一种全溶液法制备场致发射电子源器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种全溶液法制备场致发射电子源器件，采用全溶液法制备场致发射电子源的阴极基板与阳极基板，并将所述阳极基板和所述阴极基板对准封接，形成场致发射电子源器件。阴极基板包括衬底基片、设置于衬底基片上的阴极电极阵列以及设置于阴极电极上的电子发射层；阳极基板包括透明导电基片、设置于透明基片上的图形化障壁层、设置于相邻障壁层内的荧光粉层和设置于透明导电基片四周的封框体，且相邻图形化障壁层的中心与所述阴极电极中心一一对应。本发明提供一种全溶液法制备场致发射电子源器件，不仅能实现大面积、柔性化、透明化和低成本，还能避免制备过程中杂质引入导致发射不稳定问题，可实现大规模工业化生产。
【专利说明】
一种全溶液法制备场致发射电子源器件
技术领域
[0001]本发明涉及场致发射电子源领域，特别是涉及一种全溶液法制备场致发射电子源器件。
【背景技术】
[0002]场致发射不需要外加能量就可使电子逸出发射体表面。在真空电子器件中，可利用场致电子发射体作为电子发射源，其主要工作原理是靠很强的外部电场来压抑物体表面的势皇，使势皇高度降低，宽度变窄，当势皇的宽度窄到可以同电子的波长相比拟时，电子通过隧道效应穿透势皇逸入真空而轰击阳极荧光粉发光。发射源发射出的电子带有固体内部和表面的许多信息，因此可以利用这些现象来制成各种电子能谱仪、材料分析仪器、传感器测试仪、CMOS器件和发光器件等领域均有广泛应用，尤其是在信息显示和平面背光领域。目前，业界也有利用场发射效应来制造电子发射源器件。现有的场致发射电子源通常采用微细加工和真空沉积等方法来制备，这些方法均存在着诸多问题:设备昂贵、工艺复杂、污染大，且在加工过程中会引入杂质，这些杂质会破坏材料发射性能，造成发射电流不稳定性。为了寻求更低成本、更简单的制造工艺，人们将目光投向了直接图案化的技术，比如喷墨印刷、微接触印刷及喷涂等全溶液工艺来制备。全溶液法能直接在柔性和大面积衬底上实现高效图案化加工，可突破传统电子源制造工艺中杂质引入的发射不稳定问题。根据这一特性，本发明将全溶液技术与场致发射电子源制备工艺相结合，提供一种全溶液法制备场致发射电子源器件，不仅能实现大面积、柔性化、透明化和低成本，还能避免制备过程中杂质引入导致发射不稳定问题，可实现大规模工业化生产。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明的目的是提供一种全溶液法制备场致发射电子源器件，提供了简单便捷、可控性好的全溶液打印场致发射电子源的工艺。
[0004]本发明采用以下方案实现:一种全溶液法制备场致发射电子源器件，包括以下步骤:
步骤SI:全溶液法制备场致发射电子源的阴极基板；
步骤S2:全溶液法制备场致发射电子源的阳极基板；
步骤S3:将所述阳极基板和所述阴极基板对准封接，形成场致发射电子源器件。
[0005]进一步地，所述步骤SI具体包括以下步骤:
步骤SI I:提供一衬底基片，并对该基片进行预处理。首先用脱脂棉花蘸取洗洁精擦洗基片，再先后用去离子水、无水乙醇对所述基片进行超声处理，去除表面杂质灰尘物质;对基片进行等离子处理用以提高墨水对衬底基片的浸润，处理后的基片用氮气将其表面吹干；
步骤S12:制备阴极电极阵列。在所述基片表面上采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印方法打印导电材料，经干燥烘烤后形成阴极电极阵列； 步骤S13:制备图形化电子发射层。在所述阴极电极表面采用喷涂或喷墨打印方法打印电子发射层，所述电子发射层部分或全部覆盖在所述阴极电极表面，形成图形化电子发射层；
所述步骤Sll至步骤S13形成的阴极基板包括衬底基片、设置于衬底基片上的阴极电极阵列以及设置于阴极电极阵列上的电子发射层;所述阴极电极阵列由若干个相互平行的阴极电极组成，各列所述阴极电极上设置有图形化的电子发射层。
[0006]进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤:
步骤S21:提供一透明导电基片，并对该基片进行预处理。首先用脱脂棉花蘸取洗洁精擦洗基片，再先后用去离子水、无水乙醇对所述基片进行超声处理，去除表面杂质灰尘物质；对基片进行等离子处理用以提高墨水对衬底基片的浸润，处理后的基片用氮气将其表面吹干；
