徐 曉,王 怡,牛 童,王小菊

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院,成都 610054)

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用于AC-PDP保護(hù)層的六硼化鑭薄膜的制備與性能研究*

徐 曉,王 怡,牛 童,王小菊*

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院,成都 610054)

采用絲網(wǎng)印刷法在PDP的傳統(tǒng)MgO保護(hù)層上制備了六硼化鑭薄膜。改變工藝參數(shù),測試了LaB6/MgO薄膜的表面形貌和光學(xué)性能,并對透明的LaB6/MgO薄膜在Xe/Ne混合氣體中的放電性能進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用400目絲網(wǎng)和球磨后的LaB6粉末有利于提高LaB6/MgO薄膜的透過率,相比于原有的MgO襯底,透過率達(dá)到90%以上。放電測試結(jié)果表明,印刷了LaB6薄膜的MgO+LaB6樣品的放電性能優(yōu)于傳統(tǒng)的MgO保護(hù)層,其中著火電壓降低了7%左右,放電延遲降低了9%左右。

PDP;絲網(wǎng)印刷;透過率;著火電壓;放電延遲

等離子顯示器(PDP)在電視市場中發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年來,通過改變介質(zhì)保護(hù)層的材料來降低PDP的功耗已成為各國研究的焦點(diǎn)[1-2]。六硼化鑭(LaB6)是一種高熔點(diǎn)、抗氧化、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、化學(xué)穩(wěn)定性極好的理想電子發(fā)射材料,它具有優(yōu)良的電子發(fā)射能力和耐離子轟擊性,能有效降低著火電壓與維持電壓[3],從而降低PDP器件的整體功耗。

早在20世紀(jì)80年代,國外就已經(jīng)開展了對LaB6厚膜的研究[4-5],取得了良好的效果。但是,由于六硼化鑭薄膜不具有通光性,導(dǎo)致使用LaB6厚膜介質(zhì)保護(hù)層的PDP開口率降低,像素尺寸加大,不利于實(shí)現(xiàn)PDP顯示器的高清顯示要求[5]。并且,六硼化鑭具有金屬的良好導(dǎo)電性,連續(xù)的六硼化鑭薄膜不能起到介質(zhì)保護(hù)作用。與國外直接在介質(zhì)層上制備LaB6厚膜的方法不同,本文采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在MgO保護(hù)層上制備一層不連續(xù)的六硼化鑭薄膜,希望在不犧牲開口率情況下提供優(yōu)良電子發(fā)射能力,降低PDP顯示器功耗。

1 實(shí)驗(yàn)

六硼化鑭粉末經(jīng)球磨后顆粒大小達(dá)亞微米數(shù)量級,以松油醇為有機(jī)溶劑、司班85和乙基纖維素為分散劑配置有機(jī)載體,分別按照3%、5%和10%的不同質(zhì)量比加入LaB6粉末,研磨30 min至載體全部溶解。漿料配置均勻后在15 mm×50 mm的PDP商用基板上采用絲網(wǎng)印刷工藝印制LaB6薄膜。印刷后將基片在150 ℃的烘箱中烘干15 min,待基片溫度至室溫后將薄膜置于馬弗爐中進(jìn)行燒結(jié)。其中,燒結(jié)溫度為450 ℃,燒結(jié)時間1h。采用UV-1700型紫外-可見光分光光度計(jì)和掃描電子顯微鏡分別對薄膜的表面形貌和可見光透過率進(jìn)行測試,在此基礎(chǔ)上將基片制成模擬放電單元,并測試其在Ne+Xe混合氣體中的放電特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 薄膜形貌與光學(xué)性能分析

