JP2007227091A - 電子放出素子、電子放出素子の製造方法、及び電子放出素子を有する表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】放出される電子量を均一にすることが可能な電子放出素子、電子放出素子の製造方法及び電子放出素子を有する表示装置を提供する。
【解決手段】画像表示装置1は、電子放出素子10とこの電子放出素子から放出された電子により発光する表示部30とを備えている。電子放出素子10は、カソード基板11と、該カソード基板11上に形成された導電層12〜14と、これら導電層12〜14上に形成された絶縁層15と、絶縁層15上に形成されたゲート電極16〜18とを備えている。絶縁層15及びゲート電極16〜18にはエミッタ孔19が形成され、エミッタ孔19における導電層12〜14上にはカーボン層20が一様に形成されている。カーボン層20は、表示部30に向かってY方向に起立してブラシ状に成長した多数のCNT21で構成されている。
【選択図】図2
【解決手段】画像表示装置1は、電子放出素子10とこの電子放出素子から放出された電子により発光する表示部30とを備えている。電子放出素子10は、カソード基板11と、該カソード基板11上に形成された導電層12〜14と、これら導電層12〜14上に形成された絶縁層15と、絶縁層15上に形成されたゲート電極16〜18とを備えている。絶縁層15及びゲート電極16〜18にはエミッタ孔19が形成され、エミッタ孔19における導電層12〜14上にはカーボン層20が一様に形成されている。カーボン層20は、表示部30に向かってY方向に起立してブラシ状に成長した多数のCNT21で構成されている。
【選択図】図2
Description
本発明は、表示装置等に用いられる電子放出素子、電子放出素子の製造方法、及び電子放出素子を有する表示装置に関し、特に均一な電子放出を可能とするものである。
表示装置の一種として、電子放出素子を用いるフィールドエミッションディスプレイ(以下“FED”と称す)が知られている。FEDにおける電子放出素子として、直径が細く電界集中しやすいカーボンナノチューブ(以下“CNT”と称す)等のカーボン系エミッタを利用する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。一般に、このような電子放出素子にあっては、ガラス基板上に、カソード極層及びカーボン系エミッタ成長触媒層が平面状に形成され、当該カーボン系エミッタ成長触媒層の上面にCVD法や印刷法等によりカーボン系エミッタが生成されている。
なお、印刷法を用いる場合は、カーボン系エミッタ成長触媒層は不要である。
特開2004−186015号公報(図1)
しかしながら、上述した電子放出素子には、次のような問題があった。すなわち、CVD法や印刷法により多数のCNTを形成する場合に一つ一つのCNTの長さを揃えるのは困難である。そのため、平面状のカーボン系エミッタ成長触媒層に多数生成されたCNTから放出される電子の量にばらつきが生じる場合があった。
そこで本発明は、電子を均一に放出することができる電子放出素子、電子放出素子の製造方法、及び電子放出素子を有する表示装置を提供することを目的とする。
本発明は、一態様として、基板と、この基板上に在って、かつ凸部または凹部が形成された導電層と、この導電層において、前記凸部上、または前記凹部上に形成され、複数の線状導電体を有する電子放出層とを備え、前記凸部の高さ、または前記凹部の深さは、前記電子放出層の厚さよりも大きいことを特徴とする電子放出素子である。
本発明は、他の一態様として、基板上に、凸部または凹部を有する導電層を形成する工程と、前記導電層において、前記凸部上、または前記凹部上に、線状導電体を有する電子放出層を形成する工程とを備え、前記凸部の高さ、または前記凹部の深さは、前記電子放出層の厚さよりも大きいことを特徴とする電子放出素子の製造方法である。
本発明は、他の一態様として、上記の電子放出素子と、前記電子放出素子から放出される電子により発光する表示部とを備えたことを特徴とする表示装置である。
本発明によれば、電子放出素子から放出される電子量を均一にすることが可能となる。
以下に本発明の実施形態にかかる画像表示装置1について、図1乃至図3を参照して説明する。図1は画像表示装置の1画素に対応する部分を示す斜視図である。図2は図1の画像表示装置1のA部分を拡大して示す断面図であり、図3は図1の電子放出素子10のA部分を拡大して示す斜視図である。図1及び図2中の矢印X、Y、Zは互いに直交する三方向を示している。
図1に示されるように、画像表示装置1は、電子放出素子10と、この電子放出素子10から放出される電子により発光する表示部30とを備えている。これら電子放出素子10と表示部30とは所定の間隙を確保した状態で、対向して接合される。
