專利名稱：一種基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種平面型顯示器的制作方法，尤其涉及一種場發(fā)射平面型顯示器的制作方法。
背景技術：
場發(fā)射顯示器(Field Emission Display-FED)被認為是CRT的最好繼承者，兼有CRT和LCD的優(yōu)點，即(1)冷陰極發(fā)射；(2)低的工作電壓、低功耗；(3)自發(fā)光和高亮度；(4)寬視角(170°)；(5)高響應速度(微秒級)；(6)很寬的環(huán)境溫度變化范圍；(7)無圖像扭曲；(8)不受地磁場以及其它周圍磁場的影響。因此FED被認為是最理想的平板顯示器件，是二十一世紀要發(fā)展的最重要的顯示器之一，具有廣闊的市場和很好的應用前景。FED的最大優(yōu)點就是它是一種高亮度、低耗能的顯示器，正是由于以上原因，醫(yī)療器材及飛行儀表上指定要這種高價位的FED。FED的技術現(xiàn)狀是亮度150cd/m2；對比度100∶1；彩色26色；幀頻＞60Hz；分辨率100dpi；視角水平±80°，垂直±80°；尺寸7.6～33cm。從目前場發(fā)射顯示器的研究進展來看，具有代表性的是日本Canon公司設計的表面導電型(Surface conduction electron emission)。這種表面導電型場發(fā)射顯示器結構簡單，適合做成大面積顯示器。其發(fā)射體采用低功函數(shù)材料如PdO。但根據(jù)Canon公司報道的技術資料，其電子發(fā)射的傳輸效率只有1％左右，到2003年底，傳輸效率低的問題仍然是該顯示器的瓶頸所在；特別是賦能成型(Energizing Forming Process)過程存在許多不確定的因素(如狹縫的走向、位置、寬窄都不能很好地確定)，賦能成型后的后續(xù)工作復雜(如存在激活過程耗時長、均勻性欠佳、還要進行非發(fā)射區(qū)電阻的還原作用等)。另外還有PixTech公司推出的Spindt型場發(fā)射顯示器，采用三電極結構，發(fā)射材料用金屬和硅等，但這種結構對光刻技術要求很高，一般要求在直徑為1mm圓面積內，做成5000個尖錐陣列，尖錐的曲率半徑為50nm，這會大大降低成品率，難以實現(xiàn)顯示的大面積化，尤其是由于制造工藝上的問題，可能使發(fā)射尖的高低、曲率半徑不同，這樣在加上相同的陰、柵、陽極電壓時，發(fā)射尖附近的局部場強相差較大，造成發(fā)射電流不均勻，最終導致屏上亮度不均勻，且由于發(fā)射尖易受污染，最終導致發(fā)射性能不穩(wěn)定，使用壽命短。雖然可以通過在陰極布線上鍍一層非晶硅或者將每個發(fā)射體做成一個N溝道增強型場效應管從而起到恒流的作用，但這是一種用增加制作工藝難度來換取發(fā)射穩(wěn)定性的方法。SIDiamond公司研制出了采用金剛石薄膜做陰極的二極管型場發(fā)射顯示器，金剛石膜具有負的電子親和勢、良好的化學穩(wěn)定性、高硬度、高抗離子侵蝕能力，不像金屬微尖發(fā)射陰極，容易吸附雜質而導致功函數(shù)增加，使得在使用之前必須在高真空條件下加熱使金屬解吸附。納米級微晶金剛石以及N型摻雜多晶金剛石膜的發(fā)射能力更強，發(fā)射域值場強小于20V/μm時，就可以獲得10μA的發(fā)射電流，另一方面，金剛石冷陰極甚至可以采用膜結構，使得低成本大批量生產(chǎn)大屏幕的平板顯示器成為可能。但有一點值得注意純凈的金剛石雖然具有負的電子親和勢和較小的功函數(shù)，但由于純凈的金剛石晶體具有較大的禁帶寬度(～5.5eV)，導帶中幾乎沒有電子，因而不是理想的發(fā)射陰極，在場強達到200～1000V/μm才有較強的電子發(fā)射。但采用摻雜、形成缺陷能級、進行表面處理以及生長類金剛石膜，可以降低金剛石的有效功函數(shù)。但金剛石場發(fā)射陰極發(fā)射不均勻，使得成像質量變壞，當采用三極管顯示結構時，柵極的制作往往變得困難重重。而將碳納米管用做場發(fā)射顯示器的，大多數(shù)都采用二電極結構，這種二電極結構要求驅動電壓比較高，且一般都用低壓熒光粉，而低壓熒光粉的研制現(xiàn)階段還不成熟。將柵極做在陰極下面的結構同樣存在驅動電壓高(100～300V)的問題。目前韓國的三星公司和美國的摩托羅拉公司研制的基于碳納米管場發(fā)射顯示器都存在柵極制作難度大、成本高的缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提供一種基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其解決了背景技術中柵極制作難度大、電子傳輸效率低以及成本高的技術問題。
