JP5878222B2 - 電界放出陰極素子及び電界放出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界放出陰極素子及びその製造方法、並びに電界放出装置に関し、特に、カーボンナノチューブ電界放出陰極素子及びその製造方法、並びに電界放出装置に関する。

電界電子放出は、高速度、大電流密度、低電力消費量、優れた単色性及び集積し易さ等の優れた点を有するので、現在、広く注目されている。

カーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ，ＣＮＴ）は、新型の炭素材料であり、日本の研究員の飯島澄男によって１９９１年に発見された（非特許文献１を参照）。カーボンナノチューブは良好な導電性能、良好な化学的安定性、大きなアスペクト比（長さと直径の比）を有し、その先端の面積は理論的に最良の寸法に達するので、カーボンナノチューブは低電界放出電圧及び良好な化学的安定性を有し、伝送される電流の密度も大きい。また、先端の面積が小さいほど局部の電界が集中するという理論により、カーボンナノチューブは、現在最良の電界放出表示装置用電子エミッタの一つである。

従来技術では、シルクスクリーンプリンティング或いはインクジェットプリンティングなどの方法によって、カーボンナノチューブ電界放出陰極素子を形成する。特許文献１には、カーボンナノチューブを含むペースト或いはインクを直接に陰極電極の表面に印刷することが具体的に記載されている。しかし、劣悪な真空条件下、或いは動作中に高圧点火が発生した際、電界放出陰極素子の表面におけるカーボンナノチューブの先端は潰れ易く、電界放出の性能を破壊する。これにより、カーボンナノチューブ陰極放出体（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｅｍｉｔｔｅｒ）の安定性は悪くなり、使用寿命も短くなる。

特開２００７−２７０２８８号公報

Ｓｕｍｉｏ Ｉｉｊｉｍａ、"Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ"、Ｎａｔｕｒｅ、１９９１年１１月７日、第３５４巻、ｐ．５６‐５８

従って、前記課題を解決するために、劣悪な環境に耐え、電子放出率が安定しており、且つ寿命が長い電界放出陰極素子及び該電界放出陰極素子を採用する電界放出装置を提供する。

本発明の電界放出陰極素子は、第一基板と、複数の陰極放出体と、を含み、第一基板は導電材料からなり、第一表面及び該第一表面と対向する第二表面を有し、第一基板は複数の第一孔を有し、各第一孔は第一表面から第二表面まで貫通し、複数の陰極放出体は各第一孔に充填され、且つ第一基板と電気的に接続され、各第一孔における複数の陰極放出体は相互に連接され、第一孔の内壁と接触して固定され、複数の陰極放出体は複数のカーボンナノチューブを含み、複数のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、電界放出端を形成する。

本発明の電界放出陰極素子は、第一基板と、第二基板と、複数の陰極放出体と、を含み、第一基板は導電材料からなり、第一表面及び該第一表面と対向する第二表面を有し、第一基板は複数の第一孔を有し、各第一孔は第一表面から第二表面まで貫通し、第二基板は複数の第二孔を有し、各第二孔は第二基板の対向する二つの表面を貫通し、第二基板は第一基板と積層され、複数の第一孔は複数の第二孔と一対一で対応し、第二孔の内壁には第二次電子放出層が設置され、複数の陰極放出体は各第一孔に充填され、且つ第一基板と電気的に接続され、各第一孔における複数の陰極放出体は相互に連接され、第一孔の内壁と接触して固定され、複数の陰極放出体は複数のカーボンナノチューブを含み、複数のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、電界放出端を形成する。

本発明の電界放出装置は、陽極基板と、陰極基板と、陽極構造体と、上記電界放出陰極素子と、を含み、電界放出陰極素子は陰極基板に設置され、陽極構造体は陽極基板に設置され、陽極構造体は電界放出陰極素子と間隔をあけて設置される。

従来の技術と比べて、本発明の電界放出陰極素子は以下の有益な効果を奏する。第一に、基板が導電材料からなる場合、基板を陰極電極とすることができるため、陰極電極を設置する必要がない。第二に、カーボンナノチューブペーストによって、カーボンナノチューブを基板の孔に強く固定することができる。第三に、陰極放出体を基板の複数の孔に設置して陰極放出体を保護できるため、イオン衝突による、電界放出陰極素子の破壊を防止できる。

本発明の実施例１に係る電界放出陰極素子の立体構造図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例２に係る電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例３に係る電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例４に係る電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例５に係る電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例６に係る電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例７に係る電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例８に係る電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例９に係る電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例１０に係る電界放出陰極素子の断面図である。 本発明の実施例１１に係る電界放出陰極素子の製造方法の工程図である。 浸潤法によって、カーボンナノチューブペーストが第一基板の第一孔に充填される状態を示す図である。 加圧注入法によって、カーボンナノチューブペーストが第一基板の第一孔も充填される状態を示す図である。 カーボンナノチューブペーストが充填された第一基板を加熱した後の写真である。 カーボンナノチューブペーストが充填された第一基板を加熱した後の局部の拡大写真である。 本発明の実施例１２に係る電界放出装置の構造を示す図である。 本発明の実施例１２に係る電界放出装置がテストされた際の光点を示す図である。 本発明の実施例１２に係る電界放出装置の電界放出陰極素子のＩＶ特性図である。 本発明の実施例１２に係る電界放出装置の電界放出陰極素子のＦＮ曲線図である。 本発明の実施例１２に係る電界放出装置の異なる真空度の条件下での陽極光点を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明について説明する。また、同じ部材は同じ符号で表示する。

