JP2006351256A - 電界放出型冷陰極装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のエミッタを、高い電界強度が得られるように、電界集中が起こり難くならない適正な間隔で隣り合うもの同士を配置した電界放出型冷陰極装置を提供する。
【解決手段】 所定の真空空間４中に、先鋭な先端を有する複数のエミッタ８が突設されたカソード電極２とアノード電極３とを、所定離間距離を設けて対向配置し、複数のエミッタ８とアノード電極との間に所定電位を与えて電子の放出が行われるようにしたもので、複数のエミッタ８を、隣接するものとの間隔Ｌが、エミッタ８の高さＨの３．５倍以上となる状態に配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平面型画像表示装置や電子線ディバイス、照明装置等に使用する基板面上に複数のエミッタが配置されてなる電界放出型冷陰極装置に関する。

周知のとおり、電界電子放出現象は、先鋭形状を有するエミッタの先端部分に大きい電界強度を付加し、先端表面の電位ポテンシャルがエミッタ材料の仕事関数を超えるとトンネル効果により先端表面から電子が放出される現象である。そして、この現象を用いて電子放出を行う装置として、複数のエミッタを基板上に配置し、またこれに対向してアノード電極を配置、さらに、必要に応じてエミッタとアノード電極の間にゲート電極等を配置した電界放出型冷陰極装置が開発されてきている。また、こうした電界放出型冷陰極装置では、エミッタに大きい電界強度が付加し得るように、その先端部分の曲率半径を小さくし先鋭化することが行われており、錐体形状のエミッタ、例えば略（ほぼ）４角錐状のエミッタでは曲率半径が十数ｎｍ程度に、またカーボンナノチューブを用いたものでは数ｎｍにまでなってきている。

そして、例えば略４角錐状のエミッタを基板面上に複数設ける方法としては、ｐ型で（１００）結晶方位のＳｉ単結晶基板に、正方形開口部（例えば１μｍ角）を有するパターンを用いて異方性エッチングを行って略４角錐状の凹部を形成し、さらに凹部内を含めてＳｉＯ_２層を設けた後、スパッタリング法、蒸着法、印刷法、電気メッキ等のいずれかの方法を用いて凹部に充填するように例えばＮｉ等の金属を成層して金属層を形成し、この金属層に基板を接着してからＳｉ基板をエッチング除去して略４角錐体をなす先鋭な凸型を多数有するマスタ基板を得、またさらに、形成したマスタ基板を用いて金型モールド基板を作製し、その後に、金型モールド基板によって電界放出型冷陰極装置に用いる略４角錐状の複数のエミッタを有する基板を得る方法が示されている（例えば特許文献１参照）。

他に略４角錐状の凹部を形成したＳｉ基板をマスタ基板として、メッキ法により凹部に充填するように金属を成層して金属層を形成し、水圧等により金属層とＳｉで形成されたマスタ基板から分離して金型モールド基板を作製する方法もある。例えば、金型モールド基板の金属材料としてメッキ法を用いた場合、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等がある。

こうした状況のもと、複数のエミッタを基板上に配設したものでは、例えば略４角錐状のエミッタを作製する過程や作製したエミッタをエージングする過程等で、エミッタの先鋭な先端が破損してしまったり、エミッタ自体が破損しまったり等することにより電子放出しないエミッタが存在するために、さらに電界放出面積を増やし単位面積当たりの電流密度を高めるために、エミッタの単位面積当たりの配設数を多くし、高集積化することが行われてきた。例えば、特許文献１に記載されているものでは、エミッタの配置間隔を４角錐状エミッタの底辺長さと略等しく、また高さの１．４倍程度にしている。

しかし、複数のエミッタを配置した際に局所的に高いエミッタが存在すると、高いエミッタのみに大きな電界が付加されることになって、そのエミッタからは電子が放出されるが、それ以外のエミッタからは電子が放出され難くなってしまう。このため、局所的に高いエミッタを放電等により破壊することでエミッタの高さを均一化し、エミッタ全体に均等に大きな電界強度を付加して電子放出面積を増加することがなされてきた。

しかしながら、このような手段をとった場合には、放電によって破壊した部位の限定が難しく、また破壊した部位以外にも放電破壊によってエミッタ材料が飛散し、健全なエミッタを破損してしまう虞が生じる。例えば、健全であるエミッタの先端部分が損傷して形状の変化が生じると、電界放出の均一性が悪くなってしまい、健全なエミッタの歩留が悪くなってしまうことになる。そして、電界放出型冷陰極装置が、複数のエミッタによってエミッタ部を形成すると共に、このエミッタ部を同一基板上に複数設けるように構成したものである場合には、各エミッタ部の特性を揃ったものにしようとすると、非常にコストが高いものとなってしまう虞があった。

