專利名稱：用于場致發(fā)射裝置的長壽命場致發(fā)射極及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于場致發(fā)射裝置的長壽命發(fā)射極，以及制造這種發(fā)射極的方法，更特別地是，本發(fā)明涉及一種用于場致發(fā)射裝置的發(fā)射極，通過在基底和發(fā)射極之間插入一紫外線(UV)透射阻擋層來提高其壽命，并且本發(fā)明涉及制造這種發(fā)射極的方法。
背景技術：
作為顯示技術的進步，平板顯示器比傳統(tǒng)的陰極射線管(CRT)應用得更廣泛。平板顯示器的代表實例包括液晶顯示器(LCD)以及等離子顯示板(PDP)。現(xiàn)今正在進行在金屬尖端處利用場致發(fā)射現(xiàn)象的場致發(fā)射裝置(FED)的研究。FEDs可望成為下一代的顯示技術，其相對于CRT可以提供高亮度和寬的視角，其相對于LCDs可以提供更薄和輕的設計。
FEDs使用類似于CRTs的物理原理。也就是，由陰極發(fā)射的電子被加速，與涂有熒光物的陽極碰撞，并且激發(fā)熒光物隨后放出特定顏色的光。但是，不同點是與CRT相反，F(xiàn)ED具有冷陰極電子發(fā)射源。盡管在研發(fā)的初始階段金屬尖端被主要用作FED的電子發(fā)射源(發(fā)射極)，但是后續(xù)研究開發(fā)出一種可承受的發(fā)射極，其使用碳納米管(CNTs)來代替金屬尖端以提供優(yōu)良的場致發(fā)射特性。
圖1示出使用碳納米管(CNTs)的典型三極管類型的場致發(fā)射裝置(FED)的原理。參考圖1，由CNT制成的發(fā)射極130形成在覆蓋著基底110的陰極120上。當電壓被施加在柵極150和陰極120上時，電子從細絲狀的CNT釋放出來從而激發(fā)熒光物140。這里，附圖標記145指示分開單個像素的黑矩陣。
在使用CNT作為發(fā)射極的FED中，有兩種方法用于制備發(fā)射極。一種方法是將包括CNT的膏體施加在基底上并且使用照相平版將其形成圖案。另一種方法是利用化學蒸汽沉積(CVD)直接在基底上生長CNT。在通過上述其中一種方法制備的特定CNT發(fā)射極中由于在CNT下部的CNT長度、傳導率以及電阻的非均勻性，所以有時可能發(fā)生一種過電流情形。這種非正常的電子發(fā)射導致了CNT壽命的下降，整體產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定且亮度低。
為了改善質(zhì)量的不穩(wěn)定性，所提出的一種方法包括在基底和CNT之間插入一非晶硅(a-Si)阻擋層。更明確的是，使用CVD在基底上沉積a-Si從而形成阻擋層，并且隨后通過CVD在所述阻擋層上生長CNT從而形成一發(fā)射極。所述阻擋層在CNT的下部導致一定程度的壓降，因此使得作用于單個CNT的電流均勻。
但是，由于非UV透射的a-Si傳統(tǒng)上是作為阻擋層使用的，所以應用背部曝光的照相平版處理無法進行。因此，在這種情況下，由于上述將包括CNT的膏體施加在基底上并對其形成圖案的方法無法被用來制備CNT發(fā)射極，所述CNT發(fā)射極僅能通過使用CVD經(jīng)由生長CNT來制備。所述CVD方法僅允許具有大直徑的多壁的CNT(MWNT)的生長。但是，由于場致增強效果正比于CNT的長度而反比于CNT的直徑，因此所述具有小直徑的單壁的CNT(SWNT)可以被用于制備能提供超級性能的發(fā)射極。高溫CVD還受到用作基底和電極材料以及高制備成本的限制，這就造成其難于均勻地控制CNTs的生長。因此，為了在阻擋層上形成SWNTs，需要使用一種用于阻擋層的UV透射阻擋材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過使用紫外線透射材料用于阻擋層提供一種在阻擋層上形成單壁碳納米管(SWNT)發(fā)射極的方法。
本發(fā)明還提供一種用于場致發(fā)射裝置(FED)的碳納米管(CNT)發(fā)射器，其設計成通過在阻擋層上形成SWNT發(fā)射極來提供更均勻的電流密度、長的壽命以及高亮度。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種制備用于FED的發(fā)射極的方法，其包括的步驟有將透明電極沉積在透明基底上；通過在透明電極上層疊紫外線透射阻擋材料形成一阻擋層；通過在紫外線透射阻擋材料上層疊碳納米管(CNT)形成一發(fā)射極層；以及根據(jù)預設的發(fā)射極圖案對所述發(fā)射極構圖。通過將呈膏狀的UV透射阻擋材料應用在透明電極上以及進行燒結而固化從而形成一阻擋層。
