JP5158809B2 - Electron emitter - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンナノチューブ等の炭素系材料を用いた電子放出素子に関する。 The present invention relates to an electron-emitting device using a carbon-based material such as a carbon nanotube.
近年、ディスプレイの研究が活発化しており、中でも、低電力で画像を表示することができるＦＥＤ（Field Emission Display：電界放出ディスプレイ）等が注目されている。
ＦＥＤとは画像表示デバイスの１つであり、電子放出素子から電子を真空中に放出し、蛍光体へ衝突させることで蛍光体を発光させ、画像等を表示する装置である。
In recent years, research on displays has been activated, and in particular, FED (Field Emission Display) that can display an image with low power has attracted attention.
FED is one of image display devices, and is an apparatus that displays an image or the like by emitting electrons from an electron-emitting device into a vacuum and causing the phosphors to collide with the phosphors to emit light.
また、ＦＥＤに使用される電子放出素子（エミッタ）には、近年、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー等の炭素系材料が頻繁に用いられている。
なかでも、カーボンナノチューブは、夫々の繊維においてアスペクト比が大きく、先端の曲率半径が小さいので、高い電界強度が得られ、電子放出素子として優れた性質を有する。そのため、他の炭素系材料に比しても高い注目を集めている。
In recent years, carbon-based materials such as carbon nanotubes and carbon nanofibers are frequently used for electron-emitting devices (emitters) used in FEDs.
Among them, the carbon nanotube has a large aspect ratio in each fiber and a small radius of curvature at the tip, so that a high electric field strength can be obtained and it has excellent properties as an electron-emitting device. Therefore, it has attracted much attention compared to other carbon-based materials.
従来のエミッタとしては、柱状エミッタ（特許文献１）や、印刷法によるエミッタ等が知られる。
ここで、高い信頼性を得ることの出来る高密度のカーボンナノチューブには、電界遮蔽効果により、カーボンナノチューブ先端への高い電界集中を得ることが出来ないという課題があるが、前者は、高密度（１×１０１０本／ｃｍ２程度）で垂直配向された束状のカーボンナノチューブへの電界集中効果により、低閾値で高い信頼性を実現していた。しかし、垂直方向の長さが１０μｍ以上であるために耐振動性等の機械的強度が小さく基板からカーボンナノチューブが剥離するといった問題において信頼性が低い。
As a conventional emitter, a columnar emitter (Patent Document 1), an emitter by a printing method, and the like are known.
Here, the high density carbon nanotubes that can obtain high reliability have a problem that due to the electric field shielding effect, a high electric field concentration at the carbon nanotube tip cannot be obtained. Due to the electric field concentration effect on the bundle-like carbon nanotubes vertically aligned at about 1 × 10 10 / cm 2 , high reliability was realized at a low threshold. However, since the length in the vertical direction is 10 μm or more, the mechanical strength such as vibration resistance is small and the reliability is low in the problem that the carbon nanotubes are peeled off from the substrate.
一方、後者は起毛処理により一本一本カーボンナノチューブを起毛させて、電界遮蔽効果を緩和することで電界集中効果を得ていたが、起毛処理によるばらつきや、電流集中によって１本当たりの負荷が大きくなり劣化する等の問題において信頼性が低い。 On the other hand, the latter has raised the electric field concentration effect by raising the carbon nanotubes one by one by raising treatment, and relaxing the electric field shielding effect. Reliability is low in problems such as large size and deterioration.
また、パターン配置したエミッタの例として、非特許文献１のようにカソード電極を格子状に配置したものがあるが、これはゲート電極をカソード電極の下に配置するための構造であり、カソード電極への電界集中効果を促進させる配置ではなく、２４時間の稼動により劣化する等の課題がある。
Further, as an example of a pattern-arranged emitter, there is one in which cathode electrodes are arranged in a lattice pattern as in
本発明は上記現状に鑑みてなされたものであり、短尺かつ高密度のカーボンナノチューブを形成したカソード電極パターンの配置設計により、カソード電極パターンへの電界集中効果を効率的に発現させ、電流集中による劣化を生じず、耐振動性等の機械的強度に優れた、高効率で信頼性が高い電子放出素子を提供することを解決課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described situation, and by arranging the cathode electrode pattern in which short and high-density carbon nanotubes are formed, the electric field concentration effect on the cathode electrode pattern is efficiently expressed, and current concentration is performed. It is an object of the present invention to provide a highly efficient and highly reliable electron-emitting device that does not cause deterioration and has excellent mechanical strength such as vibration resistance.
