高分子薄膜場發射陰極材料及其製備方法與裝置的製作方法

2023-12-07 07:52:41

專利名稱：高分子薄膜場發射陰極材料及其製備方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及平面場發射陰極技術，特別涉及一種高分子薄膜場發射陰極材料及其製備方法與裝置。
背景技術：
主動發光型場發射平板顯示器(FED)技術的發展一直受到人們的普遍關注。FED主要應用在儀器、儀表顯示板和電視、計算機終端等方面。FED經過最近十幾年的發展，已經有彩色產品問世。但是由於場發射顯示器件的製備工藝複雜，成品率和產品穩定性一直得不到根本解決，使生產成本居高不下，難以在市場上大範圍推廣。產生這些問題的主要原因是場發射陰極材料、陰極結構和器件製備工藝還不成熟，特別是場發射陰極材料製備工藝複雜、穩定性差、成品率低，導致FED的生產成本高。傳統的陰極材料和結構主要採用金屬微尖(Spilt)和半導體微尖，如金屬鉬和半導體矽微尖，大面積製備這種電子發射微尖陣列的工藝複雜；後來發展了金剛石薄膜，近年有比較熱門的碳納米管和納米線，由於碳納米管作為陰極的場發射特性十分依賴於碳納米管的分子結構，很難批量製備性能均一的碳納米管，而且大面積納米管取向分布的控制亦十分困難，這些問題還處於不斷研究和解決過程中。總而言之，研究和開發新的陰極材料和陰極製備工藝仍然是十分迫切需要解決的關鍵問題。1998年，Musa等人在英國的NATURE雜誌上發表了用純聚合物-聚辛烷基取代聚吩(P3OT，Regioregular poly 3-octylthiophene)薄膜作為發射陰極的報導，由於高分子薄膜製備工藝簡單和成熟，引起了人們的極大興趣和關注，但是這篇文章沒有提及對高分子薄膜表面進行必要的處理，致使場發射特性不十分明顯。為提高場增強因子和電子發射能力，有報導提出用高分子材料作為母體進行納米管和納米線摻雜，甚至採用含納米管和納米線的雙層結構，雖然得到了場發射圖像，但是由於採用的高分子表面仍然沒有進行任何處理，圖像效果不夠理想。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺點，提供一種工藝簡單、操作方便、重複性好、經濟實用的高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法。
本發明的另一目的在於提供一種實現上述製備方法的裝置。
本發明的再一目的在於提供一種由上述方法製備的高分子薄膜場發射陰極材料。
本發明的目的可以通過下述技術方案實現本高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法包括下述步驟利用電場放電工藝處理高分子薄膜表面。
所述電場放電工藝可以是將高分子薄膜作為場發射陰極，其表面經過低真空放電處理，利用真空腔中電離的正離子轟擊高分子薄膜表面，使其表面產生不平。
所述放電電場的強度可為4×104～1×106伏/cm。
所述放電時間可為1～60秒。
所述電場放電可在真空環境內操作，所述真空環境的真空度可為1～10-2Pa所述高分子薄膜為通過將高分子溶液旋塗、或噴塗、或印刷在平整基板上製得。
所述高分子薄膜可採用可溶性導電高分子，包括聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚對苯乙炔、聚芴、聚咔唑等，或可溶性性導電高分子與其它高分子，如絕緣性高分子(聚丙烯酸甲脂(PMMA))、半導體性高分子(聚噻酚)、導電性高分子(摻雜聚乙炔、摻雜聚咔唑)共混。
一種實現上述製備方法的裝置，包括陰極、陽極、陰陽電極間隔離柱，所述陰陽電極間隔離柱位於陰極與陽極之間，用於分隔陰極與陽極。
所述陰極包括用真空放電處理過的高分子薄膜和陰極基板，高分子薄膜位於陰極基板與陽極相對的表面，所述陽極表面塗有螢光粉。
所述陰極基板可以是ITO(氧化銦錫)導電玻璃或其它透明電極。
所述陰陽電極間隔離柱的材料可以是玻璃光纖或者其它絕緣體薄片。
利用上述裝置實施製備高分子薄膜場發射陰極材料的具體步驟如下(1)在玻璃或ITO導電玻璃基板上，將高分子溶液通過旋轉塗覆、印刷或噴塗工藝加工出高分子薄膜，形成高分子電子發射層；(2)將高分子薄膜作為陰極，在陰極與陽極之間加直流電壓，使平整的高分子薄膜表面產生密集的突起點，有利於電子發射；(3)用印刷或噴塗工藝將螢光粉塗到陽極上；(4)在陰極與陽極之間加直流電壓，可觀察到螢光粉的發光。