所述UV透射阻擋材料具有大于10Ωm的電阻率以及包括下列至少一種，即Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，F(xiàn)e2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，和U3O5。更優(yōu)選地，所述UV透射阻擋材料可以包括Cr2O3。
另外，所述方法可以包括以下步驟將透明電極沉積在透明基底上；在透明電極的頂部表面的相對側上形成絕緣層；在所述絕緣層的頂部形成柵電極；以及在相對絕緣層之間的透明電極上形成由紫外線透射阻擋材料構成的阻擋層和碳納米管(CNT)的發(fā)射器層。阻擋層和發(fā)射極層的側壁可以預定的距離與那些相對的絕緣層分開。
形成阻擋層和發(fā)射極層的步驟包括涂覆光致抗蝕劑以覆蓋柵電極的頂部表面以及絕緣層和柵電極的相對壁；通過將UV透射阻擋材料層疊在相對絕緣層之間的透明電極上形成阻擋層；通過在阻擋層上層疊CNT形成發(fā)射極層；以及使用照相平版印刷根據(jù)預設的發(fā)射極圖案對所述發(fā)射極層構圖。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種FED，其包括根據(jù)上述方法制備用于FED的發(fā)射極；與發(fā)射極的所述發(fā)射極層相對設置并且以預定的距離與用于FED的發(fā)射極的所述發(fā)射極層分開的第二透明電極；涂覆在面對所述發(fā)射極層的第二透明電極表面上的熒光物層；以及形成在第二透明電極的另一表面上的第二透明基底。


通過結合附圖對以下實施例所作的詳細說明，本發(fā)明的上述和其它優(yōu)勢將會變得更加顯而易見，其中圖1示出使用碳納米管(CNTs)的典型場致發(fā)射裝置(FED)的原理；圖2A-2E是剖視圖，其示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例制備一種用于二極管類型的FED的方法；圖3A-3G示剖視圖，其示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例制備一種用于三極管類型的FED的方法；圖4是一示圖，其示出在使用阻擋層前后所測量的電流和電壓(V)之間特性的比較；圖5是一示圖，其示出在使用阻擋層前后所測量的壽命之間的比較；圖6A和6B分別為示出在使用阻擋層前后在陽極處的光發(fā)射的照片；以及圖7是一剖視圖，其示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例用于FED的下柵型的發(fā)射極。
具體實施例方式
將會結合附圖對用于根據(jù)本發(fā)明實施例的場致發(fā)射裝置(FED)的碳納米管的制備方法進行說明。
參考圖2A，首先，諸如銦鋅氧化物(ITO)的透明電極11被沉積在諸如玻璃的透明電極基底10上。參考圖2B，通過產(chǎn)生一定的壓降使施加于CNT的電流均勻的阻擋層12隨后形成在所述透明電極10上。當諸如非結晶硅(a-Si)的非UV透射阻擋材料通常被用作阻擋層12時，在本發(fā)明中使用紫外線透射阻擋材料以利用后曝光執(zhí)行圖案處理。所述阻擋材料具有大于10Ωm的電阻率，優(yōu)選地在102Ωm到103Ωm的范圍，以獲得足夠的電壓降。滿足上述要求的材料的示例包括下列材料，即Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，F(xiàn)e2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，and U3O5。更優(yōu)選地，Cr2O3可被用作阻擋材料。
形成阻擋層12的方法包括制備至少一種呈膏狀的UV透射阻擋材料，將膏狀的UV透射阻擋材料施加在透明電極11上，以及用一般方法對其進行燒結和固化?；蛘?，可以利用通常使用的沉積技術以薄膜形式在透明電極11上沉積UV透射阻擋材料而形成阻擋層12。
下面，參考圖2C，通過在阻擋層12上層疊CNT形成發(fā)射極層13。所述CNT可以通過將呈膏狀的CNT施加在阻擋層12或者通過在阻擋層12上利用化學蒸汽沉積(CVD)在阻擋層12上生長所述CNT而層疊在所述阻擋層12上。但是，由于CVD生長需要使用如上所述的具有大直徑的多壁的CNT(MWNT)，所以更希望在本發(fā)明中使用CNT膏。當CNT膏施加在所述阻擋層12上時，可以使用單壁的CNT(SWNT)和MWNT兩者，但優(yōu)選的是，可以使用具有較小直徑的SWNT。
