JP2002056772A

JP2002056772A - 電子源及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002056772A
Application number: JP2001163383A
Authority: JP
Inventors: Norimoto Tsunesada; 紀基常定; Hiroshi Oki; 博大木; Masao Urayama; 雅夫浦山; Akira Tomita; 彰富田; Takashi Kyotani; 隆京谷; Keitaro Matsui; 啓太郎松井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2002-02-22
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: JP3693935B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電子源のエミッション開始電圧、及びデバイ
ス駆動電圧を低減可能な構造を提供すると共に、電子源
の製造工程を簡略化する。【解決手段】電子源４が微小繊維の集合により構成さ
れるアモルファスカーボンからなることを特徴とし、更
に、その製造方法においては、少なくとも、金属を陽極
酸化して細孔を有する鋳型８を形成する工程と、気相炭
素化法によって、鋳型８の中に、アモルファスカーボン
からなる電子源材料を充填する工程と、鋳型８の少なく
とも一部を除去する工程とを具備することを特徴とす
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、低開始電圧、低駆
動電圧を有する電子源及びその製造方法に関するもので
あり、特に、超低消費電力、超高輝度な表示装置である
フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）に好適
に用いられる電子源及びその製造方法に関するものであ
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
ることにより、電界電子放出する電子源に関する研究が
デバイス面、材料面の両面で盛んに行われている。

【０００３】従来の電子源としては、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎ
ｄｔら（ＵＳＰ３６６５２４１号）が開示しているよう
なピラミッド状のメタル電子源が知られており、このよ
うなメタル電子源は高融点金属材料、例えば、モリブデ
ン等が用いられている。しかし、このような高融点金属
材料を用いたスピント型メタル電子源は、動作真空度が
１０^-9Ｔｏｒｒと高く、イオン衝撃耐性が弱いため、信
頼性が低いという問題があった。

【０００４】そこで、近年、カーボンナノチューブ（Ｃ
ＮＴ）が、炭素アーク放電によるフラーレン合成の副生
成物として、飯島ら（Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ、Ｎａｔｕｒ
ｅ、３５４、５６（１９９１））により発見された。Ｃ
ＮＴは円筒状に巻いたグラファイト層の入れ子状構造を
有している。ＣＮＴの電界電子放出実験は、Ｗ．Ａ．ｄ
ｅＨｅｅｒら（Ｗ．Ａ．ｄｅＨｅｅｒ、Ｓｃｉｅｎ
ｃｅ、２７０、１１７９（１９９５））により行われ、
１０ｍＡ／ｃｍ²（電圧：２５Ｖ／μｍ）のエミッショ
ン電流が観測されている。

【０００５】Ｄ．Ｎ．Ｄａｖｙｄｏｖら（ＰＣＴ公報番
号：ＷＯ９９／２５６５２）は、図１１に示すような電
子源構造を報告している。これによると、アルミニウム
基板を陽極酸化し、コバルト、鉄、ニッケル等の金属触
媒を陽極酸化膜の細孔に電着し、気相炭素化（ＣＶＤ）
をすることでＣＮＴを形成して電子源２０を作成してい
る。Ｄ．Ｎ．Ｄａｖｙｄｏｖらは更に、ＣＶＤにより過
剰成長させたサンプルと陽極酸化膜を一部エッチング除
去してＣＮＴを露出させたサンプルでエミッションを計
測しており、エミッション開始電圧はそれぞれ３〜４Ｖ
／μｍ、３０〜４０Ｖ／μｍであったと報告している
（Ｄ．Ｎ．Ｄａｖｙｄｏｖ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．、８６、３９８３（１９９９））。

【０００６】また、特開２０００−５７９３４号公報で
は、電界印加型プラズマＣＶＤ法によって基板に直接Ｃ
ＮＴまたはアモルファスカーボンを堆積させた冷陰極が
開示されている。該公報では、基板に触媒となるニッケ
ル、鉄、コバルト及びそれらの合金の超微粒子を蒸着さ
せた後、電界印加型プラズマＣＶＤ法によってＣＮＴを
成長させている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＣＮＴ電子源は、デバイス駆動電圧がスピント型メタル
電子源より低減されたものの、駆動ドライバの耐圧や低
消費電力の観点からは、より一層高性能の電子源が要求
される。例えば、Ｗ．Ａ．ｄｅＨｅｅｒらのＣＮＴ電
子源は、アーク放電で形成されたＣＮＴであり、パター
ニングと配向制御を共に行うことが難しかった為、電子
放出を得る為には１０Ｖ／μｍ以上もの電圧が必要であ
った。

