专利名称：循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法
技术领域：
本发明涉及一种在场发射显示器的阴极电极上电泳碳纳米管的沉积技术，特别涉及一种在必须同时沉积除了碳纳米管以外的添加粒子等(如玻璃粉或导电粉体)的情况下，可以改善复杂性电泳溶液以进行均匀沉积的电泳的方法，及在乙醇类溶液中电泳沉积碳纳米管时的一种更安全的电泳方式。
背景技术：
本发明的场发射显示器是一种利用电场从而使阴极电子发射源(Cathode electron emitter)产生电子，通过所述电子激发阳极板的荧光粉体，使荧光粉体产生光子发光，这种显示器的特点是轻、薄、有效显示区域尺寸的大小可根据制造工艺及产品需求制作，此外，其不存在平面液晶显示器所具有的视角问题。
一种传统的三极场发射显示器，其结构主要包括阳极板与阴极板，该阳极板与阴极板之间设置有支撑器(spacer)，作为阳极板与阴极板间真空区域的间隔、以及作为阳极板与阴极板间的支撑，该阳极板包括阳极基板、阳极导电层以及荧光粉体层(phosphors layer)；该阴极板则包括阴极基板、阴极导电层、电子发射源层、介电层以及栅极层；其中该栅极层上提供有电位差以使得电子发射源层发射电子，通过阳极导电层所提供的高电压，使电子束加速，从而使电子有足够的动能撞击(impinge)阳极板上的荧光粉体层以使其激发从而发光。因此，为了使电子在场发射显示器中运动，需要使用真空设备将显示器的真空度保持在至少10-5托(torr)以下，以使电子具有足够的平均自由程(mean free path)，同时应避免电子发射源和荧光粉区的污染及毒化。另外，为使电子具有足够能量以撞击荧光粉，在两板间需要有适当间隙，使电子有足够的加速空间来撞击荧光粉体，以使荧光粉体能充分产生发光效应。
其中所谓的电子发射源层以碳纳米管(Carbon nanotubes)为主要成分，碳纳米管自1991年被Iijima提出(Nature 354，56(1991))具备极高的电子特性后，其已被多种电子组件所使用。碳纳米管可以有很高的深宽比(aspect ratio)，其深宽比大于500以上，并且具有高的刚性，其杨氏系数多在1000GPn以上，而碳纳米管的尖端或缺陷处均为原子量级的露出，由于其具有以上这些特性，因此被认为是一种理想的场电子发射源(electron field emitter)材料，例如用于一种场发射显示器的阴极板上的电子发射源。由于碳纳米管具备以上所述的物理特性，因此也可被设计用于多种制作过程，如网印或薄膜制作过程等，以用于布图电子组件。
而所谓的阴极板制作技术，是将碳纳米管作为电子发源材料制作于阴极导电层上，其制作方法包括在各阴极像素内的阴极电极层上直接成长碳纳米管的化学气相沉积(CVD)方法，或是一种可以将感光型碳纳米管溶液图腾化制作于各像素内的阴极导电层上的方法，也可以是喷涂碳纳米管溶液搭配网罩制作的方法，不过根据上述三极场发射显示器的电子发射源结构，要将碳纳米管制作于各像素内的阴极电极结构上，上述几种制作方法均受到制作成本以及立体结构阻碍的限制，尤其对于大尺寸的电子发射源来说，其均匀性将更难以实现。
近来陆续提出了一种所谓的电泳沉积EPD(ElectrophoresisDeposition)技术，如第US2003/0102222号美国发明专利申请公开，该发明是将碳纳米管配制为醇类悬浮溶液，并利用镁、镧、钇、铝等离子盐类作为辅助盐(Charger)，制作成电泳溶液，将待被沉积的阴极电极基板，与电极相连并放置于该电泳溶液中，通过提供直流或交流电压在溶液中形成电场，辅助盐在溶液中电离出的离子附着于碳纳米管粉体上，其通过电场形成电泳力，以协助碳纳米管沉积于特定电板，由此可将碳纳米管图样化沉积在电极上，利用上述电泳沉积技术，可以简单地将碳纳米管沉积在电极层上，并可避免三极场发射显示器阴极结构在结构上的限制，因此本技术已被广泛的应用于阴极板结构制作。
此外，过去发明人曾提出通过脉冲式电泳沉积技术来改善电泳沉积碳纳米管的均匀性，可大大提高单位面积内的碳纳米管沉积量并具有可实施于水性溶液的优点。但是，以目前脉冲式电泳沉积技术具有以下缺点1、全面的电泳动对于成分日趋复杂的电泳溶液中的碳管悬浮分布有物理上的限制，尤其是为了增加碳管的附着力或导电性等，会在溶液中添加一些特定粒子以增加电子发射源制作上的功效，因此在溶液中保持这些粒子的悬浮特性是有难度的，甚至有些粒子对于特定电场分布也具有极高的敏感性或选择性，从而使沉积于面板的浓度或厚度有分布上的差异，尤其是对于大尺寸面板更趋明显。
2、虽然脉冲式对于水性电泳溶液有其功效，不过有鉴于目前碳管态样繁复，另外有些适用于场发射用的碳管对于溶液有极高的选择性，对于非水性溶液(如乙醇溶液)仍有大部分的碳管对其有极佳的分散特性可加以利用，不过若选用脉冲式电泳方式有由于电泳面积较大大电流易引发乙醇溶液燃烧的危险。
