TWI393160B - 場發射陰極結構及使用該場發射陰極結構的顯示器 - Google Patents

Description

場發射陰極結構及使用該場發射陰極結構的顯示器

本發明涉及一種基於奈米碳管的場發射陰極結構及使用該場發射陰極結構的顯示器。

場發射顯示器係繼陰極射線管(CRT)顯示器和液晶顯示器(LCD)之後，最具發展潛力的下一代新興技術。相對於先前的顯示器，場發射顯示器具有顯示效果好、視角大、功耗小及體積小等優點，尤其為基於奈米碳管的場發射顯示器，近年來越來越受到重視。

場發射陰極結構係場發射顯示器的重要元件。基於奈米碳管的場發射陰極結構通常包括一絕緣基底；複數個陰極電極，該複數個陰極電極位於該絕緣基底上且沿同一方向平行間隔絕緣設置；複數個電子發射單元，該複數個電子發射單元均勻分佈於複數個陰極電極上，與該陰極電極電連接，每個電子發射單元包括複數個奈米碳管；一介質層，該介質層設置於所述絕緣基底上，並對應電子發射單元設有通孔，該電子發射單元設置於該通孔內；複數個柵極，該柵極設置於所述介質層上，與所述陰極電極異面垂直設置。

通常，電子發射單元為採用化學氣相沈積法製備的奈米碳管陣列。然而，採用化學氣相沈積法製備的奈米碳管陣列與陰極電極的結合力較差，奈米碳管陣列中的奈米碳管在發射電子時容易被強電場拔出，從而會限制該場 發射陰極結構的電子發射能力和壽命。

有鑒於此，提供一種奈米碳管與陰極電極可牢固結合的場發射陰極結構及使用該場發射陰極結構的顯示器實為必要。

一種場發射陰極結構，其包括：一絕緣基板，該絕緣基板上形成有複數個開孔，且該絕緣基板具有第一表面及與該第一表面相對的第二表面，每個開孔貫穿絕緣基板，從第一表面延伸至第二表面；複數個陰極電極，該複數個陰極電極平行設置於所述絕緣基板的第一表面；複數個柵極電極，該複數個柵極電極平行設置於所述絕緣基板的第二表面，且該複數個柵極電極與所述複數個陰極電極異面交叉設置；及複數個電子發射單元，該複數個電子發射單元分別與一開孔對應設置，且與所述陰極電極電連接；其中，所述電子發射單元包括至少一根奈米碳管線狀結構，該奈米碳管線狀結構的一部分固定於所述絕緣基板與所述陰極電極之間，一部分設置於開孔內。

一種顯示器，其包括：一陰極基板，一陽極基板，一場發射陰極結構及一陽極結構，所述場發射陰極結構包括：一絕緣基板，該絕緣基板上形成有複數個開孔，且該絕緣基板具有第一表面及與該第一表面相對的第二表面，每個開孔貫穿絕緣基板，從第一表面延伸至第二表面；複數個陰極電極，該複數個陰極電極平行設置於所述絕緣基板的第一表面；複數個柵極電極，該複數個柵極電極平行設置於所述絕緣基板的第二表面，且該複數個柵極電極與所述複數個陰極電極異面交叉設置；及複數個電子發射單元，該複數個電子發射單元分別與一開孔對應設置，且與所述陰極電極電連接；其中，所述電子發射單元包括至少一根奈米碳管線狀結構，該奈米碳管線狀結構的一部分固定於所述絕緣基板與所述陰極電極之間，一部分設置 於開孔內。

與先前技術相比，由於本發明提供的場發射陰極結構及顯示器中的奈米碳管線狀結構的一部分固定於絕緣基板與陰極電極之間，故，該奈米碳管線狀結構被牢固地固定於絕緣基板與陰極電極之間，可承受較大的電場力而不會被電場力拔出，從而使該奈米碳管線狀結構具有更強的電子發射能力和更長的使用壽命。

