JP2005340222A - 電界放出素子の電流安定化方法および電界放出素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電界放出素子の安定化のための方法を提供する。
【解決手段】 電界放出素子の炭素ナノチューブ２２に対してプラズマ処理を実施することを特徴とする電界放出素子の電流安定化方法である。これにより、均一な表面を有した炭素ナノチューブ２２を得ることができ、炭素ナノチューブ２２での安定な電子放出密度を得ることができ、電界放出素子自体の寿命を延長させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電界放出素子の電流安定化方法に係り、さらに詳細には炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）電界放出素子の電界放出源であるＣＮＴに対してプラズマ処理を施し、放出電流の密度を安定化し、その寿命を延長させる電界放出素子の電流安定化方法および電界放出素子の製造方法に関する。

ＣＮＴは、炭素同素体であってその断面が六角形チューブ状をなし、縦横比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）の大きい物質である。その直径がナノミリメータ単位ときわめて小さく、化学的に安定しており、金属または半導体性質を有しており、電界放出源、水素保存媒体、高分子の強化剤などに新しい素材として脚光を浴びている。

ＣＮＴを製造する方法は、物理的方法と化学的方法とに大別される。物理的方法としては、電気放電法またはレーザ蒸着法などを挙げることができる。化学的方法としては、熱化学気相蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法などの化学気相蒸着法（ＣＶＤ）を挙げることができる。

ＣＮＴをディスプレイの電子放出源として形成する場合、ＣＮＴを直接基板上に成長させるか、または炭素含有物をペースト化して基板に印刷する方法を使用する。このように製造したディスプレイを駆動させるために、電極を介して電位を印加して一定の電場を形成させ、ＣＮＴの端部から電子を放出させる。

図１は、基板上に形成させたＣＮＴを表した図面である。一般的に、基板１０上に下部電極１１を形成し、その上部にＣＮＴ１２を成長させる。ここで、図１に表したＣＮＴ１２は、説明のために誇張されて図示されている。一般的な製造工程で、基板１０上にＣＮＴ１２を直接成長させるか、または基板１０に印刷する方法によりＣＮＴ１２を形成させた場合、いずれもＣＮＴ１２それぞれの長さ、伝導性または成長形態を均一に制御するのは難しいという共通点がある。これにより、一部領域のＣＮＴ１２ａにより、電界放出素子は、全体的に正常的ではなくなり、不均一な電界放出を起こす。

ＣＮＴを電界放出源として使用した場合、初期作動時に、ほとんど電界密度の急激な減少現象を観察できる。これは、電極１１上に形成されたＣＮＴ１２のうちの一部１２ａが、電極を介して外部から印加される電源に対して特異な作動をするために発生する現象として知られている。かかる異常な電界放出により、電界放出素子の低い電界放出率、短い寿命及び不均一な電界放出などの問題点が発生する。

本発明は、前記従来技術の問題点を解決するために、異常な電界放出現象を防止し、優秀な特性を表すプラズマを利用した電界放出素子の処理方法を提供することを目的とする。

本発明では、前記目的を達成するために、ＣＮＴを電界放出源として利用する電界放出素子のＣＮＴに対してプラズマ処理を実施することを特徴とする電界放出素子の電流安定化方法を提供する。

本発明において、前記プラズマ処理は、（ア）ＣＮＴが形成された試片をチャンバ内に装着するステップと、（イ）チャンバ内の気体を排出させ、プラズマ発生用気体を投入するステップと、（ウ）前記チャンバ内に電圧を印加してプラズマを発生させることにより、前記試片に対してプラズマ処理を行うステップと、を含むことを特徴とする。

