弹道电子表面发射器件发射器及应用其的装置

具体实施方式

以下，参照附图详细描述根据本发明示例性实施例的场发射显示器(FED)。在所有附图中，相同的附图标记指代相同的元件。

图5为说明根据本发明一个实施例的BSD发射器的部分截面示意图。如图5所示，在本发明中使用的垂直排列的碳纳米管内的电子传导具有弹道电子传输特性。弹道电子传输导体指其中电子能在不碰撞的情况下移动的导体，所述电子具有对应于在阳极电极和阴极电极之间施加的电压的能量。以往认为上述的弹道电子只在高真空条件下产生。可是，已经发现通过使用纳米技术弹道电子传输在固相(solid phase)内也能发生，类似于在真空状态下。

如上所述的使用多孔多晶硅(PPS)的发射器具有这样的在固体内的弹道电子传输。平均自由程指当电子在无限大的硅晶体中行进时与组成固体的原子和电子碰撞之前，电子行进的距离。N型硅的平均自由程大约为100nm。如果硅由具有远小于100nm的尺寸的纳米晶体构成，则纳米晶体的尺寸小于平均自由程，从而当电子传输通过硅纳米晶体时与硅原子碰撞的概率非常低。如图3所示，当所述硅纳米晶体63由氧化层64相互分隔开时，在固体中可发生弹道电子传输现象，类似于在真空下。与此相反，当电子经常与导体中的杂质或缺陷碰撞时，电子是漫射的。在图3中，附图标记7表示金属电极。

因为碳纳米管具有量子力学控制范围内的直径和长度，所以在碳纳米管中也能观察到弹道电子传输。传导性没有相对于长度反比例地减少，而是被赋予量子化的值。如图6所示，碳纳米管的直径处是纳米尺寸的，因此电子在直径方向上被限制，但可沿纵向方向传输。人们相信，由于一维状态，如图6所示，能够获得弹道电子传输特性。也就是说，相信当碳纳米管的长度L与传输电子的平均自由程l基本相等，并且碳纳米管的直径W近似于费米波长λF时，可获得弹道电子传输特性。

根据本发明的一个实施例，地电位或负电压被施加到BSD发射器中的阴极电极并且正电压被施加到薄金属电极层，并且在两端之间流过ICNT电流。可是，使用CNT作为冷发射器的常规FED不包含上述的薄金属电极层。常规FED只包含用于发射电子的作为提取电极(withdrawal electrode)的栅电极。在常规FED中在栅电极和阴极电极之间没有电流。

根据本发明一个实施例的BSD发射器中使用的碳纳米管可以是单壁的或多壁的。所述碳纳米管的电传导性可以是非导电的(non-conductive)、半导电(semiconductive)的或金属性(metallic)的。当垂直排列的碳纳米管为金属性碳纳米管时，在垂直排列的碳纳米管和薄金属电极层之间可插入绝缘层。如果没有绝缘层，则存在在所述碳纳米管和薄金属电极层之间发生短路的危险。

根据本发明实施例所使用的垂直排列的碳纳米管可以具有最大2μm的长度。如果垂直排列的碳纳米管具有大于2μm的长度，则弹道电子传输的概率可能降低而电子漫射的概率将会增加，而这是不利的。

可使用任何常规的方法，例如CVD生长方法、模板(template)方法和自组装单层(self-assembly monolayer)(SAM)方法来制造垂直排列的碳纳米管。

在CVD生长方法中，以高度分散的纳米微粒的形式在基板上形成金属催化剂，例如过渡金属诸如铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)，然后基板被装入石英舟。随后，以恒定流速在高温将碳源气体例如甲烷、乙烯和乙炔注入到上述石英舟中，从而获得碳纳米管。过渡金属微粒不仅起到催化剂的作用，而且也能作为碳纳米管的晶核晶粒。因此，碳纳米管以高密度和垂直生长的方式形成。

