用于AC-PDP保护层的六硼化镧薄膜的制备与性能研究*

徐 晓,王 怡,牛 童,王小菊

(电子科技大学光电信息学院,成都 610054)



用于AC-PDP保护层的六硼化镧薄膜的制备与性能研究*

徐 晓,王 怡,牛 童,王小菊*

(电子科技大学光电信息学院,成都 610054)

采用丝网印刷法在PDP的传统MgO保护层上制备了六硼化镧薄膜。改变工艺参数,测试了LaB6/MgO薄膜的表面形貌和光学性能,并对透明的LaB6/MgO薄膜在Xe/Ne混合气体中的放电性能进行了测试。实验结果表明,采用400目丝网和球磨后的LaB6粉末有利于提高LaB6/MgO薄膜的透过率,相比于原有的MgO衬底,透过率达到90%以上。放电测试结果表明,印刷了LaB6薄膜的MgO+LaB6样品的放电性能优于传统的MgO保护层,其中着火电压降低了7%左右,放电延迟降低了9%左右。

PDP;丝网印刷;透过率;着火电压;放电延迟

等离子显示器(PDP)在电视市场中发挥着举足轻重的作用。近年来,通过改变介质保护层的材料来降低PDP的功耗已成为各国研究的焦点[1-2]。六硼化镧(LaB6)是一种高熔点、抗氧化、导热、导电、化学稳定性极好的理想电子发射材料,它具有优良的电子发射能力和耐离子轰击性,能有效降低着火电压与维持电压[3],从而降低PDP器件的整体功耗。

早在20世纪80年代,国外就已经开展了对LaB6厚膜的研究[4-5],取得了良好的效果。但是,由于六硼化镧薄膜不具有通光性,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[5]。并且,六硼化镧具有金属的良好导电性,连续的六硼化镧薄膜不能起到介质保护作用。与国外直接在介质层上制备LaB6厚膜的方法不同,本文采用丝网印刷技术在MgO保护层上制备一层不连续的六硼化镧薄膜,希望在不牺牲开口率情况下提供优良电子发射能力,降低PDP显示器功耗。

1 实验

六硼化镧粉末经球磨后颗粒大小达亚微米数量级,以松油醇为有机溶剂、司班85和乙基纤维素为分散剂配置有机载体,分别按照3%、5%和10%的不同质量比加入LaB6粉末,研磨30 min至载体全部溶解。浆料配置均匀后在15 mm×50 mm的PDP商用基板上采用丝网印刷工艺印制LaB6薄膜。印刷后将基片在150 ℃的烘箱中烘干15 min,待基片温度至室温后将薄膜置于马弗炉中进行烧结。其中,烧结温度为450 ℃,烧结时间1h。采用UV-1700型紫外-可见光分光光度计和扫描电子显微镜分别对薄膜的表面形貌和可见光透过率进行测试,在此基础上将基片制成模拟放电单元,并测试其在Ne+Xe混合气体中的放电特性。

2 实验结果与讨论

2.1 薄膜形貌与光学性能分析

2.1.1 丝网目数对薄膜形貌和光学性能的影响

用扫描电镜观察200目丝网和400目丝网印刷的LaB6薄膜的表面形貌(其中LaB6的浆料浓度均为10%),其SEM如图1所示。可以看出,用200目丝网印刷时,衬底表面颗粒较多,形成一层致密的连续膜,薄膜较厚;用400目丝网印刷时,衬底表面颗粒明显减少,颗粒间距较大,薄膜较薄。这是因为丝网目数越高,丝网越密,网孔越小,浆料通过性越差,印刷的LaB6薄膜就越薄。反之,目数越低,丝网越稀疏,网孔越大,浆料通过性就越好,薄膜就越厚。

图1 不同目数丝网印刷的SEM图像(LaB6浓度为10%)

以商用的PDP前基板(传统MgO为保护层)作为紫外-可见光分光计的基准片,分别测试用200目丝网和400目丝网印刷的质量比为10%的LaB6薄膜的透过率,结果如图2所示。由图可知,采用200目丝网印刷时,薄膜在可见光范围内仅有70%左右的透过率,不能满足PDP显示对介质保护膜透过率的要求;而400目丝网印刷的浓度为10%的LaB6薄膜的透过率可达到85%,透过率明显提高。因此本文将主要以400目丝网印刷的LaB6薄膜来研究浆料配比与透过率及放电性的关系。

