JP2002093310A

JP2002093310A - 電界放出型電子源および表示装置

Info

Publication number: JP2002093310A
Application number: JP2000273724A
Authority: JP
Inventors: Takeo Ito; 武夫伊藤; Hajime Tanaka; 肇田中; Tomoko Nakazawa; 知子中澤; Takeshi Koyaizu; 剛小柳津; Hiroyasu Nishida; 広泰西田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2002-03-29

Abstract

(57)【要約】【課題】材料選択の幅が大きく、簡易な構造で大面積
化および低コスト化が容易な電界放出型電子源を提供す
る。【解決手段】本発明の電界放出型電子源は、導電性基
板とその上に形成された微粒子層と、さらにその上に形
成された金属薄膜とを備えており、微粒子が、Ｓｉ
Ｏ_２、Ａ１_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２から成るシェル
層の中空内部に電子放出物質が包含された構造を有す
る。微粒子に包含される電子放出物質としては、ＩＴ
Ｏ、黒鉛などの導電性物質、または半導体物質が挙げら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出型電子源
とそれを備えた表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】フラットパネル型表示装置や真空マイク
ロエレクトロニクス装置などの電子源として、加熱を必
要としない冷陰極型電子放出素子の開発が望まれてお
り、従来から種々の提案がなされている。

【０００３】例えば、特開２０００−１００３１６号公
報には、陽極酸化処理により形成された多孔質半導体層
（多孔質ポリシリコン層）を電極で挟み、電極間に電圧
を印加することにより電子を放出させることを特徴とす
る電界放出型電子源が開示されている。

【０００４】この電界放出型電子源においては、図２に
示すように、多孔質ポリシリコン層２１が、柱状のポリ
シリコン２２と、柱状のポリシリコン２２間に介在する
微結晶シリコン層２３、および微結晶シリコン層２３の
表面に形成されたシリコン酸化膜２４とを備えている。
そして、多孔質ポリシリコン層２１上に形成されたゲー
ト電極（金属薄膜）２５と基板電極２６との間に印加さ
れた電圧Ｖ1によって、量子的なトンネル効果により金
属薄膜２５を突き抜けて電子が放出される。真空中に放
出された電子は、第３の電位（例えば基板電極２６に対
してＶ2の電位）に保持されたコレクタ電極２７に射突
し、例えばその上に形成された蛍光体層２８を発光させ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の電界放出型電子源においては、シリコンなどの
半導体基板をベースとして形成され、かつ多孔質ポリシ
リコン層２１の形成が半導体基板に陽極酸化処理を施す
ことにより行われているため、大サイズの基板を低コス
トで製作することができなかった。したがって、このよ
うな電子源をフィールドエミッションディスプレイ（Ｆ
ＥＤ）のような平面型表示装置に用いる場合に、大面積
化および低コスト化が難しいという問題があった。

【０００６】また、電子放出のために用いられる材料
が、シリコン等の半導体に限られるという問題があっ
た。すなわち、電子放出特性を優先的に考えて使用材料
を選ぶか、あるいは耐久性等の寿命を考えて材料を選ぶ
かなど、目的に合わせて最適材料を選択することが望ま
しいが、そのような材料選択が難しかった。

【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、材料選択の幅が大きく簡易な構造を
有し、大面積化および低コスト化が容易な電界放出型電
子源と、そのような電界放出型電子源を用いることで、
大画面で高精細の表示と安価かつ簡便に行うことができ
る表示装置を提供することを目的とする

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の電界放出型電子
源は、請求項１に記載するように、導電性基板と、前記
導電性基板上に形成された微粒子層と、前記微粒子層上
に形成された金属薄膜とを備え、前記導電性基板と前記
金属薄膜との間に電圧を印加することにより、前記金属
薄膜を通して電子を放出させる電界放出型電子源であ
り、前記微粒子が、絶縁性の外殻とその中空内部に包含
・封入された電子放出物質とを有することを特徴とす
る。

【０００９】本発明の電界放出型電子源において、請求
項２に記載するように、微粒子の外殻を、ＳｉＯ_２また
はＡ１_２Ｏ_３またはＴｉＯ_２あるいはＺｒＯ_２から構成
することができる。

【００１０】そして、請求項３に記載するように、微粒
子に包含される電子放出物質を、ＡＴＯ、ＩＴＯ、黒
鉛、カーボンブラックから選ばれる１種または２種以上
の導電性物質とすることができる。また、請求項４に記
載するように、微粒子に包含される電子放出物質を、Ｃ
ｄＳｅ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｂ_２Ｏ_５
から選ばれる１種または２種以上の半導体物質とするこ
とができる。

【００１１】さらに、本発明の表示装置は、請求項５に
記載するように、前記請求項１に記載された電界放出型
電子源を備えた基板と、蛍光体層を有する発光側の基板
とを、所定の間隔をおいて対向配置してなることを特徴
とする。

