JP2005100919A - カーボンナノチューブ電子放出源の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な製造工程で電子放出源のサイズと形状、及び電子放出源とゲートの距離を容易に制御でき、駆動電圧を低下させるとともに、電界放出の効率を改善し、さらには製造コストを節減するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法を提供する
【解決手段】 複数の陰極線と、誘電層上に形成される複数のゲートラインとを含み、かつ２本毎のゲートラインの間の領域で、該陰極線と交差する個所を画素形成予定領域とし、該画素形成予定領域に開口を形成して該陰極線を露出してなる三極構造を提供し、電子放出源のパターンを予め形成してなる圧印型板を提供し、カーボンナノチューブ・ペーストを該圧印型板に付着させ、露出させた該陰極線上に圧印して、さらに 該陰極線上の該カーボンナノチューブ・ペーストを固形化させる。
【選択図】 図７

Description

この発明は、フィールドエミッションディスプレーに関し、特に圧印法によってカーボンナノチューブの電子放出源を形成する方法に関する。

カーボンナノチューブを利用したフィールドエミッションディスプレーは、直径が約数ナノメートルの細長いカーボンチューブと、有機粘着材と、銀パウダーとを混合してなるペーストを陰極基板の陰極上にスクリーン印刷してパターン化し、画素アレイの電子放出源を形成する。また、陰極基板上の銀陰極も、スクリーン印刷の過程においてパターン化する。次いで電界を利用して冷電子をカーボンナノチューブ放出層上のカーボンナノチューブの尖端から放出し、さらに電界を利用して電子を加速させて、真空の環境下で対応する陽極（例えば酸化インジウムスズ《ＩＴＯ》の基板）画素アレイ上の蛍光粉に衝突させて発光させる。かかる方式は、従来の陰極線管が、通常熱イオン化電子（thermionically emitted electrons）をタングステンフィラメントから放出する方式に比して、極めて大きな差異がある。

また、電界放出をディスプレーに応用した場合、電子銃の厚さを、僅か０．２ｍｍ前後にすることができるという利点があり、平面の面積についてもかなりの広さの使用できる範囲を有し、数平方センチメートルのサイズから、数百平方センチメートルの大きさに拡張することができる。よって、超薄型の平面ディスプレーに適用することは極めて有用である。

但し、ディスプレーとする場合の電子放出源は、安定性と、長時間にわたる信頼度が必要であるのみならず、電界放出の電流密度が少なくとも０．１〜１ｍＡ／ｍｍ^２であってはじめて十分な輝度と均一度が得られる。係る電流密度を達成するために必要とする電界の強度は、当然のことながら低ければ低いほどよく、好ましくは２５Ｖ／μｍ以下である。

上述する従来の技術は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）・フィールドエミッションディスプレーの電気的測定特性（即ち、電流密度の電界強度に対する特性をグラフにする）の優劣は露出するカーボンナノチューブと陰極の数量によって決定される。

一般に、発光の効率を高める三極構造は、カーボンナノチューブ・フィールドエミッションディスプレーのコントロールスイッチによく見られる。三極構造における陽極は電子のエネルギーを高め、陰極は放出電子源となる。また、ゲート（１）は陰極（６）から電子を引き出す作用を有する（図１参照）。従来のカーボンナノチューブ・フィールドエミッションディスプレー（ＦＥＤ）の製造方法は、カーボンナノチューブと有機物を調合してペーストを得る。次いで、スクリーン印刷技術を応用してカーボンナノチューブ・ペーストを三極構造の開口内に塗布する。スクリーン印刷を行う上での原則として、カーボンナノチューブ・ペースト（３）は付着点がなければならない。付着点があってはじめてカーボンナノチューブ・ペーストを目標とする箇所に効率良く付着させることができる。典型的なカーボンナノチューブ・フィールドエミッションディスプレーの画素開口（２）は、図１に開示するように幅が約８０μｍで、深さが約３０μｍである。但し、画素開口（２）の側面壁（４）には、カーボンナノチューブ・ペースト（３）が付着しやすく、陰極とゲートとが短絡する場合がある。また、甚だしくは画素開口（２）の底部において、陰極線にカーボンナノチューブ・ペーストが付着しない場合があり、これらが問題となっている。

