JP2000348600A

JP2000348600A - 円筒型電子源を用いた冷陰極及びその製造方法

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Publication number: JP2000348600A
Application number: JP15452399A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Oki; 博大木; Masao Urayama; 雅夫浦山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2000-12-15
Anticipated expiration: 2019-06-02
Also published as: JP3585396B2

Abstract

(57)【要約】【課題】長さ及び直径が均一な円筒型電子源を配向制
御して集積することにより放出電流量のバラツキを抑制
した冷陰極を提供する。【解決手段】ホール６内部に絶縁性材料のサイドウオ
ール８を形成することにより、カーボン又はボロンナイ
トライドで構成される円筒型電子源７を高集積化すると
共に、円筒型電子源７の端部を低仕事関数材料９、高抵
抗材料１０に置換することにより、低電圧化した、電流
制限機構を有する冷陰極を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明ランプ、液晶
のバックライト、蛍光表示管に搭載可能な冷陰極及びそ
の製造方法、並びにコンピューター、テレビジョン等に
用いられるようなＸＹマトリクス駆動可能なフラットパ
ネルディスプレイ型の画像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】陰極線管のように大きな熱エネルギーを
与えて熱電子放出を起こすのではなく、強電界を印加す
ることで冷電子を放出する冷陰極に関する研究が盛んに
行われている。近年、カーボンナノチューブ（carbon n
anotube）からの冷電子放出がＲ．E.Smalleyら（A.G.Ri
nzle, Science, 269, 1550, 1995）とW.A.de Heerら
（W.A.de Heer, Science, 270, 1179, 1995）の研究グ
ループから報告された。

【０００３】このようなカーボンナノチューブは、１９
９１年、飯島らにより発見された（S.Iijima, Nature,
354, 56, 1991）。このカーボンナノチューブは、円筒
状に巻いたグラファイト層が入れ子状になったもので、
その先端径が１０ｎｍ程度であり、耐酸化性、耐イオン
衝撃性が強い点で電子源としては非常に優れた特徴を有
する材料と考えられている。現在、このような円筒型構
造はカーボンナノチューブだけではなく、ボロンナイト
ライドでも報告されている。

【０００４】特開平８−１５１２０７号公報には、長さ
及び径が均一なカーボンナノチューブの製造方法が記載
されている。特開平８−１５１２０７号公報に記載され
たカーボンナノチューブの製造方法は、まずアルミニウ
ム板を陽極酸化し、未酸化のアルミニウム及びバリアー
層を除去し、数十ｎｍ程度の細孔が形成された酸化皮膜
を形成する。次に、この酸化皮膜を石英反応管に入れ、
８００℃でプロピレンを流通し、酸化皮膜の細孔内にカ
ーボンナノチューブを製造する。ここで、酸化皮膜を除
去すれば、長さ及び径が均一なカーボンナノチューブが
得られるというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
８−１５１２０７号公報の方法は、長さ及び直径が均一
な円筒型材料は合成されているものの、このような円筒
型材料を所望のパターンに分割し、更には配向制御して
集積することができなかったため、長さ及び直径が均一
な円筒型電子源を用いた冷陰極の画像形成装置等への応
用ができなかった。本発明は、上記従来技術の問題点を
解決するものであり、その目的は、長さ及び直径が均一
な円筒型電子源を配向制御して集積することにより、放
出電流量のバラツキを抑制した冷陰極を提供すること、
及び円筒型電子源を用いた冷陰極から形成される画像形
成装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明による冷陰極は、真空中に電子を放出する電
子源と、電子を引き出すためのゲート電極と、電子源と
ゲート電極を電気的に絶縁するゲート絶縁層を備える冷
陰極において、電子源が円筒型電子源であり、円筒型電
子源の一部が電子源を構成する材料とは異なる材料に置
換されていることを特徴とする。

【０００７】円筒型電子源は、その片端又は両端が電子
源を構成する材料と異なる末端材料で置換されているも
のとすることができる。片端又は両端を異なる材料で置
換することにより冷陰極の電気的特性を向上することが
できる。円筒型電子源の端部を低仕事関数材料に置換し
た構造の円筒型電子源を用いることで低電圧化した冷陰
極を提供でき、また円筒型電子源の端部を高抵抗材料に
置換した構造の円筒型電子源を用いることで電流制限機
構を有する冷陰極を提供できる。

