TWI331765B - Carbon material for a field emission cathode - Google Patents

Description

1331765 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ㈣Γ制於場發射陰極之碳材料。本發明亦 關於衣備此一場發射陰極之方法。 【先前技術】 現代節能照明ϋ件t所用技術皆使用水銀作為活性植份 之一。由於水銀對環境有害，因此已進行廣泛研究以克服 該等涉及節能、無水銀照明之複雜技術難題。 一種用於解決此問題之方法係藉由使用—場發射器件， 例如場發射光源。場發射係—發射材料表面之電場 使該發射材料表面處存在之勢壘寬度縮小時發生的現象。 此使得發生量子穿隨效應，藉此電子可穿過勢壘並自該材 料發射。 在先前技術器件中，將一陰極佈置於一具有（例如）玻璃 牆之真空至中，其中該室其内側上塗佈有_導電層，該導 電層頂部上沈積-發光層1等共同構成—陽極1陰極 與陽極之間施加一電位差時，自陰極發射電子並使其朝陽 極加速運動◊畲電子撞擊發光層時，其導致發光層發射光 子，該過程被稱作陰極發光，其不同於在傳統螢光照明器 件（例如’傳統螢光管）中採用的光致發光。 因此，用於場發射器件之陰極稱作場發射陰極且被認為 是「冷」陰極，此乃因其無需使用熱源來運作之故。在已 知各種適於構建場發射陰極之材料中，已經證明碳基材料 月b在十度真空環境下在長使用期限内產生有效發射電流。 I12603-990609.doc 1331765 此一場發射陰極揭示於歐洲專利申請案第999〇8583號 「Field emission cathode fabricated fr〇m p〇r〇us carb〇n foam material」中，其中該場發射陰極包括一由多孔碳發 泡體材料（例如，網狀玻璃碳（RVC))形成之發射構件，其 中該發射構件具有一界定多個發射邊緣之發射表面。Rvc 係使用一碳化聚合物樹脂來製備。 使用RVC作為一發射構件尚未完全成功，此乃因該材料 具有一段不穩定性時期（其被稱作該材料之「訓練期」）， 吾人確信其由以下所致：⑴該RVC陰極發射表面上初始存 在之污染物解吸附及（Π)該RVC材料最尖銳發射邊緣之破 壞。後者（Π)導致包括昂貴且複雜製備步驟在内的複雜製 備方法。而且，以上所揭示之此種場發射陰極之作業電壓 必須極高以獲得足夠的輸出電流，此結果係由於整個陰極 表面上之發射位置過少之故。 因此，本發明之目的係解決兩個關鍵問題，在適宜電壓 間隔内陰極之總發射電流及發射邊緣之均勻空間及電流分 配，並由此提供一用於場發射陰極之新穎且經改良碳材 料。 【發明内容】 以上需要可藉由一用於場發射陰極之碳材料及一用於製 備如獨立請求項1及8中所定義之此種場發射陰極之相應方 法來達成。該等相關請求項界定本發明之較佳實施例。 根據發明之第-恶樣，其提供一用於製備場發射陰極之 方法其包括以下纟,驟.提供一含有《夜體盼酸樹脂及至少 112603-990609.doc 1331765 種金屬、金屬鹽及金屬氧化物之液體複合私，佈置—導 電陰極支承件使該導電陰極支承件靠近該液體複合物並加 熱該液體複合物，藉此形成一自該液體複合物轉化之固體 複合物發泡體，以使該固體複合物發泡體可至少部分覆蓋 該導電陰極支承件。該新穎複合物之優點包括其經改良的 功函數及其極小或不存在訓練期。