場發射裝置的電泳沉積方法
2023-09-22 08:03:10 1
專利名稱：場發射裝置的電泳沉積方法
技術領域：
本發明涉及一種碳納米管(carbon nanotube，CNT)的電泳沉積(electrophoretic deposition，EPD)，尤其涉及一種場發射裝置(emission device)的電泳沉積方法。
背景技術：
液晶顯示器(LCD)已成為最流行的顯示組件，然而許多不同種類的顯示技術仍然在研究之中。場發射如電子發射器用於場發射顯示器(field emissiondisplays，FED)的使用在下一代平面顯示器被預期會大幅地增加。不像傳統的陰極射線管(cathode ray tube，CRT)使用一熱陰極電子槍，場發射顯示器將冷陰極發射器尖端(tip)用來當作電子源，當一個場發射顯示器被置於電場時，冷陰極發射法瞄準被螢光粉(phosphor)覆蓋的陽極(anode)基板並發射一電子束。發射的電子經由加在陽極基板的正電壓做加速後，擊中陽極基板上的螢光粉而產生冷光(luminescence)。
有些傳統的場發射顯示器的陰極板(cathode plate)使用一種網印(screenprinting)法製造，此種方法的缺點是解析度差，這是因為篩孔(screen mesh)大小的限制與網布不一致的張力造成不一致的薄膜厚度。此不一致的薄膜厚度可能造成隨後程序的調準問題，其它傳統的場發射器是以史賓迪特(spindt)技術產生的圓錐形技巧來形成，上述方法通常造成高的起始(turn on)電壓或發射器尖端較短的壽命。
為解決前面提及的問題，因此碳納米管場發射器因應而生。相較於傳統的場發射裝置，碳納米管場發射器有優越的發射特性，諸如較低的起始電壓和較大的發射電流密度，然而碳納米管場發射器的結構受到材料處理時遭遇的問題所妨礙。碳納米管常用雷射熔蝕(laser ablation)或電弧放電(arcdischarge)或電化學(electrochemical)沉積來製造。一種後形成(post-formation)方法，諸如網印或噴塗(spraying)法必需利用放置預先形成的碳納米管在一場發射基底上，網印或噴塗法遭受解析度差與一致性差的問題，無法實際地大規模製造。雖然碳納米管可利用化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)技術直接在場發射基底上長成，以有效地長成碳納米管。但是此類技術需相當高的溫度與易反應(reactive)的環境，苛刻的溫度條件嚴格地限制了可被用於化學氣相沉積基板的材料，所以使得此技術不具實用性。
因此，提出了用感旋光性的漿料(photosensitive paste)或電泳沉積來大量製造碳納米管場發射器，來克服前述的問題。美國第6,811,457號專利中提出的方法是使用一種感旋光性的漿料與可蝕刻的介電材質(dielectric material)來製造碳納米管場發射顯示器的陰極板。電泳沉積的方法提供許多優點，諸如製作簡單、低成本、低溫度與大規模製造的可行性。美國第6,616,497號專利與美國專利公開申請案2003/0102222公開的文獻裡，提出一種用碳納米管微粒(particle)來形成納米電泳沉積的方法。此傳統的方法如圖1所示，一電源供應器101的偏壓配置於二個分開的電極(electrode)(陽極板102與陰極板103)，電極沉入電泳槽(bath)104，電泳槽104包含碳納米管電泳液(suspension)105，電泳液105使碳納米管微粒106可選擇性地沉積在陰極107的表面，此表面經由介電層109的柵孔(gate hole)108暴露於外，陰極板103包含一基底110、一介電薄層109、多個陰極107、多個柵極111與碳納米管微粒106。當電場加至電泳槽104時，一維的(dimensional)納米結構材料(nanostructure materials)輕鬆地沿著長度方向(longitudinal)的軸向形成極化的(polarized)偶極子(dipole)，這些極化的偶極子能沿著介電泳動的(dielectrophorectic)力量方向漂移。
