CN100487847C - 包括形成多层结构电子发射源的场发射显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开场发射显示器，其包括以预定间隔彼此相对设置的第一和第二衬底；设置在第一和第二衬底其中之一上的电子发射源；用于诱导从电子发射源发射电子的电子发射诱导装置；设置在没有形成电子发射源的衬底上的辐射装置，该辐射装置通过来自电子发射源的电子发射实现图像。电子发射源包括碳纳米管层和基极层，该基极层连接碳纳米管层到衬底并且施加电子发射所需的电压到碳纳米管层上。此外，设置在基极层的包括隆起和凹坑的外表面上的碳纳米管层处于与基极层基本不混合的状态。基极层包括：从PbO，SiO2，Ba2O3和它们的混合物构成的组中选取的玻璃熔块所实现的粘性材料；以及选自于由银、铜和铝构成的组的金属导电材料。

Description

包括形成多层结构电子发射源的场发射显示器
技术领域
本发明涉及场发射显示器，并且更具体地，涉及包含使用碳纳米管的电子发射源的场发射显示器。
背景技术
第一个场发射显示器使用Spindt型的电子发射源，其中例如钼或者硅的材料被形成层并且在多个位置形成尖锐的点。但是，Spindt型的电子发射源因为其精微的结构使得加工复杂，并且需要高精确度的加工工艺。这些因素使Spindt型的电子发射源应用于大屏幕尺寸的显示设备变得困难。
因此，正在努力通过利用碳基材料形成平的电子发射源来简化加工并使具有大屏幕尺寸的显示设备的生产变得容易。
适合形成电子发射源的碳基材料包括石墨、金刚石型的碳(DLC)和碳纳米管。其中，碳纳米管看来很有用作电子发射源的前途。这是因为碳纳米管具有曲率半径大约为十几到几十纳米的极端微细的尖，还因为碳纳米管在大约1～10V/μm的低电场下就能够发射电子。
使用碳纳米管的电子发射源典型地采用丝网印刷方法形成。在丝网印刷方法中，碳纳米管粉末、熔块(frit)和媒介物(vehicle)结合成的糊状混合物被丝网印刷到阴极电极上，然后该混合物经热处理以便蒸发掉混合物中的有机成分。紧接着，熔块被熔化使得碳纳米管粘附到阴极电极上。
通过使用丝网印刷方法，加工变得简单而且应用到大屏幕显示设备变得可能。但是，采用丝网印刷方法形成的电子发射源使得大部分的碳纳米管嵌在所述糊状物的固体颗粒的里面并且不能从电子发射源的表面突出来。
图15显示用丝网印刷方法形成的电子发射源的示意图。碳纳米管3a和3b被详细地显示。虽然碳纳米管3a从传统的电子发射源1表面突出来，但是碳纳米管3b(也即，大部分的碳纳米管)被嵌在固体颗粒中的。嵌在固体颗粒中的碳纳米管3b不能实施电子发射。图中参考标记5表示阴极电极，参考标记7表示绝缘层，参考数字9所示为栅电极。
图16是使用丝网印刷方法形成的电子发射源的内部横断面部分的扫描电子显微镜照片。在照片中，球形的材料是固体颗粒。图上显示细的碳纳米管嵌在固体颗粒中间。
因此，在使用用碳纳米管的传统的电子发射源的情况下，在一定水平的电场下的不能得到在电子发射源周边产生的期望的电子发射数量。为了实现期望水平的电子发射，必须施加更高的电压，也即，更高的总的驱动电压是必须的。除消耗更大的能量之外，高电压的应用导致电子发射源的寿命缩短。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种场发射显示器，其中更多数量的碳纳米管被制成从电子发射源的表面凸出，并因此增加电子发射的数量，减小驱动电压，并且增加电子发射源的寿命。
本发明的另一个目的是提供一种容易加工的和高效的场发射显示器。
本发明的又一个目的是提供一种简化的制造方法并通过形成平的电子发射源使得具有大屏幕尺寸的显示设备的生产变得容易。
