專利名稱：一種增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法
技術領域：
本發明涉及一種增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，特別涉及一種陰極結構在碳納米管一次電泳溶液沉積時，可在碳納米管表面形成硅氧烷基化合物膜層，在高溫燒結后在電子發射源表面形成二氧化硅膜層，由此防止碳納米管被毒化，增加碳納米管壽命的方法，更進一步地可提供增加碳納米管在電極層的附著效果的方法。
背景技術：
傳統的三極場發射顯示器，其結構主要包含陽極結構與陰極結構，陽極結構與陰極結構之間設置有支撐器(spacer)，其作為陽極結構與陰極結構間真空區域的間隔、以及作為陽極結構與陰極結構間的支撐，該陽極結構包含陽極基板、陽極電極層及熒光粉體層(phosphors layer)；而該陰極結構則包含陰極基板、陰極電極層、電子發射源層、介電層及柵極層；其中在該柵極層上提供有電位差，使電子發射源層發射電子，通過陽極電極層所提供的高電壓，使電子束加速，從而使電子有足夠的動能撞擊(impinge)陽極結構上的熒光粉體層以使其激發從而發光。因此，為了使電子在場發射顯示器中運動，需要使用真空設備將顯示器的真空度保持在至少10-5托(torr)以下，使電子獲得良好的平均自由程(mean freepath)，同時應避免電子發射源和熒光粉區的污染及毒化。另外，為使電子具有足夠能量去撞擊熒光粉，在兩板間需要有適當間隙，使電子有足夠的加速空間來撞擊熒光粉體，以使熒光粉體能充分產生發光效應。
其中所謂的電子發射源層以碳納米管(Carbon nanotubes)為主要成分，由于碳納米管自1991年被Iijima提出(Nature 354，56(1991))具備極高的電子特性后，其已被多種電子組件所使用，而碳納米管可以有很高的深寬比(aspect ratio)，其深寬比大于500以上，并且具有較高的剛性，其楊氏系數多在1000GPn以上，而碳納米管的尖端或缺陷處均為原子量級的露出，由于其具有以上這些特性，因此被認為一種理想的場電子發射源(electron field emitter)材料，例如用于一種場發射顯示器的陰極結構上的電子發射源。由于碳納米管具備以上所示的物理特性，因此也可被設計用于多種制作過程，如網印或薄膜制作過程等，以用于布圖電子組件使用。
而所謂的陰極結構制作技術，是將碳納米管作為電子發源材料制作在陰極電極層上，其制作方法可以包括利用化學真空沉積(CVD)在各陰極像素內的陰極電極層上直接生長碳納米管，或是一種可以將感光型碳納米管溶液布圖制作在各像素內的陰極電極層上，也可以為噴涂碳納米管溶液搭配網罩制作，不過根據上述三極場發射顯示器的電子發射源結構，要將碳納米管制作在各像素內的陰極電極結構上，上述幾種制作方法均受到制作成本及立體結構阻礙的限制，尤其是對于未來發展趨勢的大尺寸顯示面板來說，更難以控制各像素的電子發射源的均勻性。
近來陸續提出了一種所謂的電泳沉積EPD(Electrophoresis Deposition)技術，如題為“納米結構材料沉積方法”的第US2003/0102222A1美國發明專利申請公開，其中公開有將碳納米管配制為醇類懸浮溶液，并利用鎂、鑭、釔、鋁等離子鹽類作為輔助鹽(Charger)，制作成電泳溶液，將待被沉積的陰極結構，與電極相連并放置于該電泳溶液中，通過提供直流或交流電壓在溶液中形成電場，輔助鹽在溶液中電離出的離子附著于碳納米管粉體上，其通過電場形成電泳力(Electrophoresis force)，以協助碳納米管沉積在特定電極上，由此可將碳納米管沉積圖樣化在電極上，利用上述的所謂的電泳沉積技術，可以簡單地將碳納米管沉積在電極層上，并可避免三極場發射顯示器在陰極結構上的限制，因此本技術已被廣泛地應用于陰極板結構上的制作。
