TWI415156B - 場發射陰極裝置及其製備方法 - Google Patents

Description

場發射陰極裝置及其製備方法

本發明涉及一種場發射陰極裝置及其製備方法，尤其涉及一種適用於電子發射功率較大的場發射陰極裝置及其製備方法。

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，尤其係基於奈米碳管之場發射顯示器，近年來越來越受到重視。

場發射陰極裝置係場發射顯示器之重要元件。先前技術中，場發射陰極裝置的製備方法通常包括以下步驟：提供一基底；在基底上形成複數陰極電極；將奈米碳管通過化學氣相沈積法設置在陰極電極上形成電子發射體。

然，以上述方法製備的場發射陰極裝置中，電子發射體中之奈米碳管與陰極電極的結合力不夠強，因此在場發射陰極裝置電子發射功率較大時，奈米碳管在發射電子時容易被強電場拔出，從而限制了該場發射陰極裝置的電子發射能力和壽命，影響了場發射陰極裝置的穩定性。

有鑒於此，提供一種適用於電子發射功率較大的場發射陰極裝置實為必要。

一種場發射陰極裝置，包括：一基底；一金屬板，所述金屬板具有一第一表面、一與第一表面相對的第二表面及貫穿該第一表面和第二表面的至少一通孔，所述金屬板的第一表面與所述基底貼合設置；至少一線狀電子發射體，其與所述金屬板電連接；及一填充物，所述填充物填充於所述至少一通孔中；其中，每個通孔內至少設置有一所述線狀電子發射體，位於通孔內的所述線狀電子發射體的一端設置於所述金屬板的第一表面與所述基底之間。

一種場發射陰極裝置的製備方法，其包括以下步驟：提供一金屬板，該金屬板包括一第一表面、與該第一表面相對的第二表面及貫穿第一表面和第二表面的至少一通孔；提供至少一場發射線材，對應所述金屬板的每一通孔設置所述至少一場發射線材，將所述場發射線材的一端固定於所述金屬板的第一表面，將另一端貫穿所述金屬板的通孔從所述金屬板的第二表面拉出；切斷所述至少一場發射線材，從而在所述金屬板的每個通孔內形成至少一線狀電子發射體；提供一基底，將所述金屬板的第一表面貼附於將所述基底一表面；在每個設置有線狀電子發射體的通孔內填充填充物，以使電子發射體固定於通孔內，形成所述場發射陰極裝置。

與先前技術相比，由於本發明提供的場發射陰極裝置中的電子發射體的一部份固定於金屬板與基底之間，一部份通過填充物固定 於金屬板通孔中，因此在場發射陰極裝置電子發射功率較大的情況下，可以承受較大的電場力而不會被電場力拔出，從而使該電子發射體具有更強的電子發射能力和更長的使用壽命。另外，由於金屬板具有良好的導熱能力，可將場發射中產生的熱量快速的傳導散發出去，因此可以有效防止電子發射體熔斷，進一步的提高場發射陰極裝置的使用壽命。

100‧‧‧場發射陰極裝置

110‧‧‧電子發射體

110a‧‧‧第一部份

110b‧‧‧第二部份

110c‧‧‧第三部份

120‧‧‧金屬板

120a‧‧‧第一表面

120b‧‧‧第二表面

121‧‧‧通孔

123‧‧‧填充物

130‧‧‧基底

140‧‧‧黏結層

202‧‧‧針管

204‧‧‧針頭

1101‧‧‧場發射線材

圖1為本發明實施例提供的場發射陰極裝置之結構示意圖。

圖2為圖1所示的場發射陰極裝置沿II-II線之剖視圖。

圖3A、圖3B為本發明實施例提供的場發射陰極裝置中電子發射體之電子發射端與金屬板的位置關係示意圖。

圖4為本發明實施例提供的場發射陰極裝置中通孔內設置有複數陰極發射體之剖視圖。

圖5為本發明實施例提供的場發射陰極裝置之製備方法的流程圖。

圖6為本發明實施例提供的場發射陰極裝置之製備方法示意圖。

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裝置及其製備方法。

請參閱圖1至圖3B，本發明提供一種場發射陰極裝置100，所述場發射陰極裝置100包括至少一電子發射體110，一金屬板120及一基底130，所述金屬板120設置於基底130一表面。所述金屬板120 具有複數通孔121，所述至少一電子發射體110設置於通孔121中。

所述基底130的材料不限，可為玻璃、陶瓷、塑膠或聚合物等絕緣材料，也可為金、銀、銅及鋁一種或任意幾種之合金，也可為矽等半導體材料，只需保證所述基底130能夠具有固定的形狀及一定的機械強度。所述基底130的形狀與厚度不限，可根據實際需要製備。優選地，所述基底130的形狀為正方形或矩形，厚度大於等於15微米。