因此，此新穎方法將提 供使用較少製備步驟及先前技術巾賴方法及材料成本的 一部分即可製備場發射陰極提供可能性。 在加熱該液體複合物之步驟中，其較佳在一導電陰極支 承件及液體複合物佈置於其中之密閉容器中$行，溫度係 低於loot，例如約6(rc_9(rc。由於加熱，該液體‘合 物體積膨脹’並隨後形成與該導電陰極支承件緊密接觸: 固體複合物發泡體，藉此至少部分覆蓋該導電陰極支承 功函數—詞描述一電子自費米能階(Ferm"_”移動至 一距：面外部無窮遠處的點所需最小能量(通常以電子伏 特度量）。此外，訓練期—詞係定義為—段在此期間複合 物表現出不穩定性跡象之時間。該金屬鹽在某一情形下可 係一驗金屬鹽。同樣，該金屬氧化物在某—情形下可係氧 化鋅。在類似意義上’該液體複合物可進—步包括一種或 :種酸化合物、表面活性劑、分散劑及有機或非有機溶 劑。 八5備該，發射陰極之後續步驟包括以下步驟：於至少部 刀/盍5亥導電陰極支承件之固體複合物發泡體上實施熱解 U2603.990609.doc 1331765 製私，κ而形成一碳化固體複合物發泡體，並隨後對該碳 化固體複σ物發泡體實施切割作用，從而在該碳化固體複 合物發泡體表面形成複數個尖銳發射邊緣。熱解較佳於低 真空：境下於約8〇H〇〇(rc溫度下實施。對於切割製 程而口冑大里技術可應用。在一較佳方式中係利用機械 切割製程。 在本發明之—較佳實施例中’該導電陰極支承件係一棒 狀物，該容ϋ係-大致圓柱形容器’且加熱液體複合物之 步驟包括使大致圓柱形容器之縱向中心軸與水平面軸大致 對準之步驟。而且，該大致圓柱形容器較佳係圍繞其大致 水:軸旋轉4發明之該等製備步驟使該液體複合物在密 閉容器内之體積以放射且均勻方式膨服，從而產生與導電 陰極支承件緊密接觸並至少部分覆蓋其之固體複合物發泡 體’其中該固體複合物發泡體具有大致均勾且結構化特 徵。 為達成該導電陰極支承件之有利覆蓋，該導電~極支承 件之軸較佳與該大致圓柱形容器之大致水平軸重人。 如熟習該項技術者所理解，該導電陰極支承件口可係如上 所述之棒狀物，或-大致平面結構。在其包括該大致平 結構之情況下’該容器與該大致平面結構可為同一個 :使平面場發射陰極之設計及構造可應用於(例如)大面積 露天型顯示器中。 @ 該新穎碳化固體複合物發泡體具有一 其具有切割後具有二維互連尖銳邊绫、手狀結構， 大銳邊緣（例如刀具邊緣）之優 H2603-990609.doc 點。遠等邊緣之銳度係由蜂巢狀結構的壁厚走來決定。本 發明之第二態樣提供-陰極，該陰極場發射器件應用中用 於田在陰極與陽極之間施加電位差時發射電子，其包括〆 導電陰極支承件及一至少部分覆蓋該導電陰極支承件之碳 化口體複σ物發泡體，#中該碳化固體複合物發泡體係自 包括㈣樹脂及金屬鹽、金屬氧化物中至少一種之液體複 合物轉化而來。該金屬鹽及金屬氧化物在一情形下可分 別係-種驗金屬鹽及氧化鋅。在相同樣意義上，該液體複 口物可進一步包括酸化合物、表面活性劑、分散劑及溶劑 中之或複數個。如上文關於本發明第_態樣之闡述，此 具有該新㈣合物之新顆場發射陰極因其低功函數及極小 或不存在訓練期而提供複數個優點。因此，此新穎場發射 陰極可為以與先前業内所用方法及材料相比低成本生產具 有較高性能之場發射陰極提供可能。 在本發明第一態樣之較佳實施例中，該碳化固體複合物 發泡體具有一帶有排列於該碳化固體複合物發泡體表面處

