TWI309843B - Electron emission source and field emission display device - Google Patents

Description

1309843 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電子發射源，且本發明係關於一種 含有上述電子發射源之場發射顯示器。 【先前技術】 顯示器在人們現今生活中的重要性日益增加，除了使 用電腦或網際網路外，電視機、手機、個人數位助理（PDA)、 數位相機等，均須透過顯示器控制來傳遞訊息。相較於傳 10統映像管顯示器，新世代的平面顯示器具有重量輕、體積 小、及符合人體健康的優點。 在眾多新興的平面顯示器技術中，場發射顯示器（field em1Ssion display，FED)不僅擁有傳統映像管高晝質的優 點，且相較於液晶顯示器的視角較小、使用溫度範圍過小、 15及反應速度慢之缺點而言，場發射顯示器具有高發光效 率、反應時間迅速、良好的協調顯示性能、超過丽1的高 亮度、輕薄構造、寬廣視角、工作溫度範圍大、高行動效 率等優點。 此外’ FED使用時不需背光模組。所以即使在戶外陽 20光下使用，依然能夠提供優異的亮度表現。因此，目前刪 已被視為相當有機會與液晶顯示技術競爭，甚i將其取代 的新顯示技術。 場發射顯示器的工作原理與傳統陰極映像管相似，須 在低於10 6 torr之真空環培·p 4，丨m 和用電場將陰極尖端的電子 5 1309843 拉出，並且在陽極板正電壓的加速下，撞擊陽極板的螢光 粉而產生發光（LUminescence)現象。一般場發射顯示器是控 制施加於陰極與閘極間之電壓差的變化，而在指定的時間 使每個電子發射體射出電子。 為了符合場發射陰極的需求，場發射陰極的功函數與 尖端幾何結構越小越好。對於目前場發射顯示器的電子發 射體的研究方向，多以碳材為主，主要是因為習知金屬錐 電子發射元件的壽命短暫且製作不易，故現今多採用具有 化學穩定性、電傳導性、或低電子親和性的碳材作為發展 對象。相關的碳材有非晶系碳薄膜（am〇rph〇us carb〇n film)、鑽石薄膜（diamond film)、類鑽碳薄膜（diam〇nd_Uke carbon film)、以及奈米碳管（carb〇n nanotube)。 15 20 由於奈米碳管具有高的高寬比結構特徵，使其擁有低 啟始電壓與高電流發射密度等性質，即具有良好的場發射 增強因子，因此成為目前熱門的場發射電子材料。 然而，當奈米碳管面臨後續元件製程的應用時，卻因 其奈米級結構而難以均勻分散於欲配製的電子發射漿料 中，導致電流分佈不均而減少其使用壽命等問題。此夕^， 因奈米結構伴隨表面積大的物性，將造成其不穩定 素。因此，奈米石炭管尚須進行表面改質，方可增加 的穩定性。 对 類鑽碳主要是由SP3立體結構與SP2平面結構的非晶石户 所組成。由於SP3易有負電子親和能與較強的機械性質阳反 SP2具有較佳的導電性質，所以兩者所形成之類鑽碳材料二 6 1309843 兼具有子親和能以及導電性等特色。 目剛亟需—種可具有良好的場 之電子發射材料，其不僅可具有M =強因子之類鑽石炭 具有低的電子親和力之性f。此:，、<·比結構特徵，且 材料特性，可利於德痒_ ，因類鑽碳具有穩定的 射材料。翁後續轉的製作，以成為良好的電子發 【發明内容】 本發明是揭示一種電子發射 10 15 20 器，其中作為電子發射源之電子發射·; ^發射顯示 個微米級片狀結構之類鑽碳組成物。係、包括—含複數 本發明類鑽碳組成物中>{狀ϋ % α Λ 寸，片狀結構之厚度約為的為微米級尺 個微米級片狀結構之類鑽：έ且成：’所以本發明中複數 偁之頦鑽奴組成物可具有高的高寬比。笋 =發明之：鑽碳膜可具有很良好的場發射增強因子： 皁月b易於發射電子而成為良好的電子發 此外，本發明製作上使用射頻濺㈣沉積 膜’可實現大面積化製程，以降低製備時間與製作成本。 