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KR20130100630A - 전자 방출 소자 및 이를 포함한 엑스선 발생 장치 - Google Patents

전자 방출 소자 및 이를 포함한 엑스선 발생 장치 Download PDF

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KR20130100630A
KR20130100630A KR1020120022033A KR20120022033A KR20130100630A KR 20130100630 A KR20130100630 A KR 20130100630A KR 1020120022033 A KR1020120022033 A KR 1020120022033A KR 20120022033 A KR20120022033 A KR 20120022033A KR 20130100630 A KR20130100630 A KR 20130100630A
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KR
South Korea
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gate
electrode
electron emission
focusing
spacer
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Application number
KR1020120022033A
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Inventor
김일환
김도윤
김용철
박상현
정태원
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US13/771,736 priority patent/US9064670B2/en
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Abstract

전자 방출 소자 및 이를 포함한 엑스선 발생 장치를 제공한다. 본 전자 방출 소자는 캐소드 전극, 캐소드 전극과 이격 배치되는 메시 구조의 게이트 전극, 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이에서 배치되는 복수 개의 게이트 스페이서 및 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이에서 복수 개의 게이트 스페이서 중 적어도 하나와 교대로 배치되는 복수 개의 전자 방출원을 포함한다.

Description

전자 방출 소자 및 이를 포함한 엑스선 발생 장치{electron emission device and X-ray generator including the same}
본 개시는 전계 방출을 활용한 전자 방출 소자 및 이를 포함하는 엑스선 발생 장치에 관한 것이다.
엑스선은 산업, 과학, 의료 등의 분야에서 비파괴 검사, 재료의 구조 및 물성 검사, 영상 진단, 보안 검색 등에 사용되고 있다. 일반적으로, 이러한 엑스선을 이용한 촬영 장치는 엑스선을 방출시키는 엑스선 발생 장치와 대상체를 통과한 엑스선을 검출하는 검출부로 구성된다.
여기서, 엑스선을 방출시키는 엑스선 발생 장치는 음극에서 방출된 전자를 양극에 충돌시켜서 엑스선을 방출시키는 것이 일반적이다. 이러한 엑스선 발생기에 적용되는 전자 방출 소자는 크게 냉음극(cold cathode) 및 열음극(hot cathode)으로 나눌 수 있다. 그 중 전계 방출을 활용한 전자 방출 소자는 저전압에서도 구동이 용이한 장점이 있다. 그리하여, 전계 방출(field emission)을 활용한 전자 방출 소자의 상용화를 위해 많은 연구가 진행중에 있다.
본 발명의 실시예는 절연 물질에 전하가 충전되는 것을 방지하여 아킹 (arcing)을 방지할 수 있는 전자 방출 소자를 제공한다.
그리고, 본 발명의 실시예는 균일한 전계 형성이 가능한 전자 방출 소자를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따르는 전자 방출 소자는, 캐소드 전극; 상기 캐소드 전극과 이격 배치되는 메쉬 구조의 게이트 전극; 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이에서 배치되는 복수 개의 게이트 스페이서; 및 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이에서 상기 복수 개의 게이트 스페이서 중 적어도 하나와 교대로 배치되는 복수 개의 전자 방출원;을 포함한다.
그리고, 상기 게이트 전극은 적어도 하나의 개구를 포함하고, 상기 개구는 복수 개의 게이트 스페이서의 사이에서 상기 전자 방출원의 적어도 일부가 오픈되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 게이트 전극은, 상기 복수 개의 게이트 스페이서 상에 배치되는 복수 개의 게이트 라인; 및 상기 복수의 게이트 라인을 상호 연결시키는 복수의 게이트 브릿지;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 게이트 브릿지 중 이웃하는 게이트 브릿지간의 간격은 상기 게이트 브릿지의 폭 이상일 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 게이트 브릿지 중 이웃하는 게이트 브릿지의 간격은 상기 전자 방출원과 상기 게이트 전극에 대한 거리의 2배 이하일 수 있다.
