JP2005056604A - 自発光型平面表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ゲート電極により数Ｖから数十Ｖの比較的低い電圧でゲート動作を可能とした自発光型平面表示装置を提供する。
【解決手段】カーボンナノチューブを電子源としたカソード電極７０１とゲート電極７０２を形成した背面基板６０１で構成した背面パネル１と蛍光体及びアノード電極６０２を形成した前面パネル２を封止枠３で封止した自発光型平面表示装置の電子源の必要最大エミッション電流密度を得るための電界強度Ｅｍａｘと、最小エミッション電流密度となる電界強度Ｅｍｉｎの差を１Ｖ／μｍ以下、好ましくは０．５Ｖ／μｍ以下とする。
【選択図】 図１１
【解決手段】カーボンナノチューブを電子源としたカソード電極７０１とゲート電極７０２を形成した背面基板６０１で構成した背面パネル１と蛍光体及びアノード電極６０２を形成した前面パネル２を封止枠３で封止した自発光型平面表示装置の電子源の必要最大エミッション電流密度を得るための電界強度Ｅｍａｘと、最小エミッション電流密度となる電界強度Ｅｍｉｎの差を１Ｖ／μｍ以下、好ましくは０．５Ｖ／μｍ以下とする。
【選択図】 図１１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中への電子放出を利用した表示装置に係り、特に、ナノチューブで構成した電子源を有するカソード電極とこの電子源からの電子の放出量を制御するゲート電極を備えた背面パネルとから取り出された電子の励起で発光する複数色の蛍光体層とアノード電極を有する前面パネルとを具備した自発光型平面表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高輝度、高精細に優れたディスプレイデバイスとして従来からカラー陰極線管が広く用いられている。しかし、近年の情報処理装置やテレビ放送の高画質化に伴い、高輝度、高精細の特性をもつと共に軽量、省スペースの平面型表示装置の要求が高まっている。
【０００３】
その典型例として液晶表示装置、プラズマ表示装置などが実用化されている。また、特に、高輝度化が可能なものとして、電子源から真空への電子放出を利用した電子放出型表示装置、または電界放出型表示装置や、低消費電力を特徴とする有機ＥＬディスプレイなど、種々の型式のパネル型表示装置の実用化も近い。なお、補助的な照明光源を必要としないプラズマ表示装置、電子放出型表示装置あるいは有機ＥＬ表示装置を自発光型平面表示装置と称する。
【０００４】
このような平面型の表示装置のうち、上記電界放出型の表示装置には、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔらにより発案されたコーン状の電子放出構造をもつもの、メタル−インシュレータ−メタル（ＭＩＭ）型の電子放出構造をもつもの、量子論的トンネル効果による電子放出現象を利用する電子放出構造（表面伝導型電子源とも呼ばれる）をもつもの、さらにはダイアモンド膜やグラファイト膜、カーボンナノチューブに代表されるナノチューブなどが持つ電子放出現象を利用するもの、等が知られている。
【０００５】
自発光平面型表示装置の一例である電界放出型の表示装置は、内面に電界放出型の電子源と制御電極であるゲート電極を形成した背面パネルと、この背面パネルと対向する内面に複数色の蛍光体層とアノード電極（陽極）とを備えた前面パネルの両者の内周縁に封止枠を介挿して封止し、当該背面パネルと前面パネルおよび封止枠で形成される内部を真空にして構成される。背面パネルは、ガラスあるいはアルミナ等を好適とする背面基板の上に、第１の方向に延在しこの第１の方向と交差する第２の方向に延在し第１の方向に並設されて電子源をもつ複数の陰極配線と、第２の方向に延在し第１の方向に並設して設けたゲート電極を有する。そして、カソード電極とゲート電極との間の電位差で電子源からの電子の放出量（放出のオン・オフを含む）を制御する。
【０００６】
また、前面パネルはガラス等の光透過性の材料で形成された前面基板の上に蛍光体層とアノード電極を有する。封止枠は背面パネルと前面パネルとの内周縁にフリットガラスなどの接着材で固着される。背面パネルと前面パネルおよび封止枠で形成される内部の真空度は、例えば１０−５〜１０−７Ｔｏｒｒである。表示面サイズが大きいものでは、背面パネルと前面パネルの間に間隙保持部材（スペーサ）を介挿して固定し、両基板間の間を所定の間隔に保持している。
【０００７】
なお、ナノチューブとしての典型例であるカーボンナノチューブを電子源とした自発光型平面表示装置に関する従来技術を開示したものとして、「非特許文献１」等、数多く報告されている。
【０００８】
【非特許文献１】
ＳＩＤ ９９ Ｄｉｇｅｓｔ ｐｐ．１１３４−１１３７
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
カーボンナノチューブ等のナノチューブを利用した電子放出素子、およびそれを用いた自発光型平面表示装置は数多く報告されている。前記「非特許文献１」には印刷で形成したカーボンナノチューブ電子源で公称４．５インチの自発光型平面表示装置を作成した例が開示されている。従来、カーボンナノチューブを電子源とした自発光型平面表示装置においては、必要な最大エミッション電流密度を得るための電界強度Ｅｍａｘと、最小エミッション電流密度（最大エミッション電流密度の１／１０００と定義する）となる電界強度Ｅｍｉｎの差（Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎ）が２Ｖ／μｍ以上と大きいため、カーボンナノチューブの比較的近傍にゲート構造（ゲート電極、制御電極）を設置しても、ゲート電極によるオン・オフ動作に必要な電圧が１００Ｖ程度と高くなってしまう。
【００１０】
特に、スクリーン印刷等の安価な塗布方法でゲート電極を製作する場合、カーボンナノチューブとゲート電極との距離は、当該印刷方法の精度により数十μｍ程度になるため、Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎが２Ｖ／μｍ以上となってしまい、ゲート電極によるオン・オフ動作（エミッション制御動作（ゲート動作））に必要な電圧が高くなる。なお、本発明の説明における具体的数値は限定的なものではなく、その近傍を含むことに留意すべきである。
【００１１】
本発明の第１の目的は、ゲート電極により数Ｖから数十Ｖの比較的低い電圧でゲート動作を可能とした自発光型平面表示装置を提供することにある。
【００１２】
また、従来、そのエミッションサイトの密度が数千個／ｃｍ２ 程度と非常に低いため、表示画面がザラついて見え、不均一な表示になっていた。エミッションサイトの密度が低い主な原因は、エミッション領域の表面にカーボンナノチューブは沢山あるが、電界集中が大きくエミッションする直径の小さいカーボンナノチューブの量が少ないためと考えられる。
【００１３】
本発明の第２の目的は、電子源を構成するエミッションサイトの密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることにより、ザラつきの無い均一な表示画像を実現した自発光型平面表示装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明は、必要な最大エミッション電流密度を得るための電界強度Ｅｍａｘと、最小エミッション電流密度となる電界強度Ｅｍｉｎの差が１Ｖ／μｍ以下、好ましくは０．５Ｖ／μｍ以下であるカーボンナノチューブ電子源を用いることにより、数Ｖから数十Ｖの比較的低電圧でのゲート動作を可能とした。
【００１５】
また、本発明は、前記最大エミッション電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ２ 、好ましくは３０ｍＡ／ｃｍ２ とし、前記表示領域内の全ての画素のエミッション電流密度と電界強度が前記関係を満足するようにした。
【００１６】
そして、上記第２の目的を達成するため、本発明は、直径分布の狭いナノチューブを電子源として用いることにより、エミッションサイト密度を増大させる。特に、最小直径から最小直径の１．２倍、好ましくは１．１倍までの直径を有するナノチューブの平均的な密度が１０００万本／ｃｍ２ 以上として、エミッションサイト密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることを可能とした。
【００１７】
また、本発明は、画素の全エミッション領域における最小直径の１．２倍、好ましくは１．１倍までの直径を有するナノチューブの平均的な密度を１０００万本／ｃｍ２ 以上とした。そして、前記画素を赤、緑、青の副画素として、各副画素の前記電子原が１又は複数のエミッション領域を有するようにした。
【００１８】
なお、本発明は上記の構成および後述する実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、カーボンナノチューブを電子源とした実施例の図面を参照して詳細に説明する。図１はカーボンナノチューブの電子源のエミッション電流密度と電界強度との代表的な関係の説明図であり、横軸に電界強度Ｅ（Ｖ／μｍ）、縦軸にエミッション電流密度Ｉ（ｍＡ／ｃｍ２ ）を取って示す。例えば、所謂４０型クラスの大型の平面表示装置を実現するためには、１０乃至３０ｍＡ／ｃｍ２ の最大エミッション電流密度が必要である。図１では、１０ｍＡ／ｃｍ２ の最大エミッション電流密度を得るために、５Ｖ／μｍの電界が必要で、またそのエミッション電流密度が最小エミッション電流密度すなわち１／１０００で充分ゼロに近づく電界は３Ｖ／μｍであり、その電界強度差は２Ｖ／μｍである。
