CN1414590A - 阴极射线管使用的阴极及其产生电子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种阴极射线管使用的阴极及其产生电子的方法，其装置包括一基体、一阴极套筒，一加热组件和一场电子发射层，其中场电子发射层是以一碳纳米管为主成分，可以化学气相沉积法、喷涂、网印法或其它，成长或附着于基体上；其方法是以一种场电子发射材料碳纳米管作为阴极射线管阴极的场电子发射层，借适当的加热功率，驱使提高其场电子发射层产生足够及稳定的电流，以应用于阴极射线管，此加热功率可比现有的碱土类金属氧化物的阴极的加热功率为低。

Description

阴极射线管使用的阴极及其产生电子的方法

技术领域

本发明是一种阴极射线管使用的阴极及其产生电子的方法，是一以场电子发射材料的碳纳米管(carben nanotube)作为阴极场电子发射层的阴极射线管。

背景技术

现有的阴极射线管的电子束产生及工作模式，参考图1所示，由一阴极射线管1借电子枪2产生的电子束12，该电子束12射出后经过磁性偏向轭13偏向，再通过与显示屏15内面保持一固定距离的一萤光粉选择性荫屏蔽14，而后着陆于显示屏15内的萤光屏16，电子束12激发萤光粉点发光，其中所谓的电子枪2如图2所示，是包含一阴极3及一闸电极21与一导引装置(电子束聚焦导引装置等)22及23，由该阴极3与闸电极21有一电压差，以便使阴极3产生的电子经导引装置22、23形成电子束12投射至萤光屏16。

其中现有电子枪2的阴极3，参考图3所示，为一种所谓的热电子发射式(Thermionic emitter)阴极，主要是由一基体(base)31、阴极套筒32，加热组件33和热电子发射层(thermionic emitter)34组成，该基体31的主成分是多以镍为主成分含少量镁、硅所组成的合金，当操作时，输入电流(直流或交流)于加热组件34，利用电阻丝产生的焦耳热(resistive heating)或加热功率(power)： $P=I^{2}R=\frac{V^2}{R}$ (单位：瓦特(watt))        (1)

其中，V为输入电压，I为输入电流，R为电阻丝电阻，以辐射(或部分传导)方式对基体31加温，当温度达一定温度以上而足以克服发射层组成物质的功函数(work function)时，即可使热电于发射层34产生游离(自由)电子；在平板二极管(plane diode)构造下，依据查尔德—蓝谬尔空间电荷律(Child-Langmuir space-charge law可以算出发射电流密度(Vacuum Tubes，p171(1948))： $J=2.335\×{10}^{-6}\frac{V^{3/2}}{x^2}$ (单位：安培/面积)        (2)

其中，V为二极管间电压差，x为二极管间等效间距；而在一般阴极射线管用电子枪2结构中各电极制作有孔洞以使电子束通过，此结构下的阴极3发射电流依循驱动特性(Drive characteristic)可得I＝C V_d ^γ安培(TV&Video Engineer’s Reference Book，p8/3-8/4(1991))，其中，C为常数，V_d为阴极驱动电压(Drive voltage)，γ称为加玛值(Gammavalue)。

由于阴极射线管的发展趋势朝向大面积化、高分辨率、高亮度及长使用寿命等要求，为了达到前述要求，均需要具高发射电流密度且稳定的电流的发射阴极配合。而目前阴极所使用的热电子发射层其材料主成分多为碱土类金属氧化物，如(钡，锶)氧或(钡，锶，钙)氧的混合物，一般使用条件下的平均电流密度约0.5A/cm²，必要时再杂以稀土类金属氧化物(如三氧化二钪，Sc₂O₃)可使电流密度提高至2.0A/cm²以上，或可延长其使用寿命等(如美国发明专利案公告第5122707号所公开；及期刊Proc.of the SID，Vol.31/3，p165-169(1990)所公开)；此类阴极所须的工作温度约700至800℃。

另，一种以通过阴极基体结构、材质及发射层的特殊设计称为含浸式(Impregnated Dispenser Cathode)的阴极亦广泛被应用，此类阴极的发射电流密度更可达10A/cm²以上；但其工作温度更高达约1000℃(如美国发明专利案公告第5518520号所公开；及期刊IDW’97，p453(1997)所公开的)。

