专利名称：铁电冷阴极及包括相同物的铁电场致发射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及冷阴极和场致发射装置。特别是，本发明涉及铁电冷阴极和场致发射装置，其包括位于上电极和下电极之间的铁电层，并且通过该上电极和该下电极之间的场致脉冲的作用发射电子。
背景技术：
铁电晶体是一种电介质，即电绝缘体，并且具有自发极化性质，其可以通过外电场的作用而变换极性。利用铁电晶体的该特性，人们可以使该铁电表面传导电子，并且该电子在可以相对弱的真空下应用场致脉冲发射。
图1A和1B图解了H.Gundel提出的传统的铁电冷阴极的结构。该铁电冷阴极包括位于铁电基板10的上表面上的条形上电极20[“Ferroelectrics，Vol.100，(1989).1”]。
参照图1A，通过该上电极20发射的电子50分布在该铁电基板10的上表面上，暴露在该条形上极板20之间的间隔中。然后，参照图1B，对下极板30施加负脉冲电压，并且该铁电基板10的极化方向反向。然后，在该铁电基板10的上表面传导的电子通过排斥力发射。
然而，在极化该铁电基板10时，在该铁电基板10的该上表面和该上电极20之间会产生相对小的电压差。尽管存在该小的电压差，但为给大的冷阴极提供发射电流，需要从该上电极20上提供大量的电子到该铁电基板10的上表面上。此外，冷阴极需要具有上电极结构，其中，在极化和反向极化过程中接受脉冲力的电子不再发射到该上电极材料20上，而是向上发射。
此外，通过在阳极基板上涂镀荧光物质，提供通过电子碰撞发射的平板显示装置和荧光物质，该阳极基板面向该冷阴极，并且和该冷阴极以预定的距离分隔。为提供这样的平板显示装置，需要在玻璃基板上形成该冷阴极结构。然而，该传统的铁电基板的烧结温度大约在1000℃以上，其远高于广泛用于显示装置的玻璃基板的该耐热温度。因此，对于用铁电冷阴极的场致发射装置来说，需要一种烧结温度比该耐热温度低的铁电阴极。
发明内容
本发明提供作为上电极的冷阴极，其通过超细线性导电材料，如碳纳米管形成的网使得电子的发射和再提供更容易。
本发明通过降低该铁电基板的烧结温度至玻璃基板的耐热温度以下，还提供可以应用在场致发射显示装置中的冷阴极。
根据本发明的观点，该铁电冷阴极包括基板；下电极层，其由在该基板上表面上的导电材料形成；铁电层，其由该下电极上表面的铁电材料形成；和超细线性材料网，其形成该铁电层上的上电极，并且通过由分布在网结构中的超细线性导电材料粒子形成的网孔，外露该铁电层的上表面。
该超细线性材料网可以为由分布并固定在网状薄层中的导电材料制造的纳米线、纳米管和纳米棒制造的网。预定波形的电压施加在为该上电极层的该超细线性材料网和该下电极层上。根据该施加的电压，电子流入相邻该超细线性材料网的该铁电层的表面，并且当该电介质极化反向时，电子发射到该网的外部。
大量的网孔形成在该超细线性材料网中。同样，由于该网由如纳米线、纳米管和纳米棒的超细线性材料片形成，因此该片的末端给该铁电层的表面形成了狭窄的孔径。该超细线性材料的纵横比较大，并且其末端具有较大的场增强因子，因此，尽管在该超细线性材料网和该铁电层的表面之间存在小的电压差，但是电子也易于提供。
该铁电层可以是堆叠成多层的铁电材料的纳米大小的珠子。该铁电材料可以是锆钛酸铅(PZT)、掺镧锆钛酸铅(PLZT)和钛酸钡(BT)这样的陶瓷材料。烧结时，该陶瓷的烧结温度根据该粒子的大小变化。也就是说，粒子的尺寸越小，烧结工艺的温度越低。
在当前技术中，需要高于1000℃的高温来烧结由微米大小的粒子形成的该铁电层。然而，由纳米大小的珠子形成的铁电层的烧结工艺可以在低于平板显示装置的基板的耐热温度630℃的温度下实施。因此，根据本发明的观点，可以提供由玻璃基板形成的铁电冷阴极结构。
同样，由纳米大小的珠子形成的铁电层可以具有沿顶层珠子粒子表面的光滑曲线。该曲线可以在该铁电层表面和该上电极层之间提供合适的孔径。
根据本发明的另一个观点，该场致发射装置包括铁电冷阴极和阳极，其设置在前基板上，设置成距该铁电冷阴极预定的距离，其中，从该冷阴极发射出来的电子由于电场的作用碰撞到该阳极上，该铁电冷阴极包括后基板；下电极层，其由该基板的上表面上的导电材料形成；铁电层，其由该下电极的上表面上的铁电材料形成；和超细线性材料网，其形成该铁电层上的上电极，并且通过分布在网结构中的超细线性导电材料粒子形成的多个网孔，外露该铁电层上表面的一部分。