그리고, 상기 게이트 스페이서 및 상기 전자 방출원 중 적어도 하나는 라인 형상일 수 있다.
그리고, 상기 게이트 스페이서상에 배치되며, 상기 전자 방출원에서 발생된 전자에 의해 상기 게이트 스페이서에 전하가 충전되는 것을 방지하는 충전 방지막;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전 방지막은 상기 게이트 스페이서의 측면에 배치되면서 상기 게이트 전극과 연결될 수 있다.
그리고, 상기 충전 방지막은 상기 게이트 스페이서의 상면 및 상기 캐소드 전극의 상면 중 적어도 하나로 연장될 수 있다.
또한, 상기 충전 방지막의 비저항은 상기 게이트 전극의 비저항과 상기 게이트 스페이서의 비저항 사이일 수 있다.
그리고, 상기 충전 방지막의 비저항은 107 Ω㎝이상 1010　Ω㎝　이하일 수 있다.
또한, 상기 게이트 스페이서는 상기 캐소드 전극에서 상기 게이트 전극으로 갈수록 폭이 작아질 수 있다.
그리고, 상기 게이트 전극과 이격 배치되며 상기 복수 개의 전자 방출원에서 방출된 전자를 집속시키는 집속 전극; 및 상기 게이트 전극과 상기 집속 전극 사이에 배치되는 집속 스페이서;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 집속 전극은 상기 게이트 전극으로부터 순차적으로 이격 배치되는 제1 및 제2 집속 전극을 포함하고, 상기 집속 스페이서는 상기 제1 집속 전극을 사이에 두고 배치되는 제1 및 제2 집속 스페이서;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 집속 전극에는 양의 전압이 인가되고, 상기 제2 집속 전극에는 음의 전압이 인가될 수 있다.
또한, 상기 캐소드 전극, 상기 복수 개의 게이트 스페이서 및 상기 복수 개의 전자 방출원은 일체화되어 있고, 상기 게이트 전극은 상기 복수 개의 게이트 스페이서로부터 분리 가능할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 유형에 따르는 엑스선 발생 장치는, 용기부; 상기 용기부내에 배치되며, 앞서 기술한 전자 방출 소자; 및 상기 전자 방출 소자에서 방출된 전자에 의해 엑스선을 발생시키는 에노드;를 포함한다.
그리고, 상기 전자 방출 소자는 상기 용기부로부터 분리가능할 수 있다.
본 개시의 전자 방출 소자는 게이트 스페이서상에 전하의 충전을 방지하는 막이 형성되기 때문에 아킹(arcing)으로 인한 소자의 손실을 방지할 수 있다.
그리고, 전자 방출 소자의 게이트 전극은 메시 구조로 형성되어 균일한 전계 형성이 가능하다.
도 1는 본 발명의 실시예에 의한 전자 방출 소자를 나타낸 평면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 전자 방출 소자에 대한 A-A' 라인을 따른 수직 단면도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 전자 방출 소자에 대한 B-B' 라인을 따른 따른 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 방출 소자를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 방출 소자를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 방출 소자를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 전자 방출 소자를 포함하는 엑스선 발생 장치를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 브릿지간의 간격과 에노드에 흐르는 전류와의 관계를 실험한 결과를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 전자 방출 소자 및 엑스선 발생 장치의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1는 본 발명의 실시예에 의한 전자 방출 소자(10)를 나타낸 평면도이고, 도 2a는 도 1에 도시된 전자 방출 소자(10)에 대한 A-A' 라인을 따른 수직 단면도이고, 도 2b는 도 1에 도시된 전자 방출 소자(10)에 대한 B-B' 라인을 따른 수직 단면도이다.
