CN1790588A - 一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，包括：1]在后基板上制作阴极、栅极和布线电极；2]在阴极上制作碳纳米管阵列；3]在前基板上制作荧光屏和阳极；4]制作隔离子并将其放置在前基板和后基板间；5]封装显示器。本发明的制作方法将平面型的发射结构和碳纳米管的强发射特性有机地结合起来，在处于同一平面上的阴极和栅极之间设置碳纳米管阵列，解决了背景技术中栅极制作难度大、电子传输效率低以及成本高的技术问题，具有电子传输比高(理论计算可以达到40％，实验结果为29.3％)；工艺过程简化；成本低；应用范围宽；发射稳定可靠；调节方便的优点。

Description

一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种平面型显示器的制作方法，尤其涉及一种场发射平面型显示器的制作方法。

背景技术

场发射显示器(Field Emission Display-FED)被认为是CRT的最好继承者，兼有CRT和LCD的优点，即：(1)冷阴极发射；(2)低的工作电压、低功耗；(3)自发光和高亮度；(4)宽视角(170°)；(5)高响应速度(微秒级)；(6)很宽的环境温度变化范围；(7)无图像扭曲；(8)不受地磁场以及其它周围磁场的影响。因此FED被认为是最理想的平板显示器件，是二十一世纪要发展的最重要的显示器之一，具有广阔的市场和很好的应用前景。FED的最大优点就是它是一种高亮度、低耗能的显示器，正是由于以上原因，医疗器材及飞行仪表上指定要这种高价位的FED。FED的技术现状是：亮度：150cd/m²；对比度：100∶1；彩色：2⁶色；帧频：＞60Hz；分辨率：100dpi；视角：水平±80°，垂直±80°；尺寸：7.6～33cm。从目前场发射显示器的研究进展来看，具有代表性的是日本Canon公司设计的表面导电型(Surface conduction electron emission)。这种表面导电型场发射显示器结构简单，适合做成大面积显示器。其发射体采用低功函数材料如PdO。但根据Canon公司报道的技术资料，其电子发射的传输效率只有1％左右，到2003年底，传输效率低的问题仍然是该显示器的瓶颈所在；特别是赋能成型(Energizing Forming Process)过程存在许多不确定的因素(如狭缝的走向、位置、宽窄都不能很好地确定)，赋能成型后的后续工作复杂(如存在激活过程耗时长、均匀性欠佳、还要进行非发射区电阻的还原作用等)。另外还有PixTech公司推出的Spindt型场发射显示器，采用三电极结构，发射材料用金属和硅等，但这种结构对光刻技术要求很高，一般要求在直径为1mm圆面积内，做成5000个尖锥阵列，尖锥的曲率半径为50nm，这会大大降低成品率，难以实现显示的大面积化，尤其是由于制造工艺上的问题，可能使发射尖的高低、曲率半径不同，这样在加上相同的阴、栅、阳极电压时，发射尖附近的局部场强相差较大，造成发射电流不均匀，最终导致屏上亮度不均匀，且由于发射尖易受污染，最终导致发射性能不稳定，使用寿命短。虽然可以通过在阴极布线上镀一层非晶硅或者将每个发射体做成一个N沟道增强型场效应管从而起到恒流的作用，但这是一种用增加制作工艺难度来换取发射稳定性的方法。SIDiamond公司研制出了采用金刚石薄膜做阴极的二极管型场发射显示器，金刚石膜具有负的电子亲和势、良好的化学稳定性、高硬度、高抗离子侵蚀能力，不像金属微尖发射阴极，容易吸附杂质而导致功函数增加，使得在使用之前必须在高真空条件下加热使金属解吸附。纳米级微晶金刚石以及N型掺杂多晶金刚石膜的发射能力更强，发射域值场强小于20V/μm时，就可以获得10μA的发射电流，另一方面，金刚石冷阴极甚至可以采用膜结构，使得低成本大批量生产大屏幕的平板显示器成为可能。但有一点值得注意：纯净的金刚石虽然具有负的电子亲和势和较小的功函数，但由于纯净的金刚石晶体具有较大的禁带宽度(～5.5eV)，导带中几乎没有电子，因而不是理想的发射阴极，在场强达到200～1000V/μm才有较强的电子发射。但采用掺杂、形成缺陷能级、进行表面处理以及生长类金刚石膜，可以降低金刚石的有效功函数。但金刚石场发射阴极发射不均匀，使得成像质量变坏，当采用三极管显示结构时，栅极的制作往往变得困难重重。而将碳纳米管用做场发射显示器的，大多数都采用二电极结构，这种二电极结构要求驱动电压比较高，且一般都用低压荧光粉，而低压荧光粉的研制现阶段还不成熟。将栅极做在阴极下面的结构同样存在驱动电压高(100～300V)的问题。目前韩国的三星公司和美国的摩托罗拉公司研制的基于碳纳米管场发射显示器都存在栅极制作难度大、成本高的缺点。

