JP3893089B2 - カーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ；以下、「ＣＮＴ」という）を用いた電界放出表示素子、及びその製造方法に係り、詳細には、低消費電力及び高輝度特性を有し、高解像度の画像を具現できるＣＮＴを用いた電界放出表示素子、及びこの電界放出表示素子の量産化に適した製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、表示素子は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ；パソコン）やテレビ受像機等に幅広く使用され、近年、さらに新しい分野にも適用範囲が拡大してきた。このような表示装置としては、一般に、高速の熱電子放出を利用した陰極線管（ＣＲＴ）、最近急速な技術発展を遂げた液晶表示素子（ＬＣＤ）、プラズマ表示パネル（ＰＤＰ）、あるいは電界放出表示素子（ＦＥＤ）といった平板型表示素子が挙げられる。
【０００３】
このような平板型表示素子のうち、電子放出源としてマイクロチップの代わりにＣＮＴを用いた電界放出表示素子（以下、「ＣＮＴ電界放出表示素子」という）は、広い視野角、高い解像度、低消費電力及び優れた温度安定性等の点で、従来の陰極線管（ＣＲＴ）を用いた表示装置に比べて極めて有利である。このようなＣＮＴ電界放出表示素子は、自動車航法（ｃａｒ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；カーナビゲーション）装置や電子映像装置のビューファインダ等、様々な分野で応用される可能性を有している。特に、パソコン（ＰＣ）、個人用情報電子機器（ＰＤＡ）の端末、医療機器、あるいは高精細度テレビジョン（Ｈｉｇｈ−ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎｓ；ＨＤＴＶ）等で代替ディスプレー装置として利用される可能性を秘めている。
【０００４】
一般に、ＣＮＴ電界放出素子のゲート電極の下部に配置されるＣＮＴは、例えば、スクリーン印刷法、フォトリソグラフィ法を応用したリフトオフ法、及び背面露光法を用いた厚膜工程によって形成される。
【０００５】
しかし、前記厚膜工程は、工程時間が長いのみならず、比較的高価なＣＮＴ粉末、及びこのＣＮＴ粉末を含む媒体（ベヒクル）で構成されるＣＮＴペーストを必要とする。図１は、基板の上に印刷されたＣＮＴペーストのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察写真である。図１に示すＳＥＭ観察写真は、ペースト内にＣＮＴが存在する様子を示している。このようなＣＮＴペーストは高価であり、製造コストを増加させる。さらに、このようなＣＮＴペーストを使用すると、厚膜工程中に加わる物理的な力によってＣＮＴの陥没が生じる場合があり、その結果、電子放出が阻害されるようになるという問題や、リフトオフ後にゲート内に残留したＣＮＴペーストにより、ゲートとカソードとの間で短絡が発生するといった問題を招き易い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを抑え、しかも高い歩留まりを具現する、ＣＮＴを用いた電界放出表示素子の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、基板上にカソードを形成する段階と、前記カソード上に複数のゲートホールを有するゲート絶縁層を形成する段階と、前記ゲート絶縁層上に前記ゲートホールに対応する貫通孔を有するゲート電極を形成する段階と、前記ゲートホール内のカソード上にゲート電極の頂部の高さよりも高くなるように導電性コラム（ｃｏｌｕｍｎｓ；円柱）を形成する段階と、独立して備えられる平板型テンプレートの底部にカーボンナノチューブを貼り付ける段階と、前記テンプレートの底部を前記導電性コラムの頂部に当接させて前記カーボンナノチューブを貼り付ける段階と、前記導電性コラムを焼成させて導電性コラムの頂部の高さを低くする段階とを含むＣＮＴを用いた電界放出表示素子の製造方法を提供する（請求項１）。
【０００８】
前記の本発明に係る電界放出表示素子の製造方法にあっては、前記カーボンナノチューブを前記テンプレートの上に安定して接着させるために、前記カーボンナノチューブは、前記テンプレートの底部に成長法により形成されることが可能であり（請求項２）、または、前記カーボンナノチューブは、前記テンプレートの底部に精製粉末状に形成されてもよい（請求項３）。また、前記カーボンナノチューブが貼り付けられる前記導電性コラムの頂部に、接着剤を予め塗布しておくことがさらに望ましい（請求項４）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図２（Ａ）から図２（Ｃ）は、本発明に適用され得る１例の製造工程を示す図である。これらの工程は従来の電界放出表示素子（ＦＥＤ）の製造方法に準ずるものであり、ここではその詳細な説明を省略する。また、これらの製造工程は、対応する従来公知の他の各種の製造工程に置き換えることが可能である。
【００１０】
