TW201303949A - 三極型場發射裝置及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種三極型場發射裝置及其製作方法，適用於曲面或平面基板上的全網印製程，可先利用網印方式同時形成陰極電極及閘極電極於一陰極基板上，且閘極電極與陰極電極之間具有一間距，以避免短路或干擾現象；再對位網印刺蝟狀場發射層至少形成於陰極電極上；於陽極基板上依序形成透明導電及發光層；最後間隔平行設置陰極基板及陽極基板，並封裝成一三極型場發射光源裝置。可控制陰極電極及閘極電極之偏壓以達到局部調光功能，且閘極電極可同時作為發射極使用，能提高場發射效率及壽命。
Description
本發明係有關一種三極型場發射光源裝置及其製作方法，特別是指一種使用全網印製程製作出面光源的三極型場發射光源裝置。
場發射顯示器係繼陰極射線管(CRT)顯示器與液晶(LCD)顯示器之後，最具發展潛力之下一代新興技術。相對於先前顯示器，場發射顯示器具有顯示效果好、視角大、功耗小以及體積小等優點，尤其係基於奈米碳管之場發射顯示器，即奈米碳管場發射顯示器(CNT-FED)，近年來越來越受到重視。
一般而言，場發射顯示器之結構可分為二極體結構及一三極體結構。所謂二極型即包括有陽極與陰極之場發射結構，這種結構由於需要施加高電壓，且均勻性以及電子發射難以控制。三極型結構則係在二極型基礎上改進，增加閘極來精確控制電子發射，具有低電壓、低電流的特性，且更具有CRT之高亮度自發光的優點，因此使用三極體結構成為近年來極具競爭力的一種平面顯示器。
其中，三極體結構之基本結構主要是由陽極之螢光層、陰極之發射層及閘極所組成，如第1圖所示，場發射裝置包含兩片平行之陰極基板10以及陽極基板12，兩者之間為真空狀態且設置有一空間支撐柱14，作為空間支撐。陽極基板12包含陽極層16及螢光層18。陰極基板10上包含陰極層20、閘極層22及位於陰極層20、閘極層22之間的介電層24。陰極層20上製作奈米碳管作為射極層26，再利用微影製程於介電層24與閘極層22上製作一對應射極層26之開孔28，此設計係為點光源結構。使用時，施加不同電壓在陽極層16、陰極層20與閘極層22，由閘極層22將陰極層20的電子自射極層26發射出，並穿過開孔28，經電場加速撞擊陽極基板12之螢光層18，激發螢光層18而發光。
雖然此上述結構可以有效控制電子束行徑方向，但是射極層26之發射面遠低於閘極層22，不僅使場發射之閾值電壓相應增加，以及發射電流密度減小，又使發射之電子受兩側閘極層22之電場作用，而發生較大角度之偏轉，容易撞擊到螢光層18以外之區域，造成圖像點中央暗、邊緣亮之發光不均勻的問題。此外，若利用網印法來製作奈米碳管發射層於陰極層20上，發射源無方向性，因此需要進一步的活化，常見的方式為膠帶將平坦之奈米碳管拉起而與陰極層20垂直，但此方法會將膠帶中的化學物質殘留於陰極層20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，本發明遂針對上述先前技術之缺失，提出一種三極型場發射裝置及其製作方法，以有效克服上述之該等問題。
本發明之主要目的在提供一種三極型場發射裝置及其製作方法，其使用全網印製程以提高製作的簡易性、良率及應用性，得以製作大面積的顯示器背光模組及照明燈管等發光產品上，進而可解決習知製作於大面積或曲面基板的諸多限制與成本考量，以及可節省微影製程的繁雜程序。
