CN104064431A - 一种场发射平面光源及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种场发射平面光源，包括阳极、隔离体、聚焦极、栅极和阴极，阳极与阴极通过隔离体隔开相对设置，其中，隔离体包括隔离主体和侧壁支撑体，隔离主体开设有漏斗状通孔，隔离主体的大开口端与发光层相接，小开口端与侧壁支撑体相接；聚焦极和栅极通过侧壁支撑体隔开设置，栅极设置在阴极一侧；栅极中部的圆形区域内阵列设置有多个栅极通孔，聚焦极开设有能使电子束聚焦的聚焦通孔；阴极包括阴极基板和发射体，阴极基板中部与栅极通孔相对应设置有多个柱状凸起，发射体设置在柱状凸起的上表面。本发明提供的场发射平面光源，通过设置特殊结构的隔离体，提高了器件的寿命及稳定性。本发明还提供了该场发射平面光源的制备方法。

Description

一种场发射平面光源及其制备方法

技术领域

本发明涉及场发射器件领域，具体涉及一种场发射平面光源及其制备方法。

背景技术

场发射器件是一种新兴光源，是通过施加电场从阴极电极发射电子轰击阳极发光的装置，能实现利用大功率高密度电子流发光。场发射平面光源因具有节能、环保、能够在恶劣环境下工作（如高低温度环境）、轻薄等优点，可广泛应用于各个照明领域。场发射平面光源与传统的背光模块相比，不仅构造简单，而且节能、体积小、易于大面积平面化、亮度高，符合了未来平面光源的发展需求。尽管场发射平面光源在未来的市竞争中具有不可替代的优势，然而，其在实际应用上存在一些问题需要解决。

场发射平面光源所面临的最重要的问题是关于稳定性及寿命。而限制其寿命的主要原因有：阳极在电子束轰击下会产生一定量的残余气体，部分电离能小于从阴极发射出来的高能电子束能量的时候，会发生电离现象，所产生的正离子在强电场作用下会垂直阴极表面方面轰击阴极纳米材料，致使纳米材料损坏，造成发射的跌落，影响器件工作的稳定性和寿命。其中，隔离体对器件寿命的影响比较大，通常对隔离体的材料要求有如下方面：（1）隔离体尺寸适中；（2）具有一定刚度、强度；（3）具有一定的电阻率；（4）放气量小。隔离体的形状大小及摆放位置，除了对基板的受力分布影响比较大外，对阴极表面的电场分布也颇有影响，是造成发射不均匀的原因之一。

但通常的场发射的器件测试实验中，更多的是考虑隔离体对阴阳极板的固定支撑效果及隔离体材料的绝缘性，不同形状大小及摆放位置的隔离体对阴极表面电场分布影响的问题考虑的比较少。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种场发射平面光源，其具有适合场发射平面光源的隔离体，从而能有效提高场发射平面光源的使用寿命。

本发明第一方面提供了一种场发射平面光源，包括阳极、隔离体、聚焦极、栅极和阴极，所述阳极与阴极通过隔离体隔开相对设置，三者形成一密闭收容空间，所述聚焦极和栅极收容在所述密闭收容空间内，

所述阳极依次包括阳极基板、导电层和发光层；

所述隔离体包括隔离主体和侧壁支撑体，所述隔离主体开设有漏斗状通孔，所述隔离主体的大开口端与所述发光层相接，小开口端与所述侧壁支撑体相接；

所述聚焦极和栅极通过所述侧壁支撑体隔开设置，所述栅极设置在所述阴极一侧；所述栅极中部的圆形区域内阵列设置有多个能使从所述阴极发射的电子束通过的栅极通孔，所述聚焦极开设有能使所述电子束聚焦的聚焦通孔；

