专利名称：场发射阴极装置及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种场发射阴极装置及其制备方法，尤其涉及一种适用于电子发射功 率较大的场发射阴极装置及其制备方法。
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。场发射阴极装置是场发射显示器的重要元件。现有技术中，场发射阴极装置的制 备方法通常包括以下步骤提供一基底；在基底上形成多个阴极电极；将碳纳米管通过化 学气相沉积法设置在阴极电极上形成电子发射体。然而，以上述方法制备的场发射阴极装置中，电子发射体中的碳纳米管与阴极电 极的结合力不够强，因此在场发射阴极装置电子发射功率较大时，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装置的电子发射能力和寿命，影响了场发射 阴极装置的稳定性。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种适用于电子发射功率较大的场发射阴极装置。一种场发射阴极装置，包括一基底；一金属板，所述金属板具有一第一表面、一 与第一表面相对的第二表面及贯穿该第一表面和第二表面的至少一通孔，所述金属板的第 一表面与所述基底贴合设置；至少一线状电子发射体，其与所述金属板电连接；以及一填 充物，所述填充物填充于所述至少一通孔中；其中，每个通孔内至少设置有一所述线状电子 发射体，位于通孔内的所述线状电子发射体的一端设置于所述金属板的第一表面与所述基 底之间。—种场发射阴极装置的制备方法，其包括以下步骤提供一金属板，该金属板包括 一第一表面、与该第一表面相对的第二表面以及贯穿第一表面和第二表面的至少一通孔; 提供至少一场发射线材，对应所述金属板的每一通孔设置所述至少一场发射线材，将所述 场发射线材的一端固定于所述金属板的第一表面，将另一端贯穿所述金属板的通孔从所述 金属板的第二表面拉出；切断所述至少一场发射线材，从而在所述金属板的每个通孔内形 成至少一线状电子发射体；提供一基底，将所述金属板的第一表面贴附于将所述基底一表 面；在每个设置有线状电子发射体的通孔内填充填充物，以使电子发射体固定于通孔内，形 成所述场发射阴极装置。与现有技术相比，由于本发明提供的场发射阴极装置中的电子发射体的一部分固 定于金属板与基底之间，一部分通过填充物固定于金属板通孔中，因此在场发射阴极装置 电子发射功率较大的情况下，可以承受较大的电场力而不会被电场力拔出，从而使该电子 发射体具有更强的电子发射能力和更长的使用寿命。另外，由于金属板具有良好的导热能力，可将场发射中产生的热量快速的传导散发出去，因此可以有效防止电子发射体熔断，进 一步的提高场发射阴极装置的使用寿命。
图1为本发明实施例提供的场发射阴极装置的结构示意图。图2为图1所示的场发射阴极装置沿II-II线的剖视图。图3A、图;3B为本发明实施例提供的场发射阴极装置中电子发射体的电子发射端 与金属板的位置关系示意图。图4为本发明实施例提供的场发射阴极装置中通孔内设置有多个阴极发射体的 剖视图。图5为本发明实施例提供的场发射阴极装置的制备方法的流程图。图6为本发明实施例提供的场发射阴极装置的制备方法示意图。主要元件符号说明场发射阴极装置100
电子发射体110
第一部分IlOa
第二部分IlOb
第三部分IlOc
金属板120
第一表面120a
第二表面120b
通孔121
填充物123
基底130
粘结层140
针管202
针头204
场发射线材110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装置及其制备方法。请参阅图1至图3B，本发明提供一种场发射阴极装置100，所述场发射阴极装置 100包括至少一电子发射体110，一金属板120以及一基底130，所述金属板120设置于基 底130 —表面。所述金属板120具有多个通孔121，所述至少一电子发射体110设置于通孔 121 中。所述基底130的材料不限，可以为玻璃、陶瓷、塑料或聚合物等绝缘材料，也可以 为金、银、铜、铝或上述金属任意组合的合金中的任意一种导电材料，也可以为硅等半导体 材料，只需保证所述基底130能够具有固定的形状及一定的机械强度。所述基底130的形 状与厚度不限，可以根据实际需要制备。优选地，所述基底130的形状为正方形或矩形，厚度大于等于15微米。所述金属板120具有一第一表面120a、一与第一表面120a相对的第二表面120b 及贯穿该第一表面120a和第二表面120b的至少一通孔121。当所述金属板120具有多个 通孔121时，所述多个通孔121可以均勻分布或按照预定的图形分布。