JP2005222952A - フィールドエミッタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィールドエミッタの製造方法を提供する。
【解決手段】（ア）基板上にパターニングされた伝導層を形成させる段階と、（イ）前記伝導層上に電界放出物質及び金属粉末を含む混合物質を塗布し、熱処理により前記伝導層との接着性を向上させる段階と、（ウ）前記伝導層を除外した領域の電界放出物質及び金属物質を除去する段階と、を含むフィールドエミッタの製造方法である。これにより、フィールドエミッタの寿命及びその電界放出特性が大きく向上され、従来に具現し難かった優秀な特性の大面積フィールドエミッタを製造できる。
【選択図】図１Ｆ

Description

本発明は、フィールドエミッタ製造方法に係り、さらに詳細には金属電極上部に接着性にすぐれたフィールドエミッタを簡単な工程で大型化させて形成できるフィールドエミッタ製造方法に関する。

従来から、フィールドエミッタは、その電界放出特性及び効果によって多様な分野に応用されてきた。特に、１９９０年初めに、炭素ナノチューブが開発されてから最近まで、炭素ナノチューブ薄膜を利用して電界放出ディスプレイを製造するための多くの研究が進められてきた。一般的な炭素ナノチューブを利用したフィールドエミッタは、炭素ナノチューブを含む炭素系の物質がシリコンまたはガラスなどの基板に対する接着力が落ちて膜形成が困難である。また、膜を形成させても接着力が落ち、電界放出エミッタとして長時間使用する場合、炭素ナノチューブが取れ落ちる場合があり、特に大面積のフィールドエミッタ製造に困難さが伴う。

現在、炭素ナノチューブを利用した電界放出ディスプレイでのフィールドエミッタを製造する方法は、大きく二種類に分けられる。第一に、炭素ナノチューブを基板自体に成長させる方法であり、第二に、成長された炭素ナノチューブをペースト化させて機械的に炭素ナノチューブを形成させる方法である。かかる従来技術の問題点を詳細に説明すれば次の通りである。

第一に、炭素ナノチューブを基板自体に成長させる方法の場合、前記のように、シリコン、ガラスまたはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）基板などに対する接着特性が悪いために、大面積のフィールドエミッタ形成が事実上困難であるという短所がある。従って、かかる形態のフィールドエミッタを製造するための多くの研究が必要であるという実情である。

第二に、炭素ナノチューブをペースト化して機械的に炭素ナノチューブを形成させる方法の場合、バインダ物質とレジンまたはフィルタなどの多くの不純物が含まれる。このような不純物は、炭素ナノチューブの電界放出特性に悪影響を及ぼし、寿命及び安定性に悪影響を与える。また、ミリングのような機械的研磨工程が行われるようになるので、このような過程で多くの欠陥が発見され、結局フィールドエミッタの寿命を短縮させる結果となる。

下部基板または電極との接着性問題は、炭素ナノチューブ以外にも、他の物質を電界放出物質として使用した場合にも発生し、これに問題が生じる場合、電界放出ディスプレイの性能及び寿命に直接的な影響を及ぼす。

本発明では、前記従来技術の問題点を解決するために、炭素ナノチューブなどの電界放出物質と電極との接着特性を向上させ、寿命及び電界放出特性を向上させた大面積炭素ナノチューブフィールドエミッタの製造方法を提供することを目的とする。

本発明では、前記課題を目的を解決するために、（ア）基板上にパターニングされた伝導層を形成させる段階と、（イ）前記伝導層上に電界放出物質及び金属粉末を含む混合物質を塗布し、熱処理により前記伝導層との接着性を向上させる段階と、（ウ）前記伝導層を除外した領域の電界放出物質及び金属物質を除去する段階と、を含むフィールドエミッタの製造方法を提供する。

本発明において、前記電界放出物質は、炭素系物質、金属または半導体のうちから選択され、前記炭素系物質は、炭素ナノチューブまたは炭素ホーンのうち少なくとも一つの物質を含む。

本発明において、前記（ア）段階は、前記基板上の所定領域を露出させてフォトレジスト層を形成させる段階と、前記基板及び前記フォトレジスト層上に伝導性物質を塗布する段階と、前記フォトレジスト層及び前記フォトレジスト層上に塗布した伝導性物質を除去し、伝導層を形成させる段階と、を含む。

