JP2000123712A

JP2000123712A - 電界放射型冷陰極およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000123712A
Application number: JP28970998A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Baba; 和宏馬場; Hirochika Yamamoto; 博規山本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出部の先鋭化等の特別な加工を必要と
せず、大面積かつ安価な平面電界放出型冷陰極を提供す
る。【解決手段】電子放出部と該電子放出部に電圧を印加
するための電極からなる電界放射冷陰極において、該電
子放出部がカーボン材料と容易に電子を放出するカーボ
ン材料との混合物からなることを特徴とする。これらカ
ーボン材料と容易に電子を放出するカーボン材料（例え
ば、低仕事関数材料）とを溶剤中で撹拌、分散を行いペ
ースト状にした後、金属、半導体もしくは絶縁性の基体
２０上に塗布し、真空中または不活性ガス雰囲気中にお
いて焼成して皮膜２１を形成し、この皮膜２１を電子放
出部として使用する。その結果、低電圧で電子放出が可
能な冷陰極が形成可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高性能な電界放射
型冷陰極に関する。特に、高い放出電流を得るための冷
陰極であって、平面構造を有する冷陰極に関する。さら
に、このような冷陰極を安価に提供するための製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電界放射型冷陰極の構成図が図７
に示されている。図７に示されている、いわゆるＳｐｉ
ｎｄｔ型冷陰極の構成である。この図に示されているよ
うに、従来のＳｐｉｎｄｔ型冷陰極は、微小で先鋭な先
端を有する電子放出部１１が、基体１０の上に形成され
ている。また、基体１０の上に、絶縁膜１２を介して、
上記電子放出部１１の先端を取り囲むようにゲート電極
１３が形成されている。

【０００３】そして、この電子放出部１１とゲート電極
１３との間に電圧を印加して電子放出部１１から電子を
放出させる構造を有している。

【０００４】このような従来の電界放射型冷陰極の電子
放出部１１の材料としては、モリブデンまたはシリコン
が用いられており、さらに、先端に電界を集中させるた
めに先端曲率半径が数百オングストロームになるように
加工されている。

【０００５】モリブデンで電子放出部１１を構成する冷
陰極の製造方法に関しては、例えば日経エレクトロニク
ス、１９９６年１月２９日発行、第９２頁〜９３頁に詳
述されている。この記載によれば、１〜２μｍの開口部
を通して成膜することにより先鋭な冷陰極の先端が形成
され得る。

【０００６】シリコンで電子放出部１１を構成した冷陰
極の製造方法に関しては、例えば特開平９−３２０４５
３号公報等に記載されている。この記載によれば、半導
体の微細加工プロセスを利用して先鋭な先端が形成され
ている。

【０００７】さて近年、ダイヤモンドのような低仕事関
数あるいは負の電子親和力を持つ材料を用いた電界放射
型冷陰極が提案されている。例えば特開平７−２９４８
３号公報の従来例（第一従来例）においては、天然ダイ
ヤモンド、人工ダイヤモンドまたは気相合成ダイヤモン
ドを用いた冷陰極が開示されている。また、特開平６−
２０５９１号公報の従来例（第二従来例）においては、
電子親和力が１ｅＶ未満もしくは負であるような結晶面
を含む多結晶ダイヤモンド膜による冷陰極が開示されて
いる。さらに、特開平１−３１１５３４号公報の従来例
（第三従来例）においては、一対の電極と微粒子からな
る電子放出部とを電極間に設けた構造を有する表面伝導
型放出素子が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】まず、電子放出部を構
成している材料としてシリコンあるいはモリブデンを用
いた場合には、一般的に次のような問題点がある。

【０００９】これらの材料を用いた場合には、その仕事
関数が４ｅＶ乃至５ｅＶ程度と比較的大きいため、先端
を先鋭化してもなお高い電界強度が必要となってしまう
という問題点がある。このため、エミッション動作中に
冷陰極周囲の残留ガスがイオン化し、電界により電子放
出部に衝突し先端形状を変化させ、放出電流が不安定に
なるおそれがあった。さらに、先鋭な先端を実現するた
めの製造プロセスが複雑なものとなってしまうため、先
端形状の揃った冷陰極を安定に製造することが困難とな
る場合も想定された。さらに、高度な半導体プロセスを
利用するため、製造コストも高くなる傾向にある。

