JP2000100317A - Field electron emission device - Google Patents

Field electron emission device

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JP2000100317A
JP2000100317A JP26504498A JP26504498A JP2000100317A JP 2000100317 A JP2000100317 A JP 2000100317A JP 26504498 A JP26504498 A JP 26504498A JP 26504498 A JP26504498 A JP 26504498A JP 2000100317 A JP2000100317 A JP 2000100317A
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JP
Japan
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substrate
emitter
nanotubes
nanotube
anode
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Application number
JP26504498A
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Japanese (ja)
Inventor
Michiko Kusunoki
美智子 楠
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Noritake Co Ltd
Japan Fine Ceramics Center
Original Assignee
Noritake Co Ltd
Japan Fine Ceramics Center
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To orient carbon nano-tubes at a high density, by producing the carbon nano-tubes on one surface of a substrate by heating a substrate made of a covalent carbide under vacuum, so that they extend from the flat surface of the substrate in one direction toward a positive electrode. SOLUTION: Nano-tubes 40, made of carbon atoms only, are produced and oriented in one direction from within a substrate toward its upper surface by heating, under vacuum, the substrate made of a covalent carbite, a compound of carbon and a non-metallic element. A graphite layer 42 with a non-cylindrical flat network structure of carbon atoms is formed on the side surfaces and an under surface of a substrate part 36 with an upper surface 38 thereof excluded. Accordingly, all the surfaces of the substrate part 36 are covered by the conductive nano-tubes 40 or the graphite layers 42. an field emission-type display device(FED) can be thereby obtained, which is equipped with an emitter 28 having a high current density and uniform characteristics.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出型表示装
置(Field Emision Display :FED)、陰極線管(Ca
thode Ray Tube:CRT)、平面型ランプ、電子銃等の
電子線源に用いられる電界電子放出装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission display (FED), a cathode ray tube (CaD).
The present invention relates to a field electron emission device used for an electron beam source such as a cathode ray tube (CRT), a flat lamp, and an electron gun.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば、電界放出によって電子源(エミ
ッタ)から陽極に向かって真空中に電子を放出させる電
界電子放出装置は、その電子で蛍光体を励起する表示装
置や発光装置、或いは電界顕微鏡の電子銃等に好適に用
いられている。ここで、「電界放出(電界電子放出)」
とは、強電界の作用により、量子力学的なトンネル現象
を利用して電子を固体表面から真空準位へ引き出すこと
である。真空準位と金属または半導体表面とのエネルギ
ー差は仕事関数(work function )φで表されるが、例
えば通常の金属材料では仕事関数φが数(eV)と大きいた
め、室温で金属中の電子が真空中に飛び出すことはな
い。しかしながら、外部から強電界を作用させることに
より真空準位を低下させてポテンシャル障壁を小さくす
ると、トンネル効果によって電子が確率論的に真空中に
飛び出す。これが電界放出であり、仕事関数φが小さい
ほど小さな電界で電子を放出させることが可能となる。
2. Description of the Related Art For example, a field electron emission device that emits electrons from an electron source (emitter) toward an anode in a vacuum by field emission is a display device or a light emitting device that excites a phosphor with the electrons, or an electric field microscope. Are suitably used for electron guns and the like. Here, "field emission (field electron emission)"
This means that electrons are drawn from the surface of a solid to a vacuum level using a quantum mechanical tunneling phenomenon by the action of a strong electric field. The energy difference between the vacuum level and the surface of a metal or semiconductor is represented by a work function φ. For example, in a normal metal material, the work function φ is as large as several (eV). Never jump into the vacuum. However, if the potential level is reduced by lowering the vacuum level by applying a strong electric field from the outside, electrons stochastically jump into the vacuum due to the tunnel effect. This is field emission, and the smaller the work function φ, the more electrons can be emitted with a smaller electric field.

【0003】従来、上記のような電界電子放出装置とし
ては、例えば、シリコン基板上に成膜したモリブデン・
コーンでエミッタを構成したもの(例えばSpindt et a
l."Physical properties of thin-film field emission
cathodes with molybdenum cones",J.Appl.Phys.,Vol.
47,No.12,1976の5248頁〜5263頁等を参照)、モリブデ
ン基板上にCVD法によって成膜したダイヤモンドでエ
ミッタで構成したもの(例えばXu et al."FIELD-DEPEND
ENCE OF THE AREA-DENSITY OF `COLD' ELECTRONEMISSIO
N SITES ON BROAD-AREA CVD DIAMOND FILMS",Electroni
cs Letters,2ndSeptember 1993 Vol.29 No.18 の1596頁
〜1597頁等を参照)、表面にプラズマCVD法等で多結
晶ダイヤモンド・フィルムをコーティングしたシリコン
単結晶コーン(ウィスカ)でエミッタを構成したもの
(例えばLiu et al."Electron emission from diamond
coated silicon field emitters",Appl.Phys.Lett.65(2
2),28 November 1994 の2842頁〜2844頁等を参照)等が
用いられてきた。
Conventionally, as the above-mentioned field electron emission device, for example, a molybdenum film formed on a silicon substrate is used.
An emitter composed of a cone (eg, Spindt et a
l. "Physical properties of thin-film field emission
cathodes with molybdenum cones ", J. Appl. Phys., Vol.
47, No. 12, 1976, pp. 5248-5263, etc.) and those composed of an emitter made of diamond formed on a molybdenum substrate by CVD (for example, Xu et al. "FIELD-DEPEND").
ENCE OF THE AREA-DENSITY OF `COLD 'ELECTRONEMISSIO
N SITES ON BROAD-AREA CVD DIAMOND FILMS ", Electroni
cs Letters, 2nd September 1993 Vol.29 No.18, pages 1596 to 1597, etc.) and an emitter composed of a silicon single crystal cone (whisker) coated on its surface with a polycrystalline diamond film by plasma CVD or the like (Eg Liu et al. "Electron emission from diamond
coated silicon field emitters ", Appl.Phys.Lett.65 (2
2), 28 November 1994, pages 2842 to 2844).

【0004】しかしながら、上記従来の電界電子放出装
置は、エミッタの数密度がせいぜい数万(個/cm2)程度
と低いことから、高い放出電流値や効率等が得られない
という問題があった。また、エミッタは真空の気密空間
内で電界電子放出させられるが、その気密空間内に残存
する各種ガスによって酸化させられ、或いは残留ガス・
イオンによって損傷させられて経時的に変化するため、
ノイズや特性のバラツキ、劣化による放出電流の減少等
の問題もあった。更に、モリブデン・コーンやシリコン
・コーン等の円錐状のエミッタが用いられる場合には、
それらを高さが一様且つ尖鋭な円錐状に形成するための
成膜プロセスが複雑であり、ダイヤモンドでエミッタを
構成する場合には、エミッタの表面が平坦であることか
ら一様に電子を発生させることが困難であった。なお、
高い電子放出効率を得るためには、エミッタの先端の曲
率半径を可及的に小さくすることが望まれるのである。
[0004] However, the above-mentioned conventional field emission device has a problem that a high emission current value and efficiency cannot be obtained because the number density of the emitters is as low as tens of thousands (pieces / cm 2 ) at most. . In addition, the emitter emits field electrons in a vacuum hermetic space, but is oxidized by various gases remaining in the hermetic space.
Because it is damaged by ions and changes over time,
There were also problems such as noise and variations in characteristics and a decrease in emission current due to deterioration. Further, when a conical emitter such as a molybdenum cone or a silicon cone is used,
The film forming process for forming them into a cone with a uniform height and sharpness is complicated, and when the emitter is made of diamond, electrons are generated uniformly because the surface of the emitter is flat. It was difficult to make it. In addition,
In order to obtain high electron emission efficiency, it is desired to make the radius of curvature at the tip of the emitter as small as possible.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】そこで、例えば特開平
10−149760号公報等に記載されているように、
エミッタを多数本のカーボン・ナノチューブ(以下、単
にナノチューブという)で構成することが提案されてい
る。この技術は、例えば、Heer et al."A CarbonNanotu
be Field-Emission Electron Source",SCIENCE VOL.270
17 NOVEMBER 1995の1179頁〜1180頁、Saito et al."Co
nical beams from open nanotubes",NATURE VOL389 9 O
CTOBER 1997の 554頁〜 555頁、或いは、Gulyaev et a
l."Work function estimate for emitted from nanotub
e carbon cluster films",J.Vac.Sci.Technol.B 15(2),
Mar/Apr 1997の 422頁〜 424頁等で報告されているよう
に、ナノチューブの先端から効率よく電子放出が起き、
或いはエミッション特性が優れるとの研究成果に基づく
ものである。ここで、ナノチューブとは、円筒状を成す
炭素原子の結合体であって、径の異なる複数個のグラフ
ァイト・シート(グラフェン・シートすなわちグラファ
イト層)が入れ子になり、全体の直径が2 〜50(nm)程
度、長さが 1〜100(μm)程度の寸法を有する微細な構造
体である。ナノチューブの周壁は主として炭素(C) の6
員環によって構成されるが、その端部は5員環或いは7
員環が導入されることによってドーム状に閉じた形状に
なっており、その曲率半径は10(nm)程度と小さい。その
ため、エミッタとして用いる場合には、先端の曲率半径
が元々小さいことから複雑なプロセスで尖鋭化する必要
がなく、しかも、炭素原子だけで構成されることから真
空中では耐酸化性が高く化学的安定性に優れると共に耐
イオン衝撃性も高いことから、長時間駆動しても劣化が
生じ難いという利点がある。
Therefore, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-149760,
It has been proposed that the emitter be composed of a number of carbon nanotubes (hereinafter simply referred to as nanotubes). This technology is described, for example, in Heer et al. "A CarbonNanotu
be Field-Emission Electron Source ", SCIENCE VOL.270
17 NOVEMBER 1995, pp. 1179-1180, Saito et al. "Co
nical beams from open nanotubes ", NATURE VOL389 9 O
CTOBER 1997, pages 554-555, or Gulyaev et a
l. "Work function estimate for emitted from nanotub
e carbon cluster films ", J.Vac.Sci.Technol.B 15 (2),
As reported in Mar / Apr 1997, pp. 422-424, electron emission occurs efficiently from the tip of the nanotube.
Alternatively, it is based on research results that the emission characteristics are excellent. Here, a nanotube is a combination of carbon atoms in a cylindrical shape, and a plurality of graphite sheets (graphene sheets or graphite layers) having different diameters are nested, and the overall diameter is 2 to 50 ( It is a fine structure having dimensions of about nm) and a length of about 1 to 100 (μm). The peripheral wall of the nanotube is mainly made of carbon (C)
A five-membered ring or a seven-membered ring
By introducing the member ring, it is closed in a dome shape, and its radius of curvature is as small as about 10 (nm). Therefore, when used as an emitter, it is not necessary to sharpen it by a complicated process because the radius of curvature at the tip is originally small, and since it is composed only of carbon atoms, it has high oxidation resistance in a vacuum and has high chemical resistance. Since it has excellent stability and high ion impact resistance, there is an advantage that deterioration hardly occurs even when driven for a long time.

