JP4579372B2

JP4579372B2 - Electron emitting device, method for manufacturing electron emitting device, and image display device

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Publication number: JP4579372B2
Application number: JP2000132696A
Authority: JP
Inventors: 喜萬中山; 成司秋田; 英雄黒川; 哲也白鳥
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2020-05-01
Also published as: JP2001312955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出型のフラットパネルディスプレイや、陰極線管、ランプ、電子銃など、電子エミッタ（電子源）を必要とする装置等に用いられる電子放出素子の製造方法に関するものである。この電子放出素子は、具体的には、カーボンナノチューブなどの針状構造を有する冷陰極部材を用いて構成される。本発明は、また、上記のような電子放出素子を用いて構成される画像表示素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、高いアスペクト比を有し、かつ、その先端部の曲率半径が小さい形状を有しているため、上記先端部に電界が集中しやすく、電子放出素子（電界放出型電子エミッタ）における冷陰極部材（電子放出材料、電子エミッタ材）として適している。具体的には、例えば、束ねた状態のカーボンナノチューブから、６４Ｖという低いターンオン電圧で、４００μＡ／ｃｍ²という大きな放出電流密度が得られることが、これまでに報告されている。
【０００３】
上記のようなカーボンナノチューブ等、針状構造の材料を冷陰極部材とする電子放出素子を例えばフラットパネルディスプレイなどに適用するためには、上記冷陰極部材を２次元的に配置する必要がある。このため、カーボンナノチューブを効率的に取り扱い、２次元的に配置して固定する技術、また、効率よく電界を印加して電子を放出させる技術が求められている。
【０００４】
そこで、例えば、de Heer et al. は、Science誌の第２７０巻、第１１７９頁（１９９５）にて、カーボンナノチューブの懸濁液をセラミックフィルタに流し、ろ過して、フィルタの表面上にカーボンナノチューブを配列させ、次に、上記配列したカーボンナノチューブをプラスチックシート上に移すことによって、カーボンナノチューブの２次元アレイを形成する技術を開示し、この方法によって得られたカーボンナノチューブの２次元アレイから電子の電界放出が得られた旨を報告している。
【０００５】
また、特開平１０−１４９７６０号公報には、電界放出型冷陰極装置における電子エミッタにカーボンナノチューブまたはフラーレンを用いる技術が開示されている。この技術では、支持基板上に複数配設される各電子エミッタは、例えば複数のカーボンナノチューブが、塗布や、圧着、埋め込み等の方法により、支持基板上に倒木が重なり合うような状態で設けられて構成されている。ここで、上記カーボンナノチューブは、例えば、アーク放電によってアノード電極としての炭素を昇華させ、カソード電極上に析出させることによって形成されている。
【０００６】
また、特開平１０−１２１２４号公報には、陽極酸化膜に規則正しく配設された細孔中に金属触媒を析出させ、その触媒作用により、カーボンナノチューブを成長させて電子エミッタを形成する技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記 de Heer et al. が開示している技術では、上記セラミックフィルタによるろ過の際やプラスチックシートへの転写の際に所定の領域だけにカーボンナノチューブを配置することが困難であり、パターン化された領域にカーボンナノチューブが配置された電子エミッタを得ることは困難である。また、カーボンナノチューブの密度の制御が容易ではないため、電子放出特性が、例えば中央部と周辺部となどで不均一になったり、製品ごとにばらついたりしがちであるという問題点を有していた。この問題点は、例えば２０型以上のディスプレイを製造する場合など、大きな面積の領域にカーボンナノチューブを配置する場合には特に大きなものとなる。
【０００８】
また、上記特開平１０−１４９７６０号公報に開示されているように、塗布等によってカーボンナノチューブを配置する方法では、形成されるカーボンナノチューブの方向性を制御することが困難である。このため、大きな放出電流密度を得ることが困難であるうえ、エミッション電流変動も大きくなりがちである。
【０００９】
また、上記特開平１０−１２１２４号公報に開示されている方法では、陽極酸化膜および細孔の形成や金属触媒の析出工程を必要とするうえ、金属触媒の触媒作用によってカーボンナノチューブを成長させるために、これらのプロセスに必要な手間や、時間などが多く、必ずしも十分な生産性を有するとは言い難い。
【００１０】
さらに、上記 de Heer.et.al. や、特開平１０−１４９７６０号公報、特開平１０−１２１２４号公報等に開示されている構成では、電子エミッタを構成するカーボンナノチューブは、単に電極基板に接触しているにすぎない。すなわち、両者間の接触は強固なものではなく、接触抵抗が大きくなりがちであるため、電子のやりとりが安定せず、やはり、大きな放出電流密度を得ることや、電流変動を小さくすることが困難であるという問題点を有していた。
【００１１】
なお、本願発明者らは、ポリシランから成る保持部材にカーボンナノチューブを固着させた構造の電子放出素子を検討した。しかしこの構成では、ポリシランの電気抵抗が大きいために、電子が放出されにくくなる。言い換えれば、大量の電子をエミッションさせようとすると、電圧降下が大きくなるために、高い印加電圧が必要となるという問題点があった。
【００１２】
上記のように、従来の電子放出素子においては、例えば２次元的な所定のパターン化された領域に、カーボンナノチューブ等を均一に配置することが困難であったり、配置されるカーボンナノチューブ等の方向性を制御することが困難であるなどのために、低い印加電圧で大きな放出電流密度を得ることが困難であるなどの問題点を有していた。また、電子放出素子の生産性を高めることも困難であるという問題点を有していた。
【００１３】
本発明は、上記の点に鑑み、低い印加電圧で大きな放出電流密度を得ることができる電子放出素子を高い生産性で製造することができ、また、例えば２次元的にパターン化された比較的大きな面積の領域などにカーボンナノチューブ等を配置することが容易にできる電子放出素子の製造方法の提供を目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１の電子放出素子の製造方法は、支持部材の上に導電層のパターンを形成する工程と、前記導電層のパターンを覆うように、前記支持部材の上にカーボン粒子を混入したポリシラン膜を形成する工程と、前記導電層のパターンの上に位置する前記ポリシラン膜の部分に選択的に、紫外線を照射し、その領域におけるポリシラン膜のＳｉ−Ｓｉ原子間結合を解離させる工程と、前記導電層を一方の電極とする電気泳動法或いは誘電泳動法により、前記ポリシラン膜の前記Ｓｉ−Ｓｉ原子間結合を解離させてできた隙間部分に、針状構造を有する冷陰極部材を泳動させて、前記支持部材に対して垂直な姿勢で埋設させる工程と、その後、熱処理することにより、前記Ｓｉ−Ｓｉ原子間結合が解離したポリシラン膜の部分をＳｉＯｘ化して硬化させるとともに、前記紫外線が照射されなかった残りのポリシラン膜の部分を分解させて除去する工程と、を備える。
