DE60221951T2

DE60221951T2 - Zusammensetzung für Paste mit Kohlenstoffnanoröhren, diese Zusammensetzung verwendende Elektronen-emittierende Vorrichtung und deren Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60221951T2
Application number: DE60221951T
Authority: DE
Inventors: Yong-Wan Jin; Jae-eun Gangdong-gu Jung
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2022-11-23
Also published as: US20030141798A1; JP4299531B2; EP1315191B1; EP1315191A2; US6825595B2; DE60221951D1; EP1315191A3; JP2003203557A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für eine Paste, eine Elektronen emittierende Vorrichtung, die diese verwendet und ein Herstellungsverfahren dafür zur Anwendung bei einer Feldemissionsanzeige (FED, Field Emission Display), und insbesondere eine Zusammensetzung für eine Paste unter Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT, Carbon Nanotube), eine Elektronen emittierende Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren dafür.
Elektronen emittierende Vorrichtungen werden als Quellen zur Elektronenemission in Feldemissionsanzeigen verwendet, die als Flachanzeigevorrichtungen der nächsten Generation Aufmerksamkeit gewinnen. FEDs weisen Vorteile in hoher Bildqualität, hoher Effizienz und geringem Energieverbrauch auf.
Die Leistung von FED hängt von der Herstellungstechnik und der Stabilität der Elektronenemissionsvorrichtung ab.
Bei einer herkömmlichen Elektronenemissionsvorrichtung unter Verwendung einer Metallspitze werden zum Versiegeln bei der Herstellung einer Vakuumröhre mit der Elektronenemissionsvorrichtung angebrachte Polymere nicht vollständig verbrannt. Die Polymere verbleiben in der Vakuumröhre und werden beim Betrieb der FED langsam abgegeben. Dann werden die Polymere auf der Metalloberfläche adsorbiert. Dadurch wird die Anzahl der von der Metallspitze emittierten Elektronen vermindert, wodurch sich die Gesamtleistung der FED verschlechtert. Darüber hinaus oxidieren die Polymere die Metallspitze, wodurch die Lebensdauer der Metallspitze verkürzt wird.
Zum Lösen der oben beschriebenen Probleme wurden Versuche unternommen, Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) als Elektronenemissionsvor richtung zu verwenden, die eine hohe Elektronenemissionsrate und Stabilität aufweisen.
In einem CNT bilden Kohlenstoffatome die Struktur eines Wabenmusters und Graphitschichten, die mit einem Durchmesser im Nanomaßstab aufgerollt sind. Aufgrund der intrinsischen physikalischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften der CNTs wurden die CNTs jüngst in modernen Technologien verwendet.
Verfahren zur Herstellung der Elektronen emittierenden Vorrichtung unter Verwendung von CNTs im Bereich der Anzeigetechnik beinhalten: plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) wie im US-Patent Nr. 6232706 offenbart; ein Verfahren, bei dem eine Paste verwendet wird, wie in US-Patent Nr. 6239547 und in WO-01/99146 offenbart, und ein Verfahren, bei dem ein elektrisches Schwingungsverfahren verwendet wird, wie im koreanischen Patent Nr. 2001-0017543 offenbart.
Bei der PECVD wird Acetylengas in einen Raum zwischen zwei Elektroden in einem Reaktor mit einem Nickelkatalysator eingeführt und es erfolgt Glühentladung des Gases durch einen Gleichstrom oder ein Radiofrequenzfeld. Dann wird das Gas in Plasma umgewandelt, um unter Nutzung der Umwandlungsenergie CNTs auf den Elektroden zu züchten.
Beim Verfahren zur Herstellung einer Elektronenemissionsvorrichtung unter Verwendung einer Paste werden CNTs durch Laserablation oder eine Bogenentladung in CNT-Pulver umgewandelt. Dann wird das CNT-Pulver mit leitfähiger oder nichtleitfähiger Paste zum Drucken vermischt.
Beim Verfahren zur Herstellung einer Elektronenemissionsvorrichtung unter Verwendung eines elektrischen Schwingungsverfahrens werden in einer wässrigen Lösung dispergierte CNTs unter Verwendung des elektrischen Schwingungsverfahrens auf einer Elektrode gezüchtet.
1 zeigt eine Elektronenemissionsvorrichtung unter Verwendung des im koreanischen Patent Nr. 2001-17543 offenbarten elektrischen Schwingungsverfahrens. Mit Bezug zu 1 umfasst eine herkömmliche Elektronenemissionsvorrichtung eine auf einem Substrat 11 ausgebildete Kathode 12, einen an der Kathode 12 angebrachten Dünnfilm 12a, auf dem aus dem CNT-Pulver gebildete Spitzen 15 ausgebildet sind, eine Gateisolierschicht 13, die die Spitzen 15 umgibt, und eine Gateelektrode 14 auf der Gateisolierschicht 13 und über den Spitzen 15, wobei die Gateelektrode eine Öffnung 14a zum Emittieren von Elektronen aufweist.
