TW202229164A - 形成場發射陰極方法 - Google Patents
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Abstract
一種製作場發射陰極的方法，該場發射陰極包含具有與其接合的場發射層的基板，其中場發射層包含複數個經純化之碳奈米管。碳奈米管經由石墨化或退火製程被純化。
Description
本申請關於製作場發射陰極裝置的方法，且更具體地說，關於形成併入經改良之發射特性的碳奈米管的場發射陰極及實施此等陰極的場發射陰極裝置的方法。
一般而言，場發射陰極裝置包含陰極基板（通常由金屬或其他導電材料（諸如，合金、導電玻璃、金屬化陶瓷、摻雜矽）組成）、一層被安置於基板上的場發射材料（比如，奈米管、奈米線、石墨烯）；及如果必要，被安置於基板與場發射材料之間的附著性材料的附加層。舉例而言，場發射陰極裝置的一些典型應用包含在真空環境、場發射顯示器及X射線管中能操作的電子裝置。
碳奈米管可被用於場發射陰極的製作中。然而，發射特性（諸如，發射子（emitter）密度、發射電流、及發射子使用壽命）不僅可受碳奈米管的純度約束，而且可受碳奈米管在場發射裝置的生產中的一或多個製作步驟中易損傷度的約束。舉例而言，在將碳奈米管沉積於陰極的表面上的製程期間，碳奈米管內的雜質很大程度上影響發射子的均勻性，且減小發射子的導電率，這導致使用此等陰極的裝置的低發射子密度、低發射電流、及縮短的使用壽命。
由此，存在對提供較高品質或較高純度的碳奈米管、在具良好均勻性的基板上提供高密度電子場發射子、及提供在形成場發射裝置的生產製程的後續步驟中抗損傷或較不易損傷的場發射陰極的製程的需要。
上述及其他需要藉由本揭露的態樣滿足，本揭露的態樣包含而不限於下面的實例性實施方式，且在一個特定態樣中，一種形成場發射陰極裝置的方法。該方法包含提供經組態以接納場發射材料的基板及將場發射材料沉積於基板上。場發射材料包括複數個經純化之碳奈米管，其中經純化之碳奈米管是經由石墨化或退火製程獲得的。
另一個實例性態樣提供另一種形成場發射陰極的方法。該方法包含經由石墨化製程純化複數個碳奈米管，以獲得複數個經純化之碳奈米管及使包括複數個經純化之碳奈米管的場發射材料沉積於基板上，以形成陰極。
又另一個實例性態樣提供一種形成場發射陰極的附加方法。該方法包含使複數個碳奈米管沉積於基板上，以形成陰極；及使陰極暴露於石墨化製程中，以純化複數個碳奈米管。複數個碳奈米管被併入場發射材料中，該場發射材料為使碳奈米管沉積於基板上的介質。
再另一個實例性態樣提供一種場發射陰極裝置，其中陰極是依據前述態樣中任一態樣形成的，以獲得具有較高發射子密度、較高發射電流、及較長發射使用壽命的陰極裝置。
由此，本揭露包含而不限於下面的實例性實施方式：
實例性實施方式 1 ：一種形成場發射陰極的方法，包括：使場發射材料沉積於基板上，場發射材料包括複數個經純化之碳奈米管，其中經純化之碳奈米管是經由石墨化製程獲得的。
實例性實施方式 2 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，其中石墨化製程包括使複數個碳奈米管在真空下暴露於至少1500⁰C的溫度中預定時間長度來純化複數個碳奈米管。
實例性實施方式 3 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，其中暴露複數個碳奈米管包括使複數個碳奈米管暴露於1500⁰C與3000⁰C之間的溫度中。
實例性實施方式 4 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，其中在複數個碳奈米管暴露於該溫度中期間，暴露複數個碳奈米管包括使複數個碳奈米管暴露於約1 x 10
-3托至約1 x 10
-8托的真空中。
實例性實施方式 5 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，其中暴露複數個碳奈米管包括使複數個碳奈米管在真空下暴露於該溫度中，而且該預定時間長度在約12小時至約72小時的範圍。
實例性實施方式 6 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，包括藉由化學氣相沉積製程、雷射剝蝕製程、或電弧放電製程來形成複數個碳奈米管。
