JP3890216B2

JP3890216B2 - カーボン系物質で形成されたエミッタを有する電界放出表示素子の製造方法

Info

Publication number: JP3890216B2
Application number: JP2001321404A
Authority: JP
Inventors: 商 ▲ひゅっく▼ 安; 相祚李
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: US20020197928A1; KR20030000086A; US7137860B2; KR100416141B1; JP2003007201A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電界放出表示素子の製造方法に関し、より詳細に言えば、カーボン系物質からなるエミッタを有する電界放出表示素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷陰極電子を電子放出源として使用してイメージ形成をする装置である電界放出表示素子（FED;Field Emission Display）は、電子放出層であるエミッタの特性によって素子全体の品質を大きく左右される。
【０００３】
初期の電界放出表示素子において、前記エミッタは主にモリブデンを主材質とする、いわゆるスピンドト（spindt）タイプの金属チップで形成されてきたが、これに対する従来技術としては米国特許第３，７８９，４７１号に開示された電界放出カソードを有する表示装置がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記金属チップ形状のエミッタを有する電界放出表示素子を製造する時には、公知のように半導体とよく似た製造工程 ▲１▼エミッタが配置されるホールを形成するためのフォトリソグラフィ及びエッチング工程、▲２▼金属チップを形成するためのモリブデンの蒸着工程等を用いるので、製造工程が複雑で高難度の技術を必要とするだけでなく高価な装備を使用しなければならないため製品製造単価の上昇により大量生産が難しい問題点がある。
【０００５】
これにより電界放出表示素子の関連業界では、低電圧（大略、１０〜５０Ｖ）の駆動条件でも電子放出をすることができ製造工程上にも便宜を図るために、前記エミッタを面状で形成する技術を研究開発している。
【０００６】
今までの技術動向によると、前記面状のエミッタとしてはカーボン系列物質、たとえばグラファイト、ダイアモンド及び炭素ナノチューブ（CNT;Carbon nanotube）などが適したと知らされており、このうちの特に炭素ナノチューブが比較的低い駆動電圧（大略、１０〜５０Ｖ）でも電子放出を円滑に行うことができて電界放出表示素子のエミッタとして最も理想的な物質として期待されている。
【０００７】
このような炭素ナノチューブを利用した電界放出表示素子と関連する従来技術としては、米国特許第６，０６２，９３１号、第６，０９７，１３８号に開示された冷陰極電界放出表示装置があるが、これら技術では、例えば、ＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）法、コーティング法、プリンティング法等の各種の方法によって炭素ナノチューブの集合体で個別にアドレスでき、制御できるエミッタ単位を形成している。
【０００８】
しかし、前記炭素ナノチューブをはじめとする炭素系物質で電界放出表示素子のエミッタを形成する時には、前記炭素系列物質の集合体が一つのエミッタ単位として良好に動作できる形状を有するようにする一連の工程を経る時、工程上に必要な他の物質との結合力が強くてその表面状態を悪くする傾向が多い。
【０００９】
たとえば、前記エミッタ上に電界放出に必要な電極−ゲート電極及びフォーカシング電極−が形成されるように電界放出表示素子を製造する場合、前記電極のマクロな形状をパターニングさせるためにフォトリソグラフィ工程を行うようになるが、この時用いられるフォトレジストが前記エミッタの表面に残留して前記エミッタの電界放出特性を低下させている。さらにこの時用いられるエッチング溶液も前記エミッタの機能低下を呼び起こす一つの原因として作用する。
【００１０】
この外にも、前記エミッタを形成するために熱処理工程を行うようになると、前記エミッタの表面に露出される炭素系物質が酸素と反応して燃焼するので前記エミッタを損傷させることもある（図６参照）。
【００１１】
このように従来では、炭素系物質でエミッタを形成する場合に前述のようにエミッタ表面を損傷させる心配が多く、このようなエミッタ表面損傷が電界放出表示素子の電界放出特性を落とす原因として作用し、そのため電界放出表示素子を採用し難いという問題があった。
【００１２】
