CN1790598A - 一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器 - Google Patents

Abstract

一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，包括前基板，后基板，设置于前基板上的彩色荧光粉层和导电金属膜，位于后基板上的布线电极阵列，分别与布线电极阵列相连、且位于同一平面的阴极和栅极，阴极上设置有碳纳米管阵列；前基板和后基板之间有多个条状隔离子，该隔离子设置在布线电极上。本发明将平面型的发射结构和碳纳米管的强发射特性有机地结合起来，在处于同一平面上的阴极和栅极之间设置碳纳米管阵列，解决了背景技术中栅极制作难度大、电子传输效率低以及成本高的技术问题，具有电子传输比高(理论值为40％，实验结果为29.3％)；工艺过程简化；成本低；应用范围宽；发射稳定可靠；调节方便的优点。

Description

一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器

技术领域

本发明涉及一种平面型显示器，尤其涉及一种场发射平面型显示器。

背景技术

场发射显示器(Field Emission Display-FED)被认为是CRT的最好继承者，兼有CRT和LCD的优点，即：(1)冷阴极发射；(2)低的工作电压、低功耗；(3)自发光和高亮度；(4)宽视角(170°)；(5)高响应速度(微秒级)；(6)很宽的环境温度变化范围；(7)无图像扭曲；(8)不受地磁场以及其它周围磁场的影响。因此FED被认为是最理想的平板显示器件，是二十一世纪要发展的最重要的显示器之一，具有广阔的市场和很好的应用前景。FED的最大优点就是它提供最亮、最美、低耗能的显示器，这也就是为什么医疗器材及飞行仪表上指定要这种高价位的FED的原因。FED的技术现状是：亮度：150cd/m²；对比度：100∶1；彩色：2⁶色；帧频：＞60Hz；分辨率：100dpi；视角：水平±80°，垂直±80°；尺寸：7.6～33cm。从目前场发射显示器的研究进展来看，具有代表性的是日本Canon公司设计的表面导电型(Surface conduction electronemission)。这种表面导电型场发射显示器结构简单，适合做成大面积显示器。其发射体采用低功函数材料如PdO。但根据Canon公司报道的技术资料，其电子发射的传输效率只有1％左右，到2003年底，传输效率低的问题仍然是该显示器的瓶颈所在；特别是赋能成型(Energizing Forming Process)过程存在许多不确定的因素(如狭缝的走向、位置、宽窄都不能很好地确定)，赋能成型后的后续工作复杂(如存在激活过程耗时长、均匀性欠佳、还要进行非发射区电阻的还原作用等)。另外还有PixTech公司推出的Spindt型场发射显示器，采用三电极结构，发射材料用金属和硅等，但这种结构对光刻技术要求很高，一般要求在直径为1mm圆面积内，做成5000个尖锥阵列，尖锥的曲率半径为50nm，这会大大降低成品率，难以实现显示的大面积化，尤其是由于制造工艺上的问题，可能使发射尖的高低、曲率半径不同，这样在加上相同的阴、栅、阳极电压时，发射尖附近的局部场强相差较大，造成发射电流不均匀，最终导致屏上亮度不均匀，且由于发射尖易受污染，最终导致发射性能不稳定，使用寿命短。虽然可以通过在阴极布线上镀一层非晶硅或者将每个发射体做成一个N沟道增强型场效应管从而起到恒流的作用，但这是一种用增加制作工艺难度来换取发射稳定性的方法。SI Diamond公司研制出了采用金刚石薄膜做阴极的二极管型场发射显示器，金刚石膜具有负的电子亲和势、良好的化学稳定性、高硬度、高抗离子侵蚀能力，不像金属微尖发射阴极，容易吸附杂质而导致功函数增加，使得在使用之前必须在高真空条件下加热使金属解吸附，纳米级微晶金刚石以及N型掺杂多晶金刚石膜的发射能力更强，发射域值场强小于20V/μm时，就可以获得10μA的发射电流，另一方面，金刚石冷阴极甚至可以采用膜结构，使得低成本大批量生产大屏幕的平板显示器成为可能。但有一点值得注意：纯净的金刚石虽然具有负的电子亲和势和较小的功函数，但由于纯净的金刚石晶体具有较大的禁带宽度(～5.5eV)，导带中几乎没有电子，因而不是理想的发射阴极，在场强达到200～1000V/μm才有较强的电子发射。但采用掺杂、形成缺陷能级、进行表面处理以及生长类金刚石膜，可以降低金刚石的有效功函数。但金刚石场发射阴极发射不均匀，使得成像质量变坏，当采用三极管显示结构时，栅极的制作往往变得困难重重。而将碳纳米管用做场发射显示器的，大多数都采用二电极结构，这种二电极结构要求驱动电压比较高，且一般都用低压荧光粉，而低压荧光粉的研制现阶段还不成熟。将栅极做在阴极下面的结构同样存在驱动电压高(100～300V)的问题。目前韩国的三星公司和美国的摩托罗拉公司研制的基于碳纳米管场发射显示器都存在栅极制作难度大、成本高的缺点。