但是，前述的改良式氧化物阴极—杂以稀土类金属氧化物(如三氧化二钪)，其原材料的高纯度三氧化二钪粉沫价格不匪；而含浸式阴极的制程繁复精密，亦造成高昂的成本，且干操作时对于离子轰击(IonBombardment)效应相当敏感而导致电流发射的变化。此外，以上所谓的碱土类金属氧化物的阴极与含浸式阴极在阴极射线管的组装制程中须对该阴极的电子发射层进行活化(Activation)与老化(Aging)处理后，方能使该阴极具电子发射能力。

此外这类所谓的热电子发射式阴极工作过程，阴极所须的工作温度约700至1000℃，且由于对电子发射层采用的加热方式为间接加热方式，故可知加热组件产生的工作温度更高于此，亦即须要持续由系统供给一定的功率，一般约数瓦左右；因此，若能降低阴极的工作温度，即可减少加热组件的功率耗损以节省阴极射线管的用电。

近年来一种新的场电子发射材料称为碳纳米管(Carbon nanotube)自1991年被发现后(Nature 354，56(1991))，由于该材料具有高长宽比(aspect ratio)、高机械强度，不易毒化(high chemical resistance)等特点，与一般现有的Spindt type微尖端结构相较有不易磨耗、低启闸电场(threshold electric field)等特性，以成为一种场发射电子源(filedemission electrons)的材料，被广泛研究(Science 269，p1550(1995)；SID’98 Digest，p1052(1998)：SID’01 Digest，p316(2001))。而所谓的场电子发射是利用一种施加于材料表面的高电场(high eleetricfiled)，将材料能障壁(energy barrier)的厚度减小致使电子可借由量子力学的信道效应(Quantum-mechanical tunnel ing effect)从材料表面脱离成为自由电子(J.Appl.phys.39，7，pp 3504-3504(1968))，因此场电子发射的电流可借由材料的一具有低工作函数的表面而提升效果，又，此电子产生方式是借由对该材料施予一电场来达成，无须对材料提供一定热源，因此这类场电子发射装置素有冷阴极(cold cathode)之称。

另，前述这类碳纳米管材料其主成分为碳，其物理结构似非钻石结构，电子结构含sp²及sp³价键结构，易于借一些激发方式即可产生自由电子，并且该材料有多种方法可以制备：弧光放电法(Nature 354，56(1991))、碳氢化合物的气相热分解法(J.Mater.Sci.Lett.，16，457(1997))、石墨激光热升华法(Science 273，483(1996))、化学气相沉积法(ChemicalVapor Deposition，SID’01 Digest，p1124(2001))及其衍生方式；而加工制作于阴极基体表面的方法，目前除可利用CVD法直接成长于基体外，也可以喷涂(pasting)或网印法(screen printing，SID’01 Digest，p316(2001))等来达成，量产应用后，碳纳米管原材料(碳(C)成本低及简易低廉的制程(或加工制程)为本发明选用考量的因素。

但是，目前所谓的场电子发射装置(冷阴极)是多应用于真空电子装置、阴极平面显示器、发射闸极放大器以及照明上的应用，这类场电子发射装置(冷阴极无热源装置者)，若导入目前现有阴极射线管的阴极，其所能产生的电流型态如发射电流、电流密度及电流稳定度等，目前尚无法满足阴极射线管商业上的使用；即如现有技术(SID’01 Digest，p1124(2001)所公开的成就，该冷阴极装置于长时间操作下的电流稳定度仍是一个问题。发明人为此乃考量以这类场电子发射材料如碳纳米管等，取代目前现有的热电子发射材料的碱土类金属氧化物为阴极射线管的场电子发射层的材料，应用其良好的场发射特性并佐以适当的阴极基体温度，以驱使其场发射材料产生的电流密度及电流稳定度，可以满足现有阴极射线管的电子束电流密度及电流稳定度的要求；同时，该阴极基体温度与加热单元所需的电功率小于前述一般热电子发射式阴极的所需。亦即，本发明提供了兼具热电子发射式阴极的稳定度及场发射冷阴极的高电流密度与省电的功能，又，由该碳纳米管材料制备而成的阴极，在阴极射线管制程中可不须经过如同热电子发射式阴极所需的活化(Activation)与老化(Aging)处理，即具有发射能力。