所述通孔121的横 截面形状不限，可以为圆形、矩形、正方形等，优选的，所述通孔121的横截面形状为圆形， 通孔121直径可以为3微米至1000微米。所述金属板120的材料可以为金、银、铜、铝或 上述金属任意组合的合金中的任意一种。所述金属板120的形状与厚度不限，可以根据实 际需要制备。优选地，所述金属板120的形状为正方形或矩形，厚度大于等于15微米。本 实施例中，所述金属板120为一边长为50毫米，厚度为1毫米的正方形铜板。由于金属板 120具有容易成型加工、开孔工艺成熟等优点，且金属板120具有良好的导热能力，故，所述 场发射阴极装置100中采用金属板120可有效降低工艺成本，且可有利于在应用时改善电 子发射体110的散热状况。所述第一表面120a与所述基底130贴合设置，并通过一粘结层 140与所述基底130结合。所述粘结层140的厚度不限，其材料可采用耐热粘结剂，如环氧 粘合剂等，所述耐热粘结剂可分别与金属板120以及基底130牢固的粘结。所述电子发射体110与所述金属板120的通孔121对应设置。每一通孔121内 可设置至少一所述电子发射体110。所述电子发射体110为一线状结构并且设置在所述通 孔121内。具体地，所述电子发射体Iio包括相对的两端，所述电子发射体110的一端设置 于所述金属板120的第一表面120a与基底130之间并且被金属板120与基底130夹持固 定。所述电子发射体110的另一端向远离所述第一表面120a的方向延伸，即向远离所述基 底130的方向延伸，作为电子发射端。所述电子发射体110贯穿所述通孔121，所述电子发 射体110的电子发射端可与所述金属板120的第二表面120b平齐或延伸出所述通孔121。 请参阅图3A，当所述电子发射体110的电子发射端设置在所述通孔121内时，所述电子发 射端应与所述金属板120的第二表面120b平齐，即位于同一平面内，并且所述电子发射体 110与所述通孔121的侧壁间隔设置，使得金属板120不会屏蔽所述电子发射端的电子，确 保电子能在电场作用下从电子发射体的电子发射端发射出来。请参阅图3B，当所述电子发 射体110贯穿所述通孔121向远离所述金属板120的方向延伸时，所述电子发射体110的 电子发射端从所述通孔121内延伸出来，未设置在通孔121内。本实施例中，每一通孔121内仅设置有一个电子发射体110，所述电子发射体110 的一端固定于所述金属板120与基底130之间，电子发射体110贯穿所述金属板120的通 孔121，另一端从所述通孔121内延伸出来，向远离金属板120第二表面120b的方向延伸， 作为电子发射端。具体的，所述电子发射体110包括一设置于所述第一表面120a的第一 部分110a、一位于通孔121中的第二部分IlOb以及一远离第二表面120b延伸的第三部分 110c，所述第一部分110a、第二部分IlOb及第三部分IlOc为依序相连的一体结构。具体 的，所述第一部分IlOa位于第一表面120a与基底130之间并且贴附于所述金属板120的 第一表面120a，即所述线状电子发射体110的部分侧壁贴附于第一表面120a。所述第一部 分IlOa的长度不限，只要能使所述电子发射体110的部分侧壁与第一表面120a保持部分 接触即可。所述第二部分IlOb整体位于通孔121中，并且所述第二部分IlOb的两端分别 与第一部分110a、第三部分IlOc相连接，而且其轴向基本垂直于所述金属板120的第一表 面120a及第二表面120b。所述第三部分IlOc向远离金属板120第一表面120a的方向延伸，作为电子发射端。优选的，所述第一部分IlOa的长度为第二部分IlOb长度的2倍，以 更加牢固的固定所述电子发射体110。所述第三部分IlOc的一端与第二部分IlOb相连，另 一端向远离金属板120的方向延伸作为电子发射端。所述电子发射端可与所述金属板120 的第二表面120b平齐，即所述电子发射体110与所述通孔121的孔壁间隔设置，所述电子 发射体110的电子发射端设置于通孔121内，并且与所述金属板120的第二表面120b平齐 设置；所述电子发射体110也可贯穿所述通孔121，并且所述电子发射体110的电子发射端 延伸出所述通孔121，向远离金属板120的方向延伸。请一并参阅图4，当所述每个通孔121内设置有多个电子发射体110时，所述多个 电子发射体110可相互间隔设置或部分接触设置，优选地，设置在同一通孔121内的所述多 个电子发射体110的电子发射端相互间隔设置，从而减少相互之间的屏蔽效应。进一步的，所述通孔121内设置有填充物123，用于进一步固定所述电子发射体 110。