従って、本発明は前記のような問題点を勘案して発明されたものであって、本発明の目的は、炭素系物質を用いて電界放出表示素子のエミッタを形成する時、エミッタ表面の損傷を補修して電界放出特性の低下を防止することができるようにした電界放出表示素子の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を実現するために、まず、基板上に複数のカソード電極を形成し、前記カソード電極の各々の上にカーボン系物質を含むエミッタ素材を形成し、前記基板上に液状のエミッタ表面処理体を前記エミッタ素材が覆われるように塗布し、前記液状のエミッタ表面処理体を熱処理してフィルム形態に固形化し、そして物理的エネルギーで前記固形状のエミッタ表面処理体を前記基板から除去して前記カーボン系物質が前記エミッタ素材の表面に露出されるように処理することによってエミッタを形成し、電界放出表示素子を製造する。
【００１４】
本発明においては、例えば前記エミッタ素材は、前記カーボン系物質を含むペーストを前記カソード電極の上に印刷し、印刷された前記ペーストを当該ペーストの硬化温度より低い温度で熱処理することによって形成する。この時、前記ペーストの印刷は金属メッシュスクリーンを利用したスクリーンプリンティング法で行われるのが好ましい。
【００１５】
エミッタを構成するカーボン系物質は炭素ナノチューブ、グラファイト及びダイアモンドのうちの少なくとも一つを選択するのが好ましく、前記エミッタ表面処理体はポリイミド溶液からなるのが好ましい。
【００１６】
本発明においては、前記エミッタ表面処理体は、スピンコーティング法で前記基板上に塗布されるのが好ましく、当該エミッタ表面処理体は熱処理によって固形化されるのが好ましい。
【００１７】
この外、本発明によって製造される電界放出表示素子は、エミッタの表面が製造工程中に損傷することを追加工程によって補修し、良好なエミッタ形成物質の配列状態によって電界放出特性を向上させ、製品の品位を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を明確にするための好ましい実施例を、添付した図面を参考にしてより詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施例による電界放出表示素子を示した部分断面図であって、示された電界放出表示素子は３極管構造の電界放出表示素子である。
【００２０】
図示のように、前記電界放出表示素子は素子の外形を形成する前面基板２と背面基板４を内部空間部が形成されるように所定の間隔をおいて配置し、前記背面基板４には電界放出を行うことができる構成を、前記前面基板２には前記電界放出による放出電子によって所定のイメージを表示することができる構成を形成している。
【００２１】
つまり、前記背面基板４上には、たとえばストライプ形状になった複数のカソード電極６が形成され、このカソード電極６上に複数の孔８ａを有する絶縁層８が所定の高さで形成される。また、前記絶縁層８上に前記孔８ａを除いた部分には複数のゲート電極１０が所定のパターン、たとえば前記カソード電極６を横切って形成される。そして、前記カソード電極６上には、電界放出によって実質的に前記孔８ａ中へ電子を放出するようにするエミッタ１２が、前記絶縁層８よりは低い高さで形成されるが、ここでこのエミッタ１２は炭素系物質−炭素ナノチューブ、グラファイト、ダイアモンドなど−からなり面状の形態をするが、本実施例では前記エミッタ１２の構成物質として複数の炭素ナノチューブ１２ａが適用される。
【００２２】
一方、前記前面基板２上には、複数のアノード電極１４と共にこのアノード電極１４上に配置される蛍光層１６が形成される。図１で未説明番号１８は前記電界放出表示素子のセルギャップを維持するようにするスペーサを指す。
【００２３】
本発明は前記のように電界放出表示素子の構成で前記エミッタ１２が炭素系物質で形成される時、このエミッタ１２が電界放出表示素子の製造過程中で、その表面に損傷を受けることを補償して前記炭素系物質、たとえば前記炭素ナノチューブ１２ａがエミッタ１２の表面に良好な状態−前記前面基板に向かうように配列された状態−に配列されるようにすることによって、電界放出特性を向上させることができるようにするが、このような結果は次の製造方法によって可能になる。
【００２４】
図２乃至図５は、本発明によって前記電界放出表示素子を製造する段階を説明するために示した図面であって、特に前記背面基板４上に形成される構成要素−カソード電極、絶縁層、ゲート電極、エミッタ−等の製造段階を示している。
【００２５】
まず、前記電界放出表示素子を製造するためには背面基板４を用意しこの背面基板４上にプリンティング法またはスパッタリング法でカソード電極６をストライプ状に形成する。
【００２６】