雖然電泳沉積制作技術已被廣泛應用，但是其中仍有部分機制需探討改善，例如，本發明的申請人先前提交的發明申請是利用電泳沉積技術改善碳納米管附著力技術的相關發明申請。另外，現有技術的第US2003/0127960號美國專利申請公開有真空場發射電子發射源，雖然在真空環境下進行操作來產生電子，但是碳納米管仍容易受到所謂的反射或二次的離子轟擊”ion bombardment`”或是結構內的化學逸氣而被毒化，因而降低壽命。因此在該美國專利申請中提供有在陰極電子發射源碳納米管一端設置保護膜而避免碳納米管被毒化的方案。本案發明人提供一種納米碳管電泳溶液，利用一次電泳沉積方法可在碳納米管沉積過程中在碳納米管表面形成硅氧烷基化合物膜層，并在高溫燒結后可在電子發射源表面形成二氧化硅膜層，由此可防止碳納米管被毒化，以增加碳納米管壽命，更進一步地可增加碳納米管在電極層的附著效果。
發明內容
本發明的主要目的在于為解決上述現有技術中存在的問題而提出的。本發明在陰極電子發射源碳納米管上形成保護膜，以避免碳納米管被毒化，以確保碳納米管的使用壽命，以及增加碳納米管在電極層的附著效果。
為達到上述的目的，本發明的一種增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，該方法包括以下步驟對陰極結構半成品進行電泳沉積，將陰極結構及金屬面板與電泳電極相連接并放置在電泳槽的電泳溶液中，通過施加直流脈沖電壓形成電場，使碳納米管進行一次電泳沉積，由此制作電子發射源，同時在電子發射源表面形成硅氧烷基化合物膜層，由此配合本發明所設計的電泳溶液，經一次電泳沉積可形成電子發射源層并在該表面覆蓋所謂的硅氧烷基化合物膜層；其中，所謂的電泳溶液包括以乙醇為主要成分的溶劑，并且至少含有碳納米管粉體和如銦鹽等的輔助鹽，以及如四氧乙基硅等的可增加碳納米管附著力及壽命的硅氧烷基化合物。
取出沉積后的陰極結構后，先通過低溫焙烤去除在陰極結構上的多余的乙醇溶液，此時，輔助鹽如氯化銦可與水解的氫氧根離子形成氫氧化銦，并在電子發射源表面形成硅氧烷基化合物膜層，之后再進行燒結，陰極電極上的氫氧化銦將再氧化為氧化銦粒子；同時，上述所謂的硅氧烷基化合物的四氧乙基硅也沉積而附著于碳納米管及陰極電極表面，在高溫燒結后，將更進一步地形成二氧化硅高分子結構，利用此高分子膜層結構可使碳納米管表面形成保護膜，并提供碳納米管與陰極電極層間的附著力。
圖1(a)～(g)為本發明的陰極結構半成品的制作流程示意圖；圖2為本發明的陰極結構的制作電子發射源的流程示意圖；圖3為本發明的陰極結構與金屬面板的連接示意圖；圖4為本發明的陰極結構與金屬面板連接后進行電泳沉積過程的示意圖；圖5為本發明的陰極結構采用電弧放電方法制作的納米碳管在電泳沉積后完成的示意圖；圖6為本發明利用透射式電子顯微鏡顯示碳納米管表面成膜的照片示意；圖7為本發明利用透射式電子顯微鏡顯示碳納米管表面成膜的照片示意。
附圖中，各標號所代表的部件列表如下陰極結構 10 玻璃基板 1陰極電極層 2 電子發射源21介電層 3 柵極層4凹陷區 41、31 保護層5、6電泳槽 7 陰極導線 101電泳電極 8 陰極 81陽極 82 金屬面板 9具體實施方式
下面，結合附圖對本發明的技術內容進行詳細說明。
圖1(a)～(g)所示的是本發明的陰極結構半成品的制作流程示意圖。如圖所示，本發明涉及一種增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，主要是利用一次電泳沉積可以在碳納米管表面形成硅氧化合物，并在高溫燒結后在電子發射源表面形成二氧化硅膜層，以防止被毒化，增加納米管的壽命，進一步增加碳納米管在電極層的附著效果。
首先，制作陰極結構半成品，在玻璃基板1表面上形成陰極電極層2，在陰極電極層2表面上形成介電層3，在介電層3表面形成柵極層4，然后通過光刻技術在柵極層4表面形成可暴露介電層3的凹陷區41，然后在柵極層4表面形成保護層5，通過蝕刻技術在介電層3表面形成可暴露陰極電極2的凹陷區31，繼而剝離保護層5，然后在介電層3與柵極層4上形成保護層6，由此完成陰極結構半成品結構。
第2～圖4所示的是本發明的陰極結構制作電子發射源流程及陰極結構與金屬面板連接與連接后進行電泳沉積技術的示意圖。如圖所示，待上述的陰極結構半成品完成后，將進行陰極結構的碳納米管電子發射源沉積制作。
