帶電子聚焦的氧化鋅場發(fā)射背光源

趙麗芳，狄云松

（1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210023；2.南京師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210023）

1 引 言

液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）逐漸成為平板顯示的主流顯示技術(shù)［1］，當(dāng)前對LCD的研究主要在提高其圖像顯示質(zhì)量及降低其功耗上。目前市場上廣泛使用的LCD 是采用白色背光源配以紅、綠、藍三基色濾色膜構(gòu)成其三色顯示像素，由此，從液晶層出射出來的白光，大致2／3的光能量將被濾色膜所吸收，這是導(dǎo)致LCD 的功耗提高的一大因素［2］。

近年來，為了提高LCD 的光效率，提出了多種降低LCD 功耗的新型背光技術(shù)的方案，如局部調(diào)光技術(shù)和子場時序色彩顯示等［3－4］。這些方案都需要一個背光源可調(diào)制技術(shù)，如局部調(diào)光技術(shù)需要對背光源進行陣列的光強調(diào)制，而子場時序色彩顯示則需要對光源進行時序調(diào)制。若能實現(xiàn)對背光與色彩的陣列及時序調(diào)制技術(shù)，將避免使用濾色膜，從而可以實現(xiàn)LCD 功耗的極大降低［5］。

場發(fā)射技術(shù)，尤其是對納米材料的場發(fā)射技術(shù)，在近年來開展了廣泛的研究。場發(fā)射光源是利用低逸出功和高長徑比的納米材料作為冷陰極發(fā)射材料，發(fā)射電子轟擊熒光粉而發(fā)光。與冷陰極 熒 光 燈（Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL）相比，由于采用電子直接轟擊熒光粉，場發(fā)射光源的發(fā)光效率較高，能耗較低［6］。

氧化鋅的發(fā)射及發(fā)光特性的研究已開展多年，具有良好的發(fā)光穩(wěn)定性及均勻性［7－8］。本文結(jié)合氧化鋅納米針的場發(fā)射性能及表面?zhèn)鲗?dǎo)場發(fā)射三級結(jié)構(gòu)（Surface Conducted Electron ZnO Field Emission Triode，SCEFET）［9］，提出了一個電子聚焦結(jié)構(gòu)，有效實現(xiàn)了場發(fā)射電子的聚焦，從而改善了場發(fā)射光源的發(fā)光均勻性；同時，利用表面?zhèn)鲗?dǎo)三級結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對陽極電流的低電壓調(diào)制，從而實現(xiàn)光源的可尋址光強調(diào)制。

2 氧化鋅表面電子傳導(dǎo)場發(fā)射光源

2.1 表面電子傳導(dǎo)場發(fā)射三級結(jié)構(gòu)概念

在表面電子傳導(dǎo)型三級結(jié)構(gòu)中，陰極和柵極被設(shè)置在下基板的同一個平面上，距離一定的間隙。氧化鋅納米針漿料通過絲網(wǎng)印刷工藝填充到陰極與柵極的間隙中，上基板為錫銦氧化物（ITO）陽極，與下基板通過支撐體隔開一定的距離，形成表面電子傳導(dǎo)場發(fā)射三級結(jié)構(gòu)（Surface Conducted Electron Field Emission，SCEFE）。

該三級結(jié)構(gòu)如圖1所示［9］。

圖1 ZnO 表面?zhèn)鲗?dǎo)三級結(jié)構(gòu)原理圖［9］Fig.1 Schematic diagram of ZnO SCEFET［9］

2.2 氧化鋅表面電子傳導(dǎo)場發(fā)射顯示的工作原理

陰、柵極間填充了氧化鋅納米針，主要利用氧化鋅納米針的高長徑比及表面電子彈射的特性，形成氧化鋅表面電子傳導(dǎo)場發(fā)射顯示系統(tǒng)（Surface Conducted Electron ZnO Field Emission Display，SCE－ZnOFED）。該系統(tǒng)的基本工作原理為：施加一定的壓差在平面陰、柵極上，將在氧化鋅層中形成一定的傳導(dǎo)電流，然后在陽極上施加高電壓，氧化層中的一部分傳導(dǎo)電子將在表面彈射后受豎直電場的作用向上轟擊陽極上的熒光粉發(fā)光，其原理如圖2所示。

圖2 氧化鋅表面?zhèn)鲗?dǎo)三級結(jié)構(gòu)顯示屏原理圖，插圖為該結(jié)構(gòu)光源［10］Fig.2 Diagram of ZnO SCEFED structrue，the inset is a lamp based on this structure［10］

