专利名称：场发射显示器电子发射源及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种场发射显示器电子发射源及其制造方法，尤其涉及一种用纳米碳管做场发射显示器的电子发射源及其制造方法。
背景技术：
虽然液晶显示器(LCD)及电浆显示器(PDP)是目前使用最广泛的薄型显示装置，然而它们都存在着难以克服的缺点，例如LCD的亮度不足、可视角度范围较小、色彩饱和度不足、亮点、反应速度较低、大尺寸面板制造不易等缺点，PDP则有耗电、高热、纯黑色表现不佳等缺点。因而这两类目前流行的薄型显示器仍存在着先天的缺陷，就画面质量来说，仍难以达到常用的阴极射线管(CRT)的水平。于是出现了采用CRT基本原理的场发射显示器(Field Emission Display，FED)。其主要采用成矩阵排列的多个阴阳极单元取代CRT的电子枪及荧光屏，而可以在保持CRT高画质的状况下，实现薄型化的目的，故称FED为薄型显示器的明日之星实不为过。但FED技术的发展虽已历经约三十年，但其商品化及批量生产技术仍未成熟，直到近来因为纳米技术的蓬勃发展，纳米碳管(carbon nanotube，CNT)的发明才促进了FED技术的大幅进步。纳米碳管场发射显示器(Carbon Nanotube Field EmissionDisplay；CNT-FED)以纳米碳管做为电子发射源(阴极)，不仅保留了CRT的影像品质，并具有省电及体积小的优点。同时具有纳米碳管的导通电场低、发射电流密度高以及稳定性高的特性，成为兼具驱动电压低、发光效率高、无视角问题并省电、大尺寸、低成本等优点的全新平面显示器。
这种场发射显示器主要是利用冷阴极电子发射源作为电子束来源，用以取代阴极射线管的热阴极电子枪。当场发射显示器放置在电场中时，冷阴极电子发射源对着涂有荧光粉的阳极基板射出电子束，从而撞击发光。因此制造成电子发射源的纳米碳管的使用密度将直接影响电子束的电子密度。而且涂布或连接纳米碳管的阴极电极的表面平坦性也相当重要，若阴极电极的表面平坦性不佳，相对所制成的电子发射源也会不平整，进而在电场中将产生电子发射的均匀性问题，当然也会对影像与亮度的均匀性产生影响。
以CNT做为场发射显示器的电子发射源虽具有极佳的电子束发射效果，但如何将细小且为数众多的CNT涂布在阴极板上仍有许多需改进的地方，公知的CNT电子发射源的制造方法，一般是使用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、网版印刷(screen print)、黄光或电泳法等，这些制造程序中分别存在着许多待解决与克服的问题。
在已知的纳米碳管电子发射源的制造技术中，用CVD制造程序直接成长的制造技术，是由Milne等科学家发展的、用单一光罩与自对准技术制造出场发射微阴极的技术，这项技术能保证纳米碳管与闸极针孔中心共线。
该微型场发射组件制造过程为首先在硅基材、金属层、二氧化硅、多晶硅等所构成的层状结构上用微影、光阻及蚀刻等技术做出闸针孔直径为2微米的微穴。接着，在微穴中用表面沉积镍沉积氮化钛(TiN)与镍。其中TiN的作用为防止镍在微型场发射组件成长时所需的高温下扩散到金属层，而镍则为催化剂。然后，洗去表面结构上的光阻，在微穴内中央处留有催化剂。最后，利用CVD及适当的气体如乙炔、氨气等在高温下，在微穴中央生长纳米碳管，生长范围的直径约1微米。生长完成后，每一微穴中约有十余支纳米碳管，其直径约10-50纳米，长度0.4微米。
这种薄膜制造方法虽可以获得电子密度高且发光均匀性好的电子发射源，不过其启始电场偏高，约在大于5V/μm以上，且这种制造技术仅能应用在硅晶圆(silicon wafer)上，同时制造成本偏高。
还可采用涂布实施制造方法来制造纳米碳管电子发射源，主要是利用网印或喷涂技术来实施，即该纳米碳管与涂料一起由网印或喷涂技术任意地、散乱地排列涂布在阴极电极表面，再利用烧结技术将纳米碳管固着在阴极电极上实现纳米碳管电子发射源。这种制造方法，该阴极电极的表面平整性将显得更加重要，因该表面平整性会直接影响所完成的纳米碳管电子发射源的平坦性及电子发射均度；因此对阴极电极表面平整度要求极高，因而其制造程序相对复杂、成本也相对较高。
