(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を提供し、該基板に対して化学又は機械研磨工程を行って、触媒層を形成する段階と、
該基板に第二端部及び第一端部を有するカーボンナノチューブ配列を成長させる段階と、
電気伝導材料からなる陰極ベースに、絶縁材料からなる粘着層を形成する段階と、
前記カーボンナノチューブ配列の前記第一端部を前記粘着層に埋める段階と、
前記粘着層を固化して加工する段階と、
前記基板を除去して前記カーボンナノチューブ配列の前記第二端部を露出させる段階と、
を含み、
前記カーボンナノチューブ配列の前記第一端部を前記粘着層に埋める段階は、前記カーボンナノチューブ配列の前記第一端部が前記粘着層を貫通して前記陰極ベースに接触されることを特徴とするカーボンナノチューブ配列を利用する電界放出装置の製造方法。
【請求項２】
前記基板は外力で引き抜かれ、又はエッチング法で除去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配列を利用する電界放出装置の製造方法。
【請求項３】
レーザーで前記カーボンナノチューブ配列の前記第二端部に残る触媒を除去す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配列を利用する電界放出装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放出装置に関し、特にカーボンナノチューブを利用する電界放出装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１を参照すると、カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ，  ＣＮＴ）は、新型のカーボン材料であり、日本の研究員飯島によって１９９１年に発見された。カーボンナノチューブは理想的な一次元構造を有し、優れた力学特性、電気特性、熱学特性などを有するので、材料科学、化学、物理などの科学分野、例えば、フィールドエミッタ（ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｔｔｅｒ）を応用した平面ディスプレイ、単一電子デバイス（ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｄｅｖｉｃｅ）、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，  ＡＦＭ）のチップ、熱センサー、光センサー、フィルターなどに広く応用されている。従って、カーボンナノチューブの成長制御を可能にし、製造の低コストを実現することは、カーボンナノチューブの応用の推進に強く有利である。
【０００３】
代表的なカーボンナノチューブを利用する電界放出装置は、陰極ベースと、該ベースに形成されエミッタ材料であるカーボンナノチューブ層と、を含む。従来技術として、前記カーボンナノチューブ層を形成する方法は、直接成長法（例えば、化学気相堆積法（ＣＶＤ法））及びスクリーン印刷法（Ｓｃｒｅｅｎ  Ｐｒｉｎｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄｅ）がある。
【非特許文献１】「Ｈｅｌｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ  ｏｆ  Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ  Ｃａｒｂｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ、Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、１９９１年、第３５４巻、第２２０ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記直接成長法は、表面に触媒が形成された陰極ベースを提供する段階と、カーボンを含むガスを導入する段階と、ＣＶＤ法で前記陰極ベースにカーボンナノチューブ層を成長させる段階と、を含む。前記カーボンナノチューブ層は複数のカーボンナノチューブを含み、各カーボンナノチューブの端部がエミッタチップとして機能することができる。しかし、図８に示すように、前記複数のカーボンナノチューブの端部はもつれ合って分布しているので、電界放出の電流が不均一になる課題がある。
【０００５】
前記スクリーン印刷法は、カーボンナノチューブをランダムにペーストに混入する段階と、前記カーボンナノチューブが混入されたペーストを陰極ベースに塗布する段階と、前記ペーストを前記陰極ベースに固める段階と、を含む。しかし、図９に示すように、前記カーボンナノチューブが不規則に前記ペーストに混入されるので、カーボンナノチューブの端部が多方向を向いて、電界放出の電流が不均一になる課題もある。
【０００６】
従って、均一な電流が形成されるカーボンナノチューブを利用する電界放出装置を提供することが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるカーボンナノチューブ配列を利用する電界放出装置の製造方法は、触媒層が形成された基板を提供する段階と、該基板に第二端部及び第一端部を有するカーボンナノチューブ配列を成長させる段階と、粘着層が形成された陰極ベースを提供する段階と、前記カーボンナノチューブ配列の前記第一端部を前記粘着層に埋める段階と、前記粘着層を固化して加工する段階と、前記基板を除去して前記カーボンナノチューブ配列の前記第二端部を露出させる段階と、を含む。