本発明において、前記（イ）段階は、前記電界放出物質、金属粉末及びその溶媒を所定の割合で混合した物質を前記基板及び前記伝導層上に塗布する段階と、６００℃ほど以下の温度で熱処理し、前記電界放出物質及び前記金属粉末を混合した物質と前記伝導層間の接着力を強める段階と、を含む。

本発明において、前記金属粉末は、銅、亜鉛またはニッケルのうちから選択され、その直径は、約０．０１ないし１００μｍであることを特徴とする。

本発明において、前記電界放出物質、金属粉末及び溶媒を所定の割合で混合した物質をスピンコーティングまたはプリンティングにより前記基板及び前記伝導層上に塗布する。

本発明において、前記基板は、シリコン基板、ガラス基板またはＩＴＯ基板のうちから選択されうる。

本発明によれば、従来の方法により製造されたフィールドエミッタに比べ、使われる基板との接着特性が大きく向上され、フィールドエミッタの寿命及びその電界放出特性が大きく改善されたことが分かる。これにより、従来に具現し難かった優れた特性の大面積のフィールドエミッタを簡単な方法により大量に製造できる。

以下、図面を参照し、本発明によるフィールドエミッタ製造方法についてさらに詳細に説明する。図１Ａないし図１Ｆは、本発明によるフィールドエミッタ製造方法を順次に表した断面図である。

図１Ａを参照すれば、まず基板１１上にパターニングされたフォトレジスト（ＰＲ）層１２を形成させ、これを露光及びパターニングして所定幅を有した溝１２’を形成させる。この時の溝１２’は、電界放出物質が形成される位置を指定し、所望のサイズによって所定の形態とする。もちろん、かかる工程は、単一フィールドエミッタを形成させる場合には必要なく、大量生産のためのアレイ状のフィールドエミッタ製造する場合に、１枚の基板に多数のフィールドエミッタ形成のために必要である。この時、使われる基板１１は、制限がなく、シリコン基板、ガラス基板または透光性を有したＩＴＯなどいずれも使用可能である。

その後、図１Ｂに示されたように、基板１１に対して伝導性を有した物質１３を塗布する。電界放出物質に対して電位の印加が可能なように電極を形成させるために、伝導性物質１３を塗布し、一般的に半導体素子に電極として使われうる金属物質を利用する。これを塗布する方法は、一般的な半導体工程で利用されるものならば本発明に適用が可能であり、特に前記伝導性物質が金属である場合には、スパッタリング法、イオンビーム被覆法または蒸着法などの気相蒸着法を利用する。それにより、パターニングされたＰＲ層１２及び溝１２’の上部に段差を有した伝導性物質１３が塗布される。次に、図１Ｃに示されたように、基板１１上に伝導性物質が形成された伝導層１４を残留させる。

その後、図１Ｄに示されたように、基板１１及び伝導層１４に対して電界放出物質と金属ナノ粉末とを所望の割合で混ぜた後、スピンコーティング法またはスクリーンプリンティング法により所望の厚さに塗布する。炭素ナノチューブなどの炭素系物質を電界放出物質として使用する場合、これに必要な溶媒も共に混合する。結果的に、基板１１及び伝導層１４の上部に電界放出物質と金属粉末との混合層１５が形成される。

ここで、金属粉末は、伝導層１４と電界放出物質との接着力を強めるために利用するものであり、伝導性を有した微細粉末を使用する。一般的に、約０．０１ないし１００μｍの金属粉末を使用し、低融点を有したＡｇ、Ｃｕ、ＺｎまたはＮｉのようなさまざまな金属粉末が含まれうる。この時、含まれる電界放出物質は、炭素系の物質、金属または半導体物質などを使用できる。炭素系の物質としては、炭素ナノチューブ、炭素ホーンなどを使用できる。その他、Ｗのような金属物質、Ｓｉなどの半導体物質またはＰＬＯ（ＰａＬｌａｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）などを使用でき、一般的な電界放出物質として使われうるものならば制限されない。