另外公知的由网印技术实施的电子发射源的制造方法，特别是厚膜网印的技术，受限于网版结构，表面平坦性显然相对较差，因此所制成的电子发射源的结构平坦性当然也较差，在具体的制造中，表层的高低差异可达到10μm以上；此外为使纳米碳管可以固着在阴极电极表面上，往往必须在纳米碳管涂料中加入大量的固着粉体如玻璃粉等，因而使涂料中所沉积的纳米碳管的密度降低，导致所制成的电子发射源的纳米碳管密度较低，致使发射的电子密度降低。
本发明的内容本发明的一个目的是提供一种电子发射源及其制造方法，可利用低黏度纳米碳管溶液沉积在网印在阴极电极层中的孔穴内，从而即使阴极电极层及孔穴的平坦性不佳仍不影响沉积而形成的电子发射源层的平坦性，使阴极电极层的表面平坦性不再是直接影响电子发射源层表面平坦均匀性的因素。
本发明的又一目的是提供一种电子发射源及其制造方法，利用低黏度纳米碳管溶液沉积在阴极电极层的孔穴中，并利用真空烧结技术获得密度增加的纳米碳管沉积阴极电极层，从而提高电子束的电子密度。
本发明的另一目的是提供一种电子发射源及其制造方法，利用该制造方法所制成的电子发射源，科增加纳米碳管布植的平坦性及密度，从而可将启始电场降低到10μA/cm2的电场1.8V/μm，且在电场达2.5V/μm即可产生10mA/cm2的电流密度。
为实现上述目的，本发明提供了一种电子发射源的制造方法，在一形成阴极的第一基板的表面上，利用网印或微影蚀刻技术制造形成基底并含有穴孔的阴极电极层，利用微影制造程序在阴极电极层表面制造光阻保护层，再将低黏度纳米碳管溶液涂布在上述光阻保护层上并沉积在孔穴中，经真空烧结并利用蚀刻技术去除光阻保护层而形成位于孔穴内的带有平坦表面的电子发射源层。
在本发明的电子发射源的制造方法中，在第一基板上网印了阴极电极层之后，也可以直接在孔穴中沉积低黏度纳米碳管溶液，并经真空烧结，获得带有平坦表面的电子发射源层。
为实现上述目的，本发明提供了一种电子发射源，包括一形成阴极的第一基板；以网印或蚀刻技术形成在第一基板表面的阴极电极层，，所述阴极电极层中设有孔穴；以低黏度纳米碳管溶液填入并结合在孔穴中所形成的带有平坦表面的电子发射源层，所述低黏度纳米碳管溶液的结合是利用真空烧结技术来完成的。
与公知的电子发射源相比较，本发明的电子发射源具有较好的平坦性、可提高影像与亮度均匀性并增加了纳米碳管的密度从而有助于电子束电子密度的提高。
附图的简要说明图1是依据本发明的一个实施例的电子发射源的剖面图；图2是依据本发明的第一实施例的电子发射源制造方法的制造流程图；图3是依据本发明的第二实施例的电子发射源制造方法的制造流程图；图4是依据本发明的第三实施例的电子发射源制造方法的制造流程图。
附图中组件代表符号列表如下第一基板1 阴极电极层2电子发射源层3 光阻保护层4孔穴 具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容进行详细的说明。
本发明提供一种增加了平坦性及纳米碳管密度的电子发射源层，因而可提高影像与亮度均匀性，并有助于提高电子束电子密度。图1示出了本发明一优选实施例的电子发射源的剖示图。如图1所示，本发明的一个实施例的电子发射源包括形成阴极的第一基板1、用网印或蚀刻技术制造在第一基板1表面上的阴极电极层2，阴极电极层2中含有孔穴21；利用低黏度纳米碳管溶液直接填入并结合在孔穴形成一带有平坦表面的电子发射源层3，利用真空烧结技术来完成该低黏度纳米碳管溶液的结合。
在上述低黏度纳米碳管溶液填入阴极电极层2及与孔穴21结合前，可以进一步利用微像制造方法在上述阴极电极层2表面制造光阻保护层，以将低黏度纳米碳管溶液涂布在光阻保护层上及孔穴21中。在真空烧结而结合后，可进一步利用蚀刻制造方法去除该光阻保护层，同样可以在孔穴21内形成作为电子发射源层3的具有平坦表面的纳米碳管。
在具体实施例中，上述第一基板1采用透明基板，在其它具体实施例中可以是玻璃基板。阴极电极层2则可由银(Ag)、铬(Cr)或铟锡氧化物(ITO)等制成。
在本发明的优选实施例中，在第一基板1表面制造的阴极电极层2的膜层厚度约0.1～10μm。而在阴极电极层2形成的孔穴21的深度为5～10μm。纳米碳管的长度最好限制在1μm以下。