图2 不同丝网目数下的LaB6薄膜透过率

2.1.2 球磨对薄膜形貌和光学性能的影响

图3 球磨前后薄膜的SEM图像对比

球磨影响六硼化镧颗粒薄膜的成膜质量并对其透光率有一定影响。如图所示,图3(a)为未经过球磨、浆料配比为5%的六硼化镧印刷后的成膜照片,图3(b)为球磨后相同六硼化镧质量比的SEM照片。由图可知,未经球磨直接印刷的六硼化镧薄膜颗粒分布不均匀、颗粒尺寸较大且团聚较严重;球磨后成膜质量有较大提高,六硼化镧颗粒分布更为离散和均匀,颗粒尺寸较球磨前有明显减小。图3(b)中有一些较大的颗粒经分析应为没有被分散开的LaB6颗粒团聚。球磨前粒径平均尺寸约为2 μm～3 μm,球磨后粒径约为。

2.1.3 浆料配比对透过率的影响

经过以上分析,我们选用400目丝网和球磨后的LaB6粉末。以松油醇作为有机溶剂,乙基纤维素和司班85作为添加剂,加入不同质量比的LaB6粉末,配置不同浓度的浆料。

资料分析表明,作为介质保护层的LaB6连续薄膜厚度在小于43 nm时才具有较高的透过率[6]。然而丝网印刷的LaB6薄膜的厚度在微米量级,不能满足PDP对介质保护层透过率的要求。因此本文通过降低LaB6的浓度,增大LaB6颗粒间的间隙,在商用PDP衬底上印刷一层不连续的LaB6薄膜来提高介质保护层整体的通光性能。

采用丝网印刷工艺分别印刷浆料浓度为3%、5%和10%的LaB6薄膜,使用紫外-可见光分光计分别测试不同配比的LaB6薄膜的通光性能。采用相同的测试方法测试未印刷LaB6薄膜的商用PDP前基板的透过率,测试结果如图4所示。测试过程以传统MgO保护层作为紫外-可见光分光计的基准。

图4 不同浓度的LaB6薄膜的透过率

由图4可以看出,随着LaB6浓度的减小,薄膜的透光性能得到提高。在MgO保护层上印刷的浓度为10%的LaB6薄膜的透过率较低,透过率在85%左右;浓度为5%的LaB6薄膜的透过率在90%左右;浓度为3%的LaB6薄膜在可见光范围内整体的透过率较高,相对于原有商用基板,其整体透过率在95%左右。分析可知,在传统的商用基板上印刷浓度为3%的LaB6薄膜作为添加层时,不会改变其原有的良好的通光性。

使用扫描电镜(SEM)对不同浓度的LaB6薄膜的表面进行观测,结果如图5所示。从图中可以看出,不同配比的薄膜颗粒分布整体较为均匀且薄膜不连续,颗粒间隙较大,满足PDP对介质保护层绝缘性能的要求。质量比为3%的LaB6薄膜表面的颗粒较少,分布稀疏,颗粒间间隔较大;质量比为5%的LaB6薄膜表面颗粒明显增多,颗粒间的间隔变小;当LaB6浓度为10%时,薄膜表面的颗粒密度增大,间隙明显变小。

图5 不同浓度的LaB6薄膜的SEM图像

研究表明,六硼化镧粉末对可见光有一定的吸收和散射[7]。因此衬底表面的颗粒越多,间隙越小,颗粒对可见光的吸收和散射就越强,薄膜对可见光的透过率就越低,这与使用紫外-可见光分光计对透过率的测试结果相吻合。

2.2 放电结果分析

根据之前的透光性测试,本文选取具有良好透光性,质量比为3%的LaB6浆料印刷在PDP玻璃衬底上,采用对向放电方式,对制作的样品进行了放电性能测试,测试结构如图6所示。根据气体放电等效原理,本文采用的模拟放电单元电极间距为0.7 mm,放电尺寸放大倍数N=4.7倍,模拟放电单元的放电气压为实际PDP气压的1/4.7(约为85 Torr),放电气体为Xe+Ne的混合气体[8-10]。

图6 MgO-LaB6复合薄膜对向放电单元测试示意图

图7给出了样品在5%Xe+Ne中的部分放电性能。由图(a)可知,随着气体压强的增加,样品的着火电压均增大。根据汤生放电理论,气体放电是基于积累自由电子碰撞电离所产生的现象。在两次碰撞的时间间隔中间隔中,漂移电压vd满足:

其中μe,E,e和m分别为电子迁移率,电场强度,电子电荷及电子质量。vm是电子动量转移的有效碰撞频率,它与气体压强P成正比,则vd满足vd∝E/P。因此LaB6/MgO薄膜和MgO薄膜的着火电压均随着气体压强的增大而增大[11]。

