CN102262991B - 一种sed显示器电子发射源纳米缝阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种SED显示器电子发射源纳米缝阵列的制备方法，在透明基材和具有应力集中豁口的电子发射材料薄膜之间引入一层激光光致膨胀聚合物材料，形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构，采用激光在透明基材无电子发射源图形结构一侧照射引线电极的缝隙内的激光光致膨胀聚合物材料，使之产生体积膨胀，从而使其表面的电子发射薄膜材料内部产生拉应力，当拉应力达到薄膜材料的断裂极限时，电子发射薄膜材料断裂，形成纳米级裂纹结构，本发明引入激光光致膨胀材料解决了电子发射薄膜断裂所需的应变来源问题，裂缝位置精确可控；同时采用原位控制隧道电流的方法进行阵镜扫描，保证了阵列化纳米裂缝电子发射特性的均匀性。
Description
技术领域
本发明属于微纳器件及显示器件技术领域，具体涉及一种SED显示器电子发射源纳米缝阵列的制备方法。
背景技术
平板显示器技术拥有广泛的应用领域和巨大的市场前景，是我国信息产业重要的支柱之一。其中显示面板的制造是其核心。目前，液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)、等离子显示器PDP(PlasmaDisplay Panel)是工业上主流的平板显示器件，已经大规模商业化，并在进行持续的技术换代；但另一方面，国际上对“后LCD时代”或“后PDP时代”的下一代平板显示技术给予极大的重视，并展开了大量的基础研究和技术开发。其中，有机发光显示器OLED(OrganicLight-Emitting Display)、场发射显示器FED(Field Emission Display)和激光显示器LD(Laser Display)被认为是各有优势、最有大规模产业化前景的下一代平板显示器候选技术。目前，这些技术均处于研发阶段，离大规模产业化的要求还有相当的差距。
作为下一代显示器候选技术之一的FED，其发光机制与传统的CRT显示器基本相同，都是利用电场吸引阴极电子源发射电子束，撞击荧光物质发光进而在屏幕上显示图像。然而在发射阴极的结构实现上，与传统CRT显示器只拥有一个庞大的电子枪单元不同，FED拥有与其显示像素同样数目的电子发射源，每个电子发射源对应一个工作像素。当显示器开始工作时，每个电子发射源都会在电路的控制下独立激发对应像素的阳极板荧光粉，显示出需要的色彩。FED的工作原理和结构特点使其同时拥有LCD液晶显示器轻薄和大面积平板化的特点以及CRT显示器在响应速度、亮度、色彩饱和度以及宽视角的优势，可以认为是CRT技术的平板化。从FED的结构实现上讲，电子发射源阴极阵列是FED的关键部件之一。
表面传导电子发射显示器SED(Surface conduction Electronemitter Display)是一类常见的FED器件。佳能和东芝公司利用纳米尺度缝隙制造技术在2004年开发了36英寸SED显示样机，引起了全球显示技术产业界和学术界的极大关注。该样机表现出尤为卓越的显示性能：明暗对比度高达10000∶1，灰阶为10位，图像质量接近水平CRT画质。众多学者认为，SED在“后LCD时代”将具有强大的竞争力。SED主要由表面传导电子发射源阵列的阴极板和荧光粉发光阵列的阳极板构成。SED基于表面传导电子发射理论，该理论是前苏联学者在20世纪60年代初发现的，属平面型的薄膜场发射。由于当时采用的SnO2不连续膜的发射电流稳定性较差，直至20世纪80年代，日本佳能公司重新启动表面传导研究，制造出纳米级的电子隧道缝隙阵列，才使被弃的表面传导电子发射技术在显示领域重新得到了应用。由此可见，SED的电子发射性能不但取决于阴极材料特性还与薄膜表面的纳米结构特征密切相关，如何实现电子发射阴极的纳米尺度缝隙结构是SED制造的难点。
