KR20150051820A

KR20150051820A - 투과형 평판 엑스레이 발생 장치 및 엑스레이 영상 시스템

Info

Publication number: KR20150051820A
Application number: KR1020130133826A
Authority: KR
Inventors: 정태원; 김도윤; 김일환; 박상현; 이창수; 김용철
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-05-13
Also published as: WO2015068992A1; US20160290936A1

Abstract

개시된 엑스레이 발생장치는, 전자들을 방출하는 복수의 전자 방출유닛들을 포함하는 전자 방출소자와, 상기 전자 방출유닛들로부터 방출되는 전자들에 의해 엑스레이를 방출하는 엑스레이 방출유닛과, 상기 전자 방출 소자 및 상기 엑스레이 방출유닛을 진공으로 차폐하는 진공챔버를 포함한다. 개시된 엑스레이 영상 시스템은 상기 엑스레이 발생장치로부터 방사되어 피사체를 통과한 엑스레이를 검출하는 엑스레이 검출장치를 포함한다.

Description

투과형 평판 엑스레이 발생 장치 및 엑스레이 영상 시스템{Penetrative plate X-ray generating apparatus and X-ray imaging system}

투과형 평판 엑스레이 발생 장치 및 엑스레이 영상 시스템에 관한 것이다.

엑스레이(X-ray)은 산업, 과학, 의료 등의 다양한 분야에서 비파괴 검사, 재료의 구조 및 물성 검사, 영상 진단, 보안 검색 등에 사용되고 있다. 일반적으로, 이러한 엑스레이를 이용한 영상 시스템은 엑스레이를 방출시키는 엑스레이 발생 장치와 피사체를 통과한 엑스레이를 검출하는 엑스레이 검출 장치를 포함한다.

엑스레이 검출 장치는 필름 방식에서 디지털 방식으로 급속히 전환되고 있지만, 엑스레이 발생 장치는 거의 텅스텐 필라멘트 방식의 음극을 이용한 전자 발생 소자를 사용하고 있다. 이로 인해 하나의 엑스레이 촬영 장치에는 하나의 전자 발생 소자가 장착되어 있다. 한편, 엑스레이 검출 장치는 일반적으로 평판형으로 구현되기 때문에 하나의 전자 발생 소자로부터 영상을 획득하기 위하여 엑스레이 발생 장치와 피사체는 어느 정도의 거리를 두어야 하는 문제가 있다. 또한, 하나의 엑스레이 발생 장치로부터 일정한 면적의 피사체를 촬영해야 하므로 피사체의 특정 부분만 선택하여 촬영할 수도 없다.

또한, 엑스레이 발생 장치는 엑스레이를 방출시키면서 많은 열이 발생하고, 발생한 엑스레이의 투과율이 떨어진다는 문제점이 있다.

투과형 평판 엑스레이 발생 장치 및 엑스레이 영상 시스템을 제공한다.

일 측면에 있어서, 엑스레이 발생 장치는, 각각 독립적으로 구동가능하며, 전자들을 방출하는 복수의 전자 방출유닛들을 포함하는 전자 방출소자, 상기 전자 방출유닛들로부터 방출되는 전자들에 의해 엑스레이를 방출하는 엑스레이 방출유닛, 및 상기 전자 방출소자 및 상기 엑스레이 방출유닛을 진공으로 차폐하는 진공챔버를 포함한다.

또한, 상기 진공챔버에는 상기 엑스레이 방출유닛에 의해 방출되는 엑스레이를 상기 진공챔버 외부로 방사하는 엑스레이 투과창이 마련된다.

또한, 상기 엑스레이 투과창은 Be, C, Al, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속합금을 포함한다.

또한, 상기 복수의 전자 방출유닛들 중 1 이상은 동시에 구동되거나 또는 순차적으로 구동되어 전자를 방출하고, 상기 엑스레이 방출유닛은 상기 전자 방출유닛들로부터 방출된 전자에 의하여 엑스레이를 방출하는 복수의 엑스레이 방출부를 포함한다.

또한, 상기 엑스레이 방출유닛은 상기 전자 방출유닛들으로부터 방출된 전자들에 의해 엑스레이를 발생시키는 애노드 전극을 포함한다.

