KR20020016305A - 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류밀도를 증가시키기위한 구조체 - Google Patents

Abstract

광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류밀도를 증가시키기 위한 구조체가 개시된다. 전자를 방출시키기 위한 음극과 상기 음극으로 부터 전자 방출을 유도하는 하나 이상의 양극을 구비하는 전계 방출 소스; 및 상기 전계 방출 전자 소스에 소정 범위의 파장을 지닌 광을 조사하는 광 조사부;로 이루어진 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류밀도를 증가시키기 위한 구조체를 제공한다. 이로 인하여, 종래의 전계 방출 소스에서 방출되는 전자의 양에 비해, 크게 증가된 방출 전자량을 얻을 수 있다. 또한, 전계 방출 소스에 인가되는 전압을 높이지 않은 경우에도 자외선 또는 가시 광선을 상기 전계 방출 전자 소스에 조사하여 충분한 방출 전류를 얻을 수 있고, 전계 방출 소스의 수명을 향상시킬 수 있으며, 다양한 재료 및 구조의 전계 방출 소스에 응용될 수 있다.

Description

광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류밀도를 증가시키기 위한 구조체{Structure for current density enhancement of the field emission electron source by light illumination}

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.

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.

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.

도 1은 본 발명에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체를 나타낸 도면이다.

도 2a는 자외선을 조사하는 상태의 전계 방출 소스에서 방출되는 전자의 운동에너지에 대한 CPS(count per second : 단위 시간당 전자 방출량) 값을 나타낸 그래프이다.

도 2b는 자외선을 조사하지 않은 상태의 전계 방출 소스에서 방출되는 전자의 운동에너지에 대한 CPS(count per second : 단위 시간당 전자 방출량) 값을 나타낸 그래프이다.

도 3은 인가 전압에 대한 자외선을 가한 상태 및 가하지 않은 상태에서의 CPS 값을 나타낸 그래프이다.

도 4는 도 3의 인가 전압에 대한 자외선을 조사한 상태와 조사하지 않은 상태의 CPS 값의 비(ratio)를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명에 의한 인가 전압에 대한 FWHM(full with at half maxium : 전체 반값 두께) 값을 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 FE-SEM 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11... 전계 방출 소스 12, 62... 광 조사부

13... 전자 방출부 14, 64... 방출 전자

15, 65... 조사 광 16... 에너지 분석 장치

17... 게이트 61... 음극 팁

63... 시편 66... 제 1 양극

67... 제 2 양극 68... 집광 렌즈 시스템

69... 주사 전자 디텍터

본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 전자를 방출시키기 위한 전계 방출 소스; 및

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.

본 발명에 있어서, 상기 전계 방출 소스는 전자를 방출시키기 위한 음극과 상기 음극으로부터 전자 방출을 유도하는 하나 이상의 양극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 광 조사부에서 조사하는 광의 파장이 100nm 내지 800nm인 것이 바람직하다.

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.

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.

본 발명에 있어서, 상기 광 조사부는 자외선 램프, 자외선 레이저, 가시광선 램프 또는 가시광선 레이저중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

도 6은 본 발명에 의한 자외선 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류밀도를 증가시키는 구조를 나타낸 구현예이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (7)

1. 전자를 방출시키기 위한 전계 방출 소스; 및

   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 구조체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전계 방출 소스는 전자를 방출시키기 위한 음극과 상기 음극으로부터 전자 방출을 유도하는 하나 이상의 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체
3. 제1항에 있어서,

   상기 광 조사부에서 조사하는 광의 파장이 100nm 내지 800nm인 것을 특징으로 하는 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전계 방출 소스는 금속 팁, 금속 어레이, 금속 표면의 일 함수를 낮추기 위하여 코팅된 전자 방출원 또는 카본 나노 튜브중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체.
5. 제1항에 있어서,

   상기 전계 방출 소스의 전자 방출은 상기 전계 방출 전자 소스에 소정의 전압을 인가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 전계 방출 소스의 전자 방출은 상기 전계 방출 소스에 전자빔을 가하여 2차 전자를 발생시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체.
7. 제1항에 있어서,

   상기 광 조사부는 자외선 램프, 자외선 레이저, 가시광선 램프 또는 가시광선 레이저중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 조사에 의한 전계 방출 소스의 전류 밀도를 증가시키기 위한 구조체.