发明内容

本发明目的是提供一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其解决了背景技术中栅极制作难度大、电子传输效率低以及成本高的技术问题。

本发明的第一种技术方案是：

一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，该制作方法如下：

1]在后基板102上制作阴极101、栅极103和布线电极；

2]在阴极101上制作碳纳米管阵列104；

3]在前基板106上制作荧光粉层205和阳极105；

4]制作隔离子112并将其放置在前基板106和后基板102间；

5]封装显示器。

上述制作方法的一种具体方法如下：

1]取后基板102；

2]在后基板102上镀金属膜；

3]刻蚀金属膜形成阴极101、栅极103和布线电极；

4]配制碳纳米管浆料；

5]在阴极101和栅极103之间填充碳纳米管浆料；

6]对阴极101和栅极103间的碳纳米管浆料固化并刻蚀形成沟槽207；

7]在前基板106上印制红荧光粉108、绿荧光粉109、蓝荧光粉110和黑色氧化铜隔色条107；

8]在荧光粉层205上镀一层导电金属膜206；

9]取陶瓷片；

10]将陶瓷片切割成长方体形长条形成隔离子112；

11]在隔离子112的上下两侧或一侧镀金属膜111或粘接金属丝113；

12]用热压法、热声法或超声法将隔离子112固定在前基板106和后基板102间；

13]封装显示器。

上述制作方法的另一种具体方法如下：

1]取后基板102；

2]在后基板102上制作玻璃沟槽；

3]在后基板102上镀金属膜；

4]刻蚀金属膜形成阴极101、栅极103和布线电极；

5]配制碳纳米管浆料；

6]在阴极101和栅极103之间填充碳纳米管浆料；

7]对阴极101和栅极103间及玻璃沟槽中的碳纳米管浆料固化并刻蚀形成沟槽207；

8]在前基板106上印制红荧光粉108、绿荧光粉109、蓝荧光粉110和黑色氧化铜隔色条107；

9]在荧光粉层205上镀一层导电金属膜206；

10]取陶瓷片；

11]将陶瓷片切割成长方体形长条形成隔离子112；

12]在隔离子112的上下两侧或一侧镀金属膜111或粘接金属丝113；

13]用热压法、热声法或超声法将隔离子112固定在前基板106和后基板102间；

14]封装显示器。

上述制作方法的第三种具体方法如下：

1]取后基板102；

2]在后基板102上镀金属膜；

3]刻蚀金属膜形成阴极101、栅极103和布线电极；

4]在阴极101和栅极103之间采用直接生长法排列碳纳米管；

5]在前基板106上印制红荧光粉108、绿荧光粉109、蓝荧光粉110和黑色氧化铜隔色条107；

6]在荧光粉层205上镀一层导电金属膜206；

7]取陶瓷片；

8]将陶瓷片切割成长方体形长条形成隔离子112；

9]在隔离子112的上下两侧或一侧镀金属膜111或粘接金属丝113；

10]用热压法、热声法或超声法将隔离子112固定在前基板106和后基板102间；

111]封装显示器。

上述制作方法的第四种具体方法如下：

1]取后基板102；

2]在后基板102上制作玻璃沟槽；

3]在后基板102上镀金属膜；

4]刻蚀金属膜形成阴极101、栅极103和布线电极；

5]在阴极101和栅极103之间及玻璃沟槽两侧采用直接生长法排列碳纳米管；

6]在前基板106上印制红荧光粉108、绿荧光粉109、蓝荧光粉110和黑色氧化铜隔色条107；

7]在荧光粉表面镀一层金属膜；

8]取陶瓷片；

9]将陶瓷片切割成长方体形长条形成隔离子112；

10]在隔离子112的上下两侧或一侧镀金属膜111或粘接金属丝113；

11]用热压法、热声法或超声法将隔离子112固定在前基板106和后基板102间；

12]封装显示器。

本发明的第二种技术方案是：

一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，该制作方法如下：

1]取后基板102；

2]配制碳纳米管浆料；

3]在后基板102上用碳纳米管浆料制作阴极101、栅极103和布线电极；

4]在前基板106上制作荧光屏层205和阳极105；

5]制作隔离子112并将其放置在前基板106和后基板102间；

6]封装显示器。

上述制作方法的具体方法如下：

1]取后基板102；

2]配制碳纳米管浆料；

3]在后基板102上用碳纳米管浆料制作阴极101、栅极103和布线电极；

4]在前基板106上印制红荧光粉108、绿荧光粉109、蓝荧光粉110和黑色氧化铜隔色条107；

5]在荧光粉层205上镀一层导电金属膜206；

6]取陶瓷片；

7]将陶瓷片切割成长方体形长条形成隔离子112；