本發明提供一種電子發射源，係包括：-基板；以及 一電子發射層，形成於基板表面；其中，電子發射層係包 括一含複數個微米級片狀結構之類鑽碳組成物。 本發明之另-態樣，係一種電子發射源，包括：一基 板；-導電層，係形成於該基板表面；以及一電子發射層二 係形成於該導電層表面；其中，該電子發射層係包括一曰含 複數個微米級片狀結構之類鑽碳組成物。 25 1309843 本發明更提供一種場發射顯示器，包括有：一含有一 螢光粉層與一陽極層之上基板；以及一含有一電子發射層 與-陰極層之下基板，且電子發射.層緊鄰於陰極層，彼此 5 10 15 20 並電性連接；其中，該電子發射層係包括-含複數個微米 級片狀結構之類鑽碳組成物。 ,/、中，本發明結構中，類鑽碳膜層之片狀結構係以一 $料形式形成於基板表面。此外，片狀結構之側面高度可 介於〇·5 μπι至4.〇 μηι之間，且較佳可介於〇 9 _至2 〇 _之 間。同時，本發明類鑽碳膜層之片狀結構之厚度較佳可介 於0.005卿纽丨μηι之間，且更佳可介於〇 〇〇5叫至⑽师 之間。由於本發明結構中類鑽碳膜層之片狀結構，可且右 Τ米級的高度以及奈米級之厚度，故其結構具有高的i寬 比，而易於發射電子。 =發明所提供之結構中，使用的基板材料無限制， 2可為半導體材料、或_材料。I了增加本發明電子 果，本發明基板表面可選擇性更包含-導電層，人 :基板與類鑽碳膜層之間。本發明導電層所適用的：料； 錫可可導電材料’較佳可為氧化銦錫、氧化鋅、氧化鋅 錫、或金屬材料，如銀膠。 軋化辞 較佳具體實_巾，職狀基 犄，该玻璃基板表面塗覆有一 坡璃材 鑽碳膜層㈣成;^I 結構之類 Y 衣囬。如此，可藉，道 結構之類鑽碳臈層，使類鑽碳膜層= 8 1309843 本發明另一較佳具體例中，基板為一半導體材料 於基板材料具有電導通性，所以片狀結構之類鑽碳膜 直接形成於基板表面，即成為一電子發射源。 θ 本發明電子發射源中之類鑽碳膜的片狀結構 5較佳可為長條狀、彎曲片狀。其中，該片狀結構的主 點為具有高的高寬比結構。因此，本發明之類鑽碳薄膜可 具有很大的場發射增強因子，使之成為良好的電子發射源。 本發明電子發射源可應用任何需要電子發射之技術領 域，較佳可應用於場發射元件、場發射顯示器、或平 10 源等的冷陰極發射源。 此外，本發明場發射顯示器中，電子發射層組成物較 佳可更包括-黏著材料’以利於結合類鑽碳材料與導電材 成為-混合料之組成物。其中，本發明適用的黏著 材料無限制，較佳可為乙烯纖維素（吻ι _㈣。 15 本發明場發射顯示器可更包括-介於上基板與下基板 ^閘極層’且本發明閘極層可為習用任—種場發射顯示 適用之閘極，較佳可為複數個具有中空孔洞之環狀問 °藉此，本發明閘極層可於指定的時間使每個電子發射 體準確地射出電子。 扣 3外，本發明場發射顯示器之上基板可更包括一遮光 層’且該遮光層可密接於登光粉層旁，以用來遮除漏光並 增加晝面對比。 4省知利用奈米奴官之場發射顯示器中，因奈米碳管的 冓尺寸過小’所以在配製電子發射源漿料的過程中，奈 1309843 米石炭管難以均句分散，而導致所製作的電子發射源無法均 勻發射電子。然而，本發明所使用的微米級片狀結構之類 鑽石反較易於分散於所配製的組成物中，即能製成一均勾發 射％子之場發射源。藉此，本發明場發射顯示器可輕易完 5成電子發射層之製作，以符合大尺寸玻璃基板的場發射平 面顯示器的製作需求。 相較於習知奈米碳管材料，本發明所使用之微米級結 構之類鑽碳材料的成長製程溫度較低，且可直接生長於基 板表面’故有利於製程的應用。此外，本發明類鑽碳之片 10狀結構具有高的高寬比特徵，所以可具有很高的場發射增 強因子，以應用於場發射元件、場發射顯示器、或平面光 源等的冷陰極發射源。 【實施方式】 15 實施例1 下述内容將說明本發明一較佳具體實施例之類鑽碳膜 層之製作方法，請一併參照圖丨所示。圖丨係為本實施例製 作類鑽碳膜層所使用之濺鍍反應室100之示意圖。 