JP2001210223A - 三極構造の電界放出素子 - Google Patents
三極構造の電界放出素子Info
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Abstract
子を提供する。 【解決手段】 従来の電界放出物質を用いた二極の電子
放出素子において電子を電界放出物質の陰極から引出す
役割をするゲート電極を陰極下の基板上に配置すること
によって素子製作を容易にし、ゲート電圧制御により電
界放出物質から放出される電子を制御する。
Description
であるカーボンナノチューブを用いた三極構造の電界放
出素子に関する。
極構造の電界放出素子の概略的な構造を示す断面図であ
る。図1に示されるように、従来の三極構造の電界放出
素子はスペーサ6を介在して一定の間隔を保ちながら相
互対向する背面基板1及び前面基板10を備え、これら
2つの基板の間に電子放出源として電界放出物質5が形
成された陰極2、ゲート3及び陽極4を具備している。
陰極2は背面基板1上にストライプ状に平行に配置され
ており、陽極4は陰極2との交差方向にストライプ状に
前面基板10上に平行に配列されている。陽極4の下の
陰極2上には一定の間隔をおいて陰極2との交差方向に
ストライプ状にゲート3が前記陽極4と対応して平行に
配置されている。陰極2とゲート3の交点には各々電界
放出物質5及び開口部3aが形成されている。即ち、電
子放出源として用いられる物質が、陰極2とゲート3の
交点の陰極2上に塗布されており、開口部3aが陰極2
とゲート3の交点のゲート3(電界放出物質に対応する
ゲート3の領域)に、形成されているために、電界放出
物質5から放出された電子は陽極4に流れることとな
る。
de)と陽極(anode)よりなる両極構造、または両電極間に
ゲートを位置させた三極構造の形態を有しているため
に、陰極から放出される電子量が制御される。最近、新
たな電界放出物質のカーボンナノチューブの出現で、陰
極上に形成される電子放出源として既存の金属チップか
らカーボンナノチューブを適用する構造が試みられてい
る。カーボンナノチューブは、大きな縦横比(aspect ra
tio)(>100)と導体のような伝導性を有する電気的特
性と、安定した機械的特性を有するために、電界放出源
に塗布する材料として現在数多くの研究機関から脚光を
浴びている新物質である。カーボンナノチューブを用い
た両極構造の電子放出素子は、現在既存の方法により製
造されうる。しかしながら、両極構造の電子放出素子は
製造しやすいにもかかわらず、放出電流を制御すること
が困難であるといった問題があったことより、動映像や
多階調(gray-scale)の映像を実現しにくかった。カーボ
ンナノチューブを用いた三極構造の電子放出素子は、陰
極の直上にゲート電極を配置することにより、またはグ
リッド(grid)形態の金属シート(metal sheet)を配置す
ることにより製造されうる。前者の場合は、ゲートの配
置関係によって陰極へのカーボンナノチューブの接合す
ることが困難であり、後者の場合は工程が複雑になり、
制御電圧が増加するといった問題があった。
を改善するために、ゲート電極を陰極の下部に位置させ
ることにより、放出電流を制御しやすく、かつ、電界放
出物質を陰極上に塗布しやすくした、三極構造の電界放
出素子を提供することを目的とする。
に本発明では、一定の間隔に相互対向して配置された背
面基板及び前面基板と、前記両基板の間隔を保ちながら
その内部を真空密封するスペーサと、前記両基板の対向
面上に各々相互交差する方向のストライプ状に配置され
た陰極及び陽極と、前記陰極及び陽極の交点に対応する
陰極上に形成された電子放出源と、前記電子放出源から
放出される電子を制御するゲートとを備えた三極構造の
電界放出素子において、前記ゲートは前記陰極の下部の
前記背面基板上に配置され、前記ゲートと陰極との間に
電気的な絶縁のための絶縁層が形成されたことを特徴と
する三極構造の電界放出素子を提供する。本発明におい
て、前記ゲートは前記陰極の下部の前記背面基板上に前
記陰極との交差方向に前記陽極に対応する位置にストラ
イプ状に配置されることが望ましい。
属、ダイアモンド、グラファイトからなる群から選択さ
れた少なくとも1つの物質からなり、前記陰極及び陽極