【００２２】
また、上記粒子は、グラファイト、カーボンナノチューブ、およびフラーレンの少なくとも何れかのカーボン粒子であることを特徴としている。
【００２５】
前記針状構造を有する冷陰極部材はカーボンナノチューブであることを特徴としている。
【００３６】
前記熱処理は、２００℃以上、４５０℃以下で行われる。
【００４７】
本発明に係る電子放出素子の製造方法により、フォトリソグラフィなどを用いることなく、保持部材における２次元的にパターン化された比較的大きな面積の領域に冷陰極部材を配置するとともに、確実に埋設して、電子を効率よく放出させることのできる電子放出素子を高い生産性で製造することができる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
まず、カーボンナノチューブを基板上に配置させる原理について説明する。
【００４９】
本願発明者らは、六炭素環構造を含むカーボンの単体またはその集合体である針状構造の冷陰極部材として用い得るカーボンナノチューブ等が、電気泳動特性（または誘電泳動特性）を有することを見い出した。この特性を利用すれば、カーボンナノチューブを印加電界（電気力線）の方向に沿って配向させるとともに、電極に向けて移動させることが可能になる。
【００５０】
そこで、上記手法を用いて、ナイフエッジ上にカーボンナノチューブを１次元的に配列させ、所定の電圧を印加して冷陰極部材として作用させたところ、カーボンナノチューブの密度等にもよるが、例えば１μＡ／ｃｍ²の放出電流密度及び１６０Ｖのターンオン電圧が得られた。
【００５１】
同様に、カーボンナノチューブの電気泳動（または誘電泳動）現象を利用して、平板状の基板上にカーボンナノチューブを２次元的に配列させれば、大型の電子放出素子を容易に構成することができる。
【００５２】
（実施の形態１）
以下、電子放出素子について、具体的に説明する。
【００５３】
図１は、本実施の形態におけるカーボンナノチューブを用いた電界放出型の電子放出素子１０の構成を模式的に示す斜視図である。同図に示すように、支持部材として機能する誘電体基板である基板１１の表面には、帯状の複数の導電層１２が形成され、さらに、上記導電層１２上に、保持部材として機能する厚さが約１μｍのポリシラン膜１３が形成されている。ポリシラン膜１３には、針状構造の冷陰極部材である多数のカーボンナノチューブ１４が、基板１１に対してほぼ垂直で、その一端がポリシラン膜１３に埋め込まれるようにして固定されている。上記多数（複数）のカーボンナノチューブ１４によって、電子エミッタ（カソード）１５が構成されている。
【００５４】
上記基板１１としては、例えばコーニング社製の＃７０５９ガラスを用いることができるが、他のものも使用可能である。例えば、ポリマーフィルムや、各種セラミックス材料（アルミナなど）から成る基板などを使用することができる。
【００５５】
上記導電層１２は、特に限定されるものではないが、例えばアルミニウムから成り、カーボンナノチューブ１４に所定の電圧を印加するようになっている。
【００５６】
上記ポリシラン膜１３は、例えば、分子量が約１３００００のポリメチルフェニルシランから成り、導電率（シート抵抗）が０．５〜１．０×１０^-3（Ｓ／ｃｍ）になるように、４／１のポリシラン／カーボンブラック混合比でカーボンブラックの粒子が混入している。すなわち、単体のポリシランなどのＳｉ系ポリマー材料は比較的高抵抗であるが、上記のようにカーボンブラックの粒子を混入させることによって、電子放出効率を高め得るようになっている。なお、上記ポリシラン膜１３に代えて、ナノシラン等のＳｉ系ポリマー材料などを用いてもよい。また、混入させる粒子としては、より具体的には例えばグラファイトや、カーボンナノチューブ、フラーレン等のカーボン粒子などを適用することができるが、これらに限らず、導電性または半導体性の粒子であればよい。さらに、ポリシラン膜１３の導電率は上記の値に限らず、電子放出素子１０に必要とされる特性等に応じて、混入粒子の種類や混合比を設定すればよい。ここで、本願明細書で述べる「粒子」は、特定の形状に限定されるものではなく、いわゆる粒状の形状を有する分離された固体の他に、針状、筒状、球状等、様々な形状を有する分離された固体を包括的に示す。また簡単化のために、「粒子またはその凝集体」も、単に「粒子」と記す。ただし、上記粒子の大きさ（非対称な形状を有する場合には少なくとも最小寸法）は、ポリシラン膜１３の厚さよりも小さいことが好ましい。なお、上記ポリシラン膜１３の電気抵抗と電子放出能力との関係については、後に詳述する。
【００５７】
また、上記カーボンナノチューブ１４は、例えば直流アーク放電法によって形成されるものを用いることができる。（その内容は当業者には周知であるので、ここではその説明を省略する。）このような方法によって形成されるカーボンナノチューブ１４は一般に多面体構造を有しており、典型的には、長さが約１〜５μｍで、直径が約５〜５０ｎｍである。また、カーボンナノチューブは、上記直流アーク放電法以外の種々の公知の方法によって製造したものなどを用いることももちろん可能である。ただし、電子放出素子１０に低真空中で安定な動作をさせるためには、カーボンナノチューブの先端が多面体的に閉じた構造になっていることが好ましい。
次に、図２（ａ）〜（ｇ）を参照して、上記のような電子放出素子１０の製造プロセスを説明する。
（１）まず、図２（ａ）に示すように、基板１１の表面に、複数の帯状にパターニングされた導電層１２を形成する。上記導電層１２のパターニング処理は、半導体技術分野などで一般的に使用されているプロセス（例えばフォトリソグラフィなど）を使用することができるので、その説明はここでは省略する。
（２）次に、例えばスピンキャスト法によって、図２（ｂ）に示すように、基板１１および上記導電層１２を覆うように、カーボンブラックを混入させた、例えば厚さが約１μｍのポリシラン膜１３を形成する。
（３）続いて、図２（ｃ）に示すように、導電層１２のパターンに対応した開口パターンを有するマスク１６を介して、上記ポリシラン膜１３に、例えば水銀ランプから発せられた紫外（ＵＶ）光を照射する。これによって、図２（ｄ）に示すように、ポリシラン膜１３におけるＵＶ光が照射された領域１３ａで、原子間結合（通常はＳｉ−Ｓｉ結合）の光解離が生じる。このとき、上記領域１３ａのポリシラン膜１３は、上記光解離に起因して、３６０ｎｍの波長の光に対して透明になることによって光解離が生じたことを確認することができる。
（４）上記のような処理がなされた基板１１を、図２（ｅ）に示すように、電気泳動装置３１内に設置し、電気泳動装置３１内（基板１１と対向電極３２との間に形成されるギャップセル）にカーボンナノチューブ１４を分散させた溶液（懸濁液）３３を導入する。
【００５８】
ここで、上記カーボンナノチューブ１４は、例えば、前記のように直流アーク放電法によって収集部材上に析出したカーボンナノチューブを、超音波の印加によってイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）中に分散させ、得られた懸濁液を遠心分離器により不純物を除去して精製したものである。上記不純物除去プロセス後の懸濁液が、上記電気泳動装置３１のギャップセル内に導入される溶液３３として用いられる。なお、この溶液３３には、カーボンナノチューブの凝集を防止するために、トリトン等の活性剤を混入させるなどしてもよい。
