JP3774463B2

JP3774463B2 - Horizontal field emission cold cathode device

Info

Publication number: JP3774463B2
Application number: JP2004061887A
Authority: JP
Inventors: 正幸中本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: JP2004158470A

Description

本発明は横型の電界放出型冷陰極装置に関する。 The present invention relates to a horizontal field emission cold cathode device.

近年、Ｓｉ半導体加工技術を利用した電界放出型冷陰極装置の開発が、活発に行なわれている。その代表的な例としては、スピント（C. A. Spindt）等により提案された縦型の電界放出型冷陰極装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この電界放出型冷陰極装置は、Ｓｉ単結晶基板上に円錐状のエミッタと、エミッタの先端部を包囲するように配設されたゲート電極とを有する。 In recent years, field emission cold cathode devices using Si semiconductor processing technology have been actively developed. As a typical example, a vertical field emission type cold cathode device proposed by C. A. Spindt or the like is known (for example, see Non-Patent Document 1). This field emission cold cathode device has a conical emitter on a Si single crystal substrate and a gate electrode disposed so as to surround the tip of the emitter.

これに対して、縦型の電界放出型冷陰極装置の問題点に鑑み、グリーン（R. Green）及びグレイ（H. F. Gray）等により提案された横型の電界放出型冷陰極装置も知られている（例えば、非特許文献２参照）。この電界放出型冷陰極装置は、同一基板上に相対するように配設されたエミッタとゲート電極とを有する。横型の電界放出型冷陰極装置は、製造が容易で、歩留まりが高くなるという利点を有する。 On the other hand, in view of the problems of vertical field emission cold cathode devices, horizontal field emission cold cathode devices proposed by R. Green and Gray (HF Gray) are also known. (For example, refer nonpatent literature 2). This field emission type cold cathode device has an emitter and a gate electrode arranged to face each other on the same substrate. The horizontal field emission type cold cathode device has the advantages that it is easy to manufacture and the yield is high.

横型の電界放出型冷陰極装置の場合、ゲート電極に対向するエミッタ端面は、基板面に対して直角な方向において、エミッタ膜厚相当の８０〜５００ｎｍ程度の先鋭度、先端曲率半径として４０〜２５０ｎｍ相当の先鋭度を有する。しかし、同エミッタ端面は、基板面に対して平行な方向において、ゲート電極と平行であり先鋭度はゼロである。即ち、ゲート電極に対向するエミッタ端面は、３次元ではなく２次元的な先鋭度しかなく、駆動電圧が高いという欠点がある。エミッタ端面を３次元的に先鋭化させようとしても、リソグラフィ以上の先鋭度は得ることができず、通常、基板面に対して平行な方向において、５０〜１００ｎｍ程度の先鋭度に留まる。しかも、精密なリソグラフィの工程が増えると、製造方法簡略のメリットが薄れる。 In the case of a horizontal field emission type cold cathode device, the emitter end surface facing the gate electrode has a sharpness of about 80 to 500 nm corresponding to the emitter film thickness and a tip curvature radius of 40 to 250 nm in a direction perpendicular to the substrate surface. It has considerable sharpness. However, the emitter end surface is parallel to the gate electrode in a direction parallel to the substrate surface, and the sharpness is zero. That is, the emitter end face facing the gate electrode has only two-dimensional sharpness, not three-dimensionality, and has a drawback of high driving voltage. Even if the emitter end face is sharpened three-dimensionally, a sharpness higher than that of lithography cannot be obtained, and usually the sharpness is about 50 to 100 nm in a direction parallel to the substrate surface. Moreover, as the number of precise lithography processes increases, the merit of simplifying the manufacturing method decreases.

一方、電界放出型冷陰極装置として、フラーレンまたはカーボンナノチューブをエミッタに用いたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。フラーレン及びカーボンナノチューブは、先端曲率半径が小さいため、駆動電圧の低減、電界放出効率の向上が可能である。また、雰囲気依存性や残留ガスの影響も小さくいため、低真空度での動作も期待できる。 On the other hand, as a field emission type cold cathode device, one using fullerene or carbon nanotube as an emitter has been proposed (for example, see Patent Document 1). Since fullerenes and carbon nanotubes have a small radius of curvature at the tip, it is possible to reduce drive voltage and improve field emission efficiency. In addition, since it is less dependent on the atmosphere and residual gas, it can be expected to operate at a low vacuum.

このタイプの冷陰極装置の場合、フラーレンまたはカーボンナノチューブを有機溶剤に分散させてセラミックフィルタを通した後で基板上に圧着する方法によりエミッタを形成することができる。また、基板上にフラーレンまたはカーボンナノチューブをＣＶＤ法等で直接析出させる方法によりエミッタを形成することもできる。更に、フラーレンまたはカーボンナノチューブを厚膜ペースト中に分散させて印刷し、高温焼成（約５００〜８００℃）する方法によりエミッタを形成することもできる。 In the case of this type of cold cathode device, the emitter can be formed by a method in which fullerenes or carbon nanotubes are dispersed in an organic solvent, passed through a ceramic filter, and then pressed onto a substrate. In addition, the emitter can be formed by a method in which fullerene or carbon nanotube is directly deposited on the substrate by a CVD method or the like. Furthermore, the emitter can also be formed by a method in which fullerenes or carbon nanotubes are dispersed in a thick film paste, printed, and fired at a high temperature (about 500 to 800 ° C.).

しかしながら、フラーレンまたはカーボンナノチューブを基板上に圧着或いは析出させる方法では、エミッタの付着力が弱く、エミッタに加わる強電界によって容易に剥離してしまう。また、フラーレンまたはカーボンナノチューブを印刷によって形成する方法では、高温焼成等の原因によって性能が低下或いは劣化するという問題がある。また、圧着及び印刷の両者共に、引き出し電極へのカーボンナノチューブの配向性が良好でなく、駆動電圧の上昇、電子放出の不均一性等の問題点を抱えている。 However, in the method in which fullerenes or carbon nanotubes are pressure-bonded or deposited on the substrate, the adhesion of the emitter is weak, and the peeling easily occurs due to the strong electric field applied to the emitter. Further, the method of forming fullerenes or carbon nanotubes by printing has a problem that the performance is lowered or deteriorated due to high temperature firing or the like. Further, both the crimping and the printing have problems such as poor orientation of the carbon nanotubes to the extraction electrode, an increase in driving voltage, non-uniformity of electron emission, and the like.

更に、圧着法では、カーボンの耐薬品性が高くエッチングが困難であるため、カソード配線に対応したパターニングが極めて困難であるという問題もある。また、ＣＶＤ法等による析出法では、遷移金属の触媒が必要な上、微粒子化されている必要があり、抵抗値が高くなってしまい、信号遅延等が生じやすいという問題もある。また、印刷法では、膜の抵抗が高い上、厚い膜を形成することが困難であるため、低抵抗配線の形成が困難であり、やはり信号遅延等が生じやすいという問題もある。 Furthermore, the pressure bonding method has a problem that patterning corresponding to the cathode wiring is extremely difficult because the chemical resistance of carbon is high and etching is difficult. In addition, the deposition method such as the CVD method requires a transition metal catalyst and needs to be finely divided, resulting in a problem that a resistance value is increased and a signal delay or the like is likely to occur. In addition, in the printing method, since the resistance of the film is high and it is difficult to form a thick film, it is difficult to form a low resistance wiring, and there is also a problem that signal delay or the like is likely to occur.

このように、電界放出型冷陰極としては、縦型の欠点を改良しようとした横型や、カーボンナノチューブやフラーレンをエミッタ材料に用いたものが、各種提案されている。しかし、従来提案されている電界放出型冷陰極では、先鋭度、駆動電圧、信頼性、歩留まり、製造の容易さ等の点で、十分なものではない。
Journal of Applied Physics, Vol.47, 5248 (1976) Tech. Digest of IEDM 85, p 172 (1985) 特開平１０−１４９７６０号公報 As described above, various types of field emission cold cathodes have been proposed which are intended to improve the vertical defects and those using carbon nanotubes or fullerenes as emitter materials. However, conventionally proposed field emission cold cathodes are not sufficient in terms of sharpness, drive voltage, reliability, yield, ease of manufacture, and the like.
Journal of Applied Physics, Vol. 47, 5248 (1976) Tech. Digest of IEDM 85, p 172 (1985) JP-A-10-149760

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、低駆動電圧、高電界放出効率、及び高集積化が達成可能な横型の電界放出型冷陰極を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a horizontal field emission cold cathode capable of achieving low driving voltage, high field emission efficiency, and high integration.

