JPH1021822A

JPH1021822A - 電子放出素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH1021822A
Application number: JP19407996A
Authority: JP
Inventors: Morio Hosoya; 守男細谷
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】フラットパネルディスプレイへの利用に適す
るように、特性を改善した電子放出素子とその製造方法
を提供する。【解決手段】基板上に列方向に伸びた下部電極と絶縁
層を介して行方向に伸びた上部電極を形成し、当該下部
電極と上部電極の交差部近傍に、それぞれの電極から分
岐し、正負に荷電される一対の電極を同心円状、同心方
形状または同心多角形状に形成して画素電極を形成し、
当該画素電極上に通電により電子放出を行う機能をもっ
た電子放出膜を形成することにより、対向基板に対して
電子の飛翔軌跡が横流れせず、かつ、電子放出量の多い
電子放出素子が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出素子に関
し、特に、表面伝導型の電子放出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】フラットパネルディスプレイの一種とし
て、ＦＥＤ（Field Emission Display）が精力的に研究
されている。このＦＥＤは、カソード基板とアノード基
板とを対向させ、カソード基板上に多数の電子放出素子
を配置し、この電子放出素子からアノード基板に向けて
電子を放出させ、アノード基板上の蛍光体層を発光させ
るものである。カソード基板上に形成される電子放出素
子は、個々の画素に対応することになる。これまで利用
されている電子放出素子は、電子放出に適した尖鋭な突
起構造を有するものが一般的であり、たとえば、先端部
が尖った円錐状の金属からなる電子放出素子が広く利用
されている。

【０００３】これに対して、近年、表面伝導型の電子放
出素子が注目を浴びている。これは、基板上に形成され
た小面積の薄膜に、膜面に平行に電流を流すことにより
電子放出が生じる現象を利用した電子放出素子である。
このような電子放出現象は、１９６５年に「ラジオエン
ジニアリングエレクトロフィジックス（Radio Eng.Elec
tron. Phys. ）第１０巻、1290〜1296頁」に、エム・ア
イ・エリンソン（M.I. Elinson ）らによって報告され
て以来、今日に至るまで種々の報告がなされている。具
体的には、エリンソンらによって開発されたＳｎＯ
₂（Ｓｂ）薄膜をはじめ、Ａｕ薄膜、ＩＴＯ薄膜、カー
ボン薄膜などで、この表面伝導型の電子放出現象が報告
されている。

【０００４】また、最近では、特公平６−１０１２９７
号公報に、微粒子を分散した面を挟持した絶縁層を用い
て、この表面伝導型の電子放出素子を構成する技術が開
示されており、特公平６−８７３９２号公報には、微粒
子を含む薄膜導電体膜に通電加熱を施すことにより、表
面伝導型の電子放出機能をもった電子放出素子を製造す
る方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、表面
伝導型の電子放出素子は、ＦＥＤなどのフラットパネル
ディスプレイへの利用が期待されている素子であり、こ
のようなディスプレイへ応用する場合、基板上に多数の
素子を行列状に配置し、各素子からの電子放出をそれぞ
れ独立して制御できるようにする必要がある。

【０００６】従来の表面伝導型電子放出素子の課題は、
従来構造では、基板上に平行に向かい合う画素電極間に
電子放出物質が存在するために、電子が横方向に飛翔す
る傾向を除去できないという問題である。これらが原因
で、ＦＥＤパネルではいわゆる「クロストーク」が生
じ、蛍光体と対応する画素電極側とのアライメント（す
なわち位置合わせ）が製造上困難になり、その結果、コ
ントラストが低下するという問題が生じている。さらに
対向基板がカラー基板であり異なる蛍光体が塗り分けら
れて構成されている場合には、色純度も低下することに
なる。そこで本発明は、電子が横方向に飛翔しない新規
な構造の電子放出素子とその製造方法を提供することを
目的とする。

【０００７】電子放出素子をディスプレイヘ応用するた
めの第２の課題は、駆動に必要な配線をできるだけ単純
化するということである。上述のように、行列状に配置
された多数の電子放出素子をそれぞれ独立して制御する
ためには、基板上に縦横に巡った配線を施し、これら配
線に対する電圧を制御することにより、個々の素子から
の電子放出を制御できるようにしなければならない。と
ころが、従来の電子放出素子に対してこのような配線を
施すためには、基板上にかなり複雑な立体配線層を形成
する必要があり、製造プロセスはかなり複雑にならざる
を得ない。このため、やはり製造コストの高騰を招くこ
とになる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（１）本発明の電子放出素子の態様は、それぞれ正また
は負に荷電される電極上に通電により電子放出を行う機
能をもった電子放出膜を形成してなる電子放出素子にお
いて、前記正または負に荷電される電極が、交互に一定
の間隔で同心円状、同心方形状または同心多角形状に配
置されて画素電極を形成していることを特徴とする電子
放出素子、にある。この電子放出素子によれば、電子が
画素電極の中心部に向かって放出されるので、必ず電子
の飛翔方向成分のうち、基板に平行な運動方向と反対向
きの電場を横切るために対向基板に向かう電子が横流れ
しない電子放出素子が得られる。

【０００９】（２）本発明の電子放出素子の第２の態様
は、上述の第１の態様に係る電子放出素子において、同
心円状、同心方形状または同心多角形状に配置された電
極のうち、負に荷電される電極が最外周を占めるように
配置されていることを特徴とする。この電子放出素子に
よれば、特性が更に改善される。