図１〜図１１に示すように、本発明は電界放出陰極素子を提供する。該電界放出陰極素子は、第一基板１１０及び複数の陰極放出体１２０を含む。第一基板１１０は、第一表面１１０４及び該第一表面１１０４と対向する第二表面１１０６を有する。また、第一基板１１０は複数の第一孔１１０２を有する。各第一孔１１０２は、第一表面１１０４から第二表面１１０６まで貫通している。複数の陰極放出体１２０は、第一基板１１０と電気的に接続される。複数の陰極放出体１２０は、第一基板１１０の各第一孔１１０２に充填され、且つ第一孔１１０２の内壁と接触して固定される。各第一孔１１０２における複数の陰極放出体１２０は相互に連接している。

第一基板１１０は導体、半導体或いは絶縁体からなることができる。導体は、単体の金属、合金、他の導電材料の何れか一種である。半導体はシリコン、窒化ガリウム、ヒ化ガリウム等の何れか一種である。絶縁体は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、ガラス、石英、セラミック等の何れか一種或いは多種である。第一基板１１０は自立構造の硬質基板からなることができるが、この際、第一基板１１０は、スピニング或いはフォトリソグラフィによって形成される絶縁層とは異なる。第一基板１１０が絶縁材料からなる場合、第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁に導電層１１０９を設置することができる（図３を参照）。これにより、第一基板１１０の導電性を高めることができ、また、陰極放出体１２０を効果的に陰極１３０に電気的に接続させることができる。導電層１１０９の材料は、金属、合金、ＩＴＯ、他の導電材料等の何れか一種である。第一基板１１０の形状、寸法及び厚さは制限されず、必要に応じて製造できる。好ましくは、第一基板１１０の形状は、正方形或いは矩形であり、第一基板１１０の厚さは１００μｍ以上である。

第一基板１１０は複数の第一孔１１０２を有している。各第一孔１１０２は、第一基板１１０の第一表面１１０４から第二表面１１０６まで延伸している。好ましくは、複数の第一孔１１０２は、第一基板１１０に均一に分布される。第一孔１１０２の延伸する方向は、第一基板１１０の第一表面１１０４及び第二表面１１０６と特定の角度を成す。該角度は３０°〜９０°（３０°は含まず）である。好ましくは、４５°〜６０°である。第一孔１１０２の直径は５μｍ〜２００μｍであり、隣接する二つの第一孔１１０２の距離は２μｍ〜２００μｍである。好ましくは、第一孔１１０２の直径は１０μｍ〜４０μｍであり、隣接する二つの第一孔１１０２の距離は２μｍ〜１０μｍである。

更に、第一孔１１０２の内壁には、二次電子放出層１１０８を設置することができる（図７、図８を参照）。これにより、電界電子が放出される際、多量の二次電子を提供でき、生成される電子の数量を増加できる。二次電子放出層１１０８の材料は、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化セシウムの何れか一種である。更に、第一基板１１０は二層或いは多層構造体でもよい。第一基板１１０が二層或いは多層構造体である場合、第一孔１１０２の延伸する方向における長さを増加し、電子が第一孔１１０２の内壁と衝突する確率を高め、電界電子が放出される際に生じる二次電子の数量を増加して、電子増加率を高めることができる。

複数の陰極放出体１２０は複数のカーボンナノチューブ１２０２を含む。該複数のカーボンナノチューブ１２０２は分子間力で相互に連接されている。複数の陰極放出体１２０は、第一基板１１０における複数の第一孔１１０２内のみに設置される。複数の陰極放出体１２０において、少なくとも一部のカーボンナノチューブ１２０２の端部がカーボンナノチューブ電界放出端を形成する。陰極放出体１２０のカーボンナノチューブ電界放出端は、第一基板１１０の第一孔１１０２内に存在している。カーボンナノチューブ電界放出端が電子を放出する際、該電子は第一基板１１０の第二表面１１０６から射出される。陰極放出体１２０を第一基板１１０の複数の第一孔１１０２に設置することで、陰極放出体１２０を保護でき、イオンの衝突によって電界放出陰極素子が破壊されるのを防止することができる。

更に、陰極放出体１２０は導電粒１２０４を含むことができる。導電粒１２０４は、金属粒子、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）粒子の何れか一種或いは多種である。金属粒子は融点が低い錫粒子、鉛粒子、亜鉛粒子、マグネシウム粒子の何れか一種或いは多種である。また、金属粒子は、融点が高い金粒子、銀粒子、銅粒子、鉄粒子の何れか一種或いは多種であることもできる。前記金属粒子は化学的安定性に優れ、加熱工程において酸化しにくく、優れた導電性を保持できる。更に、陰極放出体１２０は無機接着剤を含むことができる。無機接着剤は、融点が低いガラスを融解した後に冷却して形成されたものである。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本発明の実施例１は電界放出陰極素子１００を提供する。電界放出陰極素子１００は、第一基板１１０と、複数の陰極放出体１２０と、を含む。第一基板１１０は、第一表面１１０４及び該第一表面１１０４と対向する第二表面１１０６を有する。また、第一基板１１０は複数の第一孔１１０２を有する。各第一孔１１０２は、第一表面１１０４から第二表面１１０６まで貫通している。第一孔１１０２の延伸する方向は、第一表面１１０４及び第二表面１１０６に対して垂直（９０°）である。複数の陰極放出体１２０は、第一基板１１０の第一孔１１０２内に充填される。陰極放出体１２０は、複数のカーボンナノチューブ１２０２及び導電粒子１２０４を含む。陰極放出体１２０におけるカーボンナノチューブ１２０２の電界放出端は第二表面１２０６から露出しない。

