JP2006244857A - 冷陰極電子源およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストが安価で済み、かつ、安定した電子放出特性を有する冷陰極電子源を提供すること。
【解決手段】基板２上にほぼ均等な粒子径を有する多数の酸化物粒子４が単層ないしは複層で配置され、これら酸化物粒子４上に炭素膜６が酸化物粒子の形状を反映して連続した凹凸形状をなして積層されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界を印加して電子を放出する冷陰極電子源に係り、特に安価に製造することのできる冷陰極電子源およびその製造方法に関する。

冷陰極電子源は、電界を印加して電子放出する電界放出型の素子であり、低消費電力、高視野角、高輝度、小型化、集積化等に優れ、フラットパネルディスプレイ、バックライト、走査型電子顕微鏡等、様々な電子装置の分野への応用が期待されその開発が鋭意進められている。このような冷陰極電子源には、カソード電極上に微小な円錐状の電子放出部（エミッタ）を多数配置したスピント型冷陰極電子源がある（特許文献１参照。）。

しかしながら、このようなスピント型冷陰極電子源は、電子放出材料に主としてＭｏやＮｉ等の金属の蒸着や、シリコン等の選択エッチングや熱酸化等により、微小な円錐状の電子放出部を微細加工技術により形成するため、製造プロセスが複雑であるうえに大面積に形成することが難しく、また製造コストが非常に高くつき、特に電子放出材料としての融点が低いので電子放出に際しての高電圧の印加の影響を受けるなど、電子放出部の寿命が短いという課題がある。一方、冷陰極電子源にはカーボンナノチューブを用いたものがあり、この冷陰極電子源はスピント型冷陰極電子源のように円錐構造を作る必要がないから、構造が比較的簡単であり、大面積の電子放出部を製作するのに優れているうえ、化学的に安定で、電子放出特性に優れている。しかしながら、カーボンナノチューブを用いた冷陰極電子源は、カーボンナノチューブの長さを揃えて形成することが難しく、カーボンナノチューブの先端位置にばらつきがあり、アノード電極とカーボンナノチューブの先端との間の距離が場所によって異なり、電子を引き出す電界に違いを生じる。従って、カーボンナノチューブを用いた電子源を用いた画素構造のディスプレイの場合には、画素によって輝度等にばらつきを生じるという不具合がある。
特開２０００−１７３４４８号公報

本発明は、製造コストが安価で済み、かつ、安定した電子放出を低電圧の印加で可能として長寿命特性を有し、かつ、均一な輝度で発光することができる冷陰極電子源を提供することを課題とする。

本発明第１による冷陰極電子源は、基板と電気伝導性薄膜との間に酸化物粒子を介在させて当該電気伝導性薄膜の表面を酸化物粒子の形状が反映した一様な凹凸表面に形成してあることを特徴とする。

本発明第１によると、基板上に多数の酸化物粒子を配置する工程と、これら酸化物粒子上に炭素膜等の電気伝導性薄膜を積層するという２つの簡単なプロセスで製造することができるので、安価に製造することができる。さらに、本発明第１の冷陰極電子源では、その炭素膜等の電気伝導性薄膜が酸化物粒子上に積層するだけでその表面を酸化物粒子の形状が反映した一様な凹凸表面に形成してあるので、均一な輝度で発光することができ、寿命特性も向上したものである。

この場合、酸化物粒子はほぼ均等な粒子径を有するものであることが好ましい。これは電界が集中して電子放出する電子放出部となる凸部の高さが平面配置方向において均等となり、アノード電極からの電界集中がほぼ均等となり、発光輝度を均一にすることができるからである。

酸化物粒子は、シリカ粒子であることが好ましい。これは、シリカ粒子が、粒子径を制御しやすいということによる。また、酸化物粒子は、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｂｉ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，ＣｏＯ，ＣｕＯ，ＦｅＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃，Ｈｏ₂Ｏ₃．Ｍｎ₃Ｏ₄，ＳｎＯ₂，ＴｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＺｎＯ，ＺｒＯ₂，ＩｎＯ₃，ＩＴＯ，ＡＴＯからなる群から選択された１種またはこれらの組合わせからなる金属酸化物粒子であることが好ましい。

シリカ（ＣｅＯ₂も可）粒子は、ゾルーゲル法、イオン交換法、気相成長法のいずれかにより合成されたものであることが好ましい。

酸化物粒子は、粒子径が５ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましい。 酸化物粒子の粒子径が５ｎｍ以下では十分は凹凸が得られず、５００ｎｍ以上では凹凸の形成が難しい。
電気伝導性薄膜は炭素膜であることが好ましい。この炭素膜は、炭化水素ガスをプラズマによって分解して成膜するプラズマＣＶＤ、炭素または炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法、固体炭素源からスパッタリングやアーク放電によって炭素を気化し、基板上に成膜する気相成長法等、により形成することができる。例えば、平行平板からなる一対の電極を用いてグロー放電を行うことでプラズマを形成し、このプラズマによって、陽極上に設置した基板上に炭素膜を形成することができる。