도면들을 참조하면, 전자 방출 소자(10)는, 캐소드 전극(11), 캐소드 전극(11)과 이격 배치되는 메쉬 구조의 게이트 전극(14), 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14) 사이에서 제1 방향으로 연장되며 서로 이격 배치되는 복수 개의 게이트 스페이서(12) 및 복수 개의 전자 방출원(15)을 포함한다.
캐소드 전극(11) 및 게이트 전극(14)은 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 금속 또는 전도성 금속 산화물 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어 캐소드 전극(11) 및 게이트 전극(14)은 Ti, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W 또는 Cu와 같은 금속 또는 ITO(indium tin oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2(Tin oxide) 또는 In2O3 등의 금속산화물일 수 있다.
캐소드 전극(11)은 전자 방출원(15)에 전압을 인가하며, 평판 형상일 수 있다. 그리고, 게이트 전극(14)은 캐소드 전극(11)과 다른 크기의 전압을 인가받아 전자 방출원(15)의 전자 방출을 유도한다. 게이트 전극(14)은 복수 개의 개구(H)를 포함하는 메시(mesh) 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극(14)은 게이트 스페이서(12) 상에 이격 배치되는 복수 개의 게이트 라인(14a)과 복수 개의 게이트 라인(14a)을 상호 연결하는 복수의 게이트 브릿지(14b)를 포함할 수 있다. 그리하여, 인접한 두 개의 게이트 라인(14a)과 두 개의 게이트 브릿지(14b)에 의해 개구(H)가 형성된다. 상기한 개구(H)는 게이트 스페이서(12) 사이에서 전자 방출원(15)의 적어도 일부가 오픈되도록 배치될 수 있다.
게이트 라인(14a)의 폭(W1)은 게이트 브릿지(14b)의 폭(W2)과 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 또한, 게이트 라인(14a)간의 간격(d1)은 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)과 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 예를 들어, 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)은 게이트 브릿지(14b)의 폭이상일 수 있고, 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)은 전자 방출원(15)과 게이트 전극(14)간의 거리(h)의 2배 이하일 수 있다. 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)이 전자 방출원(15)과 게이트 전극(14)간의 거리(h)의 2배를 초과하는 경우, 전자 방출원(15)에서 형성되는 전기장의 불균일이 커지게 된다. 즉, 게이트 브릿지(14b) 아래쪽에 더 큰 전기장이 형성되어, 전자 방출원(15)에서의 전자 방출이 분균일해진다.
상기와 같이, 게이트 전극(14)이 메시 구조로 형성되기 때문에 대면적의 전자 방출 소자(10)를 제조할 수 있다. 도 1에서 게이트 전극(14)의 개구(H)는 사각형으로 도시되어 있으나 이에 한정되지 않는다. 개구(H)의 형태는 원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나일 수도 있다. 그리고, 크기가 동일할 수 도 있고, 다를 수 도 있다.
게이트 스페이서(12)는 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14) 사이에 배치되어 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14)간의 전기적 통전을 방지한다. 또한, 게이트 스페이서(12)는 복수 개가 배치되며, 최소 3개 이상일 수 있다. 게이트 스페이서(12)는 라인 형상일 수 있다. 그리하여, 복수 개의 게이트 스페이서(12)는 일 방향으로 연장되며 서로 이격 배치되어 게이트 전극(14)을 지지한다. 복수 개의 게이트 스페이서(12)는 게이트 전극(14)의 가장자리 영역을 지지하는 제1 게이트 스페이서(12a)와 게이트 전극(14)의 가운데 영역을 지지하는 제2 게이트 스페이서(12b)를 포함할 수 있다.