3、阴极板电极的阻抗分布受限于电极长度的分布差异，致使电极上阻抗的差异，尤其是大面板大长度电极更是明显，致使电极一端较靠近电源供应的一侧可以有较高的电流，较大的浓度的沉积，造成电泳沉积效果不均。
发明内容
本发明的主要目的是为了改变传统的以阴阳极面板大面积直接对应的电泳技术中存在的使用的电流较大，对应的沉积也较分散，尤其是当电泳液中预被沉积的粒子复杂时将呈现不等的电泳动致使沉积效率分散影响沉积的均匀性的缺点。因此，本发明提供了一种阳极板，在电泳过程仅对单一阴极电极进行电泳沉积，从而对所述电极形成收敛式集中电场效果，使沉积过程中仅单一阴极电极与阳极板间对应单位面积缩小集中电流，利用电泳动促使溶液中的复杂粒子集中沉积于一个电极上，再循序改变与阳极板对应的阴极电极，使电泳沉积逐次对应于循序电极以达到全面电泳沉积的目的。
为达到上述目的，本发明的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，包括将电源供应装置的阳极端连接于阳极板，而阴极端连接于多个控制单元的输入端，多个控制单元的输出端连接于阴极板的多个阴极电极上，再将信号产生单元连接于多个控制单元的输入端；调制电泳槽内部的电泳溶液，然后将阴极板与阳极板呈平行对应地置放在电泳槽中，通过电源供应装置的阳极端在阳极板上提供电压，信号产生单元将以循序式产生脉冲信号并输入其中一个控制单元，或者信号产生单元将产生的脉冲信号输入多个控制单元，通过控制单元循序式控制导通与否，使阴极板的其中一个阴极电极呈通电状态，而其余阴极电极为不通电状态，使电泳时间中仅有一个阴极电极与阳极板间形成电位差从而产生电场，使阴极电极预备沉积电子发射源的位置上形成碳纳米管，再循序进入下一个阴极电极通电，其余阴极电极不通电的状态，以完成多个阴极电极的碳纳米管电子发射源的循序电泳沉积制作。
图1是本发明的阴、阳极板示意图；图2是本发明的阴、阳极板与电泳设备连接示意图；图3是本发明的阴、阳极板电泳制作过程示意图；图4是本发明的阴、阳极板与电泳设备连接简易示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下阴极板................1阴极电极..............11阳极板................2电源供应装置..........3控制单元..............4信号产生单元..........5电泳槽................6
具体实施例方式
有关本发明的技术内容和详细说明，现结合
如下图1和图2是本发明的阴、阳极板及阴、极板与电泳设备连接示意图。如图所示，本发明的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，主要是利用循序式电泳沉积技术将电流循序分配到阴极面板的多个阴极电极上，在电泳沉积过程中让阴极电极与阳极板间对应单位面积缩小，以集中电流，让单一阴极电极与阳极板间形成电场，以制作阴极板上的碳纳米管电子发射源，此方法可有效降低峰值(peak)电流，并可应用到大面积的面板制作上。
上述方法在制作时，是先取阴极板1，阴极板1上具有多个或32条阴极电极11，该多个阴极电极11均为已完成栅极及牺牲层制作的半成品结构，该牺牲层用于保护无需进行电泳沉积的区域(如栅极、介电层等)不会产生沉积物的残留，待电泳沉积制作过程完成后再将牺牲层剥膜移除；再取一阳极板2，此阳极板2通过白金、钛金属面板或网版的任一种形成；将电源供应装置3的阳极端31与阳极板2连接，电源供应装置3的阴极端32与每一控制单元4的输入端连接，控制单元4的输出端与阴极板1的每一阴极电极11连接；另外，再将控制单元4的另一个输入端与信号产生单元5连接，以完成电泳沉积制作的连接，其中信号产生单元5为各阴极电极11提供循序信号，并通过多个控制单元4与阴极电极11连接，控制单元4用于提供阴极电极11导通或不导通的状态。控制单元4可为信号放大器或开关，所述信号放大器可将信号产生单元5所输出的信号进行放大或不进行放大，使阴极电极11与阳极板2间形成电位差从而产生电场，以在单一阴极电极11上制作碳纳米管电子发射源。
所述开关为计时开关，该计时开关将计数一段导通时间，使信号产生单元5所产生的信号传送至阴极电极11，使阴极电极11与阳极板2形成电位差从而产生电场，以在单一阴极电极11上制作碳纳米管电子发射源。当计数时间到时，所述计时开关不导通，变换下一个计时开关导通，从而通过这种循序电泳沉积方法在阴极电极上制作碳纳米管电子发射源。
