专利名称：碳基场发射阴极及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于场发射阴极的碳材料。本发明还涉及制造这种场发射 阴极的方法。
背景技术：
在现代节能照明装置中使用的技术使用汞作为活性组分之一。由于汞 对环境有害，因此已经进行了广泛的研究以克服与节能、无汞照明相关的 复杂的技术困难。一种用于解决这种问题的方法是通过使用场发射装置，例如场发射光势能垒的宽度变窄时产生的现象。这允许产生量子隧穿效应，由此电子穿 过所述势能垒并从所述材料发射。在现有技术的装置中，阴极被配置在具有例如玻璃壁的真空腔室内， 其中在腔室内部涂有导电层，在其顶部沉积有发光层。它们一起构成阳极。 当在阴极和阳极之间施加电位差时，电子从阴fct射并朝向阳^速。当 电子撞击发光层时，它们导致发光层发射光子，此过程称为阴极射线发光， 其不同于在常规荧光照明装置例如常规荧光管中采用的光致发光。因此，应用于场发射装置中的阴极称之为场发射阴极并且由于其不需 要使用热源来工作而被认为是"冷"阴极。在已知适合用作场发射阴极结 构的各种材料中，^&材料已经被证明能够在中度真空环境中产生长寿命 的显著发射电流。这种场发射阴极公开在欧洲专利申请99908583 "F/e似ew/ssiVw cfl幼o^fe/"6n'oiterf/n 附/wiy ms Cflf6卵/bfl附wflter/fl/"中，其中场发射阴极 包含由多孔碳泡沫材料例如网状玻璃碳(RVC)形成的发射元件，其中该 发射元件具有限定多个发射边缘的发射表面。RVC使用碳化聚合物树脂制 备。使用RVC作为发射元件还没有完全成功，这是由于该材料具有不稳 定期，该不稳定期被称为材料的"训练期(trainingperiod)",这被认为是由于(i)初始存在于RVC阴M射表面的污染物的解吸和(ii) RVC材 料的最尖锐的发射边缘的破坏所导致的。后者(ii)导致涉及昂贵和复杂 制造步骤的复杂制造工艺。此外，前述的此类场发射阴极的操作电压必须 非常高以获得足够的输出电流，该效应表明在全部阴M面上的发射位非 常少。因此本发明的目的是解决两个重要的问题:在合适的电压间隔下的阴 极总发射电流和发射边缘的均匀的空间和电流分布，并且因此提供一种用 于场发射阴极的新型和改进的碳材料。发明内容的制造这种场发射阴极^方法来满足上述需要。M权利要求P艮定根据丄 发明的有利的实施方案。根据本发明的第一个方面，提供一种用于制造场发射阴极的方法，所 述方法包括如下步骤提供包含金属、金属盐和金属氧化物中的至少一种 和液体酚搭树脂的液体化合物，配置导电阴极支撑体使得所述导电阴极支 撑体接近所述液体化合物，以及加热所述液体化合物，由此形成由所述液 体化合物转化的固体化合物泡沫，所述固体化合物泡沫至少部分覆盖所述 导电阴极支撑体。该新化合物的优点包括其具有降低的功函数和其具有最 小的或不存在的训练期。因此，与现有技术中使用的方法和材料相比，该 新方法将提供以更少的制造步骤和一部分成本来制造场发射阴极的可能 性。在加热液体化合物的步骤中，该步骤优选在已经配置了导电阴极支撑 体和液体化合物的封闭容器内进行，温度为低于100C，例如在约60n-卯 匸。作为加热的结果，所述液体化合物将体积膨胀，并接着形成与导电阴 极支撑体紧密接触的固体化合物泡沫，由此至少部分覆盖导电阴极支撑 体。术语"功函数，，表示将电子从费米能级移动到表面外无P艮i^巨离的一 点所需要的最小能量(通常以电子伏特来表示)。此外，术语"训练期" 定义为在此期间化合物表现出不稳定迹象的时间。所述金属盐在一种情况 下可以是碱金属盐。类似地，所述金属氧化物在一种情况下可以是氧化锌。 所述液体化合物可以采用相似的方式进一步包含酸化合物、表面活性剂、^t剂以及有机或非有机溶剂中的一种或多种。制造场发射阴极的下一步骤包括对至少部分覆盖所述导电阴极支撑 体的固体化合物泡沫实施热解过程的步骤，由此形成碳化固体化合物泡 沫，并且然后对该碳化固体化合物泡沫实施切割动作，由此在碳化固体化 合物泡沫的表面形成多个尖m射边缘。所述热解优选在低真空环境中在约800 ~ 1000匸下进行。对于所述切割过程，存在大量可应用的技术。在 优选的方式中，使用机械切割过程。