所述填充物123将所述电子发射体110的部分表面紧密包覆，所述电子发射体110的 电子发射端应从所述填充物123中延伸出来，未被所述填充物123包覆，即当所述电子发射 体110的电子发射端延伸出所述金属板的第二表面120b时，所述填充物123可部分填充于 所述通孔121中，也可填满所述通孔121 ；当所述电子发射体110的电子发射端与所述金属 板120的第二表面120b平齐时，所述填充物123部分填充于所述通孔121中，以保证所述 电子发射端从所述填充物123中延伸出来。所述填充物123为导电导热材料，如锡等。所 述填充物123用于固定所述电子发射体110，同时将电子发射体110在工作过程中产生的热 量传导给金属板120，而降低电子发射体110本身的温度。所述电子发射体110为一具有柔韧性和自支撑性的，且可以用于发射电子的线状 电子发射体，其包括碳纳米管线状结构、碳纤维或硅纳米线线状结构等。可以理解，所述电 子发射体110还可以与至少一具有柔韧性和可塑性的支撑线材平行紧密设置或扭转设置。 所述支撑线材可以为铁丝、铝丝、铜丝、金丝、钼丝或银丝等金属微丝。所述支撑线材的直径 和长度可根据实际需要而选定。优选地，所述支撑体线材的直径为50微米到500微米。所 述支撑线材可以进一步提高电子发射体110的自支撑性。本实施例中，以碳纳米管线状结构为例说明。所述碳纳米管线状结构为一自支撑 结构。所谓“自支撑结构”即该碳纳米管线状结构无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特 定的形状。所述碳纳米管线状结构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，多个碳纳米管线可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。所述碳纳米管线状结构的直径为1微米到500微米。本实施例中，所述碳纳 米管线状结构的直径为50微米。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 纳米管线包括多个沿碳纳米管线轴向延伸的碳纳米管，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。所述碳纳米管线中每一碳纳米管与在延伸 方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。所述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。本发明提供的场发射阴极装置100中的电子发射体110的一部分固定于金属板120与基底130之间，所以该电子发射体110被牢固地固定在金属板120与基底130之间， 因此可以承受较大的电场力而不会被电场力拔出，而且由于金属板120具有良好的导热能 力，因此可以将场发射中产生的热量传导散发出去，因此可以有效防止电子发射体熔断，进 一步的提高场发射阴极装置的使用寿命。所述场发射阴极装置100可应用于场发射显示 器、场发射平面光源等场发射装置中。请一并参阅图5及图6，本发明进一步提供上述场发射阴极装置100的制备方法， 其包括以下步骤步骤S10，提供一金属板120，该金属板120包括一第一表面120a以及与该第一表 面120a相对的第二表面120b，且该金属板120具有多个贯穿该第一表面120a和第二表面 120b的通孔121。步骤S20，提供至少一电子发射体110，对应所述金属板120的每个通孔121设置 至少一电子发射体110。对应所述金属板120的每个通孔121设置至少一电子发射体110的方法具体包括 以下步骤步骤S21，提供一场发射线材供给装置，用以连续不断的提供场发射线材1101。所述场发射线材1101供给装置包括一针管202，且该针管202具有一针头204，将 一场发射线材1101穿设于该针管202内，并使该场发射线材1101的一端从针管202的针 头204露出。所述针管202的内径大小可以根据所述场发射线材1101的直径大小选择，外径大 小可以根据所述通孔121大小选择。优选地，所述针管202的内径大小为场发射线材1101 的直径大小的5倍至10倍以减小针管202与场发射线材1101之间的摩擦力。所述场发射 线材1101可以连续不断地从针头204伸出。可以理解，所述场发射线材供给装置还可以包 括机械手臂(图未示)，控制计算机(图未示)等辅助设备以实现自动化连续生产。本实 施例中，所述场发射线材1101的供给装置为具有一针管202的注射器，其针头204被磨成 平面。所述场发射线材1101为具有柔韧性和自支撑性的，宏观可操作，且可以用作发射电 子。将该场发射线材1101切断可以得到多个电子发射体110。