WO2004079767A1

WO2004079767A1 - 素子とその製造方法、素子群、電子放出源及び表示装置

Info

Publication number: WO2004079767A1
Application number: PCT/JP2004/002992
Authority: WO
Inventors: Hidenori Mimura; Kenji Omote
Original assignee: Ideal Star Inc.
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2004-09-16
Also published as: JPWO2004079767A1; JP4291322B2

Abstract

　容易に大面積に形成することができ、またスピント型電子源並みの電子放出効率を持ち、さらにＭＩＭやＢＳＤ等の積層型電子源並みの優れた電子放出特性（真空度依存性が小さい、放出電子の放出角が小さい、放出電子による電流が安定でノイズが少ない、電子を放出するための印加電圧が低い）を有する電子放出源を提供すること。導電性高分子材料１２１０とカーボン系材料１２１１との混合物１２０２が、絶縁性樹脂からなる中空体１２０１の内部に充填されていることを特徴とする

Description

明細書素子とその製造方法、素子群、電子放出源及び表示装置技術分野

本発明は、素子とその製造方法、素子群、電子放出源及び表示装置に係る。背景技術

電界放出型冷陰極電子源（以下、簡単に電子源という）として、いわゆるスピント型と呼ばれる電子源や、下部電極、金属または半導体薄膜、絶縁層および上部電極を順次堆積した構造を有するいわゆる平面積層型電子源がある。

前者のスピント型電子源 1 aは、図 8に模式的に示すように、通常モリブデンからなる微小な円錐状のティップ（エミッタ） 2 aを多数配置した下部電極 3 aと、ティップ 2 aの先端部を露出する孔部 4 aが配置された上部電極 5 aと、下部電極 3 aとおよび上部電極 5 aの間に形成された絶縁部 6 aとを有する。スピント型電子源 1 aは。下部電極 3 aに対して上部電極 5 aに正電圧を印加することにより、孔部 4 aを通して電子を放出するように構成されている。このスピント型電子源は現在最も完成度の高い電子源である。

しかしながら、上記スピント型電子源は、微小な円錐状のティップを含む電子源を微細加工技術により形成するため、製造プロセスが複雑で、スピント型電子源を大面積に形成することが難しく、また製造コストが非常に高いという不具合がある。さらに、スピント型電子源から放出される電子は電子源の法線方向に対して約 1 5 度の角度を持って放出されるため、この電子源をカソードとアノードの間隔が広い高圧対応型の高精細電界放出ディスプレイに応用する際には、画素間のクロストークを避けるために収束電極を形成しなければならないという不具合がある。さらに、スピント型電子源では電子を放出させるために上部電極に印加する電圧が数十 V 以上と高いという不具合がある。

このスピント型電子源と類似の構成の電子源として、カーボンナノチューブを用いた電子源が検討されている。カーボンナノチューブを用いた電子源 1 bは、第 8 図に模式的に示すように、スピント型電子源 1 aにおけるティップ 2 aに代えて力一ボンナノチューブの層 2 bをエミッタとするものである。なお、第 8図中、参照符号 3 bは下部電極を示し、参照符号 4 bはカーボンナノチューブの層 2 bを露出する孔部を示し、参照符号 5 bは上部電極を示す。カーボンナノチューブを用いた電子源は、スピント型のように円錐構造を作らなくても良いので、構造が比較的簡単であり、大面積に電子源を製作するのに優れている。また、カーボンナノチューブは化学的に安定で、電子放出特性に優れているとされている。

しかしながら、カーボンナノチューブを用いた電子源は、カーボンナノチューブの長さを揃えて形成することが難しく、カーボンナノチューブの先端位置がまちまちとなる。そのため、上部電極とカーボンナノチューブの先端との間の距離が場所によって異なり、電子を引き出す電界に違いを生じる。従って、カーボンナノチューブを用いた電子源を用いた画素構造のディスプレイの場合には、画素によって輝度等にバラツキを生じるという不具合がある。

