JP2011521427A - 電界放出素子のための同時に加工し得る光画像形成可能な銀組成物およびカーボンナノチューブ組成物ならびに方法 - Google Patents

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Abstract

本明細書には、電界放出素子中の電極およびエミッターを製造する方法および上記方法から形成された素子が記載される。電界放出素子中の電極およびエミッターの製造に有用な組成物もまた記載される。

Description

本発明は、電界放出素子のカソード電極およびエミッターの製造を改善するための、同時に加工され得る新規の光画像形成可能な銀ペースト組成物およびカーボンナノチューブ(CNT)ペースト組成物ならびに加工方法に関する。これらの組成物および方法は、FEDテレビおよびバックライティング用途に有用である。
電界放出電子源は、電界放出材料または電界エミッターと呼ばれることが多く、様々な電子用途(例えば、真空電子デバイス、コンピューターおよびテレビのフラットパネルディスプレイ、エミッションゲート増幅器(emission gate amplifier)ならびにバックライティング)に用いられ得る。
電子電界エミッターにおける針状炭素(例えば、カーボンナノチューブ)の使用を可能にする技術の改善に対する継続的な必要性が存在する。その製法において、導体電極およびエミッターは、別個の画像形成工程、現像工程、焼成工程により形成される。電極がITOで作られる場合、ITOは真空中でマスクパターンを通してスパッタされる。電極が銀で作られる場合は、まず、光画像形成可能な銀厚膜ペースト(例えば、DupontのFodel(登録商標))がスクリーン印刷され、乾かされ、光画像形成され、現像され、そして焼成される。次いで、CNTエミッターペーストが導体電極の上面に印刷され、乾かされ、画像形成され、現像され、そして焼成される。
プロセス工程数を最小限に抑え、製法を改善する必要性がある。本発明はこの必要性に応えるものである。
本発明は、FEDのカソード電極およびエミッターの形成のための新規の同時加工方法、ならびにその加工方法のための、同時に加工し得る光画像形成可能な銀組成物およびCNT組成物に関する。
本発明は、カーボンナノチューブを含む固形分を含有するスクリーン印刷可能なペーストとして使用するためのCNT組成物であって、カーボンナノチューブがペースト中の固形分の総重量の9重量%未満であるCNT組成物を包含する。一実施形態において、カーボンナノチューブはペースト中の固形分の総重量の5重量%未満である。さらなる実施形態において、カーボンナノチューブはペースト中の固形分の総重量の1重量%未満である。さらなる実施形態において、カーボンナノチューブはペースト中の固形分の総重量の約0.01重量%〜約2重量%である。上記組成物はまた、一実施形態において、0.1%〜6.5%、さらなる実施形態において、1.5〜4%の金属レジネートも含み得る。一実施形態において、この組成物は、本発明の新規プロセスを経る電子電界エミッターの製造に有用である。このようなエミッターは、調製の容易さおよび改善された加工条件という利点とともに、優れたエミッター均一性および放出特性を有する。
本発明はまた、銀金属粉末を含む固形分を含有する光画像形成可能なペーストとして使用するための銀組成物であって、銀金属粉末がペースト中の固形分の総重量の10〜80重量%である銀組成物を包含する。一実施形態において、銀金属粉末はペースト中の固形分の総重量の40〜70重量%の間である。一実施形態において、銀金属粉末はペースト中の固形分の総重量の約60重量%〜約68重量%である。この銀組成物は、光画像形成され、そして塩基性水溶液により現像されて、細いラインを形成し得る。この組成物は、本発明の新規プロセスを経るFEDカソード電極の製造に特に有用である。金属粉末は銀に限定されるわけではない。1種以上の他の金属(例えば、Au、Ni、Al、CuおよびPd)が、単独で、または組み合わせて、または銀と組み合わせて、または1種以上の他の金属と組み合わせて、銀の代わりに用いられ得る。
本発明はまた、CNT組成物および銀組成物を同時に加工してFEDのカソード電極および電子エミッターを形成する方法を包含する。
本明細書において開示される組成物および方法は、例えば、フラットパネルのコンピューター、テレビおよび他の種類のディスプレイ、真空電子デバイス、エミッションゲート増幅器、クライストロン、ならびに照明デバイスにおいて有用である。この製法は、フラットパネルディスプレイ用の大面積電子電界エミッターの製造、すなわちサイズが30インチ(76cm)より大きいディスプレイ用の電子電界エミッターの製造に特に有利である。このフラットパネルディスプレイは平らであっても湾曲していてもよい。
(A)〜(E)は、同時に画像形成し、同時に現像し、そして同時に焼成することにより銀カソード電極およびCNTエミッターを形成するための本発明の同時加工方法を図示したものである。 (A)〜(E)は、別個に画像形成し、同時に現像し、そして同時に焼成することにより銀カソード電極およびCNTエミッターを形成するための本発明の同時加工方法を図示したものである。 実施例3に開示される銀/CNTの二重層のN2焼成後の光学顕微鏡写真である。 実施例3に開示される、同時に加工されたCNT/銀の二重層により発せられた電子による蛍光体照明(phosphor illumination)の像である。 実施例5に開示されるような銀ライン上のCNTダッシュ(dash)の空気焼成後の光学顕微鏡写真である。 実施例5に開示される、別個に画像形成し、同時に現像し、同時に空気焼成した電界放出カソード部分により発せられた電子による蛍光体照明の像である。
