JP3582410B2 - 電子放出素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平板電極上に局所的に微粒子（無機の微粒子および有機高分子など）を集める電気泳動装置に関し、より具体的には、カーボンナノチューブや炭素繊維などの微粒子を局所的に集めて冷陰極部材を容易に構成する電気泳動装置に関する。更に、本発明は、上記のような電気泳動装置を利用して構成される電子放出素子や画像表示装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気泳動法は高分子やコロイドを電界により移動させる手法で、混合物中から特定の物質を分離・分析するために広く用いられている。この電気泳動法の新しい応用として、カーボンナノチューブ９０１を紫外線（ＵＶ）照射した有機ポリシラン膜９０２に電気泳動によって突き刺し、基板９０３に対し鉛直方向にカーボンナノチューブ９０１を立てる手法が開発された（参考文献：中山 他、Ｐａｎ−Ｐａｃｉｆｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ／Ｊａｐａｎ Ｈａｒｄｃｏｐｙ’９８予稿集 ページ３１３−３１６、日本画像学会主催、１９９８年７月、東京）。その電気泳動装置の模式図を図９に示す。
【０００３】
この泳動装置は、アルコール中にカーボンナノチューブ９０１を分散させた液体を泳動容器９０４内に注入し、基板９０３に対向した平板電極９０５と基板９０３上に形成したパターニングされた導電層９０６との間に外部電源９０７によって電界を印加し、カーボンナノチューブ９０１を泳動させるものである。この手法の特長は、紫外線照射された有機ポリシラン膜９０２にのみカーボンナノチューブ９０１が刺さり、照射されていない有機ポリシラン膜９０８にはカーボンナノチューブ９０１は刺さらないという点である。つまり、電気泳動する前に導電層９０６上の有機ポリシラン膜９０２のみに紫外線照射しておけば、この部分の有機ポリシラン膜のＳｉ−Ｓｉ結合が切断され膜がポーラスになり、この部分にカーボンナノチューブ９０１を選択的に突き刺すことができるというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の電気泳動装置では、有機ポリシランを使用しなければならない点で材料的制約がある。例えば電子放出素子を形成する場合、真空容器を形成する際に４００〜５００℃の温度プロセスを経るが、有機ポリシランは３００℃で分解してしまうため使用できない。また、有機ポリシランは導電性が低く導電薄膜９０６とカーボンナノチューブとの電気的接続を阻害してしまい、カーボンナノチューブからの電子放出がしにくく、素子の動作電圧が高くなってしまうという問題もある。
【０００５】
工程的には、カーボンナノチューブを突き刺したくない部分をマスクして、紫外線を照射する工程が必要とされる。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、材料的な制約が無いとともに紫外線照射工程も無く、微粒子を任意のところに容易に集めることのできることを特徴とする電子放出素子の製造法に関し、特に２次元アレイ状に冷陰極部材を配設した電子放出素子を生産性に優れた製造方法ならびに低コストの電子放出素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達するため、本願第１の発明の電気泳動装置は、一対の対向する平行平板電極間に微粒子を含む懸濁液をサンドイッチし、前記電極間に電界を印加して前記微粒子を移動させる電気泳動装置に於て、前記平行平板電極の少なくともどちらか一方の表面に突部が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、上記構成において、突部が複数であることが好ましい。
【０００９】
また、上記目的を達するため、本願第２の発明の電気泳動装置は、一対の対向する平行平板電極間に微粒子を含む懸濁液をサンドイッチし、前記電極間に電界を印加して前記微粒子を移動させる電気泳動装置に於て、平行平板電極のうち少なくともどちらか一方が時間経過ともに前記平行平板の面内方向に移動することを特徴とする。
【００１０】
また、上記構成において、平行平板電極のうち少なくともどちらかの表面に突部が形成されていることが好ましい。
【００１１】
また、上記構成において、突部の先端が平になっていることが好ましい。
【００１２】
また、上記構成において、突部の高さが平行平板電極間の距離の０．１倍以上０．９倍以下の範囲であることが好ましい。
【００１３】
また、上記構成において、平行平板間の距離が０．２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
また、上記構成において、平行平板電極のうち少なくともどちらか一方が絶縁性支持部材上に形成されていることが好ましい。
【００１５】
また、上記構成において、平行平板間に印加する電界強度が、５×１０３Ｖ／ｃｍ以上２×１０４Ｖ／ｃｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
また、上記構成において、平行平板電極がそれぞれ硬度の異なる材料で構成されていることが好ましい。
【００１７】
また、上記構成において、微粒子が少なくとも炭素を主成分とすることを特徴とすることが好ましい。
【００１８】
また、上記構成において、微粒子が黒鉛を含むことが好ましい。
【００１９】
また、上記構成において、微粒子がカーボンナノチューブを含むことが好ましい。
【００２０】
また、上記構成において、微粒子が炭素繊維を含むことが好ましい。
【００２１】
また、上記構成において、微粒子がダイヤモンド粒を含むことが好ましい。
【００２２】
また、上記構成において、微粒子が炭素、シリコン、ホウ素、窒素、酸素などの原子が符合したナノチューブであることが好ましい。
【００２３】
また、上記構成において、平行平板電極の少なくともどちらか一方の表面に高分子膜が形成されていることが好ましい。
【００２４】
また、上記構成において、高分子膜が紫外線を照射したシリコンポリマー膜であることが好ましい。
【００２５】
また、上記構成において、懸濁液が低級アルコール、酢酸エステルおよび酢酸３メチルブチルの中から１種類選択された溶媒あるいはそれらの混合したものからなる溶媒に微粒子を分散させたものであることが好ましい。
【００２６】
また、上記構成において、低級アルコールに対する酢酸エステルあるいは酢酸３メチルブチルの混合の割合が体積比０．０１％以上３０％以下であることが好ましい。
【００２７】
また、上記構成において、懸濁液が溶媒１０ｃｃに対し０．５ｍｇ以上４０ｍｇ以下の割合で微粒子を分散させて調整されていることが好ましい。
【００２８】
本発明の更に他の局面によれば、本願第３の発明である電子放出素子の形成方法は、平行平板電極のどちらか一方の電極に微粒子が寄せ集められて構成される冷陰極部材を上記に説明したような特徴を有する電気泳動装置を用いて形成することを特徴とする。
【００２９】
本発明の更に他の局面によれば、本願第４の発明である電子放出素子は、平行平板電極のどちらか一方の電極に微粒子が寄せ集められて構成される冷陰極部材を上記に説明した方法に従って形成したことを特徴とする。
【００３０】
また、上記構成に於て、冷陰極部材を構成する微粒子の一部分が、冷陰極部材と接する平板電極にめり込んでいることが好ましい。
【００３１】
また、上記構成に於て、冷陰極部材が、球面状に微粒子が集まって構成されていることが好ましい。
【００３２】
また、上記構成に於て、冷陰極部材と接する平板電極に突部が形成され、突部の先端部分に冷陰極部材が形成されていることが好ましい。
【００３３】
また、上記構成に於て、冷陰極部材と接する平板電極と平行に第１の導電性電極が配置され、平板電極と第１の導電性電極の間に第２の導電性電極を配置することが好ましい。
【００３４】
本発明の更に他の局面によれば、本願第５の発明である画像表示装置の製造方法は、電子放出素子を構成する工程と、該電子放出素子から放出された電子が照射されて画像を形成する画像形成部材と、該電子放出素子に対して所定の位置関係で配置する工程とを包含し、該電子放出素子を上記に説明したような特徴を有する電子放出素子の製造方法に従って構成することを特徴とする。
【００３５】
本発明の更に他の局面によれば、本願第６の発明である画像表示装置は、電子放出素子と、該電子放出素子から放出された電子が照射されて画像を形成する画像形成部材を包含する画像表示装置であって、該電子放出素子を上記に説明したような方法に従って構成することを特徴とする。
【００３６】
また、上記構成に於て、冷陰極部材を構成する微粒子の一部分が、冷陰極部材と接する平板電極にめり込んでいることが好ましい。
【００３７】
