JP4628884B2 - 電子放出源、電界放射型ディスプレイおよび照明ランプ - Google Patents

Description

本発明は、カーボンナノウォール膜の膜表面から電子放出する電子放出源およびこれを備えた電界放射型ディスプレイならびに照明ランプに関する。

カーボンナノウォール膜は、二次元的な広がりを持つカーボンナノ構造体である（特許文献１参照）。換言すれば、カーボンナノウォール膜は、多数の壁状炭素薄片（壁状部）の集合体が平面内に連成した成膜形態となったものであり、電気伝導度の高いグラファイトに近い結晶構造を持ち、数十層のグラフェンシートからなり、電圧印加により端部である壁状部の上面で高い電界集中が起こって電子放出するものである。このようなカーボンナノウォール膜を電子放出源（陰極）となし、陽極との間で高電圧を印加してカーボンナノウォール膜から電子放出させるに際して、本出願人はカーボンナノウォール膜から電子を引き出すための電子引出電極を蒸着等による成膜により形成することを検討している。

しかしながら、カーボンナノウォール膜が上記したように壁状部が連成された構造であるために凹凸な表面構造となっているので、その凹凸表面に電子引出電極をリソグラフィ技術で成膜させることは極めて困難であった。また、カーボンナノウォール膜は柔らかく機械的強度に劣るために、電子引出電極の設置が安定化しにくく長期にわたり安定した電子放出ならびに電子引出動作を得ることも極めて困難であった。
特開２００５−９７１１３号公報

本発明により解決すべき課題は、カーボンナノウォール膜の凹凸な表面上に電子引出電極を容易に高精度に形成することを可能となし、かつ、機械的強度に劣るカーボンナノウォール膜上に設けた電子引出電極から長期にわたり安定した電子放出ならびに電子引き出し動作を可能とすることである。

本発明による電子放出源は、基板上に多数のナノオーダの壁状炭素薄片が平面方向に集合連成された形態のカーボンナノウォール膜が電子放出材料として成膜され、該カーボンナノウォール膜上に粒子サイズが１００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子からなるナノダイヤモンド膜がカーボンナノウォール膜の凹凸表面を反映しない平坦な膜表面に成膜され、ナノダイヤモンド膜の膜表面の一部に絶縁膜が成膜され、この絶縁膜上に電子引出電極が形成されていることを特徴とするものである。

本発明の電子放出源は、陰極面上のカーボンナノウォール膜の凹凸表面から電子放出することができる。この場合、カーボンナノウォール膜上にナノダイヤモンド膜が成膜されているので、カーボンナノウォール膜の機械的強度はナノダイヤモンド膜により補強されることになり、安定した電子放出が可能となる。そして、このナノダイヤモンド膜は、粒子サイズが１００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子からなり、かつ、カーボンナノウォール膜の凹凸表面を反映しない平坦な膜表面に成膜されているので、ナノダイヤモンド膜表面に電子引出電極を容易に成膜することができるとともにリソグラフィ技術により高精度に形成することができる。

なお、ナノダイヤモンド膜はその伝導帯は真空準位より高いために負性電子親和力を有している。そのために、カーボンナノウォール膜の表面にナノダイヤモンド膜が成膜されていても、カーボンナノウォール膜の凹凸表面から放出した電子をナノダイヤモンド膜を介して真空中に放出することができる。この場合、ナノダイヤモンド膜の誘電率が低いので電界放出損失は低く済む。
また、本発明による電子放出源は、上記[０００５]におけるナノダイヤモンド膜の膜表面の一部に酸素終端した表面領域を形成して絶縁膜とし、この表面領域上にのみ電子引出電極が形成されている、ことが好ましい。
こうした場合、電極の耐電圧は非常に小さいものの、電子を効率よく引き出すことができるようになる。

本発明の電子放出源は、電界放射型ディスプレイ（ＦＥＤ）や、照明ランプ等に組み込んで実施することができる。

本発明によれば、カーボンナノウォール膜の凹凸な表面上に電子引出電極を容易に高精度に形成することが可能であり、かつ、機械的強度に劣るカーボンナノウォール膜から長期にわたり安定した電子放出させることが可能である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電子放出源を説明する。図１は本実施の形態の電子放出源を備えた電界放射型ディスプレイ（ＦＥＤ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）の側面断面図である。なお、実施の形態の電子放出源が適用される装置はＦＥＤに限定されず、照明ランプやその他に適用することができる。図１に示すディスプレイ１０は、図示略の真空外囲器であるパネル内部に、電子放出源（陰極）１２と、この電子放出源１２との間で高電圧を印加して電子放出源１２から放出された電子を加速衝突させて発光する蛍光体付き陽極１４と、電子放出源１２から電子を引き出すため電子放出源１２との間で引き出し電圧を印加する電子引出電極（制御電極）１６とを有する。

