JP2005079071A - Electron emitting element and image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子放出部材としてカーボンファイバーを用いた電子放出素子及び該電子放出素子を用いた画像表示装置に関するものである。 The present invention relates to an electron-emitting device using a carbon fiber as an electron-emitting member and an image display device using the electron-emitting device.
近年、電界放出型の電子放出素子のエミッター材料としてカーボンナノチューブ等のカーボンファイバーを用いたものが注目されている。カーボンファイバーを用いた電子放出素子の製造方法としては、特許文献1などに開示されているような、予め製造したカーボンファイバーをペースト材料等に含有して所定の位置に配置する方法(間接配置法)や、特許文献2などに開示されているような、基板上の所望の位置に金属触媒を配置した後、カーボンファイバーを化学気相成長法により触媒の配置された領域に選択的に成長させる方法(直接配置法)等が挙げられる。
In recent years, attention has been paid to a material using a carbon fiber such as a carbon nanotube as an emitter material of a field emission type electron-emitting device. As a method of manufacturing an electron-emitting device using carbon fibers, a method of disposing carbon fibers manufactured in advance in a paste material or the like and disposing them at a predetermined position as disclosed in Patent Document 1 (indirect arrangement method) ), Or after disposing a metal catalyst at a desired position on a substrate as disclosed in
電界放出型の電子放出素子を用いて画像表示装置を作製するにはCRTのような高輝度に加え、消費電力の低減のため駆動電圧の低下、及び電子放出素子からの放出電子のうちアノード電極に到達する電子の割合を増大させる事が要求されている。また、画像表示装置にて動画を表示させる際には、その電子放出素子自体が持つ寄生容量を極力低減させなければならないという要求がある。さらに画像の精細度を決定する電子放出素子からの電子ビームが広がらない構成である必要がある。 In order to manufacture an image display device using a field emission type electron-emitting device, in addition to high brightness like a CRT, a driving voltage is reduced to reduce power consumption, and an anode electrode among electrons emitted from the electron-emitting device. It is required to increase the proportion of electrons that reach. In addition, when displaying a moving image on an image display device, there is a demand for reducing the parasitic capacitance of the electron-emitting device itself as much as possible. Furthermore, it is necessary that the electron beam from the electron-emitting device that determines the definition of the image does not spread.
カーボンファイバーを電子放出部材とし、このカーボンファイバーから電子を放出させるための電界を印加するためのゲート電極とを有する電子放出素子においては、個々のカーボンファイバーにどれだけ有効にゲート電極からの電圧(電界)を印加させる事ができるかが「駆動電圧」を決定する要素である。ゲート電極からの電圧が有効に印加される事で電子放出に必要な電圧(駆動電圧)を低くする事ができる。また、上記電子放出素子に対向するようアノード電極を配置した電子放出装置の場合には、カーボンファイバーに有効に電圧をかける際に、カーボンファイバーから放出された電子がゲート電極に到達する割合をできるだけ削減して、アノード電極に到達させる電子量を増やして効率のよい電極配置にする必要がある(ここでいう効率とは、電子放出部材であるファイバーから放出された電子のうちアノードに到達する電子量を、ファイバーから放出された全電子量で割ったものの事である)。 In an electron-emitting device having a carbon fiber as an electron-emitting member and a gate electrode for applying an electric field for emitting electrons from the carbon fiber, how effective the voltage from the gate electrode ( Whether or not an electric field can be applied is an element that determines the “driving voltage”. The voltage (driving voltage) required for electron emission can be lowered by effectively applying the voltage from the gate electrode. In addition, in the case of an electron emission device in which an anode electrode is disposed so as to face the electron emission element, when the voltage is effectively applied to the carbon fiber, the rate at which the electrons emitted from the carbon fiber reach the gate electrode as much as possible. It is necessary to reduce and increase the amount of electrons that reach the anode electrode to make an efficient electrode arrangement (the efficiency here refers to the electrons that reach the anode among the electrons emitted from the fiber that is the electron emission member) The amount divided by the total amount of electrons emitted from the fiber).
また上記のような条件に付け加えて、電子放出素子においては、素子に寄生する電気容量Cをできるだけ小さくする事が必要である。電子放出素子の寄生容量は、印加電圧の切り替え時に蓄積した電荷の放電が行われる事により、電子放出のON,OFF応答性の低下に繋がり、寄生容量の大きい電子放出素子を画像表示装置等に用いた場合は画質の低下をもたらす。 In addition to the above conditions, in the electron-emitting device, it is necessary to make the capacitance C parasitic on the device as small as possible. The parasitic capacitance of the electron-emitting device leads to a decrease in the ON / OFF responsiveness of the electron emission by discharging the accumulated charge when the applied voltage is switched, and an electron-emitting device having a large parasitic capacitance is applied to an image display device or the like. If it is used, the image quality is degraded.
例えばカソード電極とゲート電極とを有する電子放出素子における寄生電気容量Cは、カソード電極(電子放出部も含む)とゲート電極の重なり部分の面積Sと、カソード電極(電子放出部も含む)とゲート電極間距離d、及びカソード電極(電子放出部も含む)とゲート電極を電気的に分割している誘電体の誘電率εを用いて、C=ε・s/dで表される。 For example, the parasitic capacitance C in an electron-emitting device having a cathode electrode and a gate electrode includes the area S of the overlapping portion of the cathode electrode (including the electron-emitting portion) and the gate electrode, the cathode electrode (including the electron-emitting portion), and the gate. Using the distance d between electrodes and the dielectric constant ε of the dielectric that electrically divides the cathode electrode (including the electron emission portion) and the gate electrode, C = ε · s / d.