Die Spitzen 15 der Elektronenemissionsvorrichtung sind nach dem elektrischen Schwingungsverfahren ausgebildet. Hier sind der Dünnfilm 12a und eine Elektrodenplatte in einer Lösung von CNT-Pulver installiert, dann wird die Kathode einer externen Energiequelle mit dem Dünnfilm 12a und die Anode der externen Energiequelle mit der Elektrodenplatte verbunden. Wenn eine Spannung an die Kathode und die Anode angelegt wird, werden Partikel des CNT-Pulvers, die positiv geladen sind, am Dünnfilm 12a angehaftet, der durch die Kathode geladen ist. Alternativ kann das Substrat 11 durch den Dünnfilm 12a ersetzt sein und die CNT können direkt auf dem Substrat 11 gezüchtet werden.
Bei der herkömmlichen PECVD werden CNTs vertikal auf dem Substrat ausgerichtet, es ist jedoch schwierig, von einer großen Fläche Elektronen gleichmäßig zu emittieren. Außerdem werden CNTs bei einer hohen Temperatur von über 500 bis 600 °C gezüchtet, wodurch sich die Produktionskosten erhöhen, da ein Silicium- oder Kristallglassubstrat anstelle eines Glassubstrats verwendet werden muss, um die Temperatur des Substrats zu erhöhen.
Beim herkömmlichen Verfahren zur Herstellung der Elektronenemissionsvorrichtung unter Verwendung der Paste wird das CNT-Pulver mit Silberpaste oder einer Polymerverbindung vermischt, und es wird ein thermischer Prozess bei einer hohen Temperatur von ungefähr 350 bis 500 °C durchgeführt, um die CNT und das Metall zu oxidieren. Deshalb sind die Lebensdauer der CNTs und der Metallvorrichtung verkürzt. Darüber hinaus verlängert sich die thermische Prozessdauer bei der Herstellung der Elektronenemissionsvorrichtung und es wird durch Restpolymer eine große Menge an Restgas gebildet, wodurch die Lebensdauer der Elektronenemissionsvorrichtung verkürzt wird.
Dementsprechend ist es zum Lösen der oben beschriebenen Probleme ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Zusammensetzung zum Ausbilden einer Elektronenemissionsvorrichtung zur gleichmäßigen Emission von Elektronen von einer großen Fläche, während ausgezeichnete Stabilität und Haltbarkeit erreicht wird, und eine Elektronenemissionsvorrichtung unter Verwendung der Zusammensetzung und ein Herstellungsverfahren dafür zur Verfügung zu stellen.
Zum Erreichen dieses Ziels stellt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung für eine Paste zur Verfügung, die 5 bis 40 Gewichtsteile Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs), 5 bis 50 Gewichtsteile Alkalimetallsilicat und 1 bis 20 Gewichtsteile Bindemittel beinhaltet.
In diesem Zusammenhang beziehen sich "Gewichtsteile" auf 100 Gewichtsteile der Gesamtzusammensetzung.
Es ist bevorzugt, dass die Zusammensetzung ferner 5 bis 40 Gewichtsteile Graphit enthält.
Die aus CNTs und dem Alkalimetallsilicat gebildete Zusammensetzung, oder die aus CNTs, dem Alkalimetallsilicat und dem Graphit gebildete Zusammensetzung weist bevorzugt auch 10 bis 40 Gewichtsteile Wasser auf.
Es ist bevorzugt, dass die Zusammensetzung ferner ein Additiv (1 bis 6 Gewichtsteile) beinhaltet, so dass die Wasserstoffionenkonzentration (pH) der Zusammensetzung 10 bis 14 beträgt. Das Additiv ist Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid oder Ammoniumhydroxid in wässriger Lösung.
Die Größe der CNTs beträgt bevorzugt von 10 Nanometern bis 10 Mikrometern.
Es ist bevorzugt, dass das Alkalimetallsilicat Na₂O-nSiO₂ oder K₂O-nSiO₂ ist und n von 2,2 bis 3,9 beträgt.
Die Größe des Graphits beträgt bevorzugt von 100 Nanometern bis 5 Mikrometern.
Das Bindemittel kann ein Material aus einer organischen Carboxylsäuregruppe, einer organischen Sulfonsäuregruppe, einer Estergruppe, einer anorganischen Säuregruppe oder einer Salzgruppe davon, ein Hydrosäuresalz oder einer organischen Säuregemischgruppe sein.
Es ist bevorzugt, dass das Bindemittel durch Vermischen von mindestens zwei Materialien aus der organischen Carboxylsäuregruppe, der organischen Sulfonsäuregruppe, der Estergruppe, der anorganischen Säuregruppe, dem Hydrosäuresalz und/oder der organischen Säuregemischgruppe gebildet ist.
Zum Erreichen des oben beschriebenen Ziels stellt die vorliegende Erfindung eine Elektronenemissionsvorrichtung zur Verfügung umfassend: ein Substrat, Kathodenelektroden, die auf dem Substrat in einer bestimmten Form gemustert sind, eine Widerstandsschicht, die so aufgeschichtet ist, dass sie die Kathodenelektroden umfasst, wodurch Teile der Kathodenelektroden freigelegt sind, eine Gateisolierschicht, die auf der Widerstandsschicht in einer bestimmten Form gemustert ist, so dass Mulden angeordnet sind, in denen die freigelegten Kathodenelektroden gelegen sind, und auf der Gateisolierschicht angeordnete Gateelektroden, wobei die Elektronenemissionsvorrichtung Elektronenemissionsspitzen umfasst, die aus einer Zusammensetzung für eine Paste, die 5 bis 40 Gewichtsteile CNTs, 5 bis 50 Gewichtsteile Alkalimetallsilicat und 1 bis 20 Gewichtsteile Bindemittel beinhaltet, gebildet sind.
