JP2001176378A

JP2001176378A - 冷陰極及びその製造方法

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Publication number: JP2001176378A
Application number: JP36160199A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ide; 哲也井出; Masao Urayama; 雅夫浦山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-06-29
Anticipated expiration: 2019-12-20
Also published as: JP3554238B2

Abstract

(57)【要約】【課題】カーボンナノチューブを分散させた物質を引
き伸ばすことにより配向カーボンナノチューブを形成
し、低電圧で高い放出電流密度が可能な電界放出型電子
源を有する冷陰極及びその製造方法を提供する。【解決手段】絶縁基板７の一面にゲート電極８が形成
され、該ゲート電極８及び前記絶縁基板７に形成された
貫通孔９に、配向カーボンナノチューブ１ａを内部に有
する物質２が該配向カーボンナノチューブ１ａの端面を
露出させた状態で埋め込まれて電子源Ｅを構成し、前記
絶縁基板７の他面に前記配向カーボンナノチューブ１ａ
の他端面に接触するエミッタ配線１１が形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷陰極及びその製
造方法に関し、詳しくは、カーボンナノチューブを電子
源として用いる冷陰極及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在使われているＣＲＴ等の電子管で
は、電子源として熱電子放出により電子を供給する熱陰
極が一般に用いられている。熱電子放出は、物質を１５
００〜２００Ｋまで加熱して、伝導帯の自由電子に仕事
関数以上のエネルギを与えることで、電子が放出される
機構であり、現在はＢａ化合物とＷ粉末とを混合してプ
レス焼結した焼結型、多孔性ＷにＢａ化合物を溶融状態
で含浸させた含浸型が主流である。なお、電子放出に
は、熱電子放出以外に電界放出、二次電子放出、光電子
放出等がある。

【０００３】冷陰極は、電界放出により電子放出を行う
陰極である。電界放出は、物質の表面近傍に強電界（１
０⁹ Ｖ／ｍ）を加え、表面のポテンシャル障壁を下げる
ことでトンネル効果により電子放出を行うものである。
その電流−電圧特性はファウラ・ノードハイムの式で近
似できる。電子放出部は、絶縁を保ちながら強電界を印
加するために、電界集中定数を大きくする構造、例えば
針状等としている。

【０００４】初期の冷陰極はウィスカーのような針状単
結晶を電界研磨して用いた２極管構造であったが、近
年、集積回路又は薄膜の分野において用いられている微
細加工技術により、高電界において電子を放出する電界
放出型電子源（フィールドエミッタアレイ）の製造技術
の進歩は目覚ましく、特に極めて小型な構造を有する電
界放出型冷陰極が製造されている。この種の電界放出型
冷陰極は、３極管の超小型電子管又は超小型電子銃を構
成する主要部品の内、最も基本的な電子放出デバイスで
ある。構造の微細化が進んだことにより、電子源として
は熱陰極に比較して高い電流密度を得られる利点があ
る。

【０００５】電界放出型電子源の動作及び製造方法は、
スタンフォード・リサーチ・インスティチュート(Stanf
ord Research Institute）のシー．エー．スピント(C.
A.SPindt)らによるジャーナル・オブ・アプライド・フ
ィジックス(Joumal of AppliedPhysics) の第４７巻、
１２号、５２４８〜５２６３項（１９７６年１２月）に
発表された研究報告により公知であり、米国特許第４，
３０７，５０７号及び米国特許第４，５１３，３０８号
に開示されている。

【０００６】冷陰極を用いたフィールドエミッションデ
ィスプレイ（以下、ＦＥＤという）は、自発光型フラッ
トパネルディスプレイヘの応用が期待され、電界放出型
電子源の研究、開発が盛んに行われている。フィールド
エミッションは、２〜３％の電界変化に対して放出電流
量が２〜３倍に変化するため、ＦＥＤに用いる場合、抵
抗層導入等の様々な制限機構を導入する必要がある。Ｆ
ＥＤに用いられる電界放出型電子源の材料としては、様
々のものが知られており、近年、電子放出材料の微粒子
として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が注目されて
いる。