また、上記構成に於て、冷陰極部材と接する平板電極と平行に第１の導電性電極が配置され、平板電極と第１の導電性電極の間に第２の導電性電極を配置することが好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態の説明では、フラットパネルディスプレイへの適用を例にとって本発明を説明するが、本発明の適用はそれに限られるものではなく、陰極線管、ランプ、電子銃など、電子源（電子エミッタ）を必要とする様々なアプリケーションに適用可能である。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係わる電気泳動装置１０００の概略構成図である。図１に示すように電気泳動容器１０１内に突部１０２を設けた平板電極１０３および真空蒸着法あるいはスパッタ法によりＡｌ電極１０４を０．１〜１μｍ厚で形成したガラス基板１０５を１ｍｍの間隔で平行に配置した。但し、この間隔はＡｌ電極１０４表面と平板電極１０３の突部の無いＡｌ電極１０４側表面との距離とした。また、突部１０２の形状は円錘の頂部を水平に切り取った形であり（図１は断面が描かれている）、その高さは０．５ｍｍとした。
【００４０】
次に、エチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブ０．１〜１００ｍｇの割合で混合した液に超音波（２５ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）を伝搬させて、液中にほぼ均一にカーボンナノチューブ１０６を分散させた懸濁液１０７を注入し、直流電源１０８によって２５０Ｖの電圧を電極１０３とＡｌ電極１０４間に２秒間印加した。この時の突部１０２先端と電極１０４間の電界強度は７×１０３Ｖ／ｃｍである。電気泳動の際、エチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブの加える量を５０ｍｇ以上にするとブレークダウンしやすく好ましくないことが判明した。そこで、今後はエチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブの加える量を４０ｍｇ以下とした。
【００４１】
その結果、突部１０２と向かい合うＡｌ電極１０４上にカーボンナノチューブ１０６が円形（直径：概ね０．１５ｍｍ）に球面を形成するように密集して基板１０５に対してある角度（１０度〜９０度）でもって重なり合い付着していることが走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて確かめることができた。また、カーボンナノチューブ１０６の一部がＡｌ電極１０４にめり込んでいることが判明した。これは、電界強度の高い領域にカーボンナノチューブ１０６が瞬時に寄せ集められ、電界で加速され電極１０４表面に衝突固着したためと考えられる。また、ＳＥＭ観察によってこの時のカーボンナノチューブ１０６の固着領域の高さは、２μｍ〜２００μｍの範囲であることが確認できた。但し、エチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブの加える量を０．３ｍｇ以下した時はカーボンナノチューブの密度が小さく好ましくないことが判明した。そこで、今後はエチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブの加える量を０．５ｍｇ以上４０ｍｇ以下とした。
【００４２】
続いて、カーボンナノチューブを選択的に付着させたガラス基板１０５を泳動容器１０１より取り出し、Ａｌ電極１０４表面に残る懸濁液１０７を洗い流し乾燥した後、図２に示すようにこの基板を陰極２００とし、対向側にはガラス基板２０１上にＩＴＯまたはＳｎＯ２等からなる透明電極２０２および蛍光体薄膜２０３からなる陽極２５０を配置して（陰極２００−陽極２５０間距離は０．５ｍｍ）電子放出型発光装置２０００を構成した（但し、蛍光体薄膜２０３上にはチャージアップを防ぐために０．１〜０．２μｍ厚のＡｌ膜をコートしてもよい）。これらの基板間を真空状態にして直流電源２０４を使って陰極−陽極間に電圧を印加した。その結果、約５００Ｖの電圧印加時に、蛍光体薄膜２０３が円形で面状に発光し、Ａｌ電極１０４表面に固着したカーボンナノチューブからの電子放出を観測でき、上記のように電気泳動にて固着させたカーボンナノチューブが冷陰極部材２０５として機能することが確認できた。このように本発明は、カーボンナノチューブを基板１０５に対し垂直ではないが、ある角度でＡｌ電極１０４上に立たせることができ、良好な電子放出が可能となる。また、本発明は微粒子を集めて固着したいところに電界を局部的に高め、従来例に対しポリシランの塗布およびマスク合わせと紫外線（ＵＶ）照射等の工程を必要とせず、少ないプロセス工程で微粒子の固着を簡単に行える電気泳動装置を提供するものである。さらに、本発明は、耐熱性の乏しいポリシランを使わず直接Ａｌ電極１０４に微粒子を固着するので、真空容器を形成する４００〜５００℃の温度プロセスを経ても問題無い。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は、本発明に係わる電気泳動装置３０００の概略構成図である。図３は、図１において平板電極１０３にあった突部１０２をＡｌ電極１０４側に設けて突部３０１としたものである。突部３０１の形状は実施の形態１と同じで、材質のみＡｌに変更した。実施の形態１と同様に平板電極１０３とガラス基板１０５を０．５ｍｍの間隔で平行に配置し、カーボンナノチューブの懸濁液１０７を注入して電気泳動を実施した。
【００４４】
その結果、突部３０１上にカーボンナノチューブ１０６が選択的に球面状に密集して付着していることがＳＥＭにて確かめることができた。
【００４５】
続いて、実施の形態１と同様に本実施形態の素子の電子放出特性を調べたところ、実施の形態１における素子２００と同じ結果を得た。
【００４６】
（実施の形態３）
実施の形態１において突部１０２の形状を図４（ａ）に示すような円錐形のものを使用して電子放出素子を作製し、その電子放出特性を調べた。その結果、カーボンナノチューブの冷陰極部材２０５の面積が半減した分、蛍光体２０３の発光面積も半減したが、発光開始電圧は３５０Ｖと小さかった。また、発光開始電圧が低くなった原因を調べるためにＡｌ電極１０４上のカーボンナノチューブ１０６をＳＥＭにて観察したところ、カーボンナノチューブが基板１０５に対して実施の形態１に比べてより高い角度（３０度〜９０度）でもって重なり合い付着していることが確認できた。これより、先の尖った突部１０２を使用することにより冷陰極部材２０５の面積は小さくなるが、カーボンナノチューブが基板１０５に対して立つため低い電圧でも電子放出の開始されることが判明した。
【００４７】
またこれとは別に実施の形態２と同様にして、図４（ａ）に示す突部をＡｌ電極１０４側に設けた電子放出素子を作製し評価したところ、上記と同じ結果を得た。
【００４８】
突部１０２，３０１の形状は、上記の円錐の他に三角錘や四角錘などの角錘、あるいは図４（ｅ）に示すような半球を使用しても同様の効果を得た。
【００４９】
また、図４（ｂ）に示すような円柱、図４（ｃ）に示すような四角錘の先を除去して先端部分を平にしたもの（図示していないが三角錘や他の角錘の先を除去したものも同様）、図４（ｄ）に示すような四角柱（図示していないが三角柱や他の角柱の場合も同様）を突部１０２，３０１に使用した場合は、発光パターンは突部の形状に応じて変わるが電子放出特性は実施の形態１と同様な結果を得た。
【００５０】
（実施の形態４）
実施の形態１〜３においてカーボンナノチューブの代わりに直径０．１μｍ〜１０μｍ、長さ１μｍ〜１００μｍのカーボンファイバーを使用して電子放出素子を作製し評価したところ、カーボンナノチューブの場合と同じ電子放出特性を得た。
【００５１】
（実施の形態５）
実施の形態１〜３においてカーボンナノチューブの代わりに粒径５μｍ〜１００μｍのグラファイト（黒鉛）粒子を使用して電子放出素子を作製し評価したところ、カーボンナノチューブの場合と同じ電子放出特性を得た。
【００５２】
（実施の形態６）
実施の形態１〜３においてカーボンナノチューブの代わりに粒径５μｍ〜１００μｍのダイヤモンド粒子を使用して電子放出素子を作製し評価したところ、カーボンナノチューブの場合と同じ電子放出特性を得た。
【００５３】
（実施の形態７）
図５は、本発明に係わる電気泳動装置５０００の概略構成図である。図５の平板電極５０１は、突部１０２を２次元アレイ状に１１００ｘ２０００個配列したものであり、図５ではその一部を示している。また、Ａｌ電極１０４は、真空蒸着あるいはスパッタにより形成する際に適切なパターンのマスクを使用するかフォトリソグラフ技術によって２０００本の互いに電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成した。この電気泳動装置を用いて実施の形態１と同様に電気泳動したところカーボンナノチューブの集合体５０２が突部１０２の配列に１対１対応してＡｌ電極１０４上に固着していた。しかも、カーボンナノチューブの一部はＡｌ電極１０４にめり込んでいた。但し、泳動の際は図５に示すように個々のＡｌ電極１０４は電気的に接続された状態とし、一括でＡｌ電極１０４上にカーボンナノチューブ１０６が固着するようにした。
