JPH02270247A - 冷陰極電界放出装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷陰極電界放出装置の製造方法およびこの方法
によって製造された電界放出装置に関する。

米国特許第４３０７５０７にはピットのアレイを形成す
るために結晶学的にエツチングされた単結晶材料の表面
上に電子放出物質を堆積させることによって作製された
電界放出装置が開示されている。

その単結晶材料はその後にエツチングによって除去され
、複数の尖鋭な電界放出スパイクを有する電界放出装置
が得られる。

この技術や他の公知の技術（例えば自然成長ウィスカー
または金属共晶を含む）は時間がかかるとともに高価で
ある。

例えば米国特許第４５９１７１７号には光電検知器のた
めの光電電界放出装置が開示されている。光電性層が複
数の稠密に充填された金属導電性ニードルよりなり、こ
れらのニードルは基板上に垂直方向に整列して配列され
ている。陽極酸化によって基板上に酸化物層が堆積され
、その層は垂直方向に配向された気孔を有しており、そ
れらの気孔内で金属ウィスカーが成長されて酸化物層の
向うに延長する。

本発明のひとつの目的は冷陰極電界放出装置を製造する
ための方法を提供することである。

本発明のひとつの態様によれば、陽極処理されたアルミ
ナの層であってそれの主表面に対して実質的に直交関係
にある複数の細長い孔を有する陽極処理アルミナ層を設
け、 前記孔を電子放出材料で完全に充填し、次に前記層の少
なくとも一部分を除去してその層の画定された表面を形
成しかつ前記画定された表面からそれに対して角度をも
って延長した複数の電子放出スパイクを形成して、複数
の電子放出構造を作成し、この構造がそれぞれ互に傾斜
した複数の電子放出スパイクを具備しているようにする
ことよりなる、冷陰極電界放出装置の製造方法が提供さ
れる。

本発明の方法で使用するのに適した陽極処理アルミナ構
造は、まったく異なる用途のためのものではあるが、市
販されており、従って本発明は既存の製造方法に代る便
利で廉価な方法を提供する。

本発明による方法は複数の電子放出構造が作成され、各
構造が互に傾斜した複数の電子放出スパイクを具備して
いる。放出スパイクの間隔が気孔の間隔に実質的に等し
い陽極処理された金属酸化物よりなる先行技術の電解効
果電子放出装置に比較して、本発明は個々の電子放出構
造間の間隔が気孔の間隔より大きい装置を提供する。従
って、電子放出構造の尖端の半径と電子放出構造の間隔
との比が、電界電子放出の増大した効果を伴う本発明の
方法によって軽減される。

前記層の少なくとも一部分を保持する工程に先立って、
前記層のひとつの表面が研磨され平滑な仕上面となされ
、これにより同じ長さの電子放出スパイクが与えられる
。あるいはそれに代えてまたはそれに加えて、電子放出
構造の鮮明度を改善するために溝付の仕上面となされて
もよい。

前記電子放出材料は電気メッキ可能な金属または電気メ
ッキ可能な金属の混合物あるいは電気メッキ可能な金属
の合金でありえかつコバルト、ニッケル、すず、タング
ステン、銀、テルル、セレン、マンガン、亜鉛、カドミ
ウム、鉛、クロムおよび鉄のグループから選択されうる
。

陽極処理アルミナよりなる前記層はアルミニウムの層上
に設けられうるちのであり、前記気孔と前記アルミニウ
ムの層との間には陽極処理アルミナの連続した障壁層が
存在する。

前記層の少なくとも一部分を除去する前記工程は連続し
た障壁層を構成する部分以外のすべての陽極処理アルミ
ナを除去することよりなりうる。

他の実施例では、前記層の少なくとも一部分を除去する
工程に先立って、前記陽極処理アルミナの層の露呈した
表面に、前記電子放出材料の連続層を設ける付加的な工
程を行ない、かつ前記層の少なくとも一部分を除去する
前記工程では前記アルミニウムの層と前記連続した障壁
層との両方を除去する。

