CN100583353C

CN100583353C - 场发射显示器的制备方法

Info

Publication number: CN100583353C
Application number: CN200410027405A
Authority: CN
Inventors: 魏洋; 范守善
Original assignee: Tsinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: CN1705060A; US7473154B2; US20050266766A1

Abstract

本发明提供一种场发射显示器的制备方法，解决电子束发散的问题，其包括下列步骤：步骤一，将碳纳米管分布在绝缘基底表面形成的导电阴极层上；步骤二，在导电阴极层上正交形成绝缘层；步骤三，在所述绝缘层上形成导电栅极；步骤四，使分布在所述导电栅极两侧的导电阴极层上的碳纳米管直立于所述导电阴极层上；步骤五，封装荧光屏和密封侧壁。这样，栅极具有发射电子和聚焦电子的双重作用，实现发射电子和控制电子发射方向的目的。

Description

场发射显示器的制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种平面显示器的制备，尤其涉及一种碳纳米管场发射显示器的制备方法。

【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，最具发展潜力的下一代新兴技术。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11所示，目前典型的三极型场发射装置，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103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，这样就导致显示的像素点较大，难以适应高分辨率的平面显示；即使一小部分电子能够打到荧光层107的区域，也是打到边缘区域的电子多，打在中央位置的电子少，造成图像点中央暗，边缘亮的不良效果。

请参见图12，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拨出，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。

【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，本发明之目的在于提供一种场发射显示器的制备方法，由该方法制得的场发射显示器可在低电压下发射电子，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，减小电子束斑点的宽度，实现高分辨率图像显示。

为实现上述发明目的，本发明提供一种场发射显示器的制备方法，其包括下列步骤：步骤一，将碳纳米管分布在绝缘基底表面形成的导电阴极层上；步骤二，在导电阴极层上正交形成绝缘层；步骤三，在所述绝缘层上形成导电栅极；步骤四，使分布在所述导电栅极两侧的导电阴极层上的碳纳米管直立于所述导电阴极层上；步骤五，封装荧光屏和密封侧壁。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：碳纳米管围绕中心的栅极而形成，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。

【附图说明】

图1至图6是本发明场发射显示器制备方法实施例的各步骤示意图。

图7是本发明方法制备得到的场发射显示器的发射电子原理示意图。

图8至图10是本发明采用的不同形状结构绝缘层的示意图。

图11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12是美国专利第6,445,124号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。

首先请参见图6，是本发明实施例的场发射显示器1的示意图，包括形成在玻璃基底10表面的阴极12，垂直于阴极12长度方向压置在阴极12上的绝缘层13，形成在绝缘层13上的栅极14，直立分布在绝缘层13两侧的阴极12上的碳纳米管16，在栅极14上方间隔一定距离的对应位置是形成在阳极18上的荧光层19，其中阳极18是附着形成在透明玻璃板17面对阴极12的表面。

上述阴极12是由导电材料，如ITO(铟锡氧化物)导电膜或金属层做成的长条或带状，形成于玻璃基底10上；显然，有多个阴极12时，可以互相平行形成在玻璃基底10表面。

绝缘层13是由绝缘材料做成，例如玻璃。

碳纳米管16的高度比绝缘层13低一定距离，即碳纳米管16的顶端位于栅极14下方一定距离处，以避免阴极12和栅极14短路；但是，碳纳米管16的高度本身并没有任何限制，并且，其顶端与栅极14的距离没有类似美国专利第6,445,124的范围限制，即碳纳米管16的顶端可以靠近栅极14(但不接触)，考虑到过分靠近栅极14有可能产生短路，所以，碳纳米管16的顶端与栅极14的距离应该适中，即在不影响电子20发射的情况下，为降低开启电压，可以尽可能接近栅极14。

另外需要说明的是，实际上碳纳米管16的高度、直径非常小，而且常常以碳纳米管束的形式存在，图中示出单根碳纳米管16仅仅是为了简单、便于说明，所以，不能因此限制本发明的范围。

