다 큰 두께를 가질 수 있다. 상기 게이트 전극(35)의 상부에 게이트 전극(35)으로부터 이격되게 에노드 전극(50)이 구비될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 X-ray 소스는 케소드 전극(15), 게이트 전극(35), 에노드 전극(50)을 포함하는 삼극관 구조를 가질 수 있다. 상기 이미터(17)는 전자를 방출하는 역할을 하는 것으로, 전자를 방출하기 쉽도록 뾰족한 침상으로 형성될 수 있다. 이미터에 전압이 인가될 때 전자가 이미터의 날카로운 끝에서 순간적으로 방출될 수 있다. 이미터(17)는 예컨대 열전자를 방출하는 디스펜서 케소드 물질, 몰리브덴 또는 카본계 물질이나 산화아연(ZnO) 등으로 형성될 수 있다. 디스펜서 케소드 물질은 예를 들어, 다공질 텅스텐, 바륨 산화물(BaO), 바륨 스트론튬 산화물(BaSrO), 칼슘산화물(CaO), 알류미늄 산화물(Al2O3) 또는 LaB6를 포함할 수 있다. 카본계 물질은 예를 들어, 탄소나노튜브 또는 다이아몬드형 탄소(Diamond like carbon; DLC)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미터를 탄소나노튜브로 형성할 때, 페이스트를 이용한 인쇄법, 화학 기상 증착법, 전기 영동법, 전사 방법 중 어느 하나로 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극(35)에 전압이 인가되면 이미터(17)로부터 전자빔이 방출되고, 전압이 인가되지 않으면 전자빔도 방출되지 않는다. 이와 같이, 게이트 전극(35)은 전자빔의 스위치 역할을 할 수 있다.
도 2는 에노드 전극이 없는 상태에서의 X-ray 소스의 평면도를 도시한 것이다. X-ray 소스(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 복수 개의 셀(5)을 포함할 수 있고, 복수 개의 셀(5)이 메트릭스 형태로 배열될 수 있다. 도 1은 하나의 셀의 단면도를 도시한 것이다. 상기 게이트 전극(35)은 메쉬 구조를 가질 수 있으며, 게이트 전극(35)은 중심에 홀(36)이 형성된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 홀(36)이 메트릭스 형태로 배열될 수 있다. 여기서는 홀(36)이 사각형 형상을 가지는 예를 도시하였지만, 여기에 한정되는 것은 아니며 원형이나 다각형 형태 등 다양하게 변형 가능하다.
한편, 상기 게이트 전극(35)의 측벽에 제1 이차전자 방출층(40)이 구비될 수 있다. 상기 제1 이차전자 방출층(40)은 이미터(17)로부터 방출된 전자로부터 하나 이상의 이차 전자 방출을 유도할 수 있다. 제1 이차전자 방출층(40)은 금속 산화물 또는 무기 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, SiO2, MgO, Al2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 제1 이차전자 방출층(40)은 예를 들어, 화학 기상 증착법(CVD), 스퍼터링, 열산화막 방법, 액상 코팅 방법 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 이미터(17)에서 방출된 일차 전자와, 상기 제1 이차전자 방출층(40)으로부터 방출된 이차 전자가 가속되어 에노드 전극(50)에 충돌하고, 에노드 전극(50)으로부터 X-ray가 유도 방출될 수 있다.
상기 절연체(20)는 케소드 전극(15) 둘레에 형성되며, 예를 들어 메쉬 구조를 가질 수 있다. 절연체(20)는 중심부에 홈(21)을 가지며, 상기 홈(21) 내부에 케소드 전극(15)이 구비될 수 있다. 케소드 전극과 게이트 전극에 전압이 인가될 때 상기 절연체(20)에 의해 단락이 방지될 수 있다.
상기 절연체(20)는 하부로부터 상부로 갈수록 그 폭이 점진적으로 작아지는 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 절연체(20)는 사다리꼴 단면 형상을 가질 수 있고, 상기 절연체(20)에 의해 형성된 홈(21)은 역사다리꼴 단면 형상을 가질 수 있다. 상기 홈(21)의 형상에 따라 이미터(15)에서 방출된 전자를 반사시키는 효율을 증대시킬 수 있다. 상기 게이트 전극(35)과 절연체(20)를 부착시키기 위해 게이트 전극(35)과 절연체(20) 사이에 접착층(30)이 구비될 수 있다.