【０００８】本発明による冷陰極は、また、真空中に電
子を放出する電子源と、電子を引き出すためのゲート電
極と、電子源とゲート電極を電気的に絶縁するゲート絶
縁層を備える冷陰極において、電子源は円筒型電子源の
円筒内部に電子源を構成する材料と異なる材料を内包し
た電子源であることを特徴とする。本発明の冷陰極は、
支持基板に設けられた下部電極上に形成されるホール
に、円筒型電子源が支持基板に対して垂直方向に配向し
て集積されている。円筒型電子源を支持基板に垂直方向
に配向させ、下部電極上に形成されるホールに集積する
ことで放出電流のバラツキを抑制した冷陰極を提供でき
る。

【０００９】ホール内部には絶縁性材料のサイドウオー
ルを形成する。ホール内部に絶縁性材料のサイドウオー
ルを形成することで、円筒型電子源を高集積化した冷陰
極を提供できる。円筒型電子源に電気的に接続する配線
材料のイオン化傾向をゲート電極材料のイオン化傾向よ
りも小さくする。配線材料のイオン化傾向をゲート電極
よりも小さくすることで、選択的に円筒型電子源を配列
制御可能な冷陰極を提供できる。円筒型電子源に電気的
に接続する配線材料を周期律表第３族の金属又は合金と
することで、円筒型電子源が強く密着した冷陰極を提供
できる。円筒型電子源はカーボン又はボロンナイトライ
ドで形成することができる。

【００１０】本発明による冷陰極の製造方法は、支持基
板に金属配線を形成する工程と、金属配線上にゲート絶
縁層を堆積する工程と、ゲート絶縁層を平坦化する工程
と、ゲート絶縁層上にゲート電極配線を形成する工程
と、ゲート電極配線に開口部を形成する工程と、ゲート
電極配線の開口部のゲート絶縁層を除去してホールを形
成する工程と、ホールに円筒型電子源を配列する工程と
を含むことを特徴とする。なお、ホールにサイドウオー
ルを形成する工程を含むのが好ましい。ホールに円筒型
電子源を配列する工程は電気化学的堆積法又は電気泳動
法とすることができる。本発明の冷陰極を薄型画像形成
装置に適用すると、ＸＹマトリクス駆動可能な画像形成
装置を製造することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明の実施形態の円筒
型電子源を用いた冷陰極の構成を示す概略図である。図
２はその部分拡大図であり、図２（ａ）は図１の円Ａで
囲んだ領域の拡大断面図、図２（ｂ）は円筒型電子源の
拡大断面図である。図１及び図２を参照して、本発明の
円筒型電子源を用いた冷陰極の構成を説明する。支持基
板１上には、図１に示すように、所望のサイズに分割さ
れた電子放出領域２（画像形成装置では画素に相当）に
円筒型電子源が配列制御されて集積されている。この電
子放出領域２は、カソード配線３と、カソード配線３と
ゲート絶縁層５で電気的に絶縁されたゲート電極配線４
でＸＹアドレスされる。また、電子放出領域２には、多
数のホール６が形成されている。

【００１２】図１に示すような冷陰極を用いると、数ｍ
Ａ／ｃｍ²以上の電流密度が得られ、輝度が高いため、
例えば、ライン状に発光させれば、タイムシーケンシャ
ルな液晶表示素子のバックライトが形成可能となり、更
にカソード配線３とゲート電極４の交点に対応する蛍光
体を発光させれば、フラットパネルディスプレイが形成
可能となる。更に、液晶表示素子のバックライトに関し
ては、ライン状の電子放出領域を設け、これに対応して
蛍光体を配設すれば、単純な構成で形成可能となる。

【００１３】ホール６には、図２（ａ）に示すように、
円筒型電子源７が多数集積されており、ホール６内部に
は絶縁材料からなるサイドウオール８が形成されてい
る。サイドウオール８は、円筒型電子源７とゲート電極
４を電気的に絶縁し、集積化した円筒型電子源７からな
る冷陰極を構成するためには必須の構造である。円筒型
電子源７は円筒内部に担持材料を内包すること、端部を
末端材料に置換することがそれぞれ可能である。

【００１４】一例として、図２（ｂ）に、円筒型電子源
７の一端を低仕事関数材料９、他端を高抵抗材料１０に
置換した円筒型電子源７を示す。このような円筒型電子
源７を冷陰極に用いる場合、低仕事関数材料に置換した
端部９は基板１から遠い側の方向（アノードに向けて電
子を放出）に、高抵抗材料に置換した端部１０は基板１
の方向（カソード配線３と電気的に接続）に配設され
る。これにより、高抵抗層１０を挟んでカソード配線３
と円筒型電子源７を接続することにより、電流制限機構
が付加でき、放出電流（エミッション）を安定化でき
る。また、円筒型電子源７の先端９を低仕事関数化する
ことにより、放出電圧を低減できる。このような円筒型
電子源の末端材料、担持材料に関しては、当業者が自由
に選択でき得るものであり、本実施形態においては、ほ
んの一例を示しているだけである。

