專利名稱：場(chǎng)電子發(fā)射材料和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場(chǎng)電子發(fā)射材料和使用這種材料的裝置。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的場(chǎng)電子發(fā)射中，材料表面的強(qiáng)電場(chǎng)(例如，≈3×109Vm-1)把表面勢(shì)壘的厚度減少到能使電子由于量子力學(xué)隧道效應(yīng)而離開材料的水平。使用原子邊界點(diǎn)來(lái)集中宏觀電場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)必需的條件。還可使用具有低逸出功的表面來(lái)進(jìn)一步增加場(chǎng)電子發(fā)射電流。由眾所周知的Fowler-Nordheim公式來(lái)描述場(chǎng)電子發(fā)射度量(metrics)。
這是與基于尖端(tip)發(fā)射體非常相關(guān)的已有技術(shù)，發(fā)射體這個(gè)詞描繪了利用來(lái)自邊界點(diǎn)(尖端)的場(chǎng)電子發(fā)射的電子發(fā)射體和發(fā)射陣列。本領(lǐng)域的工作人員的主要目的是遠(yuǎn)離每一個(gè)單個(gè)的發(fā)射尖端而放置孔徑小于1微米的電極(控制極(gate))，從而使用所加的100V或更小的電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的強(qiáng)電場(chǎng)-這些發(fā)射體叫做選通陣列。它的第一個(gè)實(shí)際例子由在加利福尼亞州斯坦福研究學(xué)院工作的C.A.Spindt進(jìn)行了描述(J.Appl.Phys.39(7)，3504-3505，1968)。Spindt的陣列使用鉬發(fā)射尖端，該尖端是使用自掩模技術(shù)通過(guò)把金屬真空蒸發(fā)到Si襯底上SiO2層的圓柱形凹坑而產(chǎn)生的。
在十九世紀(jì)七十年代，產(chǎn)生類似結(jié)構(gòu)的另一種方案是使用定向固化的共熔合金(DSE)。DSE合金具有一種金相，其形式為在其它金屬型片中排列了纖維。可對(duì)該型片進(jìn)行重新蝕刻而留下凸起的纖維。在蝕刻后，通過(guò)對(duì)絕緣和導(dǎo)電層依次進(jìn)行真空蒸發(fā)來(lái)產(chǎn)生門結(jié)構(gòu)。在尖端上形成的蒸發(fā)材料起到掩模的作用，在凸起的纖維周圍留下環(huán)形的空隙。
現(xiàn)在參考附1和2，對(duì)已有技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的討論，其中

圖1示出一個(gè)場(chǎng)電子發(fā)射顯示器的基本元件，圖2示出另一個(gè)場(chǎng)電子發(fā)射顯示器的理論上的配置。
一個(gè)重要方案是使用硅微型工程學(xué)來(lái)產(chǎn)生控制(gated)陣列。目前正在制造實(shí)現(xiàn)此技術(shù)的場(chǎng)電子發(fā)射顯示器，它是全世界許多組織的興趣所在。圖1示出這種顯示器的基本元件，其中把正電勢(shì)加到控制電極2，從尖端1提取場(chǎng)電子發(fā)射電流。由較高的電勢(shì)對(duì)所提取的電子進(jìn)行加速，以達(dá)到前面板上導(dǎo)電條3上的形成圖案的熒光物質(zhì)。通過(guò)使交叉配置的水平和豎直條賦能而對(duì)像素進(jìn)行尋址。該裝置的周邊被密封起來(lái)并抽空。
基于所有尖端的發(fā)射系統(tǒng)所存在的主要問(wèn)題是它們易受到離子轟擊、高電流下的歐姆加熱的破壞以及裝置中電擊穿所產(chǎn)生的嚴(yán)重破壞。制造大面積的裝置不但困難而且費(fèi)錢。
大約在1985年，發(fā)現(xiàn)在氫-甲烷氣氛中，加熱的襯底上可生長(zhǎng)金剛石薄膜，以提供大面積的場(chǎng)發(fā)射體。
在1991年，Wang等人報(bào)告(Electron.Lett.，1991，27，pp 1459-1461)可以低達(dá)3MVm-1的電場(chǎng)從大面積金剛石薄膜中獲得場(chǎng)電子發(fā)射電流。相信這種性能是由金剛石的小平面(111)中負(fù)電子的親和力以及偶然的局部石墨雜質(zhì)的高密度相結(jié)合而引起的(Xu，Latham and TzengElectron..Lett.1993，29，pp 1596-159)。
現(xiàn)在可使用激光燒蝕和離子束技術(shù)在室溫的襯底上生長(zhǎng)金剛石含量高的涂層。然而，所有這些工藝都利用了資金昂貴的設(shè)備。
美國(guó)的S.I.Diamond描述了一種場(chǎng)電子發(fā)射顯示器(FED)，它把一種叫做Amorphic Diamond的材料用作電子源。該材料是把石墨通過(guò)激光燒蝕到襯底上而制造的。圖2示出這種顯示器中理論上的配置。襯底4具有帶有Amorphic金剛石發(fā)射斑點(diǎn)(patch)6的導(dǎo)電條5。前面板8具有加有熒光物質(zhì)圖案(未示出)的透明導(dǎo)電跡線(track)7。使用交叉方案對(duì)像素進(jìn)行尋址。把負(fù)向波形9加到導(dǎo)電條5并把正向波形加到導(dǎo)電條7。使用正和負(fù)向波形減少驅(qū)動(dòng)電子時(shí)半導(dǎo)體的峰值電壓額定值，而且保證不激發(fā)鄰近的像素。該裝置的周邊密封起來(lái)并抽空。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到Composite Field Emitters，來(lái)自平坦金屬表面的場(chǎng)電子發(fā)射的電流條件示出有效場(chǎng)要么是掩埋的介電粒子所形成的金屬-絕緣體-真空(MIV)結(jié)構(gòu)，要么是位于金屬的表面氧化物上的導(dǎo)電小片。在兩種情況下，電流都來(lái)自于對(duì)電子進(jìn)行加速而導(dǎo)致準(zhǔn)熱離子發(fā)射的熱電子過(guò)程。這在科學(xué)著作中進(jìn)行了描述(例如，Latham，High Voltage Vacuum Insulation，Academic Press 1995)。
在1988年(S Bajic and R V Latham J.Appl.Phys.21(1988)200-204)，描述了實(shí)際使用以上機(jī)制的材料。該合成材料產(chǎn)生高密度的金屬-絕緣體-金屬-絕緣體-真空(VIMIV)發(fā)射位置。該合成器具有分布于環(huán)氧樹脂中的導(dǎo)電粒子。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的旋涂技術(shù)把涂層加到表面。
相信如下產(chǎn)生發(fā)射過(guò)程。首先，環(huán)氧樹脂在粒子和襯底之間形成阻擋接觸。粒子的電壓將升高到它所測(cè)得的最高等電勢(shì)-這叫做天線效應(yīng)。在一確定的所加電壓處，該電壓將變得足夠高，以在粒子和襯底之間產(chǎn)生一電形成的導(dǎo)電溝道。然后，粒子的電勢(shì)快速地向陰極的電勢(shì)變化。然后粒子上的剩余電荷產(chǎn)生一強(qiáng)電場(chǎng)，該電場(chǎng)產(chǎn)生電形成的第二溝道以及有關(guān)的MIV熱電子發(fā)射位置。在此接通過(guò)程后，可從該發(fā)射位置抽出可逆的場(chǎng)發(fā)射電流。該材料的電流密度/電場(chǎng)性能等價(jià)于昂貴得多的激光燒蝕工藝所產(chǎn)生的大面積金剛石發(fā)射體的性能。
Bajic和Latham對(duì)樹脂-碳化合物進(jìn)行了研究。雖然它們考慮使用其它材料，但這些材料總是具有樹脂的化合物(supra and Inst Phys Conf Ser No 99；Section 4-pp 101-104，1989)。環(huán)氧樹脂提供了便于研究的材料，尤其是考慮到其粘性，從而便于把粒子放置和保存在化合物或多層結(jié)構(gòu)中的所需位置。然而，Bajic和Latham所制造的材料的穩(wěn)定性差而且在密封的真空裝置中的工作也不令人滿意。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的較佳實(shí)施例旨在提供節(jié)約成本的大面積場(chǎng)發(fā)射材料以及利用這種材料的裝置?？墒褂眠@些材料的裝置包括場(chǎng)電子發(fā)射顯示器面板；諸如電子MASERS和振動(dòng)陀螺儀等高功率脈沖裝置；諸如CFA等交叉場(chǎng)微波管；諸如速調(diào)管等線性束射管；x射線閃光管；觸發(fā)火花隙及其相關(guān)裝置；用于殺菌的大面積x射線管；真空計(jì)；用于航天器的離子推進(jìn)器；粒子加速器；臭氧發(fā)生器；以及等離子體反應(yīng)堆。