【０００８】また特開２０００−５７９３４号公報にお
いては、配向したＣＮＴを形成してエミッション開始電
圧を１．０〜２．２Ｖ／μｍまで低減させる事ができた
が、ＣＮＴを形成する為の工程であるプラズマＣＶＤ法
において、ディスプレイを作成する際の基板選択におい
て大きな問題となり得る８００〜９００℃もの高温が必
要であると同時に、触媒超微粒子を真空中にて蒸着させ
る事による工程の複雑化が課題となっていた。

【０００９】更に、図１１に示すＤ．Ｎ．Ｄａｖｙｄｏ
ｖらのＣＮＴ電子源２０においても、触媒配設プロセス
（電着）、電界放出特性向上のためのＣＮＴ先端開放プ
ロセス（炉アニール）が必要であり、製造プロセスが複
雑化するという課題があった。

【００１０】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、電子源のエミッション開始電圧、及び
デバイス駆動電圧を低減可能な構造を提供すると共に、
電子源の製造工程を簡略化することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願発明による電子源は、微小繊維の集合により構
成されたアモルファスカーボンからなることを特徴と
し、該構成により、低駆動電圧で、大電流をエミッショ
ンする電子源を実現する事が可能となる。また、エミッ
ション開始電圧の低減を図ることができる。

【００１２】また、上記電子源は、微小繊維の直径が、
１０ｎｍ以上、かつ、５０ｎｍ以下であることが好まし
い。

【００１３】上記の構成によれば、電子源を構成する微
小繊維の直径が、１０ｎｍ以上であることにより、耐久
性に問題が生じることはなく、また、５０ｎｍ以下であ
ることにより、電界集中性能の低下を防止することがで
き、電子放出の減少を防止することができる。

【００１４】上記電子源は、アモルファスカーボンが、
微小繊維が集合して束になっている上部領域と、微小繊
維がそれぞれ垂直方向に配向制御されている下部領域と
を有することが好ましい。

【００１５】一般に、例えばカーボンナノチューブのよ
うな細長い物体を平面上に直立させた場合、先端への電
界集中が強く起こるため、電子放出サイトとして有用で
ある。しかしながら、電子源の密度が高い場合、電子放
出サイト間への電界の侵入が起こりにくくなるため、電
子放出サイトへの形状効果が極端に薄くなる。即ち、電
界集中しにくくなる。

【００１６】しかしながら、上記の構成によれば、微小
繊維が束ねられているので、電子放出サイト間に十分な
空間を有することとなるため、電子放出サイトの密度を
適度に下げることができ、電界集中しやすい構造とする
ことができる。

【００１７】また、前記電子源の製造方法としては、少
なくとも金属を陽極酸化して細孔を有する鋳型を形成す
る工程と、気相炭素化法によって前記鋳型の中に、微小
繊維の集合により構成されるアモルファスカーボンから
なる電子源材料を充填する工程と、鋳型を除去する工程
とを具備することを特徴とし、これらによって低駆動電
圧で、大電流をエミッションする電子源を実現する。

【００１８】さらに、前記気相炭素化法によって鋳型の
中に、微小繊維の集合により構成されるアモルファスカ
ーボンからなる電子源材料を充填する工程が、原料ガス
の分解温度以上、充填した炭素がグラファイト化してく
る温度、即ちグラファイト形成温度以下により行われる
ことを特徴とする。

【００１９】このような温度設定とすることにより、鋳
型の中に電子源材料を充填するという製造過程における
プロセスダメージを低減し、エネルギー消費を軽減する
と共に、基板その他の原料における選択可能性を高める
事が可能となる。またこのため、例えば、基板をガラス
基板とすることができるが、この場合、デバイスの低コ
スト化を図ることができる。

【００２０】また、本発明においては、鋳型の中に電子
源材料を充填する工程において触媒金属を用いない工程
であることにより、触媒金属配設工程等を無くし、より
簡便な電子源の製造方法を実現する事が可能となる。

【００２１】上記電子源の製造方法は、電子源材料を充
填する工程と鋳型の少なくとも一部を除去する工程との
間に、鋳型の表面の一部に、被覆膜を形成する工程を含
むことが好ましい。

