JP2008053172A - 面発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電子放出能及びその均一性、安定性に優れ、かつ簡便で制御性が高いナノカーボンエミッタを面電子源として用いた、簡便なダイオード構造の面発光素子を提供すること。
【解決手段】基体上にナノカーボン材料を成膜してなるナノカーボンエミッタと、このナノカーボンエミッタに対向して配置された、透明基体上に電極を介して蛍光体層を形成してなるアノードとを具備し、前記ナノカーボンエミッタとアノード間が真空に保持されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、強電界により電子を放出する電界放射型の電子放出素子（フィールドエミッタ）を面電子源として利用した面発光素子に関する。より詳しくは、本発明は、表示装置、非発光ディスプレイ用バックライト光源、あるいは照明ランプ等に利用される、ナノカーボンエミッタを面電子源として用いた面発光素子に関する。

近年、主に動画を表示するテレビ受像器や、静止画を表示するコンピュータ端末用のモニタに使用されていた陰極線管からなるディスプレイ（ＣＲＴ）が、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）やプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）などのフラットパネルディスプレイに急速に置き換わっている。また、次世代の高輝度フラットパネルディスプレイとして、従来のＣＲＴと同じカソードルミネッセンスを原理とするフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）の研究開発が進められている。

一方、一般照明としての発光素子は、２０世紀初頭から白熱灯や蛍光灯が長年にわたり用いられてきている。このうち蛍光灯は白熱灯と比べると同じ明るさでも消費電力を低く抑えられるという特徴を有しており、今日でも照明として広く利用されている。

また、前述した、光のシャッター機能しかもたない非発光素子であるＬＣＤを高輝度ディスプレイとして用いるためには、バックライトが不可欠である。バックライトとしては、立体型の蛍光灯と拡散用の反射板を組み合わせて薄型化した蛍光管が用いられている。

蛍光管は、フィラメントから放出された電子が、蛍光管内に封入されている気体の水銀と衝突して紫外線を発し、この紫外線が蛍光管の内側に塗布された蛍光体を励起し、可視光を発光するものである。

しかしながら、照明やＬＣＤのバックライトとして用いられる蛍光灯には、水銀が含まれているため、今後、環境汚染という点で大きな課題を抱えており、それに代わる照明装置が強く求められている。

また、近年、白色灯や蛍光灯などの既存の照明に代わり、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とした表示装置や照明が開発され、普及し始めている。最近では、信号機や街頭あるいは店頭用ディスプレイなどの表示装置、ＬＣＤ用のバックライト、車載照明、電子機器用表示ランプ、懐中電灯などで利用されている。

ＬＥＤは、半導体のpn接合を含む構造を有しており、電極から半導体に注入された電子と正孔は異なったエネルギー帯（伝導帯と価電子帯）を流れ、PN接合部付近にて禁制帯を越えて再結合するが、再結合の際にほぼ禁制帯幅（バンドギャップ）に相当するエネルギーが光子、すなわち光として放出される。

しかしながら、ＬＥＤは上述したように、半導体のキャリアの再結合により発光する原理であるため、材料のバンド構造で決められた固有の波長の単色光しか放出されず、しかも点光源であるため、特にバックライトや照明などの大面積に均一に、そして白色などのブロードな波長で利用するアプリケーションには不適である。特に、白色表示にする場合には、紫外線発光素子としてＬＥＤを用い、その紫外線で蛍光体を発光させる構成が必要となる。

これに対し、ＦＥＤと同様の方式で、面電子源から放出される電子で蛍光体を発光させる、薄型かつ高輝度の面発光素子が考えられる。フィールドエミッタは、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度が１０^７Ｖ／ｃｍ以上の強電界となると、物質中の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できるようになり、その物質から電子が放出されるという現象を利用している。この場合、電場がポアッソンの方程式に従うため、電子を放出する部材（エミッタ）に電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができる。

このようなフィールドエミッタを利用する面発光素子の構造としては、高真空の平板セル中に、微小な電子放出素子をアレイ状に配置するとともに、これに対向して蛍光体を塗布したアノード基板を設けたもの、即ち、ＦＥＤと同様のパネル構造が考えられる。

