CN101051583A - 使用碳纳米管的场发射电极及其制造方法 - Google Patents

使用碳纳米管的场发射电极及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种使用碳纳米管的场发射电极及制造其的方法。该场发射电极包括基板、形成在基板上的ZnO层、及形成在ZnO层上的碳纳米管。因此，场发射装置的驱动电压可通过向场发射装置应用包括形成在ZnO层上的单壁碳纳米管的电极而降低。

Description

使用碳纳米管的场发射电极及其制造方法
技术领域
本发明涉及使用碳纳米管的场发射电极及其制造方法，且更特别地，涉及其中碳纳米管形成在ZnO层上的场发射电极及其制造方法。
背景技术
随着显示技术的发展，近来，平板显示器取代传统的阴极射线管(CRTs)被广泛提供。液晶显示(LCD)装置和等离子显示装置是代表性的平板显示器。近来，发展了使用碳纳米管的场发射显示器。由于具有CTR的优点，即，高亮度和宽视角并且具有LCD装置的优点，即重量轻和纤细，场发射显示器预期成为下一代显示器。
当荧光体材料通过与阳极电极发射的电子的撞击被激发时，场发射显示器从涂覆在阳极电极上的该荧光体材料发出特定颜色的光。然而，场发射显示器与CRT不同在于电子发射源由冷阴极材料形成。
碳纳米管主要用作场发射显示器的发射器，该发射器是电子发射源。在碳纳米管中，单壁碳纳米管作为场发射电极的发射器引起注意，这是因为，由于它的与多壁碳纳米管相比的小直径，单壁碳纳米管能够在低电压发射电子。
如美国专利No.6,057,637中公开的，使用碳纳米管的传统场发射电极通过导电胶(conductive paste)与碳纳米管混和之后在基板上涂覆导电胶来制造。然而，在这种情形下，与导电胶混和的有机材料在随后的工艺中被脱气，因此减少了装置的寿命。
另外，如韩国专利公开2000-66907公开的，当等离子体化学汽相淀积方法用于在基板上直接生长碳纳米管时，单壁碳纳米管未形成，但是主要生长多壁碳纳米管。
发明内容
本发明提供场发射电极，其中碳纳米管在高温下生长在化学稳定电极上。
本发明还提供了制造场发射电极的方法。
根据本发明的一个方面，提供了使用碳纳米管的场发射电极，其包括基板、形成在基板上的ZnO层、及形成在ZnO层上的碳纳米管。
碳纳米管可为单壁碳纳米管。
ZnO层可具有1×10-5～10Ωcm的电阻率。
根据本发明的另一方面，提供了使用碳纳米管的场发射电极的制造方法，包括：在基板上形成ZnO层、在ZnO层上形成催化剂、及在ZnO层上形成碳纳米管。
ZnO层可使用CVD方法、溅射方法、及原子层淀积方法之一形成。
ZnO层可在温度为100到500℃及压力为5托(Torr)或更小的条件下使用二乙基锌(diethylzinc)和水通过原子层淀积方法形成。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显，其中：
图1是根据本发明的实施例的场发射电极的结构的横截面图；
图2是使用根据本发明的实施例的场发射电极的场发射显示器的横截面图；
图3A到3C是示出了制造根据本发明的实施例的场发射电极的方法的横截面图；
图4是根据本发明的实施例的形成在ZnO层上的单壁碳纳米管的透射电子显微镜(TEM)图像；
图5是曲线图，示出了根据本发明的实施例的场发射电极的场发射特性；及
图6是示出了从根据本发明的实施例的场发射电极发射绿光的照片。
具体实施方式
现在将参照附图更详细地描述本发明，其中示出了本发明的示例性实施例。
图1是根据本发明的实施例的场发射电极100的结构的横截面图。参照图1，场发射电极100包括基板10、形成在基板10上的ZnO层12、及形成在ZnO层12上的碳纳米管16。碳纳米管16可生长在催化剂材料14上。
基板10可以是玻璃基板或半导体基板。
形成在基板10上的ZnO层12可用作电极层。ZnO单晶在室温是绝缘体，并且由于诸如氧、间隙(interstitial)Zn的点缺陷或者氢缺陷可以具有大约102Ωcm的电阻率。
当使用ZnO形成薄膜时，薄膜ZnO可具有1×10-5～108Ωcm的电阻率范围。薄膜ZnO可根据形成方法和工艺条件形成为绝缘体、半导体、或者导体。
本实施例使用的ZnO层12充当电极。因此，ZnO层12可具有1×10-5～10Ωcm的电阻率范围，优选地，1×10-4～1×10-2Ωcm。ZnO薄膜的电阻率可通过ZnO薄膜的制造工艺控制。更具体地，当使用原子层淀积方法制造ZnO薄膜时，电阻率可控制到所需范围，但是控制ZnO薄膜的电阻率的方法不局限于原子层淀积方法。ZnO层12具有大的能带隙且化学稳定。因此，ZnO层12的电导率可通过掺杂诸如In、Al、Li、Tb、Ga、Co、B、或Zr的搀杂剂来控制。
ZnO层12在高温时稳定，因此碳纳米管能够高温时在基板10上稳定地形成。
ZnO层12可具有10到10000的厚度。如果ZnO层12的厚度为10或更小，薄膜的均匀厚度不能保证，并且如果厚度是10000或更大，装置的尺寸增加，因此增加了制造成本。
形成在ZnO层12上的碳纳米管16可为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、或者多壁和单壁碳纳米管的混和。优选地，碳纳米管16为单壁碳纳米管。