10‧‧‧顯示器

102‧‧‧陰極基板

104‧‧‧陽極基板

105‧‧‧絕緣支撐體

106‧‧‧陽極結構

107‧‧‧陽極電極

108‧‧‧螢光粉層

100‧‧‧場發射陰極結構

110‧‧‧絕緣基板

1102‧‧‧開孔

1104‧‧‧第二表面

1106‧‧‧第一表面

120‧‧‧陰極電極

130‧‧‧柵極電極

140‧‧‧電子發射單元

1402‧‧‧奈米碳管線狀結構

1404‧‧‧第一部分

1406‧‧‧第二部分

1408‧‧‧場發射尖端

1410‧‧‧奈米碳管

圖1為本發明實施例提供的場發射陰極結構的示意圖。

圖2為圖1中的場發射陰極結構沿II-II線的剖面圖。

圖3為本發明實施例提供的場發射陰極結構中的奈米碳管線狀結構的場發射尖端的結構示意圖。

圖4為本發明實施例提供的場發射陰極結構中的奈米碳管線狀結構的場發射尖端的掃描電鏡照片。

圖5為本發明實施例電子發射單元僅包括一個奈米碳管線狀結構的場發射陰極結構的側視圖。

圖6為採用本發明實施例的場發射陰極結構的顯示器的側視圖。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例提供的場發射陰極結構及使用該場發射陰極結構的顯示器。本發明的場發射陰極結構可應用至二極型場發射顯示器、三極型場發射顯示器等，以下以三極型場發射顯示器為例進行說明。

請參閱圖1至圖2，本發明實施例提供一種場發射陰極結構100，該場發射陰 極結構100包括一絕緣基板110、複數個陰極電極120、複數個柵極電極130及複數個電子發射單元140。

其中，所述絕緣基板110上形成有複數個開孔1102，且每個電子發射單元140與一開孔1102對應設置。所述絕緣基板具有第一表面1106及與該第一表面1106相對的第二表面1104。每個開孔1102貫穿絕緣基板110，從第一表面1106延伸至第二表面1104。所述複數個柵極電極130設置於絕緣基板110的第二表面1104。所述複數個陰極電極120設置於絕緣基板110的第一表面1106。所述陰極電極120與柵極電極130均為條形電極。所述複數個陰極電極120平行設置，所述複數個柵極電極130平行設置，且陰極電極120與柵極電極130異面垂直設置。所述電子發射單元140與陰極電極120電連接。由於陰極電極120與柵極電極130異面垂直設置，故，可通過控制陰極電極120與柵極電極130來控制每個電子發射單元140進行獨立發射電子。

所述絕緣基板110的材料可為玻璃、陶瓷、塑膠或聚合物。所述絕緣基板110的形狀與厚度不限，可根據實際需要製備。優選地，所述絕緣基板110的形狀為正方形或矩形，厚度大於等於15微米。所述絕緣基板110上的複數個開孔1102呈陣列排列，且每個開孔1102的直徑可為3微米至1000微米。本實施例中，所述絕緣基板110為一邊長為50毫米，厚度為1毫米的正方形耐高溫高分子基板。所述高分子基板上形成有10×10個(共10行，每行10個)直徑為2毫米的開孔1102。

所述陰極電極120的材料可為銅、鋁、金、銀等金屬或導電漿料等。本實施例中，所述陰極電極120為一條形銅片。可以理解，當所述陰極電極120的材料為導電漿料時，開孔1102的直徑應小於500微米，以便印刷導電漿料時，導電漿料可因毛細現象而於開孔1102上形成一層導電膜。

所述柵極電極130的材料可為銅、鋁、金、銀等金屬或導電漿料等。所述柵 極電極130上形成有一排柵孔(圖未標)。所述柵孔為通孔，柵孔的直徑為1微米至1000微米。所述柵極電極130設置於絕緣基板110的第二表面1104上，且柵極電極130的柵孔與絕緣基板110的開孔1102相對應設置，以使電子發射單元140發射的電子可通過該柵孔射出。當本發明的場發射陰極結構100應用至二極型場發射顯示器時，可沒有所述柵極電極130。本實施例中，所述柵極電極130為導電漿料印製的條形電極，且柵孔的直徑為20微米。

