JP2003234059A - 電界放出冷陰極素子の構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電界放出の均一性が良好で、電界放出効率が
高く、しかも高集積化が容易な電界放出冷陰極素子を提
供するものである。 【解決手段】 カーボンナノチューブ等の繊維状物質を
使用した電界放出素子を、絶縁性シートを積層する工法
によって製造する。例えば、絶縁シートの材料として、
例えば耐熱性の有機樹脂フィルム（ポリイミドシート）
等を使用する。この方法によって、安価な装置を使っ
て、簡便な方法にて良好な電界放出素子が得られるとい
う有利な点を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子を放出する電
界放出型冷陰極素子の構成およびその製造方法に関する
ものであり、特に、上記電界放出型冷陰極素子を画像表
示装置として使用した場合には、電界放出型冷陰極素子
を破壊することなく、安定した画像表示が得られるとい
う特徴を有するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄型ディスプレイ用の電子放出源
や、高速動作が可能な微小真空デバイスのエミッタ部と
して、微小電子放出素子の開発が盛んとなっている。冷
陰極型の電子放出素子として要求される特性は、低電
圧、低消費電力駆動が可能で、高電流が得られることで
ある。このような冷陰極素子は、例えば、特開平７−２
８２７１５号公報に開示されており、その構成の概略図
を図３に示す。

【０００３】上記の公報に開示されている構成は、電子
放出部となる材料として粒子を使用し、その形状効果に
よって電界の集中を効果的に行わせると同時に、製造工
程の簡略化や製造コストの低減の実現を図っている。具
体的には、図３の構成では、基板２１１の上に電極とし
て機能する導電層２０１が形成され、更にその導電層２
０１の上には、電子放出部として作用する粒子２０２が
形成されている。この粒子２０２に対向するように電子
引き出し電極（不図示）が設けられ、この電極に電位を
与えることによって、各粒子２０２から電子を取り出
す。ここで、粒子２０２には、その形状効果によって電
界が効果的に作用するので、対向電極（不図示）に高電
圧を印加しなくても、粒子２０２からの電子の引き出し
が可能になる。また、電子放出部として粒子２０２を用
いる構成であるので、製造工程が比較的容易で、且つ低
コストになる。

【０００４】また、特開平１１−２６０２４９号広報で
は、少なくとも一部が透光性を有する表示面を有しかつ
内部が真空排気された外囲器と、前記表示面の内側に形
成された蛍光体からなり電子の衝撃により発光する蛍光
面と、前記外囲器内に配置された基体上に電子を放出す
る電子放出部とを備えた蛍光表示管の製造方法におい
て、特に、基体上に円筒状のグラファイトの層からなる
カーボンナノチューブから構成された柱状体および導電
体からなる粒子が分散された導電性ペーストからなるペ
ーストパターンを選択的に形成し、ペーストパターンを
焼成して柱状体が導電体膜で覆われた状態とし、導電成
膜をその表面より所定量研磨することで柱状体を露出さ
せて基体上に電子放出部を形成するといった特許が公開
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、図３のよ
うな電界放出型冷陰極素子を製造する場合は、従来方法
では、スクリーン印刷の手法によって形成していたが、
スクリーン印刷方法を使用した場合には、以下に述べる
ような２つの大きな問題点があったので、この問題点に
ついて、図４を用いて説明する。

【０００６】まず、第１には、スクリーン印刷方法を使
って、基板３０１上に絶縁層３０２や引出しゲート電極
３０３を形成した場合には、パターン認識位置を正確に
認識して精度良く位置合わせを行っても、認識パターン
の印刷位置ズレや形状の不揃いが発生する恐れがあっ
た。

【０００７】さらに、第２には、スクリーン印刷方法で
は、スクリーン印刷に使うペーストのダレによって、ペ
ースト焼成する前にペーストダレが広がるという恐れが
あった。