首先，提供一可進行濺鍍之反應室100,且該反應室100 20中包^一用以加熱基板1之加熱器1〇、一用以承載基板丨之 承載$11、—用以施予靶材12電壓之電源器13、以及複數 個用以提供反應氣體之氣體提供單元A、B、C。本發明製 作類鑽碳膜層時，氣體提供單元可依據製程需求的氣體條 件而增設或減少，並非限於本實施例所述之設備。 1309843 接著，清潔基板1表面’並且將其置入反應室1〇〇之承 載室11上，以固定基板丨。其中，本實施例所採用的基板i ，為一半導體材之矽晶圓片。利用一抽真空裝置14將反應 至100抽真空至lxl0-5t〇rr以下，並且利用加熱器1〇將基板i 5 加熱至500°C。 然後，藉由氣體提供單元A、B、C提供反應所需之氣 體，並且利用質流控制器（mass fl〇w c〇ntr〇ller,圖未示）控 =各個氣體進入該反應室1〇〇的流量。其中，本實施例氣體 提供單元A、B、C係分別為一提供氬氣、甲烷、氫氣之氣 1〇體供應源。並且，本實施例係藉由各個氣體供應閥al、bl、 cl，並且按製程條件以控制三種氣體是否導入反應室。 其中，本實施例導入反應室100之氣體包含有氬氣、曱烷、 與虱氣’且其氣體比例為2: 1: 1，如表一所示。 表一 氬氣 甲烷 氫氣 實施例三 To~ 5 5 於本例中，當反應氣體導入反應室1〇〇後，反應室内之 壓力約控制在9x-l〇-3torr。當然，本發明濺鍍反應之環境壓 力並非限本實施例所述之内容，可依據製程需求而調整。 隨即，以200 W射頻功率對石墨靶材12進行3〇分鐘的預 20濺鍍（Pre-sPuttered)反應後，以除去靶材12表面可能存在的 /亏染物。接著，開啟遮蔽板111，並且對基板丨表面進行7〇 匀鐘的濺鍍反應，以於基板1表面成長一類鑽瑗膜層。 11 1309843 實施例2 θ將實施例1所製作之類鑽碳膜層自基板表面刮下，以獲 得一類鑽碳粉。將類鑽碳粉、銀粉、與黏著劑調配成一漿 料（paste)，以作為電子發射源材料用。圖2係為實施例以斤 5獲得之類鑽碳粉之掃瞄式電子顯微鏡照片圖。 取8.7%的類鑽碳粉、8.7%的玻璃粉、以及82.6%的銀 粉均勻混合’並且加人乙稀纖維素（ethyl ceUul〇se)作為黏著 劑，以調配成一作為電子發射源材料之漿料。本例中陰極 板是採用一表面含有一導電銀膠層（silver paste)之玻璃基 10板，並且將上述製得之電子發射源漿料塗覆於該銀膠層表 面即兀成本例之陰極板之構造。且，本例之陽極板係相 同於實施例1所述之陽極板結構。 藉由一極式裝置以測試該等組合物之場發射效果。 圖3係為本實施例用以蜊試場發射效能之二極式裝置 15 (di〇deconfiguration)示意圖。於本實施例之場發射測試中， 本實施例是將一具有類鑽碳膜漿料層31之測試片3作為一 陰極板301，並且將一具有導電層33之基板32作為一陽極板 302’其中導電層33為氧化銦錫（ιτο)。 首先，將陰極板301置入一凹槽35内，於凹槽35上方覆 2〇 蓋有一 ^極板302。將該凹槽35放置於真空腔體内，抽真空 至1x10 6 torr以下，並且於兩極板3〇1、3〇2間施予一電壓， 以量測陰極板301之電子發射源發射出之電流量。 圖4為將類鑽碳粉調配為一聚料組合物以作為電子發 射源所里測之％發射結果圖。圖中顯示，電子發射源聚料 12 1309843 祕後的場發射效果優於未燒結之電子發射源漿料。當施 ::同㈣於兩電極板間時’已於基板表面燒結成 子發射源所發射的電流量較高。 實施例3 5 ;、® 5為本測試例所使用的三極式場發射量測裝置。本測 試例所採用的電子發射源係相同於實施例2所述之内容，即 採用相同的調配條件’以獲得電子發射源聚料。 如圖5示，相較於二極式場發射量測裝置，本例之三極 式場發射量測裝置中，陰極板上增加了-閘極層74與— 1〇用以隔絕該陰極層71與該閘極層74之絕緣層73。如此即為 :具有陰極層71、閘極層74、與陽極層76之三極式場發射 罝測裝置。