CN101425443B

CN101425443B - 场发射像素管

Info

Publication number: CN101425443B
Application number: CN2007101242436A
Authority: CN
Inventors: 魏洋; 刘亮; 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: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: CN101425443A; US20090115309A1; US7781954B2

Abstract

本发明涉及一种场发射像素管，其包括一壳体以及置于壳体内的一阴极，一荧光粉层和一阳极。该阴极与阳极间隔设置，其中，该阴极包括一阴极支撑体与一阴极发射体，该阴极发射体一端与阴极支撑体电性连接；该阳极包括一端面，且所述荧光粉层设置在该阳极端面上。

Description

场发射像素管

技术领域

本发明涉及一种场发射装置，尤其涉及一种场发射像素管。

背景技术

碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)是一种新型碳材料，由日本研究人员Iijima在1991年发现，请参见″Helical Microtubules of Graphitic Carbon″，S.Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。碳纳米管具有极大的长径比(其长度在微米量级以上，直径只有几个纳米或几十个纳米)，具有良好的导电导热性能，并且还有很好的机械强度和良好的化学稳定性，这些特性使得碳纳米管成为一种优良的场发射材料。因此，碳纳米管在场发射装置中的应用成为目前纳米科技领域的一个研究热点。

碳纳米管长线是由超顺排碳纳米管阵列制备出来的线状碳纳米管材料。首先，从超顺排碳纳米管阵列抽出碳纳米管薄膜，再经有机溶液收缩成纤维状或用旋转的方法拧成绳状。这种线状碳纳米管材料具有宏观的尺度，对其进行一些操作极为方便。这种碳纳米管长线的端面具有很好的场发射能力，是一种良好的场发射电子源。

场发射像素管是碳纳米管场发射电子源的一个重要应用领域。传统的场发射像素管包括一个中空壳体，该壳体具有一个出光部，该出光部的内壁依次涂覆有荧光粉层和阳极层，该壳体内部与该出光部相对处有一阴极发射体，该阴极发射体包括一碳纳米管长线作为场发射电子源。当该场发射像素管工作时，在阳极层和阴极之间加上电压形成电场，通过电场作用使阴极发射体尖端发射出电子，电子穿透阳极层轰击荧光粉层，发出可见光。

然而，传统的具有碳纳米管阴极发射体的像素管，因为要将荧光粉层涂覆在壳体内一表面上，受制备工艺限制，几何尺寸较大，一般发光区域为厘米量级，或更大，这使得基于碳纳米管的场发射像素管的应用受到了极大的限制，例如，传统的像素管无法用来组装具有较高分辨率的大型户外显示器。传统的具有碳纳米管阴极发射体的像素管，由于制造过程中阴极与阳极需要准确对准，制造工艺难度大，良品率低。另外，传统的像素管制备方法，先将荧光粉层涂覆在壳体内壁上，再在荧光粉层上沉积一层有机物，然后在有机物层上镀一阳极层，最后将有机物蒸发掉，制造工艺较复杂。

有鉴于此，确有必要提供一种尺寸小，更易于制造的场发射像素管。

发明内容

一种场发射像素管，其包括一壳体以及置于壳体内的一阴极，一荧光粉层和一阳极，该阴极与阳极之间间隔设置，其中，该阴极包括一阴极支撑体与一阴极发射体，该阴极发射体一端与阴极支撑体电性连接，其中，该阳极包括一端面，所述荧光粉层设置在该阳极端面上。

