KR101065788B1 - Photonic Crystal Diode Resonator for Modulated Field Emission from Cold Cathode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 두 금속 기판 사이에 복수의 유전체 막대(dielectric rod)를 배치한 광결정 다이오드 공진기 구조에서, 광결정의 점 결함(point defect) 위치의 한쪽 금속 기판(캐소드)에 전계 방출원을 형성하고, 두 금속 기판 사이에 직류 전압(DC 전압)을 인가하여 천이 시간 효과(transit time effect)를 극복하면서, 광결정의 선 결함(line defect)으로 만들어진 도파로를 따라 인가된 외부 전자기파(RF 신호)에 의해 전계 방출원 으로부터 공진기의 특성 주파수로 변조된 전자빔을 효율적으로 발생시킬 수 있는 광결정 다이오드 공진기에 관한 것이다.In the photonic crystal diode resonator structure in which a plurality of dielectric rods are disposed between two metal substrates, the present invention forms a field emission source on one metal substrate (cathode) at a point defect position of the photonic crystal. Field emission by external electromagnetic waves (RF signals) applied along a waveguide made of a line defect of a photonic crystal, while applying a direct voltage (DC voltage) between the metal substrates to overcome the transit time effect. A photonic crystal diode resonator capable of efficiently generating an electron beam modulated from a circle to a characteristic frequency of a resonator.

광결정, 다이오드 공진기, 냉음극, 변조된 전계방출 Photonic Crystals, Diode Resonators, Cold Cathodes, Modulated Field Emissions

Description

냉음극에서 발생하는 변조된 전계방출을 위한 광결정 다이오드 공진기{Photonic Crystal Diode Resonator for Modulated Field Emission from Cold Cathode}Photonic Crystal Diode Resonator for Modulated Field Emission from Cold Cathode

본 발명은 광결정 다이오드 공진기를 이용한 변조된 전계방출에 관한 것으로서, 특히, 두 금속 기판 사이에 복수의 유전체 막대(dielectric rod)를 배치한 광결정 구조에서, 광결정의 점 결함(point defect) 위치의 한쪽 금속 기판(캐소드)에 전계 방출원(냉음극)을 형성하고, 두 금속 기판 사이에 직류 전압(DC 전압)의 인가로 천이 시간 효과(transit time effect)를 극복하면서 광결정의 선 결함(line defect)으로 만들어진 도파로를 따라 인가된 외부 전자기파(RF 신호)에 의해, 점 결함에 위치한 냉음극으로부터 공진기의 특성 주파수로 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있는 광결정 다이오드 공진기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to modulated field emission using a photonic crystal diode resonator, and more particularly, in a photonic crystal structure in which a plurality of dielectric rods are disposed between two metal substrates, one metal at a point defect position of the photonic crystal. Forming a field emission source (cold cathode) on the substrate (cathode), and applying a direct voltage (DC voltage) between the two metal substrates to overcome the transition time effect (line defect) of the photonic crystal The present invention relates to a photonic crystal diode resonator capable of generating an electron beam modulated by a characteristic frequency of a resonator from a cold cathode located at a point defect by an external electromagnetic wave (RF signal) applied along a waveguide.

전자기파를 제어하는 수동소자로서 금속 및 유전체의 주기적인 구조를 이용하는 광결정은 일정 전자기파 대역의 진행을 금지시키는 포토닉 밴드 갭 현상을 나타내므로, 특정 주파수 대역의 전자기파를 손실없이 전송하는 광도파로, 공진기, 필터, 파워 분배기, 안테나 등 다양한 전자기파 응용 소자로 사용될 수 있다. 광학 영역에서는 광결정 구조를 반도체 다이오드와 같은active medium과 결합하여 능동소자로 활용하는 연구가 이루어졌으며, 테라헤르츠를 포함하는 초고주파 영역에서도 전자빔을 gain medium으로 활용하여 능동소자를 구현하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 아울러, 열음극 전자총의 한계를 극복하여 음극을 1000℃ 이상으로 가열하는 것 없이 저 소비전력으로 초소형, 경량의 전자 방출 소자를 만들고 이를 기반으로 변조된 전자기파의 발생이나 변조된 전자빔을 발생시키는 능동 소자를 실현하고자 하는 노력이 진행되고 있다. Photonic band gap phenomenon, which prohibits the progress of a certain electromagnetic wave band, prevents the propagation of a certain electromagnetic wave band as a passive element for controlling electromagnetic waves. Therefore, an optical waveguide, a resonator, It can be used in various electromagnetic wave applications such as filters, power dividers, antennas, etc. In the optical domain, research has been conducted to combine photonic crystal structures with active mediums such as semiconductor diodes as active devices, and active research into realization of active devices using electron beams as a gain medium in the ultra-high frequency region including terahertz is actively conducted. It is becoming. In addition, by overcoming the limitations of the hot cathode electron gun, it is possible to produce an ultra-compact and light-weight electron emitting device with low power consumption without heating the cathode above 1000 ° C, and based on this, an active device that generates a modulated electromagnetic wave or a modulated electron beam. Efforts to make this happen are underway.