【００５９】
溶液３３を導入した後、基板１１に形成された導電層１２と対向電極３２との間に所定の電圧を２０分間印加する。より詳しくは、例えば、室温で、導電層１２に負の電圧、対向電極３２に正の電圧を印加して、両者間に約２．０×１０³Ｖ／ｃｍの電界を形成する。この電界の形成によって、溶液３３中のカーボンナノチューブ１４は、電界（電気力線）に沿って配向するとともに、電気泳動現象によって、ポリシラン膜１３の表面に向かって移動する。ポリシラン膜１３における前記光解離が生じた領域１３ａに到達したカーボンナノチューブ１４は、前記光解離によって生じたポリシラン膜１３の隙間に、ある程度の深さまで挿入されて固定される。すなわち、カーボンナノチューブ１４は、基板１１上の平行な複数のストライプ状の領域に配置されて、基板１１にほぼ垂直な配向状態（姿勢）で、端部をポリシラン膜１３に埋め込まれるようにして固定される。
【００６０】
上記のようにカーボンナノチューブ１４の一部がポリシラン膜１３に挿入された状態になることは、次のようにして確認された。すなわち、ポリシラン膜１３の表面に固定された１４の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察したところ、カーボンナノチューブ１４は、ＵＶ光が照射された領域１３ａだけに存在し、かつ、カーボンナノチューブ１４の一部が他の部分に比べて低い透明度であることが観察され、その部分がポリシラン膜１３に挿入されていることが確認された。すなわち、上記のＳＥＭ観察の結果は、電気泳動現象によって、カーボンナノチューブ１４が効果的に配列され、基板１１にほぼ垂直に配向して効率的にポリシラン膜１３の表面に移動し、ポリシラン膜１３の表面における、ＵＶ光の照射によるＳｉ−Ｓｉ結合の光解離が生じた部分に、選択的にカーボンナノチューブ１４が挿入されていることを明確に示している。
【００６１】
上記約２０分間の電圧印加後に、カーボンナノチューブ１４を含む懸濁液（溶液３３）を除去して、基板１１を取り出す。
（５）上記カーボンナノチューブ１４がポリシラン膜１３に固定された基板１１を、図２（ｆ）に示すように、電気炉４１によって例えば２００〜４５０℃に加熱すると、前記ＵＶ光の照射によってＳｉ−Ｓｉ結合が解離した部分のポリシラン膜１３はＳｉＯｘ化し、硬化して、カーボンナノチューブ１４が強固に固着される。一方、ＵＶ光が照射されなかった部分のポリシラン膜１３は分解されて、図２（ｇ）に示すように除去される。ここで、加熱温度は上記の温度に限らないが、高すぎると（例えば４５０℃を越えると）、全ての領域のポリシラン膜１３が分解してしまう一方、低すぎると（２００℃より低いと）、十分なＳｉＯｘ化やＵＶ光が照射されなかった部分での分解が起こりにくい。なお、必要とされるカーボンナノチューブ１４の固着強度や保持部材の材質等によっては、上記加熱は必ずしも行わなくてもよく、またより低い温度で加熱するようにしてもよい。
次に、ポリシラン膜１３の電気抵抗について説明する。
【００６２】
上記のようにして作製された、大きさが１ｍｍ²の電子エミッタを有する電子放出素子と、上記電子エミッタから１ｍｍの間隔を空けて配置されたアノード電極と、上記電子放出素子およびアノード電極を包囲する包囲部材とを設けるとともに、その内部を排気することによって電子放出型ダイオード素子（電極構成）を構成し、印加電圧とエミッション電流との関係（電流−電圧特性：Ｉ−Ｖ特性）を調べた。その結果を図３に示す。また、同図には、併せて、同様の構成でポリシラン膜にカーボンブラックを混入させない場合（すなわち、ポリシラン膜が高抵抗な場合）の印加電圧とエミッション電流との関係も記す。同図から解るように、ポリシラン膜１３にカーボンブラックを混入させて電気抵抗を低く抑えた場合には、カーボンナノチューブ１４に効率よく電子が供給されるため、電子が放出されやすくなり、Ｉ−Ｖ曲線は立ち上がったものとなる。すなわち、ポリシラン膜１３の電気抵抗を５００ＭΩ以下、より好ましくは、１００ＭΩ以下にすることによって、ポリシラン膜１３での電圧降下を小さく抑えて、多くの電子の放出を容易にすることができる。
【００６３】
なお、電子放出素子におけるエミッション電流変動を小さく抑えるためには、ポリシラン膜の電気抵抗は１ＭΩ程度以上にすることが好ましい。すなわち、上記エミッション電流変動は、電子エミッタから放出される電子が残存気体分子に衝突して気体分子がイオン化し、そのイオンが電子エミッタの表面に再付着する際に電子エミッタの電位が瞬間的に変化することが原因であると考えられる。このようなエミッション電流変動は、本実施の形態の電子放出素子のように針状構造の冷陰極部材が基板１１にほぼ垂直で、かつ、その一端が保持部材に確実に埋めこまれるとともに他端が突出する構成である場合には、例えば冷陰極部材が倒木状に設けられている場合などに比べて、エミッションサイト（電子が放出される起点）が多いため、エミッション電流変動は平均化されて緩和されるが、ポリシラン膜１３の電気抵抗を上記のようにある程度大きく設定することにより、ポリシラン膜１３が安定化抵抗として作用するので、より小さく抑えることができる。
【００６４】
したがって、上記のように、ポリシラン膜１３の電気抵抗が１ＭΩ以上５００ＭΩ以下、より好ましくは１ＭΩ以上１００ＭΩ以下になるように、カーボンブラックの混入率等を設定することによって、電子の放出し易さを阻害することなく電流変動を小さく抑えることができる。ここで、上記抵抗値は、例えば図１に示す電子放出素子１０のように複数の画素に対応して電子エミッタ１５が形成される場合には、所定の電子放出範囲あたり、すなわち例えば各画素に対応する領域での電気抵抗が上記の範囲になるように設定すればよい。
【００６５】
なお、上記の例では、冷陰極部材としてカーボンナノチューブを用いた例を示したが、これに限らず、六炭素環構造を含むカーボンの単体または集合体であるような針状構造を有する他の材料、例えばカーボンファイバーなどを用いてもよい。また、上記カーボンファイバーは、その表面を毛羽立たせたものなどでもよい。また、実質的に針状構造を有するものであれば、グラフィトやフラーレンなどが混在するものや、これらがカーボンナノチューブに付着したものが含まれたものなどでもよい。これらを用いた場合でも、上記のような電気泳動を利用した製造プロセスを適用して、同様の構成、および効果を有する電子放出素子を作製することができる。
【００６６】
また、上記の例では、保持部材としてポリシラン膜１３を用い、ＵＶ光を照射することによって原子間結合の解離（光解離）を発生させる例を示したが、原子間結合の解離は、光照射の他の作用（例えばレーザー光などの局部的な照射による加熱）によって発生させたり（熱解離）、さらに、光以外のエネルギの印加によって発生させるなど、保持部材の構成材料等に応じた種々の方法によって発生させてもよい。
【００６７】
また、保持部材として、少なくとも一部の領域が実質的にポーラスな（微***を有する）材料、具体的には、例えば陽極酸化処理されたポーラスＳｉ等を用い、そのポーラス部分にカーボンナノチューブ等の一端が挿入されるようにしてもよい。
【００６８】
また、上記のように、基板１１上に帯状の複数の導電層１２を形成し、これに対応するパターンに、ポリシラン膜１３およびカーボンナノチューブ１４を配置することによって、後述する実施の形態２に示すように、導電層１２をそのまま信号線（走査線またはデータ線）として用いる、表示画素が２次元アレイ状に配置された画像表示素子を構成することができるが、これに限らず、電子放出素子１０が用いられる用途などに応じて、例えば導電層１２とポリシラン膜１３の形成およびカーボンナノチューブ１４の配置のパターンを基板１１上の全面にわたるようにしたり、また、他の所定のパターンになるようにしたりしてもよい。