在模板方法中，使用由阳极氧化铝(anodic aluminum oxide)(AAO)构成的模板。将催化剂电沉积到模板中孔的末端，并且随后使模板经历热CVD从而获得碳纳米管。获得的碳纳米管具有高度均匀的直径以及沿孔长度的良好垂直排列。

在SAM方法中，碳纳米管在其端部被羧基替换从而获得更短的碳纳米管，并且随后用蒸馏水洗该短的碳纳米管。接着，使用BH₃-THF将碳纳米管的端部还原为-OH基，通过SOCl₂用-Cl对其进行替换，并且接着使用KSH用-SH对其替换。因而，所获得的碳纳米管允许在薄金属层例如Au上自组装，从而获得垂直排列的碳纳米管。

根据本发明的一个实施例，其上生长有垂直排列的碳纳米管的基板可直接用作阴极电极。

参照图5，BSD发射器中使用的薄金属电极层114可由Au、Cr或Cr-Ni合金构成并垂直于阴极电极111形成。由于通过使薄金属电极层114垂直于阴极电极111而能够以无源驱动方式驱动矩阵，所以上述情况是有利的。

根据本发明的另一实施例，薄金属电极层114可以具有15至30nm的厚度。如果薄金属电极层114具有小于15nm的厚度，则存在部分薄金属电极层将不形成的可能性。如果薄金属电极层114具有大于30nm的厚度，则弹道电子很难穿过薄金属电极层114。

绝缘层115可由SiO₂构成并具有10至100nm的厚度。如果绝缘层115具有小于10nm的厚度，则存在金属性碳纳米管113与薄金属电极层114之间发生短路的危险。如果绝缘层115具有大于100nm的厚度，则弹道电子很难穿过薄金属电极层114。

以下描述BSD的构造。在后基板110上以预定的图案例如条形且以预定距离彼此间隔地形成多个阴极电极111。可通过在后基板110上沉积导电金属材料或透明导电材料例如氧化铟锡(ITO)到预定厚度例如大约几百至几千并以条形构图沉积的材料，来形成阴极电极111。接着，在构图后的阴极上垂直排列碳纳米管113，并且当垂直排列的碳纳米管113为金属性时，在垂直排列的碳纳米管113的表面上形成具有几十nm厚度的绝缘层115。随后，在绝缘层115上形成具有15至30nm厚度的薄金属电极层114，薄金属电极层114垂直于阴极电极111，从而获得BSD发射器。薄金属电极层114可被构图成条形。

在本发明的一个实施例中，由于绝缘层115和薄金属电极层114被顺序形成在垂直排列的碳纳米管113上，所以在制造阴极期间能够防止气体或污染的负面影响，并在密封或排气过程中可以最小化碳纳米管的损坏。

根据本发明的另一实施例的FED包括上述BSD发射器，以及与BSD发射器相对设置并与BSD发射器以预定距离间隔的前基板，具有图案的阳极电极和荧光层顺序形成在前基板表面上。

图7为说明根据本发明一个实施例的FED的示意图。

参照图7，FED包括两个基板，即以预定距离彼此间隔且彼此相对的后基板110和前基板120。在后基板110和前基板120之间插入间隔体130从而维持预定的距离。通常，玻璃基板用作后基板110和前基板120。

根据本发明一个实施例的BSD发射器，作为实现场发射的元件被设置在后基板110上，并且元件被设置在前基板120上，该元件用于使用从BSD发射器发射出的电子表现预定图像。

参照图7，在前基板120的与后基板110相对的底表面上形成阳极电极121。由R、G和B荧光体构成的荧光层123形成在阳极电极121的表面上。阳极电极121由透明导电材料ITO构成从而使从荧光层123发出的可见光透过。构成荧光层123的R、G和B荧光体具有沿阴极电极111的纵向延伸的纵向图案。当其上生长有垂直排列的碳纳米管的基板用作阴极电极111时，由金属构成的导电层105可置于基板和后基板110之间从而允许其间的电传导。