本発明の第１の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は部分的に前記金属メッキ層に埋設されることと、を特徴とする。 A first aspect of the present invention is a horizontal field emission cold cathode device,
A support substrate;
A cathode electrode disposed on the support substrate and having a first side surface;
A gate electrode disposed on the support substrate so as to be side by side with respect to the cathode electrode and having a second side surface facing the first side surface;
An emitter for emitting electrons disposed on the first side surface so as to face the second side surface;
The emitter includes a metal plating layer formed on the cathode electrode and a plurality of granular or rod-like fine bodies supported in a dispersed state on the metal plating layer, and the fine bodies are fullerenes. A material selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphite, a low work function material, a negative electron affinity material, and a metal material; and the fine body is partially embedded in the metal plating layer; It is characterized by.

本発明の第２の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は全体的に前記金属メッキ層に埋設されることと、を特徴とする。 A second aspect of the present invention is a horizontal field emission cold cathode device,
A support substrate;
A cathode electrode disposed on the support substrate and having a first side surface;
A gate electrode disposed on the support substrate so as to be side by side with respect to the cathode electrode and having a second side surface facing the first side surface;
An emitter for emitting electrons disposed on the first side surface so as to face the second side surface;
The emitter includes a metal plating layer formed on the cathode electrode and a plurality of granular or rod-like fine bodies supported in a dispersed state on the metal plating layer, and the fine bodies are fullerenes. A carbon nanotube, graphite, a low work function material, a negative electron affinity material, a material selected from the group consisting of metal materials, and the fine body is entirely embedded in the metal plating layer, It is characterized by.

本発明の第３の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は棒状であり、前記微細体の５０〜１００％は、前記カソード電極が配設された前記支持基板の主面に対して±２０°の角度範囲内に配向されることと、を特徴とする。 A third aspect of the present invention is a horizontal field emission cold cathode device,
A support substrate;
A cathode electrode disposed on the support substrate and having a first side surface;
A gate electrode disposed on the support substrate so as to be side by side with respect to the cathode electrode and having a second side surface facing the first side surface;
An emitter for emitting electrons disposed on the first side surface so as to face the second side surface;
The emitter includes a metal plating layer formed on the cathode electrode and a plurality of granular or rod-like fine bodies supported in a dispersed state on the metal plating layer, and the fine bodies are fullerenes. , Carbon nanotubes, graphite, a low work function material, a negative electron affinity material, a material selected from the group consisting of metal materials, and the fine body is rod-shaped, 50-100% of the fine body, It is oriented within an angle range of ± 20 ° with respect to the main surface of the support substrate on which the cathode electrode is disposed.

本発明の第４の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は棒状且つ中空であり、前記微細体の内部に導電性の材料からなる充填層が配設されることと、を特徴とする。 A fourth aspect of the present invention is a horizontal field emission cold cathode device,
A support substrate;
A cathode electrode disposed on the support substrate and having a first side surface;
A gate electrode disposed on the support substrate so as to be side by side with respect to the cathode electrode and having a second side surface facing the first side surface;
An emitter for emitting electrons disposed on the first side surface so as to face the second side surface;
The emitter includes a metal plating layer formed on the cathode electrode and a plurality of granular or rod-like fine bodies supported in a dispersed state on the metal plating layer, and the fine bodies are fullerenes. The fine body is made of a material selected from the group consisting of carbon nanotube, graphite, low work function material, negative electron affinity material, and metal material, and the fine body is rod-shaped and hollow, and the inside of the fine body is electrically conductive. And a filling layer made of the above material is disposed.

本発明の第５の視点は、横型の電界放出型冷陰極装置であって、
支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された粒状または棒状の複数の微細体とを具備し、前記微細体は、フラーレン、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、
前記第１側面に対向するように前記第２側面上に配設されたゲート突出部と、前記ゲート突出部は、前記金属メッキ層と同じ材料からなるゲート金属メッキ層と、前記ゲート金属メッキ層に分散状態で支持され且つ前記微細体と同じ材料からなる複数のゲート微細体とを具備することと、
を具備することを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is a horizontal field emission cold cathode device,
A support substrate;
A cathode electrode disposed on the support substrate and having a first side surface;
A gate electrode disposed on the support substrate so as to be side by side with respect to the cathode electrode and having a second side surface facing the first side surface;
An emitter for emitting electrons disposed on the first side surface so as to face the second side surface, and the emitter dispersed in a metal plating layer formed on the cathode electrode and the metal plating layer A plurality of granular or rod-like fine bodies supported in a state, wherein the fine bodies are selected from the group consisting of fullerenes, carbon nanotubes, graphite, low work function materials, negative electron affinity materials, and metal materials Consisting of materials,
A gate protrusion disposed on the second side surface so as to face the first side surface; the gate protrusion includes a gate metal plating layer made of the same material as the metal plating layer; and the gate metal plating layer A plurality of gate fine bodies supported in a dispersed state and made of the same material as the fine bodies,
It is characterized by comprising.

更に、本発明に係る実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。 Furthermore, the embodiments of the present invention include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, when an invention is extracted by omitting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiment, when the extracted invention is carried out, the omitted part is appropriately supplemented by a well-known common technique. It is what is said.

本発明によれば、電界放出の安定性や均一性に優れた高性能の横型の電界放出型冷陰極装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the high performance horizontal type field emission type cold cathode apparatus excellent in the stability and uniformity of field emission can be provided.

以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要に応じて行う。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, components having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given as necessary.

図１は本発明の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置を応用した真空マイクロ装置の一例である平板型画像表示装置を示す断面図である。また、図２は同装置の部分平面図、図３は同装置の要部の断面図である。 FIG. 1 is a sectional view showing a flat panel image display device which is an example of a vacuum micro device to which a horizontal field emission cold cathode device according to an embodiment of the present invention is applied. FIG. 2 is a partial plan view of the apparatus, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of the apparatus.

この表示装置は、図２図示の如く、マトリックス状に配列された多数の画素の夫々に対応して、カソード電極２２とゲート電極２４とのペアを有する。カソード電極２２は図２において垂直な方向に配列されたカソードライン１２に接続され、ゲート電極２４は図２において水平な方向に配列されたゲートライン１４に接続される。 As shown in FIG. 2, this display device has a pair of a cathode electrode 22 and a gate electrode 24 corresponding to each of a large number of pixels arranged in a matrix. The cathode electrode 22 is connected to the cathode line 12 arranged in the vertical direction in FIG. 2, and the gate electrode 24 is connected to the gate line 14 arranged in the horizontal direction in FIG.

全てのカソード電極２２及びゲート電極２４は、図１図示の如く、ガラス製の絶縁性支持基板１６の平坦な主面（図１において水平方向に広がる上面）上に配設される。各画素においてカソード電極２２とゲート電極２４とは、支持基板１６上で、１μｍ〜３０μｍという小さな隙間を介して横並びに隣接して配置される。カソード電極２２及びゲート電極２４の互いに対向する対向側面２２ａ及び２４ａの上には、後に詳述する構造を有するエミッタ２６及びゲート突出部２８が夫々配設される。カソードライン１２、ゲートライン１４等は、支持基板１６上に配設された配線構造部１８に組込まれる。 As shown in FIG. 1, all the cathode electrodes 22 and the gate electrodes 24 are arranged on the flat main surface (the upper surface extending in the horizontal direction in FIG. 1) of the insulating support substrate 16 made of glass. In each pixel, the cathode electrode 22 and the gate electrode 24 are arranged side by side on the support substrate 16 with a small gap of 1 μm to 30 μm. On the opposite side surfaces 22a and 24a of the cathode electrode 22 and the gate electrode 24 facing each other, an emitter 26 and a gate protrusion 28 having a structure described in detail later are disposed. The cathode line 12, the gate line 14, and the like are incorporated in the wiring structure portion 18 disposed on the support substrate 16.

ガラス製の支持基板１６と対向するようにガラス製の対向基板３２が配設され、両基板１６、３２間に真空放電空間３３が形成される。両基板１６、３２間の間隔は、周辺のフレーム及びスペーサ３４により維持される。支持基板１６と対向する対向基板３２の面上には、透明な共通電極即ちアノード電極３６と、蛍光体層３８とが配設される。 A glass counter substrate 32 is disposed so as to oppose the glass support substrate 16, and a vacuum discharge space 33 is formed between the substrates 16 and 32. The distance between the substrates 16 and 32 is maintained by the peripheral frame and spacers 34. On the surface of the counter substrate 32 facing the support substrate 16, a transparent common electrode, that is, an anode electrode 36, and a phosphor layer 38 are disposed.