炭素膜には、ダイヤモンド、グラファイト、アモルファス等がある。電子伝導性膜としては、炭素膜に限らず、ＡｌやＮｉ等の金属膜でもよい。酸化物粒子の基板への分散配置は、スピンコート法、ディッピング法、キャスト法等により行なうことができる。また、基板表面が炭素膜で覆われるので超高真空が不要となり、長寿命化が可能となる。さらに、電子放出のしきい値が炭素膜のしきい値となり、動作電圧を低く抑えることが可能となる。酸化物粒子の形状を球形に限らず鋭い突起状の超微粒子とすることにより、炭素膜の凹凸形状も鋭くなり、より低電界での電子放出が可能となる。

本発明第２による冷陰極電子源は、本発明第１の冷陰極電子源をより具体的にしたものであり、基板上にほぼ均等な粒子径を有する多数の酸化物粒子が単層または複層で配置され、これら酸化物粒子上に炭素膜が酸化物粒子の形状を反映して連続した凹凸形状をなして積層されていることを特徴とする。本発明第２の冷陰極電子源は、基板上に多数の酸化物粒子を配置する工程と、これら酸化物粒子上に炭素積層膜を形成するという２つの製造プロセスだけで製造することができるので、安価に製造することができる冷陰極電子源を提供できることに加えて、ほぼ均等な粒子径を有する酸化物粒子上に積層されるので、該炭素膜は酸化物粒子により凹凸でかつ均等な高さに積層されることになり、安定した電子放出特性を有するものとなる。

本発明によると、製造コストが安価で、安定した電子放出特性を有する冷陰極電子源を提供することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態に係る冷陰極電子源を詳細に説明する。図１は、その冷陰極電子源の断面図であり、図２はその冷陰極電子源の製造プロセスを示す断面図である。この冷陰極電子源は、導電性を有する基板（カソード部）２と、該基板２上にほぼ均等な粒子径を有してスピンコート法等により分散形成された多数の酸化物粒子４と、基板２上にこれら酸化物粒子４に重ねて積層された炭素膜６とから構成されている。炭素膜６は、酸化物粒子４の形状を反映して連続した凹凸形状をなして積層されている。炭素膜６の表面には多数の凸部６ａが電子放出部として形成される。分散配置された多数の酸化物粒子４は互いに同等程度の直径を有する球状であり、これにより、凸部６ａの基板２上からの突出高さも同一平面内にほぼ揃っている。したがって、カソード部である基板２と、炭素膜６の凸部６ａと対向配置されたアノード部との間に電圧を印加すると、各凸部６ａに同等程度の強さの電界集中が起こり、該凸部６ａからは同等な量の電子８が放出される。その結果、アノード部側の蛍光体がその電子８の衝突で励起発光する。

以上の構成を備えた本実施の形態の冷陰極電子源は、酸化物粒子４にシリカ粒子等を用いるので融点が高く、したがって、高電圧の印加に対する耐久性が高くなり、長寿命を期待することができる。またスピント型冷陰極電子源とは異なり、製造工程が極めて簡略であるので製造コストが安価な冷陰極電子源である。また、本実施の形態の冷陰極電子源は、カーボンナノチューブを用いた冷陰極電子源とは異なり、アノード電極と炭素膜６の凸部６ａとの間の距離が場所にかかわらず一定にすることができるので、電子を引き出す電界に違いを生じるようなことがなく、したがって、本実施の形態の冷陰極電子源を用いた画素構造のディスプレイの場合には、画素によって輝度等にばらつきを生じるという不具合も解消される。

以上の構成を備えた冷陰極電子源を製造方法を説明すると、まず、図２（ａ）で示す基板２上に酸化物粒子４を分散配置する。具体的には基板２上に図２（ｂ）で示すように酸化物粒子４の分散液を滴下または塗布し、スピンコーターで回転させ、酸化物粒子４に働く遠心力と酸化物粒子４と基板２との付着エネルギーの均衡によって基板２上に残る酸化物粒子４を最密充填で規則性をもって配列する。この酸化物粒子４には、シリカ粒子や金属酸化物粒子があり、その他としてフラーレン等炭素粒子がある。シリカ粒子は、水晶、珪石、珪砂、非晶質珪酸等がある。金属酸化物粒子は、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｂｉ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，ＣｏＯ，ＣｕＯ，ＦｅＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃，Ｈｏ₂Ｏ₃．Ｍｎ₃Ｏ₄，ＳｎＯ₂，ＴｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＺｎＯ，ＺｒＯ₂，ＩｎＯ₃，ＩＴＯ，ＡＴＯからなる群から選択された１種またはこれらの組合わせからなる。酸化物粒子４は、ゾルーゲル法、イオン交換法、気相成長法、スパッタ法、蒸着法、等により合成することができる。これら合成法のうち、ゾルーゲル法は、低温合成の一種であり、例えば、エチルシリケート等のＳｉのアルコキシドを常温もしくはそれに近い温度で加水分解・縮重合することによりゾルを作成することにより得ることができる。ゾルーゲル法は、低温で純粋均質で断熱性に優れたシリカ粒子を効率性良く作製できる。酸化物粒子は、粒子径が５ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましい。