上記したスピント型電子等の不具合を解消するものとして、電子源の各構成部分をすベて積層方法によって形成する、前記後者の平面積層型の電子源がある。平面積層型電子源には、代表的なものとして、 M I S (Metal Insulator

Semiconductor)型および MIM (Metal Insulator Metal)型がある。 M I S型の場合は Semiconductorとしてシリコンが用いられ、 M I M型の場合は Metalとしてアルミ二ゥム等の金属材料が用いられる。

上記積層型の電子源は、半導体や金属から供給された電子がトンネル現象により絶縁層を通過して上部電極に到達し、到達した電子のうち上部電極の仕事関数以上のエネルギーを持つ電子が上部電極から放出されるように構成されている。

このため、上部電極の厚みは、上部電極の表面から均一に電子を放出できるように、上部電極内での電子の平均自由工程と同程度の 1 0〜2 0 n mに形成される。また、積層型電子源と類似の構成の電子源として、 B S D型（Bal l ist ic electron Surface-emitting Device) 電子源が検討されている。 B S D型電子源 1 cは図 8に模式的に示すように、柱状の半導体結晶であるポリシリコン 7 cと、ポリシリコン 7 c間に介在するシリコン酸化膜（図示せず）が表面に形成されたナノメートルオーダーの微結晶シリコン層 2 cとからなる多孔質ポリシリコン層 6 c をェミッタとするものである。

上記積層型電子源および B S D型電子源は電子放出特性の真空度依存性が小さく、かつ電子放出が安定でノイズが少なく、また放出電子の放出角が非常に小さく、電子放出面からほぼ垂直に電子が放射される。また、電子を放出させるための、上部電極への印加電圧が 1 0 V以下と低い。

しかしながら、上記積層型電子源おょぴ B S D型電子源は、上部電極に到達し、到達した電子のうち上部電極の仕事関数以上のエネルギーを持つ電子が上部電極から放出されるように構成されているため、上部電極に流れるリーク電流に比べ、真空中へ放出される電子の割合が非常に小さいという課題を有する。

真空中へ放出される電子による電流を上部電極に流れるリーク電流と真空中へ放出される電子による電流の和で割った値は、放出効率と言われ、上記積層型電子源および B S D型電子源の場合は最大で約 1 %、スピント型電子源の場合は約 1 0 0 %である。発明の開示

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、上記した不具合乃至課題をことごとく解決することができる。

本発明は、容易に大面積に形成することができ、またスピント型電子源並みの電子放出効率を持ち、さらに M I Mや B S D等の積層型電子源並みの優れた電子放出特性（真空度依存性が小さい、放出電子の放出角が小さい、放出電子による電流が安定でノイズが少ない、電子を放出するための印加電圧が低い）を有する電子放出源を提供することを目的とする。

本発明は、高精細、高輝度であり、しかも画素により輝度のバラツキが無く、また、かかる特性の安定性に優れた表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記電子放出源を構成するに好適な素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の素子は、導電性高分子材料とカーボン系材料とを含む混合物が、樹脂を含み絶縁性を有する中空体の内部に充填されてなることを特徴とする。

係る素子においては、導電性高分子は下部電極として、カーボン系材料はエミッタとして、中空体は絶縁部として機能する。この素^ "を所定の長さに切断し、一方の中空体端面に電極を形成して他方の絶縁体端面との間に電圧を印加することで電子放出を行う事が可能となる。ここで、係る素子は導電性高分子材料及び樹脂を主な構成とするため、樹脂成形技術などを適用可能である。このため、形状自由度が高く、かつ形状精度が高い素子が容易に形成される。したがって、本発明に係る素子は、電子放出特性が安定し、かつ量産性に優れる。

前記素子の外径は 0 . 1 μ m〜 1 mmであることを特徴とする。

カーボン系材料は、カーボンナノチューブであることを特徴とする。

カーボン系材料は、グラフアイト或いはダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする。

カーボン系材料は、フラーレンであることを特徴とする。

前記フラーレンは内包フラーレンであることを特徴とする。

これらのカーボン材料はいずれも π結合を有するため、電子放出しゃすい。特に、原子や分子が内包することでフラーレンの仕事関数は低下し、電子放出特性が特に良好になる。