【００２０】
エミッション電流密度と電界強度との関係において、この電界強度差（Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎ）が何によって決まるかを説明する。図２はエミッション電流密度と電界強度の関係式の説明図である。エミッション電流密度Ｉは、電界強度が比較的大きいところでは、図１に示したグラフの傾きが電界集中係数γの二乗に比例する。電界集中係数γはカーボンナノチューブの長さＬに比例し、その直径ｄに反比例する。そこで、上記電界強度差をできるだけ小さくするためには、カーボンナノチューブの長さＬを長く、直径ｄを小さくすればよいことになる。なお、図２に示した式におけるφは仕事関数、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は定数である。
【００２１】
図３は電子源を構成するカーボンナノチューブの理想的な配置の説明図である。参照符号３０１はカーボンナノチューブを固定する基板（具体的にはカソード電極）、３０２はカーボンナノチューブを示す。ここでは、図３に示すように、カーボンナノチューブ３０２を基板３０１に対して垂直に配置し、また、個々のカーボンナノチューブが直径ｄに比べて十分な距離で離れているものと仮定する。実際には、カーボンナノチューブ３０２が基板３０１に対して斜めに配向していたり、また密集している場合もあるが、電界強度差を小さくするために、カーボンナノチューブ３０２の長さＬを長く、また直径ｄを小さく、さらにカーボンナノチューブをある程度以上の間隔で配置するという考え方は概ね正しいと考えされる。
【００２２】
電界計算によれば、カーボンナノチューブ３０２の直径ｄが１ｍｍで、長さＬが１μｍの場合、それぞれのカーボンナノチューブの間隔を１μｍ以上にすると、それぞれの先端で均等な電界集中が起こることが示されている。ここで、カーボンナノチューブ３０２の長さＬは自立できる長さ、すなわち自立長によって決まり、直径ｄが１ｎｍ程度の場合、自立長は１μｍ程度である。また、十分な電界集中を得るためには、カーボンナノチューブ３０２の間隔は直径ｄに比例して広くする必要がある。
【００２３】
図４はカーボンナノチューブ電子源のエミッション電流密度と電界強度との関係の説明図であり、横軸に電界強度（相対値）、縦軸にエミッション電流密度（相対値）を取って示す。必要な最大エミッション電流密度をＩｍａｘ、この最大エミッション電流密度を得るための電界強度をＥｍａｘ（最大電界強度）とする。また、エミッション電流密度がＩｍａｘの１／１０００の値、すなわち最小エミッション電流密度をＩｍｉｎとし、そのときの電界強度をＥｍｉｎ（最小電界強度）とする。カーボンナノチューブ電子源のエミッション電流密度と電界強度との関係は図４に示したようになる。
【００２４】
図５はゲート動作電圧と最大電界強度と最小電界強度の差の関係の説明図であり、横軸に最大電界強度と最小電界強度の差（Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎ）（相対値）を、縦軸にゲート動作電圧（相対値）を取って示す。図５のグラフの傾きは、ゲート構造に依存するが、Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎが小さい程ゲート動作電圧を小さくなることが示されている。
【００２５】
次に、カーボンナノチューブを用いた電子源のエミッションサイトの密度と画面表示の関係について説明する。図６はカーボンナノチューブを用いた電子源に蛍光表示板を組み合わせてエミッションサイトからに電子による蛍光表示板上での表示の状態をエミッションサイト密度の相違で示す模式図である。図６における参照符号１００は１ｍｍ×１ｍｍの蛍光表示板、図６の左側に示した参照符号１０１はエミッションサイト密度が１０００個／ｃｍ２ すなわち１ｍｍ×１ｍｍに１０個での蛍光表示板上でのエミッションイメージ、図６の右側に示した参照符号１０２はエミッションサイト密度が１００万個／ｃｍ２ すなわち１ｍｍ×１ｍｍに１０００個での蛍光表示板上でのエミッションイメージを示す。図６に示されたように、均一な表示を実現するためには、１００万個／ｃｍ２ 以上のエミッションサイト密度が必要である。
【００２６】
図７は本発明による自発光型平面表示装置の画素構造の一例を模式的に説明する平面図である。図７はカラー表示のための一画素の構造で、この場合は赤（Ｒ）の副画素２０１、緑（Ｇ）の副画素２０２、青（Ｂ）の副画素２０３でカラー一画素を構成する。各副画素にはカーボンナノチューブを電子源とするエミッション領域２０４を有している。なお、モノクロ表示の場合は副画素のそれぞれが一画素となる。
【００２７】
図８は本発明による自発光型平面表示装置の画素構造の他例を模式的に説明する平面図である。図８も図７と同様のカラー表示のための一画素を示す。この画素構造では、赤（Ｒ）の副画素３０１、緑（Ｇ）の副画素３０２、青（Ｂ）の副画素３０３でカラー一画素を構成する。各副画素にはカーボンナノチューブを電子源とするエミッション領域３０４が複数個有している。なお、モノクロ表示の場合は副画素のそれぞれが一画素となる。
【００２８】
図７および図８に示したもの以外に、各副画素の形状、およびエミッション領域の個数を任意とすることが可能である。そして、エミッション領域２０４、３０４のそれぞれの単位面積が前記したエミッションサイトに対応する。エミッション領域に設けるカーボンナノチューブには、シングルウオールとマルチウオールとがある。
【００２９】
図９は電子源を構成するシングルウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。横軸は直径（ｎｍ）で、縦軸は頻度（％）を示す。シングルウオールカーボンナノチューブの場合は、既知の作製方法では最小直径は０．７ｎｍ（五員環が隣り合わないというルールに従う）であり、直径の大きい方には制限がないので、一般的には図１０に示したような直径分布となる。したがって、シングルウオールカーボンナノチューブの場合は、特に分級処理をしなくても、ある程度の密度があれば最小直径から最小直径の１．２倍（好ましくは１．１倍）までの直径を有するカーボンナノチューブの平均的な密度を１０００万本／ｃｍ２ 以上にすることが可能である。
【００３０】
図１０は電子源を構成するマルチウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。電子源を構成するマルチウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。横軸は直径（ｎｍ）で、縦軸は頻度（％）を示す。マルチウオールカーボンナノチューブの場合は、一般的に左右対象な直径分布となる。最小直径から最小直径の１．２倍（好ましくは１．１倍）までの直径を有するカーボンナノチューブの平均的な密度を１０００万本／ｃｍ２ 以上にするためには、フィルタ処理等の手法により、分布ピークよりも細い部分の分布を狭くすることが必要である。
【００３１】
次に、本発明による自発光型平面表示装置の第一実施例を図１１乃至図１７を参照して説明する。図１１は本発明による自発光型平面表示装置の第一実施例の全体構造を示す斜め上から見た展開斜視図である。また、図１２は図１１の自発光型平面表示装置の全体構成を展開して説明する斜め下方から見た模式図である。
【００３２】
図１１および図１２において、本実施例の自発光型平面表示装置は、背面パネル１および前面パネル２を封止枠３で封止して一体化して構成される。背面パネル１は、ガラスを好適とする背面基板６０１の内面に電子放出・制御構造として第１の方向に延在し第１の方向と交差する第２の方向に並設された多数のカソード電極７０１と、第２の方向に延在し第１の方向に平成された多数のゲート電極７０２を有する。カソード電極７０１には映像信号（図中、走査信号と表記）が印加され、ゲート電極７０２には選択信号（図中、ゲート信号と表記）が印加される。
【００３３】
前面パネル２を構成する前面基板１０３は透明ガラスを好適とし、その内面に複数の（ここでは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色）蛍光体層８００が第１の方向にストライブ状に塗布され、その上に透明導電膜としてアルミニウムを数十乃至数百ｎｍ厚に蒸着したアノード電極６０２を全面に形成してある。このアノード電極６０２には加速電圧が印加される。蛍光体層８００は図示したようなストライブ状に限らず、各色毎にドット状としてもよい。なお、封止枠３は背面パネル１と前面パネル２の貼り合わせ内部を真空状態に保つ機能と共に対向面の間隙を所定値に維持する機能を有する。また、画面サイズが大きい場合には、封止枠３で封止される両パネル間にガラスビーズやプラスチックビーズもしくはフォトリソグラフィー法で形成したレジストからんる柱状スペーサを介在して対向面の間隙を所定値に保持することが行われる。なお、封止枠３もガラスとするのが好適である。
【００３４】
図１３は本発明の自発光型平面表示装置を構成する背面パネルの構成例の模式的な説明図であり、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の要部である一画素の構成を示す。背面基板６０１の表示領域７００には、前記したカソード電極７０１とゲート電極７０２がマトリクス状に配置されている。カソード電極７０１とゲート電極７０２は図示しない絶縁層で電気的に絶縁されており、図１３（ｂ）に示したように各交差部にカーボンナノチューブで形成した電子源（ここでは、カーボンナノチューブ）７０３を有している。この電子源７０３はカソード電極２０２上に形成され、ゲート電極２０１に設けた制御開口（後述）から露呈している。