최근에 탄소 나노 튜브 어레이를 음극으로 이용하여 변조된 전계 방출을 획득하려는 시도가 있어왔다. 그러나, 기존의 전계 방출 구조에서는 두 전극(캐소드/애노드) 사이에 인가된 시변 가속 전계와 전자 운동의 초기 위상이 천이 조건을 만족하지 못할 때 두 전극(캐소드/애노드) 사이의 전자들의 역방향 운동(backward drift)이 발생되며, 이로인해 변조된 전계방출의 효율이 급감하고 음극에 손상을 가하는 등 심각한 문제를 초래하고 있다. Recently, attempts have been made to obtain modulated field emission using carbon nanotube arrays as cathodes. However, in the conventional field emission structure, the reverse motion of electrons between two electrodes (cathodes / anodes) when the time-varying acceleration field applied between the two electrodes (cathodes / anode) and the initial phase of the electron motion does not satisfy the transition condition ( Backward drift occurs, which causes serious problems such as rapidly decreasing the efficiency of modulated field emission and damaging the cathode.

따라서, 테라헤르츠를 포함하는 초고주파 영역에서, 광결정 구조를 이용한 공진기와 냉음극 전계방출 소자를 창의적으로 결합하여 소형화공정의 적용이 가능한 단순한 구조를 가지면서도, 저전력으로 GHz 대역 이상의 높은 주파수를 가지는 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있는 새로운 개념의 소자가 요구되고 있다.Therefore, in the ultra-high frequency region including terahertz, a modulated structure having a simple structure capable of applying a miniaturization process by creatively combining a resonator using a photonic crystal structure and a cold cathode field emission device, and having a high frequency of GHz band or more at low power There is a need for a new concept of device capable of generating electron beams.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적 은, 냉음극과 광결정 구조를 단순한 구조로 결합하여 소형화 공정이 가능하고, 저전력으로 소형, 경량의 효율적인 전자빔의 변조가 가능한 광결정 다이오드 공진기를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to combine a cold cathode and a photonic crystal structure in a simple structure, which enables a miniaturization process, and a photonic crystal capable of modulating a small, light and efficient electron beam at low power. To provide a diode resonator.

또한, 두 금속 기판 사이에 복수의 유전체 막대(dielectric rod)를 배치한 광결정 구조에서 광결정의 점 결함(point defect) 위치의 한쪽 금속 기판(캐소드)에 전계 방출원(냉음극)을 형성하고, 광결정의 선 결함(line defect)을 외부 전자기파(RF 신호 또는 AC 신호)의 도파로로 이용하면서 동시에 두 금속 기판 사이에 직류 전압(DC 전압)을 인가하여, 천이 시간 효과(transit time effect)를 극복하고 변조된 전계방출을 발생시킬 수 있는 광결정 다이오드 공진기를 제공하는 데 있다.In addition, in the photonic crystal structure in which a plurality of dielectric rods are disposed between two metal substrates, a field emission source (cold cathode) is formed on one metal substrate (cathode) at a point defect position of the photonic crystal, and the photonic crystal is formed. Using line defects as a waveguide for external electromagnetic waves (RF or AC signals) while simultaneously applying direct voltage (DC voltage) between the two metal substrates, the transit time effect is overcome and modulated. The present invention provides a photonic crystal diode resonator capable of generating generated field emission.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 광결정 공진기는, 제1 금속 기판과 제2 금속 기판 사이에 점결함과 선결함이 포함된 복수의 유전체 막대가 결합되고, 상기 제1 금속 기판의 상기 점결함 위치에 일정 크기의 전자방출원을 형성한 것을 특징으로 한다. First, to summarize the features of the present invention, a photonic crystal resonator according to an aspect of the present invention for achieving the object of the present invention as described above, a plurality of points including defects and predecessors between the first metal substrate and the second metal substrate The dielectric rods of the first metal substrate are coupled to each other, and the electron emission source having a predetermined size is formed at the point defect point of the first metal substrate.

