JP4043141B2 - 電子放出源の製造方法及び電子放出源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子を放出する電子放出源の製造方法、これによって製造した電子放出源及び前記電子放出源を用いた蛍光発光型表示器に関する。
【0002】
【従来の技術】
電界の作用によって電子を放出する電界電子放出源は、熱エネルギーを利用する電子源(熱電子放出源)に比べ、省エネルギーで長寿命化が可能など、優れた点が多い。電界電子放出源の材料として、シリコン等の半導体、タングステン、モリブデン等の金属、ダイヤモンドライクカーボン(DLC;Diamond-Like Carbon)等が知られている。
【0003】
電界放出現象は、金属または半導体表面の印加電界を109V/m程度にするとトンネル効果により障壁を通過して常温でも真空中に電子放出が行われる現象である。このため、電子を放出する電子放出材料によって形成されたエミッタへ引出し電極(以下ゲート電極という)から、いかに高い電界を印加できるかがその引き出し電流を決定する。
【0004】
エミッタが鋭利な先端を持つほど、該エミッタに印加される電界強度が高くなることが知られている。このため、前記の半導体、金属の電子放出部の先端を鋭利な針状に加工することが必要となる。しかしながら、前記半導体や金属の先端を鋭利な針状に加工することは容易でなく又、大規模な装置が必要になるため極めて高価になるという問題がある。
【0005】
以上の点から、最近、カーボンナノチューブがエミッタとして注目されつつある。カーボンナノチューブはその外径が1〜数10nmと非常に小さく、形状的には電界集中が起こりやすく、低電圧で電子放出を行わせるのに十分な構造形態を持ち、その材料であるカーボンは化学的に安定、機械的にも強靱であるという特徴を持つため、エミッタとしては、理想的な材料である。
【0006】
したがって、カーボンナノチューブを含むカーボン材料をペースト化したものを、エミッタとしてカソード電極上に印刷して焼成した後、ゲート電極を形成することにより電子放出源を構成することができる。前記ペースト状のカーボンナノチューブを含むカーボン材料としては、有機高分子材料を有機溶剤に溶解した溶液に、カーボンナノチューブを含むカーボン材料を超音波等によって良く分散したものを使用することができる。また、適宜、固着用の無機系の接着剤(例えばガラス系、金属アルコキシド等)を添加する。
【0007】
また、前記電子放出源に対向して蛍光体を被着したアノード電極を設けて、これらを真空気密容器内に配設することによって蛍光発光型表示器を形成すれば、前記ゲート電極及びアノード電極を正電位に駆動することによって、前記カーボンナノチューブからの電子放出により前記蛍光体を発光させることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ゲート電極として、前記エミッタに対向するように配設したメッシュ状のゲート電極を使用することも可能であるが、前記カソード電極とゲート電極間に電圧を印加して駆動した場合に、前記ゲート電極が熱変形等を生じて前記エミッタと短絡しやすい等の問題がある。
【0009】
この問題を解決する方法として、特開平10−31954号公報に記載されているように、カソード基板に形成された凹部内にカソード電極を形成し、この上にカーボンナノチューブを含むカーボン材料のペーストを印刷した後に焼成することによってエミッタを形成し、カソード基板の凸部上にゲート電極を被着形成することにより電子放出源を形成する方法が考えられる。しかしながら、前記公報に記載された方法では、カソード基板に所定パターンの凹部を形成し、カソード電極、ゲート電極あるいはエミッタ等を形成しているため、複雑な製造工程が必要になるという問題があった。
【0010】
この問題を解決する方法として、カーボンナノチューブを含むカーボン材料のペーストをエミッタとしてカソード電極上にスクリーン印刷した後に焼成し、前記エミッタ間にリブ状ゲート電極をスクリーン印刷により形成する方法が考えられる。
しかしながら、この方法でも、リブ状ゲート電極をスクリーン印刷によって印刷する際、前記エミッタを印刷形成した後で前記リブ状ゲート電極を印刷する場合には、前記エミッタに含まれるカーボンナノチューブの配向処理やカーボン材料に突起を形成する先鋭化処理等が施されていても、スクリーン印刷用の版が前記エミッタに接触して、前記配向処理や先鋭化処理が無駄になるという問題があった。特に、エミッタをドット状に形成すると共に、リブ状ゲート電極を前記エミッタを囲み格子状に形成する場合に、かかる問題が顕著になる。
【0011】
この問題を解決するために、カーボン材料を印刷する前に前記リブ状ゲート電極を形成する方法が考えられるが、前記リブ状ゲート電極の間に前記カーボンナノチューブ材料を印刷することが困難であるという問題があった。
また、前記ゲート電極とカソード導体間の距離は短いため、前記リブ状ゲート電極を印刷する際に、前記ゲート電極とカソード導体が接触し絶縁不良が生じやすいという問題があった。
【0012】
