CN1781174A - 场发射电极的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及场发射电极的制造方法，其中该电极包含场发射电极衬底(1)和排列在所述场发射电极衬底(1)上的多个发射体颗粒(2)，该方法包含步骤：将所述发射体颗粒(2)在载气流中分散成烟雾状发射体颗粒(2)；对所述发射体颗粒(2)充电；以及通过至少一个出口(14)将载气流中的所述带电发射体颗粒(2)引导向场发射电极衬底(1)，同时维持衬底(1)和靠近该出口的沉积电极(10)之间的电场，之后将所述带电发射体颗粒(2)沉积并粘附到所述场发射电极衬底(1)。
Description
本发明涉及场发射电极的制造方法。
目前，人们对基于场发射技术的装置的兴趣越来越浓。场发射的基本原理为，当在阴极和置于所述阴极附近的阳极之间施加电场时，迫使电子从包含发射体材料的阴极表面出射。到达阳极的发射电子流被用于产生光线。该技术例如可以用来生产例如场发射显示器和用于照明目的的场发射灯。
在场发射显示器(FED)领域中，发射体阴极和该发射体的材料有许多选择。然而，用于制造场发射体的一些现有技术方法需要复杂的沉积步骤与/或光刻构造。这种发射体的例子为Motorola、Candescent和Pixtech公司制造的Spindt发射体，Hitachi公司制造的MIM发射体以及Matsushita公司制造的BSD发射体。因此，为了想出实施起来更为直接的替代制造技术，已经进行了诸多努力。这种技术的示例为可印刷的碳纳米管(CNT)和可印刷的场发射体(PFE)。然而，上述印刷技术也具有许多缺点。首先，诸如CNT的不等轴颗粒随机分布在发射体阴极表面上的印刷层内，因此在栅控场发射显示器中的阴极和栅电极之间或者在场发射灯中的阴极和阳极之间，相对于所施加的电场不对准或不沿该电场取向。这暗示着只有这些颗粒中的少数将对发射体的场发射有贡献。第二，要么利用直接印刷图形化发射体，要么当光敏成分添加到该印刷材料通过光刻构造步骤图形化发射体。然而，直接印刷的精确性有限，并因此不适用于更小的栅极孔尺寸；然而对于光刻图形化，以添加更多的技术处理步骤为代价可以避免这个缺陷。然而，一个可选方法为使用直接生长的CNT，在这种情况下，使用催化剂颗粒的图形化层将CNT沉积在阴极上的其优选位置。这种方法的优点在于直接生长的CNT垂直于阴极衬底表面生长，因此在栅控场发射结构(例如场发射显示器)相对于所施加的电场很好地对准。此外，CNT也相对于施加在阴极和阳极之间的电场很好地对准。然而，该方法的缺陷为其需要对催化剂层的最优控制，而且由于使用高温化学气相沉积技术生长CNT，故非常昂贵。
因此需要一种场发射阴极的替代制造方法，该方法能够克服现有技术的上述缺点。
因此本发明的一个目标为获得可以简单实现的场发射阴极的制造方法。本发明的另一个目标为获得这样的一种场发射阴极制造方法，该方法可以很好地控制阴极上的(不等轴)发射粒子的图形化或者其选择性沉积和对准。