所述的端面为抛光的平面、半球面、球面、锥面或凹面。

所述的阳极一端通过阳极引线连接到壳体外，端面设置在阳极另一端。

所述的阳极为一金属杆，该金属杆直径为100微米至1厘米。

所述的阴极发射体为一碳纳米管长线、单根碳纳米管或单根纳米碳纤维。

所述的碳纳米管长线包括一电子发射端，该电子发射端为碳纳米管长线远离阴极支撑体的一端。

所述的电子发射端包括多个突出的场发射尖端。

所述的场发射尖端的顶端突出有一根碳纳米管。

所述的电子发射端正对阳极端面设置、斜对阳极端面设置或设置在阳极端面附近。

所述的电子发射端与阳极端面的距离小于5毫米。

所述的壳体为一中空透明的圆柱体、立方体或三棱柱。

所述的场发射像素管进一步包括一吸气剂位于壳体内。

相较于现有技术，所述的场发射像素管的阴极发射体为碳纳米管长线，阳极为一个金属杆，且该阳极端面设置有荧光粉层，该荧光粉层受电子激发后发光。该场发射像素管具有以下优点：第一，荧光粉层设置在阳极端面上，因此这种场发射像素管的体积小，发光面积仅为毫米量级，还可以更小。可以用来组装具有较高分辨率的大型户外显示器。第二，这种场发射像素管中阴极与阳极无需精确对准，因此，更容易制造。第三，这种场发射像素管采用金属杆作为阳极，制备成本低，易于实现大规模生产使用。

附图说明

图1是本技术方案实施例的场发射像素管的结构示意图。

图2是本技术方案实施例的碳纳米管长线的电子发射端放大示意图。

图3是本技术方案实施例的碳纳米管长线的电子发射端的扫描电镜照片。

图4是本技术方案实施例的碳纳米管长线的场发射尖端的透射电镜照片。

图5至图8是本技术方案实施例的阴极发射体与阳极的位置关系示意图。

图9是本技术方案实施例的场发射像素管的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本技术方案作进一步的详细说明。

请参阅图1，本技术方案实施例提供一种场发射像素管100，其包括一壳体102，一阴极104，一荧光粉层110，一阳极112以及一阴极引线116和一阳极引线114。该阴极104与阳极112间隔设置于壳体102内。该阴极104包括一阴极支撑体106与一阴极发射体108。该阴极支撑体106的第一端与阴极发射体108一端电性连接，第二端通一阴极引线116电性连接到壳体102外。该阳极112的一端包括一端面120。该荧光粉层110设置在阳极112端面120上。该阳极112远离端面120的另一端通过一阳极引线114电性连接到壳体102外。

所述壳体102为一真空密封的结构。该壳体102的一端包括一出光部124，其与端面120相对。该壳体102材料为一透明材料如：石英石或玻璃。在本实施例中，该壳体102为一中空玻璃圆柱体，且该圆柱体直径为1毫米至5毫米，高度为2毫米至5毫米。可以理解的是，该壳体102还可以是中空的立方体、三棱柱或其它多边形棱柱，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

所述阴极支撑体106为一导电体，如：金属丝或金属杆。该阴极支撑体106形状不限，且能够导热并具有一定强度。本实施例中该阴极支撑体106优选为镍丝。

所述的阴极发射体108可以选自碳纳米管长线、单根碳纳米管、单根纳米碳纤维或其它场发射电子源。本实施例中，阴极发射体108优选为一碳纳米管长线。该碳纳米管长线的长度为0.1毫米至10毫米，直径为1微米至100微米。该碳纳米管长线是由多个平行的首尾相连的碳纳米管束组成的束状结构或由多个首尾相连的碳纳米管束组成的绞线结构，该相邻的碳纳米管束之间通过范德华力紧密结合，该碳纳米管束中包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管。该碳纳米管长线中的碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管。该碳纳米管的长度范围为10～100微米，且碳纳米管尖端的直径小于5纳米。该碳纳米管长线包括一电子发射端122。请参见图2，该电子发射端122可以包括多个突出的场发射尖端300。该场发射尖端300的顶端突出有一根碳纳米管302。请参阅图3，从碳纳米管长线的电子发射端122的扫描电镜照片可以看出该电子发射端包括多个突出的场发射尖端。请参阅图4，从碳纳米管长线的电子发射端122的透射电镜照片上，可以看出碳纳米管长线中的场发射尖端的顶端突出有一根碳纳米管。

所述的阳极112为一导电体，如：金属杆。该阳极112形状不限，且能够导热并具有一定强度。本实施例中，阳极112优选为铜金属杆。该铜金属杆直径为100微米至1厘米。可以理解，该铜金属杆直径可以根据实际需要选择。所述的端面120设置于阳极112靠近电子发射端122的一端，且为一抛光端面120。该抛光的端面120可以为平面、半球面、球面、锥面、凹面或其它形状端面。该抛光的端面120可以反射荧光粉层110发出的光。