電気容量Cを小さくする手段としては、
(a)カソード電極(電子放出部も含む)とゲート電極の重なり部分の面積sを小さくする、
(b)カソード電極(電子放出部も含む)とゲート電極の距離dを小さくする、
(c)誘電体の誘電率εを小さくする、
という方法が挙げられる。
As means for reducing the electric capacity C,
(A) reducing the area s of the overlapping portion of the cathode electrode (including the electron emission portion) and the gate electrode;
(B) reducing the distance d between the cathode electrode (including the electron emission portion) and the gate electrode;
(C) reducing the dielectric constant ε of the dielectric;
The method is mentioned.
しかしながら、上記(b)はdが大きくなれば同じ電圧を印加した場合に電子放出部にかかる電界が弱まる事となり電子放出素子の駆動電圧を増大させる事となる。そこで駆動電圧が増大する事を避け、寄生容量Cを低下させる有効な方法として、(a)のカソード電極(電子放出部も含む)とゲート電極の重なり部分の面積sを小さくする事が望ましい。 However, in the case of (b), if d is increased, the electric field applied to the electron emission portion is weakened when the same voltage is applied, and the drive voltage of the electron emission element is increased. Therefore, it is desirable to reduce the area s of the overlapping portion of the cathode electrode (including the electron emission portion) and the gate electrode in (a) as an effective method for avoiding an increase in driving voltage and reducing the parasitic capacitance C.
上述した条件に加え、さらに電子放出素子を画像表示装置等に用いる場合は、放出された電子ビームの広がりにより画素の大きさが決定される。当然ながら画素が大きくなれば構成される画像の精細度が制限されてしまうといった問題がある。 In addition to the above-described conditions, when the electron-emitting device is further used in an image display device or the like, the pixel size is determined by the spread of the emitted electron beam. As a matter of course, there is a problem in that the definition of an image formed is limited when the pixel becomes large.
しかしながら、個々のカーボンファイバーに有効にゲート電圧を印加するため、或いは、駆動電圧低下のため電子放出部とゲート電極間に強電界を発生させるために、電子放出部とゲート電極の距離dを狭めたりすると、その分ゲート電極に入射する電子量が増える事となり電子放出素子としての効率が低下する傾向にあった。またこのような構成にすると、ゲート電極とカソード電極(電子放出部も含む)間に寄生容量が発生しやすい構成であった。また、ゲート電極により引き出された電子ビームが、ゲート電極とカソード電極との間で形成される電位分布により広がる構成であった。 However, in order to effectively apply a gate voltage to each carbon fiber or to generate a strong electric field between the electron emission portion and the gate electrode due to a decrease in driving voltage, the distance d between the electron emission portion and the gate electrode is reduced. As a result, the amount of electrons incident on the gate electrode increases, and the efficiency of the electron-emitting device tends to decrease. Further, with such a configuration, parasitic capacitance is likely to be generated between the gate electrode and the cathode electrode (including the electron emission portion). In addition, the electron beam extracted by the gate electrode is spread by a potential distribution formed between the gate electrode and the cathode electrode.
本発明は、個々のカーボンファイバーに有効にゲート電極からの電圧を印加する事ができ、且つ効率が高く、寄生容量も極力低減され、さらに電子ビームの広がりの少ない構成の電子放出素子を提供することを目的とするものである。 The present invention provides an electron-emitting device having a configuration in which a voltage from a gate electrode can be effectively applied to each carbon fiber, and the efficiency is high, the parasitic capacitance is reduced as much as possible, and the spread of the electron beam is small. It is for the purpose.
本発明の第一は、基板表面上に配置された第1の電極と、
該第1の電極を覆って配置された絶縁層と、
該絶縁層上に配置され、第1の電極の少なくとも一部が重ならない第2の電極と、
該第2の電極に一方の端部が接続され、上記絶縁層の表面に沿って第1の電極上に配置された少なくとも1本以上のカーボンファイバーと、
を有することを特徴とする電子放出素子である。
The first of the present invention is a first electrode disposed on the substrate surface;
An insulating layer disposed over the first electrode;
A second electrode disposed on the insulating layer, wherein at least a portion of the first electrode does not overlap;
At least one carbon fiber having one end connected to the second electrode and disposed on the first electrode along the surface of the insulating layer;
It is an electron emission element characterized by having.
上記本発明においては、下記の構成を好ましい形態として含む。
上記第2の電極が、少なくとも一対の対向する部位を有する。
第2の電極が配置された領域の絶縁層の厚さが、該領域以外の領域の絶縁層の厚さよりも厚く、上記第2の電極から上記厚い絶縁層の側面及び第1の電極上の絶縁層表面に沿って配置された少なくとも1本のカーボンファイバーを有する。
第1の電極と第2の電極とが絶縁層を介して重ならない。
第1の電極に、第2の電極に印加する電位よりも高い電位が印加される。
カーボンファイバーの直径が1μm以下である。
カーボンファイバーが、グラファイトナノファイバー或いはカーボンナノチューブである。
In the said invention, the following structure is included as a preferable form.
The second electrode has at least a pair of opposing portions.
The thickness of the insulating layer in the region where the second electrode is disposed is thicker than the thickness of the insulating layer in the region other than the region, and the side surface of the thick insulating layer from the second electrode and on the first electrode It has at least one carbon fiber arranged along the surface of the insulating layer.
The first electrode and the second electrode do not overlap with each other through the insulating layer.