또한, 상기 애노드 전극은 애노드 기판과, 상기 애노드 기판의 일 측면에 마련되는 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 W, Mo, Ag, Cr, Fe, Co, Cu 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속합금을 포함한다.

또한, 상기 애노드 기판은 카본 기판이며, 상기 코팅층은 텅스텐 코팅층일 수 있다.

또한, 상기 엑스레이 방출유닛을 상기 진공챔버로부터 분리시키는 절연층을 더 포함한다.

또한, 상기 엑스레이 발생장치는 절연층에 의해 상기 진공챔버와 이격되고 상기 애노드 전극에서 발생하는 열을 냉각시키는 냉각장치를 더 포함한다.

또한, 상기 절연층은 세라믹 또는 플라스틱이다.

또한, 상기 엑스레이 발생장치는 상기 진공챔버 내부의 가스를 제거하는 게터펌프를 더 포함한다.

상기 복수의 전자 방출유닛 각각은, 기판 상에 마련되며 전자가 방출되는 개구에 의하여 외부와 연통된 캐비티를 형성하는 게이트 절연층; 상기 캐비티 내부에 배치되는 캐소드 전극; 상기 캐소드 전극 상에 배치되는 전자방출원; 상기 게이트 절연층 상의 게이트 전극; 을 포함할 수 있다.

또한, 상기 전자방출원은 카본나노튜브(CNT), 카본 나노파이버, 금속, 실리콘, 산화물, 다이아몬드, DLC(Diamond Like Carbon), 카바이드 화합물 또는 질소 화합물을 포함한다.

한편, 일 측면에 있어서, 엑스레이 영상 시스템은, 상기와 같은 엑스레이 발생 장치; 및 상기 엑스레이 발생장치로부터 방사되어 피사체를 통과한 엑스레이를 검출하는 엑스레이 검출장치;를 포함한다.

상기 엑스레이 검출장치는 2차원 배열되고 독립적으로 구동가능한 복수의 엑스레이 검출유닛을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 엑스레이 영상 시스템은, 평판형 엑스레이 발생장치를 구비한다. 따라서, 이러한 평판형 엑스레이 발생 장치와 엑스레이 검출 장치 사이에 피사체를 배치시킴으로써 얇은 두께의 엑스레이 영상 시스템을 구현할 수 있다. 엑스레이 발생장치는 제한된 영역에서만 부분적으로 엑스레이를 발생시키도록 구동될 수 있어 피사체의 특정 영역만을 촬영할 수 있으며, 이와 같은 선택적 부분 촬영으로 불필요한 부분의 엑스레이 조사를 방지함으로써 피폭량을 감소시킬 수 있다. 엑스레이 발생장치는 독립적으로 구동되는 복수의 전자 방출유닛을 구비하는 전자 방출 소자를 구비할 수 있다. 또한, 엑스레이 발생장치는 독립적으로 구동되며 전자 방출 소자로부터 조사되는 전자에 의하여 엑스레이를 발생시키는 복수의 엑스레이 방출부를 구비할 수 있다. 복수의 전자 방출유닛들 중 적어도 일부는 순차적으로 구동함으로써 피사체의 특정 영역을 입체적으로 촬영할 수도 있다. 또한, 냉각장치를 통하여 고전압이 인가되는 애노드 전극에서의 발열을 감소시킬 수 있으며, 절연층으로 인하여 근접 촬영 시에도 피사체의 고전압 안정성을 높일 수 있다. 진공챔버에 제공되는 엑스레이 투과창을 통하여 투과 손실을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스레이 발생 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 엑스레이 발생 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1 또는 도 2에 따른 실시예의 전자 방출 소자의 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 전자 방출 소자의 구동 배선의 일 예를 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스레이 영상 시스템의 개략적인 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세히 설명한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스레이 발생 장치의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 엑스레이 발생 장치의 단면도이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스레이 발생 장치(100)는, 각각 독립적으로 구동가능하며, 전자들을 방출하는 복수의 전자 방출유닛(11)을 포함하는 전자 방출소자(10), 상기 전자 방출유닛(11)들로부터 방출되는 전자(e^-)들에 의해 엑스레이를 방출하는 엑스레이 방출유닛(20), 및 상기 전자 방출소자(10) 및 상기 엑스레이 방출유닛(20)을 진공으로 차폐하는 진공챔버(30)를 포함한다.