【０００８】従って、これらの電子放出素子を真空容器
に密閉して電子放出させようとすると、第１の問題点に
より、引出しゲート電極３０３と電子放出素子３０５と
の間の電界強度差が生じて電界放出にバラツキが発生
し、放出された電子が対向電極（不図示）の所望の場所
に照射されないという問題が生じていた。また、第２の
問題点により、引出しゲート電極３０３と電子放出素子
３０５とが電気的に短絡して、電子放出素子３０５から
電子が放出されないどころか、電界放出型冷陰極素子が
破壊されて不良が発生するといった問題が生じていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の電界放出型冷陰極は、第１の基板上に形成
した導電層と、前記導電層上に電気的に接続された繊維
状物質と、第２の絶縁基板の少なくとも一部分に開口部
を有する引出し電極とを有した構成であることを特徴と
したものであり、さらに、前記電界放出型冷陰極の構成
は、前記第１の基板と、前記第２の絶縁基板とを積層す
ることによって製造することを特徴としたものである。

【００１０】本発明によれば、従来のスクリーン印刷法
にて生じていた問題点に関して、引出しゲート電極と電
子放出素子との間の電界強度差が生じることによる電界
放出にバラツキが発生することが無く、また、引出しゲ
ート電極と電子放出素子とが電気的に短絡して、電子放
出素子から電子が放出されないとか、最悪の場合には電
界放出型冷陰極素子が破壊されて不良が発生するといっ
たことが無くなるため、安価な装置を使って、簡便な方
法にて、電子放出が良好な電界放出冷陰極素子を提供す
ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の電界放
出型冷陰極素子は、第１の基板上に形成した導電層と、
前記導電層上に電気的に接続された繊維状物質と、第２
の絶縁基板の少なくとも一部分に開口部を有する引出し
電極とを有した構成であることを特徴としたものであ
り、電界放出型冷陰極素子を破壊することなく、安定し
た画像表示を得ることができる。

【００１２】次に、本発明の請求項２に記載の電界放出
型冷陰極素子の製造方法は、第１の基板上に導電層を形
成した後、前記導電層上に導電性を持つ繊維状物質を形
成し、複数の開口部を有し、前記開口部の周囲に引出し
電極を有した第２の絶縁基板を前記第１の基板に積層す
ることによって製造することを特徴とする電界放出型冷
陰極素子の製造方法であり、電界放出型冷陰極素子を破
壊することなく、安定した画像表示を得ることができ
る。

【００１３】次に、本発明の請求項３に記載の電界放出
型冷陰極素子は、前記第２の絶縁基板は、ポリイミド系
樹脂材料の基板を使用することを特徴とする請求項２に
記載された電界放出型冷陰極素子であり、電界放出型冷
陰極素子を破壊することなく、安定した画像表示を得る
ことができる。

【００１４】次に、本発明の請求項４に記載の電界放出
型冷陰極素子は、前記第２の絶縁基板は、セラミック系
材料のシートを使用することを特徴とする請求項２に記
載された電界放出型冷陰極素子であり、電界放出型冷陰
極素子を破壊することなく、安定した画像表示を得るこ
とができる。

【００１５】次に、本発明の請求項５に記載の電界放出
型冷陰極素子は、前記繊維状物質は、ウイスカーである
ことを特徴とする請求項２に記載された電界放出型冷陰
極素子であり、電界放出効率が高い電界放出型冷陰極素
子を実現しうるものである。

【００１６】次に、本発明の請求項６に記載の電界放出
型冷陰極素子は、前記繊維状物質は、カーボン系材料で
あることを特徴とする請求項２に記載された電界放出型
冷陰極素子であり、電界放出効率が高い電界放出型冷陰
極素子を実現しうるものである。

【００１７】次に、本発明の請求項７に記載の電界放出
型冷陰極素子は、前記繊維状物質は、カーボンナノチュ
ーブであることを特徴とする請求項２に記載された電界
放出型冷陰極素子であり、電界放出効率が高い電界放出
型冷陰極素子を実現しうるものである。

【００１８】次に、本発明の請求項８に記載の電界放出
型冷陰極素子は、前記開口部は、パンチング加工により
形成されることを特徴とする請求項２に記載された電界
放出型冷陰極素子であり、電界放出の均一性が良好で、
電界放出効率も高い電界放出型冷陰極素子を実現しうる
ものである。

【００１９】次に、本発明の請求項９に記載の電界放出
型冷陰極素子は、前記開口部は、レーザー加工により形
成されることを特徴とする請求項２に記載された電界放
出型冷陰極素子であり、電界放出の均一性が良好で、電
界放出効率も高い電界放出型冷陰極素子を実現しうるも
のである。