首先，進行電泳溶液的調制以乙醇為溶劑，添加以重量％約為1％～10％的純水(優選為5％)，所提供的水溶液中一部分水溶液的作用是作為輔助鹽用于解離，再添加重量％約為0.005％～0.1％(優選為0.02％)的碳納米管粉體，本發明使用通過電弧放電制作的碳納米管，其平均碳管長度5μm以下，平均碳管管徑在100nm以下，形成一種多重壁的碳納米管結構，添加的輔助鹽類選用在電泳后可形成具有導電性的金屬氧化鹽，如氯化銦、硝酸銦，或其它如錫的鹽類，在本發明中優選選用重量％為0.01％(可以為0.1％～0.005％)的氯化銦鹽，另外，添加已氧化處理的硅氧烷基化合物，在本發明中優選采用四氧乙基硅(TEOS)，其重量％約為1％～5％(優選為3.5％)，所謂的氧化處理是指，將液態的高分子TEOS溶液用硝酸裂解為低分子量的硅氧化合物，然后將其應用于電泳溶液中，由此調制本發明的電泳溶液，將上述的調制完成的溶液倒入在電泳槽7中。
在上述的電泳溶液調制完成后，進行電泳沉積，將場發射陰極結構10的陰極電極層2通過陰極導線101與電泳電極8的陰極81相連接，電泳電極8的陽極82與金屬面板9連接，上述的金屬面板9可為白金或鈦金屬面板或者網板的任一種。
在上述陰極結構10與金屬面板9連接完成后，將待被電泳沉積的陰極結構10一側與金屬面板9以平行并保持一定距離的方式配置，并將其放置在電泳槽7中，利用電源供應器在陰極和陽極之間提供直流脈沖電壓形成電場，該電場強度為0.5～10V/cm，優選為2V/cm，脈沖頻率為300Hz，通過將碳納米管電泳沉積在陰極電極層2上形成電子發射源21(如圖5所示)，同時在電子發射源的碳納米管層及陰極電極表面形成四氧乙基硅膜層(如圖6、7所示)。
取出沉積后的陰極結構10后，先在低溫的80℃下簡單焙烤，去除在陰極結構10上的多余的乙醇溶液，此時輔助鹽氯化銦與水解的氫氧根離子形成氫氧化銦，并在電子發射源表面形成四氧乙基硅膜層，之后，再在400℃下進行燒結，陰極電極上的氫氧化銦將再氧化成氧化銦，由于氧化銦具導電特性，因此這樣制作的陰極電極，在電子發射源上除了納米碳管外還具有導電性氧化銦粒子，四氧乙基硅在高溫燒結后將更進一步地形成二氧化硅高分子結構，利用此高分子膜層結構可在碳納米管表面形成保護膜，以免被毒化，由此增加碳納米管的使用壽命，并更進一步地以該二氧化硅高分子膜層可提供碳納米管與陰極電極層間的附著關系。
以上僅為對本發明的優選實施例的說明，并非用來限定本發明的實施范圍。在不脫離本發明的范圍和精神的情況下，所做的各種變化與修飾都應涵蓋在本發明的權利要求所限定的范圍內。
權利要求
1.一種增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，該方法包括以下步驟a)對陰極結構半成品進行電泳沉積，將陰極結構及金屬面板與電泳電極相連接，陰極結構與金屬面板以平行并保持一定距離的方式放置在電泳槽的電泳溶液中，在其中施加直流脈沖電壓以形成電場，進行碳納米管電泳沉積，由此制作電子發射源，同時在電子發射源表面形成硅氧烷基化合物膜層；b)取出沉積后的陰極結構后，先通過低溫焙烤去除陰極結構上的殘余的乙醇溶液，此時輔助鹽氯化銦與水解的氫氧根離子形成氫氧化銦，并在電子發射源表面形成硅氧烷基化合物膜層，然后再進行燒結過程，將陰極電極上的氫氧化銦氧化為氧化銦粒子，電子發射源表面的硅氧烷基化合物膜層在高溫燒結后進一步形成二氧化硅高分子結構，由高分子膜層結構在碳納米管表面形成保護膜，并提供碳納米管與陰極電極層間的附著力。
2.如權利要求1所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述陰極結構半成品按如下步驟制作1)在玻璃基板表面上形成陰極電極層，在陰極電極層表面上形成介電層，進一步在介電層表面形成柵極層，再通過光刻技術在柵極層表面形成暴露介電層的凹陷區；2)在柵極層表面形成保護層，通過蝕刻技術在介電層表面形成暴露陰極電極層的凹陷區，然后剝離保護層；3)將另一保護層包覆在介電層與柵極層上，由此完成陰極結構半成品的制作。
3.如權利要求1所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述陰極結構的陰極電極層通過陰極導線與電泳電極的陰極相連接，電泳電極的陽極與金屬面板連接。
4.如權利要求1所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述金屬面板為白金或鈦金屬面板或者網板的任一種。
