TW388902B - Annealed carbon soot field emitters and field emitter cathodes made therefrom - Google Patents

Description

A7 B7 五、發明説明（ 發明範囡 本發明一般而言係關於退火碳黑作爲電予場致發射體之 用途，且特別是關於其在製造場致發射體陰極上之用途。 發明背景 經常被稱爲場致發射材料或場致發射體之場致發射電子 源極，可使用於多種電子應用上，例如眞空電子裝置、平 板電版與電視之顯示器、發射閘極放大器、速調管及照明 裝置。 顯示屏係使用於極多種應用中，譬如家庭與商用電視、 膝上型與桌上型電腦及户内與户外廣告與資訊展示。平板 顯示器僅有數英忖厚，這與在大部份電視與桌上型電腦上 所發現之深陰極射線管監視器大不相同。平板顯示器爲膝 上型電腦之必需品，而且對許多其他應用提供重量與大小 上之優點。目前膝上型電腦之平板顯示器係使用液晶，其 可藉由施加小的電信號，而從透明狀態轉換成不透明狀態 。難以可信賴地製造出尺寸大於適合用在膝上型電腦上者 之顯示器》 ; ' 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印製 * κ- N1 I--IJ11I-J---^ .裝-- t (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 '等離子體顯示器已被建議作爲液晶顯示器之替代物。等 離子體顯示器係_使用帶電氣體之微小像素單元，以產生影 像，且需要相對較大操作電力。 具有下述陰極之平板顯示器已被提出，該陰極係使用場 致發射電子源極，意即場致發射材料或場致發射體，及能 夠在藉由場致發射體所發射之電子撞擊下發射光線之嶙光 體。此種顯示器具有提供習用陰極射線管之視覺顯示優點

經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 A7 ' B7五、發明説明（2 ) ，及其他平板顯示器之深度、重量及功率消耗優點之潛力 。美國專利4,857,799與5,015,912揭示矩陣尋址平板顯示器， 其係使用由鎢、鉬或矽所構成之微接點陰極。W0 94-15352 、W0 94-15350及W0 94-28571揭示平板顯示器，其中陰極具 有相對較扁平之發射表面。 已發現場致發射物呈兩種毫微管狀碳結構。L. A. Chemozatonskii 等人，Chem. Phys· Letters 233, 63 (1995)Mat· Res. Soc. Sym. Proc.第359卷，99 (1995)，已在不同基材上，藉石墨之電子蒸 發，於10·5-10_6托中製得毫微管狀碳結構之薄膜。此等薄 膜係由互相鄰接站立之成排管狀碳分子所組成《其係形成 兩種類型之管狀分子；Α-管石，其結構包括單層石墨狀小 管，形成10-30毫微米直徑之纖絲束，及Β-管石，其大多數 包含10-30毫微米直徑之多層石墨狀管子，具有圓錐狀或圓 頂狀帽蓋。其指出有相當可觀之場致電子發射來自此等結 構之表面，並將其歸因於毫微尺寸尖端處之高濃度場。 Β. Η. Fishbine 等人，Mat. Res. Soc. Symp. Proc.第 359 卷，93 (1995)針對 架狀管（意即碳毫微管）冷場致發射體陣列陰極之發展，討 論其實驗與理論。 W. A· de Heer & D. Ugarte，Chem. Phys. Letters 207，480 (1993)及 D. Ugarte，Carbon 32,1245 (1994)討論碳黑之製造與熱處理。煤 灰係藉由電弧產生之碳蒸氣在低壓大氣中縮合而製成。所 製成之煤灰爲可溶性，且易自碳黑中移除。然後，徒碳黑 接受熱處理，並在高於2000*C之溫度下，形成小的明殼粒 子。此等洋葱狀粒子爲中空多面粒子，具有由2至約8彻瑞〆 _— ________- 5 -_____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） * —---yi.--ϊ---V * 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂

A A7 B7 經濟部中央梂準局員工消费合作社印製 五、發明説明（3 ) 基面層所组成之壁。 所需要者係爲附加及/或經改良之場致發射材料其· ................因而可使用於顯示板及其他電 子裝置中。本發明之其他目的及優點，在熟諳此藝者參考 附圖及下文發明詳述後，將可明瞭。 發明摘述 本發明係提供一鍤啻子場致發私體，其係由退火碳黑所 組成，意即已在$在务氣中被加熱至溫度爲Λ少約2〇00乇 ，較佳爲至少約25〇0。(： ’且最佳爲至少錡285〇t I硖黑。於 加熱期間’此溫度較佳详保持至少为5分鐘。 〜、 本發明亦提供由火碳黑所组—成而經辞附至基材轰面之 場參黄私賴陰極。 ‘ " 自其製成之退火碳黑場致發射髏與場致發射鱧陰極，可 使用於眞空電子裝置、平板電腦與電視類示器、^射問極 放大器、速調管及照明裝置。顯示板可爲平面狀或寶曲狀 附圈簡述 圔1爲未經退火碳黑之先射又冬毛類多屬歡影像。 圖2爲未經退^農黑土真解析電子類擻翁氣影像，顯示 其"棉花球"外觀。 圖3爲退t疲1之低放太倍率亮及透射式電子顯微鏡術 (TEM)影像，顯示多面粒子之均奇外觀。 圖一4篇〜退名碳黑之高解柝電子鎮康麓術影像，顯示各多 命粒子係由具有於層基農碳l繞一個空的中央孔穴之壁所 - .·— ----5'--^---C -裝-- - (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ~Ci