此外,在测试压强范围内,3% LaB6/MgO薄膜的着火电压始终远远低于MgO基板的着火电压。当充入气体的气压为80 Torr时,传统MgO保护层的着火电压为252 V,而印刷了LaB6薄膜的MgO+LaB6样品的着火电压为234 V。

根据离子中和理论[12],当入射正离子接近阴极表面时,阴极表面空间会产生离子场,阴极中的某些自由电子可被正离子所俘获,并复合形成中性原子。在一定几率下,另一个电子会吸收复合过程中释放的能量,当该能量大于阴极的表面逸出功时,该电子可逸出金属成为二次电子。由于LaB6具有较低的逸出功,在电场作用下Nem*与Xe+作用于LaB6薄膜时能够产生二次电子发射,而相同能量的Nem*与Xe+作用于MgO保护层时则难以产生二次电子发射。考虑等离子中其他具有能量的微小粒子的作用,可知低逸出功的LaB6薄膜的总体二次电子发射能力优于具有绝缘性质的MgO保护层的总体二次电子发射能力,根据帕邢定律可知,二次电子发射能力越强,则放电着火电压越低,测试结果与理论分析结果相符合。

分析图7(b)可知在5%的Xe气比例情况下,两种模拟放电单元的放电建立时间T均随气压的增加而减小,结果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[12-13]。此外,与传统MgO基板相比,3% LaB6/MgO薄膜的放电延迟时间得到了有效的降低。当充入气体的气压为80 Torr时,传统MgO保护层的放电建立时间为920 ns,而印刷了LaB6薄膜的MgO+LaB6样品的放电建立时间仅为840 ns,约降低了9%左右。

根据汤生理论,放电过程的维持依靠随机自由电子在电场作用下碰撞电离产生雪崩的过程。因为LaB6薄膜逸出功低,相比高表面势垒的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了建立放电过程,所以采用LaB6薄膜的模拟放电单元的放电建立时间较短。

图7 放电性能测试结果

3 结论

本文采用丝网印刷的方法在MgO保护层上印刷得到了LaB6薄膜,通过采用LaB6浓度较低的浆料在衬底上印刷了一层形貌良好、光学性能优良的不连续薄膜。实验结果表明,采用400目丝网和球磨后的LaB6粉末有利于提高MgO+LaB6结构的透过率,降低系统的着火电压。通过对薄膜的表面形态、透光性能及放电性能的分析和研究,随着LaB6浓度的降低,薄膜在可见光范围内的透过率明显增大,LaB6浓度为3%的薄膜表面颗粒间隙较大,在可见光范围内的透过率较高,相比于原有的MgO衬底,透过率达到90%以上,不会影响PDP衬底原有的通光性能。

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7%左右,放电延迟降低了9%左右。

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徐晓(1992-),女,汉族,山东青岛人,电子科技大学本科生,主要从事平板显示方面的研究,xuxiao2012@163.com;

王怡(1992-),女,汉族,内蒙古呼和浩特人,电子科技大学本科生,主要从事平板显示方面的研究,18647139201@163.com;

牛童(1990-),男,汉族,山东临沂人,电子科技大学本科生,主要从事平板显示方面的研究,1587560817@qq.com;

王小菊(1981-),女,汉族,四川威远人,电子科技大学光电信息学院副教授,硕士研究生导师,主要从事真空电子学、平板显示方面的研究,xjwang@uestc.edu.cn。

TheCharacteristicsoftheLanthanumHexaborideThinFilmsAppliedinProtectiveLayerofAC-PDP*

XUXiao,WANGYi,NIUTong,WANGXiaoju*

(University of Electronic Science and Technology of China,School of Optoelectronic Information,Chengdu 610054,China)

The LaB6thin film was deposited on MgO protective layer of PDP by the screen-printing method. The surface appearance and the optical performance of LaB6/MgO films fabricated with different process parameters were tested. Besides,the discharge performance of the LaB6/MgO film with high transmittance was tested in Xe/Ne mixed gases. It is shown that the screen of 400 meshes and the ball-milled LaB6are benefit to improve the visible light transmittance. Using the conventional MgO protective layers as a reference,the visible light transmittance of LaB6/MgO film reaches at a high level of 90%. The consequence of the discharge test has shown that the discharge performance of the MgO substrate printed with the LaB6thin film is better than the traditional MgO protective layer. The firing voltage and discharge delay time have been descended by 7% and 9%,respectively.

PDP;screen-printing;transmittance;firing voltage;discharge delay time

项目来源:中央高校科研基本业务费项目(ZYGX2010J062);四川省科技创新苗子工程项目

2013-11-01修改日期:2013-11-20

TN141.5

:A

:1005-9490(2014)06-1021-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.002