本实施例中，所述场发射线 材1101为一碳纳米管线状结构。步骤S22，对应所述金属板120的每个通孔121设置所述场发射线材1101，形成所 述电子发射体110。将该针管202从第二表面120b依次穿过所述金属板120的通孔121，同时不断提 供场发射线材1101，将所述场发射线材1101从针头204露出的一端通过焊接、粘结等方式 固定于该金属板120的第一表面120a，本实施例中，所述场发射线材1101从针头204露 出的一端通过粘结剂固定于第一表面120a。然后将针管202从通孔121中拉出第二表面 120b。将该场发射线材1101拉出通孔121 —定长度后切断。具体的，可将所述场发射线 材1101 —拉出通孔121后就立即切断，即所述场发射线材1101的切断位置与所述第二表 面120b的平齐，通孔121内的场发射线材1101形成所述电子发射体110的电子发射端，所 述电子发射端位于通孔121内，并且该电子发射端与所述第二表面120b平齐。另外，也可 将所述场发射线材1101拉出第二表面120b—定长度后再切断形成所述电子发射体110，因此所述电子发射体110贯穿所述通孔121，所述电子发射体110的电子发射端延伸出第二表 面120b并向远离金属板120的方向延伸。所述将场发射线材1101切断的方法可为机械切 割、激光扫描、电子束扫描、通电流后激光辅助定点熔断。优选的，本实施例中所述电子发射 体110的电子发射端延伸出所述第二表面120b，且延伸出第二表面120b的部分具有相同的 长度。步骤S23，重复上述步骤，以使所述场发射线材1101对应金属板120的每个通孔 121设置，形成电子发射体110，可以理解，也可以在每个通孔121中设置多个电子发射体 110。步骤S30，提供一基底130，将所述金属板120的第一表面120a贴附于所述基底
130 一表面。首先，提供一基底130，在所述基底130的一表面涂覆一层粘结剂，形成一粘结层 140。所述粘结剂可为环氧粘合剂等。其次，将所述金属板120的第一表面120a贴附于所述基底130涂覆有粘结剂的表 面，固化后形成一体结构。由于所述第一表面120a贴附有电子发射体110的一端，因此在贴附的过程中，所 述电子发射体110的一端一方面紧密贴附于金属板120的第一表面120a，另一方面通过粘 结层140与基底130紧密结合，即所述金属板120与基底130将所述电子发射体110的一 端牢固的夹持于二者之间。而金属板120的第一表面120a中未贴附有电子发射体110的 部分表面则通过粘结层与基底130紧密连接在一起。步骤S40，在每个设置有电子发射体110的通孔121内填充填充物123，以使电子 发射体110固定于通孔121内，形成所述场发射阴极装置100。所述填充物123为导电导热材料，如锡等，所述填充可通过一工具如针管等将熔 融态的填充物123填充入所述通孔121内，所述填充的深度不限，优选的，所述填充物123 填满整个通孔121，并且在填充的过程中，尽量保持所述电子发射体110基本位于所述通孔 121的中间位置，从而使得填充物123围绕所述位于通孔121内电子发射体110的侧壁均勻 分布，进而提高二者的接触面积，提高导热能力，使得该电子发射体110在场发射过程中产 生的热量可以有效地被传导出去，并且可以承受较强的电场力。进一步的，所述填充物123 应确保所述电子发射体110的电子发射端延伸出所述填充物123远离基底130的表面，从 而保证电子发射体110能够发射电子。更进一步的，在步骤S40之后，可包括一将电子发射体110的延伸出第二表面120b 的一端进行充分煅烧的步骤。所述煅烧可利用酒精灯火焰等对所述电子发射体110的延伸 出第二表面120b的一端烘烤。这时，所述电子发射体110的延伸出第二表面120b的碳纳米 管线会在高温火焰中燃烧掉，但由于碳纳米管线优良的导热性，碳纳米管线靠近金属板120 的第二表面120b的部分会有一定长度的碳纳米管线保留下来。该长度与火焰的温度和氧 化气氛、碳纳米管线的直径、以及金属板120的导热性有关，所述火焰的温度可为400°C 900°C。当这些条件固定后，燃烧后保留的碳纳米管线长度即确定，从而可以形成保留长度 基本一致的碳纳米管线作为电子发射端。本实施例中，碳纳米管线的直径为50微米，所述 金属板为厚度为Imm的铜板，所述火焰的温度为450°C，燃烧后碳纳米管线从金属板第二表 面延伸出的长度为0. 5mm。所述碳纳米管线经过煅烧之后，可以减少场发射阴极装置工作过程中碳纳米管线中碳纳米管的受热挥发或熔断，影响场发射的稳定性，并且所述电子发射 端的长度基本相同，从而可以提高场发射过程中的均勻性。 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
