JP2011060757A - 冷陰極の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、冷陰極の表面処理方法に関する。
【解決手段】本発明の冷陰極の表面処理方法は、複数の一次元のフィールド・エミッターを含む冷陰極を形成させる第一ステップと、液体の接着剤を前記冷陰極の表面に塗布する第二ステップと、前記冷陰極の表面に塗布された液体の接着剤を固化させる第三ステップと、前記固化された接着剤を、前記冷陰極の表面から除去して、前記複数の一次元のフィールド・エミッターを前記冷陰極の表面に直立させる第四ステップと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷陰極の表面処理方法に関し、特に一次元のナノ構造体を含む冷陰極の表面処理方法に関するものである。

スクリーン印刷方法によって形成された冷陰極は、コストが低く、形成される面積が大きいなど優れた点を有するので、電界放出ディスプレーなどの真空微電子デバイスに使用されている。従来の冷陰極は、カーボンナノチューブ及び一般の導電ペーストの混合物、又はカーボンナノチューブ、導電銀ペースト、結合剤及び有機溶媒の混合物をスクリーン印刷方法によって塗布して形成される。カーボンナノチューブ、導電銀ペースト、結合剤及び有機溶媒の混合物から形成された冷陰極を高温処理した後、有機溶媒は削除される。この場合、獲得した冷陰極は、カーボンナノチューブ、導電金属粒子及び固体の結合剤を含む。ここで、カーボンナノチューブは、冷陰極の表面に位置して、冷陰極のエミッターとして用いられている。この場合、前記冷陰極の表面は、更に固体の結合剤及び他の不純物によって被覆されているので、それの表面から露出したカーボンナノチューブの数は少なく、冷陰極の放射する電子の流れは低い。従って、冷陰極の放射特性を改善するための表面処理方法を確立することが必要である。

従来の冷陰極の表面処理方法は、粘着テープを採用して、それを冷陰極の表面に付着させる第一段階と、前記粘着テープを所定の温度までに昇温させる第二段階と、該温度で前記粘着テープを、前記冷陰極の表面から引き抜いて、カーボンナノチューブを冷陰極の表面に直立させる第三階段と、を含む。

しかし、前記粘着テープに対する加熱温度は、冷陰極に影響を与える。前記粘着テープの加熱温度が低すぎると、カーボンナノチューブは前記粘着テープに付着されて、冷陰極の表面から完全に取り除かれるので、カーボンナノチューブを冷陰極の表面に直立させるという冷陰極の表面処理の目的に達しなくなる。前記粘着テープの加熱温度が高すぎると、冷陰極の表面に粘着テープの残留物が付着して、前記冷陰極の放射特性が悪くなり、寿命が短くなる。前記粘着テープに対して加熱温度を制御する工程は難しい。更に、粘着テープを冷陰極の表面に付着させる場合、粘着テープが冷陰極の表面に均一に、そして、緊密に付着することが難しいので、前記粘着テープと冷陰極の表面との間に気泡が生じてしまう。気泡が存在する位置に、前記粘着テープは、冷陰極の表面に付着することができないので、これにより表面処理して得られた冷陰極の表面におけるカーボンナノチューブは、均一に直立されることができない。これによって、冷陰極の電界放出特性が低まる。

従って、上記課題を解決するために、本発明は操作が簡単で、冷陰極の電界放出特性が良くなる冷陰極の表面処理方法を提供する。

本発明の冷陰極の表面処理方法は、複数の一次元のフィールド・エミッターを含む冷陰極を形成させる第一ステップと、液体の接着剤を前記冷陰極の表面に塗布する第二ステップと、前記冷陰極の表面に付着された液体の接着剤を固化させる第三ステップと、前記固化された接着剤を、前記冷陰極の表面から除去して、前記複数の一次元のフィールド・エミッターを前記冷陰極の表面に直立させる第四ステップと、を含む。

従来の技術と比べて、本発明の冷陰極の表面処理方法は、以下の優れた点を有する。第一に、前記冷陰極の表面に形成した液体の接着剤を固化させることは、加熱しないでもよい場合があり、又は加熱して固化させる場合でも加熱温度を精確に制御する必要がないので、本発明の冷陰極の表面処理方法は簡単である。第二に、液体の接着剤がよい流動性を有するので、液体の接着剤は冷陰極の表面と均一的に接触して、その間に気泡は存在せず、本発明の冷陰極の表面に一次元のフィールド・エミッターが直立される効率を高める。第三、液体の接着剤がよい流動性を有するので、例えば凹凸不平な任意の表面構造を有する冷陰極の表面を処理する場合でも、冷陰極の表面に一次元のフィールド・エミッターを直立させることができる。