【００１０】また、上記第一従来例においては、電界集
中による電子放出部先端の劣化を防止し、しかも大出力
を得るために電子放出部にダイヤモンドを用いる構成が
示されている。ダイヤモンドとしては、天然ダイヤモン
ド、人工合成ダイヤモンドまたは気相合成ダイヤモンド
が利用可能であり、その特性としてｐ型、ｎ型または真
性半導体が利用可能である。しかし、天然ダイヤモンド
や人工ダイヤモンドはその大きさが数ｍｍ角程度、ま
た、気相合成ダイヤモンドについては１０ｃｍ角程度の
大きさしか得られていない。その結果、フラットパネル
ディスプレーのような大面積の用途に応用することは困
難である。さらに、ダイヤモンドの先端は、プラズマエ
ッチングあるいはイオンビームにより尖った形状に加工
する必要があるため、プロセスが複雑になりコストもさ
らに高くなってしまう傾向にある。

【００１１】また、上記第二従来例では、多結晶ダイヤ
モンド薄膜を用いた冷陰極が開示されている。ここに記
載されている冷陰極では、ダイヤモンドの先端は特に先
鋭化する必要はなく、複数の結晶面中に低い電子親和力
を有する特定の結晶面が含まれていることが特徴として
示されている。このような構成の場合も、多結晶ダイヤ
モンド薄膜を用いているために、大面積化が困難である
という問題は依然として存在する。加えて、低い電子親
和力を有する特定の結晶面の含有率を制御することは現
実的には困難な場合も考えられ、例えばディスプレーの
ように多くの微細な画素を形成するような場合、各画素
によって放出される電子の量が異なるといった問題が発
生することも考えられる。

【００１２】また、上記第三従来例には、先端を鋭く加
工することを必要としない冷陰極として、表面伝導型放
出素子が開示されている。これは金属または電子を放出
しやすい物質を基体に薄膜状に形成し、そこに通電加熱
し、薄膜の一部に局所的な亀裂を生じさせることによっ
て、電子放出機能を付与させるものである。この手法に
おいては、通電加熱によって生じる亀裂の形状、構造な
どが電子放出性能を決定するが、大量生産される多くの
素子について、ばらつきを抑え、亀裂の形状や構造を均
一に維持するように制御することは困難な場合が多いと
考えられる。

【００１３】本発明の目的は、電子放出部の先鋭化等の
特別な加工を必要とせず、さらに、大面積かつ安価な平
面電界放出型冷陰極を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１にかかる発明は、電子放出部と該電子放出
部に電圧を印加するための電極からなる電界放射冷陰極
において、該電子放出部が導電性を有するカーボン材料
と、容易に電子を放出するカーボン材料との混合物から
なる構成としてある。

【００１５】また、前記電子放出部が導電性を有するカ
ーボン材料だけで構成されている場合でも、電子を放出
しうることが確認できた。そこで、請求項２の発明は、
該電子放出部が導電性を有するカーボン材料からなる構
成としてある。この発明によれば、請求項１の発明に比
べてより簡易な構成で、冷陰極を構成することが可能で
ある。

【００１６】請求項３の発明は、上記導電性を有するカ
ーボン材料として、グラファイト、カーボンブラック、
活性炭、ガラス状カーボンのいずれか１種類以上を用い
る構成としてある。特に、これらの材料は粉末とするこ
とが好ましい。

【００１７】請求項４の発明は、前記容易に電子を放出
するカーボン材料として、低仕事関数あるいは負の電子
親和力を有する材料を用いている。これらの材料は、容
易に電子を放出することができる。ここで、低仕事関数
であるとは、現状のデバイスレベルで用いられているシ
リコンやモリブデン（ともに仕事関数は４乃至５ｅＶ程
度）より小さいという意味である。

【００１８】また、請求項５、６、７の発明は、それぞ
れ前記容易に電子を放出するカーボン材料とし、ダイヤ
モンド、Ｃ６０に代表されるフラーレン、カーボンナノ
チューブをそれぞれ用いる構成としてある。

