专利名称：场发射阴极结构及使用该场发射阴极结构的显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于碳纳米管的场发射阴极结构以及使用该场发射阴极结构的显不器。
背景技术：
场发射显示器是继阴极射线管(CRT)显示器和液晶显示器(LCD)之后，最具发展 潜力的下一代新兴技术。相对于现有的显示器，场发射显示器具有显示效果好、视角大、功 耗小以及体积小等优点，尤其是基于碳纳米管的场发射显示器，近年来越来越受到重视。场发射阴极结构是场发射显示器的重要元件。基于碳纳米管的场发射阴极结构通 常包括一绝缘基底；多个阴极电极，该多个阴极电极位于该绝缘基底上且沿同一方向平行 间隔绝缘设置；多个电子发射单元，该多个电子发射单元均勻分布于多个阴极电极上，与该 阴极电极电连接，每个电子发射单元包括多个碳纳米管；一介质层，该介质层设置于所述绝 缘基底上，并对应电子发射单元设有通孔，该电子发射单元设置在该通孔内；多个栅极，该 栅极设置于所述介质层上，与所述阴极电极异面垂直设置。通常，电子发射单元为采用化学气相沉积法制备的碳纳米管阵列。然而，采用化学 气相沉积法制备的碳纳米管阵列与阴极电极的结合力较差，碳纳米管阵列中的碳纳米管在 发射电子时容易被强电场拔出，从而限制了该场发射阴极结构的电子发射能力和寿命。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种碳纳米管与阴极电极可以牢固结合的场发射阴极结 构以及使用该场发射阴极结构的显示器。一种场发射阴极结构，其包括一绝缘基板，该绝缘基板上形成有多个开孔，且该 绝缘基板具有第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；多个阴极电极，该多个阴极电 极平行设置于所述绝缘基板的第一表面；多个栅极电极，该多个栅极电极平行设置于所述 绝缘基板的第二表面，且该多个栅极电极与所述多个阴极电极异面交叉设置；以及多个电 子发射单元，该多个电子发射单元分别与一开孔对应设置，且与所述阴极电极电连接；其 中，所述电子发射单元包括至少一根碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构的一部分固 定于所述绝缘基板与所述阴极电极之间，一部分设置于开孔内。—种显示器，其包括一阴极基板，一阳极基板，一场发射阴极结构以及一阳极结 构，所述场发射阴极结构包括一绝缘基板，该绝缘基板上形成有多个开孔，且该绝缘基板 具有第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；多个阴极电极，该多个阴极电极平行设 置于所述绝缘基板的第一表面；多个栅极电极，该多个栅极电极平行设置于所述绝缘基板 的第二表面，且该多个栅极电极与所述多个阴极电极异面交叉设置；以及多个电子发射单 元，该多个电子发射单元分别与一开孔对应设置，且与所述阴极电极电连接；其中，所述电 子发射单元包括至少一根碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构的一部分固定于所述绝 缘基板与所述阴极电极之间，一部分设置于开孔内。
与现有技术相比，由于本发明提供的场发射阴极结构及显示器中的碳纳米管线状 结构的一部分固定于绝缘基板与阴极电极之间，所以该碳纳米管线状结构被牢固地固定在 绝缘基板与阴极电极之间，可以承受较大的电场力而不会被电场力拔出，从而使该碳纳米 管线状结构具有更强的电子发射能力和更长的使用寿命。
图1为本发明实施例提供的场发射阴极结构的示意图。图2为图1中的场发射阴极结构沿II-II线的剖面图。图3为本发明实施例提供的场发射阴极结构中的碳纳米管线状结构的场发射尖 端的结构示意图。图4为本发明实施例提供的场发射阴极结构中的碳纳米管线状结构的场发射尖 端的扫描电镜照片。图5为本发明实施例电子发射单元仅包括一个碳纳米管线状结构的场发射阴极 结构的侧视图。图6为采用本发明实施例的场发射阴极结构的显示器的侧视图。