前記導電性高分子は、ポリアセチレン、ポリフエ二レンビニレン、ポリピロール、ポリアユリン若しくはポリアルキルチオフェン又はこれらの誘導体を有することを特徴とする。

前記素子は押出し成形により一体成形されたものであることを特徴とする。前記素子は可撓性を有することを特徴とする。

本発明の素子群は前記素子を束ねてなることを特徴とする。

本発明の電子放出源は、前記素子における前記中空体の端面に電極を設けたことを特徴とする。

本発明の表示装置は、前記電子放出源と、該電子源の電子放出方向に対向して設けられた発光部とを備えたことを特徴とする。

本発明の素子の製造方法は、導電性高分子材料とカーボン系材料とを含む、混合物を流動状態として第一の吐出部から吐出するとともに、第一の吐出部の周囲に配置される第二の吐出部から絶縁性樹脂をなす材料を流動状態として吐出して、その材料に基づいて成る絶縁性樹脂の中空体に混合物が充填されてなる素子を成形することを特徴とする。

かかる方法を採用することにより、第一の吐出部から吐出される混合物の周囲に第二の吐出部から吐出される絶縁性榭脂をなす材料が密着配置され、その材料に基づいて絶縁性樹脂が生成すると、絶縁性榭脂の中空体に混合物が充填されてなる素子が一工程で製造される。したがって、係る製造方法によって製造された素子は量産性を維持しつつ、不良率が低減される。

ここで、絶縁性樹脂をなす材料としては絶縁性樹脂そのものであっても良いし、そのポリマーであっても良い。また、混合物や材料を流動状態にするためには、これらを加熱して溶融又は半溶融状態としてもよいし、溶媒或いは分散媒を用いて溶解又は分散させてもよい。モノマー状態にある場合にはそのまま用いてもよい。

さらに、素子を成形した後、長手方向に展伸して、所望の外形を有する素子を形成してもよい。

本発明では、導電性高分子材料とカーボン系材料との混合物が、絶縁性樹脂からなる中空体の内部に充填された素子を束ねることにより電子放出源を形成する。該素子は、押出しなどにより容易に製造することができる。すなわち、真空成膜技術を用いることなく製造することができる。

また、該素子は任意の数束ねることが可能であるため、束ねる数を増やすだけで任意の面積の電子放出源とすることができる。すなわち、大面積の電子放出源とすることができ、ひいては大面積の表示装置を極めて容易に実現することができる。また、素子の中空部には、導電性樹脂にカーボン系材料を混合した混合物が充填されている。すなわち、カーボン系材料は導電性樹脂中に均一に分散しているため図 8 1 bに示した従来技術とは異なり、電極とカーボン系材料との距離が場所によつて異なるということはない。また、放出電子の放出角は小さく、電子放出面からほぼ垂直に電子が放出される。

なお、素子の径は 0 . 1 μ m以上の任意の大きさとすることができる。 0 . 1 μ m〜： 1 0 m mが好ましい。 0 . 1 n！〜 1 m mがより好ましい。 0 . 1以上の場合押出し成形がより容易となる。 l m m〜l 0 mmの場合であっても遠距離から見る表示装置の場合、画面の粗さは気にならない。従って、画面の粗さが気にならない距離から見るような用途に対しては 1 mn！〜 1 O m m径の素子を用いてもよい。図面の簡単な説明

