TW201041006A - Method for fabricating carbon nanotube field-emission electron source - Google Patents

Description

201041006 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種奈米碳管場發射源之製造方法，特別是指一種 I 製造多方向的電子發射路徑之奈米碳管發射源之製造方法。 【先前技術】 奈米碳管自90年代被發現以來，由於其具有奈米等級的尺寸與很 大的表面基’且具有由六方碳原子點陣構成之特殊圓柱管結構，以及 具有獨特的電、磁、光學特性和應用潛力，因此特別受到褐目。奈米 碳管具有極小的尖端曲率半控、極小尺寸、中空狀、高化學穩定度以 及高機械強度，可提供多元化的應用，例如場發射源、儲氫的載具、 至溫時的電晶體等，特別是高的管徑長度比與高化學穩定度，使其成 為較具前_場發射源’所以奈米碳管有著極佳的場發射特性，在較 低電壓下所產生的電場可引發出大的電流密度，使其成為場發射陰極 發射源的最佳材料。 目刖製作奈米碳管陰極結構的方式主要有兩種方式，一種是直接 利用化學氣相沉積法(CVD)法在玻璃基板上直接成長奈米碳管，但合 成溫度超過基板的軟化溫度，同時對於大面積顯示器的應用亦受到限 〇制，另—種方式是利用網版印刷的方式直接將奈米碳管漿料網印於基 板上’與CVD法相比，網印法不僅成本較低，製作相對簡單，且可以 大面積印刷生產。但是奈米碳管漿料在網印於基板後，在高溫燒結過 釭十’奈米碳管會與漿料中之有機載體(〇rganjcvehjc|e)反應而造成質 量損失很大，奈米碳管的發射穩定性變差，另外利用網印法所製造之 結構’發射源無方向性，因此需要進—步的活化，常見的方式為膠帶 (adhesive tap丨ng)將平坦之礙管拉起而與基板垂直，但此方法會將膠帶 ^的化學物賊留於陰極結構中而造成二次污染，且直接接觸也會破 壞結構而影響場發射穩定性、壽命等。 有鑑於此，本發明遂提出一種奈米碳管場發射源之製造方法，以 201041006 改善存在於先前技術中之該些缺失。 【發明内容】 本發明的主要目的在於提供一種奈米碳管場發射源之製造方法， 可省略後續的活化步驟，以簡化奈米碳管場發射源的製程，進而降低 製造成本。 本發明之另一目的係提供一種可於較低溫下進行反應，且不需外 加碳氫化合物氣體之奈米碳管場發射源之製造方法，以減低製造上的 危險性。 本發明之再一目的係提供一種可應用於場發射顯示器或高效能發 光元件上的奈米碳管場發射源之方法。 為達到上述目的，本發明提供一種奈米碳管場發射源之製造方 法’包含提供一基板；設置一電極層於該基板上；提供一混合物，其 係由奈米碳管漿料及碳粉混和而成；以及利用網印將混合物塗佈於電 極層上’並燒結以進行熱裂解反應而形成一刺螺狀奈米碳簽結構之奈 米碳管發射層。 另外’本發明製造的奈米碳管場發射源可應用於場發射顯示器或 高效能發光元件上，以場發射顯示器為例，依照上述步驟獲得陰極板 後，可組裝一場發射顯示器，其方法包含：提供一陰極板，其上表面 設置一電極層，而電極層上具有刺蜎狀奈米碳簇結構之奈米碳管發射 層；於陰極板上設置一空間支撐器；於空間支撐器的一頂緣設置一陽 極板’使空間支撐器介於陰極板及陽極板之間；以及將陰極板、空間 支撐器與陽極板置入於一真空腔體内，並進一步地對該陰極板、空間 支撐器及陽極板進行封裝；依上述步驟即可完成場發射顯示器。 為使對本發明的目的、特徵及其功能有進一步的了解，茲配合圖 式詳細說明如下： 口 【實施方式】 请參閱第一圖，為本發明之奈米碳管場發射源之製造方法之步驟 201041006 流，圖。請-併參閱第二圖，為本發明製造陰極板之結構剖視圖。於 第圖中’奈米碳管場發射源之步驟流程包含：步驟Si〇:提供一基 板211而基板211係為玻璃基板、塑膠基板、陶竟基板或石夕基板者。 步驟sn :設置一電極層212於基板211上，其中電極層212 $製作過程包含下列步驟’將一感光性導電漿料塗佈於此基板211的 一表面上’利用光微影製程，將圖案作出，且燒結(sintering)後完成電 極層212，微影製程包括經麟後以光罩定義_，並作曝光和顯影。 