JP2001312953A - 電界放出型電子源アレイ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が容易で特性に優れる電界放出型電子源
アレイ及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 別途、製造されたカーボンナノチューブ
等の微細繊維状物質１３を、電気泳動法により、カソー
ド電極１０表面の陽極酸化膜１１に形成された細孔１２
の軸方向に沿って配向するように挿入して形成し、基板
面におおよそ垂直方向に方向の揃ったカーボンナノチュ
ーブ等の微細繊維状物質を電子放出部とする電界放出型
電子源アレイを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷陰極ランプ、蛍
光表示管、液晶デバイス用のバックライト、フィールド
エミッションディスプレイ等に用いられる電界放出電子
源アレイ及びその製造方法に関し、詳細には、均一性、
信頼性に優れ、薄型表示装置のようにＸＹアドレスが必
要な電界放出電子源アレイ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電界放出型電子源の研究、開発が
盛んに行われており、電界放出型電子源を用いた薄型表
示装置は、自発光型であるために液晶表示装置のような
バックライトの必要がなく、原理的にＣＲＴと同等の見
やすさ、明るさが得られ、さらには、電子源の微細性を
生かした非常に高精細の表示装置を実現できる可能性が
ある。

【０００３】電界放出型電子源は、C.A.Spindtらによる
蒸着法で形成された高融点金属材料からなる円錐形状の
電子源（ＵＳＰ３，６６５，２４１）等が良く知られて
いるが、大型の表示装置に用いるために大面積の電子源
アレイを形成する場合には、その製造方法に起因する理
由により形状のバラツキが多くなり、電子源としての均
一性や信頼性の点で問題があった。

【０００４】一方、他の電界放出型電子源として、低電
界で電子を放出する新規の電子放出材料も研究されてい
る。その中で、例えば、炭素系の材料が盛んに検討され
ており、特に、遠藤らの解説（団体物理、Vol.12,No.1,
1977）等に示されている気相成長法によるナノメーター
オーダーの炭素繊維、あるいは飯島らにより確認された
アーク放電法によるカーボンナノチューブ（Nature,35
4,56,1991）等は、グラファイトを丸めた円筒形の物質
であり、電子源としても優れた特徴を有する材料として
非常に期待されている。カーボンナノチューブからの電
界放出に関しては、R.E.Smalleyら（Science,269,1550,
1995）及びW.A.de Heerら（Science,270,1179,1995）の
研究グループ等により報告されている。

【０００５】カーボンナノチューブを電子源に用いた表
示装置は、例えば特開平１１−１６２３８３号公報に記
載されている。すなわち、透光性を有する表示面側基板
の表示面側リブで挟まれた領域に形成されて電位が印加
される蛍光体からなる発光部と、それと対向配置される
電子放出側基板の電子放出側リブで挟まれた領域に複数
配置されて電位が印加されるカーボンナノチューブから
なる電子放出部と、電子放出側リブ上に形成された電子
引き出し電極とから構成されており、表示面側基板と電
子放出側基板とで囲まれた外囲器の内部は真空排気され
ている。このように構成された表示装置の電子放出部と
電子引き出し電極との間に電位を印加すると、電子放出
部を構成しているカーボンナノチューブの先端に高電界
が集中して電子が引き出される。引き出された電子は、
さちに高電位が印加された発光部の蛍光体に衝突し、発
光する。

【０００６】カーボンナノチューブからなる電子放出部
の形成方法としては、カーボンナノチューブの集合体か
らなる針形状の柱状グラファイトを導電性接着剤で所定
領域に固定配置して形成するか、あるいは、柱状グラフ
ァイトのペーストを用いた印刷によるパターン形成によ
り電子放出部を形成するという方法が示されている。こ
こで用いられるカーボンナノチューブは、ヘリウムガス
中で一対の炭素電極間にアーク放電を起こしたときの陰
極側の炭素電極先端に凝集した堆積物中に形成されてお
り、堆積物内部の繊維状の組織を切り出したものが柱状
グラファイトに相当する。

【０００７】その他のカーボンナノチューブ形成方法と
しては、例えば特開平８−１５１２０７号公報に記載さ
れているように、陽極酸化膜の細孔中にＣＶＤ法を用い
てカーボンナノチューブを形成する方法、さらには、例
えば特開平１０−１２１２４号公報に記載されているよ
うに、細孔内の微小な触媒を起点としてＣＶＤ法を用い
てカーボンナノチューブを成長させる方法、等が開示さ
れている。また、陽極酸化膜の細孔を用いた電子放出素
子としては、例えば特開平５−２１１０２９号公報に記
載されているように、陽極酸化膜の細孔中に電解析出に
より円柱状電極を形成した電子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】しかしながら、このよ
うな従来のカーボンナノチューブの集合体である柱状グ
ラファイトを用いた電界放出型電子源にあっては、表示
装置用の電子源アレイを構成する場合には、画素サイズ
から考えて柱状グラファイトが数μｍから数十μｍの大
きさである必要があり、その微小性のために切り出しや
接着による固定配置等の取り扱いが容易ではないと思わ
れる。また、ペーストを用いた印刷によるパターン形成
では、カーボンナノチューブの方向を電子放出方向に揃
えることが現状では困難であり、さらに、ペーストから
多くのカーボンナノチューブの先端を有効な形で露出さ
せることも容易ではなく、均一性の高い電子源アレイを
得ることが難しいと考えられる。