具体实施例方式以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的场发射阴极结构以及使用该场发 射阴极结构的显示器。本发明的场发射阴极结构可以应用至二极型场发射显示器、三极型 场发射显示器等，以下以三极型场发射显示器为例进行说明。请参阅图1至图2，本发明实施例提供一种场发射阴极结构100，该场发射阴极结 构100包括一绝缘基板110、多个阴极电极120、多个栅极电极130以及多个电子发射单元 140。其中，所述绝缘基板110上形成有多个开孔1102，且每个电子发射单元140与一开 孔1102对应设置。所述绝缘基板具有第一表面1106以及与该第一表面1106相对的第二 表面1104。所述多个栅极电极130设置于绝缘基板110的第二表面1104。所述多个阴极 电极120设置于绝缘基板110的第一表面1106。所述阴极电极120与栅极电极130均为 条形电极。所述多个阴极电极120平行设置，所述多个栅极电极130平行设置，且阴极电极 120与栅极电极130异面垂直设置。所述电子发射单元140与阴极电极120电连接。由于 阴极电极120与栅极电极130异面垂直设置，所以可以通过控制阴极电极120与栅极电极 130来控制每个电子发射单元140进行独立发射电子。所述绝缘基板110的材料可以为玻璃、陶瓷、塑料或聚合物。所述绝缘基板110的 形状与厚度不限，可以根据实际需要制备。优选地，所述绝缘基板110的形状为正方形或矩 形，厚度大于等于15微米。所述绝缘基板110上的多个开孔1102呈阵列排列，且每个开孔 1102的直径可以为3微米至1000微米。本实施例中，所述绝缘基板110为一边长为50毫 米，厚度为1毫米的正方形耐高温高分子基板。所述高分子基板上形成有IOX 10个(共10 行，每行10个)直径为2毫米的开孔1102。所述阴极电极120的材料可以为铜、铝、金、银等金属或导电浆料等。本实施例中， 所述阴极电极120为一条形铜片。可以理解，当所述阴极电极120的材料为导电浆料时，开4孔1102的直径应小于500微米，以便印刷导电浆料时，导电浆料可以因毛细现象而在开孔 1102上形成一层导电膜。所述栅极电极130的材料可以为铜、铝、金、银等金属或导电浆料等。所述栅极电 极130上形成有一排栅孔(图未标)。所述栅孔为通孔，栅孔的直径为1微米至1000微米。 所述栅极电极130设置于绝缘基板110的第二表面1104上，且栅极电极130的栅孔与绝缘 基板110的开孔1102相对应设置，以使电子发射单元140发射的电子可以通过该栅孔射 出。当本发明的场发射阴极结构100应用至二极型场发射显示器时，可以没有所述栅极电 极130。本实施例中，所述栅极电极130为导电浆料印制的条形电极，且栅孔的直径为20微 米。所述电子发射单元140包括至少一根碳纳米管线状结构。所述碳纳米管线状结构 可以包括至少一个碳纳米管线。当碳纳米管线状结构包括多个碳纳米管线时，多个碳纳米 管线平行排列组成束状结构或多个碳纳米管线相互扭转组成绞线结构。所述碳纳米管线包 括多个沿碳纳米管线轴向定向排列的碳纳米管。所述碳纳米管线可以为非扭转的碳纳米管 线或扭转的碳纳米管线。该非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管拉膜通过有机溶剂处理得 到。该非扭转的碳纳米管线包括多个沿碳纳米管线轴向排列的碳纳米管，即碳纳米管的轴 向与碳纳米管线的轴向基本平行。该扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管拉 膜两端沿相反方向扭转获得。该扭转的碳纳米管线包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋排列的 碳纳米管，即碳纳米管的轴向沿碳纳米管线的轴向螺旋延伸。该非扭转的碳纳米管线与扭 转的碳纳米管线长度不限，直径为0. 5纳米 100微米。该碳纳米管线中的碳纳米管为单 壁、双壁或多壁碳纳米管。该碳纳米管的直径小于5纳米，长度范围为10微米 100微米。 所述碳纳米管线及其制备方法具体请参见本申请人于2002年9月比日申请并于2008年 8月20日公告的第CN100411979C号中国公告专利“一种碳纳米管绳及其制造方法”，以及 本申请人于2005年12月16日申请并于2007年6月20日公开的第CN1982209A号中国公 开专利申请“碳纳米管丝及其制作方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述专利和专利申请 所有技术揭露也应视为本发明专利申请技术揭露的一部分。所述碳纳米管线状结构1402弯折形成一第一部分1404以及与该第一部分1404 相连的第二部分1406。所述碳纳米管线状结构1402的第一部分1404固定于所述绝缘基板 110与所述阴极电极120之间，且与该阴极电极120电连接。