JP5011619B2 - 電子放出膜および電界電子放出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子源として機能する電子放出膜、および電子放出膜を備えた電界電子放出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電子放出膜を用いた各種の電界電子放出装置が提案されている。電子放出膜としては、例えば、ダイアモンド膜、ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）膜、ホトレジスト用有機膜を焼成したカーボン膜、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）膜がある。ＣＮＴ膜は、１９９１年に飯島が発見した材料である（「Ｎａｔｕｒｅ」３５４巻，５６−５８ページ（１９９１年）参照）。ここで、ＣＮＴ膜について詳しく述べる。
【０００３】
ＣＮＴは、ナノスケールからサブミクロンスケールの直径を持つ炭素原子からなる繊維状結晶である。長さ方向は、ミクロンスケールからミリメートルスケールである。曲げられたグラフェンシートが一重の筒状の形状となっている中空構造の単層カーボンナノチューブや、グラフェンシートが多層重なっている多層カーボンナノチューブが報告されている。また、筒の内部が各種物質で充填されているＣＮＴも報告されている。筒の軸が充填されているＣＮＴの製造方法の一例として、特開２０００−３２７３１７号公報に記載された製造方法がある。
【０００４】
グラフェンシートが繊維状形状の軸に直交する方向に重なっている構造や、繊維状形状がコイルのように巻いた形状のナノコイルと呼ばれる構造も存在する。このように、カーボンナノチューブは、狭義のカーボンナノチューブ（単層、多層）の他にも、類似した構造が各種報告されている。本明細書では、類似構造も含めてカーボンナノチューブと呼ぶ。また、カーボンナノチューブと同様の構造を持つが、構成元素が異なるものも各種報告されている。例えば、ボロンナイトライド（ＢＮ）やシリコンのナノチューブが報告されている。
【０００５】
上記のものは、元素は異なっていても、繊維状形状で先鋭な先端を持つという特徴が共通であるため、以下、広義にカーボンナノチューブ、またはＣＮＴと呼ぶが、構成元素の異なるものも含む。
【０００６】
ここでのＣＮＴ膜とは、繊維形状体であるＣＮＴが複数個存在することで、ほぼ膜形状となっている物体のことである。なお、ＣＮＴだけが集結して、ほぼ膜形状となっている場合もあるが、ＣＮＴにバインダーを含ませて、ほぼ膜形状にしている場合もある。ＣＮＴ膜の形成については、特開２００１−１４３６０２号公報において、「ビークル」と呼ぶバインダーを含ませた技術が公開されている。ビークルの成分は、酢酸イソアミル％とニトロセルロース１％である。
【０００７】
電界電子放出装置として最も単純な構造の一例が、特開２００１−１４３６４５号公報に開示されている。この公報には、カソードパネルと、そのカソードパネルから放出された電子の照射を受けて発光する蛍光体の構成が示されている。図３２は、カソードパネルの典型的な構成を示している。同図に示すカソードパネル１０００は、ガラス基板１００１の片面に金属配線１００３が形成されていて、この金属配線１００３の上に、電子放出膜としてＣＮＴ膜１００４が固着されている。
【０００８】
特開２００１−１３０９０４号公報は、ＣＮＴ膜を基板に固着させる方法を開示している。その他、電子放出膜の固着方法として様々な方法が提案されている。例えば、スプレー塗布して、真空中でアニールすることで、ＣＮＴ膜を下地金属膜に固着する方法等が公開されている。特開２００１−１１０３０３号公報は、ＣＮＴを膜状に電着する技術を開示している。また、特開２０００−３５３４６７号公報は、電子放出膜を基板に選択的に固着させる方法を開示している。
【０００９】
ＣＮＴ膜の表面の性質を変える方法についても、各種の報告がなされている。例えば、ＣＮＴ膜の表面導電性を補うために金属コーティングを施す方法が、特開２００１−０９６４９９号公報に開示されている。また、表面を電子放出し易い表面に改質する方法として、特開２００１−０３５３６０号公報に開示されたものがある。この技術は、ＣＮＴ膜の表面に紙を接触させて、紙とＣＮＴ膜とを一体化させた後、この紙を引き剥がす作業を行う際、ＣＮＴの一部を一緒に引き剥がすことで、ＣＮＴ膜内部の繊維状構造を表面にむき出させるものである。
【００１０】
特開２００１−１４１０５６号公報は、キャスティングやモールディングによる整列法（配向させる方法）について紹介している。特開２００１−１１８４８８号公報は、エミッタ膜の端部からの電子放出を防ぐための絶縁膜について開示している。
【００１１】
特開２０００−３４００９８号公報、特開２０００−２４３２１８号公報、特開２００１−１４３６０２号公報には、電子放出膜を用いた電界電子放出装置についての技術が開示されている。これら３つの公報に記載された技術は、ノーマルゲート型と呼ばれる構造に関する技術である。
【００１２】
ノーマルゲート型では、電界放出の原理で電子放出膜から電子を引き出すために電界を印加する目的で、電子放出膜の上部にゲート電極が配置されている。このゲート電極と電子放出膜との間には、電子を放出する領域（エミッタホール）を除いて、絶縁膜が置かれている。エミッタホールでは、ゲート電極と絶縁膜が取り除かれていて、電子放出膜の表面が真空に晒されている。なお、電子放出膜を用いた電界電子放出装置は、上記のノーマルゲート型の他、サスペンドゲート型、アンダーゲート型と呼ばれる構造のものも考案されている。
【００１３】
図３３は、従来のサスペンドゲート型のカソードパネルの一例を示している。同図に示すカソードパネルは、ＣＮＴ膜１０１４の表面が立毛表面１０１５になっており、その上部には、グリッド電極１０１６が配された構造を有する。すなわち、このＣＮＴ膜１０１４は、上記の特開２００１−０３５３６０号公報に開示された方法や特開２００１−１４１０５６号公報に示されているキャスティングやモールディングによる整列法（配向させる方法）によって「立毛表面」にしたＣＮＴ膜であり、その上にグリッド電極１０１５が配置されている。
【００１４】
なお、本明細書において、「立毛表面」と呼ぶＣＮＴ膜の表面状態は、細長いカーボンナノチューブが、膜表面に対してほぼ垂直方向に、数多く突き出す姿勢で並んでいる。これは、髪の毛が立っている状態を連想させる姿勢である。他の文献では、「立毛表面」を「整列」や「配向」と呼ぶ場合がある。より厳密には、立毛表面と整列や配向とは同じではないが、概ね同等の状態を表現している。
【００１５】
図３４は、アンダーゲート型のカソードパネルの構造例を示している。同図に示す構造のカソードパネルは、ＣＮＴ膜１０２４よりも下方に、電子放出制御のためのアンダーゲート１０２７が配置されていることを特徴とする。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した電子放出膜を電子源として用いた電子放出装置において、例えば、電子放出膜としてのＣＮＴ膜のエッジ部分から放出される電子が、平坦なＣＮＴ膜の表面よりも異常に多く（少なくとも２倍以上）、かつ、軌跡の曲がった電子が放出される場合、そのことが、フィールド・エミッション・ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Display）としての表示解像度を劣化させる原因となる、という問題がある。
【００１７】
また、エッジ部分からの電子放出特性は、そのエッジ部分の形状に大きく依存するため、電子放出の安定性や再現性、画素（個々のＣＮＴ膜）間について、特性のバラツキが大きいという問題もある。
【００１８】
このように、電子放出膜表面の内、その一部の面からの電子放出は抑制しなければならない場合があるが、上記従来の技術では、電子放出面の一部の電子放出特性を向上させたり、あるいは抑制することはできない。
【００１９】
上記の特開２００１−１１８４８８号公報には、エミッタ膜の端部からの電子放出を防ぐための絶縁膜について、技術的な説明がなされているが、この技術は、単にゲート絶縁膜の形状を工夫したものである。すなわち、この公報に記載の技術では、エミッタホールの底部において露出している電子放出面（ＤＬＣ膜等の露出表面）を、さらに細かく部分に分けて、その部分毎に電子放出特性を制御する工夫はなされていない。
【００２０】
結局、従来の技術では、電子放出面をさらに部分に分けて、その表面の電子放出特性を変えることは行われておらず、そのため、電子放出特性を制御する必要がある最小面積に切り出したり、絶縁膜等を被せることで、微細パターニングしなければならない。特に、電子放出膜を微細パターニングすると、上述したエッジ部の問題が顕著になり、かつ、下地と膜との密着性が乏しくなるという問題もある。
【００２１】
本発明は、上述の課題に鑑みなてされたものであり、その目的とするところは、電子放出面の一部の電子放出特性を向上させたり、あるいは逆に抑制することのできる電子放出膜、およびその電子放出膜を有する電界電子放出装置を提供することである。
【００２２】
また、本発明の他の目的は、無効電子の発生がなく、異常放電が起こりにくい電界電子放出装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、基板上に形成され、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、
前記基板上に細長い結晶が形成され、前記電子放出を促進する領域に対応する細長い結晶が立毛状態とされ、前記電子放出を抑制する領域に対応する細長い結晶が絶縁物質でカバーする以外の手段・方法により伏毛状態とされている電子放出膜を提供する。
【００２４】
他の発明によれば、基板上に形成され、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に仕事関数の高い物質であるグラファイト膜がストライプ状に形成されることにより、前記電子放出を促進する領域中に前記電子放出を抑制する領域として基板露出部が点在し、更にエッジ部分がニッケル金属で覆われて前記電子放出を抑制する領域となっている、ことを特徴とする電子放出膜を提供する。
【００２９】
また、他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が膜の平均表面に沿った方向に配向処理されたことにより伏毛状態とされている、ことを特徴とする電子放出膜が提供される。
【００３０】
また、他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が接着剤を塗布されて引っ張られ切断されて長さが短い、ことを特徴とする電子放出膜が提供される。
【００３１】
他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が接着剤を塗布されて引っ張られて細径化され切断されて先端が先鋭化している、ことを特徴とする電子放出膜が提供される。
【００３２】
また、他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する中間領域と、電子放出を抑制する最内周領域及び最外周領域領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、伏毛状態に対して立毛状態の割合が高くなるように前記基板上に形成され、さらに前記最内周領域と前記最外周領域では伏毛状態に処理されたことにより立毛状態に対して伏毛状態の割合が高いことを特徴とする電子放出膜電子放出膜が提供される。
【００３３】
また、他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する中間領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に繊維状構造が立毛状態に形成され、かつ、前記中間領域の繊維状構造が導電性膜で覆われ先端が先鋭化され、その導電膜の導電率が、他の領域における導電率よりも大きいことを特徴とする電子放出膜が提供される。
【００３７】
また、他の発明は、上記のいずれかに記載の電子放出膜を備え、その電子放出膜の所定領域の表面、または側面の一部が絶縁膜に接して配置されている電界電子放出装置を提供する。
【００３８】
他の発明によれば、上記いずれかに記載の電子放出膜を備え、その電子放出膜の周辺部の一部を含む第１の領域、または中央部の一部あるいは周辺部を含まない第２の領域、または周辺部の一部を含み、かつ中央部の一部あるいは周辺部を含まない第３の領域の表面、または側面の一部が絶縁膜に接して配置されている電界電子放出装置が提供される。
【００３９】
好ましくは、上記電界電子放出装置の電子放出膜の側面および端部が導電性膜で覆われている。また、好ましくは、上記絶縁膜の上面の一部にゲート電極が配置されている。
【００４０】
好適には、電界電子放出装置のゲート電極に設けられた孔に対する、そのゲート電極の縁部分が、上部方向に開く斜面形状を有する。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。ここでは、本発明に係る電子放出膜について、その特徴ごとに分けて、実施の形態を説明する。
【００４２】
［第１の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に形成され、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に細長い結晶が形成され、前記電子放出を促進する領域に対応する細長い結晶が立毛状態とされ、前記電子放出を抑制する領域に対応する細長い結晶が絶縁物質でカバーする以外の手段・方法により伏毛状態とされている、ことを特徴とする。この特徴を備える場合、電子放出膜の１つの領域表面について仕事関数の高い表面にする、または、電界集中する先鋭構造を減少あるいは除去する、または、先鋭構造について単位面積を疎にすること、または、これらを同時に行うことで、低い電界では電子を放出しないようにしている。
【００４３】
このことで、電子放出面の内、上記の１つの領域表面以外の面（他の領域表面）と比較して、高い電界で電子を放出する電子放出膜を備えた電界電子放出装置を実現する。仕事関数の高い表面にするための手段として、その表面に高仕事関数の材料を極薄膜蒸着する等の表面修飾を行うものがある。例えば、酸素ガスや窒素ガス雰囲気で表面を酸化、または窒化することで、仕事関数を高くすることができる。
【００４４】
その際、特定の表面にだけレーザー照射や電子線照射をすることで、その表面のみを選択的に反応させることもできる。また、例えば、イオン打ち込みによって打ち込んだ表面のみを、仕事関数の高い表面に改質することもできる。イオン照射後に照射ダメージを回復する熱処理を行う場合もあれば、ダメージを意図的に残存させる場合もある。
【００４５】
先鋭構造を減少させる方法としては、表面を研磨する方法や化学的にエッチングする方法がある。イオンミリングで表面を平坦化する方法もある。また、イオンのエネルギーを調整することで、平坦化を極めていくこともできる。例えば、凹凸の激しい膜に対しては、重いイオンを高いエネルギーで照射することで、段差を減少させ、その凹凸が減少した段階で、軽いイオンを低エネルギーで照射するように切り替える。こうすることで、表面の微細構造を潰していく。
【００４６】
電子放出膜について、その一部の表面が他の表面よりも低い電界で電子放出する特徴を備える場合、電子放出膜の表面の一部について仕事関数の低い表面にしたり、あるいは、電界集中する先鋭構造を増加させたり、あるいは、先鋭構造をさらに先鋭化させたり、あるいは、仕事関数の低下と先鋭化の両方を行うことで、低い電界では電子を放出しないようにする。
【００４７】
このようにすることによって、電子放出面の内、上記１つの領域表面以外の面（他の領域表面）と比較して、高い電界で電子を放出する電子放出膜を備えた電界電子放出装置を実現できる。仕事関数の低い表面は、その表面に低仕事関数の材料を極薄膜蒸着する等の表面修飾を行うことで実現できる。また、例えば、上述したものとは異なる条件で、酸素ガスや窒素ガス雰囲気で表面を酸化、または窒化することで、上記とは反対に仕事関数を低くすることができる。
【００４８】
その際、特定の表面にだけレーザー照射や電子線照射することで、その表面のみを選択的に反応させることができる。また、例えば、上述した条件とは異なる条件でイオン打ち込みして、打ち込んだ表面だけを、仕事関数の低い表面に改質することもできる。イオン照射後に照射ダメージを回復する熱処理を行う場合もあれば、ダメージを意図的に残存させる場合もある。
【００４９】
仕事関数を高くしたり、あるいは低くしたりすることは、元来、その表面が備える仕事関数に対して、その後、付加する表面の仕事関数が相対的に高いか、低いかによる。各種材料は、その仕事関数が実測されて、データが整備されているので、目的に合わせて、表面に新たな表面を付加させるようにする。
【００５０】
膜によっては、ダメージ（欠陥等）が残存すると仕事関数が高くなるものもあれば、逆に低くなるものもある。あらかじめ、その傾向が明らかなものは、その傾向を期待した処理を行って所望の仕事関数を得る。傾向が明らかでないものも、ダメージを与えた後の結果について予備実験を行い、変化の傾向を把握した後、実際の電界電子放出装置に適用することで、所望の仕事関数が得られる。
【００５１】
先鋭構造を増加させる方法としては、表面を化学的にエッチングする方法がある。様々な材料が混在した電子放出膜では、エッチャント（腐食液）を選択することで、膜が部分的にエッチングされ、凹凸が付くことになる。また、イオンミリングで表面を荒らす方法もある。イオンのエネルギーを調整することで、荒らしていくことができる。
【００５２】
例えば、重いイオンを、照射密度が低く、高いエネルギーで照射することで、照射された部分だけが深く掘られ、また、その深く掘られた際の膜構成材料が、その周辺に再付着して隆起することで、膜表面に凹凸が付く。イオン照射と化学エッチングを組み合わせる場合もある。あらかじめ電子放出膜にイオンを照射して、所々に欠陥を発生させておき、その後に化学エッチングすると、欠陥部分のエッチングが促進されてエッチピットが生じる。
【００５３】
［第２の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に形成され、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に仕事関数の高い物質であるグラファイト膜がストライプ状に形成されることにより、前記電子放出を促進する領域中に前記電子放出を抑制する領域として基板露出部が点在し、更にエッジ部分がニッケル金属で覆われて前記電子放出を抑制する領域となっている、ことを特徴とする。この構成の場合には、例えば、仕事関数を下げるため、表面にセシウム（Ｃｓ）を堆積させる。仕事関数が低下（または、高くなった）表面は、電子放出特性だけでなく、光電特性においても、その変化を確認できる。
【００６３】
［第３の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が膜の平均表面に沿った方向に配向処理されたことにより伏毛状態とされている、ことを特徴とする。