本発明において、前記試片は、下部電極、及び前記下部電極上に形成されたＣＮＴ、前記ＣＮＴと対向する前記チャンバ上部には、上部電極が装着されていることを特徴とする。

本発明において、前記プラズマ発生用気体は、不活性気体、Ｎ_２、Ｈ_２またはＯ_２のうち、少なくともいずれか一つを含む。

本発明において、前記（イ）ステップで、前記プラズマ発生用気体を注入し、前記チャンバ内の真空度を約１０^−３Ｔｏｒｒ以上に保持することを特徴とする。

本発明において、前記（ウ）ステップで、印加する電圧は、約１０Ｖ以上であることを特徴とする。

本発明において、前記（ウ）ステップの前記プラズマ処理は、少なくとも数十秒以上実施することを特徴とする。

本発明によれば、電界放出素子の電子放出源としてＣＮＴを使用する場合、前記ＣＮＴに対してプラズマ表面処理を行って均一な表面を得ることができる。これにより、ＣＮＴでの安定な電子放出密度を得ることができ、電界放出素子自体の寿命を延長させることができるという長所がある。

以下、図面を参照し、本発明による電界放出素子の安定化のためのプラズマ処理方法と、併せて電流が安定した電界放出素子の製造方法についてさらに詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態による電界放出素子の安定化のためのプラズマ処理する場合のチャンバ内の配置形態を概略的に表した図面である。

図２を参照すれば、チャンバ２０内に、ＣＮＴ２２が形成されたカソード電極２１を装着する。このとき、ＣＮＴ２２は、従来のＣＮＴ成長方法、すなわち直接成長法またはＣＮＴペーストを利用して印刷する方法など、選択的に使用して成長させることができる。ＣＮＴ成長方法は、公知であるので、ここで詳細な説明は省略する。

ＣＮＴ２２と所定距離離隔し、アノード電極２３を配置する。ここで、カソード電極２１及びアノード電極２３は、従来一般的に使用する伝導性物質、すなわち金属電極、酸化物電極など、選択的に使用でき、制限はない。カソード電極２１及びアノード電極２３は、チャンバ２０の外部から電源を印加してプラズマを発生させる役割を果たす。カソード電極２１及びアノード電極２３は、それぞれ基板２４ａ，２４ｂ上に形成させ、チャンバ２０の内部に装着させて使用できる。

次に、図２及び図３を参照し、電界放出素子の電流安定化のためのプラズマ処理方法についてさらに詳細に説明する。

まず、チャンバ２０の内部を真空状態にするために、ポンプなどの真空装備（図示せず）を利用する。このときには、一般的な真空システムを利用でき、例えばロータリポンプなどを利用し、まず約１０^−２ないし１０^−３Ｔｏｒｒの高真空になるまでチャンバ２０内部の気体を外部に排出する。そして、ターボポンプなどを利用し、約１０^−８Ｔｏｒｒの超真空を保持できる。

これにより、ほとんどのチャンバ２０内の気体は、除去された状態となる。ここで、真空システムにより、チャンバ２０内の気体が除去された状態の真空度を初期真空度という。もちろん、チャンバ２０内の初期真空度は、選択的に調節でき、プラズマを形成させるための気体が投入された場合、約１０^−３Ｔｏｒｒ以上の真空度を保持できる程度に初期真空度を保持すればよい。

そして、プラズマを形成させるための気体をチャンバ２０と連結された弁２５を介してチャンバ内に投入する。プラズマを形成させるための気体の種類は、制限がなく、例えばＡｒ、Ｎｅなどの不活性気体や、Ｎ_２、Ｈ_２またはＯ_２などのガスを単独または混合気体形態で使用できる。ガスが投入された状態でのチャンバ２０内の圧力は、前述のように約１０^−３Ｔｏｒｒ以上で適正に保持されるようにする。これは、約１０^−２Ｔｏｒｒ以下の真空度では、プラズマを安定的に保持し難いためである。

チャンバ１０内に気体を投入してから、カソード電極２１及びアノード電極２３に電圧を印加する。このとき、印加する電圧は、一般的にプラズマ工程時に使用する電圧を使用でき、少なくとも約１０Ｖ以上の電圧とする。このように電気的エネルギーを加えれば、投入された気体がチャンバ２０内で負電荷を有した電子と正電荷を帯びたイオンとに分離された気体状態であるプラズマに活性化される。かかるプラズマ状態で、気体の陽イオンまたはラジカルなどが下部のカソード電極２１上に形成されたＣＮＴ２２の端部と衝突する。これにより、ＣＮＴ２２が均一な照度を有するようになるなど、物理、化学的な変化を誘発させる。

