JP4921242B2

JP4921242B2 - セラミックス膜、発光素子及びセラミックス膜の製造方法

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Publication number: JP4921242B2
Application number: JP2007129294A
Authority: JP
Inventors: ふみ栗田; 英子福島; 恭久藤田
Original assignee: National University Corp Shimane University
Current assignee: National University Corp Shimane University
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: JP2008285339A

Description

本発明は、セラミックス膜とその製造方法並びに当該セラミックス膜を発光膜とする発光素子に関するものであり、特に結晶軸が特定の方向に配向した金属酸化物相を有するセラミックス膜及びその膜をエアロゾルデポション法を用いて製造する製造方法並びに当該セラミックス膜を発光膜とする発光素子に係わるものである。

電界発光素子の発光膜に関する技術の一例が特許文献１に記載されている。この電界発光素子は、平面型画像表示装置（いわゆるフラットパネルディスプレイ：ＦＰＤ）の一種であるＥＬ素子として使用されるものである。なお、以下、本発明の理解のために発光膜に係わる技術を中心に説明をするが、本発明は発光膜のみに制限されない。

特許文献１の電界発光素子は、透明電極間に発光層、誘電体層、電荷供給層を有し、その発光層は、例えばスパッタ法若しくはＣＶＤ法で、又は金属化合物（ＺｎＯ等）からなる蛍光体粒子を用いエアロゾルデポジション法で形成されている。

近年、ＦＰＤの消費電流の低減及び画像品質の向上の要求に伴い、ＦＰＤを構成する発光素子に対しても発光特性や電気特性の向上が求められている。ここで、当該発光素子の発光膜を構成する金属化合物セラミックスは、結晶面の方向により電気特性、磁気特性又は誘電特性等の特性が異なるため、結晶配向を制御することで電気特性や磁気特性等を向上させた材料を得ることが可能となる。

そこで、近年、上記発光膜又はインクジェットノズルを構成する圧電膜その他種々の機能性部材として用いられる金属化合物セラミックス膜の特性を向上させるため、特定の結晶面について配向させる技術の開発が行われており、その一例が特許文献２に開示されている。

特許文献２には、常温で成膜しても、被成膜体への密着性が高く、緻密な膜を形成することが可能なエアロゾルデポジション法を用いた成膜方法が開示されている。すなわち、特許文献２の成膜方法は、原料の粉体を容器に収納し、前記容器にキャリアガスを導入することにより、前記原料の粉体を含むエアロゾルを生成する工程と、前記生成されたエアロゾルの流路に磁場を印加することにより、エアロゾルに含まれる原料の粉体における結晶方位を配向させる工程と、前記磁場が印加されたエアロゾルを基板に吹き付けることにより、結晶方位が配向した原料の粉体を前記基板上に堆積させる工程と、を具備する成膜方法である。かかる成膜方法よれば、原料粉体を含むエアロゾルに磁場を印加して粉体の結晶方位を制御するので、基板上に堆積した膜の結晶方位を所望の向きに配向できるという利点がある。

