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KR101065788B1 - 냉음극에서 발생하는 변조된 전계방출을 위한 광결정 다이오드 공진기 - Google Patents

냉음극에서 발생하는 변조된 전계방출을 위한 광결정 다이오드 공진기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 두 금속 기판 사이에 복수의 유전체 막대(dielectric rod)를 배치한 광결정 다이오드 공진기 구조에서, 광결정의 점 결함(point defect) 위치의 한쪽 금속 기판(캐소드)에 전계 방출원을 형성하고, 두 금속 기판 사이에 직류 전압(DC 전압)을 인가하여 천이 시간 효과(transit time effect)를 극복하면서, 광결정의 선 결함(line defect)으로 만들어진 도파로를 따라 인가된 외부 전자기파(RF 신호)에 의해 전계 방출원 으로부터 공진기의 특성 주파수로 변조된 전자빔을 효율적으로 발생시킬 수 있는 광결정 다이오드 공진기에 관한 것이다.
광결정, 다이오드 공진기, 냉음극, 변조된 전계방출

Description

냉음극에서 발생하는 변조된 전계방출을 위한 광결정 다이오드 공진기{Photonic Crystal Diode Resonator for Modulated Field Emission from Cold Cathode}
본 발명은 광결정 다이오드 공진기를 이용한 변조된 전계방출에 관한 것으로서, 특히, 두 금속 기판 사이에 복수의 유전체 막대(dielectric rod)를 배치한 광결정 구조에서, 광결정의 점 결함(point defect) 위치의 한쪽 금속 기판(캐소드)에 전계 방출원(냉음극)을 형성하고, 두 금속 기판 사이에 직류 전압(DC 전압)의 인가로 천이 시간 효과(transit time effect)를 극복하면서 광결정의 선 결함(line defect)으로 만들어진 도파로를 따라 인가된 외부 전자기파(RF 신호)에 의해, 점 결함에 위치한 냉음극으로부터 공진기의 특성 주파수로 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있는 광결정 다이오드 공진기에 관한 것이다.
전자기파를 제어하는 수동소자로서 금속 및 유전체의 주기적인 구조를 이용하는 광결정은 일정 전자기파 대역의 진행을 금지시키는 포토닉 밴드 갭 현상을 나타내므로, 특정 주파수 대역의 전자기파를 손실없이 전송하는 광도파로, 공진기, 필터, 파워 분배기, 안테나 등 다양한 전자기파 응용 소자로 사용될 수 있다. 광학 영역에서는 광결정 구조를 반도체 다이오드와 같은active medium과 결합하여 능동소자로 활용하는 연구가 이루어졌으며, 테라헤르츠를 포함하는 초고주파 영역에서도 전자빔을 gain medium으로 활용하여 능동소자를 구현하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 아울러, 열음극 전자총의 한계를 극복하여 음극을 1000℃ 이상으로 가열하는 것 없이 저 소비전력으로 초소형, 경량의 전자 방출 소자를 만들고 이를 기반으로 변조된 전자기파의 발생이나 변조된 전자빔을 발생시키는 능동 소자를 실현하고자 하는 노력이 진행되고 있다.
최근에 탄소 나노 튜브 어레이를 음극으로 이용하여 변조된 전계 방출을 획득하려는 시도가 있어왔다. 그러나, 기존의 전계 방출 구조에서는 두 전극(캐소드/애노드) 사이에 인가된 시변 가속 전계와 전자 운동의 초기 위상이 천이 조건을 만족하지 못할 때 두 전극(캐소드/애노드) 사이의 전자들의 역방향 운동(backward drift)이 발생되며, 이로인해 변조된 전계방출의 효율이 급감하고 음극에 손상을 가하는 등 심각한 문제를 초래하고 있다.
따라서, 테라헤르츠를 포함하는 초고주파 영역에서, 광결정 구조를 이용한 공진기와 냉음극 전계방출 소자를 창의적으로 결합하여 소형화공정의 적용이 가능한 단순한 구조를 가지면서도, 저전력으로 GHz 대역 이상의 높은 주파수를 가지는 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있는 새로운 개념의 소자가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적 은, 냉음극과 광결정 구조를 단순한 구조로 결합하여 소형화 공정이 가능하고, 저전력으로 소형, 경량의 효율적인 전자빔의 변조가 가능한 광결정 다이오드 공진기를 제공하는 데 있다.
