TWI424458B - Electric field aging treatment of electron emitters - Google Patents
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Description
本發明係關於電子發射體之電場時效處理方法，用以使具備多數個nm級之微細突起(具有適於進行電場放射之形狀)之電子發射體之電子發射物性與使用壽命特性穏定化。
電子發射體，已知有在基板上將矽或金屬形成為微小圓錐形之柱型(SPINNED)之構造者(專利文獻1等)，在基板上形成碳奈米管之構造者(專利文獻2等)，或其他構造者。此種電子發射體之用途之一，係將電子發射體以真空密封於玻璃管內之狀態與陽極對向配置、且將螢光體積層於該陽極上的場致發射燈(field emission lamp)。
該場致發射燈，可對電子發射體施加電場以從碳奈米管等之微細突起表面進行電子發射，所發射之電子撞擊螢光體而使其發光。
當上述微細突起之尺寸比(aspectratio)不均等時，即會使尺寸比特定之微細突起產生電場集中，在進行電子發射時，該微細突起即會較其他微細突起先因熱蒸發而消耗，其次於另外之尺寸比之微細突起產生電場集中，如此，電子發射物性則不穏定，不僅會產生發光之閃爍或發光之不均一等缺陷，且使用壽命特性亦較短且不穏定。
專利文獻1：日本特開平10－223128號公報專利文獻2：日本特開2005－317415號公報
因此，本申請人有鑒上述課題，發明出一種能使微細突起之尺寸比均等化且能局部地去除不穏定部分的電場時效處理方法，藉此，能使電子發射體之電子發射物性與使用壽命特性穏定化。
本發明之電子發射體之電場時效處理方法，其特徵在於：對具有透過施加電場來發射電子之複數個微細突起之電子發射體，藉由使該複數個微細突起分別選擇性地電場蒸發，使微細突起整體之尺寸比均等化且局部地去除不穏定部分，藉此使該電子發射體之電子發射物性與使用壽命特性穏定化。
根據本發明，由於藉由將上述複數個微細突起分別選擇性地電場蒸發來實施電場時效處理，因此能使微細突起整體之尺寸比均等化且能局部地去除不穏定之電子發射部分，藉此能使電子發射體之電子發射物性與使用壽命特性穏定化。
本發明之一種較佳形態，係在真空中將該電子發射體與電極對向配置；以電子發射體為較電極低電位之電位關係(當以電極電位為正電位時，電子發射體電位會成為負電位或接地電位之關係)，來對電子發射體與電極施加電位以使該電子發射體之微細突起電場蒸發。
本發明之一種較佳形態，係在真空中或大氣中將該電子發射體與電極對向配置；以電子發射體為較電極高電位之電位關係(當以電極電位為負電位或接地電位時，電子發射體電位會成為正電位之關係)，來對電子發射體與電極施加電位以使該電子發射體之微細突起電場蒸發。
根據本發明，藉由對電子發射體施以電場時效處理，能使電子發射體之電子發射物性與使用壽命特性穏定化。
以下，詳細說明本發明實施形態之電子發射體之電場時效處理方法。
圖1至圖6係供說明實施形態1之對電子發射體之電場時效處理方法的圖。圖1係以示意方式放大表示電場時效處理前之電子發射體。該電子發射體10係由基板12與基板表面之微細突起14構成。微細突起14，係由碳膜構成之具有nm級尖端之微細突起14。該微細突起14有碳奈米管、碳奈米壁、針狀碳膜以及其他。微細突起14亦可以金屬膜構成。
其次如圖2所示，將用以對電子發射體10進行電場時效處理之電極(電場時效處理用電極)16與圖1之電子發射體10對向配置，且從直流電源18施加電壓(電場時效處理電壓)Vage，以將負電位施加於電子發射體10，將正電位施加於電場時效處理用電極16。藉此於電子發射體10與電場時效處理用電極16之間施加正向偏壓。