A potential higher than the potential applied to the second electrode is applied to the first electrode.
The diameter of the carbon fiber is 1 μm or less.
The carbon fiber is a graphite nanofiber or a carbon nanotube.
また、本発明の第二は、上記本発明第一の電子放出素子を複数個と、該素子と離間して配置されたアノード電極と、電子照射により発光する発光部材とを有することを特徴とする画像表示装置である。 A second aspect of the present invention is characterized by comprising a plurality of the electron-emitting devices according to the first aspect of the present invention, an anode electrode spaced apart from the device, and a light emitting member that emits light by electron irradiation. This is an image display device.
本発明の電子放出素子によれば、個々のカーボンファイバーに有効にゲート電極(第1の電極)からの電圧を印加する事ができ、低駆動電圧で効率が高く、寄生容量も極力低減され、さらに電子ビームの広がりが少ないという性能が実現される。また、本発明の画像表示装置においては、本発明の電子放出素子を用いて構成されることから、より高性能な画像表示装置例えば、カラーフラットテレビが実現される。 According to the electron-emitting device of the present invention, a voltage from the gate electrode (first electrode) can be effectively applied to each carbon fiber, the efficiency is low at a low driving voltage, and the parasitic capacitance is reduced as much as possible. Furthermore, the performance that the spread of the electron beam is small is realized. Further, since the image display device of the present invention is configured using the electron-emitting device of the present invention, a higher performance image display device such as a color flat television is realized.
以下に図面を参照して、本発明の電子放出素子及び画像表示装置の実施形態を例示的に説明する。但し、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。 Embodiments of an electron-emitting device and an image display device according to the present invention are illustratively described below with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative positions, etc. of the components described in the following embodiments are not intended to limit the scope of the present invention only to those unless otherwise specified. Absent.
本発明の電子放出素子について図1を用いて説明する。図1は、本発明の電子放出素子の好ましい第1の実施形態を示す図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は(a)のA−A’断面図であり、図中、1は基板、2は第1の電極、3は絶縁層、4は第2の電極、5はカーボンファイバーである。 The electron-emitting device of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a view showing a preferred first embodiment of the electron-emitting device of the present invention, FIG. 1 (a) is a plan view, and FIG. 1 (b) is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. In the figure, 1 is a substrate, 2 is a first electrode, 3 is an insulating layer, 4 is a second electrode, and 5 is a carbon fiber.
図1に示すように本発明の電子放出素子の特徴は、基板1表面上に配置された第1の電極2と、該第1の電極2を覆って配置された絶縁層3と、該絶縁層3上に配置され、該絶縁層3を介して第1の電極2の少なくとも一部に重ならない第2の電極4と、該第2の電極4に一端を接続され、絶縁層3表面に沿って第1の電極2上に配置された少なくとも1本以上のカーボンファイバー5とで構成される。尚、本発明における「絶縁層3表面に沿う」とは、必ずしも、カーボンファイバーの長手方向が絶縁層表面と平行であることに限定されるものではない。本発明における「絶縁層3表面に沿う」とは、例えば、絶縁層3表面に対し0度以上90度未満の傾きでカーボンファイバーが配置されている形態をも含むものである。このため、本発明においては、カーボンファイバー5の少なくとも一方の端部が第2の電極4に接続しており、カーボンファイバーの少なくとも一部分の直下に、絶縁層3の表面の一部が存在しており(カーボンファイバーの少なくとも一部分の直下に第2の電極4が存在しない配置関係であり)、且つ、カーボンファイバーの少なくとも一部分の直下に位置する絶縁層3の、さらにその下に、前記第1の電極2の少なくとも一部が存在している形態が必須の構成である。
As shown in FIG. 1, the electron-emitting device of the present invention is characterized by a
図1の実施形態においては、第2の電極4が一対の対向する部位を有しており、各部位にカーボンファイバー5の端部がそれぞれ接続されている。また、第1の電極2と第2の電極4とが絶縁層3を介して重ならない。本発明においては、図1に示すように、第1の電極2と第2の電極4とが重ならないことにより、寄生容量の低減効果が得られるため好ましい。また、第2の電極4が、少なくとも一対の対向する部位を有することにより、放出される電子ビームの収束効果が得られるため、好ましい。
In the embodiment of FIG. 1, the
尚、図1においては、カーボンファイバー5の端部がそれぞれ第2の電極4に接続された状態を示したが、本発明においてはこれに限定されるものではなく、カーボンファイバー5の一端が第2電極4に接続されていれば、電子放出に寄与することができる。
In FIG. 1, the end of the
上記構成において、第1の電極2に、第2の電極4に対して正の電圧Vを印加すると、カーボンファイバー5と第1の電極2の間の距離と、カーボンファイバー5の形状により決まる形状因子とに依存した電界が、カーボンファイバー5に印加される。ここでカーボンファイバー5と第1の電極2の間の距離を小さくすると、電圧Vが比較的低い値にて、カーボンファイバー5から電子放出を行わせるのに必要な電界強度である106〜107V/cm程度にする事ができる。この電子放出に必要な電界強度を得るための電圧Vが電子放出素子の駆動電圧である。
In the above configuration, when a positive voltage V is applied to the