在一实施例中，本发明提供一种场发射显示器，包括第一和第二衬底，该些衬底以预定间隔彼此相对设置，以形成真空装置；电子发射源，设置在第一和第二衬底其中之一上；电子发射诱导装置，用来诱导电子发射源的电子发射；以及辐射装置，设置在第一和第二衬底其中之一上，也即，没有形成电子发射源的衬底上，该辐射装置利用来自电子发射源的电子发射实现图像。所述电子发射源包括碳纳米管层和基极层(base layer)，所述基极层连接碳纳米管层到设置有电子发射源的衬底，并且具有导电性以便施加电子发射所需的电压到碳纳米管上，而且，所述基极层具有预定的厚度及包括隆起和凹坑的外表面。此外，所述碳纳米管层以完全不与基极层混合的状态设置在基极层的包括隆起和凹坑的外表面上。其中基极层包括：粘性材料，其通过选自于由PbO，SiO2，Ba2O3和它们的混合物构成的组中的玻璃熔块实现；以及金属导电材料，其选自于由银、铜和铝构成的组中。
优选地，基极层包括直径为0.05～5μm(微米)的球形颗粒，或者包括具有间隔1～20μm、深度0.01～5μm和宽度0.05～10μm的隆起和凹坑的薄膜。
球形颗粒为选自包括银、铜和铝的组中的导电金属颗粒，所述薄膜由铟锡氧化物或铬形成。
优选地，碳纳米管层的碳纳米管密度是基极层的碳纳米管密度的100～1,000,000倍，并且基极层形成有0.05～5μm的厚度。
本发明提供一种形成用于场发射显示器的电子发射源的方法，包括：丝网印刷包括粘性材料、导电材料和媒介物的第一混合物到衬底上，然后干燥第一混合物；丝网印刷包括碳纳米管粉末和媒介物的第二混合物到第一混合物上，然后干燥第二混合物；以及烘烤第一和第二混合物以熔化第一混合物中的粘性材料，并且蒸发第一和第二混合物中的有机成分。
本发明还提供一种形成用于场发射显示器的电子发射源的方法，包括：丝网印刷包括粘性材料、导电材料、光敏树脂、光固化引发剂和媒介物的第一混合物到衬底上，然后干燥第一混合物；丝网印刷包括碳纳米管粉末、光敏树脂、光固化引发剂和媒介物的第二混合物到第一混合物上，然后干燥第二混合物；强化第一和第二混合物的部分区域以便选择性地硬化第一和第二混合物；通过去除经过强化工艺没有被硬化的区域使第一和第二混合物形成图形；以及烘烤第一和第二混合物的剩余区域以熔化第一混合物的粘性材料，并蒸发第一和第二混合物中的有机成分。
附图说明
由于通过参考下列的详细描述及附图本发明变得更好理解，故而本发明的更完整的评价及其伴随的很多优势将是容易明白的，在附图中相似的参考标记表示相同的或相似的构件，在其中：
图1是根据本发明的第一优选实施例的场发射显示器的局部立体透视图；
图2是根据本发明的第一优选实施例的场发射显示器的局部剖视图；
图3和4是根据本发明的第一优选实施例的改良的示例的电子发射源的示意图；
图5是根据发明的第二优选实施例的场发射显示器的局部立体透视图；
图6是根据发明的第二优选实施例的场发射显示器的局部剖视图；
图7到11是显示根据本发明形成电子发射源的连续的步骤的示意图；
图12和13是扫描电子显微镜照片，分别显示了根据本发明的电子发射源的平面图和侧视图；
图14是显示本发明和现有技术的电子发射源的电流密度和电场强度之间的关系的曲线图；
图15是用传统方法形成的电子发射源的示意图；以及
图16是用传统方法形成的电子发射源的内部断面的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
现在将参考附图详细地描述本发明的优选实施例。
图1是根据本发明的第一优选实施例的场发射显示器的局部立体透视图，图2是是根据本发明的第一优选实施例的场发射显示器的局部剖视图。
场发射显示器(FED)2包括以预定间隔彼此相对设置的前衬底4和后衬底6，以形成真空装置。电子发射源8和用来产生电子发射所需的电场的结构设置在后衬底6上，而能够通过利用电子发出可见光来实现预定图像的结构设置在前衬底4上。
