JP4036572B2

JP4036572B2 - 電子放出源の製造方法

Info

Publication number: JP4036572B2
Application number: JP20256299A
Authority: JP
Inventors: 茂生伊藤; 剛宏新山
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: JP2001035361A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子を放出する電子放出源の製造方法、これによって製造した電子放出源及び前記電子放出源を使用した蛍光発光型表示器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、カソード導体とゲート電極（引き出し電極）間に、電子を放出する電子放出材料によって形成されたエミッタを配設し、前記カソード導体とゲート電極間に電圧を印加することにより前記エミッタから電子を放出する電子放出源が一部で実用化され又、研究が進められている。
【０００３】
電界の作用によって電子を放出する電界電子放出源は、金属または半導体等の表面の印加電界を１０^９Ｖ／ｍ程度にするとトンネル効果により障壁を通過して常温でも真空中に電子放出が行われる現象であり、熱エネルギーを利用する電子源（熱電子放出源）に比べ、省エネルギーで長寿命化が可能等、多くの優れた点を有している。エミッタ材料としては、シリコン等の半導体、タングステン、モリブデンなどの金属、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ；Diamond-Like Carbon）等がある。
【０００４】
エミッタに印加される電界強度によって、その引き出し電流が決定されるため、低電圧駆動で高効率な電子放出源を構成するためには、鋭利な先端を持つエミッタを使用する必要があるため、前記半導体や金属等を使用してエミッタを形成する場合には、電子放出部の先端を鋭利な針状に加工することが必要となる。
しかしながら、前記半導体や金属等の先端を鋭利な針状に加工することは容易でなく又、大規模な装置が必要になるため極めて高価になるという問題がある。
【０００５】
以上の点から、最近、カーボンナノチューブが電子放出材料として注目されつつある。カーボンナノチューブはその外径が１〜数１０ｎｍと非常に小さい線状のカーボン材料であり、形状的には電界集中が起きやすく低電圧で電子放出を行わせるのに十分な構造形態を持ち、その材料であるカーボンは化学的に安定、機械的にも強靱であるという特徴を持つため、エミッタに適した材料である。
【０００６】
例えば、カーボンナノチューブを利用した電子放出源として、特開平１０−３１９５４号公報に開示された電子放出源がある。前記電子放出源は、カーボンナノチューブを含むペースト材料をカソード導体上、あるいは前記カソード導体上に被着された抵抗層上に印刷後、焼成し、その上方にリブ状のゲート電極を配置した構造のものがあり、前記カソード導体とゲート電極間に電圧を印加することにより、電子を放出させることができる。
また、前記電子放出源を蛍光発光型表示器の電子放出源として使用する場合には、前記電子放出源に対向するように蛍光体を被着したアノード電極を設けて、これらを真空気密容器内に配設することによって蛍光発光型表示器を形成する。かかる構成とすることにより、前記ゲート電極及びアノード電極を所定の正電位に駆動することによって、前記カーボンナノチューブから放出される電子により前記蛍光体を励起し、発光表示させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報に記載された電子放出源においては、カーボンナノチューブを含むカーボン材料をペースト化し、このペースト材料を印刷形成後、乾燥、焼成するにすぎないため、前記カーボン材料をペースト化するための溶剤に含まれる成分が焼成後も残存し、これがカーボンナノチューブの表面を覆った状態でエミッタが形成されるため、エミッタの仕事関数が高くなってしまう。よって、低電圧での電子放出が困難になり又、電子放出効率が低いという問題があった。また、電子放出源として微細で複雑な構造の電子放出源の洗浄が困難であった。
【０００８】
また、カーボンナノチューブ以外にも微少なカーボン材料としてフラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセルあるいはカーボンナノホーン等が注目されているが、これらのペースト材料を用いてエミッタを形成した場合にも、前記同様に、低電圧で高効率に電子放出を生じさせることが困難であるという問題があった。
したがって、前記方法で得られた電子放出源を蛍光発光型表示器に使用した場合に、低電圧の駆動では高輝度な発光表示を得ることが困難であるという問題があった。
【０００９】
