JP2005353590A - 高分子材料を用いたフレキシブルエミッター及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高分子材料を用いてフレキシブルエミッターを製造する方法を提供する。
【解決手段】ガラス基板上に電界発光特性があるカーボン物質を所定のパターンで形成することによってエミッターパターンを形成するステップと、エミッターパターン及びガラス基板上に所定の高さに電極層を形成するステップと、電極層上にゲル状の高分子材料を全体的に塗布するステップと、ゲル状の高分子材料を硬化処理するステップと、ガラス基板を取り去るステップと、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１Ｅ

Description

本発明は、フレキシブルエミッター及びその製造方法に係り、より詳しくは高分子材料を用いてフレキシブルエミッターを製造する方法に関する。

紙のように折りたたむか、或いは巻いても損傷されない新しい概念のディスプレイをフレキシブルディスプレイという。フレキシブルディスプレイは、折るか、或いは巻いて携帯することができるので、携帯が簡便で次世代ディスプレイの一つとして注目されている。こうしたフレキシブルディスプレイを具現するための表示素子として有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子と電界放出素子（ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）を用いることができる。

電界放出素子を用いてフレキシブルディスプレイを具現するためには、折るか、或いは曲げることができるフレキシブルエミッターの開発が必須的である。一般に、フレキシブルエミッターは、高分子材料の基板上に炭素ナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ；ＣＮＴ）などのような電界発光特性がある物質をエミッターとして形成したものである。

本明細書及び特許請求の範囲等に記載されている「フレキシブルエミッター」とは、可撓性のあるエミッターや、フレキシブルなエミッターをいう。

こうしたフレキシブルエミッターを製造するための従来の方法では、広く二つ方法がある。

一番目の方法は、高分子基板上に形成されたシード物質上にカーボン物質を成長させる方法である。すなわち、前記方法によれば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）又はこれらの合金より成ったシード物質を高分子基板上に形成した後、製造しようとするエミッターの形状に合うように前記シード物質をパターニングする。その後、化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）を用いて前記シード物質上にＣＮＴのように電界発光特性があるカーボン物質を垂直配向に成長させる。

フレキシブルエミッターを製造するさらに一つの方法は、カーボン物質に反応基を付けた後、金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）などがパターニングされた高分子基板上に前記カーボン物質を自己組立させる方法である。この方法によれば、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）のような反応基を含む溶媒にＣＮＴを溶解させた後、この溶液に金又は銀などがパターニングされた高分子基板を所定の時間中浸させる。通常、カルボキシル基のような一部反応基は、ＣＮＴや、又は銀若しくは金のような金属とも容易に反応し、及び結合する性質がある。従って、溶解されているＣＮＴの末端に、溶液内の反応基が付着し、次いで前記ＣＮＴに付着した反応基は、金又は銀のような金属に結合する。結果的にＣＮＴは、反応基を介して金又は銀上に結合する。その後、前記高分子基板を溶液から取り出し、洗浄及び乾燥させると、金属パターン上に垂直配向されたＣＮＴが高分子基板上に堆積され、このＣＮＴを含むフレキシブルエミッターが得られる。

しかしながら、こうした従来の方法は、所望の位置にカーボン物質が配置するために、前述したような多くの工程を必要とするだけではなく、高分子基板全体にカーボン物質を均一に形成させることに困難を伴う。また、電界放出特性を向上させるためには、完成されたフレキシブルエミッターについての別途の後処理工程（例えば、ＣＮＴのチップの上部分を均等に切り取る表面処理）が必要である。さらに、ＣＶＤを用いてカーボン物質を成長させる方法の場合、比較的熱に弱い高分子の熱特性により成長温度を高めることができないという限界がある。また、ＣＶＤ方法で成長させるカーボン物質としては、多重壁ＣＮＴ（Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌｅｄ ＣＮＴ；ＭＷＮＴ）を使用するが、前記ＭＷＮＴは、一般に単一壁ＣＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ ＣＮＴ；ＳＷＮＴ）に比べて直径が大きいので比較的電界放出特性が劣るという問題点がある。

