KR20080027405A - 전계 방출 장치 및 이의 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
전계 방출 효율을 증가시키기 위한 전계 방출 장치 및 이의 구동 방법이 개시된다. 전계 방출 장치는 음극과, 상기 음극의 제1 면에 형성되며 상기 음극과 전기적으로 연결된 전계 방출 첨단부와, 상기 전계 방출 첨단부와 마주보도록 형성된 제1 양극과, 상기 음극의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면에 형성된 축전층 및 상기 축전층을 사이에 두고 상기 제2 면과 마주보는 제2 양극을 포함한다.
전계 방출이 일어나는 음극에 강유전체 축전층을 설치함으로써 축전층을 형성하지 않은 종래의 전계 방출 장치에 비해 동일한 크기의 전기장 하에서 전계방출효율을 향상시킬 수 있다.
전계 방출, 축전층 ,첨단부, 전계 방출 장치
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 축전층을 구성하는 강유전체의 대표적인 결정구조의 예인 페롭스카이트 결정 구조를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 장치의 축전단계를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 장치의 방전단계를 도시한 개념도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
111 : 제1 전압공급장치 112 : 제1 전압제어장치
121 : 제1 양극 122 : 음극
131 : 제1 도선 132 : 제2 도선
133 : 제3 도선 140 : 전계 방출 첨단부
150 : 축전층 160 : 제2 양극
171 : 제2 전압공급장치 134 : 제4 도선
172 : 제2 전압제어장치 135 : 제5 도선
136 : 제6 도선 180 : 제3 전압제어장치
191 : 제1 통신선 192 : 제2 통신선
본 발명은 전계 방출 장치(field emitter) 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전계방출이 일어나는 음극의 배면에 전하를 축적시켜주는 축전층을 접합하여 음극에 축적되는 전자밀도를 인위적으로 증가시킴으로써 동일한 크기의 인가 전기장 하에서 전계 방출을 증대시키는 전계 방출 장치 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
전계 방출 장치는 기본적으로 전계 방출 첨단부가 장착된 음극과 양극이 마주보는 구조로 구성된다. 음극과 양극에 전기장을 가하면, 음극에서 전자가 방출된다. 이 때 방출된 전자는 전기장에 의하여 양극으로 흐르며 전계방출 전류를 형성한다. 이 때 방출된 전류의 크기는 전하밀도와 전계방출 확률밀도의 곱에 비례한다.
전계방출 확률밀도는 Fowler-Nordheim equation(Proceedings of the Royal Society London Vol. 119, 173 (1928))으로 결정되는데, 이 관계식은 효과적인 전계방출을 유도하기 위해서 강한 전기장이 필요하다는 점을 시사해준다. 그러므로 주어진 인가 전압 하에서 많은 방출전류를 얻어내기 위해서는 전계 방출 장치의 첨단부에 강한 전기장이 인가되도록 설계하여야 한다.
강한 전기장을 인가시키기 위하여 보편적으로 사용하는 방법은 전계방출 첨단부를 가능한 뾰족하게 만드는 것이다.
현재 사용되는 전계방출 첨단부는 몰리브덴(Mo)이나 텅스텐(W)을 뽀족하게 가공한 것이 대부분이다.
이러한 전계 방출 장치는 전계방출방식의 디스플레이(field emission display, cathode ray tube), 전자 현미경(transmission electron microscopy, scanning electron microscopy), 전자방출 식각기(electron beam lithography)등 다양한 분야에 적용된다. 그러나 기존의 전계 방출 장치(Physical Review Letters Vol. 91, 236801 (2003))는 주로 주어진 인가전압 하에서 크기가 큰 전기장을 얻어내는 전계방출 첨단부의 구조설계에 국한되어 있었다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 종래의 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 전계 방출 장치의 음극배면에 강유전체 축전기를 설치함으로써 기존의 전계 방출 장치에 비해 동일한 크기의 전기장 하에서 전계방출성능을 향상시키기 위한 전계 방출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전계 방출 장치의 구동 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 실시예에 따른 전계 방출 장치는, 음극과, 상기 음극의 제1 면에 형성되며 상기 음극과 전기적으로 연결된 전계 방출 첨단부와, 상기 전계 방출 첨단부와 마주보도록 형성된 제1 양극과, 상기 음극의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면에 형성된 축전층 및 상기 축전층을 사이에 두고 상기 제2 면과 마주보는 제2 양극을 포함한다.