【００１０】（３）本発明の電子放出素子の製造方法の
第１の態様は、それぞれ正または負に荷電される電極
が、同心円状、同心方形状または同心多角形状に配置さ
れた電極上に通電により電子放出を行う機能をもった電
子放出膜を形成してなる電子放出素子の製造方法におい
て、基板上に、列方向をなし負に荷電される下部電極で
あって、同心円状、同心方形状または同心多角形状に配
置された画素電極の一方の電極とも導通する下部電極パ
ターンをパターン形成する工程と、画素電極形成部以外
の部分に、当該下部電極と交差する絶縁層を形成する工
程と、当該絶縁層上に行方向をなし正に荷電される上部
電極と、当該上部電極から分岐して下降し、前記同心円
状、同心方形状または同心多角形状画素電極の他方の電
極パターンとをパターン形成する工程と、前記同一面上
に形成された同心円状、同心方形状または同心多角形状
画素電極の表面に通電により電子放出を行う機能をもっ
た電子放出膜を形成する工程、とからなることを特徴と
する電子放出素子の製造方法、にある。この電子放出素
子の製造方法によれば、特性の優れた電子放出素子を容
易に製造することができる。

【００１１】（４）本発明の電子放出素子の製造方法の
第２の態様は、それぞれ正または負に荷電される電極
が、同心円状、同心方形状または同心多角形状に配置さ
れた電極上に通電により電子放出を行う機能をもった電
子放出膜を形成してなる電子放出素子の製造方法におい
て、基板上に、列方向をなし負に荷電される下部電極で
あって、同心円状、同心方形状または同心多角形状画素
電極の一方の電極とも導通する下部電極と、前記同心円
状、同心方形状または同心多角形状画素電極の他方の電
極パターンをパターン形成する工程と、画素電極形成部
以外の部分に、当該下部電極と交差する絶縁層を形成す
る工程と、当該絶縁層上に行方向をなし正に荷電される
上部電極と、当該上部電極から分岐して下降し、前記同
心円状、同心方形状または同心多角形状に配置された電
極の他方の電極との接続部を形成するパターンをパター
ン形成する工程と、前記同一面上に形成された同心円
状、同心方形状または同心多角形状に配置された電極の
表面に通電により電子放出を行う機能をもった電子放出
膜を形成する工程、とからなることを特徴とする電子放
出素子の製造方法、にある。この電子放出素子の製造方
法によれば、特性の優れた電子放出素子を、更に精度よ
く製造することができる。

【００１２】（５）本発明の電子放出素子の製造方法の
第３の態様は、請求項３または４記載の電子放出素子の
製造方法において、同心円状、同心方形状または同心多
角形状に配置された電極のうち、負に荷電される電極が
最外周を占めるように配置することを特徴とする。この
電子放出素子の製造方法によれば、更に特性の優れた電
子放出素子を、容易に製造することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基づいて説明する。

【００１４】§１．従来の電子放出素子の構造および動
作原理はじめに、従来の一般的な表面伝導型の電子放出素子の
構造および動作原理を説明しておく。図１は、従来の表
面伝導型の電子放出素子１０および対向基板２０の構造
を示す断面図である。この例では、電子放出素子１０
は、ガラス基板１１上に電極１２，１３を形成し、更に
その上に電子放出膜１４を形成することにより構成され
ている。電子放出膜１４は、カソード電極として機能す
ることになり、たとえば、ＳｎＯ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃，Ｐｂ
Ｏなどの金属酸化物、Ａｕ，Ａｇなどの金属、カーボン
その他各種半導体など、表面伝導型の電子放出現象が知
られている材料であればどのような材料で構成してもか
まわない。一方、対向基板２０は、ガラス基板２１上に
透明電極２２および蛍光体層２３を形成したものであ
る。透明電極２２は、たとえばＩＴＯなどの材料で構成
され、アノード電極として機能することになる。

【００１５】図２は、図１に示す電子放出素子１０にお
けるガラス基板１１上に形成された構成要素の上面図で
ある。この図における切断線１−１による断面が図１に
示されていることになる。電極１２および１３が所定間
隔をおいて向き合っており、その間に電子放出膜１４が
形成されている状態が明瞭に示されている。

【００１６】いま、図１に示すように、各部に配線を施
した場合に生じる現象について考えてみる。この配線に
よれば、電極１３は接地され、電極１２には電源３１か
ら負の電圧が印加される。また、電子放出素子１０と対
向基板２０との間にも、電源３２によってカソード／ア
ノード間電圧が印加されるが、この図１に示す状態で
は、スイッチ３５が開いているため、電圧印加は行われ
ていない。さて、電極１２，１３によって、電子放出膜
１４の両側に電圧が印加されると、電子放出膜１４の膜
表面部分に、図に矢印で示したような電子放出が起こ
る。これが、表面伝導型の電子放出として知られている
現象である。

【００１７】図３は、図１に示す電子放出素子１０から
対向基板に向けて電子放出が行われている状況を示す断
面図である。ここで、スイッチ３５を閉じてカソード／
アノード間電圧を印加すれば、図３に示すように、電子
放出膜１４の表面に放出された電子は、アノード側の対
向基板２０へと飛翔することになり、このようなカソー
ドからアノードヘと向かう電子の衝突により、蛍光体層
２３が蛍光を発することになる。ここでは、説明の便宜
上、１画素分の構成要素のみを示したが、このような１
画素分の構成要素を縦横にマトリックス状に配列すれ
ば、画素を二次元平面上に並べたフラットパネルディス
プレイを実現することができる。なお、このようなフラ
ットパネルディスプレイでは、スイッチ３５を閉じた状
態のままとし、各画素ごとに電源３１からの印加電圧を
調節して、画素ごとの発光状態を制御するのが一般的で
ある。より具体的には、電子放出膜１４に与える印加電
圧の値および印加時間を調節することにより、対向基板
２０個への電子の飛翔量を制御することができる。

【００１８】さて、このような電子放出素子１０を利用
したフラットパネルディスプレイの技術的課題は、既に
述べたように、電子放出素子から放出された電子を対向
基板の対応する方向に垂直に飛翔させることである。図
１において説明したように、電極１２には負の電圧が荷
電され、電極１３は接地されているので、電子放出膜１
４から放出された電子は放出当初から、矢印で示す方向
への方向性を有している。この状態で、スイッチ３５を
閉じると電源３２により対向基板との間でも電圧が印加
され、電子は対向基板側へ向かうが、その方向は、図３
にも図示されるように横方向へかなり流れた軌跡を描
き、対応する蛍光体に電子が到達しない場合が生じる。
このため、特にカラー画像を形成する場合には、フラッ
トパネルの製造上、上下のマトリックス基板のアライメ
ントが困難になるという問題を生じ、その結果、色純度
やコントラストが低下する原因となる。

