带电子聚焦的氧化锌场发射背光源

赵丽芳，狄云松

（1.南京信息职业技术学院，江苏 南京210023；2.南京师范大学 物理科学与技术学院，江苏 南京210023）

1 引 言

液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）逐渐成为平板显示的主流显示技术［1］，当前对LCD的研究主要在提高其图像显示质量及降低其功耗上。目前市场上广泛使用的LCD 是采用白色背光源配以红、绿、蓝三基色滤色膜构成其三色显示像素，由此，从液晶层出射出来的白光，大致2／3的光能量将被滤色膜所吸收，这是导致LCD 的功耗提高的一大因素［2］。

近年来，为了提高LCD 的光效率，提出了多种降低LCD 功耗的新型背光技术的方案，如局部调光技术和子场时序色彩显示等［3－4］。这些方案都需要一个背光源可调制技术，如局部调光技术需要对背光源进行阵列的光强调制，而子场时序色彩显示则需要对光源进行时序调制。若能实现对背光与色彩的阵列及时序调制技术，将避免使用滤色膜，从而可以实现LCD 功耗的极大降低［5］。

场发射技术，尤其是对纳米材料的场发射技术，在近年来开展了广泛的研究。场发射光源是利用低逸出功和高长径比的纳米材料作为冷阴极发射材料，发射电子轰击荧光粉而发光。与冷阴极 荧 光 灯（Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL）相比，由于采用电子直接轰击荧光粉，场发射光源的发光效率较高，能耗较低［6］。

氧化锌的发射及发光特性的研究已开展多年，具有良好的发光稳定性及均匀性［7－8］。本文结合氧化锌纳米针的场发射性能及表面传导场发射三级结构（Surface Conducted Electron ZnO Field Emission Triode，SCEFET）［9］，提出了一个电子聚焦结构，有效实现了场发射电子的聚焦，从而改善了场发射光源的发光均匀性；同时，利用表面传导三级结构，可实现对阳极电流的低电压调制，从而实现光源的可寻址光强调制。

2 氧化锌表面电子传导场发射光源

2.1 表面电子传导场发射三级结构概念

在表面电子传导型三级结构中，阴极和栅极被设置在下基板的同一个平面上，距离一定的间隙。氧化锌纳米针浆料通过丝网印刷工艺填充到阴极与栅极的间隙中，上基板为锡铟氧化物（ITO）阳极，与下基板通过支撑体隔开一定的距离，形成表面电子传导场发射三级结构（Surface Conducted Electron Field Emission，SCEFE）。

该三级结构如图1所示［9］。

图1 ZnO 表面传导三级结构原理图［9］Fig.1 Schematic diagram of ZnO SCEFET［9］

2.2 氧化锌表面电子传导场发射显示的工作原理

阴、栅极间填充了氧化锌纳米针，主要利用氧化锌纳米针的高长径比及表面电子弹射的特性，形成氧化锌表面电子传导场发射显示系统（Surface Conducted Electron ZnO Field Emission Display，SCE－ZnOFED）。该系统的基本工作原理为：施加一定的压差在平面阴、栅极上，将在氧化锌层中形成一定的传导电流，然后在阳极上施加高电压，氧化层中的一部分传导电子将在表面弹射后受竖直电场的作用向上轰击阳极上的荧光粉发光，其原理如图2所示。

图2 氧化锌表面传导三级结构显示屏原理图，插图为该结构光源［10］Fig.2 Diagram of ZnO SCEFED structrue，the inset is a lamp based on this structure［10］

早在2008年，Wei L.等人已经研制出了第一个基于SCE－ZnOFED的场发射光源［10－11］，其栅极上的开启场强低于1V／μm，在所有的报道中这是相对较低的值。当阳极偏压设置为4.5kV，亮度最大值超过了1 000cd／m2，如图2 中的所示。但没有电子聚焦的设计，电子的横向速度较大，轰击到阳极荧光粉易形成侧向漂移，使得发光出现浮动及闪烁的现象，影响了光源的发光质量。

2.3 基于SCE－ZnOFED的聚焦电极设计

考虑到SCE－ZnOFED的问题，没有任何聚焦设计的结构，电子轨迹看起来是分散的而且打击到“错误”的点上，在矩阵驱动时，可能发生色度亮度干扰。因此，需要添加一个电子的聚焦设计。本文采用荫罩作为聚焦电极，即将金属网格阵列添加到以上的SCE－ZnOFED结构中，用于改善整个结构的聚焦效果。另外，将氧化镁（MgO）层涂在栅极孔上，形成电子的二次电子发射，增加阳极电流，提高发光亮度的效果，图3给出了带有聚焦级的SCE－ZnOFED结构的示意图。

3 基于SCE－ZnOFED 结构的数值模拟

3.1 数值建模

数值模拟的目的是验证带有电子聚焦结构的SCE－ZnOFED能有效对电子束进行聚焦。三维形式下的带聚焦SCE－ZnOFED结构如图4所示，它具有轴对称特性，为了节省计算资源，可建立二维柱坐标下的数值模型。

图4 SCE－ZnOFED三维仿真模型示意图Fig.4 Diagram of SCE－ZnOFED 3Dsimulation model

为了获得电子轨迹，需要首先根据结构参数建立模型，获得空间电场的分布，电场分布可通过解二维柱坐标下的Laplace方程得到。二维柱坐标下的Laplace方程如式（1）：