所述金屬板120具有一第一表面120a、一與第一表面120a相對的第二表面120b及貫穿該第一表面120a和第二表面120b的至少一通孔121。當所述金屬板120具有複數通孔121時，所述複數通孔121可以均勻分佈或按照預定的圖形分佈。所述通孔121的橫截面形狀不限，可為圓形、矩形、正方形等，優選的，所述通孔121的橫截面形狀為圓形，通孔121直徑可為3微米至1000微米。所述金屬板120的材料可為金、銀、銅、鋁或上述金屬任意組合的合金中的任意一種。所述金屬板120的形狀與厚度不限，可根據實際需要製備。優選地，所述金屬板120的形狀為正方形或矩形，厚度大於等於15微米。本實施例中，所述金屬板120為一邊長為50毫米，厚度為1毫米的正方形銅板。由於金屬板120具有容易成型加工、開孔工藝成熟等優點，且金屬板120具有良好的導熱能力，故，所述場發射陰極裝置100中採用金屬板120可有效降低工藝成本，且可有利於在應用時改善電子發射體110的散熱狀況。所述第一表面120a與所述基底130貼合設置，並通過一黏結層140與 所述基底130結合。所述黏結層140的厚度不限，其材料可採用耐熱黏結劑，如環氧黏合劑等，所述耐熱黏結劑可分別與金屬板120及基底130牢固的黏結。

所述電子發射體110與所述金屬板120的通孔121對應設置。每一通孔121內可設置至少一所述電子發射體110。所述電子發射體110為一線狀結構並且設置在所述通孔121內。具體地，所述電子發射體110包括相對的兩端，所述電子發射體110的一端設置於所述金屬板120的第一表面120a與基底130之間並且被金屬板120與基底130夾持固定。所述電子發射體110的另一端向遠離所述第一表面120a的方向延伸，即向遠離所述基底130的方向延伸，作為電子發射端。所述電子發射體110貫穿所述通孔121，所述電子發射體110的電子發射端可與所述金屬板120的第二表面120b平齊或延伸出所述通孔121。請參閱圖3A，當所述電子發射體110的電子發射端設置在所述通孔121內時，所述電子發射端應與所述金屬板120的第二表面120b平齊，即位於同一平面內，並且所述電子發射體110與所述通孔121的側壁間隔設置，使得金屬板120不會遮罩所述電子發射端的電子，確保電子能在電場作用下從電子發射體的電子發射端發射出來。請參閱圖3B，當所述電子發射體110貫穿所述通孔121向遠離所述金屬板120的方向延伸時，所述電子發射體110的電子發射端從所述通孔121內延伸出來，未設置在通孔121內。

本實施例中，每一通孔121內僅設置有一電子發射體110，所述電子發射體110的一端固定於所述金屬板120與基底130之間，電子 發射體110貫穿所述金屬板120的通孔121，另一端從所述通孔121內延伸出來，向遠離金屬板120第二表面120b的方向延伸，作為電子發射端。具體的，所述電子發射體110包括一設置於所述第一表面120a之第一部份110a、一位於通孔121中之第二部份110b及一遠離第二表面120b延伸之第三部份110c，所述第一部份110a、第二部份110b及第三部份110c為依序相連的一體結構。具體的，所述第一部份110a位於第一表面120a與基底130之間並且貼附於所述金屬板120的第一表面120a，即所述線狀電子發射體110的部份側壁貼附於第一表面120a。所述第一部份110a的長度不限，只要能使所述電子發射體110的部份側壁與第一表面120a保持部份接觸即可。所述第二部份110b整體位於通孔121中，並且所述第二部份110b的兩端分別與第一部份110a、第三部份110c相連接，而且其軸向基本垂直於所述金屬板120的第一表面120a及第二表面120b。所述第三部份110c向遠離金屬板120第一表面120a的方向延伸，作為電子發射端。優選的，所述第一部份110a的長度為第二部份110b長度的2倍，以更加牢固的固定所述電子發射體110。所述第三部份110c的一端與第二部份110b相連，另一端向遠離金屬板120的方向延伸作為電子發射端。所述電子發射端可與所述金屬板120的第二表面120b平齊，即所述電子發射體110與所述通孔121的孔壁間隔設置，所述電子發射體110的電子發射端設置於通孔121內，並且與所述金屬板120的第二表面120b平齊設置；所述電子發射體110也可貫穿所述通孔121，並且所述電子發射體110的電子發射端延伸出所述通孔121，向遠離金屬板120的方向延伸。

