(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を提供する第一ステップと、
前記基板に第一電極及び第二電極を設置する第二ステップと、
カーボンナノチューブ構造体を、前記第一電極及び第二電極上に設置する第三ステップと、を含み、
前記カーボンナノチューブ構造体が、前記第一電極と第二電極との間に懸架され、かつ前記基板と所定の距離だけ離隔しているおり、
前記第三ステップが、
少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを製造する第一サブステップと、
前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブを前記第一電極から第二電極まで進む方向に沿って設置するように、前記第一電極及び第二電極の表面に前記カーボンナノチューブフィルムを設置する第二サブステップと、
を含むことを特徴とする熱電子放出素子の製造方法。
【請求項２】
前記第二ステップが、
導電性ペーストを提供する第一サブステップと、
所定のパターンにより、前記基板の一つの表面に前記導電性ペーストを塗布する第二サブステップと、
前記導電性ペーストを乾燥させて、前記第一電極及び前記第二電極を形成する第三サブステップと、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱電子放出素子の製造方法。
【請求項３】
前記第二ステップの第三サブステップが、前記導電性ペーストを乾燥させた後、前記乾燥された導電性ペーストを冷却させる工程を含むことを特徴とする、請求項２に記載の熱電子放出素子の製造方法。
【請求項４】
前記第三ステップの第一サブステップにおいて、
複数の前記カーボンナノチューブフィルムを積み重ねて、前記第一電極及び第二電極の表面に設置することを特徴とする、請求項１に記載の熱電子放出素子の製造方法。
【請求項５】
前記複数のカーボンナノチューブフィルムを積み重ね、
隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、０°〜９０°の角度を成すことを特徴とする、請求項４に記載の熱電子放出素子の製造方法。
【請求項６】
前記第三ステップの第二サブステップが、支持部材を提供して、複数のカーボンナノチューブフィルムを前記支持部材に積み重ねる工程を含み、
隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、０°〜９０°の角度を成すことを特徴とする、請求項１に記載の熱電子放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電子放出素子の製造方法に関し、特にカーボンナノチューブを利用した熱電子放出素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは１９９１年に発見された新しい一次元ナノ材料となるものである。カーボンナノチューブは高引張強さ及び高熱安定性を有し、また、異なる螺旋構造により、金属にも半導体にもなる。カーボンナノチューブは、理想的な一次元構造を有し、優れた力学機能、電気機能及び熱学機能などを有するので、材料科学、化学、物理などの科学領域、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）のプローブ、熱センサー、光センサー、フィルターなどに広くに応用されている。
【０００３】
現在、電子放出素子は、熱電子放出素子及び冷電子放出素子の二種がある。熱電子放出素子を利用する場合、前記熱電子放出素子を加熱して、該熱電子放出素子の内部の電子の運動エネルギーを増加させるようにする。前記電子の運動エネルギーが所定のレベルに達すると、前記電子が前記電子放出素子から飛び出す。この場合、前記電子放出素子から放出した電子が熱電子と呼ばれる。
【０００４】
従来の熱電子放出素子は、エミッタと、二つの電極と、を含む。前記二つの電極が基板に設置されている。前記エミッタが前記二つの電極に電気的に接続するように、前記二つの前記電極の間に設置されている。前記エミッタは、金属、アルカリ土類金属炭酸塩、硼化物などのいずれか一種からなる。
【０００５】
