JP2000340098A

JP2000340098A - 電界放出型冷陰極とその製造方法および平面ディスプレイの製造方法

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Publication number: JP2000340098A
Application number: JP14590099A
Authority: JP
Inventors: Fuminori Ito; 文則伊藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2000-12-08
Anticipated expiration: 2019-05-26
Also published as: US20030080663A1; JP3792436B2

Abstract

(57)【要約】【課題】エミッタ形成の制御性を向上させるととも
に、均一で安定な高放出電流を発生可能な電界放出型冷
陰極と平面ディスプレイおよびそれらの製造方法を提供
する。【解決手段】導電層２が形成されたガラス基板１上に
少なくとも絶縁層４の膜厚より短いナノチューブからな
るエミッタ３を形成し、その上層に絶縁層４およびゲー
ト電極５を積層し、ゲート電極５と絶縁層４の一部をエ
ッチングしてゲート開口部を形成する。具体的には、絶
縁層４が、絶縁耐圧Ｅｂ，膜厚ｄとし、印加電圧をＶｇ
とするとき、カーボンナノチューブの長さは、ｄ−Ｖｇ
／Ｅｂより短く制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、平面ディスプレ
イ，ＣＲＴ，電子顕微鏡，電子ビーム露光装置，および
各種電子ビーム装置の電子ビーム源として利用すること
が可能な電界放出型冷陰極に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、カーボンナノチューブは、電界放
出型冷陰極のエミッタ材料としてその応用が期待されて
いる。カーボンナノチューブは、炭素原子が規則的に配
列したグラフェンシートを丸めた中空の円筒であり、そ
の外径はｎｍオーダーで、長さは０．５μｍ〜数１０μ
ｍの極めてアスペクト比の高い微小な物質である。その
ため、先端部分には電界が集中しやすく高い放出電流密
度が期待される。また、カーボンナノチューブは、化学
的，物理的安定性が高いという特徴を有するため、動作
真空中の残留ガスの吸着やイオン衝撃等に対して影響を
受けづらいことが予想される。

【０００３】カーボンナノチューブを電界放出型冷陰極
として用いた従来例として、特開平９−２２１３０９号
公報には、図２１に示すような電界放出型冷陰極が開示
されている。カーボンナノチューブ８は、炭素質基板７
上にイオンを照射することによって形成され、カーボン
ナノチューブ形成領域を取り囲むように電極９，絶縁層
１０および電子線引き出し用のグリッド１１が配置され
る。カーボンナノチューブ８の外径は２〜５０ｎｍで、
その長さは０．０１μｍ〜５μｍであることが記載され
ている。絶縁層膜厚やエミッタ径に関する記述はない
が、５００Ｖで１０ｍＡのエミッション電流が発生する
と記載されている。

【０００４】図２２，２３は、特開平１０−１９９３９
８号公報に開示された平面ディスプレイの構造図であ
る。ガラス基板１上にグラファイトからなるカソード材
１６が１μｍ設けられ、その上にアーク放電法やレーザ
ーアブレーション法等により、カーボンナノチューブ８
をカソード材１６上に数μｍ堆積させる。このナノチュ
ーブは、直径１０ｎｍ〜４０ｎｍ、長さは０．５μｍ〜
数μｍである。これらは、図２３に示す断面図に対して
垂直方向にライン状に形成されている。ライン状電子放
出層８の両側には、厚さ７μｍで幅２０μｍのシリコン
酸化膜からなる絶縁層１０がライン状に設けられてい
る。その上層には電子を引き出すためのグリッド電極７
が配置されている。グリッド電極７に正の電圧、カソー
ド１６に負の電圧を印加することによって図中に示す矢
印１７の方向に電子が放出される。