【００１２】本発明の電界放出型電子源においては、電
子放出のための材料として、種々の導電性物質あるいは
半導体物質が使用されるので、目的に合わせて最適する
材料を選択することができ、かつ大面積化および低コス
ト化が容易である。また、このような電界放出型電子源
を用いることで、大画面で高精細の表示装置を安価かつ
簡便に得ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を用いて詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明に係る電界放出型電子源と
それを備えた表示装置の一実施例を模式的に示す断面図
である。

【００１５】実施例の電界放出型電子源は、導電性基板
１と、その上に形成された微粒子２から成る中間層と、
この中間層の上に形成された金属薄膜３とを備えてお
り、中間層を構成する微粒子２は、絶縁性の外殻（シェ
ル層）２ａの内部（中空内部）に電子放出物質２ｂが包
含され封入された構造を有する。

【００１６】また、表示装置は、このような電界放出型
電子源を備えた基板と、ガラス基板のような透光性基板
４上に蛍光体層５が形成された発光側の基板とが、スペ
ーサ等を介して所定の間隔をおいて対向配置され、間隙
部が真空に保持された構造となっている。なお、図中符
号６は、メタルバック膜などの第３の電極を示す。

【００１７】そして、電界放出型電子源において、導電
性基板１の電極１ａと上部薄膜電極である金属薄膜３と
の間に電圧Ｖ1を印加することによって、トンネル効果
により金属薄膜３を突き抜けて電子が放出され、この電
子が第３の電位（例えば基板電極１ａに対してＶ2の電
位）に保持された発光側の基板に射突し、蛍光体層５を
発光させる。

【００１８】導電性基板１としては、金属基板や、ガラ
ス基板上に導電膜を形成した基板などを使用することが
できる。基板電極１ａとなる導電膜としては、Ａｌ、Ａ
ｕ、Ｃｕなどの金属膜やＩＴＯ、ＡＴＯなどの透明導電
膜を使用することができる。

【００１９】中空内部に電子放出物質が包含された微粒
子２としては、粒径（外径）が０．５〜１００nmより好
ましくは１〜５０nmのものを使用することが望ましい。
そして、外殻（シェル層）２ａを構成する材料として
は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２またはＺｒＯ_２な
どが挙げられる。シェル層２ａの厚さは、０．ｌ〜２０
nmとすることが好ましい。微粒子の粒径およびシェル層
２ａの厚さは、いずれも、小さすぎると製造が難しく、
反対に大きすぎると電子の放出が少なくなり、好ましく
ない。

【００２０】このようなシェル層２ａに内包される電子
放出物質２ｂとしては、ＡＴＯ、ＩＴＯ、黒鉛、カーボ
ンブラックのような導電性物質やＣｄＳｅ、Ｇｅ、Ｓｉ
Ｃ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｂ_２Ｏ_５のような半導体物質
が挙げられる。これらの導電性物質あるいは半導体物質
の中から１種または２種以上を選択して使用することが
できる。

【００２１】これらの微粒子２は、例えば、以下に示す
方法により製造することができる。すなわち、まずＳｉ
Ｏ_２−Ａ１_２Ｏ_３を主成分とするコロイドゾルを生成す
る。このとき、前記した電子放出物質２ｂをともにゾル
に入れておく。次いで、このゾルをＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ
_３等の絶縁性材料で包み込みシェル層２ａを形成した
後、酸を用いてゾルを除去することにより、電子放出物
質２ｂが内部に包含された微粒子が得られる。

【００２２】電子放出物質２ｂの包含状態としては、１
個の微粒子の内部に１個の電子放出物質の粒子が包含さ
れている態様だけでなく、同種または異種の電子放出物
質から成る複数個の粒子を、１個の微粒子内に包含する
こともできる。さらに、これらの電子放出物質の粒子
は、シェル層２ａの内部にほとんど空隙を残さないよう
に充填されていても良い。

【００２３】このような微粒子２により構成される中間
層の厚さは、１０〜１０００nmの範囲とすることが好ま
しい。微粒子層の厚さが１０nmより薄いと、電子の放出
能力が十分でなく、反対に１０００nmを越えると、電子
の放出開始電圧が高くなりすぎるため、好ましくない。

【００２４】本発明において第２の電極（上部電極）と
なる金属薄膜３は、電子が突き抜ける必要があるため、
Ａｌ、Ａｕなどの仕事係数の小さな金属からなる薄膜と
する。また、発光側の基板に形成される第３の電極とし
ては、蛍光体層５上に形成するメタルバック膜の場合に
は、Ａｌの薄膜が最適する。基板側に荷電極を形成する
場合には、ＩＴＯなどの透明導電膜とすることが好まし
い。

【００２５】実施例においては、簡易な構造により大面
積化および低コスト化が容易な電界放出型電子源が得ら
れる。そして、この電界放出型電子源を用いることで、
大画面でも安価にかつ簡便に高精細の表示装置を得るこ
とができる。