また、従来の他の技術によれば、カーボンナノチューブ・ペーストを陰極線上に形成し、更にカーボンナノチューブ上に誘電層を形成する。さらにゲートラインを誘電層上に形成し、最後に誘電層にエッチングを行って、カーボンナノチューブを露出させる。係る技術はエッチングの技術に難点を有し（ホールが深すぎる）、且つエッチングによる汚染の問題が発生する。

また、従来のその他技術によれば、感光性のカーボンナノチューブ・ペーストを利用して露光方式で三極構造内のナノ電子放出源を形成する。但し、係る技術は開口の側壁に対する露光が往々にして不完全になり、露光されない残留物が開口の側壁に残留し、陰極とゲートとに短絡が発生する場合があり、問題となっている。

即ち、従来のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法においては、通常スクリーン印刷で調合したカーボンナノチューブ・ペーストを三極構造の開口底部の陰極線上に印刷する。該開口の位置はゲートラインと陰極線の交差する個所である。但し、深さ３０μｍの開口は、スクリーン印刷を行う場合の付着点が得られず、カーボンナノチューブ・ペーストが開口の側壁に付着する場合がある。また、感光性のカーボンナノチューブ・ペーストを用いたとしても、開口側壁の露光が不完全になり、ペーストの残留物が発生するという問題が発生する。よって、付着点の制御が難しく、ゲートラインとの距離の確定が難しいといった問題を改善し、カーボンナノチューブ電子放出源の電子放出効率を高める方法が望まれている。

この発明は、簡易な製造工程で電子放出源のサイズと形状、及び電子放出源とゲートの距離を容易に制御でき、駆動電圧を低下させるとともに、電界放出の効率を改善し、さらには製造コストを節減するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法を提供することを課題とする。

そこで本発明者は、従来の技術に鑑み鋭意研究を重ねた結果、電子放出源パターンと、ゲートラインを収納する溝の部分のパターンが形成されてなる圧印型板を作成し、複数の陰極線と、誘電層上に形成される複数のゲートラインとを含み、かつ２本毎のゲートラインの間の領域で、該陰極線と交差する個所を画素形成予定領域とし、該画素形成予定領域に開口を形成して該陰極線を露出してなる三極構造を基板上に形成し、カーボンナノチューブ・ペーストを該圧印型板に付着させ、露出させた該陰極線上に圧印して該カーボンナノチューブ・ペーストを固形化させるカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法によって課題を解決できる点に着眼し、係る知見に基づき本発明を完成させた。
以下、この発明について具体的に説明する。

請求項１に記載するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、複数の陰極線と、誘電層上に形成される複数のゲートラインとを含み、かつ２本毎のゲートラインの間の領域で、該陰極線と交差する個所を画素形成予定領域とし、該画素形成予定領域に開口を形成して該陰極線を露出してなる三極構造を提供するステップと、
電子放出源のパターンが予め形成してなる圧印型板を提供するステップと、
カーボンナノチューブ・ペーストを該圧印型板に付着させ、露出させた該陰極線上に圧印するステップと、
該陰極線上の該カーボンナノチューブ・ペーストを固形化させるステップとを、少なくとも含む。

請求項２に記載するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、請求項１における三極構造が、基板を提供するステップと、
複数の陰極線を該基板上に形成するステップと、
誘電層を該基板上に形成して該陰極線を被覆するステップと、
該陰極線に直交する複数のゲートラインを該誘電層上に形成して画素形成予定領域を形成するステップと、
マイクロフォトエッチングで該画素形成予定領域の該誘電層にマイクロフォトエッチングを施して開口を形成し、該陰極線を露出させるステップとを、少なくとも含んでなる製造方法である。