【００６９】
また、導電層１２だけを所定のパターンに形成して、ポリシラン膜１３の形成およびカーボンナノチューブ１４の配置のパターンを基板１１上の全面にわたるようにするなどしてもよい。
【００７０】
また、上記のように、マスク１６を介してポリシラン膜１３に部分的に紫外光を照射することにより、ポリシラン膜１３における紫外光が照射された領域だけにカーボンナノチューブ１４を配置するとともに、後の加熱工程によってポリシラン膜１３の硬化とパターニングとを同時に行うことができるが、これに限らず、必要に応じて、あらかじめポリシラン膜１３をフォトリソグラフィなどによってパターニングした後に、残ったポリシラン膜１３の全体（基板１１の全面）にわたって紫外光を照射するなどしてもよい。
【００７１】
また、基板１１の全面にポリシラン膜１３の形成、およびカーボンナノチューブ１４の配置を行った後に、フォトリソグラフィなどによって、ポリシラン膜１３および／またはカーボンナノチューブ１４が配置される領域をパターニングするなどしてもよい。
【００７２】
また、導電層１２は、上記のように基板１１とポリシラン膜１３との間に形成するのに限らず、カーボンナノチューブ１４が配置された後に、ポリシラン膜１３の表面に形成するようにしてもよい。
【００７３】
また、保持部材自体を半導体材料または導電体材料で構成するようにしてもよい。
（実施の形態２）
前記実施の形態１の電子放出素子を用いた画像表示素子、およびこの画像表示素子と駆動回路とを有する画像表示装置（フラットパネルディスプレイ）について説明する。
【００７４】
図４は、画像表示素子の構成を模式的に示す斜視図、図５は、画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【００７５】
画像表示素子５０は、図４に示すように、電子放出素子１０と、この電子放出素子１０と所定の間隔を空けて設けられた対向基板５１とを備えている。上記電子放出素子１０と対向基板５１とは、周辺部で図示しないシール部材によって接着され、間の空隙が所定の圧力の低真空に保たれている。
【００７６】
対向基板５１には、電子放出素子１０における導電層１２と直交する方向の複数の帯状の導電層（アノード電極）５２、および電子線の照射によって発光する例えば蛍光体等の発光体層（画像形成部材）５３が設けられている。上記各導電層１２と導電層５２との交差部によって、表示画素が構成されている。すなわち、複数の導電層１２・５２が、それぞれ帯状にパターニングされて形成され、これらの導電層１２・５２がそのまま信号線（走査線またはデータ線）として使用されることにより、２次元アレイ状に配置された表示画素が形成され、ビットマップ画像が表示されるようになっている。
【００７７】
画像表示装置６０は、図５に示すように、上記画像表示素子５０、画像表示素子５０に駆動電圧を印加する制御駆動回路６１、および制御駆動回路６１に電力を供給する電源６２が設けられて構成されている。上記制御駆動回路６１は、入力される画素ごとの画像信号に応じた電圧を、各導電層１２および導電層５２に、順次、選択的に印加するようになっている。これにより、各画素ごとに発光体層５３が画像信号電圧に応じた輝度で発光し、画像信号に応じた画像が表示される。
【００７８】
上記のように、実施の形態１の電子放出素子を用いることにより、効率よく電子が放出されるので、比較的低い印加電圧で高い輝度の画像を表示させることが容易にできる。
【００７９】
なお、上記の例では、導電層１２と導電層５２との間に画像信号に応じた電圧を印加する２端子型の単純マトリクスの構成を有する画像表示素子について説明したが、これに限らず、導電層１２・５２の間に引出電極を設けて、この引出電極に印加する電圧によって表示制御を行うようにするなどしてもよい。
【００８０】
また、導電層１２（ポリシラン膜１３）が帯状にパターニングされて形成されたものに限らず、他の所定のパターン、または単一のパターンに形成された電子放出素子１０を用いたり、また、これらの電子放出素子１０を複数配列させて画像表示素子を構成するなどしてもよい。
【００８１】
また、電子放出素子は、上記のようなフラットパネルディスプレイに限らず、陰極線管や、ランプ、電子銃など、電子源（電子エミッタ）を必要とする種々の用途に適用可能であることは、当業者にとっては明らかである。
【００８２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００８３】
すなわち、半導体部材や導電性部材を含む保持部材に、針状構造を有する冷陰極部材を、支持部材にほぼ垂直な姿勢で、一端が上記保持部材に埋設され、他端が上記保持部材から露出するように保持せることにより、低い印加電圧で大きな放出電流密度を得ることができる。また、上記保持部材による冷陰極部材の保持を電気泳動によって行わせることにより、例えば２次元的にパターン化された比較的大きな面積の領域などに冷陰極部材を高い密度および均一性で配置することが容易にできるとともに、生産性も向上させることが容易にできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の電子放出素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１の電子放出素子の製造工程を示す説明図である。
【図３】実施の形態１の電子放出素子を用いた電子放出型ダイオード素子の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【図４】実施の形態２の画像表示素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図５】実施の形態２の画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０電子放出素子
１１基板
１２導電層
１３ポリシラン膜
１３ａ領域
１４カーボンナノチューブ
１５電子エミッタ（カソード）
１６マスク
３１電気泳動装置
３２対向電極
３３溶液
４１電気炉
５０画像表示素子
５１対向基板
５２導電層
５３発光体層
６０画像表示装置
６１制御駆動回路
６２電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an electron emission used in a device that requires an electron emitter (electron source) such as a field emission type flat panel display, a cathode ray tube, a lamp, and an electron gun.ElementalIt relates to a manufacturing method. Specifically, this electron-emitting device is configured using a cold cathode member having a needle-like structure such as a carbon nanotube. The present invention also relates to an image display device configured using the electron-emitting device as described above.
