Temperature-adaptive driving waveforms for stable address discharge in AC pasma display panels : 교류형 플라즈마 표시소자에서 안정적인 기입방전을 위한 온도 적응성 파형 제안

장수관 경북대학교 대학원 2010 국내박사

온도가 방전특성에 영향을 미치기 때문에 플라즈마 표시소자의 안정적인 방전을 위한 중요한 인자이다. 특히, 기입방전이 온도에 많은 영향을 받게 되어, 고온에서 기입방전 실패가 발생하게 된다. 그러나 아직 온도와 방전 특성의 상관관계에 관한 연구가 충분히 진행 되지 않았다. 따라서 본 논문에서는 온도를 -5 C 에서 +65 C까지 변화시키면서 방전 특성을 Vt closed-curve 측정 방법을 이용하여 분석하였다. 실험적인 방전 특성 분석을 바탕으로 다양한 온도 조건하에서 안정적인 기입 방전을 위하여 multi scan high voltage을 가지는 구동 파형과 적절한 램프 상승 유지 시간을 가지는 초기화 파형을 제안하였다. 우선 -5 OC 에서 +65OC까지 변화하는 온도 조건에서 방전 특성 변화를 분석하였다. 낮은 이차 전자 방출 계수를 가지는 형광체 음극 조건보다 높은 이차 전자 방출 계수를 가지는 산화 마그네슘 (MgO) 음극 조건에서 온도변화에 따른 방전 개시 전압의 변화가 크게 발생하였다. 약한 방전이 발생하는 초기화 방전에서, 온도 변화에 따른 방전 개시 전압 상승으로 인하여 램프 하강 구간에서 벽전하 소거가 적게 발생하므로 온도가 증가할수록 더 많은 벽전압이 형성된다. 또한 온도가 증가할수록 방전 형성 지연 시간 (formative delay time) 보다 통계적 지연 시간 (statistical delay time)이 더 영향을 받는다. 통계적 지연 시간은 방전 공간의 priming particle의 영향을 받으므로, 고온에서 방출되는 exo-electron으로 인하여 priming particle의 양이 증가하여 통계적 지연 시간이 감소하게 된다. 온도와 유지 방전의 수를 변화시키면서 exo-electron 방출이 기입방전에 미치는 영향을 분석하였다. 방전공간의 priming particle의 원천인 exo-electron은 MgO 표면에서 방출되고, 온도가 증가할수록 방출되는 양이 증가하게 된다. 또한 유지방전이 증가하게 되면, MgO 표면의 trap level에 트랩 되는 전자의 양이 증가하게 된다. 그 결과 exo-electron 방출이 증가하게 된다. 그러나, 고온, 고계조에서 특히 full-white pattern에서 기입 방전 실패가 발생하게 된다. 이것은 기입 구간 동안 기입전극과 주사전극 간의 벽전압의 변화로 인하여 발생하게 된다. 인가되는 기입 펄스의 개수와 scan high voltage (VSCAN_H) level과 같은 구동 인자에 따른 기입 구간 동안 벽전압의 변화를 분석하였다. 즉, 기입 구간 동안 전기장의 인가시간과 세기가 증가하면 벽전압의 변화가 증가한다. 그리고 기입 전극의 폭과 Xe 가스의 분압을 변화가 벽전압 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 기입 전극의 폭이 넓어질수록 전기장의 분포가 넓어지고, Xe 가스의 분압이 감소할수록 평균 자유 행로 (mean free path)가 길어질수록 벽전압의 변화가 증가한다. 결과적으로, 고온과 유지 방전을 통하여 방출되는 exo-electron이 기입 구간 동안 인가되는 전기장으로 인하여 중성 원자를 전리 시키게 된다. 그 결과 기입 전극과 주사 전극간의 벽전압 변화가 발생하게 된다. 실험적인 분석 결과를 바탕으로 다양한 온도 조건에서 안정적인 기입 방전을 위한 두 가지 방법의 구동파형을 제안하였다. 먼저, 온도와 계조 변화에 따라서 다양한 scan high voltage를 인가하는 구동 파형을 제안하였고, 초기화 구간에서 적절한 상승 램프 유지 시간을 가지는 초기화 파형을 제안하였으며 실험적으로 증명하였다. The ambient temperature is an important factor for producing the stable discharge in the PDP cells, as the discharge characteristics vary depending on the ambient temperature. In particular, the address discharge characteristics are strongly dependent on the ambient temperature, where misfiring problems are caused at a high ambient temperature. However, research on the relation between the ambient temperature and the discharge characteristics has not been extensive. Accordingly, in this dissertation, the discharge characteristics relative to a low and high ambient temperature ranging from -5 to + 65 C is investigated using the Vt closed-curve measurement method. Base on the experimental observation, the driving waveform with multi scan high voltages and the reset waveform with optimal ramp-up holding time are proposed to produce a stable address discharge, irrespective of a variable ambient temperature. First, the discharge characteristics, such as the reset, address, and sustain discharges, relative to the ambient temperature ranging from ?V5 to +65 ?aC are examined. The change in the firing voltage according to the ambient temperature is much higher under MgO cathode conditions with a high secondary electron emission coefficient that under phosphor cathode conditions with a low secondary electron emission coefficient. Through the weak reset discharge, the wall voltages are increased with an increase in the ambient temperature, as the wall charges are less erased at a higher ambient temperature during the ramp-down period. An increase in the ambient temperature is also found to have a more significant influence on the statistical delay time than on the formative delay time. Since the statistical delay time is strongly related to the priming condition, a higher ambient temperature may contribute to a better priming condition for reducing the statistical delay time during the address-period, such as, exo-electron emission phenomenon. Thus, the effect of the exo-electron emission on the address discharge is investigated relative to the ambient temperature and number of the sustain discharge. It is pound that the exo-electron emitted from the MgO surface by thermal activation, which is a source of priming particles in the discharge cell, increase with increase in the ambient temperature. In addition, since the electrons caught in the trap level of the MgO surface likely increase in proportion to the number of sustain discharges, this produce an increase in the exo-electron emission. However, the misfiring discharge at a higher ambient temperature and the upper sub-field, especially address discharge failed at full white pattern. The phenomenon is deeply related to the wall voltage variation between the A and Y electrodes during the address-period. It should be noted that the wall voltage variation between the A and Y electrodes during the address-period, which affects the address discharge, is also influenced by the driving parameters, such as the number of applied address pulse and scan high voltage (VSCAN_H) level, related to the ambient temperature. That is, the wall voltage variation increases with increase in the electric field duration and strength between the A and Y electrodes during the address-period. In addition, the effect of address electrode width and Xe gas contents on wall voltage variation is investigated. It is pound that the electric field distribution between the A and Y electrodes and mean free path of electron have influence on the wall voltage variation. The experimental results show that exo-electron, which occurred from the MgO surface by the high ambient temperature and sustain discharge, is amplified by the electric field between the A and Y electrode during the address-period, and resultant wall voltage variation between the A and Y electrode is occurred. Therefore, based on these experimental observations, two temperature-adaptive driving waveforms are proposed to produce a stable address discharge, irrespective of a variable ambient temperature. First, modified driving waveforms with multi scan high voltages (VSCAN_H) during the address-period adaptive to the ambient temperature and a sub-field condition is proposed. Second, the reset waveform, applied to the optimal ramp-up holding time during the reset-period, is proposed.