상기 제1 금속 기판과 상기 제2 금속 기판 사이에 직류 전압을 인가하고, 상기 선결함에 의하여 형성된 도파로를 통해 외부의 전자기파를 동시에 인입하여, 상기 전자방출원(냉음극)으로부터 상기 도파로를 통해 인입된 공진조건의 전자기파에 의해 효율적으로 변조된 전계방출을 얻을 수 있다. A direct current voltage is applied between the first metal substrate and the second metal substrate, and external electromagnetic waves are simultaneously introduced through the waveguide formed by the predecessor, and are introduced through the waveguide from the electron emission source (cold cathode). The field emission effectively modulated by the electromagnetic wave under the resonance condition can be obtained.

상기 제2 금속 기판은 상기 전자방출원과 대향되는 위치에 복수의 홀들을 갖는 그리드를 포함하여, 상기 원리에 의해 변조된 전계방출에 의한 전자빔을 상기 그리드의 홀들을 통해 방출할 수 있다.The second metal substrate may include a grid having a plurality of holes at a position opposite to the electron emission source, and may emit an electron beam by the field emission modulated according to the above principle through the holes of the grid.

상기 그리드의 홀들을 통해 방출된 변조된 전자빔은 테라헤르츠파 대역까지 아우르는 초고주파의 발생 및 증폭을 위한 진공전자소자의 전자빔 방출원으로 활용할 수 있다. 아울러, 변조된 전자빔이 가지는 높은 비선형성을 활용하여 진공전자소자에서 고조파 체배(harmonic multiply)를 구현하는데 활용 될 수 있다. The modulated electron beam emitted through the holes of the grid may be used as an electron beam emission source of a vacuum electronic device for generating and amplifying ultra-high frequency waves covering the terahertz wave band. In addition, it can be utilized to realize harmonic multiply in a vacuum electronic device by utilizing the high nonlinearity of the modulated electron beam.

본 발명에 따른 광결정 다이오드 공진기에 따르면, 냉음극과 광결정 구조를 단순한 구조로 결합하여 소형화 공정이 가능하고, 저전력으로 소형, 경량의 효율적인 전자빔의 변조가 가능한 광결정 다이오드 공진기를 제공할 수 있다.According to the photonic crystal diode resonator according to the present invention, by combining the cold cathode and the photonic crystal structure in a simple structure, a miniaturization process is possible, and a photonic crystal diode resonator capable of modulating a small, light and efficient electron beam with low power can be provided.