の交点に対応する陰極上に形成されなることが望まし
い。本発明において、前記電子放出源は、伝導性物質、
誘電性物質または絶縁性物質と、カーボンナノチュー
ブ、金属、ダイアモンド、グラファイトからなる群から
選択された少なくとも1つの物質との混合物からなり、
前記陰極及びゲート交点に対応する陰極上に形成される
ことが望ましい。本発明において、前記電子放出源は、
前記陰極及びゲート交点に対応する陰極上に、カーボン
ナノチューブ、金属、ダイアモンド、グラファイトから
なる群から選択された少なくとも1つの物質と伝導性物
質、誘電性物質または絶縁性物質と混合して形成される
ことが望ましい。
極及びゲートの交点に対応する陰極上の全面または一側
縁部にまっすぐに形成され、前記陰極及びゲートの交点
に対応する陰極に少なくとも1つ以上の孔をあけその孔
に形成されることが望ましい。本発明において、前記電
子放出源はプリンティング法、電気泳動法及び気相蒸着
法のうち何れか1つの方法で形成され、前記孔が3つ以
上形成される場合、真ん中に位置するほど孔を大きくあ
けその縁部に電界放出物質を形成させ、1画素内の放出
電流の均一度を高めることが望ましい。本発明におい
て、前記絶縁層は、全面に形成されるか、または陰極電
極線に沿って線形に形成されることが望ましい。
発明に係る三極構造の電界放出素子を詳しく説明する。
図2は本発明に係るカーボンナノチューブを用いた三極
構造の電界放出素子の実施例の概略的な構造を示す断面
図である。図2に示されるように、本発明に係る三極構
造の電界放出素子は、スペーサ16を介在して一定の間
隔を保ちながら相互対向する背面基板11及び前面基板
20を備え、これら2つの基板の間に電子放出源とし
て、カーボンナノチューブ、金属、ダイアモンドまたは
グラファイトからなる電子放出源15が局所的に形成さ
れた陰極12及び陽極14を備え、陰極12の下部に絶
縁層17を介在してゲート13を備えている。ゲート1
3は背面基板11上に全面またはストライプ状に平行に
配置されている。これらゲート13の形成された背面基
板11上に絶縁層17が形成されている。ゲート13が
全面でないストライプ状に配置された場合、ゲート13
との交差方向にストライプ状に相互平行に陰極12が形
成される。陽極14は陰極12との交差方向にストライ
プ状(ゲート13に対応する平行した方向のストライプ
状)に前面基板20の陰極対向面上に平行に配置され
る。陰極12とゲート13との交点の陰極12上にはカ
ーボンナノチューブ、金属、ダイアモンドまたはグラフ
ァイトからなる電子放出源15が形成されている。
位置は図3に示されるように、ゲート13(または陽極)
との交点の陰極12の縁部に局所的に塗布されるか、全
面に塗布されるか、或いは図4乃至図7に示されるよう
に、ゲート13(または陽極)との交点の陰極12に少な
くとも1つ以上の孔をあけ、その孔に電子放出源15が
局所的に形成される。このように電子放出源15は、ゲ
ート13との交点の陰極上の何れの部分にも形成しう
る。しかしながら、陰極の縁部から最も強い電界が形成
されるということが実験から分かっていることより、陰
極の縁部に電子放出源15を形成することが都合がよ
い。前記陰極12上に形成される電子放出源15は前記
陰極12の線幅より小さく形成される他に、線幅を前記
陰極12の線幅と同一かまたはそれより大きく形成され
うる。
側縁部に電界放出物質15を線形的に塗布した場合を示
し、図4乃至図7はゲート13との交点の陰極12に各
々1つ、2つ、3つ及び4つの孔をあけ、その孔の縁部
に沿って円形(他形も可能)に電子放出源15を形成した
場合を示している。特に、これら孔が3つ以上形成され
る場合、真ん中に位置するほど孔を大きくあけ、望まし
くは縁部に電界放出物質を形成させて1画素内の放出電
流の均一度を高めるようにする。このような原形または
他形の電界放出物質の数は陰極間の間隔、陰極とゲート
との間隔、陰極と陽極との間隔などの規格と絶縁層の材
料及び各電極に印加される電圧などの諸条件によって最
小電力で最大の均一な電子放出効果が得られるように調
節されることとなる。
間にその絶縁のために配置されるが、その形態を平面及
び陰極12の電極線に沿って線形に形成されうる。この
際、線形の場合には絶縁層17の線幅は、陰極12の線
幅と同一か、またはそれよりも大きく形成されうる。こ