【００２２】上記の方法によれば、電子源材料を充填し
た後、鋳型の少なくとも一部を除去する工程の前に、予
め例えば金属や樹脂等からなる被覆膜を点状や線状等に
付着させることができる。従って、この被覆膜に覆われ
た部分の鋳型が除去されにくくなり、その部分を中心に
微小繊維を束ねることができる。これにより、電界放出
には影響しない鋳型の部分を残したまま、アモルファス
カーボンの表面を露出させることができる。

【００２３】また、電子源は、鋳型を含むことにより、
平面性を保つことができる。従って、例えば、電子源の
基板への接着を容易にすることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】＜第１の実施形態＞以下に、図面
を用いて、本願の好適な実施形態を説明する。図１
（ａ）は、本実施形態の電子源を用いたデバイスの斜視
図であり、円内を拡大して電子源の断面を示したものが
図１（ｂ）である。ここで説明する２極管構造デバイス
は、例えば、フィールドエミッションディスプレイ（Ｆ
ＥＤ）に利用可能である。

【００２５】図１（ａ）に示すデバイスは、支持基板１
上に、カソード電極２、接着層３、電子源４、ゲート絶
縁層５、ゲート電極６および鋳型８を備えている。

【００２６】支持基板１は、例えば、図示しないアノー
ド電極基板と対向配置される。真空中でカソード電極２
と対向するように配されたアノード電極との間に電圧を
印加し、電界を発生させた場合、エミッタ電極としての
電子源４は、その先端から電子放出を開始する。

【００２７】まず、図１（ａ）のように、ガラス、セラ
ミック等で形成される支持基板１上にカソード電極２を
形成する。カソード電極２は、従来から用いられている
カソード電極材料を用いることができる。カソード電極
２上には接着層３が形成され、接着層３上には電子源４
が設けられる。従来の冷陰極に用いられている抵抗層を
カソード電極２上に挿入しても構わない。

【００２８】また、本実施形態の場合、接着層３に所望
の抵抗値を持たせ、抵抗層としても構わない。この場
合、電子源４とカソード電極２とが抵抗層を介して接続
されていることになる。これにより、エミッタ電極であ
る電子源４からの放出電流にともなう抵抗層での電圧降
下によって電子放出特性が緩和され、大面積のデバイス
を形成する場合にも電子放出の均一化、安定化を図るこ
とができる。

【００２９】電子源４は、個々の電子放出領域（ＦＥＤ
の場合は、画素）の周囲をゲート絶縁層５で囲い、更に
ゲート絶縁層５上にはゲート電極６を設ける。ゲート電
極６は、カソード電極２と直交するように設けられる。
これは、電子放出領域（画素）をＸＹアドレスにするた
めの構造であり、ゲート絶縁層５は、ゲート電極６とカ
ソード電極２とを完全に絶縁すると同時に、ゲート電極
６を電界放出の制御が可能な距離に配設する膜厚が必要
である。

【００３０】また、本実施形態の電子源４は、鋳型８の
設計によって自由自在に形状変更可能である。このよう
な鋳型８の材料としては、アルミニウムの陽極酸化膜が
好ましい。陽極酸化膜には、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の直
線状の細孔が両面を貫通するように存在する。細孔の密
度は１０¹⁰個／ｃｍ²程度である。

【００３１】図２、図３には、本実施形態の電子源４を
上方向から観測したＳＥＭ像、斜め方向から観測したＳ
ＥＭ像をそれぞれ示す。図２から分かるように、アモル
ファスカーボンファイバー（図中では、白く見える部
分。以下、ａ−ＣＮＦと略す）が直径数μｍ程度の領域
から中心部に集合し、ａ−ＣＮＦが束になって、バンド
ル構造（以下、ａ−ＣＮＦＢと略す）を形成しているこ
とが観測できた。

【００３２】通常、陽極酸化膜を鋳型８として用いて電
子源４を形成する場合、鋳型８における細孔の密度は電
子源４の密度と等しくなる。ここで、電子源４の密度が
高すぎる場合、電子放出サイト間への電界の侵入が起こ
りにくくなり、相互に電界集中を妨げることがシミュレ
ーションより明らかになっている。

