KR20030022975A - 매우 얇은 보호막을 갖는 광음극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광전효과를 이용하여 광전자 발생을 위하여 사용하는 광전면(光電面)이 대기와 접촉을 하게 될 때 기존의 대부분의 광전면 재료가 산소와의 높은 반응성으로 인하여 광전 효율이 급격하게 저하되는 현상을 방지하기 위한 광전면 보호막과 광음극(photocathode)의 구조에 관한 것으로, 예를 들어, 얇은 다이아몬드성 탄소 박막을 광음극 보호막으로 사용하여, 광전면과 대기와의 차단을 통한 광전면 보호의 기능을 수행함과 동시에 광전면에서 발생하는 전자는 얇은 두께로 증착된 다이아몬드성 탄소 박막을 터널링으로 통과하게 하여 광음극의 성능에는 영향을 주지 않도록 한다.

이러한 보호막을 사용함으로써 광전면 증착 이후의 공정들을 대기 중에서 자유롭게 행할 수 있게 되어 공정을 단순화시켜서 공정단가를 낮추고 또한 대면적의 광음극을 이용한 소자나 장치의 제작을 용이하게 하는 효과가 있다

Description

매우 얇은 보호막을 갖는 광음극{Photocathode having ultra-thin protective layer}

본 발명은 광음극에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광전효과에 의한 광전자 발생을 위해 사용되는 광전면(光電面)이 대기에 노출될 경우 산화로 인하여 급격하게 광전면의 성능이 저하되는 것을 방지하기 위하여 광전면의 표면에 얇은 보호막을 코팅한 광음극 구조와 이 구조를 실현하기 위해 사용하는 재료에 관한 것이다.

광전효과는 한계진동수 이상의 에너지를 갖는 광자가 금속 표면의 전자에 입사되면 금속 표면으로부터 전자가 외부로 방출(광전자 방출)되는 현상이다. 이러한 광전효과를 이용하여 광전자를 잘 방출할 수 있는 물질로 이루어진 광음극(photcathode)을 만들어 광음극에 입사되는 광자를 광전자로 변환시키는 소자나 장치들이 개발되어 왔다. 이러한 광음극을 사용하는 소자들 중에서 대표적인 것으로는 광전자 증배관(Photomultiplier tube), 광 분석장치, 감마선 카메라, 포지트론 CT(Computer Tomography) 및 MCP(Microchannel plate)를 사용한 평판 표시기 등이 있다.

광전 효과를 이용하는 소자 또는 장치들에 있어서, 광전면에 사용되는 물질의 특성은 소자나 장치의 전체적인 특성을 좌우하는 가장 중요한 요인이 된다. 광음극에 사용되는 물질들은 지금까지의 연구를 통해 그 특성이 많이 향상되어 왔다.

현재 상용화되어 있는 광음극에 사용되는 재료는 일함수(work function)이 낮은 알칼리 금속을 주성분으로 하는 것과 갈륨아세나이드(GaAs) 반도체를 주성분으로 하는 것으로 나눌 수 있다. 알칼리 금속을 주성분으로 하는 광전면 재료에는 Cs-I, Cs-Te, Sb-Cs 등과 2종류의 알칼리 금속을 사용하는 Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, Sb-Na-K, 3종류의 알칼리 금속을 사용하는 Sb-Na-K-Cs 등이 있다. GaAs를 주성분으로 하는 광전면 재료에는 GaAs(Cs), InGaAs(Cs) 등이 있다. 이 밖에 Ag-O-Cs 등이 있다. 알칼리 금속을 광전면 재료로 사용하는 경우에는 알칼리 금속의 높은 반응성으로 인해 광전물질이 쉽게 산화하여 그 양자효율이 감소하는 단점이 있다. 따라서 이러한 경우에는 광전면을 제작한 이후의 소자 또는 장치의 제작이나 조립 공정들은 광전면과 대기와 접촉을 차단한 상태 즉 진공 속에서 진행되어야 한다.