【００５４】
このようにして作製した電子放出素子アレイにおける個々のカーボンナノチューブ集合体５０２の電子放出特性を実施の形態１と同様に評価したところ、素子２０００と同じ結果を得た。続いて、真空蒸着またはスパッタにて透明電極２０２を形成する際Ａｌ電極１０４とは直交する方向に所定のパターンのマスクを使用するかフォトリソグラフ技術によって１１００本の電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成した陽極２５０に置き換えることによって電子放出型画像表示装置を構成した。Ａｌ電極１０４と透明電極２０２との間に線順次に直流電圧を印加したところ、蛍光体層２０３からの発光はモノクロ画像を表示した。カラー画像を表示する場合は、蛍光体薄膜２０３として１つ１つのカーボンナノチューブ集合体５０２に対応してＲ，Ｇ，Ｂを発色する蛍光体を配置させたものを使用すれば良い。
【００５５】
また、２次元アレイ状に配列した突部を図３のようにＡｌ電極側に形成した場合についても実施した。この時、２０００本の電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成したＡｌ電極１０４上に突部３０１を２次元アレイ状に配列した。上記と同様にして電気泳動を行ったところ、個々の突部３０１の先にカーボンナノチューブが付着し、個々のカーボンナノチューブからの電子放出特性は実施の形態２と同じ結果を得た。続いて、上記と同様に１１００本の電気的に絶縁された矩形の透明電極２０２パターンを形成した陽極２５０を用いて電子放出型画像表示装置を構成し、Ａｌ電極１０４と透明電極２０２との間に線順次に直流電圧を印加したところ、蛍光体層２０３からの発光はモノクロ画像を表示した。
【００５６】
（実施の形態８）
図６は、本発明に係わる電気泳動装置６０００の概略構成図である。図６の平板電極６０１は、Ａｌ電極１０４上にカーボンナノチューブ１０６を固着したい領域とほぼ等しい大きさを有するもので、Ａｌ電極上１０４に一箇所ずつカーボンナノチューブ１０６を泳動固着しては平板電極６０１面内方向において前後左右に移動し、２次元アレイ状にカーボンナノチューブの塊６０２配列するものである。この装置の特徴は任意のカーボンナノチューブの配列を容易にできることである。
【００５７】
Ａｌ電極１０４は、実施の形態７と同様にして２０００本の互いに電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成した。平板電極６０１とＡｌ電極１０４間との距離を０．２〜１ｍｍとし、電界強度５×１０３〜２×１０４Ｖ／ｃｍの電圧を印加して２秒間電気泳動を行った。その結果、カーボンナノチューブの集合体６０２が平板電極６０２と向かい合ったＡｌ電極１０４上の平板電極６０１と重なり合う部分にのみ形成されていた。しかも、カーボンナノチューブの一部はＡｌ電極１０４にめり込んでいた。但し、泳動の際は図６に示すように平行電極６０１と向かい合うＡｌ電極１０４のみ電源１０８と接続された状態とした。平板電極６０１を前後左右にガラス基板１０５と平行に移動させながら、実施の形態７と同様にカーボンナノチューブの集合体６０２を２次元アレイ状に１１００ｘ２０００個配列させた。図６では途中工程での一部分を示している。
【００５８】
このようにして作製した電子放出素子アレイにおける個々のカーボンナノチューブ集合体６０２の電子放出特性を実施の形態１と同様に評価したところ、素子２０００と同じ結果を得た。続いて、真空蒸着またはスパッタにて透明電極２０２を形成する際Ａｌ電極１０４とは直交する方向に所定のパターンのマスクを使用するかフォトリソグラフ技術によって１１００本の電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成した陽極２５０に置き換えることによって電子放出型画像表示装置を構成した。Ａｌ電極１０４と透明電極２０２との間に線順次に直流電圧を印加したところ、蛍光体層２０３からの発光はモノクロ画像を表示した。カラー画像を表示する場合は、蛍光体薄膜２０３として１つ１つのカーボンナノチューブ集合体６０２に対応してＲ，Ｇ，Ｂを発色する蛍光体を配置させたものを使用すれば良い。
【００５９】
また電気泳動装置６０００において、平板電極６０１に実施の形態１〜７において記述した突部を設けても、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
（実施の形態９）
実施の形態１にて作製した陰極２００において、Ａｌ電極１０４上に誘電体スペーサ７０１およびグリッド電極７０２を順次積層し、Ａｌ電極１０４とグリッド電極７０２間に直流電源７０３を接続して図７に示すような電子放出型発光装置７０００を構成した。図に示すように、誘電体スペーサ７０１およびグリッド電極７０２は、冷陰極部材２０５の部分に開口部が形成された構成である。但し、スペーサ７０１の厚みは０．０２〜０．２ｍｍとした。実施の形態１と同様にして直流電源２０４を使って陰極−陽極間に電圧を印加した。その結果、蛍光体薄膜２０３が円形で面状に発光するのを確認できた。また、直流電源７０３の電圧を増減することにより、蛍光体薄膜２０３の発光の明るさが変化することを確認した。これより冷陰極部材２０５から放出する電子の数をグリッド電極７０２によって制御できることが判明した。
【００６１】
（実施の形態１０）
実施の形態７において、Ａｌ電極１０４上にカーボンナノチューブの集合体５０２を形成した後、図８に示すように誘電体スペーサ８０１を積層し、さらにグリッド電極８０２を形成して電子放出素子アレイ（陰極）８００を構成した。誘電体スペーサ８０１およびグリッド電極８０２は、冷陰極部材５０２の部分に開口部が形成された構成であり、グリッド電極８０２はＡｌ電極１０４とは直交する方向に所定のパターンのマスクを使用して１１００本配列した。ガラス基板２０１上にベタの透明電極２０２および蛍光体薄膜２０３を順次積層して形成した陽極８５０を電子放出素子アレイ（陰極）８００い対向するように配置して画像表示装置８０００が構成される。
【００６２】
この画像表示装置８０００について、実施の形態９と同様に電子放出特性を調べた。その結果、直流電源２０４によって電圧をＡｌ電極１０４と透明電極２０２間に印加すると、蛍光体薄膜２０３からの発光はモノクロ画像を表示した。また、グリッド電極８０２とＡｌ電極間に接続した直流電源８０３の電圧を変化させたところ、蛍光体薄膜２０３の発光輝度が変化することを確認した。
【００６３】
（実施の形態１１）
実施の形態８において、Ａｌ電極１０４上にカーボンナノチューブの集合体６０２を形成した後、実施の形態１０と同様にして画像表示装置を構成した。この画像表示装置の電子放出特性を調べたところ、実施の形態１０と同じ結果を得た。
【００６４】
以上の実施の形態１〜１１に於て、懸濁液１０７の作製にエチルアルコールを使用したが、揮発性を有する有機溶剤、具体的にはメチルアルコール、イソプロピルアルコールなどの低級アルコール、あるいは酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの酢酸エステルや酢酸３メチルブチル（化学式：ＣＨ２ＣＯＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）２）を主成分とするビークル（東京応化製）を体積比０．０１〜３０％の割合で混合したものを使用しても同様の効果が得られた。また、このような有機溶剤を使わずに、純水に界面活性剤を混合した液を使用してもよい。さらに、微粒子にはカーボンナノチューブや炭素繊維など炭素を主成分とするものを使用したが、炭素，Ｓｉ，ホウ素，窒素，酸素などの原子が符合したナノチューブや金属硫化物からなるナノチューブ、Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧｅＮなどの半導体の微粒子、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４などの誘電体の微粒子などのような無機物であってもよく、タンパク質や高分子、ＤＮＡなどの有機物であってもよい。
【００６５】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、Ａｌ電極１０４側に正の電圧を印加して泳動を行ったが、負の電圧を印加しても良い。また、交流電圧でも、直流電圧を重畳した交流電圧でも良い。