【００３５】
図１４は本発明の自発光型平面表示装置を構成する前面パネルの構成例の模式的な説明図であり、図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の要部である蛍光体層の配列例を示す。なお、この蛍光体層の上面には前記したアノード電極が形成されているが、図示は省略した。前面パネル２は映像観察面であり、前面基板６０３はガラスを好適とする。前面基板６０３の内面には、ストライプ状に繰り返し配列した３色の蛍光体８０１（赤）、８０２（緑）、８０３（青）を有し、各蛍光体８０１、８０２、８０３の境界には遮光層すなわちブラックマトリクス８０４が配置されている。各蛍光体８０１、８０２、８０３は前記した電子源を有する一画素（ここでは、カラーの副画素に相当）すなわちカソード電極とゲート電極の交差部のそれぞれと対向して配置される。これら蛍光体８０１、８０２、８０３とブラックマトリクス８０４からなる蛍光体層は次のようにして形成される。
【００３６】
先ず、前面基板６０３上に公知のリフトオフ法でブラックマトリクス８０４を形成する。次に、同じく公知のスラリー法を用い各蛍光体がブラックマトリクス８０４で区画されるように赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の蛍光体を順に形成する。その上を覆って前記したアノード電極を形成する。
【００３７】
こうして製作した前面パネル２を前記の背面パネル１に対して電子源と蛍光体の位置決めを行い、封止枠３を介して重ね合わせ、フリットガラスで接着する。フリットガラスは前面パネル２、背面パネル１、封止枠３の各対向面の何れかあるいは双方に塗布され、４５０°Ｃで加熱し、その後の温度低下で硬化させる。両パネルと封止枠で構成される内部空間は図示しない排気管から真空に引きした後、排気管を封じ切る。排気管は背面基板６０１の一部あるいは封止枠３の一部に設けるのが好ましい。そして、カソード電極に映像信号を、ゲート電極に制御信号を、アノード電極に陽極電圧（アノード電圧：高電圧）を与えることで所望の映像（画像）を表示させることができる。
【００３８】
次に、背面パネルの詳細構造の第一実施例を図１５乃至図１７を参照して説明する。図１５は背面パネルの要部構造を模式的に説明する平面図であり、２×２の画素部分を示す。図１６は図１５のＡ−Ａ’線に沿った断面図、図１７は図１５のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。図１５乃至図１７において、ガラスからなる背面基板９０９（図１１、図１２の参照符号６０１に相当）の表面に、厚さは０．２乃至１０μｍで幅が３００μｍのストアイプ状のカソード電極９０１（図１１、図１２の参照符号７０１に相当）を間隔６０μｍで６００本形成する。次に、カソード電極９０１を覆って絶縁層９０５を形成する。この絶縁層９０５の厚みは１乃至５０μｍである。この絶縁層の画素部分すなわち後述するゲート電極との交差部には直径１乃至５０μｍの絶縁層開口９０６が設けられている。
【００３９】
絶縁層９０５を焼成後、その上に厚さが０．２乃至１０μｍで、幅が９０μｍ、間隔が３０μｍのストアイプ状のゲート電極９０２（図１１、図１２の参照符号７０２に相当）を２４００本形成する。カソード電極９０１とゲート電極９０２の交差部に直径１乃至５０μｍの制御開口９０３を有する。なお、ゲート電極９０２にはカソード電極９０１との交差部で上記絶縁層９０５の絶縁層開口９０６とゲート電極９０２の制御開口９０３は同軸となっており、この両開口の底部すなわちカソード電極９０１にカーボンナノチューブの電子源が設けられる。
【００４０】
このように構成された電子放出・制御構造を有する背面パネルに前記した前面パネルを重ね合わせ、封止枠で封止して自発光型平面表示装置を製作した。そして、カソード電極９０１に走査信号（映像信号）を、ゲート電極９０２にゲート信号（制御信号）を入力し、前面パネルのアノード電極に加速電圧を印加することで均一に発光する映像を表示させることができた。
【００４１】
次に、図１８乃至図２１を参照して背面基板に電子源を形成するプロセスの第一実施例を説明する。図１８乃至図２１は本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成するプロセスの説明図である。図１８乃至図２１の（ａ）は電子源部分の上面図、（ｂ）は各図（ａ）のＡ−Ａ’線の沿った断面図、また図２１（ｃ）は図２１（ａ）のＢ−Ｂ’線断に沿った断面図である。
【００４２】
先ず、図１８に示したように、前面基板１００９（図１４の参照符号９０９に相当）上に幅が３００μｍ、間隔６０μｍのカソード電極１００１（図１５の参照符号９０１に相当）を６００本形成する。カソード電極１００１はカーボンナノチューブを含有した導電性ペーストをスクリーン印刷で塗布する。その厚みは１μｍである。次に、図１９に示したように、感光性誘電体ペーストを全面にスクリーン印刷後、通常のフォトリソグラフィープロセスで電子源開口となる絶縁層開口１００３（図１６の絶縁層開口９０６に相当）を形成する。これを大気中で５５０°Ｃ、３０分間の焼成を行うことで絶縁層１００５（図１６の絶縁層開口９０５に相当）とする。絶縁層１００５の厚みは１０μｍである。
【００４３】
図２０に示したように、感光性銀ペーストを全面にスクリーン印刷する。通常のフォトリソグラフィープロセスで図２１に示したゲート電極１００２（図１６のゲート電極９０２に相当）を形成し、大気中で５５０°Ｃ、３０分間の焼成を行うことでゲート電極を得る。ゲート電極１００２の幅は９０μｍ、間隔は３０μｍであり、これを２４００本形成した。また、このゲート電極１００２の厚みは５μｍであり、絶縁層開口と同じ部分に同じ大きさ、あるいはやや大きめの制御開口が形成される。
【００４４】
なお、本実施例では、カソード電極１００１およびゲート電極１００２を特定の金属で形成したが、必要な電気伝導性を有するものであれば、どのような金属または導電性材料であってもよい。また、本実施例では、フォトリソグラフィー法を用いてゲート電極を製作するものとしたが、スクリーン印刷法などの他の方法を用いることも可能である。さらに、本実施例では、カーボンナノチューブを電子源としたが、このカーボンナノチューブはシングルウオールでもマルチウオール、あるいはそれらの混合材料、もしくはカーボン以外の他の材料でできたナノチューブでもよい。
【００４５】
ここでは、３０ｍＡ／ｃｍ２ のエミッション電流密度を得るための電界強度が１Ｖ／μｍ、エミッション電流密度がその１／１０００になる時の電界強度が０．６Ｖ／μｍであり、その電界強度差が０．４Ｖ／μｍのカーボンナノチューブ電子源を用いたため、上記した電子源の開口の直径が１０μｍの場合、数ボルトの電圧でゲート動作を実現できた。
【００４６】
また、ここでは、直径の揃ったカーボンナノチューブを電子源の材料として用いたため、各画素の全エミッション領域の表面において、最小直径から最小直径の１．２倍（好ましくは１．１倍）までの直径を有するカーボンナノチューブの平均的な密度が１０００万本／ｃｍ２ 以上である電子源を製作できた。その結果、各画素の全エミッション領域における平均的なエミッションサイトの密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることができた。そして、自発光型平面表示装置の隣接画素間の輝度のばらつきを１％以下にすることができた。
【００４７】
次に、背面パネルの詳細構造の第二実施例を図２２乃至図２４を参照して説明する。図２２は本発明の自発光型平面表示装置の背面パネルの要部構造を模式的に説明する平面図であり、２×２の画素部分を示す。図２３は図２２のＡ−Ａ’線に沿った断面図、図２４は図２２のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。図２２乃至図２４において、ガラスを好適とする背面基板１１０９（図１１、図１２の参照符号６０１に相当）の表面に、厚さは０．２乃至１０μｍで幅が３００μｍのカソード電極１１０１（図１５乃至図１７の参照符号９０１に相当）を間隔６０μｍで６００本形成する。次に、カソード電極１１０１を覆って絶縁層１１０５（図１５乃至図１７の参照符号９０５に相当）を形成する。この絶縁層９０５の厚みは１乃至５０μｍである。この絶縁層の画素部分すなわち後述するゲート電極との交差部には直径１乃至５０μｍの絶縁層開口１１０３が設けられている。
【００４８】
絶縁層１１０３を焼成後、その上に厚さが０．２乃至１０μｍで、幅が９０μｍ、間隔が３０μｍのゲート電極１１０２（図１５乃至図１７の参照符号１１０２に相当）を２４００本形成する。カソード電極１１０１とゲート電極１１０２の交差部に直径１乃至５０μｍの制御開口１１０４を有する。なお、ゲート電極１１０２にはカソード電極１１０１との交差部で上記絶縁層１１０３の絶縁層開口１１０３とゲート電極１１０２の制御開口１１０４は同軸となっており、この両開口の底部すなわちカソード電極１１０１にカーボンナノチューブの電子源１１０６が設けられる。
【００４９】
このように構成された電子放出・制御構造を有する背面パネルに前記した前面パネルを重ね合わせ、封止枠で封止して自発光型平面表示装置を製作した。そして、カソード電極１１０１に走査信号（映像信号）を、ゲート電極１１０２にゲート信号（制御信号）を入力し、前面パネルのアノード電極に加速電圧を印加することで均一に発光する映像を表示させることができた。
【００５０】
