CN1873890A - 电子发射装置 - Google Patents

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CN1873890A CNA2006100198569A CN200610019856A CN1873890A CN 1873890 A CN1873890 A CN 1873890A CN A2006100198569 A CNA2006100198569 A CN A2006100198569A CN 200610019856 A CN200610019856 A CN 200610019856A CN 1873890 A CN1873890 A CN 1873890A
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Abstract

本发明提供一种电子发射装置，其包括形成在第一基板上的电子发射区域、用于控制从该电子发射区域发射的电子的发射的驱动电极、以及用于聚焦电子并具有电子通过的开口的聚焦电极。第一绝缘层设置在该驱动电极和该聚焦电极之间。该聚焦电极和该绝缘层满足下面两个条件中的至少一个：1.0≤|Vf/t|≤6.0；以及0.2≤|Vf/Wh|≤0.4，这里Vf(V)表示施加到该聚焦电极的电压，t(μm)表示该绝缘层的厚度，并且Wh(μm)表示该聚焦电极的该开口的宽度。

Description

电子发射装置
技术领域
本发明涉及电子发射装置，更特别地，涉及具有放置在电子发射区域和驱动电极上方以聚焦电子束的聚焦电极的电子发射装置。
背景技术
通常，电子发射装置分为利用热阴极作为电子发射源的装置和利用冷阴极作为电子发射源的装置。有数种类型的冷阴极电子发射装置，包括场发射器阵列(FEA)型、金属-绝缘体-金属(MIM)型、金属-绝缘体-半导体(MIS)型以及表面导电发射器(SCE)型。
MIM型和MIS型电子发射装置具有分别具有金属/绝缘体/金属(MIM)结构和金属/绝缘体/半导体(MIS)结构的电子发射区域。当电压施加到绝缘体各侧的两金属、或者金属和半导体时，下边上的金属或半导体提供的电子由于隧道效应(tunneling effect)经过绝缘体并且到达上边上的金属。在到达上边上的金属的电子中，具有大于或等于上边上的金属的功函数的能量的电子从上电极发射。
SCE型电子发射装置包括形成在基板上且彼此相对的第一和第二电极、以及位于第一和第二电极之间的导电薄膜。在导电薄膜内形成微缝(micro-crack)从而形成电子发射区域。当施加电压到电极同时使电流流到导电薄膜的表面时，电子从电子发射区域发射。
FEA型电子发射装置基于这样的原理：当具有低功函数或高深宽比(aspect ratio)的材料用作电子发射源时，由于真空环境内的电场电子容易地从材料发射。基于钼Mo或硅Si的尖的尖端结构(tip structure)、或诸如碳纳米管的碳质材料已经被发展为用作电子发射区域。
尽管电子发射装置根据其类型在它们的特定结构上有差异，它们基本上具有彼此密封从而形成真空容器(vacuum vessel)的第一和第二基板、形成在第一基板上的电子发射区域、用于控制电子从电子发射区域发射的驱动电极、形成在面对第一基板的第二基板的表面上的荧光体层、以及用于将从电子发射区域发射的电子朝向荧光体层加速从而导致发光或产生显示的阳极电极。
对于该电子发射装置，已进行试验以将电子束的轨迹导向目标方向且增强图像质量。从第一基板发射的电子经常不笔直地朝着第二基板迁移，而是扩散从而它们撞击与目标颜色荧光体层相邻的不正确颜色荧光体层并且使它们发光。
已经提出应该设置聚焦电极以控制电子束。聚焦电极放置在第一基板的最上面区域同时通过绝缘层与驱动电极绝缘。聚焦电极具有供电子束穿过的开口。几到几十伏的负直流电压施加到聚焦电极从而向经过聚焦电极的电子提供排斥力，并且电子被聚焦到电子束丛(bundle)的中间。
根据电子发射装置的操作，聚焦电极周围的电场根据施加到聚焦电极的电压的大小而改变，从而到达第二基板的电子束丛具有主束(main beam)分量、以及主束分量以外的次束(sub beam)分量。次束分量具有比主束分量直径大的直径，但是其强度弱于主束分量的强度。