以降、前記カソード電極６上に絶縁層８とゲート電極１０を形成するようになるが、この時前記絶縁層８及びゲート電極１０を貫通して配置される孔８ａ、１０ａを有するようになるので、前記絶縁層８とゲート電極１０の形成段階時、前記孔８ａ、１０ａに対するパターニング作業も遂行される。
【００２７】
前記で絶縁層８の形成方法はプリンティング法またはＣＶＤ法が用いられ、前記ゲート電極１０はプリンティング法またはスパッタリング法で形成され、前記孔８ａ、１０ａはパターニングフォトリソグラフィ法によって行われる。
【００２８】
次に、前記カソード電極６上に前記エミッタ１２をそれぞれ形成するようになるが、本発明における前記エミッタ１２は印刷方法を用いて特に、金属メッシュスクリーンを利用したスクリーンプリンティング法によって形成される。このようなエミッタ１２形成段階のためにステンレスワイヤーで形成されたメッシュスクリーン（図示されない）が用意され、エミッタ形成のための素材としてペーストが準備される。このペーストは炭素ナノチューブ粉末、接着体成分のバインダー、高温で液状に融解されて焼成後に固形化されるビクル（媒体）及び溶媒などが混合されて構成されるのが好ましいが、ここで前記バインダーとしてエチルセルロース（Ethyl Cellulose）、前記ビクルはガラスパウダー、前記溶媒としてはテルピネオール（terpineol）が好ましい。
【００２９】
このようなエミッタ形成用ペーストと前記メッシュスクリーンを用いてスクリーンプリンティング法によって前記カソード電極６上に印刷を行えば、前記カソード電極６上には前記ペーストが所望のパターンによって形成され、その後の焼成工程により前記ペーストを硬化させこれをエミッタ１２として形成するようになる。
【００３０】
ここで前記焼成工程は、前記ペーストが焼成後にも、完全に硬化されないように当該ペーストの硬化温度より低い温度雰囲気の中で熱処理することで進行されるが、このような予備的焼成によって前記ペーストの成分のうち、前記ビクルはその全体成分の５０％以下程度を固形化させるようになる。参考事項ではあるが、前記ペーストが硬化温度によって熱処理されると、完全に硬化する時には、前記ビクルは全体成分の９５％以上が固形化されるようになる。
【００３１】
本実施例ではこのようなペーストの予備的焼成を３５０〜４３０℃の間の温度雰囲気で２分間実施し、参考に前記ペーストが焼成後に前記のような完全硬化状態を見せるようにする焼成工程に必要な温度は５００〜６００℃であり、この時必要な焼成時間は１０分以上である。
【００３２】
以上の工程段階を経て前記背面基板６上に図２に示すような前記エミッタ１２を形成した後、前記エミッタ１２を表面処理する工程を実施する。前記ペーストが前記カソード電極６上に印刷された後、たとえば前記熱処理のような後続工程を経る時に、この後続工程の条件によっては、前記エミッタ１２の表面に損傷を受け、図２に示したように前記炭素ナノチューブ１２ａの配列が斜めになってしまう場合がある。前記エミッタ１２の表面処理は、この炭素ナノチューブ１２ａの配列を補修するためのものである。
【００３３】
このようなエミッタ表面処理工程のためにまず前記背面基板６上に液状のエミッタ表面処理体２０を前記エミッタ１２が覆われるように塗布する。ここで前記エミッタ表面処理体はスピンコーティング法によって前記背面基板６上に塗布された後、熱処理工程により硬化させる。スピンコーティング法を用いることで、表面処理体としての液状物質を効率よく塗布することができる。
図３は、前記エミッタ表面処理体２０が前記背面基板６上に塗布された後、フィルム形態に硬化した状態を示している。
【００３４】
前記液状のエミッタ表面処理体はポリイミドをＮ−メチル−２ピロリドン（N−methyl−2−pyrrolidone）などの溶媒に溶かして製造したポリイミド溶液が好ましいが、必ずこれに限定されるものではなく、熱処理工程によってフィルム形態に硬化できる溶液であれば適用可能である。
【００３５】
本実施例で前記熱処理工程は、スピンコーティングで前記ポリイミド溶液が塗布された前記背面基板６を、大略９０℃に維持したホットプレート上に置いて、この状態を２０分程度維持することで処理した。
【００３６】
このようにして前記背面基板６上に前記エミッタ表面処理体２０が形成されれば、その後には前記エミッタ表面処理体２０を前記背面基板６から剥離して前記エミッタ１２の表面を活性化する工程、言い換えると、前記炭素ナノチューブ１２ａが前記エミッタ１２の表面の外に露出されるようにする工程を実施する。
【００３７】
つまり、最終フィルム形状をとる前記エミッタ表面処理体２０を図４に示したように物理的なエネルギーで前記背面基板６から剥離すると、前記エミッタ１２の表面側の一部が前記エミッタ表面処理体２０と共に剥がされ、前記背面基板６上に残っているエミッタ１２上には新たな表面が生成されながら、このエミッタ１２を形成する炭素ナノチューブ１２ａの先端部位が、前記エミッタ１２の表面外部に露出するようになる。