經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（4 ) 組成。 、 圖' 5顯示四個退火碳黑試樣（實例2-5)在2500°C下退火，歷 經不同時間之電子發射結果圖。 , 〆 ' 圖6顯示四個退火碳黑試樣（實例6·9)在2850°Γ·下退火，歷 經不同時間之電子發射結果圖。 圖7顯示兩個不同退火碳黑試樣（實例10與10Α)之電子發 射結果圖。 圖8顯示與圖7相同之數據，惟描缯成Fc?wler-]SrQ【d|iei[ni圖。 圖9顯示三個退火碳黑試樣（實例11-13)使用绝作爲黏附材 料之電子發射結果.之Fowler-Nordheim圖。 圖10顯示三個退火碳黑試樣（實例14-16)使用金作爲黏附 材料之電子發射結果之Fowler-Nordheim圖。 ' 較佳具體實施例之詳述 本發明係提供新穎電子場致發射體、退火碳黑及由退火 碳黑所组成而經黏附至基材之電子場致發射體陰極。 於本文中使用之"似金剛石碳"一詞，係意謂I有、」!^ 當短蔽圚次序性一，_意蚱SD2奧SD3键結之適當紙金，亦可提供 具有高電流密度之場致發射材料。所謂"短範圍次序性"通 常係指在任何次元上低於約10毫微米之原子之有序排列。 碳黑可藉電弧產生之碳蒸氣，在低壓惰性大氣中縮合而 產生，如在 Kratschmer 等人，Nature (儉敦）347, 354 (1990)， W. A. de Heer & D. Ugarte，Chem. Phys. Letters 207, 480 (1993)及 D. Ugarte， Carbon32, 1245 (1994)中所述者》使用於本發明實例中之碳黑 ，典型上係在含有兩個碳電極之受控壓力反應室中製備。 __-7-__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 'N..; m- JJ- m^· > l (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 Μ A7 B7 五、發明説明（5 ) — --- 陰極I直徑爲約9毫米至約13毫米，而陽極爲約6毫米至約 8毫米（陰極直徑應總是大於陽極直徑）^使惰性氣體，譬 如氦或氬，通過此室，沮壓力係在約1〇〇托至約1〇〇〇托之程 度下保持恒定。於電極間之電流，係依電極直徑、電極間 (間隙距離及惰性氣體壓力。電流典型上在5〇A與125A之 間。使用電腦控制之馬達，以調整陽極相對於陰極之位置 ，以建互1毫米之間隙距離。於電弧放電程序期間，陽極 會不斷地被消耗》碳係被沈積在陰極上，且大量破黑係被 沈積在反應容器壁上，及在經排列以捕獲與收集碳黑之濾 器上，然後以惰性氣體將其輸送至泵。碳黑係自濾器與壁 上收集’而煤灰譬如C6〇與C70 ’則藉譬如甲苯或苯之溶劑 ，自所收集之碳黑中萃取。 如囷1中所示，透射式電子顯微鏡術（TEM)結果，顯示如 此獲得之碳黑具有非晶質結構，其中粒子大小典型上係在 約50-100毫微米之範圍内。如圖2中所示，高解析電子顯微 鏡術顯示碳黑之"棉花球"外觀。此材料爲高度無序的，僅 具有碳基面之短範圍岌序性。 經濟部中央橾準局WC工消费合作社印装 1 ^ -------.---^ ·裝-- - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •4Ί. '接著，使此碳黑退火以產生本發明之退火碳黑，其可作 爲電子場致發射體使用。將此碳黑在高溫下，於惰性大氣 中加熱’以在結構與性質上產生所要之改變。於2〇〇〇°C至 240(TC之溫度下退火，係描述於w AdeHeer&D Uggrte，