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種場(chǎng)電子發(fā)射材料，它包括導(dǎo)電襯底；位于該襯底上掩埋入、形成或涂敷有一層無(wú)機(jī)絕緣材料的至少一個(gè)導(dǎo)電粒子，以限定粒子和襯底之間第一厚度的絕緣材料以及粒子和外界(其中有這種材料)之間第二厚度的絕緣材料，所述厚度之間的所述粒子的尺寸明顯大于每個(gè)所述厚度。
“明顯大于”這個(gè)詞意味著所述粒子的所述尺寸至少是每個(gè)所述厚度的兩倍。
使用無(wú)機(jī)絕緣材料已提供了意外的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，在上下文中并未暗示這種材料是絕緣體，因?yàn)?，與諸如環(huán)氧樹脂等材料相比，用它們來(lái)工作相對(duì)困難。然而，在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，通過(guò)在無(wú)機(jī)絕緣材料中使用導(dǎo)電粒子，可實(shí)現(xiàn)具有令人驚異的優(yōu)良穩(wěn)定性和性能的發(fā)射材料。
所述粒子的所述尺寸最好至少是每個(gè)所述厚度的10倍。
所述粒子的所述尺寸最好至少是每個(gè)所述厚度的100倍。
在一個(gè)較佳例子中，所述厚度可以是100的數(shù)量級(jí)，所述粒子尺寸可以是100微米的數(shù)量級(jí)。
可提供基本上為單層的所述導(dǎo)電粒子層，每個(gè)粒子的最長(zhǎng)尺寸在0.1微米到400微米的范圍內(nèi)。
所述無(wú)機(jī)絕緣材料最好包括除金剛石以外的材料。
所述無(wú)機(jī)絕緣材料最好包括玻璃、鉛基玻璃、玻璃陶瓷、熔融玻璃或其它玻璃質(zhì)材料、陶瓷、氧化陶瓷、氧化表面、氮化物、氮化表面或硼化物陶瓷。
所述無(wú)機(jī)絕緣材料可包括基本上未摻雜的金剛石。
基本上未摻雜的金剛石意味著金剛石未經(jīng)過(guò)人為摻雜，以便于電流通過(guò)。
以上的場(chǎng)電子發(fā)射材料可包括多個(gè)所述導(dǎo)電粒子，這些粒子最好沿基本上與襯底垂直的其最長(zhǎng)尺寸排列。
以上的場(chǎng)電子發(fā)射材料可包括多個(gè)導(dǎo)電粒子，所述粒子的相互間隔在其最長(zhǎng)尺寸的5到15倍范圍內(nèi)。
以上的場(chǎng)電子發(fā)射材料可包括這樣的結(jié)構(gòu)，其中所述無(wú)機(jī)絕緣材料層包括絕緣型片，還提供了多個(gè)所述導(dǎo)電粒子作為基本上支撐在所述絕緣型片中的導(dǎo)電纖維陣列，暴露的纖維末端基本上與絕緣型片共面，暴露的纖維末端和共面的型片基本上覆蓋有絕緣次層。
可利用導(dǎo)電介質(zhì)把所述結(jié)構(gòu)粘到所述導(dǎo)電襯底上。
纖維的長(zhǎng)度最好在1微米到2毫米范圍內(nèi)，其直徑最好在0.5微米到100微米范圍內(nèi)。
纖維間的間隔最好在纖維長(zhǎng)度的5到15倍范圍內(nèi)。
可由一片定向固化的共熔材料來(lái)形成纖維陣列。
最好在所述結(jié)構(gòu)兩個(gè)相對(duì)表面中的每個(gè)表面上都提供各個(gè)所述絕緣次層。
該絕緣次層或每個(gè)絕緣次層的厚度最好在50到2微米的范圍內(nèi)。
該絕緣次層或每個(gè)絕緣次層可包括玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、氧化陶瓷、氮化物、硼化物陶瓷或金剛石。
導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電率最好使通過(guò)粒子的發(fā)射電流的電勢(shì)降落足以把粒子發(fā)射點(diǎn)處的電場(chǎng)減小一定的量，從而控制發(fā)射電流。
所述粒子最好包括或至少一些所述粒子最好包括碳化硅、碳化鉭、碳化鉿、碳化鋯、鈦的Magneli低價(jià)氧化物、半導(dǎo)體硅、III-V族化合物和II-VI族化合物。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種依據(jù)以上本發(fā)明的任一個(gè)方面而形成場(chǎng)電子發(fā)射材料的方法，它包括把所述導(dǎo)電粒子或每個(gè)所述導(dǎo)電粒子置于所述導(dǎo)電襯底上的步驟，所述導(dǎo)電粒子或每個(gè)所述導(dǎo)電粒子掩埋入、形成或涂敷有所述無(wú)機(jī)絕緣材料層。
最好通過(guò)印刷工藝把所述導(dǎo)電粒子(們)和/或無(wú)機(jī)絕緣材料加到所述導(dǎo)電襯底上。
以上方法可包括把較大和較小粒子的混合物燒結(jié)或結(jié)合在一起的步驟，較大的粒子包括多個(gè)所述導(dǎo)電粒子，較小的粒子形成所述無(wú)機(jī)絕緣材料層。絕緣材料可包括玻璃陶瓷、陶瓷、氧化陶瓷、氮化物、硼化物或金剛石。
以上方法可包括依次把絕緣薄膜、導(dǎo)電粒子層還有絕緣薄膜加到襯底上的步驟。絕緣材料可包括陶瓷、氧化陶瓷、氧化物、氮化物、硼化物或金剛石。
以上方法可包括把絕緣涂層直接加到多個(gè)所述導(dǎo)電粒子中的每個(gè)粒子上，然后用玻璃材料或釬接把經(jīng)涂敷的粒子固定到襯底上的步驟。絕緣材料可包括玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、氧化陶瓷、氧化物、氮化物、硼化物或金剛石。
所述無(wú)機(jī)絕緣材料層可包括多孔的絕緣體，所述方法可包括以導(dǎo)電材料填充多孔絕緣體的孔以提供多個(gè)所述導(dǎo)電粒子的步驟。
以上方法可包括在所述多孔絕緣體的相對(duì)表面上形成兩個(gè)無(wú)機(jī)絕緣材料的外次層的步驟，從而所述多孔絕緣體包括所述兩個(gè)無(wú)機(jī)絕緣材料的外次層之間的中間次層。
本發(fā)明可擴(kuò)展到由以上任一種方法所制造的場(chǎng)電子發(fā)射材料。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種場(chǎng)電子發(fā)射裝置，它包括依據(jù)以上本發(fā)明任一個(gè)方面的場(chǎng)電子發(fā)射材料。
以上的場(chǎng)電子發(fā)射裝置可包括具有所述場(chǎng)電子發(fā)射材料的發(fā)射體斑點(diǎn)陣列的襯底以及具有對(duì)準(zhǔn)的小孔陣列的控制電極，該電極由絕緣層支撐在發(fā)射體斑點(diǎn)上。
以上的場(chǎng)電子發(fā)射裝置可包括等離子體反應(yīng)堆、電暈放電裝置、靜音放電裝置或臭氧發(fā)生器。
以上的場(chǎng)電子發(fā)射裝置可包括電子源、電子槍、電子裝置、x射線管、真空計(jì)、充氣裝置或離子推進(jìn)器。
場(chǎng)電子發(fā)射材料可提供操作裝置用的總電流。
場(chǎng)電子發(fā)射材料可對(duì)裝置提供啟動(dòng)、觸發(fā)或點(diǎn)火電流。
以上的場(chǎng)電子發(fā)射裝置可包括顯示裝置。
以上的場(chǎng)電子發(fā)射裝置可包括燈。
所述燈最好基本上是平面的。
可把場(chǎng)電子發(fā)射材料加到斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)在使用中經(jīng)由電阻器連到所加的陰極電壓。
所述電阻器最好用作位于每個(gè)發(fā)射斑點(diǎn)下的電阻性焊接區(qū)(pad)。
可在每個(gè)發(fā)射斑點(diǎn)下提供各個(gè)所述電阻性焊接區(qū)，從而每個(gè)這種電阻性焊接區(qū)的面積大于各個(gè)發(fā)射斑點(diǎn)的面積。
最好把所述發(fā)射體材料和/或熒光物質(zhì)涂敷到導(dǎo)電跡線的一個(gè)或多個(gè)一維陣列上，所述跡線排列成可被電子驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)尋址，從而產(chǎn)生一掃描發(fā)光線。
這種場(chǎng)電子發(fā)射裝置可包括所述電子驅(qū)動(dòng)裝置。
環(huán)境可以是氣體、液體、固體或真空。
以上的場(chǎng)電子發(fā)射裝置可包括裝置內(nèi)的吸氣材料。
所述吸氣材料最好附加到陽(yáng)極。
