KR20020016305A - Structure for current density enhancement of the field emission electron source by light illumination - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광을 조사함으로써 전계 방출 소스의 전자 방출량을 증대시키는 것에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 여러 금속의 싱글 팁, 어레이, 금속 표면의 일함수를 낮추기 위해 특별히 코팅된 전자 방출원 또는 모든 전계 방출 신물질에 광을 조사함으로써, 광을 조사하지 않는 경우에 비해 전자 방출량을 크게 증대시키는 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류밀도를 증가시키기 위한 구조체에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to increasing the amount of electron emission of a field emission source by irradiating light, and more particularly to a single tip, an array of several metals, an electron emission source or any field emission specifically coated to lower the work function of metal surfaces. The present invention relates to a structure for increasing the current density of a field emission source by light irradiation which greatly increases the electron emission amount by irradiating new material with light.
종래의 전계 방출 소스는 외부에서 인가한 전압 등에 의해서만 전자 방출이이루어졌으며, 충분한 전자 방출을 얻고자 한다면 그만큼 높은 전압을 인가해야 한다. 그로 인하여, 전계 방출 소스의 수명이 단축될 수 있다. 또한, 전계 방출 소스의 재료 및 구조에 따라 방출 전자량도 한계가 있다.In the conventional field emission source, electron emission is performed only by an externally applied voltage or the like, and in order to obtain sufficient electron emission, a high voltage must be applied. Thereby, the lifetime of the field emission source can be shortened. In addition, the amount of emitted electrons is limited depending on the material and structure of the field emission source.
본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하여 전계 방출 소스에서 방출되는 전자량을 획기적으로 증가시키고, 상대적으로 작은 인가 전압을 가하여 충분한 방출 전류를 얻을 수 있게 함으로써, 전계 방출 소스의 수명을 증가시킬 수 있는 전계 방출 소스의 구조체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art to significantly increase the amount of electrons emitted from the field emission source, and to obtain a sufficient emission current by applying a relatively small applied voltage, thereby increasing the life of the field emission source It is to provide a structure of a field emission source that can be made.
도 1은 본 발명에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체를 나타낸 도면이다.1 shows a structure for increasing the current density of a field emission source according to the present invention.
도 2a는 자외선을 조사하는 상태의 전계 방출 소스에서 방출되는 전자의 운동에너지에 대한 CPS(count per second : 단위 시간당 전자 방출량) 값을 나타낸 그래프이다.2A is a graph showing CPS (count per second) value of kinetic energy of electrons emitted from a field emission source in a state of irradiating ultraviolet rays.
도 2b는 자외선을 조사하지 않은 상태의 전계 방출 소스에서 방출되는 전자의 운동에너지에 대한 CPS(count per second : 단위 시간당 전자 방출량) 값을 나타낸 그래프이다.FIG. 2B is a graph showing the CPS (count per second) value of the kinetic energy of electrons emitted from the field emission source without UV irradiation.
도 3은 인가 전압에 대한 자외선을 가한 상태 및 가하지 않은 상태에서의 CPS 값을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the CPS value in the state with and without the ultraviolet ray applied to the applied voltage.
도 4는 도 3의 인가 전압에 대한 자외선을 조사한 상태와 조사하지 않은 상태의 CPS 값의 비(ratio)를 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph illustrating a ratio of CPS values of a state in which ultraviolet rays are irradiated to an applied voltage of FIG.
도 5는 본 발명에 의한 인가 전압에 대한 FWHM(full with at half maxium : 전체 반값 두께) 값을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing FWHM (full with at half maxium) values for an applied voltage according to the present invention.