具体的には、本実施例において、第一基板１１０は銅板からなり、その長さは５ｍｍであり、幅は１．２ｍｍであり、厚さは５μｍである。陰極放出体１２０は、第一基板１１０の第一孔１１０２内に設置され、且つ第一孔１１０２の内壁に固定される。第一基板１１０が導電材料からなるので、電界放出陰極素子１００には陰極電極を設置しなくてもよい。陰極放出体１２０が電子を放出する際、該電子は、第一基板１１０の第二表面１１０６から射出される前に、第一基板１１０の第一孔１１０２内で特定の距離運動する。電子が第一孔１１０２内で運動する際、一部の電子が第一孔１１０２の内壁と衝突して、二次電子を生成するので、電子の放出率を高めることができる。また、電界放出陰極素子１００の構造が簡単であるため、製造し易い。

（実施例２）
図３を参照すると、本発明の実施例２は電界放出陰極素子２００を提供する。電界放出陰極素子２００は、第一基板１１０と、複数の陰極放出体１２０と、を含む。第一基板１１０の第一表面１１０４及び第一孔１１０２の内壁には、導電層１１０９が設置されている。

本発明の実施例２の電界放出陰極素子２００の構造は、実施例１の電界放出陰極素子１００の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下の点である。第一基板１１０は絶縁材料からなり、第一基板１１０の第一表面１１０４及び第一孔１１０２の内壁には導電層１１０９が設置されており、この第一基板１１０の第一表面１１０４に設置されている導電層１１０９を陰極電極とすることができる。第一基板１１０には導電層１１０９が設置されており、しかも第一基板１１０が絶縁材料からなるため、導電基板を設置する必要がない。本実施例において、第一基板１１０はガラス基版である。

（実施例３）
図４を参照すると、本発明の実施例３は電界放出陰極素子３００を提供する。電界放出陰極素子３００は、第一基板１１０と、複数の陰極放出体１２０と、を含む。

本発明の実施例３の電界放出陰極素子３００の構造は、実施例１の電界放出陰極素子１００の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下の点である。本実施例において、第一基板１１０の第一孔１１０２の延伸方向は、第一基板１１０の第一表面１１０４及び第二表面１１０６と角度αを成す。αの角度は３０°〜９０°（３０°、９０°は含まず）である。好ましくは、αの角度は４５°〜６０°である。電子が第一孔１１０２内で運動する際、第一孔１１０２の延伸方向は電場方向と特定の角度を成すので、電子が第一孔１１０２の内壁と衝突する確率が増大し、多くの二次電子を生成することができ、実施例１の電界放出陰極素子１００より、電子放出率を更に高めることができる。具体的には、本実施例において、αの角度は４５°である。

（実施例４）
図５を参照すると、本発明の実施例４は電界放出陰極素子４００を提供する。電界放出陰極素子４００は、第一基板１１０と、第二基板１４０と、複数の陰極放出体１２０と、を含む。第一基板１１０は複数の第一孔１１０２を有する。第二基板１４０は複数の第二孔１４０２を有する。複数の第二孔１４０２は第二基板１４０の対向する二つの表面を貫通する。第一基板１１０における複数の第一孔１１０２は、第二基板１４０における複数の第二孔１４０２と一対一で対応している。また、第二孔１４０２の内壁には、二次電子放出層１１０８が設置されている。

本発明の実施例４の電界放出陰極素子４００の構造は、実施例１の電界放出陰極素子１００の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下の点である。本実施例において、電界放出陰極素子４００は、第二基板１４０を含み、該第二基板１４０は、第一基板１１０の第二表面１１０６に設置される。第二基板１４０の第二孔１１０８の延伸方向は、第一基板１１０の第一表面１１０４及び第二表面１１０６と角度βを成す。βの角度は３０°〜９０°（３０°は含まず）である。好ましくは、βの角度は４５°〜６０°である。電子が運動する際、電子は第一孔１１０２から第二孔１４０２まで運動できる。つまり、第二孔１４０２により、電子の運動距離が増加するので、電子が第一孔１１０２及び第二孔１４０２の内壁と衝突する確率を増大させて、多くの二次電子を生成することができるため、電子放出率を更に高めることができる。具体的には、本実施例において、第二基板１４０はガラスからなり、βの角度は４５°である。

（実施例５）
図６を参照すると、本発明の実施例５は電界放出陰極素子５００を提供する。電界放出陰極素子５００は、第一基板１１０と、複数の陰極放出体１２０と、陰極電極１３０と、を含む。陰極電極１３０は、第一基板１１０の第一表面１１０４に平行して設置され、且つ複数の陰極放出体１２０と電気的に接続される。