복수의 전자 방출유닛(1)은 전체적으로 또는 부분적으로 구동될 수 있다. 따라서, 복수의 전자 방출유닛(11)들 중 1 이상을 동시에 또는 순차적으로 구동함으로써(즉, 복수의 전자 방출유닛(11)들 전부 또는 일부를 선택적으로 구동함으로써), 피사체에의 엑스레이의 조사 범위를 조절할 수 있다. 또한, 복수의 전자 방출유닛(11)은 하나 이상을 단위로 하여 동시에 구동되거나 순차적으로 구동됨으로써, 피사체의 일부 영역에 엑스레이를 조사하거나, 피사체의 다수의 조사 영역에 순차적으로 엑스레이를 조사할 수 있다.

엑스레이 방출유닛(20)은 투과형 평판 엑스레이 방출유닛(20)이다. 엑스레이 방출유닛(20)은 복수의 엑스레이 방출부(21)로 구분될 수 있다. 복수의 전자 방출유닛(11)들 중 전부 또는 일부 영역이 구동되면, 구동되는 전자 방출유닛들로부터 방출되는 전자(e^-)들은 이에 대응하는 엑스레이 방출부에 도달하여 엑스레이를 방출한다.

따라서, 피사체에의 엑스레이의 조사 범위는 복수의 전자 방출유닛(11)에 의하여 조절될 수도 있다. 예를 들어, 복수의 전자 방출유닛(11) 전부 또는 일부를 선택적으로 구동함으로써 피사체에의 엑스레이의 조사 범위를 조절할 수 있다. 복수의 엑스레이 방출부(21)는 복수의 전자 방출유닛(11) 각각에, 또는 둘 이상의 전자 방출유닛(11)에 대응될 수 있다. 또한, 둘 이상의 엑스레이 방출부(21)가 하나의 전자 방출유닛(11)에 대응될 수도 있다.

상술한 구성의 평판형 엑스레이 발생 장치(100)는 피사체와 근접 촬영이 가능하기에 시스템의 크기를 소형화할 수 있고, 선택적 부분 엑스레이 발생이 가능하므로 불필요한 부분의 엑스레이 피폭을 감소시킬 수 있다. 또한, 투과형 엑스레이 방출유닛(20)을 채용함으로써 엑스레이의 균일도를 90% 이상 높일 수 있다.

진공챔버(30)는 대기압을 견딜 수 있는 메탈 재료, 예를 들어 스테인레스 스틸, 알루미늄 합금 등으로 제작될 수 있다.

진공챔버(30)는 엑스레이 방출유닛(20)에 의해 방출되는 엑스레이를 진공챔버(30) 외부로 방사하는 엑스레이 투과창(31)을 포함한다. 투과효율을 높이기 위하여 엑스레이 투과창(31)은 베릴륨(Be)과 같이 낮은 원자 번호를 갖는 재료 및 이들의 합금들이 재료로 사용할 수 있다. 예를 들어, 엑스레이 투과창(31)은 Be, C, Al, 또는 이들 금속 중 적어도 하나를 포함하는 금속합금을 포함한다.

상기와 같은 물질을 포함하는 엑스레이 투과창(31)을 이용하면 엑스레이 투과 손실을 감소시킬 수 있다. 엑스레이 투과창(31)을 통과한 엑스레이의 세기(I_X )는 다음과 같은 식으로 결정될 수 있다.

엑스레이 세기: I_X = I₀ exp(-μρd)

여기서, I_O는 초기 엑스레이 세기이고, μ는 물질의 엑스레이 흡수계수(cm²/g)이고, ρ는 엑스레이가 투과하는 물질의 밀도(g/cm³)이며, d는 엑스레이가 투과하는 영역의 두께(cm²)이다.

상기 물질들의 엑스레이 흡수계수 μ(cm²/g), 밀도 ρ(g/cm³), 및 녹는점은 아래 표 1과 같다.