8]在隔离子112的上下两侧或一侧镀金属膜111或粘接金属丝113；

9]用热压法、热声法或超声法将隔离子112固定在前基板106和后基板102间；

10]封装显示器。

本发明的第三种技术方案是：

一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，该制作方法如下：

1]取后基板102；

2]在后基板102上制作玻璃沟槽；

3]配制碳纳米管浆料；

4]在后基板102上镀金属膜并刻蚀制作阴极101、栅极103和布线电极；

5]在玻璃沟槽中印制碳纳米管浆料，固化后刻蚀形成沟槽207；

6]在前基板106上制作荧光粉层205和阳极105；

7]制作隔离子112并将其放置在前基板106和后基板102间；

8]封装显示器。

上述制作方法的具体方法如下：

1]取后基板102；

2]在后基板102上制作玻璃沟槽；

3]配制碳纳米管浆料；

4]在后基板102上用碳纳米管浆料制作阴极101、栅极103和布线电极，对玻璃沟槽中固化的碳纳米管浆料刻蚀形成沟槽207；

5]在前基板106上印制红荧光粉108、绿荧光粉109、蓝荧光粉110和黑色氧化铜隔色条107；

6]在荧光粉层205上镀一层导电金属膜206；

7]取陶瓷片；

8]将陶瓷片切割成长方体形长条形成隔离子112；

9]在隔离子112的上下两侧或一侧镀金属膜111或粘接金属丝113；

10]用热压法、热声法或超声法将隔离子112固定在前基板106和后基板102间；

11]封装显示器。

上述三种技术方案中配制碳纳米管浆料的方法如下：

1]制备碳纳米管；

2]对碳纳米管进行分离；

3]在碳纳米管中加入环氧树脂、固化剂、纳米级金属粉和有机溶剂，形成碳纳米管浆料。

上述三种技术方案中在阴极101和栅极103之间填充碳纳米管浆料的方法是采用丝网印刷工艺或采用精确定位智能喷头进行定点填充；在后基板102上用碳纳米管浆料制作阴极101、栅极103和布线电极的方法是采用丝网印刷工艺；对固化的碳纳米管浆料刻蚀形成沟槽207的方法是采用激光打标机进行刻蚀。

本发明的优点是：

1、电子传输比大大提高。本发明和Canon公司的场发射平板显示器方案相比，可以进一步提高了电子传输比(到达阳极的电子数与阴极发射电子数之比)，根据Canon公司的资料，其传输比只有不到1％[3]，提高电子传输比是Canon公司表面导电型显示器要攻克的核心技术之一。本专利中电子的传输比很容易超过这个值，理论计算可以达到40％(与碳纳米管的倾斜角有关系)，而实验结果为29.3％。在丝网印制过程中，浆料和网板之间的相互粘接作用，在丝网向上提拉的过程中，网板对碳纳米管有向上提拉的作用，使一部分碳纳米管和阴极基底之间形成一定的倾角，这部分碳纳米管对提高电子传输比的贡献很大。这也是我们实验中得到电子传输比高出Canon公司实验结果30多倍的原因。

2、工艺过程简化。本发明的制作方法跟Spindt型场发射显示结构相比，其工艺过程得到了很大的简化，它将平面型的发射结构和碳纳米管的强发射特性有机地结合起来。而且本发明避开了低压荧光粉研制的难题，采用成熟技术的高压荧光粉，使得工艺过程更加简单。

3、成本降低。碳纳米管本身尖端(无论是开口或是封闭的)具有小的曲率半径，使得场发射的几何增强因子很高，而纳米级几何尺寸的量子限制效应又使其费米能级附近出现局部量子能级，使得单位尖端表面可以容纳更多的电子，这对局部场也有增强作用，对于顶端开口的碳纳米管，这种量子效应表现的更突出，因为相同长度和底面半径的开口和闭口碳纳米管，位于相同强度的宏观感应电场中，在距离顶端一个底面半径的范围内，开口管的感应电荷密度要比闭口管感应电荷密度大，因而其尖端形成的局部场强就强。而在距离顶端一个底面半径以下，二者的感应电荷密度相当。另一方面由于沟槽两壁(阴、栅电极)上都分布有碳纳米管阵列，对电场有双重增强作用，这三方面的场增强因素可以让驱动电压降低，从而降低了驱动电路的成本。

4、应用范围宽。如果采用丝网印制技术，有望制作超过40英寸大面积场发射阵列。

5、发射稳定可靠。本发明碳纳米管本身的尖端和现有技术的金属发射尖相比，其抗污染和抗离子轰击的能力较强，因而发射稳定，寿命长，对真空度要求不是很高。和金刚石膜发射体相比，其发射的均匀性又有较大的提高。

6、调节方便。通过改变碳纳米管阵列的整体取向，可以使碳纳米管尖端突出布线电极平面，很容易达到场发射显示器的高亮度要求。而且对传输比可以进行调整：一种是通过调整栅极和阳极电压来调整(当然要受驱动电路所能承受电压的限制)，一种是在玻璃基底上刻蚀沟槽的时候，将其刻成梯形或矩形，使碳纳米管阵列的总体取向与基底表面的夹角发生变化，也可以在用电泳法生成碳纳米管阵列的时候通过加辅助电极的办法改变碳纳米管阵列的总体取向而达到调整传输比的目的，也可以通过改变阴极和栅极之间的高度差来调整发射电子的传输比。