本発明の実施例５の電界放出陰極素子５００の構造は、実施例１の電界放出陰極素子１００の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下の点である。本実施例において、第一基板１１０の材料は制限されず、導体、絶縁体、半導体の中の何れか一種である。陰極電極１３０は、第一基板１１０の第一表面１１０４に設置される。複数の陰極放出体１２０は、第一孔１１０２内に均一に分布され、また、一部のカーボンナノチューブ１２０２は、カーボンナノチューブペーストによって第一孔１１０２の内壁に固定される。第一基板１１０は、複数の陰極放出体１２０に対して固定及び支持する。本実施例において、第一基板１１０はガラス基板である。

（実施例６）
図７を参照すると、本発明の実施例６は電界放出陰極素子６００を提供する。電界放出陰極素子６００は、第一基板１１０と、複数の陰極放出体１２０と、陰極電極１３０と、を含む。第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁には、二次電子放出層１１０８が設置されている。

本発明の実施例６の電界放出陰極素子６００の構造は、実施例５の電界放出陰極素子５００の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下の点である。本実施例において、第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁には、二次電子放出層１１０８が設置されている。これにより、電子が第一孔１１０２で運動する際、一部の電子が第一孔１１０２の内壁と衝突し、二次電子を生成することができるため、電子放出率を更に高めることができる。

（実施例７）
図８を参照すると、本発明の実施例７は電界放出陰極素子７００を提供する。電界放出陰極素子７００は、第一基板１１０と、複数の陰極放出体１２０と、陰極電極１３０と、を含む。第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁には、二次電子放出層１１０８が設置されている。

本発明の実施例７の電界放出陰極素子７００の構造は、実施例６の電界放出陰極素子６００の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下の点である。本実施例において、第一基板１１０の第一孔１１０２の延伸方向は、第一基板１１０の第一表面１１０４及び第二表面１１０６と角度αを成す。αの角度は３０°〜９０°（３０°、９０°は含まず）である。好ましくは、αの角度は４５°〜６０°である。つまり、電子が第一孔１１０２で運動する際、第一孔１１０２の延伸方向が電場方向と特定の角度を成すので、電子が第一孔１１０２の内壁と衝突する確率を増大させる。また、第一孔１１０２の内壁に二次電子放出層１１０８が設置されているので、電子が第一孔１１０２の内壁と衝突する際、多くの二次電子を生成することができるため、実施例１の電界放出陰極素子１００より、電子放出率を更に高めることができる。具体的には、本実施例において、αの角度は４５°である。

（実施例８）
図９を参照すると、本発明の実施例８は電界放出陰極素子８００を提供する。電界放出陰極素子８００は第一基板１１０と、複数の陰極放出体１２０と、第二基板１４０と、陰極電極１３０と、を含む。第一基板１１０は複数の第一孔１１０２を有する。第二基板１４０は複数の第二孔１４０２を有する。第一基板１１０における複数の第一孔１１０２は、第二基板１４０における複数の第二孔１４０２と一対一で対応する。第一孔１１０２及び第二孔１４０２の内壁には、二次電子放出層１１０８がそれぞれ設置されている。

本発明の実施例８の電界放出陰極素子８００の構造は、実施例７の電界放出陰極素子７００の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下の点である。本実施例において、電界放出陰極素子８００は第二基板１４０を含み、該第二基板１４０は、第一基板１１０の第二表面１１０６に設置されている。第二基板１４０の第二孔１４０２の延伸方向は、第一基板１１０の第一表面１１０４及び第二表面１１０６と角度βを成す。βの角度は３０°〜９０°（３０°は含まず）である。好ましくは、βの角度は４５°〜６０°である。つまり、第二基板１４０の存在により、電子が運動する際、電子は第一孔１１０２から第二孔１４０２まで運動でき、第二孔１４０２が電子の運動距離を増加させるので、電子が第一孔１１０２及び第二孔１４０２の内壁と衝突する確率を増大させて、多くの二次電子を生成することができるため、電子放出率を更に高めることができる。具体的には、本実施例において、二次電子放出層１１０８は酸化マグネシウムからなり、第二基板１４０はガラスからなり、βの角度は４５°である。

（実施例９）
図１０を参照すると、本発明の実施例９は電界放出陰極素子９００を提供する。電界放出陰極素子９００は、第一基板１１０と、複数の陰極放出体１２０と、電極１１１０と、陰極電極１３０と、を含む。電極１１１０は、第一基板１１０の第二表面１１０６に設置されている。

本発明の実施例９の電界放出陰極素子９００の構造は、実施例５の電界放出陰極素子５００の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下の点である。本実施例において、第一基板１１０の第二表面１１０６に電極１１１０が設置されている。これにより、電極１１１０と陰極電極１３０との間に電圧を印加すると、陰極電極１３０は低電圧の条件で電子を放出できる。電極１１１０を設置していない電界放出陰極素子に比べて、本実施例９の電界放出陰極素子９００は、電子を放出する際の電圧値を低下させることができる。本実施例において、電極１１１０は銅からなる。