従来のＦＥＤの技術を用いた面発光素子は、図３に示すように構成することができる。図３に示す面発光素子では、カソード側基体３１上に複数の円錐形のエミッタ３２が形成され、これらエミッタ３２を取り巻くように、絶縁層３３およびゲート電極３４が配置されて、フィールドエミッタアレイ（カソード）が構成されている。このフィールドエミッタアレイ（カソード）に対向して、アノード側基体３５上にアノード電極３６および蛍光体３７が形成された陽極部が配置され、３極管いわゆるトライオード構造を有する面発光素子が構成される（例えば、非特許文献１〜３参照）。
C. A. Spindt : J. Appl. Phys., 39, 3504 (1968) K. Betsui: Tech. Dig. IVMC. , (1991) p26 「光エレクトロニクスの基礎」、（株）日本理工出版会、２００２年７月２０日再版発行 しかしながら、上述した円錐形のエミッタでは、いずれもエミッタ材料である金属、シリコンあるいはそれらの化合物は、表面に酸化物が形成されるため電子放出能が低く、エミッタ部への電界集中が不可欠であり、エミッタ材料表面から電子を放出させるためには、電子放出部の曲率半径をできるだけ小さくする必要がある。そのため、エミッタに極微細加工を施し、放出部の先端形状を円錐形として、その先端の曲率半径を数ナノメーター以下とすることが不可欠であった。

さらに、フィールドエミッタをディスプレイ用等の面電子源として利用するためには、上記のような極微細加工を施して得られる円錐形エミッタを多数作製し、アレイ上に配置する必要がある。しかしながら、超精密加工が必要であるため、構造的欠陥が生じやすく、大面積に均一に作製することは容易ではなく、歩留まりが低下する上、欠陥検査等も不可欠となり、製造コストが高くなるという問題があった。

これに対し、近年、エミッタ材料としてナノカーボン材料が注目されている。ナノカーボン材料の中で最も代表的なカーボンナノチューブは、炭素原子が規則的に配列したグラフェンシートを丸めた形の中空の円筒であり、その外径はナノメーターオーダーであり、長さは通常０．５〜数１０μｍの非常にアスペクト比の高い微小な物質である。そのため、カーボンナノチューブをエミッタ材料として用いた場合には先端部分には電界が集中しやすく、高い電子放出能が期待される。また、カーボンナノチューブは、化学的、物理的安定性が高いという特徴を有するため、動作に際し真空中の残留ガスの吸着やイオン衝撃等に対して影響を受け難いことが予想される。

本発明は、上記問題点を考慮してなされ、電子放出能及びその均一性、安定性に優れ、かつ簡便で制御性が高いナノカーボンエミッタを面電子源として用いた、簡便なダイオード構造の面発光素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、基体上にナノカーボン材料を成膜してなるナノカーボンエミッタと、このナノカーボンエミッタに対向して配置された、透明基体上に電極を介して蛍光体層を形成してなるアノードとを具備し、前記ナノカーボンエミッタとアノード間が真空に保持されていることを特徴とする面発光素子を提供する。

以上の面発光素子において、ナノカーボンエミッタは、基体上に、ナノカーボン材料を、基体に対して垂直方向に高配向でかつ高密度に成膜してなるものであることが望ましい。

ことがを特徴とする請求項１に記載の面発光素子。また、ナノカーボン材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、及びカーボンナノファイバーからなる群から選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。

ナノカーボンエミッタとアノード間の真空度は、０．１Ｐａ以下とすることができる。また、ナノカーボンエミッタとアノードの間隙が１０μｍ以上であり、エミッタ近傍にゲートがないダイオード構造を有するものとすることができる。

本発明によると、エミッタをナノカーボン材料から構成しているため、炭素材料のもつ高い電子放出能とナノオーダーの微細構造により、金属やシリコン等では実現不可能であった、ゲートなしでのエミッタの駆動が可能となり、非常に簡便なダイオード構造の面発光素子を得ることが可能である。また、高配向のナノカーボン材料を用いることで、均一な発光を大面積にわたって得ることが可能である。

その結果、低コストで高輝度、高安定、高均一の面発光素子を得ることができ、良好な特性で安価な、表示装置、バックライト、照明等を得ることができるようになる。

以下、発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る面発光素子の構成を示す模式断面図である。図１において、面発光素子は、基体１上に導電層２及びナノーカーボン材料膜３ａからなるエミッタを形成してなるカソードと、透明基体４上に蛍光体層６及びアノード電極５を形成してなるアノードとを、スペーサ７を間に介して対向配置し、間に形成された空隙を真空に保持して構成された、２極管いわゆるダイオード構造を有している。なお、加速電圧１ｋＶ以下の低速電子線を利用する場合には、アノード電極５と蛍光体６の積層関係は反転し、アノード電極は透明電極とする。

基体１としては、シリコン、ガラス、セラミックスなどから選ぶことができる。また、表面が熱酸化されたシリコンや薄膜の積層基板を用いることもできる。導電層２としては、金属や透明導電膜などの薄膜を用いることができる。ナノカーボン材料膜３ａとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノコイル等を用いることができる。透明基体としては、ガラスを用いることができ、アノード電極としては、Ａｌ（メタルバック）及びＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）等を用いることができる。