【００３３】しかしながら、図１に示す電子源４では、
直径が約３０ｎｍ程度のａ−ＣＮＦが高密度に束なって
いる。また、これにより集合的に形成されたａ−ＣＮＦ
Ｂの直径は約２μｍとなっている。このように、電子源
４は、高密度に形成された微小繊維が束ねられているの
で、電子放出サイト間に十分な空間があり、電子放出サ
イトの密度を適度に下げることができ、電界集中しやす
い構造とすることができる。

【００３４】また、図３から分かるように、ａ−ＣＮＦ
Ｂの上部領域はａ−ＣＮＦが束なり壁のような形状を形
成しているが、下部領域はａ−ＣＮＦが垂直方向に配向
制御されていることが観測できた。壁のような形状を有
するａ−ＣＮＦＢの上部領域の高さは約５μｍ程度、垂
直方向に配向制御されたａ−ＣＮＦＢの下部領域の高さ
は約１０μｍ程度であった。

【００３５】なお、ａ−ＣＮＦＢを構成している繊維
（ａ−ＣＮＦ）の直径は、鋳型８となる陽極酸化膜の細
孔径によって制御することができる。ここで、例えば繊
維の直径が１０ｎｍより小さい場合は、細すぎるため電
子源４の耐久性に問題が生じ、また繊維の直径が５０ｎ
ｍより大きい場合には、形状による電界集中性能が低下
して電子放出が減少する。この事より、ａ−ＣＮＦの直
径は１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度が望ましく、本実施形態で
は３０ｎｍのものを用いた。

【００３６】上記ａ−ＣＮＦＢを撮影したＴＥＭ画像が
図４である。図４は、ａ−ＣＮＦのＴＥＭ像を示す。こ
のＴＥＭ像は、ａ−ＣＮＦＢがほぐれたファイバーの任
意の領域を観測したものであり、ａ−ＣＮＦの結晶状態
を示すものである。また、比較のために鋳型を用いて無
触媒気相炭素化法で作製されたＣＮＴ（カーボンナノチ
ューブ）のＴＥＭ画像を図５に示す。図５ではＣＮＴの
壁の部分には短く細い筋が波打ちながらチューブ軸と平
行に積層しているのが観察できる。この筋は炭素六角網
面１層に対応しており、このＣＮＴは微細な炭素六角網
面が円筒状に積層してできたものであると考えられてい
る。しかしながら、図４のａ−ＣＮＦＢにはこのような
筋を観察することができず、結晶構造の未発達なアモル
ファスカーボンによって一様に形成されている事が判
る。

【００３７】また、本実施形態の電子源４のエミッショ
ン特性を実験的に確認した。図６は本実施形態の電子源
４のＩ−Ｖ特性図を示す。これによると、本実施形態の
ａ−ＣＮＦＢ電子源４は０．８Ｖ／μｍ程度からエミッ
ションを開始しており、従来のＳｐｉｎｔ型メタル電子
源の約１／１００にまでエミッション開始電圧が著しく
低減していることがわかる。また、触媒超微粒子を用い
る事で低減されてきた従来のＣＮＴ電子源と比較して
も、より一層の低減が実現されている。

【００３８】このように、図１に示す構成とすることに
より、低駆動電圧で大電流を放出（エミッション）する
電子源４を実現することができる。

【００３９】更に、上述の実施形態の電子源４を用い、
図示しない対向するアノード電極に蛍光体を設け、蛍光
体を発光させたところ、１００００ｃｄ／ｍ²以上の発
光輝度が得られた。また、５インチ対角、３２０×２４
０（ＱＶＧＡ）のパネルを試作し、ビデオ信号を入力し
たところ、画像表示が可能であった。これにより、電子
源４は、超高輝度な表示装置であるフィールドエミッシ
ョンディスプレイ（ＦＥＤ）に好適に用いることができ
る。

【００４０】次に、図７及び図８を用い、本実施形態の
ａ−ＣＮＦＢの製造方法を説明する。図７及び図８は本
実施形態での２極管構造におけるＣＮＴ電子源４の製造
方法を示す工程断面図である。尚、本実施形態において
は、陽極酸化膜の膜厚や細孔の直径などの制御が容易で
ある為、ポーラスアルミナをＣＮＴ形成の鋳型として用
いているが、ポーラスタンタルオキサイド、ポーラスシ
リコン等を用いても構わない。以下、鋳型８に陽極酸化
膜を用いているため、鋳型として陽極酸化膜８と称す
る。