本発明の他の態様によれば、本発明の前記第１の態様に
よる方法によって作成された冷陰極電界放出装置が提供
される。

以下図面を参照して本発明の実施例につき説明しよう。

第１図に示された電界放出装置は陽極処理されたアルミ
ナ（Ａ１＊Ｏｓ）の層１１、すなわちアルミニウムを陽
極処理して形成されたアルミナの層を担持したアルミニ
ウムの層１０を具備している。層１１は通常厚さが１５
ミクロンであり、細長くて実質的に円筒状をした複数の
気孔（例えば１２）を有しており、これらの気孔は陽極
処理工程時に自然に発生するものであり、層の主表面（
１３，１３”）に対して実質的に直交関係をもって整列
される。気孔は主表面の一方だけに延長し、それらの気
孔と層１０との間には陽極処理されたアルミナよりなる
連続した障壁層が存在し、さらにそれらの気孔はコバル
トのような適当な電子放出材料で完全に充填されている
が、ニッケル、すず、タングステン、および他の電気メ
ッキ可能な材料（例えば銀、テルル、セレン、マンガン
、亜鉛、カドミウム、鉛およびクロム）のような他の電
子放出材料またはこれらの材料のうちの２つ以上のもの
の混合物あるいはそれらの合金を代りに用いてもよい。

このようにして形成された構造はコラム状の電子放出要
素１５のアレイを与え、それらの電子放出要素１５はそ
れぞれ直径が通常１０〜１１００ｎ、長さが約１５μｍ
であって、隣接要素は約５０〜１５０止だけ互に離間し
ている。

第１図に示されたものと同様の構造を商業的に得ること
ができる。しかし、第１図に示された構造とは異なり、
市販の構造は不規則な充填気孔を有しており、それらの
気孔のうちのある程度のものは部分的にしか充填されて
いない。従って、付加的な電子放出材料を堆積させて各
気孔が完全に充填されるようにすることが望ましい場合
がありうる。余分な電子放出材料を除去し、平滑で平坦
な表面仕上を形成し、そして長さが実質的に等しい電子
放出要素１５を設けるために、層１１はその後で微粒子
エメリーペーパーを用いて機械的に研磨される。

装飾の目的のためにフエイシアパネル、トリム等上の金
属コーティングとして市販の構造がこれまでは用いられ
ていた。しかし、本発明者が知る限りでは、電子放出装
置を作製するためにその種の構造を用いることは提案さ
れていない。

層１０および１１の作成および（または）電子放出材料
の堆積は社内でもできることが理解されるであろう。通
常、電子放出材料は電気メッキまたは電気泳動によって
堆積される。

理論的に、複数のエミッターを有する装置に対する電界
放出の効果は各エミッターの先端半径Ｒ。

エミッターの間隔ａおよび陽極と陰極との間隔りに依存
する。許容限界は４πＲＬ≦ａ８である。

従って、先端半径Ｒが２５ｒ＋＋ｓで、陽極と陰極との
間隔りが２００μｍ〜４ａｕｓの場合には、最小エミッ
ター間隔は約１０μｌ〜約３０μ請の範囲でなければな
らない。

層１１の一部分をエツチング・バックして画定された表
面１３”を形成することによって改良された電界放出装
置を作成することができることを本発明者は見出した。

層１１がエツチング・バックされると、要素１５が崩壊
して層１１の外向き面１３”および互いに対して傾斜し
たスパイク１６を生じ、それにより構造１７を形成する
。第２ａ図は層１１が残留部分を除きすべてエツチング
によって除去された電界放出装置を示しており、第２ｂ
図は得られた構造のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。

構造１６を作成するのに必要とされる最適処理条件は多
数のパラメータに依存する。１つの例では、第１図のも
のと同様であるがコバルトを充填された孔を含んだ厚さ
約２３μｍの陽極層を有する装置が２０％ＮａＯＨ溶液
（苛性ソーダ溶液）でエツチングされる。０．５分のエ
ツチングで約２〜３μｍ離れた不規則な尖端を有する構
造が得られた。１分間のエツチングで第２ｂ図の円錐形
状の構造が生成され、それらの構造の尖端は約１０μｍ
の間隔を有する。

約１．５分エツチングすることによって潰されて平坦化
されかつ尖端が４０μｍまでの間隔を有する円錐状の構
造が得られる。さらにエツチングすると装置の形態が劣
化され、２分間のエツチングによって繊維状の壁と５〜
１０μｍのセルを有スるハニカム状の構造が得られた。