まず、図２（Ａ）に示すように、ソーダライムガラスで構成される基板１に、インジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ；酸化インジウム錫）で構成されるカソード２を所定パターンに形成する。
次に、図２（Ｂ）に示すように、カソード２が形成された基板１の上に、ゲート絶縁層３を形成する。このゲート絶縁層３は、カソード２が部分的に露出したゲートホール３ａを有する。このようなゲート絶縁層３は、スクリーン印刷法、またはその他の従来公知の方法によって形成してもよい。
続いて、図２（Ｃ）に示すように、基板１の上に形成されたゲート絶縁層３の上に、ゲート電極４を形成する。このゲート電極４は、ゲートホール３ａに対応する貫通孔４ａを有しており、薄膜形成工程または厚膜形成工程を用いて金属物質が蒸着された後、この金属物質がパターニングされて形成される、あるいは金属ペーストをスクリーン印刷等によって直接パターニングさせて形成される。
【００１１】
図２（Ａ）から図２（Ｃ）に示す製造工程は従来公知のものであり、本発明では、種々の形態に適宜変形して適用することが可能である。以下に示す製造工程は、前記した図２（Ａ）から図２（Ｃ）に示す製造工程に続くものであり、本発明を特徴づける工程を含む。
【００１２】
図３（Ａ）に示すように、前記ゲートホール３ａの底部に露出したカソード２の上に、焼成すると収縮性を発現する導電性コラム１５を形成する。このとき、導電性コラム１５は、各ゲートホール３ａの中央部に前記ゲート電極４の頂部の高さよりも高くなるように形成される。このとき、全ての導電性コラム１５の頂部の高さを揃えることが好ましい。
【００１３】
前記導電性コラム１５は、銀ペーストを圧搾する（ｓｑｕｅｅｚｉｎｇ）ことにより行うスクリーン印刷法、犠牲層（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ）を用いたリフトオフ法、基板の背面で露光が行われるフォトリソグラフィ法等により形成することができる。本発明は、この導電性コラム１５の形成方法について限定するものではなく、前記したような従来公知の各種の形成方法を適宜用いることができる。
なお、この実施の形態では、前記銀ペーストとして、デュポン社製のＤＣ ２０６を用いた。
【００１４】
図３（Ｂ）に示すように、前記導電性コラム１５の頂部に、精製粉末状のＣＮＴ１７がその底部に貼り付けられたテンプレート１８を近づける。このとき、ＣＮＴ１７を全ての導電性コラム１５の頂部に当接させる。ここでは、このような過程を貼り付け（スタンピング）という。
【００１５】
前記テンプレート１８の底部に貼り付けられるＣＮＴ１７は、精製粉末状のＣＮＴを、テンプレート１８の底部に、適宜な接着物質により貼り付ける、あるいは、テンプレート１８の底部に直接成長させる、のいずれの方法で形成されてもよい。また、前記導電性コラム１５の頂部に、予め適宜な接着物質を塗布すれば、ＣＮＴ１７を前記導電性コラム１５により効果的に貼り付けることができる。
【００１６】
前記テンプレート１８の大きさは、電界放出素子でＣＮＴ１７を設置することが可能な導電性コラム１５の数によって決定される。すなわち、ある場合には一回の貼り付け（スタンピング）により導電性コラム１５の全体にＣＮＴが貼り付けられ、より大型の電界放出素子の場合には複数回に亘って行われる貼り付け（スタンピング）により導電性コラム１５の全体にＣＮＴ１７が貼り付けられる。
【００１７】
図３（Ｂ）では、あたかもＣＮＴ１７がテンプレート１８の底部に、垂直に立設されているようかのように示されているが、実際には、ＣＮＴ１７は繊維状に無秩序に貼り付けられている。
このような製造工程を通じて、ＣＮＴ１７の貼り付け（スタンピング）が終了すると、図３（Ｃ）に示すように、前記テンプレート１８に当接された導電性コラム１５の頂部にＣＮＴ１７が貼り付けられる。この状態で、４５０〜５５０℃の温度にて前記導電性コラム１５の焼成を行うと、図３（Ｄ）に示すように、前記導電性コラム１５が収縮して、前記導電性コラム１５がゲート電極４の頂部の高さよりも低くなる。
【００１８】
以上のような製造工程を経て、電界放出素子で、電子放出源が設けられる下部基板に対して行われる製造工程の一部が完了する。
図４（Ａ）は、ＣＮＴ１７が貼り付けられる前の導電性コラム１５の平面の形態を撮影したＳＥＭ観察写真であり、図４（Ｂ）は、ＣＮＴ１７が貼り付けられた後の導電性コラム１５の平面の形態を撮影したＳＥＭ観察写真である。ここで、ＣＮＴとしては、カルボレックス社製の精製粉末状のＣＮＴが使用された。
【００１９】
図５は基板の上に形成された複数の導電性コラムを撮影したＳＥＭ観察写真であり、図６は導電性コラムを拡大し、導電性コラム上にＣＮＴが貼り付けられた状態を撮影したＳＥＭ観察写真である。
