专利名称：电子发射源的形成方法、该电子发射源以及包括该电子发射源的电子发射装置的制作方法
优先权要求该申请根据35U.S.C.§119要求韩国专利申请10-2004-0030257的优先权，该文献是2004年4月29日向韩国知识产权局提交的标题为A METHODFOR PREPARING AN EMITTER，AN EMITTER AND AN ELECTRONEMISSION DEVICE COMPRISING THE EMITTER(制备发射器的方法、该发射器和包括该发射器的电子发射装置)，该文献的公开内容被全部引入本文以供参考。
背景技术：
发明领域本发明涉及电子发射源的形成方法、以及包括该电子发射源的电子发射装置。更具体地说，本发明涉及包括碳纳米管的电子发射源的形成方法、该电子发射源以及包括该电子发射源的电子发射装置，所述形成方法能够控制碳纳米管的排列和密度并降低碳纳米管中杂质含量。
相关技术的描述电子发射装置是通过阳极荧光体层的荧光体材料与冷电子碰撞发光而产生图像的显示器，所述冷电子是在强电场下通过隧道效应从电子发射源发射到真空。
然而，由于用作电子发射装置的微尖(microtips)的金属或半导体材料具有大的功函数，因此必须对栅电极施加更高电压。此外，真空中残余的气体粒子由于与电子碰撞而离子化，因此引起微尖的破坏。另外，由于与电子碰撞而从荧光体层分离出来的荧光体粒子可能污染该微尖。因此，能够降低电子发射装置的性能和使用期限。为了解决这些问题，最近使用了基于碳的电子发射源。其中，碳纳米管电子发射源具有多个优点，如低的电子发射的电场、良好的化学稳定性、和高的机械性能。因此，碳纳米管电子发射源将有望取代金属或半导体材料制成的电子发射源。
可以通过在基质上直接排列碳纳米管或者利用用于电子发射源的包括碳纳米管的组合物的粘贴法形成碳纳米管电子发射源。
关于在基质上直接排列碳纳米管，例如使用化学气相沉积(CVD)法。该方法能够得到较好的密度、排列和图案的碳纳米管。然而，该方法的缺点在于，它不能应用至大面积基质并产生高的费用。即使通过CVD法能够得到具有低杂质含量的碳纳米管，但是该方法也存在限制，例如CVD法过程中要使用能够经受高温的基质。
另一方面，关于粘贴法，其优点在于能够以低的费用制造大面积装置。例如，韩国未审公开专利2003-0000086涉及一种利用金属筛网通过网印制备电子发射源的方法。韩国未审公开专利2003-0080770涉及电子发射源的布图方法，它包括暴露于光并显影。
尽管有这些优点，但是粘贴法存在的问题在于，它不能控制电子发射源的碳纳米管的排列(例如垂直取向)和密度。碳纳米管的排列、密度和杂质含量是达到电子发射源可靠性必须要考虑的重要因素。鉴于此，需要一种以低费用形成大面积电子发射源的方法，并且该方法能够控制碳纳米管的排列、密度、以及适用于电子发射源的杂质含量。
发明简述本发明提供了包括碳纳米管的电子发射源的形成方法、该电子发射源以及包括该电子发射源的电子发射装置，所述方法能够控制碳纳米管的排列和密度并降低杂质含量。
根据本发明一方面提供了电子发射源的形成方法，该方法包括在基质上提供碳纳米管层；将碳纳米管层固定到基于有机硅氧烷的材料上；固化固定到碳纳米管层上的基于有机硅氧烷的材料；从基质上分离碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜；将碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜层合到电子发射源形成基质上；并且热处理层合到电子发射源形成基质上的碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜。
碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜的层合可以在60至100℃下，或者利用选自聚醋酸乙烯酯材料和丙烯酸酯材料的粘合剂进行。
碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜的热处理可以在400至500℃下进行。
根据本发明另一方面，提供上述方法形成的且包括碳纳米管层的电子发射源，该碳纳米层的密度为106-108碳纳米管/cm2。
碳纳米管层的碳纳米管可以是垂直取向的。
根据本发明又一方面，提供了电子发射装置，其包括基质；基质上形成的阴极；电连接到基质上所形成的阴极的上述电子发射源。
电子发射装置的电子发射源中的碳纳米管可以是垂直取向的。
根据本发明方法，能够容易地形成包括所需排列和密度以及低杂质含量的碳纳米管的电子发射源。在电子发射装置中使用该电子发射源能够提高电子发射装置的可靠性。
附图简述由于结合附图参考后面的详细说明时，能更好地理解本发明及其优点，因此将更完整地理解本发明及其带来的优点，附图中，相同的参考符号表示相同或类似组件，其中
图1是根据本发明实施方案，电子发射装置实施例的简要截面图。