熱電子放出素子には、直接加熱型及び間接加熱型の二種がある。直接加熱型の熱電子放出素子においては、金属リボン又は金属線をエミッタとして利用する。前記金属リボン又は金属線は、前記二つの電極の間に溶接されている。前記熱電子放出素子を利用する場合、前記二つの電極に電圧を印加して、前記金属リボン又は金属線を加熱させる。この場合、前記エミッタの内部に生じた電子の運動エネルギーが増加してくる。前記電子の運動エネルギーが十分に強くなる場合、前記熱電子放出素子から熱電子を放出することができる。間接加熱型の熱電子放出素子において、アルカリ土類金属炭酸塩、硼化物などがエミッタの材料として利用される。前記アルカリ土類金属炭酸塩、硼化物が導電性ペーストに混合されて、ヒーターに塗布されている。前記熱電子放出素子を利用する場合、前記二つの電極に電圧を印加して、前記金属リボン又は金属線を加熱させる。この場合、前記エミッタの内部に生じた電子の運動エネルギーが増加してくる。前記電子の運動エネルギーが十分に強くなる場合、前記熱電子放出素子から熱電子を放出することができる。
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、“Ｈｅｌｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ  ｏｆ  Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ  Ｃａｒｂｏｎ”、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年、第３５４巻、ｐ．５６
【非特許文献２】Ｋａｉｌｉ  Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ  Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ  Ｆａｎ、“Ｓｐｉｎｎｉｎｇ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｙａｒｎｓ”、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の熱電子放出素子の材料は、アルカリ土類金属炭酸塩、硼化物であるので、熱電子放出素子の寸法が大きく、微型装置に利用することができない。また、アルカリ土類金属炭酸塩、硼化物の抵抗率が高いので、前記熱電子放出素子は、電力消費が高く、高電流密度及び高輝度を有する表示装置に利用できない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の熱電子放出素子の製造方法は、基板を提供する第一ステップと、前記基板に第一電極及び第二電極を設置する第二ステップと、前記基板と所定の距離だけで分離させて、前記第一電極及び第二電極の一つの表面を被覆するように、カーボンナノチューブ構造体を設置する第三ステップと、を含む。
【０００９】
前記第二ステップは、導電性ペーストを提供する第一サブステップと、所定のパターンにより、前記基板の一つの表面に前記導電性ペーストを塗布する第二サブステップと、前記導電性ペーストを乾燥させて、前記第一電極及び前記第二電極を形成する第三サブステップと、を含む。
【００１０】
前記第三ステップは、前記導電性ペーストを乾燥させた後、前記乾燥された導電性ペーストを冷却させる工程を含む。
【００１１】
前記第三ステップは、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを製造する第一サブステップと、前記第一電極及び第二電極の表面に前記カーボンナノチューブフィルムを設置する第二サブステップと、を含む。
【００１２】
前記第三ステップの第一サブステップにおいて、複数の前記カーボンナノチューブフィルムを積み重ねて、前記第一電極及び第二電極の表面に設置する。
【００１３】
前記複数のカーボンナノチューブフィルムを積み重ねる場合、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、０°〜９０°の角度を成す。
【００１４】
前記第三ステップの第二サブステップは、支持部材を提供して、複数のカーボンナノチューブフィルムを前記支持部材に積み重ねる工程を含む。この場合、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、０°〜９０°の角度を成す。
【発明の効果】
【００１５】
従来の技術と比べて、本発明の熱電子放出素子の製造方法は、次の優れた点を有する。第一に、本発明の製造方法において、カーボンナノチューブ構造体の製造方法が簡単であり、コストが低い。第二に、本発明の熱電子放出素子に利用したカーボンナノチューブ構造体において、カーボンナノチューブが均一的に配列されるので、該熱電子放出素子が均一及び安定的に熱電子を放出することができる。第三に、前記カーボンナノチューブ構造体及び前記基板は分離して設置されるので、前記カーボンナノチューブ構造体を加熱させるために与えられたエネルギーが、空気に伝送されないので、前記熱電子放出素子の熱電子放出性能が優れる。第四に、前記カーボンナノチューブ構造体の厚さが小さく、抵抗率が低いので、前記カーボンナノチューブ構造体を利用した前記熱電子放出素子が、低い熱パワーで熱電子を放出でき、高電流密度と高輝度を有する表示装置及び論理回路に応用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１を参照すると、本実施形態の熱電子放出素子の製造方法は、基板を提供する第一ステップと、前記基板に第一電極及び第二電極を設置する第二ステップと、前記基板と所定の距離だけで分離させて、前記第一電極及び第二電極を被覆するように、カーボンナノチューブ構造体を設置する第三ステップと、を含む。