두 금속 기판 사이에 직류 전압(DC 전압)을 인가하고 광결정의 선 결함(line defect)을 외부 전자기파(RF 신호 또는 AC 신호)의 도파로로 이용하여 천이 시간 효과(transit time effect)를 극복하면서 안정적으로 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있다.By applying a direct current voltage (DC voltage) between the two metal substrates and using a line defect of the photonic crystal as a waveguide of external electromagnetic waves (RF signal or AC signal), it is stable while overcoming the transit time effect. It can generate a modulated electron beam.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 냉음극 기반 광결정 다이오드 공진기(200)를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a cold cathode based photonic crystal diode resonator 200 according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 다이오드 공진기(200)는, 서로 대향하고 있는 제1 금속 기판(210)(예를 들어, 캐소드(cathode) 전극)과 제2 금속 기판(220))(예를 들어, 애노드(anode) 전극), 및 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에 결합된 복수의 유전체 막대(dielectric rod)(230)를 포함한다. 복수의 유전체 막대(130)의 2차원 광결정 구조는 점결함(point defect)와 선결함(line defect)을 포함하며, 제1 금속 기판(210)의 점결함 위치에 일정 크기의 전자방출원으로서 냉음극(211)을 포함한다. 전자빔 변조기로서의 이용을 위하여 복수의 홀들(hole)을 갖는 그리드(grid)(221)가 제2 금속 기판(220)과 전기적으로 접속되도록 결합될 수 있고, 이러한 그리드(221)는 냉음극(211)과 대향되는 제2 금속 기판(220)의 위치에 결합된다. Referring to FIG. 1, a photonic crystal diode resonator 200 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a first metal substrate 210 (for example, a cathode electrode) and a second metal substrate facing each other. 220) (eg, an anode electrode), and a plurality of dielectric rods 230 coupled between the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220. The two-dimensional photonic crystal structure of the plurality of dielectric rods 130 includes point defects and line defects, and a cold cathode (A) as an electron emission source having a predetermined size at a point defect position of the first metal substrate 210. 211). A grid 221 having a plurality of holes may be coupled to be electrically connected to the second metal substrate 220 for use as an electron beam modulator, and the grid 221 is a cold cathode 211. It is coupled to the position of the second metal substrate 220 opposite to.

여기서, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220)은 직사각형인 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 원형, 정사각형, 마름모 등 사각형이나 기타 다양한 모양으로 변형이 가능하다.Here, although the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220 are illustrated as being rectangular, the present invention is not limited thereto. In addition, the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220 may be modified in a rectangular or various shapes such as a circle, a square, and a rhombus.

복수의 유전체 막대(230)는 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에서 냉음극(211) 주위로 형성되어 있으며, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220)에 사이에 접합되도록 막대(rod) 형태로 형성된다. 복수의 유전체 막대(230)의 점결함 주위의 일정 위치에는 외부의 전자기파를 인입하는 도파로를 위한 선결함(line defect)이 포함되어 있다. The plurality of dielectric bars 230 are formed around the cold cathode 211 between the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220, and the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220. It is formed in the form of a rod (rod) so as to be bonded between. A certain position around the point defects of the plurality of dielectric rods 230 includes line defects for the waveguide for introducing external electromagnetic waves.

여기서, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220)은 Cu, Al, Mg 등의 금속이나 다른 금속 화합물 등 다양한 고전도성 금속 재질로 형성될 수 있고, 유전체 막대(230)는 금속 산화물, 반도체 산화물 등 다양한 물질에 의하여 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 두께로 형성될 수 있다. 이와 같은 금속이나 유전체는 CVD(Chemical Vapor Deposition), e-beam 증착 등 적절한 증착 방식과 건식/습식 식각 방법으로 가공되어 형성될 수 있다. 또한, 이와 같은 제1 금속 기판(210), 제2 금속 기판(220), 및 복수의 유전체 막대(230)가 결합된 광결정 공진기 구조는, 제1 금속 기판(210) 상에 MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 가공에 의해 복수의 유전체 막대(230)를 형성함으로써 초미세 광결정 공진기 형태로 제작될 수도 있고, 제1 금속 기판(210) 상의 점결함 위치에 CNT(Carbon Nano-Tube: 탄소나노튜브) 필름 형태 등의 냉음극(211)이 결합될 수 있다.Here, the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220 may be formed of various highly conductive metal materials such as metals such as Cu, Al, and Mg, or other metal compounds, and the dielectric rod 230 may be a metal oxide. It may be formed to a thickness of several tens of micrometers to several hundred micrometers by various materials, such as semiconductor oxide. Such metals or dielectrics may be formed by a suitable deposition method such as chemical vapor deposition (CVD), e-beam deposition, and dry / wet etching methods. In addition, the photonic crystal resonator structure in which the first metal substrate 210, the second metal substrate 220, and the plurality of dielectric rods 230 are coupled to each other is formed on the first metal substrate 210 by a micro-electron. By forming a plurality of dielectric rods 230 by a mechanical system processing may be manufactured in the form of ultra-fine photonic crystal resonator, CNT (Carbon Nano-Tube: carbon nanotube) film at the point defect point on the first metal substrate 210 Cold cathode 211 in the form or the like can be combined.