有鉴于一种场电子发射材料碳纳米管的场发射冷阴极应用，仍无法满足目前阴极射线管阴极的商业需求使用，发明人乃以该碳纳米管取代现有的阴极射线管阴极的热电子发射材料，提供一种以场电子发射材料碳纳米管为阴极射线管阴极的电子发射层的装置及方法，可以提升阴极电子束的电流密度及均匀稳定电流的要求。

发明内容

本发明的主要目的，是提供一种以场电子发射材料碳纳米管为阴极射线管阴极的电子发射层的装置，可满足阴极射线管的阴极产生的电于束电流密度及均匀稳定电流的要求。

本发明的另一目的，是提供一种以场电子发射材料碳纳米管为阴极射线管阴极的电子发射层的方法，是提供一较低的加热功率可使场电子发射材料产生的电子满足阴极射线管电子束电流密度及均匀稳定电流的要求。

本发明的又一目的，是提供一种以碳纳米管为热离子发射材料的阴极射线管阴极的装置，可免去现有阴极射线管的制程中对阴极需进行活化及老化的制程。

为了达成上述诸目的，本发明是提供一种阴极射线管的阴极的装置及方法，其装置如图4所示的阴极4，主要是包括：一基体41。一阴极套筒42，一加热组件43和一场电子发射层44，其中场电子发射层44是以一碳纳米管为主成分，可以化学气相沉积法、喷涂、网印法或其它，成长或附着于基体41，该基体41的主成分仍以镍为主要材质；其方法是以碳纳米管作为阴极射线管阴极4的场电子发射材料，借提供适当的加热功率于加热组件43，以间接对阴极基体41加热，驱使场电子发射材料产生足够且稳定的电流密度以应用于阴极射线管，不过此加热组件43的加热功率仍可较现有的碱土金属氧化物热电子材料的阴极所须的热功率为低。

鉴于上述，本发明是为一种碳纳米管的场电子发射材料合并加热源的阴极射线管的装置及方法，另，其它目的与优点，对于熟习此技艺者而言，在参考附图及后文发明详述后，将变得明了。

附图说明

图1所示是现有的阴极射线管电子束路径示意图；

图2所示是现有电子枪示意图；

图3所示是现有的热电子阴极示意图；

图4所示是本发明的场电子阴极示意图；

图5所示是本发明实施例的发射电流对闸电极电压的F-N plot随热丝电压变化图；

图6所示是发射电流稳定度/时间图。

具体实施方式

本发明是以场电子发射材料碳纳米管取代现有阴极射线管阴极的碱土金属氧化物热电子发射材料，应用碳纳米管良好的场发射特性并佐以适当的阴极基体温度，以驱使其发射材料产生的电流密度、电流稳定度，满足现有阴极射线管的电子束电流密度、电流稳定度的要求及免去阴极射线管制程中对阴极需活化及老化的制程。

本发明所谓的一种以场电子发射材料碳纳米管为阴极射线管阴极的电子发射层的装置是以现有的阴极射线管阴极，参考图4，其中现有的碱土金属氧化物的热离子发射材料己被取代为一种场电子发射材料纳米管，该装置包含一基体41、一阴极套筒42，一加热组件43和一场电子发射层44，其中基体41是以镍为主要材质，呈平板状，其一面提供场电子发射层44附着用，另一面则覆盖于阴极套筒42的一端；阴极套筒42为一中空管柱，其内容置加热组件43，一端覆盖一基体41；加热组件43是容置于阴极套筒42内，本实施例是以一热丝电阻，可借提供一适当的电压，使其加热可间接提供温度给基体41，而由热传导或辐射于场电子发射层44提供一温度；场电子发射层44是以一碳纳米管材料为主成分，可以化学气相沉积法、喷涂、网印法或其它，成长或附着于所谓的基体41，本实施例是以化学气相沉积法直接将碳纳米管成长于基体41上，其组成为一多层碳纳米管(MWCNT，Multi-Walled CNT)与单层碳是米管(SWCNT，Single-Walled CNT)的混合体。