p형으로 도핑된 갈륨아세나이트(p-GaAs)를 광전면 재료로 사용하는 경우에는 Cs나 산소(O)를 흡착시켜 알칼리 금속에 비하여 2 배정도 높은 양자효율을 가지는 것도 만들 수 있다. 그러나 GaAs를 증착하기 위한 장비가 고가이고 공정이 복잡하며, 독성이 있는 가스를 사용하여 증착하기 때문에 공정상의 주의를 요하게 된다. 또한 광전 물질을 증착하여 광음극으로 사용하기 위해서는 광전 물질 표면의 불순물을 제거 한 후 진공으로 봉합하여야 한다. 이러한 봉합 공정에서 불순물의 제거가 완벽하지 못하거나 진공으로 봉합이 제대로 이루어지지 않게 되면 광음극으로 사용할 수 없게 된다. 즉 공정상의 어려움으로 인해 실제 생산효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

상술한 알칼리 금속이나 GaAs를 광전면 재료로 사용할 때 발생되는 문제점을 해결하기 위한 미국특허(US 5,977,705)에서는 광전면 재료로 다이아몬드성 탄소(diamond-like carbon)나 다이아몬드 또는 이 둘을 조합하여 사용하고 있다. 상술한 미국특허(US 5,977,705)는 GaAs를 광전면 재료로 사용할 때보다는 싼 증착장비를 사용하고, 유독한 가스를 사용하지 않기 때문에 공정을 단순화시킬 수 있어 대량 생산에 적합하다, 그러나 다이아몬드성 탄소나 다이아몬드는 음전자 친화도(negative electron affinity)를 가지고 있어 광전 물질로의 사용이 가능하기는 하지만, 양자 효율이 기존의 광전 물질에 비해 떨어지기 때문에 광전면으로 적합한 성능을 내기 위해서는 Cs, O 또는 H 같은 재료를 첨가해야 한다. GaAs 광전 물질에 이들과 같은 재료를 첨가할 경우, 높은 반응성을 가지는 물질을 사용하게 되므로 후속 공정을 진공속에서 수행하여야 한다.

도 1은 종래의 광음극을 사용한 평판 표시기의 구조도이다. 도 1을 참조하여 종래의 광음극을 사용한 평판 표시기의 문제점을 살펴본다.

도 1의 평판 표시기는 전송되어 온 전기적인 화상신호에 의해 구동되는 기판910)의 일면에 배열된 발광소자(11)로부터 빛(4)이 방출된다. 발광소자, 예를 들어 수소화된 비정질 실리콘 카바이드(a-SiC:H)로 형성된 발광소자 배열(12)에서 방출되는 빛(4)은 화상표시에 사용할 수 있을 만큼 충분히 밝지 못하기 때문에 증폭과정이 필요하다. 빛(4)의 증폭을 위해 미세 채널판(MCP: microchannel plate)(14)을 사용하는 평판 표시기에 있어서 광음극(13)은 발광소자 배열(12)에서 방출된 빛(4)을 광전자로 전환하기 위해 사용된다. 발광소자 배열(12)에서 방출된 빛은 바로 근접해 있는 광음극(13)에 입사되어 광자가 광전자로 변환되고, 변환된 광전자는 MCP(14)를 통해 증배된다. MCP(14)에 의해 증배된 광전자는 투명기판(16) 일면에 규칙적으로 배열 코팅된 적(Red: R), 녹(Green: G), 청(Blue: B) 색의 빛을 발하는 형광 물질에 가속 충돌하여 형광 물질을 각각 여기(excite) 시켜서 상응하는 빛을 방출한다.