表1为在x和y方向上不存在或存在次束分量的情况下观察到的红、绿、以及蓝荧光体层的颜色坐标(color coordinate)，并且括号内的数字为该颜色坐标与NTSC颜色坐标的差异。
表1
  红   绿   蓝   色再现性
  不存在次束分量   x   0.615(0.055)   0.285(-0.075)   0.151(-0.011)   63.8％
  y   0.342(-0.012)   0.594(0.116)   0.085(-0.005)
  存在次束分量   x   0.545(0.125)   0.295(-0.085)   0.153(-0.013)   41.4％
  y   0.362(-0.032)   0.532(0.178)   0.105(-0.025)
  NTSC颜色坐标   x   0.670   0.210   0.140   -
  y   0.330   0.710   0.080
从表1可以看出，色再现性根据次束分量的存在或不存在而有很大差异。就是说，与不存在次束分量的情形相比，存在次束分量的情形涉及降低了22％的颜色表现。
发明内容
在本发明的一示例性实施例中，提供了一种电子发射装置，其优化聚焦电极的结构与聚焦电压之间的关系，从而防止次束的产生并且提高色纯度(color purity)。
在本发明的一示例性实施例中，电子发射装置包括形成在第一基板上的电子发射区域、用于控制从所述电子发射区域发射的电子发射的驱动电极、以及具有电子从其穿过的开口的用于聚焦电子的聚焦电极。第一绝缘层设置在该驱动电极和该聚焦电极之间。该聚焦电极和该绝缘层满足下面两个条件中的至少一个：1.0≤|Vf/t|≤6.0；以及0.2≤|Vf/Wh|≤0.4，这里Vf(V)表示施加到该聚焦电极的电压，t(μm)表示该绝缘层的厚度，并且Wh(μm)表示该聚焦电极的开口的宽度。
在一实施例中聚焦电极接收负电压。
电子发射区域可布置在沿第一方向定义在第一基板上的像素区域处，并且聚焦电极的开口收纳一个或更多的电子发射区域。在一实施例中，Wh的值可沿垂直于第一方向的方向测量。
电子发射装置还可以包括对着第一基板的第二基板、以及形成在第二基板上的多色(multi-colored)荧光体层。各荧光体层的颜色可以沿垂直于第一方向的方向改变。
电子发射装置还可包括形成在第一基板上的阴极电极、以及形成在第一基板上且通过形成在阴极电极和栅极电极之间的第二绝缘层与阴极电极绝缘的栅极电极。聚焦电极在栅极和阴极电极的上方。荧光体层形成在第二基板上。阳极电极形成在荧光体层的表面上。
栅极和阴极电极可设置为彼此垂直且在一交叉区域相交。电子发射区域也可在交叉区域处沿着阴极电极的长度直线地设置。聚焦电极的开口可以收纳该直线排列的电子发射区域，并且Wh的值可以沿着阴极电极的宽度测量。
本发明的另一实施例为在电子发射装置中使用的用于聚焦从电子发射区域发射的电子束的聚焦电极。该聚焦电极包括为电子束提供空间而设置的多个开口。每个开口具有宽度Wh。聚焦电极以电压Vf(V)驱动，并且宽度与电压的关系满足下面条件：0.2≤|Vf/Wh|≤0.4。在一实施例中电压Vf为负。
在本发明的另一实施例中，电子发射装置包括沿第一方向纵向设置的第一电极、以电压Vf(V)驱动且具有宽度为Wh(μm)的开口的聚焦电极、以及设置在驱动电极和聚焦电极之间的绝缘层。绝缘层具有厚度t(μm)。聚焦电极和绝缘层可以满足下面条件：1.0≤|Vf/t|≤6.0。
聚焦电极和绝缘层还可以满足下面条件：0.2≤|Vf/Wh|≤0.4。宽度Wh也可以沿第一方向测量，并且电压Vf可以为负。第一电极可以控制从沿着垂直于第一方向的方向设置的多个电子发射区域的电子束发射。设置开口的大小从而为从多个电子发射区域发射的一个或更多的电子束提供空间。第一电极可以为阴极电极或驱动电极。
附图说明
图1为根据本发明实施例的电子发射装置的局部分解透视图；
图2为根据图1的实施例的电子发射装置的局部截面图；
图3为图1所示的第一基板上的结构的局部平面图；
图4为根据本发明的电子发射单元的一实施例的局部截面图；