第 1図本発明の実施例に係る素子を示す図である。

第 2図本発明の実施例に係る素子の製造方法を示す図である。

第 3図本発明の実施例に係る電子放出源を示す図である。

第 4図本発明の実施例における素子の配列例を示す図である。

第 5図本発明の実施例における素子の配列例を示す図である。

第 6図本発明の実施例に係る表示装置を示す図である。

第 7図本発明の他の実施例に係る表示装置を示す図である。

第 8図従来例を示す図である。

(符号の説明）

1 20 1 絶縁性樹脂

1 20 1 LIQ 絶縁性樹脂溶液

1 20 2 混合物

1 202LIQ 混合物溶液

1 203 電極

1 204,

1 204 a、 1 204 b、 1 204 c , 1 204 d , 1 204 e、 1 204 f

1 204 g 素子

1 205 共通電極

1 206 電源

1 207 押出型

1 208 発光部

1 20 9 基板

1 2 1 0 導電性樹脂

1 2 1 1 カーボン系材料

1 2 1 2、 1 2 1 3 容器発明を実施するための最良の形態 (実施例）

第 1図に本実施例に係る素子を示す。

本例に係る素子 1 2 0 4は、導電性高分子材料 1 2 1 0とカーボン系材料 1 2 1 1との混合物 1 2 0 2力 S、絶縁性樹脂からなる中空体 1 2 0 1の内部に充填されている。

かかる素子 1 2 0 4は、次のように製造することが好ましい。

以下第 2図に基づき製造方法例を説明する。

導電性高分子材料 1 2 1 0とカーボン系材料 1 2 1 1とを混合して混合物とする。この混合物を容器 1 2 1 2内において加熱により溶融して溶液状態 1 0 2 0 _liq する。あるいは、混合物を適宜の溶媒に溶解して溶液状態の混合物 1 0 2 0 _liqとしてもよい。

一方、絶縁性樹脂も同様に容器 1 2 1 3内において溶液状態の絶縁性樹脂 1 2 0 1 _linとする。

なお、ここで言う溶液とは半流動状態も含む。

次いで、溶液状態の混合物 1 0 2 0 _liqと溶液状態の絶縁性樹脂 1 2 0 1 _liqとを押出し成形する。例えば、溶液状態の混合物 1 0 2 0 _liqと溶液状態の絶縁性樹脂 1 2 0 l _{l iq}とに圧力を加えることにより、所定の孔が形成されている型 1 2 0 7を介して押出しを行う。型 1 2 0 7を通過した後は、混合物、絶縁性樹脂は凝固状態あるいは半凝固状態となる。

これにより導電性高分子材料 1 2 1 0とカーボン系材料 1 2 1 1との混合物 1 2 0 2力 S、絶縁性樹脂からなる中空体 1 2 0 1の内部に充填された素子が連続的に形成される。該素子の一端を引張ることによりロールなどに卷き取ればよい。押出し成形を行う際に、素子には長手方向の引張り力が加わるため、カーボン系材料（特にカーボンチューブなどのァスぺクト比が 1以上の材料）も素子の長手方向に平行に配列する。

なお、押出し成形後に素子の長手方向の引張り力を加えて展伸してもよい。かかる展伸により、素子径をより細くすることも可能である。また、カーボン系材料を長手方向に平行に揃えることができる。

素子 1 2 0 4自体の断面形状や混合物 1 2 0 2の断面形状は任意の形状とすることが可能である。型 1 2 0 7における孔の形状を所望の形状にしておけばよい。例えば、三角形、四角形その他の多角形、星型、円形、楕円形その他の任意の形状とすることができる。また、混合物の形状も同様である。

次いで、素子の一端に電極 1 2 0 3を形成する。また、電極の形成前に、電極が形成される側の端面において、充填された混合物をエッチングあるいは混合物のみ溶解する溶液を用いてわずかに除去する。

なお、電極の形成は、素子を束ねた後に行ってもよい。

以上のようにして製造した素子を複数個束ねる。

束ね方の例を第 4図に示す。この例は素子として円形の断面形状の素子を用いた例である。大きな径の素子 1 2 0 4 f 同士を隣接させるとともに、隙間に小さな径の素子 1 2 0 4を埋め込んである。これによりより高密度に配列することができる。図 5は素子自体の断面形状が正方形の場合の例を示している。この場合素子同士の隙間は少なくなり高密度に素子を配列することができる。

束ねる素子の数は任意である。従って、束ねる素子の数を増やすだけでいくらでも大きな面積の電子放出源を製造することが可能となる。ひいては、大面積の表示装置が極めて簡単に作成することが可能となる。

