CN1430241A - 具有碳基发射器的场致发射显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种场致发射显示器，其包括第一衬底；以预定图案形成在第一衬底上的多个栅极电极；形成为在第一衬底的整个表面上覆盖栅极电极的绝缘层；以预定图案形成在绝缘层上的多个阴极电极，多个发射器形成在阴极电极上；在距发射器预定距离处形成在绝缘层上并处于电连接栅极电极的状态下的多个反电极，反电极形成指向发射器的电场；在距离第一衬底预定距离处设置并与第一衬底一起密封成真空状态的第二衬底；形成在第二衬底的与第一衬底相对的表面上的阳极电极；以及以预定图案形成在阳极电极上的多个荧光粉层。

Description

具有碳基发射器的场致发射显示装置
技术领域
本发明涉及一种场致发射显示器(field emission display)，更具体的说，涉及一种具有碳基发射器的场致发射显示器。
背景技术
场致发射显示器(FED)利用冷阴极作为电子发射源。FED的总体质量取决于发射器的特性，该发射器作为电子发射层。第一种FED利用主要由钼(Mo)制成的发射器。于是，开发了Spindt型金属尖端发射器。这种现有技术的一个示例在美国专利3789471中公开，该专利涉及具有场致发射阴极的显示系统。
然而，半导体制造工艺用于制造具有金属尖端发射器的FED。这种工艺包括光刻和蚀刻过程，以形成容纳发射器和形成金属尖端的钼的沉积的孔。这不仅需要先进的技术，而且需要昂贵的设备，这增加了制造成本，这些因素使得这些类型的FED的大规模生产变得困难。
于是，已经作出很多研究来将发射器形成为能够在低电压(大约10～50V)发射电子并且能简单制造的平面构型。已知的是，碳基材料，例如石墨、金刚石、DLC(类金刚石碳)、C60(富勒烯)或CNT(碳纳米管)，适用于平面发射器。尤其是，由于CNT的相对低的驱动电压而被认为是用于场致发射显示器中的理想发射器材料。美国专利6062931和6097138公开了与利用CNT技术的此FED领域相关的冷阴极场致发射显示器。
在这些专利中公开的FED采用三极管结构，其中，栅极电极设置在阴极电极和阳极电极之间。
然而，当三极管结构的FED采用类似碳纳米管的碳基材料作为发射材料时，难于精确地将发射器形成在阴极电极和栅极电极之间的绝缘层的栅极孔(gate hole)中。尤其是，在用于利用印刷工艺形成发射器的微小的孔中提供胶(paste)是极其困难的。
近来，已经努力通过各种电极布置来解决这些问题。美国专利申请公开2001/0006232A1公开了一种在衬底和阴极电极之间提供栅极电极的FED。在这种类型的FED中，由于栅极电极改变其位置而导致发射器设置在衬底的最上面部分上，因此碳基材料发射器通过印刷工艺易于形成。结果，大规模生产成为可能。
定位栅极电极和发射器的各种位置以及他们之间的关系已经在2001年10月2日提交的美国专利申请系列号09/967936中公开，该专利申请转让给本申请的相同受让人，并由此该申请合并于此作为参考。
然而，由于栅极电极由绝缘层覆盖，因此为了形成用于电子发射的充足的电场，需要向栅极电极施加高电压。否则，阴极电极会在彼此之间具有较大的空间，这导致电荷累积在绝缘层内，并导致荧光体的非正常照射。
发明内容
作出本发明是为了解决上述问题。
本发明的目的是提供一种场致发射显示器，该显示器在不增大驱动栅极电极的电压的情况下，实现了优良的画面质量，同时获得了充足的场致发射。
为了实现上述目的，本发明提供了一种场致发射显示器，其包括第一衬底；多个以预定图案形成在第一衬底上的栅极电极；形成在第一衬底整个表面上而覆盖栅极电极的绝缘层；多个以预定图案形成在绝缘层上的阴极电极，多个发射器形成在阴极电极上；距发射器一预定距离处的多个反电极，其电连接到栅极电极上，形成指向绝缘层上形成的发射器的电场；距第一衬底预定距离设置的第二衬底，且该第二衬底在真空状态下与第一衬底密封在一起；形成在第二衬底的相对于第一衬底的表面上的阳极电极；以及多个以预定图案形成在阳极电极上的荧光粉层。
反电极和栅极电极之间的电连接由通过绝缘层的孔实现。连接部分可以由与反电极相同的材料或其他导电材料制成。
优选的是，反电极和阴极电极之间保持适当的距离，以形成用于最佳电子发射的电场。另外，优选的是，反电极高于阴极电极，以形成用于最佳电子发射的电场。
同样，优选的是，反电极和发射器彼此面对的表面以锯齿形或以圆形形式不均匀地形成。
附图说明