냉음극(211)으로서는 스프레이 코팅 방식으로 형성된 CNT 필름이나, 스크린프린팅 방법(screen printing method)이나 CVD 방식 등을 이용하여 형성된 CNT 어레이 등이 사용될 수 있다. 여기서, 전자방출을 위한 냉음극(211)으로서 CNT 음극만을 의미하는 것은 아니고, 이외에도 전계방출원으로 이용될 수 있는 각종 소자를 이용할 수도 있다. As the cold cathode 211, a CNT film formed by spray coating, a CNT array formed using a screen printing method, a CVD method, or the like may be used. Here, not only the CNT cathode as the cold cathode 211 for electron emission, but also various elements that may be used as the field emission source may be used.

위와 같은 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에서의 복수의 유전체 막대(230)의 결합 구조는 광결정 구조를 이루고, 이와 같은 주기적 구조에 의하여 포토닉 밴드 갭 현상이 발생하여 전자기파의 손실이 적은 공진기의 형성이 가능하다.The coupling structure of the plurality of dielectric rods 230 between the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220 as described above forms a photonic crystal structure, and the photonic band gap phenomenon occurs due to the periodic structure. It is possible to form a resonator with little loss of electromagnetic waves.

도 1과 같이, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에 일정 직류 DC(Direct Current) 전압, VDC을 인가하고, 선결함에 의하여 형성된 도파로를 통해 외부의 전자기파(RF)를 인입하여, 냉음극(211)으로부터 상기 인입된 전자기파와 인가된 직류DC(Direct Current) 전압, VDC에 의해 천이시간 효과를 극복하고 효율적으로 변조된 전계방출을 얻을 수 있다. As shown in FIG. 1, an external electromagnetic wave (RF) is applied through a waveguide formed by applying a predetermined direct current (DC) voltage, V DC between the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220. By introducing the, it is possible to overcome the transition time effect by the introduced electromagnetic wave, the applied direct current (DC) voltage, V DC from the cold cathode 211 and to obtain an efficient modulated field emission.

또한, 위와 같이 변조된 전자빔을 그리드(221)의 홀들을 통해 방출할 수 있다. 상기 그리드의 홀들을 통해 방출된 변조된 전자빔은 테라헤르츠파 대역까지 포함하는 초고주파의 발생 및 증폭을 위한 진공전자소자의 전자빔 방출원으로 활용할 수 있다. 혹은, 전자가속기 등에 사용되는 RF 건(gun)을 대체하는 전자빔 변조기로써 활용될 수 있다. 아울러, 변조된 전자빔이 가지는 높은 비선형성을 활용하여 진공전자소자에서 고조파 체배(harmonic multiply)를 구현하는데 활용 될 수 있다.In addition, the modulated electron beam may be emitted through the holes of the grid 221. The modulated electron beam emitted through the holes of the grid may be used as an electron beam emission source of a vacuum electronic device for generating and amplifying ultra-high frequency waves including the terahertz wave band. Alternatively, the present invention may be used as an electron beam modulator to replace an RF gun used in an electron accelerator. In addition, it can be utilized to realize harmonic multiply in a vacuum electronic device by utilizing the high nonlinearity of the modulated electron beam.

도 2는 도 1의 X-Y 평면에 대한 시뮬레이션 모델을 나타낸다. 도 3은 도 1의 전계 방출원을 지나는 Y축 단면에 대한 시뮬레이션 모델을 나타낸다. 도 2 및 도 3과 같은 디멘젼으로 모델링하고 최소한의 컴퓨터 계산에 필요한 경계 조건을 설정하여 선결함 부분의 앞쪽에 전자기파(RF)를 인입시킨다. 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에서의 복수의 유전체 막대(230)의 결합 구조에 의한 광결정 구조의 공진 주파수는 5.8GHz로 하였다. 또한, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이의 거리 d는 2mm 정도로 하였고, 냉음극(211)으로서 스프레이 코딩 방식으로 형성된 CNT 필름을 이용하였으며, 기타 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220)의 전기 전도도나 유전체 막대(230)의 유전율 등을 일정 값으로 설정하였 다.FIG. 2 shows a simulation model for the X-Y plane of FIG. 1. 3 shows a simulation model for the Y-axis cross section through the field emission source of FIG. 1. 2 and 3 are modeled and the boundary conditions necessary for the minimum computer calculation are set to introduce an electromagnetic wave (RF) in front of the predecessor portion. The resonance frequency of the photonic crystal structure by the coupling structure of the plurality of dielectric bars 230 between the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220 was set to 5.8 GHz. In addition, the distance d between the first metal substrate 210 and the second metal substrate 220 was about 2 mm, and a CNT film formed by spray coding was used as the cold cathode 211, and the other first metal substrate 210 was used. ) And the electrical conductivity of the second metal substrate 220 or the dielectric constant of the dielectric rod 230 are set to a predetermined value.

