表面处理对ＦＥＤ薄膜型金属电极性能的影响

文章编号：1006-6268（2009）04-0052-05

摘要：针对场致发射显示器（FED）金属薄膜与玻璃附着力的特性，提出一种超声清洗和UV清洗相结合技术应用于薄膜型金属电极表面清洁处理。本文分析了超声清洗和UV清洗的基本原理，利用绿灯观测装置和大面积视频显微镜检测不同超声清洗时间和频率以及UV清洗对金属电极质量的影响，利用场发射测试系统测试经表面处理前后的金属薄膜电极性能。实验结果表明，FED金属薄膜电极在32kHz超声清洗10min，UV光清洗5min后，电极表面干净，无尘埃和有机污物，金属膜层不脱落，显示器场发射性能稳定。

关键词：场致发射显示器；金属薄膜电极；超声清洗；UV清洗

中图分类号：TN383.1 文献标识码：A

Influence of Surface Treatment on FED Metal-film Electrodes Properties

XU Hua-an，ZHANG Yong-ai，GUO Tai-liang

(Institute of Photoelectronic Display Technology，College of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou Fujian 350002，China)

Abstract: In this paper the combination of ultrasonic cleaning and UV cleaning technology was applied to surface treatment of metal-film electrode in allusion to the properties of film adhension between metal-film and glass substrate. Essential mechanism of ultrasonic cleaning and UV cleaning technology was analysed. Different time and frequency of ultrasonic cleaning and UV cleaning effects on properties of metal-film electrode were discussed by dint of green light system and video microscope. The properties of metal-film electrode treated with surface cleaning were tested by field emission system. It shows that FED metal-film electrode surface is clean, without atomy and organic menstruum, metal films are firm and the propertied of field emission is steady with ultrasonic cleaning at 32kHz/10min and UV cleaning for 5 minutes.

Keywords:FED；metal-film electrode；ultrasonic cleaning；UV cleaning

前言

场致发射显示器(FED)是近年发展起来的一种新型显示器，兼备LCD和CRT两者的主要优点，已成为真空光电子领域的一个热点，它是利用金属阴极发射电子轰击阳极荧光粉而发光的显示器件[1,2]。场致发射显示器金属薄膜电极制备工序较多，每道工序在加工过程中都有可能残留一些污物，包括各种微米量级尘埃粒子、纤维、水痕、油脂等，这些尘埃会导致显示屏短路、打火、真空度降低等问题[3,4]，影响FED显示器的整体性能。因此，研究FED金属薄膜电极表面清洁处理对提高FED整体性能至关重要。

目前，工业上常用几种物理清洗方法包括手工擦洗、高压水喷淋、浸泡式超声清洗[5,6]、紫外光照射清洗[7,8]、等离子体清洗等[9,10]，鉴于FED金属薄膜电极与玻璃附着力的特性，本实验利用超声清洗和UV清洗相结合技术对FED金属薄膜电极表面清洁处理，分析超声清洗和UV光清洗的基本原理，讨论超声清洗功率（频率）和时间以及UV清洗对薄膜型金属电极质量和性能的影响，优化FED金属电极表面清洁处理工艺参数，提高金属电极质量和性能。

1实 验

根据金属薄膜与玻璃基底附着力的特性，采用浸泡式超声清洗和UV清洗相结合技术对FED薄膜型金属电极表面清洁处理，具体实验过程为：

（1）预泡：将制备好的Cr-Cu-Al金属薄膜电极玻璃基片（396×606×3mm）在丙酮溶剂中浸泡10min，再用50℃去离子水浸泡，去除基片上较大颗粒、疏松有形粒子等杂质；

（2）浸泡式超声清洗：玻璃清洗液WIN-41和WIN-10与纯水按4:1:95比例配成超声清洗液，将预泡后金属薄膜电极基片置于55℃清洗液中，利用深圳科之达超声清洗机以不同频率和时间超声清洗，纯水喷淋后再用25℃纯水超声10min，取出，利用17MΩ·cm去离子水冲洗，红外烘箱烘干；

