CN100573796C

CN100573796C - 电子发射装置

Info

Publication number: CN100573796C
Application number: CNB2006100715298A
Authority: CN
Inventors: 李承炫; 张喆铉
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: CN1841637A; JP2006286618A; KR20060104652A; EP1708236A1; US7417380B2; US20060220584A1

Abstract

本发明涉及一种电子发射装置，其具有优化的内部结构，其中从电子发射区域发射的电子朝向荧光体层笔直地迁移。该电子发射装置包括彼此面对的第一和第二基板、以及形成在第一基板上的阴极电极。电子发射区域形成在阴极电极上。绝缘层和栅极电极形成在阴极电极上且具有暴露电子发射区域的开口。荧光体层形成在第二基板上。阳极电极形成在荧光体层的表面上。阴极和阳极电极之间的距离z满足下面的条件：0.7d((Va-Vc)/Vg)≤z≤1.4d((Va-Vc)/Vg)，其中Vc表示施加到阴极电极的电压，Vg是施加到栅极电极的电压，Va是施加到阳极电极的电压，d是阴极和栅极电极之间的距离。

Description

电子发射装置

技术领域

本发明涉及电子发射装置，更具体地，涉及具有阴极和栅极电极、以及阳极电极的电子发射装置，所述阴极和栅极电极用于控制电子从电子发射区域的发射，所述阳极电极用于加速所述电子。

背景技术

通常，电子发射装置分为热阴极用作电子发射源的第一类型和冷阴极用作电子发射源的第二类型。

第二类型的电子发射装置可以是场发射器阵列(FEA)型、表面导电发射(SCE)型、金属-绝缘体-金属(MIM)型、或者金属-绝缘体-半导体(MIS)型。

FEA型电子发射装置基于这样的原理，即当具有低功函数或高长径比(aspect ratio)的材料用作电子发射源时，当在真空环境下电场施加到该电子发射源时，电子从该电子发射源容易地发射。基于钼(Mo)或硅(Si)的前部尖锐的尖端结构(tip structure)、或者碳质材料例如石墨，已被用于作为电子发射源使用。

在普通FEA型电子发射装置中，第一基板和第二基板构成真空容器。电子发射区域与用作用于控制电子发射的驱动电极的阴极和栅极电极一起形成在第一基板上。荧光体(phosphor)层与用于将荧光体层保持在高电势状态的阳极电极一起形成在第二基板的面对第一基板的表面上。

阴极电极电连接至电子发射区域从而向其施加电子发射所必需的电流，栅极电极利用其与阴极电极的电压差形成电子发射区域周围的电场。关于阴极和栅极电极以及电子发射区域的结构，栅极电极位于阴极电极之上同时插入绝缘层，开口形成在栅极电极和绝缘层处，部分地暴露阴极电极的表面。电子发射区域位于开口内阴极电极上。

采用上述结构，预定电压施加到阴极、栅极和阳极电极从而从电子发射区域发射电子。仅当平坦的电势分布产生在电子发射区域之上栅极电极附近时，电子能朝向第二基板笔直地迁移而不发散。

平坦的电势分布意味着当观察阴极和栅极电极以及电子发射区域的侧视图(side elevation view)时，出现在阴极和栅极电极之间的等势线位于平行于第一基板的顶表面同时彼此均匀地间隔开预定距离。不满足这样的条件的等势线是在某一方向上相当凸起或凹陷的，因此平坦的电势分布未被实现。

根据已知电子透镜的工作原理，当电子穿过电场内部时，电子迁移的方向由电子迁移的方向和力的方向(与电场方向相反)的矢量合成确定。在这点上，当指向电子发射区域的凹陷电势分布形成在栅极电极附近时，电子穿过栅极电极的开口时相当地发散。当指向电子发射区域的凸起电势分布形成在栅极电极附近时，电子穿过栅极电极的开口时被会聚。然而，电子在后面的迁移路线上很快被过度会聚(over-focus)，使得束发散也明显发生。

因此，对于普通FEA型电子发射装置，应使栅极电极附近的电势分布尽可能地平坦。

然而，在产生平坦的电势分布的过程中遇到了相当大的技术困难，因为电势分布依赖于各种因素，例如施加到阴极、栅极和阳极电极的电压，以及内部结构的形状特性。同时那些因素还很大地依赖于电子发射区域的放电电流特性、屏幕亮度、以及处理能力。对于优化各个因素和得到平坦的电势分布存在技术限制。

因此，对于传统FEA型电子发射装置，其运行期间在栅极电极附近产生非平坦的电势分布，即指向电子发射区域的凸起或凹陷的电势分布。从电子发射区域发射的电子朝向第二基板行进时被发散，且落在黑层或不正确的荧光体层上，从而恶化屏幕显示质量。

