专利名称：显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种显示装置，由两块分开且有一定间距的平行的平面基板组成。一个阳极被做在第一基板上，另有许多阴极被做在第二基板的面向第一基板的一个平面上。在第二基板的一个平面上还有许多在阴极之下的栅电极，这些栅电极与阴极之间有电绝缘层隔离，它们用来控制阴极的电子发射。
背景技术：
该场反射结构在美国专利6,420,726中有具体描述。该结构中栅电极形成为基板上的一组平行条，在栅电极上面设有连续的绝缘材料层。阴极作为平行条在绝缘层上形成，且阴极平行条与栅电极平行条垂直。因为在基板上栅电极是在阴极的下面，该场发射中的发射极部分也可以被称为栅下发射极。阴极包括如碳纳米管(CNT)那样的电子发射极。某一栅电极平行条和某一阴极平行条交叉而构成了一个发射单元。当该单元被加上合适的电压，阴极会发射电子，这些电子被加速而形成电子束射向阳极。如本文件所述，此场发射结构可以被用于显示装置。
这种场发射结构显示装置件存在一个难题，即阳极电场会影响到碳纳米管(CNT)发射极的电子发射。CNT发射极在低电场强度(如1-2V/μm)下发射电子。为了调制电子发射，该电场应由栅电极提供。由于加有5kV电压的阳极距离阴极只有0.5-5mm，阳极电场很高，这就增加了开启和关断电子发射所需的电压幅摆。对于强阳极电场，栅电极处的关断电压相对于阴极甚至可以是负的。因此，高阳极电压导致需要高压驱动，也就是说调制电子发射需要高的电压幅摆。降低阳极电压无助于解决此难题，因为这样会造成电子束发散，这在显示装置中是不希望的。
发明内容
本发明的一个目的是为显示装置提供一个栅下发射极，用以减少阳极对发射极的影响而又不降低阳极电压(电场)，从而避免电子束发散。电子发射的调制只由栅电压有效确定。根据本说明书的前述部分，此目的由显示装置来实现，例如电视，电子束导向单元设在其第一和第二基板之间的间隙中。
该电子束导向单元基本避免了阳极电压对发射单元的影响，因此在不降低显示装置阳极电压的基础上可以采用低栅电极电压。
阴极是指相互平行的阴极条，而栅电极是指相互平行的栅电极条，且栅电极条的延伸方向垂直于阴极条。阴极条和栅电极条的交叉而构成发射单元，通过激活相应的阴极条和栅电极条可以寻址发射单元。最好，每个这样的发射单元在与阳极结合的显示屏上有一个对应的像素，该发射单元在电子束导向单元中有对应的电子导向锥形孔。这使得大尺寸薄型显示装置的制造成为可能。
电子束导向单元最好是一个在平行于第一平面基板的平面上延伸的板。
在一优选实施例中，一个阴极条包含在发射单元区中展宽的表面，这导致电子的发射面积的增大。
阴极条最好在其表面展宽的部分中包含一些开孔，这可使发射单元的电子发射能力得到提高，因为通常大部分电子在阴极的边缘部分发射。
在一优选实施例中，在发射单元区的阴极条具有环状外形，最好是至少两个同心环。这种几何形状适于场发射显示。
另一选择方案是，阴极条可在发射单元区中呈弯曲形状。
阴极最好包含碳纳米管。
在一优选实施例中，栅电极可在发射单元区中包含一个开孔，该开孔应最好在发射单元区中基本对应于阴极表面的展宽部分，以达到两者间最小的重叠。这样做可以降低发射极和栅电极之间的电容，从而减少由于显示装置切换损耗而引起的能耗。
绝缘层可以是一个整体层，但最好选用具有不同电容率(εr)的两个子层，电容率最大的那个子层最靠近栅电极。在相同绝缘层厚度和相同外加栅电压的条件下，这会发射极处产生较大的电场强度。
在一优选实施例中，所述显示装置还包括辅助栅电极，这些附加栅电极设在基本与阴极相同的平面内。这就为在阴极电子发射区周围形成电场提供了较大的自由度。
参照后文对实施例的描述，应对本发明上述的和其他的特征有清晰了解。