【００６４】
第３の特徴を備える場合、例えば、繊維状構造を膜の平均表面に沿った方向に配向させる。繊維状構造の一部を水分で濡らして、表面張力の作用で水平方向に配向させる。水平配向させる領域のみに、スプレーでエタノールを塗布させたり、あるいはスクリーン印刷によって、一部のみにゲル状物質を塗布して、その重力で押しつぶしたまま、固化させたりする。
【００６５】
上記のゲル状物質は、繊維状構造を水平方向に配向させた後に、焼成工程で気体として除去する場合がある。また、水平方向に配向させる方法としては、ローラーやスキージによって、物理的に押し付ける方法がある。物理的に押し付ける場合、その接触が解ける瞬間、すなわちローラー等が離れる瞬間に、繊維状構造がローラー等と一体となって引っ張り上げられて、却って立毛表面状態になる場合がある。
【００６６】
これを防ぐため、ローラー等の表面を滑らかにして、繊維状構造が付かないように工夫したり、ローラー等の表面と繊維状構造（例えば、カーボンナノチューブ）とが、互いに反発するように帯電させたり、帯磁させたりする。エアーブローと組み合わせて、ローラー等に密着して立毛になろうとしている繊維状構造をローラー等から引き剥がしたり（吹いて剥がしたり）、または、密着して立毛表面状態になってしまった繊維状構造を吹き飛ばして除去する。
【００６７】
繊維状構造を、液体の表面張力によって膜面に押し付けたり、金属膜を蒸着して、「伏毛表面」状態にする方法もある。ここで、「伏毛表面」状態とは、繊維状構造が膜に平行な方向に配向することで、電界集中が起こりにくくなる状態を指す。このことで、電子放出が抑制される。しかし、その部分の耐電圧が向上するという効果もある。
【００６８】
先鋭な構造があると、その部分が放電の起点となる可能性が高くなる。伏毛状態にしておくと、この起点を隠す効果がある。繊維状構造の先端（末端）は、結晶の完全性が乏しいため、仕事関数が低い性質を持つ場合がある。仕事関数が低い先端部分を隠す効果によって、電子放出を抑制したり、耐電圧を向上させることができる場合がある。
【００６９】
結晶の完全性が乏しい場合、構造的に不安定であり、その構造が容易に破壊されてガス放出の原因になる場合がある。このような構造の先端を隠すことで、耐電圧を向上させることができる場合がある。ここで、「隠す」と表現している作用を、より厳密に説明する。すなわち、高電界な領域から外すこと、または、高電界な領域で、その電界をさらに高電界に作用させる状態から外すことを、「隠す」と表現している。
【００７０】
伏毛表面状態にすることで、導電性の電子放出膜に埋もれさせることができるので、先端における電界集中を防ぐことができる。つまり、伏毛表面状態にすることで、等電位面に沿った方向に繊維状構造の長軸を合わせることになる。そのため、繊維状構造の先端部での電界集中効果を少なくすることができる。
【００７１】
［第４，第５の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が接着剤を塗布されて引っ張られ切断されて長さが短い、ことを特徴とする。また第５の電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が接着剤を塗布されて引っ張られて細径化され切断されて先端が先鋭化している、ことを特徴とする。
【００７２】
粘着材をその表面に接触させて、繊維状構造の一部を引きちぎって、取り去ることで、その切断面が先鋭になる。引きちぎられた部分は、上記の作用前よりも細い繊維となる。引っ張られることで、繊維状構造が伸ばされ、細い形状になる場合もある。また、一部分にエッチングやイオン照射を行い、繊維状構造の一部を除去することで、細い繊維の割合を増やすことができる。
【００７３】
繊維が細くなることで、電界集中効果が高まる。また、細くする作用によっては、先端部分の表面状態が変化して、仕事関数が低下し、電子放出特性が向上する場合もある。
【００７４】
［第６の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する中間領域と、電子放出を抑制する最内周領域及び最外周領域領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、伏毛状態に対して立毛状態の割合が高くなるように前記基板上に形成され、さらに前記最内周領域と前記最外周領域では伏毛状態に処理されたことにより立毛状態に対して伏毛状態の割合が高いことを特徴とする。
【００７５】
電子放出膜が第９の特徴を備える場合、水平方向に配向している繊維の割合が少ない中間領域では、垂直方向に配向している繊維の割合が相対的に大きいので、この中間領域からの電子放出が、他の領域よりも多くなる。
【００７６】
電子放出膜の周辺に、絶縁膜を介してゲート電極を備えることに加えて、電子放出膜に対向する位置に蛍光スクリーンを配置した三極管構造において、電子放出膜が、この第９の特徴を備える場合、絶縁膜の近傍の領域における水平配向の割合が多いので、そこでの電子放出が抑制される。
【００７７】
上記の領域から放出される電子は、絶縁膜に飛び込んで、チャージアップさせたり、あるいは、ゲート電極に飛び込んで蛍光スクリーンに届かない場合がある。そのため、このような無効、かつ、故障原因になる可能性のある領域からの電子放出を抑制する。
【００７８】
一方、最内周領域では、ゲート電極での制御が効き難い。また、蛍光スクリーンに正の高い電圧を印加してしまうと、ゲート電極電位の如何に関わらず、蛍光スクリーンの電位によって、最内周領域から電子が放出してしまう「無制御電子放出現象」が起こる。このような最内周領域の繊維を水平配向させて、電子放出しにくい性質にしておけば、上記の無制御電子放出現象が抑制される。
【００７９】
［第７の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する中間領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に繊維状構造が立毛状態に形成され、かつ、前記中間領域の繊維状構造が導電性膜で覆われ先端が先鋭化され、その導電性膜の導電率が、他の領域における導電率よりも大きいことを特徴とする。
【００８０】
この特徴を備える場合、導電性膜で覆われた部分が帯電しにくくなるので、電子放出が促進される場合がある。以下、このことを詳しく説明する。帯電しやすい表面から電子が放出されると、放出した電子が、放出面に再付着して負電位に帯電する場合がある。負電位に帯電すると、その表面の電界が弱まり、電子放出が抑制されてしまう。
【００８１】
これに対して、表面が導電膜であれば、たとえ再付着した電子があっても、その電子は導電膜中を運ばれて取り除かれる。このことで、その表面は帯電することなく電子放出を継続できる。
【００８２】
領域が導電性膜で覆われた場合、その形状が、覆われる前に比べて凹凸が鈍化するか、あるいは鋭化するかによって、形状に起因した電子放出特性の変化の傾向が変わる。凹凸が鈍化すれば、電界集中効果が減少するので、電子放出特性は低下する。しかし、凹凸が先鋭化すれば、電界集中が促進される効果によって、電子放出特性は向上する。
【０１００】
以下、本発明の具体的な実施例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
［実施例１］
本発明の実施例１について説明する。本実施例に係るカソードパネルは、電子源であるＣＮＴ膜の中央部分のみから電子放出させ、周辺部分からは電子放出させないコールドカソードについての例である。
【０１０１】
図１は、本実施例に係る、コールドカソードのカソードパネルの側面図であり、図２は、その正面図である。図１に示すように、本実施例に係るカソードパネル１０は、ガラス基板１１、金属配線１２、ＣＮＴ膜１３で構成されている。ガラス基板１１は、その厚みが１ｍｍで、一辺の大きさが１０ｍｍである。また、金属配線１２は、図２に示すように、外部引出しパッド１６として２００μｍ角の領域を有し、そのパッドと、５００μｍ角のＣＮＴ膜下地部分１７との間を、幅５０μｍ、長さ２００μｍの配線１８でつないでいる。
【０１０２】
金属配線１２は、厚みが１μｍの金配線であり、その金の表面は、厚み１００ｎｍのチタンでコーティングされている。また、ＣＮＴ膜１３は、厚みが３μｍで、大きさは４００μｍ角である。ＣＮＴ膜１３の外周と金属配線１２の外周との距離は、５０μｍである。ＣＮＴ膜１３は、その周囲部分と中央部分とで、表面の性質が異なっている。すなわち、中央部は、ＣＮＴ膜表面に対してＣＮＴ結晶が垂直方向に配向して生えた表面を有している。その状態を図３に示す。
【０１０３】
図３に示すように、ＣＮＴ膜の中央部には、細長い結晶構造を有するシングルウォールカーボンナノチューブが、膜表面に対してほぼ垂直方向に数多く突き出す姿勢で並んでいる。これは、髪の毛が立っている状態を連想させる姿勢であるため、立毛表面状態と呼ばれる。図１，図２において、立毛表面１４として示した部分（ＣＮＴ膜１３の中央部分）は、図３に示す微細構造を有していることになる。
【０１０４】
一方、ＣＮＴ膜１３の周辺部分は、伏毛表面１５、すなわち、ＣＮＴの結晶（髪の毛に例えられる繊細な構造）が伏せた状態になっている。図４は、このように結晶が実際に伏せた状態を示している。同図に示す状態は、ＣＮＴ膜１３の表面に、アルミニウムを約６００ｎｍ被せた状態である。
【０１０５】
このように、ＣＮＴ膜１３の表面に、金属膜等の固体の膜を被せて伏毛表面を形成する場合もあるが、ＣＮＴ膜の表面に固体の膜を被せずに、伏毛表面を形成する場合もある。金属膜を被せないで伏毛表面を形成する例としては、ＣＮＴ膜をエタノールに浸漬する方法がある。なお、エタノールに限らず、イソプロピルアルコール、純水、塩酸等の液体に浸漬することで、伏毛表面になる。また、浸漬する方法以外に、スプレーでエタノールを噴霧する方法もある。
【０１０６】
これに類似する技術として、従来技術の中には、エッジ部分を絶縁物質でカバーする方法がある。しかし、この方法では、絶縁物質に放射電子やイオンが照射されることで、その絶縁物質がチャージアップし、電子の軌道が曲がったり、放電破壊のエネルギーが蓄積されたりする。本発明に係る技術は、このような絶縁膜を用いないものである。
【０１０７】
従来の他の類似技術によれば、作成したＣＮＴ膜が、部分的に電子放出が多かったり、少なかったりする場合がある。また、電子放出を報告する科学論文の記事に掲載されている電子放出現象は、大概、不均一な電子放出である。このような現象が、本発明に係る技術と一見類似した現象のように見られる懸念がある。すなわち、科学論文に掲載されている現象は、人工的でない不均一現象である。かかる現象は、ある時刻では、ある部分から電子が出ているが、しばらくすると、その電子放出点が消滅して、別の場所から電子放出するという現象である。この現象は、制御されていない、予想不可能な現象である。
【０１０８】
これに対して、本発明に係る技術は、例えば、表面張力を作用させて繊維構造を伏毛にするといった、人工的な作用によって、ある特定表面からの電子放出を抑制したり、あるいは反対に、ある特定の面の繊維構造を垂直に配向させて、電子放出を促進させたりする技術である。
【０１０９】
そこで、図２のカソードパネル１０を用いて、実際に蛍光体に電子を照射したときの様子を説明する。図５は、図２に示すカソードパネルを用いたフィールド・エミッション・ディスプレイ（ＦＥＤ）（電界放出型画像表示装置）を、破断線Ａ−Ａ’で切断したときの切断側面を示し、また、図６は、同じく破断線Ｂ−Ｂ’における切断側面図である。
【０１１０】
図５において、蛍光体２１として表した部分は、蛍光体と導電膜を組み合わせた構造を有する。この構造には、電流計２３を介して、電源２２の陽極が接続されている。また、カソードパネル１０の金属配線１２には、電源２２の陰極が接続されている。そして、カソードパネル１０と蛍光体２１は、１×１０-4Ｐａ〜１×１０-6Ｐａの範囲の圧力で、真空に維持してある。
【０１１１】
ＣＮＴ膜１３の中央部分の平坦部分から放出された電子は、図５において実線の矢印で示す電子軌跡として描いたように、蛍光体２１に向けて直進する。その結果、蛍光体２１に照射された電子は、蛍光体２１を励起発光させる。これに対して、膜のエッジ部から電子を放出させると、その電子は、同図において破線矢印で示すような電子軌道を描き、エッジから膨らんだ曲線状に飛行する。
【０１１２】
しかし、本実施例に係るカソードパネルでは、ＣＮＴ膜１３のエッジ部分（周辺部分）の表面を伏毛表面にして、電子を放出しにくくしているため、実際には、図５において破線で示すような電子放出は生じない。結果として、ＣＮＴ膜１３の平坦部からの電子放出だけが得られることになる。
【０１１３】
なお、ＣＮＴ膜１３は、ＣＮＴの直径がナノメートルオーダーで、かつ、マイクロメートルオーダーの長い筒形状の端部で電界集中が生じるので、低電界で電子が放出される。また、伏毛表面では、その端部が下向きや横向きになっており、隣接するＣＮＴ結晶と絡み合って、その下側に潜る位置にあったりすることで、電界が集中しにくい。一方、立毛表面では、その端部がＣＮＴ表面に対して垂直方向に立つ姿勢をとるので、電界が集中しやすい。
【０１１４】
図２のＢ−Ｂ’断面として、図６に示すＦＥＤは、図５に比べて金属配線１２の形状が異なる以外、その特徴は、図５に示すものと類似している。図６において、金属配線１２のパッド、およびそのパッドへのワイヤー（電源２２と金属配線１２とを結んでいる曲線）が存在することで、蛍光体２１と金属配線１２との間に形成される等電位面（図中、水平方向に延びる多数の線で示す）が、図６に示すように左右非対称である。すなわち、図６の右半分では、等電位面が上に凸であるが、左半分では、下に凸である。
【０１１５】
エッジ部から放出され、破線で描いた軌跡を辿る電子（上記のように、実際には放出されない）は、図６の右半分では、電子がＣＮＴ膜１３からはみ出す方向に曲がって飛行する。これに対して、左半分では、電子がＣＮＴ膜１３の中央方向に曲がって飛行する。
【０１１６】
以上説明したように、実施例１では、曲がって飛行する電子が放出される領域である、ＣＮＴ膜のエッジ部分を、伏毛表面にすることで、曲がる電子を放出しないコールドカソードを実現している。
【０１１７】
［実施例２］
図７は、実施例２に係るカソードパネルの側面を示している。同図に示すカソードパネル２５は、ＣＮＴ膜１３の表面状態を自在に制御した例であり、表面には、立毛表面部分１４と伏毛表面部分１５とが形成されている。図７では、３箇所の立毛表面を形成し、エッジを含めて４箇所の伏毛表面を形成してある。立毛表面１４からは、低電圧で電子放出される。このカソードパネル２５では、ＣＮＴ膜１３の表面のある部分（立毛表面）からは電子放出し、ある部分（伏毛表面）からは電子放出しないという特性を持たせられる。この特性を利用して文字表示する等の応用が可能である。
【０１１８】
そこで、文字表示について、図５に示す、上記実施例１に係るＦＥＤを利用して説明する。図５では、立毛表面部分１４からのみ電子が放出されて、それに対向する蛍光体部分２１が励起発光する。図７に示す構造のカソードパネル２５を、図５に示すように、蛍光体２１に対向する位置に配置すると、その立毛表面１４に対向する蛍光体だけが発光する。
【０１１９】
本実施例における、立毛表面と伏毛表面とを自在に形成する方法を説明する。まず、粘着テープをＣＮＴ表面に付着させて、それを引き剥がすことで、ＣＮＴ膜１３の表面全体を立毛表面にする。この作用は、フェルト生地にガムテープを付着させて引き剥がすと、その表面が毛羽立つ現象に類似している。全体が立毛表面になった後、金属プレート製のマスクを介して、ＣＮＴ膜上に部分的にエタノールをスプレー塗布する。その結果、エタノールで濡れた表面は、伏毛表面になる。
【０１２０】
立毛表面と伏毛表面を自在に形成する別の方法について説明する。まず、ＣＮＴ膜１３全体を純水に浸漬して、全体を伏毛表面にする。その後、スクリーンマスクを介して、粘着性のペーストを部分的にＣＮＴ表面に付着させる。ペーストを付着させる面が、立毛表面にしたい部分である。そして、粘着性のペーストを付着して乾燥・焼成した後に、そのペーストを引き剥がす。この引き剥がし時に、ＣＮＴ膜の極表面がペーストに付着して、ＣＮＴ膜から剥離される。この剥離の際、ＣＮＴ結晶が毛羽立って、立毛表面が形成される。
【０１２１】
［実施例３］
図８は、本発明の実施例３に係るカソードパネルの側面を示している。同図に示すカソードパネル３０の構造は、従来例として、図３２に示すカソードパネルと同様の構造を有する。しかし、本実施例に係るカソードパネルは、エッジ部分を導電性カバー２６で覆っていることが特徴である。
【０１２２】
導電性カバー２６は、６００ｎｍ厚のアルミニウム金属である。なお、このカバーは、厚みが５ミクロンの銀ペースト膜の場合もある。図８に示すように、導電性カバー２６は、ＣＮＴ膜１３の側面も覆っている。さらに、導電性カバー２６は、金属配線１２とも接触している。
【０１２３】
導電性カバー２６は、ＣＮＴ膜１３の側面も含むエッジ部分全体を覆うことで、エッジ部分からの電子放出を抑制している。また、この導電性カバー２６は、ＣＮＴ膜表面がチャージアップすることも防いでいる。例えば、ＣＮＴ膜１３が、バインダー等の絶縁物を含む場合には、ＣＮＴ膜自体の導電性が悪くなる。このように導電性の悪いＣＮＴ膜表面に、イオンや電子が照射された場合、ＣＮＴ膜表面がチャージアップして、電子が出にくくなったり、膜表面が放電破壊することがある。導電性カバー２６は、ＣＮＴ膜１３の表面と金属配線１２との導通を補助する作用がある。
【０１２４】
上記の構成によって、本実施例では、導電性カバー２６に接触したＣＮＴ膜１３の表面のＣＮＴ結晶が、横方向（表面に沿った方向）に電気伝導して、その表面のチャージアップを抑制する。
【０１２５】
［実施例４］
図９は、本発明の実施例４に係る、ノーマルゲート構造と呼ばれるカソードパネルの側面図である。同図に示すカソードパネル３５は、ガラス基板１１の上に金属配線１２が配置され、その上にＣＮＴ膜１３が堆積されている。ＣＮＴ膜１３の上方には、ゲート配線３１が配置されている。このゲート配線３１には、孔が設けられており、その部分をエミッタホール２７と呼ぶ。エミッタホール部分は、その底部においてＣＮＴ膜１３の表面が露出している。なお、エミッタホール２７以外の部分は、ゲート絶縁膜３２で覆われている。
【０１２６】
図９に示すカソードパネル３５では、ＣＮＴ表面が立毛表面１４になっている。そして、エミッタホール２７の端部付近が、導電性カバー２６で覆われている。ノーマルゲート構造では、エミッタホール２７の端部付近から電子が放出されると、ゲート絶縁膜３２に電子が飛び込んで、この絶縁膜３２がチャージアップを起こすという問題がある。そこで、本実施例では、図９に示すように、エミッタホール２７の端部付近を導電性カバー２６で覆うことで、電子放出を抑制している。
【０１２７】
本実施例に係るカソードパネルの例において、ＣＮＴ膜の表面を立毛表面にする方法について述べる。まず、ゲート配線３１側の表面に粘着シートを乗せたカソードパネル３５を、真空容器に入れる。この真空容器を、１０-1Ｐａ程度に真空引きして、粘着シートの上部をローラー状の器具で押し、粘着シートをＣＮＴ膜表面に接触させる。なお、この粘着シートは、粘着剤に導電性粒子（銀の超微粒子）を混ぜてあるので、粘着表面は導電性である。