图5为第二基板和发光单元局部截面图，示出发光单元的变体；
图6为示出了对于根据本发明实施例的电子发射装置，未产生次发光的作为第二绝缘层的厚度的函数的|Vf/t|条件的曲线图；
图7为示出根据本发明实施例未产生次发光的作为聚焦电极开口的水平宽度的函数的|Vf/Wh|条件的曲线图；
图8为示出了本发明实施例的|Vf/t|的值与色再现性之间的关系的曲线图；
图9为示出了本发明另一实施例的|Vf/Wh|的值与色再现性之间的关系的曲线图。
具体实施方式
如图1到3所示，电子发射装置包括以预定距离相互平行设置的第一和第二基板2和4。密封部件(未示出)设置在第一和第二基板2和4的外围，从而与两个基板结合形成真空内部空间。即，第一和第二基板2和4、以及密封部件形成真空容器(vacuum vessel)。
电子发射单元100设置在第一基板2的面对第二基板4的表面上，从而朝向第二基板4发射电子，并且发光单元200设置在第二基板4的面对第一基板2的表面上，从而由于电子而发出可见光，由此引起发光或显示发生。在本实施例中，电子发射单元和发光单元的结构将利用场发射器阵列(FEA)型电子发射装置来解释。
阴极电极6在第一基板2上被条形构图，并且第一绝缘层8基本上覆盖第一基板2的所有表面。第一绝缘层也覆盖阴极电极6。栅极电极10垂直于阴极电极6在第一绝缘层8上被条形构图。
在本实施例中，当阴极和栅极电极6和10的交叉区域被定义为像素区域时，电子发射区域12在各像素区域处形成在阴极电极6上，并且开口8a和10a对应于各电子发射区域12形成在第一绝缘层8和栅极电极10处，从而暴露第一基板2上的阴极电极6上的电子发射区域12。
电子发射区域12利用在真空环境中施加电场时发射电子的材料诸如碳质材料、或者纳米尺寸材料形成。电子发射区域12可利用碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、C60、硅纳米线或其适当的组合通过例如丝网印刷、直接生长、化学气相沉积或溅射而形成。
在本实施例中，当从平面图观察时电子发射区域12为圆状，且多个电子发射区域12在像素区域中沿着阴极电极6的长度排列。然而，电子发射区域12的形状、每像素区域中的数目、以及排列不局限于所示例子，而可以各种方式改变。
如图4所示，阴极和栅极电极6’和10’可被调换。对于电子发射单元101，栅极电极10’放置在阴极电极6’之下并且第一绝缘层8设置在它们之间。在此情形下，电子发射区域12’可接触阴极电极6’的侧面同时设置在第一绝缘层8上。对电极13可与栅极电极10’电连接，并且在阴极电极6’之间与电子发射区域12’分隔开。对电极13将栅极电极10’的电场引到第一绝缘层8的上方，从而在电子发射区域12’周围形成强电场。
再回到图1至3，第二绝缘层14和聚焦电极16形成在栅极电极10和第一绝缘层8上。开口14a和16a形成在第二绝缘层14和聚焦电极16处以让电子束通过。开口14a和16a可在各像素区域处一一对应地设置，并且利用该结构，聚焦电极16将像素区域处发射的电子共同聚焦。
聚焦电极16和电子发射区域12之间的高度差别越大，聚焦效应变得越大。因此，第二绝缘层14的厚度可大于第一绝缘层8的厚度。聚焦电极16可以利用第二绝缘层14上涂覆的导电膜、或具有开口16a的金属板(metallicplate)形成。
荧光体层18与黑层20一起形成在第二基板4的面对第一基板2的表面上，该黑层被设置在各荧光体层18之间以增强屏幕对比度。荧光体层18可以以间隔开特定距离的红、绿、和蓝荧光体层18R、18G和18B形成。图1示出荧光体层18和黑层20为条形图案，但是每个荧光体层18可在各像素区域处一一对应地单独设置。在后一种情形中，黑层20也可形成在除了荧光体层18以外的所有非发光区域处。
阳极电极22利用金属材料例如铝在荧光体层18和黑层20上形成。阳极电极22接收用于加速来自发射区域的电子束所需的高电压，并且反射从荧光体层19辐射的可见光，从而增加屏幕亮度。
供选地，如图5所示，阳极电极22’首先形成在第二基板4的表面上，并且荧光体层18和黑层20形成在阳极电极22’上。在这种情形下，阳极电极22’利用诸如铟锡氧化物(ITO)的透明导电材料形成，从而可以透射从荧光体层18辐射的可见光。图5的附图标记201指发光单元。
