CN100437881C - 改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，该方法是先取阴极结构，将该阴极结构及金属面板与电泳电极的阴极相连接；在连接完成后，将该欲被电泳沉积的阴极结构一侧与该金属面板保持一固定距离平行设置，再将连接后的该阴极结构及金属面板放置在电泳槽的溶液中，利用电源供应器提供阴阳极直流电压以形成电场，将纳米碳管电泳沉积制作在阴极电极以形成电子发射源；将沉积后的阴极结构取出进行低温简单焙烤，以移除在阴极结构上多余的乙醇溶液。此时，辅助盐氯化铟与电解的氢氧基离子形成氢氧化铟，之后再进行烧结，该阴极电极层上的氢氧化铟将再氧化为氧化铟，增加了该纳米碳管与阴极电极层的电子传导关系。

Description

改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法

技术领域

本发明涉及一种改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，尤其涉及一种利用电泳沉积技术，将纳米碳管粉体沉积在阴极电极以形成电子发射源，并在电泳沉积后焙烤可形成具有导电性的金属氧化盐，增加纳米碳管电子发射源层的电子产出效率的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法。

背景技术

公知的三极场发射显示器主要包括阳极结构与阴极结构，在阳极结构与阴极结构之间设置有支撑器(spacer)，提供阳极结构与阴极结构间真空区域的间隔及作为阳极结构与阴极结构间的支撑。该阳极结构包括阳极基板、阳极电极层及荧光粉体层(phosphors layer)；该阴极结构包括阴极基板、阴极电极层、电子发射源层、介电层及闸极层；其中，该闸极层被施加电位差以汲引电子发射源层的电子射出；由阳极电极层所提供的高电压以提供电子束的加速，使电子有足够的动能撞击(impinge)阳极结构上的荧光粉体层激发而使其发光。据此，为了使电子在场发射显示器中移动，需以真空设备将显示器保持至少10-5托(torr)以下的真空度，使电子获得良好的平均自由动径(mean free path)，同时避免电子发射源和荧光粉区的污染及毒化。另外，为使电子有足够能量去撞击荧光粉，因此在两板间需有适当间隙，使电子有足够的加速空间来撞击荧光粉体，达到使荧光粉体能充分产生发光的效应。

其中，该电子发射源层以纳米碳管为主成分，由于纳米碳管(Carbonnanotubes)自1991年被Iijima提出后(Nature 354，56(1991))具备极高的电子特性，已应用在多种电子组件内，而纳米碳管可以有很高的长宽比(aspect ratio)，大于500，以及高的刚性，其杨氏系数多在1000GPn以上，而纳米碳管的尖端或缺陷处均为原子级规模的露出，以上这些特性因此被认为一种理想的场电子发射源(electron field emitter)材料，例如一种场发射显示器的阴极结构上的电子发射源。由于纳米碳管具备以上所述的物理特性，因此也可被设计应用在多种制造过程，如：网印或薄膜制程等以图腾化在电子组件使用。

其中，阴极结构制作工艺是将碳管作为电子发源材料制作在阴极电极层上，其制作方法可以有在各该阴极像素内的阴极电极层上利用化学真空沉积(CVD)直接形成纳米碳管，或是一种以感光型纳米碳管溶液图腾化制作在各该像素内的阴极电极层上，亦可为喷涂纳米碳管溶液搭配网罩制作，不过按照上述三极场发射显示器的电子发射源的结构，欲将纳米碳管制作在各像素内的阴极电极结构上，上述各该制作方法仍有制作成本及立体结构的阻碍限制，尤其是大尺寸的电子发射源的均匀性将更难以达成。

近来一种电泳沉积EPD(Electrophoresis Deposition)技术陆续被提出，如美国发明专利申请第US2003/0102222A1号所公开的“纳米结构材料沉积方法”，该申请将纳米碳管配制为醇类悬浮溶液，并利用镁、镧、钇、铝等离子盐类作为辅助盐(Charger)，制作为电泳溶液，将欲沉积的阴极结构与电极衔接至该电泳溶液中，提供直流或交流电压，在溶液中形成电场，利用辅助盐在溶液中电解为离子以附着在纳米碳管粉体，由电场形成以电泳动(Electrophoresis force)协助纳米碳管沉积在特定电极，由此可将纳米碳管沉积图样化在电极上，利用上述工艺的电泳沉积技术，可以简易的将纳米碳管沉积在电极层上，并可避免因三极场发射显示器在阴极结构上的限制，因此本工艺已广泛被应用在阴极板结构上的制作。

不过电泳沉积制作技术虽已被广泛应用，但其中仍有需被改进之处，如，该辅助盐的离子也将一同沉积在电极上，而就阳离子而言，通常与电极表面的阴离子反应(溶液中部分水分子氧化的氢氧阴离子)形成氢氧化盐，并与纳米碳管同共沉积。而电泳过程后须再利用高温焙烤以移除不必要的溶剂及有机物，因此同时这类金属氢氧盐类经过焙烤后将转化为金属氧化盐，以公知使用的氯化镁为例，则形成氧化镁的盐类与纳米碳管共同沉积在电极上或纳米碳管表面上，而氧化镁并非良好的导体材料，虽然电泳过程使用浓度不高通常为0.1％重量浓度，不致影响纳米碳管电子发射层产生电子束的效果，不过也没有增加有益的效果。