基于机械应力开裂原理的微力拉伸方法是一种简单的纳米裂缝生成方法，可以在柔性薄膜表面随机地生成纳米尺度的裂缝结构。该技术在制造SED纳米缝的过程中存在两个问题：一是裂缝产生的位置具有不确定性，二是SED通常以玻璃为基材，应力作用下的应变程度并不足以在电子发射薄膜表面产生裂缝。因此，要采用薄膜应力开裂原理进行纳米缝隙的制造就必须解决电子发射薄膜断裂所需的应变来源问题，并能够实现裂缝位置精确可控。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SED显示器电子发射源纳米缝阵列的制备方法，解决了电子发射薄膜断裂所需的应变来源问题，能够实现裂缝位置精确可控。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种SED显示器电子发射源纳米缝阵列的制备方法，包括以下步骤：
第一步，进行包含激光光致膨胀聚合物材料层的SED电子发射源图形结构制造：在透明基材和具有应力集中豁口的电子发射材料薄膜之间引入一层激光光致膨胀聚合物材料，形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构，激光光致膨胀聚合物材料采用PMMA、PS或PI，在激光光束照射下能够具有体积膨胀特性，
电子发射源图形结构中激光光致膨胀聚合物材料的引入方式分为局部引入方式和整体引入方式，
局部引入方式：在透明基材表面制备出电子发射源所需的引线电极、列扫描线、绝缘层和行扫描线，然后在引线电极的缝隙内制备激光光致膨胀聚合物材料，制备完成后在激光光致膨胀聚合物材料和引线电极表面覆盖电子发射材料，进而在引线电极间隙内形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构，
整体引入方式：在透明基材表面均匀制备一层激光光致膨胀聚合物材料，然后在激光光致膨胀聚合物材料表面制备电子发射源所需的引线电极、列扫描线、绝缘层和行扫描线，并在引线电极表面制备电子发射材料，此时在引线电极间隙内形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构；
第二步，进行纳米缝结构的制造：采用激光在透明基材无电子发射源图形结构一侧照射引线电极的缝隙内的激光光致膨胀聚合物材料，使之产生体积膨胀，激光能量密度在激光光致膨胀聚合物材料的烧蚀阈值和膨胀阈值之间选择，体积膨胀的激光光致膨胀聚合物材料为电子发射材料薄膜破裂提供所需的应力来源，当电子发射材料薄膜承受拉应力达到材料的断裂极限时，将在电子发射材料薄膜预设的应力集中豁口处形成纳米级裂纹，形成位置精确可控；
在进行纳米缝结构的制造中，阵列化纳米缝结构的制造采用激光阵镜扫描的方式对纳米缝进行逐一制造，为保证像素发光的均匀性，采用原位控制隧道电流的方法保证纳米缝发射源阵列发射特性的一致性，具体包括以下步骤：
(1)利用已印制的SED电子发射源图形结构的行扫描线和列扫描线以寻址的方式建立针对阵列结构中任意像素的电子发射源隧道电流监测系统；
(2)设定电子发射源隧道电流的目标值；
(3)在任一纳米缝成形过程中，实时监测隧道电流的变化，当发射源的隧道电流到达设定的目标值时，控制系统立即切断激光脉冲，终止缝隙生长；
(4)通过高速激光扫描振镜的偏转，激光束移动到阵列中下一个电子发射源位置进行加工，并按照步骤(3)的过程进行纳米裂缝成形；
(5)按照步骤(3)、(4)完成全部阵列的纳米裂缝成形，不管实际的纳米缝隙尺寸和形状或位置如何，阵列中每个发射源的隧道电流特性(I-V特性)是一致的，从而保证大面积显示的色彩均匀度。
本发明引入激光光致膨胀材料，解决了电子发射薄膜断裂所需的应变来源问题，裂缝位置精确可控；同时采用原位控制隧道电流的方法进行阵镜扫描，保证了阵列化纳米裂缝电子发射特性的均匀性。
附图说明
图1为本发明采用激光光致膨胀聚合物材料局部引入方式的电子发射源图形结构示意图。
图2为本发明采用激光光致膨胀聚合物材料整体引入方式的电子发射源图形结构示意图。
图3-1为本发明在透明基材表面均匀涂铺一层激光光致膨胀聚合物材料示意图。
图3-2为本发明在激光光致膨胀聚合物材料表面制备的图形化引线电极示意图。
图3-3为本发明在引线电极一侧制备的列扫描线示意图。
图3-4为本发明在列扫面线表面制备的绝缘层示意图。
图3-5为本发明在引线电极另外一侧制备的行扫描线示意图。
图3-6为本发明在引线电极及其间隙表面制备的电子发射材料图形结构示意图。
图4为本发明采用激光光致膨胀聚合物材料整体引入方式在引线电极间隙获得的三明治结构示意图。
图5为本发明采用激光照射激光光致膨胀聚合物材料制备纳米缝结构的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。