【００１５】一方、円筒型電子源７を構成する原子種と
しては、現在、カーボン、ボロンナイトライドが知られ
ているが、これらに限定されるものではない。また、ゲ
ート電極材料、カソード配線材料は、化学メッキを用い
た場合の容易性から、イオン化傾向の小さい材料、触媒
金属が好ましいが、電気メッキ等の製造の場合、これら
に限定するものではない。ここで、図３を用いて、円筒
型電子源７の円筒内部に担持材料を内包する方法、及び
円筒型電子源７の端部を末端材料で置換する方法につい
て説明する。円筒型電子源７は、特開平８−１５１２０
７号公報に記載されているように、アルミニウムの陽極
酸化で形成される酸化被膜を鋳型として形成することが
望ましい。このように円筒型電子源を形成することで、
円筒型電子源の円筒内部への担持材料の内包、あるいは
円筒型電子源の端部を異種材料で置換することが可能に
なる。

【００１６】円筒内部への担持材料の内包は、例えば、
カーボンからなる円筒型電子源の場合、図３（ａ）に示
すように、まずアルミニウム陽極酸化被膜１１に設けら
れた細孔を鋳型としてカーボン材料を気相成長させてカ
ーボンナノチューブ１２を形成する。その後、図３
（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ１２の円筒
内に有機金属化合物（例えば、鉄であればフェロセン）
１３を導入する。最後に、酸化被膜を除去することで、
図３（ｃ）に示すように、径が数十ｎｍ、長さが数十μ
ｍ程度の金属細線を内部に内包した円筒型電子源１４を
形成することができる。内包可能な金属材料としては、
鉄、ニッケル等が好ましく、金属材料を円筒型電子源に
内包することにより、円筒型電子源の抵抗値の低減が可
能となる。

【００１７】一方、円筒型電子源の両端部の末端材料を
置換する場合には、まず、図３（ａ）に示すように、ア
ルミニウム陽極酸化被膜１１に設けられた細孔を鋳型と
してカーボン材料を気相成長させてカーボンナノチュー
ブ１２を形成する。その後、図３（ｄ）に示すように、
細孔にカーボンナノチューブ１２を形成したアルミニウ
ム陽極酸化被膜１１の片面あるいは両面に対して所望材
料１５，１６を堆積すると、カーボンナノチューブ１２
の端部だけに所望材料が堆積し、カーボンナノチューブ
１２の側面には一切堆積されない。その後、酸化被膜を
除去することで、図３（ｅ）に示すように、両端部の末
端材料を所望材料１５，１６に置換した円筒型電子源１
７が得られる。

【００１８】図１に示した電界放出電子源に対面するよ
うにフェイスプレートを配置して、薄型画像形成装置が
形成される。フェイスプレートは、ガラス製のアノード
支持基体の上に形成された透明なアノード電極と、これ
に被着した蛍光体とで構成される。電界放出電子源と発
光部は一定のギャップを維持して真空封止されると共
に、そのギャップは真空度１０^-6〜１０^-8Ｔｏｒｒ程度
の高真空状態で保持される。

【００１９】図４は、本発明による薄型画像形成装置の
装置全体図である。この薄型画像形成装置は、図１にて
説明したのと同様なＸＹマトリクス駆動可能な電界放出
電子源を用い、それにコントローラ１９で制御されるデ
ータ側ドライバス２０とキャン側ドライバ２１を接続し
たものである。なお、図４には、アノード電極及び蛍光
体を設けたフェイスプレートが図示省略されている。こ
の薄型画像形成装置は、表示のための画像データがコン
トローラ１９に入力され、水平ライン分の画像データが
コントローラ１９からデータ側ドライバ２０に出力さ
れ、ゲート電極ライン６に印加される。また、コントロ
ーラ１９はスキャン側ドライバ２１に対して垂直方向に
スキャンが行われるように制御し、スキャン側ドライバ
２１はカソード電極ライン３に対して順次走査電圧を印
加する。以上のようにして、本発明の薄型画像形成装置
は画像データを表示する。

【００２０】図４の構造を有する対角５インチのＱＶＧ
Ａ（３２０×２４０）のプロトタイプのパネルを作製
し、カソード配線とゲート電極（配線）を用いて、任意
の場所の電子放出領域２をアドレスした所、アドレスし
た電子放出領域２からの電子放出、及び対面するフェイ
スプレートに被着した蛍光体の発光を実験的に確認し
た。また、カソード配線を０Ｖ、ゲート電極を４００
Ｖ、アノード電極を１ｋＶ程度に設定すると、１０００
０ｃｄ／ｍ²以上の輝度が得られた。