更具体地，阴极电极10以条形图形沿着Y轴方向形成在后衬底6上。此外，在后衬底6上形成覆盖阴极电极10的绝缘层12，并且在绝缘层12上形成沿X轴方向的条形的栅极电极14使得栅极电极14垂直于阴极电极10。
贯穿栅极电极14和绝缘层12的孔16形成在阴极10和栅极14交叉的区域(也即，像素区域)。通过碳纳米管实现的电子发射源8形成在阴极电极10的由孔16暴露的区域。每一个电子发射源8通过绝缘层12与栅极电极14绝缘，并且由栅极电极14形成的孔16的最上面的部分(在Z方向上)环绕包围着电子发射源8上方的区域。
每一个电子发射源8包括碳纳米管层18和基极层20。基极层20连接碳纳米管层18和对应的阴极电极10，并且具有一定程度的导电性以便能够施加电子发射所需的电压。碳纳米管层18设置在基极层20上，并且形成这两个元件的材料基本上不混合。
基极层20包括粘性材料和导电材料以便表现出粘性和导电性，并且优选地，以0.05～5μm的预定厚度形成在阴极10上。所述粘性材料是选自于PbO、SiO2、Ba2O3或它们的混合物中的玻璃熔块，并且通过烘烤被熔化以便碳纳米管18a被粘附到阴极电极10。导电材料可以使用金属。优选地，基极层20的导电材料是使用例如银(Ag)、铜(Cu)和铝(Al)的金属。当基极层的厚度小于0.05微米，在电子发射源被激发后，因为碳纳米管层与基极层的粘连弱，碳纳米管容易从基极层上脱开。当基极层的厚度大于5微米，通过阴极电极的碳纳米层的场发射效应退化。此外，当基极层包括作为粘连材料的玻璃熔块时，因为玻璃熔块不导电，碳纳米管层的场发射效应进一步退化。
如上描述的，在烘烤包括粘性材料和导电材料的基极层20之后，固体颗粒保存下来。形成碳纳米管层18的碳纳米管18a被设置成一端附着在相应的基极层20而相反的一端沿着远离电子发射源8的方向从相应的基极层20伸出。
基极层20可以仅由导电材料形成，或者也可以由具有粘性的如银(Ag)、镍(Ni)、铝(Al)、金(Au)、钴(Co)和铁(Fe)的导电材料形成。
既然基极层20和碳纳米管层18是以这种方式被人工地分离，并且碳纳米管18a在重量上明显比形成基极层20的例如银的金属颗粒轻，所以形成碳纳米管层18的单个碳纳米管18a的穿透进入基极层20被最小化。最终结果是碳纳米管层18的碳纳米管18a的密度是基极层20的碳纳米管18a密度的100到1,000,000倍。
由于电子发射源8中的基极层20和碳纳米管层18的分离结构，碳纳米管18a从电子发射源8的表面突出而不是嵌在基极层20里面。结果，实现从电子发射源8的表面突出的碳纳米管18a的数量的增加，并且以这种方式，从碳纳米管18a的尖端发射的电子发射更容易发生。
施加电子加速所需的高电压(大约5～10kV(千伏))的透明的阳极电极22和被发出可见光的电子激发的荧光(phosphor)层24形成在前衬底4上。间隔棒26设置在前衬底4和后衬底6之间以便保持它们之间预定的单元间隔。
如果预定的DC(直流)或者AC(交流)电压施加到阴极电极10和栅极电极14之间，并且高电压施加到阳极电极22上，那么由于阴极电极10和栅极电极14之间的电压差在电子发射源8的周围形成电场，使得电子从电子发射源中发射。发射的电子被吸引到施加到阳极电极22的高电压，因此撞击相应的荧光层24。结果荧光层24被点亮以实现预定的图像。
当从电子发射源的表面突出的碳纳米管18a的数量更多时，电场更容易聚集到碳纳米管18a的末端。因此，电子发射从更多数量的碳纳米管18a的末端发生，从而电子发射数目增加。这提高了屏幕的亮度。
电子发射源8可以利用基极层的不平坦的表面形成或者通过在基极层20的表面制造隆起(凸出)和凹坑以增加基极层的表面面积，使得设置在基极层20上的碳纳米管18a的密度进一步增加。
