TWI433192B - Double - sided light - emitting field emission element and its making method - Google Patents
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Description
本發明係有關一種奈米碳管之場發射元件(Field Emission device)，特別是關於一種雙面發光型場發射元件及其製作方法。
場發射顯示技術因結合了奈米碳管技術，使得應用上逐漸有較大的突破與發展；且因場發射元件具有自主發光的特性，不但可以作為場發射顯示器，更可廣泛應用於背光源模組或是照明燈具等發光元件上。
一般而言，場發射元件的基本結構主要是由陽極之螢光板以及陰極之碳米碳管板所組成，如第1圖所示，場發射元件包含有二玻璃基板10、12，二者之間包含以間隔板(Spacer)14作為空間支撐，兩片基板10、12間的空間為真空狀態，上基板即所謂陽極板(anode plate)，在陽極板上包括電極16與一層塗有可受電子激發而發光的螢光粉(phosphor)18，下基板則是由電極20與可藉由場發射原理發射電子的場發射陣列(field emission array，FEA)22所組成的陰極板(cathode plate)；場發射元件之動作原理就是陰極板透過場發射原理放出電子，經電場加速撞擊陽極板之螢光層激發螢光粉而發光。
就目前之場發射元件而言，可依據電極結構分為二極式與三極式場發射元件，且驅動方式皆採用直流電源；然而，不管是何種電極，其共同的特性皆為單面發光的場發射光源，應用有限。且因目前場發射元件使用直流電為驅動電壓，使得電荷容易累積於電極上，而易產生電弧效應(arcing effect)；甚至因為長時間電子發射打在奈米碳管上而使得奈米碳管之使用壽命有限。
有鑑於此，本發明遂提出一種雙面發光型場發射元件及其製作方法，不但可改善存在於先前技術中之問題點，亦可提供更多元的應用。
本發明之主要目的係在提供一種雙面發光型場發射元件及其製作方法，其係在結合螢光粉與發射源，同時作為二極結構，並無陰陽極之分，再利用交流電壓驅動方式，達到雙面發光之目的者，進而提高整體亮度。
本發明之另一目的係在提供一種雙面發光型場發射元件及其製作方法，由於製作出之雙面發光型場發射元件的驅動電壓為交流電壓，使得發射源會隨著頻率交替，而非持續發射，故能保護奈米碳管發射源，使奈米碳管之壽命增長。
本發明之再一目的係在提供一種雙面發光型場發射元件及其製作方法，其係可活化奈米碳管發射源，此乃因於陰陽極互換時，電子發射會打在螢光粉上使其發光時，也會同時打在奈米碳管上，產生類似電子轟擊的效果，固有活化奈米碳管之功效。
本發明之又一目的係在提供一種雙面發光型場發射元件及其製作方法，其係利用交流電壓驅動方式，因電荷不容易累積於電極上，與直流電壓相較而言較不容易產生電弧效應，故可降低場發電弧效應。
本發明之又一目的係在提供一種雙面發光型場發射元件及其製作方法，其係將奈米碳管與螢光粉混合成漿料後形成至基板上，奈米碳管會附著在螢光粉上，使螢光粉具有導電性。
為達到上述之目的，本發明之雙面發光型場發射元件，包括有至少二透明導電層，其係間隔設置，在每一透明導電層之相對內表面分別設有一混合場發射層，且每一混合場發射層至少包含混合之場發射源及螢光粉；以及一透明封裝材係包覆於透明導電層外側，以密封透明導電層及混合場發射層。
此外，上述之混合場發射層更包含有與場發射源與螢光粉相混合之添加物。本發明更有一交流電源供應器，連接前述二透明導電層，以提供交流電，使二混合場發射層輪流作為陰極和陽極，以達到交替發光之目的者。