Modeling Nonuniform Thermionic Emission from Heterogeneous Cathodes

Chen, Dongzheng ProQuest Dissertations & Theses The University of 2022 해외박사(DDOD)

Emission current density is a key property to describe the behavior of thermionic emission. Experimental observations have long-established that there exists a smooth roll-off or knee transition between the temperature-limited (TL) and full-space-charge-limited (FSCL) emission regions of the emission current density-temperature J-T (Miram) curve, or the emission current density-voltage J-V curve for a thermionic emission cathode.I developed a physics-based nonuniform thermionic emission model, incorporating 3-D space charge, patch fields, and Schottky barrier lowering effects. The model is capable to predict both the J-T and J-V curves from a given work function distribution. The results from this model illustrates that the smooth TL-FSCL transition arises as a natural consequence of the physics of nonuniform thermionic emission, and that a priori assumptions or empirical equations are not needed.As a further study, I apply this nonuniform emission model on real cathodes. The predicted results are consistent with experimental observations, including the TL-FSCL transition.The shape of Miram curves is an important figure of merit for thermionic vacuum cathodes. I developed limiting-case analytic models on the shape of Miram curves, showing that there are three main physical parameters which significantly impact the shape of the Miram curve.As another further study using the nonuniform emission model, I evaluated the approach to simultaneously fit both the Richardson constant and the work function value from dataset in TL region, showing it can be misleading to only report the fitted work function value without paying attention to the fitted Richardson constant.My studies on the nonuniform thermionic emission include theoretical studies, numerical simulation, and experiments. My nonuniform thermionic emission model is the first physics-based model able to predict the J-T and J-V curves comparable with experimental observations. This physics-based study connects the emission current density to the cathode surface microstructure and provides new understanding and a guideline to the analysis of experimental emission data, the manufacturing of cathodes, and the design of vacuum electronic devices.

Optical and electrical properties of OLEDs, and their doping characteristics

김상열 Graduate School, Yonsei University 2002 국내박사

적색 도펀트를 이용한 유기 발광 소자의 발광 파장제어와 다양한 전자 주입층을 이용한 유기 발광 소자의 효율 향상에 대하여 연구하였다. 도핑 실험을 위해서 호스트 물질로써 Alq_(3), 적색 도펀트로써 DCJTB를 사용하였고 적색발광 효율을 높이고 Alq_(3)에서의 발광을 억제하기 위하여 Rubrene을 발광 보조 물질로 사용하였다. 발광 보조 물질인 Rubrene은 순수한 적색 발광을 얻는데 있어서 아주 효과적이다. 적색 발광 소자에서의 일반적인 특성인 높은 인가 전압 하에서의 발광 파장의 짧은 파장으로의 변화를 막을 수 있었고, 구동 전압을 낮출 수 있었다. 적색 도펀트와 발광 보조 물질로 이루어진 적색 유기 발광 소자의 경우, 일정 전류 밀고 20mA/㎠에서 300cd/㎡의 광휘도와 색 좌표 x, y = (0.64, 0.35) 순수한 적색 발광을 얻을 수 있었다. 유기 발광 소자의 음극/전자수송층의 계면에서는 전자의 주입을 결정짓는 장벽이 존재한다. 이러한 장벽은 소자의 작동 전압에 영향을 준다. 일반적으로 주 전하가 정공인 소자이므로 전자 주입 효율에 큰 영향을 받게 된다. 그러므로, 유기 전자 수송층의 LUMO와 음극 금속사이의 전자 주입 장벽을 낮춤으로써 소자의 발광 특성을 높일 수 있다. 본 연구에서는 희토류 금속인 Yb(ytterbium), Dy(dysprosium) 과 알칼리 금속 화합물인 NaCl 로 각각 이루어진 전자 주입층을 삽입함으로써 유기 발광 소자의 전자 주입 장벽을 낮추는 효과에 대하여 연구하였다. Yb, Dy, NaCl 전자 주입층에 관한 효과는 본 연구에서 최초로 확인하였다. 앞에서 기술한 여러가지의 물질의 전자 주입층을 삽입하였을 경우 유기 발광 소자의 구동 전압을 낮출 수 있었고 소자의 발광 특성을 향상시킬 수 있었다. 전자 주입층이 없는 소자의 경우보다 구동전압이 3-4V정도 낮아짐을 확인할 수 있었다. 전자 주입 장벽 높이를 Folwler-Nordheim plot으로부터 계산하였다. 전자 주입층이 없는 Al 전극으로 이루어진 유기 발광 소자의 전자 주입 장벽 높이를 0.5eV라 할 때 Al-Li, Dy/Al, Yb/Al, NaCl/Al 전극을 가진 소자의 전자 주입 장벽의 높이는 각각 0.48, 0.41, 0.36, 0.24 eV 이다. 두께 100 Å인 Yb 전자 주입층을 가지는 소자의 경우 11.45V에서 최대 16815 cd/㎡, 두께 10 Å인 NaCl 전자주입층을 가지는 소자의 경우 10.40V에서 최대 14280 cd/㎡의 고휘도를 얻을 수 있었다. 이 결과로부터 Dy, Yb, NaCl 전자 주입층을 삽입함으로써 유기 전자 수송층과 음극 전극사이의 전자 주입 장벽을 낮춤으로써 유기 발광 소자의 효율을 높일 수 있음을 확인하였다. A doping system was used to fabricate red organic light emitting devices. The doping system is composed of a host material and a red dopant. An additional dopant, called an emitting assistant dopant, was used with a red dopant in order to prevent the emission from Alq_(3). Red emitting organic light emitting devices were achieved by doping the Alq_3 host layer with rubrene emitting assist dopant, the DCJTB red luminescent dopant. An emissive assistant (Rubrene) is very useful in obtaining pure red emission. When an emissive assistant was used, the change of the emission color from red to orange was prevented and the operation voltage was lowered. These devices show the luminance of 300 cd/㎡ at 20 mA/㎠2, and chromaticity coordinates of CIE x, y = (0.64, 0.35). The efficiency of organic light emitting devices is considerably influenced by the performance of the electron-injecting contact. Lowering the electron-injection-barrier height between the cathode metal and the lowest unoccupied molecular orbital of the adjacent organic electron transport layer should promote the injection of negative charge carriers, and improve the electroluminescent property. It has been investigated that the effect of lowering the electron-injection barrier of organic light emitting devices by insertion of Dy (dysprosium), Yb (ytterbium), and salt (NaCl) electron-injection layer. The electron-injection layer reduced the operation voltage, and enhances the performance of devices. The operation voltage of the device with electron-injection layer was reduced about 3∼4V. We also calculated the relative electron-injection-barrier height between cathode metal and organic layer from Fowler-Nordheim plot. When the value of the injection barrier height of the device with Al cathode is 0.5 eV, the values of estimated barrier height (Φ_B) of 0.41, 0.36 eV, 0.24 eV for the device with Dy/Al, Yb/Al, and NaCl/Al cathode respectively and 0.48 eV for that with Al-Li cathode has obtained.