添加物可被加入電泳槽來對納米結構材料(如碳納米管微粒)充電與促進電泳沉積，被納米懸浮液中的正離子充電的納米材料沿著電力的方向漂移，電力由電極之間電位差造成。此方法的缺點是沉積的選擇性不足以防止柵極111的頂部面積或側壁被碳納米管微粒沉積。此側壁沉積會造成陰極107與柵極111之間短路。一個解決上述問題的方法是在沉積程序中使用一遮蔽犧牲層(masked sacrificial layer)(如光致抗蝕劑(photoresist))來保護或覆蓋柵極111，犧牲層與柵極111頂部面積或側壁的碳納米管微粒在電泳沉積後被移除，此方法需要一額外的黃光光刻(photolithographic)程序，使製造程序複雜化和增加製造成本。
發明內容
本發明的電泳沉積法使用適當安排施加電壓於具有柵極的三極(triode)結構，以改善傳統的電泳沉積方法。
在本發明的較佳實施例中，二個分開的偏壓(bias voltage)被施加於柵極相對於陽極以及陰極相對於陽極。根據本發明實施例的場發射裝置的電泳沉積方法包含以下步驟(a)準備一個含有納米結構的懸浮液的電泳槽，(b)準備一個含有三極結構的場發射陰極板，此三極結構包含柵極，其中該場發射板當作陰極板且包含一基板、多個在基板的陰極、一形成在基底與陰極上的介電層、多個形成在介電薄層與基板上的柵極，(c)將陽極板與場發射陰極板沉入於電泳槽，以及(d)將二個不同的偏壓分別施加至該柵極與該陰極一段時間，以使納米材料選擇性地沉積在陰極的的表面，此表面經由介電層的柵孔暴露於外，其中該陽極板電路連接至該電源供應器的一共同端。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該電源供應器為直流電源供應器。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該電源供應器為交流電源供應器。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中一正電壓施加至該柵極，一負電壓施加至所述陰極，該陽極板保持在一共同電壓。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該納米結構材料包括納米管、納米線、碳納米管、碳納米線與納米微粒。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該場發射裝置作為一場發射顯示器的電子發射器。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該陽極板以多孔狀的結構製成，以使電場的分布均勻。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該陰極板為一交叉型陰極板。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該陰極板為一平行型陰極板。
在本發明的第一實施例中，在電泳沉積期間，施加一正電壓至柵極，一負電壓至陰極，而陽極板保持在一共同電壓。
在本發明的另一實施例中，在電泳沉積時，施加一偏壓至柵極與陰極之間，此實施例的場發射裝置的電泳沉積方法包含相同的步驟(a)與(b)和二個不同的步驟，不用上述的(c)與(d)步驟，此第二實施例將場發射板沉入電泳槽，接著施加一偏壓至該柵極與該陰極一段時間，以使納米結構材料有選擇性地沉積在陰極的表面，此表面經由介電層的柵孔暴露於外。
具體來說，本發明的另一種場發射裝置的電泳沉積方法，包含步驟(a)準備一含有納米結構懸浮液的電泳槽；(b)準備一具有三極結構的場發射陰極板，該三極結構包含柵極，其中該場發射陰極板當作一陰極板且包含一基板、多個在該基板上的陰極、一形成在該基板與該陰極上的介電層、和多個形成在該介電層與該基板上的柵極；(c)將該場發射陰極板沉入該電泳槽；以及(d)施加一電源供應器的偏壓加至該柵極與該陰極一段時間，以使納米結構材料選擇性地沉積在該陰極的表面，該表面通過該介電層的柵孔暴露於外。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該電源供應器為直流電源供應器。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該電源供應器為交流電源供應器。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中施加相對於該柵極的一負電壓至該陰極。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該納米結構材料包括納米管、納米線、、碳納米管、碳納米線與納米微粒。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該場發射裝置作為一場發射顯示器的電子發射器。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該陰極板為一交叉型陰極板。