所述吸氣材料可附加到陰極。如果場(chǎng)電子發(fā)射材料配置成斑點(diǎn)，所述吸氣材料可置于所述斑點(diǎn)內(nèi)。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種場(chǎng)發(fā)射顯示裝置，它包括陽(yáng)極、陰極、所述陽(yáng)極和陰極上的襯墊位置(這些襯墊位于至少一些所述襯墊位置處，以把所述陽(yáng)極與所述陰極隔開)以及位于其它所述襯墊位置處的吸氣材料。
在本說(shuō)明書的上下文中，“襯墊位置”這個(gè)詞意味著適于放置把陽(yáng)極與陰極隔開的襯墊的位置，它與在該襯墊位置處是否放置了襯墊無(wú)關(guān)。
所述襯墊位置最好處于規(guī)則的或周期性的相互間隔。
在以上的場(chǎng)發(fā)射顯示裝置中，所述陰極可以是半透光的并相對(duì)于陽(yáng)極如此配置，從而從陰極發(fā)射的電子射到陽(yáng)極上，以在陽(yáng)極處引起場(chǎng)致發(fā)光，通過(guò)半透光的陽(yáng)極可看到此場(chǎng)致發(fā)光。
應(yīng)理解，電學(xué)詞匯“導(dǎo)電”和“絕緣”可以是相對(duì)的，這要以其測(cè)量值為基礎(chǔ)。半導(dǎo)體具有有用的導(dǎo)電特性，事實(shí)上半導(dǎo)體在本發(fā)明中可用作導(dǎo)電粒子。在本說(shuō)明書的上下文中，所述導(dǎo)電粒子或每個(gè)所述導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電率至少是無(wú)機(jī)絕緣材料導(dǎo)電率的102倍(最好至少為103或104倍)。
在本說(shuō)明書的上下文中，“無(wú)機(jī)絕緣材料”這個(gè)詞包括具有有機(jī)雜質(zhì)的無(wú)機(jī)材料，尤其是包括薄膜金剛石。附圖概述為了更好地理解本發(fā)明以示出本發(fā)明的實(shí)施例如何奏效，現(xiàn)在參考附圖3到13的例子，其中圖3a示出改進(jìn)的場(chǎng)電子發(fā)射材料的一個(gè)例子；圖3b示出與圖3a的材料不同的材料；圖4示出使用改進(jìn)的場(chǎng)電子發(fā)射材料的選通陣列；圖5示出制造改進(jìn)的場(chǎng)電子發(fā)射材料的另一種方法；圖6a示出經(jīng)涂敷的導(dǎo)電粒子；圖6b示出改進(jìn)的場(chǎng)電子發(fā)射材料的一個(gè)例子，該材料使用圖6a所示經(jīng)涂敷的導(dǎo)電粒子；圖6c示出改進(jìn)的場(chǎng)電子發(fā)射材料的另一個(gè)例子，該材料使用圖6a所示經(jīng)涂敷的導(dǎo)電粒子；圖7a示出使用改進(jìn)的場(chǎng)電子發(fā)射材料的場(chǎng)電子發(fā)射顯示器；圖7b和7c是示出圖7a中顯示器局部變化的細(xì)節(jié)圖；圖8a示出使用改進(jìn)的場(chǎng)電子發(fā)射材料的平面燈，而圖8b示出其細(xì)節(jié)；圖9示出制造改進(jìn)的場(chǎng)電子發(fā)射材料的另一種方法；圖10a示出本發(fā)明的另一個(gè)高性能實(shí)施例；圖10b示出圖10a中實(shí)施例的細(xì)節(jié)；圖11示出圖10a和10b實(shí)施例的變形；圖12a示出導(dǎo)電粒子中的自緩沖效應(yīng)；圖12b示出對(duì)具有石墨和碳化硅斑點(diǎn)的發(fā)射體測(cè)得的電壓-電流特性；圖13示出彩色顯示器中的兩個(gè)像素，該顯示器利用具有控制電極的三極管系統(tǒng)；圖14示出以吸氣材料替代襯墊的顯示器；圖15示出吸氣劑斑點(diǎn)位于發(fā)射體斑點(diǎn)內(nèi)的顯示器；圖16示出用于制造MIMIV發(fā)射體的吸氣劑粒子；圖17a和17b示出制造具有多孔絕緣層結(jié)構(gòu)的各個(gè)方法；圖18示出通過(guò)發(fā)射體層有光輸出的轉(zhuǎn)換率高的場(chǎng)電子燈；以及圖19示出電極系統(tǒng)的子像素，其中已減少了發(fā)射體間隔的控制極。本發(fā)明的較佳實(shí)施方式本發(fā)明所示出的實(shí)施例提供了以MIMIV發(fā)射過(guò)程為基礎(chǔ)的材料以及使用這些材料的裝置，這些材料具有改進(jìn)的性能和實(shí)用性。
電形成的溝道中的加熱效應(yīng)限制了從MIV和MIMIV發(fā)射體中可獲得的平均電流。此外，溫度增加使材料退化，改變其性能并引起不穩(wěn)定或重大的差錯(cuò)。
由以下公式來(lái)描述溝道(ΔT)中溫度的升高ΔT＝2β2E0I/πKεrlog(1/a)這里，β2是溝道的幾何形狀所引起的場(chǎng)增強(qiáng)因子；E0是間隙場(chǎng)；I是溝道中流動(dòng)的電流；K是介質(zhì)的熱導(dǎo)電率；εr是介質(zhì)的介電常數(shù)；a是溝道半徑；1是溝道長(zhǎng)度。
圖3a示出一種改進(jìn)的材料，在導(dǎo)電襯底13上的諸如玻璃12等無(wú)機(jī)型片上有導(dǎo)電粒子11。與常規(guī)的結(jié)構(gòu)相比，此結(jié)構(gòu)把型片12的熱導(dǎo)電率增加了將近四倍。同樣重要的是無(wú)機(jī)型片的熱穩(wěn)定性。這兩個(gè)因素相結(jié)合，能生產(chǎn)出在溝道加熱引起不穩(wěn)定或差錯(cuò)前可提供電流明顯較高的材料。無(wú)機(jī)型片也消除了高氣化壓有機(jī)材料，使這種材料可用于密封的真空裝置。對(duì)于絕緣襯底13，在被涂敷前加上一導(dǎo)電層14?？捎酶鞣N方法，包括真空和等離子體涂敷、電鍍、無(wú)電鍍敷和基于印劑的方法等來(lái)加上導(dǎo)電層14，但不限于這些方法。
由導(dǎo)電溝道15范圍內(nèi)粒子高度16與型片厚度的比值來(lái)確定接通電形成溝道所需的持續(xù)電場(chǎng)。對(duì)于最小的接通電場(chǎng)，導(dǎo)電溝道處型片12的厚度應(yīng)明顯小于粒子高度。導(dǎo)電粒子一般在0.1微米到400微米的范圍內(nèi)，最好具有小尺寸分布，但不限于此。
通過(guò)燒結(jié)大導(dǎo)電粒子50與絕緣粒子51(明顯較小)的混合物來(lái)形成這種形式的結(jié)構(gòu)(圖3b)。雖然可使用廣泛的其它材料，但合適的絕緣材料的例子是玻璃陶瓷、氧化陶瓷、氮化物、硼化物。對(duì)于高電流的應(yīng)用，可使用諸如氮化鈹和氮化鋁等熱導(dǎo)電率高的材料來(lái)提高性能。
也可熔化具有良好流動(dòng)性的玻璃(諸如鉛化玻璃)與粒子來(lái)產(chǎn)生該結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)在圖3a中示出。使用玻璃材料，可提高改變?nèi)紵陂g的時(shí)間/溫度曲線來(lái)控制溝道區(qū)域的厚度。
為了以受控的方式加上這種材料，該材料可形成具有無(wú)殘留粘合劑的印劑，它類似于用于混合電子電路的材料。這種粘合劑可具有光致抗蝕性，以通過(guò)光刻術(shù)進(jìn)行構(gòu)圖。使用如此制備的印劑，可使用諸如絲網(wǎng)印刷等混合微電路技術(shù)把發(fā)射體加到這些構(gòu)圖中?？墒褂玫钠渌┘臃椒òㄆ普障嘈g(shù)、印劑噴印、靜電涂敷(具有任選光致抗蝕劑)、靜電印刷術(shù)、電刷涂敷、電泳、等離子體或火焰噴涂或沉積法等，但不限于此。于是，可把場(chǎng)發(fā)射材料印刷到合適的襯底上，從而給經(jīng)濟(jì)地制造顯示器提供了新的機(jī)會(huì)。
可從回流玻璃材料、粒子(具有任選小尺寸分布)、分散劑和粘合劑的混合物來(lái)形成合適的印劑。這種回流玻璃材料一般以聚硅氧烷為基礎(chǔ)，它還可用于半導(dǎo)體工業(yè)。然而，也可使用以其它回流玻璃為基礎(chǔ)的化合物。
圖5示出產(chǎn)生所需結(jié)構(gòu)的另一種方法?？赏ㄟ^(guò)在其上涂敷絕緣襯底而制造的導(dǎo)電襯底24具有淀積在其上的絕緣薄膜25?？赏ㄟ^(guò)基于真空或等離子體的涂敷、旋涂和通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或陽(yáng)極工藝的原地生長(zhǎng)來(lái)制造此薄膜，但不限于此。然后，通過(guò)諸如靜電涂敷、靜電印刷術(shù)或電刷涂敷等干式涂敷技術(shù)來(lái)淀積導(dǎo)電粒子26，但不限于此。在此階段中，可使用靜電或磁場(chǎng)使粒子對(duì)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的電場(chǎng)增強(qiáng)。然后，一般通過(guò)基于真空或等離子體的工藝，在粒子上淀積絕緣涂層27。