本發明之次要目的在提供一種三極型場發射裝置及其製作方法，使用網印製程製作具有間距的閘極電極及陰極電極於共平面上，具有發散電子的能力，且可得到一均勻的面光源功效。
本發明之又一目的在提供一種三極型場發射裝置及其製作方法，可製作出具有刺蝟狀場發射層，使其朝向陽極方向發射，能省略後續的表面活化處理步驟，進而讓製程簡單化。
本發明之再一目的在提供一種三極型場發射裝置及其製作方法，可由閘極電極控制陰極電極兩側之電位差來牽引電子數量及行徑方向，以達到局部調光之目的，進而提升解析度與發光品質。
本發明之另一目的在提供一種三極型場發射裝置及其製作方法，可使用交流電壓作為驅動電壓，使得同時形成有刺蝟狀場發射層之閘極電極與陰極電極會隨著頻率交替執行電子發射，進而能提高場發射效率及壽命。
為達上述之目的，本發明提供一種三極型場發射裝置之製作方法，包括下列步驟：首先，提供一陰極基板；於一網版上設計陰極、閘極電極結構的圖案與對位記號，再利用網版印刷方式將圖案化形成至少一陰極電極及至少一閘極電極於陰極基板上，且閘極電極與陰極電極之間具有一間距的排列設計；接續將一維奈米、有機載體、黏結劑、導電粉末及分散劑之材料均勻混合成一場發射源漿料，並利用網版印刷方式將場發射源漿料至少形成於陰極電極上，並進行高溫燒結，以去除高分子、溶劑，使陰極電極上形成一刺蝟狀場發射層；提供一陽極基板，其上形成一透明導電層，再網印一發光層於透明導電層上，並進行燒結；最後間隔平行設置陰極基板及陽極基板，並封裝成一三極型場發射光源裝置。
此外，本發明更提供一種三極型場發射裝置，包括：一陰極基板及一陽極基板之內表面相對應且間隔平行設置，陰極基板上設有圖案化之至少一陰極電極及至少一閘極電極，且閘極電極與陰極電極之間具有一間距；一刺蝟狀場發射層至少形成於陰極電極上；陽極基板上依序設有一透明導電層及一發光層，而發光層係對應刺蝟狀場發射層之位置；最後利用一支撐件設於陰極基板及陽極基板之間，以間隔出真空狀態的一空間，可用來維持陰極基板及陽極基板之間的一定間距，並密封閘極電極、陰極電極、刺蝟狀場發射層、透明導電層及發光層於內。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明提出一種新穎的三極型場發射裝置及其製作方法，其係使用全網印製程製作三極型場發射裝置，可製作曲面化的陰極/閘極結構，使應用性更加廣泛。此外閘極結構又可利用交流電壓驅動方式，使閘極結構與陰極結構於固定頻率下互換，故閘極結構可同時扮演閘極及發射極的角色，使場發射源輪流發射，以達到場發射效率及壽命增長之目的者。
如第2圖所示，為本發明之結構示意圖，三極型場發射裝置30包括一陰極基板32及一陽極基板34之內表面相對應且間隔平行設置，陰極基板32及陽極基板34可為玻璃基板或可選用其他透明絕緣材質。陰極基板32的內表面上設有圖案化之至少一陰極電極36及至少一閘極電極38，且閘極電極38與陰極電極36之間具有預定之一間距，由於陰極電極36與閘極電極38的距離太相近會產生短路或干擾現象，因此在設計上必須增加兩相鄰的間距，在此最佳設計的間距可介於20至200微米(um)之間。另，閘極電極38及陰極電極36最佳設計之高度可介於200奈米至50微米之間，線寬可介於20至200微米之間。一刺蝟狀場發射層40形成於陰極電極36上，或是同時形成於閘極電極38與陰極電極36，容後說明。陽極基板34的內表面上依序設有一透明導電層42及一發光層44，透明導電層42可為透明導電玻璃(ITO glass)，而發光層44係對應刺蝟狀場發射層40之位置，其中發光層44為可發出紅、綠、藍、白光或混色光之螢光粉。最後使用厚度約為2mm~1cm的玻璃片作為一支撐件46，其垂直設於陰極基板32及陽極基板34之間，以間隔出一空間，可用來維持陰極基板32及陽極基板34之間的一定間距，並密封陰極電極36、閘極電極38、刺蝟狀場發射層40、透明導電層42及發光層44於內，使其處於真空環境下。