３分間エツチングすると電子放出材料の繊維のタフト間
に裸のアルミが表れる構造が得られた。

必要とされるエツチング・パラメータは円錐状構造（ｗ
ｉｇｗａｍ−１ｉｋｅ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）１７を
生ずることになるスパイク１６の長さに関係している。

本発明者は、硫酸および１８ボルトの電圧を用いて電気
メッキすることにより生成された電子放出スパイクの場
合には、５μｍ−１５μｍの範囲の長さのスパイクから
円錐状構造が生成されうろことを見出した。

第１図および第２ａ図に示された障壁層１４は通常は厚
さが２０ｎｍ以下であり、完全に電気的絶縁性ではない
ので、はとんどの実用的な電圧では、電子がその障壁層
を通過（ｊｕｎｎｅｌ）することができる。

層１４はある程度の電流制限を装置に課しかつ個々の電
子放出要素１６間における均一な電流分布を促進する点
で有益であると考えられている。

第３図は本発明による電界放出装置の動作性能を評価す
るために用いられた電子管装置を示している。この装置
は真空室２１内に取り付けられた陰極・陽極対２０を具
備しており、この対２０の陰極２２は直流電圧源２３に
接続され、その対の陽極２４は電流測定装置２５、この
場合にはカイスレイ６１０　ｃエレクトロメータに接続
されている。

陰極は電界放出装置を具備しており、そしてモリブデン
のストリップで作成された弾性スキッドである陽極は厚
さ１２μｍのポリエステル膜２６によって陰極の電子放
出面から離間されている。その膜は陰極から陽極に電子
を通過させうる直径６ｍｍの中心孔を有している。陰極
・陽極対は最初にアルゴン雰囲気において４００ボルト
で１７２時間スパッター・クリーニング（ｓｐｕｔｔｅ
ｒ　ｃｌｅａｎｅｄ）された。

その後で電流（Ｉ）°と電圧（Ｖ）の測定がなされうる
。第４図は第１図の電界放出装置を用いて得られた電流
電圧関係を示している。

１９８８年１月／り月Ｊ、　Ｍａｔｅｒ　Ｒｅ５ｅａｒ
ｃｈ　３（１）第７０１７１頁におけるＪ、　Ｋ、　Ｃ
ｏｃｈｒａｎ、　Ｋ、　Ｊ、　Ｌｅｅおよびり。

Ｈ，Ｈｉｌｌ著「ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｌｏｗ
　ｆｉｅｌｄｅａ＋ｍ１ｓｓｉｖｅ　ｆｒｏｍ　ＴａＣ
ａｎｄ　ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｆｉｂｒｅ　ａｒｒａｙｓ
Ｊに記載されているように、電界放出装置の電流・電圧
関係は、パラメータｌｏｇ（１／Ｖ’）をパラメータ（
１／Ｖ）とほとんど直線的に関係づけるファウラー・ノ
ルドハイム方程式を満足する。第４図に示された結果か
ら明らかなように、陰極２２は実際に電界放出装置の直
線関係特性を示す。さらに、その陰極は、実質的に陰極
から陽極への一方向のみに電子を流すダイオード作用を
呈し、逆方向の電流はほとんど存在しないことが認めら
れた。本発明者は、放出電流が初期的には印加電圧の履
歴に依存することをも見出した。第５図の曲線ＡＳＢお
よびＣは一連の場面で収集されたデータを表しているが
、これは最大印加電圧が上昇されるにつれて順次大きい
放出電流が得られることを示している。

第６図は第２図に示された電界放出装置を用いて得られ
た電流（Ｉ）対電圧（Ｖ）のプロットを示しており、第
７図は第１図および第２ａ図の電界放出装置に対して得
られた結果を同じスケールで比較している。

第７図から判るように、電圧の印加により実現され得る
電流は第１図の装置の場合よりも第２図の場合のほうが
数桁大きい。これは、本発明による電子放出構造ではそ
れの尖端半径とその構造の間隔との比が小さいことによ
るものと本発明者は考える。

各電子放出構造の鮮明度はエツチングの前に層１１の表
面に溝を、好ましくは十字溝を形成することによって増
大されうると考えられる。

第８図は本発明の他の実施例を示している。この場合に
は、気孔１２は電気メッキによって過剰に充填されて、
連続した金属層１８を生じており、かつアルミニウム層
１０と陽極処理アルミナの層１１（障壁層１４を含む）
とは両方ともエツチングによ°　って除去された。