图1所示的是一个依照现有技术的显示装置，图2所示的是一个依照本发明实施例的显示装置，图3是一个电子束导向单元的系统的示意图，图4a，b是一个发射极阵列的系统的示意图，图5表示一个依照实施例的发射单元，其中阴极上有开孔，图6表示一个依照第二实施例的阴极，图7表示一个依照第三实施例的阴极，图8表示一个依照第四实施例的阴极，图9表示一个依照本发明实施例的采用整体绝缘层的发射单元，图10表示一个依照本发明另一实施例的利用分层绝缘层的发射单元，图11a和11b表示一个具有降低栅电极-阴极电容装置的发射单元。
优选实施例描述图1表示一个依照现有技术的显示装置的剖面图。第一基板101被用来作为显示屏并与阳极(A)相连。在第二基板102上设有许多栅电极103，图中只显示出其中一个栅电极的剖面。在栅电极上面设有绝缘层104，用以将栅电极103与形成于绝缘层104上面的许多阴极(C)隔离。阴极105成条状，在与栅电极条103垂直的方向上延伸。在栅电极条103和阴极条105的交叉处设置一个发射单元106，这样栅电极103可用来在发射单元106的区域内控制阴极105的电子发射。这种发射极结构可以被称为栅下发射极，由于栅电极被安置在阴极的下面，因此具有将敏感的阴极在显示装置制造过程中的最后一步完成的优点，可以提高生产效率。
第一基板101和第二基板102是平面结构且基本平行。两基板间的空间被抽空以形成真空显示装置。当发射单元的本地电场达到可以使电子发射时，这些电子以朝向阳极的电子束(EB)的形式被加速。当电子束(EB)撞击第一基板101时，如果该基板上涂有荧光材料，就会发光。因此只要控制发射单元发出的电子流，第一基板上就会显示图象。
如前面提到的，图1所示的显示装置存在阳极电压过高的缺点。为了充分加速电子，阳极电压必须很高(例如5kV)，而高阳极电压又会影响发射单元周围的电场，以至必须用高的栅电极驱动(幅摆)电压来适当控制发射单元发射的电子流。这样当然会导致较高的能耗。
图2所示的是一个依照本发明实施例的显示装置。该实施例包括例如用玻璃做的第一和第二基板201、202，栅电极203，一个绝缘层204和许多阴极205。在第一和第二基板201、202之间有一个电子导向单元(跳跃板(hop-plate)207。第一基板201构成了一个显示屏，它由荧光材料和一个导电层(如氧化铟锡层)组成。阳极电压就加在导电层上。两基板的间距最好选在0.5-5mm之间，它们之间的空间被密封并抽空以形成真空显示。绝缘层204可以由绝缘体构成，例如SiO2、SiOxNy(氧氮化物)、Al2O3或Si3N4，其厚度最好为1-5μm，但也可以更厚。
类似前面提到的电子导向单元在美国专利5,986,399中已有描述。然而在现有技术中，这种电子导向单元被用作选择装置。
依照本发明实施例的电子导向单元包括一个设有穿孔阵列的板，穿孔最好采用锥形孔，其中大的开口面向阴极，小的开口面向阳极。每个发射单元中有一个穿孔，也就是说在每个栅电极条和阴极条交叉处有一个穿孔。该板被放置在距离阴极0.01-0.1mm处来屏蔽强阳极电场对发射单元的影响，这样就可以使用低栅电极驱动来控制阴极的电子发射。对于每个发射单元，在板上都有一个对应的穿孔，在第一基板201上也有一个对应的像素(pixel)208。在本实施例中，当阴极保持在地电位且阳极电压在5-15kV时，20-100V的栅电压(具体值要根据发射极几何形状和绝缘材料而定)已足以启动电子束，栅电压只需降低到此电压的0-0.5倍就可关断电子束。在跳跃板207上加的电压最好为50-400V。
图3是表示电子束导向单元或跳跃板的示意剖面图。跳跃板厚0.2-0.5mm，由绝缘体或高阻半导体组成。跳跃板的上表面有一个电极302。跳跃板或至少在板上形成锥形孔的内壁301用电绝缘材料做成，这种材料具有这样的特性当电子撞击时会引起二次电子发射。MgO是锥形孔内壁的涂层首选的绝缘体材料。这些二次电子会又撞击锥形孔内壁表面从而进一步产生二次电子，或从锥形孔面向阳极的较小开口处离开。因此可以说一个初始电子会引起一个或多个电子在锥形孔的表面上向出口跳跃。