发明内容

本发明目的是提供一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其解决了背景技术中电子发射的传输效率低、制造工艺复杂、成本高的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，包括前基板106，后基板102，设置于前基板106上的荧光粉层205和导电金属膜206，其特殊之处是：所述显示器还包括位于后基板102上的相互正交且处于电隔离的布线电极，分别与布线电极相连、且位于同一平面的阴极101和栅极103；所述阴极101上设置有碳纳米管阵列104；所述前基板106和后基板102之间设置有绝缘材料制成的、可起支撑作用的、多个平行放置的长方形条状隔离子112，该隔离子112设置在布线电极上。

上述栅极103上也可设置碳纳米管阵列104。

上述阴极101和栅极103之间可设置沟槽207，该沟槽207的阴极101侧设置有碳纳米管阵列104。

上述沟槽207中的栅极103上也可设置碳纳米管阵列104。

上述隔离子112与前基板106和后基板102间设置有金属丝113或金属膜111。

上述前基板106上可设置障壁114，隔离子112则设置在布线电极和障壁114之间。

上述荧光粉层205为氧化物荧光粉。

上述导电金属膜206为铝反射膜。

上述隔离子112是采用陶瓷或氧化铝制成的。

上述布线电极包括X布线电极208和Y布线电极209。

本发明的优点是：

1、电子传输比大大提高。本发明和Canon公司的场发射平板显示器方案相比，可以进一步提高了电子传输比(到达阳极的电子数与阴极发射电子数之比)，根据Canon公司的资料，其传输比只有不到1％，提高电子传输比是Canon公司表面导电型显示器要攻克的核心技术之一。本专利中电子的传输比很容易超过这个值，理论计算可以达到40％(与碳纳米管的倾斜角有关系)，而实验结果为29.3％。在丝网印制过程中，浆料和网板之间的相互粘接作用，在丝网向上提拉的过程中，网板对碳纳米管有向上提拉的作用，使一部分碳纳米管和阴极基底之间形成一定的倾角，这部分碳纳米管对提高电子传输比的贡献很大。这也是我们实验中得到电子传输比高出Canon公司实验结果30多倍的原因。

2、工艺过程简化。本发明跟Spindt型场发射显示结构相比，其工艺过程得到了很大的简化，它将平面型的发射结构和碳纳米管的强发射特性有机地结合起来。而且本发明避开了低压荧光粉研制的难题，采用成熟技术的高压荧光粉，使得工艺过程更加简单。