この平板型画像表示装置においては、ゲートライン１４とカソードライン１２とを介して各画素におけるゲート電極２４とカソード電極２２との間の電圧を任意に設定することにより、画素の点灯及び点滅を選択することができる。即ち、画素の選択は、いわゆるマトリックス駆動により、例えば、ゲートライン１４を線順次に選択して所定の電位を付与するのに同期して、カソードライン１２に選択信号である所定の電位を付与することにより行うことができる。 In this flat-panel image display device, the lighting and blinking of the pixels are selected by arbitrarily setting the voltage between the gate electrode 24 and the cathode electrode 22 in each pixel via the gate line 14 and the cathode line 12. can do. That is, pixel selection is performed by so-called matrix driving, for example, by applying a predetermined potential as a selection signal to the cathode line 12 in synchronization with selecting a gate line 14 line-sequentially and applying a predetermined potential. Can be done.

ある１つのゲートライン１４とある１つのカソードライン１２とが選択され、夫々所定の電位が付与された時、そのゲートライン１４とカソードライン１２との交点にあるエミッタ２６のみが動作する。エミッタ２６より放出された電子は、アノード電極３６に印加された電圧により引かれ、選択されたエミッタ２６に対応した位置の蛍光体層３８に達してこれを発光させる。 When a certain gate line 14 and a certain cathode line 12 are selected and given a predetermined potential, only the emitter 26 at the intersection of the gate line 14 and the cathode line 12 operates. The electrons emitted from the emitter 26 are attracted by the voltage applied to the anode electrode 36 and reach the phosphor layer 38 at a position corresponding to the selected emitter 26 to emit light.

図３図示の如く、エミッタ２６は、カソード電極２２の対向側面２２ａ近傍に選択的に形成された金属メッキ層４２と、金属メッキ層４２に分散状態で支持された導電性の材料からなる粒状または棒状の複数の微細体４４と、を具備する。本実施の形態において、金属メッキ層４２は電流放出安定性や面内の均一電界放出性を向上させる抵抗バラスト層として機能し、微細体４４は電子を放出する端子として機能する。 As shown in FIG. 3, the emitter 26 includes a metal plating layer 42 selectively formed in the vicinity of the opposite side surface 22a of the cathode electrode 22, and a granular or conductive material made of a conductive material supported in a dispersed state on the metal plating layer 42. And a plurality of rod-shaped fine bodies 44. In the present embodiment, the metal plating layer 42 functions as a resistance ballast layer that improves current emission stability and in-plane uniform field emission, and the fine body 44 functions as a terminal that emits electrons.

即ち、金属メッキ層４２は抵抗バラスト効果を有するように形成されることが望ましい。このため、金属メッキ層４２の抵抗率は１０^-8〜１０^-4Ω、望ましくは１０^-7〜１０^-4Ωに設定される。このため、金属メッキ層４２は、その抵抗を増加させるための添加物質、例えばＢ及びＰ、或いはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を含有する。ここで、金属メッキ層４２としてＮｉ−Ｂ−Ｐ系のＮｉメッキ層を使用する場合、Ｂ濃度は３〜４０％、Ｐ濃度は７〜４０％に設定される。また、金属メッキ層４２としてＰＴＦＥ含有Ｎｉメッキ層を使用する場合、ＰＴＦＥ濃度は０．１〜３０％に設定される。 That is, the metal plating layer 42 is desirably formed so as to have a resistance ballast effect. Therefore, the resistivity of the metal plating layer 42 is set to 10 ⁻⁸ to 10 ⁻⁴ Ω, preferably 10 ⁻⁷ to 10 ⁻⁴ Ω. For this reason, the metal plating layer 42 contains an additive substance for increasing its resistance, for example, B and P, or PTFE (polytetrafluoroethylene). Here, when a Ni-BP-based Ni plating layer is used as the metal plating layer 42, the B concentration is set to 3 to 40% and the P concentration is set to 7 to 40%. Further, when a PTFE-containing Ni plating layer is used as the metal plating layer 42, the PTFE concentration is set to 0.1 to 30%.

金属メッキ層４２は、カソード電極２２の対向側面２２ａ上のみに形成されるか、或いは、これに加えて、図３図示の如く、対向側面２２ａ近傍のカソード電極２２の上面（アノード電極３６に対向する面）の部分２２ｂにも追加的に形成される。但し、この場合、追加部分２２ｂの長さＬ１（図３参照）は、カソード電極２２の上面全体の長さＬ０に対して２５％以下の長さとなるように設定される。これは、ゲート電極２４と近傍の部分のみが実質的にエミッタとして機能できるため、これ以上金属メッキ層４２を延長しても効果がないからである。 The metal plating layer 42 is formed only on the opposing side surface 22a of the cathode electrode 22, or in addition to this, as shown in FIG. 3, the upper surface of the cathode electrode 22 in the vicinity of the opposing side surface 22a (facing the anode electrode 36). The surface 22) is additionally formed. However, in this case, the length L1 (see FIG. 3) of the additional portion 22b is set to be 25% or less with respect to the overall length L0 of the cathode electrode 22. This is because only the portion in the vicinity of the gate electrode 24 can substantially function as an emitter, so that further extension of the metal plating layer 42 has no effect.

一方、微細体４４は、カーボンナノチューブのような棒状体（図３においては微細体４４を棒状としている）或いはフラーレンのような粒状体からなる。図４（ａ）は微細体４４がカーボンナノチューブのような棒状体４４ａである場合を示す。この場合、棒状体４４ａの多くは、基部が金属メッキ層４２に埋め込まれて固定され、上部がエミッタ２６の表面に露出するような状態を形成する。或いは、棒状体４４ａは、全てが金属メッキ層４２により薄く覆われ且つこれに対応してエミッタ２６の表面に凸部が出現するような状態を形成する。一方、図４（ｂ）は微細体４４がフラーレンのような粒状体４４ｂである場合を示す。この場合、粒状体４４ｂは、一部分が露出するように金属メッキ層４２に埋め込まれて固定されるか、或いは全てが金属メッキ層４２により薄く覆われ且つこれに対応してエミッタ２６の表面に凸部が出現するような状態を形成する。 On the other hand, the fine body 44 is composed of a rod-like body such as a carbon nanotube (in FIG. 3, the fine body 44 is a rod-like body) or a granular body such as fullerene. FIG. 4A shows a case where the fine body 44 is a rod-like body 44a such as a carbon nanotube. In this case, most of the rod-shaped bodies 44 a are in such a state that the base portion is embedded and fixed in the metal plating layer 42 and the upper portion is exposed on the surface of the emitter 26. Alternatively, the rod-shaped body 44a is entirely covered with the metal plating layer 42 and forms a state in which a convex portion appears on the surface of the emitter 26 correspondingly. On the other hand, FIG. 4B shows a case where the fine body 44 is a granular body 44b such as fullerene. In this case, the granular material 44b is embedded and fixed in the metal plating layer 42 so that a part thereof is exposed, or all of the granular material 44b is thinly covered with the metal plating layer 42 and correspondingly protrudes on the surface of the emitter 26. A state in which a part appears is formed.

粒状または棒状をなす微細体４４は、エミッタ２６の電子放出特性を向上させるため、微小な半径或いは曲率半径を有することが必要となる。具体的には、微細体４４が粒状である場合、その半径は１００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ及以下に設定される。また、微細体４４が棒状である場合、その先端の曲率半径は５０ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ及以下に設定される。 In order to improve the electron emission characteristics of the emitter 26, the fine body 44 having a granular shape or a rod shape needs to have a minute radius or a radius of curvature. Specifically, when the fine body 44 is granular, the radius is set to 100 nm or less, preferably 30 nm or less. Moreover, when the fine body 44 is rod-shaped, the radius of curvature at the tip is set to 50 nm or less, preferably 15 nm or less.

微細体４４がカーボンナノチューブのような棒状体からなる場合、電子放出特性を向上させるため、棒状の微細体４４は、ゲート電極２４に向かうように配向されることが望ましい。具体的には、棒状の微細体４４は、支持基板１６の平坦な主面の広がり方向（図１及び図３中の水平方向）に対して±２０°の角度範囲内に配向された割合が５０〜１００％であることが望ましい。 When the fine body 44 is made of a rod-like body such as a carbon nanotube, the rod-like fine body 44 is desirably oriented toward the gate electrode 24 in order to improve electron emission characteristics. Specifically, the rod-shaped fine body 44 has a ratio of being oriented within an angular range of ± 20 ° with respect to the spreading direction (horizontal direction in FIGS. 1 and 3) of the flat main surface of the support substrate 16. It is desirable that it is 50 to 100%.