【００１９】また、駆動用配線の単純化という課題も、
従来構造の電子放出素子を配列したマトリックス基板で
は、解決することが困難な課題である。図１および図３
では、１画素分の電子放出素子についての配線を示した
が、ディスプレイに利用する場合には、ガラス基板１１
上に縦横に配列された多数の電子放出素子のそれぞれに
対して独立した配線を施し、各電子放出素子ごとに、電
子放出膜１４への印加電圧を独立して制御できるように
してければならない。ガラス基板１１にこのような配線
を施すには、数多くのパターニングプロセスが必要とな
り、製造工程は複雑化せざるを得ない。これも製造コス
トを高騰させる要因のひとつであり、実用化への障害と
なる。

【００２０】図４は、図１に示す電子放出素子１０の主
要部分の寸法を示した図である。一般的なフラットパネ
ルディスプレイの場合、ここに示す各部の寸法は、たと
えば、Ｄ１＝１５μｍ，Ｄ２＝８０μｍ，Ｄ３＝０．２
μｍ，Ｄ４＝０．５μｍ、また、図示はされていない
が、電極１２，１３が並行して対向する距離、Ｌ１＝８
０μｍ、といった程度の値になる（もちろん、これらの
数値は一例として示したものであり、具体的な数値は個
々のディスプレイによってそれぞれ異なる。）これらの
寸法のうち、特に素子特性に影響を与える寸法は電極１
２，１３間の間隔Ｄ１と電極１２，１３が対向する距離
Ｌ１である。この間隔Ｄ１は、電子放出膜１４に加わる
電界強度を支配するものであり、間隔Ｄ１が変わると、
電子の放出量も変わってくることになる。そこで、表示
特性が全面にわたって均一なディスプレイを実現するた
めには、ガラス基板１１上に配列された個々の電子放出
素子についての寸法Ｄ１を均一にする必要がある。この
ため、実際の製造プロセスにおいては、たとえば、Ｄ１
＝１５μｍ±２μｍといった所定の寸法精度が要求され
ることになり、高精度なパターニングプロセスが必要に
なる。一方、電極１２，１３が対向する距離Ｌ１は、現
実には画素電極が配置される部分の大きさにより固定的
に限定されるので、図２のように対向して配置される電
極である場合は、Ｌ１を調整することは殆どできない。

【００２１】§２．本発明の電子放出素子の構造および
動作原理上述した従来の電子放出素子では、電子放出膜１４はガ
ラス基板１１上に並行して配置された一対の電極間の膜
として形成されている。これは、一方の電極から他方の
電極に電子を放出するという一般的な考えに基づくもの
である。これに対し、本願発明者は、正または負に印加
される一対の電極を同心円状、同心方形状または同心多
角形状に平面上に設け画素電極とすることを着想するに
いたった。ここに画素電極とは、電子放出素子をディス
プレイパネルに使用する場合に、画像の単位となる素子
の電極という意味であり、電子放出膜が設けられている
一個一個の素子の正負の電極をいうこととする。

【００２２】本発明の構造の特徴は、ガラス基板１１上
に、例えば一対の電極を同心円状に形成し、この同心円
状の電極上に電子放出膜１４を形成することにより構成
されている。以下、本発明の説明には同心円状の画素電
極のものについて説明するが、同心方形状、同心多角形
状においても同様であることは容易に想像できることで
ある。また、本発明の同心円状には同心楕円状のもの、
同心方形状には、同心長方形状のもの、同心スロット形
状のもの、同心多角形状には、３角形、６角形、８角形
等の同心のものが含まれる。

【００２３】そして本発明では同心円状の電極のうち、
負に荷電される電極が、画素電極の極力外側となり、正
の電極がその内側となるように配置することが好まし
く、同心円状の電極の全外周を負の電極が占めるように
配置することが最も好ましい点に特徴がある。そうする
ことにより、電子放出膜から放出される電子は周囲の負
の電極から中心の正の電極に向けて飛翔することにな
り、カソード／アノード間に電位がかけられた場合に
も、アノード側対向基板に対して拡散しない電子の飛翔
軌跡が得られることになる。また、電極を同心円状に形
成するので、正の電極と負の電極が対向する距離を長く
することができるので、電子の放出量も多くなり、ディ
スプレイパネルでは、画面の輝度を高くすることができ
るという利点もある。

【００２４】図５は、本発明の一実施形態に係る電子放
出素子４０および対向基板２０の構造を示す断面図であ
る。電子放出素子４０は、電極４２と電極４３とが、同
心円状に形成されていて、図５の断面図では、両電極の
断面が交互にあらわれている。この同心円状の電極表面
に電子放出膜４４が形成された構成となっている。い
ま、このような構造をもった電子放出素子４０につい
て、図５に示すように、各部に配線を施した場合に生じ
る現象について考えてみる。この配線によれば、一方の
同心円状電極４３は接地電位に対して電源３３から正の
電位が荷電され、他方の同心円状電極４２には電源３１
から負の電圧が荷電される。また、電子放出素子４０と
対向基板２０との間にも、電源３２によってカソード／
アノード間電圧が印加されるが、この図５に示す状態で
は、スイッチ３５が開いているため、電圧印加は行われ
ていない。さて、同心円状電極４２および他方の同心円
状電極４３によって、電子放出膜４４間に電圧が荷電さ
れると、電子放出膜４４の膜表面部分に、図に矢印で示
したような電子放出が起こる。すなわち、表面伝導型の
電子放出現象が起こることになる。