在本发明的优选实施方案中，导电阴极支撑体是棒，容器U本圆柱 形容器，并且加热液体化合物的步骤包括使基本圆柱形容器的纵向中轴基 本上与水平面轴对准的步骤。此外，基本圆柱形容器优选绕其基本水平轴 旋转。这些创造性的制造步骤使得液体化合物在封闭的容器内以径向和均 匀的方式体积膨胀，产生紧密接触并至少部分覆盖导电阴极支撑体的固体 化合物泡沫，其中该固体化合物泡沫具有基本均匀的和结构化的特征。为了实现导电阴极支撑体的有利覆盖，该导电阴极支撑体的轴优选与 基本圆柱形容器的基本水平轴一致。如本领域技术人员所理解，导电阴极支撑体可以是如上所述的棒，或 者M本扁平的结构。在涉M本扁平结构的情况下，该容器和基本扁平 结构可以是同一个，使得设计和构造可以在例如大面积体育场型显示器中 应用的扁平场发射阴极。该新的碳化固体化合物泡沫具有连续的蜂窝状结构，其在切割后具有 两维互连的尖锐边缘例如刀刃的优点。该边缘的尖锐度通过该蜂窝状结构 的壁厚度来确定。根据本发明的第二个方面，提供一种用于在场发射装置 应用中在阴极和阳极之间施加电位差时发射电子的阴极，该阴极包含导电 阴极支撑体和至少部分覆盖导电阴极支撑体的碳化固体化合物泡沫，其中 该碳化固体化合物泡沫由包含金属盐、金属氧化物中的至少一种和酚搭树 脂的液体化合物所转化而成。该金属盐和金属氧化物在一种情况下可以分 别是碱金属盐和氧化锌的其中之一 。液体化合物可以采用相似的方式进一 步包含酸化合物、表面活性剂、^t剂和溶剂中的一种或多种。如前文涉 及本发明第 一方面所述，该具有新化合物的新场发射阴极因其低功函数和 最小的或不存在的训练期而具有多种优点。因此，与现有技术中使用的方 法和材料相比，该新场发射阴极提供制造具有更低成本和更高性能的场发 射阴极的可能性。在本发明的第二方面的优选实施方案中，碳化固体化合物泡沫具有连 续蜂窝状结构，该结构具有在所述碳化固体化合物泡沫表面上排列的多个尖^L射边缘。这使得改善发射电流。在场发射灯中使用根据本发明的场 发射阴极的试验测量中，在4 kV的操作电压下测得3 mA的操作电流。根据本发明的第三方面，提供一种用于制造用于场发射装置应用的阴 极的设备，包括用于提供包含金属盐与金属氧化物中的至少一种和液体 酚醛树脂的液体化合物的装置，用于配置导电阴极支撑体以使所述导电阴 极支撑体接近所述液体化合物的装置，和用于加热所述液体化合物由此形 成由所述液体化合物转化的固体化合物泡沫的装置，所述固体化合物泡沫 至少部分覆盖所述导电阴极支撑体。与现有技术中使用的材料和方法相 比，该设备以如上所W目似的方式提供在低成本下制造场发射阴极的可能 性。根据本发明的第四方面，提供一种场发射装置，所述场发射装置包括 阴极，所述阴极包含导电阴极支撑体和至少部分覆盖所述导电阴极支撑体 的碳化固体化合物泡沫，其中所述碳化固体化合物泡沫由包含金属盐、金 属氧化物中的至少一种和酚搭树脂的液体化合物所转化而成；阳极；用于 在真空腔室内配置所述阳极和所述阴极的装置；和控制电子装置。在本发明的第四方面的优选实施方案中，场发射装置可以是光源装置 和X-射线源装置中的一种。这样的场发射装置可以是密闭单元或包含但不 限于所提及组件的配置。当研究所附的权利要求书和以下说明时，本发明的其它特征和优点将 变得明显。本领域技术人员将理解本发明的不同特征可以以其它方式组合 以创造不同于以下所述那些实施方案的实施方案。
现在将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中图la示出与基本圆柱形容器的基本水平轴对准的导电阴极支撑体的 侧截面示意图。图lb示出与如图2a中所示的基本圆柱形容器的基本7jc平轴对准的导 电阴极支撑体的末端截面示意图。图2示出根据本发明的场发射阴极的截面示意图。图3示出制造根据本发明的场发射阴极的步骤。图4a示出根据本发明的场发射阴极的斜视的扫描电子显微镜照片，体化合物泡沫。图4b是图4a中所示的扫描电子显微镜照片的特写视图，显示具有三 个发射边缘结点的发射位。图4c是图4a中所示的扫描电子显賴t镜照片的另一特写视图，显示尖 做射边缘。图5是对根据本发明的场发射阴极进行试验测试的典型发射电it/施 加电压图(所谓的I/V曲线)。
具体实施方式