게이트 스페이서(12)간의 간격은 게이트 라인(14a)간의 간격과 이상일 수 있다. 게이트 스페이서(12)는 반도체 소자(10)에 사용되는 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 스페이서(12)는 SiO2 또는 SiO2보다 유전율이 높은 High-K 물질인 HfO2, Al2O3, Si3N4 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
도면에서는 라인형상의 게이트 스페이서(12)가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 게이트 스페이서(12)는 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14)간의 전기적 통전을 방지하고 게이트 전극(14)을 지지할 수 있으면 다른 형상이여도 무방하다. 예를 들어, 제2 게이트 스페이서(12b)는 기둥 형상으로 게이트 라인(14a)의 하측에 배치될 수 있다.
전자 방출원(15)은 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14)에 인가되는 전압에 의해 전자를 방출한다. 본 전자 방출 소자(10)는 복수 개의 전자 방출원(15)을 포함할 수 있으며, 복수 개의 전자 방출원(15)은 복수 개의 게이트 스페이서(12)와 교번적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 전자 방출원(15)은 제2 게이트 스페이서(12b)를 사이에 두고 이격 배치될 수 있다. 전자 방출원(15)도 제2 게이트 스페이서(12b)와 같이 제1 방향으로 연장되는 스트라이프 형상일 수 있다. 게이트 전극(14)이 메쉬 구조이기 때문에 전자 방출원(15)의 상측에도 게이트 전극(14)이 배치된다. 그리하여 전자 방출원(15)과 게이트 전극(14)이 쇼트되지 않기 위해 전자 방출원(15)은 게이트 전극(14)과 이격 배치될 수 있다.
전자 방출원(15)은 전자를 방출할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전자 방출원(15)은 금속, 실리콘, 산화물, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(DLC), 카바이드 화합물, 질소 화합물, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버 등으로 형성될 수 있다.
전자 방출 소자(10)에서 전자 방출원(15)이 차지하는 면적이 클수록 전자 방출 소자(10)는 많은 양의 전자를 방출할 수 있다. 하지만, 전자 방출원(15)과 게이트 전극(14) 사이에 인가되는 전압차에 의한 정전기력(electrostatic force)를 견뎌야 한다. 그리하여, 게이트 스페이서(12)와 전자 방출원(15)을 교번적으로 배치하고, 전자 방출원(15)이 배치된 영역 위에는 개구(H)가 형성된 게이트 전극(14)을 배치시킴으로써 대면적의 전자 방출 소자(10)의 구현이 가능하다. 또한, 게이트 전극(14)은 전자 방출원(15)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치되는 게이트 브릿지(14b)를 포함하기 때문에 전자 방출원(15)의 표면에는 균일한 전계가 형성될 수 있다.
또한, 게이트 브릿지(14b)의 아래에도 전자 방출원(15)이 배치되기 때문에 게이트 브릿지(14b) 아래에서 방출되는 전자를 최소화할 필요가 있다. 그리하여, 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)은 게이트 브릿지(14b)의 폭(w2)보다 클 수 있다. 그리고, 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)은 전자 방출원(15)과 게이트 전극(14)간의 간격(h1)의 2배 이하일 수 있다.
그리고, 전자 방출 소자(10)는 게이트 전극(14)과 이격 배치되며, 전자를 집속시키는 집속 전극(17)(focusing gate) 및 게이트 전극(14)과 집속 전극(17) 사이에 배치되며,게이트 전극(14)과 집속 전극(17)의 쇼트를 방지하는 집속 스페이서(16)를 더 포함할 수 있다. 집속 전극(17) 및 집속 스페이서(16)는 가운데 영역이 비어 있는 링 형상일 수 있다. 그리하여 집속 전극(17)의 가운데 영역을 통과하는 전자는 집속된다. 집속 전극(17)에 인가되는 전압은 게이트 전극(14)에 인가되는 전압과 동일하거나 유사한 전압이 인가되어 최적의 집속 성능을 유지할 수 있다.