圖6a示出一種導(dǎo)電粒子28，通過(guò)以下方法在這些粒子上預(yù)先涂敷絕緣薄膜29，這些方法包括基于真空或等離子體的涂敷、化學(xué)氣相淀積、陽(yáng)極工藝。然后，如圖6a所示，通過(guò)玻璃材料或共熔合金32把多個(gè)如此涂敷的粒子30固定于襯底31上。可接收的材料的例子是鉛化玻璃和諸如共熔的Zr-Cu的活性釬接合金。
在圖6b所示的另一種材料中，把多個(gè)經(jīng)涂敷的粒子30直接固定于襯底31。在此情況下，絕緣薄膜29是適于直接固定于襯底31(例如玻璃)的材料。
圖9示出另一種方，其中首先使襯底70涂敷絕緣薄膜71。然后，加上厚得多的多孔絕緣薄膜72。然后，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、電鍍或其它方法把導(dǎo)電材料73滲入孔中。最后，加上薄的第二絕緣薄膜72。
在上述所有的本發(fā)明實(shí)施例中，有最佳密度的導(dǎo)電粒子，它們防止了最靠近-相鄰粒子掃描給定粒子尖端的電場(chǎng)。對(duì)于球狀粒子，最佳的粒子到粒子間隔近似于粒子直徑的10倍。
設(shè)計(jì)的類似于圖3a所示的工程結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上的改進(jìn)在于，在薄膜金剛石中具有相對(duì)小且隨機(jī)產(chǎn)生的石墨雜質(zhì)。一個(gè)重要的特征在于粒子高度16與絕緣體勢(shì)壘厚度15的比值比金剛石薄膜中的比值大得多。結(jié)果，天線效應(yīng)的增強(qiáng)明顯減小了接通場(chǎng)。
為了便于均勻地接通發(fā)射位置，諸如那些粗削的長(zhǎng)方體形狀的對(duì)稱粒子是較佳的。
此外，可把諸如碳纖維或細(xì)金屬絲等精密纖維切割成比其直徑稍長(zhǎng)的長(zhǎng)度。這些纖維片段將被排列(尤其在旋涂期間)成纖維軸平行于基底，從而纖維的直徑確定天線效應(yīng)。
可通過(guò)包括濺射等廣泛的工藝，把合適的材料涂敷在具有正確形態(tài)(例如，玻璃微球)而非混合形態(tài)的粒子上。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例的主要目的是以低成本和高生產(chǎn)率來(lái)生產(chǎn)發(fā)射材料。然而，對(duì)成本不太敏感的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)的非常高的熱導(dǎo)電率意味著將要設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)(把金剛石用作絕緣體)提供可在電形成的溝道發(fā)生重大失誤前傳遞最高平均電流的材料。
圖4示出使用一種改進(jìn)的場(chǎng)電子發(fā)生材料的控制陣列。在襯底17上形成發(fā)射體斑點(diǎn)19，必要時(shí)，還通過(guò)諸如絲網(wǎng)印刷等工藝在該襯底上淀積導(dǎo)電層18。多孔的控制或控制(gate)電極21通過(guò)層20與襯底17絕緣。典型的尺寸是，發(fā)射體斑點(diǎn)直徑(23)為100微米；控制電極-襯底間隔(22)20微米?？刂齐姌O21上的正電壓控制發(fā)射體斑點(diǎn)19中電子的抽出量。然后，在裝置52內(nèi)，通過(guò)較高的電壓54對(duì)電子53進(jìn)行加速。場(chǎng)電子發(fā)射電流可使用的普遍范圍的裝置包括場(chǎng)電子發(fā)射顯示器面板；諸如電子MASERS和振動(dòng)陀螺儀等高功率脈沖裝置；諸如CFA等交叉場(chǎng)微波管；諸如速調(diào)管等線性束射管；x射線閃光管；觸發(fā)火花隙及其相關(guān)裝置；用于殺菌的大面積x射線管；真空計(jì)；用于航天器的離子推進(jìn)器和粒子加速器。
眾所周知，MIV過(guò)程所發(fā)射電子的能量為幾個(gè)電子伏特。令人驚異的是，這種電子在固體內(nèi)的平均自由程很長(zhǎng)。于是，如果發(fā)射體材料具有淀積在表面上的薄(例如，小于1000)導(dǎo)電層，且相對(duì)于襯底加上幾百伏特的正電壓，則將產(chǎn)生MIMIV過(guò)程。由此薄的導(dǎo)電層，所發(fā)射的大部分電子將通過(guò)導(dǎo)電層進(jìn)入外界。此導(dǎo)電層可在廣泛的裝置中用作調(diào)制發(fā)射電流的控制電極。此導(dǎo)電層可用于本發(fā)明的許多實(shí)施例中。
本發(fā)明的另一個(gè)高性能實(shí)施例如圖10a和10b所示。把纖維80的規(guī)則陣列掩埋入絕緣型片81。纖維的長(zhǎng)度一般是幾百微米。當(dāng)然，可在定向固化的陶瓷-金屬共熔系統(tǒng)中制造或自然發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。纖維間隔(82)一般是纖維長(zhǎng)度的幾倍。
把如此形成的合成物切割成薄片，每個(gè)表面最好(雖然是任選的)經(jīng)過(guò)拋光。然后，對(duì)兩個(gè)拋光表面涂敷厚度經(jīng)控制(一般在100)的無(wú)機(jī)絕緣薄膜83。薄膜83可是玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、氧化陶瓷、氮化物、硼化陶瓷或金剛石，并可通過(guò)真空涂敷、離子束處理、化學(xué)氣相淀積、激光燒蝕或其它適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行淀積，但不限于此。
然后，用導(dǎo)電層84把如此形成的夾層結(jié)構(gòu)粘接到襯底85。可使用活性金屬釬接合金來(lái)形成這種粘接。此外，可在使用非活性合金進(jìn)行釬接前對(duì)待粘接的表面進(jìn)行金屬化。
該陣列可對(duì)裝置提供總電流或用作等離子體工藝(諸如，火花隙)的觸發(fā)器或用于使用二次發(fā)射倍增(例如，磁電管入射槍)的啟動(dòng)電流。
如果圖10a和10b的材料用于非真空環(huán)境，則絕緣材料81可包括相對(duì)低級(jí)的材料，諸如簡(jiǎn)單支撐纖維80的廉價(jià)樹脂(假定絕緣薄膜83是無(wú)機(jī)材料)。
在圖11的變形中，纖維90從絕緣材料81的水平面上方伸出，并被各個(gè)無(wú)機(jī)絕緣材料薄膜91所覆蓋。此外，該實(shí)施例基本上類似于圖10a和10b所述的實(shí)施例。
圖7示出基于使用上述的一種材料(例如圖9的材料)的二極管配置的場(chǎng)發(fā)射。襯底33具有攜帶這種材料的發(fā)射斑點(diǎn)35的導(dǎo)電跡線34。前面板38具有與跡線34交叉的透明導(dǎo)電跡線39。跡線39具有熒光物質(zhì)斑點(diǎn)或條。這兩塊板由外框36和襯墊43所隔離。由諸如焊接玻璃的材料來(lái)密封該結(jié)構(gòu)。通過(guò)抽氣管或在真空熔爐中使焊接玻璃融合使裝置抽空。
以交叉方式由所加的電壓41、42對(duì)像素進(jìn)行尋址。場(chǎng)發(fā)射的電子激發(fā)熒光物質(zhì)斑點(diǎn)。由正負(fù)向波形構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既減小了驅(qū)動(dòng)電子裝置中半導(dǎo)體的峰值電壓的額定值，也保證了不激發(fā)鄰近像素。通過(guò)給每個(gè)電極加上直流偏壓，該偏壓的值剛好低于場(chǎng)電子發(fā)射電流變得顯著的值，從而可實(shí)現(xiàn)接通像素所需而進(jìn)一步減少電壓波動(dòng)。然后，把脈沖波形疊加在直流偏壓上，以接通每個(gè)像素則電壓偏移在半導(dǎo)體裝置的容限內(nèi)。
