TWI437602B - 場發射元件與場發射顯示裝置 - Google Patents

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TWI437602B
TWI437602B TW100148339A TW100148339A TWI437602B TW I437602 B TWI437602 B TW I437602B TW 100148339 A TW100148339 A TW 100148339A TW 100148339 A TW100148339 A TW 100148339A TW I437602 B TWI437602 B TW I437602B
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Sheng Cheng Chiu
Tsung Tien Wu
Chih Che Kuo
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Description

場發射元件與場發射顯示裝置
本發明係關於一種場發射元件以及場發射顯示裝置，尤指一種利用圖案化介電層降低驅動電壓之場發射元件以及場發射顯示裝置。
場發射顯示器是繼陰極射線管顯示器及液晶顯示器之後，最具發展潛力之下一代興新技術。相對於現有之顯示技術，場發射顯示器具有低驅動電壓、無視角限制、操作溫度範圍大、高亮度、高對比及色彩飽和等優點，近年來越來越受到重視。
一般的側向場發射元件(lateral field mission device)係具有由陰極電極、閘極電極以及塗佈有螢光材料之陽極電極所構成之三極結構。藉由施予閘極電極一電壓，來誘發電子從陰極電極上的場發射源(emitter)脫離射出，在真空環境下的電子經陽極電極高壓吸引而轟擊到螢光粉形成發光。因此，若將閘極電極設置在陰極電極上方，且閘極電極與陰極電極間的距離愈近則施予閘極電極之電壓就可愈低。然而，此上閘極(top-gate)的結構有其製程上之困難。因此，若使用共平面的陰極電極與閘極電極之結構設計，可達到簡化製程的目的。但由於陰極電極與閘極電極為共平面的限制，故需要在閘極電極上施予比上閘極結構更高的電壓來誘發電子從陰極電極上發射。在固定電流的條件下，高電壓(約400~800伏特)不僅是意謂著高功耗，對驅動積體電路(driver IC)在脈衝上的設計、上升時間與下降時間規格的界定以及元件材料上的耐壓程度和使用壽命等都是很大的問題。
本發明之主要目的之一在於提供一種場發射元件與場發射顯示裝置，藉由於陰極電極與閘極電極間設置圖案化介電層，降低閘極驅動電壓。
為達上述目的，本發明提供一種場發射元件，包括一第一基板、一第二基板、一第一電極、一第二電極、一第三電極以及一圖案化介電層。第二基板係與第一基板相對設置。第一電極係設置於第一基板面對第二基板之一第一內表面上。第二電極係設置於第二基板面對第一基板之一第二內表面上。第三電極係設置於第二基板之第二內表面上。圖案化介電層係設置於第二基板之第二內表面上，且圖案化介電層係設置於第二電極與第三電極之間。圖案化介電層係與第二電極互相分離，且圖案化介電層係與第三電極互相分離。圖案化介電層之一第一厚度大體上係大於第二電極之一第二厚度，且圖案化介電層之第一厚度大體上係大於第三電極之一第三厚度。
為達上述目的，本發明提供一種場發射顯示裝置，包括一第一基板、一第二基板、一第一電極、複數個第二電極、複數個第三電極、一螢光層以及至少一圖案化介電層。第二基板係與第一基板相對設置。第一電極係設置於第一基板面對第二基板之一第一內表面上。第二電極係設置於第二基板面對第一基板之一第二內表面上。第三電極係設置於第二基板之第二內表面上。各第三電極係設置於相鄰兩第二電極之間。螢光層係設置於第一電極與第二電極之間以及設置於第一電極與第三電極之間。圖案化介電層係設置於第二基板之第二內表面上，且圖案化介電層係設置於兩相鄰之第二電極與第三電極之間。圖案化介電層係與第二電極互相分離，且圖案化介電層係與第三電極互相分離。圖案化介電層之一第一厚度大體上係大於各第二電極之一第二厚度，且圖案化介電層之第一厚度大體上係大於各第三電極之一第三厚度。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
