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JP2008117668A - Field emission element and its manufacturing method - Google Patents

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JP2008117668A
JP2008117668A JP2006300509A JP2006300509A JP2008117668A JP 2008117668 A JP2008117668 A JP 2008117668A JP 2006300509 A JP2006300509 A JP 2006300509A JP 2006300509 A JP2006300509 A JP 2006300509A JP 2008117668 A JP2008117668 A JP 2008117668A
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cathode layer
layer
field emission
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substrate
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JP2006300509A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshimichi Ito
利道 伊藤
Takeshi Kokubo
勇志 小久保
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Dialight Japan Co Ltd
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Dialight Japan Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field emission element capable of stably field-emitting a sufficient quantity of electrons, and easily manufacturable; and its manufacturing method. <P>SOLUTION: A plurality of wall parts 11 extending in one direction are formed at predetermined intervals and in parallel to one another on the upper surface of an insulation substrate 10. A cross-sectionally L-shaped cathode layer 21 is formed from one side surface of each wall part 11 to a part of the upper surface of the insulation substrate 10. A cross-sectionally L-shaped gate layer 22 is formed from the other side surface of each wall part 11 to a part of the upper surface of the insulation substrate 10. The cathode layer 21 and the gate layer 22 formed on the wall parts 11 adjacent to each other are separated from each other, and electrically insulated from each other. Above the insulation substrate 10, a transparent substrate 50 is arranged through support frames 60 at a predetermined distance. On the undersurface of the transparent substrate 50, a phosphor layer 30 and an anode layer 40 are formed in that order from the insulation substrate 10 side to face the wall parts 11, the cathode layers 21 and the gate layers 22. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電界放射素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a field emission element and a manufacturing method thereof.

近年、電界放射を利用した電界放射素子(フィールドエミッションデバイス)として、電界放射ディスプレイ(フィールドエミッションディスプレイ:FED)、電界放射ランプ(フィールドエミッションランプ:FEランプ)等が開発されている。   In recent years, field emission displays (field emission display: FED), field emission lamps (field emission lamp: FE lamp), and the like have been developed as field emission devices (field emission devices) using field emission.

電界放射は、電子を固体内に閉じ込めている固体表面のポテンシャル障壁が、同表面近傍に強い電界を印加することにより、実効的に低くかつ薄くなるため、固体内電子がトンネル効果に基づき固体外(例えば真空中)に電界により放射される現象である。   In field emission, the potential barrier of the solid surface that confines electrons in the solid is effectively lowered and thinned by applying a strong electric field in the vicinity of the surface. It is a phenomenon that is radiated by an electric field (for example, in a vacuum).

この現象を生じさせるために、通常は、電界の集中が起きやすいようにカソード電極上に先端を鋭く尖らせたエミッタ(電子放射源)が設けられている。   In order to cause this phenomenon, an emitter (electron emission source) having a sharp tip is usually provided on the cathode electrode so that electric field concentration is likely to occur.

例えば、従来のスピント型の電界放射素子では、カソード電極(陰極)、ゲート電極(グリッド電極)およびアノード電極(陽極)が所定間隔で配置され、アノード電極の表面に蛍光体層が設けられている。カソード電極上には、電界の集中が起きやすいように先端が鋭く尖った円錐状のエミッタが形成されている。ゲート電極にはエミッタと対向する部分にゲートホールが設けられている。   For example, in a conventional Spindt-type field emission device, a cathode electrode (cathode), a gate electrode (grid electrode), and an anode electrode (anode) are arranged at predetermined intervals, and a phosphor layer is provided on the surface of the anode electrode. . On the cathode electrode, a conical emitter having a sharp pointed tip is formed so that electric field concentration tends to occur. The gate electrode is provided with a gate hole at a portion facing the emitter.

カソード電極上のエミッタの先端では電界集中が起こるため、カソード電極とゲート電極との電位差を所定値以上(平均電界強度から算出される電位差より格段に低い値)にすることにより、エミッタから電子が放射され、カソード電極とアノード電極との間の電圧により加速される。アノード電極の蛍光体層に加速された電子が衝突することにより、蛍光体層が所望の発光を呈する。
特開2006−156305号公報
Since electric field concentration occurs at the tip of the emitter on the cathode electrode, if the potential difference between the cathode electrode and the gate electrode is set to a predetermined value or more (a value significantly lower than the potential difference calculated from the average electric field strength), electrons are emitted from the emitter. Radiated and accelerated by the voltage between the cathode and anode electrodes. When the accelerated electrons collide with the phosphor layer of the anode electrode, the phosphor layer exhibits desired light emission.
JP 2006-156305 A

しかしながら、上記の従来のスピント型の電界放射素子では、電界の集中が起きやすいようにエミッタの先端が鋭く尖った円錐状に形成されているため、電界放射面積が小さく、単体のエミッタから放射される電子の量に限界がある。そのため、単体のエミッタでは十分な量の電子を放射することが困難である。   However, in the above-described conventional Spindt-type field emission device, the tip of the emitter is formed in a conical shape with a sharp point so that electric field concentration is likely to occur. Therefore, the field emission area is small, and it is emitted from a single emitter. There is a limit to the amount of electrons that can be produced. Therefore, it is difficult for a single emitter to emit a sufficient amount of electrons.

そこで、上記のエミッタを複数個作製する方法が考えられるが、先端が鋭く尖った円錐状の複数のエミッタを均一に作製することは容易ではない。そのため、製造歩留まりが低い。さらに、円錐状の複数のエミッタの先端部は、電子放射時には局所的に強電界が印加されるため、構造上経時劣化しやすく、長期間安定して電子を放射することが困難である。そのため、長期間安定した輝度を得ることが困難である。   Thus, a method of manufacturing a plurality of the above-mentioned emitters can be considered, but it is not easy to uniformly manufacture a plurality of cone-shaped emitters with sharp tips. For this reason, the manufacturing yield is low. Furthermore, since a strong electric field is locally applied to the tip portions of the plurality of conical emitters during electron emission, the structure is likely to deteriorate with time and it is difficult to stably emit electrons for a long period of time. Therefore, it is difficult to obtain a stable luminance for a long time.

本発明の目的は、十分な量の電子を安定的に電界放射することが可能で容易に製造可能な電界放射素子およびその製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a field emission element that can stably radiate a sufficient amount of electrons and can be easily manufactured, and a method of manufacturing the same.

(1)第1の発明に係る電界放射素子は、基板と、基板上において所定の方向に延びる一側面を有するように形成された絶縁性の複数の壁部と、複数の壁部の一側面にそれぞれ形成されたカソード層と、基板に対向するように複数の壁部およびカソード層の上端部と間隔を隔てて配置されたアノード電極とを備えたものである。   (1) A field emission element according to a first aspect of the present invention is a substrate, a plurality of insulating wall portions formed to have one side surface extending in a predetermined direction on the substrate, and one side surface of the plurality of wall portions. And a plurality of wall portions and an anode electrode disposed at a distance from the upper end portion of the cathode layer so as to face the substrate.

本発明に係る電界放射素子においては、基板上において絶縁性の複数の壁部が所定の方向に延びる側面を有するように形成され、複数の壁部の一側面にカソード層がそれぞれ形成されている。また、基板に対向するように複数の壁部およびカソード層の上端部と間隔を隔ててアノード電極が配置されている。   In the field emission device according to the present invention, a plurality of insulating wall portions are formed on the substrate so as to have side surfaces extending in a predetermined direction, and a cathode layer is formed on one side surface of the plurality of wall portions. . In addition, an anode electrode is disposed at a distance from the plurality of wall portions and the upper end portion of the cathode layer so as to face the substrate.