在本发明的第一优选实施例中的一个改良的示例中，参考图3，电子发射源28的基极层30包括直径为0.05～5μm的球形颗粒30a，并且基极层30由于球形颗粒30a具有不平坦的外表面。碳纳米管层32也由于球形颗粒30a而具有不平坦的外表面。球形颗粒30a优选地由例如银、铜和铝的导电金属形成。除了导电颗粒外，基极层30还可以包括例如玻璃熔块的粘性材料。当球形颗粒直径小于0.05微米，基极层太密以至于不能留出足够的位置来垂直排列碳纳米管。因此，碳纳米管层的场发射效应退化。当球形颗粒直径大于5微米，与碳纳米管层的场发射不相关的球形颗粒的表面积变得更大。因此，碳纳米管层的场发射效应同样退化。
在本发明的第一优选实施例中的另一个改良的例子中，参考图4，电子发射源34的基极层36可以包括形成有宽度0.05～10μm、深度0.01～5μm和间隔1～20μm的隆起和凹坑的薄膜36a。该宽度与阴极电极的结构相关，并且为了确保阴极电极的间距和分辨率，在每一个电子发射源中有最小数量的碳纳米管。宽度的范围得自以上事实。此外，考虑到该宽度，间隔的最小范围是1微米。深度与碳纳米层的场发射效应相关。当深度小于0.01微米，场发射不会到达碳纳米管。薄膜36a由例如ITO(铟锡氧化物)和铬的导电材料制成，并且薄膜36a的隆起和凹坑可以用传统的光刻工艺形成。基极层36和碳纳米层38因为薄膜36a的隆起和凹坑而同样具有不平坦的外表面。
用于在电子发射源的周围形成电场的电极结构可以依照如下描述来实现。图5是根据发明的第二优选实施例的场发射显示器的局部立体透视图，图6是根据发明的第二优选实施例的场发射显示器的局部剖视图。前衬底4的结构与本发明的第一优选实施例的前衬底的结构相同，所以将只描述后衬底6的结构。
在后衬底6上形成沿着Y轴方向的条形的栅极电极40，并且绝缘层42形成在后衬底6的整个表面上并覆盖栅极电极40。在绝缘层42上形成沿X方向的条形的阴极电极44使得阴极44垂直于栅极电极40。此外，电子发射源46形成在阴极电极44和栅极电极40交叉的区域(也即，像素区域)。也即，电子发射源46形成在阴极电极44上的每一个像素区域中。
如果预定的DC或AC电压被施加到栅极电极40和阴极电极44之间，因为栅极电极40和阴极电极44之间的电压差在电子发射源46周围形成电场。由于电子发射源46的结构和第一优选实施例的相同，它的详细描述将不再提供。
现在将参考图7到图11描述形成电子发射源的方法。
首先，如图7所示，混合了粘性材料、导电材料和媒介物的第一混合物48被丝网印刷到阴极电极10上并干燥。优选地，粘性材料是从PbO，SiO2，Ba2O3或它们的混合物中选出的玻璃熔块，并且导电材料是粉末状的银、铜、铝等金属。第一混合物48也可以通过导电材料或者具有导电性的粘性金属实现。银、镍、铝、金、钴和铁可以用作具有导电性的粘性材料。
所述媒介物是用来调节复合物的粘度、浓度等的材料，以便允许容易的印刷。典型的例子包括提供粘着力的制剂(agent)、粘合剂和溶剂。例如，硅族材料可以用作提供粘着力的制剂；丙烯酸树脂和环氧树脂可以用作粘合剂；以及乙基纤维、萜品醇和丁基卡必醇乙酯(butyl carbitol acetate)可以用作溶剂。
另一方面，参考图8，在第一混合物50包括颗粒半径为0.05～5μm的，例如银、铜或者铝的导电颗粒50a的情况下，第一混合物50通过导电颗粒50a实现不平坦的外表面。
接着，参考图9，包括碳纳米管粉末和媒介物的第二混合物52被丝网印刷到第一混合物48上并随后干燥。干燥的第一和第二混合物48和52在300到500℃的温度下烘烤5～60分钟。这烧掉第一和第二混合物48和52中的有机成分因而实现由图2所示的基极层20和碳纳米管18a形成的电子发射源8。
在烘烤工艺中，第一混合物48的粘性材料熔化，并且在第一和第二混合物48和52中的有机成分都被去除使得大部分的碳纳米管18a设置成一端粘在相应的基极层20而它们的另一端从电子发射源8的表面伸出。