	μ(cm²/g)	ρ(g/cm³)	녹는점(℃)
Be	0.014	1.85	1287
C(graphite)	0.024	2.09	3652
Al	0.184	2.70	660

상기 표와 같이, 베릴륨은 탄소나 알루미늄에 비해서도 낮은 엑스레이 흡수율을 가지므로, 베릴륨을 사용하면 엑스레이 투과창(31)의 투과 손실이 매우 작은 효율적인 엑스레이 발생 장치(100)가 구현될 수 있다.

엑스레이 방출유닛(20)은 전자 방출 소자(10)로부터 방출되는 전자들에 의해 엑스레이를 발생시키는 애노드 전극(22)을 포함한다. 상기 애노드 전극(22)은 전자들에 의하여 엑스레이를 발생시키는 코팅층(24)을 포함할 수 있다. 코팅층(24)은 예를 들어 W, Mo, Ag, Cr, Fe, Co, Cu 등과 같은 금속 또는 이들 금속 중 적어도 하나를 포함하는 금속합금을 포함할 수 있다. 애노드 전극(22)은 코팅층(24)을 지지하는 애노드 기판(23)을 더 구비할 수 있다. 애노드 기판(23)은엑스레이에 대하여 투과성을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 애노드 기판(23)은 예를 들어 글래스 기판, 탄소 기판 등일 수 있다. 코팅층(24)은 애노드 기판(23)의, 전자 방출 소자(10)와 대향되는 면에 마련될 수 있다. 코팅층(24)의 두께는 예를 들어 약 5um 이하일 수 있다.

상기 애노드 전극(22)은 하나의 평판형태일 수 있으며, 복수의 엑스레이 방출부(21)에 대응되도록 복수 개로 구분될 수도 있다.

일 실시예로서, 애노드 전극(22)은 카본제 애노드 기판(23)과, 이 애노드 기판(23)의 일측면에 마련되는 텅스텐 코팅층(24)을 포함할 수 있다. 텅스텐(W)은 높은 녹는점(3422℃)을 갖고, 엑스레이 발생 특성이 우수하다. 한편, 카본(흑연)도 비교적 높은 녹는점(약 3600℃)을 갖고 엑스레이 투과율이 좋다. 따라서, 애노드 전극(22)으로서 텅스텐 코팅층(24)을 갖는 카본 애노드 기판(23)을 채용함으로써, 높은 엑스레이 발생 효율과 엑스레이 투과율을 얻을 수 있으며, 높은 열적 안정성을 얻을 수 있다.

엑스레이 방출유닛(20)은 절연층(32)에 의해 진공챔버(30)로부터 분리될 수 있다. 또한, 애노드 전극(22)은 절연층(32)에 의해 상기 진공챔버(30)와 이격될 수 있다. 애노드 전극(22)에는 전자 방출 소자(10)에서 발생된 전자(e^-)을 끌어당기기 위한 높은 애노드 전압이 인가된다. 애노드 전극(22)은 절연층(32)에 의하여 진공 챔버(30)와 전기적으로 절연된다. 이에 의하여, 진공챔버(30)를 통한 누전을 방지할 수 있다. 또한, 피사체의 근접 촬영시에도 고전압에 대한 안정성을 확보할 수 있다. 절연층(32)은 예를 들어 알루미나(Al₂O₃) 등의 세라믹 또는 전기 절연성 플라스틱일 수 있다.

애노드 전극(22)에서는 전자 방출 소자(10)로부터 방출된 전자(e^-)의 충돌로 인한 발열, 높은 애노드 전압에 의한 저항 발열 등으로 인하여 많은 열이 발생될 수 있다. 이러한 열은 엑스레이 발생 효율을 저하시킬 수 있으며, 엑스레이 발생 장치(100)의 구조적 안정성에도 부정적인 영향을 미친다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 애노드 전극(22)을 냉각하기 위한 냉각장치(33)가 마련된다. 냉각장치(33)는 애노드 전극(22)의 열을 진공챔버(30) 외부로 배출한다. 절연층(32)이 마련되는 경우, 냉각장치(33)는 절연층(32)으로 진공챔버(32)와 이격될 수 있다. 상기 냉각장치(33)는 공냉, 수냉, 또는 전기적 냉각장치일 수 있다. 예를 들어 냉각장치(33)로서 히트 파이프가 채용될 수 있다. 히트 파이프는 감압 파이프 내에 액체를 봉인한 형태이다. 감압 파이프의 일측 단부(가열부)에서 피냉각체로부터 열을 흡수하여 액체가 증발되어 증기압에 의하여 타측 단부(응축부)로 이동된다. 타측 단부에서는 외부와의 열교환에 의하여 액체로 다시 응축되고 응축된 액체는 내부에 마련된 윅(wick)를 따라 모세관 압력에 의하여 일측 단부로 되돌아간다. 이와 같은 액체의 자연순환에 의하여 냉각 효과가 구현될 수 있다.