2.1.1 絲網(wǎng)目數(shù)對薄膜形貌和光學(xué)性能的影響

用掃描電鏡觀察200目絲網(wǎng)和400目絲網(wǎng)印刷的LaB6薄膜的表面形貌(其中LaB6的漿料濃度均為10%),其SEM如圖1所示?？梢钥闯?用200目絲網(wǎng)印刷時,襯底表面顆粒較多,形成一層致密的連續(xù)膜,薄膜較厚;用400目絲網(wǎng)印刷時,襯底表面顆粒明顯減少,顆粒間距較大,薄膜較薄。這是因?yàn)榻z網(wǎng)目數(shù)越高,絲網(wǎng)越密,網(wǎng)孔越小,漿料通過性越差,印刷的LaB6薄膜就越薄。反之,目數(shù)越低,絲網(wǎng)越稀疏,網(wǎng)孔越大,漿料通過性就越好,薄膜就越厚。

圖1 不同目數(shù)絲網(wǎng)印刷的SEM圖像(LaB6濃度為10%)

以商用的PDP前基板(傳統(tǒng)MgO為保護(hù)層)作為紫外-可見光分光計(jì)的基準(zhǔn)片,分別測試用200目絲網(wǎng)和400目絲網(wǎng)印刷的質(zhì)量比為10%的LaB6薄膜的透過率,結(jié)果如圖2所示。由圖可知,采用200目絲網(wǎng)印刷時,薄膜在可見光范圍內(nèi)僅有70%左右的透過率,不能滿足PDP顯示對介質(zhì)保護(hù)膜透過率的要求;而400目絲網(wǎng)印刷的濃度為10%的LaB6薄膜的透過率可達(dá)到85%,透過率明顯提高。因此本文將主要以400目絲網(wǎng)印刷的LaB6薄膜來研究漿料配比與透過率及放電性的關(guān)系。

圖2 不同絲網(wǎng)目數(shù)下的LaB6薄膜透過率

2.1.2 球磨對薄膜形貌和光學(xué)性能的影響

圖3 球磨前后薄膜的SEM圖像對比

球磨影響六硼化鑭顆粒薄膜的成膜質(zhì)量并對其透光率有一定影響。如圖所示,圖3(a)為未經(jīng)過球磨、漿料配比為5%的六硼化鑭印刷后的成膜照片,圖3(b)為球磨后相同六硼化鑭質(zhì)量比的SEM照片。由圖可知,未經(jīng)球磨直接印刷的六硼化鑭薄膜顆粒分布不均勻、顆粒尺寸較大且團(tuán)聚較嚴(yán)重;球磨后成膜質(zhì)量有較大提高,六硼化鑭顆粒分布更為離散和均勻,顆粒尺寸較球磨前有明顯減小。圖3(b)中有一些較大的顆粒經(jīng)分析應(yīng)為沒有被分散開的LaB6顆粒團(tuán)聚。球磨前粒徑平均尺寸約為2 μm～3 μm,球磨后粒徑約為。

2.1.3 漿料配比對透過率的影響

經(jīng)過以上分析,我們選用400目絲網(wǎng)和球磨后的LaB6粉末。以松油醇作為有機(jī)溶劑,乙基纖維素和司班85作為添加劑,加入不同質(zhì)量比的LaB6粉末,配置不同濃度的漿料。

資料分析表明,作為介質(zhì)保護(hù)層的LaB6連續(xù)薄膜厚度在小于43 nm時才具有較高的透過率[6]。然而絲網(wǎng)印刷的LaB6薄膜的厚度在微米量級,不能滿足PDP對介質(zhì)保護(hù)層透過率的要求。因此本文通過降低LaB6的濃度,增大LaB6顆粒間的間隙,在商用PDP襯底上印刷一層不連續(xù)的LaB6薄膜來提高介質(zhì)保護(hù)層整體的通光性能。

采用絲網(wǎng)印刷工藝分別印刷漿料濃度為3%、5%和10%的LaB6薄膜,使用紫外-可見光分光計(jì)分別測試不同配比的LaB6薄膜的通光性能。采用相同的測試方法測試未印刷LaB6薄膜的商用PDP前基板的透過率,測試結(jié)果如圖4所示。測試過程以傳統(tǒng)MgO保護(hù)層作為紫外-可見光分光計(jì)的基準(zhǔn)。