FEDの改善された製法に対する必要性が存在する。参照により本明細書に援用される米国特許第7,276,844号明細書に示されているように、これまでに報告されたFEDの製造プロセスは、細い導体線およびCNTエミッターを得るために多くの工程を要している。そのプロセスにおいて、導体電極およびエミッターは別個の画像形成工程、現像工程および焼成工程により形成される。
本発明は、FEDのカソード電極およびエミッターの形成の同時加工方法に関する。本発明のさらなる局面は、この加工方法のための、同時に加工し得る光画像形成可能な銀組成物およびCNT組成物に関する。こうした方法および組成物を包含する本発明は、FED素子の製造の改善(製造工程数の削減を含む)という結果をもたらす。
本発明は、FEDのカソード電極およびエミッターの改善された形成プロセスに関する。本発明は、さらに、光画像形成可能な銀導体組成物およびCNT組成物の同時加工を包含するプロセスに関する。さらに本発明は、これらのプロセスにおいて有用な組成物に関する。
本発明の一実施形態は、FEDのカソード電極およびCNTエミッターを形成する方法に関する。この実施形態の一局面において、電極が形成され、次いで、その電極上にエミッターが形成され得る。本発明の一局面は、同時に画像形成し、同時に現像し、そして同時に焼成するプロセスによりFEDのカソード電極およびエミッターを作製するための、光画像形成可能な銀ペーストとCNTペーストの組み合わせに関する。一実施形態において、銀電極パターンとは異なるエミッターパターンが形成され得る。さらなる局面は、電極とエミッターとで異なるパターンを得るために用いられ得る、別個に画像形成し、同時に現像し、そして同時に焼成するプロセスに関する。本発明のさらなる実施形態は、本明細書に記載される方法において有用な、銀組成物、CNT組成物、およびその銀組成物とCNT組成物の組み合わせに関する。
図1は銀電極およびCNTエミッターを作製する方法における一連の工程を図示したものである。第1の工程において、光画像形成可能な銀ペースト(4)を基板(2)上にスクリーン印刷し、風乾させた。さらなる実施形態において、ペースト(4)は基板上にコーティングされ得る。一実施形態において、基板はガラスであり得る。第2の工程において、光画像形成可能なCNTペースト(6)を、乾燥した銀ペースト(4)の上面にスクリーン印刷し、風乾させた。さらなる実施形態において、CNTペーストは、銀ペーストを有した基板上にコーティングされ得る。第3の工程において、乾燥させたCNT/銀層上にフォトマスクを通してUV光を露光し、炭酸ナトリウム水溶液により現像した。他の現像溶液(例えば、NMPと水との混合物)は、当業者により認識される。最後の工程において、この現像された基板を焼成した。この焼成は、窒素雰囲気下、または空気中で行われ得る。
図2は、異なるパターンを有する銀電極およびCNTエミッターを作製する方法における一連の工程を図示したものである。第1の工程において、光画像形成可能な銀ペースト(4)を基板(2)上にスクリーン印刷し、風乾させた。次いで、第2に、銀電極パターンの第1のフォトマスクを用いて銀層(4)をUV放射に露光した。第3の工程において、光画像形成可能なCNTペースト(6)を、露光された基板(2)の上面にスクリーン印刷し、乾燥させた。第4の工程において、この基板(2)を第2のフォトマスクを通してUV光に露光し、炭酸ナトリウム水溶液により現像した。最後の工程において、この現像された基板を焼成した。この焼成は、窒素雰囲気下、または空気中で行われ得る。
一実施形態において、CNTエミッターペーストの電流焼成温度(current firing temperature)は、摂氏約500度未満であり得る。一実施形態において、レジネートまたは有機金属材料がCNT組成物に加えられ得る。一実施形態において、CNT組成物は光開始剤系を含み得る。
一実施形態において、銀ペーストは球状の銀粒子を含み得る。この銀粒子は界面活性剤でコーティングされていてもよいし、コーティングされていなくてもよい。一局面において、この銀粒子は結晶質であり得る。銀粒子の形状は限定されず、例えば、少し歪であるか、完全な球形であるか、またはその中間であり得る。一実施形態において、銀の粒径は0.1〜10ミクロンの間であり得る。さらなる実施形態において、この粒径は0.5〜5ミクロンの間であり得る。
本明細書において用いられる針状炭素は、様々な種類のもの(例えば、カーボンナノチューブまたは薄層カーボンナノチューブなど)であり得る。一実施形態において、個々の薄層カーボンナノチューブは、例えば2〜4層の層を有し得る。
基板はペースト組成物を付着させるものであればどんな物質でもよい。ペーストが非導電性で、かつ非導電性の基板が用いられる場合は、カソード電極として機能し、針状炭素への電圧印加および電子供給の手段を提供するような導体のフィルムが含まれ得る。一実施形態において、シリコン、ガラス、金属または耐火材料(例えば、アルミナ)が基板となり得る。一実施形態において、ディスプレイ用途における基板はガラスであり得る。さらなる局面において、このガラスはソーダ石灰ガラスであり得る。
一実施形態において、スクリーン印刷に用いられる光パターニング用エミッターペーストには、針状炭素と、光開始剤系、水性現像可能なバインダーポリマー(aqueous developable binder polymer)および光硬化性モノマーを含む光画像形成可能な有機媒体と、溶媒と、界面活性剤と、低軟化点のガラスフリット、金属粉末もしくは金属粉塗料のいずれかまたはそれらの混合物とが含まれ得る。このペーストはまた、金属レジネート、またはレジネートの混合物も含み得る。
本明細書に記載される銀導体ペーストおよびCNTエミッターペーストは、例えば、銀もしくは針状炭素と、有機媒体と、界面活性剤と、溶媒と、低軟化点のガラスフリット、金属粉末もしくは金属粉塗料のいずれかまたはそれらの混合物との混合物を、三本ロール練り機で練ることにより調製され得る。