根据本发明的实施例的场发射电极可使用在诸如场发射显示器或场发射背光的场发射装置中。
图2是使用根据本发明的实施例的场发射电极的场发射显示器150的横截面图。
参照图2，场发射显示器150包括相互间隔预定距离的第一和第二基板20和40。阴极电极22可在第一基板20上以条状形成。绝缘层31形成在第一基板20上，其中暴露阴极电极22的栅极孔31a及栅极电极33形成在绝缘层31上，其中栅极电极孔33a与栅极孔31a连接。
阳极电极42和荧光体层44相继形成在第二基板40的内表面上。
阴极电极22由ZnO层形成。
当负电压施加到栅极电极33和阴极电极22时，电子36从阴极电极22发射。电子36朝着施加正电压的阳极电极42移动并且激发荧光体层44从而发射光。
下面，将通过本发明的实施例描述场发射电极的制造方法，但是本发明不局限于本发明的下面的实施例。
图3A到3C是示出了制造根据本发明的实施例的场发射电极的方法的横截面图。
参照图3A，ZnO层52，它是具有50nm的厚度的导电薄膜，形成在硅基板50上。
ZnO层52可使用化学汽相淀积方法、溅射方法、或原子层淀积方法形成。
在原子层淀积方法中，ZnO层52在100-500℃的温度5托压力下分别使用二乙基锌(diethylzinc)和水作为锌和氧源淀积。优选地，ZnO层52在250℃的温度在0.6托的压力下淀积。这时，当使用四点探测测量电阻率时ZnO层52可具有3.8×10-3Ωcm的电阻率，并且可分别具有19.5cm2/Vsec的电子迁移率及7.4×1019/cm3的载流子浓度。
ZnO层制造工艺可以为用掺杂剂制造掺杂的ZnO层的工艺。用于形成掺杂的ZnO层的工艺可通过CVD方法、反应淀积方法、喷射热分解方法(spray decomposition method)、溶胶凝胶(sol-gel)方法、溅射方法、或者分子束淀积方法使用事先用掺杂剂掺杂的ZnO源或者在ZnO源内添加包括掺杂剂的源来进行。这时，掺杂剂可以是In、Al、Li、Tb、Ga、Co、B或者Zr。例如，ZnO:Al层可通过RF磁控溅射方法使用掺杂以Al2O3的ZnO盘作为靶来淀积，以及ZnO:Ga层可通过等离子体汽相淀积方法使用二乙基锌(diethylzinc)及三甲基镓来淀积。
ZnO层52可被图案化，以选择性地形成用于制造场发射显示装置的碳纳米管。ZnO层52可使用二氧化硅膜(SiO2)或者金属作为掩模通过用甲烷气体或者HCl气体蚀刻来容易地图案化。
图3B是在ZnO层52上形成催化剂材料54的工艺的横截面图。催化剂材料54可使用电子束淀积方法、CVD方法、溅射方法、旋涂方法等形成在ZnO层52上。优选地，催化剂材料54可通过在ZnO层52上涂覆包含催化剂材料颗粒的水溶液形成。催化剂金属可为Ni、Fe、Co、或者这些金属的合金。例如，催化剂材料54可在使用旋涂方法将包含Fe的水溶液涂覆在硅基板50上的ZnO层52上之后，通过在100℃的温度加热硅基板50二分钟而形成。
水溶液通过将铁氮化物、二(乙酰丙酮化物)二氧代钼(bis(acetylacetonate)dioxomolybdenum)、及氧化铝纳米颗粒添加到聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和水中制成。
参照图3C，碳纳米管56形成在催化剂材料54上。碳纳米管56可以使用CVD方法生长。形成在ZnO层52上的碳纳米管56可以为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、或者多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的混和，但是优选为单壁碳纳米管。
为形成单壁碳纳米管，可使用水等离子体CVD方法。已知水激发催化剂并且提供在低温用于生长碳纳米管56的能量。
在本实施例中，单壁碳纳米管可在温度在300到600℃的范围内及压力为1托或更小的条件下使用甲烷气体和水通过水等离子体CVD方法形成。优选地，单壁碳纳米管通过以60sccm的流率将甲烷气体与水注入腔中而形成，该腔维持在等离子功率为15W、压力为0.37托、及温度为450℃的条件下。
图4是根据本发明的实施例形成在ZnO层上的单壁碳纳米管的TEM图像。形成在ZnO层上的碳纳米管观察为单壁碳纳米管。
图5是曲线图，示出了根据本发明的实施例的场发射电极的场发射特性。
参照图5，在施加电压为1.8V/μm时发射电流快速增加。从这个事实，可知使用单壁碳纳米管的场发射装置可以在低电压操作。
图6是示出了从根据本发明的实施例的场发射电极的绿光发射的照片。
如上所述，根据本发明，单壁碳纳米管可以容易地形成在ZnO层上，ZnO层是在高温化学稳定的电极。
因此，场发射装置的驱动电压通过应用包括形成在ZnO层上的单壁碳纳米管的电极到场发射装置而降低。
尽管本发明参照其示例性实施例进行了特定示出和描述，本领域一般技术人员将理解在不偏离下述权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可进行其形式和细节内的各种变化。