所述阴极包括阴极基板和发射体，所述阴极基板中部与所述栅极通孔相对应设置有多个柱状凸起，所述发射体设置在所述柱状凸起的上表面。

优选地，所述聚焦极包括导电平板和设置在所述导电平板上方的突起，所述聚焦通孔贯穿所述导电平板和所述突起并在所述突起顶端具有最小处直径。

优选地，所述隔离主体小开口端的开口口径小于或等于所述聚焦通孔的最小处直径。

优选地，所述发射体与所述多个栅极通孔所在的圆形区域、所述聚焦通孔以及所述隔离主体的漏斗状通孔处于同一轴线位置。

优选地，所述柱状凸起为不锈钢材质，所述柱状凸起的上表面为平面或弧形外凸面。

优选地，所述隔离体的材质为陶瓷、玻璃或碳化硼。

优选地，所述阳极基板的材质为玻璃，所述导电层为金属铝、金或银层，或者铟锡氧化物层，所述发光层为可激发出波长为420nm～480nm蓝光的荧光粉层。

优选地，所述阴极基板为中部圆形区域内阵列设置有多个不锈钢柱状凸起的导电玻璃基板。

优选地，所述发射体为氧化锌纳米棒或碳纳米管。

本发明第二方面提供了一种上述场发射平面光源的制备方法，包括以下步骤：

在洁净的阳极基板上采用磁控溅射法或蒸镀法制备导电层，然后在所述导电层表面制备发光层，得到阳极；

制作中部圆形区域内阵列设置有多个不锈钢柱状凸起的阴极基板，再采用直接生长或涂覆的方式在所述柱状凸起上表面制备发射体，得到阴极；

采用绝缘材料制作隔离体，所述隔离体包括隔离主体和侧壁支撑体，所述隔离主体开设有漏斗状通孔；

制作中部的圆形区域内阵列设置有多个栅极通孔的栅极，所述栅极通孔与不锈钢柱状凸起相对应设置；制作开设有能使所述电子束聚焦的聚焦通孔的聚焦极；

将所述阳极、聚焦极、栅极、阴极和隔离体进行组装，所述隔离主体的大开口端与所述发光层相接，小开口端与所述侧壁支撑体相接，所述聚焦极和所述栅极通过所述侧壁支撑体隔开设置，所述栅极设置在所述阴极一侧；所述阳极、聚焦极、栅极、阴极和隔离体组装形成一收容空间，抽真空密封所述收容空间，制得场发射平面光源。

综上所述的场发射平面光源，由于隔离体的“漏斗状”特殊结构，当在各个电极施加相应的电压后，电子束轰击阳极板后所产生的正离子在电场作用下以垂直的方向往阴极加速，加速的中间过程将被“漏斗状”的隔离主体内壁拦截，由于漏斗通孔小开口端开口的直径较小，所以大大减少了轰击阴极的正离子的数量，降低对阴极纳米材料的毁坏程度，从而提高了器件工作的稳定性及寿命。此外，场发射平面光源用多个柱状凸起做阴极衬底代替传统的单个阴极衬底结构，避免单个毁坏后器件工作停止的状态，有利于提高器件工作的稳定性。

附图说明

图1是本发明第一实施例中场发射平面光源的剖面图；

图2是本发明第一实施例中场发射平面光源的隔离主体结构图；

图3是本发明第一实施例中场发射平面光源的阳极结构图；

图4是本发明第一实施例中场发射平面光源的聚焦极结构图；

图5是本发明第一实施例中场发射平面光源的栅极结构图；

图6是本发明第一实施例中场发射平面光源的阴极结构图；

图7是本发明第二实施例中场发射平面光源的阴极结构图；

图8是本发明第一实施例中场发射平面光源的剖面工作效果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1～6，本发明第一实施例提供的一种场发射平面光源，包括阳极10、隔离体20、聚焦极40、栅极50和阴极30。阳极10与阴极30通过隔离体20隔开相对设置，三者形成一密闭收容空间，阳极10包括阳极基板11、导电层12和发光层13，阴极30包括阴极基板31和发射体32，导电层12、发光层13、发射体32，以及聚焦极40和栅极50收容在密闭收容空间内，隔离体20包括隔离主体21和侧壁支撑体22，隔离主体21开设有漏斗状通孔211，隔离主体21的大开口端212与发光层13相接，小开口端213与侧壁支撑体22相接；聚焦极40和栅极50通过侧壁支撑体22隔开设置，栅极50固定在阴极30一侧；栅极50中部的圆形区域内阵列设置有多个能使从阴极30发射的电子束通过的栅极通孔51，聚焦极40开设有能使电子束聚焦的聚焦通孔41；阴极30包括阴极基板31和发射体32，阴极基板31中部与多个栅极通孔51相对应设置有多个柱状凸起311，发射体32设置在柱状凸起311的上表面。