光画像形成可能なカーボンナノチューブペーストの使用を例示するいくつかの実施例が米国特許第7,276,844号明細書に記載されており、この米国特許明細書は参照により本明細書に援用される。また、光画像形成可能な銀導体ペーストの使用のいくつかの実施例が米国特許第7,135,267号明細書に記載されており、この米国特許明細書は参照により本明細書に援用される。
I.カーボンナノチューブ
所望の放出性能をもたらすカーボンナノチューブが企図される。一実施形態において、それらは単層、多層、または、例えば2〜4層であり得る。
II.銀粒子
一実施形態において、銀ペーストは球状の銀粒子を含み得る。この銀粒子は界面活性剤でコーティングされていてもよいし、コーティングされていなくてもよい。一局面において、この銀粒子は結晶質であり得る。銀粒子の形状は限定されず、例えば、少し歪であるか、完全な球形であるか、またはその中間であり得る。一実施形態において、銀の粒径は0.1〜10ミクロンの間であり得る。さらなる実施形態において、この粒径は0.5〜5ミクロンの間であり得る。一実施形態において、導電性粒子の表面積/重量の比は20m2/g未満であり得る。
III.有機媒体
一実施形態において、上記有機媒体は、組成物の微細固形分の分散のためのビヒクルとして機能し得る。この分散体はガラスまたは他の基板に容易に塗布され得るような形態にあり得る。本発明において有用な有機媒体は、当業者により認識される。例示的な媒体組成物を表3に示す。この媒体の主要成分を次に記す。
A.ポリマー
一実施形態において、上記ポリマーは、水性現像能(aqueous developability)を有し、高解像力をもたらし得る。このポリマーは、コポリマー、インターポリマー、またはそれらの混合物でできたものであり得、各コポリマーまたはインターポリマーは、(1)C1〜10アルキルアクリレート、C1〜10アルキルメタクリレート、スチレン、置換スチレン、またはそれらの組み合わせを含む非酸性コモノマーと、(2)エチレン性不飽和カルボン酸含有部分を含む酸性コモノマーとを含む。ビニル基の例としては、メタクリレート基およびアクリレート基が挙げられるが、これらに限定されない。コポリマー、インターポリマーまたはそれらの混合物は、総ポリマー重量の少なくとも10重量%の酸分を有し、50〜150℃のガラス転移温度、ならびに2,000〜25,000の範囲およびその範囲内に含まれるあらゆる範囲にある重量平均分子量を有する。
一実施形態において、酸性コモノマーの酸性官能基は、塩基水溶液(例えば、0.4〜2.0%の炭酸ナトリウムの水溶液)中で現像される能力をもたらし得る。酸性コモノマーが10%未満の濃度で含まれる場合には、組成物が塩基水溶液で完全に洗い流されないことがあり得る。酸性コモノマーーが30%より高い濃度で含まれる場合には、組成物は現像条件下での耐性を低下させ得、画像部分において部分的な現像が起こる。企図される酸性コモノマーとしては、エチレン性不飽和モノカルボン酸(例えば、アクリル酸、メタクリン酸またはクロトン酸)、ならびにエチレン性不飽和ジカルボン酸(例えば、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸、ビニルコハク酸およびマレイン酸)およびそれらのへミエステル、ならびに、場合によっては、それらの無水物およびそれらの混合物が挙げられる。一実施形態において、メタクリルポリマーが用いられ得る。
上述のように非酸性コモノマーがアルキルアクリレートまたはアルキルメタクリレートである場合の一実施形態において、これらの非酸性コモノマーは、ポリマーバインダーの約50重量%を上回り得る。さらなる実施形態において、非酸性コモノマーは、ポリマーバインダーの70〜75重量%であり得る。非酸性コモノマーがスチレンまたは置換スチレンである場合の一実施形態において、これらの非酸性コモノマーは、ポリマーバインダーの約50重量%であり得、その他の約50重量%は酸無水物(例えば、無水マレイン酸のへミエステル)であり得る。例示の非限定的な置換スチレンは、α−メチルスチレンである。
一実施形態において、ポリマーバインダーの非酸性部分は、このポリマーのアルキルアクリレート、アルキルメタクリレート、スチレンまたは置換スチレン部分の代わりとして約50重量%未満の他の非酸性コモノマーを含み得る。例としては、アクリロニトリル、酢酸ビニルおよびアクリルアミドが挙げられる。上記のコポリマーに加え、少量の他のポリマーバインダーの添加もまた企図される。非限定的な例としては、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリイソブチレン、およびエチレン−プロピレンコポリマー)、ポリビニルアルコールポリマー(PVA)、ポリビニルピロリドンポリマー(PVP)、ビニルアルコールおよびビニルピロリドンのコポリマー、ならびに低級アルキレンオキシドポリマー(例えば、ポリエチレンオキシド)であるポリエーテルが挙げられる。
ポリマーバインダーの重量平均分子量は、一実施形態において、2,000〜250,000の範囲およびその範囲内に含まれるあらゆる範囲にあり、さらなる実施形態において、5,000〜10,000である。
組成物中の全ポリマーは、一実施形態において、全組成物に基づき5〜70重量%の範囲およびその範囲内に含まれるあらゆる範囲にあり得、さらなる実施形態において、全組成物に基づき20〜40%の範囲およびその範囲内に含まれるあらゆる範囲にあり得る。
B.光硬化性モノマー