このような、棒状の微細体４４の配向付けは、後述するように、微細体４４を懸濁させた懸濁メッキ液を使用してメッキ処理を行う際、カソード電極２２とゲート電極２４との間に電界を形成することにより達成することができる。即ち、メッキ処理時にカソード電極２２に対してゲート電極２４に正の電位が付与されると、導電性の微細体４４は、カソード電極２２とゲート電極２４との間の電界の電気力線に沿って主に配向されることとなる。 As described later, the orientation of the rod-shaped fine body 44 is performed between the cathode electrode 22 and the gate electrode 24 when performing plating using a suspension plating solution in which the fine body 44 is suspended. This can be achieved by forming an electric field between them. That is, when a positive potential is applied to the gate electrode 24 with respect to the cathode electrode 22 during the plating process, the conductive fine body 44 follows the electric field lines of the electric field between the cathode electrode 22 and the gate electrode 24. Will be mainly oriented.

また、棒状の微細体４４は、カソード電極２２とゲート電極２４との間を架橋するような長いものであると、両電極２２、２４間を短絡させることとなる。例えば、上述のように、両電極２２、２４間の距離が１μｍ〜３０μｍであれば、これよりも短い棒状の微細体４４を使用することが望ましい。このため、上記懸濁メッキ液を調製する際、微細体４４は、所定の長さに基づいて分級したものを使用することができる。但し、後述するように、微細体４４を配設後、エミッタ２６及びゲート突出部２８間に間隙を形成することもできるので、微細体４４の配設前の長さは限定的なものではない。 Further, if the rod-like fine body 44 is long enough to bridge between the cathode electrode 22 and the gate electrode 24, the electrodes 22 and 24 are short-circuited. For example, as described above, if the distance between the electrodes 22 and 24 is 1 μm to 30 μm, it is desirable to use a rod-like fine body 44 shorter than this. For this reason, when preparing the suspension plating solution, the fine body 44 can be classified according to a predetermined length. However, as will be described later, a gap can be formed between the emitter 26 and the gate protrusion 28 after the fine body 44 is disposed, and therefore the length before the fine body 44 is disposed is not limited. .

微細体４４は、望ましくは、カーボンナノチューブまたはフラーレンからなるが、その他の材料から微細体４４を形成することもできる。微細体４４のためのその他の材料としては、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力（ＮＥＡ）材料、金属材料等を使用することができる。具体的には、ＬａＢ₆、ＡｌＮ、ＧａＮ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｆｅ、カーボン、グラファイト、ダイヤモンド、Ｓｉ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ベータＷ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、特に、マキビシ形状のＺｎＯや、ほう酸アルミニウム（９Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｂ₂Ｏ₃）、とくにフィラー状のほう酸アルミニウム、チタン酸カリウム等を使用することができる。また、微細体４４が中空である場合、図５図示の如く、微細体４４の内部に導電性の材料からなる充填層４５を形成することができる。 The fine body 44 is preferably made of carbon nanotubes or fullerenes, but the fine body 44 can also be formed from other materials. As other materials for the fine body 44, graphite, a low work function material, a negative electron affinity (NEA) material, a metal material, or the like can be used. Specifically, LaB ₆ , AlN, GaN, Mo, Ta, W, Ta, Ni, Cr, Au, Ag, Pd, Cu, Al, Sn, Pt, Ti, Fe, carbon, graphite, diamond, Si, TiN, TiC, Beta W, SiC, Al ₂ O ₃ , ZnO, especially ZnO in the shape of millet, aluminum borate (9Al ₂ O ₃ · 2B ₂ O ₃ ), especially filler-like aluminum borate, potassium titanate, etc. Can be used. When the fine body 44 is hollow, a filling layer 45 made of a conductive material can be formed inside the fine body 44 as shown in FIG.

なお、上述のカーボンナノチューブ及びフラーレンは同じ炭素の同素体で、基本的には同質のものである。特異形状の極長のフラーレンがカーボンナノチューブとなる。フラーレンの基本型は、炭素の６員環と５員環とで構成されたＣ₆₀であり、その直径は約０．７ｎｍである。Ｃ₆₀は、正２０面体の１２個の５角錐になっている頂点を全て切落とすことによってできる切頭２０面体（結果的に３２面体）の頂点の全てにｓｐ²軌道混成の炭素原子を置いた構造を有する。Ｃ₆₀以外に、炭素数が６０より多い高次フラーレン、例えばＣ₇₀、Ｃ₇₆、Ｃ₈₂、Ｃ₈₄、Ｃ₉₀、Ｃ₉₆、…、Ｃ₂₄₀、Ｃ₅₄₀、Ｃ₇₂₀等が実質的に無限に存在する。 The above-mentioned carbon nanotubes and fullerenes are allotropes of the same carbon and are basically the same. The unique full-length fullerene becomes the carbon nanotube. The basic type of fullerene is C ₆₀ composed of a carbon 6-membered ring and a 5-membered ring, and its diameter is about 0.7 nm. C ₆₀ puts sp ² orbital hybrid carbon atoms on all of the vertices of a truncated icosahedron (resulting in a 32 icosahedron) that can be obtained by cutting off all 12 pentagonal vertices of a regular icosahedron. Has a structure. In addition to C ₆₀ , higher order fullerenes having more than 60 carbon atoms, such as C ₇₀ , C ₇₆ , C ₈₂ , C ₈₄ , C ₉₀ , C ₉₆ ,..., C ₂₄₀ , C ₅₄₀ , C _720, etc. are virtually infinite. Exists.

また、フラーレンの内部は中空であるため、高次フラーレンの中に低次フラーレンが玉ねぎのように何層もつまったオニオン型のフラーレンが存在し、これ等はスーパーフラーレンと呼ばれる。スーパーフラーレンにおける各層間の距離は０．３４１ｎｍとなる。例えば、Ｃ₅₄₀の中にＣ₂₄₀が入り、更にその中にＣ₆₀が入ったフラーレンはＣ₆₀＠Ｃ₂₄₀＠Ｃ₅₄₀で表される。ここで記号「＠」は、その前に記載された分子或いは原子が取込まれた内包フラーレンであることを示す。 In addition, since the fullerene is hollow, there are onion-type fullerenes in which high-order fullerenes have several layers of low-order fullerenes like onions, and these are called superfullerenes. The distance between the layers in the superfullerene is 0.341 nm. For example, contains the C ₂₄₀ in the C _540, further fullerene containing the C ₆₀ therein is represented by C ₆₀ @C ₂₄₀ @C _540. Here, the symbol “@” indicates an endohedral fullerene in which a molecule or atom described before is incorporated.

また、フラーレンは、その中空の内部に金属を取込むことができる。このような金属内包フラーレンの例は、Ｌａ＠Ｃ₆₀、Ｌａ＠Ｃ₇₆、Ｌａ＠Ｃ₈₄、Ｌａ₂＠Ｃ80、Ｙ₂＠Ｃ₈₄、Ｓｃ₃＠Ｃ₈₂等である。更に、フラーレンの骨格部分にＮ、Ｂ、Ｓｉ等の炭素以外の元素を組込んだヘテロフラーレンも研究されている。 Moreover, fullerene can take in a metal in the hollow inside. Examples of such metal-encapsulated fullerenes are La @ C ₆₀ , La @ C ₇₆ , La @ C ₈₄ , La ₂ @C 80, Y ₂ @C ₈₄ , Sc ₃ @C _{82, and the} like. Further, heterofullerenes in which elements other than carbon such as N, B, and Si are incorporated into the fullerene skeleton have been studied.

フラーレンは、グラファイトに対してレーザー照射、アーク放電、抵抗加熱等を施すことにより、炭素を気化させ、気化炭素をヘリウムガス中を通しながら、冷却、反応及び凝集させ、これを収集部材で収集することにより調製することができる。 Fullerene vaporizes carbon by subjecting graphite to laser irradiation, arc discharge, resistance heating, etc., cools, reacts and aggregates while passing the vaporized carbon through helium gas, and collects it with a collecting member. Can be prepared.