步骤S22:制备图形化障壁层。在所述透明导电基片表面上采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印的方法制备障壁层，经烘烤后形成图形化障壁层；
步骤S23:制备荧光粉层。采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印的方法在相邻图形化障壁层内填充荧光粉层；
步骤S24:涂覆封框体。采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印技术在阳极基板四周涂覆封框体;所述封框体的厚度为障壁层厚度1-3倍的低熔点玻璃浆料；
所述步骤S21至步骤24形成的阳极基板包括透明导电基片、设置于透明基片上的图形化障壁层、设置于相邻障壁层内的荧光粉层和设置于透明导电基片四周的封框体，且相邻图形化障壁层的中心与所述阴极电极中心一一对应。
[0007]进一步地，所述导电材料包括纳米银墨水、纳米金墨水、纳米铜墨水、纳米招墨水、纳米铁墨水、纳米银墨水、纳米络墨水、纳米销墨水、纳米钦墨水以及包括具有导电性的纳米Sn、Zn、In的氧化物的纳米氧化物墨水。
[0008]进一步地，所述阴极电极厚度为10nm-2um，所述阴极电极宽度为50um-lmm，相邻阴极电极之间的间距为I Oum-1mm。
[0009]进一步地，所述电子发射层包括碳纳米管、石墨烯、氧化锌、氧化锡、氧化镁、氧化铁、氧化铜、氧化铟以及氧化铋中的一种或者两种及其以上的组合。
[0010]进一步地，所述图形化障壁层横截面呈正梯形结构，正梯形上表面长度a为10微米至1000微米，下表面宽度b为30微米至1000微米，厚度h为2微米至10微米。
[0011]进一步地，所述图形化障壁层内周侧面为平面，且内周侧面与所述透明导电基片的夹角为30度至90度。
[0012]进一步地，所述图形化障壁层内周侧面为弧面，且内周侧面的曲率半径r为厚度h-上表面长度a之间。
[0013]进一步地，所述荧光粉层按红、绿、蓝三基色排列顺序依次填充在图形化障壁层之间的沟槽表面，所述荧光粉层的上表面低于所述图形化障壁层或与所述图形化障壁层同处一水平面。
[0014]与现有技术相比，本发明有益效果:本发明采用全溶液法制备场致发射电子源器件，它具有大面积、柔性化、透明化和明显的低成本等传统工艺所无法替代的优势，还可以避免制备过程中杂质引入导致发射不稳定问题，可实现大规模工业化生产。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的一种全溶液法制备场致发射电子源器件的流程示意图。
[0016]图2是本发明的一种全溶液法制备场致发射电子源器件的截面示意图。
[0017]图3是本发明的一种全溶液法制备场致发射电子源器件的阴极基板示意图。
[0018]图4是本发明的一种全溶液法制备场致发射电子源器件的阳极基板示意图。
[0019]标号说明:
图中，10—衬底基片；11 —阴极电极阵列；111—阴极电极；12—电子发射层；13—透明导电基片；14 一障壁层;15—红色焚光粉;16—绿色焚光粉;17—蓝色焚光粉;18—封框体。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚，放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。
[0021]在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。在本实施例中均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
[0022]图1为本发明一优选实施例的一种全溶液法制备场致发射电子源器件的工艺流程图。图2是本发明一优选实施例的一种全溶液法制备场致发射电子源器件的截面示意图。参照图1和图2，一种全溶液法制备场致发射电子源器件，包括以下步骤:
步骤SI:全溶液法制备场致发射电子源的阴极基板；
步骤S2:全溶液法制备场致发射电子源的阳极基板；
步骤S3:将所述阳极基板和所述阴极基板对准封接，形成场致发射电子源器件。