【００１９】これらの容易に電子を放出するカーボン材
料は低い電界強度で電子を放出するものの、それ自身は
絶縁性であるため、何らかの手段で電子を供給する必要
がある。そのために上述したグラファイト、カーボンブ
ラック、活性炭、ガラス状カーボンといった導電性のカ
ーボン材料（特に、上述したように粉末が好ましい）
と、容易に電子を放出するカーボン材料の表面を電気的
に接触するような構造が冷陰極を構成するために必要で
ある。本発明によれば、これらの導電性を有するカーボ
ン材料（特に粉末）は粒子径の制御が容易で、しかも金
属と異なり表面に酸化物を形成することがないため、容
易に電子を放出するカーボン材料と安定した電気的接触
を得ることが可能である。

【００２０】さらに、請求項８の発明は、該電子放出部
が平面であることを特徴とする電界放射型冷陰極であ
る。電子放出部を平面で構成できるので、先鋭化等の処
理をする必要がなく、また、大面積の平面電界放出型の
冷陰極が実現可能である。

【００２１】また、請求項９の発明は、該電子放出部の
比抵抗が１０⁵ Ω・ｃｍ未満であることを特徴とする電
界放射型冷陰極である。比抵抗をこの範囲の値にするこ
とによって、後述する実施の形態においても説明するよ
うに、実用的な電界電圧で電子を放出させることができ
る。

【００２２】請求項１０の発明は、前記導電性を有する
カーボン材料と前記容易に電子を放出するカーボン材料
とを溶液中でペースト状に混合し、ペーストを作成する
混合ステップと、金属、半導体または絶縁体からなる基
体上に前記ペーストを塗布する塗布ステップと、前記塗
布ステップにおいて、前記ペーストを塗布した前記基体
を、真空中またはガス雰囲気中で焼成する焼成ステップ
と、を含む電界放射型冷陰極の電子放出部を製造する製
造方法である。

【００２３】請求項１１の発明は、上記請求項１０の発
明と同様に、電子放出部を製造する製造方法である。請
求項１０の発明と異なる点は、前記ペーストが導電性を
有するカーボン材料と所定の溶液のみで構成されている
点である。

【００２４】また、請求項１２の発明は、請求項１０の
発明において、前記電子を容易に放出するカーボン材料
は、低仕事関数または負の電子親和力を有する材料であ
ることを特徴とする電界放射型冷陰極の電子放出部を製
造する製造方法である。

【００２５】本発明者の実験によれば、以上のような製
造方法で形成した電子放出部は特に表面を加工すること
なく、平坦性を保ったまま所望の放出電流を得ることが
できた。また、このようにペーストを塗布するといった
単純な製造方法であるため、容易にしかも安価に大面積
の電界放出型冷陰極を製造することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を用いて説明する。図１には、本実施の
形態における電界放射型冷陰極の電子放出部の構造を表
す説明図が示されている。この図において、基体２０
は、金属、半導体または絶縁体で形成されている。例え
ば、金属としては、モリブデン、タングステン、銅等が
利用可能である。また、例えば、半導体としては、シリ
コン、ゲルマニウム等が利用可能である。さらに、絶縁
体としては、例えばガラス、セラミックス、石英等が、
基体２０の材料として利用可能である。

【００２７】なお、基体２０は、金属等の単体ではな
く、金属、半導体、絶縁体を組み合わせた材料で形成す
ることも好ましい。例えば、金属膜を蒸着した半導体、
あるいは同じく金属膜を蒸着した絶縁体等が基体２０の
材料として利用可能である。ただし、後述する焼成温度
において変形、変質等が生じないことが基体２０の材料
として必要な条件となってくる。

【００２８】基体２０の上には導電性を有するカーボン
材料と容易に電子を放出するカーボン材料からなる皮膜
２１が形成されている。

【００２９】導電性を有するカーボン材料としては、グ
ラファイト、カーボンブラック、活性炭またはガラス状
カーボンが用いられる。これらの材料の粒径は、数百オ
ングストロームから数百ミクロンまで存在するが、焼成
を容易に行うためには、なるべく粒径の揃った原料を用
いることが望ましい。