本発明冷陰極の表面処理方法の一つの実施例のフローチャートである。 図１に示す冷陰極の表面処理方法に採用した冷陰極の製造方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１を参照すると、本実施例の冷陰極の表面処理方法は、複数の一次元のフィールド・エミッターを含む冷陰極を形成するステップＳ１１と、液体の接着剤を前記冷陰極の表面に塗布するステップＳ１２と、前記冷陰極の表面に塗布された液体の接着剤を固化させるステップＳ１３と、前記固化された接着剤を、前記冷陰極の表面から除去して、前記複数の一次元のフィールド・エミッターを前記冷陰極の表面に直立させるステップＳ１４と、を含む。

前記ステップＳ１１において、前記冷陰極のフィールド・エミッターは、一次元のフィールド・エミッターである。該一次元のフィールド・エミッターは、高い長径比を有するので、前記冷陰極のフィールド・エミッターは高電圧で電子を放射することができる。前記一次元のフィールド・エミッターは、例えば、カーボンナノチューブ、ナノワイヤ、ナノ繊維、及びナノ棒の一種又は数種である。前記ナノワイヤは、酸化物ナノワイヤ、窒化物ナノワイヤ又は炭化物ナノワイヤである。前記酸化物ナノワイヤは、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）及び酸化カルシウム（ＣａＯ）の一種又は数種からなる。窒化物ワイヤは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）の一種又は数種からなる。炭化物ワイヤは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）及び炭化ニオブ（ＮｂＣ）の一種又は数種からなる。前記ナノ繊維は、炭素繊維からなる。更に、前記一次元のフィールド・エミッターは、例えば、一次元のフィールド・エミッターの放射特性を改善するために、表面に修正層が被覆されて形成された一次元の複合材料体であることができる。

本実施例において、前記一次元のフィールド・エミッターは、カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。

前記冷陰極は、更に導電材料、結合剤、ゲッター粒子などを含むことができる。導電材料は、金属粒子、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）粒子、酸化スズ（ＳｎＯ_３）粒子及び酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）粒子などの一種又は数種からなる。前記金属粒子は、ニッケル粒子又はカドミウム粒子である。前記導電材料は、一次元のフィールド・エミッター同士の間、又は一次元のフィールド・エミッターと基底電極との間、の電気的な接続を強めるために使用されている。前記基底電極は、前記冷陰極に電気的に接続されている。本実施例において、前記導電材料はＩＴＯ粒子からなる。

前記結合剤は、梯子状ポリフェニルセスキシロキサン（ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ ｐｏｌｙ−ｐｈｅｎｙｌ ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ，ＰＰＳＱ）、ガラス粉末又はシステム・オン・グラス（ＳＯＧ）からなる。前記ＳＯＧは、常温でＳｉＯ_２の液体の絶縁材料である。本実施例において、前記結合剤は、ガラス粉末からなる。

図２を参照すると、前記ステップＳ１１において、前記冷陰極の製造方法は、カーボンナノチューブ、導電材料及び結合剤を、有機キャリアーに十分に混合させて、冷陰極ペーストを形成させるステップＳ１１１と、前記冷陰極ペーストを加熱処理するステップＳ１１２と、前記冷陰極ペーストを焼結させて冷陰極を形成するステップＳ１１３と、を含む。

本実施例において、前記冷陰極は、カーボンナノチューブ、ガラス粉末及びＩＴＯ粒子を含む。前記ステップＳ１１１において、前記冷陰極ペーストにおいて、前記カーボンナノチューブの質量比が５ｗｔ％〜１５ｗｔ％であり、前記ガラス粉末の質量比が５ｗｔ％であり、前記ＩＴＯ粒子の質量比が１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％であり、前記有機キャリアーの質量比が６０ｗｔ％〜８０ｗｔ％である。ここで、前記カーボンナノチューブの長さは、５μｍ〜２５μｍであることが好ましい。前記カーボンナノチューブが短すぎる場合、カーボンナノチューブの電界放出特性は弱くなる。前記カーボンナノチューブが長すぎる場合、カーボンナノチューブが互いに絡み合う問題がある。