本発明において、電圧V(駆動電圧)を低い値にできるのは、カーボンファイバー5と第1の電極2の間の距離が、おおよそ絶縁層3の膜厚dにより制御できる事により、距離dをサブミクロンオーダーにする事が可能であるのと、カーボンファイバー5と、第1電極2の間には、絶縁層3しか存在しないため、カーボンファイバー5に直接的にしかも近距離から電圧Vを印加する事ができるためである。尚、図1においては、絶縁層3の表面が平坦に記載されているが、第1の電極2上の絶縁層3の厚さと第1の電極2に重ならない絶縁層3の厚さdは実質的に同一とみなすことができる。
In the present invention, the voltage V (driving voltage) can be lowered because the distance between the
そして放出された電子は、絶縁層3が存在するために、第1の電極2に入射してしまう軌道は存在せず、電子放出素子の上方に離れて配置されたアノード(不図示)へと向うこととなり、良好な電子放出効率を得られる。このような原理で本発明の電子放出素子は低電圧駆動が実現できると共に良好な電子放出効率を得ることができる。
Since the emitted electrons are present in the insulating
次に本発明の電子放出素子の特徴として、電子放出部(本発明ではカーボンファイバー5と第1の電極2が最近接している部分を指す)の電気容量Cの低減効果について説明する。
Next, as a feature of the electron-emitting device of the present invention, the effect of reducing the electric capacitance C of the electron-emitting portion (in the present invention, the portion where the
前述したように一般に電気容量はC=ε・s/dで表される。〔ここでs:カソード電極とゲート電極の重なり部分の面積。d:カソード電極とゲート電極の距離。尚、本発明においてはカソード電極はカーボンファイバー5に相当し、ゲート電極は第1の電極2に相当する〕
As described above, the electric capacity is generally represented by C = ε · s / d. [Where s is the area of the overlapping portion of the cathode electrode and the gate electrode. d: Distance between the cathode electrode and the gate electrode. In the present invention, the cathode electrode corresponds to the
電子放出素子として駆動電圧を低下させるためにdを小さくする事が有効であるという条件を考えると、いかにsの値を小さくできるかが重要である。本発明では電子放出部においては膜状のカソード電極が存在しないため、第1の電極2との重なり部分は、カーボンファイバーの5の面積のみとなり、dを近接させながらにして電気容量Cを低減する事ができる。
Considering the condition that it is effective to reduce d in order to reduce the driving voltage as an electron-emitting device, it is important how the value of s can be reduced. In the present invention, since there is no film-like cathode electrode in the electron emission portion, the overlapping portion with the
さらに、本発明の電子放出素子は電子ビームの広がらない構成である。その原理は、カーボンファイバー5を隣接して多数配置する事により、第1の電極2面とカーボンファイバー5が配置された面にて略並行な電位分布が形成され、電子ビームの広がりを抑制するものである。
Furthermore, the electron-emitting device of the present invention has a configuration in which the electron beam does not spread. The principle is that by arranging a large number of
図2に、本発明の電子放出素子の第2の実施形態を示す。図2(a)は平面図、(b)は(a)のB−B’断面図であり、図中の6は絶縁層でもある保護層、1〜5は図1と同じ部材である。 FIG. 2 shows a second embodiment of the electron-emitting device of the present invention. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ of FIG. 2A, in which 6 is a protective layer that is also an insulating layer, and 1 to 5 are the same members as in FIG. 1.
図2の電子放出素子は、第1の電極2を覆う絶縁層が絶縁層3と保護層6からなり、第2の電極4が配置された領域の絶縁層の厚さd2がそれ以外の領域の絶縁層の厚さd1よりも厚く形成されている。尚、図2においては、保護層6の表面が平坦に記載されているが、第1の電極2上の保護層6の厚さは第1の電極2に重ならない領域の保護層6の厚さd1と実質的に同一とみなされる。また、カーボンファイバー5は一端が第2の電極4に接続され、絶縁層5の側面及び保護層6表面に沿って配置し、他端が保護層6を介して第1の電極2上に達している。
In the electron-emitting device of FIG. 2, the insulating layer covering the
図2の構成では、電子放出部(本発明ではカーボンファイバー5と第1の電極2が最近接している部分を指す)よりも該電子放出部の上方に位置するアノード電極(不図示)に近い位置にカソード電極として第2の電極4を配置することで、第2の電極4が形成する電位面とカーボンファイバー5が形成する電位面がレンズ効果を生み出し、電子ビームを収束させる事もできる。電子ビームの収束度は必要に応じて、カーボンファイバー5を配置した面に対して、第2の電極4面を形成する位置にて選択する事ができる。
In the configuration of FIG. 2, it is closer to an anode electrode (not shown) located above the electron emission portion than an electron emission portion (in the present invention, indicates a portion where the
図2の実施形態においては、第1の電極2と第2の電極4とが保護層6及び絶縁層3を介して重なっていないが、図3に示すように、両電極が重なる構成を取ることもできる。
In the embodiment of FIG. 2, the
また、図2、図3の実施形態においては、第2の電極4が一対の対向する部位を有する形態を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明においては、このように、第2の電極4が、少なくとも一対の対向する部位を有することにより、放出される電子ビームの収束効果が得られるため、好ましい。
In the embodiment of FIGS. 2 and 3, the
本発明の電子放出素子においては、カーボンファイバー5の側面(ファイバー5の長手方向の表面)に電圧が有効にかかるようになっているため、グラファイトナノファイバーと呼ばれるファイバーの長手方向にグラフェンが積層された材料が好ましい。 In the electron-emitting device of the present invention, voltage is effectively applied to the side surface of the carbon fiber 5 (surface in the longitudinal direction of the fiber 5), so that graphene is laminated in the longitudinal direction of the fiber called graphite nanofiber. The material is preferred.