所述碳纳米管线状结构1402 的第二部分1406设置于开孔1102内，且由阴极电极120向开孔1102的开口中心位置倾斜 延伸。所述碳纳米管线状结构1402的第二部分1406具有一尖端(图未标)，该尖端可以略 高或略低于栅极电极130，也可以与栅极电极130平齐。优选地，所述的碳纳米管线状结构 1402的第二部分1406的尖端为类圆锥形，且其直径沿远离阴极电极120的方向逐渐减小。 请参阅图3及图4，所述碳纳米管线状结构1402的第二部分1406的尖端包括多个突出的场 发射尖端1408。所述的场发射尖端1408包括多个基本平行的碳纳米管1410，该多个碳纳 米管1410之间通过范德华力紧密结合。所述的场发射尖端1408为类圆锥形。该场发射尖 端1408的顶端突出有一单根碳纳米管。本实施例中，所述电子发射单元140包括两个碳纳米管线状结构1402，且每个碳 纳米管线状结构1402的第一部分1404固定于绝缘基板110与阴极电极120之间。所述两 个碳纳米管线状结构1402的第二部分1406由阴极电极120向开孔1102的开口中心位置倾斜延伸，且两个碳纳米管线状结构1402的第二部分1406的尖端间隔设置。可以理解，本实 施例中的部分电子发射单元140的碳纳米管线状结构1402弯折形成一第一部1404分以及 该第一部分1404相对两端弯折相连的二第二部分1406，所述第一部分1404固定于所述绝 缘基板110与所述阴极电极120之间，所述二第二部分1406分别设置于二相邻的开孔1102 内，且均由阴极电极120向开孔1102的开口中心位置倾斜延伸。请参阅图5，本发明实施例的场发射阴极结构100的电子发射单元140也可以仅包 括一个碳纳米管线状结构1402。可以理解，本实施例中由于碳纳米管线状结构1402的第一 部分1404固定于绝缘基板110与阴极电极120之间，所以该碳纳米管线状结构1402可以 承受较大的电场力而不会被电场力拔出，从而使该碳纳米管线状结构1402具有更强的电 子发射能力和更长的使用寿命。可以理解，所述碳纳米管线状结构1402内还可以设置至少一具有柔韧性和可塑 性的支撑线材(图未示)。所述支撑线材可以与碳纳米管线状结构1402平行紧密设置，也 可以与碳纳米管线状结构1402螺旋扭在一起。所述支撑线材可以为铝丝、铜丝、金丝等金 属微丝。所述支撑线材可以进一步提高碳纳米管线状结构1402的自支撑性，使其由阴极电 极120向开孔1102的开口中心位置倾斜延伸。进一步，所述场发射阴极结构100还可以包括一导电层(图未示)。所述导电层可 以设置于绝缘基板110与栅极电极130之间或设置于开孔1102内壁。该导电层与栅极电 极130电连接，并与所述电子发射单元140电绝缘。由于该导电层与所述栅极电极130电 连接，电子发射单元140发射出的部分电子落到导电层，通过该导电层与栅极电极130将该 电子导走，可以避免该部分电子轰击所述绝缘基板110，减少该绝缘基板110产生二次电子 并在其上积累电荷的可能性，进而使得该绝缘基板110周围的电位改变不明显，从而减少 电子向四周发散的可能性，电子可以集中射向预定位置。请参见图6，本发明实施例提供一种采用场发射阴极结构100的显示器10，其包括 一阴极基板102，一阳极基板104，一场发射阴极结构100以及一阳极结构106。其中，所述阴极基板102通过一绝缘支撑体105与阳极基板104四周封接。所述 场发射阴极结构100与一阳极结构106密封在阴极基板102与阳极基板104之间。所述场 发射阴极结构100设置于所述阴极基板102上，且阴极电极120与阴极基板102接触。所 述阳极结构106设置于所述阳极基板104上。所述阳极结构106与场发射阴极结构100之 间保持一定距离。所述阴极基板102的材料可以为玻璃、陶瓷、二氧化硅等绝缘材料。所述一阳极基 板104可以为一透明基板。本实施例中，所述阴极基板102与阳极基板104均为一玻璃板。所述阳极结构106包括一涂覆于阳极基板104上的阳极电极107及涂覆于阳极电 极107上的荧光粉层108。所述阳极电极107可为氧化铟锡薄膜。所述荧光粉层108包括 多个发光单元，该多个发光单元与电子发射单元140对应设置。另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精 神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
权利要求