【０００８】
前記基板は外力で引き抜かれ、又はエッチング法で除去されることができる。
【０００９】
レーザーで前記カーボンナノチューブ配列の前記第二端部に残る触媒を除去することが好ましい。
【００１０】
本発明に係るカーボンナノチューブ配列を利用する電界放出装置は、陰極ベースと、該陰極ベースに形成された粘着層と、第二端部及び第一端部を有し、第一端部が前記粘着層に埋められるカーボンナノチューブ配列と、を含む。ここで、前記粘着層及び前記陰極ベースは少なくとも一方が電気的伝導材料からなる。前記粘着層が絶縁材料からなる場合、前記カーボンナノチューブ配列の前記第二端部は前記粘着層を貫通して前記陰極ベースに接触される。
【発明の効果】
【００１１】
従来の技術と比べてると、本発明に係るカーボンナノチューブ配列を利用する電界放出の製造方法により、均一に電子を放出する電界放出装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図面１乃至図６を参照して、本発明に係るカーボンナノチューブを利用する電界放出装置について詳しく説明する。
【００１３】
図１に示すように、基板１０には触媒１２が形成され、該触媒１２にはカーボンナノチューブ配列２０が成長される。前記カーボンナノチューブ配列２０は、それぞれ前記基板１０に垂直で、相互に平行する複数のカーボンナノチューブからなる。前記各カーボンナノチューブは第一端部と、該第一端部の反対側に位置する第二端部と、を有する。前記複数のカーボンナノチューブの第一端部は前記カーボンナノチューブ配列２０の第一端部２２に構成され、それらの第二端部は前記カーボンナノチューブ配列２０の第二端部２４に構成される。前記カーボンナノチューブ配列２０の第二端部２４は全て前記触媒１２に連接し、前記カーボンナノチューブ配列２０の第一端部２２は前記触媒１２からなる方向に向けて成長される。一般に、前記カーボンナノチューブ配列２０の第二端部２４は前記触媒１２に埋められるので、前記第二端部２４は前記第一端部２２より均一に配列される。
【００１４】
本実施形態において、前記カーボンナノチューブ配列２０は、例えばＣＶＤ法で成長される。次に、二つの実施例により、前記カーボンナノチューブ配列２０の成長工程について説明する。
【００１５】
（実施例１）
まず、基板１０を準備する。前記基板１０は、シリコンシート、又は表面にＳｉＯＸ膜が塗布されるシリコンシートである。前記基板１０に成長されるカーボンナノチューブの第二端部が同一の平面に成長されるために、前記基板１０は化学又は機械研磨工程によって平滑度が１マイクロメートル以下程度に加工されることが好ましい。次に、スパッターで前記基板１０の表面に触媒膜を形成する。該触媒膜の厚さは数ナノメートル乃至数百ナノメートルレベルにされる。該触媒は、鉄、コバルト、ニッケル又はその合金からなる。前記触媒膜が形成された前記基板１０を３００℃〜４００℃で１０時間焼鈍した後、前記基板１０にはナノレベルの触媒粒子が形成される。次に、前記触媒粒子が形成された前記基板１０を反応容器に設置して、該反応容器に保護ガスを導入して５００℃〜７００℃まで加熱する。ここで、前記保護ガスはアルゴン、窒素、水素、アンモニアなどの不活性ガスを利用しても良い。最後に、前記反応容器にカーボンを含むガスを導入して、ＣＶＤ法で前記基板１０にカーボンナノチューブ配列を成長させる。ここで、前記カーボンを含むガスは、例えばメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）などの炭化水素であっても良い。前記カーボンを含むガスの流量は３０ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｃｕｂｉｃ  Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ  ｐｅｒ  Ｍｉｎｕｔｅ，ｓｃｃｍ）、前記保護ガスの流量は３００ｓｃｃｍに設定される。
【００１６】
（実施例２）
まず、基板１０を準備する。前記基板１０は、多孔性シリコンからなる。前記基板１０に成長されるカーボンナノチューブの第二端部が同一の平面に成長されるために、前記基板１０は化学又は機械研磨工程によって平滑度が１マイクロメートル以下程度に加工されることが好ましい。次に、電子線堆積法で前記基板１０の表面に触媒膜を形成する。前記触媒膜が形成された前記基板１０を３００℃で１２時間焼鈍しをした後、前記基板１０にはナノレベルの触媒粒子が形成される。次に、前記触媒粒子が形成された前記基板１０を反応容器に設置して、該反応容器に保護ガス（例えばアルゴン）を導入して６９０℃〜７１０℃まで加熱する。最後、前記反応容器にカーボンを含むガスを導入して、ＣＶＤ法で前記基板１０にカーボンナノチューブ配列を成長させる。ここで、前記カーボンを含むガスは、例えばエチレンである。前記カーボンを含むガスの流量は１４０ｓｃｃｍ（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｃｕｂｉｃ  Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ  ｐｅｒ  Ｍｉｎｕｔｅ，ｓｃｃｍ）、前記保護ガスの流量は２６０ｓｃｃｍに設定される。
【００１７】