ナノカーボン材料は、ナノオーダーの極微細な先端構造を有するため、それを成膜して得たエミッタを面電子源として用いることにより、ゲート電極を配する必要なく大面積のエミッタの形成が容易であり、かつ、簡便なダイオード構造のパネルを構成することで、高輝度でかつ低コストの面発光素子を得ることが可能となる。

特に、ナノカーボンエミッタを、基板に対して、高配向かつ高密度のナノカーボン材料により構成することにより、エミッションサイトを均一に配することができ、面内の均一性の高い、即ち、高輝度でかつ発光輝度ムラの少ない面発光素子を得ることができる。

ナノカーボン材料として、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノファイバー等を挙げることができるが、このような結晶性が高くかつ極微細構造を有するｓｐ２結合を含むナノカーボン材料を用いることにより、より電子放出能が高く、即ち動作電圧の低い低コストの面発光素子を得ることができる。

また、本発明の面発光素子では、真空度が０．１Ｐａ以下であることが望ましい。ナノカーボンエミッタとアノード間の真空度は、従来の金属やシリコンあるいはそれらの化合物からなるエミッタと異なり、表面が、主として残留ガスに含まれる水蒸気により酸化されないため、０．１Ｐａという低い真空度でも、安定した動作が可能である。ただし、真空度が０．１Ｐａを超えると、電子放出がし難くなり、安定した動作が困難となる。

さらに、本発明の面発光素子は、ナノカーボンエミッタとアノードの間隙が、１０μｍ以上であって、エミッタ近傍のゲートがないダイオード構造を有することが望ましい。エミッタ-アノード間隙は、最低１０μｍあれば、エミッタ-アノード間で放電等を起こすことがなく、安定した動作をすることができる。ナノカーボンエミッタとアノードの間隙が１０μｍ未満では、エミッタ-アノード間で放電を起こす場合があり、安定した動作をすることが困難となる。

ナノカーボン材料は、化学的成長法により成膜することができる。化学的成長法としては、化学的気相成長法（気相ＣＶＤ）または固液界面接触分解法（液相ＣＶＤ）を挙げることができる。図１は、化学的成長法によりナノカーボン材料を合成した後、印刷によりナノカーボン膜３ａを成膜して得た面発光素子を示し、図２は、固液界面接触分解法によりナノカーボン膜３ｂを成膜して得た面発光素子を示す。ナノカーボン膜３ａは無配向であるが、ナノカーボン膜３ｂは高配向である。

これらの方法では、特に、１００％の収率で高密度、高配向のナノカーボン層３ｂを形成可能な固液界面接触分解法を用いるのが好ましいが、化学的気相成長法によっても、条件によっては、１００％の収率で高密度、高配向のナノカーボンを形成することができる。

固液界面接触分解法によるナノカーボン材料からなるエミッタの形成プロセスについて、以下に説明する。

固液界面接触分解法によるナノカーボン材料からなるエミッタの形成は、図３に示す構造を有する固液界面接触分解装置を用いて行われる。図３に示す固液界面接触分解装置では、有機液体１２を収容する液体槽１１が、蓋１３により密封されて、装置本体を構成する。液体槽１１の外側には、液体槽１１を冷却するための水冷手段１４が設けられている。液体槽１１内の有機液体１２中には、基体１５が浸漬されており、基体１５は、基体ホルダー１６に取り付けられているとともに、一対の電極１７ａ，１７ｂを介して蓋１３に保持されている。基体１５は、一対の電極１７ａ，１７ｂを通して通電される。

蓋１３には、液体槽１１内から蒸発する有機液体蒸気を冷却凝縮して液体槽１１に戻すための水冷パイプからなる凝縮手段１８と、液体槽１１内に窒素ガスを導入するバルブ１９とが取り付けられている。

次に、以上のように構成される固液界面接触分解装置により、基体１５の表面にカーボンナノチューブ層を形成する手順について説明する。

まず、図３に示すように、基体１５を基体ホルダー１６に取り付け、液体槽１１内の有機液体１２中に浸漬する。有機液体１２としては、メタノール、エタノール、オクタノール等を用いることができる。なお、基体１５の表面には、触媒としての酸化鉄が担持されている。電極１７ａ，１７ｂを通して基体１５に直流電流を通電する。

通電により、基体１５の温度が６００〜９００℃に昇温すると、基体１５の表面で触媒の存在下での有機液体１２の熱分解反応が生じ、酸化鉄膜上にナノカーボン材料が析出され、ナノカーボン材料膜が形成される。