【００４１】図７（ａ）は、アルミニウム基板７を陽極
酸化し、陽極酸化膜８、直線状の細孔９を形成した工程
断面図を示すものである。アルミニウム基板７の陽極酸
化は、硫酸溶液中で２０Ｖの電圧を印加し、２時間行っ
た。この時、硫酸溶液の温度が高いと、後の気相炭素化
工程において、膜全体の彎曲が起こる。また、温度が低
いと、膜の成長が遅くなるので、０℃で行う事が望まし
い。

【００４２】図７（ｂ）は、アルミニウム基板７から陽
極酸化膜８のみを剥離し、気相炭素化し、細孔９中にａ
−ＣＮＦを形成した工程断面図を示すものである。図７
（ａ）で表面に陽極酸化膜８が形成したアルミニウム基
板７に、硫酸溶液中で１０分間以上逆電圧を印加する
と、陽極酸化膜８の剥離が可能になる。この操作におい
ては長時間逆電圧をかける方が剥離は容易になるが、同
時に陽極酸化膜８の溶解も進行して膜厚は次第に薄くな
る。これらを考慮すると、逆電圧は３０分間印加するこ
とが望ましい。

【００４３】このように形成された陽極酸化膜８は、直
径約３０ｎｍの細孔９を有し、膜厚が約３０μｍであっ
た。このような細孔９を有する陽極酸化膜８を気相炭素
化し、細孔９にａ−ＣＮＦを充填する。ａ−ＣＮＦは、
６００℃に加熱した石英管に１．２％のプロピレンを流
通させて得られる。

【００４４】本願発明においては、気相成長温度の設定
にあたり、原料ガスの分解温度以上、かつ、充填した炭
素がグラファイト化してくる温度（グラファイト形成温
度）以下で温度設定を行うことが重要である。本実施形
態においては、気相炭素化の原料ガスはプロピレンを用
いている。プロピレンの場合、本来の熱分解温度は７５
０℃付近であるが、本実施の形態では、鋳型としての陽
極酸化膜８に、アルミニウム陽極酸化膜を用いている。
このため、鋳型表面では、原料ガスであるプロピレンが
５００℃以上で分解を開始する。また、６００℃以下で
はグラファイト化しないことを実験的に検証した。従っ
て、本実施形態では、５００〜６００℃で気相炭素化す
ることが好ましい。

【００４５】また、本実施形態においては、ａ−ＣＮＦ
は、コバルト、ニッケル、鉄等の金属触媒を用いず成長
させることが好ましい。即ち、本実施形態では、陽極酸
化膜を鋳型として、気相炭素化することにより、ａ−Ｃ
ＮＦを形成した。原料ガス種によっては、金属触媒を用
いると、原料ガスの分解温度付近にまでグラファイト形
成温度が低下し、気相成長温度の領域が著しく小さくな
ることがあるため、炭素材料に対して触媒効果のある金
属材料は使用しないようにすることが好ましい。

【００４６】上記条件下においては、原料ガスを３時間
以上流通させる事によって電子源４であるａ−ＣＮＦが
得られるが、エミッション特性向上の為には６時間以上
流通させる事が望ましい。なお、この時、同時に、細孔
９内だけでなく、陽極酸化膜８の表面にアモルファスカ
ーボン（以下、表面カーボンと称する）１０が堆積す
る。

【００４７】図７（ｃ）は、陽極酸化膜８の表面に堆積
した表面カーボン１０を除去した工程断面図を示す。表
面カーボン１０の除去は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチ
ング）を用い、酸素プラズマエッチングで行った。この
時、電子源４となるａ−ＣＮＦと表面カーボン１０との
選択比の点でウェットエッチングは好ましくない。ま
た、アルゴン等の不活性ガスや三フッ化メタン等のフッ
素系ガスを用いたプラズマエッチングでは、酸素プラズ
マエッチングに対して効果が小さかった。