其中，當陰極電極36與閘極電極38可設計為交錯排列，將其組合為一組電極結構，且兩者之間保持一定的間距，並以共平面設於陰極基板32上；或是更可設計二個閘極電極38分別以一間距位於陰極電極36的兩側，其中排列為閘極電極38-陰極電極36-閘極電極38即組合為一組電極結構，本發明可依據需求而設計多組電極結構，並以共平面設於陰極基板32上。在此先以設計為閘極電極38-陰極電極36-閘極電極38所組合的電極結構，且刺蝟狀場發射層40僅形成於陰極電極36為例說明。
當驅動三極型場發射裝置30時，可施加不同電壓於閘極電極38及透明導電層42，例如閘極電場為0～10V/um，陽極電場為0～20V/um，並搭配閘極電極38與陰極電極36之間的一交流電壓驅動，交流電壓之工作週期(duty cycle)可為0～100%、頻率可為1至10千赫茲(kHZ)，使兩個閘極電極38可依據交流電壓之電位變化而控制陰極電極36之兩側電位差，來牽引出刺蝟狀場發射層40之電子數量與行徑方向，電子受到電場作用而被加速撞擊到發光層44，發光層44會激發出可見光。舉例來說，利用交流電壓之驅動控制陰極電極36與閘極電極38之間的偏壓大小，藉其所產生的電位差來牽引電子數量及行徑方向，即可達到局部調光之目的，進而提升解析度與發光品質。
除了上述刺蝟狀場發射層40僅形成於陰極電極36之外，刺蝟狀場發射層40更可同時形成於閘極電極38與陰極電極36上，可使用交流電壓作為驅動電壓，使得同時形成有刺蝟狀場發射層40之閘極電極38與陰極電極36會隨著頻率交替執行電子發射，故閘極電極38可同時扮演閘極及發射極的角色，使刺蝟狀場發射層40輪流發射，如此可得到一均勻的面光源功效，進而可達到場發射效率及壽命增長之目的者。
此外，圖案化之陰極電極36及閘極電極38更可設計為不同形狀之幾何圖案，請同時參閱第3a至3d圖，分別為直線型、大曲線型、小曲線型及樹枝型，每一圖中的每一條線皆為含有兩側閘極電極38及位於其中間的陰極電極36，如此結構設計可以利用曲率(大曲線型、小曲線型)及角度(樹枝型)的不同，而達到最高的場發射效率。
值得注意的是，習知場發射元件之二極結構因陽與陰極的間距近，其電子直接由陰極撞擊陽極，所呈現出來的是點光源，如第4a圖所示。相較之下，本發明所設計的陰極電極36與閘極電極38的幾何圖案設計、排列方式及其驅動方式、以及刺蝟狀場發射層40形成方式，使其具有發散電子的功效，所呈現出來的是面光源，如第4b圖所示；因此，對於大面積的照明裝置或顯示器具有相當大的應用潛能，極具市場競爭優勢
在說明完本發明之三極型場發射裝置之結構後，接續說明本發明製作三極型場發射裝置之流程。請同時參閱第2圖及第5圖，首先，如步驟S10，提供一陰極基板32。再如步驟S12，於一網版上設計陰極、閘極電極結構的圖案與對位記號，再利用網版印刷方式將圖案化形成至少一陰極電極36及至少一閘極電極38於陰極基板32上，且閘極電極36與陰極電極38之間具有一間距的排列設計。其結構可改善習知因射極層之發射面遠低於閘極層，造成場發射之閾值電壓相應增加、發射電流密度減小以及發光不均勻的問題。