本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果本發明方法採用電場放電方法處理導電高分子薄膜表面，使表面產生納米須狀結構或微粒或球狀結構，亦即使高分子薄膜表面變得不平整，這種不平整的表面容易發射電子，實驗結果表明場增強因子超過1000；這種薄膜表面處理工藝具有容易操作和重複性好的特點，同時由於可溶性高分子可以用旋轉塗覆、印刷、噴塗等工藝方便地生產製備大面積薄膜，因而本發明具有工藝簡單、操作方便、應用效果好、生產成本低、適用面廣的優點，可成為製備薄膜型場發射陰極非常具有應用潛力的技術。


圖1是實現本發明方法的場發射器件。
圖2是圖1所示場發射器件中ITO導電陰極被刻蝕成條形電極的示意圖。
圖3(a)是聚苯胺摻雜苯磺酸陰極高分子薄膜在真空放電處理之前的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像；(b)是在玻璃襯底上經放電處理該高分子薄膜的SEM圖像；(c)是在ITO導電玻璃襯底上經過放電處理該高分子薄膜的SEM圖像。
圖4(a)是用ITO導電玻璃基板的二極體結構FED器件場發射圖像(電壓2000伏，聚苯胺摻雜苯磺酸陰極高分子薄膜表面經過放電處理)；(b)是用玻璃基板的二極體結構FED器件場發射圖像(電壓2000伏，聚苯胺摻雜苯磺酸陰極高分子薄膜表面經過放電處理)；(c)是將ITO導電層刻蝕成條狀的ITO導電玻璃基板的二極體結構FED器件場發射圖像(電壓2000伏，聚苯胺摻雜苯磺酸陰極高分子表面經過放電處理)；(d)是將ITO導電層刻蝕成條狀的ITO導電玻璃基板的二極體結構FED器件場發射圖像[電壓2000伏，聚苯胺摻雜苯磺酸(90％)與聚甲基丙烯酸甲脂(10％)共混陰極高分子薄膜表面經過放電處理。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1實施本發明方法的場發射器件的具體結構如圖1和圖2所示，由圖1可見，本場發射器件包括直流電源1、串聯電阻2、真空腔3、真空腔3內樣品4、陰極6、陽極11、高分子薄膜電子發射層8、電極隔離柱7，直流電源1通過串聯電阻2與陰極6及陽極11相連接，陰極6、陽極11、高分子薄膜電子發射層8、電極隔離柱7位於真空腔3內，電極隔離柱7位於陰極板5與陽極板10之間分隔開陰極6和陽極11，所述陰極6設置於陰極基板5上，陰極6可以刻蝕成窄條形狀，如圖2所示，高分子薄膜電子發射層8位於陰極6表面並與陽極11相對設置，所述陽極11的底部設置有陽極基板10，在與高分子薄膜電子發射層8相對的陽極基板10的表面塗有螢光粉9。
利用上述場發射器件實現本發明方法的具體過程是採用ITO透明導電玻璃作為陰極基板5，有效電子發射面積為1cm×1cm，經過超聲清洗後，進行烘乾。用旋轉塗覆方法在該陰極基板5上製備厚度約200nm的聚苯胺摻雜苯磺酸(PANI-CSA)薄膜，該薄膜作為高分子薄膜電子發射層8，然後放在80℃真空烘箱中乾燥12小時以上；用直徑為180μm的光纖作為電極隔離柱7，用乾淨的ITO導電玻璃作為陽極11。在10-2Pa的真空度下，在陽極11與陰極6之間加直流電壓5000V(10～30秒)，PANI-CSA薄膜表面形貌由圖3(a)變成圖3(c)；然後，打開真空室，取出器件，用塗覆了螢光粉(ZnO:Zn)的ITO玻璃替換器件中放電處理時使用的ITO陽極，重新組裝器件，放在真空系統中，在真空度達到10-5Pa的條件下，在陰陽電極之間施加2000V的直流電壓，可以從陽極ITO側觀察到螢光粉的穩定綠色發光(圖4(a))。
實施例2參照圖1，採用乾淨的玻璃基板5，在基板5上直接用旋轉塗覆方法製備厚度約400nm的聚苯胺摻雜苯磺酸(PANI-CSA)薄膜，因為該薄膜導電，這樣它可以即作為陰極6，同時作為電子發射層8，然後放在80℃真空烘箱中乾燥12小時以上；用直徑為180μm的光纖作為電極隔離柱7，用乾淨的ITO導電玻璃作為陽極11。在1Pa的真空度下，在陽極11與陰極6之間加直流電壓2000V(5秒)，PANI-CSA薄膜表面形貌由圖3(a)變成圖3(b)；然後，打開真空室，取出器件，用塗覆了螢光粉(ZnO:Zn)的ITO玻璃替換器件中放電處理時使用的ITO陽極，重新組裝器件，放在真空系統中，在真空度達到10-5Pa的條件下，在陰陽電極之間施加2000V的直流電壓，可以從陽極ITO側觀察到螢光粉的穩定綠色發光(圖4(b))。
實施例3參照圖1，採用乾淨條狀ITO玻璃基板5(如圖2)，在基板5上直接用旋轉塗覆方法製備厚度約300nm的聚苯胺摻雜苯磺酸(PANI-CSA)薄膜，該薄膜作為電子發射層8，然後放在80℃真空烘箱中乾燥12小時以上；用直徑為180μm的光纖作為電極隔離柱7，用乾淨的ITO導電玻璃作為陽極11。在0.1Pa的真空度下，在陽極11與陰極6之間加直流電壓4000V(60秒)，PANI-CSA薄膜表面形貌由圖3(a)變成圖3(b)(高分子薄膜下面有ITO)和圖(4)(高分子薄膜下面沒有ITO)；然後，打開真空室，取出器件，用塗覆了螢光粉(ZnO:Zn)的ITO玻璃替換器件中放電處理時使用的ITO陽極，重新組裝器件，放在真空系統中，在真空度達到10-5Pa的條件下，在陰陽電極之間施加2000V的直流電壓，可以從陽極ITO側觀察到螢光粉的穩定綠色發光(圖4(c))。