图la示出用于实施根据本发明的方法的部分初始步骤的设备的侧截 面示意图。导电阴极支撑体2定位于基本圃柱形容器5的内部。导电阴极 支撑体2的中轴S基本上与基本圆柱形容器5的中轴C对准。此外，两个 中轴S和C与水平面H对准。盖6封闭在其中加热液体化合物1的基本 圆柱形容器5。加热方向不仅限于基本圆柱形容器5的底部，而是当然可 从任意的方向产生。基本圆柱形容器5可绕其中轴C沿R旋转。参照示出导电阴极支撑体2的末端截面示意图的图lb,其中导电阴 极支撑体2如图la中所示与基本圆柱形容器5的基本水平轴C对准。图2示出根据本发明的场发射阴极的截面。导电阴极支撑体2被具有 连续蜂窝状结构的碳化固体化合物泡沫3所覆盖。该场发射阴极还包含排 列在碳化固体化合物泡沫3表面的多个尖M射边缘4。这些发射边缘4 以均匀的发射位排列。然后参照图3，将描述制造上述场发射阴极的方法。图3示出制造根据本发明的场发射阴极的加工步骤。所述加工步骤包 括提供液体化合物1 (Sl);配置导电阴极支撑体2 (S2);加热液体化 合物l (S3);对固体化合物泡沫实施热解过程(S4);和对碳化固体化合 物泡沫3实施切割动作(S5)。这些加工步骤以本实施方案中描述的顺序 来进行。在提供液体化合物1的步骤S1中，制备化合物。此化合物包含碱金属、碱金属盐、碱金属氧化物中的至少一种和液体酴搭树脂以及酸化合物、 表面活性剂、^t剂和溶剂。这些成分尽可能充分地混合以使得它们适当 地溶解。提供液体化合物1的步骤Sl之后是配置导电阴极支撑体2的步骤S2 ， 以使导电阴极支撑体2接近液体化合物1。在导电阴极支撑体2结构为棒 的情况下，该步骤优选通过将导电阴极支撑体2如图la和lb中所述配置 在基本圆柱形容器5的内部来完成。配置导电阴极支撑体2的步骤S2之后是加热液体化合物1的步骤S3 。 在低于100"C，例如在约60r-卯"C的温度下进行加热。作为加热的结果， 液体化合物1将径向体积膨胀，产生与导电阴极支撑体2紧密接触的固体 化合物泡沫3，如图2所示。优选导电阴极支撑体2至少部分被固体化合 物泡沫3所覆盖。在进行加热的同时，基本圆柱形容器5绕其中轴C沿R 旋转，由此液体化合物在封闭容器5内以径向和均匀的方式体积膨胀，产 生具有基本均匀和结构化特征的固体化合物泡沫3。现有技术的覆盖导电 阴极支撑体的方法包括"浸渍"过程，该过程产生非均匀和非结构化特征 的固体化合物泡沫。然后，对至少部分覆盖导电阴极支撑体2的固体化合物泡沫3实施热 解加工步骤S4。热解步骤S4在低真空环境中在约800 ~ 1000n下进行。热解步骤S4之后是机械切割步骤S5。将场发射阴极置于机械切割机 器内，其中碳化固体化合物泡沫在碳化固体化合物泡沫表面上形成多个尖 贼射边缘4。图4a到4c示出根据本发明的碳化场发射阴极的表面的扫描电子显微 镜照片。图4a示出具有两维互连的尖锐边缘例如刀刃的连续蜂窝状结构，所 述尖锐边缘在所述碳化化合物泡沫材料的表面处可见。该化合物泡沫材料 由包含>5^金属盐、碱Jr属氧化物中的至少一种和酴醛树脂的液体化合物所 转化而成。图4b示出图4a中所示的图4象的特写视图，其中可见发射位(三结点)。 此发射位通过前述的机械切割动作形成。图4c示出图4a中所示的图像的进一步的特写视图，其中可见尖锐场 发射边缘的详图。所述边缘的尖锐度通过蜂窝状结构的壁厚度来确定。图5是示出对根据本发明的场发射阴极进行试验测试的图。该图示出 在场发射应用装置中施加在阳极和场发射阴极之间的典型电压。现有技术 的场发射阴极，例如前述的RVC阴极，在电压施加初期产生不稳定的发 射电流，其表征为在发射电流中的一系列尖峰。使用根据本发明的场发射 阴极，在发射电流中的不稳定几乎是最小的或不存在。此外，如图5可见，射阴极。虽然已经详细描述了本发明和其优点，^a应理解可在此进行各种变化、替代和变更，而不脱离如所附权利要求所限定的本发明精神和范围。 例如，本发明不限于其中导电阴极支撑体是棒的场发射阴极，而是如本领 域技术人员所理解的，导电阴极支撑体可以具有任何适合用于场发射装置 应用的合适的形状，例如盘状。
权利要求