【0006】しかしながら、上記公報や文献で用いられ
ているナノチューブは、例えば、アルゴン(Ar)やヘリウ
ム(He)等の不活性ガス雰囲気下で、アモルファス・カー
ボンをアーク放電させ或いはこれにレーザ照射をする等
の方法によってカーボンを蒸発させ、炭素棒等の表面に
凝縮(再結合)させることで製造されていた。そのた
め、アモルファス・カーボン、グラファイトやフラーレ
ン等がナノチューブと同時に生成されて、これらの混合
物からナノチューブだけを分離することが困難であっ
た。しかも、電界電子放出装置のエミッタには、一定の
電圧で一様に電子が発生することが望まれるため、複数
本のナノチューブの先端の向きや高さ或いは配設密度等
を略一様に揃える必要があるが、ばらばらの状態で生成
されるナノチューブをそのように揃えることは極めて困
難である。そのため、電界強度が一様にならず電子が一
様に放出されない(すなわち放出電流が一様にならな
い)ことから、微小な電子発生源としては利用し得ても
その効率は低く留められ、更に、広い面積に亘って一様
な輝度が要求されるFED等の表示装置や照明装置等を
構成することは実質的に不可能であった。
[0006] However, the nanotubes used in the above publications and literatures are characterized in that, for example, amorphous carbon is arc-discharged under an inert gas atmosphere such as argon (Ar) or helium (He) or laser irradiation is performed on the amorphous carbon. It has been manufactured by evaporating carbon by a method such as a method of condensing (condensing (recombining)) on the surface of a carbon rod or the like. For this reason, amorphous carbon, graphite, fullerene, and the like are generated at the same time as the nanotubes, and it has been difficult to separate only the nanotubes from these mixtures. In addition, since it is desired that electrons are uniformly generated at a constant voltage in the emitter of the field electron emission device, the directions, heights, arrangement densities, etc., of the tips of the plurality of nanotubes are made substantially uniform. Although necessary, it is extremely difficult to align nanotubes produced in a discrete manner. Therefore, since the electric field intensity is not uniform and electrons are not uniformly emitted (that is, the emission current is not uniform), the efficiency can be kept low even if it can be used as a fine electron source. It has been substantially impossible to construct a display device such as an FED, a lighting device, or the like that requires uniform luminance over a wide area.

【0007】なお、特開平10−012124号公報に
は、ガラス基板上に形成したアルミニウム膜の表層部を
酸化処理すると共にその表面から厚さ方向に伸びる細孔
を一定間隔で設け、その細孔内に触媒金属を埋め込んだ
後、CVD法によってその細孔内にナノチューブを成長
させる電子放出装置の製造方法が記載されている。この
方法によれば、ナノチューブの成長方向が細孔の底部か
ら開口部に向かう方向に制限されるため、複数本のナノ
チューブを陽極に向かう一定の方向に配向させることが
できる。しかしながら、この構造ではナノチューブ相互
間に細孔を構成するための酸化アルミニウムが必然的に
存在することから、ナノチューブの配設密度すなわちエ
ミッタの数密度をそれほど高めることができず、しか
も、製造工程が極めて複雑になるという問題があった。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-012124 discloses that an aluminum film formed on a glass substrate is oxidized and pores extending from the surface in the thickness direction are provided at regular intervals. A method of manufacturing an electron-emitting device in which a catalyst metal is embedded in the inside and a nanotube is grown in the pores by a CVD method is described. According to this method, the growth direction of the nanotube is limited to the direction from the bottom of the pore to the opening, so that a plurality of nanotubes can be oriented in a certain direction toward the anode. However, in this structure, aluminum oxide for forming pores between the nanotubes is inevitably present, so that the arrangement density of the nanotubes, that is, the number density of the emitters cannot be increased so much. There was a problem that it became extremely complicated.

【0008】本発明は、以上の事情を背景として為され
たものであって、その目的は、高密度に配向させられた
ナノチューブをエミッタとして備えた電界電子放出装置
を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a field electron emission device provided with a highly oriented nanotube as an emitter.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
め、本発明の要旨とするところは、気密空間内において
互いに対向して配置されたエミッタおよび陽極間に電圧
を印加することにより、そのエミッタから電子を放出さ
せる形式の電界電子放出装置であって、(a) 前記エミッ
タが、共有結合性炭化物から成る基板を真空下で加熱す
ることによりその基板の平坦な一面から前記陽極に向か
う一方向に沿って伸びるようにその一面に生成された複
数本のカーボン・ナノチューブを有することにある。
In order to achieve the above object, the gist of the present invention is to apply a voltage between an emitter and an anode which are arranged opposite to each other in an airtight space. A field electron emission device of the type in which electrons are emitted from an emitter, wherein (a) the emitter is configured to heat a substrate made of a covalently bonded carbide from a flat surface of the substrate to the anode by heating the substrate under vacuum. The object is to have a plurality of carbon nanotubes formed on one side thereof so as to extend along the direction.

【0010】[0010]

【発明の効果】このようにすれば、電界電子放出装置の
エミッタは、共有結合性を有する炭素化合物から成る基
板を真空下で加熱することによりその基板の平坦な一面
から陽極に向かう一方向に沿って伸びるようにその一面
に生成された複数本のナノチューブを有して構成され
る。ここで、「共有結合性炭化物」とは、炭素と非金属
元素(炭素との間でイオン性炭化物を作るものよりは陽
性が弱く、侵入型炭化物を作るものよりは原子半径が小
さい元素)との化合物であって、共有性炭化物ともい
う。このような基板が真空下で加熱されると、真空下で
は炭素が比較的高温まで安定であるため、共有結合性炭
化物を構成する非金属元素が選択的に表面から次第に除
去され、それに伴って炭素原子だけからなるナノチュー
ブがその非金属元素の移動方向すなわち基板の内部から
表面に向かう一方向に沿って配向して生成される。しか
も、非金属元素が除去されることによるナノチューブ化
は基板表面の全面で生じ、表面側には非金属元素が残存
し得ないため、その基板表面にはナノチューブが緻密に
形成されることとなる。上記により、高密度に配向させ
られたナノチューブを有するエミッタを備えた電界電子
放出装置が得られる。
As described above, the emitter of the field electron emission device is heated in a vacuum from a substrate made of a carbon compound having a covalent bond, so that the emitter moves in one direction from the flat surface of the substrate to the anode. It is configured to have a plurality of nanotubes generated on one side thereof so as to extend along. Here, the term “covalently bonded carbide” refers to carbon and nonmetallic elements (elements that are weaker in positivity than those that form ionic carbides between carbon and have a smaller atomic radius than those that form interstitial carbides). And also referred to as a covalent carbide. When such a substrate is heated in a vacuum, the non-metallic elements constituting the covalent carbide are selectively removed from the surface gradually since the carbon is stable up to a relatively high temperature under the vacuum. Nanotubes consisting only of carbon atoms are oriented and produced in the direction of movement of the nonmetallic element, that is, in one direction from the inside of the substrate to the surface. Moreover, the formation of nanotubes due to the removal of the nonmetallic element occurs on the entire surface of the substrate, and the nonmetallic element cannot remain on the surface side, so that the nanotubes are densely formed on the substrate surface. . As described above, a field emission device including an emitter having nanotubes oriented at a high density is obtained.