圖4 不同濃度的LaB6薄膜的透過率

由圖4可以看出,隨著LaB6濃度的減小,薄膜的透光性能得到提高。在MgO保護(hù)層上印刷的濃度為10%的LaB6薄膜的透過率較低,透過率在85%左右;濃度為5%的LaB6薄膜的透過率在90%左右;濃度為3%的LaB6薄膜在可見光范圍內(nèi)整體的透過率較高,相對于原有商用基板,其整體透過率在95%左右。分析可知,在傳統(tǒng)的商用基板上印刷濃度為3%的LaB6薄膜作為添加層時,不會改變其原有的良好的通光性。

使用掃描電鏡(SEM)對不同濃度的LaB6薄膜的表面進(jìn)行觀測,結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,不同配比的薄膜顆粒分布整體較為均勻且薄膜不連續(xù),顆粒間隙較大,滿足PDP對介質(zhì)保護(hù)層絕緣性能的要求。質(zhì)量比為3%的LaB6薄膜表面的顆粒較少,分布稀疏,顆粒間間隔較大;質(zhì)量比為5%的LaB6薄膜表面顆粒明顯增多,顆粒間的間隔變小;當(dāng)LaB6濃度為10%時,薄膜表面的顆粒密度增大,間隙明顯變小。

圖5 不同濃度的LaB6薄膜的SEM圖像

研究表明,六硼化鑭粉末對可見光有一定的吸收和散射[7]。因此襯底表面的顆粒越多,間隙越小,顆粒對可見光的吸收和散射就越強(qiáng),薄膜對可見光的透過率就越低,這與使用紫外-可見光分光計(jì)對透過率的測試結(jié)果相吻合。

2.2 放電結(jié)果分析

根據(jù)之前的透光性測試,本文選取具有良好透光性,質(zhì)量比為3%的LaB6漿料印刷在PDP玻璃襯底上,采用對向放電方式,對制作的樣品進(jìn)行了放電性能測試,測試結(jié)構(gòu)如圖6所示。根據(jù)氣體放電等效原理,本文采用的模擬放電單元電極間距為0.7 mm,放電尺寸放大倍數(shù)N=4.7倍,模擬放電單元的放電氣壓為實(shí)際PDP氣壓的1/4.7(約為85 Torr),放電氣體為Xe+Ne的混合氣體[8-10]。

圖6 MgO-LaB6復(fù)合薄膜對向放電單元測試示意圖

圖7給出了樣品在5%Xe+Ne中的部分放電性能。由圖(a)可知,隨著氣體壓強(qiáng)的增加,樣品的著火電壓均增大。根據(jù)湯生放電理論,氣體放電是基于積累自由電子碰撞電離所產(chǎn)生的現(xiàn)象。在兩次碰撞的時間間隔中間隔中,漂移電壓vd滿足:

其中μe,E,e和m分別為電子遷移率,電場強(qiáng)度,電子電荷及電子質(zhì)量。vm是電子動量轉(zhuǎn)移的有效碰撞頻率,它與氣體壓強(qiáng)P成正比,則vd滿足vd∝E/P。因此LaB6/MgO薄膜和MgO薄膜的著火電壓均隨著氣體壓強(qiáng)的增大而增大[11]。

此外,在測試壓強(qiáng)范圍內(nèi),3% LaB6/MgO薄膜的著火電壓始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MgO基板的著火電壓。當(dāng)充入氣體的氣壓為80 Torr時,傳統(tǒng)MgO保護(hù)層的著火電壓為252 V,而印刷了LaB6薄膜的MgO+LaB6樣品的著火電壓為234 V。