アノード電極とカソード層との間に電圧が印加されると、カソード層の上端部においていわゆるエッジ効果によりその厚さに依存した電界集中が局所的に生じる。それにより、電子がカソード層の上端部で構成される線状領域から電界放射される。カソード層の上端部から電界放射された電子は、アノード電極に向かって進行する。   When a voltage is applied between the anode electrode and the cathode layer, an electric field concentration depending on the thickness locally occurs at the upper end portion of the cathode layer due to a so-called edge effect. Thereby, electrons are emitted from the linear region constituted by the upper end portion of the cathode layer. Electrons radiated from the upper end of the cathode layer travel toward the anode electrode.

この場合、カソード層が基板上において所定の方向に延びるように形成されているので、カソード層の上端部の線状領域から多量の電子を電界放射させることができる。   In this case, since the cathode layer is formed to extend in a predetermined direction on the substrate, a large amount of electrons can be emitted from the linear region at the upper end of the cathode layer.

また、一般的な成膜技術により複数の壁部の側面に均一な厚さを有するカソード層を容易に形成することができる。それにより、所定の方向に延びるカソード層の上端部の厚さを容易に一定に形成することができる。この場合、カソード層は絶縁性の壁部と堅固に結合できる。そのため、スピント型電界放射素子のような点状のエミッタとは異なり、構造上カソード層の上端部はその厚さが薄くても経時劣化しにくく、長時間の使用においても安定して電子を電界放射することができる。   In addition, a cathode layer having a uniform thickness can be easily formed on the side surfaces of the plurality of wall portions by a general film forming technique. Thereby, the thickness of the upper end portion of the cathode layer extending in a predetermined direction can be easily formed to be constant. In this case, the cathode layer can be firmly bonded to the insulating wall. Therefore, unlike point emitters such as Spindt-type field emission elements, the upper end of the cathode layer is structurally unlikely to deteriorate with time even if it is thin, and electrons can be stably applied to electric fields even during long-term use. Can radiate.

(2)複数の壁部は、基板上において所定の方向に延びる他側面をさらに有するように形成され、電界放射素子は、複数の壁部の他側面にそれぞれ形成されたゲート層をさらに備えてもよい。   (2) The plurality of wall portions are formed so as to further have other side surfaces extending in a predetermined direction on the substrate, and the field emission element further includes a gate layer formed on each of the other side surfaces of the plurality of wall portions. Also good.

この場合、ゲート層とカソード層との間に小さい電圧を印加することにより、カソード層からアノード電極への電子の量を効率良く容易に制御することができる。それより、小さな電圧変化によりカソード層から電界放射される電子の量を大きく変化させることができる。   In this case, the amount of electrons from the cathode layer to the anode electrode can be efficiently and easily controlled by applying a small voltage between the gate layer and the cathode layer. In addition, the amount of electrons emitted from the cathode layer by a small voltage change can be greatly changed.

(3)電界放射素子は、複数の壁部およびカソード層の上端部とアノード電極との間に配置された蛍光体層をさらに備えてもよい。   (3) The field emission element may further include a phosphor layer disposed between the plurality of wall portions and the upper end portion of the cathode layer and the anode electrode.

この場合、カソード層の上端部から電界放射された電子は、蛍光体層に向かって進行し、蛍光体層に衝突する。それにより、蛍光体層が発光する。すなわち、電界放射素子は、発光素子として機能する。このとき、カソード層の上端部の線状領域から多量の電子を電界放射させることができるので、輝度を向上させることができる。   In this case, the electrons emitted from the upper end of the cathode layer travel toward the phosphor layer and collide with the phosphor layer. Thereby, the phosphor layer emits light. That is, the field emission element functions as a light emitting element. At this time, since a large amount of electrons can be emitted from the linear region at the upper end of the cathode layer, the luminance can be improved.

また、カソード層が経時劣化しにくいので、長時間の使用においても安定した輝度を得ることができる。また、輝度のちらつきも抑制される。   In addition, since the cathode layer is unlikely to deteriorate with time, stable luminance can be obtained even when used for a long time. In addition, luminance flickering is also suppressed.

(4)第2の発明に係る電界放射素子の製造方法は、基板上において所定の方向に延びる一側面を有するように絶縁性の複数の壁部を形成する工程と、複数の壁部の一側面にそれぞれカソード層を形成する工程と、基板に対向するように複数の壁部およびカソード層の上端部と間隔を隔ててアノード電極を配置する工程とを備えたものである。   (4) According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a field emission element, comprising: forming a plurality of insulating wall portions so as to have one side surface extending in a predetermined direction on a substrate; The method includes a step of forming a cathode layer on each of the side surfaces and a step of disposing an anode electrode at a distance from the upper ends of the plurality of wall portions and the cathode layer so as to face the substrate.

本発明に係る電界放射素子の製造方法においては、基板上において所定の方向に延びる側面を有するように絶縁性の複数の壁部が形成され、複数の壁部の一側面にそれぞれカソード層が形成される。さらに、基板に対向するように複数の壁部およびカソード層の上端部と間隔を隔ててアノード電極が配置される。   In the method for manufacturing a field emission element according to the present invention, a plurality of insulating wall portions are formed on the substrate so as to have side surfaces extending in a predetermined direction, and a cathode layer is formed on each side surface of the plurality of wall portions. Is done. Furthermore, an anode electrode is disposed at a distance from the plurality of wall portions and the upper end portion of the cathode layer so as to face the substrate.

このようにして製造された電界放射素子において、アノード電極とカソード層との間に電圧が印加されると、カソード層の上端部においていわゆるエッジ効果によりその厚さに依存した電界集中が局所的に生じる。それにより、電子がカソード層の上端部で構成される線状領域から電界放射される。カソード層の上端部から電界放射された電子は、アノード電極に向かって進行する。   In the field emission device thus manufactured, when a voltage is applied between the anode electrode and the cathode layer, the electric field concentration depending on the thickness is locally generated at the upper end portion of the cathode layer by a so-called edge effect. Arise. Thereby, electrons are emitted from the linear region constituted by the upper end portion of the cathode layer. Electrons radiated from the upper end of the cathode layer travel toward the anode electrode.

この場合、カソード層が基板上において所定の方向に延びるように形成されているので、カソード層の上端部の線状領域から多量の電子を電界放射させることができる。   In this case, since the cathode layer is formed to extend in a predetermined direction on the substrate, a large amount of electrons can be emitted from the linear region at the upper end of the cathode layer.

また、一般的な成膜技術により複数の壁部の側面に均一な厚さを有するカソード層を容易に形成することができる。それにより、所定の方向に延びるカソード層の上端部の厚さを容易に一定に形成することができる。この場合、カソード層は絶縁性の壁部と堅固に結合できる。そのため、スピント型のような点状のエミッタとは異なり、構造上カソード層の上端部はその厚さが薄くても経時劣化しにくく、長時間の使用においても安定して電子を電界放射することができる。   In addition, a cathode layer having a uniform thickness can be easily formed on the side surfaces of the plurality of wall portions by a general film forming technique. Thereby, the thickness of the upper end portion of the cathode layer extending in a predetermined direction can be easily formed to be constant. In this case, the cathode layer can be firmly bonded to the insulating wall. Therefore, unlike point emitters such as Spindt type, the upper end of the cathode layer is structurally resistant to deterioration over time even if it is thin, and electrons are stably emitted even in long-term use. Can do.

(5)複数の壁部を形成する工程は、基板上において所定の方向に延びる他側面をさらに有するように複数の壁部を形成することを含み、電界放射素子の製造方法は、複数の壁部の他側面にそれぞれゲート層を形成する工程をさらに備えてもよい。   (5) The step of forming the plurality of wall portions includes forming the plurality of wall portions so as to further include another side surface extending in a predetermined direction on the substrate. You may further provide the process of forming a gate layer in the other side of a part, respectively.