【００３０】また、これらの材料表面には製造方法によ
って、例えば、水酸基やカルボキシル基といった官能基
を含むことが知られているが、これらの材料の電気伝導
性を損なわない限り、その種類や含有率は種々の値に変
化しても構わない。

【００３１】容易に電子を放出するカーボン材料として
は、ダイヤモンド、フラーレン、カーボンナノチューブ
が用いられる。ダイヤモンドは、種々の結晶面が露出し
ている粉末が利用できる。例えば、通常、研磨剤として
用いられているダイヤモンドの粉末が利用可能である。
この粉末の粒径は、数百オングストロームから数百ミク
ロンのものが利用可能であるが、導電性を有するカーボ
ン粉末に均一に分散させるために、数ミクロン以下の粒
径が望ましい。

【００３２】フラーレンとしてはＣ６０構造が良く知ら
れているが、この他にもＣ７０、Ｃ７８、Ｃ８２、Ｃ８
４なども利用可能である。また、電子放出特性が損なわ
れない範囲において、フラーレン内部に金属が内包され
ていても構わない。

【００３３】カーボンナノチューブには、単層構造のも
のや多層構造のものが存在することが知られている。そ
して、その直径、長さにも自由度があるが、本実施の形
態においては、どのような直径、長さのものでも特に問
題なく利用することが可能である。

【００３４】導電性を有するカーボン材料と容易に電子
を放出するカーボン材料は、水またはアルコールなどの
有機溶剤を用いて適当な粘度のペーストとなるように混
合する。原料の混合比については、最終的に形成された
皮膜２１の比抵抗が１０⁵ Ωｃｍを超えない範囲で、で
きる限り電子を容易に放出するカーボン粉末の比率が高
いように調整することが望ましい。

【００３５】混合に際しては、ホモジナイザー等の簡便
な混合機を用いることもできるが、原料粉末の凝集を回
避し、均一に混合するためにはボールミルを用いること
がより望ましい。

【００３６】本実施の形態に関する冷陰極の作成動作を
表すフローチャートが図２に示されている。上記混合処
理は、このフローチャートのステップＳ２−１に相当す
る。ステップＳ２−１は、混合ステップであり、導電性
を有するカーボン材料と、電子を放出しやすいカーボン
材料とを混合するステップである。

【００３７】導電性を有するカーボン材料、容易に電子
を放出するカーボン材料および溶剤からなるペーストは
基体２０上に塗布される。塗布の方法としては、半導体
の製造においてフォトレジストの塗布に用いられるよう
なスピンコート法、多層セラミックス基体等の製造に用
いられるグリーンシート法などが利用可能である。塗布
の厚さについては特に制限はないが、目的に応じて妥当
な値を選ぶことができる。

【００３８】この塗布の処理は図２のフローチャートの
ステップＳ２−２に相当する。ステップＳ２−２は、塗
布ステップであり、ステップＳ２−１で作成したペース
トを基体上に塗布する処理が行われる。

【００３９】ペーストを塗布した基体２０は、ペースト
から溶媒を除去するために電気炉等により乾燥に供され
る。この際、重要な点は次の通りである。まず、溶剤分
子がカーボン粉末表面に残存しないことである。溶剤が
残存すると、導電性カーボン材料からの電子供給が阻害
されてしまうとともに、電子を容易に放出するカーボン
材料の表面の仕事関数が変化し、電子放出が阻害される
おそれがある。同様の理由により、加熱乾燥中にカーボ
ン粉末と溶媒が反応しないことも重要である。さらに加
熱することにより、最終的に得られる皮膜２１にクラッ
クが入ったり、反りが生じないように注意する必要もあ
る。

【００４０】以上のような観点から、加熱乾燥する際の
温度、時間、昇降温速度、雰囲気（真空、窒素、酸素、
水素など）は、それぞれのカーボン粉末、溶媒あるいは
基体２０の特性を十分考慮の上、適切に選択することが
重要である。また、最終的に得られた皮膜２１の表面
は、電界が均一に加わるように、できる限り平坦である
ことが望ましい。そのため、表面の凹凸が顕著な場合
は、研磨または化学エッチング等による平坦化を行うこ
とも好適である。

【００４１】このような乾燥処理は、図２のフローチャ
ートのステップＳ２−３に相当する。ステップＳ２−３
は、焼成ステップであり、ペーストを塗布した基体の焼
成が行われる。