再参考图1至3，多个间隔物24设置在第一基板2与第二基板4之间从而维持第一基板2与第二基板4之间的距离。间隔物24支承真空容器从而防止真空容器的变形和断裂。间隔物24对应于黑层20设置从而它们不占据荧光体层18的区域。
利用上述结构的电子发射装置，在操作中，预定电压从外部施加到阴极电极6、栅极电极10、聚焦电极16、以及阳极电极22。例如，扫描驱动电压施加到阴极电极6和栅极电极10中的一种，并且数据驱动电压施加到另一电极。几到几十伏特的负直流(DC)电压施加到聚焦电极16，并且几百到几千伏特的正DC电压施加到阴极电极22。
因此，对于阴极电极6和栅极电极10之间的电压差异超过阈值的像素区域，在电子发射区域12的周围形成电场，并且电子从电子发射区域12发射。所发射的电子经过聚焦电极16时经历排斥力，并且被聚焦到电子束的中心。聚焦的电子被施加到阳极电极的高电压吸引，并且碰撞相应的荧光体层从而使它们发光。
聚焦电极16的电子束聚焦操作根据聚焦电压的大小、第二绝缘层14的厚度以及聚焦电极16的开口16a的水平宽度而改变。基于这些因素，对于根据本实施例的电子发射装置，通过优化聚焦电压和聚焦电极的结构之间的关系，防止了引起次发光(subsidiary light emission)的次束分量的产生以及由过大聚焦电压导致的发射错误。
利用根据本实施例的电子发射装置，聚焦电极16和第二绝缘层14满足下列两个条件中的至少一个：
1.0≤|Vf/t|≤6.0            (公式1)；以及
0.2≤|Vf/Wh|≤0.4           (公式2)，
这里Vf(V)表示聚焦电压，t(μm)表示图2所示的第二绝缘层14的厚度，并且Wh(μm)表示图3所示的聚焦电极开口16a的水平宽度。
图6为示出了不产生次发光时的|Vf/t|的条件的曲线图。第二绝缘层的厚度和聚焦电压被改变。第二绝缘层的厚度从0.2μm变到了25μm。当|Vf/t|的值处于从1V/μm到6V/μm的范围时，次发光没有产生。
在|Vf/t|的值小于1V/μm的情形下，聚焦电压太弱以至于不足以在第二绝缘层的上述厚度内聚焦电子，因而产生次发光。在|Vf/t|的值大于6V/μm的情形下，聚焦电压在第二绝缘层的上述厚度内过大，从而导致电子从关闭状态的像素区域发射的发射错误。
图7为示出了不产生次发光时的|Vf/Wh|的条件的曲线图。聚焦电极开口的水平宽度和聚焦电压被改变。聚焦电极开口的水平宽度从22μm变到82μm。在此水平宽度范围内，当|Vf/Wh|的值处于0.2V/μm到0.4V/μm的范围内时，不产生次发光。
在|Vf/Wh|的值小于0.2V/μm的情形下，聚焦电压太弱以至于不足以在聚焦电极开口的上述宽度范围内聚焦电子，从而产生次发光。在|Vf/Wh|的值超过0.4V/μm的情形下，聚焦电压在上述厚度范围内过大，从而导致电子从关闭状态像素区域发射的发射错误。
图8为示出了对于满足公式1的条件的电子发射装置的作为|Vf/t|的变化的函数的色再现性(与NTSC相比)的曲线图。图9为示出了对于满足公式2的条件的电子发射装置的作为|Vf/Wh|的变化的函数的色再现性(也与NTSC相比)的曲线图。如图8和9所示，当|Vf/t|处于1V/μm到6V/μm的范围并且|Vf/Wh|的值处于0.2V/μm到0.4V/μm的范围内时，可以得到65％或更大的色再现性。
在电子发射装置和聚焦电极的上述实施例中，通过优化聚焦电压和聚焦电极的结构之间的关系可以防止引起次发光的次束分量的产生。因此，从电子发射区域发射的电子可以落在正确的、相应的荧光体层上。因此，荧光体层的颜色表现以及显示图像的显示质量可以被提高。
上面关于FEA型电子发射装置描述了些特征，其中电子发射区域形成以施加电场时发射电子的材料。然而，本发明不局限于FEA型电子发射装置，而可以容易地应用到其他类型的电子发射装置。
尽管上面详述了本发明的实施例，但应该容易理解，这里所教导的基本发明构思的对于本领域技术人员显而易见的很多变体和/或修改都落在权利要求及其等价物所定义的本发明的精神和范围内。