この場合、ゲート層とカソード層との間に小さい電圧を印加することにより、カソード層からアノード電極への電子の量を効率良く容易に制御することができる。それにより、小さな電圧変化によりカソード層から電界放射される電子の量を大きく変化させることができる。   In this case, the amount of electrons from the cathode layer to the anode electrode can be efficiently and easily controlled by applying a small voltage between the gate layer and the cathode layer. Thereby, the amount of electrons emitted from the cathode layer by a small voltage change can be greatly changed.

(6)カソード層を形成する工程は、複数の壁部の一側面に対して斜め方向からカソード層の材料を堆積させる工程を含んでもよい。   (6) The step of forming the cathode layer may include a step of depositing the material of the cathode layer from an oblique direction with respect to one side surface of the plurality of wall portions.

この場合、複数の壁部の一側面に薄いカソード層を均一な厚さで制御性良くかつ再現性良く形成することができる。それにより、広い領域にわたり空間的にばらつきが少なく電子を電界放射することができるとともに、電子を十分に安定的に電界放射することが可能となる。   In this case, a thin cathode layer can be formed on one side surface of the plurality of wall portions with a uniform thickness with good controllability and reproducibility. Thereby, there is little variation in space over a wide area, and electrons can be emitted, and electrons can be emitted sufficiently stably.

(7)電界放射素子の製造方法は、複数の壁部およびカソード層の上端部とカソード層との間に配置される蛍光体層を形成する工程をさらに備えてもよい。   (7) The method of manufacturing a field emission element may further include a step of forming a plurality of wall portions and a phosphor layer disposed between the upper end portion of the cathode layer and the cathode layer.

それにより、電界放射素子からなる発光素子が製造される。この場合、カソード層の上端部から電界放射された電子は、蛍光体層に向かって進行し、蛍光体層に衝突する。それにより、蛍光体層が発光する。このとき、カソード層の上端部の線状領域から多量の電子を電界放射させることができるので、輝度を向上させることができる。   Thereby, the light emitting element which consists of a field emission element is manufactured. In this case, the electrons emitted from the upper end of the cathode layer travel toward the phosphor layer and collide with the phosphor layer. Thereby, the phosphor layer emits light. At this time, since a large amount of electrons can be emitted from the linear region at the upper end of the cathode layer, the luminance can be improved.

また、カソード層が経時劣化しにくいので、長時間の使用においても安定した輝度を得ることができる。また、輝度のちらつきも抑制される。   In addition, since the cathode layer is unlikely to deteriorate with time, stable luminance can be obtained even when used for a long time. In addition, luminance flickering is also suppressed.

本発明によれば、十分な量の電子を安定的に電界放射することが可能な電界放射素子を容易に製造することができる。   According to the present invention, a field emission element capable of stably emitting a sufficient amount of electrons in a field can be easily manufactured.

以下、本発明の実施の形態に係る電界放射素子およびその製造方法について説明する。   Hereinafter, a field emission element and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described.

(1)第1の実施の形態
(1−1)電界放射素子の構成
図1は本発明の第1の実施の形態に係る電界放射素子の模式的断面図である。また、図2は図1の電界放射素子の一部の拡大斜視図である。
(1) First Embodiment (1-1) Configuration of Field Emission Element FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a field emission element according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged perspective view of a part of the field emission element of FIG.

本実施の形態では、電界放射素子を光源または表示装置に適用する場合について説明する。   In this embodiment, the case where a field emission element is applied to a light source or a display device will be described.

図1および図2において、絶縁基板10の上面に一方向に延びる複数の絶縁性の壁部11が所定間隔ごとに平行に形成されている。絶縁基板10の材料としては、例えば珪酸ガラス、石英ガラス、サファイア等の無機材料、またはアクリル、ポリエチレン等の有機材料を含め、種々の絶縁材料を用いることができる。壁部11は、絶縁基板10と同じ材料により一体的に形成されてもよく、絶縁基板10と異なる材料により絶縁基板10上に形成されてもよい。壁部11の材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素等の種々の絶縁材料を用いることができる。   1 and 2, a plurality of insulating walls 11 extending in one direction are formed in parallel on the upper surface of the insulating substrate 10 at predetermined intervals. As a material of the insulating substrate 10, various insulating materials including inorganic materials such as silicate glass, quartz glass, and sapphire, or organic materials such as acrylic and polyethylene can be used. The wall portion 11 may be integrally formed of the same material as that of the insulating substrate 10 or may be formed on the insulating substrate 10 by a material different from that of the insulating substrate 10. As the material of the wall portion 11, various insulating materials such as silicon oxide, silicon nitride, and silicon carbide can be used.

各壁部11は、絶縁基板10の上面に垂直な両側面および絶縁基板10の上面に平行な上面を有する。壁部11の幅Wは、特に限定されないが、例えば、1μm〜100μmであり、本実施の形態では、10μm程度である。壁部11の高さHは、特に限定されないが、例えば、1nm〜100μmであり、本実施の形態では、1.5nm程度である。   Each wall portion 11 has both side surfaces perpendicular to the upper surface of the insulating substrate 10 and an upper surface parallel to the upper surface of the insulating substrate 10. Although the width W of the wall part 11 is not specifically limited, For example, they are 1 micrometer-100 micrometers, and are about 10 micrometers in this Embodiment. Although the height H of the wall part 11 is not specifically limited, For example, it is 1 nm-100 micrometers, and is about 1.5 nm in this Embodiment.

各壁部11の一方の側面から絶縁基板10の上面の一部に断面L字状のカソード層21が形成されている。各壁部11の一方の側面に断面バー状のカソード層21が形成されてもよい。また、各壁部11の他方の側面から絶縁基板10の上面の一部に断面L字状のゲート層22が形成されている。各壁部11の他方の側面に断面バー状のゲート層22が形成されてもよい。   A cathode layer 21 having an L-shaped cross section is formed on a part of the upper surface of the insulating substrate 10 from one side surface of each wall portion 11. A cathode layer 21 having a bar-shaped cross section may be formed on one side surface of each wall portion 11. In addition, a gate layer 22 having an L-shaped cross section is formed on a part of the upper surface of the insulating substrate 10 from the other side surface of each wall portion 11. A gate layer 22 having a bar-shaped cross section may be formed on the other side surface of each wall portion 11.

カソード層21およびゲート層22は、金属、金属化合物または合金等の導電性材料からなる単層膜または積層膜からなる。ゲート層22はカソード層21と同一の材料により形成されてもよく、異なる材料により形成されてもよい。また、ゲート層22はカソード層21と同一の構造を有してもよく、異なる構造を有してもよい。   The cathode layer 21 and the gate layer 22 are made of a single layer film or a laminated film made of a conductive material such as a metal, a metal compound, or an alloy. The gate layer 22 may be formed of the same material as the cathode layer 21 or may be formed of a different material. The gate layer 22 may have the same structure as the cathode layer 21 or may have a different structure.