Claims (19)

1.一种使用碳纳米管的场发射电极，包括：
基板；
形成在所述基板上的ZnO层；及
形成在所述ZnO层上的碳纳米管。
2.如权利要求1所述的场发射电极，其中所述碳纳米管为单壁碳纳米管。
3.如权利要求1所述的场发射电极，其中所述ZnO层包括选自由In、Al、Li、Tb、Ga、Co、B及Zr组成的组中的至少一种材料。
4.如权利要求3所述的发射电极，其中所述ZnO层具有1×10-5～10Ωcm的电阻率。
5.如权利要求1所述的场发散电极，其中所述ZnO层具有10到10000的厚度。
6.如权利要求1所述的场发射电极，其中所述基板是玻璃基板或半导体基板。
7.一种制造使用碳纳米管的场发射电极的方法，包括：
在基板上形成ZnO层；
在所述ZnO层上形成催化剂；及
在所述ZnO层上形成碳纳米管。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述ZnO层的形成包括形成含有从由In、Al、Li、Tb、Ga、Co、B及Zr组成的组中选择的至少一种材料的所述ZnO层。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述ZnO层的形成包括形成具有1×10-5～10Ωcm的电阻率的所述ZnO层。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述ZnO层的形成包括使用选自由CVD方法、溅射方法、及原子层淀积方法组成的组中的一种方法形成所述ZnO层。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述ZnO层的形成包括在温度为100到500℃及压力为5托或更小的条件下使用二乙基锌和水作为原材料使用原子层淀积方法形成所述ZnO层。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述催化剂的形成包括使用选自由电子束淀积方法、CVD方法、溅射方法、及水涂覆方法组成的组中的一种方法。
13.如权利要求7所述的方法，其中所述催化剂的形成包括在所述ZnO层上涂覆包括催化剂材料的水溶液。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述催化剂材料是选自由Ni、Fe、及Co组成的组中的至少一种。
15.如权利要求7所述的方法，其中所述碳纳米管的形成包括使用CVD方法形成所述碳纳米管。
16.如权利要求7所述的方法，其中形成所述碳纳米管包括形成单壁碳纳米管。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述单壁碳纳米管是使用水等离子体CVD方法形成。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述单壁碳纳米管在300到600℃的温度在1托或更小的压力下使用甲烷气体和水形成。
19.一种场发射装置，包括权利要求1所述的场发射电极。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20071010