另，本发明的一种以场电子发射材料碳纳米管为阴极射线管阴极的电子发射层的方法是对碳纳米管为场电子发射材料提供一定温度，以便使其可使电子束的电流密度增加及稳定电流以满足阴极射线管的阴极要求，该方法是以一电压提供加热组件43，使加热组件43产主温度间接提供一温度至场电子发射层44，以便使该场电子发射层44产生足量电子以供阴极射线管应用。

又，为阐述本发明的装置及方法可达成前述的诸目的，本发明以下的实用量测结果表述具体实施例；

按，一般现有的阴极射线管的热离子发射材料阴极，该加热组件为一种热丝电阻，热丝电阻通以直流或交流的电流(电压)控制之，以碳纳米管作为发射材料时，该现有基体温度与热丝电阻控制电压(Vf)间的关系如表一所示

表一

热丝电压，Vf(V)	3	4	5	6	6.3
						基体温度(℃)	646	670	693	717	750

其中最后一栏表示应用于现有的碱上金属氧化物热电子发射材料时的一般条件为：热丝电阻控制电压Vf＝6.3V；热丝电阻加热功率约2.1瓦特(Watt)；阴极基体温度约750℃。

而以本发明的实施例，依据碳纳米管的研究显示为一良好的场电子发射材料，可利用Fowler-Nordheim理论对组件(如一平板二极管(planediode)构造)进行定性且定量的分析工作；该理论以如F-N方程式说明：(J.Appl.phys.47，12，pp5248-5263(1976)) $J=\frac{A{E}^2}{{\mathrm{\Φt}}^2\left(y\right)}\exp \[-B\frac{{\mathrm{\Φ}}^{3/2}}{E}v\left(y\right)\]---\left(3\right)$

其中、J为电流密度(Apmere/cm²)；E为电场强度(Volt/cm)；

A＝1.54×10^-6；B＝6.87×10⁷；y＝3.79×10^-4E^1/2/φ；t²(y)≈1.1；v(y)≈0.95-y²；

一般实用上以量测发射电流(I)对阳极外加电压(V)的变化进行量测分析，令1＝Jα；E＝βV：其中，α为发射面积，β为局部电场增强因子(localfield enhancement factor)。则(3)式可改写成 $\mathrm{Ln}\left(\frac{I}{V^2}\right)=(-b)\frac{1}{V}+\mathrm{Ln}\left(\mathrm{\α}\right)---\left(4\right)$ $\mathrm{\α}\≅1.4\×{10}^{-6}\×\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Φ}}\×\exp \[9.868/\sqrt{\mathrm{\Φ}}\]\×{\mathrm{\β}}^2$ 其中， $b\≅6.527\×{10}^7\×{\mathrm{\Φ}}^{3/2}/\mathrm{\β}$

以场电子发射层的发射电流(I)与阳极的外加电压(V)的对数值即Ln(I/V²)，对阳极的外加电压(V)的倒数即1/V作图，即成所谓的Fowler-Nordheimplot，如图5所示；本发明的实施例中，阳极的外加电压(V)乃施加于图2所示电于枪2的闸电极21。所谓Fowler-Nordheim plot通常其图形应成一条斜率为负值的直线。其中斜率与截距的信息可作如下的应用：

(I)对一特定发射物体来说，β可视为定值，则F-N plot的斜率即给出该发射物体的(等效)功函数信息；

(ii)已知发射物体的功函数，则可得出出进而由截距算碍发射面积α。

据此图5所示，按前述Fowler-Nordheim plot的解释，该图显示：1)本发明的碳纳米管阴极工作仍属于场发射区域态样而非热电子发射态样；2)在同一阳极外加电压条件下随着热丝电压的提高，本实施例的发射电流亦随的提高；3)显示在相同发射电流应用条件下，其所须的外加工作电压随着热丝电压的提高而降低；4)曲线斜率随着热丝电压的提高而下降，可知其发射物体的等效功函数亦随的降低。

