Field Emission Behavior of DLC Films 

 

소  개

진공 초미세 소자를 이용한 분야는 1958년 Buck과 Shoulder에 의해 최초로 제시된 이후 반도체 공정기술의 발달과 더불어 매우 많은 발전이 이루어지고 있다.  그중 Field Emission을 이용한 전계방출 소자는 종래의 고체소자에 비해 낮은 전압에서도 동작이 가능하므로 초고속 스위치 소자, 초고주파용 증폭기, 다중 전자 방출원, 전자빔 리쏘그래비 장비의 전자총, 고화질 TV를 위한 평판 디스플레이소자 이외에도 많은 응용이 가능하다.  특히 Field emission 을 이용한 응용분야 중 가장 활발한 연구가 이루어지고 있는 것은 디스플레이 시장이다.  TV, 컴퓨터 모니터, 등 많은 주요한 디스플레이 방법에는 CRT(Cathode Ray Tube)가 있다.

img5.gifCRT 방법을 이용한 디스플레이 소자는 화질면에서 매우 우수하지만 표시면적이 커지면 부피도 따라서 커지는 단점이 있다.  더구나 최근 휴대용 컴퓨터, PDA, 핸드폰 등 휴대용, 이동성에 많은 기능을 갖는 제품이 나오면서 CRT방법은 이러한 용도의 조건에서의 사용을 제한하며 또한 소비전력이 매우 높아지게 된다.  이러한 여러 문제를 해결하기 위해 평판 디스플레이(FPD, Flat Panel Display)가 제시되었다.  FPD는 CRT 가 갖지 못하는 기능 즉 휴대성과 이동성의 측면에서 매우 높은 유용성을 가지고 있으며 특히 대면적에서도 차지하는 부피가 줄어들어 벽에 걸어서 사용할 수 있는 벽걸이 TV의 출현을 가능하게 하고 있다.  FPD의 주요 기술로는 오랫동안 사용되어온 LCD(Liquid Crystal Display)가 있으며 최근 50 inch 이상의 대화면에 적용하는 PDP(Plasma Display Panel)이 있다.  LCD는 액정을 이용한 방법으로 오랫동안 연구되어온 방법인 만큼 기술면에서 많은 발전이 이루어져 있으며 시장에서도 컴퓨터 모니터 또는 노트북용 디스플레이 등으로 많이 사용되고 있으나 아직도 다른 기술들에 비해서 시야각이 좁고 반응속도가 느리다는 단점이 있으며 특히 Back light를 이용한 간접 발광이라는 것은 그 휘도와 색감에 있어서 한계를 지니고 있다.  PDP는 플라즈마를 이용하여 발광하는 원리로 대형 평면TV에 사용되고 있으나 전력효율이 너무 낮은 단점이 있다.  FED방식은 음극소자에 전기장을 가하여 전계방출 현상에 의해 전자를 진공으로 방출하고 그 전자가 양극에 있는 발광물질에 닿으면 빛이 나는 원리로 기존의 CRT 방식과 흡사하나 매우 많은 음극소자를 배열하는 방식으로 부피와 무게가 현저하게 줄일 수 있는 방식이다.  따라서 FED는 CRT와 비슷한 원리를 갖고 있으므로 CRT가 갖는 여러 장점들 즉, 고화질, 넓은 광시야각, 빠른 반응속도등 좋은 특성을 갖고 있으면서도 평면으로 만들 수 있고 다양한 환경에서 동작이 가능하므로 평판 TV, 자동차 네비게이션 화면, 그리고 군사용으로도 적합하다.  

Candenscent 5.3" DemoCandenscent 13.2" Demo

Condenscent 사에서 만든 5.3inch Thin CRT시제품과 13.2inch 데모

FED 소자는 주로 반도체 공정기술을 이용하여 제작되므로 가장 많은 연구가 진행되었고 공정기술이 안정화 단계에 이른 실리콘이나 몰리브데늄을 가지고 소자를 제작하게 되는데 이들 재료는 높은 일함수를 가지고 있고 따라서 전계방출을 일으키기 위해서는 날카로운 팁의 형태로 만들어 음극으로 사용한다.  이러한 음극팁을 사용하는 경우 잔류가스에 의해 역스퍼터링이 일어나거나 화학적 반응에 의해 전자방출 성능이 점차 저하되는 등 소자의 안정성에 문제가 발생하게 된다.  이러한 단점을 극복하기 위해 실리콘 또는 몰리브데늄에 다른 물질을 코팅하거나 대체물질을 개발하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며  그중 가장 많이 연구되고 있는 분야가 카본계열 즉, 다이아몬드 또는 다이아몬드상 카본 박막에 대한 분야이다.  

카본계열의 전계방출 현상에 대한 연구는 초기 다이아몬드의 음의 전자친화도 특성으로부터 시작하였다.  다이아몬드상 카본 박막을 포함한 카본계 음극물질들은 음의 전자 친화도를 갖는 것으로 알려져 있다.  따라서 낮은 전기장에서도 쉽게 전계방출이 일어나며 따라서 실리콘이나 몰리브데늄 처럼 팁의 형태로 소자를 제작할 필요가 없으므로 제작 공정을 단순화 할 수 있다는 장점 또한 가지고 있다.  이 외에도 실리콘 이나 몰리브데늄 팁에 다이아몬드상 카본 박막을 코팅하여 전계방출 특성을 조사하는 연구도 많이 진행되고 있는데 이처럼 카본계 물질을 코팅하면 전계방출 거동이 현저하게 증가하는 결과도 보고되고 있다.  최근에는 높은 전기전도도와 전계방출에 용이한 기하학적 모양을 지닌 카본 나노튜브가 발견됨에 의해 이를 전계방출에 이용하고자 하는 노력이 이루어지고 있다.  그러나 음의 전자친화도 또는 다른 이유에서든 카본계열의 물질을 전계방출을 이용한 소자에 응용하기 위해서는 전계방출이 이루어지는 메커니즘에 대한 이해가 선행되야 함에도 불구하고 아직 카본계열의 전계방출을 정확히 설명할 수 있는 명확한 메커니즘은 드러나지 않고 있다.

1. 소  개

2. 전계방출이란?

3. 카본계열의 전계방출 거동

4. 응 용 분 야

Written by Seung-Hyeob Lee

Last updated : 2001.6.18.