【0011】[0011]

【発明の他の態様】ここで、好適には、(b) 前記複数本
のナノチューブは、前記陽極側に位置する先端が開放さ
せられたものである。このようにすれば、先端が開放さ
せられたナノチューブは、円筒状のグラファイト層の端
面でその先端が構成されることとなるため、その先端に
おける曲率半径は実質的にそこに位置する炭素原子の半
径に略一致する。しかも、ナノチューブは円筒状を成す
複数個のグラファイト層が入れ子状に構成されたもので
あるため、ドーム状に閉じている先端が開放されること
により内周側に備えられているグラファイト層の端面が
露出させられる。そのため、そのナノチューブの先端
は、それぞれ炭素原子の原子半径に略等しい曲率半径を
有した複数のグラファイト層の端面で構成され、その開
放された先端に位置する個々の炭素原子から電子が放出
される。したがって、先端の曲率半径が極めて小さく、
且つ実質的な電子放出位置(エミッション・サイト)が
多くなることから、電子放出効率が飛躍的に高められ
る。
Another aspect of the present invention, preferably, (b) the plurality of nanotubes have open ends at the anode side. In this way, the tip of the nanotube whose tip is opened is constituted by the end face of the cylindrical graphite layer, and the radius of curvature at the tip is substantially the same as that of the carbon atom located there. Approximately matches the radius. In addition, since the nanotubes are formed by nesting a plurality of cylindrical graphite layers, the end face of the graphite layer provided on the inner peripheral side is opened by opening the tip closed in a dome shape. Is exposed. Therefore, the tip of the nanotube is composed of the end faces of a plurality of graphite layers each having a radius of curvature substantially equal to the atomic radius of the carbon atom, and electrons are emitted from the individual carbon atoms located at the open tip. . Therefore, the radius of curvature at the tip is extremely small,
In addition, since the number of substantial electron emission positions (emission sites) increases, the electron emission efficiency is dramatically improved.

【0012】上記のような先端が開放されたナノチュー
ブは、例えば、酸素の存在下において450 〜750(℃) 程
度の温度で所定時間だけ熱処理をすることによって得る
ことができる。ナノチューブの先端が閉じるように導入
されている5員環或いは7員環は、グラファイトの基本
構成要素である6員環よりも結合力が小さいことから、
熱を加えることにより優先的に分解されるため、ドーム
状の先端部(通常、「キャップ」と称される)がそれら
5員環或いは7員環の存在する位置から分離されるので
ある。上記の処理時間は、好適には、10秒乃至3 分程度
であり、処理温度に応じて適宜設定される。なお、450
(℃) よりも低温或いは10秒よりも短時間では5員環お
よび7員環が分解されないため先端を開放できない。一
方、750(℃) よりも高温或いは3 分よりも長時間では6
員環も分解されてナノチューブが失われることとなる。
The open-ended nanotube as described above can be obtained, for example, by performing a heat treatment at a temperature of about 450 to 750 (° C.) for a predetermined time in the presence of oxygen. Since the five-membered or seven-membered ring introduced so that the tip of the nanotube closes has a smaller bonding force than the six-membered ring which is a basic component of graphite,
The domes are preferentially decomposed by the application of heat, so that the dome-shaped tip (commonly referred to as the "cap") is separated from the location of the five- or seven-membered ring. The above processing time is preferably about 10 seconds to 3 minutes, and is appropriately set according to the processing temperature. Note that 450
If the temperature is lower than (° C.) or shorter than 10 seconds, the 5-membered ring and the 7-membered ring are not decomposed, so that the tip cannot be opened. On the other hand, at temperatures higher than 750 (° C) or longer than 3 minutes, 6
The member rings are also decomposed and the nanotubes are lost.

【0013】また、ナノチューブの先端の開放は、その
先端側からプラズマ・エッチングすることによっても行
うことができる。このようにすれば、先端の開放処理時
に酸素によってナノチューブが劣化し、或いは酸素の吸
着によってエミッション特性が低下させられることが好
適に抑制される。なお、エッチングに利用するガスは、
水素、アルゴン、ヘリウム、窒素、或いはそれらの混合
ガスが好適に用いられる。
The opening of the tip of the nanotube can also be performed by plasma etching from the tip side. With this configuration, it is possible to preferably suppress the nanotubes from being degraded by oxygen during the opening treatment of the tip or the emission characteristics being degraded by the adsorption of oxygen. The gas used for etching is
Hydrogen, argon, helium, nitrogen, or a mixed gas thereof is suitably used.

【0014】また、好適には、(c) 前記気密空間内にお
いて前記陽極に対向する位置に陰極が備えられ、前記エ
ミッタは、前記基板がその陰極に固着されることにより
その陰極と導通させられているものである。このように
すれば、ナノチューブから成るエミッタは、気密空間内
において陽極に対向する位置に備えられた陰極上に基板
が固着されることによりその陰極と導通させられる。共
有結合性炭化物を加熱することによりその表面にナノチ
ューブを生成する際には、基板のその表面以外の部分す
なわち側面や裏面からも非金属元素が除去されてその表
層部にグラファイト層(ナノチューブ構造になるものも
含む)が形成される。そのため、基板を構成する共有結
合性炭化物の導電性が低くとも、ナノチューブが生成さ
れた熱処理後においてはその基板全体が導体で覆われて
いることから、単に陰極上に固着するだけで容易にナノ
チューブから成るエミッタとその陰極との導通が確保さ
れるのである。しかも、前述のように密に形成されたナ
ノチューブは相互に電気的に接触させられているため、
内周側に位置するものにもナノチューブ自身を介して通
電させられる。したがって、基板上に形成されているエ
ミッタに、別途設けられた陰極を介して容易に駆動電圧
を印加できることから、電界電子放出装置の構造が簡単
になる。なお、上記の陰極は、例えば厚膜導体ペースト
を印刷すること等によって設けることができる。
Preferably, (c) a cathode is provided at a position facing the anode in the hermetic space, and the emitter is electrically connected to the cathode by fixing the substrate to the cathode. Is what it is. With this configuration, the emitter made of the nanotube is electrically connected to the cathode by fixing the substrate on the cathode provided at the position facing the anode in the airtight space. When nanotubes are formed on the surface by heating the covalent carbide, non-metallic elements are also removed from portions other than the surface of the substrate, that is, the side and back surfaces, and a graphite layer (in the nanotube structure) is formed on the surface layer. Are formed. Therefore, even though the conductivity of the covalent carbide forming the substrate is low, the nanotubes can be easily fixed only on the cathode since the entire substrate is covered with a conductor after the heat treatment in which the nanotubes are generated. The continuity between the emitter made of and the cathode is ensured. Moreover, since the densely formed nanotubes are in electrical contact with each other as described above,
Electric current is also supplied to the inner peripheral side through the nanotube itself. Therefore, the driving voltage can be easily applied to the emitter formed on the substrate via the separately provided cathode, so that the structure of the field electron emission device is simplified. The cathode can be provided, for example, by printing a thick film conductor paste.

【0015】また、好適には、前記の共有結合性炭化物
は、炭化珪素(SiC) から成るものである。このようにす
れば、一層緻密且つ一様に配向させられたナノチューブ
から成るエミッタを得ることができる。これは、珪素(S
i)が炭素原子をグラファイト化するための触媒として特
に好適に作用するためと推定される。なお、炭化珪素は
一般にα型(α-SiC)およびβ型(β-SiC)に分類され
るが、何れが基板として用いられてもナノチューブを好
適に形成できる。上記のα型およびβ型は、、多数存在
する炭化珪素の多形を二分類したものであり、立方晶の
3Cをβ型といい、それ以外の非等軸晶(六方晶の2
H、4H、6Hおよび菱面体の15R等)をα型とい
う。ここで、2H等はRamsdellの表記法に従ったもので
ある。
[0015] Preferably, the covalent carbide is made of silicon carbide (SiC). In this way, it is possible to obtain an emitter composed of nanotubes that are more densely and uniformly oriented. This is silicon (S
It is presumed that i) functions particularly suitably as a catalyst for graphitizing carbon atoms. Note that silicon carbide is generally classified into α-type (α-SiC) and β-type (β-SiC), and a nanotube can be suitably formed regardless of which one is used as a substrate. The α-form and the β-form are classified into a large number of polymorphs of silicon carbide which are present in a large number. The cubic 3C is called β-form, and other non-equiaxed crystals (hexagonal 2
H, 4H, 6H and rhombohedral 15R) are referred to as α-form. Here, 2H and the like follow Ramsdell's notation.