【０００５】特開平１０−１２１２４号公報には、図２
４に示すように、カーボンナノチューブ８をアルミニウ
ム１２の陽極酸化膜の細孔中に成長させた電界放出型冷
陰極が開示されている。ここで示される電界放出型冷陰
極は、まず、ガラス基板上にアルミニウム膜１２を堆積
し、陽極酸化処理を行うことにより微細孔を形成する。
その後、微細孔内にカーボンナノチューブの成長核とな
るニッケル１３を埋め込み、メタンガスと水素ガス中で
ナノチューブ８を成長させる。反応温度は１０００度〜
１２００度である。このような手法を用いることによ
り、基板に垂直方向に配高性を持たせたナノチューブ８
を成長することが可能である。最終的にグリッド電極１
１を取り付けることにより、電界放出型冷陰極を形成す
ることができる。また、素子分離領域１４を隔てた複数
のエミッタと、それらと対向する位置に蛍光体１５を配
置することにより、平面ディスプレイを形成することが
可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来例におい
て、エミッタを取り囲むように絶縁層およびゲート電極
（グリッド電極）が形成された電界放出型冷陰極は、エ
ミッタからの放出電子量をゲートとエミッタ間の電界に
よって制御することが可能である。ゲートとエミッタと
の間の電界は、ゲートに加える電圧を絶縁層の膜厚で割
ったものにほぼ等しい。すなわち、絶縁層が厚い場合は
大きなゲート電圧を印加する必要があるが、絶縁層が薄
い場合は小さなゲート電圧で同一のエミッション電流を
得ることができる。また、エミッタから放出した電子
は、ゲート電位によって放出方向に対して垂直方向の運
動エネルギーを持つため、放出電子の軌道は広がること
になる。ゲート電圧が低い場合には比較的収束性のよい
電子ビームを得ることが可能であるが、ゲート電圧が大
きくなると電子の広がりが増大する。複数の画素を独立
に制御する平面ディスプレイでは、放出電子の広がりは
隣接する画素に電子が射突することを意味し、画像がぼ
けたり、コントラストが低下することになる。したがっ
て、絶縁層の薄膜化は低電圧駆動化、ドライブ回路の小
型化および低コスト化，ビーム広がりの抑制等を実現す
るために必須である。

【０００７】しかしながら、カーボンナノチューブをエ
ミッタに用いた電界放出型冷陰極では絶縁層を薄膜化
し、良好な電子放出特性を実現する際に、以下に述べる
問題点があった。

【０００８】まず、エミッタ表面の平坦化が困難である
ということである。一般的なカーボンナノチューブの生
成方法であるアーク放電法やレーザーアブレーション法
によって得られるカーボンナノチューブは、外径はほぼ
一定でｎｍオーダーであるが、その長さは０．５μｍか
ら１００μｍの様々な長さを有する。また、カーボンナ
ノチューブは柔軟性に富んでいるため互いに絡みやすい
という特徴をもつ。そのため、長さの大きなナノチュー
ブが互いに絡み合うと、大きな糸屑のような形状にな
り、エミッタの平坦性を低下させる要因になる。また、
生成後の粗カーボンナノチューブにはグラファイトやア
モルファスカーボンが含まれ、それに加えて単層ナノチ
ューブの場合には触媒金属が含有される。カーボンナノ
チューブは、このような不純物にも絡みやすく、大きな
塊を形成する。これらの局所的な突起は、図２５に示す
ように、その上部に形成された絶縁層４およびゲート電
極５を湾曲させ、電位分布を不均一にさせる。また、局
所的な突起がゲート開口部に生じると、その部分に電界
が集中しやすくなり電子放出特性の均一性を劣化させ
る。さらに、複数のエミッタを二次元的に配列した平面
ディスプレイにおいては、このような局所的な突起部が
各エミッタ（画素）間の特性を不均一にさせ、画像のム
ラの要因となる。

【０００９】次に、第２の問題点は、ゲート電極および
エミッタがカーボンナノチューブを介して導通するとい
う問題がある。絶縁層の膜厚よりも大きな長さを持つカ
ーボンナノチューブがエミッタ表面にある場合には、そ
れがゲート電極５に接触し、ゲート電極層５とエミッタ
３とが導通する場合がある。このようなエミッタとゲー
ト電極のショートは、電子放出量の低下や素子破壊の要
因になる。上述した第１の問題点と同様に、ゲート電極
とエミッタとの電気的な短絡は電子放出特性の不均一性
の要因になり、特に平面ディスプレイでは不安定なムラ
の多い画像になる。