Chem. Phys. Letters 207, 480.(1993)與 D. Ugarte，Carbon 32, 1245 (1994) 〇 將碳黑在惰性大氣，譬如氬或氦中，加熱至溫度至少約 2000eC，較佳爲至少約2500°C，且最佳爲至少約2850Χ。使 --- 本紙張尺度適用中國國家揉準（CMS > A4規格（210X 297公釐） 經濟部中央梯準局貝工消费合作社印製 A7 ________B7 五、發明説明（6 ) 一 -— 此溫度保持至少約5分鐘。可使用高達約3⑻〇»c之溫度，惟 較高溫度可能不實用，且因此並非較佳（例如，由於蒸發 所致之物料損失）。亦可將碳黑加熱至中間溫度，並保持 在該溫度下，以在提升溫度至最高溫度之前，形成玻璃態 材料。 退火碳黑之發射性質，主要係決定於退火處理之最高溫 度，及在該溫度下之時間。退火會造成碳黑微觀結構之實 質上改變。其會產生具有約5毫微米至約15毫微米大小之 高度有序多面毫微粒子，可將其與〗_5微米大小之較大粒子 混合。此多面毫微粒子於外觀上係爲均勻的，如圖3之低 放大倍率亮場ΓΕΜ影像所示。於圖4中，高解析電子顯微 鏡術顯示各多面粒子係由2-5層基面碳圍繞空的中央孔穴之 壁所組成。 場致發射試驗係於退火碳黑上，使用平板發射度量單元 進行，該單元包括兩個電極，一個充作陽極或集電極，而 另一個則充作陰極》其在實例中係稱爲度量單元I。此單 元包括兩個方形銅板，1·5英吋X 1.5英吋（3.8公分X 3.8公分） ，'其中所有角落與邊緣均成圓形，以使電弧作用降至最低 。各銅板均包埋在個別聚四氟乙烯（ΡΙΓΕ)板塊中，2.5英吋 X 2.5英吋（4.3公分X 4.3公分），其中一個1.5英吋X 1.5英吋 (3.8公分X 3.8公分）銅板表面係曝露於PTFE板塊之前侧。對 銅板之電接點，係藉金屬螺絲經過PTFE板塊之背面，並延 伸進入銅板而製成，藉以提供施加電壓至該板之裝置，及 保持銅板固定在適當位置上之裝置。將此兩個PTFE板塊放 本紙張尺度逋用中酉國家標隼（CNS〉Α4規格（210X297公釐〉 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) —-裝------訂------- ·—· / 五、發明説明（ 五、發明説明（ 經濟部中央揉準局貝工消费合作社印衷 在適當位置，其中兩個外露鋼板表面係面向彼此，並經對 齊，其中板塊間之距離係藉由被放置在PTEE板塊之間但隔 開銅板之玻璃隔片固定，，以避免表面漏電或形成電弧。於 電極間之分隔距離可經調整，但一旦經選擇後，其對試樣 足特定度量組合係爲固定的。典型上係使用0 04公分至約 0.2公分之分隔。 爲度量退火碳黑試樣之發射性質，係將退火碳黑黏附至 導電性基材上，並將基材放置在充作陰極之銅板上β對陰 極施加負電壓，並度量發射電流作爲外加電壓之函數。由 於板間之分隔距離d及電壓V已經度量，故可計算電場 E (E=V/d)，並可將電流以電場之函數作圖。爲合宜地且迅 速地度量退火碳黑之發射性質，故將退火碳黑置於銅帶之 黏著劑侧，並使用另外兩個導電性銅帶片塊，以使銅帶保 持在陰極板上’其中含有退火碳黑之銅帶之黏著劑侧係面 向陽極。 對退火碳黑試樣之場致發射試驗，係使用平板發射度量 單元進行’此單元包括兩個電極’ 一個充作陽極或集電極 ，'而另一個則充作陰極（於實例中係稱爲度量單元π)。此 兩個電極铜板，1.5英吋xl英吋X 1/8英吋（3.8公分X 2.5公分x0_32公分）係藉陶瓷絕緣體隔片分隔。絕緣體之 厚度係決定電極間之距離或間隙，且厚度從約0·055公分至 約1.0公分之隔片均可採用。與電極之電接點係使用螺絲在 電極之背面製成《爲度量退火碳黑試樣之發射性質，故將 退火碳黑黏附至導電性基材，並將基材置於充作陰極之銅 -10 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) Α4规格（210X297公釐） • Μ / ----7--ϋ---C «^-- I f請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .訂. •ί A7 B7 五、發明説明（8 板上。對陰極施加負電壓，並使用㈣接㈣極之安料 度量發射電流’作爲外加電壓之……好間之分；距 離d及電壓V均經度量，故可計宜出電場跡·、， 電流以雷場之函數作圖。

另-種發射度量單元（於實例中稱爲度量單元瓜）係在採 用金屬絲錢維作爲基材時❹4自㈣石K 粒子之金屬絲之電子發射’係在—種圓柱形試驗夾具中度 量。在此夹具中，係將待測之導電性金屬絲（陰極）裝 圓柱禮（陽極）之中央。此陽極圓柱雜典型上包含已塗有嶙 光體之微細網目之圓柱形金屬網屏。陰極與陽極兩者均藉 鋁板塊保持在適當位置上，於板塊中具有經切割之半圓^ 形孔洞。 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印製 7 f C -^-- t (請先閲讀背面之注項再填寫本頁) ,1—· 導電金屬絲係藉兩個1/16英吋直徑不銹鋼管件保持在適 當位置上，每端各一個。將此等管件於各端切開，形成— 個開口貯槽，呈長度1/2英吋且直徑1/16英吋之半圓柱體形 狀，並將金屬絲置於所形成之開口貯槽中，且以銀糊保持 在適當置位上。將連盛管件藉緊密配合之聚四氟乙烯 隔片保持在鋁板塊内之適當位置，該隔片係用以電隔離陽 極與陰極。外露金屬絲之總長度一般設定爲1〇公分，惟可 經由控制保持器管件之位置，研究較短或較長之長度。將 圓柱形網目陰極放置在鋁板塊中之半圓柱形貯槽内，並以 銅帶固定在適當位置。此陰極係與鋁板塊呈電接觸。 將電引線連接至陽極與陰極。使陽極保持在接地電位（〇巧 ，並以0-10kV電源控制陰極之電壓β藉陰極發射之電流係 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公楚） A7