한편, 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14) 사이에 전압이 인가되면 전위차에 의해 전자 방출원(15)에서 전자가 방출된다. 방출된 전자는 게이트 전극(14)의 개구(H)를 통해 외부로 방출될 수도 있지만, 게이트 스페이서(12)에 충돌할 수 있다. 또한, 방출 후 게이트 스페이서(12)에 충돌 없이 게이트 전극(14)을 향하는 전자 중에서도 일부는 게이트 전극(14)과 충돌하여 다시 게이트 스페이서(12)로 향할 수 있다.　이렇게 게이트 스페이서(12)에 부딪힌 전자는 게이트 스페이서(12)의 표면에 전하를 축적시키게 되고 일정 수준 이상으로 축적되면 방전을 일으킬 수 있다. 이와 같은 게이트 스페이서(12)의 전자 방출은 아킹(arcing)을 발생시켜 전자 방출 소자(10)의 기능을 열화시킬 수 있다.
그리하여, 본 전자 방출 소자(10)는 게이트 스페이서(12) 상에 배치되면서 전자 방출원(15)에서 발생된 전자가 게이트 스페이서(12)에 충전되는 것을 방지하는 충전 방지막(13)을 더 포함할 수 있다. 충전 방지막(13)은 게이트 스페이서(12)를 덮도록 형성될 수 있다. 충전 방지막(13)은 게이트 스페이서(12) 뿐만 아니라 게이트 스페이서(12) 사이의 캐소드 전극(11) 상으로도 연상되어 배치될 수 있다. 그리고, 캐소드 전극(11) 상에 배치되는 게이트 스페이서(12) 상에 전자 방출원(15)이 배치될 수 있다. 충전 방지막(13)의 두께는 약 50nm 이하일 수 있다.
충전 방지막(13)은 게이트 스페이서(12)의 비저항과 게이트 전극(14)의 비저항 사이의 비저항 값을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 비저항 값(r)은 도포되는 충전 방지막(13)의 두께(t)와 전자 방출 소자에서 허용하는 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14) 사이의 누설전류 양(I)에 따라 결정할 수 있으며 이는 하기 수학식 1과 같은 옴의 법칙으로부터 계산될 수 있다.
I= V / R = V / (r * l/t)
여기서, V는 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14)간의 전압이고, I는 충전 방지막 중 캐소드 전극과 게이트 전극을 연결한 길이이다. 예를 들어, 충전 방지막(13)의 비저항은 107 Ω㎝이상 1010　Ω㎝　이하 일 수 있다. 이와 같은 충전 방지막(13)의 물질로는 a-Si, Cr2O3, TaN, RuO2, PbO, NiCr, Bi2Ru2O7 등이 있을 수 있다.
전자 방출원(15)에서 방출되는 전자는 일반적으로 캐소드 전극(11)내 개구(H)를 통해 외부로 방출된다. 그러나, 전자 방출원(15)에서 방출되는 전자의 일부는 충전 방지막(13)에 입사될 수 있다. 충전 방지막(13)의 비저항은 게이트 스페이서(12)의 비저항보다 작고 게이트 전극(14)의 비저항보다 크기 때문에 충전 방지막(13)에 입사된 전자는 전위가 높은 게이트 전극(14)으로 이동하게 된다. 그리하여, 게이트 스페이서(12)에 전하가 충전되는 것을 방지할 수 있고, 아킹을 줄일 수 있다. 이와 같이, 전자 방출원(15)과 게이트 스페이서(12) 사이에 충전 방지막(13)이 배치되기 때문에 게이트 스페이서(12)에 전하가 충전되는 것을 방지할 수 있다.