のように、本発明に係る電界放出素子は、放出電流の制
御が容易な三極構造としてゲート電極を陰極の下部に位
置させることによって、電子放出源として用いられる電
子放出物質を陰極上に容易に形成される。また、陰極の
縁部電界による電界放出により放出電流が低電圧に制御
され、多様なパターンが形成されることにより、放出電
流の均一性が向上されうる。
た絶縁層の下に形成されたことにより、ゲート電極に適
当な電圧を印加すれば、ゲート電圧による電場が絶縁層
を透過し、電子放出源に強い電場が形成されて電界放出
により電子を放出することとなる。放出された電子は陽
極電圧による追加的な電場として陽極電極側に移動して
本来の役割に供する。ゲート電圧にかかる等電圧線の分
布及び電界分布(電子放出経路となる)を示す曲線が図8
及び図9に各々示されている。これらは各々陰極間の間
隔が60μm、陽極電圧が500V、陰極と陽極との間
隔が200μm、陰極とゲートとの間隔hが同一な場合
をシミュレーションした結果である。ここで、図8はゲ
ートに0Vが印加された場合であり、図9はゲートに8
0Vが印加された場合である。等電圧線分布曲線は、ゲ
ート電圧が高い時(80V)に陰極付近の等電圧の間隔が
さらに粗密に示され、これは陰極付近の電界の強度がさ
らに強いということを意味するので、陰極からさらに多
くの電子が放出されうることを意味する。これは図10
及び図11のシミュレーションの結果にもよく示されて
いる。
うに陰極間の間隔が60μm、陽極電圧が500V、陰
極と陽極との間隔が200μmの条件で陰極とゲートと
の間隔hが各々5μm、10μm、15μmの場合におけ
るゲートへの印加電圧を変化させながら測定した縁部電
場の強度及び放出電子が放出点から左右側への偏差(dev
iation)を示すグラフである。図10に示されるよう
に、ゲート電圧が高まるほど縁部電界の強度が大きくな
ることが分かる。図11はゲート電圧の変化に対する陰
極の縁部からの放出電子の偏差を陽極上で測定したグラ
フである。
る電界放出素子のゲート電圧変化に対する電気的特性を
示す図面である。この場合、陽極電圧は400Vに設定
され、また本発明に係る電界放出素子は陰極と陽極との
間隔が1.1mmになるように製造されている。ここ
で、図12及び図13は各々ゲート電圧変化に対する陽
極電流の強度及びそのファウラノルドハイムプロット
(Fowler-Norheim plot)を示すグラフであり、図14
はゲートのオン/オフ時における前記の実際に製造され
た電界放出素子の輝度を撮った写真である。図12にお
いてRHS(right hand side)、LHS(left hand s
ide)は、基板の右側半分と左側半分のみをゲートオン
させた場合の1/2基板におけるゲート電圧に対する陽
極電流の変化を示している。図13は図12のファウラ
ノルドハイムプロットであって、得られたデータが一直
線上に載った際の、電流の測定値を電界放出による電流
に変換したものである。即ち、図13は、1/Vに対す
るln(1/V2)の変化を示している。
極との間隔が200μmになるように製造された本発明
に係る電界放出素子に関するグラフ及び写真である。こ
の場合、電子放出源としてAg及びカーボンナノチュー
ブを合成(混合)することにより得られたペースト(pas
te)が陰極上にプリンティングされている。ここで、図
15はゲートの電圧変化による陽極電流の強度を示す図
面であり、図16はそのファウラノルドハイムプロット
を示すグラフである。図17は陽極電圧を500Vとし
た場合の二極管電界放出素子の輝度を撮った写真であ
り、図18は陽極が250Vにバイアスされ、ゲート電
圧が120Vの場合の三極管電界放出素子の輝度を撮っ
た写真である。
1.1mmになるように製造された本発明に係る三極管
電界放出素子に関する写真である。この場合、電子放出
源としてガラス及びカーボンナノチューブを合成(混
合)して得られたペーストが陰極電極上にプリンティン
グされている。ここで、陽極電圧はDC700Vであ
り、ゲート電圧はAC300V(130Hz、1/100du
ty)である。ここでは、基板の左側半分のみをゲートオ
ンさせる場合を示す。
極との間に介在されている絶縁層を陰極電極に沿ってス
トライプ状に形成した場合と絶縁層を平面状に形成した