図３Ａ及び図３Ｂは、かかるＣＮＴ２２の端部に陽イオンが衝突することを概略的に表している。図３Ａを参照すれば、カソード電極２１上に形成させたＣＮＴ２２は、均一に成長し難く、粗い表面を有することとなる。従って、個々のＣＮＴ２２の高さの差が発生し、相対的にＣＮＴ２２の長さが長く形成されたもの２２ａと短く形成されたもの２２ｂとが生ずるようになる。

異常に不均一に形成されたＣＮＴによる電界放出が不安定であることは、すでに従来技術で言及された。発生したプラズマの陽イオンは、かかる異常に高く形成されたＣＮＴ２２ａの端部と集中的に衝突を起こし、物理的にその高さを低くする。プラズマ処理工程の工程時間は、数十秒ないし数分間実施する。かかるプラズマ処理を実施すれば、図３Ｂに表したように、ＣＮＴ２２の高さが全体的に均一になる。

本発明による電界放出素子の電流安定化のためのプラズマ処理工程による効果を確認するために、本発明者は、プラズマ処理前後のＣＮＴの形態的な変化及び電気的な特性の変化を確認した。

図４Ａ及び図４Ｂは、プラズマ処理前状態及びプラズマ処理後状態のＣＮＴ試片を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影したイメージを表した写真である。ここで、基板２４ａにはガラスを使用し、カソード電極２１及びアノード電極２３には、ＩＴＯを使用した。そして、ＣＮＴ２２は、ＣＮＴペーストをカソード電極２３上に印刷して形成させた。図４Ａ及び図４Ｂは、同じ倍率で撮影したものであり、これを比較すると次の通りである。まず、図４Ａを参照すれば、プラズマ処理前状態のＣＮＴの表面は非常に粗く、大きい塊状に不均一に形成されたことが分かる。かかる形態は、一般的なＣＮＴ成長方法により形成させた電界放出素子の表面形態である。

図４Ａに表したＣＮＴ試片を図２のような形態にプラズマ処理を実施した。このとき使用したプラズマ形成用の気体は、Ｎｅであり、約１０Ｔｏｒｒの真空度を保持した。そして、カソード電極２１及びアノード電極２３間に約２５０Ｖ電圧を印加してプラズマを形成させた。数分間プラズマ処理を実施し、ＳＥＭでＣＮＴの表面イメージを撮影して図４Ｂに表した。図４Ｂを参照すれば、ＣＮＴの全体的な表面が図４ＡのＣＮＴ表面に比べてその表面粗度が低下し、ＣＮＴの大きい塊がなくなって相対的に小さなサイズに良好に分布していることが分かる。

図５は、図４Ａ及び図４Ｂに表したプラズマ処理前後のＣＮＴ試片に対する経時的な電流特性を表したグラフである。ここで、横軸は、電界放出素子に外部電圧を加えた時間（ｈｏｕｒｓ）を表した。ここで、印加した電圧は、多様に調節でき、実際の実験時に、約４ないし７Ｖ／μｍほどを加えた。そして、縦軸は、電界放出素子の電界放出源であるＣＮＴから放出される単位面積当たりの電流値、すなわち電流密度（μＡ／ｃｍ^２）を表す。

図５を参照すれば、プラズマ処理前のＣＮＴから放出される電流密度と、プラズマ処理後のＣＮＴから放出される電流密度は、初期には同じような値を有するが、すぐに大きい差を表すことが分かる。すなわち、プラズマ処理前のＣＮＴの場合、初期に約１，４００μＡ／ｃｍ^２の電流密度値を有して電流を放出していて、急激に減少してその電流密度値が６００μＡ／ｃｍ^２以下に減少することが分かる。一方、プラズマ処理後のＣＮＴの場合、初期１，４００μＡ／ｃｍ^２の電流密度を表していて、ある程度減少するが、時間が経った後でも約１，１００μＡ／ｃｍ^２以上の安定な電流密度値を保持することが分かる。従って、ＣＮＴに対するプラズマ処理により、安定な電界放出が可能であり、それは、結局電界放出素子の寿命が大きく延長されうることを表す。