通过参照附图详细描述其中的示范性实施例，本发明上述及其它的特征和优点将会变得更加显明。
图1A和1B图解了传统的铁电冷阴极的结构和运行原理。
图2为根据本发明实施例的铁电场致发射装置的截面图；图3为根据本发明实施例的铁电冷阴极的截面图；图4为由碳纳米管形成的超细线性材料网的平面图；图5图解了图3所示实施例的三维视图；和图6A至6D图解了根据本发明的铁电冷阴极的运行原理。
具体实施例方式
下面将参照附图更全面的描述本发明，其中展示了本发明的示范性实施例。
图2为根据本发明实施例的铁电场致发射装置的截面图。根据本发明的铁电场致发射装置包括铁电冷阴极，其形成在后基板100上；前基板200，其设置成与该铁电冷阴极相隔预定的距离；和阳极210，其设置在面向该冷阴极的该前基板200的表面上。
下电极120由在该后基板100表面上的导电金属或非金属形成。铁电层130由在该下电极120上表面上的具有铁电特性的材料形成。铁电晶体是一种具有自发极化特性的电介质，其可以通过外电场反向。人们熟知的铁电材料有一百种以上，根据所需特性，可以用其中任意一种。具体地讲，可以用锆钛酸铅(PZT)、掺镧锆钛酸铅(PLZT)、钛酸钡(BT)这样的陶瓷材料。
碳纳米管网140形成为该铁电层130上表面上的上电极层，面向该下电极层120。该碳纳米管网140为可应用于本发明的上述的一种超细线性材料网。该碳纳米管网140具有固定的网结构，其中，碳纳米管粒子均匀分布。该碳纳米管粒子的直径在几纳米至十几纳米范围内变化，并且该长度根据增长时间变化。在此，该长度可以在几微米至几百微米或更大的范围内变化。
一般来说，由于其大的表面积，碳纳米管具有非常大的范德瓦尔斯力。因此，当纳米管与聚合物或其它溶剂混合时，由于碳纳米管自身结合在一起的特性，会难于获得均匀分布。然而，近来揭示了一种碳纳米管分布液，其中碳纳米管粒子可以分布和稳定。该碳纳米管网可通过在该铁电层130的该上表面旋转涂敷该碳纳米管分布液，并且在100至150℃的相对低的温度范围内烘烤而形成。
图3为根据本发明实施例的铁电冷阴极的截面图。本发明的该冷阴极包括玻璃基板110和铁电层133，其由在该下电极层120和该碳纳米管网140之间的多个铁电纳米珠子132形成。本发明实施例中的该铁电层133可以具有堆叠结构，其由纳米珠子形成的纳米大小的致密设置的多个单层构成。随着该粒子的尺寸变小，陶瓷材料可以在较低的温度烧结。由几纳米至十几纳米或更大直径范围的铁电纳米珠子132形成的该铁电层133，在低于该平板显示装置玻璃基板的耐热温度630℃的温度下烧结。相应地，根据本实施例的该冷阴极可以应用在包括玻璃基板的平板显示装置中。
生产铁电纳米珠子和纳米珠子单层的方法没有特别限制，并且利用纳米珠子可以采用各种方法提供铁电层。例如，纳米粒子BaTiO3可以通过glycothermal方法制造纳米粒子尺寸大小的BaTiO3粉末获得，该方法由LimDae Young在“韩国陶瓷协会期刊(Journal of Korean Ceramic Society)”(2002)上提出。这些纳米珠子也可以用浸渍工艺或Langmuir-Blodgett(LB)方法形成纳米粒子单层。在此，浸渍涉及浸泡基板于包括混合在溶剂中的陶瓷粒子的陶瓷浆中，并且拉出该基板，从而形成陶瓷粒子层。该LB方法涉及在面下相液体表面上设置一层，并且以预定的速度拉出该基板，从而该层粘附在该基板的表面上。
图4为由碳纳米管形成的超细线性材料网的平面图。碳纳米管是超细线性材料，如纳米管、纳米线和纳米棒的一个实例，并且下面将详细描述之。碳纳米管网140由多个碳纳米管粒子141形成。如前所述，纳米管粒子可以以在溶剂中分布的状态，通过旋转涂敷形成薄层。因此，该碳纳米管网140具有由不均匀分布的碳纳米管粒子141形成的网状结构。该碳纳米管网140具有大量的网孔145，并且该铁电层的表面通过该网孔145外露于外部。
该碳纳米管网140由碳纳米管粒子141形成，从而有几个碳纳米管末端设置在每个网孔中。该碳纳米管粒子的纵横比，即长度L与直径D的比例非常大。因此场焦指数(field focus index)也非常大。因此，即使在该碳纳米管网140和该铁电层表面之间存在小的电势差，大量的电子也可以通过穿遂效应从该碳纳米管末端142向该铁电层的表面移动。