電子放出源１２は、基板１５上に電子放出材料として成膜されたカーボンナノウォール膜１８と、該カーボンナノウォール膜１８上に成膜されたナノダイヤモンド膜２０とにより構成されている。

基板１５は、図１の紙面を左右方向に延び、かつ、図１の紙面を垂直方向に延びる矩形形状をなす平面基板である。基板１５の材料はシリコン、石英、セラミック、金属、ガラス等により構成することができる。基板１５は平面基板を示しているが、立体的な基体、例えば円筒状体、球体であってもよい。

カーボンナノウォール膜１８は、高配向した多数のナノオーダの壁状炭素薄片（壁状部）の集合体が平面内に連成した成膜形態となっている。カーボンナノウォール膜１８は、電気伝導度の高いグラファイトに近い結晶構造を持ち、数十層のグラフェンシートからなり、電圧印加により端部である壁状部の上面で高い電界集中が起こって電子を放出するものである。カーボンナノウォール膜１８は熱的安定性、機械的強度に優れており、低真空環境下でも安定した電子放出特性を有する。カーボンナノウォール膜１８の壁状部は両側壁面と上壁面（端部）からなり、この上壁面に電界集中が起こって該上壁面から電子放出が行われる。カーボンナノウォール膜１８は、比較的低温でかつ１０^-1ないし１０^-2Ｐａ程度の低真空環境下でも電子放出が行われるなど、環境負荷が極めて小さい。

ナノダイヤモンド膜２０は、粒子サイズが１００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子からなるものであり、カーボンナノウォール膜１８の凹凸表面を反映しない鏡面ないしはほぼ鏡面状の平滑、平坦な膜表面に直流プラズマＣＶＤにより成膜して構成されている。この直流プラズマＣＶＤは周知であるので詳細を略する。ナノダイヤモンド膜は、ナノメートルオーダーの微細な結晶粒子からなる、表面が平滑な膜からなり、直流プラズマＣＶＤにおける原料（反応）ガスには例えば炭化水素と水素の混合ガスを用いることができる。ナノダイヤモンド膜２０は、ダイヤモンド微粒子サイズが１ｎｍ未満では、微結晶質で粒界が多いか又は非晶質成分が多く、ダイヤモンドが有する固有の特性が得られない。また、粒径が１００ｎｍ以上では、表面の凹凸が大きくなりすぎる。ただし、ナノダイヤモンド膜２０は、１ｎｍ未満、１００ｎｍを超えるダイヤモンド微粒子を完全に排除することが必須となるものではなく、１ｎｍ未満、１００ｎｍを超えるダイヤモンド微粒子がわずかに存在することも可能である。ナノダイヤモンド膜２０は、それを構成するダイヤモンド微粒子のサイズが１００ｎｍ以下であるため、膜表面は平滑平坦となっている。

蛍光体付き陽極１４は、ガラス基板２２の内面に平面形状の陽極２４がＩＴＯやアルミニウム等の金属をスパッタリングやＥＢ蒸着等により薄膜状にして形成されているとともに、スラリー塗布法、スクリーン印刷、電気永動法、沈降法等により蛍光体２６が膜状に形成されて構成されている。

電子引出電極１６は、ナノダイヤモンド膜２０の膜表面にリソグラフィ技術により成膜された、ＳｉＯ₂等の絶縁膜２８上に形成されている。

以上の絶縁膜２８と電子引出電極１６の成膜に際しては、ナノダイヤモンド膜２０の膜表面が平坦であるために、その成膜が容易であるとともに、成膜後のマスクを用いたリソグラフィ技術による選択除去によりナノダイヤモンド膜２０上に容易かつ高精度に電子引出電極１６を形成することができる。

図２を参照して電子放出源１２の製造を説明すると、図２（ａ）の基板１５上に図２（ｂ）で示すようにカーボンナノウォール膜１８を直流プラズマＣＶＤにより成膜する。次いで、図２（ｃ）で示すようにカーボンナノウォール膜１８の膜表面に同じく直流プラズマＣＶＤによりナノダイヤモンド膜２０を成膜する。次いで、図２（ｄ）で示すようにナノダイヤモンド膜２０上の全面に絶縁膜２８を所要の膜厚に成膜するとともにリソグラフィ技術により開口し、次いでその絶縁膜２８上に電子引出電極１６を所要の膜厚に成膜する。絶縁膜２８が形成されていないナノダイヤモンド膜２０の膜表面は開口２９している。すなわち、図２の製造においては、ナノダイヤモンド膜２０の平坦な膜表面上に絶縁膜２８が成膜され、この絶縁膜２８上に電子引出電極１６が形成され、カーボンナノウォール膜１８の凹凸膜表面から放出された電子が、絶縁膜２８が成膜されずにナノダイヤモンド膜２０の膜表面が露出した開口領域から放出可能とされた電子放出源１２の構成を得ることができる。