【0016】また、好適には、前記ナノチューブが生成
される基板の表面は、共有結合性炭化物単結晶の結晶面
に平行な面である。このようにすれば、ナノチューブは
その共有結合性炭化物単結晶の結晶面に垂直な方向に配
向される傾向があるため、表面における配向性が一層高
められる。一層好適には、上記表面は、炭素だけが存在
する第1の層と非金属元素だけが存在する第2の層とが
交互に積み重ねられる方向における積層面である。この
ようにすれば、ナノチューブの配向性を更に高めること
ができる。これは、非金属元素が炭素原子間を通って容
易に表面側へ移動していくためと考えられる。上記の積
層面は、例えば、2Hのα-SiC単結晶等のような六方晶
の化合物においては(0001)面であり、β-SiC単結
晶等のような立方晶の化合物においては(111)面で
ある。
Preferably, the surface of the substrate on which the nanotubes are formed is a plane parallel to the crystal plane of a covalent carbide single crystal. In this case, since the nanotubes tend to be oriented in a direction perpendicular to the crystal plane of the covalent carbide single crystal, the orientation on the surface is further enhanced. More preferably, the surface is a lamination surface in a direction in which the first layer in which only carbon is present and the second layer in which only non-metallic elements are present are alternately stacked. By doing so, the orientation of the nanotubes can be further enhanced. It is considered that this is because the nonmetallic element easily moves to the surface side between carbon atoms. The lamination plane is, for example, a (0001) plane in a hexagonal compound such as a 2H α-SiC single crystal and a (111) plane in a cubic compound such as a β-SiC single crystal. Plane.

【0017】また、好適には、前記の真空下における加
熱処理は、10-10 〜10-3(Torr)の真空度の真空雰囲気下
で行われる。このようにすれば、基板の表面にナノチュ
ーブを一層均一に形成することができる。なお、10-3(T
orr)よりも真空度が低いと基板表面から酸化が進行して
ナノチューブの均一性が損なわれる傾向にある。一方10
-10(Torr) よりも真空度が高いとグラファイト層が円筒
状とならず、ナノチューブが形成され難い。したがっ
て、上記の真空度の範囲が望ましい。一層好適には、真
空度は10-7〜10-4(Torr)の範囲である。
Preferably, the heat treatment under vacuum is performed in a vacuum atmosphere having a degree of vacuum of 10 -10 to 10 -3 (Torr). In this case, the nanotubes can be more uniformly formed on the surface of the substrate. Note that 10 -3 (T
If the degree of vacuum is lower than orr), oxidation proceeds from the substrate surface, and the uniformity of the nanotube tends to be impaired. While 10
If the degree of vacuum is higher than -10 (Torr), the graphite layer does not become cylindrical, and nanotubes are hardly formed. Therefore, the above range of the degree of vacuum is desirable. More preferably, the degree of vacuum is in the range of 10-7 to 10-4 (Torr).

【0018】また、好適には、前記の真空下における加
熱処理は、1200〜 2000(℃) の温度範囲で行われる。 1
200(℃) 未満では共有結合性炭化物が分解しないためナ
ノチューブが形成され難い。一方、 2000(℃) を越える
と形成されたナノチューブが更に結合して大きく成長す
る現象が生じるため、ナノチューブの直径を制御するこ
とが困難になる。すなわち、共有結合性炭化物から成る
基板の表面は、上記の処理温度が高くなるほどナノチュ
ーブの生成過程で乱れる傾向にあることから、高温下で
は共有結合性炭化物を構成する非金属元素の基板表面か
らの抜け易さ(離脱性)が次第に一様ではなくなる。そ
のため、その非金属元素が抜ける際の経路に応じて炭素
原子の結合形態が変化させられ、ナノチューブの直径の
一様性が低下させられることから、その制御が困難にな
るのである。
Preferably, the heat treatment under vacuum is performed in a temperature range of 1200 to 2000 (° C.). 1
If the temperature is lower than 200 (° C.), the covalent carbide is not decomposed, so that nanotubes are hardly formed. On the other hand, if the temperature exceeds 2000 (° C.), a phenomenon occurs in which the formed nanotubes are further bonded and grow large, so that it is difficult to control the diameter of the nanotubes. That is, since the surface of the substrate made of covalent carbide tends to be disturbed in the process of forming nanotubes as the processing temperature increases, the temperature of the non-metallic element forming the covalent carbide from the substrate surface at high temperatures Ease of detachment (removability) becomes less uniform. Therefore, the bonding form of the carbon atoms is changed according to the path through which the non-metallic element escapes, and the uniformity of the diameter of the nanotube is reduced, so that the control becomes difficult.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面を
参照して詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0020】図1は、本発明の一実施例のFED10の
構成の要部を模式的に示す断面図である。図において、
FED10は、透光性を有する略平坦な前面板12と、
それに平行に配置された背面板14とが枠状のスペーサ
16を介して接合されることにより、内部が10-6(Torr)
以下、好ましくは10-7(Torr)以下の真空度の気密容器に
構成されている。前面板12および背面板14は、それ
ぞれ1 〜2(mm) 程度の厚さのソーダ・ライム・ガラス製
の平板等から成るものである。但し、背面板14は、セ
ラミックス或いは琺瑯等の電気絶縁性を有する他の材料
で構成してもよい。また、上記のスペーサ16は、例え
ば前面板12および背面板14の構成材料と同様な熱膨
張係数を有する材料、例えばそれらと同様なソーダ・ラ
イム・ガラスや表面に絶縁層を設けられた426合金等
から成るものであって、例えば0.3(mm) 程度の一様な厚
さを備えている。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing a main part of the configuration of an FED 10 according to one embodiment of the present invention. In the figure,
The FED 10 includes a substantially flat front plate 12 having a light-transmitting property,
A back plate 14 disposed in parallel with the back plate 14 is joined via a frame-shaped spacer 16, so that the inside is 10 −6 (Torr).
Hereafter, preferably, it is configured in an airtight container having a vacuum degree of 10 −7 (Torr) or less. The front plate 12 and the rear plate 14 are each made of a soda-lime-glass flat plate having a thickness of about 1 to 2 (mm). However, the back plate 14 may be made of another material having electrical insulation such as ceramics or enamel. The spacer 16 is made of, for example, a material having the same coefficient of thermal expansion as the constituent material of the front plate 12 and the back plate 14, such as soda-lime glass or a 426 alloy having an insulating layer on the surface. And has a uniform thickness of, for example, about 0.3 (mm).

【0021】上記の前面板12の内面18には、透明な
ITO(Indium Tin Oxide:酸化インジウム錫)等から
成る複数本の陽極(アノード)20が、一方向に沿って
ストライプ状に配列形成されている。この陽極20は、
例えばスパッタや蒸着等の薄膜プロセスによって1(μm)
程度の膜厚に設けられたものであり、シート抵抗値で10
(Ω/□) 程度の高い導電性を有する。これら複数本の
陽極20の各々の下面には、例えば赤、緑、青にそれぞ
れ発光させられる蛍光体層22が、それら3色が繰り返
し並ぶように設けられている。蛍光体層22は、例え
ば、低速電子線で励起されることにより可視光を発生さ
せる(Zn,Cd)S:Ag,Cl(赤)、ZnGa2O4:Mn(緑)やZnS:Cl
(青)等の材料から構成されるものであり、例えば10〜
20(μm)程度の色毎に定められた厚さで厚膜スクリーン
印刷法等で形成されている。
On the inner surface 18 of the front plate 12, a plurality of anodes (anodes) 20 made of transparent ITO (Indium Tin Oxide) or the like are arranged in stripes along one direction. ing. This anode 20
1 (μm) by thin film process such as sputtering or evaporation
It is provided with a film thickness of about
(Ω / □). On the lower surface of each of the plurality of anodes 20, a phosphor layer 22 for emitting, for example, red, green, and blue light is provided so that the three colors are repeatedly arranged. The phosphor layer 22 generates, for example, visible light by being excited by a slow electron beam (Zn, Cd) S: Ag, Cl (red), ZnGa 2 O 4 : Mn (green), or ZnS: Cl.
(Blue), for example, 10 to
It is formed by a thick film screen printing method or the like with a thickness determined for each color of about 20 (μm).