上述特性可以在其它形式的纳米材料中体现，而不仅仅体现在碳纳米管中。因此，本发明的该冷阴极的上电极层可以包括具有较大纵横比的分布超线性粒子的网，如纳米管、纳米线和纳米棒。
图5图解了图3所示实施例的三维视图。其有助于对该铁电层133和该碳纳米管网140的直观理解。如图5所示，铁电层133的表面由多个纳米珠子132形成，并且沿顶层纳米珠子的弧形表面弯曲。因此，该铁电层133具有大的表面积，并且可以与该碳纳米管网140保持预定的距离。
图6A至6D图解了根据本发明的铁电冷阴极的运行原理。首先，如图6A所示，当上电场通过该下和上电极120和140形成在该铁电层133上时，该铁电层133向上极化。在这点上，如图6B所示，从该碳纳米管网140，即上电极发射的电子50粘附到该铁电层133上侧的该铁电纳米珠子132的表面上。
参照图6C，当该铁电层133的电场通过该下和上电极120和140反向时，该铁电层133也向下极化。然后，如图6D所示，该铁电层133上表面的该铁电纳米珠子132变为负电荷，并且该电子50通过该碳纳米管网140的该网孔145发射。尽管未在图6A至6D中示出，当阳极设置在该冷阴极的上侧时，该发射的电子50通过该阳极和该冷阴极之间的强电场加速，并且与该阳极表面碰撞。
根据本发明，通过利用由超细线性导电材料，如碳纳米管形成的网，该铁电冷阴极和包括该铁电冷阴极的该铁电场放射装置使得电子的发射和再提供更容易。此外，通过减小该铁电层的烧结温度到玻璃基板的耐热温度以下，该铁电层可以应用在场致发射显示装置中。
尽管本发明参照其中的示范性实施例已经进行了特别的展示和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，在此可以对其进行形式和细节中的各种变化，而不脱离附权利要求所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种铁电冷阴极，包括基板；下电极层，其由该基板的上表面上的导电材料形成；铁电层，其由该下电极层的上表面上的铁电材料形成；和超细线性材料网，其形成该铁电层上的上电极，并且通过分布在网结构中的超细线性导电材料粒子形成的多个网孔外露该铁电层的该上表面的一部分。
2.如权利要求1所述的冷阴极，其中，该超细线性材料粒子的直径从几纳米至几百纳米变化，并且该超细线性材料是纳米管、纳米线和纳米棒中的一种。
3.如权利要求1所述的冷阴极，其中，该超细线性材料为碳纳米管。
4.如权利要求1所述的冷阴极，其中，该铁电层由多个铁电纳米珠子形成。
5.如权利要求4所述的冷阴极，其中，该纳米粒子层利用浸渍工艺或Langmuir-Blodgett方法设置和烧结。
6.如权利要求4所述的冷阴极，其中，该基板为玻璃基板。
7.一种场致发射装置，包括铁电冷阴极和阳极，其设置在前基板上，设置成距该铁电冷阴极预定的距离，其中，从该冷阴极发射出来的电子由于电场的作用碰撞到该阳极上，该铁电冷阴极包括后基板；下电极层，其由在该基板的上表面上的导电材料形成；铁电层，其由该下电极层的上表面上的铁电材料形成；和超细线性材料网，其形成该铁电层上的上电极，并且通过分布在网结构中的超细线性导电材料粒子形成的多个网孔外露该铁电层的该上表面的一部分。
8.如权利要求7所述的场致发射装置，其中，该超细线性材料粒子的该直径从几纳米至几百纳米变化，并且该超细线性材料是纳米管、纳米线和纳米棒中的一种。
9.如权利要求7所述的场致发射装置，其中，该超细线性材料为碳纳米管。
10.如权利要求7所述的场致发射装置，其中，该铁电层由多个铁电纳米珠子形成。
11.如权利要求10所述的场致发射装置，其中，该纳米粒子层利用浸渍工艺或Langmuir-Blodgett方法设置和烧结。
12.如权利要求10所述的场致发射装置，其中，该基板为玻璃基板。
全文摘要
本发明提供了铁电冷阴极和包括其的铁电场致发射装置。该铁电冷阴极包括基板；下电极层，其由该基板的上表面上的导电材料形成；铁电层，其由该下基板的上表面上的铁电材料形成；和超细线性材料网，其形成该铁电层上的上电极，并且通过分布在网结构中的超细线性导电材料粒子形成的多个网孔外露该铁电层上表面的一部分。
文档编号H05B33/02GK1882204SQ20061009376
公开日2006年12月20日 申请日期2006年6月19日 优先权日2005年6月18日
发明者郑得锡, 陈勇完, 韩仁泽, 崔濬熙 申请人:三星Sdi株式会社