（物理电子学专业论文）碳纳米管场致发射显示技术的研究.pdf

东南大学硕士论文 碳纳米管场致发射显示技术的研究 摘要 随着真空微电子学的发展，碳纳米管场发射显示( c n t - f e d ) 已经从理论研究进入到了实 际应用阶段。在平板显示领域，特别是军事领域，c n t f e d 有其固有的许多优势。 丝网印刷是制备碳纳米管场发射阴极的廉价有效的方法。本论文通过对碳纳米管浆料配 制、阴极电极的制作、阴极烧结方法和表面处理方法等技术的研究，得到了丝网印刷制备碳 纳米管场发射阴极的技术流程，并制备了碳纳米管阴极。实验中我们发现阴极上碳纳米管的 密度随着烧结温度的升高有所降低，但不明显。 结构设计在碳纳米管场发射显示技术的研究中是非常关键的。本文还采用丝网印刷的纳 米碳管阴极阵列构造了纳米碳管真空二极结构、三板结构以及双栅极的四极结构，分别进行 了各自的场致发射实验，测量了其发射特性曲线。在三极结构和四极结构中的栅极均分别采 用l g p h u i p s 公司提供的直体锥形孔和斜体锥形孔的h o ps p a c e r 。二极结构的开启电场略低 于2 v 帅，阳极电场为3 5v 岫时发射电流可以达到9 0 0 1 x a 。通过几种结构的比较，我们认为 采用斜体锥形孔h o ps p a c e r 设计的错位四极结构是目前所设计并测试的结构中最好的一种， 开启电场低于2v 姗，调制电场为3 1v m 时，阳极电流就达到了9 0 0 1 j _ a 。 本论文还对c n t - f e d 显示屏的封装技术进行了研究。研究了封装零件的预处理、低熔点 玻璃浆料的涂覆、封装零件的装配、加热封接工艺以及最后的真空除气方法。解决了封装时 碳纳米管阴极大量损失、排气管漏气、裂管等问题。成功封接二极结构的碳纳米管场发射显 示屏。 最后，本文还介绍了开发的二极结构的七段码动态显示屏和3 2 x 3 2 矩阵动态显示屏，以 及它们各自的驱动电路。实现了频率为1 h z 的“0 9 ”的七段码动态显示。其中3 2 x3 2 矩阵 动态显示采用矩阵寻址，用a l t e r a 公司的c p l d 芯片来产生逻辑控制信号和显示图像或字符 所需的数据实现了动态的汉字字符显示。荠具有显示简单的1 6 级灰度动态图像的功能。 关键词：碳纳米营，场发射显示，丝网印刷，结构设计，封装技术，二极结构动态显示屏 驱动电路 东南大擘硕士论文 碳纳米管场致发射显示技术的研完 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fv a c u u mm i c r o e l e c t r o n i c s c a r b o nn a n o t u b e sf i e l de m i s s i o nd i s p l a y ( c n t - f e d ) h a se x p e r i e n c e dt h et r a n s i t i o nf r o mf u n d a m e n t a lr e s e a t c ht oa p p l i c a t i o n i nt h ef i e l do f f l a t d i s p l a y , e s p e c i m l y f o r m i l i t a r yp u r p o s e ，c n t o f e d h a s m a n ya d v a n t a g e s o v e ro t h e r t e c h n o l o g i e s s c r e e np r i n t i n gi sal o w - c o s ta n de f f e c t i v et e c h n o l o g yt of a b r i c a t ec n tf i e l de m i s s i o nc m h o d e i nt h i st h e s i s ，b yi n v e s t i g a t i n gt h ep r e p a r a t i o no f c n t p a s t e , f a b r i c a t i n gc a t h o d ee l e c t r o d e ，t h es i n t e r o f t h ec a t h o d ea n ds u r f a c et r e a t m e n t w ef o u n daw a yt of a b r i c a t i n gc n tf i e l de m i s s i o nc a t h o d eb y s c r e e np r i n t i n g ，a n do b t a i n e ds a t i s f y i n gc n tc a t h o d e s i ne x p e r i m e n t s ，w ea l s of o u n dt h a tt h e d e n s i t yo f c n t c a t h o d ea r r a y ss l i g h t l yr e d u c e sw i t ht h er i s eo f t h es i n t e rt e m p e r a t u r e s t r u c t u r ed e s i g ni sv e r yi m p o r t a n tf o rc n t - f e d