发明内容

在本发明的一个示例性实施例中，提供一种电子发射装置，其在栅极电极附近产生平坦的电势分布，从而抑制电子束的发散且因此提高显示质量。

在本发明的一个示例性实施例中，该电子发射装置包括第一基板和面对该第一基板的第二基板。阴极电极形成在该第一基板上。电子发射区域形成在该阴极电极上。绝缘层和栅极电极形成在该阴极电极上且具有暴露该电子发射区域的开口。荧光体层形成在该第二基板上。阳极电极形成在该荧光体层的表面上。该电子发射装置满足下面的条件中的一个或全部两个：

0.7d((Va-Vc)/Vg)≤z≤1.4d((Va-Vc)/Vg) (1)；以及

0.7d((Va-Vc)/Vg)≤z′≤1.4d((Va-Vc)/Vg) (2)，

其中z表示该阴极电极与该阳极电极之间的距离，z′表示该第一基板与该第二基板之间的距离，Vc是施加到该阴极电极的电压，Vg是施加到该栅极电极的电压，Va是施加到该阳极电极的电压，d是该阴极电极与该栅极电极之间的距离。电压Vc、Vg和Va用单位伏特(V)表示，距离d、z和z′用单位微米(μm)表示。

该阴极和栅极电极彼此垂直且交叉在交叉区域(crossed region)。一个或更多电子发射区域经阴极和栅极电极的各交叉区域设置。

在一些实施例中该电子发射区域包括选自包括碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、C₆₀、以及硅纳米线的组的至少一种材料。

该阳极电极可形成在该荧光体层的面对该第一基板的表面上，且可以用金属性材料形成。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的电子发射装置的局部分解透视图；

图2是根据本发明一实施例的电子发射装置的局部剖视图；

图3是曲线图，示出作为栅极电压比值的函数的电子透镜的形变的变化；

图4A示意性示出根据示例1的电子发射装置的运行期间电子发射区域附近的电势分布；

图4B示意性示出根据示例1的电子发射装置运行期间所发射的电子束的轨迹；

图5A示意性示出根据比较例1的电子发射装置的运行期间电子发射区域附近的电势分布；

图5B示意性示出根据比较例1的电子发射装置运行期间所发射的电子束的轨迹；

图6A示意性示出根据比较例2的电子发射装置的运行期间电子发射区域附近的电势分布；

图6B示意性示出根据比较例2的电子发射装置运行期间电子发射区域附近所发射的电子束的轨迹；

图6C示意性示出根据比较例2的电子发射装置运行期间所发射的电子束的轨迹。

具体实施方式

如图1和2所示，电子发射装置包括彼此平行布置的第一和第二基板2和4，其具有内部空间。电子发射结构形成在第一基板2处，发光或显示结构形成在第二基板4处从而由于电子而发射可见光并显示图像。

阴极电极6沿着第一基板2(沿图中y轴方向)条形构图在第一基板2上，绝缘层8形成在第一基板2的整个表面上同时覆盖阴极电极6。栅极电极10垂直于阴极电极6(沿图中x轴方向)条形构图在绝缘层8上。

在该实施例中，当阴极和栅极电极6和10的交叉区域被定义为像素区域时，在各个像素区域一个或更多电子发射区域12形成在阴极电极6上，开口8a和10a与各个电子发射区域12对应地形成在绝缘层8和栅极电极10中，从而暴露第一基板2上的电子发射区域12。

电子发射区域12由在真空环境下当电场施加到其上时发射电子的材料形成，例如碳质材料和纳米尺寸材料。电子发射区域12可以由碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、C₆₀、硅纳米线、或其任何合适的组合形成。电子发射区域12可以通过丝网印刷、直接生长、化学气相沉积、或者溅射形成。

与具有尖锐的前端的所谓Spindt型尖端结构相比，电子发射区域12以纳米或微米尺寸的电子发射颗粒聚结在那里的电子发射层形成，且具有较大的电子发射面积和容易加工。

如图所示，电子发射区域12成形为圆形，且在各个像素区域沿阴极电极6的长度线性布置。但是，电子发射区域12的形状、每像素数目、以及布置不局限于此示例，而可以以各种形式改变。

荧光体层14和黑层16形成在第二基板4的面对第一基板2的表面上，阳极电极18用金属性材料例如铝形成在荧光体层14和黑层16上。阳极电极18接收加速电子束必需的高电压，且将从荧光体层14朝向第一基板2辐照的可见光反射向第二基板4，从而增加屏幕亮度。

