[发明专利]碳基场发射阴极及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于场发射阴极的碳材料。本发明还涉及制造这种场发射阴极的方法。

背景技术

在现代节能照明装置中使用的技术使用汞作为活性组分之一。由于汞对环境有害，因此已经进行了广泛的研究以克服与节能、无汞照明相关的复杂的技术困难。

一种用于解决这种问题的方法是通过使用场发射装置，例如场发射光源。场发射是在邻近发射材料表面的电场使得存在于所述发射材料表面的势能垒的宽度变窄时产生的现象。这允许产生量子隧穿效应，由此电子穿过所述势能垒并从所述材料发射。

在现有技术的装置中，阴极被配置在具有例如玻璃壁的真空腔室内，其中在腔室内部涂有导电层，在其顶部沉积有发光层。它们一起构成阳极。当在阴极和阳极之间施加电位差时，电子从阴极发射并朝向阳极加速。当电子撞击发光层时，它们导致发光层发射光子，此过程称为阴极射线发光，其不同于在常规荧光照明装置例如常规荧光管中采用的光致发光。

因此，应用于场发射装置中的阴极称之为场发射阴极并且由于其不需要使用热源来工作而被认为是“冷”阴极。在已知适合用作场发射阴极结构的各种材料中，碳基材料已经被证明能够在中度真空环境中产生长寿命的显著发射电流。

这种场发射阴极公开在欧洲专利申请99908583“Field emissioncathode fabricated from porous carbon foam material”中，其中场发射阴极包含由多孔碳泡沫材料例如网状玻璃碳(RVC)形成的发射元件，其中该发射元件具有限定多个发射边缘的发射表面。RVC使用碳化聚合物树脂制备。

使用RVC作为发射元件还没有完全成功，这是由于该材料具有不稳定期，该不稳定期被称为材料的“训练期(training period)”，这被认为是由于(i)初始存在于RVC阴极发射表面的污染物的解吸和(ii)RVC材料的最尖锐的发射边缘的破坏所导致的。后者(ii)导致涉及昂贵和复杂制造步骤的复杂制造工艺。此外，前述的此类场发射阴极的操作电压必须非常高以获得足够的输出电流，该效应表明在全部阴极表面上的发射位非常少。

因此本发明的目的是解决两个重要的问题：在合适的电压间隔下的阴极总发射电流和发射边缘的均匀的空间和电流分布，并且因此提供一种用于场发射阴极的新型和改进的碳材料。

发明内容

通过如独立权利要求1和8所限定的用于场发射阴极的碳材料和相应的制造这种场发射阴极的方法来满足上述需要。从属权利要求限定根据本发明的有利的实施方案。

根据本发明的第一个方面，提供一种用于制造场发射阴极的方法，所述方法包括如下步骤：提供包含金属、金属盐和金属氧化物中的至少一种和液体酚醛树脂的液体化合物，配置导电阴极支撑体使得所述导电阴极支撑体接近所述液体化合物，以及加热所述液体化合物，由此形成由所述液体化合物转化的固体化合物泡沫，所述固体化合物泡沫至少部分覆盖所述导电阴极支撑体。该新化合物的优点包括其具有降低的功函数和其具有最小的或不存在的训练期。因此，与现有技术中使用的方法和材料相比，该新方法将提供以更少的制造步骤和一部分成本来制造场发射阴极的可能性。

在加热液体化合物的步骤中，该步骤优选在已经配置了导电阴极支撑体和液体化合物的封闭容器内进行，温度为低于100℃，例如在约60℃-90℃。作为加热的结果，所述液体化合物将体积膨胀，并接着形成与导电阴极支撑体紧密接触的固体化合物泡沫，由此至少部分覆盖导电阴极支撑体。

术语“功函数”表示将电子从费米能级移动到表面外无限远距离的一点所需要的最小能量(通常以电子伏特来表示)。此外，术语“训练期”定义为在此期间化合物表现出不稳定迹象的时间。所述金属盐在一种情况下可以是碱金属盐。类似地，所述金属氧化物在一种情况下可以是氧化锌。所述液体化合物可以采用相似的方式进一步包含酸化合物、表面活性剂、分散剂以及有机或非有机溶剂中的一种或多种。

制造场发射阴极的下一步骤包括对至少部分覆盖所述导电阴极支撑体的固体化合物泡沫实施热解过程的步骤，由此形成碳化固体化合物泡沫，并且然后对该碳化固体化合物泡沫实施切割动作，由此在碳化固体化合物泡沫的表面形成多个尖锐发射边缘。所述热解优选在低真空环境中在约800～1000℃下进行。对于所述切割过程，存在大量可应用的技术。在优选的方式中，使用机械切割过程。