經濟部中央揉準局貝工消費合作社印製 收集在陽極’並以靜電計度量。靜電計係藉串連1ΜΩ電阻 器及並聯二極體保護，而免於受到尖峰電流傷害，其允許 高尖峰電流自靜電計旁通至接地。 長度約2公分供度量之試樣，係切自較大長度之經處理 金屬絲。在移除具有磷光體之可撓性不銹鋼網屏下，將其 插入兩個保持器臂之圓柱形貯槽中。塗敷銀糊以保持其在 糊劑中。使銀糊乾燥，並再貼附磷光體網屏，及以銅帶在 其兩端使其固定在適當位置上。將此試驗裝置插入眞空系 統中’並將此系統抽氣至基本壓力低於3 χ 1〇_6乾。 度量發射電流，作爲外加電壓之函數。自陰極發射之電 子，當其撞擊陽極上之磷光體時會產生光。在經塗覆金屬 絲上之電子發射位置之分佈與強度，係藉由鱗光體/金屬 絲網屏上所_產生光之圖樣觀察。於金屬絲表面處之平均電 場，係經過關係式E = V/[aln(b/a)]計算而得，其中v爲陽極與 陰極間之電壓差異’ a爲金屬絲半徑，及b爲圓柱形金屬絲 網屏之半徑。 典型上’係將退火磕黑黏附至導電性基材之表面，以形 成場致發射體陰極。基材可具有任何形狀，例如平面、纖 維、金屬絲等。適當金屬絲包括鎳、铜及鎢。貼附裝置必 須在製造用以放置場致發射體陰極之條件下，及在其使用 時之環境條件下，例如典型上爲眞空狀態及高達約450»c之 溫度下，抵抗及保持其完整性。結果，有機物質通常並不 適用於使粒子黏附至基材，且許多無機物質對碳之不良黏 著性，進一步限制可使用材料之選擇β ----·ιI — ---I 裝-- - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -- •12- B7五、發明説明（1〇 ) 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印敢 可將退火碳黑黏附至基材，其方式是在基材上產生導電 性金屬譬如金或銀之薄金屬層，其中退火碳黑粒子係被包 埋在薄金屬層中。薄金'屬層係使退火碳黑粒子錨定至基材 。爲使退火碳黑粒子有效作爲電子發射體，必須使粒子之 至少一個表面外露，意即不含金屬且自薄金屬層突出。此 表面應包含退火碳黑粒子陣列之表面，且金屬係充填粒子 間之間隙。退火碳黑粒子之量及金屬層之厚度，必須經選 擇，以促進此種表面之形成。除了提供黏附退火碳黑粒子 至基材之裝置以外，導電性金屬層亦提供施加電壓至退火 碳黑粒子之裝置。 一種達成此項結果之方法，係包括將金屬化合物在溶劑 中之溶液及退火碳黑粒子沈積至基材表面上。可首先將溶 液施加至表'面，然後沈積退火碳黑粒子，或可將退火碳黑 粒子分散在溶液中，然後將其塗敷至基材表面。該金屬化 合物係爲一種易於還原成金屬之化合物，例如確酸銀、氣 化銀、溴化銀、碘化銀及氣化金。此方法之其他説明，係 提供於暫定申讀案编鐃60/006,747中，其標題爲·•使用微粒子 場致發射體材料製造場致發射體陰極之方法"，與本文同 時提出申請，其内容係併於本文供參考。 在許多情況中，一般期望藉由添加有機黏合劑物質以増 加溶液之黏度，以致使溶液易於留在‘基材上《此種黏度改 質劑之實例，包括聚氧化乙烯、聚乙烯醇及硝基纖維素。 然後，將具有溶液及退火碳黑粒子經沈積於其上之基材 ，加熱以使金屬化合物還原成金屬。當使用有機黏合劑物 -----13-______ 本紙張纽it用t S目家鮮（CNS> A4胁（210X297公嫠) -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（11 ) 質時，係於此種加熱期間煮沸脱離（分解）^加熱之溫度與 時間係經選擇，以造成金屬化合物之完全還原。典型上，' 還原作用係在溫度自約120°c至約220。(：下進行。可使用還 原大氣或空氣。典型上，所使用之還原大氣係爲98%氬與2 °/〇氫混合物，且氣體壓力爲約5-10 psi (3.5-7 X 1〇令。 其產物爲已塗覆金屬薄層之基材’且退火碳黑係包埋於 薄層中並錨定至基材。此種產物適合作爲場致發射體陰極 使用。 提供下述非限制性實例以進一步説明、使得能夠施行及 描述本發明。於下述實例中，係使用上述平板發射度量單 元或經塗覆之金屬絲發射度量單元，以獲得此等材料之發 射特徵。

實例1與比較實驗A 經濟部中央梯準局負工消費合作社印裝 ----7--^---"C — 裝-- * (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}

、1T i 製備退火碳黑，以供使用於實例1中。利用石墨電極製 備竣黑，該電極具有直徑8毫米與12毫米，個別供陽極與 陰極使用。於室中之氣壓爲在約150托壓力下之氦，且在 電派放電實驗期間，^電極間之電流爲約125安培。使用 電腦控制之馬達，以調整陽極相對於陰極之位置。於電弧 放電程序期間，陽板係被消耗，於陰極上發生含碳物質生 長’且馬達係控制陽極與陰極間之距離至大約1毫米，保 持電極間之電壓爲20至30伏特。碳黑係沈積在室壁上，將 碳黑自其上刮下，並在濾器上收集，該濾器係置於用以控 制室歷·之系之途中。將來自室壁及來自濾器之碳黑退火， 以產生發射材料》將如此製成之部份碳黑，意即未經退火

