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열전자 방출

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목차

1. 개요

열전자 방출은 가열된 금속 표면에서 전자가 방출되는 현상이다. 1853년 에드몽 베크렐에 의해 처음 보고되었으며, 토마스 에디슨은 백열전구 연구 중 이 현상을 재발견하고 전압 조정 장치 특허를 출원했다. 1901년 오언 윌런스 리처드슨은 열전자 방출 전류가 온도의 지수 함수라는 것을 발견하고 리처드슨 법칙을 발표했다. 외부 전기장이 금속 표면의 일함수를 낮춰 방출 전류를 증가시키는 쇼트키 효과도 존재한다. 광증강 열전자 방출(PETE)은 빛과 열을 모두 활용하여 전기를 생산하는 기술로, 기존 태양광 발전보다 높은 효율을 보일 수 있다.

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열전자 방출
개요
금속 표면에서 전자가 방출되는 모습
다른 이름에디슨 효과 (Edison effect)
유형열전자 방출
관련광전 효과
전계 방출
이온 방출
설명
정의열에 의해 유도되는 표면으로부터의 전하 캐리어의 흐름
발생 조건금속 또는 산화물 표면의 온도가 1000 켈빈 이상으로 가열될 때
원리열에너지로 인해 전자가 금속의 일 함수를 극복하고 표면에서 방출됨
응용 분야진공관
전자총
기타 전자 장치
역사
발견토머스 에디슨 (1873년)
초기 연구프레더릭 거스리 (1873년): 대전된 물체 근처에서 가열된 철구가 방전을 일으킴을 발견
윌리엄 히트 (1882년): 철도 전신 시스템에서 열전류 발견
명칭 유래오언 윌런스 리처드슨 (1901년): "열이온 방출" 명명
리처드슨 법칙리처드슨의 열이온 방출에 대한 연구
리처드슨-대시먼 방정식
설명열전자 방출 전류 밀도를 설명하는 방정식
수식J = A T^2 e^{-W / (kT)}
변수J: 전류 밀도 (A/m^2)
A: 리처드슨 상수 (A/(m^2 K^2))
T: 절대 온도 (K)
W: 일 함수 (eV)
k: 볼츠만 상수 (eV/K)
특성
일 함수표면에서 전자를 제거하는 데 필요한 최소 에너지
리처드슨 상수재료의 특성에 따라 달라지는 상수
공간 전하 효과방출된 전자가 표면 근처에 공간 전하를 형성하여 추가적인 방출을 억제하는 효과
참고 문헌
효과 (에페쿠토)의 사전

2. 역사

열전자 방출 현상은 1853년 에드몽 베크렐(Edmond Becquerel)에 의해 처음 보고되었고,[1][2][3] 1873년 영국의 프레더릭 구트리(Frederick Guthrie)에 의해 다시 관찰되었다.[4][5] 구트리는 음전하를 띤 빨갛게 달군 철 구체가 전하를 잃는다는 것을 발견했고,[6] 구체가 양전하를 띠면 이런 현상이 발생하지 않는다는 것을 알아냈다.[6] 요한 빌헬름 힛토르프(Johann Wilhelm Hittorf) (1869–1883),[7][8][9][10][11][12] 외겐 골트슈타인(Eugen Goldstein) (1885),[13] 율리우스 엘스터(Julius Elster)와 한스 프리드리히 가이텔(Hans Friedrich Geitel) (1882–1889)도 초기 연구에 기여했다.[14][15][16][17][18]

토머스 에디슨은 1880년 전구 개발 과정에서 이 현상을 재발견하고, '에디슨 효과'라 명명하며 전압 조정 장치 특허를 출원했다. 이 특허는 미국 최초의 전자 장치 특허였다.

영국 물리학자 존 앰브로스 플레밍은 에디슨 효과를 전파를 검출하는 데 사용할 수 있다는 것을 발견했다. 플레밍은 플레밍 밸브라고 하는 2개의 요소로 구성된 열전자 진공관 다이오드를 개발했다(1904년 11월 16일 특허).[24][25][26] 열전자 다이오드는 또한 움직이는 부품 없이 열 차이를 전력으로 직접 변환하는 장치로 구성될 수 있는데, 이는 열전 변환기라고 불리는 열기관의 한 유형이다.

1897년 J. J. 톰슨(J. J. Thomson)이 전자를 발견한 이후, 오언 윌런스 리처드슨(Owen Willans Richardson)은 열전자 방출에 대한 체계적인 연구를 통해 1928년 노벨 물리학상을 수상했다.

2. 1. 에디슨 효과

토마스 에디슨은 1880년에 자신의 팀과 함께 탄소화 대나무 필라멘트[19]의 파손 원인과 전구 내부 표면의 검게 그을리는 현상을 연구하던 중 열전자 방출을 다시 관찰했다.[19] 이 검게 그을리는 현상은 필라멘트에서 떨어져 나온 탄소가 쌓인 것으로, 필라멘트 루프의 양극 끝부분에서 가장 어두웠다. 이는 마치 음전하를 띤 탄소가 음극 끝에서 나와 양극 끝으로 끌려가 흡수되는 것처럼 보였다. 에디슨은 유리 대신 별도의 전극으로 대전된 탄소 입자를 재배향하기 위해 여러 실험을 수행했고,[20] 그 결과는 다음과 같다.