すなわち、プラズマ処理により、ＣＮＴ電界放出素子の均一な表面形態を得ることができ、結局安定した電界放出及び素子自体の寿命を大きく延長させる。

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みるより、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。従って、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、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。

本発明の電界放出素子の安定化のための方法は、電界放出素子製造関連の技術分野に効果的に適用可能である。

ＣＮＴを基板上に形成させたところを表した断面図である。 本発明による電界放出素子の安定化のためのプラズマ処理する場合のチャンバ内の配置形態を表した図面である。 本発明による電界放出素子の安定化のためのプラズマ処理方法の原理を表した図面である。 本発明による電界放出素子の安定化のためのプラズマ処理方法の原理を表した図面である。 プラズマ処理前のＣＮＴ電界放出素子のＣＮＴ表面のＳＥＭイメージを表した写真である。 本発明によりプラズマ処理された電界放出素子のＣＮＴ表面のＳＥＭイメージを表した写真である。 プラズマ処理前後のＣＮＴ電界放出素子の時間による放出電流密度の変化を表したグラフである。

符号の説明

１０…基板、
１１…下部電極、
１２，２２…ＣＮＴ、
１２ａ…ＣＮＴの一部、
２０…チャンバ、
２１…カソード電極、
２２ａ…長いＣＮＴ、
２２ｂ…短いＣＮＴ、
２３…アノード電極、
２４ａ，２４ｂ…基板、
２５…弁。

Claims (9)

1. 炭素ナノチューブを電界放出源として利用する電界放出素子の電流安定化方法において、
   前記炭素ナノチューブに対してプラズマ処理を実施することを特徴とする電界放出素子の電流安定化方法。
2. 前記プラズマ処理は、
   （ア）炭素ナノチューブが形成された試片をチャンバ内に装着するステップと、
   （イ）チャンバ内の気体を排出させ、プラズマ発生用気体を投入するステップと、
   （ウ）前記チャンバ内に電圧を印加してプラズマを発生させることにより、前記試片に対してプラズマ処理を行うステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子の電流安定化方法。
3. 前記試片は、
   下部電極と、
   前記下部電極上に形成された炭素ナノチューブと、を備えることを特徴とする請求項２に記載の電界放出素子の電流安定化方法。
4. 前記炭素ナノチューブと対向する前記チャンバの上部には、上部電極が装着されたことを特徴とする請求項２に記載の電界放出素子の電流安定化方法。
5. 前記プラズマ発生用気体は、不活性気体、Ｎ_２、Ｏ_２またはＨ_２のうち、少なくともいずれか一つを備えることを特徴とする請求項２に記載の電界放出素子の電流安定化方法。
6. 前記（イ）ステップで、前記プラズマ発生用気体を注入し、前記チャンバ内の真空度を約１０^−３Ｔｏｒｒ以上に保持することを特徴とする請求項２に記載の電界放出素子の電流安定化方法。
7. 前記（ウ）ステップで、印加する電圧は、約１０Ｖ以上であることを特徴とする請求項２に記載の電界放出素子の電流安定化方法。
8. 前記（ウ）ステップの前記炭素ナノチューブに対するプラズマ処理は、少なくとも数十秒以上実施することを特徴とする請求項２に記載の電界放出素子の電流安定化方法。
9. 炭素ナノチューブを電界放出源として利用する電界放出素子の製造方法であって、
   前記炭素ナノチューブの表面形態を均一化するために、前記炭素ナノチューブに対してプラズマ処理を実施することを特徴とする電界放出素子の製造方法。