丝网印刷制备适用于AC－PDP 的LaB6 介质保护层的研究*

杜螣杰，林祖伦* ，王小菊

(电子科技大学光电信息学院，成都610054)

六硼化镧(LaB6)材料具有熔点高、导电性好、化学活性低、对发射环境要求低等特殊的物理、化学性能，广泛应用于各种大电流、长寿命的电子发射器件中［1］。目前主流的PDP 显示器件内部采用的是MgO 材料构成的介质保护层，MgO 具有耐离子轰击的优点并且具有一定二次电子发射能力，但是MgO的电子发射性能并不强，这从一定程度上限制了PDP 的放电效率。而LaB6这种材料的逸出功比MgO 低，并且LaB6同样也有耐离子轰击的特点，因此在PDP 介质保护层中使用LaB6材料有望降低PDP 的着火电压和维持电压，提高PDP 的响应速度，从而降低PDP 器件的整体性能［2－3］。

近年来，通过改变介质保护层材料来提高PDP效率方面的研究主要是一些韩日的研究者在进行，他们的研究方向主要是在MgO 层之上制备一层添加层构成复合介质保护层，以及使用新型材料完全替代MgO 来构成介质保护层［4］。例如韩国的Seung－Hyeon Yang 等人，利用喷涂的方法，在传统MgO 保护层的表面喷涂了一层具有金刚石结构的纳米碳颗粒，由于纳米碳颗粒较强的电子发射性能，能够显著降低PDP 的着火电压，同时由于纳米颗粒的离散性，不会影响保护层的通光性，从而提高了PDP 的发光效率，但是纳米碳颗粒在离子轰击下的寿命问题还有待验证［5］。一些日本研究机构也尝试使用LaB6来代替MgO 作为介质保护层。早在1988 年，日本的E.Munemoto 等人在DC－PDP 电极上涂覆混合LaB6颗粒的浆料并烧结，放电测试后的结果表明，使用LaB6材料的PDP 样品分别使着火电压和维持电压降低了60 V和80 V［6］。在2008 年的研究报道中，日本的M.Ono，S.Hara 等人使用同样的方法，在AC－PDP 面板上印刷烧结了LaB6厚膜作为介质保护层，测试结果表明，使用了LaB6材料的AC－PDP 样机使维持电压降低了50 V，并且寻址电压和寻址速度都有显著降低。结合两者的研究结果可表明，使用LaB6材料可以降低PDP的工作电压，但是由于印刷的LaB6厚膜不具备通光性能，导致使用LaB6厚膜介质保护层的PDP 开口率降低，像素尺寸加大，不利于实现PDP 显示器的高清显示要求，同时也降低了PDP 显示器件的发光效率［7］。结合近期的研究发现，我们对于过去传统的印刷LaB6厚膜的方法进行改进，本文采用了低固含量比例的LaB6混合浆料，印刷制成离散的LaB6纳米颗粒薄膜。使用紫外－可见光分光计对比MgO 薄膜测试研究了印刷的LaB6薄膜的光学性能和固含量的关系;采用了SEM 分析测试了在可见光范围内透过率高的LaB6薄膜的表面形貌;最后制作了PDP 放电模拟单元测试了制备的LaB6薄膜在Xe－Ne 环境下的放电性能。

1 实验

首先以松油醇为有机溶剂，乙基纤维素、司班85 为添加剂，配制有机载体，再分组加入不同质量比的LaB6纳米颗粒配置成为不同固相比例的印刷用浆料。各组浆料经过搅拌、超声分散、玛瑙研磨后备用。然后在35 mm×30 mm 洁净PDP 面板玻璃上采用丝网印刷(Screen－Printing)工艺印制LaB6薄膜，实验设计的丝网印刷系统如图1 所示。印刷的参数为:印刷角度60°，丝网目数为200 目，印刷环境为室温25°，印刷之前配制好的浆料。印刷后进行烘干与烧结处理，最后分组记录薄膜透过率及表面形态与固相比例的关系。