Zum Erreichen des oben beschriebenen Ziels stellt die vorliegende Erfindung einen ersten Schritt zum Ausbilden von Kathodenelektroden auf einem Substrat und Mustern der Kathodenelektroden in einer bestimmten Form, einen zweiten Schritt zum sequentiellen Abscheiden und Mustern von einer Widerstandsschicht, einer Isolierschicht und Gateelektroden auf den Kathodenelektroden, so dass Mulden gebildet werden, die Teile der Kathodenelektroden freilegen, einen dritten Schritt zum Ausbilden eines Photoresists auf den Seitenwänden der Widerstandsschicht, der Isolierschicht und der Gateelektroden und auf den Gateelektroden, einen vierten Schritt zum Aufdrucken einer Paste umfassend eine Zusammensetzung für eine Paste, die 5 bis 40 Gewichtsteile CNTs, 5 bis 50 Gewichtsteile Alkalimetallsilicat und 1 bis 20 Gewichtsteile Bindemittel beinhaltet, so dass die durch die Mulden freigelegten Kathodenelektroden und der Photoresist beschichtet werden, und einen fünften Schritt zum Entfernen des Photoresists, so dass die Zusammensetzung für eine Paste auf den Kathodenelektroden verbleibt, so dass Elektronenemissionsspitzen gebildet werden, zur Verfügung.
Es ist bevorzugt, dass der vierte Schritt nach Aufdrucken der Zusammensetzung für eine Paste ferner Trocknen der Paste bei einer Temperatur über 50 °C beinhaltet.
Die Zusammensetzung für eine Paste beinhaltet 5 bis 40 Gewichtsteile CNTs, 5 bis 50 Gewichtsteile Alkalimetallsilicat und 1 bis 20 Gewichtsteile Bindemittel.
Es ist bevorzugt, dass die Zusammensetzung für eine Paste ferner 5 bis 40 Gewichtsteile Graphit beinhaltet.
Es ist bevorzugt, dass die Zusammensetzung für eine Paste ferner 10 bis 40 Gewichtsteile Wasser beinhaltet.
Es ist bevorzugt, dass die Zusammensetzung für eine Paste ferner 1 bis 6 Gewichtsteile Additiv beinhaltet, so dass der pH der Zusammensetzung auf 10 bis 14 eingeregelt wird.
Hier kann das Additiv Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid oder Ammoniumhydroxid in wässriger Lösung sein.
Es ist bevorzugt, dass die Größe der CNTs von 10 Nanometern bis 10 Mikrometern beträgt und das Alkalimetallsilicat Na₂O-nSiO₂ oder K₂O-nSiO₂ ist, wobei n von 2,2 bis 3,9 beträgt.
Es ist ferner bevorzugt, dass die Größe des Graphits von 100 Nanometern bis 5 Mikrometern beträgt.
Das Bindemittel kann ein Material aus einer organischen Carboxylsäuregruppe, einer organischen Sulfonsäuregruppe, einer Estergruppe, einer anorganischen Säuregruppe, einer Salzgruppe davon, ein Hydrosäuresalz oder einer organischen Säuregemischgruppe sein.
Es ist bevorzugt, dass das Bindemittel durch Vermischen von mindestens zwei Materialien aus der organischen Carboxylsäuregruppe, der organischen Sulfonsäuregruppe, der Estergruppe, der anorganischen Säuregruppe, der Salzgruppe davon oder der organischen Säuregemischgruppe gebildet ist.
Die Kathodenelektrode ist aus einem leitfähigen transparenten Material gebildet, bevorzugt einer Indium-Zinn-Oxid-Schicht.
Die Widerstandsschicht ist amorphes Silicium.
Die Gateisolierschicht ist aus Siliciumdioxid gebildet und die Gateelektrode ist aus Chrom gebildet.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Elektrode als Elektronenemissionsvorrichtung, die durch Ausführen eines Photolithographieprozesses an CNTs, oder einem CNT und Alkalimetallsilicat gebildet durch Vermischen von CNTs und Graphit mit dem Alkalimetallsilicat, oder der Zusammensetzung unter Verwendung von CNTs, Graphit und dem Alkalimetallsilicat gebildet ist. Hier werden die CNT bei einer niedrigeren Spannung als eine herkömmliche Feldemissionsanzeige (FED) betrieben und weisen eine ähnliche Struktur auf wie C₆₀, was ermöglicht, dass die CNT eine ausgezeichnete Haltbarkeit und elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Die durch die Zusammensetzung gebildete Elektronenemissionsvorrichtung ergibt eine gleichmäßige Elektronenemissionscharakteristik aus einer großen Fläche und ergibt erhöhte Lebensdauer und Stabilität.