【００２０】次に、本発明の請求項１０に記載の電界放
出型冷陰極素子は、前記開口部は、化学的エッチング方
法により形成されることを特徴とする請求項２に記載さ
れた電界放出型冷陰極素子であり、電界放出の均一性が
良好で、電界放出効率も高い電界放出型冷陰極素子を実
現しうるものである。

【００２１】次に、本発明の請求項１１に記載の電界放
出型冷陰極素子は、前記開口部の開口径は、０．１ｍｍ
以下であることを特徴としたものであり、電界放出部に
強電界をかけることができ、電界放出の均一性が良好
で、電界放出効率も高い電界放出型冷陰極素子を実現し
うるものである。

【００２２】次に、本発明の請求項１２に記載の電子放
出源は、少なくとも１つ以上の電子放出素子と、前記電
子放出素子の各々に電子放出のための電気信号を伝達す
る回路構成と、を少なくとも備える電子放出源であっ
て、前記電子放出素子の各々の構成が、請求項１に記載
された冷陰極素子であることを特徴としたものであり、
電界放出効率が高く、かつ高精細な画像表示装置を実現
しうるものである。

【００２３】次に、本発明の請求項１３に記載の電子放
出源の製造方法は、少なくとも１つ以上の電子放出素子
を形成する工程と、前記電子放出素子の各々に電子放出
のための電気信号を伝達する回路構成を形成する工程
と、を包含する電子放出源の製造方法であって、前記電
子放出素子の各々が、請求項２に記載された方法によっ
て製造することを特徴としたものであり、電界放出効率
が高く、かつ高精細な画像表示装置を実現しうるもので
ある。 （実施の形態）以下に、本発明の請求項１から請求項１
５に記載された発明の実施の形態について、図１および
図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態にお
ける電界放出冷陰極素子の概略図であり、図２は、本発
明による開口径と電界強度の関係図である。

【００２４】まず、基板１上に導電層２を形成し、この
導電層２に電気的に導通する状態で固着するように繊維
状物質３を形成する。具体的に説明すると、基板１は、
本発明の電界放出型冷陰極素子を設置するため基板であ
り、基板１の材料として、アルミナを主成分とするセラ
ミック系基板の場合であってもよいし、もしくは有機樹
脂系の基板であってもよい。また、導電層２は、繊維状
物質３に電子を供給する電極として作用するものであ
り、この繊維状物質３の先端が電子放出部となる。本発
明の導電層２を形成する導電性材料として、導電性ペー
スト（例えば銀ペースト）を使用する場合が多いが、使
用し得る導電性材料は、これらに限られるわけではな
い。また、導電層２は、繊維状物質３に電子を供給する
電極として作用するものであり、通常の金属をはじめと
する導電性の薄膜あるいは厚膜から形成された電極、あ
るいは１層構造や多層構造の電極など、その具体的構成
は本発明に含まれることは言うまでもない。

【００２５】本発明の繊維状物質の構成では、繊維状物
質３の径に対する長さの割合が大きいために、繊維状物
質３の先端に電界が非常に効果的に作用する。その結果
として、低電圧駆動でも大電流の取り出しが可能にな
る。このとき、繊維状物質３は、その一部を導電層２に
電気的に導通する状態で固着されているので、非常に安
定した接触状態が確保されている。これによって、繊維
状物質３からの取り出し電流の安定化がはかれる。ここ
で、繊維状物質３の材料として、具体的には、例えばウ
イスカー、炭素系繊維、カーボンナノチューブなどがあ
げられる。とくに、カーボンナノチューブは、ナノメー
トルサイズのカーボンチューブが絡みながら一方向に成
長した針状形状を呈しており、これを繊維状物質３とし
て用いることは、前述した電界集中及び電子放出箇所と
いう観点からは、非常に有効な材料である。

【００２６】以上のような導電層２と繊維状物質３を基
板１表面に形成する方法としては、例えばスクリーン印
刷方法や転写方法があげられるが、これらの方法によれ
ば、導電層２の厚さや位置精度などといったパラメータ
が精度良く制御され、かつパターンを容易に制御するこ
とができる。