c n tc a t h o d ea r r a y sf a b r i c a t e db ys c r e e n p r i n t i n ga r eu s e dt oc o n s t r u c td i o d e f e d ，t r i o d e f e da n dd o u b l e - g a t eq u a d r o d e f e d w eh a v e d o n ee x p e r i m e n t sw i t ht h e s es t r u c t u r e sa n dm e a s u r e dt h e i rf i e l de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c w ea s et h e v e r t i c a lc o n e s h a p e dh o l eh o p s p a c e ra n dt h eo b l i q u ec o n e s h a p e dh o l eh o ps p a c e r s ，w h i c ha r e p r o v i d e db yl g - p h i l i p sd i s p l a yc o r p o r a t i o n ，a st h eg a t ee l e c t r o d e so f t r i o d ea n dq u a d r o d ef e d t b et h r e s h o l de l e c t r i cf i e l do fd i o d e - f e di sl e s st h a n2v m m ，a n dt h ee m i s s i o nc u r r e n tc a nr e a c h 9 0 0 u ai nt h ea n o d ee l e c t r i cf i e l do f3 5v p m c o m p a r i n gt h e s es t r u c t u r e s ，w et h i n kt h eb e s ti st h e i n t e r l a c e dg a t eq u a d r o d e - f e dc o n s t r u c t e dw i t ho b l i q u ec o n e - s h a p e dh o l eh o ps p a c e r i t st h r e s h o l d e l e c t r i cf i e l di sl e s st h a n2v m m ，a n dt h ea n o d ec u r r e n tc a nr e a c h9 0 0 “ai nt h em o d u l a t i n ge l e c t r i c f i e l do f 3 1v v m i nt h i st h e s i s ，t h es e a l i n gt e c h n i q u eo fc n t - f e di sa l s oi n v e s t i g a t e d i ti n c l u d e sp r e t r e a t i n g c o m p o n e n t s ，s m e a r i n gf l i t , a s s e m b l i n gc o m p o n e n t s ，f r i ts i n t e r i n ga n dv a c u u m e x h a u s t w er e s o l v e s o m e p r o b l e m si nt h es e a l i n gp r o c e s s ，s u c h a st h ei o s so f c n to nc a t h o d e ，t h el e a ko f v e n t - p i p e ，t h e f l a wo f d i s p l a yp a n e l ，a n dh a v es u c c e s s f u l l ys e a l e dd i o d ec n t - f e dd e v i c e s f i n a l l y , w e d e v e l o p s e v e ns e g m e n td i s p l a y ”d y n a m i c d i o d e f e d a n d3 2 3 2 m a t r i x d y n a m i c d i o d e - f e da n dt h e i rd r i v i n gc i r c u i t s t h e “s e v e ns e g m e n td i s p l a y ”d y r t a m i cd i o d e - f e dc a bd i s p l a y t h ef i g u r e so f “0 - - 9 ”a tt h ef r e q u e n c yo f1 h z t h e3 2 3 2m a t r i xd y n a m i cd i o d e f e da d o p t sm a t r i x a d d r e s s i n ga n dr e a l i z e s1 6g r a d a t i o n sd