本發(fā)明的第一種技術方案是一種基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，該制作方法如下1]在后基板102上制作陰極101、柵極103和布線電極；2]在陰極101上制作碳納米管陣列104；3]在前基板106上制作熒光粉層205和陽極105；4]制作隔離子112并將其放置在前基板106和后基板102間；5]封裝顯示器。
上述制作方法的一種具體方法如下1]取后基板102；2]在后基板102上鍍金屬膜；3]刻蝕金屬膜形成陰極101、柵極103和布線電極；4]配制碳納米管漿料；
5]在陰極101和柵極103之間填充碳納米管漿料；6]對陰極101和柵極103間的碳納米管漿料固化并刻蝕形成溝槽207；7]在前基板106上印制紅熒光粉108、綠熒光粉109、藍熒光粉110和黑色氧化銅隔色條107；8]在熒光粉層205上鍍一層導電金屬膜206；9]取陶瓷片；10]將陶瓷片切割成長方體形長條形成隔離子112；11]在隔離子112的上下兩側或一側鍍金屬膜111或粘接金屬絲113；12]用熱壓法、熱聲法或超聲法將隔離子112固定在前基板106和后基板102間；13]封裝顯示器。
上述制作方法的另一種具體方法如下1]取后基板102；2]在后基板102上制作玻璃溝槽；3]在后基板102上鍍金屬膜；4]刻蝕金屬膜形成陰極101、柵極103和布線電極；5]配制碳納米管漿料；6]在陰極101和柵極103之間填充碳納米管漿料；7]對陰極101和柵極103間及玻璃溝槽中的碳納米管漿料固化并刻蝕形成溝槽207；8]在前基板106上印制紅熒光粉108、綠熒光粉109、藍熒光粉110和黑色氧化銅隔色條107；9]在熒光粉層205上鍍一層導電金屬膜206；10]取陶瓷片；11]將陶瓷片切割成長方體形長條形成隔離子112；12]在隔離子112的上下兩側或一側鍍金屬膜111或粘接金屬絲113；13]用熱壓法、熱聲法或超聲法將隔離子112固定在前基板106和后基板102間；14]封裝顯示器。
上述制作方法的第三種具體方法如下1]取后基板102；2]在后基板102上鍍金屬膜；3]刻蝕金屬膜形成陰極101、柵極103和布線電極；4]在陰極101和柵極103之間采用直接生長法排列碳納米管；
5]在前基板106上印制紅熒光粉108、綠熒光粉109、藍熒光粉110和黑色氧化銅隔色條107；6]在熒光粉層205上鍍一層導電金屬膜206；7]取陶瓷片；8]將陶瓷片切割成長方體形長條形成隔離子112；9]在隔離子112的上下兩側或一側鍍金屬膜111或粘接金屬絲113；10]用熱壓法、熱聲法或超聲法將隔離子112固定在前基板106和后基板102間；111]封裝顯示器。
上述制作方法的第四種具體方法如下1]取后基板102；2]在后基板102上制作玻璃溝槽；3]在后基板102上鍍金屬膜；4]刻蝕金屬膜形成陰極101、柵極103和布線電極；5]在陰極101和柵極103之間及玻璃溝槽兩側采用直接生長法排列碳納米管；6]在前基板106上印制紅熒光粉108、綠熒光粉109、藍熒光粉110和黑色氧化銅隔色條107；7]在熒光粉表面鍍一層金屬膜；8]取陶瓷片；9]將陶瓷片切割成長方體形長條形成隔離子112；10]在隔離子112的上下兩側或一側鍍金屬膜111或粘接金屬絲113；11]用熱壓法、熱聲法或超聲法將隔離子112固定在前基板106和后基板102間；12]封裝顯示器。
本發(fā)明的第二種技術方案是一種基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，該制作方法如下1]取后基板102；2]配制碳納米管漿料；3]在后基板102上用碳納米管漿料制作陰極101、柵極103和布線電極；4]在前基板106上制作熒光屏層205和陽極105；5]制作隔離子112并將其放置在前基板106和后基板102間；6]封裝顯示器。
上述制作方法的具體方法如下1]取后基板102；2]配制碳納米管漿料；3]在后基板102上用碳納米管漿料制作陰極101、柵極103和布線電極；4]在前基板106上印制紅熒光粉108、綠熒光粉109、藍熒光粉110和黑色氧化銅隔色條107；5]在熒光粉層205上鍍一層導電金屬膜206；6]取陶瓷片；7]將陶瓷片切割成長方體形長條形成隔離子112；8]在隔離子112的上下兩側或一側鍍金屬膜111或粘接金屬絲113；9]用熱壓法、熱聲法或超聲法將隔離子112固定在前基板106和后基板102間；10]封裝顯示器。