앞서 설명한 게이트 전극(14), 게이트 스페이서(12) 및 충전 방지막(13)은 적층과 패터닝에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판상에 게이트 전극(14)이 되는 전도성 물질을 적층시키고, 게이트 스페이서(12)가 될 절연층을 순차적으로 적층시킨다. 그리고, 절연층을 패터닝하여 게이트 스페이서(12)를 형성한다. 그리고 게이트 스페이서(12)를 덮도록 게이트 전극(14)상에 충전 방지막(13)을 코팅한 후 마스크를 이용하여 게이트 전극(14)을 형성할 수 있다. 또한, 전자 방출원(15)은 캐소드 전극(11) 상에 촉매 금속을 이용하여 금속, 실리콘, 산화물, 다이아몬드, 다이아몬드상 카본(DLC), 카바이드 화합물, 질소 화합물, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버 등을 직접 성장시키거나, 또는 미리 성장된 다이아몬드, 다이아몬드상 카본, 카본 나노튜브, 카본 나노파이버 등의 입자상 분말을 바인더와 함께 페이스트 (paste)로 혼합하여 스크린 인쇄 또는 감광성 방법으로 제작할 수 도 있다.
그리고, 게이트 전극(14), 집속 전극(17) 및 집속 스페이서(16)는 조립에 의해 형성될 수 있다. 캐소드 전극(11), 게이트 스페이서(12), 충전 방지막(13) 및 전자 방출원(15)이 일체화된 기판 상에, 게이트 전극(14), 집속 스페이서(16) 및 집속 전극(17)을 순차적으로 배치시키고, 이를 결합함으로써 전자 방출 소자(10)를 제조할 수 있다. 이와 같이, 캐소드 전극(11), 게이트 스페이서(12) 및 충전 방지막(13)으로 개별적으로 제조한 후 조립하기 때문에 전자 방출 소자(10)의 구성요소 중 어느 하나에 문제가 발생한 경우, 교체하는 것이 용이하다.
한편, 충전 방지막(13)은 게이트 스페이서(12) 전체를 덮도록 형성될 필요는 없다. 도 1에서 충전 방지막(13)은 게이트 스페이서(12) 전체 및 게이트 스페이서(12) 사이의 캐소드 전극(11)상에 배치된다고 하였으나, 이는 제조의 편의를 도모하기 위함이다. 충전 방지막은 전자 방출원에서 방출되는 전자가 게이트 스페이서에 충돌되는 것을 방지할 수 있는 영역에만 배치되어도 무방하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 방출 소자(20)를 나타내는 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전자 방출 소자(20)의 충전 방지막(23)은 게이트 스페이서(12)의 측면에 배치될 수 있다. 전자 방출원(15)에서 방출된 전자는 게이트 스페이서(12)의 측면에 충돌할 확률이 높기 때문이며, 게이트 전극(14) 및 캐소드 전극(11)의 누설 전류를 최소화하기 위해 게이트 스페이서(12)의 측면에만 배치될 수 있다. 충전 방지막(23)에 충전된 전하는 게이트 전극(14)으로 이동하도록 충전 방지막(23)은 게이트 전극(14)과 접촉될 수 있다. 이와 같은 충전 방지막(13)은 광리소그래피(photolithography) 공정으로 형성될 수 있다.
또한, 전자 방출원에서 방출된 전자와 충전 방지막과의 충돌을 최소화하기 위해 충전 방지막 또는 게이트 스페이서가 전자 방출원에 비하여 경사지게 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 방출 소자(30)를 나타내는 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 게이트 스페이서(32)의 폭은 캐소드 전극(11)에서 게이트 전극(14)으로 갈수록 작아질 수 있다. 이와 같이, 게이트 스페이서(32)의 폭이 게이트 전극(14)으로 갈수록 작아지므로, 게이트 스페이서 상에 배치되는 충전 방지막(33)도 전자 방출원(15)에 대해 기울어지게 배치된다. 그리하여, 전자 방출원(15)에서 방출된 전자는 충전 방지막(33)에 충돌하는 확률이 작아진다.