이와 같은 CNT 필름 형태의 냉음극(211)의 전계방출 특성에 대한 그래프가 도 4에 도시되어 있다. 도 4와 같이 [수학식 1]의 Folwer-Nordheim방정식에 기반한 시뮬레이션에 의해 측정 데이터로부터 획득한 전류-전계 커브가 매우 정확하게 재현될 수 있음을 확인하였다. [수학식 1]에서 E는 냉음극(211)의 표면에서의 전계이며, A, B는 전계방출 파라미터이고, 측정 데이터로부터 A는 약 1.03X10-15 A/V2이고 B는 약 1.49X107 A/V2으로 나타났다.A graph of the field emission characteristics of the cold cathode 211 in the form of such a CNT film is shown in FIG. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the current-field curve obtained from the measured data could be reproduced very accurately by simulation based on the Folwer-Nordheim equation of Equation 1. In Equation 1, E is an electric field on the surface of the cold cathode 211, A and B are field emission parameters, A is about 1.03X10 -15 A / V 2 and B is about 1.49X10 7 from the measured data. A / V 2 .

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112009070888790-pat00001
Figure 112009070888790-pat00001

이와 같은 결과를 바탕으로 도 2와 도3의 모델링에 적용하여 도 5와 도 6과 같은 시변 전계방출 특성이 분석되었다. 가해진 전계는 [수학식 2]와 같이 시변하는 방정식을 만족하고, 변조 정도(Modulation Depth: MD)(η)는 [수학식 3]과 DC 인가 전압(Vdc)에 대한 최대 RF 전압(Vrf) 크기의 비율로 나타낼 수 있다. [수학식 2]에서, ω는 각 주파수이고, t는 시간이다.Based on these results, the time-varying field emission characteristics of FIGS. 5 and 6 were analyzed by applying the modeling of FIGS. 2 and 3. The applied electric field satisfies the time-varying equation as shown in [Equation 2], and the modulation degree (Modulation Depth: MD) (η) is the maximum RF voltage (V rf ) with respect to [Equation 3] and DC applied voltage (V dc ). ) Can be expressed as a ratio of size. In Equation 2, ω is each frequency and t is time.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112009070888790-pat00002
Figure 112009070888790-pat00002

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112009070888790-pat00003
Figure 112009070888790-pat00003

도 5 또는 도 6과 같이, MD가 증가함에 따라 제1 금속 기판(캐노드) 주위의 전류에 비교하여 제2 금속 기판(애노드) 주위의 전류가 더 감소함을 알 수 있다. 이는 냉음극(211)에서 발생되어 공진기 내부에 트랩(trapped)된 전자가, 시변 가속 전계가 DC 전압 VDC 보다 클 때 전후(forward/backward)로 드리프트(drift)함을 의미한다. DC 전압이 인가되지 않으면 강한 MD(>1)에서 냉음극(211) 쪽으로의 전자의 역 방향(backward) 이동이 관찰될 수 있다. 이는 냉음극(211)의 손상을 유발할 수 있으므로, 효과적으로 변조된 전자빔 발생을 위하여는 적절한 MD가 선택되어야 한다. 예를 들어, MD를 1보다 작도록 파라미터를 선택하면 DC 전압 인가가 천이 시간 효과를 극복하도록 보조할 수 있고, DC 전압 인가와 함께 동시에 전자기파를 인입시켜 적절히 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있다.As shown in FIG. 5 or FIG. 6, it can be seen that as the MD increases, the current around the second metal substrate (anode) is further reduced compared to the current around the first metal substrate (anode). This is generated in the cold cathode 211, trapped electrons in the resonator, the time-varying acceleration field is DC voltage V DC When larger, it means drift forward / backward. If no DC voltage is applied, a backward movement of electrons from the strong MD (> 1) toward the cold cathode 211 can be observed. Since this may cause damage to the cold cathode 211, an appropriate MD should be selected for generating an effectively modulated electron beam. For example, selecting a parameter such that MD is less than 1 may aid in the DC voltage application to overcome the transition time effect, and introduce electromagnetic waves simultaneously with the DC voltage application to generate an appropriately modulated electron beam.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 다이오드 공진기를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a photonic crystal diode resonator according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 X-Y 평면에 대한 시뮬레이션 모델을 타나낸다.FIG. 2 shows a simulation model for the X-Y plane of FIG. 1.