次に、図２５乃至図２８を参照して背面基板に電子源を形成するプロセスの第二実施例を説明する。図２５乃至図２８は本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成するプロセスの説明図である。図２５乃至図２８の（ａ）は電子源部分の上面図、（ｂ）は各図（ａ）のＡ−Ａ’線の沿った断面図、また図２８（ｃ）は図２８（ａ）のＢ−Ｂ’線断に沿った断面図である。
【００５１】
先ず、図２５に示したように、前面基板１２０９（図２２乃至図２４の参照符号１１０９に相当）上に幅が３００μｍ、間隔６０μｍのカソード電極１２０１（図２２乃至図２４の参照符号１１０１に相当）を６００本形成する。カソード電極１２０１は感光性銀ペーストのスクリーン印刷で塗布する。その厚みは１μｍである。次に、図２６に示したように、絶縁層１２０５をスクリーン印刷で形成する。これを通常のフォトリソグラフィープロセスで電子源開口となる絶縁層開口１１０３（図２３の絶縁層開口１１０３に相当）を形成する。これを大気中で５５０°Ｃ、３０分間の焼成を行うことで絶縁層１１０５とする。絶縁層１１０５の厚みは１０μｍである。
【００５２】
図２７に示したように、感光性銀ペーストを全面にスクリーン印刷する。通常のフォトリソグラフィープロセスで図２８に示したゲート電極１２０２を形成し、大気中で５５０°Ｃ、３０分間の焼成を行うことでゲート電極を得る。ゲート電極１２０２の幅は９０μｍ、間隔は３０μｍであり、これを２４００本形成した。また、このゲート電極１００２の厚みは５μｍであり、絶縁層開口と同じ部分に同じ大きさ、あるいはやや大きめの制御開口が形成される。最後に、絶縁層開口の底部にカーボンナノチューブを含有したインクをインクジェット法で塗布し、電子源１２０６を形成した。
【００５３】
なお、本実施例では、カソード電極１２０１およびゲート電極１２０２を特定の金属で形成したが、必要な電気伝導性を有するものであれば、どのような金属または導電性材料であってもよい。また、本実施例では、フォトリソグラフィー法を用いてゲート電極を製作するものとしたが、スクリーン印刷法などの他の方法を用いることも可能である。さらに、本実施例では、カーボンナノチューブを含有したインクをインクジェット法で塗布したが、これをスクリーン印刷等の他の塗布法を用いて塗布してもよい。さらに、このカーボンナノチューブはシングルウオールでもマルチウオール、あるいはそれらの混合材料、もしくはカーボン以外の他の材料でできたナノチューブでもよい。
【００５４】
ここでは、３０ｍＡ／ｃｍ２ のエミッション電流密度を得るための電界強度が１Ｖ／μｍ、エミッション電流密度がその１／１０００になる時の電界強度が０．６Ｖ／μｍであり、その電界強度差が０．４Ｖ／μｍのカーボンナノチューブ電子源を用いたため、上記した電子源の開口の直径が１０μｍの場合、数ボルトの電圧でゲート動作を実現できた。
【００５５】
また、ここでは、直径の揃ったカーボンナノチューブを電子源の材料として用いたため、各画素の全エミッション領域の表面において、最小直径から最小直径の１．２倍（好ましくは１．１倍）までの直径を有するカーボンナノチューブの平均的な密度が１０００万本／ｃｍ２ 以上である電子源を製作できた。その結果、各画素の全エミッション領域における平均的なエミッションサイトの密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることができた。そして、自発光型平面表示装置の隣接画素間の輝度のバラツキを１％以下にすることができた。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、数ボルトから数十ボルトの比較的低い電圧でゲート動作すなわち電子の取り出し制御を可能とした自発光型平面表示装置を提供することができる。また、各画素の全エミッション領域における平均的なエミッションサイトの密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、さらに好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることが可能となり、隣接画素（もしくは隣接する副画素）間の輝度のバラツキを１％以下として高品質の画像表示を可能とした自発光型平面表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】カーボンナノチューブの電子源のエミッション電流密度と電界強度との代表的な関係の説明図である。
【図２】エミッション電流密度と電界強度の関係式の説明図である。
【図３】電子源を構成するカーボンナノチューブの理想的な配置の説明図である。
【図４】カーボンナノチューブ電子源のエミッション電流密度と電界強度との関係の説明図である。
【図５】ゲート動作電圧と最大電界強度と最小電界強度の差の関係の説明図である。
【図６】カーボンナノチューブを用いた電子源に蛍光表示板を組み合わせてエミッションサイトからに電子による蛍光表示板上での表示の状態をエミッションサイト密度の相違で示す模式図である。
【図７】本発明による自発光型平面表示装置の画素構造の一例を模式的に説明する平面図である。
【図８】本発明による自発光型平面表示装置の画素構造の他例を模式的に説明する平面図である。
【図９】電子源を構成するシングルウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。
【図１０】電子源を構成するマルチウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。
【図１１】本発明による自発光型平面表示装置の第一実施例の全体構造を示す斜め上から見た展開斜視図である。
【図１２】図１１の自発光型平面表示装置の全体構成を展開して説明する斜め下方から見た模式図である。
【図１３】本発明の自発光型平面表示装置を構成する背面パネルの構成例の模式的な説明図である。
【図１４】本発明の自発光型平面表示装置を構成する前面パネルの構成例の模式的な説明図である。
【図１５】背面パネルの要部構造を模式的に説明する平面図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図１７】図１５のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図１８】本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成するプロセスの説明図である。
【図１９】本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成する図１８に続くプロセスの説明図である。
【図２０】本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成する図１９に続くプロセスの説明図である。
【図２１】本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成する図２０に続くプロセスの説明図である。
【図２２】本発明の自発光型平面表示装置の背面パネルの要部構造を模式的に説明する平面図である。
【図２３】図２２のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図２４】図２２のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図２５】本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成するプロセスの説明図である。
【図２６】本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成する図２５に続くプロセスの説明図である。
【図２７】本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成する図２６に続くプロセスの説明図である。
【図２８】本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成する図２７に続くプロセスの説明図である。
【符号の説明】
１・・・背面パネル、２・・・前面パネル、３・・・封止枠、１００・・・１ｍｍ×１ｍｍの蛍光表示板、１０１，１０２・・・エミッションイメージ、３０１・・・カーボンナノチューブを固定する基板（具体的にはカソード電極）、３０２・・・カーボンナノチューブ、６０１・・・背面基板、７０１・・・カソード電極、７０２・・・ゲート電極、８００・・・蛍光体層、８０１・・・赤（Ｒ）蛍光体、８０２・・・緑（Ｇ）蛍光体、８０３・・・青（Ｂ）蛍光体、８０４・・・ブラックマトリクス。
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中への電子放出を利用した表示装置に係り、特に、ナノチューブで構成した電子源を有するカソード電極とこの電子源からの電子の放出量を制御するゲート電極を備えた背面パネルとから取り出された電子の励起で発光する複数色の蛍光体層とアノード電極を有する前面パネルとを具備した自発光型平面表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高輝度、高精細に優れたディスプレイデバイスとして従来からカラー陰極線管が広く用いられている。しかし、近年の情報処理装置やテレビ放送の高画質化に伴い、高輝度、高精細の特性をもつと共に軽量、省スペースの平面型表示装置の要求が高まっている。
【０００３】