CdS 粉末의 Thermally Stimulated Exo-electron Emission에 關한 硏究

김병호 全北大學校 大學院 1979 국내석사

Using a method for calculating the thermoluminescence parameters, the trap depth and frequency factor of CdS crystal powder from thermally stimulated exoelectron emission glow curve are deduced on the assumption that the second order kinetics of thermolminescence closely related to the exoemission of trapped electron. The exoemission glow curve of CdS powder was recorded in the temperature range between +40℃ and +360℃. Analysis about four glow peaks obtained indicates that the exoemission of CdS follows predominantly second order kinetics. The deduced values of the activation energy and the frequency factor of CdS powder at peak temperatures 100℃, 134℃, 181℃ and 226.5℃ are 1.1±0.02eV, 1.5±0.04eV, 1.3±0.02eV, 1.2±0.02eV, and 1.5 ×10^14 sec^-1, 9.5 ×10^17 sec^-1, 5.2 ×10^13 sec^-1, 2 ×10^11 sec^-1.

Characterization of Morphological and Chemical Properties of Scandium Containing Cathode Materials

Mroz, Michael V Ohio University ProQuest Dissertations & Theses 2020 해외박사(DDOD)

Understanding thermionic cathodes is crucial for the future development of communication technologies operating at the terahertz frequency. Model cathode systems were characterized using multiple experimental techniques. These included Low Energy Electron Microscopy, X-Ray Photoemission Spectroscopy, and Auger Electron Spectroscopy. This was done to determine the mechanisms by which tungsten, barium, scandium, and oxygen may combine in order to achieve high current densities via thermionic emission. Barium and scandium films are found to dewet from the tungsten surfaces studied, and not diffuse out from bulk sources. The dewetted droplets were found to contribute the most to thermal emission. Barium oxide and scandium oxide are also found to react desorb from the emitting surface at lower temperatures then the metals themselves. The function of scandium in scandate cathodes was determined to act as an inhibitor to oxide formation. These observations are not compatible with certain models of cathode operation, mainly the dipole and semi-conductor models.

Cold Cathode X-ray Source using Point-type Carbon Nanotube Field Electron Emitter for Medical Diagnosis Applications

