CN1885475A - 场发射装置的电泳沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种场发射装置的电泳沉积方法，利用适当安排施加电压于具有栅极的三极结构，来改善传统电泳沉积方法的选择性。在栅极周围的电场排斥在电泳槽中带电荷或极化的纳米悬浮液，可避免带电荷或极化的纳米材料沉积在栅极上。因此，纳米材料可选择性地沉积在阴极。可避免阴极与栅极之间的电路短路。本发明的电泳沉积方法不需要一层遮蔽牺牲层，因此制造工艺简单且使成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管(carbon nanotube，CNT)的电泳沉积(electrophoretic deposition，EPD)，尤其涉及一种场发射装置(emission device)的电泳沉积方法。
背景技术
液晶显示器(LCD)已成为最流行的显示组件，然而许多不同种类的显示技术仍然在研究之中。场发射如电子发射器用于场发射显示器(field emissiondisplays，FED)的使用在下一代平面显示器被预期会大幅地增加。不像传统的阴极射线管(cathode ray tube，CRT)使用一热阴极电子枪，场发射显示器将冷阴极发射器尖端(tip)用来当作电子源，当一个场发射显示器被置于电场时，冷阴极发射法瞄准被荧光粉(phosphor)覆盖的阳极(anode)基板并发射一电子束。发射的电子经由加在阳极基板的正电压做加速后，击中阳极基板上的荧光粉而产生冷光(luminescence)。
有些传统的场发射显示器的阴极板(cathode plate)使用一种网印(screenprinting)法制造，此种方法的缺点是分辨率差，这是因为筛孔(screen mesh)大小的限制与网布不一致的张力造成不一致的薄膜厚度。此不一致的薄膜厚度可能造成随后程序的调准问题，其它传统的场发射器是以史宾迪特(spindt)技术产生的圆锥形技巧来形成，上述方法通常造成高的起始(turn on)电压或发射器尖端较短的寿命。
为解决前面提及的问题，因此碳纳米管场发射器因应而生。相较于传统的场发射装置，碳纳米管场发射器有优越的发射特性，诸如较低的起始电压和较大的发射电流密度，然而碳纳米管场发射器的结构受到材料处理时遭遇的问题所妨碍。碳纳米管常用激光熔蚀(laser ablation)或电弧放电(arcdischarge)或电化学(electrochemical)沉积来制造。一种后形成(post-formation)方法，诸如网印或喷涂(spraying)法必需利用放置预先形成的碳纳米管在一场发射基底上，网印或喷涂法遭受分辨率差与一致性差的问题，无法实际地大规模制造。虽然碳纳米管可利用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)技术直接在场发射基底上长成，以有效地长成碳纳米管。但是此类技术需相当高的温度与易反应(reactive)的环境，苛刻的温度条件严格地限制了可被用于化学气相沉积基板的材料，所以使得此技术不具实用性。
因此，提出了用感旋光性的浆料(photosensitive paste)或电泳沉积来大量制造碳纳米管场发射器，来克服前述的问题。美国第6,811,457号专利中提出的方法是使用一种感旋光性的浆料与可蚀刻的介电材质(dielectric material)来制造碳纳米管场发射显示器的阴极板。电泳沉积的方法提供许多优点，诸如制作简单、低成本、低温度与大规模制造的可行性。美国第6,616,497号专利与美国专利公开申请案2003/0102222公开的文献里，提出一种用碳纳米管微粒(particle)来形成纳米电泳沉积的方法。此传统的方法如图1所示，一电源供应器101的偏压配置于二个分开的电极(electrode)(阳极板102与阴极板103)，电极沉入电泳槽(bath)104，电泳槽104包含碳纳米管电泳液(suspension)105，电泳液105使碳纳米管微粒106可选择性地沉积在阴极107的表面，此表面经由介电层109的栅孔(gate hole)108暴露于外，阴极板103包含一基底110、一介电薄层109、多个阴极107、多个栅极111与碳纳米管微粒106。当电场加至电泳槽104时，一维的(dimensional)纳米结构材料(nanostructure materials)轻松地沿着长度方向(longitudinal)的轴向形成极化的(polarized)偶极子(dipole)，这些极化的偶极子能沿着介电泳动的(dielectrophorectic)力量方向漂移。