【００６６】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、ガラス基板１０５は、例えば耐熱性ガラス（パイレックスガラス、コーニング＃７７４０、＃７０５９など）や石英基板とする。但し、基板１０５の構成材料としては他のものも使用可能である。例えば、高分子フィルムや各種セラミックス材料（アルミナなど）、各種ガラスセラミックス（グリーンシート）からなる基板を使用することができる。
【００６７】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、Ａｌ電極１０４の構成材料もＡｌに限られるものではなく、微粒子を固着できる軟らかい導電材料（例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｚｎ、Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｂ，あるいはこれらの合金あるいは樹脂に導電粒子を分散させたもの）を使用することができる。
【００６８】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、平板電極１０３，５０１，６０１（突部部分１０２，３０１を含む）は、電気泳動後に微粒子がはなれて液中にもどるよう、固着され難い硬質の導電材料で構成されることが望ましい。具体的には、Ｗ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｒ，ステンレス，ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、あるいはこれらの合金、または絶縁性基板か上記軟らかい導電材料にこれらの導電材料をコートしたものである。
【００６９】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、突部１０２，３０１の高さは平板電極１０３、５０１とＡｌ電極１０４との距離（以下特に断わらない限り、平板電極とＡｌ電極の距離とは、Ａｌ電極と向かい合いかつ、突部を除いた平板電極の平面とＡｌ電極間の距離である）の０．１倍から０．９倍であることが好ましい。０．１倍以下になると微粒子が集中して固着しなくなり、０．９倍以上になると突部１０２，３０１とＡｌ電極１０４間に存在する微粒子が数が少なくなり突部１０２の周辺部分に微粒子が集中してしまい、微粒子の固着が不均一になってしまうからである。より好ましくは、突部１０２，３０１の高さは平板電極１０３、５０１とＡｌ電極１０４との距離の０．３倍から０．６倍である。
【００７０】
以上の実施の形態１〜１１に於て、突部１０２先端部分とＡｌ電極１０４間、突部３０１の先端部分と平板電極１０３間および平板電極６０１とＡｌ電極１０４間に印加する電界強度の大きさは５×１０３Ｖ／ｃｍ以上２×１０４Ｖ／ｃｍ以下であることが好ましい。４×１０３Ｖ／ｃｍ以下になると微粒子が集中し難くなるとともに泳動時間が長くなり、３×１０４Ｖ／ｃｍ以上になると泳動時の電流が不安定になるとともに短絡して異常に大きな電流が流れてしまうからである。また、平板電極１０３、５０１とＡｌ電極１０４との距離および平板電極６０１とＡｌ電極１０４との距離は、好ましくは０．２ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。何故なら、０．２ｍｍ以下の場合は平板電極とＡｌ電極間で短絡しやすく、微粒子の電気泳動が均一になされなくなり、５０ｍｍを越える場合は泳動のための印加電圧が高電圧になって実用的でなくなるからである。
【００７１】
冷陰極部材を形成後、３００℃以上の高温のプロセスを経ることの無い場合には、当然のことながら以上の実施の形態１〜１１に於て、Ａｌ電極１０４上にＵＶ照射したＳｉポリマー膜、例えばポリメチルフェニルシラン膜、あるいは電子放出の安定性を高めるための高抵抗層としてポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ四フッ化エチレン、ポリ三フッ化塩化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、六フッ化プロピレンー四フッ化エチレンコポリマー、三フッ化エチレンーフッ化ビニリデンコポリマー、ポリブデン、ポリビニルブチラール、ポリウレタンなどのポリマーを０．０１〜１μｍの厚みでコートしてもよい。３００℃以上の高温のプロセスを経る場合には、これらの高分子材料の代わりに、Ｓｉ１−ｘＯｘ，Ｓｉ１−ｘＣｘ，Ｓｉ１−ｘＮｘ，Ｇｅ１−ｘＣｘ，Ｇｅ１−ｘＮｘ，Ｇｅ１−ｘＯｘ，Ｂ１−ｘＮｘ，Ｂ１−ｘＣｘ，Ａｌ１−ｘＮｘ，Ａｌ１−ｘＯｘ，Ｓｎ１−ｘＮｘ（但し、０＜ｘ＜１）などの無機絶縁物を使用しても良い。
【００７２】
実施の形態９〜１１における誘電体スペーサ７０１，８０１は、ガラスやセラミックス、ガラスセラミックス、上記の高分子材料や無機絶縁物などが使用される。
【００７３】
上記のようにして得られた電子放出素子を複数個用意して、それらを、所定の回路構成からの各々へ供給される入力信号に応じて電子を放出するように所定のパターンに配置して電子放出源を構成し、そこから放出された電子に照射されて画像を形成するような位置関係で画像形成部材を配置すれば、画像表示装置が構成される。
【００７４】
以上から分かるように、従来手法では、ポリシラン塗布工程（洗浄工程、ポリシラン塗布工程）、ＵＶ照射工程（アライメント工程、ＵＶ照射工程）が必要であり高コストで有るが、本発明によればこれらの工程は必要なく、低コストで電子放出素子および画像表示装置を作製することが可能となる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、カーボンナノチューブなどの微粒子の集合体からなる冷陰極部材を、十分な生産性で２次元アレイ状に配設して、電界放出型電子エミッタとして機能させることができる構成を有する電子放出素子を生産性良く製造することができる。
【００７６】
上記のようにして得られた電子放出素子を複数個用意して、それらから放出された電子に照射されて画像を形成する様な位置関係で画像形成部材を配置すれば、画像表示装置が構成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【図２】本発明の一実施形態における電子放出素子、およびそれを用いて構成される電界放出型発光装置の構成を模式的に示す図
【図３】本発明の別の実施形態における電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【図４】本発明の電気泳動装置に使用される突部形状の一例を示す断面図
【図５】本発明の別の実施形態における電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【図６】本発明の別の実施形態における電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【図７】本発明のある実施形態における電子放出素子を用いて構成される電界放出型発光装置の構成を模式的に示す図
【図８】本発明のある実施形態における電子放出素子を用いて構成される電界放出型画像表示装置の構成を模式的に示す図
【図９】従来技術による電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【符号の説明】
１０１ 電気泳動容器
１０２，３０１ 突部
１０３，５０１，６０１ 平板電極
１０４ Ａｌ電極
１０５ ガラス基板
１０６ カーボンナノチューブ（微粒子）
１０７ 懸濁液
１０８ 直流電源
２００，８００ 陰極
２０１ ガラス基板
２０２ 透明電極
２０３ 蛍光体薄膜
２０４ 直流電源
２０５ 冷陰極部材
２５０，８５０ 陽極
５０２，６０２ カーボンナノチューブ集合体
７０１，８０１ 誘電体スペーサ
７０２，８０２ グリッド電極
７０３，８０３ 直流電源
１０００，３０００，５０００，６０００ 電気泳動装置
２０００，７０００ 電界放出型発光装置
８０００ 電界放出型画像表示装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、平板電極上に局所的に微粒子（無機の微粒子および有機高分子など）を集める電気泳動装置に関し、より具体的には、カーボンナノチューブや炭素繊維などの微粒子を局所的に集めて冷陰極部材を容易に構成する電気泳動装置に関する。更に、本発明は、上記のような電気泳動装置を利用して構成される電子放出素子や画像表示装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気泳動法は高分子やコロイドを電界により移動させる手法で、混合物中から特定の物質を分離・分析するために広く用いられている。この電気泳動法の新しい応用として、カーボンナノチューブ９０１を紫外線（ＵＶ）照射した有機ポリシラン膜９０２に電気泳動によって突き刺し、基板９０３に対し鉛直方向にカーボンナノチューブ９０１を立てる手法が開発された（参考文献：中山 他、Ｐａｎ−Ｐａｃｉｆｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ／Ｊａｐａｎ Ｈａｒｄｃｏｐｙ’９８予稿集 ページ３１３−３１６、日本画像学会主催、１９９８年７月、東京）。その電気泳動装置の模式図を図９に示す。