1.一种用于制造场发射阴极的方法，包括如下步骤-提供(S1)包含金属盐与金属氧化物中的至少一种和液体酚醛树脂的液体化合物(1)；-配置(S2)导电阴极支撑体(2)，以使所述导电阴极支撑体(2)接近所述液体化合物(1)；和-加热(S3)所述液体化合物(1)，由此形成由所述液体化合物(1)转化的固体化合物泡沫，所述固体化合物泡沫至少部分覆盖所述导电阴极支撑体(2)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括对至少部分覆盖所由此形成碳化固体化合物泡沫(3 )。 '
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述方法还包括对所述碳化固体化 合物泡沫(3)实施切割动作的步骤(S5)，由此形成具有多个尖M射边 缘(4)的碳化固体化合物泡沫(3 )。
4. 根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中配置导电阴极支撑体 (2 )以使所述导电阴极支撑体(2 )接近所述液体化合物(1)的步骤(S2 ) 包括在容器(5)中配置所述导电阴极支撑体(2)和所述液体化合物(1) 的步骤。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述导电阴极支撑体(2 )是棒， 其中所述容器(5) A^本圆柱形容器，并且其中加热所述液体化合物(1) 的步骤(S3)包括使所述基本圆柱形容器(5)的纵向中轴(C)基本上与 水平面轴(H)对准的步骤。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中在所g本圆柱形容器(5)中加 热所述液体化合物(1)的步骤(S3)包括使所逸基本圆柱形容器(5)绕 其基本水平轴(C)旋转的步骤。
7. 根据权利要求3 ~ 6中任意一项所述的方法，其中所述碳化固体化合 物泡沫(3)具有连续的蜂窝状结构。
8. —种阴极，用于在场发射装置应用中在阴极和阳极之间施加电位差时 发射电子，所述阴极包含导电阴极支撑体(2 )和至少部分覆盖所述导电阴 极支撑体(2 )的碳化固体化合物泡沫(3 )，其中所述碳化固体化合物泡沫(3 )由包含金属盐、金属氧化物中至少一种和酴醛树脂的液体化合物(1) 所转化而成。
9. 根据权利要求8所述的阴极，其中所述碳化固体化合物泡沫(3)具 有连续的蜂窝状结构。
10. 根据权利要求8或9中任意一项所述的阴极,其中所述碳化固体化合 物泡沫(3)还包含排列在所述碳化固体化合物泡沫(3)表面上的多个尖 贼射边缘(4 )。
11. 一种用于制造阴极的设备，用于场发射装置应用，所述设备包括画用于提供包含金属、金属盐与金属氧化物中的至少一种和液体酚醛 树脂的液体化合物(1)的装置；-用于配置导电阴极支撑体(2)以使所述导电阴极支撑体(2)接近 所述液体化合物(1)的装置；和國用于加热所述液体化合物(1)的装置，由此形成由所述液体化合 物(1)转化的固体化合物泡沫，所述固体化合物泡沫至少部分覆盖所述导 电阴极支撑体(2)。
12. —种场发射装置，包括-阴极，包含导电阴极支撑体(2)和至少部分覆盖所述导电阴极支 撑体(2 )的碳化固体化合物泡沫(3 )，其中所述碳化固体化合物泡沫(2 ) 由包含金属盐、金属氧化物中至少一种和酚醛树脂的液体化合物(1)所转 化而成；-阳极；-用于在真空腔室内配置所述阳极和所述阴极的装置；和 -控制电子装置。
13. 根据权利要求12所述的场发射装置，其中所述场发射装置是光源装 置或X射线装置中的一种。
全文摘要
一种制造场发射阴极的方法，该方法包括如下步骤提供包含金属盐与金属氧化物中至少一种和液体酚醛树脂的液体化合物；配置导电阴极支撑体(2)以使所述导电阴极支撑体接近所述液体化合物(2)；和加热所述液体化合物(2)。通过实施上述步骤，形成由所述液体化合物转化而来的固体化合物泡沫。所述固体化合物泡沫至少部分覆盖所述导电阴极支撑体。该新化合物的优点包括其降低的功函数和最小的或不存在的训练期。因此，该新方法可提供以与现有技术使用的方法和材料相关的成本的一部分来制造场发射阴极的可能性。
文档编号H01J9/02GK101223622SQ200680025683
公开日2008年7月16日 申请日期2006年7月6日 优先权日2005年7月14日
发明者胡秋红 申请人:光实验室瑞典股份公司