【０００７】カーボンナノチューブは、１９９１年、飯
島らにより発見(S.Iijima,Nature,354,56.1991) され
た。このカーボンナノチューブは、円筒状に巻いたグラ
ファイト層が入れ子状になったもので、その先端径が約
１０ｎｍ程度であり、耐酸化性、耐イオン衝撃性が強い
点で電子源アレイとしては非常に優れた特徴を有する材
料と考えられている。実際、カーボンナノチューブから
の電界放出実験が、１９９５年にR.E.Small1eyら(A.G.R
inzler,Science,269.1550.1995) とW.A.deHeerら(W.A.d
e Heer,Science,270.1179.1995) の研究グルーブ分ら報
告されている。これらの電界放出実験に用いられたカー
ボンナノチューブは金属薄板上にキャスティングされた
ものである。

【０００８】カーボンナノチューブは、高アスペクト比
を有する構造を持つので、その軸方向が電界の方向に配
向した場合の方がより高効率の電子放出を期待できる。
配向させたカーボンナノチューブを用いた電子放出素子
としては、陽極酸化膜の細孔に選択成長した３極管構造
のものが知られており、画素内の各々の電子源の特性バ
ラツキを低減し、画素当たりの電流強度の安定性を改善
させている（特開平１０−１２１２４号公報参照）。ま
た、真空下でＳｉＣ結晶上に配向したカーボンナノチュ
ーブを形成することも報告されている（特開平１０−２
６５２０８号公報参照）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
陽極酸化膜細孔を用いたカーボンナノチューブ電子源に
あっては、カーボンナノチューブ生成条件が高温である
ため、絶縁基板のアルミニウムへのダメージが問題とな
る。また、ＳｉＣ結晶上にカーボンナノチューブを配向
させることは、カーボンナノチューブ形成、パターン化
を真空装置内で行うため特別な装置を必要とし、また、
カーボンナノチューブの密度が高いため、カーボンナノ
チューブの形状因子による電界集中の度合いが小さくな
り、低電圧で電子放出を行うカーボンナノチューブの利
点が生かされないという問題がある。

【００１０】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、低電圧で高い放出電流密度が可能な電
界放出型電子源を有する冷陰極、及びカーボンナノチュ
ーブを分散させた物質を引き伸ばすことにより低温下で
確実に配向カーボンナノチューブを形成する冷陰極及び
その製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の冷陰極は、絶縁
基板の片面にゲート電極が形成され、該ゲート電極及び
前記絶縁基板に形成された貫通孔に、配向カーボンナノ
チューブを内部に有する物質が該配向カーボンナノチュ
ーブの端面を露出させた状態で埋め込まれて電子源を構
成し、前記絶縁基板の他面に前記配向カーボンナノチュ
ーブの他端面に接触するエミッタ配線が形成されている
ことを特徴とする。

【００１２】また、前記配向カーボンナノチューブを内
部に有する物質の外周が絶縁層で覆われていることで、
外周の絶縁層が物質の接合面となるのでより低温での接
合を行うことができ、ゲート配線とエミッタ配線との間
の絶縁性を高めることができる。

【００１３】また、前記配向カーボンナノチューブを内
部に有する物質の外周が絶縁層及び該絶縁層の外周の導
電層で覆われ、かつ、前記電子源はその両端が前記ゲー
ト電極及びエミッタ配線より突出され、前記絶縁層の下
端部は溶融されて前記導電層の下端を覆う気密部を構成
していることで、電子源の電子放出面をよりアノード側
に近づけることができ、電子ビームの広がりを抑制で
き、また、気密部により、気密性の向上とエミッタ配線
とゲート電極間の絶縁の向上が図られる。また、前記配
向カーボンナノチューブを内部に有する物質が導電体で
あることで、エミッタ配線との十分なコンタクトを得る
ことができる。

【００１４】また、前記配向カーボンナノチューブを内
部に有する物質が絶縁体であり、前記配向カーボンナノ
チューブの表面が導電体メッキで覆われていることで、
配向カーボンナノチューブは絶縁体中に分散させている
ため、ゲート配線との間に高い絶縁を得ることができ、
また、カーボンナノチューブ表面が導電性の物質で覆わ
れているため、分散させたカーボンナノチューブ同士の
接触により、エミッタ配線との十分なコンタクトを得る
ことができる。

