KR20120133316A - 전계 방출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전계 방출 장치에 관한 것으로서, 팁 형태의 캐소드 전극; 상기 캐소드 전극보다 작은 직경을 가지고, 상기 캐소드 전극의 상부에 형성되는 에미터; 및 단일 홀을 가지고, 상기 에미터와 일정 거리를 유지한 채, 상기 에미터의 상부에 위치하는 게이트 전극을 포함한다.

Description

전계 방출 장치{Field Emitter}
본 발명은 전계 방출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 게이트 전극의 누설 전류를 획기적으로 줄일 수 있는 팁 형태의 캐소드 전극을 이용한 삼극형 전계 방출 장치에 관한 것이다.
나노 물질을 이용한 전계 방출 장치에서, 탄소나노튜브 또는 탄소나노와이어 등은 전자 방출 물질로서 각광받고 있다. 탄소나노튜브는 벌집 구조의 1차원 판이 튜브 모양으로 말린 구조물로 매우 우수한 전기적, 기계적, 화학적, 열적 특성을 가지며, 이는 여러 분야에 응용되고 있다. 그리고 높은 종횡비를 갖는 탄소나노튜브는 그 우수한 기하학적 특성으로 낮은 포텐셜의 전계에서도 전자를 쉽게 방출할 수 있다.
따라서, 근래에 탄소나노튜브를 이용한 전계 방출 디스플레이 및 램프 등이 국내에서 크게 연구되었고, 최근에는 X-선 소스용 소자, AFM(Atomic Force MicroScope) 및 SEM(Scanning Electron Microscope) 등과 관련하여 팁과 같은 극소면적에서 전자를 방출하는 연구도 활발히 진행되고 있다. 팁 형태의 캐소드 전극 상부에 에미터가 형성된 구조는 초소형 소자나 마이크로 포커싱 소자와 같이 고효율, 고밀도의 CNT(Carbon Nanotube) 전자빔 제작에 유리하다. 팁 형태의 캐소드 전극 상부의 에미터는 극소면적에서 전자 방출이 이루어지고, 그 기하학적 구조에 의해 전계가 집중된다.
도 1은 종래의 전계 방출 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전계 방출 장치는 팁 형태의 캐소드 전극(110) 상에 에미터(120)가 형성되고, 에미터(120) 상부에 에미터(120)로부터 전자를 인출하는 게이트 전극(130)이 구비되는 삼극형 구조로 이루어진다.
이와 같은 삼극형 구조의 전계 방출 장치에서 게이트 전극(130)은 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 그물 형태의 메쉬로 구성되거나, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 에미터(120)에서 방출된 전자빔이 통과할 수 있는 단일 홀(132)을 갖는다.
그러나 게이트 전극(130)을 메쉬로 구성하는 경우 메쉬 선의 굵기와 개구비에 따라 다양하게 선택할 수 있지만, 에미터(120)에서 방출된 전자가 메쉬를 타고 빠져나가는 전류 누설은 피할 수 없다. 이때, 게이트 전극(130)의 누설 전류가 높으면 이에 따라 열이 발생하고, 캐소드 전극(110)과 게이트 전극(130) 간의 아크 위험이 높아져 전계 방출시 안정성을 저해하는 요소가 된다.
