CN1313364C - 纳米碳管悬浮液及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米碳管悬浮液，以水为基础溶剂，加入分散剂、稳定剂、成膜剂与增黏剂等溶质，以及纳米碳管，其中基础溶剂与溶质形成低黏度水溶液，纳米碳管则悬浮于其中，形成纳米碳管悬浮液，可以用该纳米碳管悬浮液做为场发射显示器电子发射源的原料，即以涂布悬浮液的方式布设纳米碳管。

Description

纳米碳管悬浮液及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种纳米碳管悬浮液，尤其涉及一种将纳米碳管浸置在特定成分的水溶液中所形成的纳米碳管悬浮液，该悬浮液可用于布设场发射显示器电子发射源。

背景技术

场发射显示器(Field Emission Display，FED)是近年来新兴的平面显示器之一。其具有自体发光的效果，无需另外使用背光光源，与LCD相比较，不仅亮度较佳，而且具有可视角度范围更加宽广、耗电量低、反应速度快(不留残影)及操作温度范围较为宽广等优点，且其影像画质非常近似于传统的阴极射线管(CRT)显示器，但其体积却远较阴极射线管轻、薄。液晶显示器(LCD)可视角度范围较小、反应速度不足、亮度不足(尤见于大尺寸者)等缺点，以及电浆显示器(PDP)的高耗电、高发热量、不适于小尺寸面板及全黑表现不佳等缺点，场发射显示器均可一一加以克服，因而场发射显示器成为取代液晶显示器及电浆显示器的明日之星实为指日可待之事。更由于近年来纳米技术的迅速发展，将纳米材料应用于场发射显示器中，势将更加促进其发展为成熟商品。

图1示出了一种典型的三极结构场发射显示器的剖视图。其主要包含阳极板10与阴极板20，阳极板10与阴极板20之间设置有支撑器(spacer)14，作为阳极板10与阴极板20之间真空区域之间隔，并作为阳极板10与阴极板20之间的支撑。该阳极板10包含一阳极基板11、一阳极导电层12及一荧光粉体层(phosphors layer)13。该阴极板20包含一阴极基板21、一阴极导电层22、一电子发射源层23、一介电层24及一闸极层25。其中该闸极层25被施加一电位差以汲引电子发射源层23射出电子，利用阳极导电层12所提供的高电压，使电子束加速，使电子有足够的动能撞击(impinge)阳极板10上的荧光粉体层13，使其激发而发光。

在纳米碳管发明以后，由于纳米碳管的特性非常符合场发射显示器的要求，因而近来场发射显示器都采用纳米碳管做场发射显示器的电子发射源。而将纳米碳管布设在场发射显示器的阴极板上，以形成电子发射源23的方法，公知的都采用网印技术，这种网印技术所使用的纳米碳管涂料为一种黏度超过100,000cps的高黏度混合液体，其所成形的电子发射源层23，表面难以平整，使同一阴极单元内的电子发射源层23与对应的闸极层25之间的间隙难以一致，使其间的电场强度也无法一致，进而电子发射源层23无法在每一位置均匀射出电子，即间隙较小处，其电场强度较大，射出的电子较多。另外，网印技术所使用的混合液因黏度极高，纳米碳管非常不容易平均分散，而必须仰赖机械性或物理性的分散技术加以分散。但即使如此仍难以控制电子发射源层23内的纳米碳管的密度一致，即分布的均匀度较差，也会使得电子的射出不均匀。这两种因素交互作用，会使同一阳极单元的荧光粉体层13的发光分布不均匀。在理想状态下，一阳极单元的发光应均匀分布，故公知以网印技术所制成的纳米碳管电子发射源，其在单一发光单元中皆会发生明暗不一的情形，也就是降低了画面品质。另外，这种高黏度混合液虽然黏度高，但其固着力却不足，故必需再添加相当比例的固着材料，如玻璃粉等，才能充分固着纳米碳管，增加了制造的复杂度。

本发明的内容

本发明的主要目的是提供一种纳米碳管悬浮液，可以做为场发射显示器的电子发射源的原料，其可以以涂布的方式布设纳米碳管，易于操作。

本发明的另一目的是提供一种纳米碳管悬浮液，其黏度较低，可以化学作用达到极佳的纳米碳管分散效果，不仅无需再使用机械性或物理性设备，且其分散的均匀性优于公知高黏度混合液。

本发明的另一目的是提供一种纳米碳管悬浮液，其为一种低黏度液体，在以涂布方式布设纳米碳管时，其膜层厚度的均匀性极高，即可提高膜层表面的平整度。

为实现上述目的，本发明利用水为基础溶剂，加入分散剂、稳定剂、成膜剂与增黏剂等溶质及纳米碳管，其中基础溶剂与溶质形成低黏度水溶液，纳米碳管则浸置悬浮于其中，形成本发明的纳米碳管悬浮液。