請一併參閱圖4，當所述每個通孔121內設置有複數電子發射體110時，所述複數電子發射體110可相互間隔設置或部份接觸設置，優選地，設置在同一通孔121內的所述複數電子發射體110的電子發射端相互間隔設置，從而減少相互之間的遮罩效應。

進一步的，所述通孔121內設置有填充物123，用於進一步固定所述電子發射體110。所述填充物123將所述電子發射體110的部份表面緊密包覆，所述電子發射體110的電子發射端應從所述填充物123中延伸出來，未被所述填充物123包覆，即當所述電子發射體110的電子發射端延伸出所述金屬板的第二表面120b時，所述填充物123可部份填充於所述通孔121中，也可填滿所述通孔121；當所述電子發射體110的電子發射端與所述金屬板120的第二表面120b平齊時，所述填充物123部份填充於所述通孔121中，以保證所述電子發射端從所述填充物123中延伸出來。所述填充物123為導電導熱材料，如錫等。所述填充物123用於固定所述電子發射體110，同時將電子發射體110在工作過程中產生的熱量傳導給金屬板120，而降低電子發射體110本身的溫度。

所述電子發射體110為一具有柔韌性和自支撐性的，且可以用於發射電子的線狀電子發射體，其包括奈米碳管線狀結構、碳纖維或矽奈米線線狀結構等。可以理解，所述電子發射體110還可以與至少一具有柔韌性和可塑性的支撐線材平行緊密設置或扭轉設置。所述支撐線材可為鐵絲、鋁絲、銅絲、金絲、鉬絲或銀絲等金屬微絲。所述支撐線材的直徑和長度可根據實際需要而選定。優選地，所述支撐體線材的直徑為50微米到500微米。所述支撐 線材可以進一步提高電子發射體110的自支撐性。

本實施例中，以奈米碳管線狀結構為例說明。所述奈米碳管線狀結構為一自支撐結構。所謂“自支撐結構”即該奈米碳管線狀結構無需通過一支撐體支撐，也能保持自身特定的形狀。所述奈米碳管線狀結構包括至少一奈米碳管線。當奈米碳管線狀結構包括複數奈米碳管線時，複數奈米碳管線可平行排列組成束狀結構或複數奈米碳管線相互扭轉組成絞線結構。所述奈米碳管線狀結構的直徑為1微米到500微米。本實施例中，所述奈米碳管線狀結構的直徑為50微米。

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包括複數沿奈米碳管線軸向延伸的奈米碳管，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包括複數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。所述奈米碳管線中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。所述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。

本發明提供的場發射陰極裝置100中的電子發射體110的一部份固定於金屬板120與基底130之間，所以該電子發射體110被牢固地固定在金屬板120與基底130之間，因此可以承受較大的電場力而不會被電場力拔出，而且由於金屬板120具有良好的導熱能力，因此可以將場發射中產生的熱量傳導散發出去，因此可有效防止 電子發射體熔斷，進一步的提高場發射陰極裝置的使用壽命。所述場發射陰極裝置100可應用於場發射顯示器、場發射平面光源等場發射裝置中。

請一併參閱圖5及圖6，本發明進一步提供上述場發射陰極裝置100的製備方法，其包括以下步驟：

步驟S10，提供一金屬板120，該金屬板120包括一第一表面120a及與該第一表面120a相對的第二表面120b，且該金屬板120具有複數貫穿該第一表面120a和第二表面120b的通孔121。

步驟S20，提供至少一電子發射體110，對應所述金屬板120的每個通孔121設置至少一電子發射體110。

對應所述金屬板120的每個通孔121設置至少一電子發射體110的方法具體包括以下步驟：

步驟S21，提供一場發射線材供給裝置，用以連續不斷的提供場發射線材1101。

所述場發射線材1101供給裝置包括一針管202，且該針管202具有一針頭204，將一場發射線材1101穿設於該針管202內，並使該場發射線材1101的一端從針管202的針頭204露出。

所述針管202的內徑大小可根據所述場發射線材1101的直徑大小選擇，外徑大小可根據所述通孔121大小選擇。優選地，所述針管202的內徑大小為場發射線材1101的直徑大小的5倍至10倍以減小針管202與場發射線材1101之間的摩擦力。所述場發射線材 1101可以連續不斷地從針頭204伸出。可以理解，所述場發射線材供給裝置還可包括機械手臂(圖未示)，控制電腦(圖未示)等輔助設備以實現自動化連續生產。本實施例中，所述場發射線材1101的供給裝置為具有一針管202的注射器，其針頭204被磨成平面。所述場發射線材1101為具有柔韌性和自支撐性的，宏觀可操作，且可以用作發射電子。將該場發射線材1101切斷可以得到複數電子發射體110。本實施例中，所述場發射線材1101為一奈米碳管線狀結構。

