CN1670884A - 弹道电子表面发射器件发射器及应用其的装置 - Google Patents

弹道电子表面发射器件发射器及应用其的装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弹道电子表面发射器件(BSD)发射器。其包括：后基板；形成在所述后基板上的阴极电极；垂直排列在阴极电极上并用作用于传导弹道电子的材料的碳纳米管；以及形成在所述垂直排列的碳纳米管上的薄金属电极层。能够很容易地生产根据本发明实施例的BSD发射器。所述BSD发射器中使用的碳纳米管未起冷发射器的作用，而是作为传送弹道电子的通道，并且不存在碳纳米管在开/关操作期间被损坏的危险。因此，能够保证长期驱动的可靠性。根据本发明另一实施例的FED，即使在不使用单独聚焦电极的情况下也能够提供高的色纯度，并且不必维持高真空。此外，减少了显示器操作特性的改变，允许增加显示器的实用性。

Description

弹道电子表面发射器件发射器及应用其的装置
技术领域
本发明涉及一种弹道电子表面发射器件(BSD)发射器、使用该BSD发射器的场发射显示器(FED)、和使用该BSD发射器的场发射型背光装置。
背景技术
显示器在信息和媒体传递方面起到重要的作用，并广泛用于个人电脑监视器和电视机中。显示器通常为使用高速热电子发射的阴极射线管(CRT)，或迅速发展起来的平板显示器。平板显示器的类型包括液晶显示器(LCD)、等离子显示板(PDP)、场发射显示器(FED)等。
在FED中，当在栅电极与以预定距离设置于阴极电极上的发射器之间施加强电场时，从发射器中发射出电子并且电子与阳极电极上的荧光材料相碰撞，从而发光。因此，FED是使用作为电子发射源的冷阴极的电子形成图像的显示器。FED的图像质量受发射器的特征，如结构和材料等高度影响。
图1A为说明常规FED的部分截面图。图1B为说明常规FED的部分顶视图。参照图1A和1B，所述FED具有三极结构，即阴极电极11、阳极电极21和栅电极14′。所述阴极电极11和栅电极14′形成在后基板10上。所述阳极电极21形成在前基板20的底表面上。由R、G和B荧光体构成的荧光层23和用于改善对比度的黑矩阵22形成在阳极电极21的底表面上。在所述后基板10和前基板20之间设置间隔体30从而维持预定的距离。所述FED具有这样的构造，即包括形成在后基板10上的阴极电极11、顺序形成在后基板10上的具有精细开口13的绝缘层15以及栅电极14′，和形成在所述开口13内阴极电极11上的发射器16。
主要由钼(Mo)构成的Spindt型金属尖(或微尖)，在最初研发的FED中已经用作发射器16。在具有这样金属尖的FED中，必须形成极精细的孔从而设置发射器并且必须通过钼的沉积在整个图像区域形成均匀的金属微尖。可是，很难使FED中的所有发射器都具有一致的特性。所述发射器的制造工序非常复杂并需要高技术和昂贵的设备。此外，使用上述金属尖很难制造大的显示器。
因此，已经进行了很多尝试通过使用碳纳米管(CNT)用作发射器来简化制造工序并制造大显示器。如图2所示，运用丝网印刷或使用合成设备能够以一种简单的方式将具有纳米级直径和高的纵横比(长度/直径)的碳纳米管用作发射器56。可是，作为碳纳米管最重要部分的尖部欠缺耐久性，并且因此可能在开/关操作中被损坏或折断，自碳纳米管作为冷发射器这就发生。已经相信，所述发射器损坏或折断的原因主要是当加速的电子撞击荧光体而发光时，阳离子离开所述荧光体并且也加速与所述发射器相撞。在图2中，附图标记51和54分别表示阴极电极和栅电极。
进一步的问题是，当碳纳米管彼此接近放在一起时，所述碳纳米管的纵横比降低而阀值电压增加，从而减少碳纳米管的优势。因此，必须将碳纳米管设置得相互之间具有恒定的间距，而这是一个复杂的工艺。
为了克服上述尖型发射器的这些问题，已经研发了平坦型发射器。所述平坦型发射器包括使用类金刚石碳(diamond-like carbon)的发射器、表面传导发射器、金属-绝缘体-金属(在下文，称作“MIM”)发射器以及BSD发射器。