實例性實施方式 7 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，其中沉積場發射材料包括將場發射材料沉積於包括金屬、合金、玻璃、或陶瓷的基板上。
實例性實施方式 8 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，其中沉積包括複數個經純化之碳奈米管的場發射材料包括經由噴塗、噴墨印刷、網版印刷、浸漬塗佈、電泳或其組合將場發射材料沉積於基板上。
實例性實施方式 9 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，進一步包括使陰極暴露於後沉積製程中。
實例性實施方式 10 ：一種形成場發射陰極的方法，包括：經由石墨化製程純化複數個碳奈米管，以獲得複數個經純化之碳奈米管；及使包括複數個經純化之碳奈米管的場發射材料沉積於基板上，以形成陰極。
實例性實施方式 11 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，包括經由化學氣相沉積製程、雷射剝蝕製程、或電弧放電製程形成複數個碳奈米管。
實例性實施方式 12 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，其中該石墨化製程包括使複數個碳奈米管在約1 x 10
-3托至約1 x 10
-8托的真空下暴露於約1500⁰C至約3000⁰C的溫度中約12小時至約72小時的時間長度。
實例性實施方式 13 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，其中沉積場發射材料包括將場發射材料沉積於包括金屬、合金、或陶瓷的基板上。
實例性實施方式 14 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，其中沉積場發射材料包括經由噴塗、噴墨印刷、網版印刷、浸漬塗佈、電泳或其組合將包括複數個經純化之碳奈米管的場發射材料沉積於基板上。
實例性實施方式 15 ：任何前述實例性實施方式的方法或其組合，進一步包括使陰極暴露於一後沉積製程中。
實例性實施方式 16 ：一種形成場發射陰極的方法，包括：使包括複數個碳奈米管的場發射材料沉積於基板上，以形成陰極；及使陰極暴露於石墨化製程中，以純化複數個碳奈米管。
實例性實施方式 17 ：一種場發射陰極裝置，包括依據任一前述實例性實施方式的方法或其組合製作的陰極。
藉由與附圖一起閱讀下面的詳細描述，本揭露的此等及其他特徵、態樣及優點顯而易見，下面將簡單描述附圖。本揭露包含此揭露中闡釋的二、三、四或更多個特徵或元件的任一組合，而與此等特徵或元件是否明確地被組合或是否詳述於本文中的特定實施方式的描述中無關。預期此揭露被全盤地閱讀，使得應當根據預期（即，可組合）看待本揭露的任何態樣及實施方式中的任何可分離特徵或元件，除非本揭露的上下文另外清楚地指示。
應當明白，提供本文中的發明內容僅出於概略說明一些實例性態樣從而對本揭露提供基本理解的目的。就其本身而言，應當明白，上面描述的實例性態樣僅是實例，且不應當認為以任何方式使本揭露的範圍或精神變窄。應當明白，除了本文中概略說明的態樣，本揭露的範圍涵蓋許多可能的態樣，下面將進一步描述其中一些態樣。此外，根據以下結合附圖進行的詳細描述，本文中揭露的其他態樣或此等態樣的優點變得顯而易見，作為實例，附圖例示所描述的態樣的原理。
現在將在下文中參考附圖更全面描述本揭露，附圖中顯示本揭露的一些態樣，而非全部態樣。的確，本揭露可以許多不同的形式被具體實施，而且不應當被認為限於本文闡釋的態樣；相反，提供此等態樣是為了此揭露滿足適用的法律要求。在各處，相似的參考編號指相似的元件。
圖1例示包含基板102及被安置於基板102上的一層場發射材料104及如果必要，被安置於基板102與場發射材料104之間的附著性材料的附加層（未顯示）的場發射陰極100的一個實例。基板102可由諸如金屬材料（諸如，固體金屬或合金（比如，不鏽鋼、摻雜矽））、導電玻璃（比如，銦錫氧化物（ITO）鍍膜玻璃或在表面上具有導電塗層的其他熔融玻璃）；或導電陶瓷（比如，金屬化陶瓷，諸如，氧化鋁、氧化鈹、及氮化鋁）的導電材料製成。層104藉由將包括複數個舉例而言奈米管、奈米線、石墨烯或其組合的場發射材料沉積於基板102上而被形成。