こうした問題を解決するために、カーボン物質をペーストやスラリーの形態にし、金属上に塗布する方法も提案された。しかしながら、この方法の場合、電界発光特性があるカーボン物質と金属との接着力が弱いので、前述した後処理工程を遂行する間、カーボン物質が除去されやすくて使用することができないという問題がある。さらにカーボン物質と金属との接着力を強くする場合には、電界放出特性が大きく劣る。

本発明の技術的課題は、比較的簡単な方法で微細なエミッターパターンの具現が可能であり、カーボン物質を均一に形成させることができるだけではなく、別途の後処理工程を不要にするフレキシブルエミッターの製造方法を提供するところにある。

本発明の他の技術的課題は、前記のような方法で製造されたフレキシブルエミッターを提供するところにある。

前記技術的課題を達成するために本発明によれば、高分子材料を用いたフレキシブルエミッターを製造する方法は、ガラス基板上に電界発光特性があるカーボン物質を所定のパターンで形成することによってエミッターパターンを形成するステップと、前記エミッターパターン及びガラス基板上に所定の高さに電極層を形成するステップと、前記電極層上にゲル状の高分子材料を全体的に塗布するステップと、前記ゲル状の高分子材料を硬化処理するステップと、前記ガラス基板を取り去るステップと、を含むことを特徴とする。

ここで、ガラス基板上にエミッターパターンを形成するステップは、ペースト状のカーボン物質をマスクに当て、ガラス基板上にスクリーンプリンティングするか、又はペースト状のカーボン物質をガラス基板上に全体的に塗布した後で露光パターニングすることによって成されることを特徴とする。この際、前記カーボン物質は、ＣＮＴ、フラーレン、ダイヤモンド、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、グラファイトのうち、少なくとも一つであり、ＣＮＴは、ＳＷＮＴ又はＭＷＮＴであり得る。

そして、前記電極層を形成するステップは、前記エミッターパターン及びガラス基板上に金属ペーストを塗布して乾燥させるか、或いは金属材料をスパッタリングする方法により成されることを特徴とする。この際、前記金属は、銀（Ａｇ）であり得る。

本発明によれば、前記高分子材料は、感光性樹脂又は熱硬化性樹脂であることを特徴とする。この際、前記感光性樹脂は、アクリレート系樹脂であることが望ましい。特に、前記感光性樹脂は、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、エステルアクリレート、エーテルアクリレートのうち、少なくとも一つを含む。

また、前記ゲル状の感光性の高分子材料を硬化処理するステップは、前記塗布された感光性の高分子材料の上方からＵＶ、遠赤外線又は電子線のうち、いずれか一つを照射することを特徴とする。もし熱硬化性樹脂を使用する場合には、熱風乾燥方法でゲル状の高分子材料を硬化処理する。

一方、本発明の一つの類型によれば、前述した方法により製造されたフレキシブルエミッターを提供することを特徴とする。

尚、本明細書に記載されている「所定のパターン」とは、予め定められた任意のパターンであって、所望のエミッターにより適宜決定されるものであり、一般的に用いられるパターンであれば本発明においても使用することができる。

「所定の高さ」とは、予め定められた任意の高さであって、所望のエミッターにより適宜決定されるものである。

本発明によれば、電界発光するカーボン物質を含んだ物質を、マスクを介して当てスクリーンプリンティングするか、或いはＵＶ露光パターニングし、その上にＵＶ感光性或いは熱硬化性高分子を印刷／硬化させた後で脱着させる。従って、従来に比べて簡単な方法で高分子フィルム上にエミッターを形成させて、フレキシブルエミッターを製作することができ、使用目的（ディスプレイ、センサ、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）など）によりフレキシブルエミッターをいろいろの形と大きさに加工しやすい。

また、放出特性は優秀であるが、ＩＴＯや金属基板などに対する接着力が弱くて、後処理工程で除去しやすいという理由で、今まで使用することができなかったペースト及びスラリー形態のカーボン物質も使用することができる。すなわち、こうした物質を高分子フィルム上にエミッターに形成させて優秀な放出特性を具現するのに使用することができるので、エミッター形成物質の使用幅を広めることができる。その結果、優秀な放出特性を有する多様なエミッター形成物質を使用して優秀な品質のフレキシブルエミッターを得ることができる。