一方、エミッタ２６と対向するゲート突出部２８は、ゲート電極２４の対向側面２４ａ上に選択的に形成された金属メッキ層４６と、金属メッキ層４６に分散状態で支持された導電性の材料からなる粒状または棒状の複数の微細体４８と、を具備する。ゲート突出部２８の金属メッキ層４６及び微細体４８は、夫々エミッタ２６の金属メッキ層４２及び微細体４４と同じ材料からなる。但し、エミッタ２６及びゲート突出部２８を形成するためのメッキ処理時に、カソード電極２２に対してゲート電極２４に正の電位が付与されると、ゲート突出部２８の金属メッキ層４６の厚さ及び微細体４８の密度は、エミッタ２６の金属メッキ層４２の厚さ及び微細体４４の密度よりも小さなものとなる。 On the other hand, the gate protrusion 28 facing the emitter 26 is made of a metal plating layer 46 selectively formed on the opposite side surface 24a of the gate electrode 24 and a conductive material supported in a dispersed state on the metal plating layer 46. And a plurality of granular or rod-like fine bodies 48. The metal plating layer 46 and the fine body 48 of the gate protrusion 28 are made of the same material as the metal plating layer 42 and the fine body 44 of the emitter 26, respectively. However, when a positive potential is applied to the gate electrode 24 with respect to the cathode electrode 22 during the plating process for forming the emitter 26 and the gate protrusion 28, the thickness of the metal plating layer 46 of the gate protrusion 28 and The density of the fine body 48 is smaller than the thickness of the metal plating layer 42 of the emitter 26 and the density of the fine body 44.

本実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置においては、エミッタ２６の微細体４４が金属メッキ層４２を介してカソード電極２２に支持される。従って微細体４４はカソード電極２２に強く固着され、強電界にも耐え得る付着強度の高いエミッタが得られ、電界放出の安定性を向上させることができる。 In the horizontal field emission cold cathode device according to the present embodiment, the fine body 44 of the emitter 26 is supported by the cathode electrode 22 through the metal plating layer 42. Accordingly, the fine body 44 is strongly fixed to the cathode electrode 22, and an emitter having high adhesion strength that can withstand a strong electric field can be obtained, and the stability of field emission can be improved.

また、エミッタ２６の金属メッキ層４２には、いわゆる抵抗バラスト効果を得るための不純物が含有されることが望ましい。例えば、金属メッキ層４２として、Ｎｉメッキ層よりも抵抗値の高いＮｉ−Ｂ−Ｐ系抵抗メッキ層或いはＰＴＦＥ含有Ｎｉメッキ層が使用される。従って、抵抗メッキ層４２によって電位降下が生じることとなり、各エミッタ２６先端の曲率半径や形状等に差異があっても、抵抗バラスト効果によって実質的にエミッタ先端の電界強度が低下し、電界放出の安定性や不均一性が大幅に改善される。この点に関し、従来の装置の場合、各エミッタ先端の曲率半径や形状等に差異があると、電界強度分布が異なることから、電界放出特性の不均一性が著しくなる。 The metal plating layer 42 of the emitter 26 preferably contains impurities for obtaining a so-called resistance ballast effect. For example, as the metal plating layer 42, a Ni-B-P resistance plating layer or a PTFE-containing Ni plating layer having a higher resistance value than the Ni plating layer is used. Therefore, a potential drop is caused by the resistance plating layer 42, and even if there is a difference in the radius of curvature or shape of the tip of each emitter 26, the electric field intensity at the tip of the emitter is substantially reduced by the resistance ballast effect, and the field emission is reduced. Stability and non-uniformity are greatly improved. In this regard, in the case of a conventional apparatus, if there is a difference in the radius of curvature, shape, etc. of each emitter tip, the field intensity distribution will be different, resulting in significant nonuniformity in the field emission characteristics.

図６（ａ）〜（ｃ）は本発明の別の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図であり、この装置は図１図示の装置に適用可能である。 FIGS. 6A to 6C are views showing a method of manufacturing a horizontal field emission cold cathode device according to another embodiment of the present invention in the order of steps, and this device can be applied to the device shown in FIG. It is.

先ず、ガラス製の支持基板１６上に金属製のカソード電極２２及び金属製のゲート電極２４を形成した。ここで、カソード電極２２及びゲート電極２４は、大型の電界放出型ディスプレイにおける信号遅延を考慮し、導電性の高いＮｉメッキ膜を使用して２μｍの厚さに形成した。また、カソード電極２２及びゲート電極２４の間のギャップは、ステッパ等の露光装置を用いて、リソグラフィにより形成した。 First, a metal cathode electrode 22 and a metal gate electrode 24 were formed on a glass support substrate 16. Here, the cathode electrode 22 and the gate electrode 24 were formed to a thickness of 2 μm using a highly conductive Ni plating film in consideration of signal delay in a large field emission display. The gap between the cathode electrode 22 and the gate electrode 24 was formed by lithography using an exposure apparatus such as a stepper.

次に、カソード電極２２及びゲート電極２４の互いに対向する対向側面２２ａ、２４ａのみを露出させるように、両電極２２及び２４をメッキレジスト膜５２で被覆した（図６（ａ））。なお、メッキレジスト膜５２は、対向側面２２ａ、２４ａの近傍の両電極２２及び２４の上面の部分を追加的に露出させるように形成することもできる。但し、この場合、追加部分２２ｂの長さＬ１（図３参照）は、カソード電極２２の上面全体の長さＬ０に対して２５％以下の長さとなるように設定する。或いは、メッキレジスト膜５２は、エミッタ２６を形成するカソード電極２２の対向側面２２ａのみを露出させるように形成することもできる。 Next, both electrodes 22 and 24 were covered with a plating resist film 52 so as to expose only the opposite side surfaces 22a and 24a of the cathode electrode 22 and the gate electrode 24 facing each other (FIG. 6A). The plating resist film 52 can also be formed so as to additionally expose the upper surface portions of the electrodes 22 and 24 in the vicinity of the opposing side surfaces 22a and 24a. However, in this case, the length L1 (see FIG. 3) of the additional portion 22b is set to be 25% or less with respect to the overall length L0 of the cathode electrode 22. Alternatively, the plating resist film 52 can be formed so as to expose only the opposite side surface 22 a of the cathode electrode 22 forming the emitter 26.

次に、蒸留水１リットルに対して、硫酸ニッケル２５ｇ、次亜りん酸ナトリウム４０ｇ、酢酸ナトリウム１０ｇ、クエン酸ナトリウム１０ｇ、ほう酸３０ｇの割合で溶かし、金属メッキ層４２、４６用の約ＰＨ５に調整した無電解Ｎｉ−Ｂ−Ｐ系抵抗メッキ液を形成した。更に、このメッキ液中に、微細体４４となるフラーレンＣ₆₀または所定の長さに分級したカーボンナノチューブを約５０ｇ混合し、メッキ漕５６内で攪拌により懸濁させることにより懸濁メッキ液５４を調製した。次に、懸濁メッキ液５４の温度を約８０℃に保持した状態で、カソード電極２２、ゲート電極２４及びメッキレジスト膜５２が上述の態様で配設された支持基板１６を懸濁メッキ液５４中に浸漬し、無電解メッキ処理を行った（図６（ｂ））。 Next, dissolve in 1 liter of distilled water at a ratio of 25 g of nickel sulfate, 40 g of sodium hypophosphite, 10 g of sodium acetate, 10 g of sodium citrate and 30 g of boric acid, and adjust to about PH5 for the metal plating layers 42 and 46. An electroless Ni-BP resistance plating solution was formed. Further, about 50 g of fullerene C ₆₀ to be a fine body 44 or carbon nanotubes classified to a predetermined length is mixed in this plating solution, and suspended in the plating vessel 56 by stirring, the suspension plating solution 54 is obtained. Prepared. Next, with the temperature of the suspension plating solution 54 maintained at about 80 ° C., the support substrate 16 on which the cathode electrode 22, the gate electrode 24, and the plating resist film 52 are disposed in the above-described manner is applied to the suspension plating solution 54. It was immersed in and subjected to electroless plating (FIG. 6B).

この無電解メッキ処理を約３分間行ったところ、露出したカソード電極２２及びゲート電極２４の対向側面２２ａ、２４ａ上に、Ｎｉ−Ｂ−Ｐ系無電解抵抗メッキ層（金属メッキ層４２、４６）が、約３μｍの厚さで形成された。また、この際、微細体４４となるフラーレンまたはカーボンナノチューブがメッキ材料と共に沈降するため、金属メッキ層４２、４６は、微細体４４が分散状態で埋め込まれた状態で形成された。 When this electroless plating treatment is performed for about 3 minutes, a Ni-BP based electroless resistance plating layer (metal plating layers 42, 46) is formed on the exposed side surfaces 22a, 24a of the exposed cathode electrode 22 and gate electrode 24. Was formed with a thickness of about 3 μm. At this time, fullerenes or carbon nanotubes that become the fine bodies 44 settle together with the plating material, so that the metal plating layers 42 and 46 are formed with the fine bodies 44 embedded in a dispersed state.