請求項３に記載するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、請求項２における複数の陰極線が、スクリーン印刷によって銀金属層を該基板上に形成されてなり、
前記複数のゲートラインはスクリーン印刷によって導体層を該誘電層上に形成されてなる。

請求項４に記載するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、請求項２における複数のゲートラインのそれぞれの間隔が約３０μｍから３００μｍであって、該開口の深さが約５μｍから５０μｍである。

請求項５に記載するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、請求項１における圧印型板が、型板を基板上に固定するステップと、
マイクロフォトエッチングで該型板をエッチングして、ポジ型の電子放出源パターンと、ゲートラインを収納する部分のポジ型パターンとを該型板に形成するステップと、
成膜物質を注入してエッチングを施した該型板を被覆するステップと、
該成膜物質を固形化するステップと、
型抜きを行い、ネガ型の電子放出源パターンと、ゲートラインを収納する部分のネガ型パターンとを形成するステップとを、少なくとも含んでなる製造方法によって製造される方法である。

請求項６に記載するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、請求項１における圧印型板に形成されるパターンが、圧印を行う場合にゲートラインを収納し、カーボンナノチューブ・ペーストが該ゲートラインに付着することを防ぐ複数の溝状のパターンを含んでなり、
該電子放出源のパターンが円錐形か、円柱形か、角錐形か、もしくはこれらの組み合わせから選択される。

請求項７に記載するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、複数の平行して形成される陰極線を含む二極構造を提供するステップと、
電子放出源のパターンが予め形成してなる圧印型板を提供するステップと、
カーボンナノチューブ・ペーストを該圧印型板に付着させ、露出させた該陰極線上に圧印して該電子放出源のパターンを転写するステップと、
該カーボンナノチューブ・ペーストを固形化させるステップとを、少なくとも含む。

本発明のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、製造工程を簡略化し、製造コストを低減させるという利点がある。

また、本発明のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、カーボンナノチューブ電子放出源の形状、サイズを予め設定することができ、さらにカーボンナノチューブ電子放出源とゲートラインとのピッチを予め制御できるので、カーボンナノチューブ電子放出源の好ましい安定性が得られ、駆動電圧を低下させることができ、電界放出の効率を改善できるという利点がある。

この発明は、圧印法によってカーボンナノチューブの電子放出源を形成するカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法を提供するものであって、電子放出源パターンと、ゲートラインを収納する溝の部分のパターンが形成されてなる圧印型板を作成し、複数の陰極線と、誘電層上に形成される複数のゲートラインとを含み、かつ２本毎のゲートラインの間の領域で、該陰極線と交差する個所を画素形成予定領域とし、該画素形成予定領域に開口を形成して該陰極線を露出してなる三極構造を基板上に形成し、カーボンナノチューブ・ペーストを該圧印型板に付着させ、露出させた該陰極線上に圧印して該カーボンナノチューブ・ペーストを固形化させるステップを含んでなる。
係るカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法について、その特徴を詳述するために具体的な実施例を挙げ、以下に説明する。

この発明の提供する方法は、従来のカーボンナノチューブ電子放出源を改善するものであって、次に掲げるステップを含んでなる。即ち、図２に開示するように、圧印型板を作成する。この工程においては、従来のマイクロフォトエッチングを応用し、例えばレチクルを用い 、電子ビームもしくはフォーカスイオンビームなどで型板材に対してエッチングを行い、所定の転写パターン（ポジ型）を型版（５）上に形成する。