5.如權利要求1所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述電場強度為0.5～10V/cm，脈沖頻率為300Hz。
6.如權利要求5所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述電場強度為2V/cm。
7.如權利要求1所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述碳納米管具有多重壁的碳納米管結構，所述碳納米管為通過電弧放電制作的碳納米管，其平均碳管長度在5μm以下，平均碳管管徑在100nm以下。
8.如權利要求1所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，在所述電泳槽中所添加的電泳溶液包括作為溶劑的乙醇、純水、碳納米管粉體、輔助鹽類、氧化裂解硅氧烷基化合物。
9.如權利要求8所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，在所述電泳溶液中所述純水的重量％為1％～10％。
10.如權利要求9所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，在所述電泳溶液中所述純水的重量％為5％。
11.如權利要求8所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，在所述電泳溶液中所述納米碳管粉體的重量％為0.005％～0.1％。
12.如權利要求11所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，在所述電泳溶液中所述碳納米管粉體的重量％為0.02％。
13.如權利要求8所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述輔助鹽類選用在電泳后具有導電性的金屬氧化鹽，包括氯化銦、硝酸銦或含錫的鹽。
14.如權利要求13所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述輔助鹽類是氯化銦鹽，其在所述電泳溶液中的重量％占0.005％～0.1％。
15.如權利要求14所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，在所述電泳溶液中所述氯化銦鹽的重量％為0.01％。
16.如權利要求8所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述氧化裂解硅氧烷基化合物是四氧乙基硅。
17.如權利要求16所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，在所述電泳溶液中所述四氧乙基硅的重量％為1％～5％。
18.如權利要求17所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，在所述電泳溶液中所述四氧乙基硅的重量％為3.5％。
19.如權利要求1所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述低溫焙烤的溫度為80℃。
20.如權利要求1所述的增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，其中，所述燒結過程的溫度為400℃。
全文摘要
本發明公開了一種增加電泳沉積電子發射源壽命及附著力的方法，通過陰極結構半成品在碳納米管電泳溶液中進行一次電泳沉積時，在碳納米管沉積過程中在碳納米管表面形成硅氧烷基化合物膜層，在沉積后，將陰極結構取出，利用高溫燒結在電子發射源表面形成二氧化硅膜層，由此防止碳納米管被毒化，以增加碳納米管壽命，進一步地可增加碳納米管在電極層的附著效果。
文檔編號H01J9/02GK1937138SQ20051010309
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月19日 優先權日2005年9月19日
發明者鄭奎文, 蕭俊彥, 李協恒, 李裕安, 蔡金龍 申請人:東元電機股份有限公司