特開２００６−１２７７８０号公報特開２００６−９７０８７号公報

しかしながら、特許文献２に記載されている成膜方法では、当該成膜方法を実施する成膜装置は、原料粉体を含むエアロゾルが流通する流路に磁場を印加するための超伝導磁石や冷却装置その他の設備備えている必要があり成膜装置が複雑化し、成膜コストが高価となる。更に、特許文献２の成膜方法においては、流路を通過するエアロゾルに含まれる全ての原料粒子に磁場が印加されるため、全ての原料粉体が配向することになる。ここで、所望の特性をもつセラミックス膜を得るために、配向性が１００％である必要はない。
本発明は、上記従来技術の課題を解決するために発明者が鋭意検討のうえなされたものであり、特定方向に結晶が配向した新規なセラミックス膜及びそのセラミックス膜を工業生産上より簡便に得ることのできる製造方法、並びに当該セラミックス膜を発光膜とする発光素子を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、結晶構造が六方晶の酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる金属化合物層を主体とし、非晶質基板の上に形成されたセラミックス膜、Ｘ／Ｙ≧１（ここで、Ｘ：前記金属化合物相のａ軸に直交するいずれかの結晶面のＸ線回折強度の中の最大値、Ｙ：前記金属化合物からなる粉末のＸ線回折強度が最大値となる結晶面と同一の結晶面における前記セラミックス膜のＸ線回折強度）を満足し、前記金属化合物相は実質的にａ軸配向性を有することを特徴とするセラミックス膜である。かかるセラミックス膜によれば、六方晶の金属化合物相を主体としたセラミックス膜において、上記式を満たすことにより前記金属化合物相は実質的にａ軸配向性を有しているので、電気特性や磁気特性等に優れたセラミックス膜を提供することができる。例えば当該セラミックス膜を発光膜として用いた場合に、極めて低い電気抵抗を有する発光膜を具現することができるので、低消費電流のＦＰＤを構成することが可能となる。この際、非晶質基板としては、ガラス基板を用いることができる。

なお、セラミックス膜が発光膜である場合には、上記金属化合物相に希土類金属等の元素がドープされていてもよい。

請求項４に係る発明は、上記発光膜として用いる場合に好ましい金属酸化物相を有するセラミックス膜で構成された発光素子である。かかる発光素子によれば、ＺｎＯで構成されたセラミックス膜が発光膜となっているので、極めて低い消費電流で、発光することができる。

請求項５に係る発明は、上記セラミックス膜の製造方法であって、アスペクト比が２〜７の範囲の粒子を個数比で５〜３０％含む結晶構造が六方晶の金属化合物粉末を気体と混合してエアロゾルを形成し、減圧雰囲気でエアロゾルをノズルから被成膜体へ噴射し、被成膜体にセラミックス膜を形成するセラミックス膜の製造方法である。かかる製造方法によれば、金属化合物粉末を含むエアロゾルを被成膜体へ噴射し成膜するエアロゾルデポジション法において、結晶構造が六方晶である金属化合物粉末を用いることにより結晶構造が六方晶のセラミックス膜を形成でき、さらに当該金属化合物粉末のうち個数比で５〜３０％の粉末のアスペクト比が２〜７の範囲とすることにより、上記ａ軸配向性を有するセラミックス膜を容易に形成することができる。なお、アスペクト比とは、金属化合物粉末の粒子の長径を短径で除したものである。

上記製造方法において、金属化合物粉末に関する数値限定理由について説明する。上記製造方法でａ軸配向性を有するセラミックス膜を形成するためには、アスペクト比が２〜７の粒子を個数比で５〜３０％含んでいる金属化合物粉末を使用する必要がある。アスペクト比が２未満の場合には、粒子の形態が粒状に近いため、成膜時に一様な方向を向きやすく、ａ軸配向性を示さない。また、アスペクト比が７を超える場合には、粒子の形態が針状又は板状であるので、膜を形成することが困難となる。また、ａ軸配向性は、粒子のａ軸方向が被成膜体と平行になるよう堆積することによって得られると考えられる。上記範囲のアスペクト比を有する粒子を含む粉体であっても、そのような粒子が個数比で５％未満の場合には、膜形成時に一様な方向を向きやすい粒子が多いので、ａ軸配向性を有するセラミックス膜が得られない。また、３０％を超える場合は、膜形成時に粒子間の密着性に乏しくなるので、セラミックス膜を形成することが困難となる。より好ましくは、アスペクト比が２〜５の粒子を７〜３０％含む粉末である。

なお、上記金属化合物粉末の粒子は、０．０５〜１μｍの一次粒子で構成されていることが望ましい。粒子径が１μｍより大きいと、膜化に十分な衝撃力を付与することが困難となり、膜を形成できない場合がある。また、０．０５μｍより小さいと、一次粒子同士の凝集力が大きくなり、基板への衝突時に十分な密着力が得られない。