（3）UV清洗：将浸泡式超声清洗后玻璃基片烘干，再用波长254nm和185nm紫外光照射，去除表面有机污染物。

（4）利用绿灯观测装置和大面积视频显微镜观测不同频率和时间下超声清洗金属薄膜电极表面形貌以及UV清洗后表面形貌，利用场发射测试系统测试表面处理前后金属薄膜电极性能。

2结果与讨论

2.1 超声清洗对金属薄膜电极质量的影响

2.11超声清洗基本原理

浸泡式超声波清洗是一种利用频率在20~50kHz以上的常规超声波在水中产生空化作用对玻璃基片上污垢进行清除的清洗方法。空化作用基本原理：超声波在水中以正压和负压重复交替变化的方式向前传播，负压时造成微小真空洞穴（空穴），溶解在水中的气体会很快进入空穴并形成气泡；正压时空穴气泡被绝热压缩，最后被压破，在气泡破裂瞬间对空穴周围形成巨大冲击，使空穴附近液体或固体受到上千个大气压高压，这些气压能把物体表面污垢薄膜击破而达到去污的效果[11,12]；此外，振动气泡本身可以对基片进行冲洗，钻入污物缝隙中的气泡则会不断振动而将污物撬落；若固体粒子被油污包裹而粘附在基片表面上，则可以通过乳化作用使其脱落。同时，气泡崩溃引起温度上升会产生微热作用，而气泡振动引起的微冲水流则具有搅拌作用，这两种作用都能够促进清洗液中的化学成份与污物颗粒反应，而且微冲水流还可以对工件表面进行冲洗，图1是超声清洗基本原理。

其中，△G和G分别是清洗掉的污染质量和原始具有的污物质量；t是清洗时间；Q为清洗效率系数，与超声强度（超声功率）、超声频率、声场分布、清洗液的性质、被清洗污物的性质等有关。由公式(1)可看出，清洗效率△G/G 与清洗时间t0.5和清洗效率系数Q成正比，清洗时间t或清洗效率系数Q越大，△G/G数值越大，表示清洗质量越好，清洗效率越高。

金属薄膜电极不同于玻璃基片，它是利用磁控溅射和光刻技术加工而成。金属电极与玻璃基片接触的牢固性远远低于玻璃基片，因此，为了保证金属薄膜电极质量，利用超声清洗金属薄膜电极时需严格控制超声时间和超声频率（或功率）。

2.1.2超声时间对金属薄膜电极质量的影响

超声时间的长短是决定超声清洗效果关键因素之一。在同样功率和频率下，超声时间越短，金属薄膜电极清洗效果越差；但清洗时间过长，会导致金属薄膜电极剥落，严重时出现整条电极甚至整片电极剥落。图2是不同超声时间的金属薄膜电极清洗效果示意图。

从图2（a）可以看出，超声8min时，薄膜表面仍有较多杂质存在，清洗效果较差；图2（c）超声12min后，金属薄膜电极表层干净，但薄膜电极部分脱落；图（2）b是金属薄膜电极超声10min，薄膜电极表面无杂质，且膜层没有被超声破坏，不影响FED金属电极场发射性能。

2.1.3超声频率对金属薄膜电极质量的影响

除了超声时间对金属薄膜电极质量影响外，对金属电极清洗质量影响的另外两个参数是超声波的功率或频率，且这两个参数是互相关联的[14]。频率越低，清洗功率越大；频率越高时，功率反而下降。取三片396*606*3mm金属薄膜电极样片分别在28kHz、32kHz和35kHz三个频率点超声清洗10min后，用视频显微仪对电极表面形貌进行观察对比，结果如图3所示。