MIM和BSD发射器不需要高度真空或用于聚焦电子束的单独元件。这些发射器具有20V或更小的驱动电压并且其表面是抗污染的。尽管如图3所示的使用BSD发射器的场发射装置适合于FED，但所述BSD发射器是基于应用纳米技术的冷阴极电子源的技术，其中电子发射的原理与常规尖型发射器的不同。
图4为说明运用使用多孔多晶硅(PPS)的BSD发射器的常规FED的结构的示意图。参照图4，纳米晶体结构的多孔多晶硅薄层350形成在玻璃基板上并在所述多孔多晶硅薄层350的周围形成多晶硅的氧化层340。随后，在所述多孔多晶硅薄层350和氧化层340的表面上形成例如金的电极层314。阳极电极321和荧光层323顺序形成在玻璃基板的表面上。BSD的构造处于真空状态。当在BSD中的电极311和321之间施加电压时，穿透纳米晶体结构的电子在基本没有碰撞的情况下被加速并发射到真空内(弹道电子发射现象)。附图标记330表示间隔体。
通过将n型掺杂硅晶体浸入含HF的乙醇水溶液中并进行电化学氧化产生上述PPS。可是，很难实现PPS氧化层的形成和固定。使用上述方法产生的PPS的电子发射特性对于电化学氧化的条件及密封和排气过程中基板的温度非常敏感。因此，很难获得稳定而均匀的电子发射特性。
属于光接收型平板显示器的液晶显示器(LCD)，具有轻的重量并消耗较低电能。可是，LCD本身不能发光从而形成图像。LCD可通过使用外部入射的光线形成图像。因此，在LCD的后侧安装背光装置。
以前，为线光源的冷阴极荧光灯(CCFL)以及为点光源的发光二极管(LED)通常被用作背光装置。可是，常规背光装置通常具有复杂的结构，因此非常昂贵。此外，光源被设置在常规背光装置的两侧，因此由于光反射和透射使得电耗增加。特别地，随LCD的尺寸变大，更难确保背光装置的均匀亮度。
发明内容
本发明提供一种弹道电子表面发射器件(BSD)发射器，其能够易于被制造并能长时间发射稳定和均匀的弹道电子。
本发明也提供一种使用BSD发射器制造的场发射显示器(FED)。
本发明进一步提供一种使用BSD发射器制造的场发射型背光装置。
根据本发明的一个方面，提供一种BSD发射器，其包括：后基板；形成在所述后基板上的阴极电极；垂直排列在所述阴极电极上并用作用于传导弹道电子的材料的碳纳米管；以及形成在垂直排列的碳纳米管上的薄金属电极层。
根据本发明的另一方面，提供一种场发射显示器，其包括上述BSD发射器；以及与所述BSD发射器相对设置并与其以预定距离间隔开的前基板，阳极电极及具有图案的荧光层顺序形成在所述前基板表面上。
仍根据本发明的另一方面，提供一种场发射型背光装置，其包括：上述BSD发射器；以及与所述BSD发射器相对设置并与其以预定距离间隔开的前基板，阳极电极和荧光层顺序形成在所述前基板表面上。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他特征及优点将变得更加清楚，在所述附图中：
图1A为说明常规场发射显示器(FED)的部分截面图；
图1B为说明常规FED的部分顶视图；
图2为说明使用碳纳米管的常规FED的示意图；
图3为说明使用多孔多晶硅(PPS)的常规弹道电子表面发射器件(BSD)发射器的构造及其操作原理的部分截面图；
图4为说明运用使用PPS的BSD的常规FED的构造的示意图；
图5为说明根据本发明一个实施例的BSD发射器的部分截面示意图；
图6为说明弹道电子传输现象的示意图；
图7为说明根据本发明一个实施例的FED的截面图；
图8为说明根据本发明一个实施例的场发射型背光装置的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图详细描述根据本发明示例性实施例的场发射显示器(FED)。在所有附图中，相同的附图标记指代相同的元件。
图5为说明根据本发明一个实施例的BSD发射器的部分截面示意图。如图5所示，在本发明中使用的垂直排列的碳纳米管内的电子传导具有弹道电子传输特性。弹道电子传输导体指其中电子能在不碰撞的情况下移动的导体，所述电子具有对应于在阳极电极和阴极电极之间施加的电压的能量。以往认为上述的弹道电子只在高真空条件下产生。可是，已经发现通过使用纳米技术弹道电子传输在固相(solid phase)内也能发生，类似于在真空状态下。