請參考第1圖。第1圖繪示了本發明之第一較佳實施例之場發射元件的示意圖。為了方便說明，本發明之各圖式僅為示意以更容易了解本發明，其詳細的比例可依照設計的需求進行調整。如第1圖所示，本實施例提供一場發射元件100。場發射元件100包括一第一基板110、一第二基板120、一第一電極130、一第二電極140、一第三電極150以及一圖案化介電層160。第二基板120係與第一基板130相對設置。第一電極130係設置於第一基板110面對第二基板120之一第一內表面110S上。第二電極140、第三電極150以及圖案化介電層160係設置於第二基板120面對第一基板110之一第二內表面120S上。換句話說，第二電極140、第三電極150以及圖案化介電層160較佳係約略共平面設置。本實施例之第一電極130之材料層可包括透明導電材料例如氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide,IZO)與氧化鋁鋅(aluminum zinc oxide,AZO)、上述材料之混合層與複合層，或其他適合之透明導電材料，但並不以此為限。本實施例之第二電極140與第三電極150較佳係由同一材料層所構成，上述之材料層可包括透明導電材料例如氧化銦錫、氧化銦鋅與氧化鋁鋅或其他適合之非透明導電材料例如銀、鋁、銅、鎂、鉬、上述材料之複合層或上述材料之合金，但並不以此為限。圖案化介電層160係設置於第二電極140與第三電極150之間。圖案化介電層160係與第二電極140互相分離，且圖案化介電層160係與第三電極150互相分離。更進一步說明，圖案化介電層160較佳係於一平行於第二基板120之一方向X上設置於第二電極140與第三電極150之間，但並不以此為限。在本實施例中，圖案化介電層160之一第一厚度T1大體上係大於第二電極140之一第二厚度T2，且圖案化介電層160之第一厚度T1大體上係大於第三電極150之一第三厚度T3。
此外，為了達到較佳之組合效果，圖案化介電層160之第一厚度T1與第二電極140之第二厚度T2之一比值較佳係大體上介於1至100之間，且圖案化介電層160之第一厚度T1與第三電極150之第三厚度T3之一比值較佳係大體上介於1至100之間。圖案化介電層160與第二電極140間之一第一距離D1較佳係大體上相等於圖案化介電層160與第三電極150間之一第二距離D2，但並不以此為限。圖案化介電層160與第二電極140間之第一距離D1跟第二電極140與第三電極150間之一第三距離D3之一比值較佳係大體上介於0.01至0.4之間，且圖案化介電層160與第三電極150間之第二距離D2跟第二電極140與第三電極150間之第三距離D3之一比值較佳係大體上介於0.01至0.4之間，以達到較佳的配合效果。另一方面，圖案化介電層160之一介電常數較佳係大體上介於1至10之間，以對第二電極140與第三電極150間的電場狀況造成影響。圖案化介電層160較佳可包括無機材料例如氮化矽(silicon nitride)、氧化矽(silicon oxide)與氮氧化矽(silicon oxynitride)、有機材料例如丙烯酸類樹脂(acrylic resin)、聚亞醯胺(polyimide)或其它適合之具有上述介電常數特性之材料。圖案化介電層160較佳是具有一弧形表面162，此弧形表面162可有助於電場分佈更加和緩，更符合電場分佈的需求。
值得說明的是，如第1圖所示，在本實施例中，第一電極130較佳可包括一陽極電極130A，第二電極140較佳可包括一陰極電極140C，且第三電極150較佳可包括一閘極電極150G。在此電極的搭配狀況下，圖案化介電層160與第二電極140間之第一距離D1較佳係大體上小於或等於圖案化介電層160與第三電極150間之第二距離D2，但並不以此為限。此外，場發射元件100可更包括一第一場發射源(emitter)171設置於陰極電極140C上。第一場發射源171較佳可包括一奈米碳管(carbon nano-tube)材料，但並不以此為限，而亦可包括其他具有發射電子功能之材料。例如第一場發射源171亦可以是場發射尖端(Tip)，其材質可選自鉬、鎢、鉻等及其合金或疊層。此為本領域通常知識所熟知，因此不再贅述。