【０１２８】
上記の状態で、ゲート配線３１と金属配線１２との間の導通を検査する。それらの間に導通があれば、粘着シートがＣＮＴ膜表面に接触していることになる。しかし、導通がなければ、その部分の押し付けをさらに強くして、導電性を持たせる。粘着シートによるゲート配線３１と金属配線１２との導通が確認できれば、粘着シートがＣＮＴ表面に接触したことが確認できたことになるため、真空容器の圧力を大気圧に戻した後、粘着シートを引き剥がす。
【０１２９】
上述した方法によって、ＣＮＴ膜が立毛になる。その際、銀の微粒子の一部がＣＮＴ膜表面に残存する。この微粒子は、ＣＮＴ膜の表面の導電性を増す効果がある。
【０１３０】
［実施例５］
本発明の実施例５について説明する。図１０は、本実施例に係るカソードパネル４０の側面図であり、同図に示すパネルは、グリッド電極で電子を電界放出させるコールドカソードの例である。なお、本実施例に係るカソードパネル４０は、従来例として示した、図３３に示すパネルと類似した構造を有する。
【０１３１】
図１０に示すカソードパネル４０において、グリッド電極３３の真下部分に位置するＣＮＴ膜１３の表面は、導電性カバー２８で覆われている。導電性カバー２８は、ニッケル金属を１００ｎｍスパッタ法で堆積させたものである。また、グリッド電極３３の開口部分に対応しているＣＮＴ膜１３の表面は、立毛表面である。
【０１３２】
このような構造のカソードパネルでは、グリッド電極３３の下にあるＣＮＴ膜１３からの電子放出が抑制される。結果として、グリッド３３の開口部分からの電子放出の割合が多くなる。かかる構造のカソードパネルを使用して、図５に示すＦＥＤに類似した構造のＦＥＤを組み立てて、その蛍光体を光らせると、蛍光体に対して選択的に電子を照射できる。よって、グリッドに流れてしまう無効電子放出（グリッド電流）の割合を低くすることができる。
【０１３３】
［実施例６］
本発明の実施例６について、図１０に示す、上記実施例５に係るカソードパネルを利用して説明する。実施例６は、導電性カバーを形成する際に、グリッド電極自身を蒸着源として使用する例である。
【０１３４】
図１０に示す構造のカソードパネルを形成し、そのカソードパネルを真空容器に入れて、グリッド電極３３を導電加熱する。その結果、グリッド電極自身が蒸発して、その周囲に金属を放出する。グリッド３３に近接しているＣＮＴ膜表面に、選択的に金属が堆積して、図１０に示すように、グリッド３３に対向する部分に導電性カバー２８が形成される。
【０１３５】
上記のグリッド蒸発による導電性カバーの形成は、どのような素材のグリッドでも実現できる。例えば、グリッド電極自身をタングステンで構成し、そのグリッド表面の内、ＣＮＴ膜に対向する部分にニッケルを付着させておくと、加熱時に、低融点金属のニッケルが選択的に蒸発するが、母材であるモリブデン金属は、蒸発しない。このようにして、本実施例では、低温で選択的に自己整合型の導電性カバーを形成することができる。
【０１３６】
［実施例７］
本発明の実施例７について、実施例６と同様、図１０に示す、上記実施例５に係るカソードパネルを利用して説明する。本実施例７では、図１０において導電性カバー２８として描かれた部分を、ＣＮＴ膜１３表面の伏毛表面で置き換える。そこで、その表面形成方法を説明する。
【０１３７】
まず、ＣＮＴ膜１３の表面全体を、湿度９０％の水蒸気雰囲気に１時間放置する。ＣＮＴ膜の表面を、周囲よりも低温（周囲温度３０℃、ＣＮＴ表面温度１０℃）にすると、ＣＮＴ表面に露滴が付着する。露滴が付着した後、このＣＮＴ膜（カソードパネル）を乾燥オーブンに移して、１００℃で乾燥させる。その結果、伏毛表面のＣＮＴ膜ができ上がる。
【０１３８】
次に、グリッド電極３３の上から粘着剤を塗布する。粘着剤は、スプレー噴霧やスクリーン印刷で塗布する。その後、粘着剤をキュアにより硬化してから引き剥がし、グリッド３３の開口部分を立毛表面にする。
【０１３９】
この開口部を立毛表面にする別の方法としては、グリッド３３の上方からサンドブラストする方法がある。サンドブラストの粒子は、直径が１μｍ〜５μｍの銅の微粉末を用いる。銅の微粉末が照射されたＣＮＴ表面は、その衝撃で荒れ、結果として、伏せていたＣＮＴ結晶が起き上がる。すなわち、その表面が立毛表面になる。
【０１４０】
［実施例８］
図１１は、本発明の実施例８に係るカソードパネルの側面を示している。同図に示すカソードパネル４５は、図１０に示す、上記実施例５等に係るパネルと類似した構造を有するが、導電性カバー２８が、グリッド電極３３の対向面、および開口部分の一部に形成されている。
【０１４１】
本実施例に係るカソードパネル４５では、グリッド電極３３への飛び込み電子を抑制することを最優先としている。ＣＮＴ膜１３の表面の内、グリッド電極３３に放出電子を飛び込ませる位置については、導電性カバー２８で覆って、電子放出を抑制する。
【０１４２】
［実施例９］
本発明の実施例９について、図１２を参照して説明する。同図に示すカソードパネル４７は、アンダーゲートと呼ばれるコールドカソードの例である。本実施例に係るカソードパネルが、図３４に示す、従来例としてのカソードパネル１０２０との相違点は、ＣＮＴ膜１３の表面の中央部分を、導電性カバー３４で覆っている点である。
【０１４３】
従来のアンダーゲート構造では、蛍光体（図５参照）に印加された正電圧によって、ＣＮＴ膜表面の中央部分から電子が放出されてしまう。この中央部分からの電子放出は、アンダーゲートの印加電圧では制御できない。このように、アンダーゲートで制御不可能な電子放出があると、蛍光体を光らせたくない場合にも、それが光ってしまうという問題がある。
【０１４４】
図１２に示す、本実施例に係るカソードパネル４７においては、アンダーゲート３６では制御不可能な電子放出をするＣＮＴ膜１３の表面を、導電性カバー３４で覆うことで、上記の問題を解決している。なお、図１２に示す構成に類似する例としては、導電性カバーで覆う代わりに、その部分のＣＮＴ膜を伏毛表面にするものがある。
【０１４５】
［実施例１０］
本発明に係る実施例１０について説明する。図１３は、本実施例に係るカソードパネル４９の側面図であり、ノーマルゲート構造において、エミッタホール２７の底部に電子放出しない孤立面を形成する例である。ここでは、ＣＮＴ膜１３の露出面の一部を、導電性カバー３８で覆う。本実施例に係るカソードパネル４９と、図９に示す、上記実施例４に係るカソードパネルとの相違点について説明する。
【０１４６】
図９に示すカソードパネルでは、導電性カバー２６で覆われている部分の内側に、立毛表面が存在しているのに対して、図１３に示すカソードパネルでは、立毛表面１４が存在する内側に、導電性カバー３８の領域が周囲から孤立して存在する。例えば、異常に電子放出が発生する場合、その部分を抑制する補修の結果として、図１３に示す構成となる。
【０１４７】
実際に電子放出させて、異常に多くの電子放出する部分に、インクジェットやレーザーＣＶＤ等の局所的に導電性膜を堆積する堆積法を用いると、上記のような孤立した状態になる場合がある。
【０１４８】
補修の場合とは別に、通常の製造プロセスにおいて、導電性孤立膜を形成する場合もある。浅底のエミッタホールの場合、底部の円周部分は、ゲート電極による制御が良く効く。一方、中央部分は、ゲート電極よりも、蛍光体の印加電圧により電子放出されてしまう。このため、浅底のエミッタホールを持つＦＥＤを製造した場合には、蛍光体の電圧を高くするとゲート電極の印加電圧如何にかかわらず、電子が常に放出されてしまうという故障状態が起こりかねない。この種の故障を防ぐものとして、エミッタホールの中央部分に導電性カバー膜を形成する例がある。
【０１４９】
図１４は、実際に試作したカーボンナノチューブＦＥＤのエミッタホール部分の断面図である。同図に示すように、ほぼ平坦なカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）膜１３をエミッタホールの底部に形成し、エミッタホール以外のカーボンナノチューブ膜は、絶縁膜４１で覆われている。ゲート配線４２は、絶縁膜４１の開口よりも若干大きい。
【０１５０】
エミッタホールの具体的な寸法は、絶縁膜４１の厚さが２０μｍ、絶縁膜開口が１００μｍ、ゲート配線はアルミニウム膜で、その膜厚は２００ｎｍであり、開口は１２０μｍである。絶縁膜開口とゲート配線開口の形状は、ともに真円で同軸である。
【０１５１】
本願出願人は、図１４に示す例とは異なる寸法のエミッタホールの試作も行った。その絶縁膜は、厚さが２μｍ〜３０μｍ、絶縁膜開口は、５μｍ〜２００μｍ、ゲート配線開口は、絶縁膜開口と同じか、あるいは２０μｍ大きいものまでについて、これらの内、３つの組み合わせ条件を各種試作した。また、これらの形状は、真円の他に楕円についても試作して、本発明の効果を確認した。
【０１５２】
図１５は、本実施例に係るカソードパネルのエミッタホール底部（図１４において、その中央部分の○印で示した部分）の拡大図である。図１５に示すように、エミッタホールの底部は立毛表面になっている。一方、絶縁膜で覆われたＣＮＴ膜は、図示しないが、伏毛表面状態になっている。伏毛表面にすることで、その上を覆う絶縁膜４１の形状を平坦にできる上、絶縁膜４１にＣＮＴ結晶が突き立っていない状態であるため、絶縁膜４１の耐電圧特性も良好である。すなわち、図１４に示す構造では、絶縁膜の下部分が伏毛になっていることに大きな特徴がある。
【０１５３】
スプレー塗布等でＣＮＴ膜を形成すると、ＣＮＴ膜の表面は、自然と毛羽立った状態になる。つまり、ある程度、垂直に配向した状態になる。これに対して、本発明のＣＮＴでは、スプレー塗布した後、純水を全面に霧状に塗布して、ＣＮＴ膜の表面を濡らし、その表面張力によって繊維状構造を水平に配向させている。
【０１５４】
別の例では、スピンコータで有機絶縁膜を塗布する際に、まず、その有機絶縁膜の溶媒だけをＣＮＴ膜表面に塗布して、その溶媒が蒸発する前に、連続的に有機絶縁膜を塗布する。こうすることで、繊維状構造を配向させた状態を形成して、その上に絶縁膜を堆積させる。エミッタ表面となるエミッタホール底の部分は、粘着テープを接触させて、垂直に配向させてある。
【０１５５】
［実施例１１］
本発明の実施例１１について説明する。本実施例は、グラファイト膜（不図示）による電子放出膜に関するものである。このグラファイト膜は、微細突起はないが、仕事関数が低い面を所々に露出させた構造を備えている。すなわち、仕事関数の低い領域が点在している膜である。
【０１５６】
上記のグラファイト膜をストライプ状にガラス基板上に堆積させ、そのエッジ部分をニッケル金属で覆う。その結果、エッジ部分からの電子放出は抑制されて、面の中央部分のみから、電子が放出される。
【０１５７】
［実施例１２］
図１６は、本発明の実施例１２に係る、カーボンナノチューブを用いたＦＥＤの構成（断面図）を示している。同図に示すＦＥＤ５０は、蛍光体を塗布した蛍光スクリーン５５に、真空中で電子線５８を照射する構造をとる。カソード配線５６の上には、ＣＮＴ膜５１を堆積してある。このＣＮＴ膜５１は、ゲート電極５３と絶縁膜５２の両方を円柱状に切り抜いて形成されたエミッタホール５４の底部に露出している。エミッタホール５４の寸法は、孔径が１０μｍ、高さが５μｍである。
【０１５８】
ＣＮＴ膜５１の最中央領域５７ａは、その膜の底面の中心を領域の中心として直径３μｍの範囲を占める。膜表面のＣＮＴ微細構造結晶は、伏毛の状態である。最中央領域５７ａに隣接し、それよりも一回り大きいドーナッツ状領域である中間領域５７ｂでは、ＣＮＴ膜表面が立毛状態になっている。このドーナッツ領域の内周の直径は３μｍで、外周直径は８μｍである。
【０１５９】
最外周領域５７ｃは、中間領域５７ｂに隣接しており、これよりも一回り大きいドーナッツ状領域である。この領域では、ＣＮＴ膜表面が伏毛状態になっている。ドーナッツ領域の内周の直径は８μｍで、外周直径は１０μｍである。そして、この最外周領域は、伏毛状態となって電子放出を抑制している。
【０１６０】
上記の構造を持つ結果、図１６に示すように、中間領域５７ｂからの電子放出が、他の領域５７ａ，５７ｃよりも多くなる。よって、蛍光スクリーン５５には、ドーナツ状に電子線が照射される。
【０１６１】
ここで、蛍光スクリーン５５には、６ｋＶ（ゲート電極５３の上方、２ｍｍの位置）が印加されていて、電子線を照射するモードでは、カソード配線５６には−１０Ｖ、ゲート電極５３には＋１０Ｖが印加されている。この状態で、カソード配線５６とゲート電極５３との間の電界は、２Ｖ／μｍで、蛍光スクリーン５５とカソード配線５６との間の電界（蛍光スクリーン電界）は、ほぼ３Ｖ／μｍである。
【０１６２】
本実施例に係るＦＥＤ５０は、ゲート電極５３が存在することで、最外周領域５７ｃ、および中間領域５７ｂでは、この蛍光スクリーン電界を遮蔽しているが、最中央領域５７ａでは、蛍光スクリーン電界が、ほぼそのまま印加されている。ここでは、蛍光スクリーン電界という高電界が、継続してかかることで、最中央領域５７ａからの電子放出が容易になる。この例では、最中央領域５７ａを電子が放出しにくい表面にすることで、ゲート電極電位で制御できない電子放出がないようにしている。
【０１６３】
最外周領域５７ｃでは、ＣＮＴ膜５１の表面形状によっては、電子が絶縁膜やゲート電極に飛び込んでしまう。そこで、この最外周領域５７ｃでは、電子が放出しにくい表面にすることで、飛び込み電子を抑制している。
【０１６４】
図１７は、本実施例に係るカソードパネルの製造プロセスを示している。最初に、同図の（ａ）に示す段階で、カソード配線５６上にＣＮＴ膜５１を堆積する。堆積の方法として、いくつか考えられる。例えば、シートを別の場所であらかじめ作成しておいて、それをカソード配線の上に乗せる。または、電着、ＣＮＴ粉末をスプレー噴霧することが挙げられる。
【０１６５】
ＣＮＴ膜は、一度エタノールに浸漬することで、エミッションがでなくなる。図１７の（ｂ）に示す段階では、凹凸の表面を備える粘着テープ５９を、ＣＮＴ膜５１の表面に押し付ける。その結果、粘着テープ５９の凸部５９ａと接触した領域が、立毛になる。なお、粘着テープの凸部パターンは、ドーナツ形状である。最後に、（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜５２とゲート電極５３を形成して、電子放出装置となる。
【０１６６】
［実施例１３］
本発明の実施例１３について説明する。図１８は、グラファイト系エミッション膜を用いた、本実施例に係るＦＥＤの構造を示す断面図である。本実施例に係るＦＥＤ６０は、ガラス基板上に形成した、厚さ１ミクロンの鉄配線６２の上に、グラファイト系エミッション膜６１を堆積する。この堆積はＣＶＤ法で行い、形成膜厚は１ミクロンである。
【０１６７】
エミッション膜６１の上には、アルミニウム製中央カバー６３を形成する。このカバー６３は、円状パターンを有し、その直径は１０ミクロンである。また、アルミニウム製中央カバー６３を挟むよう配された銀ペースト製周辺カバー６４は、図１９に示すように、ストライプ状のパターンを有する。各ストライプ幅は５０ミクロンである。このストライプは、ＦＥＤ６０のＲＧＢ配列に沿った方向に並べられている。
【０１６８】
アルミニウム製中央カバー６３を挟んでいる銀ペースト製周辺カバー６４の間隔は、３０ミクロンである。アルミニウム製中央カバー６３は、この間隔の中央に配置してある。なお、図１８は、上述したストライプ状パターンに直行した方向で、アルミニウム製中央カバー６３の中心を通る位置でＦＥＤを切断したときの断面図である。
【０１６９】
図１８に示すＦＥＤのグラファイト系エミッション膜６１の露出幅は、各１０ミクロンである。また、アルミニウム製中央カバー６３の膜厚は、１ミクロンである。一方、グラファイト系エミッション膜６１上における銀ペースト周辺カバー６４の厚みは、５ミクロンである。
【０１７０】
図１８に示すＦＥＤにおいて、グラフィト系エミッション膜６１の周辺には、絶縁膜６８、ゲート電極６５、およびエミッタホール６７が形成されている。このエミッタホール（孔）は、孔部分での実効絶縁膜厚が５ミクロンで、ゲート電極厚は８ミクロンである。また、エミッタホール６７の直径は、５０ミクロンである。アルミニウム製中央カバー６３は、このエミッタホール６７の中央部に配置されている。
【０１７１】
実効絶縁膜厚よりもゲート電極厚が厚い場合（図１８に示す場合）を、ゲート電極厚膜構造と呼ぶことにする。電極厚膜構造では、導電性のゲート電極が配置されている影響で、図１８に示すように、等電位面が複雑に歪んだ状態になる。グラファイト系エミッション膜６１の露出幅部分から放出された放射電子線は、この歪んだ等電位面に沿って、複雑に軌道を曲げて、最終的に蛍光スクリーン６６に到達する。
【０１７２】
なお、等電位面の歪みは、銀ペースト製周辺カバー６４やアルミニウム製中央カバー６３の存在も影響している。特に、膜厚が大きい銀ペースト製周辺カバー６４が与える影響が大きい。
【０１７３】
本実施例に係るＦＥＤにおける放射電子線は、図１８において、▲１▼，▲２▼，▲３▼で示したような軌道をとる。なお、▲４▼として破線で示した電子線の軌道は、実際には、エミッション膜がアルミニウム製中央カバーで覆われているため、電子は放出されないが、カバーで覆われていないと仮定した場合、エミッタホール６７の中心から放射され、▲４▼に示す軌道をとる。
【０１７４】
図２０は、図１８に示す構造を有するＦＥＤのカソードパネルを形成するプロセスの概要を示している。ここでは、グラファイト系エミッション膜６１の上を基板全面にアルミニウムをスパッタ堆積させ、その後、ホトリソグラフィー技術を用いて、不要な部分をエッチングする（図２０の（ａ））。次に、スクリーン印刷技術で、ストライプ状に銀ペーストを刷り込む（同図（ｂ））。そして、（ｂ）に示す構造の上に、絶縁膜６８とゲート電極６５を、スクリーン印刷技術で形成する（同図（ｃ））。
【０１７５】
図２１は、図１８に示すＦＥＤにおける各電子線のエミッション特性をグラフ化して示したもので、横軸がゲート−カソード間電圧、縦軸がエミッション電流の密度（単位：アンペア／ｍ2 ）である。ここでは、ゲート配線から１ｍｍ離れた位置に設置してある蛍光スクリーン６６に５ｋＶの電圧が印加されている。また、同図中、▲１▼，▲２▼，▲３▼，▲４▼は、電子放出位置を示しており（図１８参照）、それぞれエミッタホールの中心から１４ミクロン、１０ミクロン、６ミクロン、０ミクロンの位置である。
【０１７６】
ゲートホールの穴周辺部の▲１▼の特性と、穴中央部の▲４▼の特性とを比較すると、前者は、閾値が高電圧（３０Ｖ）にあり、その閾値以上の電圧で、より急激に放出電流が増加している。そして、周辺部から中央部に向かって、特性が少しづつ変化していることが分かる。▲２▼の特性は、閾値が２１Ｖ、▲３▼のそれは９Ｖである。
【０１７７】
図２２は、上記▲１▼〜▲４▼の領域における、実際の電子放出の総和を示している。ここで領域とは、隣接領域との距離の半分の位置までの領域を意味する。例えば、▲１▼は、▲２▼との境界である、穴の中心から１２．５ミクロンの円状境界よりも外側の部分からの電子放出である。また、▲２▼からの電子放出とは、中心から７．５ミクロン〜１２．５ミクロンのドーナツ領域から放出される電子を指す。なお、▲４▼の領域（覆い（カバー）のある中心領域）からは、実際には電子が放出されないが、その領域に覆いがないとした場合の電子放出量を示している。