y n a m i cd i s p l a yo fc h i n e s ec h a r a c t e r s t h ed a t ao fd i s p l a y i m a g ea n dl o g i cc o n t r o ls i g n a la r ep r o v i d e db y c p l do f a i t e r ac o r p o r a t i o n k e y w o r d ：c a r b o nn a n o t u b e ，f i e l de m i s s i o nd i s p l a y , s c r e e np r i n t i n g ，s t r u c t u r ed e s i g n ，s e a l i n g t e c h n i q u e ，d y n a m i cd i o d e - f e d ，d r i v i n g c i r c u i t s 2 y g 4 4 3 _ 6 3 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽j 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究月 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的f 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 够日期：吐；，可 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件j 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文e 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：f 日期：芷 社 东南大学硕士论文 碳纳来管场致发射显示技术的研究 第一章绪论 1 1 平板显示器件综述 显示技术已经渗透到当今社会民用和军用的各个领域。随着信息技术的发展，对显示技 术和显示器件提出了越来越高的要求。具有百年历史的显示器件一阴极射线管( c a t h o d er a y t u b e ) ，它具有高亮度、高分辨率、全视角等优越性，已经被大量用于民用和军用领域。近期 显示器件的技术发展重点将集中在全平面化、高亮度和对比度、减小体积、降低功耗及提高 分辨率等方面。平板显示器件具有重量轻、功耗小、体积小、大屏面等优点。表1 比较了几 种不同显示器件的性能。根据其技术特点和工作原理，平板显示器件大致可以分成以下几类： 1 ) 液晶显示。该显示器件利用液晶材料的电光特性来显示信息。大屏幕的l c d 取决于有源 矩阵和p a l c 的发展情况，面亮度的提高则决定于背光源的改进。 2 ) 电致发光技术。它利用固体材料在电场或其它因素作用下发光的现象实现信息显示。其技 术发展将主要表现在单色的a c 薄膜e l 、彩色a c t f e l 、低电场下有机和无机的e l 。 3 ) 等离子体显示。目前p d p 技术的发展集中在大屏幕彩色a c p d p 、大屏幕彩色d c p d p 和 p a l c 上。 4 ) 真空荧光显示。v f d 目前主要应用于仪表显示和平式视显示系统。v f d 将向高分辨率、 多功能、全彩色等方向发展。 5 ) 场致发射显示。f e d 器件的工作原理几乎和传统c r t 相同，因此具备c r t 器件的优点。同 时，f e d 器件中采用了场致发射冷阴极，可以降低功耗，实现器件的平板化。 6 ) 投影、l e d 等其它类型显示器件。l e d 显示在高亮度与超大屏幕上是其它显示无可匹敌的。 表1 1 不同显示器件性能比较 誉型 c r tf e dl c dp d py f de ll e o 性能 外光源发 亮度 高 高较高高较低一般 光 分辨率高高高较高较高较高较差 对比度 好好一般一般较好 较好 一般 色彩丰富丰富一般一般较丰富较差一般 视角全视角 全视角小 全视角 较好全视角 较好 灰度好好一般较好不要求不要求不要求 工作电压 数万数百效伏数百数十伏数百伏数十伏 ( v ) 屏幕尺寸 0 7 、4 5 1 5 ” 1 0 0 0 ) 有更大的场增强因子， 因此，碳纳米管的开启电场很低 4 1 - 4 3 ，同时由于碳纳米管良好的力学和热学性质以及很 低的生产成本，所以目前世界上大多数研究小组均采用碳纳米管作为下一代场发射显示器件 的阴极发射材料。 东南太学硕士论文 碳纳米管场致发射显示技术的研究 1 5 碳纳米管场致发射平板显示应用前景 作为石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，碳纳米管韧性很高，导电性极强，场发射性 能优良。兼具金属性和半导体性，强度比钢离1 0 0 倍，比重只有钢的1 6 。因为性能奇特，被 科学家称为未来的“超级纤维，也成为国际研究热点。虽然成分和石墨一样，但碳纳米管 潜在用途十分诱人：可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。 它使壁挂电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片和纳米电子学中扮演极 重要的角色，从而引发一场行业革命。 