【００２１】次に、図５に示した製造工程断面図を用い
て、本実施形態の円筒型電子源を用いた冷陰極の製造方
法を説明する。本実施形態においては、円筒型電子源と
して、カーボンナノチューブを用い、カーボンナノチュ
ーブの一つの端部を低仕事関数材料、もう一つの端部を
高抵抗材料に置換した。また、このような末端処理した
カーボンナノチューブを電気（電解）メッキでカソード
配線上のホールに配列制御、集積した。本実施形態で
は、このような組み合わせで冷陰極を製造したが、この
組み合わせに限定されるものではない。

【００２２】まず、図５（ａ）のように、支持基板１に
印刷法でカソード配線３を形成する。カソード配線材料
としては、金、銀、銅、白金、アルミニウム、鉛、クロ
ム等が用いられる。本実施形態においては、後述の工程
で電気メッキを利用して円筒型電子源を配列制御する。
従って、カソード配線材料に関する制約はないが、後述
の工程で、化学メッキを用いる場合、ゲート電極材料よ
りもイオン化傾向が小さい材料を選択すべきである。こ
れは、化学メッキの時のメッキの選択性を持たせるため
で、これにより、ゲート電極配線上に対して選択的にカ
ソード配線上に円筒型電子源を配列制御可能となる。ま
た、周期律表第３族に該当する触媒金属、例えば、鉛、
白金、ニッケル、鉄等を用いると、化学メッキの時の付
着力が強く、有効である。図５（ａ）では、白金を１μ
ｍ程度、スクリーン印刷している。

【００２３】次に、図５（ｂ）のように、絶縁層（円筒
型電子源のゲート絶縁層）５をカソード配線３上に堆積
する。好ましくは、このゲート絶縁層５は平坦化する。
本実施形態においては、ゲート絶縁層５として、酸化シ
リコンを３μｍ堆積し、ＣＭＰ（化学的・機械的研磨）
法で１μｍ相当研磨する。ゲート絶縁材料に関しては、
金属酸化物でも構わず、金属材料を堆積し、陽極酸化す
ることも有効である。次に、図５（ｃ）のように、ゲー
ト電極材料４を形成する。本実施形態においては、先述
のように、電気メッキを用いるため、材料種の制約はな
く、クロムを０．５μｍ堆積した。ゲート電極４の膜厚
によっては、印刷法で行うのもよい。

【００２４】次に、図５（ｄ）のように、支持基板１上
のアレイ（画素部分）２にゲート開口部６を形成する。
ゲート開口部（ホール）６はフォトリソグラフィー及び
エッチングで形成する。引き続き、カソード配線３に到
達するまで、ゲート絶縁層４をエッチング除去する。本
実施形態においては、１μｍ相当の酸化シリコンのエッ
チング除去が必要である。ドライエッチングで０．９μ
ｍ相当エッチングし、ウエットエッチングで残りの０．
１μｍをエッチングする。

【００２５】次に、図５（ｅ）のように、ホール６内部
に絶縁材料のサイドウオール８を形成する。絶縁材料と
して、酸化シリコンを０．５μｍ堆積し、エッチバック
することにより、厚さ０．５μｍのサイドウオール８が
ホール６内部に形成可能である。最後に、図５（ｆ）の
ように、円筒型電子源７をサイドウオール８が形成した
ホール６に配列制御し、集積化する。円筒型電子源７
は、図６に示す装置を用い、電気化学的に集積化する
か、電気泳動法を用いて集積化する。

【００２６】図６は、円筒型電子源を電気化学的に配列
するための装置の概略図である。装置内には、図５
（ａ）〜（ｅ）で製造したカソード電極３を陰極とし、
対向電極２３として陽極を配設する。装置の槽内には、
端部を異種材料に置換したナノチューブ７が電解液２４
中に分散している。異種材料としては、コバルト、ニッ
ケル、すず、タングステン、銀、テルル、セレン、マン
ガン、亜鉛、カドミウム、鉛、クロム、鉄等が好まし
い。装置の陰極４と陽極２３の間に電源２５から電圧を
印加すると、異種材料の端部が画像形成装置のカソード
電極４に電着される。