【０１７８】
図２２から分かるように、全ての領域からの電子放出の総和（▲１▼＋▲２▼＋▲３▼＋▲４▼）に必要とするエミッション電流“Ａ”を得るには、５０Ｖのゲート−カソード間電圧が必要である。これを、パルス幅変調（ＰＷＭ）で得ようとして、ゲート−カソード間電圧（振幅）を設計すると、各２５Ｖ（カソード電圧Ｖｋは−２５Ｖ（ＯＮ）と０Ｖ（ＯＦＦ）のパルス、ゲート電圧Ｖｇは２５Ｖ（ＯＮ）と０Ｖ（ＯＦＦ）のパルス）となる。
【０１７９】
しかし、この設計では、ＯＦＦ時でも、図２２の“Ｂ”で示す値のエミッション電流が流れるため、ＯＦＦ時においても蛍光スクリーンが光ってしまうことがある。なお、実際には、穴の中央部が覆われているので、▲１▼＋▲２▼＋▲３▼で示すように、振幅が３０Ｖの特性になる。この状態では、ＯＦＦ時にエミッション電流が遮断されている。参考までに、図２２には、▲１▼＋▲２▼の場合も示してある。
【０１８０】
［実施例１４］
本発明の実施例１４として、図２３に、電子放出面の様々な形状を示す。同図の（ａ）は、ドーナッツ状電子放出面の例である。中心部にある領域７１と最周辺部７２は、その表面に仕事関数の高い（電子放出の閾値が高い）物質が配置されている。また、領域７３は、低仕事関数の材料が、その表面に配置されている。仕事関数の高い物質としては、例えば、ニッケルがあり、低い物質としてバリウムを用いた例がある。
【０１８１】
図２３の（ｂ）は、略長方形の電子放出面を例示したものである。ここでは、領域７４，７５が、電子を放出しにくい面である。また、同図の（ｃ）は、（ｂ）に示す場合に加えて、電子放出面をさらに細かく区切った例を示している。なお、電子放出面が高抵抗の場合に、低抵抗であるが電子放出しにくい材料を用いる構成とすることができる。電子放出面全体の電位を一定に保つことと、多くの電子を放出することの両方を実現した例である。
【０１８２】
［実施例１５］
本発明の実施例１５について説明する。ここでは、電子放出面の周辺部を低電子放出面にする設計指標を説明する。図２４は、本実施例１５に係るＦＥＤの側面図である。同図に示すエミッション膜８１の周辺部から放出され、▲１▼に示す軌道をとる電子は、絶縁膜８２に飛び込んでしまい、放電破壊の原因になる。軌道▲２▼を辿る電子は、ゲート電極８３に飛び込むため、それによってゲート―カソード間に電流が流れる。すなわち、インピーダンスが下がることで、ＦＥＤとしての駆動負荷が厳しくなる。加えて、電子が飛び込むことで、ガス放出やチャージアップの原因となる。
【０１８３】
軌跡▲３▼をとる電子は、蛍光スクリーン８４のターゲット領域８５から外れているので、無効な電子である。例えば、ＲＧＢカラーＦＥＤにおける色分離領域（ブラックマトリクスと呼ばれている領域）に電子が照射しても、それが発光に寄与しないため、無効な電子といえる。軌跡▲３▼の電子は、このような電子である。これに対して、軌跡▲４▼，▲５▼，▲６▼を辿る電子は、ターゲット領域８５に入っているので、有効な電子といえる。
【０１８４】
上述した▲１▼〜▲３▼の軌跡をとる電子は、放出されない方がよいし、また、放出しても無駄な電子である。ＦＥＤの最適設計の観点から、軌跡▲１▼〜▲３▼に係る電子は、抑制されるべきである。そこで、本発明では、▲１▼，▲２▼，▲３▼に対応する、エミッション膜上の領域に、高仕事関数（電子放出の閾値が高い）材料を配置したり、あるいは、ＣＮＴのように、微細突起の電界集中で電子を放出させる材料では、その突起を寝かせたり、突起を削り落とす等によって、上記の領域からの電子放出を抑制する。
【０１８５】
図２５は、本実施例における電子放出面の他の設計指標について図示したものである。すなわち、図２５は、図２４に示す構造を有するＦＥＤのゲート−カソード間に電圧を印加した場合の電子放出特性を示している。同図の“Ａ”は、上述した軌跡▲４▼＋▲５▼＋▲６▼のエミッション電流特性である。また、“Ｂ”は、▲４▼＋▲５▼について、“Ｃ”は、▲４▼のみのエミッション電流特性である。
【０１８６】
“Ｂ”の特性は、▲６▼の電子放出領域、すなわち、エミッション膜の中心部分での電子放出を抑制することで得られる。抑制のための方法は、軌跡▲１▼等における領域に対する抑制と同様である。
【０１８７】
図２５において、“Ａ”の特性は、閾値が低電圧で、その閾値以上の電圧においてのエミッション増加傾向は、緩やかである。“Ａ”の特性を有するＦＥＤを駆動するには、大きな駆動振幅を必要とするので好ましくない。よって、“Ｂ”、または“Ｃ”に示す特性が好ましい。しかしながら、特性“Ｂ”，“Ｃ”は、特性“Ａ”と比較して、同じ電圧におけるエミッション量が少ない。必要とするエミッション量と駆動振幅に応じて、電子を放出させることと、放出させないことの両方を設計する。
【０１８８】
なお、図２５は、蛍光スクリーン８４とカソード電極との間の電界が比較的低い場合の特性カーブを示しているが、電界が高い場合には、ゲート−カソード間電圧がゼロでも、エミッション電流が流れる。そこで、ゼロ電圧でエミッションが出ることを防ぐことも、ＦＥＤ設計の重要な指標になる。
【０１８９】
具体的には、図２４に示す形状、構造を持つＦＥＤにおいて、エミッタホール８６の径が８０ミクロンで、ゲート絶縁膜厚（エミッタホール８６に露出している、絶縁膜８２の実効厚み）が２０ミクロン、ゲート電極８３の厚みが１ミクロンであり、かつ、蛍光スクリーン８４が、カソード電極から１ｍｍの距離に配置されている場合、軌跡▲１▼，▲２▼，▲３▼をとる無効電子を抑制するには、エミッタホール８６の外周から１０ミクロンの領域では、電子を放出させないようにする。また、駆動振幅の設計、およびゼロ電圧エミッションを防ぐには、エミッタホール８６の中心から半径５ミクロンの領域において、電子放出を抑制する。
【０１９０】
［実施例１６］
図２６は、本発明の実施例１６に係るＦＥＤの構成を示す側面図である。なお、同図において、図２４に示す、上記実施例１５に係るＦＥＤと同一構成要素には同一符号を付してある。本実施例に係るＦＥＤは、そのゲート電極８３ａの形状に特徴がある。すなわち、図２６に示すように、ゲート電極８３ａは、エミッタホール８６に対して、その縁部分のゲート配線がテーパー形状になっている。
【０１９１】
ゲート電極が上記の形状を有するため、上述した実施例１５に係るＦＥＤ（図２４参照）では、電子がゲートに飛び込むが、本実施例では、軌跡▲２▼に示すように、電子がゲートに飛び込むことはない。この電子は、無効電子ではあるが、チャージアップやガス放出の原因となる悪影響が抑制される。
【０１９２】
また、図２６に示す構造においても、軌跡▲１▼，▲２▼，▲３▼をとる電子は、無効電子であるため、その放出を抑制すべく、その放出面に電子放出抑制処理（例えば、伏毛処理）を施す。しかし、万が一、その処理が不十分でも、放電破壊等の故障が生じにくい。さらに、図２６に示す構造では、ゲート電極８３ａによる円孔レンズの効果（等電位面の歪み）が異なり、ターゲット８５に照射される電子の割合が増える。
【０１９３】
なお、図２６に示すＦＥＤにおける電子軌跡は、それらに付した記号について、図２４の場合と同じ（▲１▼，▲２▼，▲３▼は、いずれも無効電子）であるが、等電位面の歪み具合に関しては、図２４に示すＦＥＤの方が、図２６よりも激しいことから分かるように、図２４に示すＦＥＤの方が、無効電子が多い。
【０１９４】
また、図２６に示すＦＥＤは、同じ絶縁膜厚、同じゲート配線膜厚（テーパー部を除く）の場合には、中心付近のゼロ電位エミッション現象やエミッション量の増加が鈍いという問題は、より深刻である。そこで、図２４に示すＦＥＤの構造に比べて、中心付近の、より広い領域をアルミニウム等で覆って、電子放出の抑制を行う。
【０１９５】
［実施例１７］
図２７は、本発明の実施例１７に係るＦＥＤの構成を示す側面図である。なお、同図において、図２４に示す、上記実施例１５に係るＦＥＤと同一構成要素には同一符号を付してある。本実施例に係るＦＥＤは、カソード配線上にＣＮＴペースト塊を堆積させた例に関するものである。
【０１９６】
図２７に示すように、本実施例に係るＦＥＤは、３０ミクロン厚のゲート絶縁膜８２、２ミクロン厚のゲート配線８３、２０ミクロン直径のエミッタホール８６、蛍光スクリーン８４を３ｍｍの高さに配置した構造を有する。また、ＣＮＴペースト塊９１は、１５ミクロンの直径、１５ミクロン厚の塊であり、それをスクリーン印刷のマスクを介して、エミッタホール８６中に落下させる。その後、塊を加熱することで、ＣＮＴペースト塊９１中のバインダー成分の一部を軟化させて、図２７に示すように、略円錐台形状の堆積物にする。
【０１９７】
本実施例に係るＦＥＤの等電位面は、円錐台形状を有するＣＮＴペースト塊９１の斜面部分の勾配が影響して、図２７に示すように、上に凸の傾向になる。なお、図２７に示すＦＥＤは、カソード配線に−１０Ｖ、ゲート配線に＋１０Ｖ、蛍光スクリーン８４に６ｋＶの電圧を印加した状態である。また、軌跡▲１▼，▲２▼，▲３▼をとる電子は、無効電子なので、実際に試作したＦＥＤでは、この部分のＣＮＴが鈍化するようにしてある。
【０１９８】
鈍化させるための具体的な方法としては、ＦＥＤとして、蛍光スクリーン８４と組み合わせる前に、蛍光スクリーンがない状態で真空チャンバーに入れ、１０-3Ｐａ台の真空状態でゲート−カソード間に電圧を印加して、エミッションを出させる。この場合、蛍光スクリーンがないので、放出された電子の大半が、絶縁膜８２か、ゲート配線８３に飛び込む。
【０１９９】
真空度が良くないため、残留イオンが多く、電子が放出されている近傍ではイオン化して、それがＣＮＴペースト塊９１に照射される。この際、電界のかかり具合と、絶縁膜８２やゲート配線８３に近いという理由によって、ＣＮＴペースト塊９１の斜面部分が、選択的にイオンによってダメージを受け、ＣＮＴの微細構造が丸まっていく。
【０２００】
このようなトリミングプロセスを経過させた後、蛍光クリーンと組み合わせて、ＦＥＤとして動作させると、事前にＣＮＴペースト塊９１の斜面部分のＣＮＴが丸められて、電界集中しにくくなっているため、その中央の領域だけが電子を放出する。
【０２０１】
真空度を悪くして（１０-3Ｐａ台）、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ2 以上、３０ｍＡ／ｃｍ2 以下のエミッションを１時間行う。すると今度は、ＣＮＴペースト塊９１の中心部分が、選択的にイオンダメージを受け、その部分のＣＮＴが鈍化する。この２次トリミングを終了後、排気を継続して、１０-5Ｐａ台の真空度にしてから、ＦＥＤとして駆動する。この場合、イオンが少ない状態にあるので、その後は、ＣＮＴペースト塊９１に目立ったダメージが起こることなく、ＦＥＤは動作する。この安定状態において、電子は、主にドーナツ状の領域から放出される。
【０２０２】
［実施例１８］
本発明の実施例１８について説明する。図２８は、本実施例に係る、２×３ピクセル（画素）のＦＥＤの駆動に関して例示し、説明するための図である。今、図２８の左上のピクセルを輝度１で、右上を輝度２５６で、同じく、中段左側を１２、右側を０（つまり、光っていない）、下段左側を８、右側を２５０の輝度で光らせようとしている。ここで、各数値は、“２５６”を１００％の輝度として、“１２８”ではその半分、“１”では、２５６分の１の輝度を意味している。
【０２０３】
上記の輝度を実現するため、図２９に示すように、パルス幅変調（ＰＷＭ）によってＦＥＤを駆動する。このとき、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の振幅が等しく、Ｖ１とＶ２の振幅が等しいとした場合における、図２８の発光状態を実現するピクセル設計について、図３０等を用いて説明する。
【０２０４】
図３０の（ａ）は、エミッタホールが１つ、（ｂ）では２つ、（ｃ）では３つ備えている様子を示す。また、Ｖ１とＨ１の振幅を同じにして駆動しようとする場合、図３１に示すエミッション特性を検討する必要がある。同図において、▲１▼は、エミッタホールが３つの場合、▲２▼はエミッタホールが２つの場合、そして、▲３▼は、エミッタホールが１つの場合を示している。
【０２０５】
上述した“２５６”の輝度を得るため、図３１の“Ａ”のレベルの電子放出が必要であるとした場合、駆動振幅は、図３１の矢印で示す領域のようになる。すなわち、エミッタホールが３つある場合（▲１▼の場合）、最も小さな振幅で動作する。そして、エミッタホールが２個（▲２▼）の場合、エミッタホールが１個（▲３▼）の場合の順に、駆動振幅が大きくなる。
【０２０６】
なお、上記▲２▼，▲３▼の場合、駆動電圧でＯＦＦレベルにしても電子が放出されてしまい、求められた輝度（色）表示ができないという問題がある。
【０２０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子源として機能し、少なくとも２つ以上の領域からなる連続した電子放出膜であって、これらの領域の内、１つの領域の表面における一定の電子放出量に必要な電界が、他の領域の表面で必要な電界と異なっていたり、１つの領域で電子放出する材料表面の仕事関数が、他の領域の表面で電子放出する材料表面の仕事関数と異なっていたり、これらの領域表面の凹凸について、１つの領域における凸部分の平均先端半径が、他の領域における凸部分の平均先端半径と異なっていたり、１つの領域での単位面積当たりの電子放出量が、他の領域での単位面積当たりの電子放出量と異なっていたり、これらの領域表面の凹凸について、１つの領域における凸部の面積密度が、他の領域における凸部の面積密度と異ならせることで、かかる電子放出膜を使用した電界電子放出装置において、その電子放出膜の表面を膜自身の微細加工限界とは別に微細にパターニングして特性を変えることができる。
【０２０８】
また、最内周領域、中間領域、および最外周領域からなる、電子源として機能する連続した電子放出膜において、これら最内周領域と最外周領域における電子放出特性と、中間領域における電子放出特性とを異ならせることで、電子放出膜の微細限界とは独立した微細なパターンで電子放出を制御できる。
【０２０９】
さらには、本発明に係る電子放出膜を電子放出装置に使用することで、容易に文字等の発光表示ができるだけでなく、異常放電が起こりにくく、信頼性の高い電子放出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る、コールドカソードのカソードパネルの側面図である。
【図２】実施例１に係る、コールドカソードのカソードパネルの正面図である。
【図３】立毛表面状態にあるＣＮＴ膜表面を模式的に示す図である。
【図４】ＣＮＴ膜の伏毛表面を模式的に示す図である。
【図５】実施例１に係るカソードパネルを用いたＦＥＤの破断線Ａ−Ａ’の切断側面を示す図である。
【図６】実施例１に係るカソードパネルを用いたＦＥＤの破断線Ｂ−Ｂ’における切断側面図である。
【図７】本発明の実施例２に係るカソードパネルの側面を示す図である。
【図８】本発明の実施例３に係るカソードパネルの側面を示す図である。
【図９】本発明の実施例４に係るカソードパネル（ノーマルゲート構造）の側面図である。
【図１０】本発明の実施例５に係るカソードパネルの側面図である。
【図１１】本発明の実施例８に係るカソードパネルの側面を示す図である。
【図１２】本発明の実施例９に係るカソードパネルの側面を示す図である。
【図１３】本発明の実施例１０に係るカソードパネルの側面図である。
【図１４】カーボンナノチューブＦＥＤのエミッタホール部分の断面図である。
【図１５】カソードパネルのエミッタホール底部の拡大図である。
【図１６】本発明の実施例１２に係る、カーボンナノチューブを用いたＦＥＤの断面図である。
【図１７】実施例１２に係るカソードパネルの製造プロセスを示す図である。
【図１８】本発明の実施例１３に係るＦＥＤの構造を示す断面図である。
【図１９】周辺カバーのストライプ状パターンを示す図である。
【図２０】実施例１３に係るＦＥＤのカソードパネルを形成するプロセスの概要を示す図である。
【図２１】実施例１３に係るＦＥＤにおける各電子線のエミッション特性を示す図である。
【図２２】電子放出の総和を示す図である。
【図２３】本発明の実施例１４に係る電子放出面の様々な形状を示す図である。
【図２４】本発明の実施例１５に係るＦＥＤの側面図である。
【図２５】実施例１５における電子放出面の他の設計指標を示す図である。
【図２６】本発明の実施例１６に係るＦＥＤの構成を示す側面図である。
【図２７】本発明の実施例１７に係るＦＥＤの構成を示す側面図である。
【図２８】本発明の実施例１８に係るピクセルについてＦＥＤの駆動を説明する図である。
【図２９】ＦＥＤ駆動に係るパルス幅変調（ＰＷＭ）を示す図である。
【図３０】エミッタホールの様子を示す図である。
【図３１】エミッション特性を示す図である。
【図３２】従来のカソードパネルの典型的な構成を示す図である。
【図３３】従来のサスペンドゲート型のカソードパネルの一例を示す図である。
【図３４】アンダーゲート型のカソードパネルの構造例を示す図である。
【符号の説明】
１０，２５，３０，３５，４０，４５，４７，４９ カソードパネル
１１ ガラス基板
１２ 金属配線
１３，５１ ＣＮＴ膜
１４ 立毛表面部分
１５ 伏毛表面
１６ 外部引出しパッド
１７ ＣＮＴ膜下地部分
２１ 蛍光体
２２ 電源
２３ 電流計
２６，２８，３４，３８ 導電性カバー
２７，６７，８６ エミッタホール
３１ ゲート配線
３２ ゲート絶縁膜
３３ グリッド電極
３６ アンダーゲート
４１ 絶縁膜
４２ ゲート配線
５０，６０ ＦＥＤ
５２，６８，８２ 絶縁膜
５３，６５，８３，８３ａ ゲート電極
５５，８４ 蛍光スクリーン
５６ カソード配線
５７ａ 最中央領域
５７ｂ 中間領域
５７ｃ 最外周領域
６１ グラファイト系エミッション膜
６３ アルミニウム製中央カバー
６４ 銀ペースト製周辺カバー
８５ ターゲット領域
９１ ＣＮＴペースト塊
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子源として機能する電子放出膜、および電子放出膜を備えた電界電子放出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電子放出膜を用いた各種の電界電子放出装置が提案されている。電子放出膜としては、例えば、ダイアモンド膜、ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）膜、ホトレジスト用有機膜を焼成したカーボン膜、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）膜がある。ＣＮＴ膜は、１９９１年に飯島が発見した材料である（「Ｎａｔｕｒｅ」３５４巻，５６−５８ページ（１９９１年）参照）。ここで、ＣＮＴ膜について詳しく述べる。
【０００３】
ＣＮＴは、ナノスケールからサブミクロンスケールの直径を持つ炭素原子からなる繊維状結晶である。長さ方向は、ミクロンスケールからミリメートルスケールである。曲げられたグラフェンシートが一重の筒状の形状となっている中空構造の単層カーボンナノチューブや、グラフェンシートが多層重なっている多層カーボンナノチューブが報告されている。また、筒の内部が各種物質で充填されているＣＮＴも報告されている。筒の軸が充填されているＣＮＴの製造方法の一例として、特開２０００−３２７３１７号公報に記載された製造方法がある。