本發明之另一實施態樣係為發光型場發射元件之製作方法，包括下列步驟：首先，將一場發射源、添加物及螢光粉以及一有機載體均勻混合成為一漿料；然後將此漿料圖案化分別形成於至少二透明基板上，以作為混合場發射層，且此透明基板上已形成有透明導電層；對每一透明基板進行燒結，以去除有機載體；最後間隔設置此二透明基板，以密封此二透明基板，使混合場發射層位於密閉空間內。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明提出一種創新的雙面發光型場發射元件及其製作方法，其係將螢光粉與場發射源以一定比例混合製作成陰極/陽極基板以形成場發射元件，此場發射元件之基板因交流電源正負極互換的關係，可同時扮演陰極/陽極的角色而作為二極結構，並無陰陽極之分，故可利用交流電壓驅動方式，輪流發光，以達到雙面發光之目的者。
第2圖為本發明之雙面發光型場發射元件的結構示意圖，如第2圖所示，一雙面發光型場發射元件30包括有至少二透明導電層32、34，其係間隔設置，並在此二透明導電層32、34之相對內表面上分別設有一混合場發射層36、38；另有一透明封裝材係包覆於透明導電層32、34外側，以密封透明導電層32、34及混合場發射層36、38。詳言之，此透明封裝材更包括至少二透明基板40、42，例如玻璃基板，分別位於透明導電層32、34外表面，使此二透明導電層32、34係分別設置於此二透明基板40、42的相對內表面而間隔設置；並在此二透明基板40、42間之周圍環設有至少一間隔板(spacer)44，以密封透明導電層32、34及混合場發射層36、38，使其處於真空環境下。
其中，每一混合場發射層36、38主要係包含有混合之場發射源及螢光粉，除此之外，亦可添加有添加物，並與場發射源及螢光粉充分混合；此混合場發射層組成之重量百分比為場發射源佔0.1～10 wt%(重量百分比)、螢光粉佔50～90 wt%以及添加物佔0～40 wt%。。此混合場發射源可選自奈米碳管、奈米碳纖維、石墨薄膜、碳化矽、鑽石薄膜、氧化矽或是金屬氧化物，金屬氧化物可為氧化鐵、氧化鋅、氧化鉬、氧化錫、氧化鎢或氧化鈦等，場發射源主要作用在於可透過場發射原理放出電子。螢光粉則為可發出紅、綠、藍或白光的螢光粉體，或是其任意組合。另外，添加物則可為錫、鎳、銅、鋁、玻璃粉、二氧化矽等。
在驅動此雙面發光型場發射元件30時，利用一交流電源供應器46電性連接至前述二透明導電層32、34，以提供交流電源，使此二混合場發射層36、38交替發光，交流電源之工作週期(duty cycle)可為10～90%。亦即，交流電源供應器46開始供應交流電源給雙面發光型場發射元件30時，當透明導電層32及混合場發射層36作為陽極時，同時，透明導電層34及混合場發射層38作為陰極，此時，混合場發射層38中之場發射源發射之電子受到電場牽引從陰極表面離開後，電子被加速而撞及到作為陽極之混合場發射層36中之螢光粉時，螢光粉會激發出可見光；而當交流電源正負極性互換後，透明導電層32及混合場發射層36會轉而作為陰極，同時，透明導電層34及混合場發射層38則作為陽極，使混合場發射層36中之場發射源發射之電子被加速而撞及到作為陽極之混合場發射層38中之螢光粉時，螢光粉會激發出可見光。如此，藉由交流電源的驅動方式，使場發射源會隨頻率交替而使混合場發射層36、38輪流發光，以達到雙面發光之功效者。