本発明は、前記問題点に鑑み成されたもので、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中の少なくとも一つを有するカーボン材料を用いて、低電圧駆動で高効率な電子放出を可能にすることを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、カソード導体とゲート電極間にエミッタを配設し、前記カソード導体とゲート電極間に電圧を印加することにより前記エミッタから電子を放出する電子放出源の製造方法において、絶縁基板にカソード導体を被着する工程と、前記カソード導体にカーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中の少なくとも一つを含むペースト材料を被着してエミッタを形成する工程と、前記エミッタの表面をドライエッチングによりエッチング処理する工程と、前記エミッタから離間する位置にゲート電極を形成する工程とを備えて成ることを特徴とする電子放出源の製造方法が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、カソード導体とゲート電極間にエミッタを配設し、前記カソード導体とゲート電極間に電圧を印加することにより前記エミッタから電子を放出する電子放出源の製造方法において、絶縁基板にカソード導体を被着する工程と、前記カソード導体に抵抗層を被着する工程と、前記抵抗層にカーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中の少なくとも一つを含むペースト材料を被着してエミッタを形成する工程と、前記エミッタの表面をドライエッチングによりエッチング処理する工程と、前記エミッタから離間する位置にゲート電極を形成する工程とを備えて成ることを特徴とする電子放出源の製造方法が提供される。
【００１２】
ここで、前記ドライエッチングとして、Ｈ_２又はＯ_２を含むエッチングガス、あるいは、Ｃ_ｘＨ_ｙ系ガス又はＣ_ｘＨ_ｙＦ_ｚ系ガスを含むエッチングガスを使用した反応性イオンエッチングを使用してもよい。
また、本発明によれば、カソード導体とゲート電極間にエミッタを配設し、前記カソード導体とゲート電極間に電圧を印加することにより前記エミッタから電子を放出する電子放出源において、前記エミッタは、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中の少なくとも一つを有するカーボン材料を、直接又は抵抗層を介して前記カソード導体に被着すると共に、前記カーボン材料をドライエッチングによってエッチング処理することにより形成したことを特徴とする電子放出源が提供される。
【００１３】
さらに、本発明によれば、電子放出源及び蛍光体が被着されたアノード電極を真空気密容器内に配設し、前記電子放出源から放出される電子を前記蛍光体に射突させることにより発光表示を行う蛍光発光型表示器において、前記電子放出源電子放出源を使用したことを特徴とする蛍光発光型表示器が提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において同一部分には同一符号を付している。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための側断面図である。
【００１５】
先ず、図１において、硼珪酸ガラス等の絶縁基板１０１上に、銀ペーストをスクリーン印刷により被着し、焼成することによって、カソード導体１０２を約５μｍ程度の膜厚に被着形成する。
次に、図２に示すように、カソード導体１０２の上部に、電子放出の安定化や電極短絡時の過電流防止を図るための抵抗体材料をスクリーン印刷により約５μｍ程度の膜厚に被着し、焼成することによって抵抗層２０１被着形成する。抵抗層２０１の材料としては、ＲｕＯ_２系の抵抗体材料等が使用できる。
【００１６】
次に、カーボンナノチューブを含むペースト材料を、図３に示すように、スクリーン印刷により抵抗層２０１上に塗布して、カーボンナノチューブを含むエミッタ３０１を約１０μｍ程度の膜厚に形成する。
尚、カーボンナノチューブを含むペースト材料としては、アーク放電法によって生成したカーボンナノチューブを含むカーボン材料を、エチルセルローズをテルピオネールに溶解した溶液に、超音波等によって良く分散したものを使用することができる。また、抵抗層２０１との固着強度を増すために、焼成後にも残る無機系の接着剤（ガラス系、金属アルコキシド等）を適宜添加することができる。
【００１７】
次に、所定温度（例えば、約１００度Ｃ程度）まで昇温してペースト状のエミッタ３０１を乾燥させた後、所定温度（例えば、約５００度Ｃ程度）の大気中下で焼成することにより、絶縁基板１０１上に、カソード導体１０２、抵抗層２０１及びエミッタ３０１が積層被着されたカソード基板３０２が完成する。
【００１８】
