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문제 정의
- 본 논문에서는 지금까지 광범위하게 연구되어온 전계 전자방출현상에 대한 원리를 포함한 초기 평면 다이오드 구조에 대한 FN모델의 이론적인 관계와 CNT등을 포함 하는 날카로운 팁에 기반한 냉음극의 필요성 등에 대해 기술함으로 일반 독자의 이해를 제고함과 동시에 새로운 활용 분야 등을 개척하고자 하는 신진연구자를 위해 MIV 구조 전계방출현상에 기반한 전자냉각의 원리에 대해서도 기술하고자 한다.
- 본 원고에서 전계방출디스플레이(FED) 기술의 핵심이라 할 수 있는 전계방출현상의 근본원리에 대한 이해도를 제고하고자 초기 평행판에 대한 FN모델의 이론적인 도출과 Aspect ratio가 1000이 넘는 CNT와 같은 나노신소재를 포함하는 방출팁에 기반한 냉음극의 필요성 등에 대하여 해석적 모델링관점에서 논의하였다. 결론적으로 1960년대 초반에 큰 반향을 일으켰던 FED가 상용화 단계로 넘어가기 위해서는 장수명의 안정적으로 동작하는 냉음극용 재료와 구조 및 제조기술 등이 선결되어야 하므로 향후에는 보다 더 다양한 전계전자방출 메카니즘을 이해하고 새로운 분야로 활용하기 위한 보다 폭넓은 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 더불어 효과적인 전자냉각소자를 구현 하기 위해서는 반드시 평면구조의 전계전자방출 소자기술이 확보되어야만 한다는 사실을 감안할 때 전계방출을 위한 임계전기장의 세기가 3-5 V/μm인 평면구조 냉음 극소자기술의 확보가 연구의 출발점이 될 것으로 예상된다. 이러한 이해의 토대위에 본 연구에서는 앞선 연구자들이 제시한 재료구조와 전혀 다른 Al2O3/ITO-coated glass 구조를 이용하여 평행판 전계방출소자를 제작하고 특성평가를 통하여 위에서 제시된 전자냉각소자로의 응용을 위한 초석을 놓고자 하였다.
- 특별히 CNT와 같이 직경이 1~10 nm 범위로 가늘고긴 나노와이어를 이용한 냉음극원에서 길이나 일함수 변화에 의한 영향보다는 팁 반경 R에 대한 의존도가 상대적으로 높은 것으로 알려져 있어 팁 반경의 가우스형 (Gaussian) 통계분포를 고려하여 각 팁에서 방출되는 전류들을 적분하여 해석적인 모델을 도출하고 그 활용성에 대하여 논하고자 한다. 팁 반경 R의 Gaussian 분포는 아래 식(6)과 같으므로,
가설 설정
- Fower-Nordheim의 전계전자방출 모델은 일정한 일함수, Φ를 갖는 [그림 4]와 같이 일정간격 d인 평판의 금속 표면에 인가되는 DC전압 V(V)를 가정하고 있으며 전자 전송에 따른 주울-열(Joule Heating) 발생을 고려하여 진공으로 방출되는 전자전류 I (A) 를 전기장 #의 함수로 수식적으로 풀어 낸 것이다.
- 금속과 같은 도체를 중심으로 열전자방출이 관측된 1800년대 후반~1900년대 초반에는, 개스의 열역학적 운동이론을 모방한, 자유전자개스(Free Electron Gas)로 가정하여 도체의 표면에 존재하는 전위장벽(Potential Barrier) 즉, 일함수(Work Function)를 능가하는 외부 열로부터 충분한 운동에너지를 얻은 전자들이 전위장벽을 뛰어넘어 외부로 방출되는 것으로 이해하였다. 대표적인 연구사례로 1928년 노벨상을 수상한 O.
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