【００３８】
前記エミッタ表面処理体２０を物理的に剥がす作業は、作業者の手作業によって行うこともできるが、電界放出表示素子の大量生産のためには自動化設備を用いるのが好ましい。
【００３９】
図５は、前記エミッタ表面処理体２０によって表面処理を最終的に終えたエミッタ１２が前記背面基板６上に形成された状態を示したものであって、図示のように前記エミッタ１２の表面上には炭素ナノチューブ１２ａの先端部位が露出される。
【００４０】
図７は、本発明の発明者が前記工程段階を経た後、実質的に前記エミッタ１２を撮影した写真であって、これを参照すれば前記エミッタ１２に従来の方法によって形成されたエミッタ（図６参照）よりその表面上に炭素ナノチューブを明確に露出させることが分かる。
【００４１】
図８は、本発明による電界放出表示素子のゲート電圧（Ｖ_G）とアノード電流（Ｉ_A）間の特性を示すグラフであって、従来は４０μＡ程度のアノード電流を得るために大略３００Ｖ程度のゲート電圧を必要にしたが、本発明によれば大略１００Ｖ程度のゲート電圧を有することでも前記アノード電流を得ることができ、電界放出特性を向上させることが分かる。
【００４２】
一方、本実施例では３極管構造の電界放出表示素子を例として本発明を説明したが、本発明は３極管構造だけでなく２極管をはじめとする他の構造の電界放出表示素子にも適用可能である。
【００４３】
以上本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これも本発明の範囲に属するのは当然のことである。
【００４４】
【発明の効果】
このように本発明による電界放出表示素子の製造方法は、製造工程中に損傷を受ける可能性のあるエミッタ表面を人為的に高い確率で活性化することによって、最終完成された表示素子においては、エミッタの表面上にエミッタ形成物質を露出させ、良好な特性が得られるようにするものである。
【００４５】
従って、本発明によって製造された電界放出表示素子は電界放出特性を低下させずディスプレイ性能が良好に維持できて優れた製品信頼性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による電界放出表示素子を示す部分断面図
【図２】本発明の実施例による電界放出表示素子の製造段階を説明するための断面図
【図３】本発明の実施例による電界放出表示素子の製造段階を説明するための断面図
【図４】本発明の実施例による電界放出表示素子の製造段階を説明するための断面図
【図５】本発明の実施例による電界放出表示素子の製造段階を説明するための断面図
【図６】一般的な製造工程によって製造された電界放出表示素子のエミッタ表面を撮影した電子顕微鏡写真
【図７】本発明の実施例による電界放出表示素子のエミッタ表面を撮影した電子顕微鏡写真
【図８】本発明の実施例による電界放出表示素子のゲート電圧とアノード電流との関係を示すグラフ
【符号の説明】
２前面基板
４背面基板
６カソード電極
８絶縁層
８ａ孔
１０ゲート電極
１０ａ孔
１２エミッタ
１２ａ炭素ナノチューブ
１４アノード電極
２０エミッタ表面処理体

Claims

基板上に複数のカソード電極を形成し、
前記カソード電極の各々の上にカーボン系物質を含むエミッタ素材を形成し、
前記基板上に液状のエミッタ表面処理体を前記エミッタ素材が覆われるように塗布し、
前記液状のエミッタ表面処理体を熱処理してフィルム形態に固形化し、そして
物理的エネルギーで固形状の前記エミッタ表面処理体を前記基板から除去して前記カーボン系物質が前記エミッタ素材の表面に露出されるように処理することを含む電界放出表示素子の製造方法。
前記エミッタ素材の形成は、
前記カーボン系物質を含むペーストを前記カソード電極上に印刷し、そして
印刷された前記ペーストを当該ペーストの硬化温度より低い温度で熱処理して硬化させることを含んでなる、請求項１に記載の電界放出表示素子の製造方法。
前記ペーストの印刷が金属メッシュスクリーンを利用したスクリーンプリンティング法で行われる、請求項２に記載の電界放出表示素子の製造方法。
前記カーボン系物質が炭素ナノチューブ、グラファイト及びダイアモンドのうちの少なくとも一つに選択されてなる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電界放出表示素子の製造方法。
前記エミッタ表面処理体がポリイミド溶液からなる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電界放出表示素子の製造方法。
前記エミッタ表面処理体がスピンコーティング法で前記基板上に塗布される、請求項１乃至５の何れか一項に記載の電界放出表示素子の製造方法。