次に、前記のようにして形成されたカソード基板３０２を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチング処理する。
図６は、カソード基板３０１にＲＩＥ処理を施すための装置を示す図で、チャンバ６０１内に設けられた上部電極６０２に対向するように、下部電極６０３上にカソード基板３０２を配置し、図示しないガス注入、排出口を通してエッチングガスを注入、排出することによってエッチングガスを供給すると共に、接地された上部電極６０２と下部電極６０３との間に、高周波電源６０４から高周波（例えば１３．５６ＭＨｚ）電力を供給する。これにより、カソード基板３０２のエミッタ３０１の表面をエッチング処理する。
【００１９】
ここで、エッチングガスとして、例えば、Ｈ_２又はＯ_２を含むエッチングガス、あるいは、ＣＨＦ_３、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_１２等のＣ_ｘＨ_ｙ系又はＣ_ｘＨ_ｙＦ_ｚ系ガスを含むエッチングガス等が使用できる。
前記エッチング処理により、エミッタ３０１のカーボンナノチューブの表面に被着した溶媒成分等が除去され、エミッタ３０１のカーボンナノチューブ自体がエミッタ３０１の表面に露出する。
【００２０】
次に、図４に示すように、カソード基板３０２上で各エミッタ３０１間の凹部内に、ガラス製絶縁層（リブ）４０１を約４０μｍ程度の厚みに形成すると共に、該絶縁性リブ４０１上に約５μｍ程度の膜厚のゲート電極４０２を積層被着することにより、リブ状ゲート電極４０３を形成し、これにより電界放出型の電子放出源が完成する。
尚、リブ状ゲート電極４０３の形成方法としては、例えば、転写用基板（図示せず）上に、ゲート電極４０２を形成した後、ゲート電極４０２上に絶縁性リブ４０１を積層形成し、さらに絶縁性リブ４０１上に接着剤（図示せず）を積層被着し、これらを、図４に示す位置に位置合わせを行って転写するようにしてもよい。
【００２１】
このようにして得られた電子放出源においては、カソード導体１０２とゲート電極４０２間に所定の電圧を印加することにより、エミッタ３０１の露出したカーボンナノチューブに電界の集中が生じる。したがって、電子放出の開始電圧が低くなり、低電圧で高効率に電子放出を生じさせることが可能になる。また、抵抗層２０１の存在により、電子放出の安定化や、ゲート電極４０２とエミッタ３０１とが短絡した際の過電流の防止が図り得る。
【００２２】
尚、本実施の形態においては、エミッタ３０１表面のエッチング処理は、リブ状ゲート電極４０３を形成する前に行うようにしたが、リブ状ゲート電極４０３を形成した後に行うようにしてもよい。
また、エッチング処理は、ＲＩＥを使用したが、プラズマエッチングやスパッタエッチング等、各種のドライエッチングが使用できる。
さらに、ゲート電極をリブ状のゲート電極によって形成したが、メッシュ状ゲート電極等、他の構造のゲート電極を使用することもできる。
また、電子放出の安定化や電極短絡時の過電流防止が特に必要とされない場合や、他の構造によって実現できる場合等には、抵抗層２０１は不要である。この場合、エミッタ３０１はカソード導体１０２に直接被着形成されることになる。
【００２３】
また、エミッタ３０１の材料としてカーボンナノチューブを含むカーボン材料を使用したが、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセルあるいはカーボンナノホーンを含むカーボン材料も使用することが可能である。即ち、エミッタ３０１の材料として、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中、少なくとも一つを有するカーボン材料を含むペースト材料を使用することが可能である。
【００２４】
次に、前記電子放出源を使用して、蛍光発光型表示器を形成する。図５は、本発明の実施の形態に係る蛍光発光型表示器の一部切欠き側面図であり、前記の如くして製造した電子放出源を使用した例である。図５において、蛍光発光型表示器は、硼珪酸ガラスによって形成された背面基板としての絶縁基板１０１、硼珪酸ガラスによって形成された前面基板としての透光性の絶縁基板５０１、及び、絶縁基板１０１、５０１の周囲を封着するシールガラス５０４とを有し、その内部が真空状態に保持された真空気密容器を備えている。
【００２５】
また、前述したように、絶縁基板１０１の内面上には、カソード導体１０２、カソード導体１０２に連続して被着形成された抵抗層２０１、抵抗層２０１に連続して被着形成されたエミッタ３０１が積層被着されている。
さらに、絶縁基板１０１の内面上にはエミッタ３０１間の凹部内に、絶縁性リブ４０１及びゲート電極４０２が積層されたリブ状ゲート電極４０３が被着形成されている。
一方、絶縁基板５０１の内面上には、アノード電極５０２及びアノード電極５０２に被着された蛍光体５０３が積層配設されている。
【００２６】