また、複数の高さの揃ったエミッタを基板上に配設し、高集積化すべく、隣り合うエミッタ同士の間隔を狭隘なものとした場合には、各エミッタの先鋭部分が近づきすぎて電界集中が起こり難くなってしまい、高い電界強度を得ることができない。このため、高電界強度が得られるように、アノード電極とエミッタの離間距離を小さくすることが考えられるが、このようにアノード電極とエミッタを近づけると、エミッタから放出された電子(一次電子)がアノード電極に衝突して発生した電子(二次電子)やイオン、スパッタ等の影響を受けて、エミッタが破損してしまう虞がある。
特開２０００−２８５７９８号公報（第３頁〜第４頁）

上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは、
複数のエミッタを配置する際に、隣り合うエミッタ同士の間隔を適正なものとすることにより電界集中が起こり難くなるのを解消し、高い電界強度が得られるようにする共に、アノード電極とエミッタの離間距離を小さくせずに高い電界強度が得られることによって、アノード電極で発生した二次電子等によるエミッタの損傷を低減することができる電界放出型冷陰極装置を提供することにあり、
また、同一基板面に複数のエミッタを、電界集中が起こり難くならないよう隣り合うもの同士の間隔を適正に保持しながら多数配置することができる電界放出型冷陰極装置を提供することにある。

本発明の電界放出型冷陰極装置は、
所定の真空状態が保持された中に、所定離間距離を設けて先鋭な先端を有する複数のエミッタとアノード電極を対向配置し、前記複数のエミッタと前記アノード電極との間に所定電位を与えて電子の放出が行われるようにした電界放出型冷陰極装置であって、
前記複数のエミッタは、略同一高さを有して同一基板面に配置されていると共に、隣接するもの同士の間隔が、該エミッタの高さの３．５倍以上となっていることを特徴とするものであり、
また、基板の同一面上に略同一の所定高さに突設された略４角錐状の複数のエミッタと、これらエミッタに対して所定離間距離を設けて配置されたアノード電極とを備えた電界放出型冷陰極装置において、
前記複数のエミッタの隣接するもの同士の間隔が、該エミッタの底辺の長さの２．５倍以上となっていることを特徴とするものであり、
さらに、前記複数のエミッタが、それぞれ前記基板面上の正三角形の頂点となる位置に配置されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、
複数のエミッタを配置する際に、隣り合うエミッタ同士の間隔が適正なものとなり、電界集中が起こり易くなって高い電界強度が得られ、さらに高い電界強度を得るためにアノード電極とエミッタの離間距離を小さくする必要がないことから、アノード電極で発生した二次電子等によるエミッタの損傷を低減することができる等の効果を有し、
また、同一基板面に複数のエミッタを、電界集中が起こり難くならないようにしながら、稠密に多数配置でき、電流密度を高いものとすることができる等の効果を奏する。

以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

先ず第１の実施形態を図１乃至図３により説明する。図１は概略構成を模式的に示す断面図であり、図２はカソード電極の斜視図であり、図３は電界強度特性を解析結果に基づき示す特性図である。

図１及び図２において、電界放出型冷陰極装置１は、カソード電極２とアノード電極３とを、例えば１０^−６Ｔｏｒｒ程度の高真空状態に保持した真空空間４を間に設け、電源５によりカソード電極２とアノード電極３の間に所定の電位差を与えることで、電子がカソード電極２からアノード電極３に向けて放出されるように構成されている。またカソード電極２は、例えばガラスで形成された支持基板６のアノード電極３側の面にカソード配線を兼ねたエミッタ基板７を設け、さらに、エミッタ基板７のアノード電極３対向面に、略４角錐状に形成された例えば曲率半径が十数ｎｍ程度の先鋭な先端を有する複数のエミッタ８を突設させた構成となっている。

また、エミッタ基板７に突設された複数のエミッタ８は、隣接するものとの間に所定の間隔Ｌを設けて、直交する複数の行、列方向にそれぞれ配列されている。そして、エミッタ基板７及びこれに突設されたエミッタ８は、アノード電極３に対向する表面部分が導電部分となるように形成されており、エミッタ基板７とエミッタ８の導電部分には、例えばＭｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等の少なくとも１つの材料でなる、あるいは、いずれかを主材料としてなる導電材料が用いられている。