その典型例として液晶表示装置、プラズマ表示装置などが実用化されている。また、特に、高輝度化が可能なものとして、電子源から真空への電子放出を利用した電子放出型表示装置、または電界放出型表示装置や、低消費電力を特徴とする有機ＥＬディスプレイなど、種々の型式のパネル型表示装置の実用化も近い。なお、補助的な照明光源を必要としないプラズマ表示装置、電子放出型表示装置あるいは有機ＥＬ表示装置を自発光型平面表示装置と称する。
【０００４】
このような平面型の表示装置のうち、上記電界放出型の表示装置には、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔらにより発案されたコーン状の電子放出構造をもつもの、メタル−インシュレータ−メタル（ＭＩＭ）型の電子放出構造をもつもの、量子論的トンネル効果による電子放出現象を利用する電子放出構造（表面伝導型電子源とも呼ばれる）をもつもの、さらにはダイアモンド膜やグラファイト膜、カーボンナノチューブに代表されるナノチューブなどが持つ電子放出現象を利用するもの、等が知られている。
【０００５】
自発光平面型表示装置の一例である電界放出型の表示装置は、内面に電界放出型の電子源と制御電極であるゲート電極を形成した背面パネルと、この背面パネルと対向する内面に複数色の蛍光体層とアノード電極（陽極）とを備えた前面パネルの両者の内周縁に封止枠を介挿して封止し、当該背面パネルと前面パネルおよび封止枠で形成される内部を真空にして構成される。背面パネルは、ガラスあるいはアルミナ等を好適とする背面基板の上に、第１の方向に延在しこの第１の方向と交差する第２の方向に延在し第１の方向に並設されて電子源をもつ複数の陰極配線と、第２の方向に延在し第１の方向に並設して設けたゲート電極を有する。そして、カソード電極とゲート電極との間の電位差で電子源からの電子の放出量（放出のオン・オフを含む）を制御する。
【０００６】
また、前面パネルはガラス等の光透過性の材料で形成された前面基板の上に蛍光体層とアノード電極を有する。封止枠は背面パネルと前面パネルとの内周縁にフリットガラスなどの接着材で固着される。背面パネルと前面パネルおよび封止枠で形成される内部の真空度は、例えば１０−５〜１０−７Ｔｏｒｒである。表示面サイズが大きいものでは、背面パネルと前面パネルの間に間隙保持部材（スペーサ）を介挿して固定し、両基板間の間を所定の間隔に保持している。
【０００７】
なお、ナノチューブとしての典型例であるカーボンナノチューブを電子源とした自発光型平面表示装置に関する従来技術を開示したものとして、「非特許文献１」等、数多く報告されている。
【０００８】
【非特許文献１】
ＳＩＤ ９９ Ｄｉｇｅｓｔ ｐｐ．１１３４−１１３７
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
カーボンナノチューブ等のナノチューブを利用した電子放出素子、およびそれを用いた自発光型平面表示装置は数多く報告されている。前記「非特許文献１」には印刷で形成したカーボンナノチューブ電子源で公称４．５インチの自発光型平面表示装置を作成した例が開示されている。従来、カーボンナノチューブを電子源とした自発光型平面表示装置においては、必要な最大エミッション電流密度を得るための電界強度Ｅｍａｘと、最小エミッション電流密度（最大エミッション電流密度の１／１０００と定義する）となる電界強度Ｅｍｉｎの差（Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎ）が２Ｖ／μｍ以上と大きいため、カーボンナノチューブの比較的近傍にゲート構造（ゲート電極、制御電極）を設置しても、ゲート電極によるオン・オフ動作に必要な電圧が１００Ｖ程度と高くなってしまう。
【００１０】
特に、スクリーン印刷等の安価な塗布方法でゲート電極を製作する場合、カーボンナノチューブとゲート電極との距離は、当該印刷方法の精度により数十μｍ程度になるため、Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎが２Ｖ／μｍ以上となってしまい、ゲート電極によるオン・オフ動作（エミッション制御動作（ゲート動作））に必要な電圧が高くなる。なお、本発明の説明における具体的数値は限定的なものではなく、その近傍を含むことに留意すべきである。
【００１１】
本発明の第１の目的は、ゲート電極により数Ｖから数十Ｖの比較的低い電圧でゲート動作を可能とした自発光型平面表示装置を提供することにある。
【００１２】
また、従来、そのエミッションサイトの密度が数千個／ｃｍ２ 程度と非常に低いため、表示画面がザラついて見え、不均一な表示になっていた。エミッションサイトの密度が低い主な原因は、エミッション領域の表面にカーボンナノチューブは沢山あるが、電界集中が大きくエミッションする直径の小さいカーボンナノチューブの量が少ないためと考えられる。
【００１３】
本発明の第２の目的は、電子源を構成するエミッションサイトの密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることにより、ザラつきの無い均一な表示画像を実現した自発光型平面表示装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明は、必要な最大エミッション電流密度を得るための電界強度Ｅｍａｘと、最小エミッション電流密度となる電界強度Ｅｍｉｎの差が１Ｖ／μｍ以下、好ましくは０．５Ｖ／μｍ以下であるカーボンナノチューブ電子源を用いることにより、数Ｖから数十Ｖの比較的低電圧でのゲート動作を可能とした。
【００１５】
また、本発明は、前記最大エミッション電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ２ 、好ましくは３０ｍＡ／ｃｍ２ とし、前記表示領域内の全ての画素のエミッション電流密度と電界強度が前記関係を満足するようにした。
【００１６】
そして、上記第２の目的を達成するため、本発明は、直径分布の狭いナノチューブを電子源として用いることにより、エミッションサイト密度を増大させる。特に、最小直径から最小直径の１．２倍、好ましくは１．１倍までの直径を有するナノチューブの平均的な密度が１０００万本／ｃｍ２ 以上として、エミッションサイト密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることを可能とした。
【００１７】
また、本発明は、画素の全エミッション領域における最小直径の１．２倍、好ましくは１．１倍までの直径を有するナノチューブの平均的な密度を１０００万本／ｃｍ２ 以上とした。そして、前記画素を赤、緑、青の副画素として、各副画素の前記電子原が１又は複数のエミッション領域を有するようにした。
【００１８】
なお、本発明は上記の構成および後述する実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、カーボンナノチューブを電子源とした実施例の図面を参照して詳細に説明する。図１はカーボンナノチューブの電子源のエミッション電流密度と電界強度との代表的な関係の説明図であり、横軸に電界強度Ｅ（Ｖ／μｍ）、縦軸にエミッション電流密度Ｉ（ｍＡ／ｃｍ２ ）を取って示す。例えば、所謂４０型クラスの大型の平面表示装置を実現するためには、１０乃至３０ｍＡ／ｃｍ２ の最大エミッション電流密度が必要である。図１では、１０ｍＡ／ｃｍ２ の最大エミッション電流密度を得るために、５Ｖ／μｍの電界が必要で、またそのエミッション電流密度が最小エミッション電流密度すなわち１／１０００で充分ゼロに近づく電界は３Ｖ／μｍであり、その電界強度差は２Ｖ／μｍである。
【００２０】
エミッション電流密度と電界強度との関係において、この電界強度差（Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎ）が何によって決まるかを説明する。図２はエミッション電流密度と電界強度の関係式の説明図である。エミッション電流密度Ｉは、電界強度が比較的大きいところでは、図１に示したグラフの傾きが電界集中係数γの二乗に比例する。電界集中係数γはカーボンナノチューブの長さＬに比例し、その直径ｄに反比例する。そこで、上記電界強度差をできるだけ小さくするためには、カーボンナノチューブの長さＬを長く、直径ｄを小さくすればよいことになる。なお、図２に示した式におけるφは仕事関数、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は定数である。
【００２１】
図３は電子源を構成するカーボンナノチューブの理想的な配置の説明図である。参照符号３０１はカーボンナノチューブを固定する基板（具体的にはカソード電極）、３０２はカーボンナノチューブを示す。ここでは、図３に示すように、カーボンナノチューブ３０２を基板３０１に対して垂直に配置し、また、個々のカーボンナノチューブが直径ｄに比べて十分な距離で離れているものと仮定する。実際には、カーボンナノチューブ３０２が基板３０１に対して斜めに配向していたり、また密集している場合もあるが、電界強度差を小さくするために、カーボンナノチューブ３０２の長さＬを長く、また直径ｄを小さく、さらにカーボンナノチューブをある程度以上の間隔で配置するという考え方は概ね正しいと考えされる。
【００２２】
電界計算によれば、カーボンナノチューブ３０２の直径ｄが１ｍｍで、長さＬが１μｍの場合、それぞれのカーボンナノチューブの間隔を１μｍ以上にすると、それぞれの先端で均等な電界集中が起こることが示されている。ここで、カーボンナノチューブ３０２の長さＬは自立できる長さ、すなわち自立長によって決まり、直径ｄが１ｎｍ程度の場合、自立長は１μｍ程度である。また、十分な電界集中を得るためには、カーボンナノチューブ３０２の間隔は直径ｄに比例して広くする必要がある。
【００２３】