蜂巢狀結構。此獲得一經增 強之發射電流。在一場發射燈中使用本發明之場發射陰極 之實驗性量測在4千伏的作業電壓下量測出3毫安之作業電 流。 本發明之第三態樣提供一種裝置，該裝置用於製備一用 於場發射器件應用之陰極，該裝置包括用於提供一包含液 體龄醛樹脂及金屬鹽、金屬氧化物中至少一種之液體複合 物之構件、用於佈置導電陰極支承件使該導電陰極支承件 ]12603-990609.doc 1331765 罪L該液體複合吻之構件及用於加熱該液體複合物之構 牛藉此形成一自該液體複合物轉化而來的固體複合物發 泡體，該固體複合物發泡體至少部分覆蓋該導電陰極支承 件。此裝置以類似於以上所述之方式為以較先前業内所用 材料及方法為低之成本製備場發射陰極提供可能性。 板據本發明之第四態樣，其提供包括一陰極、一陽極、 用。於將該陽極及該陰極佈置於真空室中之構件及控制電子 器件之場發射器件應用，該陰極包括一導電陰極支承件及 至乂部分覆盍該導電陰極支承件之碳化固體複合物發泡 體，其中該碳化固體複合物發泡體係自包含酚醛樹脂及金 屬鹽、金屬氧化物中至少一種之液體複合物轉化而來。 在本發明此第四態樣之較佳實施例中，該場發射器件應 用可係光源應用及X射線源應用中之一。此一場發射器件 應用可係包括（但不限於）所提及組件之一密閉單元或一配 置。 研究隨附申請專利範圍及下文說明，本發明之其它特徵 及優點將變得清晰。熟習此項技術者應瞭解，可以其他方 式對本發明之不同特徵進行組合，以產生不同於彼等下文 所述之實施例。 【實施方式】 圖la闡明在實施本發明一方法中用於某些最初步驟之裝 置的示意性側面剖視圖。一導電陰極支承件2已置於大致 圓柱形容器5内部。導電陰極支承件2之中心軸3與大致圓 柱形谷态5之中心軸c大致對準。而且，兩個中心轴匸及s 112603-990609.doc 1331765 與水平面Η對準。蓋子6將液體複合物i於其+加熱之大致 圓柱形容H5密封。加熱方向並非僅限於大致圓柱形容器$ 之底部，當然亦可於任意方向進行。大致圓柱形容器5可 圍繞其中心軸C旋轉R。 繼續參見圖lb ’其繪示導電陰極支承件2之示意性端剖 面圓，其如圖1a中所繪示與大致圓柱形容器5之大致水平 軸C對準。 圖2闡明本發明場發射陰極之剖視圖。導電陰極支承件2 由具有連續蜂巢狀結構之碳化固體複合物發泡體3覆蓋。 騎土射陰極進-步包括複數個排布於碳化固體複合物發 泡體3表面之尖銳發射邊緣4。該等發射邊緣*皆佈置於均 勻發射位置處。 下面參見圖3，其描緣一製備如上所述之場發射陰極之 方法。 圖3闡述製備本發明場發射陰極之製程步驟。該等製程 步驟包括：提供si液體複合物！'佈置82導電陰極支承件 2'加熱S3液體複合物！、對該固體複合物發泡體實施执解 製程S4、及對碳化固體複合物發泡體3實施切割作用& 本發明實施财Μ述之順序實施料製程步驟。 在提供S卜液體複合物丄之步驟中，製備一複合物。此 複合物包括液_樹脂及驗金屬、驗金屬鹽及驗金屬氧 化物中至少-種、酸化合物、表面活性劑、分散劑及溶 劑。將該等成份盡可能地充分混合使其完全溶解。 提供S1液體複合物i之㈣後係佈置S2導電陰極支承❺ 112603-990609.doc -11· 之步驟使導電陰極支承件2靠近液體複合物卜在其中導電 陰極支承件2構造成一棒狀物之情形下，較佳藉由將導電 陰極支承件2佈置於大致圓柱形容器5内部實施，如圖卜及 1 b中所示。 