[0002]
[Prior art]
Since the carbon nanotube has a shape with a high aspect ratio and a small radius of curvature at the tip, the electric field tends to concentrate on the tip, and in the electron-emitting device (field emission electron emitter) Suitable as a cold cathode member (electron emitting material, electron emitter material). Specifically, for example, from a bundle of carbon nanotubes, at a turn-on voltage as low as 64 V, 400 μA / cm²It has been reported so far that a large emission current density can be obtained.
[0003]
In order to apply, for example, a flat panel display or the like to an electron-emitting device having a cold cathode member made of a material having a needle-like structure such as the carbon nanotube as described above, it is necessary to arrange the cold cathode member two-dimensionally. For this reason, there is a need for a technique for efficiently handling carbon nanotubes, two-dimensionally arranging and fixing them, and a technique for efficiently applying an electric field to emit electrons.
[0004]
Thus, for example, in De Heer et al., Science, Vol. 270, page 1179 (1995), a suspension of carbon nanotubes was passed through a ceramic filter, filtered, and carbon nanotubes were deposited on the surface of the filter. And then transferring the arrayed carbon nanotubes onto a plastic sheet to form a two-dimensional array of carbon nanotubes. From the two-dimensional array of carbon nanotubes obtained by this method, an electron Reported that field emission was obtained.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-149760 discloses a technique of using carbon nanotubes or fullerenes as electron emitters in a field emission cold cathode device. In this technique, a plurality of electron emitters arranged on a support substrate are provided in such a manner that, for example, a plurality of carbon nanotubes are overlapped with a fallen tree on the support substrate by a method such as coating, pressure bonding, or embedding. It is configured. Here, the carbon nanotube is formed, for example, by sublimating carbon as an anode electrode by arc discharge and depositing on the cathode electrode.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-12124 discloses a technique for depositing a metal catalyst in pores regularly arranged in an anodic oxide film, and growing carbon nanotubes by the catalytic action to form an electron emitter. Has been.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique disclosed by de Heer et al., It is difficult to place carbon nanotubes only in a predetermined area during filtration with the ceramic filter or transfer to a plastic sheet. It is difficult to obtain an electron emitter in which carbon nanotubes are arranged in the formed region. In addition, since it is not easy to control the density of the carbon nanotubes, there is a problem in that the electron emission characteristics tend to be uneven, for example, at the central portion and the peripheral portion or vary from product to product. It was. This problem becomes particularly serious when carbon nanotubes are arranged in a large area, for example, in the case of manufacturing a display of 20 type or more.
[0008]
Further, as disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-149760, it is difficult to control the directionality of the formed carbon nanotubes by the method of arranging the carbon nanotubes by coating or the like. For this reason, it is difficult to obtain a large emission current density, and the emission current fluctuation tends to be large.
[0009]
Further, the method disclosed in the above-mentioned JP-A-10-12124 requires the formation of an anodic oxide film and pores and a metal catalyst deposition step, and the growth of carbon nanotubes by the catalytic action of the metal catalyst. In addition, the labor and time required for these processes are large, and it is difficult to say that they have sufficient productivity.
[0010]
Further, in the configurations disclosed in the above-mentioned de Heer. Et.al., JP-A-10-149760, JP-A-10-12124, etc., the carbon nanotubes constituting the electron emitter are simply in contact with the electrode substrate. I'm just doing it. In other words, the contact between the two is not strong, and the contact resistance tends to increase, so the exchange of electrons is not stable, and it is still difficult to obtain a large emission current density and to reduce the current fluctuation. It had the problem of being.
[0011]
The inventors of the present application have studied an electron-emitting device having a structure in which carbon nanotubes are fixed to a holding member made of polysilane. However, in this configuration, since the electric resistance of polysilane is large, electrons are hardly emitted. In other words, if a large amount of electrons are to be emitted, the voltage drop becomes large, so that a high applied voltage is required.
[0012]
As described above, in the conventional electron-emitting device, for example, it is difficult to uniformly arrange carbon nanotubes or the like in a predetermined two-dimensional patterned region, or the direction of the arranged carbon nanotubes or the like For example, since it is difficult to control the characteristics, it is difficult to obtain a large emission current density with a low applied voltage. In addition, it is difficult to increase the productivity of the electron-emitting device.
[0013]
  In view of the above points, the present invention provides an electron-emitting device capable of obtaining a large emission current density with a low applied voltage.ChildAn object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electron-emitting device that can be manufactured with high productivity and that can easily arrange carbon nanotubes or the like in a two-dimensionally patterned region having a relatively large area. It is said.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object,The method for manufacturing an electron-emitting device includes a step of forming a pattern of a conductive layer on a support member, and a step of forming a polysilane film mixed with carbon particles on the support member so as to cover the pattern of the conductive layer And selectively irradiating a portion of the polysilane film located on the pattern of the conductive layer with ultraviolet rays to dissociate the Si—Si atoms bonds of the polysilane film in the region, A cold cathode member having a needle-like structure is migrated to a gap portion formed by dissociating the Si-Si interatomic bond of the polysilane film by electrophoresis or dielectrophoresis using the electrode of When the portion of the polysilane film in which the Si-Si interatomic bond is dissociated is converted into SiOx and cured by a step of embedding in a posture perpendicular to the surface and then heat treatment. Moni, and a step of removing by decomposing part of the remaining polysilane film in which the ultraviolet rays was not irradiated.
[0022]
  MaThe topThe particles are characterized by being carbon particles of at least one of graphite, carbon nanotubes, and fullerenes.
[0025]
  Cold cathode having the needle-like structureThe member is characterized by being a carbon nanotube.
[0036]
  The heat treatment200 ℃ or more and 450 ℃ or lessDone.
[0047]
  Manufacturing method of electron-emitting device according to the present inventionTherefore, the cold cathode member can be arranged in a two-dimensionally patterned region having a relatively large area on the holding member without using photolithography, and can be securely embedded to efficiently emit electrons. An electron-emitting device that can be manufactured can be manufactured with high productivity.
[0048]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the principle of disposing carbon nanotubes on a substrate will be described.
[0049]
The inventors of the present application have found that carbon nanotubes that can be used as a cold cathode member having a needle-like structure, which is a simple substance or an aggregate of carbon containing a six-carbon ring structure, have electrophoretic characteristics (or dielectrophoretic characteristics). It was. By utilizing this characteristic, it becomes possible to align the carbon nanotube along the direction of the applied electric field (lines of electric force) and move it toward the electrode.
[0050]
Therefore, when the carbon nanotubes are arranged one-dimensionally on the knife edge and applied as a cold cathode member by applying a predetermined voltage using the above method, for example, 1 μA depending on the density of the carbon nanotubes. / Cm²Emission current density and 160V turn-on voltage were obtained.