附图图面说明

图1是本发明包括三个亚像元的像元结构示意图；

图2是本发明的总体结构示意图；

图3是本发明碳纳米管浆料表面碳纳米管电子显微图；

图4是本发明碳纳米管浆料沟槽侧壁的碳纳米管电子显微图；

图5是本发明用激光打标机刻蚀的沟槽的三维视频显微图；

图6是本发明碳纳米管浆料上一个裂纹的示意图；

图7中a、b、c、d分别是本发明在加上相同的栅极电压而加不同的阳极电压时荧光屏的光斑分布示意图；

图8是横截面为梯形的玻璃沟槽及其上的阴极和栅极结构示意图；

图9是横截面为矩形的玻璃沟槽及其上的阴极和栅极结构示意图。

附图标号说明：101-阴极；102-后基板；103-栅极；104-碳纳米管阵列；105-导电金属膜兼阳极；106-前基板；107-黑色氧化铜隔色条；108-红荧光粉；109-绿荧光粉；110-蓝荧光粉；111-隔离子上侧的金属膜；112-隔离子；113-隔离子两侧的金属丝；114-障壁；201-X布线电极接线柱；202-阳极接线柱；203-Y布线接电极线柱；204-前基板；205-荧光粉层；206-导电金属膜；207-沟槽；208-X布线电极；209-Y布线电极。

具体实施方式

一、玻璃沟槽的制作

玻璃沟槽的是在后基板上通过物理或化学刻蚀的方法直接形成，其工艺过程包括模板的形成、匀胶、曝光、溶胶、刻蚀等过程，也可以用玻璃胶通过丝网印制技术形成，还可以用离子束通过“喷沙”的办法形成，玻璃沟槽的深度和宽度一般在几十个微米到100个微米左右，具体受工艺条件和器件空间分辨率的限制。

二、碳纳米管浆料的制备

1]碳纳米管的制备和提纯。不管是单壁或是复壁碳纳米管，其制备和提纯的技术都已经比较成熟，其中制备技术有化学气相沉淀法、电弧放电法、热丝等离子体法、激光烧蚀法等，需要指出的是，根据沟槽宽度不同，需要不同长度的碳纳米管，这可以用强氧化的办法进行剪切。碳纳米管的提纯，用强氧化剂氧化的方法来完成，先将制备好的样品进行充分研磨，用超声或碱溶液使其分散成更小的团蔟，清洗后加浓硫酸和浓硝酸，强氧化性的浓硝酸和强脱水性的浓硫酸二者发生协同作用，使无定形碳和碳纳米粒子首先氧化掉，剩下比较稳定的碳纳米管，用去离子水冲洗，并用PH试纸测试，直到其酸碱度接近7左右，过滤晾干待用。

2]碳纳米管的分散。一般多壁碳纳米管的直径为20～40nm，长度为5μm左右，很多碳纳米管往往聚集、缠结在一起，因此需要用超声的办法将其分散开。用洁净的勺子取适量碳纳米管粉末倒入玛瑙研钵中进行充分研磨，然后倒入丙酮溶液中，超声2小时以上。在超声过程中，用开口的烧杯作为超声液的容器，等半个小时后，丙酮挥发所剩无几，然后将剩余的碳纳米管和丙酮溶液用滤纸过滤，在干燥通风的环境中放置12小时以上，这种自然风干的碳纳米管不容易结块，有利于下一步分散。

3]碳纳米管浆料的合成。浆料的成分包括环氧树脂(或乙基纤维素)、固化剂、纳米级金属粉(平均粒度为20nm)、碳纳米管(直径在20～40nm)、有机溶剂。浆料中碳纳米管的均匀性最为重要，只有碳纳米管和金属粉在微观上分布均匀了，才能使得配置的浆料中碳纳米管有较好的电接触，可以保证碳纳米管尖端发射出去的电子得到源源不断地补充，才可能使得阴极电子发射均匀。浆料合成的关键是碳纳米管的均匀分散，必须保证印制形成的涂层在微观上是导电的，即相邻碳纳米管在微观上最好能形成搭桥以保证良好的导电性。涂层导电性能的强弱反映了碳纳米管分散的均匀性。为此，我们将步骤2]中准备好的碳纳米管以及合成浆料的各组分混合形成稀释溶液，在室温下超声半个小时以后将水温加热到沸点，在继续超声的情况下用水浴法蒸发过多的有机溶剂，使得合成的浆料粘稠度适合丝网印刷工艺。将合成的浆料置于棕色瓶中密封保存。