结合于此并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并与以下描述一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明第一优选实施例的场致发射显示器的局部透视图；
图2是图1所示的场致发射显示器的剖面图；
图3是示出根据本发明的导通电场对截至电场的比与阴极电极和反电极间距离之间的关系的曲线；
图4是根据本发明第二优选实施例的场致发射显示器的局部透视图；
图5是根据本发明第三优选实施例的场致发射显示器的局部平面图；
图6是根据本发明第四优选实施例的场致发射显示器的局部平面图；以及
图7是根据本发明第五优选实施例的场致发射显示器的局部平面图。
具体实施方式
将参照附图详细描述本发明优选实施例。
图1是根据本发明第一优选实施例的场致发射显示器的局部透视图，图2是在图1的A方向上截取的场致发射显示器的剖面图。
如图所示，根据本发明第一优选实施例的FED包括预定尺寸的第一衬底2和预定尺寸的第二衬底4。第二衬底4设置成大致平行于第一衬底2，并与第一衬底2间隔特定距离，以在第一衬底2和第二衬底4之间形成间隙。以下，第一衬底2将称为后部衬底，而第二衬底4将称为前部衬底。
产生电场的结构设置在后部衬底2上，而通过从电场发射的电子形成预定图象的结构设置在前部衬底4上。下面将更详细地对此加以描述。
多个栅极电极6以预定图案形成在后部衬底2上。在本发明第一优选实施例中，栅极电极6沿着图1的X方向以预定间隔形成为条纹图案。此外，绝缘层8形成为在后部衬底2整个表面上覆盖栅极电极6。优选的是，绝缘层8由以下各种材料制成，诸如SiO2、聚酰亚胺、氮化物、这些元素的化合物，或由具有层叠的这些材料的结构制成。
多个阴极电极10形成在绝缘层8上。在本发明第一优选实施例中，阴极电极10沿着图1的Y方向以预定间隔形成为条纹图案。于是，阴极电极10垂直于栅极电极6。
此外，发射器12形成在阴极电极上。该发射器12通过在后部衬底2的象素区域内产生电场而发射电子。在本发明第一优选实施例中，每个发射器12形成为覆盖阴极电极的一个边缘和绝缘层的一部分。这仅仅是发射器12如何形成在绝缘层上的一个示例，而发射器12可以形成为不同的构型。例如，每个发射器12可以形成在阴极电极10的中央位置上、在阴极电极10的一条边缘上、或在阴极电极10的两条边缘上。
发射器12由碳基材料，例如，碳纳米管、C60(富勒烯)、金刚石、DLC(类金刚石碳)、或这些材料的组合制成。为了制造发射器12，可以使用丝网印刷工艺、化学气相沉积(CVD)方法、或溅射方法。在本发明第一优选实施例中，使用碳纳米管和丝网印刷工艺。
同样，多个反电极14形成在象素区域中的绝缘层8上。当驱动电压施加到栅极电极6上时，在反电极14和发射器12之间形成附加电场。以这种方式，反电极产生所需量的自发射器的电子发射。
优选地，反电极14是四边形，并设置在阴极电极10之间的象素区域内(如上所述)。反电极14可以形成为其他形状。
反电极14电连接到栅极电极6上。反电极经由穿过绝缘层的孔电连接到栅极电极上。连接部分可以由与反电极相同的材料制成，或由其他导电材料制成。另外，孔8a对应于反电极14的安装位置通过印刷工艺或光刻工艺等形成。
可以通过在垂直方向上印刷一层绝缘材料，并留出用于孔的区域而形成孔。
另一方面，阳极电极R、G、B荧光粉层18形成在前部衬底上。阳极电极优选地由ITO(氧化铟锡)制成，并沿着图1中的X方向以预定间隔构图。
后部衬底2和前部衬底4基本彼此平行地设置，并且如上所述在他们之间具有预定间隙。而阴极垂直于阳极电极定位。后部衬底2和前部衬底4利用围绕后部衬底2和前部衬底4的周边施加的密封材料22密封，形成一个单独的、一体形成的装置。同样，多个垫片20设置在非象素区域内的前部衬底2和后部衬底4之间。垫片20保持前部衬底2和后部衬底4之间的预定间隙在整个区域上均匀一致。
在如上构成的FED中，当预定电压施加到阳极电极16、阴极电极10和栅极电极6上时，电场在栅极电极6和发射器12之间产生，并且电子从发射器12发射。被发射的电子被导向荧光粉层18，从而撞击荧光粉层18。结果，荧光粉层18被照亮并形成预定图象。
在这个操作过程中，栅极电极6的电压也施加到反电极14上。这在发射器12和反电极14之间产生预定大小的电场。这个附加电场补充发射器12和栅极电极6之间形成的电场。于是，更多的电子从发射器12发射。在图2中，附图标记24标示发射器12和反电极14之间形成的附加电场。