Die obigen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich aus einer ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 eine Schnittansicht ist, die eine herkömmliche Elektronenemissionsvorrichtung unter Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) zeigt,
2 eine Perspektivansicht ist, die einen Teil einer Elektronenkanone unter Verwendung einer Elektronenemissionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
3 eine Schnittansicht ist, die eine Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
4A bis 4K ein Verfahren zur Herstellung der Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen,
5 eine Vorderansicht ist, die die Elektronenkanone unter Verwendung eines Beispiels einer Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
6 ein Elektronenemissionsbild darstellt, das durch die in 5 gezeigte Elektronenkanone gemäß dem Beispiel der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,
7 ein Schaubild ist, das einen von der in 5 gezeigten Elektronenkanone ausgegebenen Strom gemäß dem Beispiel der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei eine Spannung von 1,2 kV an einen fluoreszierenden Bildschirm angelegt ist und eine an eine Gateelektrode angelegte Spannung verändert wird,
8 eine Vorderansicht ist, die eine Elektronenkanone unter Verwendung der Elektronenemissionsvorrichtungen gemäß einem anderen Beispiel der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
9 ein Elektronenemissionsbild darstellt, das durch die in 8 gezeigte Elektronenkanone gemäß einem anderen Beispiel der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, und
10 ein Schaubild ist, das einen von der in 8 gezeigten Elektronenkanone ausgegebenen Strom gemäß einem anderen Beispiel der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei eine Spannung von 500 V an einen fluoreszierenden Bildschirm angelegt ist und eine an eine Gateelektrode angelegte Spannung verändert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Zusammensetzung für eine Paste, eine Elektronenemissionsvorrichtung, die diese verwendet, und ein Herstellungsverfahren dafür gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen das gleiche Element.
2 stellt eine Elektronenkanone dar, die Elektronenemissionsvorrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Mit Bezug zu 2 beinhaltet die Elektronenkanone 37 neun Elektronenemissionsspitzen 31' in einem Pixel und eine Kathodenelektrodenplatte 35, die unter einem Substrat 21 angeordnet ist, auf dem die Elektronenemissionsspitzen 31' gelegen sind. Hier ist die Kathodenelektrodenplatte 35 parallel zum Substrat 21.
3 ist eine Schnittansicht der Elektronenemissionsvorrichtungen 30 von 2.
Mit Bezug zu 3 beinhaltet die Elektronenemissionsvorrichtung: ein Substrat 21, Kathodenelektroden 23, die auf dem Substrat 21 in einer Reihe aufgestapelt sind, eine Widerstandsschicht 25, die die Kathodenelektroden 23 umgibt, wodurch die Kathodenelektroden 23 freigelegt werden, Elektronenemissionsspitzen 31', die aus einer Zusammensetzung für eine Paste gebildet sind, die Elektronenemissionskathoden-Nanoröhrchen (CNTs) und Alkalimetallsilicat beinhaltet, die auf den Kathodenelektroden 23 auf dem Substrat 21 gelegen sind, Gateisolierschichten 27, die um die Elektronenemissionsspitzen 31' herum ausgebildet sind, so dass Mulden 27a angeordnet sind, in denen die Elektronen emissionsspitzen 31' gelegen sind, und Gateelektroden 29, die auf den Gateisolierschichten 27 angeordnet sind.
Die Kathodenelektrode 23 ist eine Indium-Zinn-Oxid-Schicht (In₂O₃.SnO₂), die aus einem leitfähigen transparenten Material gebildet und mit der Kathodenelektrodenplatte 35 von 2 verbunden ist. Die Widerstandsschicht 25 ist aus amorphem Silicium gebildet, so dass der Widerstand der Indium-Zinn-Oxid-Schicht eingestellt wird.
Die Kathodenelektrode 23 muss für einen Rückseitenbelichtungsprozess elektrisch leitfähig und transparent sein, der bei einem Photoprozess des Produktionsprozesses erforderlich ist. Damit Elektronen aus jeder Vertiefung der Elektronenemissionsvorrichtungen 30, die auf den Kathodenelektroden 23 ausgebildet sind, gleichmäßig emittiert werden, ist die Widerstandsschicht 25, zum Beispiel das amorphe Silicium, wie gezeigt ausgebildet, wodurch die Leistung der Elektronenemissionsvorrichtung 30 gesteigert wird.
Die Gateisolierschicht 27 ist aus Siliciumdioxid (SiO₂) gebildet und die Gateelektrode 29 ist aus Chrom (Cr) gebildet.
Bei der Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden Elektronen von den Kathodenelektroden 23 zu den Elektronenemissionsspitzen 31' eingeführt und die Elektronen werden von den CNTs emittiert, die in der Zusammensetzung 31 für eine Paste enthalten sind. Die Zusammensetzung 31 für die Paste, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine Zusammensetzung gebildet aus CNTs, dem Alkalimetallsilicat und dem Bindemittel, oder eine Zusammensetzung gebildet aus CNTs, Graphit, dem Alkalimetallsilicat und dem Bindemittel.
Es ist bevorzugt, dass die CNTs für die Zusammensetzung 31 für die Paste aus gleichmäßig großen einschichtigen oder mehrschichtigen CNTs, ungeachtet der Dicke, Art und Länge der CNTs gewählt sind. CNTs mit einer Größe von 10 Nanometern bis 10 Mikrometern sind zum Ausbilden der Zusammensetzung von CNTs und Alkalimetallsilicat besonders bevorzugt.