Si Eun Han 고려대학교 대학원 2024 국내박사

Cold cathode X-ray sources using point-type CNT film emitter were fabricated and its properties were investigated. Cold cathode X-ray sources have attracted much attention due to the high operation speed, low power consumption, high x-ray image resolution and unnecessary x-ray irradiation. Especially, the cold cathode X-ray source using a point-type CNT field emitter can promise advantages like the high tube current, the high current density, and a small focal spot size. The CNT field emitters based on the CNT film can improve field electron emission characteristics and emission stability by utilizing the cross-sectional area of the CNT film as an emission area. On the other hand, they exhibit some disadvantages like the weak mechanical adhesion at the CNT network and the week emission stability due to formation of CNT film by van der Waals forces. We introduce the densification process of the CNT film to overcome those week points at the CNT film emitters by applying various acid treatments. Our experimental results indicate that the CNT film densified with 10 M of acetic acid shows the best densification effect, resulting in much improved field electron emission properties in diode configuration. After densification, a thickness reduction of the CNT film is observed about 25% (14.75 μm  11.13 μm). This densification effect is clearly demonstrated by the reduced spacing between CNTs and an increased number of bundled CNTs. The densified CNT film exhibited an emission current improved by 3.5 times (20.71 mA  72.69 mA) and stability characteristics enhanced by 1.4 times (67%  93%). A point-type CNT emitters, featuring a triangular shape with various tip angles such as 90°, 120°, and 150°, are fabricated using the densified CNT film. The 150° point-emitter shows superior field electron emission properties in a diode configuration, achieving the highest emission current of 18.22 mA and the highest emission stability of 67%. The field electron emission properties are investigated in a triode configuration by controlling the gate electrode structure for the 150° point-type CNT emitter. The hole gate electrode is chosen for evaluation, using two different types of gate holes: circular (1.5 to 4.0 mm in diameter) and slit (1.5 to 4.0 mm in width). The optimal gate electrode is determined based on simulation results and field emission properties. Obtained result shows that a slit gate with a width of 2.0 mm achieves over 99% transmittance and a high maximum emission current of 27 mA, with excellent stability of 90.7 %. Additionally, the electron beam pattern size is significantly reduced to 8.3 × 15.7 mm. The performance of a cold cathode X-ray source based on the 150° point-type CNT emitter is investigated by introducing an electrostatic focusing electrode. Simulation results show that the smallest electron beam size of 0.52 × 2.08 (mm) is achieved with a focusing hole size of 7.8 × 8.1 (mm) (standard type), and the greatest shielding effect against high anode voltage above 100 kV is observed at a distance of 28 mm. We fabricated the cold cathode X-ray source and evaluated its performance in the vacuum chamber by using the optimized simulation results. The cold cathode X-ray source presents a maximum anode current of 17 mA (267 A/cm2) at the anode voltage of 90 kV, and a nominal focal spot size of 0.25 mm at the anode voltage of 75 kV. The obtained high performance of the cold cathode X-ray source can be used for various X-ray applications. We firmly believe that our high-performance cold cathode X-ray source has a very high potential to replace traditional thermionic X-ray tubes in the future. 포인트형 탄소 나노튜브 박막 방출원을 사용한 냉음극 X선 소스를 제작하고 그 특성을 조사하였다. 냉음극 X선 소스는 높은 동작 속도, 낮은 전력 소모, 높은 X선 이미지 해상도 및 불필요한 X선 방사선이 없다는 이유로 많은 관심을 받고 있다. 특히, 포인트형 탄소 나노튜브 전계 방출기를 사용한 냉음극 X선 소스는 높은 관 전류, 높은 전류 밀도 및 작은 초점 크기와 같은 장점을 제공한다. 탄소 나노튜브 박막 기반의 탄소 나노튜브 전계 방출원은 박막의 단면적을 방출 영역으로 활용하여 전계 전자 방출 특성과 방출 안정성을 개선할 수 있다. 그러나 이 경우, 오직 탄소 나노튜브 간 반데르발스 힘에만 의존하여 박막이 형성되므로, 탄소 나노튜브 네트워크에서의 약한 기계적 접착력에서 오는 전자 방출원의 안정성 저하의 단점이 있다. 우리는 다양한 산 처리 과정을 적용하여 탄소 나노튜브 박막 방출원의 이러한 약점을 극복하기 위해 탄소 나노튜브 박막의 고밀도화 과정을 소개한다. 실험 결과, 10 M의 아세트산으로 고밀도화된 탄소 나노튜브 박막이 가장 높은 밀도화 효과를 나타내어 이전극 구조에서 매우 향상된 전계 전자 방출 특성을 보였다. 고밀도화 후, 탄소 나노튜브 박막의 두께는 약 25% 감소(14.75 μm  11.13 μm)하였고, 박막의 표면에 존재하는 탄소 나노튜브 사이의 간격이 줄어들었으며, 다발화 된 탄소 나노튜브의 수가 증가하였다. 고밀도화된 탄소 나노튜브 박막은 방출 전류가 3.5배(20.71 mA  72.69 mA) 향상되고 안정성 특성이 1.4배(67%  93%) 증가하였다. 삼각형 모양의 다양한 팁 각도(90°, 120°, 150°)를 갖는 포인트형 탄소 나노튜브 방출원이 고밀도화된 탄소 나노튜브 박막을 사용하여 제작되었다. 이전극 구조에서의 평가 결과, 150° 포인트형 방출원은 가장 우수한 전계 전자 방출 특성을 보였으며, 가장 높은 방출 전류 18.22 mA와 방출 안정성 67%를 달성했다. 150° 포인트형 탄소 나노튜브 방출원에 알맞은 게이트 전극의 형태를 최적화하기 위해, 이를 제어하여 삼전극 구조에서 시뮬레이션 및 전계 전자 방출 특성을 관찰했다. 원형(직경 1.5에서 4.0 mm) 및 슬릿(폭 1.5에서 4.0 mm) 두 가지 유형의 게이트 홀 전극을 사용하여 평가하였다. 최적의 게이트 전극은 시뮬레이션 결과와 전계 방출 특성에 따라 결정되었다. 그 결과, 폭 2.0 mm의 슬릿 게이트가 99% 이상의 투과율과 27 mA의 높은 최대 방출 전류를 달성하였고, 90.7%의 우수한 안정성을 보였다. 또한 전자 빔 패턴 크기는 8.3 × 15.7 mm로 크게 줄어들었다. 150° 포인트형 탄소 나노튜브 방출원을 기반으로 한 냉음극 X선 소스의 성능에 대해 관찰하기 위해 정전 집속 전극을 도입했다. 시뮬레이션 결과, 7.8 × 8.1 (mm)의 집속 홀 크기(표준형)를 사용할 때 0.52 × 2.08 (mm)의 가장 작은 전자 빔 크기가 얻어졌으며, 100 kV 이상의 높은 양극 전압에 대한 가장 안정적인 차폐 효과는 28 mm의 거리에서 관찰되었다. 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 바탕으로 한 최적화된 구조를 사용하여 냉음극 X선 소스를 제작하고 진공 챔버에서 그 성능을 평가했다. 냉음극 X선 소스는 90 kV의 양극 전압에서 최대 17 mA (267 A/cm2)의 양극 전류와 75 kV의 양극 전압에서 0.25 mm의 초점 크기를 보였다. 이와 같은 고성능 냉음극 X선 소스는 다양한 X선 응용 분야에서 사용할 수 있다. 우리는 우리의 고성능 디지털 냉음극 X선 소스가 미래에 전통적인 열전자 기반의 X선 튜브를 대체할 매우 높은 잠재력을 가지고 있다고 확신한다.