在說明完本發明之雙面發光型場發射元件之結構後，接續說明本發明製作雙面發光型場發射元件之流程。第3圖為本發明製作雙面發光型場發射元件之流程圖，請同時參閱第2圖及第3圖所示，首先，如步驟S10所示，將一場發射源、有機載體添加物及螢光粉依據前述之一定比例依序加入容置槽中之後混合成一混合場發射層材料，再將有機載體加入至容致槽中，二者之比例為30～50 wt%的混合場發射層材料與50~70 wt%的有機載體，且有機載體可為松油醇或乙基纖維素，經過三滾筒研磨並充分均勻混合後，完成為一漿料。再如步驟S12所示，提供透明基板40、42，例如玻璃基板，於透明基板40、42上塗佈製作一層透明導電層32、34，例如氧化銦錫(ITO)。之後於網版上設計陰陽極之結構圖案，然後如步驟S14所示，放置網版並利用網版印刷機將前述漿料圖案化網印於透明基板40、42表面，以作為混合場發射層36、38。如步驟S16所示，依照漿料特性，漿透明基板放入烤箱中或氣氛爐中，對每一透明基板進行燒結，以去除高分子、溶劑等有機載體，完成燒結動作；其中，燒結升溫條件為：升溫速度為5～10℃/分鐘、反應溫度為30～400℃、氣氛為空氣以及反應時間為1小時。最後如步驟S18所示進行封裝，將二透明基板40、42間隔設置，並利用間隔板44環設密封於此二透明基板40、2周圍，以密封位於透明基板40、42相對內表面之透明導電層32、34及混合場發射層36、38，使其處於真空狀態。如此，即可完成如第2圖所示之雙面發光型場發射元件30結構。
承前所述，上述實施例係將漿料以網版印刷方式形成於透明基板上，除此之外，亦可使用薄膜微影製程於透明基板上形成圖案化混合場發射層。
其中，以碳米碳管為例，奈米碳管與螢光粉燒結後之掃描式電子顯微鏡(SEM)圖如第4圖所示，(a)圖為上視圖，(b)則為剖視圖，由此SEM圖可以清楚看到，作為場發射源之奈米碳管均勻分散於螢光粉中。
本發明係使用一交流電源，使陰陽極角色隨頻率互換，故可形成雙面發光的結構，在背光模組或場發射顯示器上有極大商業應用空間。再者，本再者，本發明可歸納出下列幾項特點：
(1) 保護場發射源：例如奈米碳管發射源，由於製作出之雙面發光型場發射元件的驅動電壓為交流電壓，使得發射源會隨著頻率交替，而非持續發射，故能保護奈米碳管發射源，使奈米碳管之壽命增長。
(2) 活化場發射源：例如奈米碳管發射源，當陰陽極互換時，電子發射會打在螢光粉上使其發光時，也會同時打在奈米碳管上，產生類似電子轟擊的效果，固有活化奈米碳管之功效。
(3) 降低場發電弧(arcing)效應：利用交流電壓驅動方式，因電荷不容易累積於電極上，可避免瞬間電弧放電，與直流電壓相較而言較不容易產生電弧效應，故可降低場發電弧效應。
(4) 導電型螢光粉：本發明將奈米碳管與螢光粉混合成漿料後形成於基板上，奈米碳管會附著在螢光粉上，使螢光粉具有導電性。
(5) 亮度提升：與直流電壓驅動比較，再相同間距內交流電場可以加到更大(0～20V/um)，有助於發光亮度提升，且雙面發光亮度較單面發光高。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10、12．．．玻璃基板
14．．．間隔板(Spacer)
16．．．電極
18．．．螢光粉(phosphor)
20．．．電極
22．．．場發射陣列(field emission array，FEA)
30．．．雙面發光型場發射元件
32、34．．．透明導電層
36、38．．．混合場發射層
40、42．．．透明基板
44．．．間隔板
46．．．交流電源供應器
第1圖為習知場發射元件的基本結構示意圖。
第2圖為本發明之雙面發光型場發射元件的結構示意圖
第3圖為本發明製作雙面發光型場發射元件之流程圖
第4圖為本發明之奈米碳管與螢光粉燒結後之掃描式電子顯微鏡(SEM)圖。
30．．．雙面發光型場發射元件
32、34．．．透明導電層
36、38．．．混合場發射層
40、42．．．透明基板
44．．．間隔板
46．．．交流電源供應器
Claims (18)