Zum Einstellen der Länge der CNTs werden die CNTs umgesetzt und unter Verwendung einer starken Säure (HNO₃ : H₂SO₄ = 3 : 1) in eine kleine Partikelgröße zerkleinert. Dann wird ein Feldfluss-Strömungstrennverfahren angewendet, um CNTs mit einer Größe unter 5 Mikrometern, besonders bevorzugt unter 1 Mikrometer zu extrahieren. Alternativ werden die CNTs in Alkohol dispergiert und in einem Ultraschallgerät 10 bis 30 Minuten lang bearbeitet, wodurch sie zu einer kleinen Partikelgröße zerkleinert werden. Das Feldfluss-Strömungstrennverfahren beruht auf dem Prinzip unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten eines Fluids entsprechend der Reibung zwischen einem Rohr und dem Fluid. Deshalb werden die im Fluid dispergierten CNTs entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids nach der Größe aufgetrennt.
Es wird Graphit mit einer Partikelgröße von weniger als 100 Nanometern bis 5 Mikrometern verwendet. Die Zusammensetzung wird aufgrund des Graphits leitfähig, der als Bindemittel wirkt.
Das Alkalimetallsilicat ist Na₂O-nSiO₂ oder K₂O-nSiO₂, wobei n von 2,2 bis 3,9 beträgt, während n nicht betrachtet wird.
Das Bindemittel verwendet mindestens ein Material aus einer organischen Carboxylsäuregruppe, darunter Ameisensäure, Essigsäure und Propionsäure, einer organischen Sulfonsäuregruppe, darunter Benzolsulfonsäure und Toluolsulfonsäure, einer Estergruppe, darunter Methylameisensäure und Ethylessigsäure, einer anorganischen Säuregruppe, darunter Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Borsäure, Chlorsäure, Metaphosphorsäure, Pyrophosphorsäure, Polyphosphorsäure, Hypophosphorsäure, phosphorige Säure, Perphosphorsäure, Kaliumhypophosphorsäure und Kaliumphosphorige Säure, einer anorganischen Salzgruppe davon, ein Hydrosäuresalz, darunter Kaliumhydrosulfat und Natriumbicarbonat und/oder einer organischen Säuregemischgruppe, darunter Aluminiumphosphat und Oxycarbonsäurealuminiumsalz. Jedes Material oder eine Mischung mindestens zweier Materialien wird als Bindemittel verwendet.
Im Falle der Herstellung einer Zusammensetzung mit CNTs und dem Alkalimetallsilicat oder einer Zusammensetzung mit CNTs, Graphit und dem Alkalimetallsilicat, ist die Mischungsrate wie im Folgenden beschrieben. Die CNTs (5 bis 40 Gewichtsteile), Graphit (5 bis 40 Gewichtsteile) oder Graphit und CNTs (5 bis 40 Gewichtsteile) werden mit dem Alkalimetallsilicat (5 bis 50 Gewichtsteile) und Wasser (10 bis 50 Gewichtsteile) vermischt. Das Bindemittel (1 bis 20 Gewichtsteile) wird hinzugegeben, wodurch die Zusammensetzung 31 für eine Paste gebildet wird.
Die Zusammensetzung 31 für eine Paste, das Alkalimetallsilicat und das Bindemittel werden bei einer Temperatur über 50 °C gehärtet, indem sie von einem Solzustand in einen Gelzustand überführt werden, so dass die CNT, oder die CNT und Graphit auf der Indium-Zinn-Oxid-Schicht 23 kombiniert werden. Zur Steuerung der Dispersion der Zusammensetzung 31 für eine Paste wird eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxid (KOH), Natriumhydroxid (NaOH) oder Ammoniumhydroxid (NH₄OH) zugesetzt (1 bis 3 %), wodurch die Hydrogenionenkonzentration (pH) so eingestellt wird, dass sie zwischen 10 bis 14 liegt.
Die 4A bis 4K sind Vertikalschnittansichten der Herstellungsschritte einer Zusammensetzung für eine Paste und einer Elektronen emissionsvorrichtung, die sie verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 4A gezeigt ist, wird zur Herstellung der Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kathodenelektrode 23, die aus einer Indium-Zinn-Oxid-Schicht gebildet ist, auf ein Glassubstrat 21 aufgeschichtet.
Danach wird die Kathodenelektrode 23 als Indium-Zinn-Oxid-Schicht auf dem Glassubstrat 21 verteilt und gemustert, wie es in 4B gezeigt ist. Hier wird das Mustern durch einen Photoprozess durchgeführt.
Der Photoprozess wird durch Ausführen der Schritte: Auftragen eines Photoresist auf die Kathodenelektrode 23, Anordnen einer Maske, die die zu musternde Form aufweist, auf der Kathodenelektrode 23 zum Durchführen einer Rückseitenbelichtung, Entfernen der Photoresistbereiche, die belichtet sind, mit einer Entwicklerlösung, Entfernen der Bereiche der Kathodenelektrode 23, deren Photoresist entfernt ist, durch einen Ätzprozess und Entfernen und Reinigen des verbliebenen Photoresist vorgenommen.
Nach Mustern der Kathodenelektrode 23 wird eine aus amorphem Silicium gebildete Widerstandsschicht 25 so aufgeschichtet, dass sie die Kathodenelektrode 23 umgibt, wie es in 4C gezeigt ist.