펄스 전기장에 의한 Pb계 유전체의 전자 방출

김용태 연세대학교 대학원 2000 국내박사

전계 방출 디스플레이용 평판형 전자원으로서, 펄스 전기장에 의한 Pb계 유전체에서의 전자 방출 현상에 대하여 Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3)의 조성 변화, 강유전체, 반강유전체 및 상유전체로의 유전상 변화 및 유전체 두께 변화에 따라 연구하였다. Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) 강유전체에서의 전자 방출은 하부 전극에 (+) 전압이 인가된 경우가 (-)전압이 인가된 경우에 비하여 전자 방출량이 높았고, 방출 전자의 운동에너지는 1,600 eV이며, Child-Langmuir 식에 의한 전류의 수십배의 전자 방출전류 밀도가 얻어졌다. 임계 전압 인가 속도 이상에서의 전자 방출량은 일정하였고, 전자 방출은 상부 전극 모서리에 집중되었다. Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) 강유전체에서의 전자 방출량은 분극 변화량에 의존하였으나, 유전 상수는 전자 방출 특성과 거의 관련이 없었다. 전자 방출량은 하부 전극에 인가된 전기장에 따라 지수적으로 증가하였으며, 전자 방출의 문턱 전압은 강유전체의 항전계에 의존하였다. 강유전체 전자총에서는 상부 전극 크기 감소 및 강유전체 두께 증가에 따라 유전 상수 및 분극이 증가되었으며, 이러한 경향은 비대칭 전극 구조에서의 상부 전극 모서리 부근의 전기장 변화에 의하며, 전극 처리되어 있지 않은 강유전체 부분의 분극 분율 증가에 의한다. 상부 전극 크기에 따라, 상부 전극 부근 강유전체 표면에서의 전기장 증진 및 전기장 상승이 발생하는 폭은 일정하였으며, 따라서 전자 방출량은 상부 전극 직경에 비례하였다. 펄스 전기장에 의한 전자 방출 현상은 Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3)및 (Pb_(0.8)La_(0.2))TiO_(3)의 강유전체뿐 아니라 Pb(Zr_(0.96)Ti_(0.04))O_(3) 및 (Pb_(0.6)La_(0.4))TiO_(3)의 반강유전체 및 상유전체에서도 발생되었으며, 반강유전체의 경우에는 반강유전상에서 강유전상으로의 상전이 전기장에서 전자 방출이 급격히 증가되었다. 반강유전체 및 상유전체의 경우에는 펄스 전기장 인가 및 제거시에도 전자가 방출되었으며, 따라서, 펄스 전기장에 의한 전자 방출은 분극 변화량에 의존함을 밝혔다. Pb(Zr_(0.65)Ti_(0.35)O_(3) 강유전체 막에서의 전자 방출은 강유전체 막 두께에 따라, 1 ㎛ 두께 이하의 박막에서는 국부 절연 파괴가 발생하였고, 2 ㎛ 두께 이상의 후막에서는 벌크 세라믹스의 경우와 유사한 전자 방출량을 얻을 수 있었으며, 3 ㎛ 두께에서의 전자 방출 문턱 전압은 40 V로서 벌크의 1/10을 나타내었다. 강유전체 벌크에 비하여 박막에서의 전자 방출은 전자총의 기하학적 구조에 크게 의존하며, 절연 파괴 없이 전자가 방출되기 위해서는 강유전체 두께에 대한 상부 전극 크기의 대수값의 비를 임계값 이하로 낮추어야 한다. Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) 벌크 강유전체 전자총을 이용하여 10^(-3) torr의 압력, 5 mm 거리에서 직경 1 cm 범위의 R, G, B 음극선 발광을 확인하였다. 강유전체 전자총의 열화는 전자 방출시 발생되는 플라즈마에 의한 상부 전극 모서리의 침식이 가장 큰 원인이며, 유전체의 상부 계면 열화도 포함되어 있었다. 전기장 시뮬레이션 결과, 강유전체 전자총 구조에서의 강유전체 표면의 전기장은 상부 전극 모서리 부근에서 약 2.5배 증진되며, 수십 ㎛ 범위에서 항전계 이상의 전기장이 발생하였다. Faraday cup 거리 및 가속 전압은 전자 방출량에 영향이 없으며, 전자 방출량은 상부 전극 크기에 비하여 주로 강유전체 두께에 의존하였다. Pulse electric field induced electron emission from Pb-based dielectrics has been studied for application to field emission display as a flat electron source with varying the Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) composition, dielectric phases such as ferroelectric, antiferroelectric, and paraelectric, and the thickness of the dielectrics. The electron emission charge from the Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) ferroelectrics when the positive voltage was applied to the rear electrode was higher than that of negative voltage. The kinetic energy of the emitted electron was 1,600 eV, and the emission current density was several tens times higher than that calculated with Child-Langmuir equation. The emission charge was constant above the critical field rising velocity, and the emitted electrons were concentrated at the edge of the upper electrode. The emission charge from the Pb(Zr_(x)Ti_(1-x))O_(3) ferroelectrics was dependent on the polarization change. However, the dielectric constant had little influence on the emission properties. The emission charge from Pb(Zr_(x)Ti_(1-x))O_(3) ferroelectrics increased exponentially with the applied electric field to the rear electrode. The emission threshold voltage was dependent on the coercive field of the ferroelectrics. Dielectric constant and polarization of the ferroelectrics which consisted the electron gun increased with the decrease of the upper electrode size and with the increase of the ferroelectric thickness. This tendency was caused by the change of the electric field near the upper electrode edge in the asymmetric electrode structure and by the increase of the volume fraction participated in the polarization at the bare ferroelectric region. The strength and the width of the increased electric field at the ferroelectric surface near the electrode edge was independent on the electrode size, therefore the emission charge was proportional to the upper electrode diameter. Electrons were emitted by the pulsed electric field not only from the ferroelectrics such as Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) and (Pb_(0.8)La_(0.2))TiO_(3) but also from the antiferroelectric Pb(Zr_(0.96)Ti_(0.04))O_(3) and paraelectric (Pb_(0.6)La_(0.4))TiO_(3) ceramics. In the antiferroelectrics, the emission charge increased abruptly at the transition field from the antiferroelectric to ferroelectric phase. Electrons were emitted both at the rising and falling times of the pulse field in the antiferroelectrics and paraelectrics, which meant that the electron emission was dependent on the polarization change. In the ferroelectric Pb(Zr_(0.65)Ti_(0.35))O_(3) films, electron emission was dependent on the film thickness. Electrons were emitted from the thick films above 2 ㎛ with comparable emission charge to the bulk ferroelectrics, whereas local dielectric breakdown occurred at the thin films below 1 ㎛. The emission threshold voltage of the 3 ㎛ thick film was 40 V, which was a tenth that of the bulk ceramics. The emission properties from films were so influenced by the geometry of the electron gun that the electrons were successfully emitted without breakdown below the critical geometric ratio of the logarithm of the upper electrode diameter to film thickness. Cathode luminescence with the diameter of 1 cm from red, green, and blue phosphors was confirmed by the Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) bulk electron gun at the distance of 5 mm in 10^(-3) torr. The ferroelectric electron gun was degraded mainly by plasma induced erosion of the upper electrode edge and also by the degradation of the interface. Electric field simulation showed that the electric field near the electrode edge increased 2.5 times and the width above the coercive field was several tens ㎛. Faraday cup distance and the acceleration voltage had little influence on the emission charge. The emission charge was more dependent on the ferroelectric thickness than on the upper electrode diameter.