従来の光硬化性メタクリレートモノマーが、本明細書に記載される組成物に必要に応じて加えられる添加剤である。一実施形態において、モノマー成分は、乾燥した光重合性層の総重量に基づき1〜20重量%の量で含まれ得る。非限定的な例示のモノマーとしては、t−ブチルアクリレートおよびメタクリレート、1,5−ペンタンジオールジアクリレートおよびジメタクリレート、N,N−ジエチルアミノエチルアクリレートおよびメタクリレート、エチレングリコールジアクリレートおよびジメタクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレートおよびジメタクリレート、ジエチレングリコールジアクリレートおよびジメタクリレート、ヘキサメチレングリコールジアクリレートおよびジメタクリレート、1,3−プロパンジオールジアクリレートおよびジメタクリレート、デカメチレングリコールジアクリレートおよびジメチルアクリレート、1,4−シクロヘキサンジオールジアクリレートおよびジメタクリレート、2,2−ジメチロールプロパンジアクリレートおよびジメタクリレート、グリセロールジアクリレートおよびジメタクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレートおよびジメタクリレート、グリセロールトリアクリレートおよびトリメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレートおよびトリメタクリレート、ペンタエリトリトールトリアクリレートおよびトリメタクリレート、ポリオキシエチル化トリメチロールプロパントリアクリレートおよびトリメタクリレートおよび参照により本明細書に援用される米国特許第3,380,831号明細書に開示される類似の化合物、2,2−ジ(p−ヒドロキシフェニル)−プロパンジアクリレート、ペンタエリトリトールテトラアクリレートおよびテトラメタクリレート、2,2−ジ−(p−ヒドロキシフェニル)−プロパンジメタクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、ポリオキシエチル−2,2−ジ−(p−ヒドロキシフェニル)プロパンジメタクリレート、ビスフェノール−Aのジ−(3−メタクリルオキシ−2−ヒドロキシプロピル)エーテル、ビスフェノール−Aのジ−(2−メタクリルオキシエチル)エーテル、ビスフェノール−Aのジ−(3−アクリルオキシ−2−ヒドロキシプロピル)エーテル、ビスフェノール−Aのジ−(2−アクリルオキシエチル)エーテル、1,4−ブタンジオールのジ−(3−メタクリルオキシ−2−ヒドロキシプロピル)エーテル、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリオキシプロピルトリメチロールプロパントリアクリレート、ブチレングリコールジアクリレートおよびジメタクリレート、1,2,4−ブタントリオールトリアクリレートおよびトリメタクリレート、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールジアクリレートおよびジメタクリレート、1−フェニルエチレン−1,2−ジメタクリレート、ジアリルフマレート、スチレン、1,4−ベンゼンジオールジメタクリレート、1,4−ジイソプロペニルベンゼン、ならびに1,3,5−トリイソプロペニルベンゼンが挙げられる。少なくとも300の重量平均分子量を有するエチレン性不飽和化合物(例えば、炭素が2〜15個のアルキレングリコールもしくはエーテル結合が1〜10個のポリアルキレンエーテルグリコールから調製されるアルキレンまたはポリアルキレングリコールジアクリレート)、および参照により本明細書に援用される米国特許第2,927,022号明細書に開示されているエチレン性不飽和化合物(例えば、特に末端結合として存在する場合の複数のフリーラジカル重合性エチレン結合を有するエチレン性不飽和化合物)もまた企図される。非限定的な例示のモノマーとしては、ポリオキシエチル化トリメチロールプロパントリアクリレート、エチル化ペンタエリトリトールトリアクリレート、ジペンタエリトリトールモノヒドロキシペンタアクリレート、および1,10−デカンジオールジメタクリレートが挙げられる。
C.光開始系
適切な光開始系は、周囲温度にて化学線に曝されるとフリーラジカルを生ずる系である。具体的な光開始剤系成分であるIrgacure 907とDETX Speedcureとの組み合わせが企図されており、それらは他の成分よりも有利であることが示された。
一実施形態において、DETXは、CNTペースト組成物の1〜7重量%であり得る。さらなる実施形態において、DETXは、CNTペースト組成物の3〜5重量%であり得る。さらなる実施形態において、DETXは、CNTペースト組成物の2.5〜4.0重量%であり得る。
一実施形態において、Irgacure 907は、CNTペースト組成物の2〜14重量%であり得る。さらなる実施形態において、Irgacure 907は、CNTペースト組成物の6〜12重量%であり得る。さらなる実施形態において、Irgacure 907は、CNTペースト組成物の8〜10重量%であり得る。
一実施形態において、Irgacure 907対DETXの比は1以上6以下であり得る。さらなる実施形態において、Irgacure 907対DETXの比は2〜4であり得る。さらなる実施形態において、Irgacure 907対DETXの比は約3であり得る。
モノマーの例としては、1つの共役炭素環式環系中に2つの環内炭素原子を有する化合物である置換または非置換多核キノン(例えば、2−ベンジル−2−(ジメチルアミノ)−1−(4−モルホリノフェニル)−1−ブタノン、2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン、9,10−アントラキノン、2−メチルアントラキノン、2−エチルアントラキノン、2−t−ブチルアントラキノン、オクタメチルアントラキノン、1,4−ナフトキノン、9,10−フェナントレンキノン、ベンズ(a)アントラセン−7,12−ジオン、2,3−ナフタセン−5,12−ジオン、2−メチル−1,4−ナフトキノン、2,4−ジエチル−9H−チオキサンテン−9−オン、1,4−ジメチル−アントラキノン、2,3−ジメチル−アントラキノン、2−フェニルアントラキノン、2,3−ジフェニルアントラキノン、レテンキノン、7,8,9,10−テトラヒドロナフタセン−5,12−ジオン、2−メチル−1−[−(メチルチオ)フェニル]−2−(4−モルホリニル)−1−プロパノン、および1,2,3,4−テトラヒドロベンズ(a)アントラセン−7,12−ジオン)が挙げられる。