接續，如步驟S14，提供電子發射源(field emitters)、有機載體(Organic vehicle)、黏結劑、導電粉末及分散劑等材料，其中，電子發射源(field emitters)為可適用於多種型態結構的場發射材料，例如單壁奈米碳管(SWNTs)、多壁奈米碳管(MWNTs)、奈米碳纖維(CNFs)或碳化矽等碳矽線狀材料，氧化鐵(Fe2O3)、氧化鋅(ZnO)、氧化鉬(MoO3)、氧化錫(SnO2)或氧化鈦(TiO2)等金屬氧化物線狀材料，以及刺蝟狀材料等。有機載體可為松油醇(terpineol)、乙基纖維素(EC)。導電粉末係為導電銀粉、碳粉、鎳粉或錫粉。黏結劑係為玻璃粉(frits)。分散劑：聚乙醇基酚醚類界面活性劑(Triton X-100)。將上述材料經過三滾筒研磨並充分均勻混合後，完成為一場發射源漿料。再利用網版印刷方式將場發射源漿料可以覆滿型、點狀或方形至少形成於陰極電極36上，並進行高溫燒結，使場發射源漿料進行熱裂解反應後，於陰極電極上形成一刺蝟狀場發射層40。當然場發射源漿料除了可形成陰極電極36上，亦可同時以覆滿型、點狀或方形形成於陰極電極36及閘極電極36上。
其中，於步驟S14中，可依據場發射源漿料特性，將陰極基板32放入烤箱中或氣氛爐中，進行高溫燒結，以去除高分子、溶劑等有機載體，完成燒結動作；其中，燒結升溫條件為：第一階段的升溫溫度為300～350℃、升溫速度為2～5℃/分鐘、氣氛為空氣；接著第二階段的升溫溫度為350～500℃之間，升溫速度為2～5℃/分鐘，使場發射源漿料在熱裂解反應中，生長出刺蝟狀場發射源結構之刺蝟狀場發射層40。刺蝟狀場發射源結構的特點為可使其始終有一面朝向陽極，能省略後續的表面活化處理步驟，進而讓製程簡單化。
請同時參閱第6a及6b圖，為本發明使用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行觀察所製作刺蝟狀場發射源結構之影像圖，當場發射源漿料經燒結後，可合成出刺蝟狀金屬氧化物奈米線，如第6a所示，係為刺蝟狀氧化鎳奈米線；如第6b所示，係為刺蝟狀氧化錫奈米線。由於奈米碳管是呈現刺蝟狀向四面八方發射出電子，因此，本發明所製造出刺蝟狀場發射源結構係為多方向之電子發射路徑之刺蝟狀場發射層，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-on voltage)之特性。
再如步驟S16，提供一陽極基板34，其上形成一透明導電層42，再網印一發光層44於透明導電層42上，並進行燒結。最後如步驟S18所示進行封裝，間隔平行設置陰極基板32及陽極基板34，利用支撐件46環設密封於陰極基板32及陽極基板34周圍，以密封位於陰極基板32及陽極基板34相對內表面之陰極電極36、閘極電極38、刺蝟狀場發射層40，及透明導電層42及發光層44，使其處於真空狀態。如此，即可完成如第2圖所示之三極型場發射光源裝置。
由上所述，可得知本發明是使用全網印製程製作三極型場發射裝置，提高製作的簡易性、良率及應用性，得以製作大面積的顯示器背光模組及照明燈管等發光產品上，值得注意是，本發明更可製作曲面化的陰極/閘極結構，如第7圖，為管型結構之三極型場發射裝置，其結構及製作方法與上述實施方式相同，故不再贅述，可同時參閱第2圖，差異在於：可將已製作有陰極電極36、閘極電極38及刺蝟狀場發射層40之陰極基板32，由內表面向外捲收為中空管狀，再將已製作有透明導電層42及發光層44之陽極基板34，由內表面向內外捲收為中空管狀；如此可使陰極基板32與陽極基板34之內表面相對，再將支撐件(圖中未揭示)垂直設於陰極基板32及陽極基板34之間，作為空間支撐。如此一來，即可密封陰極電極36、閘極電極38、刺蝟狀場發射層40、透明導電層42及發光層44於內，使其處於真空環境下。由此可得知，本發明使用全網印製程，使應用性更加廣泛，可取代習知使用微影製程製作陰極/閘極結構所需多道繁雜程序，且微影製程不易實施於在曲面基板上之缺失。