由于碳纳米管具有良好的场发射性能它可以作为电子源应用于场发射显示器件。近两 年来由于对碳纳米管的理论研究和制各工艺取得了重大突破，国外的许多电子公司已经加入 到对碳纳米管场致发射显示器的研究和开发。在1 9 9 8 年报国际信息显示会议( s i d ) 上，日 本的i s e 电子公司展示了利用碳纳米管作为阴极材料的f e d 显示单元，在长达5 0 0 0 小时的寿 命实验中，其发射电流可以稳定在2 0 0 微安。1 9 9 9 年7 月在德国d a r m s t a d t 召开的第十二届 国际真空微电子会议( i v m c 9 9 ) ，将碳纳米管场发射显示器作为单独的一个专题进行了交流 和讨论。韩国s a m s u n g 公司展示了其研制的4 5 英寸碳纳米管场致发射显示器。该显示板厚 度仅为2 2 毫米，阳极工作电压8 0 0 伏，亮度高达3 5 0 c d m 2 。这些指标甚至优于目前的c r t 。 台湾工业技术研究院电子工业研究所在碳纳米管场致发射显示器研究也取得了重大的进展， 据称己研制出了可以显示动态图像的碳纳米管场致发射显示器。美国的c a n d e s c e n t ，韩国的 o r i o n 等公司都声称其在碳纳米管场发射显示器研究方面取得了重大的进展。 随着真空微电子学的发展，场发射显示器已经从理论研究进入到了实际应用阶段。在欧 美等发达国家，f e d 已经被大量用于各种军事装备。未来的场致发射显示器件将向高亮度、高 分辨率、全彩色、大尺寸方向发展。 1 6 论文的选题及主要工作 场致发射显示技术作为一种平板显示技术，近年来成为显示技术研究领域内的热点，目 前以s p i n d t 金属微尖作为场致发射体的f e d 显示器件已经有商品问世，但是由于其制作成本 相当昂贵，所以如何实现大屏幕始终是f e d 的技术瓶颈。自从9 1 年发现碳纳米管以来，随 着对碳纳米管研究的深入碳纳米管以其优良的场发射性质成为近年来场致发射器件阴极材 料的研究热点目前国际上已经有采用碳纳米管作为场发射阴极的显示器样机，国内对碳纳 米管发射性能的研究整体上还处于起步阶段，如果我国加大对碳纳米管场发射阴极及场发射 显示器件的研究扶持力度，我们完全可以在该领域中赶上世界先进水平a 由于碳纳米管具有上述优点，对f e d 平板显示器件和碳纳米管冷阴极材料的研究具有很 强的科学探索性和广阔的应用背景。本论文将研究碳纳米管在场致发射平板显示器件中的应 用，其内容包括：利用丝网印刷方法制备碳纳米管阴极阵列研究了碳纳米管阴极的在不同 结构下的场发射特性，测量并给出了其场发射特性曲线；还对二极结构、三极结构和双栅极 结构的c n t f e d 进行了研究，得出了不同结构下c n t - f e d 的各种特性曲线；实现了二极结构 碳纳米管场致发射显示屏的封装，初步实现了动态字符显示。 本文的主要工作如下： 1 首先在第= 章中研究了的丝网印刷方法制备碳纳米管阴极阵列的方法。通过对碳纳米管粗 体的提纯、分散后配制了碳纳米管丝印浆料，并进行了过滤处理。运用掩膜光刻的方法制 作了i t o 膜阴极电极，用在i t o 膜电极旁边再印一条银电极的办法解决了i t o 膜电极容 东南大学硕士论文 碳纳米管场致发射显示技术的研究 易被打断的问题。研究了对碳纳米管阴极进行了表面处理的方法。通过以上几个方面，制 备了高性能的碳纳米管场致发射阴极并得到较好的制备工艺。 2 第三章研究了碳纳米管场致发射的结构设计。我们用丝网印刷的纳米碳管阴极阵列构造了 纳米碳管真空二极结构、三极结构以及双栅极的四极结构，分别进行了各自的场致发射实 验，测量了其发射特性曲线，在三极结构和四极结构中的栅极均分别采用l g p h i l i p s 公司 提供的直体锥形孔和斜体锥形孔的h o ps p a c e r 。通过对二极结构、三级结构和双栅极四极 结构进行研究，从结构上找出降低碳纳米管场致发射显示的信号调制电压和开启场强的方 法。 3 第四章则主要研究了碳纳米管场发射显示屏的封装技术。包括了封装零件的预处理、低熔 点玻璃浆料的涂覆、封装零件的装配、加热封接工艺以及最后的真空除气技术。在封装技 术的研究中，解决了封装过程中由于大量有机浆料挥发形成气流使得碳纳米管阴极大量损 失的问题、封装中的排气管漏气问题以及在排气时裂管的问题。成功封接了二极结构的碳 纳米管场发射显示屏。 4 在第五章中进一步开发t - - - 极结构的碳纳米管场发射七段码动态显示屏和3 2 3 2 矩阵动 态显示屏，并设计了他们各自的驱动电路，分别实现了频率为i h z 的“0 g ”的七段码动 态显示，以及3 0 3 0 矩阵f e d 实现了动态的汉字字符显示，并具有显示简单的1 6 级灰度 动态图像的功能。 