【０００３】
この泳動装置は、アルコール中にカーボンナノチューブ９０１を分散させた液体を泳動容器９０４内に注入し、基板９０３に対向した平板電極９０５と基板９０３上に形成したパターニングされた導電層９０６との間に外部電源９０７によって電界を印加し、カーボンナノチューブ９０１を泳動させるものである。この手法の特長は、紫外線照射された有機ポリシラン膜９０２にのみカーボンナノチューブ９０１が刺さり、照射されていない有機ポリシラン膜９０８にはカーボンナノチューブ９０１は刺さらないという点である。つまり、電気泳動する前に導電層９０６上の有機ポリシラン膜９０２のみに紫外線照射しておけば、この部分の有機ポリシラン膜のＳｉ−Ｓｉ結合が切断され膜がポーラスになり、この部分にカーボンナノチューブ９０１を選択的に突き刺すことができるというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の電気泳動装置では、有機ポリシランを使用しなければならない点で材料的制約がある。例えば電子放出素子を形成する場合、真空容器を形成する際に４００〜５００℃の温度プロセスを経るが、有機ポリシランは３００℃で分解してしまうため使用できない。また、有機ポリシランは導電性が低く導電薄膜９０６とカーボンナノチューブとの電気的接続を阻害してしまい、カーボンナノチューブからの電子放出がしにくく、素子の動作電圧が高くなってしまうという問題もある。
【０００５】
工程的には、カーボンナノチューブを突き刺したくない部分をマスクして、紫外線を照射する工程が必要とされる。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、材料的な制約が無いとともに紫外線照射工程も無く、微粒子を任意のところに容易に集めることのできることを特徴とする電子放出素子の製造法に関し、特に２次元アレイ状に冷陰極部材を配設した電子放出素子を生産性に優れた製造方法ならびに低コストの電子放出素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達するため、本願第１の発明の電気泳動装置は、一対の対向する平行平板電極間に微粒子を含む懸濁液をサンドイッチし、前記電極間に電界を印加して前記微粒子を移動させる電気泳動装置に於て、前記平行平板電極の少なくともどちらか一方の表面に突部が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、上記構成において、突部が複数であることが好ましい。
【０００９】
また、上記目的を達するため、本願第２の発明の電気泳動装置は、一対の対向する平行平板電極間に微粒子を含む懸濁液をサンドイッチし、前記電極間に電界を印加して前記微粒子を移動させる電気泳動装置に於て、平行平板電極のうち少なくともどちらか一方が時間経過ともに前記平行平板の面内方向に移動することを特徴とする。
【００１０】
また、上記構成において、平行平板電極のうち少なくともどちらかの表面に突部が形成されていることが好ましい。
【００１１】
また、上記構成において、突部の先端が平になっていることが好ましい。
【００１２】
また、上記構成において、突部の高さが平行平板電極間の距離の０．１倍以上０．９倍以下の範囲であることが好ましい。
【００１３】
また、上記構成において、平行平板間の距離が０．２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
また、上記構成において、平行平板電極のうち少なくともどちらか一方が絶縁性支持部材上に形成されていることが好ましい。
【００１５】
また、上記構成において、平行平板間に印加する電界強度が、５×１０３Ｖ／ｃｍ以上２×１０４Ｖ／ｃｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
また、上記構成において、平行平板電極がそれぞれ硬度の異なる材料で構成されていることが好ましい。
【００１７】
また、上記構成において、微粒子が少なくとも炭素を主成分とすることを特徴とすることが好ましい。
【００１８】
また、上記構成において、微粒子が黒鉛を含むことが好ましい。
【００１９】
また、上記構成において、微粒子がカーボンナノチューブを含むことが好ましい。
【００２０】
また、上記構成において、微粒子が炭素繊維を含むことが好ましい。
【００２１】
また、上記構成において、微粒子がダイヤモンド粒を含むことが好ましい。
【００２２】
また、上記構成において、微粒子が炭素、シリコン、ホウ素、窒素、酸素などの原子が符合したナノチューブであることが好ましい。
【００２３】
また、上記構成において、平行平板電極の少なくともどちらか一方の表面に高分子膜が形成されていることが好ましい。
【００２４】
また、上記構成において、高分子膜が紫外線を照射したシリコンポリマー膜であることが好ましい。
【００２５】
また、上記構成において、懸濁液が低級アルコール、酢酸エステルおよび酢酸３メチルブチルの中から１種類選択された溶媒あるいはそれらの混合したものからなる溶媒に微粒子を分散させたものであることが好ましい。
【００２６】
また、上記構成において、低級アルコールに対する酢酸エステルあるいは酢酸３メチルブチルの混合の割合が体積比０．０１％以上３０％以下であることが好ましい。
【００２７】
また、上記構成において、懸濁液が溶媒１０ｃｃに対し０．５ｍｇ以上４０ｍｇ以下の割合で微粒子を分散させて調整されていることが好ましい。
【００２８】
本発明の更に他の局面によれば、本願第３の発明である電子放出素子の形成方法は、平行平板電極のどちらか一方の電極に微粒子が寄せ集められて構成される冷陰極部材を上記に説明したような特徴を有する電気泳動装置を用いて形成することを特徴とする。
【００２９】
本発明の更に他の局面によれば、本願第４の発明である電子放出素子は、平行平板電極のどちらか一方の電極に微粒子が寄せ集められて構成される冷陰極部材を上記に説明した方法に従って形成したことを特徴とする。
【００３０】
また、上記構成に於て、冷陰極部材を構成する微粒子の一部分が、冷陰極部材と接する平板電極にめり込んでいることが好ましい。
【００３１】
また、上記構成に於て、冷陰極部材が、球面状に微粒子が集まって構成されていることが好ましい。
【００３２】
また、上記構成に於て、冷陰極部材と接する平板電極に突部が形成され、突部の先端部分に冷陰極部材が形成されていることが好ましい。
【００３３】
また、上記構成に於て、冷陰極部材と接する平板電極と平行に第１の導電性電極が配置され、平板電極と第１の導電性電極の間に第２の導電性電極を配置することが好ましい。
【００３４】
本発明の更に他の局面によれば、本願第５の発明である画像表示装置の製造方法は、電子放出素子を構成する工程と、該電子放出素子から放出された電子が照射されて画像を形成する画像形成部材と、該電子放出素子に対して所定の位置関係で配置する工程とを包含し、該電子放出素子を上記に説明したような特徴を有する電子放出素子の製造方法に従って構成することを特徴とする。
【００３５】
本発明の更に他の局面によれば、本願第６の発明である画像表示装置は、電子放出素子と、該電子放出素子から放出された電子が照射されて画像を形成する画像形成部材を包含する画像表示装置であって、該電子放出素子を上記に説明したような方法に従って構成することを特徴とする。
【００３６】
また、上記構成に於て、冷陰極部材を構成する微粒子の一部分が、冷陰極部材と接する平板電極にめり込んでいることが好ましい。
【００３７】
また、上記構成に於て、冷陰極部材と接する平板電極と平行に第１の導電性電極が配置され、平板電極と第１の導電性電極の間に第２の導電性電極を配置することが好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態の説明では、フラットパネルディスプレイへの適用を例にとって本発明を説明するが、本発明の適用はそれに限られるものではなく、陰極線管、ランプ、電子銃など、電子源（電子エミッタ）を必要とする様々なアプリケーションに適用可能である。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係わる電気泳動装置１０００の概略構成図である。図１に示すように電気泳動容器１０１内に突部１０２を設けた平板電極１０３および真空蒸着法あるいはスパッタ法によりＡｌ電極１０４を０．１〜１μｍ厚で形成したガラス基板１０５を１ｍｍの間隔で平行に配置した。但し、この間隔はＡｌ電極１０４表面と平板電極１０３の突部の無いＡｌ電極１０４側表面との距離とした。また、突部１０２の形状は円錘の頂部を水平に切り取った形であり（図１は断面が描かれている）、その高さは０．５ｍｍとした。