図1及び図2に示される電子放出素子10は、カソード基板11と、該カソード基板11上に形成された導電層12〜14と、これら導電層12〜14上に形成された絶縁層15と、絶縁層15上に形成されたゲート電極16〜18とを備えている。絶縁層15及びゲート電極16〜18にはエミッタ孔19が形成され、このエミッタ孔19において導電層12〜14上にカーボン層20が形成されている。カソード基板11はガラスやシリコン等により構成され、画像を表示するために必要な所定の面積を有している。
ここでは、1画素に対応するカソード基板11上に、例えば、3個の導電層12〜14が並列して形成されている。例えば、導電層12〜14は、ニッケル等の触媒金属からなり、前述のY方向に延びる矩形に形成されている。また、導電層12〜14の表示部30と対向する面には、複数の突起13aが形成されている。突起13aは、その先端間が50μm程度の間隔でマトリクス状に配置されている。突起13aは先端が尖った略円錐形状を成し、図2に示すように、縦断面の縁は弧状に形成されている。突起13aの高さは後述するCNT(カーボンナノチューブ)21の長さより十分大きい20μm程度に構成されている。すなわち、突起13aの高さはカーボン層20の厚さより十分大きくなっている。
ここでは、1画素に対応するカソード基板11上に、例えば、3個の導電層12〜14が並列して形成されている。例えば、導電層12〜14は、ニッケル等の触媒金属からなり、前述のY方向に延びる矩形に形成されている。また、導電層12〜14の表示部30と対向する面には、複数の突起13aが形成されている。突起13aは、その先端間が50μm程度の間隔でマトリクス状に配置されている。突起13aは先端が尖った略円錐形状を成し、図2に示すように、縦断面の縁は弧状に形成されている。突起13aの高さは後述するCNT(カーボンナノチューブ)21の長さより十分大きい20μm程度に構成されている。すなわち、突起13aの高さはカーボン層20の厚さより十分大きくなっている。
なお、突起13aの高さとは、主に図4に示すように、突起13aの間に在る最深部を基準として、そこからの突起13aの先端までの高さを表わす。
図1および図2に示すように、絶縁層15は、酸化シリコン等で構成され、カソード基板11及び導電層12〜14の上面に形成されている。また、3つのゲート電極16〜18は、アルミニウム等の金属から、前述のX方向に延びる矩形状に形成され、それぞれ後述する三色の蛍光体33〜35と対応する位置に配置されている。これらゲート電極16〜18は駆動回路に接続され、マトリクス制御される。
図1に示すように、ゲート電極16〜18と絶縁層15と導電層12〜14とが交差して重なっている部分には、円形のエミッタ孔19が複数個形成されている。ここでは、図2に示すように、エミッタ孔19は、エッチング加工等によりゲート電極16〜18及び絶縁層15のみが除去されて形成される。
図3に示すように、1つのエミッタ孔19に、例えば、数個程度の突起13aが対応している。
エミッタ孔19における導電層12〜14上にはカーボン層20が一様に形成されている。カーボン層20は、表示部30に向かって、前述のY方向に起立してブラシ状に成長した多数のCNT21で構成されている。CNT21は、グラフェンシートが円筒上に丸まった構造を成している。CNT21は直径50nm、長さ1μm程度に構成され、許容電流密度が大きく、真空下で低い電圧が加えられるだけで電子を放出する。突起13aの頂点に生成されたCNT21の先端は、ゲート電極16〜18より低い高さに位置している。
一方、図1及び図2において、表示部30は、アノード基板31と、アノード基板31上に形成されたアノード電極32と、このアノード電極32の表面に塗布されたR,G,Bの三色の蛍光体33〜35とを備える。
ここでは、アノード基板31は、カソード基板11との封止を良好にするため、カソード基板11と同素材のガラス等の透明材料で構成されている。また、アノード電極32は、カソード基板11と対向する面上に形成され、例えばアルミ等の金属から構成されている。アノード電極32は駆動回路に接続されている。一方、3色の蛍光体33〜35は、前述のX方向に延びる矩形状を成し、それぞれゲート電極16〜18に対応して配置されている。
電子放出素子10と表示部30とは、図示しないスペーサにより所定の間隙を確保して接合されている。その間隙は高真空状態であり、図示しないゲッターにより良好に維持されている。
以降、図4乃至図7を用い、前述のように説明した本発明の実施形態にかかる画像表示装置1の製造方法について説明する。
最初に、ニッケル板を電鋳法により加工し、複数の突起13aをマトリクス状に形成する。ついで、この突起13aを有するニッケル板をガラスからなるカソード基板11上に取り付ける。こうして、触媒層として、カソード基板11上に導電層12〜14が形成される(以上を図4に図示する。)。