以上のような原理により、本発明の電子放出素子によれば、個々のカーボンナノファイバーに有効にゲート電極(第1の電極2)からの電圧を印加する事ができ、低駆動電圧、且つ効率が高く、寄生容量も極力低減され、さらに電子ビームの広がりの少ないという性能が実現される。 Based on the principle as described above, according to the electron-emitting device of the present invention, a voltage from the gate electrode (first electrode 2) can be effectively applied to each carbon nanofiber, and a low driving voltage and efficiency can be achieved. The parasitic capacitance is reduced as much as possible, and further, the performance that the spread of the electron beam is small is realized.
次に、本発明の電子放出素子の製造方法について説明する。図4は、図1に示した電子放出素子の製造工程を示す断面模式図である。 Next, a method for manufacturing the electron-emitting device of the present invention will be described. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing process of the electron-emitting device shown in FIG.
(工程1)
基板1上に、第1の電極2を形成する〔図4(a)〕。基板1としては、石英ガラス、Na等の不純物含有量を減少させKなどに一部置換したガラス、青板ガラス或いはシリコン基板等にSiO2を積層した積層体、アルミナ等のセラミックス等の絶縁性基板を用いることができる。
(Process 1)
A
第1の電極2は導電性を有しており、印刷法や、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成される。第1の電極2の材料は、例えば、炭素、金属、金属の窒化物、金属の炭化物、金属のホウ化物、半導体、半導体の金属化合物から適宜選択される。電極2の厚さとしては、数十nm〜数μmの範囲で設定される。好ましくは炭素、金属、金属の窒化物、金属の炭化物の耐熱性材料が望ましい。
The
(工程2)
続いて絶縁層3を形成する〔図4(b)〕。絶縁層3は、印刷法や、蒸着法、スパッタ法等の一般的真空成膜技術、フォトリソグラフィー技術により形成される。材料としてはSiO2や、ホウ素やリン等の物質が添加されたものや、アルミナなどの絶縁物から適宜選択される。絶縁層3の厚さは、数十nm〜数十μmが好ましい。
(Process 2)
Subsequently, the insulating
(工程3)
次に、第2の電極4を形成する〔図4(c)〕。第2の電極4には、上述した第1の電極2と同様の材料を用いることができる。また、好ましい厚さは数nm〜数μmである。また、第2の電極2の対向する部位間の距離Wは数十nm〜数十μmが好ましい。
(Process 3)
Next, the
(工程4)
次に、カーボンファイバー5を配置する〔図4(d)〕。本発明におけるカーボンファイバーとは、「炭素を主成分とする柱状物質」或いは、「炭素を主成分とする線状物質」である。より具体的には、グラファイトファイバー、アモルファスカーボンファイバー、カーボンナノチューブ等である。本発明においては、カーボンファイバー5の側面に電圧が有効にかかるようになっているために、カーボンナノチューブや、グラファイトナノファイバーと呼ばれるファイバー側壁にグラファイト端が並んでいる材料が好ましく、特に好ましくはグラファイトナノファイバーである。
(Process 4)
Next, the
本発明にかかるカーボンファイバー5の形成方法としては、予めカーボンファイバー5を、有機ガスを用いたCVDによる核成長を利用した針状結晶の成長や、ひげ結晶の成長等を利用したり、アーク放電法や、触媒CVD法等一般的なカーボンファイバーの合成法を利用して作製後、精製したものを、第2の電極4上に配置する間接配置法と、第2の電極4上の所望の位置にカーボンファイバーの成長の核となる触媒を形成しておき、有機ガスを分解してカーボンファイバーを触媒成長させる直接配置法が用いられる。
As a method of forming the
図5に、図2に示した電子放出素子の、カーボンファイバーを直接配置法で形成する場合の製造工程を示す。 FIG. 5 shows a manufacturing process for forming the carbon fiber of the electron-emitting device shown in FIG. 2 by a direct arrangement method.
(工程1)
図4(a)の工程と同様にして、基板1上に第1の電極2を形成し、その上に保護層6を形成する。保護層6は、絶縁層としての機能と後工程のエッチングの際の保護層としての機能を備えており、材料としてはAl2O3、SiO2や、ホウ素やリン等が添加されたものが好ましく用いられ、厚さは数nm〜数μmが好ましい。
(Process 1)
Similar to the process of FIG. 4A, the
さらに、該保護層6上に、図4(b)の工程と同様にして絶縁層3を形成する。本形態における絶縁層3の好ましい厚さは数十nm〜数十μmである。
Further, the insulating
図4(c)の工程と同様にして、第2の電極4を積層する〔図5(a)〕。
In the same manner as in the step of FIG. 4C, the
(工程2)
次いで、カーボンファイバー5成長の核となる、触媒微粒子7を配置する。触媒粒子7としては、Pd等の金属材料を適当な溶剤に分散させた溶液を第2の電極4上に塗布、乾燥して配置される〔図5(b)〕。
(Process 2)
Next, catalyst fine particles 7 serving as a nucleus for the growth of the
(工程3)
触媒粒子7、第2の電極4、絶縁層3を部分的にエッチングして第1の電極2上の保護層6の一部を露出させる〔図5(c)〕。露出した領域において、第2の電極4の対向する部位間の距離Wは数百nm〜数百μmが好ましい。
(Process 3)
The catalyst particles 7, the
(工程4)
次に、触媒粒子7を核としてカーボンファイバー5を成長させる。〔図5(d)〕具体的には、基板1を外気から密閉されたチャンバー内に配置し、炭素含有ガスを導入してCVD法にて行う。
(Process 4)
Next, the
また、図3の電子放出素子の製造方法は、図5(a)の工程において、第1の電極2を広く形成し、図5(c)の工程において、第1の電極2と第2の電極4とが重なるようにエッチングを行う以外、図2の電子放出素子の製造方法と同様である。
Further, in the method of manufacturing the electron-emitting device of FIG. 3, the
このようにして製造した本発明の電子放出素子を、図6に示すような真空装置12内に設置する。尚、図6には図1の構成の電子放出素子を用いた例を示す。次いで、真空排気装置11によって10-5Pa程度に到達するまで十分に排気し、基板1から数mmの高さHの位置にアノード電極8を設け、高電圧電源より数kVからなる高電圧Vaを印加する。アノード電極8には導電性フィルムを被覆した蛍光体9が設置されている。
The electron-emitting device of the present invention thus manufactured is installed in a