发明详述本发明提供了电子发射源的形成方法，该方法包括提供碳纳米管层；将碳纳米管层与基于有机硅氧烷的材料接触；固化基于有机硅氧烷的材料；分离碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜；将碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜层合；并且热处理碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜。
提供碳纳米管层的方法可以通过多种合成碳纳米管的方法完成。尤其是，使用生长碳纳米管的方法。生长碳纳米管的实例包括激光蒸发、等离子体强化的化学气相沉积(PECVD)、热分解、热化学气相沉积(TCVD)、气相生长和溅射。其中，优选TCVD。
根据TCVD提供碳纳米管层方法的实施方案，首先，将催化金属如Fe、Ni或Co沉积到基质上。催化金属的图案决定了碳纳米管在基质上生长的图案。催化金属的布图可以通过各种方法如多步蚀刻或聚合物冲压法(polymerstamping)完成。然后，在多种烃气体如CH4、C2H2、C2H4和C2H5OH存在下，碳纳米管在形成微图案的催化金属上生长，得到碳纳米管层。
碳纳米管的生长可在高温下进行。结果，碳纳米管层能够具有高的密度、高的垂直取向和低的杂质含量。
将上述方法得到的碳纳米管与基于有机硅氧烷的材料接触。通过接触处理，碳纳米管层中碳纳米管之间的空间浸满具有流动性的基于有机硅氧烷的材料。基于有机硅氧烷的材料在碳纳米管间空间内的浸渍是通过重力作用自发进行的。也可以使用物理方法如搅拌。
基于有机硅氧烷的材料必须容易固化。固化后，基于有机硅氧烷的材料必须容易从形成了碳纳米管层的基质上分离。本发明适合使用的基于有机硅氧烷的材料是带有乙烯基的基于硅氧烷的低聚物和带有硅-氢键的硅氧烷可交联低聚物的混合物。基于硅氧烷的低聚物的实例是下式1表示的化合物，而硅氧烷可交联低聚物的实例是下式2表示的化合物式1 其中，n1是1至60的整数，和式2 其中，R1独立地为氢原子或甲基，n2是1至10的整数，另外如果n2至少为3，那么三个或多个R1是氢原子。
固化过程中，将基于有机硅氧烷的材料暴露于光线下进行交联，形成碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜。
基于有机硅氧烷的材料是市场上可以得到的。市场上可得的基于有机硅氧烷的材料可以是SYLGARD 184(Dow Corning)，它是一种形成弹性体的成套制剂，但是并不限于此。能够理解上述基于有机硅氧烷的材料的目的和使用方法的本领域普通技术人员，能够很容易地选择合适的基于有机硅氧烷的材料。
将浸渍到碳纳米管层中碳纳米管之间的空间内的基于有机硅氧烷的材料固化，以形成碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜。固化条件可以根据基于有机硅氧烷的材料的不同而不同。合适的固化温度在15至50℃范围内，优选20至30℃范围内。如果固化温度低于15℃，就不能形成复合膜。另一方面，如果超过50℃，聚有机硅氧烷聚合物将熔融。
通过该固化过程，就形成了碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜。聚有机硅氧烷聚合物可以是聚二甲基硅氧烷。碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜中的碳纳米管基本上保持了碳纳米管在基质上生长的原始密度和取向。
将通过上述固化过程形成的碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜从生长碳纳米管的基质上分离。分离可以手工完成。对于大规模制造，可以使用自动系统。通过分离，碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜中的碳纳米管可以额外地垂直取向。因此，在本发明电子发射源形成方法中，可以选择性地省略用于碳纳米管垂直取向的活化方法。
将从基质上分离的碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜层合到形成电子发射源的基质上。形成电子发射源的基质可以由玻璃、硅或陶瓷制成，但是并不限于这些。
层合方法可以通过利用热和压力的热层合法完成，或者通过利用粘合剂的冷层合法完成。为了保持碳纳米管在碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜上的排列和密度，优选冷层合法。
对于利用热层合法来说，层合过程是在60至100℃，优选70至80℃下完成的。如果层合温度低于60℃，不足以形成碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜。另一方面，如果超过100℃，聚有机硅氧烷聚合物将熔融。