도 3은 도 1의 전계 방출원을 지나는 Y축 단면에 대한 시뮬레이션 모델을 타나낸다.FIG. 3 shows a simulation model for the Y axis cross section through the field emission source of FIG. 1.

도 4는 도 1의 전계 방출원의 전계방출 특성에 대한 그래프이다.4 is a graph showing field emission characteristics of the field emission source of FIG. 1.

도 5는 도 1의 제1 금속 기판(캐노드) 주위의 시변 전계방출 특성을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.FIG. 5 is a simulation result showing time-varying field emission characteristics around the first metal substrate (cathode) of FIG. 1.

도 6은 도 1의 제2 금속 기판(애노드) 주위의 시변 전계방출 특성을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.6 is a simulation result showing time-varying field emission characteristics around the second metal substrate (anode) of FIG. 1.

Claims (3)

제1 금속 기판과 제2 금속 기판 사이에 점결함과 선결함이 포함된 복수의 유전체 막대가 결합되고, 상기 제1 금속 기판의 상기 점결함 위치에 형성한 일정 크기의 전자방출원을 포함하며,A plurality of dielectric bars including point defects and predefects are coupled between the first metal substrate and the second metal substrate, and includes an electron emission source having a predetermined size formed at the point defect position of the first metal substrate; 상기 제1 금속 기판과 상기 제2 금속 기판 사이에 직류 전압을 인가하고, 상기 선결함에 의하여 형성된 도파로를 통해 외부의 전자기파를 인입하여, 상기 전자방출원으로부터 천이시간 한계를 극복하여 변조된 전자빔을 발생하는 것을 특징으로 하는 광결정 공진기.A DC voltage is applied between the first metal substrate and the second metal substrate, and external electromagnetic waves are introduced through the waveguide formed by the predecessor to overcome the transition time limit from the electron emission source to generate a modulated electron beam. A photonic crystal resonator, characterized in that. 삭제delete 제1 금속 기판과 제2 금속 기판 사이에 점결함과 선결함이 포함된 복수의 유전체 막대가 결합되고, 상기 제1 금속 기판의 상기 점결함 위치에 형성한 일정 크기의 전자방출원을 포함하며, 상기 제2 금속 기판은 상기 전자방출원과 대향되는 위치에 복수의 홀들을 갖는 그리드를 포함하고, A plurality of dielectric bars including point defects and predefects are coupled between the first metal substrate and the second metal substrate, and includes an electron emission source having a predetermined size formed at the point defect position of the first metal substrate; The second metal substrate includes a grid having a plurality of holes in a position opposite the electron emission source, 상기 제1 금속 기판과 상기 제2 금속 기판 사이에 직류 전압을 인가하고, 상기 선결함에 의하여 형성된 도파로를 통해 외부의 전자기파를 인입하여, 상기 전자방출원으로부터 변조된 전자빔을 발생시켜서, 상기 변조된 전자빔을 상기 그리드의 홀들을 통해 방출하는 것을 특징으로 하는 광결정 공진기.The modulated electron beam is generated by applying a direct current voltage between the first metal substrate and the second metal substrate, introducing external electromagnetic waves through a waveguide formed by the pre-determination, and generating a modulated electron beam from the electron emission source. The photonic crystal resonator characterized in that for emitting through the holes of the grid.
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S.H.K. Vertical beaming of wavelength-scale photonic crystal resonators, Phys. Rev. B 73, 235117 (2006) American physical Society, June 2006, pp. 1-13

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