另有一种“制作低能量电子激发荧光幕方法”被公开，该方法是利用一种金属盐类可在电泳过制造程后可在荧光粉层上形成具有导电特性的金属氧化物，以提高荧光粉体的发光特性。由此，本发明人利用此特性，选用特定的金属盐类溶在水或醇类溶液中，并在电泳沉积后焙烤可形成具有导电性的金属氧化盐，以增加纳米碳管电子发射源层的电子产出效率。

本发明内容

本发明的主要目的在于解决上述现有技术中存在的缺陷。本发明利用电泳沉积技术，以电弧放电制作的纳米碳管粉体配置为电泳溶液，并选用适当的辅助盐，在电解后的离子可以产生离子分散效果，可使纳米碳管粉体在水或乙醇电泳溶液中分散效果更佳，有利于电泳沉积在阴极电极表面的均匀性。另外，选用适当的辅助盐在电泳沉积后焙烤，可形成具有导电性的金属氧化盐，增加了纳米碳管电子发射源层的电子产出效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法。该方法是将阴极结构进行阴极结构的纳米碳管电子发射源沉积制作，将该阴极结构的阴极电极层通过阴极导线与电泳电极的阴极相连接，电泳电极的阳极与金属面板连接；

将连接的阴极结构与金属面板间保持一固定距离后，平行放置在电泳槽并浸置在配置的电泳溶液中，利用电源供应器提供阴阳极直流电压以形成电场，进行该纳米碳管电子发射源的沉积制作；

将上述沉积后的阴极结构取出后先以低温简单焙烤，以移除在阴极结构上多余的乙醇溶液。此时，辅助盐氯化铟与电解的氢氧基离子形成氢氧化铟，之后再进行烧结过程，该阴极电极层上的氢氧化铟将再氧化为氧化铟，由于氧化铟具有导电特性，因此在制作阴极电极层时，电子发射源上除了纳米碳管外还包括具有导电性氧化铟粒子，增加了纳米碳管与阴极电极层的电子传导关系。

附图的简要说明

图1为(a)～(g)本发明的阴极结构制作流程示意图；

图2为本发明的阴极结构制作电子发射源流程示意图；

图3为本发明的阴极结构与金属面板连接示意图；

图4为本发明的阴极结构与金属面板连接后进行电泳沉积的示意图；

图5为本发明以电弧放电方法制作纳米碳管完成示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10-阴极结构

1-玻璃基板

2-阴极电极层

21-电子发射源

3-介电层

4-闸极层

41、31-凹陷区

5、6-保护层

7-电泳槽

101-阴极导线

8-电泳电极

81-阴极

82-阳极

9-金属面板

具体实施方式

有关本发明的技术内容及详细说明，现配合附图说明如下：

图1(a)～(g)为本发明的阴极结构制作流程示意图。如图所示：本发明的改善场发射显示器的高效能高均匀性纳米碳管电子发射源的方法，主要是通过电泳技术，选用适当的辅助盐来沉积制作纳米碳管电子发射源，以提高纳米碳管沉积在阴极结构10表面的均匀性，其效果佳。

首先，在玻璃基板1的表面上形成阴极电极层2，在阴极电极层2表面上形成介电层3，再于介电层3表面形成闸极层4，再通过微影技术在闸极层4表面形成使介电层3外露的凹陷区41，再于闸极层4表面形成保护层5，通过蚀刻技术在介电层3表面形成使阴极电极2外露的凹陷区31，在将保护层5进行剥离后，再将另一保护层6涂布包覆在介电层3与闸极层4上，即完成阴极结构的制作。

图2至图4为本发明的阴极结构制作电子发射源流程及阴极结构与金属面板连接与连接后进行电泳沉积的示意图。如图所示，待上述的阴极结构完成后，进行阴极结构的纳米碳管电子发射源沉积制作；

首先，进行电泳溶液调制，以乙醇为溶剂，添加约1％～10％的纯水(优选为5％)，再添加纳米碳管粉体。本发明选用以电弧放电制作的纳米碳管，其为平均碳管长度5μm以下，平均碳管管径在100nm以下的一种多重壁的纳米碳管结构，其重量浓度约0.1％～0.005％(优选为0.02％)，再添加重量浓度约0.1％～0.005％(优选为0.01％)的辅助盐(Charger)类，该辅助盐类选用在电泳后可形成具有导电性氧化物的金属氧化盐，如氯化铟，和硝酸铟，或其它如锡的任一种盐类，将上述的调制完成的溶液倒入电泳槽7中；

当上述的电泳溶液调制完成后，进行电泳沉积。将场发射阴极结构10的阴极电极层2通过阴极导线101与电泳电极8的阴极81相连接，电泳电极8的阳极82与金属面板9相连接，金属面板9可为白金或钛金属面板；