【０００９】また、ＣＶＤ法を用いた従来の電界放出型
電子源は、細孔、または触媒で限定された場所にカーボ
ンナノチューブを成長させることができるため配向性は
良好であるが、電子源アレイ基板毎にＣＶＤプロセスを
施す必要があり、大型の基板を用いる場合には基板全域
での均一性を得ることが容易ではなく、さらに、大型基
板用のＣＶＤ装置が必要である等の生産設備の複雑化、
コスト上昇の要因となり得る。

【００１０】上述の手法を含め、カーボンナノチューブ
を用いた電子源アレイに関して、構造、製造方法ともに
種々の提案がなされているが、現状のところ、それぞれ
一長一短がある。そのため、アーク放電法、熱ＣＶＤ
法、等のプラントで大量生産されるカーボンナノチュー
ブを効率的に利用すること、良好な電子放出特性を得る
ためになるべく多くのカーボンナノチューブを電子放出
方向に配向させること、さらには製造工程が簡便でコス
トダウンが容易なこと、のすべてを満足する電子源アレ
イ構造及びその製造方法の開発が期待されている。

【００１１】また、陽極酸化膜の細孔中に電解析出によ
り円柱状電極を形成した電子放出素子は、電解析出時に
円柱状の電子放出部が形成されるため、電子源としての
電子放出特性が電解析出工程に依存するという問題があ
る。カーボンナノチューブ等の微細繊維状物質（棒状電
子放出物質）は、作製工程で実施される高温工程、例え
ばカーボンナノチューブの場合の黒鉛化処理は２８００
℃程度の高温で行うことで良質なカーボンナノチューブ
が形成される、等により優れた電子放出特性をもつ良質
な電子源材料である微細繊維状物質となるが、電解析出
工程でそれを作製することは困難である。すなわち、例
えば、別途、安価に大量生産されたカーボンナノチュー
ブ等の電子放出特性に優れる微細繊維状物質と同等の電
子放出特性を得ることは容易ではない。

【００１２】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、低電界で電子を放出する電子放出材料
であって、別途、安価に大量生産されたカーボンナノチ
ューブ等の棒状電子放出物質を用いて電子源アレイが作
製可能で、細孔等の所定の箇所にカーボンナノチューブ
等の棒状電子放出物質を配向させることが可能で、大型
の表示装置に用いるために大面積の電子源アレイを形成
する場合にも、電子放出特性の均一性が高く、生産性に
優れる薄型表示装置に適した電界放出型電子源アレイ及
びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の電界放出型電子
源アレイは、支持基板上に形成されたカソード電極と、
前記カソード電極上に形成された陽極酸化膜と、前記陽
極酸化膜に形成された細孔に、棒状電子放出物質を含む
物質が該棒状電子放出物質の端面を露出させた状態で埋
め込まれて構成された電子源と、を有する電界放出型電
子源アレイにおいて、前記棒状電子放出物質が、前記細
孔の軸方向に沿って配向するように形成されていること
を特徴とする。

【００１４】このように構成することにより、別途、安
価に大量生産されたカーボンナノチューブ等の棒状電子
放出物質を用いて電子源アレイが作製可能で、陽極酸化
膜等に形成された細孔内にカーボンナノチューブ等の棒
状電子放出物質を配向させることが可能で、大型の表示
装置に用いるために大面積の電子源アレイを形成する場
合にも、カーボンナノチューブ等の棒状電子放出物質が
電子放出方向に配向されているために電子放出特性の均
一性が高く、電気泳動法により陽極酸化膜等に形成され
た細孔内にカーボンナノチューブ等の棒状電子放出物質
を挿入するため生産性に優れる電界放出型電子源アレイ
を提供することを可能にする。

【００１５】さらに、好ましくは、カソード電極である
金属基板の表面を陽極酸化した陽極酸化膜に前記細孔が
形成されるように構成すれば、カソード電極である金属
基板の表面の陽極酸化膜にカーボンナノチューブ等の棒
状電子放出物質を配向させて形成することができ、一体
のカソード電極からなる電界放出型電子源アレイの製造
が容易となる。

【００１６】さらに、好ましくは、支持基板上に形成さ
れたカソード電極である金属膜の表面を陽極酸化した陽
極酸化膜に前記細孔が形成されるように構成すれば、パ
ターニングを施したカソード電極である金属膜の表面の
陽極酸化膜にカーボンナノチューブ等の棒状電子放出物
質を配向させて形成することができ、例えば薄型表示装
置のマトリクスをカソード電極で構成する場合等に、複
数のライン状等にパターニングされた電極の表面の陽極
酸化膜にカーボンナノチューブ等の棒状電子放出物質を
配向させて形成することができる。

【００１７】さらに、好ましくは、支持基板上にカソー
ド電極が形成され、該カソード電極上に形成された金属
膜を陽極酸化した陽極酸化膜に前記細孔が形成されるよ
うに構成すれば、カソード電極材料、及び陽極酸化膜を
形成する金属膜材料のそれぞれを異なる材料で構成する
ことができ、それぞれの目的に合せて最適な材料を選定
して電界放出型電子源アレイを構成することができる。