同様に企図される他の光開始剤としては、参照により本明細書に援用される米国特許第2,760,863号明細書に記載されているものがあり、ビシナルケトアルドニルアルコール(例えば、ベンゾイン、ピバロイン)、アシロインエーテル(例えば、ベンゾインメチルおよびエチルエーテル);α−炭化水素置換芳香族アシロイン(α−メチルベンゾイン、α−アリルベンゾインおよびα−フェニルベンゾインを包含する)、チオキサントンおよび/またはチオキサントン誘導体、ならびに適切な水素供与体が挙げられる。非限定的な例示の開始剤としては、参照により本明細書に援用される米国特許第2,850,445号明細書、米国特許第2,875,047号明細書、米国特許第第3,097,096号明細書、米国特許第3,074,974号明細書、米国特許第3,097,097号明細書および米国特許第3,145,104号明細書に開示される光還元性染料および還元剤、フェナジン類、オキサジン類およびキノン類の染料、ならびに参照により本明細書に援用される米国特許第3,427,161号明細書、米国特許第3,479,185号明細書および米国特許第3,549,367号明細書に記載されるようなミヒラーのケトン、ベンゾフェノン、水素供与体(ロイコ染料を包含する)との2,4,5−トリフェニルイミダゾリルダイマー、およびそれらの混合物が挙げられる。参照により本明細書に援用される米国特許第4,162,162号明細書に開示される増感剤もまた、光開始剤および光阻害剤(photoinhibitor)と共に用いるものとして企図される。光開始剤または光開始剤系は、乾燥した光重合性層の総重量に基づき0.05〜10重量%で含まれる。
D.溶媒
一実施形態において、有機媒体は溶媒の混合物であり得、その溶媒成分は、溶媒へのポリマーおよび他の有機成分の溶解を達成するように当業者により選択され得る。溶媒は、組成物のその他の構成成分に対して不活性(非反応性)であり得る。スクリーン印刷可能であり光画像形成可能なペースト用には、この溶媒は、大気圧にて比較的低いレベルの熱を加えることにより溶媒が分散体からエバポレートされ得るのに十分なほどの高い揮発性を有し得る。一実施形態において、溶媒は、印刷過程においてペーストが通常の室温にてスクリーン上で急速に乾いてしまうほどの揮発性はなくてよい。ペースト組成物に用いる溶媒は、一実施形態において、大気圧にて300℃未満、さらなる実施形態において、250℃未満の沸点を有し得る。非限定的な例示の溶媒としては、脂肪族アルコール、そのようなアルコールのエステル(例えば、酢酸エステルおよびプロピオン酸エステル);テルペン(例えば、パイン油およびα−もしくはβ−テルピネオールまたはそれらの混合物);エチレングリコールおよびそのエステル(例えば、エチレングリコールモノブチルエーテルおよびブチルセロソルブアセタート);カルビトールエステル(例えば、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセタートおよびカルビトールアセタート)、および他の適切な溶媒(例えば、Texanol(登録商標)(2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノイソブチレート))が挙げられる。キャスティングテープ(casting tape)用には、この溶媒は、スクリーン印刷可能なペーストに用いられる溶媒よりも低い沸点を有し得る。そのような溶媒としては、エチルアセタート、メタノール、イソプロパノール、アセトン、キシレン、エタノール、メチルエチルケトン、およびトルエンが挙げられる。
E.他の添加剤
一実施形態において、有機媒体はまた、1種以上の可塑剤も含み得る。種々のバインダー系において用いられてきた可塑剤を挙げると、フタル酸ジエチル、フタル酸ジブチル、フタル酸ブチルベンジル、フタル酸ジベンジル、リン酸アルキル、ポリアルキレングリコール、グリセロール、ポリ(エチレンオキシド)、ヒドロキシエチル化アルキルフェノール、リン酸トリクレシルトリエチレングリコールジアセタート、およびポリエステル可塑剤がある。当該技術分野において公知の追加の成分(分散剤、安定剤、離型剤、分散助液、剥離剤、消泡剤および湿潤剤を包含する)が、組成物に含まれ得る。例示の非限定的な材料の一般的な開示が、参照により本明細書に援用される米国特許第5,049,480号明細書中に在る。
本発明の組成物は、厚膜技術分野の当業者に知られる焼成プロファイルを用いることにより加工され得る。有機媒体の除去および無機材料の焼結は、この焼成プロファイルに依存し得る。
IV.方法
一実施形態は、電界放出素子中の電極およびエミッターを製造する方法であって、(a)基板上に光画像形成可能な導電性組成物を印刷する工程、(b)この導電性組成物上に光画像形成可能なCNT組成物を印刷する工程、(c)印刷された基板をUV光に露光する工程、(d)露光された基板を現像する工程、および(e)現像された基板を焼成する工程を含む方法に関する。
さらなる実施形態は、電界放出素子中の電極およびエミッターを製造する方法であって、(a)基板上に光画像形成可能な導電性組成物を印刷する工程、(b)印刷された基板をUV光に露光する工程、(c)この導電性組成物上に光画像形成可能なCNT組成物を印刷する工程、(d)印刷された基板をUV光に露光する工程、(e)露光された基板を現像する工程、および(f)現像された基板を焼成する工程を含む方法に関する。
本発明の方法の非限定的な実施形態は、次のように記載される。本発明において記載される銀導体組成物またはペーストは、スクリーン印刷法またはコーティング法のいずれかによって基板上に塗布され得る。一局面において、上記組成物またはペーストは、大面積基板に塗布され得る。この基板は、4つの40インチテレビのパネルの作製に用いられるのに十分なほど大きいものであり得る。上記組成物またはペーストが、スクリーン印刷法または他のコーティング法により塗布され得る。次いで、銀導体ペーストは、標準的な乾燥条件を用いて基板上で乾かされ得る。必要に応じ、一実施形態においては本方法のこの段階で、フォトマスクが銀導体ペーストに当てられ、ペーストがUVに露光され得る。