【００１０】先に示した特開平９−２２１３０９号公報
記載の電界放出型冷陰極では、形成されたカーボンナノ
チューブの長さが０．０１μｍ〜５μｍと記載されてい
るが、仮に絶縁層膜厚が５μｍ以下の場合では、上述し
たように、ゲート電極とエミッタとがナノチューブによ
って短絡したり、ゲート開口内部で大きなナノチューブ
の塊が局所的に発生する可能性がある。また、特開平１
０−１９９３９８号公報に開示される電界放出型冷陰極
においても絶縁層膜厚（７μｍ）よりも長いカーボンナ
ノチューブが多数含まれる場合には同様な問題点が生じ
ることになる。さらに、これらの２つ従来例では基板上
に直接ナノチューブを成長させるため、ナノチューブの
長さを制御することは困難である。したがって、従来の
方法では均一な電子放出特性を実現することは困難であ
り、絶縁層の薄膜化には限界がある。一方、特開平１０
−１２１２４号公報に開示される方法は、ナノチューブ
を制御性良く基板垂直方向に成長させることが可能であ
るが、ナノチューブの成長温度がおよそ１０００度であ
り、工程が複雑なため、ガラス基板上に複数のエミッタ
を形成する平面ディスプレイ等の製造には不向きであ
る。

【００１１】そこで、本発明の目的は、上記問題を解決
すべく、ゲート電極とエミッタ間の絶縁性を保持し、エ
ミッタ表面の平坦性を向上させ、均一で安定な高放出電
流を発生可能な電界放出型冷陰極を提供することにあ
る。

【００１２】また、本発明の他の目的は、上記電界放出
型冷陰極の製造方法を提供することにある。

【００１３】さらに、本発明のまた他の目的は、上記電
界放出型冷陰極の製造方法を含む平面ディスプレイの製
造方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電界放出型冷陰極は、カーボンナノチュー
ブからなるエミッタと、エミッタを取り囲むように配置
された絶縁層と、ゲート電極とを備え、エミッタに対し
て電圧を印加して電子を放出させる電界放出型冷陰極に
おいて、カーボンナノチューブの長さが少なくとも絶縁
層の膜厚よりも短いことを特徴とする。

【００１５】また、絶縁層が、絶縁耐圧Ｅｂ，膜厚ｄと
し、電圧をＶｇとするとき、カーボンナノチューブの長
さは、ｄ−Ｖｇ／Ｅｂより短いのが好ましい。

【００１６】また、本発明の電界放出型冷陰極の一形態
は、絶縁層の膜厚よりも短い長さに制御したカーボンナ
ノチューブからなるエミッタ材を導電性基板もしくはガ
ラス基板上に形成された導電層上に固着する工程と、そ
の上層に絶縁層およびゲート電極層を順次形成する工程
と、絶縁層およびゲート電極層をエッチングし、開口部
を形成する工程とを含むことを特徴とする。

【００１７】さらに、本発明の電界放出型冷陰極の他の
形態は、導電性基板もしくはガラス基板上に形成された
導電層上に、絶縁層およびゲート電極層を順次形成する
工程と、絶縁層およびゲート電極層をエッチングし、開
口部を形成する工程と、開口部およびゲート電極層上
に、少なくとも絶縁層の膜厚よりも短い長さに制御した
カーボンナノチューブからなるエミッタ材を固着する工
程と、エミッタ材をエッチングし、ゲート開口部内のみ
にエミッタ材を残す工程とを含むことを特徴とする。

【００１８】また、カーボンナノチューブの長さ制御
は、カーボンナノチューブをろ過によって特定の長さの
カーボンナノチューブを分離し抽出することによって行
うのが好ましい。

【００１９】さらに、カーボンナノチューブの長さ制御
は、カーボンナノチューブを粉砕し、ろ過によって特定
の長さのカーボンナノチューブを分離し抽出することに
よって行うのが好ましい。

【００２０】また、カーボンナノチューブの長さ制御
は、カーボンナノチューブを酸素等の酸化剤を含むガス
中で加熱し、ろ過によって特定の長さのカーボンナノチ
ューブを分離し抽出することによって行うのが好まし
い。

【００２１】さらに、カーボンナノチューブの長さ制御
は、カーボンナノチューブにイオンビームを照射し、ろ
過によって特定の長さのカーボンナノチューブを分離し
抽出することによって行うのが好ましい。

【００２２】また、本発明の平面ディスプレイの製造方
法は、上記電界放出型冷陰極の製造方法のいずれかを含
むことを特徴とする。

【００２３】以上説明したように、本発明によれば、特
に、エミッタに少なくとも絶縁層の膜厚より短いカーボ
ンナノチューブを用いることにより、ゲート電極とエミ
ッタ間の絶縁性を保持し、エミッタ表面の平坦性を向上
させ、均一で安定な高放出電流を発生可能な電界放出型
冷陰極および平面ディスプレイを製造することができ
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明の
実施の形態について詳細に説明する。