对于利用冷层合法来说，可以使用选自聚醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、聚氨酯的粘合剂。其中，优选氰基丙烯酸酯或双丙烯酸酯。
如上所述，层合过程后，热处理碳纳米管-聚有机硅氧烷聚合物复合膜。通过热处理，大多数聚有机硅氧烷聚合物挥发。有机硅氧烷聚合物的热处理用于增加碳纳米管和基质之间的粘结力。
热处理是在400至500℃下，优选450℃下进行。如果热处理温度低于400℃，将不足以挥发聚有机硅氧烷聚合物。结果，碳纳米管层将含有大量杂质。另一方面，如果超过500℃，碳纳米管将劣化。
在本发明电子发射源的形成方法中，热处理后，省略了碳纳米管的活化。根据本发明上述电子发射源的形成方法，与不能控制碳纳米管的排列和密度的粘贴法不同，通过TCVD使电子发射源包括所需密度和排列的碳纳米管层。因此，即使不进行用于控制碳纳米管的排列和密度的活化方法，该电子发射源也能够具有优异的电子发射特性。
本发明还提供了包括密度为106至108碳纳米管/cm2的碳纳米管层的电子发射源。如果碳纳米管密度低于106碳纳米管/cm2，电子发射特征就不能令人满意。另一方面，如果超过108碳纳米管/cm2，可能出现屏蔽效应，因此阻碍了电场的穿透。通过本发明上述电子发射源的形成方法能够制成本发明的电子发射源。
本发明还提供了电子发射装置，它包括其中密度为106至108碳纳米管/cm2的碳纳米管层的电子发射源。
图1说明了根据本发明实施方案的电子发射装置的实例。图1是具有三极管结构的电子发射装置图。参考图1，电子发射装置包括第一基质2和第二基质4，它们彼此间隔一定距离形成内部空间。第二基质4形成有用于感应电子发射的结构，而第一基质2形成有用于通过发射的电子产生图像的结构。
在第二基质4上以预定图案例如以条纹图案形成栅电极5。栅电极5用绝缘层8覆盖。绝缘层8可以用氧化硅材料制成，并形成有多个通孔8a。在绝缘层8上以填充通孔8a的形式形成栅极岛(gate island)10。
在绝缘层8上以条形图案形成阴极6，并垂直栅电极5。除了上述图案之外，栅电极5和阴极6还可以形成多种图案。
电子发射源12形成在绝缘层8上，以接触阴极6的侧面。电子发射源12中含有的碳纳米管基本上垂直取向，并具有高的密度和低杂质含量。
即使图示了具有三极管结构的电子发射装置，除了三极管结构外，具有二极管结构的电子发射装置也包括在本发明范围内。此外，本发明还可以应用于其中栅电极被置于阳极和阴极之间的电子发射装置，以及具有栅/网(grid/mesh)结构的电子发射装置，所述栅/网结构防止由于放电现象产生的电弧对栅电极和/或阴极的破坏，并集中从电子发射源发射的电子。
后文中，本发明将通过实施例进行更详细地描述。然而，后面的实施例仅仅是为了说明，本发明并不限于这些。
通过溅射将Fe催化金属涂在由玻璃或硅制成的基质上。利用掩模(mask)调整碳纳米管的生长位置。然后，使乙炔气体在700℃下流过。结果，碳纳米管就在催化金属上生长了。将这样生长的碳纳米管固定到用作聚二甲基硅氧烷(PDMS)前体的SYLGARD 184成套组件(Dow Corning)上，然后室温下暴露于光线下得到碳纳米管-PDMS聚合物复合膜。然后，从生长碳纳米管的基质上分离碳纳米管-PDMS聚合物复合膜。将分离的碳纳米管-PDMS聚合物复合膜粘结到涂有二丙烯酸酯粘合剂的玻璃基质上，然后450℃下热处理得到电子发射源。
根据本发明的电子发射源形成方法，通过具有所需密度和排列的碳纳米管的碳纳米管-PDMS聚合物复合膜的层合和热处理过程，能够低费用地在大面积基质上形成具有优异的电子发射特性的电子发射源。此外，电子发射源可以包括高密度、排列好和杂质含量低的碳纳米管。因此，通过在电子发射装置中引入该电子发射源能够提高电子发射装置的可靠性。
尽管本发明通过参考举例说明的实施方案进行了详细地图示和说明，但是本领域普通技术人员将理解，在不偏离后面权利要求所限定的本发明精神和范围的前提下，可以在形式和细节上做成多种改变。
权利要求
1.电子发射源的形成方法，该方法包括在基质上提供碳纳米管层；将碳纳米管层与基于有机硅氧烷的材料接触；固化与碳纳米管层接触的基于有机硅氧烷的材料；从基质上分离碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜；将碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜层合到电子发射源形成基质上；并且热处理层合到电子发射源形成基质上的碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜。
2.根据权利要求1的方法，其中提供碳纳米管层包括利用化学气相沉积(CVD)法。
3.根据权利要求1的方法，其中基于有机硅氧烷的材料包括带有乙烯基的基于硅氧烷的低聚物和硅氧烷可交联低聚物的混合物。
4.根据权利要求3的方法，其中硅氧烷基体低聚物用下式1表示，而硅氧烷可交联低聚物用下式2表示式1 其中，n1是1至60的整数，和式2 其中，R1独立地为氢原子或甲基，n2是1至10的整数，别外如果n2至少为3，那么三个或多个R1是氢原子。