本发明提供了制造上述电子发射源的方法。以下结合
了制造上述电子发射源的制造方法的几个优选实施例的步骤。
图2a～图2e说明了本发明第一实施例的电子发射源的制造流程。该电子发射源的制造方法包括以下步骤(a)如图2a所示，提供形成阴极的第一基板1；(b)利用网印的图腾化技术将金属导电材料制造在上述第一基板1的表面上，形成阴极电极层2；同时，如图2b所示，在该阴极电极层2表面形成孔穴21；然后(c)如图2c所示，利用微影制造方法在上述阴极电极层2表面制造一层可去除的光阻保护层4(PR)；(d)如图2d所示，再用沉积有纳米碳管的低黏度纳米碳管溶液涂布在光阻保护层4的表面，且填入孔穴21内并在其内沉积；(e)如图2e所示，利用结合技术(如真空烧结技术)将低黏度纳米碳管溶液内多余的溶剂移除，再利用蚀刻技术去除光阻保护层4与表面的低黏度纳米碳管溶液，从而获得结合在孔穴21内的由高密度纳米碳管形成的电子发射源层3。
本发明上述制造方法的优选实施例中，在第一基板1表面制造的阴极电极层2的膜层厚度约0.1～10μm。而在阴极电极层2上形成的孔穴21的深度为5～10μm。微影制造在阴极电极层2表面的光阻保护层4的厚度约l～2μm。而沉积在低黏度纳米碳管溶液内的纳米碳管的长度最好限制在1μm以下。
在上述制造方法的优选实施例中，该孔穴21的深度至少为5μm，在本发明的该具体实施例的制造程序中，可使纳米碳管在孔穴21内进行一定的沉积，再将纳米碳管的低黏度溶液填入孔穴21中，使纳米碳管在孔穴21内的沉积表面获得一定的平坦度，这样，即使上述阴极电极层2的表面与孔穴21底层表面的平坦性不好，仍可以利用低黏度纳米碳管溶液的纳米碳管在孔穴21内的沉积形成平坦的电子发射源层。
根据本发明制成的电子发射源，其表面纳米碳管层的平坦性增加，电子束的发射也较均匀，因而也提高了影像或亮度的均匀性。
另外，再上述制造方法的优选实施例中，由于纳米碳管具有很大的长宽比(aspect ratio)，在低黏度纳米碳管溶液内沉积高密度的纳米碳管，使得高密度的纳米碳管在沉积间将互相编织牵制而结合在孔穴21内，因此，与公知的制造方法相比较，本发明制造方法中无需象公知制造方法那样，在纳米碳管涂料中添加大量的固着粉体(如玻璃粉等)以固着纳米碳管，只需利用简单的真空烧结技术将低黏度纳米碳管溶液内多余的溶剂去除即可。并因为不需要添加大量的固着粉体，因而不会致使碳管密度降低，从而使沉积在孔穴21内的纳米碳管密度增加，有助于电子束电子密度的提高。
除了图2a～图2e的制造方法外，还可以由另一优选实施例来制造本发明的电子发射源。此第二优选实施例的制造方法流程依次包含提供第一基板1、制造阴极电极层2、制造孔穴21、制造光阻保护层4、制造纳米碳管及去除光阻保护层4。即在利用光阻型介电涂料来制造阴极电极层2，再进一步在阴极电极层2表面制造孔穴21，再依次制造光阻保护层4、制造纳米碳管及去除光阻保护层4而完成电子发射源的制造。图3a～图3e依次说明了这些制造步骤。
该第二个优选实施例的具体制造方法包含以下步骤(a)如图3a所示，提供用于形成阴极的第一基板1；(b)如第3b图所示，用网印制造方法利用光阻型介电涂料在上述第一基板1表面制造阴极电极层2，同时，采用灰阶光罩用曝光显影制造方法在阴极电极层2的表面上制造孔穴；用来形成阴极电极层2的光阻型介电涂料优选地为光阻型银胶涂料；(c)如图3c所示，利用微影制造方法在上述阴极电极层2表面制造一层可去除的光阻保护层4(PR)；(d)如图3d所示，再用沉积有纳米碳管的低黏度纳米碳管溶液涂布在光阻保护层4的表面，填入到孔穴21内并在其内沉积。
(e)如图3e所示，利用结合技术(如真空烧结技术)将低黏度纳米碳管溶液内多余的溶剂去除，而使高密度的纳米碳管溶液结合在孔穴21中，并将位于阴极电极层2表面的光阻保护层4与表面的低黏度纳米碳管溶液经蚀刻去除而形成电子发射源层3。
根据上述第二个具体实施例的制造方法，同样可以制造与上述制造方法第一具体实施例相同的电子发射源，并且所制成的电子发射源的平坦性与纳米碳管的密度等都有同样的极佳的表现，反映为影像与亮度均匀性的提高及电子束电子密度的提高。