所述電子發射單元140包括至少一根奈米碳管線狀結構。所述奈米碳管線狀結構可包括至少一個奈米碳管線。當奈米碳管線狀結構包括複數個奈米碳管線時，複數個奈米碳管線平行排列組成束狀結構或複數個奈米碳管線相互扭轉組成絞線結構。所述奈米碳管線包括複數個沿奈米碳管線軸向定向排列的奈米碳管。所述奈米碳管線可為非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線。該非扭轉的奈米碳管線為將奈米碳管拉膜通過有機溶劑處理得到。該非扭轉的奈米碳管線包括複數個沿奈米碳管線軸向排列的奈米碳管，即奈米碳管的軸向與奈米碳管線的軸向基本平行。該扭轉的奈米碳管線為採用一機械力將所述奈米碳管拉膜兩端沿相反方向扭轉獲得。該扭轉的奈米碳管線包括複數個繞奈米碳管線軸向螺旋排列的奈米碳管，即奈米碳管的軸向沿奈米碳管線的軸向螺旋延伸。該非扭轉的奈米碳管線與扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。該奈米碳管線中的奈米碳管為單壁、雙壁或多壁奈米碳管。該奈米碳管的直徑小於5奈米，長度範圍為10微米~100微米。所述奈米碳管線及其製備方法具體請參見本申請人於於2002年11月5日申請的，於2008年11月21日公告的第I303239號台灣公告專利“一種奈米碳管繩及其製造方法”，及於於2005年12月16日申請的，於2007年7月1日公開的第TW200724486號台灣公開專利申請“奈米碳管絲及其製作方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。

所述奈米碳管線狀結構1402彎折形成一第一部分1404及與該第一部分1404相連的第二部分1406。所述奈米碳管線狀結構1402的第一部分1404固定於所述絕緣基板110與所述陰極電極120之間，且與該陰極電極120電連接。所述奈米碳管線狀結構1402的第二部分1406設置於開孔1102內，且由陰極電極120向所述開孔1102的中心軸傾斜延伸。所述開孔1102的中心軸為通過開孔1102相對兩個開口中心的對稱軸。所述奈米碳管線狀結構1402的第二部分1406具有一尖端(圖未標)，該尖端可略高或略低於柵極電極130，也可與柵極電極130平齊。優選地，所述的奈米碳管線狀結構1402的第二部分1406的尖端為類圓錐形，其直徑沿遠離陰極電極120的方向逐漸減小，且該尖端略低於柵極電極130。請參閱圖3及圖4，所述奈米碳管線狀結構1402的第二部分1406的尖端包括複數個突出的場發射尖端1408。所述的場發射尖端1408包括複數個基本平行的奈米碳管1410，該複數個奈米碳管1410之間通過凡德瓦爾力緊密結合。所述的場發射尖端1408為類圓錐形。該場發射尖端1408的頂端突出有一單根奈米碳管。

本實施例中，所述電子發射單元140包括兩個奈米碳管線狀結構1402，且每個奈米碳管線狀結構1402的第一部分1404固定於絕緣基板110與陰極電極120之間。所述兩個奈米碳管線狀結構1402的第二部分1406由陰極電極120向開孔1102遠離陰極電極120的開口中心位置傾斜延伸。該兩個奈米碳管線狀結構1402的第二部分1406的尖端可以間隔設置或相互接觸。可以理解，本實施例中的部分相鄰電子發射單元140的奈米碳管線狀結構1402彎折形成一第一部分1404及該第一部分1404相對兩端彎折相連的二第二部分1406，即，部分相鄰電子發射單元140的奈米碳管線狀結構1402可共用一個第一部分1404。所述第一部分1404固定於所述絕緣基板110與所述陰極電極120之間，所述二第二部分1406分別設置於二相鄰的開孔1102內，且均由陰極電極120向開孔1102的開口中心位置傾斜延伸。

可以理解，本發明實施例的場發射陰極結構100的電子發射單元140也可包括兩個以上奈米碳管線狀結構1402。當電子發射單元140包括兩個以上奈米碳管線狀結構1402時，每個奈米碳管線狀結構1402的第一部分1404固定於絕緣基板110與陰極電極120之間，第二部分1406設置於開孔1102內，且均由陰極電極120向開孔1102的開口中心位置傾斜延伸。請參閱圖5，本發明實施例的場發射陰極結構100的電子發射單元140也可僅包括一個奈米碳管線狀結構1402。

可以理解，本實施例中由於奈米碳管線狀結構1402的第一部分1404固定於絕緣基板110與陰極電極120之間，故，該奈米碳管線狀結構1402可承受較大的電場力而不會被電場力拔出，從而使該奈米碳管線狀結構1402具有更強的電子發射能力和更長的使用壽命。

可以理解，所述奈米碳管線狀結構1402內還可設置至少一具有柔韌性和可塑性的支撐線材(圖未示)。所述支撐線材可與奈米碳管線狀結構1402平行緊密設置組成束狀結構，也可與奈米碳管線狀結構1402相互扭轉組成絞線結構。所述支撐線材可為鋁絲、銅絲、金絲等金屬微絲。所述支撐線材可進一步提高奈米碳管線狀結構1402的自支撐性，使其由陰極電極120向開孔1102的開口中心位置傾斜延伸。