5.根据权利要求1的方法，其中固化基于有机硅氧烷的材料包括暴露于光线。
6.根据权利要求1的方法，其中固化基于有机硅氧烷的材料包括在15至50℃下固化。
7.根据权利要求1的方法，其中聚有机硅氧烷聚合物包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
8.根据权利要求1的方法，其中碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜中的碳纳米管是垂直取向。
9.根据权利要求1的方法，其中层合碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜是在60至100℃下进行。
10.根据权利要求1的方法，其中层合碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜包括利用选自聚醋酸乙烯酯材料和丙烯酸酯材料的粘合剂。
11.根据权利要求1的方法，其中热处理碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜是在400至500℃下进行。
12.通过下述方法形成的电子发射源，所述方法包括在基质上提供碳纳米管层；将碳纳米管层与基于有机硅氧烷的材料接触；固化与碳纳米管层接触的基于有机硅氧烷的材料；从基质上分离碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜；将碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜层合到电子发射源形成基质上；并且热处理层合到电子发射源形成基质上的碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜；其中碳纳米管层的密度为106至108碳纳米管/cm3。
13.根据权利要求12的电子发射源，其中基于有机硅氧烷的材料包括带有乙烯基的基于硅氧烷的低聚物和硅氧烷可交联低聚物的混合物。
14.根据权利要求13的电子发射源，其中基于硅氧烷的低聚物用下式1表示，而硅氧烷可交联低聚物用下式2表示式1 其中，n1是1至60的整数，和式2 其中，R1独立地为氢原子或甲基，n2是1至10的整数，另外如果n2至少为3，那么三个或多个R1是氢原子。
15.根据权利要求12的电子发射源，其中聚有机硅氧烷聚合物包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
16.电子发射装置，包括基质；在基质上形成的阴极；和下述方法制成的电子发射源，所述方法包括在基质上提供碳纳米管层；将碳纳米管层与基于有机硅氧烷的材料接触；固化与碳纳米管层接触的基于有机硅氧烷的材料；从基质上分离碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜；将碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜层合到电子发射源形成基质上；并且热处理层合到电子发射源形成基质上的碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜；其中碳纳米管层的密度为106至108碳纳米管/cm2；以及其中电子发射源与基质上形成的阴极电连接。
17.根据权利要求16的电子发射装置，其中基于有机硅氧烷的材料包括带有乙烯基的基于硅氧烷的低聚物和硅氧烷可交联低聚物的混合物。
18.根据权利要求17的电子发射装置，其中基于硅氧烷的低聚物用下式1表示，而硅氧烷可交联低聚物用下式2表示式1 其中，n1是1至60的整数，和式2 其中，R1独立地为氢原子或甲基，n2是1至10的整数，前提是如果n2至少为3，那么三个或多个R1是氢原子。
19.根据权利要求16的电子发射装置，其中聚有机硅氧烷聚合物包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
全文摘要
电子发射源的形成方法，该方法包括在基质上提供碳纳米管层；将碳纳米管层固定到基于有机硅氧烷的材料上；固化固定到碳纳米管层的基于有机硅氧烷的材料；从基质上分离碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜；将碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜层合到电子发射源形成基质上；并且热处理层合到电子发射源形成基质上的碳纳米管—聚有机硅氧烷聚合物复合膜。
文档编号H01J31/12GK1741227SQ20051009139
公开日2006年3月1日 申请日期2005年4月29日 优先权日2004年4月29日
发明者李炫知, 金昌昱 申请人:三星Sdi株式会社