【００４８】図８（ａ）は、図７（ｃ）で得られた陽極
酸化膜８をエッチングしてａ−ＣＮＦを表面に露出させ
た状態における工程断面図であり、前記図２はこの時を
上から観察した画像である。気相炭素化によって細孔９
毎に個別に充填されて形成したａ−ＣＮＦは、エッチン
グが進むにつれて相互に寄り集まって束状になり、ａ−
ＣＮＦＢとなる。また、プラズマエッチング後の表面状
態によって、エッチングされやすい部分から先に陽極酸
化膜８のエッチングが進行し、エッチングされにくい部
分にａ−ＣＮＦＢが形成する為、ａ−ＣＮＦＢは図２の
ような円状構造（図２で説明の直径数μｍ程度の領域）
になる。

【００４９】このように、電子源４として高密度に形成
された微小繊維を束ねているので、電子放出サイトの密
度が適度に下げられ、電界集中しやすい構造になってい
る。なお、密度を制御するため、表面カーボン１０を剥
離した陽極酸化膜８の表面に、エッチングをする前に予
め金属や樹脂等（被覆膜）を点状、あるいは線状等に付
着させておいてもかまわない。この場合、金属や樹脂等
の被覆膜によって覆われた部分の陽極酸化膜８がエッチ
ングされにくくなり、その部分を中心に微小繊維が束ね
られることになる。

【００５０】この時のエッチング条件として、本実施形
態では、１％の水酸化ナトリウム水溶液によって室温
（２０℃）で１５分間処理した。陽極酸化膜８は高温に
さらされた場合、一部相転移してエッチングが困難にな
る事が判っているが、本実施形態では６００℃で気相炭
素化をしている為、相転移は生じておらず、その結果、
非常に薄い酸性またはアルカリ性溶液にて容易にエッチ
ングする事ができた。なお、酸性溶液としては、フッ
酸、リン酸等が使用可能であり、アルカリ性溶液として
も、本実施形態で用いた水酸化ナトリウム水溶液以外の
溶液も使用することができる。

【００５１】このような条件下で陽極酸化膜８のエッチ
ングを行うことにより、陽極酸化膜８の電界放出には影
響しない部分を残したままａ−ＣＮＦの表面を露出させ
る事ができる。また、電子源４は、鋳型（アルミナ（ア
ルミニウム）陽極酸化膜）８を含んで電子源全体として
平面性を保っている為、支持基板１への接着が容易に実
施できる。なお、これより強い条件で処理する事によっ
て、平面形状を失っても、エミッション性能自体は影響
を受けない。

【００５２】図８（ｂ）には、ａ−ＣＮＦＢ電子源４
を、接着層３を介して支持基板１上のカソード電極２に
固着した工程断面図を示す。接着層３としては、銀ペー
スト、カーボンペースト等の導電性ペーストを用いる事
が好ましい。また、低融点金属材料を接着層３として用
いても構わない。

【００５３】以上のように、本実施形態の構成では、電
子源４を、６００℃以下の低温で製造することができ
る。これにより、電子源４を安価なガラス基板上に形成
することができる。従って、電子源４を備えたデバイス
の低コスト化を図ることができる。

【００５４】また、電子源４を低温で製造することがで
きることにより、熱によるデバイスダメージを大幅に低
減することができる。従って、鋳型８の中に電子源材料
を充填するという製造過程においてプロセスダメージを
低減し、エネルギー消費を軽減すると共に、上記のよう
に基板やその他の原料における選択可能性を高める事が
できる。

【００５５】また、上記電子源４は、製造工程におい
て、触媒を用いることがない。従って触媒金属配設工程
等を行う必要がない。これにより、製造工程の複雑化を
招来することなく、簡便に製造することができる。

【００５６】＜第２の実施形態＞次に、図９及び図１０
を用い、第１の実施形態とは異なる製造方法により製造
された電子源の第２の実施形態を示す。本実施形態にお
いては、アルミニウム膜をカソード電極上に予め形成
し、これを陽極酸化して鋳型を形成するものである。ま
た、本実施形態の電子源は３極管構造を有するが、第１
の実施形態で製造した電子源も、本実施形態と同様に、
３極管構造としても構わない。

【００５７】図９（ａ）は、接着層３／カソード電極２
／支持基板１構造の接着層３上のアルミニウム膜を陽極
酸化した状態の断面図である。接着層３上のアルミニウ
ム膜は、アルミ箔を導電性ペースト、または、低融点金
属で貼り合わせて形成する。また、スパッタ法、蒸着法
等でアルミニウム堆積を形成しても構わない。この場
合、接着層３は形成しなくてもよいが、接着層３を形成
して抵抗層として用いても構わない。形成したアルミニ
ウム膜を陽極酸化すると、第１の実施形態と同様に、陽
極酸化膜８（陽極酸化膜されたアルミニウム膜）に細孔
９が形成する。