步驟S22，對應所述金屬板120的每個通孔121設置所述場發射線材1101，形成所述電子發射體110。

將該針管202從第二表面120b依次穿過所述金屬板120的通孔121，同時不斷提供場發射線材1101，將所述場發射線材1101從針頭204露出的一端通過焊接、黏結等方式固定於該金屬板120的第一表面120a，本實施例中，所述場發射線材1101從針頭204露出的一端通過黏結劑固定於第一表面120a。然後將針管202從通孔121中拉出第二表面120b。

將該場發射線材1101拉出通孔121一定長度後切斷。具體的，可將所述場發射線材1101一拉出通孔121後就立即切斷，即所述場發射線材1101的切斷位置與所述第二表面120b的平齊，通孔121內的場發射線材1101形成所述電子發射體110的電子發射端，所述電子發射端位於通孔121內，並且該電子發射端與所述第二表面120b平齊。另外，也可將所述場發射線材1101拉出第二表面120b一定長度後再切斷形成所述電子發射體110，因此所述電子 發射體110貫穿所述通孔121，所述電子發射體110的電子發射端延伸出第二表面120b並向遠離金屬板120的方向延伸。所述將場發射線材1101切斷的方法可為機械切割、鐳射掃描、電子束掃描、通電流後鐳射輔助定點熔斷。優選的，本實施例中所述電子發射體110的電子發射端延伸出所述第二表面120b，且延伸出第二表面120b的部份具有相同的長度。

步驟S23，重複上述步驟，以使所述場發射線材1101對應金屬板120的每個通孔121設置，形成電子發射體110，可以理解，也可在每個通孔121中設置複數電子發射體110。

步驟S30，提供一基底130，將所述金屬板120的第一表面120a貼附於所述基底130一表面。

首先，提供一基底130，在所述基底130的一表面塗覆一層黏結劑，形成一黏結層140。所述黏結劑可為環氧黏合劑等。

其次，將所述金屬板120的第一表面120a貼附於所述基底130塗覆有黏結劑的表面，固化後形成一體結構。

由於所述第一表面120a貼附有電子發射體110的一端，因此在貼附的過程中，所述電子發射體110的一端一方面緊密貼附於金屬板120的第一表面120a，另一方面通過黏結層140與基底130緊密結合，即所述金屬板120與基底130將所述電子發射體110的一端牢固的夾持於二者之間。而金屬板120的第一表面120a中未貼附有電子發射體110的部份表面則通過黏結層與基底130緊密連接在一起。

步驟S40，在每個設置有電子發射體110的通孔121內填充填充物123，以使電子發射體110固定於通孔121內，形成所述場發射陰極裝置100。

所述填充物123為導電導熱材料，如錫等，所述填充可通過一工具如針管等將熔融態的填充物123填充入所述通孔121內，所述填充的深度不限，優選的，所述填充物123填滿整個通孔121，並且在填充的過程中，儘量保持所述電子發射體110基本位於所述通孔121的中間位置，從而使得填充物123圍繞所述位於通孔121內電子發射體110的側壁均勻分佈，進而提高二者的接觸面積，提高導熱能力，使得該電子發射體110在場發射過程中產生的熱量可以有效地被傳導出去，並且可以承受較強的電場力。進一步的，所述填充物123應確保所述電子發射體110的電子發射端延伸出所述填充物123遠離基底130的表面，從而保證電子發射體110能夠發射電子。

更進一步的，在步驟S40之後，可包括一將電子發射體110的延伸出第二表面120b的一端進行充分煅燒的步驟。所述煅燒可利用酒精燈火焰等對所述電子發射體110的延伸出第二表面120b的一端烘烤。這時，所述電子發射體110的延伸出第二表面120b的奈米碳管線會在高溫火焰中燃燒掉，但由於奈米碳管線優良的導熱性，奈米碳管線靠近金屬板120的第二表面120b的部份會有一定長度的奈米碳管線保留下來。該長度與火焰的溫度和氧化氣氛、奈米碳管線的直徑、及金屬板120的導熱性有關，所述火焰的溫度可為400℃~900℃。當這些條件固定後，燃燒後保留的奈米碳管 線長度即確定，從而可以形成保留長度基本一致的奈米碳管線作為電子發射端。本實施例中，奈米碳管線的直徑為50微米，所述金屬板為厚度為1mm的銅板，所述火焰的溫度為450℃，燃燒後奈米碳管線從金屬板第二表面延伸出的長度為0.5mm。所述奈米碳管線經過煅燒之後，可以減少場發射陰極裝置工作過程中奈米碳管線中奈米碳管的受熱揮發或熔斷，影響場發射的穩定性，並且所述電子發射端的長度基本相同，從而可提高場發射過程中的均勻性。