A7 B7 經濟部中央樣準局負工消費合作社印装 五、發明説明（12) 之碳黑’放在一邊，以供比較實例A之電子發射度量使用 。於上文所討論之圖1與2之電子顯微鏡術影像，係使用此 未經退火之碳黑獲得。 用以產生使用於實例1之退火碳黑之退火程序，係如下 述。將碳黑置於石墨坩堝中，並在流動氬氣中加熱。使溫 度在每分鐘25°C之速率下増加至l，7〇〇eC »使溫度在l,7〇〇°C下 保持一小時，然後在每分鐘25。(：下提升至2,500。〇。使其在 2,500 C下保持1小時’然後關閉對遠子之電源，並使碳黑 在爐中冷卻至室溫。所使用之爐子通常花費約一小時，才 能冷卻至室溫，然後將退火碳黑移離爐子。上文所討論之 圖3與4之電子顯微鏡術影像，係使用此退火碳黑獲得。 對比較實驗A而言，係將一部份未經退火碳黑置於銅帶 之黏著劑侧，並使用兩個其他銅帶片塊，以使銅帶保持在 發射度量單元（度量單元I)之陰極板上。電接之分隔距離 爲0·19公分。使電壓增加至3000伏特（E = 1.6 X 106 V/m)，並未 發現發射。 對實例1而言，係將'退火碳黑置於銅帶之黏著劑侧，並 使用兩個其他導電性銅帶片塊，以使銅帶保持在發射度量 單元（度量單元I)之陰極板上。電極之分隔距離爲0.19公分 。使電壓増加至3000伏特（E=1.6xl06V/ni)，並發現發射電流 。於 1500 伏特（E = 8 X 105 V/m)下，電流爲 9.25 " A，而於 3000 伏特（E = 1.6 X 106 V/m)下，電流爲 26.7 A。 此等結果顯示未經退火碳黑至高達3000伏特仍不會發射 ，然而來自相同源極之退火碳黑，在低於3〇〇〇伏特之電壓 _ -15- 4 * I--J.--Λ---I 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 本紙張/ijt遥用中國國家揉率（CNS > A4说格（210X297公釐） A7 B7 經濟部中央梂準局貝工消费合作社印¾ 五、發明説明（13) 下確實會發射。 實例2-5 於實例2-5中所使用之碳黑，係藉實例1中所述之相同方 法製備’惟對此等實驗而言，在室中之大氣爲在約500托 壓力下之氦。 用以產生使用於實例2-5中之退火碳黑之退火程序’係如 下述。將碳黑置於石墨坩堝中並在流動氬氣中加熱。使溫 度在每分鐘25°C之速率下增加至2,500°C。使碳黑保持在2,500 °C下，對實例2之試樣爲15分鐘，對實例3之試樣爲30分鐘 ，對實例4之試樣爲1小時，對實例5之試樣爲2小時，且 如實例1所述，在爐中冷卻至室溫《然後，將退火碳黑自 爐中移除。 將各實例之退火碳黑試樣，輪流置於銅帶之黏著劑側， 並使用兩個其他導電性銅帶之片塊，以使銅帶保持在發射 度量單元（度量單元Π)之陰極板上。電極之分隔距離爲 0.055公分。施加電壓並度量發射電流。 對實例2之試樣，在500伏特（E=9 X 105 V/m)下，電流爲5.37 ;在 800 伏特（E=1.5xl06V/m)下，電流爲 1.41 # A ;在 1300 伏特（Ε=2·4 X 106 V/m)下，電流爲 113.5 # A。 對實例3之試樣，在600伏特（E=l X 106 V/m)下，電流爲6 32 "A ;在 900 伏特(E=1.6 X 106V/m)下，電流爲 14.1 " a ;在 1300 伏特（E=2.4xl06V/m)下’電流爲94.9 /i A ;在1400伏特 (£=2.5 X 1〇6 V/m)下，電流爲 110.2 ju A。 對實例4之試樣，在700伏特（E=1.3 X 106 V/m)下，電流爲 ----r--r--N-^-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 •1. 本紙張尺度適用中88圃定;ttA f CNS i f 16 五、發明説明（μ A7 B7 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印笨 5.79 # A ;在 900 伏特（E=1.6x 106V/m)下，電流爲 33_0 a A ;在 1300伏特（Ε=2.4χ Μν/ιη)下，電流爲62.1只A ;在1400伏特 (Ε=2·5 X 1〇6 V/m)下，電流爲 79.6 只 A »對實例5之試樣，在354伏特（E=6.4 X 105 V/m)下，電流爲 4.79 // A ;在 850 伏特（E=1.5 X 106 V/m)下，電流爲 35.47 a A ; 在 1000 伏特（E=1.8 x 106V/m)下，電流爲 97.8 只 A。 將實例2-5之發射結果在圖5中作圖。此等結果顯示在25〇〇 ec下，退火之時間並不重要。實例6-9 實質上按實例2-5中所述製備碳黑。但是，用以產生使用 於實例6-9中之退火碳黑之退火程序，係如下述。將碳黑置 於石墨掛蜗中，並在流動氬氣中加熱。使溫度在每分鐘25 C之速率下增加至2 βοτ。使碳黑保持在2,850*C下，對實 例6之諸錄爲15分鐘，對實例7之試樣爲3〇分鐘，對實 之試樣爲1小時，及對實例9之試樣爲2小時，然後按實例 1中所述’在爐子中冷卻至室溫。然後，將退火碳黑自爐 子中移除。 * 將各實例之退火碳黑試樣，輪流置於鋼帶之黏著劑側， 並使用兩個其他導電性銅帶乏片塊’以使銅帶保持在發射 度量單元之陰極板上。電極之分隔距離爲〇19公分。施加 電壓並度量發射電流（度量單元I) 對實例6之試樣，在300伏特历=1 6χ 1〇5 v/m)下，電流爲 4.57 # A ;在 500 伏特（E=2_6 X 105 V/m)下，電流爲 34 8 # A ;在 650伏特（E=3.4xl〇5V/m)下，電流爲146.9只八。 τ--?---C -I-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- 11 經濟部中央標準局舅工消費合作社印装 A7 _____B7五、發明説明（15 ) 對實例7之試樣’在1500伏特（E=8 X 1〇5 V/m)下，電流爲1.1 〆A及在3000伏特（E=1.6 X 106 V/m)下，電流爲13.1 # A。 對實例8之試樣，在1500伏特(E=8xl05V/m)下，電流爲1U 只A及在2500伏特（E=1.3 X 106 V/m)下，電流爲43.0 # A。 對實例9之試樣，在1500伏特（E=8 X 105 V/m)下，電流爲1.88 // A 及在 2000 伏特(Ε=1·6 X 106 V/m)下，電流爲 4.39 ju A。 將實例6-9之發射結果作圖於圖6中。其結果顯示在2850°C 下增抄mjCJ#間會巍少發射。這很可能是由於增加粒子在 高溫下之黏聚所致。再者，增加退火溫度會稍微減少發射 ，再一次可能是由於粒子之黏聚》 總退火時間在較高溫度下似乎是很重要的。較高溫度退 火係爲較佳的，其條件是全部退火時間相對較短（例如， 當將碳黑退火，而未使用中間170CTC步驟，並在短時間内 加熱至2850°C，且在該溫度下浸潤短期時間，則獲得較高 發射結果。 實例10與10A 一種使退火碳黑粒手黏附至基材以提供場致發射體陰極 之方法，係描述於實例10中，其中係將退火碳黑粒子黏附 至100毫微米已被濺射至玻璃載玻片上之銀薄膜上。 實質上按上文實例2-5中所述製備碳黑。退火程序係與實 例6相同。 將100毫微米銀薄膜濺射於1英吋X 0.5英吋（2.5公分X 1.3公 分）載玻片上。此銀係在0.4毫微米/秒之沈積速率下，在 氬大氣中，使用Denton 600 (Denton公司，Cherry Hill，NJ)进射單 -18 - i紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐) ~" * * \τ-, ----7--ί---C -裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·〇 經濟部中央標準局員工消費合作社印笨 A7 B7五、發明説明（16 ) 元進行濺射。含有經濺射銀薄膜之載玻片，係充作退火碳 黑場致發射粒子之基材。 製備含有25重量。/。硝酸銀（AgN03)、3重量％聚乙烯醇 (PVA)及71.9重量％水之溶液，其方式是將3克PVA， MW. 86,000 (Aldrich, Milwaukee, WI)添加至 72 克滞騰 H2 0 中 _，並 攪拌約1小時，以使PVA完全溶解。將25克AgN03 (EM Science公司，Ontario, NY)於環境溫度下添加至PVA溶液中 ，並搅拌溶液以使a^no3溶解。亦於溶液中添加0.1重量％ 氟化界面活性劑，ZONYL® FSN(E.LduPoiitdeNemours 公司 ，Wilmington，DE)，以改良溶液對銀薄膜之潤濕作用。 使用#3金屬絲棒（工業技術公司，Oldsmar，FL)，將 PVA/AgN03/ZONYL® FSN溶液塗敷至銀薄膜。將退火碳黑經 過0.1密爾（30微米）絲網均勻地散佈至濕PVA/AgN03 /ZONYL® FSN表面上。當此表面完全被退火碳黑覆蓋時，將含有濕 PVA/AgN03/Z0NYL® FSN薄膜而被退火碳黑覆蓋之載玻片基 材，置於石英船形物中，然後將其放置在管式爐中央。加 熱係在包含2%氫與98°>〇氬之還原大氣中進行。溫度係在每 分鐘14°C之速率下增加至140°C，並將此溫度保持一小時。 使試樣在爐中於相同還原大氣中冷卻至室溫，然後自爐中 移除。經還原之銀金屬提供薄的銀薄膜層，其係使退火碳 黑黏附並錨定至基材之經濺射銀薄膜，並造成適合作爲場 致發射體陰極使用之電子發射體。使用前文被描述爲度量 單元I之平板發射度量單元，度量電子發射。圖7顯示發射 結果圖，其係使用2.49毫米之電極分隔距離進行度量。 _ — - — - _ - 19 ·_________ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） Λ W \1·. ----T--g---C I裝-- * (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貝工消费合作社印装 A7 B7五、發明説明（17 ) 於實例10A中，係使實例10中使用之一部份退火碳黑黏 附至銅黏膠帶（可市購得自Electrolock公司，Chagrin Falls，OH)之 黏著劑側，其方式是將.退火碳黑粒子直接撒在銅帶之黏著 劑側。使用平板發射度量單元（度量單元I)以度量此退火 碳黑試樣之電子發射。使用1.5毫米之電極分離距離，且此 數據亦示於圖7中。督制10與10A數摅夕比鲂，顯示退火碳 黑之發射率，# f因濕^理及燃燒程序而相當大地降低。 圖8顯示與圖7相同之數據，惟係爲Fowler-Nordheim圖。 實例11-13 一種使用薄銀層使退火碳黑粒子黏附至金屬絲並藉以提. 供場致發射體陰極之方法，係描述於實例11-13中。實質上 如前文實例2-5中所述製備碳黑。退火程序係與實例6相同 〇 於此等實例中用以承載退火碳黑之金屬絲，均經清理過 ，其方式是將金屬絲在5% HN03溶液中浸沒一分鐘，接著 以大量水沖洗，然後以丙酮及甲醇沖洗。 於實例11中，係製#含有25重量。/。硝酸銀(AgN03)、3重 量°/。聚乙晞醇（PVA)及72重量％水之溶液，其方式是將3克 PVA，MW. 86,000 (Aldrich，Milwaukee，WI)添加至 72 克沸騰 H20 中，並攪拌約1小時以使PVA完全溶.解。將25克八办03 (EM Science公司，Ontario, NY)於環境溫度下添加至PVA溶液中 ，並携拌溶液以溶解a^no3。 將4密爾（100微米）銅金屬絲浸泡在PVA/AgN03溶液中，然 後浸沒至退火碳黑中。當金屬絲之表面完全覆蓋退火碳黑 ___-20-______ 本紙張尺度適用中國國家標準（〇呢）八4規格（210><297公釐} (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .^—裝.