도 6은 본 발명에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 FE-SEM 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.6 is a schematic view of an FE-SEM structure for increasing the current density of a field emission source according to the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
11... 전계 방출 소스 12, 62... 광 조사부11 ... field emission source 12, 62 ... light irradiator
13... 전자 방출부 14, 64... 방출 전자13 ... electron emission 14, 64 ... emission electron
15, 65... 조사 광 16... 에너지 분석 장치15, 65 ... irradiation light 16 ... energy analysis device
17... 게이트 61... 음극 팁17 ... gate 61 ... cathode tip
63... 시편 66... 제 1 양극63 Psalms 66 First Anode
67... 제 2 양극 68... 집광 렌즈 시스템67 ... 2nd anode 68 ... Condensing lens system
69... 주사 전자 디텍터69. Scanning electronic detector
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 전자를 방출시키기 위한 전계 방출 소스; 및The present invention provides a field emission source for emitting electrons to achieve the above object; And
상기 전계 방출 소스에 소정 범위의 파장을 지닌 광을 조사하는 광 조사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체를 제공한다.It provides a structure for increasing the current density of the field emission source by light irradiation comprising a; light irradiation unit for irradiating light having a predetermined range of wavelength to the field emission source.
본 발명에 있어서, 상기 전계 방출 소스는 전자를 방출시키기 위한 음극과 상기 음극으로부터 전자 방출을 유도하는 하나 이상의 양극을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the field emission source comprises a cathode for emitting electrons and one or more anodes for inducing electron emission from the cathode.
본 발명에 있어서, 상기 광 조사부에서 조사하는 광의 파장이 100nm 내지 800nm인 것이 바람직하다.In this invention, it is preferable that the wavelength of the light irradiated by the said light irradiation part is 100 nm-800 nm.
본 발명에 있어서, 상기 전계 방출 소스는 금속 팁, 금속 어레이, 금속 표면의 일 함수를 낮추기 위하여 코팅된 전자 방출원 또는 카본 나노 튜브 중의 어느 하나인 것이 바람직하다.In the present invention, the field emission source is preferably any one of a metal tip, a metal array, a coated electron emission source or a carbon nanotube to lower the work function of the metal surface.
본 발명에 있어서, 상기 전계 방출 소스의 전자 방출은 상기 전계 방출 소스에 소정의 전압을 인가하여 이루어지거나, 상기 전계 방출 소스에 전자빔을 가하여 2차 전자를 발생시켜 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the electron emission of the field emission source is made by applying a predetermined voltage to the field emission source, or is characterized by generating secondary electrons by applying an electron beam to the field emission source.
본 발명에 있어서, 상기 광 조사부는 자외선 램프, 자외선 레이저, 가시광선 램프 또는 가시광선 레이저중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the light irradiation unit is characterized in that any one of an ultraviolet lamp, an ultraviolet laser, a visible light lamp or a visible light laser.
이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명은 전계 방출 소스(11)가 마련된 전자 방출부(13)가 있으며, 상기 전자 방출부(13)의 전계 방출 소스(11)에 광(15)을 가할 수 있는 광 조사부(12)를 구비하는 것을 특징으로 한다.1 schematically shows a structure for increasing the current density of a field emission source according to the invention. According to the present invention, there is provided an electron emission unit 13 provided with a field emission source 11, and a light irradiation unit 12 capable of applying light 15 to the field emission source 11 of the electron emission unit 13. Characterized in that.
상기 전계 방출 소스(11)는 그 재료나 형태에 제한이 없다. 즉, 금속으로 이루어진 싱글 팁(single tip) 구조, 어레이(array) 구조, 금속 표면의 일 함수(work function)을 낮추기 위해 코팅된 전자 방출원 또는 최근 발견된 전계 방출 물질, 예를 들어 탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 등 전계 방출 소스로 이용될 수 있는 물질 또는 구조도 본 발명에 의한 전계 방출 소스(11)로 적용될 수 있다.The field emission source 11 is not limited in material or shape. That is, a single tip structure made of metal, an array structure, an electron emission source coated to lower the work function of the metal surface or a recently discovered field emission material such as carbon nanotubes Materials or structures that can be used as field emission sources such as carbon nanotubes can also be applied to the field emission source 11 according to the present invention.