3、成本降低。碳纳米管本身尖端(无论是开口或是封闭的)具有小的曲率半径，使得场发射的几何增强因子很高，而纳米级几何尺寸的量子限制效应又使其费米能级附近出现局部量子能级，使得单位尖端表面可以容纳更多的电子，这对局部场也有增强作用，对于顶端开口的碳纳米管，这种量子效应表现的更突出，因为相同长度和底面半径的开口和闭口碳纳米管，位于相同强度的宏观感应电场中，在距离顶端一个底面半径的范围内，开口管的感应电荷密度要比闭口管感应电荷密度大，因而其尖端形成的局部场强就强。而在距离顶端一个底面半径以下，二者的感应电荷密度相当。另一方面由于沟槽两壁(阴、栅电极)上都分布有碳纳米管阵列，对电场有双重增强作用，这三方面的场增强因素可以让驱动电压降低，从而降低了驱动电路的成本。

4、应用范围宽。如果采用丝网印制技术，有望制作超过40英寸大面积场发射阵列。

5、发射稳定可靠。本发明碳纳米管本身的尖端和现有技术的金属发射尖相比，其抗污染和抗离子轰击的能力较强，因而发射稳定，寿命长，对真空度要求不是很高。和金刚石膜发射体相比，其发射的均匀性又有较大的提高。

6、调节方便。通过改变碳纳米管阵列的整体取向，可以使碳纳米管尖端突出布线电极平面，很容易达到场发射显示器的高亮度要求。而且对传输比可以进行调整：一种是通过调整栅极和阳极电压来调整(当然要受驱动电路所能承受电压的限制)，一种是在玻璃基底上刻蚀沟槽的时候，将其刻成梯形或矩形，使碳纳米管阵列的总体取向与基底表面的夹角发生变化，也可以在用电泳法生成碳纳米管阵列的时候通过加辅助电极的办法改变碳纳米管阵列的总体取向而达到调整传输比的目的，也可以通过改变阴极和栅极之间的高度差来调整发射电子的传输比。

附图图面说明

图1是本发明包括三个亚像元的像元结构示意图；

图2是本发明的总体结构示意图；

图3是本发明碳纳米管浆料表面碳纳米管电子显微图；

图4是本发明碳纳米管浆料沟槽侧壁的碳纳米管电子显微图；

图5是本发明用激光打标机刻蚀的沟槽的三维视频显微图；

图6是本发明碳纳米管浆料上一个裂纹的示意图；

图7中a、b、c、d分别是本发明在加上相同的栅极电压而加不同的阳极电压时荧光屏的光斑分布示意图；

图8是横截面为梯形的玻璃沟槽及其上的阴极和栅极结构示意图；

图9是横截面为矩形的玻璃沟槽及其上的阴极和栅极结构示意图。

附图标号说明：101-阴极；102-后基板；103-栅极；104-碳纳米管阵列；105-阳极；106-前基板；107-黑色氧化铜隔色条；108-红荧光粉；109-绿荧光粉；110-蓝荧光粉；111-隔离子上侧的金属膜；112-隔离子；113-隔离子两侧的金属丝；114-障壁；201-X布线电极接线柱；202-阳极接线柱；203-Y布线接电极线柱；204-前基板；205-荧光粉层；206-导电金属膜；207-沟槽；208-X布线电极；209-Y布线电极。