상술된 평판 표시기는 원리적으로 얇은 두께의 대면적 평판 표시기 제작이 가능하며, 가시광선 영역의 빛을 발하는 발광소자뿐만 아니라 적외선, 적외선 영역의 빛을 발하는 발광소자를 사용하여 완전 컬러 표시가 가능한 특징을 가지고 있다. 그러나, 400㎚에서 900㎚ 사이의 파장의 빛에 대해 방사 감도 분포를 지니는 Sb, Na, Cs 등의 알칼리 금속을 광전면 재료로 사용한 경우에 이러한 알칼리 금속은 대기와 높은 반응성을 가지므로 광전면이 대기에 노출될 때 표면 산화 과정이 쉽게 일어나 양자효율이 감소하여 총체적으로 평판 표시기의 성능을 저하시키게 된다.

또한, 상술된 종래의 광음극을 사용한 평판표시기는 광음극을 증착하는 공정 및 광전물질이 증착된 후의 후속 공정에서 문제가 발생한다. 광점 물질을 증착하는 공정에 있어서, 발광소자로부터 방출된 광자가 광음극에 입사하기 위해서는 광전물질을 투명한 기판 위에 증착해야 한다. 그리고, 대면적의 광전면에 균일한 전압을 인가하기 위해서는 전도도가 높은 물질을 기판으로 사용해야 한다. 즉, 이 경우에는 투명전도막이 코팅된 투명 기판을 기판으로 사용해야 한다. 종래에 사용되는 투명전도막은 ZnO, In₂O₃, SnO₂등이 있다. 그러나, 이러한 투명전도막은 산화물형태이기 때문에 증착된 광전 물질과 반응하여 광전 물질이 산화되는 문제가 발생한다. 광전 물질 증착 후의 후속공정에 있어서는, 광전 물질들이 높은 반응성을 가지므로 대기와의 접촉을 차단한 진공상태에서 공정을 진행해야만 한다. 진공속에서 후속 공정을 연쇄적으로 수행하기 위해서는 복잡한 제어 장치를 필요로 하고 기술적으로도 매우 어렵다. 따라서, 이러한 진공 속에서의 후속 공정들이 소자 또는 장치의 제조 단가를 상승시키는 요인이 된다. 이렇듯 기존의 광전 물질들이 가지는 높은 반응성으로 인한 광전면의 열화(degradation) 문제는 해결되어야 할 중요한 문제이다.

따라서, 본 발명의 목적은 광음극을 대기에 노출시켜도 광전면의 특성을 그대로 유지할 수 있게 하고, 음극 재료로서 기존의 투명전도막을 그대로 사용하여도 투명전도막과 광음극이 서로 반응하지 않도록 막아주는 매우 얇은 보호막을 갖는 광음극을 제공함에 있다.

도 1은 종래의 광음극을 사용한 평판표시기의 구조도.

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 광음극의 단면도.

도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 광음극의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 투명기판 22 : 투명전도판

23 : 제 2 광전면보호막 24 : 광전면

25 : 제 1 광전면보호막 26 : 양극

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 매우 얇은 보호막을 갖는 광음극은 투명기판, 투명기판 위에 증착되어 상기 투명기판을 통해 입사된 빛을 전자로 바꾸어 방출하는 광전면 및 광전면의 표면을 덮어 상기 광전면을 대기와 차단시키는 제 1 광전면 보호막을 포함한다. 이때, 광전면으로부터 방출된 전자는 제 1광전면 보호막을 터널링 효과(tunneling effect)로 통과한다.

그리고, 대면적의 광전면에 균일한 전압을 인가하기 위해서는 투명하면서도 전기 전도도가 높은 물질(투명전도성 물질)이 코팅된 투명 기판(투명전도판)을 기판으로 사용하여야 하며 그 위에 광전 물질을 증착하는 경우, 투명전도성 물질이 광전 물질과 반응하여 광전면이 산화되는 문제를 방지하기 위해 광전면과 투명전도막 사이에 제 2 광전면을 증착 삽입한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 나타내는 도면이다.