步驟S12 :提供-由奈米碳錄料及雜混和喊之混合物，其 中混合物係_—三賴裝置將奈米碳管雜與碳粉均句混合而成， 〇奈米碳管漿料係包含多壁奈米碳管(MWCNTs)、有機載體(〇rganjc vehicle) ’例如松油醇(terpine〇l)或乙基纖維素(EC)、黏結劑，例如玻 璃柘(frits)、導電粉末及分散劑，例如聚乙醇基紛_員界面活性劑⑽⑽ X 100)。本發明所選用的碳粉可由回收的碳粉閘中取得，而碳粉係包 含磁性粒子、高分子及碳黑枝，< 粉於高溫的侧下高分子會裂解 成碳原子與鐵、鈷及鎳等粒子反應生成奈米碳管。 步驟S13 :利用網版印刷方式將混合物塗佈於電極層212上。 步驟S14 . it行Hx使混合物騎減解反應祕成—刺螺狀 奈米碳簇結構之奈米碳管發射層213。 〇 #巾’於步驟S14巾’混合物係藉由複數階段不肖加練溫溫度 的升溫加齡驟使魏行鋪解反應，騎溫至室溫，魏結步驟包 含：對混合物進行加熱’使其升溫至第-階段的加熱溫度並持溫-段 時間，使高分子進行第-階段除氫、去除不需要的揮發產物之反應。 於本發明中，第-階段的加熱恒溫溫度較佳為在3〇〇〜35(rc之間，自 。室溫加熱至，-階段的加熱恆溫溫度的升溫速率較佳為每分鐘2〜5 C。待完成第-階段的加熱溫度加織，接著再升溫至第三階段的加 熱奴並持溫-段時間，使高分子進行第二階段的熱裂解反應，此時 石反粉與奈米碳管漿料中的高分子在熱裂解反應中所裂解出的碳當作碳 源’可生長卿狀奈米碳麟構之奈米碳管發射層213 ，因此，不需 5 201041006 外加碳氫化合物氣體，以減低習知技術所製造奈米碳管場發射源的危 險性。於本發明中，第二階段的加熱恆溫溫度較佳為在35〇〜5〇(rc之 間，自室溫加熱至第二階段的加熱恆溫溫度的升溫速率較佳為每分鐘 2〜5°C 〇 由於碳粉之裂解溫度較低，當碳粉與奈米碳管漿料中的多壁奈米 碳管進行裂解反應時，除了可降低多壁奈米碳管被氧化的機率，同時 也可以合成出有利於場發射效果的碳簇材料，此材料的特點為刺蜎狀 碳簇的結構可使其始終有一面朝向陽極，因此，可以減少後續的一些 表面處理步驟，而解決現今製備及活化陰極結構程序複雜化的缺點， 換句話說，即可得到高電流密度之場發特性，此外，更可以達到縮短 製作程序及製㈣間崎低成本之優點，域可有聽用於大面積製 程製作場發射平面顯示器或高效能發光元件上。 此外，為使可獲得產量較多的刺蜎狀奈米碳簇，亦可將混合物進 行熱裂解反應的步驟，其包含—通人氣體的步職先於鮮解反應中 升溫至第-P桃的加熱溫度恆溫前，於通人氮氣前先通人空氣，待溫 度升至第二階段的加熱溫度後改通入氮氣以置換反應室中的空氣藉 此，依照上述之製造步驟，在燒結的過程巾，氣體、溫度及混合物能 夠促使奈米碳管的生成，除了能夠保護原本的奈米碳管不受破壞外， 亦同時可以成長出綱狀奈米碳竊結構之奈米碳管發射層213，待燒 結元成之後，即可完成一陰極板21。 请參閱第二圖及第四圖，當經由上述燒結以使混合物進行熱裂解 反應完的產物後’可使崎描錢子臟鏡(SEM)進行觀察本發明所 =之製造方法所製造出的刺·奈米碳蔟結構之影像圖。由於奈米 碳管是呈現網狀向四面八方發射出電子，因此，本發明所製造出刺 螺狀奈米碳_構係為多方向之電子發射路徑之奈米碳管發射層，所 以不須經過活化的步驟’即可達到高電流密度、低起始電壓(turn_〇n voltage)之特性。 本發明製造的奈米碳管場發獅可應場發射赫ϋ或高效能 201041006 發光元件上，讀職場發棚4為例，依照第—圖之夺 發射源的製造雜轉喊得陰缺21後，可絲—% 如第五圖所示’場發射顯示器5〇係包含：提供—基板211，其上 設置有-電極層作為-陰極層212，而陰極層211上具有刺螺狀太 碳簇結構之奈純料_ 213,接祕陰極板21上設i複數* = 樓器(spa峰1，並於此些空間支樓器51的一頂緣設置一陽極 使空間支撑器51介於陰極板21及_板52之間，陽極板 Ο 明導電玻璃_-9_，其中，陽極板52下表面設置有一透明導2 作為陽極層53，且陽極層53對應於與陰極板21，並於陽極層5 網印一層營光體(__)54，螢光體54是可因應電路設計的需长， 而為下述兩種型態：第-種是形成呈紅綠藍(簡稱RGB)三原色 別獨立没置第二種是將RGB三原色同時形成在單一螢光體 ο t併參閱第五圖及第六圖’第六圖為本發_試場發射顯示器 之不思圖’將陰極板21、空間支撐器51及陽極板52置人於—真空腔 體61内’射，可利用幫浦將腔體的壓力抽至10-5T〇rr以下’並進 極板21、空間支撐器52及陽極板53進行封裝，即可完成 G。