具体实施方式

一种本发明的显示器的具体结构包括用玻璃制作的前基板106和后基板102，在前基板106上内表面上用丝网印刷工艺或点胶法形成三色荧光粉层205，该三色荧光粉层205为氧化物荧光粉，包括依次排列的红荧光粉108、绿荧光粉109、蓝荧光粉110，再在三色荧光粉层205上蒸镀铝反射膜，该铝反射膜也即阳极105，在后基板102上用丝网印刷工艺形成相互正交且处于电隔离的布线电极，该布线电极包括X布线电极208和Y布线电极209，该布线电极分别与位于同一平面的阴极101和栅极103相连，在阴极101和栅极103两侧都设置有相对的碳纳米管阵列104，前基板106和后基板102之间有多个隔离子112，该隔离子112是采用长方形条状陶瓷片制作的，一般每隔数个红、绿、蓝荧光粉条后在黑色氧化铜隔色条107和布线电极之间放置一个隔离子112。隔离子112与前基板106和后基板102间设置有金属丝113或金属膜111，最好是两侧或一侧分别镀一层熔点低、延展性好的金属膜(如铝、金等)，同时在放置隔离子的时候，在上下两侧或一侧分别粘接金属丝(同样应该具有低熔点、延展性好的特点)，这样做的好处是：一方面镀膜和金属丝可以作为将隔离子固定在前后板间的粘合剂，另一方面，当隔离子因某种原因发生形变的时候，使得这种形变能处于金属丝和金属膜的弹性变化范围内而不会导致隔离子碎裂。为了工艺制作方便，也可在前基板106上设置有与隔离子112数量相等的障壁114，障壁114上也设置黑色氧化铜隔色条107，隔离子112设置在布线电极和障壁114之间。

本发明的另一种结构的显示器的不同之处是，在每一组阴极101和栅极103间都设置有沟槽207，该沟槽207可以是梯形沟槽(见图8)或矩型沟槽(见图9)，一般是先在后基板102上刻蚀出玻璃沟槽，然后再制作布线电极和相应的阴极101、栅极103，该阴极101、栅极103的两侧都设置有相对的碳纳米管阵列104，在阴极101和栅极103两侧设置有相对的碳纳米管阵列104，沟槽207中的阴极101和栅极103上也设置有碳纳米管阵列104。

本发明原理：

我们提出的基于碳纳米管场发射三电极平面型显示器，阳极V_a一般加3kV～6kV的高压，阴极一般接地，栅极V_g为10～100V的驱动电压，该驱动电压受视频信号调制以实现图像不同灰度等级显示，由于电子束到达阳极的电子与栅极电压有关，为了防止图像晃动，最好通过改变栅极电压点亮的时间长短来实现不同图像灰度等级的显示。图1是一个像元(包括三个亚像元)的结构示意图，其中101为阴极，102为后基板，103为栅极，104为定向排列整齐的碳纳米管阵列，105为阳极，106为前基板，107为黑色氧化铜隔色条，108、109、110分别为红、绿、蓝荧光粉，后基板102和前基板106以及封装组件可以为阴极电子的稳定发射提供一个10^-3～10^-5Pa的真空环境。其工作原理为：在驱动电压V_g的作用下，阴极碳纳米管尖端产生强电场，碳纳米管尖端的电子通过势垒贯穿飞出碳纳米管尖端表面，这样一部分电子在阳极高压的作用下，飞向阳极穿过铝膜，分别轰击红、绿、蓝三个基色荧光粉，产生不同波长的光子，实现彩色信号的显示，背散射的光子经铝反射膜反射后向前传播，以增强彩色信号的强度。而另一部分电子到达栅极形成传导电流。图2为这种显示器的总体结构原理图，当X布线电极某一行和Y布线电极某一列分别加寻址信号(通常为一负脉冲)和数据信号(正脉冲)时，则有一发射单元被选中而发射电子，同时相应的像元被点亮。图3和图4分别为碳纳米管浆料表面和沟槽侧壁的碳纳米管电子显微图。图5是用激光打标机刻蚀的一个沟槽三维视频显微图。图6是我们配制浆料上的一个裂纹，两侧壁分布有碳纳米管，对碳纳米管尖端的局部电场有“双层场增强效应”，使得碳纳米管尖端的局部电场强度更强，有利于降低栅极驱动电压。正是这些突出来的碳纳米管将提供显示器用的场发射电子。图7a、b、c、d分别是加上相同的栅极电压而加不同的阳极电压时荧光屏的发光情况：保持阴极和阳极之间的距离为1.06mm，阴极和栅极之间的距离为0.19mm，真空度为5.3×10^-5Pa，阴极和栅极以及沟槽的结构图如图5所示：阴极接地，阳极电压保持为0时，当栅极电压增大到380V时，阴极和栅极之间的传导电流为1.1μA，此时，保持栅极电压不变，逐渐给阳极加电压，当阳极电压增大到2800V时，到达阳极的发射电流为0.22μA，同时屏幕上出现一列细小的光斑，这一列光斑就是沟槽边沿碳纳米管上发射出来的电子轰击荧光屏所致。当阳极电压进一步增大到3000V时，发射电流增大到0.33μA，光斑的分布情况如图7所示，这些光斑中，除了最上面的一个光斑外，其余光斑都位于和沟槽对应的一条直线上，很显然是位于沟槽边缘碳纳米管发射出来的电子轰击荧光屏所致。而最上面的一个光斑是由于表面突出的碳纳米管发射出来的电子所致。为了验证这一点，将栅极电压缓慢降低到0，就会发现沿沟槽方向分布的光斑全部消失，只剩下最上面的一个光斑，此时的发射电流为10nA，这样计算得到图7c的电子传输比为：