添加物可被加入电泳槽来对纳米结构材料(如碳纳米管微粒)充电与促进电泳沉积，被纳米悬浮液中的正离子充电的纳米材料沿着电力的方向漂移，电力由电极之间电位差造成。此方法的缺点是沉积的选择性不足以防止栅极111的顶部面积或侧壁被碳纳米管微粒沉积。此侧壁沉积会造成阴极107与栅极111之间短路。一个解决上述问题的方法是在沉积程序中使用一遮蔽牺牲层(masked sacrificial layer)(如光致抗蚀剂(photoresist))来保护或覆盖栅极111，牺牲层与栅极111顶部面积或侧壁的碳纳米管微粒在电泳沉积后被移除，此方法需要一额外的黄光光刻(photolithographic)程序，使制造程序复杂化和增加制造成本。
发明内容
本发明的电泳沉积法使用适当安排施加电压于具有栅极的三极(triode)结构，以改善传统的电泳沉积方法。
在本发明的较佳实施例中，二个分开的偏压(bias voltage)被施加于栅极相对于阳极以及阴极相对于阳极。根据本发明实施例的场发射装置的电泳沉积方法包含以下步骤：(a)准备一个含有纳米结构的悬浮液的电泳槽，(b)准备一个含有三极结构的场发射阴极板，此三极结构包含栅极，其中该场发射板当作阴极板且包含一基板、多个在基板的阴极、一形成在基底与阴极上的介电层、多个形成在介电薄层与基板上的栅极，(c)将阳极板与场发射阴极板沉入于电泳槽，以及(d)将二个不同的偏压分别施加至该栅极与该阴极一段时间，以使纳米材料选择性地沉积在阴极的的表面，此表面经由介电层的栅孔暴露于外，其中该阳极板电路连接至该电源供应器的一共同端。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该电源供应器为直流电源供应器。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该电源供应器为交流电源供应器。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中一正电压施加至该栅极，一负电压施加至所述阴极，该阳极板保持在一共同电压。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该纳米结构材料包括纳米管、纳米线、碳纳米管、碳纳米线与纳米微粒。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该场发射装置作为一场发射显示器的电子发射器。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该阳极板以多孔状的结构制成，以使电场的分布均匀。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该阴极板为一交叉型阴极板。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该阴极板为一平行型阴极板。
在本发明的第一实施例中，在电泳沉积期间，施加一正电压至栅极，一负电压至阴极，而阳极板保持在一共同电压。
在本发明的另一实施例中，在电泳沉积时，施加一偏压至栅极与阴极之间，此实施例的场发射装置的电泳沉积方法包含相同的步骤(a)与(b)和二个不同的步骤，不用上述的(c)与(d)步骤，此第二实施例将场发射板沉入电泳槽，接着施加一偏压至该栅极与该阴极一段时间，以使纳米结构材料有选择性地沉积在阴极的表面，此表面经由介电层的栅孔暴露于外。
具体来说，本发明的另一种场发射装置的电泳沉积方法，包含步骤：(a)准备一含有纳米结构悬浮液的电泳槽；(b)准备一具有三极结构的场发射阴极板，该三极结构包含栅极，其中该场发射阴极板当作一阴极板且包含一基板、多个在该基板上的阴极、一形成在该基板与该阴极上的介电层、和多个形成在该介电层与该基板上的栅极；(c)将该场发射阴极板沉入该电泳槽；以及(d)施加一电源供应器的偏压加至该栅极与该阴极一段时间，以使纳米结构材料选择性地沉积在该阴极的表面，该表面通过该介电层的栅孔暴露于外。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该电源供应器为直流电源供应器。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该电源供应器为交流电源供应器。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中施加相对于该栅极的一负电压至该阴极。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该纳米结构材料包括纳米管、纳米线、、碳纳米管、碳纳米线与纳米微粒。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该场发射装置作为一场发射显示器的电子发射器。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该阴极板为一交叉型阴极板。