本發(fā)明的第三種技術方案是一種基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，該制作方法如下1]取后基板102；2]在后基板102上制作玻璃溝槽；3]配制碳納米管漿料；4]在后基板102上鍍金屬膜并刻蝕制作陰極101、柵極103和布線電極；5]在玻璃溝槽中印制碳納米管漿料，固化后刻蝕形成溝槽207；6]在前基板106上制作熒光粉層205和陽極105；7]制作隔離子112并將其放置在前基板106和后基板102間；8]封裝顯示器。
上述制作方法的具體方法如下1]取后基板102；2]在后基板102上制作玻璃溝槽；3]配制碳納米管漿料；4]在后基板102上用碳納米管漿料制作陰極101、柵極103和布線電極，對玻璃溝槽中固化的碳納米管漿料刻蝕形成溝槽207；5]在前基板106上印制紅熒光粉108、綠熒光粉109、藍熒光粉110和黑色氧化銅隔色條107；6]在熒光粉層205上鍍一層導電金屬膜206；7]取陶瓷片；
8]將陶瓷片切割成長方體形長條形成隔離子112；9]在隔離子112的上下兩側或一側鍍金屬膜111或粘接金屬絲113；10]用熱壓法、熱聲法或超聲法將隔離子112固定在前基板106和后基板102間；11]封裝顯示器。
上述三種技術方案中配制碳納米管漿料的方法如下1]制備碳納米管；2]對碳納米管進行分離；3]在碳納米管中加入環(huán)氧樹脂、固化劑、納米級金屬粉和有機溶劑，形成碳納米管漿料。
上述三種技術方案中在陰極101和柵極103之間填充碳納米管漿料的方法是采用絲網(wǎng)印刷工藝或采用精確定位智能噴頭進行定點填充；在后基板102上用碳納米管漿料制作陰極101、柵極103和布線電極的方法是采用絲網(wǎng)印刷工藝；對固化的碳納米管漿料刻蝕形成溝槽207的方法是采用激光打標機進行刻蝕。
本發(fā)明的優(yōu)點是1、電子傳輸比大大提高。本發(fā)明和Canon公司的場發(fā)射平板顯示器方案相比，可以進一步提高了電子傳輸比(到達陽極的電子數(shù)與陰極發(fā)射電子數(shù)之比)，根據(jù)Canon公司的資料，其傳輸比只有不到1％[3]，提高電子傳輸比是Canon公司表面導電型顯示器要攻克的核心技術之一。本專利中電子的傳輸比很容易超過這個值，理論計算可以達到40％(與碳納米管的傾斜角有關系)，而實驗結果為29.3％。在絲網(wǎng)印制過程中，漿料和網(wǎng)板之間的相互粘接作用，在絲網(wǎng)向上提拉的過程中，網(wǎng)板對碳納米管有向上提拉的作用，使一部分碳納米管和陰極基底之間形成一定的傾角，這部分碳納米管對提高電子傳輸比的貢獻很大。這也是我們實驗中得到電子傳輸比高出Canon公司實驗結果30多倍的原因。
2、工藝過程簡化。本發(fā)明的制作方法跟Spindt型場發(fā)射顯示結構相比，其工藝過程得到了很大的簡化，它將平面型的發(fā)射結構和碳納米管的強發(fā)射特性有機地結合起來。而且本發(fā)明避開了低壓熒光粉研制的難題，采用成熟技術的高壓熒光粉，使得工藝過程更加簡單。
3、成本降低。碳納米管本身尖端(無論是開口或是封閉的)具有小的曲率半徑，使得場發(fā)射的幾何增強因子很高，而納米級幾何尺寸的量子限制效應又使其費米能級附近出現(xiàn)局部量子能級，使得單位尖端表面可以容納更多的電子，這對局部場也有增強作用，對于頂端開口的碳納米管，這種量子效應表現(xiàn)的更突出，因為相同長度和底面半徑的開口和閉口碳納米管，位于相同強度的宏觀感應電場中，在距離頂端一個底面半徑的范圍內，開口管的感應電荷密度要比閉口管感應電荷密度大，因而其尖端形成的局部場強就強。而在距離頂端一個底面半徑以下，二者的感應電荷密度相當。另一方面由于溝槽兩壁(陰、柵電極)上都分布有碳納米管陣列，對電場有雙重增強作用，這三方面的場增強因素可以讓驅動電壓降低，從而降低了驅動電路的成本。
4、應用范圍寬。如果采用絲網(wǎng)印制技術，有望制作超過40英寸大面積場發(fā)射陣列。
5、發(fā)射穩(wěn)定可靠。本發(fā)明碳納米管本身的尖端和現(xiàn)有技術的金屬發(fā)射尖相比，其抗污染和抗離子轟擊的能力較強，因而發(fā)射穩(wěn)定，壽命長，對真空度要求不是很高。和金剛石膜發(fā)射體相比，其發(fā)射的均勻性又有較大的提高。
6、調節(jié)方便。通過改變碳納米管陣列的整體取向，可以使碳納米管尖端突出布線電極平面，很容易達到場發(fā)射顯示器的高亮度要求。而且對傳輸比可以進行調整一種是通過調整柵極和陽極電壓來調整(當然要受驅動電路所能承受電壓的限制)，一種是在玻璃基底上刻蝕溝槽的時候，將其刻成梯形或矩形，使碳納米管陣列的總體取向與基底表面的夾角發(fā)生變化，也可以在用電泳法生成碳納米管陣列的時候通過加輔助電極的辦法改變碳納米管陣列的總體取向而達到調整傳輸比的目的，也可以通過改變陰極和柵極之間的高度差來調整發(fā)射電子的傳輸比。