[0023]在本实施例中，所述步骤SI具体包括以下步骤:
步骤SI I:提供一衬底基片，并对该基片进行预处理。首先用脱脂棉花蘸取洗洁精擦洗基片，再先后用去离子水、无水乙醇对所述基片进行超声处理，去除表面杂质灰尘物质;对基片进行等离子处理用以提高墨水对衬底基片的浸润，处理后的基片用氮气将其表面吹干；
步骤S12:制备阴极电极:在所述基片表面上采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印的方法打印导电材料，经干燥烘烤后形成阴极电极阵列；
步骤S13:制备图形化电子发射层。在所述阴极电极表面采用喷涂或喷墨打印方法打印电子发射层，所述电子发射层部分或全部覆盖在阴极电极表面，形成图形化电子发射层；
所述步骤Sll至步骤S13形成的阴极基板包括衬底基片10、设置于衬底基片上的阴极电极阵列11以及设置于阴极电极阵列上的电子发射层12;所述阴极电极阵列11由若干个相互平行的阴极电极111组成，各列所述阴极电极上设置有图形化的电子发射层12。
[0024]在本实施例中，所述步骤S2具体包括以下步骤:
步骤S21:提供一透明导电基片，并对该基片进行预处理。首先用脱脂棉花蘸取洗洁精擦洗基片，再先后用去离子水、无水乙醇对所述基片进行超声处理，去除表面杂质灰尘物质；对基片进行等离子处理用以提高墨水对衬底基片的浸润，处理后的基片用氮气将其表面吹干；
步骤S22:制备图形化障壁层。在所述透明导电基片表面上采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印的方法制备障壁层，经烘烤后形成图形化障壁层；
步骤S23:制备荧光粉层。采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印的方法在相邻图形化障壁层内填充荧光粉层；
步骤S24:涂覆封框体:采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印技术在阳极基板四周涂覆封框体;所述封框体的厚度为障壁层厚度1-3倍的低熔点玻璃浆料；
所述步骤S21至步骤24形成的阳极基板包括透明导电基片13、设置于透明基片上的图形化障壁层14、设置于相邻障壁层内的红色荧光粉15、绿色荧光粉16、蓝色荧光粉17和设置于透明导电基片四周的封框体18，且相邻图形化障壁层的中心与所述阴极电极中心一一对应。
[0025]在本实施例中，所述导电材料包括纳米银墨水、纳米金墨水、纳米铜墨水、纳米招墨水、纳米铁墨水、纳米银墨水、纳米络墨水、纳米销墨水、纳米钦墨水中的一种金属兀素，或者是纳米银墨水、纳米金墨水、纳米铜墨水、纳米招墨水、纳米铁墨水、纳米银墨水、纳米铬墨水、纳米铂墨水、纳米钛墨水中的多种金属元素组合的导电墨水，或者是具有导电性的纳米Sn、Zn、In的氧化物中一种或多种组合的纳米氧化物墨水。
[0026]在本实施例中，所述阴极电极厚度为10nm-2um，所述阴极电极宽度为50um-lmm，相邻阴极电极之间的间距为I Oum-1mm。
[0027]在本实施例中，所述电子发射层包括碳纳米管、石墨烯、氧化锌、氧化锡、氧化镁、氧化铁、氧化铜、氧化铟以及氧化铋中的一种或者两种及其以上的组合。
[0028]在本实施例中，所述图形化障壁层截面呈正梯形结构，正梯形上表面长度a为10微米至1000微米，下表面宽度b为30微米至1000微米，厚度h为2微米至10微米。
[0029]在本实施例中，所述图形化障壁层内周侧面为平面，且内周侧面与所述透明导电基片的夹角为30度至90度。
[0030]在本实施例中，所述图形化障壁层内周侧面为弧面，且内周侧面的曲率半径r为厚度h-上表面长度a之间。
[0031]在本实施例中，所述荧光粉层按红、绿、蓝三基色排列顺序依次填充在图形化障壁层之间的沟槽表面，所述荧光粉层的上表面低于所述图形化障壁层或与所述图形化障壁层同处一水平面。
[0032]以下结合图3至图4对提供的一种全溶液法制备场致发射电子源器件进行详细的说明。
[0033]—种全溶液法制备场致发射电子源器件包括下列步骤:
步骤一，阴极基板的制备:
(I)基片10前处理。
[0034]对用于打印的基片进行清洗，首先用脱脂棉花蘸取洗洁精擦洗基片，再先后用去离子水、无水乙醇对基片超声处理，去除表面杂质灰尘等物质。为提高墨水对衬底的浸润，可对基片进行等离子处理，处理后的基片用氮气将其表面吹干。