根据本发明的场发射装置的电泳沉积方法，其中该阴极板为一平行型阴极板。
本发明的场发射装置的电泳沉积方法不仅有传统电泳沉积方法提供的优点，并且比传统电泳沉积方法提供较佳的沉积选择性。其在低温度下实施且不需要遮蔽牺牲层，因此使制造工艺简单且降低成本。
附图说明
图1为说明一种传统的碳纳米管场发射器的电泳沉积示意图。
图2A至2D说明根据本发明第一实施例的场发射装置的电泳沉积方法的步骤流程。
图3为图2A至2D的电泳槽中电场的分布概要图。
图4A为一种场发射器交叉型阴极板在根据本发明选择性电泳沉积之前的放大俯视图。
图4B为一种场发射器交叉型阴极板在根据本发明选择性电泳沉积之后的放大俯视图。
图4C为一种场发射器平行型阴极板在根据本发明选择性电泳沉积之前的放大俯视图。
图4D为一种场发射器平行型阴极板在根据本发明选择性电泳沉积之后的放大俯视图。
图5为根据本发明碳纳米管场发射器电场发射电流对施加电压的测量结果图。
图6A与6B说明根据本发明另一实施例的场发射装置的电泳沉积法的步骤流程。
其中，附图标记说明如下：
101 电源供应器 102 阳极板
103 阴极板 104 电泳槽
105 电泳液 206 CNT微粒
107 阴极 108 栅孔
109 介电层 110 基板
111 栅极
201 阳极板 202 场发射阴极板
203 电泳槽 204 纳米结构悬浮液
205 电源供应器 206 栅极
207 电源供应器 208 阴极
209 纳米结构材料 210 栅孔
211 介电层 212 基板
401 阴极线 402 栅极线
具体实施方式
本发明结合厚膜网印(thick-film printing)与黄光光刻技术来建构一种具有栅极的三极结构来进行电泳沉积，然后在电泳沉积期间，安排施加电压与适当选择电泳槽中的溶剂，以使纳米结构材料沉积在基板的可选择的区域上。基板可以是场发射基板，用来作为一场发射显示装置的场发射器。
为了增进场发射器的效能，建议在做电泳沉积之前，对纳米结构材料进行过滤(filtration)与纯化(purification)。电泳槽中的溶剂包含一溶剂基本成份(base)与添加物(additives)。去离子水(Deionized(DI)water)或是异丙醇(IPA)可作为溶剂基本成份。各种不同的添加物已在文献里被提出。这些添加物包括氯化苯二甲羟铵(Benzalkonium Chloride)、硝酸镁(Mg(NO3)26H2O)、丁二酸二辛酯磺酸钠(bis(1-ethylhexyl)sodium sulfosuccinate，AOT)、碳酸钠(Na2CO3)与含硝酸盐(nitrate)的氢氧化镁(Mg(OH)2)或是氢氧化铝(Al(OH)3)或是氢氧化镧(La(OH)3)。直流或交流电源都可使用。根据本发明，在做电泳沉积之前把阴极板沉入含硝酸盐的电泳槽，以增进纳米结构材料(如碳纳米管微粒)在阴极表面的黏着力。此外，1ppm的碳酸钠被当作添加物加入含50ppm碳纳米管的去离子水溶剂，以增进电泳的效能。溶剂导电率从0.444ms/m增加至0.702ms/m，电泳沉积温度维持在摄氏50度。
图2A至图2D说明根据本发明第一实施例的一种场发射装置的电泳沉积方法的步骤。在本实施例中，首先，准备一含有纳米结构悬浮液204的电泳槽203，如图2A所示。其次，准备一具有栅极206的三极结构的场发射阴极板202，其中场发射阴极板202当作阴极板且包含一基板212、多个在基板212上的阴极208、一形成在基板212与阴极208上的介电层211、多个形成在介电层211与基板212上的栅极206，如图2B所示。然后，将阳极板201与场发射阴极板202沉入电泳槽203，如图2C图所示。最后，如图2D所示，根据此电泳沉积法，施加一电源供应器205的偏压V1至栅极206，及施加一电源供应器207的偏压V2至阴极208一段时间，以使纳米结构材料209可选择沉积在阴极208的表面，此表面通过介电层211的栅孔210暴露于外。
参考图2D，阳极板201电路连接至电源供应器205与电源供应器207的其它二端且保持在一共同电压V0。
根据本发明纳米材料可包括纳米管(nanotubes)、纳米线(nanowire)、碳纳米管、碳纳米线与纳米微粒。此实施例中的栅孔210尺寸约为80μm，介电层211的厚度约为25μm。为了使电场的分布均匀，阳极板201以多孔状的结构制成。
图3为图2A至2D电泳槽中电场的分布概要图。带电荷或极化的纳米结构材料沿着电力线漂移，然后沉积在阴极板。靠近栅极的电场排斥在电泳槽中带电荷或极化的纳米结构材料，如此可避免带电荷或极化的纳米结构材料沉积在栅极。