上記構成において、素子に駆動電圧Vf=数十V程度からなるパルス電圧を印加して流れる素子電流(電子放出素子の第2の電極4と第1の電極2間に流れる電流)Ifと電子放出電流(電子放出素子の第2の電極4とアノード電極8間に流れる電流)とIeを計測すると、放出電流Ieに対して素子電流Ifは小さく、良好な電子放出効率が得られる。
In the above configuration, the device current (current flowing between the
また、この時、本発明の電子放出素子とアノード電極8が形成する等電位面は図中の10で示す破線のように略平行になり、電子ビームの広がりが抑制される。さらに、図1、図2の実施形態では、第1の電極2と第2の電極4との重なり部分がなくカーボンファイバーのみが交差しているため、また、図3の実施形態では、第1の電極2と第2の電極4との重なり部分はカーボンファイバーの他に電子放出部以外にて絶縁層が十分厚い領域のみとなるため、寄生容量が低減される。
At this time, the equipotential surface formed by the electron-emitting device of the present invention and the
本発明の電子放出素子の駆動電圧Vfは、カーボンファイバー5と第1の電極2との距離と、カーボンファイバー5の形状と関係しており、駆動電圧を低くするには、カーボンファイバー5自体の表面状態が同様な場合は、カーボンファイバー5の直径が細いほど、形状効果による電界集中効果が現れるので望ましい。またカーボンファイバー5と第1の電極2との距離については小さいほど駆動電圧が低減される。これらの値は耐久性と素子容量との兼ね合いで適宜選択される。 よって、図6のような構成で、本発明により作製した電子放出素子を複数配列すれば、図8に示すような画像表示装置を作製できる。
The drive voltage Vf of the electron-emitting device of the present invention is related to the distance between the
電子放出素子の配列については、種々のものを採用することができる。一例として、電子放出素子をX方向及びY方向に行列状に複数個配し、同じ行に配された複数の電子放出素子を構成する第1の電極2或いは第2の電極4の一方を、X方向の配線に共通に接続し、同じ列に配された複数の電子放出素子を構成する第1の電極2或いは第2の電極4の他方を、Y方向の配線に共通に接続するいわゆるマトリクス配置がある。
Various arrangements of the electron-emitting devices can be employed. As an example, a plurality of electron-emitting devices are arranged in a matrix form in the X direction and the Y direction, and one of the
本発明の電子放出素子を複数配して得られるマトリクス配置の電子源について図7を用いて説明する。図7中、71は電子源基体、72はX方向配線、73はY方向配線である。74は本発明の電子放出素子、75は結線である。 A matrix-arranged electron source obtained by arranging a plurality of electron-emitting devices of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 7, 71 is an electron source substrate, 72 is an X direction wiring, and 73 is a Y direction wiring. 74 is an electron-emitting device of the present invention, and 75 is a connection.
図7においてm本のX方向配線72はDx1,Dx2,…Dxmからなる。配線の材料、膜厚、巾は、適宜設計される。Y方向配線73はDy1,Dy2…Dynのn本の配線よりなり、X方向配線72と同様に形成される。これらm本のX方向配線72とn本のY方向配線73との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に分離している(m,nは,共に正の整数)。
不図示の層間絶縁層は、真空蒸着法、印刷法、スパッタ法等を用いて形成されたSiO2等で構成される。例えば、X方向配線72を形成した基体71の全面或いは一部に所望の形状で形成され、特に、X方向配線72とY方向配線73の交差部の電位差に耐え得るように、膜厚、材料、製法が適宜設定される。X方向配線72とY方向配線73は、それぞれ外部端子として引き出されている。
The interlayer insulating layer (not shown) is made of SiO 2 or the like formed using a vacuum deposition method, a printing method, a sputtering method, or the like. For example, it is formed in a desired shape on the entire surface or part of the base 71 on which the
本発明の電子放出素子74を構成する第1の電極2、第2の電極4(いずれも不図示)は、m本のX方向配線72とn本のY方向配線73と導電性金属等からなる結線75によって電気的に接続されている。
The
X方向配線72とY方向配線73を構成する材料、結線を構成する材料及び第1の電極、第2の電極を構成する材料は、その構成元素の一部或いは全部が同一であっても、またそれぞれ異なってもよい。第1の電極2、第2の電極4を構成する材料と配線材料が同一である場合には、配線72,73はそれぞれ第1の電極配線、第2の電極配線と総称でいうこともできる。
The material constituting the
X方向配線72には、X方向に配列した本発明の電子放出素子74の行を選択するための走査信号を印加する不図示の走査信号印加手段が接続される。一方、Y方向配線73には、Y方向に配列した本発明の電子放出素子74の各列を入力信号に応じて変調するための不図示の変調信号発生手段が接続される。各電子放出素子74に印加される駆動電圧は、当該素子に印加される走査信号と変調信号の差電圧として供給される。
The
上記構成においては、単純なマトリクス配線を用いて、個別の素子74を選択し、独立に駆動可能とすることができる。このような単純マトリクス配置の電子源を用いて構成した画像表示装置について、図8を用いて説明する。図8は、本発明の画像表示装置の表示パネルの一例を示す模式図である。
In the above configuration,
図8において、71は電子放出素子を複数配した電子源基体、81は電子源基体71を固定したリアプレート、86はガラス基体83の内面に蛍光膜84とメタルバック85等が形成されたフェースプレートである。82は、支持枠であり該支持枠82には、リアプレート81、フェースプレート86がフリットガラス等を用いて接続されている。88は外囲器であり、例えば大気中或いは、窒素中で、400〜500℃の温度範囲で10分以上焼成することで、封着して構成される。
In FIG. 8, 71 is an electron source substrate having a plurality of electron-emitting devices, 81 is a rear plate to which the
外囲器87は、上述の如く、フェースプレート86、支持枠82、リアプレート81で構成される。リアプレート81は主に基体71の強度を補強する目的で設けられるため、基体71自体で十分な強度を持つ場合は別体のリアプレート81は不要とすることができる。即ち、基体71に直接支持枠82を封着し、フェースプレート86、支持枠82及び基体71で外囲器87を構成しても良い。一方、フェースプレート76、リアプレート71間に、スペーサーとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度をもつ外囲器87を構成することもできる。