二極管配置的另一個(gè)方案是利用具有控制電極的三極管。示出彩色顯示器中兩個(gè)像素的圖13示出此方案的一個(gè)實(shí)施例。為了進(jìn)行簡(jiǎn)單地圖示，只示出兩個(gè)像素。然而，可按比例擴(kuò)大示出的基本結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生具有許多像素的大顯示器。陰極襯底120具有涂敷到其表面上的導(dǎo)電跡線121，以對(duì)顯示器中的每條線進(jìn)行尋址?？砂颜婵胀糠蠹夹g(shù)與本領(lǐng)域內(nèi)的那些技術(shù)人員眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)平板印刷技術(shù)相結(jié)合；通過(guò)使用導(dǎo)電印劑進(jìn)行印刷；或許多其它合適的技術(shù)來(lái)淀積這些跡線。使用先前所述的方法，把上述發(fā)射材料的斑點(diǎn)122置于跡線的表面，以在Red-Green-Blue三原色中限定子像素。雖然不限于此，當(dāng)尺寸“P”129一般在200微米(μm)到700微米范圍內(nèi)。此外，雖然不太必要，但可在整個(gè)顯示區(qū)上涂敷發(fā)射材料。在導(dǎo)電跡線121的頂部上形成絕緣層123。對(duì)絕緣層123進(jìn)行鉆孔，每一像素124有一個(gè)或多個(gè)孔，以暴露發(fā)射材料的表面，通過(guò)印刷或其它平板印刷技術(shù)來(lái)產(chǎn)生這些孔。在絕緣體的表面上形成導(dǎo)電跡線125，以限定用于三原色中每條線的柵電極。如此選擇孔124的尺寸與絕緣體123的厚度，以對(duì)如此產(chǎn)生的三極管系統(tǒng)提供了所需的跨導(dǎo)值。顯示器的陽(yáng)極板126支撐在絕緣襯墊128上?？赏ㄟ^(guò)印刷在表面上形成這些襯墊或可預(yù)先制造并安放就位。為了機(jī)械穩(wěn)定性，可把所述預(yù)先制造的襯墊做成交叉結(jié)構(gòu)的形狀?？墒褂弥T如玻璃料等填隙材料把襯墊每一端固定就位并補(bǔ)償任何空間上的不規(guī)則。在陽(yáng)極板的內(nèi)表面上放置紅、綠和藍(lán)色熒光物質(zhì)斑點(diǎn)或條127。熒光物質(zhì)上或用導(dǎo)電薄膜涂敷，就像通常的陰極射線管內(nèi)那樣，或者為了降低加速電壓，在陽(yáng)極板的內(nèi)部淀積諸如銦錫氧化物等透明導(dǎo)電層，但不限于此。抽空陰極和陽(yáng)極板之間的空隙并把它密封起來(lái)。
在導(dǎo)電條121和陽(yáng)極上的導(dǎo)電薄膜之間加上直流偏壓。如此產(chǎn)生的電場(chǎng)穿透格柵孔124，并由來(lái)自上述MIMIV場(chǎng)發(fā)射過(guò)程的場(chǎng)發(fā)射，從表面釋放電子。把直流電壓設(shè)定為低于完全發(fā)射所需的電壓，對(duì)一條線進(jìn)行尋址，將相對(duì)其它跡線為負(fù)值的脈沖加到一條跡線121上而給出峰值亮度電流的值。給格柵跡線125加上相對(duì)于發(fā)射體材料為負(fù)值的偏壓，以在跡線121處于其負(fù)脈動(dòng)(線尋址)狀態(tài)時(shí)，把電流減小到其最小值。在線性周期中，所有的格柵跡線都正向脈動(dòng)到給出所需電流進(jìn)而使像素發(fā)亮的值。很清楚，可使用其它驅(qū)動(dòng)方案。
為了把驅(qū)動(dòng)電子裝置的成本減到最小，需要幾十伏特的控制電壓波動(dòng)。為了滿足此技術(shù)條件，圖13所示控制電極結(jié)構(gòu)中的孔變得非常小。由于孔為圓形，導(dǎo)致每個(gè)子像素有許多發(fā)射單元。這種小結(jié)構(gòu)的另一個(gè)配置是把小的發(fā)射單元延長(zhǎng)成狹槽。
圖19示出這種電極系統(tǒng)的一個(gè)子像素，其中控制極到發(fā)射體的間隔180已被減小到幾微米?？刂茦O181和絕緣體層182中具有暴露發(fā)射材料的狹槽。
雖然已描述彩色顯示器，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)理解也可使用沒(méi)有三部分像素的配置來(lái)產(chǎn)生單色顯示器。
為了保證長(zhǎng)的壽命和穩(wěn)定的操作特性，在裝置中保持高度真空。在電子管領(lǐng)域中普遍的是，使用吸氣劑來(lái)吸收從壁和其它內(nèi)部結(jié)構(gòu)中釋放的氣體。吸氣材料在場(chǎng)發(fā)射顯示器中的一個(gè)位置是包圍沒(méi)有電力引線的顯示器面板的周邊。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員眾所周知的是，當(dāng)面板尺寸增加時(shí)，該位置與理想位置偏離較遠(yuǎn)。這是因?yàn)槊姘逯g的長(zhǎng)距離及亞毫米的間隔導(dǎo)致面板中心和邊緣之間的氣流傳導(dǎo)率低。計(jì)算示出，對(duì)于對(duì)角線尺寸小于250毫米的面板，此傳導(dǎo)率降到吸氣系統(tǒng)變?yōu)闊o(wú)效的水平。第5,223,766號(hào)美國(guó)專利描述了克服此問(wèn)題的兩種方法。一個(gè)方法涉及一陰極板，在具有大間距并分布有吸氣劑的后室中引入孔陣列。另一個(gè)方法是用諸如鋯等疏松吸氣材料。雖然這兩種方法在原理上可行，但它們具有不同的實(shí)際問(wèn)題。
在多孔的陰極板方案中，陰極板中的孔必須足夠小，以適合像素之間的空隙。這樣把它們的直徑限制到125微米的最大值(對(duì)于電視)以及更小(對(duì)于計(jì)算機(jī)工作站)，以防止明顯的人工痕跡。在1毫米到2毫米厚的玻璃(用于陰極板的明顯材料)內(nèi)鉆出上百萬(wàn)接近于100微米的孔的成本似乎過(guò)高了點(diǎn)。此外，獲得的元件非常易碎問(wèn)題將隨著板尺寸的增加而增加。
為了在室溫下有效，疏松的吸氣劑必須具有非常高的表面積。這通常是通過(guò)形成燒結(jié)的微粒層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。場(chǎng)發(fā)射顯示器中的控制電極位于一強(qiáng)的加速直流電場(chǎng)內(nèi)。從這里所述的場(chǎng)發(fā)射體系統(tǒng)很清楚的是，這種微粒吸氣劑層可提供相當(dāng)數(shù)量的場(chǎng)發(fā)射位置。這些位置將連續(xù)發(fā)射電子，以激發(fā)附近的一個(gè)或多個(gè)熒光物質(zhì)變得，從而在顯示器中產(chǎn)生可見(jiàn)缺陷。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖13所示的顯示器，其中描述了通過(guò)三種方法把分布式的吸氣劑系統(tǒng)裝入該結(jié)構(gòu)的方法。雖然在此顯示器的上下文中使用這里所述的發(fā)射體系統(tǒng)來(lái)描述這些方法，但應(yīng)理解這些技術(shù)可用于使用其它發(fā)射體系統(tǒng)的顯示器。
適于微粒吸氣劑材料從而不會(huì)引起寄生發(fā)射的位置是陽(yáng)極板。在陽(yáng)極處，建立的電場(chǎng)完全抑制了電子發(fā)射。在場(chǎng)發(fā)射顯示器中，陰極和陽(yáng)極板受到外部氣壓的很大力量。為了防止變形和破裂，在板之間設(shè)有襯墊。所述襯墊位于像素結(jié)構(gòu)中。為了使可見(jiàn)的人工痕跡減到最少，把遮蔽線印刷到陽(yáng)極板上，以隱藏襯墊接觸區(qū)域。雖然以像素的周期性來(lái)重復(fù)襯墊，但此配置導(dǎo)致明顯的機(jī)械保守設(shè)計(jì)。于是，可減少襯墊的頻率并把吸氣材料置于遮蔽線后的陽(yáng)極板上。圖14示出陰極板130和陽(yáng)極板131支撐在襯墊133上的一個(gè)實(shí)施例。遮蔽線134遮掩了陽(yáng)極板上的襯墊接觸區(qū)域。在此實(shí)施例中，從兩個(gè)可能的位置除去襯墊并以吸氣材料135來(lái)替代。適合的吸氣材料是磨成細(xì)粉的諸如鋯等第IV主族金屬以及諸如SAES Getters of Milan所制造的專用吸氣合金這種吸氣材料可以是通過(guò)釬接或玻璃料粘到陽(yáng)極板上的粒子。同樣，可通過(guò)許多方法來(lái)直接淀積作為多孔層的吸氣材料，這些方法包括進(jìn)行熱濺射和在惰性分散氣體中進(jìn)行蒸氣涂敷。很清楚，可設(shè)計(jì)其它方法。所述吸氣劑在該結(jié)構(gòu)的玻璃料密封中活化，在暴露于空氣后鈍化，然后在真空處理的過(guò)熱期間重新活化。
另一個(gè)方法是把吸氣材料置于發(fā)射體區(qū)域內(nèi)，從而調(diào)制任何場(chǎng)發(fā)射電子與將要發(fā)射的電子，從而寄生電子增加了來(lái)自發(fā)射體斑點(diǎn)的電子。圖15示出此方法的一個(gè)實(shí)施例，其中吸氣劑斑點(diǎn)170位于發(fā)射體斑點(diǎn)171內(nèi)，從而在由驅(qū)動(dòng)電子裝置來(lái)進(jìn)行尋址時(shí)，寄生電子只激發(fā)熒光物質(zhì)斑點(diǎn)172。
圖16示出另一個(gè)方案，其中使用吸氣劑粒子或粒子團(tuán)來(lái)形成上述的MIMIV發(fā)射體。發(fā)射機(jī)制并不要求粒子被絕緣體完全涂敷，因?yàn)榕R界區(qū)域是與襯底的接觸點(diǎn)，而發(fā)射區(qū)域朝向粒子頂部。在此實(shí)施例中，粒子140通過(guò)絕緣材料142固定于襯底141處。粒子的上部涂敷有絕緣層143。絕緣材料142和143的成分如這里所述。此配置留下了暴露的吸氣材料區(qū)域144。