尚、文字やグラフィック等を表示する形式の蛍光発光型表示器の場合には、カソード導体１０２、アノード電極５０２及びゲート電極４０２は、各々、マトリクス状に形成する、あるいは、特定の電極をベタ状に形成して他の電極をマトリクス状に形成する等、適宜目的に応じたパターンに形成する。また、大画面表示装置の画素用発光素子として使用する蛍光発光型表示器の場合にも、前記各電極のパターンを適宜選定して形成する。
【００２７】
上記構成の蛍光発光型表示器において、カソード導体１０２、ゲート電極４０２及びアノード電極５０２に所定電圧の駆動信号を供給することにより蛍光体５０３が発光し、各電極の形成パターンや駆動信号に応じて、文字やグラフィック等の発光表示、あるいは発光素子としての発光表示を行わせることができる。
このとき、エミッタ３０１の表面に露出したカーボンナノチューブに電界集中が生じるため、低電圧駆動により、高輝度で高品位な発光表示を得ることが可能になる。
【００２８】
以上述べたように本発明の実施の形態に係る電子放出源の製造方法は、カソード導体とゲート電極間にエミッタを配設し、前記カソード導体とゲート電極間に電圧を印加することにより前記エミッタから電子を放出する電子放出源の製造方法において、硼珪酸ガラス等の絶縁基板１０１に銀やアルミニウム等のカソード導体１０２を被着する工程と、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中の少なくとも一つを有するカーボン材料を電子放出材料として使用し該電子放出材料を含むペースト材料を前記カソード導体に被着してエミッタ３０１を形成する工程と、エミッタ３０１を焼成する工程と、前記焼成されたエミッタ３０１の表面をＲＩＥ等のドライエッチングによりエッチング処理する工程と、エミッタ３０１から離間した位置にゲート電極（例えば、リブ状あるいはメッシュ状のゲート電極）４０２を形成する工程とを備えて成ることを特徴としている。したがって、前記カーボン材料の表面に被着した溶媒成分等が除去されて、カーボン材料であるカーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセルあるいはカーボンナノホーン自身が露出し、前記露出したカーボン材料に電界集中が生じるため、低電圧で高効率に電子放出を生じる電子放出源を製造することが可能になる。
【００２９】
また、前記製造工程中、カソード導体１０２を被着する工程とエミッタ３０１を形成する工程の間に、ＲｕＯ_２系の抵抗材料等によって形成した抵抗層２０１をカソード導体１０２に被着する工程を付加するようにしてもよい。即ち、絶縁基板１０１上にカソード導体１０２を被着する工程と、カソード導体１０２に抵抗層２０１を被着する工程と、抵抗層２０１にカーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中の少なくとも一つを有するカーボン材料を含むペースト材料を被着してエミッタ３０１を形成する工程とを備えるようにしてもよい。これにより、前記のように低電圧で高効率に電子放出を生じる電子放出源を製造することが可能になるだけでなく、電子放出の安定化や電極短絡時の過電流防止が可能な電子放出源の製造方法が提供される。
【００３０】
また、本発明の実施の形態によれば、カソード導体１０２とゲート電極４０２間にエミッタ３０１を配設し、カソード導体１０２とゲート電極４０２間に電圧を印加することによりエミッタ３０１から電子を放出する電子放出源において、エミッタ３０１は、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中の少なくとも一つを有するカーボン材料によって形成されると共に、直接又は抵抗層２０１を介してカソード導体１０２に積層被着されて成り、前記カーボン材料はドライエッチングによってエッチング処理されていることを特徴とする電子放出源が提供される。したがって、低電圧で高効率に電子放出を発生することが可能になり又、電子放出の安定化や電極短絡時の過電流防止が可能になる。
【００３１】
さらに本発明の実施の形態によれば、蛍光表示管や蛍光発光管等、電子放出源、蛍光体及び前記蛍光体が被着されたアノード電極を真空気密容器内に配設し、前記電子放出源から放出される電子を前記蛍光体に射突させることにより発光表示を行う蛍光発光型表示器において、電子放出源として、前記のようにして得られた電子放出源を使用することにより、低電圧駆動により、高輝度で高品位な発光表示を得ることが可能になる。
【００３２】
尚、前記実施の形態においては、カソード導体１０２に対してゲート電極４０２を上方に配設する立体構造の電子放出源の例で説明したが、カソード導体とゲート電極の双方を絶縁基板上の同一平面上に配設することにより、平面的な電子放出源を構成することも可能である。
【００３３】
【実施例】
図７は本発明の実施例に係る電子放出源の特性評価を行うための装置を示す側断面図で、図８は本実施例の特性図である。