투명기판(21)은 외부로부터 입사되는 빛이 잘 투과될 수 있는 상용화 되어 있는 유리를 사용할 수 있다. 특히 자외선영역의 투과도가 좋은 실리카, MgF₂등을 사용할 수 있다.

투명기판(21)은 외부로부터 입사되는 빛이 잘 투과될 수 있는 상용화되어 있는 유리를 사용할 수 있다. 특히, 발광소자 배열이 자외선 영역의 빛을 방출하는 것인 경우에는 자외선 영역의 투과도가 좋은 합성 석영이나 사파이어, MgF₂등을 사용해야 한다.

투명기판(21)을 통해 빛이 광전면(24) 표면에 입사되면, 광음극(20)은 광전면(24)으로부터 전자를 양극(26)으로 방출한다.

제 1 광전면 보호막(25)은 광전면(24)이 대기와 접촉하여 광전물질이 산화되는 것을 막기 위해 매우 얇은 두께, 예컨대 수 Å 내지 수십 Å의 얇은 두께로 광전면(24) 위에 증착된다. 광전 물질(24)에서 발생되는 전자가 가능한 한 손실없이 제 1 광전면 보호막(25)을 투과하여 제 1광전면 보호막을 사용하면서도 광음극(20)의 광전 효율에는 변화가 없어야 한다. 본 발명의 제 1실시예에 있어서, 광전면(24)에서 발생한 광전자를 손실 없이 투과시키는 방법으로 터널링(tunneling)을 이용한다. 이 방법에 의하면, 투명하면서 전기 전도도가 낮은 물질이라도 진공 증착이 가능하면서 두께를 재현성 있게 얇게 증착할 수만 있으면 광전면 보호막(25)으로 사용이 가능해 진다.

제 1 광전면보호막(25)은 상술된 특성 이외에도 물리적, 화학적, 기계적인 보호막으로 역할을 하기 위해 광전면(24)과의 접촉이 잘 이루어져야 하며 높은 강도를 가져야 한다. 또한, 발광소자에서 방출되는 빛을 통과시킬 수 있게 광학적 에너지 밴드갭이 커야 한다.

이러한 특성을 가지는 재료로 규소산화막(SiO₂), 다이아몬드성 탄소막(diamond-like carbon), 규소질화막(Si₃N₄) 등이 사용될 수 있다.

본 실시예에서는 제 1 광전면 보호막(25)의 재료로서 상술된 재료들 중 다이아몬드성 탄소박막을 사용하는 경우에 대해 설명한다.

우선, 광전 재료를 투명기판(21) 위에 증착하여 광전면(24)을 형성한다. 광전면(24)이 증착된 이후의 제 1 광전면 보호막(25)의 증착은 광전 물질의 증착이 끝난 후 바로 광전면(24) 위에 광전면과 대기와 접촉이 완전히 차단될 수 있도록 다이아몬드성 탄소 박막을, 예를 들어 광화학기상증착법을 사용하여 같은 진공 장치내에서 증착하게 된다.

다이아몬드성 탄소박막은 경도가 1200㎏/㎟으로 높은 기계적인 단단함과 화학적인 안정성을 지니고 있어서 물리적, 화학적 기계적인 보호막으로서의 역할을 충분히 할 수 있다. 또한, 제작 방법에 따라 3.5eV 이상의 높은 광학적 에너지 밴드갭 특성을 지니기 때문에 가시광선 영역의 빛 흡수손실이 거의 발생하지 않는다. 이 다이아몬드성 탄소는 무엇보다도 음전 자친화도(negative electron affinity)를 가진 물질로서 진공으로의 전자방출이 용이하다. 다이아몬드성 탄소박막을 제작하는 한가지 방법으로 광화학기상증착(photo-CVD)법을 이용할 수 있다. 이 경우, 수 Å 내지 수십 Å의 터널링이 가능한 얇은 두께의 다이아몬드성 탄소박막을 재현성있게 증착할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제 2실시예를 나타내는 도면이다.