1.一种场发射阴极装置，包括一基底；一金属板，所述金属板具有一第一表面、一与第一表面相对的第二表面及贯穿该第一 表面和第二表面的至少一通孔，所述金属板的第一表面与所述基底贴合设置；至少一线状电子发射体，其与所述金属板电连接；以及一填充物，所述填充物填充于所述至少一通孔中；其特征在于，每个通孔内至少设置有一所述线状电子发射体，位于通孔内的所述线状 电子发射体的一端设置于所述金属板的第一表面与所述基底之间。
2.如权利要求1所述的场发射阴极装置，其特征在于，所述电子发射体包括碳纳米管 线状结构、碳纤维或硅纳米线线状结构。
3.如权利要求2所述的场发射阴极装置，其特征在于，所述碳纳米管线状结构包括多 个碳纳米管通过范德华力首尾相连且沿所述碳纳米管线状结构轴向延伸。
4.如权利要求1所述的场发射阴极装置，其特征在于，所述线状电子发射体的另一端 从所述填充物中延伸出来作为电子发射体的电子发射端。
5.如权利要求4所述的场发射阴极装置，其特征在于，所述线状电子发射体的电子发 射端设置于所述通孔内并与所述通孔的孔壁间隔设置，该线状电子发射体的电子发射端与 所述金属板的第二表面平齐设置。
6.如权利要求4所述的场发射阴极装置，其特征在于，所述线状电子发射体贯穿所述 通孔，所述线状电子发射体的电子发射端向远离金属板方向延伸。
7.如权利要求1所述的场发射阴极装置，其特征在于，在每个通孔内设置多个线状电 子发射体，该多个线状电子发射体相互间隔设置。
8.如权利要求1所述的场发射阴极装置，其特征在于，所述线状电子发射体包括设置 于所述第一表面的第一部分、一位于通孔中的第二部分以及一远离第二表面延伸的第三部 分。
9.如权利要求8所述的场发射阴极装置，其特征在于，所述填充物至少包覆于所述电 子发射体第二部分的部分表面。
10.一种场发射阴极装置的制备方法，其包括以下步骤提供一金属板，该金属板包括一第一表面、与该第一表面相对的第二表面以及贯穿第 一表面和第二表面的至少一通孔；提供至少一场发射线材，对应所述金属板的每一通孔设置所述至少一场发射线材，将 所述场发射线材的一端固定于所述金属板的第一表面，将另一端贯穿所述金属板的通孔从 所述金属板的第二表面拉出；切断所述至少一场发射线材，从而在所述金属板的每个通孔内形成至少一线状电子发 射体；提供一基底，将所述金属板的第一表面贴附于将所述基底一表面；在每个设置有线状电子发射体的通孔内填充填充物，以使电子发射体固定于通孔内， 形成所述场发射阴极装置。
11.如权利要求10所述的场发射阴极装置的制备方法，其特征在于，所述在绝缘基板 的每个通孔形成线状电子发射体的方法具体包括以下步骤提供一场发射线材供给装置，所述场发射线材供给装置包括一针管，且该针管具有一 针头，将一场发射线材穿设于该针管内，并使该场发射线材的一端从针管的针头露出；将该针管从第二表面穿过所述金属板的通孔，同时不断提供场发射线材，并将该场发 射线材露出针头的一部分固定于所述金属板的第一表面，然后将针管从通孔中拉出第二表 面；以及将该场发射线材拉出第二表面后切断形成所述电子发射体。
12.如权利要求11所述的场发射阴极装置的制备方法，其特征在于，将所述场发射线 材切断的方法包括机械切割、激光扫描、电子束扫描或通电流后激光辅助定点熔断。
13.如权利要求10所述的场发射阴极装置的制备方法，其特征在于，在每个通孔内形 成至少一线状电子发射体之后进一步包括将线状电子发射体延伸出第二表面一端进行煅 烧的步骤。
14.如权利要求13所述的场发射阴极装置的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度 为 450°C 900"C。
全文摘要
本发明提供一种场发射阴极装置，包括一基底；一金属板，所述金属板具有一第一表面、一与第一表面相对的第二表面及贯穿该第一表面和第二表面的至少一通孔，所述金属板的第一表面与所述基底贴合设置；至少一线状电子发射体，其与所述金属板电连接；以及一填充物，所述填充物填充于所述至少一通孔中；其中，每个通孔内至少设置有一所述线状电子发射体，位于通孔内的所述线状电子发射体的一端设置于所述金属板的第一表面与所述基底之间。所述场发射装具有更强的电子发射能力和更长的使用寿命。本发明进一步提供一种场发射阴极装置的制备方法。
文档编号H01J1/304GK102064063SQ201010604389
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者柳鹏, 范守善, 郝海燕 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司