所述的荧光粉层110设置在阳极112的端面120上。该荧光粉层110的材料可以为白色荧光粉，也可以为单色荧光粉，例如红色，绿色，蓝色荧光粉等，当电子轰击荧光粉层110时可发出白光或其它颜色可见光。该荧光粉层110可以采用沉积法或涂敷法设置在阳极112的一端的端面120上。该荧光粉层110厚度为5至50微米。

所述的阴极发射体108与阳极112的设置可以为多种位置关系，请参见图5至图8。可以使电子发射端122与阳极112的端面120正对设置；可以使碳纳米管长线与金属杆轴向成一锐角，使电子发射端122与端面120斜对设置；可以使碳纳米管长线与金属杆轴向互相垂直或平行，使电子发射端122设置在端面120附近。其中，电子发射端122与端面120距离小于5毫米。

另外，该场发射像素管100进一步包括一位于壳体102内的吸气剂118，用于吸附场发射像素管内残余气体，维持场发射像素管内部的真空度。该吸气剂118可以为蒸散型吸气剂金属薄膜，在壳体102封接后通过高频加热蒸镀的方式形成于靠近阴极104的壳体102内壁上。该吸气剂118也可以为非蒸散型吸气剂，固定在阴极支撑体106上。所述的非蒸散型吸气剂118材料主要包括钛、锆、铪、钍、稀土金属及其合金。

当该场发射像素管100工作时，在阳极112和阴极104之间加上电压形成电场，通过电场作用使阴极发射体108尖端即电子发射端122发射出电子，发射电子到达阳极112，轰击阳极112表面的荧光粉层110，发出可见光。其中，一部分可见光直接透过壳体102一端的出光部124射出，另一部分可见光则经过阳极112端面120反射后，透过壳体102一端的出光部124射出。该场发射像素管，由于将荧光粉层110设置于阳极112端面120上，避免了制备工艺限制，所以体积可以做到更小，其发光面积仅为毫米量级。而且，该场发射像素管中阴极与阳极无需精确对准，因此，更容易制造。另外，这种场发射像素管采用金属杆作为阳极，制备成本低，易于实现大规模生产使用。

请参阅图9，本技术方案实施例还进一步提供一场发射像素管100的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一，提供一玻璃芯柱，该玻璃芯柱包括两个金属丝分别作为阴极引线116与阳极引线114。

所述的两个金属丝被玻璃固定，并被玻璃隔开，形成H形状玻璃芯柱。该金属丝为可以实现和玻璃熔封的材料，通常为杜美丝、钨丝、钼丝等。

步骤二，提供一金属杆作为阳极112，并将该阳极112与上述阳极引线114一端电性连接。

将作为阳极112的金属杆的一端通过点焊技术与阳极引线114一端电性连接。本技术方案实施例中，该金属杆优选的为铜金属杆，直径为100微米至1厘米。将金属杆的另一端端面120抛光，该抛光端面120可以为平面、半球面、球面、锥面、凹面或其它形状端面。

步骤三，提供一荧光粉，并将该荧光粉设置于上述阳极112一端的端面120上，形成一荧光粉层110。

将上述荧光粉采用涂敷或沉积的方法设置于阳极112抛光的端面120。该荧光粉可以为白色荧光粉，也可以为单色荧光粉，例如红色，绿色，蓝色荧光粉等。

步骤四，提供一金属丝作为阴极支撑体106，并将该阴极支撑体106与上述阴极引线116一端电性连接。

将阴极支撑体106与阴极引线116一端电性连接的方法为点焊法。本技术方案实施例中，阴极支撑体106优选为镍丝。

步骤五，提供一阴极发射体108，并将该阴极发射体108与阴极支撑体106远离阴极引线116的一端电性连接，形成一场发射像素管100预制体。

阴极发射体108为碳纳米管长线，单根碳纳米管，单根纳米碳纤维或其它场发射电子源。本实施例中，阴极发射体108优选为碳纳米管长线。其中，该碳纳米管长线的长度为0.1毫米至10毫米，直径为1微米至1毫米。碳纳米管长线通过导电胶与阴极支撑体106一端电性连接。当使用碳纳米管长线作为阴极发射体108时，制备该阴极发射体108具体包括以下步骤：