此外，第一混合物48和第二混合物52还可以包括光敏树脂和光固化引发剂(photoinitiator)。在这种情况下，在丝网印刷第一和第二混合物48和52到后衬底6上之后，红外线被有选择性地照射到期望形成电子发射源8的部分以便硬化部分第一和第二混合物48和52。在这个工艺中没有硬化的区域随后被去除，因而在所期望的区域实现电子发射源8。
如图4所示，在当电子发射源34包括薄膜36a的情况下，电子发射源的形成按如下所述的实现。
首先，参考图10，由ITO和铬等制成的导电膜54涂在阴极电极10上，厚度为1～5μm的光致抗蚀剂56涂在导电膜54上，然后光致抗蚀剂56以1～20μm间隔被图形化以便暴露部分导电膜54。随后，蚀刻溶液(如箭头所示)用来蚀刻导电膜54的暴露部分，因而导致如图11所示的在其上形成间隔1～20μm、宽度0.05～10μm和深度0.01～5μm的隆起和凹坑的薄膜36a。
接着，粘性材料和媒介物混合的第一混合物58被丝网印刷到薄膜36a上并且干燥，然后包括碳纳米管粉末和媒介物的第二混合物60被丝网印刷到第一混合物58上并且干燥。干燥的第一和第二混合物58和60在300到500℃的温度下烘烤5～60分钟因而去除在第一和第二混合物58和60中的有机成分。如图4所示，这样完成了电子发射源34的形成。
图12和13是扫描电子显微镜照片，分别显示了基极层中包含银颗粒的电子发射源的平面图和侧视图。在照片中，球形部分是银颗粒，并且可以看见细的碳纳米管从银颗粒的表面伸出。
图14是显示本发明(优选实施例)的和现有技术(对照样品)的电子发射源的电流密度和电场强度之间的关系的曲线图。图12所示的电子发射源用作优选实施例的电子发射源，而图16所示的电子发射源用作对照样品的电子发射源。图中横轴表示施加到电子发射源上的电场强度，纵轴表示电流密度。
如图14所示，由于在优选实施例中从电子发射源的表面伸出更大数量的碳纳米管，所以相对对照样品而言在相同的电场强度下实现了明显更高的电流密度。在施加7.5V(volts)电压的情况下，优选实施例的电流密度大约是对照样品的四倍。
在如上构造的本发明的FED中，更大数量的碳纳米管可以从电子发射源的表面伸出。因此，在同样电场强度的情况下电子发射的数目增加从而提高屏幕亮度，并且能够在较低的驱动电压下达到期望的电子发射数目使得运行FED所需的能量较少。这也防止施加过高的电压到电子发射源上从而电子发射源的寿命增加。
虽然本发明的优选实施例已经在上文被详细地描述，但是应该明确地理解的是，本领域技术人员可能会遇到的这里所教导的基本的发明概念的很多变化和/或改动，仍然是在如所附的权利要求书所界定的本发明的精神和范围内。

Claims (16)

1.一种场发射显示器，包括：
第一和第二衬底，所述衬底以预定间隔彼此相对设置以形成真空装置；
电子发射源，其设置在所述第一和第二衬底中的一个衬底上；
电子发射诱导装置，其诱导来自所述电子发射源的电子发射；以及
辐射装置，其设置在所述第一和第二衬底中的不包括所形成的电子发射源的另一个衬底上，该辐射装置通过来自所述电子发射源的电子发射实现图像，
电子发射源包括碳纳米管层和基极层，该基极层连接所述碳纳米管层到所述第一和第二衬底中的一个设置有电子发射源的衬底，并且该基极层具有导电性以施加电子发射所需的电压到所述碳纳米管层，以及
所述基极层具有预定的厚度及包括隆起和凹坑的外表面，并且所述碳纳米管层以与所述基极层基本上不混合的状态被设置在所述基极层的包括隆起和凹坑的所述外表面上，
其中所述基极层包括：
粘性材料，其通过选自于由PbO，SiO2，Ba2O3和它们的混合物构成的组中的玻璃熔块实现；以及
金属导电材料，其选自于由银、铜和铝构成的组中。
2.根据权利要求1所述的场发射显示器，其中所述电子发射诱导装置包括：