同时，阳极电极18可由透明导电材料例如铟锡氧化物(ITO)替代金属性材料形成。在此情况下，阳极电极18可位于荧光体层14和黑层16的面对第二基板的表面上，且构图为多个分开的部分。

间隔物20布置在第一和第二基板2和4之间，第一和第二基板2和4利用密封剂在其外围彼此密封，所述密封剂例如为具有低熔点的玻璃粉(glass frit)。第一和第二基板2和4之间的内部空间被抽至真空状态，从而构造电子发射装置。间隔物20与设置黑层16的非发光区域对应地定位。

上述结构的电子发射装置通过将预定电压施加到阴极电极6、栅极电极10和阳极电极18而被驱动。例如，扫描信号电压施加到阴极和栅极电极6和10中的一个，数据信号电压施加到另一个电极。数百至数千伏特的正(+)直流(DC)电压施加到阳极电极18。

在阴极和栅极电极6和10之间的电压差超过阈值的像素中，电场形成在电子发射区域12附近，电子从电子发射区域12发射。所发射的电子被施加到阳极电极18的高电压吸引，碰撞相应的荧光体层14，从而使它们发光。

考虑到影响电势分布的因素，电子发射装置的此实施例具有优化的内部结构，使得平坦的电势分布产生在电子发射区域12之上栅极电极10附近。

如前所述，电势分布取决于施加到各个电极的电压、以及内部结构的形状特性，特别是电极间距离。即，电势分布主要取决于阴极电压、栅极电压、阳极电压、阴极和栅极电极6和10之间的距离、以及阴极和阳极电极6和18之间的距离。

然而，决定电势分布的因素中，阴极电压和栅极电压中的一个形成扫描信号电压，另一个形成数据信号电压，从而控制各像素电流的量。因此，阴极和栅极电压主要考虑到驱动要求来确定。阳极电压主要考虑到亮度要求来确定，因为屏幕亮度取决于它。阴极和栅极电极6和10之间的距离由绝缘层8的厚度确定，其又由处理能力例如该两个电极在它们之间能经受的电压以及加工容易度(processing ease)确定。

因此，考虑到所述四个因素，阴极和阳极电极6和18之间的距离被优化，从而获得平坦的电势分布。

对于根据本发明的电子发射装置，阴极和阳极电极6和18之间的距离z被确定为满足下面的条件(“公式1”)：

0.7d((Va-Vc)/Vg)≤z≤1.4d((Va-Vc)/Vg) (1)

其中Vc表示阴极电压，Vg表示栅极电压，Va表示阳极电压，d表示阴极和栅极电极6和10之间的距离。电压Vc、Vg和Va用单位伏特(V)表示，距离d和z用单位微米(μm)表示。

根据公式1，电子发射装置的驱动期间，与阴极和栅极电极6和10的驱动条件以及形成在第一基板2上的结构的形状无关，在电子发射区域12之上栅极电极10的开口10a处实现了基本平坦的电势分布，其中电子透镜的形变度(distortion degree)为20％或更小。

对于图3所示的曲线图，垂直轴是电子透镜的形变度，其表示栅极电极附近产生的电势差。电子透镜的形变度由下面的公式(“公式2”)定义：

电子透镜的形变度＝|Vcenter-Vg|/Vg， (2)

其中Vcenter表示在栅极电极的开口部分的中心处的电势。

曲线图的水平轴是由Vg/Vg′定义的栅极电压比值，其是实际施加的栅极电压Vg对理想栅极电压Vg′的比值。理想栅极电压Vg′由下面的公式(“公式3”)定义：

Vg′＝(Va-Vc)×d/z (3)

公式4从公式3导出：

z＝((Va-Vc)/Vg′)d (4)

从图3的结果可知，在阴极和阳极电极之间的距离z满足公式1的条件的范围中，即，在栅极电压比值Vg/Vg′为0.7-1.4的范围中，电子透镜的形变度结果为20％或更小。电子透镜的20％或更小的形变度内，当电子从电子发射区域发射时，电子的扩散角(diffusion angle)(从第一基板的法线测量的角)为约3°或更小，其意味着电子束具有优良的直度(straightness)。

根据满足公式1的条件的一个示例(“示例1”)的电子发射装置、根据对比例1的其中阴极和阳极电极之间的距离z超过1.4d((Va-Vc)/Vg)的电子发射装置、以及根据对比例2的其中阴极和阳极电极之间的距离z小于0.7d((Va-Vc)/Vg)的电子发射装置被制造。这些电子发射装置中的电势分布和所发射的电子束的轨迹被检验。

