CN100543913C - 场发射显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种场发射显示装置,其包括:具有荧光层的阳极,导电阴极和栅极,所述阴极包含有电子发射材料,其中,对应于同一像素的电子发射材料分布在该像素对应的栅极的两侧,所述栅极悬空设置在该像素对应的电子发射材料与该像素对应的荧光层之间,且每个栅极和阴极相交的位置对应于一个像素点。优选的,所述栅极由金属丝制成,金属丝包括金丝、镍丝等。该场发射显示装置进一步包括至少两绝缘障壁,所述金属丝悬挂固定在两绝缘障壁顶部。优选的,所述阴极为圆柱状金属丝;电子发射材料包括碳纳米管,形成在圆柱状金属丝表面。本发明具有如下优点:开启电压较低,实现高分辨率的平面显示,提高电子发射效率。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种场发射显示器,尤其涉及一种高分辨率的三极型场发射显示装置。
【背景技术】
场发射显示器是继阴极射线管(CRT)显示器和液晶(LCD)显示器之后,最具发展潜力的新兴平面显示技术。相对于现有的显示器,场发射显示器具有显示效果好、视角大、功耗小以及体积小等优点,尤其是基于碳纳米管的场发射显示器,即碳纳米管场发射显示器(CNT-FED),近年来越来越受到重视。
碳纳米管首先是由日本研究人员发现,并发表在《自然》杂志(Nature,Vol.354,Nov.7,1991,pp.56-58)。碳纳米管是一种新型碳材料,其具有极优异的导电性能,以及几乎接近理论极限的尖端表面积(尖端表面积愈小,其局部电场愈集中,场增强因子愈大),所以碳纳米管是已知最好的场发射材料,它具有极低的开启电场(大约2伏/微米),可传输极大的电流密度,并且发射电流极稳定,因而非常适合做场发射显示器的发射体。随着碳纳米管生长技术的日益成熟,碳纳米管场发射显示器的研究已经取得一系列重要进展。
一般而言,场发射显示器的结构可以分为二极型和三极型。所谓二极型即包括有阳极和阴极的场发射结构,这种结构由于需要施加高电压,而且均匀性以及电子发射难以控制,驱动电路成本高,基本上不适合高分辨率显示器的实际应用。三极型结构则是在二极型基础上改进,增加有栅极来控制电子发射,可以实现在较低电压条件下发出电子,而且电子发射容易通过栅极来精确控制。
如图6所示,是目前一种典型的三极型场发射装置,图中仅示出一个像素的显示结构。这里所谓像素是指图像显示的最小单元。在典型的彩色显示系统中,彩色图像是通过三原色的组合来实现的,即红(R)、绿(G)、蓝(B)三种单独的色彩单元。每个用于显示单独的色彩(例如红色)的单元即可称为一个像素。以下的场发射装置是以红色像素单元为例来说明。该装置其包括一基底101,形成于基底101上的绝缘层102,形成于绝缘层102上的栅极103,其中绝缘层102和栅极103形成有穿孔104以供发射电子穿过,在穿孔104底端形成有发射电子的发射元件105,此处它也是阴极。另外,在栅极103上方间隔一定距离的位置是阳极106以及具有红色荧光物质的荧光层107。使用时,施加不同电压在阳极106、栅极103和阴极,电子即可从发射元件105发射出,并穿过穿孔104,然后在阳极106形成的电场作用下加速到达阳极106和荧光层107,激发荧光层107发出可见光。一般阳极106电压是几千伏,栅极106的电压为100伏左右。这种结构的场发射显示装置,发射的电子由于受两侧栅极103的电场作用,有一大部分电子110和111会发生较大角度的偏转,打到荧光层107以外的区域。而打到与发射元件105正对区域的中心位置的电子很少,这样就导致电子偏转到旁边其它的像素上(例如绿色或蓝色),从而显示出其它颜色,产生错误的颜色显示;或者是电子打到旁边其它的红色像素上,从而导致图像解析错误。