전기장 여기에 의한 Pb(Zr,Ti)O_(3) 강유전 음극에서의 전자방출

박지훈 연세대학교 대학원 2002 국내박사

본 연구에서는 50-150 ㎛두께의 강유전 음극에 대하여, 전기장 분포 전산모사와 강유전 전자 방출 특성을 비교하여, 강유전 음극의 구조적인 조건이 전자 방출 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 이 결과를 바탕으로, 강유전 박막 음극을 제조하고 강유전 박막의 두께가 박막 강유전 음극의 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 또한, 강유전 박막의 유전특성이 전자 방출 특성에 미치는 영향에 대하여도 연구하였다. 전자 방출 특성에 대한 강유전 음극의 구조적인 영향을 알아보기 위해서, 강유 전체의 두께와 전극의 폭에 대하여 전기장 분호 전산 모사를 행하였으며, 50 -150 ㎛두께의 Pb(Zr_(0.8)Ti_(0.2))O_(3) 강유전 음극에서 나타나는 분극 반전 전류 밀도와 전자 방출 특성을 측정하였다. 전기장 분포 전산모사에서 비대칭의 강유전 음극 구조는 상부 전극의 모서리에 stray field를 형성시켰으며, stray field가 미치는 거리는 강유전체의 두께를 증가에 의해 증가하였지만, 전극 폭에는 영향을 받지 않았다. 분극 반전 전류 밀도는 강유전체가 두꺼울수록, 전극의 폭이 작을수록 크게 나타났으며, 이것은 stray field의 영향으로, 강유전체의 두께 증가에 의한 stray field가 미치는 영역의 증가가 전극 모서리에 분극 반전을 발생을 증진시켰기 때문이다. 그 결과 강유전체의 두께가 증가할수록, 전자 방출 문턱 전계도 감소하고 전자 방출량도 증가하였다. 그러나, 전극 크기에 따라서는 차이점을 발견할 수 없었다. 0.5-5.3 ㎛두께의 Pb(Zr_(0.4)Ti_(0.6))O_(3) 강유전 박막 음극에서는, 전자 방출 신호가매우 불안정하여 두께에 따른 방출량의 변화를 관찰할 수는 없었다. 그러나, 전자 방출 문턱 전계의 변화는 명확하여, 강유전체의 두께를 5.3 ㎛에서 0.5 ㎛로 감소 시킴에 따라, 전자방출 문턱전계는 150 - 160 ㎸/㎝에서 500 - 550 ㎸/㎝까지 증가하였다. 전기장 분포 전산모사에서, 강유전체 음극의 전극 모서리 강유전체 표면에 일정한 전계 값을 인가하기 위해 하부 전극에 인가해야 하는 전계는 강유전 음극의 두께 감소에 따라 급격히 증가하였으며, 이때, 하부 전극에 인가하는 전계의 변화와 강유전 음극에서의 전자방출 문턱전계의 변화가 동일한 경향을 나타내었다. 따라서, 강유전 음극의 전자방출 문턱전계가 ㎛영역에서 급격하게 증가하는 것은 강유전 음극의 구조적인 원인임을 알 수 있었다. 1 ㎛두께의 Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) 강유전 박막 음극의 조성에 따른 전자 방출 특성 측정 결과, 모든 조성에서 전자 방출량은 지수적으로 증가하였으나, 매우 불안정하여 조성에 따른 차이를 발견할 수는 없었다. 전자 방출 문턱 전계(E_(th))는 항전계 (E_(c))에 의존하여 항전계가 작을 수록 전자 방출 문턱 전계가 감소하였다. 서로 다른 배향성의 (111)-PZT(40/60) 박막 음극과 (100)-PZT(40/60) 박막에서도 전자 방출 문턱 전계(E_(th))는 항전계(E_(c))에 의존하였다. 따라서, 항전계가 전자 방출 문턱 전계를 결정하는 요소임을 알 수 있다. The structural effect on electron emission property of 50-150 ㎛-thick ferroelectric cathode was investigated by comparing the variation of electron emission properties with electric field distribution simulation. Then, on the basis of these results, the effect of ferroelectric thickness on the electron emission properties of thin film ferroelectric cathode was studied. And, the effect of ferroelectric properties on electron emission properties was also investigated. To investigate the structural effect on the ferroelectric electron emission, the electric field distribution in a 2-dimensional structure was calculated as a function of thickness and upper electrode diameter, and the switching charge density and emission charge of the 50-150 ㎛-thick Pb(Zr_(0.8)Ti_(0.2))O_(3) ferroelectric cathode were measured simultaneously. The simulation of the electric field distribution showed that an asymmetric electrode structure caused a stray field on the bare surface of the ferroelectric cathode near the edge of upper electrode. The distance of stray field from the electrode edge increased with increasing ferroelectric thickness, but it did not depend on upper electrode diameter. The switching charge density increased more on the cathode with thicker ferroelectric and smaller upper electrode diameter. This was attributed to the difference of field distribution on the bare ferroelectric surface near the electrode edge. The expanded stray field for the thicker ferroelectric cathode enhanced polarization switching near the electrode edge. As a result, with increasing ferroelectric thickness, the emission charge increased and the threshold field decreased. However, there was no apparent difference between the emission charges from the different upper electrode diameter. Emission signals of 0.5-5.3 ㎛-thick Pb(Zr_(0.4)Ti_(0.6))O_(3) cathodes were very unstable, and it was hard to compare the emission currents for different ferroelectric thickness. The emission threshold field (E_(th)) increased from 150 - 160 to 500 - 550 ㎸/㎝, with decreasing PZT(40/60) thickness from 5.3 to 1 ㎛. The field distribution simulation for various ferroelectric thicknesses showed that the trigger field to induce a certain electric field on ferroelectric surface abruptly increased with decreasing ferroelectric thickness. The variation of E_(th) was in good agreement with the field distribution calculation, which indicated that the abrupt increase of the E_(th) in the micron range came from the geometric factor. For 1 ㎛ thick-Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) ferroelectric film cathode, emission signals increased exponentially, regardless of composition. It was hard to evaluate the emission current for different compositions, because of the unstable emission signals. The electron emission threshold field was dependent on the coercive field of ferroelectric cathode. The ferroelectric cathode with smaller coercive field showed the smaller electron emission threshold field. 1 ㎛ thick-Pb(Zr_(0.4)Ti_(0.6))O_(3) ferroelectric film cathode with different textures (111) and (100), showed the same tendency that the (100)-PZT(40/60) cathode with smaller coercive field showed the smaller electron emission threshold field.