【0022】一方、背面板14の内面24には、例えば
ストライプ状の複数本の陰極26が上記の陽極20と直
交する他方向に沿って配列形成されている。陰極26
は、例えば、Ni、Cr、Au、Ag、Mo、W 、Pt、Ti、Al、C
u、Pd等の金属、合金、或いは金属酸化物とガラスとか
ら構成される厚膜印刷導体である。これら複数本の陰極
26の各々の上には、後述するように電子の発生源とな
るエミッタ28が、例えば導電性接着剤等によって陰極
26と導通させられた状態で固着されている。エミッタ
28と陽極20との距離は、例えば数十 (μm)から数十
(mm)程度である。そして、エミッタ28の上方には、陰
極26と直交する方向、すなわち陽極20と同様な一方
向に沿って配列されたストライプ状の複数本のゲート電
極30が、絶縁膜32によってエミッタ28と電気的に
絶縁させられた状態で備えられている。ゲート電極30
は、例えばクロム(Cr)等から構成されて、陰極26との
交点の各々に直径1 〜2(μm)程度の複数個の電子通過孔
34を備えたものである。また、絶縁膜32は、二酸化
珪素(SiO2)等の絶縁材料で構成される。これらゲート電
極30および絶縁膜32は、何れも真空蒸着法、印刷
法、或いはスパッタ法等によって形成されている。
On the other hand, on the inner surface 24 of the back plate 14, for example, a plurality of striped cathodes 26 are arranged and formed along the other direction orthogonal to the anode 20 described above. Cathode 26
Is, for example, Ni, Cr, Au, Ag, Mo, W, Pt, Ti, Al, C
It is a thick-film printed conductor composed of a metal such as u or Pd, an alloy, or a metal oxide and glass. On each of the plurality of cathodes 26, an emitter 28 serving as a source of electrons, as described later, is fixed in a state of being electrically connected to the cathode 26 by, for example, a conductive adhesive. The distance between the emitter 28 and the anode 20 is, for example, several tens (μm) to several tens.
(mm). Above the emitter 28, a plurality of stripe-shaped gate electrodes 30 arranged in a direction orthogonal to the cathode 26, that is, along one direction similar to the anode 20, are electrically connected to the emitter 28 by the insulating film 32. It is provided in an insulated state. Gate electrode 30
Is made of, for example, chromium (Cr), and has a plurality of electron passage holes 34 each having a diameter of about 1 to 2 (μm) at each intersection with the cathode 26. The insulating film 32 is made of an insulating material such as silicon dioxide (SiO 2 ). Each of the gate electrode 30 and the insulating film 32 is formed by a vacuum deposition method, a printing method, a sputtering method, or the like.

【0023】そのため、陰極26およびゲート電極30
にそれぞれ信号電圧および走査電圧が印加されると、そ
れらの間の大きな電圧勾配に基づいて生じる電界放出
(Field Emission)によってその陰極26上に固着され
ているエミッタ28から電子が放出される。この電子
は、前面板12上に設けられている陽極20に所定の正
電圧が印加されることにより、ゲート電極30に設けら
れている電子通過孔34を通ってその陽極20に向かっ
て飛ぶ。これにより、その陽極20上に設けられている
蛍光体層22に電子が衝突させられ、蛍光体層22が電
子線励起により発光させられる。したがって、ゲート電
極30の走査のタイミングに同期して所望の陽極20に
正電圧を印加することにより、所望の位置にある蛍光体
層22が発光させられるため、その光が前面板12を通
して外部に射出されることにより、所望の画像が表示さ
れる。なお、駆動方法の詳細については、本発明の理解
に必要ではないので説明を省略する。
Therefore, the cathode 26 and the gate electrode 30
When a signal voltage and a scan voltage are respectively applied to the cathode 26, electrons are emitted from an emitter 28 fixed on the cathode 26 by a field emission generated based on a large voltage gradient therebetween. The electrons fly toward the anode 20 through an electron passage hole 34 provided in the gate electrode 30 by applying a predetermined positive voltage to the anode 20 provided on the front plate 12. As a result, electrons collide with the phosphor layer 22 provided on the anode 20, and the phosphor layer 22 emits light by electron beam excitation. Therefore, by applying a positive voltage to a desired anode 20 in synchronization with the scanning timing of the gate electrode 30, the phosphor layer 22 at a desired position is caused to emit light. By being emitted, a desired image is displayed. Note that the details of the driving method are not necessary for understanding the present invention, and a description thereof will be omitted.

【0024】図2は、上記のエミッタ28の構成を詳し
く示す図である。図において、エミッタ28は、例えば
炭化珪素から成る基板部36と、その基板部36の表面
38に例えば 1011(個/cm2) 程度以上[例えば、10000
〜40000(本/μm2) 程度]の数密度で緻密に立設されて
相互に接触させられた多数本のナノチューブ40とから
構成されている。これら多数本のナノチューブ40は、
各々が例えば直径5 〜10(nm)程度、長さ0.2(μm)程度の
寸法を備えたものであって、表面38に対して略垂直を
成す方向に配向しており、陽極20に向かうその先端は
略一様な高さに位置する。このナノチューブ40は、後
述する製造方法や図6等から明らかなように基板部36
の表面38から分子レベルで連続しており、何ら接合処
理等を施すことなく、その基板部36上に一体的に設け
られている。前述した駆動過程におけるエミッタ28か
らの電子の放出は、これらのナノチューブ40の先端か
ら為されるものであり、したがって、本実施例において
は、エミッタ28の表面38に備えられた多数本のナノ
チューブ40の各々が実質的にエミッタとして機能す
る。
FIG. 2 is a diagram showing the structure of the emitter 28 in detail. In the figure, an emitter 28 has a substrate portion 36 made of, for example, silicon carbide and a surface 38 of the substrate portion 36 having a size of, for example, about 10 11 (pieces / cm 2 ) or more [for example, 10,000
440000 (books / μm 2 )] and a large number of nanotubes 40 densely erected and brought into contact with each other. These many nanotubes 40
Each of them has a size of, for example, a diameter of about 5 to 10 (nm) and a length of about 0.2 (μm), and is oriented in a direction substantially perpendicular to the surface 38 and faces toward the anode 20. The tip is located at a substantially uniform height. As apparent from the manufacturing method described later and FIG.
And is continuous at the molecular level from the surface 38, and is integrally provided on the substrate portion 36 without performing any bonding processing or the like. The emission of electrons from the emitter 28 in the above-described driving process is performed from the tips of the nanotubes 40. Therefore, in this embodiment, a large number of nanotubes 40 provided on the surface 38 of the emitter 28 are used. Each function substantially as an emitter.

【0025】図3に先端部を拡大した分子構造モデルを
示すように、上記のナノチューブ40は、その周壁が炭
素原子44の6員環が網状に連結されて成る複数本(例
えば2 〜10本程度)の順次径の異なる円筒状グラファイ
ト層46a、46b、〜46k(以下、特に区別しない
ときは単にグラファイト層46という)が入れ子になっ
て、2 〜10層程度の多層構造から成る円筒状のグラファ
イト層46で構成されたものである。個々のナノチュー
ブ40の先端には多重構造を成すグラファイト層46の
端面が露出している。すなわち、ナノチューブ40は陽
極20に向かう先端が開放した形状を備えており、その
グラファイト層46の端面を構成する複数の炭素原子4
4の各々から電子が放出されることとなる。したがっ
て、ナノチューブ40の曲率半径は、実質的に炭素原子
44の半径に一致する。最外周に位置するグラファイト
層46aの直径すなわちナノチューブ40の直径odは
例えば5 〜10(nm)程度であり、最内周に位置するグラフ
ァイト層46kの直径idは例えば3(nm) 程度である。
このため、本実施例においては、実質的に、直径od=
10(nm)程度以下の極めて微細な領域内に極めて多数のエ
ミッション・サイト(電子の放出位置)が存在する。ま
た、各グラファイト層46の相互間隔gは、平坦なグラ
ファイトの層間隔に略等しい 3.34(Å) 程度であり、少
なくとも先端部近傍においてはグラファイト層46が相
互に独立している。
As shown in the molecular structure model whose tip is enlarged in FIG. 3, the nanotube 40 has a plurality of (for example, two to ten) nanotubes whose peripheral wall is formed by connecting six-membered rings of carbon atoms 44 in a network. Cylindrical graphite layers 46a, 46b,... 46k (hereinafter, simply referred to as graphite layers 46 unless otherwise specified) are nested to form a cylindrical structure having a multilayer structure of about 2 to 10 layers. It is composed of a graphite layer 46. At the tip of each nanotube 40, the end face of the graphite layer 46 having a multiplex structure is exposed. That is, the nanotube 40 has a shape whose tip toward the anode 20 is open, and a plurality of carbon atoms 4 constituting an end face of the graphite layer 46 are formed.
4 will emit electrons. Therefore, the radius of curvature of the nanotube 40 substantially corresponds to the radius of the carbon atom 44. The diameter of the graphite layer 46a located at the outermost periphery, that is, the diameter od of the nanotube 40 is, for example, about 5 to 10 (nm), and the diameter id of the graphite layer 46k located at the innermost periphery is, for example, about 3 (nm).
Therefore, in this embodiment, the diameter od =
An extremely large number of emission sites (electron emission positions) exist in an extremely fine region of about 10 (nm) or less. The distance g between the graphite layers 46 is about 3.34 (Å), which is substantially equal to the distance between the layers of flat graphite, and the graphite layers 46 are independent of each other at least near the tip.