请参见图7,为解决上述问题,Toshiba公司的研究人员Hironori Asai等人于2002年9月3日公告的美国专利第6,445,124号提出一种改进的结构,主要包括一基底211,一阴极层203形成在基底211上,绝缘层202和栅极201顺序形成在阴极层203上,并形成有穿孔,在穿孔的底端、阴极层203上形成有电子发射层207,用以发射电子。其改进之处在于,上述结构需符合L/S≥1,其中S是穿孔的直径,L是电子射出到达栅极201的最短距离,也即是电子发射层207与栅极201的最短距离。这种结构由于L需比较大,即电子发射层207的电子发射端与栅极201的距离较大,使得栅极201需很高电压才能够形成足够的电场作用将电子从电子发射层207拔出,所以不利于降低发射电压,也会提高该装置的电能消耗;另外,由于电子发射层207位于绝缘层202底端,电子发射点距离栅极201较远,发射出的电子很大部份被绝缘层202阻挡吸收(这一点也是这种结构能够减少横向扩散电子的原因),所以发射电子的有效利用率很低,不可避免会影响图像的显示亮度。
为解决上述现有技术存在的技术问题,本发明其中两发明人魏洋及范守善二人曾经提出一种具有中心栅结构的场发射装置,详情请参见中国发明专利申请第200410027043.5号。
在此,本发明对该中心栅结构的场发射装置作进一步改良,进一步提高电子发射性能及其利用效率,并简化制程,降低成本。
【发明内容】
为解决现有技术的场发射显示器栅极发射电压高,以及由于电子发射体周围的栅极对电子发射产生扩散作用技术问题,以下将通过若干实施例说明一种场发射显示器,其可在较低电压下容易发射电子,可以有效的控制发射电子的方向,将电子束聚焦到对应的像素区域,实现高分辨率图像显示,并可提高电子发射效率。
为实现上述内容,提供一种场发射显示装置,其包括:具有荧光层的阳极,导电阴极和栅极,所述阴极包含有电子发射材料,其中,对应于同一像素的电子发射材料分布在该像素对应的栅极的两侧,所述栅极悬空设置在该像素对应的电子发射材料与该像素对应的荧光层之间,且每个栅极和阴极相交的位置对应于一个像素点。
优选的,所述栅极由金属丝制成,金属丝包括金丝、镍丝等。
优选的,该场发射显示装置进一步包括至少两绝缘障壁,所述金属丝悬挂固定在两绝缘障壁顶部。
优选的,所述阴极为圆柱状金属丝;电子发射材料包括碳纳米管,形成在圆柱状金属丝表面。
与现有技术相比,本技术方案具有如下优点:由于电子发射体的顶端相距栅极的距离可以较小,所以,可以降低发射电子的开启电压;而且,由于栅极位于电子发射体的上方中央,这种结构可使栅极同时具有发射电子和聚焦电子的作用,也就是栅极的电场可以改变电子束运动的方向,使电子束打到荧光屏上的斑点变小,从而实现高分辨率的平面显示;另外,由于栅极悬空设置在电子发射材料上方,所以大部分电子发射材料均可发射电子轰击其对应的荧光层,从而提高电子发射效率。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例碳纳米管场发射显示装置的剖视图。
图2是沿图1的II-II剖线的剖视图。
图3是本发明第一实施例碳纳米管场发射显示装置的电子发射与聚焦机理示意图。
图4是本发明第二实施例的剖视图。
图5是沿图4的V-V剖线的剖视图。
图6是现有技术三极型场发射显示器的结构和电子发射示意图。
图7是另一种现有技术揭露的场发射装置结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合说明书附图及具体实施例对本发明的实施方式作详细描述。