附面說明

圖1是本發(fā)明包括三個亞像元的像元結構示意圖；圖2是本發(fā)明的總體結構示意圖；圖3是本發(fā)明碳納米管漿料表面碳納米管電子顯微圖；圖4是本發(fā)明碳納米管漿料溝槽側壁的碳納米管電子顯微圖；圖5是本發(fā)明用激光打標機刻蝕的溝槽的三維視頻顯微圖；圖6是本發(fā)明碳納米管漿料上一個裂紋的示意圖；圖7中a、b、c、d分別是本發(fā)明在加上相同的柵極電壓而加不同的陽極電壓時熒光屏的光斑分布示意圖；圖8是橫截面為梯形的玻璃溝槽及其上的陰極和柵極結構示意圖；圖9是橫截面為矩形的玻璃溝槽及其上的陰極和柵極結構示意圖。
附圖標號說明101-陰極；102-后基板；103-柵極；104-碳納米管陣列；105-導電金屬膜兼陽極；106-前基板；107-黑色氧化銅隔色條；108-紅熒光粉；109-綠熒光粉；110-藍熒光粉；111-隔離子上側的金屬膜；112-隔離子；113-隔離子兩側的金屬絲；114-障壁；201-X布線電極接線柱；202-陽極接線柱；203-Y布線接電極線柱；204-前基板；205-熒光粉層；206-導電金屬膜；207-溝槽；208-X布線電極；209-Y布線電極。
具體實施例方式
一、玻璃溝槽的制作玻璃溝槽的是在后基板上通過物理或化學刻蝕的方法直接形成，其工藝過程包括模板的形成、勻膠、曝光、溶膠、刻蝕等過程，也可以用玻璃膠通過絲網(wǎng)印制技術形成，還可以用離子束通過“噴沙”的辦法形成，玻璃溝槽的深度和寬度一般在幾十個微米到100個微米左右，具體受工藝條件和器件空間分辨率的限制。
二、碳納米管漿料的制備1]碳納米管的制備和提純。不管是單壁或是復壁碳納米管，其制備和提純的技術都已經(jīng)比較成熟，其中制備技術有化學氣相沉淀法、電弧放電法、熱絲等離子體法、激光燒蝕法等，需要指出的是，根據(jù)溝槽寬度不同，需要不同長度的碳納米管，這可以用強氧化的辦法進行剪切。碳納米管的提純，用強氧化劑氧化的方法來完成，先將制備好的樣品進行充分研磨，用超聲或堿溶液使其分散成更小的團蔟，清洗后加濃硫酸和濃硝酸，強氧化性的濃硝酸和強脫水性的濃硫酸二者發(fā)生協(xié)同作用，使無定形碳和碳納米粒子首先氧化掉，剩下比較穩(wěn)定的碳納米管，用去離子水沖洗，并用PH試紙測試，直到其酸堿度接近7左右，過濾晾干待用。
2]碳納米管的分散。一般多壁碳納米管的直徑為20～40nm，長度為5μm左右，很多碳納米管往往聚集、纏結在一起，因此需要用超聲的辦法將其分散開。用潔凈的勺子取適量碳納米管粉末倒入瑪瑙研缽中進行充分研磨，然后倒入丙酮溶液中，超聲2小時以上。在超聲過程中，用開口的燒杯作為超聲液的容器，等半個小時后，丙酮揮發(fā)所剩無幾，然后將剩余的碳納米管和丙酮溶液用濾紙過濾，在干燥通風的環(huán)境中放置12小時以上，這種自然風干的碳納米管不容易結塊，有利于下一步分散。
3]碳納米管漿料的合成。漿料的成分包括環(huán)氧樹脂(或乙基纖維素)、固化劑、納米級金屬粉(平均粒度為20nm)、碳納米管(直徑在20～40nm)、有機溶劑。漿料中碳納米管的均勻性最為重要，只有碳納米管和金屬粉在微觀上分布均勻了，才能使得配置的漿料中碳納米管有較好的電接觸，可以保證碳納米管尖端發(fā)射出去的電子得到源源不斷地補充，才可能使得陰極電子發(fā)射均勻。漿料合成的關鍵是碳納米管的均勻分散，必須保證印制形成的涂層在微觀上是導電的，即相鄰碳納米管在微觀上最好能形成搭橋以保證良好的導電性。涂層導電性能的強弱反映了碳納米管分散的均勻性。為此，我們將步驟2]中準備好的碳納米管以及合成漿料的各組分混合形成稀釋溶液，在室溫下超聲半個小時以后將水溫加熱到沸點，在繼續(xù)超聲的情況下用水浴法蒸發(fā)過多的有機溶劑，使得合成的漿料粘稠度適合絲網(wǎng)印刷工藝。將合成的漿料置于棕色瓶中密封保存。
三、柵極和陰極的形成在玻璃溝槽上直接蒸鍍或印制一層導電金屬膜，厚度為0.5微米到幾十微米，材料可以是鉻、鉑、金、銅等常用的導電金屬，成膜后，刻蝕形成陰、柵電極和布線電極，布線電極在X和Y方向上互相垂直分布，如圖2中的208、209所示，布線電極和陰、柵電極不能一次形成，比如先形成X方向的布線電極，然后在與Y電極相交處用掩膜形成一層二氧化硅等絕緣層，最后形成Y布線電極，從而使X和Y方向的布線電極保持電隔離。最后用酒精和去離子水對其進行徹底地清洗。如果不用玻璃溝槽，陰極和柵極要做的厚一點，保證它們之間的溝槽有一定的深度可以沉積足夠的碳納米管。另外，如果隔離子與布線電極接觸的一端帶有金屬絲和金屬膜，那么還須在布線電極上相應位置沉積一層絕緣物質，以免使布線電極相互短路。