本發明可個-電壓供應裝置62(例如最高可提 H V)提供一電壓於陰極板21及陽極板52之間用以加速自陰 反上U碳〗發射層213以多方向發射出電子並撞擊到陽極 板52的螢光體54上，則螢光體54即會激發出可見光源。 以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的 、使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之内容並據以實施，當不能 發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均 專變化或修飾，健减在本發明之補範圍内。 【圖式簡單說明】 第一圖為本_之奈米碳管場贿狀觀方法之步職程圖。 201041006 第二圖為本發a·猶極板之結構剖視圖。 第三圖為本發明使用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行觀察刺蜎狀卉 簇結構之影像圖。 T/、厌 米後 簇結構之影像圖 第四圖為本發明使用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行觀察刺蜎狀太 第五圖為本發明應用於場發射顯示器之剖視圖。 第六圖為本發明測試場發射顯示器之示意圖。 【主要元件符號說明】 21陰極板 211基板 212陰極層 213奈米碳管發射層 50場發射顯示器 51空間支撐器 52陽極板 53陽極層 54螢光體 61真空腔體 62電壓供應裝置

Claims (1)

1. 201041006 七、申請專利範圍： 1· 一種奈米碳管場發射源之製造方法，其應用於場發射顯示器或高效 能發光元件上，該方法包含： 提供一基板； 設置一電極層於基板上； 提供一混合物，其係由奈米碳管漿料及碳粉混和而成；以及 利用網印將該混合物塗佈於該電極層上，並燒結以進行熱裂解反應 而形成一刺蜎狀奈米碳簇結構之奈米碳管發射層。 ^ 2. 如申請專利範圍第彳項所述之奈米碳管場發射源之製造方法，其中 〇 該混合物係藉由複數階段不同加熱恆溫溫度的升溫加熱步驟使其 進行該熱裂解反應，再降溫至室溫。 、 3. 如申請專利範圍第2項所述之奈米碳管場發射源之製造方法，其中 該複數階段的升溫加熱步驟’至少包含一第一階段的加熱恆溫溫度 在300〜350°C之間及一第二階段的加熱恆溫溫度在35〇〜5〇(rc 之間的加熱階段。 4. 如申請專利範圍第3項所述之奈米碳管場發射源之製造方法，其中 自室溫加熱至該第一階段的加熱恆溫溫度的升溫速率為每分鐘2 〜5〇C 〇 〇 5·如=請專利範圍第3項所述之奈米碳管場發射源之製造方法，其中 自室溫加熱至該第二階段的加熱恆溫溫度的升溫速率為每分鐘2 〜5〇C 6. 如申請專利範圍第彳項所述之奈米碳管場發射源之製造方法其中 該混合物進據麵解反觸步騎—步包含—通人氣體的步驟。 7. 如申請專利範圍第6項所述之奈米碳管場發射源之製造方法， 該氣體係為氮氣。 〃 8·如申請專利範圍第7項所述之奈米碳管場發射源之製造方法，其中 ，私氣體的步驟係為升溫至該第—階段的加熱溫度前先通入空 氣待/皿度升至该第二階段的力口熱溫度後改通入該氣氣。 9 201041006 9. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管場發射源之製造方法，其中 δ亥基板係為玻璃基板、塑膠基板、陶究基板或碎基板者。 10. 如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管場發射源之製造方法，其中 該奈米碳管漿料係包含多壁奈米碳管、有機載體、黏結劑、導電粉 末及分散劑。 11.如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管場發射源之製造方法，其中 該碳粉係包含磁性粒子、高分子及碳黑元素。 合而成 12.如申請專利細第1項所述之奈米碳管場發獅之製造方法，其中 該混合物侧用—三賴裝置職奈*碳管賴與該碳粉均句混 13.如申請專利範圍第1項所述之奈米碳管場發㈣之製造方法，其中 該碳粉與奈轉㈣料㈣高分子在歸解反射㈣解出的碳 虽作碳源，可生長該刺蜎狀奈米碳簇結構。 14 H吻專利範圍第1項所述之奈米碳管場發射源之製造方法，其中 二廢。胃狀奈米碳賴構係為多方向之電子發射路徑之奈米碳管發