一种SED显示器电子发射源纳米缝阵列的制备方法，包括以下步骤：
第一步，进行包含激光光致膨胀聚合物材料层的SED电子发射源图形结构制造：在透明基材和具有应力集中豁口的电子发射材料薄膜之间引入一层激光光致膨胀聚合物材料，形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构，激光光致膨胀聚合物材料采用PMMA、PS或PI，在激光光束照射下能够具有体积膨胀特性，
电子发射源图形结构中激光光致膨胀聚合物材料的引入方式分为整体引入方式和局部引入方式，
参照图1，局部引入方式：在透明基材1表面制备出电子发射源所需的引线电极3、列扫描线5、绝缘层6和行扫描线7，然后在引线电极3的缝隙内制备激光光致膨胀聚合物材料2，制备完成后在激光光致膨胀聚合物材料2和引线电极3表面覆盖电子发射材料4，进而在引线电极1间隙内形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构，
参照图2，整体引入方式：在透明基材1表面均匀制备一层激光光致膨胀聚合物材料2，然后在激光光致膨胀聚合物材料2表面制备电子发射源所需的引线电极3、列扫描线5、绝缘层6和行扫描线7，并在引线电极3表面制备电子发射材料4，此时在引线电极3间隙内形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构；
参照图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图3-5、图3-6，下面以激光光致膨胀聚合物材料整体引入的电子发射源结构为例，同时结合4个电子发射源图形结构，详细描述包含激光光致膨胀聚合物材料的SED电子发射源图形结构制造过程：
(a)参照图3-1，在玻璃或其它热稳定性好的透明基材1上均匀涂铺一层激光光致膨胀聚合物材料2，激光光致膨胀聚合物材料2在激光照射下需具有膨胀特性，例如，PMMA、PS或PI类材料，
(b)参照图3-2，通过掩膜蒸镀或丝网印刷等方式形成图形化的引线电极3，引线电极3采用高导电率、热稳定性好的材料，如铂Pt，
(c)参照图3-3，通过丝网印数或材料喷印方式，在引线电极3印制列扫描线5，列扫描线5的材料为纳米银Ag浆料，其中的浆料被热挥发，且应该与一侧的引线电极3搭接在一起，
(d)参照图3-4，通过丝网印数或材料喷印方式，在列扫描线5上印制绝缘层6，
(e)参照图3-5，以步骤(c)的方式印制行扫描线7，行扫描线7将与另一侧的引线电极3相连，但与列扫描线5绝缘，
(f)参照图3-6，通过丝网印刷或材料喷印方式，在引线电极3之间制备电子发射材料4，电子发射材料4采用低功函数、热稳定性好的材料，例如钯Pd，本发明中，方形的电极发射材料4上下边包含豁口，可以在应变作用下形成应力集中，从而控制裂缝在其中间位置生长，
参照图4，制备完成的激光光致膨胀聚合物材料整体引入的电子发射源结构在引线电极3缝隙内形成了“透明基材1-激光光致膨胀聚合物材料2-电子发射材料4”的三明治结构；
第二步，进行纳米缝结构的制造：采用激光在透明基材无电子发射源图形结构一侧照射引线电极的缝隙内的激光光致膨胀聚合物材料，使之产生体积膨胀，激光能量密度在激光光致膨胀聚合物材料的烧蚀阈值和膨胀阈值之间选择，体积膨胀的激光光致膨胀聚合物材料为电子发射材料薄膜破裂提供所需的应力来源，当电子发射材料薄膜承受拉应力达到材料的断裂极限时，将在电子发射材料薄膜预设的应力集中豁口处形成纳米级裂纹，形成位置精确可控，
参照图5，在进行电子发射源纳米缝隙结构的制作过程中，采用高重复频率、小能量的激光8在透明基材无电子发射源图形一侧后向照射透明基材1和电子发射材料4之间的激光光致膨胀聚合物材料2，激光光致膨胀聚合物材料2吸收激光光子能量后产生激光光致膨胀的聚合物9，封闭空间内聚合物的膨胀给封闭边界带来压应力，由于透明基材1的强度很大，因此压应力只能通过薄膜一侧释放，随着激光脉冲的持续照射，当所受的应力超过其破坏极限时，电子薄膜材料4将在应力集中的豁口位置形成纳米级缝隙结构。