阴极电极，其以条形图形形成在第一和第二衬底中的一个设置有所述电子发射源的衬底上，所述电子发射源设置在该阴极电极的外表面上；
绝缘层，其被形成并在除了电子发射源形成区域之外的所有区域覆盖所述阴极电极；以及
栅极电极，其以条形图形并沿基本上垂直所述阴极电极的方向形成在所述绝缘层上，该栅极电极包括用来暴露电子发射源的孔。
3.根据权利要求1所述的场发射显示器，其中所述电子发射诱导装置包括：
栅极电极，其以条形图形形成在第一和第二衬底中的一个设置有所述电子发射源的衬底上；
绝缘层，其形成在第一和第二衬底中的一个设置有所述电子发射源的衬底的整个表面上，并覆盖所述栅极电极；以及
阴极电极，其以条形图形并沿基本上垂直所述栅极电极的方向形成在所述绝缘层上，所述电子发射源形成在所述阴极电极的外表面上。
4.根据权利要求1所述的场发射显示器，其中所述辐射装置包括：
阳极电极，其形成在没有形成所述电子发射源的衬底上；以及
荧光层，其形成在所述阳极电极的外表面上。
5.根据权利要求1所述的场发射显示器，其中所述基极层包括直径为0.05～5μm的球形颗粒。
6.根据权利要求5所述的场发射显示器，其中所述球形颗粒为选自于由银、铜和铝构成的组中的导电金属颗粒。
7.根据权利要求1所述的场发射显示器，其中所述基极层包括具有宽度0.05～10μm、深度0.01～5μm和间隔1～20μm的隆起和凹坑的薄膜。
8.根据权利要求7所述的场发射显示器，其中所述薄膜由铟锡氧化物或铬形成。
9.根据权利要求1所述的场发射显示器，其中所述碳纳米管层的碳纳米管的密度为所述基极层的碳纳米管密度的100到1,000,000倍。
10.根据权利要求1所述的场发射显示器，其中所述基极层形成厚度为0.05μm到5μm。
11.一种形成用于场发射显示器的电子发射源的方法，包括：
丝网印刷包括粘性材料、导电材料和媒介物的第一混合物到衬底上，然后干燥第一混合物；
丝网印刷包括碳纳米管粉末和媒介物的第二混合物到第一混合物上，然后干燥第二混合物；以及
烘烤第一和第二混合物以熔化第一混合物中的粘性材料，并且蒸发第一和第二混合物中的有机成分。
12.根据权利要求11所述的方法，该粘性材料具有导电性，并选自于由银、镍、铝、金、钴和铁构成的组中。
13.根据权利要求11所述的方法，其中导电材料选自于由银、铜和铝构成的组中。
14.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述粘性材料通过选自于由PbO，SiO2，Ba2O3或它们的混合物构成的组中的玻璃熔块实现；以及
所述导电材料选自于基本上由银、铜和铝构成的组中。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括在丝网印刷第一混合物前：
涂导电膜到阴极电极上；
涂厚度范围为1～5μm的光致抗蚀剂在所述导电膜上；
以1～20μm间隔对光致抗蚀剂进行图形化以暴露导电膜；以及
利用蚀刻溶液蚀刻所述导电膜的部分区域，以暴露部分导电膜，以便形成间隔1～20μm、宽度0.05～10μm和深度0.01～5μm的隆起和凹坑，
其中第一混合物被丝网印刷到所述衬底上被蚀刻的导电膜上。
16.一种形成用于场发射显示器的电子发射源的方法，包括：
丝网印刷包括粘性材料、导电材料、光敏树脂、光固化引发剂和媒介物的第一混合物到衬底上，然后干燥第一混合物；
丝网印刷包括碳纳米管粉末、光敏树脂、光固化引发剂和媒介物的第二混合物到第一混合物上，然后干燥第二混合物；
强化第一和第二混合物的部分区域以便选择性地硬化第一和第二混合物；
通过去除经过强化工艺没有被硬化的区域使第一和第二混合物形成图形；以及
烘烤第一和第二混合物的剩余区域以熔化第一混合物的粘性材料，并蒸发第一和第二混合物中的有机成分。
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