本発明は、前記問題点に鑑み成されたもので、ゲート電極とカソード導体間の絶縁不良を抑制すると共に、容易に製造可能にすることを課題としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、絶縁基板、前記絶縁基板上に形成されたカソード導体及び前記カソード導体に電気的に接続して形成された複数のエミッタを有する第1の基板に、前記複数のエミッタから離間して前記第1の基板上にゲート電極を形成して成る電子放出源の製造方法において、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル及びナノカプセルの中の少なくとも一つを有するカーボン材料を前記エミッタとして前記カソード導体に被着する工程と、第2の基板上に前記ゲート電極及び絶縁性リブを積層する工程と、前記絶縁性リブ上又は前記第1の基板上の前記複数のエミッタ間に接着剤を塗布する工程と、前記第2の基板に積層された前記ゲート電極及び絶縁性リブを、前記接着剤を介して前記第1の基板上の前記複数のエミッタ間に転写し被着する工程とを備えて成ることを特徴とする電子放出源の製造方法が提供される。
【0014】
前記絶縁性リブ、前記接着剤及び前記第1の基板間の粘着力が、前記第2の基板と前記ゲート電極間の粘着力よりも大きくなる材料で形成される。
また、前記第1の基板を、絶縁性基板、カソード導体、及び、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル及びナノカプセルの中の少なくとも一つを有するカーボン材料によって形成されたエミッタを積層被着することにより形成するようにしてもよい。
【0015】
さらに、前記第1の基板を、絶縁性基板、カソード導体、抵抗層、及び、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル及びナノカプセルの中の少なくとも一つを有するカーボン材料によって形成されたエミッタを積層被着することにより形成するようにしてもよい。
さらにまた、前記ゲート電極を、前記絶縁性リブよりも幅広に形成することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一に記載の電子放出源の製造方法。
【0016】
本発明によれば、前述したいずれかの方法によって製造された電子放出源が提供される。
また、本発明に係る電子放出源は、絶縁基板、前記絶縁基板上に形成されたカソード導体及び前記カソード導体に電気的に接続して形成された複数のエミッタを有する第1の基板に、前記複数のエミッタから離間して前記第1の基板上にゲート電極を形成して成る電子放出源において、前記エミッタはカーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル及びナノカプセルの中の少なくとも一つを有するカーボン材料によって形成されるとともに、前記エミッタ間の前記第1の基板上に形成された絶縁性リブ及び前記絶縁性リブ上に形成された前記ゲート電極を備えて成り、前記ゲート電極は、前記絶縁性リブよりも幅広に形成されていることを特徴としている。
さらに、本発明によれば、電子放出源及び蛍光体が被着されたアノード電極を真空気密容器内に配設し、前記電子放出源から放出される電子を前記蛍光体に射突させることにより発光表示を行う蛍光発光型表示器において、前記各電子放出源として、前述のようにして製造された電子放出源を使用したことを特徴とする蛍光発光型表示器が提供される。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1乃至図10は、本発明の第1の実施形態に係る電子放出源の製造方法、前記方法によって製造された電子放出源及び前記電子放出源を使用した蛍光発光型表示器を説明するための部分側断面図である。以下、図1乃至図10を用いて、第1の実施の形態について説明する。尚、図1乃至図10において、同一部分には同一符号を付している。
【0018】
先ず、図1において、硼珪酸ガラス等の絶縁基板101上に、銀ペーストをスクリーン印刷して焼成することにより、カソード導体としてのカソード配線102を約5μm厚程度に被着形成する。
次に、図2に示すように、カソード配線102に連続するように黒鉛ペーストをスクリーン印刷して、カソード導体としてのカソード電極103を約10μm厚程度に被着形成する。
【0019】
尚、カソード電極103の上に、電子放出特性の安定化やエミッタからの過大なミッション放出によるカソード電極の破壊防止のために、抵抗体層としての抵抗体ペーストを積層してもよい。この場合、カソード電極103は薄膜でもよい。
【0020】
一方、分散媒であるイソプロパノール(IPA)に、アーク放電法によって生成されたカーボンナノチューブを含むカーボン材料を超音波により分散し、これによって得られたカーボンナノチューブを含むカーボン材料の分散溶液を、図3に示すように、基板301上にスピンコート法により塗布被着し、乾燥させることにより、約2μm厚程度のエミッタ104を形成する。
【0021】