請參考第2A圖、第2B圖以及第3圖，並請一併參考第1圖。第2A圖繪示了本發明之一比較例之場發射元件的電場狀況示意圖。第2B圖繪示了本發明之第一較佳實施例之場發射元件的電場狀況示意圖。第3圖繪示了本發明之第一較佳實施例與比較例之場發射元件的電場狀況比較示意圖。第2A圖繪示了一比較例，其中第二電極140與第三電極150間無設置圖案化介電層之電位線分布狀況，第2B圖繪示了第二電極140與第三電極150間設置了圖案化介電層160之電位線分布狀況，而第3圖繪示了有無設置圖案化介電層160的狀況下之電場強度比較分布狀況。如第2A圖與第2B圖所示，圖案化介電層160的設置會使原先的電位線向兩邊的第二電極140與第三電極150推擠，使得電位線與電位線之間的空間距離變窄，進而使得在第二電極140與第三電極150上的電場強度變強。因此，在本實施例之第二電極140可包括陰極電極140C，且第三電極150可包括閘極電極150G的狀況下，在閘極電極150G上施加相同電壓，有外加圖案化介電層160的陰極在同一位置上量得之電場會比沒有加圖案化介電層160的陰極來的高。更進一步說明，如第3圖所示，x軸為陰極電極邊界距離，y軸為電場強度，曲線A代表第二電極140與第三電極150間無設置圖案化介電層之電場強度狀況，而曲線B代表第二電極140與第三電極150間有設置圖案化介電層160之電場強度狀況。第3圖的數據背景係在圖案化介電層160的介電常數為7，第一厚度T1與第二厚度T2之比值為6，第一厚度T1與第三厚度T3之比值為6，且第三距離D3為2厘米的狀況下，於陽極電極130A施加2000伏特，於閘極電極150G施加600伏特，且使陰極電極140C接地的狀況下所得。由曲線A與曲線B於最接近陰極電極140C的邊界處的電場強度差異相比較，可得知設置圖案化介電層160後電場強度可增強約35%。
請參考第4圖，並請一併參考第1圖。第4圖繪示了本發明之第一較佳實施例之場發射元件的第二電極與第三電極的上視示意圖。如第4圖所示，本實施例之第二電極140較佳係具有多個分支電極141，且第三電極150亦較佳具有多個分支電極151。各分支電極141與各分支電極151較佳係彼此交錯設置，以獲得較佳之場發射效果。
下文將針對本發明之陣列基板的不同實施例進行說明，且為簡化說明，以下說明主要針對各實施例不同之處進行詳述，而不再對相同之處作重覆贅述。此外，本發明之各實施例中相同之元件係以相同之標號進行標示，以利於各實施例間互相對照。
請參考第5圖。第5圖繪示了本發明之第二較佳實施例之場發射元件的示意圖。如第5圖所示，本實施例之場發射元件200與上述第一較佳實施例不同的地方在於，在本實施例中，第一電極130較佳可包括一陽極電極130A，第二電極140較佳可包括一第一陰/閘極電極140B，且第三電極150較佳可包括一第二陰/閘極電極150B。在此電極的搭配狀況下，場發射元件200較佳可更包括一第一場發射源171設置於第一陰/閘電極140B上，以及一第二場發射源172設置於第二陰/閘極電極150B上，也就是說第一陰/閘極電極140B與第二陰/閘極電極150B可視狀況分別作為閘極電極或陰極電極。本實施例之場發射元件200除了第一陰/閘極電極140B、第二陰/閘極電極150B以及第二場發射源172之外，其餘各部件的設置與材料特性與上述第一較佳實施例之場發射元件100相似，故在此並不再贅述。值得說明的是，由於第一陰/閘極電極140B與第二陰/閘極電極150B可視狀況分別作為閘極電極或陰極電極，故本實施例之各第一陰/閘電極140B與各第二陰/閘極電極150B之驅動方式較佳可包括一使用交流電壓(AC)之驅動方式或一使用直流電壓之相偏移(phase shift)驅動方式，但並不以此為限。