【００１５】また、本発明の冷陰極の製造方法は、カー
ボンナノチューブを物質内に分散させる工程と、前記カ
ーボンナノチューブを分散させた物質を引き伸ばして細
線を作製することにより配向カーボンナノチューブを形
成する工程と、前記細線を切断した切断短片をゲート電
極及び絶縁基板を貫通する貫通孔に埋め込む工程と、を
含むことを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の好適な実施の形態について、具体的な実施の形態
により詳細に説明する。第１の実施の形態図１は、第１の実施の形態におけるカーボンナノチュー
ブ配向工程図である。図１（ａ）に示すように、るつぼ
１２内において、カーボンナノチューブ１をアルゴン
（Ａｒ）ガス雰囲気で溶融コバール金属２に分散させ、
線引き用のプリフォーム（直径５０ｍｍ）３を作製した
（図１（ｂ）参照）。これを光ファイバ線引き用加熱炉
で線引きし、図１（ｃ）〜（ｅ）に示すように中間線材
４から最終的に直径０．０４ｍｍの細線５を作製した。

【００１７】この細線５の作製工程によりカーボンナノ
チューブ１は配向されて、図１（ｅ）に示すように、コ
バール金属２内に配向カーボンナノチューブ１ａを含む
細線５が作製される。なお、細線５を作製する手段は、
この方法に限らず、引き抜き加工あるいはるつぼ法等の
周知の手段によって作製してもよい。これは以下の各実
施の形態においても同様である。

【００１８】図２は、第１の実施の形態における冷陰極
を示す図であり、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）
はその断面図、図２（ｃ）はその下面図である。セラミ
ック基板７の上面にはＸ方向にゲート電極８のパターン
が形成され、このゲート電極８からセラミック基板７に
貫通する貫通孔９が形成されている。この貫通孔９に前
記の細線５を切断した形成された切断短片１０を埋め込
んだ後、セラミック基板７をマイナスにして直流電圧１
０００Ｖを印加し、６００℃、３０分で直流電圧印加法
により接合を行った。その後、セラミック基板７の背面
にＹ方向のエミッタ配線１１を形成した。なお、エミッ
タ配線１１の幅Ｔは貫通孔９の孔径より大きくし、気密
性の向上を図っている。このようにして、ＸＹマトリク
ス配置の電子源Ｅが構成される。

【００１９】第２の実施の形態図３は、第２の実施の形態におけるカーボンナノチュー
ブ配向工程図である。図３（ａ）に示すように、二重る
つぼ２２の内側において、カーボンナノチューブ１をＡ
ｒガス雰囲気で溶融コバール金属２に分散させ、外側に
溶融フリットガラス６を入れ、二重るつぼ法により線引
きする。そして、図３（ｂ）〜（ｅ）に示すように、プ
リフォーム（直径５０ｍｍ）３、中間線材４から最終的
に直径０．０５ｍｍの細線５を作製する。

【００２０】この細線５の作製工程によりカーボンナノ
チューブ１は配向されて、図３（ｅ）に示すようにコバ
ール金属２内に配向カーボンナノチューブ１ａを含む細
線５が作製される。この細線５の外周はフリットガラス
絶縁層６ａで覆われている。なお、フリットガラス絶縁
層６ａを形成する手段は、この二重るつぼ法に限定され
ず、蒸着、溶射等を用いてもよい。

【００２１】図４は、第２の実施の形態における冷陰極
を示す図であり、図４（ａ）はその上面図、図４（ｂ）
はその断面図、図４（ｃ）はその下面図である。ゲート
電極パターン８からセラミック基板７に貫通する貫通孔
９に細線５を切断した切断短片１０を埋め込んだ後、６
００℃、３０分で接合を行った。その後、セラミック基
板７の背面に第１の実施の形態と同様のエミッタ配線１
１を形成した。このようにして、ＸＹマトリクス配置の
電子源Ｅが構成される。

【００２２】第３の実施の形態図５は、第３の実施の形態におけるカーボンナノチュー
ブ配向工程図である。図５（ａ）において、カーボンナ
ノチューブ１をＡｒガス雰囲気で溶融した銀１６中に分
散させた後、外周にフリットガラス１７を溶射し、更に
最外周にコバール金属１８を溶射して、線引き用のプリ
フォーム（直径５０ｍｍ）３を作製した（図５（ｂ）参
照）。これを光ファイバ線引き用加熱炉で線引きし、図
５（ｃ）〜（ｅ）に示すように中間線材４から最終的に
直径０．０５ｍｍの細線５を作製する。