Dann wird eine Gateisolierschicht 27, die zum Ausbilden einer Isolierschicht aus Siliciumdioxid (SiO₂) gebildet ist, auf die Kathodenelektrode 23 und die Widerstandsschicht 25 so aufgeschichtet, wie es in 4D gezeigt ist. Dann wird Chrom zum Ausbilden von Gateelektroden 29 sukzessive als Dünnfilm ausgebildet, wie es in 4E gezeigt ist.
4F stellt den Schritt zum Entfernen der Gateelektroden 29 unter Verwendung des Photoprozesses dar, der in 4B gezeigt ist. Die Verteilungs-, Belichtungs- und Entwicklungsschritte des Photoresist sind gleich wie es in 4B gezeigt ist. Es wird jedoch in 4F ein Trockenätzprozess durchgeführt.
4G stellt den Schritt zum Entfernen der Gateisolierschicht 27 durch den in 4B gezeigten Photoprozess dar. Die Prozesse im Photoprozess sind die gleichen wie sie in 4B gezeigt sind, jedoch wird in 4G ein Nassätzprozess durchgeführt. Beim Nassätzprozess werden Chemikalien in einer Lösung mit einem zu ätzenden Gegenstand chemisch umgesetzt, so dass das bei der Umsetzung gebildete Material vom zu ätzenden Gegenstand getrennt wird.
Siliciumdioxid weist eine Struktur auf, in der Sauerstoffatome Siliciumatome in einer Tetraederform umgeben. Allgemein wird eine HF-Pufferlösung mit Fluor verwendet, um das Siliciumdioxid zu ätzen. Hier ist der Ionenradius des Fluors kleiner als der des Sauerstoffs und das Fluor bildet Si-F-Bindungen (1,40 Å), die kürzer sind als die Si-O-bindungen (1,62 Å). Außerdem beträgt die Bindungsenergie der Si-F-Bindungen nur die Hälfte der Bindungsenergie der Si-O-Bindungen. Deshalb wird Fluor gegen den Sauerstoff im Siliciumdioxid ausgetauscht, so dass es an das Silicium gebunden ist. Basierend auf dem beschriebenen Prinzip, wird das Siliciumdioxid geätzt.
4H stellt den Schritt zum Entfernen des amorphen Silicium dar, das die Widerstandsschicht 25 bildet. Das amorphe Silicium wird durch einen Photoprozess gemustert, wie die Gateisolierschicht 27. Hier wird ein Trockenätzprozess angewendet. Ein Schritt wird so ausgeführt, dass das Mustern keinen Kurzschluss an den Kathodenelektroden 23 erzeugt.
Arten von Trockenätzprozessen beinhalten ein physikalisches Ionenätzverfahren, das Sputtern durch Ionenaufprall verwendet, ein chemisches Ätzverfahren, das die chemische Wirkung von Reagenzien verwendet, die in einem Plasma erzeugt werden, oder ein physikalisches und chemisches Ätzverfahren, das die von Ionen, Elektronen und Photonen ausgeübte chemische Wirkung anwendet. Die vorliegende Erfindung wendet das Ionenätzverfahren an. Hier kollidieren Ionen, neutrale Atome oder neutrale Moleküle mit einer hohen Energiemenge gegen eine Ätzoberfläche, d.h. das Chrom der Gateleektrode 29. Dadurch überwinden die Chromatome die Bindungsenergie wodurch sie von der Oberfläche der Gateelektrode 29 entfernt werden, was als Sputtern bezeichnet wird. Als Folge davon, wird die Gateelektrode 29 durch Sputtern geätzt.
4I stellt den Schritt zum Auftragen des Photoresist 30 auf die Gateelektroden 29 und die Seitenwände der Gateelektroden 29, die der Mulde in einer Triode zugewandt sind, dar. Mit Bezug zu 4I wird der Photoresist 30 von den Gatemulden 27a durch Auftragen des Photoresist 30 auf die Triode und Trocknen, Belichten und Entwickeln des Photoresist 30 entfernt.
Danach wird die Zusammensetzung 31 für eine Paste gemäß der vorliegenden Erfindung auf den Photoresist 30 auf den Kathodenelektroden 23 aufgedruckt und bei einer Temperatur über 50 °C getrocknet, wie es in 4J gezeigt ist.
Wenn der Photoresist 30 unter Verwendung von Aceton gelöst wird, wird ein Teil der Zusammensetzung 31 für eine Paste entsprechend der Entfernung des Photoresist abgehoben. Die verbleibende Zusammensetzung 31 für eine Paste haftet an den Kathodenelektroden 23, die durch die Mulden 27a freigelegt sind, auf dem Substrat 21 an, so dass Elektronenemissionsspitzen 31' gebildet werden.
Ein Beispiel der Zusammensetzung für eine Paste gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch die Schritte gebildet: Dispergieren von 15 g CNTs oder 10 g der CNT und 5 g Graphit in 10 ml Destillat, Vermischen von 25 g (n = 3,4) Alkalimetallsilicat mit dem Destillat, das die CNTs oder die CNTs und das Graphit enthält, und Zugeben 1 Gewichtsteils Ammoniumhydroxid (NH₄OH) zum Gemisch. Dadurch wird eine Zusammensetzung für eine Paste mit einem pH von 13 zum Herstellen der Elektronenemissionsvorrichtung produziert.