因此，在如上所述构成和操作的FED中，由于发射器12和反电极14之间产生的附加电场，因此以相对低的栅极电压发射出更大量的电子。换一种说法，通过施加比现有技术中低的电压，可以在本发明第一优选实施例中产生等量的电场。
对于反电极14安装到绝缘层8上，优选的是，如图2所示，维持距阴极电极10适当的距离(d)。
下面的表1示出电场(E)的大小随着阴极电极10和反电极14之间的距离(d)的变化而改变。对于距离(d)的每种变化都给出了两个附图—一个图对应于驱动电压施加到栅极电极6上的情况(栅极电极导通)，一个图对应于驱动电压未施加到栅极电极6上的情况(栅极电极截至)。
[表1]
序号 d(μm)   E1(V/μm)栅极电极导通   E2(V/μm)栅极电极截至
    1     200     6.7907     2.1464
    2     150     6.7503     2.0784
    3     100     6.6897     1.9456
    4     90     6.6801     1.9010
    5     80     6.6754     1.8539
    6     70     6.6808     1.7914
    7     60     6.7058     1.7195
    8     50     6.7729     1.6246
上述计算是在将1000V电压施加到阳极电极16上，将0V电压施加到阴极电极10上，且在栅极电极6导通时将100V电压施加到栅极电极6上，而在栅极电极6截至时将0V电压施加到栅极电极6上的条件下作出的。
图3是参照表1所示的计算结果，示出导通电场对截至电场的比(即，当阴极电极10导通时形成在阴极电极10上的电场强度与阴极电极10截至时形成在阴极电极10上的电场的强度之间的比)与阴极电极10和反电极14之间的距离(d)之间的关系的曲线。
如图3所示，导通电场对截至电场的比随着距离(d)减小而增大。这表明，如果选择了适当的距离(d)，那么即使栅极电压降低，也可以产生用于从发射器12发射电子的足够大的电场。优选的是，该距离(d)在50μm和150μm之间。
反电极14与阴极电极10具有大致相同的高度。然而，本发明第一优选实施例不限于这个方面。
图4示出根据本发明第二优选实施例的场致发射显示器的局部透视图。
在第二实施例中，反电极不同于第一实施例。从而，与第一优选实施例相同的附图标记用于除了反电极之外的所有元件。
如图所示，象第一优选实施例中一样，反电极30安装在阴极电极10之间，并通过绝缘层8的孔8a电连接到栅极电极6上。在第二优选实施例中，反电极30在其本身和发射器12之间形成电场，并发射电子。
然而，在第二优选实施例中，反电极30具有稍小于孔8a的横截面积，从而反电极30穿过孔8a，与栅极电极6接触。同样，反电极30优选地具有高于阴极电极10的外形。优选的是反电极30利用电镀工艺形成。
通过比具有阴极电极10高的外形的反电极30，电场形成在比阴极电极10和发射器12都高的位置处。这影响初始扫描方向和从发射器12发射的电子的速度，并进一步改善了电子束的汇聚。
现在将描述不同于上述优选实施例的发射器和反电极之间的结构关系。在上述优选实施例中，发射器和反电极的相对表面光滑地形成。然而，在下面的优选实施例中，这些表面以特殊形式形成。
图5示出根据本发明第三优选实施例的场致发射显示器的局部平面图。反电极32面对发射器34的表面如上述优选实施例一样光滑地形成。但是，发射器34面对反电极32的表面形成为类似锯齿状。
图6示出根据本发明第四优选实施例的场致发射显示器的局部平面图。在第四优选实施例中，反电极36面对发射器38的表面和发射器38面对反电极的表面以相同的方式形成为类似锯齿状。
在第三实施例和第四优选实施例中，反电极和阴极电极之间的距离变成仅在特定点处较短。这种较短的距离产生较强的电场。因此，反电极更有效地起作用。
图7示出根据本发明第五优选实施例的场致发射显示器的局部平面图。如图所示，反电极40面对发射器42的表面和发射器42面对反电极40的表面为圆形的。即，反电极40面对发射器42的表面是凸形的，而发射器42面对反电极40的表面是凹形的。
当从发射器42的边缘发射的电子汇聚到单象素区域(未示出)的荧光材料上时，反电极40和发射器42的这种形式增大了电子向荧光材料中心汇聚的可能性。这就防止了对应特定象素区域的电子汇聚到相邻象素区域的荧光材料上。