图4a到图4c是本发明的制造方法的第三优选实施例，此第三优选实施例的制造方法依序包含提供第一基板1、制造含有孔穴的阴极电极层2、制造纳米碳管。即直接烧结填入孔穴21的低黏度纳米碳管溶液，而完成与上述制造方法的两个实施例相同的电子发射源。制造方法的该第三优选实施例包含以下步骤(a)如图4a所示，提供第一基板1，此第一基板1是透明基板或玻璃基板；(b)利用图腾化印刷技术直接将金属导电材料制造在上述第一基板1表面上，形成阴极电极层2，同时，在该阴极电极层2表面形成孔穴21(如图4b所示)；然后(c)再将沉积有纳米碳管的低黏度纳米碳管溶液直接填入阴极电极层2表面的孔穴21，并在其内沉积(如图4c所示)；(d)利用结合技术(如真空烧结技术)将低黏度纳米碳管溶液内多余的溶剂移除，而使得高密度的纳米碳管溶液结合在孔穴21形成电子发射源层3。
根据本发明的制造方法所制造成的电子发射源，该电子发射源层的平坦性以及纳米碳管的密度都有所增加，因而在电子发射源的电子束发射工作中，该电子发射源的启始电场可被低到10uA/cm2的电场1.8V/μm，且在电场达到2.5V/μm时即可产生10mA/cm2的电流密度。
本发明提供了一种电子发射源，必须意识到本文所述的实施例仅用于解释与说明，绝非是对本发明专利范围的限制，未在本文描述的其它实施例与申请，均视为在本发明的范围内。也应意识到，虽然本文讨论了电子发射源的特定实施方式，但实现等同功能的结构同样在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种场发射显示器电子发射源的制造方法，包括提供一形成阴极的第一基板；在所述第一基板的表面上网印一阴极电极层，并形成多个孔穴；在阴极电极层表面覆盖一层光阻保护层；将低黏度纳米碳管溶液涂布在光阻保护层表面并沉积在所述孔穴中；去除涂布在光阻保护层表面的低黏度纳米碳管溶液；真空烧结沉积在孔穴中的低黏度纳米碳管溶液并形成平坦的电子发射源层。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述孔穴中形成的电子发射源层用蚀刻技术去除光阻保护层及表面的低黏度纳米碳管溶液并在真空烧结后，形成为具有由高密度纳米碳管沉积的平坦表面的电子发射源层。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述孔穴位于网印在所述第一基板表面的阴极电极层中。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述孔穴的用来涂布沉积低黏度纳米碳管溶液的深度根据阴极电极层以及制造在其表面的光阻保护层的总厚度确定，使纳米碳管在孔穴内的沉积表面具有一定的平坦度。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述光阻保护层由微影制造方法制造在所述阴极电极层表面，并且所述光阻保护层并不覆盖所述孔穴的表面。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述低黏度纳米碳管溶液是不增添固着粉体的高密度沉积纳米碳管的溶液。
7.一种电子发射源的制造方法，包括提供一形成阴极的第一基板；在所述第一基板表面上网印一由光阻型介电涂料形成的阴极电极层，并制造多个孔穴；在所述阴极电极层表面覆盖一层光阻保护层；在光阻保护层表面上涂布低黏度纳米碳管溶液并沉积在所述孔穴中；去除涂布在光阻保护层表面上的低黏度纳米碳管溶液；真空烧结所述沉积在孔穴中的低黏度纳米碳管溶液并形成平坦的电子发射源层。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述光阻型介电涂料为光阻型银胶涂料。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述孔穴是利用灰阶光罩形成图案再用曝光显影制造方法形成在所述阴极电极层的表面上的。
10.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述孔穴用来涂布沉积低黏度纳米碳管溶液的深度，根据阴极电极层以及制造在其表面的光阻保护层的总厚度确定，使纳米碳管在孔穴内的沉积表面获得一定的平坦度。