[0035](2)阴极电极阵列的制备11。
[0036]本发明提供一实施例优选采用喷墨打印纳米银墨水在所述基片10表面制备阴极电极阵列11，其具体过程如下:
打印中，采用30微米的喷头，根据喷墨打印工艺参数，利用型号为Jetlab2打印机将纳米银墨水按设置工艺参数打印至基片10表面，经300°C保温lOmin，形成阴极电极阵列11。所述阴极电极阵列11是由若干个相互平行的阴极电极111组成，所述阴极电极厚度优选为lum，所述阴极电极宽度优选为lOOum，相邻阴极电极之间的间距优选为50umo
[0037](3)电子发射层12的制作。
[0038]本发明提供一实施例优选采用喷墨打印的方法将氧化锌纳米线打印在阴极电极111表面，形成锌纳米线电子发射层113，其具体过程如下:
打印中，采用50微米的喷头，根据喷墨打印工艺参数，利用型号为Jetlab2打印机将氧化锌纳米线墨水按设置工艺参数打印至若干个相互平行的阴极电极111表面，并在160°C保温lOmin，形成图形化电子发射层12。
[0039]至此，完成阴极基板的制作。
[0040]步骤二，阳极基板的制备:
(I)基片13前处理。
[0041]提供一透明导电基片13，并对该基片进行预处理:首先用脱脂棉花蘸取洗洁精擦洗基片，再先后用去离子水、无水乙醇对所述基片进行超声处理，去除表面杂质灰尘物质；对基片进行等离子处理用以提高墨水对衬底基片的浸润，处理后的基片用氮气将其表面吹干。
[0042](2)图形化障壁层14的制作。
[0043]本发明提供一实施例优选采用喷墨打印的方法在所述基片表面制备正梯形结构的障壁层14，具体步骤如下:
打印中，采用10微米的喷头，设置喷墨打印工艺参数，利用型号为Jetlab2打印机将低熔点玻璃墨水按设置工艺参数打印至基片13表面，并在450 °C保温30min，形成上表面30um，下表面50um，厚度为1um的图形化障壁层14 ο
[0044](3)打印荧光粉层。
[0045]本发明提供一实施例优选采用印刷方法在所述图形化障壁层之间的沟槽内印刷RGB荧光粉，具体步骤如下:
印刷中，选用300目的不锈钢复合网版，设置印刷工艺参数和网版参数，利用CCD定位系统和型号MATA1014的丝印机按红色、绿色和蓝色排列顺序依次印刷在相邻的所述图形化障壁层之间的沟槽内，经380°C保温30min，形成红色荧光粉16、绿色荧光粉17和蓝色荧光粉18。
[0046](4)封框体18涂覆。
[0047]本发明提供一实施例优选采用喷涂方法在所述透明导电基片13的四周涂覆一层厚度为障壁层厚度2倍的低熔点玻璃浆料，经200°C保温30min，形成封框体18。
[0048]步骤三，将所述阳极基板和所述阴极基板对准封接，形成场致发射电子源器件。
[0049]至此，全溶液法制备场致发射电子源器件完成。
[0050]以上例子主要说明了本发明的一种全溶液法制备场致发射电子源器件。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施例方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
[0051]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1.一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:包括以下步骤: 步骤SI:全溶液法制备场致发射电子源的阴极基板； 步骤S2:全溶液法制备场致发射电子源的阳极基板； 步骤S3:将所述阳极基板和所述阴极基板对准封接，形成场致发射电子源器件。2.