根據(jù)離子中和理論[12],當(dāng)入射正離子接近陰極表面時,陰極表面空間會產(chǎn)生離子場,陰極中的某些自由電子可被正離子所俘獲,并復(fù)合形成中性原子。在一定幾率下,另一個電子會吸收復(fù)合過程中釋放的能量,當(dāng)該能量大于陰極的表面逸出功時,該電子可逸出金屬成為二次電子。由于LaB6具有較低的逸出功,在電場作用下Nem*與Xe+作用于LaB6薄膜時能夠產(chǎn)生二次電子發(fā)射,而相同能量的Nem*與Xe+作用于MgO保護(hù)層時則難以產(chǎn)生二次電子發(fā)射?？紤]等離子中其他具有能量的微小粒子的作用,可知低逸出功的LaB6薄膜的總體二次電子發(fā)射能力優(yōu)于具有絕緣性質(zhì)的MgO保護(hù)層的總體二次電子發(fā)射能力,根據(jù)帕邢定律可知,二次電子發(fā)射能力越強(qiáng),則放電著火電壓越低,測試結(jié)果與理論分析結(jié)果相符合。

分析圖7(b)可知在5%的Xe氣比例情況下,兩種模擬放電單元的放電建立時間T均隨氣壓的增加而減小,結(jié)果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[12-13]。此外,與傳統(tǒng)MgO基板相比,3% LaB6/MgO薄膜的放電延遲時間得到了有效的降低。當(dāng)充入氣體的氣壓為80 Torr時,傳統(tǒng)MgO保護(hù)層的放電建立時間為920 ns,而印刷了LaB6薄膜的MgO+LaB6樣品的放電建立時間僅為840 ns,約降低了9%左右。

根據(jù)湯生理論,放電過程的維持依靠隨機(jī)自由電子在電場作用下碰撞電離產(chǎn)生雪崩的過程。因?yàn)長aB6薄膜逸出功低,相比高表面勢壘的MgO保護(hù)層時更易產(chǎn)生電子逸出,逸出的二次電子進(jìn)一步加快了建立放電過程,所以采用LaB6薄膜的模擬放電單元的放電建立時間較短。

圖7 放電性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用絲網(wǎng)印刷的方法在MgO保護(hù)層上印刷得到了LaB6薄膜,通過采用LaB6濃度較低的漿料在襯底上印刷了一層形貌良好、光學(xué)性能優(yōu)良的不連續(xù)薄膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用400目絲網(wǎng)和球磨后的LaB6粉末有利于提高M(jìn)gO+LaB6結(jié)構(gòu)的透過率,降低系統(tǒng)的著火電壓。通過對薄膜的表面形態(tài)、透光性能及放電性能的分析和研究,隨著LaB6濃度的降低,薄膜在可見光范圍內(nèi)的透過率明顯增大,LaB6濃度為3%的薄膜表面顆粒間隙較大,在可見光范圍內(nèi)的透過率較高,相比于原有的MgO襯底,透過率達(dá)到90%以上,不會影響PDP襯底原有的通光性能。

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(hù)層的結(jié)構(gòu),其中著火電壓降低了7%左右,放電延遲降低了9%左右。

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徐曉(1992-),女,漢族,山東青島人,電子科技大學(xué)本科生,主要從事平板顯示方面的研究,xuxiao2012@163.com;

王怡(1992-),女,漢族,內(nèi)蒙古呼和浩特人,電子科技大學(xué)本科生,主要從事平板顯示方面的研究,18647139201@163.com;

牛童(1990-),男,漢族,山東臨沂人,電子科技大學(xué)本科生,主要從事平板顯示方面的研究,1587560817@qq.com;

王小菊(1981-),女,漢族,四川威遠(yuǎn)人,電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院副教授,碩士研究生導(dǎo)師,主要從事真空電子學(xué)、平板顯示方面的研究,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

項(xiàng)目來源:中央高校科研基本業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(ZYGX2010J062);四川省科技創(chuàng)新苗子工程項(xiàng)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