在發(fā)射極已經(jīng)形成在所述阻擋層12上之后，所述發(fā)射極層13根據(jù)希望的圖案形成。為了達到這一點，如圖2C所示，一掩模14對齊在所述透明基底10的下面，該基底隨后用UV光進行照射。對應于希望的發(fā)射極圖案的圖案形成在掩模14上。因此，當透明基底10以透過掩模14的UV光被照射時，所述發(fā)射極層13根據(jù)掩膜14的圖案被暴光于UV光下。最后，在所述發(fā)射極層13用乙醇清除之后，完成如圖2D所示的用于FED的發(fā)射極。
參考圖2E，一種兩極管類型的FED包括利用上述方法完成的發(fā)射極，相對于發(fā)射極層13并且與所述發(fā)射極層13以預定距離分開的第二透明電極16，涂覆在面對發(fā)射極層13的第二透明電極16表面上的熒光物層(未示出)，以及形成在第二透明電極16另一表面上的第二透明基底15。所述第二透明電極16可由ITO制成，而第二透明基底15可以由玻璃制成。
現(xiàn)在將對按上述構成的FED操作進行說明。首先，負電壓和正電壓被分別施加于第一和第二電極11和16。電子從由CNT制成的發(fā)射極層13發(fā)射出來并且朝向施加有正電壓的第二透明電極16傳播。在這種情況下，電子與涂覆在第二透明電極16上的熒光物層碰撞并且激發(fā)熒光物層從而發(fā)出特定顏色的光。
圖3A-3G是剖視圖，其示出制備用于三極管類型的FED的發(fā)射極的方法，該方法還包括根據(jù)本發(fā)明第二實施例的柵電極。參考圖3A，首先，諸如ITO的透明電極21被沉積在諸如玻璃的透明基底20上。
參考圖3B，絕緣層22形成在透明電極21的頂部表面的相對側上。透明電極21的頂部表面的中間部分被保留以在后序處理過程中形成阻擋層和發(fā)射極層。所述絕緣層22通過在透明電極21上施加包括諸如SiO2或PbO絕緣材料的膏體形成，并且隨后通過燒結處理將其固化。
下面，如圖3C所示，噴濺諸如鉻(Cr)的傳導性金屬從而在絕緣層22上形成柵電極23。
參考圖3D，涂覆光致抗蝕劑24從而覆蓋柵電極23的頂部表面以及絕緣層22和所述柵電極23相對的側壁。通過這樣，隨后將會形成在絕緣層22之間的阻擋層和發(fā)射極層的側壁可以與這些絕緣層22以預定的距離分開。
參考圖3E，阻擋層25隨后通過在相對的絕緣層22和光致抗蝕層24之間的透明電極21上層疊UV透射阻擋材料而形成。正如先前所述的那樣，所述UV透射阻擋材料具有大于10Ωm的電阻率，優(yōu)選地處于102Ωm至103Ωm的范圍內(nèi)。滿足這個要求的材料包括Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，F(xiàn)e2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，和U3O5。在所示的實施例中，Cr2O3被用作阻擋材料。與第一實施例相類似，所述UV透射阻擋材料以膏狀施加在透明電極21上并且隨后利用普通方法進行燒結和固化。另外，所述UV透射阻擋材料可以利用一般的沉積技術以薄膜形式沉積在透明電極21上。
下面，參考圖3F，通過在光致抗蝕劑24和阻擋層25上層疊CNTs來形成發(fā)射極層26。如上所述，所述CNTs通過施加呈膏狀的所述CNTs或通過CVD生長CNTs而層疊起來。但是，因為CVD的生長需要利用具有大直徑的多壁的CNT(MWNT)，所以在第二實施例中更希望應用CNT膏。當所述CNT膏被涂覆在所述阻擋層12上時，可以使用SWNT和MWNT兩者，但是優(yōu)選地是使用具有小直徑的SWNT。
隨后，根據(jù)預定的發(fā)射極圖案使用照相平版印刷對發(fā)射極層26進行構圖。為了實現(xiàn)這一點，如圖3F所示，一掩模28對齊在所述透明基底20的下面，該基底隨后用UV光進行照射。對應于希望的發(fā)射極圖案的圖案形成在掩模28上。隨后，用乙醇清除所述發(fā)射極層26。在此時，光致抗蝕劑24還有UV透射阻擋材料的不需要部分和覆蓋著所述光致抗蝕劑24的CNTs一起被去除。因此，完成了如圖3G所示的用于三極管類型的FED的發(fā)射極。