【００２７】図６に示した装置を用いると、外径約３０
ｎｍの円筒型電子源７は、サイドウオール８が形成した
ホール６（内径１μｍ）に約１０００個程度集積でき
る。円筒型電子源７の配列は基板１に垂直方向であるこ
とを、ＳＥＭ観察で確認した。円筒型電子源７の配列が
基板１に垂直になる理由は定かではないが、円筒型電子
源７は径が数十ｎｍ、長さが数十μｍと１０００以上の
アスペクト比を有すること、円筒型電子源７が電解液２
４中に十分分散してホール６に電着される密度が高いこ
と等が影響し、垂直に集積するものと推測される。

【００２８】

【発明の効果】本発明によると、長さ及び直径が均一な
円筒型電子源を配向制御して集積することにより、放出
電流量のバラツキを抑制した冷陰極及び画像形成装置が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による冷陰極の斜視図。

【図２】（ａ）は本発明の円筒型電子源アレイの断面
図、（ｂ）は本発明の円筒型電子源の拡大。

【図３】円筒型電子源の円筒内部に担持材料を内包する
方法、及び円筒型電子源の端部を末端材料で置換する方
法の説明図。

【図４】本発明による薄型画像形成装置の装置全体図。

【図５】本発明の冷陰極の製造方法を説明する工程図。

【図６】本発明に用いられる電気化学的堆積装置の例を
示す図。

【符号の説明】

１支持基板２電子放出領域（画素）３カソード配線４ゲート電極配線５ゲート絶縁層６ホール７円筒型電子源８絶縁材料のサイドウオール９低仕事関数材料１０高抵抗材料１９コントローラ２０データ側ドライバ２１スキャン側ドライバ２３対向電極２４電解液２５電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空中に電子を放出する電子源と、電子
を引き出すためのゲート電極と、前記電子源と前記ゲー
ト電極を電気的に絶縁するゲート絶縁層を備える冷陰極
において、前記電子源が円筒型電子源であり、前記円筒型電子源の
一部が電子源を構成する材料とは異なる材料に置換され
ていることを特徴とする冷陰極。
【請求項２】前記円筒型電子源は、その片端又は両端
が電子源を構成する材料と異なる末端材料で置換されて
いることを特徴とする請求項１記載の冷陰極。
【請求項３】前記末端材料が低仕事関数材料であるこ
とを特徴とする請求項２記載の冷陰極。
【請求項４】前記末端材料が高抵抗材料であることを
特徴とする請求項２記載の冷陰極。
【請求項５】真空中に電子を放出する電子源と、電子
を引き出すためのゲート電極と、前記電子源と前記ゲー
ト電極を電気的に絶縁するゲート絶縁層を備える冷陰極
において、前記電子源は円筒型電子源の円筒内部に電子源を構成す
る材料と異なる材料を内包した電子源であることを特徴
とする冷陰極。
【請求項６】支持基板に設けられた下部電極上に形成
されるホールに、前記円筒型電子源が前記支持基板に対
して垂直方向に配向して集積されていることを特徴とす
る請求項１〜５のいずれか１項記載の冷陰極。
【請求項７】前記ホール内部に絶縁性材料のサイドウ
オールが形成されていることを特徴とする請求項６記載
の冷陰極。
【請求項８】前記円筒型電子源に電気的に接続する配
線材料のイオン化傾向が前記ゲート電極材料のイオン化
傾向よりも小さいことを特徴とする請求項１〜７のいず
れか１項記載の冷陰極。
【請求項９】前記円筒型電子源に電気的に接続する配
線材料が周期律表第３族の金属又は合金であることを特
徴とする請求項８記載の冷陰極。
【請求項１０】前記円筒型電子源がカーボン又はボロ
ンナイトライドで形成されることを特徴とする請求項１
〜９のいずれか１項記載の冷陰極。
【請求項１１】支持基板に金属配線を形成する工程
と、前記金属配線上にゲート絶縁層を堆積する工程と、
前記ゲート絶縁層を平坦化する工程と、前記ゲート絶縁
層上にゲート電極配線を形成する工程と、前記ゲート電
極配線に開口部を形成する工程と、前記ゲート電極配線
の開口部のゲート絶縁層を除去してホールを形成する工
程と、前記ホールに円筒型電子源を配列する工程とを含
むことを特徴とする冷陰極の製造方法。
【請求項１２】前記ホールにサイドウオールを形成す
る工程を含むことを特徴とする請求項１１記載の冷陰極
の製造方法。
【請求項１３】前記ホールに円筒型電子源を配列する
工程が電気化学的堆積法又は電気泳動法であることを特
徴とする請求項１１又は１２記載の冷陰極の製造方法。
【請求項１４】請求項１〜１０のいずれか１項記載の
冷陰極を備えることを特徴とする画像形成装置。