电子的跳跃式传输是基于带电绝缘体上的二次电子发射效应。二次电子使所述表面放电，当平均有一个电子进入锥形孔的通道同时又有另一个电子从另一端开口离开时，该表面的电荷分布就达到平衡。所以平均来说，有多少电子进入通道就有多少电子离开，电子束被有效地引导穿过该通道。这种电子跳跃效应例如在以下文献中作了公开美国专利5,270,611；S.T.de Zwart等人的文章“电子在绝缘体上传输的基本原理”(“Basics of electron transport overinsulators”by，G.G.P.van Gorkom，B.H.W.Hendriks，N.Lambertand P.H.F.Trompenaars；Philips Journal of Research vol.50(p.307-335)，1996)；以及J.J.Scholtz等人的文章“二次电子发射特性”(“Secondary electron emission properties”by J.J.Scholtz，D.Dijkkamp and R.W.A.Schmitz，Philips Journal of Research vol.50(p.375-389)，1996)。图3中的箭头表示由初始电子引起的电子跳跃踪迹。
图4a是一个发射单元403阵列的示意图。这些单元在栅电极条401和阴极条402的交叉处形成。如前所述，栅电极条和阳极条之间被电绝缘层隔离。最好在阴极条上设置提高发射单元区的电子发射能力的手段，例如设置碳纳米管404。
图4b表示发射单元403沿图4a中A-A线的剖面。发射单元403包括一个与栅电极条401交叉的阴极条402。绝缘层405将栅电极和阴极隔离。
图5更加详细描述了依据一个实施例的发射单元，其中的阴极条501上有一些开孔502。这提高了阴极发射电子的能力，因为电子主要是在阴极边缘处发射，而这些开孔又在阴极结构上形成了更多的边缘。阴极条在发射单元，也就是与栅电极条504交叉处，还有一个表面展宽的部分503。这同样提供了额外的阴极边缘长度。于是，本实施例中阴极条含有由较窄部分互连的较宽部分。
图6所示的是一个依照另一实施例的阴极。在该实施例中，阴极表面有展宽的部分和开孔，在发射单元中成环形。其外环直径可约为0.1-0.5mm，优先选择0.3mm，环的宽度可约为1-100μm。于是，本实施例中阴极条含有由直形条部分互连的环形条部分。
图7所示的是依照又一实施例的阴极。在该实施例中，阴极表面有展宽的部分和开孔，在发射单元中形成两个相连的同心环形。当然也可以采用更多这样的环形。
图8所示的是一个依照再一实施例的阴极，此阴极成弯曲形状。另一种选择是梳形。
图9所示的是一个依照本发明实施例的发射单元，其中用单绝缘层901来将栅下电极902与阴极903隔离。本实施例中设有辅助栅电极904、905，它们基本在一个平面内平行于阴极条903延伸。这些辅助电极可独立于栅下电极被单独地控制。这就为在阴极附近控制发射场提供了更多的可能，例如引导产生的电子束朝向电子束导向单元的某个部位，更加准确地控制CNT发射极的本地场，或将发射的电子会聚。
图10所示的是一个依照本发明另一实施例利用分层绝缘层的发射单元。绝缘层由至少两个具有不同电容率的子层901a、901b组成，其中最靠近栅电极的子层901b应该有最大的电容率εr(介电常数)。这些绝缘层可以用两种前面提到的材料做成。这就意味着在相同绝缘层厚度且加于栅电极的电压相同的条件下，发射极处有较高的电场强度。
图11a和11b表示采取降低栅电极-阴极电容措施的发射单元。图11a是一个发射单元的分解透视图。栅电极1102上有一个开孔1101，该开孔在发射单元基本对应于阴极条的展宽部分1103。图11b所示的是沿图11a中I-I线的剖面。每一个发射单元的栅电极和阴极的重叠被降到最低，或至少被减少。在一优选实施例中，绝缘层1104可设有一个相应的开孔。