図４はカーボンナノチューブ電子源のエミッション電流密度と電界強度との関係の説明図であり、横軸に電界強度（相対値）、縦軸にエミッション電流密度（相対値）を取って示す。必要な最大エミッション電流密度をＩｍａｘ、この最大エミッション電流密度を得るための電界強度をＥｍａｘ（最大電界強度）とする。また、エミッション電流密度がＩｍａｘの１／１０００の値、すなわち最小エミッション電流密度をＩｍｉｎとし、そのときの電界強度をＥｍｉｎ（最小電界強度）とする。カーボンナノチューブ電子源のエミッション電流密度と電界強度との関係は図４に示したようになる。
【００２４】
図５はゲート動作電圧と最大電界強度と最小電界強度の差の関係の説明図であり、横軸に最大電界強度と最小電界強度の差（Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎ）（相対値）を、縦軸にゲート動作電圧（相対値）を取って示す。図５のグラフの傾きは、ゲート構造に依存するが、Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎが小さい程ゲート動作電圧を小さくなることが示されている。
【００２５】
次に、カーボンナノチューブを用いた電子源のエミッションサイトの密度と画面表示の関係について説明する。図６はカーボンナノチューブを用いた電子源に蛍光表示板を組み合わせてエミッションサイトからに電子による蛍光表示板上での表示の状態をエミッションサイト密度の相違で示す模式図である。図６における参照符号１００は１ｍｍ×１ｍｍの蛍光表示板、図６の左側に示した参照符号１０１はエミッションサイト密度が１０００個／ｃｍ２ すなわち１ｍｍ×１ｍｍに１０個での蛍光表示板上でのエミッションイメージ、図６の右側に示した参照符号１０２はエミッションサイト密度が１００万個／ｃｍ２ すなわち１ｍｍ×１ｍｍに１０００個での蛍光表示板上でのエミッションイメージを示す。図６に示されたように、均一な表示を実現するためには、１００万個／ｃｍ２ 以上のエミッションサイト密度が必要である。
【００２６】
図７は本発明による自発光型平面表示装置の画素構造の一例を模式的に説明する平面図である。図７はカラー表示のための一画素の構造で、この場合は赤（Ｒ）の副画素２０１、緑（Ｇ）の副画素２０２、青（Ｂ）の副画素２０３でカラー一画素を構成する。各副画素にはカーボンナノチューブを電子源とするエミッション領域２０４を有している。なお、モノクロ表示の場合は副画素のそれぞれが一画素となる。
【００２７】
図８は本発明による自発光型平面表示装置の画素構造の他例を模式的に説明する平面図である。図８も図７と同様のカラー表示のための一画素を示す。この画素構造では、赤（Ｒ）の副画素３０１、緑（Ｇ）の副画素３０２、青（Ｂ）の副画素３０３でカラー一画素を構成する。各副画素にはカーボンナノチューブを電子源とするエミッション領域３０４が複数個有している。なお、モノクロ表示の場合は副画素のそれぞれが一画素となる。
【００２８】
図７および図８に示したもの以外に、各副画素の形状、およびエミッション領域の個数を任意とすることが可能である。そして、エミッション領域２０４、３０４のそれぞれの単位面積が前記したエミッションサイトに対応する。エミッション領域に設けるカーボンナノチューブには、シングルウオールとマルチウオールとがある。
【００２９】
図９は電子源を構成するシングルウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。横軸は直径（ｎｍ）で、縦軸は頻度（％）を示す。シングルウオールカーボンナノチューブの場合は、既知の作製方法では最小直径は０．７ｎｍ（五員環が隣り合わないというルールに従う）であり、直径の大きい方には制限がないので、一般的には図１０に示したような直径分布となる。したがって、シングルウオールカーボンナノチューブの場合は、特に分級処理をしなくても、ある程度の密度があれば最小直径から最小直径の１．２倍（好ましくは１．１倍）までの直径を有するカーボンナノチューブの平均的な密度を１０００万本／ｃｍ２ 以上にすることが可能である。
【００３０】
図１０は電子源を構成するマルチウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。電子源を構成するマルチウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。横軸は直径（ｎｍ）で、縦軸は頻度（％）を示す。マルチウオールカーボンナノチューブの場合は、一般的に左右対象な直径分布となる。最小直径から最小直径の１．２倍（好ましくは１．１倍）までの直径を有するカーボンナノチューブの平均的な密度を１０００万本／ｃｍ２ 以上にするためには、フィルタ処理等の手法により、分布ピークよりも細い部分の分布を狭くすることが必要である。
【００３１】
次に、本発明による自発光型平面表示装置の第一実施例を図１１乃至図１７を参照して説明する。図１１は本発明による自発光型平面表示装置の第一実施例の全体構造を示す斜め上から見た展開斜視図である。また、図１２は図１１の自発光型平面表示装置の全体構成を展開して説明する斜め下方から見た模式図である。
【００３２】
図１１および図１２において、本実施例の自発光型平面表示装置は、背面パネル１および前面パネル２を封止枠３で封止して一体化して構成される。背面パネル１は、ガラスを好適とする背面基板６０１の内面に電子放出・制御構造として第１の方向に延在し第１の方向と交差する第２の方向に並設された多数のカソード電極７０１と、第２の方向に延在し第１の方向に平成された多数のゲート電極７０２を有する。カソード電極７０１には映像信号（図中、走査信号と表記）が印加され、ゲート電極７０２には選択信号（図中、ゲート信号と表記）が印加される。
【００３３】
前面パネル２を構成する前面基板１０３は透明ガラスを好適とし、その内面に複数の（ここでは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色）蛍光体層８００が第１の方向にストライブ状に塗布され、その上に透明導電膜としてアルミニウムを数十乃至数百ｎｍ厚に蒸着したアノード電極６０２を全面に形成してある。このアノード電極６０２には加速電圧が印加される。蛍光体層８００は図示したようなストライブ状に限らず、各色毎にドット状としてもよい。なお、封止枠３は背面パネル１と前面パネル２の貼り合わせ内部を真空状態に保つ機能と共に対向面の間隙を所定値に維持する機能を有する。また、画面サイズが大きい場合には、封止枠３で封止される両パネル間にガラスビーズやプラスチックビーズもしくはフォトリソグラフィー法で形成したレジストからんる柱状スペーサを介在して対向面の間隙を所定値に保持することが行われる。なお、封止枠３もガラスとするのが好適である。
【００３４】
図１３は本発明の自発光型平面表示装置を構成する背面パネルの構成例の模式的な説明図であり、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の要部である一画素の構成を示す。背面基板６０１の表示領域７００には、前記したカソード電極７０１とゲート電極７０２がマトリクス状に配置されている。カソード電極７０１とゲート電極７０２は図示しない絶縁層で電気的に絶縁されており、図１３（ｂ）に示したように各交差部にカーボンナノチューブで形成した電子源（ここでは、カーボンナノチューブ）７０３を有している。この電子源７０３はカソード電極２０２上に形成され、ゲート電極２０１に設けた制御開口（後述）から露呈している。
【００３５】
図１４は本発明の自発光型平面表示装置を構成する前面パネルの構成例の模式的な説明図であり、図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の要部である蛍光体層の配列例を示す。なお、この蛍光体層の上面には前記したアノード電極が形成されているが、図示は省略した。前面パネル２は映像観察面であり、前面基板６０３はガラスを好適とする。前面基板６０３の内面には、ストライプ状に繰り返し配列した３色の蛍光体８０１（赤）、８０２（緑）、８０３（青）を有し、各蛍光体８０１、８０２、８０３の境界には遮光層すなわちブラックマトリクス８０４が配置されている。各蛍光体８０１、８０２、８０３は前記した電子源を有する一画素（ここでは、カラーの副画素に相当）すなわちカソード電極とゲート電極の交差部のそれぞれと対向して配置される。これら蛍光体８０１、８０２、８０３とブラックマトリクス８０４からなる蛍光体層は次のようにして形成される。
【００３６】
先ず、前面基板６０３上に公知のリフトオフ法でブラックマトリクス８０４を形成する。次に、同じく公知のスラリー法を用い各蛍光体がブラックマトリクス８０４で区画されるように赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の蛍光体を順に形成する。その上を覆って前記したアノード電極を形成する。
【００３７】
こうして製作した前面パネル２を前記の背面パネル１に対して電子源と蛍光体の位置決めを行い、封止枠３を介して重ね合わせ、フリットガラスで接着する。フリットガラスは前面パネル２、背面パネル１、封止枠３の各対向面の何れかあるいは双方に塗布され、４５０°Ｃで加熱し、その後の温度低下で硬化させる。両パネルと封止枠で構成される内部空間は図示しない排気管から真空に引きした後、排気管を封じ切る。排気管は背面基板６０１の一部あるいは封止枠３の一部に設けるのが好ましい。そして、カソード電極に映像信号を、ゲート電極に制御信号を、アノード電極に陽極電圧（アノード電圧：高電圧）を与えることで所望の映像（画像）を表示させることができる。