阳极18可由ITO导电膜做成；在阳极18表面形成有荧光层19，当受到电子20轰击时可发出可见光；

上述阳极18通过绝缘的间隔侧壁15支撑，与阴极12、栅极14以及碳纳米管16隔开一定距离，并密封后抽成真空，形成一内部空间。

优选的，绝缘层13的形状呈楔形，即绝缘层13与阴极12接触的底面宽度最大，与栅极14接触的顶面宽度最小，从该底面到顶面这一段的宽度逐渐缩小。

请一起参见图1至图6，本发明场发射显示器的制备方法包括下列步骤：

步骤一，将碳纳米管16分布在绝缘玻璃基底10表面形成的阴极12上。上述步骤可以通过多种途径实现，例如将碳纳米管浆料直接涂覆在制备好的玻璃基底10表面的阴极12表面。也可通过下列途径实现：

a)先在玻璃基底10表面制备出亲水的阴极12；

b)然后在玻璃基底10表面涂覆一层疏水的光刻胶11，并用标准的光刻工艺将阴极12表面的光刻胶11去除，使得阴极12显露出来(如图1所示)；

c)将碳纳米管溶于有机溶剂，经超声分散后配制成碳纳米管溶液备用；

d)将上述处理好的玻璃基底10垂直浸入配制好的碳纳米管溶液中，使得碳纳米管粘附在亲水的阴极12表面；

d)用洗脱剂(例如丙酮)将光刻胶11洗去，这样在阴极12表面均匀分布有一层碳纳米管(如图2所示，其中碳纳米管未示出)。

步骤二，在阴极12上正交形成绝缘层13；绝缘层13可以为玻璃材料。可以通过丝网印刷的方法印上一层条状玻璃浆料，然后烧结形成绝缘层13(如图3所示)。这样，粘附于阴极12表面的部分碳纳米管(图未示出)可能完全被绝缘层13覆盖压住；有一部分碳纳米管可能一端被绝缘层13覆盖压住，而另一端露出于绝缘层13外面，这部分碳纳米管经后续步骤处理后可以成为电子发射体。

步骤三，在所述绝缘层13顶端形成栅极14；栅极14一般是导电性良好的金属材料，例如银、铜等，这里仅以银为例来说明。形成栅极14的方法可以用丝网印刷法在绝缘层13顶端印上一层银浆料，然后烧结形成栅极14(如图4所示)。

步骤四，使分布在所述栅极14两侧的阴极12表面的碳纳米管16直立起来；此步骤可有多种方法实现：可以用粘性的胶带(图未示)贴于阴极表面，上述步骤二形成的一端被绝缘层13覆盖压住、另一端露出在外面的部分碳纳米管以及绝缘层13附近的部分碳纳米管一端被粘着于胶带的粘性表面，然后拉起胶带将原来倒伏在阴极12表面的碳纳米管16拉起，使其基本直立在阴极12表面；或者通过强电场作用于碳纳米管16，使其基本直立在阴极12表面。得到的结果如图5所示，这些直立的碳纳米管16就可作为电子发射体。

步骤五，封装荧光屏和侧壁15。荧光屏包括透明的玻璃板17，阳极18和荧光层19。经过对中，排气(抽真空)，最后封装完成场发射显示器1(如图6所示)。

再请参见图6，场发射显示器1使用时，分别施加不同电压给阳极18，栅极14和阴极12(一般情况下，阳极18的电压在1000伏至数千伏，栅极14的电压为几十伏至100伏左右，阴极12为接地或零电压)，在栅极14的电场作用下，电子20从碳纳米管16顶端发射出来，并在阳极18的电场作用下，穿过内部空间加速轰击至荧光层19发出可见光。本发明的场发射结构中，栅极14的位置对应于荧光层19的各个像素点中心处，电子发射体碳纳米管16则分别位于栅极14两侧，这种结构可称为中央栅极结构，是本发明场发射显示器的关键之处。这样，栅极14不仅起到将电子从碳纳米管16顶端“拔出”的作用，还起到聚焦电子束的作用，即碳纳米管16发射出的电子20受中央的栅极14电场作用，聚焦于荧光层19的中央，打到荧光屏19上的斑点变小，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。