其中，本发明的纳米碳管悬浮液，以水作为基础溶剂；以基础溶剂的总质量作为比例基础，并以质量为计算标准，各溶质及纳米碳管的成份及比例如下：纳米碳管：5％至20％；成膜剂：5％至20％，所述成膜剂为硫酸铝钠、硅烷偶合剂、胶态硅氧、四乙氧基硅烷中的至少一种；增黏剂：1％至5％，所述增黏剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯胺中的一种；稳定剂：0.5％至5％，所述稳定剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种；分散剂：1％至10％，所述分散剂包括乙二醇和有机烷基磺酸钠；消泡剂：1％至10％，所述消泡剂为聚环丙烯丙二醇。其中，所述纳米碳管的长度优选在1μm以下。

本发明的一种纳米碳管悬浮液的制造方法，包括下列步骤：a.以水为基础溶剂，均匀混合1％至10％的分散剂与1％至10％的消泡剂，其中，所述分散剂包括乙二醇和有机烷基磺酸钠，所述消泡剂为聚环丙烯丙二醇；b.加入5％至20％的纳米碳管；c.将步骤a及b所得的混合液进行搅拌，进行一段时间的震荡搅拌；d.添加0.5％至5％的稳定剂，再进行搅拌，其中，所述稳定剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种；e.添加5％至20％的成膜剂和1％至5％的增黏剂，持续搅拌一段时间，其中，所述成膜剂为硫酸铝钠、硅烷偶合剂、胶态硅氧、四乙氧基硅烷中的至少一种，所述增黏剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯胺中的一种；f.以筛网筛滤。其中，所述纳米碳管的长度优选在1μm以下。另外，所述搅拌程序优选是以超声波进行震荡搅拌。此外，所述筛网优选为500目。

附图的简要说明

图1是典型场发射显示器的剖视图；

图2是本发明纳米碳管悬浮液组成物组成制造步骤流程图；

图3是本发明使用溶液于电子发射源制法实施例的制作流程图。

主要组件代表符号列表说明如下：

步骤50             步骤51

步骤52             步骤53

步骤54                 步骤55

步骤56                 阴极基板6

光阻层7                电子发射区8

电子发射源层9

具体实施方式

本发明的内容公开了一种配制组成的纳米碳管悬浮液。以水为基础溶剂，并以分散剂、稳定剂、成膜剂、增黏剂及消泡剂等溶质溶解于其中，形成低黏度的水溶液，再将长度在1μm以下的纳米碳管浸置于该水溶液中，而构成一纳米碳管悬浮液，各溶质及纳米碳管的成份及比例如下：

1.纳米碳管：5％至20％；

2.成膜剂：5％至20％，可以是硫酸铝钠、硅烷偶合剂、胶态硅氧或四乙氧基硅烷(TetraEthylOrthoSilicate，TEOS)其中之一或一者以上。使悬浮液容易附着在场发射显示器的玻璃基板上，并使悬浮液具有较好的成膜性；

3.增黏剂：1％至5％，为聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、甲基纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯胺其中之一。可根据场发射显示器的制造程序的需求而提高悬浮液的黏度，并易于控制成膜厚度；

4.稳定剂：0.5％至5％，为氨水、氢氧化钾、氢氧化钠其中之一。增加悬浮液的保存期限，以使纳米碳管有充裕的时间进行分散。

5.分散剂：1％至10％，包括乙二醇及有机烷基磺酸钠。用来促使纳米碳管在悬浮液中进行分散；

6.消泡剂：1％至10％，聚环丙烯丙二醇。消除液体搅拌时所产生的泡沫。

本发明的优选组成纳米碳管悬浮液的一制作方法如图2所示，包括：

步骤50，以水为主要组成基础溶剂，在组成混合过程中，以该基础溶剂的总质量作为比例基础，并以质量为计算标准。

步骤51，在基础溶剂中混入预先配置的5％的有机烷基磺酸钠(分散剂)与5％的消泡剂。

步骤52，加入为10％的纳米碳管。

步骤53，将前述步骤50～52混合所得初步混合物，利用超声波震荡技术进行震荡搅拌。优选地，震荡搅拌时间为3小时。

步骤54，在步骤53震荡搅拌后的组成物混合液中加入1％的氨水(稳定剂)，再进行搅拌。

步骤55，添加5％的硫酸铝钠(成膜剂)、10％的硅烷偶合剂(成膜剂)、2.8％的PVA(增黏剂)及2％的乙二醇(分散剂)。

步骤56，将前述步骤50～55混配所得的组成物混合液，最后以500目的筛网筛滤形成低黏度纳米碳管悬浮液。

利用前述组成物在各适当质量百分比调混，所得的低黏纳米碳管悬浮液，其黏度仅为24cps，而固型物成份为14％，远低于目前已知纳米碳管涂料黏度，可以用涂布方式进行布设，不仅所布设的膜层平整度极佳，且以分散剂对纳米探管进行化学性分散，使悬浮液内的纳米碳管不会凝团，并且纳米碳管的分布均匀性极高，在场发射显示器中应用可得到极佳的场发射效果。