【００２５】図１〜図５は、本発明の電界放出型冷陰極
の第１の実施例の製造工程を示す断面図である。エミッ
タを形成する基板は、導電性基板、もしくは図１に示す
ように導電層２が形成されたガラス基板１を用いる。エ
ミッタを構成するカーボンナノチューブは、アーク放電
法やレーザーアブレーション法等で作製可能であるが、
ここではアーク放電を用いて作製した。この方法は、反
応容器内を５００ＴｏｒｒのＨｅガスで満たし、触媒金
属が含有した２本の炭素棒を対向させ、両者の間でアー
ク放電を起こすと、陰極炭素棒表面および反応容器内壁
にカーボンナノチューブを含んだ固体が堆積する。放電
は、１８Ｖの電圧を２つの炭素棒の間に印加し、１００
Ａの電流を流す。生成した固体中にはカーボンナノチュ
ーブの他に直径１０ｎｍから１００ｎｍ程度の粒径のグ
ラファイトやアモルファスカーボン，触媒金属等が含ま
れる。得られたカーボンナノチューブは、単層ナノチュ
ーブであり、その直径は、およそ１ｎｍ〜５ｎｍであ
る。長さは０．５μｍ〜１００μｍで、その平均長さは
約２μｍである。なお、アーク放電以外にレーザアブレ
ーション法によって作製したナノチューブも、基本的に
同等のサイズのナノチューブが形成される。上記の粗生
成物をエタノール中に懸濁させ、超音波粉砕する。次
に、ポアサイズが０．２２μｍのメンブランフィルター
を用いて懸濁液をろ過する。カーボンナノチューブ以外
の不純物微粒子は、フィルターのポアサイズよりも小さ
いためにフィルターを通り抜けるが、０．５μｍ以上の
長さを持つカーボンナノチューブは、フィルター上に残
存する。フィルター上に残ったナノチューブを抽出する
ことにより、ナノチューブのみを回収することができ
る。なお、ナノチューブの精製は、特開平８−２３１２
１０号公報に開示される方法等を用いると、より純度の
高いナノチューブを得られるため、これらの方法を適用
することも可能である。次に、後述するように絶縁層の
膜厚である１ｍｍよりも短い長さのナノチューブを抽出
するために、０．８μｍのポアサイズを持つメンブラン
フィルターを用いて、精製したナノチューブを再びろ過
する。フィルター上には約０．８μｍ以上の長さをもつ
ナノチューブは残存するが、０．８μｍ以下の長さをも
つナノチューブはフィルターを通り抜けることができ
る。フィルターを通り抜けたナノチューブを回収するこ
とにより、０．８μｍ以下すなわち絶縁層膜厚以下の長
さに制御したナノチューブを得ることができる。なお、
この工程は、遠心分離等の方法を用いてもよい。

【００２６】このようにして得られたカーボンナノチュ
ーブは、再度、エタノール中に分散させ、これを導電層
２上に塗布し、真空中もしくは不活性ガス中で３００
度，１０分以上の加熱を行い、エタノールを蒸発させ
る。上記熱処理はエタノールが完全にカーボンナノチュ
ーブから脱離する条件であることをガス分析により確認
している。また、エタノールの熱脱離は、カーボンナノ
チューブ表面の仕事関数を低下させるため、放出電子量
を増加させる。しかし、エタノールを用いたナノチュー
ブの導電層２上への固着は、付着力が弱いため、付着力
を強めるにはバインダー等を用いる必要がある。バイン
ダーとしては、レジストや水ガラス等が使用できる。重
量比としては、例えば、バインダー：カーボンナノチュ
ーブ＝２０：１になるように混合し、超音波にて充分に
攪拌する。その後、ナノチューブが含有したバインダー
を導電層２上にスピンコーターを用いて塗布し、真空中
もしくは窒素等の不活性ガス中で４００度程度の加熱を
行なう。これにより、カーボンナノチューブ３は導電層
２上に強く固着することができる（図２）。なお、ここ
ではナノチューブ層の形成にスピンコートを行ったが、
それ以外にスクリーン印刷や噴霧等の手法を用いること
も可能である。

【００２７】次に、図３に示すように、カーボンナノチ
ューブからなるエミッタ層３を形成した後、シリコン酸
化膜もしくはポリイミド膜等の絶縁層４を１μｍ堆積
し、図４に示すように、その上層にゲート電極５として
アルミニウムを０．５μｍ形成する。次に、図５に示す
ように、ゲート電極層５および絶縁層４の一部をエッチ
ングし、ゲート開口部６を形成する。