次いで、CNTペースト組成物が、乾燥させた銀導体ペーストの上面に塗布され得る。この組成物またはペーストは、スクリーン印刷法または他のコーティング法により塗布され得る。このCNTペーストは、次いで、標準的な乾燥条件を用いて基板上で乾かされ得る。乾燥後、乾燥させたCNT組成物層の上面に、所望のパターンを有するフォトマスクが乗せられ得る。一実施形態において、フォトマスクはCNT表面に直接当てられ得る。さらなる実施形態において、フォトマスクとCNT表面の間に空気間隙が存在し得る。
次いで、CNT組成物層および銀組成物層は、フォトマスクの開口部を通るUV光に露光され得る。露光すると、露光された組成物層が硬化し、現像段階後に顕在化するパターンを形成する。
一実施形態において、UV露光エネルギーは75mJ/cm2を上回り得る。一実施形態において、UV露光エネルギーは75〜500mJ/cm2であり得る。さらなる実施形態において、UV露光エネルギーは75〜300mJ/cm2であり得る。さらなる実施形態において、UV露光エネルギーは100〜200mJ/cm2であり得る。UV露光エネルギーが不十分であると、露光された領域が現像段階中に除去されてしまう。UV露光エネルギーが過大であると、十分なライン解像度が得られなかった。
次いで、次の段階において、各層は溶液中で現像され得る。一実施形態において、この溶液は塩基性であり得、この実施形態の一局面において、溶液は水性であるか、または溶媒ベースであり得る。さらなる局面において、溶液は、炭酸ナトリウム現像水溶液であり得る。露光されていない部分が現像の間に除去され、露光された部分が残る。露光された部分は、フォトマスクおよび露光パターンの選択の結果としてもたらされる所望のパターンで残る。
次いで、基板上の導体/エミッターは焼成段階である。焼成は、空気中または窒素中で行われ得る。一実施形態において、焼成は350℃と550℃の間であり得る。さらなる実施形態において、焼成は400℃と500℃の間であり得る。さらなる実施形態において、焼成は420℃と480℃の間であり得る。焼成が窒素中で行われる実施形態の一局面において、焼成は550℃を上回り得る。
試料の調製および加工
光画像形成可能な導電性ペーストおよびエミッターペーストを、それぞれ、銀またはカーボンナノチューブの粉末と有機媒体とを一緒に三本ロール練り機で練ることにより調製した。これらのペーストを、325〜400メッシュのステンレス鋼スクリーンを用いることにより、基板上にスクリーン印刷した。他の周知のスクリーン印刷技術が企図されている。次いで、スクリーン印刷されたペーストを、フォトマスクを通して光パターンニングして潜像を形成した。次いで、このパターニングされたペーストを、炭酸ナトリウム水溶液、または所望の導体/エミッターもしくはペーストパターンのための有機溶媒もしくは溶媒混合物(例えば、N−メチル−2−ピロリドン(すなわちNMP)と水との混合物)により現像した。次いで、この導体/エミッターを、約350℃〜約490℃の温度で焼成した。
実施例1
表1に示した組成を有する銀ペーストを、2インチ×3インチのガラス基板上に印刷し、80℃にて40分間乾燥させると6.2ミクロンの厚さとなった。表2に示した組成を有するCNTペーストIを、上記の乾燥した銀ペーストの上面に印刷し、80℃にて20分間乾燥させると、合わせた銀層およびCNT層の全体で11.8ミクロンの厚さとなった。印刷された基板を標準的なFodelテストフォトマスクを通して400mJ/cm2にて露光し、0.5重量%炭酸ナトリウム水溶液により27秒間現像した結果、20ミクロン幅のライン(すなわち、20ミクロンのラインアンドスペース解像度)を得た。
実施例2
表1に示した組成を有する銀ペーストを、2インチ×3インチのガラス基板上に印刷し、80℃にて40分間乾燥させると6.4ミクロンの厚さとなった。表2に示した組成を有するCNTペーストIIを、上記の乾燥した銀ペーストの上面に印刷し、80℃にて20分間乾燥させると、合わせた銀層およびCNT層の全体で12.0ミクロンの厚さとなった。印刷された基板を標準的なFodelテストフォトマスクを通して400mJ/cm2にて露光し、0.5重量%炭酸ナトリウム水溶液により44秒間現像した結果、70ミクロン幅のライン(すなわち、70ミクロンのラインアンドスペース解像度)を得た。
実施例3
表5に示した組成を有する光画像形成可能なAgペーストの3cm×3cmの小片を、325メッシュのスクリーンを用いて2インチ×2インチのソーダ石灰ガラス上に印刷し、80℃にて30分間乾燥させると7.0ミクロンの厚さとなった。表1に示した組成を有する光画像形成可能なCNTペーストIIの2.4cm×2.4cmの小片を、上記の乾燥した銀ペーストの上面に印刷して中央に位置させ、80℃にて15分間乾燥させると、合わせた銀層およびCNT層の全体で13.0ミクロンの厚さとなった。CNT層に接するようにしてフォトマスクを当てた。印刷された基板を、200/100ミクロンのライン/スペースのフォトマスクを通してUV放射に120mJ/cm2にて露光した。次いで、この露光された基板を、0.5重量%炭酸ナトリウム水溶液の45秒間の噴霧により現像した結果、CNT/銀の二重層の200ミクロン幅のラインを得た。現像された基板を、箱形炉において400℃にて20分間空気焼成し、N2雰囲気のベルト炉において515℃にし、ピーク温度にて20分間焼成した。図3は、N2焼成後のCNT/銀の二重層の光学顕微鏡写真を示している。