示例1中的驱动条件这样确立，即阴极电压Vc为0V，栅极电压Vg为80V，阳极电压Va为8kV，阴极和栅极电极之间的距离d为15μm，阴极和阳极电极之间的距离为1500μm。

如图4A所示，电子发射装置的驱动期间在电子发射区域之上平行于第一基板的顶表面行进的等势线彼此均匀间隔开预定距离，从而产生平坦的电势分布。因此，如图4B所示，从电子发射区域发射的电子朝向第二基板笔直地迁移，基本没有束发散。

在对比例1中，阴极电压Vc、栅极电压Vg、阳极电压Va、以及阴极和栅极电极之间的距离d确定为与有关示例1的那些相同。阴极和阳极电极之间的距离z确定为2400μm。

如图5A所示，根据对比例1的电子发射装置的运行期间，指向阳极的凸起等势线形成在电子发射区域之上。结果，如图5B所示，当电子朝向第二基板迁移时，发生了显著的束发散。

在对比例2中，阴极电压Vc、栅极电压Vg、阳极电压Va、以及阴极和栅极电极之间的距离d确定为与有关示例1的那些相同。阴极和阳极电极之间的距离z确定为750μm。

如图6A所示，根据对比例2的电子发射装置的运行期间，指向阳极的凹陷等势线形成在电子发射区域之上。结果，如图6B所示，电子穿过栅极电极时被会聚，但是然后变得过度会聚。当电子到达荧光体层时，发生显著的束发散。图6B示出电子的会聚状态。当电子朝向荧光体层进一步迁移时，束发散发生在预定位置，如图6C所示。

如上所述，对于根据本发明该实施例的电子发射装置，阴极和阳极电极6和18之间的距离不考虑该电子发射装置的驱动条件或第一基板2的结构的形状地被控制，从而在该电子发射装置的驱动期间获得平坦的电势分布。

阴极和阳极电极6和18之间的距离由第一和第二基板2和4之间的距离确定。即，从公式1导出的电极间距离基本由该电子发射装置的制造期间两个基板之间的距离得到。此外，阴极电极6、阳极电极18、以及荧光体层14具有数百至数千埃

的厚度，其与第一和第二基板2和4之间的距离相比是非常小的。阴极和阳极电极6和18之间的距离z近似于第一和第二基板2和4之间的距离。因此，当第一和第二基板2和4之间的距离用z′表示时，公式1可用下面的公式表示：

0.7d((Va-Vc)/Vg)≤z′≤1.4d((Va-Vc)/Vg) (5)

如上所述，在根据本发明的电子发射装置的各种实施例中，阴极和阳极电极之间的距离被优化，使得该电子发射装置的运行期间产生平坦的电势分布。从电子发射区域发射的电子朝向第二基板笔直地迁移同时最小化束发散，使得它们落在对应的荧光体层上，从而使它们发光。结果，采用本发明的电子发射装置，显示质量被提高，具有高分辨率。

尽管上面详细描述了本发明的示例性实施例，但是应清楚明白，对本领域技术人员来说明显的是这里教导的基本发明概念的许多变化和/或修改仍将落入所附权利要求及其等价物定义的本发明的思想和范围内。

Claims

1.一种电子发射装置，包括：

第一基板；

第二基板，其面对所述第一基板；

阴极电极，其形成在所述第一基板上；

电子发射区域，其形成在所述阴极电极上；

绝缘层和栅极电极，其形成在所述阴极电极上且具有暴露所述电子发射区域的开口；

荧光体层，其形成在所述第二基板上；以及

阳极电极，其形成在所述荧光体层的表面上，

其中所述阴极和所述阳极电极之间的距离z满足下面的条件：

0.7d((Va-Vc)/Vg)≤z≤1.4d((Va-Vc)/Vg)，

其中Vc表示施加到所述阴极电极的电压，Vg是施加到所述栅极电极的电压，Va是施加到所述阳极电极的电压，d是所述阴极和所述栅极电极之间的距离，且其中

Vc、Vg和Va用单位伏特表示，d和z用单位微米表示。

2.如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述阴极和所述栅极电极彼此垂直且在交叉区域交叉，一个或更多电子发射区域经所述阴极和栅极电极的各交叉区域设置。

3.如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述电子发射区域包括选自包括碳纳米管、石墨、金刚石、类金刚石碳、C₆₀、以及硅纳米线的组的至少一种材料。

4.如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述电子发射区域包括石墨纳米纤维。

5.如权利要求1所述的电子发射装置，其中所述阳极电极形成在所述荧光体层的面对所述第一基板的表面上，且用金属性材料形成。