1.一种场发射阴极结构，其包括一绝缘基板，该绝缘基板上形成有多个开孔，且该绝缘基板具有第一表面以及与该第 一表面相对的第二表面；多个阴极电极，该多个阴极电极平行设置于所述绝缘基板的第一表面；以及多个电子发射单元，该多个电子发射单元分别与一开孔对应设置，且与所述阴极电极 电连接；其特征在于，所述电子发射单元包括至少一根碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结 构的一部分固定于所述绝缘基板与所述阴极电极之间，一部分设置于开孔内。
2.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述碳纳米管线状结构包括一 第一部分以及与该第一部分一端弯折相连的一第二部分，所述第一部分固定于所述绝缘基 板与所述阴极电极之间，所述第二部分设置于开孔内，且由阴极电极向开孔的开口中心位 置倾斜延伸。
3.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述碳纳米管线状结构的第二 部分具有一尖端，且该尖端包括多个场发射尖端。
4.如权利要求3所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述场发射尖端包括多个基本 平行的碳纳米管，该多个碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。
5.如权利要求3所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述的场发射尖端为类圆锥形， 且该场发射尖端的顶端突出有一单根碳纳米管。
6.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述碳纳米管线状结构进一步 包括一支撑线材。
7.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述支撑线材为金属微丝。
8.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，进一步包括多个栅极电极，该多 个栅极电极平行设置于所述绝缘基板的第二表面，且该多个栅极电极与所述多个阴极电极 异面交叉设置。
9.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述电子发射单元包括两个碳 纳米管线状结构，每个碳纳米管线状结构的第一部分固定于绝缘基板与阴极电极之间，且 每个碳纳米管线状结构的第二部分由阴极电极向开孔的开口中心位置倾斜延伸。
10.如权利要求9所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述每个碳纳米管线状结构的 第二部具有一尖端，且两个碳纳米管线状结构的第二部分的尖端间隔设置。
11.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述部分电子发射单元的碳纳 米管线状结构弯折形成一第一部分以及该第一部分相对两端弯折相连的二第二部分，所述 第一部分固定于所述绝缘基板与所述阴极电极之间，所述二第二部分分别设置于二相邻的 开孔内，且均由阴极电极向开孔的开口中心位置倾斜延伸。
12.—种显示器，其包括一阴极基板，一阳极基板，一场发射阴极结构以及一阳极结构，其中，所述场发射阴极结构为如权利要求1至11中任一项所述的场发射阴极结构。
全文摘要
本发明涉及一种场发射阴极结构，其包括一绝缘基板，该绝缘基板上形成有多个开孔，且该绝缘基板具有第一表面以及与该第一表面相对的第二表面；多个阴极电极，该多个阴极电极平行设置于所述绝缘基板的第一表面；多个栅极电极，该多个栅极电极平行设置于所述绝缘基板的第二表面，且该多个栅极电极与所述多个阴极电极异面交叉设置；以及多个电子发射单元，该多个电子发射单元分别与一开孔对应设置，且与所述阴极电极电连接；其中，所述电子发射单元包括至少一根碳纳米管线状结构，该碳纳米管线状结构的一部分固定于所述绝缘基板与所述阴极电极之间，一部分设置于开孔内。本发明还涉及一种采用该场发射阴极结构的显示器。
文档编号H01J31/12GK102054639SQ200910110440
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者刘亮, 唐洁, 姜开利, 柳鹏, 范守善, 郝海燕, 魏洋 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司