なお、複数の略４角錐状エミッタ８のエミッタ基板７への突設は、公知の技術、例えば上記した特許文献１に示されるように、ｐ型で（１００）結晶方位のＳｉ単結晶基板に、異方性エッチングを行って開口部分が例えば１μｍ角の正方形の略４角錐状凹部を形成し、この形成した凹部を使って略４角錐体をなす先鋭な凸型を多数有するマスタ基板を得、さらにマスタ基板を用いて略４角錐状の凹部を有する金型モールド基板を作製し、その後に金型モールド基板によって、樹脂シートに略４角錐状の凸型を転写し、さらに樹脂シート上に導電部分として導電層を成層することによって突設させる等の方法により行われるか、あるいは同様に、略４角錐体の凸型を有するマスタ基板を得た後に、これを樹脂材料に押し当てて写し取り、得られた樹脂材料の凹部を埋め込むように前記導電材料を設ける方法により行われる。

他に略４角錐状の凹部を形成したＳｉ基板をマスタ基板として、メッキ法により凹部に充填するように金属を成層して金属層を形成し、水圧等により金属層とＳｉで形成されたマスタ基板から分離して金型モールド基板を作製する方法もある。例えば、金型モールド基板の金属材料としてメッキ法を用いた場合、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等がある。

本実施形態では、上記のうちの２番目の方法を用い、樹脂材料の凹部を埋め込むようにスパッタリング法で、例えばＮｉを凹部深さ以上に厚く成層させて、エミッタ基板７とエミッタ８の導電部分を形成した。なお、スパッタリング法に代えて蒸着法、印刷法、電気めっき等の方法を用いてもよい。

また、エミッタ基板７に突設された複数のエミッタ８が、例えば上記のＳｉ単結晶基板の結晶面を使った異方性エッチングによる方法で形成したものの場合は、略４角錐状をなす個々のエミッタ８の形状は、正方形に形成された底面の底辺の長さＸに対し、
高さＨが、
Ｈ＝２Ｘ／ｔａｎ（５５°）
となるものとなっている。

ここで、ｔａｎ（５５°）の項は、結晶方位（１００）のＳｉ単結晶基板面を異方性エッチングしたときに、基板面に対するエッチングされた傾斜面の傾斜角度が、５５°であることを反映している。

また、こうした形状のエミッタ８を所定の間隔Ｌで複数設けたカソード電極２について、隣接するエミッタ８同士の間隔Ｌとエミッタ８の底辺長さＸの比（Ｌ／Ｘ）を変え、各構成での電界強度を解析して求めたところ、図３に示すような電界強度特性の解析結果が得られた。すなわち、間隔Ｌと底辺長さＸの比（Ｌ／Ｘ）が２．５以上の状態では、電界強度は一定の高い値となり、また、間隔Ｌと底辺長さＸの比（Ｌ／Ｘ）が２．５より小さい状態では、小さくなるほど電界強度の値は低下する。なお、上記形成方法で得られる略４角錐状のエミッタ８は、上記の式（Ｈ＝２Ｘ／ｔａｎ（５５°））の関係を有することから、隣接するエミッタ８同士の間隔Ｌとエミッタ８の高さＨの比（Ｌ／Ｈ）に対する電界強度は、間隔Ｌと高さＨの比（Ｌ／Ｈ）が３．５以上の状態では、一定の高い値をとり、３．５より小さい状態では、小さくなるほど低下する。

この結果によれば、エミッタ８の高密度に配置しようとした場合に、隣接するエミッタ８同士の間隔Ｌを小さくしても、先鋭なエミッタ８の先端に高い電界強度を付加することができないことになる。これは、隣接するエミッタ８同士が互いの電場の影響を受けるために電界集中が妨げられるからで、互いの電場の影響を受けない範囲で複数のエミッタ８を設けるためには、間隔Ｌと底辺長さＸの比（Ｌ／Ｘ）が２．５以上であることが必要、言い換えれば、間隔Ｌと高さＨの比（Ｌ／Ｈ）が３．５以上であることが必要で、高電界強度の付加のためには、間隔Ｌと底辺長さＸの比（Ｌ／Ｘ）が２．５以上、あるいは間隔Ｌと高さＨの比（Ｌ／Ｈ）が３．５以上であることが好ましいことになる。

そして、以上のように、複数のエミッタ８を適正な間隔Ｌで配置することで、エミッタ８の先端に高い電界強度を付加でき、容易に電子を放出させることができる。またアノード電極３とエミッタ８の離間距離を小さくせずに高い電界強度が得られることから、アノード電極３で発生した二次電子等によるエミッタ８の損傷を低減できるので、放電によるエミッタ材料の飛散等による影響も少なくでき、電子放出特性も広範囲で均一なものになり、駆動電圧の低電圧化が可能となる。さらに、高電界強度を付加するためのエージングに、従来は多くの日数をかけていたものが、より短い期間でよく、装置製作の日数が短縮でき、装置の低コスト化が可能となる。