또한 전자 방출 소자는 복수 개의 집속 전극을 이용하여 전자를 보다 효율적으로 집속시킬 수도 있다. 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 방출 소자(40)를 나타내는 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전자 방출 소자(40)는 두 개의 집속 전극(47, 49)와 두 개의 집속 스페이서(46, 48)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자 방출원(15)은 게이트 전극(14) 상에 순차적으로 배치되는 제1 집속 스페이서(46), 제1 집속 전극(47), 제2 집속 스페이서(48) 및 제2 집속 전극(49)을 포함할 수 있다. 이와 같이, 제1 집속 전극(47)에 양의 전압이 인가되고, 제2 집속 전극(49)에 음의 전압이 인가되면, 전자 방출원(15)에서 방출된 전자는 보다 효율적으로 집속될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 전자 방출 소자(10)를 포함하는 엑스선 발생 장치를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 용기부(50), 용기부(50) 내에 장착된 전자 방출 소자(10) 및 전자 방출 소자(10)에서 방출된 전자를 엑스선으로 변환시키는 애노드(60)를 포함한다. 용기부(50)의 일측에는 엑스선을 용기부(50) 외부로 출사할 수 있는 윈도우(50a)를 포함한다. 도 1에 도시된 전자 방출 소자(10)뿐만 아니라, 도 3 내지 5에 도시된 전자 방출 소자(20, 30, 40)도 적용될 수 있음은 물론이다.
용기부(50)의 형태는 제한이 없으며, 내부의 진공을 유지할 수 있도록 밀폐된 상태로 사용될 수 있으며, 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있도록 외부의 진공 펌프와 연결된 배기부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 용기부(50)는 엑스선을 차단할 수 있는 물질로 형성할 수 있으며, 스테인레스(sus), 글래스(glass) 등의 물질로 형성할 수 있다. 용기부(50)를 글래스로 형성하는 경우에는 추가적으로 엑스선을 차단할 수 있는 엑스선 실드(shield) 물질을 더 포함할 수 있으며, Pb 또는 중금속 물질을 더 포함할 수 있다. 윈도우(50a)는 용기부(50) 내부의 진공 상태를 유지하며 엑스선을 외부로 방출할 수 있도록 엑스선 투과 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 파이렉스 글래스(Pyrex Glass), Al 등으로 형성될 수 있다.
전자 방출 소자(10)는 본 발명의 실시예에 의한 전자 방출 소자(10)를 사용할 수 있으며, 전자 방출 소자(10)가 장착되는 고정부(10a)는 용기부(50)로부터 탈착 가능하도록 형성될 수 있다.
애노드(60)는 전자 방출 소자(10)에서 발생된 전자빔에 의해 엑스선을 발생시키는 것으로 Mo, Ag, W, Cr, Fe, Co, Cu 등의 금속 또는 금속합금으로 형성된 타겟(62)을 포함한다. 전자 방출 소자(10) 및 애노드(60)는 각각 외부 전원 공급부와 연결될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 브릿지간의 간격과 에노드에 흐르는 전류와의 관계를 실험한 결과를 도시한 도면이다. 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)이 전자 방출원(15)과 게이트 전극(14)간의 거리(h)의 2배일 때와 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)이 전자 방출원(15)과 게이트 전극(14)간의 거리(h)의 4배일 때의 게이트 전압에 따른 에노드에 흐르는 전류 값을 측정하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 게이트 전압이 동일한 경우에도 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)이 전자 방출원(15)과 게이트 전극(14)간의 거리(h)의 2배일 때 에노드에 흐르는 전류값이 큼을 확인할 수 있다. 이는 전자 방출효율이 게이트 브릿지(14b)간의 간격(d2)이 전자 방출원(15)과 게이트 전극(14)간의 거리(h)의 2배일 때가 높다는 것을 의미한다.