素子を束ねた状態の素子群を長手方向に垂直に切断する。切断する長さは任意である。切断後、第 3図に示すように、切断した素子群を共通電極 1 2 0 5上に垂直に載置し、共通電極 1 2 0 5と混合物 1 2 0 2とを電気的に接続する。次いで、共通電極 1 2 0 5と素子上の電極 1 2 0 3との間に電圧を印加できるように電源を接続する。

共通電極 1 2 0 5と電極 1 0 3との間に電圧を印加すれば、混合物中から電子が放出される。

電子の放出方向に第 6図に示すように、発光部 1 2 0 8を設けておけば表示装置を構成することができる。

なお、上記例では、素子群を基板 1 2 0 5上に配置したが、基板 1 2 0 5を用いる必要は必ずしもない。

素子群を所望の長さに切断し、一方の端面（電極 1 2 0 3が形成されている端面）は蛍光部 1 2 0 8に向けて配置する。一方、素子の反対側の端面においては混合部を少し露出させて、第 7図に示すように、各素子の混合部同士を接続する。この接続部に電源 1 2 0 6の陽極を接続する。本発明の素子は可撓性を有しているため接続部は任意の位置に設定することが可能である。素子群の切断は接続部の位置に合わせた長さで切断すればよい。このように、基板 1 2 0 5の配置を考える必要が無くなり、また、接続部を自由に選択することができるため設計の自由度が大幅に増す。産業上の利用可能性

本発明によれば以下の効果が得られる。

大面積が可能である。

優れた電子放出効率が得られる。

電子放出特性が経時的にも安定している。

6 ° 以下の低放出角が達成される。

低ノィズである。

駆動電圧が 1 0 V以下という低電圧である。

1 0— ²〜1 0— ⁶ T o r rという低真空化が可能である。

蛍光部を発光させる発光素子に構成することにより、表示装置、ライトバルブあるいはバックライトに好適に用いることができるとともに、さらに走査型電子頭微鏡等の他の用途にも広く適用することができる。

Claims

請求の範囲

I . 導電性高分子材料とカーボン系材料とを含む混合物が、樹脂を含み絶縁性を有する中空体の内部に充填されてなることを特徴とする素子。

2 . 前記素子の外径は 0 . 1 μ π！〜 l mmであることを特徴とする請求項 1記載の素子。

3 . カーボン系材料は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項 1 又は 2記載の素子。

4 . カーボン系材料は、グラフアイト或いはダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項 1又は 2記載の素子。

5 . カーボン系材料は、フラーレンであることを特徴とする請求項 1又は 2記載の素子。

6 . 前記フラーレンは内包フラーレンであることを特徴とする請求項 5記載の素子。

7 . 前記導電性高分子は、ポリアセチレン、ポリフエ二レンビニレン、ポリピロール、ポリアニリン若しくはポリアルキルチオフェン又はこれらの誘導体を有することを特徴とする請求項 1乃至 6記載の素子。

8 . 前記素子は押出し成形により一体成形されたものであることを特徴とする請求項 1乃至 7のいずれか 1項記載の素子。

9 . 前記素子は可撓性を有することを特徴とする請求項 8記載の素子。

1 0 . 請求項 1乃至 7記載の記載の素子を束ねてなることを特徴とする素子群。

I I . 請求項 1ないし 3のいずれか 1項記載の素子における前記中空体の端面に電極を設けたことを特徴とする電子放出源。

1 2 . 請求項 1 1記載の電子放出源と、該電子源の電子放出方向に対向して設けられた発光部とを備えたことを特徴とする表示装置。

1 3 . 導電性高分子材料とカーボン系材料とを含む混合物を流動状態として第一の吐出部から吐出するとともに、当該第一の吐出部の周囲に配置される第二の吐出部から絶縁性樹脂をなす材料を流動状態として吐出して、当該材料に基づいて成る絶縁性樹脂の中空体に前記混合物が充填されてなる素子を成形することを特徴とする素子の製造方法。

1 4 . 前記成形に引き続いて、前記素子を長手方向に展伸することを特徴とする請求項 1 3記載の素子の製造方法。