图1 丝网印刷系统示意图

为了研究印刷的LaB6薄膜的放电性能，将印刷有LaB6薄膜的玻璃衬底通过低温玻璃粉烧结进行封装，制备成PDP 模拟放电单元，设计的模拟单元结构如图2 所示。将制备好的模拟放电单元进行Ne－Xe气环境下的放电测试，测试着火电压以及放电延迟等参数，同时也制作纯净的MgO 薄膜玻璃衬底的模拟放电单元，以此来对比反映LaB6薄膜的放电性能。

图2 模拟放电单元示意图

2 结果和分析

2.1 通光性能测试

采用丝网印刷工艺印刷不同固液相比例的浆料来制备LaB6薄膜，使用紫外－可见光分光计测试LaB6薄膜的通光性能，测试结果如图3 所示。之后在已经蒸镀了MgO 薄膜的PDP 玻璃衬底上印刷一层LaB6作为添加层，测试其通光性能，然后采用相同的方法对于未印刷LaB6的商用PDP MgO 玻璃衬底的通光性能进行测试，两者对比测试的结果如图4 所示。测试过程中使用未蒸镀任何薄膜的PDP玻璃基板作为紫外－可见光分光计的测试基准。

图3 不同固含量的LaB6 薄膜透过率

图4 MgO 薄膜与MgO+LaB6 薄膜透过率对比

由图3 的测试结果分析可知，虽然LaB6材料本身不具有透光性能，但是印刷的LaB6随着固相比例的降低，薄膜的透光性能得到提高。固相比例为30%的LaB6薄膜在可见光范围内的透过率小于5%;固相比例为10% ～20%的薄膜对于波长段在400 nm ～800 nm 的可见光有60%左右的透过率，TMax=70%;固相比例为5%的薄膜对400 nm ～800 nm 的可见光整体透过率在90%左右，其透过率在600 nm 时达到峰值。

由图4 的分析可知，印刷了5%固含量LaB6的MgO 薄膜与未印刷LaB6的MgO 薄膜的通光性相差不大，两者在可见光(400 nm ～800 nm)范围内的透过率相差不大于5%。研究结果表明，在AC－PDP中，在传统MgO 保护层印刷LaB6作为添加层不会改变其原有的良好通光性，这对于PDP 能够维持小像素尺寸，实现高清显示有重要意义。

2.2 印刷LaB6 薄膜的表面形态分析

图5 为丝网印刷5%、10%、20%以及30%固相含量的LaB6薄膜的SEM 图像，可以看出，随着固相含量比例不断提高，LaB6颗粒的分布越来越致密，但是团聚程度也逐渐增大。从图中也可以看出，固相含量在10%以上的薄膜颗粒的分布就开始变得较为致密了，由于印刷采用的LaB6颗粒本身具有一定的厚度(＞2 μm)，所以结合之前通光性能测试结果，低固相含量的薄膜颗粒整体分布较为均匀，并且颗粒之间间距大，具有良好的透光性，不会对于原有的PDP 介质保护层产生不良影响。

图5 丝网印刷LaB6 薄膜SEM 图像

2.3 放电性能测试

在实际应用的PDP 显示器中，放电单元中寻址电极间距约为100 μm，气压约为300 Torr ～400 Torr［8］。根据气体放电等效原理，根据实际PDP 的工作参数制作等效模拟放电单元。设计的模拟放电单元电极间距为2.5 mm，放电尺寸放大倍数N=25 倍，模拟放电单元的放电气压为实际PDP 气压的1/25(约为12 Torr ～16 Torr)。根据之前的透光性测试，选取具有良好透光性，固相比例为5%的LaB6浆料印刷在PDP 玻璃衬底上，对两片PDP 进行封装后，利用设计好的充气放气装置，向模拟单元中充入不同Xe比例的Xe+Ne 的混合气体，进行放电测试。测试主要对于模拟单元的着火电压以及放电延迟进行了记录。测试的数据如图6 所示。