【００２５】図６は、図５に示す電子放出素子４０にお
けるガラス基板１１上に形成された構成要素の上面図で
ある。この図における切断線１−１による断面が図５に
示されていることになる。一対の電極４２，４３が同心
円状に形成されていて、同心円の外周部分には、負に荷
電される電極４２が配置されるようにされている。図で
は、便宜上、電極４２，４３が明瞭にあらわれている
が、実際には、この電極表面には、電子放出膜が形成さ
れるので、電極は隠蔽されることになる。図６の画素電
極でも、負に荷電される電極４２が画素電極の全外周を
占めるように形成されている。

【００２６】図７は、図５に示す本発明になる電子放出
素子４０から対向基板２０に向けて電子放出が行われて
いる状態を示す断面図である。ここで、スイッチ３５を
閉じてカソード／アノード間電圧を印加すれば、図７に
示すように、電子放出膜４４の表面に放出された電子
は、アノード側の対向基板２０へと飛翔することにな
り、このようなカソードからアノードヘと向かう電子の
衝突により、蛍光体層２３が蛍光を発することになる。
ここでも説明の便宜上、１画素分の構成要素のみを示し
たが、このような１画素分の構成要素を縦横にマトリッ
クス状に配列すれば、画素を二次元平面上に並べたフラ
ットパネルディスプレイを実現することができる。実際
には、従来の電子放出素子を用いたフラットパネルディ
スプレイと同様に、スイッチ３５を閉じた状態のまま
で、各画素ごとに電源３１からの荷電電圧を調節して、
画素ごとの発光状態を制御することができる。

【００２７】図３の電子の飛翔軌跡と図７の飛翔軌跡を
比較して明らかなように、図７では対向基板２０への飛
翔軌跡が、右側の電極からでた電子と左側の電極からで
た電子とが対称的な飛翔軌跡を描くので、必ず電子の飛
翔方向成分のうち、基板に平行な運動方向と反対向きの
電場を横切るため、横方向の運動に対してブレーキが働
き、結果として縦方向の運動成分のみが残る（もしくは
強調される。）。このため、カソード電極とアノード電
極（対向基板）との位置合わせの問題も解決されること
になる。

【００２８】図８は、この電子放出素子４０の主要部分
の寸法を示した図である。ここで、Ｄ１としては、実用
上、Ｄ１＝０．０１μｍ〜２０μｍ程度、より好ましく
は、１μｍ〜１０μｍ程度に設定するのがよい。また、
Ｄ２＝８０μｍ，Ｄ３＝０．２μｍ，Ｄ４＝０．５μｍ
は、図４の場合と変わらない。一方、電極４２と４３が
対向する距離、Ｌ１は同心円状の電極の延長した長さと
なるので、電極を細く長くして同心円の回数を増やせば
増やす程、大きくなることになる。従って、画素電極を
設ける面積が一定であれば、電極を細くして密に同心円
を設ければ、Ｄ１の値も小さくなり、Ｌ１も大きくなる
ので、放出電子の量も大きくなることが推定される。し
かし、電極が細くなり過ぎる場合には、電極間が断線す
る等、電子放出にマイナスの影響を与えることが考えら
れるが、本願発明では、その最適な条件までは把握され
ていない。

【００２９】図９は、本発明の電子放出素子の画素電極
の他の実施例の形状を示す平面図である。図９（ａ）
は、正の電極と、負の電極が同心正方形状に形成されて
いて、同心正方形状の最外周には負に荷電される電極４
２が形成され、中心には正に荷電される電極４３が形成
されている。図９（ａ）の場合は、正負の電極が二重の
同心方形を形成しているに過ぎないが、模式的な図であ
って、実際には多重の同心方形状にできることは同心円
状の場合と同様である。このように形成された画素電極
上には電子放出膜４４が形成される。図９（ｂ）は、正
の電極と、負の電極が同心六角形状に形成されていて、
同心六角形状の最外周には負に荷電される電極４２が形
成され、中心には正に荷電される電極４３が形成されて
いる。図９（ｂ）の場合は、正負の電極が三重の同心六
角形を形成しているに過ぎないが、模式的な図であっ
て、実際には多重の同心六角形状にできることは同心円
状の場合と同様である。このように形成された画素電極
上には電子放出膜４４が形成される。図９（ａ）、図９
（ｂ）のいずれの場合も正負の電極が相互に交差しない
ように形成されているので、画素電極を一度のパターン
形成で形成する場合には、このような電極構造とするの
が有利である。

【００３０】なお、基板上に、この同心状の画素電極を
形成する場合には、正の電極（または負の電極）をパタ
ーン形成した後に、他方の電極をパターン形成してもよ
いし、双方の電極を同時に基板上にパターン形成しても
よい。双方の電極を同時に基板上にパターン形成する場
合には、両電極の材料は同質のものとなるが、導電性の
もので一定の特性を具備する限り問題はないし、電極間
の正確な間隔精度を保つ上では好ましい。

【００３１】図１０は、本発明の電子放出素子の画素電
極のさらに他の実施例の形状を示す平面図である。図１
０（ａ）は、正の電極と、負の電極が三重の同心円状に
形成されていて、同心円状の最外周には負に荷電される
電極４２が形成され、中心には正に荷電される電極４３
が形成されている。図１０（ｂ）は、正の電極と、負の
電極が二重の同心正方形状に形成されていて、同心正方
形状の最外周には負に荷電される電極４２が形成され、
中心には正に荷電される電極４３が形成されている。図
１０（ａ）、図１０（ｂ）のいずれの場合も正負の電極
が相互に交差するように形成されているので、この画素
電極を一度のパターン形成で形成することはできず、一
方の電極（下になる電極）を形成した後、電極が交差す
る部分を絶縁処理した後、上方となる他方の電極を形成
する必要がある。

【００３２】§３．ディスプレイヘ応用する実施形態これまで、単一の電子放出素子についての構造を述べて
きたが、本発明の電子放出素子は、フラットパネルディ
スプレイヘの応用に特に適している。この場合、基板上
に多数の電子放出素子を縦横に配置して用いることにな
る。以下、このような実施形態について述べることにす
る。