請參考第6圖。第6圖繪示了本發明之第三較佳實施例之場發射元件的示意圖。如第6圖所示，本實施例之場發射元件300與上述第一較佳實施例不同的地方在於，在本實施例中，圖案化介電層160與第二電極140間之第一距離D1較佳係小於圖案化介電層160與第三電極150間之第二距離D2，以在第二電極140為一陰極電極140C且第三電極150為一閘極電極150G的狀況下，更進一步提升陰極電極140C邊緣的電場強度。本實施例之場發射元件300除了圖案化介電層160設置位置較接近陰極電極140C之外，其餘各部件的設置與材料特性與上述第一較佳實施例之場發射元件100相似，故在此並不再贅述。
請參考第7圖。第7圖繪示了本發明之第四較佳實施例之場發射元件的示意圖。如第7圖所示，本實施例之場發射元件400與上述第一較佳實施例不同的地方在於，本實施例之場發射元件400更包括一螢光層180，設置於第一電極130與第二電極140之間以及設置於第一電極130與第三電極150之間。換句話說，螢光層180較佳係設置於第一電極130面對第二電極140與第三電極150之一表面上，但並不以此為限。本實施例之場發射元件400除了螢光層180之外，其餘各部件的設置與材料特性與上述第一較佳實施例之場發射元件100相似，故在此並不再贅述。
請參考第8圖。第8圖繪示了本發明之第五較佳實施例之場發射顯示裝置的示意圖。如第8圖所示，本實施例之場發射顯示裝置500包括一第一基板110、一第二基板120、一第一電極130、複數個第二電極140、複數個第三電極150、一螢光層180、複數個圖案化介電層160、複數個第一發射源171以及一支撐物190。第二基板120係與第一基板110相對設置。第一電極130係設置於第一基板110面對第二基板120之第一內表面110S上。第二電極140、第三電極150以及圖案化介電層160係設置於第二基板120面對第一基板110之第二內表面120S上。各第三電極150係設置於相鄰兩第二電極140之間。螢光層180係設置於第一電極130與第二電極140之間以及設置於第一電極130與第三電極150之間。圖案化介電層160係設置於兩相鄰之第二電極140與第三電極150之間。圖案化介電層160係與第二電極140互相分離，且圖案化介電層160係與第三電極150互相分離。各圖案化介電層160之一第一厚度T1大體上係大於各第二電極140之一第二厚度T2，且圖案化介電層160之第一厚度T1大體上係大於各第三電極150之一第三厚度T3。值得說明的是，在本實施例中，第一電極130較佳可包括一陽極電極130A，各第二電極140較佳可包括一陰極電極140C，且各第三電極150較佳可包括一閘極電極150G。在此電極的搭配狀況下，圖案化介電層160與第二電極140間之第一距離D1較佳係大體上小於或等於圖案化介電層160與第三電極150間之第二距離D2，但並不以此為限。此外，第一場發射源171較佳係設置於陰極電極140C上，但並不以此為限。支撐物190係設置於第一基板110與第二基板120之間，用以使第一基板110與第二基板120之間維持一間隙。在本實施例中，各第二電極140、各第三電極150以及各圖案化介電層160彼此間的設置方式與厚度搭配狀況大體上係與上述第一較佳實施例相似，在此並不再贅述。值得說明的是，本實施例之螢光層180可包括一第一螢光層180A、一第二螢光層180B以及一第三螢光層180C分別與不同之第二電極140以及第三電極150對應設置。藉由調整第一螢光層180A、第二螢光層180B以及第三螢光層180C各別的成分可使其分別產生不同的激發光，進而可用來產生不同顏色之顯示畫面。