【０００４】
グラフェンシートが繊維状形状の軸に直交する方向に重なっている構造や、繊維状形状がコイルのように巻いた形状のナノコイルと呼ばれる構造も存在する。このように、カーボンナノチューブは、狭義のカーボンナノチューブ（単層、多層）の他にも、類似した構造が各種報告されている。本明細書では、類似構造も含めてカーボンナノチューブと呼ぶ。また、カーボンナノチューブと同様の構造を持つが、構成元素が異なるものも各種報告されている。例えば、ボロンナイトライド（ＢＮ）やシリコンのナノチューブが報告されている。
【０００５】
上記のものは、元素は異なっていても、繊維状形状で先鋭な先端を持つという特徴が共通であるため、以下、広義にカーボンナノチューブ、またはＣＮＴと呼ぶが、構成元素の異なるものも含む。
【０００６】
ここでのＣＮＴ膜とは、繊維形状体であるＣＮＴが複数個存在することで、ほぼ膜形状となっている物体のことである。なお、ＣＮＴだけが集結して、ほぼ膜形状となっている場合もあるが、ＣＮＴにバインダーを含ませて、ほぼ膜形状にしている場合もある。ＣＮＴ膜の形成については、特開２００１−１４３６０２号公報において、「ビークル」と呼ぶバインダーを含ませた技術が公開されている。ビークルの成分は、酢酸イソアミル％とニトロセルロース１％である。
【０００７】
電界電子放出装置として最も単純な構造の一例が、特開２００１−１４３６４５号公報に開示されている。この公報には、カソードパネルと、そのカソードパネルから放出された電子の照射を受けて発光する蛍光体の構成が示されている。図３２は、カソードパネルの典型的な構成を示している。同図に示すカソードパネル１０００は、ガラス基板１００１の片面に金属配線１００３が形成されていて、この金属配線１００３の上に、電子放出膜としてＣＮＴ膜１００４が固着されている。
【０００８】
特開２００１−１３０９０４号公報は、ＣＮＴ膜を基板に固着させる方法を開示している。その他、電子放出膜の固着方法として様々な方法が提案されている。例えば、スプレー塗布して、真空中でアニールすることで、ＣＮＴ膜を下地金属膜に固着する方法等が公開されている。特開２００１−１１０３０３号公報は、ＣＮＴを膜状に電着する技術を開示している。また、特開２０００−３５３４６７号公報は、電子放出膜を基板に選択的に固着させる方法を開示している。
【０００９】
ＣＮＴ膜の表面の性質を変える方法についても、各種の報告がなされている。例えば、ＣＮＴ膜の表面導電性を補うために金属コーティングを施す方法が、特開２００１−０９６４９９号公報に開示されている。また、表面を電子放出し易い表面に改質する方法として、特開２００１−０３５３６０号公報に開示されたものがある。この技術は、ＣＮＴ膜の表面に紙を接触させて、紙とＣＮＴ膜とを一体化させた後、この紙を引き剥がす作業を行う際、ＣＮＴの一部を一緒に引き剥がすことで、ＣＮＴ膜内部の繊維状構造を表面にむき出させるものである。
【００１０】
特開２００１−１４１０５６号公報は、キャスティングやモールディングによる整列法（配向させる方法）について紹介している。特開２００１−１１８４８８号公報は、エミッタ膜の端部からの電子放出を防ぐための絶縁膜について開示している。
【００１１】
特開２０００−３４００９８号公報、特開２０００−２４３２１８号公報、特開２００１−１４３６０２号公報には、電子放出膜を用いた電界電子放出装置についての技術が開示されている。これら３つの公報に記載された技術は、ノーマルゲート型と呼ばれる構造に関する技術である。
【００１２】
ノーマルゲート型では、電界放出の原理で電子放出膜から電子を引き出すために電界を印加する目的で、電子放出膜の上部にゲート電極が配置されている。このゲート電極と電子放出膜との間には、電子を放出する領域（エミッタホール）を除いて、絶縁膜が置かれている。エミッタホールでは、ゲート電極と絶縁膜が取り除かれていて、電子放出膜の表面が真空に晒されている。なお、電子放出膜を用いた電界電子放出装置は、上記のノーマルゲート型の他、サスペンドゲート型、アンダーゲート型と呼ばれる構造のものも考案されている。
【００１３】
図３３は、従来のサスペンドゲート型のカソードパネルの一例を示している。同図に示すカソードパネルは、ＣＮＴ膜１０１４の表面が立毛表面１０１５になっており、その上部には、グリッド電極１０１６が配された構造を有する。すなわち、このＣＮＴ膜１０１４は、上記の特開２００１−０３５３６０号公報に開示された方法や特開２００１−１４１０５６号公報に示されているキャスティングやモールディングによる整列法（配向させる方法）によって「立毛表面」にしたＣＮＴ膜であり、その上にグリッド電極１０１５が配置されている。
【００１４】
なお、本明細書において、「立毛表面」と呼ぶＣＮＴ膜の表面状態は、細長いカーボンナノチューブが、膜表面に対してほぼ垂直方向に、数多く突き出す姿勢で並んでいる。これは、髪の毛が立っている状態を連想させる姿勢である。他の文献では、「立毛表面」を「整列」や「配向」と呼ぶ場合がある。より厳密には、立毛表面と整列や配向とは同じではないが、概ね同等の状態を表現している。
【００１５】
図３４は、アンダーゲート型のカソードパネルの構造例を示している。同図に示す構造のカソードパネルは、ＣＮＴ膜１０２４よりも下方に、電子放出制御のためのアンダーゲート１０２７が配置されていることを特徴とする。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した電子放出膜を電子源として用いた電子放出装置において、例えば、電子放出膜としてのＣＮＴ膜のエッジ部分から放出される電子が、平坦なＣＮＴ膜の表面よりも異常に多く（少なくとも２倍以上）、かつ、軌跡の曲がった電子が放出される場合、そのことが、フィールド・エミッション・ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Display）としての表示解像度を劣化させる原因となる、という問題がある。
【００１７】
また、エッジ部分からの電子放出特性は、そのエッジ部分の形状に大きく依存するため、電子放出の安定性や再現性、画素（個々のＣＮＴ膜）間について、特性のバラツキが大きいという問題もある。
【００１８】
このように、電子放出膜表面の内、その一部の面からの電子放出は抑制しなければならない場合があるが、上記従来の技術では、電子放出面の一部の電子放出特性を向上させたり、あるいは抑制することはできない。
【００１９】
上記の特開２００１−１１８４８８号公報には、エミッタ膜の端部からの電子放出を防ぐための絶縁膜について、技術的な説明がなされているが、この技術は、単にゲート絶縁膜の形状を工夫したものである。すなわち、この公報に記載の技術では、エミッタホールの底部において露出している電子放出面（ＤＬＣ膜等の露出表面）を、さらに細かく部分に分けて、その部分毎に電子放出特性を制御する工夫はなされていない。
【００２０】
結局、従来の技術では、電子放出面をさらに部分に分けて、その表面の電子放出特性を変えることは行われておらず、そのため、電子放出特性を制御する必要がある最小面積に切り出したり、絶縁膜等を被せることで、微細パターニングしなければならない。特に、電子放出膜を微細パターニングすると、上述したエッジ部の問題が顕著になり、かつ、下地と膜との密着性が乏しくなるという問題もある。
【００２１】
本発明は、上述の課題に鑑みなてされたものであり、その目的とするところは、電子放出面の一部の電子放出特性を向上させたり、あるいは逆に抑制することのできる電子放出膜、およびその電子放出膜を有する電界電子放出装置を提供することである。
【００２２】
また、本発明の他の目的は、無効電子の発生がなく、異常放電が起こりにくい電界電子放出装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、基板上に形成され、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、
前記基板上に細長い結晶が形成され、前記電子放出を促進する領域に対応する細長い結晶が立毛状態とされ、前記電子放出を抑制する領域に対応する細長い結晶が絶縁物質でカバーする以外の手段・方法により伏毛状態とされている電子放出膜を提供する。
【００２４】
他の発明によれば、基板上に形成され、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に仕事関数の高い物質であるグラファイト膜がストライプ状に形成されることにより、前記電子放出を促進する領域中に前記電子放出を抑制する領域として基板露出部が点在し、更にエッジ部分がニッケル金属で覆われて前記電子放出を抑制する領域となっている、ことを特徴とする電子放出膜を提供する。
【００２９】
また、他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が膜の平均表面に沿った方向に配向処理されたことにより伏毛状態とされている、ことを特徴とする電子放出膜が提供される。
【００３０】
また、他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が接着剤を塗布されて引っ張られ切断されて長さが短い、ことを特徴とする電子放出膜が提供される。
【００３１】
他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が接着剤を塗布されて引っ張られて細径化され切断されて先端が先鋭化している、ことを特徴とする電子放出膜が提供される。
【００３２】
また、他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する中間領域と、電子放出を抑制する最内周領域及び最外周領域領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、伏毛状態に対して立毛状態の割合が高くなるように前記基板上に形成され、さらに前記最内周領域と前記最外周領域では伏毛状態に処理されたことにより立毛状態に対して伏毛状態の割合が高いことを特徴とする電子放出膜電子放出膜が提供される。
【００３３】
また、他の発明によれば、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する中間領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に繊維状構造が立毛状態に形成され、かつ、前記中間領域の繊維状構造が導電性膜で覆われ先端が先鋭化され、その導電膜の導電率が、他の領域における導電率よりも大きいことを特徴とする電子放出膜が提供される。
【００３７】
また、他の発明は、上記のいずれかに記載の電子放出膜を備え、その電子放出膜の所定領域の表面、または側面の一部が絶縁膜に接して配置されている電界電子放出装置を提供する。
【００３８】
他の発明によれば、上記いずれかに記載の電子放出膜を備え、その電子放出膜の周辺部の一部を含む第１の領域、または中央部の一部あるいは周辺部を含まない第２の領域、または周辺部の一部を含み、かつ中央部の一部あるいは周辺部を含まない第３の領域の表面、または側面の一部が絶縁膜に接して配置されている電界電子放出装置が提供される。
【００３９】
好ましくは、上記電界電子放出装置の電子放出膜の側面および端部が導電性膜で覆われている。また、好ましくは、上記絶縁膜の上面の一部にゲート電極が配置されている。
【００４０】
好適には、電界電子放出装置のゲート電極に設けられた孔に対する、そのゲート電極の縁部分が、上部方向に開く斜面形状を有する。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。ここでは、本発明に係る電子放出膜について、その特徴ごとに分けて、実施の形態を説明する。
【００４２】
［第１の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に形成され、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に細長い結晶が形成され、前記電子放出を促進する領域に対応する細長い結晶が立毛状態とされ、前記電子放出を抑制する領域に対応する細長い結晶が絶縁物質でカバーする以外の手段・方法により伏毛状態とされている、ことを特徴とする。この特徴を備える場合、電子放出膜の１つの領域表面について仕事関数の高い表面にする、または、電界集中する先鋭構造を減少あるいは除去する、または、先鋭構造について単位面積を疎にすること、または、これらを同時に行うことで、低い電界では電子を放出しないようにしている。
【００４３】
このことで、電子放出面の内、上記の１つの領域表面以外の面（他の領域表面）と比較して、高い電界で電子を放出する電子放出膜を備えた電界電子放出装置を実現する。仕事関数の高い表面にするための手段として、その表面に高仕事関数の材料を極薄膜蒸着する等の表面修飾を行うものがある。例えば、酸素ガスや窒素ガス雰囲気で表面を酸化、または窒化することで、仕事関数を高くすることができる。
【００４４】
その際、特定の表面にだけレーザー照射や電子線照射をすることで、その表面のみを選択的に反応させることもできる。また、例えば、イオン打ち込みによって打ち込んだ表面のみを、仕事関数の高い表面に改質することもできる。イオン照射後に照射ダメージを回復する熱処理を行う場合もあれば、ダメージを意図的に残存させる場合もある。
【００４５】
先鋭構造を減少させる方法としては、表面を研磨する方法や化学的にエッチングする方法がある。イオンミリングで表面を平坦化する方法もある。また、イオンのエネルギーを調整することで、平坦化を極めていくこともできる。例えば、凹凸の激しい膜に対しては、重いイオンを高いエネルギーで照射することで、段差を減少させ、その凹凸が減少した段階で、軽いイオンを低エネルギーで照射するように切り替える。こうすることで、表面の微細構造を潰していく。
【００４６】
電子放出膜について、その一部の表面が他の表面よりも低い電界で電子放出する特徴を備える場合、電子放出膜の表面の一部について仕事関数の低い表面にしたり、あるいは、電界集中する先鋭構造を増加させたり、あるいは、先鋭構造をさらに先鋭化させたり、あるいは、仕事関数の低下と先鋭化の両方を行うことで、低い電界では電子を放出しないようにする。
【００４７】
このようにすることによって、電子放出面の内、上記１つの領域表面以外の面（他の領域表面）と比較して、高い電界で電子を放出する電子放出膜を備えた電界電子放出装置を実現できる。仕事関数の低い表面は、その表面に低仕事関数の材料を極薄膜蒸着する等の表面修飾を行うことで実現できる。また、例えば、上述したものとは異なる条件で、酸素ガスや窒素ガス雰囲気で表面を酸化、または窒化することで、上記とは反対に仕事関数を低くすることができる。
【００４８】
その際、特定の表面にだけレーザー照射や電子線照射することで、その表面のみを選択的に反応させることができる。また、例えば、上述した条件とは異なる条件でイオン打ち込みして、打ち込んだ表面だけを、仕事関数の低い表面に改質することもできる。イオン照射後に照射ダメージを回復する熱処理を行う場合もあれば、ダメージを意図的に残存させる場合もある。
【００４９】
仕事関数を高くしたり、あるいは低くしたりすることは、元来、その表面が備える仕事関数に対して、その後、付加する表面の仕事関数が相対的に高いか、低いかによる。各種材料は、その仕事関数が実測されて、データが整備されているので、目的に合わせて、表面に新たな表面を付加させるようにする。
【００５０】
膜によっては、ダメージ（欠陥等）が残存すると仕事関数が高くなるものもあれば、逆に低くなるものもある。あらかじめ、その傾向が明らかなものは、その傾向を期待した処理を行って所望の仕事関数を得る。傾向が明らかでないものも、ダメージを与えた後の結果について予備実験を行い、変化の傾向を把握した後、実際の電界電子放出装置に適用することで、所望の仕事関数が得られる。
【００５１】
先鋭構造を増加させる方法としては、表面を化学的にエッチングする方法がある。様々な材料が混在した電子放出膜では、エッチャント（腐食液）を選択することで、膜が部分的にエッチングされ、凹凸が付くことになる。また、イオンミリングで表面を荒らす方法もある。イオンのエネルギーを調整することで、荒らしていくことができる。
【００５２】
例えば、重いイオンを、照射密度が低く、高いエネルギーで照射することで、照射された部分だけが深く掘られ、また、その深く掘られた際の膜構成材料が、その周辺に再付着して隆起することで、膜表面に凹凸が付く。イオン照射と化学エッチングを組み合わせる場合もある。あらかじめ電子放出膜にイオンを照射して、所々に欠陥を発生させておき、その後に化学エッチングすると、欠陥部分のエッチングが促進されてエッチピットが生じる。
【００５３】
［第２の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に形成され、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に仕事関数の高い物質であるグラファイト膜がストライプ状に形成されることにより、前記電子放出を促進する領域中に前記電子放出を抑制する領域として基板露出部が点在し、更にエッジ部分がニッケル金属で覆われて前記電子放出を抑制する領域となっている、ことを特徴とする。この構成の場合には、例えば、仕事関数を下げるため、表面にセシウム（Ｃｓ）を堆積させる。仕事関数が低下（または、高くなった）表面は、電子放出特性だけでなく、光電特性においても、その変化を確認できる。
【００６３】
［第３の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が膜の平均表面に沿った方向に配向処理されたことにより伏毛状態とされている、ことを特徴とする。
【００６４】
第３の特徴を備える場合、例えば、繊維状構造を膜の平均表面に沿った方向に配向させる。繊維状構造の一部を水分で濡らして、表面張力の作用で水平方向に配向させる。水平配向させる領域のみに、スプレーでエタノールを塗布させたり、あるいはスクリーン印刷によって、一部のみにゲル状物質を塗布して、その重力で押しつぶしたまま、固化させたりする。
【００６５】
上記のゲル状物質は、繊維状構造を水平方向に配向させた後に、焼成工程で気体として除去する場合がある。また、水平方向に配向させる方法としては、ローラーやスキージによって、物理的に押し付ける方法がある。物理的に押し付ける場合、その接触が解ける瞬間、すなわちローラー等が離れる瞬間に、繊維状構造がローラー等と一体となって引っ張り上げられて、却って立毛表面状態になる場合がある。
【００６６】
これを防ぐため、ローラー等の表面を滑らかにして、繊維状構造が付かないように工夫したり、ローラー等の表面と繊維状構造（例えば、カーボンナノチューブ）とが、互いに反発するように帯電させたり、帯磁させたりする。エアーブローと組み合わせて、ローラー等に密着して立毛になろうとしている繊維状構造をローラー等から引き剥がしたり（吹いて剥がしたり）、または、密着して立毛表面状態になってしまった繊維状構造を吹き飛ばして除去する。
【００６７】