【００１８】
第一ステップにおいて、前記基板の材料は、セラミック陶瓷、ガラス、樹脂及び石英のいずれか一種である。本実施形態において、該基板はガラスからなる。
【００１９】
前記第二ステップにおいて、前記第一電極及び前記第二電極の厚さが、それぞれ１μｍ〜２ｍｍである。前記第一電極及び前記第二電極の間の距離が、５０μｍ〜１ｍｍである。前記第一電極及び前記第二電極は、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、静電塗装法、電気泳動法、リソグライフィー塗布法、紫外線硬化法などのいずれか一種により形成され得る。又は、前記基板の一つの表面に導電接着剤を塗布して、前記第一電極及び前記第二電極を前記基板に固定させることができる。
【００２０】
本実施形態において、前記第一電極及び前記第二電極は、スクリーン印刷法により前記基板に形成される。本実施形態の第二ステップは、導電性ペーストを提供する第一サブステップと、所定のパターンにより、前記基板の一つの表面に前記導電性ペーストを塗布する第二サブステップと、前記導電性ペーストを乾燥させて、前記第一電極及び前記第二電極を形成する第三サブステップと、を含む。
【００２１】
前記第一サブステップにおいて、前記導電性ペーストは、導電金属と、接着剤と、有機溶剤と、有機添加剤と、を含む。前記導電金属は、金、銀、銅などのいずれか一種である。前記接着剤は、無機結合剤、有機結合剤、低融点金属などのいずれか一種である。前記無機結合剤は、ガラス粉末と、シラン（ｓｉｌａｎｅ）と、水ガラスと、を含む。前記有機結合剤は、アクリル樹脂やエチレン樹脂などのファイバー樹脂を含む。前記導電性ペースト及び前記接着剤の重量比は、０．１：１０〜１０：１にされている。
【００２２】
前記有機結合剤は、接着付与剤（Ｔａｃｋｉｆｙｉｎｇ  Ａｇｅｎｔ）と、分散剤と、可塑剤と、界面活性剤と、を含む。前記分散剤は、シュウ酸ジエチル又はブチル・エーテルを含む。前記有機溶剤は、エタノール、グリコール、炭化水素、水などの溶剤のいずれか一種又はそれらの混合剤である。さらに、前記有機溶剤及び有機結合剤を添加することにより、前記導電性ペーストの特性、例えば、粘度、流動性、乾燥速度などを変更させることができる。前記スクリーン印刷工程において、前記有機溶剤及び有機結合剤の量を調整することができる。
【００２３】
本実施形態において、前記導電性ペーストは、７５％ｗｔの銀と、２１％ｗｔの接着剤と、３％ｗｔの低融点のガラス粉末と、２％ｗｔのエタノールと、を含む。前記接着剤は、エチルセルロースをテルピネオールに分散させて形成する溶剤である。例えば、三つのローラーを有する研磨機を利用して前記導電性ペーストを加工して、前記導電性ペーストにおける複数の成分を均一に分布させることができる。
【００２４】
前記第三ステップにおいて、空気の雰囲気又は酸化ガスの雰囲気において前記導電性ペーストを加熱させることができる。該加熱温度は、前記導電性ペーストの有機成分の多少に対応して調整できる。一般に、前記加熱温度は、６００℃以上である。前記加熱加工により、前記第一電極及び第二電極と、前記基板との間に、良好な機械的及び電気的な接続を形成することができる。
【００２５】
本実施形態において、前記第三ステップは、前記導電性ペーストを１０分間、２０℃から１２０℃まで加熱させて、前記導電性ペーストを１０分間、１２０℃で加熱させる第一サブステップと、前記導電性ペーストを３０分間、３５０℃まで加熱させる第二サブステップと、前記導電性ペーストを３０分間、４６０℃〜５８０℃まで加熱させる第三サブステップと、前記導電性ペーストを自然冷却させる第四サブステップと、を含む。前記第一サブステップにおいて、前記導電性ペーストにおけるテルピネオール及びエタノールを除去することができる。前記第二サブステップにおいて、セルロースを除去することができる。前記第三サブステップにおいて、前記導電性ペースト及び前記基板を緊密に結合することができる。前記第四サブステップにおいて、前記基板に前記第一電極及び第二電極を形成することができる。
【００２６】