尚、カーボンナノチューブの分散時に分散剤を添加した場合には、これを取り除くために、カーボンナノチューブを含むカーボン材料の分散溶液を基板301に塗布後、焼成する。また、塗布方法も、前記分散液の状態に応じて種々の印刷方法が採用できる。
【0022】
次に、図3の基板301を裏返しにして上下逆さにし、図2で得られた基板に載せてエミッタ104とカソード電極103とを接触させた後、基板301を取り除く。これにより、図4に示すように、複数のエミッタ104をカソード電極103上に転写する。各エミッタ104間には、凹部401が形成される。ここで、絶縁基板101、カソード導体としてのカソード配線102、カソード導体としてのカソード電極103及び電子を放出するエミッタ104は第1の基板を構成している。
尚、前述のように、カソード電極103の上に抵抗体層を積層した場合には、エミッタ104は前記抵抗体層上に被着形成され、この場合、絶縁基板101、カソード導体としてのカソード配線102、カソード導体としてのカソード電極103、前記抵抗層及びエミッタ104は第1の基板を構成する。
【0023】
このとき、カソード電極103の表面には、ペーストで濡れていない部分を有するカーボンナノューブが存在する。
したがって、図5に示すように、アルミニウムによってベタ状に形成された電界印加電極502が下部に被着された絶縁基板501を、絶縁基板101と略平行に所定距離(例えば約5mm)だけ離間させて配置し、カソード電極103に対して電界印加電極502を正電位として、電界印加電極502とカソード電極103との間に、絶縁基板101に対して略垂直な方向に所定強度(例えば約1kV/mm)の電界を印加する。
【0024】
これにより、前記電界による静電誘導でカーボンナノチューブを分極させ、ペースト状カソード電極103の液体表面上に露出しているカーボンナノチューブの端部が、絶縁基板101に対して略垂直方向に配向するような力を与える。
尚、前記のようにカーボンナノチューブを絶縁基板101に対して略垂直方向に配向するような力を与える方法としては、磁界を印加する方法を採用することも可能である。
【0025】
同時に、所定の温度での乾燥処理、例えば約150度Cの空気流をあてて乾燥処理を施し、エミッタ104をカソード電極103に固定する。このとき、製造条件によっては自然乾燥とすることもできる。
これにより、図6に示すように、エミッタ104の表面に存在する多数のカーボンナノチューブが、絶縁基板101に対して垂直方向あるいはこれに近い方向に傾斜して配向する。
【0026】
一方、図7に示すように、補強用金属板701上に転写用基板であるポリプロピレン基板702が一体形成された第2の基板を用意し、ポリプロピレン基板702上に、導電材料、例えば銀ペーストをスクリーン印刷により被着して乾燥することによって約5μm厚程度のゲート電極703を形成する。
【0027】
次に、ゲート電極703上にガラス等の絶縁材料のペーストをスクリーン印刷して約40μm厚程度の絶縁性リブ704を形成し、その上にアクリル系樹脂等の接着剤705を被着し、半乾燥状態にする。このとき、乾燥条件は、ペーストの材料等によって適宜選定することができる。また、ゲート電極703の幅よりも絶縁性リブ704の幅を狭く形成することができる。
【0028】
その後、図7で得られた基板を裏返して上下逆さにし、これを図8に示すように第1の基板に圧接させて転写する。
即ち、先ず、各ゲート電極703が各エミッタ104間の凹部401内に位置するように位置合わせを行ない、次に、ローラ801によるロール加圧によって接着剤705を絶縁基板101に圧接させる。その後、金属板701及びポリプロピレン基板702から成る転写用の第2の基板を取り除く。
【0029】
このとき、絶縁基板101と接着剤705間の粘着力は、前記第2の基板のポリプロピレン基板702とゲート電極703間の粘着力よりも大きくなるように各材料が選定されているため、図9に示すように、前記第1の基板上の複数のエミッタ104間に、ゲート電極703及び絶縁性リブ704が接着剤705を介して転写し被着される。これにより、前記第1の基板上に、リブ704及びゲート電極703によって構成されるリブ状ゲート電極が形成され、電界放出型の電子放出源が完成する。
【0030】
以上のようにして、複数のエミッタ104間にリブ状ゲート電極を容易に被着形成することが可能になると共に、前記リブ状ゲート電極とカソード導体の相対的位置合わせを精度良く行うことが可能なため、前記リブ状ゲート電極とカソード導体が絶縁不良を生じるという問題を抑制することができる。
【0031】
また、このようにして得られた電子放出源においては、エミッタ104に含まれるカーボンナノチューブが絶縁基板101に対して垂直方向あるいはこれに近い方向に傾斜して配向しているので、低電圧で高効率な電子放出を可能にすると共に、電子放出量のバラツキを抑えることが可能になる。
尚、図7において、接着剤705は絶縁性リブ704上に被着したが、絶縁基板101上の各エミッタ104間に被着するようにしてもよい。
【0032】