在进行纳米缝结构的制造中，阵列化纳米缝结构的制造采用激光阵镜扫描的方式对纳米缝进行逐一制造，阵列化纳米缝电子发射的均匀性是决定显示质量的重要因素，目前已有的方案均是通过控制纳米缝尺度或形状特征来间接赋予发射源阵列中每个发射体以确定的隧道电流特性或发射电流特性，由于纳米裂缝的尺度和形状难以在加工过程中实时精确观测或修正，加工完成后纳米缝尺度和形状的分散性将影响电子发射的均匀性，为解决此问题，本发明在SED纳米缝阵列的阵镜扫描制造时，为保证像素发光的均匀性，采用原位控制隧道电流的方法保证纳米缝发射源阵列发射特性的一致性，具体包括以下步骤：
(1)利用已印制的SED行扫描线和列扫描线以寻址的方式建立针对任意像素的电子发射源隧道电流监测系统，本发明通过已印制的行扫描总线和列扫描总线的寻址方式实现，因此该方法并不需要增加额外的辅助电路和制造工艺；
(2)设定电子发射源隧道电流的目标值；
(3)在任一纳米缝成形过程中，实时监测隧道电流的变化，当发射源的隧道电流到达设定的目标值时，控制系统立即切断激光脉冲，终止缝隙生长；
(4)通过高速激光扫描振镜的偏转，激光束移动到阵列中下一个电子发射源位置进行加工，并按照步骤(3)的过程进行纳米裂缝成形；
(5)按照步骤(3)、(4)完成全部阵列的纳米裂缝成形，不管实际的纳米缝隙尺寸和形状或位置如何，阵列中每个发射源的隧道电流特性(I-V特性)是一致的，从而保证大面积显示的色彩均匀度。
Claims (2)
1.一种SED显示器电子发射源纳米缝阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，进行包含激光光致膨胀聚合物材料层的SED电子发射源图形结构制造：在透明基材和具有应力集中豁口的电子发射材料薄膜之间引入一层激光光致膨胀聚合物材料，形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构，激光光致膨胀聚合物材料采用PMMA、PS或PI，在激光光束照射下能够具有体积膨胀特性，
电子发射源图形结构中激光光致膨胀聚合物材料的引入方式分为局部引入方式和整体引入方式，
局部引入方式：在透明基材表面制备出电子发射源所需的引线电极、列扫描线、绝缘层和行扫描线，然后在引线电极的缝隙内制备激光光致膨胀聚合物材料，制备完成后在激光光致膨胀聚合物材料和引线电极表面覆盖电子发射材料，进而在引线电极间隙内形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构，
整体引入方式：在透明基材表面均匀制备一层激光光致膨胀聚合物材料，然后在激光光致膨胀聚合物材料表面制备电子发射源所需的引线电极、列扫描线、绝缘层和行扫描线，并在引线电极表面制备电子发射材料，此时在引线电极间隙内形成“透明基材-激光光致膨胀聚合物材料-电子发射材料”的三明治结构；
第二步，进行纳米缝结构的制造：采用激光在透明基材无电子发射源图形结构一侧照射引线电极的缝隙内的激光光致膨胀聚合物材料，使之产生体积膨胀，激光能量密度在激光光致膨胀聚合物材料的烧蚀阈值和膨胀阈值之间选择，体积膨胀的激光光致膨胀聚合物材料为电子发射材料薄膜破裂提供所需的应力来源，当电子发射材料薄膜承受拉应力达到材料的断裂极限时，将在电子发射材料薄膜预设的应力集中豁口处形成纳米级裂纹，形成位置精确可控。
2.根据权利要求1所述的一种SED显示器电子发射源纳米缝阵列的制备方法，其特征在于，在进行纳米缝结构的制造中，阵列化纳米缝结构的制造采用激光阵镜扫描的方式对纳米缝进行逐一制造，为保证像素发光的均匀性，采用原位控制隧道电流的方法保证纳米缝发射源阵列发射特性的一致性，具体包括以下步骤：
(1)利用已印制的SED电子发射源图形结构的行扫描线和列扫描线以寻址的方式建立针对阵列结构中任意像素的电子发射源隧道电流监测系统；
(2)设定电子发射源隧道电流的目标值；
(3)在任一纳米缝成形过程中，实时监测隧道电流的变化，当发射源的隧道电流到达设定的目标值时，控制系统立即切断激光脉冲，终止缝隙生长；
(4)通过高速激光扫描振镜的偏转，激光束移动到阵列中下一个电子发射源位置进行加工，并按照步骤(3)的过程进行纳米裂缝成形；
(5)按照步骤(3)、（4）完成全部阵列的纳米裂缝成形，不管实际的纳米缝隙尺寸和形状或位置如何，阵列中每个发射源的隧道电流特性即I-V特性是一致的，从而保证大面积显示的色彩均匀度。
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