請求項１に係る発明は、絶縁性基板上にカソード電極と、該カソード電極上に形成されたカーボンナノチューブからなる電子放出層を有する電子放出素子であって、前記カソード電極、前記電子放出層を貫通するように前記絶縁性基板に垂直方向に延設した複数の貫通孔を有し、前記貫通孔が、前記カソード電極上への電界集中効果を促進させる配置で設けられていることを特徴とする電子放出素子に関する。
The invention according to
請求項２に係る発明は、前記貫通孔の配置は、前記貫通孔が平面視において上下左右に隣接する他の貫通孔と４〜１６０μｍの間隔を有する配置であることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子に関する。
The invention according to
請求項３に係る発明は、前記貫通孔の直径が４μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子に関する。
The invention according to
請求項４に係る発明は、前記カーボンナノチューブが垂直配向され、且つ垂直方向の長さが１μｍ以上１０μｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電子放出素子に関する。
The invention according to
請求項５に係る発明は、前記電子放出層が、熱ＣＶＤ法を用いて真空チャンバー内にＨ２Ｏを導入しつつ形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電子放出素子に関する。
The invention according to
請求項１に係る発明によれば、絶縁性基板上にカソード電極と、該カソード電極上に形成されたカーボンナノチューブからなる電子放出層を有する電子放出素子であって、前記カソード電極、電子放出層を貫通するように前記絶縁性基板に垂直方向に延設した複数の貫通孔を有し、貫通孔が、カソード電極上への電界集中効果を促進させる配置で設けられていることにより、閾電界強度が向上し、電子放出特性が向上する。
According to the first aspect of the present invention, there is provided an electron-emitting device having a cathode electrode on an insulating substrate and an electron-emitting layer made of carbon nanotubes formed on the cathode electrode, the cathode electrode, the electron-emitting layer A plurality of through holes extending in a direction perpendicular to the insulating substrate so as to penetrate the insulating substrate, and the through holes are provided in an arrangement that promotes an electric field concentration effect on the cathode electrode. Strength is improved and electron emission characteristics are improved.
請求項２に記載の発明によれば、貫通孔の配置は、前記貫通孔が平面視において上下左右に隣接する他の貫通孔と４〜１６０μｍの間隔を有する配置であることにより、閾電界強度がより向上し、電子放出特性がより向上する。 According to the second aspect of the present invention, the through-holes are arranged such that the through-holes have an interval of 4 to 160 μm from other through-holes adjacent to the top, bottom, left and right in a plan view. The electron emission characteristics are further improved.
請求項３に係る発明によれば、貫通孔の直径が４μｍ〜１ｍｍであることにより、電子放出層の面積が小さくなりすぎず、電流密度を上げることができる。 According to the third aspect of the invention, when the through hole has a diameter of 4 μm to 1 mm, the area of the electron emission layer does not become too small, and the current density can be increased.
請求項４に係る発明によれば、カーボンナノチューブが垂直配向され、且つ垂直方向の長さが１μｍ以上１０μｍ未満であることにより、電流集中による劣化を生じず、耐振動性等の機械的強度にも優れ、信頼性の高い電子放出素子とすることができる。
According to the invention of
請求項５に係る発明によれば、電子放出層が、熱ＣＶＤ法を用いて真空チャンバー内にＨ２Ｏを導入しつつ形成されていることにより、基板に垂直配向したカーボンナノチューブを低温で得ることができる。また、熱ＣＶＤ法を用いているので、電子放出素子の大面積化も可能となる。
According to the invention of
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る電子放出素子について説明する。
図１は本発明に係る電子放出素子の実施形態を示す図であり、図１（ａ）が概略平面図（図１（ｂ）の上方向から見た図）、図１（ｂ）が図１（ａ）のＡ−Ａ線概略断面図である。
Hereinafter, an electron-emitting device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
1A and 1B are diagrams showing an embodiment of an electron-emitting device according to the present invention. FIG. 1A is a schematic plan view (viewed from above in FIG. 1B), and FIG. It is an AA line schematic sectional drawing of 1 (a).