从图3（a）可以看出，在频率28kHz超声清洗10min，电极表面清洗干净，但局部已经出现部分脱膜的现象。这是因为频率较低时所产生的空化气泡数量少体积大，破裂时释放能量高，清洗效果较好；但由于超声波在较低频率下产生的空化效应比较强，对薄膜电极的冲击力强，导致局部金属薄膜剥落；图3（c）是在频率35kHz超声10min后的金属薄膜电极清洗效果示意图，由图可看出，金属电极没有出现脱落。原因是超声频率增大，空化气泡体积减小，但数量呈线性增加，从而产生更加密集的冲击波，使得超声波能够作用到极细小的微粒，有利于去除微小的污染物，但超声清洗频率高，功率下降，粘附在电极表面的各种较大污物无法完全清洗干净；图3（b）是在32kHz频率超声清洗10min后的金属薄膜电极清洗质量示意图，由图可看出，金属电极清洗效果好，也完全没有出现电极脱层的现象，是最佳超声清洗频率。

2.2UV清洗对金属薄膜电极质量的影响

UV清洗是近几年发展起来的一种新型干法清洗技术，这种技术能够有效祛除电极表面有机残留物和各种微生物[7,8,15]。它是利用有机化合物光敏氧化作用达到祛除黏附在材料表面上的有机物质，经过光清洗后材料表面可以达到"原子清洁度"。UV灯能同时产生254nm和185nm的紫外光，这两种波长的光子能量可以直接打开或切断有机物分子中的共价键，使有机物分子活化，分解成离子、游离态原子、受激分子等[16,17]，图4就是UV清洗基本原理。

185nm波长紫外光的光能量能将空气中氧气（O2）分解成臭氧（O3）；而254nm波长紫外光的光能量能将O3分解成O2和活性氧（O），这个光敏氧化反应过程是连续的，在这两种短波紫外光照射下，臭氧会不断生成和分解，活性氧原子就会不断生成，而且越来越多，由于活性氧原子（O）有强烈的氧化作用，与活化了的有机物（即碳氢化合物）分子发生氧化反应，生成挥发性气体（如CO2，CO，H2O，NO等）逸出基片表面，从而彻底清除粘附在物体表面上的有机污染物。金属薄膜电极超声清洗后再利用UV光清洗，图5是金属薄膜电极UV光清洗5min绿灯观测示意图，由图可看出，有机污物在UV紫外光清洗5min完全除去，金属薄膜电极完整，膜层不脱落。

2.3表面处理对金属薄膜电极场发射性能影响

场致发射显示器是利用金属阴极发射电子轰击荧光屏而发光的一种新型显示器，因此，在制作FED显示器工序中，金属电极表面洁净度对FED整体性能至关重要。利用超声清洗和UV清洗相结合技术能有效除去金属电极表面污物，减少电极间短路、打火现象，提高FED显示器整体性能。图6(a)是金属薄膜电极未在超声和UV光清洗相结合下经场发射测试后金属薄膜电极电极表面形貌图，由图6(a)可看出，金属电极经场发射测试后电极表面存在缺陷，原因是金属电极表面水痕、尘埃或有机物等未彻底处理干净，膜层上存有污物，使得电极在测试时微尖放电，出现打火现象，电极被灼伤。图6(b)是金属薄膜电极在超声清洗和UV清洗相结合技术下表面处理后FED样机演示图，由图可看出，演示图像清晰完整，没有出现黑斑，表明金属电极没灼伤打火，电子发射均匀，因此，利用超声清洗和UV清洗相结合技术对清洗金属薄膜电极表面处理，能有效地除去金属电极表面污物，且电极性能稳定，是FED显示器金属电极表面处理的有效方法。

3结论

超声清洗和UV光清洗是玻璃表面处理方法之一，本文针对FED金属薄膜电极与玻璃基底之间附着力的特性，提出一种超声清洗和UV清洗相结合的清洗技术来处理FED金属薄膜电极表面污物，它对电极质量有很大影响，并直接影响着所制备的场致发射显示器性能稳定性。实验表明，FED金属薄膜电极在频率32kHz超声清洗10min，UV清洗5min后，电极表面干净，无尘埃和有机污物，金属膜层不脱落，显示器场发射性能稳定，是FED显示器金属电极表面处理的有效方法。

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作者简介：许华安（1983-），男，福建漳州人，硕士研究生，参与国家863"十五"平板显示重大专项和福建省科技厅重大专项工作，主要进行了场致发射显示器显示面板制备工艺研究,E-mail：huaan2007@yahoo.com.cn。

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