進一步，所述場發射陰極結構100還可包括一導電層(圖未示)。所述導電層至少設置於開孔1102靠近柵極電極130的部份內壁上。該導電層與柵極電極130電連接，並與所述電子發射單元140電絕緣。由於該導電層與所述柵極電極130電連接，電子發射單元140發射出的部分電子落到導電層，通過該導電層與柵極電極130將該電子導走，可避免該部分電子轟擊所述絕緣基板110，減少該絕緣基板110產生二次電子並在其上積累電荷的可能性，進而使得該絕緣基板110周圍的電位改變不明顯，從而減少電子向四周發散 的可能性，電子可集中射向預定位置。

請參見圖6，本發明實施例提供一種採用場發射陰極結構100的顯示器10，其包括一陰極基板102，一陽極基板104，一場發射陰極結構100及一陽極結構106。

其中，所述陰極基板102通過一絕緣支撐體105與陽極基板104四周封接。所述場發射陰極結構100與一陽極結構106密封於陰極基板102與陽極基板104之間。所述場發射陰極結構100設置於所述陰極基板102上，且陰極電極120與陰極基板102接觸。所述陽極結構106設置於所述陽極基板104上。所述陽極結構106與場發射陰極結構100之間保持一定距離。

所述陰極基板102的材料可為玻璃、陶瓷、二氧化矽等絕緣材料。所述一陽極基板104可為一透明基板。本實施例中，所述陰極基板102與陽極基板104均為一玻璃板。

所述陽極結構106包括一塗覆於陽極基板104上的陽極電極107及塗覆於陽極電極107上的螢光粉層108。所述陽極電極107可為氧化銦錫薄膜。所述螢光粉層108包括複數個發光單元，該複數個發光單元與電子發射單元140對應設置。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化， 皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧場發射陰極結構

110‧‧‧絕緣基板

1102‧‧‧開孔

1104‧‧‧第二表面

1106‧‧‧第一表面

120‧‧‧陰極電極

130‧‧‧柵極電極

1402‧‧‧奈米碳管線狀結構

1404‧‧‧第一部分

1406‧‧‧第二部分

Claims (32)