三、栅极和阴极的形成：

在玻璃沟槽上直接蒸镀或印制一层导电金属膜，厚度为0.5微米到几十微米，材料可以是铬、铂、金、铜等常用的导电金属，成膜后，刻蚀形成阴、栅电极和布线电极，布线电极在X和Y方向上互相垂直分布，如图2中的208、209所示，布线电极和阴、栅电极不能一次形成，比如先形成X方向的布线电极，然后在与Y电极相交处用掩膜形成一层二氧化硅等绝缘层，最后形成Y布线电极，从而使X和Y方向的布线电极保持电隔离。最后用酒精和去离子水对其进行彻底地清洗。如果不用玻璃沟槽，阴极和栅极要做的厚一点，保证它们之间的沟槽有一定的深度可以沉积足够的碳纳米管。另外，如果隔离子与布线电极接触的一端带有金属丝和金属膜，那么还须在布线电极上相应位置沉积一层绝缘物质，以免使布线电极相互短路。

四、碳纳米管阵列的形成：

除了用直接生长法，要做到用后处理的办法使碳纳米管整整齐齐地排列在沟槽两侧是比较困难的，不过，由于碳纳米管数量很大，只要其中的一部分定向排列就可以提供足够的电子数满足图像显示。

1]激光打标机刻蚀方法。将配置好的碳纳米管浆料用丝网印刷技术印制，阴极和栅极之间的沟槽用激光打标机刻蚀形成，为了保证印制图案的质量，将网板水平落下，用刮板取适量的浆料滴在网孔中央，保持刮板和网面成30°角进行印制，刮板用力和移动的速度要平稳，更不能在印制过程中移动丝网，丝网要水平落下和去掉，尤其是当丝网上粘有浆料的时候，这样可以防止在不该印制的地方粘上浆料。将样片置于马福炉内加热，使银浆固化。关掉马福炉电源，等温度进一步降低到室温时取出玻璃样片，置于洁净的玻璃皿中保存。因为银浆一方面对碳纳米管有固定作用，另一方面使碳纳米管上发射的电子源源不断地得到补充。利用碳纳米管和银浆汽化温度不同，用热蚀法在银浆上刻蚀出沟槽，仔细调节激光打标机的能量和扫描速度，既要保证能够刻蚀下银浆，使阴极和栅极之间形成电绝缘，又要保证在沟槽边缘留下碳纳米管。

2]直接生长法。采用新的催化剂FeZrN和用微波等离子体场增强化学气相沉积法(MPECVD)可以将生长碳纳米管的温度降低到500℃以下，甚至300℃，这样，就可以在碱石灰玻璃(lime glass)基底上直接生长碳纳米管而不用担心玻璃熔化，在生长碳纳米管之前必须先用光刻、印制等办法制做好布线电极以及阴极和栅极之间的沟槽，如果布线电极是过渡金属，可以直接在沟槽两侧生长碳纳米管，否则需要用掩膜等办法在沟槽中滴适量过渡金属的有机溶液，作为生长碳纳米管的催化剂前驱物，在整个电极平面上用涂胶，曝光、溶胶的办法只让沟槽壁一侧或两侧暴露出来，尤其是不能暴露沟槽底部，然后在暴露部分滴适量过渡金属的有机溶液，加热分解生成金属氧化物，光刻胶可以用加热的办法气化，也可以用相应的溶剂溶解掉，用氢等离子气体还原金属氧化物，使其还原成纳米级金属颗粒作为碳纳米管生长的催化剂。其实也可以在整个电极布线部分喷洒有机金属溶液，不用精确对准，只不过位于光刻胶上的金属氧化物颗粒会随光刻胶的溶解而随之溶于溶剂中，只有沟槽壁上的金属催化剂颗粒固化到沟槽壁上，这时可以用现有的化学气相沉淀法在沟槽壁上有金属催化剂颗粒的地方生长碳纳米管，为了实现碳纳米管的取向生长必须同时在阴、栅电极间加较强的电场，这是因为，虽然实际能达到的场强并不能保证碳纳米管在生长过程中是开口的决定性因素，但电场的存在能对碳纳米管的生长具有导向作用，使得碳纳米管能沿电场方向生长，从而实现碳纳米管的有序排列。同样，对于个别较长而在阴、栅极间形成“搭桥”的碳纳米管，可以通过在阴、栅极间加上脉冲电压，将其“熔断”，修剪成长度一致的碳纳米管阵列，如果电极布线是过渡金属，生长碳纳米管的过程中，在电极布线上也会有碳纳米管形成，不过这部分碳纳米管不会形成电子发射，和沟槽边缘上的碳纳米管相比，这部分碳纳米管的尖端离栅极比较远，碳纳米管尖端的强电场主要是由栅极电压提供而不是阳极电压。

3]光刻法。将碳纳米管、纳米金属粉和感光材料混合在一起，用丝网印制技术印制在阴极和栅极的沟槽中间，然后平行于阴、栅极沟槽光刻出更小的沟槽，曝光部分的碳纳米管和纳米金属粉跟随被溶解掉的感光胶一起到达溶剂中，对于部分残余的碳管和纳米金属粉可以用加电脉冲的办法熔解掉。

