前栅极碳纳米管场发射显示板关键结构参数的研究
前栅极碳纳米管场发射显示板是一种常用的场致发射器件。该器件通过栅极与阴极之间形成的电场产生场致发射电子,在阳极高压的作用下,电子从电场中获得能量,轰击荧光粉产生可见光。本文采用模拟计算的方法研究了标准结构场发射区域内的电场分布、阴极表面的发射情况、电子轨迹和着屏束斑。并研究了关键结构参数在公差范围内变化对阴极发射特性和阳极着屏束斑的影响。计算结果显示,阴极发射状况和阳极束斑对结构参数的变化非常敏感,也证明了前栅极结构对工艺要求十分严格。
场发射显示板FED 是一种真空电子器件,由阴极发射的电子轰击荧光粉产生图像。因其具备与阴极射线管CRT(Cathode Ray Tube) 类似的发光原理及亮度高、功耗小、视角宽等优点一直成为平板显示器的一个研究热点。由于二极FED 亮度低,灰度再现性能差,使其作为显示器有很大的局限性。更多的研究机构将研究的重点放在三极FED 上,即由阴极、栅极和阳极组成的基本结构。三极FED 按栅极位置的不同,大致可分为前栅极和后栅极两种。两种结构的场发射显示各有其优缺点,前栅极FED 在制造过程中容易破坏场致发射源,而后栅极的发射均匀性难以保证 。因此在很长一段时间内对这两种结构的研究将同时存在,也有一些研究机构在这两种结构的基础上发展出新的结构 。而碳纳米管CNT 在电流密度,工作电压和发射点密度方面都具有良好的性能,因此利用碳纳米管作为发射源制作场发射显示屏成为热点 。本文重点是采用模拟计算的方法研究前栅极CNT FED 的工作特性及重要结构参数对其工作特性的影响。
1、工作原理
前栅极CNT FED 的结构剖面图如图1 所示该显示板由前基板、后基板对向组装而成,通过支撑体阵列来保持固定的距离。前基板上制作阳极、荧光粉;后基板上依次为条形阴极、介质层和垂直于条形阴极的条形栅极。阴极上制作有碳纳米管,基于作者实验室采用丝网印刷方法制备碳纳米管阴极的实验,我们对这样的结构进行模拟计算。
图1 前栅极CNT FED 的剖面图
阴极产生的场致发射电子穿过栅极开口流向阳极。通过调制栅极与阴极之间形成的电场产生场致发射电子,在阳极高压的作用下,电子从电场中获得能量,轰击荧光粉产生可见光。通过对相互垂直的阴极、栅极扫描寻址,逐行显示,亮度由调制阴极发射时间来控制。与二极结构相比,三极结构由于栅极与阴极之间距离小,因此所需调制电压较低,阳极上无需进行高压调制。但是由于介质层和栅极的制作在生成或制作阴极场致发射源之后,在制造过程中容易破坏场致发射源。
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7、结论
本文采用计算机数值模拟的方法对前栅极碳纳米管场发射显示板的工作特性进行了研究。研究内容包括栅极工作电压的确定,关键结构参数即介质厚度、栅极开口尺寸及栅极对准偏差对阴极发射和阳极束斑的影响。通过研究可以发现,介质厚度在公差范围内的变化对阴极发射状况和阳极束斑影响不大。而阴极发射状况和阳极束斑对栅极开口尺寸和栅极对准偏差在公差范围内的变化非常敏感,而这些部分正是前栅极结构场发射显示板制作的难点和关键。模拟计算结果证明了前栅极结构对工艺要求十分严格。