또한, 홀(132)을 갖는 게이트 전극(130)은 홀(132)의 크기를 크게 하여 누설 전류를 줄일 수 있지만, 홀(132)의 크기가 클수록 게이트 전극(130)에 인가되는 전압이 높아지는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 팁 형태의 캐소드 전극을 이용한 삼극형 전계 방출 장치의 구동시 발생하는 누설 전류를 획기적으로 낮출 수 있는 전계 방출 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전계 방출 장치는, 팁 형태의 캐소드 전극; 상기 캐소드 전극보다 작은 직경을 가지고, 상기 캐소드 전극의 상부에 형성되는 에미터; 및 단일 홀을 가지고, 상기 에미터와 일정 거리를 유지한 채, 상기 에미터의 상부에 위치하는 게이트 전극을 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 팁 형태의 캐소드 전극 상의 일부 영역에 에미터가 형성된 전계 방출 장치를 제공함으로써, 게이트 전극에서 발생하는 누설 전류를 획기적으로 감소시킬 수 있고, 이와 더불어 게이트 전극의 전압을 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전계 방출 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 전계 방출 장치에서 게이트 전극으로 전류가 누설되는 원인을 설명하기 위한 도면,
도 3은 종래의 전계 방출 장치에서 에미터로부터 방출되는 전자의 궤적을 시뮬레이션한 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전계 방출 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 5는 종래의 전계 방출 장치의 평면도 및 전계 방출 실험 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 전계 방출 장치의 평면도 및 전계 방출 실험 결과를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 전계 방출 장치의 에미터의 단면도 및 에미터 영역을 확대한 SEM 사진이다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 종래의 전계 방출 장치에서 게이트 전극으로 전류가 누설되는 원인을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 삼극형 구조의 전계 방출 장치는 단일 홀(232)이 형성된 게이트 전극(230)을 구비하고, 팁 형태의 캐소드 전극(210)의 기하학적 형상에 따라 휘어진 등포텐셜라인(240)으로 인해 팁 형태의 캐소드 전극(210) 상의 에미터(220)에서 방출되는 전자(250, 260)가 게이트 전극(230)으로 누설된다.
즉, 전자(250, 260)는 전기장에 의해 힘을 받아 움직이고, 전기장은 등포텐셜라인(240)에 수직하게 형성되므로, 전자(250, 260)는 등포텐셜라인(240)에 수직한 방향으로 힘을 받아 움직이게 된다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 팁 형태의 캐소드 전극(210)의 뾰족한 형상 때문에 캐소드 전극(210) 주위의 등포텐셜라인(240)은 휘어지게 되고, 캐소드 전극(210) 가장자리에 위치한 에미터(220)에서 방출된 전자(260)들은 휘어진 등포텐셜라인(240)의 영향으로 인해 게이트 전극(230)의 홀(232)을 향하여 곧바로 나아가지 못하고 바깥쪽으로 휘어져 전류 누설을 가져오게 된다.
도 3은 종래의 전계 방출 장치에서 에미터로부터 방출되는 전자의 궤적을 시뮬레이션한 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 팁형 캐소드 전극(311) 상에 형성된 에미터(312)의 경우, 도 3의 (b)의 평면형 캐소드 전극(321) 상에 형성된 에미터(322)와 달리 에미터(312)의 가장자리에서 발생된 전자빔(314)이 게이트 전극(313)의 홀(313a) 쪽으로 바로 이끌리지 못하고, 홀(313a)의 바깥쪽으로 휘어지는 것을 알 수 있다.
즉, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 에미터(312)의 양쪽 가장자리에서 발생된 전자빔(314)은 궤적의 왜곡이 심하지만, 에미터(312)의 가운데에서 방출된 전자빔(315)은 비교적 홀(313a)을 잘 통과하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 팁형 캐소드 전극 상에 형성된 에미터의 이점을 가져가면서 전류 누설을 감소시키기 위해, 팁형 캐소드 전극 상의 에미터를 전자빔이 휘어지지 않는 영역에 한정하여 형성한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전계 방출 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전계 방출 장치는 팁 형태의 캐소드 전극(410), 캐소드 전극(410) 상의 일부 영역에 형성되는 에미터(420) 및 단일 홀(432)을 가지고, 에미터(420)와 일정 거리(B)를 유지한 채, 에미터(420)의 상부에 위치하는 게이트 전극(430) 등을 포함한다.