如上所述的使用多孔多晶硅(PPS)的发射器具有这样的在固体内的弹道电子传输。平均自由程指当电子在无限大的硅晶体中行进时与组成固体的原子和电子碰撞之前，电子行进的距离。N型硅的平均自由程大约为100nm。如果硅由具有远小于100nm的尺寸的纳米晶体构成，则纳米晶体的尺寸小于平均自由程，从而当电子传输通过硅纳米晶体时与硅原子碰撞的概率非常低。如图3所示，当所述硅纳米晶体63由氧化层64相互分隔开时，在固体中可发生弹道电子传输现象，类似于在真空下。与此相反，当电子经常与导体中的杂质或缺陷碰撞时，电子是漫射的。在图3中，附图标记7表示金属电极。
因为碳纳米管具有量子力学控制范围内的直径和长度，所以在碳纳米管中也能观察到弹道电子传输。传导性没有相对于长度反比例地减少，而是被赋予量子化的值。如图6所示，碳纳米管的直径处是纳米尺寸的，因此电子在直径方向上被限制，但可沿纵向方向传输。人们相信，由于一维状态，如图6所示，能够获得弹道电子传输特性。也就是说，相信当碳纳米管的长度L与传输电子的平均自由程l基本相等，并且碳纳米管的直径W近似于费米波长λF时，可获得弹道电子传输特性。
根据本发明的一个实施例，地电位或负电压被施加到BSD发射器中的阴极电极并且正电压被施加到薄金属电极层，并且在两端之间流过ICNT电流。可是，使用CNT作为冷发射器的常规FED不包含上述的薄金属电极层。常规FED只包含用于发射电子的作为提取电极(withdrawal electrode)的栅电极。在常规FED中在栅电极和阴极电极之间没有电流。
根据本发明一个实施例的BSD发射器中使用的碳纳米管可以是单壁的或多壁的。所述碳纳米管的电传导性可以是非导电的(non-conductive)、半导电(semiconductive)的或金属性(metallic)的。当垂直排列的碳纳米管为金属性碳纳米管时，在垂直排列的碳纳米管和薄金属电极层之间可插入绝缘层。如果没有绝缘层，则存在在所述碳纳米管和薄金属电极层之间发生短路的危险。
根据本发明实施例所使用的垂直排列的碳纳米管可以具有最大2μm的长度。如果垂直排列的碳纳米管具有大于2μm的长度，则弹道电子传输的概率可能降低而电子漫射的概率将会增加，而这是不利的。
可使用任何常规的方法，例如CVD生长方法、模板(template)方法和自组装单层(self-assembly monolayer)(SAM)方法来制造垂直排列的碳纳米管。
在CVD生长方法中，以高度分散的纳米微粒的形式在基板上形成金属催化剂，例如过渡金属诸如铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)，然后基板被装入石英舟。随后，以恒定流速在高温将碳源气体例如甲烷、乙烯和乙炔注入到上述石英舟中，从而获得碳纳米管。过渡金属微粒不仅起到催化剂的作用，而且也能作为碳纳米管的晶核晶粒。因此，碳纳米管以高密度和垂直生长的方式形成。
在模板方法中，使用由阳极氧化铝(anodic aluminum oxide)(AAO)构成的模板。将催化剂电沉积到模板中孔的末端，并且随后使模板经历热CVD从而获得碳纳米管。获得的碳纳米管具有高度均匀的直径以及沿孔长度的良好垂直排列。
在SAM方法中，碳纳米管在其端部被羧基替换从而获得更短的碳纳米管，并且随后用蒸馏水洗该短的碳纳米管。接着，使用BH3-THF将碳纳米管的端部还原为-OH基，通过SOCl2用-Cl对其进行替换，并且接着使用KSH用-SH对其替换。因而，所获得的碳纳米管允许在薄金属层例如Au上自组装，从而获得垂直排列的碳纳米管。
根据本发明的一个实施例，其上生长有垂直排列的碳纳米管的基板可直接用作阴极电极。
参照图5，BSD发射器中使用的薄金属电极层114可由Au、Cr或Cr-Ni合金构成并垂直于阴极电极111形成。由于通过使薄金属电极层114垂直于阴极电极111而能够以无源驱动方式驱动矩阵，所以上述情况是有利的。
根据本发明的另一实施例，薄金属电极层114可以具有15至30nm的厚度。如果薄金属电极层114具有小于15nm的厚度，则存在部分薄金属电极层将不形成的可能性。如果薄金属电极层114具有大于30nm的厚度，则弹道电子很难穿过薄金属电极层114。