【００４２】電界放射型冷陰極の応用（用途）によって
は、電子放出部を同一基体２０上に複数個、アレイ状に
並べる必要が生じる場合がある。このときには、基体２
０上にあらかじめ所望のパターンにペーストを塗布する
ことも好ましい。また、加熱乾燥後に通常の半導体プロ
セス等を用いて皮膜２１を所望のパターンに加工するこ
とも好適である。

【００４３】以上、導電性を有するカーボン材料と、電
子を容易に放出するカーボン材料とを混合してペースト
を作成する例について述べたが、導電性を有するカーボ
ン材料だけでペーストを形成することも好ましい。

【００４４】本発明者の実験によれば、導電性を有する
カーボン材料だけでペーストを形成した場合でも冷陰極
を構成することが可能であることが確認できた。ただ
し、電子を放出しやすいカーボン材料がないため、後述
する実施例で示すように閾値電圧はやや高めになる。

【００４５】なお、このように導電性を有するカーボン
材料だけでペーストを形成した場合の冷陰極の電子放出
部の製造方法自体は、上記図２で示したフローチャート
とほぼ同様の処理の流れになる。異なる点は、上記混合
ステップＳ２−１における混合の対象が、導電性を有す
るカーボン材料と所定の溶液となる点である。

【００４６】

【実施例】以下、具体的な数値による実施例を図面に基
づいて説明する。［実施例１］平均粒子径が０．５μｍのグラファイト
粉末７０ｇと平均粒子径が０．２μｍのダイヤモンド粉
末３０ｇを電子天秤で秤量した後、２００ｃｃのエタノ
ール中に混合し、ボールミルを用いて１時間撹拌・混合
を行った。ボールには直径１０ｍｍのジルコニアボール
を使用した。

【００４７】撹拌・混合したものを一旦濾紙で濾過した
後、５０ｃｃのエタノールをさらに加えて適当な粘度の
ペーストを得た。次に、このペーストをスピンコーター
を用いて基体２０上に塗布した。基体２０には直径２イ
ンチ、抵抗率０．０１Ωｃｍのｎ型シリコン（面方位
［１００］）を使用し、スピンコーターの回転数は１，
０００ｒｐｍとした。スピンコーターの回転数は塗布す
る厚さによって調節すればよい。ペーストを塗布した基
体２０を、電気炉によって１気圧の窒素雰囲気中５５０
℃の温度で２時間乾燥した。乾燥後、最終的に得られた
カーボン皮膜の厚さは約５０μｍで、その中心線平均粗
さＲａは６５０オングストロームであった。また、皮膜
表面に５×５ｍｍ² のＡｕ電極を形成し、皮膜の比抵抗
を測定したところ、６．７×１０¹ Ωｃｍであった。

【００４８】このようにして作成した冷陰極の電界電子
放出特性を、図３に示すような装置を用いて評価した。
すなわち、導電性を有するカーボンと電子を容易に放出
するカーボンの混合皮膜３１上に、アノード３２および
スペーサ３３とから構成されるプローブを設置し、シリ
コン基体３０が負、アノード３２が正となるよう直流電
源２４を接続する。皮膜３１とアノード３２の距離はス
ペーサ３３で調整可能であり、本実施例では５０μｍと
した。アノード３２は直径が１ｍｍのステンレス円板で
ある。皮膜３１の表面から放出された電子はアノード３
２に到達し、電流計３５により検出される。直流電源３
４と電流計３５以外は真空容器３６に収納されており、
測定は１〜５×１０^-5Ｐａの気圧範囲で行った。

【００４９】図４（ａ）にはエミッションの電流電圧特
性を表すグラフが示されている。縦軸は電流を表し、横
軸は電圧を表す。このグラフに示されているように、
０．１μＡのエミッションが得られる電圧Ｖｔ（これを
閾値電圧と呼ぶ）は１３５Ｖであった。

【００５０】図４（ｂ）にはいわゆるファウラー・ノル
ドハイム(Fowler-Nordheim)プロットを表すグラフが示
されている。このグラフの傾きが一定である（ほぼ直線
である）ことから得られた電流は、電界電子放出による
ものであることが理解される。