【0026】図2に戻って、基板部36の表面38を除
く側面および裏面には炭素原子の網目構造が平坦で円筒
状とはなっていないグラファイト層42が形成されてい
る。したがって、その基板部36は、導電性を有するナ
ノチューブ40(すなわち円筒状のグラファイト層)お
よびグラファイト層42によって表面全体が覆われて構
成される。基板部36を構成する炭化珪素は極めて低い
導電性を有しているが、このようにグラファイトで覆わ
れることによって表面に高い導電性が付与されている。
そのため、表面38に備えられたナノチューブ40と陰
極26とは、グラファイト層42および導電性接着剤を
介して導通させられることから、前述のように陰極26
およびゲート電極30間に電圧を印加することによりナ
ノチューブ40に通電させられ、その先端から電子が放
出されるのである。このとき、複数本のナノチューブ4
0は相互に接触していることから、表面38の周縁部に
位置するものを介して内周側に位置するものも陰極26
と導通させられているため、複数本の陰極26の上にそ
れぞれ設けられているエミッタ28の略全面から略一様
に電子が放出され、略一様な電界が形成されることとな
る。したがって、一方向に配向して緻密に配設された複
数本のナノチューブ40からエミッタが構成されること
から、高電流密度で特性の一様なエミッタ28を備えた
FED10が得られるのである。
Returning to FIG. 2, a graphite layer 42 having a flat and non-cylindrical network structure of carbon atoms is formed on the side surface and the back surface of the substrate portion 36 except for the front surface 38. Therefore, the substrate portion 36 is configured such that the entire surface is covered with the conductive nanotubes 40 (that is, the cylindrical graphite layer) and the graphite layer 42. The silicon carbide forming the substrate portion 36 has extremely low conductivity, but the surface is provided with high conductivity by being covered with graphite in this way.
Therefore, the nanotubes 40 provided on the surface 38 and the cathode 26 are electrically connected via the graphite layer 42 and the conductive adhesive, and thus the cathode 26 is provided as described above.
By applying a voltage between the gate electrode 30 and the gate electrode 30, the nanotube 40 is energized and electrons are emitted from the tip. At this time, a plurality of nanotubes 4
0 are in contact with each other, so that those located on the inner peripheral side through those located on the peripheral
And electrons are emitted substantially uniformly from substantially the entire surface of the emitter 28 provided on each of the plurality of cathodes 26, so that a substantially uniform electric field is formed. Therefore, since the emitter is composed of a plurality of nanotubes 40 densely arranged in one direction, the FED 10 having the emitter 28 with high current density and uniform characteristics can be obtained.

【0027】ところで、上記のようなエミッタ28は、
例えば、以下のようにして製造される。以下、工程の各
段階を示す図4(a) 〜(d) を参照して製造方法を説明す
る。まず、例えば(0001)面が表面48に現れたα
型、或いは(111)面が表面48に現れたβ型の炭化
珪素単結晶から成る基板50を用意し、真空炉52内に
その表面48が上向きとなるように配置する。図4(a)
はこの状態を示している。次いで、この真空炉52内に
おいて基板50を 1700(℃) 程度の温度で0.5時間程度
加熱する。この加熱処理中においては、真空炉52内
が、例えば10-7〜10-4(Torr)程度の真空度に保たれる。
これにより、炭化珪素を構成する珪素が基板50の表面
48からガス化して次第に除去され、その表面48近傍
に炭素原子44だけから成る珪素除去層54が例えば0.
1(μm)程度の深さに形成される。図4(b) はこの状態を
示している。このとき、この珪素除去層54には、図4
(c)に示されるように、α型においては[0001]方
向に、β型においては[111]方向に高配向したナノ
チューブ40が密に形成される。
By the way, the emitter 28 as described above is
For example, it is manufactured as follows. Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIGS. 4 (a) to 4 (d) showing each step of the process. First, for example, when the (0001) plane appears on the surface 48,
A substrate 50 made of a silicon carbide single crystal of β-type having a mold or a (111) plane appearing on a surface 48 is prepared, and placed in a vacuum furnace 52 so that the surface 48 faces upward. Fig. 4 (a)
Indicates this state. Next, the substrate 50 is heated in the vacuum furnace 52 at a temperature of about 1700 (° C.) for about 0.5 hour. During this heat treatment, the inside of the vacuum furnace 52 is maintained at a degree of vacuum of, for example, about 10 −7 to 10 −4 (Torr).
As a result, silicon constituting silicon carbide is gasified from surface 48 of substrate 50 and is gradually removed, and silicon removal layer 54 consisting of only carbon atoms 44 near surface 48 has a thickness of, for example, 0.1.
It is formed to a depth of about 1 (μm). FIG. 4B shows this state. At this time, the silicon removal layer 54 is
As shown in (c), the nanotubes 40 that are highly oriented in the [0001] direction in the α type and in the [111] direction in the β type are densely formed.

【0028】すなわち、炭化珪素は、珪素と炭素が作る
正四面体が平面に並んだ層が積み重なって構成されるも
のであって、図5(a) に示されるように正四面体が作る
層が平行移動して形成されるABCの積層と、図5(b)
に示されるように平行移動と60°の回転の組み合わせに
より形成されるAC’(或いはBA’、CB’)の積層
が基本構造とされて、これらの組み合わせによって極め
て多くの多形を有することが知られている。多形の一つ
である立方晶構造(すなわちβ型炭化珪素)は、例え
ば、図5(c) に示すような単位格子で構成されている
が、上記の(111)面は、図における炭素原子44
a、44b、44cを結ぶ平面に平行な面であり、この
(111)面では、炭素44だけの層と珪素56だけの
層が交互に積層されている。このように交互に積層され
た面に垂直な方向には珪素原子56が容易に移動できる
ことから、その移動に伴う触媒的な作用によって炭素原
子44を6員環構造に変化させつつ表面48から抜け出
るものと考えられるのである。
That is, silicon carbide is formed by stacking layers in which tetrahedrons made of silicon and carbon are arranged in a plane, and as shown in FIG. 5A, and a stack of ABC formed by parallel movement.
As shown in the above, a stack of AC ′ (or BA ′, CB ′) formed by a combination of translation and rotation by 60 ° is a basic structure, and these combinations may have an extremely large number of polymorphs. Are known. The cubic structure (ie, β-type silicon carbide), which is one of the polymorphs, is composed of, for example, a unit cell as shown in FIG. 5 (c). Atom 44
This is a plane parallel to a plane connecting a, 44b, and 44c. On this (111) plane, a layer made of only carbon 44 and a layer made of only silicon 56 are alternately stacked. Since the silicon atoms 56 can easily move in the direction perpendicular to the alternately stacked surfaces as described above, the carbon atoms 44 escape from the surface 48 while changing the carbon atoms 44 into a six-membered ring structure by the catalytic action accompanying the movement. It is considered something.

【0029】図6は、ナノチューブ40の形成過程のモ
デル図である。炭化珪素から珪素原子56が抜け出るこ
とにより、基板50には表面48(仮想線で示す)側か
ら順に炭素44だけの分子構造が形成されていく。この
ように形成される分子は前述のように網状につながる6
員環構造を成すグラファイトであるが、その6員環構造
は珪素原子56の移動方向に沿ってエピタキシャル的に
成長し、基板50の表面48の結晶面に応じてグラファ
イトの成長方向が決定されるものと考えられる。そのた
め、熱処理の進行に伴って珪素除去層54が深くなる
と、上記のような結晶方位では円筒状のグラファイト・
シートが基板50の厚み方向すなわち珪素除去層54の
進行方向に伸びるように形成され、炭化珪素の結晶構造
をある程度受け継いで図に示されるように基板部36と
分子レベルで連続させられた形で、緻密に並び且つ表面
38に略垂直な方向に配向したナノチューブ40が得ら
れるものと推定される。なお、図においてはナノチュー
ブ40の先端に円筒状グラファイト層46の端面が露出
しているように描かれているが、実際には、中央に一部
を示すようにその先端部は5員環或いは7員環が導入さ
れることでドーム状に閉じている。
FIG. 6 is a model diagram showing the process of forming the nanotube 40. As silicon atoms 56 escape from silicon carbide, a molecular structure of only carbon 44 is formed on substrate 50 in order from surface 48 (shown by phantom lines). The molecules thus formed are connected in a network as described above.
Although the graphite has a six-membered ring structure, the six-membered ring structure grows epitaxially along the moving direction of the silicon atoms 56, and the growth direction of the graphite is determined according to the crystal plane of the surface 48 of the substrate 50. It is considered something. Therefore, when the silicon removal layer 54 becomes deeper with the progress of the heat treatment, a cylindrical graphite
The sheet is formed so as to extend in the thickness direction of the substrate 50, that is, in the traveling direction of the silicon removal layer 54, and inherits the crystal structure of silicon carbide to some extent and is continuous with the substrate portion 36 at the molecular level as shown in the drawing. It is presumed that nanotubes 40 densely arranged and oriented in a direction substantially perpendicular to the surface 38 are obtained. Although the end surface of the cylindrical graphite layer 46 is exposed at the tip of the nanotube 40 in the figure, in practice, the tip is a five-membered ring or It is closed in a dome shape by introducing a seven-membered ring.