【００４０】
次に、エチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブ０．１〜１００ｍｇの割合で混合した液に超音波（２５ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）を伝搬させて、液中にほぼ均一にカーボンナノチューブ１０６を分散させた懸濁液１０７を注入し、直流電源１０８によって２５０Ｖの電圧を電極１０３とＡｌ電極１０４間に２秒間印加した。この時の突部１０２先端と電極１０４間の電界強度は７×１０３Ｖ／ｃｍである。電気泳動の際、エチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブの加える量を５０ｍｇ以上にするとブレークダウンしやすく好ましくないことが判明した。そこで、今後はエチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブの加える量を４０ｍｇ以下とした。
【００４１】
その結果、突部１０２と向かい合うＡｌ電極１０４上にカーボンナノチューブ１０６が円形（直径：概ね０．１５ｍｍ）に球面を形成するように密集して基板１０５に対してある角度（１０度〜９０度）でもって重なり合い付着していることが走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて確かめることができた。また、カーボンナノチューブ１０６の一部がＡｌ電極１０４にめり込んでいることが判明した。これは、電界強度の高い領域にカーボンナノチューブ１０６が瞬時に寄せ集められ、電界で加速され電極１０４表面に衝突固着したためと考えられる。また、ＳＥＭ観察によってこの時のカーボンナノチューブ１０６の固着領域の高さは、２μｍ〜２００μｍの範囲であることが確認できた。但し、エチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブの加える量を０．３ｍｇ以下した時はカーボンナノチューブの密度が小さく好ましくないことが判明した。そこで、今後はエチルアルコール１０ｃｃに対してカーボンナノチューブの加える量を０．５ｍｇ以上４０ｍｇ以下とした。
【００４２】
続いて、カーボンナノチューブを選択的に付着させたガラス基板１０５を泳動容器１０１より取り出し、Ａｌ電極１０４表面に残る懸濁液１０７を洗い流し乾燥した後、図２に示すようにこの基板を陰極２００とし、対向側にはガラス基板２０１上にＩＴＯまたはＳｎＯ２等からなる透明電極２０２および蛍光体薄膜２０３からなる陽極２５０を配置して（陰極２００−陽極２５０間距離は０．５ｍｍ）電子放出型発光装置２０００を構成した（但し、蛍光体薄膜２０３上にはチャージアップを防ぐために０．１〜０．２μｍ厚のＡｌ膜をコートしてもよい）。これらの基板間を真空状態にして直流電源２０４を使って陰極−陽極間に電圧を印加した。その結果、約５００Ｖの電圧印加時に、蛍光体薄膜２０３が円形で面状に発光し、Ａｌ電極１０４表面に固着したカーボンナノチューブからの電子放出を観測でき、上記のように電気泳動にて固着させたカーボンナノチューブが冷陰極部材２０５として機能することが確認できた。このように本発明は、カーボンナノチューブを基板１０５に対し垂直ではないが、ある角度でＡｌ電極１０４上に立たせることができ、良好な電子放出が可能となる。また、本発明は微粒子を集めて固着したいところに電界を局部的に高め、従来例に対しポリシランの塗布およびマスク合わせと紫外線（ＵＶ）照射等の工程を必要とせず、少ないプロセス工程で微粒子の固着を簡単に行える電気泳動装置を提供するものである。さらに、本発明は、耐熱性の乏しいポリシランを使わず直接Ａｌ電極１０４に微粒子を固着するので、真空容器を形成する４００〜５００℃の温度プロセスを経ても問題無い。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は、本発明に係わる電気泳動装置３０００の概略構成図である。図３は、図１において平板電極１０３にあった突部１０２をＡｌ電極１０４側に設けて突部３０１としたものである。突部３０１の形状は実施の形態１と同じで、材質のみＡｌに変更した。実施の形態１と同様に平板電極１０３とガラス基板１０５を０．５ｍｍの間隔で平行に配置し、カーボンナノチューブの懸濁液１０７を注入して電気泳動を実施した。
【００４４】
その結果、突部３０１上にカーボンナノチューブ１０６が選択的に球面状に密集して付着していることがＳＥＭにて確かめることができた。
【００４５】
続いて、実施の形態１と同様に本実施形態の素子の電子放出特性を調べたところ、実施の形態１における素子２００と同じ結果を得た。
【００４６】
（実施の形態３）
実施の形態１において突部１０２の形状を図４（ａ）に示すような円錐形のものを使用して電子放出素子を作製し、その電子放出特性を調べた。その結果、カーボンナノチューブの冷陰極部材２０５の面積が半減した分、蛍光体２０３の発光面積も半減したが、発光開始電圧は３５０Ｖと小さかった。また、発光開始電圧が低くなった原因を調べるためにＡｌ電極１０４上のカーボンナノチューブ１０６をＳＥＭにて観察したところ、カーボンナノチューブが基板１０５に対して実施の形態１に比べてより高い角度（３０度〜９０度）でもって重なり合い付着していることが確認できた。これより、先の尖った突部１０２を使用することにより冷陰極部材２０５の面積は小さくなるが、カーボンナノチューブが基板１０５に対して立つため低い電圧でも電子放出の開始されることが判明した。
【００４７】
またこれとは別に実施の形態２と同様にして、図４（ａ）に示す突部をＡｌ電極１０４側に設けた電子放出素子を作製し評価したところ、上記と同じ結果を得た。
【００４８】
突部１０２，３０１の形状は、上記の円錐の他に三角錘や四角錘などの角錘、あるいは図４（ｅ）に示すような半球を使用しても同様の効果を得た。
【００４９】
また、図４（ｂ）に示すような円柱、図４（ｃ）に示すような四角錘の先を除去して先端部分を平にしたもの（図示していないが三角錘や他の角錘の先を除去したものも同様）、図４（ｄ）に示すような四角柱（図示していないが三角柱や他の角柱の場合も同様）を突部１０２，３０１に使用した場合は、発光パターンは突部の形状に応じて変わるが電子放出特性は実施の形態１と同様な結果を得た。
【００５０】
（実施の形態４）
実施の形態１〜３においてカーボンナノチューブの代わりに直径０．１μｍ〜１０μｍ、長さ１μｍ〜１００μｍのカーボンファイバーを使用して電子放出素子を作製し評価したところ、カーボンナノチューブの場合と同じ電子放出特性を得た。
【００５１】
（実施の形態５）
実施の形態１〜３においてカーボンナノチューブの代わりに粒径５μｍ〜１００μｍのグラファイト（黒鉛）粒子を使用して電子放出素子を作製し評価したところ、カーボンナノチューブの場合と同じ電子放出特性を得た。
【００５２】
（実施の形態６）
実施の形態１〜３においてカーボンナノチューブの代わりに粒径５μｍ〜１００μｍのダイヤモンド粒子を使用して電子放出素子を作製し評価したところ、カーボンナノチューブの場合と同じ電子放出特性を得た。
【００５３】
（実施の形態７）
図５は、本発明に係わる電気泳動装置５０００の概略構成図である。図５の平板電極５０１は、突部１０２を２次元アレイ状に１１００ｘ２０００個配列したものであり、図５ではその一部を示している。また、Ａｌ電極１０４は、真空蒸着あるいはスパッタにより形成する際に適切なパターンのマスクを使用するかフォトリソグラフ技術によって２０００本の互いに電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成した。この電気泳動装置を用いて実施の形態１と同様に電気泳動したところカーボンナノチューブの集合体５０２が突部１０２の配列に１対１対応してＡｌ電極１０４上に固着していた。しかも、カーボンナノチューブの一部はＡｌ電極１０４にめり込んでいた。但し、泳動の際は図５に示すように個々のＡｌ電極１０４は電気的に接続された状態とし、一括でＡｌ電極１０４上にカーボンナノチューブ１０６が固着するようにした。
【００５４】
このようにして作製した電子放出素子アレイにおける個々のカーボンナノチューブ集合体５０２の電子放出特性を実施の形態１と同様に評価したところ、素子２０００と同じ結果を得た。続いて、真空蒸着またはスパッタにて透明電極２０２を形成する際Ａｌ電極１０４とは直交する方向に所定のパターンのマスクを使用するかフォトリソグラフ技術によって１１００本の電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成した陽極２５０に置き換えることによって電子放出型画像表示装置を構成した。Ａｌ電極１０４と透明電極２０２との間に線順次に直流電圧を印加したところ、蛍光体層２０３からの発光はモノクロ画像を表示した。カラー画像を表示する場合は、蛍光体薄膜２０３として１つ１つのカーボンナノチューブ集合体５０２に対応してＲ，Ｇ，Ｂを発色する蛍光体を配置させたものを使用すれば良い。