【００１８】また、前記カソード電極と前記細孔内に挿
入された棒状電子放出物質とが、前記カソード電極上に
形成された導電性ペーストにより電気的に接続されてい
ることで、カソード電極を形成した支持基板と細孔内に
カーボンナノチューブ等の棒状電子放出物質が挿入され
た陽極酸化膜とを別工程で作製した後、それらを組合せ
て電界放出型電子源アレイを構成することができる。ま
た、このように構成することにより、細孔内に挿入され
たカーボンナノチューブ等の棒状電子放出物質を導電性
ペーストの硬化工程で強固に固定させることができ、電
子源アレイの信頼性を向上させることができる。

【００１９】また、前記陽極酸化膜が、アルミニウムを
陽極酸化することにより形成されるアルミナ膜であるこ
とで、アルミニウムを陽極酸化したアルミナ膜は、細孔
の径、及び細孔の密度の均一性、及び再現性が非常に高
く、そのような細孔内に挿入され、配向されるカーボン
ナノチューブ等の棒状電子放出物質によって、より均一
性の高い電界放出型電子源アレイを構成することができ
る。

【００２０】また、前記カソード電極と前記棒状電子放
出物質とが、少なくとも電気抵抗層を介して接続されて
いることで、細孔内に配向された各々のカーボンナノチ
ューブ等の棒状電子放出物質は、電気抵抗層を介して並
列にカソード電極と接続されるため、カーボンナノチュ
ーブ等の棒状電子放出物質からの放出電流にともなう電
気抵抗層での電圧降下によって電子放出特性が穏やかに
なり、大面積の電子源アレイを形成した場合にも電子放
出を均一化、安定化させることができる。

【００２１】また、前記棒状電子放出物質が、少なくと
も前記カソード電極材料よりも低融点の導電性材料を用
いて前記細孔内に固定されていることで、細孔内に挿入
されたカーボンナノチューブ等の棒状電子放出物質を低
融点の導電性材料を融解させた後に凝固させることでさ
らに強固に固定させることができ、電子源アレイの信頼
性を向上させることができる。

【００２２】また、前記導電性材料が、電解メッキ法に
より形成した低融点金属材料であることで、陽極酸化膜
の細孔内に容易に、正確に低融点金属材料を形成するこ
とができ、細孔内に挿入されたカーボンナノチューブ等
の棒状電子放出物質をの固定が容易であり、電子源アレ
イの信頼性をさらに向上させることができる。

【００２３】また、好ましい具体的な態様としては、前
記棒状電子放出物質が、カーボンナノチューブであるこ
とで、低電界で電子を放出し、化学的に安定で、別途、
安価に大量生産され得る材料であって、均一性の高い、
生産性に優れる電界放出型電子源アレイを容易に構成す
ることができる。

【００２４】本発明の電界放出型電子源アレイの製造方
法は、支持基板上にカソード電極を形成する工程と、前
記カソード電極上に金属膜を陽極酸化して細孔を有する
陽極酸化膜を形成する工程と、棒状電子放出物質を分散
させた溶媒中で、前記カソード電極と該カソード電極に
対向配置した対向電極との間に電圧を印加する電気泳動
法により、前記棒状電子放出物質を前記カソード電極に
向かって移動させ、前記細孔内に、細孔の軸方向に沿っ
て配向するように挿入する工程と、を含むことを特徴と
する。

【００２５】このように製造することにより、カーボン
ナノチューブ等の棒状電子放出物質を作製する工程で実
施される高温工程、例えばカーボンナノチューブの場合
の黒鉛化処理は２８００℃程度の高温で行うことで良質
なカーボンナノチューブが形成される、等を電子源アレ
イ作製工程とは別工程で行うことができ、電子源アレイ
作製時の温度を低温化させることができ、電界放出型電
子源アレイを構成する基板等を耐熱性の低い安価な材料
で構成することが可能となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。 第１の実施の形態 図１は、本発明の第１の実施の形態の電界放出型電子源
アレイの構成を示す部分斜視図であり、図１（ａ）は、
細孔内に電気泳動法によりカーボンナノチューブ等の微
細繊維状物質を挿入する前の状態を、図１（ｂ）は、細
孔内に電気泳動法によりカーボンナノチューブ等の微細
繊維状物質を挿入した後の状態をそれぞれ模式的に表し
ている。

【００２７】図１において、１０はカソード電極、１１
はカソード電極１０上に形成された表面膜、１２は表面
膜１１に形成された細孔、１３はカーボンナノチューブ
等の微細繊維状物質（棒状電子放出物質）である。図１
（ａ）に示すように、カーボンナノチューブ等の微細繊
維状物質１３は、図示しない溶媒中に分散しておき、カ
ソード電極１０と、対向配置した電気泳動用の対向電極
基板（図示略）との間に電圧を印加すると、電気泳動法
の原理に従ってカーボンナノチューブ等の微細繊維状物
質１３がカソード電極に向かって移動し、その内の一部
がカソード電極１０の表面膜１１に形成した細孔１２内
に挿入される。それにより、カーボンナノチューブ等の
微細繊維状物質１３をカソード電極１０表面の細孔１２
の軸方向に沿って配向するように形成し、基板面におお
よそ垂直方向に方向の揃ったカーボンナノチューブ等の
微細繊維状物質１３を電子放出部とする電界放出型電子
源アレイを構成する（図１（ｂ）参照）。