这些措施降低了栅电极和阴极之间的电容。降低电容可以减少能耗，这是因为选择发射单元时发生的切换损耗较小。注意，图11a、b中描述的栅下发射单元实施例也可被优先用在没有跳跃板的显示装置中。
总之，本发明涉及一种具有栅下发射极的显示装置，在栅下发射极中栅电极设在阴极下的绝缘层之下。为使发射极不受阳极强电场的影响，一个电子导向单元被置于发射极和阳极之间。这样，可使用较低的电压幅摆控制发射极从开状态到关状态的电子发射。
虽然本发明的描述借助了各种优选实施例，但本发明不应该被理解为只局限于这些实施例。本发明包括本领域技术人员能够做出的所有变形，其范围由本申请所附的权利要求书所涵盖。
权利要求
1.一种包括场发射结构的显示装置，所述场发射结构包括第一(201)和第二(202)平行的平面基板，该两基板被隔开以在它们之间形成间隔；一个阳极(A)，被设置在第一基板上；许多阴极(205)，被布置在第二基板(202)的面向第一基板(201)的一个平面上；用来控制阴极(205)的电子发射的许多栅电极(203)，这些栅电极(203)被布置在第二基板上阴极(205)下的平面上，并通过电绝缘层(204)与阴极隔离；其特征在于，在第一(201)和第二(202)基板之间的间隔处设有电子束导向单元(207)。
2.如权利要求1所述的显示装置，其中，所述阴极是相互平行的阴极条，所述栅电极是相互平行的栅电极条，在垂直于阴极条的方向延伸，结果在阴极条和栅电极条的交叉处形成发射单元，这些发射单元可以通过激活相应的阴极条和栅电极条而被寻址。
3.如权利要求2所述的显示装置，其中，每个发射单元在与阳极结合的显示屏上有一个相应的像素，在电子束导向单元中有一个相应的电子导向锥形孔。
4.如前述任一项权利要求所述的显示装置，其中，所述电子束导向单元是在一个平行于第一平面基板的平面上延展的板。
5.如权利要求2所述的显示装置，其中，所述阴极条含有一个在发射单元区的展宽表面。
6.如权利要求5所述的显示装置，其中，所述阴极条在展宽表面上有开孔。
7.如权利要求5所述的显示装置，其中，所述阴极条在发射单元区呈环形。
8.如权利要求7所述的显示装置，其中，所述阴极条在发射单元区具有由至少两个同心环构成的形状。
9.如权利要求5所述的显示装置，其中，所述阴极条在发射单元区呈弯曲形状。
10.如前述任一项任何权利要求所述的显示装置，其中，所述阴极包含碳纳米管。
11.如权利要求2所述的显示装置，其中，所述栅电极条在发射单元区含有开孔。
12.如权利要求11所述的显示装置，其中，栅电极上的开孔基本对应于发射单元区中相应阴极表面的展宽部分，以取得二者之间的最小重叠。
13.如前述任一项权利要求所述的显示装置，其中，所述绝缘层是一个整体层。
14.如权利要求1-12中任一项所述的显示装置，其中，所述绝缘层有两个具有不同电容率(εr)的子层，电容率最大的那个子层最靠近栅电极。
15.如前述任一项权利要求所述的显示装置，其中，还包括与阴极基本设于同一平面的辅助栅电极。
全文摘要
本发明涉及一种设有栅下发射极的显示装置，在栅下发射极中栅电极(203)被设置在阴极(205)下的绝缘层(204)之下。一个电子导向单元(207)被置于发射极和阳极(A)之间以使发射极不受阳极强电场的影响。这使得能够以较低的电压幅摆控制从开状态到关状态的电子发射。
文档编号H01J29/46GK1726578SQ200380106196
公开日2006年1月25日 申请日期2003年11月12日 优先权日2002年12月17日
发明者W·A·J·A·范德波尔, T·范祖芬, H·A·维伦加, J·P·A·迪本, E·C·科斯曼, M·F·吉尔利斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司, Lg菲利浦显示器公司