[0051]
Similarly, if the carbon nanotubes are two-dimensionally arranged on a flat substrate using the electrophoresis (or dielectrophoresis) phenomenon of carbon nanotubes, a large electron-emitting device can be easily constructed. .
[0052]
(Embodiment 1)
Hereinafter, the electron-emitting device will be specifically described.
[0053]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of a field emission type electron-emitting device 10 using carbon nanotubes in the present embodiment. As shown in the figure, a plurality of strip-like conductive layers 12 are formed on the surface of a substrate 11 that is a dielectric substrate that functions as a support member, and a thickness that functions as a holding member is formed on the conductive layer 12. A polysilane film 13 having a length of about 1 μm is formed. A large number of carbon nanotubes 14, which are needle-like cold cathode members, are fixed to the polysilane film 13 so as to be substantially perpendicular to the substrate 11 and have one end embedded in the polysilane film 13. An electron emitter (cathode) 15 is constituted by the large number (plurality) of carbon nanotubes 14.
[0054]
As the substrate 11, for example, Corning # 7059 glass can be used, but other substrates can also be used. For example, a polymer film or a substrate made of various ceramic materials (such as alumina) can be used.
[0055]
The conductive layer 12 is not particularly limited, but is made of, for example, aluminum, and applies a predetermined voltage to the carbon nanotubes 14.
[0056]
The polysilane film 13 is made of, for example, polymethylphenylsilane having a molecular weight of about 130,000 and has a conductivity (sheet resistance) of 0.5 to 1.0 × 10 6.^-3The carbon black particles are mixed at a polysilane / carbon black mixing ratio of 4/1 so as to be (S / cm). That is, although a simple Si-based polymer material such as polysilane has a relatively high resistance, the electron emission efficiency can be improved by mixing carbon black particles as described above. In place of the polysilane film 13, a Si-based polymer material such as nanosilane may be used. As the particles to be mixed, more specifically, for example, carbon particles such as graphite, carbon nanotubes, and fullerenes can be applied. However, the particles are not limited to these and may be conductive or semiconductive particles. . Furthermore, the conductivity of the polysilane film 13 is not limited to the above value, and the type and mixing ratio of the mixed particles may be set according to the characteristics required for the electron-emitting device 10. Here, the “particle” described in the present specification is not limited to a specific shape, and various shapes such as a needle shape, a cylindrical shape, a spherical shape, etc., in addition to a separated solid having a so-called granular shape. The isolated solids having are shown generically. For the sake of simplicity, “particles or aggregates thereof” are also simply referred to as “particles”. However, it is preferable that the size of the particles (or at least the minimum dimension in the case of an asymmetric shape) is smaller than the thickness of the polysilane film 13. The relationship between the electrical resistance and the electron emission capability of the polysilane film 13 will be described in detail later.
[0057]
The carbon nanotube 14 may be formed by, for example, a direct current arc discharge method. (The contents are well known to those skilled in the art, and the description thereof is omitted here.) The carbon nanotubes 14 formed by such a method generally have a polyhedral structure and typically have a length. Is about 1-5 μm and the diameter is about 5-50 nm. Of course, carbon nanotubes produced by various known methods other than the direct current arc discharge method can also be used. However, in order for the electron-emitting device 10 to perform a stable operation in a low vacuum, it is preferable that the tip of the carbon nanotube has a polyhedrally closed structure.
Next, a manufacturing process of the electron-emitting device 10 as described above will be described with reference to FIGS.
(1) First, as shown in FIG. 2A, the conductive layer 12 patterned into a plurality of strips is formed on the surface of the substrate 11. Since the patterning process of the conductive layer 12 can use a process (for example, photolithography) generally used in the semiconductor technical field or the like, description thereof is omitted here.
(2) Next, as shown in FIG. 2B, for example, by spin casting, carbon black is mixed so as to cover the substrate 11 and the conductive layer 12, for example, a polysilane film having a thickness of about 1 μm. 13 is formed.
(3) Subsequently, as shown in FIG. 2C, ultraviolet (UV) emitted from, for example, a mercury lamp is applied to the polysilane film 13 through a mask 16 having an opening pattern corresponding to the pattern of the conductive layer 12. ) Irradiate light. As a result, as shown in FIG. 2D, photodissociation of interatomic bonds (usually Si—Si bonds) occurs in the region 13a of the polysilane film 13 irradiated with UV light. At this time, it can be confirmed that the polysilane film 13 in the region 13a is transparent to light having a wavelength of 360 nm due to the photodissociation, thereby causing photodissociation.
(4) As shown in FIG. 2 (e), the substrate 11 that has been subjected to the above-described processing is placed in the electrophoresis apparatus 31, and the inside of the electrophoresis apparatus 31 (between the substrate 11 and the counter electrode 32). A solution (suspension) 33 in which the carbon nanotubes 14 are dispersed is introduced into the gap cell to be formed.
[0058]
Here, the carbon nanotubes 14 are obtained by, for example, dispersing the carbon nanotubes deposited on the collecting member by the DC arc discharge method as described above in isopropyl alcohol (IPA) by applying ultrasonic waves. The liquid was purified by removing impurities with a centrifuge. The suspension after the impurity removal process is used as the solution 33 introduced into the gap cell of the electrophoresis apparatus 31. The solution 33 may be mixed with an activator such as Triton in order to prevent aggregation of carbon nanotubes.
[0059]
After introducing the solution 33, a predetermined voltage is applied for 20 minutes between the conductive layer 12 formed on the substrate 11 and the counter electrode 32. More specifically, for example, at room temperature, a negative voltage is applied to the conductive layer 12 and a positive voltage is applied to the counter electrode 32, and approximately 2.0 × 10 10 between them.^ThreeAn electric field of V / cm is formed. Due to the formation of this electric field, the carbon nanotubes 14 in the solution 33 are aligned along the electric field (lines of electric force) and move toward the surface of the polysilane film 13 by the electrophoresis phenomenon. The carbon nanotubes 14 that have reached the region 13a where the photodissociation has occurred in the polysilane film 13 are inserted and fixed to a certain depth in the gaps between the polysilane films 13 caused by the photodissociation. That is, the carbon nanotubes 14 are arranged in a plurality of parallel stripe regions on the substrate 11 and fixed so that the end portions are embedded in the polysilane film 13 in an orientation state (posture) substantially perpendicular to the substrate 11. Is done.
[0060]
It was confirmed as follows that a part of the carbon nanotubes 14 was inserted into the polysilane film 13 as described above. That is, when the state 14 fixed to the surface of the polysilane film 13 is observed with a scanning electron microscope (SEM), the carbon nanotubes 14 are present only in the region 13a irradiated with UV light, and the carbon nanotubes 14 are present. It was observed that a part of the film had a lower transparency than the other part, and it was confirmed that the part was inserted into the polysilane film 13. That is, the result of the above SEM observation shows that the carbon nanotubes 14 are effectively arranged by the electrophoresis phenomenon, are oriented almost perpendicularly to the substrate 11, and efficiently move to the surface of the polysilane film 13. It clearly shows that the carbon nanotubes 14 are selectively inserted in the portion of the surface where the photodissociation of the Si—Si bond due to UV light irradiation has occurred.