根据权利要求1的方法可以至少部分地实现本发明的上述和其它目标。本发明的目的为场发射电极的制造方法，该场发射电极包括场发射电极衬底和排列在所述场发射电极衬底上的多个发射体颗粒。本发明方法包含步骤：在载气流中将所述发射体颗粒散开成烟雾状的发射体颗粒；对所述发射体颗粒充电；以及通过至少一个出口将载气流中的所述带电发射体颗粒引导向场发射电极衬底，同时维持在该衬底和该出口附近的沉积电极之间的电场，随后所述发射体颗粒被沉积到所述场发射电极衬底上并粘附在其上。通过控制载气流和沉积电极与场发射衬底之间的电场强度，带电发射体颗粒严格遵从朝向该衬底的确定路径，这提供了对发射体颗粒在衬底上沉积均匀性的精确控制。特别地，通过颠倒地(抵抗重力地)放置衬底而使得颗粒在衬底上的沉积与重力的影响相反，在烟雾状带电发射体颗粒沉积时，可以避免重力的影响，并因此避免沉积任何不需要的杂质灰尘颗粒。不一定通过沉积电极以及场发射电极衬底自身上的电极产生电场。在一个优选实施例中，背对沉积电极的场发射电极衬底的一侧被耦合到另一个电极，用于在该场发射电极衬底和沉积电极之间产生电场。该另外的电极可以(电)接触衬底，但也可以电容性地耦合到该衬底，例如当该另外的电极嵌在另一个平板(例如沉积平台)中时。例如可以利用各个颗粒和衬底之间存在的范德瓦尔斯力实现发射体颗粒粘附到该衬底上。烟雾状带电发射体颗粒沿场发射电极衬底和沉积电极之间所施加的电场排列，该电场用于将载气流内的所述发射体颗粒向该场发射电极衬底引导。所施加的电场在发射体颗粒沉积到该场发射电极衬底上时促使发射体颗粒排列，这使得沉积的发射体颗粒沿基本上垂直于场发射电极衬底表面的方向排列。这种发射体颗粒取向导致电场增强，因为每个发射体颗粒的边缘尖端基本上都指向施加在栅控场发射显示器中栅电极和阴极电极之间以及施加在场发射灯装置中阳极和阴极之间的电场的方向。因此，采用根据本发明制造的场发射电极，可以在对所述电极施加低电压时获得发射体颗粒的大的发射电流。适当地，所述发射颗粒为不等轴颗粒，例如石墨片、棒、线、碳纳米管或其组合。
优选地，对所述烟雾状发射体颗粒的充电步骤包含对每个所述发射体颗粒提供基本上相等的电荷的步骤。通过对所有的烟雾状发射体颗粒提供基本上相等的电荷，这些发射体颗粒会均匀的方式相互排斥，从而确保每个颗粒之间的某一距离。利用载气流和施加电场对烟雾状带电发射体颗粒在由沉积电极和衬底所界定空间内的运动的流体动力影响，发射体颗粒上的电荷将使沉积的发射体颗粒在衬底表面上均匀地散开，这避免了发射体颗粒在衬底表面上的群集，也产生更高的发射。
由于发射体颗粒带电，可以均匀地或按照图案将这些颗粒沉积在衬底上。根据本发明的一个实施例，该方法还包含对所述场发射电极衬底施加在整个衬底上基本上相等的电势，从而获得所沉积的发射体颗粒在所述衬底上的均匀分布。在制造场发射光源时，这一点是有利的，此时要求由于发射产生的光线的分布均匀。根据本发明另一个实施例，通过在预定部分的区域引入局部更高的电场强度，带电发射体颗粒按照一定图案选择性地沉积在衬底的所述预定部分上。在一个优选实施例中，由被栅电极层包围的发射体阴极的暴露表面部分形成场发射衬底的预定部分，在栅控场发射显示器中如此。在制造场发射显示器时，后一个实施例有着重大的优势，因为在这种情况下发射体颗粒可以选择性地沉积在在衬底上具有栅极的孔所谓正常栅控结构中，和/或沉积在衬底上的底栅控结构的金属/绝缘体补片(patch)上。通过分别调整栅极和阴极电极上的电压，使得电场在该栅极结构的暴露阴极位置上变得局部最大，可以实现选择性沉积。例如，通过在正常栅控结构中相对于阴极电极正向偏置栅电极，发射体颗粒将会选择性地沉积到阴极的暴露部分上的栅极孔中心，因为此处的电场最大。通常，发射体颗粒将沉积在电场强度局部最高的那些位置。这些位置正好和将发生电场感应电子发射的位置吻合。