【００２８】このような構成においては、別途、安価に
大量生産されたカーボンナノチューブ等の微細繊維状物
質１３を用いて電子源アレイが作製可能で、陽極酸化膜
等に形成された細孔内にカーボンナノチューブ等の微細
繊維状物質１３を配向させることが可能である。大型の
表示装置に用いるために大面積の電子源アレイを形成す
る場合にも、カーボンナノチューブ等の微細繊維状物質
１３が電子放出方向に配向されているために電子放出特
性の均一性が高く、また、電気泳動法により陽極酸化膜
等に形成された細孔内にカーボンナノチューブ等の微細
繊維状物質１３を挿入するため、電子源アレイ作製工程
で真空プロセスを用いる必要がなく、生産性に優れる。
さらに、カーボンナノチューブ等の微細繊維状物質を作
製する工程で実施される高温工程、例えばカーボンナノ
チューブの場合の黒鉛化処理は２８００℃程度の高温で
行うことで良質なカーボンナノチューブが形成される、
等を電子源アレイ作製工程とは別工程で行うことがで
き、電子源アレイ作製時の温度を低温化させることがで
き、電界放出型電子源アレイを構成する基板等を耐熱性
の低い安価な材料で構成することが可能となる。

【００２９】第２の実施の形態 図２は、本発明の第２の実施の形態の電界放出型電子源
アレイの構成を示す部分断面図である。図２において、
２０はカソード電極、２１はカソード電極２０である金
属基板の表面を陽極酸化した陽極酸化膜である。陽極酸
化膜２１には、細孔が形成されており、この細孔内にカ
ーボンナノチューブ等の微細繊維状物質２３（棒状電子
放出物質）を挿入し、おおよそ基板と垂直方向に配向す
るように形成し、電界放出型電子源アレイを構成する。
例えば、微細繊維状物質２３をカーボンナノチューブで
形成した場合には、真空中で、カソード電極２０と対向
するようにおおよそ１ｍｍの距離を離して配置したアノ
ード電極２４との間に１ｋＶ程度の電圧を印加し、平行
平板換算で１Ｖ／μｍ程度の電界を発生させるとカーボ
ンナノチューブの先端から電子放出を開始する。また、
例えば、上記金属基板には、アルミニウム板を用い、陽
極酸化膜には、アルミニウムを陽極酸化したアルミナ膜
を用いると、陽極酸化膜に形成される細孔の径、及び細
孔の密度の均一性、及び再現性が非常に高いことから、
そのような細孔内にカーボンナノチューブ等の微細繊維
状物質２３が挿入され、配向されることによって、より
均一性の高い電界放出型電子源アレイを構成することが
できる。

【００３０】第３の実施の形態 図３は、本発明の第３の実施の形態の電界放出型電子源
アレイに用いられる陽極酸化膜の製造工程を示す図であ
り、図３（ａ）は、金属基板の表面を陽極酸化する工程
を表し、図３（ｂ）は、本工程により形成される金属基
板表面の陽極酸化膜、及び細孔を表す部分拡大断面図で
ある。なお、図３は、陽極酸化膜の製造工程の概要を表
すものであり、本工程の製造装置としては生産性等を考
慮して適切な構造の装置を構築すればよい。

【００３１】図３（ａ）において、陽極酸化用容器３０
内の電解液３１中に、カソード電極となる金属基板３２
と、陽極酸化用対向電極３３とを対向させるよう配置し
て、金属基板３２が陽極となるようにして電源３４によ
り電圧を印加する。これにより、図３（ｂ）に示すよう
に金属基板３２の表面に陽極酸化膜３５が形成され、細
孔３６が形成される。陽極酸化膜３５の厚さは、電子放
出部に用いる微細繊維状物質の大きさによって選定すれ
ばよく、微細繊維状物質として数〜１０μｍ長さのカー
ボンナノチューブを用いる場合には、陽極酸化膜３５の
厚さをおおよそ２〜５μｍ程度を目安に設定することが
好ましい。なお、金属基板３２にアルミニウムを用いる
場合には、電解液３１に１０〜２０％の硫酸を用い、浴
温を０〜１０℃程度、印加電圧を１０〜２０Ｖ程度とし
て陽極酸化を行う。その他の電解液としては、しゅう
酸、クロム酸、等を用いることもできる。陽極酸化の工
程でアルミニウムと陽極酸化アルミナの界面にできるバ
リア層は、電源３４により逆バイアスをかけることで除
去し、後工程で細孔内に挿入されるカーボンナノチュー
ブ等の微細繊維状物質とカソード電極との間の導通がと
れるようにする。

【００３２】このように、アルミニウムに陽極酸化処理
を行うことにより、規則正しいアルミナのセル（通常は
６角形で蜂の巣構造となる）ができ、その中央部に細孔
が形成される。細孔の直径、深さ、ピッチ、等の形状制
御は、電圧値、時間、等の陽極酸化条件で設定でき、規
則性、再現性が高い。

【００３３】図４は、本実施の形態の電界放出型電子源
アレイに用いられる細孔内に低融点の導電性材料を形成
する製造工程を示す図であり、図４（ａ）は、細孔内に
低融点の導電性材料を形成する製造工程を表し、図４
（ｂ）は、本工程により細孔内に形成される低融点金属
材料を表す部分拡大断面図である。なお、図４は、製造
工程の概要を表すものであり、本工程の製造装置として
は生産性等を考慮して適切な構造の装置を構築すればよ
い。