實施例4參照圖1，採用乾淨條狀ITO玻璃基板5(如圖2)，在基板5上直接用旋轉塗覆方法從PANI-CSA(90％)和PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)(10％)的間甲酚(m-cresol)溶劑中製備厚度約200nm的共混薄膜，該薄膜作為電子發射層8，然後放在50℃真空烘箱中乾燥24小時以上；用直徑為180μm的光纖作為電極隔離柱7，用乾淨的ITO導電玻璃作為陽極11。在0.01Pa的真空度下，在陽極11與陰極6之間加直流電壓5000V(40秒)，共混薄膜表面形貌由圖3(a)變成圖3(b)(高分子薄膜下面有ITO)和圖(4)(高分子薄膜下面沒有ITO)；然後，打開真空室，取出器件，用塗覆了螢光粉(ZnO:Zn)的ITO玻璃替換器件中放電處理時使用的ITO陽極，重新組裝器件，放在真空系統中，在真空度達到10-5Pa的條件下，在陰陽電極之間施加2000V的直流電壓，可以從陽極ITO側觀察到螢光粉的穩定綠色發光(圖4(d))。
權利要求
1.一種高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法，其特徵在於包括下述步驟利用電場放電工藝處理高分子薄膜表面。
2.根據權利要求1所述的高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法，其特徵在於所述電場放電工藝是將高分子薄膜作為場發射陰極，其表面經過低真空放電處理，利用真空腔中電離的正離子轟擊高分子薄膜表面，使其表面產生不平。
3.根據權利要求1所述的高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法，其特徵在於所述放電電場的強度可為4×104～1×106伏/cm。
4.根據權利要求1所述的高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法，其特徵在於所述放電時間可為1～60秒。
5.根據權利要求1所述的高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法，其特徵在於所述電場放電在真空環境內操作。
6.根據權利要求1所述的高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法，其特徵在於所述高分子薄膜為通過將高分子溶液旋塗、噴塗和印刷方式在平整基板上製得。
7.根據權利要求1所述的高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法，其特徵在於所述高分子薄膜採用可溶性導電高分子或可溶性性導電高分子與絕緣性高分子、半導體性高分子或導電性高分子共混。
8.一種高分子薄膜場發射陰極材料的製備裝置，其特徵在於包括陰極、陽極、陰陽電極間隔離柱，所述陰陽電極間隔離柱位於陰極與陽極之間。
9.根據權利要求8所述的高分子薄膜場發射陰極材料的製備裝置，其特徵在於所述陰極包括用真空放電處理過的高分子薄膜和陰極基板，高分子薄膜位於陰極基板與陽極相對的表面，所述陽極表面塗有螢光粉。
10.一種根據權利要求1～7所述方法製備的高分子薄膜場發射陰極材料。
全文摘要
本發明提供一種高分子薄膜場發射陰極材料的製備方法，包括下述步驟利用電場放電工藝處理高分子薄膜表面；所述電場放電工藝是將高分子薄膜作為場發射陰極，其表面經過低真空放電處理，利用真空腔中電離的正離子轟擊高分子薄膜表面，使其表面產生不平；一種實現上述方法的裝置，包括陰極、陽極、陰陽電極間隔離柱，所述陰陽電極間隔離柱位於陰極與陽極之間；所述陰極包括用真空放電處理過的高分子薄膜和陰極基板，高分子薄膜位於陰極基板與陽極相對的表面，所述陽極表面塗有螢光粉。本發明具有工藝簡單、操作方便、應用效果好、生產成本低、適用面廣的優點，可成為製備薄膜型場發射陰極非常具有應用潛力的技術。
文檔編號H01J9/02GK1564298SQ200410026568
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月22日 優先權日2004年3月22日
發明者彭俊彪, 曹鏞, 賴國洪 申請人:華南理工大學