前記第三ステップは、さらに、少なくとも一枚のカーボンナノフィルムを製造する第一サブステップと、前記すくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを前記第一電極及び第二電極に被覆させて、カーボンナノチューブ構造体を形成する第二サブステップと、を含む。
【００２７】
前記カーボンナノチューブフィルムは、次の工程により製造される。
【００２８】
第一工程では、カーボンナノチューブアレイを提供する。前記カーボンナノチューブは超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ  ａｒｒａｙ  ｏｆ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２）であることが好ましい。
【００２９】
本実施形態において、化学気相堆積（ＣＶＤ）法により前記カーボンナノチューブアレイを成長させる。まず、基材を提供する。該基材としては、Ｐ型又はＮ型のシリコン基材、又は表面に酸化物が形成されたシリコン基材が利用される。本実施形態において、厚さが４インチのシリコン基材を提供する。次に、前記基材の表面に触媒層を蒸着させる。該触媒層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金である。次に、前記触媒層が蒸着された前記基材を、７００〜９００℃、空気の雰囲気において３０〜９０分間アニーリングする。最後に、前記基材を反応装置内に置いて、保護ガスを導入すると同時に前記基材を５００〜７００℃に加熱して、５〜３０分間カーボンを含むガスを導入する。
【００３０】
これにより、高さが２００〜４００μｍの超配列カーボンナノチューブアレイが形成される。前記超配列カーボンナノチューブアレイは、相互に平行で基材に垂直に成長する複数のカーボンナノチューブからなる。前記カーボンナノチューブフィルムにおける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。該カーボンナノチューブフィルムにおける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、該カーボンナノチューブの直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍである。該カーボンナノチューブフィルムにおける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、該二層カーボンナノチューブの直径は１ｎｍ〜５０ｎｍである。該カーボンナノチューブフィルムにおける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、該多層カーボンナノチューブの直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍである。
【００３１】
本実施形態において、前記カーボンを含むガスはアセチレンなどの炭化水素であり、保護ガスは窒素やアンモニアなどの不活性ガスである。勿論、前記カーボンナノチューブアレイは、アーク放電法又はレーザー蒸発法により得られることができる。前記方法により、前記超配列カーボンナノチューブアレイにアモルファスカーボン又は触媒剤である金属粒子などの不純物が残らず、純粋なカーボンナノチューブアレイが得られる。
【００３２】
第二工程では、前記カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルムを引き出す。
【００３３】
まず、ピンセットなどの工具を利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。本実施形態において、一定の幅を有するテープを利用して複数のカーボンナノチューブの端部を持つ。次に、所定の速度で前記複数のカーボンナノチューブを引き出し、複数のカーボンナノチューブ束からなる連続のカーボンナノチューブフィルムを形成する。
【００３４】
前記複数のカーボンナノチューブを引き出す工程において、前記複数のカーボンナノチューブがそれぞれ前記基材から脱離すると、分子間力で前記カーボンナノチューブ束が端と端で接合され、連続のカーボンナノチューブフィルムが形成される。前記カーボンナノチューブフィルムは、所定の方向に沿って配列し、端と端で接合される複数のカーボンナノチューブからなる一定の幅を有するフィルムである。前記カーボンナノチューブフィルムは、均一な導電性及び均一な厚さを有する。このカーボンナノチューブフィルムの製造方法は、高効率で簡単であり、工業的に実用される。
【００３５】
前記第三ステップの第二サブステップは、次の方法により行われる。