为进一步了解本发明得到的场发射显示器的具体结构、实现电子束聚焦的原理以及其它特点，下面作进一步详细描述。

请参见图7，是本发明场发射显示器发射电子的原理示意图。为便于说明，这里仅对一根碳纳米管16发射的电子作说明，实际上栅极14两侧分别存在许多根这样的碳纳米管，它们发射的电子受到的作用和运行轨道类似。基本上，碳纳米管16发射出来的电子受电场作用可分为四类，即外部电子21、内部电子22、被截获的电子23及被反射的电子24。所谓外部电子21即发射时的初始方向偏离中央栅极14的电子，这类电子受栅极14的电场作用向中央栅极的中心位置偏转，最后聚焦到相距荧光层19中心距离R的位置，这个距离R比现有技术没有中央栅极14时电子束打到荧光屏19的位置(图中虚线表示)更靠近中心。内部电子22是发射时的初始方向偏向中央的栅极14，并受栅极14的电场作用更进一步偏转、却没有偏转打到绝缘层13或栅极14的电子，这类电子最后会打到荧光层19相对于碳纳米管16的另一侧的位置，并且这个位置比外部电子21打到荧光屏19的位置更靠近荧光屏19的中心，即小于距离R。被截获的电子23和内部电子22相类似，也是偏转到中央的栅极14，但由于偏转的角度较大，直接打在栅极14，被栅极14截获，不能打在荧光层19上。而偏转更大的电子即是被反射的电子24，这类电子偏转角度最大，直接偏转打在绝缘层13上，被绝缘层13反射后聚焦到荧光层19的中央处。从上面的分析可以看出，最终打到荧光层19的电子束斑的宽度为2R。

由于栅极14的特殊位置以及本发明场发射显示器的结构，决定了本发明对上述四类电子具有良好的聚焦功能，大部分的电子均可聚焦到荧光层19的中央区域，打在边缘区域的电子相对较少。另外，通过调节栅极14和阳极18的电压，即加强中央的栅极14对电子束的作用，削弱阳极18对电子束的作用，还可进一步调节电子的聚焦效果。因此，可以增大栅极14的电压，或降低阳极18的电压来达到目的；也可以增大栅极14和阳极18的距离来实现这个目的。另外，增加中央的栅极14的厚度，则其截获大角度偏转电子23的能力越强。

上述实施例的绝缘层13呈楔形，底面宽度较大，顶面宽度较小。栅极14的形状也呈楔形，底面的宽度与绝缘层13顶面宽度相同，而栅极14的顶面宽度最小。当然，栅极14的形状也可以是长方体形或其它合适的形状。

请一起参见图8、图9和图10，本发明的场发射显示器还可以采用非楔形的、其他不同形状的绝缘层和栅极结构。图8采用的绝缘层43的截面是长方形，绝缘层43的宽度与栅极44相同，碳纳米管46分布在两侧。图9采用的绝缘层53的截面也是长方形，但其宽度比栅极54小，碳纳米管56分布在栅极54两侧。图10采用的绝缘层66的截面是上下两端宽度较大、中间宽度逐渐减小的形状，碳纳米管66位于栅极64下方两侧。上述结构的变化，会导致发射的电子束的运动轨道与上述楔形结构有所不同，但并未脱离本发明的范围。

Claims

1.一种场发射显示器的制备方法，其特征是包括下列步骤：步骤一，将碳纳米管分布在绝缘基底表面形成的导电阴极层上；步骤二，在导电阴极层上正交形成绝缘层；步骤三，在所述绝缘层上形成导电栅极；步骤四，使分布在所述导电栅极两侧的导电阴极层上的碳纳米管直立于所述导电阴极层上；步骤五，封装荧光屏和密封侧壁。

2.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述步骤一包括下列分步骤：将碳纳米管浆料直接涂覆在制备好的绝缘基底表面的导电阴极层表面。

3.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述步骤一包括下列分步骤：在绝缘基底表面制备形成亲水的导电阴极层；在绝缘基底表面涂覆一层疏水的光刻胶，并用光刻工艺去除导电阴极层表面的光刻胶；配制碳纳米管溶液备用；将上述处理好的绝缘基底浸入配制好的碳纳米管溶液中，使得碳纳米管粘附在亲水的导电阴极层表面；洗去剩余的光刻胶。

4.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述碳纳米管的长度小于绝缘层的厚度。

5.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述绝缘层是玻璃材料制成。

6.根据权利要求5所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述绝缘层是利用丝网印刷法将玻璃浆料印于绝缘层表面，再经过烧结形成。

7.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述绝缘层是楔形结构，其与导电阴极层接触的底面宽度最大，与栅极接触的顶面宽度最小。

8.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述绝缘层是长条形。

9.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述导电栅极是通过丝网印刷法将银浆料印于绝缘层顶端，再经过烧结形成。

10.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述步骤四包括下列分步骤：用粘性胶带贴于导电阴极层表面，拉起胶带将原来倒伏在导电阴极层表面的碳纳米管直立于导电阴极层表面。

11.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于步骤四包括下列分步骤：产生强电场作用于所述碳纳米管，使得碳纳米管在电场作用下直立于导电阴极层表面。

12.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于导电阴极层包括一导电薄膜。

13.根据权利要求12所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述导电薄膜包括ITO导电膜。

14.根据权利要求1所述的场发射显示器的制备方法，其特征在于所述荧光屏包括透明基板、阳极和荧光层。