次に、伝導層１４上の電界放出物質と金属粉末との混合物１５と塗布した状態で熱処理工程を行う（図１Ｅ）。この時、溶媒が含まれた場合、その溶媒の沸点が熱処理温度より低いものを主に使用する。例えば、使用する電界放出物質の熱処理温度より低沸点を有したアルコールなどを溶媒として使用することが望ましい。例えば、ＩＴＯを基板１１として使用した場合、熱処理温度は６００℃ほど以下で行うことが望ましく、前記溶媒の場合、これより低温の物質を使用する。ここで、電界放出物質として炭素ナノチューブを使用した場合、一般的に使われる溶媒ならばほとんどこれに該当して制限はない。かかる熱処理工程を経れば、前記基板１１及び伝導層１４の上部に溶媒を除外した金属物質と電界放出物質とが残留する。この時、残留した金属物質は、熱処理により下部の伝導層１４と接着され、残留した電界放出物質は、金属物質に固着された混合層１５’になる。

最後に、図１Ｆに示されたように、熱処理された状態で基板１１及び伝導層１４上に形成された電界放出物質１７及び金属物質の混合層１５’に対して表面処理を実施する。ここで、表面処理は一般的に使われる方法により、超音波または接着性あるテープを使用できる。ここで、単に接着性があるテープを使用した場合でも、伝導層１４上に形成された電界放出物質１７と金属物質との混合層１５’の場合、伝導層１４との接着特性にすぐれるために、基板１１と接触されて形成された混合層のみ分離される。金属粉末は、熱処理により伝導層１４と接着され、共に混合された電界放出物質１７を固定させている。従って、これを拡大した部分について述べれば、熱処理後に残留した電界放出物質と金属物質との混合層１５’の上部に多数の電界放出物質１７が突出された形態を有するようになる。結果的に、本発明によるフィールドエミッタを完成できる。

図２Ａ及び図２Ｂでは、本発明の実施例により製造されたフィールドエミッタを表した写真であり、ここでは、電界放出物質として炭素ナノチューブを利用したものを表した。図２Ａでは、基板２１上に所望のサイズの伝導層を形成させ、その上部に炭素ナノチューブと金属粉末との混合層２２をスピンコーティング法またはスクリーンプリンティング法により塗布したものを表した。ここで、基板２１は、ＩＴＯを使用し、金属ナノ粉末はＡｇを利用して形成させた。この時、伝導層は縦横にそれぞれ２ｃｍのサイズに形成させ、炭素ナノチューブと金属粉末との混合層２２は、その上部に縦横にそれぞれ３ｃｍのサイズに塗布した。

前記図２Ａの試片に対して熱処理工程により溶媒を除去し、表面処理を実施したものを図２Ｂに表した。図２Ｂを参照すれば、基板２１上に形成された炭素ナノチューブ及び金属粉末の混合層２２に対して表面処理を実施すれば、伝導層上に接着された縦横２ｃｍサイズの炭素ナノチューブ及び金属粉末の混合層２３のみ残留したことが分かる。すなわち、縦横２ｃｍサイズの混合層２３を除外した領域の混合層２２は、表面処理により除去され、これは前記のように伝導層と炭素ナノチューブとの接着特性が基板２１と炭素ナノチューブとの接着特性よりはるかに優秀であるということが分かる。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明によるフィールドエミッタに対する電気的特性を測定したグラフであり、ここで、電界放出物質として炭素ナノチューブを使用した。

図３Ａを参照すれば、炭素ナノチューブを電界放出物質として使用した従来技術により製造されたフィールドエミッタ（ｐａｓｔｅ（１），ｐａｓｔｅ（２））の場合に比べ、本発明により製造されたフィールドエミッタの場合、同じ印加電位に対する電界放出特性がすぐれていることが分かる。印加電位が４Ｖ／μｍである場合について述べれば、本発明により製造されたフィールドエミッタは、約１，２００μｍ／ｃｍ^２の電界を放出するが、従来技術により製造されたフィールドエミッタの場合には、いずれも２００μｍ／ｃｍ^２を超えられない電界を放出することが分かる。これは、従来技術のように、炭素ナノチューブペーストとしてフィールドエミッタを製造した場合、バインダ物質とレジンまたはフィルタなど多くの不純物が含まれおり、フィールドエミッタの電界放出特性に悪影響を及ぼしたことが分かる。