また、本発明では、ガラス基板からフレキシブルエミッターを取り去る過程で自然に表面処理になるので、現在使用する後処理工程も省略することができる。従って、製造工程で時間及びコストを節減することができる。その結果、本発明によれば、より低廉なコストでより優秀な特性のフレキシブルエミッターを得ることができる。

以下、添付した図面に基づき本発明の一実施形態による高分子材料を用いてフレキシブルエミッターを製造する方法について詳細に説明する。

図１Ａ〜図１Ｆは、本発明によってフレキシブルエミッターを製造する過程を示す断面図である。先ず、図１Ａに示されたように、ガラス基板１１上に電界発光特性があるカーボン物質１２を全体的に塗布する。この際、前記カーボン物質１２としては、ＣＮＴ、フラーレン、ダイヤモンド又はＤＬＣ、グラファイトなどを使用することができる。特に望ましくは、ＣＮＴが適当である。この際、ＣＮＴは、ＳＷＮＴ又はＭＷＮＴのうち、いずれを使用しても差し支えない。しかしながら、電界放出特性を考慮するとき、直径が比較的狭いＳＷＮＴがより適当である。ここで、前記カーボン物質１２は、ペースト又はスラリーの形態で提供されることも可能である。

ガラス基板１１上にカーボン物質１２を塗布した後には、例えばＵＶ露光を通じて所望のエミッターパターンの形態に合うように前記カーボン物質１２をパターニングする。図１Ｂは、ガラス基板１１上のカーボン物質１２がパターニングされた状態を示す。こうしたＵＶパターニング過程で、ペースト又はスラリー形態カーボン物質１２は同時に固化される。

エミッターパターンの形成において、前記の説明では、ガラス基板１１上にカーボン物質１２を全体的に塗布した後でパターニングする方法を説明したが、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、ペースト又はスラリー形態の電界発光特性があるカーボン物質を、所望のエミッターパターンが予め形成されているマスクに当て、ガラス基板上にスクリーンプリンティングすることもできる。それによれば、図１Ｂのように、カーボン物質１２を含むエミッターパターンがガラス基板１１上に形成されうる。このように形成されたエミッターパターンは、乾燥過程を通じて固化される。

ガラス基板１１上にエミッターパターンが形成された後には、図１Ｃに示されたように、前記カーボン物質より成ったエミッターパターン１２上に電極層１３を形成する。前記電極層１３は、例えば銀（Ａｇ）を含むペーストをエミッターパターン１２上に塗布した後で乾燥させることによって形成するか、或いはスパッタリング法を用いてカーボン物質を成分とするエミッターパターン１２上に銀のような金属材料を積層することによって形成されることもある。そして、図１Ｃのように形成されたエミッター１２と電極１３内に有機物が多い場合、これを焼成させて有機物を除去することもできる。

その後、図１Ｄに示されたように、フレキシブルエミッターの高分子基板を形成するために、ゲル状の高分子材料１４を前記電極層１３の上面全体と縁部分まで全て覆うように塗布する。前記ゲル状の高分子材料１４は、例えば感光性の高分子材料でもあり、熱硬化性高分子材料でもある。感光性の高分子材料は、特にＵＶ感光性の高分子材料を多く使用する。ＵＶ感光性の高分子材料としては、例えばエポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、エステルアクリレート、エーテルアクリレートのようなアクリレート系樹脂が代表的である。

ゲル状の高分子材料１４が塗布された後には、前記塗布されたゲル状の高分子材料１４を硬化する作業を行う。高分子材料が熱硬化性樹脂である場合には、例えば熱風乾燥方法を使用することができる。もし高分子材料がアクリレート系樹脂のようなＵＶ感光性の高分子材料である場合には、図１Ｄに示されたように、ゲル状の高分子材料１４の上方からＵＶを照射する。また、高分子材料により遠赤外線又は電子線を照射することもできる。