5 ist eine Vorderseitenansicht, die eine Triodenelektronenkanone zeigt, die ein Beispiel der Zusammensetzung für eine Paste gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
6 stellt eine fluoreszierende Substanz dar, die durch die Elektronenkanone Licht emittiert. 7 ist ein Schaubild, das einen von einem fluoreszierenden Bildschirm mit der Elektronenkanone abgegebenen Strom zeigt, während eine Spannung von 1,2 kV an einen fluoreszierenden Bildschirm angelegt ist und eine an die Gateelektroden angelegte Spannung verändert wird.
Mit Bezug zu 5 wird ein Photoresist in einer Dicke von 4 bis 5 Mikrometern auf die Triode aufgetragen, wie es in 4E gezeigt ist. Der Photoresist wird so belichtet und bearbeitet, dass er auf Bereichen außer der Indium-Zinn-Oxid-Schicht verbleibt, und die vorbereitete Zusammensetzung für eine Paste wird aufgedruckt. Nach Trocknen der Zusammensetzung für eine Paste bei einer Temperatur von 60 °C über 3 Minuten wird die Triode in eine Acetonlösung getaucht, so dass der Photoresist und die CNTs und das Alkalimetallsilicat darauf entfernt werden. Dadurch verbleibt die Zusammensetzung für eine Paste zwischen den Indium-Zinn-Oxid-Schichten auf dem Substrat, wodurch die Elektronenkanone mit den Elektronenemissionsvorrichtungen gebildet wird.
Bei der Elektronenkanone von 5 sind neun Elektronenemissionsvorrichtungen in einem Pixel ausgebildet. Die Zusammensetzung für eine Paste gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist an den Mittelpunkten der Elektronenemissionsvorrichtungen ausgebildet, während sie von amorphem Silicium umgeben ist. Gatechrom ist um das Pixel angeordnet, so dass Gateelektroden ausgebildet werden.
6 zeigt das Bild der fluoreszierenden Substanz, die unter Verwendung der in 5 gezeigten Elektronenemissionsvorrichtungen Elektronen emittiert. Hier beträgt die Gatespannung 80 V und die Anodenspannung beträgt 1,2 kV.
7 ist ein Schaubild, das den von der Elektronenkanone in der fluoreszierenden Anzeigevorrichtung unter Verwendung der in 5 gezeigten Elektronenemissionsvorrichtungen abgegebenen Strom aufzeigt, wobei die Anodenspannung bei 1,2 kV festgelegt ist und die Gatespannung sich verändert. Wie in 7 gezeigt ist, fließt der Strom, wenn die Gatespannung 50 V beträgt, wodurch die Emission der Elektronen aus der Elektronenemissionsvorrichtung bei einer Spannung von 50 V beginnt.
Eine in 8 gezeigte Elektronenkanone ist in Hinblick auf ihre Struktur und ihre Elemente gleich wie die in 5 gezeigte Elektronenkanone, jedoch ist die Anzahl der in einem Pixel angeordneten Elektronenemissionsvorrichtungen auf 25 erhöht, während die Größe des Lochs auf 5 Mikrometer verringert ist.
9 ist eine Photographie, die das Elektronenemissionsbild der in 8 gezeigten Elektronenkanone zeigt. Hier ist das Bild von 9 heller als das von 6, was die Verbesserung in der Gleichmäßigkeit der Lichtemission darstellt.
10 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom in der Elektronenemissionsvorrichtung zeigt. Bei Vergleich des Schaubilds von 10 mit dem Schaubild von 7 ist die Elektronenemissionsspannung von 45 V auf 25 V verringert, wenn die Anodenspannung 500 V beträgt, wodurch eine Verbesserung in der Leistung der Elektronenemissionsvorrichtung dargestellt ist.
Anders als im in 5 gezeigten Beispiel, wird eine Zusammensetzung für eine Paste gemäß einem anderen Beispiel durch die Schritte gebildet: Dispergieren von 12 g CNTs und 2 g Graphit in 100 ml Destillat, Zugeben von 1 Gewichtsteil Natriumhydroxid zur Lösung, so dass der pH bei 13 gehalten wird, und Zumischen von 30 g Alkalimetallsilicat. Die Zusammensetzung nach einem anderen Beispiel wird durch den Herstellungsprozess der Elektronenemissionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet, so dass die Elektronenemissionsvorrichtung hergestellt wird.
Eine Zusammensetzung für eine Paste und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronenemissionsvorrichtung unter ihrer Verwendung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellen eine Elektronenemissionsvorrichtung mit ausgezeichneter Stabilität und Haltbarkeit zur Verfügung, die Elektronen aus einer großen Fläche gleichmäßig emittieren kann. Dementsprechend erfordert ein Gerät, das die Elektronenemissionsvorrichtung verwendet, die durch das Verfahren gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, keinen thermischen Hochtemperaturprozess und weist aufgrund der Stabilität und Haltbarkeit der Elektronenemissionsvorrichtung eine verbesserte Gesamtleistung auf.
Während diese Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, dienen die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen nur der Erläuterung und sind nicht zur Einschränkung des Rahmens der Erfindung gedacht.