4]电泳法。用超声将提纯后的碳纳米管均匀地分散于去离子水或异丙醇溶剂中形成悬浮液，再加入适量的La(NO₃)₃或Mg(NO₃)₃·6H₂O溶液对碳纳米管进行修饰，然后分别将连接栅极的布线电极和连接阴极的布线电极连接起来，分别加适当的交流电压或直流电压，对于交流电，碳纳米管的取向与交流电的变化频率有关，频率越高，排列越不整齐。如果要对碳纳米管阵列的整体取向进行调整，则需要再加一个辅助电极，辅助电极、阴极和栅极电压在沟槽壁上形成的电场方向就是要排列的碳纳米管阵列的整体取向。为了能够得到较高的电泳速度，必须在电极界面上供应充足的电泳电压，保持较大的电位梯度，修饰液的含量要适当，若不足，电泳液电阻过大，无法形成电泳电流，不出现碳纳米管的沉积排列，若过量，则电位梯度过于平坦，也没有电泳现象产生。当各个电极上加电压后，表面带有电荷的碳纳米管在超声和电场的共同作用下向栅极和阴极迁移，释放或得到电荷后沉积在电极上形成整齐排列的碳纳米管阵列。碳纳米管和电极间的粘结是靠范德华力来维系的。等碳纳米管阵列排列好以后，取出玻璃基板，用去离子水进行充分地清洗，然后放在干燥洁净的环境中晾干，甚至用氢等离子气体处理，使碳纳米管表面的金属离子以及电负性吸附原子得到彻底的清除，这些吸附物可能严重影响碳纳米管的发射特性。为了防止在布线电极阵列上沉积碳纳米管，对于有辅助电极存在的情况下，可以采用事先加辅助模板(如有机膜)的方法遮住布线电极，让碳纳米管只在沟槽壁上沉积。等碳纳米管排列好以后，将有机膜溶解掉或者用氢等离子气体清洗掉，但对于不加辅助电极的情况下，由于沟槽内的场强要远远大于布线电极其它位置边缘上电场强度，所以一般不会在这些地方沉积碳纳米管。另外可以采用智能喷头(类似于数控机床可以精确定位喷头的位置)将含有碳纳米管的电泳液喷到每一个沟槽中，就不用担心碳纳米管会在沟槽外沉积。对于个别较长而在阴、栅极间形成“搭桥”的碳纳米管，可以通过在阴、栅极间加上脉冲电压，将其“熔断”，修剪成长度一致的碳纳米管阵列。

五、荧光屏和阳极的制作：

荧光屏的制作工艺已经很成熟，而且所用荧光粉也是传统的P20荧光粉。像素(包含红、绿、蓝三个亚像素)与像素之间也可以用丝网印制技术印制突起的玻璃条，我们称为障壁，宽度要比亚像素之间的距离要宽，红、绿、蓝荧光粉条之间印制黑色的氧化铜隔色条，隔离子就是垂直支撑在氧化铜隔色条或障壁上，避免串色。需要特别说明的是荧光粉表面要镀一层很薄的铝膜(100nm左右)，可以作为显示器的阳极，另一方面它可以防止荧光粉尘在电子的轰击下散落而污染碳纳米管发射尖，其次可以使背散射光子向前反射以增强显示亮度。为了防止荧光粉聚团，在制作的时候需要加入一定量的分散剂Sr(NO₃)₂，为了使粉层和基底具有一定的粘结力，在制作时还需要加入一定量的K₂OmSiO₂。

六、隔离子的加工和放置：

隔离子看起来是一项十分简单，实施起来却是十分复杂的问题，材料的选取应遵守在真空中不出气或少出气以避免破坏高真空或引起破坏性电弧，还要能经受杂散电子的轰击而不会被击穿、退化或产生二次电子。同时还不能在图像中留***影或阻挡电子发射而损害图像的质量，必须有足够的机械强度，陶瓷是一种比较理想的材料，通常用激光切割技术将陶瓷片切割成长方体形长条，其高度要尽可能做的均匀一致，否则因各隔离子上承受的力不均匀而导致较高的隔离子碎裂，为了防止隔离子碎裂，一般在隔离子加工好以后，将其并置，在其上、下表面的一侧、最好是两侧分别镀一层熔点低、延展性好的金属膜(如铝、金等)，同时在放置隔离子的时候，在上下两侧或一侧要粘接金属丝(同样应该具有低熔点、延展性好的特点)，这样做的好处是：一方面镀膜和金属丝可以作为将隔离子固定在前后板间的粘合剂，另一方面，当隔离子因某种原因发生形变的时候，使得这种形变能处于金属丝和金属膜的弹性变化范围内而不会导致隔离子碎裂。将隔离子固定在前后基板像素间隙之间的方法有热压法、热声法和超声法等，热压、热声法的工作温度不能超过500℃，否则会造成电极布线、阳极以及阴极发射尖氧化，必须在真空或惰性气体环境中进行操作。如果隔离子上下两端都具有金属丝和金属膜，那么在后基板上相应的电极布线上要制作一层绝缘物质。