更に、上記金属化合物粉末の粒子は、せん断付着応力値が０．５〜４ｋＰａであることが望ましい。ここで、せん断付着応力は、粉体流動性分析装置（シスメックス株式会社製ＦＴ４）により測定したものである。せん断付着応力が０．５ｋＰａ未満の場合には、一次粒子同士がネック成長等の状態で強固に結合した粒子となっているので、膜化に十分な衝撃力を付与することができず、膜化が困難である。また、せん断付着応力が４ｋＰａを超えると、粒子同士の凝集力が大きくなり、基板への衝突時に十分な密着力が得られないため、膜を形成できない。また、膜化できた場合でも均一に形成することは困難である。なお、かかるせん断付着応力値の範囲内の粒子は、金属化合物粉末を例えば熱処理して形成することができる。

本発明によれば、上記説明のとおり結晶構造が六方晶の金属化合物相を主体としたセラミックス膜が実質的にａ軸配向性を有しているので、電気特性や磁気特性等に優れたセラミックス膜を提供することができる。例えば、発光材料でセラミックス膜を形成した場合、当該セラミックス膜を発光膜とする低抵抗で、高発光効率の発光素子を構成することが出来る。また、上記説明した特定範囲の粒形態を有する金属化合物粉末を用いてエアロゾルデポジション法で成膜することにより上記セラミックス膜を極めて容易に形成することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ここで図１は本発明の実施形態に係る成膜装置の概略構成図である。

成膜装置は、図１に示すように、成膜室１、エアロゾル生成室２、ガスボンベ３、真空ポンプ４で構成されている。成膜室１内には、被成膜体である基板５を固定するとともに水平方向に駆動させる基板駆動装置６、基板駆動装置６に固定された基板５にエアロゾルを噴射する、開口部を有するノズル７が配置されている。ノズル７は、エアロゾル生成室２と搬送管８を介して接続されている。なお、以下で説明する実験例においては、開口部の長さが５ｍｍ、幅が０．３ｍｍのノズル７を用いた。真空ポンプ４は成膜室１に配管を介して接続され、成膜室１を減圧雰囲気にすることができる。エアロゾル生成室２は密閉容器であり、底部に設けられた振動器１０を備え、更に配管を介して接続されたガスボンベ３からキャリアガスが供給される。

上記成膜装置の動作について説明する。基板５を基板駆動装置６に固定した後に成膜室１を密閉する。また、エアロゾル生成室２に金属化合物からなる原料粉末９を収容する。振動器１０によりエアロゾル生成室２に振動を与えながら、ガスボンベ３からキャリアガスを供給することにより、原料粉末９を含むエアロゾルを生成する。そして、真空ポンプ４を作動させることにより成膜室１を減圧雰囲気とする。すると、成膜室１とエアロゾル生成室２との圧力差により、エアロゾル生成室２から搬送管８を介してエアロゾルがノズル７に供給され、基板駆動装置６で水平方向に移動している基板５にエアロゾルが噴射される。以上により、エアロゾル中の原料粉末粒子が高速で基板５に衝突し、その衝撃力により基板５にセラミックス膜が形成される。また、基板５は基板駆動装置６で水平方向に移動しているので、所定の面積を有するセラミックス膜が形成される。

次に、本発明に係るセラミックス膜の評価方法について説明する。
まず、セラミックス膜の結晶配向性についてＺｎＯの場合を例にとって、説明する。まず、ＺｎＯ粉末を粒子の大きさが少なくとも１０μｍ以下で、極端な微粉砕はせずに同一の範囲のサイズにそろえ、結晶の方位がすべての方向に均一に分布するように、Ｘ線回折用試料を準備する。