綜上所述，本發明可歸納出下列幾項特點：
(a)利用網印製程，可以大幅減少黃光製程所需之設備與相關材料，有效降低成本。
(b)使用獨特之場發射源漿料，在經過高溫燒結處理後，可以合成出刺蝟狀場發射源結構的材料，此材料的特點為刺蝟狀的結構可讓其始終有一面朝向陽極，可以減少後續的一些表面活化處理步驟，使製程簡單化。
(c) 藉由陰極、閘極結構的排列設計，具有發散電子的能力，可得到一均勻的面光源，故能提升場發射效率。
(d)提高場發射效率；
(e) 利用閘極電極的側向電力，來控制陰極左右兩旁的電位差來牽引電子，可達到可局部調光之目的。
(f) 利用交流電壓的方式，使造成閘極與陰極電極在固定頻率下互換，使得發射源會隨著頻率交替發射電子，而非持續發射，不僅可使閘極電極扮演電極，同時也可以當作發射極使用，故能保護刺蝟狀場發射層，使其壽命延長。
(g) 利用網印製程實施於平面與曲面基板上，在照明裝置、背光模組或場發射顯示器上有極大商業應用空間。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10．．．陰極基板
12．．．陽極基板
14．．．空間支撐柱
16．．．陽極層
18．．．螢光層
20．．．陰極層
22．．．閘極層
24．．．介電層
26．．．射極層
28．．．開孔
30．．．三極型場發射裝置
32．．．陰極基板
34．．．陽極基板
36．．．陰極電極
38．．．閘極電極
40．．．刺蝟狀場發射層
42．．．透明導電層
44．．．發光層
46．．．支撐件
第1圖為先前技術之具有三極體結構的場發射裝置之結構圖。
第2圖為本發明之結構示意圖。
第3a~3d圖為本發明製作電極結構之幾何圖案示意圖。
第4a圖為先前技術製作點光源之顯示裝置。
第4b圖為本發明製作面光源之三極型場發射裝置的示意圖。
第5圖為本發明製作三極型場發射裝置之步驟流程圖。
第6a圖為本發明使用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行觀察刺蝟狀氧化鎳奈米線之影像圖。
第6b圖為本發明使用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行觀察刺蝟狀氧化錫奈米線之影像圖。
第7圖為本發明製作為管型結構之三極型場發射裝置的示意圖。
Claims (20)
- 一種三極型場發射光源裝置之製作方法，包括：提供一陰極基板；利用網版印刷方式圖案化形成至少一陰極電極及至少一閘極電極於該陰極基板上，且該閘極電極與該陰極電極之間具有一間距；利用網版印刷方式將一場發射源漿料至少形成於該陰極電極上，並進行高溫燒結，使該陰極電極上形成一刺蝟狀場發射層；提供一陽極基板，其上形成一透明導電層，再網印一發光層於該透明導電層上，並進行燒結；及間隔平行設置該陰極基板及該陽極基板，並封裝成一三極型場發射光源裝置。
- 如請求項1所述之三極型場發射光源裝置之製作方法，其中該閘極電極數量為二時，二該閘極電極分別位於該陰極電極之兩側，且該二閘極電極與該陰極電極之間具有該間距。