図２の構成を備えた電子放出源１２においては絶縁膜２８の材料であるＳｉＯ₂は成膜しにくいので、図３で示すように電子放出源１２を製造することができる。すなわち、図３（ａ）の基板１５上に図３（ｂ）で示すようにカーボンナノウォール膜１８を直流プラズマＣＶＤにより成膜する。次いで、図３（ｃ）で示すようにカーボンナノウォール膜１８の膜表面に直流プラズマＣＶＤによりナノダイヤモンド膜２０を成膜するとともに、ナノダイヤモンド膜２０の膜表面を酸素原子で終端する。そして、ナノダイヤモンド膜２０上の全面に成膜した電子引出電極１６を、マスクを用いたリソグラフィ技術で電子引出電極１６の電子放出領域を選択除去して図３（ｄ）で示すようにナノダイヤモンド膜２０の膜表面を開口２９して露出する。次いで、図４で示すように電子引出電極１６とその周囲を含む第１表面領域３２と、それ以外の第２表面領域３４とに分け、マスクで覆った第１表面領域３２を酸素原子で終端された表面領域とし、マスクで覆っていない第２表面領域３４を水素プラズマにより水素原子で終端された表面領域とする。これによって、第１表面領域３２上に電子引出電極１６が形成される一方、第２表面領域３４がカーボンナノウォール膜１８の凹凸膜表面から放出される電子の放出領域とされた電子放出源１２を得ることができる。

以上においては、電子引出電極１６に例えば３ｋＶないし１０ｋＶの電圧が印加され、陽極２４に電子放出源１２との間で例えば１０数ｋＶないし１００ｋＶの高電圧が印加されることにより、カーボンナノウォール膜１８の凹凸表面から電子が引き出されてナノダイヤモンド膜２０を介して陽極２４に向けて放出させられて、蛍光体２６に電子衝突して該蛍光体２６を励起発光させることができる。

以上説明したように本実施の形態においては、カーボンナノウォール膜１８の凹凸表面から電子放出するに際して、カーボンナノウォール膜１８上にナノダイヤモンド膜２０が成膜されているので、カーボンナノウォール膜１８の機械的強度をナノダイヤモンド膜２０により補強することができることになり、安定した電子放出が可能となる。そして、このナノダイヤモンド膜２０は、粒子サイズが１００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子からなるために、その膜表面が、カーボンナノウォール膜１８の凹凸表面を反映しない平坦に成膜され、ナノダイヤモンド膜２０表面に電子引出電極１６を容易かつ高精度に蒸着等により成膜することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

本発明の実施の形態に係る電子放出源を組み込んだディスプレイの構成を示す断面図である。 図１の電子放出源の製造を説明するための工程断面図である。 図１の電子放出源の他の製造を説明するための工程断面図である。 図３の電子放出源の製造の説明のための工程平面図である。

符号の説明

１０ ディスプレイ
１２ 電子放出源
１４ 蛍光体付き陽極
１５ 基板
１６ 電子引出電極
１８ カーボンナノウォール膜
２０ ナノダイヤモンド膜
２２ ガラス基板
２４ 陽極
２６ 蛍光体
２８ 絶縁膜

Claims (2)

1. 基板上に多数のナノオーダの壁状炭素薄片が平面方向に集合連成された形態のカーボンナノウォール膜が電子放出材料として成膜され、
   該カーボンナノウォール膜上に粒子サイズが１００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子からなるナノダイヤモンド膜がカーボンナノウォール膜の凹凸表面を反映しない平坦な膜表面に成膜され、
   ナノダイヤモンド膜の膜表面の一部に絶縁膜が成膜され、この絶縁膜上に電子引出電極が形成されている、
   ことを特徴とする電子放出源。
2. 基板上に多数のナノオーダの壁状炭素薄片が平面方向に集合連成された形態のカーボンナノウォール膜が電子放出材料として成膜され、
   該カーボンナノウォール膜上に粒子サイズが１００ｎｍ以下のダイヤモンド粒子からなるナノダイヤモンド膜がカーボンナノウォール膜の凹凸表面を反映しない平坦な膜表面に成膜され、
   上記ナノダイヤモンド膜の膜表面の一部に酸素終端して絶縁性とされた表面領域が形成され、この表面領域上にのみ電子引出電極が形成されている、
   ことを特徴とする電子放出源。

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