【００５５】
また、２次元アレイ状に配列した突部を図３のようにＡｌ電極側に形成した場合についても実施した。この時、２０００本の電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成したＡｌ電極１０４上に突部３０１を２次元アレイ状に配列した。上記と同様にして電気泳動を行ったところ、個々の突部３０１の先にカーボンナノチューブが付着し、個々のカーボンナノチューブからの電子放出特性は実施の形態２と同じ結果を得た。続いて、上記と同様に１１００本の電気的に絶縁された矩形の透明電極２０２パターンを形成した陽極２５０を用いて電子放出型画像表示装置を構成し、Ａｌ電極１０４と透明電極２０２との間に線順次に直流電圧を印加したところ、蛍光体層２０３からの発光はモノクロ画像を表示した。
【００５６】
（実施の形態８）
図６は、本発明に係わる電気泳動装置６０００の概略構成図である。図６の平板電極６０１は、Ａｌ電極１０４上にカーボンナノチューブ１０６を固着したい領域とほぼ等しい大きさを有するもので、Ａｌ電極上１０４に一箇所ずつカーボンナノチューブ１０６を泳動固着しては平板電極６０１面内方向において前後左右に移動し、２次元アレイ状にカーボンナノチューブの塊６０２配列するものである。この装置の特徴は任意のカーボンナノチューブの配列を容易にできることである。
【００５７】
Ａｌ電極１０４は、実施の形態７と同様にして２０００本の互いに電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成した。平板電極６０１とＡｌ電極１０４間との距離を０．２〜１ｍｍとし、電界強度５×１０３〜２×１０４Ｖ／ｃｍの電圧を印加して２秒間電気泳動を行った。その結果、カーボンナノチューブの集合体６０２が平板電極６０２と向かい合ったＡｌ電極１０４上の平板電極６０１と重なり合う部分にのみ形成されていた。しかも、カーボンナノチューブの一部はＡｌ電極１０４にめり込んでいた。但し、泳動の際は図６に示すように平行電極６０１と向かい合うＡｌ電極１０４のみ電源１０８と接続された状態とした。平板電極６０１を前後左右にガラス基板１０５と平行に移動させながら、実施の形態７と同様にカーボンナノチューブの集合体６０２を２次元アレイ状に１１００ｘ２０００個配列させた。図６では途中工程での一部分を示している。
【００５８】
このようにして作製した電子放出素子アレイにおける個々のカーボンナノチューブ集合体６０２の電子放出特性を実施の形態１と同様に評価したところ、素子２０００と同じ結果を得た。続いて、真空蒸着またはスパッタにて透明電極２０２を形成する際Ａｌ電極１０４とは直交する方向に所定のパターンのマスクを使用するかフォトリソグラフ技術によって１１００本の電気的に絶縁された矩形の電極パターンとして形成した陽極２５０に置き換えることによって電子放出型画像表示装置を構成した。Ａｌ電極１０４と透明電極２０２との間に線順次に直流電圧を印加したところ、蛍光体層２０３からの発光はモノクロ画像を表示した。カラー画像を表示する場合は、蛍光体薄膜２０３として１つ１つのカーボンナノチューブ集合体６０２に対応してＲ，Ｇ，Ｂを発色する蛍光体を配置させたものを使用すれば良い。
【００５９】
また電気泳動装置６０００において、平板電極６０１に実施の形態１〜７において記述した突部を設けても、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
（実施の形態９）
実施の形態１にて作製した陰極２００において、Ａｌ電極１０４上に誘電体スペーサ７０１およびグリッド電極７０２を順次積層し、Ａｌ電極１０４とグリッド電極７０２間に直流電源７０３を接続して図７に示すような電子放出型発光装置７０００を構成した。図に示すように、誘電体スペーサ７０１およびグリッド電極７０２は、冷陰極部材２０５の部分に開口部が形成された構成である。但し、スペーサ７０１の厚みは０．０２〜０．２ｍｍとした。実施の形態１と同様にして直流電源２０４を使って陰極−陽極間に電圧を印加した。その結果、蛍光体薄膜２０３が円形で面状に発光するのを確認できた。また、直流電源７０３の電圧を増減することにより、蛍光体薄膜２０３の発光の明るさが変化することを確認した。これより冷陰極部材２０５から放出する電子の数をグリッド電極７０２によって制御できることが判明した。
【００６１】
（実施の形態１０）
実施の形態７において、Ａｌ電極１０４上にカーボンナノチューブの集合体５０２を形成した後、図８に示すように誘電体スペーサ８０１を積層し、さらにグリッド電極８０２を形成して電子放出素子アレイ（陰極）８００を構成した。誘電体スペーサ８０１およびグリッド電極８０２は、冷陰極部材５０２の部分に開口部が形成された構成であり、グリッド電極８０２はＡｌ電極１０４とは直交する方向に所定のパターンのマスクを使用して１１００本配列した。ガラス基板２０１上にベタの透明電極２０２および蛍光体薄膜２０３を順次積層して形成した陽極８５０を電子放出素子アレイ（陰極）８００い対向するように配置して画像表示装置８０００が構成される。
【００６２】
この画像表示装置８０００について、実施の形態９と同様に電子放出特性を調べた。その結果、直流電源２０４によって電圧をＡｌ電極１０４と透明電極２０２間に印加すると、蛍光体薄膜２０３からの発光はモノクロ画像を表示した。また、グリッド電極８０２とＡｌ電極間に接続した直流電源８０３の電圧を変化させたところ、蛍光体薄膜２０３の発光輝度が変化することを確認した。
【００６３】
（実施の形態１１）
実施の形態８において、Ａｌ電極１０４上にカーボンナノチューブの集合体６０２を形成した後、実施の形態１０と同様にして画像表示装置を構成した。この画像表示装置の電子放出特性を調べたところ、実施の形態１０と同じ結果を得た。
【００６４】
以上の実施の形態１〜１１に於て、懸濁液１０７の作製にエチルアルコールを使用したが、揮発性を有する有機溶剤、具体的にはメチルアルコール、イソプロピルアルコールなどの低級アルコール、あるいは酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの酢酸エステルや酢酸３メチルブチル（化学式：ＣＨ２ＣＯＯＣＨ２ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）２）を主成分とするビークル（東京応化製）を体積比０．０１〜３０％の割合で混合したものを使用しても同様の効果が得られた。また、このような有機溶剤を使わずに、純水に界面活性剤を混合した液を使用してもよい。さらに、微粒子にはカーボンナノチューブや炭素繊維など炭素を主成分とするものを使用したが、炭素，Ｓｉ，ホウ素，窒素，酸素などの原子が符合したナノチューブや金属硫化物からなるナノチューブ、Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧｅＮなどの半導体の微粒子、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４などの誘電体の微粒子などのような無機物であってもよく、タンパク質や高分子、ＤＮＡなどの有機物であってもよい。
【００６５】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、Ａｌ電極１０４側に正の電圧を印加して泳動を行ったが、負の電圧を印加しても良い。また、交流電圧でも、直流電圧を重畳した交流電圧でも良い。
【００６６】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、ガラス基板１０５は、例えば耐熱性ガラス（パイレックスガラス、コーニング＃７７４０、＃７０５９など）や石英基板とする。但し、基板１０５の構成材料としては他のものも使用可能である。例えば、高分子フィルムや各種セラミックス材料（アルミナなど）、各種ガラスセラミックス（グリーンシート）からなる基板を使用することができる。
【００６７】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、Ａｌ電極１０４の構成材料もＡｌに限られるものではなく、微粒子を固着できる軟らかい導電材料（例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｚｎ、Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｂ，あるいはこれらの合金あるいは樹脂に導電粒子を分散させたもの）を使用することができる。