（実施例１０）
図１１を参照すると、本発明の実施例１０は電界放出陰極素子１０００を提供する。電界放出陰極素子１０００は、第一基板１１０と、複数の陰極放出体１２０と、複数の陰極電極１３０と、を含む。

本発明の実施例１０の電界放出陰極素子１０００の構造は、実施例５の電界放出陰極素子５００の構造と基本的に同じであるが、異なる点は以下の点である。本実施例において、陰極電極１３０は、パターン化された陰極電極であり、このパターンは必要に応じて設定できる。電界放出陰極素子１０００が電子を放出する際、必要に応じて、電界放出陰極素子１０００の異なる領域をそれぞれに制御できるため、柔軟に制御できる。

（実施例１１）
図１２を参照すると、本発明の実施例１１は電界放出陰極素子の製造方法を提供する。電界放出陰極素子の製造方法は、第一基板１１０を提供するステップ（Ｓ１０）であって、該第一基板１１０は複数の第一孔１１０２を有し、第一基板１１０は第一表面１１０４及び該第一表面１１０４と対向する第二表面１１０６を有し、各第一孔１１０２は第一表面１１０４から第二表面１１０６まで貫通しているステップ（Ｓ１０）と、カーボンナノチューブペースト１２２を提供して、カーボンナノチューブペースト１２２を複数の第一孔１１０２の内に充填させ、一部のカーボンナノチューブペースト１２２を複数の第一孔１１０２の内壁に貼付させるステップ（Ｓ１１）と、カーボンナノチューブペースト１２２で充填された第一基板１１０を加熱し、カーボンナノチューブペースト１２２における有機キャリアーを揮発させ、電界放出陰極素子を形成するステップ（Ｓ１２）と、含む。

ステップ（Ｓ１０）において、第一基板１１０は、導体、半導体或いは絶縁体からなることができる。第一基板１１０の形状、寸法及び厚さは制限されず、必要に応じて製造できる。複数の第一孔１１０２の延伸方向は皆同じである。第一孔１１０２の直径は５μｍ〜２００μｍであり、隣接する二つの第一孔１１０２の距離（一つの孔の内壁から隣接する孔の内壁までの最短距離。特に断らない限り、以下同じ。）は２μｍ〜２００μｍである。好ましくは、第一孔１１０２の直径は１０μｍ〜４０μｍであり、隣接する二つの第一孔１１０２の距離は２μｍ〜１０μｍである。本実施例において、第一基板１１０はガラス基板であり、その長さは５ｍｍであり、幅は１．２ｍｍであり、厚さは１ｍｍであり、各第一孔１１０２の直径は２０μｍであり、隣接する二つの第一孔１１０２の距離は５μｍである。

更に、第一孔１１０２の内壁に、二次電子放出層１１０８を設置してもよい。二次電子放出層１１０８の材料は、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化セシウムの何れか一種である。気相堆積法或いはマグネトロンスパッタリング方法によって、二次電子放出層１１０８を形成する。本実施例において、二次電子放出層１１０８の材料は酸化マグネシウムであり、マグネトロンスパッタリング方法によって、二次電子放出層１１０８を形成する。

更に、第一孔１１０２の内壁に導電層１１０９を設置してもよい。導電層１１０９の材料は、金属、合金、ＩＴＯ等の何れか一種である。気相堆積法或いはマグネトロンスパッタリング方法によって、導電層１１０９を形成する。本実施例において、導電層１１０９の材料は金属銅であり、マグネトロンスパッタリング方法によって、導電層１１０９を形成する。

ステップ（Ｓ１１）において、カーボンナノチューブペースト１２２はカーボンナノチューブ及び有機キャリアーを含む。好ましくは、カーボンナノチューブペースト１２２はカーボンナノチューブ及び有機キャリアーのみからなる。

カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径は０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径は１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径は１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。カーボンナノチューブの長さは１μｍより長い。好ましくは、カーボンナノチューブの長さは５μｍ〜１５μｍである。

有機キャリアーは揮発し易い有機物である。加熱によって、有機キャリアーを除去できる。有機キャリアーはエチルセルロース、テルピネオール、及びエタノールを含む。その中で、エチルセルロースの質量百分比は１０％〜４０％であり、テルピネオールの質量百分比は３０％〜５０％であり、エタノールの質量百分比は３０％〜５０％である。エチルセルロースは安定剤として、有機キャリアーの接着度を高めることに用いられる。テルピネオールは希釈剤として、カーボンナノチューブペースト１２２を流動させることに用いられる。エタノールは溶剤として、カーボンナノチューブを分散させることに用いられる。

カーボンナノチューブペースト１２２において、カーボンナノチューブの質量百分比は２％〜５％であり、有機キャリアーの質量百分比は９５％〜９８％である。また、好ましくは、カーボンナノチューブペースト１２２において、カーボンナノチューブの質量百分比は２．５％〜５％であり、有機キャリアーの質量百分比は９５％〜９７．５％である。この際、カーボンナノチューブペースト１２２は優れた流動性を有するため、基板１１の孔１１０２に充填し易い。また、カーボンナノチューブペースト１２２は可塑性に優れ、基板１１の孔１１０２内に均一に分布できる。本実施例に採用するカーボンナノチューブペースト１２２に対するずり速度が１０／秒である際の粘度は、１０Ｐａ・ｓ〜１２Ｐａ・ｓであるが、好ましくは、１０Ｐａ・ｓ〜１１Ｐａ・ｓである。この際、カーボンナノチューブペースト１２２は基板１１の孔１１０２に充填し易く、また、基板１１の孔１１０２の内壁の接着力は強く、カーボンナノチューブペースト１２２を基板１１の孔１１０２の内壁に緊密に貼付させることができる。