例えば、カソード層21として、Ti(チタン)等の金属膜上に仕事関数の小さいチタン化合物等の金属化合物膜を形成した積層膜を用い、ゲート層22として、炭素膜を用いることができる。また、カソード層21として、壁部11と密着性のある金属薄膜(例えば、Ti、W等)が壁部11の表面上に形成され、仕事関数の小さい周期律表のI族またはII族の金属膜(例えばRb、Mg、Ba、Ca等)またはそれらの合金膜(酸化物を含む)が最表面に形成された積層膜を用いてもよい。また、ゲート層22として、化学的に安定な導電性材料である金属薄膜(例えばAu、Pt等)を用いてもよく、ITO(酸化インジウム錫)、InOx(酸化インジウム)、ZnO(酸化亜鉛)等の導電性酸化物膜を用いてもよい。本実施の形態では、作製工程を簡素化するために、カソード層21およびゲート層22は、同一材料で形成され、Ti膜およびTiN(窒化チタン)膜からなる積層膜である。TiN膜の代わりにTiC(炭化チタン)膜を用いてもよい。   For example, a laminated film in which a metal compound film such as a titanium compound having a small work function is formed on a metal film such as Ti (titanium) is used as the cathode layer 21, and a carbon film can be used as the gate layer 22. Further, as the cathode layer 21, a metal thin film (for example, Ti, W, etc.) having adhesiveness with the wall portion 11 is formed on the surface of the wall portion 11, and the group I or II of the periodic table having a small work function is formed. A laminated film in which a metal film (for example, Rb, Mg, Ba, Ca, etc.) or an alloy film thereof (including an oxide) is formed on the outermost surface may be used. The gate layer 22 may be a metal thin film (for example, Au, Pt) that is a chemically stable conductive material, and may be ITO (indium tin oxide), InOx (indium oxide), ZnO (zinc oxide). A conductive oxide film such as the above may be used. In the present embodiment, in order to simplify the manufacturing process, the cathode layer 21 and the gate layer 22 are formed of the same material and are a laminated film made of a Ti film and a TiN (titanium nitride) film. A TiC (titanium carbide) film may be used instead of the TiN film.

図2に示すように、カソード層21は、壁部11の一方の側面上の側面部21aおよび絶縁基板10の上面上の底面部21bからなる。同様に、ゲート層22は、壁部11の他方の側面上の側面部22aおよび絶縁基板10の上面上の底面部22bからなる。   As shown in FIG. 2, the cathode layer 21 includes a side surface portion 21 a on one side surface of the wall portion 11 and a bottom surface portion 21 b on the upper surface of the insulating substrate 10. Similarly, the gate layer 22 includes a side surface portion 22 a on the other side surface of the wall portion 11 and a bottom surface portion 22 b on the upper surface of the insulating substrate 10.

カソード層21の側面部21aの厚さtは底面部21bの厚さdよりも薄く形成されている。ゲート層22の側面部22aの厚さtは底面部22bの厚さdよりも薄く形成されている。カソード層21の側面部21aの厚さtは、1nm〜50nmであり、ゲート層22の側面部22aの厚さtは、1nm〜100nmである。本実施の形態では、厚さtおよび厚さtはともに15nm程度である。カソード層21の底面部21bの厚さdおよびゲート層22の底面部22bの厚さdは、特段の制限はないが、10nm〜500nmが好適であり、本実施の形態では、15nm程度である。 The thickness t C of the side surface portion 21a of the cathode layer 21 is formed thinner than the thickness d C of the bottom surface portion 21b. The thickness t G of the side portion 22a of the gate layer 22 is formed to be thinner than the thickness d G of the bottom portion 22b. The thickness t C of the side surface portion 21a of the cathode layer 21 is 1 nm to 50 nm, and the thickness t G of the side surface portion 22a of the gate layer 22 is 1 nm to 100 nm. In the present embodiment, the thickness t C and the thickness t G are both about 15 nm. The thickness d C of the bottom surface portion 21b of the cathode layer 21 and the thickness d G of the bottom surface portion 22b of the gate layer 22 are not particularly limited, but are preferably 10 nm to 500 nm. In the present embodiment, about 15 nm. It is.

1つの壁部11の両側面に形成されるカソード層21およびゲート層22が1組の電子放射源となる。図1に示すように、隣接する壁部11に形成されたカソード層21とゲート層22との間は互いに分離され、電気的に絶縁されている。   The cathode layer 21 and the gate layer 22 formed on both side surfaces of one wall portion 11 constitute a set of electron emission sources. As shown in FIG. 1, the cathode layer 21 and the gate layer 22 formed on the adjacent wall portions 11 are separated from each other and electrically insulated.

絶縁基板10の上方に、所定間隔を隔てて透明基板50が支持枠60を介して配置されている。透明基板50の下面には、壁部11、カソード層21およびゲート層22に対向するように蛍光体層30およびアノード層40が絶縁基板10側からこの順に設けられている。アノード層40はアノード電極として機能する。   A transparent substrate 50 is disposed above the insulating substrate 10 via a support frame 60 at a predetermined interval. On the lower surface of the transparent substrate 50, the phosphor layer 30 and the anode layer 40 are provided in this order from the insulating substrate 10 side so as to face the wall portion 11, the cathode layer 21, and the gate layer 22. The anode layer 40 functions as an anode electrode.

蛍光体層30は、複数組の電子放射源に共通に連続する1つの蛍光体層30が設けられてもよい。この場合、蛍光体層30は、単一色用の蛍光体からなる。それにより、電界放射素子は、単一色の光源または表示装置として用いられる。   The phosphor layer 30 may be provided with one phosphor layer 30 that is continuous in common with a plurality of sets of electron emission sources. In this case, the phosphor layer 30 is made of a phosphor for a single color. Thereby, the field emission element is used as a single color light source or display device.

あるいは、1組または複数組の電子放射源ごとに分離された蛍光体層30がそれぞれ設けられてもよい。この場合、蛍光体層30は、赤色用の蛍光体、緑色用の蛍光体および青色用の蛍光体からなる。それにより、電界放射素子は、カラー光源またはカラー表示装置として用いられる。   Or the fluorescent substance layer 30 isolate | separated for every one set or several sets of electron emission sources may be provided, respectively. In this case, the phosphor layer 30 is composed of a red phosphor, a green phosphor, and a blue phosphor. Thereby, the field emission element is used as a color light source or a color display device.

アノード層40は、ITO等の透明導電材料からなる。また、透明基板50は、珪酸ガラス、石英ガラス、サファイア等の種々の透明の絶縁基板からなる。   The anode layer 40 is made of a transparent conductive material such as ITO. The transparent substrate 50 is made of various transparent insulating substrates such as silicate glass, quartz glass, and sapphire.

(1−2)電界放射素子の製造方法
図3は図1および図2の電界放射素子の主としてカソード層21およびゲート層22の製造方法を示す模式的工程断面図である。
(1-2) Method for Manufacturing Field Emission Element FIG. 3 is a schematic process cross-sectional view showing a method for mainly manufacturing the cathode layer 21 and the gate layer 22 of the field emission element of FIGS. 1 and 2.

まず、図3(a)に示すように、絶縁基板10を準備し、図3(b)に示すように、フォトリソグラフィにより絶縁基板10の上面に一定間隔でフォトレジスト51をストライプ状に形成した後、エッチングにより絶縁基板10の上面に複数の壁部11を一定間隔で互いに平行に形成する。   First, as shown in FIG. 3A, an insulating substrate 10 was prepared, and as shown in FIG. 3B, photoresists 51 were formed in stripes on the upper surface of the insulating substrate 10 at regular intervals by photolithography. Thereafter, a plurality of wall portions 11 are formed on the upper surface of the insulating substrate 10 in parallel with each other at regular intervals by etching.

次に、図3(c)に示すように、フォトリソグラフィにより絶縁基板10の上面における隣接する壁部11間の中央部にフォトレジスト52をストライプ状に形成する。   Next, as shown in FIG. 3C, a photoresist 52 is formed in a stripe shape at the center between adjacent wall portions 11 on the upper surface of the insulating substrate 10 by photolithography.