還可在整個(gè)粒子上涂敷絕緣層，但該絕緣層基本上是多孔的。圖17示出形成這種結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方法。圖17a示出通過(guò)絕緣材料152把粒子151粘到襯底150上。利用滾筒1 54在粒子的上部涂敷絕緣體153。由系統(tǒng)155使材料分布于滾筒上。圖17b所示的另一個(gè)方法是采用如上所述粘有粒子的結(jié)構(gòu)并在真空中蒸發(fā)來(lái)自點(diǎn)或線源162的絕緣材料161，從而使蒸發(fā)的材料以某一傾斜角射到該表面。陰影保證了只涂敷粒子的頂部和一側(cè)。為了保證絕緣體的厚度均勻，襯底在源處來(lái)回移動(dòng)。
所有的場(chǎng)電子發(fā)射顯示器的問(wèn)題在于要實(shí)現(xiàn)像素到像素的均勻電學(xué)特性。一個(gè)方案是使用以恒定電流方式驅(qū)動(dòng)像素的電子裝置?；旧蠈?shí)現(xiàn)同一目的的另一個(gè)方案是把具有適當(dāng)值的電阻器插入發(fā)射體和恒定電壓驅(qū)動(dòng)電流之間。它可位于裝置外部。然而，在此配置中，電阻器的時(shí)間常數(shù)和導(dǎo)電跡線陣列的電容限制了對(duì)像素進(jìn)行尋址的速度。在發(fā)射體斑點(diǎn)和導(dǎo)電跡線之間的原地形成電阻器使得可使用阻抗低的電子裝置來(lái)對(duì)跡線電容進(jìn)行快速充電，給出短得多的上升時(shí)間。在圖7b中示出此原地電阻焊接區(qū)44。雖然可使用其它涂敷方法，但通過(guò)絲網(wǎng)印刷把此電阻焊接區(qū)印刷到導(dǎo)電跡線34上。在一些實(shí)施例中，電阻焊接區(qū)44兩端的電壓降足以引起其表面45兩端的電壓擊穿。為了防止擊穿，可如圖7c所示，使用特大的電阻焊接區(qū)46來(lái)增加路徑距離。
先前所述的MIMIV發(fā)射體的操作機(jī)理提供了緩沖電阻焊接區(qū)的發(fā)射的另一個(gè)方法。在出版物S Bajic and R V Latham(1988)J.Appl.Phys.21 200-204中提出，在“接通”后，電流從襯底經(jīng)由電形成的溝道流入粒子，然后從粒子上另一個(gè)點(diǎn)處的另一個(gè)導(dǎo)電溝道發(fā)射到真空中。此機(jī)理如圖12a所示。從此圖可看出，發(fā)射的電流133必須流過(guò)粒子110，以發(fā)射到真空。兩個(gè)導(dǎo)電溝道112之間的是粒子114的內(nèi)部電阻。從襯底109流動(dòng)的電流依據(jù)粒子的電阻率在粒子流動(dòng)引起電勢(shì)降。此電勢(shì)降減小了粒子頂部的電場(chǎng)，該電場(chǎng)繼而限制電流隨電場(chǎng)的上升率。于是，實(shí)現(xiàn)自緩沖效應(yīng)。
圖12b示出對(duì)具有石墨115和碳化硅116粒子的發(fā)射體所測(cè)得的電壓-電流特性曲線。使用碳化硅粒子的發(fā)射體在一很大的范圍內(nèi)示出線性的電壓-電流特性曲線，而不是類似于Fowler-Nordheim的曲線。由粒子的電阻而不是導(dǎo)電溝道的特性來(lái)確定電壓-發(fā)射電流特性曲線。與偶然的電形成溝道相比，對(duì)粒子尺寸和電阻率的加工控制容易得多。與具有石墨粒子的發(fā)射體相比，該發(fā)射體的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于較大的均勻性，并可基本上減少發(fā)射的瞬時(shí)波動(dòng)。
模型示出所示最大電流處粒子兩端的電勢(shì)降超過(guò)100伏特。所示的兩個(gè)例子是電阻率至少相差1000∶1的極端情況。通過(guò)選擇具有中等電阻率的粒子，可在控制電壓波動(dòng)減小的類似于Fowler-Nordheim的特性曲線和強(qiáng)烈緩沖的線性特性曲線的穩(wěn)定性之間實(shí)現(xiàn)妥協(xié)?？蓪?duì)每個(gè)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化選擇。
圖8a示出使用一種上述材料的平面燈。雖然不排除諸如室內(nèi)照明等其它用途，但這種燈可用于對(duì)液晶顯示器提供背光。
此燈包括背板60，背板60可用膨脹率與光發(fā)射前板66相匹配的金屬來(lái)制成。如果背板是絕緣體，則加上導(dǎo)電層61。在斑點(diǎn)中加上發(fā)射材料62。為了使系統(tǒng)朝向每個(gè)發(fā)射斑點(diǎn)有相等的場(chǎng)發(fā)射電流，因而產(chǎn)生均勻的光源，每個(gè)斑點(diǎn)經(jīng)由電阻器與背板電氣相連。如圖8b所示，可容易地由電阻焊接區(qū)69來(lái)形成此電阻器。如圖7c所示，電阻焊接區(qū)可具有比發(fā)射斑點(diǎn)大的面積，以防止其厚度兩端的電壓擊穿。一個(gè)更節(jié)約成本的電阻斑點(diǎn)是使用上述的自緩沖材料。前板66具有透明導(dǎo)電層67并涂敷有適當(dāng)?shù)臒晒馕镔|(zhì)68。由外框63和襯墊65來(lái)隔離這兩塊板。用諸如燒結(jié)玻璃等材料64來(lái)密封此結(jié)構(gòu)。可通過(guò)抽氣管或在真空爐中熔化燒結(jié)玻璃而使裝置抽空。在背板60或?qū)щ妼?1以及透明導(dǎo)電涂層67之間加上幾千伏的直流電壓。場(chǎng)發(fā)射電子撞擊熒光物質(zhì)68并發(fā)光。可通過(guò)改變所加的電壓來(lái)調(diào)節(jié)燈的強(qiáng)度。
對(duì)于一些應(yīng)用，可以以可尋址的熒光物質(zhì)條和相關(guān)的電子裝置來(lái)構(gòu)成這種燈，用于提供類似于點(diǎn)掃描器方式的掃描線。此裝置可被加入混合的顯示器系統(tǒng)。
雖然如上所述的場(chǎng)發(fā)射陰極發(fā)光燈提供了趕超使用汞蒸氣的那些裝置的許多優(yōu)點(diǎn)(諸如冷操作和瞬時(shí)啟動(dòng))，但它們本質(zhì)上不太有效。一個(gè)原因是與來(lái)自汞放電燈的紫外光相比，入射到熒光物質(zhì)顆粒的電子的穿透力有限。結(jié)果，由于后方電子激發(fā)的熒光物質(zhì)，使得所產(chǎn)生的許多光發(fā)生散射并在其通過(guò)粒子的通道處衰減。如果從電子束入射的同一側(cè)上的熒光物質(zhì)中得到光輸出，則可近似地把發(fā)光效率加倍。圖18示出實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的配置。
在圖18中，玻璃板170具有透光的導(dǎo)電涂層171(例如，氧化錫)，其上形成這里所述的一層MIMIV發(fā)射體1 72。形成的發(fā)射體基本上半透光的，并包括隨機(jī)隔開的粒子，從而不會(huì)遭受Moire構(gòu)圖(即，在規(guī)則尖頂陣列和LCD的像素陣列之間產(chǎn)生干涉)的影響。雖然不限于此，但該層可由作為絕緣成分的聚硅氧烷回流玻璃來(lái)形成。由襯墊179把上述經(jīng)涂敷的陰極板支撐在陽(yáng)極板上方，以與圖8a所示燈的相同方式來(lái)密封和抽空該結(jié)構(gòu)。在玻璃、陶瓷、金屬或其它適當(dāng)材料所構(gòu)成的陽(yáng)極板177上放置一層電致發(fā)光的熒光物質(zhì)175，在熒光物質(zhì)和陽(yáng)極板之間有諸如鋁等任選的反射層176。在導(dǎo)電層171和陽(yáng)極板177(或在絕緣材料上有一導(dǎo)電涂層的情況下)之間加上千伏范圍內(nèi)的電壓180。由所加的電壓所產(chǎn)生的場(chǎng)發(fā)射電子173被加速到熒光物質(zhì)175處。獲得的光輸出通過(guò)半透明的發(fā)射體172和透明的導(dǎo)電層171?？稍诠饴分性O(shè)置任選的Lambertian或非Lambertian漫射器178。
本發(fā)明的實(shí)施例可利用具有石墨雜質(zhì)的薄膜狀金剛石，這些石墨雜質(zhì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以滿足本發(fā)明的需要-例如，通過(guò)使這些雜質(zhì)對(duì)準(zhǔn)，使它們具有足夠的大小和密度等。在制造薄膜狀金剛石中，本領(lǐng)域中的趨勢(shì)傾向于把石墨雜質(zhì)減到最少，然而，在本發(fā)明的實(shí)施例中，可故意包含這些雜質(zhì)并對(duì)其作仔細(xì)設(shè)計(jì)。
本發(fā)明較佳實(shí)施例的一個(gè)重要特點(diǎn)是印刷發(fā)射圖案從而以適度的成本產(chǎn)生復(fù)雜的多發(fā)射體圖案(諸如顯示器所需的那些)的能力。此外，此印刷能力使得可使用諸如玻璃等成本低的襯底；然而，一般在成本高的單晶襯底上建立此微觀工程結(jié)構(gòu)。在本說(shuō)明書的上下文中，印刷意味著以限定的圖案放置或形成發(fā)射材料的工藝。適當(dāng)工藝的例子是絲網(wǎng)印刷、靜電印刷術(shù)、照相平板印刷術(shù)、靜電淀積、濺射或偏移印刷術(shù)。