【００５８】図９（ｂ）は、陽極酸化膜８の細孔９に電
子源４となるａ−ＣＮＦを形成した工程断面図である。
ａ−ＣＮＦの形成と同時に、陽極酸化膜８表面にはアモ
ルファスカーボン（表面カーボン）１０が堆積する。ａ
−ＣＮＦの形成には、気相炭素化法を用いた。陽極酸化
膜８の細孔９に対する気相炭素化の条件は、図７（ｂ）
と同様である。

【００５９】図９（ｃ）は、陽極酸化膜８の表面カーボ
ン１０を除去した工程断面図を示す。第１の実施形態の
図７（ｃ）と同様に、ＲＩＥを用いた酸素プラズマエッ
チングで、表面カーボン１０を除去する。

【００６０】図１０（ａ）は、陽極酸化膜８を部分的に
除去し、ａ−ＣＮＦを表面に露出させてａ−ＣＮＦＢを
形成させた状態における工程断面図である。図１０
（ｂ）は、ゲート絶縁層５、ゲート電極６を形成した工
程断面図である。このような３極管構造の電子源の製造
方法は、第１の実施形態で形成した電子源にも適用可能
である。ゲート絶縁層５は、スクリーン印刷法で、フリ
ットガラス系ペーストを多層印刷して形成する。膜厚
は、１００μｍ程度で、この膜厚はデバイス設計により
決定すべきである。

【００６１】次に、ゲート電極６をゲート絶縁層５上に
形成する。この時、原料ガスの分解温度を低下させるア
ルミニウムの陽極酸化膜８には炭素が選択的に堆積する
が、ゲート絶縁層５の下地になる部分には炭素が堆積し
ない温度を選択しているため、下地の炭素を剥離するな
どの工程は不要になっている。また、ゲート電極６は、
ゲート絶縁層５の形成と同様に、スクリーン印刷法で一
般的に用いられている金属配線材料を印刷して形成され
る。

【００６２】このように、上記電子源４の製造方法は、
少なくとも金属を陽極酸化して細孔を有する鋳型を形成
する工程と、気相炭素化法によって、鋳型の中に、アモ
ルファスカーボンからなる電子源材料を充填する工程
と、鋳型を除去する工程とを具備する。

【００６３】これにより、微小繊維が集合して束になっ
ている上部領域と、微小繊維がそれぞれ垂直方向に配向
制御されている下部領域とを有するバンドル構造を備え
たアモルファスカーボンからなる電子源４を製造するこ
とができる。

【００６４】従って、電子源４において、電子放出サイ
トの密度を適度に下げることができ、電界集中しやすい
構造とすることができる。去する工程とを具備すること
を特徴とし、これらによって低駆動電圧で、大電流をエ
ミッションする電子源を実現する。

【００６５】以上のようにして、本願の電子源を製造す
ると、低電圧駆動可能であり大電流をエミッションする
ことができる電子源が提供できると共に、高輝度なフィ
ールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）が実現可能
となる。

【００６６】

【発明の効果】本願発明による電子源は、微小繊維の集
合によって構成されたアモルファスカーボンを用いる事
により、従来の高融点金属を用いた電子源のエミッショ
ン開始電圧を約１／１００程度に低減でき、また、従来
のカーボンナノチューブを用いた電子源のエミッション
開始電圧と比較しても更に低減することが可能となっ
た。これにより、超低消費電力で、超高輝度なフィール
ドエミッションディスプレイを実現することを可能とし
た。

【００６７】また、本発明の電子源は、微小繊維の直径
が、１０ｎｍ以上、かつ、５０ｎｍ以下である構成であ
る。

【００６８】これにより、耐久性に問題が生じることは
なく、また、電界集中性能の低下を防止することがで
き、電子放出の減少を防止することができるといった効
果を奏する。

【００６９】さらに本発明の電子源は、アモルファスカ
ーボンが、微小繊維が集合して束になっている上部領域
と、微小繊維がそれぞれ垂直方向に配向制御されている
下部領域とを有する構成である。

【００７０】これにより、微小繊維が束ねられているの
で、電子放出サイトの密度を適度に下げることができ、
電界集中しやすい構造とすることができるといった効果
を奏する。