其 中：V 为 电 势 值，r 为 极 坐 标 值，z 为 柱 坐 标 值。计算得到格点上的电势V 后由式（2）可求的格点上的的电场强度E：

在获得所有格点上的电场强度后，可通过解四阶Runge－Kutta方程获得电子的轨迹，这里采用经典的四阶Runge－Kutta方程。

图5 材料二次电子发射系数曲线Fig.5 Plot of the secondary electron emission yield curve

为了获得带有电子聚焦结构的SCEZnOFED 的电子轨迹，还需要氧化镁层二次电子发射参与计算，这里采用Monte Carlo法来模拟聚焦极表面氧化镁层的二次电子发射过程。二次电子发射系数δ 与初始发射电子的能量E 和入射到氧化镁层上的角度θ 有关。为简化计算过程，忽略二次电子发射的角度效应，只考虑电子能量E 的效果，其典型的二次电子发射系数曲线如图5所示，其中参数Ef，EⅠ，EⅡ，Emax和δmax对应氧化镁本身属性均为已知量。计算过程中，总的二次电子发射系数δtot（EΙ）根据以下方程组得出［12］：

3.2 计算结果及讨论

对于无电子聚焦的SCE－ZnOFED结构，其典型的空间电场分布及电子轨迹的数值模拟结果如图6（a）所示。

从图中可以看出，电子在阴、栅极偏压下产生运动，形成表面电流，因此具有水平方向的速度，同时受到阳极高压的吸引，从氧化锌表面逸出，形成发射电子，发射出的电子在栅压和阳极电压的共同作用下加速，最终轰击到阳极上。由电子轨迹可以看出，电子在阳极的落点分布在较大的区域，单位面积上的电流较小则对应发光强度较弱，且电子具有横向速度轰击时，有可能在阳极上产生弹射效果，引起发光的闪烁现象，从而导致发光的不稳定。

而带有电子聚焦电极的SCE－ZnOFED结构，典型的空间电场分布与电子轨迹数值模拟结果如图6（b）所示，可以看出聚焦电极表面产生的二次发射电子与背散射电子占阳极收集到的电子的绝大多数，初始电子轰击到氧化镁表面激发了大量的二次电子与背散射电子，在电场的作用下，电子在楔形的通道内向阳极方向加速并多次轰击氧化镁层，多次产生电子倍增效果，从而增大了轰击阳极的电流，在相同驱动电压下，获得的光辐射将增大。另外，根据电子轨迹最终在阳极上的落点可以发现，电子轰击区域明显较没有聚焦电极时的小，因此电子被有效的聚焦，发光的均匀性及稳定性将得到明显的改善。

图6 空间电场分布及电子轨迹数值模拟Fig.6 Simulations of electric field displacement and electron trajectories

4 相关实验与结果

为了验证带有聚焦电极的SCE－ZnOFED 光源的可行性，我们制备了一块小阵列的光源模型。具体的结构参数基本保持与计算模型中的一致，其中聚焦极由荫罩板材制备，厚度为0.2mm，板上孔径为光刻绘制图案，利用FeCl3溶液电化学刻蚀形成。利用电子束蒸发在其正对阴极的一面（孔侧）蒸发氧化镁薄膜，根据材料用量、蒸发时间、温度及工艺条件等参数决定氧化镁薄膜的厚度及晶格取向。最后将聚焦极板利用隔离体置于阴极基板及带有荧光粉的阳极基板之间并加固，图7 插 图 为 带 有 聚 焦 板 的SCE－ZnOFED 局 部SEM 照片。其中，阴、栅极间距为0.2 mm，由印刷蒙板图案控制；阴极基板与聚焦极板间距为0.4mm，聚焦电极与阳极间距为1mm，各基板间距由隔离体控制。连接外电路后置于真空室中，抽真空至10－5Pa左右并维持，进行调制测试与发光测试。

图7为该屏体的调制特性曲线，阳极电压维持在3 000V，栅极电压在220V 时出现阳极电流并发光，计算得到开启电场仅为1.1V／μm；当栅极电压达到370V 时，阳极电流达到0.5mA，发光强度达到1 000cd／m2，如图8（c），计算总功率仅为6 W 左右，调制电压区间小于150V。

图7 调制特性曲线，插图为带有聚焦板的SCEZnOFED 局 部SEM 照 片Fig.7 Modulation curve of focused SCE－ZnOFED，the inset is the partial SEM of SCE－ZnOFED with focus electrode

图8 两种结构的光点，对比及带聚焦电极结构的亮度测试Fig.8 Comparison of light spots from two kinds of structures and luminescence test for focused sturcture

在不带聚焦电极的SCE－ZnOFED中，电子束得不到有效聚焦，电子被平面栅极横向加速导致具有一定的横向速度，与此对应的发光区域较大并出现发光闪烁的现象，这可能是电子在阳极表面的弹射效果所造成的，如图8（a）所示。增加聚焦电极后，电子的横向速度被有效控制，初始发射电子的能量被转化到二次电子发射中去，到达阳极的绝大部分电子为二次电子并具有较好的聚束性能，发光区域被有效控制，导致光点均匀且稳定，如图8（b）所示。

5 结 论

本文利用步进算法及Monte－Carlo法研究了带有聚焦电极的SCE－ZnOFED 结构，讨论其电子聚焦及二次电子发射过程，通过相关验证实验，研究了带有聚焦电极的场发射光源的发光特性及调制特性，论证了在金属栅极结构上制备二次电子发射涂层后，场发射电子得到了明显的聚焦效果，由此带来的发光均匀性及稳定性得到明显的改善，实验制备得到的光源原件，开启电场仅为1.1V／μm，调制电压区间小于150V，在输出功率较小的情况下，阳极荧光屏亮度达到1 000cd／m2，且具有较好的发射稳定性及均匀性。结合场发射光源具有的阵列可调制特点，该类型的场发射光源将可作为液晶显示的背光源，将使液晶显示背光源具有低功耗、高亮度、高速响应的特点。

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