에디슨의 회로: 전류계(A)와 직렬로 연결되어 직류를 측정하고, 필라멘트를 가열하는 전원과는 별도의 전압원을 사용하여 전극에 바이어스를 가하여 양극으로 만들거나(이 경우 전자는 끌려서 필라멘트에서 부분 진공을 통해 전극으로 흐름) 음극으로 만듦(측정 가능한 전류는 없었음). 필라멘트는 탄소 분자 외에도 전자를 방출하며, 전자는 음전하를 띠므로 양전하를 띤 전극에는 끌리지만 음전하를 띤 전극에는 끌리지 않음.


에디슨은 고온 필라멘트에서 방출되는 전류가 전압에 따라 급격히 증가한다는 것을 발견하고, 1883년 11월 15일 이 효과를 이용한 전압 조정 장치에 대한 특허를 출원했다.[21] 그는 충분한 전류가 장치를 통과하여 전신 신호기를 작동시킬 수 있다는 것을 알았다. 영국의 과학자 윌리엄 프리스는 이 현상을 ''에디슨 효과''라고 언급했는데,[22][23] 이 용어는 때때로 열전자 방출 자체를 가리키는 데에도 사용된다.

3. 리처드슨 법칙 (Richardson's law)

리처드슨은 1901년 실험 결과를 발표했는데, 가열된 선에서 나오는 전류가 선의 온도에 지수적으로 의존한다는 것을 발견했다.[27] 그는 나중에 방출 법칙이 다음과 같은 수학적 형태를 가져야 한다고 제안했다.[28]

:J = A_{\mathrm{G}} T^2 \mathrm{e}^{-W \over k T}

여기서 ''J''는 전류 밀도, ''T''는 금속의 온도, ''W''는 금속의 일함수, ''k''는 볼츠만 상수, ''AG''는 리처드슨 상수이다.

1911년부터 1930년 사이에 리처드슨, 사울 더시먼(Saul Dushman), 랄프 H. 파울러(Ralph H. Fowler), 아놀드 조머펠트(Arnold Sommerfeld), 로타르 볼프강 노르드하임(Lothar Wolfgang Nordheim) 등은 ''A''G에 대한 다양한 이론적 표현을 제시했다. 이들은 ''A''G가 다음과 같은 형태로 표현되어야 한다는 데 동의했다.[29]

: A_{\mathrm{G}} = \; \lambda_{\mathrm{R}} A_0

여기서 ''λ''R은 재료 특유의 보정 계수이고, ''A''0는 보편 상수이며 다음과 같이 주어진다.

:A_0 = {4 \pi m k^2 q_\text{e} \over h^3} = 1.20173 \times 10^6\,\mathrm{A{\cdot}m^{-2}{\cdot}K^{-2}}

여기서 m 과 -q_\text{e}는 각각 전자의 질량과 전하이고, h는 플랑크 상수이다.

1930년경에는 전자의 파동적 특성 때문에 방출되는 전자의 일부가 반사되어 ''λ''R은 (1-r_{\mathrm{av}})값을 가진다는 데 동의가 있었다. 따라서 열전자 방출 방정식은 다음과 같이 표현된다.

:J = (1-r_{\mathrm{av}})\lambda_\text{B} A_0 T^2 \mathrm{e}^{-W \over k T}

4. 쇼트키 효과 (Schottky emission)

전자 방출 소자, 특히 전자총에서 열전자 방출체는 주변 환경보다 음전위로 바이어스된다. 이는 방출체 표면에 크기 ''E''의 전기장을 생성한다. 전기장이 없다면, 탈출하는 페르미 준위 전자가 보는 표면 장벽의 높이 ''W''는 국부적인 일함수와 같다. 전기장은 표면 장벽을 Δ''W''만큼 낮추고 방출 전류를 증가시킨다. 이것을 쇼트키 효과(발터 쇼트키의 이름을 따서 명명) 또는 전기장 강화 열전자 방출이라고 한다.[33][34]

전자 현미경의 쇼트키 방출 전자원


쇼트키 효과는 ''W''를 (''W'' − Δ''W'')로 대체하여 리처드슨 방정식을 간단하게 수정하여 모델링할 수 있다.

:J (E,T,W) = A_{\mathrm{G}} T^2 e^{ - (W - \Delta W) \over k T}

:\Delta W = \sqrt^3 E \over 4\pi \epsilon_0},

여기서 ''ε''0는 진공 유전율이다.

이 수정된 방정식이 적용되는 전기장과 온도 영역에서 일어나는 전자 방출은 종종 쇼트키 방출이라고 한다. 이 방정식은 약 보다 낮은 전기장 세기에 대해 비교적 정확하다.