또한, 상기 전자 방출부(13)의 전계 방출 소스(11)가 인가 전압에 의해 전자(14)를 방출시키는 구조 뿐만 아니라, SEM(scanning electron microscope : 주사형 전자 현미경)에서와 같이 전자빔에 의한 2차 전자를 방출시키는 구조를 가진경우에도, 2차 전자를 방출시킬 때, 광 조사부(12)에서 광을 조사하게 되면 방출되는 2차 전자의 양도 크게 증가시킬 수 있다.In addition to the structure in which the field emission source 11 of the electron emission section 13 emits the electrons 14 by the applied voltage, two electron beams are used as in the scanning electron microscope (SEM). Even when the secondary electrons are emitted, when the secondary electrons are emitted, when the light irradiation unit 12 irradiates light, the amount of secondary electrons emitted may be greatly increased.
상기 광 조사부(12)에서 조사되는 광(15)은 자외선 또는 가시광선 영역의 파장을 지닌 것으로서 100nm 내지 800nm 영역의 파장 범위에서 선택되어지는 것이 바람직하다.The light 15 irradiated from the light irradiator 12 has a wavelength in the ultraviolet or visible light region and is preferably selected in the wavelength range of 100 nm to 800 nm.
본 발명에 의한 전계 방출 소스의 구조체의 작동 방법을 설명하면 다음과 같다. 상기 전자 방출부(13)의 상기 전계 방출 소스(11)에 예를 들어, 소정의 전압을 인가하면 음극인 상기 전자 방출부(13)의 상기 전계 방출 소스(11)로 부터 전자(14)가 게이트 영역(17)을 지나 상기 전자 방출부(13)의 외부로 방출된다. 이때, 상기 광 조사부(12)로 부터 상기 전계 방출 소스(11)에 광(15)을 조사한다. 이 경우, 상기 전계 방출 소스(11)에서 발생하는 전자(14)의 양이 급격히 증가하게 된다.Referring to the method of operation of the structure of the field emission source according to the present invention. When a predetermined voltage is applied to the field emission source 11 of the electron emission unit 13, for example, electrons 14 are discharged from the field emission source 11 of the electron emission unit 13, which is a cathode. It is emitted through the gate region 17 to the outside of the electron emitting portion 13. At this time, the light 15 is irradiated to the field emission source 11 from the light irradiation unit 12. In this case, the amount of electrons 14 generated in the field emission source 11 is rapidly increased.
이는 상기 전자가 방출되는 방향에 위치한 에너지 분석 장치(16)를 이용하여, 상기 전계 방출 소스(11)에서 방출되는 전자의 방출량 및 방출 전자의 운동에너지 등을 분석하여 확인할 수 있다.This can be confirmed by analyzing the amount of electrons emitted from the field emission source 11 and the kinetic energy of the emitted electrons using the energy analysis device 16 positioned in the direction in which the electrons are emitted.
전계 방출 소스(11)에 광(15)을 조사하는 경우 방출되는 전자(14)가 크게 증가하는 원인은 여러 가지가 있을 수 있으며, 그 중 한가지로서 상기 전계 방출 소스(11)의 표면 전자 구조의 관점에서 볼 때, 상기 전계 방출 소스(11)에 광(12)을 조사함으로써, 방출된 전자(14)의 높은 에너지 준위의 비어 있는 방으로 조사된 광(15)에 의해 들뜬 낮은 에너지 준위에 있던 전자들이 지속적으로 공급되어 다량의 전자(14) 방출이 가능해지는 것을 것을 들 수 있다.When the light 15 is irradiated to the field emission source 11, there may be a number of causes of the large increase in the emitted electrons 14, and one of them may be caused by the surface electronic structure of the field emission source 11. From the point of view, by irradiating the light 12 to the field emission source 11, it was at a low energy level excited by the light 15 irradiated into the empty room of the high energy level of the emitted electrons 14. It is mentioned that electrons are continuously supplied to enable the emission of a large amount of electrons 14.