場合の三極管電界放出素子の輝度を示す写真である。こ
の場合、陽極電圧はDC500Vである。図20のよう
に、絶縁層を線形に形成した場合電界放出の均一性及び
動作電圧(線形の場合160V、全面に形成時240V)
が改善された。
通りである。まず、基板にストライプ状のゲート電極ラ
インを形成した後、一定の厚さ(約数〜数十μm)の絶縁
物質をその上部に全面的にまたは部分的に塗布する。次
いで、絶縁層上にゲート電極を横切る陰極ラインを形成
する。陰極とゲート電極との重畳部分のドット領域で陰
極の縁部(または陰極ラインのゲート電極との重畳部分
にホールを形成した場合にはホールの縁部)に、例え
ば、カーボンナノチューブをプリンティング法、電気泳
動法または気相蒸着法により接合する。次いで、一般の
方法でスペーサを用いて陽極と基板とを真空密封する。
ナノチューブを用いた三極構造の電界放出素子は、陰極
上のカーボンナノチューブから電子を引出す役割をする
ゲート電極を、陰極の下の基板上に配置する構成とした
ことによって、電界放出素子の製造が容易になった。既
存の三極構造の電子放出素子においは、ゲート電極は陰
極と陽極の間に介在して配置する構成をとっていた。と
ころが、本発明に係るカーボンナノチューブを用いた三
極構造の電界放出素子は、ゲート電極を、陰極の下に形
成された絶縁層の下に形成したことにより、ゲート電極
に適当な電圧を印加すれば、ゲート電圧による電場が絶
縁層を透過し、電子放出源に強い電場が形成されて電界
放出により電子を放出することとなるので、カーボンナ
ノチューブに強い電場が形成されることとなる。即ち、
カーボンナノチューブにより電界放出による電子の放出
が制御可能となった。放出された電子は、陽極電圧によ
る追加的な電場によって陽極側に移動して本来の役割を
行うことになる。このような構造の電界放出素子は、製
造工程自体が単純で現在の技術水準で簡単に製作でき、
しかも、カーボンナノチューブを電子放出源として用い
たことにより、電界放出素子の低電圧駆動及び大面積化
を図ることが可能となった。以上のような作用効果を本
発明に係るカーボンナノチューブを用いた三極構造の電
界放出素子は有するので、次世代の平板ディスプレーに
適している。
の電界放出素子の概略的な構造を示す垂直断面図であ
る。
極構造の電界放出素子の概略的な構造を示す垂直断面図
である。
の電界放出素子において、電界放出物質を陰極とゲート
との交点の陰極の縁部領域に形成した実施例を示す図面
である。
の電界放出素子において、陰極とゲートとの交点の陰極
に少なくとも1つ以上の孔をあけ、その孔の周囲に電界
放出物質を形成させた実施例を示す図面である。
の電界放出素子において、陰極とゲートとの交点の陰極
に少なくとも1つ以上の孔をあけ、その孔の周囲に電界
放出物質を形成させた実施例を示す図面である。
の電界放出素子において、陰極とゲートとの交点の陰極
に少なくとも1つ以上の孔をあけ、その孔の周囲に電界
放出物質を形成させた実施例を示す図面である。
の電界放出素子において、陰極とゲートとの交点の陰極
に少なくとも1つ以上の孔をあけ、その孔の周囲に電界
放出物質を形成させた実施例を示す図面である。
500V、陰極と陽極との間隔が200μmであり、陰
極とゲートとの間隔hが同一な図2の電界放出素子にお
けるゲート電圧による等電圧線の分布及び電界分布を示
す曲線である。
500V、陰極と陽極との間隔が200μmであり、陰
極とゲートとの間隔hが同一な図2の電界放出素子にお
けるゲート電圧による等電圧線の分布及び電界分布を示
す曲線である。
圧が500V、陰極と陽極との間隔が200μmの条件
で、陰極とゲートとの間隔hを各々5μm、10μm、1
5μmとした場合の図2の電界放出素子に対してゲート
に印加する電圧を変化させながら測定した縁部電場の強
度を示すグラフである。
圧が500V、陰極と陽極との間隔が200μmの条件
で、陰極とゲートとの間隔hを各々5μm、10μm、1
5μmとした場合の図2の電界放出素子に対してゲート
に印加する電圧を変化させながら測定した縁部電場の偏
差を示すグラフである。
に製作された図2の電界放出素子の実施例において陽極
電圧を400Vとした場合のゲートの電圧変化による電
気的な特性を示す図面であって、ゲートの電圧変化によ
る陽極電流の強度及びそのファウラノルドハイムプロッ