【００３８】
次に、背面パネルの詳細構造の第一実施例を図１５乃至図１７を参照して説明する。図１５は背面パネルの要部構造を模式的に説明する平面図であり、２×２の画素部分を示す。図１６は図１５のＡ−Ａ’線に沿った断面図、図１７は図１５のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。図１５乃至図１７において、ガラスからなる背面基板９０９（図１１、図１２の参照符号６０１に相当）の表面に、厚さは０．２乃至１０μｍで幅が３００μｍのストアイプ状のカソード電極９０１（図１１、図１２の参照符号７０１に相当）を間隔６０μｍで６００本形成する。次に、カソード電極９０１を覆って絶縁層９０５を形成する。この絶縁層９０５の厚みは１乃至５０μｍである。この絶縁層の画素部分すなわち後述するゲート電極との交差部には直径１乃至５０μｍの絶縁層開口９０６が設けられている。
【００３９】
絶縁層９０５を焼成後、その上に厚さが０．２乃至１０μｍで、幅が９０μｍ、間隔が３０μｍのストアイプ状のゲート電極９０２（図１１、図１２の参照符号７０２に相当）を２４００本形成する。カソード電極９０１とゲート電極９０２の交差部に直径１乃至５０μｍの制御開口９０３を有する。なお、ゲート電極９０２にはカソード電極９０１との交差部で上記絶縁層９０５の絶縁層開口９０６とゲート電極９０２の制御開口９０３は同軸となっており、この両開口の底部すなわちカソード電極９０１にカーボンナノチューブの電子源が設けられる。
【００４０】
このように構成された電子放出・制御構造を有する背面パネルに前記した前面パネルを重ね合わせ、封止枠で封止して自発光型平面表示装置を製作した。そして、カソード電極９０１に走査信号（映像信号）を、ゲート電極９０２にゲート信号（制御信号）を入力し、前面パネルのアノード電極に加速電圧を印加することで均一に発光する映像を表示させることができた。
【００４１】
次に、図１８乃至図２１を参照して背面基板に電子源を形成するプロセスの第一実施例を説明する。図１８乃至図２１は本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成するプロセスの説明図である。図１８乃至図２１の（ａ）は電子源部分の上面図、（ｂ）は各図（ａ）のＡ−Ａ’線の沿った断面図、また図２１（ｃ）は図２１（ａ）のＢ−Ｂ’線断に沿った断面図である。
【００４２】
先ず、図１８に示したように、前面基板１００９（図１４の参照符号９０９に相当）上に幅が３００μｍ、間隔６０μｍのカソード電極１００１（図１５の参照符号９０１に相当）を６００本形成する。カソード電極１００１はカーボンナノチューブを含有した導電性ペーストをスクリーン印刷で塗布する。その厚みは１μｍである。次に、図１９に示したように、感光性誘電体ペーストを全面にスクリーン印刷後、通常のフォトリソグラフィープロセスで電子源開口となる絶縁層開口１００３（図１６の絶縁層開口９０６に相当）を形成する。これを大気中で５５０°Ｃ、３０分間の焼成を行うことで絶縁層１００５（図１６の絶縁層開口９０５に相当）とする。絶縁層１００５の厚みは１０μｍである。
【００４３】
図２０に示したように、感光性銀ペーストを全面にスクリーン印刷する。通常のフォトリソグラフィープロセスで図２１に示したゲート電極１００２（図１６のゲート電極９０２に相当）を形成し、大気中で５５０°Ｃ、３０分間の焼成を行うことでゲート電極を得る。ゲート電極１００２の幅は９０μｍ、間隔は３０μｍであり、これを２４００本形成した。また、このゲート電極１００２の厚みは５μｍであり、絶縁層開口と同じ部分に同じ大きさ、あるいはやや大きめの制御開口が形成される。
【００４４】
なお、本実施例では、カソード電極１００１およびゲート電極１００２を特定の金属で形成したが、必要な電気伝導性を有するものであれば、どのような金属または導電性材料であってもよい。また、本実施例では、フォトリソグラフィー法を用いてゲート電極を製作するものとしたが、スクリーン印刷法などの他の方法を用いることも可能である。さらに、本実施例では、カーボンナノチューブを電子源としたが、このカーボンナノチューブはシングルウオールでもマルチウオール、あるいはそれらの混合材料、もしくはカーボン以外の他の材料でできたナノチューブでもよい。
【００４５】
ここでは、３０ｍＡ／ｃｍ２ のエミッション電流密度を得るための電界強度が１Ｖ／μｍ、エミッション電流密度がその１／１０００になる時の電界強度が０．６Ｖ／μｍであり、その電界強度差が０．４Ｖ／μｍのカーボンナノチューブ電子源を用いたため、上記した電子源の開口の直径が１０μｍの場合、数ボルトの電圧でゲート動作を実現できた。
【００４６】
また、ここでは、直径の揃ったカーボンナノチューブを電子源の材料として用いたため、各画素の全エミッション領域の表面において、最小直径から最小直径の１．２倍（好ましくは１．１倍）までの直径を有するカーボンナノチューブの平均的な密度が１０００万本／ｃｍ２ 以上である電子源を製作できた。その結果、各画素の全エミッション領域における平均的なエミッションサイトの密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることができた。そして、自発光型平面表示装置の隣接画素間の輝度のばらつきを１％以下にすることができた。
【００４７】
次に、背面パネルの詳細構造の第二実施例を図２２乃至図２４を参照して説明する。図２２は本発明の自発光型平面表示装置の背面パネルの要部構造を模式的に説明する平面図であり、２×２の画素部分を示す。図２３は図２２のＡ−Ａ’線に沿った断面図、図２４は図２２のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。図２２乃至図２４において、ガラスを好適とする背面基板１１０９（図１１、図１２の参照符号６０１に相当）の表面に、厚さは０．２乃至１０μｍで幅が３００μｍのカソード電極１１０１（図１５乃至図１７の参照符号９０１に相当）を間隔６０μｍで６００本形成する。次に、カソード電極１１０１を覆って絶縁層１１０５（図１５乃至図１７の参照符号９０５に相当）を形成する。この絶縁層９０５の厚みは１乃至５０μｍである。この絶縁層の画素部分すなわち後述するゲート電極との交差部には直径１乃至５０μｍの絶縁層開口１１０３が設けられている。
【００４８】
絶縁層１１０３を焼成後、その上に厚さが０．２乃至１０μｍで、幅が９０μｍ、間隔が３０μｍのゲート電極１１０２（図１５乃至図１７の参照符号１１０２に相当）を２４００本形成する。カソード電極１１０１とゲート電極１１０２の交差部に直径１乃至５０μｍの制御開口１１０４を有する。なお、ゲート電極１１０２にはカソード電極１１０１との交差部で上記絶縁層１１０３の絶縁層開口１１０３とゲート電極１１０２の制御開口１１０４は同軸となっており、この両開口の底部すなわちカソード電極１１０１にカーボンナノチューブの電子源１１０６が設けられる。
【００４９】
このように構成された電子放出・制御構造を有する背面パネルに前記した前面パネルを重ね合わせ、封止枠で封止して自発光型平面表示装置を製作した。そして、カソード電極１１０１に走査信号（映像信号）を、ゲート電極１１０２にゲート信号（制御信号）を入力し、前面パネルのアノード電極に加速電圧を印加することで均一に発光する映像を表示させることができた。
【００５０】
次に、図２５乃至図２８を参照して背面基板に電子源を形成するプロセスの第二実施例を説明する。図２５乃至図２８は本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成するプロセスの説明図である。図２５乃至図２８の（ａ）は電子源部分の上面図、（ｂ）は各図（ａ）のＡ−Ａ’線の沿った断面図、また図２８（ｃ）は図２８（ａ）のＢ−Ｂ’線断に沿った断面図である。
【００５１】
先ず、図２５に示したように、前面基板１２０９（図２２乃至図２４の参照符号１１０９に相当）上に幅が３００μｍ、間隔６０μｍのカソード電極１２０１（図２２乃至図２４の参照符号１１０１に相当）を６００本形成する。カソード電極１２０１は感光性銀ペーストのスクリーン印刷で塗布する。その厚みは１μｍである。次に、図２６に示したように、絶縁層１２０５をスクリーン印刷で形成する。これを通常のフォトリソグラフィープロセスで電子源開口となる絶縁層開口１１０３（図２３の絶縁層開口１１０３に相当）を形成する。これを大気中で５５０°Ｃ、３０分間の焼成を行うことで絶縁層１１０５とする。絶縁層１１０５の厚みは１０μｍである。
【００５２】
図２７に示したように、感光性銀ペーストを全面にスクリーン印刷する。通常のフォトリソグラフィープロセスで図２８に示したゲート電極１２０２を形成し、大気中で５５０°Ｃ、３０分間の焼成を行うことでゲート電極を得る。ゲート電極１２０２の幅は９０μｍ、間隔は３０μｍであり、これを２４００本形成した。また、このゲート電極１００２の厚みは５μｍであり、絶縁層開口と同じ部分に同じ大きさ、あるいはやや大きめの制御開口が形成される。最後に、絶縁層開口の底部にカーボンナノチューブを含有したインクをインクジェット法で塗布し、電子源１２０６を形成した。
【００５３】
なお、本実施例では、カソード電極１２０１およびゲート電極１２０２を特定の金属で形成したが、必要な電気伝導性を有するものであれば、どのような金属または導電性材料であってもよい。また、本実施例では、フォトリソグラフィー法を用いてゲート電極を製作するものとしたが、スクリーン印刷法などの他の方法を用いることも可能である。さらに、本実施例では、カーボンナノチューブを含有したインクをインクジェット法で塗布したが、これをスクリーン印刷等の他の塗布法を用いて塗布してもよい。さらに、このカーボンナノチューブはシングルウオールでもマルチウオール、あるいはそれらの混合材料、もしくはカーボン以外の他の材料でできたナノチューブでもよい。