前記有機キャリアーは、テルピネオール、エタノール、エチレングリコール、イソプロピルアルコール、炭化水素、水、又はそれらの数種からなる混合物と、可塑剤としての少量のフタル酸ジブチルと、安定剤としての少量のエチルセルロースと、を含む。前記冷陰極ペーストの粘性、流動性などの物理性質を調節するために、前記冷陰極ペーストに、更に様々な有機溶剤及び有機添加物を加えることができる。前記有機添加物は、増粘剤、分散剤及び界面活性剤の一種又は数種の混合物である。前記有機溶剤に対しては特に制限がない。前記有機溶剤及び有機添加物の量は、スクリーン印刷プロセスによって決定される。本実施例において、前記有機キャリアーは、エタノール、テルピネオール及びエチルセルロースからなる。

前記ステップＳ１１２において、前記冷陰極ペーストを加熱させる過程で、前記有機キャリアーは蒸発される。前記有機キャリアーが除去された後、前記冷陰極ペーストにおけるカーボンナノチューブ、ガラス粉末及びＩＴＯ粒子は、互いに分子間力で緊密的に接続される。本実施例において、前記冷陰極ペーストを１５０℃までに加熱させると、前記エタノールとテルピネオールは蒸発される。

前記ステップＳ１１３において、前記ステップＳ１１２から得られた冷陰極ペーストを焼結させる過程で、前記結合剤は溶融状態又は半溶融状態になるので、前記結合剤により、導電材料及び一次元のフィールド・エミッターを前記結合剤に固定させることができる。本実施例において、前記冷陰極ペーストを焼結させる過程に、結合剤は半溶融状態になる。前記結合剤がガラス粉末からなる場合、冷陰極ペーストを焼結させる温度は前記ガラス粉末の転移温度より大きい。本実施例において、冷陰極ペーストを焼結させる温度は、前記ガラス粉末の転移温度と軟化温度の間に存在する。ガラス粉末が、転移温度と軟化温度の間までに加熱される場合、前記ガラス粉末は半溶融状態になる。本実施例において、前記ガラス粉末を半溶融状態まで溶かすために、前記冷陰極ペーストを４００℃まで加熱させる。これにより得られた冷陰極ペーストを冷却させた後、カーボンナノチューブ及びＩＴＯ粒子は、結合剤に包まれて固定される。前記ガラス粉末を半溶融状態で焼結させるので、前記冷陰極ペーストを焼結させて得られた冷陰極の各々の構成物は、冷陰極の表面に突き出て、互いに間隔をおいて配置され、例えばカーボンナノチューブとＩＴＯ粒子は、それらを包む結合剤から突き出て、互いに間隔をおいて存在することができる。本実施例において、エチルセルロースは冷陰極ペーストを焼結させる過程で蒸発される。

前記冷陰極は、複数のカーボンナノチューブのみからなることができる。該冷陰極は、カーボンナノチューブをＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドの溶媒に混合させた後、前記Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドを揮発させて形成したものである。前記冷陰極を形成する方法は以下の段階を含む。第一段階では、カーボンナノチューブを、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドの溶媒に混合させて、超音波で処理することにより、前記カーボンナノチューブを、前記液体のＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドに均一に分散させて、液体の混合物を形成する。第二階段では、前記液体の混合物から前記Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドを揮発させ、除去させて、複数のカーボンナノチューブのみからなる冷陰極を得る。前記冷陰極における複数のカーボンナノチューブは、互いに所定の間隔をおいて配置されている。又は、前記冷陰極は、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって形成されることもできる。

前記ステップＳ１２において、前記冷陰極の表面に塗布された液体の接着剤は、凝固可能な材料からなる。前記液体の接着剤は、加熱、冷却、感光、電子線照射など物理方法、又は固化剤を添加するなどの化学方法によって固化されることができる。前記液体の接着剤は、熱硬化性接着剤、熱可塑性接着剤又はＵＶ硬化型接着剤である。一つの例として、前記液体の接着剤は、アクリル樹脂（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ，ＰＭＭＡ）又はシリコーン樹脂系弾性接着剤である。