圖4是一視圖，其示出在使用阻擋層前后所測量的電流-電壓(I-V)之間的比較。圖上四邊形的點指示在沒有使用阻擋層時的所測量的I-V特性，而菱形的點指示在使用阻擋層時所測量的I-V特性。正如圖4所示，在使用阻擋層時，在電流傳遞到CNT發(fā)射極中幾乎沒有損失。因此，阻擋層的使用不會減少場致發(fā)射的特性，因此不會減少亮度。而由于阻擋層的存在所導致的壓降可以減少應用于各個CNTs的電流之間的變化，所述壓降不會太大從而顯著地減少整體的平均電流。為了避免大的壓降，所述阻擋層必須具有大約150nm的厚度。
圖5是一視圖，其示出使用阻擋層前后所測量到的壽命之間的比較。為了比較，在4.2V/μm的電場處測量流過CNT發(fā)射極的電流密度。正如圖5所示的那樣，對沒有阻擋層和具備阻擋層的發(fā)射極來說，分別在大約50小時和500小時后電流密度下降到大約其初始值的一半。因此，根據(jù)本發(fā)明的CNT發(fā)射極具有長于傳統(tǒng)發(fā)射極的壽命。
圖6A和6B是分別示出在使用阻擋層前后在陽極處產(chǎn)生光發(fā)射的照片。正如圖6A和6B所示，由于在沒有使用阻擋層時，電子僅從特定的發(fā)射極發(fā)射，所以光的發(fā)射是非均勻的，而在使用阻擋層時，由于電子均勻地從各個發(fā)射極釋放，所以光的發(fā)射是均勻的。
盡管圖3示出帶有覆蓋著CNT發(fā)射極的柵極的用于三極管類型的FED的發(fā)射極，一用于FED的下柵型的發(fā)射極可按圖7所示來形成。參考圖7，一透明電極32和絕緣層33順序地形成在透明基底31的頂部上，以及一柵極34貫穿所述絕緣層33并且被連接到所述透明電極32上。一用于發(fā)射極的電極35形成在所述絕緣層33上，并且阻擋層36和CNT發(fā)射極37被順序地形成在電極35的頂部用做一發(fā)射極。在這種情況下，CNT發(fā)射極37和柵極34彼此相對設置。所述阻擋層36也是由UV透射阻擋材料制成的。在下柵的結構中，有可能通過背部曝光制備SWNT發(fā)射極并且獲得如上所述的效果。
本發(fā)明允許位于CNT發(fā)射極以下的阻擋層在整個的CNT發(fā)射極上均勻地分開電流，因此增加了產(chǎn)品的壽命，增加了電流的均勻分布以及亮度。
本發(fā)明能夠使得阻擋層的使用被應用在通過背部曝光制備CNT發(fā)射極當中以及在高溫處理過程當中。因此，本發(fā)明允許具備大的場致增強效應的SWNT的使用，由此提供了一高質(zhì)量的CNT發(fā)射極。
雖然通過參考本發(fā)明的特定實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了特別的展示和說明，本領域技術人員應會認識到在不背離由本發(fā)明權利要求書所限定的精神和范圍內(nèi)可以在細節(jié)和形式上進行各種的改變。
權利要求
1.一種制備用于場致發(fā)射裝置(FED)的發(fā)射極的方法，包括將透明電極沉積在透明基底上；通過在透明電極上層疊一紫外線透射阻擋材料形成一阻擋層；通過在UV透射阻擋材料上層疊一碳納米管(CNT)形成發(fā)射極；以及根據(jù)預定的發(fā)射極圖案對所述發(fā)射極層構圖。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述阻擋導是通過將呈膏狀的UV透射阻擋材料施加在透明電極上以及燒結所述UV透射阻擋材料或通過在透明電極上以薄膜形式沉積UV透射阻擋材料而形成。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述UV透射阻擋材料具有大于10Ωm的電阻率。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中所述UV透射阻擋材料包括下列中至少一種，即Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，F(xiàn)e2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，和U3O5。
5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中所述UV透射阻擋材料包括Cr2O3。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中通過將CNT膏施加在阻擋層上或使用化學蒸汽沉積(CVD)在阻擋層上生長CNT來層疊所述CNT。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述CNT是單壁或多壁的CNT。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中根據(jù)預定的發(fā)射極圖案對發(fā)射極構圖包括在所述透明基底下對齊具有對應于所述發(fā)射極圖案的掩膜；以UV光照射所述掩膜以及透明基底；以及清除用UV光照射過的發(fā)射極層。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法制備用于場致發(fā)射裝置的發(fā)射極。