【００７１】また、本発明による電子源の製造方法で
は、半導体装置を製造するような微細加工工程が不要で
あり、更に、気相炭素化工程を無触媒下において、原料
ガスの分解温度以上、充填した炭素がグラファイト化し
てくる温度（グラファイト形成温度）以下で実施する事
により、熱によるデバイスダメージを大幅に低減するこ
とが可能となる電子源の製造方法を実現すると共に、電
子源以外の材料の選択性が高いフィールドエミッション
ディスプレイを製造することを可能とした。

【００７２】さらに、本発明の電子源の製造方法は、電
子源材料を充填する工程と鋳型の少なくとも一部を除去
する工程との間に、鋳型の表面の一部に、被覆膜を形成
する工程を含む構成である。

【００７３】これにより、電子源材料を充填した後、鋳
型の少なくとも一部を除去する工程の前に、予め例えば
金属や樹脂等からなる被覆膜を点状や線状等に付着させ
ることができる。従って、この被覆膜に覆われた部分の
鋳型が除去されにくくなり、その部分を中心に微小繊維
を束ねることができる。これにより、電界放出には影響
しない鋳型の部分を残したまま、アモルファスカーボン
の表面を露出させることができる。

【００７４】また、電子源は、鋳型を含むことにより、
平面性を保つことができる。従って、例えば、電子源の
基板への接着を容易にすることができるといった効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子源を用いた３極管デバイスの斜視
図である。

【図２】本発明の電子源の上方向からのＳＥＭ写真であ
る。

【図３】本発明の電子源の横方向からのＳＥＭ写真であ
る。

【図４】本発明の電子源を構成しているａ−ＣＮＴのＴ
ＥＭ写真である。

【図５】従来の無触媒鋳型気相炭素化法により作成され
たＣＮＴのＴＥＭ写真である。

【図６】本発明の電子源のＩ−Ｖ特性である。

【図７】第１の実施における２極管構造の電子源の製造
工程断面図である。

【図８】第１の実施形態における２極管構造の電子源の
製造工程断面図である。

【図９】第２の実施形態における３極管構造の電子源の
製造工程断面図である。

【図１０】第２の実施における３極管構造の電子源の製
造工程断面図である。

【図１１】従来のカーボンナノチューブを用いた電子源
アレイの斜視図である。

【符号の説明】

１支持基板２カソード電極（配線）３接着層（抵抗層）４電子源（ａ−ＣＮＦＢ）５ゲート絶縁層６ゲート電極（配線）７アルミニウム基板８鋳型（アルミニウム陽極酸化膜）９細孔１０アモルファスカーボン（表面カーボン）

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者富田彰宮城県仙台市太白区人来田２−21−30 (72)発明者京谷隆宮城県名取市ゆりが丘３−15−３ (72)発明者松井啓太郎宮城県仙台市太白区向山２−14−11 Ｆターム(参考） 5C031 DD17 5C036 EE14 EE19 EF01 EF06 EF09 EG12 EH11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微小繊維の集合により構成されるアモルフ
ァスカーボンからなることを特徴とする電子源。
【請求項２】上記微小繊維の直径は、１０ｎｍ以上、か
つ、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記
載の電子源。
【請求項３】上記アモルファスカーボンは、微小繊維が
集合して束になっている上部領域と、微小繊維がそれぞ
れ垂直方向に配向制御されている下部領域とを有するこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の電子源。
【請求項４】少なくとも、金属を陽極酸化して細孔を有
する鋳型を形成する工程と、気相炭素化法によって、上記鋳型の中に、アモルファス
カーボンからなる電子源材料を充填する工程と、上記鋳型の少なくとも一部を除去する工程とを具備する
ことを特徴とする電子源の製造方法。
【請求項５】上記気相炭素化法によって、鋳型の中に、
アモルファスカーボンからなる電子源材料を充填する工
程が、原料ガスの分解温度以上、充填した炭素がグラフ
ァイト化するグラファイト形成温度以下で行われること
を特徴とする請求項４に記載の電子源の製造方法。
【請求項６】上記電子源材料を充填する工程と上記鋳型
の少なくとも一部を除去する工程との間に、上記鋳型の表面の一部に、被覆膜を形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項４または５に記載の電子源の製
造方法。