相对于共同电压V0的偏压V1通常是正电压但并不限于是正电压，相对于共同电压V0的偏压V2通常是负电压但并不限于是负电压。在选择性电泳沉积期间，带电荷或极化的纳米结构悬浮液204被负阴极电压V2的电力线经由栅孔210而被吸引，并朝向阴极208漂移。正栅极电压(positive gatevoltage)V1排斥在电泳槽中带电荷或极化的纳米结构悬浮液204，可避免纳米结构材料沉积在栅极206上。所以，纳米结构材料可选择地沉积在阴极208。因此，可避免阴极208与栅极206之间的电路短路。
图4A与图4B分别说明场发射器交叉型(cross-type)阴极板在根据本发明电泳沉积法之前与之后的放大俯视图。垂直的线是阴极线401，水平的线是栅极线402。在阴极线与栅线之间的基底为一介电层。于图4B可观察到一沉积在阴极栅孔的碳纳米管微粒的示意图。
大量碳纳米管覆盖在阴极线，因碳纳米管粉末在事先处理时未被纯化，仍存在有碳微粒盖在阴极线，建议移除这些碳微粒，可增进场发射性能与改善在封装过程期间的真空状态。
图4C与图4D分别说明场发射器平行型(parallel-type)阴极板在根据本发明电泳沉积法之前与之后的放大俯视图。
图5为根据本发明CNT场发射器电场发射电流对施加电压的测量结果图。参考图5，起始电场强度低至4.5volt/μm，而电流密度达到3.5mA/cm2在9.5volt/μm时。图4A与图4B与图5确认根据本发明场发射装置的电泳沉积法可达成好的电泳沉积选择性和场发射性能。
在本发明的另一实施例中，在电泳沉积期间，施加一偏压至栅极与阴极之间，此实施例中的场发射装置的电泳沉积方法包含与图2A及图2B相同的步骤和两个以下不同的步骤。图6A与图6B分别说明此两个不同的步骤。在经过图2A及图2B的步骤后，将场发射阴极板202沉入电泳槽203中，如图6A所示。接着施加一电源供应器604的偏压V2至栅极206与阴极208一段时间，以使纳米结构材料209选择性地沉积在阴极208的表面，此表面通过介电层211的栅孔608暴露于外。电源供应器604的另一端维持在电压V0，并电气连接至栅极206，如图6B所示。
相对于共同电压V0，偏压V2通常是正电压但并不限于是正电压。在选择性电泳沉积期间，带电荷或极化的纳米结构悬浮液204被由栅极206与阴极208之间的电位差所形成的电场经由栅孔608而被吸引，并朝向阴极208漂移，沉积在阴极208的表面。在栅极206周围的电场排斥在电泳槽中带电荷或极化的纳米结构悬浮液204，可避免纳米结构材料沉积在栅极206上。所以，纳米结构材料209可选择地沉积在阴极208，而可避免阴极208与栅极206之间的电路短路。
综上所述，本发明利用选择性沉积在一种具有栅极的三极结构的阴极，提供一种场发射装置的电泳沉积方法。其经由改善电泳沉积方法的选择性，来解决阴极与栅极之间的电路短路问题。此外，本发明的电泳沉积法在低温度下实施，并且不需要遮蔽牺牲层，所以使制造工艺简单且降低成本。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围。即凡依本发明权利要求的保护范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。
Claims (17)
1.一种场发射装置的电泳沉积方法，包含下列步骤：
(a)准备一含有纳米结构悬浮液的电泳槽；
(b)准备一具有三极结构的场发射阴极板，该三极结构包含栅极，其中该场发射阴极板作为一阴极板且包含一基板、多个在该基板上的阴极、一形成在该基板与该阴极上的介电层、和多个形成在该介电层与该基板上的栅极；
(c)将一阳极板与该场发射阴极板沉入该电泳槽；以及
(d)将由一个或多个电源供应器提供的二个不同的偏压，分别施加至该栅极与该阴极一段时间，以选择性地使纳米结构材料沉积在该阴极的表面，该表面通过该介电层的栅孔暴露于外，其中该阳极板电路连接至该电源供应器的一共同端。
2.如权利要求1所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该电源供应器为直流电源供应器。
3.如权利要求1所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该电源供应器为交流电源供应器。
4.如权利要求1所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于一正电压施加至该栅极，一负电压施加至所述阴极，该阳极板保持在一共同电压。