佈置S2導电陰極支承件2之步驟後係加熱幻液體複合物1 之步驟。該加熱係在低於1〇〇 〇c之溫度（例如在約6〇<υ_ C)下進行。由於加熱，液體複合物1之體積將徑向膨 脹從而產生與導電陰極支承件2緊密接觸的固體複合物 如泡體3，如圖2中可見者。較佳地，導電陰極支承件2至 少部分被固體複合物發泡體3覆蓋。在進行加熱的同時， 大致圓柱形容器5圍繞中心軸c旋轉R，因此該液體複合物 之體積會以徑向且均勻方式於密閉容器5内部膨脹，產生 具有大致均勻且結構化特徵之固體複合物發泡體3。先前 業内覆盍導電陰極支承件之方法包括一產生具有不均勻且 非結構化特徵之固體複合物發泡體之「浸潰」製程。

Ik後’在至少部分被導電陰極支承件2覆蓋之固體複合 物發泡體3上貫施熱解處理步驟S4。該熱解步驟S4係於低 真空環i兄中在約8 〇 0 至1 〇 〇 〇 〇c之溫度下實施。 熱解步驟S4之後係一機械切割步驟s5。將該場發射陰極 佈置於一機械切割機中，於其中該碳化固體複合物發泡體 在該碳化固體複合物發泡體表面處獲得複數個尖銳發射邊 緣4。 圖4a至4c闡釋本發明碳化場發射陰極表面之掃描電子顯 微鏡顯微照片。 112603-990609.doc 圖4a闡釋一二維互連尖銳邊緣（例如刀•具邊·緣）之連續蜂 巢狀結構，其可在該碳化複合物發泡體材料之表面看到。 該複合物發泡體材料係自一含有酚醛樹脂及鹼金屬鹽、鹼 金屬氧化物中至少一種之液體複合物轉化而來。 圖4b闡釋圖4a中所示圖像之近視圖，其中可看到一發射 位置（三重接點）。此發射位置係藉由上述機械切割作用形 成。 圖4c闡釋圖4a中所示圖像之另一近視圖，其中可看到一 太銳场發射邊緣之詳細視圖。該等邊緣之銳度係由蜂 結構壁之厚度決定。 、’《不在本發明之場發射丨食#丄r/r I篼賞驗性測 :之曲線圖。該曲線圖顯示在一場發射應用器件中施加於 陽極與場發射陰極間之典型電麼。先前技術之場發射陰極 (例如上述RVC陰極）在初始施加電壓時產生一不穩定發射 電其特徵在於該發射電流中之—系料值。就本發明 之场發射陰極而言，發射電流中之不穩定性幾乎最小或不 存在。而且如圊5中所看到，達到—可㈣射電流所需之 作業電流較先前技術場發射陰極大為降低。 儘管已詳細闡述本發明及其優點，然而應瞭解，於此亦 可對其作出各種改變、替換及修改，並不背離如隨附申請 專利範圍所界定之本發明之精神及範疇。 例如’本發明並不受限於其中導電陰極支承件係一棒狀 物之場發射陰極’且如熟㈣項技術者所理解，节導恭险 極支承件可«用於場發射料制之任㈣宜形狀= 112603-990609.doc •13· 1331765 如一板。 【圖式簡單說明】 現在參照附圖更詳細闡述本發明，附圖中： 圖la闡釋一與一大致圓柱形容器的大致水平軸對準之導 電陰極支承件的示意性側面剖視圖。 圖1 b繪示一導電陰極支承件的示意性端面刮視圖，該支 承件如圖1 a中所示與大致圓柱形容器之大致水平軸對準。 圖2繪示本發明場發射陰極之剖視圖。 圖3闡明製造本發明場發射陰極之步驟。 圖4a展示本發明場發射陰極斜視圖之掃描電子顯微鏡顯 微照片，其展示一具有複數個位於碳化固體複合物發泡體 表面處的尖銳發射邊緣之碳化固體複合物發泡體。 圖4b係圖4a中所示掃描電子顯微鏡顯微照片視圖之近視 圖，其縿示一具有發射邊緣三重接點之發射位置。 圖4c係圖乜中所示掃描電子顯微鏡顯微照片視圖之另一 近視圖，其繪示尖銳發射邊緣。 圖5係在本發明場發射陰極上所實施的實驗性測試之典 型發射電流/所施加電壓之曲線圖（所謂的I/v曲線）。 【主要元件符號說明】 1 液體複合物 2 導電陰極支承件 3 碳化固體複合物發泡體 4 尖銳發射邊緣 5 大致圓柱形容器 6 蓋子 112603-990609.doc