이때, 상기 축전층은 강유전체로 이루어질 수 있으며, 상기 강유전체는 페롭 스카이트 구조의 결정구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전계 방출 첨단부는 몰리브덴, 텅스텐, 탄소 나노튜브 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 전계 방출 장치는 상기 음극, 상기 제1 양극 및 제2 양극에 전압을 인가하기 위한 전원장치를 포함한다.
본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여, 음극, 상기 음극의 제1 면에 형성되며 상기 음극과 전기적으로 연결된 전계 방출 첨단부, 상기 전계 방출 첨단부와 마주보도록 형성된 제1 양극, 상기 음극의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면에 형성된 축전층 및 상기 축전층을 사이에 두고 상기 제2 면과 마주보는 제2 양극을 포함하는 전계 방출 장치의 구동 방법은 상기 음극과 상기 제2 양극에 전압을 인가하여 상기 축전층의 양단에 전하를 축전시키는 축전 단계 및 상기 음극과 상기 제1 양극에 전압을 인가하여 상기 전계 방출 첨단부로부터 상기 제1 양극 방향으로 전계를 방출시키는 방전 단계를 포함한다.
이러한 전계 방출 장치 및 이의 구동 방법에 의하면, 음극에 강유전체 축전층을 설치함으로써 기존의 전계 방출 장치에 비해 동일한 크기의 전기장 하에서 전계방출성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 장치는(100)는 제1 전압공급장치(111), 제1 전압 제어 장치(112), 제1 양극(121), 음극(122), 전계 방출 첨단부(140), 축전층(150), 제2 양극(160), 제2 전압공급장치(170), 제2 전압 제어 장치(172) 및 제3 전압 제어 장치(180)를 포함한다.
제1 전압공급장치(111)는 제1 도선(131)에 의해 제1 전압제어장치(112)와 전기적으로 연결되며, 제1 전압공급장치(111)로부터 공급된 전압은 제1 전압제어장치(112)에 의하여 전압의 크기가 조절되어 제1 양극(121)과 음극(122)에 인가된다.
제1 전압제어장치(112)는 제2 도선(132)에 의하여 음극(122)과 연결되고 제3 도선(133)에 의하여 제1 양극(121)과 연결된다.
상기 제1 전압제어장치(112)는 상기 제1 양극(121)과 음극(122)에 인가되는 전압을 조절하여 전계 방출 장치(100)의 방전 단계를 제어한다.
상기 제1 양극(121)은 일례로, 10nm 내지 1㎛의 두께로 형성되며, 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide)로 형성할 수 있다.
상기 음극(122)은 일례로, 10nm 내지 1㎛의 두께로 형성되며, 니켈(Ni), 질화 티타늄(TiN), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 등으로 형성할 수 있다. 상기 음극(122)은 상기 제1 양극(121)과 마주하는 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖 는다.
상기 음극(122)의 상기 제1 면에는 상기 전계 방출 첨단부(140)가 형성된다.
상기 제1 전압공급장치(111)로부터 상기 제1 양극(121)과 음극(122)에 전압이 인가될 때 상기 전계 방출 첨단부(140)에서는 강한 전기장이 발생한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 장치(100)는 상기 음극(122)의 상기 제2 면에 강유전체로 이루어진 축전층(150)이 형성된다. 바람직하게, 상기 축전층(150)은 페롭 스카이트 결정 구조의 강유전체(Ferroelectric)로 이루어진다.
또한, 상기 제2 면 상에는 상기 축전층(150)을 사이에 두고 상기 음극(122)과 마주보도록 형성되며, 상기 음극(122)과 전기장을 형성하는 제2 양극(160)이 형성된다.
상기 제2 양극(160)은 일례로 10nm 내지 1㎛의 두께로 형성되며, 플래티넘(Pt), 금(Au), 구리(Cu) 등으로 형성할 수 있다.
제2 전압공급장치(171)는 제4 도선(134)에 의해 제2 전압제어장치(172)와 전기적으로 연결되며, 제2 전압공급장치(171)로부터 공급된 전압은 제2 전압제어장치(172)에 의하여 전압의 크기가 조절되어 제2 양극(160)과 음극(122)에 인가된다.
제2 전압제어장치(172)와 음극(122)은 제5 도선(135)으로 연결되고, 제2 전압제어장치(172)와 제2 양극(160)은 제6 도선(136)로 연결된다.
상기 제2 전압제어장치(172)는 상기 음극(122)과 상기 제2 양극(160)에 전압을 인가하여 전계 방출 장치(100)의 축전 단계를 제어한다.
상기 축전층(150)을 구성하는 강유전체는 전기장을 인가시켜줄 때 물질을 구 성하는 전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment)가 전기장에 평행한 방향으로 장거리 질서를 갖는 물질을 말한다.