圖2及圖3例示在製作場發射陰極中使用碳奈米管的各種方法200、300。所製備的典型碳奈米管（諸如，藉由浮動催化劑化學氣相沉積（FCCVD）方法生產的碳奈米管）含有大量雜質，諸如，催化劑粒子、非晶碳及其他石墨粒子，及因於相對低的處理溫度而含有內在微結構缺陷。使用典型碳奈米管為發射子的陰極的場發射特性不僅受碳奈米管的雜質及缺陷的約束，而且受在生產場發射裝置的一或多個製作步驟中其易損傷的約束。
於該方法的一個態樣中（圖2中的200），舉例而言，手動地或經由機器人材料搬運系統將基板（諸如，上文描述的基板）提供至沉積製程（步驟210）。在沉積步驟（步驟240）期間，複數個經純化之碳奈米管經由場發射材料的沉積而被沉積於基板上，該場發射材料亦可包含其他組成，舉例而言，諸如，改良場發射材料與基板的附著力的材料。包括經純化之碳奈米管的場發射材料可經由一或多個不同製程（舉例而言，諸如，噴塗、浸漬塗佈、噴墨印刷、網版印刷、或電泳）而被沉積於基板上。碳奈米管經由石墨化或退火製程被純化（步驟235）。碳奈米管可在沉積之前被純化，或者以經純化之形式提供至該製程，且存在於場發射材料中。
石墨化製程235包括真空高溫退火製程。製程235移除碳奈米管內的諸如催化劑粒子等的雜質及微架構缺陷。石墨化製程是一種比酸處理有效的純化方法，且可對碳奈米管提供顯著結構改良。於一些態樣中，製程235以將複數個碳奈米管（比如，藉由化學氣相沉積製程、雷射剝蝕製程、及/或電弧放電方法生產的碳奈米管）引入腔室或相似結構及使碳奈米管在真空（諸如，1 x 10
-3托至1 x 10
-8托）下暴露於約1500⁰C至約3000⁰C的高溫中達預定時間量而開始。於某些態樣中，預定時間量在自約12小時至約72小時的範圍中。使碳奈米管暴露於石墨化製程235中導致具有明顯較少缺陷的高純度石墨化碳奈米管。然後，經純化之碳奈米管被沉積於基板上。眞空燒製及活化製程之後，獲得具有高發射子密度及大發射電流的場發射陰極。使用此等場發射陰極的場發射裝置具有顯著改良之使用壽命。
於該方法的另一個態樣中（圖3中的300），基板（諸如，上文描述的基板）被提供至沉積製程（步驟310）。舉例而言，單一基板或複數個基板被裝載至一件沉積設備的建造室中。在步驟320，複數個碳奈米管被提供。於一些情況中，沉積設備可包含在複數個碳奈米管上執行純化製程（步驟330）（亦即，石墨化）的必要設備；而於其他情況中，碳奈米管可經由分離的石墨化製程（步驟335）純化。
經純化之碳奈米管一被獲得且被併入場發射材料中，場發射材料就被引入沉積設備中，且沉積步驟（步驟240）可開始。包括複數個經純化之碳奈米管的場發射材料可經由一或多個不同製程（舉例而言，諸如，噴塗、浸漬塗佈、噴墨印刷、網版印刷、或電泳）被沉積於基板上。於一些情況中，石墨化製程235可在碳奈米管被沉積於基板上之後進行。舉例而言，沉積設備可包含使陰極在真空（諸如，1 x 10
-3托至1 x 10
-8托）下暴露於約1500⁰C至約3000⁰C的高溫中諸如約12小時至約72小時的預定時間量的能力。場發射材料在沉積於基板上後可經受一或多個其他製程（諸如，乾燥、退火、及/或活化），然後，成品為場發射陰極。基板可由金屬、合金、導電玻璃、或金屬化陶瓷構成。基板可經由舉例而言機器人材料搬運系統或藉由使用者手動地被提供至適宜的設備。
得益於前面的描述和有關附圖中闡述的教導的此等所揭露實施方式所屬領域中的通常知識者會想到本文闡釋的本發明的許多修改及其他實施方式。因此，應當理解，本發明的實施方式並不限於所揭露的具體實施方式，而且修改及其他實施方式旨在包含於本發明的範圍內。另外，儘管前面的描述及有關圖式在元件及/或功能的某個實例性組合的情境下描述了實例性實施方式，但應當明白，可藉由替代實施方式提供元件及/或功能的不同組合，而不脫離本揭露的範圍。於此方面，舉例而言，在本揭露的範圍內，與上面明確描述的那些元件及/或功能的組合不同的元件及/或功能的組合亦被構思。儘管本文中採用特定術語，但僅以一般描述性意義使用它們，而沒有限制性目的。
應當理解，儘管本文中可使用術語第一、第二等描述各種步驟或計數，但此等步驟或計數不應當受此等術語的限制。此等術語僅用於將一個操作或計數與另一個操作或計數區別開。舉例而言，第一計數可被稱為第二計數，且類似地，第二步驟可被稱為第一步驟，而不脫離本揭露的範圍。如本文中使用的，術語“及/或”及“/”符號包含一或多個有關列項的任一或全部組合。