其中，图1为本实施例提供的场发射平面光源的剖面图。

隔离体20包括隔离主体21和侧壁支撑体22，隔离主体21开设有漏斗状通孔211，隔离主体21的大开口端212与发光层13相接，小开口端213与侧壁支撑体22相接。图2为本实施例中场发射平面光源隔离主体结构图。隔离体20的材质可以为陶瓷、玻璃或碳化硼。在本实施例中，隔离体20的材质为陶瓷。在本实施例中，隔离体20为拆分结构，即隔离主体21与侧壁支撑体22分别单独存在，通过胶黏剂封接在一起，其中，侧壁支撑体22包括三个环柱状的支撑子体221、222和223。在本发明的其他实施例中，隔离体20可以为一体化结构，即隔离主体21和侧壁支撑体22为一整体构件。隔离体20的外表面形状不作特殊限制，可以为柱形。所述柱形可以是圆柱形，也可以是方柱形。在本实施例中，隔离体20的外表面为圆柱形。

在本实施例中，聚焦极40、栅极50和阴极30分别通过环柱状的支撑子体221、222和223隔开设置，并通过胶黏剂进行固定，阳极10采用低玻粉与隔离体20进行固定。在本发明的其他实施例中，当隔离体20为一体化结构时，侧壁支撑体22的内壁上可以预定距离设置用于固定聚焦极40、栅极50和阴极30的凹槽，隔离主体21设置用于固定阳极10的凹槽，也可以不设置凹槽，直接采用胶黏剂将聚焦极40、栅极50和阴极30设置在侧壁支撑体22的内壁上。

隔离主体21的漏斗状通孔211可以为方形或圆形。在本实施例中，漏斗状通孔211为圆形。

图3是本实施例中场发射平面光源的阳极结构图。阳极10包括阳极基板11、和形成于阳极基板11上的导电层12和发光层13，发光层13形成于导电层12上。其中，阳极基板11选自玻璃或陶瓷材质的圆形或方形板。导电层12为金属铝、金或银层，或者铟锡氧化物（ITO）层，优选采用铝层，通过磁控溅射法制备在阳极基板11上。发光层13为可激发出波长为420nm～480nm蓝光的荧光粉层。发光层13可采用丝网印刷的方式制备。本发明对阳极基板11、导电层12和发光层13的厚度不作特殊限定。

图4是本实施例中场发射平面光源的聚焦极结构图。图5是本实施例中场发射平面光源的栅极结构图。聚焦极40包括导电平板42和设置在导电平板42上方的突起43，聚焦通孔41贯穿导电平板40和突起43并在在突起43顶端具有最小处直径。在本实施例中，隔离主体21小开口端213的开口口径小于聚焦通孔41的最小处直径。在其他实施例中，隔离主体21小开口端213的开口口径可等于聚焦通孔41的最小处直径。聚焦极40和栅极50为圆形或方形板金属板，优选为金属铜板。栅极通孔的孔径稍大于柱状凸起的直径。

在本实施例中，发射体与多个栅极通孔所在的圆形区域、聚焦通孔以及隔离主体的漏斗状通孔处于同一轴线位置。

聚焦极40和栅极50以预定距离设置，该预定距离可根据实际情况科学设定，以使器件获得最好的发射效果，本发明对此不做特殊限定。

图6是本实施例中场发射平面光源的阴极结构图。阴极30包括阴极基板31和发射体32，阴极30与阳极10相对设置，阳极10、隔离体20和阴极30形成一密闭收容空间。聚焦极40和栅极50收容在该空间内。