次に、上記粉末試料と本発明に係るａ軸配向性を有するＺｎＯ相で構成されたセラミックス膜を有する基板（配向性基板）とを、それぞれＸ線回折する。ここで、粉末試料のＸ線回折パターンにおいて、回折強度が最大となる結晶面は（１０１）であり、ａ軸に直交するいずれかの結晶面のうち、Ｘ線回折強度が最大となる結晶面は（１００）であった。無配向性試料の場合、（１０１）面の回折強度に対する（１００）面の回折強度の比（以下（１００）／（１０１）強度比と表現する場合がある。）は、１未満である。配向性基板のＺｎＯ相のＸ線回折パターンにおいて、（１００）／（１０１）強度比を求めることで、ａ軸配向性を評価することができる。
以上、セラミックス膜を構成する金属化合物相がＺｎＯ相である場合の、ａ軸配向性の評価方法について説明したが、結晶構造が六方晶であるその他の金属化合物粉末について、ａ軸に直交するいずれかの結晶面のうちＸ線回折強度が最大となる結晶面と、最も回折強度の大きい結晶面を表１に示す。

また、セラミックス膜の電気抵抗は、プローブの間隔が約１ｍｍ及び電流１００ｍＡの条件にて、四探針法によって行った。

上記原料粉末として用いる金属化合物粉末の評価方法について説明する。粒子のアスペクト比は、走査型電子顕微鏡によって粒子像を観察し、粒子の長径と短径を計測して評価した。粒子の個数比は、同じく走査型電子顕微鏡により粒子像を観察し、アスペクト比が２〜７の粒子の個数とそれ以外の粒子の個数を計数して、計算した。一次粒子径は、同様に走査型電子顕微鏡により観察し、計測した。また、せん断付着応力の評価は、シスメックス株式会社製の粉体流動性分析装置（型式：ＦＴ４）により行った。

以下、上記成膜装置１でＺｎＯ粉末を用いてガラス基板にＺｎＯ相のセラミックス膜を形成した実験例について説明する。ここで、表２、３に、以下の実験例１〜７について、それぞれの成膜条件と特性評価結果を示す。また、表４、表５に、実験例８〜１２の実験条件と特性評価結果を示す。なお、本実施例では、セラミックス膜を成膜する被成膜体としてガラス基板を用いているが、金属製又は樹脂製の基板等を用いることができることは言うまでもない。

（実験例１）
アスペクト比が２〜７の粒子を個数比で３０％含むＺｎＯ粉末を用い、表２に示すように、キャリアガスとして流量６Ｌ／ｍｉｎのヘリウムガスを使用し、成膜室１の圧力が０．２〜０．８ｋＰａ、エアロゾル生成室２の圧力が４０〜５０ｋＰａの成膜条件にてセラミックス膜を形成した。なお、実験例１で使用したＺｎＯ粉末の粒子の形態は図２（ａ）に示すように、一次粒子径が０．０５〜０．３μｍであった。成膜されたセラミックス膜についてＸ線回折測定を行った結果、（１００）／（１０１）強度比は２であり、このセラミックス膜はａ軸配向性を有することが判った。また、このセラミックス膜の抵抗率は、１５Ω・ｃｍであった。

（実験例２）
アスペクト比が２〜５の粒子を個数比で１０％含むＺｎＯ粉末を用い、表２の成膜条件以外は上記実験例１と同様にセラミックス膜を形成した。実験例２で使用したＺｎＯ粉末の粒子の形態は図２（ｂ）に示すように、一次粒子径が０．０７〜０．６μｍであった。このセラミックス膜の（１００）／（１０１）強度比は３であり、ａ軸配向性を有することが判った。また、このセラミックス膜の抵抗率は、１２Ω・ｃｍであった。

（実験例３）
アスペクト比が２〜４の粒子を個数比で７％含むＺｎＯ粉末を用い、表２の成膜条件以外は上記実験例１と同様にセラミックス膜を形成した。実験例３で使用したＺｎＯ粉末の粒子の形態は図２（ｃ）に示すように、一次粒子径が０．１〜０．７μｍであった。このセラミックス膜の（１００）／（１０１）強度比は５であり、ａ軸配向性を有することが判った。また、このセラミックス膜の抵抗率は、９Ω・ｃｍであった。