【００３４】図４（ａ）において、電解メッキ用容器４
０内の電解液４１中に、陽極酸化膜４５に細孔４６を形
成した基板４２と、電解メッキ用対向電極４３とを配置
して、細孔を形成した基板４２が陰極となるようにして
電源４４により電圧を印加する。これにより、図４
（ｂ）に示すように細孔４６内に低融点金属材料４７が
形成される。低融点金属材料４７には、例えばインジウ
ム、亜鉛等を用いればよく、後工程で融解させて微細繊
維状物質を固定する目的から、基板材料、あるいはカソ
ード電極材料等の他の構成要素に比較して低融点である
ことを基準に材料を選定すればよい。低融点金属材料４
７の厚さは、電子放出部に用いる微細繊維状物質の大き
さ、あるいは細孔の深さ等によって選定すればよく、微
細繊維状物質として数〜１０μｍ長さのカーボンナノチ
ューブを用いる場合には、低融点金属材料の厚さをおお
よそ数百ｎｍ程度を目安に設定することが好ましい。

【００３５】図５は、本実施の形態の電界放出型電子源
アレイに用いられる電気泳動法によりカーボンナノチュ
ーブ等の微細繊維状物質を細孔へ挿入する製造工程を示
す図であり、図５（ａ）は、電気泳動法によりカーボン
ナノチューブ等の微細繊維状物質を細孔へ挿入する製造
工程を表し、図５（ｂ）は、本工程により細孔内にカー
ボンナノチューブ等の微細繊維状物質が挿入された状態
を表す部分拡大断面図である。なお、図５は、製造工程
の概要を表すものであり、本工程の製造装置としては生
産性等を考慮して適切な構造の装置を構築すればよい。

【００３６】図５（ａ）において、電気泳動用容器５０
内のカーボンナノチューブ等の微細繊維状物質を分散さ
せた溶媒５１中に、表面に陽極酸化膜５５が形成された
金属基板であるカソード電極５２と、電気泳動用対向電
極５３とを対向させるよう配置して、カソード電極５２
が陰極となるようにして電源５４により電圧を印加す
る。これにより、図５（ｂ）に示すようにカーボンナノ
チューブ等の微細繊維状物質５８がカソード電極に向か
って移動し、その内の一部がカソード電極の表面の陽極
酸化膜５５に形成されている細孔５６内に挿入される。
また、細孔内には、低融点金属材料５７が形成されてい
てもよい。なお、微細繊維状物質としてカーボンナノチ
ューブを用いる場合には、電気泳動用対向電極５３には
金、白金、等の貴金属を用い、溶媒にはイソプロピルア
ルコール、アセトン、等の有機溶媒を用い、印加電圧は
数百Ｖ程度とするとよい。この他にも、製造設備上の扱
いやすさ等を考慮して、電気泳動法の溶媒として添加剤
を加えた水を用いることも可能である。

【００３７】第４の実施の形態 図６は、本発明の第４の実施の形態の電界放出型電子源
アレイの構成を示す部分断面図である。図６において、
６０は支持基板、６１は支持基板６０上に形成されたカ
ソード電極である。支持基板６０上には、カソード電極
６１である金属膜の表面を陽極酸化した陽極酸化膜６２
に細孔が形成されており、細孔内にカーボンナノチュー
ブ等の微細繊維状物質６３（棒状電子放出物質）を挿入
し、おおよそ基板と垂直方向に配向するように形成し、
電界放出型電子源アレイを構成する。例えば、微細繊維
状物質６３をカーボンナノチューブで形成した場合に
は、真空中で、カソード電極６１と対向するようにおお
よそ１ｍｍの距離を離して配置したアノード電極６４と
の間に１ｋＶ程度の電圧を印加し、平行平板換算で１Ｖ
／μｍ程度の電界を発生させるとカーボンナノチューブ
の先端から電子放出を開始する。支持基板６０には、ガ
ラス基板等を用いればよく、例えば表示装置を構成する
場合の真空封止方法、その他製造工程上の耐熱条件等を
考慮して選定すればよい。

【００３８】また、例えば、カソード電極６１である金
属膜には、アルミニウム膜を用い、陽極酸化膜６２に
は、アルミニウムを陽極酸化したアルミナ膜を用いる
と、陽極酸化膜６２に形成される細孔の径、及び細孔の
密度の均一性、及び再現性が非常に高いことから、その
ような細孔内にカーボンナノチューブ等の微細繊維状物
質が挿入され、配向されることによって、より均一性の
高い電界放出型電子源アレイを構成することができる。
支持基板６０上に形成するカソード電極６１は、例えば
表示装置を構成する場合にはマトリクスを形成するため
にライン状の電極構造とする等、目的に合せて電極形状
を決定すればよい。