绝缘层115可由SiO2构成并具有10至100nm的厚度。如果绝缘层115具有小于10nm的厚度，则存在金属性碳纳米管113与薄金属电极层114之间发生短路的危险。如果绝缘层115具有大于100nm的厚度，则弹道电子很难穿过薄金属电极层114。
以下描述BSD的构造。在后基板110上以预定的图案例如条形且以预定距离彼此间隔地形成多个阴极电极111。可通过在后基板110上沉积导电金属材料或透明导电材料例如氧化铟锡(ITO)到预定厚度例如大约几百至几千并以条形构图沉积的材料，来形成阴极电极111。接着，在构图后的阴极上垂直排列碳纳米管113，并且当垂直排列的碳纳米管113为金属性时，在垂直排列的碳纳米管113的表面上形成具有几十nm厚度的绝缘层115。随后，在绝缘层115上形成具有15至30nm厚度的薄金属电极层114，薄金属电极层114垂直于阴极电极111，从而获得BSD发射器。薄金属电极层114可被构图成条形。
在本发明的一个实施例中，由于绝缘层115和薄金属电极层114被顺序形成在垂直排列的碳纳米管113上，所以在制造阴极期间能够防止气体或污染的负面影响，并在密封或排气过程中可以最小化碳纳米管的损坏。
根据本发明的另一实施例的FED包括上述BSD发射器，以及与BSD发射器相对设置并与BSD发射器以预定距离间隔的前基板，具有图案的阳极电极和荧光层顺序形成在前基板表面上。
图7为说明根据本发明一个实施例的FED的示意图。
参照图7，FED包括两个基板，即以预定距离彼此间隔且彼此相对的后基板110和前基板120。在后基板110和前基板120之间插入间隔体130从而维持预定的距离。通常，玻璃基板用作后基板110和前基板120。
根据本发明一个实施例的BSD发射器，作为实现场发射的元件被设置在后基板110上，并且元件被设置在前基板120上，该元件用于使用从BSD发射器发射出的电子表现预定图像。
参照图7，在前基板120的与后基板110相对的底表面上形成阳极电极121。由R、G和B荧光体构成的荧光层123形成在阳极电极121的表面上。阳极电极121由透明导电材料ITO构成从而使从荧光层123发出的可见光透过。构成荧光层123的R、G和B荧光体具有沿阴极电极111的纵向延伸的纵向图案。当其上生长有垂直排列的碳纳米管的基板用作阴极电极111时，由金属构成的导电层105可置于基板和后基板110之间从而允许其间的电传导。
在阳极电极121的底表面上的荧光体123之间可设置黑矩阵122，从而改善图像的对比度。
在荧光层123和黑矩阵122上可形成薄金属层124。薄金属层124主要由铝构成并具有大约几百的厚度从而允许从发射器115发出的电子很容易地穿过。薄金属层124起到增加FED亮度的功能。具体地，当荧光层123的R、G和B荧光体被从发射器115发出的电子束激发并因而发出可见光时，所发出的可见光被薄金属层124反射。因此，向前行进的可见光的光强度增大，从而引起亮度的增加。
一方面，当薄金属层124形成在前基板120上时，可以省略阳极电极121的形成。薄金属层124是导电的，并且因此当电压被施加到薄金属层124时，薄金属层124能够替代阳极电极121。
后基板110和前基板120以预定的距离相互间隔开，使得发射器115和荧光层123彼此相对设置。在后基板110和前基板120的边缘上施加密封剂(未示出)从而将两基板密封。如上所述，在后基板110和前基板120之间插入间隔体130从而保持预定的距离。
以下将说明上述FED的操作。
在根据本发明的FED中，当在阴极电极111和薄金属电极层114之间施加驱动电压时，来自阴极电极111的电子注入到碳纳米管113层中。随后，由于弹道电子传输现象使得电子进入薄金属电极层114并通过隧道效应在真空条件下发射。由弹道电子传输现象引起的上述电子发射允许高能量的电子，导致低散射。因此，即使没有使用单独的聚焦电极也能改善色纯度。此外，由于弹道电子具有高能量并几乎不受残留气体的影响，因此没有必要维持高真空。所以能够实现具有更好实用性的薄显示器。
所发射的电子被阴极电极111和阳极电极121之间施加的电场引向荧光层123并与该荧光层123碰撞。因此，荧光层123的R、G和B荧光体受到激发而发出可见光。
仍根据本发明的另一实施例的场发射型背光装置包括上述BSD发射器以及与BSD发射器相对设置并与BSD发射器以预定距离间隔开的前基板，阳极电极和荧光层顺序形成在前基板的一表面上。