5. 광증강 열전자 방출 (Photon-enhanced thermionic emission, PETE)

광증강 열전자 방출(Photon-enhanced thermionic emission|포톤 인핸스드 서미오닉 에미션영어, PETE)은 스탠퍼드 대학교 과학자들이 개발한 기술로, 태양의 빛과 열을 모두 활용하여 전기를 생산하며, 현재 수준보다 2배 이상의 효율로 태양광 발전 효율을 높인다. 이 과정에 사용된 장치는 200°C 이상에서 최고 효율에 도달하지만, 대부분의 실리콘 태양전지는 100°C에 도달하면 비활성화된다. 이러한 장치는 최대 800°C의 온도에 도달하는 파라볼라형 집열기에서 가장 효율적으로 작동한다. 연구팀은 개념 증명 장치에 질화갈륨 반도체를 사용했지만, 비소화갈륨을 사용하면 장치의 효율을 55~60%까지 높일 수 있다고 주장하며, 이는 기존 시스템의 거의 3배에 달하고,[38][39] 기존 43% 다중 접합 태양 전지보다 12~17% 높다.[40][41]

참조

[1] 논문 Reserches sur la conductibilité électrique des gaz à des températures élevées https://www.biodiver[...] 1853
[1] 논문 Researches on the electrical conductivity of gases at high temperatures https://www.biodiver[...] 1853
[2] PhD dissertation Thermionic Electron Emission Properties of Nitrogen-Incorporated Polycrystalline Diamond Films https://etd.library.[...] Vanderbilt University 2013-04-18
[3] 웹사이트 Thermionic power converter https://www.britanni[...] 2016-11-22
[4] 논문 On a relation between heat and static electricity https://books.google[...] 1873-10-01
[5] 논문 On a new relation between heat and electricity https://books.google[...] 1873-02-13
[6] 서적 Thermionic Emission from Hot Bodies https://books.google[...] Wexford College Press
[7] 논문 Ueber die Electricitätsleitung der Gase http://babel.hathitr[...]
[8] 논문 Ueber die Electricitätsleitung der Gase http://babel.hathitr[...]
[9] 논문 Ueber die Electricitätsleitung der Gase http://gallica.bnf.f[...]
[10] 논문 Ueber die Electricitätsleitung der Gase http://babel.hathitr[...]
[11] 논문 Ueber die Electricitätsleitung der Gase http://babel.hathitr[...]
[12] 논문 Ueber die Electricitätsleitung der Gase http://babel.hathitr[...]
[13] 논문 Ueber electrische Leitung in Vacuum https://books.google[...]
[14] 논문 Ueber die Electricität der Flamme http://babel.hathitr[...]
[15] 논문 Ueber Electricitätserregung beim Contact von Gasen und glühenden Körpern http://babel.hathitr[...]
[16] 논문 Ueber die unipolare Leitung erhitzter Gase http://babel.hathitr[...]
[17] 논문 Ueber die Electrisirung der Gase durch glühende Körper http://babel.hathitr[...]
[18] 논문 Ueber die Electricitätserregung beim Contact verdünnter Gase mit galvanisch glühenden Drähten http://babel.hathitr[...]
[19] 웹사이트 How Japanese Bamboo Helped Edison Make The Light Bulb https://www.amusingp[...] 2024-06-03
[20] 논문 Contribution of Thomas A. Edison to Thermionics https://doi.org/10.1[...] 1960-12-01
[21] 특허 Electrical indicator
[22] 논문 On a peculiar behaviour of glow lamps when raised to high incandescence https://books.google[...]
[23] 서적 Edison https://archive.org/[...] McGraw-Hill
[24] 문서 Provisional specification for a thermionic valve
[25] 특허 Improvements in instruments for detecting and measuring alternating electric currents
[26] 특허 Instrument for converting alternating electric currents into continuous currents
[27] 논문 On the negative radiation from hot platinum https://www.biodiver[...]
[28] 서적 The emission of electricity from hot bodies, 2nd edition https://archive.org/[...]
[29] 논문 The Richardson constant for thermionic emission in Schottky barrier diodes
[30] 논문 Electron Thermionic Emission from Graphene and a Thermionic Energy Converter 2015-01-01
[31] 논문 Universal scaling in nanoscale lateral Schottky heterostructures 2018-08-01
[32] 논문 Generalized high-energy thermionic electron injection at graphene interface 2019-07-01
[33] 논문 Thermionic field emission at electrodeposited Ni-Si Schottky barriers https://eprints.soto[...]
[34] 서적 Handbook of Charged Particle Optics CRC Press
[35] 논문 Thermionic Emission, Field Emission, and the Transition Region
[36] 논문 Opto-Thermionic Refrigeration in Semiconductor Heterostructures
[37] 논문 Very low work function surfaces from condensed excited states: Rydber matter of cesium
[38] 뉴스 New solar energy conversion process discovered by Stanford engineers could revamp solar power production http://news.stanford[...] 2010-08-02
[39] 논문 Photon-enhanced thermionic emission for solar concentrator systems
[40] 논문 Solar cell efficiency tables (version 37)
[41] 논문 Current-Temperature Scaling for a Schottky Interface with Nonparabolic Energy Dispersion
[42] 서적 理工学における 効果（エフェクト）の事典 東京電機大学出版局 1972-05-20


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