【００３３】図１１は、ガラス基板１００上に４つの電
子放出素子２００を形成した状態を示す斜視図である。
ディスプレイへ応用する場合、１つの電子放出素子が１
画素分の表示動作を行うことになるので、この図１１に
示す例では、２×２の合計４画素分の表示が可能にな
る。もちろん、実際のディスプレイでは、より多数の電
子放出素子が配列されることになる。なお、図１１の斜
視図において、各構成要素に施されているハッチング
は、前述したように、断面を示すためのものではなく、
個々の構成要素を容易に識別できるようにするためのも
のである。この図１１に示す電子放出素子２００の構造
は次のとおりである。

【００３４】まず、ガラス基板１００上に、列方向に伸
びた下部電極１１０を行方向に複数（この例では２本）
配置する。一方、行方向に伸びた上部電極１３０を列方
向に複数（この例では２本）配置する。このとき、上部
電極１３０は絶縁層１２０を介してガラス基板１００上
に形成するようにする。すなわち、絶縁層１２０は上部
電極１３０に対して、いわば「橋げた」の役割を果たす
ことになり、下部電極１１０との交差部分においては、
この「橋げた」として機能する絶縁層１２０の存在によ
り、上部電極１３０が下部電極１１０を跨ぐ形になる。
このような構造では、結局、上部電極１３０の形成領域
のうち、下部電極１１０との交差部分には、下部電極１
１０／絶縁層１２０／上部電極１３０という三層構造体
が形成され、それ以外の部分には絶縁層１２０／上部電
極１３０という二層構造体が形成されるようになる。

【００３５】もっとも、原理的には、上部電極１３０の
下方の全領域に絶縁層１２０を形成する必要はなく、少
なくとも下部電極１１０との交差部分に絶縁層１２０を
設け、三層構造体が形成されるようにすれば足りる。し
たがって、この交差部分以外の領域については、必ずし
も絶縁層１２０を設ける必要はなく、ガラス基板１００
の上面に直接上部電極１３０が形成されるような構造に
してもかまわない。しかしながら、実用上は、図１１に
示すように、上部電極１３０の下方の全領域にわたって
絶縁層１２０を形成するようにし、上部電極１３０の上
面がガラス基板１００にほぼ平行な平坦面をなすように
構成するのが、断線などを避ける上で好ましい。

【００３６】さて、図１１に示すように、各交差部分の
近傍には、上部電極層１３０から分岐した同心円状の電
極と、下部電極１１０から分岐した同心円状の電極と
が、相互に交絡した一対の同心円状画素電極が形成さ
れ、その上面部には、通電により電子放出を行う機能を
もった電子放出膜１４０が形成されている。図１１に示
す斜視図では、この同心円の構造が、電子放出膜に隠さ
れて十分に表現されていないが、各電極交差点部近傍に
は、図６に示すような同心円状電極が形成されているこ
とになる。

【００３７】さて、ここで重要な点は、下部電極１１０
および上部電極１３０は、それぞれガラス基板１００上
で縦横に伸びた配線層としても機能しうる点である。前
述したように、ディスプレイとして利用するためには、
マトリックス状に配列された個々の電子放出素子に対し
て、それぞれ別個に電子放出を制御できるような配線が
必要になる。従来の構造の電子放出素子の場合、このよ
うな配線のための層を別途用意する必要があるため、基
板上の構造は非常に複雑になる。これに対して、本発明
のの電子放出素子の場合、下部電極１１０および上部電
極１３０が配線の機能を果たすため、別途配線層を設け
る必要はない。すなわち、本発明に係る電子放出素子に
よれば、駆動に必要な配線を単純化するという課題が達
成できることになる。

【００３８】図１２は、本発明に係る電子放出素子２０
０の駆動原理を説明するための図である。なお、ハッチ
ングは、図１２の各構成要素との対応を示すためのもの
である。ここでは、５行５列、合計２５個の電子放出素
子２００が形成された例が示されている。すなわち、列
方向に伸びた下部電極１１０が行方向に５本配置されて
おり、また、行方向に伸びた上部電極層１３０が列方向
に５本配置されており、２５か所に交差部分が形成され
ている。そして、各交差部分には、それぞれ別個独立し
た電子放出素子２００が形成されており、各電子放出素
子２００からの電子放出は、それぞれ独立して制御する
ことができる。

【００３９】このような制御を行うために、セレクタ１
５０およびドライバ１６０が設けられている。セレクタ
１５０は、５本の上部電極１３０のうちのいずれか１本
を選択して接地する機能を果たす。一方、ドライバ１６
０は、５本の下部電極１１０のそれぞれに、所定の電圧
信号を与える機能を有する。セレクタ１５０が、５本の
上部電極１３０を順番に選択する動作を行えば、５本の
行を時分割して順次アクセスすることが可能になる。そ
して、ドライバ１６０から供給する信号により、現在ア
クセス中の行に所属する電子放出素子２００からの電子
放出が制御される。たとえば、図示のように、セレクタ
１５０が第１行目を選択して接地した状態において、ド
ライバ１６０から、第１列目の下部電極１１０に対して
負の電圧供給を行えば、第１行第１列目の電子放出素子
については、図７に示す配線がなされたことになり、対
向基板２０への電子放出が起こることになる。このよう
な駆動方法は、いわゆる、「単純マトリックス駆動」と
呼ばれている方法である。

【００４０】このように、本発明によれば、下部電極１
１０および上部電極１３０をそのまま配線層として利用
することができるため、ディスプレイに応用する場合に
も構造は非常に単純になり、製造プロセスも単純化さ
れ、製造コストの低減を図ることができるようになる。

【００４１】§４．ディスプレイヘ応用する場合の製造
工程最後に、図１１に示す構造を得るための製造工程の一例
を、図１３〜図２１に示す斜視図を参照しながら説明す
る。なお、これらの斜視図においても、図１１に示す各
構成要素との対応関係を明らかにするためのハッチング
を施すことにする。