根據本發明的場發射裝置的電泳沉積方法，其中該陰極板為一平行型陰極板。
本發明的場發射裝置的電泳沉積方法不僅有傳統電泳沉積方法提供的優點，並且比傳統電泳沉積方法提供較佳的沉積選擇性。其在低溫度下實施且不需要遮蔽犧牲層，因此使製造工藝簡單且降低成本。
圖1為說明一種傳統的碳納米管場發射器的電泳沉積示意圖。
圖2A至2D說明根據本發明第一實施例的場發射裝置的電泳沉積方法的步驟流程。
圖3為圖2A至2D的電泳槽中電場的分布概要圖。
圖4A為一種場發射器交叉型陰極板在根據本發明選擇性電泳沉積之前的放大俯視圖。
圖4B為一種場發射器交叉型陰極板在根據本發明選擇性電泳沉積之後的放大俯視圖。
圖4C為一種場發射器平行型陰極板在根據本發明選擇性電泳沉積之前的放大俯視圖。
圖4D為一種場發射器平行型陰極板在根據本發明選擇性電泳沉積之後的放大俯視圖。
圖5為根據本發明碳納米管場發射器電場發射電流對施加電壓的測量結果圖。
圖6A與6B說明根據本發明另一實施例的場發射裝置的電泳沉積法的步驟流程。
其中，附圖標記說明如下101電源供應器102陽極板103陰極板104電泳槽105電泳液206CNT微粒107陰極 108柵孔109介電層110基板111柵極201陽極板202場發射陰極板203電泳槽204納米結構懸浮液
205電源供應器 206柵極207電源供應器 208陰極209納米結構材料 210柵孔211介電層 212基板401陰極線 402柵極線具體實施方式
本發明結合厚膜網印(thick-film printing)與黃光光刻技術來建構一種具有柵極的三極結構來進行電泳沉積，然後在電泳沉積期間，安排施加電壓與適當選擇電泳槽中的溶劑，以使納米結構材料沉積在基板的可選擇的區域上。基板可以是場發射基板，用來作為一場發射顯示裝置的場發射器。
為了增進場發射器的效能，建議在做電泳沉積之前，對納米結構材料進行過濾(filtration)與純化(purification)。電泳槽中的溶劑包含一溶劑基本成份(base)與添加物(additives)。去離子水(Deionized(DI)water)或是異丙醇(IPA)可作為溶劑基本成份。各種不同的添加物已在文獻裡被提出。這些添加物包括氯化苯二甲羥銨(Benzalkonium Chloride)、硝酸鎂(Mg(NO3)26H2O)、丁二酸二辛酯磺酸鈉(bis(1-ethylhexyl)sodium sulfosuccinate，AOT)、碳酸鈉(Na2CO3)與含硝酸鹽(nitrate)的氫氧化鎂(Mg(OH)2)或是氫氧化鋁(Al(OH)3)或是氫氧化鑭(La(OH)3)。直流或交流電源都可使用。根據本發明，在做電泳沉積之前把陰極板沉入含硝酸鹽的電泳槽，以增進納米結構材料(如碳納米管微粒)在陰極表面的黏著力。此外，1ppm的碳酸鈉被當作添加物加入含50ppm碳納米管的去離子水溶劑，以增進電泳的效能。溶劑導電率從0.444ms/m增加至0.702ms/m，電泳沉積溫度維持在攝氏50度。
圖2A至圖2D說明根據本發明第一實施例的一種場發射裝置的電泳沉積方法的步驟。在本實施例中，首先，準備一含有納米結構懸浮液204的電泳槽203，如圖2A所示。其次，準備一具有柵極206的三極結構的場發射陰極板202，其中場發射陰極板202當作陰極板且包含一基板212、多個在基板212上的陰極208、一形成在基板212與陰極208上的介電層211、多個形成在介電層211與基板212上的柵極206，如圖2B所示。然後，將陽極板201與場發射陰極板202沉入電泳槽203，如圖2C圖所示。最後，如圖2D所示，根據此電泳沉積法，施加一電源供應器205的偏壓V1至柵極206，及施加一電源供應器207的偏壓V2至陰極208一段時間，以使納米結構材料209可選擇沉積在陰極208的表面，此表面通過介電層211的柵孔210暴露於外。