강유전체의 양단에 전기장을 가하면, 강유전체 내부의 전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment)가 전기장 방향으로 배열되며 장거리 질서를 갖게 된다.
이 과정에서 강유전체의 서로 마주보는 양 표면과 접촉한 전극(122,160)에는 서로 다른 부호의 전하가 축적되며, 이것은 전기 쌍극자 모멘트의 정렬로 인하여 발생한 강유전체의 전기적 불균형을 해소시켜 준다.
본 발명의 실시예에서와 같이 음극(122)의 상기 제2 면에 강유전체로 이루어진 축전층(150)를 설치하고 제1 면에는 전계 방출 첨단부(140)를 설치하면, 축전층(150)을 결합시키지 않은 종래의 전계 방출 장치에 비하여 음극(122)에 축적되는 전하밀도가 증가된다.
결과적으로, 같은 크기의 전기장이 인가되는 종래 구조의 전계 방출 장치 첨단부에서 보다 전계 방출 특성이 향상된다.
한편, 전계 방출 장치(100)의 방전 과정과 축전 과정을 순차적으로 제어하기 위하여, 제1 전압제어장치(112)와 제2 전압제어장치(172)는 상기 제1 전압제어장차(112)와 제2 전압제어장치(172)를 제어하는 제3 전압제어장치(180)에 연결된다.
제1 전압제어장치(112)와 제3 전압제어장치(180)는 제1 통신선(191)으로 연결되고, 제2 전압제어장치(172)와 제3 전압제어장치(180)는 제2 통신선(192)으로 연결된다.
도 2는 페롭 스카이트형 결정구조를 표시하는 그림이다.
페롭 스카이트 구조란 정육면체의 꼭지점(A)에는 8개의 양이온이 위치하고, 정육면체의 체심 위치(B)에는 꼭지점(A)에 위치하는 양이온과는 다른 양이온이 위치하며, 면심 위치(O)에는 6개의 음이온이 위치하는 구조를 말한다.
페롭 스카이트 구조가 정육면체일 때에는 등방성을 가지므로 전기 쌍극자 모멘트를 가지지 않는다. 이러한 현상은 보통 고온에서 발견된다.
온도를 내리면 이방성이 증가하면서 페롭스카이트 구조는 정육면체에서 등축정계(tetragonal), 단사정계(monoclinic), 사방정계(orthorhombic), 능면체(rhombohedral)로 대칭성이 작아지며 구조적 상 변환(phase transition)을 한다.
이 과정에서 결정은 전기 쌍극자 모멘트를 가지게 되며, 페롭 스카이트 구조를 갖는 물질은 강유전성 또는 반강유전성을 갖게 된다.
일반적으로, 강유전성을 갖는 페롭 스카이트 구조는 꼭지점 위치(A)에는 Pb, Ba, Sr, Bi, La 이온 중에서 선택된 한 종류의 이온이 점유하며, 체심 위치(B)에는 Ti, Zr, Zn, Mg, Nb, Ta 이온 중에서 선택된 하나의 이온이 점유하고, 면심 위치(O)에는 산소 음이온인 O가 점유한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 장치의 축전단계를 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 제2 전압공급장치(172)로부터 상기 음극(122)에는 상대적으로 낮은 전압을 인가하고, 상기 제2 양극(121)에는 상대적으로 높은 전압을 인가한다. 인가되는 전압의 크기와 인가되는 시간은 제2 전압제어장치(23)에 의해 제어 된다.
이에 따라, 상기 음극(122)과 제2 양극(121) 사이에 전기장이 형성되며, 강유전체로 이루어진 상기 축전층(150)에는 전기 쌍극자 모멘트의 정렬이 일어나 상기 축전층(150) 표면에는 전하가 축적된다. 그 결과 음극(122)에는 음전하가 축적되며, 제2 양극(160)에는 양전하가 축적된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출 장치의 방전단계를 도시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 제1 전압공급장치(111)로부터 제공된 전압을 상기 제1 전압제어장치(112)를 통해 크기를 제어하여 상기 제1 양극(121)과 음극(122)에 공급한다.
상기 음극(122)에는 낮은 전압이 인가되고, 상기 제1 양극(121)에는 상기 음극(122)보다 상대적으로 높은 전압이 인가된다.
제1 전압제어장치(112)에 의해 크기가 제어된 전압이 상기 음극(122)과 제1 양극(121)에 공급되면, 전계 방출 첨단부(140)에서 전자가 방출되어 제1 양극(121)으로 향한다.