其中’本測試例之陰極層71係為鉬/鈦金屬，閘 極層74係為鉬金屬，且陽極層76係為氧化銦錫。 本例之電子發射源漿料係塗覆於陰極層71表面，並且 15 轭加一電場於兩極板701、7〇2之間，以進行場發射效果之 測s式。同時，於陰極層7丨與該閘極層74施予—電壓差，以 提升電子發射源之電子發射效果。 圓6為本例之％發射結果圖。當施加於兩極板之間的電 場越大時，電子發射源之電流密度越高。此外，由圖6知， 20 施予於陰極層71與該閘極層74的電壓差由5V至35V遞增 時’即能大幅提昇場發射效果。然而，此施加的電壓差亦 有所限制，如果已超過元件所負荷之範圍，例如於陰極層 71與該閘極層74間施加40V與50V的壓差，大多數電子將被 吸引至閘極而將造成反效果。 13 1309843 因此，經由上述各例結果顯示， 碳結構有麟提升電子韩HI ㈣U之類鑽 八料“ 效果，不僅可將類鑽碳均勺 I射源材科中，亦可將形成於基板之片 狀結構作為電子發射泝 片 ，…比 且’兩種不同方法所獲得之場笋 射效果皆具有低起始雷懕， 射源。 次始電壓&以作為—良好的陰極電子發 實施例4

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下述内容將說明本發明一較佳具體實施例之場發射顯 不器。本實施例場發射顯示器係相似於實施彬所述之三極 式場發射量測裝置，除了陽極板另包含有—營光粉層、以 及-遮光廣之外，下基板之構造相同於實施例3所示之内 本實施例場發射顯示器之電子發射源係採用—含有類 鑽石反伞刀玻璃粉、銀争分、以及乙烯纖維素所調配之電子發 射源漿料’塗覆於一具有導電銀膠之陰極層表面，最後燒 結以形成一電子發射層。 於本實施例中，施加—電場於場發射顯示器之兩極板 間且同時鈿加一電壓差於閘極層與陰極層之間時，則電 子發射源會發射出電子而揸擊陽極板的螢光粉層，進而產 生發光（Luminescence)現象。 實施例5 本貫施例場發射顯示器係相似於實施例4所述之結 構’除了下基板之電子發射源有所不同。 於本實施例中，下基板表面係含有一鉬/鈦金屬層以作 20 1309843 為一陰極層，且本實施例所使用的基板係為一玻璃材。此 外，本實施例之陰極層表面係具有一圖案化的絕緣層與閘 極層，以暴露出部分的陰極表面。本實施例之絕緣層是介 於陰極層與閘極層之間，以提供電性隔絕用。 | 將上述之下基板結構置入一濺鍍反應室_，並且進行 如實施例一所述之濺鍍反應，即能於暴露的陰極表面成= 「具有類鑽碳膜層之電子發射層。最後，移除閘極表面：

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沉積之_錢層，即獲得本實_場發射顯示器之下灵 板結構。其中，本實施例類鑽碳膜層所具有之結構特徵： 相似於實施例1之類鑽碳膜層結構。 白 綜上所述，本發明可製作—具有微米級片狀 鑽石反，由於該微米級片狀結構具有高的高寬比之特徵，』 :成為。良好的電子發射材料’以應用於場發射元件、場發 貝不器、或平面光源等的冷陰極發射源。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 於圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限 【圖式簡單說明】 20 圖1係本發明實施例1中製 室之示意圖。 作類鑽碳膜層時使用 之濺鍍反應 子顯微鏡 之二極式 圖2本發明實施m製作之類鑽碳粉之 (SEM)照片圖。 飞电 圖3係本發明一較佳實施 用以測甙場發射效能 15 1309843 裝置示意圖。 圖4係實施例2中，將類鑽礙粉調配為一組 务射源所量測之場發射結果圖。 σ勿，作為電子 5 圖 圖5係實施例2中用以測試場發射效能之 圖。 —極式裝置示意 圖。 圖6係為本發明實施例3中場發射測試結果