【００２６】次に、本発明の具体的実施例について説明
する. 実施例１ガラス基板上に、Ａｇペーストを塗布し焼成することに
より、Ａｇからなる基板電極を形成した。また、ＳｉＯ
_２から成る厚さ２nmのシェル層の内部にＡＴＯの微粒子
（粒径３nm）が包含された微粒子（平均粒径１０nm）を
準備した。

【００２７】次いで、この微粒子を、前記したＡｇの基
板電極上にスピンコート法により１００nmの厚さに塗布
した後、４５０℃で２時間の焼成を行い、有機分の除去
と微粒子の焼結を行った。そして、こうして形成された
微粒子層の上に、アルミニウムを５０nmの厚さで蒸着し
て上部電極を形成し、こうして電界放出型電子源を作製
した。

【００２８】一方、ガラス基板上に蛍光体層を形成し、
その上にメタルバック膜を形成し、発光側の基板を作製
した。

【００２９】次に、前記した電界放出型電子源を備えた
基板と発光側の基板とを、１mmの間隙を保持するように
スペーサを介して対向配置し、内部を真空に保持した状
態で接合した。そして、基板電極と上部電極との間に１
５Ｖの電圧を、また基板電極とメタルバック膜との間に
５ｋＶの電圧をそれぞれ印加したところ、電界放出型電
子源から１μＡ／ｃｍ^２の電流密度で電子が放出し、蛍
光体層を発光させることができた。

【００３０】こうして、高価な半導体基板を使用するこ
となく、また陽極電解（酸化）のような高コストのプロ
セスを用いることなく、簡便な方法で電界放出型電子源
を得ることができ、表示装置を従来に比べて安価に作製
することができた。また、電界放出型電子源の電子放出
特性においても、従来のものより優れたものを得ること
ができた。

【００３１】実施例２ＳｉＯ_２から成る厚さ２nmのシェル層の内部に黒鉛の微
粒子（粒径１０nm）が包含された平均粒径２０nmの微粒
子を用い、実施例１と同様にして、Ａｇの基板電極上に
２００nmの厚さの微粒子層を形成した。そして、実施例
１と同様にして電界放出型電子源を作製し、電子放出特
性を調べたところ、５μＡ／ｃｍ^２の電流密度で電子の
放出が確認された。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の電界放出型電子源においては、電子放出のための材料
として、種々の導電性物質あるいは半導体物質が使用さ
れるので、目的に合わせて最適する材料を選択すること
ができるうえに、大面積化および低コスト化が容易であ
る。また、このような電界放出型電子源を用いること
で、大画面で高精細の表示装置を安価かつ簡便に得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電界放出型電子源とそれを備えた
表示装置の一実施例を模式的に示す断面図。

【図２】従来からの電界放出型電子源とそれを備えた表
示装置の一実施例を模式的に示す断面図。

【符号の説明】

１………導電性基板１ａ………基板電極２………微粒子２ａ………絶縁性シェル層２ｂ………電子放出物質３………金属薄膜４………透光性基板５……蛍光体層６………メタルバック膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中澤知子埼玉県深谷市幡羅町１丁目９番２号株式会社東芝深谷工場内 (72)発明者小柳津剛埼玉県深谷市幡羅町１丁目９番２号株式会社東芝深谷工場内 (72)発明者西田広泰福岡県北九州市若松区北湊町13−２Ｆターム(参考） 5C031 DD17 5C036 EE03 EF01 EF06 EF08 EG02 EG12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性基板と、前記導電性基板上に形成
された微粒子層と、前記微粒子層上に形成された金属薄
膜とを備え、前記導電性基板と前記金属薄膜との間に電
圧を印加することにより、前記金属薄膜を通して電子を
放出させる電界放出型電子源であり、前記微粒子が、絶縁性の外殻とその中空内部に包含・封
入された電子放出物質とを有することを特徴とする電界
放出型電子源。
【請求項２】前記微粒子の外殻が、ＳｉＯ_２またはＡ
１_２Ｏ_３またはＴｉＯ_２あるいはＺｒＯ_２から構成され
ることを特徴とする請求項１記載の電界放出型電子源。
【請求項３】前記微粒子に包含される電子放出物質
が、ＡＴＯ、ＩＴＯ、黒鉛、カーボンブラックから選ば
れる１種または２種以上の導電性物質であることを特徴
とする請求項１または２記載の電界放出型電子源。
【請求項４】前記微粒子に包含される電子放出物質
が、ＣｄＳｅ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｂ
_２Ｏ_５から選ばれる１種または２種以上の半導体物質で
あることを特徴とする請求項１または２記載の電界放出
型電子源。
【請求項５】請求項１記載の電界放出型電子源を備え
た基板と、蛍光体層を有する発光側の基板とを、所定の
間隔をおいて対向配置してなることを特徴とする表示装
置。