本実施形態に係る電子放出素子（１００）は、図１（ｂ）に示す如く、先端より電子を放出するための炭素系材料からなる電子放出層（４）が、基板（１）上に、電極の役割を果たすカソード電極（２）、電子放出層（４）の成長時の触媒となる触媒層（３）を介して形成されたものである。 As shown in FIG. 1B, the electron-emitting device (100) according to the present embodiment has an electron-emitting layer (4) made of a carbon-based material for emitting electrons from the tip, on the substrate (1). It is formed through a cathode layer (2) serving as an electrode, and a catalyst layer (3) serving as a catalyst during growth of the electron emission layer (4).
電子放出層（４）としては、カーボンナノチューブが用いられる。電子放出素子において、固体から電子を放出しやすくするには炭素繊維の先端を針のように尖鋭化させ電界を集中させる必要があるが、カーボンナノチューブは個々の繊維の幅が１０〜５０ｎｍと細く、また、電気伝導性が良好で、表面が化学的に安定し、且つ頑健であること等から、極めて優れた電界放出素子となるからである。 Carbon nanotubes are used as the electron emission layer (4). In an electron-emitting device, in order to easily emit electrons from a solid, it is necessary to sharpen the tip of the carbon fiber like a needle and concentrate an electric field, but the width of each carbon nanotube is as thin as 10 to 50 nm. In addition, because the electrical conductivity is good, the surface is chemically stable and robust, the field emission device is extremely excellent.
触媒層（３）としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｃｒ又はＰｄのいずれかの金属からなる金属薄膜、これらの金属のうちいずれか１種以上を含む合金薄膜、又はこれらの金属のうちいずれか1種以上からなる微粒子等を挙げることができる。
また、触媒層（３）がＦｅである時、Ｆｅ膜直下にＡｌ膜を形成することが好ましい。その理由は、Ａｌ膜の膜厚を制御することで、Ｆｅ膜の粒子サイズ、つまり触媒粒子サイズを制御することができるからである。それにより、カーボンナノチューブの密度や幅を制御することができる。なお、カソード電極（２）としてＡｌ膜を用い、触媒層（３）としてＦｅを用いることで、Ｆｅ膜の直下にＡｌ膜を有するようにしてもよい。
As the catalyst layer (3), a metal thin film made of any metal of Ni, Fe, Co, Mn, Pt, Cr or Pd, an alloy thin film containing any one or more of these metals, or these metals Among these, fine particles comprising at least one of them can be mentioned.
Further, when the catalyst layer (3) is Fe, it is preferable to form an Al film directly under the Fe film. This is because the particle size of the Fe film, that is, the catalyst particle size can be controlled by controlling the film thickness of the Al film. Thereby, the density and width of the carbon nanotube can be controlled. Note that an Al film may be provided directly under the Fe film by using an Al film as the cathode electrode (2) and Fe as the catalyst layer (3).
電子放出素子（１００）は、電子放出層（４）を形成するカーボンナノチューブの密度が１×１０９本／ｃｍ２以上、且つ基板に垂直方向の長さ（Ｈ）（以下、単に長さ（Ｈ）と称す）が１μｍ以上１０μｍ未満であることを特徴とする。 In the electron-emitting device (100), the density of carbon nanotubes forming the electron-emitting layer (4) is 1 × 10 9 pieces / cm 2 or more and the length (H) in the direction perpendicular to the substrate (hereinafter simply referred to as length ( H)) is 1 μm or more and less than 10 μm.