早在2008年，Wei L.等人已經(jīng)研制出了第一個基于SCE－ZnOFED的場發(fā)射光源［10－11］，其柵極上的開啟場強低于1V／μm，在所有的報道中這是相對較低的值。當(dāng)陽極偏壓設(shè)置為4.5kV，亮度最大值超過了1 000cd／m2，如圖2 中的所示。但沒有電子聚焦的設(shè)計，電子的橫向速度較大，轟擊到陽極熒光粉易形成側(cè)向漂移，使得發(fā)光出現(xiàn)浮動及閃爍的現(xiàn)象，影響了光源的發(fā)光質(zhì)量。

2.3 基于SCE－ZnOFED的聚焦電極設(shè)計

考慮到SCE－ZnOFED的問題，沒有任何聚焦設(shè)計的結(jié)構(gòu)，電子軌跡看起來是分散的而且打擊到“錯誤”的點上，在矩陣驅(qū)動時，可能發(fā)生色度亮度干擾。因此，需要添加一個電子的聚焦設(shè)計。本文采用蔭罩作為聚焦電極，即將金屬網(wǎng)格陣列添加到以上的SCE－ZnOFED結(jié)構(gòu)中，用于改善整個結(jié)構(gòu)的聚焦效果。另外，將氧化鎂（MgO）層涂在柵極孔上，形成電子的二次電子發(fā)射，增加陽極電流，提高發(fā)光亮度的效果，圖3給出了帶有聚焦級的SCE－ZnOFED結(jié)構(gòu)的示意圖。

3 基于SCE－ZnOFED 結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值建模

數(shù)值模擬的目的是驗證帶有電子聚焦結(jié)構(gòu)的SCE－ZnOFED能有效對電子束進行聚焦。三維形式下的帶聚焦SCE－ZnOFED結(jié)構(gòu)如圖4所示，它具有軸對稱特性，為了節(jié)省計算資源，可建立二維柱坐標(biāo)下的數(shù)值模型。

圖4 SCE－ZnOFED三維仿真模型示意圖Fig.4 Diagram of SCE－ZnOFED 3Dsimulation model

為了獲得電子軌跡，需要首先根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立模型，獲得空間電場的分布，電場分布可通過解二維柱坐標(biāo)下的Laplace方程得到。二維柱坐標(biāo)下的Laplace方程如式（1）：

其 中：V 為 電 勢 值，r 為 極 坐 標(biāo) 值，z 為 柱 坐 標(biāo) 值。計算得到格點上的電勢V 后由式（2）可求的格點上的的電場強度E：

在獲得所有格點上的電場強度后，可通過解四階Runge－Kutta方程獲得電子的軌跡，這里采用經(jīng)典的四階Runge－Kutta方程。

圖5 材料二次電子發(fā)射系數(shù)曲線Fig.5 Plot of the secondary electron emission yield curve

為了獲得帶有電子聚焦結(jié)構(gòu)的SCEZnOFED 的電子軌跡，還需要氧化鎂層二次電子發(fā)射參與計算，這里采用Monte Carlo法來模擬聚焦極表面氧化鎂層的二次電子發(fā)射過程。二次電子發(fā)射系數(shù)δ 與初始發(fā)射電子的能量E 和入射到氧化鎂層上的角度θ 有關(guān)。為簡化計算過程，忽略二次電子發(fā)射的角度效應(yīng)，只考慮電子能量E 的效果，其典型的二次電子發(fā)射系數(shù)曲線如圖5所示，其中參數(shù)Ef，EⅠ，EⅡ，Emax和δmax對應(yīng)氧化鎂本身屬性均為已知量。計算過程中，總的二次電子發(fā)射系數(shù)δtot（EΙ）根據(jù)以下方程組得出［12］：

3.2 計算結(jié)果及討論

對于無電子聚焦的SCE－ZnOFED結(jié)構(gòu)，其典型的空間電場分布及電子軌跡的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6（a）所示。

從圖中可以看出，電子在陰、柵極偏壓下產(chǎn)生運動，形成表面電流，因此具有水平方向的速度，同時受到陽極高壓的吸引，從氧化鋅表面逸出，形成發(fā)射電子，發(fā)射出的電子在柵壓和陽極電壓的共同作用下加速，最終轟擊到陽極上。由電子軌跡可以看出，電子在陽極的落點分布在較大的區(qū)域，單位面積上的電流較小則對應(yīng)發(fā)光強度較弱，且電子具有橫向速度轟擊時，有可能在陽極上產(chǎn)生彈射效果，引起發(fā)光的閃爍現(xiàn)象，從而導(dǎo)致發(fā)光的不穩(wěn)定。