图3和图4是本发明的阴、阳极板电泳制作过程及阴、阳极板与电泳设备连接的简易示意图。如图所示，当阴极板1、阳极板2、电源供应装置3、控制单元4及信号产生单元5连接完成后，将进行电泳槽6内部的电泳溶液调制以乙醇为溶剂，电泳的电子发射源材料粉体采用一种通过电弧放电制作的碳纳米管，其平均碳管长度在5μm以下，平均碳管管径在100nm以下，为一种多重壁的碳纳米管结构，其添加重量浓度为0.1％～0.005％(优选为0.02％)，辅助盐类选用电泳后可具有导电性的金属氧化盐，如氯化铟，和硝酸铟，或其它类似的盐类，本发明选用重量浓度为0.1％～0.005％(优选为0.01％)的氯化铟盐，及重量浓度至少在5％以上的用于增加附着力的玻璃粉等；将阴极板1和阳极板2相对应地放置在电泳槽6中，二者之间可保持3～5cm的间距。其中，电源供应装置3为阳极板提供直流或直流脉冲电压，电压可以为100～300V，优选为120V，脉冲频率为250Hz，信号产生单元5产生连续性方波信号并输出至第一个控制单元4，此控制单元4为信号放大器，将信号放大后，立即供应至阴极板1的第一个阴极电极11上形成通电状态，此时其余的阴极电极11形成不通电状态(与阳极板2间无电位差)，因此在电泳时间中仅第一个阴极电极11与阳极板2间形成电位差从而产生电场，使阴极电极11预备沉积电子发射源的位置上形成碳纳米管。而后按照循序方式形成下一个阴极电极11导通，其余不导通的状态，通过这种循序电泳沉积制作方法，来完成阴极电极11的电子发射源制作。据此若一秒钟完成一个面的电泳，则各阴极电极11为占空比(Duty)＝1/32循序变化(或倍频更高)，经过时间为10min的一次电泳，可行成厚度约为5～10μm的均匀厚度的电子发射源结构。
或者，信号产生单元5产生信号并输出至多个信号放大器，其中第一个放大器不进行信号放大处理，使阴极板1的第一个阴极电极形成低电位状态，此时其余的阴极电极11形成高电位状态(阴极电极与阳极电极无电位差)，因此在电泳时间内使第一个阴极电极11与阳极板2间形成电位差从而产生电场，使阴极电极11预备沉积电子发射源的位置上形成碳纳米管，然后再循序至下一阴极电极11进行电泳沉积制作。
当控制单元4为计时开关时，信号产生单元5产生连续性方波信号并输出至多个计时开关，此时第一个计时开关导通，其余的计时开关不导通，导通的计时开关使信号产生单元5产生的方波信号施加于第一个阴极电极11上，此时第一个阴极电极11上形成通电状态，因此在电泳时间中仅第一个阴极电极11与阳极板2间形成电位差从而产生电场，使阴极电极11预备沉积电子发射源的位置上形成碳纳米管，在电泳沉积制作时，该第一个计时开关同步计数，一旦第一个计时开关的计数时间到后，该第一个计时开关马上停止计时，而切断第一个阴极电极11的供电状态，进入第二个计时开关导通，其余开关单元4不导通的状态，通过这种循序方式进行下一个阴极电极11的循序电泳沉积制作，以完成阴极电极11的电子发射源制作。
通过上述说明，可知本发明的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源方法的优点如下1、可克服需同时沉积复杂成分粒子的电泳方法，分布性佳，各不同粒子可更有效沉积。
2、单位电泳发生区域的电流密度可以提高。
3、大面积电泳电流量大，使用仪器设备设计成本及电量耗损降低，及操作的安全性提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限定本发明的实施范围。凡是在本发明申请专利范围内所做的同等变化与修饰，均包括在本发明的专利范围内。
权利要求
1.一种循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，包括a)将电源供应装置的阳极端连接于阳极板，而阴极端连接于多个控制单元的输入端，所述多个控制单元的输出端连接于阴极板的多个阴极电极上，再将信号产生单元连接于所述多个控制单元的输入端；b)调制电泳槽内部的电泳溶液，将所述阴极板所述阳极板呈平行对应地置放在所述电泳槽中；c)通过所述电源供应装置的阳极端在所述阳极板上提供电压，所述信号产生单元将以循序式产生脉冲信号并输入其中一个控制单元，通过所述控制单元控制导通与否，使所述阴极板的其中一个阴极电极呈通电状态，而其余阴极电极为不通电状态，使电泳时间中仅有一个阴极电极与所述阳极板间形成电位差从而产生电场，使所述阴极电极预备沉积电子发射源的位置上形成碳纳米管；d)上述(c)步骤完成后，再循序进入下一个阴极电极通电，其余阴极电极不通电的状态，以完成多个阴极电极的碳纳米管电子发射源的循序电泳沉积制作。
2.如权利要求1所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述电源供应装置为所述阳极板提供直流或直流脉冲电压，电压可以为100～300V，优选为120V，脉冲频率为250Hz。
3.如权利要求1所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述阳极板可由白金、钛金属面板或网版的任一种所形成。