參考圖2D，陽極板201電路連接至電源供應器205與電源供應器207的其它二端且保持在一共同電壓V0。
根據本發明納米材料可包括納米管(nanotubes)、納米線(nanowire)、碳納米管、碳納米線與納米微粒。此實施例中的柵孔210尺寸約為80μm，介電層211的厚度約為25μm。為了使電場的分布均勻，陽極板201以多孔狀的結構製成。
圖3為圖2A至2D電泳槽中電場的分布概要圖。帶電荷或極化的納米結構材料沿著電力線漂移，然後沉積在陰極板。靠近柵極的電場排斥在電泳槽中帶電荷或極化的納米結構材料，如此可避免帶電荷或極化的納米結構材料沉積在柵極。
相對於共同電壓V0的偏壓V1通常是正電壓但並不限於是正電壓，相對於共同電壓V0的偏壓V2通常是負電壓但並不限於是負電壓。在選擇性電泳沉積期間，帶電荷或極化的納米結構懸浮液204被負陰極電壓V2的電力線經由柵孔210而被吸引，並朝向陰極208漂移。正柵極電壓(positive gatevoltage)V1排斥在電泳槽中帶電荷或極化的納米結構懸浮液204，可避免納米結構材料沉積在柵極206上。所以，納米結構材料可選擇地沉積在陰極208。因此，可避免陰極208與柵極206之間的電路短路。
圖4A與圖4B分別說明場發射器交叉型(cross-type)陰極板在根據本發明電泳沉積法之前與之後的放大俯視圖。垂直的線是陰極線401，水平的線是柵極線402。在陰極線與柵線之間的基底為一介電層。於圖4B可觀察到一沉積在陰極柵孔的碳納米管微粒的示意圖。
大量碳納米管覆蓋在陰極線，因碳納米管粉末在事先處理時未被純化，仍存在有碳微粒蓋在陰極線，建議移除這些碳微粒，可增進場發射性能與改善在封裝過程期間的真空狀態。
圖4C與圖4D分別說明場發射器平行型(parallel-type)陰極板在根據本發明電泳沉積法之前與之後的放大俯視圖。
圖5為根據本發明CNT場發射器電場發射電流對施加電壓的測量結果圖。參考圖5，起始電場強度低至4.5volt/μm，而電流密度達到3.5mA/cm2在9.5volt/μm時。圖4A與圖4B與圖5確認根據本發明場發射裝置的電泳沉積法可達成好的電泳沉積選擇性和場發射性能。
在本發明的另一實施例中，在電泳沉積期間，施加一偏壓至柵極與陰極之間，此實施例中的場發射裝置的電泳沉積方法包含與圖2A及圖2B相同的步驟和兩個以下不同的步驟。圖6A與圖6B分別說明此兩個不同的步驟。在經過圖2A及圖2B的步驟後，將場發射陰極板202沉入電泳槽203中，如圖6A所示。接著施加一電源供應器604的偏壓V2至柵極206與陰極208一段時間，以使納米結構材料209選擇性地沉積在陰極208的表面，此表面通過介電層211的柵孔608暴露於外。電源供應器604的另一端維持在電壓V0，並電氣連接至柵極206，如圖6B所示。
相對於共同電壓V0，偏壓V2通常是正電壓但並不限於是正電壓。在選擇性電泳沉積期間，帶電荷或極化的納米結構懸浮液204被由柵極206與陰極208之間的電位差所形成的電場經由柵孔608而被吸引，並朝向陰極208漂移，沉積在陰極208的表面。在柵極206周圍的電場排斥在電泳槽中帶電荷或極化的納米結構懸浮液204，可避免納米結構材料沉積在柵極206上。所以，納米結構材料209可選擇地沉積在陰極208，而可避免陰極208與柵極206之間的電路短路。
綜上所述，本發明利用選擇性沉積在一種具有柵極的三極結構的陰極，提供一種場發射裝置的電泳沉積方法。其經由改善電泳沉積方法的選擇性，來解決陰極與柵極之間的電路短路問題。此外，本發明的電泳沉積法在低溫度下實施，並且不需要遮蔽犧牲層，所以使製造工藝簡單且降低成本。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍。即凡依本發明權利要求的保護範圍所作的均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋的範圍內。
權利要求
1.一種場發射裝置的電泳沉積方法，包含下列步驟(a)準備一含有納米結構懸浮液的電泳槽；(b)準備一具有三極結構的場發射陰極板，該三極結構包含柵極，其中該場發射陰極板作為一陰極板且包含一基板、多個在該基板上的陰極、一形成在該基板與該陰極上的介電層、和多個形成在該介電層與該基板上的柵極；(c)將一陽極板與該場發射陰極板沉入該電泳槽；以及(d)將由一個或多個電源供應器提供的二個不同的偏壓，分別施加至該柵極與該陰極一段時間，以選擇性地使納米結構材料沉積在該陰極的表面，該表面通過該介電層的柵孔暴露於外，其中該陽極板電路連接至該電源供應器的一共同端。