（実験例４）
アスペクト比が２〜３の粒子を個数比で５％含むＺｎＯ粉末を用い、表２の成膜条件以外は上記実験例１と同様にセラミックス膜を形成した。実験例４で使用したＺｎＯ粉末の粒子の形態は図２（ｄ）に示すように、一次粒子径が０．２〜１．１μｍであった。このセラミックス膜の（１００）／（１０１）強度比は１であり、ａ軸配向性を有することが判った。また、このセラミックス膜の抵抗率は、８７Ω・ｃｍであった。

（実験例５）
アスペクト比が２〜２０の粒子を個数比で５０％含むＺｎＯ粉末を用い、表２の成膜条件以外は上記実験例１と同様にセラミックス膜形成を試みた。実験例５で使用したＺｎＯ粉末の粒子の形態は図２（ｅ）に示すように、一次粒子径が０．０３〜０．４μｍであった。しかし、膜を形成できなかった。

（実験例６）
アスペクト比が２〜３の粒子を個数比で２％含むＺｎＯ粉末を用い、表２の成膜条件以外は上記実験例１と同様にセラミックス膜を形成した。実験例６で使用したＺｎＯ粉末の粒子の形態は図２（ｆ）に示すように、一次粒子径が０．３〜１．０μｍであった。このセラミックス膜の（１００）／（１０１）強度比は０．５であり、ａ軸配向性を有しないことが判った。また、このセラミックス膜の抵抗率は、２６５Ω・ｃｍであった。

（実験例７）
アスペクト比が１〜２の粒子からなるＺｎＯ粉末を用い、表２の成膜条件以外は上記実験例１と同様にセラミックス膜形成を試みた。実験例７で使用したＺｎＯ粉末の粒子の形態は図２（ｇ）に示すように、一次粒子径が０．５〜１．５μｍであった。しかし、膜を形成できなかった。

実験例１〜５で形成したセラミックス膜のＸ線回折パターンを図３、Ｘ線回折結果から求めた（１００）／（１０１）比と抵抗率の関係を図４に示す。表３の実験例１〜７からアスペクト比が２〜７の粒子を５〜３０％含むＺｎＯ粉末を用いることにより健全なセラミックス膜を形成できるとともに当該セラミックス膜の（１００）／（１０１）強度比は１以上となり、セラミックス膜はａ軸配向性を示すことが判った。また、実験例１〜３から、上記粒子を構成する一次粒子径が０．０５〜１μｍの範囲であれば、２０Ω・ｃｍ以下と極めて低い抵抗率を有するセラミックス膜を形成できることが判った。このように抵抗率の低いセラミックス膜は、発光素子の発光膜として用いるのに適している。

次に、ＺｎＯ粉末のせん断付着応力を検討した結果について、説明する。

（実験例８）
アスペクト比が２〜７の粒子を個数比で３０％含み、せん断付着応力が３．８１ｋＰａのＺｎＯ粉末を用い、表４に示すように、キャリアガスとして流量６Ｌ／ｍｉｎのヘリウムガスを使用し、成膜室１の圧力が０．２〜０．８ｋＰａ、エアロゾル生成室２の圧力が４０〜５０ｋＰａの成膜条件にてセラミックス膜を形成した。成膜されたセラミックス膜についてＸ線回折測定を行った結果、（１００）／（１０１）強度比は５であり、このセラミックス膜はａ軸配向性を有することが判った。また、このセラミックス膜の抵抗率は、１５Ω・ｃｍであった。

（実験例９）
アスペクト比が２〜５の粒子を個数比で１０％含むＺｎＯ粉末を用い、せん断付着応力が３．２５ｋＰａのＺｎＯ粉末を用い、表４の成膜条件以外は上記実験例８と同様にセラミックス膜を形成した。このセラミックス膜の（１００）／（１０１）強度比は３であり、ａ軸配向性を有することが判った。また、このセラミックス膜の抵抗率は、１２Ω・ｃｍであった。