상기 게이트 전극(35)의 측벽에 제1 이차전자 방출층(40)이 구비되고, 상기 이미터(17)로부터 방출된 전자가 상기 제1 이차전자 방출층(140)에 입사하여 하나 이상의 이차 전자 방출이 유도될 수 있다. 한편, 게이트 전극(35)의 하면에 제2 이차전자 방출층(41)이 더 구비될 수 있다. 상기 게이트 전극(35)의 하면의 폭은 상기 절연체(20)의 상면의 폭보다 클 수 있다. 상기 제2 이차전자 방출층(41)이 게이트 전극(35)의 하면에 배치될 때, 하면에 배치된 제2 이차전자 방출층(41)이 외부로 노출되는 면이 생길 수 있으며, 이 부분으로 일차 전자가 입사되어 적어도 하나의 이상의 이차 전자로 증폭될 수 있다. 따라서, 제2 이차전자 방출층(41)이 게이트 전극의 하면에 더 배치될 때, 상기 이미터(17)에서 방출된 일차 전자가 이차전자 방출층에서 이차로 증폭되는 전자 방출 효율을 더 높일 수 있다. 제1 이차전자 방출층(40)과 제2 이차전자 방출층(41)은 일체로 형성될 수 있다.
상기 접착층(30)은 글래스 재질로 형성될 수 있다. 상기 접착층은 예를 들어, 글래스 프릿(glass frit)으로 형성될 수 있다. 상기 접착층(30)이 글래스 재질로 형성된 경우 상기 게이트 전극(35)과 절연체(20) 사이의 접착력이 작을 수 있다. 여기서, 상기 제2 이차전자 방출층(41)이 상기 게이트 전극(35)과 절연체(20) 사이에 더 구비되는 경우 게이트 전극(35)과 절연체(20)의 접착력을 증대시킬 수 있다. 제2 이차전자 방출층(41)은 글래스와의 접착력이 우수하여 게이트 전극과 절연체와의 접착력을 증대시킬 수 있다. 상기 게이트 전극(35)과 상기 절연체(20)를 글래스 프릿(glass frit)을 이용해 결합하여 소결함으로써 게이트 전극과 절연체를 부착할 수 있고, 여기서 상기 제2 이차전자 방출층에 의해 접착력이 증가될 수 있다. 그럼으로써, 게이트 전극과 케소드 전극 사이의 높은 전계로 인해 게이트 전극이 절연체로부터 떨어지는 것을 감소키실 수 있다. 이와 같이, 제2 이차전자 방출층(41)은 이차 전자를 증폭시킴과 아울러 게이트 전극과 절연체의 결합력을 높이는 기능을 함께 수행할 수 있다.
다음, 본 발명의 일실시예에 따른 X-ray 소스의 동작에 대해 설명한다.
상기 이미터(17)에서 전계 방출된 일차 전자가 제1 이차전자 방출층(40)과 제2 이차전자 방출층(41)이 코팅된 게이트 전극(35)에 입사하면, 하나 이상의 이차 전자 방출이 유도될 수 있다. 제1 및 제2 이차전자 방출층(40)(41)을 통해 증폭된 이차 전자와 상기 이미터(17)에서 제1 및 제2 이차전자 방출층(40)(41)을 경유하지 않고 바로 방출된 일차 전자가 가속되어 에노드(50)에 충돌하면 X-ray가 유도될 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 제1 및 제2 이차전자 방출층(40)(41)은 일차 전자를 증폭시키는 역할을 할 수 있다. 도 3은 제1 및 제2 이차전자 방출층(40)(41)이 SiO2로 형성될 때 제1 및 제2 이차전자 방출층(40)(41)에 입사된 전자 에너지에 따른 이차전자 방출계수(δ)의 변화를 이차전자 방출층의 두께 별로 나타낸 것이다. 이차전자 방출계수(δ)는 입사된 일차 전자 개수 대 방출된 이차 전자 개수의 비를 나타낸다. 예를 들어, SiO2 이차전자 방출층이 두께 19nm일 때, 입사 전자 에너지 100-500 eV에서 3 이상의 이차전자 방출계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 게이트 전압 100-500V 범위에서 카본 나노 튜브로 된 이미터로부터 방출된 한 개의 전자가 이차전자 방출층에 입사되면 3개 이상의 이차 전자가 방출될 수 있다. 이 그래프에 따르면, 이차전자 방출층의 두께에 따라 이차전자 방출계수가 달라질 수 있다. 예를 들어, 이차전자 방출층이 0보다 크고80nm 이하의 두께를 가질 때, 이차전자 방출 효율이 높을 수 있다. 이 경우, 이차전자 방출 계수가 2 이상일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X-ray 소스와 이차전자 방출층이 없는 비교예(without SiO2)에서 구동 전압에 따른 에노드에서의 전류의 변화를 나타낸 것이다. 일 실시예에 따른 X-ray 소스로는 제1 및 제2 이차전자 방출층이 20nm SiO2로 코팅된 예(with SiO2)를 이용한 것이다. 제1 및 제2 이차전자 방출층이 있는 경우가 이차전자 방출층이 없는 경우에 비해 구동 전압이 낮다. 따라서, 이차전자 방출층을 이용하여 낮은 구동 전압에서 높은 방출 전류를 얻을 수 있다. 구동 전압이 상대적으로 낮으므로 X-ray 소스를 구동시 이미터가 손상되는 것을 감소시킬 수 있다. 이와 같이 이차전자 증폭을 이용해 전류를 증가시키고 구동 전압을 저하시킬 수 있다. 그럼으로써, 비교적 안정된 이미터의 전계 방출을 이용한 X-ray 소스를 제작할 수 있다.