根据权利要求1所述的一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:所述步骤SI具体包括以下步骤: 步骤SI 1:提供一衬底基片，并对该基片进行预处理:首先用脱脂棉花蘸取洗洁精擦洗基片，再先后用去离子水、无水乙醇对所述基片进行超声处理，去除表面杂质灰尘物质;对基片进行等离子处理用以提高墨水对衬底基片的浸润，处理后的基片用氮气将其表面吹干； 步骤S12:制备阴极电极阵列:在所述基片表面上采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印方法打印导电材料，经干燥烘烤后形成阴极电极阵列； 步骤S13:制备图形化电子发射层:在所述阴极电极表面采用喷涂或喷墨打印方法打印电子发射层，所述电子发射层部分或全部覆盖在所述阴极电极表面，形成图形化电子发射层； 所述步骤Sll至步骤S13形成的阴极基板包括衬底基片、设置于衬底基片上的阴极电极阵列以及设置于阴极电极阵列上的电子发射层;所述阴极电极阵列由若干个相互平行的阴极电极组成，各列所述阴极电极上设置有图形化的电子发射层。3.根据权利要求1所述的一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:所述步骤S2具体包括以下步骤: 步骤S21:提供一透明导电基片，并对该基片进行预处理:首先用脱脂棉花蘸取洗洁精擦洗基片，再先后用去离子水、无水乙醇对所述基片进行超声处理，去除表面杂质灰尘物质；对基片进行等离子处理用以提高墨水对衬底基片的浸润，处理后的基片用氮气将其表面吹干； 步骤S22:制备图形化障壁层:在所述透明导电基片表面上采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印的方法制备障壁层，经烘烤后形成图形化障壁层； 步骤S23:制备荧光粉层;采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印的方法在相邻图形化障壁层内填充荧光粉层； 步骤S24:涂覆封框体:采用印刷、刮涂、喷涂或喷墨打印技术在阳极基板四周涂覆封框体;所述封框体的厚度为障壁层厚度1-3倍的低熔点玻璃浆料； 所述步骤S21至步骤24形成的阳极基板包括透明导电基片、设置于透明基片上的图形化障壁层、设置于相邻障壁层内的荧光粉层和设置于透明导电基片四周的封框体，且相邻图形化障壁层的中心与所述阴极电极中心一一对应。4.根据权利要求2所述的一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:所述导电材料包括纳米银墨水、纳米金墨水、纳米铜墨水、纳米招墨水、纳米铁墨水、纳米银墨水、纳米络墨水、纳米销墨水、纳米钦墨水以及包括具有导电性的纳米Sn、Zn、In的氧化物的纳米氧化物墨水。5.根据权利要求2所述的一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:所述阴极电极厚度为10nm-2um，所述阴极电极宽度为50um-lmm，相邻阴极电极之间的间距为I Oum-Imm06.根据权利要求2所述的一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:所述电子发射层包括碳纳米管、石墨烯、氧化锌、氧化锡、氧化镁、氧化铁、氧化铜、氧化铟以及氧化祕。7.根据权利要求3所述的一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:所述图形化障壁层横截面呈正梯形结构，正梯形上表面长度a为10微米至1000微米，下表面宽度b为30微米至1000微米，厚度h为2微米至1微米。8.根据权利要求3所述的一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:所述图形化障壁层内周侧面为平面，且内周侧面与所述透明导电基片的夹角为30度至90度。9.根据权利要求3所述的一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:所述图形化障壁层内周侧面为弧面，且内周侧面的曲率半径r为厚度h-上表面长度a之间。10.根据权利要求3所述的一种全溶液法制备场致发射电子源器件，其特征在于:所述荧光粉层按红、绿、蓝三基色排列顺序依次填充在所述图形化障壁层之间的沟槽表面，所述荧光粉层的上表面低于所述图形化障壁层或与所述图形化障壁层同处一水平面。
【文档编号】H01J9/02GK105869968SQ201610386943
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】张永爱, 孙磊, 郭太良, 周雄图, 林志贤, 叶芸, 褚子航, 何林昌, 靳涛
【申请人】福州大学