請參考第9圖。第9圖繪示了本發明之第六較佳實施例之場發射顯示裝置的示意圖。如第9圖所示，本實施例之場發射顯示裝置600與上述第五較佳實施例不同的地方在於，在本實施例中，第一電極130較佳可包括一陽極電極130A，各第二電極140較佳可包括一第一陰/閘極電極140B，且各第三電極150較佳可包括一第二陰/閘極電極150B。在此電極的搭配狀況下，場發射顯示裝置600較佳可包括複數個第一場發射源171分別設置於各第一陰/閘電極140B上，以及複數個第二場發射源172分別設置於第二陰/閘極電極150B上。本實施例之場發射顯示裝置600除了第一陰/閘極電極140B、第二陰/閘極電極150B以及第二場發射源172之外，其餘各部件的設置與材料特性與上述第五較佳實施例之場發射顯示裝置500相似，故在此並不再贅述。值得說明的是，由於第一陰/閘極電極140B與第二陰/閘極電極150B可視狀況分別作為閘極電極或陰極電極，故本實施例之各第一陰/閘電極140B與各第二陰/閘極電極150B之驅動方式較佳可包括一使用交流電壓之驅動方式或一相偏移驅動方式，但並不以此為限。
請參考第10圖。第10圖繪示了本發明之第七較佳實施例之場發射顯示裝置的示意圖。如第10圖所示，本實施例之場發射顯示裝置700與上述第五較佳實施例不同的地方在於，在本實施例中，圖案化介電層160與第二電極140間之第一距離D1較佳係小於圖案化介電層160與第三電極150間之第二距離D2，以在第二電極140為一陰極電極140C且第三電極150為一閘極電極150G的狀況下，更進一步提升各陰極電極140C邊緣的電場強度。本實施例之場發射顯示裝置700除了各圖案化介電層160設置位置較接近各陰極電極140C之外，其餘各部件的設置與材料特性與上述第五較佳實施例之場發射顯示裝置500相似，故在此並不再贅述。
綜合以上所述，本發明之場發射元件與場發射顯示裝置係利用於陰極電極與閘極電極間設置圖案化介電層，使得可在相同發光效率下有效的降低閘極電壓，進而降低整體功耗並使得相關元件在設計與使用壽命的問題上有所改善。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100．．．場發射元件
110．．．第一基板
110S．．．第一內表面
120．．．第二基板
120S．．．第二內表面
130．．．第一電極
130A．．．陽極電極
140．．．第二電極
141．．．分支電極
141B．．．第一陰/閘極電極
141C．．．陰極電極
150．．．第三電極
151．．．分支電極
150B．．．第二陰/閘極電極
150G．．．閘極電極
160．．．圖案化介電層
162．．．弧形表面
171．．．第一場發射源
172‧‧‧第二場發射源
180‧‧‧螢光層
180A‧‧‧第一螢光層
180B‧‧‧第二螢光層
180C‧‧‧第三螢光層
190‧‧‧支撐物
200‧‧‧場發射元件
300‧‧‧場發射元件
400‧‧‧場發射元件
500‧‧‧場發射顯示裝置
600‧‧‧場發射顯示裝置
700‧‧‧場發射顯示裝置
A‧‧‧曲線
B‧‧‧曲線
D1‧‧‧第一距離
D2‧‧‧第二距離
D3‧‧‧第三距離
T1‧‧‧第一厚度
T2‧‧‧第二厚度
T3‧‧‧第三厚度
X‧‧‧方向
第1圖繪示了本發明之第一較佳實施例之場發射元件的示意圖。
第2A圖繪示了本發明之一比較例之場發射元件的電場狀況示意圖。
第2B圖繪示了本發明之第一較佳實施例之場發射元件的電場狀況示意圖。
第3圖繪示了本發明之第一較佳實施例與比較例之場發射元件的電場狀況比較示意圖。
第4圖繪示了本發明之第一較佳實施例之場發射元件的第二電極與第三電極的上視示意圖。
第5圖繪示了本發明之第二較佳實施例之場發射元件的示意圖。
第6圖繪示了本發明之第三較佳實施例之場發射元件的示意圖。
第7圖繪示了本發明之第四較佳實施例之場發射元件的示意圖。
第8圖繪示了本發明之第五較佳實施例之場發射顯示裝置的示意圖。
第9圖繪示了本發明之第六較佳實施例之場發射顯示裝置的示意圖。
第10圖繪示了本發明之第七較佳實施例之場發射顯示裝置的示意圖。
100．．．場發射元件
110．．．第一基板
110S．．．第一內表面
120．．．第二基板
120S．．．第二內表面
130．．．第一電極
130A．．．陽極電極
140．．．第二電極
140C．．．陰極電極
150．．．第三電極
150G．．．閘極電極
160．．．圖案化介電層
162．．．弧形表面
171．．．第一場發射源
D1．．．第一距離
D2．．．第二距離
D3．．．第三距離
T1．．．第一厚度