【００２８】このようにして得られた電界放出型冷陰極
は、エミッタ中に絶縁層の膜厚より長いナノチューブが
含有されないため、図２５に示した従来技術と比較して
エミッタ３とゲート電極層５とがナノチューブを介して
接触しているような箇所は見られない。また、ナノチュ
ーブが互いに絡み合ったとしてもその径は非常に小さ
く、従来例よりも平坦性の高いエミッタが得られる。な
お、ここでは単層ナノチューブを用いたが、多層ナノチ
ューブを用いても同様な効果を実現することができる。
ただし、多層ナノチューブは、単層ナノチューブに比べ
て、柔軟性が低いため、互いに絡みにくい傾向があり、
単層ナノチューブの場合よりも平坦性の高いエミッタが
得られる。

【００２９】図６〜図１１は、本発明の電界放出型冷陰
極の第２の実施例の製造工程を示す断面図である。上述
した第１の実施例との大きな相違点は、エミッタの形成
を絶縁層およびゲート電極層の形成前に行なうか、形成
後に行なうかである。図６に示すような、ガラス基板１
上に導電層２が形成された基板上に、図７に示すよう
に、シリコン酸化膜もしくはポリイミド膜等の絶縁層４
を３μｍ堆積し、その上層に、図８に示すように、ゲー
ト電極５としてアルミニウムを０．５μｍ形成する。次
に、図９に示すように、ゲート電極層５および絶縁層４
の一部をエッチングし、ゲート開口部６を形成する。そ
の後、図１０に示すように、第１の実施例で示した０．
８μｍ以下のカーボンナノチューブを含むバインダーを
その上層に塗布し、真空中もしくは窒素等の不活性ガス
中で４００度程度の加熱を行なう。なお、エミッタの形
成法は、塗布以外にスクリーン印刷や噴霧等の手法を用
いることも可能である。ゲート電極５上およびゲート開
口部６内に付着したナノチューブは、酸素プラズマ照射
によってエッチングし、図１１に示すように、２μｍの
厚みをもつエミッタ層３をゲート開口底部に残す。これ
により、第１の実施例と同様に、エミッタ表面から１μ
ｍの絶縁層を隔ててゲート電極を配置することができ
る。ナノチューブの長さは、第１の実施例で述べたよう
に絶縁層膜厚よりも短い。ここで仮に、図１０の工程を
１μｍ以上の長さのナノチューブを含むバインダーにて
行った場合には、ゲート電極層５上もしくはゲート開口
部６内に大きなナノチューブの塊が生じ、ゲート開口内
のエミッタ層３の膜厚制御が困難になる。また、ゲート
電極層５上にはプラズマ照射後にもナノチューブの塊が
残ることが多く、それらがゲート開口部に付着した場合
にはエミッタ３とゲート電極５の短絡の原因になる。し
かしながら、本実施例によって形成される電界放出型冷
陰極は、エミッタ中に絶縁層の膜厚より短いナノチュー
ブのみによって構成されるため、ナノチューブが互いに
絡み合ったとしてもその径は比較的小さく、上述した問
題はほとんど生じない。なお、本実施例は第１の実施例
と比較してエミッタの形成を絶縁層４とゲート電極層５
の形成後に行なうため、図１０に示すような絶縁層およ
びゲート電極層の湾曲は生じないが、ナノチューブを酸
素プラズマでエッチングする工程が増えるという特徴を
もつ。

【００３０】以上説明した第１の実施例および第２の実
施例に従って作製された電界放出型冷陰極の電子放出特
性を図１２に示す。図１２は、エミッタに対してゲート
電極に印加した電圧（ゲート電圧）と放出電流量の関係
である。なお、放出電流量は素子から１ｃｍ離れたとこ
ろにアノード電極を配置し、エミッタに対して５００Ｖ
の電圧を印加する際に検出される電流値である。絶縁層
の膜厚は１μｍでゲート開口は５μｍｍ角である。ゲー
トに流れる電流はｎＡ以下であり、絶縁リークおよび電
子の広がりが小さい良好な素子特性が得られた。放出電
流量はゲート電圧が約３５Ｖの時には１０μＡにも達す
る。また、このような電子放出特性は再現性よく得られ
ることを確認している。さらに、本発明に従って形成さ
れるエミッタは、短い長さのナノチューブで構成される
ため、電界が集中しやすいナノチューブ先端部が実質的
に多くなり、放出電子量を増加させる。参考として、ナ
ノチューブの長さを制御せずに形成した電界放出型冷陰
極の特性は素子間のばらつきが大きく、ゲート電圧３５
Ｖでの放出電流量は、最大でも０．１μＡである。ま
た、このような電子放出領域の増加は、各電子放出点か
らの電流変動を平均化させる効果があるため、電流安定
性も向上させることができる。