[0061]
After the voltage application for about 20 minutes, the suspension (solution 33) containing the carbon nanotubes 14 is removed, and the substrate 11 is taken out.
(5) When the substrate 11 on which the carbon nanotubes 14 are fixed to the polysilane film 13 is heated to, for example, 200 to 450 ° C. by an electric furnace 41 as shown in FIG. The portion of the polysilane film 13 where the Si bond is dissociated is turned into SiOx and cured, and the carbon nanotubes 14 are firmly fixed. On the other hand, the portion of the polysilane film 13 that has not been irradiated with UV light is decomposed and removed as shown in FIG. Here, the heating temperature is not limited to the above temperature, but if it is too high (for example, exceeding 450 ° C.), the polysilane film 13 in all regions is decomposed, whereas if it is too low (below 200 ° C.). Therefore, it is difficult to cause decomposition at a portion where sufficient SiOx conversion or UV light is not irradiated. Note that, depending on the required fixing strength of the carbon nanotubes 14, the material of the holding member, and the like, the heating may not be necessarily performed, and may be performed at a lower temperature.
Next, the electrical resistance of the polysilane film 13 will be described.
[0062]
Made as described above, the size is 1mm²An electron-emitting device having a plurality of electron emitters, an anode electrode disposed at a distance of 1 mm from the electron emitter, a surrounding member surrounding the electron-emitting device and the anode electrode, and exhausting the inside thereof Thus, an electron-emitting diode element (electrode configuration) was constructed, and the relationship between applied voltage and emission current (current-voltage characteristics: IV characteristics) was examined. The result is shown in FIG. The figure also shows the relationship between the applied voltage and the emission current when carbon black is not mixed into the polysilane film with the same configuration (that is, when the polysilane film has a high resistance). As can be seen from the figure, when carbon black is mixed into the polysilane film 13 to suppress the electrical resistance to a low level, electrons are efficiently supplied to the carbon nanotubes 14, so that electrons are likely to be emitted, and IV The curve is upright. That is, by making the electric resistance of the polysilane film 13 500 MΩ or less, more preferably 100 MΩ or less, a voltage drop in the polysilane film 13 can be suppressed to be small, and many electrons can be easily emitted.
[0063]
In order to keep the emission current fluctuation in the electron-emitting device small, it is preferable that the electrical resistance of the polysilane film is about 1 MΩ or more. That is, the emission current fluctuation is caused when the electrons emitted from the electron emitter collide with the remaining gas molecules, ionize the gas molecules, and when the ions reattach to the surface of the electron emitter, the potential of the electron emitter instantaneously changes. It is thought that the cause is change. Such an emission current fluctuation is caused by the fact that the cold cathode member having a needle-like structure is substantially perpendicular to the substrate 11 as in the electron-emitting device of the present embodiment, and one end of the cold cathode member is securely embedded in the holding member. In the case of the structure in which the protrusion protrudes, for example, there are more emission sites (starting points from which electrons are emitted) than when the cold cathode member is provided in the shape of a fallen tree. Although mitigated, by setting the electrical resistance of the polysilane film 13 to be large to some extent as described above, the polysilane film 13 acts as a stabilizing resistance, so that it can be further reduced.
[0064]
Therefore, as described above, by setting the carbon black mixing rate etc. so that the electrical resistance of the polysilane film 13 is 1 MΩ to 500 MΩ, more preferably 1 MΩ to 100 MΩ, the ease of electron emission is improved. Current fluctuation can be suppressed to a low level without hindering. Here, when the electron emitters 15 are formed corresponding to a plurality of pixels as in the electron-emitting device 10 shown in FIG. 1, for example, the resistance value corresponds to a predetermined electron emission range, that is, for example, to each pixel. What is necessary is just to set so that the electrical resistance in a corresponding area | region may become said range.
[0065]
In the above example, the carbon nanotube is used as the cold cathode member. However, the present invention is not limited to this, and other examples having a needle-like structure that is a simple substance or an aggregate of carbon including a six-carbon ring structure. A material such as carbon fiber may be used. In addition, the carbon fiber may be one whose surface is fluffed. In addition, as long as it has a substantially needle-like structure, it may be a mixture of graphite, fullerene, or the like, or a structure in which these adhere to carbon nanotubes. Even when these are used, an electron-emitting device having the same configuration and effect can be manufactured by applying the manufacturing process using electrophoresis as described above.
[0066]
In the above example, the polysilane film 13 is used as the holding member, and the dissociation (photodissociation) of the interatomic bond is generated by irradiating with UV light. It is generated by other actions (for example, heating by local irradiation such as laser light) (thermal dissociation), and further generated by application of energy other than light. It may be generated by a method.
[0067]
Further, as the holding member, a material in which at least a part of the region is substantially porous (having a minute hole), specifically, anodized porous Si or the like, for example, is used. One end may be inserted.
[0068]
Further, as described above, a plurality of strip-like conductive layers 12 are formed on the substrate 11, and the polysilane film 13 and the carbon nanotubes 14 are arranged in a pattern corresponding to the conductive layers 12, and the second embodiment will be described later. Thus, an image display element in which display pixels are arranged in a two-dimensional array using the conductive layer 12 as it is as a signal line (scanning line or data line) can be configured. For example, the conductive layer 12 and the polysilane film 13 may be formed and the carbon nanotubes 14 may be arranged over the entire surface of the substrate 11 or may have another predetermined pattern. Or you may.
[0069]
Alternatively, only the conductive layer 12 may be formed in a predetermined pattern so that the formation pattern of the polysilane film 13 and the arrangement pattern of the carbon nanotubes 14 extend over the entire surface of the substrate 11.
[0070]
Further, as described above, by partially irradiating the polysilane film 13 with ultraviolet light through the mask 16, the carbon nanotubes 14 are disposed only in the region irradiated with the ultraviolet light in the polysilane film 13, and later The curing and patterning of the polysilane film 13 can be performed simultaneously by the heating process. However, the present invention is not limited to this, and if necessary, after the polysilane film 13 is patterned in advance by photolithography or the like, the entire remaining polysilane film 13 ( Ultraviolet light may be irradiated over the entire surface of the substrate 11.
[0071]
Alternatively, after the polysilane film 13 is formed on the entire surface of the substrate 11 and the carbon nanotubes 14 are arranged, the region where the polysilane film 13 and / or the carbon nanotubes 14 are arranged is patterned by photolithography or the like. Good.
[0072]
Further, the conductive layer 12 is not limited to being formed between the substrate 11 and the polysilane film 13 as described above, but may be formed on the surface of the polysilane film 13 after the carbon nanotubes 14 are disposed. .
[0073]
The holding member itself may be made of a semiconductor material or a conductor material.
(Embodiment 2)
An image display element using the electron-emitting device of the first embodiment and an image display device (flat panel display) having the image display element and a drive circuit will be described.