その後、図3(d)に示すように、フォトレジスト51,52上、壁部11の両側面および絶縁基板10の上面を覆うように、蒸着法により電極層20を形成する。この場合、複数の壁部11の一方の側面の斜め上方および他方の側面の斜め上方から蒸着を行う。それにより、各壁部11の側面上に各壁部11の上面上および絶縁基板10の上面上に比べて薄い電極層20が形成される。   Thereafter, as shown in FIG. 3D, the electrode layer 20 is formed by vapor deposition so as to cover the photoresists 51 and 52, both side surfaces of the wall portion 11, and the upper surface of the insulating substrate 10. In this case, vapor deposition is performed obliquely above one side surface of the plurality of wall portions 11 and obliquely above the other side surface. Thereby, a thin electrode layer 20 is formed on the side surface of each wall portion 11 as compared with the upper surface of each wall portion 11 and the upper surface of insulating substrate 10.

電極層20は、金属、金属化合物または合金等の導電性材料からなる単層膜または積層膜からなる。例えば、電極層20は、金属膜と金属化合物膜とからなる積層膜である。本実施の形態では、電極層20は、チタン膜および窒化チタン膜からなる積層膜である。   The electrode layer 20 is made of a single layer film or a laminated film made of a conductive material such as a metal, a metal compound, or an alloy. For example, the electrode layer 20 is a laminated film composed of a metal film and a metal compound film. In the present embodiment, the electrode layer 20 is a laminated film made of a titanium film and a titanium nitride film.

次に、図3(e)に示すように、フォトレジスト51,52をその上の電極層20とともに除去する。それにより、リフトオフ法により各壁部11の一方の側面および絶縁基板10の上面の一部領域にカソード層21が形成され、各壁部11の他方の側面および絶縁基板10の上面の一部領域にゲート層22が形成される。   Next, as shown in FIG. 3E, the photoresists 51 and 52 are removed together with the electrode layer 20 thereon. Thereby, the cathode layer 21 is formed on one side surface of each wall portion 11 and a partial region of the upper surface of the insulating substrate 10 by a lift-off method, and the other side surface of each wall portion 11 and a partial region of the upper surface of the insulating substrate 10. Then, the gate layer 22 is formed.

(1−3)電界放射素子の動作
次に、図1および図2の電界放射素子の動作について説明する。図4は図1および図2の電界放射素子の動作原理を示す模式図である。
(1-3) Operation of Field Emission Element Next, the operation of the field emission element shown in FIGS. 1 and 2 will be described. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the operation principle of the field emission element of FIGS. 1 and 2.

図4に示すように、カソード層21およびアノード層40に可変の直流電源E1の負極および正極をそれぞれ接続する。また、カソード層21およびゲート層22に可変の直流電源E2の負極および正極をそれぞれ接続する。この場合、直流電源E1の直流電圧は直流電源E2の直流電圧よりも大きく設定される。   As shown in FIG. 4, the negative electrode and the positive electrode of the variable DC power source E1 are connected to the cathode layer 21 and the anode layer 40, respectively. Further, the negative electrode and the positive electrode of the variable DC power source E2 are connected to the cathode layer 21 and the gate layer 22, respectively. In this case, the DC voltage of the DC power supply E1 is set larger than the DC voltage of the DC power supply E2.

可変の直流電源E1によりアノード層40とカソード層21との間に直流電圧を印加すると、カソード層21の上端部近傍ではエッジ効果により電界の集中が起こり、カソード層21の上端部から電子が電界放射される。この場合、カソード層21の上端部は絶縁基板10の上面に平行な一方向に線状に延びているので、カソード層21の電界放射領域が線状となり、カソード層21の上端部から多量の電子が電界放射される。   When a DC voltage is applied between the anode layer 40 and the cathode layer 21 by the variable DC power supply E1, an electric field is concentrated near the upper end portion of the cathode layer 21 due to an edge effect, and electrons are generated from the upper end portion of the cathode layer 21. Radiated. In this case, since the upper end portion of the cathode layer 21 extends linearly in one direction parallel to the upper surface of the insulating substrate 10, the field emission region of the cathode layer 21 becomes linear, and a large amount from the upper end portion of the cathode layer 21. Electrons are emitted in the field.

カソード層21の上端部から電界放射された電子は、アノード層40とカソード層21との間の電界によりアノード層40に向かって進行する。電界放射された電子は蛍光体層30に衝突し、蛍光体層30が発光する。   Electrons radiated from the upper end of the cathode layer 21 travel toward the anode layer 40 by the electric field between the anode layer 40 and the cathode layer 21. The electrons emitted in the electric field collide with the phosphor layer 30 and the phosphor layer 30 emits light.

より具体的には、壁部11が絶縁基板10の表面に沿って十分長く、カソード層21の上端部の断面(絶縁基板100の表面に垂直な面)がdを短軸長とする長円で近似できる場合には、カソード層21の上端部で生じる最大の電界はdに反比例することが導かれる。このような固体表面近傍における電界集中は、金属のように十分な自由電子が存在し、固体内部には電界が生じない場合に限って生じる。したがって、大きな電界集中が生じるためには、カソード層21の上端部に十分な自由電子が存在する必要がある。このため、カソード層21の厚さが極端に薄い場合は期待通りの電界集中が生じない可能性がある。また、極端に薄いカソード層21は強度的にも問題が生じる。したがって、カソード層21の上端部の厚さは薄いほど大きな電界集中が期待されるが、実用的には、カソード層21の材料にも依存するが、通常1nm以上であることが望ましい。このような電界集中の効果により、カソード層21への印加電圧は低くても、カソード層21の上端部の線状領域における表面近傍の局所電界が十分強くなれば電子が電界放射される。   More specifically, the wall portion 11 is sufficiently long along the surface of the insulating substrate 10, and the cross section of the upper end portion of the cathode layer 21 (a surface perpendicular to the surface of the insulating substrate 100) is an ellipse having d as the short axis length. , The maximum electric field generated at the upper end of the cathode layer 21 is derived to be inversely proportional to d. Such electric field concentration in the vicinity of the solid surface occurs only when sufficient free electrons exist like metal and no electric field is generated inside the solid. Therefore, in order to generate a large electric field concentration, it is necessary that sufficient free electrons exist at the upper end portion of the cathode layer 21. For this reason, when the thickness of the cathode layer 21 is extremely thin, electric field concentration as expected may not occur. Further, the extremely thin cathode layer 21 causes a problem in strength. Therefore, a larger electric field concentration is expected as the thickness of the upper end portion of the cathode layer 21 is thinner. However, in practice, although it depends on the material of the cathode layer 21, it is usually desirable to be 1 nm or more. Due to the effect of such electric field concentration, even if the voltage applied to the cathode layer 21 is low, electrons are emitted as long as the local electric field in the vicinity of the surface in the linear region at the upper end of the cathode layer 21 becomes sufficiently strong.

ここで、可変の直流電源E2によりゲート層22とカソード層21との間に直流電圧を印加すると、カソード層21の上端部から電界放射された電子の一部がゲート層22に向かって進行し、残りの電子がアノード層40に向かって進行する。   Here, when a DC voltage is applied between the gate layer 22 and the cathode layer 21 by the variable DC power source E2, a part of the electrons radiated from the upper end of the cathode layer 21 proceeds toward the gate layer 22. The remaining electrons travel toward the anode layer 40.

一方、直流電源E1の電圧を0として、直流電源E2によりゲート層22とカソード層21との間に直流電圧を印加すると、同様なエッジ効果によりカソード層21の上端部から電界放射された電子はゲート層22に向かって進行する。ここで、直流電源E1によりカソード層21とアノード層40との間に直流電圧を印加すると、カソード層21の上端部から電界放射された電子の一部または大部分をアノード層40に向かわすことができる。   On the other hand, when the voltage of the DC power supply E1 is set to 0 and a DC voltage is applied between the gate layer 22 and the cathode layer 21 by the DC power supply E2, electrons emitted from the upper end of the cathode layer 21 by the same edge effect are emitted. Progress toward the gate layer 22. Here, when a DC voltage is applied between the cathode layer 21 and the anode layer 40 by the DC power supply E1, a part or most of the electrons radiated from the upper end of the cathode layer 21 are directed to the anode layer 40. Can do.