、1T .ο ΙΊ· A 7 B7 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印袈 五、發明説明（18 ) 時，將此金屬絲置於石英船形物中，然後將其放置在管式 爐之中央，並按前文所述進行燃燒。 於實例12與13中，係製備含有25重量％硝酸銀(AgN03)、 3重量％聚乙烯醇（PVA)、0.5重量％氟化界面活性劑ZONYL ®FSN及71.5重量。/〇水之溶液，其方式是將3克PVA， M_W. 86,000 (Aldrich, Milwaukee, WI)添加至 71.5 克沸騰 Η2 Ο 中，並 攪拌約1小時以使PVA完全溶解。將25克八妒03 (EM Science公 司，Ontario, NY)於環境溫度下添加至PVA溶液中，並攪拌溶 液以溶解八办03。將0.5克氟化界面活性劑ZONYL® FSN (E. I. du Pont de Nemours 公司，Wilmington, DE)添加至該溶液中 ，以改良溶液對金屬絲之潤濕作用。 於實例12中，係將4密爾（100微米）銅金屬絲浸沒至 PVA/A^N03/之ONYL® FSN溶液中，然後浸沒在退火碳黑中。 當金屬絲之表面完全被退火碳黑覆蓋時，將金屬絲置於石 英船形物中，然後將其放置在管式爐之中央。 於實例13中，係將4密爾（100微米）銅金屬絲浸沒在 PVA/A^N03/Z0NYL® FSN_溶液中，然後浸沒在退火碳黑中。 當金屬絲之表面完全被退火碳黑覆蓋時，利用實例12中所 使用之PVA/AgN03/Z0NYL® FSN溶液之薄液體塗層，使用喷 霧器頭（121型-Sono-Tek公司，Poughkeepsie，NY)塗覆退火碳黑 粒子，該噴霧器頭會產生包含微米直徑液滴之微細霧。此 溶液係藉注射器泵，在18微升/秒之速率下輸送至噴霧器 頭，歷經約30秒。於沈積期間，係將金屬絲平移及旋轉， 以提供溶液之均勻被覆。然後，將金屬絲置於石英船形物 __________ -21 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) _Ί X, 裝· 訂· 本紙張1逋用中國國家標準（〇奶）八4%格（210父297公釐）