当阴极结构10与金属面板9连接完成后，将欲被电泳沉积的阴极结构10的一侧与金属面板9保持一固定距离平行设置，并将连接后的阴极结构10与金属面板9放置在电泳槽7中，利用电源供应器提供阴阳极直流电压以形成电场，该电场强度为2V/cm，可以为0.5～10V/cm，以将纳米碳管电泳沉积在阴极电极层2以形成电子发射源21(如图5所示)；

将上述沉积后的阴极结构取出后先以低温80℃简单焙烤，以移除在阴极结构10上的多余的乙醇溶液。此时的辅助盐氯化铟与电解的氢氧基离子形成氢氧化铟，之后再进行400℃烧结制程以烧除保护成层6，并且阴极电极层2上的氢氧化铟将再氧化为氧化铟，由于氧化铟具有导电特性，因此在制作阴极电极层2时，电子发射源21上除了纳米碳管外还包括具有导电性的氧化铟粒子，除具有公知工艺中所使用辅助盐的镁盐类能够提供电泳动的功能外，还增加了纳米碳管与阴极电极层的电子传导关系。

进一步，由于本发明采用电泳沉积的纳米碳管电子发射源层，纳米碳管易于水平贴覆在阴极电极表面，因此易形成均匀的纳米碳管层，平均厚度可控制在2μm以下，而烧结后的纳米碳管与氧化铟的盐类共同沉积并形成良好的附着效果，不易脱落。

更进一步，本发明的纳米碳管电泳溶液的分散效果佳。用公知的氯化镁辅助盐的电泳溶液在平均单位面积250μm²内，比较其分散特性，仍可发现15％以上大于10μm的纳米碳管凝团，而改用本发明的氯化铟辅助盐的纳米碳管电泳溶液则可将10μm的纳米碳管凝团控制在5％以下。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利范围内。

Claims (17)

1.一种改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于，所述方法包括：

a)先取阴极结构；

b)将所述阴极结构进行电泳沉积，将所述阴极结构及金属面板与电泳电极相连接；

c)所述阴极结构与金属面板连接完成后，将欲被电泳沉积的阴极结构一侧与所述金属面板保持一固定距离平行设置，并将连接后的阴极结构与金属面板放置在电泳槽的溶液中，利用电源供应器提供阴阳极直流电压以形成电场，以进行纳米碳管电泳沉积制作电子发射源；

d)将所述沉积后的阴极结构取出后先以低温焙烤，以移除在阴极结构上多余的乙醇溶液，此时辅助盐氯化铟与水解的氢氧基离子形成氢氧化铟，之后再进行烧结，所述阴极结构中的阴极电极层上的氢氧化铟将再氧化为氧化铟，以增加所述纳米碳管与阴极电极层的电子传导关系。

2.如权利要求1所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述阴极结构制作方法包括：

a)在玻璃基板表面上形成所述阴极电极层，在所述阴极电极层表面上形成介电层，再于所述介电层表面形成闸极层，再通过微影技术在所述闸极层表面形成使所述介电层外露的凹陷区；

b)再于所述闸极层表面形成保护层，通过蚀刻技术在所述介电层表面形成使所述阴极电极层外露的凹陷区，再将所述保护层进行剥离；

c)再将另一保护层涂布包覆在所述介电层与闸极层上，即完成所述阴极结构制作。

3.如权利要求1所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述阴极结构的阴极电极层通过阴极导线与电泳电极的阴极相连接，电泳电极的阳极与所述金属面板相连接。

4.如权利要求1所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述金属面板为白金或钛金属面板。

5.如权利要求1所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述电场强度为0.5～10V/cm。

6.如权利要求5所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述电场强度为2V/cm。

7.如权利要求1所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述纳米碳管为一种以电弧放电制作的纳米碳管，其为平均碳管长度在5μm以下，平均碳管管径在100nm以下的一种多重壁的纳米碳管结构。

8.如权利要求1所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述电泳槽中所添加的溶液包括：作为溶剂的乙醇、纯水、纳米碳管粉体、辅助盐氯化铟。

9.如权利要求8所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述添加的纯水量为1％～10％。

10.如权利要求9所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述添加的纯水量为5％。

11.如权利要求8所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述添加的纳米碳管粉体的重量浓度为0.1％～0.005％。

12.如权利要求11所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述添加的纳米碳管粉体的重量浓度为0.02％。

13.如权利要求8所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述添加的辅助盐氯化铟的重量浓度为0.1％～0.005％。

14.如权利要求13所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述添加的辅助盐氯化铟的重量浓度为0.01％。

15.如权利要求1所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述低温焙烤是以80℃进行简单焙烤。

16.如权利要求1所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于所述烧结是以400℃进行烧结制程。

17.如权利要求1所述的改善场发射显示器的纳米碳管电子发射源性能的方法，其特征在于用所述辅助盐氯化铟的纳米碳管电泳溶液在平均单位面积250μm²内，可将10μm的纳米碳管凝团控制在5％以下。

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