該電場時效處理電壓Vage如圖3所示係較電子發射體10之使用電壓Vuse大之電壓。圖3中橫軸係電壓、縱軸係電流，其表示電子發射體10之電壓－電流特性。圖3中Vage係電場時效處理電壓、Iage係對應該電場時效處理電壓之電流、Vuse係電子發射體使用時電壓、Iuse係對應Vuse之電流。由圖3可清楚得知，電場時效處理電壓Vage>>電子發射體使用時電壓Vuse。
藉由以上之電場時效處理，如以示意方式放大表示已施以電場時效處理之電子發射體10之圖4所示，電子發射體10之基板表面之微細突起14被選擇性地電場蒸發而使微細突起14整體之尺寸比均等化，且已去除不穏定之電子發射部分。
如上述，已施以電場時效處理之電子發射體10如圖5之實線所示其使用壽命特性大幅提升。此外，未施以電場時效處理之電子發射體10則如圖5之虛線所示，其使用壽命特性會隨著使用時間之經過而逐漸降低。
又，亦可如圖6所示將電子發射體10接地而使電子發射體10之施加電位為接地電位，從直流電源18將正電位施加於電場時效處理用電極16，將直流電源18之負極側接地，而從直流電源18將電位施加於電子發射體10與電場時效處理用電極16。
其次參照圖7至圖12說明另一實施形態之電場時效處理方法。使用於實施形態2之電場時效處理之電子發射體10與圖1相同，但此處係作為實施形態2再度揭示於圖7。圖7之說明省略。
如圖8所示，將用以對電子發射體10進行電場時效處理之電極(電場時效處理用電極16)與電子發射體10對向配置，且從直流電源18施加電壓(電場時效處理電壓)Vage，以將負電位施加於電子發射體10，將正電位施加於電場時效處理用電極16。此時，係於電子發射體10與電場時效處理用電極16之間施加逆向偏壓。
該電場時效處理電壓Vage，如圖9所示其絕對值較電子發射體使用時電壓Vuse之絕對值大的電壓(| Vage |>>| Vuse |)。
電場時效處理電壓Vage係未達崩潰電壓之電壓，即從電子發射體10向電場時效處理用電極16流通較大之電流而即將要導通前的電壓(崩潰電壓)。當將該電場時效處理電壓Vage施加於電子發射體10時，電流幾乎不會從電子發射體10流至電場時效處理用電極16。並且，藉由該電場時效處理電壓Vage使微細突起14被選擇性地電場蒸發，而圖7之電子發射體10則如圖10所示，基板表面之微細突起14被選擇性地電場蒸發，使微細突起14整體之尺寸比均等化，且在發射電子之過程中已去除不穏定之部分。圖10雖與圖4同樣但此處作為實施形態2再度揭示。
如上述，已施以電場時效處理之電子發射體10如圖11之實線所示其使用壽命特性大幅提升。又，如圖11之虛線所示未施以電場時效處理之電子發射體10，其使用壽命特性會隨著使用時間之經過而逐漸降低。
又，亦可如圖12所示將電子發射體10連接於直流電源18之正極側而施加正電位，將該直流電源18之負極側接地，另一方面，將電場時效處理用電極16接地，而從直流電源18將電位施加於電子發射體10與電場時效處理用電極16。
上述實施形態2之情形，電子發射體10之微細突起14亦可藉由電場蒸發使整體之尺寸比均等化，去除對電場不穏定之部分，構成為電子發射物性及使用壽命特性已穏定化之電子發射體10。
此實施形態2之電場時效處理中，不僅在真空中即使在大氣中亦能藉由電場蒸發實施電場時效處理(電子發射體10對微細突起14之電場蒸發)。其結果，能使用實施形態2之電場時效處理方法容易地控制電場時效處理。又，電子發射體10由於在電場時效處理時不需流通較大之電流，因此不容易引起異常放電，無對陽極給予不良影響之虞。且因係在大氣中之電場時效處理，不會如習知真空中之氣體污染電子發射體10表面，而不會影響作為電子發射體10之電場發射的工作函數。加之，亦不會如習知般電子發射體10表面被濺鍍而污染。再者，不需使電子發射體10流通較大電流來施以電場時效處理，因此，連接電子發射體10與陽極間之直流電源18不需要求如習知電場時效處理用之直流電源18的嚴格規範，能廉價地實施電場時效處理，根據以上各理由，可知此方法係一使電子發射體10之電子發射物性及使用壽命特性穏定化之卓越方法。