図面に開示するように、ポジ型のパターンは円錐状パターン（１０）と、長条形パターン（２０）とが交錯して分布するように形成する。該円錐状パターン（１０）はカーボンナノチューブ・ペーストを塗布する陰極板のパターンである。また、長条形パターン（２０）は圧印を行う場合、ゲート構造を容易に設けることができるようにするためのものである（図６参照）。よって、ネガ型パターンに転換する場合、カーボンナノチューブ・ペーストとゲート構造とが接触することを避けるために十分な高さを必要とする。好ましい実施例においては、両長条形パターン（２０）の間のピッチＷ１が約１０〜１００μｍ（典型的な数値は約８０μｍである）であって、その高さＨは約５〜５０μｍである。当然のことながら円錐状パターン（１０）は、説明の便宜を図るために円錐状を呈しているが、これは本発明の実施の範囲を限定するものではない。カーボンナノチューブ・ペーストによって形成するパターンは円柱、角錐、星状、もしくは如何なる形状であってもよく、型から離れやすく、カーボンナノチューブ電界放出する電子に対して有益であれば何れも選択することができる。

上述のカーボンナノチューブ電界放出する電子に対して有益であるとは、ペーストのカーボンナノチューブを塗布した場合に容易に立つか、もしくはカーボンナノチューブ・ペーストに別途物理的方法を施した際に容易に立つ場合の何れもが含まれ、例えばテープを貼着し、更にこれを引っ張り立たせるなどの方法もこれに含まれる。

また、両長条形パターン（２０）の間には、図２に開示するような円錐状パターン（１０）を１つのみ形成する形態に限らず、複数の同一形状のパターンか、もしくは上述のそれぞれ異なる形状を組み合わせたパターンであってもよい。

次いで図３に開示するように、成膜物質を注入する工程を行う。即ち、アクリル樹脂か、もしくはその他成膜物質をＰＭＭＡ（polymethyl methacrylate）か、ＰＤＭＳ（polydimethyl siloxane）で型に注入し、上述するパターン（ポジ型）を被覆する。更に適宜な圧力と温度で固形化し、型を抜く（本来のポジ型の型と、アクリル樹脂によるネガ型のフィルムとを分離する）。その結果、図３に開示する圧印型板（３０）が得られる。当然のことながら、成膜物質を注入する前に型抜き処理の便宜を図るために油性物質を塗布してもよい。

次に図４に開示するように、基板（３５）上に陰極線（４０）を形成する。陰極線の形成方法はスクリーン印刷技術を応用することができる。即ち、銀による金属層をスクリーン印刷で基板（３５）上の所定の位置に印刷し、陰極線（４０）とする。陰極線（４０）の幅は約１５０〜３００μｍであって、陰極線（４０）間のピッチは約５０〜１５０μｍとする。次いで、誘電層（５０）を基板（３５）上に沈降させ、陰極線（４０）を被覆する。

次に図５、６に開示するように、誘電層（５０）上に導体層を全面的に形成し、更にマイクロフォトエッチング技術を応用し、該導体層をエッチングしてゲートライン（６０）を得る。この場合、他の方法としてスクリーン印刷技術を応用してもよい。即ち、誘電層（５０）上に導体層をスクリーン印刷で所定のパターンに印刷してゲートライン（６０）とする。ここで注意すべき点は、図６に開示するように、ゲートラインは陰極線に直交するという点である。両ゲートライン（６０）の間に形成される領域（６０ａ）、（６０ｂ）、（６０ｃ）、（６０ｄ）と、陰極線（４０）との交差点（６５）が、即ち図５の断面説明図に開示する画素形成予定位置である。また、図６に開示する両ゲートラインの間のピッチＷ２は約３０〜３００μｍである。

更にマイクロフォトエッチングで画素形成予定位置（７０ａ）上の誘電層（５０）をエッチングし、複数の開口を形成して陰極線（４０）を露出させる。一般にゲート金属層の一端と開口の一端との間は、ゲートライン（６０）が電子放出源と短絡しないように約１〜５μｍのピッチを設ける。