도 2a 및 도 2b는 자외선을 조사한 상태 및 조사하지 않은 상태의 전계 방출 소스에서 방출되는 전자의 운동에너지에 대한 CPS(count per second : 단위 시간당 전자 방출량) 값을 나타낸 그래프이다.2A and 2B are graphs showing the CPS (count per second) value of the kinetic energy of electrons emitted from the field emission source in the irradiated and non-irradiated state.
상기 전자 방출부의 전계 방출 소스(11)로 텅스텐 팁(W tip)을 이용하였다. 상기 텅스텐 팁(11)은 25% 수산화 칼륨 용액에서 10V의 전압을 가한 상태에서 10초간 전기 화학 에칭(electrochemical etching)을 실시하여 마련되었다. 또한, 상기 자외선 방출부(12)는 파장이 253.7nm, 출력이 5 와트이며, 4.5 eV를 가진 저기압(low vapor pressure) 헬륨 램프를 사용하였다.Tungsten tip (W tip) was used as the field emission source 11 of the electron emission section. The tungsten tip 11 was prepared by performing electrochemical etching for 10 seconds under a voltage of 10 V in a 25% potassium hydroxide solution. In addition, the ultraviolet emitting unit 12 used a low vapor pressure helium lamp having a wavelength of 253.7 nm, an output of 5 watts, and 4.5 eV.
상기 전계 방출 소스(11)가 게이트 전극(17)과 약 500 마이크로미터의 거리를 두었을 때, 전계 방출 소스(11)에 약 -500 볼트의 바이어스 전압을 인가하고, 상기 전계 방출 소스(11)에서 방출되는 전자(14)의 양 및 에너지를 측정하여 도 2a에 나타내었다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, 약 500eV 전후의 운동 에너지를 가진 전자들이 가장 많이 검출되었으며, CPS 값의 최대치가 약 72000 이었으며 FWHM 값은 약 2eV였다.When the field emission source 11 is about 500 micrometers from the gate electrode 17, a bias voltage of about -500 volts is applied to the field emission source 11, and the field emission source 11 The amount and energy of the electrons 14 emitted from the light is measured and shown in FIG. 2A. As shown in FIG. 2A, electrons with kinetic energy around 500 eV were detected the most, the maximum value of CPS was about 72000 and the FWHM value was about 2 eV.
도 2b에서는 상기와 같은 조건하에서 자외선(15)을 가하지 않은 상태에서 상기 전계 방출 소스(11)에서 방출되는 전자(14)의 양 및 에너지를 측정하였다.도 2b에 나타낸 바와 같이, 약 500eV 내지 505eV의 운동 에너지를 가진 전자들이 가장 많이 검출되었으며, 신뢰 가능한 CPS 값의 최대치가 약 550 이었으며 FWHM 값은 약 2.83eV였다.In FIG. 2B, the amount and the energy of the electrons 14 emitted from the field emission source 11 in the state in which the ultraviolet light 15 is not applied under the above conditions are measured. As shown in FIG. 2B, about 500 eV to 505 eV. Electrons with kinetic energy of were detected the most, the maximum value of reliable CPS value was about 550 and FWHM value was about 2.83eV.
상기 도 2a 및 도 2b에서 보듯이, 전계 방출 소스(11)에 전압을 가하여 전자(15)를 방출 시키는 경우, 상기 전계 방출 소스(11)에 자외선(15)을 부가하여 조사하면 방출 전자(14)의 양을 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.2A and 2B, when the electrons 15 are emitted by applying a voltage to the field emission source 11, when the ultraviolet rays 15 are added to the field emission source 11, the emission electrons 14 may be emitted. It can be seen that the amount of) can be greatly increased.