- 一種雙面發光型場發射元件，包括：至少二透明導電層，其係間隔設置；至少二混合場發射層，每一該混合場發射層至少包含混合之場發射源及螢光粉，該混合場發射層係分別位於該透明導電層內表面上；以及一透明封裝材，包覆於該透明導電層外側，以密封該透明導電層及該混合場發射層，該透明封裝材更包括至少二透明基板，分別位於該透明導電層外表面，以及至少一間隔板，環設於該二透明基板間之周圍，以密封該透明導電層及該混合場發射層。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙面發光型場發射元件，更包括一交流電源供應器，連接該二透明導電層，以提供交流電源，使該二混合場發射層交替發光。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙面發光型場發射元件，其中該場發射源係為奈米碳管、奈米碳纖維、石墨薄膜、碳化矽、鑽石薄膜、氧化矽或是金屬氧化物。
- 如申請專利範圍第3項所述之雙面發光型場發射元件，其中該金屬氧化物係為氧化鐵、氧化鋅、氧化鉬、氧化錫、氧化鎢或氧化鈦。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙面發光型場發射元件，其中該螢光粉係為可發出紅、綠、藍或白光的螢光粉體。
- 如申請專利範圍第1項所述之雙面發光型場發射元件，其中該混合場發射層更包含添加物，並與該場發射源及該螢光粉混合。
- 如申請專利範圍第6項所述之雙面發光型場發射元件，其中該添加物係為錫、鎳、銅、鋁、玻璃粉、二氧化矽等。
- 如申請專利範圍第6項所述之雙面發光型場發射元件，其中該 混合場發射層組成之重量百分比為該場發射源佔0.1~10wt%、該螢光粉佔50~90wt%以及該添加物佔0~40wt%。
- 一種雙面發光型場發射元件之製作方法，包括下列步驟：將一場發射源、添加物及螢光粉以及一有機載體均勻混合成為一漿料；將該漿料圖案化分別形成於至少二透明基板上，以作為混合場發射層，且該透明基板上已形成有透明導電層；對每一該透明基板進行燒結；以及間隔設置該二透明基板並以至少一間隔板環設於該二透明基板間之周圍，以密封該透明導電層及該混合場發射層。
- 如申請專利範圍第9項所述之雙面發光型場發射元件之製作方法，其中該透明基板係為玻璃基板。
- 如申請專利範圍第9項所述之雙面發光型場發射元件之製作方法，該場發射源係為奈米碳管、奈米碳纖維、石墨薄膜、碳化矽、鑽石薄膜、氧化矽或是金屬氧化物。
- 如申請專利範圍第11項所述之雙面發光型場發射元件之製作方法，其中該金屬氧化物係為氧化鐵、氧化鋅、氧化鉬、氧化錫、氧化鎢或氧化鈦。
- 如申請專利範圍第9項所述之雙面發光型場發射元件之製作方法，其中該螢光粉係為可發出紅、綠、藍或白光的螢光粉體。
- 如申請專利範圍第9項所述之雙面發光型場發射元件之製作方法，其中該添加物係為錫、鎳、銅、鋁、玻璃粉、二氧化矽等。
- 如申請專利範圍第9項所述之雙面發光型場發射元件之製作方法，其中該場發射源、該添加物及該螢光粉組成之混合場發射層材料組成之重量百分比為該場發射源佔0.1~10wt%、該螢光粉佔50~90wt%以及該添加物佔0~40wt%。
- 如申請專利範圍第15項所述之雙面發光型場發射元件之製作方法，其中該混合場發射層材料與該有機載體的組成比例為30 ~50wt%的該混合場發射層材料以及50~70wt%的該有機載體。
- 如申請專利範圍第9項所述之雙面發光型場發射元件之製作方法，其中該漿料係以網版印刷方式或薄膜微影製程形成該透明基板上。
- 如申請專利範圍第9項所述之雙面發光型場發射元件之製作方法，其中該有機載體係為松油醇或乙基纖維素。
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