如本文中使用的，單數形式“一（a）”及“一（an）”旨在亦包含複數形式，除非上下文另外清楚地指示。應當進一步理解，術語“包括（comprises）”、“包括（comprising）”、“包含（includes）”及/或“包含（including）”當在本文中使用時說明存在所陳述的特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件，但不排除存在或附加一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組。因此，本文中使用的術語僅出於描述特定實施方式的目的，而不旨在限制性。
100:場發射陰極
102:基板
104:層
200、300:方法
210、235、240、310、320、330、335、340、345:步驟
由此，已以一般術語描述了本揭露，現在將闡釋附圖，附圖未必按比例繪製，且其中：
圖1示意性地例示場發射陰極的實例及與陰極基板接合的場發射材料沉積層的本質；
圖2例示根據本揭露的一或多個態樣，形成場發射陰極裝置的方法的一個實例；
圖3例示根據本揭露的一或多個態樣，形成場發射陰極裝置的方法的另一個實例。
100:場發射陰極
102:基板
104:層
Claims (17)
- 一種形成一場發射陰極的方法，包括： 使一場發射材料沉積於一基板上，該場發射材料包括複數個經純化之碳奈米管，其中該經純化之碳奈米管是經由一石墨化製程獲得的。
- 如請求項1所述的方法，其中該石墨化製程包括使複數個碳奈米管在一真空下暴露於至少1500⁰C的一溫度中一預定時間長度來純化該複數個碳奈米管。
- 如請求項2所述的方法，其中暴露該複數個碳奈米管包括使該複數個碳奈米管暴露於1500⁰C與3000⁰C之間的一溫度中。
- 如請求項2所述的方法，其中在該複數個碳奈米管暴露於該溫度中期間，暴露複數個碳奈米管包括使該複數個碳奈米管暴露於約1 x 10 -3托至約1 x 10 -8托的一真空中。
- 如請求項2所述的方法，其中暴露複數個碳奈米管包括使複數個碳奈米管在該真空下暴露於該溫度中，而且該預定時間長度在約12小時至約72小時的範圍內。
- 如請求項2所述的方法， 包括藉由一化學氣相沉積製程、一雷射剝蝕製程、或一電弧放電製程來形成該複數個碳奈米管。
- 如請求項1所述的方法，其中沉積該場發射材料包括將該場發射材料沉積於包括一金屬、一合金、一玻璃、或一陶瓷的該基板上。
- 如請求項1所述的方法，其中沉積包括該複數個經純化之碳奈米管的該場發射材料包括經由噴塗、噴墨印刷、網版印刷、浸漬塗佈、電泳或其組合將該場發射材料沉積於該基板上。
- 如請求項1所述的方法，進一步包括使該陰極暴露於一後沉積製程中。
- 一種形成一場發射陰極的方法，包括： 經由一石墨化製程純化複數個碳奈米管，以獲得複數個經純化之碳奈米管；及 使包括該複數個經純化之碳奈米管的一場發射材料沉積於一基板上，以形成該陰極。
- 如請求項10所述的方法，包括經由一化學氣相沉積製程、一雷射剝蝕製程、或一電弧放電製程形成該複數個碳奈米管。
- 如請求項10所述的方法，其中該石墨化製程包括使該複數個碳奈米管在約1 x 10 -3托至約1 x 10 -8托的一真空下暴露於約1500⁰C至約3000⁰C的一溫度中約12小時至約72小時的一時間長度。
- 如請求項10所述的方法，其中沉積該場發射材料包括將該場發射材料沉積於包括一金屬、一合金、或一陶瓷的該基板上。
- 如請求項10所述的方法，其中沉積該場發射材料包括經由噴塗、噴墨印刷、網版印刷、浸漬塗佈、電泳或其組合將包括該複數個經純化之碳奈米管的該場發射材料沉積於該基板上。
- 如請求項10所述的方法，進一步包括使該陰極暴露於一後沉積製程中。
- 一種形成一場發射陰極的方法，包括： 使包括複數個碳奈米管的一場發射材料沉積於一基板上，以形成該陰極；及 使該陰極暴露於一石墨化製程中，以純化該複數個碳奈米管。
- 一種場發射陰極裝置，包括依據前述請求項中任一項製作的一陰極。
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