【００４２】まず、図１３に示すように、ガラス基板１
００（絶縁性の基板であれば何でもよい）上の全面に導
電性をもった第１の準備層１１５を、真空蒸着法やスパ
ッタ法など一般的な成膜方法を用いて形成する。続い
て、この第１の準備層１１５を図１３のＭ１のフォトマ
スク（下部電極部と画素電極部のパターンを有する。）
を使用してパターニングして、図１４に示すように、下
部電極１１０と画素電極「Ｇ」（同心円状の部分全体を
いう。）を形成する。図１４において、「Ｊ」の部分は
後に上部電極との接続がなされる部分であるが、接続を
容易とするように画素電極の部分よりは幅を大きく形成
してアライメントを容易とすることが望ましい。

【００４３】この第１の準備層１１５のパターニングに
は、一般的なフォトリソグラフィおよびエッチングの手
法を用いればよい。もっとも、第１の準備層１１５とし
ては、必ずしもその時点で導電性をもった層を用いる必
要はない。たとえば、感光性をもった樹脂中に金属微粒
子を分散させてなる金属微粒子分散型レジスト（いわゆ
る金属ぺースト）をガラス基板１００上に塗布して感光
性のぺースト層を形成し、このぺースト層を第１の準備
層１１５としフォトリソグラフィの手法により、このぺ
ースト層を露光後に現像してパターニングを行い、最後
に焼成工程を行って、ぺースト層内の樹脂成分を除去す
れば、導電性をもった下部電極層１１０と画素電極
「Ｇ」を得ることができる。なお、感光性のぺースト層
は、感光性をもった樹脂と有機導電性樹脂との混合から
なる感光性レジストにより形成してもよい。

【００４４】続いて、ガラス基板１００および下部電極
１１０上に、図１５に示すように、絶縁性の中間層１２
５をスクリーン印刷法等によりパターン形成する。その
後、この絶縁性の中間層１２５を図１５のＭ２のフォト
マスクを用いて、図１６のようにパターニングして絶縁
層１２０を形成する。この絶縁層１２０を形成するため
のパターニングも、一般的なフォトリソグラフィおよび
エッチングの手法を用いればよい。また、上述したよう
に、ぺースト層を用いることもでき、この場合には更に
焼成を行う。絶縁性の中間層は基板上全面に塗布して最
終的に図１６のようにパターン形成しても、勿論問題な
いが、図１５のように、パターン形成するのは材料の節
減のためである。更に、図１７に示すように、この絶縁
層１２０およびガラス基板１００上に、第２の準備層１
３５をスクリーン印刷法等によりパターン形成する。こ
の第２の準備層１３５としては、第１の準備層１１５と
同様に、導電性の層を用いてもよいし、上述した感光性
のぺースト層を用いてもよい。そして、第２の準備層１
３５に対するパターニングをＭ３のフォトマスクを使用
して行う。Ｍ３のフォトマスクには、上部電極パターン
とそれから分岐して画素電極との接続を行うパターン部
が形成されている。所定の現像、エッチング等の処理を
行い、絶縁層１２０上に導電性をもった上部電極１３０
とそれから分岐して下降する接続部分「Ｊ」を形成す
る。

【００４５】こうして、下部電極１１０と上部電極１３
０との交差部近傍部分において、下部電極１１０から分
岐した同心円状電極と、上部電極１３０から分岐した同
心円状電極により画素電極「Ｇ」が構成される（図１
８）。続いて、図１９に示すように、この同心円状の画
素電極上に、通電により電子放出を行う機能をもった電
子放出膜１４０を形成すれば、図１９に示すような電子
放出素子を得ることができる。なお、電子放出膜１４０
を形成する工程としては、たとえば、表面伝導型の電子
放出現象が起こる材料を有機溶媒に溶かした溶剤を用意
し、この溶剤を同心円状電極上に塗布乾燥させるような
方法を採ることができる。

【００４６】なお、上記においては、画素電極「Ｇ」の
双方の電極を、図１３のように、Ｍ１のフォトマスクを
使用して同時に形成したが、同心円状の画素電極の一方
の電極のパターン形成と他方の電極のパターン形成とを
別々の工程で行ってもよい。その場合のパターニング
は、図２０と図２１のように、フォトマスクＭ４，Ｍ５
を使用することにより行うことができる。双方の電極を
同時に形成する場合は、電極間の間隔等の精度維持のた
めには好ましいが、上記のように、上部電極と同心円状
電極の一方の電極との接続を「Ｊ」の部分で確実に行う
必要が生じる。

【００４７】§５．その他の変形例以上、本発明をいくつかの実施形態に基づいて説明した
が、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではな
く、この他にも種々の形態で実施可能である。以下にい
くつかの変形例を述べておく。

【００４８】図１１に示す構造によれば、絶縁層１２０
が上部電極１３０に沿って形成されており、いわば橋げ
たとしての役割を果たしているが、逆に、絶縁層１２０
を下部電極１１０に沿って形成し、いわゆる「カマボコ
型」の絶縁層１２０によって下部電極１１０全体を覆う
構造にしてもよい。別言すれば、下部電極１１０の上面
および側面を覆うようにして列方向に伸びるチューブ状
の絶縁層１２０を形成し、このチューブ状の絶縁層１２
０が上部電極１３０をトンネルのように貫通する構造が
得られることになる。また、図示の各実施例では、画素
電極は平面上に形成しているが、予め基板の画素電極の
中心となる部分を凸状に加工し、その凸状部の中心に画
素電極の中心が位置するように同心円状電極を形成して
もよい。こうすることにより、電子の放出が対向基板へ
向かう角度が得られるので、電子の収束性を高めること
ができる。

【００４９】

【実施例】

＜材質に関する実施例＞図１１に示す構造体の各部の材
質としては、次のような材料を用いるのがよい。

【００５０】下部電極１１０および上部電極１３０：電
極として機能する導電性材科であれば、どのようなもの
でもよいが、耐電圧性、耐熱性、加工性、耐腐食性，比
抵抗性を考慮して適当な材料を選ぶのが好ましい。具体
的には、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｂ，Ｐｔ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃ
ｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇなどの金属材料を用いるの
が好ましい。