【主要元件符號說明】 1基板 7基板 W加熱器 12乾材 Α、Β、C氣體提供單元 31類鑽碳膜漿料層 33陽極層（導電層） 71陰極層 74閘極層 7 6陽極層 111遮蔽板 302、702陽極板 3測試片 11承載臺 13電源 al、bl、cl氣體供應閥 32 基板 35凹槽 73絕緣層 75基板 100 反應室 301、701陰極板 16 10

Claims (1)

13繼 4 8號，98年2月修正頁 % 2月24修正替換頁 十、申請專利範圍： 1. 一種電子發射源，係包括： 一基板；以及 -電子發射層’係形成於該基板表面； ”甲及電子發射層係包括—含複數個微米級片狀结 構之類鑽碳組成物’該組成物更包括一導電材料、一黏著 材料、或其組合，且該片狀結構為彎曲片狀結構、長條片 I 狀結構、或其組合。 2.如申請專利範圍第丨項所述之電子發射源，其中該 10基板為半導體材料、金屬材料、絕緣材料或玻璃材料。 、3.如申請專利範圍第1項所述之電子發射源，其中該 片狀結構之厚度係介於0.005 μιη至0.1 μηι之間。 4·如申請專利範圍第3項所述之電子發射源，其中， [5該片狀結構之厚度係介於0.005 μιη至〇.05 μιη之間。 ^ 5‘如申請專利範圍第1項所述之電子發射源，其中， °亥片狀結構之側面高度係介於0.5 μιη至4.0 μηι之間。 ▲ 6.如申請專利範圍第1項所述之電子發射源，其中， 片狀結構之側面鬲度係介於0.9 μηι至2·0 μιη之間。 〇 7.-種電子發射源’係包括： —基板； —導電層，係形成於該基板表面；以及 〜電子發射層，係形成於該導電層表面； 其中’該電子發射層係包括一含複數個微米級片狀結 頌鑽碳組成物，該組成物更包括一導電材料、一黏著 17 1309843 % 2月2知修正替換頁 材料或其組合，且該片狀結構係為彎曲片狀結構、長條 片狀結構、或其組合。 8. 如申請專利範圍第7項所述之電子發射源，其中該 基板為半導體材料、金屬材料或玻璃材料。 9. 如申請專利範圍第7項所述之電子發射源，其中該 片狀結構之厚度係介於〇 〇〇5 4111至〇 3 pm之間。 10. 如申請專利範圍第7項所述之電子發射源，其中該 片狀結構之厚度係介於〇 〇〇5 μ1η至〇 〇5 μιη之間。 11. 如申請專利範圍第7項所述之電子發射源，其中該 片狀、、Ό構之側面尚度係介於〇.5 ^^至4.0 之間。 12. 如申請專利範圍第7項所述之電子發射源，其中， 該片狀結構之側面高度係介於〇9 0111至2_〇 μηι之間。 13. —種場發射顯示器，係包括： 含有一螢光粉層與一陽極層之上基板；以及 15 20 一含有一電子發射層與一陰極層之下基板，且該電子 發射層係緊鄰於該陰極層； 其中’該電子發射層係包括一含複數個微米級片狀結 構之類鑽碳組成物，該組成物更包括一導電材料、一黏著 材料、或其組合，且該片狀結構係為彎曲片狀結構、長條 片狀結構、或其組合。 14. 如申請專利範圍第13項所述之場發射顯示器，其中 該片狀結構之側面高度係介於〇 5 0111至4.〇 μπ1之間。 15. 如申請專利範圍第13所述之場發射顯示器，其中該 片狀結構之側面高度係介於0·9 μηι至2.0 μτη之間。 18 13〇9843 % 2月修正替換頁 諸 6.如申晴專利範圍第13項所述之場發射顯示器，其中 大結構之厚度係介於0.005 μηι至 0· 1 μιη之間。 =17·如申請專利範圍第13項所述之場發射顯示器，其中 該片狀結構之厚度係介於0.005 μιη至0.05 μηι之間。 5 18·如申請專利範圍第13項所述之場發射顯示器，其更 包括一閘極層，係介於該陰極板與該陽極板之間，且該閘 極層係為複數個閘極。 19.如申請專利範圍第13項所述之場發射顯示器，其中 φ 該上基板更包括一遮光層’且該遮光層係密接於該勞光粉 10 層0

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