(과학 기술 12) '전계 방출'-지문 해설, 대비 12문제(2024 수능특강 적용 학습 기출 및 변형)

 

[01~04] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

 

금속이나 반도체 표면에서 전자를 방출하여 이를 이용하는 기술은 디스플레이, 센서, 의료 분야 등 다양한 분야의 핵심 소자에서 필요한 기술이다. 금속과 반도체의 표면에서 진공 속으로 전자를 방출하는 방법은 크게 열전자 방출과 전계 방출로 나눌 수 있다. 열전자 방출은 금속에 전압을 걸어 전류가 흐를 때 금속 물질의 저항에 의해 금속이 가열되는 줄(Joule) 가열 현상을 이용하는데 가열된 금속 내의 전자가 열적으로 에너지를 받아 금속 표면의 전위 장벽을 넘어 방출되는 현상이다. 금속에 구속되어 있는 전자가 에너지를 받아 전위 장벽을 넘어야 금속의 구속에서 벗어날 수 있으며 이때 전위 장벽의 크기에 해당하는 에너지를 일함수라 한다. 따라서 일함수는 전자가 방출되는 데 필요한 최소 에너지이다. 물질의 종류에 따라 일함수는 고유한 값이며 일함수가 작을수록 물질로부터 열전자 방출이 쉽다.

 

 

한편 전계 방출은 외부 전위를 가하여 표면에 있는 전자가 터널링 현상으로 고체 밖으로 방출되는 현상이다. 터널링이란 전위 장벽보다 낮은 에너지 상태에서도 전자가 원자 밖으로 튀어 나가는 현상을 말한다. 전계 방출 전자는 상온에서 온도를 유지한 채 가열 과정 없이도 전자가 방출되므로 전자가 갖는 에너지가 증가하지 않아 냉전자라고 불린다. 열전자는 전자들마다 각기 이동 속도가 달라 에너지 분포가 균일하지 않고 임의의 방향으로 방출되며, 또한 시간에 따라 나오는 양의 균일도가 떨어진다는 단점이 있다. 이와 달리 전계 방출 전자는 에너지 분포가 균일하며 방출 방향이 집중되는 등의 큰 장점들을 가지고 있다.

 

 

전계 방출을 <그림 1>을 통해 이해해 보자. 고체 표면에 강한 전기장이 주어지면 표면의 전위 장벽이 점선 화살표와 같이 휘어지고 물질에 구속되어 있던 전자들이 에너지 장벽을 뚫고 진공으로 방출된다. 전기장의 세기가 증가함에 따라 전위 장벽의 휘어지는 정도가 커져 표면의 에너지 장벽의 두께가 더욱 얇아지게 되므로 전계 방출 효과는 더욱 커진다. 전자가 방출되는 쪽이 음극인데 걸어 준 전압을 양극과 음극의 거리로 나눈 값을 전기장이라 한다.

 

SMALL

 

[해설]

전계 방출

{해제}

금속과 반도체의 표면에서 진공 속으로 전자를 방출하는 방법에는 크게 열전자 방출과 전계 방출이 있다. 전계 방출은 외부 전위를 가하여 표면에 있는 전자가 일함수보다 낮은 에너지 상태에서도 터널링 현상으로 전자가 방출되는 현상이다. 금속의 경우 전계 방출이 쉽게 일어나게 하기 위해서는 뾰족하면서도 긴 팁의 형태로 음극을 제작해야 한다. 이러한 형태의 팁은 팁 부분에 유효 전압이 커지게 되어 낮은 전압을 걸더라도 쉽게 전자가 방출된다. 많은 수의 팁으로 이루어진 전계 방출의 경우 팁 간의 거리가 가까우면 팁 사이에 전장 침투 효과가 감소하게 되어 최대한의 전장 증대 효과가 이루어지지 않는다. 따라서 전장 증대 효과가 최대로 유지되는 적절한 거리를 두어야 한다. 재료의 일함수 또한 전계 방출에 큰 영향을 미치는데 전계 방출이 쉽게 일어나기 위해서는 재료가 낮은 일함수를 가져야 한다.

 

 

{주제}

전계 방출 현상의 원리와 발생 조건

{구성}

•1문단: 금속과 반도체의 표면에서 진공 속으로 전자를 방출하는 두 가지 방법

•2문단: 전계 방출과 터널링 현상

•3문단: 전계 방출의 예시

•4문단: 전계 방출이 발생하기 쉬운 조건

 

 

 

 

 

(과학 기술 12) '전계 방출'-지문 해설, 대비 12문제(2024 수능특강 적용 학습 기출 및 변형)

 

 

 

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