A 五、發明説明（19 ) —-- 中’將其放置在管式爐之中央。 在全部三個實例中，燃燒係在包含2%氣與98%氯之還原 大氣中進行。溫度係在‘每分鐘14。〇之速率下增加至14〇^ 並將此溫度保持一小時。使各試樣在爐中於相同還原大氣 中冷卻至室溫，然後自爐中移除β於各實例中，經還原之 銀金屬係提供薄的銀薄膜層，其係塗覆金屬絲並使退火碳 黑黏附至金屬絲，及造成適合作爲場致發射體陰極使用之 電子發射體。使用前文描述爲度量單元冚之圓柱形發射度 量單元，度量電子發射》 此數據係示於圖9中，其中實例12顯示較高發射，推測 上係由於金屬絲上之較高粒子密度，而此係由於較高 八办〇3潤濕至錮奋思銘所致，其因而允許更多粒子黏附至 兔j多表面―。實例13顯示頂塗層會減少粒子之發射率，惟 其會増加粒子對金屬絲之錨定作用。 實例14-16 一種使用薄金層使退火碳黑粒子黏附至金屬絲，藉以提 *1^· 供場致發射體陰極之方法，係描述於實例14-16中。實質上 按實例2-5製備碳黑。退火程序係與實例6相同。 於此等實例中用以承載退火碳黑之金屬絲，均經清理過 ，其方式是將金屬絲在3% HN〇3溶液中浸沒一分鐘，接著 以大量水沖洗，然後以丙酮及甲醇沖洗。 於實例14中，係將分散在有機鹼中之金（Aesar 12943, WardHill，ΜΑ)根據製造者之建議，塗刷至5密爾（125微米）鎢 絲上。將退火碳黑經過1〇〇微米篩網，沈積至覆蓋金化合 -22-__ 本紙張又度適用中固國家揉準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 一 » Ν1 HI t··— l>^ I ^^1 I n·9U3 s (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央揉準局貝工消费合作杜印装