【００２３】この細線５の作製工程によりカーボンナノ
チューブ１は配向されて、図５（ｅ）に示すように銀１
６内に配向カーボンナノチューブ１ａを含む細線５が作
製される。この細線５の外周は、フリットガラス絶縁層
１７ａとコバール金属１８の導電層１８ａで覆われてい
る。

【００２４】図６は、第３の実施の形態における電子源
形成工程図である。図６（ａ）において、ゲート電極８
からセラミック基板７に貫通する貫通孔９に細線５を切
断した切断短片１０を上端及び下端が各々セラミック基
板７の上面及び下面から突出した状態で埋め込んだ後、
セラミック基板７をマイナスにして直流電圧１０００Ｖ
を印加し、６００℃、３０分で直流電圧印加法により接
合を行う。

【００２５】次に、図６（ｂ）において、塩酸によるエ
ッチングでセラミック基板７の背面の突出部のコバール
金属１８の導電層１８ａを除去する。更に、図６（ｃ）
において、４５０℃に加熱し、フリットガラス絶縁層１
７ａを軟化させることで、導電層１８ａを覆う気密部１
９を形成する。

【００２６】図７は、第３の実施の形態における冷陰極
を示す図であり、図７（ａ）はその上面図、図７（ｂ）
はその断面図、図７（ｃ）はその下面図である。セラミ
ック基板７の背面に、切断短片１０の銀１２にのみ接触
するようにエミッタ配線１１を形成する。このようにし
て、ＸＹマトリクス配置の電子源Ｅが構成される。この
電子源Ｅはゲート電極８の面より突出しているため、電
子源Ｅの電子放出面をよりアノード側に近づけることが
でき、電子ビームの広がりを抑制できる。また、気密部
１９により、気密性の向上と、エミッタ１１、ゲート電
極８間の絶縁の向上が図られる。

【００２７】第４の実施の形態図８は、第４の実施の形態におけるカーボンナノチュー
ブ配向工程図である。図８（ａ）において、無電解ニッ
ケルメッキ１５を施したカーボンナノチューブ１をフリ
ットガラス２０中に分散させ、線引き用のプリフォーム
（直径５０ｍｍ）３を作製した（図８（ｂ）参照）。こ
れを光ファイバ線引き用加熱炉で線引きし、図８（ｃ）
〜（ｅ）に示すようにプリフォーム（直径５０ｍｍ）
３、中間線材４から最終的に直径０．０４ｍｍの細線５
を作製する。この細線５には、無電解ニッケルメッキ１
５を施した配向カーボンナノチューブ１ａを含んでい
る。

【００２８】図９は、第４の実施の形態における電子源
形成工程図である。図９（ａ）において、ゲート電極８
からセラミック基板７に貫通する貫通孔９に細線５を切
断した切断短片１０を充填した後、４５０℃、１５分で
接合を行った。その後、セラミック基板７の背面に第１
の実施の形態と同様のエミッタ配線１１を形成した。次
に、図９（ｂ）において、塩酸によるエッチングにより
露出しているニッケルメッキ部１５を除去し、配向カー
ボンナノチューブ１ａの先端を露出２１させる。このよ
うにして、ＸＹマトリクス配置の電子源Ｅが構成され
る。

【００２９】図１０は、第４の実施の形態における冷陰
極を示す図であり、図１０（ａ）はその上面図、図１０
（ｂ）はその断面図、図１０（ｃ）はその下面図であ
る。図１０に示すように、セラミック基板７の背面に、
フリットガラス２０を塞ぐようにエミッタ配線１１を形
成する。このようにして、ＸＹマトリクス配置の電子源
Ｅが構成される。この電子源Ｅは、配向カーボンナノチ
ューブ１ａの表面が無電解ニッケルメッキ１５で覆われ
ていることで、分散させたカーボンナノチューブ１ａ同
士の接触により、エミッタ配線１１との十分なコンタク
トを得ることができる。