本发明原理：

本发明所制造的基于碳纳米管场发射的三电极平面型显示器，阳极V_a一般加3kV～6kV的高压，阴极一般接地，栅极V_g为10～100V的驱动电压，该驱动电压受视频信号调制以实现图像不同灰度等级显示，由于电子束到达阳极的电子与栅极电压有关，为了防止图像晃动，最好通过改变栅极电压点亮的时间长短来实现不同图像灰度等级的显示。图1是一个像元(包括三个亚像元)的结构示意图，其中101为阴极，102为后基板，103为栅极，104为定向排列整齐的碳纳米管阵列，105为铝反射膜兼阳极的作用，106为前基板，107为黑色氧化铜隔色条，108、109、110分别为红、绿、蓝荧光粉，后基板102和前基板106以及封装组件可以为阴极电子的稳定发射提供一个10^-3～10^-5Pa的真空环境。其工作原理为：在驱动电压V_g的作用下，阴极碳纳米管尖端产生强电场，碳纳米管尖端的电子通过势垒贯穿飞出碳纳米管尖端表面，这样一部分电子在阳极高压的作用下，飞向阳极穿过铝膜，分别轰击红、绿、蓝三个基色荧光粉，产生不同波长的光子，实现彩色信号的显示，背散射的光子经铝反射膜反射后向前传播，以增强彩色信号的强度。而另一部分电子到达栅极形成传导电流。图2为这种显示器的总体结构原理图，当X电极某一行和Y电极某一列分别加寻址信号(通常为一负脉冲)和数据信号(正脉冲)时，则有一发射单元被选中而发射电子，同时相应的像元被点亮。图3和图4分别为碳纳米管浆料表面和沟槽侧壁的碳纳米管电子显微图。图5是用激光打标机刻蚀的一个沟槽三维视频显微图。图6是我们配制浆料上的一个裂纹，两侧壁分布有碳纳米管，对碳纳米管尖端的局部电场有“双层场增强效应”，使得碳纳米管尖端的局部电场强度更强。有利于降低栅极驱动电压。正是这些突出来的碳纳米管将提供显示器用的场发射电子。图7中a、b、c、d分别是在加上相同的栅极电压而加不同的阳极电压时荧光屏的发光情况：保持阴极和阳极之间的距离为1.06mm，阴极和栅极之间的距离为0.19mm，真空度为5.3×10^-5Pa，阴极和栅极以及沟槽的结构图如图5所示：阴极接地，阳极电压保持为0时，当栅极电压增大到380V时，阴极和栅极之间的传导电流为1.1μA，此时，保持栅极电压不变，逐渐给阳极加电压，当阳极电压增大到2800V时，到达阳极的发射电流为0.22μA，同时屏幕上出现一列细小的光斑，这一列光斑就是沟槽边沿碳纳米管上发射出来的电子轰击荧光屏所致。当阳极电压进一步增大到3000V时，发射电流增大到0.33μA，光斑的分布情况如图7所示，这些光斑中，除了最上面的一个光斑外，其余光斑都位于和沟槽对应的一条直线上，很显然是位于沟槽边缘碳纳米管发射出来的电子轰击荧光屏所致。而最上面的一个光斑是由于表面突出的碳纳米管发射出来的电子所致。为了验证这一点，将栅极电压缓慢降低到0，就会发现沿沟槽方向分布的光斑全部消失，只剩下最上面的一个光斑，此时的发射电流为10nA，这样计算得到图7c的电子传输比为：

     η＝(0.33(总发射电流)-0.01(面发射电流))/1.1μA＝29.1％

和Canon公司不到1％的传输比相比，电子传输比得到大幅度地提高，可见随着阳极电压的增大，到达阳极上的电子增多，电子传输比也随着提高。对于大屏幕显示器来说，由于器件内部抽成真空，前后板之间将承受很大的大气压力，必须在前后板之间相隔一定距离搁置支撑体——隔离子，这里采用条状陶瓷隔离子，一方面可以使隔离子隐藏于相邻像素之间，另一方面，由于发射出来的电子在栅极电压作用下有一定的偏转，这样电子的偏转方向和隔离子平行，不会造成隔离子上电荷的积累而影响电子的发射。总之，材料的选取应遵守在真空中不出气或少出气以避免破坏高真空或引起破坏性电弧，还要能经受杂散电子的轰击而不会被击穿、退化或产生二次电子。

Claims (10)