Deshalb ist es ersichtlich, dass die Fachleute im Rahmen der vorliegenden Erfindung Variationen und Modifikationen vornehmen können, wobei der Rahmen nur durch die beigefügten Ansprüche definiert und beschränkt ist.
Wie oben beschrieben sind die Vorteile einer Zusammensetzung für eine Paste, einer Elektronenemissionsvorrichtung, die diese verwendet, und eines Verfahrens zu ihrer Herstellung ausgezeichnete Stabilität und Haltbarkeit und gleichmäßige Emission von Elektronen aus einer großen Fläche, wodurch die Gesamtleistung eines Geräts, das die Elektronenemissionsvorrichtung verwendet, verbessert wird.

Claims

Zusammensetzung für eine Paste umfassend Kohlenstoffnanoröhrchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung 5 bis 40 Gewichtsteile Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs), 5 bis 50 Gewichtsteile Alkalimetalisilicat und 1 bis 20 Gewichtsteile Bindemittel, bezogen auf 100 Gewichtsteile der Zusammensetzung beinhaltet.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei ferner 5 bis 40 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile der gesamten Zusammensetzung, Graphit enthalten sind.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ferner 10 bis 40 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile der gesamten Zusammensetzung, Wasser enthalten sind.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ferner 1 bis 6 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile der gesamten Zusammensetzung, Additiv enthalten sind, so dass die Wasserstoffionenkonzentration (pH) der Zusammensetzung 10 bis 14 beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 3, wobei ferner 1 bis 6 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile der gesamten Zusammensetzung, Additiv enthalten sind, so dass der pH der Zusammensetzung 10 bis 14 beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Additiv Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid oder Ammoniumhydroxid in wässriger Lösung ist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Größe der CNTs von 10 Nanometern bis 10 Mikrometern beträgt.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Alkalimetallsilicat Na₂O-nSiO₂ oder K₂O-nSiO₂ ist und n von 2,2 bis 3,9 beträgt.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Größe des Graphits von 100 Nanometern bis 5 Mikrometern beträgt.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Bindemittel mindestens ein Material aus einer organischen Carboxylsäuregruppe, einer organischen Sulfonsäuregruppe, einer Estergruppe, einer anorganischen Säuregruppe oder einer Salzgruppe davon, ein Hydrosäuresalz und/oder einer organischen Säuregemischgruppe ist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Bindemittel durch Vermischen von mindestens zwei Materialien aus der organischen Carboxylsäuregruppe, der organischen Sulfonsäuregruppe, der Estergruppe, der anorganischen Säuregruppe oder der Salzgruppe davon, dem Hydrosäuresalz und/oder der organischen Säuregemischgruppe gebildet ist.
Elektronenemissionsvorrichtung umfassend ein Substrat, Kathodenelektroden, die auf dem Substrat in einer bestimmten Form gemustert sind, eine Widerstandsschicht, die so aufgeschichtet ist, dass sie die Kathodenelektroden umfasst, wodurch Teile der Kathodenelektroden freigelegt sind, eine Gateisolierschicht, die auf der Widerstandsschicht in einer bestimmten Form gemustert ist, so dass Mulden angeordnet sind, in denen die freigelegten Kathodenelektroden gelegen sind, und auf der Gateisolierschicht angeordnete Gateelektroden, wobei die Elektronenemissionsvorrichtung Elektronenemissionsspitzen umfasst, die aus einer Zusammensetzung für eine Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 11 gebildet sind.
Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Kathodenelektrode ein leitfähiges transparentes Material ist.
Elektronenemissionsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Kathodenelektrode Indium-Zinn-Oxid ist.
Elektronenemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Widerstandsschicht amorphes Silicium ist.
Elektronenemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Gateisolierschicht Siliciumdioxid ist.
Elektronenemissionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Gateelektrode Chrom ist.
Verfahren zur Herstellung einer Elektronenemissionsvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt zum Ausbilden von Kathodenelektroden auf einem Substrat und Mustern der Kathodenelektroden in einer bestimmten Form; einen zweiten Schritt zum sequentiellen Abscheiden und Mustern von einer Widerstandsschicht, einer Isolierschicht und Gateelektroden auf den Kathodenelektroden, so dass Mulden gebildet werden, die Teile der Kathodenelektroden freilegen; einen dritten Schritt zum Ausbilden eines Photoresists auf den Seitenwänden der Widerstandsschicht, der Isolierschicht und der Gateelektroden und auf den Gateelektroden; einen vierten Schritt zum Aufdrucken einer Paste umfassend die Zusammensetzung für eine Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 11, so dass die durch die Mulden freigelegten Kathodenelektroden und der Photoresist beschichtet werden; und einen fünften Schritt zum Entfernen des Photoresists, so dass die Zusammensetzung für eine Paste auf den Kathodenelektroden verbleibt, so dass Elektronenemissionsspitzen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Kathodenelektrode ein leitfähiges transparentes Material ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Kathodenelektrode Indium-Zinn-Oxid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Widerstandsschicht amorphes Silicium ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Gateisolierschicht Siliciumdioxid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei die Gateelektrode Chrom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei im vierten Schritt die Paste aufgedruckt und bei einer Temperatur über 50 °C getrocknet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei die bestimmte Form eine Streifenform ist.