また、エミッタ104の材料としてカーボンナノチューブを含むカーボン材料の例をあげたが、フラーレン、ナノパーティクル又はナノカプセルを含むカーボン材料等も使用できる。即ち、エミッタ104の材料として、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル及びナノカプセルの中の少なくとも一つを有するカーボン材料を使用することが可能である。
【0033】
次に、上述した方法によって製造した電子放出源を使用して、図10に示すような蛍光発光型表示器を形成する。
即ち、図10において、蛍光発光型表示器は、硼珪酸ガラス等によって形成された背面基板としての絶縁基板101、硼珪酸ガラス等によって形成された透光性の前面基板としての絶縁基板1001および絶縁基板101、1001の周囲を封着するシールガラス1004とを有する真空気密容器を備えている。
【0034】
また、前述したように、絶縁基板101の内面上には、カソード導体としてのカソード配線102、カソード配線102に接続されたカソード導体としてのカソード電極103及びカーボンナノチューブを含むカーボン材料によって形成された複数のエミッタ104が積層配設されている。各エミッタ104間の凹部内には、接着剤705によって、第1の基板を構成する絶縁性基板101上に被着された絶縁性リブ704及び絶縁性リブ704に積層被着されたゲート電極703が被着されている。
一方、絶縁基板1001の内面上には、アノード電極1002及びアノード電極1002に被着された蛍光体1003が積層配設されている。
【0035】
尚、文字やグラフィック等を表示する形式の蛍光発光型表示器の場合には、カソード電極103、ゲート電極703及びアノード電極1002は、各々マトリクス状に形成する、あるいは、特定の電極をベタ状に形成して他の電極をマトリクス状に形成する等適宜形成する。また、大画面表示装置用の発光素子として使用する蛍光発光型表示器の場合にも、前記各電極パターンを適宜形成する。
【0036】
上記構成の蛍光発光型表示器において、カソード電極103、ゲート電極703及びアノード電極1002に駆動信号を供給することにより蛍光体が発光し、各電極の形成パターンや駆動信号に応じて、文字やグラフィックの発光表示、あるいは発光素子としての発光表示を行わせることができる。
【0037】
図11は、本発明の第2の実施形態に係る電子放出源の製造方法、前記方法によって製造された電子放出源を説明するための部分側断面図で、図1乃至図9と同一部分には同一符号を付している。
本第2の実施が第1の実施の形態と相違する点は、ゲート電極703を絶縁性リブ704よりもエミッタ104側に突出させた構造、即ち、ゲート電極703の幅を絶縁性リブ704の幅よりも広く形成している点であり、その他の構成や製造工程は同一である。
【0038】
このようにゲート電極703の幅を絶縁性リブ704の幅よりも広くして、ゲート電極703がエミッタ104側に突き出した構造とすることによって、ゲート電極703を、よりエミッタ104に近く形成することが可能になるため、電子放出効率を向上させることができる。また、ゲート電極703をカソード電極103の真上に形成することが可能になり、これにより、低電圧での電子放出効果のみならず、放出電子の広がり角度の低減等の効果がある。
【0039】
以上述べたように本実施の形態に係る電子放出源の製造方法は、絶縁基板101、絶縁基板101上に形成されたカソード導体(カソード配線102又はカソード電極103)及び前記カソード導体に電気的に接続された複数のエミッタ104を有する第1の基板に、複数のエミッタ104から離間して前記第1の基板上にゲート電極703を形成して成る電子放出源の製造方法において、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル及びナノカプセルの中の少なくとも一つを有するカーボン材料をエミッタ104として前記カソード導体に被着する工程と、第2の基板上にゲート電極703及び絶縁性リブ704を積層する工程と、絶縁性リブ704上又は前記第1の基板上の複数のエミッタ104間に接着剤705を塗布する工程と、前記第2の基板に積層されたゲート電極703及び絶縁性リブ704を、接着剤705を介して前記第1の基板上の複数のエミッタ104間の凹部401内に転写し被着する工程とを備えて成ることを特徴としている。このとき、絶縁性リブ704、接着剤705及び前記第1の基板間の粘着力は、前記第2の基板とゲート電極703間の粘着力よりも大きくなるように、ポリプロピレン基板702等の材料を選択する。
【0040】
したがって、ゲート電極703を前記カソード導体やエミッタ104に対して高精度に位置合わせを行って形成することができるため、ゲート電極703と前記カソード導体間の絶縁不良を抑制することが可能になり又、転写という簡単な方法でゲート電極703を前記第1の基板上に形成できるので、製造が容易になる。特に、エミッタ104をドット状に形成すると共に、リブ704及びゲート電極703を、エミッタ104を囲む格子状に形成する場合でも、形成位置を高精度に維持でき又容易に形成することが可能になる。