次に第２の実施形態を図４乃至図６により説明する。図４は概略構成を模式的に示す断面図であり、図５はカソード電極の斜視図であり、図６はカソード電極の平面図である。なお、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図４乃至図６において、本実施形態の電界放出型冷陰極装置１１は、エミッタ８の配置パターンのみが第１の実施形態と異なるもので、カソード電極１２のアノード電極３に対向する面を形成するエミッタ基板７には、略４角錐状の複数のエミッタ８が、図６に示すように、隣接するものとの間に所定の間隔Ｌを設けて、エミッタ基板７面上の１点鎖線で示した正三角形の頂点となる位置に配置されている。すなわち、左右方向に配列されたエミッタ８の隣接するものとの間、また、左右方向に対し６０度右斜め上方向に配列されたエミッタ８の隣接するものとの間、さらに、左右方向に対し６０度左斜め上方向に配列されたエミッタ８の隣接するものとの間に、それぞれ等しい間隔Ｌを設けたものとなっている。

そして、隣接するもの同士の間隔Ｌは、各エミッタ８の底辺長さＸ、高さＨに対し、隣接するエミッタ８同士で互いの電場の影響を受けない範囲でとなる間隔Ｌと底辺長さＸの比（Ｌ／Ｘ）が２．５以上、あるいは間隔Ｌと高さＨの比（Ｌ／Ｈ）が３．５以上なる関係を満たすものとなっている。

この結果、上記第１の実施形態と同様の作用、効果を得ることができると共に、複数のエミッタ８がより高密度に配置でき、単位面積当たりの電流密度を高めることができる。

なお、上記の各実施形態では、高電界強度の付加のために、間隔Ｌと底辺長さＸの比（Ｌ／Ｘ）が２．５以上、あるいは間隔Ｌと高さＨの比（Ｌ／Ｈ）が３．５以上であることが好ましいとしたが、より好ましくは、間隔Ｌと底辺長さＸの比（Ｌ／Ｘ）が３．０以上、間隔Ｌと高さＨの比（Ｌ／Ｈ）でみると、４．２以上あればよく、また実使用的な面から装置によっては、間隔Ｌと底辺長さＸの比（Ｌ／Ｘ）が２．０以上、あるいは間隔Ｌと高さＨの比（Ｌ／Ｈ）でみると、２．８以上あればよい。さらに、隣接するエミッタ８同士の間隔Ｌについては、その許容許容される範囲の上限は、スペースファクタを考慮し、使用する機器やその仕様、性能等に基づいて適宜に設定がなされればよい。

また、上記の各実施形態は、１つの支持基板５上に単独に設けたカソード電極２におけるものであるが、同一支持基板５にそれぞれ独立に複数設けられたカソード電極２におけるものであってもよい。さらに、上記の実施形態においては、略４角錐状のエミッタ７について説明したが、エミッタ８を導電材料で形成された先鋭な先端を有するもの、例えば、基板上に立設したカーボンナノチューブ等で構成したり、円錐状、４角錐状以外の多角錐状等としたりして、それぞれの配置間隔Ｌと高さＨの比（Ｌ／Ｈ）を上記のようにしても、同様の効果を得ることができる。またさらに、用途によって、エミッタ８とアノード電極３の間に１つあるいは複数のゲート電極等を配置した３極以上の多極構成にしたり、アノード電極３のエミッタ８対向面側に蛍光体層を設ける等した構成としたりしたものでも、同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態の概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるカソード電極の斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る電界強度特性を解析結果に基づき示す特性図である。 本発明の第２の実施形態の概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるカソード電極の斜視図である。 本発明の第２の実施形態におけるカソード電極の平面図である。

符号の説明

１，１１…電界放出型冷陰極装置
２，１２…カソード電極
３…アノード電極
４…真空空間
８…エミッタ
Ｈ…高さ
Ｌ…間隔
Ｘ…底辺長さ

Claims (3)

1. 所定の真空状態が保持された中に、所定離間距離を設けて先鋭な先端を有する複数のエミッタとアノード電極を対向配置し、前記複数のエミッタと前記アノード電極との間に所定電位を与えて電子の放出が行われるようにした電界放出型冷陰極装置であって、
   前記複数のエミッタは、略同一高さを有して同一基板面に配置されていると共に、隣接するもの同士の間隔が、該エミッタの高さの３．５倍以上となっていることを特徴とする電界放出型冷陰極装置。
2. 基板の同一面上に略同一の所定高さに突設された略４角錐状の複数のエミッタと、これらエミッタに対して所定離間距離を設けて配置されたアノード電極とを備えた電界放出型冷陰極装置において、
   前記複数のエミッタの隣接するもの同士の間隔が、該エミッタの底辺の長さの２．５倍以上となっていることを特徴とする電界放出型冷陰極装置。
3. 前記複数のエミッタが、それぞれ前記基板面上の正三角形の頂点となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項2のいずれかに記載の電界放出型冷陰極装置。

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