请一起参见图1及图2,是本发明第一实施例一种碳纳米管场发射显示器10的剖示图。该场发射显示器10包括:相对并平行设置的一基底11及一透明出光板21,多个支撑壁18将该基底11及该出光板21间隔开一定距离,以此形成一内部空间(图未标示);多个绝缘障壁14相互平行并分别间隔一定距离排列形成在该基底11的表面,这样在相邻两个绝缘障壁14之间形成一空隙15;在每两个绝缘障壁之间的各个空隙15的底部,分别设置有一第一金属丝12,其基本平行于绝缘障壁14排列在基底11表面上,该第一金属丝12的两端可分别焊接在设置于两侧的引出极121上,所述引出极121有一部分延伸出内部空间外面,以利于与传输信号的装置相连接;该第一金属丝12的表面形成有碳纳米管13,用于发射电子;至少一第二金属丝16,横跨各绝缘障壁14的顶部,悬挂于第一金属丝12的上面,且该第二金属丝16两端部161及162分别向形成在基底11侧边表面的金属电极17弯折延伸,并与之电连接,该第二金属丝16用作栅极电极;上述金属电极17可直接形成于基底11两侧边的表面上,并且有一部分伸出内部空间外面以利于与传输信号的装置(图未示)相连接;所述出光板21面向基底11的内表面形成有一阳极22,而阳极22的表面形成有由荧光层23,荧光层23含有荧光物质,受电子轰击时可激发出相应颜色的可见光。
在本实施例中,所述基底11可由玻璃、硅、陶瓷等绝缘材料制成;所述出光板21可由透明的玻璃板制成;阳极22可由铟锡氧化物导电膜(ITO)制成;而所述绝缘障壁14可由玻璃等绝缘材料形成具有一定高度的长条形,多个绝缘障壁14可相互平行、间隔一定距离的分布排列。
优选的,本实施例中的第一金属丝12可由金丝、镍丝等导电性优良的导体制成,其直径适合实际使用即可,例如可为十微米至数十微米。第一金属丝12表面的碳纳米管13可通过合适的方法形成,例如,可以直接在镍丝上通过化学气相沉积法生长碳纳米管,或用其它方法使碳纳米管附着于第一金属丝表面。优选的,第一金属丝12表面为圆弧状,一方面有利于在圆弧状表面上形成更多数量的碳纳米管,另一方面可使碳纳米管呈发散分布,有利于增大相邻碳纳米管尖端之间的距离,从而减小相互之间的场屏蔽效应,这种结构的优点请参阅中国发明专利申请第200410052163.0号。
优选的,第二金属丝16可由金丝、镍丝等导电性优良的导体制成,其直径在满足机械强度的前提下可以尽量小,例如数微米至数十微米,以利于减少电子发射时对电子的阻挡。另外,第二金属丝16可以通过粘结或其它方式固定于绝缘障壁14顶部,例如,可在安装第二金属丝16之前,先行在绝缘障壁14顶部印刷一层玻璃浆料,然后将第二金属丝16绷紧、暂时横悬在绝缘障壁14顶部,再通过烧结玻璃浆料将其固定于绝缘障壁14顶部。
在典型的场发射显示装置中,栅极与阴极分别是以相互垂直的行、列方式排布的,栅极与阴极分别控制扫描信号或控制信号。在本实施例中,当然也可以采用这种行、列排布的方式来安排栅极(即第二金属丝16)与阴极(即形成有碳纳米管13的第一金属丝12)。每一行、列相交的位置即可对应于一个像素点。
本实施例中,各荧光层23分别正对于一第一金属丝12,而作为栅极的第二金属丝16则垂直于第一金属丝12、悬挂在其上方,这种结构可称为悬挂中心栅场发射结构。
本实施例中,绝缘障壁14的高度应比第一金属丝12的直径大,确保第一金属丝12表面的碳纳米管13不会与第二金属丝16(即栅极)相接触形成短路。优选的,碳纳米管13与第二金属丝16之间的距离较小,有利于降低场发射所需的电压。
使用时,分别施加不同电压给阳极22,栅极(第二金属丝16)和阴极(第一金属丝12),在栅极的电场作用下,电子从第一金属丝12表面的碳纳米管13顶端发射出来,并在阳极22的电场作用下,穿过内部空间加速轰击至荧光层23发出可见光。本实施例的场发射结构中,栅极的位置对应于荧光层23的中心处,电子发射体碳纳米管13则分别位于栅极两侧,这样,栅极不仅起到将电子从碳纳米管13顶端“拔出”的作用,还起到聚焦电子束的作用,即碳纳米管13发射出的电子受悬挂在中央上方的栅极的电场作用,聚焦于荧光层23,从而实现电子正确、精准的轰击在所需位置,可以实现较高分辨率的平面显示。
为进一步了解本实施例的具体结构、实现电子束聚焦的原理以及其它特点,下面作以一个像素的结构为例子作进一步详细描述。