또한, 두 금속 기판 사이에 복수의 유전체 막대(dielectric rod)를 배치한 광결정 구조에서 광결정의 점 결함(point defect) 위치의 한쪽 금속 기판(캐소드)에 전계 방출원(냉음극)을 형성하고, 광결정의 선 결함(line defect)을 외부 전자기파(RF 신호 또는 AC 신호)의 도파로로 이용하면서 동시에 두 금속 기판 사이에 직류 전압(DC 전압)을 인가하여, 천이 시간 효과(transit time effect)를 극복하고 변조된 전계방출을 발생시킬 수 있는 광결정 다이오드 공진기를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 광결정 공진기는, 제1 금속 기판과 제2 금속 기판 사이에 점결함과 선결함이 포함된 복수의 유전체 막대가 결합되고, 상기 제1 금속 기판의 상기 점결함 위치에 일정 크기의 전자방출원을 형성한 것을 특징으로 한다.
상기 제1 금속 기판과 상기 제2 금속 기판 사이에 직류 전압을 인가하고, 상기 선결함에 의하여 형성된 도파로를 통해 외부의 전자기파를 동시에 인입하여, 상기 전자방출원(냉음극)으로부터 상기 도파로를 통해 인입된 공진조건의 전자기파에 의해 효율적으로 변조된 전계방출을 얻을 수 있다.
상기 제2 금속 기판은 상기 전자방출원과 대향되는 위치에 복수의 홀들을 갖는 그리드를 포함하여, 상기 원리에 의해 변조된 전계방출에 의한 전자빔을 상기 그리드의 홀들을 통해 방출할 수 있다.
상기 그리드의 홀들을 통해 방출된 변조된 전자빔은 테라헤르츠파 대역까지 아우르는 초고주파의 발생 및 증폭을 위한 진공전자소자의 전자빔 방출원으로 활용할 수 있다. 아울러, 변조된 전자빔이 가지는 높은 비선형성을 활용하여 진공전자소자에서 고조파 체배(harmonic multiply)를 구현하는데 활용 될 수 있다.
본 발명에 따른 광결정 다이오드 공진기에 따르면, 냉음극과 광결정 구조를 단순한 구조로 결합하여 소형화 공정이 가능하고, 저전력으로 소형, 경량의 효율적인 전자빔의 변조가 가능한 광결정 다이오드 공진기를 제공할 수 있다.
두 금속 기판 사이에 직류 전압(DC 전압)을 인가하고 광결정의 선 결함(line defect)을 외부 전자기파(RF 신호 또는 AC 신호)의 도파로로 이용하여 천이 시간 효과(transit time effect)를 극복하면서 안정적으로 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 냉음극 기반 광결정 다이오드 공진기(200)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 다이오드 공진기(200)는, 서로 대향하고 있는 제1 금속 기판(210)(예를 들어, 캐소드(cathode) 전극)과 제2 금속 기판(220))(예를 들어, 애노드(anode) 전극), 및 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에 결합된 복수의 유전체 막대(dielectric rod)(230)를 포함한다. 복수의 유전체 막대(130)의 2차원 광결정 구조는 점결함(point defect)와 선결함(line defect)을 포함하며, 제1 금속 기판(210)의 점결함 위치에 일정 크기의 전자방출원으로서 냉음극(211)을 포함한다. 전자빔 변조기로서의 이용을 위하여 복수의 홀들(hole)을 갖는 그리드(grid)(221)가 제2 금속 기판(220)과 전기적으로 접속되도록 결합될 수 있고, 이러한 그리드(221)는 냉음극(211)과 대향되는 제2 금속 기판(220)의 위치에 결합된다.
여기서, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220)은 직사각형인 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 원형, 정사각형, 마름모 등 사각형이나 기타 다양한 모양으로 변형이 가능하다.
복수의 유전체 막대(230)는 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에서 냉음극(211) 주위로 형성되어 있으며, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220)에 사이에 접합되도록 막대(rod) 형태로 형성된다. 복수의 유전체 막대(230)의 점결함 주위의 일정 위치에는 외부의 전자기파를 인입하는 도파로를 위한 선결함(line defect)이 포함되어 있다.