엑스레이 발생 장치(100)의 작동 시에 진공챔버(30) 내에는 가스가 발생될 수 있다. 진공챔버(30) 내부는 고진공 상태로 유지될 필요가 있다. 이를 위하여 진공챔버(30) 내에는 진공펌프(34가 배치된다. 진공펌프(34)로, 예를 들어 가스를 흡수하는 게터 펌프(getter pump)가 채용될 수 있다. 엑스레이 발생 장치(100)에서는 전자 방출 소자(10) 부근에서 가스가 주로 발생되므로, 게터 펌프는 전자 방출 소자(10) 부근에 배치될 수 있다. 다만, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 커터 펌프는 엑스레이 투과창(31)을 제외한 진공챔버(30)의 내벽에 형성될 수 있다. 게터 펌프는 게터 물질, 예를 들어 바륨, 마그네슘, 지르코늄, 또는 이들의 합금 등을 진공 중에서 가열, 증발시켜 게터 물질 증착막을 형성함으로써 구현될 수 있다.

한편, 도 1 및 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 엑스레이 발생 장치(100)와 엑스레이 검출 장치(200) 사이에는 엑스레이의 방향을 조절할 수 있는 콜리메이터(collimator)가 마련될 수도 있다.

전자 방출 소자(10)는 진공챔버(30)의 내벽면으로부터 이격되게 배치된다. 예를 들어, 전자 방출 소자(10)와 진공챔버(30)의 내벽면 사이에는 지지부(35)가 개재될 수 있다. 지지부(35)는 예를 들어 전기 절연체일 수 있다.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 전자 방출 소자(10)의 개략적인 구성도이다. 도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 전자 방출 소자(10)의 구동 배선의 일 예를 보여주는 개략적인 평면도이다.

도 3과 도 4를 참조하면, 전자방출소자(10)는 복수의 전자 방출유닛(11)이 2차원 배열된 형태이다. 전자 방출유닛(11)은 전자를 방출하는 에미터를 형성하는 캐소드 전극(13)과 전자방출원(16), 및 게이트 전극(14)을 포함한다. 도 3과 도 4에서는 하나의 전자 방출유닛(11)에 하나씩의 에미터와 게이트 전극(14)이 배치되어 있으나, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 하나의 전자 방출유닛(11)에 둘 이상씩의 에미터와 게이트 전극(14)이 배치될 수도 있다.

기판(12) 상에, 복수의 캐소드 라인(도 4의 13a)을 통해 전압이 인가되는 복수의 캐소드 전극(13)들이 배열된다. 그리고 상기 캐소드 전극(13)들의 상부에는 복수의 게이트 라인(도 4의 14a)을 통해 전압이 인가되는 복수의 게이트 전극(14)이 캐소드 전극(13)들과 대응되도록 배열된다. 복수의 캐소드 라인(13a)과 복수의 게이트 라인(14a)는 서로 교차되도록 배열될 수 있다. 복수의 캐소드 라인(13a)과 복수의 게이트 라인(14a)이 교차되는 위치에 전자방출원(16)이 위치되어, 전자방출원(16)들은 이차원의 매트릭스(matrix) 형태로 기판(12) 상에 배열될 수 있다. 즉, 상기 전자방출원(16)들은 m×n(여기서 m, n은 2 이상의 자연수)의 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 이렇게 이차원 형태로 배열된 전자방출원(16)들 각각은 독립적으로 구동되어 전자(e^-)들을 방출할 수 있다. 즉, 상기 캐소드 전극(13)들 중 어느 하나와 상기 게이트 전극(14)들 중 어느 하나에 각각 소정 전압이 인가되면, 전압이 각각 인가된 캐소드 전극(13) 및 게이트 전극(14)이 교차하는 지점에 마련된 전자방출원(16)이 구동되어 전자들을 방출할 수 있다.