首先，提供一超顺排碳纳米管阵列形成于一硅基板上。

其次，从上述超顺排碳纳米管阵列中抽出一碳纳米管薄膜或一碳纳米管丝，通过使用有机溶剂或者施加机械外力处理该碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝得到一碳纳米管长线。

从超顺排碳纳米管阵列中抽出一束碳纳米管时，相邻的碳纳米管由于范德华力的作用而相互连接在一起而形成一碳纳米管薄膜或一碳纳米管丝。本实施例中，也可以采用扭转纺纱技术制备一碳纳米管长线。

最后，使上述碳纳米管长线断裂，从而得到一阴极发射体108。

上述使碳纳米管长线断裂的方法为机械切割法或激光烧灼熔断法。碳纳米管长线断裂后，在断点形成两个电子发射端122。其中，采用机械切割法得到的电子发射端122包括多个平行排列且长度一致的碳纳米管束。采用激光烧灼熔断法得到的电子发射端122包括多个突出的场发射尖端300，且每个场发射尖端300的顶端突出有一根碳纳米管302。

步骤六，提供一玻璃管作为壳体102，将上述场发射像素管100预制体封装在玻璃管内，得到一场发射像素管100。

玻璃管为一端开口，另一端封口的玻璃管。封装具体包括以下步骤：

首先，将上述场发射像素管100预制体通过管壁装入该玻璃管内，并对开口进行密封，密封时在密封处留一排气孔。

其次，将该排气孔外接真空泵，用以将壳体102抽真空，使壳体102内达到一定的真空度。

最后，密封排气孔，得到所述场发射像素管100。

可以理解，在封装上述场发射像素管100前，进一步还可以在场发射像素管100内设置一吸气剂118，该吸气剂118设置于壳体102内壁。

本实施例中，采用机械切割法或激光烧灼熔断法制备碳纳米管长线作为阴极发射体108，制备方法简单，且碳纳米管长线中包括多个场发射尖端300，可以有效降低该阴极发射体108的电场屏蔽效应。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims

1.一种场发射像素管，其包括一壳体以及置于壳体内的一阴极，一荧光粉层和一阳极，该阴极与阳极之间间隔设置，其中，该阴极包括一阴极支撑体与一阴极发射体，该阴极发射体一端与阴极支撑体电性连接，其特征在于，该阳极包括一端面，该荧光粉层设置在该阳极端面上。

2.如权利要求1所述的场发射像素管，其特征在于，所述的端面为抛光的平面、半球面、球面、锥面或凹面。

3.如权利要求1所述的场发射像素管，其特征在于，所述的阳极一端通过阳极引线连接到壳体外，端面设置在阳极另一端。

4.如权利要求1所述的场发射像素管，其特征在于，所述的阳极为一金属杆。

5.如权利要求4所述的场发射像素管，其特征在于，所述的金属杆直径为100微米至1厘米。

6.如权利要求1所述的场发射像素管，其特征在于，所述的阴极发射体为一碳纳米管长线、单根碳纳米管或单根纳米碳纤维。

7.如权利要求6所述的场发射像素管，其特征在于，所述的碳纳米管长线包括一电子发射端，该电子发射端为碳纳米管长线远离阴极支撑体的一端。

8.如权利要求7所述的场发射像素管，其特征在于，所述的电子发射端包括多个突出的场发射尖端。

9.如权利要求8所述的场发射像素管，其特征在于，所述的场发射尖端的顶端突出有一根碳纳米管。

10.如权利要求7所述的场发射像素管，其特征在于，所述的电子发射端正对阳极端面设置、斜对阳极端面设置或设置在阳极端面附近。

11.如权利要求10所述的场发射像素管，其特征在于，所述的电子发射端与阳极端面的距离小于5毫米。

12.如权利要求1所述的场发射像素管，其特征在于，所述的壳体为一中空透明的圆柱体、立方体或三棱柱。

13.如权利要求1所述的场发射像素管，其特征在于，所述的场发射像素管进一步包括一吸气剂位于壳体内。