次いで、一片の接着テープを、焼成されたCNT/銀の二重層上に貼り付け、続いてこれを取り除いた。一般に「活性化」、「テープ活性化」または「テープ活性化する」と言い表されるこの処理は、フィルム表面を破壊し、CNTフィラメントを基板表面から露出させ、引き出して、電子電界放出を飛躍的に向上させることで知られている。この活性化処理は、参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2002/0074932号明細書に詳細に開示された処理である。次いで、焼成され、活性化された部分をカソードとして用いることにより、ダイオード電界放出素子を組み立てた。このカソードと向かい合わせに、蛍光体コーティングを有するITOコーティングされたガラス基板からなるアノードプレートを取り付けた。1mm厚の絶縁スペーサーを用いて、カソード基板とアノード基板の間に一定の間隔を維持した。銀塗料および銅テープを用いてカソード電極およびアノード電極への電気的接触を作り、このダイオード素子を完成させた。この素子を、1×10-5トル未満の圧力にまで排気した真空チャンバー中に取り付けた。60Hzの繰返し数および60μsのパルス幅を有するパルス方形波を、アノード電極に印加した。カソード電極を大地電位にて維持した。2.5kVのアノード電圧で200μAのアノード電流が得られた。この素子により発せられた電子による蛍光体照明の像を図4に示す。
実施例4
表5に示した組成を有する光画像形成可能なAgペーストの3cm×3cmの小片を、325メッシュのスクリーンを用いて2インチ×2インチのソーダ石灰ガラス上に印刷し、80℃にて30分間乾燥させると7.0ミクロンの厚さとなった。表6に示した組成を有する光画像形成可能なCNTペーストIIIの2.4cm×2.4cmの小片を、上記の乾燥した銀ペーストの上面に印刷して中央に位置させ、80℃にて15分間乾燥させると、合わせた銀層およびCNT層の全体で13.0ミクロンの厚さとなった。CNT層に接するようにしてフォトマスクを当てた。印刷された基板を、200/100ミクロンのライン/スペースのフォトマスクを通してUV放射に200mJ/cm2にて露光した。次いで、この露光された基板を、0.5重量%炭酸ナトリウム水溶液の45秒間の噴霧により現像した結果、CNT/銀の二重層の200ミクロン幅のラインを得た。現像された基板を、空気雰囲気のベルト炉において490℃にし、ピーク温度にて20分間焼成した。焼成された基板を、実施例3に記載されたようにテープ活性化し、ダイオード電界放出素子のカソードとして用いた。この同時に画像形成され、同時に現像され、そして同時に空気焼成された部分を実施例3において用いた同じ条件下で試験すると、2.5kVのパルスアノード電圧で150μAの放出電流が得られた。
実施例5
表5に示した組成を有する光画像形成可能なAgペーストの3cm×3cmの小片を、325メッシュのスクリーンを用いて2インチ×2インチのソーダ石灰ガラス上に印刷し、80℃にて30分間乾燥させると7.0ミクロンの厚さとなった。この銀層に接するようにしてフォトマスクを当てた。まず、乾燥させた銀層を、200/100ミクロンのライン/スペースのフォトマスクを通してUV放射に200mJ/cm2にて露光した。表6に示した組成を有する光画像形成可能なCNTペーストIIIの2.4cm×2.4cmの小片を、上記した乾燥させ、露光させた銀ペーストの上面に印刷して中央に位置させ、80℃にて15分間乾燥させると、合わせた銀層およびCNT層の全体で13.0ミクロンの厚さとなった。CNT層に接するようにしてフォトマスクを当てた。印刷された基板を、150×750μmのダッシュからなるダッシュラインパターンの別のフォトマスクを通して再度UV放射に200mJ/cm2にて露光した。次いで、この露光された基板を、0.5重量%炭酸ナトリウム水溶液の45秒間の噴霧により現像した結果、200ミクロン幅の銀ライン上にCNTエミッターの150×750μmのダッシュを得た。図5は、空気焼成後の銀ライン上のCNTダッシュの光学顕微鏡写真を示している。現像された基板を、空気雰囲気のベルト炉において490℃にし、ピーク温度にて20分間焼成した。焼成された基板をテープ活性化し、ダイオード電界放出素子のカソードとして用いた。この別個に画像形成され、同時に現像され、そして同時に空気焼成された部分を実施例3において用いた同じ条件下で試験すると、2.5kVのパルスアノード電圧で50μAの放出電流が得られた。図6は、実施例5に開示された別個に画像形成され、同時に現像され、そして同時に空気焼成された電界放出カソード部分により発せられた電子による蛍光体照明の像を示している。
比較実施例1
表1に示した組成を有する銀ペーストを、2インチ×3インチのガラス基板上に印刷し、80℃にて40分間乾燥させると6.4ミクロンの厚さとなった。表2に示した組成を有するCNTペーストIIを、上記の乾燥した銀ペーストの上面に印刷し、80℃にて20分間乾燥させると、合わせた銀層およびCNT層の全体で12.0ミクロンの厚さとなった。印刷された基板を標準的なFodelテストフォトマスクを通して50mJ/cm2にて露光し、0.5重量%炭酸ナトリウム水溶液により44秒間現像した。露光された部分は硬化せず、現像の間に完全に除去された。
比較実施例2
表1に示した組成を有する銀ペーストを2インチ×3インチのガラス基板上に印刷し、80℃にて40分間乾燥させると6.4ミクロンの厚さとなった。表2に示した組成を有するCNTペーストIIを、上記の乾燥した銀ペーストの上面に印刷し、80℃にて20分間乾燥させると、合わせた銀層およびCNT層の全体で12.0ミクロンの厚さとなった。印刷された基板を標準的なFodelテストフォトマスクを通して800mJ/cm2にて露光し、0.5重量%炭酸ナトリウム水溶液により44秒間現像した。十分なライン解像度が得られなかった。現像されたラインの間の間隔が狭すぎ、剥離したラインもあった。
実施例の材料の用語解説
Figure 2011521427