도 3을 참조하면, 기판(12) 상에 캐소드 전극(13)이 마련되어 있다. 여기서, 기판(12)으로는, 예를 들어 글라스 기판 등과 같은 절연 기판이 사용될 수 있다. 하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 기판(12)으로 도전성 기판이 사용되는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 도전성 기판의 표면에는 절연층(미도시)이 형성되어 있을 수 있다. 캐소드 전극(13)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 캐소드 전극(13)은 금속 또는 전도성 금속 산화물 등을 포함할 수 있다. 구체적으로, 캐소드 전극(13)은 Ti, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W 또는 Cu 등과 같은 금속을 포함하거나 ITO(indium tin oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO₂ 또는 In₂O₃ 등과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 캐소드 전극(13)은 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다.

기판(13) 상에는 게이트 절연층(15)이 마련된다. 게이트 전극(14)은 게이트 절연층(13) 상에 위치된다. 게이트 절연층(15)은 캐소드 전극(13)과 게이트 전극(14) 사이를 절연하는 동시에 게이트 전극(14)을 지지하는 역할을 한다. 이러한 게이트 절연층(15)은 예를 들면, SiO₂, Si₃N₄, HfO₂ 또는 Al₂O₃ 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 게이트 전극(14)은 금속 메쉬 전극일 수 있다. 게이트 전극(14)은 캐소드 전극(12)과 마찬가지로 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 게이트 전극(14)은 금속 또는 전도성 금속 산화물 등을 포함할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 복수의 전자방출원(16)과 복수의 게이트 전극(14)이 배열되어 각각 독립적으로 구동가능한 엑스레이 발생 장치를 구성할 수 있다.

게이트 절연층(15)에 의하여 기판(13) 상에는 복수의 캐비티(15a)가 형성된다. 캐비티(15a)는 개구(15b)에 의하여 외부와 연통된다. 게이트 전극(14)은 개구(15b)를 에워싸는 형태로 배치된다. 개구(15b)는 전자(e^-)의 방출통로가 된다. 캐소드 전극(13)과 전자 방출원(16)은 캐비티(15a) 내에 위치된다. 전자방출원(16)들은 캐비티(15a)내의 캐소드 전극(12) 상에 마련될 수 있다. 전자방출원(16)들은 게이트 절연층(13) 보다 낮은 높이로 형성될 수 있다. 캐소드 전극(12)과 게이트 전극(14) 사이에 전압이 인가됨에 따라 전자방출원(16)에 강한 전기장이 가해지고, 전기장에 의하여 제공되는 에너지에 의하여 전자 방출원(16)으로부터 전자(e^-)가 방출된다. 전자(e^-)는 개구(15b)를 통과하여 도 1 및 도 2에 도시된 애노드 전극(22)을 향하여 이동된다. 전자방출원(16)들은, 예를 들어 카본나노튜브(CNT; carbon nanotube), 카본나노파이버, 금속, 실리콘, 산화물, 다이아몬드, DLC(Diamond Like Carbon), 카바이드 화합물 또는 질소 화합물 등을 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 전자 방출원(16)으로부터 방출되는 전자(e^-)의 밀도는 게이트 전극(14)에 인가되는 전압의 크기에 비례한다. 또한, 전자 방출원(16)의 종횡비(aspect ratio)가 클수록 전자 방출원(16)에 전계가 집중되는 전계강화효과를 얻을 수 있어서 전자의 밀도가 커진다. 따라서, 전자 방출원(16)은 예를 들어 캐소드 전극(13)에 뾰족한 침형상, 또는 세워진 얇은 판상으로 배치될 수 있다.

캐비티(15a)는 상부 쪽으로 갈수록 점점 넓어지는 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 캐비티(15a)는 다양한 형상의 단면을 가질 수 있다. 도 3에는 사각형의 단면을 가지는 캐비티(15a)가 예시적으로 도시되어 있으며, 이외에도 캐비티(15a)는 원형의 단면이나 그 외의 다양한 형상의 단면을 가질 수 있다.