このようにして、ゲル状の高分子材料が硬化されれば、高分子基板１４、電極１３及び電界放出用エミッター１２を含む本発明によるフレキシブルエミッターが完成される。それにより、図１Ｅに示されたように、ガラス基板１１から完成されたフレキシブルエミッターを分離する。一般に、ＣＮＴのようなカーボン物質は、ガラス基板との接着力が比較的弱いので、ガラス基板１１から完成されたフレキシブルエミッターを分離する作業は簡単に成される。

一方、ガラス基板１１から完成されたフレキシブルエミッターを取り去る過程で、例えばガラス基板１１に付着されていたＣＮＴがガラス基板１１から完全に分離されず、ごく一部がガラス基板１１上に残っている。その結果、フレキシブルエミッターのＣＮＴチップの上部分が前記分離過程で自然に均等に切られる。また、前記ガラス基板１１から完成されたフレキシブルエミッターを取り去る過程で、図１Ｅに示されたように、ガラス基板１１との接着力により、カーボン物質を成分とするエミッターパターン１２と電極１３が高分子材料の基板１４の表面外へ部分的に突出される。従って、本発明によるフレキシブルエミッターの場合、電子の放出特性を形成させるための別途の表面処理工程（すなわち、後処理工程）を遂行しなくても優秀な放出特性を得ることができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ本発明によって高分子材料上にＣＮＴでエミッターを形成して製造されたフレキシブルエミッターを例示的に示す平面図と断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示されたように、本発明によるフレキシブルエミッター２０の構成を見れば、ＣＮＴを成分とするエミッターパターン２３下に電極２２が形成されており、前記電極２２の下部には、高分子基板２１が前記電極２２の全体を取り囲んで形成されている。そして、図２Ｂに示されたように、ＣＮＴのチップ２４の部分が部分的に突出されている。

図３Ａは、本発明によって製造されたフレキシブルエミッターの他の例を示す平面図である。本発明によるフレキシブルエミッターの製造方法によれば、図３Ａに示されたような大面積のフレキシブルエミッター３０を製造することが可能であり、エミッターパターン３３の形態で使用目的によりいろいろの形に作ることが可能である。また、約１００μｍ程度の薄い厚さに製造するものが可能なので、図３Ｂに示されたように、フレキシブルエミッターが容易に曲げられる。図４Ａは、完成されたフレキシブルエミッターが曲げられる形を撮る実際の写真であり、図４Ｂは、こうした本発明によるフレキシブルエミッターを用いて発光させた状態を示す写真である。

図５Ａは、本発明によって製造されたフレキシブルエミッターの電気的特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフであって、‘○’で表示したものと‘●’で表示したものは、それぞれ同一なサンプルについての１回目の測定データと２回目の測定データを示すものである。一方、図５Ｂは、ガラスのようなフレキシブルではない透明基板上にＣＮＴでエミッターを形成してそのまま使用する通常的な非フレキシブルエミッターのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。前述した多くの理由によりフレキシブルエミッターは、一般に通常的な非フレキシブルエミッターに比べて電界放出特性が劣ると知られている。しかしながら、図５Ａ及び図５Ｂの実験データを比較すれば、本発明によるフレキシブルエミッターは、８．５Ｖ／μｍの電界で約５００〜５５０μＡ／ｃｍ^２の電流密度を示しており、通常的な非フレキシブルエミッターは、８．５Ｖ／μｍの電界で約５００〜５５０μＡ／ｃｍ^２を若干超える電流密度を示している。すなわち、本発明によるフレキシブルエミッターの場合、非フレキシブルエミッターと比較しても電界放出特性に大きい差異がないと示された。

また、図６は、本発明によって製造されたフレキシブルエミッターの表面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で拡大した写真である。図６で、ごく細い糸のように見えるものがＣＮＴ２４であり、表面に突出された比較的大きい塊２５は、電子伝達経路上で抵抗を低めるため使用する充填剤である。本発明の実施形態では、金属とＣＮＴが共に分散適用されたペーストを塗布してエミッターを形成した。図６に示されたように、本発明によるフレキシブルエミッターの表面には、かなり多い数のＣＮＴ２４が表面外へ突出している。従って、本発明によるフレキシブルエミッターは、非常に優秀な放出特性を有することができる。