在阳极电极121的底表面上的荧光体123之间可设置黑矩阵122，从而改善图像的对比度。

在荧光层123和黑矩阵122上可形成薄金属层124。薄金属层124主要由铝构成并具有大约几百的厚度从而允许从发射器115发出的电子很容易地穿过。薄金属层124起到增加FED亮度的功能。具体地，当荧光层123的R、G和B荧光体被从发射器115发出的电子束激发并因而发出可见光时，所发出的可见光被薄金属层124反射。因此，向前行进的可见光的光强度增大，从而引起亮度的增加。

一方面，当薄金属层124形成在前基板120上时，可以省略阳极电极121的形成。薄金属层124是导电的，并且因此当电压被施加到薄金属层124时，薄金属层124能够替代阳极电极121。

后基板110和前基板120以预定的距离相互间隔开，使得发射器115和荧光层123彼此相对设置。在后基板110和前基板120的边缘上施加密封剂(未示出)从而将两基板密封。如上所述，在后基板110和前基板120之间插入间隔体130从而保持预定的距离。

以下将说明上述FED的操作。

在根据本发明的FED中，当在阴极电极111和薄金属电极层114之间施加驱动电压时，来自阴极电极111的电子注入到碳纳米管113层中。随后，由于弹道电子传输现象使得电子进入薄金属电极层114并通过隧道效应在真空条件下发射。由弹道电子传输现象引起的上述电子发射允许高能量的电子，导致低散射。因此，即使没有使用单独的聚焦电极也能改善色纯度。此外，由于弹道电子具有高能量并几乎不受残留气体的影响，因此没有必要维持高真空。所以能够实现具有更好实用性的薄显示器。

所发射的电子被阴极电极111和阳极电极121之间施加的电场引向荧光层123并与该荧光层123碰撞。因此，荧光层123的R、G和B荧光体受到激发而发出可见光。

仍根据本发明的另一实施例的场发射型背光装置包括上述BSD发射器以及与BSD发射器相对设置并与BSD发射器以预定距离间隔开的前基板，阳极电极和荧光层顺序形成在前基板的一表面上。

图8为说明根据本发明一个实施例的场发射型背光装置的截面图。

参照图8，场发射型背光装置包括两个基板，即以预定距离间隔开且彼此相对的后基板210和前基板220。在后基板210和前基板220之间插入间隔体230从而维持预定的距离。通常，玻璃基板用作后基板210和前基板220。

根据本发明一个实施例的BSD发射器作为实现场发射的元件，被设置在后基板210上；并且阳极电极221和作为由于荧光材料受从BSD发射器发出的电子激发而发出可见光的元件的荧光层223，被顺序设置在前基板220的底表面上。另一方面，后基板210和前基板220以预定的距离相互间隔开，使得BSD发射器215和荧光层223彼此相对地设置。在后基板210和前基板220的边缘上施加密封剂(未示出)从而将两基板密封。在后基板210和前基板220之间插入间隔体230从而保持预定的距离。

场发射型背光装置电功率消耗低于常规的背光装置例如使用冷阴极荧光灯的背光装置。此外，场发射型背光装置具有即使发光区域大仍具有相对均匀的亮度的优点。

如上所述，能够很容易地生产根据本发明的实施例的BSD发射器。BSD发射器中使用的碳纳米管未起冷发射器的作用，而是作为传送弹道电子的通道，并且不存在碳纳米管在开/关操作期间被损坏的危险。因此，能够保证长期驱动的可靠性。此外，由于绝缘层和薄金属电极层被顺序形成在碳纳米管上，能够防止气体或污染的负面影响并能最小化碳纳米管的损坏。根据本发明另一实施例的FED，即使在不使用单独聚焦电极的情况下也能够提供高的色纯度，并且不必维持高真空。此外，碳纳米管的物理和化学特性在显示器生产过程中不可能改变，并由此减少显示器操作特性的改变，允许增加显示器的实用性。

尽管已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节方面进行各种修改。