11.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述光阻保护层由微影制造方法制造在所述阴极电极层表面，并且所述光阻保护层不覆盖所述孔穴的表面。
12.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述低黏度纳米碳管溶液是不增添固着粉体的高密度沉积纳米碳管的溶液。
13.一种电子发射源的制造方法，包括提供一形成阴极的第一基板；在所述第一基板的表面上网印一阴极电极层，并形成多个孔穴；在阴极电极层表面覆盖一层光阻保护层；将低黏度纳米碳管溶液涂布在光阻保护层表面并沉积在所述孔穴中；真空烧结沉积在孔穴中的低黏度纳米碳管溶液并形成平坦的电子发射源层。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述孔穴是在阴极电极层网印在所述第一基板表面上时直接形成的。
15.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述孔穴用于涂布沉积所述低黏度纳米碳管溶液的深度为阴极电极层的厚度，使纳米碳管在孔穴内的沉积表面获得一定的平坦度。
16.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述低黏度纳米碳管溶液是不增添固着粉体的高密度沉积纳米碳管的溶液。
17.一种电子发射源，包括一形成阴极的第一基板；一阴极电极层，形成在所述第一基板的表面上；电子发射源层；其特征在于，所述阴极电极层中含有孔穴，所述电子发射源层在所述孔穴中，并具有平坦的表面。
18.根据权利要求17所述的电子发射源，其特征在于，所述阴极电极层中的孔穴直接形成在所述第一基板上，所述第一基板的表面构成所述孔穴的底面。
19.根据权利要求17所述的电子发射源，其特征在于，所述孔穴形成在所述阴极电极层中，所述孔穴的底面与所述第一基板的表面分开。
20.根据权利要求17所述的电子发射源，其特征在于，在所述第一基板表面上的阴极电极层的膜层厚度为0.1～10μm，所述孔穴的深度为5～10μm。
21.根据权利要求17所述的电子发射源，其特征在于，先在所述阴极电极层上制造可去除光阻保护层，所述电子发射源层由低黏度纳米碳管溶液填入由所述阴极电极层与所述可去除光阻保护层所定义的孔穴内，并在去除光阻保护层后进行真空烧结所形成的。
22.根据权利要求17所述的电子发射源，其特征在于，先在所述阴极电极层上制造可去除光阻保护层，所述电子发射源层由低黏度纳米碳管溶液填入由所述阴极电极层所定义的孔穴内，并在去除光阻保护层后进行真空烧结所形成的。
23.根据权利要求17所述的电子发射源，其特征在于，所述电子发射源层是由低黏度纳米碳管溶液填入并沉积结合在孔穴所形成的。
24.根据权利要求23所述的电子发射源，其特征在于，所述电子发射源层利用真空烧结制造方法沉积结合在所述孔穴中。
25.根据权利要求23所述的电子发射源，其特征在于，所述低黏度纳米碳管溶液是不增添固着粉体的高密度沉积纳米碳管的溶液。
全文摘要
本发明涉及一种场发射显示器电子发射源及其制造方法，所述制造方法包括提供形成阴极的第一基板，在第一基板上利用网印或微影蚀刻技术制造含有孔穴的阴极电极层，阴极电极层表面经微影制造程序制造光阻保护层，再将低黏度纳米碳管溶液涂布在上述光阻保护层并沉积在孔穴中，经真空烧结并利用蚀刻技术去除光阻保护层形成位于孔穴内的具有平坦表面的电子发射源层。电子发射源包括形成在第一基板上的阴极、形成在所述阴极表面并含有孔穴的阴极电极层以及经蚀刻显像及真空烧结而高密度沉积在孔穴中的带有平坦表面的电子发射源层。本发明的电子发射源具有较好的平坦性、可提高影像与亮度均匀性并增加纳米碳管的密度从而有助于提高电子束电子密度。
文档编号H01J9/02GK1705061SQ200410042599
公开日2005年12月7日 申请日期2004年5月25日 优先权日2004年5月25日
发明者李裕安, 萧俊彦, 蔡金龙, 郑奎文 申请人:东元奈米应材股份有限公司