【００３９】第５の実施の形態 図７は、本発明の第５の実施の形態の電界放出型電子源
アレイの構成を示す部分断面図である。図７において、
支持基板７０上にカソード電極７１を形成し、カソード
電極７１上に形成した金属膜７２の表面を陽極酸化した
陽極酸化膜７３に細孔が形成されており、細孔内にカー
ボンナノチューブ等の微細繊維状物質７４（棒状電子放
出物質）を挿入し、おおよそ基板と垂直方向に配向する
ように形成し、電界放出型電子源アレイを構成する。例
えば、微細繊維状物質７４をカーボンナノチューブで形
成した場合には、真空中で、カソード電極７１と対向す
るようにおおよそ１ｍｍの距離を離して配置したアノー
ド電極７５との間に１ｋＶ程度の電圧を印加し、平行平
板換算で１Ｖ／μｍ程度の電界を発生させるとカーボン
ナノチューブの先端から電子放出を開始する。支持基板
７０には、ガラス基板等を用いればよく、例えば表示装
置を構成する場合の真空封止方法、その他製造工程上の
耐熱条件等を考慮して選定すればよい。

【００４０】また、例えば、カソード電極７１上に形成
する金属膜７２には、アルミニウム膜を用い、陽極酸化
膜７３には、アルミニウムを陽極酸化したアルミナ膜を
用いると、陽極酸化膜７３に形成される細孔の径、及び
細孔の密度の均一性、及び再現性が非常に高いことか
ら、そのような細孔内にカーボンナノチューブ等の微細
繊維状物質が挿入され、配向されることによって、より
均一性の高い電界放出型電子源アレイを構成することが
できる。カソード電極７１と金属膜７２は、異なる材料
で形成することができ、カソード電極７１には銅などの
電極材料を用いるか、あるいは複数材料を積層した電極
構造としてもよい。また、支持基板７０上に形成するカ
ソード電極７１は、例えば表示装置を構成する場合のマ
トリクスを形成するためにライン状の電極構造とする
等、目的に合せて電極形状を決定すればよい。

【００４１】第６の実施の形態 図８は、本発明の第６の実施の形態の電界放出型電子源
アレイを示す要部拡大断面図であり、カーボンナノチュ
ーブ等の微細繊維状物質が挿入されている細孔部分を表
している。

【００４２】図８（ａ）に示す例では、カソード電極８
０上に陽極酸化膜８１を形成し、陽極酸化膜８１には細
孔８２が形成され、細孔８２には電気泳動法によりカー
ボンナノチューブ等の微細繊維状物質８３（棒状電子放
出物質）を挿入し、微細繊維状物質８３をカソード電極
８０に固定している。このような構造を電子放出部の一
単位とし、複数をアレイ状に形成することにより、電界
放出型電子源アレイを構成する。多数ある細孔の内の一
部には、電気泳動法によりカーボンナノチューブ等の微
細繊維状物質８３が挿入されず、電子放出部として機能
しないところもあるが、非常に多くの細孔が高密度で形
成されているため、電子源アレイとしての機能には全く
支障はない。各々の材料は特に限定されるものではない
が、例えば、カソード電極８０がアルミニウムで形成さ
れており、それによる陽極酸化膜がアルミナ膜であり、
微細繊維状物質８３がカーボンナノチューブである場合
には、カーボンナノチューブが細孔に挿入された後に、
アルミニウムの融点以下の温度で加熱することにより、
カーボンナノチューブがカソード電極８０に固定され得
る。また、アルミニウムを陽極酸化した後に、細孔が形
成されたアルミナ膜をマスクとして、細孔底部のアルミ
ニウムを微小量エッチングすることにより、電気泳動法
によりカーボンナノチューブを細孔に挿入したときに、
カーボンナノチューブとカソード電極であるアルミニウ
ムとの接触面積が拡大するために、カーボンナノチュー
ブの固定の点でも、カーボンナノチューブとカソード電
極の電気的導通の点でも、さらに好ましい。

【００４３】図８（ｂ）に示す例では、カソード電極９
０上に陽極酸化膜９１を形成し、陽極酸化膜９１には細
孔９２が形成され、細孔底部には低融点の導電性材料９
４を形成し、細孔には電気泳動法によりカーボンナノチ
ューブ等の微細繊維状物質９３（棒状電子放出物質）を
挿入し、カーボンナノチューブ等の微細繊維状物質９３
は低融点の導電性材料により固定し、電気的にカソード
電極９０に接続する。低融点の導電性材料は、前述のよ
うに、電解メッキ法により形成した低融点金属材料を用
いればよく、その他にも、無電解メッキ法、電着法、等
の方法で形成してもよく、さらに、細孔に挿入するカー
ボンナノチューブ等の微細繊維状物質９３に対しての濡
れ性がよい材料を選定するとより好ましい。また、低融
点の導電性材料は、電気抵抗性の材料で形成してもよ
く、カソード電極９０と微細繊維状物質９３とが、個別
に形成された電気抵抗部を介して接続されていることに
なる。細孔９２内に配向された各々のカーボンナノチュ
ーブ等の微細繊維状物質９３は、導電性材料９４からな
る電気抵抗部を介して各々が並列にカソード電極９０と
接続されるため、カーボンナノチューブ等の微細繊維状
物質９３からの放出電流にともなう電気抵抗部での電圧
降下によって電子放出特性が穏やかになり、大面積の電
子源アレイを形成した場合にも電子放出を均一化、安定
化させることができる。