도 4를 참조하면, 전자 방출 유닛(10)은 이차원 매트릭스(X×Y matrix) 구조로 가로 라인은 캐소드 라인(13a)이고 세로 라인은 게이트 라인(14a)이다. 즉, 가로 라인인 캐소드 라인(13a)은 도 3의 캐소드 전극(13)에 대응되고, 세로 라인인 게이트 라인(14a)은 도 3의 게이트 전극(14)에 대응된다. 캐소드 라인(13a)과 게이트 라인(14a)은 절연층으로 분리되어 있다. 절연층은 도 3의 게이트 절연층(13)에 대응된다.

특정 셀을 구동하기 위하여, 예를 들어 3×2셀(즉, 가로 3번, 세로 2번에 위치한 셀)을 구동하기 위하여 게이트 3번 라인과 캐소드 2번 라인에 전압을 인가하여 3×2셀에 전위차를 유도하여 이에 대응하는 전자방출원(16)으로부터 전자를 방출시킨다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스레이 영상 시스템(1000)의 개략적인 구성도이다.

도 5를 참조하면, 엑스레이 영상 시스템(1000)은 평판형인 엑스레이 발생 장치(100)와 상기 엑스레이 발생 장치(100)로부터 발생된 엑스레이를 검출하는 엑스레이 검출 장치(200)를 포함한다. 도 5에 도시된 엑스레이 영상 시스템(1000)에는 엑스레이 발생 장치(100)로서 도 1에 도시된 엑스레이 발생 장치(100)가 채용되어 있으나, 도 2에 도시된 엑스레이 발생 장치(100)가 채용될 수도 있다.

피사체(300)는 엑스레이 발생 장치(100)와 엑스레이 검출 장치(200) 사이에 배치되며, 상기 엑스레이 검출 장치(200)는 엑스레이 발생 장치(100)로부터 방출되어 피사체(300)를 투과한 엑스레이를 검출함으로써 피사체(300)의 내부를 촬영하게 된다. 여기서, 상기 피사체(300)는 엑스레이 발생 장치(100) 및 엑스레이 검출 장치(200)에 접촉하도록 마련될 수 있다. 한편, 상기 피사체(300)는 엑스레이 발생 장치(100)와 엑스레이 검출 장치(200) 중 어느 하나와 접촉하도록 마련될 수도 있다.

상기 엑스레이 발생 장치(100)들은 이차원 형태로 배열되어 각각이 독립적으로 전자들을 방출할 수 있는 복수의 전자 방출유닛(11)을 구비하는 전자 방출 소자(10)을 포함활 수 있다. 상기 엑스레이 발생 장치(100)는 각각이 독립적으로 구동가능한 복수의 엑스레이 방출부(21)를 포함하는 엑스레이 방출유닛(20)을 구비할 수 있다. 엑스레이 방출유닛(20)은 상기 전자 방출 소자(10)로부터 방출된 전자들에 의해 엑스레이를 방출한다. 상기 엑스레이 방출유닛(20)은 전자(e^-)를 받아 발생된 엑스레이를 투과시켜 외부로 방출하는 투과형 엑스레이 방출유닛(20)일 수 있다. 여기서, 상기 전자 방출 소자(10)는 전기장이 인가되면 전자(e^-)를 방출하는 복수의 전자방출원(16)을 구비하며, 상기 엑스레이 방출유닛(20)은 엑스레이 방출소자인 애노드 전극(21)을 갖는다. 따라서, 상기 엑스레이 발생 장치(100)는 복수의 전자방출원(16)을 포함하는 전자 방출 소자(10)와 엑스레이 방출소자인 애노드 전극(21)을 포함하는 복수의 엑스레이 방출유닛(20)을 포함하여 구성될 수 있다.

엑스레이 검출 장치(200)는 각각 독립적으로 구동가능한 복수의 엑스레이 검출유닛(210)을 포함한다. 여기서, 상기 복수의 엑스레이 검출유닛(210)은 복수의 엑스레이 방출부(21)에 대응될 수 있다.

상기 복수의 엑스레이 방출부(21)와 복수의 엑스레이 검출유닛(210)은 서로 일대일 대응하도록 마련될 수 있다. 한편, 상기 복수의 엑스레이 방출부(21) 각각이 2 이상의 엑스레이 검출유닛(210) 과 대응하도록 마련되거나 또는 2 이상의 엑스레이 방출부(21)가 2 이상의 엑스레이 검출유닛(210) 과 대응하도록 마련되는 것도 가능하다.