【００３１】図１３〜図１６は、第１の実施例を基に作
製される平面ディスプレイの製造方法を示した断面構造
図であり、図１７の線Ａ−Ａの断面を示すものである。
まず、図１３に示すように、ガラス基板１上に導電層２
を紙面に対して垂直方向に膜厚が０．５μｍになるよう
にストライプ状に形成し、その上層に０．８μｍ以下の
カーボンナノチューブを含むバインダーを塗布し、第１
の実施例記載の方法により導電層２に固着させ、エミッ
タ３を形成する。なお、このストライプ状の電導層２と
エミッタ３とは、図１７の点線部に相当する。図１３の
構造を形成した後、基板全面を覆うように酸化膜もしく
はポリイミド膜からなる絶縁層４を１μｍ成膜する（図
１４）。その後、図１５に示すように、紙面と平行方向
にストライプ状のゲート電極５を０．５μｍ形成する。
形成されたゲート電極５と絶縁層４はＲＧＢの各画素を
形成するために、およそ１００μｍ角の４角形にエッチ
ングし、ゲート開口部６が形成される（図１６）。これ
により、ＲＧＢの各画素に対応する電子放出部が形成さ
れる。なお、ここでは第１の実施例に従う方法にてエミ
ッタ形成を行ったが、第２の実施例に記載する方法を用
いてもよい。

【００３２】上記平面ディスプレイの各画素（エミッ
タ）は、１００μｍ角の領域によって形成される例を示
したが、エミッタの面積が大きくなると、開口部内周辺
と中心部の電界強度が不均一になる。これは、ゲート電
圧がゲート電極に近いエミッタ表面ほど大きくなるため
である。従って、１つの画素が大きな平面ディスプレイ
やエミッタエリアが比較的大きな電子放出デバイスにお
いては、エミッタ表面の電界分布の均一性を向上させる
必要がある。図１８は、ゲート電極層５中に１つのゲー
ト開口部をもつエミッタ３を示すもので、先に示した構
造と同一であるが、図１９は、一つのエミッタを複数の
長方形または正方形に分割した場合の構造図である。こ
れにより、分割されたゲート開口部周辺とゲート開口部
の中心との距離が小さくなり、開口部内のエミッタ表面
に均一な電界を印加することが可能である。また、ゲー
ト開口部の分割は６角形等の多角形でもよく、例えば、
図２０に示すように、円形であってもよい。以上のよう
に、ゲート開口部の分割はエミッタ領域内の電界分布を
均一化させ、均一な高放出電流を実現することができ
る。ただし、あらかじめ決められた一定エミッタエリア
内でゲート開口部を分割すると、そのなかに占めるゲー
ト電極の面積が大きくなるため、実質的なエミッタエリ
アは減少する。したがって、素子を設計する際にはエミ
ッタエリア内のゲート電極の幅を小さくし、有効なエミ
ッタエリアをできるだけ大きくする必要がある。

【００３３】以上述べたように、少なくとも絶縁層膜厚
以下のカーボンナノチューブを抽出して、それをエミッ
タに用いることにより、安定で均一性の高い電界放出型
冷陰極および平面ディスプレイを製造することが可能で
ある。しかしながら、第１の実施例から第３の実施例で
用いたカーボンナノチューブの長さの制御は粗生成物中
に絶縁層膜厚（ここでは１ｍｍ）より短い長さのナノチ
ューブがあらかじめ含まれているために、それらをろ過
のみによって分離，抽出することができる。しかし、そ
の収率はごくわずかであり、生成したナノチューブの大
部分を使用しないことになる。また、絶縁層膜厚が０．
５μｍ以下になると粗生成物中にその長さ以下のナノチ
ューブが存在しないため、上記の方法では本発明の意図
する効果を得ることができない。生成したカーボンナノ
チューブを充分に活用し、しかも短い長さのナノチュー
ブを得るには以下に示す方法を用いることができる。