即ち、上記無電解メッキ処理により、カソード電極２２及びゲート電極２４の対向側面２２ａ、２４ａ上に、夫々金属メッキ層４２及び微細体４４からなるエミッタ２６と、金属メッキ層４６及び微細体４８からなるゲート突出部２８とを形成することができた。なお、カソード電極２２とゲート電極２４との間のガラス製の支持基板１６上では、金属メッキ層の付着力が弱いため、金属メッキ層が殆ど形成されないか、或いは形成されても超音波で簡単に剥離した。従って、水洗、乾燥後、図１図示の装置に適用可能な所定の構造を有する横型の電界放出型冷陰極装置を得ることができた（図６（ｃ））。 That is, by the electroless plating process, the emitter 26 composed of the metal plating layer 42 and the fine body 44, and the metal plating layer 46 and the fine body 48 are formed on the opposing side surfaces 22a and 24a of the cathode electrode 22 and the gate electrode 24, respectively. The gate protrusions 28 could be formed. Note that the adhesion of the metal plating layer is weak on the glass support substrate 16 between the cathode electrode 22 and the gate electrode 24, so that the metal plating layer is hardly formed or even if formed, it can be easily obtained by ultrasonic waves. Peeled off. Therefore, a horizontal field emission cold cathode device having a predetermined structure applicable to the device shown in FIG. 1 was obtained after washing and drying (FIG. 6C).

なお、ここでは、無電解メッキ処理を行ったため、エミッタ２６の金属メッキ層４２の厚さ及び微細体４４の密度と、ゲート突出部２８の金属メッキ層４６の厚さ及び微細体４８の密度とは略等しいものとなった。 Here, since the electroless plating process was performed, the thickness of the metal plating layer 42 of the emitter 26 and the density of the fine body 44, the thickness of the metal plating layer 46 of the gate protrusion 28, and the density of the fine body 48 Are almost equal.

次に、図６図示の方法により製造した電界放出型冷陰極装置の電界放出特性を測定した。その結果、エミッタ２６先端に加わる１０⁷Ｖ／ｃｍ以上に及ぶと言われている強電界に対しても、エミッタ２６はカソード電極２２に対して強固な付着力を持ち、剥離することはなく、安定な電界放出特性を示した。なお、金属メッキ層４２無しでフラーレンまたはカーボンナノチューブのみでエミッタを形成した場合、このような強電界に対しては、エミッタの剥離現象が見られ、不安定な電界放出特性しか得られなかった。 Next, the field emission characteristics of the field emission cold cathode device manufactured by the method shown in FIG. 6 were measured. As a result, the emitter 26 has a strong adhesive force to the cathode electrode 22 and does not peel even against a strong electric field which is said to be 10 ⁷ V / cm or more applied to the tip of the emitter 26. It showed stable field emission characteristics. When the emitter was formed only with fullerenes or carbon nanotubes without the metal plating layer 42, the emitter peeling phenomenon was observed against such a strong electric field, and only unstable field emission characteristics were obtained.

また、本実施の形態の装置においては、Ｎｉ−Ｂ−Ｐ系無電解抵抗メッキ層４２の抵抗バラスト効果もあり、電流放出安定性が２〜３０％向上し、面内の均一電界放出性も改善できた。また、回転蒸着法で作製したＭｏエミッタと比較して、先端部の曲率半径を大幅に低減することができた。具体的には、約７０〜３００ｎｍから約１〜３０ｎｍに低減することができた。その結果、駆動電圧も、約１００Ｖから約７Ｖへと大幅に低減することができた。また、真空度が約１０^-9ｔｏｒｒから約１０^-7ｔｏｒｒに低下すると、回転蒸着法で作製したＭｏエミッタの場合には、放出電流値は約１／１０以下に、電流変動は数百％以上増加したが、本実施の形態の装置においては殆ど変化しなかった。 Further, in the apparatus of the present embodiment, there is also a resistance ballast effect of the Ni-BP electroless resistance plating layer 42, current emission stability is improved by 2 to 30%, and in-plane uniform field emission is also achieved I was able to improve. Moreover, the curvature radius of the front-end | tip part was able to be reduced significantly compared with Mo emitter produced with the rotation evaporation method. Specifically, the thickness could be reduced from about 70 to 300 nm to about 1 to 30 nm. As a result, the drive voltage could be greatly reduced from about 100V to about 7V. Further, when the degree of vacuum is reduced from about 10 ^-9 torr to about 10 ^-7 torr, in the case of the Mo emitter manufactured by the rotary evaporation method, the emission current value is about 1/10 or less and the current fluctuation is several hundred%. Although increased as described above, the apparatus of the present embodiment hardly changed.

図７（ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図であり、この装置もまた図１図示の装置に適用可能である。 FIGS. 7A to 7C are views showing a method of manufacturing a horizontal field emission cold cathode device according to still another embodiment of the present invention in the order of steps, and this device is also shown in FIG. Applicable.

先ず、図６図示の実施の形態と同様に、ガラス製の支持基板１６上に金属製のカソード電極２２及び金属製のゲート電極２４を形成した。ここで、カソード電極２２及びゲート電極２４は、大型の電界放出型ディスプレイにおける信号遅延を考慮し、導電性の高いＮｉメッキ膜を使用して１μｍの厚さに形成した。また、カソード電極２２及びゲート電極２４の互いに対向する対向側面２２ａ、２４ａを露出させるように、両電極２２及び２４をメッキレジスト膜５２で被覆した（図７（ａ））。なお、メッキレジスト膜５２による両電極２２及び２４の被覆範囲は上述のように変更可能である。 First, as in the embodiment shown in FIG. 6, a metal cathode electrode 22 and a metal gate electrode 24 were formed on a glass support substrate 16. Here, the cathode electrode 22 and the gate electrode 24 were formed to have a thickness of 1 μm using a highly conductive Ni plating film in consideration of signal delay in a large field emission display. Further, both the electrodes 22 and 24 were covered with a plating resist film 52 so as to expose the opposing side surfaces 22a and 24a of the cathode electrode 22 and the gate electrode 24 facing each other (FIG. 7A). Note that the coverage of the electrodes 22 and 24 by the plating resist film 52 can be changed as described above.

次に、蒸留水１リットルに対して、スルファミン酸ニッケル６００ｇ、塩化ニッケル５ｇ、次亜りん酸ナトリウム３０ｇ、ホウ酸４０ｇ、サッカリン１ｇの割合で溶かし、金属メッキ層４２、４６用の約ＰＨ４に調整した抵抗メッキ液を形成した。更に、このメッキ液中に、微細体４４となるカーボンナノチューブを約４０ｇ混合し、メッキ漕６６内で攪拌により懸濁させることにより懸濁メッキ液６４を調製した。次に、懸濁メッキ液６４の温度を約５０℃に保持した状態で、カソード電極２２、ゲート電極２４及びメッキレジスト膜５２が上述の態様で配設された支持基板１６を懸濁メッキ液６４中に浸漬し、電気メッキ処理を行った（図７（ｂ））。ここで、陽極６８には１００Ｖ、ゲート電極２４には１０Ｖ、カソード電極２２には０Ｖが夫々印加されるように設定した。 Next, 600 g of nickel sulfamate, 5 g of nickel chloride, 30 g of sodium hypophosphite, 40 g of boric acid and 1 g of saccharin are dissolved in 1 liter of distilled water, and adjusted to about PH4 for the metal plating layers 42 and 46. A resistance plating solution was formed. Further, about 40 g of carbon nanotubes that become the fine bodies 44 were mixed in this plating solution, and suspended in the plating vessel 66 by stirring to prepare a suspension plating solution 64. Next, in a state where the temperature of the suspension plating solution 64 is maintained at about 50 ° C., the support substrate 16 on which the cathode electrode 22, the gate electrode 24, and the plating resist film 52 are arranged in the above-described manner is applied to the suspension plating solution 64. It was immersed in and electroplated (FIG. 7 (b)). Here, 100 V was applied to the anode 68, 10 V was applied to the gate electrode 24, and 0 V was applied to the cathode electrode 22.