상술한 바와 같은 실시예를 통해서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 다양한 형태의 정렬 형태를 포함하는 전자 방출 소자 및 이를 포함하는 엑스선 발생 장치를 구현할 수 있다. 결과적으로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10, 20, 30, 40 : 전자 방출 소자
11 : 캐소드 전극 12 : 게이트 스페이서
13 : 충전 방지막 14 : 게이트 전극
15 : 전자 방출원 16 : 집속 스페이서
17 : 집속 전극 50 : 용기부
60 : 애노드 100 : 엑스선 발생 장치

Claims (18)

  1. 캐소드 전극;
    상기 캐소드 전극과 이격 배치되는 메쉬 구조의 게이트 전극;
    상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이에서 배치되는 복수 개의 게이트 스페이서; 및
    상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이에서 상기 복수 개의 게이트 스페이서 중 적어도 하나와 교대로 배치되는 복수 개의 전자 방출원;을 포함하는 전자 방출 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 적어도 하나의 개구를 포함하고, 상기 개구는 복수 개의 게이트 스페이서의 사이에서 상기 전자 방출원의 적어도 일부가 오픈되도록 배치되는 전자 방출 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 전극은,
    상기 복수 개의 게이트 스페이서 상에 배치되는 복수 개의 게이트 라인; 및
    상기 복수의 게이트 라인을 상호 연결시키는 복수의 게이트 브릿지;를 포함하는 전자 방출 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복수 개의 게이트 브릿지 중 이웃하는 게이트 브릿지간의 간격은 상기 게이트 브릿지의 폭이상인 전자 방출 소자.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 복수 개의 게이트 브릿지 중 이웃하는 게이트 브릿지의 간격은 상기 전자 방출원과 상기 게이트 전극에 대한 거리의 2배 이하인 전자 방출 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 스페이서 및 상기 전자 방출원 중 적어도 하나는 라인 형상인 전자 방출 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 스페이서상에 배치되며, 상기 전자 방출원에서 발생된 전자에 의해 상기 게이트 스페이서에 전하가 충전되는 것을 방지하는 충전 방지막;을 더 포함하는 전자 방출 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 충전 방지막은 상기 게이트 스페이서의 측면에 배치되면서 상기 게이트 전극과 연결된 전자 방출 소자.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 충전 방지막은 상기 게이트 스페이서의 상면 및 상기 캐소드 전극의 상면 중 적어도 하나로 연장된 전자 방출 소자.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 충전 방지막의 비저항은 상기 게이트 전극의 비저항과 상기 게이트 스페이서의 비저항 사이인 전자 방출 소자.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 충전 방지막의 비저항은 107 Ω㎝이상 1010　Ω㎝　이하인 방출 소자.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 스페이서는 상기 캐소드 전극에서 상기 게이트 전극으로 갈수록 폭이 작아지는 전자 방출 소자.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 전극과 이격 배치되며 상기 복수 개의 전자 방출원에서 방출된 전자를 집속시키는 집속 전극; 및
    상기 게이트 전극과 상기 집속 전극 사이에 배치되는 집속 스페이서;를 포함하는 전자 방출 소자.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 집속 전극은 상기 게이트 전극으로부터 순차적으로 이격 배치되는 제1 및 제2 집속 전극을 포함하고,
    상기 집속 스페이서는 상기 제1 집속 전극을 사이에 두고 배치되는 제1 및 제2 집속 스페이서;를 포함하는 전자 방출 소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제1 집속 전극에는 양의 전압이 인가되고, 상기 제2 집속 전극에는 음의 전압이 인가되는 전자 방출 소자.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 캐소드 전극, 상기 복수 개의 게이트 스페이서 및 상기 복수 개의 전자 방출원은 일체화되어 있고,
    상기 게이트 전극은 상기 복수 개의 게이트 스페이서로부터 분리 가능한 전자 방출 소자.
  17. 용기부;
    상기 용기부내에 배치되는 제 1항 내지 제 16항에 기재된 전자 방출 소자; 및
    상기 전자 방출 소자에서 방출된 전자에 의해 엑스선을 발생시키는 에노드;를 포함하는 엑스선 발생 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 전자 방출 소자는 상기 용기부로부터 분리 가능한 엑스선 발생 장치.
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