密度を１×１０９本／ｃｍ２以上と高くすることで、例えば密度の低い印刷法によるエミッタのように電流集中を起こして１本当たりの負荷が増大して劣化することがない。
長さ（Ｈ）を１０μｍ未満と短くすることで、例えば１０μｍ以上の長さを有するカーボンナノチューブをＦＥＤに用いた場合のように、三極構造を採用することが困難となることはなく、容易に三極構造を採用することができる。また、長さ（Ｈ）が短いことにより耐振動性等の機械的強度も大きくなり、さらには、外部からの負荷も受けにくいため基板（１）との剥離も抑えることができる。
一方で、長さ（Ｈ）が１μｍより短いとカーボンナノチューブの成長密度が下がることで垂直配向せず、カーボンナノチューブの構造が単層のカーボンナノチューブが主構成となる等、信頼性が低下するので、長さ（Ｈ）は１μｍ以上とする。
By increasing the density to 1 × 10 9 lines / cm 2 or more, current concentration does not occur and the load per line does not increase and deteriorate as in the case of an emitter by a low density printing method, for example.
By shortening the length (H) to less than 10 μm, it is not difficult to adopt a tripolar structure, for example, as in the case of using a carbon nanotube having a length of 10 μm or more for FED, and it is easy A three-pole structure can be adopted. Further, since the length (H) is short, mechanical strength such as vibration resistance is increased, and further, it is difficult to receive external load, so that peeling from the substrate (1) can be suppressed.
On the other hand, when the length (H) is shorter than 1 μm, the carbon nanotube growth density is lowered, so that the vertical alignment is not performed, and the structure of the carbon nanotube is mainly composed of a single-walled carbon nanotube. The length (H) is 1 μm or more.
電子放出素子（１００）は、電子放出層（４）が熱ＣＶＤ法を用いて形成されており、さらに、熱ＣＶＤ法による形成時に真空チャンバー内にＨ２Ｏが導入されている。
真空チャンバーにＨ２Ｏを導入することにより、基板温度を低温（４９０〜５５０℃）にしても基板に垂直配向の炭素系材料を形成することができる。また、電子放出層（４）形成時の基板温度を低くすることができるので、電子放出層（４）の成長速度も遅くすることができる。それにより、電子放出層（４）の長さ（Ｈ）を容易に短くすることができる。電子放出層（４）の長さ（Ｈ）を短くすることにより、種々の構造に適用可能となる。
In the electron-emitting device (100), the electron-emitting layer (4) is formed using a thermal CVD method, and H 2 O is introduced into the vacuum chamber when the electron-emitting device (100) is formed using the thermal CVD method.
By introducing H 2 O into the vacuum chamber, a vertically aligned carbon-based material can be formed on the substrate even when the substrate temperature is low (490 to 550 ° C.). Moreover, since the substrate temperature at the time of forming the electron emission layer (4) can be lowered, the growth rate of the electron emission layer (4) can also be lowered. Thereby, the length (H) of the electron emission layer (4) can be easily shortened. By shortening the length (H) of the electron emission layer (4), it can be applied to various structures.
また、電子放出素子（１００）では、カソード電極（２）、触媒層（３）、電子放出層（４）に複数の貫通孔（Ｆ）を有するように、平面視同一形状にパターニングされている（図１（ａ）参照）。具体的には、複数の貫通孔（Ｆ）が平面視において上下左右に隣接する貫通孔（Ｆ）と一定間隔（Ｓ）を有するようにパターニングされている。
このように電子放出層（４）がパターニングされていることにより、閾値電圧が小さくなり、電界集中効果が高まる。そのため、閾電界強度が向上し、電子放出特性が向上する。
孔は、貫通していれば、円形に限らず、三角、四角、六角形、星形など多角形でもよい。
In the electron-emitting device (100), the cathode electrode (2), the catalyst layer (3), and the electron-emitting layer (4) are patterned in the same shape in plan view so as to have a plurality of through holes (F). (See FIG. 1 (a)). Specifically, the plurality of through-holes (F) are patterned so as to have a predetermined interval (S) from the through-holes (F) that are adjacent vertically and horizontally in plan view.
Since the electron emission layer (4) is thus patterned, the threshold voltage is reduced, and the electric field concentration effect is enhanced. Therefore, the threshold electric field strength is improved and the electron emission characteristics are improved.
The hole is not limited to a circle as long as it penetrates, but may be a polygon such as a triangle, a square, a hexagon, or a star.