A7 B7 經濟部中央標準局貞工消費合作社印製 五、發明説明（20 ) 物i金屬絲上。當金屬絲之表面完全被退火碳黑覆蓋時， 將金屬絲置於石英船形物中，然後將其放置在爐子中。 加熱係在空氣中進行.。溫度係於每分鐘25.c之速率下增 加至540°C，並將此溫度保持3〇分鐘以燒除所有冬有機物質 β使試樣於爐中冷卻至室溫，然後自爐中移除。此金之金 屬提供薄的金薄膜，其係塗覆金屬絲並使退火碳黑黏附至 金屬絲，及造成適合作爲場致發射體陰極使用之電子發射 體。 於實例15中，基本上按實例14所述製備試樣，惟在將試 樣移離爐子後，係藉石墨標靶之雷射燒蝕，將似金剛石碳 之50毫微米層沈積在表面上，以進一步密封此結構。關於 使用似金剛石碳，經由雷射燒蝕塗覆纖維或金屬絲之其他 描述’可參閲Davanloo等人，j· Mater. Res第5卷第u期，199〇 年11月’及待審中之美國專利申請案編號08/387539，於 1995年2月13曰提出申請（Blanchet-Fincher等人），其標題爲" 金剛石纖維場致發射體"，其全部内容均併於本文供參考 。使用264毫微米波長之雷射光束，以造成對位於燒触室 中央之石墨標把呈450入射角。使用具有2Hz重現率之1〇毫 微秒雷射脈衝。使4焦耳/平方公分之能量密度保持1分鐘 ，並使用一對機動化之測微計，將雷射光束在標靶上形成 網格。使燒触室保持在2 X 10·7托（2.67 X 1〇_5巴斯卡）下。所使 用之金屬絲’係沿著垂直於標靶之方向，遠離標靶5公分 〇 於實例16中’基本上係按實例14中所述製備試樣，惟使 _-23- 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS M4規格（2丨0X297公釐） (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) -裝------訂------κί---β---------

n I IK A7 B7 五、發明説明（21 用=_微米金屬絲取代鶴絲。 量全部三種試樣之之圓柱形發射度量單元’度 示發射係發生在具：:？ MW·1”， 雖然本發明之特之不同金屬絲上。 但熟諳此藝者應明“實施例已描述於前述説明文中， 特質下，本瞭的是，在未偏離本發明之精神或基本 将哭下，本發明能夠 随文所盼夕由社去 行許多修正、取代及重排。應參照 本發明之_ 範圍，而非前述專利説明書，以顯示 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) • NJ. -C -裝. 訂 C4- 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 -24- 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS >A4规格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 六、申請專利範固 AS B8 C8 D8 經濟部中央棣準局属工消费合作社印*. 一 ι· 一#場致發射之發射體，其包含退火碳黑。 2. 根據申請專利範固第i項之場致發赴之發;射體，其中退 ，火破黑具有低於约20餐秦之無子太小。 3. 根據申請專利範圍第1項之-場致發赴之發射體，其中退 火碳黑具有低於1微米之粒子大小。 、 '4. ^艮據申農是.利範園第2項之場...致發射々發射體，其中退 火碳黑具有約50至约1〇〇微米間之粒予大小。 5. —種矍致發射陰棰其包含經黏附至基材表面之退火碳 黑。 6. 根據申請專利範園第5項之場致發射陰極，其中基材爲 平面狀〇 7. 根據申請專利範团第5項之場致發射陰極，其中基材爲 纖維。 8. 根據申請專利範圍第5項之場致發射陰極，其中基材爲 金屬絲彳 9. -根據申請專利範園第8項之場致發射陰極，其中金屬 爲鎳。 ' 、 10. 根據申請專利範固第8項之場致發射陰極，其中金屬 爲鎢^ .11.根據申請專利範圍第8项之場致發射陰極，其中金屬 爲銅〇 絲 絲 絲 請 λ聞 δ 之 注 II ρ I Μ.本*& % 訂 -25- 本紙張尺度逍用中國國家橾率（CNS >