可以所有的尺寸和大小來(lái)制成實(shí)施本發(fā)明的裝置。尤其是，這適用于從單像素裝置到多像素裝置范圍內(nèi)的顯示器，即從小規(guī)模到大規(guī)模的顯示器。
讀者的注意力旨在與本申請(qǐng)有聯(lián)系的與本說(shuō)明書同時(shí)或以前提出并隨本說(shuō)明書給公眾檢閱的所有文章和文件，通過(guò)引用而把所有這些文章及文件的內(nèi)容包含在這里。
本說(shuō)明書中所揭示的所有的特征(包括任一從屬權(quán)利要求、摘要和附圖)和/或所揭示的任一方法或工藝的所有步驟都可以任意組合，除非這些特征和/或步驟中的至少一些的組合是相互排斥的。
除非有清楚的說(shuō)明，否則本說(shuō)明書中所揭示的每個(gè)特征(包括任一從屬權(quán)利要求、摘要和附圖)可由滿足同一相等或相似目的的其它特征所替代。于是，除非有清楚的說(shuō)明，否則所揭示的每個(gè)特征只是一系列相等或相似的總特征中的一個(gè)例子。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明可延伸至本說(shuō)明書(包括任一從屬權(quán)利要求、摘要和附圖)中所揭示的任何新特征或這些特征的任何新組合，或如此揭示的任一方法的任何新步驟或這些步驟的任何新組合。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于包括導(dǎo)電襯底；設(shè)置在所述導(dǎo)電襯底上掩埋入、形成或涂敷有一層無(wú)機(jī)絕緣材料的至少一個(gè)導(dǎo)電粒子，以限定粒子和襯底之間第一厚度的絕緣材料以及粒子和其中有這種材料的外界之間第二厚度的絕緣材料，所述厚度之間所述粒子的尺寸明顯大于每個(gè)所述厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于所述粒子的所述尺寸至少是每個(gè)所述厚度的10倍。
3.如權(quán)利要求2所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于所述粒子的所述尺寸至少是每個(gè)所述厚度的100倍。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于提供基本上為單層的所述導(dǎo)電粒子層，每個(gè)粒子的最長(zhǎng)尺寸在0.1微米到400微米的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于所述無(wú)機(jī)絕緣材料包括除金剛石以外的材料。
6.如權(quán)利要求5所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于所述無(wú)機(jī)絕緣材料包括玻璃、鉛基玻璃、玻璃陶瓷、熔融玻璃或其它玻璃質(zhì)材料、陶瓷、氧化陶瓷、氧化表面、氮化物、氮化表面或硼化物陶瓷。
7.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于所述無(wú)機(jī)絕緣材料可包括基本上未摻雜的金剛石。
8.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于包括多個(gè)所述導(dǎo)電粒子，這些粒子沿基本上與襯底垂直的其最長(zhǎng)尺寸排列。
9.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于包括多個(gè)導(dǎo)電粒子，所述粒子的相互間隔在其最長(zhǎng)尺寸的5到15倍范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于包括這樣的結(jié)構(gòu)，其中所述無(wú)機(jī)絕緣材料層包括絕緣型片，還提供了多個(gè)所述導(dǎo)電粒子作為基本上支撐在所述絕緣型片中的導(dǎo)電纖維陣列，暴露的纖維末端基本上與絕緣型片共面，暴露的纖維末端和共面的型片基本上覆蓋有絕緣次層。
11.如權(quán)利要求10所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于利用導(dǎo)電介質(zhì)把所述結(jié)構(gòu)粘到所述導(dǎo)電襯底上。
12.如權(quán)利要求10或11所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于纖維的長(zhǎng)度在1微米到2毫米范圍內(nèi)，其直徑在0.5微米到100微米范圍內(nèi)。
13.如權(quán)利要求10、11或12所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于纖維間的間隔在纖維長(zhǎng)度的5到15倍范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求10到13中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于由一片定向固化的共熔材料來(lái)形成纖維陣列。
15.如權(quán)利要求10到14中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于在所述結(jié)構(gòu)兩個(gè)相對(duì)表面中的每個(gè)表面上都提供各個(gè)所述絕緣次層。
16.如權(quán)利要求10到15中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于所述絕緣次層或每個(gè)絕緣次層的厚度在50到2微米的范圍內(nèi)。
17.如權(quán)利要求10到16中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于所述絕緣次層或每個(gè)絕緣次層可包括玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、氧化陶瓷、氮化物、硼化物陶瓷或金剛石。
18.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電率使通過(guò)粒子的發(fā)射電流的電勢(shì)降落足以把粒子發(fā)射點(diǎn)處的電場(chǎng)減小一定的量，從而控制發(fā)射電流。
19.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料，其特征在于所述粒子包括或至少一些所述粒子包括碳化硅、碳化鉭、碳化鉿、碳化鋯、鈦的Magneli低價(jià)氧化物、半導(dǎo)體硅、III-V族化合物和II-VI族化合物。
20.一種基本上如上所述參考附圖中圖3到19中任一圖的場(chǎng)電子發(fā)射材料。
21.一種形成如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料的方法，其特征在于包括把所述導(dǎo)電粒子或每個(gè)所述導(dǎo)電粒子置于所述導(dǎo)電襯底上的步驟，所述導(dǎo)電粒子或每個(gè)所述導(dǎo)電粒子掩埋入、形成或涂敷有所述無(wú)機(jī)絕緣材料層。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于通過(guò)印刷工藝把所述導(dǎo)電粒子(們)和/或無(wú)機(jī)絕緣材料加到所述導(dǎo)電襯底上。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于包括把較大和較小粒子的混合物燒結(jié)或結(jié)合在一起的步驟，較大的粒子包括多個(gè)所述導(dǎo)電粒子，較小的粒子形成所述無(wú)機(jī)絕緣材料層。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于絕緣材料可包括玻璃陶瓷、陶瓷、氧化陶瓷、氮化物、硼化物或金剛石。
25.如權(quán)利要求21或22所述的方法，其特征在于包括依次把絕緣薄膜、導(dǎo)電粒子層還有絕緣薄膜加到襯底上的步驟。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于絕緣材料可包括陶瓷、氧化陶瓷、氧化物、氮化物、硼化物或金剛石。