Study on the High Brightness Carbon Nanotube (CNT) Cold Cathode for Electron Microscopy Applications

이하림 경희대학교 대학원 2020 국내박사

Electron microscopes with spatial resolution in the nano and sub-nanometer range are widely used in pure science and semiconductor manufacturing inspection and analysis. As electron sources for electron microscopes, hot cathode (W hairpin), thermally assisted field emission cathode (Schottky emitter), cold electron sources (W tip) are used. Commercialized electron sources have already been studied with optimized optical systems, and a research on the next-generation high-brightness electron emission sources is underway. In this dissertation, we developed a new high-brightness carbon nanotube (CNT) cold cathode and its studied structural analysis and electron emission characteristics. It is manufactured using a photo-lithography process and DC-PECVD technique on a silicon substrate, and they show different structural characteristics depending on the preparation conditions. Based on these structural properties, there is a difference in electron emission characteristics, which in turn affects the brightness of the beam. Besides the experimental results, a simulation model was set up, and the electron beam trajectory was calculated with the model. The correlation between the CNT cold cathode structure and its brightness was established, and an optimized electron beam module was designed for secondary electron microscopic imaging. The electron beam was shown to be capable of high-efficiency driving, and finally, it was applied to the projection images and scanning secondary electron images. The projection image of the CNT specimen was obtained using only a simple optical system, and the magnification image was obtained using only the electron emission characteristics of the CNT cold cathode. To obtain a scanning secondary electron image, a normal SEM was equipped with a CNT cold cathode based electron beam module, and an image was obtained without using a condenser lens It was confirmed that the resolution of the image is dependent upon the structure of the CNT cold cathode in the same way as the structural influence on brightness in the electron source mentioned above. Chapter 1 refers to the basic knowledge of electron microscopes and the current state of development of electron sources for electron microscopes. Chapter 2 discusses the basic characteristics and evaluation methods for high-brightness cold cathode electron sources. Chapter 3 discusses the characteristics of the CNT cold cathode developed in this study, and Chapter 4 discusses the imaging technology using the new CNT cold cathode, and finally concludes in Chapter 5. 나노 및 서브 나노미터 범위의 공간 분해능을 갖는 전자 현미경은 순수한 과학 및 반도체 제조 검사 및 분석과 같은 제조 분야에서 널리 사용 됩니다. 전자현미경을 위한 전자원은 열 음극 (텅스텐 헤어핀), 열 보조 전계방출 (쇼트키 에미터) 그리고 냉 음극선 (텅스텐 팁) 전자원이 사용 됩니다. 최적화 된 광학 시스템을 위해 상용화된 전자원이 이미 연구 되었으며, 차세대 고해상도 전자 방출 소스에 대한 연구가 진행 중입니다. 본 논문에서 우리는 새로운 고해상도 탄소나노튜브 전자원을 개발하고, 구조 분석과 전자 방출 특성을 연구 했습니다. 실리콘 기판 위에 포토 리소 공정과 전계 강화 화학기상증착 기법으로 제작 되며, 성장 조건에 따라 서로 다른 구조적 특성을 보이는 것을 확인 했습니다. 이러한 구조적 특성에 따라 전자 방출 특성에 차이가 있으며, 이는 빔의 밝기에 영향을 미칩니다. 실험 결과에 기초하여 시뮬레이션 모델을 설계하고 전자 빔 궤적의 계산을 하였습니다. 전자원의 구조와 빔의 밝기의 상관관계가 확립되었고, 2차 전자 이미징을 위해 최적화된 전자빔 모듈을 설계하였습니다. 이렇게 제작된 전자빔은 고효율의 구동이 가능함을 보였습니다. 최종적으로 탄소사노튜브 전자빔 기반의 투영 이미지 및 주사 2차 전자 이미지를 얻었습니다. 탄소나노튜브를 시편으로 한 투영 이미지는 단순한 광학계만 이용하여 얻었으며, 확대된 영상은 탄소나노튜브 전자원의 전자 방출 특성만을 이용하였습니다. 주사 2차 전자 이미지를 얻기 위해서 일반 SEM 장치에 탄소나노튜브 전자원 기반 전자빔을 장착하고, 콘덴서 렌즈 사용없이 이미지를 얻었습니다. 앞서 언급한 전자원의 구조와 밝기의 상관 관계와 연관되어 탄소나노튜브 전자원의 구조에 따라 2차 전자 이미지의 해상도에 차이가 있음을 확인 하였습니다. 1장에서는 전자 현미경에 대한 기본 지식과 전자 현미경 용 전자원의 현재 개발 정도에 대해 논의 합니다. 2장에서는 고해상도 냉 음극 전자원의 기본 특성 및 평가 방법에 대해 설명하고, 3장에서는 본 연구에서 개발한 탄소나노튜브 전자원의 특성에 대해 논의 합니다. 4장에서는 새로운 탄소나노튜브 전자원 기반의 이미징 기술에 대해 논의 하고, 5장을 마지막으로 결론을 맺습니다.