【００３４】第１は、ナノチューブを粉砕し、長いナノ
チューブを分断する方法である。精製後のカーボンナノ
チューブを乳鉢もしくはボールミル等の粉砕器を用いて
機械的に分断することにより、比較的短いナノチューブ
を多数得ることが可能である。粉砕時にはアルミナやジ
ルコニア等の硬度の高い微小球を含有させることによ
り、粉砕効率を高めることができる。粉砕後は先述した
方法と同様にフィルターを用いて特定の長さ以下のナノ
チューブのみを分離し、抽出する。これにより、収率が
向上し、しかも０．５μｍ以下のナノチューブも得るこ
とができる。

【００３５】第２は、ナノチューブを酸化剤（大気，酸
素，水，二酸化炭素等）を含むガス中で加熱することに
よってその長さを短くする方法である。この方法はナノ
チューブの精製方法として特開平７−４８１１０号公報
に記載されている。本手法はナノチューブの先端（両
端）部分が酸素と反応して消失しやすいという特徴を利
用したものである。大気中で加熱した場合、多層ナノチ
ューブは７００度から１０００度の温度が適している。
また、単層ナノチューブの場合は多層ナノチューブに比
べて消失しやすいため、４５０度から６００度の温度が
適している。加熱時間は目的の長さ以下のナノチューブ
の収率が最も高くなるような時間を消失速度から逆算す
ることで設定する。加熱後のナノチューブはアルコール
中に懸濁させた後、フィルターによって所望の長さ以下
のナノチューブを分離，抽出する。この方法はナノチュ
ーブ自身を消失させるため全体としての収率は低下する
が、短い長さのナノチューブを容易に得ることができ
る。また、粗生成物中に含まれるようなグラファイトや
アモルファスカーボン等の不純物の燃焼速度がナノチュ
ーブよりも速いという性質を利用すると、あらかじめ粗
生成物からナノチューブを精製することなしに、この手
法のみを用いて、ナノチューブの長さ制御と精製を同時
に行なうことも可能である。

【００３６】第３は、高エネルギーの収束イオンビーム
を照射することによってナノチューブを分断する方法で
ある。精製後のカーボンナノチューブ懸濁液を加熱し、
エタノールを蒸発させる。その後、収束イオンビーム発
生装置内に入れ、所望の長さ以下になるようにＧａやＡ
ｕ等のイオンビームを走査し、ナノチューブを分断す
る。

【００３７】上記の３つの方法による長さ制御を経たナ
ノチューブを含む電界放出型冷陰極は、第１の実施例〜
第３の実施例で示した冷陰極と比較して、より大きな電
流量を示す。これは、ナノチューブが分断もしくは燃焼
することによって、その先端部分または側面に欠陥が発
生しそれらの箇所に電界が集中しやすくなったためと考
えられる。従って、先に示した３つの長さ制御法を用い
ることによって、さらに高い放出電流を得ることが可能
である。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、エミッタに少なくとも
絶縁層の膜厚より短いカーボンナノチューブを用いるこ
とにより、ゲート電極とエミッタ間の絶縁性を保持し、
エミッタ表面の平坦性を向上させ、均一で安定な高放出
電流を発生可能な電界放出型冷陰極および平面ディスプ
レイを製造することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界放出型冷陰極の第１の実施例の製
造工程を示す断面構造図である。