5.如权利要求1所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该纳米结构材料包括纳米管、纳米线、碳纳米管、碳纳米线与纳米微粒。
6.如权利要求1所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该场发射装置作为一场发射显示器的电子发射器。
7.如权利要求1所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该阳极板以多孔状的结构制成，以使电场的分布均匀。
8.如权利要求1所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该阴极板为一交叉型阴极板。
9.如权利要求1所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该阴极板为一平行型阴极板。
10.一种场发射装置的电泳沉积方法，包含步骤：
(a)准备一含有纳米结构悬浮液的电泳槽；
(b)准备一具有三极结构的场发射阴极板，该三极结构包含栅极，其中该场发射阴极板当作一阴极板且包含一基板、多个在该基板上的阴极、一形成在该基板与该阴极上的介电层、和多个形成在该介电层与该基板上的栅极；
(c)将该场发射阴极板沉入该电泳槽；以及
(d)施加一电源供应器的偏压加至该栅极与该阴极一段时间，以使纳米结构材料选择性地沉积在该阴极的表面，该表面通过该介电层的栅孔暴露于外。
11.如权利要求10所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该电源供应器为直流电源供应器。
12.如权利要求10所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该电源供应器为交流电源供应器。
13.如权利要求10所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于施加相对于该栅极的一负电压至该阴极。
14.如权利要求10所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该纳米结构材料包括纳米管、纳米线、、碳纳米管、碳纳米线与纳米微粒。
15.如权利要求10所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该场发射装置作为一场发射显示器的电子发射器。
16.如权利要求10所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该阴极板为一交叉型阴极板。
17.如权利要求1所述的场发射装置的电泳沉积方法，其特征在于该阴极板为一平行型阴极板。
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| CN 200510079095 CN1885475A (zh) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | 场发射装置的电泳沉积方法 |
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| CN 200510079095 CN1885475A (zh) | 2005-06-24 | 2005-06-24 | 场发射装置的电泳沉积方法 |
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Cited By (2)
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| CN106757284A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-05-31 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种用于真空的多路阴极自动电泳装置 |
| CN110424041A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-11-08 | 吴赞 | 一种可调制的用于强化沸腾的改性表面制备方法 |
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2005
- 2005-06-24 CN CN 200510079095 patent/CN1885475A/zh active Pending
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20061227 |