本発明は、フレキシブルエミッター及びその製造方法に係り、本発明によるフレキシブルエミッターは、紙のように折るか、或いは巻くことができるフレキシブルディスプレイの製造に有用に使用されうる。

本発明によるフレキシブルエミッターの製造過程を説明する断面図である。 本発明によるフレキシブルエミッターの製造過程を説明する断面図である。 本発明によるフレキシブルエミッターの製造過程を説明する断面図である。 本発明によるフレキシブルエミッターの製造過程を説明する断面図である。 本発明によるフレキシブルエミッターの製造過程を説明する断面図である。 それぞれ本発明によって製造されたフレキシブルエミッターを例示的に示す平面図である。 それぞれ本発明によって製造されたフレキシブルエミッターを例示的に示す断面図である。 本発明によって製造されたフレキシブルエミッターの他の例を示す平面図である。 前記図３Ａに示されたフレキシブルエミッターが曲げられた形を示す斜視図である。 完成されたフレキシブルエミッターの写真である。 前記フレキシブルエミッターが発光する状態を示す写真である。 本発明によって製造されたフレキシブルエミッターのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。 一般的な非フレキシブルエミッターのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。 本発明によって製造されたフレキシブルエミッターの表面を拡大した様子の写真である。

符号の説明

１１ ガラス基板
１２ カーボン物質
１３ 電極層
１４ 高分子材料

Claims (13)

1. 高分子材料を用いたフレキシブルエミッターを製造する方法であって、
   ガラス基板上に電界発光特性があるカーボン物質を所定のパターンで形成することによってエミッターパターンを形成するステップと、
   前記エミッターパターン及びガラス基板上に所定の高さに電極層を形成するステップと、
   前記電極層上にゲル状の高分子材料を全体的に塗布するステップと、
   前記ゲル状の高分子材料を硬化処理するステップと、
   前記ガラス基板を取り去るステップと、
   を含むことを特徴とするフレキシブルエミッターの製造方法。
2. ガラス基板上にエミッターパターンを形成するステップは、
   ペースト状のカーボン物質をマスクを介して当て、ガラス基板上にスクリーンプリンティングするステップ又はペースト状のカーボン物質をガラス基板上に全体的に塗布した後、ＵＶに露光してパターニングするステップのうち、いずれか一つのステップを通じて成されることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
3. 前記カーボン物質は、炭素ナノチューブ、フラーレン、ダイヤモンド、ＤＬＣ、グラファイトのうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
4. 前記炭素ナノチューブは、単一壁炭素ナノチューブ又は多重壁炭素ナノチューブのうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
5. 前記電極層を形成するステップは、
   前記エミッターパターン及びガラス基板上に金属ペーストを塗布して乾燥させるステップ、又は金属材料をスパッタリングするステップのうち、いずれか一つのステップにより成されることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
6. 前記金属は、銀であることを特徴とする請求項５に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
7. 前記高分子材料は、感光性の高分子材料であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
8. 前記感光性の高分子材料は、アクリレート系樹脂であることを特徴とする請求項７に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
9. 前記感光性の高分子材料は、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、エステルアクリレート、エーテルアクリレートのうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
10. 前記ゲル状の感光性の高分子材料を硬化処理するステップは、前記塗布された感光性の高分子材料の上方から紫外線、遠赤外線又は電子線のうち、いずれか一つを照射することを特徴とする請求項７に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
11. 前記高分子材料は、熱硬化性高分子材料であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
12. 前記ゲル状の熱硬化性高分子材料を硬化処理するステップは、熱風乾燥によること
    を特徴とする請求項１１に記載のフレキシブルエミッターの製造方法。
13. 請求項１乃至請求項１２のうち、いずれか一つの項による方法を用いて製造されたフレキシブルエミッター。