【００４４】図８（ｃ）に示す例では、カソード電極１
００上に導電性ペースト１０４を形成し、導電性ペース
ト１０４上に細孔１０２が形成された陽極酸化膜１０１
を配置し、細孔１０２には電気泳動法によりカーボンナ
ノチューブ等の微細繊維状物質１０３を挿入し、カーボ
ンナノチューブ等の微細繊維状物質１０３を導電性ペー
スト１０４により固定し、電気的にカソード電極１００
に接続する。支持基板上等に形成したカソード電極１０
０と、細孔１０２内にカーボンナノチューブ等の微細繊
維状物質１０３を挿入した陽極酸化膜とを別工程で作製
した後、それらを組合せて電界放出型電子源アレイを構
成することができる。また、細孔１０２内にカーボンナ
ノチューブ等の微細繊維状物質１０３を挿入した後に、
導電性ペースト１０４を硬化させる工程で微細繊維状物
質１０３を強固に固定させることができ、電子源アレイ
の信頼性を向上させることができる。また、導電性ペー
スト１０４を、例えば金属微粒子とフリットガラスとの
割合を調整する等して所定の抵抗値になるように作製し
た電気抵抗性の材料で形成してもよく、カソード電極１
００と微細繊維状物質１０３とが、電気抵抗層を介して
接続されていることになる。

【００４５】細孔１０２内に配向された各々のカーボン
ナノチューブ等の微細繊維状物質１０３は、導電性ペー
スト１０４からなる電気抵抗層を介して並列にカソード
電極１００と接続されるため、カーボンナノチューブ等
の微細繊維状物質１０３からの放出電流にともなう電気
抵抗層での電圧降下によって電子放出特性が穏やかにな
り、大面積の電子源アレイを形成した場合にも電子放出
を均一化、安定化させることができる。

【００４６】第７の実施の形態 図９は、本発明の第７の実施の形態の電界放出型電子源
アレイで構成される電界放出型表示装置の構成を示す部
分斜視図である。図９において、電子放出側基板とし
て、カソード基板１１０上に陽極酸化膜１１１を形成
し、陽極酸化膜の細孔内にはカーボンナノチューブ等の
微細繊維状物質１１２（棒状電子放出物質）を挿入して
電子源アレイを構成する。電子源アレイの上には、開口
部１１３を有する下部絶縁層１１４と下部ゲート電極１
１５、及び上部絶縁層１１６と上部ゲート電極１１７と
を形成し、互いに直交するように形成したライン状電極
である下部ゲート電極１１５と上部ゲート電極１１７と
により画像表示のためのマトリクスを形成する。

【００４７】また、発光側基板として、透明基板１２３
上に透明電極１２２を形成し、さらに透明電極上に蛍光
体１２１を形成し、開口部１１３と対向する位置に配置
する。カラー表示を行う場合には、蛍光体は、Ｒ（レッ
ド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の３種類で構成
し、それぞれの蛍光体領域を分割するようにブラックマ
トリクス１２０を形成する。電子放出側基板と発光側基
板とを対向配置し、両基板で挟まれた空間を真空排気
し、真空で封止し、電界放出型表示装置を形成する。

【００４８】例えば、カーボンナノチューブで形成した
電子放出部は、低電界で電子放出が可能であるため、蛍
光側基板のＩＴＯ膜等の透明電極に印加する電圧（５〜
１０ｋＶ）のみで電子を放出し、マトリクス１２０を構
成する下部ゲート電極１１５及び上部ゲート電極１１７
への電圧印加によって電子放出箇所、すなわち蛍光体１
２１の発光箇所を特定し、さらには放出電流量を制御し
て発光輝度を制御して画像表示を行うことが可能であ
る。そのため、カソード電極がマトリクス等を構成しな
い一体電極であっても、すなわち、前述の各実施の形態
のように、金属基板からなるカソード電極であっても、
あるいは、支持基板上に一体電極としてカソード電極を
形成した電子源アレイ構造であっても、良好な表示を行
うことができる電界放出型表示装置を構成することが可
能である。

【００４９】また、電気泳動法により細孔内にカーボン
ナノチューブ等の微細繊維状物質１１２を挿入する工程
は、ゲート電極１１５，１１７を形成した後に行っても
よい。すなわち、カソード電極上に陽極酸化法により細
孔を形成し、さらに、絶縁層、及びゲート電極を形成し
た後に、電気泳動法により細孔内に微細繊維状物質を挿
入してもよい。あるいは、カソード電極上に絶縁層、及
びゲート電極を形成した後に、陽極酸化法により細孔を
形成し、その後、電気泳動法により細孔内に微細繊維状
物質を挿入してもよい。これらのように、ゲート電極を
形成した後に電気泳動工程を行う場合には、ゲート電極
に対して、例えば陰極電位とする等の電位を与えてもよ
い。これ以外にも、陽極酸化工程、電気泳動工程等は、
素子構造、生産性、その他目的に合せて、最適な工程順
序を選定すればよい。

【００５０】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、細孔内に電気泳動法により挿入された微細繊維状物
質が細孔の軸方向に沿って配向するように形成されてい
るので、別途、安価に大量生産されたカーボンナノチュ
ーブ等の微細繊維状物質を用いて電子源アレイが作製可
能であり、陽極酸化膜等に形成された細孔内にカーボン
ナノチューブ等の微細繊維状物質を配向させることがで
きる。したがって、大型の表示装置に用いるために大面
積の電子源アレイを形成する場合にも、カーボンナノチ
ューブ等の微細繊維状物質が電子放出方向に配向されて
いるために電子放出特性の均一性が高く、電気泳動法に
より陽極酸化膜等に形成された細孔内にカーボンナノチ
ューブ等の微細繊維状物質を挿入するため、真空プロセ
ス等を必要としない生産性に優れる電界放出型電子源ア
レイを実現することができる。