【００６８】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、平板電極１０３，５０１，６０１（突部部分１０２，３０１を含む）は、電気泳動後に微粒子がはなれて液中にもどるよう、固着され難い硬質の導電材料で構成されることが望ましい。具体的には、Ｗ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｒ，ステンレス，ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、あるいはこれらの合金、または絶縁性基板か上記軟らかい導電材料にこれらの導電材料をコートしたものである。
【００６９】
また、以上の実施の形態１〜１１に於て、突部１０２，３０１の高さは平板電極１０３、５０１とＡｌ電極１０４との距離（以下特に断わらない限り、平板電極とＡｌ電極の距離とは、Ａｌ電極と向かい合いかつ、突部を除いた平板電極の平面とＡｌ電極間の距離である）の０．１倍から０．９倍であることが好ましい。０．１倍以下になると微粒子が集中して固着しなくなり、０．９倍以上になると突部１０２，３０１とＡｌ電極１０４間に存在する微粒子が数が少なくなり突部１０２の周辺部分に微粒子が集中してしまい、微粒子の固着が不均一になってしまうからである。より好ましくは、突部１０２，３０１の高さは平板電極１０３、５０１とＡｌ電極１０４との距離の０．３倍から０．６倍である。
【００７０】
以上の実施の形態１〜１１に於て、突部１０２先端部分とＡｌ電極１０４間、突部３０１の先端部分と平板電極１０３間および平板電極６０１とＡｌ電極１０４間に印加する電界強度の大きさは５×１０３Ｖ／ｃｍ以上２×１０４Ｖ／ｃｍ以下であることが好ましい。４×１０３Ｖ／ｃｍ以下になると微粒子が集中し難くなるとともに泳動時間が長くなり、３×１０４Ｖ／ｃｍ以上になると泳動時の電流が不安定になるとともに短絡して異常に大きな電流が流れてしまうからである。また、平板電極１０３、５０１とＡｌ電極１０４との距離および平板電極６０１とＡｌ電極１０４との距離は、好ましくは０．２ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。何故なら、０．２ｍｍ以下の場合は平板電極とＡｌ電極間で短絡しやすく、微粒子の電気泳動が均一になされなくなり、５０ｍｍを越える場合は泳動のための印加電圧が高電圧になって実用的でなくなるからである。
【００７１】
冷陰極部材を形成後、３００℃以上の高温のプロセスを経ることの無い場合には、当然のことながら以上の実施の形態１〜１１に於て、Ａｌ電極１０４上にＵＶ照射したＳｉポリマー膜、例えばポリメチルフェニルシラン膜、あるいは電子放出の安定性を高めるための高抵抗層としてポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ四フッ化エチレン、ポリ三フッ化塩化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、六フッ化プロピレンー四フッ化エチレンコポリマー、三フッ化エチレンーフッ化ビニリデンコポリマー、ポリブデン、ポリビニルブチラール、ポリウレタンなどのポリマーを０．０１〜１μｍの厚みでコートしてもよい。３００℃以上の高温のプロセスを経る場合には、これらの高分子材料の代わりに、Ｓｉ１−ｘＯｘ，Ｓｉ１−ｘＣｘ，Ｓｉ１−ｘＮｘ，Ｇｅ１−ｘＣｘ，Ｇｅ１−ｘＮｘ，Ｇｅ１−ｘＯｘ，Ｂ１−ｘＮｘ，Ｂ１−ｘＣｘ，Ａｌ１−ｘＮｘ，Ａｌ１−ｘＯｘ，Ｓｎ１−ｘＮｘ（但し、０＜ｘ＜１）などの無機絶縁物を使用しても良い。
【００７２】
実施の形態９〜１１における誘電体スペーサ７０１，８０１は、ガラスやセラミックス、ガラスセラミックス、上記の高分子材料や無機絶縁物などが使用される。
【００７３】
上記のようにして得られた電子放出素子を複数個用意して、それらを、所定の回路構成からの各々へ供給される入力信号に応じて電子を放出するように所定のパターンに配置して電子放出源を構成し、そこから放出された電子に照射されて画像を形成するような位置関係で画像形成部材を配置すれば、画像表示装置が構成される。
【００７４】
以上から分かるように、従来手法では、ポリシラン塗布工程（洗浄工程、ポリシラン塗布工程）、ＵＶ照射工程（アライメント工程、ＵＶ照射工程）が必要であり高コストで有るが、本発明によればこれらの工程は必要なく、低コストで電子放出素子および画像表示装置を作製することが可能となる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、カーボンナノチューブなどの微粒子の集合体からなる冷陰極部材を、十分な生産性で２次元アレイ状に配設して、電界放出型電子エミッタとして機能させることができる構成を有する電子放出素子を生産性良く製造することができる。
【００７６】
上記のようにして得られた電子放出素子を複数個用意して、それらから放出された電子に照射されて画像を形成する様な位置関係で画像形成部材を配置すれば、画像表示装置が構成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【図２】本発明の一実施形態における電子放出素子、およびそれを用いて構成される電界放出型発光装置の構成を模式的に示す図
【図３】本発明の別の実施形態における電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【図４】本発明の電気泳動装置に使用される突部形状の一例を示す断面図
【図５】本発明の別の実施形態における電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【図６】本発明の別の実施形態における電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【図７】本発明のある実施形態における電子放出素子を用いて構成される電界放出型発光装置の構成を模式的に示す図
【図８】本発明のある実施形態における電子放出素子を用いて構成される電界放出型画像表示装置の構成を模式的に示す図
【図９】従来技術による電気泳動装置の構成を模式的に示す図
【符号の説明】
１０１ 電気泳動容器
１０２，３０１ 突部
１０３，５０１，６０１ 平板電極
１０４ Ａｌ電極
１０５ ガラス基板
１０６ カーボンナノチューブ（微粒子）
１０７ 懸濁液
１０８ 直流電源
２００，８００ 陰極
２０１ ガラス基板
２０２ 透明電極
２０３ 蛍光体薄膜
２０４ 直流電源
２０５ 冷陰極部材
２５０，８５０ 陽極
５０２，６０２ カーボンナノチューブ集合体
７０１，８０１ 誘電体スペーサ
７０２，８０２ グリッド電極
７０３，８０３ 直流電源
１０００，３０００，５０００，６０００ 電気泳動装置
２０００，７０００ 電界放出型発光装置
８０００ 電界放出型画像表示装置
Claims (9)
- 高さが電極間距離の 0 ． 3 倍以上 0 ． 6 倍以下の関係である突部が、少なくともどちらか一方の表面に 1 またはそれ以上の形成されている一対の対向する平行平板電極を用意し、前記平行平板電極間に微粒子を含む懸濁液を満たし、次に、前記平行平板間に電界を印加して前記微粒子を前記突部あるいは前記突部に対向する位置に集中移動させて前記平行平板電極に前記微粒子を付着させ、その後、少なくとも前記微粒子を付着させた平行平板電極を取り出し、それに対向電極を対峙させ、前記微粒子付着させた平行平板電極と前記対向電極間に電界を印加する手段を設けることを特徴とする電子放出素子の製造法。
- 前記平行平板電極のうち少なくともどちらか一方が時間経過ともに前記平行平板の面内方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子の製造法。
- 突部の先端が平になっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子放出素子の製造法。
- 前記平行平板間の距離が０．２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電子放出素子の製造法。
- 前記平行平板間に印加する電界強度が、５×１０3Ｖ/ｃｍ以上２×１０4Ｖ/ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子放出素子の製造法。
- 微粒子が少なくとも炭素を主成分とすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電子放出素子の製造法。
- 微粒子が黒鉛、カーボンナノチューブ、炭素繊維あるいはダイヤモンド粒を含むことを特徴とする請求項６に記載の電子放出素子の製造法。
- 平行平板電極の少なくともどちらか一方の表面にシリコンポリマー膜等の高分子膜が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の電子放出素子の製造法。
- 請求項１から請求項８のいずれかに記載の方法で製造された電子放出素子。
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