• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.253.2-253.2
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• 2013

탄소나노튜브(CNT)는 나노미터의 직경과 마이크로미터의 길이를 갖는 기하학적 구조와 우수한 전계방출 특성으로 디지털 엑스선 소스와 같은 차세대 전자소스 소자에 활용되고 있다. 본 발표에서는 고밀착성의 CNT 에미터와 진공 브레이징 공정 개발을 기초로 설계, 제작된 CNT 기반 디지털 엑스선 튜브에 대해서 논의한다. 나노 필러를 함유한 페이스트를 제조하여 캐소드 기판에 대한 CNT 에미터의 밀착성을 향상시켰으며, 진공 브레이징을 고온에서 최적화함으로써 진공 밀봉된 엑스선 튜브내의 진공도를 안정적으로 확보하였다. 유방암 진단을 위한 디지털 단층합성 시스템용으로 50 mA 이상의 고전류 엑스선 튜브를 제작함과 아울러 근접 암치료 또는 강내형 엑스선 영상용으로 6 mm 이하의 직경을 갖는 초소형 엑스선 튜브를 제작하였다. 개발된 CNT 기반 엑스선 튜브는 우수한 안정성과 신뢰성을 보이며, 에너지와 강도를 쉽게 제어할 수 있는 디지털 특성도 잘 나타냈다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.331.1-331.1
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• 2016

내부지름이 2.0 mm 이하인 PTFE와 PE 튜브에 진공장치를 이용하여 튜브 내부의 압력을 감압하여 진공상태를 형성하였다. 진공기밀 후에 반응성 가스를 인입하여 튜브 외부에 장착된 전극을 통하여 고전압의 AC 전압을 인가하여 튜브 내부에 선택적으로 유전체 장벽 방전을 유도하였다. 본 연구에서는 유전율이 3.0 이하로 낮은 PTFE와 PE 튜브에 유전체 장벽방전이 유도될 때 나타나는 전압과 전류의 파형을 분석하여 방전의 개시와 방전의 형태를 조사하였다. 주파수 40 kHz인 AC 전원(PEII, Advanced Energy)과 Loadmatch 모듈을 이용하여 4 kV 이하의 전압을 인가하여 플라즈마 방전 유도하였다. 튜브에 인가고전압 프로브와 전류 프로브를 이용하여 오실로스코프를 I-V 분석을 실시하였고, 실험 결과 대기압 방전에서 유도되는 유전체 장벽방전의 I-V 특성과 달리 방전의 형태가 유전체장벽방전과 글로우방전이 혼합된 형태로 나타났다. 또한 유전체 장벽방전을 통해 튜브 내부에 형성되는 플라즈마에 대한 분석으로 OES 광분석을 실시하여, 방전 시간과 전압 변화에 따른 고분자 표면으로부터 방출되는 활성종에 대한 분석을 실시하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.182.1-182.1
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• 2016

전자빔의 운동에너지를 변화시켜 전자기장을 발생시키는 진공튜브 장치는 기본적으로 전자빔 발생부인 전자총을 핵심 구성부로 사용한다. 이러한 전자총을 이용하는 진공튜브로는 핵융합을 위해 플라즈마 가열용의 RF를 발생시키는 자이로트론 튜브와 방사광 가속기에서 전자를 가속시키는데 이용되는 클라이스트론 튜브 등이 있으며, 군사적으로는 레이더를 비롯하여 유도미상일에 들어가는 탐색기, 전투기에서 사용되는 송수신용 마이크로파 발생장치 등의 핵심부품인 진행파관 진공튜브 등이 있다. 이러한 응용분야에서는 기본적으로 고출력의 전자파를 필요로 하기 때문에 반도체를 이용한 장치로는 그 성능을 구현할 수 없다. 따라서 열음극을 사용하는 전자총을 기반으로 한 다양한 형태의 진공튜브 장치가 주로 이용되고 있다. 현재 고출력 마이크로파 진공튜브용 열음극 전자총은 대부분 외국에서 수입하고 있는데 그 이유는 전자총의 핵심 부품인 열음극 캐소드를 국내에서 개발하지 못하였기 때문이다. 하지만 본 연구에서는 텅스텐 기반의 함침형 열음극 캐소드를 국내에서 자체 개발하는데 성공하였다. 전통적으로 미국에서 개발해온 함침형 열음극 캐소드는 텅스텐 소결체에 기공을 학보하고 여기에 Ba을 중심으로 한 알칼리성 물질들을 일정비율로 혼합하여 함침한 것으로 일함수 2.1~2.3 eV 수준의 물성을 갖는다. 이에 따라 방출할 수 있는 전류의 양은 운용 온도 $1000^{\circ}C$ 정도에서 전류밀도로 대략 수 $A/cm^2$ 수준이다. 본 연구에서 개발한 캐소드는 S-type으로 알려진 것으로 BaO : CaO : $Al_2O_3$ = 4 : 1 : 1 비율로 함침되었다. 고진공장치에서 전류측정 결과 $1040^{\circ}C$에서 $10.6A/cm^2$의 전류밀도를 기록하였으며 이에 대하여 Richardson-Dushman equation으로 계산하였을 때, 약 1.9 eV의 일함수를 갖는 것을 알 수 있었다. 이는 현재 많은 응용분야에서 사용하고 있으며 함침형 캐소드에 Os이나 Ir 등의 물질을 코팅하여 일함수를 낮추고 전류밀도를 향상시킨 M-type 캐소드의 결과와 유사한 수준이다.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.38 no.3
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• pp.377-385
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• 2018