由以上的证明显示本发明的实施例，显示其热丝电阻的电压(Vf)可介于0V与6.0V之间，均可满足阴极射线管的电子束电流需求，端视阴极射线管的系统所须而定；另，若与现有的热离子发射材料阴极的热丝电阻控制电压6.3V比较，参考式(1) $P=I^{2}R=\frac{V^2}{R}$ 瓦特(watt)，比较二者间的热功率，本发明的实施例其省电效率为(6.3²-Vf²)/6.3²，即介于100％与9.3％的间。

另，由以上数据量测以显示，本发明装置已可获得足够的发射电流(密度)以满足阴极射线管应用的所须。一般(17”)监视器用阴极射线管工作时所须长时间平均电流约为250的(单一阴极)，发射电流密度约0.5A/cm²，然而，若按本发明的装置若未施予必要的热功率则发射电流仅约0.1A/cm²(Proc.of the ASID’00，p366-370(2000))，仍无法满足监视器用阴极射线管工作的工作需求，若，按本发明的装置并施予必要的热功率0.29瓦(单一阴极)，则发射电流已可达0.8A/cm²，已充分满足一般(17”)监视器用阴极射线管商业应用要求，且省电效率达60％。

又，为证明本发明是可提供一稳定的发射电流，是以本发明装置的阴极射线管对热丝电阻提供不同热丝电压，量测其各该条件下的发射电流稳定度，如图6所示，其中纵轴表示发射电流(μA)，横轴表示时间(min)；该图显示：未提供热丝电压时Vf＝0.0V时，即一般所谓的冷阴极态样，其发射电流变化高达20％，无法满足目前阴极射线管的应用，显示虽场发射电子冷阴极态样在无热源提供下仍可发射电流，但若无本发明法所公开施予一适当温度与场电子发射层，也无法使其产生的电子形成一稳定电流；如，本发明装置方法提供一热丝电压为4.0V时，发射电流变化即可明显减低至5％内变化，而现有的碱土金属氧化物热电子发射材料于一般的应用条件下，其发射电流变化则在于1％之内，虽本发明表现尚未如现有的电流稳定，但已可满足阴极射线管一般应用的需求。

以上验证本实施例在应用场发射材料碳纳米管为阴极射线管阴极的电子发射层时必须提供适当的热功率，以便使场电子发射层产生足够的电子密度及稳定的电流，以满足阴极射线管的商品化要求，为本发明所公开的必要条件。

Claims (10)

1.一种阴极射线管使用的阴极，其特征在于，包括：

一阴极套筒，呈中空管柱；

一基体，是一以镍为主成分，呈板状，一面覆盖固着于阴极套筒的一端；

一场电子发射层，是设于基体的另面；及

一加热组件，是设于阴极套筒内，提供一热源于基体，间接加热于场电子发射层。

2.如权利要求1所述的阴极射线管使用的阴极，其特征在于所述的加热组件为一种热丝电阻。

3.如权利要求1所述的阴极射线管使用的阴极，其特征在于所述的场电子发射层是一能利用场电子发射原理产生电子发射材料，其主成分为一种碳结构材料。

4.如权利要求3所述的阴极射线管使用的阴极，其特征在于所述的碳结构材料为一种碳纳米管材料。

5.如权利要求1所述的阴极射线管使用的阴极，其特征在于所述的场电子发射层是附着或成长于基体上。

6.一种阴极射线管使用的阴极产生电子的方法，是施加一电压或电流于一加热单元，以间接对一阴极基体加热，驱使场电子发射层产生电流密度及稳定电流，以应用于阴极射线管。

7.如权利要求6所述的阴极射线管使用的阴极产生电子的方法，其特征在于所述的加热单元为一种热丝电阻。

8.如权利要求6所述的阴极射线管使用的阴极产生电子的方法，其特征在于所述的阴极射线管阴极的场电子发射层是以场电子发射材料为主成分。

9.如权利要求8所述的阴极射线管使用的阴极产生电子的方法，其特征在于所述的场电子发射材料为一种碳结构材料。

10.如权利要求9所述的阴极射线管使用的阴极产生电子的方法，其特征在于所述的碳结构材料为一种碳纳米管材料。

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