1、一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：该制作方法如下：

1]在后基板(102)上制作阴极(101)、栅极(103)和布线电极；

2]在阴极(101)上制作碳纳米管阵列(104)；

3]在前基板(106)上制作荧光粉层(205)和阳极(105)；

4]制作隔离子(112)并将其放置在前基板(106)和后基板(102)间；

5]封装显示器。

2、根据权利要求1所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：

所述在后基板(102)上制作阴极(101)、栅极(103)和布线电极的方法如下：

1]取后基板(102)；

2]在后基板(102)上镀金属膜；

3]刻蚀金属膜形成阴极(101)、栅极(103)和布线电极；

所述在阴极(101)上制作碳纳米管阵列的方法如下：

1]配制碳纳米管浆料；

2]在阴极(101)和栅极(103)之间填充碳纳米管浆料；

3]对阴极(101)和栅极(103)间的碳纳米管浆料固化并刻蚀形成沟槽207。

3、根据权利要求1所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：

所述在后基板(102)上制作阴极(101)、栅极(103)和布线电极的方法如下：

1]取后基板(102)；

2]在后基板(102)上制作玻璃沟槽；

3]在后基板(102)上镀金属膜；

4]刻蚀金属膜形成阴极(101)、栅极(103)和布线电极；

所述在阴极(101)上制作碳纳米管阵列(104)的方法如下：

1]配制碳纳米管浆料；

2]在阴极(101)和栅极(103)之间填充碳纳米管浆料；

3]对阴极(101)和栅极(103)间及玻璃沟槽中的碳纳米管浆料固化并刻蚀形成沟槽(207)。

4、根据权利要求1所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：

所述在后基板(102)上制作阴极(101)、栅极(103)和布线电极的方法如下：

1]取后基板(102)；

2]在后基板(102)上镀金属膜；

3]刻蚀金属膜形成阴极(101)、栅极(103)和布线电极；

所述在阴极(101)上制作碳纳米管阵列(104)的方法如下：

在阴极(101)和栅极(103)之间采用直接生长法排列碳纳米管。

5、根据权利要求1所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：

所述在后基板(102)上制作阴极(101)、栅极(103)和布线电极的方法如下：

1]取后基板(102)；

2]在后基板(102)上制作玻璃沟槽；

3]在后基板(102)上镀金属膜；

4]刻蚀金属膜形成阴极(101)、栅极(103)和布线电极；

所述在阴极(101)上制作碳纳米管阵列(104)的方法如下：

在阴极(101)和栅极(103)之间及玻璃沟槽两侧采用直接生长法排列碳纳米管。

6、一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：该制作方法如下：

1]取后基板(102)；

2]配制碳纳米管浆料；

3]在后基板(101)上用碳纳米管浆料制作阴极(101)、栅极(103)和布线电极；

4]在前基板(106)上制作荧光粉层(205)和导电金属膜(206)；

5]制作隔离子(112)并将其放置在前基板(106)和后基板(102)间；

6]封装显示器。

7、一种基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1]取后基板(102)；

2]在后基板(102)上制作玻璃沟槽；

3]配制碳纳米管浆料；

4]在后基板(102)上用碳纳米管浆料制作阴极(101)、栅极(103)和布线电极，对玻璃沟槽中固化的碳纳米管浆料刻蚀形成沟槽(207)；

5]在前基板(106)上制作荧光粉层(205)和导电金属膜(206)；

6]制作隔离子(112)并将其放置在前基板(106)和后基板(102)间；

7]封装显示器。

8、根据权利要求2至7之任一权利要求所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：

所述配制碳纳米管浆料的方法如下：

1]制备碳纳米管；

2]对碳纳米管进行分离；

3]在碳纳米管中加入环氧树脂、固化剂、纳米级金属粉和有机溶剂，形成碳纳米管浆料。

9、根据权利要求2至7之任一权利要求所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：

所述在阴极(101)和栅极(103)之间填充碳纳米管浆料的方法是采用丝网印刷工艺或采用精确定位智能喷头进行定点填充；所述在后基板(102)上用碳纳米管浆料制作阴极(101)、栅极(103)和布线电极的方法是采用丝网印刷工艺；所述对固化的碳纳米管浆料刻蚀形成沟槽(207)的方法是采用激光打标机进行刻蚀。

10、根据权利要求1至7之任一权利要求所述的基于碳纳米管场发射阵列的三电极平面型显示器的制作方法，其特征在于：

所述在前基板(106)上制作荧光粉层(205)和阳极(105)的方法如下：

1]在前基板(106)上印制红荧光粉(108)、绿荧光粉(109)、蓝荧光粉(110)和黑色氧化铜隔色条(107)；

2]在荧光粉层(205)镀一层导电金属膜(206)；

所述制作隔离子(112)并将其放置在前基板(106)和后基板(102)间的方法如下：

1]取陶瓷片；

2]将陶瓷片切割成长方体形长条形成隔离子(112)；

3]在隔离子(112)的上下两侧或一侧镀金属膜(111)或粘接金属丝(113)；

4]用热压法、热声法或超声法将隔离子(112)固定在前基板(106)和后基板(102)间。

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