  η＝(0.33(总发射电流)-0.01(面发射电流))/1.1μA＝29.1％

和Canon公司不到1％的传输比相比，电子传输比得到大幅度地提高，可见随着阳极电压的增大，到达阳极上的电子增多，电子传输比也随着提高。对于大屏幕显示器来说，由于器件内部抽成真空，前后板之间将承受很大的大气压力，必须在前后板之间相隔一定距离搁置支撑体——隔离子，这里采用条状陶瓷隔离子，隔离子的放置和后基板上沟槽壁垂直但和前基板上隔色条平行，一方面可以使隔离子隐藏于相邻像素之间，另一方面，由于发射出来的电子在栅极电压作用下有一定的偏转，这样电子的偏转方向和隔离子平行，不会造成隔离子上电荷的积累而影响电子的发射。总之，材料的选取应遵守在真空中不出气或少出气以避免破坏高真空或引起破坏性电弧，还要能经受杂散电子的轰击而不会被击穿、退化或产生二次电子。

Claims (10)

1、一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，包括前基板(106)，后基板(102)，设置于前基板(106)上的荧光粉层(205)和导电金属膜(206)，其特征在于：所述显示器还包括位于后基板(102)上的相互正交且处于电隔离的布线电极，分别与布线电极相连、且位于同一平面的阴极(101)和栅极(103)；所述阴极(101)上设置有碳纳米管阵列(104)；所述前基板(106)和后基板(102)之间设置有绝缘材料制成的、可起支撑作用的、多个平行放置的长方形条状隔离子(112)，该隔离子(112)设置在布线电极上。

2、根据权利要求1所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其特征在于：所述栅极(103)上设置有碳纳米管阵列(104)。

3、根据权利要求1所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其特征在于：所述阴极(101)和栅极(103)之间设置有沟槽(207)，所述沟槽(207)的阴极(101)侧设置有碳纳米管阵列(104)。

4、根据权利要求3所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其特征在于：所述沟槽(207)的栅极(103)侧设置有碳纳米管阵列(104)。

5、根据权利要求1至4之任一权利要求所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其特征在于：所述隔离子(112)与前基板(106)和后基板(102)间设置有金属丝(113)或金属膜(111)。

6、根据权利要求5所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其特征在于：所述前基板(106)上设置有障壁(114)，所述隔离子(112)设置在布线电极和障壁(114)之间。

7、根据权利要求6所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其特征在于：所述荧光粉层(205)为氧化物荧光粉。

8、根据权利要求7所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其特征在于：所述导电金属膜(206)为铝反射膜。

9、根据权利要求8所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其特征在于：所述隔离子(112)是采用陶瓷或氧化铝制成的。

10、根据权利要求9所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器，其特征在于：所述布线电极包括X布线电极(208)和Y布线电极(209)。

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