四、碳納米管陣列的形成除了用直接生長法，要做到用后處理的辦法使碳納米管整整齊齊地排列在溝槽兩側是比較困難的，不過，由于碳納米管數(shù)量很大，只要其中的一部分定向排列就可以提供足夠的電子數(shù)滿足圖像顯示。
1]激光打標機刻蝕方法。將配置好的碳納米管漿料用絲網(wǎng)印刷技術印制，陰極和柵極之間的溝槽用激光打標機刻蝕形成，為了保證印制圖案的質量，將網(wǎng)板水平落下，用刮板取適量的漿料滴在網(wǎng)孔中央，保持刮板和網(wǎng)面成30°角進行印制，刮板用力和移動的速度要平穩(wěn)，更不能在印制過程中移動絲網(wǎng)，絲網(wǎng)要水平落下和去掉，尤其是當絲網(wǎng)上粘有漿料的時候，這樣可以防止在不該印制的地方粘上漿料。將樣片置于馬福爐內加熱，使銀漿固化。關掉馬福爐電源，等溫度進一步降低到室溫時取出玻璃樣片，置于潔凈的玻璃皿中保存。因為銀漿一方面對碳納米管有固定作用，另一方面使碳納米管上發(fā)射的電子源源不斷地得到補充。利用碳納米管和銀漿汽化溫度不同，用熱蝕法在銀漿上刻蝕出溝槽，仔細調節(jié)激光打標機的能量和掃描速度，既要保證能夠刻蝕下銀漿，使陰極和柵極之間形成電絕緣，又要保證在溝槽邊緣留下碳納米管。
2]直接生長法。采用新的催化劑FeZrN和用微波等離子體場增強化學氣相沉積法(MPECVD)可以將生長碳納米管的溫度降低到500℃以下，甚至300℃，這樣，就可以在堿石灰玻璃(lime glass)基底上直接生長碳納米管而不用擔心玻璃熔化，在生長碳納米管之前必須先用光刻、印制等辦法制做好布線電極以及陰極和柵極之間的溝槽，如果布線電極是過渡金屬，可以直接在溝槽兩側生長碳納米管，否則需要用掩膜等辦法在溝槽中滴適量過渡金屬的有機溶液，作為生長碳納米管的催化劑前驅物，在整個電極平面上用涂膠，曝光、溶膠的辦法只讓溝槽壁一側或兩側暴露出來，尤其是不能暴露溝槽底部，然后在暴露部分滴適量過渡金屬的有機溶液，加熱分解生成金屬氧化物，光刻膠可以用加熱的辦法氣化，也可以用相應的溶劑溶解掉，用氫等離子氣體還原金屬氧化物，使其還原成納米級金屬顆粒作為碳納米管生長的催化劑。其實也可以在整個電極布線部分噴灑有機金屬溶液，不用精確對準，只不過位于光刻膠上的金屬氧化物顆粒會隨光刻膠的溶解而隨之溶于溶劑中，只有溝槽壁上的金屬催化劑顆粒固化到溝槽壁上，這時可以用現(xiàn)有的化學氣相沉淀法在溝槽壁上有金屬催化劑顆粒的地方生長碳納米管，為了實現(xiàn)碳納米管的取向生長必須同時在陰、柵電極間加較強的電場，這是因為，雖然實際能達到的場強并不能保證碳納米管在生長過程中是開口的決定性因素，但電場的存在能對碳納米管的生長具有導向作用，使得碳納米管能沿電場方向生長，從而實現(xiàn)碳納米管的有序排列。同樣，對于個別較長而在陰、柵極間形成“搭橋”的碳納米管，可以通過在陰、柵極間加上脈沖電壓，將其“熔斷”，修剪成長度一致的碳納米管陣列，如果電極布線是過渡金屬，生長碳納米管的過程中，在電極布線上也會有碳納米管形成，不過這部分碳納米管不會形成電子發(fā)射，和溝槽邊緣上的碳納米管相比，這部分碳納米管的尖端離柵極比較遠，碳納米管尖端的強電場主要是由柵極電壓提供而不是陽極電壓。
3]光刻法。將碳納米管、納米金屬粉和感光材料混合在一起，用絲網(wǎng)印制技術印制在陰極和柵極的溝槽中間，然后平行于陰、柵極溝槽光刻出更小的溝槽，曝光部分的碳納米管和納米金屬粉跟隨被溶解掉的感光膠一起到達溶劑中，對于部分殘余的碳管和納米金屬粉可以用加電脈沖的辦法熔解掉。
4]電泳法。用超聲將提純后的碳納米管均勻地分散于去離子水或異丙醇溶劑中形成懸浮液，再加入適量的La(NO3)3或Mg(NO3)3·6H2O溶液對碳納米管進行修飾，然后分別將連接柵極的布線電極和連接陰極的布線電極連接起來，分別加適當?shù)慕涣麟妷夯蛑绷麟妷?，對于交流電，碳納米管的取向與交流電的變化頻率有關，頻率越高，排列越不整齊。如果要對碳納米管陣列的整體取向進行調整，則需要再加一個輔助電極，輔助電極、陰極和柵極電壓在溝槽壁上形成的電場方向就是要排列的碳納米管陣列的整體取向。為了能夠得到較高的電泳速度，必須在電極界面上供應充足的電泳電壓，保持較大的電位梯度，修飾液的含量要適當，若不足，電泳液電阻過大，無法形成電泳電流，不出現(xiàn)碳納米管的沉積排列，若過量，則電位梯度過于平坦，也沒有電泳現(xiàn)象產(chǎn)生。當各個電極上加電壓后，表面帶有電荷的碳納米管在超聲和電場的共同作用下向柵極和陰極遷移，釋放或得到電荷后沉積在電極上形成整齊排列的碳納米管陣列。碳納米管和電極間的粘結是靠范德華力來維系的。等碳納米管陣列排列好以后，取出玻璃基板，用去離子水進行充分地清洗，然后放在干燥潔凈的環(huán)境中晾干，甚至用氫等離子氣體處理，使碳納米管表面的金屬離子以及電負性吸附原子得到徹底的清除，這些吸附物可能嚴重影響碳納米管的發(fā)射特性。為了防止在布線電極陣列上沉積碳納米管，對于有輔助電極存在的情況下，可以采用事先加輔助模板(如有機膜)的方法遮住布線電極，讓碳納米管只在溝槽壁上沉積。等碳納米管排列好以后，將有機膜溶解掉或者用氫等離子氣體清洗掉，但對于不加輔助電極的情況下，由于溝槽內的場強要遠遠大于布線電極其它位置邊緣上電場強度，所以一般不會在這些地方沉積碳納米管。另外可以采用智能噴頭(類似于數(shù)控機床可以精確定位噴頭的位置)將含有碳納米管的電泳液噴到每一個溝槽中，就不用擔心碳納米管會在溝槽外沉積。對于個別較長而在陰、柵極間形成“搭橋”的碳納米管，可以通過在陰、柵極間加上脈沖電壓，將其“熔斷”，修剪成長度一致的碳納米管陣列。
五、熒光屏和陽極的制作熒光屏的制作工藝已經(jīng)很成熟，而且所用熒光粉也是傳統(tǒng)的P20熒光粉。像素(包含紅、綠、藍三個亞像素)與像素之間也可以用絲網(wǎng)印制技術印制突起的玻璃條，我們稱為障壁，寬度要比亞像素之間的距離要寬，紅、綠、藍熒光粉條之間印制黑色的氧化銅隔色條，隔離子就是垂直支撐在氧化銅隔色條或障壁上，避免串色。需要特別說明的是熒光粉表面要鍍一層很薄的鋁膜(100nm左右)，可以作為顯示器的陽極，另一方面它可以防止熒光粉塵在電子的轟擊下散落而污染碳納米管發(fā)射尖，其次可以使背散射光子向前反射以增強顯示亮度。為了防止熒光粉聚團，在制作的時候需要加入一定量的分散劑Sr(NO3)2，為了使粉層和基底具有一定的粘結力，在制作時還需要加入一定量的K2OmSiO2。
六、隔離子的加工和放置隔離子看起來是一項十分簡單，實施起來卻是十分復雜的問題，材料的選取應遵守在真空中不出氣或少出氣以避免破壞高真空或引起破壞性電弧，還要能經(jīng)受雜散電子的轟擊而不會被擊穿、退化或產(chǎn)生二次電子。同時還不能在圖像中留下陰影或阻擋電子發(fā)射而損害圖像的質量，必須有足夠的機械強度，陶瓷是一種比較理想的材料，通常用激光切割技術將陶瓷片切割成長方體形長條，其高度要盡可能做的均勻一致，否則因各隔離子上承受的力不均勻而導致較高的隔離子碎裂，為了防止隔離子碎裂，一般在隔離子加工好以后，將其并置，在其上、下表面的一側、最好是兩側分別鍍一層熔點低、延展性好的金屬膜(如鋁、金等)，同時在放置隔離子的時候，在上下兩側或一側要粘接金屬絲(同樣應該具有低熔點、延展性好的特點)，這樣做的好處是一方面鍍膜和金屬絲可以作為將隔離子固定在前后板間的粘合劑，另一方面，當隔離子因某種原因發(fā)生形變的時候，使得這種形變能處于金屬絲和金屬膜的彈性變化范圍內而不會導致隔離子碎裂。將隔離子固定在前后基板像素間隙之間的方法有熱壓法、熱聲法和超聲法等，熱壓、熱聲法的工作溫度不能超過500℃，否則會造成電極布線、陽極以及陰極發(fā)射尖氧化，必須在真空或惰性氣體環(huán)境中進行操作。如果隔離子上下兩端都具有金屬絲和金屬膜，那么在后基板上相應的電極布線上要制作一層絕緣物質。
本發(fā)明原理本發(fā)明所制造的基于碳納米管場發(fā)射的三電極平面型顯示器，陽極Va一般加3kV～6kV的高壓，陰極一般接地，柵極Vg為10～100V的驅動電壓，該驅動電壓受視頻信號調制以實現(xiàn)圖像不同灰度等級顯示，由于電子束到達陽極的電子與柵極電壓有關，為了防止圖像晃動，最好通過改變柵極電壓點亮的時間長短來實現(xiàn)不同圖像灰度等級的顯示。圖1是一個像元(包括三個亞像元)的結構示意圖，其中101為陰極，102為后基板，103為柵極，104為定向排列整齊的碳納米管陣列，105為鋁反射膜兼陽極的作用，106為前基板，107為黑色氧化銅隔色條，108、109、110分別為紅、綠、藍熒光粉，后基板102和前基板106以及封裝組件可以為陰極電子的穩(wěn)定發(fā)射提供一個10-3～10-5Pa的真空環(huán)境。其工作原理為在驅動電壓Vg的作用下，陰極碳納米管尖端產(chǎn)生強電場，碳納米管尖端的電子通過勢壘貫穿飛出碳納米管尖端表面，這樣一部分電子在陽極高壓的作用下，飛向陽極穿過鋁膜，分別轟擊紅、綠、藍三個基色熒光粉，產(chǎn)生不同波長的光子，實現(xiàn)彩色信號的顯示，背散射的光子經(jīng)鋁反射膜反射后向前傳播，以增強彩色信號的強度。而另一部分電子到達柵極形成傳導電流。圖2為這種顯示器的總體結構原理圖，當X電極某一行和Y電極某一列分別加尋址信號(通常為一負脈沖)和數(shù)據(jù)信號(正脈沖)時，則有一發(fā)射單元被選中而發(fā)射電子，同時相應的像元被點亮。圖3和圖4分別為碳納米管漿料表面和溝槽側壁的碳納米管電子顯微圖。圖5是用激光打標機刻蝕的一個溝槽三維視頻顯微圖。圖6是我們配制漿料上的一個裂紋，兩側壁分布有碳納米管，對碳納米管尖端的局部電場有“雙層場增強效應”，使得碳納米管尖端的局部電場強度更強。有利于降低柵極驅動電壓。正是這些突出來的碳納米管將提供顯示器用的場發(fā)射電子。圖7中a、b、c、d分別是在加上相同的柵極電壓而加不同的陽極電壓時熒光屏的發(fā)光情況保持陰極和陽極之間的距離為1.06mm，陰極和柵極之間的距離為0.19mm，真空度為5.3×10-5Pa，陰極和柵極以及溝槽的結構圖如圖5所示陰極接地，陽極電壓保持為0時，當柵極電壓增大到380V時，陰極和柵極之間的傳導電流為1.1μA，此時，保持柵極電壓不變，逐漸給陽極加電壓，當陽極電壓增大到2800V時，到達陽極的發(fā)射電流為0.22μA，同時屏幕上出現(xiàn)一列細小的光斑，這一列光斑就是溝槽邊沿碳納米管上發(fā)射出來的電子轟擊熒光屏所致。當陽極電壓進一步增大到3000V時，發(fā)射電流增大到0.33μA，光斑的分布情況如圖7所示，這些光斑中，除了最上面的一個光斑外，其余光斑都位于和溝槽對應的一條直線上，很顯然是位于溝槽邊緣碳納米管發(fā)射出來的電子轟擊熒光屏所致。而最上面的一個光斑是由于表面突出的碳納米管發(fā)射出來的電子所致。為了驗證這一點，將柵極電壓緩慢降低到0，就會發(fā)現(xiàn)沿溝槽方向分布的光斑全部消失，只剩下最上面的一個光斑，此時的發(fā)射電流為10nA，這樣計算得到圖7c的電子傳輸比為η＝(0.33(總發(fā)射電流)-0.01(面發(fā)射電流))/1.1μA＝29.1％和Canon公司不到1％的傳輸比相比，電子傳輸比得到大幅度地提高，可見隨著陽極電壓的增大，到達陽極上的電子增多，電子傳輸比也隨著提高。對于大屏幕顯示器來說，由于器件內部抽成真空，前后板之間將承受很大的大氣壓力，必須在前后板之間相隔一定距離擱置支撐體——隔離子，這里采用條狀陶瓷隔離子，一方面可以使隔離子隱藏于相鄰像素之間，另一方面，由于發(fā)射出來的電子在柵極電壓作用下有一定的偏轉，這樣電子的偏轉方向和隔離子平行，不會造成隔離子上電荷的積累而影響電子的發(fā)射。總之，材料的選取應遵守在真空中不出氣或少出氣以避免破壞高真空或引起破壞性電弧，還要能經(jīng)受雜散電子的轟擊而不會被擊穿、退化或產(chǎn)生二次電子。
權利要求
1.一種基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于該制作方法如下1]在后基板(102)上制作陰極(101)、柵極(103)和布線電極；2]在陰極(101)上制作碳納米管陣列(104)；3]在前基板(106)上制作熒光粉層(205)和陽極(105)；4]制作隔離子(112)并將其放置在前基板(106)和后基板(102)間；5]封裝顯示器。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于所述在后基板(102)上制作陰極(101)、柵極(103)和布線電極的方法如下1]取后基板(102)；2]在后基板(102)上鍍金屬膜；3]刻蝕金屬膜形成陰極(101)、柵極(103)和布線電極；所述在陰極(101)上制作碳納米管陣列的方法如下1]配制碳納米管漿料；2]在陰極(101)和柵極(103)之間填充碳納米管漿料；3]對陰極(101)和柵極(103)間的碳納米管漿料固化并刻蝕形成溝槽207。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于所述在后基板(102)上制作陰極(101)、柵極(103)和布線電極的方法如下1]取后基板(102)；2]在后基板(102)上制作玻璃溝槽；3]在后基板(102)上鍍金屬膜；4]刻蝕金屬膜形成陰極(101)、柵極(103)和布線電極；所述在陰極(101)上制作碳納米管陣列(104)的方法如下1]配制碳納米管漿料；2]在陰極(101)和柵極(103)之間填充碳納米管漿料；3]對陰極(101)和柵極(103)間及玻璃溝槽中的碳納米管漿料固化并刻蝕形成溝槽(207)。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于所述在后基板(102)上制作陰極(101)、柵極(103)和布線電極的方法如下1]取后基板(102)；2]在后基板(102)上鍍金屬膜；3]刻蝕金屬膜形成陰極(101)、柵極(103)和布線電極；所述在陰極(101)上制作碳納米管陣列(104)的方法如下在陰極(101)和柵極(103)之間采用直接生長法排列碳納米管。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于所述在后基板(102)上制作陰極(101)、柵極(103)和布線電極的方法如下1]取后基板(102)；2]在后基板(102)上制作玻璃溝槽；3]在后基板(102)上鍍金屬膜；4]刻蝕金屬膜形成陰極(101)、柵極(103)和布線電極；所述在陰極(101)上制作碳納米管陣列(104)的方法如下在陰極(101)和柵極(103)之間及玻璃溝槽兩側采用直接生長法排列碳納米管。
6.一種基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于該制作方法如下1]取后基板(102)；2]配制碳納米管漿料；3]在后基板(101)上用碳納米管漿料制作陰極(101)、柵極(103)和布線電極；4]在前基板(106)上制作熒光粉層(205)和導電金屬膜(206)；5]制作隔離子(112)并將其放置在前基板(106)和后基板(102)間；6]封裝顯示器。
7.一種基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于該方法包括以下步驟1]取后基板(102)；2]在后基板(102)上制作玻璃溝槽；3]配制碳納米管漿料；4]在后基板(102)上用碳納米管漿料制作陰極(101)、柵極(103)和布線電極，對玻璃溝槽中固化的碳納米管漿料刻蝕形成溝槽(207)；5]在前基板(106)上制作熒光粉層(205)和導電金屬膜(206)；6]制作隔離子(112)并將其放置在前基板(106)和后基板(102)間；7]封裝顯示器。
8.根據(jù)權利要求2至7之任一權利要求所述的基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于所述配制碳納米管漿料的方法如下1]制備碳納米管；2]對碳納米管進行分離；3]在碳納米管中加入環(huán)氧樹脂、固化劑、納米級金屬粉和有機溶劑，形成碳納米管漿料。
9.根據(jù)權利要求2至7之任一權利要求所述的基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于所述在陰極(101)和柵極(103)之間填充碳納米管漿料的方法是采用絲網(wǎng)印刷工藝或采用精確定位智能噴頭進行定點填充；所述在后基板(102)上用碳納米管漿料制作陰極(101)、柵極(103)和布線電極的方法是采用絲網(wǎng)印刷工藝；所述對固化的碳納米管漿料刻蝕形成溝槽(207)的方法是采用激光打標機進行刻蝕。
10.根據(jù)權利要求1至7之任一權利要求所述的基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，其特征在于所述在前基板(106)上制作熒光粉層(205)和陽極(105)的方法如下1]在前基板(106)上印制紅熒光粉(108)、綠熒光粉(109)、藍熒光粉(110)和黑色氧化銅隔色條(107)；2]在熒光粉層(205)鍍一層導電金屬膜(206)；所述制作隔離子(112)并將其放置在前基板(106)和后基板(102)間的方法如下1]取陶瓷片；2]將陶瓷片切割成長方體形長條形成隔離子(112)；3]在隔離子(112)的上下兩側或一側鍍金屬膜(111)或粘接金屬絲(113)；4]用熱壓法、熱聲法或超聲法將隔離子(112)固定在前基板(106)和后基板(102)間。
全文摘要
一種基于碳納米管場發(fā)射陣列的三電極平面型顯示器的制作方法，包括1]在后基板上制作陰極、柵極和布線電極；2]在陰極上制作碳納米管陣列；3]在前基板上制作熒光屏和陽極；4]制作隔離子并將其放置在前基板和后基板間；5]封裝顯示器。本發(fā)明的制作方法將平面型的發(fā)射結構和碳納米管的強發(fā)射特性有機地結合起來，在處于同一平面上的陰極和柵極之間設置碳納米管陣列，解決了背景技術中柵極制作難度大、電子傳輸效率低以及成本高的技術問題，具有電子傳輸比高(理論計算可以達到40％，實驗結果為29.3％)；工藝過程簡化；成本低；應用范圍寬；發(fā)射穩(wěn)定可靠；調節(jié)方便的優(yōu)點。
文檔編號H01J31/12GK1790588SQ200410073380
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月14日 優(yōu)先權日2004年12月14日
發(fā)明者田進壽, 白永林, 劉百玉, 歐陽嫻, 趙寶升, 白曉紅, 王琛, 黃蕾 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所