杜螣杰，林祖?zhèn)? ，王小菊

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

六硼化鑭(LaB6)材料具有熔點高、導(dǎo)電性好、化學(xué)活性低、對發(fā)射環(huán)境要求低等特殊的物理、化學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于各種大電流、長壽命的電子發(fā)射器件中［1］。目前主流的PDP 顯示器件內(nèi)部采用的是MgO 材料構(gòu)成的介質(zhì)保護層，MgO 具有耐離子轟擊的優(yōu)點并且具有一定二次電子發(fā)射能力，但是MgO的電子發(fā)射性能并不強，這從一定程度上限制了PDP 的放電效率。而LaB6這種材料的逸出功比MgO 低，并且LaB6同樣也有耐離子轟擊的特點，因此在PDP 介質(zhì)保護層中使用LaB6材料有望降低PDP 的著火電壓和維持電壓，提高PDP 的響應(yīng)速度，從而降低PDP 器件的整體性能［2－3］。

近年來，通過改變介質(zhì)保護層材料來提高PDP效率方面的研究主要是一些韓日的研究者在進行，他們的研究方向主要是在MgO 層之上制備一層添加層構(gòu)成復(fù)合介質(zhì)保護層，以及使用新型材料完全替代MgO 來構(gòu)成介質(zhì)保護層［4］。例如韓國的Seung－Hyeon Yang 等人，利用噴涂的方法，在傳統(tǒng)MgO 保護層的表面噴涂了一層具有金剛石結(jié)構(gòu)的納米碳顆粒，由于納米碳顆粒較強的電子發(fā)射性能，能夠顯著降低PDP 的著火電壓，同時由于納米顆粒的離散性，不會影響保護層的通光性，從而提高了PDP 的發(fā)光效率，但是納米碳顆粒在離子轟擊下的壽命問題還有待驗證［5］。一些日本研究機構(gòu)也嘗試使用LaB6來代替MgO 作為介質(zhì)保護層。早在1988 年，日本的E.Munemoto 等人在DC－PDP 電極上涂覆混合LaB6顆粒的漿料并燒結(jié)，放電測試后的結(jié)果表明，使用LaB6材料的PDP 樣品分別使著火電壓和維持電壓降低了60 V和80 V［6］。在2008 年的研究報道中，日本的M.Ono，S.Hara 等人使用同樣的方法，在AC－PDP 面板上印刷燒結(jié)了LaB6厚膜作為介質(zhì)保護層，測試結(jié)果表明，使用了LaB6材料的AC－PDP 樣機使維持電壓降低了50 V，并且尋址電壓和尋址速度都有顯著降低。結(jié)合兩者的研究結(jié)果可表明，使用LaB6材料可以降低PDP的工作電壓，但是由于印刷的LaB6厚膜不具備通光性能，導(dǎo)致使用LaB6厚膜介質(zhì)保護層的PDP 開口率降低，像素尺寸加大，不利于實現(xiàn)PDP 顯示器的高清顯示要求，同時也降低了PDP 顯示器件的發(fā)光效率［7］。結(jié)合近期的研究發(fā)現(xiàn)，我們對于過去傳統(tǒng)的印刷LaB6厚膜的方法進行改進，本文采用了低固含量比例的LaB6混合漿料，印刷制成離散的LaB6納米顆粒薄膜。使用紫外－可見光分光計對比MgO 薄膜測試研究了印刷的LaB6薄膜的光學(xué)性能和固含量的關(guān)系;采用了SEM 分析測試了在可見光范圍內(nèi)透過率高的LaB6薄膜的表面形貌;最后制作了PDP 放電模擬單元測試了制備的LaB6薄膜在Xe－Ne 環(huán)境下的放電性能。

1 實驗

首先以松油醇為有機溶劑，乙基纖維素、司班85 為添加劑，配制有機載體，再分組加入不同質(zhì)量比的LaB6納米顆粒配置成為不同固相比例的印刷用漿料。各組漿料經(jīng)過攪拌、超聲分散、瑪瑙研磨后備用。然后在35 mm×30 mm 潔凈PDP 面板玻璃上采用絲網(wǎng)印刷(Screen－Printing)工藝印制LaB6薄膜，實驗設(shè)計的絲網(wǎng)印刷系統(tǒng)如圖1 所示。印刷的參數(shù)為:印刷角度60°，絲網(wǎng)目數(shù)為200 目，印刷環(huán)境為室溫25°，印刷之前配制好的漿料。印刷后進行烘干與燒結(jié)處理，最后分組記錄薄膜透過率及表面形態(tài)與固相比例的關(guān)系。