【００３６】
第一方法では、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブを、第一電極から第二電極まで進む方向に沿って設置させるように、前記カーボンナノチューブフィルムを設置する。
【００３７】
第二方法では、複数のカーボンナノチューブフィルムを積み重ねてカーボンナノチューブ構造体を形成する。ここで、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、０°〜９０°の角度を成す。
【００３８】
第三方法では、支持部材を提供して、複数のカーボンナノチューブフィルムを前記支持部材に積み重ねて、所定の形状によってカーボンナノチューブフィルムを切って、有機溶剤で前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬させて、前記支持部材から前記カーボンナノチューブ構造体を取り外して、前記第一電極及び第二電極を被覆させる。ここで、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが、０°〜９０°の角度を成す。
【００３９】
前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが不純物を含まず、該カーボンナノチューブの比表面積が大きいので、該カーボンナノチューブフィルムが強い接着性を有する。従って、該カーボンナノチューブフィルムが直接前記第一電極及び前記第二電極に固定することができる。また、該カーボンナノチューブフィルムが導電性接着剤で前記第一電極及び前記第二電極に固定することができる。
【００４０】
実用の条件に応じて、有機溶剤を利用して前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬して処理することができる。前記有機溶剤は、メタノール、アルコール、アセトンである。本実施形態において、アルコールを利用して前記カーボンナノチューブ構造体を浸漬することにより、前記カーボンナノチューブ構造体は、該アルコールの表面張力作用で、強く前記第一電極及び第二電極の表面に接着されることができる。これにより、前記カーボンナノチューブ構造体と前記第一電極及び第二電極との接触面積が増加し、前記カーボンナノチューブ構造体と前記第一電極及び第二電極との間の接着性を高めることができる。
【００４１】
さらに、スパッタ法又は真空蒸着法により、前記カーボンナノチューブ構造体の表面に低仕事関数層（Ｌｏｗ−ｗｏｒｋ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）を形成することができる。前記低仕事関数層は、低温で熱電子放出素子から電子を放出させることができる材料、例えば、酸化トリウム又は酸化バリウムからなる。前記低仕事関数層における電子が前記電子放出素子における電子と比べて、より低い仕事関数を有し、低温で前記低仕事関数層から飛び出すことができる。
【００４２】
スクリーン印刷法、オフセット印刷法、静電塗装法、電気泳動法、リソグライフィー塗布法、紫外線硬化法などのいずれか一種により、前記第一電極及び第二電極の表面に、少なくとも一つの組み付け部品を設置することができる。前記組み付け部品を、前記カーボンナノチューブ構造体と、前記第一電極及び第二電極と、の間に設置することができる。
【００４３】
図２を参照すると、前記製造方法により得られた熱電子放出装置１０は、基板１２と、第一電極１４と、第二電極１６と、熱電子放出素子１８と、を含む。前記第一電極及び第二電極１６は、所定の距離で分離して、前記基板１２の一つの表面に設置されている。前記第一電極１４及び第二電極１６を電気的に接続させるように、前記熱電子放出素子１８を前記第一電極１４及び第二電極１６の間に設置する。このように設置されば、前記熱電子放出素子１８は、前記第一電極１４及び第二電極１６で前記基板１２の上方に懸架されている。前記前記熱電子放出素子１８はカーボンナノチューブ構造体を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係る熱電子放出素子の製造方法のフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態に係る製造方法によって製造された熱電子放出素子である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  熱電子放出装置
１２  基板
１４  第一電極
１６  第二電極
１８  熱電子放出素子
【図１】
0005199052.tif 000002
【図２】
0005199052.tif 000003