【0030】図4に戻って、上記のようにして基板50
の表面48側にナノチューブ40を形成した後、その基
板50を加熱炉58中で熱処理する。熱処理条件は、例
えば、大気雰囲気(酸化雰囲気)中で、温度500(℃) 、
処理時間1 分程度である。図4(c) はこの状態を示して
いる。これにより、ナノチューブ40の先端部のうち、
6員環に比較して結合力が小さい5員環等で構成される
部分が破壊され、その部分から先が分離されることによ
り、図4(d) に示されるようにナノチューブ40の先端
が開放されて前記図2に示されるようなエミッタ28が
得られる。
Referring back to FIG. 4, the substrate 50 is
After the nanotubes 40 are formed on the surface 48 of the substrate 50, the substrate 50 is heat-treated in a heating furnace 58. The heat treatment conditions include, for example, a temperature of 500 (° C.) in an air atmosphere (oxidizing atmosphere),
Processing time is about 1 minute. FIG. 4C shows this state. Thereby, of the tip of the nanotube 40,
A portion composed of a five-membered ring or the like having a smaller bonding force than that of the six-membered ring is broken, and the tip is separated from the portion. When opened, the emitter 28 as shown in FIG. 2 is obtained.

【0031】ここで、図7は、上記のようにして形成し
たエミッタ28の特性を評価するための試験方法を説明
する図である。図において、陽極20とエミッタ28と
が、例えばd=0.42(mm)程度の間隔を以て対向して配置
されている。なお、これらはFED10における電極構
造と同様にガラス板等の上に設けられ、且つ厚膜印刷導
体等によって形成された電極リードに接続されている
が、図においては全て省略した。上記のように配置した
状態で、陽極20、エミッタ28間に陽極20の電位を
0 〜3(V)の範囲で電圧を印加して、電流計60で放出電
流を測定したところ、陽極電位1.5(kV) で100(μA)以上
の放出電流が得られた。この実験条件は3(V/μm)程度の
電圧勾配で発光に十分な放出電流が得られることを意味
し、エミッタ28がFED10のエミッタとして好適な
能力を有することが確かめられた。
FIG. 7 is a view for explaining a test method for evaluating the characteristics of the emitter 28 formed as described above. In the figure, an anode 20 and an emitter 28 are arranged to face each other with an interval of, for example, d = 0.42 (mm). These are provided on a glass plate or the like similarly to the electrode structure in the FED 10, and are connected to electrode leads formed by a thick-film printed conductor or the like, but they are all omitted in the figure. With the arrangement as described above, the potential of the anode 20 is applied between the anode 20 and the emitter 28.
When a voltage was applied in the range of 0 to 3 (V) and the emission current was measured by the ammeter 60, an emission current of 100 (μA) or more was obtained at an anode potential of 1.5 (kV). This experimental condition means that a sufficient emission current for light emission can be obtained with a voltage gradient of about 3 (V / μm), and it has been confirmed that the emitter 28 has a suitable ability as the emitter of the FED 10.

【0032】また、上記の試験と同様にして、図4(d)
に示される熱処理に代えて水素プラズマ中で30秒程度基
板50を処理して形成したエミッタ28についても特性
を評価した。このエミッタ28もナノチューブ40の先
端が熱処理の場合と同様に開放されており、陽極電位1.
5(kV) で100(μA)以上の放出電流を得ることができた。
すなわち、ナノチューブ40の先端を開放してグラファ
イト層46の端面を露出させれば、その方法の如何に拘
わらず、大きな放出電流の得られるエミッタ28を製造
できる。
Further, in the same manner as in the above test, FIG.
The characteristics of the emitter 28 formed by treating the substrate 50 in hydrogen plasma for about 30 seconds instead of the heat treatment shown in FIG. This emitter 28 is also open at the tip of the nanotube 40 as in the case of the heat treatment, and the anode potential 1.
An emission current of more than 100 (μA) was obtained at 5 (kV).
That is, if the end of the nanotube 40 is opened to expose the end face of the graphite layer 46, the emitter 28 that can obtain a large emission current can be manufactured regardless of the method.

【0033】また、上記のエミッタ28を用いて、図7
における電極間距離dを0.7(mm) 程度として同様な試験
を実施したところ、2.2(kV) 以上の電圧勾配で100(μA)
以上の放出電流が得られることが確かめられた。すなわ
ち、本実施例のエミッタ28を備えた電界放出装置によ
れば、電極間距離dを比較的大きくしても比較的低い電
圧で大きな放出電流を得ることができる。
Also, using the emitter 28 described above, FIG.
A similar test was conducted with the distance d between the electrodes at 0.7 (mm) of about 0.7 (mm), and a voltage gradient of 2.2 (kV) or more and 100 (μA)
It was confirmed that the above emission current was obtained. That is, according to the field emission device including the emitter 28 of the present embodiment, a large emission current can be obtained at a relatively low voltage even when the distance d between the electrodes is relatively large.

【0034】要するに、本実施例によれば、FED10
のエミッタ28は、炭化珪素単結晶から成る基板50を
真空下で加熱することにより、基板50の平坦な表面4
8から陽極20に向かう一方向に沿って伸びるようにそ
の表面48(ナノチューブ40の形成後においては表面
38)に生成された複数本のナノチューブ40を有して
構成される。そのため、基板50が真空下で加熱される
と、珪素56が選択的に表面48から次第に除去され、
それに伴って炭素原子44だけからなるナノチューブ4
0がその珪素56の移動方向すなわち基板50の内部か
ら表面48に向かう一方向に沿って配向して生成され
る。しかも、珪素56が抜け出ることによるナノチュー
ブ化は基板表面48の略全面で生じ、その表面48側に
は珪素56が残存し得ないため、そこにはナノチューブ
40が緻密に形成されることとなる。これにより、高密
度に配向させられたナノチューブ40を有するエミッタ
28を備えたFED10が得られる。
In short, according to the present embodiment, the FED 10
Of the flat surface 4 of the substrate 50 by heating the substrate 50 made of silicon carbide single crystal under vacuum.
A plurality of nanotubes 40 are formed on the surface 48 (the surface 38 after the formation of the nanotubes 40) so as to extend in one direction from 8 to the anode 20. Therefore, when substrate 50 is heated under vacuum, silicon 56 is selectively removed from surface 48 gradually,
Along with that, a nanotube 4 consisting of only carbon atoms 44
Zeros are generated oriented in the direction of movement of the silicon 56, that is, in one direction from the inside of the substrate 50 toward the surface 48. In addition, nanotube formation due to the escape of the silicon 56 occurs over substantially the entire surface 48 of the substrate, and since the silicon 56 cannot remain on the surface 48 side, the nanotubes 40 are formed densely there. This results in the FED 10 having the emitter 28 with the densely oriented nanotubes 40.

【0035】また、本実施例においては、ナノチューブ
40の先端が開放させられていることから、円筒状のグ
ラファイト層46の端面でその先端が構成されることと
なるため、その先端における曲率半径は実質的にそこに
位置する炭素原子44の半径に略一致する。しかも、ナ
ノチューブ40は円筒状を成す複数個のグラファイト層
46が入れ子状に構成されたものであるため、ドーム状
に閉じている先端が開放されることにより内周側に備え
られているグラファイト層46の端面が露出させられ
る。そのため、そのナノチューブ40の先端は、それぞ
れ炭素原子44の原子半径に略等しい曲率半径を有した
複数のグラファイト層46の端面で構成され、その開放
された先端に位置する個々の炭素原子44から電子が放
出される。したがって、先端の曲率半径が極めて小さ
く、且つ実質的な電子放出位置(エミッション・サイ
ト)が多くなることから、前述のように電子放出効率が
飛躍的に高められる。
In this embodiment, since the end of the nanotube 40 is open, the end is formed by the end face of the cylindrical graphite layer 46. Therefore, the radius of curvature at the end is small. Substantially corresponds to the radius of the carbon atom 44 located there. Moreover, since the nanotube 40 is formed by nesting a plurality of cylindrical graphite layers 46, the graphite layer provided on the inner peripheral side by opening the dome-shaped closed end is opened. The end face of 46 is exposed. Therefore, the tip of the nanotube 40 is constituted by the end faces of a plurality of graphite layers 46 each having a radius of curvature substantially equal to the atomic radius of the carbon atom 44, and electrons from the individual carbon atoms 44 located at the open tip. Is released. Therefore, since the radius of curvature at the tip is extremely small and the number of electron emission positions (emission sites) is substantially increased, the electron emission efficiency is drastically increased as described above.