- 如請求項1所述之三極型場發射光源裝置之製作方法，其中該間距可介於20至200微米(um)之間。
- 如請求項1所述之三極型場發射光源裝置之製作方法，其中該閘極電極及該陰極電極之高度可介於200奈米至50微米之間，線寬可介於20至200微米之間。
- 如請求項1所述之三極型場發射光源裝置之製作方法，其中該場發射源漿料係以覆滿型、點狀或方形形成於該陰極電極上。
- 如請求項1所述之三極型場發射光源裝置之製作方法，其中該場發射源漿料更可以覆滿型、點狀或方形同時形成於該閘極電極及該陰極電極上。
- 如請求項1所述之三極型場發射光源裝置之製作方法，其中該圖案化之該陰極電極及該閘極電極係為直線型、曲線型或樹枝型之幾何圖案。
- 如請求項1所述之三極型場發射裝置之製作方法，其中該陰極基板及該陽極基板係為平面或曲面基板，且材質可為透明玻璃。
- 如請求項1所述之三極型場發射裝置之製作方法，其中該場發射源漿料包含一維奈米、有機載體、黏結劑、導電粉末及分散劑之材料，並利用一三滾筒裝置將上述之材料均勻混和而成。
- 如請求項1所述之三極型場發射裝置之製作方法，其中該場發射源漿料經高溫燒結而產生熱裂解反應後，可合成出氧化錫或氧化鎳等金屬氧化物奈米線之該刺蝟狀場發射層。
- 如請求項1所述之三極型場發射裝置之製作方法，其中該發光層係為可發出紅、綠、藍、白光或混色光之螢光粉。
- 一種三極型場發射裝置，包括：一陰極基板，其上設有圖案化之至少一陰極電極及至少一閘極電極，且該閘極電極與該陰極電極之間具有一間距；一刺蝟狀場發射層，至少形成於該陰極電極上；一陽極基板，平行設於該陰極基板上方，該陽極基板上依序設有一透明導電層及一發光層，該發光層係對應該刺蝟狀場發射層之位置；及一支撐件，設於該陰極基板及該陽極基板之間以間隔出一空間，並密封該閘極電極、該陰極電極、該刺蝟狀場發射層、該透明導電層及該發光層。
- 如請求項12所述之三極型場發射光源裝置，其中該閘極電極數量為二時，二該閘極電極分別位於該陰極電極之兩側，且該閘極電極與該陰極電極之間具有該間距。
- 如請求項12所述之三極型場發射光源裝置，其中該刺蝟狀場發射層係以覆滿型、點狀或方形形成於該陰極電極上。
- 如請求項12所述之三極型場發射光源裝置，其中該刺蝟狀場發射層更可以覆滿型、點狀或方形同時形成於該閘極電極及該陰極電極上。
- 如請求項12所述之三極型場發射光源裝置，其中該圖案化之該陰極電極及該閘極電極係為直線型、曲線型或樹枝型之幾何圖案。
- 如請求項12所述之三極型場發射光源裝置，其中該閘極電極及該透明導電層可分別接收不同之一電壓，並搭配該閘極電極與該陰極電極之間的一交流電壓驅動，使該閘極電極控制該陰極電極之兩側電位差來牽引出該刺蝟狀場發射層之電子數量與方向，該電子受到電場作用而被加速撞擊到該發光層，據以調整該發光層之面光源強度。
- 如請求項15所述之三極場發射裝置，其中該閘極電極及該陰極電極更可連接一交流電源供應器，以提供一交流電壓，使位於該閘極電極及該陰極電極之該刺蝟狀場發射層交替發射電子，以撞擊該發光層而呈一面光源。
- 如請求項18所述之三極型場發射光源裝置，其中該交流電壓之頻率可為1至10千赫茲(kHZ)。
- 如請求項12所述之三極型場發射裝置，其中該陰極基板及該陽極基板係為平面或曲面基板，且材質可為透明玻璃。
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