1. 一種場發射陰極結構，其包括：一絕緣基板，該絕緣基板上形成有複數個開孔，且該絕緣基板具有第一表面及與該第一表面相對的第二表面，每個開孔貫穿絕緣基板，從第一表面延伸至第二表面；複數個陰極電極，該複數個陰極電極平行設置於所述絕緣基板的第一表面；及複數個電子發射單元，該複數個電子發射單元分別與一開孔對應設置，且與所述陰極電極電連接；其改良在於，所述電子發射單元包括至少一根奈米碳管線狀結構，該奈米碳管線狀結構的一部分固定於所述絕緣基板的第一表面，且位於所述絕緣基板的第一表面與所述陰極電極之間，一部分設置於開孔內。
2. 如請求項第1項所述的場發射陰極結構，其中，所述奈米碳管線狀結構包括一第一部分及與該第一部分一端彎折相連的一第二部分，所述第一部分固定於所述絕緣基板與所述陰極電極之間，所述第二部分設置於開孔內，且由陰極電極向開孔的中心軸傾斜延伸。
3. 如請求項第2項所述的場發射陰極結構，其中，所述第二部分由陰極電極向開孔遠離陰極電極1的開口中心位置傾斜延伸。
4. 如請求項第2項所述的場發射陰極結構，其中，所述奈米碳管線狀結構的第二部分具有一尖端，且該尖端包括複數個場發射尖端。
5. 如請求項第4項所述的場發射陰極結構，其中，所述場發射尖端包括複數個基本平行的奈米碳管，該複數個奈米碳管之間通過凡德瓦爾力緊密結合。
6. 如請求項第4項所述的場發射陰極結構，其中，所述的場發射尖端為類圓錐形，且該場發射尖端的頂端突出有一單根奈米碳管。
7. 如請求項第6項所述的場發射陰極結構，其中，所述奈米碳管的直徑小於5奈米，長度為10微米~100微米。
8. 如請求項第1項所述的場發射陰極結構，其中，所述奈米碳管線狀結構包括至少一個奈米碳管線，該奈米碳管線為非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線。
9. 如請求項第8項所述的場發射陰極結構，其中，所述非扭轉的奈米碳管線包括複數個沿奈米碳管線軸向排列的奈米碳管。
10. 如請求項第8項所述的場發射陰極結構，其中，所述扭轉的奈米碳管線包括複數個繞奈米碳管線軸向螺旋排列的奈米碳管。
11. 如請求項第8項所述的場發射陰極結構，其中，所述非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線的直徑為0.5奈米~100微米。
12. 如請求項第8項所述的場發射陰極結構，其中，所述奈米碳管線狀結構包括複數個奈米碳管線，複數個奈米碳管線平行排列組成束狀結構。
13. 如請求項第8項所述的場發射陰極結構，其中，所述奈米碳管線狀結構包括複數個奈米碳管線，複數個奈米碳管線相互扭轉組成絞線結構。
14. 如請求項第1項所述的場發射陰極結構，其中，所述奈米碳管線狀結構進一步包括一支撐線材。
15. 如請求項第14項所述的場發射陰極結構，其中，所述支撐線材為金屬微絲。
16. 如請求項第14項所述的場發射陰極結構，其中，所述支撐線材可與奈米碳管線狀結構平行緊密設置組成束狀結構。
17. 如請求項第14項所述的場發射陰極結構，其中，所述支撐線材可與奈米碳管線狀結構相互扭轉組成絞線結構。
18. 如請求項第4項所述的場發射陰極結構，其中，所述場發射陰極結構進一步包括複數個柵極電極，該複數個柵極電極平行設置於所述絕緣基板的第二表面，且該複數個柵極電極與所述複數個陰極電極異面交叉設置。
19. 如請求項第18項所述的場發射陰極結構，其中，所述第二部分的尖端低於柵極電極。
20. 如請求項第18項所述的場發射陰極結構，其中，所述第二部分的尖端與柵極電極平齊。
21. 如請求項第18項所述的場發射陰極結構，其中，進一步包括一導電層，所述導電層至少設置於開孔靠近柵極電極的部份內壁上，該導電層與柵極電極電連接，並與所述電子發射單元電絕緣。
22. 如請求項第2項所述的場發射陰極結構，其中，所述電子發射單元包括兩個奈米碳管線狀結構，每個奈米碳管線狀結構的第一部分固定於絕緣基板與陰極電極之間，且每個奈米碳管線狀結構的第二部分由陰極電極向開孔的開口中心位置傾斜延伸。
23. 如請求項第22項所述的場發射陰極結構，其中，所述每個奈米碳管線狀結構的第二部具有一尖端，且兩個奈米碳管線狀結構的第二部分的尖端間隔設置。
24. 如請求項第22項所述的場發射陰極結構，其中，所述每個奈米碳管線狀結構的第二部具有一尖端，且兩個奈米碳管線狀結構的第二部分的尖端相互接觸。
25. 如請求項第2項所述的場發射陰極結構，其中，所述電子發射單元包括兩個以上奈米碳管線狀結構，每個奈米碳管線狀結構的第一部分固定於絕緣基板與陰極電極之間，第二部分設置於開孔內，且均由陰極電極向開孔的開口中心位置傾斜延伸。
26. 如請求項第2項所述的場發射陰極結構，其中，所述部分相鄰電子發射單 元的奈米碳管線狀結構可共用一個第一部分。
27. 如請求項第26項所述的場發射陰極結構，其中，所述部分相鄰電子發射單元的奈米碳管線狀結構彎折形成一第一部分及該第一部分相對兩端彎折相連的二第二部分，所述第一部分固定於所述絕緣基板與所述陰極電極之間，所述二第二部分分別設置於二相鄰的開孔內，且均由陰極電極向開孔的開口中心位置傾斜延伸。
28. 如請求項第1項所述的場發射陰極結構，其中，所述絕緣基板的材料為玻璃、陶瓷、塑膠或聚合物。
29. 如請求項第1項所述的場發射陰極結構，其中，所述開孔的直徑為3微米至1000微米。
30. 如請求項第1項所述的場發射陰極結構，其中，所述陰極電極的材料為金屬或導電漿料。
31. 如請求項第30項所述的場發射陰極結構，其中，所述陰極電極為一條形銅片。
32. 一種顯示器，其包括：一陰極基板，一陽極基板，一場發射陰極結構及一陽極結構，其中，所述場發射陰極結構為如請求項1至31中任一項所述的場發射陰極結構。