阴极基板31的形状与阳极基板11相匹配，可以为圆形或方形。在本实施例中，阴极基板31为圆形。发射体32设置在柱形凸起311的上表面。在本实施例中，柱形凸起311的上表面为平面。在本发明第二实施例中，柱形凸起311’的上表面还可为弧形外凸面。图7是本发明第二实施例中场发射平面光源的阴极结构图。柱形凸起311为不锈钢材质，可为圆柱体或方柱体。发射体32可以为氧化锌纳米棒或碳纳米管。发射体32可以采用直接生长（如化学气相沉积法）或涂覆（如丝网印刷法）的方式制备在柱形凸起311的上表面。在本实施例中，阴极基板31为中部圆形区域内阵列设置有多个不锈钢柱状凸起311的导电玻璃基板312，即柱状凸起311为单独结构，采用银浆粘贴在导电玻璃基板312上。其中，导电玻璃基板312可以为具有铟锡氧化物（ITO）层的玻璃基板。在本发明其他实施例中，阴极基板31可以为中部圆形区域内阵列设置有多个柱状凸起的不锈钢板，即柱状凸起311与阴极基板31为一体化结构。

图8是本实施例中场发射平面光源的剖面工作效果示意图。本实施例提供的场发射平面光源的工作原理如下：将阴极30接地，在栅极50施加一个正向电压V_g，同时在聚焦极40施加一个负电压V_f，在阳极导电层12施加一个相对栅极电压较大的加速电压V_a，这时候，从阴极30所产生的电子束60会经过聚焦极电压的影响及阳极高电压的加速以发射的形式轰击阳极发光层12，和传统的场发射平面光源区别的是，电子束60轰击阳极发光层12后所产生的正离子在电场作用下以垂直的方向往阴极30加速的中间过程被“漏斗”状的绝缘隔离主体拦截，由于漏斗状通孔的小开口端开口直径较小，所以大大减少轰击阴极30的正离子数量，从而降低了对阴极发射体的毁坏程度，提高了器件工作的稳定性及寿命。此外，此外，场发射平面光源用多个柱状凸起做阴极衬底代替传统的单个阴极衬底结构，避免单个毁坏后器件工作停止的状态，有利于提高器件工作的稳定性。另外，把阴极加工成一体化的结构有利于器件的封装和内部真空度的维持。

另一方面，上述场发射平面光源的制备方法如下：

首先，选用一块圆形玻璃作为阳极基板，玻璃厚度为3mm、直径为100mm，将阳极基板依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗15分钟并吹干或烘干。然后在该洁净的阳极基板上采用磁控溅射的方法制备厚度为2微米的金属铝导电层，随后在该铝层上阳极基板中部直径为80mm的圆形区域内，采用涂覆法涂覆一层厚度为35微米的ZnS:Ag蓝光荧光粉层，得到阳极；

采用切割、打磨等方法加工不锈钢板，得到中部直径为30mm的圆形区域内阵列设置有多个不锈钢柱状凸起的阴极基板，柱状凸起的上表面为平面。在每个柱状凸起上表面采用涂覆法涂覆一层厚度为5微米的碳纳米管发射体，得到阴极；

采用切割、打磨等加工方法得到一个外表面为圆柱形，外周圆直径为130mm的陶瓷材质隔离主体和三个外表面为圆柱形，外周圆直径为130mm、内环直径为80mm的环柱状的陶瓷材质支撑子体，隔离主体中部开设有漏斗状通孔；

采用切割、抛光等方法加工得到直径为100mm，且中心具有聚焦通孔的圆形金属铜板作为聚焦极，该聚焦极包括金属铜平板和设置在金属铜平板上方的突起，聚焦通孔贯穿金属铜平板和突起并在突起顶端具有最小处直径，该最小处直径等于隔离主体漏斗状通孔的小开口端开口口径，为2mm；同样，采用切割、抛光等方法加工得到直径为100mm，且在中心直径为30mm的圆形区域内阵列设置有多个与不锈钢柱状凸起相对应的栅极通孔的栅极；栅极通孔的孔径稍大于柱状凸起的直径;