図３Ｂは、フィールドエミッタ使用における経時的な電界放出特性を表したグラフである。図３Ｂを参照すれば、従来のフィールドエミッタを製造した場合、使用時間により、放出電界のサイズが継続的に縮小することが分かる。これに対し、本発明により製造されたフィールドエミッタの場合、使用に伴う経時的な放出電界の変化量及びそのサイズが小さくて一定に示されていることが分かる。

前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものと見るよりも、望ましい実施例の例示として解釈されねばならない。従って、本発明の範囲は、説明された実施例によって定められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められるものである。

本発明は、金属電極上部に接着性にすぐれるフィールドエミッタを簡単な工程で大型化して形成できるフィールドエミッタ製造方法に関わる技術分野に適用可能である。

本発明によるフィールドエミッタの製造方法に関する一実施例を表した図面である。 本発明によるフィールドエミッタの製造方法に関する一実施例を表した図面である。 本発明によるフィールドエミッタの製造方法に関する一実施例を表した図面である。 本発明によるフィールドエミッタの製造方法に関する一実施例を表した図面である。 本発明によるフィールドエミッタの製造方法に関する一実施例を表した図面である。 本発明によるフィールドエミッタの製造方法に関する一実施例を表した図面である。 本発明の実施例により製造された炭素ナノチューブを電界放出物質として使用したフィールドエミッタを表した写真である。 本発明の実施例により製造された炭素ナノチューブを電界放出物質として使用したフィールドエミッタを表した写真である。 本発明及び従来技術により製造された炭素ナノチューブを電界放出物質として使用したフィールドエミッタの印加電圧による放出フィールドを表した図面である。 本発明及び従来技術により製造された炭素ナノチューブを利用したフィールドエミッタの経時的な放出フィールドの変化を表した図面である。

符号の説明

１１ 基板
１２ ＰＲ層
１２’ 溝
１３ 伝導性物質
１４ 伝導層
１５ 金属粉末及び電界放出物質の混合物
１５’ 残留した金属粉末及び電界放出物質の混合物
１７ 電界放出物質
２１ 基板
２２，２３ 炭素ナノチューブ及び金属の混合層

Claims (9)

1. フィールドエミッタの製造方法において、
   （ア）基板上にパターニングされた伝導層を形成する段階と、
   （イ）前記伝導層上に電界放出物質及び金属粉末を含む混合物質を塗布し、熱処理により前記伝導層との接着性を向上させる段階と、
   （ウ）前記伝導層を除く領域の電界放出物質及び金属物質を除去する段階と、を含むことを特徴とするフィールドエミッタの製造方法。
2. 前記電界放出物質は、炭素系物質、金属または半導体のうちから選択されることを特徴とする請求項１に記載のフィールドエミッタの製造方法。
3. 前記炭素系物質は、炭素ナノチューブまたは炭素ホーンのうち少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項２に記載のフィールドエミッタの製造方法。
4. 前記（ア）段階は、
   前記基板上の所定領域を露出させてフォトレジスト層を形成させる段階と、
   前記基板及び前記フォトレジスト層上に伝導性物質を塗布する段階と、
   前記フォトレジスト層及び前記フォトレジスト層上に塗布した伝導性物質を除去し、伝導層を形成させる段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のフィールドエミッタの製造方法。
5. 前記（イ）段階は、
   前記電界放出物質、金属粉末及びその溶媒を所定の割合で混合した物質を前記基板及び前記伝導層上に塗布する段階と、
   ６００℃ほど以下の温度で熱処理し、前記電界放出物質及び前記金属粉末を混合した物質と、前記伝導層との接着力を強める段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のフィールドエミッタの製造方法。
6. 前記金属粉末は、銅、亜鉛またはニッケルのうちから選択されることを特徴とする請求項５に記載のフィールドエミッタの製造方法。
7. 前記金属粉末の直径は、約０．０１ないし１００μmであることを特徴とする請求項５に記載のフィールドエミッタの製造方法。
8. 前記電界放出物質、金属粉末及び溶媒を所定の割合で混合した物質をスピンコーティングまたはプリンティングにより前記基板及び前記伝導層上に塗布することを特徴とする請求項５に記載のフィールドエミッタの製造方法。
9. 前記基板は、シリコン基板、ガラス基板またはＩＴＯ基板のうちから選択されることを特徴とする請求項１に記載のフィールドエミッタの製造方法。

Images