最初に、ニッケル板を電鋳法により加工し、複数の突起13aをマトリクス状に形成する。ついで、この突起13aを有するニッケル板をガラスからなるカソード基板11上に取り付ける。こうして、触媒層として、カソード基板11上に導電層12〜14が形成される(以上を図4に図示する。)。
ついで、導電層12〜14上、及び導電層12〜14が形成されていないカソード基板11の上面全体に絶縁層15を形成する。ついで、スパッタ法等により、絶縁層15の表面に、導電層12〜14で使用した触媒金属とは異なるアルミ等の金属を成膜し、ゲート電極16〜18を形成する(以上を図5に図示する。)。
さらに、ゲート電極16〜18及び絶縁層15を貫通して触媒金属が露出するよう所定の位置にエミッタ孔19を形成する(以上を図6に図示する。)。
エミッタ孔19の形成後、カソード基板11を真空容器内に導入し、メタンと水素の混合ガスをプラズマで分解することで、露出した導電層12〜14上にCNT21を形成する(以上を図7に図示する。)。
ここでは、例えば、導電層12〜14はニッケル等の触媒金属を用いて形成している。この場合、導電層12〜14は触媒層として作用するので、前述の方法を用い、その上に直接CNT21を形成することができる。また、プラズマはマイクロ波プラズマとし、成長するCNT21の向きを揃えるため導電層12〜14の表面に垂直に電界を形成しておく。こうして、導電層12〜14が露出しているエミッタ孔19内において、導電層12〜14上に多数のCNT21がブラシ状に形成される。こうして電子放出素子10が完成する。なお、突起13aの高さはCNT21の長さより十分大きく構成されており、図7に示すように、突起13aの先端が尖るように側面が弧状に形成されているため、カーボン層20形成後の表面も導電層12〜14と同様に複数の突起を有する形状となる。
一方、ガラス等の透明材からなるアノード基板31にアノード電極32を形成し、アノード電極32に蛍光体33〜35を塗布して表示部30を製造する。
また、スペーサを介して所定の間隙を確保した状態でカソード基板11の周囲とアノード基板31の周囲とを封止材で接合する。こうして電子放出素子10と表示部30とが接合され、画像表示装置1が完成する(以上を図1、または図2を参照する。)。
次に、図1及び図2を参照しながら、本実施形態にかかる画像表示装置1の動作について説明する。
アノード電極32、カソード電極としての導電層12〜14及びゲート電極16〜18にそれぞれ所定の電圧Vd、Vaが印加される(以上、図2を参照する)と、突起13aの先端に成長したCNT21の先端に電界が集中し、電子が放出される。電子はゲート電極16〜18に案内されて蛍光体33〜35が塗布されたアノード電極32に入射する。こうして蛍光体33〜35が励起され、発光する。この発光により透明なアノード基板31を通して所望の画像が表示される。ここで、ゲート電極16〜18に印加する電圧をマトリクス制御することで発光を制御することができ、画素毎の階調表示が可能となっている。
本実施の形態において、電子放出素子10は以下に掲げる効果を奏する。
CNT21を利用することで良好な電界放出の特性を得ることができ、かつ、金属触媒の突起13aを形成し、その上面にCNT21を生成させたことにより、CNT21は均一な電子放出が可能となる。すなわち、CNT21が密に固まっている状態では電界が集中しにくく、電子が放出されにくいが、導電層12〜14に突起13aを設け、電界が集中しやすい形状としたため、電子が放出されやすい。また、本実施形態では、CNT21の長さを1μmとし、突起13aの高さを20μmとすることで、カーボン層20の厚さより突起13aの高さを十分に大きくしたため、電子放出量はCNT21の形状ではなく突起13aの形状に依存する。したがって、CNT21の長さが不揃いであっても、突起13aの形状を揃えることにより均一な電子放出を実現できる。
CNT21を利用することで良好な電界放出の特性を得ることができ、かつ、金属触媒の突起13aを形成し、その上面にCNT21を生成させたことにより、CNT21は均一な電子放出が可能となる。すなわち、CNT21が密に固まっている状態では電界が集中しにくく、電子が放出されにくいが、導電層12〜14に突起13aを設け、電界が集中しやすい形状としたため、電子が放出されやすい。また、本実施形態では、CNT21の長さを1μmとし、突起13aの高さを20μmとすることで、カーボン層20の厚さより突起13aの高さを十分に大きくしたため、電子放出量はCNT21の形状ではなく突起13aの形状に依存する。したがって、CNT21の長さが不揃いであっても、突起13aの形状を揃えることにより均一な電子放出を実現できる。