電子放出素子（１００）では間隔（Ｓ）は、４〜１６０μｍとすることが好ましい。
より好ましくは４０μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以下と小さくすることが好ましい。間隔（Ｓ）を小さくすることにより、パターニングしたことによる効果がより顕著になる。ただし、４μｍより小さくなると加工が困難となる。
In the electron-emitting device (100), the interval (S) is preferably 4 to 160 μm.
More preferably, it is preferably 40 μm or less, and more preferably 20 μm or less. By reducing the interval (S), the effect of patterning becomes more remarkable. However, if it becomes smaller than 4 μm, processing becomes difficult.
絶縁性基板（１）は特に限定されないが、電子放出層（４）を低温で形成することができるので、絶縁性基板（１）に耐熱性の低いものを使用することができる。具体的には、基板温度が６００℃程度の場合用いることが困難な青板ガラスを用いることができる。 The insulating substrate (1) is not particularly limited, but since the electron emission layer (4) can be formed at a low temperature, a substrate having low heat resistance can be used for the insulating substrate (1). Specifically, blue plate glass that is difficult to use when the substrate temperature is about 600 ° C. can be used.
カソード電極（２）としては、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、ＭｏＷ、ＺｎＯ、ＩＴＯ、ＳｎＯ２又はこれらの複合体を挙げることができる。より望ましくは、Ｃｒ、ＭｏＷ電極を用いることで、カーボンナノチューブを良好に成長させる触媒を形成することが出来る。
なお、貫通孔（Ｆ）の直径（Ｗ）は４μｍ〜１ｍｍが好ましい。貫通孔の直径が１ｍｍより大きいと電子放出層の面積が小さくなりすぎ、４μｍより小さいとフォトリソグラフィーによる加工が困難であるからである。
なお、貫通孔（Ｆ）が円形でない場合には、直径４μｍ〜１ｍｍの円に相当する大きさであれば良い。
Examples of the cathode electrode (2) include Cr, Ti, Al, Mo, MoW, ZnO, ITO, SnO 2 or a composite thereof. More desirably, by using a Cr or MoW electrode, a catalyst for favorably growing carbon nanotubes can be formed.
In addition, as for the diameter (W) of a through-hole (F), 4 micrometers-1 mm are preferable. This is because if the diameter of the through hole is larger than 1 mm, the area of the electron emission layer becomes too small, and if it is smaller than 4 μm, it is difficult to process by photolithography.
In addition, when a through-hole (F) is not circular, it should just be a magnitude | size equivalent to a circle | round | yen with a diameter of 4 micrometers-1 mm.
次いで、電子放出素子（１００）の製造方法について説明する。
図２は電子放出素子（１００）の製造方法を示す図である。
Next, a method for manufacturing the electron-emitting device (100) will be described.
FIG. 2 is a view showing a method for manufacturing the electron-emitting device (100).
まず、絶縁性基板（１）にカソード電極（２）を形成し、その上に触媒層（３）を形成する（図２（ａ）参照）。 First, a cathode electrode (2) is formed on an insulating substrate (1), and a catalyst layer (3) is formed thereon (see FIG. 2 (a)).
次いで、カソード電極（２）及び触媒層（３）を一括してエッチングする。
具体的には、貫通孔（Ｆ）を上下左右に等間隔に設ける。
Next, the cathode electrode (2) and the catalyst layer (3) are etched together.
Specifically, the through holes (F) are provided at equal intervals in the vertical and horizontal directions.
カソード電極（２）及び触媒層（３）をパターニングする方法としては、ウェットエッチングが好ましい。本実施形態では電子放出層（４）を熱ＣＶＤを用いて形成するため大面積化が可能になるが、ウェットエッチングも大面積を一度に処理できるからである。また、ドライエッチングに比べてエッチマスクの選択の幅が広く、エッチングされる母材に与える損傷が少ないという利点も有する。 As a method for patterning the cathode electrode (2) and the catalyst layer (3), wet etching is preferable. In this embodiment, since the electron emission layer (4) is formed by thermal CVD, it is possible to increase the area, but wet etching can also process a large area at a time. In addition, the etching mask selection range is wider than dry etching, and there is an advantage that damage to the etched base material is small.