この電気メッキ処理を約４分間行ったところ、露出したカソード電極２２及びゲート電極２４の対向側面２２ａ、２４ａ上に、Ｎｉ−Ｂ−Ｐ系抵抗メッキ層（金属メッキ層４２、４６）が、夫々約４μｍ及び０．５μｍの厚さで形成された。また、この際、微細体４４となるフラーレンまたはカーボンナノチューブがメッキ材料と共に沈降するため、金属メッキ層４２、４６は、微細体４４が分散状態で埋め込まれた状態で形成された。 When this electroplating process was performed for about 4 minutes, Ni-BP resistance plating layers (metal plating layers 42 and 46) were formed on the exposed opposite side surfaces 22a and 24a of the cathode electrode 22 and the gate electrode 24, respectively. The thickness was about 4 μm and 0.5 μm. At this time, fullerenes or carbon nanotubes that become the fine bodies 44 settle together with the plating material, so that the metal plating layers 42 and 46 are formed with the fine bodies 44 embedded in a dispersed state.

即ち、上記電気メッキ処理により、カソード電極２２及びゲート電極２４の対向側面２２ａ、２４ａ上に、夫々金属メッキ層４２及び微細体４４からなるエミッタ２６と、金属メッキ層４６及び微細体４８からなるゲート突出部２８とを形成することができた。なお、カソード電極２２とゲート電極２４との間のガラス製の支持基板１６上では、金属メッキ層の付着力が弱いため、金属メッキ層が殆ど形成されないか、或いは形成されても超音波で簡単に剥離した。従って、水洗、乾燥後、図１図示の装置に適用可能な所定の構造を有する横型の電界放出型冷陰極装置を得ることができた（図７（ｃ））。 That is, by the electroplating process, the emitter 26 composed of the metal plating layer 42 and the fine body 44 and the gate composed of the metal plating layer 46 and the fine body 48 are respectively formed on the opposite side surfaces 22a and 24a of the cathode electrode 22 and the gate electrode 24. The protrusions 28 could be formed. Note that the adhesion of the metal plating layer is weak on the glass support substrate 16 between the cathode electrode 22 and the gate electrode 24, so that the metal plating layer is hardly formed or even if formed, it can be easily obtained by ultrasonic waves. Peeled off. Therefore, a horizontal field emission cold cathode device having a predetermined structure applicable to the device shown in FIG. 1 was obtained after washing and drying (FIG. 7C).

なお、ここでは、カソード電極２２に対してゲート電極２４に正の電位が付与された状態で電気メッキ処理を行ったため、ゲート突出部２８の金属メッキ層４６の厚さ及び微細体４８の密度は、エミッタ２６の金属メッキ層４２の厚さ及び微細体４４の密度よりも小さなものとなった。また、カーボンナノチューブはカソード電極２２とゲート電極２４との間の電界の電気力線に沿って主に配向された。具体的には、支持基板１６の平坦な主面の広がり方向（図７（ｃ）中の水平方向）に対して±２０°の角度範囲内に配向されたカーボンナノチューブの割合は５０〜１００％とすることができた。また、この割合は、電気メッキ処理の条件を調整することにより変化させる（従って、電子放出特性を向上させる）ことができた。 Here, since the electroplating process is performed in a state where a positive potential is applied to the gate electrode 24 with respect to the cathode electrode 22, the thickness of the metal plating layer 46 of the gate protrusion 28 and the density of the fine bodies 48 are as follows. The thickness of the metal plating layer 42 of the emitter 26 and the density of the fine bodies 44 were smaller. The carbon nanotubes were mainly oriented along the electric field lines of the electric field between the cathode electrode 22 and the gate electrode 24. Specifically, the proportion of the carbon nanotubes oriented within an angle range of ± 20 ° with respect to the spreading direction of the flat main surface of the support substrate 16 (horizontal direction in FIG. 7C) is 50 to 100%. And was able to. Moreover, this ratio could be changed by adjusting the conditions of the electroplating process (thus improving the electron emission characteristics).

次に、図７図示の方法により製造した電界放出型冷陰極装置の電界放出特性を測定した。その結果、エミッタ２６先端に加わる１０⁷Ｖ／ｃｍ以上に及ぶと言われている強電界に対しても、エミッタ２６はカソード電極２２に対して強固な付着力を持ち、剥離することはなく、安定な電界放出特性を示した。 Next, the field emission characteristics of the field emission cold cathode device manufactured by the method shown in FIG. 7 were measured. As a result, the emitter 26 has a strong adhesive force to the cathode electrode 22 and does not peel even against a strong electric field which is said to be 10 ⁷ V / cm or more applied to the tip of the emitter 26. It showed stable field emission characteristics.

また、本実施の形態の装置においては、高配向のカーボンナノチューブ及びＮｉ−Ｂ−Ｐ系抵抗メッキ層４２の抵抗バラスト効果もあり、電流放出安定性が４〜５０％向上し、面内の均一電界放出性も改善できた。また、カーボンナノチューブの配向性が向上したためと推察されるが、非配向の場合に比較し、駆動電圧も３％ほど改善することができた。また、図６図示の実施の形態と同様に、真空度にも強く、放出電流値及び電流変動は、殆ど変化しなかった。 In addition, in the apparatus of the present embodiment, there is also a resistance ballast effect of highly oriented carbon nanotubes and Ni—B—P system resistance plating layer 42, current discharge stability is improved by 4 to 50%, and in-plane uniformity is achieved. The field emission was also improved. Further, it is presumed that the orientation of the carbon nanotubes was improved, but the driving voltage could be improved by about 3% as compared with the non-oriented case. Further, similarly to the embodiment shown in FIG. 6, it was strong against the degree of vacuum, and the emission current value and the current fluctuation hardly changed.

図６及び図７図示の実施の形態においては、フラーレンまたはカーボンナノチューブをメッキ液中に分散させ、メッキ処理を行うことにより、フラーレン等が沈降してカソード電極２２の表面に接触すると同時に金属メッキ層４２が生成される。従って、金属メッキ層４２がカソード電極２２に強く固着されると共に、フラーレン等が金属メッキ層４２に強く固着され、強電界にも耐え得る付着強度の高いエミッタ２６が得られ、電界放出の安定性を向上させることができる。また、メッキ処理が約１００℃以下の低温で行われるため、ダメージの少ないエミッタ２６を作製することができる。また、カソード電極２２等を予め支持基板１６上に形成しておけば、金属メッキ層４２を選択的にカソード電極２２上に形成することが可能であり、工程の簡略化をはかることができる。 In the embodiment shown in FIGS. 6 and 7, fullerene or carbon nanotubes are dispersed in a plating solution, and plating is performed, so that fullerene and the like settle and come into contact with the surface of the cathode electrode 22 at the same time. 42 is generated. Accordingly, the metal plating layer 42 is strongly fixed to the cathode electrode 22, and fullerene or the like is firmly fixed to the metal plating layer 42. Thus, an emitter 26 having a high adhesion strength that can withstand a strong electric field is obtained, and field emission stability is obtained. Can be improved. Further, since the plating process is performed at a low temperature of about 100 ° C. or less, the emitter 26 with little damage can be manufactured. Further, if the cathode electrode 22 and the like are formed on the support substrate 16 in advance, the metal plating layer 42 can be selectively formed on the cathode electrode 22, and the process can be simplified.

なお、図６及び図７図示の実施の形態においては、予め、エミッタ２６とゲート突出部２８とが接触により短絡しないように、カーボンナノチューブの長さ或いはフラーレンの直径や、析出する抵抗メッキ層４２、４６の厚さを予め調整した。しかし、エミッタ２６とゲート突出部２８とが接触により短絡しても、カソード電極２２及びゲート電極２４間に通電することにより、エミッタ２６とゲート突出部２８とを切断して両者間に間隙を形成することができる。この方法により、適宜、通電時間、電流量などを調整すれば、通常のリソグラフィを用いる場合よりも、距離の短いゲート／エミッタ間の間隙を形成することが可能となる。 In the embodiment shown in FIGS. 6 and 7, the length of the carbon nanotube or the diameter of the fullerene, or the deposited resistance plating layer 42 is previously prevented so that the emitter 26 and the gate protrusion 28 are not short-circuited by contact. , 46 thickness was adjusted in advance. However, even if the emitter 26 and the gate protrusion 28 are short-circuited by contact, energization between the cathode electrode 22 and the gate electrode 24 cuts the emitter 26 and the gate protrusion 28 to form a gap therebetween. can do. By appropriately adjusting the energization time, the amount of current, etc. by this method, it is possible to form a gap between the gate and the emitter having a shorter distance than in the case of using normal lithography.