更に、カーボンナノチューブペースト１２２は、導電粒１０２４及びガラス粉の何れか一種又はこれらの混合物を含むことができる。導電粒１０２４の粒径は１μｍ以下であり、且つその比表面積は１ｍ^２／ｇ〜３ｍ^２／ｇである。ガラス粉は低融点のガラス粉であり、その融点は３００℃〜４００℃である。ガラス粉の粒径は１０μｍ以下であるが、好ましくは、１μｍ以下である。カーボンナノチューブペースト１２２は、導電粒１０２４及びガラス粉を含む際、カーボンナノチューブの質量百分比は２％〜５％であり、導電粒１０２４の質量百分比は２％〜４％であり、ガラス粉の質量百分比は１％〜３％であり、有機キャリアーの質量百分比は８８％〜９５％である。

図１３及び図１４を参照すると、カーボンナノチューブペースト１２２を第一基板１１０の孔１１０２に充填する方法は、浸潤法或いは加圧注入法である。本実施例において、浸潤法によって、カーボンナノチューブペースト１２２を第一基板１１０の孔１１０２に充填させる。

図１３を参照すると、浸潤法によって、カーボンナノチューブペースト１２２を基板１１０の孔１１０２に充填する方法は、第一基板１１０を、カーボンナノチューブペースト１２２が充填された容器１５０内に置くステップであって、第一基板１１０はカーボンナノチューブペースト１２２の表面に位置するステップ（Ｓ１１１０）と、第一基板１１０に圧力を印加し、第一基板１１０を徐々にカーボンナノチューブペースト１２２中に浸して、カーボンナノチューブペースト１２２を第一基板１１０の孔１１０２内に充填させるステップ（Ｓ１１１１）と、を含む。

図１４を参照すると、加圧注入法によって、カーボンナノチューブペースト１２２を第一基板１１０の孔１１０２に充填する方法は、カーボンナノチューブペースト１２２を第一基板１１０の第一表面１１０４或いは第二表面１１０６に塗るステップ（Ｓ１１２０）と、カーボンナノチューブペースト１２２が塗られた第一基板１１０を容器１５０内に置き、この第一基板１１０によって、容器１５０を第一空間１７０及び第二空間１８０に分けるステップであって、第一空間１７０は第一基板１１０にカーボンナノチューブペースト１２２が塗られた側の空間であり、第二空間１８０は第一基板１１０にカーボンナノチューブペースト１２２が塗られていない側の空間であるステップ（Ｓ１１２１）と、第一空間１７０を真空にするのと同時に、第二空間１８０に大気を導入し、大気圧力によってカーボンナノチューブペースト１２２を第一基板１１０の第一孔１１０２内に充填させるステップ（Ｓ１１２２）と、を含む。

更に、ステップ（Ｓ１１２１）において、容器１５０には支持体１６０を更に含むことができる。この際、第一基板１１０は支持体１６０に固定され、該支持体１６０及び第一基板１１０が共に、容器１５０を第一空間１７０及び第二空間１８０に分ける。

ステップ（Ｓ１２）において、加熱温度は１５０℃〜５００℃であるが、好ましくは、１５０℃〜３００℃である。有機キャリアーは揮発し易い物質であり、前記加熱温度で揮発できる。有機キャリアーは、例えば、エチルセルロース、テルピネオール、及びエタノールである。加熱前に、カーボンナノチューブペースト１２２における複数のカーボンナノチューブ１２０２は三次元ネット構造体を呈し、且つ有機キャリアーの中に均一に分布し、複数のカーボンナノチューブ１２０２の少なくとも一部の一端はカーボンナノチューブペースト１２２から突出する。カーボンナノチューブペースト１２２は表面張力によって第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁に貼付され、また、複数のカーボンナノチューブ１２０２同士は有機キャリアーによって結合される。加熱工程において、カーボンナノチューブペースト１２２における有機キャリアーは絶え間なく揮発するため、カーボンナノチューブペースト１２２と第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁との間の表面張力が、カーボンナノチューブ１２０２と第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁との間の分子間力に徐々に取って代わる。これにより、加熱後に得た陰極放出体１２０は、複数のカーボンナノチューブ１２０２と第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁との間の分子間力によって、第一孔１１０２の内壁に強く固定され、また、複数のカーボンナノチューブ１２０２は分子間力によって相互に連接される。カーボンナノチューブペースト１２２が低融点の導電粒１２０４を含む場合、加熱工程において、導電粒１２０４の一部は溶化される或いは導電粒１２０４は完全に溶化される。冷却工程において、複数のカーボンナノチューブ１２０２は複数の導電粒１２０４によって電気的に接続され、凝結された導電粒１２０４は第一孔１１０２の内壁に固定される。カーボンナノチューブペースト１２２が低温ガラス粉を含む場合、加熱工程においてガラス粉を溶化させ、冷却工程においてガラス粉は無機接着材料を形成する。これにより、複数のカーボンナノチューブ１２０２を、第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁に強く固定させることができる。