The
次に、封着工程を施した外囲器(パネル)を封止する。 Next, the envelope (panel) subjected to the sealing step is sealed.
封止工程は、外囲器(パネル)87を加熱しながら、排気装置により排気管(不図示)を通じて排気し、外囲器内部を排気した後、排気管を封じきることによって行われる。外囲器87の封止後の圧力を維持するために、ゲッター処理を行うこともできる。ゲッターはBa等の蒸発型や、非蒸発型を用いることできる。また、ここでは、封着後に排気管を封止する方法を示したが、真空チャンバー中で封着工程を行えば、上記封止工程を封着工程後に別途設ける必要がなくなる。
The sealing step is performed by exhausting through the exhaust pipe (not shown) by the exhaust device while heating the envelope (panel) 87, exhausting the inside of the envelope, and then sealing the exhaust pipe. In order to maintain the pressure after sealing the
以上の工程によって製造されたマトリクス配置の電子源を用いて構成した画像表示装置は、各電子放出素子に、容器外端子Dx1〜Dxm、Dy1〜Dynを介して電圧を印加することにより、所望の電子放出素子から電子を放出させることができる。また、高圧端子Hvを介してメタルバック85、或いは透明電極(不図示)に高電圧を印加して、電子ビームを加速する。加速された電子は、蛍光膜84に衝突し、発光が生じて画像が形成される。
The image display apparatus using the electron source of matrix arrangement produced by the above process, each electron-emitting device, applying a voltage via vessel terminals Dx 1 ~Dx m, the Dy 1 ~Dy n Thus, electrons can be emitted from a desired electron-emitting device. Further, a high voltage is applied to the metal back 85 or the transparent electrode (not shown) via the high voltage terminal Hv to accelerate the electron beam. The accelerated electrons collide with the
本発明による画像表示装置は、テレビジョン放送の表示装置、テレビ会議システムやコンピューター等の表示装置の他、感光性ドラム等を用いて構成された光プリンターとしての画像表示装置等としても用いることができる。 The image display apparatus according to the present invention can be used as an image display apparatus as an optical printer configured using a photosensitive drum or the like in addition to a display apparatus such as a television broadcast display apparatus, a video conference system, or a computer. it can.
図1に示した構成の電子放出素子を図4の工程に従って作製した。 An electron-emitting device having the configuration shown in FIG. 1 was fabricated according to the process of FIG.
(工程1)
基板1に石英基板を用い十分洗浄を行った後、フォトリソグラフィーとスパッタ法により第1の電極2として、厚さ5nmのTi及び厚さ50nmのPt及び5nmのTiを連続的に形成した〔図4(a)〕。
(Process 1)
After sufficiently washing the
(工程2)
続いて絶縁層3として、フォトリソグラフィーとスパッタ法により、厚さ100nmのSiO2を積層した〔図4(b)〕。
(Process 2)
Subsequently, as the insulating
(工程3)
次に、第2の電極4として、フォトリソグラフィーとスパッタ法により、厚さ100nmのTiCからなる電極を形成した〔図4(c)〕。この時、図1のように第1の電極2と、第2の電極4の重なり部分ができないようにした。また、第2の電極の対向する部位間の距離Wは5μmとした。
(Process 3)
Next, an electrode made of TiC having a thickness of 100 nm was formed as the
(工程4)
次に、カーボンファイバーとして、複数のカーボンナノチューブを有機溶剤に分散し、工程3の第2電極4及び露出した絶縁層3上に塗布し、N2雰囲気で500℃に加熱して乾燥させた〔図4(d)〕。
(Process 4)
Next, as a carbon fiber, a plurality of carbon nanotubes were dispersed in an organic solvent, applied on the
本実施例で作製した電子放出素子を、図6に示す真空装置12に設置し、真空排気装置11によって10-5Pa程度に到達するまで十分に排気した後、基板から2mmの高さの位置にアノード電極8を設け、8kボルトからなる高電圧Vaを印加した。尚、アノード電極8には導電性フィルムを被覆した蛍光体9が設置されている。素子には駆動電圧Vfとして40V程度からなるパルス電圧を印加して流れる素子電流Ifと電子放出電流Ieを計測した。
The electron-emitting device manufactured in this example is installed in the
その結果、放出電流Ieに対して素子電流Ifは小さく、電子放出効率がよかった。また、この時、電子ビームの広がりが少なく、それに応じた蛍光体の発光が見られた。さらに、本実施例の電子放出素子では第1の電極2と第2の電極4との重なり部分がなくカーボンファイバー5のみが交差している形となり寄生容量が低減された。
As a result, the device current If was smaller than the emission current Ie, and the electron emission efficiency was good. In addition, at this time, the spread of the electron beam was small, and light emission of the phosphor corresponding thereto was observed. Furthermore, in the electron-emitting device of this example, there was no overlapping portion between the
実施例2として、図2に示す構成の電子放出素子を図4に示す工程に従って作製した。 As Example 2, an electron-emitting device having the configuration shown in FIG. 2 was fabricated according to the steps shown in FIG.