また、図６及び図７図示の実施の形態において、微細体４４、４８を全て金属メッキ層４２、４６で一旦薄く覆った後、ウエットエッチング、ＲＩＥ、ＣＤＥ、スパッタ、昇華の何れか１つ、またはそれ等の組み合わせを用いて、微細体４４、４８の表面の一部を露出させるようにしてもよい。また、図６及び図７図示の実施の形態においては、抵抗バラスト効果を有するエミッタの金属メッキ層４２としてＮｉ−Ｂ−Ｐ系金属メッキ層を用いているが、代わりに、ＰＴＦＥ含有Ｎｉメッキ層を使用することができる。この場合、ＰＴＦＥ含有Ｎｉメッキ層はＮｉメッキ液中にＰＴＦＥを懸濁させることにより形成することができる。更に、金属メッキ層の母体金属としては、他の金属、例えば、Ｃｒ、Ｃｕ等を使用することができる。 Further, in the embodiment shown in FIGS. 6 and 7, all the fine bodies 44 and 48 are once thinly covered with the metal plating layers 42 and 46, and then any one of wet etching, RIE, CDE, sputtering, and sublimation, Alternatively, a part of the surfaces of the fine bodies 44 and 48 may be exposed using a combination thereof. Further, in the embodiment shown in FIGS. 6 and 7, a Ni-BP based metal plating layer is used as the metal plating layer 42 of the emitter having the resistance ballast effect. Instead, a PTFE-containing Ni plating layer is used. Can be used. In this case, the PTFE-containing Ni plating layer can be formed by suspending PTFE in the Ni plating solution. Furthermore, other metals such as Cr and Cu can be used as the base metal of the metal plating layer.

なお、本発明に係る横型の電界放出型冷陰極装置は、上述した用途の他、真空マイクロパワーデバイス、耐環境デバイス（宇宙用デバイス、原子力用デバイス、耐極限環境用デバイス（耐放射線用デバイス、耐高温デバイス、対低温デバイス））、各種センサ等に用いることが可能である。 The horizontal field emission cold cathode device according to the present invention includes a vacuum micropower device, an environment resistant device (space device, nuclear device, extreme environment resistant device (radiation resistant device, High temperature resistant device, low temperature device)), various sensors, etc.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

発明の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置を応用した真空マイクロ装置の一例である平板型画像表示装置を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing a flat panel image display device which is an example of a vacuum micro device to which a horizontal field emission cold cathode device according to an embodiment of the invention is applied. 図１図示の装置の部分平面図。FIG. 2 is a partial plan view of the apparatus shown in FIG. 1. 図１図示の装置の要部の断面図。Sectional drawing of the principal part of the apparatus shown in FIG. （ａ）はカーボンナノチューブのような棒状の微細体と金属メッキ層との関係を示す拡大図、（ｂ）はフラーレンのような粒状体の微細体と金属メッキ層との関係を示す拡大図。(A) is an enlarged view showing the relationship between a rod-like fine body such as a carbon nanotube and a metal plating layer, and (b) is an enlarged view showing the relationship between a granular fine body such as fullerene and the metal plating layer. 中空棒状の微細体と充填層との関係を示す拡大図。The enlarged view which shows the relationship between a hollow rod-shaped fine body and a filled layer. （ａ）〜（ｃ）は本発明の別の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図。(A)-(c) is a figure which shows the manufacturing method of the horizontal type field emission type cold cathode apparatus which concerns on another embodiment of this invention in order of a process. （ａ）〜（ｃ）は本発明の更に別の実施の形態に係る横型の電界放出型冷陰極装置の製造方法を工程順に示す図。(A)-(c) is a figure which shows the manufacturing method of the horizontal type field emission type cold cathode apparatus which concerns on another embodiment of this invention in order of a process.

符号の説明Explanation of symbols

１２…カソードライン；１４…ゲートライン；１６…支持基板；１８…配線構造部；２２…カソード電極；２４…ゲート電極；２６…エミッタ；２８…ゲート突出部；３２…対向基板；３３…真空放電空間；３４…スペーサ；３６…アノード電極；３８…蛍光体層；４２…金属メッキ層；４４…微細体；５２…メッキレジスト膜；５４、６４…懸濁メッキ液；６８…陽極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Cathode line; 14 ... Gate line; 16 ... Support substrate; 18 ... Wiring structure part; 22 ... Cathode electrode; 24 ... Gate electrode; 26 ... Emitter; 34 ... Spacer; 36 ... Anode electrode; 38 ... Phosphor layer; 42 ... Metal plating layer; 44 ... Fine body; 52 ... Plating resist film; 54, 64 ... Suspension plating solution;

Claims

支持基板と、
前記支持基板上に配設され且つ第１側面を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対して横並びとなるように前記支持基板上に配設され且つ前記第１側面に対して対向する第２側面を有するゲート電極と、
前記第２側面に対向するように前記第１側面上に配設された電子を放出するためのエミッタと、
を具備し、前記エミッタは、前記カソード電極上に形成された金属メッキ層と前記金属メッキ層に分散状態で支持された複数の棒状の微細体とを具備し、前記微細体は、カーボンナノチューブ、グラファイト、低仕事関数材料、負の電子親和力材料、金属材料からなる群から選択された材料からなることと、前記微細体は部分的に前記金属メッキ層に埋設されることと、
前記第１側面に対向するように前記第２側面上に配設されたゲート突出部を更に具備し、前記ゲート突出部は、前記金属メッキ層と同じ材料からなるゲート金属メッキ層と、前記ゲート金属メッキ層に分散状態で支持され且つ前記微細体と同じ材料からなる複数のゲート微細体とを具備することと、
を特徴とする横型の電界放出型冷陰極装置。 A support substrate;
A cathode electrode disposed on the support substrate and having a first side surface;
A gate electrode disposed on the support substrate so as to be side by side with respect to the cathode electrode and having a second side surface facing the first side surface;
An emitter for emitting electrons disposed on the first side surface so as to face the second side surface;
The emitter comprises a metal plating layer formed on the cathode electrode and a plurality of rod-like fine bodies supported in a dispersed state on the metal plating layer, the fine bodies comprising carbon nanotubes, Comprising a material selected from the group consisting of graphite, a low work function material, a negative electron affinity material, a metal material, and the fine body is partially embedded in the metal plating layer;
A gate protrusion disposed on the second side face to face the first side face, the gate protrusion including a gate metal plating layer made of the same material as the metal plating layer; Comprising a plurality of gate fine bodies supported in a dispersed state on a metal plating layer and made of the same material as the fine bodies;
A horizontal field emission cold cathode device characterized by the above.

前記微細体は、５０ｎｍ以下の曲率半径の先端を有することを特徴とする請求項１に記載の横型の電界放出型冷陰極装置。 2. The horizontal field emission cold cathode device according to claim 1, wherein the fine body has a tip having a radius of curvature of 50 nm or less.

前記微細体の５０〜１００％は、前記カソード電極が配設された前記支持基板の主面に対して±２０°の角度範囲内に配向されることを特徴とする請求項１または２に記載の横型の電界放出型冷陰極装置。 3. The fine body according to claim 1, wherein 50 to 100% of the fine body is oriented within an angle range of ± 20 ° with respect to a main surface of the support substrate on which the cathode electrode is disposed. Horizontal field emission cold cathode device.

前記微細体は中空であり、前記微細体の内部に導電性の材料からなる充填層が配設されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の横型の電界放出型冷陰極装置。 4. The horizontal field emission cold cathode according to claim 1, wherein the fine body is hollow, and a filling layer made of a conductive material is disposed inside the fine body. apparatus.

前記金属メッキ層は抵抗を増加させるための添加物質を含む抵抗バラスト層からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の横型の電界放出型冷陰極装置。 5. The horizontal field emission cold cathode device according to claim 1, wherein the metal plating layer is formed of a resistance ballast layer containing an additive for increasing resistance.

前記支持基板と協働して、前記カソード電極、前記ゲート電極及び前記エミッタを包囲する真空放電空間を形成する包囲部材と、前記カソード電極及び前記ゲート電極と対向する位置で前記包囲部材上に配設されたアノード電極と、を更に具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の横型の電界放出型冷陰極装置。 A surrounding member which forms a vacuum discharge space surrounding the cathode electrode, the gate electrode and the emitter in cooperation with the support substrate, and is disposed on the surrounding member at a position facing the cathode electrode and the gate electrode. The horizontal field emission cold cathode device according to claim 1 , further comprising an anode electrode provided.

前記包囲部材は前記支持基板に対向する透明な対向基板を具備し、前記真空放電空間内で前記対向基板上に、透明な電極を具備する前記アノード電極と蛍光体層とが積層されることを特徴とする請求項６に記載の横型の電界放出型冷陰極装置。
The surrounding member includes a transparent counter substrate facing the support substrate, and the anode electrode including the transparent electrode and a phosphor layer are stacked on the counter substrate in the vacuum discharge space. The horizontal field emission cold cathode device according to claim 6 ,