更に、カーボンナノチューブペースト１２２が充填された第一基板１１０を加熱する前に、或いは加熱する工程において、遠心法或いは振動法によって、カーボンナノチューブペースト１２２を、更に、第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁に緊密に貼付させることができる。

図１５及び図１６は、カーボンナノチューブペースト１２２が充填された第一基板１１０を加熱した後の写真である。

更に、第一基板１１０が絶縁材料からなる場合、電界放出陰極素子の製造方法は、第一基板１１０の第一表面１１０４に、陰極電極１３０とする導電電極を設置するステップ（Ｓ１３）を含むことがきる。

ステップ（Ｓ１３）において、陰極電極１３０は陰極放出体１２０と電気的に接続される必要があるが、この際、陰極電極１３０は導電材料層或いは導電基板でも良い。

陰極電極１３０が導電材料層である場合、陰極電極１３０が陰極放出体１２０と電気的に接続されることを保証するために、第一基板１１０の第一孔１１０２の内壁の一部に導電材料層を被覆する。この導電材料層は、ニッケルめっき層、クロムめっき層、銅めっき層等の何れか一種であり、その製造方法は電気めっき法或いは化学めっき法である。

陰極電極１３０が導電基板である場合、導電基板は金属板或いはＩＴＯガラス等である。また、陰極電極１３０は連続した構造体或いは間隔をあけて設置された複数のパターンでも良い。陰極電極１３０が間隔をあけて設置された複数のパターンである場合、選択的に、対応する第一基板１１０における陰極放出体１２０を制御することができる。

陰極電極１３０の形状、寸法及び厚さは必要に応じて選択できる。本実施例において、陰極電極１３０は銅基板である。

更に、第一基板１１０が絶縁材料からなる場合、電界放出陰極素子の製造方法は、第一基板１１０の第二表面１１０６に電極１１１０を設置するステップ（Ｓ１４）を含むことがきる。

ステップ（Ｓ１４）において、電極１１１０は、カーボンナノチューブ電界放出端の放出電圧を低下させることができる。第一基板１１０の第一表面１１０４及び第二表面１１０６に電圧を印加した際、第一表面１１０４と第二表面１１０６との距離は短いので、カーボンナノチューブ電界放出端は低電圧で、電子を放出できる。電極１１１０は金属めっき層であり、その製造方法は、電気めっき法或いは化学めっき法である。

更に、電界放出陰極素子の製造方法は、第一基板１１０の第二表面１１０６に第二基板１４０を設置するステップ（Ｓ１５）を含むことができる。

ステップ（Ｓ１５）において、第二基板１４０は複数の第二孔１４０２を有する。第二基板１４０における複数の第二孔１４０２は第一基板１１０における複数の第一孔１１０２と一対一で対応する。第二基板１４０は第一基板１１０と絶縁して設置される。電界放出陰極素子が第一基板１１０及び第二基板１４０からなる二層構造体である場合、電子が運動する際、電子が第一孔１１０２から第二孔１４０２まで運動でき、第二孔１４０２が電子の運動距離を増加させるので、電子が第一孔１１０２及び第二孔１４０２の内壁と衝突する確率を増大し、多くの二次電子を生成することができるため、電子放出率を更に高めることができる。

本発明の電界放出陰極素子は以下の有益な効果を奏する。第一に、基板が導電材料からなる場合、該基板を陰極電極とすることができ、陰極電極を設置する必要がない。第二に、基板に孔が均一に分布され、陰極放出体が孔に充填されるので、基板に陰極放出体を均一に分布させることができる。第三に、カーボンナノチューブペーストによって、カーボンナノチューブを基板の孔に強く固定することができる。第四に、基板の孔に二次電子放出層が設置されるので、電界放出陰極素子は低真空などの悪条件下でも正常に動作できるため、性能が安定であり、使用寿命を延ばすことができ、広く応用できる。

（実施例１２）
図１７を参照すると、本実施例は電界放出陰極素子を採用する電界放出装置１０を提供する。電界放出装置１０は、陽極基板１０２と、陰極基板１０４と、陽極構造体１０６と、電界放出陰極素子１１００と、を含む。本実施例の電界放出陰極素子１１００は、前記実施例１〜１０の電界放出陰極素子の何れか一種である。

電界放出陰極素子１１００は、陰極基板１０４に設置される。陽極構造体１０６は、陽極基板１０２に設置される。陽極構造体１０６は、電界放出陰極素子１１００と特定の距離を維持する。

陰極基板１０４の材料は、ガラス、セラミック、二酸化ケイ素等の絶縁材料からなる。陽極基板１０２は透明基板である。本実施例において、陰極基板１０４及び陽極基板１０２は透明基板である。

陽極構造体１０６は、陽極基板１０２にコーティングされた陽極電極１０７を含む。陽極電極１０７は、インジウムスズ酸化物薄膜（ＩＴＯ薄膜）である。更に、陽極電極１０７の表面に蛍光体層１０８を設置してもよい。この際、陰極放出体１２０が放出した電子は、蛍光体層１０８に衝突して蛍光体層１０８を発光させる。これにより、電界放出光源或いは電界放出表示装置を獲得することができる。