【００５１】絶縁層１２０：特に、表面伝導性の低い材
料を用いるのが好ましく、具体的には、石英ガラス，Ｓ
ｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄などを用いるのが好ましい。

【００５２】電子放出膜１４０：表面伝導型の電子放出
現象が知られている材料であればどのような材料で構成
してもかまわない。ＳｎＯ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＰｂＯなど
の金属酸化物、Ａｕ，Ａｇなどの金属、カーボンその他
各種半導体などが一般的に知られている材料である。こ
の他、たとえば、特公平６−８７３９２号公報に開示さ
れているように、微粒子を含む薄膜導電体膜に通電加熱
を行い、ジュール熱によりこの薄膜導電体膜を局所的に
破壊、変形もしくは変質させて、電気的に高抵抗な状態
にすることにより、電子放出膜を形成することもでき
る。あるいは同公報に開示されているようなガスデポジ
ション法により電子放出膜を形成してもよい。

【００５３】＜電子放出素子の製造方法に関する実施例
１＞厚み３ｍｍの清浄な石英ガラス基板上に、スパッタ
法により厚み３μｍのＣｒ層を堆積する。その上に、ポ
ジ型レジスト剤（東京応化工業株式会社製「ＯＦＰＲ８
００」）をスピンナにより回転塗布し、オーブンにて８
０°Ｃで３０分間放置し乾燥させる。空冷後、直線状の
下部電極と同心円状の画素電極からなるパターンをフォ
トマスクＭ１を使用して露光し（図１３）、レジストの
現像、水洗を行い、オーブンにて１３５°Ｃで３０分間
放置する。空冷後、露出したＣｒ部分をＣｒエッチング
液（ザ・インクテック株式会社製「ＭＲ−ＥＳ」）を用
いてエッチングし、水洗した。

【００５４】次に、１２０°Ｃに保持したレジスト
剥離液（東京応化工業株式会社製「クリーンストリッ
プ」）中に、基板を５分間放置し、室温のストリップリ
ンス液に１分間、室温のイソプロピルアルコールに１分
間、それぞれ浸すことにより、レジストの剥離を行う。
この基板を水洗し、後に乾燥させる。以上の工程で、Ｃ
ｒからなる下部電極１１０と同心円状の画素電極「Ｇ」
が得られた（図１４）。

【００５５】この基板上に、粒径が２０Å〜１μｍ
程度のガラス微粒子を分散させた感光性レジストをスク
リーン印刷法により所望のパターンに印刷することで、
厚み７０μｍのガラスペーストパターン１２５を得る。
オーブンにて８０°Ｃで３０分間放置し、乾燥させるこ
とで、厚み４５μｍの絶縁体層を得る。空冷後、所望の
パターン（直線状の絶縁層を形成するためのフォトマス
クＭ２を使用して）を露光し（図１５）、現像を行う。
この基板を５００°Ｃに保持した焼成炉にて３時間焼成
し、有機成分を分解、除去することにより、厚み２２μ
ｍの絶縁体層１２０を得る（図１６）。

【００５６】空冷後、この基板上に、粒径が２０Å
〜１μｍ程度のＡｕ微粒子を分散させた感光性レジスト
をスクリーン印刷法によりパターンに印刷する。オーブ
ンにて８０°Ｃで３０分間放置し、乾燥させることで、
厚み７μｍのＡｕ微粒子分散薄膜層１３５を得る。空冷
後、直線状の上部電極パターンと同心円状の画素電極パ
ターンとの接続部を有するフォトマスクＭ３のパターン
を露光し（図１７）、現像を行う。この基板を４００°
Ｃに保持した焼成炉にて２時間焼成し、有機成分を分
解、除去し、厚み３μｍのＡｕ層を得る。以上により、
上部電極および同心円状の下部画素電極との接続部
「Ｊ」のパターニングを終了する（図１８）。

【００５７】更に、有機パラジウム化合物を含む有
機溶媒（奥野製薬工業株式会社製「キャタペーストＣＣ
Ｐ」）からなるインキを、スクリーン印刷法で各同心円
状画素電極「Ｇ」の表面に印刷する。そのまま、１５分
間放置すると、同心円状の画素電極「Ｇ」の表面にイン
キ膜が形成される。その後、約２００°Ｃで２０分間焼
成し、Ｐｄからなる微粒子を含む電子放出膜１４０を得
る（図１９）。

【００５８】＜対向基板の製造方法に関する実施例＞厚み３ｍｍの清浄な石英ガラス基板上に、スパッタ
法により膜厚１μｍのＩＴＯ層を堆積する。その上に、
ＥＢ蒸着法により膜厚２０μｍのＺｎＯ：Ｚｎからなる
蛍光体層を蒸着形成し、対向基板２０を作製した。

【００５９】＜電子放出動作に関する実施例＞１０^-10Ｐａに保った真空チャンバー中に、上述の
実施例で作製した電子放出素子と対向基板とを、３ｍｍ
の間隔で平行に保持し、対向基板と電子放出素子との間
のカソード／アノード電圧として５ｋＶを印加した。ま
た、電子放出素子の動作電圧として、上部電極層を接地
電位に保ち、下部電極層に−２０Ｖを印加したところ、
蛍光基板に向かって電子放出が得られ、良好な発光特性
が得られた。また、行列状に配した多数の電子放出素
子を、単純マトリックス駆動し、所定の画像情報に対応
した信号を与えたところ、対向基板上に画像形成がみら
れた。

【００６０】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、同心円
状、同心方形状または同心多角形状画素電極パターンを
有する平面型構造により電子放出素子を構成したため、
いずれの形状においても電子放出が画素電極の中心に向
かってなされるため、対向基板に向かう電子の飛翔軌跡
が横に流れるることがなく、同一基板上に多数を配列し
て用いるような場合にも、対向基板とのアライメントが
容易となる。また、画素電極を同心円状等としたため、
正負の電極の対向する距離を長くすることができ、電子
放出量を増加することができディスプレイ等に応用した
場合にはその輝度を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の表面伝導型の電子放出素子１０および対
向基板２０の構造を示す断面図である。