圖1 絲網(wǎng)印刷系統(tǒng)示意圖

為了研究印刷的LaB6薄膜的放電性能，將印刷有LaB6薄膜的玻璃襯底通過低溫玻璃粉燒結(jié)進行封裝，制備成PDP 模擬放電單元，設(shè)計的模擬單元結(jié)構(gòu)如圖2 所示。將制備好的模擬放電單元進行Ne－Xe氣環(huán)境下的放電測試，測試著火電壓以及放電延遲等參數(shù)，同時也制作純凈的MgO 薄膜玻璃襯底的模擬放電單元，以此來對比反映LaB6薄膜的放電性能。

圖2 模擬放電單元示意圖

2 結(jié)果和分析

2.1 通光性能測試

采用絲網(wǎng)印刷工藝印刷不同固液相比例的漿料來制備LaB6薄膜，使用紫外－可見光分光計測試LaB6薄膜的通光性能，測試結(jié)果如圖3 所示。之后在已經(jīng)蒸鍍了MgO 薄膜的PDP 玻璃襯底上印刷一層LaB6作為添加層，測試其通光性能，然后采用相同的方法對于未印刷LaB6的商用PDP MgO 玻璃襯底的通光性能進行測試，兩者對比測試的結(jié)果如圖4 所示。測試過程中使用未蒸鍍?nèi)魏伪∧さ腜DP玻璃基板作為紫外－可見光分光計的測試基準(zhǔn)。

圖3 不同固含量的LaB6 薄膜透過率

圖4 MgO 薄膜與MgO+LaB6 薄膜透過率對比

由圖3 的測試結(jié)果分析可知，雖然LaB6材料本身不具有透光性能，但是印刷的LaB6隨著固相比例的降低，薄膜的透光性能得到提高。固相比例為30%的LaB6薄膜在可見光范圍內(nèi)的透過率小于5%;固相比例為10% ～20%的薄膜對于波長段在400 nm ～800 nm 的可見光有60%左右的透過率，TMax=70%;固相比例為5%的薄膜對400 nm ～800 nm 的可見光整體透過率在90%左右，其透過率在600 nm 時達到峰值。

由圖4 的分析可知，印刷了5%固含量LaB6的MgO 薄膜與未印刷LaB6的MgO 薄膜的通光性相差不大，兩者在可見光(400 nm ～800 nm)范圍內(nèi)的透過率相差不大于5%。研究結(jié)果表明，在AC－PDP中，在傳統(tǒng)MgO 保護層印刷LaB6作為添加層不會改變其原有的良好通光性，這對于PDP 能夠維持小像素尺寸，實現(xiàn)高清顯示有重要意義。

2.2 印刷LaB6 薄膜的表面形態(tài)分析

圖5 為絲網(wǎng)印刷5%、10%、20%以及30%固相含量的LaB6薄膜的SEM 圖像，可以看出，隨著固相含量比例不斷提高，LaB6顆粒的分布越來越致密，但是團聚程度也逐漸增大。從圖中也可以看出，固相含量在10%以上的薄膜顆粒的分布就開始變得較為致密了，由于印刷采用的LaB6顆粒本身具有一定的厚度(＞2 μm)，所以結(jié)合之前通光性能測試結(jié)果，低固相含量的薄膜顆粒整體分布較為均勻，并且顆粒之間間距大，具有良好的透光性，不會對于原有的PDP 介質(zhì)保護層產(chǎn)生不良影響。

圖5 絲網(wǎng)印刷LaB6 薄膜SEM 圖像

2.3 放電性能測試

在實際應(yīng)用的PDP 顯示器中，放電單元中尋址電極間距約為100 μm，氣壓約為300 Torr ～400 Torr［8］。根據(jù)氣體放電等效原理，根據(jù)實際PDP 的工作參數(shù)制作等效模擬放電單元。設(shè)計的模擬放電單元電極間距為2.5 mm，放電尺寸放大倍數(shù)N=25 倍，模擬放電單元的放電氣壓為實際PDP 氣壓的1/25(約為12 Torr ～16 Torr)。根據(jù)之前的透光性測試，選取具有良好透光性，固相比例為5%的LaB6漿料印刷在PDP 玻璃襯底上，對兩片PDP 進行封裝后，利用設(shè)計好的充氣放氣裝置，向模擬單元中充入不同Xe比例的Xe+Ne 的混合氣體，進行放電測試。測試主要對于模擬單元的著火電壓以及放電延遲進行了記錄。測試的數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6