このようにして成膜されたナノカーボン材料膜は、高密度、高配向であり、面発光素子のエミッターとして好適なものである。

以下、本発明の実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。

実施例１
本実施例においては、基体１としてはガラス基板を用い、このガラス基板１上にマグネトロンスパッタ法により、１００ｎｍの厚みのクロム薄膜を製膜し、導電層２を形成した。

次に、熱化学的気相成長法（熱ＣＶＤ）により、メタンを原料ガス、鉄を触媒として１０００℃でカーボンナノチューブ原料を合成した。このカーボンナノチューブ原料をペースト化した後、スクリーン印刷法にて上記導電層２上に所定形状に形成し、ナノカーボンエミッタ３ａを形成した。

次に、対向側のアノード基体４としてガラス基板を用い、そのガラス基板４上に、高速電子線用の蛍光体を印刷法により塗布して蛍光体層６を形成した後、蛍光体層６上に、蒸着法によりアルミニウム膜を製膜し、メタルバック層としてのアノード電極５を形成した。なお、ここで、低速電子線用蛍光体を用いる場合には、アノード基体４上にＩＴＯをマグネトロンンエミッタ法により成膜した後、蛍光体を印刷法により塗布した。

続いて、カソード基体１とアノード基体４とをガラススペーサ７を介して、ガラスフリットにより固着し、真空封止して、図１に示すような面発光素子を得た。

〔実施例２〕
実施例１において、ナノカーボンエミッタの作製を、導電層２表面に触媒として鉄をスパッタ法にて形成した後、固液界面接触分解法により、アルコール溶液中で高配向カーボンナノチューブ膜３ｂを成膜することにより行ったことを除いて、実施例１と同様にして図２に示すような面発光素子を得た。

〔実施例３〕
実施例１及び２で作製した面発光素子のナノカーボンエミッタ３ａ，３ｂとアノード電極５との間に電源及び電流計を接続し、アノード電圧を変化させて、エミッション電流を測定した。なお、エミッタ・アノード間距離は１００μｍであり、動作真空度は１０^−３Ｐａであった。

その結果を図４に示す。図４に示す結果から、本実施例に係る面発光素子サンプルでは、立ち上がり電圧は約８０Ｖと低く、低電圧駆動が可能であることがわかる。また、エミッション電流も５０μＡ以上と、市販の低速電子線用の蛍光体を発光させる電流値が得られた。

また、作製した面発光素子の発光特性は、電界強度１．２ｖ／μｍにおいて、５００ｃｄ／ｍ^２の発光が確認された。いずれも安定性は非常に高かった。また、特に高配向のナノカーボンエミッタ３ｂを用いた実施例２の素子の方が、輝度ムラは少なかった。

本発明の一実施形態に係る面発光素子の構成を示す断面模式図である。 本発明の他の実施形態に係る面発光素子の構成を示す断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る面発光素子の製造に用いた固液界面接触分解装置を示す図である。 本発明の実施例１及び２に係る面発光素子のアノード電圧とエミッション電流との関係を示す特性図である。 従来の面発光素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１，１５…基体、２導電層、５…透明電極、３…ナノーカーボン材料膜、４…透明基体、６，３７…蛍光体層、７，２５…スペーサ、１１…液体槽、１２…有機液体、１３…蓋、１４…水冷手段、１６…基体ホルダー、１７ａ，１７ｂ…一対の電極、１８…凝縮手段、１９…バルブ、２１…シリコン基体、２６…空隙、２７…電源、２８…電流計、３１…カソード側基体、３２…エミッタ、３３…絶縁層、３４…ゲート電極、３５…アノード電極。

Claims (5)

1. 基体上にナノカーボン材料を成膜してなるナノカーボンエミッタと、このナノカーボンエミッタに対向して配置された、透明基体上に電極を介して蛍光体層を形成してなるアノードとを具備し、前記ナノカーボンエミッタとアノード間が真空に保持されていることを特徴とする面発光素子。
2. 前記ナノカーボンエミッタは、基体上に、ナノカーボン材料を、基体に対して垂直方向に高配向でかつ高密度に成膜してなることを特徴とする請求項１に記載の面発光素子。
3. 前記ナノカーボン材料が、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、及びカーボンナノファイバーからなる群から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１または２の記載の面発光素子。
4. 前記ナノカーボンエミッタとアノード間の真空度が０．１Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の面発光素子。
5. 前記ナノカーボンエミッタとアノードの間隙が１０μｍ以上であり、前記エミッタ近傍にゲートがないダイオード構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の面発光素子。

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