もし所望されれば、第８図に示されているように、エツ
チングを不完全にして電子放出構造１９のまわりに残留
アルミナ層を残し、そしてそれによりの構造に対する付
加的な支持を与えるようにしてもよい。

本発明による電界放出装置は他の種々の電子管装置、例
えば電子顕微鏡や瞬間始動テレビの電子銃等に適用でき
、特に放電ランプのアークチューブにおける冷陰極とし
て適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電界放出装置の一部分の概略断面図、第２ａお
よび２ｂ図はそれぞれ本発明に従って提供された電界放
出装置の断面図およびＳＥＭ顕微鏡写真、第３図は電界
放出装置を具備した電子管装置の概略図、第４図は第１
図の電界放出装置を用いて得られた電流・電圧関係（フ
ァウラー・ノルドハイム・プロットとして表された）を
示す図、第５図は第１図の電界放出装置を用いて一連の
場面で得られた電流・電圧関係を示す図、第６図は第２
図の電界放出装置を用いて得られた電流対電圧関係のプ
ロットを示す図、第７図は第１図と第２図の電界放出装
置を用いて得られた電流・電圧関係を比較する図、第８
図は本発明による他の電界放出装置を示す図である。 図面において、１０はアルミニウム層、１１は陽極処理
アルミナ層、１２は気孔、１３は主表面、１４は障壁層
、１５は電子放出要素、１６はスパイク、１８は金属層
、２２は陰極、２４は陽極である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、陽極処理されたアルミナの層であってそれの主表面
   に対して実質的に直交関係にある複数の細長い孔を有す
   る陽極処理アルミナ層を設け、前記孔を電子放出材料で
   完全に充填し、次に前記層の少なくとも一部分を除去し
   てその層の画定された表面を形成しかつ前記画定された
   表面からそれに対して角度をもって延長した複数の電子
   放出スパイクを形成して、複数の電子放出構造を作成し
   、この構造がそれぞれ互に傾斜した複数の電子放出スパ
   イクを具備しているようにすることよりなる、冷陰極電
   界放出装置の製造方法。 ２、各スパイクが５μｍ〜１５μｍの範囲の長さを有し
   ているようにする請求項１の方法。 ３、前記層の表面を研磨して実質的に平坦な仕上げを作
   成する工程を含み、この研磨工程は前記層の少なくとも
   一部分を除去する工程に先立って行なわれる請求項１ま
   たは２の方法。 ４、前記層の表面を研磨して溝付き仕上げを作成する工
   程を含み、この研磨工程は前記層の少なくとも一部分を
   除去する工程に先立って行なわれる請求項１〜３の方法
   。 ５、前記溝付き仕上げは十字溝付き仕上げである請求項
   ４の方法。 ６、前記電子放出材料は電気メッキ可能な金属、電気メ
   ッキ可能な金属の混合物または電気メッキ可能な金属の
   合金である請求項１〜５の方法。 ７、単数または複数の前記電気メッキ可能な金属はコバ
   ルト、ニッケル、すず、タングステン、銀、テルル、セ
   レン、マンガン、亜鉛、カドミウム、鉛、クロムおよび
   鉄のグループから選択される請求項６の方法。 ８、前記陽極処理アルミナ層はアルミニウムの層上に設
   けられ、前記気孔と前記アルミニウム層との間に陽極処
   理アルミナの連続した障壁層が存在する請求項１〜７の
   方法。 ９、前記層の少なくとも一部分を除去する工程は前記障
   壁層を構成する部分を除くすべての陽極処理アルミナを
   除去することよりなる請求項８の方法。 １０、前記層の少なくとも一部分を除去する工程に先立
   って、前記陽極処理アルミナ層の露呈面に、前記電子放
   出材料の連続層を設け、かつ前記層の少なくとも一部分
   を除去する工程は前記アルミニウム層と前記連続障壁層
   との両方を除去することを含む請求項８の方法。 １１、請求項１〜１０の方法で作製された冷陰極電界放
   出装置。 １２、請求項１１による電界放出装置を具備した電子管
   装置。