図７で使用した電子放出源はカソード電極とエミッタ間の抵抗層を有しない構造の電子放出源であり、真空外囲器７０１を構成する一方の絶縁基板１０１内面にはカソード導体１０２及びエミッタ３０１が積層形成され、他方の基板７０２内面には、エミッタ３０１に対向してアノード電極５０２が被着されている。エミッタ３０１は、カーボンナノチューブを含むカーボン材料によって形成されている。
【００３４】
また、カソード導体１０２とアノード電極５０２の間に、直流電源７０３及び電流計７０４の直列回路が接続されている。
カソード導体１０２とアノード導体５０２の距離は２００μｍで、カソード導体１０２及びエミッタ３０１の大きさは１ｍｍ×１ｍｍの正方形状に形成されている。
【００３５】
尚、エミッタ３０１のエッチング処理方法としては図６の装置を用いたＲＩＥ処理を行い、エッチング条件としては、（１）エッチングガスがＯ_２の場合は、ガス流量が５０ｓｃｃｍ、交流電源６０４の出力が１６０Ｗ、チャンバ６０１内の圧力が５Ｐａ、エッチング時間が１２０ｓｅｃであり、又、（２）エッチングガスがＣＨＦ_３の場合は、ガス流量が８０ｓｃｃｍ、交流電源６０４の出力が１６０Ｗ、チャンバ６０１内の圧力が５Ｐａ、エッチング時間が１２０ｓｅｃで行った。
【００３６】
図８において、エミッタ３０１の放出電流Ｉｅと直流電源７０３の出力電圧Ｖｇ（Ｖ）のＩ−Ｖ特性から明らかなように、エッチングガスとしてＣＨＦ_３を用いてエッチング処理した場合の方が、エッチング処理しない場合（未処理）よりも、低電圧で大きな電流が得られた。また、エッチングガスとしてＯ_２を用いた場合には、さらに低電圧で大きな電流が得られ、電子放出特性がより向上していることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、低電圧で高効率な電子放出源の製造方法を提供することが可能になる。
これにより、電子放出特性の優れた電子放出源を提供することが可能になる。また、低電圧駆動が可能で、高輝度で高品位な蛍光発光型表示器を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための側断面図で、絶縁基板にカソード導体を被着する工程を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための側断面図で、カソード基板に抵抗層を被着する工程を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための側断面図で、抵抗層にエミッタを被着する工程を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための側断面図で、ゲート電極を被着する工程を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る蛍光発光型表示器の一部切欠き側面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る電子放出源の製造方法におけるエッチング処理工程を説明するための図である。
【図７】本発明の実施例に係る電子放出源の特性を測定するための装置を示す図である。
【図８】本発明の実施例に係る電子放出源の特性図である。
【符号の説明】
１０１・・・真空気密容器を構成する前面基板としての絶縁基板
１０２・・・カソード導体
２０１・・・抵抗層
３０１・・・エミッタ
３０２・・・カソード基板
４０１・・・リブ
４０２・・・ゲート電極
５０１・・・真空気密容器を構成する背面基板としての絶縁基板
５０２・・・アノード電極
５０３・・・蛍光体
５０４・・・真空気密容器を構成するシールガラス

Claims

絶縁基板にカソード導体を被着する工程と、
前記カソード導体にカーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中の少なくとも一つを含むペースト材料を被着してエミッタを形成する工程と、
約５００度Ｃの大気中下で前記エミッタを焼成する工程と、
前記エミッタの表面をドライエッチングによりエッチング処理する工程とを備えて成ることを特徴とする電子放出源の製造方法。
絶縁基板にカソード導体を被着する工程と、
前記カソード導体に抵抗層を被着する工程と、
前記抵抗層にカーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル、ナノカプセル及びカーボンナノホーンの中の少なくとも一つを含むペースト材料を被着してエミッタを形成する工程と、
約５００度Ｃの大気中下で前記エミッタを焼成する工程と、
前記エミッタの表面をドライエッチングによりエッチング処理する工程とを備えて成ることを特徴とする電子放出源の製造方法。
前記ドライエッチングは、Ｈ_２又はＯ_２を含むエッチングガス、あるいは、Ｃ_ｘＨ_ｙ系ガス又はＣ_ｘＨ_ｙＦ_ｚ系ガスを含むエッチングガスを使用した反応性イオンエッチングであることを特徴とする請求項１又は２記載の電子放出源の製造方法。