4.如权利要求1所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述控制单元可为放大器或开关。
5.如权利要求4所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述开关为计时开关。
6.如权利要求1所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述阴极板上具有多条阴极电极。
7.如权利要求1所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述阴极电极为已完成闸极及牺牲层制作的半成品结构。
8.如权利要求7所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述牺牲层用于保护无需进行电泳沉积的区域不会产生沉积物的残留。
9.如权利要求7所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，在电泳沉积制程后再将所述牺牲层剥膜移除。
10.如权利要求1所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述阴极板与所述阳极板以3～5cm的间距平行对应地置放在所述电泳槽中。
11.如权利要求1所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述溶液以乙醇为溶剂，电泳的电子发射源材料粉体采用一种通过电弧放电制作的碳纳米管，其平均碳管长度在5μm以下，平均碳管管径在100nm以下，为一种多重壁的碳纳米管结构，添加重量浓度为0.1％～0.005％。
12.如权利要求11所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述添加重量浓度优选为0.02％。
13.如权利要求1所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述溶液还包含有辅助盐，所述辅助盐选用电泳后可具有导电性的金属氧化盐。
14.如权利要求13所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述金属氧化盐为氯化铟和硝酸铟。
15.如权利要求13所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述辅助盐选用重量浓度为0.1％～0.005％的氯化铟盐，并添加重量浓度在5％以上的用于增加附着力的玻璃粉。
16.如权利要求15所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述辅助盐的重量浓度优选为0.01％。
17.如权利要求1所述的循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，其中，所述信号产生单元产生连续性方波输出。
18.一种循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，包括有a)将电源供应装置的阳极端连接于阳极板，阴极端连接于多个控制单元的输入端，所述多个控制单元的输出端连接于阴极板的多个阴极电极上，再将信号产生单元连接于所述多个控制单元的输入端；b)调制电泳槽内部的电泳溶液，将所述阴极板与所述阳极板呈平行对应地置放在所述电泳槽中；c)通过所述电源供应装置的阳极端在所述阳极板上提供电压，所述信号产生单元将产生的脉冲信号输入所述多个控制单元，通过所述控制单元循序式控制导通与否，使所述阴极板的其中一个阴极电极呈通电状态，而其余阴极电极为不通电状态，使电泳时间中仅有一个阴极电极与所述阳极板间形成电位差从而产生电场，使所述阴极电极预备沉积电子发射源的位置上形成碳纳米管；d)上述(c)步骤完成后，再循序进入下一个阴极电极通电，其余阴极电极不通电的状态，以完成所述多个阴极电极的碳纳米管电子发射源的循序电泳沉积制作。
全文摘要
一种循序电泳沉积制作碳纳米管电子发射源的方法，提供了一种在电泳沉积过程的时间中仅单一阴极电极形成电场，致使仅该电泳区域有电泳沉积效果的技术；其中阴极板具有多个阴极电极，该单一阴极电极上配置多个电子发射源预被沉积的位置，利用循序变化分别在阴极电极与阳极板间形成电位差，在电泳动作时在单位时间内仅在一个阴极电极与阳极板间形成电场，从而仅在该区域产生沉积效果以制作碳纳米管电子发射源，利用各阴极电极的循序电压变化来实现阴极板全部像素的电泳沉积。
文档编号C01B31/00GK101017754SQ20061000736
公开日2007年8月15日 申请日期2006年2月9日 优先权日2006年2月9日
发明者郑奎文, 萧俊彦, 李协恒, 李裕安, 蔡金龙 申请人:东元电机股份有限公司