分析放電實驗的放電環(huán)境可知，放電的氣壓p與電極間距l(xiāng) 的乘積pl 滿足關(guān)系式:0.03 Pa·m＜pl＜0.6 Pa·m，不屬于放電流注理論和高真空放電理論解釋的范圍，可以采用湯生放電模型和帕邢放電關(guān)系解釋放電現(xiàn)象;從圖6(a)、圖6(b)可以看出，測試得到的著火電壓隨氣壓的升高而增加的趨勢明顯，也與帕邢定律建立的物理模型相符合;而從圖6(c)、圖6(d)可以看出在相同Xe 氣比例情況下，模擬放電單元的放電建立時間均隨氣壓的增加而減小，實驗說明單位放電空間中的氣體分子數(shù)加大有利于放電過程的快速建立［9－10］。

根據(jù)設(shè)計的模擬單元尺寸進行推算可以發(fā)現(xiàn)，在充入氣體氣壓為15 Torr 左右時，放電環(huán)境最為接近實際的PDP 工作環(huán)境，而兩種模擬放電單元在15 Torr 的最小著火電壓也都集中在5%或15% Xe 比例的條件下。選取15 Torr，15% Xe 比例下的著火電壓以及放電延遲作為參考。

表1 15 Torr/15% Xe 下的兩種模擬單元著火電壓與放電延遲

由表1 分析可知，在根據(jù)實際PDP 放電環(huán)境模擬的放電測試中，測試結(jié)果滿足MgO 模擬單元著火電壓＞MgO+LaB6模擬單元著火電壓的關(guān)系，并且MgO+LaB6結(jié)構(gòu)的模擬單元的放電延遲較小，印刷了LaB6顆粒的MgO 保護層相比傳統(tǒng)MgO 保護層的著火電壓低了5%左右，放電延遲降低了25%左右。

分析測試結(jié)果可知，在MgO 保護層上引入的低逸出功的LaB6顆粒能夠有效降低器件的著火電壓與放電延遲。在實驗中采用的Xe/Ne 混合氣體的放電單元放電時滿足潘寧效應(yīng)，在電離過程中亞穩(wěn)態(tài)的Ne 原子激發(fā)基態(tài)的Xe 產(chǎn)生完全電離，放電空間具有的離子主要為Xe+。在不考慮極間電場的情況下，亞穩(wěn)態(tài)的Ne*m原子與Xe+離子分別具有15.62 eV 和12.12 eV 的能量，eUi(Xe)與eUm(Ne)均大于2ΦLaB6(逸出功)［11］;而傳統(tǒng)的MgO 保護層具有較高的固體表面勢壘，其勢壘約為10 eV ～16.3 eV［12－13］。在電場作用下Ne*m原子與Xe+離子作用于低逸出功的LaB6顆粒時能夠產(chǎn)生二次電子發(fā)射，而相同能量的Ne*m與Xe+作用于MgO 保護層時難以產(chǎn)生二次電子發(fā)射;因此可知印刷有低逸出功的LaB6顆粒的MgO 保護層的總體二次電子發(fā)射能力優(yōu)于單一的MgO 保護層的總體二次電子發(fā)射能力。

根據(jù)帕邢定律:

可知，在放電環(huán)境不變的情況下，二次電子發(fā)射系數(shù)γ 越大，則著火電壓越低。所以含有MgO+LaB6結(jié)構(gòu)的放電單元的著火電壓相對較低。

同時根據(jù)湯生放電建立過程可知，放電初期需要有一定數(shù)量的隨機自由電子，隨機自由電子在電場作用下產(chǎn)生碰撞電離形成電子雪崩，使放電過程維持。放電初始階段產(chǎn)生的少量電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的Ne*m與Xe+離子作用于低逸出功的LaB6顆粒比作用于高表面勢壘的MgO 保護層時更易產(chǎn)生電子逸出，逸出的二次電子進一步加快放電過程的建立［12－13］;因此，采用MgO+LaB6顆粒結(jié)構(gòu)的放電單元的放電延遲時間較短。

3 結(jié)論

本文采用了絲網(wǎng)印刷的方法在商用PDP 玻璃襯底上印刷得到了LaB6薄膜，通過采用低固含量漿料印刷的方法，得到了形貌較好，光學(xué)性能優(yōu)良的LaB6薄膜。通過對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薄膜顆粒分布較為離散，在可見光范圍的透過率在90%左右，不會影響PDP 襯底原有的通光性。

放電測試結(jié)果表明，印刷了LaB6薄膜的MgO+LaB6結(jié)構(gòu)的放電性能優(yōu)于傳統(tǒng)單一MgO 保護層的結(jié)構(gòu)，其中著火電壓降低了5%，放電延遲降低了25%。

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