在阴极基板上形成电子发射源的制造过程中，本发明前述组成物所组成的低黏度纳米碳管悬浮液，可以直接配合真空烧结技术，在制造程序中，使溶液中的纳米碳管直接固着在阴极基板表面，形成电子发射源层。因此在本发明低黏度纳米碳管悬浮液中不需再添加任何固着材料如玻璃粉等，相对使得溶液内纳米碳管沉积密度不会进一步被稀释，进而可以简化溶液内的组成物材料，并可进一步在溶液中引用其它辅助溶液来增加溶液的应用范围。

图3中的图3a～3d示出了在阴极基板表面使用本发明的低黏度纳米碳管悬浮液形成电子发射源的制造方法。

本发明的纳米碳管悬浮液主要应用在场发射显示器中，以进行电子发射源的布设。如图3所示，主要利用负型光阻剂，结合光微影制造程序与蚀刻制造程序进行制造，包括制造光阻层、阴极基板表面电子发射区构图，制造纳米碳管电子发射源层与真空烧结固着。

下列步骤即为本发明之一的典型应用：

(a)如图3a所示，提供一阴极基板6。

(b)利用光微影制造程序及构图技术，在前述阴极基板6表面制作一层可去除的光阻层7，并由构图技术，进一步规划出有多个个不连续的电子发射区8，如图3b所示。

(c)将前述纳米碳管悬浮液直接涂布在电子发射区8内，如图3c所示。

(d)再用蚀刻制造程序结合显影制造程序，将前述光阻层去除，并经真空烧结，形成固着在阴极基板6表面的电子发射源层9，如图3d所示。

以此方法制成的电子发射源层4具有极佳的表面平整度，且其内的纳米碳管的分布极为均匀，使电子束的发射极为均匀，可以提高场发射显示器的画面质量。

以上所述仅为本发明的实施例的举例说明，但并非是用来限制本发明专利范围的实施例，凡是运用本发明的技术特征所作的任何等效变换，均包括在本发明的专利范围内。

Claims (6)

1.一种纳米碳管悬浮液，以水作为基础溶剂；以基础溶剂的总质量作为比例基础，并以质量为计算标准，各溶质及纳米碳管的成份及比例如下：

纳米碳管：5％至20％；

成膜剂：5％至20％，所述成膜剂为硫酸铝钠、硅烷偶合剂、胶态硅氧、四乙氧基硅烷中的至少一种；

增黏剂：1％至5％，所述增黏剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯胺中的一种；

稳定剂：0.5％至5％，所述稳定剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种；

分散剂：1％至10％，所述分散剂包括乙二醇和有机烷基磺酸钠；

消泡剂：1％至10％，所述消泡剂为聚环丙烯丙二醇。

2.根据权利要求1所述的纳米碳管悬浮液，其特征在于，所述纳米碳管的长度在1μm以下。

3.一种纳米碳管悬浮液的制造方法，包括下列步骤：

a.以水为基础溶剂，均匀混合1％至10％的分散剂与1％至10％的消泡剂，其中，所述分散剂包括乙二醇和有机烷基磺酸钠，所述消泡剂为聚环丙烯丙二醇；

b.加入5％至20％的纳米碳管；

c.将步骤a及b所得的混合液进行搅拌，进行一段时间的震荡搅拌；

d.添加0.5％至5％的稳定剂，再进行搅拌，其中，所述稳定剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种；

e.添加5％至20％的成膜剂和1％至5％的增黏剂，持续搅拌一段时间，其中，所述成膜剂为硫酸铝钠、硅烷偶合剂、胶态硅氧、四乙氧基硅烷中的至少一种，所述增黏剂为聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素、乙基纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯胺中的一种；

f.以筛网筛滤。

4.根据权利要求3所述的纳米碳管悬浮液的制造方法，其特征在于，所述纳米碳管的长度在1μm以下。

5.根据权利要求3所述的纳米碳管悬浮液的制造方法，其特征在于，所述搅拌程序是以超声波进行震荡搅拌。

6.根据权利要求3所述的纳米碳管悬浮液的制造方法，其特征在于，所述筛网为500目。

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