したがって、直流電源E1の直流電圧および直流電源E2の直流電圧のうち一方または両方を変化させることにより、蛍光体層30に到達する電子の量を制御することができる。それにより、電界放射素子の輝度を制御することができる。   Therefore, the amount of electrons reaching the phosphor layer 30 can be controlled by changing one or both of the DC voltage of the DC power supply E1 and the DC voltage of the DC power supply E2. Thereby, the luminance of the field emission element can be controlled.

特に、直流電源E2の直流電圧を制御することにより小さな電圧変化により電界放射素子の輝度を大きく変化させることができる。   In particular, by controlling the DC voltage of the DC power supply E2, the luminance of the field emission element can be greatly changed by a small voltage change.

なお、可変の直流電源E2の代わりに可変の交流電源を用いてもよい。それにより、カソード層21およびゲート層22と絶縁性の壁部11との界面近傍に蓄積される電荷がキャンセルされる。その結果、電界放射を高速にオンオフすることができる。この場合、カソード層21とゲート層22とは互いに鏡面対称な形状で同一な膜構造を有していることが望ましい。   Note that a variable AC power supply may be used instead of the variable DC power supply E2. As a result, charges accumulated near the interface between the cathode layer 21 and the gate layer 22 and the insulating wall portion 11 are canceled. As a result, field emission can be turned on and off at high speed. In this case, it is desirable that the cathode layer 21 and the gate layer 22 have mirror-symmetric shapes and the same film structure.

(1−4)実施の形態の電界放射素子の効果
上記のように、本実施の形態の電界放射素子においては、カソード層21の上端部が絶縁基板10の上面に平行な一方向に線状に延びているので、カソード層21の上端部である線状の電界放射領域から多量の電子を電界放射させることができる。それにより、電界放射素子の輝度を向上させることができる。したがって、高い輝度を得ることができるFEランプまたはFEDが実現される。
(1-4) Effects of the Field Emission Element of the Embodiment As described above, in the field emission element of the present embodiment, the upper end portion of the cathode layer 21 is linear in one direction parallel to the upper surface of the insulating substrate 10. Therefore, a large amount of electrons can be emitted from the linear field emission region which is the upper end portion of the cathode layer 21. Thereby, the brightness | luminance of a field emission element can be improved. Therefore, an FE lamp or FED capable of obtaining high luminance is realized.

また、蒸着法等の一般的な成膜技術により壁部11の側面に均一な厚さを有するカソード層21を容易に形成することができる。それにより、一方向に線状に延びるカソード層21の上端部の厚さtを一定に形成することができる。この場合、一定の厚さtを有するカソード層21の上端部は経時劣化しにくいため、長時間の使用においても安定した輝度を得ることができる。また、輝度のちらつきも抑制される。 Further, the cathode layer 21 having a uniform thickness can be easily formed on the side surface of the wall portion 11 by a general film forming technique such as vapor deposition. Thereby, the thickness t C of the upper end portion of the cathode layer 21 extending linearly in one direction can be formed constant. In this case, since the upper end portion of the cathode layer 21 having a constant thickness t C is unlikely to deteriorate with time, stable luminance can be obtained even when used for a long time. In addition, luminance flickering is also suppressed.

また、壁部11、カソード層21およびゲート層22を、高温の熱処理を行うことなく、通常のフォトリソグラフィおよび蒸着法等により容易に形成することができる。そのため、壁部11、カソード層21およびゲート層22の下部にTFT(薄膜トランジスタ)等の回路素子を含む種々の周辺回路を予め容易に形成することができる。したがって、アクティブマトリクス型のFED等を容易に作製することができる。   Further, the wall portion 11, the cathode layer 21, and the gate layer 22 can be easily formed by ordinary photolithography, vapor deposition, or the like without performing high-temperature heat treatment. Therefore, various peripheral circuits including circuit elements such as TFTs (thin film transistors) can be easily formed in advance under the wall portion 11, the cathode layer 21 and the gate layer 22. Therefore, an active matrix FED or the like can be easily manufactured.

(2)第2の実施の形態
図5は本発明の第2の実施の形態に係る電界放射素子の模式的断面図である。また、図6は図5の電界放射素子の一部の拡大斜視図である。
(2) Second Embodiment FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a field emission element according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is an enlarged perspective view of a part of the field emission element of FIG.

本実施の形態においても、電界放射素子を光源または表示装置に適用する場合について説明する。   Also in this embodiment, the case where the field emission element is applied to a light source or a display device will be described.

図5および図6において、絶縁基板10の上面に一方向に延びる複数の絶縁性の壁部11が所定間隔ごとに平行に形成されている。   5 and 6, a plurality of insulating walls 11 extending in one direction are formed in parallel on the upper surface of the insulating substrate 10 at predetermined intervals.

各壁部11の一方の側面から絶縁基板10の上面の一部に断面L字状のカソード層21が形成されている。各壁部11の一方の側面に断面バー状のカソード層21が形成されてもよい。   A cathode layer 21 having an L-shaped cross section is formed on a part of the upper surface of the insulating substrate 10 from one side surface of each wall portion 11. A cathode layer 21 having a bar-shaped cross section may be formed on one side surface of each wall portion 11.

1つの壁部11の一方の側面に形成されるカソード層21が1組の電子放射源となる。隣接する壁部11に形成されたカソード層21間は互いに分離され、電気的に絶縁されている。   The cathode layer 21 formed on one side surface of one wall portion 11 serves as a set of electron emission sources. The cathode layers 21 formed on the adjacent wall portions 11 are separated from each other and electrically insulated.

図5および図6の電界放射素子の他の部分の構成および各部の材料は図1および図2の電界放射素子と同様である。   The structure of other parts of the field emission element of FIGS. 5 and 6 and the material of each part are the same as those of the field emission element of FIGS. 1 and 2.

図7は図5および図6の電界放射素子の主としてカソード層21の製造方法を示す模式的工程断面図である。   FIG. 7 is a schematic process cross-sectional view mainly showing a method of manufacturing the cathode layer 21 of the field emission device of FIGS.

まず、図7(a)に示すように、絶縁基板10を準備し、図7(b)に示すように、フォトリソグラフィにより絶縁基板10の上面に一定間隔でフォトレジスト51をストライプ状に形成した後、エッチングにより絶縁基板10の上面に複数の壁部11を一定間隔で互いに平行に形成する。   First, as shown in FIG. 7A, an insulating substrate 10 is prepared, and as shown in FIG. 7B, photoresists 51 are formed in stripes on the upper surface of the insulating substrate 10 at regular intervals by photolithography. Thereafter, a plurality of wall portions 11 are formed on the upper surface of the insulating substrate 10 in parallel with each other at regular intervals by etching.

次に、図7(c)に示すように、フォトレジスト51上、壁部11の一方の側面および絶縁基板10の上面を覆うように、蒸着法により電極層20を形成する。この場合、複数の壁部11の一方の側面の斜め上方から蒸着を行う。それにより、各壁部11の一方の側面上に各壁部11の上面上および絶縁基板10の上面上に比べて薄い電極層20が形成される。   Next, as illustrated in FIG. 7C, the electrode layer 20 is formed by vapor deposition so as to cover the photoresist 51, one side surface of the wall portion 11, and the upper surface of the insulating substrate 10. In this case, vapor deposition is performed from diagonally above one side surface of the plurality of wall portions 11. Thereby, a thin electrode layer 20 is formed on one side surface of each wall portion 11 as compared with the upper surface of each wall portion 11 and the upper surface of insulating substrate 10.