なお、図５は、ゲート電極及びカソード電極が省略され、基板上に導電性コラムのみが形成された状態を示す。また、実際に作製した、図６に示すような電界放出素子の電界放出特性を測定したところ、図７に示すように、より安定した電子放出が可能であることが確認された。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るカーボンナノチューブを用いた電界放出素子の製造方法によれば、従来の方法、例えば、スクリーン印刷法によって引き起こされ得るカーボンナノチューブの陥没の問題、リフトオフ法によるゲート内のカーボンナノチューブの残留物の発生、及び、このカーボンナノチューブの残留物に起因したゲートとカソードとの間の短絡の問題等を解消することができる。
【００２１】
また、本発明は、従来の技術とは異なり、カーボンナノチューブを、電界放出が生じる部分、すなわち、導電性コラムの頂部に限定して貼り付けるので、カーボンナノチューブの使用量を低減させることができ、このことは、電界放出表示素子のコスト削減に繋がるものである。
このように、本発明は、電界放出表示素子の製造で、貼り付け（スタンピング）によりカーボンナノチューブを貼り付けて製造することができるので、電界放出表示素子の量産に対応した技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】基板の上に印刷されたカーボンナノチューブペーストのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察写真である。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ本発明に係るカーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法を工程別に示す断面模式図である。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ本発明に係るカーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法を工程別に示す断面模式図である。
【図４】図４（Ａ）は、本発明に係るカーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法に従ってカーボンナノチューブを貼り付ける前の導電性コラムの平面の状態を撮影したＳＥＭ観察写真であり、図４（Ｂ）は、本発明に係るカーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法に従ってカーボンナノチューブを貼り付けた後の導電性コラムの平面の形態を撮影したＳＥＭ観察写真である。
【図５】本発明に係るカーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法に従って基板の上に形成された複数の導電性コラムを撮影したＳＥＭ観察写真である。
【図６】本発明に係るカーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法に従って基板の上に形成された導電性コラムを拡大し、導電性コラム上にカーボンナノチューブが貼り付けられた状態を撮影したＳＥＭ観察写真である。
【図７】本発明に係るカーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法に従って製造された素子の電界放出状態を示す写真である。
【符号の説明】
１ 基板
２ カソード
３ ゲート絶縁層
３ａ ゲートホール
４ ゲート電極
４ａ 貫通孔
１５ 導電性コラム
１７ ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）
１８ テンプレート

Claims (4)

1. 基板の上にカソードを形成する段階と、
   前記カソードの上に複数のゲートホールを有するゲート絶縁層を形成する段階と、
   前記ゲート絶縁層の上に前記ゲートホールに対応する貫通孔を有するゲート電極を形成する段階と、
   前記ゲートホール内部のカソードの上にゲート電極の頂部よりも高い高さを有する導電性コラムを形成する段階と、
   独立して備えられる平板型テンプレートの底部にカーボンナノチューブを貼り付ける段階と、
   前記テンプレートの底部を前記導電性コラムの頂部に当接させて前記カーボンナノチューブを貼り付ける段階と、
   前記導電性コラムを焼成して導電性コラムの頂部の高さを低くする段階と、
   を含むことを特徴とするカーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法。
2. 前記カーボンナノチューブは、前記テンプレートの底部に成長法により形成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を用いた電界放出表示素子の製造方法。
3. 前記カーボンナノチューブは、前記テンプレートの底部に精製粉末状に貼り付けら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を用いた電界放出表示素子の製造方法。
4. 前記カーボンナノチューブは、前記導電性コラムの頂部に接着剤を塗布した後に貼り付けられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のカーボンナノチューブを用いた電界放出表示素子の製造方法。

Images