将上述所得阳极、聚焦极、栅极、阴极和隔离体进行组装，隔离主体的大开口端与发光层相接，采用低玻粉进行固定，小开口端与侧壁支撑体相接，聚焦极、栅极和阴极采用三个支撑子体隔开设置，并用胶黏剂粘结固定，栅极设置在阴极一侧；发射体与多个栅极通孔所在的圆形区域、聚焦通孔以及隔离主体的漏斗状通孔处于同一轴线位置；最后组装形成一收容空间，抽真空至1×10^-5Pa，密封该收容空间，制得场发射平面光源。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种场发射平面光源，包括阳极、隔离体、聚焦极、栅极和阴极，所述阳极与阴极通过隔离体隔开相对设置，三者形成一密闭收容空间，所述聚焦极和栅极收容在所述密闭收容空间内，其特征在于，

所述阳极依次包括阳极基板、导电层和发光层；

所述隔离体包括隔离主体和侧壁支撑体，所述隔离主体开设有漏斗状通孔，所述隔离主体的大开口端与所述发光层相接，小开口端与所述侧壁支撑体相接；

所述聚焦极和栅极通过所述侧壁支撑体隔开设置，所述栅极设置在所述阴极一侧；所述栅极中部的圆形区域内阵列设置有多个能使从所述阴极发射的电子束通过的栅极通孔，所述聚焦极开设有能使所述电子束聚焦的聚焦通孔；

所述阴极包括阴极基板和发射体，所述阴极基板中部与所述栅极通孔相对应设置有多个柱状凸起，所述发射体设置在所述柱状凸起的上表面。

2.如权利要求1所述的场发射平面光源，其特征在于，所述聚焦极包括导电平板和设置在所述导电平板上方的突起，所述聚焦通孔贯穿所述导电平板和所述突起并在所述突起顶端具有最小处直径。

3.如权利要求2所述的场发射平面光源，其特征在于，所述隔离主体小开口端的开口口径小于或等于所述聚焦通孔的最小处直径。

4.如权利要求1所述的场发射平面光源，其特征在于，所述发射体与所述多个栅极通孔所在的圆形区域、所述聚焦通孔以及所述隔离主体的漏斗状通孔处于同一轴线位置。

5.如权利要求1所述的场发射平面光源，其特征在于，所述隔离体的材质为陶瓷、玻璃或碳化硼。

6.如权利要求1所述的场发射平面光源，其特征在于，所述柱状凸起为不锈钢材质，所述柱状凸起的上表面为平面或弧形外凸面。

7.如权利要求1所述的场发射平面光源，其特征在于，所述阳极基板的材质为玻璃，所述导电层为金属铝、金或银层，或者铟锡氧化物层，所述发光层为可激发出波长为420nm～480nm蓝光的荧光粉层。

8.如权利要求1所述的场发射平面光源，其特征在于，所述阴极基板为中部圆形区域内阵列设置有多个不锈钢柱状凸起的导电玻璃基板。

9.如权利要求1所述的场发射平面光源，其特征在于，所述发射体为氧化锌纳米棒或碳纳米管。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的场发射平面光源的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在洁净的阳极基板上采用磁控溅射法或蒸镀法制备导电层，然后在所述导电层表面制备发光层，得到阳极；

制作中部圆形区域内阵列设置有多个不锈钢柱状凸起的阴极基板，再采用直接生长或涂覆的方式在所述柱状凸起上表面制备发射体，得到阴极；

采用绝缘材料制作隔离体，所述隔离体包括隔离主体和侧壁支撑体，所述隔离主体开设有漏斗状通孔；

制作中部的圆形区域内阵列设置有多个栅极通孔的栅极，所述栅极通孔与不锈钢柱状凸起相对应设置；制作开设有能使所述电子束聚焦的聚焦通孔的聚焦极；

将所述阳极、聚焦极、栅极、阴极和隔离体进行组装，所述隔离主体的大开口端与所述发光层相接，小开口端与所述侧壁支撑体相接，所述聚焦极和所述栅极通过所述侧壁支撑体隔开设置，所述栅极设置在所述阴极一侧；所述阳极、聚焦极、栅极、阴极和隔离体组装形成一收容空间，抽真空密封所述收容空间，制得场发射平面光源。