繊維状構造を、液体の表面張力によって膜面に押し付けたり、金属膜を蒸着して、「伏毛表面」状態にする方法もある。ここで、「伏毛表面」状態とは、繊維状構造が膜に平行な方向に配向することで、電界集中が起こりにくくなる状態を指す。このことで、電子放出が抑制される。しかし、その部分の耐電圧が向上するという効果もある。
【００６８】
先鋭な構造があると、その部分が放電の起点となる可能性が高くなる。伏毛状態にしておくと、この起点を隠す効果がある。繊維状構造の先端（末端）は、結晶の完全性が乏しいため、仕事関数が低い性質を持つ場合がある。仕事関数が低い先端部分を隠す効果によって、電子放出を抑制したり、耐電圧を向上させることができる場合がある。
【００６９】
結晶の完全性が乏しい場合、構造的に不安定であり、その構造が容易に破壊されてガス放出の原因になる場合がある。このような構造の先端を隠すことで、耐電圧を向上させることができる場合がある。ここで、「隠す」と表現している作用を、より厳密に説明する。すなわち、高電界な領域から外すこと、または、高電界な領域で、その電界をさらに高電界に作用させる状態から外すことを、「隠す」と表現している。
【００７０】
伏毛表面状態にすることで、導電性の電子放出膜に埋もれさせることができるので、先端における電界集中を防ぐことができる。つまり、伏毛表面状態にすることで、等電位面に沿った方向に繊維状構造の長軸を合わせることになる。そのため、繊維状構造の先端部での電界集中効果を少なくすることができる。
【００７１】
［第４，第５の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が接着剤を塗布されて引っ張られ切断されて長さが短い、ことを特徴とする。また第５の電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が接着剤を塗布されて引っ張られて細径化され切断されて先端が先鋭化している、ことを特徴とする。
【００７２】
粘着材をその表面に接触させて、繊維状構造の一部を引きちぎって、取り去ることで、その切断面が先鋭になる。引きちぎられた部分は、上記の作用前よりも細い繊維となる。引っ張られることで、繊維状構造が伸ばされ、細い形状になる場合もある。また、一部分にエッチングやイオン照射を行い、繊維状構造の一部を除去することで、細い繊維の割合を増やすことができる。
【００７３】
繊維が細くなることで、電界集中効果が高まる。また、細くする作用によっては、先端部分の表面状態が変化して、仕事関数が低下し、電子放出特性が向上する場合もある。
【００７４】
［第６の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する中間領域と、電子放出を抑制する最内周領域及び最外周領域領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記繊維状構造は、伏毛状態に対して立毛状態の割合が高くなるように前記基板上に形成され、さらに前記最内周領域と前記最外周領域では伏毛状態に処理されたことにより立毛状態に対して伏毛状態の割合が高いことを特徴とする。
【００７５】
電子放出膜が第９の特徴を備える場合、水平方向に配向している繊維の割合が少ない中間領域では、垂直方向に配向している繊維の割合が相対的に大きいので、この中間領域からの電子放出が、他の領域よりも多くなる。
【００７６】
電子放出膜の周辺に、絶縁膜を介してゲート電極を備えることに加えて、電子放出膜に対向する位置に蛍光スクリーンを配置した三極管構造において、電子放出膜が、この第９の特徴を備える場合、絶縁膜の近傍の領域における水平配向の割合が多いので、そこでの電子放出が抑制される。
【００７７】
上記の領域から放出される電子は、絶縁膜に飛び込んで、チャージアップさせたり、あるいは、ゲート電極に飛び込んで蛍光スクリーンに届かない場合がある。そのため、このような無効、かつ、故障原因になる可能性のある領域からの電子放出を抑制する。
【００７８】
一方、最内周領域では、ゲート電極での制御が効き難い。また、蛍光スクリーンに正の高い電圧を印加してしまうと、ゲート電極電位の如何に関わらず、蛍光スクリーンの電位によって、最内周領域から電子が放出してしまう「無制御電子放出現象」が起こる。このような最内周領域の繊維を水平配向させて、電子放出しにくい性質にしておけば、上記の無制御電子放出現象が抑制される。
【００７９】
［第７の特徴に係る電子放出膜］
この電子放出膜は、基板上に繊維状構造が形成されてなる、電子放出を促進する中間領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、前記基板上に繊維状構造が立毛状態に形成され、かつ、前記中間領域の繊維状構造が導電性膜で覆われ先端が先鋭化され、その導電性膜の導電率が、他の領域における導電率よりも大きいことを特徴とする。
【００８０】
この特徴を備える場合、導電性膜で覆われた部分が帯電しにくくなるので、電子放出が促進される場合がある。以下、このことを詳しく説明する。帯電しやすい表面から電子が放出されると、放出した電子が、放出面に再付着して負電位に帯電する場合がある。負電位に帯電すると、その表面の電界が弱まり、電子放出が抑制されてしまう。
【００８１】
これに対して、表面が導電膜であれば、たとえ再付着した電子があっても、その電子は導電膜中を運ばれて取り除かれる。このことで、その表面は帯電することなく電子放出を継続できる。
【００８２】
領域が導電性膜で覆われた場合、その形状が、覆われる前に比べて凹凸が鈍化するか、あるいは鋭化するかによって、形状に起因した電子放出特性の変化の傾向が変わる。凹凸が鈍化すれば、電界集中効果が減少するので、電子放出特性は低下する。しかし、凹凸が先鋭化すれば、電界集中が促進される効果によって、電子放出特性は向上する。
【０１００】
以下、本発明の具体的な実施例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
［実施例１］
本発明の実施例１について説明する。本実施例に係るカソードパネルは、電子源であるＣＮＴ膜の中央部分のみから電子放出させ、周辺部分からは電子放出させないコールドカソードについての例である。
【０１０１】
図１は、本実施例に係る、コールドカソードのカソードパネルの側面図であり、図２は、その正面図である。図１に示すように、本実施例に係るカソードパネル１０は、ガラス基板１１、金属配線１２、ＣＮＴ膜１３で構成されている。ガラス基板１１は、その厚みが１ｍｍで、一辺の大きさが１０ｍｍである。また、金属配線１２は、図２に示すように、外部引出しパッド１６として２００μｍ角の領域を有し、そのパッドと、５００μｍ角のＣＮＴ膜下地部分１７との間を、幅５０μｍ、長さ２００μｍの配線１８でつないでいる。
【０１０２】
金属配線１２は、厚みが１μｍの金配線であり、その金の表面は、厚み１００ｎｍのチタンでコーティングされている。また、ＣＮＴ膜１３は、厚みが３μｍで、大きさは４００μｍ角である。ＣＮＴ膜１３の外周と金属配線１２の外周との距離は、５０μｍである。ＣＮＴ膜１３は、その周囲部分と中央部分とで、表面の性質が異なっている。すなわち、中央部は、ＣＮＴ膜表面に対してＣＮＴ結晶が垂直方向に配向して生えた表面を有している。その状態を図３に示す。
【０１０３】
図３に示すように、ＣＮＴ膜の中央部には、細長い結晶構造を有するシングルウォールカーボンナノチューブが、膜表面に対してほぼ垂直方向に数多く突き出す姿勢で並んでいる。これは、髪の毛が立っている状態を連想させる姿勢であるため、立毛表面状態と呼ばれる。図１，図２において、立毛表面１４として示した部分（ＣＮＴ膜１３の中央部分）は、図３に示す微細構造を有していることになる。
【０１０４】
一方、ＣＮＴ膜１３の周辺部分は、伏毛表面１５、すなわち、ＣＮＴの結晶（髪の毛に例えられる繊細な構造）が伏せた状態になっている。図４は、このように結晶が実際に伏せた状態を示している。同図に示す状態は、ＣＮＴ膜１３の表面に、アルミニウムを約６００ｎｍ被せた状態である。
【０１０５】
このように、ＣＮＴ膜１３の表面に、金属膜等の固体の膜を被せて伏毛表面を形成する場合もあるが、ＣＮＴ膜の表面に固体の膜を被せずに、伏毛表面を形成する場合もある。金属膜を被せないで伏毛表面を形成する例としては、ＣＮＴ膜をエタノールに浸漬する方法がある。なお、エタノールに限らず、イソプロピルアルコール、純水、塩酸等の液体に浸漬することで、伏毛表面になる。また、浸漬する方法以外に、スプレーでエタノールを噴霧する方法もある。
【０１０６】
これに類似する技術として、従来技術の中には、エッジ部分を絶縁物質でカバーする方法がある。しかし、この方法では、絶縁物質に放射電子やイオンが照射されることで、その絶縁物質がチャージアップし、電子の軌道が曲がったり、放電破壊のエネルギーが蓄積されたりする。本発明に係る技術は、このような絶縁膜を用いないものである。
【０１０７】
従来の他の類似技術によれば、作成したＣＮＴ膜が、部分的に電子放出が多かったり、少なかったりする場合がある。また、電子放出を報告する科学論文の記事に掲載されている電子放出現象は、大概、不均一な電子放出である。このような現象が、本発明に係る技術と一見類似した現象のように見られる懸念がある。すなわち、科学論文に掲載されている現象は、人工的でない不均一現象である。かかる現象は、ある時刻では、ある部分から電子が出ているが、しばらくすると、その電子放出点が消滅して、別の場所から電子放出するという現象である。この現象は、制御されていない、予想不可能な現象である。
【０１０８】
これに対して、本発明に係る技術は、例えば、表面張力を作用させて繊維構造を伏毛にするといった、人工的な作用によって、ある特定表面からの電子放出を抑制したり、あるいは反対に、ある特定の面の繊維構造を垂直に配向させて、電子放出を促進させたりする技術である。
【０１０９】
そこで、図２のカソードパネル１０を用いて、実際に蛍光体に電子を照射したときの様子を説明する。図５は、図２に示すカソードパネルを用いたフィールド・エミッション・ディスプレイ（ＦＥＤ）（電界放出型画像表示装置）を、破断線Ａ−Ａ’で切断したときの切断側面を示し、また、図６は、同じく破断線Ｂ−Ｂ’における切断側面図である。
【０１１０】
図５において、蛍光体２１として表した部分は、蛍光体と導電膜を組み合わせた構造を有する。この構造には、電流計２３を介して、電源２２の陽極が接続されている。また、カソードパネル１０の金属配線１２には、電源２２の陰極が接続されている。そして、カソードパネル１０と蛍光体２１は、１×１０-4Ｐａ〜１×１０-6Ｐａの範囲の圧力で、真空に維持してある。
【０１１１】
ＣＮＴ膜１３の中央部分の平坦部分から放出された電子は、図５において実線の矢印で示す電子軌跡として描いたように、蛍光体２１に向けて直進する。その結果、蛍光体２１に照射された電子は、蛍光体２１を励起発光させる。これに対して、膜のエッジ部から電子を放出させると、その電子は、同図において破線矢印で示すような電子軌道を描き、エッジから膨らんだ曲線状に飛行する。
【０１１２】
しかし、本実施例に係るカソードパネルでは、ＣＮＴ膜１３のエッジ部分（周辺部分）の表面を伏毛表面にして、電子を放出しにくくしているため、実際には、図５において破線で示すような電子放出は生じない。結果として、ＣＮＴ膜１３の平坦部からの電子放出だけが得られることになる。
【０１１３】
なお、ＣＮＴ膜１３は、ＣＮＴの直径がナノメートルオーダーで、かつ、マイクロメートルオーダーの長い筒形状の端部で電界集中が生じるので、低電界で電子が放出される。また、伏毛表面では、その端部が下向きや横向きになっており、隣接するＣＮＴ結晶と絡み合って、その下側に潜る位置にあったりすることで、電界が集中しにくい。一方、立毛表面では、その端部がＣＮＴ表面に対して垂直方向に立つ姿勢をとるので、電界が集中しやすい。
【０１１４】
図２のＢ−Ｂ’断面として、図６に示すＦＥＤは、図５に比べて金属配線１２の形状が異なる以外、その特徴は、図５に示すものと類似している。図６において、金属配線１２のパッド、およびそのパッドへのワイヤー（電源２２と金属配線１２とを結んでいる曲線）が存在することで、蛍光体２１と金属配線１２との間に形成される等電位面（図中、水平方向に延びる多数の線で示す）が、図６に示すように左右非対称である。すなわち、図６の右半分では、等電位面が上に凸であるが、左半分では、下に凸である。
【０１１５】
エッジ部から放出され、破線で描いた軌跡を辿る電子（上記のように、実際には放出されない）は、図６の右半分では、電子がＣＮＴ膜１３からはみ出す方向に曲がって飛行する。これに対して、左半分では、電子がＣＮＴ膜１３の中央方向に曲がって飛行する。
【０１１６】
以上説明したように、実施例１では、曲がって飛行する電子が放出される領域である、ＣＮＴ膜のエッジ部分を、伏毛表面にすることで、曲がる電子を放出しないコールドカソードを実現している。
【０１１７】
［実施例２］
図７は、実施例２に係るカソードパネルの側面を示している。同図に示すカソードパネル２５は、ＣＮＴ膜１３の表面状態を自在に制御した例であり、表面には、立毛表面部分１４と伏毛表面部分１５とが形成されている。図７では、３箇所の立毛表面を形成し、エッジを含めて４箇所の伏毛表面を形成してある。立毛表面１４からは、低電圧で電子放出される。このカソードパネル２５では、ＣＮＴ膜１３の表面のある部分（立毛表面）からは電子放出し、ある部分（伏毛表面）からは電子放出しないという特性を持たせられる。この特性を利用して文字表示する等の応用が可能である。
【０１１８】
そこで、文字表示について、図５に示す、上記実施例１に係るＦＥＤを利用して説明する。図５では、立毛表面部分１４からのみ電子が放出されて、それに対向する蛍光体部分２１が励起発光する。図７に示す構造のカソードパネル２５を、図５に示すように、蛍光体２１に対向する位置に配置すると、その立毛表面１４に対向する蛍光体だけが発光する。
【０１１９】
本実施例における、立毛表面と伏毛表面とを自在に形成する方法を説明する。まず、粘着テープをＣＮＴ表面に付着させて、それを引き剥がすことで、ＣＮＴ膜１３の表面全体を立毛表面にする。この作用は、フェルト生地にガムテープを付着させて引き剥がすと、その表面が毛羽立つ現象に類似している。全体が立毛表面になった後、金属プレート製のマスクを介して、ＣＮＴ膜上に部分的にエタノールをスプレー塗布する。その結果、エタノールで濡れた表面は、伏毛表面になる。
【０１２０】
立毛表面と伏毛表面を自在に形成する別の方法について説明する。まず、ＣＮＴ膜１３全体を純水に浸漬して、全体を伏毛表面にする。その後、スクリーンマスクを介して、粘着性のペーストを部分的にＣＮＴ表面に付着させる。ペーストを付着させる面が、立毛表面にしたい部分である。そして、粘着性のペーストを付着して乾燥・焼成した後に、そのペーストを引き剥がす。この引き剥がし時に、ＣＮＴ膜の極表面がペーストに付着して、ＣＮＴ膜から剥離される。この剥離の際、ＣＮＴ結晶が毛羽立って、立毛表面が形成される。
【０１２１】
［実施例３］
図８は、本発明の実施例３に係るカソードパネルの側面を示している。同図に示すカソードパネル３０の構造は、従来例として、図３２に示すカソードパネルと同様の構造を有する。しかし、本実施例に係るカソードパネルは、エッジ部分を導電性カバー２６で覆っていることが特徴である。
【０１２２】
導電性カバー２６は、６００ｎｍ厚のアルミニウム金属である。なお、このカバーは、厚みが５ミクロンの銀ペースト膜の場合もある。図８に示すように、導電性カバー２６は、ＣＮＴ膜１３の側面も覆っている。さらに、導電性カバー２６は、金属配線１２とも接触している。
【０１２３】
導電性カバー２６は、ＣＮＴ膜１３の側面も含むエッジ部分全体を覆うことで、エッジ部分からの電子放出を抑制している。また、この導電性カバー２６は、ＣＮＴ膜表面がチャージアップすることも防いでいる。例えば、ＣＮＴ膜１３が、バインダー等の絶縁物を含む場合には、ＣＮＴ膜自体の導電性が悪くなる。このように導電性の悪いＣＮＴ膜表面に、イオンや電子が照射された場合、ＣＮＴ膜表面がチャージアップして、電子が出にくくなったり、膜表面が放電破壊することがある。導電性カバー２６は、ＣＮＴ膜１３の表面と金属配線１２との導通を補助する作用がある。
【０１２４】
上記の構成によって、本実施例では、導電性カバー２６に接触したＣＮＴ膜１３の表面のＣＮＴ結晶が、横方向（表面に沿った方向）に電気伝導して、その表面のチャージアップを抑制する。
【０１２５】
［実施例４］
図９は、本発明の実施例４に係る、ノーマルゲート構造と呼ばれるカソードパネルの側面図である。同図に示すカソードパネル３５は、ガラス基板１１の上に金属配線１２が配置され、その上にＣＮＴ膜１３が堆積されている。ＣＮＴ膜１３の上方には、ゲート配線３１が配置されている。このゲート配線３１には、孔が設けられており、その部分をエミッタホール２７と呼ぶ。エミッタホール部分は、その底部においてＣＮＴ膜１３の表面が露出している。なお、エミッタホール２７以外の部分は、ゲート絶縁膜３２で覆われている。
【０１２６】
図９に示すカソードパネル３５では、ＣＮＴ表面が立毛表面１４になっている。そして、エミッタホール２７の端部付近が、導電性カバー２６で覆われている。ノーマルゲート構造では、エミッタホール２７の端部付近から電子が放出されると、ゲート絶縁膜３２に電子が飛び込んで、この絶縁膜３２がチャージアップを起こすという問題がある。そこで、本実施例では、図９に示すように、エミッタホール２７の端部付近を導電性カバー２６で覆うことで、電子放出を抑制している。
【０１２７】
本実施例に係るカソードパネルの例において、ＣＮＴ膜の表面を立毛表面にする方法について述べる。まず、ゲート配線３１側の表面に粘着シートを乗せたカソードパネル３５を、真空容器に入れる。この真空容器を、１０-1Ｐａ程度に真空引きして、粘着シートの上部をローラー状の器具で押し、粘着シートをＣＮＴ膜表面に接触させる。なお、この粘着シートは、粘着剤に導電性粒子（銀の超微粒子）を混ぜてあるので、粘着表面は導電性である。
【０１２８】
上記の状態で、ゲート配線３１と金属配線１２との間の導通を検査する。それらの間に導通があれば、粘着シートがＣＮＴ膜表面に接触していることになる。しかし、導通がなければ、その部分の押し付けをさらに強くして、導電性を持たせる。粘着シートによるゲート配線３１と金属配線１２との導通が確認できれば、粘着シートがＣＮＴ表面に接触したことが確認できたことになるため、真空容器の圧力を大気圧に戻した後、粘着シートを引き剥がす。
【０１２９】
上述した方法によって、ＣＮＴ膜が立毛になる。その際、銀の微粒子の一部がＣＮＴ膜表面に残存する。この微粒子は、ＣＮＴ膜の表面の導電性を増す効果がある。
【０１３０】
［実施例５］
本発明の実施例５について説明する。図１０は、本実施例に係るカソードパネル４０の側面図であり、同図に示すパネルは、グリッド電極で電子を電界放出させるコールドカソードの例である。なお、本実施例に係るカソードパネル４０は、従来例として示した、図３３に示すパネルと類似した構造を有する。
【０１３１】
図１０に示すカソードパネル４０において、グリッド電極３３の真下部分に位置するＣＮＴ膜１３の表面は、導電性カバー２８で覆われている。導電性カバー２８は、ニッケル金属を１００ｎｍスパッタ法で堆積させたものである。また、グリッド電極３３の開口部分に対応しているＣＮＴ膜１３の表面は、立毛表面である。
【０１３２】