【0036】また、本実施例においては、気密空間内に
おいて陽極20に対向する位置に陰極26が備えられ、
エミッタ28およびその表面に備えられたナノチューブ
40は、基板部36がその陰極26に固着されることに
より、その基板部36の側面および裏面に形成されてい
るグラファイト層42を介してその陰極26と導通させ
られる。そのため、単に陰極26上に固着するだけでエ
ミッタ28の複数本のナノチューブ40とその陰極26
との導通が容易に確保される利点がある。
In this embodiment, a cathode 26 is provided at a position facing the anode 20 in the airtight space.
The emitter 28 and the nanotube 40 provided on the surface thereof are connected to the cathode 26 via the graphite layers 42 formed on the side and back surfaces of the substrate 36 by fixing the substrate 36 to the cathode 26. It is made conductive. Therefore, the plurality of nanotubes 40 of the emitter 28 and the cathode 26 are simply fixed on the cathode 26.
There is an advantage that continuity is easily ensured.

【0037】また、本実施例においては、ナノチューブ
40が生成される基板50の表面48は、立方晶のβ型
SiC における(111)面の如く、炭化珪素単結晶を構
成する正四面体の積層面に平行な面である。そのため、
極めて高く配向させられたナノチューブ40を得ること
ができる。
In this embodiment, the surface 48 of the substrate 50 on which the nanotubes 40 are formed has a cubic β-type.
Like the (111) plane in SiC, it is a plane parallel to the lamination plane of the tetrahedron constituting the silicon carbide single crystal. for that reason,
An extremely highly oriented nanotube 40 can be obtained.

【0038】図8は、本発明の他の実施例の平面型ラン
プ等として利用される電界電子放出装置62の構成を模
式的に示す図である。本実施例の素子62は、ゲート電
極30が設けられておらず、陽極20や陰極26等が全
面で共通に設けられている他は、前記のFED10と略
同様な電極構成を有している。このような二極管構造と
しても、前述のようにエミッション・サイトが飛躍的に
多くされていることから、陽極20とエミッタ28との
間隔を適宜に設定することにより効率の高い電界電子放
出装置62を得ることができる。
FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of a field electron emission device 62 used as a flat lamp or the like according to another embodiment of the present invention. The element 62 of this embodiment has an electrode configuration substantially similar to that of the FED 10 except that the gate electrode 30 is not provided and the anode 20 and the cathode 26 are provided in common on the entire surface. . Even in such a diode structure, since the number of emission sites is dramatically increased as described above, the field electron emission device 62 having high efficiency can be obtained by appropriately setting the interval between the anode 20 and the emitter 28. Obtainable.

【0039】以上、本発明の一実施例を図面を参照して
詳細に説明したが、本発明は、更に別の態様でも実施で
きる。
While the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the present invention can be embodied in still another mode.

【0040】例えば、実施例においては、本発明がFE
D10や平面型ランプ用の電界電子放出装置62等に適
用された場合について説明したが、本発明は、エミッシ
ョン・サイトの密度および均一性を高めることが望まれ
るものであれば、陰極線管や電子銃等の種々の電界電子
放出装置に同様に適用し得る。
For example, in the embodiment, the present invention
The case where the present invention is applied to the D10, the field electron emission device 62 for a flat lamp, and the like has been described. The present invention can be similarly applied to various field electron emission devices such as a gun.

【0041】また、実施例においては、炭化珪素から成
る基板50を真空中で熱処理することによって高い配向
性を以て緻密に配設されたナノチューブ40を備えたエ
ミッタ28を製造したが、このようなナノチューブ40
を得るための出発材料としては、真空中の加熱によって
非金属元素が除去される共有結合性炭化物であれば、炭
化ホウ素等の他の材料も好適に用いられる。
Further, in the embodiment, the emitter 28 having the nanotubes 40 densely arranged with high orientation was manufactured by heat-treating the substrate 50 made of silicon carbide in a vacuum. 40
As a starting material for obtaining, another material such as boron carbide is preferably used as long as it is a covalently bonded carbide from which a nonmetallic element is removed by heating in vacuum.

【0042】また、実施例においては、ナノチューブ4
0を形成した後に更に酸素の存在下で熱処理を施すこと
により、その先端を開放させてエミッタ28を構成して
いたが、先端の開放処理は必ずしも行われなくともよ
い。但し、前述のように先端を開放させることによって
エミッタ28の実質的な曲率半径が飛躍的に小さくなる
と共に、エミッション・サイトも飛躍的に増大して、エ
ミッタ28の効率が一層高められるため、先端を開放す
る方が望ましい。
In the embodiment, the nanotube 4
Although the emitter 28 is formed by opening the tip by further performing a heat treatment in the presence of oxygen after forming 0, the opening treatment of the tip is not necessarily performed. However, by opening the tip as described above, the substantial radius of curvature of the emitter 28 is significantly reduced, and the emission site is also significantly increased, so that the efficiency of the emitter 28 is further enhanced. It is more desirable to open.

【0043】また、実施例においては、ナノチューブ4
0が直径5 〜10(nm)程度、長さ0.2(μm)程度の大きさに
形成されていたが、その寸法は、電界電子放出装置の用
途に応じて、加熱処理時の真空度や温度を変化させるこ
とにより適宜変更される。
In the embodiment, the nanotube 4
0 was formed to a size of about 5 to 10 (nm) in diameter and about 0.2 (μm) in length, but its size depends on the degree of vacuum and temperature during heat treatment, depending on the application of the field electron emission device. Is changed as appropriate.

【0044】また、実施例においては、エミッタ28が
陰極26に導電性接着剤で固着されるように説明した
が、陰極26が前述のような厚膜印刷導体で構成される
場合には、その焼結過程で同時にエミッタ28を固着す
るようにしてもよい。
In the embodiment, the emitter 28 is fixed to the cathode 26 with a conductive adhesive. However, in the case where the cathode 26 is formed of the above-described thick-film printed conductor, the emitter 28 is fixed. The emitter 28 may be fixed simultaneously during the sintering process.

【0045】その他、一々例示はしないが、本発明は、
その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るもので
ある。
Although not specifically exemplified, the present invention
Various changes can be made without departing from the spirit of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例のFEDの構成を説明する断
面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an FED according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のFEDに備えられるエミッタの構成を詳
しく示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing in detail a configuration of an emitter provided in the FED of FIG. 1;

【図3】図2のエミッタの構造を分子レベルで説明する
図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the structure of the emitter of FIG. 2 at a molecular level.

【図4】(a) 〜(d) は、図2のエミッタの製造工程にお
ける各段階を説明する図である。
FIGS. 4 (a) to 4 (d) are diagrams illustrating each stage in a process of manufacturing the emitter of FIG. 2;

【図5】(a) 〜(c) は、図4の製造工程に用いられる炭
化珪素の結晶構造を説明する図である。
5 (a) to 5 (c) are diagrams illustrating a crystal structure of silicon carbide used in the manufacturing process of FIG.

【図6】図4の製造工程におけるナノチューブの生成過
程を説明するモデル図である。
FIG. 6 is a model diagram illustrating a nanotube generation process in the manufacturing process of FIG.

【図7】図2のエミッタの特性評価試験の実施状態を説
明する図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining an implementation state of a characteristic evaluation test of the emitter of FIG. 2;

【図8】本発明の電界電子放出装置の他の実施例を説明
する図である。
FIG. 8 is a view for explaining another embodiment of the field electron emission device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:FED(電界電子放出装置) 20:陽極 26:陰極 28:エミッタ 40:ナノチューブ 10: FED (Field Electron Emission Device) 20: Anode 26: Cathode 28: Emitter 40: Nanotube

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 気密空間内において互いに対向して配置
されたエミッタおよび陽極間に電圧を印加することによ
り、該エミッタから電子を放出させる形式の電界電子放
出装置であって、 前記エミッタが、共有結合性炭化物から成る基板を真空
下で加熱することにより該基板の平坦な一面から前記陽
極に向かう一方向に沿って伸びるように該一面に生成さ
れた複数本のカーボン・ナノチューブを有することを特
徴とする電界電子放出装置。
1. A field electron emission device of a type in which electrons are emitted from an emitter by applying a voltage between an emitter and an anode arranged opposite to each other in an airtight space, wherein the emitter is a shared device. A plurality of carbon nanotubes are formed on one surface of the substrate made of the associative carbide so as to extend in one direction from the flat surface of the substrate to the anode by heating the substrate under vacuum. Field electron emission device.
【請求項2】 前記複数本のカーボン・ナノチューブ
は、前記陽極側に位置する先端が開放させられたもので
ある請求項1の電界電子放出装置。
2. The field electron emission device according to claim 1, wherein the plurality of carbon nanotubes have open ends at the anode side.
【請求項3】 前記気密空間内において前記陽極に対向
する位置に陰極が備えられ、前記エミッタは、前記基板
が該陰極に固着されることにより該陰極と導通させられ
ているものである請求項1または2の電界電子放出装
置。
3. A cathode is provided at a position facing the anode in the hermetic space, and the emitter is electrically connected to the cathode by fixing the substrate to the cathode. One or two field electron emission devices.
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