T2．．．第二厚度
T3．．．第三厚度
X．．．方向

Claims (13)

  1. 一種場發射元件，包括：一第一基板；一第二基板，與該第一基板相對設置；一第一電極，設置於該第一基板面對該第二基板之一第一內表面上；一第二電極，設置於該第二基板面對該第一基板之一第二內表面上；一第三電極，設置於該第二基板之該第二內表面上，其中該第一電極為一陽極電極，該第二電極為一第一陰/閘極電極，且該第三電極為一第二陰/閘極電極；一第一場發射源(emitter)以及一第二場發射源，其中該第一場發射源係設置於該第一陰/閘電極上，且該第二場發射源係設置於該第二陰/閘極電極上；以及一圖案化介電層，設置於該第二基板之該第二內表面上，且該圖案化介電層係設置於該第二電極與該第三電極之間；其中該圖案化介電層係與該第二電極互相分離，該圖案化介電層係與該第三電極互相分離，該圖案化介電層之一第一厚度大體上係大於該第二電極之一第二厚度，且該圖案化介電層之該第一厚度大體上係大於該第三電極之一第三厚度。
  2. 如請求項1所述之場發射元件，其中該第二電極與該第三電極係由同一材料層所構成。
  3. 如請求項1所述之場發射元件，其中該第二電極與該第三電極分別具有多個分支電極，且各該分支電極係彼此交錯設置。
  4. 如請求項1所述之場發射元件，其中該圖案化介電層係於一平行於該第二基板之一方向上設置於該第二電極與該第三電極之間。
  5. 如請求項1所述之場發射元件，其中該圖案化介電層之一介電常數大體上係介於1至10之間。
  6. 如請求項1所述之場發射元件，其中該圖案化介電層之該第一厚度與該第二電極之該第二厚度之一比值大體上係介於1至100之間，且該圖案化介電層之該第一厚度與該第三電極之該第三厚度之一比值大體上係介於1至100之間。
  7. 如請求項1所述之場發射元件，其中該圖案化介電層與該第二電極間之一第一距離大體上係相等於該圖案化介電層與該第三電極間之一第二距離。
  8. 如請求項1所述之場發射元件，其中該圖案化介電層與該第二電極間之一第一距離跟該第二電極與該第三電極間之一第三距離之一比值大體上係介於0.01至0.4之間，且該圖案化介電層與該第三電極間之一第二距離跟該第二電極與該第三電極間之該第三距 離之一比值大體上係介於0.01至0.4之間。
  9. 如請求項1所述之場發射元件，其中該第一陰/閘電極與該第二陰/閘極電極之驅動方式包括一使用交流電壓(AC)之驅動方式。
  10. 如請求項1所述之場發射元件，更包括一螢光層，設置於該第一電極與該第二電極之間以及設置於該第一電極與該第三電極之間。
  11. 如請求項1所述之場發射元件，其中該圖案化介電層具有一弧形表面。
  12. 一種場發射顯示裝置，包括：一第一基板；一第二基板，與該第一基板相對設置；一第一電極，設置於該第一基板面對該第二基板之一第一內表面上；複數個第二電極，設置於該第二基板面對該第一基板之一第二內表面上；複數個第三電極，設置於該第二基板之該第二內表面上，其中各該第三電極係設置於相鄰兩該等第二電極之間，該第一電極為一陽極電極，該第二電極為一第一陰/閘極電極，且該第三電極為一第二陰/閘極電極； 一第一場發射源以及一第二場發射源，其中該第一場發射源係設置於該第一陰/閘電極上，且該第二場發射源係設置於該第二陰/閘極電極上；一螢光層，設置於該第一電極與該等第二電極之間以及設置於該第一電極與該等第三電極之間；以及至少一圖案化介電層，設置於該第二基板之該第二內表面上，且該圖案化介電層係設置於兩相鄰之該第二電極與該第三電極之間；其中該圖案化介電層係與該等第二電極互相分離，該圖案化介電層係與該等第三電極互相分離，該圖案化介電層之一第一厚度大體上係大於各該第二電極之一第二厚度，且該圖案化介電層之該第一厚度大體上係大於各該第三電極之一第三厚度。
  13. 如請求項12所述之場發射顯示裝置，更包括至少一支撐物，設置於該第一基板與該第二基板之間，用以使該第一基板與該第二基板之間維持一間隙。
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