Claims (19)

1.一种电子发射装置，包括：
电子发射区域，其形成在第一基板上；
驱动电极，其用于控制电子从所述电子发射区域发射；
聚焦电极，其用于聚焦电子且具有所述电子通过的开口；以及
第一绝缘层，其设置在所述驱动电极和所述聚焦电极之间；
其中所述聚焦电极和所述第一绝缘层满足下面两个条件中的至少一个：
1.0≤|Vf/t|≤6.0；以及
0.2≤|Vf/Wh|≤0.4，
这里Vf(V)表示施加到所述聚焦电极的电压，t(μm)表示所述第一绝缘层的厚度，并且Wh(μm)表示所述聚焦电极的所述开口的宽度。
2.如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述聚焦电极接收负电压。
3.如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述电子发射区域布置在沿着第一方向定义在所述第一基板上的像素区域处，并且所述聚焦电极的所述开口收纳一个或更多的所述电子发射区域，且
其中所述开口的所述宽度沿垂直于所述第一方向的方向测量。
4.如权利要求3所述的电子发射装置，还包括设置在所述第二基板上面对所述第一基板的多色荧光体层，从而各个荧光体层的颜色沿着垂直于所述第一方向的方向交替。
5.如权利要求1所述的电子发射装置，还包括：
第二基板，其面对所述第一基板且具有形成在其上的荧光体层；
阳极电极，其形成在所述荧光体层的表面上；
阴极电极，其形成在所述第一基板上；以及
栅极电极，其形成在所述第一基板上且通过形成在所述阴极电极和所述栅极电极之间的第二绝缘层与所述阴极电极绝缘。
6.如权利要求5所述的电子发射装置，其中所述栅极电极和所述阴极电极彼此垂直设置且在交叉区域内相交，并且所述电子发射区域沿着所述交叉区域处的所述阴极电极的长度直线地布置。
7.如权利要求6所述的电子发射装置，其中设定所述聚焦电极的所述开口的大小从而收纳一个或更多的所述直线布置的电子发射区域，并且所述开口的所述宽度沿着垂直于所述阴极电极的所述长度的方向测量。
8.如权利要求7所述的电子发射装置，其中所述荧光体层是多色的，并且各个荧光体层的颜色沿垂直于所述阴极电极的所述长度的方向交替。
9.如权利要求5所述的电子发射装置，其中所述第一绝缘层具有大于所述第二绝缘层的厚度。
10.如权利要求5所述的电子发射装置，其中所述电子发射区域包括选自包括碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、C60和硅纳米线的组的至少一种材料。
11.一种在电子发射装置中使用的用于聚焦从电子发射区域发射的电子束的聚焦电极，所述聚焦电极包括为所述电子束提供空间而设置的开口，每个开口具有宽度Wh(μm)，其中所述聚焦电极以电压Vf(V)驱动，并且其中所述宽度与所述电压的关系满足下面条件：0.2≤|Vf/Wh|≤0.4。
12.如权利要求11所述的聚焦电极，其中所述电压Vf为负。
13.一种电子发射装置，包括：
第一电极，其沿第一方向纵向地设置；
聚焦电极，其以电压Vf驱动且具有宽度Wh(μm)的开口；
绝缘层，其设置在所述第一电极和所述聚焦电极之间且具有厚度t(μm)，
其中所述聚焦电极和所述绝缘层满足下面条件：1.0≤|Vf/t|≤6.0。
14.如权利要求13所述的电子发射装置，其中所述聚焦电极还满足下面条件：0.2≤|Vf/Wh|≤0.4。
15.如权利要求14所述的电子发射装置，其中所述宽度Wh沿所述第一方向测量。
16.如权利要求13所述的电子发射装置，其中所述电压Vf为负。
17.如权利要求13所述的电子发射装置，其中所述第一电极控制电子束从沿垂直于所述第一方向的方向设置的多个电子发射区域的发射，并且其中设定所述开口的大小从而为从所述多个电子发射区域中的一个或更多发射的电子束提供空间。
18.如权利要求13所述的电子发射装置，其中所述第一电极为驱动电极。
19.如权利要求13所述的电子发射装置，其中所述第一电极为阴极电极。
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