에미터(420)는 캐소드 전극(410)의 직경(D)보다 작은 직경(d)으로 형성되어, 캐소드 전극(410)의 가장자리로부터 에미터(420)의 끝단 사이에 일정 거리(e)를 유지함으로써, 게이트 전극(430)으로 전류가 누설되는 것을 억제할 수 있다. 이때, 에미터(420)의 직경(d)은 캐소드 전극(410)의 직경(D), 게이트 전극(430)의 홀(432)의 직경(A) 및 캐소드 전극(410)과 게이트 전극(430) 사이의 거리(B)에 따라 달라질 수 있다.
또한, 에미터(420)의 직경(d)은 캐소드 전극(410)의 직경(D)보다 작고, 원하는 전류를 인출할 수 있는 넓이를 고려하여 최소 직경이 결정될 수 있다.
또한, 게이트 전극(430)의 홀(432)의 직경(A)은 에미터(420)의 직경(d)보다 크고 캐소드 전극(410)의 직경(D)의 10배보다 작을 수 있다.
또한, 캐소드 전극(410)과 게이트 전극(430) 사이의 거리(B)는 0보다 크고 캐소드 전극(410)의 직경(D)의 10배보다 작을 수 있다.
도 5는 종래의 전계 방출 장치의 평면도 및 전계 방출 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 실험에 사용된 전계 방출 장치는 직경 500um 크기의 캐소드 전극 위에 에미터(510)가 형성되어 있고, 2mm의 홀(522)을 가진 게이트 전극(520)과 애노드 전극(미도시)은 5mm 거리로 이격되어 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 애노드 전압 3kV와 게이트 전압 2kV에서 애노드 전류가 약 200uA이고, 이때 게이트 전극(520)의 누설 전류는 약 100uA이다. 따라서, 애노드 전류 대비 게이트 전극의 누설 전류는 약 50%를 차지한다.
도 6은 본 발명에 따른 전계 방출 장치의 평면도 및 전계 방출 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 전계 방출 장치의 치수를 적용하여 실험에 사용된 전계 방출 장치는 팁형 캐소드 전극(610)의 직경이 약 2mm이고, 캐소드 전극(610)의 상부에 형성된 에미터(620)의 직경은 650um이며, 게이트 전극(632)의 홀(630)의 직경은 1mm이다.
도 6의 (b)를 참조하면, 애노드 전압 3kV, 게이트 전압 1.4kV에서 애노드 전류가 약 200uA 방출될 때 게이트 전극의 누설 전류는 거의 발생하지 않은 것을 알 수 있다.
따라서, 도 5의 실험 결과와 비교하였을 때, 본 발명에 따른 전계 방출 장치는 게이트 전극의 누설 전류를 획기적으로 감소시킬 수 있고, 게이트 전압도 낮출 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 전계 방출 장치의 에미터의 단면도 및 에미터 영역을 확대한 SEM 사진이다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전계 방출 장치는 팁 형태의 캐소드 전극(710) 상의 일부 영역에 에미터(720)가 형성되어 있고, 에미터(720)를 확대하면 도 7의 (b)와 같다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
410: 캐소드 전극 420: 에미터
430: 게이트 전극 432: 게이트 전극의 홀

Claims (5)

  1. 팁 형태의 캐소드 전극;
    상기 캐소드 전극보다 작은 직경을 가지고, 상기 캐소드 전극의 상부에 형성되는 에미터; 및
    단일 홀을 가지고, 상기 에미터와 일정 거리를 유지한 채, 상기 에미터의 상부에 위치하는 게이트 전극;
    을 포함하는 전계 방출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에미터의 직경은 상기 캐소드 전극의 직경, 상기 게이트 전극의 홀의 직경 및 상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이의 거리에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에미터의 직경은 상기 캐소드 전극의 직경보다 작고, 원하는 전류를 인출할 수 있는 넓이를 고려하여 최소 직경이 결정되는 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전극의 홀의 직경은 상기 에미터의 직경보다 크고 상기 캐소드 전극의 직경의 10배보다 작은 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 전극과 상기 게이트 전극 사이의 거리는 0보다 크고 상기 캐소드 전극의 직경의 10배보다 작은 것을 특징으로 하는 전계 방출 장치.
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