Claims (1)

1331765 十、申請專利範圍： 1·種用於製備一場發射陰極之方法，其包括以下步驟： •提供（si)—包含液體酚醛樹脂及至少—種金屬鹽、 金屬氧化物之液體複合物（1);及 -加熱（S3)該液體複合物（1)，藉此形成—自該液體 複合物（1)轉化而來的固體複合物發泡體， 其特徵在於該方法進一步包含佈置（S2)一導電陰極支 承件（2)以靠近該液體複合物（1)之步驟，其中該導電陰 極支承件（2)與該液體複合物（1)佈置於一密閉容器（5) 中，且因加熱之步驟該液體複合物（1)在該密閉容器（5) 中會體積膨脹以形成該固體複合物發泡體（3)，該固體複 合物發泡體與導電陰極支承件（2)緊密接觸且至少部分覆 蓋該導電陰極支承件（2)。 2·如請求項1之方法，其中該方法進一步包括對至少部分 覆蓋該導電陰極支承件（2)之該固體複合物發泡體（3)實 施熱解製程（S4)之步驟，藉此形成一碳化固體複合物發 泡體（3)。 3. 如求項2之方法，其中該方法進一步包括對該碳化固 體複合物發泡體（3)實施切割作用（S5)之步驟，藉此形成 一具有複數個尖銳發射邊緣之碳化固體複合物發泡體 (3)。 4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該導電陰極支承件 (2)係一棒狀物，其中該容器（5)係一大致圓柱形容器， 且其中加熱（S3)該液體複合物之步驟包括使該大致圓 112603-990609.doc 3 柱形容器〇)之縱向 步驟。 中〜軸（C)與水平面軸（Η)大致對準之 5.如請求項4之方法’其中在該大致圓柱形 (S3)該液體複合物（1) )中加熱 驟包括使該大致圓柱形 圍繞其大致水平軸（C)旋轉之步驟。 ° 6·如咕求項3之方法，其中該碳化固體複合 有連續蜂巢狀結構。 ^(3)*

_用於當該陰極與陽 其中該陰極以如請求 一種陰極，其纟一場發射器件應用 極之間施加一電位差時發射電子， 項1至6任一項之方法所製備。 8. 一種用於製備-用於場發射器件應用 包括： 之陰極的裝置，其 用於提供一包含液體酚醛樹脂及至少一種金屬、 金屬鹽、金屬氧化物之液體複合物⑴之構件； •用於加熱該液體複合物⑴之構件，藉此可形成自 該液體複合物⑴轉化而來之固體複合物發泡體， 其特徵在於該裝置進一步包含： -一密閉容器（5);及 用於佈置（S2)導電陰極支承件⑺連同該液體複合 物⑴於密閉容器中（5)之構件，藉此佈置該導電陰極支承 件⑺=近該液體複合物⑴，其中因加熱該液體複合物 (1)在•亥密閉谷态⑺中會體積膨脹以形成該固體複合物發 泡體（3)該固體複合物發泡體與導電陰極支承件（？）緊密 接觸且至少部分覆蓋該導電陰極支承件（2)。 112603-990609.doc UJ1V65 9· -種場發射器件應用，其包括 ' —如請求項1至ό任 ' —陽極； 用於將該陽極及該陰極佈置 件；及 -控制電子器件。 1 〇·如請求項9之場發射器件應 項之方法所製備之陰極，· 於一真空室中之構 係光源應用或X射線應用 用，其中該場發射ϋ件❹ 之 112603-990609.doc