27.如權(quán)利要求21或22所述的方法，其特征在于包括把絕緣涂層直接加到多個(gè)所述導(dǎo)電粒子中的每個(gè)粒子上，然后用玻璃材料或釬接把經(jīng)涂敷的粒子固定到襯底上的步驟。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于絕緣材料可包括玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、氧化陶瓷、氧化物、氮化物、硼化物或金剛石。
29.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)絕緣材料層可包括多孔的絕緣體，所述方法可包括以導(dǎo)電材料填充多孔絕緣體的孔以提供多個(gè)所述導(dǎo)電粒子的步驟。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于包括在所述多孔絕緣體的相對(duì)表面上形成兩個(gè)無(wú)機(jī)絕緣材料的外次層的步驟，從而所述多孔絕緣體包括所述兩個(gè)無(wú)機(jī)絕緣材料的外次層之間的中間次層。
31.一種基本上如上所述參考附圖中圖3到19中任一圖的場(chǎng)電子發(fā)射方法。本發(fā)明可擴(kuò)展到由以上任一種方法所制造的場(chǎng)電子發(fā)射材料。
32.由如權(quán)利要求19到30中任一項(xiàng)的方法來(lái)制造的場(chǎng)電子發(fā)射材料。
33.一種場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于包括如權(quán)利要求32或權(quán)利要求1到20中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射材料。
34.如權(quán)利要求33所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于包括具有所述場(chǎng)電子發(fā)射材料的發(fā)射體斑點(diǎn)陣列的襯底以及具有對(duì)準(zhǔn)的小孔陣列的控制電極，所述電極由絕緣層支撐在發(fā)射體斑點(diǎn)上。
35.如權(quán)利要求33或33所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于包括等離子體反應(yīng)堆、電暈放電裝置、靜音放電裝置或臭氧發(fā)生器。
36.如權(quán)利要求33、24或35所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于包括電子源、電子槍、電子裝置、x射線管、真空計(jì)、充氣裝置或離子推進(jìn)器。
37.如權(quán)利要求33、34或35所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于場(chǎng)電子發(fā)射材料提供操作裝置用的總電流。
38.如權(quán)利要求33、34或35所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于場(chǎng)電子發(fā)射材料對(duì)裝置提供啟動(dòng)、觸發(fā)或點(diǎn)火電流。
39.如權(quán)利要求33到38中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于包括顯示裝置。
40.如權(quán)利要求33或34所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于包括燈。
41.如權(quán)利要求40所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于所述燈基本上是平面的。
42.如權(quán)利要求39、40或41所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于把場(chǎng)電子發(fā)射材料加到斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)在使用中經(jīng)由電阻器連到所加的陰極電壓。
43.如權(quán)利要求42所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于所述電阻器用作位于每個(gè)發(fā)射斑點(diǎn)下的電阻性焊接區(qū)。
44.如權(quán)利要求43所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于在每個(gè)發(fā)射斑點(diǎn)下提供各個(gè)所述電阻性焊接區(qū)，從而每個(gè)這種電阻性焊接區(qū)的面積大于各個(gè)發(fā)射斑點(diǎn)的面積。
45.如權(quán)利要求40到44中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于把所述發(fā)射體材料和/或熒光物質(zhì)涂敷到導(dǎo)電跡線的一個(gè)或多個(gè)一維陣列上，所述跡線排列成被電子驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)尋址，從而產(chǎn)生一掃描發(fā)光線。
46.如權(quán)利要求45所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于包括所述電子驅(qū)動(dòng)裝置。
47.如權(quán)利要求35到46中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于所述材料的所述環(huán)境是真空。
48.如權(quán)利要求47所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于包括裝置內(nèi)的吸氣材料。
49.如權(quán)利要求48所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于所述吸氣材料附加到陽(yáng)極。
50.如權(quán)利要求48所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于所述吸氣材料附加到陰極。
51.如權(quán)利要求50所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置，其特征在于場(chǎng)電子發(fā)射材料配置成斑點(diǎn)，所述吸氣材料置于所述斑點(diǎn)內(nèi)。
52.一種場(chǎng)發(fā)射顯示裝置，它包括陽(yáng)極、陰極、所述陽(yáng)極和陰極上的襯墊位置所述襯墊位于至少一些所述襯墊位置處以把所述陽(yáng)極與所述陰極隔開，以及位于其它所述襯墊位置處的吸氣材料。
53.如權(quán)利要求52所述的場(chǎng)發(fā)射顯示裝置，其特征在于所述襯墊位置處于規(guī)則或周期性的相互間隔。
54.如權(quán)利要求39或權(quán)利要求40到53中任一項(xiàng)所述的場(chǎng)發(fā)射顯示裝置，其特征在于在以上的場(chǎng)電子顯示裝置中，所述陰極以是半透光的并相對(duì)于陽(yáng)極如此配置，從而從陰極發(fā)射的電子射到陽(yáng)極上，以在陽(yáng)極處引起場(chǎng)致發(fā)光，通過(guò)半透光的陽(yáng)極看到此場(chǎng)致發(fā)光。
55.一種基本上如上所述參考附圖中圖3到19所述的場(chǎng)電子發(fā)射裝置。
全文摘要
一種場(chǎng)電子發(fā)射材料,包括導(dǎo)電襯底(13,14)以及位于所述襯底上掩埋入、形成為或被一層無(wú)機(jī)絕緣材料(12)(例如,玻璃)涂敷的導(dǎo)電粒子(11)。絕緣材料的第一厚度限制在每個(gè)粒子(11)和襯底(13,14)之間,絕緣材料的第二厚度限制在粒子(11)和設(shè)置材料的環(huán)境中。第一和第二厚度(15)之間每個(gè)粒子(11)的尺寸明顯大于每個(gè)厚度(15)。在加上足夠的電場(chǎng)后,每個(gè)厚度(15)提供一導(dǎo)電溝道,以提供來(lái)自粒子(11)的電子發(fā)射。利用無(wú)機(jī)絕緣材料(12),已獲得令人驚異的良好穩(wěn)定性和性能。粒子(11)可相當(dāng)小,從而可通過(guò)各種方法(包括印刷)非常廉價(jià)地把電子發(fā)射材料(11,12)加到襯底(13,14)上。該材料可用于各種裝置,包括顯示器和照明裝置。
文檔編號(hào)H01J9/02GK1192288SQ96196039
公開日1998年9月2日 申請(qǐng)日期1996年8月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月4日
發(fā)明者R·A·塔克, R·V·萊瑟姆, W·泰勒 申請(qǐng)人:可印刷發(fā)射體有限公司