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Figure 2011521427
Figure 2011521427
溶媒I:α−テルピネオール、DRT(France)から購入。
溶媒II:Texanol(登録商標)、Eastman Chemicalsから購入。
ポリマーA:80重量%のメタクリル酸メチルと20重量%のメタクリル酸とのコポリマー、重量平均分子量Mw=約7,000、酸価=約125、Noveonから購入。
ポリマーB:ビニルピロリドンと酢酸ビニルとのコポリマー、ISPのS630。

光開始剤I:Irgacure 907、2−メチル−1−[−(メチルチオ)フェニル]−2−(4−モルホリニル)−1−プロパノン、Ciba Specialty Chemicalsから購入。
光開始剤II:DETX、2,4−ジエチル−9H−チオキサンテン−9−オン、Aceto CorporationのDETX speedcure。
光開始剤III:Irgacure 651、Ciba Specialty Chemicalsから購入。
光開始剤IV:Irgacure 369、Ciba Specialty Chemicalsから購入。
TAOBN:DuPontによる1,4,4−トリメチル−2,3−ジアザビシクロ[3,2,2]−ノナ−2−エン−N,N'−ジオキシド。
カーボンナノチューブ(CNT):薄層カーボンナノチューブ、CNIから購入。
アルミナ:アルミナAKP−20(D50=0.5ミクロン)、住友化学(Sumitomo Chemicals)から購入。
モノマーI:SB510E35、アクリレートモノマー/オリゴマー混合物、Sartomerから購入。
モノマーII:SR−454D、トリメチロールプロパンエトキシトリアクリレート、Sartomerから購入。
モノマーIII:LR8967、BASFから購入。
マロン酸(Malnonic acid):Aldrich Chemicalsから購入。
界面活性剤:ポリ(アルファメチルシロキサン)、BYK−Chemieから購入。
銀粉:Ferro 7000−7、Ferroから購入。
ガラスフリット:BT26025、Yamamoru Glassから購入。

Claims (14)

  1. 電界放出素子中の電極およびエミッターを製造する方法であって、
    (a)基板上に光画像形成可能な導電性組成物を印刷する工程、
    (b)前記導電性組成物上に光画像形成可能なカーボンナノチューブ(CNT)組成物を印刷する工程、
    (c)印刷された前記基板をUV光に露光する工程
    (d)露光された前記基板を現像する工程、および
    (e)現像された前記基板を焼成する工程
    を含む、方法。
  2. 前記光画像形成可能なCNT組成物が、CNT、アクリレートモノマー/オリゴマーブレンド、トリメチロールプロパンエトキシトリアクリレート、2−メチル−1−[−(メチルチオ)フェニル]−2−(4−モルホリニル)−1−プロパノンおよび2,4−ジエチル−9H−チオキサンテン−9−オンを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記2,4−ジエチル−9H−チオキサンテン−9−オンが、前記CNTペーストの1〜7重量%であり、前記2−メチル−1−[−(メチルチオ)フェニル]−2−(4−モルホリニル)−1−プロパノンが、前記CNTペーストの2〜14重量%である、請求項2に記載の方法。
  4. 2−メチル−1−[−(メチルチオ)フェニル]−2−(4−モルホリニル)−1−プロパノン対2,4−ジエチル−9H−チオキサンテン−9−オンの比が、2、4、または2と4の間である、請求項3に記載の方法。
  5. CNT、アクリレートモノマー/オリゴマー混合物、トリメチロールプロパンエトキシトリアクリレート、2,4−ジエチル−9H−チオキサンテン−9−オン、および2−メチル−1−[−(メチルチオ)フェニル]−2−(4−モルホリニル)−1−プロパノンを含む光画像形成可能なCNT組成物であって、前記2,4−ジエチル−9H−チオキサンテン−9−オンが、前記CNTペーストの1〜7重量%であり、前記2−メチル−1−[−(メチルチオ)フェニル]−2−(4−モルホリニル)−1−プロパノンが、前記CNTペーストの2〜14重量%である、組成物。
  6. 2−メチル−1−[−(メチルチオ)フェニル]−2−(4−モルホリニル)−1−プロパノン対2,4−ジエチル−9H−チオキサンテン−9−オンの比が、2、4、または2と4の間である、請求項5に記載の組成物。
  7. 前記CNTが、前記ペースト中の固形分の総重量の0.01重量%〜約2重量%である、請求項5に記載の組成物。
  8. 前記組成物が、金属レジネートをさらに含む、請求項5に記載の組成物。
  9. 前記金属レジネートが、前記ペースト中の固形分の総重量の1.5〜4重量%である、請求項8に記載の組成物。
  10. 電界放出素子中の電極およびエミッターを製造する方法であって、
    (a)基板上に光画像形成可能な導電性組成物を印刷する工程、
    (b)印刷された前記基板をUV光に露光する工程、
    (c)前記導電性組成物上に光画像形成可能なCNT組成物を印刷する工程、
    (d)印刷された前記基板をUV光に露光する工程、
    (e)露光された前記基板を現像する工程、および
    (f)現像された前記基板を焼成する工程
    を含む、方法。
  11. 請求項1に記載の方法により作製された電界放出素子中の電極およびエミッター。
  12. 請求項10に記載の方法により作製された電界放出素子中の電極およびエミッター。
  13. 請求項11に記載の電界放出素子を含むフラットパネルディスプレイ。
  14. 請求項12に記載の電界放出素子を含むフラットパネルディスプレイ。
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