한편, 상기 방전 단계에서는 제2 전압제어장치(172)에 의해 상기 축전층(160)에 인가되는 전압이 제어되어, 상기 축전 단계에서 보다 상기 축전층(160)에 인가되는 전압의 크기가 작아진다.
제2 전압제어장치(172)에 의해 상기 축전층(160)에 인가되는 전압의 크기가 작아지면, 강유전체의 전기쌍극자 모멘트의 장거리 질서가 이완되며 음극(122)에 구속되어있던 음전하를 전계 방출 첨단부(140)를 통하여 방출시켜줄 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서는, 전계 방출이 발생하는 음극(122)의 제2 면에 강유전체로 이루어진 축전층(150)을 접합하고 그 위에 제2 양극(160)을 도포시키는 구조를 적용하여 종래의 전계 방출 장치에 비해 음극(122)에 축적되는 전자의 수를 증가시킨다. 이에 따라, 방전 단계에서 전계 방출 첨단부에서 방출되는 전류 밀도의 크기가 증가된다.
즉, FN 터널링(Fowler-Nordheim tunnelling)을 근거로 동일한 전압을 인가할 때 전기장의 크기를 최대화시키는 전계 방출 첨단부의 기하학적 모양에 국한된 종래의 전계 방출 장치와 달리, 본 발명의 전계 방출 장치는 동일한 크기의 전기장을 인가하였을 때 전계 방출 첨단부에서 방출되는 전류밀도의 크기를 증가시킬 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 전계 방출이 발생하는 음극의 배면에 강유전체로 구성된 축전층을 접합해서 설치하고 그 위에 양극을 도포시키는 구조를 적용함으로써, 축전층이 접합되지 않은 종래의 전계 방출 장치에 비해 음극에 축적되는 전자의 수가 증가하게 된다.
따라서 본 구조를 적용한 전계 방출 장치는 종래의 전계 방출 장치와 비교하여 동일한 크기의 전기장을 인가하였을 때 더 큰 전계방출전류를 유도하는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업 자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (12)
- 음극;상기 음극의 제1 면에 형성되며 상기 음극과 전기적으로 연결된 전계 방출 첨단부;상기 전계 방출 첨단부와 마주보도록 형성된 제1 양극;상기 음극의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면에 형성된 축전층; 및상기 축전층을 사이에 두고 상기 제2 면과 마주보는 제2 양극을 포함하는 전계 방출 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 축전층은 강유전체로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 강유전체는 페롭 스카이트 구조의 결정구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 축전층의 두께는 10nm 내지 1㎛ 인 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전계 방출 첨단부는 몰리브덴, 텅스텐, 탄소 나노튜브 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 음극은 니켈(Ni), 질화 티타늄(TiN), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 양극은 인듐 틴 옥사이드로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 양극은 플래티넘, 금, 구리 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 음극, 상기 제1 양극 및 제2 양극에 전압을 인가하는 전원 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 전원장치는 상기 음극 및 상기 제1 양극에 제1 전압을 공급하는 제1 전압공급장치;상기 제1 전압공급장치에 연결되고, 상기 음극 및 상기 제1 양극에 인가되는 상기 제1 전압의 크기 및 타이밍을 조절하여 방전 단계를 제어하는 제1 전압제어장치;상기 음극 및 상기 제2 양극에 제2 전압을 공급하는 제2 전압공급장치; 및상기 제2 전압공급장치에 연결되고, 상기 음극 및 상기 제2 양극에 인가되는 상기 제2 전압의 크기 및 타이밍을 조절하여 축전 단계를 제어하는 제2 전압제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 전원장치는 상기 제1 및 제2 전압제어장치에 연결되어 상기 축전단계 및 상기 방전단계를 제어하는 제3 전압제어장치를 더 포함하는 전계 방출 장치.
- 음극, 상기 음극의 제1 면에 형성되며 상기 음극과 전기적으로 연결된 전계 방출 첨단부, 상기 전계 방출 첨단부와 마주보도록 형성된 제1 양극, 상기 음극의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면에 형성된 축전층 및 상기 축전층을 사이에 두고 상기 제2 면과 마주보는 제2 양극을 포함하는 전계 방출 장치의 구동 방법에 있어서,상기 음극과 상기 제2 양극에 전압을 인가하여 상기 축전층의 양단에 전하를 축전시키는 축전 단계; 및상기 음극과 상기 제1 양극에 전압을 인가하여 상기 전계 방출 첨단부로부터 상기 제1 양극 방향으로 전계를 방출시키는 방전 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치의 구동 방법.
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