(A)study on field emission characteristics of carbon nanotube emitters and design of electron optics for field emission displays

오태식 成均館大學校 2005 국내박사

본 논문에서는 필드 에미션 디스플레이의 성능 향상을 위하여 전계 전자 방출 메카니즘과 전자빔 스폿트의 최적화 설계에 관해 연구하였다. 전계 전자방출 특성의 체계적인 연구를 위하여 물리적인 현상의 이해와 공학분야에서의 수치계산의 용이성을 고려하여 FN방정식의 유도를 시도해 보았으며, 3차원 해석이 가능한 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 필드 에미션 디스플 레이의 전자 방출원 어레이 설계에 직접 활용할 수 있도록 2극관 및 3극관 에서의 전계 전자방출 설계 파라미터들에 대한 수치해석을 수행하였다. 본 연구에서는 카본나노튜브 페이스트로 형성시킨 두꺼운 박막층 형태의 에미터를 전자방출원으로 사용하였다. 이론적으로는 박막층상에 존재하는 개개의 카본나노튜브가 에미터로서 동작해야 하지만, 고배율의 전자현미경으로 박막층의 상태를 관찰해 보면 카본나노튜브들의 길이나 방향이 무질서하게 배치되어져 있음을 알 수 있고, 또한 카본나노튜브 지름과 비교하면 에미터 박막층과 전극들의 크기는 수천, 수만배 이상의 차이가 있으므로 이를 수치 해석하기 위한 방대한 시뮬레이션 프로그램은 아직까지 개발되어 있지 않은 상태이며 이를 해석하기 위해서는 상당한 용량의 메모리와 많은 해석시간이 많이 소요되어진다. 그래서 상기 카본나노튜브들의 무질서함을 감안하여 평균적인 박막층 표면에서 전계 전자방출이 일어나는 것으로 가정하였다. 이러한 가정을 고려한 수치해석의 정확성을 확보하기 위해 카본나노튜브 페이스트의 실험 데이터를 시뮬레이터의 지배방정식에 대입하여 최소자승법에 의해 그 상수 (β, κ) 들을 계산하여 활용하였다. 본 연구에서 사용한 카본나노튜브 페이스트의 경우는 β=1800, κ=1.75×10^(-7) 이었으며, 이는 카본나노튜브의 종류 및 합성방법에 따라 변경되어지는 요인으로 상기의 방법에 의해 쉽게 계산해낼 수 있으며, 주로 사용하는 전압구간에서는 전류-전압 특성이 실험결과와 매우 잘 일치되어짐을 확인하였다. 상기 상수들을 적용하여 2극관 및 3극관에서의 전계 전자방출 파라미터들을 변경하여 211개 항목에 대한 수치해석을 수행하였다. 3차원 시뮬레이션 해석을 통해, 2극관에서는 에미터의 크기 및 형상 변경에 의한 전계 집중 효과와 에미터간의 간격 변경에 의한 전계 차폐효과를 확인할 수 있었고, 3극관에서는 게이트 전극의 위치 및 전자빔 통과공의 크기 변경에 의한 애노드 전압 침투효과와 에미터간의 간격 변경에 의한 전계 차폐효과 유무를 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 전계 전자방출형 표시소자 구조를 설계할 때에 전자방출의 고밀도화와 암전류의 최소화를 통해 고휘도, 고컨트라스트의 디스플레이 소자를 구현할 수 있는 정보들을 제공한다. 평판 디스플레이의 고해상도화 추세에의 대응과 신뢰성 확보를 위해서는 필드 에미션 디스플레이의 경우, 고전압 형광체 적용과 이에 대응하는 진공 간격을 확보하여야만 한다. 이 경우 에미터에서 방출되어진 전자빔은 발산력을 받는 긴 드리프트 구간을 지나게 되므로 목적하지 않은 인접하는 다른 색의 형광체를 발광시켜 색순도가 떨어지게 되는 현상이 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 전자빔을 집속시키기 위한 새로운 전자 렌즈의 설계가 요구되어진다. 본 연구에서는 먼저 디스플레이에서 요구되는 전자빔의 최적 설계에 대해 검토를 하였고, 이를 구현하기 위해 평판 디스플레이의 화소 형상을 고려한 종장형의 전자빔 형성을 설계 목표로 하였다. 전자 광학적으로 실현 가능성이 있는 여러 가지 구조들을 검토한 결과, 2중 게이트 전극 구조에 4중극 정전계 전자 렌즈를 배치시킨 개량된 구조를 제안하였다. 본 구조는 횡장형의 전자빔 통과공과 종장형의 전자빔 통과공을 게이트 전극과 포커스 전극에 각각 설치하므로서, 이를 통과하는 원형의 전자빔은 수평으로 는 집속력, 수직으로는 발산력으로 작용하는 4중극 전계의 영향을 받아 종장형의 전자빔으로 변형되어진다. 디스플레이의 해상도에 의해 결정되어지는 화소의 크기를 만족시키기 위해서는 상기의 횡장형 또는 종장형의 전자빔 통과공의 크기 및 종횡비를 조절하여 전자빔의 크기 및 형상을 가장 최적의 상태로 설계할 수 있다. 또한 비대칭형 4중극 전자 렌즈 설계를 도입하여 수직 또는 수평방향에서의 전자빔의 크기를 부분적으로 조절할 수 있는 방법도 제안하였다. 3차원 시뮬레이션 결과, 본 연구에서 제안한 4중극 정전계 전자 렌즈를 갖는 기본형 구조의 경우 38인치 16:9 화면에서 1,280 dots×768 lines 이상의 해상도를 만족시키는 전자빔 스폿트를 형성시킬 수 있었고, 수직 비대칭형의 경우는 용도에 따라서 전자빔 스폿트의 수직방향 크기를 축소시킬 수 있었다. 수평 비대칭형의 경우는 수평방향뿐만 아니라 수직방향의 전자빔 스폿트의 크기를 더욱 축소시킬 수 있는 새로운 구조로서 38인치 16:9 화면을기준으로 1,920 dots×1,080 lines의 풀하이비젼 규격의 해상도까지도 대응할 수 있는 결과를 얻었다.