도 3는 상기 전계 방출 소스(11)에 대하여 100V에서 1500V까지 200V의 간격을 두고 인가한 전압에 대하여 자외선(15)을 조사한 경우 및 조사하지 않은 경우의 CPS 값을 나타낸 도면이다. 도 3으로 부터 알 수 있듯이, 각 인가 전압에서 모두 자외선(15)을 조사한 경우에 측정된 CPS 값이 자외선을 조사하지 않은 경우에 측정된 CPS 값보다 월등히 큰 것을 알 수 있다.FIG. 3 is a diagram showing the CPS value when the ultraviolet light 15 is irradiated and the irradiated voltage is applied to the field emission source 11 at intervals of 200V from 100V to 1500V. As can be seen from FIG. 3, it can be seen that the CPS value measured when the ultraviolet light 15 is irradiated at each applied voltage is significantly larger than the measured CPS value when the ultraviolet light is not irradiated.
도 4는 상기 전계 방출 소스(11)에 대하여 100V에서 1500V까지 200V의 간격을 두고 인가한 전압에 대하여 상기 도 3에서의 자외선(15)을 조사한 경우의 CPS 값과 조사하지 않은 경우의 CPS 값의 비를 나타낸 그래프이다. 도 4에서 보듯이 인가 전압이 300, 500, 700V의 경우 상기 전계 방출 소스(11)에 자외선(15)을 인가한 경우와 인가하지 않은 경우의 비가 100배 이상인 것을 알 수 있다.FIG. 4 shows the CPS value when the ultraviolet ray 15 in FIG. 3 is irradiated and the CPS value when the ultraviolet ray 15 is not irradiated with respect to the voltage applied to the field emission source 11 at intervals of 200V from 100V to 1500V. It is a graph showing the ratio. As shown in FIG. 4, when the applied voltages are 300, 500, and 700V, the ratio between applying the ultraviolet light 15 to the field emission source 11 and not applying it is 100 times or more.
도 5는 상기 전계 방출 소스(11)에 대하여 100V에서 1500V까지 200V의 간격을 두고 인가한 전압에 대하여, 상기 각 인가 전압에 대해 상기 전계 방출 소스(11)에 자외선을 가한 경우 및 가하지 않은 경우에서 상기 전계 방출 소스에서 방출된 방출 전자의 운동에너지 값에 대한 FWHM 값을 나타낸 그래프이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 전계 방출 소스(11)에 자외선(15)을 가한 경우의 FWHM 값이 자외선(15)을 가하지 않은 경우보다 더 낮은 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 전계 방출 소스(11)에 자외선(15)을 가한 경우가 보다 집중적으로 분포된 운동에너지를 가지는 방출 전자(16)를 얻을 수 있다.FIG. 5 shows the voltage applied to the field emission source 11 at intervals of 200 V from 100 V to 1500 V, with or without ultraviolet radiation applied to the field emission source 11 for the respective applied voltages. It is a graph showing the FWHM value against the kinetic energy value of the emission electrons emitted from the field emission source. As shown in FIG. 5, it can be seen that the FWHM value when the ultraviolet light 15 is applied to the field emission source 11 is lower than when the ultraviolet light 15 is not applied. Accordingly, when the ultraviolet light 15 is applied to the field emission source 11, the emission electrons 16 having kinetic energy distributed more intensively can be obtained.
도 6은 본 발명에 의한 자외선 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류밀도를 증가시키는 구조를 나타낸 구현예이다.Figure 6 is an embodiment showing a structure for increasing the current density of the field emission source by ultraviolet irradiation according to the present invention.
도 6에서는 FE-SEM의 음극 팁(61)에서의 방출 전자량(64)을 증가시키기 위하여, 자외선 조사부(62)를 FE-SEM(field emission scanning electron microscope : 전계 방사 주사형 전자 현미경)에 부가하였다.In FIG. 6, in order to increase the emission electron amount 64 at the cathode tip 61 of the FE-SEM, an ultraviolet irradiation part 62 is added to the field emission scanning electron microscope (FE-SEM). It was.