【００２７】次に、絶縁シート４上に回路パターン７と
引出しゲート電極５をスクリーン印刷にて形成する。絶
縁シート４の材料として、例えば、焼結温度が９００℃
程度の低温焼成セラミックグリーンシートなどがあげら
れるが、この他にも、耐熱性の有機樹脂フィルム（ポリ
イミドシート）等も使用可能であることは言うまでもな
い。また、このとき同時に、後の工程で積層時に使用す
る位置決め認識パターンも同時に形成することが望まし
いことは言うまでもない。

【００２８】以上のような回路パターン４並びに引出し
ゲート電極５を絶縁シート４表面に形成する方法とし
て、例えばスクリーン印刷方法や転写方法、エッチング
方法、蒸着方法、露光現像法などがあげられるが、これ
らの工法によれば、形成に必要なパラメータが精度良く
制御され、かつ製膜パターンを容易に制御することがで
きる。例えば一般的に使用されることの多い有機樹脂材
料系のプリント基板でも、エッチング等を使って回路パ
ターンを形成することで容易に作成可能である。

【００２９】さらに、この絶縁シート４の引出しゲート
電極５の部分を穴開け加工する。この際、硬度の高い合
金材料で形成した０．１ｍｍ程度の直径を有したパンチ
ング用のピンを用いて、位置精度が数値制御できるよう
パンチング装置を用いて、穴開けする。この開口部６の
大きさについて静電界解析を行った結果を図２に示す。
この解析結果によると、開口部６の大きさが１．０ｍｍ
φを超過した場合には、電子放出に必要な電界強度は得
られないことがわかった。実際に、電子放出源として使
用する場合には、パンチング用ピンの加工性から考慮し
て、約０．１ｍｍφ程度の開口部の大きさが望ましい。
もちろん、この穴開けの手段として、パンチングピンを
使った穴開け加工の手段だけでなく、化学的エッチング
を使った手段やレーザー穴開け加工方法の手段を用いて
も良いことは言うまでもない。また、これらの手段を用
いることによって、開口部は、円形の穴に限らず、方形
であっても良いし、その他の多角形形状を有する穴であ
っても良い。またスリット状の開口部として開口部を形
成することも可能である。なお、本実施例においては、
多角形形状の開口径の場合の図示を省略している。

【００３０】その後、基板１と絶縁シート４とを精度良
く位置合わせをして、基板１と絶縁シート４とを貼り合
わせる。このとき、前述したように、積層用の位置決め
認識パターンが形成されているので、この認識パターン
を使って積層すれば精度良く位置合わせができることは
言うまでもない。具体的に有機樹脂系基板の場合につい
て説明すれば、有機樹脂系基板表面にあらかじめ導体回
路パターンを形成しておき、その後にスルーホールの穴
開け加工を行い、その後に、各層を熱圧着するか、もし
くは層間にエポキシ系の密着シートを挿入して圧着する
ことによって、容易に積層することができる。また、セ
ラミック系基板の場合について説明すれば、各層毎にパ
ンチング穴開け加工して回路パターンを形成したセラミ
ックグリーンシートを積層し、焼結することによって、
各層間を容易に密着することができる。また、ガラス系
基板の場合について説明すれば、あらかじめ穴をあけた
ガラス基板に回路パターンを形成し、各層間にシールガ
ラスを挿入したあと、加熱して封着することにて、各層
間を容易に密着することができる。

【００３１】これらの穴開け加工と積層工程とを経るこ
とによって、この繊維状物質３の先端から所定の距離を
隔てた引出しゲート電極５が設置される。

【００３２】かかる構成によれば、繊維状物質３の先端
近傍に引出しゲート電極５が一定の開口径を有して形成
された構成となるので、電界放出に必要な電子冷陰極素
子が形成される。具体的には、引出しゲート電極５に電
圧を印加すると、繊維状物質３の先端に電界が集中して
電子が引き出される。この電子は、引出しゲート電極５
に設けられた開口部７を通して、電子放出素子の外側に
設置したアノード電極（図示せず）上の蛍光体に照射さ
れる。