[0074]
FIG. 4 is a perspective view schematically showing the configuration of the image display element, and FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the image display device.
[0075]
As shown in FIG. 4, the image display element 50 includes an electron-emitting device 10 and a counter substrate 51 provided at a predetermined interval from the electron-emitting device 10. The electron-emitting device 10 and the counter substrate 51 are bonded to each other by a seal member (not shown) at the periphery, and the gap between them is kept at a low vacuum with a predetermined pressure.
[0076]
The counter substrate 51 includes a plurality of strip-shaped conductive layers (anode electrodes) 52 in a direction orthogonal to the conductive layer 12 in the electron-emitting device 10 and a light-emitting layer such as a phosphor that emits light when irradiated with an electron beam (image formation). Member) 53 is provided. A display pixel is configured by the intersection of each conductive layer 12 and conductive layer 52. That is, a plurality of conductive layers 12 and 52 are formed by patterning each in a strip shape, and these conductive layers 12 and 52 are used as signal lines (scanning lines or data lines) as they are to form a two-dimensional array. Arranged display pixels are formed, and a bitmap image is displayed.
[0077]
As shown in FIG. 5, the image display device 60 is provided with the image display element 50, a control drive circuit 61 that applies a drive voltage to the image display element 50, and a power supply 62 that supplies power to the control drive circuit 61. It is configured. The control drive circuit 61 selectively applies a voltage corresponding to an input image signal for each pixel to each conductive layer 12 and the conductive layer 52 sequentially. As a result, the light emitting layer 53 emits light at a luminance corresponding to the image signal voltage for each pixel, and an image corresponding to the image signal is displayed.
[0078]
As described above, since the electrons are efficiently emitted by using the electron-emitting device of Embodiment 1, it is possible to easily display a high-luminance image with a relatively low applied voltage.
[0079]
In the above example, an image display element having a two-terminal simple matrix configuration in which a voltage corresponding to an image signal is applied between the conductive layer 12 and the conductive layer 52 has been described. An extraction electrode may be provided between the conductive layers 12 and 52, and display control may be performed by a voltage applied to the extraction electrode.
[0080]
The conductive layer 12 (polysilane film 13) is not limited to be formed by patterning in a strip shape, but may use other predetermined patterns or electron-emitting devices 10 formed in a single pattern. A plurality of the electron-emitting devices 10 may be arranged to constitute an image display device.
[0081]
In addition, the electron-emitting device is not limited to the flat panel display as described above, but can be applied to various applications requiring an electron source (electron emitter) such as a cathode ray tube, a lamp, and an electron gun. It is clear to the contractor.
[0082]
【The invention's effect】
The present invention is implemented in the form as described above, and has the following effects.
[0083]
That is, a cold cathode member having a needle-like structure is held in a holding member including a semiconductor member or a conductive member in a posture substantially perpendicular to the support member, and one end is embedded in the holding member and the other end is exposed from the holding member. By holding in such a manner, a large emission current density can be obtained with a low applied voltage. Further, by holding the cold cathode member by the holding member by electrophoresis, for example, the cold cathode member is disposed with a high density and uniformity in a two-dimensionally patterned region having a relatively large area. As a result, the productivity can be easily improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of an electron-emitting device according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the electron-emitting device of the first embodiment.
FIG. 3 is a graph showing current-voltage characteristics (IV characteristics) of an electron-emitting diode element using the electron-emitting element of Embodiment 1;
4 is a perspective view schematically showing a configuration of an image display element according to a second embodiment. FIG.
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of an image display apparatus according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
10 electron-emitting devices
11 Substrate
12 Conductive layer
13 Polysilane film
13a area
14 Carbon nanotube
15 Electron emitter (cathode)
16 mask
31 Electrophoresis device
32 Counter electrode
33 Solution
41 Electric furnace
50 Image display element
51 Counter substrate
52 Conductive layer
53 Luminescent layer
60 Image display device
61 Control drive circuit
62 Power supply

Claims

支持部材の上に導電層のパターンを形成する工程と、
前記導電層のパターンを覆うように、前記支持部材の上にカーボン粒子を混入したポリシラン膜を形成する工程と、
前記導電層のパターンの上に位置する前記ポリシラン膜の部分に選択的に、紫外線を照射し、その領域におけるポリシラン膜のＳｉ−Ｓｉ原子間結合を解離させる工程と、
前記導電層を一方の電極とする電気泳動法或いは誘電泳動法により、前記ポリシラン膜の前記Ｓｉ−Ｓｉ原子間結合を解離させてできた隙間部分に、針状構造を有する冷陰極部材を泳動させて、前記支持部材に対して垂直な姿勢で埋設させる工程と、
その後、熱処理することにより、前記Ｓｉ−Ｓｉ原子間結合が解離したポリシラン膜の部分をＳｉＯｘ化して硬化させるとともに、前記紫外線が照射されなかった残りのポリシラン膜の部分を分解させて除去する工程と、を備えた電子放出素子の製造方法。 Forming a conductive layer pattern on the support member;
Forming a polysilane film mixed with carbon particles on the support member so as to cover the pattern of the conductive layer;
Selectively irradiating the portion of the polysilane film located on the pattern of the conductive layer with ultraviolet rays to dissociate the Si-Si interatomic bond of the polysilane film in the region;
A cold cathode member having a needle-like structure is migrated to a gap formed by dissociating the Si-Si interatomic bond of the polysilane film by electrophoresis or dielectrophoresis using the conductive layer as one electrode. Burying in a posture perpendicular to the support member;
Thereafter, by heat-treating, the portion of the polysilane film in which the Si-Si interatomic bond is dissociated is converted to SiOx and cured, and the remaining portion of the polysilane film that has not been irradiated with ultraviolet rays is decomposed and removed. A method for manufacturing an electron-emitting device comprising:

前記針状構造を有する冷陰極部材はカーボンナノチューブである請求項１に記載の電子放出素子の製造方法。 The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 1, wherein the cold cathode member having a needle-like structure is a carbon nanotube.

前記熱処理は、２００℃以上４５０℃以下で行う、請求項１に記載の電子放出素子の製造方法。 The method for manufacturing an electron-emitting device according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

前記カーボン粒子は、グラファイト、カーボンナノチューブ又はフラーレンである請求項１に記載の電子放出素子の製造方法。 The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 1, wherein the carbon particles are graphite, carbon nanotube, or fullerene.

前記カーボン粒子の大きさは、前記ポリシラン膜の厚さよりも小さい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方法。 2. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 1, wherein the size of the carbon particles is smaller than the thickness of the polysilane film.

請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法によって得られた電子放出素子。 An electron-emitting device obtained by the method according to claim 1.

請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法によって得られた電子放出素子と、 An electron-emitting device obtained by the method according to any one of claims 1 to 5,
前記電子放出素子から放出された電子により画像を形成する画像形成部材とを備えた画像表示素子。 An image display element comprising: an image forming member that forms an image with electrons emitted from the electron emission element.