このような構造のカソードパネルでは、グリッド電極３３の下にあるＣＮＴ膜１３からの電子放出が抑制される。結果として、グリッド３３の開口部分からの電子放出の割合が多くなる。かかる構造のカソードパネルを使用して、図５に示すＦＥＤに類似した構造のＦＥＤを組み立てて、その蛍光体を光らせると、蛍光体に対して選択的に電子を照射できる。よって、グリッドに流れてしまう無効電子放出（グリッド電流）の割合を低くすることができる。
【０１３３】
［実施例６］
本発明の実施例６について、図１０に示す、上記実施例５に係るカソードパネルを利用して説明する。実施例６は、導電性カバーを形成する際に、グリッド電極自身を蒸着源として使用する例である。
【０１３４】
図１０に示す構造のカソードパネルを形成し、そのカソードパネルを真空容器に入れて、グリッド電極３３を導電加熱する。その結果、グリッド電極自身が蒸発して、その周囲に金属を放出する。グリッド３３に近接しているＣＮＴ膜表面に、選択的に金属が堆積して、図１０に示すように、グリッド３３に対向する部分に導電性カバー２８が形成される。
【０１３５】
上記のグリッド蒸発による導電性カバーの形成は、どのような素材のグリッドでも実現できる。例えば、グリッド電極自身をタングステンで構成し、そのグリッド表面の内、ＣＮＴ膜に対向する部分にニッケルを付着させておくと、加熱時に、低融点金属のニッケルが選択的に蒸発するが、母材であるモリブデン金属は、蒸発しない。このようにして、本実施例では、低温で選択的に自己整合型の導電性カバーを形成することができる。
【０１３６】
［実施例７］
本発明の実施例７について、実施例６と同様、図１０に示す、上記実施例５に係るカソードパネルを利用して説明する。本実施例７では、図１０において導電性カバー２８として描かれた部分を、ＣＮＴ膜１３表面の伏毛表面で置き換える。そこで、その表面形成方法を説明する。
【０１３７】
まず、ＣＮＴ膜１３の表面全体を、湿度９０％の水蒸気雰囲気に１時間放置する。ＣＮＴ膜の表面を、周囲よりも低温（周囲温度３０℃、ＣＮＴ表面温度１０℃）にすると、ＣＮＴ表面に露滴が付着する。露滴が付着した後、このＣＮＴ膜（カソードパネル）を乾燥オーブンに移して、１００℃で乾燥させる。その結果、伏毛表面のＣＮＴ膜ができ上がる。
【０１３８】
次に、グリッド電極３３の上から粘着剤を塗布する。粘着剤は、スプレー噴霧やスクリーン印刷で塗布する。その後、粘着剤をキュアにより硬化してから引き剥がし、グリッド３３の開口部分を立毛表面にする。
【０１３９】
この開口部を立毛表面にする別の方法としては、グリッド３３の上方からサンドブラストする方法がある。サンドブラストの粒子は、直径が１μｍ〜５μｍの銅の微粉末を用いる。銅の微粉末が照射されたＣＮＴ表面は、その衝撃で荒れ、結果として、伏せていたＣＮＴ結晶が起き上がる。すなわち、その表面が立毛表面になる。
【０１４０】
［実施例８］
図１１は、本発明の実施例８に係るカソードパネルの側面を示している。同図に示すカソードパネル４５は、図１０に示す、上記実施例５等に係るパネルと類似した構造を有するが、導電性カバー２８が、グリッド電極３３の対向面、および開口部分の一部に形成されている。
【０１４１】
本実施例に係るカソードパネル４５では、グリッド電極３３への飛び込み電子を抑制することを最優先としている。ＣＮＴ膜１３の表面の内、グリッド電極３３に放出電子を飛び込ませる位置については、導電性カバー２８で覆って、電子放出を抑制する。
【０１４２】
［実施例９］
本発明の実施例９について、図１２を参照して説明する。同図に示すカソードパネル４７は、アンダーゲートと呼ばれるコールドカソードの例である。本実施例に係るカソードパネルが、図３４に示す、従来例としてのカソードパネル１０２０との相違点は、ＣＮＴ膜１３の表面の中央部分を、導電性カバー３４で覆っている点である。
【０１４３】
従来のアンダーゲート構造では、蛍光体（図５参照）に印加された正電圧によって、ＣＮＴ膜表面の中央部分から電子が放出されてしまう。この中央部分からの電子放出は、アンダーゲートの印加電圧では制御できない。このように、アンダーゲートで制御不可能な電子放出があると、蛍光体を光らせたくない場合にも、それが光ってしまうという問題がある。
【０１４４】
図１２に示す、本実施例に係るカソードパネル４７においては、アンダーゲート３６では制御不可能な電子放出をするＣＮＴ膜１３の表面を、導電性カバー３４で覆うことで、上記の問題を解決している。なお、図１２に示す構成に類似する例としては、導電性カバーで覆う代わりに、その部分のＣＮＴ膜を伏毛表面にするものがある。
【０１４５】
［実施例１０］
本発明に係る実施例１０について説明する。図１３は、本実施例に係るカソードパネル４９の側面図であり、ノーマルゲート構造において、エミッタホール２７の底部に電子放出しない孤立面を形成する例である。ここでは、ＣＮＴ膜１３の露出面の一部を、導電性カバー３８で覆う。本実施例に係るカソードパネル４９と、図９に示す、上記実施例４に係るカソードパネルとの相違点について説明する。
【０１４６】
図９に示すカソードパネルでは、導電性カバー２６で覆われている部分の内側に、立毛表面が存在しているのに対して、図１３に示すカソードパネルでは、立毛表面１４が存在する内側に、導電性カバー３８の領域が周囲から孤立して存在する。例えば、異常に電子放出が発生する場合、その部分を抑制する補修の結果として、図１３に示す構成となる。
【０１４７】
実際に電子放出させて、異常に多くの電子放出する部分に、インクジェットやレーザーＣＶＤ等の局所的に導電性膜を堆積する堆積法を用いると、上記のような孤立した状態になる場合がある。
【０１４８】
補修の場合とは別に、通常の製造プロセスにおいて、導電性孤立膜を形成する場合もある。浅底のエミッタホールの場合、底部の円周部分は、ゲート電極による制御が良く効く。一方、中央部分は、ゲート電極よりも、蛍光体の印加電圧により電子放出されてしまう。このため、浅底のエミッタホールを持つＦＥＤを製造した場合には、蛍光体の電圧を高くするとゲート電極の印加電圧如何にかかわらず、電子が常に放出されてしまうという故障状態が起こりかねない。この種の故障を防ぐものとして、エミッタホールの中央部分に導電性カバー膜を形成する例がある。
【０１４９】
図１４は、実際に試作したカーボンナノチューブＦＥＤのエミッタホール部分の断面図である。同図に示すように、ほぼ平坦なカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）膜１３をエミッタホールの底部に形成し、エミッタホール以外のカーボンナノチューブ膜は、絶縁膜４１で覆われている。ゲート配線４２は、絶縁膜４１の開口よりも若干大きい。
【０１５０】
エミッタホールの具体的な寸法は、絶縁膜４１の厚さが２０μｍ、絶縁膜開口が１００μｍ、ゲート配線はアルミニウム膜で、その膜厚は２００ｎｍであり、開口は１２０μｍである。絶縁膜開口とゲート配線開口の形状は、ともに真円で同軸である。
【０１５１】
本願出願人は、図１４に示す例とは異なる寸法のエミッタホールの試作も行った。その絶縁膜は、厚さが２μｍ〜３０μｍ、絶縁膜開口は、５μｍ〜２００μｍ、ゲート配線開口は、絶縁膜開口と同じか、あるいは２０μｍ大きいものまでについて、これらの内、３つの組み合わせ条件を各種試作した。また、これらの形状は、真円の他に楕円についても試作して、本発明の効果を確認した。
【０１５２】
図１５は、本実施例に係るカソードパネルのエミッタホール底部（図１４において、その中央部分の○印で示した部分）の拡大図である。図１５に示すように、エミッタホールの底部は立毛表面になっている。一方、絶縁膜で覆われたＣＮＴ膜は、図示しないが、伏毛表面状態になっている。伏毛表面にすることで、その上を覆う絶縁膜４１の形状を平坦にできる上、絶縁膜４１にＣＮＴ結晶が突き立っていない状態であるため、絶縁膜４１の耐電圧特性も良好である。すなわち、図１４に示す構造では、絶縁膜の下部分が伏毛になっていることに大きな特徴がある。
【０１５３】
スプレー塗布等でＣＮＴ膜を形成すると、ＣＮＴ膜の表面は、自然と毛羽立った状態になる。つまり、ある程度、垂直に配向した状態になる。これに対して、本発明のＣＮＴでは、スプレー塗布した後、純水を全面に霧状に塗布して、ＣＮＴ膜の表面を濡らし、その表面張力によって繊維状構造を水平に配向させている。
【０１５４】
別の例では、スピンコータで有機絶縁膜を塗布する際に、まず、その有機絶縁膜の溶媒だけをＣＮＴ膜表面に塗布して、その溶媒が蒸発する前に、連続的に有機絶縁膜を塗布する。こうすることで、繊維状構造を配向させた状態を形成して、その上に絶縁膜を堆積させる。エミッタ表面となるエミッタホール底の部分は、粘着テープを接触させて、垂直に配向させてある。
【０１５５】
［実施例１１］
本発明の実施例１１について説明する。本実施例は、グラファイト膜（不図示）による電子放出膜に関するものである。このグラファイト膜は、微細突起はないが、仕事関数が低い面を所々に露出させた構造を備えている。すなわち、仕事関数の低い領域が点在している膜である。
【０１５６】
上記のグラファイト膜をストライプ状にガラス基板上に堆積させ、そのエッジ部分をニッケル金属で覆う。その結果、エッジ部分からの電子放出は抑制されて、面の中央部分のみから、電子が放出される。
【０１５７】
［実施例１２］
図１６は、本発明の実施例１２に係る、カーボンナノチューブを用いたＦＥＤの構成（断面図）を示している。同図に示すＦＥＤ５０は、蛍光体を塗布した蛍光スクリーン５５に、真空中で電子線５８を照射する構造をとる。カソード配線５６の上には、ＣＮＴ膜５１を堆積してある。このＣＮＴ膜５１は、ゲート電極５３と絶縁膜５２の両方を円柱状に切り抜いて形成されたエミッタホール５４の底部に露出している。エミッタホール５４の寸法は、孔径が１０μｍ、高さが５μｍである。
【０１５８】
ＣＮＴ膜５１の最中央領域５７ａは、その膜の底面の中心を領域の中心として直径３μｍの範囲を占める。膜表面のＣＮＴ微細構造結晶は、伏毛の状態である。最中央領域５７ａに隣接し、それよりも一回り大きいドーナッツ状領域である中間領域５７ｂでは、ＣＮＴ膜表面が立毛状態になっている。このドーナッツ領域の内周の直径は３μｍで、外周直径は８μｍである。
【０１５９】
最外周領域５７ｃは、中間領域５７ｂに隣接しており、これよりも一回り大きいドーナッツ状領域である。この領域では、ＣＮＴ膜表面が伏毛状態になっている。ドーナッツ領域の内周の直径は８μｍで、外周直径は１０μｍである。そして、この最外周領域は、伏毛状態となって電子放出を抑制している。
【０１６０】
上記の構造を持つ結果、図１６に示すように、中間領域５７ｂからの電子放出が、他の領域５７ａ，５７ｃよりも多くなる。よって、蛍光スクリーン５５には、ドーナツ状に電子線が照射される。
【０１６１】
ここで、蛍光スクリーン５５には、６ｋＶ（ゲート電極５３の上方、２ｍｍの位置）が印加されていて、電子線を照射するモードでは、カソード配線５６には−１０Ｖ、ゲート電極５３には＋１０Ｖが印加されている。この状態で、カソード配線５６とゲート電極５３との間の電界は、２Ｖ／μｍで、蛍光スクリーン５５とカソード配線５６との間の電界（蛍光スクリーン電界）は、ほぼ３Ｖ／μｍである。
【０１６２】
本実施例に係るＦＥＤ５０は、ゲート電極５３が存在することで、最外周領域５７ｃ、および中間領域５７ｂでは、この蛍光スクリーン電界を遮蔽しているが、最中央領域５７ａでは、蛍光スクリーン電界が、ほぼそのまま印加されている。ここでは、蛍光スクリーン電界という高電界が、継続してかかることで、最中央領域５７ａからの電子放出が容易になる。この例では、最中央領域５７ａを電子が放出しにくい表面にすることで、ゲート電極電位で制御できない電子放出がないようにしている。
【０１６３】
最外周領域５７ｃでは、ＣＮＴ膜５１の表面形状によっては、電子が絶縁膜やゲート電極に飛び込んでしまう。そこで、この最外周領域５７ｃでは、電子が放出しにくい表面にすることで、飛び込み電子を抑制している。
【０１６４】
図１７は、本実施例に係るカソードパネルの製造プロセスを示している。最初に、同図の（ａ）に示す段階で、カソード配線５６上にＣＮＴ膜５１を堆積する。堆積の方法として、いくつか考えられる。例えば、シートを別の場所であらかじめ作成しておいて、それをカソード配線の上に乗せる。または、電着、ＣＮＴ粉末をスプレー噴霧することが挙げられる。
【０１６５】
ＣＮＴ膜は、一度エタノールに浸漬することで、エミッションがでなくなる。図１７の（ｂ）に示す段階では、凹凸の表面を備える粘着テープ５９を、ＣＮＴ膜５１の表面に押し付ける。その結果、粘着テープ５９の凸部５９ａと接触した領域が、立毛になる。なお、粘着テープの凸部パターンは、ドーナツ形状である。最後に、（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜５２とゲート電極５３を形成して、電子放出装置となる。
【０１６６】
［実施例１３］
本発明の実施例１３について説明する。図１８は、グラファイト系エミッション膜を用いた、本実施例に係るＦＥＤの構造を示す断面図である。本実施例に係るＦＥＤ６０は、ガラス基板上に形成した、厚さ１ミクロンの鉄配線６２の上に、グラファイト系エミッション膜６１を堆積する。この堆積はＣＶＤ法で行い、形成膜厚は１ミクロンである。
【０１６７】
エミッション膜６１の上には、アルミニウム製中央カバー６３を形成する。このカバー６３は、円状パターンを有し、その直径は１０ミクロンである。また、アルミニウム製中央カバー６３を挟むよう配された銀ペースト製周辺カバー６４は、図１９に示すように、ストライプ状のパターンを有する。各ストライプ幅は５０ミクロンである。このストライプは、ＦＥＤ６０のＲＧＢ配列に沿った方向に並べられている。
【０１６８】
アルミニウム製中央カバー６３を挟んでいる銀ペースト製周辺カバー６４の間隔は、３０ミクロンである。アルミニウム製中央カバー６３は、この間隔の中央に配置してある。なお、図１８は、上述したストライプ状パターンに直行した方向で、アルミニウム製中央カバー６３の中心を通る位置でＦＥＤを切断したときの断面図である。
【０１６９】
図１８に示すＦＥＤのグラファイト系エミッション膜６１の露出幅は、各１０ミクロンである。また、アルミニウム製中央カバー６３の膜厚は、１ミクロンである。一方、グラファイト系エミッション膜６１上における銀ペースト周辺カバー６４の厚みは、５ミクロンである。
【０１７０】
図１８に示すＦＥＤにおいて、グラフィト系エミッション膜６１の周辺には、絶縁膜６８、ゲート電極６５、およびエミッタホール６７が形成されている。このエミッタホール（孔）は、孔部分での実効絶縁膜厚が５ミクロンで、ゲート電極厚は８ミクロンである。また、エミッタホール６７の直径は、５０ミクロンである。アルミニウム製中央カバー６３は、このエミッタホール６７の中央部に配置されている。
【０１７１】
実効絶縁膜厚よりもゲート電極厚が厚い場合（図１８に示す場合）を、ゲート電極厚膜構造と呼ぶことにする。電極厚膜構造では、導電性のゲート電極が配置されている影響で、図１８に示すように、等電位面が複雑に歪んだ状態になる。グラファイト系エミッション膜６１の露出幅部分から放出された放射電子線は、この歪んだ等電位面に沿って、複雑に軌道を曲げて、最終的に蛍光スクリーン６６に到達する。
【０１７２】
なお、等電位面の歪みは、銀ペースト製周辺カバー６４やアルミニウム製中央カバー６３の存在も影響している。特に、膜厚が大きい銀ペースト製周辺カバー６４が与える影響が大きい。
【０１７３】
本実施例に係るＦＥＤにおける放射電子線は、図１８において、▲１▼，▲２▼，▲３▼で示したような軌道をとる。なお、▲４▼として破線で示した電子線の軌道は、実際には、エミッション膜がアルミニウム製中央カバーで覆われているため、電子は放出されないが、カバーで覆われていないと仮定した場合、エミッタホール６７の中心から放射され、▲４▼に示す軌道をとる。
【０１７４】
図２０は、図１８に示す構造を有するＦＥＤのカソードパネルを形成するプロセスの概要を示している。ここでは、グラファイト系エミッション膜６１の上を基板全面にアルミニウムをスパッタ堆積させ、その後、ホトリソグラフィー技術を用いて、不要な部分をエッチングする（図２０の（ａ））。次に、スクリーン印刷技術で、ストライプ状に銀ペーストを刷り込む（同図（ｂ））。そして、（ｂ）に示す構造の上に、絶縁膜６８とゲート電極６５を、スクリーン印刷技術で形成する（同図（ｃ））。
【０１７５】
図２１は、図１８に示すＦＥＤにおける各電子線のエミッション特性をグラフ化して示したもので、横軸がゲート−カソード間電圧、縦軸がエミッション電流の密度（単位：アンペア／ｍ2 ）である。ここでは、ゲート配線から１ｍｍ離れた位置に設置してある蛍光スクリーン６６に５ｋＶの電圧が印加されている。また、同図中、▲１▼，▲２▼，▲３▼，▲４▼は、電子放出位置を示しており（図１８参照）、それぞれエミッタホールの中心から１４ミクロン、１０ミクロン、６ミクロン、０ミクロンの位置である。
【０１７６】
ゲートホールの穴周辺部の▲１▼の特性と、穴中央部の▲４▼の特性とを比較すると、前者は、閾値が高電圧（３０Ｖ）にあり、その閾値以上の電圧で、より急激に放出電流が増加している。そして、周辺部から中央部に向かって、特性が少しづつ変化していることが分かる。▲２▼の特性は、閾値が２１Ｖ、▲３▼のそれは９Ｖである。
【０１７７】
図２２は、上記▲１▼〜▲４▼の領域における、実際の電子放出の総和を示している。ここで領域とは、隣接領域との距離の半分の位置までの領域を意味する。例えば、▲１▼は、▲２▼との境界である、穴の中心から１２．５ミクロンの円状境界よりも外側の部分からの電子放出である。また、▲２▼からの電子放出とは、中心から７．５ミクロン〜１２．５ミクロンのドーナツ領域から放出される電子を指す。なお、▲４▼の領域（覆い（カバー）のある中心領域）からは、実際には電子が放出されないが、その領域に覆いがないとした場合の電子放出量を示している。
【０１７８】
図２２から分かるように、全ての領域からの電子放出の総和（▲１▼＋▲２▼＋▲３▼＋▲４▼）に必要とするエミッション電流“Ａ”を得るには、５０Ｖのゲート−カソード間電圧が必要である。これを、パルス幅変調（ＰＷＭ）で得ようとして、ゲート−カソード間電圧（振幅）を設計すると、各２５Ｖ（カソード電圧Ｖｋは−２５Ｖ（ＯＮ）と０Ｖ（ＯＦＦ）のパルス、ゲート電圧Ｖｇは２５Ｖ（ＯＮ）と０Ｖ（ＯＦＦ）のパルス）となる。
【０１７９】
しかし、この設計では、ＯＦＦ時でも、図２２の“Ｂ”で示す値のエミッション電流が流れるため、ＯＦＦ時においても蛍光スクリーンが光ってしまうことがある。なお、実際には、穴の中央部が覆われているので、▲１▼＋▲２▼＋▲３▼で示すように、振幅が３０Ｖの特性になる。この状態では、ＯＦＦ時にエミッション電流が遮断されている。参考までに、図２２には、▲１▼＋▲２▼の場合も示してある。
【０１８０】
［実施例１４］
本発明の実施例１４として、図２３に、電子放出面の様々な形状を示す。同図の（ａ）は、ドーナッツ状電子放出面の例である。中心部にある領域７１と最周辺部７２は、その表面に仕事関数の高い（電子放出の閾値が高い）物質が配置されている。また、領域７３は、低仕事関数の材料が、その表面に配置されている。仕事関数の高い物質としては、例えば、ニッケルがあり、低い物質としてバリウムを用いた例がある。
【０１８１】