如前所述，发射体颗粒的粘附主要由范德瓦尔斯力控制。然而，在一些例子中，需要改善的粘附。在这些情况中，该方法还包含对所述场发射电极衬底的表面涂敷粘性材料层的步骤，从而改善所述发射体颗粒和所述场发射电极衬底之间的粘附。作为一个例子，该粘附层或胶合层可以由银胶状悬浮体组成，其可以以薄膜的形式涂敷在所述场发射电极衬底的表面上，且在沉积发射体颗粒之后可以被固化。或者，可在将发射体颗粒沉积到场发射电极衬底上之前，将聚乙烯醇(PVA)薄膜涂敷到所述场发射电极衬底的表面。当暴露于潮湿气氛中时，该PVA薄膜吸收水分，这导致该PVA薄膜软化，由此粘附到和该PVA薄膜物理接触的发射体颗粒。对该薄膜进行烘干之后，这些颗粒牢固地粘附到该PVA薄膜。其它粘接材料也可以使用，例如用在碳纳米管的印墨浆中的材料。
参考附图，将在下文中通过本发明的目前优选实施例更加详细地描述本发明。
图1公开了用于执行根据本发明的方法的示例设备的示意图。
图2公开了使用本发明方法将发射体颗粒沉积到所述衬底上时，靠近衬底的区域的示意图。
图3为根据本发明制造的场发射装置的示意图。
图2示出了场发射电极衬底1，根据本发明将在该衬底上沉积发射颗粒2。在图2的示例中，衬底具有例如将用于场发射装置的正常栅控结构。然而应当注意，本发明方法同样适用于诸如平面衬底的其它衬底形状。
图2的衬底包含载体13，其中在该载体上沉积例如由金属材料组成的导电阴极层3。阴极层3被介电层4部分地覆盖，介电层4上有导电栅电极层5。如上所述，可以通过介电层4和栅极层5内的开口(所谓的栅极孔6)到达阴极层3。独立地对栅层5和阴极层3施加电势。在当前的示例中，阴极层3连接到地电势，相对于阴极层3对栅极层5施加电压为Vg的正向偏压。为了获得场发射电极装置，在上述衬底上，带正电荷的场发射体颗粒2将只会选择性地沉积在被栅电极层暴露和包围的阴极表面3的预定部分(即形成栅极孔6底部的阴极层表面3的部分)上。
图1中公开的用于执行本发明的设备，其中该设备不是本发明的一部分，该设备包含：
-用于烟雾化固体发射体颗粒2的烟雾产生部分11，该部分将干燥的发射体粉末颗粒从紧密的状态转变成例如空气流的载气流中的空气传播分散(烟雾化)状态，使得颗粒尺寸小到直径远低于1微米的粉末能够散开。随后使用灰尘过滤器(简单的机械过滤器或介电过滤器)对所产生的发射体颗粒烟雾进行尺寸分类，该过滤器除去较大的颗粒而只透过较小的颗粒。
-用于对发射体颗粒烟雾充电的高压电晕充电部分12，例如，其特征为高压针电极以及用水湿润的对置电极。
-用于使带电的发射体颗粒烟雾的浓度均匀化的膨胀室9。
-沉积室8，其中对所述带电发射体颗粒施加电沉积力，以将所述带电发射体颗粒沉积在场发射电极衬底1上。带电的烟雾颗粒2通过至少一个出口14而进入沉积室8，该出口由电压设置为Vdeposition的高压(金属)沉积电极10内的多孔纱网提供。将用于沉积带电发射体颗粒的场发射电极衬底1置于与沉积电极10的距离为“d”的位置，并基本上平行于沉积电极10放置。由基本上平行放置的衬底1和沉积电极10互相面对的面物理地界定沉积室8，但是沉积室8的所有其它面基本上敞露于外部环境，因此承载烟雾状带电发射体颗粒的载气流可以自由地流到整个衬底1的整个面以及沿整个衬底1的整个面流动。衬底1优选地(电)耦合到另外(金属)电极，该电极设定为一电势使得带电发射体颗粒总是通过衬底1和沉积电极10之间存在的电场被电吸引到衬底1。如果该电场足够高，基本上所有的烟雾状带电发射体颗粒2在其停留在沉积室8内的时间内从载气流中被清除并沉积在衬底1上。
