JP2007227091A

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

Info

Publication number: JP2007227091A
Application number: JP2006045472A
Authority: JP
Inventors: Masashi Yamahana; 雅司山華
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06
Also published as: US20080030122A1

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

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。

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。）。

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。

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。

本発明の第１実施形態にかかる画像表示装置の一部を示す斜視図。同画像表示装置の要部を拡大して示す断面図。同画像表示装置の要部を拡大して示す斜視図。同電子放出素子の製造方法における触媒層形成工程を示す断面図。同製造方法におけるゲート形成工程を示す断面図。同製造方法におけるエミッタ孔形成工程を示す断面図。同製造方法における放出層形成工程を示す断面図。本発明の他の実施形態に係る電子放出素子を示す断面図。

符号の説明

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。

Claims

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。