도 5는 게이트 전극에 SiO2가 코팅된 경우(with SiO2)와 SiO2가 코팅되지 않은 경우(without SiO2) 각각에 대해 글래스 프릿을 이용하여 기판에 부착한 후, 두 층을 분리하기 위한 필테스트(peel test)를 통해 결합력을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 최고 로드(load)값을 기준으로 볼 때, SiO2가 코팅된 게이트 전극에 비해 SiO2가 없는 게이트 전극의 결합력이 더 높다. 이와 같이, 게이트 전극과 절연층과의 접착력 향상으로 인해, 게이트 전극과 케소드 전극 사이의 구조적 안정성이 높아질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 X-ray 소스는 게이트 전극의 적어도 한 면에 이차전자 방출층이 구비되어 게이트 전극의 구동 전압이 저하되고, 에노드에 흐르는 전류가 증대될 수 있다. 게이트 전극의 구동 전압이 낮으므로 높은 구동 전압으로 인해 이미터가 손상되는 것을 감소시킬 수 있으며, 이미터 손상으로 인한 불안정한 전계 방출을 감소시킬 수 있다.
상기한 X-ray 소스는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10...기판, 15...캐소드 전극
17...이미터, 20...절연체
30...접착층, 35...게이트 전극
40,41...이차전자 방출층, 50...에노드 전극

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 케소드 전극;
    상기 케소드 전극 상의 이미터;
    상기 케소드 전극 둘레에 구비된 절연체;
    상기 절연체 위에 구비된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극의 측벽에 구비된 것으로, 상기 이미터로부터 방출된 전자빔과의 충돌에 의해 이차전자를 방출시키는 제1 이차전자 방출층; 및
    상기 게이트 전극으로부터 이격되게 배치된 에노드 전극;을 포함하는 X-ray소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 메쉬 구조를 가지는 X-ray 소스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전극과 절연체 사이에 제2 이차전자 방출층이 더 구비되는 X-ray 소스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 이차전자 방출층은 금속 산화물과 무기 재료 중 어느 하나로 형성된X-ray 소스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 이차전자 방출층은 SiO2, MgO, Al2O3 중 어느 하나로 형성된 X-ray 소스.
  6. 제1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체와 게이트 전극 사이에 접착층이 더 구비되는 X-ray 소스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접착층은 글래스 재질로 형성된 X-ray 소스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접착층은 글래스 프릿(glass frit)으로 형성된 X-ray 소스.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미터는 탄소나노튜브로 형성되는 X-ray 소스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이미터는 페이스트를 이용한 인쇄법, 화학기상증착법, 전기영동법, 전사 방법 중 어느 하나를 이용하여 형성되는 X-ray 소스.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 중심부에 홀이 형성된 구조를 가지는 X-ray 소스.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 그 하면의 폭이 상기 절연체의 상면의 폭보다 큰 X-ray 소스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 절연체는 상부로 갈수록 폭이 작아지는 형상을 가지는 X-ray 소스.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체에 의해 홈이 형성되고, 상기 홈에 케소드 전극이 구비되며, 상기 홈이 역사다리꼴 단면 형상을 가지는 X-ray 소스.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 이차전자 방출층은 화학기상증착방법, 스퍼터링, 열산화막 형성 방법, 액상 코팅 방법 중 어느 하나로 형성되는 X-ray 소스.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 제1 이차전자 방출층과 제2 이차전자 방출층은 일체로 형성되는 X-ray 소스.
KR1020120022888A 2012-03-06 2012-03-06 엑스레이 소스 KR20130101839A (ko)

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