前記ステップＳ１２において、前記冷陰極の表面に接着剤を形成する方法は、前記冷陰極の表面に、液体の接着剤を滴らせるステップＳ１２１と、前記液体の接着剤が、前記冷陰極の表面を流動して、所定の厚さを有する液体の接着層を形成するステップＳ１２１と、を含む。前記ステップＳ１２１において、前記冷陰極の表面に前記液体の接着剤を滴らせた後、例えばブラシなどの工具によって液体の接着層を形成させることができる。本実施例において、液体のシリコーン樹脂系弾性接着剤を前記冷陰極の表面に滴らせると、前記液体のシリコーン樹脂系弾性接着剤は、その重力によって自然的に流動して、前記冷陰極の表面に接着層を形成する。

前記液体の接着剤は良好な流動性を有するので、前記液体の接着剤は、前記冷陰極の表面及び前記冷陰極の一次元のフィールド・エミッターに、間隙を生じることなく十分に接触することができる。前記冷陰極の各々の構成物の間、例えばカーボンナノチューブとＩＴＯ粒子との間には間隙を有するので、液体の接着剤が冷陰極の表面に注入されると、前記液体の接着剤は、冷陰極の各々の構成物の間隙に入り込むことができる。

前記ステップＳ１３において、前記冷陰極の表面に形成した液体の接着剤を固化させる方法は、液体の接着剤の特性によって選択する。前記液体の接着剤が熱硬化性接着剤である場合、前記液体の接着剤をだんだん加熱して固化させる。前記液体の接着剤を加熱して固化させることは、オーブン、加熱炉などの加熱装置を利用することができる。前記液体の接着剤が熱可塑性接着剤である場合、前記液体の接着剤を冷却して固化させる。この場合、前記液体の接着剤を、室温で自然に冷却するか、又は、例えば水冷式清水冷却器、油冷却器、水冷式油冷却器などの冷却機を利用して冷却することができる。前記液体の接着剤がＵＶ硬化型接着剤である場合、前記液体の接着剤を、ＵＶ光によって照射することにより固化させる。本実施例において、液体のシリコーン樹脂系弾性接着剤を、１５０℃の温度で１０分間加熱して固化させる。前記液体の接着剤は、冷陰極の各々の構成物の間隙に入り込んでいるので、記液体の接着剤が固化されると、前記冷陰極及びそれ表面に形成された固体の接着剤層は、互いに堅固に接続することができる。

前記ステップＳ１４において、前記固体の接着剤層を前記冷陰極の表面から、直接的に取り除く、又は、ピンセットなどの工具を利用して除去する。これにより、固体の接着剤層を除去した後、冷陰極の表面にカーボンナノチューブを直立させることができる。前記固体の接着剤層を前記冷陰極の表面から除去するとき、前記固体の接着剤層に直接的に接触しており、半溶融状態である前記冷陰極の結合剤は、前記固体の接着剤層に付着して、前記冷陰極の表面から剥離されることにより、冷陰極の表面に複数のカーボンナノチューブを直立させることができる。前記冷陰極の間隙に浸透された液体の接着剤と冷陰極の各々の構成要素との間の結合力は、前記冷陰極の各々の構成要素の間の結合力より大きいので、固体の接着剤層が除去されるとき、前記冷陰極の表面から接着剤などの残留物を除去することができる。

前記複数のカーボンナノチューブが直立している冷陰極の表面に、更に表面改質層を形成することができる。前記表面改質層は、炭化ジルコニウム又は炭化チタンからなる。前記表面改質層の仕事関数は、カーボンナノチューブの仕事関数より低い。この場合、表面改質層を備えたカーボンナノチューブは、冷陰極のフィールド・エミッターの仕事関数を有効に縮小することができる。

Claims (1)

1. 複数の一次元のフィールド・エミッターを含む冷陰極を形成させる第一ステップと、
   液体の接着剤を前記冷陰極の表面に塗布する第二ステップと、
   前記冷陰極の表面に塗布された液体の接着剤を固化させる第三ステップと、
   前記固化された接着剤を、前記冷陰極の表面から除去して、前記複数の一次元のフィールド・エミッターを前記冷陰極の表面に直立させる第四ステップと、
   を含むことを特徴とする冷陰極の表面処理方法。

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