2.如權利要求1所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該電源供應器為直流電源供應器。
3.如權利要求1所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該電源供應器為交流電源供應器。
4.如權利要求1所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於一正電壓施加至該柵極，一負電壓施加至所述陰極，該陽極板保持在一共同電壓。
5.如權利要求1所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該納米結構材料包括納米管、納米線、碳納米管、碳納米線與納米微粒。
6.如權利要求1所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該場發射裝置作為一場發射顯示器的電子發射器。
7.如權利要求1所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該陽極板以多孔狀的結構製成，以使電場的分布均勻。
8.如權利要求1所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該陰極板為一交叉型陰極板。
9.如權利要求1所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該陰極板為一平行型陰極板。
10.一種場發射裝置的電泳沉積方法，包含步驟(a)準備一含有納米結構懸浮液的電泳槽；(b)準備一具有三極結構的場發射陰極板，該三極結構包含柵極，其中該場發射陰極板當作一陰極板且包含一基板、多個在該基板上的陰極、一形成在該基板與該陰極上的介電層、和多個形成在該介電層與該基板上的柵極；(c)將該場發射陰極板沉入該電泳槽；以及(d)施加一電源供應器的偏壓加至該柵極與該陰極一段時間，以使納米結構材料選擇性地沉積在該陰極的表面，該表面通過該介電層的柵孔暴露於外。
11.如權利要求10所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該電源供應器為直流電源供應器。
12.如權利要求10所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該電源供應器為交流電源供應器。
13.如權利要求10所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於施加相對於該柵極的一負電壓至該陰極。
14.如權利要求10所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該納米結構材料包括納米管、納米線、、碳納米管、碳納米線與納米微粒。
15.如權利要求10所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該場發射裝置作為一場發射顯示器的電子發射器。
16.如權利要求10所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該陰極板為一交叉型陰極板。
17.如權利要求1所述的場發射裝置的電泳沉積方法，其特徵在於該陰極板為一平行型陰極板。
全文摘要
本發明提供一種場發射裝置的電泳沉積方法，利用適當安排施加電壓於具有柵極的三極結構，來改善傳統電泳沉積方法的選擇性。在柵極周圍的電場排斥在電泳槽中帶電荷或極化的納米懸浮液，可避免帶電荷或極化的納米材料沉積在柵極上。因此，納米材料可選擇性地沉積在陰極。可避免陰極與柵極之間的電路短路。本發明的電泳沉積方法不需要一層遮蔽犧牲層，因此製造工藝簡單且使成本降低。
文檔編號C25D13/00GK1885475SQ20051007909
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月24日 優先權日2005年6月24日
發明者張悠揚, 詹立雄, 何寬鑫 申請人:財團法人工業技術研究院