次いで、図２（ｃ）に示される如く、電子放出層（４）を形成する。このとき、電子放出層（４）は熱ＣＶＤ法を用いて形成され、さらに、熱ＣＶＤ法による形成時に真空チャンバー内にＨ２Ｏが導入される。
真空チャンバーにＨ２Ｏを導入することにより、基板温度を低温（４９０〜５５０℃）にしても絶縁性基板（１）に垂直配向のカーボンナノチューブを形成することができる。また、電子放出層（４）形成時の基板温度を低くすることができるので、電子放出層（４）の成長速度も遅くすることができる。それにより、電子放出層（４）の長さ（Ｈ）を容易に短くすることができ、機械的強度を大きくし、基板（１）との剥離を抑えることができる。
また、熱ＣＶＤ法はカーボンナノチューブを大面積に形成することができるので、素子の大面積化を図ることもできる。
真空チャンバー内へのＨ２Ｏの導入方法としては、ヘリウムをキャリアガスとして用いたバブリング法等を挙げることができる。
Next, as shown in FIG. 2C, an electron emission layer (4) is formed. At this time, the electron emission layer (4) is formed using a thermal CVD method, and further, H 2 O is introduced into the vacuum chamber during the formation by the thermal CVD method.
By introducing H 2 O into the vacuum chamber, vertically aligned carbon nanotubes can be formed on the insulating substrate (1) even if the substrate temperature is low (490 to 550 ° C.). Moreover, since the substrate temperature at the time of forming the electron emission layer (4) can be lowered, the growth rate of the electron emission layer (4) can also be lowered. Thereby, the length (H) of the electron emission layer (4) can be easily shortened, the mechanical strength can be increased, and the peeling from the substrate (1) can be suppressed.
In addition, since the thermal CVD method can form carbon nanotubes in a large area, the area of the element can be increased.
Examples of a method for introducing H 2 O into the vacuum chamber include a bubbling method using helium as a carrier gas.
また、電子放出層（４）はパターニングされた触媒層（３）上にのみ形成され、貫通孔（Ｆ）の上には形成されない。つまり、電子放出層（４）も触媒層（３）と同様に、平面視において貫通孔（Ｆ）が上下左右に等間隔で設けられた構造となる。
貫通孔（Ｆ）同士の間隔（Ｓ）は小さいほうが好ましい。具体的には１６０μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以下が好ましい。電流密度を高くすることができるからである。また、閾電界強度や電子放出特性の向上といった効果も顕著に奏することができる。
Further, the electron emission layer (4) is formed only on the patterned catalyst layer (3), and is not formed on the through hole (F). That is, similarly to the catalyst layer (3), the electron emission layer (4) has a structure in which the through holes (F) are provided at equal intervals in the top, bottom, left, and right in a plan view.
The interval (S) between the through holes (F) is preferably small. Specifically, it is 160 μm or less, more preferably 40 μm or less, and still more preferably 20 μm or less. This is because the current density can be increased. In addition, the effect of improving the threshold electric field strength and the electron emission characteristics can be remarkably exhibited.
（実施例）
以下、実施例を示すことにより、本発明の効果をより明確なものとする。
(Example)
Hereinafter, the effects of the present invention will be made clearer by showing examples.
まず、本実施例の電子放出素子について説明する。
本実施例の電子放出素子は、電子放出素子（１００）と同様の構造を有し、絶縁性基板（１）として１０φガラス（無アルカリガラス）を用い、絶縁性基板（１）上にクロム電極からなるカソード電極（２）、Ｆｅ／Ａｌからなる触媒層（３）を形成し、貫通孔（Ｆ）の直径（Ｗ）が８０μｍとなるようにパターニングし、触媒層（３）上に電子放出層（４）としてカーボンナノチューブを形成した。
カーボンナノチューブの形成は熱ＣＶＤ法で行った。熱ＣＶＤ法の条件としては、導入ガスとして、アセチレン２００ｓｃｃｍに加えてＨ２Ｏ１ｓｃｃｍを用い、基板温度４９０〜５５０℃で行った。また成膜圧力２００Ｐａ、成膜時間３０分とした。
そして、貫通孔（Ｆ）同士の間隔（Ｓ）を２０μｍとしたものを実施例１、貫通孔（Ｆ）同士の間隔（Ｓ）を４０μｍとしたものを実施例２、貫通孔（Ｆ）同士の間隔（Ｓ）を１６０μｍとしたものを実施例３とした。
First, the electron-emitting device of this example will be described.