参考文献 f 1 r h f o w l e r a n dl w n o r d h e i m 【c 】p r o c r o y s o c l o n d o n ，1 9 2 8 ，a1 1 9 ：1 7 3 f 2 f a ns ，c h a p l i n em g f r a n k l i nn 1 lt o m b l e rt w ：c a s s e l la m ，d a ih ，s e l f - o r i e n t e dr e g u l a ra r r a y s o f c a r b o n n s n o t u b e s a n d t h e i r e m i s s i o n p r o p e r t i e s j s c i e n c e1 9 9 9 口8 3 ：5 1 2 - 5 1 4 【3 k y o k o o ，h i s h i z u k a ，r fa p p l i c a t i o n su s i n g f i e l de m i t t e ra r r a y s ( f e a s ) d i g e s to f l v m c 9 6 , 】9 9 6 ，4 9 0 - 5 0 0 【4 】k o s m a h l ，h ga w i d e - b a n d w i d t hh i g h - g a i n a l l s i z ed i s t r i b u t e da m p l i f i e rw i t hf i e l d - e m i s s i o n t r i o d e s ( f e t r o d e s ) f o r t h el ot o3 0 0g h z f r e q u e n c yr a n g e 阴i e e et r a n s e d 1 9 8 9 ，v 0 1 ( 3 6 ) 1 l ： 2 7 2 8 - 2 7 3 7 【5 1 cas p i n & ，b r o d i ei ，h u m p h r e yl ，e ta 1 p h y s i c a lp r o p e r t i e so f t h i nf i l mf i e l de m i s s i o n c a t h o d e w i t hm o l y b d e n u mc o n e s - qz a p p l p h y s ，1 9 7 6 ，4 7 ( 2 ) ：5 2 4 8 5 2 6 3 6 r h f o w l e ra n dl ，w n o r d h e i m 【c 】p r o c r o y s o c l o n d o n ，1 9 2 8 ，a1 1 9 ：1 7 3 【7 c j e d g c o m b e ，u v a l d r e t h ee n h a n c e m e n t f a c t o ra n dt h ec h a r a c t e r i z a t i o no fa m o r p h o u sc a r b o n f i e l de m i t t e r s 【j 】s o l i d - s t a t ee l e c t r o n i c s2 0 0 1 ，4 5 ( 6 ) ：8 5 7 8 6 3 【8 8 c h r i s t o p hn 0 t z e n a d e l ，o l i v i e rm ，k i i t t e l ，o l i v e ro r 6 n i n g ，a n dl o u i ss c h l a p b a c h 【j a p p l p 枷 l e t t 1 9 9 6 ，6 9 ( 1 8 ) ，2 6 6 2 - 2 6 6 4 f 9 1w ：z h u c b o w e r , o z h o u ，gk o c h a n s k ia n ds j i n ，l a l 謦e c u r r e n td e n s i t yf r o mc a r b o n n a n o t u b ef i e l de m i t t e r s j a p p l ? h y sl e t t 1 9 9 9 ，7 5 ( 6 ) ：8 7 3 - 8 7 5 【1 0 i g a j a m a r u t u n g a , m b a x e n d a l e ，n r u p e s i n g h e , m c h h o w a l l a , a n di a l e x a n d r o u ， f c p r o c e e d i n go fa p p l i e dd i a m o n dc o n f e r e n c e f r o n t i e rc a r b o nt e c h n o l o g y j o i n tc o n f e r e n c e 1 9 9 9 ，e d s m y o s h i k a w a , y k o g a ，y t z e n g ，c 一ek l a g e s ，a n dk m i y o s h i ，m y ，k k ，t o k y o ， j a p a n ，1 9 9 9 ，3 3 5 - 3 3 9 【l l 】r n t h o m a s ，a n dh c n a t h a n s o n l 【j 1p 啪l e t t ，1 9 7 2 ，2 1 ，3 8 4 - 3 8 6 【1 2 】d t e m p l e ，w d p a l m e r , l n y a d o n ，j e m a n c u s i ，d v e l l e n g aa n dg e m c g u i r e ，f j 】j v a c 1 4 东南大学硕士论文 碳纳米管场致发射显示技术的研究 & t t e c h n 0 1 b ，1 9 9 8 ，1 6 ，1 9 8 0 - 1 9 9 0 【1 3 ) b c d j u b u a a n d n 。n c b n b u n j i e e