以上のようにして基板２上に酸化物粒子４を分散配置すると、酸化物粒子４が均等で密または粗な間隔で配置された凹凸平面が形成される。

次いで、図２（ｃ）で示すように、酸化物粒子４からなる凹凸平面上に電気伝導性薄膜である炭素膜６を形成する。この炭素膜６は酸化物粒子４の形状を反映してその表面に多数の凸部６ａが均等な間隔で形成されたものとなる。この凸部６ａは電界が集中して電子放出部となる凸部となる。この凸部６ａは基板２からほぼ同等な高さであり、かつ、均等に間隔で形成されたものとなっているので、電界集中を炭素膜６の全体にほぼ均等に発生させることができ、したがって、均一な輝度で発光することができる。

他の実施の形態の冷陰極電子源としては、基板上にダイヤモンド、ＤＬＣ、グラファイト、またはフラーレンのいずかの粒子またはこれらの組合わせからなる粒子が配置され、この粒子が配置された基板上に炭素膜が積層された冷陰極電子源でもよい。

以上の構成を備えた冷陰極電子源について、１０^-6〜１０^-7の真空中で電圧印加端子から１５０μｍ以下のギャップをあけて電圧を印加したところ、１６Ｖ／μｍで電子放出が確認された。

図１の酸化物粒子４は基板２上に単層構成であるが、これに限定されず、図３で示すように２層以上の複層構成であってもよい。

以上説明した冷陰極電子源は、図４で示すように、フェースパネル１０とリアパネル１２とを対向配置し、両パネル１０，１２をサイドパネル１４で真空に封止し、フェースパネル１０の内面に蛍光体と電極とからなるアノード部１６を設け、リアパネル１２の内面にカソード部側として実施の形態の冷陰極電子源１８を配置し、この冷陰極電子源１８の炭素膜６の凸部６ａから電子２０を放出させる構成とした平面型の自発光型表示装置に適用実施することができる。

実施の形態に係る冷陰極電子源の断面図である。 実施の形態に係る冷陰極電子源の製造工程図である。 冷陰極電子源の変形例を示す図である。 冷陰極電子源が組み込まれた平面型の自発光型表示装置の概略断面図である。

符号の説明

２ 基板
４ 酸化物粒子
６ 炭素膜（電気伝導性薄膜）

Claims (10)

1. 基板と電気伝導性薄膜との間に酸化物粒子を介在させて当該電気伝導性薄膜の表面を酸化物粒子の形状が反映した一様な凹凸表面に形成してある、ことを特徴とする冷陰極電子源。
2. 前記電気伝導性薄膜が炭素膜により構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電子源。
3. 酸化物粒子がほぼ均等な粒子径を有するものである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷陰極電子源。
4. 酸化物粒子が、シリカ粒子である、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷陰極電子源。
5. 酸化物粒子が、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｂｉ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂，ＣｏＯ，ＣｕＯ，ＦｅＯ，Ｆｅ₂Ｏ₃，Ｈｏ₂Ｏ₃．Ｍｎ₃Ｏ₄，ＳｎＯ₂，ＴｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃，ＺｎＯ，ＺｒＯ₂，ＩｎＯ₃，ＩＴＯ，ＡＴＯからなる群から選択された１種またはこれらの組合わせからなる金属酸化物粒子である、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷陰極電子源。
6. シリカ粒子が、ゾルーゲル法、イオン交換法、気相成長法のいずれかにより合成されたものである、請求項４に記載の冷陰極電子源。
7. 酸化物粒子は、粒子径が５ｎｍ〜５００ｎｍである、ことを特徴とする請求項１ないし６いずれかに記載の冷陰極電子源。
8. 基板上にダイヤモンド、ＤＬＣ、グラファイト、またはフラーレンのいずかの粒子またはこれらの組合わせからなる粒子が配置され、この粒子が配置された基板上に炭素膜が積層されている、ことを特徴とする冷陰極電子源。
9. 炭素膜が、ダイアモンド膜、ＤＬＣ膜、グラファイト膜のいずれかである、ことを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載の冷陰極電子源。
10. 基板上に多数の酸化物粒子を配置する工程と、これら酸化物粒子上に酸化物粒子の形状を反映した炭素膜を形成する工程とを備える、ことを特徴とする冷陰極電子源の製造方法。
    

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