【００３３】本発明により、従来法のスクリーン印刷法
による、開口部に設けた電子放出部と引出しゲート電極
との位置合わせ精度が悪いといった問題点や印刷ダレが
あるという問題点を改善することができ、安価な装置を
使って、簡便な方法にて、電子放出良好な電界放出冷陰
極素子を提供することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明の電界放出冷陰極
素子の構造およびその製造方法によれば、電界放出型冷
陰極素子を破壊することなく、電界放出部に強電界をか
けることができ、電界放出の均一性が良好で、電界放出
効率も高く、安定した画像表示が可能な電界放出型冷陰
極素子を実現することが可能となる。

【００３５】さらに、本発明の電界放出冷陰極素子を用
いて、電子放出素子の各々に電子放出のための電気信号
を伝達する回路を構成して電子放出源を構成し、この電
子放出源から放出された電子により画像を表示する画像
形成部を備えた画像表示装置においても、低電力駆動か
つ大面積かつ高精細な画像表示装置を提供することが実
現可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施の形態における電界放出冷陰
極素子の概略図

【図２】本発明による開口径と電界強度の関係図

【図３】従来法による電子放出素子の断面図

【図４】スクリーン印刷方法による電子放出素子の断面
図

【符号の説明】

１ 基板 ２ 導電層 ３ 繊維状物質 ４ 絶縁シート ５ 引出しゲート電極 ６ 開口部 ７ 回路パターン ２０１ 導電層 ２０２ 粒子 ２１１ 基板 ３０１ 基板 ３０２ 絶縁層 ３０３ 引出しゲート電極 ３０４ 導電層 ３０５ 繊維状物質（電子放出素子）

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の基板上に形成した導電層と、前記
   導電層上に電気的に接続された繊維状物質と、第２の絶
   縁基板の少なくとも一部分に開口部を有する引出し電極
   とを有した構成であることを特徴とする電界放出型冷陰
   極素子。
2. 【請求項２】 第１の基板上に導電層を形成した後、前
   記導電層上に導電性を持つ繊維状物質を形成し、複数の
   開口部を有し、前記開口部の周囲に引出し電極を有した
   第２の絶縁基板を前記第１の基板に積層することによっ
   て製造することを特徴とする電界放出型冷陰極素子の製
   造方法。
3. 【請求項３】 前記第２の絶縁基板は、ポリイミド系樹
   脂材料の基板を使用することを特徴とする請求項２に記
   載された電界放出型冷陰極素子。
4. 【請求項４】 前記第２の絶縁基板は、セラミック系材
   料のシートを使用することを特徴とする請求項２に記載
   された電界放出型冷陰極素子。
5. 【請求項５】 前記繊維状物質は、ウイスカーであるこ
   とを特徴とする請求項２に記載された電界放出型冷陰極
   素子。
6. 【請求項６】 前記繊維状物質は、カーボン系材料であ
   ることを特徴とする請求項２に記載された電界放出型冷
   陰極素子。
7. 【請求項７】 前記繊維状物質は、カーボンナノチュー
   ブであることを特徴とする請求項２に記載された電界放
   出型冷陰極素子。
8. 【請求項８】 前記開口部は、パンチング加工により形
   成されることを特徴とする請求項２に記載された電界放
   出型冷陰極素子。
9. 【請求項９】 前記開口部は、レーザー加工により形成
   されることを特徴とする請求項２に記載された電界放出
   型冷陰極素子。
10. 【請求項１０】 前記開口部は、化学的エッチング方法
    により形成されることを特徴とする請求項２に記載され
    た電界放出型冷陰極素子。
11. 【請求項１１】 前記開口部の開口径は、０．１ｍｍ以
    下であることを特徴とする請求項２に記載された電界放
    出型冷陰極素子。
12. 【請求項１２】 少なくとも１つ以上の電子放出素子
    と、前記電子放出素子の各々に電子放出のための電気信
    号を伝達する回路構成と、を少なくとも備える電子放出
    源であって、前記電子放出素子の各々の構成が、請求項
    １に記載された冷陰極素子であることを特徴とする電子
    放出源。
13. 【請求項１３】 少なくとも１つ以上の電子放出素子を
    形成する工程と、前記電子放出素子の各々に電子放出の
    ための電気信号を伝達する回路構成を形成する工程と、
    を包含する電子放出源の製造方法であって、前記電子放
    出素子の各々が、請求項２に記載された方法によって製
    造することを特徴とする電子放出源の製造方法。