【0041】
また、ゲート電極703の幅を絶縁性リブ704の幅よりも広くして、絶縁性リブ704よりもゲート電極703がエミッタ104側に突き出した構造とすることによって、低電圧駆動が可能で電子放出効率を向上させることができると共に、放出電子の広がり角度を低減することが可能になる。
【0042】
また、上記製造方法によって、電極間の短絡が抑制されて安定した電子放出が可能な電子放出源が提供される。
さらに、電子放出源及び蛍光体1003が被着されたアノード電極1002を真空気密容器内に配設し、前記電子放出源から放出される電子を蛍光体1003に射突させることにより発光表示を行う蛍光発光型表示器において、以上のようにして製造された電子放出源を用いることにより、安定した発光表示を行うことが可能な蛍光発光型表示器を提供することが可能になる。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート電極とカソード導体間の絶縁不良が生じることなく、容易に製造することが可能になる。
これにより、安定して電子放出が可能な電子放出源を提供することが可能になる。
また、安定した発光表示を行うことが可能な蛍光発光型表示器を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【図7】本発明の第1の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【図8】本発明の第1の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【図9】本発明の第1の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【図10】本発明の第1の実施の形態に係る蛍光発光型表示器の一部切欠き側面図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態に係る電子放出源の製造方法を説明するための部分側断面図である。
【符号の説明】
101・・・真空気密容器を構成すると共に第1の基板を構成する前面基板としての絶縁基板
102・・・第1の基板を構成するカソード導体としてのカソード配線
103・・・第1の基板を構成するカソード導体としてのカソード電極
104・・・第1の基板を構成するエミッタ
301、501・・・基板
502・・・電界印加電極
701・・・第2の基板を構成する金属板
702・・・第2の基板を構成するポリプロピレン基板
703・・・ゲート電極
704・・・絶縁性リブ
705・・・接着剤
1001・・・真空気密容器を構成する背面基板としての絶縁基板
1002・・・アノード電極
1003・・・蛍光体
805・・・真空気密容器を構成するシールガラス
Claims (6)
- 絶縁基板、前記絶縁基板上に形成されたカソード導体及び前記カソード導体に電気的に接続して形成された複数のエミッタを有する第1の基板に、前記複数のエミッタから離間して前記第1の基板上にゲート電極を形成して成る電子放出源の製造方法において、
カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル及びナノカプセルの中の少なくとも一つを有するカーボン材料を前記エミッタとして前記カソード導体に被着する工程と、
第2の基板上に前記ゲート電極及び絶縁性リブを積層する工程と、
前記絶縁性リブ上又は前記第1の基板上の前記複数のエミッタ間に接着剤を塗布する工程と、
前記第2の基板に積層された前記ゲート電極及び絶縁性リブを、前記接着剤を介して前記第1の基板上の前記複数のエミッタ間に転写し被着する工程とを備えて成ることを特徴とする電子放出源の製造方法。 - 前記絶縁性リブ、前記接着剤及び前記第1の基板間の粘着力が、前記第2の基板と前記ゲート電極間の粘着力よりも大きくなる材料で形成されていることを特徴とする請求項1記載の電子放出源の製造方法。
- 前記第1の基板は、絶縁性基板、カソード導体、及び、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル及びナノカプセルの中の少なくとも一つを有するカーボン材料によって形成されたエミッタを積層被着することにより形成されることを特徴とする請求項1又は2記載の電子放出源の製造方法。
- 前記第1の基板は、絶縁性基板、カソード導体、抵抗層、及び、カーボンナノチューブ、フラーレン、ナノパーティクル及びナノカプセルの中の少なくとも一つを有するカーボン材料によって形成されたエミッタを積層被着することにより形成されることを特徴とする請求項1又は2記載の電子放出源の製造方法。
- 前記ゲート電極を前記絶縁性リブよりも幅広に形成することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一に記載の電子放出源の製造方法。
- 請求項1乃至5のいずれか一に記載の方法によって製造された電子放出源。
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