在本发明的FED中，反电极设置在阴极电极之间，并且连接到栅极电极上。其与发射器形成电场，并补充由栅极电极形成的电场。这增强了导致电子发射的电场，并以降低的用于栅极电极的电压形成了所需的电场发射。这也确保了良好的画面质量得以保持。

Claims (23)

1.一种场致发射显示器，包括
第一衬底；
以第一方向形成在所述第一衬底上的栅极电极；
覆盖栅极电极的绝缘层；
以第二方向形成在所述绝缘层上的阴极电极；
形成在阴极上的发射器；
在与所述发射器间隔一距离处在所述绝缘层上形成并与所述栅极电极连接的反电极；
第二衬底；以及
形成在所述第二衬底上的阳极电极，
其中，
所述第一衬底基本上彼此平行地贴到所述第二衬底上，
所述阴极电极和所述反电极面对所述阳极电极，并且
在所述第一衬底和所述第二衬底之间均匀地保持一间隙。
2.如权利要求1所述的场致发射显示器，其特征在于，第一方向垂直于第二方向。
3.如权利要求2所述的场致发射显示器，其特征在于，所述反电极经由穿过所述绝缘层的孔连接到所述栅极电极上。
4.如权利要求3所述的场致发射显示器，其特征在于，所述发射器由碳基材料制成。
5.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述阴极和所述反电极之间的距离在50μm和150μm之间。
6.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述发射器和所述反电极具有类似的高度。
7.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述反电极高于所述发射器。
8.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述发射器的面对所述反电极的边缘成形为类似锯齿。
9.如权利要求8所述的场致发射显示器，其特征在于，所述反电极的面对所述发射器的边缘成形为类似锯齿。
10.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述发射器的面对所述反电极的边缘为凹的，且所述反电极的面对所述发射器的边缘为凸的。
11.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述发射器的面对所述反电极的边缘是凸的，且所述反电极的面对所述发射器的边缘是凹的。
12.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述反电极通过电镀形成。
13.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述阳极电极为诸如氧化铟锡的透明导电层。
14.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，碳基材料是碳纳米管、C60、金刚石、类金刚石碳、或这些材料的组合中的一种。
15.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述发射器在所述阴极电极上形成为条纹图案。
16.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述发射器形成为对应于所述反电极的分离的岛屿形状。
17.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述发射器通过丝网印刷方法制造。
18.如权利要求4所述的场致发射显示器，其特征在于，所述发射器由化学气相沉积方法或溅射方法制造。
19.如权利要求3所述的场致发射显示器，其特征在于，所述孔通过光刻方法形成。
20.如权利要求3所述的场致发射显示器，其特征在于，所述孔通过印刷方法形成。
21.如权利要求7所述的场致发射显示器，其特征在于，所述反电极通过电镀工艺形成。
22.一种驱动场致发射显示器的方法，该场致发射显示器具有带栅极电极、与栅极电极绝缘的阴极电极、接触阴极电极的发射器、连接到栅极电极上的反电极的第一衬底，以及带有阳极电极的第二衬底，该方法包括以下步骤：
在栅极电极和阴极电极之间形成电场；
通过向反电极施加电压来增强电场；
通过围绕发射器形成电场而从发射器发射电子。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，施加到反电极上的电压为施加到栅极电极上的电压。
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