The electron-emitting device of this example has a structure similar to that of the electron-emitting device (100), 10φ glass (non-alkali glass) is used as the insulating substrate (1), and a chromium electrode is formed on the insulating substrate (1). A cathode electrode (2) made of Fe and Al and a catalyst layer (3) made of Fe / Al are formed, patterned so that the diameter (W) of the through hole (F) is 80 μm, and electrons are emitted onto the catalyst layer (3). Carbon nanotubes were formed as the layer (4).
Carbon nanotubes were formed by thermal CVD. As conditions for the thermal CVD method, H 2 O 1 sccm was used in addition to acetylene 200 sccm as an introduction gas, and the substrate temperature was 490 to 550 ° C. The film forming pressure was 200 Pa and the film forming time was 30 minutes.
And what made the space | interval (S) of through-holes (F) 20 micrometers was Example 1, and what made the space | interval (S) of through-holes (F) 40 micrometers, Example 2, through-holes (F) The distance (S) was set to 160 μm as Example 3.
（試験１）
図３は実施例２の電子放出素子を示す写真であり、（ａ）が平面を示す写真、（ｂ）が（ａ）の一部拡大写真、（ｃ）が断面を示す写真である。図３で示すように、実施例１では、基板（１）に対して垂直配向した高品質のカーボンナノチューブが形成された。また、形成されたカーボンナノチューブは長さ１．５μｍ、密度４×１０９本／ｃｍ２であった。
このように、Ｈ２Ｏを導入した熱ＣＶＤ法を用いることにより、高品質で短い炭素系材料を、高密度に形成することができることがわかる。
(Test 1)
FIG. 3 is a photograph showing the electron-emitting device of Example 2, wherein (a) is a photograph showing a plane, (b) is a partially enlarged photograph of (a), and (c) is a photograph showing a cross section. As shown in FIG. 3, in Example 1, high-quality carbon nanotubes that were vertically aligned with respect to the substrate (1) were formed. The formed carbon nanotubes had a length of 1.5 μm and a density of 4 × 10 9 pieces / cm 2 .
Thus, it can be seen that a high-quality and short carbon-based material can be formed with high density by using a thermal CVD method in which H 2 O is introduced.
（試験２）
次いで、実施例１の電子放出素子を図４で示すようにアノード電極（５）に接続し、デューティ比９９％の高周波電圧を４ｋＶ印加した（ギャップ（Ｌ）は１ｍｍ）。
図５は高周波電圧を印加したときの電子放出素子を示した写真であり、電子放出素子全体が均一に発光していることがわかる。
(Test 2)
Next, the electron-emitting device of Example 1 was connected to the anode electrode (5) as shown in FIG. 4, and a high-frequency voltage with a duty ratio of 99% was applied at 4 kV (gap (L) was 1 mm).
FIG. 5 is a photograph showing the electron-emitting device when a high-frequency voltage is applied, and it can be seen that the entire electron-emitting device emits light uniformly.
（試験３）
次いで、実施例２の電子放出素子を図４で示すようにアノード電極（５）に接続し、デューティ比７．５％の高周波電圧を６ｋＶ印加した（ギャップ（Ｌ）は０．５ｍｍ）。
図６は、時間とエミッション電流値の関係を示した図である。図６で示すように、実施例２の電子放出素子は２４時間以上安定してエミッション電流が流れることがわかる。
(Test 3)
Next, the electron-emitting device of Example 2 was connected to the anode electrode (5) as shown in FIG. 4, and a high frequency voltage with a duty ratio of 7.5% was applied at 6 kV (gap (L) was 0.5 mm).
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between time and the emission current value. As shown in FIG. 6, it can be seen that the emission current flows stably in the electron-emitting device of Example 2 for 24 hours or more.