而帶有電子聚焦電極的SCE－ZnOFED結(jié)構(gòu)，典型的空間電場分布與電子軌跡數(shù)值模擬結(jié)果如圖6（b）所示，可以看出聚焦電極表面產(chǎn)生的二次發(fā)射電子與背散射電子占陽極收集到的電子的絕大多數(shù)，初始電子轟擊到氧化鎂表面激發(fā)了大量的二次電子與背散射電子，在電場的作用下，電子在楔形的通道內(nèi)向陽極方向加速并多次轟擊氧化鎂層，多次產(chǎn)生電子倍增效果，從而增大了轟擊陽極的電流，在相同驅(qū)動電壓下，獲得的光輻射將增大。另外，根據(jù)電子軌跡最終在陽極上的落點可以發(fā)現(xiàn)，電子轟擊區(qū)域明顯較沒有聚焦電極時的小，因此電子被有效的聚焦，發(fā)光的均勻性及穩(wěn)定性將得到明顯的改善。

圖6 空間電場分布及電子軌跡數(shù)值模擬Fig.6 Simulations of electric field displacement and electron trajectories

4 相關(guān)實驗與結(jié)果

為了驗證帶有聚焦電極的SCE－ZnOFED 光源的可行性，我們制備了一塊小陣列的光源模型。具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本保持與計算模型中的一致，其中聚焦極由蔭罩板材制備，厚度為0.2mm，板上孔徑為光刻繪制圖案，利用FeCl3溶液電化學(xué)刻蝕形成。利用電子束蒸發(fā)在其正對陰極的一面（孔側(cè)）蒸發(fā)氧化鎂薄膜，根據(jù)材料用量、蒸發(fā)時間、溫度及工藝條件等參數(shù)決定氧化鎂薄膜的厚度及晶格取向。最后將聚焦極板利用隔離體置于陰極基板及帶有熒光粉的陽極基板之間并加固，圖7 插 圖 為 帶 有 聚 焦 板 的SCE－ZnOFED 局 部SEM 照片。其中，陰、柵極間距為0.2 mm，由印刷蒙板圖案控制；陰極基板與聚焦極板間距為0.4mm，聚焦電極與陽極間距為1mm，各基板間距由隔離體控制。連接外電路后置于真空室中，抽真空至10－5Pa左右并維持，進行調(diào)制測試與發(fā)光測試。

圖7為該屏體的調(diào)制特性曲線，陽極電壓維持在3 000V，柵極電壓在220V 時出現(xiàn)陽極電流并發(fā)光，計算得到開啟電場僅為1.1V／μm；當(dāng)柵極電壓達到370V 時，陽極電流達到0.5mA，發(fā)光強度達到1 000cd／m2，如圖8（c），計算總功率僅為6 W 左右，調(diào)制電壓區(qū)間小于150V。

圖7 調(diào)制特性曲線，插圖為帶有聚焦板的SCEZnOFED 局 部SEM 照 片F(xiàn)ig.7 Modulation curve of focused SCE－ZnOFED，the inset is the partial SEM of SCE－ZnOFED with focus electrode

圖8 兩種結(jié)構(gòu)的光點，對比及帶聚焦電極結(jié)構(gòu)的亮度測試Fig.8 Comparison of light spots from two kinds of structures and luminescence test for focused sturcture

在不帶聚焦電極的SCE－ZnOFED中，電子束得不到有效聚焦，電子被平面柵極橫向加速導(dǎo)致具有一定的橫向速度，與此對應(yīng)的發(fā)光區(qū)域較大并出現(xiàn)發(fā)光閃爍的現(xiàn)象，這可能是電子在陽極表面的彈射效果所造成的，如圖8（a）所示。增加聚焦電極后，電子的橫向速度被有效控制，初始發(fā)射電子的能量被轉(zhuǎn)化到二次電子發(fā)射中去，到達陽極的絕大部分電子為二次電子并具有較好的聚束性能，發(fā)光區(qū)域被有效控制，導(dǎo)致光點均勻且穩(wěn)定，如圖8（b）所示。

5 結(jié) 論

本文利用步進算法及Monte－Carlo法研究了帶有聚焦電極的SCE－ZnOFED 結(jié)構(gòu)，討論其電子聚焦及二次電子發(fā)射過程，通過相關(guān)驗證實驗，研究了帶有聚焦電極的場發(fā)射光源的發(fā)光特性及調(diào)制特性，論證了在金屬柵極結(jié)構(gòu)上制備二次電子發(fā)射涂層后，場發(fā)射電子得到了明顯的聚焦效果，由此帶來的發(fā)光均勻性及穩(wěn)定性得到明顯的改善，實驗制備得到的光源原件，開啟電場僅為1.1V／μm，調(diào)制電壓區(qū)間小于150V，在輸出功率較小的情況下，陽極熒光屏亮度達到1 000cd／m2，且具有較好的發(fā)射穩(wěn)定性及均勻性。結(jié)合場發(fā)射光源具有的陣列可調(diào)制特點，該類型的場發(fā)射光源將可作為液晶顯示的背光源，將使液晶顯示背光源具有低功耗、高亮度、高速響應(yīng)的特點。

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