【００３０】第５の実施の形態図１１は、第５の実施の形態における冷陰極を示す図で
あり、図１１（ａ）はその上面図、図１１（ｂ）はその
下面図である。第３の実施の形態と同一構成の電子源Ｅ
を、３個を１組として、ゲート電極８上に配置し、３個
を１組としてエミッタ配線１１を形成している。これに
よりＲＧＢのフルカラー表示に対応させることができ
る。また、本実施の形態では、インライン配置を用いて
いるが、Δ配列を形成してもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の冷陰極
によれば、ゲート電極及び絶縁基板に形成された貫通孔
に配向カーボンナノチューブを有する物質を埋め込んで
電子源を構成したので、低電圧で高い放出電流密度が可
能な電界放出電子源を有する冷陰極が得られる。また、
エミッタ配線を絶縁基板裏面に設けたので、ＸＹマトリ
クス形成時のゲート電極との絶縁を容易に行うことがで
きると共に、エミッタ配線が絶縁基板裏面の電子源充填
部を覆うため気密性が向上する。

【００３２】また、本発明の冷陰極の製造方法によれ
ば、カーボンナノチューブを物質内に分散させ、引き伸
ばして細線を作製することにより配向カーボンナノチュ
ーブを形成するので、低温下で、かつ真空装置等を用い
ることなく配向したカーボンナノチューブを容易かつ確
実に形成でき、また、細線の切断短片を貫通孔に埋め込
むことにより所定の位置に正確に配置することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態におけるカーボンナノチュー
ブ配向工程図である。

【図２】第１の実施の形態における冷陰極を示す図であ
る。

【図３】第２の実施の形態におけるカーボンナノチュー
ブ配向工程図である。

【図４】第２の実施の形態における冷陰極を示す図であ
る。

【図５】第３の実施の形態におけるカーボンナノチュー
ブ配向工程図である。

【図６】第３の実施の形態における電子源形成工程図で
ある。

【図７】第３の実施の形態における冷陰極を示す図であ
る。

【図８】第４の実施の形態におけるカーボンナノチュー
ブ配向工程図である。

【図９】第４の実施の形態における電子源形成工程図で
ある。

【図１０】第４の実施の形態における冷陰極を示す図で
ある。

【図１１】第５の実施の形態における冷陰極を示す図で
ある。

【符号の説明】

１カーボンナノチューブ１ａ配向カーボンナノチューブ２コバール金属（カーボンナノチューブを分散させた
物質）６フリットガラス（絶縁体）７セラミック基板（絶縁基板）８ゲート電極９貫通孔１０切断短片１１エミッタ配線１６銀（カーボンナノチューブを分散させた物質）１５ニッケルメッキ（導電体メッキ）１７フリットガラス（絶縁層）１８コバール金属（導電層）１９気密部２０フリットガラス（カーボンナノチューブを分散さ
せた物質）２２二重るつぼ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板の片面にゲート電極が形成さ
れ、該ゲート電極及び前記絶縁基板に形成された貫通孔
に、配向カーボンナノチューブを内部に有する物質が該
配向カーボンナノチューブの端面を露出させた状態で埋
め込まれて電子源を構成し、前記絶縁基板の他面に前記
配向カーボンナノチューブの他端面に接触するエミッタ
配線が形成されていることを特徴とする冷陰極。
【請求項２】前記配向カーボンナノチューブを内部に
有する物質の外周が絶縁層で覆われていることを特徴と
する請求項１記載の冷陰極。
【請求項３】前記配向カーボンナノチューブを内部に
有する物質の外周が絶縁層及び該絶縁層の外周の導電層
で覆われ、かつ、前記電子源はその両端が前記ゲート電
極及びエミッタ配線より突出され、前記絶縁層の下端部
は溶融されて前記導電層の下端を覆う気密部を構成して
いることを特徴とする請求項１記載の冷陰極。
【請求項４】前記配向カーボンナノチューブを内部に
有する物質が導電体であることを特徴とする請求項１乃
至３いずれかに記載の冷陰極。
【請求項５】前記配向カーボンナノチューブを内部に
有する物質が絶縁体であり、前記配向カーボンナノチュ
ーブの表面が導電体メッキで覆われていることを特徴と
する請求項１乃至３いずれかに記載の冷陰極。
【請求項６】カーボンナノチューブを物質内に分散さ
せる工程と、前記カーボンナノチューブを分散させた物
質を引き伸ばして細線を作製することにより配向カーボ
ンナノチューブを形成する工程と、前記細線を切断した
切断短片をゲート電極及び絶縁基板を貫通する貫通孔に
埋め込む工程と、を含むことを特徴とする冷陰極の製造
方法。