また、突起13aの先端等、特定の部分に個別にCNT21を形成するのは困難であるが、本実施形態においてはプラズマCVD法や熱CVD法によりエミッタ孔19における導電層12〜14上全体に一様にCNT21を形成するため、容易かつ確実にカーボン層20を形成することができる。また、カソード電極として、ニッケル等の触媒金属を用いて導電層12〜14を形成したため、その上面に直接カーボン層20を形成することができる。さらに、CNT21は触媒金属である導電層が露出している部分に成長するため、導電層12〜14やエミッタ孔19の形成の際にパターニングすることでカーボン層20の形成領域を容易に制限することができる。
さらに、本実施形態では1つのエミッタ孔19につき複数の突起13aが配される構成としたため、1つのエミッタ孔19につき1つの突起が配される場合に比べて位置合わせが容易である。また、複数の突起13aの先端から放出される電子量が平均化されるため、突起13aの高さの違いにより画像特性が悪化するのを防ぐことができる。
上記実施形態においては導電層12〜14がニッケルから構成される場合について説明したが、他に、コバルト、鉄、これらの合金等の触媒金属から構成しても良い。また、電鋳法以外に、スパッタリング等によりカソード基板11上に直接導電層12〜14を形成し、リソグラフィー加工やエッチング加工により突起13aを形成することもできる。
さらに、前述のように突起13aを形成する場合に限らず、図8に示すように、導電層12〜14に所定の加工方法で凹部13bを形成し、その凹部13b上に沿って、前述の方法でCNT(カーボンナノチューブ)を形成することも可能である。この場合、前述の突起13aを形成する場合と同様の効果を得ることができる。
なお、凹部の深さとは、主に、導電層12〜14において、その表面の位置を基準として、凹部の最深部までの距離の大きさを表わす。
上記実施形態において線状導電体としてCNT21を例示したが、これに限らず、アモルファス炭素膜やグラファイト状物質等、他の物質であってもよい。また、本実施形態ではCNT21が密集していても電界を集中させることができ、CNT21の方向が不揃いであっても容易に電子を放出することができるため、プラズマCVD法に限らず、熱CVD法等でカーボン層20を形成しても良い。
本実施形態においてはゲート電極16〜18をマトリクス制御することで走査する構成としたが、例えば、二極構造とし、アノード電極32で走査する構成も適用できる。さらに本実施形態にかかる電子放出素子はFED以外の種々の機器にも適用可能である。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1…画像表示装置、10…電子放出素子、11…カソード基板、
12,13,14…導電層、13a…突起、13b…凹部、15…絶縁層、
16,17,18…ゲート電極、19…エミッタ孔、20…カーボン層、21…CNT、30…表示部、31…アノード基板、32…アノード電極、33,34,35…蛍光体。
12,13,14…導電層、13a…突起、13b…凹部、15…絶縁層、
16,17,18…ゲート電極、19…エミッタ孔、20…カーボン層、21…CNT、30…表示部、31…アノード基板、32…アノード電極、33,34,35…蛍光体。
Claims (7)
- 基板と、
この基板上に在って、かつ凸部または凹部が形成された導電層と、
この導電層において、前記凸部上、または前記凹部上に形成され、複数の線状導電体を有する電子放出層とを備え、
前記凸部の高さ、または前記凹部の深さは、前記電子放出層の厚さよりも大きいことを特徴とする電子放出素子。 - 前記線状導電体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1記載の電子放出素子。
- 前記導電層は鉄、ニッケル、コバルト、またはこれらのうち少なくとも一つを有する合金を含むことを特徴とする請求項1記載の電子放出素子。
- 前記凸部は錘状に形成されていることを特徴とする請求項1記載の電子放出素子。
- 基板上に、凸部または凹部を有する導電層を形成する工程と、
前記導電層において、前記凸部上、または前記凹部上に、複数の線状導電体を有する電子放出層を形成する工程とを備え、
前記凸部の高さ、または前記凹部の深さは、前記電子放出層の厚さよりも大きいことを特徴とする電子放出素子の製造方法。 - 前記導電層は触媒層であり、前記電子放出層は、前記導電層上に直接形成されることを特徴とする請求項5に記載の電子放出素子の製造方法。
- 上記請求項1乃至4のいずれかに記載の電子放出素子と、
前記電子放出素子から放出される電子により発光する表示部と、を備えたことを特徴とする表示装置。
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