이상에서 예시적인 실시예들을 통하여 기술적 내용을 설명하였으나, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

100: 엑스레이 발생 장치 10: 전자 방출 소자
11: 전자 방출유닛 12: 기판
13: 캐소드 전극 13a: 캐소드 라인
14: 게이트 전극 14a:게이트 라인
15: 게이트 절연층 15a: 캐비티
16: 전자방출원 20: 엑스레이 방출유닛
21: 엑스레이 방출부 22: 애노드 전극
23: 애노드 기판 24: 코팅층
30: 진공챔버 31: 엑스레이 투과창
32: 절연층 33: 냉각장치
34: 진공펌프 200: 엑스레이 검출 장치
210: 엑스레이 검출유닛 300: 피사체
1000: 엑스레이 영상 시스템

Claims

각각 독립적으로 구동가능하며, 전자들을 방출하는 복수의 전자 방출유닛들을 포함하는 전자 방출 소자;
상기 전자 방출유닛들로부터 방출되는 전자들에 의해 엑스레이를 방출하는 투과형 엑스레이 방출유닛; 및
상기 전자 방출소자 및 상기 엑스레이 방출유닛을 진공으로 차폐하는 진공챔버;를 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 진공챔버에는 상기 엑스레이 방출유닛에 의해 방출되는 엑스레이를 상기 진공챔버 외부로 방사하는 엑스레이 투과창이 마련된 엑스레이 발생 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 엑스레이 투과창은 Be, C, Al, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속합금을 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 전자 방출유닛들 중 1 이상이 동시에 구동되거나 또는 각각 순차적으로 구동되어 전자를 방출하고,
상기 엑스레이 방출유닛은 전자 방출유닛들로부터 방출된 전자들에 의해 엑스레이를 방출하는 복수의 엑스레이 방출부를 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 엑스레이 방출유닛은 상기 전자 방출유닛들으로부터 방출된 전자들에 의해 엑스레이를 발생시키는 애노드 전극을 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 애노드 전극은 애노드 기판과, 상기 애노드 기판의 일 측면에 마련되는 코팅층을 포함하며,
상기 코팅층은 W, Mo, Ag, Cr, Fe, Co, Cu 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 금속합금을 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 애노드 기판은 카본 기판이며,
상기 코팅층은 텅스텐 코팅층인 엑스레이 발생 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 엑스레이 방출유닛을 상기 진공챔버로부터 분리시키는 절연층;을 더 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 5 항에 있어서,
절연층에 의해 상기 진공챔버와 이격되고 상기 애노드 전극에서 발생하는 열을 냉각시키는 냉각장치;를 더 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 절연층은 세라믹 또는 플라스틱인 엑스레이 발생 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 진공챔버는 그 내부의 가스를 제거하는 게터펌프;를 더 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 전자 방출유닛 각각은,
기판 상에 마련되며 전자가 방출되는 개구에 의하여 외부와 연통된 캐비티를 형성하는 게이트 절연층;
상기 캐비티 내부에 배치되는 캐소드 전극;
상기 캐소드 전극 상에 배치되는 전자방출원;
상기 게이트 절연층 상의 게이트 전극; 을 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 전자방출원은 카본나노튜브(CNT), 카본 나노파이버, 금속, 실리콘, 산화물, 다이아몬드, DLC(Diamond Like Carbon), 카바이드 화합물 또는 질소 화합물을 포함하는 엑스레이 발생 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 복수의 전자 방출유닛들 중 1 이상은 동시에 구동되거나 또는 순차적으로 구동되어 전자를 방출하는 엑스레이 발생 장치.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 엑스레이 발생 장치; 및
상기 엑스레이 발생장치로부터 방사되어 피사체를 통과한 엑스레이를 검출하는 엑스레이 검출장치;를 포함하는 엑스레이 영상 시스템.
제 15 항에 있어서,
상기 엑스레이 검출장치는 2차원 배열되고 독립적으로 구동가능한 복수의 엑스레이 검출유닛을 포함하는 엑스레이 영상 시스템.