【００５１】また、カーボンナノチューブ等の微細繊維
状物質を製造する工程で実施することが好ましい高温工
程等を電子源アレイ作製工程とは別工程で行うことがで
き、より特性の優れる電子放出材料を用いることができ
るとともに、電子源アレイ作製時の温度を低温化させる
ことができ、電界放出型電子源アレイを構成する基板等
を耐熱性の低い安価な材料で構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の電界放出型電子源
アレイの構成を示す部分斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の電界放出型電子源
アレイの構成を示す部分断面図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態の電界放出型電子源
アレイに用いられる陽極酸化膜の製造工程を示す図であ
る。

【図４】本実施の形態の電界放出型電子源アレイに用い
られる細孔内に低融点の導電性材料を形成する製造工程
を示す図である。

【図５】本実施の形態の電界放出型電子源アレイに用い
られる電気泳動法によりカーボンナノチューブ等の微細
繊維状物質を細孔へ挿入する製造工程を示す図である。

【図６】本発明の第４の実施の形態の電界放出型電子源
アレイの構成を示す部分断面図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態の電界放出型電子源
アレイの構成を示す部分断面図である。

【図８】本発明の第６の実施の形態の電界放出型電子源
アレイを示す要部拡大断面図である。

【図９】本発明の第７の実施の形態の電界放出型電子源
アレイで構成される電界放出型表示装置の構成を示す部
分斜視図である。

【符号の説明】

１０，２０，６１，７１，８０，９０，１００ カソー
ド電極 １１ 表面膜 １２，３６，４６，５６，８２，９２，１０２ 細孔 １３，２３，５８，６３，７４，８３，９３，１０３，
１１２ 微細繊維状物質（棒状電子放出物質） ２１，３５，４５，５５，６２，７３，８１，９１，１
０１，１１１ 陽極酸化膜 ２４，６４，７５ アノード電極 ３２、４２、５２ 金属基板 ３４、４４、５４ 電源 ４７ 低融点金属材料 ６０，７０ 支持基板 ７２ 金属膜 ９４ 導電性材料 １０４ 導電性ペースト １１０ カソード基板 １１３ 開口部 １１４ 下部絶縁層 １１５ 下部ゲート電極 １１６ 上部絶縁層 １１７ 上部ゲート電極 １２０ ブラックマトリクス １２１ 蛍光体 １２２ 透明電極 １２３ 透明基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浦山 雅夫 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 井出 哲也 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 大木 博 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 5C031 DD17 DD19 5C036 EF01 EF06 EF08 EG02 EG12

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持基板上に形成されたカソード電極
   と、前記カソード電極上に形成された陽極酸化膜と、前
   記陽極酸化膜に形成された細孔に、棒状電子放出物質が
   該棒状電子放出物質の端面を露出させた状態で埋め込ま
   れて構成された電子源と、を有する電界放出型電子源ア
   レイにおいて、 前記棒状電子放出物質が、前記細孔の軸方向に沿って配
   向するように形成されていることを特徴とする電界放出
   型電子源アレイ。
2. 【請求項２】 前記カソード電極と前記細孔内に挿入さ
   れた棒状電子放出物質とが、前記カソード電極上に形成
   された導電性ペーストにより電気的に接続されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の電界放出型電子源アレ
   イ。
3. 【請求項３】 前記陽極酸化膜が、アルミニウムを陽極
   酸化することにより形成されるアルミナ膜であることを
   特徴とする請求項１又は２に記載の電界放出型電子源ア
   レイ。
4. 【請求項４】 前記カソード電極と前記棒状電子放出物
   質とが、少なくとも電気抵抗層を介して接続されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電界放出型電
   子源アレイ。
5. 【請求項５】 前記棒状電子放出物質が、少なくとも前
   記カソード電極材料よりも低融点の導電性材料を用いて
   前記細孔内に固定されていることを特徴とする請求項
   １、２又は４のいずれかに記載の電界放出型電子源アレ
   イ。
6. 【請求項６】 前記導電性材料が、電解メッキ法により
   形成した低融点金属材料であることを特徴とする請求項
   ５に記載の電界放出型電子源アレイ。
7. 【請求項７】 前記棒状電子放出物質が、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、２、４又は
   ５のいずれかに記載の電界放出型電子源アレイ。
8. 【請求項８】 支持基板上にカソード電極を形成する工
   程と、 前記カソード電極上に金属膜を陽極酸化して細孔を有す
   る陽極酸化膜を形成する工程と、 棒状電子放出物質を分散させた溶媒中で、前記カソード
   電極と該カソード電極に対向配置した対向電極との間に
   電圧を印加する電気泳動法により、前記棒状電子放出物
   質を前記カソード電極に向かって移動させ、前記細孔内
   に、細孔の軸方向に沿って配向するように挿入する工程
   と、 を含むことを特徴とする電界放出型電子源アレイの製造
   方法。