【図２】図１に示す電子放出素子１０におけるガラス基
板１１上に形成された構成要素の上面図である。

【図３】図１に示す電子放出素子１０から対向基板に向
けて電子放出が行われている状態を示す断面図である。

【図４】図１に示す電子放出素子１０の主要部分の寸法
を示した図である。

【図５】本発明の一実施形態に係る電子放出素子４０お
よび対向基板２０の構造を示す断面図である。

【図６】図５に示す電子放出素子４０におけるガラス基
板１１上に形成された構成要素の上面図である。

【図７】本発明の一実施形態に係る電子放出素子４０か
ら対向基板２０に向けて電子放出が行われている状態を
示す断面図である。

【図８】本発明の一実施形態に係る電子放出素子４０の
主要部分の寸法を示した図である。

【図９】本発明の電子放出素子に使用される画素電極の
他の実施例の形状を示す平面図である。

【図１０】本発明の電子放出素子に使用される画素電極
のさらに他の実施例の形状を示す平面図である。

【図１１】ガラス基板１００上に本発明の４つの電子放
出素子を形成した状態を示す斜視図である。

【図１２】本発明に係る電子放出素子２００の駆動原理
を説明するための図である。

【図１３】図１１に示す電子放出素子を形成するための
製造工程において、下部電極１１０と画素電極をパター
ン形成する工程を示す斜視図である。

【図１４】図１１に示す電子放出素子を形成するための
製造工程において、下部電極１１０と画素電極が形成さ
れた工程を示す斜視図である。

【図１５】図１１に示す電子放出素子を形成するための
製造工程において、絶縁層をパターン形成する工程を示
す斜視図である。

【図１６】図１１に示す電子放出素子を形成するための
製造工程において、絶縁層が形成された工程を示す斜視
図である。

【図１７】図１１に示す電子放出素子を形成するための
製造工程において、上部電極１３０と下部画素電極との
接続部を形成する工程を示す斜視図である。

【図１８】図１１に示す電子放出素子を形成するための
製造工程において、上部電極１３０と下部画素電極との
接続部が形成された工程を示す斜視図である。

【図１９】図１１に示す電子放出素子を形成するための
製造工程において、画素電極上に電子放出膜１４０を形
成する工程を示す斜視図である。

【図２０】図１１に示す電子放出素子を形成するための
製造工程において、下部電極１１０と同心円状電極の一
方を形成する工程を示す斜視図である。

【図２１】図１１に示す電子放出素子を形成するための
製造工程において、上部電極１３０と同心円状電極の他
方を形成する工程を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０電子放出素子１１ガラス基板１２電極１３電極１４電子放出膜２０対向基板２１ガラス基板２２透明電極２３蛍光体層３１電源３２電源３３電源３５スイッチ４０電子放出素子４２電極４３電極４４電子放出膜１００ガラス基板１１０下部電極１１５第１の準備層１２０絶縁層１２５中間層１３０上部電極１３５第２の準備層１４０電子放出膜１５０セレクタ１６０ドライバ２００電子放出素子Ｄ１〜Ｄ４各部の寸法Ｇ画素電極Ｊ接続部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ正または負に荷電される電極上
に通電により電子放出を行う機能をもった電子放出膜を
形成してなる電子放出素子において、前記正または負に
荷電される電極が、交互に一定の間隔で同心円状、同心
方形状または同心多角形状に配置されて画素電極を形成
していることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】同心円状、同心方形状または同心多角形
状に配置された電極のうち、負に荷電される電極が最外
周を占めるように配置されていることを特徴とする請求
項１記載の電子放出素子。
【請求項３】それぞれ正または負に荷電される電極
が、同心円状、同心方形状または同心多角形状に配置さ
れた電極上に通電により電子放出を行う機能をもった電
子放出膜を形成してなる電子放出素子の製造方法におい
て、基板上に、列方向をなし負に荷電される下部電極であっ
て、同心円状、同心方形状または同心多角形状に配置さ
れた画素電極の一方の電極とも導通する下部電極パター
ンをパターン形成する工程と、画素電極形成部以外の部分に、当該下部電極と交差する
絶縁層を形成する工程と、当該絶縁層上に行方向をなし正に荷電される上部電極
と、当該上部電極から分岐して下降し、前記同心円状、
同心方形状または同心多角形状画素電極の他方の電極パ
ターンとをパターン形成する工程と、前記同一面上に形成された同心円状、同心方形状または
同心多角形状画素電極の表面に通電により電子放出を行
う機能をもった電子放出膜を形成する工程、とからなる
ことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項４】それぞれ正または負に荷電される電極
が、同心円状、同心方形状または同心多角形状に配置さ
れた電極上に通電により電子放出を行う機能をもった電
子放出膜を形成してなる電子放出素子の製造方法におい
て、基板上に、列方向をなし負に荷電される下部電極であっ
て、同心円状、同心方形状または同心多角形状画素電極
の一方の電極とも導通する下部電極と、前記同心円状、
同心方形状または同心多角形状画素電極の他方の電極パ
ターンをパターン形成する工程と、画素電極形成部以外の部分に、当該下部電極と交差する
絶縁層を形成する工程と、当該絶縁層上に行方向をなし正に荷電される上部電極
と、当該上部電極から分岐して下降し、前記同心円状、
同心方形状または同心多角形状に配置された電極の他方
の電極との接続部を形成するパターンをパターン形成す
る工程と、前記同一面上に形成された同心円状、同心方形状または
同心多角形状に配置された電極の表面に通電により電子
放出を行う機能をもった電子放出膜を形成する工程、と
からなることを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項５】同心円状、同心方形状または同心多角形
状に配置された電極のうち、負に荷電される電極が最外
周を占めるように配置することを特徴とする請求項３ま
たは４記載の電子放出素子の製造方法。