Super-speed vacuum tube system, where the air resistance is minimized to obtain high speed of the vehicle, is considered to be a viable alternative transportation system. Air-tightness is one of the most important design requirements of the system, because the internal pressure of the system needs to be maintained significantly lower than the atmospheric pressure. This study performed an experimental test, where a series of concrete tube specimens were applied by external loads to induce cracks and the effective air-permeability of the cracked tube structures were measured. The test results indicates that the information on the length and the width of the load-induced cracks are not enough to anticipate the system air-tightness, whereas the load-induced displacement has higher correlation with the systems air-tightness. Based on these results, a direction of future research for effect of the load-induced cracks on the system air-tightness is suggested.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.263.1-263.1
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• 2013

탄소나노튜브(CNT)를 이용한 초소형 X선 튜브는 근접 암치료, 비파괴 X선 영상 장치, 휴대용 X선 분광계 등에서 X선 발생소스로 많이 연구되고 있다. 2극형 CNT 에미터의 경우 구조가 단순하여 초소형 X선 튜브에 쉽게 장착할 수 있지만 아노드의 전압과 전류가 연동되기 때문에 튜브의 조작성이 제한적이다. 3극형은 상대적으로 복잡한 구조이고, CNT에서 방출된 전자가 게이트 전극으로 흐르는 누설 전류 그리고 절연체와 충돌하여 차징을 발생시킬 수 있기 때문에 직경이 좁은 초소형 X선 튜브에 구현하기가 쉽지 않다. 하지만 초소형 X선 튜브를 다양한 X선 장치에 응용하기 위해서는 아노드 전압과 전류의 독립된 조작이 가능한 3극형 CNT 에미터가 반드시 구현되어야 한다. 본 발표에서는 전자빔의 아노드 집속을 강화하고 절연체에서의 차징을 줄이는 포커싱 기능의 게이트(FFG) 구조를 제안하였고. 이를 적용하여 초소형 X선 튜브들을 제작하고, 분석하였다. FFG 구조가 성공적으로 적용된 초소형 X선 튜브는 게이트 누설 전류 없이 뛰어난 전류 및 X선 방출 특성을 보였다. 이와는 달리, 몇몇 초소형 X선 튜브들에서는 게이트 누설 전류가 나타났고, 아노드 전압에 의한 게이트 전압 상승이 발생하여 불안정한 구동 특성을 보였다. 초소형 X선 튜브를 밀봉하지 않고 진공 챔버에서 실험한 결과, 유도된 게이트 전압은 상당한 시간이 흐르거나 진공챔버에 공기를 주입하고 다시 진공상태로 만들면 유도전압이 제거되는 것을 볼 수 있었다. 결론적으로 CNT에서 방출된 전자빔이 정상궤도를 벗어나 게이트 누설전류와 차징에 의한 게이트 유도전압을 발생시키면 초소형 X선 튜브가 불안정한 구동을 하고, 결국 튜브의 심각한 결함으로 나타나게 된다. 즉, 게이트 누설 전류와 유도된 게이트 전압은 3극형 CNT 에미터가 장착된 초소형 X선 튜브의 디자인과 제작에 있어서 성공 기준이 될 수 있다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.290.2-290.2
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• 2013