(工程1)
実施例1の工程1と同様にして、石英基板上に、厚さ5nmのTi及び厚さ50nmのPt及び5nmのTiからなる第1の電極2を形成した後、後述するエッチング工程の保護層6として厚さ100nmのAl2O3、絶縁層3として厚さ1μmのSiO2、第2の電極4として厚さ100nmのTiNをスパッタ法により連続的に積層した〔図5(a)〕。
(Process 1)
In the same manner as in
(工程2)
続いて、カーボンファイバー成長の核となる、触媒微粒子7としてPdを有機溶剤に分散させた溶液を塗布後、乾燥し、触媒微粒子7を第2の電極4上に配置した〔図5(b)〕。
(Process 2)
Subsequently, a solution in which Pd was dispersed in an organic solvent as the catalyst fine particle 7 that becomes the nucleus of carbon fiber growth was applied and then dried, and the catalyst fine particle 7 was placed on the second electrode 4 [FIG. 5B]. ].
(工程3)
フォトリソグラフィーとリアクティブドライエッチング法により、触媒微粒子7をArプラズマにて、続いて第2の電極4及び絶縁層3をCF4とH2の混合プラズマにてドライエッチングし、保護層6を部分的に露出させた〔図5(c)〕。露出させた領域における、第2の電極4の対向する部位間の距離Wは10μmとした。この条件下では保護層6のAl2O3はエッチングが進行しないため保護層6にてエッチングを停止させる事ができる。この時、図2のように第1の電極2と、第2の電極4の重なり部分ができないようにした。
(Process 3)
By using photolithography and reactive dry etching, the catalyst fine particles 7 are dry-etched with Ar plasma, then the
(工程4)
次に、基板1を外気から密閉されたチャンバー内に配置し、エチレン気流中で加熱し、CVD法により、触媒微粒子7を核としてカーボンファイバー5を成長させた。この時、カーボンファイバー5は第2電極4上の微粒子を核として成長し、保護層6の表面を這うように成長した〔図5(d)〕。
(Process 4)
Next, the
本実施例で作製した電子放出素子を、実施例1と同様に図6に示す真空装置12に設置し、IfとIeを計測した。その結果、実施例1と同様に放出電流Ieに対して素子電流Ifは小さく、電子放出効率がよかった。また、この時、電子ビームは収束されていた。また本実施例の電子放出素子でも第1の電極2と第2の電極4との重なり部分がなくカーボンファイバー5のみが交差している形となり寄生容量が低減された。
The electron-emitting device manufactured in this example was installed in the
第2の電極2を素子全面に形成する以外は、実施例2と同様にして、図3に示す構成の電子放出素子を作製した。
An electron-emitting device having the structure shown in FIG. 3 was produced in the same manner as in Example 2 except that the
本実施例の素子を、実施例2と同様な真空容器内にて電圧を印加すると、実施例2と同様なレンズ効果により収束された電子ビームが得られた。 When a voltage was applied to the device of this example in a vacuum container similar to that of Example 2, a converged electron beam was obtained by the lens effect similar to that of Example 2.
1 基板
2 第1の電極
3 絶縁層
4 第2の電極
5 カーボンファイバー
6 保護層
7 触媒微粒子
8 アノード電極
9 蛍光体
10 等電位面
11 真空排気系
12 真空容器
71 電子源基体
72 X方向配線
73 Y方向配線
74 電子放出素子
81 リアプレート
82 支持枠
83 ガラス基体
84 蛍光膜
85 メタルバック
86 フェースプレート
87 外囲器
DESCRIPTION OF
Claims (8)
該第1の電極を覆って配置された絶縁層と、
該絶縁層上に配置され、第1の電極の少なくとも一部に重ならない第2の電極と、
該第2の電極に一方の端部が接続され、上記絶縁層の表面に沿って第1の電極上に配置された少なくとも1本以上のカーボンファイバーと、
を有することを特徴とする電子放出素子。 A first electrode disposed on the substrate surface;
An insulating layer disposed over the first electrode;
A second electrode disposed on the insulating layer and not overlapping at least a portion of the first electrode;
At least one carbon fiber having one end connected to the second electrode and disposed on the first electrode along the surface of the insulating layer;
An electron-emitting device comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006338893A (en) * | 2005-05-31 | 2006-12-14 | Univ Of Tokushima | Field emission display device and field emission type electron source device |
-
2003
- 2003-09-04 JP JP2003312089A patent/JP2005079071A/en not_active Withdrawn
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