【００５１】［実施例２］［実施例３］［実施例４］グ
ラファイト、ダイヤモンドとも上記実施例１と全く同様
の粉末を用い、組成比を全粉末重量に対するダイヤモン
ド粉末の重量を４０％（実施例２）、５０％（実施例
３）、６０％（実施例４）に変化させて、実施例１と同
様の基体およびプロセスを用いて冷陰極を作製した。こ
れらのカーボン皮膜の膜厚は２０〜７０μｍで、Ｒａは
１０００オングストローム未満であった。

【００５２】またカーボン皮膜の抵抗率およびＶｔを表
す表が図５に示されている。これら実施例２、実施例
３、実施例４の試料におけるカーボン皮膜の抵抗率は
４．５×１０² 〜８．３×１０⁴ Ωｃｍであり、閾値電
圧はいずれも１ｋＶ未満であった。

【００５３】［比較例１］グラファイト、ダイヤモン
ドとも上記実施例１と全く同様の粉末を用い、組成比を
全粉末重量に対するダイヤモンド粉末の重量を７０％と
して、実施例１と同様の基体およびプロセスを用いて冷
陰極を作製した。このカーボン皮膜の抵抗率は５．６×
１０⁵ Ωｃｍであった。電界電子放出特性を測定したと
ころ、直流電源の限界である１．２ｋＶにおいても電流
は検出されないことを確認した。この比較例１の結果
も、上記実施例２や実施例３実施例４と同様に図５に示
されている表に記されている。

【００５４】［実施例５］実施例１と同様のカーボン
粉末、組成とプロセスを用いて、石英基体５０上に電子
放出部５１を形成した。この様子が図６に示されてい
る。その後電極として、通常の半導体装置等で利用され
ているリソグラフィ技術を用いて、図６に示すような形
状で厚さ０．５μｍのアルミニウム電極５２を形成し
た。このアルミニウム電極５２の開口部の直径は０．５
ｍｍとした。この電極開口部の中心とアノードの中心が
一致するようにプローブを設置し、電極の一部と直流電
源の負極を接続して電界電子放出を測定したところ、閾
値電圧は１８２Ｖであった。

【００５５】［実施例６］平均結晶子サイズが６００
オングストロームのカーボンブラック粉末６０ｇと実施
例１で使用したのと同様のダイヤモンド粉末４０ｇを用
いて、実施例１と同様のプロセスによりペーストを作製
した。このペーストを、２０×２０×０．５ｍｍ³ の大
きさで、面方位が（１００）のモリブデン基体上にスピ
ンコーターを用いて３０μｍの厚さに塗布した。ペース
トを塗布した基体を６×１０^-3Ｔｏｒｒの真空度におい
て６００℃、１時間加熱・乾燥させた。このようにして
作製したカーボン皮膜の厚さは４０μｍ、Ｒａは６２０
オングストロームであった。また、このカーボン皮膜の
抵抗率は７．２×１０² Ωｃｍ、電界電子放出の閾値電
圧は２４０Ｖであった。

【００５６】［実施例７］平均粒子径が１．５μｍの
ガラス状カーボン粉末５０ｇと実施例１で使用したダイ
ヤモンド粉末５０ｇを用いて、実施例１と同様のプロセ
スを適用してペーストを作製した。なお、混合するとき
の溶媒のみ純水を用いた。その後、作成したペーストを
用いて、シリコン基体上に実施例１と同様の方法で冷陰
極を形成した。このようにして作製したカーボン皮膜の
厚さは１５μｍであった。この皮膜の表面を研磨するこ
とにより、Ｒａが８００オングストロームとした。この
皮膜の抵抗率は７．８×１０² Ωｃｍであり、また、電
界電子放出の閾値は４２６Ｖであった。

【００５７】［実施例８］平均粒子径が０．１μｍの
活性炭粉末６０ｇと実施例１で用いたダイヤモンド粉末
４０ｇを用いて、実施例１と同様のプロセスによってペ
ーストを作製した。このペーストをスピンコーターを用
いて１００μｍの厚さになるように基体上に塗布した。
このペーストを塗布した基体を１気圧の窒素雰囲気中で
１．５時間加熱・乾燥した。この結果作製されたカーボ
ン皮膜のＲａは８５０オングストロームであった。ま
た、そのカーボン皮膜の抵抗率は３．６×１０²Ωｃｍ
であった。また、電界電子放出の閾値電圧は４７０Ｖで
あった。