次に、図7(d)に示すように、フォトレジスト51をその上の電極層20とともに除去する。それにより、リフトオフ法により各壁部11の一方の側面および絶縁基板10の上面の一部領域にカソード層21が形成される。   Next, as shown in FIG. 7D, the photoresist 51 is removed together with the electrode layer 20 thereon. Thereby, the cathode layer 21 is formed on one side surface of each wall portion 11 and a partial region of the upper surface of the insulating substrate 10 by a lift-off method.

次に、図5および図6の電界放射素子の動作について説明する。図8は図5および図6の電界放射素子の動作原理を示す模式図である。   Next, the operation of the field emission device of FIGS. 5 and 6 will be described. FIG. 8 is a schematic diagram illustrating the operation principle of the field emission element of FIGS. 5 and 6.

図8に示すように、カソード層21およびアノード層40に可変の直流電源E1の負極および正極をそれぞれ接続する。   As shown in FIG. 8, the negative electrode and the positive electrode of the variable DC power source E1 are connected to the cathode layer 21 and the anode layer 40, respectively.

可変の直流電源E1によりアノード層40とカソード層21との間に直流電圧を印加すると、カソード層21の上端部近傍ではエッジ効果により電界の集中が起こり、カソード層21の上端部から電子が電界放射される。この場合、カソード層21の上端部は絶縁基板10の上面に平行な一方向に線状に延びているので、カソード層21の電界放射領域が線状となり、多量の電子が電界放射される。   When a DC voltage is applied between the anode layer 40 and the cathode layer 21 by the variable DC power supply E1, an electric field is concentrated near the upper end portion of the cathode layer 21 due to an edge effect, and electrons are generated from the upper end portion of the cathode layer 21. Radiated. In this case, since the upper end portion of the cathode layer 21 extends linearly in one direction parallel to the upper surface of the insulating substrate 10, the field emission region of the cathode layer 21 becomes linear, and a large amount of electrons are emitted.

カソード層21の上端部から電界放射された電子は、アノード層40とカソード層21との間の電界によりアノード層40に向かって進行し、蛍光体層30に衝突する。それにより、蛍光体層30が発光する。   Electrons radiated from the upper end of the cathode layer 21 travel toward the anode layer 40 due to the electric field between the anode layer 40 and the cathode layer 21 and collide with the phosphor layer 30. Thereby, the phosphor layer 30 emits light.

この場合、直流電源E1の直流電圧を変化させることにより蛍光体層30に到達する電子の量を制御することができる。それにより、電界放射素子の輝度を制御することができる。   In this case, the amount of electrons reaching the phosphor layer 30 can be controlled by changing the DC voltage of the DC power supply E1. Thereby, the luminance of the field emission element can be controlled.

(3)カソード層からの電界放射の実験
ここで、本実施の形態の電界放射素子におけるカソード層21による電界放射を実証するために以下の実験を行った。
(3) Experiment of field emission from cathode layer Here, the following experiment was conducted to verify the field emission by the cathode layer 21 in the field emission element of the present embodiment.

図9は電界放射の実験に用いた測定回路を示す模式図である。   FIG. 9 is a schematic diagram showing a measurement circuit used in a field emission experiment.

図9に示すように、石英ガラス基板100の上面に間隔50μmを隔ててカソード層110およびゲート層120を形成した。カソード層110およびゲート層120は、厚さ15nmのTiN(窒化チタン)膜と厚さ1nmのTi(チタン)膜との積層膜である。   As shown in FIG. 9, the cathode layer 110 and the gate layer 120 were formed on the upper surface of the quartz glass substrate 100 with an interval of 50 μm. The cathode layer 110 and the gate layer 120 are a laminated film of a TiN (titanium nitride) film having a thickness of 15 nm and a Ti (titanium) film having a thickness of 1 nm.

また、石英ガラス基板100の上方に間隔10mmを隔ててAl(アルミニウム)からなるコレクタ電極130を配置した。   In addition, a collector electrode 130 made of Al (aluminum) is disposed above the quartz glass substrate 100 with an interval of 10 mm.

ゲート層120とカソード層110との間に駆動電圧Vdを印加し、コレクタ電極130とカソード層110との間にコレクタ電圧Vcを印加した。駆動電圧Vdは100Vで一定とし、コレクタ電圧Vcを0Vから260Vまで徐々に増加させ、カソード層110からコレクタ電極130への電子によるエミッション(電界放射)電流Ieおよびカソード層110からゲート層120への電子による駆動電流Idを測定した。   A drive voltage Vd was applied between the gate layer 120 and the cathode layer 110, and a collector voltage Vc was applied between the collector electrode 130 and the cathode layer 110. The drive voltage Vd is constant at 100 V, the collector voltage Vc is gradually increased from 0 V to 260 V, the emission (field emission) current Ie from the cathode layer 110 to the collector electrode 130 and the cathode layer 110 to the gate layer 120 The drive current Id due to electrons was measured.

図10はエミッション電流Ieおよび駆動電流Idの測定結果を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing measurement results of the emission current Ie and the drive current Id.

図10において、上向三角印“△”は駆動電流Id[A]を示し、下向き三角印“▽”はエミッション電流Ie[A]を示し、四角印“◇”は駆動電流Idおよびエミッション電流Ieの和[A]を示す。   In FIG. 10, the upward triangle mark “Δ” indicates the drive current Id [A], the downward triangle mark “▽” indicates the emission current Ie [A], and the square mark “◇” indicates the drive current Id and the emission current Ie. Is the sum [A].

図10の測定結果からコレクタ電圧Vcが100Vを超えると、コレクタ電圧Vcの増加に伴ってカソード層110からコレクタ電極130への電界放射によるエミッション電流Ieが増加し、電界放射されたほとんどの電子がコレクタ電極130に収集されることがわかる。   From the measurement result of FIG. 10, when the collector voltage Vc exceeds 100V, the emission current Ie due to field emission from the cathode layer 110 to the collector electrode 130 increases with the increase of the collector voltage Vc, and most of the electrons emitted in the field are It can be seen that it is collected by the collector electrode 130.

(4)他の実施の形態
上記実施の形態では、本発明に係る電界放射素子を表示装置または光源に適用する場合について説明したが、本発明に係る電界放射素子は、大気中で機能する電子源に適用することもできる。この場合、図1および図5に示した蛍光体層30は不要である。カソード層21から電界放射された電子は、アノード層40に到達する。このような電子源は、例えば食品の殺菌、陰イオン発生器等に利用することができる。
(4) Other Embodiments In the above embodiment, the field emission element according to the present invention is applied to a display device or a light source. However, the field emission element according to the present invention is an electron that functions in the atmosphere. It can also be applied to the source. In this case, the phosphor layer 30 shown in FIGS. 1 and 5 is unnecessary. Electrons radiated from the cathode layer 21 to the electric field reach the anode layer 40. Such an electron source can be used for food sterilization, anion generator, and the like.

また、上記実施の形態では、複数の壁部11が絶縁基板10の上面に一方向に延びるように平行に形成されているが、これに限定されない。例えば、複数の壁部11の水平断面が四角形の平面形状を有し、4つの側面のうち1つまたは2つの側面にカソード層21が形成され、残りの1つまたは2つの側面にゲート層22が形成されてもよい。また、複数の壁部11の水平断面が三角形の平面形状を有し、3つの側面のうち1つまたは2つの側面にカソード層21が形成され、残りの側面にゲート層22が形成されてもよい。また、複数の壁部11の水平断面が他の多角形の平面形状を有してもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the several wall part 11 is formed in parallel so that it may extend in one direction on the upper surface of the insulating substrate 10, it is not limited to this. For example, the horizontal section of the plurality of wall portions 11 has a rectangular planar shape, the cathode layer 21 is formed on one or two of the four side surfaces, and the gate layer 22 is formed on the remaining one or two side surfaces. May be formed. Further, the horizontal cross section of the plurality of wall portions 11 has a triangular planar shape, and the cathode layer 21 is formed on one or two of the three side surfaces, and the gate layer 22 is formed on the remaining side surfaces. Good. Moreover, the horizontal cross section of the some wall part 11 may have another polygonal planar shape.