次に、適宜な粘着度に調合したカーボンナノチューブ・ペーストを圧印型板に密着させる。図７に開示するように、電子放出源パターン（ネガ型）に付着したカーボンナノチューブ・ペースト（７０Ａ）を露出させた陰極線上に圧印し、電子放出源（８０）とする。この場合、圧印型板（３０）の溝（ネガ型パターン）に付着したカーボンナノチューブ・ペースト（７０Ｂ）はゲートライン（６０）に接触しない。このため、圧印型板（３０）の溝（ネガ型パターン）内に残留する。

図８に開示するように、圧印型板（３０）を抜いて電子放出源（８０）から離す。圧印型板（３０）と電子放出源（８０）とが順調に離れるようにするために、陰極線（４０）上に有機粘着層を塗布して形成し、ゲートライン（６０）上には選択的に親水層を塗布して形成する。実施例においては、感光性の粘着層を全面的に形成し、更にマイクロフォト技術を応用して陰極線（４０）上以外の余剰の粘着層を除去する。但し、陰極線（４０）とゲートライン（６０）とを包含するように全面的に有機粘着層を形成する実施形態であってもよい。この場合、マイクロフォトの工程を行う必要がないといった利点がある。即ち、圧印型板（３０）の長条形パターン（２０）に十分な高さがあればよい。ここで言う十分な高さとは、カーボンナノチューブ・ペーストを陰極線（４０）上に圧印する場合、カーボンナノチューブ・ペーストが長条形パターン（２０）内の空間に付着し、ゲートライン（６０）に付着しないだけの高さを指す。また、有機粘着層の材質の揮発温度は、好ましくはカーボンナノチューブ・ペーストの焼結温度と同等か、もしくはこれよりも低くする。即ち、カーボンナノチューブ・ペーストを焼結すると同時に、有機粘着層を除去することができる。最後にレーザ、もしくは紫外線などのエネルギービームを利用するか、もしくはボイラーチューブに入れて３５０〜５５０℃の温度条件でカーボンナノチューブ・ペーストに焼結処理を行い、同時に有機粘着層を除去する。

以上の実施例は、三極構造のカーボンナノチューブフィールドエミッションディスプレーを例として説明したものであるが、これは本発明の実施の範囲を限定するものではない。

この発明の方法は、次に掲げる長所を有する。
１．本発明のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、製造工程が簡略化され、製造コストを低減させることができる。また、カーボンナノチューブは、最終的に圧印されるため、従来の方法に見られるようにカーボンナノチューブを先に陰極線上に形成し、さらに誘電層を形成し、該誘電層をエッチングしてカーボンナノチューブを露出させる場合に発生する汚染の問題が発生しない。
２．また、本発明のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法は、カーボンナノチューブ電子放出源の形状を予め設定することができるため、柔軟なレイアウトを行うことができる。
３．さらにカーボンナノチューブ電子放出源とゲートラインとのピッチを予め制御できるので、従来の技術に比してカーボンナノチューブ電子放出源の好ましい安定性が得られ、駆動電圧を低下させることができる。

以上は三極構造のカーボンナノチューブフィールドエミッションディスプレーを例とした好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではなく、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。例えば、図９に開示するように、この発明による製造方法は二極構造のカーボンナノチューブフィールドエミッションディスプレイに応用することができる。カーボンナノチューブフィールドエミッションディスプレーにおける二極構造と三極構造との差異は、図６に開示するゲートライン（６０）の有無と、陽極線（図示しない）と陰極線（４０）とのピッチだけである（二極構造はピッチが短い）。よって、例えばゲートライン（６０）を収納する部分の長条形パターン（２０）を設ける必要がなく、圧印型板の構造をさらに簡易にすることができる。