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。舉凡習知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‧‧‧場發射陰極裝置

110‧‧‧電子發射體

120‧‧‧金屬板

121‧‧‧通孔

123‧‧‧填充物

130‧‧‧基底

140‧‧‧黏結層

Claims (14)

1. 一種場發射陰極裝置，包括：一基底；一金屬板，所述金屬板具有一第一表面、一與第一表面相對的第二表面及貫穿該第一表面和第二表面的至少一通孔，所述金屬板的第一表面與所述基底一表面面對貼合設置；至少一線狀電子發射體，其與所述金屬板電連接；及一填充物，所述填充物填充於所述至少一通孔中；其改良在於，每個通孔內至少設置有一所述線狀電子發射體，位於通孔內的所述線狀電子發射體的一端夾持於所述金屬板的第一表面與所述基底之該表面之間。
2. 如請求項第1項所述的場發射陰極裝置，其中，所述電子發射體包括奈米碳管線狀結構、碳纖維或矽奈米線線狀結構。
3. 如請求項第2項所述的場發射陰極裝置，其中，所述奈米碳管線狀結構包括複數奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連且沿所述奈米碳管線狀結構軸向延伸。
4. 如請求項第1項所述的場發射陰極裝置，其中，所述線狀電子發射體的另一端從所述填充物中延伸出來作為電子發射體的電子發射端。
5. 如請求項第4項所述的場發射陰極裝置，其中，所述線狀電子發射體的電子發射端設置於所述通孔內並與所述通孔的孔壁間隔設置，該線狀電子發射體的電子發射端與所述金屬板的第二表面平 齊設置。
6. 如請求項第4項所述的場發射陰極裝置，其中，所述線狀電子發射體貫穿所述通孔，所述線狀電子發射體的電子發射端向遠離金屬板方向延伸。
7. 如請求項第1項所述的場發射陰極裝置，其中，在每個通孔內設置複數線狀電子發射體，該複數線狀電子發射體相互間隔設置。
8. 如請求項第1項所述的場發射陰極裝置，其中，所述線狀電子發射體包括設置於所述第一表面的第一部份、一位於通孔中的第二部份及一遠離第二表面延伸的第三部份。
9. 如請求項第8項所述的場發射陰極裝置，其中，所述填充物至少包覆於所述電子發射體第二部份的部份表面。
10. 一種場發射陰極裝置的製備方法，其包括以下步驟：提供一金屬板，該金屬板包括一第一表面、與該第一表面相對的第二表面及貫穿第一表面和第二表面的至少一通孔；提供至少一場發射線材，對應所述金屬板的每一通孔設置所述至少一場發射線材，將所述場發射線材的一端固定於所述金屬板的第一表面，將另一端貫穿所述金屬板的通孔從所述金屬板的第二表面拉出；切斷所述至少一場發射線材，從而在所述金屬板的每個通孔內形成至少一線狀電子發射體；提供一基底，將所述金屬板的第一表面貼附於將所述基底一表面；在每個設置有線狀電子發射體的通孔內填充填充物，以使電子發射體固定於通孔內，形成所述場發射陰極裝置。
11. 如請求項第10項所述的場發射陰極裝置的製備方法，其中，所述在絕緣基板的每個通孔形成線狀電子發射體的方法具體包括以下步驟：提供一場發射線材供給裝置，所述場發射線材供給裝置包括一針管，且該針管具有一針頭，將一場發射線材穿設於該針管內，並使該場發射線材的一端從針管的針頭露出；將該針管從第二表面穿過所述金屬板的通孔，同時不斷提供場發射線材，並將該場發射線材露出針頭的一部份固定於所述金屬板的第一表面，然後將針管從通孔中拉出第二表面；及將該場發射線材拉出第二表面後切斷形成所述電子發射體。
12. 如請求項第11項所述的場發射陰極裝置的製備方法，其中，將所述場發射線材切斷的方法包括機械切割、鐳射掃描、電子束掃描或通電流後鐳射輔助定點熔斷。
13. 如請求項第10項所述的場發射陰極裝置的製備方法，其中，在每個通孔內形成至少一線狀電子發射體之後進一步包括將線狀電子發射體延伸出第二表面一端進行煅燒的步驟。
14. 如請求項第13項所述的場發射陰極裝置的製備方法，其中，所述煅燒的溫度為450℃~900℃。