さらに、複数の壁部11の水平断面が円形または楕円形の平面形状を有し、側面の一部領域にカソード層21が形成され、側面の残りの一部領域にゲート層22が形成されてもよい。   Further, the horizontal cross section of the plurality of wall portions 11 has a circular or oval planar shape, the cathode layer 21 is formed in a partial region of the side surface, and the gate layer 22 is formed in the remaining partial region of the side surface. Also good.

また、上記実施の形態では、複数の壁部11の側面が絶縁基板10の上面に垂直に形成されているが、これに限定されず、複数の壁部11の側面が絶縁基板10の上面に対して傾斜するように形成されてもよい。すなわち、複数の壁部11の垂直断面形状は矩形に限らず、台形であってもよい。   In the above embodiment, the side surfaces of the plurality of wall portions 11 are formed perpendicular to the upper surface of the insulating substrate 10, but the present invention is not limited to this, and the side surfaces of the plurality of wall portions 11 are formed on the upper surface of the insulating substrate 10. It may be formed so as to be inclined with respect to. That is, the vertical cross-sectional shape of the plurality of wall portions 11 is not limited to a rectangle, but may be a trapezoid.

本発明は、照明灯、液晶ディスプレスのバックライト等に用いられるFEランプ、フラットパネルディスプレイ等に用いられるFEDに利用することができる。また、本発明は、大気中で機能する電子源として用いれば、食品の殺菌、陰イオン発生器等に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for FEDs used for illumination lamps, FE lamps used for backlights of liquid crystal displays, flat panel displays, and the like. Moreover, if this invention is used as an electron source which functions in air | atmosphere, it can utilize for the disinfection of a foodstuff, an anion generator, etc.

図1は本発明の第1の実施の形態に係る電界放射素子の模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a field emission device according to a first embodiment of the present invention. 図2は図1の電界放射素子の一部の拡大斜視図である。FIG. 2 is an enlarged perspective view of a part of the field emission element of FIG. 図3は図1および図2の電界放射素子の主としてカソード層およびゲート層の製造方法を示す模式的工程断面図である。FIG. 3 is a schematic process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing mainly the cathode layer and the gate layer of the field emission device of FIGS. 1 and 2. 図4は図1および図2の電界放射素子の動作原理を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the operation principle of the field emission element of FIGS. 1 and 2. 図5は本発明の第2の実施の形態に係る電界放射素子の模式的断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a field emission element according to the second embodiment of the present invention. 図6は図5の電界放射素子の一部の拡大斜視図である。FIG. 6 is an enlarged perspective view of a part of the field emission element of FIG. 図7は図5および図6の電界放射素子の主としてカソード層の製造方法を示す模式的工程断面図である。FIG. 7 is a schematic process cross-sectional view mainly showing a method of manufacturing a cathode layer of the field emission device of FIGS. 図8は図5および図6の電界放射素子の動作原理を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram illustrating the operation principle of the field emission element of FIGS. 5 and 6. 図9は電界放射の実験に用いた測定回路を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing a measurement circuit used in a field emission experiment. 図10はエミッション電流および駆動電流の測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the measurement results of the emission current and the drive current.

符号の説明Explanation of symbols

10 絶縁基板
11 壁部
H 高さ
21,110 カソード層
22,120 ゲート層
21a,22a 側面部
21b,22b 底面部
t,d 厚さ
50 透明基板
60 支持枠
30 蛍光体層
40 アノード層
51,52 フォトレジスト
20 電極層
E1,E2 直流電源
100 石英ガラス基板
130 コレクタ電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Insulating substrate 11 Wall part H Height 21,110 Cathode layer 22,120 Gate layer 21a, 22a Side part 21b, 22b Bottom part t, d Thickness 50 Transparent substrate 60 Support frame 30 Phosphor layer 40 Anode layer 51, 52 Photoresist 20 Electrode layer E1, E2 DC power supply 100 Quartz glass substrate 130 Collector electrode

Claims (7)

基板と、
前記基板上において所定の方向に延びる一側面を有するように形成された絶縁性の複数の壁部と、
前記複数の壁部の一側面にそれぞれ形成されたカソード層と、
前記基板に対向するように前記複数の壁部および前記カソード層の上端部と間隔を隔てて配置された
アノード電極とを備えたことを特徴とする電界放射素子。
A substrate,
A plurality of insulating walls formed to have one side surface extending in a predetermined direction on the substrate;
A cathode layer formed on one side of each of the plurality of walls,
An electric field emission element comprising: an anode electrode disposed at a distance from the plurality of wall portions and an upper end portion of the cathode layer so as to face the substrate.
前記複数の壁部は、前記基板上において所定の方向に延びる他側面をさらに有するように形成され、
前記複数の壁部の他側面にそれぞれ形成されたゲート層をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載の電界放射素子。
The plurality of wall portions are formed to further have other side surfaces extending in a predetermined direction on the substrate,
2. The field emission device according to claim 1, further comprising gate layers respectively formed on the other side surfaces of the plurality of wall portions.
前記複数の壁部および前記カソード層の上端部と前記アノード電極との間に配置された蛍光体層をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2記載の電界放射素子。 The field emission element according to claim 1, further comprising a phosphor layer disposed between the plurality of walls and an upper end portion of the cathode layer and the anode electrode. 基板上において所定の方向に延びる一側面を有するように絶縁性の複数の壁部を形成する工程と、
前記複数の壁部の一側面にそれぞれカソード層を形成する工程と、
前記基板に対向するように前記複数の壁部および前記カソード層の上端部と間隔を隔ててアノード電極を配置する工程とを備えたことを特徴とする電界放射素子の製造方法。
Forming a plurality of insulating walls so as to have one side surface extending in a predetermined direction on the substrate;
Forming a cathode layer on one side of each of the plurality of walls,
And a step of disposing an anode electrode spaced from the plurality of wall portions and the upper end portion of the cathode layer so as to face the substrate.
前記複数の壁部を形成する工程は、前記基板上において所定の方向に延びる他側面をさらに有するように前記複数の壁部を形成することを含み、
前記複数の壁部の他側面にそれぞれゲート層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項4記載の電界放射素子の製造方法。
The step of forming the plurality of wall portions includes forming the plurality of wall portions so as to further include another side surface extending in a predetermined direction on the substrate,
The method of manufacturing a field emission element according to claim 4, further comprising forming a gate layer on each of the other side surfaces of the plurality of wall portions.
前記カソード層を形成する工程は、前記複数の壁部の一側面に対して斜め方向からカソード層の材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項4または5記載の電界放射素子の製造方法。 6. The method of manufacturing a field emission element according to claim 4, wherein the step of forming the cathode layer includes depositing a material of the cathode layer in an oblique direction with respect to one side surface of the plurality of wall portions. Method. 前記複数の壁部および前記カソード層の上端部と前記カソード層との間に配置される蛍光体層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の電界放射素子の製造方法。 7. The method according to claim 4, further comprising a step of forming a phosphor layer disposed between the plurality of wall portions and an upper end portion of the cathode layer and the cathode layer. Manufacturing method of field emission element.
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