次に、本発明に係るカーボンナノチューブを利用する電界放出装置について説明する。まず、図２を参照すると、陰極ベース３０に粘着層３２を形成する。前記陰極ベース３０は例えばセラミック、ガラス、酸化ケイ素のような絶縁材料、又は金属やシリコンなどの導電材料からなる。前記粘着層３２は銀などの金属導電材料、又は他の絶縁材料からなる。前記粘着層３２は粘度が５〜２００ｃｐｓ（センチポアズ）の粘着材料が利用されることが好ましい。前記粘着層３２はスクリーン印刷法で前記陰極ベース３０に形成されることができる。
【００１８】
本実施例において、前記陰極ベース３０はガラスからなり、その表面に透明な電気伝導層である粘着層３２が形成される。前記粘着層３２はテルピネオール、エチル・セルロース、金属粉末、ガラス粉末が混合して形成されるものである。本実施例において、前記金属粉末は銀の粉末である。
【００１９】
次に、カーボンナノチューブ配列２０の第一端部２２を前記粘着層３２に埋める。前記粘着層３２が電気伝導材料からなる場合を図３に示す。まず、触媒層１２が形成された基板１０を陰極ベース３０と対向させて、前記カーボンナノチューブ配列２０を前記粘着層３２に向けるように設置する。前記第一端部２２を前記粘着層３２に接触させ、前記基板１０に外力を印加して、前記第一端部２２を前記粘着層３２に埋める状態になる。
【００２０】
図４を参照すると、前記粘着層３２が絶縁材料からなる場合、前記カーボンナノチューブ配列２０の第一端部２２は前記粘着層３２を貫通して前記陰極ベース３０に接触される。ここで、前記陰極ベースは電気伝導材料からなる。図４に示すように、前記カーボンナノチューブ配列２０において、より長いカーボンナノチューブは前記陰極ベース３０に接触して湾曲される。
【００２１】
次に、前記粘着層３２を固め、前記カーボンナノチューブ配列２０と前記陰極ベース３０とを密接させる。図５を参照すると、前記粘着層３２と前記カーボンナノチューブ配列２０の第一端部２２とを接触させた後、固化装置４０を利用して４００℃〜５００℃で前記粘着層３２を固める（固化された粘着層３２は粘着層３２０と番号を付け直す）。この結果、前記カーボンナノチューブ配列２０の第一端部２２は前記粘着層３２０に固定される。
【００２２】
最後に、図６を参照すると、前記触媒層１２と前記基板１０とを併せて除去して前記カーボンナノチューブ配列２０の第二端部２４を露出させて、電界放出装置１００が得られる。前記基板１０及び前記触媒１２を化学エッチング法で、又は外力で抜き引いて除去することができる。また、カーボンナノチューブ配列２０の安定性を高めるために、レーザーで前記カーボンナノチューブ配列２０の第二端部２４に残る触媒を除去する。
【００２３】
前記電界放出装置１００は、前記粘着層３２０が形成された陰極ベース３０と、カーボンナノチューブ配列２０と、を含む。前記カーボンナノチューブ配列２０は第一端部２２と、第二端部２４と、を有する。前記カーボンナノチューブ配列２０と前記陰極ベース３０とを電気的に接続させるために、前記第一端部２２を前記粘着層３２０に埋めるように設置する。前記第二端部２４は前記陰極ベース３０から露出され、エミッタとして機能する。
【００２４】
代わりに、前記基板１０及び前記触媒１２はエッチング法で前記カーボンナノチューブ配列２０から除去することができる。
【００２５】
図７は前記電界放出装置１００からの放出電流の分布を示す図である。図８及び図９は、それぞれ従来技術であるＣＶＤ法及びスクリーン印刷でカーボンナノチューブ配列が成長される電界放出装置からの放出電流の配布を示す図である。図７と図８及び図９とを比べて参照すると、前記電界放出装置１００からの放出電流の配布はより均一に形成される。これは前記電界放出装置１００のカーボンナノチューブ配列２０が均一に成長することが原因である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る触媒を有する基板に形成されるカーボンナノチューブ配列を示す図である。
【図２】本発明に係る粘着層が形成される陰極ベースを示す図である。
【図３】陰極ベースが電気的伝導材料からなる場合、カーボンナノチューブ配列の第一端部を粘着層に埋める状態を示す図である。
【図４】陰極ベースが絶縁材料からなる場合、カーボンナノチューブ配列の第一端部を粘着層に埋める状態を示す図である。
【図５】図３の粘着層が固化された状態を示す図である。
【図６】図５の触媒が除去されたカーボンナノチューブ配列の第二端部を示す図である。
【図７】本発明に係る電界放出装置からの放出電流の分布を示す図である。
【図８】従来技術である電界放出装置からの放出電流の分布を示す図である。
【図９】従来技術である電界放出装置からの放出電流の分布を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  基板
１２  触媒
２０  カーボンナノチューブ配列
２２  第一端部
２４  第二端部
３０  陰極ベース
３２、３２０  粘着層
【図１】
0004773317.tif 000002
【図２】
0004773317.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004773317.tif 000005
【図５】
0004773317.tif 000006
【図６】
0004773317.tif 000007
【図７】
0004773317.tif 000008
【図８】
0004773317.tif 000009
【図９】
0004773317.tif 000010