（実験例１０）
アスペクト比が２〜４の粒子を個数比で７％含むＺｎＯ粉末を用い、せん断付着応力が２．６２ｋＰａのＺｎＯ粉末を用い、表４の成膜条件以外は上記実験例８と同様にセラミックス膜を形成した。このセラミックス膜の（１００）／（１０１）強度比は２であり、ａ軸配向性を有することが判った。また、このセラミックス膜の抵抗率は、９Ω・ｃｍであった。

（実験例１１）
アスペクト比が２〜４の粒子を個数比で３０％含むＺｎＯ粉末を用い、せん断付着応力が４．５６ｋＰａのＺｎＯ粉末を用い、表４の成膜条件以外は上記実験例８と同様にセラミックス膜を形成した。このセラミックス膜の（１００）／（１０１）強度比は１であり、ａ軸配向性を有することが判ったが、このセラミックス膜の抵抗率は測定不可であった。

（実験例１２）
アスペクト比が２〜３の粒子を個数比で５％含むＺｎＯ粉末を用い、せん断付着応力が０．４７ｋＰａのＺｎＯ粉末を用い、表４の成膜条件以外は上記実験例８と同様にセラミックス膜を形成した。このセラミックス膜の（１００）／（１０１）強度比は３であり、ａ軸配向性を有することが判ったが、このセラミックス膜の抵抗率は測定不可であった。

表５に示すとおり、実験例８〜１０からせん断付着応力が０．５〜４ｋＰａの範囲の粉末を用いることで、本発明にて規定するところのＸ／Ｙ＝（１００）／（１０１）強度比が１以上となり、ａ軸配向性を示し、低い抵抗率が得られた。発光素子の発光膜として用いるのに適する抵抗率の低いセラミックス膜は、アスペクト比が２〜７の粒子を個数比で５〜３０％含み、せん断付着応力が０．５〜４ｋＰａのセラミックス粉末を用いて形成すればよいことが判った。

本発明に用いた成膜装置図である。本発明の実験例に用いたＺｎＯ粉末の走査型電子顕微鏡写真である。本発明の実験例の六方晶セラミックス膜のＸ線回折パターンである本発明の実験例の六方晶セラミックス膜の抵抗率を示すグラフである。

符号の説明

１成膜室
２エアロゾル生成室
３ガスボンベ
４真空ポンプ
５被成膜体（基板）
６基板駆動装置
７ノズル
８搬送管
９セラミックス粉末(原料粉末）
１０振動器

Claims

結晶構造が六方晶の酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる金属化合物層を主体とし、非晶質基板の上に形成されたセラミックス膜において、下記の式を満足することにより、前記金属化合物相は実質的にａ軸配向性を有することを特徴とするセラミックス膜。
Ｘ／Ｙ≧１
ここで、
Ｘ：前記セラミックス膜のａ軸に直交するいずれかの結晶面のＸ線回折強度の中の最大値
Ｙ：前記金属化合物からなる粉末のＸ線回折強度が最大値となる結晶面と同一の結晶面における前記セラミックス膜のＸ線回折強度
前記非晶質基板はガラス基板であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス膜。
前記セラミックス膜が発光膜であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス膜。
請求項３に記載のセラミックス膜を有することを特徴とする発光素子。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミックス膜の製造方法であって、アスペクト比が２〜７の範囲の粒子を個数比で５〜３０％含む結晶構造が六方晶の金属化合物粉末を気体と混合してエアロゾルを形成し、減圧雰囲気でエアロゾルをノズルから被成膜体へ噴射し、被成膜体にセラミックス膜を形成するセラミックス膜の製造方法。
前記金属化合物粉末が粒径０．０５〜１μｍの一次粒子で構成されていることを特徴とする請求項５に記載のセラミックス膜の製造方法。
前記金属化合物粉末のせん断付着応力が０．５〜４ｋＰａであることを特徴とする請求項５又は６に記載のセラミックス膜の製造方法。