X-선 튜브는 의료 영상 및 치료, 산업용 제전 장치, 비파괴 X-선 영상 장치 등에서 사용되는데 기존의 열전자원을 이용한 X-선 튜브와는 달리, 냉음극형 X-선 튜브는 빠른 속도의 디지털 구동이 가능하며 전력 소비가 낮은 장점이 있다. 따라서, 최근 많은 연구자들에 의해서 냉음극형 X-선 튜브에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 냉음극형 X-선 튜브는 전계 방출을 이용한 전자원을 사용하며, 탄소나노튜브 (CNT), Si, 다양한 종류의 나노선 등이 대표적이다. 그 중에서 CNT는 높은 종횡비로 인해 전계 방출 특성이 우수하여 가장 대표적인 물질이다. CNT를 이용한 전자원을 제작하기 위해서는 직접 성장법, 전기영동법, 스크린 프린팅법, 디핑법 등 다양한 방법이 존재한다. 직접 성장법을 제외한 방법들은 모재료인 CNT와 용매, 금속재료들을 섞어 페이스트나 수용액의 상태를 제작하여야 한다. 이 때, 금속 재료는 기판과 CNT간의 접착 및 전자 전도 통로의 역할을 하는 무기 충전제이며 일반적으로 나노 혹은 수 마이크로미터 크기의 상태로 존재하는 것을 주로 사용한다. X-선 튜브 제작은 일반적으로 외벽을 유리 혹은 세라믹을 주로 사용하는데 아노드 전극 및 캐소드 전극 등과 결합하여 진공 밀봉된 형태가 되어야 한다. 브레이징 방법은 금속과 세라믹을 결합하는데 매우 유용한 방법이며, 그 중에서도 진공 브레이징 방법은 다량의 부품을 한 번에 결합시킬 수 있다. 하지만 진공 브레이징 공정의 온도는 약 $700{\sim}1,000^{\circ}C$이며 이는 금속 재료가 충분히 증발할 수 있는 온도가 된다. 본 발표에서는 고온 진공 상태에서의 무기 충전제의 증발에 대한 현상을 관찰하고 고온진공 상태에서 증발없이 무기 충전제로의 역할을 할 수 있도록 다양한 금속 및 합금에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 이 연구를 통해 선택된 무기 충전제를 포함하여 CNT 페이스트를 볼밀링 방법을 이용하여 제작하였으며, 이를 이용한 CNT 에미터가 X-선 튜브의 전자원으로 사용될 수 있는지 확인하기 위해 전계 방출 실험을 함께 실시하였다. 제작된 CNT 에미터가 우수한 전계 방출 특성을 가지고 있음을 확인하였으며, 이는 본 연구를 통해 선택된 금속 및 합금 재료가 무기 충전제로의 역할을 잘 수행하고 있음을 보여준다.

• Journal of the Korean Society for Railway
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• v.17 no.3
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• pp.186-192
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• 2014

In this paper, a reliability analysis is performed where the pressure change inside a concrete tube is probabilistically estimated considering the uncertainties inherent in the material and the system discontinuity. A set of uncertain quantities related to the equivalent system air permeability and the atmospheric pressure, are defined as random variables with specific distribution. The pressure change inside a concrete tube is then probabilistically described using both analytical and simulation approaches. The reliability analysis confirms that the geometric configuration of a concrete tube needs to be changed from the initial configuration obtained from the deterministic analysis.

• Journal of the Korean Society for Railway
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• v.13 no.1
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• pp.51-57
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• 2010

The aerodynamic drag of ultra high-speed train in evacuated tube have been calculated using computational fluid dynamics and the variation of aerodynamic drag for the change of major system parameter of tube-vehicle system such as the train speed, air density, and the tunnel diameter. The aerodynamic drag in the tube increases with increasing train speed, however, the ratio of drag increase in tube is larger than that on the open field, the V square rule. The aerodynamic drag decreases with increasing tunnel diameter and increasing air density, and the drag increasing for air density is almost linear just like that on open field. For some combination of the parameters, the trend of aerodynamic drag of train showed irregularity.

• Journal of the Korean Society for Railway
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• v.14 no.2
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• pp.143-150
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• 2011

This paper presents a preliminary study for air-tightness evaluation of vacuum tube structures for super-speed tube railway systems. The formula for flow rate of the air caused by the pressure difference of the inside and outside of the tube structure is derived based on Darcy's law. A test is then performed to measure the air-permeability of concrete with various compressive strengths, the result of which is used for analytical simulation of the air intrusion for a tube structure with a preliminarily defined section. It has been shown that concrete with the compressive strength of at least more than 50MPa is recommended for effective operation and maintenance of the vacuum pump systems, as the air-permeability of concrete is inversely proportional to the exponent of its compressive strength.

• Journal of the Korean Society for Railway
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• v.13 no.5
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• pp.516-520
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• 2010

Parametric study has been conducted to calculate the capacity of vacuum pump system that will be used to maintain the pressure of the tube structure under atmosphere level. Recently many railroad researchers pay attention to the tube train system as one of the super high speed transportation system. To achieve the super high speed, the inside of tube system should be maintained at low pressure level. In the low pressure environment, it is well known that air resistance of train is drastically decreased. Vacuum pump system will be used to make low pressure state for tube structure, exhaust the leakage air and supplement additional vacuum pumping. As results of these studies, we get the lump capacity of vacuum pump for various parameters. These results can be applied to analyze the effects of the reduction of air resistance.