根据本发明方法，发射体颗粒2在烟雾产生部分11内被烟雾化，并因此在载气流中分散。在本示例中的发射体颗粒2为石墨片，但也可由诸如棒、线、或碳纳米管的任何不等轴颗粒组成。标称尺寸优选小于约4～10微米的石墨片具有陡峭的发射边，就其发射性能而言应用于场发射装置是有利的。
在接下来的步骤中，包含发射体颗粒2的载气流穿过高压电晕充电部分12，由此对发射体颗粒2静电充电。每个颗粒将被充以基本上相等的电荷。在本示例中，发射体颗粒2充电后带正电。
之后，所述载气流内的带电发射体颗粒2经由所述膨胀室9而进入沉积室8中。在沉积室8内，在保持正电压Vdeposition的沉积电极10和衬底之间施加沉积电场，如前所述，其中该阴极电极保持在地电势。或者，衬底1的阴极电极电耦合到保持在地电势的另一个电极。这个所施加的沉积电场对带正电的发射体颗粒2施加朝向场发射衬底1的方向的力。此外，由于该电场，发射体颗粒2沿沉积电场排列，即这些颗粒和沉积电场平行，如图2所述。之后，这些颗粒碰撞并粘附到电极衬底的表面，同时保持所述对准。可以利用衬底和各个颗粒之间的范德瓦尔斯力实现该碰撞和粘附的动作。然而，为了获得更强的粘附，可以对将沉积发射体颗粒的衬底表面区域涂敷粘性材料层。该层例如可以由薄的有粘性的银胶状悬浮体薄膜或者湿气膨胀的有粘性的聚乙烯醇薄膜组成，该聚乙烯醇薄膜层在沉积了颗粒之后可以被固化。或者，可以使用在印墨浆中用于碳纳米管的材料。在将带电发射体颗粒2沉积到场发射电极1上期间，当相对于阴极电极层3(连接到地电势)对栅电极层5施加正向偏压时，带电的烟雾状发射体颗粒2将被吸引到栅极孔6中，且这些颗粒将被选择性地沉积到阴极层暴露的表面部分上的栅极孔6的中心，因为在该位置的电场为局部最高。这些颗粒将选择性地沉积在电场局部最高的位置，也已经示出，这些位置正好和将发生电场感应电子发射的位置吻合。
通过使用将发射体颗粒沉积在场发射电极衬底上的上述方法，可以获得颗粒基本上垂直排列的衬底。图3示出了使用本发明方法制造的衬底的示例。从场发射的角度而言，该配置是优选的，因为平躺在场发射电极衬底上的片状石墨发射体颗粒几乎不会发射，或者只在施加极高的电场时才发射。相反地，在当前情况中，发射体颗粒的边缘尖端将沿栅电极5和阴极电极(3)之间所施加的电场的方向，因此可以在相对低的栅电压下获得高的发射电流。因此，对于垂直排列的石墨片，获得强的电场增强(因此可获得Fowler-Nordheim关系中大的β因子)。
此外，如前所述，烟雾状带电发射体颗粒所带的电荷基本上相等。因此，空气传播的带电发射体颗粒将互相排斥，因此这会自动导致在场发射衬底表面上所沉积的发射体颗粒的均匀分布，从而确保相邻的颗粒之间的间距一定。这样就避免了发射体颗粒的群集。因此，场发射装置中发射体颗粒的发射得到改善，因为将位于群集中心的颗粒被屏蔽，并因此不会对发射有贡献。
如前所述，因为发射体颗粒2被充电，可以均匀地或者按照图案在衬底上沉积这些颗粒。在上面的例子中，使用了按照图案的沉积，因为颗粒只沉积在位于栅极孔底部的阴极电极的预定部分上。通常，通过调整栅极和阴极电极层之间的电压，可以实现该选择性沉积。更为一般地，通过对衬底的不同区域施加不同的电势而在预定部分的区域引入局部较高的电场强度，则可以实现带电发射体颗粒在衬底的预定部分上的按照图案的或者选择性的沉积。相反，如果例如将平坦的衬底保持在恒定的电势，例如地电势，可以实现带电电荷颗粒在该衬底上的均匀沉积。该场发射电极衬底可以用于例如场发射灯。