图6

分析放电实验的放电环境可知，放电的气压p与电极间距l 的乘积pl 满足关系式:0.03 Pa·m＜pl＜0.6 Pa·m，不属于放电流注理论和高真空放电理论解释的范围，可以采用汤生放电模型和帕邢放电关系解释放电现象;从图6(a)、图6(b)可以看出，测试得到的着火电压随气压的升高而增加的趋势明显，也与帕邢定律建立的物理模型相符合;而从图6(c)、图6(d)可以看出在相同Xe 气比例情况下，模拟放电单元的放电建立时间均随气压的增加而减小，实验说明单位放电空间中的气体分子数加大有利于放电过程的快速建立［9－10］。

根据设计的模拟单元尺寸进行推算可以发现，在充入气体气压为15 Torr 左右时，放电环境最为接近实际的PDP 工作环境，而两种模拟放电单元在15 Torr 的最小着火电压也都集中在5%或15% Xe 比例的条件下。选取15 Torr，15% Xe 比例下的着火电压以及放电延迟作为参考。

表1 15 Torr/15% Xe 下的两种模拟单元着火电压与放电延迟

由表1 分析可知，在根据实际PDP 放电环境模拟的放电测试中，测试结果满足MgO 模拟单元着火电压＞MgO+LaB6模拟单元着火电压的关系，并且MgO+LaB6结构的模拟单元的放电延迟较小，印刷了LaB6颗粒的MgO 保护层相比传统MgO 保护层的着火电压低了5%左右，放电延迟降低了25%左右。

分析测试结果可知，在MgO 保护层上引入的低逸出功的LaB6颗粒能够有效降低器件的着火电压与放电延迟。在实验中采用的Xe/Ne 混合气体的放电单元放电时满足潘宁效应，在电离过程中亚稳态的Ne 原子激发基态的Xe 产生完全电离，放电空间具有的离子主要为Xe+。在不考虑极间电场的情况下，亚稳态的Ne*m原子与Xe+离子分别具有15.62 eV 和12.12 eV 的能量，eUi(Xe)与eUm(Ne)均大于2ΦLaB6(逸出功)［11］;而传统的MgO 保护层具有较高的固体表面势垒，其势垒约为10 eV ～16.3 eV［12－13］。在电场作用下Ne*m原子与Xe+离子作用于低逸出功的LaB6颗粒时能够产生二次电子发射，而相同能量的Ne*m与Xe+作用于MgO 保护层时难以产生二次电子发射;因此可知印刷有低逸出功的LaB6颗粒的MgO 保护层的总体二次电子发射能力优于单一的MgO 保护层的总体二次电子发射能力。

根据帕邢定律:

可知，在放电环境不变的情况下，二次电子发射系数γ 越大，则着火电压越低。所以含有MgO+LaB6结构的放电单元的着火电压相对较低。

同时根据汤生放电建立过程可知，放电初期需要有一定数量的随机自由电子，随机自由电子在电场作用下产生碰撞电离形成电子雪崩，使放电过程维持。放电初始阶段产生的少量电子碰撞激发产生的Ne*m与Xe+离子作用于低逸出功的LaB6颗粒比作用于高表面势垒的MgO 保护层时更易产生电子逸出，逸出的二次电子进一步加快放电过程的建立［12－13］;因此，采用MgO+LaB6颗粒结构的放电单元的放电延迟时间较短。

3 结论

本文采用了丝网印刷的方法在商用PDP 玻璃衬底上印刷得到了LaB6薄膜，通过采用低固含量浆料印刷的方法，得到了形貌较好，光学性能优良的LaB6薄膜。通过对薄膜透光性能以及表面形貌的分析，采用5%固含量印刷的LaB6薄膜颗粒分布较为离散，在可见光范围的透过率在90%左右，不会影响PDP 衬底原有的通光性。

放电测试结果表明，印刷了LaB6薄膜的MgO+LaB6结构的放电性能优于传统单一MgO 保护层的结构，其中着火电压降低了5%，放电延迟降低了25%。

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