본 실시예는 제 1실시예에서 투명기판(21)과 광전면(24)사이에 음극재료로 사용되는 투명전도판(22)을 두는 것으로 이러한 투명전도판(22)은 기존의 투명 전도막을 사용한다.

투명기판(21)에 투명 전극막을 증착하여 투명전도판(22)을 형성한다. 투명전도판(22)의 재료로는 ZnO, In₂O₃, SnO₂등이 사용되는데, 이처럼 투명기판(21) 위에 증착된 투명전도판(22)을 사용하는 경우 투명전도판(22)으로 사용되는 물질과 광전면(24)과의 직접적인 접촉으로 인해 투명전도판(22)과 광전면(24) 사이에 반응이 발생한다. 이러한 반응을 막기 위해 투명전도판(22)과 광전면(24) 사이에 또다른 보호막 즉, 제 2 광전면 보호막(23)을 형성한다. 제 2 광전면보호막(23)으로 예를 들어, 다이아몬드성 탄소 박막을 사용한다. 제 2 광전면보호막(23)은 제 1 광전면 보호막과 같이 광화학기상증착 장치를 사용하여 제작이 가능하다. 이때 사용되는 제 2 광전면 보호막(23), 즉 다이아몬드성 탄소 박막의 광학적 에너지 밴드갭은 외부로부터 투명기판(21)을 통해 광전면(24)으로 입사되는 광자의 흡수손실을 없애기 위해 입사되는 광자의 에너지 보다 높게 한다.

제 2 광전면보호막(23)을 증착한 후, 그 위에 광전 물질을 증착하여 광전면(24)을 형성한다. 알칼리 금속 계열의 광전 물질은 열증착(thermal evaporation) 방법을 사용하여 증착한다.

광전면(24)이 증착된 이후의 제 1 광전면 보호막(25)의 증착은 광전 물질의 증착이 끝난 후 바로 광화학기상증착법을 사용하여 같은 진공 장비 내에서 행하게된다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 매우 얇은 보호막을 갖는 광음극은 광전면 표면에 수 Å 내지 수십 Å의 두께를 갖는 광전면보호막을 형성하여 광음극의 성능이 저하되지 않으면서 광전면과 대기와의 접촉을 차단하여 광전면이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 광전면 증착 이후의 공정들을 대기 중에서 자유롭게 행할 수 있게 되어 공정을 단순화시켜서 공전단가를 낮추고 또한 대면적의 광음극 제작을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 광전 효과를 이용하여 빛을 전자로 바꾸어 주는 광음극에 있어서,

   투명기판;

   상기 투명기판 위에 증착되어 상기 투명기판을 통해 입사된 빛을 전자로 바꾸어 방출하는 광전면; 및

   상기 광전면의 표면을 덮어 상기 광전면을 대기와 차단시키는 제 1 광전면 보호막을 포함하며, 상기 광전면으로부터 방출된 전자는 상기 제 1 광전면 보호막을 터널링 효과(tunneling effect)로 통과하는 것을 특징으로 하는 매우 얇은 보호막을 갖는 광음극.
2. 제 1항에 있어서, 상기 투명기판과 상기 광전면사이에 전도성 투명전도판이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 매우 얇은 보호막을 갖는 광음극.
3. 제 2항에 있어서, 상기 전도성 투명전도판과 상기 광전면 사이에 제 2 광전면보호막이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 매우 얇은 보호막을 갖는 광음극.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광전면 보호막은 두께가 수 Å 내지 수십 Å인 것을 특징으로 하는 매우 얇은 보호막을 갖는 광음극.
5. 제 4항에 있어서, 상기 광전면 보호막은 다이아몬드성 탄소, 다이아몬드, SiO₂, Si₃N₄중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 매우 얇은 보호막을 갖는 광음극.