更に、電界放出装置１０をテストする。このテストは、真空度が１０^−５Ｐａの条件で行われる。陰極から陽極までの距離は３ｍｍである。テスト工程において、幾度も局所的にに点火し、時には強力な点火であるが、全体的な放出状態は破壊されない。図１８は、テスト工程における電界放出装置１０の陽極光点を示す。図１８において、蛍光表示デバイス画像及びその明るさから、電界放出装置１０における陰極の放出状態は基本的に変化しないことが判断できる。本発明の構造は、陰極が点火されることによって全体の放出表面が破壊され、放出電流が減少することを解決できる。

図１９及び図２０を参照すると、図１９は電界放出装置１０のＩＶ特性図であり、図２０は電界放出装置１０のＦＮ曲線図である。ＩＶ特性図からわかるように、テスト工程において印加する最高圧パルス電源は一万ボルトである。周波数が５０ヘルツであり、パルス幅が１０マイクロ秒である条件でテストを行い、約２００ボルトごとに対応する電流値を得て、ＩＶ曲線が形成される。ＦＮ曲線図からわかるように、電界放出装置１０の電界放出陰極素子の放出特性は、電界放出の特性と一致する。

図２１を参照すると、図２１は異なる真空度の条件における陽極光点図である。具体的には、真空度が２．５×１０^−５Ｐａ（図ａ）、１．５×１０^−４Ｐａ（図ｂ）、５．０×１０^−４Ｐａ（図ｃ）、１．２×１０^−２Ｐａ（図ｄ）、４．５×１０^−２Ｐａ（図ｅ）の条件でテストが行わる。テストのパルス電圧は８０００ボルトであり、パルス幅は１０マイクロ秒であり、陰極から陽極までの距離は３ｍｍである。図２１からわかるように、電界放出陰極素子が低真空の条件で発生する光点は、電界放出陰極素子が高真空の条件で発生する光点と基本的に同じである。つまり、電界放出陰極素子の低真空の条件での放出性能が優れている。

１０ 電界放出装置
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００ 電界放出陰極素子
１０２ 陽極基板
１０４ 陰極基板
１０６ 陽極構造体
１０７ 陽極電極
１０８ 蛍光体層
１１０ 第一基板
１１０２ 第一孔
１１０４ 第一表面
１１０６ 第二表面
１１０８ 二次電子放出層
１１０９ 導電層
１１１０ 電極
１２０ 陰極放出体
１２０２ カーボンナノチューブ
１２０４ 導電粒子
１３０ 陰極電極
１４０ 第二基板
１４０２ 第二孔
１５０ 容器
１６０ 支持体
１７０ 第一空間
１８０ 第二空間

Claims (3)

1. 第一基板と、複数の陰極放出体と、を含む電界放出陰極素子であって、
   前記第一基板は導電材料からなり、第一表面及び該第一表面と対向する第二表面を有し、
   前記第一基板は複数の第一孔を有し、
   各前記第一孔は前記第一表面から前記第二表面まで貫通し、
   前記第一孔の延伸方向は前記第一表面及び前記第二表面と３０°〜９０°（３０°、９０°は含まず）の角度を成し、
   複数の前記陰極放出体は各前記第一孔に充填され、且つ前記第一基板と電気的に接続され、
   各前記第一孔における複数の前記陰極放出体は相互に連接され、前記第一孔の内壁と接触して固定され、
   複数の前記陰極放出体は複数のカーボンナノチューブを含み、
   複数のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、電界放出端を形成することを特徴とする電界放出陰極素子。
2. 第一基板と、第二基板と、複数の陰極放出体と、を含む電界放出陰極素子であって、
   前記第一基板は導電材料からなり、第一表面及び該第一表面と対向する第二表面を有し、
   前記第一基板は複数の第一孔を有し、
   各前記第一孔は前記第一表面から前記第二表面まで貫通し、
   前記第一孔の延伸方向は前記第一表面及び前記第二表面と３０°〜９０°（３０°、９０°は含まず）の角度を成し、
   前記第二基板は複数の第二孔を有し、
   各前記第二孔は前記第二基板の対向する二つの表面を貫通し、
   前記第二基板は前記第一基板に積層され、複数の前記第一孔は複数の前記第二孔と一対一で対応し、
   前記第二孔の内壁には第二次電子放出層が設置され、
   複数の前記陰極放出体は各前記第一孔に充填され、且つ前記第一基板と電気的に接続され、
   各前記第一孔における複数の前記陰極放出体は相互に連接され、前記第一孔の内壁と接触して固定され、
   複数の前記陰極放出体は複数のカーボンナノチューブを含み、
   複数のカーボンナノチューブの少なくとも一部は、電界放出端を形成することを特徴とする電界放出陰極素子。
3. 陽極基板と、陰極基板と、陽極構造体と、請求項１又は２に記載の電界放出陰極素子と、を含む電界放出装置であって、
   前記電界放出陰極素子は前記陰極基板に設置され、
   前記陽極構造体は前記陽極基板に設置され、
   前記陽極構造体は前記電界放出陰極素子と間隔をあけて設置されることを特徴とする電界放出装置。