図２３の（ｂ）は、略長方形の電子放出面を例示したものである。ここでは、領域７４，７５が、電子を放出しにくい面である。また、同図の（ｃ）は、（ｂ）に示す場合に加えて、電子放出面をさらに細かく区切った例を示している。なお、電子放出面が高抵抗の場合に、低抵抗であるが電子放出しにくい材料を用いる構成とすることができる。電子放出面全体の電位を一定に保つことと、多くの電子を放出することの両方を実現した例である。
【０１８２】
［実施例１５］
本発明の実施例１５について説明する。ここでは、電子放出面の周辺部を低電子放出面にする設計指標を説明する。図２４は、本実施例１５に係るＦＥＤの側面図である。同図に示すエミッション膜８１の周辺部から放出され、▲１▼に示す軌道をとる電子は、絶縁膜８２に飛び込んでしまい、放電破壊の原因になる。軌道▲２▼を辿る電子は、ゲート電極８３に飛び込むため、それによってゲート―カソード間に電流が流れる。すなわち、インピーダンスが下がることで、ＦＥＤとしての駆動負荷が厳しくなる。加えて、電子が飛び込むことで、ガス放出やチャージアップの原因となる。
【０１８３】
軌跡▲３▼をとる電子は、蛍光スクリーン８４のターゲット領域８５から外れているので、無効な電子である。例えば、ＲＧＢカラーＦＥＤにおける色分離領域（ブラックマトリクスと呼ばれている領域）に電子が照射しても、それが発光に寄与しないため、無効な電子といえる。軌跡▲３▼の電子は、このような電子である。これに対して、軌跡▲４▼，▲５▼，▲６▼を辿る電子は、ターゲット領域８５に入っているので、有効な電子といえる。
【０１８４】
上述した▲１▼〜▲３▼の軌跡をとる電子は、放出されない方がよいし、また、放出しても無駄な電子である。ＦＥＤの最適設計の観点から、軌跡▲１▼〜▲３▼に係る電子は、抑制されるべきである。そこで、本発明では、▲１▼，▲２▼，▲３▼に対応する、エミッション膜上の領域に、高仕事関数（電子放出の閾値が高い）材料を配置したり、あるいは、ＣＮＴのように、微細突起の電界集中で電子を放出させる材料では、その突起を寝かせたり、突起を削り落とす等によって、上記の領域からの電子放出を抑制する。
【０１８５】
図２５は、本実施例における電子放出面の他の設計指標について図示したものである。すなわち、図２５は、図２４に示す構造を有するＦＥＤのゲート−カソード間に電圧を印加した場合の電子放出特性を示している。同図の“Ａ”は、上述した軌跡▲４▼＋▲５▼＋▲６▼のエミッション電流特性である。また、“Ｂ”は、▲４▼＋▲５▼について、“Ｃ”は、▲４▼のみのエミッション電流特性である。
【０１８６】
“Ｂ”の特性は、▲６▼の電子放出領域、すなわち、エミッション膜の中心部分での電子放出を抑制することで得られる。抑制のための方法は、軌跡▲１▼等における領域に対する抑制と同様である。
【０１８７】
図２５において、“Ａ”の特性は、閾値が低電圧で、その閾値以上の電圧においてのエミッション増加傾向は、緩やかである。“Ａ”の特性を有するＦＥＤを駆動するには、大きな駆動振幅を必要とするので好ましくない。よって、“Ｂ”、または“Ｃ”に示す特性が好ましい。しかしながら、特性“Ｂ”，“Ｃ”は、特性“Ａ”と比較して、同じ電圧におけるエミッション量が少ない。必要とするエミッション量と駆動振幅に応じて、電子を放出させることと、放出させないことの両方を設計する。
【０１８８】
なお、図２５は、蛍光スクリーン８４とカソード電極との間の電界が比較的低い場合の特性カーブを示しているが、電界が高い場合には、ゲート−カソード間電圧がゼロでも、エミッション電流が流れる。そこで、ゼロ電圧でエミッションが出ることを防ぐことも、ＦＥＤ設計の重要な指標になる。
【０１８９】
具体的には、図２４に示す形状、構造を持つＦＥＤにおいて、エミッタホール８６の径が８０ミクロンで、ゲート絶縁膜厚（エミッタホール８６に露出している、絶縁膜８２の実効厚み）が２０ミクロン、ゲート電極８３の厚みが１ミクロンであり、かつ、蛍光スクリーン８４が、カソード電極から１ｍｍの距離に配置されている場合、軌跡▲１▼，▲２▼，▲３▼をとる無効電子を抑制するには、エミッタホール８６の外周から１０ミクロンの領域では、電子を放出させないようにする。また、駆動振幅の設計、およびゼロ電圧エミッションを防ぐには、エミッタホール８６の中心から半径５ミクロンの領域において、電子放出を抑制する。
【０１９０】
［実施例１６］
図２６は、本発明の実施例１６に係るＦＥＤの構成を示す側面図である。なお、同図において、図２４に示す、上記実施例１５に係るＦＥＤと同一構成要素には同一符号を付してある。本実施例に係るＦＥＤは、そのゲート電極８３ａの形状に特徴がある。すなわち、図２６に示すように、ゲート電極８３ａは、エミッタホール８６に対して、その縁部分のゲート配線がテーパー形状になっている。
【０１９１】
ゲート電極が上記の形状を有するため、上述した実施例１５に係るＦＥＤ（図２４参照）では、電子がゲートに飛び込むが、本実施例では、軌跡▲２▼に示すように、電子がゲートに飛び込むことはない。この電子は、無効電子ではあるが、チャージアップやガス放出の原因となる悪影響が抑制される。
【０１９２】
また、図２６に示す構造においても、軌跡▲１▼，▲２▼，▲３▼をとる電子は、無効電子であるため、その放出を抑制すべく、その放出面に電子放出抑制処理（例えば、伏毛処理）を施す。しかし、万が一、その処理が不十分でも、放電破壊等の故障が生じにくい。さらに、図２６に示す構造では、ゲート電極８３ａによる円孔レンズの効果（等電位面の歪み）が異なり、ターゲット８５に照射される電子の割合が増える。
【０１９３】
なお、図２６に示すＦＥＤにおける電子軌跡は、それらに付した記号について、図２４の場合と同じ（▲１▼，▲２▼，▲３▼は、いずれも無効電子）であるが、等電位面の歪み具合に関しては、図２４に示すＦＥＤの方が、図２６よりも激しいことから分かるように、図２４に示すＦＥＤの方が、無効電子が多い。
【０１９４】
また、図２６に示すＦＥＤは、同じ絶縁膜厚、同じゲート配線膜厚（テーパー部を除く）の場合には、中心付近のゼロ電位エミッション現象やエミッション量の増加が鈍いという問題は、より深刻である。そこで、図２４に示すＦＥＤの構造に比べて、中心付近の、より広い領域をアルミニウム等で覆って、電子放出の抑制を行う。
【０１９５】
［実施例１７］
図２７は、本発明の実施例１７に係るＦＥＤの構成を示す側面図である。なお、同図において、図２４に示す、上記実施例１５に係るＦＥＤと同一構成要素には同一符号を付してある。本実施例に係るＦＥＤは、カソード配線上にＣＮＴペースト塊を堆積させた例に関するものである。
【０１９６】
図２７に示すように、本実施例に係るＦＥＤは、３０ミクロン厚のゲート絶縁膜８２、２ミクロン厚のゲート配線８３、２０ミクロン直径のエミッタホール８６、蛍光スクリーン８４を３ｍｍの高さに配置した構造を有する。また、ＣＮＴペースト塊９１は、１５ミクロンの直径、１５ミクロン厚の塊であり、それをスクリーン印刷のマスクを介して、エミッタホール８６中に落下させる。その後、塊を加熱することで、ＣＮＴペースト塊９１中のバインダー成分の一部を軟化させて、図２７に示すように、略円錐台形状の堆積物にする。
【０１９７】
本実施例に係るＦＥＤの等電位面は、円錐台形状を有するＣＮＴペースト塊９１の斜面部分の勾配が影響して、図２７に示すように、上に凸の傾向になる。なお、図２７に示すＦＥＤは、カソード配線に−１０Ｖ、ゲート配線に＋１０Ｖ、蛍光スクリーン８４に６ｋＶの電圧を印加した状態である。また、軌跡▲１▼，▲２▼，▲３▼をとる電子は、無効電子なので、実際に試作したＦＥＤでは、この部分のＣＮＴが鈍化するようにしてある。
【０１９８】
鈍化させるための具体的な方法としては、ＦＥＤとして、蛍光スクリーン８４と組み合わせる前に、蛍光スクリーンがない状態で真空チャンバーに入れ、１０-3Ｐａ台の真空状態でゲート−カソード間に電圧を印加して、エミッションを出させる。この場合、蛍光スクリーンがないので、放出された電子の大半が、絶縁膜８２か、ゲート配線８３に飛び込む。
【０１９９】
真空度が良くないため、残留イオンが多く、電子が放出されている近傍ではイオン化して、それがＣＮＴペースト塊９１に照射される。この際、電界のかかり具合と、絶縁膜８２やゲート配線８３に近いという理由によって、ＣＮＴペースト塊９１の斜面部分が、選択的にイオンによってダメージを受け、ＣＮＴの微細構造が丸まっていく。
【０２００】
このようなトリミングプロセスを経過させた後、蛍光クリーンと組み合わせて、ＦＥＤとして動作させると、事前にＣＮＴペースト塊９１の斜面部分のＣＮＴが丸められて、電界集中しにくくなっているため、その中央の領域だけが電子を放出する。
【０２０１】
真空度を悪くして（１０-3Ｐａ台）、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ2 以上、３０ｍＡ／ｃｍ2 以下のエミッションを１時間行う。すると今度は、ＣＮＴペースト塊９１の中心部分が、選択的にイオンダメージを受け、その部分のＣＮＴが鈍化する。この２次トリミングを終了後、排気を継続して、１０-5Ｐａ台の真空度にしてから、ＦＥＤとして駆動する。この場合、イオンが少ない状態にあるので、その後は、ＣＮＴペースト塊９１に目立ったダメージが起こることなく、ＦＥＤは動作する。この安定状態において、電子は、主にドーナツ状の領域から放出される。
【０２０２】
［実施例１８］
本発明の実施例１８について説明する。図２８は、本実施例に係る、２×３ピクセル（画素）のＦＥＤの駆動に関して例示し、説明するための図である。今、図２８の左上のピクセルを輝度１で、右上を輝度２５６で、同じく、中段左側を１２、右側を０（つまり、光っていない）、下段左側を８、右側を２５０の輝度で光らせようとしている。ここで、各数値は、“２５６”を１００％の輝度として、“１２８”ではその半分、“１”では、２５６分の１の輝度を意味している。
【０２０３】
上記の輝度を実現するため、図２９に示すように、パルス幅変調（ＰＷＭ）によってＦＥＤを駆動する。このとき、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の振幅が等しく、Ｖ１とＶ２の振幅が等しいとした場合における、図２８の発光状態を実現するピクセル設計について、図３０等を用いて説明する。
【０２０４】
図３０の（ａ）は、エミッタホールが１つ、（ｂ）では２つ、（ｃ）では３つ備えている様子を示す。また、Ｖ１とＨ１の振幅を同じにして駆動しようとする場合、図３１に示すエミッション特性を検討する必要がある。同図において、▲１▼は、エミッタホールが３つの場合、▲２▼はエミッタホールが２つの場合、そして、▲３▼は、エミッタホールが１つの場合を示している。
【０２０５】
上述した“２５６”の輝度を得るため、図３１の“Ａ”のレベルの電子放出が必要であるとした場合、駆動振幅は、図３１の矢印で示す領域のようになる。すなわち、エミッタホールが３つある場合（▲１▼の場合）、最も小さな振幅で動作する。そして、エミッタホールが２個（▲２▼）の場合、エミッタホールが１個（▲３▼）の場合の順に、駆動振幅が大きくなる。
【０２０６】
なお、上記▲２▼，▲３▼の場合、駆動電圧でＯＦＦレベルにしても電子が放出されてしまい、求められた輝度（色）表示ができないという問題がある。
【０２０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子源として機能し、少なくとも２つ以上の領域からなる連続した電子放出膜であって、これらの領域の内、１つの領域の表面における一定の電子放出量に必要な電界が、他の領域の表面で必要な電界と異なっていたり、１つの領域で電子放出する材料表面の仕事関数が、他の領域の表面で電子放出する材料表面の仕事関数と異なっていたり、これらの領域表面の凹凸について、１つの領域における凸部分の平均先端半径が、他の領域における凸部分の平均先端半径と異なっていたり、１つの領域での単位面積当たりの電子放出量が、他の領域での単位面積当たりの電子放出量と異なっていたり、これらの領域表面の凹凸について、１つの領域における凸部の面積密度が、他の領域における凸部の面積密度と異ならせることで、かかる電子放出膜を使用した電界電子放出装置において、その電子放出膜の表面を膜自身の微細加工限界とは別に微細にパターニングして特性を変えることができる。
【０２０８】
また、最内周領域、中間領域、および最外周領域からなる、電子源として機能する連続した電子放出膜において、これら最内周領域と最外周領域における電子放出特性と、中間領域における電子放出特性とを異ならせることで、電子放出膜の微細限界とは独立した微細なパターンで電子放出を制御できる。
【０２０９】
さらには、本発明に係る電子放出膜を電子放出装置に使用することで、容易に文字等の発光表示ができるだけでなく、異常放電が起こりにくく、信頼性の高い電子放出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る、コールドカソードのカソードパネルの側面図である。
【図２】実施例１に係る、コールドカソードのカソードパネルの正面図である。
【図３】立毛表面状態にあるＣＮＴ膜表面を模式的に示す図である。
【図４】ＣＮＴ膜の伏毛表面を模式的に示す図である。
【図５】実施例１に係るカソードパネルを用いたＦＥＤの破断線Ａ−Ａ’の切断側面を示す図である。
【図６】実施例１に係るカソードパネルを用いたＦＥＤの破断線Ｂ−Ｂ’における切断側面図である。
【図７】本発明の実施例２に係るカソードパネルの側面を示す図である。
【図８】本発明の実施例３に係るカソードパネルの側面を示す図である。
【図９】本発明の実施例４に係るカソードパネル（ノーマルゲート構造）の側面図である。
【図１０】本発明の実施例５に係るカソードパネルの側面図である。
【図１１】本発明の実施例８に係るカソードパネルの側面を示す図である。
【図１２】本発明の実施例９に係るカソードパネルの側面を示す図である。
【図１３】本発明の実施例１０に係るカソードパネルの側面図である。
【図１４】カーボンナノチューブＦＥＤのエミッタホール部分の断面図である。
【図１５】カソードパネルのエミッタホール底部の拡大図である。
【図１６】本発明の実施例１２に係る、カーボンナノチューブを用いたＦＥＤの断面図である。
【図１７】実施例１２に係るカソードパネルの製造プロセスを示す図である。
【図１８】本発明の実施例１３に係るＦＥＤの構造を示す断面図である。
【図１９】周辺カバーのストライプ状パターンを示す図である。
【図２０】実施例１３に係るＦＥＤのカソードパネルを形成するプロセスの概要を示す図である。
【図２１】実施例１３に係るＦＥＤにおける各電子線のエミッション特性を示す図である。
【図２２】電子放出の総和を示す図である。
【図２３】本発明の実施例１４に係る電子放出面の様々な形状を示す図である。
【図２４】本発明の実施例１５に係るＦＥＤの側面図である。
【図２５】実施例１５における電子放出面の他の設計指標を示す図である。
【図２６】本発明の実施例１６に係るＦＥＤの構成を示す側面図である。
【図２７】本発明の実施例１７に係るＦＥＤの構成を示す側面図である。
【図２８】本発明の実施例１８に係るピクセルについてＦＥＤの駆動を説明する図である。
【図２９】ＦＥＤ駆動に係るパルス幅変調（ＰＷＭ）を示す図である。
【図３０】エミッタホールの様子を示す図である。
【図３１】エミッション特性を示す図である。
【図３２】従来のカソードパネルの典型的な構成を示す図である。
【図３３】従来のサスペンドゲート型のカソードパネルの一例を示す図である。
【図３４】アンダーゲート型のカソードパネルの構造例を示す図である。
【符号の説明】
１０，２５，３０，３５，４０，４５，４７，４９ カソードパネル
１１ ガラス基板
１２ 金属配線
１３，５１ ＣＮＴ膜
１４ 立毛表面部分
１５ 伏毛表面
１６ 外部引出しパッド
１７ ＣＮＴ膜下地部分
２１ 蛍光体
２２ 電源
２３ 電流計
２６，２８，３４，３８ 導電性カバー
２７，６７，８６ エミッタホール
３１ ゲート配線
３２ ゲート絶縁膜
３３ グリッド電極
３６ アンダーゲート
４１ 絶縁膜
４２ ゲート配線
５０，６０ ＦＥＤ
５２，６８，８２ 絶縁膜
５３，６５，８３，８３ａ ゲート電極
５５，８４ 蛍光スクリーン
５６ カソード配線
５７ａ 最中央領域
５７ｂ 中間領域
５７ｃ 最外周領域
６１ グラファイト系エミッション膜
６３ アルミニウム製中央カバー
６４ 銀ペースト製周辺カバー
８５ ターゲット領域
９１ ＣＮＴペースト塊
Claims (11)
- 基板上に繊維状構造が形成されてなる電子放出を促進する領域と、電子放出を抑制する領域とを有し、電子源として機能する連続した電子放出膜であって、
前記繊維状構造は、前記基板上に立毛状態に形成され、さらに、前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が粘着剤を塗布されて引っ張られて細径化され切断されて先端が先鋭化していることを特徴とする電子放出膜。 - 前記電子放出を抑制する領域として基板露出部が点在し、更にエッジ部分が導電性カバーで覆われて前記電子放出を抑制する領域となっていることを特徴とする請求項1に記載の電子放出膜。
- 前記電子放出を抑制する領域に対応する部分が膜の平均表面に沿った方向に配向処理されたことにより伏毛状態とされていることを特徴とする請求項1に記載の電子放出膜。
- 前記電子放出を抑制する領域は、
最中央領域と、
前記最中央領域に隣接し、前記最中央領域より一回り大きいドーナツ状の中間領域と、
前記中間領域に隣接し、前記中間領域より一回り大きいドーナツ状の最外周領域とで構成され、
前記最中央領域と前記最外周領域における立毛状態対する伏毛状態の割合が中間領域よりも高いことを特徴とする請求項３に記載の電子放出膜。 - 前記中間領域の繊維状構造が導電性膜で覆われ先端が先鋭化され、
前記導電性膜の導電率が、前記最中央領域および前記最外周領域の導電率より大きいことを特徴とする請求項４に記載の電子放出膜。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の電子放出膜を備え、
前記電子放出膜の所定領域の表面、または側面の一部が絶縁膜に接して配置されていることを特徴とする電界電子放出装置。 - 請求項１乃至６のいずれかに記載の電子放出膜を備え、
前記電子放出膜の周辺部の一部を含む第１の領域、
または中央部の一部あるいは周辺部を含まない第２の領域、
または周辺部の一部を含み、かつ中央部の一部あるいは周辺部を含まない第３の領域の表面、または側面の一部が絶縁膜に接して配置されていることを特徴とする電界電子放出装置。 - 前記電子放出膜の側面および端部が導電性膜で覆われていることを特徴とする請求項６または７記載の電界電子放出装置。
- 前記絶縁膜の上面の一部にゲート電極が配置されていることを特徴とする請求項６または７記載の電界電子放出装置。
- 前記ゲート電極に設けられた孔に対する、そのゲート電極の縁部分が、上部方向に開く斜面形状を有することを特徴とする請求項９記載の電界電子放出装置。
- 前記電子放出膜がカーボンナノチューブの堆積物で置き換えられた構造を有し、その堆積物が略円錐台形状を有することを特徴とする請求項６記載の電界電子放出装置。
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