여기서, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220)은 Cu, Al, Mg 등의 금속이나 다른 금속 화합물 등 다양한 고전도성 금속 재질로 형성될 수 있고, 유전체 막대(230)는 금속 산화물, 반도체 산화물 등 다양한 물질에 의하여 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 두께로 형성될 수 있다. 이와 같은 금속이나 유전체는 CVD(Chemical Vapor Deposition), e-beam 증착 등 적절한 증착 방식과 건식/습식 식각 방법으로 가공되어 형성될 수 있다. 또한, 이와 같은 제1 금속 기판(210), 제2 금속 기판(220), 및 복수의 유전체 막대(230)가 결합된 광결정 공진기 구조는, 제1 금속 기판(210) 상에 MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 가공에 의해 복수의 유전체 막대(230)를 형성함으로써 초미세 광결정 공진기 형태로 제작될 수도 있고, 제1 금속 기판(210) 상의 점결함 위치에 CNT(Carbon Nano-Tube: 탄소나노튜브) 필름 형태 등의 냉음극(211)이 결합될 수 있다.
냉음극(211)으로서는 스프레이 코팅 방식으로 형성된 CNT 필름이나, 스크린프린팅 방법(screen printing method)이나 CVD 방식 등을 이용하여 형성된 CNT 어레이 등이 사용될 수 있다. 여기서, 전자방출을 위한 냉음극(211)으로서 CNT 음극만을 의미하는 것은 아니고, 이외에도 전계방출원으로 이용될 수 있는 각종 소자를 이용할 수도 있다.
위와 같은 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에서의 복수의 유전체 막대(230)의 결합 구조는 광결정 구조를 이루고, 이와 같은 주기적 구조에 의하여 포토닉 밴드 갭 현상이 발생하여 전자기파의 손실이 적은 공진기의 형성이 가능하다.
도 1과 같이, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에 일정 직류 DC(Direct Current) 전압, VDC을 인가하고, 선결함에 의하여 형성된 도파로를 통해 외부의 전자기파(RF)를 인입하여, 냉음극(211)으로부터 상기 인입된 전자기파와 인가된 직류DC(Direct Current) 전압, VDC에 의해 천이시간 효과를 극복하고 효율적으로 변조된 전계방출을 얻을 수 있다.
또한, 위와 같이 변조된 전자빔을 그리드(221)의 홀들을 통해 방출할 수 있다. 상기 그리드의 홀들을 통해 방출된 변조된 전자빔은 테라헤르츠파 대역까지 포함하는 초고주파의 발생 및 증폭을 위한 진공전자소자의 전자빔 방출원으로 활용할 수 있다. 혹은, 전자가속기 등에 사용되는 RF 건(gun)을 대체하는 전자빔 변조기로써 활용될 수 있다. 아울러, 변조된 전자빔이 가지는 높은 비선형성을 활용하여 진공전자소자에서 고조파 체배(harmonic multiply)를 구현하는데 활용 될 수 있다.
도 2는 도 1의 X-Y 평면에 대한 시뮬레이션 모델을 나타낸다. 도 3은 도 1의 전계 방출원을 지나는 Y축 단면에 대한 시뮬레이션 모델을 나타낸다. 도 2 및 도 3과 같은 디멘젼으로 모델링하고 최소한의 컴퓨터 계산에 필요한 경계 조건을 설정하여 선결함 부분의 앞쪽에 전자기파(RF)를 인입시킨다. 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이에서의 복수의 유전체 막대(230)의 결합 구조에 의한 광결정 구조의 공진 주파수는 5.8GHz로 하였다. 또한, 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220) 사이의 거리 d는 2mm 정도로 하였고, 냉음극(211)으로서 스프레이 코딩 방식으로 형성된 CNT 필름을 이용하였으며, 기타 제1 금속 기판(210)과 제2 금속 기판(220)의 전기 전도도나 유전체 막대(230)의 유전율 등을 일정 값으로 설정하였 다.