【図２】本発明の電界放出型冷陰極の第１の実施例の製
造工程を示す断面構造図である。

【図３】本発明の電界放出型冷陰極の第１の実施例の製
造工程を示す断面構造図である。

【図４】本発明の電界放出型冷陰極の第１の実施例の製
造工程を示す断面構造図である。

【図５】本発明の電界放出型冷陰極の第１の実施例の製
造工程を示す断面構造図である。

【図６】本発明の電界放出型冷陰極の第２の実施例の製
造工程を示す断面構造図である。

【図７】本発明の電界放出型冷陰極の第２の実施例の製
造工程を示す断面構造図である。

【図８】本発明の電界放出型冷陰極の第２の実施例の製
造工程を示す断面構造図である。

【図９】本発明の電界放出型冷陰極の第２の実施例の製
造工程を示す断面構造図である。

【図１０】本発明の電界放出型冷陰極の第２の実施例の
製造工程を示す断面構造図である。

【図１１】本発明の電界放出型冷陰極の第２の実施例の
製造工程を示す断面構造図である。

【図１２】本発明にしたがって形成した電界放出型冷陰
極の放出電流量とゲート電圧の関係を示す図である。

【図１３】本発明の電界放出型冷陰極の第３の実施例
（平面ディスプレイ）の製造工程を示す断面構造図であ
る。

【図１４】本発明の電界放出型冷陰極の第３の実施例
（平面ディスプレイ）の製造工程を示す断面構造図であ
る。

【図１５】本発明の電界放出型冷陰極の第３の実施例
（平面ディスプレイ）の製造工程を示す断面構造図であ
る。

【図１６】本発明の電界放出型冷陰極の第３の実施例
（平面ディスプレイ）の製造工程を示す断面構造図であ
る。

【図１７】本発明におけるエミッタ領域を示す平面構造
図である。

【図１８】従来例における電界放出型冷陰極を示す平面
構造図である。

【図１９】従来例における電界放出型冷陰極を示す平面
構造図である。

【図２０】従来例における電界放出型冷陰極を示す平面
構造図である。

【図２１】従来例における電界放出型冷陰極を示す断面
構造図である。

【図２２】従来例における平面ディスプレイを示す斜視
図である。

【図２３】従来例における平面ディスプレイを示す断面
図である。

【図２４】従来例における電界放出型冷陰極を示す断面
構成図である。

【図２５】従来例における電界放出型冷陰極を示す断面
構成図である。

【符号の説明】

１ガラス基板２導電層３エミッタ（長さ制御したカーボンナノチューブ）４絶縁層５ゲート電極層６ゲート開口部７炭素質基板８エミッタ（カーボンナノチューブ）９電極１０絶縁層１１グリッド１２アルミニウム１３金属触媒１４素子分離領域１５蛍光板１６カソード材１７電子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カーボンナノチューブからなるエミッタ
と、前記エミッタを取り囲むように配置された絶縁層
と、ゲート電極とを備え、前記エミッタに対して電圧を
印加して電子を放出させる電界放出型冷陰極において、前記カーボンナノチューブの長さが少なくとも前記絶縁
層の膜厚よりも短いことを特徴とする電界放出型冷陰
極。
【請求項２】前記絶縁層が、絶縁耐圧Ｅｂ，膜厚ｄと
し、前記電圧をＶｇとするとき、前記カーボンナノチュ
ーブの長さは、ｄ−Ｖｇ／Ｅｂより短いことを特徴とす
る、請求項１に記載の電界放出型冷陰極。
【請求項３】絶縁層の膜厚よりも短い長さに制御したカ
ーボンナノチューブからなるエミッタ材を導電性基板も
しくはガラス基板上に形成された導電層上に固着する工
程と、その上層に絶縁層およびゲート電極層を順次形成する工
程と、前記絶縁層およびゲート電極層をエッチングし、開口部
を形成する工程と、を含むことを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項４】導電性基板もしくはガラス基板上に形成さ
れた導電層上に、絶縁層およびゲート電極層を順次形成
する工程と、前記絶縁層およびゲート電極層をエッチングし、開口部
を形成する工程と、前記開口部およびゲート電極層上に、少なくとも前記絶
縁層の膜厚よりも短い長さに制御したカーボンナノチュ
ーブからなるエミッタ材を固着する工程と、前記エミッタ材をエッチングし、ゲート開口部内のみに
エミッタ材を残す工程と、を含むことを特徴とする電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項５】前記カーボンナノチューブの長さ制御は、
前記カーボンナノチューブをろ過によって特定の長さの
カーボンナノチューブを分離し抽出することによって行
うことを特徴とする、請求項３または４に記載の電界放
出型冷陰極の製造方法。
【請求項６】前記カーボンナノチューブの長さ制御は、
前記カーボンナノチューブを粉砕し、ろ過によって特定
の長さのカーボンナノチューブを分離し抽出することに
よって行うことを特徴とする、請求項３または４に記載
の電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項７】前記カーボンナノチューブの長さ制御は、
前記カーボンナノチューブを酸素等の酸化剤を含むガス
中で加熱し、ろ過によって特定の長さのカーボンナノチ
ューブを分離し抽出することによって行うことを特徴と
する、請求項３または４に記載の電界放出型冷陰極の製
造方法。
【請求項８】前記カーボンナノチューブの長さ制御は、
前記カーボンナノチューブにイオンビームを照射し、ろ
過によって特定の長さのカーボンナノチューブを分離し
抽出することによって行うことを特徴とする、請求項３
または４に記載の電界放出型冷陰極の製造方法。
【請求項９】上記請求項３〜８のいずれかに記載の電界
放出型冷陰極の製造方法を含むことを特徴とする平面デ
ィスプレイの製造方法。