【００５４】
ここでは、３０ｍＡ／ｃｍ２ のエミッション電流密度を得るための電界強度が１Ｖ／μｍ、エミッション電流密度がその１／１０００になる時の電界強度が０．６Ｖ／μｍであり、その電界強度差が０．４Ｖ／μｍのカーボンナノチューブ電子源を用いたため、上記した電子源の開口の直径が１０μｍの場合、数ボルトの電圧でゲート動作を実現できた。
【００５５】
また、ここでは、直径の揃ったカーボンナノチューブを電子源の材料として用いたため、各画素の全エミッション領域の表面において、最小直径から最小直径の１．２倍（好ましくは１．１倍）までの直径を有するカーボンナノチューブの平均的な密度が１０００万本／ｃｍ２ 以上である電子源を製作できた。その結果、各画素の全エミッション領域における平均的なエミッションサイトの密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることができた。そして、自発光型平面表示装置の隣接画素間の輝度のバラツキを１％以下にすることができた。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、数ボルトから数十ボルトの比較的低い電圧でゲート動作すなわち電子の取り出し制御を可能とした自発光型平面表示装置を提供することができる。また、各画素の全エミッション領域における平均的なエミッションサイトの密度を１００万個／ｃｍ２ 以上、さらに好ましくは１０００万個／ｃｍ２ 以上とすることが可能となり、隣接画素（もしくは隣接する副画素）間の輝度のバラツキを１％以下として高品質の画像表示を可能とした自発光型平面表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】カーボンナノチューブの電子源のエミッション電流密度と電界強度との代表的な関係の説明図である。
【図２】エミッション電流密度と電界強度の関係式の説明図である。
【図３】電子源を構成するカーボンナノチューブの理想的な配置の説明図である。
【図４】カーボンナノチューブ電子源のエミッション電流密度と電界強度との関係の説明図である。
【図５】ゲート動作電圧と最大電界強度と最小電界強度の差の関係の説明図である。
【図６】カーボンナノチューブを用いた電子源に蛍光表示板を組み合わせてエミッションサイトからに電子による蛍光表示板上での表示の状態をエミッションサイト密度の相違で示す模式図である。
【図７】本発明による自発光型平面表示装置の画素構造の一例を模式的に説明する平面図である。
【図８】本発明による自発光型平面表示装置の画素構造の他例を模式的に説明する平面図である。
【図９】電子源を構成するシングルウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。
【図１０】電子源を構成するマルチウオールカーボンナノチューブの直径分布の説明図である。
【図１１】本発明による自発光型平面表示装置の第一実施例の全体構造を示す斜め上から見た展開斜視図である。
【図１２】図１１の自発光型平面表示装置の全体構成を展開して説明する斜め下方から見た模式図である。
【図１３】本発明の自発光型平面表示装置を構成する背面パネルの構成例の模式的な説明図である。
【図１４】本発明の自発光型平面表示装置を構成する前面パネルの構成例の模式的な説明図である。
【図１５】背面パネルの要部構造を模式的に説明する平面図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図１７】図１５のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図１８】本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成するプロセスの説明図である。
【図１９】本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成する図１８に続くプロセスの説明図である。
【図２０】本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成する図１９に続くプロセスの説明図である。
【図２１】本発明の第一実施例における背面基板上に電子源を形成する図２０に続くプロセスの説明図である。
【図２２】本発明の自発光型平面表示装置の背面パネルの要部構造を模式的に説明する平面図である。
【図２３】図２２のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図２４】図２２のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図２５】本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成するプロセスの説明図である。
【図２６】本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成する図２５に続くプロセスの説明図である。
【図２７】本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成する図２６に続くプロセスの説明図である。
【図２８】本発明の第二実施例の背面基板上に電子源を形成する図２７に続くプロセスの説明図である。
【符号の説明】
１・・・背面パネル、２・・・前面パネル、３・・・封止枠、１００・・・１ｍｍ×１ｍｍの蛍光表示板、１０１，１０２・・・エミッションイメージ、３０１・・・カーボンナノチューブを固定する基板（具体的にはカソード電極）、３０２・・・カーボンナノチューブ、６０１・・・背面基板、７０１・・・カソード電極、７０２・・・ゲート電極、８００・・・蛍光体層、８０１・・・赤（Ｒ）蛍光体、８０２・・・緑（Ｇ）蛍光体、８０３・・・青（Ｂ）蛍光体、８０４・・・ブラックマトリクス。
Claims (7)
- 背面基板上に、第１の方向に延在し第１の方向と交差する第２の方向に並設され、ナノチューブからなる多数の電子源を有する複数のカソード電極と、前記カソード電極とは絶縁層を介して前記第２の方向に延在し第１の方向に並設されて前記電子源からの電子の取り出しを制御する複数のゲート電極を備え、前記カソード電極と前記ゲート電極の交差部に形成される多数の画素で表示領域を構成する背面パネルと、
前記背面パネルの表示領域に有する前記電子源から取り出される電子の励起で発光する複数色の蛍光体層とアノード電極を有する前面パネルとを具備する自発光型平面表示装置であって、
前記電子源の必要な最大エミッション電流密度を得るための電界強度Ｅｍａｘと、エミッション電流密度が必要な最大エミッション電流密度の１／１０００になる電界強度Ｅｍｉｎとの関係として、
Ｅｍａｘ−Ｅｍｉｎが１Ｖ／μｍ以下であることを特徴とする自発光型平面表示装置。 - 前記最大エミッション電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２ 、好ましくは３０ｍＡ／ｃｍ２ であることを特徴とする請求項１に記載の自発光型平面表示装置。
- 前記表示領域内の全ての画素のエミッション電流密度と電界強度が前記関係を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の自発光型平面表示装置。
- 背面基板上に、第１の方向に延在し第１の方向と交差する第２の方向に並設され、ナノチューブからなる多数の電子源を有する複数のカソード電極と、前記カソード電極とは絶縁層を介して前記第２の方向に延在し第１の方向に並設されて前記電子源からの電子の取り出しを制御する複数のゲート電極を備え、前記カソード電極と前記ゲート電極の交差部に形成される多数の画素で表示領域を構成する背面パネルと、
前記背面パネルの表示領域に有する前記電子源から取り出される電子の励起で発光する複数色の蛍光体層とアノード電極を有する前面パネルとを具備する自発光型平面表示装置であって、
前記画素の全エミッション領域における平均的なエミッションサイト密度が１００万個／ｃｍ２ 以上であることを特徴とする自発光型平面表示装置。 - 背面基板上に、第１の方向に延在し第１の方向と交差する第２の方向に並設され、ナノチューブからなる多数の電子源を有する複数のカソード電極と、前記カソード電極とは絶縁層を介して前記第２の方向に延在し第１の方向に並設されて前記電子源からの電子の取り出しを制御する複数のゲート電極を備え、前記カソード電極と前記ゲート電極の交差部に形成される多数の画素で表示領域を構成する背面パネルと、
前記背面パネルの表示領域に有する前記電子源から取り出される電子の励起で発光する複数色の蛍光体層とアノード電極を有する前面パネルとを具備する自発光型平面表示装置であって、
前記画素の全エミッション領域における最小直径の１．２倍までの直径を有するナノチューブの平均的な密度が１０００万本／ｃｍ２ 以上であることを特徴とする自発光型平面表示装置。 - 前記画素は赤、緑、青の副画素を構成し、各副画素の前記電子原は１又は複数のエミッション領域を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の自発光型平面表示装置。
- 前記ナノチューブはカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１、４又は５の何れかに記載の自発光型平面表示装置。
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