이와 같은 CNT 필름 형태의 냉음극(211)의 전계방출 특성에 대한 그래프가 도 4에 도시되어 있다. 도 4와 같이 [수학식 1]의 Folwer-Nordheim방정식에 기반한 시뮬레이션에 의해 측정 데이터로부터 획득한 전류-전계 커브가 매우 정확하게 재현될 수 있음을 확인하였다. [수학식 1]에서 E는 냉음극(211)의 표면에서의 전계이며, A, B는 전계방출 파라미터이고, 측정 데이터로부터 A는 약 1.03X10-15 A/V2이고 B는 약 1.49X107 A/V2으로 나타났다.
[수학식 1]
Figure 112009070888790-pat00001
이와 같은 결과를 바탕으로 도 2와 도3의 모델링에 적용하여 도 5와 도 6과 같은 시변 전계방출 특성이 분석되었다. 가해진 전계는 [수학식 2]와 같이 시변하는 방정식을 만족하고, 변조 정도(Modulation Depth: MD)(η)는 [수학식 3]과 DC 인가 전압(Vdc)에 대한 최대 RF 전압(Vrf) 크기의 비율로 나타낼 수 있다. [수학식 2]에서, ω는 각 주파수이고, t는 시간이다.
[수학식 2]
Figure 112009070888790-pat00002
[수학식 3]
Figure 112009070888790-pat00003
도 5 또는 도 6과 같이, MD가 증가함에 따라 제1 금속 기판(캐노드) 주위의 전류에 비교하여 제2 금속 기판(애노드) 주위의 전류가 더 감소함을 알 수 있다. 이는 냉음극(211)에서 발생되어 공진기 내부에 트랩(trapped)된 전자가, 시변 가속 전계가 DC 전압 VDC 보다 클 때 전후(forward/backward)로 드리프트(drift)함을 의미한다. DC 전압이 인가되지 않으면 강한 MD(>1)에서 냉음극(211) 쪽으로의 전자의 역 방향(backward) 이동이 관찰될 수 있다. 이는 냉음극(211)의 손상을 유발할 수 있으므로, 효과적으로 변조된 전자빔 발생을 위하여는 적절한 MD가 선택되어야 한다. 예를 들어, MD를 1보다 작도록 파라미터를 선택하면 DC 전압 인가가 천이 시간 효과를 극복하도록 보조할 수 있고, DC 전압 인가와 함께 동시에 전자기파를 인입시켜 적절히 변조된 전자빔을 발생시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광결정 다이오드 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 X-Y 평면에 대한 시뮬레이션 모델을 타나낸다.
도 3은 도 1의 전계 방출원을 지나는 Y축 단면에 대한 시뮬레이션 모델을 타나낸다.
도 4는 도 1의 전계 방출원의 전계방출 특성에 대한 그래프이다.
도 5는 도 1의 제1 금속 기판(캐노드) 주위의 시변 전계방출 특성을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 도 1의 제2 금속 기판(애노드) 주위의 시변 전계방출 특성을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.

Claims (3)

  1. 제1 금속 기판과 제2 금속 기판 사이에 점결함과 선결함이 포함된 복수의 유전체 막대가 결합되고, 상기 제1 금속 기판의 상기 점결함 위치에 형성한 일정 크기의 전자방출원을 포함하며,
    상기 제1 금속 기판과 상기 제2 금속 기판 사이에 직류 전압을 인가하고, 상기 선결함에 의하여 형성된 도파로를 통해 외부의 전자기파를 인입하여, 상기 전자방출원으로부터 천이시간 한계를 극복하여 변조된 전자빔을 발생하는 것을 특징으로 하는 광결정 공진기.
  2. 삭제
  3. 제1 금속 기판과 제2 금속 기판 사이에 점결함과 선결함이 포함된 복수의 유전체 막대가 결합되고, 상기 제1 금속 기판의 상기 점결함 위치에 형성한 일정 크기의 전자방출원을 포함하며, 상기 제2 금속 기판은 상기 전자방출원과 대향되는 위치에 복수의 홀들을 갖는 그리드를 포함하고,
    상기 제1 금속 기판과 상기 제2 금속 기판 사이에 직류 전압을 인가하고, 상기 선결함에 의하여 형성된 도파로를 통해 외부의 전자기파를 인입하여, 상기 전자방출원으로부터 변조된 전자빔을 발생시켜서, 상기 변조된 전자빔을 상기 그리드의 홀들을 통해 방출하는 것을 특징으로 하는 광결정 공진기.
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