（試験４）
実施例１，２，３夫々の電子放出素子を図４で示すようにアノード電極（５）に接続し、デューティ比１０％、周波数１２０Hzのパルス電圧を印加した（ギャップ（Ｌ）は０．７５ｍｍ）。
図７は実施例１，２，３夫々の電圧と電流密度の関係を示した図であり、図８は間隔（Ｓ）と電流密度の関係を示した図であり、図９は間隔（Ｓ）と閾値電圧の関係を示した図である。
なお、図７には比較例として、電子放出層（４）をパターニングしていない電子放出素子の電圧と電流密度の関係も示している。
図７〜９に示すように、貫通孔（Ｆ）を設けることにより閾値電圧が小さくなり、電界集中効果が高まり、さらに、間隔（Ｓ）が小さくなるほど、その効果が顕著になることがわかる。
(Test 4)
Each of the electron-emitting devices of Examples 1, 2, and 3 was connected to the anode electrode (5) as shown in FIG. 4, and a pulse voltage having a duty ratio of 10% and a frequency of 120 Hz was applied (gap (L) was 0.75 mm). ).
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between voltage and current density in each of Examples 1, 2, and 3. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between interval (S) and current density, and FIG. ) And a threshold voltage.
FIG. 7 also shows the relationship between the voltage and current density of an electron-emitting device in which the electron-emitting layer (4) is not patterned as a comparative example.
As shown in FIGS. 7 to 9, it can be seen that by providing the through hole (F), the threshold voltage is reduced, the electric field concentration effect is increased, and the effect is more remarkable as the interval (S) is reduced.
（試験５）
次いで、実施例１，２の電子放出素子の電子放出について電界シミュレータＡＭＡＺＥを用いてシミュレーションした。シミュレートの条件は、ギャップ（Ｌ）が２ｍｍ、直流印加電圧を１０ｋＶとした。
図１０（ａ）が実施例１のシミュレート結果を示し、図１０（ｂ）が実施例２のシミュレート結果を示す。
図１０で示すように、貫通孔（Ｆ）の周辺で、電子放出が促進されることがわかる。
(Test 5)
Next, the electron emission of the electron-emitting devices of Examples 1 and 2 was simulated using an electric field simulator AMAZE. The simulation conditions were a gap (L) of 2 mm and a DC applied voltage of 10 kV.
FIG. 10A shows the simulation result of the first embodiment, and FIG. 10B shows the simulation result of the second embodiment.
As shown in FIG. 10, it can be seen that electron emission is promoted around the through hole (F).
本発明の電子放出素子は、ＦＥＤ、蛍光表示管（ＶＦＤ）、リチウム二次電池の負極、トランジスタ、電子効果デバイス、集積回路、或いはマイクロ真空素子等に好適に利用可能である。 The electron-emitting device of the present invention can be suitably used for an FED, a fluorescent display tube (VFD), a negative electrode of a lithium secondary battery, a transistor, an electronic effect device, an integrated circuit, a micro vacuum device, or the like.
１ 基板
４ 炭素系材料
１００ 電子放出素子
Ｆ 貫通孔
Ｓ 貫通孔の間隙
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記カソード電極、前記電子放出層を貫通するように前記絶縁性基板に垂直方向に延設した複数の貫通孔を有し、
前記貫通孔が、前記カソード電極上への電界集中効果を促進させる配置で設けられていることを特徴とする電子放出素子。 An electron-emitting device having a cathode electrode on an insulating substrate and an electron-emitting layer made of carbon nanotubes formed on the cathode electrode,
A plurality of through-holes extending perpendicularly to the insulating substrate so as to penetrate the cathode electrode and the electron emission layer;
The electron-emitting device according to claim 1, wherein the through-hole is provided so as to promote an electric field concentration effect on the cathode electrode.
前記電子放出層が、熱ＣＶＤ法を用いて真空チャンバー内にＨ２Ｏを導入しつつ形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電子放出素子。 The electron emission layer has an electron emission layer made of carbon nanotubes formed on the catalyst layer with respect to a catalyst layer made of carbon nanotube growth catalyst on the cathode electrode, and ,
The electron-emitting device according to claim 1, wherein the electron-emitting layer is formed while introducing H 2 O into a vacuum chamber using a thermal CVD method.
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