소정의 인가 전압에 의해 전자(64)를 방출시키는 음극 팁(cathode tip)(61)이 전계 도출 전압(field extraction voltage)이 가해지는 제 1양극(66) 및 가속 전압(acceleration voltage)이 가해지는 제 2양극(67)에 의해 둘러싸인 내부에 위치하고 있다. 본 발명의 특징인 광 조사 장치(62)는 상기 음극 팁(61) 및 상기 제 1양극(66) 사이에 위치하고 있다.A cathode tip 61 which emits electrons 64 by a predetermined applied voltage is subjected to a first anode 66 to which a field extraction voltage is applied and an acceleration voltage to it. It is located inside surrounded by the second anode 67. A light irradiation apparatus 62 which is a feature of the present invention is located between the cathode tip 61 and the first anode 66.
상기 음극 팁(61)이 소정의 인가 전압에 의해 전자(64)를 방출하게 되면, 방출된 전자(64)는 제 1양극(66) 및 제 2양극(67)의 개구부를 통해 가속되어 빠져 나온다. 이러한 전자(64)는 제 2양극(67) 외부에 마련된 집광 렌즈(condenser lens)시스템(68)을 거쳐 시편(63)에 입사한다. 입사 전자(64)에 의해 상기 시편(63)에서는 2차 전자를 방출하게 되며, 이를 디텍터(69)를 이용하여 검출하게 된다.When the cathode tip 61 emits electrons 64 by a predetermined applied voltage, the emitted electrons 64 are accelerated and exit through the openings of the first anode 66 and the second anode 67. . These electrons 64 are incident on the specimen 63 via a condenser lens system 68 provided outside the second anode 67. By the incident electron 64, the specimen 63 emits secondary electrons, which are detected using the detector 69.
본 발명에서는 이러한 FE-TEM의 상기 음극 팁(61)에서 전자(64)를 방출시킬 때, 상기 광 조사 장치(62)를 이용하여, 상기 음극 팁(61)에 일정 파장의 광(65)을 조사하여 상기 음극 팁(61)에서 방출되는 전자(64)의 양을 증가시키게 된다.In the present invention, when the electron 64 is emitted from the cathode tip 61 of the FE-TEM, light 65 having a predetermined wavelength is applied to the cathode tip 61 by using the light irradiation device 62. Irradiation increases the amount of electrons 64 emitted from the cathode tip 61.
본 발명에 따르면, 종래의 전계 방출 소스에서 방출되는 전자의 양에 비해, 크게 증가된 방출 전자량을 얻을 수 있다. 이로 인하여, 상기 전계 방출 소스에 인가되는 전압을 높이지 않은 경우에도 자외선 또는 가시 광선을 상기 전계 방출 소스에 조사하여 충분한 방출 전류를 얻을 수 있다. 또한, 전계 방출 소스의 수명을 향상시킬 수 있으며, 전력의 소모를 막을 수 있다.According to the present invention, a greatly increased amount of emitted electrons can be obtained compared to the amount of electrons emitted from a conventional field emission source. As a result, even when the voltage applied to the field emission source is not increased, sufficient emission current can be obtained by irradiating the field emission source with ultraviolet or visible light. In addition, the life of the field emission source can be improved, and power consumption can be prevented.
그리고, 본 발명은 상기 전계 방출 소스의 종류나 구조에 상관없이 적용할 수 있어, 기존의 전계 방출 소스로 이용되는 재료는 물론 새로이 발견되고 있는 모든 전계 방출 소스로 응용이 가능한 재료에도 이용될 수 있으므로 그 유용성이 매우 크다.In addition, the present invention can be applied regardless of the type or structure of the field emission source, it can be used for materials that can be applied to all existing field emission source as well as the material used as the existing field emission source. Its usefulness is very large.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |