專利名稱：鐵電冷陰極及包括相同物的鐵電場致發(fā)射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷陰極和場致發(fā)射裝置。特別是，本發(fā)明涉及鐵電冷陰極和場致發(fā)射裝置，其包括位于上電極和下電極之間的鐵電層，并且通過該上電極和該下電極之間的場致脈沖的作用發(fā)射電子。
背景技術(shù)：
鐵電晶體是一種電介質(zhì)，即電絕緣體，并且具有自發(fā)極化性質(zhì)，其可以通過外電場的作用而變換極性。利用鐵電晶體的該特性，人們可以使該鐵電表面?zhèn)鲗?dǎo)電子，并且該電子在可以相對弱的真空下應(yīng)用場致脈沖發(fā)射。
圖1A和1B圖解了H.Gundel提出的傳統(tǒng)的鐵電冷陰極的結(jié)構(gòu)。該鐵電冷陰極包括位于鐵電基板10的上表面上的條形上電極20[“Ferroelectrics，Vol.100，(1989).1”]。
參照圖1A，通過該上電極20發(fā)射的電子50分布在該鐵電基板10的上表面上，暴露在該條形上極板20之間的間隔中。然后，參照圖1B，對下極板30施加負脈沖電壓，并且該鐵電基板10的極化方向反向。然后，在該鐵電基板10的上表面?zhèn)鲗?dǎo)的電子通過排斥力發(fā)射。
然而，在極化該鐵電基板10時，在該鐵電基板10的該上表面和該上電極20之間會產(chǎn)生相對小的電壓差。盡管存在該小的電壓差，但為給大的冷陰極提供發(fā)射電流，需要從該上電極20上提供大量的電子到該鐵電基板10的上表面上。此外，冷陰極需要具有上電極結(jié)構(gòu)，其中，在極化和反向極化過程中接受脈沖力的電子不再發(fā)射到該上電極材料20上，而是向上發(fā)射。
此外，通過在陽極基板上涂鍍熒光物質(zhì)，提供通過電子碰撞發(fā)射的平板顯示裝置和熒光物質(zhì)，該陽極基板面向該冷陰極，并且和該冷陰極以預(yù)定的距離分隔。為提供這樣的平板顯示裝置，需要在玻璃基板上形成該冷陰極結(jié)構(gòu)。然而，該傳統(tǒng)的鐵電基板的燒結(jié)溫度大約在1000℃以上，其遠高于廣泛用于顯示裝置的玻璃基板的該耐熱溫度。因此，對于用鐵電冷陰極的場致發(fā)射裝置來說，需要一種燒結(jié)溫度比該耐熱溫度低的鐵電陰極。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供作為上電極的冷陰極，其通過超細線性導(dǎo)電材料，如碳納米管形成的網(wǎng)使得電子的發(fā)射和再提供更容易。
本發(fā)明通過降低該鐵電基板的燒結(jié)溫度至玻璃基板的耐熱溫度以下，還提供可以應(yīng)用在場致發(fā)射顯示裝置中的冷陰極。
根據(jù)本發(fā)明的觀點，該鐵電冷陰極包括基板；下電極層，其由在該基板上表面上的導(dǎo)電材料形成；鐵電層，其由該下電極上表面的鐵電材料形成；和超細線性材料網(wǎng)，其形成該鐵電層上的上電極，并且通過由分布在網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的超細線性導(dǎo)電材料粒子形成的網(wǎng)孔，外露該鐵電層的上表面。
該超細線性材料網(wǎng)可以為由分布并固定在網(wǎng)狀薄層中的導(dǎo)電材料制造的納米線、納米管和納米棒制造的網(wǎng)。預(yù)定波形的電壓施加在為該上電極層的該超細線性材料網(wǎng)和該下電極層上。根據(jù)該施加的電壓，電子流入相鄰該超細線性材料網(wǎng)的該鐵電層的表面，并且當(dāng)該電介質(zhì)極化反向時，電子發(fā)射到該網(wǎng)的外部。
大量的網(wǎng)孔形成在該超細線性材料網(wǎng)中。同樣，由于該網(wǎng)由如納米線、納米管和納米棒的超細線性材料片形成，因此該片的末端給該鐵電層的表面形成了狹窄的孔徑。該超細線性材料的縱橫比較大，并且其末端具有較大的場增強因子，因此，盡管在該超細線性材料網(wǎng)和該鐵電層的表面之間存在小的電壓差，但是電子也易于提供。
該鐵電層可以是堆疊成多層的鐵電材料的納米大小的珠子。該鐵電材料可以是鋯鈦酸鉛(PZT)、摻鑭鋯鈦酸鉛(PLZT)和鈦酸鋇(BT)這樣的陶瓷材料。燒結(jié)時，該陶瓷的燒結(jié)溫度根據(jù)該粒子的大小變化。也就是說，粒子的尺寸越小，燒結(jié)工藝的溫度越低。
在當(dāng)前技術(shù)中，需要高于1000℃的高溫來燒結(jié)由微米大小的粒子形成的該鐵電層。然而，由納米大小的珠子形成的鐵電層的燒結(jié)工藝可以在低于平板顯示裝置的基板的耐熱溫度630℃的溫度下實施。因此，根據(jù)本發(fā)明的觀點，可以提供由玻璃基板形成的鐵電冷陰極結(jié)構(gòu)。
同樣，由納米大小的珠子形成的鐵電層可以具有沿頂層珠子粒子表面的光滑曲線。該曲線可以在該鐵電層表面和該上電極層之間提供合適的孔徑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個觀點，該場致發(fā)射裝置包括鐵電冷陰極和陽極，其設(shè)置在前基板上，設(shè)置成距該鐵電冷陰極預(yù)定的距離，其中，從該冷陰極發(fā)射出來的電子由于電場的作用碰撞到該陽極上，該鐵電冷陰極包括后基板；下電極層，其由該基板的上表面上的導(dǎo)電材料形成；鐵電層，其由該下電極的上表面上的鐵電材料形成；和超細線性材料網(wǎng)，其形成該鐵電層上的上電極，并且通過分布在網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的超細線性導(dǎo)電材料粒子形成的多個網(wǎng)孔，外露該鐵電層上表面的一部分。


通過參照附圖詳細描述其中的示范性實施例，本發(fā)明上述及其它的特征和優(yōu)點將會變得更加顯明。
圖1A和1B圖解了傳統(tǒng)的鐵電冷陰極的結(jié)構(gòu)和運行原理。
圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的鐵電場致發(fā)射裝置的截面圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的鐵電冷陰極的截面圖；圖4為由碳納米管形成的超細線性材料網(wǎng)的平面圖；圖5圖解了圖3所示實施例的三維視圖；和圖6A至6D圖解了根據(jù)本發(fā)明的鐵電冷陰極的運行原理。
具體實施例方式
下面將參照附圖更全面的描述本發(fā)明，其中展示了本發(fā)明的示范性實施例。
圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的鐵電場致發(fā)射裝置的截面圖。根據(jù)本發(fā)明的鐵電場致發(fā)射裝置包括鐵電冷陰極，其形成在后基板100上；前基板200，其設(shè)置成與該鐵電冷陰極相隔預(yù)定的距離；和陽極210，其設(shè)置在面向該冷陰極的該前基板200的表面上。
下電極120由在該后基板100表面上的導(dǎo)電金屬或非金屬形成。鐵電層130由在該下電極120上表面上的具有鐵電特性的材料形成。鐵電晶體是一種具有自發(fā)極化特性的電介質(zhì)，其可以通過外電場反向。人們熟知的鐵電材料有一百種以上，根據(jù)所需特性，可以用其中任意一種。具體地講，可以用鋯鈦酸鉛(PZT)、摻鑭鋯鈦酸鉛(PLZT)、鈦酸鋇(BT)這樣的陶瓷材料。
碳納米管網(wǎng)140形成為該鐵電層130上表面上的上電極層，面向該下電極層120。該碳納米管網(wǎng)140為可應(yīng)用于本發(fā)明的上述的一種超細線性材料網(wǎng)。該碳納米管網(wǎng)140具有固定的網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中，碳納米管粒子均勻分布。該碳納米管粒子的直徑在幾納米至十幾納米范圍內(nèi)變化，并且該長度根據(jù)增長時間變化。在此，該長度可以在幾微米至幾百微米或更大的范圍內(nèi)變化。
一般來說，由于其大的表面積，碳納米管具有非常大的范德瓦爾斯力。因此，當(dāng)納米管與聚合物或其它溶劑混合時，由于碳納米管自身結(jié)合在一起的特性，會難于獲得均勻分布。然而，近來揭示了一種碳納米管分布液，其中碳納米管粒子可以分布和穩(wěn)定。該碳納米管網(wǎng)可通過在該鐵電層130的該上表面旋轉(zhuǎn)涂敷該碳納米管分布液，并且在100至150℃的相對低的溫度范圍內(nèi)烘烤而形成。
圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的鐵電冷陰極的截面圖。本發(fā)明的該冷陰極包括玻璃基板110和鐵電層133，其由在該下電極層120和該碳納米管網(wǎng)140之間的多個鐵電納米珠子132形成。本發(fā)明實施例中的該鐵電層133可以具有堆疊結(jié)構(gòu)，其由納米珠子形成的納米大小的致密設(shè)置的多個單層構(gòu)成。隨著該粒子的尺寸變小，陶瓷材料可以在較低的溫度燒結(jié)。由幾納米至十幾納米或更大直徑范圍的鐵電納米珠子132形成的該鐵電層133，在低于該平板顯示裝置玻璃基板的耐熱溫度630℃的溫度下燒結(jié)。相應(yīng)地，根據(jù)本實施例的該冷陰極可以應(yīng)用在包括玻璃基板的平板顯示裝置中。
生產(chǎn)鐵電納米珠子和納米珠子單層的方法沒有特別限制，并且利用納米珠子可以采用各種方法提供鐵電層。例如，納米粒子BaTiO3可以通過glycothermal方法制造納米粒子尺寸大小的BaTiO3粉末獲得，該方法由LimDae Young在“韓國陶瓷協(xié)會期刊(Journal of Korean Ceramic Society)”(2002)上提出。這些納米珠子也可以用浸漬工藝或Langmuir-Blodgett(LB)方法形成納米粒子單層。在此，浸漬涉及浸泡基板于包括混合在溶劑中的陶瓷粒子的陶瓷漿中，并且拉出該基板，從而形成陶瓷粒子層。該LB方法涉及在面下相液體表面上設(shè)置一層，并且以預(yù)定的速度拉出該基板，從而該層粘附在該基板的表面上。
圖4為由碳納米管形成的超細線性材料網(wǎng)的平面圖。碳納米管是超細線性材料，如納米管、納米線和納米棒的一個實例，并且下面將詳細描述之。碳納米管網(wǎng)140由多個碳納米管粒子141形成。如前所述，納米管粒子可以以在溶劑中分布的狀態(tài)，通過旋轉(zhuǎn)涂敷形成薄層。因此，該碳納米管網(wǎng)140具有由不均勻分布的碳納米管粒子141形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該碳納米管網(wǎng)140具有大量的網(wǎng)孔145，并且該鐵電層的表面通過該網(wǎng)孔145外露于外部。
該碳納米管網(wǎng)140由碳納米管粒子141形成，從而有幾個碳納米管末端設(shè)置在每個網(wǎng)孔中。該碳納米管粒子的縱橫比，即長度L與直徑D的比例非常大。因此場焦指數(shù)(field focus index)也非常大。因此，即使在該碳納米管網(wǎng)140和該鐵電層表面之間存在小的電勢差，大量的電子也可以通過穿遂效應(yīng)從該碳納米管末端142向該鐵電層的表面移動。
上述特性可以在其它形式的納米材料中體現(xiàn)，而不僅僅體現(xiàn)在碳納米管中。因此，本發(fā)明的該冷陰極的上電極層可以包括具有較大縱橫比的分布超線性粒子的網(wǎng)，如納米管、納米線和納米棒。
圖5圖解了圖3所示實施例的三維視圖。其有助于對該鐵電層133和該碳納米管網(wǎng)140的直觀理解。如圖5所示，鐵電層133的表面由多個納米珠子132形成，并且沿頂層納米珠子的弧形表面彎曲。因此，該鐵電層133具有大的表面積，并且可以與該碳納米管網(wǎng)140保持預(yù)定的距離。
圖6A至6D圖解了根據(jù)本發(fā)明的鐵電冷陰極的運行原理。首先，如圖6A所示，當(dāng)上電場通過該下和上電極120和140形成在該鐵電層133上時，該鐵電層133向上極化。在這點上，如圖6B所示，從該碳納米管網(wǎng)140，即上電極發(fā)射的電子50粘附到該鐵電層133上側(cè)的該鐵電納米珠子132的表面上。
參照圖6C，當(dāng)該鐵電層133的電場通過該下和上電極120和140反向時，該鐵電層133也向下極化。然后，如圖6D所示，該鐵電層133上表面的該鐵電納米珠子132變?yōu)樨撾姾?，并且該電?0通過該碳納米管網(wǎng)140的該網(wǎng)孔145發(fā)射。盡管未在圖6A至6D中示出，當(dāng)陽極設(shè)置在該冷陰極的上側(cè)時，該發(fā)射的電子50通過該陽極和該冷陰極之間的強電場加速，并且與該陽極表面碰撞。
根據(jù)本發(fā)明，通過利用由超細線性導(dǎo)電材料，如碳納米管形成的網(wǎng)，該鐵電冷陰極和包括該鐵電冷陰極的該鐵電場放射裝置使得電子的發(fā)射和再提供更容易。此外，通過減小該鐵電層的燒結(jié)溫度到玻璃基板的耐熱溫度以下，該鐵電層可以應(yīng)用在場致發(fā)射顯示裝置中。
盡管本發(fā)明參照其中的示范性實施例已經(jīng)進行了特別的展示和描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在此可以對其進行形式和細節(jié)中的各種變化，而不脫離附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種鐵電冷陰極，包括基板；下電極層，其由該基板的上表面上的導(dǎo)電材料形成；鐵電層，其由該下電極層的上表面上的鐵電材料形成；和超細線性材料網(wǎng)，其形成該鐵電層上的上電極，并且通過分布在網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的超細線性導(dǎo)電材料粒子形成的多個網(wǎng)孔外露該鐵電層的該上表面的一部分。
2.如權(quán)利要求1所述的冷陰極，其中，該超細線性材料粒子的直徑從幾納米至幾百納米變化，并且該超細線性材料是納米管、納米線和納米棒中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的冷陰極，其中，該超細線性材料為碳納米管。
4.如權(quán)利要求1所述的冷陰極，其中，該鐵電層由多個鐵電納米珠子形成。
5.如權(quán)利要求4所述的冷陰極，其中，該納米粒子層利用浸漬工藝或Langmuir-Blodgett方法設(shè)置和燒結(jié)。
6.如權(quán)利要求4所述的冷陰極，其中，該基板為玻璃基板。
7.一種場致發(fā)射裝置，包括鐵電冷陰極和陽極，其設(shè)置在前基板上，設(shè)置成距該鐵電冷陰極預(yù)定的距離，其中，從該冷陰極發(fā)射出來的電子由于電場的作用碰撞到該陽極上，該鐵電冷陰極包括后基板；下電極層，其由在該基板的上表面上的導(dǎo)電材料形成；鐵電層，其由該下電極層的上表面上的鐵電材料形成；和超細線性材料網(wǎng)，其形成該鐵電層上的上電極，并且通過分布在網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的超細線性導(dǎo)電材料粒子形成的多個網(wǎng)孔外露該鐵電層的該上表面的一部分。
8.如權(quán)利要求7所述的場致發(fā)射裝置，其中，該超細線性材料粒子的該直徑從幾納米至幾百納米變化，并且該超細線性材料是納米管、納米線和納米棒中的一種。
9.如權(quán)利要求7所述的場致發(fā)射裝置，其中，該超細線性材料為碳納米管。
10.如權(quán)利要求7所述的場致發(fā)射裝置，其中，該鐵電層由多個鐵電納米珠子形成。
11.如權(quán)利要求10所述的場致發(fā)射裝置，其中，該納米粒子層利用浸漬工藝或Langmuir-Blodgett方法設(shè)置和燒結(jié)。
12.如權(quán)利要求10所述的場致發(fā)射裝置，其中，該基板為玻璃基板。
全文摘要
本發(fā)明提供了鐵電冷陰極和包括其的鐵電場致發(fā)射裝置。該鐵電冷陰極包括基板；下電極層，其由該基板的上表面上的導(dǎo)電材料形成；鐵電層，其由該下基板的上表面上的鐵電材料形成；和超細線性材料網(wǎng)，其形成該鐵電層上的上電極，并且通過分布在網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的超細線性導(dǎo)電材料粒子形成的多個網(wǎng)孔外露該鐵電層上表面的一部分。
文檔編號H05B33/02GK1882204SQ20061009376
公開日2006年12月20日 申請日期2006年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月18日
發(fā)明者鄭得錫, 陳勇完, 韓仁澤, 崔濬熙 申請人:三星Sdi株式會社