【００５８】［実施例９］２次粒子としての平均粒子
径が０．２μｍのＣ６０粉末１ｇと実施例６で使用した
カーボンブラック１．５ｇをエタノール中に分散し、ホ
モジナイザーにより３０分間混合した。混合物を濾過し
た後、エタノールを２ｃｃ加えてペースト状にした。こ
のペースト状にしたものを、スピンコーターを用いて、
抵抗率０．０１Ωｃｍのｎ型シリコン基体（この基体の
面方位は［１００］）上に５μｍ塗布した後、これを、
４００℃、２時間、１気圧の窒素雰囲気中で加熱乾燥し
た。加熱・乾燥によって得られたカーボン皮膜のＲａは
７３５オングストロームであり、その抵抗率は１．６×
１０³ Ωｃｍであった。また、電界電子放出の閾値電圧
は９２５Ｖであった。

【００５９】［比較例２］上記実施例９と同一のＣ６
０粉末１ｇとカーボンブラック０．５ｇを用いて、実施
例９と同様のプロセスでシリコン基体上にカーボン皮膜
を作製した。この皮膜の厚さは７．５μｍであり、Ｒａ
は６８０オングストロームであった。また、この皮膜の
比抵抗は３．４×１０⁶ Ωｃｍで、１２００Ｖの電圧を
加えても電界電子放出電流は観測できなかった。

【００６０】［実施例１０］２次粒子としての平均粒
子径が０．５μｍのカーボンナノチューブ粉末１ｇと実
施例６で使用したカーボンブラック２ｇをエタノール中
に分散し、ホモジナイザーにより３０分間混合した。こ
のようにして得られた混合物を濾過した後、エタノール
を２ｃｃ加えてペースト状にした。ペースト状のものを
スピンコーターを用いて、抵抗率０．０１Ωｃｍのｎ型
シリコン基体（この基体の表面は面方位［１００］）上
に７μｍ塗布した後、４００℃、２時間、１気圧の窒素
雰囲気中で加熱乾燥した。このようにして得られたカー
ボン皮膜のＲａは８６５オングストロームであり、その
抵抗率は５．４×１０³ Ωｃｍであった。また、電界電
子放出の閾値電圧は４３８Ｖであった。

【００６１】［比較例３］上記実施例１０と同様のカ
ーボンナノチューブ粉末１ｇとカーボンブラック０．４
ｇを用いて、実施例１０と同様のプロセスを用いてシリ
コン基体上にカーボン皮膜を作製した。この皮膜の厚さ
は４．５μｍであり、Ｒａは５４５オングストロームで
あった。また、この皮膜の比抵抗は１．６×１０⁷ Ωｃ
ｍであり、１２００Ｖの電圧を加えても電界電子放出電
流は観測できなかった。

【００６２】［実施例１１］以上述べた実施例は、い
ずれも導電性を有するカーボン材料と電子を放出しやす
いカーボン材料とを混合してペーストを作成する例につ
いて示した。既に述べたように、本発明者の実験によれ
ば、導電性を有するカーボン材料だけでペーストを作成
した場合も電子の放出が確認できた。以下、このよう
に、導電性を有するカーボン材料だけを用いてペースト
を作成した例について説明するが、電子を放出しやすい
カーボン材料を用いない点を除けば、これまで述べた実
施例と全く同様である。

【００６３】平均粒子径が０．１μｍの活性炭粉末１０
０ｇと、５０ｃｃのエタノールを混合し、適当な粘度の
ペーストを作製する。その後、スピンコーターを用いて
シリコン基板上に塗布このペーストを塗布した。ペース
トを塗布したシリコン基板を窒素雰囲気中５５０℃で２
時間乾燥した。乾燥後の皮膜の厚さは約５０μｍで、そ
の比抵抗は２．３×１０¹ Ωｃｍであった。また電界放
出の閾値電圧は７８５Ｖであった。

