펄스 전기장에 의한 Pb계 유전체의 전자 방출 = Pulse electric field induced electron emission from Pb-based dielectrics

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = i
• List of Figures
• List of Tables
• 국문 요약
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 이론적 배경 = 7
• 제1절 강유전성, 상유전성 및 반강유전성 = 7
• 제2절 고체에서의 전자 방출 = 9
• 2.2.1 일함수 = 9
• 2.2.2 열전자 방출 = 12
• 2.2.3 전계 전자 방출 = 16
• 2.2.4 이차 전자 방출 = 19
• 2.2.5 광전자 방출 = 23
• 2.2.6 진공에서의 전자 흐름 = 26
• 제3절 강유전체에서의 전자 방출 = 30
• 제4절 평판형 디스플레이 = 34
• 2.4.1 액정 디스플레이 = 34
• 2.4.2 플라스마 디스플레이 = 38
• 2.4.3 발광 다이오드 디스플레이 = 40
• 2.4.4 전계 발광 디스플레이 = 42
• 2.4.5 전계 방출 디스플레이 = 42
• 제5절 비대칭 전극 구조에서의 전기장 분포 = 44
• 참고 문헌 = 51
• 제3장 Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) (x=0.35, 0.50, 0.65, 0.80) 강유전체의 전자 방출 = 56
• 제1절 서론 = 56
• 제2절 실험 = 56
• 3.2.1 Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) 세라믹스의 제조 = 57
• 3.2.2 분석 및 측정 = 59
• 제3절 결과 및 고찰 = 63
• 3.3.1 X선 회절 분석 및 미세 구조 = 63
• 3.3.2 유전성 = 66
• 3.3.3 Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3)의 전자 방출 특성 = 72
• 3.3.4 조성에 따른 전자 방출 = 86
• 3.3.5 전자 방출 기구 = 92
• 제4절 결론 = 99
• 참고 문헌 = 101
• 제4장 Pb계 강유전체, 반강유전체 및 상유전체의 전자방출 = 107
• 제1절 서론 = 107
• 제2절 실험 = 107
• 4.2.1 유전체 세라믹스의 제조 = 108
• 4.2.2 분석 및 측정 = 108
• 제3절 결과 및 고찰 = 110
• 4.3.1 X선 회절 분석 = 110
• 4.3.2 유전성 = 110
• 4.3.3 강유전체, 반강유전체 및 상유전체의 전자 방출 특성 = 113
• 4.3.4 상부 전극 크기에 따른 유전 특성 = 131
• 4.3.5 상부 전극 크기에 따른 전자 방출 = 137
• 제4절 결론 = 141
• 참고 문헌 = 143
• 제5장 PZT 박막의 전자 방출 = 147
• 제1절 서론 = 147
• 제2절 실험 = 148
• 5.2.1 PZT 박막의 제조 = 148
• 5.2.2 분석 및 측정 = 150
• 제3절 결과 및 고찰 = 151
• 5.3.1 상분석 및 두께 변화 = 151
• 5.3.2 전자 방출 특성 = 159
• 5.3.3 강유전체 두께에 따른 유전 특성 = 172
• 제4절 결론 = 185
• 참고 문헌 = 186
• 제6장 디바이스 및 시뮬레이션 = 190
• 제1절 서론 = 190
• 제2절 실험 = 191
• 6.2.1 강유전체의 제조 = 191
• 6.2.2 유전 및 전자 방출 특성 = 191
• 6.2.3 전기장 분포 해석 = 192
• 제3절 결과 및 고찰 = 192
• 6.3.1 형광체 발광 = 192
• 6.3.2 강유전체 전자총의 열화 = 196
• 6.3.3 강유전체 전자총의 전기장 해석 = 198
• 제4절 결론 = 224
• 참고 문헌 = 225
• 제7장 종합 결론 = 227
• ABSTRACT = 230