图8为说明根据本发明一个实施例的场发射型背光装置的截面图。
参照图8，场发射型背光装置包括两个基板，即以预定距离间隔开且彼此相对的后基板210和前基板220。在后基板210和前基板220之间插入间隔体230从而维持预定的距离。通常，玻璃基板用作后基板210和前基板220。
根据本发明一个实施例的BSD发射器作为实现场发射的元件，被设置在后基板210上；并且阳极电极221和作为由于荧光材料受从BSD发射器发出的电子激发而发出可见光的元件的荧光层223，被顺序设置在前基板220的底表面上。另一方面，后基板210和前基板220以预定的距离相互间隔开，使得BSD发射器215和荧光层223彼此相对地设置。在后基板210和前基板220的边缘上施加密封剂(未示出)从而将两基板密封。在后基板210和前基板220之间插入间隔体230从而保持预定的距离。
场发射型背光装置电功率消耗低于常规的背光装置例如使用冷阴极荧光灯的背光装置。此外，场发射型背光装置具有即使发光区域大仍具有相对均匀的亮度的优点。
如上所述，能够很容易地生产根据本发明的实施例的BSD发射器。BSD发射器中使用的碳纳米管未起冷发射器的作用，而是作为传送弹道电子的通道，并且不存在碳纳米管在开/关操作期间被损坏的危险。因此，能够保证长期驱动的可靠性。此外，由于绝缘层和薄金属电极层被顺序形成在碳纳米管上，能够防止气体或污染的负面影响并能最小化碳纳米管的损坏。根据本发明另一实施例的FED，即使在不使用单独聚焦电极的情况下也能够提供高的色纯度，并且不必维持高真空。此外，碳纳米管的物理和化学特性在显示器生产过程中不可能改变，并由此减少显示器操作特性的改变，允许增加显示器的实用性。
尽管已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节方面进行各种修改。

Claims (11)

1.一种弹道电子表面发射器件(BSD)发射器，包括：
后基板；
阴极电极，其形成在所述后基板上；
碳纳米管，其垂直排列在所述阴极电极上并用作用于传导弹道电子的材料；和
薄金属电极层，其形成在所述垂直排列的碳纳米管上。
2.根据权利要求1所述的弹道电子表面发射器件发射器，其中地电位或负电压施加到所述阴极电极，正电压施加到所述薄金属电极层，并且ICNT电流在两端之间流动。
3.根据权利要求1所述的弹道电子表面发射器件发射器，其中所述垂直排列的碳纳米管为金属性碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的弹道电子表面发射器件发射器，其中当所述垂直排列的碳纳米管为金属性碳纳米管时，绝缘层被置于所述垂直排列的碳纳米管和所述薄金属电极层之间。
5.根据权利要求1所述的弹道电子表面发射器件发射器，其中所述垂直排列的碳纳米管具有最大2μm的长度。
6.根据权利要求1所述的弹道电子表面发射器件发射器，其中所述垂直排列的碳纳米管使用CVD生长方法、模板方法和自组装单层(SAM)方法制造。
7.根据权利要求1所述的弹道电子表面发射器件发射器，其中所述薄金属电极层由Au、Cr或Cr-Ni合金构成并垂直于所述阴极电极形成。
8.根据权利要求1所述的弹道电子表面发射器件发射器，其中所述薄金属电极层具有15至30nm的厚度。
9.根据权利要求4所述的弹道电子表面发射器件发射器，其中所述绝缘层由SiO2构成并具有10至100nm的厚度。
10.一种场发射显示器，包括：
根据权利要求1至9中任意一项的弹道电子表面发射器件发射器；和
与所述弹道电子表面发射器件发射器相对设置并与所述弹道电子表面发射器件发射器以预定距离间隔开的前基板，阳极电极及具有图案的荧光层顺序形成在所述前基板的一表面上。
11.一种场发射型背光装置，包括：
根据权利要求1至9中任意一项的弹道电子表面发射器件发射器；和
与所述弹道电子表面发射器件发射器相对设置并与所述弹道电子表面发射器件发射器以预定距离间隔开的前基板，阳极电极及荧光层顺序形成在所述前基板的一表面上。
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