ト値を示すグラフである。
に製作された図2の電界放出素子の実施例において陽極
電圧を400Vとした場合のゲートの電圧変化による電
気的な特性を示す図面であって、ゲートの電圧変化によ
る陽極電流の強度及びそのファウラノルドハイムプロッ
ト値を示すグラフである。
に製作された図2の電界放出素子の実施例において陽極
電圧を400Vとした場合のゲートの電圧変化による電
気的な特性を示す図面であって、基板の半分をゲートオ
ンし、残り半分をゲートオフしたとき、実際に製造され
た電界放出素子の輝度を撮った写真である。
であり、Agとカーボンナノチューブとを合成したペー
ストを陰極上にプリンティングした電界放出素子に関す
るグラフである。
であり、Agとカーボンナノチューブとを合成したペー
ストを陰極上にプリンティングした電界放出素子に関す
るグラフである。
であり、Agとカーボンナノチューブとを合成したペー
ストを陰極上にプリンティングした電界放出素子に関す
る写真である。
であり、Agとカーボンナノチューブとを合成したペー
ストを陰極上にプリンティングした電界放出素子に関す
る写真である。
であり、ガラスとカーボンナノチューブとを合成したペ
ーストを陰極電極上にプリンティングした三極管の電界
放出素子に関する写真である。
いる絶縁層を陰極電極に沿ってストライプ状に形成した
場合と絶縁層を平面状に形成した場合との三極管の電界
放出素子の輝度を示す写真である。
いる絶縁層を陰極電極に沿ってストライプ状に形成した
場合と、絶縁層を平面状に形成した場合の三極管の電界
放出素子の輝度を示す写真である。
Claims (9)
- 【請求項1】 一定の間隔に相互対向して配置された背
面基板及び前面基板と、 前記両基板の間隔を保ちながらその内部を真空密封する
スペーサと、 前記両基板の対向面上に各々相互交差するストライプ状
に配置された陰極及び陽極と、 前記陰極及び陽極の交点に対応する陰極上に形成された
電子放出源と、 前記電子放出源から放出される電子を制御するゲートと
を備えた三極構造の電界放出素子において、 前記ゲートは前記陰極の下部の前記背面基板上に配置さ
れ、前記ゲートと陰極との間に電気的な絶縁のための絶
縁層が形成されたことを特徴とする三極構造の電界放出
素子。 - 【請求項2】 前記ゲートは前記陰極の下部の前記背面
基板上に前記陰極との交差方向に前記陽極に対応する位
置にストライプ状に配置されたことを特徴とする請求項
1に記載の三極構造の電界放出素子。 - 【請求項3】 前記電子放出源は、金属、ダイアモン
ド、グラファイトからなる群から選択された少なくとも
1つの物質からなり、前記陰極及び陽極の交点に対応す
る陰極上に形成されたことを特徴とする請求項1に記載
の三極構造の電界放出素子。 - 【請求項4】 前記電子放出源は、伝導性物質、誘電性
物質または絶縁性物質と、カーボンナノチューブ、金
属、ダイアモンド、グラファイトからなる群から選択さ
れた少なくとも1つの物質との混合物からなり、前記陰
極及びゲート交点に対応する陰極上に形成されたことを
特徴とする請求項1に記載の三極構造の電界放出素子。 - 【請求項5】 前記電子放出源は、前記陰極及びゲート
の交点に対応する陰極上の全面または一側縁部にまっす
ぐに形成されたことを特徴とする請求項3または4に記
載の三極構造の電界放出素子。 - 【請求項6】 前記電子放出源は、前記陰極及びゲート
の交点に対応する陰極に少なくとも1つ以上の孔をあけ
その孔に形成されたことを特徴とする請求項3または4
に記載の三極構造の電界放出素子。 - 【請求項7】 前記電子放出源は、プリンティング法、
電気泳動法及び気相蒸着法のうち何れか1つの方法で形
成されたことを特徴とする請求項3乃至6のうち何れか
1項に記載の三極構造の電界放出素子。 - 【請求項8】 前記孔が3つ以上形成される場合、真ん
中に位置するほど孔を大きくあけその縁部に電界放出物
質を形成させ、1画素内の放出電流の均一度を高めるこ
とを特徴とする請求項6に記載の三極構造の電界放出素
子。 - 【請求項9】 前記絶縁層は、全面に形成されるか、ま
たは陰極電極線に沿って線形に形成されたことを特徴と
する請求項1に記載の三極構造の電界放出素子。
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