【００６４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、導電
性を有するカーボン粉末と、容易に電子を放出するカー
ボン粉末を混合ペースト状にし、基体上に塗布・乾燥す
ることにより、低電圧で電界電子放出可能な冷陰極が作
製可能である。しかも本発明ではＳｐｉｎｄｔ型のよう
な複雑な微細加工プロセスを使用しないため、大面積の
冷陰極を安価に製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における電子放出部を示す
説明図である。

【図２】本発明の実施の形態における冷陰極の電子放出
部の製造方法を処理の流れを表すフローチャートであ
る。

【図３】本発明の実施の形態における電界電子放出電流
の測定装置を示す説明図である。

【図４】本発明の実施例１における冷陰極の印加電圧と
電界放出電流の関係を示す説明図である。

【図５】本発明の実施例１、実施例２、実施例３、実施
例４、比較例１におけるカーボン皮膜の比抵抗、及び閾
値電圧を記した表を表す説明図である。

【図６】本発明の実施例５における冷陰極の構造を示す
説明図である。

【図７】従来のＳｐｉｎｄｔ型による冷陰極を示した説
明図である。

【符号の説明】

１０基体１１電子放出部１２絶縁膜１３ゲート電極２０，３０，５０基体２１，３１，５１皮膜３２アノード３３スペーサ３４直流電源３５電流計３６真空容器３７真空ポンプ５２アルミニウム電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子放出部と該電子放出部に電圧を印加
するための電極からなる電界放射冷陰極において、該電子放出部が導電性を有するカーボン材料と容易に電
子を放出するカーボン材料との混合物からなることを特
徴とする電界放射型冷陰極。
【請求項２】電子放出部と該電子放出部に電圧を印加
するための電極からなる電界放射冷陰極において、該電子放出部が導電性を有するカーボン材料からなるこ
とを特徴とする電界放射型冷陰極。
【請求項３】前記導電性を有するカーボン材料が、グ
ラファイト、カーボンブラック、活性炭もしくはガラス
状カーボンの少なくとも１種類から構成されていること
を特徴とする請求項１または２記載の電界放射型冷陰
極。
【請求項４】前記電子を容易に放出するカーボン材料
は、低仕事関数または負の電子親和力を有する材料であ
ることを特徴とする請求項１記載の電界放射型冷陰極。
【請求項５】前記容易に電子を放出するカーボン材料
がダイヤモンドであることを特徴とする請求項１記載の
電界放射型冷陰極。
【請求項６】前記容易に電子を放出するカーボン材料
がフラーレンであることを特徴とする請求項１記載の電
界放射型冷陰極。
【請求項７】前記容易に電子を放出するカーボン材料
がカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項
１記載の電界放射型冷陰極。
【請求項８】該電子放出部が平面であることを特徴と
する請求項１乃至７記載の電界放射型冷陰極。
【請求項９】該電子放出部の比抵抗が１０⁵ Ω・ｃｍ
未満であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに
記載の電界放射型冷陰極。
【請求項１０】前記導電性を有するカーボン材料と前
記容易に電子を放出するカーボン材料とを溶液中でペー
スト状に混合し、ペーストを作成する混合ステップと、金属、半導体または絶縁体からなる基体上に前記ペース
トを塗布する塗布ステップと、前記塗布ステップにおいて、前記ペーストを塗布した前
記基体を、真空中またはガス雰囲気中で焼成する焼成ス
テップと、を含むことを特徴とする請求項１記載の電界放射型冷陰
極の電子放出部を製造する製造方法。
【請求項１１】前記導電性を有するカーボン材料と、
所定の溶液とを、ペースト状に混合し、ペーストを作成
する混合ステップと、金属、半導体または絶縁体からなる基体上に前記ペース
トを塗布する塗布ステップと、前記塗布ステップにおいて、前記ペーストを塗布した前
記基体を、真空中またはガス雰囲気中で焼成する焼成ス
テップと、を含むことを特徴とする請求項２記載の電界放射型冷陰
極の電子放出部を製造する製造方法。
【請求項１２】前記電子を容易に放出するカーボン材
料は、低仕事関数または負の電子親和力を有する材料で
あることを特徴とする請求項１０記載の電界放射型冷陰
極の電子放出部を製造する製造方法。