従来のカーボンナノチューブ電子放出源においてカーボンナノチューブ・ペーストを開口に付着させた状態を示した説明図である。 この発明の方法による圧印型板であって、ポジ型パターンを形成した状態を示した説明図である。 図２に開示する圧印型板を利用して圧印の型を完成させた状態の説明図である。 この発明の方法において陰極線と誘電層とゲートラインとを形成した状態を示した断面説明図である。 図４に開示する状態から更に開口を形成した状態を示した断面説明図である。 図５に開示する状態の平面説明図である。 図５に開示する状態から更にカーボンナノチューブ・ペーストを圧印して電子放出源を形成する状態を示した断面説明図である。 図７に開示する状態から更に型抜きをした状態を示した断面説明図である。 この発明による方法を応用した２極構造のカーボンナノチューブ電子放出源の平面説明図である。

符号の説明

１ ゲート
２ 画素開口
３ カーボンナノチューブ・ペースト
４ 側面壁
５ 型版
６ 陰極
１０ 円錐状パターン
２０ 長条形パターン
３０ 圧印型板
３５ 基板
４０ 陰極線
５０ 誘電層
６０ ゲートライン
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 領域
６５ 交差点
７０ａ 画素形成予定位置
７０Ａ、７０Ｂ カーボンナノチューブ・ペースト
８０ 電子放出源

Claims (7)

1. 複数の陰極線と、誘電層上に形成される複数のゲートラインとを含み、かつ２本毎のゲートラインの間の領域で、該陰極線と交差する個所を画素形成予定領域とし、該画素形成予定領域に開口を形成して該陰極線を露出してなる三極構造を提供するステップと、
   電子放出源のパターンを予め形成してなる圧印型板を提供するステップと、
   カーボンナノチューブ・ペーストを該圧印型板に付着させ、露出させた該陰極線上に圧印するステップと、
   該陰極線上の該カーボンナノチューブ・ペーストを固形化させるステップとを、少なくとも含むことを特徴とするカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法。
2. 前記三極構造が、基板を提供するステップと、
   複数の陰極線を該基板上に形成するステップと、
   誘電層を該基板上に形成して該陰極線を被覆するステップと、
   該陰極線に直交する複数のゲートラインを該誘電層上に形成して画素形成予定領域を形成するステップと、
   マイクロフォトエッチングで該画素形成予定領域の該誘電層にマイクロフォトエッチングを施して開口を形成し、該陰極線を露出させるステップとを、少なくとも含んでなる製造方法で製造されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法。
3. 前記複数の陰極線が、スクリーン印刷によって銀金属層を該基板上に形成されてなり、
   前記複数のゲートラインはスクリーン印刷によって導体層を該誘電層上に形成されてなることを特徴とする請求項２に記載のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法。
4. 前記複数のゲートラインのそれぞれの間隔が約３０μｍから３００μｍであって、該開口の深さが約５μｍから５０μｍであることを特徴とする請求項２に記載のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法。
5. 前記圧印型板が、型板を基板上に固定するステップと、
   マイクロフォトエッチングで該型板をエッチングして、ポジ型の電子放出源パターンと、ゲートラインを収納する部分のポジ型パターンとを該型板に形成するステップと、
   成膜物質を注入してエッチングを施した該型板を被覆するステップと、
   該成膜物質を固形化するステップと、
   型抜きを行い、ネガ型の電子放出源パターンと、ゲートラインを収納する部分のネガ型パターンとを形成するステップとを、少なくとも含んでなる製造方法によって製造されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法。
6. 前記圧印型板に形成されるパターンには、圧印を行う場合にゲートラインを収納し、カーボンナノチューブ・ペーストが該ゲートラインに付着することを防ぐ複数の溝状のパターンを含んでなり、
   該電子放出源パターンは、円錐形か、円柱形か、角錐形か、もしくはこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法。
7. 複数の平行して形成される陰極線を含む二極構造を提供するステップと、
   電子放出源のパターンが予め形成してなる圧印型板を提供するステップと、
   カーボンナノチューブ・ペーストを該圧印型板に付着させ、露出させた該陰極線上に圧印して該電子放出源のパターンを転写するステップと、
   該カーボンナノチューブ・ペーストを固形化させるステップとを、少なくとも含むことを特徴とするカーボンナノチューブ電子放出源の製造方法。

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