10.一種場致發(fā)射裝置(FED)，包括根據(jù)權利要求1所述的方法制備用于FED的發(fā)射極；第二透明電極，其與用于FED的發(fā)射極的所述發(fā)射極層相對地設置并且以預定距離與用于FED的發(fā)射極的所述發(fā)射極層分開；在第二透射電極面對所述發(fā)射極層的表面上涂覆的熒光物層；以及形成在第二透明電極另一表面上的第二透明基底。
11.一種制備用于場致發(fā)射裝置(FED)的發(fā)射極的方法，包括將透明電極沉積在透明基底上；在透明電極的頂部表面的相對側上形成絕緣層；在絕緣層的頂部形成柵電極；以及在相對的絕緣層之間的透明電極上形成由紫外線透射阻擋材料制成的阻擋層和碳納米管(CNT)的發(fā)射器層。
12.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中阻擋層和發(fā)射極層的側壁以預定的距離與那些相對的絕緣層分開。
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中阻擋層和發(fā)射極的形成包括涂覆光致蝕刻從而覆蓋柵電極的頂部表面以及絕緣層和柵電極的相對的側壁；通過在相對的絕緣層之間的透明電極上層疊紫外線透射阻擋材料形成阻擋層；通過在阻擋層上層疊CNT形成一發(fā)射極；以及根據(jù)預定的發(fā)射極圖案使用照相平版印刷對所述發(fā)射極層構圖。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中通過將CNT膏施加在阻擋層上或利用化學蒸汽沉積(CVD)在阻擋層上生長CNT來層疊所述CNT。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述CNT是單壁或多壁的CNT。
16.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中根據(jù)預設的發(fā)射極圖案對所述發(fā)射極構圖包括在所述透明電極下對齊具有圖案的掩膜，其圖案對應于發(fā)射極的圖案；用UV光照射所述掩膜和所述透明基底；以及執(zhí)行清除過程從而將光致蝕刻劑和不需要的UV透射阻擋材料和CNTs部分去除。
17.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述UV透射阻擋材料具有大于10Ωm的電阻率。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述UV透射阻擋材料包括下列至少一種，即Cr2O3，Na2O2，SO2，CaO，Sc2O3，TiO2，VO2，V2O5，Mn3O4，F(xiàn)e2O3，CoO，Co3O4，Cu2O，CuO，ZnO，SrO，SrO2，Y2O3，ZrO2，PdO，DcO，ln2O3，BaO，La2O3，CeO2，Pr2O3，Nd2O3，Sm2O3，Gd2O3，Tb2O3，Dy2O3，Er2O3，Yb2O3，Ta2O5，WO3，PbO，UO2，和U3O5。
19.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述UV透射阻擋材料包括Cr2O3。
20.根據(jù)權利要求11所述的方法制備用于場致發(fā)射裝置的發(fā)射極。
全文摘要
提供一種用于場致發(fā)射裝置(FED)的發(fā)射極，通過在基底和發(fā)射極之間插入一紫外線透射阻擋層以增加其壽命，并且提供一種用于制備這種發(fā)射極的方法。所述方法包括將透明電極沉積在透明基底，通過在透明電極上層疊紫外線(UV)透射阻擋材料形成阻擋層，通過在UV透射阻擋材料上層疊碳納米管(CNT)形成發(fā)射極層，以及根據(jù)預定的圖案對發(fā)射極層構圖。
文檔編號H01J1/00GK1705062SQ20051007477
公開日2005年12月7日 申請日期2005年6月2日 優(yōu)先權日2004年6月3日
發(fā)明者金元錫, 河在相, 李晶姬, 鄭太遠, 孔炳閏 申請人:三星Sdi株式會社