请参见图3,形成在第一金属丝12(即阴极)表面的碳纳米管13在第二金属丝16(即栅极)的电压(两电极之间的电势差)形成的电场作用下,碳纳米管13发射出电子,其中距离第二金属丝16较远的碳纳米管发射出来的电子33在电场作用下发生偏转,容易轰击在对应的荧光层23边缘处,靠近第二金属丝16的碳纳米管发射出来的电子31容易轰击在荧光层23的中心附近,仅仅只有极少数正对于第二金属丝16的碳纳米管发射出来的电子32容易被第二金属丝16阻挡不能轰击到荧光层23上,而且当第二金属丝16直径很小的情况下这种阻挡也可以降到最小。因此,大部分碳纳米管13发射的绝大部分的电子均能有效的轰击于荧光层23用于发光,所以,相对于现有技术,本实施例的电子发射效率大为提高;而且,由于第二金属丝16的聚焦作用,使得电子轰击在荧光层上的区域面积变小,从而可减小图像最小像素的尺寸大小,可实现高分辨率、高质量的图像显示。
下面简单介绍上述实施例的制备方法:含有碳纳米管13的第一金属丝12可以采用前述的方法单独制备;绝缘障壁14可采用传统的丝网印刷方法形成;第二金属丝16可采用前述的烧结方法固定于绝缘障壁上;最后将制备好的各部分组装,并与带有阳极及荧光层的玻璃板对中、真空封装即可。所以,本实施例制备方法比较简单,可大量生产。
请参阅图4和图5,本发明的第二实施例与第一实施例的结构大致相同,包括相对设置的基底11和出光板21,形成在基底11上的绝缘障壁14,以及形成在出光板21上的阳极22以及荧光层23,其不同在于,在相邻两绝缘障壁14之间形成的间隙15区域,形成有导电的阴极层41以及形成在该阴极层41表面的碳纳米管层43,其中该阴极层41可为一层与绝缘障壁14平行的带状金属薄膜,例如镍、铜或金薄膜等。栅极45横跨在绝缘障壁14顶部,与阴极层41呈垂直正交状,其中栅极45与阴极层41相交叉的区域正对其上方的荧光层23。碳纳米管层43可通过印刷碳纳米管浆料的方法形成在阴极层41表面,也可通过其它方法形成;当然,碳纳米管层43可分布于整个阴极层41表面,也可仅分布于栅极45与阴极层41相交区域的部分表面。
第二实施例的电子发射轨道及聚焦机理与第一实施例大致相似,在此不作详细说明。
上述实施例仅对场发射显示装置的一部分单元结构作出说明,本技术领域的人员可根据上述实施例的精神扩大尺寸,形成大尺寸的平面显示装置。
可以理解的是,虽然本发明场发射显示器的上述实施例采用碳纳米管作为电子发射体,但不能因此限制本发明的范围,另外的实施例中也可采用其它具有发射电子的尖端的材料,如碳纤维、石墨、金刚石也可适用,甚至具有尖端的金属发射体也可作为发射电子的材料。
Claims (12)
1.一种场发射显示装置,其包括:具有荧光层的阳极,导电阴极和栅极,所述阴极包含有电子发射材料,其特征在于,对应于同一像素的电子发射材料分布在该像素对应的栅极的两侧,所述栅极悬空设置在该像素对应的电子发射材料与该像素对应的荧光层之间,且每个栅极和阴极相交的位置对应于一个像素点。
2.根据权利要求1所述的场发射显示装置,其特征在于所述阴极与栅极分别按行列排布。
3.根据权利要求2所述的场发射显示装置,其特征在于各栅极正对于其对应的荧光层的中心。
4.根据权利要求3所述的场发射显示装置,其特征在于所述栅极由金属丝制成。
5.根据权利要求4所述的场发射显示装置,其特征在于所述金属丝包括金丝、镍丝。
6.根据权利要求4所述的场发射显示装置,其特征在于该场发射显示装置进一步包括至少两绝缘障壁,所述金属丝悬挂固定在两绝缘障壁顶部。
7.根据权利要求2所述的场发射显示装置,其特征在于所述阴极为圆柱状金属丝。
8.根据权利要求2所述的场发射显示装置,其特征在于所述阴极为金属薄膜。
9.根据权利要求7或8所述的场发射显示装置,其特征在于所述电子发射材料是碳纳米管。
10.根据权利要求1所述的场发射显示装置,其特征在于所述电子发射材料是选自碳纳米管,碳纤维,石墨碳,金刚石,或金属其中之一。
11.根据权利要求8所述的场发射显示装置,其特征在所述电子发射材料为碳纳米管层。
12.根据权利要求11所述的场发射显示装置,其特征在所述碳纳米管层形成在金属薄膜的表面。
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