应该注意到，本发明的上述实施例不是旨在限制本发明，而是作为例子说明可以如何实现本发明。在不离开有所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员也可以以各种方式使用本发明方法。
例如，应该注意到，可以通过如前所述地在场发射电极衬底1上涂敷导电的阴极材料层3，或者可以通过使用导电的阴极材料制造场发射电极衬底1本身，实现上述的阴极。
Claims (14)
1.一种制造场发射电极的方法，该电极包含场发射电极衬底(1)和排列在所述场发射电极衬底(1)上的多个发射体颗粒(2)，该方法包含步骤：
将所述发射体颗粒(2)在载气流中分散成烟雾状发射体颗粒(2)；
对所述发射体颗粒(2)充电；以及
通过至少一个出口(14)将载气流中的所述带电发射体颗粒(2)引导向场发射电极衬底(1)，同时维持衬底(1)和靠近该出口的沉积电极(10)之间的电场，之后将所述带电发射体颗粒(2)沉积并粘附到所述场发射电极衬底(1)。
2.根据权利要求1的方法，其中沉积电极(10)包含出口(14)。
3.根据权利要求1的方法，其中位于沉积电极(10)和场发射电极衬底(1)之间的电场内的带电发射体颗粒(2)抵抗重力地朝场发射电极衬底(1)移动。
4.根据权利要求1的方法，其中背离沉积电极(10)的场发射电极衬底(1)的那侧被耦合到另一个电极，以在场发射电极衬底(1)和沉积电极(10)之间产生电场。
5.根据权利要求1的方法，其中所述发射体颗粒(2)为不等轴颗粒，例如石墨片、棒、线、碳纳米管或其组合。
6.根据权利要求1的方法，进一步包含步骤：通过施加一电场，在发射体颗粒(2)沉积到场发射电极衬底(1)上期间发射体颗粒沿基本上垂直于场发射电极衬底(1)表面的方向排列。
7.根据权利要求1或3的方法，其中对所述烟雾状发射体颗粒充电的步骤包含为所述发射体颗粒(2)中每一个提供基本上相等的电荷的步骤。
8.根据权利要求1的方法，进一步包含步骤：对所述场发射电极衬底(1)施加在整个衬底上基本上相等的电势，其目的为获得在所述衬底(1)上沉积的发射体颗粒(2)的均匀分布。
9.根据权利要求1的方法，其中通过在预定部分的区域引入局部较高的电场强度，而将带电的发射体颗粒(2)按照图案地并且选择性地沉积在场发射衬底(1)的预定部分上。
10.根据权利要求9的方法，其中由被栅电极层包围的发射体阴极的暴露表面部分形成场发射衬底(1)的预定部分，在栅控场发射显示器中是这种情况。
11.根据权利要求1的方法，进一步包含将粘性材料层涂敷到所述场发射电极衬底(1)的表面，其目的为改善所述发射体颗粒(2)与所述场发射电极衬底(1)之间的粘附。
12.使用根据权利要求1至11中任意一个的方法制造的场发射电极。
13.包含使用根据权利要求1至11中任意一个的方法制造的场发射电极的场发射显示器。
14.包含使用根据权利要求1至11中任意一个的方法制造的场发射电极的场发射光源。
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