又，說明藉由電場蒸發之電場時效處理原理如下。設電子發射體10與電場時效處理用電極16之對向距離為d、電場時效處理電壓為Vage時，該電子發射體10與電場時效處理用電極16間之整體平均電場E1，在電場時效處理時係以Vage/d施加。此情形下，使構成電子發射體10表面之微細突起14之原子飛出所需的電場須為V/nm級。此種情形下施加於各微細突起14之局部電場E2，係使用富雷一諾特海姆(Fowler-Nordheim)式之電場集中係數β以E1(Vage/d)．β施加。由於此β係微細突起14之尖端越銳利則越大的值而為大致1000左右以上，因此對電子發射體10，係以可將V/nm級之電場施加於微細突起14表面之方式設定電場時效處理電壓Vage，據以使微細突起14表面之原子飛出，而能使微細突起14電場蒸發。
本發明之此種電場時效處理方法，特別在使電子發射體之電子發射物性及使用壽命特性穏定化之方面相當有用。該電子發射體能組裝於場致發射燈等之電子元件來使用。
10‧‧‧電子發射體
12‧‧‧基板
14‧‧‧微細突起
16．．．電場時效處理用電極
18．．．直流電源
圖1係表示實施形態1之電場時效處理前之電子發射體10的示意放大圖。
圖2係表示實施形態1之電場時效處理時之電子發射體、電場時效處理用電極及用以將電位施加於此等之直流電源18的圖。
圖3(a),(b)係實施形態1之電場時效處理電壓Vage及電子發射體使用時電壓Vuse的關係圖。
圖4係表示實施形態1之電場時效處理後之電子發射
體的示意放大圖。
圖5係表示實施形態1之已施以電場時效處理之電子發射體之使用壽命特性，及未施以電場時效處理之電子發射體之電流特性的圖。
圖6係表示實施形態1之對電子發射體與電場時效處理用電極施加電位之例的圖。
圖7係表示實施形態2之電場時效處理前之電子發射體的示意放大圖。
圖8係表示實施形態2之電場時效處理時之電子發射體、電場時效處理用電極及用以將電位施加於此等之直流電源的圖。
圖9(a),(b)係實施形態2之電場時效處理電壓Vage及電子發射體使用時電壓Vuse的關係圖。
圖10係表示實施形態2之電場時效處理後之電子發射體的示意放大圖。
圖11係表示實施形態2之已施以電場時效處理之電子發射體之使用壽命特性，及未施以電場時效處理之電子發射體之電流特性的圖。
圖12係表示實施形態2之對電子發射體與電場時效處理用電極施加電位之例的圖。
10．．．電子發射體
12．．．基板
14．．．微細突起
16．．．電場時效處理用電極
18．．．直流電源
Claims (3)
- 一種電子發射體之電場時效處理方法，其特徵在於：對具有透過施加電場來發射電子之複數個微細突起之電子發射體，藉由使該複數個微細突起分別選擇性地電場蒸發，使微細突起整體之尺寸比均等化且局部地去除不穏定部分，藉此使該電子發射體之電子發射物性與使用壽命特性穏定化。
- 如申請專利範圍第1項之電子發射體之電場時效處理方法，其中，係在真空中將該電子發射體與電極對向配置；以電子發射體為較電極低電位之電位關係(當以電極電位為正電位時，電子發射體電位即為負電位或接地電位之關係)，來對電子發射體與電極施加電位以使該電子發射體之微細突起電場蒸發。
- 如申請專利範圍第1項之電子發射體之電場時效處理方法，其中，係在真空中或大氣中將該電子發射體與電極對向配置；以電子發射體為較電極高電位之電位關係(當以電極電位為負電位或接地電位時，電子發射體電位即為正電位之關係)，來對電子發射體與電極施加電位以使該電子發射體之微細突起電場蒸發。
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